絕緣軸承等離子噴涂技術(shù)及檢測(cè)

李夏, 馮穎，孔永剛

(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

在電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)中，機(jī)體、轉(zhuǎn)向架、輪軸之間有回路電流與感應(yīng)電流。在軸承旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，有電流通過(guò)軸承時(shí)，會(huì)擊穿滾動(dòng)接觸部分極薄的油膜，產(chǎn)生火花，使接觸表面產(chǎn)生局部融化損壞，發(fā)生電蝕。導(dǎo)致軸承旋轉(zhuǎn)不良，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)展成剝落，致使軸承失效。另外，滾動(dòng)面硬度下降，容易產(chǎn)生磨損，從而直接影響電動(dòng)機(jī)乃至主機(jī)的性能及壽命。所以研發(fā)與電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)配套的絕緣軸承是非常必要的。絕緣軸承通過(guò)對(duì)軸承導(dǎo)電通路進(jìn)行絕緣處理，以解決軸承的電蝕問(wèn)題。目前常見的絕緣軸承有3類[1]：(1)軸承外圈噴涂陶瓷涂層；(2)軸承外圈涂覆樹脂；(3)采用陶瓷滾動(dòng)體。下文主要研究使用等離子噴涂技術(shù)制造表面噴涂陶瓷涂層的絕緣軸承以及涂層的檢驗(yàn)方法。

1 等離子噴涂

等離子噴涂設(shè)備是由多個(gè)分立設(shè)備和裝置所組成的復(fù)雜裝備系統(tǒng)[2]。其主要構(gòu)成有：電源、控制系統(tǒng)、噴槍、冷卻系統(tǒng)、氣源供給裝置、送粉裝置、噴槍運(yùn)動(dòng)與控制設(shè)備、噴涂部件的運(yùn)動(dòng)與控制設(shè)備、通風(fēng)與排氣裝置、除塵裝置等。

等離子噴涂技術(shù)具有沉積速度快，生產(chǎn)效率高，適用范圍廣等優(yōu)勢(shì)，在各種熱噴涂方法中占主導(dǎo)地位，占熱噴涂市場(chǎng)的50%[3]。等離子噴涂是通過(guò)在陽(yáng)極和陰極之間點(diǎn)火，產(chǎn)生高頻率電弧，氣體( 如：氦、氫、氮或其混合氣體)流經(jīng)電極之間被電離，并產(chǎn)生幾厘米長(zhǎng)的等離子火焰。噴涂材料從噴槍由粉末狀注入等離子火焰，被加熱到熔融態(tài)，最后被壓縮氣體高速噴射并撞擊基材表面形成涂層。等離子弧溫度可達(dá)10 000 ℃以上，流速可達(dá)1 000 m/s以上，所制得的涂層具有質(zhì)密、孔隙率低、與基體結(jié)合力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1.1 涂層材料

等離子噴涂可以噴涂的材料極其廣泛，幾乎包括所有固態(tài)的陶瓷、金屬陶瓷、金屬間化合物、其他無(wú)機(jī)非金屬材料(如玻璃、爐渣)以及各種復(fù)合粉末等材料。幾種絕緣陶瓷材料的性能見表1。

表1 幾種絕緣陶瓷材料的性能

Al2O3陶瓷的介電常數(shù)大，體積電阻率大，介質(zhì)損耗小，耐熱沖擊強(qiáng)度大，具備電子器件應(yīng)用絕緣材料的所有良好性能[4]。此外，Al2O3涂層還具有良好的抗磨、耐熱和耐腐蝕等性能。因此，采用Al2O3作為絕緣軸承涂層材料。另外，在涂層材料中加入TiO2能夠增加涂層的韌性和內(nèi)聚強(qiáng)度，但也會(huì)使Al2O3涂層的純度降低，導(dǎo)致電絕緣性變差，所以應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品特性需求選取合適的配方。在此選取純Al2O3粉末作為噴涂材料。

噴涂粉末的粒度粗，要求功率大，則涂層沉積效率高，但氣孔率增大；粉末的粒度細(xì)，加熱迅速，熔化充分，涂層質(zhì)密，但粉末的沉積效率和結(jié)合強(qiáng)度低。由于陶瓷材料一般熔點(diǎn)高，熱導(dǎo)率小，因此噴涂材料粒度應(yīng)選用較細(xì)一些，通常合適的粒度范圍為15～45 μm，粉末粒度粗細(xì)應(yīng)各占一定比例，以提高沉積效率和涂層致密性。

1.2 工藝過(guò)程

絕緣軸承基本加工工藝為：軸承/試樣塊加工→精確測(cè)量→基體處理→打底層噴涂→陶瓷涂層噴涂→封孔處理→磨加工。

根據(jù)性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，試樣塊尺寸為：圓柱試樣Φ25 mm×40 mm，圓片試樣Φ52 mm×4 mm。圓柱試樣主要用于涂層結(jié)合力試驗(yàn)(圖1)，圓片試樣主要用于顯微硬度等試驗(yàn)。試驗(yàn)軸承采用7212角接觸球軸承(材料為GCr15)，在軸承外圈外徑面、端面和內(nèi)圈內(nèi)徑面、端面噴涂一層Al2O3涂層。涂層性能要求為：厚度0.25～0.3 mm,抗擊穿能力>1 000 V/AC，絕緣電阻>50 MΩ,涂層結(jié)合強(qiáng)度>20 MPa。采用先進(jìn)的GP-80高能等離子噴涂設(shè)備。噴涂工藝過(guò)程如下：

圖1 結(jié)合力試樣Φ25 mm×40 mm

(1)基體預(yù)處理。金屬基體的預(yù)處理包括清洗凈化、遮蔽、噴砂毛化、預(yù)熱基體。首先使用汽油等有機(jī)溶劑清洗軸承套圈，將軸承非噴涂面用膠布遮蔽；使用噴砂機(jī)采用剛玉磨料將待噴涂面毛化，使金屬基體露出新鮮的活性表面，增大噴射粒子與基體的機(jī)械嵌合；然后預(yù)熱基體以減少噴射熔滴與基體之間的溫度梯度，降低熱應(yīng)力。

(2)噴涂。根據(jù)基體的形狀和尺寸選擇夾具工裝。選用N2和H2作為等離子氣體，噴涂工作電流選為500 A(DC)，電壓74～80 kV，送粉速度3 kg/h，與等離子焰流的功率相匹配。噴涂距離約為50～100 mm，噴涂角度盡可能接近90°。在噴涂進(jìn)行過(guò)程中采用多次噴涂的方法控制基體溫度,多次測(cè)量以控制涂層厚度。

(3)噴涂后處理。噴涂涂層含有氣孔，使用環(huán)氧樹脂將涂層表面進(jìn)行刷涂封孔處理，這樣能夠填充和封閉所有開孔和通孔，提高涂層的耐蝕性、抗氧化性、電絕緣性和密封性，同時(shí)有助于防止加工過(guò)程中磨屑等污物污染涂層。圖2所示為7212角接觸球軸承完成噴涂和封孔加工后的照片。

圖2 7212角接觸球軸承套圈噴涂、封孔后的照片

2 涂層檢測(cè)

對(duì)涂層絕緣性能、強(qiáng)度、環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，建立涂層專門評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及檢測(cè)方法，是保證絕緣軸承質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。因此，制定了涂層性能的檢測(cè)方法，對(duì)試樣和試驗(yàn)軸承涂層進(jìn)行了性能檢測(cè)。

2.1 檢測(cè)方法

試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)軸承涂層性能檢測(cè)方法見表2。

表2 試驗(yàn)項(xiàng)目及涂層性能檢測(cè)方法

2.2 檢測(cè)結(jié)果

對(duì)軸承外圈和試樣進(jìn)行了部分檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表3。由表可知，涂層厚度均勻、絕緣性能良好，擊穿電壓、絕緣電阻、結(jié)合強(qiáng)度均達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)。因此，涂層所用材料和噴涂工藝是合理的。

表3 涂層性能測(cè)試結(jié)果

另外，還對(duì)軸承試樣進(jìn)行了抗熱震性和溫度交變循環(huán)試驗(yàn)?？篃嵴鹦栽囼?yàn)后，涂層在第3個(gè)循環(huán)后出現(xiàn)裂紋，第4個(gè)循環(huán)出現(xiàn)掉塊，這說(shuō)明極高溫度和低溫急速轉(zhuǎn)換的環(huán)境對(duì)涂層質(zhì)量有較大影響。溫度交變循環(huán)試驗(yàn)采取的是在-30 ℃和80 ℃之間進(jìn)行交變循環(huán)。在-30 ℃和80 ℃時(shí)保溫0.5 h,升溫和降溫時(shí)間均為1 h,每個(gè)循環(huán)時(shí)長(zhǎng)3 h。循環(huán)20次后對(duì)軸承進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：軸承表面涂層完好，且絕緣電阻無(wú)明顯變化，這說(shuō)明在-30～80 ℃的環(huán)境下絕緣軸承能夠保持其絕緣性能，能夠在此環(huán)境下正常工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

絕緣軸承涂層技術(shù)將熱噴涂技術(shù)與軸承制造技術(shù)相結(jié)合，需要考慮軸承精度、壽命和涂層質(zhì)量等多方面因素。隨著對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)的不斷試驗(yàn)，性能逐漸優(yōu)化，國(guó)產(chǎn)絕緣軸承必定會(huì)廣泛應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域。