本发明涉及绝缘轴承领域，具体为一种复合结构绝缘涂层及其制备方法和使用该复合结构绝缘涂层的绝缘轴承。
背景技术：
1、随着变换器控制电机中载波频率越来越高，流过滚动轴承的电流频率呈现出逐步上升的趋势。高频率的电流引起轴承滚珠与内外滚道之间发生电蚀，降低滚道表面质量，导致轴承运行出现震动，严重降低了轴承寿命。因此，需要一定的措施降低电蚀损伤引起的危害。常见的防护措施有在轴承内外圈制备绝缘涂层；绝缘陶瓷滚子代替传统轴承钢滚子；建立法拉第屏障；安装轴接触接地刷；采用导电油脂等。
2、经实践证明，在轴承外圈制备绝缘涂层可以有效地隔绝电流，是目前常用的电蚀防护措施之一。常见的绝缘涂层材料分为有机树脂、绝缘陶瓷两大类。相比于树脂类绝缘涂层，陶瓷绝缘涂层在结合强度，尺寸稳定性，环境耐受性和绝缘性能等方面均具有优势，因而获得了广泛的关注。然而，陶瓷绝缘涂层在应用时常出现破碎，剥落等现象，导致其机械承载和绝缘性能严重下降。如：机械震动与冲击载荷会损伤绝缘涂层内部结构造成绝缘性能的丧失；高低温交变运行环境易引起涂层内部残余应力过大，引起涂层整体剥落；环境介质易渗入到涂层孔隙中，导致涂层绝缘性能的下降。
3、综上，高性能的绝缘涂层要求具备强韧性和绝缘性的良好匹配。对此，很多学者设计了不同结构的绝缘涂层。比如：金属底层+陶瓷绝缘层；陶瓷绝缘层+树脂面层；合金过渡层+陶瓷绝缘层+有机树脂封闭层。通过合理的结构设计可以提升绝缘涂层的综合应用性能。但目前仍存在一些问题，比如：绝缘涂层在高低温环境中的剥落现象，安装载荷对陶瓷涂层的损伤作用，环境介质进入涂层内部造成绝缘性能的下降。因此，需要一种抗冲击、强结合、高密度和抗介质渗透的复合结构绝缘涂层。
技术实现思路
1、针对绝缘轴承在实际应用中出现的问题，本发明的目的在于提出一种复合结构绝缘涂层及其制备方法和使用该复合结构绝缘涂层的绝缘轴承，在实际生产中获得一种综合性能优异的复合结构绝缘涂层，带有该涂层的绝缘轴承抗高电压击穿、机械稳定性好、环境适应能力强。
2、本发明的技术方案是：
3、一种复合结构绝缘涂层，该复合结构绝缘涂层具有三层堆叠结构，由下而上包括：金属陶瓷复合底层、陶瓷绝缘层、金属镀层。
4、一种复合结构绝缘涂层的制备方法，该方法依次包括：工件清洗与表面粗化处理→金属陶瓷复合底层制备→陶瓷绝缘层制备→陶瓷绝缘层封孔→陶瓷绝缘层表面磨削→金属镀层制备。
5、所述的复合结构绝缘涂层的制备方法，具体步骤如下：
6、(1)工件预处理：采用丙酮或酒精对轴承钢基体表面清洗，对轴承钢基体去油脂清洁处理，保证基体洁净度；
7、(2)对轴承钢基体喷砂粗化，以提高复合结构绝缘涂层与基体的结合强度；
8、(3)金属陶瓷复合底层制备：采用热喷涂方法制备金属陶瓷复合底层，金属陶瓷复合底层厚度为30～100μm，孔隙率小于3％；在金属陶瓷复合底层中，陶瓷材料体积占比为20％～60％，其余为金属材料；
9、(4)陶瓷绝缘层制备：在金属陶瓷复合底层表面采用大气等离子喷涂制备陶瓷绝缘层，陶瓷绝缘层厚度为250～800μm，陶瓷绝缘层孔隙率小于5％；等离子喷涂用陶瓷粉末粒径分布为10～50μm，中位径在20～25μm；
10、(5)陶瓷绝缘层封孔：陶瓷绝缘层采用封孔剂加以封孔处理，封孔方法为真空浸入封孔，封孔剂涂刷于陶瓷绝缘层表面后，保持绝对真空度为10～30pa去除孔隙内气体，随后释放真空，封孔剂在大气压作用下渗入陶瓷绝缘层内部；
11、(6)陶瓷绝缘层磨削：陶瓷绝缘层制备完成后对陶瓷绝缘层进行磨削，去除陶瓷绝缘层表面残留固化封孔剂以及部分封孔陶瓷层，以控制陶瓷绝缘层表面粗糙度和轴承钢基体整体尺寸精度；
12、(7)金属镀层制备：采用物理气相沉积，在磨削完成的陶瓷绝缘层表面制备金属镀层，金属镀层厚度为5～20μm。
13、所述的复合结构绝缘涂层的制备方法，步骤(2)中，选择目数为20～100目的白刚玉砂，喷砂压力为0.5～1.0mpa，喷砂角度为90±15°，喷砂后表面粗糙度大于ra2.5μm。
14、所述的复合结构绝缘涂层的制备方法，步骤(3)中，热喷涂方法为大气等离子喷涂或超音速火焰喷涂；在金属陶瓷复合底层中，陶瓷材料为氧化铝、碳化硅、氧化锆、氧化钇中的一种，金属材料为铝、镍、钴中的一种；金属陶瓷复合底层表面粗糙度小于ra10μm，金属陶瓷复合底层与轴承钢基体的结合强度大于40mpa。
15、所述的复合结构绝缘涂层的制备方法，步骤(4)中，在陶瓷绝缘层中，陶瓷材料选择高纯氧化铝、掺杂氧化钛的氧化铝或掺杂氧化锆的氧化铝；掺杂氧化钛的氧化铝中，氧化钛含量为0.01～0.2wt％；掺杂氧化锆的氧化铝中，氧化锆含量为0.2～2wt％；高纯氧化铝陶瓷绝缘层厚度为250～600μm，掺杂态陶瓷绝缘层厚度为400～800μm；轴承钢基体温度低于120℃，等离子喷涂用陶瓷粉末为熔融破碎型多角状粉末颗粒；该陶瓷绝缘层的绝缘电阻值大于2gω，直流击穿电压大于3000v。
16、所述的复合结构绝缘涂层的制备方法，步骤(5)中，封孔剂为有机封孔剂环氧树脂或有机硅玻璃树脂，液态封孔剂在常温或加热状态下固化。
17、所述的复合结构绝缘涂层的制备方法，步骤(6)中，为了提高磨削后表面质量，单次磨削量小于5μm，磨削后陶瓷绝缘层表面粗糙度小于ra2μm。
18、所述的复合结构绝缘涂层的制备方法，步骤(7)中，金属镀层材料选择较软纯金属：铝、镍或钴，金属镀层与陶瓷绝缘层的结合强度大于30mpa，金属镀层表面粗糙度小于ra0.5μm。
19、一种使用复合结构绝缘涂层的绝缘轴承，绝缘轴承包括：外圈、内圈、滚动体和保持架，复合结构绝缘涂层至少部分施加在：轴承外圈外周面与轴承外圈两轴向端面，或/和，轴承内圈内周面与轴承内圈两轴向端面。
20、本发明的设计思想是：
21、如图1-图3所示，该复合结构绝缘涂层具有三层堆叠结构，由下而上包括：金属陶瓷复合底层2、陶瓷绝缘层3、金属镀层4，以下是各层在复合结构绝缘涂层中发挥的作用：
22、第一层金属陶瓷复合底层2由陶瓷和金属复合而成。金属陶瓷复合底层的热膨胀系数介于陶瓷层和轴承钢金属基体1之间，有效缓解在高低温交变(-40～150℃)环境中由于热失配产生的应力。金属陶瓷复合底层2的硬度介于陶瓷层与金属基体1之间，陶瓷绝缘层3在受到冲击载荷时，金属陶瓷复合底层2可以有效分散冲击应力，降低涂层开裂剥落风险；同时，金属陶瓷复合底层2增强了陶瓷绝缘层的附着性。
23、第二层陶瓷绝缘层3通过等离子喷涂高介电陶瓷形成，并且配合高质量封孔后处理。封孔之后的陶瓷绝缘层3具有高的绝缘电阻和抗击穿能力以及较低的相对介电常数，可以承受高频电流载荷和高电压冲击。
24、第三层金属镀层4为软金属镀膜层。软金属可以在轴承配合装配时，防止绝缘涂层破碎、剥离。同时，金属镀层4在复合结构绝缘涂层受到冲击载荷时可以优先消耗能量，降低对复合结构绝缘涂层的机械损伤。此外，金属镀层4可以封闭涂层表面孔隙，提高复合结构绝缘涂层在服役环境中的绝缘性能稳定性。
25、综合以上三层的复合结构绝缘涂层，具备较高的绝缘性、抗冲击性和环境适应性。复合结构绝缘涂层至少部分施加在：轴承外圈外周面与轴承外圈两轴向端面，或/和，轴承内圈内周面与轴承内圈两轴向端面。
26、本发明提出的复合结构绝缘涂层方案，改善了现有绝缘轴承在生产、装配、使役等过程中的绝缘性能下降问题。有益于提升绝缘轴承综合使役性能，推动绝缘轴承制造高质量发展。具体有益效果如下：
27、1、显著提升了绝缘轴承在安装服役过程中涂层的机械稳定性。本发明复合底层结构参数(如：硬度、热膨胀系数等)介于陶瓷绝缘层与轴承基体之间，有助于缓和机械应变，防止涂层剥落；表层金属镀层降低了轴承安装过程对涂层的机械损伤作用；陶瓷绝缘层内部的塑性封孔剂提升了绝缘涂层整体韧性。
28、2、显著提升了绝缘轴承的绝缘性能稳定性。本发明控制绝缘层内部较低的孔隙率配合高效封孔处理提高了涂层抗击穿能力并降低了内部介电损耗；通过一系列的机械稳定防护措施，削弱了机械应力导致脆性绝缘层内部裂纹对绝缘性能的劣化作用；封孔剂填充涂层内部孔隙以及表面金属镀膜存在降低了环境介质对绝缘性能的损伤作用。
29、3、实现了绝缘轴承的精密化制造。本发明通过严格控制涂层结构参数，最终保证绝缘轴承整体尺寸精度要求，实现与同系列非绝缘性轴承的互换性。