鐵路牽引電動機軸承絕緣涂層性能研究

張玲，馮穎，李夏，孔永剛，于琦

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

隨著鐵路多次大提速，對鐵道車輛用牽引電動機軸承提出了越來越高的要求。由磁路不平衡產(chǎn)生的軸電流，伴隨逆變驅(qū)動的脈沖狀電壓導致的漏泄電流，以及接地回路結構產(chǎn)生的流經(jīng)牽引電動機的接地電流等，都有可能導致牽引電動機軸承發(fā)生電蝕，使軸承壽命大大降低。在軸承外圈包覆絕緣材料是防止牽引電動機軸承電蝕的有效途徑[1]。

目前，牽引電動機絕緣軸承普遍采用等離子噴涂Al2O3陶瓷涂層。Al2O3具有熔點高、絕緣性能好、熱導率低、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性好等特點，是等離子噴涂中常用的氧化物陶瓷材料。采用離子噴涂技術在鋼基體上制備的陶瓷絕緣涂層致密度較高，涂層與基體結合強度高，噴涂效率高[2]。

通過等離子噴涂工藝在軸承套圈上噴涂Al2O3陶瓷絕緣涂層制備絕緣軸承，研究Al2O3粉末純度、涂層厚度、封孔工藝等對涂層絕緣性能的影響，以及涂層絕緣電阻隨溫度變化情況，為制造優(yōu)質(zhì)絕緣軸承及確定使用條件提供依據(jù)。

1 試驗

1.1 試樣及材料

采用3種不同純度的噴涂專用粉為原材料進行噴涂試驗，其粉末成分、含量見表1。基體采用6016深溝球軸承外圈，尺寸為φ111.4 mm×φ123.9 mm×20.92 mm，材料為SKF3。封孔劑的主要技術參數(shù)見表2。

表1 噴涂粉末成分及其質(zhì)量分數(shù)

表2 封孔劑主要參數(shù)

1.2 涂層制備

采用Sulzer Metco Multicoat 等離子噴涂系統(tǒng)，分別用3種Al2O3噴涂粉末在外圈上制備不同厚度的陶瓷絕緣涂層。噴涂過程中控制外圈噴涂面溫度小于120 ℃，防止外圈尺寸精度和材料性能發(fā)生變化。等離子噴涂主要工藝參數(shù)為：預熱溫度60～80 ℃，氬氣40～50 NLPM，氫氣8～15 NLPM，電流600～650 A，電壓70～80 V，功率60 kW，送粉速率30～40 g/min，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速220 r/min。

1.3 加工工藝

采用的加工工藝為：外圈磨加工→檢查→清洗→遮蔽→噴砂處理→等離子噴涂→去除遮蔽層→陶瓷涂層表面加工→封孔處理→檢查→性能試驗與評價。

1.4 試驗儀器及方法

采用TIME2812涂層厚度檢測儀檢測陶瓷涂層厚度并進行各項試驗。

絕緣電阻檢測：將外圈涂層部分用條形銅箔導電膠全部包裹后用FLUK1508絕緣電阻測試儀進行檢測，檢測時，外加電壓1 000 V DC，包裹導電膠后外圈外觀如圖1所示。

圖1 包裹導電膠后的外圈

擊穿電壓試驗：將外圈涂層部分用條形銅箔導電膠全部包裹后放在HYDY-20KV型電壓擊穿試驗儀上，施加50 Hz的交流電壓進行試驗，電壓每5 s上升200 V，直至擊穿。

沖擊試驗：按落球試驗示意圖(圖2)，將外圈放入落球試驗機中，將質(zhì)量為1 kg、尺寸為φ55 mm×75 mm的標準鋼塊從200 mm的高處落下，對軸承外徑面、外圈端面涂層部位進行沖擊試驗，目視檢查絕緣涂層有無出現(xiàn)龜裂、掉塊、起皮等缺陷。

圖2 落球試驗示意圖

安裝、拆卸試驗：將外圈壓入、壓出試驗工裝，目視檢查涂層表面有無出現(xiàn)龜裂、掉塊、起皮等缺陷。

絕緣電阻隨溫度變化試驗：將裝入工裝中的外圈放入恒溫恒濕試驗箱中，設置程序為25 ℃直接升溫到150 ℃。試驗過程中每隔10 ℃測量記錄一次絕緣電阻值。

2 結果與分析

2.1 Al2O3純度對涂層絕緣性能的影響

采用3種粉末各噴制5件試樣進行試驗，檢測結果見表 3。

表3 不同純度Al2O3陶瓷涂層擊穿電壓

由表3可知，用純度較高的1#粉末噴涂的外圈絕緣性能最好，擊穿電壓值最高。2#次之,3#的絕緣性能較低。不同純度Al2O3的雜質(zhì)含量不同，其介電常數(shù)和體積電阻率也有所不同。由于Al2O3粉末中所含雜質(zhì)(Fe2O3，Na2O，SiO2和CaO 等)均為導電體，因此，Al2O3純度越高，其介電常數(shù)越小，體積電阻率越大，絕緣性能越高。

純度較高的1#粉末在等離子噴涂過程中所需噴涂溫度較高，沉積速率較低，沉積效率也較低，粉末飛濺多，材料利用率低；2#粉末和3#粉末在等離子噴涂過程中沉積速率和沉積效率相對較高，材料利用率高，生產(chǎn)效率較高。另外，粉末純度越高，市場售價越高。因此，針對有不同絕緣性能要求和成本要求的絕緣軸承，應選擇不同的粉末材料。

2.2 涂層厚度對絕緣性能的影響

在所選用的噴涂材料、噴涂設備、噴涂工藝及封孔材料一定的前提下，涂層厚度對涂層絕緣性能起著決定性的作用。涂層厚度越大，絕緣性能越高。研究表明，隨著Al2O3涂層厚度的提高,孔隙率升高，涂層絕緣強度下降；涂層厚度越大，涂層的內(nèi)應力越大，涂層與基體的結合力下降[3]。采用2#粉末噴涂成不同涂層厚度的5個外圈，試驗檢測數(shù)據(jù)見表4。

表4 不同厚度涂層試驗檢測數(shù)據(jù)

由表4可知，涂層絕緣擊穿電壓及絕緣強度均隨涂層厚度的增加而增加；但超過一定厚度時，涂層絕緣強度降低、絕緣能力下降，涂層與基體結合力、抗沖擊能力下降。另外，在不改變牽引電動機軸承尺寸接口的情況下，從軸承結構設計方面考慮，涂層厚度增加，外圈基體的厚度就要減少，影響軸承強度。因此，綜合考慮絕緣能力、軸承結構、涂層與基體的結合力、涂層抗沖擊性能等因素的影響，在保證絕緣性能的前提下，需對涂層厚度進行合理設計，并對軸承進行設計計算。

2.3 封孔處理對涂層絕緣性能的影響

由于等離子噴涂Al2O3陶瓷涂層是由無數(shù)變形粒子相互交錯堆疊而形成的層狀堆積結構，各層間不可避免地存在一些孔隙[4]。在腐蝕、濕熱等環(huán)境下，涂層絕緣性能會失效。因此，在涂層系統(tǒng)設計時，應根據(jù)工況條件要求，選用合適的封孔劑對涂層進行封孔處理[5]。對于絕緣陶瓷涂層，封孔的作用為：1)填充絕緣陶瓷涂層中的孔隙，提高陶瓷涂層的電絕緣性能；2)對陶瓷涂層產(chǎn)生長時間的環(huán)境遮斷性；3)提高涂層與基材之間的結合力以及涂層膜間的粘結力。用2#粉末噴涂5個外圈，涂層厚度為280 μm，進行封孔處理。封孔前后絕緣電阻檢測數(shù)據(jù)見表5，由表可知，封孔后涂層絕緣電阻顯著提高。

表5 封孔前后絕緣電阻檢測結果

2.4 溫度對涂層絕緣性能的影響

采用2#粉末噴涂外圈，涂層厚度280 μm，并進行封孔處理后測試不同溫度下的絕緣電阻，變化曲線如圖3所示。由圖可知，絕緣電阻值隨著溫度的升高而降低，80 ℃之前絕緣電阻值一直是絕緣測試儀的滿量程11 000 MΩ(1 000 V DC)，超過80 ℃后，試驗外圈的絕緣電阻值隨著溫度的升高迅速降低，90 ℃時降低至2 019 MΩ，150 ℃時減小至54 MΩ。這是因為隨著溫度上升，絕緣材料的原子、分子運動加劇，原來的分子結構變得松散，帶電的離子在電場的作用下產(chǎn)生移動而傳遞電子，導致導電能力增加，絕緣材料的絕緣能力下降。雖然絕緣電阻值隨著溫度的升高而降低，但在150 ℃范圍內(nèi)，涂層基本能夠滿足絕緣電阻不小于50 MΩ的要求。

圖3 絕緣電阻隨溫度變化曲線

3 結論

1)高純Al2O3粉末絕緣性能最好，針對有不同絕緣性能要求和成本要求的產(chǎn)品，可選擇不同純度的Al2O3粉末材料。

2)涂層絕緣性能隨著涂層厚度的增加而增加，但涂層厚度超過一定范圍，涂層絕緣強度、涂層與基體結合力、抗沖擊能力會下降。在保證絕緣性能的前提下，應盡量減小涂層厚度。

3)封孔處理能顯著提高涂層絕緣性能。試驗采用的國外進口封孔劑成本較高，訂貨周期較長，絕緣陶瓷涂層專用封孔劑及封孔工藝是下一步的研究方向。

4)絕緣電阻值隨著溫度的升高而下降，超過80 ℃后，絕緣電阻值隨著溫度的升高迅速降低。在150 ℃范圍內(nèi)，涂層基本能夠滿足絕緣電阻不小于50 MΩ的要求。