電絕緣軸承的制作方法
【專利摘要】一種具有由陶瓷組成的表面的軸承組件，其中該陶瓷具有多個孔，并且其中至少一些孔至少部分用包括甲階酚醛樹脂的樹脂填充。
【專利說明】
電絕緣軸承
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及軸承領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明涉及一種新的用于軸承組件的電絕緣 層，并且涉及包括所述組件的軸承。
【背景技術(shù)】
[0002] 軸承是允許兩個部件之間相對運動的裝置。滾動元件軸承典型地包括內(nèi)外滾道和 布置在其間的多個元件(例如，諸如滾珠或輥子之類的滾動元件）。為了長期的可靠性，重要 的是，各個元件具有高耐滾動接觸疲勞性、耐磨損性和耐蠕動性。出于這些理由，軸承鋼材 是大多數(shù)軸承組件的精選材料。
[0003] 電動機、發(fā)電機和關(guān)聯(lián)裝置在電流通過軸承時是冒著風(fēng)險的。這可損傷軸承中滾 動元件和滾道的接觸表面(電蝕)并迅速降解潤滑油脂。電動機和發(fā)電機的另一風(fēng)險來自于 由于固有的雜散電容(stray capacitance)造成的高頻電流。如果應(yīng)用采用了變頻器，則損 傷的風(fēng)險增大。
[0004] 轉(zhuǎn)軸中的電流或者是故意創(chuàng)建的，或者是由于感應(yīng)旋轉(zhuǎn)機械中的不平衡而產(chǎn)生 的。在任一情況下，通常期望通過絕緣軸承將兩個組件彼此絕緣。旋轉(zhuǎn)感應(yīng)機械中軸電流的 問題幾十年來一直被視為限制軸承壽命的實質(zhì)因素。
[0005] 殼體、外圈、滾動元件、內(nèi)圈和軸之間的接觸區(qū)域用作電接觸頭。通過軸承的電流 造成在相對短的時段內(nèi)它們有用壽命的重大衰退。例如，電流通過將損傷軸承圈的滾道和 滾動元件，并迅速降解潤滑油。典型的損傷特征在于坑（crater)和摩擦腐蝕壓痕（false brinelling)〇
[0006] 有幾種已知的方法消除通過軸承的電流。陶瓷滾動元件已被考慮用于軸承應(yīng)用。 然而，已認識到陶瓷滾動元件用于安全關(guān)鍵應(yīng)用存在相關(guān)聯(lián)的內(nèi)在局限性。
[0007] -種使軸承更不導(dǎo)電的方法是改變軸承組件的塊體材料(bulk material)，以便 耐電流。這受限于軸承應(yīng)用和制造的機械和成本要求。替代地，可以用電阻材料涂覆軸承組 件，這更經(jīng)濟有效。然而，這樣的涂層必須具有足夠的硬度。
[0008] GB 1591560公開了一種由在軸承內(nèi)孔中布置由軸承支撐的機器，其中軸承內(nèi)孔通 過氧化鋁層絕緣。
[0009] US4320931公開了 一種絕緣軸承，其中所述軸承包括軸承殼和內(nèi)軸承材料（巴氏合 金）?；鶎邮┘釉跉ど?優(yōu)選采用等離子噴涂方法），較厚的陶瓷絕緣材料層布置在基層之 上，最后增加"粘附"層(優(yōu)選金屬材料）以用作殼與軸承材料(巴氏合金)最終層之間的粘合 劑。
[0010] 使殼體或軸絕緣通常是昂貴且耗時的。US 3924906教導(dǎo)了一種用于使軸承絕緣的 替代方法。其公開了電絕緣軸承，包括輕金屬氧化物或陶瓷的絕緣涂層。該絕緣涂層通過等 離子涂層或火焰噴涂施加在殼體或軸承的非旋轉(zhuǎn)表面上。絕緣涂層接著用清漆涂覆，以注 入(impregnate)該絕緣并防止污染。EP 1408249公開了一種類似的方法，沒用清漆，其中軸 承組件的表面也包括基準(zhǔn)面(tool reference plane)，可用于一種潤飾(finish)電絕緣層 的工藝，或者可用于絕緣層的厚度控制。
[0011] 商用INSOCOAT?軸承(SKF)采用了一種類似于US 3924906的方法。軸承外圈的 外(非磨損)表面或者軸承內(nèi)圈的內(nèi)（非磨損)表面用陶瓷層涂覆，陶瓷層用丙烯酸酯基組合 物密封。涂覆表面接著被機器加工成所需尺寸。
[0012] 本發(fā)明的目的是提供一種絕緣軸承，其可利用標(biāo)準(zhǔn)的方法和工具來安裝，并且即 使長期在高度潮濕的環(huán)境中也能保持其電性能。
[0013] 因此，本發(fā)明目標(biāo)是至少解決與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)聯(lián)的一些問題，或者至少提供一種 可商用的替代方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 在第一方面，本發(fā)明提供了一種軸承組件，具有包括陶瓷的表面，其中陶瓷具有多 個孔，并且其中至少一些孔至少部分用包括甲階酚醛樹脂的樹脂填充。
[0015] 現(xiàn)在將進一步描述本發(fā)明。在下面的幾段中，將更詳細地限定本發(fā)明的不同方面。 這樣定義的每個方面可與任意方面結(jié)合，除非有明確的相反指示。特別是，指示為優(yōu)選或有 優(yōu)勢的任何特征可與指示為優(yōu)選或有優(yōu)勢的任何其它特征相結(jié)合。
[0016] 如上面提到的，軸承是允許兩個部件之間相對運動的裝置。滾動元件軸承典型地 包括內(nèi)外滾道，在其間布置多個滾動元件。滾動元件的實施例包括滾珠、輥子和圓錐輥。
[0017] 軸承內(nèi)使用的組件具有磨損和非磨損表面。磨損表面是使用時與相對于該表面運 動的另一表面接觸的表面。例如，滾珠滾動元件的整個外表面可視為磨損表面，盡管僅用于 接觸滾珠滾動元件的滾道的內(nèi)表面構(gòu)成磨損表面。正如要認識到，使用時，在磨損表面之間 存在油脂或油類或其它工作流體。
[0018]優(yōu)選地，軸承組件是內(nèi)或外滾道。這樣的組件在現(xiàn)有技術(shù)中是眾所周知的。
[0019] 為了長期的可靠性，重要的是，軸承的各個組件具有高耐滾動接觸疲勞性、耐磨損 性和耐蠕動性。為了滿足這些需求，軸承組件一般來說由金屬制成，特別是鋼，以及更優(yōu)選 的是軸承鋼材。這些材料在現(xiàn)有技術(shù)中是眾所周知的，易于導(dǎo)電，因此軸承易受電流流動的 影響。
[0020] 用于這樣的軸承組件的表面涂層在現(xiàn)有技術(shù)中也是已知的。例如，SKF INSOCOAT ?采用了表面涂層，這使得軸承耐電。尤其是，INSOCOAT?軸承設(shè)計成防 止電流通過軸承。與其它絕緣方法相比較，軸承是一種經(jīng)濟有效的解決方案。通過將絕緣屬 性結(jié)合到軸承中，INSOCOAT?軸承改善了可靠性并通過解決電蝕問題，提高了機器正 常運行時間。更詳細地，INSOCOAT?軸承具有其利用例如氧化鋁經(jīng)等離子噴涂形成涂 層的內(nèi)外圈的外表面。所述涂層用丙基酸酯組合物密封以免于水和濕氣的傳導(dǎo)影響。
[0021] 發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，雖然INSOCOAT?.軸承有效地消除了在一般工作條件下的電流通 過，但是其性能在長期暴露在潮濕中后往往也會退化。在不希望受理論約束的情況下，這樣 的涂層通常是多孔滲水的，因此潮濕環(huán)境下易受水氣滲透的影響。
[0022] 發(fā)明人現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)，可通過提供樹脂注入多孔滲水陶瓷的孔中，典型地陶瓷表面 涂層，來減輕長期曝露在潮濕中帶來的問題，其中所述樹脂包括甲階酚醛樹脂（resole phenolic resin)。尤其是，本發(fā)明的涂層通過使用涂層解決了潮濕帶來的問題，其中陶瓷 的孔至少部分用甲階酚醛樹脂填充。這種幫助使得涂層不受水的影響，因而其保持了耐電 性。
[0023]陶瓷的表面可以是磨損表面和/或非磨損表面。然而，該表面一般是非磨損表面。 [0024]軸承組件例如是內(nèi)或外滾道。
[0025] 甲階酚醛樹脂是苯酚甲醛樹脂，其甲醛對苯酚的比率(摩爾）大于1。在不希望受理 論約束的情況下，甲階酚醛樹脂一般是高度交聯(lián)的（cross-linked)，這使它們硬度高、熱穩(wěn) 定性和化學(xué)不透性(chemical imperviousness)良好。由于這些屬性，也由于已發(fā)現(xiàn)易于注 入多孔滲水陶瓷涂層，尤其是諸如氧化鋁之類的金屬氧化物，因此采用甲階酚醛樹脂是尤 其有用的。通過將甲階酚醛樹脂溶解在一種或多種有機溶劑中，可有利地便于甲階酚醛樹 脂的應(yīng)用以及將其注入多孔滲水陶瓷。
[0026] 本發(fā)明中采用的酚醛樹脂是甲階酚醛樹脂，而不是線性(novalac)酚醛樹脂。已發(fā) 現(xiàn)線性酚醛樹脂是難于應(yīng)用于由諸如氧化鋁之類的多孔滲水陶瓷部分組成的軸承組件中 的。而且，已發(fā)現(xiàn)潮濕環(huán)境中的長期性能要劣于甲階酚醛樹脂。
[0027] 另外，已發(fā)現(xiàn)甲階酚醛樹脂可改善外觀，并減少了在注入步驟之后留在涂層的表 面上的過多的樹脂數(shù)量。
[0028] 甲階酚醛樹脂中的苯酚對甲醛的比率(摩爾)優(yōu)選在5:1到3:1的范圍內(nèi)，更優(yōu)選的 是大約4:1。
[0029] 優(yōu)選地，表面涂層設(shè)置在軸承組件的非磨損表面上。非磨損表面例如是外軸承圈 的外表面、內(nèi)軸承圈的內(nèi)表面、外圈的側(cè)表面（即，與軸承的軸基本垂直的表面)或者內(nèi)圈的 側(cè)表面中的一個或多個。
[0030] 優(yōu)選地，表面涂層基本覆蓋組件的所有非磨損表面。諸如本發(fā)明的那些絕緣涂層 優(yōu)選在整個表面連續(xù)被涂覆，以便保持軸承的耐電性。因此，優(yōu)選涂覆軸承組件的非磨損表 面，因為磨損表面上的涂層可能被磨損到他們喪失其耐電屬性這種程度。
[0031] 在根據(jù)本發(fā)明的軸承組件中，陶瓷典型地設(shè)置為金屬或合金基板上的表面涂層， 優(yōu)選鋼基板，例如軸承鋼基板。
[0032] 優(yōu)選地，表面涂層厚度為0.04-lmm，優(yōu)選0.1-0.5mm。這優(yōu)選為平均厚度。當(dāng)表面涂 層比這薄時，其耐電性不如其高也不如其可靠。當(dāng)表面涂層比這厚時，它們需要另外的機器 加工步驟。
[0033]該陶瓷包括例如金屬氧化物，優(yōu)選氧化鋁。這樣的材料在現(xiàn)有技術(shù)中是常規(guī)的并 且本來就是多孔滲水的。金屬氧化物是足夠耐用的，緊密粘附至塊體軸承組件材料(例如， 軸承鋼），可利用常規(guī)方法沉積在組件的表面之上。金屬氧化物亦顯示了極高的耐電性。氧 化鋁是有優(yōu)勢的，因為其易于通過常規(guī)噴涂涂覆施加以形成均勻厚度的涂層。根據(jù)提到的， 該涂層本質(zhì)上是多孔滲水的，且易于用本發(fā)明使用的樹脂注入。
[0034] 根據(jù)另一方面，提供了一種包括這里所述組件的軸承。該軸承主要用作（電）絕緣 軸承。
[0035] 根據(jù)另一方面，提供了一種工藝，用于制造本文所描述的軸承組件，該工藝包括：
[0036] 提供軸承組件，其包括金屬或合金基板，優(yōu)選鋼基板；
[0037] 在基板表面形成陶瓷層，其中該陶瓷層在其外表面具有多個孔；
[0038] 用包括甲階酚醛樹脂的樹脂注入陶瓷層，其中陶瓷層中的孔中的至少一些至少部 分用樹脂填充;和
[0039] 固化該樹脂。
[0040] 在注入步驟期間，樹脂進入并至少部分地填充陶瓷層中的一些或全部的孔。用于 實現(xiàn)注入的方法包括基于溶劑的注入、通過旋轉(zhuǎn)方法的浸漬注入和真空壓力注入(vacuum pressure impregnat ion)。這樣的方法在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。
[0041 ]固化步驟是常規(guī)的且可通過例如施加熱和/或光來實現(xiàn)。
[0042] 樹脂優(yōu)選通過熱固化工藝來固化，典型地在烤箱中固化，優(yōu)選在空氣中。樹脂優(yōu)選 以100-200 °C的溫度固化。固化時間優(yōu)選5分鐘到12小時。固化理想上在空氣中實施。
[0043] 樹脂粘性影響注入度、注入工藝的速度、表面外觀和在注入工藝后留在表面上的 過量樹脂的數(shù)量。
[0044] 優(yōu)選地，上一方面的工藝用于形成如本文所述的軸承。
[0045] 優(yōu)選地，在至少一個表面上形成層的步驟包括：（a)等離子噴涂；（b)懸浮液噴涂； (c)高速氧燃料噴涂;和/或(d)火焰噴涂。這樣的技術(shù)在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。
[0046] 優(yōu)選地，該工藝還包括潤飾步驟，移除陶瓷層上剩余的樹脂的至少一部分，和/或 移除陶瓷層注入有樹脂的至少一部分。優(yōu)選地，該軸承組件通過碾磨、拋光或變成所需尺寸 進行機器加工。
[0047] 優(yōu)選地，注入所述層的步驟中使用的樹脂被預(yù)先溶解在一種或多種有機溶劑中。 該有機溶劑優(yōu)選包括乙醇和/或甲醇。在使用甲醇和乙醇混合物的地方，乙醇中甲醇的濃度 是l-99wt. %，更優(yōu)選3-7wt. % (即，優(yōu)選97-93wt. %乙醇）。樹脂的解決方案優(yōu)選包括基于 樹脂和溶劑的總重量，10_90wt. %的溶劑，更優(yōu)選25-75wt. %溶劑。將樹脂溶解在這樣的溶 劑中可降低粘性，而且提高了樹脂的保存期限，從而改善了外觀和減少了注入步驟之后留 在涂層表面上的過多樹脂的數(shù)量。此外，溶劑亦分解(break down)密封劑的分子尺寸從而 改善小孔的縫隙填充能力是可能的。
[0048]優(yōu)選地，涂層在空氣中用樹脂注入。
[0049] 根據(jù)另一方面，提供了一種用于從一個或多個軸承組件中形成軸承的工藝，軸承 組件至少其中之一是根據(jù)本文所述的工藝制造的。即，根據(jù)本文描述的工藝，還有一個步 驟，包括:形成包含該軸承組件的軸承。
【附圖說明】
[0050] 現(xiàn)在參照下列非限制性附圖，通過示例方式進一步描述本發(fā)明，其中：
[0051] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的軸承。
[0052] 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的工藝的流程圖。
【具體實施方式】
[0053]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明軸承的實施例。軸承1包括具有凹槽(未示出）的內(nèi)滾道5,和 具有凹槽(未示出）的外滾道1〇。多個軸承滾珠15設(shè)置在內(nèi)滾道5和外滾道10之間，從而使得 軸承滾珠15安裝在各個凹槽內(nèi)。
[0054]內(nèi)外滾道5、10設(shè)置有在使用時接觸軸承滾珠15的磨損表面20,以及不接觸軸承滾 珠15的非磨損表面25。非磨損表面25至少部分用于將軸承1連接至使用了所述軸承1的設(shè) 備。
[0055] 非磨損表面25在整個非磨損表面上設(shè)置有多孔滲水陶瓷表面涂層。優(yōu)選地，這大 約0.5_厚。該涂層用甲階酚醛樹脂注入。
[0056] 參照圖2,流程圖描述了一種根據(jù)本發(fā)明用于制造具有表面涂層的軸承組件的通 用工藝。尤其是，該工藝步驟包括：（i)提供軸承組件，其包括金屬或合金基板，優(yōu)選鋼基板； (ii)在該基板的表面上形成陶瓷層，其中該陶瓷層在其外表面包括多個孔；（iii)用包括甲 階酚醛樹脂的樹脂注入陶瓷層，其中陶瓷層中的至少一些孔至少部分用樹脂填充;和（iv) 固化該樹脂。所述固化理想地在空氣中實施。
[0057]本發(fā)明現(xiàn)在參照下列的非限制性實施例進行描述。
[0058] 實施例1
[0059]將溶解在乙醇-甲醇溶劑（乙醇是溶劑的主要成分）中的甲階酚醛樹脂（大約 50wt. %混合物)注入等離子噴涂氧化鋁涂層的孔中，然后以大約150°C在烤箱中固化大約 30-60分鐘時間。甲醛對苯酚的比率(摩爾)接近4:1。
[0060] 與水接觸兩周之后的耐電性被估定并與現(xiàn)有的涂層技術(shù)（INSOCOAT?)相比 較。待測軸承的外徑(0R 6316 VL0241)大約170mm，寬度大約38mm。施加電壓大約1000V。在 測試之前，該涂層被碾磨。
[0061] 在總耐電性和潮濕環(huán)境中耐電性隨時間過去的保持度方面，甲階酚醛樹脂樣例優(yōu) 于常規(guī)的INSOCOAT?.樣例。這樣的測試包括在樣例接觸潮濕(水)7天甚至更長的時間 后估定樣例的耐電性(在1000V處）。
[0062] 本發(fā)明人也已將甲階酚醛樹脂與用于密封具有包括（多孔滲水的）陶瓷的表面的 軸承組件的其它可能候選項相比較。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂易碎，并具有相對差的耐水 性。聚亞安酯往往對潮濕敏感，耐熱性低和使用時限短。改性的丙烯酸樹脂展現(xiàn)了熱溫度強 度低且是可燃的。氰基丙烯酸鹽粘合劑耐熱性差，耐溶劑性有限。硅元素粘性高，縫隙填充 性差。聚硫化物也展現(xiàn)了相對較差的縫隙填充性。
[0063] 在潮濕環(huán)境中耐滲水性方面，根據(jù)本發(fā)明采用用于密封具有包括(多孔滲水的）陶 瓷的表面的軸承組件的甲階酚醛樹脂是有優(yōu)勢的。另外的益處包括縫隙填充性良好，粘性 低及易于應(yīng)用，能夠在空氣中固化，以及在固化期間收縮有限。
[0064]雖然已在本文詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員要理解，在不 脫離本發(fā)明或所附權(quán)利要求的保護范圍的情況下，可對其做出變化。
【主權(quán)項】
1. 一種軸承組件，具有包括陶瓷的表面，其中該陶瓷具有多個孔，并且其中至少一些孔 至少部分用包括甲階酚醛樹脂的樹脂來填充。2. 根據(jù)權(quán)利要求1的軸承組件，其中該陶瓷設(shè)置為在金屬或合金基板上的表面涂層，該 金屬或合金基板優(yōu)選為鋼基板。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的軸承組件，其中包括陶瓷的表面是非磨損表面。4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的軸承組件，其中該軸承組件是內(nèi)滾道或外滾 道。5. 根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一權(quán)利要求的軸承組件，其中該表面涂層的平均厚度為 O · 04-1_，優(yōu)選O · 1-0 · 5_。6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的軸承組件，其中該陶瓷包括金屬氧化物，優(yōu)選 氧化鋁。7. -種軸承，包括如前面權(quán)利要求中任一權(quán)利要求定義的組件。8. 根據(jù)權(quán)利要求7的軸承，其是絕緣軸承。9. 一種用于制造軸承組件的工藝，該工藝包括： 提供軸承組件，該軸承組件包括金屬或合金基板，優(yōu)選鋼基板； 在該基板的表面上形成陶瓷層，其中該陶瓷層在其外表面包括多個孔； 用包括甲階酚醛樹脂的樹脂注入該陶瓷層，其中該陶瓷層中的至少一些孔至少部分用 樹脂填充;和 固化該樹脂。10. 根據(jù)權(quán)利要求9的工藝，其中在該基板的表面上形成陶瓷層的步驟包括如下的一個 或多個： (a) 等離子噴涂； (b) 懸浮液噴涂； (c) 高速氧燃料噴涂;和/或 (d) 火焰噴涂。11. 根據(jù)權(quán)利要求9或權(quán)利要求10的工藝，其中形成該陶瓷層，其平均厚度為0.04-lmm， 優(yōu)選 0.1_〇. 5_。12. 根據(jù)權(quán)利要求9-11中任一權(quán)利要求的工藝，其中該工藝還包括潤飾步驟，用于移除 該陶瓷層上剩余的至少一部分樹脂，和/或移除該陶瓷層注入有樹脂的至少一部分。13. 根據(jù)權(quán)利要求9-12中任一權(quán)利要求的用于制造軸承組件的工藝，其中注入陶瓷層 的步驟中使用的樹脂預(yù)先溶解在一種或多種有機溶劑中。
【文檔編號】F16C33/64GK105889328SQ201610149841
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年2月17日
【發(fā)明人】K·普賴斯, H·韋寧格, X·周
【申請人】斯凱孚公司