CN104789914A - 一种轴承内外圈电绝缘涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种轴承内外圈电绝缘涂层的制备方法，轴承内外圈是指轴承的内圈和外圈并分别具有C面、A面和B面，电绝缘涂层制备在轴承内外圈的C面、A面和B面上，将非电绝缘涂层称之为轴承内外圈的非涂层面，制备方法包括下切加工、表面清洗、遮蔽保护、喷砂粗化、粘结底层制备、陶瓷面层制备、对电绝缘涂层的封孔刷涂处理以及对电绝缘涂层的磨削加工，电绝缘涂层的总厚度可以达到400~480μm，磨削加工后的电绝缘涂层厚度完全恢复到轴承内外圈的各项原始尺寸，电绝缘涂层的结合强度达到25~35MPa，电绝缘涂层的绝缘电阻达到400~1000MΩ，电绝缘涂层的击穿电压达到1800~3000VDC。

Description

一种轴承内外圈电绝缘涂层的制备方法

技术领域

本发明属于电绝缘涂层技术领域，尤其是一种轴承内外圈电绝缘涂层的制备方法。

背景技术

据统计，60%的电机故障源于轴承失效，而其中80%的轴承失效中又源于电蚀损伤，特别是在如高压电机、牵引电机、超导电机、变频电机等特种电机行业。

磁力线的非对称分布和变频器的广泛使用使电机高速旋转时产生轴电流，该电流通过电机轴承端盖和机座形成回路，在流经轴承时将会在滚珠和滚道之间的油膜处发生击穿放电，在轴承滚道和滚珠表面产生局部熔融和凹凸的条状或带状电蚀损伤，导致润滑油变质，致使轴承滚珠和滚道表面粗糙度下降，在这种情况下运转的轴承，轻则噪声增大，重则磨损失效或温高烧毁，降低轴承的使用寿命，导致电机维修成本增加，甚至造成巨大的经济损失。

现有解决轴承电蚀损伤的主要技术是设计旁通电路使电流流向轴承外部，或在轴承周围设置绝缘层以切断电流回路，问题是：

1、旁通电路设计复杂，可靠性不高，现已较少使用；

2、绝缘层设置主要通过绝缘端盖、绝缘轴承套和绝缘轴承技术来切断电流回路。

采用绝缘端盖技术时，其绝缘层为粘贴在端盖直径较大的外圆及端面上的无纬带，长期使用存在老化变形的问题，对轴承座的形位公差也会带来一定的影响。

绝缘轴承套技术是在轴承的外表面再镶嵌一个绝缘套，该绝缘套包括外钢套、内钢套和中间的绝缘层，绝缘层通过手工缠绕或烧结在内钢套上。

绝缘轴承技术主要分三类，即陶瓷绝缘轴承、混合绝缘轴承、覆膜绝缘轴承。陶瓷绝缘轴承全部用陶瓷材料制造，绝缘性能好，高温尺寸稳定性好，但价格昂贵，冲击性能稍有不足。混合绝缘轴承只有滚动体采用陶瓷材料制造，机械及绝缘性能好，但成本高，在高温、润滑和散热不充分的情况下难以正常工作。覆膜绝缘轴承一般在轴承外圈或内圈表面涂覆一层如聚苯硫醚等绝缘树脂，价格低廉，但绝缘树脂一般导热系数低，容易导致轴承温升过大，且尺寸稳定性差。

综上，绝缘端盖技术、绝缘轴承套技术均存在互换性差这一共同缺点，绝缘轴承技术存在加工困难、成本高，或者结构力学性能发生改变等不足，难以实现大批量生产。

通过设置绝缘层以隔断轴承电流回路的方法还未见到相关报道。

发明内容

为了有效解决轴承产生的电蚀问题，本发明提供了一种轴承内外圈电绝缘涂层的制备方法，该制备方法在不改变轴承结构基础上，在轴承外圈外表面或是轴承内圈内表面制备一层厚度约为300μm的均匀高纯氧化铝陶瓷绝缘涂层，通过喷涂后的封孔处理和磨削加工，保证轴承尺寸满足标准轴承尺寸和表面精度要求，并实现1000~3000VDC的电绝缘强度，具有低成本、高稳定性、高绝缘性、良好互换性，可以有效解决电机轴承的电蚀损伤问题。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种轴承内外圈电绝缘涂层的制备方法，轴承内外圈是指轴承的内圈和外圈，将轴承外圈的外径面或是轴承内圈的内径面均称其为C面，将轴承外圈或是轴承内圈的左端面均称其为A面，将轴承外圈或是轴承内圈的右端面均称其为B面，电绝缘涂层制备在轴承内外圈的C面、A面和B面，将非电绝缘涂层称其为轴承内外圈的非涂层面，制备方法包括下切加工、表面清洗、遮蔽保护、喷砂粗化、粘结底层制备、陶瓷面层制备、对电绝缘涂层的封孔刷涂处理以及对电绝缘涂层的磨削加工，其中：

下切加工采用车削加工或是磨削加工并简称为车磨加工；

表面清洗采用手工清洗或是喷枪清洗或是超声清洗；

遮蔽保护中使用到遮蔽带；

喷砂粗化中使用到压力式喷砂机；

粘结底层制备中使用到镍铬合金粉末、等离子气以及等离子气的相关工艺参数；

陶瓷面层制备中使用到氧化铝粉末、等离子气以及等离子气的相关工艺参数；

对电绝缘涂层的封孔刷涂处理中使用到微晶石蜡或环氧树脂；

对电绝缘涂层的磨削加工中使用到金刚石/陶瓷砂轮；

本发明的特征如下：

Ⅰ、下切加工：

先对轴承内外圈的C面、A面和B面进行各项原始尺寸测量并记录各项原始尺寸，再对轴承内外圈的C面、A面和B面进行下切加工，下切加工相对轴承内外圈的C面、A面和B面的车磨加工量均控制在300~350μm，其中C面对A面以及C面对B面的棱角要进行倒圆，所述倒圆的圆角R大于1mm；

Ⅱ、表面清洗：

先用丙酮或是石油醚，再用无水乙醇分别对轴承内外圈的C面、A面和B面进行表面清洗；

Ⅲ、遮蔽保护：

按所述非涂层面的面积全部粘贴上遮蔽带，所述遮蔽带对所述非涂层面进行遮蔽保护；

Ⅳ、喷砂粗化：

通过压力式喷砂机，将粒度为24~50目的棕刚玉或是白刚玉砂粒喷射到轴承内外圈的C面、A面和B面，所述喷射使用的压缩空气必须干燥、无油且工作压力控制在0.6~0.8MPa，所述喷射方向与轴承内外圈C面、A面和B面的各法线夹角控制在10~20°，喷砂粗化的喷砂距离控制在0.1~0.2m，喷砂粗化的喷砂时间以轴承内外圈C面、A面和B面的基体表面露出新鲜金属表面为准；

Ⅴ、粘结底层制备：

先在经喷砂粗化的轴承内外圈C面、A面和B面上分别喷涂上一层粘结底层，粘结底层的喷涂厚度控制在50~80μm，粘结底层的喷涂方式通过等离子气来进行，所述等离子气含有氩气和氢气，粘结底层采用镍铬合金粉末，在所述镍铬合金粉末中：镍含量占75~85wt.%，铬含量占18~22wt.%，其余为杂质含量，要求所述镍铬合金粉末呈近球形，所述近球形的粒径控制在40~75μm；所述镍铬合金粉末的粒子喷射速度要求大于300m/s，轴承内外圈的基体温度要求小于150℃，粘结底层喷涂速度控制在400~600mm/s，所述等离子气的喷涂工艺参数如下：

喷涂电流控制在700~750A；喷涂电压控制在40~55 V；输送所述高纯氧化铝粉末的速度控制在30~50 g/min；载气流量控制在5~8 L/min；主气流量控制在40~60 L/min；主气压力控制在0.5~0.8 MPa；辅气流量控制在3~12 L/min；辅气压力控制在0.4~0.6 MPa；喷涂距离控制在90~120 mm；喷涂角度控制在75~90°；

Ⅵ、陶瓷面层制备：

在粘结底层表面进行陶瓷面层制备，陶瓷面层的厚度控制在350~400μm，陶瓷面层采用高纯氧化铝粉末，要求所述高纯氧化铝粉末中氧化铝的纯度不低于99.0 wt.%，要求所述高纯氧化铝粉末呈近球形，该近球形的粒径控制在20~40um，陶瓷面层的喷涂方式也通过等离子气来进行，所述等离子气含有氩气和氢气，所述高纯氧化铝粉末的粒子喷射速度要求大于300m/s，轴承内外圈的基体温度要求小于150℃，陶瓷面层的喷涂速度控制在400~600mm/s，陶瓷面层的所述等离子气的喷涂工艺参数与上述粘结底层的喷涂工艺参数相同；

要求：电绝缘涂层的结合强度达到25~35MPa，电绝缘涂层的绝缘电阻达到400~1000MΩ，电绝缘涂层的击穿电压达到1800~3000VDC。

      Ⅶ、对电绝缘涂层的封孔刷涂处理；

采用微晶石蜡或环氧树脂对电绝缘涂层进行封孔刷涂处理，封孔刷涂处理时间以微晶石蜡或环氧树脂干枯为准；

Ⅷ、对电绝缘涂层的磨削加工：

采用纯度为80~100、粒度为80~120目的金刚石/陶瓷砂轮对上述电绝缘涂层进行粗磨，粗磨的速度控制在15~30m/s，粗磨的进刀量小于10~50μm，注意粗磨后的电绝缘涂层厚度仍要大于等于轴承内外圈C面、A面和B面的各项原始尺寸；再采用纯度为80~100、粒度为240~320目的金刚石/陶瓷砂轮对粗磨后的电绝缘涂层进行精磨，精磨的速度和进刀量要以粗磨的速度和进刀量为准，注意精磨后的电绝缘涂层厚度要等于轴承内外圈C面、A面和B面的各项原始尺寸。

由于采用如上所述技术方案，本发明产生如下积极效果：

1、采用本发明轴承内外圈电绝缘涂层的制备方法，可在轴承外圈或是内圈表面上制备均匀、牢固的电绝缘涂层，电绝缘涂层的总厚度可以达到400~480μm，磨削加工后的电绝缘涂层厚度完全恢复到轴承内外圈的各项原始尺寸，电绝缘涂层的结合强度达到25~35MPa，电绝缘涂层的绝缘电阻达到400~1000MΩ，电绝缘涂层的击穿电压达到1800~3000VDC。

2、通过本发明可以有效地阻止电流通过轴承内外圈，防止轴承产生电蚀损伤，保持普通轴承的尺寸精度，可与所有常用外壳进行配合，具有很高的热稳定性，那直接用于高压电机、牵引电机、超导电机、变频电机等特种电机。

3、与背景技术相比，具有绝缘强度高、可靠度高、尺寸精度稳定性好、可与普通轴承互换、总体成本低等综合优势。

4、制备方法简单，易于保证轴承质量，适于批量化生产，有效解决现行绝缘轴承技术存在的工艺复杂、制造成本高、绝缘性能不稳定等问题。

附图说明

图1是轴承外圈的下切部位结构示意简图。

图1中：A-左侧面；B-右侧面；C-外圆面。

具体实施方式：

本发明是一种轴承内外圈电绝缘涂层的制备方法，轴承内外圈是指轴承的内圈和外圈，将轴承外圈的外径面或是轴承内圈的内径面均称其为C面，将轴承外圈或是轴承内圈的左端面均称其为A面，将轴承外圈或是轴承内圈的右端面均称其为B面，电绝缘涂层制备在轴承内外圈的C面、A面和B面，图1是轴承外圈的下切部位结构示意简图，轴承内圈的下切部位结构示意简图可参见图1。

本发明将非电绝缘涂层称其为轴承内外圈的非涂层面。

本发明的制备方法围绕电绝缘涂层包括有下切加工、表面清洗、遮蔽保护、喷砂粗化、粘结底层制备、陶瓷面层制备、对电绝缘涂层的封孔刷涂处理以及对电绝缘涂层的磨削加工。

下切加工采用车削加工或是磨削加工并简称为车磨加工，车磨加工量为电绝缘涂层提供前期准备。

表面清洗采用手工清洗或是喷枪清洗或是超声清洗，表面清洗的目的是清除轴承内外圈C面、A面和B面上的油迹。

遮蔽保护中使用到遮蔽带，遮蔽保护的目的是防止喷砂和喷涂时粉尘进入所述非涂层面以防污染轴承内外圈的内滚道或是外滚道，或影响其内滚道及外滚道的精度。

喷砂粗化中使用到压力式喷砂机，喷砂粗化为更好地在轴承内外圈C面、A面和B面的基体上制备粘结底层而做好前期准备。

粘结底层制备中使用到镍铬合金粉末、等离子气以及等离子气的相关工艺参数，粘结底层可以提高轴承内外圈C面、A面和B面的基体与陶瓷绝缘层之间的结合强度。

陶瓷面层制备中使用到氧化铝粉末、等离子气以及等离子气的相关工艺参数，粘结底层和陶瓷面层共同构成电绝缘涂层，该电绝缘涂层的总厚度大于轴承内外圈C面、A面和B面的各项原始尺寸，陶瓷面层为电绝缘涂层的高绝缘性能提供可靠保证。

对电绝缘涂层的封孔刷涂处理中使用到微晶石蜡或环氧树脂，封孔刷涂处理可显著提高电绝缘涂层的致密度及电绝缘性能。

对电绝缘涂层的磨削加工中使用到金刚石/陶瓷砂轮，电绝缘涂层进行磨削加工时不用去除微晶石蜡或环氧树脂，电绝缘涂层磨削加工后使轴承内外圈的尺寸精度恢复到各项原始尺寸。

根据本发明的技术方案，简述的参考实施例可以更详细的解释本发明，但简述的参考实施例以技术方案为准，公开下述参考实施例的目的旨在保护本发明范围内的一切变化和改进。

参考实施例1： 轴承外圈下切深度300μm，其中粘结底层为镍铬合金，厚度50μm，陶瓷面层为纯度大于99%的氧化铝，磨削后的厚度250μm。等离子喷涂电压55V，电流750A，主气压力0.6MPa，主气流量50L/min，辅气压力0.5MPa，辅气流量6L/min，载气流量5L/min，送粉速度40g/min，喷涂距离为100mm，喷涂角度90°，喷涂速度500mm/s，基体温度小于150℃。制备的电绝缘涂层结合强度29MPa，耐击穿电压大于2500VDC。

参考实施例2：轴承外圈下切深度300μm，其中粘结底层为镍铬合金，厚度80μm，陶瓷面层为纯度大于99%的氧化铝，磨削后的厚度220μm。等离子喷涂电压55V，电流750A，主气压力0.6MPa，主气流量50L/min，辅气压力0.5MPa，辅气流量6L/min，载气流量5L/min，送粉速度40g/min，喷涂距离为100mm，喷涂角度90°，喷涂速度500mm/s，基体温度小于150℃。制备的电绝缘涂层结合强度34MPa，耐击穿电压大于2000VDC。

参考实施例3：轴承外圈下切深度350μm，其中粘结底层为镍铬合金，厚度60μm，陶瓷面层为纯度大于99%的氧化铝，磨削后的厚度290μm。等离子喷涂电压55V，电流750A，主气压力0.6MPa，主气流量55L/min，辅气压力0.5MPa，辅气流量8L/min，载气流量5L/min，送粉速度45g/min，喷涂距离为100mm，喷涂角度90°，喷涂速度550mm/s，基体温度小于150℃。制备的电绝缘涂层结合强度31MPa，耐击穿电压大于3000VDC。

参考实施例4：轴承外圈下切深度300μm，其中粘结底层为镍铬合金，厚度50μm，陶瓷面层为纯度大于99%的氧化铝，磨削后的厚度250μm。等离子喷涂电压53V，电流730A，主气压力0.6MPa，主气流量48L/min，辅气压力0.5MPa，辅气流量7L/min，载气流量5L/min，送粉速度40g/min，喷涂距离为100mm，喷涂角度90°，喷涂速度500mm/s，基体温度小于150℃。制备的电绝缘涂层结合强度27MPa，耐击穿电压大于2000VDC。

经测试，上述四个参考实施例的绝缘电阻均达到400~1000MΩ。

Claims (1)

1.一种轴承内外圈电绝缘涂层的制备方法，轴承内外圈是指轴承的内圈和外圈，将轴承外圈的外径面或是轴承内圈的内径面均称其为C面，将轴承外圈或是轴承内圈的左端面均称其为A面，将轴承外圈或是轴承内圈的右端面均称其为B面，电绝缘涂层制备在轴承内外圈的C面、A面和B面，将非电绝缘涂层称其为轴承内外圈的非涂层面，制备方法包括下切加工、表面清洗、遮蔽保护、喷砂粗化、粘结底层制备、陶瓷面层制备、对电绝缘涂层的封孔刷涂处理以及对电绝缘涂层的磨削加工，其中：下切加工采用车削加工或是磨削加工并简称为车磨加工；表面清洗采用手工清洗或是喷枪清洗或是超声清洗；遮蔽保护中使用到遮蔽带；喷砂粗化中使用到压力式喷砂机；粘结底层制备中使用到镍铬合金粉末、等离子气以及等离子气的相关工艺参数；陶瓷面层制备中使用到氧化铝粉末、等离子气以及等离子气的相关工艺参数；对电绝缘涂层的封孔刷涂处理中使用到微晶石蜡或环氧树脂；对电绝缘涂层的磨削加工中使用到金刚石/陶瓷砂轮；其特征是：

Ⅰ、下切加工：

先对轴承内外圈的C面、A面和B面进行各项原始尺寸测量并记录各项原始尺寸，再对轴承内外圈的C面、A面和B面进行下切加工，下切加工相对轴承内外圈的C面、A面和B面的车磨加工量均控制在300~350μm，其中C面对A面以及C面对B面的棱角要进行倒圆，所述倒圆的圆角R大于1mm；

Ⅱ、表面清洗：

先用丙酮或是石油醚，再用无水乙醇分别对轴承内外圈的C面、A面和B面进行表面清洗；

Ⅲ、遮蔽保护：

按所述非涂层面的面积全部粘贴上遮蔽带，所述遮蔽带对所述非涂层面进行遮蔽保护；

Ⅳ、喷砂粗化：

通过压力式喷砂机，将粒度为24~50目的棕刚玉或是白刚玉砂粒喷射到轴承内外圈的C面、A面和B面，所述喷射使用的压缩空气必须干燥、无油且工作压力控制在0.6~0.8MPa，所述喷射方向与轴承内外圈C面、A面和B面的各法线夹角控制在10~20°，喷砂粗化的喷砂距离控制在0.1~0.2m，喷砂粗化的喷砂时间以轴承内外圈C面、A面和B面的基体表面露出新鲜金属表面为准；

Ⅴ、粘结底层制备：

先在经喷砂粗化的轴承内外圈C面、A面和B面上分别喷涂上一层粘结底层，粘结底层的喷涂厚度控制在50~80μm，粘结底层的喷涂方式通过等离子气来进行，所述等离子气含有氩气和氢气，粘结底层采用镍铬合金粉末，在所述镍铬合金粉末中：镍含量占75~85wt.%，铬含量占18~22wt.%，其余为杂质含量，要求所述镍铬合金粉末呈近球形，所述近球形的粒径控制在40~75μm；所述镍铬合金粉末的粒子喷射速度要求大于300m/s，轴承内外圈的基体温度要求小于150℃，粘结底层喷涂速度控制在400~600mm/s，所述等离子气的喷涂工艺参数如下：

喷涂电流控制在700~750A；喷涂电压控制在40~55 V；输送所述高纯氧化铝粉末的速度控制在30~50 g/min；载气流量控制在5~8 L/min；主气流量控制在40~60 L/min；主气压力控制在0.5~0.8 MPa；辅气流量控制在3~12 L/min；辅气压力控制在0.4~0.6 MPa；喷涂距离控制在90~120 mm；喷涂角度控制在75~90°；

Ⅵ、陶瓷面层制备：

在粘结底层表面进行陶瓷面层制备，陶瓷面层的厚度控制在350~400μm，陶瓷面层采用高纯氧化铝粉末，要求所述高纯氧化铝粉末中氧化铝的纯度不低于99.0 wt.%，要求所述高纯氧化铝粉末呈近球形，该近球形的粒径控制在20~40um，陶瓷面层的喷涂方式也通过等离子气来进行，所述等离子气含有氩气和氢气，所述高纯氧化铝粉末的粒子喷射速度要求大于300m/s，轴承内外圈的基体温度要求小于150℃，陶瓷面层的喷涂速度控制在400~600mm/s，陶瓷面层的所述等离子气的喷涂工艺参数与上述粘结底层的喷涂工艺参数相同；

要求：电绝缘涂层的结合强度达到25~35MPa，电绝缘涂层的绝缘电阻达到400~1000MΩ，电绝缘涂层的击穿电压达到1800~3000VDC；

       Ⅶ、对电绝缘涂层的封孔刷涂处理；

采用微晶石蜡或环氧树脂对电绝缘涂层进行封孔刷涂处理，封孔刷涂处理时间以微晶石蜡或环氧树脂干枯为准；

Ⅷ、对电绝缘涂层的磨削加工：

采用纯度为80~100、粒度为80~120目的金刚石/陶瓷砂轮对上述电绝缘涂层进行粗磨，粗磨的速度控制在15~30m/s，粗磨的进刀量小于10~50μm，注意粗磨后的电绝缘涂层厚度仍要大于等于轴承内外圈C面、A面和B面的各项原始尺寸；再采用纯度为80~100、粒度为240~320目的金刚石/陶瓷砂轮对粗磨后的电绝缘涂层进行精磨，精磨的速度和进刀量要以粗磨的速度和进刀量为准，注意精磨后的电绝缘涂层厚度要等于轴承内外圈C面、A面和B面的各项原始尺寸。