风电轴承的新型表面处理技术

刘静，徐辉，李炜

(1.洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039；2.河北工程大学 机电学院，河北 邯郸 056006；3. 中航锂电(洛阳)有限公司，河南 洛阳 471009)

随着环境和能源问题的日益严重，全球范围都在大力发展可再生能源。而风能作为全球储量巨大的一种绿色能源，受重视的程度也越来越高，到2020年全世界风能装机容量将达到123.1万 MW[1]。我国将逐步成为全球最大风电市场和风能设备制造中心，预计至2020年，我国将完成8万 MW 装机容量[1]。风电设备的大力发展必然带动下游风电零配件厂商的长足进步。特别是风电轴承，由于不能在空中进行防腐作业，因此整机厂商对风电转盘轴承的表面防腐质量要求非常严格。一般情况下，除了转盘轴承的齿面和滚道，其他部分都需要进行防腐处理，通常的处理方法是先进行喷砂处理再热喷涂(镀锌或铬)处理。一般要求表面处理厚度达60～120 μm，国外一些企业的表面处理厚度可达到1 mm以上。

1 现用表面处理技术

转盘轴承的表面处理技术主要有电浸镀技术和热喷涂技术两种。

1.1 电浸镀

电浸镀技术就是将轴承放入熔点较低的铝或锌等熔融金属中，从而在轴承表面形成金属镀层。但是电浸镀技术需要在加工过程中对轴承滚道进行保护，同时对加工环境的要求较高，需要非常大的电镀池进行加工，设备投资较大，国内企业较少采用此方法。

1.2 热喷涂

热喷涂就是利用某种热源, 如火焰、电弧、等离子弧等将粉末状或丝状的金属加热到熔融或半熔融状态, 然后借助焰流本身的动力或外加的高速气流雾化，并以一定的速度喷射到经过预处理的基体表面, 与基体材料结合而形成表面覆盖涂层的一种技术[2]。

表面涂层形成的大致过程如图1所示，涂层材料(主要是铝合金)经加热熔化和加速后撞击基体，冷却凝固后形成涂层。涂层材料的熔化非常关键，一般希望所有涂层材料都完全熔化，并一直保持到撞击基体表面之前，且不产生挥发。

图1 热喷涂技术原理图[2]

熔滴撞击基材后扩展成薄膜，撞击时的高速度有助于熔滴的扩展，但会因为表面张力或凝固过程而停止扩展，并凝固成一种扁平的薄饼状结构。如果颗粒有部分未熔，则未熔部分会从基板反弹出来，留下空洞或包裹在涂层中形成类似于“夹杂”的组织。如果液滴过热，即撞击基体时温度过高、液滴黏度太低，会造成“喷溅”现象，即熔滴扩展后不会立刻凝固，而是边缘变厚，趋于破裂，脱离中心液滴并收缩、凝固成许多小球状液滴。因此未熔和过热都是喷涂过程中应避免的现象[3]。喷涂后的表面质量如图2所示。

图2 涂层剖面图

热喷涂后的风电转盘轴承，为了防止腐蚀介质透过涂层的孔隙到达轴承基面引起基材的腐蚀，必须对涂层进行封孔处理。用作封孔剂的材料有石腊、环氧树脂、硅树脂等有机材料及氧化物等无机材料, 如何选择合适的封孔剂，要根据风电转盘轴承所使用区域的大气环境、温度等因素进行考虑。

现有的轴承生产厂家采用的热喷涂方法主要是火焰喷涂和电弧喷涂两种。这两种热喷涂方法都比较成熟，但是存在一定的缺点。

火焰喷涂是利用氧与可燃气体燃烧，把喷涂材料加热熔化，利用喷枪喷涂在工件表面的一种处理工艺。通过压缩气体雾化并加速喷涂材料，随后在基体上沉积成涂层。燃烧气体的自由膨胀对喷涂材料加速的效果有限。火焰喷涂的优势在于设备投资少，操作容易，但是涂层氧含量较高，孔隙较多，涂层结合强度偏低，涂层质量不高。

电弧喷涂是利用两根焊丝之间的放电产生电弧，电弧加热使焊丝熔化，熔化部分被压缩气体吹向基体而形成镀层。电弧喷涂和火焰喷涂一样，加工成本低，但是涂层由大小不一的扁平颗粒、未熔球形颗粒、夹杂物和孔隙组成，降低了喷涂层的表面质量。同时喷涂材料必须是导电的金属及合金丝, 因而其应用受到了一定的限制, 但高效率使得其在喷涂Al，Zn 及不锈钢等大面积防腐方面应用广泛。

2 新型表面处理技术

随着表面处理技术的发展，出现了很多新型表面处理技术，经过筛选认为下面几种表面处理技术可以应用到风电转盘轴承当中。

2.1 等离子弧喷涂技术

等离子弧喷涂是利用喷枪的喷嘴和电极形成等离子弧，利用等离子火焰作为热源对喷涂材料进行加热，等离子弧将粉末熔化并加速喷涂到轴承基体表面上形成涂层。等离子弧喷涂和火焰喷涂及电弧喷涂的对比见表1。

表1 常见热喷涂方式比较

等离子弧喷涂基体表面厚度波动小、密度均匀、空隙率低、结合强度高、喷涂效率高、涂层中夹杂物较少，提高了涂层致密度和粘着强度。同时等离子气体与粉末产生反应，形成特殊化合物的涂层，大大提高了表面喷涂的质量。表面处理质量大大高于火焰喷涂和电弧喷涂。等离子弧喷涂不仅大大提高了喷涂效率，而且可以进行大面积、高质量的连续喷涂。

等离子弧喷涂最早是应用到燃气轮机、压气机外壳、热轧轧辊等产品上，邯钢还采用等离子弧喷涂技术来处理磨煤辊、泥浆泵桨叶等部件。随着近几年等离子弧喷涂技术的发展，整机的使用范围都有很大的提高，因此采用等离子弧喷涂技术来进行转盘轴承的表面处理是很有可能的。

2.2 DACROMET(锌铬涂层)技术

DACROMET技术又称片状锌基铬酸涂敷技术，是当今世界表面处理最新技术，其需要先将基材表面进行净化，再对处理后的基材进行涂覆后烘烤。DACROMET涂层具有极强抗腐蚀性，比电镀锌高7～12倍。可以替代热浸镀锌，热喷铝、锌等工艺。DACROMET防锈机理为：锌对基体的受控电化学保护，铬酸的钝化作用，锌片、铝片及复合铬酸盐涂层的机械式屏蔽作用。该技术对环境无污染，耐腐蚀性、耐磨性、防热性、防潮性和稳定性好，结合力强。

2.3 水溶性无机硅酸锌涂料

水溶性无机硅酸锌涂料是采用双组固化涂料，主要成分为无机陶瓷树脂和锌粉。水溶性无机陶瓷树脂由有机硅树脂改性而来，含有大量单分子硅酸，单分子硅酸与锌粉发生交联聚合反应，产生硅酸锌网状分子聚合物，形成坚硬陶瓷性涂层，固结在钢铁表面，具有极强的防腐性。该涂层具有耐海水、耐油、耐酸、耐盐雾等特点，其性能远远超过一般防腐涂层以及喷锌、喷铝等表面处理技术。

水溶性无机硅酸锌涂料除具有环保特性外，还具有其他一些特殊性能。现已广泛用于暴露在海洋大气、高温等各种环境中各种钢结构的长效防腐，包括轮船、集装箱、海洋平台、各类海岸设施、桥梁、贮罐、塔架、管线、各类大型建筑的钢铁构件等。水溶性无机硅酸锌涂料在附着力、耐侯性、耐磨性、耐热性、耐辐射性、耐溶剂性、安全性、抗静电性、焊接性能、自修复性等方面都具有独特的优异性能。

3 结束语

风电能源在相当长的一段时间内将保持大规模的发展趋势。因此，如何提高风电轴承的表面处理质量非常重要。通过分析现有表面处理技术优缺点，并对几种适合风电转盘轴承的表面处理新技术进行论述，希望能对风电转盘轴承表面处理技术有所帮助，提高风电转盘轴承的表面质量。