絕緣軸承孔隙率對絕緣性能影響研究

唐虎嬌

瓦房店軸承股份有限公司 遼寧瓦房店 116300

1 序言

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(jìn)行淺析。

2 國外絕緣軸承分析

2.1 外觀

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

2.2 國外絕緣軸承金相分析

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(jìn)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(jìn)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(hù)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。孔隙率為8.6%。

表1 不同位置各層厚度 （μm）

2.3 國外樣品分析結(jié)果

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。

3 對孔隙率的研究

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(jìn)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。

4 孔隙率試驗結(jié)果

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。