CN113513534A - 镍石墨导电涂层的导电滚动轴承及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镍石墨导电涂层的导电滚动轴承及制备方法。本发明的滚动轴承包括轴承内圈、轴承外圈、滚动体和保持架，滚动体通过保持架安装在轴承内圈和轴承外圈之间，轴承内圈和轴承外圈的滚道表面均涂覆有一层镍石墨导电涂层或者滚动体外表面涂覆有一层镍石墨导电涂层。本发明提供了一种导电滚动轴承，与传统轴承相比，具有导电性能好，承载能力强，抗高温熔盐腐蚀，润滑性能好等优点。

Description

镍石墨导电涂层的导电滚动轴承及制备方法

技术领域

本发明属于滚动轴承技术领域的一种滚动轴承，具体涉及了一种镍石墨导电涂层的导电滚动轴承及制备方法。

背景技术

城市地铁牵引电机、工程机械大功率电机、电气化铁路牵引电机等电机的牵引动力大，对环境污染小，适应可持续发展，是牵引电机的发展方向。电气化铁路使用电力机车作为牵引动力，而轴承作为重大装备和主机的重要核心基础件，是保证牵引电机正常工作的关键零部件。由于电机磁场与滚动轴承的相互作用，在轴承中不可避免的存在电涡流。近年来，在电机轴承中越来越多地检测到了电蚀的失效现象，电蚀不仅使轴承零件表面损坏，而且由于电蚀磨损微粒的作用导致润滑剂变质，产生严重的磨粒磨损，严重影响轴承的寿命，引起电机失效。全球每年由于滚动轴承电蚀造成的经济损失高达数千万美元。

高速运动的轴承内圈切割磁力线，在内圈中产生涡流；同时运动的滚动体钢球或圆柱滚子也切割磁力线，在滚动体中产生涡流。在交流电机中，内部磁场是变化的，与轴承内圈、外圈和滚动体也会相互作用，在滚动轴承中产生涡流。轴承的电蚀是指电流在其接触界面产生微小电火花，导致零件表面产生电蚀坑，滚动轴承的振动与噪声增大，而且轴承温度升高，严重时发生咬死现象，会引起机车的严重安全事故。由于表面电蚀，接触零件表面变得更加粗糙，接触区域分为直接接触斑点和非接触区部分，在绝缘不当或绝缘不良的情况下，在接触区内非接触部分涡流会击穿润滑油膜，产生微小电火花，在轴承滚道表面与滚动体表面形成电蚀坑和烧伤坑。同时由于电蚀产生的热量及造成的瞬时温升都将降低轴承的使用寿命。

对于电蚀问题，现今解决电蚀的主要措施有两种思路。其一为切断电流路径，并阻碍其流过轴承。其二，增强轴承界面的导电能力，引导电流流向外部。对轴承进行绝缘的混合陶瓷绝缘轴承，其加工工艺较复杂，生产成本高，保证轴承尺寸精度难。树脂覆膜绝缘涂层脆性大，热传导率低。喷涂陶瓷的绝缘轴承对交流电动机中的高频轴电流绝缘效果良好，但是不能避免轴承零部件中的产生涡流。传统的导电轴承通常采用添加碳刷等外设导电部件的接地方式，同样这种技术也不能避免轴承零部件中产生涡流。

鉴于上述现有技术存在的缺点，有必要加以改进，因此需要设计一种的导电轴承产品，在牵引电机中显得十分迫切和重要。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种镍石墨导电涂层的导电滚动轴承及制备方法，该轴承导电性能强、导电性能可靠，承载能力强，抗高温熔盐腐蚀，润滑性能好，结构简单，高速运转稳定。

为了克服现有技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一、一种镍石墨导电涂层的导电滚动轴承

所述滚动轴承包括轴承内圈、轴承外圈、滚动体和保持架，滚动体通过保持架安装在轴承内圈和轴承外圈之间，其特征在于：所述的轴承内圈和轴承外圈的滚道表面均涂覆有一层镍石墨导电涂层或者滚动体外表面涂覆有一层镍石墨导电涂层。

所述镍石墨导电涂层为镍包石墨粉末，镍包石墨粉末主要由镍和石墨相组成，其中镍：石墨相的质量比为3：1，镍包石墨粉末的粒径为10-20μm。

所述轴承内圈、轴承外圈和滚动体均由GCr15高碳铬轴承钢制造而成。

所述镍石墨导电涂层采用主气和二次气分别为氩气和氢气的等离子喷涂方式将镍包石墨粉末喷涂于轴承零件上获得，所述轴承零件具体为轴承内圈、轴承外圈或滚动体。

所述镍石墨导电涂层均匀覆盖轴承内圈和轴承外圈的整个滚道表面或者滚动体外表面。

所述镍石墨导电涂层的厚度为25～50μm。

二、一种镍石墨导电涂层的导电滚动轴承的制备方法

方法包括以下步骤：

A)喷砂，使用喷砂打磨轴承内圈和轴承外圈的滚道表面或滚动体外表面，去除表面的氧化膜；

B)除油，使用丙酮清洗轴承内圈和轴承外圈的滚道表面或滚动体外表面，然后烘干轴承内圈和轴承外圈的滚道表面或滚动体外表面；

C)基体预热，对轴承内圈和轴承外圈的滚道表面或滚动体外表面进行预热处理；

D)粉末烘干，将镍包石墨粉末放入烘干箱中烘干；

E)等离子喷涂，将烘干后的镍包石墨粉末装入等离子喷枪中，采用主气为氩气的等离子喷枪进行基体的喷涂，使得基体上涂覆有一层镍石墨导电涂层，获得涂覆有镍石墨导电涂层的导电滚动轴承。

所述步骤B)具体为使用丙酮对轴承内圈和轴承外圈的滚道表面或滚动体外表面进行超声波加热清洗20分钟，随后在干燥炉中60℃恒温烘干10分钟。

所述步骤E)中等离子喷枪的喷嘴距基体表面110mm，送粉量55g/min，气流量30L/min，喷射角度为90°。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.传统添加碳刷等接地方式需要额外添加导电设备，需要对整个轴承电机重新进行结构设计，成本较高，可替代性较差，本发明采用在轴承内、外圈与滚动体之间添加镍石墨导电涂层的方式将电流导出，成本较低，可直接替换现有电机中的传统轴承；

2.传统添加碳刷等接地方式可以将电机转轴上的电流直接导出，但是在大功率电机中高速转动的轴承中，轴承内、外圈和滚动体中会产生涡流，仍然会在轴承内、外圈和滚动体之间产生击穿润滑油膜的微小电火花，本发明采用在轴承内、外圈与滚动体之间添加镍石墨导电涂层的方式完全消除微小电火花，杜绝电蚀现象的发生。

3.本发明具有导电性能强，表面硬度高，自润滑性优良，有效降低轴承滚道磨损率，抗高温熔盐腐蚀的优点，可以有效导出滚动轴承上的高频和低频轴电流，极大减小润滑膜被击穿的概率，防止电蚀现象的发生；4.本发明提供的镍石墨导电涂层制备方法工艺步骤简单，制备成本较低，不仅可以保障导电轴承的技术效果，而且适合于工业化批量生产。

附图说明

图1为本发明的轴承内圈和滚动体切割磁力线产生涡流示意图。

图2为本发明镍石墨导电涂层的导电滚动轴承的一个实施案例示意图。

图3为本发明的镍石墨导电涂层的导电滚动轴承的另一个实施例示意图。

图4为本发明的镍石墨导电涂层的导电滚动轴承表层横截面示意图。

图5为普通轴承在高频电机下轴承电压变化图。

图6为普通轴承在高频电机下轴承电流变化图。

图7为陶瓷绝缘轴承在高频电机下轴承电压变化图。

图8为陶瓷绝缘轴承在高频电机下轴承电流变化图。

图9为镍石墨导电轴承在高频电机下轴承电压变化图。

图10为镍石墨导电轴承在高频电机下轴承电流变化图。

图中：1、轴承内圈，2、轴承外圈，3、滚动体，4、保持架，5、镍石墨导电涂层，6、轴承零件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述，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做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。

实施例1：

本实施方案提供了一种导电性能可靠、能够有效导出轴承电流预防电蚀发生的导电滚动轴承，如图2所示，滚动轴承包括轴承内圈1、轴承外圈2、滚动体3和保持架4，滚动体3通过保持架4安装在轴承内圈1和轴承外圈2之间，轴承内圈1和轴承外圈2的滚道表面均涂覆有一层镍石墨导电涂层5。镍石墨导电涂层均匀覆盖轴承内圈1和轴承外圈2的整个滚道表面或者滚动体3外表面。

镍石墨导电涂层5的厚度越大，涂层表面的孔隙率就越高，涂层的导电性能会随之下降；涂层厚度越大，涂层的内应力就越大，涂层与轴承内圈1和轴承外圈2的滚道表面的结合力会随之下降，涂层厚度为25～50μm，涂层导电性能良好，与滚道表面的结合性强。

镍石墨导电涂层为镍包石墨粉末，镍包石墨粉末主要由镍和石墨相组成，其中镍：石墨相的质量比为3：1，镍包石墨粉末的粒径为10-20μm。

轴承内圈1、轴承外圈2和滚动体3均由GCr15高碳铬轴承钢制造而成。

镍石墨导电涂层采用主气和二次气分别为氩气和氢气的等离子喷涂方式将镍包石墨粉末喷涂于轴承零件6上获得，轴承零件6具体为轴承内圈1、轴承外圈2或滚动体3。

实施例2：

本实施方案提供了一种导电性能可靠、能够有效导出轴承电流预防电蚀发生的导电滚动轴承，如图3所示，滚动轴承包括轴承内圈1、轴承外圈2、滚动体3和保持架4，滚动体3通过保持架4安装在轴承内圈1和轴承外圈2之间，滚动体3外表面涂覆有一层镍石墨导电涂层5。镍石墨导电涂层均匀覆盖轴承内圈1和轴承外圈2的整个滚道表面或者滚动体3外表面。

镍石墨导电涂层5的厚度越大，涂层表面的孔隙率就越高，涂层的导电性能会随之下降；涂层厚度越大，涂层的内应力就越大，涂层与滚动体3表面的结合力会随之下降，涂层厚度为25～50μm，涂层导电性能良好，与滚动体表面的结合性强。

镍石墨导电涂层为镍包石墨粉末，镍包石墨粉末主要由镍和石墨相组成，其中镍：石墨相的质量比为3：1，镍包石墨粉末的粒径为10-20μm。

轴承内圈1、轴承外圈2和滚动体3均由GCr15高碳铬轴承钢制造而成。

镍石墨导电涂层采用主气和二次气分别为氩气和氢气的等离子喷涂方式将镍包石墨粉末喷涂于轴承零件6上获得，轴承零件6具体为轴承内圈1、轴承外圈2或滚动体3。

制备方法包括以下步骤：

A)喷砂，使用喷砂打磨轴承内圈1和轴承外圈2的滚道表面或滚动体3外表面，去除表面的氧化膜；

B)除油，使用丙酮清洗轴承内圈1和轴承外圈2的滚道表面或滚动体3外表面，然后烘干轴承内圈1和轴承外圈2的滚道表面或滚动体3外表面；

步骤B)具体为使用丙酮对轴承内圈1和轴承外圈2的滚道表面或滚动体3外表面进行超声波加热清洗20分钟，随后在干燥炉中60℃恒温烘干10分钟。

C)基体预热，对轴承内圈1和轴承外圈2的滚道表面或滚动体3外表面进行预热处理；

D)粉末烘干，将镍包石墨粉末放入烘干箱中烘干；

E)等离子喷涂，将烘干后的镍包石墨粉末装入等离子喷枪中，采用主气为氩气的等离子喷枪进行基体的喷涂，使得基体上涂覆有一层镍石墨导电涂层，获得涂覆有镍石墨导电涂层的导电滚动轴承。

步骤E)中等离子喷枪的喷嘴距基体表面110mm，送粉量55g/min，气流量30L/min，喷射角度为90°。

以YQ190三相感应电动机为轴承工作电机，分别测量普通轴承、陶瓷绝缘轴承、镍石墨导电轴承在高频变化磁场下，轴承内、外圈之间的电压和轴承滚动体与轴承内、外圈之间的电流，测量结果如图5-10所示，将其中关键数值示于如下表1。

表1本发明与现有轴承的轴承电压和轴承电流对比表

轴承种类	轴承电压最大值(V)	轴承电流最大值(A)	备注
				普通轴承	0.17	0.16	比较例1
陶瓷绝缘轴承	21	0.013	比较例2
				镍石墨导电轴承	1.6e-11	0.16	发明例1

根据表1可知，发明例相比于普通轴承和陶瓷绝缘轴承有效降低了轴承内、外圈之间的电压，同时也就降低了润滑油膜两端的电压，可以有效防止润滑油膜被击穿，降低轴承的电蚀损伤。

上述仅本发明较佳可行的实施例，并非因此局限本发明保护范围，依照上述实施例所作各种变形或套用均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种镍石墨导电涂层的导电滚动轴承，所述滚动轴承包括轴承内圈(1)、轴承外圈(2)、滚动体(3)和保持架(4)，滚动体(3)通过保持架(4)安装在轴承内圈(1)和轴承外圈(2)之间，其特征在于：所述的轴承内圈(1)和轴承外圈(2)的滚道表面均涂覆有一层镍石墨导电涂层(5)或者滚动体(3)外表面涂覆有一层镍石墨导电涂层(5)。

2.根据权利要求1所述的一种镍石墨导电涂层的导电滚动轴承，其特征在于：所述镍石墨导电涂层为镍包石墨粉末，镍包石墨粉末主要由镍和石墨相组成，其中镍：石墨相的质量比为3：1，镍包石墨粉末的粒径为10-20μm。

3.根据权利要求1所述的一种镍石墨导电涂层的导电滚动轴承，其特征在于：所述轴承内圈(1)、轴承外圈(2)和滚动体(3)均由GCr15高碳铬轴承钢制造而成。

4.根据权利要求1所述的一种镍石墨导电涂层的导电滚动轴承，其特征在于：所述镍石墨导电涂层采用主气和二次气分别为氩气和氢气的等离子喷涂方式将镍包石墨粉末喷涂于轴承零件(6)上获得，所述轴承零件(6)具体为轴承内圈(1)、轴承外圈(2)或滚动体(3)。

5.根据权利要求1所述的一种镍石墨导电涂层的导电滚动轴承，其特征在于：所述镍石墨导电涂层均匀覆盖轴承内圈(1)和轴承外圈(2)的整个滚道表面或者滚动体(3)外表面。

6.根据权利要求1所述的一种镍石墨导电涂层的导电滚动轴承，其特征在于：所述镍石墨导电涂层的厚度为25～50μm。

7.用于实施权利要求1-6任一所述的一种镍石墨导电涂层的导电滚动轴承的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

A)喷砂，使用喷砂打磨轴承内圈(1)和轴承外圈(2)的滚道表面或滚动体(3)外表面，去除表面的氧化膜；

B)除油，使用丙酮清洗轴承内圈(1)和轴承外圈(2)的滚道表面或滚动体(3)外表面，然后烘干轴承内圈(1)和轴承外圈(2)的滚道表面或滚动体(3)外表面；

C)基体预热，对轴承内圈(1)和轴承外圈(2)的滚道表面或滚动体(3)外表面进行预热处理；

D)粉末烘干，将镍包石墨粉末放入烘干箱中烘干；

E)等离子喷涂，将烘干后的镍包石墨粉末装入等离子喷枪中，采用主气为氩气的等离子喷枪进行基体的喷涂，使得基体上涂覆有一层镍石墨导电涂层，获得涂覆有镍石墨导电涂层的导电滚动轴承。

8.根据权利要求7所述的一种镍石墨导电涂层的导电滚动轴承的制备方法，其特征在于：所述步骤B)具体为使用丙酮对轴承内圈(1)和轴承外圈(2)的滚道表面或滚动体(3)外表面进行超声波加热清洗20分钟，随后在干燥炉中60℃恒温烘干10分钟。

9.根据权利要求7所述的一种镍石墨导电涂层的导电滚动轴承的制备方法，其特征在于：所述步骤E)中等离子喷枪的喷嘴距基体表面110mm，送粉量55g/min，气流量30L/min，喷射角度为90°。

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