唐虎娇

瓦房店轴承股份有限公司 辽宁瓦房店 116300

1 序言

牵引电动机轴承对绝缘性能和力学性能都要求极高，目前国外已有成熟的绝缘涂层喷涂、磨削、密封等技术。其中，孔隙率是绝缘涂层的重要指标之一。在相同绝缘涂层厚度下，通过降低涂层中的孔隙率，可以提高绝缘性能，但会出现绝缘涂层力学性能降低，出现不耐碰撞、易产生裂纹等问题[1]。为更好地研究绝缘轴承的孔隙率对绝缘性能的影响，特制备不同孔隙率产品进行浅析。

2 国外绝缘轴承分析

2.1 外观

本文所研究轴承为国外某品牌全新绝缘轴承，型号为HNU214、6311，如图1所示。其绝缘涂层结构分为三层，最外层为金属Ni基合金层，中间层为纯Al2O3绝缘涂层，内层为Al2O3＋Al结合层。

图1 国外某品牌全新绝缘轴承外观

2.2 国外绝缘轴承金相分析

通过金相对两种型号的绝缘轴承涂层厚度、微观组织、孔隙率进行分析。由于等离子喷涂在制备绝缘涂层过程中，喷枪与基体垂直，所以在喷涂过程中外径与端面的微观组织相近，而倒角处的微观组织、孔隙率与其他地方不同。取HUN214、6311试样的外径、倒角进行观察，如图2、图3所示。

图2 HUN214试样

从图2可看出，最外层采用金属Ni基合金层包裹绝缘涂层，具有两种优势：一是由于陶瓷涂层与金属基体在硬度、热胀系数等物理性能差异很大，在受冲击或振动时，最外层的金属层具有良好的韧性，可以有效地保护绝缘涂层；二是绝缘轴承的加工尺寸精度要求很高，绝缘涂层磨削难度大，而最外的金属层与普通轴承的加工相近，可降低磨削难度，增加生产效率。

图3 6311试样

从图2、图3可发现，中间纯Al2O3绝缘涂层中层与层之间存在间隙或裂纹，且分层现象明显。在高电压下，绝缘涂层的缺陷位置容易出现击穿现象，且降低绝缘涂层的绝缘阻值。

裂纹的产生大致有两种原因：一是涂层本身断裂；二是制样过程中导致断裂。因此，建议制备绝缘试样时，采用试样镶嵌及采用自动磨削机制样，减少人为因素影响，从而准确判断裂纹产生原因。

由于具有金属外层的绝缘涂层无法采用测厚仪检测涂层厚度，因此现采用金相法测量涂层厚度，结果见表1。孔隙率为8.6%。

表1 不同位置各层厚度 （μm）

2.3 国外样品分析结果

在涂层设计上，整个涂层总厚度＞1mm，涂层结合力与之成反比。绝缘涂层由每层叠加组成，单层绝缘涂层厚度为20μm左右，层与层之间分层明显，降低了结合力。由于孔隙率高，因此绝缘阻值较低[2]。

独特的Ni基合金包裹绝缘涂层设计，在磨削过程中有利于提高效率、精准控制尺寸，且一定程度上可提高耐冲击性。

3 对孔隙率的研究

综合比较国外轴承的空隙率，我公司制备绝缘试样孔隙率选择三个范围：试样1为15%～20%、试样2为8%～15%、试样3为3%～5%。试样的绝缘涂层厚度为0.2mm，通过微观组织、测量电阻值、跌落试验，以及在3000V、5000V下是否被击穿等4个方面来判断孔隙率对绝缘涂层性能的影响。

（1）微观组织分析 不同的孔隙率试样如图4～图6所示。

图4 试样1孔隙率15%～20%

图5 试样2孔隙率8%～15%

图6 试样3孔隙率3%～5%

试样1孔隙率在15%～20%，微观组织中可以明显分析出组织不致密，空隙较大，有明显的裂纹，存在被击穿风险。

试样2孔隙率在8%～15%，从微观组织中分析出，绝缘涂层有分层现象，对绝缘涂层性能有一定影响。

试样3孔隙率在3%～5%，从微观组织中分析出，绝缘涂层致密，无分层现象，无较大空隙，是良好的绝缘组织。

（2）测量电阻值 测量不同孔隙率试样的电阻值，来判断孔隙率对绝缘性能的影响，结果见表2。

表2 不同孔隙率试样的电阻值

从表2可看出，绝缘涂层在孔隙率为3%～5%时，绝缘阻值最大，优于其他孔隙率试样的绝缘阻值。

（3）击穿试验 测量不同孔隙率在3000V、5000V电压下是否被击穿，以判断孔隙率对绝缘性能的影响，见表3。

表3 测量不同孔隙率试样击穿试验结果

（4）跌落试验 制备孔隙率为3%～5%的绝缘涂层外圈，涂层厚度为0.5mm，如图7所示。

图7 绝缘外圈

初始绝缘电阻、电容值结果：轴承外圈在 5000V（DC）时，绝缘电阻84GΩ，电容值1.35nF。

将试验轴承外圈分别按图8所示A、B、C状态从100mm的高处自由落到固定铁板上，观察涂层情况，然后将绝缘外圈浸入沸水中4h后，进行绝缘性能检测。

图8 轴承跌落试验示意

绝缘电阻、电容值检测结果：轴承外圈在5000V（D C）时，绝缘电阻为80GΩ，电容值为1.37nF。

4 孔隙率试验结果

从以上试验结果分析可得出如下结论：孔隙率在3%～5%时，既保证了最优的绝缘性能，同时也具有良好的力学性能。跌落试验后，绝缘性能没有明显下降，说明没有裂纹贯穿绝缘涂层，避免了在涂层内部产生“分层”“裂纹”等现象，从而使绝缘轴承可长期保持优良的绝缘性能。