CN112553558A

CN112553558A - 轴承表面绝缘涂层的制备方法

Info

Publication number: CN112553558A
Application number: CN202011314528.8A
Authority: CN
Inventors: 徐世霖; 陈松; 冯健; 冯二彬; 荣震
Original assignee: Camc Surface Technology Jiangsu Co ltd
Current assignee: Camc Surface Technology Jiangsu Co ltd
Priority date: 2020-11-20
Filing date: 2020-11-20
Publication date: 2021-03-26

Abstract

本发明涉及轴承表面绝缘涂层的制备方法，包括如下步骤：(1)将轴承基材清洗干净并烘干；(2)对所述基材的表面进行粗化与活化处理；(3)然后以氧化铝和氧化锆的混合物粉末为涂层原材料进行大气等离子喷涂，冷却后涂覆封孔剂，干燥后制得轴承表面绝缘涂层；所述混合物粉末中氧化铝占90～99wt％、氧化锆占1～10wt％。本发明方法采用大气等离子热喷涂对轴承表面进行处理，在不降低轴承绝缘性能的同时提高了轴承的使用寿命，本发明涂层显微维氏硬度值500～1000HV300，可制备厚度为0.1～1.2mm的涂层，且电绝缘性能较佳，涂层的拉伸结合强度高。

Description

轴承表面绝缘涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及表面改性技术领域，具体涉及轴承表面绝缘涂层的制备方法。

背景技术

轴承用于电动机、发电机及其他有轴电流通过的电器与设备时，会发生感应电流，而流过轴承的电流由于放电作用会对轴承的润滑脂、滚动体、滚道造成损害，形成局部小凹坑等缺陷。这些缺陷加剧了轴承的磨损，降低了设备运营维护周期，从而极大增加了成本。

热喷涂技术作为特种工艺已广泛应用于多个高端制造行业以提升零部件的耐磨、防腐等性能，使得使用寿命提升，并赋予润滑、隔热、绝缘、抗氧化等特殊性能。热喷涂技术主要是利用高能束等离子焰流、高速气焰流将材料加热熔化并雾化成极细的颗粒同时以很高的速度喷射到工件表面形成涂层，所得涂层不影响基材的性能。

氧化铝具有优异的电绝缘性能，常用做绝缘涂层的首选材料，但大多数的陶瓷材料具有抗热震性差、断裂韧性低等缺陷，从而限制了其应用。因此，提高氧化铝陶瓷材料的韧性非常重要。现有技术中利用热喷涂工艺方法制备绝缘涂层(CN 108715989 A，CN108300959A)通常是先制备镍基过渡层，然后再喷涂高纯氧化铝从而获得绝缘涂层。也有专利(CN 102021556 A)仅制备了单层纯氧化铝绝缘涂层，涂层厚度为0.25～0.4mm，涂层较薄，则力学性能不佳。但现有技术中制备绝缘涂层的工艺方法存在一些共性问题：首先因为高纯度的氧化铝形成的陶瓷涂层热膨胀系数约为7～8×10^-6/℃，而轴承基材如Gr15E的热膨胀系数约为5×10^-5/℃，二者相差较大造成热应力的不匹配，所以必须预先制备镍基类金属合金的过渡层以对不同热膨胀系数的材料进行缓冲过渡；第二，若只制备单一的纯氧化铝陶瓷绝缘涂层，涂层厚度仅仅只能在≤0.5mm的厚度范围内应用，且纯氧化铝涂层的韧性不佳。

发明内容

为了解决现有技术中轴承表面绝缘涂层常存在过度层或涂层较薄、韧性不佳的技术问题，而提供本发明的轴承表面绝缘涂层的制备方法。本发明方法的绝缘涂层能够攻破当前因绝缘涂层厚度较薄、力学性能不佳的问题而无法满足在实际使用工况下长时间对轴承基材的防电蚀保护要求。本发明方法采用大气等离子热喷涂对轴承表面进行处理，通过改进热喷涂工艺流程，根据现有绝缘涂层材料的应用局限，对涂层组分进行改进，在不降低轴承绝缘性能的同时还提高轴承的使用寿命。

为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

轴承表面绝缘涂层的制备方法，包括如下步骤：

(1)将轴承基材清洗干净并烘干；

(2)对所述基材的表面进行粗化与活化处理；

(3)然后以氧化铝和氧化锆的混合物粉末为涂层原材料进行大气等离子喷涂，冷却后涂覆封孔剂，干燥后制得轴承表面绝缘涂层。

进一步地，所述混合物粉末中氧化铝占90wt％～99wt％、氧化锆占1wt％～10wt％。

再进一步地，所述氧化铝和所述氧化锆的粉末粒径小于100μm。

进一步地，步骤(1)中所述清洗采用酒精或丙酮进行手工擦拭或超声波清洗。

进一步地，步骤(1)中所述烘干的温度不超过80℃。

进一步地，步骤(2)中所述粗化与活化处理为吹砂处理，所述吹砂处理的砂粒材料为白刚玉，吹砂压力为0.1MPa～0.6MPa，吹砂距离为30mm～140mm。采用压缩空气为动力，利用高速砂流的冲击作用来实现轴承表面的粗化和活化，在吹砂的过程中，砂粒对轴承表面产生冲击及切削作用，使得轴承表面获得一定的粗糙度，有利于后续绝缘涂层的附着，同时吹砂也能对轴承表面进行深度清洁。另外一般吹砂采用石英砂、铁砂等，但本发明中采用白刚玉，一方面采用白刚玉可以获得更洁净得的吹砂界面，另一方面考虑到成本问题，故而采用白刚玉。

进一步地，步骤(3)中所述大气等离子喷涂的过程以氩气为主气、氢气为辅助气，在电流300A～650A、电压50V～80V、送粉量20g/min～150g/min、喷涂距离70mm～140mm、喷涂角度70°～90°的条件下进行大气等离子喷涂，所述大气等离子喷涂的过程中控制所述基材的表面温度≤150℃。主要通过调节电流和辅助气体流量来调节大气等离子焰流的能量。

再进一步地，所述主气的流量为25L/min～75L/min、主气的压力为0.6MPa～1MPa，所述辅助气的流量为1L/min～15L/min、辅助气的压力为0.8MPa～1.5MPa。

进一步地，步骤(3)中所述冷却采用压缩空气冷却，冷却压力为0.3MPa～0.7MPa，冷却距离为10mm～200mm。

进一步地，步骤(3)中所述封孔剂包括以下质量组份的原料：酚醛环氧树脂20～50份、钛酸丁酯固化剂1～10份、稀释剂30～80份；所述稀释剂为丙酮和二甲苯，所述丙酮和所述二甲苯为等质量比；所述干燥的温度为50℃～150℃。

有益技术效果：

本发明在轴承表面先采用白刚玉进行吹砂处理，一方面获得更为清洁的表面，另一方面使得轴承表面得到粗化及活化，得到具有较大表面粗糙度的轴承表面，后续将氧化铝与氧化锆的混合物粉末作为涂层原材料采用大气等离子喷涂至轴承表面，由于先前已经得到了具有较大表面粗糙度的轴承表面，使得后续大气等离子喷涂后得到的涂层以锯齿状结合于轴承表面，在未涂覆封孔剂前获得孔隙率为1％～15％的轴承表面绝缘涂层，涂层显微维氏硬度值500～1000HV300，可制备厚度为0.1mm～1.2mm的涂层，且电绝缘性能较佳，封孔后的耐腐蚀性能更好。本发明中氧化锆对氧化铝具有较好的增韧效果，原始涂层的拉伸强度结合水平可提升至30MPa，经封孔后得涂层拉伸强＞70MPa。

附图说明

图1为实施例2制得的轴承绝缘涂层未封孔的金相图，放大100倍。

图2为实施例2制得的轴承绝缘涂层封孔后的金相图，放大100倍。

图3为实施例2制得的轴承绝缘涂层封孔后的金相图，放大500倍。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

以下实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定；若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、或相关企业提出的标准要求进行。除非另有说明，否则所有的份数为重量份，所有的百分比为重量百分比。

实施例1

轴承表面绝缘涂层的制备方法，包括如下步骤：

(1)将轴承基材采用酒精进行手工擦拭干净并在50℃下烘干；

(2)对轴承基材的表面进行吹砂处理，所述吹砂处理采用压缩空气为动力，利用高速砂流的冲击作用来实现轴承表面的粗化和活化，吹砂的砂粒材料为白刚玉，吹砂压力为0.3MPa，吹砂距离为50mm；

(3)然后以99wt％氧化铝和1wt％氧化锆的混合物粉末为涂层原材料进行大气等离子喷涂，以氩气为主气(主气的流量为50L/min、主气的压力为0.8MPa)、氢气为辅助气(辅助气的流量为8L/min、辅助气的压力为1.2MPa)，在电流450A、电压80V、送粉量30g/min、喷涂距离80mm、喷涂角度90°的条件下进行大气等离子喷涂，喷涂的过程中控制所述基材的表面温度≤150℃，然后采用压缩空气冷却，冷却压力为0.4MPa，冷却距离为50mm，冷却后，在轴承表面获得涂层，在涂层表面均匀涂覆封孔剂，120℃下干燥后制得轴承表面绝缘涂层。

其中封孔剂包括以下质量组份的原料：酚醛环氧树脂40份、钛酸丁酯固化剂5份、稀释剂55份；所述稀释剂为丙酮和二甲苯按等质量比配制的混合液。

实施例2

轴承表面绝缘涂层的制备方法，包括如下步骤：

(1)将轴承基材采用丙酮进行超声波清洗干净并在60℃下烘干；

(2)对轴承基材的表面进行吹砂处理，所述吹砂处理采用压缩空气为动力，利用高速砂流的冲击作用来实现轴承表面的粗化和活化，吹砂的砂粒材料为白刚玉，吹砂压力为0.4MPa，吹砂距离为50mm；

(3)然后以97wt％氧化铝和3.0wt％氧化锆的混合物粉末为涂层原材料进行大气等离子喷涂，以氩气为主气(主气的流量为50L/min、主气的压力为0.8MPa)、氢气为辅助气(辅助气的流量为8L/min、辅助气的压力为1.2MPa)，在电流550A、电压70V、送粉量60g/min、喷涂距离110mm、喷涂角度90°的条件下进行大气等离子喷涂，喷涂的过程中控制所述基材的表面温度≤150℃，然后采用压缩空气冷却，冷却压力为0.4MPa，冷却距离为80mm，冷却后，在轴承表面获得涂层，在涂层表面均匀涂覆封孔剂，120℃下干燥后制得轴承表面绝缘涂层。

对本实施例制得的涂层在未涂抹封孔剂之前进行金相测试，其金相图如1所示，由图1可知，绝缘涂层为单层涂层，涂层厚度为0.35mm，其与轴承基体通过锯齿状界面以机械结合方式构成，测得未涂抹封孔剂之前的涂层中存在3％-4％孔隙率。本实施例制得的涂层在涂抹封孔剂之后的金相图如2和图3所示，其中图2为放大100倍下的金相图，图3为放大500倍下的金相图，由图2和图3可知，在涂抹封孔剂之后涂层的孔隙率基本为0％。

实施例3

轴承表面绝缘涂层的制备方法，包括如下步骤：

(1)将轴承基材采用丙酮进行超声波清洗干净并在80℃下烘干；

(2)对轴承基材的表面进行吹砂处理，所述吹砂处理采用压缩空气为动力，利用高速砂流的冲击作用来实现轴承表面的粗化和活化，吹砂的砂粒材料为白刚玉，吹砂压力为0.3MPa，吹砂距离为85mm；

(3)然后以95.5wt％氧化铝和4.5wt％氧化锆的混合物粉末为涂层原材料进行大气等离子喷涂，以氩气为主气(主气的流量为50L/min、主气的压力为0.8MPa)、氢气为辅助气(辅助气的流量为8L/min、辅助气的压力为1.2MPa)，在电流500A、电压65V、送粉量85g/min、喷涂距离105mm、喷涂角度90°的条件下进行大气等离子喷涂，喷涂的过程中控制所述基材的表面温度≤150℃，然后采用压缩空气冷却，冷却压力为0.5MPa，冷却距离为80mm，冷却后，在轴承表面获得涂层，在涂层表面均匀涂覆封孔剂，120℃下干燥后制得轴承表面绝缘涂层。

实施例4

轴承表面绝缘涂层的制备方法，包括如下步骤：

(1)将轴承基材采用酒精进行超声波清洗干净并在70℃下烘干；

(2)对轴承基材的表面进行吹砂处理，所述吹砂处理采用压缩空气为动力，利用高速砂流的冲击作用来实现轴承表面的粗化和活化，吹砂的砂粒材料为白刚玉，吹砂压力为0.6MPa，吹砂距离为100mm；

(3)然后以93.5wt％氧化铝和6.5wt％氧化锆的混合物粉末为涂层原材料进行大气等离子喷涂，以氩气为主气(主气的流量为50L/min、主气的压力为0.8MPa)、氢气为辅助气(辅助气的流量为8L/min、辅助气的压力为1.2MPa)，在电流650A、电压60V、送粉量100g/min、喷涂距离120mm、喷涂角度80°的条件下进行大气等离子喷涂，喷涂的过程中控制所述基材的表面温度≤150℃，然后采用压缩空气冷却，冷却压力为0.5MPa，冷却距离为100mm，冷却后，在轴承表面获得涂层，在涂层表面均匀涂覆封孔剂，120℃下干燥后制得轴承表面绝缘涂层。

其中封孔剂包括以下质量组份的原料：酚醛环氧树脂35份、钛酸丁酯固化剂4份、稀释剂61份；所述稀释剂为丙酮和二甲苯按等质量比配制的混合液。

实施例5

本实施例的轴承表面绝缘涂层与实施例2的制备方法相同，不同之处在于：涂层原材料为91.5wt％氧化铝和8.5wt％氧化锆的混合物粉末。

对比例1

本对比例与实施例2的制备方法相同，不同之处在于：未进行吹砂处理，而直接采用粗砂纸或磨砂机打磨。

对比例2

本对比例与实施例2的制备方法相同，不同之处在于：以氧化钛替代氧化锆。

对比例3

本对比例与实施例2的制备方法相同，不同之处在于：涂层原材料为100％氧化铝。

对以上实施例及对比例制得涂层进行性能测试，结果见表1。

表1实施例及对比例制得涂层性能

(注：封孔前后硬度相差不大，硬度为封孔后的数据。)

其中实施例1～5的5000V交流电压下的工频电压特性检测电流值＜20mA，采用交流击穿测试仪对绝缘涂层测试的击穿电压＞5000V，略微小于对比例3纯氧化铝涂层的抗击穿电压6000V。但是绝缘涂层与轴承基材的拉伸结合强度由对比例3纯氧化铝的18-20MPa提高至本发明实施例2的28-30MPa，本发明涂层的力学性能得到显著提升，同时涂层的硬度值略微增加，可以增加涂层在服役过程中的耐磨性能。

相较于对比例2采用氧化钛与氧化铝制备的绝缘涂层，本发明实施例2采用氧化锆与氧化铝制备的绝缘涂层具有更高的硬度以及结合强度，采用氧化锆的绝缘涂层力学性能相较于氧化钛更好。

相较于对比例1未进行吹砂处理，而直接采用粗砂纸或磨砂机打磨获得的绝缘涂层，虽然砂纸等打磨也具有一定表面粗糙度但只能达到沙面化处理效果，而吹砂处理能使表面得到颗粒化处理效果，吹砂处理后得到的表面粗糙度较一般打磨处理得到的表面粗糙度更大，由此对比例1中轴承基材与绝缘涂层之间的结合强度较差。所以本发明在制备绝缘涂层之前进行吹砂处理可在相当大的程度上提高涂层与基材的结合强度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.轴承表面绝缘涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将轴承基材清洗干净并烘干；

(2)对所述基材的表面进行粗化与活化处理；

2.根据权利要求1所述的轴承表面绝缘涂层的制备方法，其特征在于，所述混合物粉末中氧化铝占90wt％～99wt％、氧化锆占1wt％～10wt％。

3.根据权利要求2所述的轴承表面绝缘涂层的制备方法，其特征在于，所述氧化铝和所述氧化锆的粉末粒径小于100μm。

4.根据权利要求1或2所述的轴承表面绝缘涂层的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述清洗采用酒精或丙酮进行手工擦拭或超声波清洗。

5.根据权利要求1或2所述的轴承表面绝缘涂层的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述烘干的温度不超过80℃。

6.根据权利要求1或2所述的轴承表面绝缘涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述粗化与活化处理为吹砂处理，所述吹砂处理的砂粒材料为白刚玉，吹砂压力为0.1MPa～0.6MPa，吹砂距离为30mm～140mm。

7.根据权利要求1或2所述的轴承表面绝缘涂层的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述大气等离子喷涂的过程以氩气为主气、氢气为辅助气，在电流300A～650A、电压50V～80V、送粉量20g/min～150g/min、喷涂距离70mm～140mm、喷涂角度70°～90°的条件下进行大气等离子喷涂，所述大气等离子喷涂的过程中控制所述基材的表面温度≤150℃。

8.根据权利要求7所述的轴承表面绝缘涂层的制备方法，其特征在于，所述主气的流量为25L/min～75L/min、主气的压力为0.6MPa～1MPa，所述辅助气的流量为1L/min～15L/min、辅助气的压力为0.8MPa～1.5MPa。

9.根据权利要求1或2所述的轴承表面绝缘涂层的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述冷却采用压缩空气冷却，冷却压力为0.3MPa～0.7MPa，冷却距离为10mm～200mm。

10.根据权利要求1或2所述的轴承表面绝缘涂层的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述封孔剂包括以下质量组份的原料：酚醛环氧树脂20～50份、钛酸丁酯固化剂1～10份、稀释剂30～80份；所述稀释剂为丙酮和二甲苯，所述丙酮和所述二甲苯为等质量比；所述干燥的温度为50℃～150℃。