風電軸承的新型表面處理技術

劉靜，徐輝，李煒

(1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；2.河北工程大學 機電學院，河北 邯鄲 056006；3. 中航鋰電(洛陽)有限公司，河南 洛陽 471009)

隨著環境和能源問題的日益嚴重，全球范圍都在大力發展可再生能源。而風能作為全球儲量巨大的一種綠色能源，受重視的程度也越來越高，到2020年全世界風能裝機容量將達到123.1萬 MW[1]。我國將逐步成為全球最大風電市場和風能設備制造中心，預計至2020年，我國將完成8萬 MW 裝機容量[1]。風電設備的大力發展必然帶動下游風電零配件廠商的長足進步。特別是風電軸承，由于不能在空中進行防腐作業，因此整機廠商對風電轉盤軸承的表面防腐質量要求非常嚴格。一般情況下，除了轉盤軸承的齒面和滾道，其他部分都需要進行防腐處理，通常的處理方法是先進行噴砂處理再熱噴涂(鍍鋅或鉻)處理。一般要求表面處理厚度達60～120 μm，國外一些企業的表面處理厚度可達到1 mm以上。

1 現用表面處理技術

轉盤軸承的表面處理技術主要有電浸鍍技術和熱噴涂技術兩種。

1.1 電浸鍍

電浸鍍技術就是將軸承放入熔點較低的鋁或鋅等熔融金屬中，從而在軸承表面形成金屬鍍層。但是電浸鍍技術需要在加工過程中對軸承滾道進行保護，同時對加工環境的要求較高，需要非常大的電鍍池進行加工，設備投資較大，國內企業較少采用此方法。

1.2 熱噴涂

熱噴涂就是利用某種熱源, 如火焰、電弧、等離子弧等將粉末狀或絲狀的金屬加熱到熔融或半熔融狀態, 然后借助焰流本身的動力或外加的高速氣流霧化，并以一定的速度噴射到經過預處理的基體表面, 與基體材料結合而形成表面覆蓋涂層的一種技術[2]。

表面涂層形成的大致過程如圖1所示，涂層材料(主要是鋁合金)經加熱熔化和加速后撞擊基體，冷卻凝固后形成涂層。涂層材料的熔化非常關鍵，一般希望所有涂層材料都完全熔化，并一直保持到撞擊基體表面之前，且不產生揮發。

圖1 熱噴涂技術原理圖[2]

熔滴撞擊基材后擴展成薄膜，撞擊時的高速度有助于熔滴的擴展，但會因為表面張力或凝固過程而停止擴展，并凝固成一種扁平的薄餅狀結構。如果顆粒有部分未熔，則未熔部分會從基板反彈出來，留下空洞或包裹在涂層中形成類似于“夾雜”的組織。如果液滴過熱，即撞擊基體時溫度過高、液滴黏度太低，會造成“噴濺”現象，即熔滴擴展后不會立刻凝固，而是邊緣變厚，趨于破裂，脫離中心液滴并收縮、凝固成許多小球狀液滴。因此未熔和過熱都是噴涂過程中應避免的現象[3]。噴涂后的表面質量如圖2所示。

圖2 涂層剖面圖

熱噴涂后的風電轉盤軸承，為了防止腐蝕介質透過涂層的孔隙到達軸承基面引起基材的腐蝕，必須對涂層進行封孔處理。用作封孔劑的材料有石臘、環氧樹脂、硅樹脂等有機材料及氧化物等無機材料, 如何選擇合適的封孔劑，要根據風電轉盤軸承所使用區域的大氣環境、溫度等因素進行考慮。

現有的軸承生產廠家采用的熱噴涂方法主要是火焰噴涂和電弧噴涂兩種。這兩種熱噴涂方法都比較成熟，但是存在一定的缺點。

火焰噴涂是利用氧與可燃氣體燃燒，把噴涂材料加熱熔化，利用噴槍噴涂在工件表面的一種處理工藝。通過壓縮氣體霧化并加速噴涂材料，隨后在基體上沉積成涂層。燃燒氣體的自由膨脹對噴涂材料加速的效果有限?；鹧鎳娡康膬瀯菰谟谠O備投資少，操作容易，但是涂層氧含量較高，孔隙較多，涂層結合強度偏低，涂層質量不高。

電弧噴涂是利用兩根焊絲之間的放電產生電弧，電弧加熱使焊絲熔化，熔化部分被壓縮氣體吹向基體而形成鍍層。電弧噴涂和火焰噴涂一樣，加工成本低，但是涂層由大小不一的扁平顆粒、未熔球形顆粒、夾雜物和孔隙組成，降低了噴涂層的表面質量。同時噴涂材料必須是導電的金屬及合金絲, 因而其應用受到了一定的限制, 但高效率使得其在噴涂Al，Zn 及不銹鋼等大面積防腐方面應用廣泛。

2 新型表面處理技術

隨著表面處理技術的發展，出現了很多新型表面處理技術，經過篩選認為下面幾種表面處理技術可以應用到風電轉盤軸承當中。

2.1 等離子弧噴涂技術

等離子弧噴涂是利用噴槍的噴嘴和電極形成等離子弧，利用等離子火焰作為熱源對噴涂材料進行加熱，等離子弧將粉末熔化并加速噴涂到軸承基體表面上形成涂層。等離子弧噴涂和火焰噴涂及電弧噴涂的對比見表1。

表1 常見熱噴涂方式比較

等離子弧噴涂基體表面厚度波動小、密度均勻、空隙率低、結合強度高、噴涂效率高、涂層中夾雜物較少，提高了涂層致密度和粘著強度。同時等離子氣體與粉末產生反應，形成特殊化合物的涂層，大大提高了表面噴涂的質量。表面處理質量大大高于火焰噴涂和電弧噴涂。等離子弧噴涂不僅大大提高了噴涂效率，而且可以進行大面積、高質量的連續噴涂。

等離子弧噴涂最早是應用到燃氣輪機、壓氣機外殼、熱軋軋輥等產品上，邯鋼還采用等離子弧噴涂技術來處理磨煤輥、泥漿泵槳葉等部件。隨著近幾年等離子弧噴涂技術的發展，整機的使用范圍都有很大的提高，因此采用等離子弧噴涂技術來進行轉盤軸承的表面處理是很有可能的。

2.2 DACROMET(鋅鉻涂層)技術

DACROMET技術又稱片狀鋅基鉻酸涂敷技術，是當今世界表面處理最新技術，其需要先將基材表面進行凈化，再對處理后的基材進行涂覆后烘烤。DACROMET涂層具有極強抗腐蝕性，比電鍍鋅高7～12倍?？梢蕴娲鸁峤冧\，熱噴鋁、鋅等工藝。DACROMET防銹機理為：鋅對基體的受控電化學保護，鉻酸的鈍化作用，鋅片、鋁片及復合鉻酸鹽涂層的機械式屏蔽作用。該技術對環境無污染，耐腐蝕性、耐磨性、防熱性、防潮性和穩定性好，結合力強。

2.3 水溶性無機硅酸鋅涂料

水溶性無機硅酸鋅涂料是采用雙組固化涂料，主要成分為無機陶瓷樹脂和鋅粉。水溶性無機陶瓷樹脂由有機硅樹脂改性而來，含有大量單分子硅酸，單分子硅酸與鋅粉發生交聯聚合反應，產生硅酸鋅網狀分子聚合物，形成堅硬陶瓷性涂層，固結在鋼鐵表面，具有極強的防腐性。該涂層具有耐海水、耐油、耐酸、耐鹽霧等特點，其性能遠遠超過一般防腐涂層以及噴鋅、噴鋁等表面處理技術。

水溶性無機硅酸鋅涂料除具有環保特性外，還具有其他一些特殊性能?，F已廣泛用于暴露在海洋大氣、高溫等各種環境中各種鋼結構的長效防腐，包括輪船、集裝箱、海洋平臺、各類海岸設施、橋梁、貯罐、塔架、管線、各類大型建筑的鋼鐵構件等。水溶性無機硅酸鋅涂料在附著力、耐侯性、耐磨性、耐熱性、耐輻射性、耐溶劑性、安全性、抗靜電性、焊接性能、自修復性等方面都具有獨特的優異性能。

3 結束語

風電能源在相當長的一段時間內將保持大規模的發展趨勢。因此，如何提高風電軸承的表面處理質量非常重要。通過分析現有表面處理技術優缺點，并對幾種適合風電轉盤軸承的表面處理新技術進行論述，希望能對風電轉盤軸承表面處理技術有所幫助，提高風電轉盤軸承的表面質量。