風(fēng)電軸承的新型表面處理技術(shù)

劉靜，徐輝，李煒

(1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；2.河北工程大學(xué) 機電學(xué)院，河北 邯鄲 056006；3. 中航鋰電(洛陽)有限公司，河南 洛陽 471009)

隨著環(huán)境和能源問題的日益嚴(yán)重，全球范圍都在大力發(fā)展可再生能源。而風(fēng)能作為全球儲量巨大的一種綠色能源，受重視的程度也越來越高，到2020年全世界風(fēng)能裝機容量將達到123.1萬 MW[1]。我國將逐步成為全球最大風(fēng)電市場和風(fēng)能設(shè)備制造中心，預(yù)計至2020年，我國將完成8萬 MW 裝機容量[1]。風(fēng)電設(shè)備的大力發(fā)展必然帶動下游風(fēng)電零配件廠商的長足進步。特別是風(fēng)電軸承，由于不能在空中進行防腐作業(yè)，因此整機廠商對風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承的表面防腐質(zhì)量要求非常嚴(yán)格。一般情況下，除了轉(zhuǎn)盤軸承的齒面和滾道，其他部分都需要進行防腐處理，通常的處理方法是先進行噴砂處理再熱噴涂(鍍鋅或鉻)處理。一般要求表面處理厚度達60～120 μm，國外一些企業(yè)的表面處理厚度可達到1 mm以上。

1 現(xiàn)用表面處理技術(shù)

轉(zhuǎn)盤軸承的表面處理技術(shù)主要有電浸鍍技術(shù)和熱噴涂技術(shù)兩種。

1.1 電浸鍍

電浸鍍技術(shù)就是將軸承放入熔點較低的鋁或鋅等熔融金屬中，從而在軸承表面形成金屬鍍層。但是電浸鍍技術(shù)需要在加工過程中對軸承滾道進行保護，同時對加工環(huán)境的要求較高，需要非常大的電鍍池進行加工，設(shè)備投資較大，國內(nèi)企業(yè)較少采用此方法。

1.2 熱噴涂

熱噴涂就是利用某種熱源, 如火焰、電弧、等離子弧等將粉末狀或絲狀的金屬加熱到熔融或半熔融狀態(tài), 然后借助焰流本身的動力或外加的高速氣流霧化，并以一定的速度噴射到經(jīng)過預(yù)處理的基體表面, 與基體材料結(jié)合而形成表面覆蓋涂層的一種技術(shù)[2]。

表面涂層形成的大致過程如圖1所示，涂層材料(主要是鋁合金)經(jīng)加熱熔化和加速后撞擊基體，冷卻凝固后形成涂層。涂層材料的熔化非常關(guān)鍵，一般希望所有涂層材料都完全熔化，并一直保持到撞擊基體表面之前，且不產(chǎn)生揮發(fā)。

圖1 熱噴涂技術(shù)原理圖[2]

熔滴撞擊基材后擴展成薄膜，撞擊時的高速度有助于熔滴的擴展，但會因為表面張力或凝固過程而停止擴展，并凝固成一種扁平的薄餅狀結(jié)構(gòu)。如果顆粒有部分未熔，則未熔部分會從基板反彈出來，留下空洞或包裹在涂層中形成類似于“夾雜”的組織。如果液滴過熱，即撞擊基體時溫度過高、液滴黏度太低，會造成“噴濺”現(xiàn)象，即熔滴擴展后不會立刻凝固，而是邊緣變厚，趨于破裂，脫離中心液滴并收縮、凝固成許多小球狀液滴。因此未熔和過熱都是噴涂過程中應(yīng)避免的現(xiàn)象[3]。噴涂后的表面質(zhì)量如圖2所示。

圖2 涂層剖面圖

熱噴涂后的風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承，為了防止腐蝕介質(zhì)透過涂層的孔隙到達軸承基面引起基材的腐蝕，必須對涂層進行封孔處理。用作封孔劑的材料有石臘、環(huán)氧樹脂、硅樹脂等有機材料及氧化物等無機材料, 如何選擇合適的封孔劑，要根據(jù)風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承所使用區(qū)域的大氣環(huán)境、溫度等因素進行考慮。

現(xiàn)有的軸承生產(chǎn)廠家采用的熱噴涂方法主要是火焰噴涂和電弧噴涂兩種。這兩種熱噴涂方法都比較成熟，但是存在一定的缺點。

火焰噴涂是利用氧與可燃?xì)怏w燃燒，把噴涂材料加熱熔化，利用噴槍噴涂在工件表面的一種處理工藝。通過壓縮氣體霧化并加速噴涂材料，隨后在基體上沉積成涂層。燃燒氣體的自由膨脹對噴涂材料加速的效果有限?；鹧鎳娡康膬?yōu)勢在于設(shè)備投資少，操作容易，但是涂層氧含量較高，孔隙較多，涂層結(jié)合強度偏低，涂層質(zhì)量不高。

電弧噴涂是利用兩根焊絲之間的放電產(chǎn)生電弧，電弧加熱使焊絲熔化，熔化部分被壓縮氣體吹向基體而形成鍍層。電弧噴涂和火焰噴涂一樣，加工成本低，但是涂層由大小不一的扁平顆粒、未熔球形顆粒、夾雜物和孔隙組成，降低了噴涂層的表面質(zhì)量。同時噴涂材料必須是導(dǎo)電的金屬及合金絲, 因而其應(yīng)用受到了一定的限制, 但高效率使得其在噴涂Al，Zn 及不銹鋼等大面積防腐方面應(yīng)用廣泛。

2 新型表面處理技術(shù)

隨著表面處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多新型表面處理技術(shù)，經(jīng)過篩選認(rèn)為下面幾種表面處理技術(shù)可以應(yīng)用到風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承當(dāng)中。

2.1 等離子弧噴涂技術(shù)

等離子弧噴涂是利用噴槍的噴嘴和電極形成等離子弧，利用等離子火焰作為熱源對噴涂材料進行加熱，等離子弧將粉末熔化并加速噴涂到軸承基體表面上形成涂層。等離子弧噴涂和火焰噴涂及電弧噴涂的對比見表1。

表1 常見熱噴涂方式比較

等離子弧噴涂基體表面厚度波動小、密度均勻、空隙率低、結(jié)合強度高、噴涂效率高、涂層中夾雜物較少，提高了涂層致密度和粘著強度。同時等離子氣體與粉末產(chǎn)生反應(yīng)，形成特殊化合物的涂層，大大提高了表面噴涂的質(zhì)量。表面處理質(zhì)量大大高于火焰噴涂和電弧噴涂。等離子弧噴涂不僅大大提高了噴涂效率，而且可以進行大面積、高質(zhì)量的連續(xù)噴涂。

等離子弧噴涂最早是應(yīng)用到燃?xì)廨啓C、壓氣機外殼、熱軋軋輥等產(chǎn)品上，邯鋼還采用等離子弧噴涂技術(shù)來處理磨煤輥、泥漿泵槳葉等部件。隨著近幾年等離子弧噴涂技術(shù)的發(fā)展，整機的使用范圍都有很大的提高，因此采用等離子弧噴涂技術(shù)來進行轉(zhuǎn)盤軸承的表面處理是很有可能的。

2.2 DACROMET(鋅鉻涂層)技術(shù)

DACROMET技術(shù)又稱片狀鋅基鉻酸涂敷技術(shù)，是當(dāng)今世界表面處理最新技術(shù)，其需要先將基材表面進行凈化，再對處理后的基材進行涂覆后烘烤。DACROMET涂層具有極強抗腐蝕性，比電鍍鋅高7～12倍?？梢蕴娲鸁峤冧\，熱噴鋁、鋅等工藝。DACROMET防銹機理為：鋅對基體的受控電化學(xué)保護，鉻酸的鈍化作用，鋅片、鋁片及復(fù)合鉻酸鹽涂層的機械式屏蔽作用。該技術(shù)對環(huán)境無污染，耐腐蝕性、耐磨性、防熱性、防潮性和穩(wěn)定性好，結(jié)合力強。

2.3 水溶性無機硅酸鋅涂料

水溶性無機硅酸鋅涂料是采用雙組固化涂料，主要成分為無機陶瓷樹脂和鋅粉。水溶性無機陶瓷樹脂由有機硅樹脂改性而來，含有大量單分子硅酸，單分子硅酸與鋅粉發(fā)生交聯(lián)聚合反應(yīng)，產(chǎn)生硅酸鋅網(wǎng)狀分子聚合物，形成堅硬陶瓷性涂層，固結(jié)在鋼鐵表面，具有極強的防腐性。該涂層具有耐海水、耐油、耐酸、耐鹽霧等特點，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般防腐涂層以及噴鋅、噴鋁等表面處理技術(shù)。

水溶性無機硅酸鋅涂料除具有環(huán)保特性外，還具有其他一些特殊性能?，F(xiàn)已廣泛用于暴露在海洋大氣、高溫等各種環(huán)境中各種鋼結(jié)構(gòu)的長效防腐，包括輪船、集裝箱、海洋平臺、各類海岸設(shè)施、橋梁、貯罐、塔架、管線、各類大型建筑的鋼鐵構(gòu)件等。水溶性無機硅酸鋅涂料在附著力、耐侯性、耐磨性、耐熱性、耐輻射性、耐溶劑性、安全性、抗靜電性、焊接性能、自修復(fù)性等方面都具有獨特的優(yōu)異性能。

3 結(jié)束語

風(fēng)電能源在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)將保持大規(guī)模的發(fā)展趨勢。因此，如何提高風(fēng)電軸承的表面處理質(zhì)量非常重要。通過分析現(xiàn)有表面處理技術(shù)優(yōu)缺點，并對幾種適合風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承的表面處理新技術(shù)進行論述，希望能對風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承表面處理技術(shù)有所幫助，提高風(fēng)電轉(zhuǎn)盤軸承的表面質(zhì)量。