孔隙對陶瓷涂層絕緣性能的影響及處理

劉麗斌，馬越，于琦，李夏

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)中，不平衡的磁場、轉(zhuǎn)軸上的剩余磁通和磁阻不均都會(huì)產(chǎn)生軸電流[1]。電流通過軸承時(shí)，滾動(dòng)接觸部分極薄的油膜可能被擊穿，使接觸表面發(fā)生局部損壞，即電蝕現(xiàn)象。電蝕會(huì)造成滾道面硬度下降，使接觸面易磨損，甚至產(chǎn)生剝落，從而直接影響電動(dòng)機(jī)乃至主機(jī)的性能及壽命。為防止軸承發(fā)生電蝕，通常采用噴涂法[2-4]在軸承套圈內(nèi)(外)表面及端面制備一種高絕緣性的陶瓷涂層。

在噴涂過程中，一部分熔融狀態(tài)和霧狀的微粒與卷入的空氣發(fā)生氧化，生成的氧化物堆積在涂層上，此外，之前已覆蓋的涂層也會(huì)被空氣部分氧化。由于噴涂微粒及其氧化物連續(xù)不斷地楔入及不規(guī)則地聚積，使得涂層與基體之間夾雜著氧化物,以及由其他雜質(zhì)熔融和氧化膜局部破裂造成的缺陷。另外，涂層邊界上的噴涂微粒與基體表面粘和不緊密，存在空穴，也會(huì)在涂層內(nèi)產(chǎn)生孔隙。

孔隙會(huì)降低涂層的絕緣性能，甚至使涂層失效[5]。因此，在涂層的后續(xù)加工中，需對其進(jìn)行封孔處理，填充或消除孔隙，提高涂層絕緣性能。

現(xiàn)通過等離子噴涂法在試樣上制備涂層，對其微觀結(jié)構(gòu)和孔隙率進(jìn)行分析，考察孔隙率對涂層絕緣性的影響；并對涂層進(jìn)行封孔處理和磨削加工，進(jìn)一步考察涂層的絕緣性能。

1 涂層制備

試樣表面進(jìn)行噴砂處理，采用99.5%的高純氧化鋁陶瓷涂層粉末，用Sulzer Metco 9M等離子噴涂加工中心在GCr15試樣(尺寸為25 mm×25 mm×3 mm)上制備陶瓷絕緣涂層。去除防銹油,在送粉率30～40 g/min、主氣流量50～60 L/min、輔氣流量10～20 L/min下，通過調(diào)節(jié)噴涂電弧電流、電壓及噴涂距離等主參數(shù)，制備6種孔隙率的涂層試樣。為了保證涂層的絕緣性能，選用樹脂類封孔劑，采用真空浸滲法對試樣進(jìn)行封孔處理。

采用TIME2812覆層測厚儀對涂層厚度進(jìn)行測量；采用FLUKE1508絕緣測試儀對涂層絕緣電阻進(jìn)行測量；采用U1732C手持式LCR儀表對涂層靜電容進(jìn)行測量；采用LSM700激光共聚焦掃描顯微鏡對涂層微觀組織進(jìn)行觀察，并計(jì)算其孔隙率。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的微觀結(jié)構(gòu)分析

試樣涂層如圖1所示，涂層表面均勻，無龜裂、剝落等缺陷。

圖1 原始涂層試樣Fig.1 Original coating sample

試樣涂層斷面的顯微形貌如圖2所示，涂層厚度及其孔隙率見表1。由圖2可知，孔隙大小和分布的均勻程度存在隨機(jī)性，隨著涂層孔隙率的增大，其致密度降低，試樣1涂層最致密；試樣5涂層的孔隙率大于試樣4，但試樣4涂層的孔隙尺寸較大；試樣3涂層的孔隙分布較為集中。

圖2 試樣涂層斷面顯微形貌Fig.2 Cross-sectional microstructures of sample coatings

表1 試樣涂層的厚度及其孔隙率Tab.1 Thicknesses and porosities of sample coatings

2.2 涂層電性能分析

原始涂層的絕緣電阻、電容與孔隙率的關(guān)系如圖3所示。由圖可知，涂層孔隙率越小，絕緣電阻越大；而涂層的電容與孔隙率無明顯關(guān)系。這是因?yàn)樵跍囟纫欢〞r(shí)，涂層電阻隨孔隙率的增大而減小[3]。另外，孔隙率增大，空氣中雜質(zhì)和水分進(jìn)入涂層，在外加電場作用下，涂層內(nèi)部產(chǎn)生導(dǎo)電通道，使涂層的絕緣性能降低[4]。孔隙大小和分布均勻程度的隨機(jī)性可能是造成電容與孔隙率之間不存在固定關(guān)系的原因。

圖3 原始涂層絕緣電阻、電容與孔隙率的關(guān)系Fig.3 Relationship between insulation resistance, capacitance and porosity of original coating

2.3 封孔固化對涂層電性能的影響

檢測封孔固化后試樣的涂層厚度、絕緣電阻、電容，結(jié)果見表2。對比表2和圖3可知，通過封孔固化處理后，涂層的電阻大幅度提升，絕緣性能提高，但封孔固化后的電容值有所減小。這是因?yàn)檠趸X的介電常數(shù)為9～10.5，而封孔劑的介電常數(shù)均為3～4。封孔固化后，封孔劑滲入涂層中，外加電場時(shí)，封孔劑極化程度比涂層低，其吸收一定的空間電荷后會(huì)阻止電荷進(jìn)一步注入[6]。

表2 封孔固化后涂層的絕緣性能數(shù)據(jù)Tab.2 Insulation performance data of coatings after hole sealing solidification

2.4 磨削加工對涂層電性能的影響

對涂層進(jìn)行磨削加工，并對涂層厚度、絕緣電阻、擊穿電壓進(jìn)行檢測，結(jié)果見表3。由表可知，試樣的絕緣電阻值仍大于11 000 MΩ，說明磨削加工未對封孔效果產(chǎn)生影響；且擊穿強(qiáng)度在10 kV/mm以上，符合當(dāng)前涂層工藝性能要求。

表3 磨削加工后涂層的絕緣性能數(shù)據(jù)Tab.3 Insulation performance data of coatings after grinding

3 結(jié)論

1)噴涂氧化鋁涂層的絕緣電阻隨孔隙率的減小而增大；但涂層的電容與孔隙率無明顯關(guān)系。

2)封孔固化處理后，涂層的絕緣電阻值均大于11 000 MΩ，絕緣性能得到極大提升，電容值有所減小。

3)磨削加工對封孔效果沒有影響，擊穿強(qiáng)度符合工藝性能要求。