孔隙率對(duì)Al2O3陶瓷涂層絕緣軸承絕緣性能的影響

張玲，馮穎，馬越

(1.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 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(yáng) 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(yáng) 471039)

電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)以及相關(guān)設(shè)備中的軸電流會(huì)損壞鋼質(zhì)軸承的滾道，降低潤(rùn)滑劑的性能，從而導(dǎo)致軸承失效。通過(guò)軸承座或軸絕緣的方法不但成本較高且效果不佳，較好的解決方案是采用絕緣軸承。與其他用于防止軸電流破壞的方法相比，絕緣軸承具有與標(biāo)準(zhǔn)軸承相同的外形尺寸，無(wú)需特殊安裝程序或?qū)υO(shè)備更改等優(yōu)勢(shì)。

由于等離子噴涂Al2O3陶瓷涂層具有厚度可控、復(fù)合性能好、對(duì)基體影響小、化學(xué)性能穩(wěn)定、絕緣性能高、耐高溫等特點(diǎn)，目前機(jī)車牽引電動(dòng)機(jī)、軟包軸箱、風(fēng)電電動(dòng)機(jī)和特種電動(dòng)機(jī)等普遍采用等離子噴涂Al2O3陶瓷涂層絕緣軸承。由于等離子噴涂工藝和Al2O3材料自身特點(diǎn)，等離子噴涂的涂層具有較高孔隙率[1-3]。

現(xiàn)采用等離子噴涂技術(shù)在軸承套圈上噴涂Al2O3陶瓷絕緣涂層，分析涂層微觀結(jié)構(gòu)和孔隙率，探討涂層形成過(guò)程及孔隙形成機(jī)制，研究孔隙率對(duì)軸承絕緣性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 涂層制備

采用Sulzer Metco Multicoat 等離子噴涂系統(tǒng)，在NU210圓柱滾子軸承外圈上制備陶瓷絕緣涂層。粉末采用純度為99.5%的Al2O3噴涂專用粉末，外圈尺寸為φ78 mm×φ90 mm×20 mm，材料為SKF3。

外圈在噴涂前先用汽油清洗，去除防銹油，用膠帶對(duì)非噴涂部位進(jìn)行遮蔽，對(duì)噴涂面進(jìn)行噴砂處理及等離子噴涂。在80 ℃基體預(yù)熱溫度、38 g/min送粉速率和220 r/min轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速的條件下，通過(guò)調(diào)整等離子噴涂主(氬氣)次(氫氣)氣流量、電弧電流、電弧電壓及噴涂距離等主要參數(shù)，制備6種不同孔隙率的陶瓷涂層試樣。不同噴涂工藝的主要參數(shù)在以下范圍內(nèi)調(diào)整: 氬氣35～65 NLPM；氫氣6～20 NLPM；電弧電流550～650 A；電弧電壓65～85 V；噴涂距離100～150 mm。為便于分析比較，涂層厚度均控制在0.55 mm左右。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用JSM-6380LV掃描電子顯微鏡和LSM700激光共聚焦掃描顯微鏡觀察涂層形貌和孔隙，并利用圖像處理軟件計(jì)算涂層孔隙率；采用TIME2812涂層厚度檢測(cè)儀檢測(cè)陶瓷涂層厚度；采用HYDY-20 kV型電壓擊穿試驗(yàn)儀測(cè)試擊穿電壓。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層微觀結(jié)構(gòu)分析

Al2O3陶瓷涂層表面形貌如圖1所示。由圖可知，Al2O3陶瓷涂層中存在孔洞、裂縫和顆粒等缺陷，缺陷中孔洞占比較大。

圖1 Al2O3 涂層表面形貌Fig.1 Surface morphology of Al2O3 coating

2.2 涂層孔隙率檢測(cè)

6種Al2O3陶瓷涂層的截面形貌如圖2所示。由圖可知，等離子噴涂Al2O3陶瓷涂層結(jié)構(gòu)中均存在一定數(shù)量的孔隙，其形狀不規(guī)則，分布也沒(méi)有規(guī)律，個(gè)別孔隙較深、較大。不同噴涂工藝涂層孔隙率差異較大,但均在1%～8%之間。研究認(rèn)為影響孔隙率的主要工藝參數(shù)有電流、電壓、功率、送粉速率及轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速。

圖2 陶瓷涂層截面形貌及孔隙率(100×)Fig．2 Cross-sectional morphology and porosity of ceramic coating

2.3 涂層形成過(guò)程和孔隙形成機(jī)制分析

等離子噴涂是利用等離子噴槍產(chǎn)生高溫離子弧,將噴涂粉末材料快速加熱熔化或至少軟化，并將其高速噴射到基體表面形成涂層。在涂層形成過(guò)程中，熔化的熔滴經(jīng)過(guò)高速撞擊，在基體上快速冷卻凝固形成扁平粒子，大量的扁平粒子不斷沉積疊加，從而形成等離子噴涂層，形成過(guò)程如圖3所示。熔滴小顆粒在表面形成第1層涂層，隨后第2個(gè)液滴撞擊，形成薄片并覆蓋第1次涂層形成新涂層，以此類推。

圖3 等離子噴涂涂層形成過(guò)程Fig.3 Formation process of coating by plasma spraying

由涂層的形成過(guò)程可知，陶瓷涂層是由無(wú)數(shù)變形粒子相互交錯(cuò)堆疊而形成的層狀堆積結(jié)構(gòu)，因此，變形粒子間的不完全重疊 、氣體未完全逸出和變形粒子凝固收縮[4]等原因都會(huì)導(dǎo)致涂層中不可避免地存在孔隙[5]。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)孔隙的數(shù)量及大小與噴涂過(guò)程中采用的工藝參數(shù)有關(guān)。

此外，制備的涂層表層組織相對(duì)疏松，孔隙較多；底部組織相對(duì)較致密，孔隙較少。這是由于涂層在沉積堆疊過(guò)程中，在熔滴的連續(xù)沖擊夯實(shí)作用下逐漸致密化，最后沉積的熔滴受到的沖擊夯實(shí)較少。

2.4 孔隙率對(duì)陶瓷涂層絕緣性能的影響

電介質(zhì)的介電擊穿是絕緣材料的主要失效形式。不同孔隙率涂層擊穿電壓檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。由表可知，在涂層材料、厚度相同的情況下，不同噴涂工藝參數(shù)下制得的涂層孔隙率不同，絕緣性能不同，且涂層孔隙率越小，其擊穿電壓越大，絕緣性能越好。

表1 擊穿電壓檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Test results of breakdown voltage

由于涂層中存在孔洞缺陷，涂層在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生電荷運(yùn)動(dòng)，電荷主要向孔隙處匯聚，導(dǎo)致局部電壓升高形成局部擊穿。同時(shí)，擊穿過(guò)程中電能轉(zhuǎn)換為熱能，使涂層局部溫度升高，從而破壞Al2O3結(jié)構(gòu)，孔隙沿電場(chǎng)方向擴(kuò)展，為進(jìn)一步擊穿提供路徑。隨著局部擊穿范圍的擴(kuò)大，涂層內(nèi)積累熱能和裂紋，使涂層內(nèi)結(jié)構(gòu)迅速崩潰，形成完全擊穿。因此，孔洞是電擊穿的源點(diǎn)及主要部位，孔隙對(duì)絕緣涂層的絕緣性能影響極大。

3 結(jié)束語(yǔ)

1)等離子噴涂Al2O3陶瓷涂層存在孔隙，孔隙率對(duì)涂層絕緣性能影響較大，在陶瓷涂層絕緣軸承生產(chǎn)中應(yīng)將孔隙率納入重要質(zhì)量控制指標(biāo)。

2)對(duì)于絕緣軸承，降低涂層孔隙率是提高軸承絕緣性能的主要研究方向之一。降低涂層孔隙率的主要方法有：改進(jìn)和優(yōu)化噴涂工藝、對(duì)噴涂層進(jìn)行封孔處理及采用激光熱擴(kuò)散重熔表面改性技術(shù)等。