磨損是一種常見的表面失效現(xiàn)象，磨損表面形貌直接反應(yīng)設(shè)備材料的磨損，疲勞和腐蝕等特征。

相互接觸的零件原始表面形貌可以通過相對運(yùn)動(dòng)阻力的變化而影響磨損，磨損導(dǎo)致的表面形貌變化又將影響到隨后磨損階段，此外，磨損表面形態(tài)是摩擦全過程的直接記錄。因此磨損的表面形貌是判定磨損機(jī)制最直接，最主要的判斷依據(jù)。

激光共聚焦顯微鏡同時(shí)具備磨損形貌觀察以及數(shù)字化描述的功能，能方便準(zhǔn)確地對磨損表面形貌進(jìn)行深入研究。粗糙度是數(shù)字化描述磨損表面形貌常用的參數(shù)，常用的粗糙度評定參數(shù)有輪廓算數(shù)平均偏差Ra, 微觀不平度十點(diǎn)高度Rz, 以及均方根粗糙度Rq等。

本文采用Nanoscope Systems的NS3500 激光共聚焦顯微鏡對磨損表面粗糙度特征進(jìn)行精確描述。在此基礎(chǔ)上對同一批的磨損樣品進(jìn)行檢測。

韓國Nanoscope Systems NS3500是專門為低維材料研究所研發(fā)的一款高精度激光共聚焦顯微鏡。

采用405nm 紫羅蘭激光作為光源，針孔共焦成像技術(shù)，PMT只接收焦點(diǎn)處的圖像信號，非焦點(diǎn)的信號將會被全部隔絕，因此可以極大地提高圖像的清晰度。NS3500采用類似于連續(xù)斷層掃描的方法，在移動(dòng)Z軸的同時(shí)獲得一張張二維的光學(xué)切片，將這些圖像存入一個(gè)圖像堆棧中，按照掃描順序排序，然后用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)來形成一個(gè)最大最亮的三維高度編碼圖像，這個(gè)三維高度編碼圖像包含表面形貌的三維高度信息。

得到精確的三維形貌及高度數(shù)據(jù)后，即可用計(jì)算機(jī)輔助圖像分析技術(shù)來計(jì)算磨損表面的粗糙度參數(shù)

由于磨損試樣的表面粗糙度值范圍很廣，常見的在0.1-5um 范圍內(nèi)。考慮到不同物鏡的工作距離及分辨率對應(yīng)的粗糙度值測量精度有一定的范圍誤差。

NS3500 在磨損表面粗糙度表征方面的應(yīng)用案例

軸承滾珠表面的磨損部分粗糙度

由于不同物鏡的工作距離及分辨率不同，因此采用50X倍率的物鏡可以得到更高精度的粗糙度值。

結(jié)論：

通過調(diào)節(jié)激光共聚焦顯微鏡的測量以及過濾參數(shù)，能夠?qū)δp表面的三維形貌特征進(jìn)行精確的數(shù)字化描述。與傳統(tǒng)的探針輪廓儀相比，NS3500 進(jìn)行表面粗糙度檢測的時(shí)候不需要接觸樣品的表面，而且隨著現(xiàn)代加工技術(shù)的進(jìn)步，樣品表面的粗糙度也已經(jīng)進(jìn)入納米時(shí)代，因而3D激光共聚焦顯微鏡在測量樣品表面粗糙度必將成為未來的主流方向。