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重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039)

在驅動電動機及發電機中，不平衡的磁場、轉軸上的剩余磁通和磁阻不均都會產生軸電流[1]。電流通過軸承時，滾動接觸部分極薄的油膜可能被擊穿，使接觸表面發生局部損壞，即電蝕現象。電蝕會造成滾道面硬度下降，使接觸面易磨損，甚至產生剝落，從而直接影響電動機乃至主機的性能及壽命。為防止軸承發生電蝕，通常采用噴涂法[2-4]在軸承套圈內(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，一部分熔融狀態和霧狀的微粒與卷入的空氣發生氧化，生成的氧化物堆積在涂層上，此外，之前已覆蓋的涂層也會被空氣部分氧化。由于噴涂微粒及其氧化物連續不斷地楔入及不規則地聚積，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，也會在涂層內產生孔隙。

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

現通過等離子噴涂法在試樣上制備涂層，對其微觀結構和孔隙率進行分析，考察孔隙率對涂層絕緣性的影響；并對涂層進行封孔處理和磨削加工，進一步考察涂層的絕緣性能。

1 涂層制備

試樣表面進行噴砂處理，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，通過調節噴涂電弧電流、電壓及噴涂距離等主參數，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行封孔處理。

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

2 結果與討論

2.1 涂層的微觀結構分析

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系。這是因為在溫度一定時，涂層電阻隨孔隙率的增大而減小[3]。另外，孔隙率增大，空氣中雜質和水分進入涂層，在外加電場作用下，涂層內部產生導電通道，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性可能是造成電容與孔隙率之間不存在固定關系的原因。

圖3 原始涂層絕緣電阻、電容與孔隙率的關系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。這是因為氧化鋁的介電常數為9～10.5，而封孔劑的介電常數均為3～4。封孔固化后，封孔劑滲入涂層中，外加電場時，封孔劑極化程度比涂層低，其吸收一定的空間電荷后會阻止電荷進一步注入[6]。

表2 封孔固化后涂層的絕緣性能數據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

對涂層進行磨削加工，并對涂層厚度、絕緣電阻、擊穿電壓進行檢測，結果見表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生影響；且擊穿強度在10 kV/mm以上，符合當前涂層工藝性能要求。

表3 磨削加工后涂層的絕緣性能數據Tab.3 Insulation performance data of coatings after grinding

3 結論

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，擊穿強度符合工藝性能要求。