CN101782106A

CN101782106A - 陶瓷涂层绝缘轴承及其制备方法

Info

Publication number: CN101782106A
Application number: CN201010129837A
Authority: CN
Inventors: 张继影
Original assignee: SUZHOU ZHISHUN SURFACE TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SUZHOU ZHISHUN SURFACE TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2010-07-21

Abstract

一种陶瓷涂层绝缘轴承及其制备方法，属于滚动轴承技术领域。包括内圈、外圈和位于所述内、外圈之间的滚件，特征在于在所述的外圈朝向外的表面以及外圈的上、下表面各具有陶瓷绝缘层。提供的陶瓷涂层绝缘轴承的陶瓷绝缘层具有良好的耐磨性、绝缘性和绝缘强度，耐电压强度可达10000-12000V/mm；提供的制备方法工艺步骤少，制备条件不苛刻，不仅可以保障所述陶瓷涂层绝缘轴承的技术效果，而且适合于工业化批量生产。

Description

陶瓷涂层绝缘轴承及其制备方法

技术领域

本发明属于滚动轴承技术领域，具体涉及一种陶瓷涂层绝缘轴承，并且还涉及陶瓷涂层绝缘轴承的制备方法。

背景技术

绝缘轴承在并不限于的以下行业的应用十分广泛，如铁路行业用于铁路车辆牵引电机，又如电力行业用于风力发电机的电机，再如，煤炭行业用于井巷设施及运煤设施的电机，等等。如业界所知之理，与电机配套的轴承产生提前失效的一大原因是由电流侵蚀所致，例如当电压超过0.5V和/或电流密度超过0.1A/mm²时，轴承的使用寿命会受到严重影响。更具体地讲，主轴和轴承上因感应电流导致的电火花导致轴承表面腐蚀，在金属材质的轴承表面形成凹坑和皱褶等现象，该现象即为电蚀。传统的处置方式是强化检查，及时更换，然而，由于这种处置方式属于治表而非治本的既浪费资源又影响设备正常运行的消极处置方式，又由于近几年来大容量变频控制系统、变频器以及电动发电机等的大量使用，因此迫使人们对轴承自身结构的绝缘问题加以考虑。

在市场见诸的由烧结工艺所得到的全陶瓷绝缘轴承虽然能够避免电蚀，但是由于烧结陶瓷的机械性能以及可加工性能较差，使精度和可靠性俱受制约。此外，在陶瓷轴承的制造过程中，成品合格率较低，使价格昂贵，而且全陶瓷轴承的制造所消耗的能源较大，与目前全社会崇尚的节约型节能型经济精神相悖。

绝缘轴承在文献特别是中国专利文献中已有报道，如实用新型专利授权公告号CN200973040Y介绍了一种电机用绝缘轴承套，其是在轴承内圈(专利称内套)的外圆周上设置环状台阶，在轴承内套的外侧面和端面上开设定位槽(燕尾槽)将绝缘体填充到定位槽内。该专利方案通过在轴承内套与外套之间即内圈与外圈之间设置绝缘层达到防止通过轴承和转子的轴电流产生，延长滚动轴承的使用寿命。但是该方案加工麻烦，因为需要对内、外套本身实施机械加工，又，绝缘体与内、外套的结合效果较为脆弱，并且容易磨损绝缘体。又如发明专利授权公告号CN10052009C提供了一种绝缘轴承装置的绝缘方法，该专利申请方案是将轴承与轴承装置上的紧固件接触的部位设置绝缘层，该方案虽有说明书第1页最后一段所述的长处，但整个工艺较为复杂，制造效率低而不利于工业化批量生产。

发明专利申请公开号CN1706980A披露了一种滚动轴承表面绝缘层加工工艺，该专利方案能够弥补前两项专利的欠缺，具体可参见该专利申请文件的说明书第2页第8-11行对技术效果的表述。但是，细阅该专利申请(CN1706980A)可发现以下缺憾：一是由于其采用的涂层材料为Al₂O₃-TiO₂(说明书第1页倒数第4-5行)，因此，绝缘性能并不能达到人们所期取的效果；二是再现性即工业上的应用性存在障碍，例如该方案的工艺步骤(5)教导了使用氧气和氢气产生高温将涂层材料熔化，并将熔化状态的材料粉末颗粒高速送入等离子射束中均匀喷射到处理的基体表面上(说明书第1页最后一段)，而氧气和氢气是不足以产生高温的，因此该方案存在实施上的困惑，尽管在实施例如说明书第3页第5-6行提及了用氩气和氢气，但依然容易给领域内的技术人员造成无所适从的困惑。还有，喷枪喷嘴与工件的距离为0.3-0.4m即30-40cm的选择有失合理性，该距离很难实施有效喷涂；三是Al₂O₃-TiO₂与工件表面的结合表现为间接结合，因为方案需先对钢质基体表面喷涂Ni/Al涂层，即在钢质基材表面先形成过渡层(见该专利申请的工艺步骤3)，而后将Al₂O₃-TiO₂喷涂到过渡层上，可见，作为绝缘涂层的Al₂O₃-TiO₂由于与钢质基体之间并不是直接结合，存在工艺冗长之虞。

鉴于上述已有技术，有必要加以改进，本申请人经过了长期的探索，找到了解决上述技术方案所存在的不足的办法，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明的任务在于提供一种耐磨性好、绝缘性能优异、耐电压强度高和抗电蚀效果理想的陶瓷涂层绝缘轴承。

本发明的还要任务在于提供一种陶瓷涂层绝缘轴承的制备方法，该方法既可确保绝缘涂层与基体之间的结合强度，又可便于磨削加工而藉以保证所述陶瓷涂层绝缘轴承的技术效果的全面体现。

本发明的任务是这样来完成的，一种陶瓷涂层绝缘轴承，包括内圈、外圈和位于所述内、外圈之间的滚件，特征在于在所述的外圈朝向外的表面以及外圈的上、下表面各具有陶瓷绝缘层。

在本发明的一个具体的实施例中，所述的滚件为滚珠或滚柱。

在本发明的另一个具体的实施例中，所述的陶瓷绝缘层的厚度为0.3-1.0mm。

在本发明的又一个具体的实施例中，所述的陶瓷绝缘层的材料为Y₂O₃、ZrO₂、Al₂O₃或者80-85wt％的ZrO₂和5-6wt％的HfO₂以及8-15wt％的R₂O₃三者的混合物，其中：R为Y、Yb、Nb、Sm或Sc。

本发明的还一任务是这样来完成的，一种陶瓷涂层绝缘轴承的制备方法，该方法包括以下步骤：

A)清洗，将由内、外圈和位于内、外圈之间的滚件构成的轴承中的外圈投入清洗装置中清洗，以去除外圈表面的油污，得到清洁处理后的外圈；

B)遮蔽保护，对清洁处理后的外圈朝向外的表面以及外圈的上、下表面以外的其它非喷涂表面用遮蔽带进行遮蔽保护；

C)表面预处理，用喷砂装置对外圈朝向外的表面以及外圈的上、下表面喷砂，使外圈朝向外的表面及外圈的上、下表面形成粗糙面，得到待喷涂的外圈；

D)喷涂陶瓷绝缘层，用等离子体喷涂装置将Y₂O₃、ZrO₂、Al₂O₃或者80-85wt％的ZrO₂和5-6wt％的HfO₂以及8-15wt％的R₂O₃三者的混合物喷涂到待喷涂轴承的外圈朝向外的表面以及外圈的上、下表面，所述的等离子体喷涂装置所用的等离子气体为氩气和氢气，控制等离子体喷涂装置的电流、控制氩气和氢气的流量和送粉量以及控制喷枪的喷嘴与工件的距离，所述R₂O₃式中的R为Y、Yb、Nb、Sm或Sc，得到外圈朝向外的表面和外圈的上、下表面均具有陶瓷绝缘层的待磨削加工的外圈半成品；

E)磨削加工，用粗磨砂轮先对陶瓷绝缘层的表面粗磨，再用细磨砂轮进行精磨，得到外圈朝向外的表面以及外圈的上、下表面均具有厚度为0.3-1.0mm的陶瓷绝缘层的外圈成品。

在本发明的再一个具体的实施例中，步骤A)中所述的清洗装置为超声波清洗机。

在本发明的还有一个具体的实施例中，步骤B)中所述的遮蔽带为硅橡胶与玻璃纤维布复合带。

在本发明的更而一个具体的实施例中，步骤C)中所述的喷砂所用的喷砂材料为20#白刚玉砂。

在本发明的进而一个具体的实施例中，步骤D)中所述的控制等离子体喷涂装置的电流是将电流控制为350-450A，所述的控制氩气和氢气的流量是将氩气和氢气的流量分别控制为100-150L/min和15-30L/min，所述的控制送粉量是将送粉量控制为15-50g/min，所述的控制喷枪的喷嘴与工件的距离是将距离控制为10-20cm。

在本发明的又更而一个具体的实施例中，步骤E)中所述的粗磨砂轮为金刚石砂轮，而所述的细磨砂轮为碳化硅砂轮。

本发明提供的技术方案与已有技术相比，提供的陶瓷涂层绝缘轴承的陶瓷绝缘层具有良好的耐磨性、绝缘性和绝缘强度，耐电压强度可达10000-12000V/mm；提供的制备方法工艺步骤少，制备条件不苛刻，不仅可以保障所述陶瓷涂层绝缘轴承的技术效果，而且适合于工业化批量生产。

附图说明

图1为本发明陶瓷涂层绝缘轴承的一个实施例示意图。

图2为本发明陶瓷涂层绝缘轴承的另一个实施例示意图。

具体实施方式

为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式结合附图作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。

在阐述实施例之前，申请人需要说明的是：在上面提到的R₂O₃的式子中的R虽然仅例举了Y、Yb、Nb、Sm和Sc，但显然并不受到所列名称(元素)的限制；同例，申请人虽然在上面仅提及了等离子体喷涂装置，但并不排斥使用超音速火焰喷涂装置及爆炸喷涂装置。

实施例1：

制备图1所示的陶瓷涂层绝缘轴承的步骤如下：

A)清洗，将由图1所示的由内、外圈1、2和位于内、外圈1、2之间的滚件3构成的轴承中的外圈2投入超声波清洗机中清洗，以去除沾附在外圈2的表面的油污，得到清洁处理后的外圈2；

B)遮蔽保护，将由步骤A)得到的清洁处理后的外圈2用遮蔽带进行遮蔽保护，具体是：除了外圈2朝向外的表面以及外圈2的上、下面这三个需要喷涂的表面外，对其它不需要喷涂的表面或称部位用遮蔽带遮蔽，在本实施例中，优选而非限于地使用由美国DeWal公司制造和销售的牌号为Dewal500遮蔽胶带，该遮蔽胶带能够用于喷砂和等离子喷涂工艺的遮蔽保护并且在撕下后不留残胶，这种遮蔽带是由硅橡胶与玻璃纤维布制成的，底材涂有一层高温硅胶；

C)表面预处理，用喷砂装置将规格为20#白刚玉砂喷向外圈2朝外的表面即外圆表面以及外圈2的上、下表面，使这些表面粗糙化，得到喷涂表面粗糙化的待喷涂外圈2；

D)喷涂陶瓷绝缘层，用等离子喷涂设备例如由瑞士苏尔寿美科公司生产销售的型号为9M等离子喷涂机(设备)将纯度为98％以上的Al₂O₃涂层材料喷涂到外圈2的外表面即外圆表面以及外圈2的上、下表面，等离子喷涂设备的电流控制为360A，用于将纯度即质量百分含量＞98％的Al₂O₃粉末材料熔化的等离子气体即氩气的流量控制为130L/min以及氢气的流量控制为20L/min，Al₂O₃粉体的送入量控制为30g/min，等离子喷涂设备的喷枪的喷嘴与工件(外圈2)即喷涂距离控制为15cm，得到外圈2朝向外的表面以及外圈2的上、下表面具有Al₂O₃材质的陶瓷绝缘层21的待磨削加工的外圈半成品；

E)磨削加工，先用金刚石砂轮对陶瓷绝缘层21粗磨，再用绿碳化硅砂轮精磨，得到外圈2朝向外的表面以及外圈2的上、下表面各具有厚度为0.5mm的陶瓷绝缘层21的外圈成品，当与所述的内圈1及滚件3装配后便构成了由图1所示的陶瓷涂层绝缘轴承。

经测试Al₂O₃涂层的耐电压强度(KV/mm)为10～10.6KV/mm，本实施例中所述的碳化硅砂轮优选使用由中国上海营联磨料磨具有限公司生产销售的牌号为GC-II型砂轮。

实施例2：

请见图2，仅将步骤A)中的滚件3改为滚柱，将步骤D)中的等离子喷涂设备的电流改为430A，氩气的流量改为150L/min，氢气的流量改为28L/min，送粉量改为50g/min，喷嘴与工件之间的距离改为20cm，将步骤E)中的陶瓷绝缘层21的厚度改为0.4mm，Al₂O₃涂层的耐压强度经测试为10.5-11KV/mm。当与内圈1及滚件3装配后便构成了由图2所示的陶瓷涂层绝缘轴承，其余均同对实施例1的描述。

实施例3

仅将步骤D)中的喷涂材料改用质量百分含量即纯度为＞98％的Y₂O₃，等离子喷涂机的电流改为400A，氩气的流量改为110L/min，氢气的流量改为18L/min，送粉量改为20g/min，喷嘴与工件之间的距离改为10cm，将步骤E)中的陶瓷绝缘层21的厚度改为0.3mm，Y₂O₃涂层的耐压强度经测试为19.5-19.9KY/mm。其余均同对实施例1的描述。

实施例4

仅将步骤D)中的喷涂材料改用纯度均大于98％的ZrO₂、HfO₂和Y₂O₃三者的混合物，其中，ZrO₂∶HfO₂∶Y₂O₃的质量百分比为80∶6∶14，等离子喷涂机的电流改为390A，氩气的流量改为140L/min，氢气的流量改为20L/min，送粉量改为40g/min，喷嘴与工件之间的距离改为17cm，将步骤E)中的陶瓷绝缘层21的厚度改为0.9mm，由ZrO₂与HfO₂和Y₂O₃的混合物所共同构成的涂层的耐压强度经测试为22.8～23.4KV/mm。其余均同对实施例1的描述。

Claims

1.一种陶瓷涂层绝缘轴承，包括内圈(1)、外圈(2)和位于所述内、外圈(1、2)之间的滚件(3)，其特征在于在所述的外圈(2)朝向外的表面以及外圈(2)的上、下表面各具有陶瓷绝缘层(21)。

2.根据权利要求1所述的陶瓷涂层绝缘轴承，其特征在于所述的滚件(3)为滚珠或滚柱。

3.根据权利要求1所述的陶瓷涂层绝缘轴承，其特征在于所述的陶瓷绝缘层(21)的厚度为0.3-1.0mm。

4.根据权利要求1或3所述的陶瓷涂层绝缘轴承，其特征在于所述的陶瓷绝缘层(21)的材料为Y₂O₃、ZrO₂、Al₂O₃或者80-85wt％的ZrO₂和5-6wt％的HfO₂以及8-15wt％的R₂O₃三者的混合物，其中：R为Y、Yb、Nb、Sm或Sc。

5.一种如权利要求1所述的陶瓷涂层绝缘轴承的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

A)清洗，将由内、外圈(1、2)和位于内、外圈(1、2)之间的滚件(3)构成的轴承中的外圈(2)投入清洗装置中清洗，以去除外圈(2)表面的油污，得到清洁处理后的外圈(2)；

B)遮蔽保护，对清洁处理后的外圈(2)朝向外的表面以及外圈(2)的上、下表面以外的其它非喷涂表面用遮蔽带进行遮蔽保护；

C)表面预处理，用喷砂装置对外圈(2)朝向外的表面以及外圈(2)的上、下表面喷砂，使外圈(2)朝向外的表面及外圈(2)的上、下表面形成粗糙面，得到待喷涂的外圈(2)；

D)喷涂陶瓷绝缘层，用等离子体喷涂装置将Y₂O₃、ZrO₂、Al₂O₃或者80-85wt％的ZrO₂和5-6wt％的HfO₂以及8-15wt％的R₂O₃三者的混合喷涂到待喷涂轴承的外圈(2)朝向外的表面以及外圈(2)的上、下表面，所述的等离子体喷涂装置所用的等离子气体为氩气和氢气，控制等离子体喷涂装置的电流、控制氩气和氢气的流量和送粉量以及控制喷枪的喷嘴与工件的距离，所述R₂O₃式中的R为Y、Yb、Nb、Sm或Sc，得到外圈(2)朝向外的表面和外圈(2)的上、下表面均具有陶瓷绝缘层(21)的待磨削加工的外圈半成品；

E)磨削加工，用粗磨砂轮先对陶瓷绝缘层(21)的表面粗磨，再用细磨砂轮进行精磨，得到外圈(2)朝向外的表面以及外圈(2)的上、下表面均具有厚度为0.3-1.0mm的陶瓷绝缘层(21)的外圈成品。

6.根据权利要求5所述的陶瓷涂层绝缘轴承的制备方法，其特征在于步骤A)中所述的清洗装置为超声波清洗机。

7.根据权利要求5所述的陶瓷涂层绝缘轴承的制备方法，其特征在于步骤B)中所述的遮蔽带为硅橡胶与玻璃纤维布复合带。

8.根据权利要求5所述的陶瓷涂层绝缘轴承的制备方法，其特征在于步骤C)中所述的喷砂所用的喷砂材料为20#白刚玉砂。

9.根据权利要求5所述的陶瓷涂层绝缘轴承的制备方法，其特征在于步骤D)中所述的控制等离子体喷涂装置的电流是将电流控制为350-450A，所述的控制氩气和氢气的流量是将氩气和氢气的流量分别控制为100-150L/min和15-30L/min，所述的控制送粉量是将送粉量控制为15-50g/min，所述的控制喷枪的喷嘴与工件的距离是将距离控制为10-20cm。

10.根据权利要求5所述的陶瓷涂层绝缘轴承的制备方法，其特征在于步骤E)中所述的粗磨砂轮为金刚石砂轮，而所述的细磨砂轮为碳化硅砂轮。