CN100417825C - 烧结含油轴承 - Google Patents
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Abstract
多孔烧结轴承的气孔中浸润有润滑油的烧结含油轴承。该润滑油中，含有由聚-α-烯烃组成的基础油，以及含有羟基硬脂酸2-乙基己酯。而且，还可以加入选自聚异丁烯、聚丁烯和聚甲基丙稀酸烷基酯中的至少一种作为润滑性改善剂。
Description
技术领域
本发明涉及一种烧结含油轴承，其支持高速滑动轴的滑动面的摩擦系数长期保持较低，特别涉及适于作光盘装置等所使用的主轴电动机用轴承的烧结含油轴承。
背景技术
CD-ROM等磁盘旋转装置使用的主轴电动机用轴承，有在轴向隔开配置两个轴承面的滑动轴承。所述两个轴承面是如下构成：把2个该烧结含油轴承压入壳体中，或者，在壳体中压入一个两端侧设置轴承面、其中间设置直径大于轴的中空部的烧结含油轴承。主轴电动机以每分钟数千转以上的高速旋转，在使用这样的轴承时，由于加上了装载磁盘所产生的不平衡载荷，在轴承面的圆周方向上轴摇动引起振摆回转，因而容易发生下列问题：轴承面上难以形成油膜，摩擦系数逐渐提高、磨损加速。
现有技术中，为解决这类问题，使用与轴的配合性和耐磨性优良的青铜系合金、铜铁合金等材料来制造多孔质烧结轴承，这类轴承中浸润的润滑油如下列专利文献1～4中所述，经过各种改良。
专利文献1中，轴承油的基础油含有聚烯烃和多元醇酯。
专利文献2所述轴承油的组成是，以聚-α-烯烃或其氢化物为基础油，加入具有-OH基的脂肪酸彼此缩合成的、或者具有-OH基的脂肪酸与无-OH基的脂肪酸缩合成的二聚物以上的羟基脂肪酸低聚物(estolide)与乙醇的酯。
专利文献3中公开的润滑油以聚-α-烯烃或其氢化物为基础油，该基础油中加入磷酸酯。
专利文献4——本申请人的在先申请中记载的润滑油，以聚-α-烯烃为基础油，加入碳原子数为14～20的脂肪族1价乙醇(例如油醇)。
根据上述文献1～4，浸润了上述油的烧结含油轴承，其轴承面的摩擦系数低、能在低电流情况下运转、并可以长期保持这种状态。
专利文献1：特开平9-125086号公报(第2页等)
专利文献2：特开平10-36870号公报(第2页等)
专利文献3：特开平11-269475号公报(第2页等)
专利文献4：特开2002-310156号公报(第2页等)
但是，随着提高主轴电动机的旋转数以及节约消耗电力的要求，对于轴承要素希望进一步提高其低摩擦化等的滑动特性。
发明内容从上述背景技术中，本发明人为了得到比在先发明申请(专利文献4)更好的见解而重新进行研究。本发明的目的在于满足上述要求、进一步降低轴承的摩擦系数、并提供一种能长期保持低摩擦状态、耐久性优良的烧结含油轴承。
为实现上述目的，本发明所述烧结含油轴承在多孔质烧结轴承的气孔中浸润了润滑油，该润滑油的基础油由聚-α-烯烃组成，含有羟基硬脂酸2-乙基己酯。这种构造可以使轴承的滑动面长期保持低摩擦，例如主轴电动机等的动力源的耗电量减少。
对于上述烧结含油轴承，上述润滑油优选含有0.1～3质量％聚异丁烯、0.1～3质量％聚丁烯、以及0.5～3质量％的聚甲基丙稀酸烷基酯中的至少一种。与现有技术一样，该润滑油可以含有防腐(金属钝化)剂、抗氧化剂等。
附图说明
图1为轴承的性能评估测试中所使用的主轴电动机的结构模式截面图。
发明的最佳实施方式
下面详细说明本发明所述烧结含油轴承的结构。
烧结含油轴承具有由烧结多孔金属制成的烧结轴承、浸润在烧结轴承的气孔中的润滑油，该润滑油是在主要成分即基础油中根据需要加入多种添加剂配合而成。一般的添加剂有，油性剂、润滑性改善(粘度指数提高)剂、防腐剂、抗氧化剂、极压添加剂、清净分散剂、倾点降低剂等，下文中说明的添加剂对于本发明具有特别高的有效性。下面说明烧结轴承及润滑油的成分。
(1)烧结轴承
本发明中，构成烧结轴承的轴承材料为烧结多孔金属材料，其组成可以为青铜系、铁系、铁-铜系、青铜-铁、黄铜-铁系等。主轴电动机用轴承特别优选铁系组织中分散有铜合金的复合材料，即青铜-铁系复合材料、或黄铜-铁系复合材料。轴承材料的有效孔隙率最好根据轴承的构造决定和变更，通常定为5～25％(容积百分率)。烧结含油轴承包括下述结构：构成内径整体连续的1个平滑的滑动面形状物，内径的轴向两端分别具有滑动面，在它们之间设有内径大于支持轴的中空形中间部的部分，滑动面上形成油沟和动压沟，在内径和轴向两端端面的两方具有的滑动面，等。这样的烧结轴承可以用一般的粉末冶金制造方法制成，包括原料金属粉末的压粉成型、在非氧化气氛中烧结、精压加工、油浸润等工序。该轴承优选通过精压加工来减少其滑动面上的开口气孔量。但是，为使气孔不完全破裂，就必须考虑通过二次加工等进行精压加工。设置动压沟时，其形状可适当选择，如平行于轴向、人字形等，并希望沟面的气孔较少。
(2)润滑油
a.基础油
本发明使用聚-α-烯烃为基础油。聚-α-烯烃具有滑动轴承的润滑油所必需的润滑特性、耐热性、低温特性、热稳定性，并优于各种矿物油。对所使用的聚-α-烯烃的组成和性质没有特别限制，以动粘度为选择指标非常有效。如果所使用的聚-α-烯烃的动粘度过低，含油轴承的耐载荷性和耐挥发性等会变差，而如果动粘度过高，润滑油的流动性下降，含油轴承运转初期的摩擦系数提高。因此，使用的聚-α-烯烃的动粘度的适当范围为40℃时5～100mm2/秒。或者，也可以以粘度指数作为别的指标。粘度指数高能保持润滑特性及高温稳定性，因而比较理想，粘度指数可以选择为110以上。与此相关，如果考虑低温范围的粘度特性，则最好选择倾点为-30℃以下的基础油。
b.油性剂
本发明所述轴承用润滑油作为油性剂，含有羟基硬脂酸2-乙基己酯。
羟基硬脂酸2-乙基己酯是羟基硬脂酸和2-乙基己醇的缩合反应物，属于工业上已知的作为化妆品中添加的油剂羟基硬脂酸辛酯酯。羟基硬脂酸辛酯因其结构差异，在常温下有液态和半膏状，本发明中适合使用常温下为液态的羟基硬脂酸2-乙基己酯，特别优选12-羟基硬脂酸2-乙基己酯。
如果在作为基础油的聚-α-烯烃中加入羟基硬脂酸2-乙基己酯，因润滑油吸附在轴承的金属表面，滑动特性提高。而且，作为支持电动机的轴的轴承要素，使用含油轴承时运转中摩擦系数的变化比使用现有润滑油时小，得到能长期维持初期摩擦系数的效果。这一效果随着含量的增加而增大，含量占润滑油总量的约5质量％以上时极其显著，超过了现有润滑油的润滑特性。但是，含量超过20质量％时，含量的增加并不会伴有效果。因此，从经济角度考虑，油性剂的含量优选占润滑油总量的5～20质量％。
c.润滑性改善剂(粘度指数改进剂)
本发明的轴承用润滑油中优选加入聚异丁烯、聚丁烯、聚甲基丙稀酸烷基酯中的至少一种作为润滑性改善添加剂。
聚异丁烯和聚丁烯：(-CH2C(CH3)2-)n、(-CH2CH(C2H5)-)n、(-CH(CH3)CH(CH3)-)n虽然不会降低摩擦系数，但它们能在滑动面形成厚润滑膜，能够发挥作用抑制轴承面与轴之间的金属接触，有助于提高轴承的耐磨性及耐久性。根据其分子量的不同，这些物质的形态为从粘稠液体至橡胶状固体，本发明采用溶解于基础油中的物质，其分子量优选为800～2万。也可以采用分子量不同的物质的混合物，例如使用分子量为5千以下和5千以上的2种聚异丁烯的混合物也适合。添加量优选为润滑油总量的0.1～3质量％。在添加聚异丁烯及聚丁烯两者时，当分子量不同的物质混合使用时，最好将合计量调节到上述范围内。如果含量不足0.1质量％，难以充分发挥效果，如果超过3质量％，其效果并不会随着含量的增加而增强。
聚甲基丙稀酸烷基酯吸附在金属表面，从而减少滑动面的金属接触。而且，随着因滑动而产生的温度上升分子发生变化，从而作为摩擦聚合物发生作用，在载荷大的情况下能起到减小摩擦的效果。聚甲基丙稀酸烷基酯的烷基可以为直链饱和烃，也可为带有支链的，优选使用如聚甲基丙稀酸烷基酯、聚甲基丙烯酸乙酯等这样的，其烷基的碳原子数为1～18，分子量为104～1.5×106。润滑性改善剂的含量优选占润滑油总量的0.5～3质量％，如果含量不足0.5质量％，则无法充分发挥其作用，如果超过3质量％，轴运转时容易产生油泥，因而降低耐久性。
d.润滑油中含有的其它添加剂
本发明所述轴承用润滑油，虽然无需含有前述添加剂之外的添加剂，但也可以根据烧结轴承的材质和烧结含油轴承的使用环境等，加入防腐(金属钝化)剂、抗氧化剂等添加剂。
作为防腐剂，例如苯并三唑及其衍生物，能在金属表面形成惰性保护膜、并具有抗氧化作用。
作为抗氧化剂，例如4，4’-亚甲基-二(2，6-二-叔-丁基酚)、2，6-二-叔-丁基-4-甲基酚等的酚化合物；二(辛基苯基)胺和苯-α-萘胺等胺化合物。
上述防腐剂和抗氧化剂的添加量优选占润滑油总量的0.05～2质量％。实施例
下面参照实施例，对本发明的烧结含油轴承作更为详细的说明。
(烧结轴承)
采用铁铜系烧结合金作为轴承原材料来制造烧结轴承。具体来说，将铁、铜、锌和锡的单质金属粉末混合，配制成组份以质量比计为Cu：55％、Zn：6％、Sn：2％、余量为铁及其它金属杂质的金属混合粉末。对该金属混合粉末进行压粉成型，制成具有轴承形状、密度为6.6Mg/m3的成型体。对该成型体在氢气和氮气的混合气氛中、在780℃的温度下进行烧结，获得由多孔质烧结合金组成的烧结体。该烧结体的金属组织结构是在铁(铁素体)基体中分散有铜合金相，有效孔隙率为20％。对所得烧结体进行精压加工，制成如图1所示的烧结轴承1，该轴承1的轴向两端具有轴承部，它们之间形成内径大于轴承部的中空形状的中间部。
(润滑油)
根据表1中的添加量，将各成分混合，配制出实施例1～9和对比例1～2的润滑油。表1中，PAO表示聚-α-烯烃(相当于ISO VG18的粘度级别)、HSEH表示12-羟基硬脂酸2-乙基己酯、PAMA表示非分散型聚甲基丙稀酸烷基酯(烷基碳原子数：平均12，分子量：约70000)、PIB表示聚异丁烯(分子量：约10000)、OA表示油醇，各成分的添加量以质量％表示。此外，“其它”的添加成分为，抗氧化剂2，6-二-叔-丁基-4-甲基酚的添加量为0.1质量％，防腐剂苯并三唑的添加量为1.1质量％。
因此，实施例1～3的润滑油以聚-α-烯烃为基础油，含有0.1质量％的酚类抗氧化剂、1.1质量％的苯并三唑类防腐剂以及5～20质量％的羟基硬脂酸2-乙基己酯。此外，实施例4、5的润滑油进一步含有润滑性改善剂聚异丁烯、实施例6的润滑油含有润滑性改善剂聚异丁烯和聚甲基丙稀酸烷基酯。实施例7的润滑油含有的聚甲基丙稀酸烷基酯比实施例6中的多。
实施例8的润滑油中的羟基硬脂酸2-乙基己酯含量比实施例1少。实施例9的润滑油中羟基硬脂酸2-乙基己酯的含量比实施例3多。对比例1的润滑油不含羟基硬脂酸2-乙基己酯。对比例2的润滑油与特开2002-310156号公报中记载的润滑油相当，不含羟基硬脂酸2-乙基己酯而含有10质量％的油醇作为替代。
表1
(浸润油)
将实施例1～9和对比例1～2所述各润滑油真空浸润在上述烧结轴承上，得到实施例1～9和对比例1～2所述各烧结含油轴承。
(性能试验)
用上述各烧结含油轴承，分别组成具有图1所示主轴电动机的结构的试验装置。
具体来说，在上部开口的杯状壳体2的圆筒状内径中，压入烧结含油轴承1。在本试验装置的壳体2的内底部形成以轴向力支承旋转轴4末端球面的轴向力承受部3。壳体2的外周具有缠绕有线圈7的铁芯。旋转轴4的直径为3mm，在其上部固定转子座6和转子8，其中转子座6的内圆周里具有磁体5。因此，该试验装置中，线圈7通电后，转子座6以旋转轴4为轴进行旋转。
此外，在上述试验装置中，用粘结树脂将砝码固定在转子8上，从而达到回转不平衡为1g·cm的试验条件。
调节线圈7上的外加电压使转子8旋转，使上述试验装置的旋转数为10000rpm，，测定旋转初期线圈7上通过的初期电流值(单位：A)。当调节电压使旋转数保持不变、持续旋转时，在转动开始后的1小时内装置旋转稳定，电流值保持在比初期电流值稍低一点的数值，保持此时的旋转条件继续旋转。随后，测定转子8的旋转数减少500rpm以上(不到9500rpm)时的运转时间(单位：h)。测得的初期电流值和运转时间如表2所示。
初期电流值随着烧结含油轴承的滑动面的滑动摩擦增大而增大，因而成为评价滑动特性的指标。此外，上述运转时间与能保持轴承初期滑动特性的时间相当，成为评价其耐久性的指标。
表2
(评价)
上述试验装置的运转条件比烧结含油轴承的实际使用状况更为苛刻，可以说是考虑到实用评价的充分条件。
实施例1～3的烧结含油轴承的初期电流值都比对比例1、2的低、滑动摩擦小。并且其旋转数减少之前的运转时间相当长、可以理解为维持滑动特性的寿命长。另一方面，实施例8的初期电流值与实施例1～3同样低，而运转时间较短。由此可见，在润滑油中加入羟基硬脂酸2-乙基己酯可以减小滑动摩擦，加入量为5质量％以上时，能保持低滑动摩擦的初期滑动特性的运转时间比以往的润滑油长。
此外，由实施例4～7的结果可知，在润滑油中进一步添加作为润滑性改善剂的聚甲基丙稀酸烷基酯和聚异丁烯，运转时间即使用寿命更长。但是，比较实施例6和7的结果可知，如果聚甲基丙稀酸烷基酯添加量过多，旋转数降低之前的运转时间反而变短、润滑特性迅速变差。
工业上的应用可能性
根据本发明，通过对浸润在多孔质轴承气孔中的润滑油的组成进行钻研，就能够制成具有滑动摩擦小、长期保持低摩擦状态的滑动特性的烧结含油轴承，提供适合装在CD-ROM和DVD-ROM等的磁盘旋转装置上的主轴电动机用烧结含油轴承，有利于磁盘旋转装置的节电和性能提高。并且该烧结含油轴承的用途在扩大。
Claims (10)
1. 一种烧结含油轴承，是在多孔质烧结轴承的气孔中浸润了润滑油的烧结含油轴承，其特征在于上述润滑油以聚-α-烯烃为基础油，并含有羟基硬脂酸2-乙基己酯。
2. 如权利要求1所述的烧结含油轴承，其中所述羟基硬脂酸2-乙基己酯的含量占润滑油总量的5质量％以上。
3. 如权利要求1或2所述的烧结含油轴承，其中所述羟基硬脂酸2-乙基己酯的含量占润滑油总量的20质量％以下。
4. 如权利要求1所述的烧结含油轴承，其中所述润滑油进一步含有选自聚异丁烯、聚丁烯和聚甲基丙稀酸烷基酯中的至少一种作为润滑性改善剂。
5. 如权利要求4所述的烧结含油轴承，其中所述聚异丁烯和/或聚丁烯的含量占上述润滑油总量的0.1～3质量％。
6. 如权利要求4或5所述的烧结含油轴承，其中所述聚甲基丙稀酸烷基酯的含量占上述润滑油总量的0.5～3质量％。
7. 如权利要求1所述的烧结含油轴承，该多孔烧结轴承由选自青铜、铁、铁-铜、青铜-铁和黄铜-铁组成的烧结多孔质金属材料构成，有效孔隙率为5～25％。
8. 如权利要求1所述的烧结含油轴承，其中该多孔质烧结轴承由青铜-铁复合材料或黄铜-铁复合材料构成。
9. 如权利要求1所述的烧结含油轴承，其中所述聚-α-烯烃在40℃时的动粘度为5～100mm2/秒，粘度指数为110以上，倾点为-30℃以下。
10. 如权利要求1～9中任一项所述的烧结含油轴承，其用作主轴电动机用轴承。
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