CN100354542C - 电蚀防止型滚动轴承 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种陶瓷喷镀的电蚀防止型滚动轴承，该轴承可具有必要的绝缘性能，降低加工成本。在该电蚀防止型滚动轴承中，在安装于外圈(2)或内圈(1)的外壳或轴的面上，具有陶瓷的绝缘层(4)。该绝缘层(4)的材料为在Al₂O₃中混合TiO₂的灰铝，该灰铝中的TiO₂的比例在1wt%以下。

Description

电蚀防止型滚动轴承

技术领域

本发明涉及电蚀防止型滚动轴承，该电蚀防止型滚动轴承用于启动广泛使用的马达、发电机用发生器、铁道车辆的主电动机等、电流流过轴承内部这样的结构的装置。

背景技术

在用于铁道车辆的主电动机的滚动轴承中，在主电动机的电流从车轮与钢轨接地的接地用集电装置不完全的场合，主电动机的电流通过滚动轴承和内外圈和滚动体，在车轮与钢轨之间流动。由此，在滚动体与外圈的滚动面之间或在滚动体与内圈的滚动面之间瞬间放电，产生所谓的“电蚀”，轴承寿命缩短。由此，人们提出有下述的方案，其中，在外圈相对外壳的安装面，覆盖树脂制的绝缘层。但是，树脂层的线膨胀系数大，因伴随轴承的运转的发热，外圈与外壳的嵌合产生误差。作为绝缘层，由于线膨胀系数较低，获得较高的电绝缘性，故最好采用陶瓷，作为绝缘层，人们提出有对陶瓷层进行喷镀处理的类型(比如，JP实开平2-46119号文献，JP特开2002-48145号文献)。构成这些喷镀结构的绝缘体表面膜的厚度采用市场上销售量较高的绝缘材料，设定为用于获得必要的绝缘性能的膜厚。

作为电蚀防止型滚动轴承的绝缘层的陶瓷喷镀层的材料，人们熟知有白铝(Al₂O₃)，灰铝(Al₂O₃+TiO₂)。如果对该代表性的材料进行比较，则有如下情况。

体积固有电阻值：白铝＞灰铝

绝缘破坏电压：白铝＞灰铝

喷镀时的合格率：白铝＜灰铝

在灰铝中包含TiO₂，TiO₂为导电体，由此，其体积固有电阻率小于白铝。越增加TiO₂的比例，体积固有电阻率越低。由于该原因，为了获得较高的绝缘性能，适合采用白铝。

如果为同一膜厚，则根据过去的经验，判定白铝的绝缘破坏电压大于灰铝，为了获得较高的破坏电压，适合采用白铝。

相对白铝的熔点超过2000℃的情况，还具有TiO₂的熔点不到2000℃的情况，包含TiO₂的灰铝在喷镀时的附着率良好，其结果是，白铝的合格率较差。此场合的附着率指相对已采用的喷镀材料，多少量实际上形成于被喷镀体的指标。为了获得一定的厚度，最好采用喷镀时的附着率较高，进而，合格率良好的灰铝。

根据体积固有电阻率，过去的破坏电压试验结果，确认白铝的绝缘性能优于灰铝，但是另一方面，其喷镀时的附着率比灰铝差。

象这样，作为电蚀防止型滚动轴承的绝缘层的材料，具有下述的问题，即，从性能、成形性的观点来说，白铝和灰铝各有优缺点，无法获得适合的性能，加工花费时间，导致成本增加。

发明内容

本发明的目的在于提供低成本的，具有适合性能的电蚀防止型滚动轴承。

本发明的电蚀防止型滚动轴承涉及下述的电蚀防止型滚动轴承，其中，在安装于滚动轴承套圈的外壳或轴的面上，具有陶瓷的绝缘层，其特征在于上述绝缘层的材料为在Al₂O₃中混合TiO₂的灰铝，该灰铝中的TiO₂的比例在1wt％以下。

在绝缘层的材料采用灰铝的场合，与白铝相比较，绝缘性能较低，必须要求膜厚过大。但是，如果考虑喷镀加工的膜厚误差的范围为0.1mm，则在为相对白铝，必须要求增加0.1mm的厚度的含有TiO₂的灰铝的场合，可获得与白铝相同的绝缘破坏电压。作为试验的结果，可充分地推定，相对白铝，必须要求膜厚多出0.1mm的灰铝中的TiO₂的比例在1wt％以下。对于灰铝，可按照附着率优于白铝，合格率优良，低成本的方式形成表面膜。由此，由于绝缘层的材料为TiO₂的比例在1wt％以下的灰铝，可在获得与白铝相同的绝缘性的同时，形成低成本。

最好上述绝缘层的灰铝中的TiO₂的比例在0.25～0.75wt％的范围内。伴随TiO₂的比例的增加，绝缘破坏电压下降，但是，作为试验的结果，如果上述比例在0.75wt％以下，可通过相对白铝，膜厚增加0.05mm的方式，形成与白铝相同的绝缘破坏电压。如果TiO₂的比例不到0.25wt％，则从绝缘破坏电压的观点来说是优良的，但是，从附着率、合格率的观点来说，无法满足。

也可在本发明中，上述绝缘层为喷镀层，进行封孔处理，对于上述绝缘层的电特性，在喷镀绝缘面积为330cm²，将绝缘层膜膜厚换算为0.1mm时，在外加500V时，绝缘电阻值在1000MΩ以上，并且在将绝缘层膜膜厚换算为0.2mm时，获得3.5kv以上的绝缘破坏电压。

另外，轴承尺寸分别不同，绝缘层的喷镀的面积，膜厚也分别不同，可通过下述公知的算式，换算出满足上述绝缘性能的绝缘层。

$R=\mathrm{\ρ}\frac{t}{S}\·\·\·\left(1\right)$

(R表示绝缘电阻值，ρ表示电阻率，t表示绝缘层厚度，S表示绝缘面积)的平面体绝缘电阻计算公式：

$R=\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\πB}}\ln \frac{(D+2t)}{D}\·\·\·\left(2\right)$

(R、ρ、t与上述(1)式相同，B表示环状体宽度，D表示环状体直径)的环状体绝缘电阻计算公式：

V＝Et    …(3)

(V表示绝缘破坏电压，E表示绝缘破坏强度，t表示绝缘层厚度)的平面绝缘破坏电压计算公式(3)

$V=0.5\mathrm{EDLn}\frac{(D+2t)}{D}\·\·\·\left(\text{4}\right)$

(V、E、t与上述(3)式相同，D表示环状体直径)的环状体绝缘破坏电压计算公式等。

在本方案的场合，可获得能在市场上基本广泛使用的绝缘性能，与已有实例相比较，可大幅度地降低成本。

另外，也可在本发明中，上述绝缘层为喷镀层，该绝缘层的喷镀膜厚在0.1～0.8mm的范围内。

在绝缘层为喷镀膜厚在0.1～0.8mm的范围内的喷镀层的场合，可甚至适用于过去产品的最大尺寸的产品，可获得足够的绝缘性能，可降低成本。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的电蚀防止型滚动轴承的剖视图；

图2为表示喷镀材料和绝缘破坏电压之间的关系的曲线图；

图3为本发明的另一实施例的电蚀防止型滚动轴承的剖视图；

图4为本发明的又一实施例的电蚀防止型滚动轴承的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的第1实施例进行描述。该电蚀防止型滚动轴承为这样的类型，其中，在滚动体3介于作为滚动轴承套圈的内圈1和外圈2之间的轴承中，在外圈2上设置有陶瓷绝缘层4。该轴承比如，用于铁道车辆的主电动机中的转子支承轴承。该轴承为深槽滚珠轴承，滚动体3通过保持器5保持。内外圈1，2和滚动体3由轴承钢等的金属材料形成。

设置绝缘层4的范围为安装于外圈2的外壳上的面，在图示的实例中，绝缘层4设置于从外圈2的外径面2a到幅面2b的范围内。该绝缘层4按照在外径面2a到幅面2b的范围内，将倒角部2c包括在内的方式连续地设置。作为形成绝缘层4的陶瓷材料，采用在Al₂O₃中混合TiO₂的灰铝。该灰铝中的TiO₂的比例在1wt％以下。绝缘层4为喷镀层，在该绝缘层4中，具有细微的孔，由此，在喷镀完毕后，进行封孔处理，以便不使导电性液体进入气孔部。封孔处理通过浸泡于浸透性良好的粘接剂中的方式进行。该封孔处理为按照大气中的水蒸气、来自外部的导电性液体不进入位于陶瓷喷镀层中的气孔中的方式对气孔部进行密封的处理，一般在陶瓷喷镀绝缘轴承中进行。根据下述的评价试验，绝缘层4的喷镀膜的厚度在0.1～0.8mm的范围内。

在上述绝缘层4中，最好，封孔处理后的绝缘层4的材质具有喷镀绝缘面积为330cm²，膜厚为0.1mm时的绝缘电阻值在外加500V时，在1000MΩ以上，并且在膜厚为0.2mm时，绝缘破坏电压在3.5kv以上的绝缘性能。

下面对绝缘层4的材质、厚度最好为上述实施例的形式的原因进行描述。

根据过去评价的绝缘性能试验，能获得以下的绝缘电阻值水平(level)和绝缘破坏等级。

在外径为φ120mm，φ125mm，φ150mm的外圈上形成膜厚为0.4mm的灰铝喷镀绝缘层的轴承的场合，绝缘电阻值在1000MΩ以上(加压500V时)，绝缘破坏电压在3.6～3.9kv的范围内。此时的灰铝中的TiO₂的比例约为2.5wt％。

在绝缘层为白铝喷镀绝缘层的场合，如果该膜厚为0.25mm，则绝缘破坏电压达到6kv以上的等级，可认为与上述成分的灰铝喷镀绝缘层的场合相比较，绝缘性能有较大的差别。另外，在膜厚在0.1mm以上时，绝缘电阻值在1000MΩ以上(加压500V时)。

根据上述经验值，灰铝中包含的TiO₂的比例约为2.5wt％，0.75wt％的灰铝喷镀绝缘层的试样采用外径为φ170mm的外圈制作，将其绝缘性能与白铝喷镀绝缘层的试样一起进行比较。其结果是，确认了下述的情况，即，在任何的试样的场合，如果膜厚为0.1mm，则绝缘电阻值在1000MΩ以上(加压500V时)，即使为较薄的膜厚，仍获得较高的电阻值。

另外，象图2中的，喷镀材料与绝缘破坏电压之间的关系的试验结果所示的那样，明确了下述的情况，即，伴随灰铝中包含的TiO₂的比例的增加，绝缘破坏电压值降低。

在对轴承用外圈，进行陶瓷的喷镀加工的场合，一般一边使外圈旋转的同时，一边进行喷镀、冷却(通过空气而冷却)。此时，判定在外圈的同一部分通过1遍而喷镀的膜厚大约为30μm，伴随膜厚的增加，成比例地花费喷镀加工时间，对成本造成较大影响。即，为了降低成本，最好，尽可能地减小膜厚。另外，由于膜的厚度越大，喷镀表面的凹凸部越大，故喷镀的切削加工的取代量变多，还造成工时增加。

比如，根据图2所示的绝缘破坏电压的结果，如果对白铝与灰铝(TiO₂的比例为0.75wt％)进行比较，则为了获得同等的绝缘破坏电压，以0.05mm弱的程度，增加灰铝的膜厚。其膜厚增加量相当于喷镀加工的1遍量的程度。如果该程度的膜厚度增加，则喷镀加工的成本差别不怎么增加，但是，如果为TiO₂的比例为0.25wt％的灰铝喷镀绝缘层的轴承，则在破坏电压为3.8kv进行比较的场合，其膜厚必须比白铝大约0.25mm，其膜厚增加量相当于喷镀加工的8～9遍的量的程度。如果还考虑喷镀的切削加工取代量，则喷镀加工时的膜厚为2倍的差。

实际上，由于对于白铝和灰铝来说，灰铝的场合的附着率良好，故上述膜厚差不按照原样反映到成本的差，但是，如果附着率的差在2倍以下，则仍无法避免对加工成本的影响。

如果考虑喷镀加工的膜厚尺寸允许误差范围为0.1mm的程度，则该程度的膜厚差从成本上说，为允许误差的范畴，该灰铝件具有相对白铝喷镀绝缘层的轴承，必须以0.1mm的程度增加绝缘膜的膜厚的TiO₂的比例，此时，可获得与白铝件相同的绝缘破坏电压，同时成本没有大幅度地增加。

根据图2的灰铝(TiO₂的比例为0.75wt％)的结果而可充分地推定，相对白铝喷镀绝缘层，必须过多地要求0.1mm膜厚的灰铝喷镀绝缘膜的灰铝的TiO₂的比例为1wt％。但是，实际上最好采用具有确认结果的TiO₂的比例在0.75wt％以下的灰铝。

此次，通过借助试验而制作的试样，判定由于白色铝的喷镀后的色相为纯白，故在喷镀后而实施的封孔处理中呈现的表面变色显著。对于表面的变色，在对封孔处理所采用的树脂系的材料进行干燥，使其固化时，即使在气孔部以外，材料仍附着于表面上，由此，该部分发生变色，在绝缘性能方面没有问题。但是，虽然外圈的外径面和幅面中的变色面通过切削加工而去除，但是，残留于倒角部，直至完成状态。如果在不均匀的状态，对树脂材料的附着状态进行干燥，则呈现斑点，从外观品质方面来说，最好不采用该方式。但是，如果为灰铝，则判定，喷镀加工后的色相处于着色状态，封孔处理后的外观也良好。在绝缘性能方面，即使色相不均匀，仍没有问题，但是，还具有外观品质也受到重视的情况，这样从外观上说，最好采用灰铝。

本实施例所描述的绝缘性能还伴随在上述部分所接触的封孔处理的种类而受到影响。在对白铝喷镀绝缘层，灰铝(TiO₂的比例为1wt％)喷镀绝缘层进行处理的场合，必须采用下述的封孔处理，在该处理中，在喷镀绝缘面积为330cm²的场合，即使在为0.1mm的厚度的情况下，绝缘电阻值在1000MΩ以上(加压500V)，并且厚度为0.2mm，获得2kv以上的绝缘破坏电压。上述喷镀绝缘面积为330cm²的值对于外径为φ170mm，宽度为39mm的外圈，基本相当于在外径面和幅面的径向宽度为12mm的范围进行喷镀时的面积。

于是，为了分析上述绝缘层的膜厚的封孔处理的影响，采用外径为φ170mm，宽度为39mm的外圈，在外径面与幅面的切削加工后，白铝喷镀绝缘层，灰铝喷镀绝缘层的膜厚在0.05～0.45mm的范围内(在该范围内，约0.1mm的间隔)，制作多个试样，进行封孔处理(具有前述的绝缘性能的材料的封孔)，并且进行外径面，幅面的切削加工的试样的评价。其结果是，在膜厚为0.05mm的试样的场合，产生因切削加工误差，局部地按照必要程度以上减薄(特别是花费幅面的加工的时间)等的问题，膜厚的下限必须为0.1mm。

在该评价所采用的试样的尺寸的场合，判定获得可在市场上基本广泛使用的绝缘性能。另外判定，为了与过去的产品相比较，大大地降低成本，适合采用TiO₂的比例为0.25～0.75wt％的灰铝，按照0.2mm的膜厚，对绝缘层进行加工。此时的绝缘性能的绝缘电阻值在1000MΩ以上(加压500V时)，绝缘破坏电压在3.5kv以上。

但是，在该评价试验的试样的尺寸的场合，如果轴承温度为120℃，则确认绝缘电阻值按照10MΩ的程度降低。其原因在于绝缘体所具有的绝缘电阻值的温度依赖性(如果温度上升，则电阻值降低的现象)，是不可避免的情况。如果在120℃的温度下，具有10MΩ，则获得在实用上可充分使用的性能，但是，如果尺寸增加，绝缘面积增加，由于绝缘电阻值降低，该降低量必须通过增加膜厚的方式补偿。如果对该评价试验的试样与过去产品中的实际的最大尺寸品的喷镀面积进行比较，则基本上为4倍，由此，人们考虑在将来，还必须要求0.8mm的膜厚品。

另外，在上述实施例中，对在外圈2中设置绝缘层4的场合进行了描述，但是，本发明还可用于在内圈1中，设置绝缘层4的场合。在内圈1中设置绝缘层4的场合，在形成安装于内圈1的轴上的面的内径面，或在从内径面到幅面的范围内，设置绝缘层4。

此外，在上述实施例中，通过上述评价试验，对单层结构的喷镀绝缘层进行了各种确认、分析，但是，本发明还可用于滚动轴承套圈的覆盖层为2层结构或3层结构的场合。另外，在本实施例中，对在深槽滚珠轴承用的外圈2中，设置喷镀绝缘层4的场合进行了描述，但是，也可用于圆筒滚柱轴承、圆滚柱轴承等的各种滚动轴承。

图3为外圈2的覆盖层6为2层结构的实例，覆盖层6为绝缘层4和覆盖其外层的金属层7的2层结构。金属层7为实现绝缘层4相对外圈2的紧密贴合性的提高，以及与该外壳压紧扣合的场合的绝缘层4的剥离防止等的功能的层。该场合的绝缘层4的材质、膜厚与第1实施例的绝缘层4相同。另外，本实施例为用于圆筒滚柱轴承的实例。

图4为外圈2的覆盖层6A为3层结构的实例。覆盖层6A为从内层侧开始的内侧金属层8、绝缘层4和外侧金属层9的3层结构。内侧金属层8使由陶瓷层形成的绝缘层4的喷镀性提高，外侧金属层9实现绝缘层4的剥离防止的功能。在此场合的绝缘层4的材质、膜厚与第1实施例的绝缘层4相同。此实施例为适合于圆筒柱轴承的实例。

象上述那样，参照附图，对优选的实施例进行了描述，但是，如果为本领域的普通技术人员，观看本说明书，在显然的范围内容易想到各种的变更和修改方案。于是，这样的变更和修改应被解释为权利要求确定的本发明的范围内方案。

Claims (4)

1.一种电蚀防止型滚动轴承，在安装于滚动轴承套圈的外壳或轴的面上，具有陶瓷的绝缘层，其特征在于上述绝缘层的材料为在Al₂O₃中混合TiO₂的灰铝，该灰铝中的TiO₂的比例在1wt％以下。

2.根据权利要求1所述的电蚀防止型滚动轴承，其特征在于上述绝缘层的灰铝中的TiO₂的比例在0.25～0.75wt％的范围内。

3.根据权利要求1所述的电蚀防止型滚动轴承，其特征在于上述绝缘层为喷镀层，进行封孔处理，对于上述绝缘层的电特性，在喷镀绝缘面积为330cm²，将绝缘层膜膜厚换算为0.1mm时，在加压500V时，绝缘电阻值在1000MΩ以上，并且在将绝缘层膜膜厚换算为0.2mm时，获得3.5kv以上的绝缘破坏电压。

4.根据权利要求1所述的电蚀防止型滚动轴承，其特征在于上述绝缘层为喷镀层，该绝缘层的喷镀膜厚在0.1～0.8mm的范围内。

Images