唐虎嬌
瓦房店軸承股份有限公司 遼寧瓦房店 116300
牽引電動機軸承對絕緣性能和力學(xué)性能都要求極高,目前國外已有成熟的絕緣涂層噴涂、磨削、密封等技術(shù)。其中,孔隙率是絕緣涂層的重要指標(biāo)之一。在相同絕緣涂層厚度下,通過降低涂層中的孔隙率,可以提高絕緣性能,但會出現(xiàn)絕緣涂層力學(xué)性能降低,出現(xiàn)不耐碰撞、易產(chǎn)生裂紋等問題[1]。為更好地研究絕緣軸承的孔隙率對絕緣性能的影響,特制備不同孔隙率產(chǎn)品進行淺析。
本文所研究軸承為國外某品牌全新絕緣軸承,型號為HNU214、6311,如圖1所示。其絕緣涂層結(jié)構(gòu)分為三層,最外層為金屬Ni基合金層,中間層為純Al2O3絕緣涂層,內(nèi)層為Al2O3+Al結(jié)合層。
圖1 國外某品牌全新絕緣軸承外觀
通過金相對兩種型號的絕緣軸承涂層厚度、微觀組織、孔隙率進行分析。由于等離子噴涂在制備絕緣涂層過程中,噴槍與基體垂直,所以在噴涂過程中外徑與端面的微觀組織相近,而倒角處的微觀組織、孔隙率與其他地方不同。取HUN214、6311試樣的外徑、倒角進行觀察,如圖2、圖3所示。
圖2 HUN214試樣
從圖2可看出,最外層采用金屬Ni基合金層包裹絕緣涂層,具有兩種優(yōu)勢:一是由于陶瓷涂層與金屬基體在硬度、熱脹系數(shù)等物理性能差異很大,在受沖擊或振動時,最外層的金屬層具有良好的韌性,可以有效地保護絕緣涂層;二是絕緣軸承的加工尺寸精度要求很高,絕緣涂層磨削難度大,而最外的金屬層與普通軸承的加工相近,可降低磨削難度,增加生產(chǎn)效率。
圖3 6311試樣
從圖2、圖3可發(fā)現(xiàn),中間純Al2O3絕緣涂層中層與層之間存在間隙或裂紋,且分層現(xiàn)象明顯。在高電壓下,絕緣涂層的缺陷位置容易出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象,且降低絕緣涂層的絕緣阻值。
裂紋的產(chǎn)生大致有兩種原因:一是涂層本身斷裂;二是制樣過程中導(dǎo)致斷裂。因此,建議制備絕緣試樣時,采用試樣鑲嵌及采用自動磨削機制樣,減少人為因素影響,從而準(zhǔn)確判斷裂紋產(chǎn)生原因。
由于具有金屬外層的絕緣涂層無法采用測厚儀檢測涂層厚度,因此現(xiàn)采用金相法測量涂層厚度,結(jié)果見表1??紫堵蕿?.6%。
表1 不同位置各層厚度 (μm)
在涂層設(shè)計上,整個涂層總厚度>1mm,涂層結(jié)合力與之成反比。絕緣涂層由每層疊加組成,單層絕緣涂層厚度為20μm左右,層與層之間分層明顯,降低了結(jié)合力。由于孔隙率高,因此絕緣阻值較低[2]。
獨特的Ni基合金包裹絕緣涂層設(shè)計,在磨削過程中有利于提高效率、精準(zhǔn)控制尺寸,且一定程度上可提高耐沖擊性。
綜合比較國外軸承的空隙率,我公司制備絕緣試樣孔隙率選擇三個范圍:試樣1為15%~20%、試樣2為8%~15%、試樣3為3%~5%。試樣的絕緣涂層厚度為0.2mm,通過微觀組織、測量電阻值、跌落試驗,以及在3000V、5000V下是否被擊穿等4個方面來判斷孔隙率對絕緣涂層性能的影響。
(1)微觀組織分析 不同的孔隙率試樣如圖4~圖6所示。
圖4 試樣1孔隙率15%~20%
圖5 試樣2孔隙率8%~15%
圖6 試樣3孔隙率3%~5%
試樣1孔隙率在15%~20%,微觀組織中可以明顯分析出組織不致密,空隙較大,有明顯的裂紋,存在被擊穿風(fēng)險。
試樣2孔隙率在8%~15%,從微觀組織中分析出,絕緣涂層有分層現(xiàn)象,對絕緣涂層性能有一定影響。
試樣3孔隙率在3%~5%,從微觀組織中分析出,絕緣涂層致密,無分層現(xiàn)象,無較大空隙,是良好的絕緣組織。
(2)測量電阻值 測量不同孔隙率試樣的電阻值,來判斷孔隙率對絕緣性能的影響,結(jié)果見表2。
表2 不同孔隙率試樣的電阻值
從表2可看出,絕緣涂層在孔隙率為3%~5%時,絕緣阻值最大,優(yōu)于其他孔隙率試樣的絕緣阻值。
(3)擊穿試驗 測量不同孔隙率在3000V、5000V電壓下是否被擊穿,以判斷孔隙率對絕緣性能的影響,見表3。
表3 測量不同孔隙率試樣擊穿試驗結(jié)果
(4)跌落試驗 制備孔隙率為3%~5%的絕緣涂層外圈,涂層厚度為0.5mm,如圖7所示。
圖7 絕緣外圈
初始絕緣電阻、電容值結(jié)果:軸承外圈在 5000V(DC)時,絕緣電阻84GΩ,電容值1.35nF。
將試驗軸承外圈分別按圖8所示A、B、C狀態(tài)從100mm的高處自由落到固定鐵板上,觀察涂層情況,然后將絕緣外圈浸入沸水中4h后,進行絕緣性能檢測。
圖8 軸承跌落試驗示意
絕緣電阻、電容值檢測結(jié)果:軸承外圈在5000V(D C)時,絕緣電阻為80GΩ,電容值為1.37nF。
從以上試驗結(jié)果分析可得出如下結(jié)論:孔隙率在3%~5%時,既保證了最優(yōu)的絕緣性能,同時也具有良好的力學(xué)性能。跌落試驗后,絕緣性能沒有明顯下降,說明沒有裂紋貫穿絕緣涂層,避免了在涂層內(nèi)部產(chǎn)生“分層”“裂紋”等現(xiàn)象,從而使絕緣軸承可長期保持優(yōu)良的絕緣性能。