超景深显微镜应用 | 铜镍锡合金干滑动磨损行为研究

铜镍锡合金是新型环保弹性铜合金，具高稳定性、强韧性和抗腐蚀性，广泛用于航空航天、轨道交通等领域的重载轴承部件。但在无润滑或润滑不足的高速重载工况下，易发生磨损、黏着、疲劳剥落等失效。光子湾科技专注于高端光学精密测量技术，其超景深显微镜等设备可为材料磨损三维轮廓分析提供精准支持。本文通过改变载荷与转速，结合超景深显微镜等设备分析其磨损三维形貌与机制，为其在高端制造领域的应用提供参考。

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试验材料及制备

铜镍锡合金元素质量分数

铜镍锡合金材料的力学性能

试验材料为铜镍锡合金，其化学成分含Cu、Ni（5.45%~6.72%）、Sn（5.38%~6.51%）等元素，力学性能表现为抗拉强度 865MPa、布氏硬度 269HB。对摩材料为 12CrNi3A，经渗碳处理后加工成盘试样，表面粗糙度≤0.4μm；铜镍锡合金加工成销试样。

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试验参数及流程

采用CEF-I 型销 - 盘式磨损试验机，在室温下进行干滑动试验，载荷设为25N、50N、75N、100N，转速设为200r/min、275r/min、350r/min。通过电子天平称量磨损前后质量，利用超景深显微镜、扫描电镜及能谱仪分析磨损表面形貌与成分。

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试验结果与分析

超景深显微镜观测不同载荷下铜镍锡合金的三维轮廓(350 r/min)

(a)25 N;(b)50N;(e)75 N;(d)100N.

01摩擦因数

载荷影响：转速一定时，平均摩擦因数随载荷增大呈波动下降趋势。25N 时摩擦因数最高（表面粗糙峰直接接触），275r/min 时摩擦因数随载荷增加持续减小（磨屑动态平衡形成类滚动磨损）。

转速影响：载荷一定时，摩擦因数随转速升高先增后减，275r/min 时达最大值。低转速时微凸体啮合导致摩擦力增大，高转速时表面硬化与机械混合层形成使摩擦因数下降。

02磨损量

载荷影响：磨损量随载荷增大总体递增，75N 后急剧增加，100N 时磨损量超其他载荷 40%。50~75N 时因机械混合层形成，磨损量短暂稳定。

转速影响：磨损量随转速升高先减后增，高转速下抗磨性能更稳定，表明材料在高转速下磨损控制效果更佳。

03磨损机制

载荷影响（350r/min）：25N 时为轻微磨粒磨损（表面犁沟与塑性变形）；50N 时出现剥层与轻微黏着磨损；75N 时以剥层磨损为主，伴随熔融与黏着剥落；100N 时为严重黏着磨损与疲劳磨损（不规则黏着坑）。

转速影响（75N）：200r/min 时为磨粒磨损；275r/min 时转变为黏着磨损（表面黏着点与磨斑）；350r/min 时以剥层磨损为主，伴随三体磨粒磨损。

04摩擦层作用

摩擦过程中形成的机械混合层（摩擦层）对磨损起重要调控作用。低载荷高转速下，摩擦层稳定性良好，可减少磨粒磨损与黏着；超过临界载荷或转速后，摩擦层破裂脱落，加剧磨损。

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结论

载荷与转速显著影响铜镍锡合金摩擦性能：

转速一定时，摩擦因数随载荷波动下降，磨损量在高载荷下骤增；

载荷一定时，摩擦因数随转速先增后减，磨损量呈先减后增趋势。

磨损机制随工况变化：

载荷升高时，从轻微黏着/ 剥层磨损过渡到严重黏着 / 疲劳磨损；转速升高时，从磨粒磨损转为黏着磨损，最终变为剥层磨损。

铜镍锡合金适用于高转速、低载荷的干摩擦工况，其磨损性能稳定性在该条件下最优。

光子湾科技凭借高端光学测量技术，可为铜镍锡合金材料磨损行为研究提供精准的三维形貌与表面粗糙度分析支持，助力航空航天、高端制造等领域的材料性能优化与应用拓展。通过超景深显微镜的深度应用，可进一步揭示材料磨损机制，为新型合金的研发与工程实践提供科学依据。

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光子湾超景深显微镜

光子湾超景深显微镜用于对各种精密器件及材料表面进行亚微米级三维轮廓测量的检测仪器。与传统的光学显微镜不同，该设备拥有更大的景深、更广的视野、更高的放大倍率、更全的观测角度，足以应对各种极具挑战的观测场景。

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