CN102202819A - 烧结轴承 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种烧结轴承。通过将分离合金粉(10)作为烧结材料使用，能够有效利用不同种类的金属材料(例如SUS钢和Cu)的特性。另外，由于由不同的金属构成的各区域的界面的至少一部分被合金化，因此各区域间的结合强度提高，烧结轴承的强度提高。

Description

烧结轴承

技术领域

本发明涉及将金属粉末压粉成形后进行烧结而得到的烧结轴承。

背景技术

烧结轴承通过将金属粉末压粉成形后，以规定的温度烧结而形成。例如专利文献1所示的烧结轴承作为对插入内周的旋转轴进行支承的旋转轴支承用而使用。当轴旋转时，浸渍在烧结轴承的内部空孔中的油从表面开孔渗出，该油向烧结轴承与轴的滑动部供给，由此来提高轴承与轴之间的润滑性。

作为形成烧结轴承的金属粉末，若使用将不同种类的金属粉末混合后的金属粉末，则能够得到有效利用各金属粉末的材料特性的轴承。例如，上述专利文献1的烧结轴承通过将含有Cu粉末和SUS钢(不锈钢，以下同样)粉末的混合金属粉末烧结而形成。这样，通过含有硬度高的SUS钢粉末，能够提高轴承的表面、尤其是与旋转轴滑动的轴承面的耐磨性，通过含有比较软的Cu粉末，能够提高烧结轴承的成形性。

【专利文献1】日本特开2006-214003号公报

【专利文献2】日本特开2001-279349号公报

但是，当如上述那样混合不同种类的金属粉末而进行烧结时，由于各金属的特性，存在对烧结轴承的性能带来不良影响的情况。例如，在以比较低的温度(800℃左右)烧结含有SUS钢粉末的混合金属粉末而形成烧结轴承的情况下，在SUS钢粉末的粉末表面形成氧化膜，由于该氧化膜的影响，粉末彼此的结合力减弱而烧结轴承的强度可能不足。另一方面，若以比较高的温度(例如1200℃)烧结该轴承，则虽然能够抑制氧化膜的形成，但随着烧结进行而烧结轴承变得过于硬，之后的烧结轴承的精压加工、动压槽的形成等变得困难。另外，在混合金属粉末中含有Cu粉末的情况下，当以超过Cu的熔点的温度进行烧结时，Cu完全熔融而无法保持轴承的形状，轴承的尺寸精度可能降低。

例如，在专利文献2中示出使用铜覆盖铁粉的烧结轴承。如此，若由铜覆盖铁粉的表面，则即使在以比较低的温度进行烧结的情况下，也能够防止向铁粉的表面形成氧化膜。但是，由于该铜覆盖铁粉通过在铁粉的表面镀敷铜等而形成，铁粉与铜的固接力不那么高，因此在冲击载荷的作用下铁粉与铜容易剥离，可能导致轴承的强度不足。

发明内容

本发明的课题在于提供一种由不同种类的多种金属材料形成，且能够在不导致加工性的恶化、强度降低等的不良情况的情况下形成的烧结轴承。

为了解决上述课题，本发明提供一种烧结轴承，其通过将金属粉末的压缩成形体烧结而成，其中，所述烧结轴承使用了含有分离合金粉的金属粉末，该分离合金粉具有由各粒子不同的金属材料构成的多个区域，且使各区域的界面的至少一部分合金化。

如此，在本发明中，由于使用含有分离合金粉的金属粉末，因此能够有效利用构成分离合金粉的各粒子的多种金属材料的特性。并且，分离合金粉中由不同的金属构成的各区域的界面的至少一部分被合金化，因此各区域间的结合强度提高，烧结轴承的强度提高。

例如，在分离合金粉具有由Fe系金属材料(含有Fe作为主成分的金属材料)构成的区域的情况下，通过使Fe在轴承面露出，能够提高轴承面的耐磨性。尤其是使用SUS钢作为Fe系金属材料时，通过SUS钢中含有的Cr，除了耐磨性外，还能够得到耐腐蚀性的效果。若该Fe系金属材料的表面的至少一部分由其它金属材料覆盖，则能够减少Fe在粉末表面露出的面积，因此能够抑制粒子表面的氧化膜的形成，能够防止氧化膜引起的粉末彼此的结合力的降低，进而能够防止烧结轴承的强度降低。并且，通过抑制氧化膜的形成，能够在比较低的温度下进行烧结，因此烧结轴承的硬度不会过度变高，精压加工、动压槽形成等的加工容易。

另外，在分离合金粉具有由Cu系金属材料(含有Cu作为主成分的金属材料)构成的区域的情况下，由于Cu比SUS钢等软，因此能够提高金属粉末的压粉加工、精压加工等的加工性，能够提高轴承的尺寸精度。并且，通过使比较软的Cu在轴承面露出，能够提高与对象材料(例如轴构件)的滑动性。

上述那样的分离合金粉例如能够通过将各金属材料以熔融状态混合，之后喷雾该混合熔融金属而使其冷却固化的、所谓喷散法来制造。通过喷散法，能够使不同的金属材料充分地配合，因此容易发挥各金属材料的特性。

这样的烧结轴承例如能够作为在轴承面形成有使流体产生动压作用的动压产生部的流体动压轴承而使用。

发明效果

如以上所示，根据本发明，能够得到由不同种类的多种金属材料形成，且能够在不导致加工性的恶化、强度降低等的不良情况的情况下形成的烧结轴承。

具体实施方式

以下，基于附图，说明本发明的实施方式。

图1中示出本发明的一实施方式涉及的作为烧结轴承的轴承套筒1。轴承套筒1形成为两端开口的圆筒状，装入图4及5所示的流体动压轴承装置100。轴承套筒1通过将含有分离合金粉的金属粉末烧结而形成。具体而言，使用将由Cu系金属材料覆盖SUS钢的表面的分离合金粉、纯铜粉末、石墨粉末等混合后的金属粉末而形成。

轴承套筒1的内周面1a及下侧端面1c分别作为径向轴承面及轴向轴承面而发挥功能。在沿轴承套筒1的内周面1a的轴向分离的两个部位的区域形成有例如图1(a)所示的人字形状的动压槽1a1、1a2来作为径向动压产生部。上侧的动压槽1a1相对于丘部(交叉影线区域)的轴向大致中央部的带状部分形成为非轴向对称，且带状部分的上侧区域的轴向尺寸X1比下侧区域的轴向尺寸X2大(X1＞X2)。下侧的动压槽1a2形成为轴向对称。

在轴承套筒1的下侧端面1c形成有例如图1(b)所示的螺旋形状的动压槽1c1来作为轴向动压产生部。并且，在轴承套筒1的外周面1d跨轴向全长而形成有任意根数的轴向槽1d1，在图示例中，沿圆周等间隔地形成三根轴向槽1d1。

图2中示出分离合金粉10的一个粒子的剖视图。该分离合金粉10具有由富含Fe的Fe系金属材料(在本实施方式中为SUS钢)构成的第一区域11和富含Cu的Cu系金属材料构成的第二区域12。第一区域11与第二区域的界面的至少一部分被合金化。第一区域11作为核而大致配置在粒子的中央部，该第一区域11的表面由第二区域12覆盖。由此，分离合金粉10的粒子表面大致由第二区域12的Cu构成，局部露出第一区域11的SUS钢。

图3中示出轴承套筒1的轴承面A(径向轴承面或轴向轴承面)的放大剖视图。如图所示，在分离合金粉10的粒子间的间隙配置有纯铜粉末13、石墨粉末14(图中由黑点表示)。相邻的分离合金粉10通过其表面的一部分熔融而直接结合，或经由分离合金粉10间的纯铜粉末13而结合。分离合金粉10的第一区域11及第二区域12在轴承面A露出。如此，通过由分离合金粉10形成轴承套筒1，能够对轴承套筒1赋予SUS钢和Cu这两方的特性。即，如图3所示，通过使SUS钢(第一区域11)在轴承套筒1的表面、尤其在轴承面A露出，能够提高轴承面A的耐磨性。并且，通过使Cu(第二区域12)在轴承面A露出，能够提高轴承面A与滑动对象材料(在本实施方中为轴构件2，参照图5)的滑动性。并且，通过由含有比较软的Cu的材料形成轴承套筒1，能够提高轴承套筒1的加工性，提高尺寸精度。

接着，示出轴承套筒1的形成方法的一例。

首先，形成分离合金粉10。分离合金粉10能够例如通过将各金属材料(在本实施方式中为Fe、Cr以及Cu)以熔融状态混合后，喷雾该混合熔融金属而使其冷却固化的所谓喷散法来制造。作为喷散法，可以适用利用气体喷雾熔融金属的气体喷散法和利用水喷雾熔融金属的水喷散法。图2所示的分离合金粉10通过气体喷散法制造，主要集中在中央部的SUS钢(第一区域11)的外周由Cu(第二区域12)覆盖，整体呈大致球形。需要说明的是，作为SUS钢，可以使用铁氧体系、马氏体系、奥氏体系中的任一种，SUS钢中的Cr和Ni的配合量可根据要求的轴承特性任意选择。

在制造分离合金粉10时，若调整以熔融状态混合的各金属材料的配合比例，则能够任意设定成为核的金属材料和覆盖其表层的金属材料等。例如，当Cu的混合比例比Fe多时，如图2所示，能够得到SUS钢(第一区域11)为核且由Cu(第二区域12)覆盖其表面的分离合金粉10。此时，若主成分金属(在本实施方式中为Fe及Cu)的配合量过于少，则该金属固溶于其它金属中，可能无法形成分离合金粉，因此主成分金属的配合量需要设定为彼此不固溶的程度的比例。

接着，通过模成形将上述的含有分离合金粉10的混合金属粉末压粉成形为规定形状。该混合金属粉末中除分离合金粉10以外，例如还可适当含有纯铜粉末、石墨粉末、Sn以及Fe-P混合粉。表1中示出混合金属粉末的组成的例子。另外，表2中示出通过气体喷散法制造的分离合金粉10的合金组成的例。

【表1】

	材料A	材料B
			Cu	19.0％	17.3％
Fe-P混合粉	-	40.0％
			分离合金粉	78.7％	39.4％
Sn	1.5％	2.5％

C	0.8％	0.8％
			共计	100.0％	100.0％

【表2】

	C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Mo	O	Fe
												分类合金粉A	0.007	0.09	0.01	-	0.004	48.6	0.01	5.43	0.01	0.05	Bal
分类合金粉B	0.005	0.22	0.02	-	0.003	45.7	0.01	10.41	0.01	0.07	Bal

如上所述，分离合金粉10的SUS钢及Cu系金属的形态由各熔融金属的配合量决定。因此，在维持例如图2所示的粒子的形态(分离合金粉中的SUS钢与Cu的比率)的状态下希望烧结材料中的Cu的量多的情况下，也可以如上述那样混合纯铜粉末。此时，若为纯铜粉末呈树枝状的电解铜粉，则在成形时粉末彼此容易缠绕，因此能够使粒子间的结合力进一步提高，能够提高成形品的刚性。另外，通过在烧结材料中混合石墨粉末，能够提高加工时及轴承使用时的润滑效果。

以规定的烧结温度烧结压粉成形后成形体，能够得到呈大致轴承套筒1的形状的烧结体。此时的烧结温度优选为构成分离合金粉10的多种金属中熔点最低的金属的熔点以下，在本实施方式中，设定为Cu的熔点以下的温度(例如800℃)。此时，图2所示的分离合金粉10的粒子的表面大致由Cu系金属(第二区域12)形成，SUS钢(第一区域11)大体不露出。由此，即使以上述那样比较低的温度烧结的情况下，在粒子表面上也大体不形成氧化膜，因此能够防止氧化膜引起的金属粉末彼此的结合力的降低，能够提高轴承套筒1的强度。

之后，对烧结体实施精压加工，进而在内周面及端面形成动压槽。如上所述，由于烧结体以比较低的温度烧结，因此硬度不会过度变高，容易进行精压加工等加工。并且，由于分离合金粉10的粒子表面由比较柔软的Cu系合金(第二区域12)形成，因此烧结体的加工性进一步提高。由此，能够高精度地加工径向轴承面(内周面1a)、轴向轴承面(下侧端面1c)或者在上述面上形成的动压产生部(动压槽1a1、1a2、1c1)。

这样形成的轴承套筒1由于尺寸精度高，因此能够精度良好地设定内周面1a面向的径向轴承间隙、下侧端面1c面向的轴向轴承间隙的间隙宽度，能够得到优良的轴承性能。并且，由于能够精度良好地加工在内周面1a、下侧端面1c形成的动压槽1a1、1a2及1c1，因此能够提高径向轴承间隙、轴向轴承间隙的润滑油产生的动压作用，能够进一步提高轴承性能。并且，由于分离合金粉10的SUS钢(第一区域11)与Cu(第二区域12)的界面的至少一部分被合金化，因此能够防止冲击载荷引起的SUS钢与Cu的剥离，能够提高轴承套筒1的强度。

此外，该轴承套筒1可以通过对内周面1a实施旋转精压加工等，将面向内周面1a的分离合金粉10的表面的Cu系金属(第二区域12)的一部分除去，使SUS钢(第一区域11)积极地露出。如此，通过使耐磨性优良的SUS钢在成为径向轴承面的内周面1a较多地露出，能够进一步提高径向轴承面的耐磨性，能够进一步提高轴承套筒1的耐久性。旋转精压加工可以在对烧结体进行精压加工之后且形成动压槽之前进行，也可以在形成动压槽之后进行。

另外，上述示出了使用通过气体喷散法制造的分离合金粉10的情况，但不局限于此，也可以使用通过水喷散法制造的分离合金粉。如图4所示，通过水喷散法能够使第一区域21(例如Fe系金属)在分离合金粉20的第二区域22(例如Cu系金属)中充分地分散。由此，与图2所示那样的由第二区域12覆盖成为核的第一区域11的外周的分离合金粉10相比，能够使SUS钢及Cu在轴承面更加均匀地露出，因此能够对轴承面整体充分地赋予两者的特性(耐磨性及滑动性)。另外，通过水喷散法，难以形成通过气体喷散法形成的分离合金粉10那样的接近球形的形状，如图4所示，容易形成在外周面具有凹凸的形状，因此通过压粉成形或精压加工容易使各粒子变形，能够提高烧结轴承的成形性。

以下，说明上述的轴承套筒1的适用例。

图5表示装入了具有上述的轴承套筒1的流体动压轴承装置100的信息设备用主轴电动机的一个结构例。该主轴电动机用于HDD等碟盘驱动装置，其具备：将轴构件2非接触支承为旋转自如的流体动压轴承装置100；安装于轴构件2的碟盘轮毂3；安装在流体动压轴承装置100的外周的托架6；例如隔着半径方向的盖罩而对置的定子线圈4及转子磁体5。定子线圈4安装在托架6的外周面，转子磁体5安装在碟盘轮毂3的内周。在碟盘轮毂3上保持有多张(在图示例中为两张)磁盘等碟盘D。当对定子线圈4通电时，通过定子线圈4与转子磁体5之间的电磁力而转子磁体5进行相对旋转，由此，碟盘轮毂3与轴构件2成为一体而进行旋转。

图6表示流体动压轴承装置100。该流体动压轴承装置100具备：轴向一方开口的有底筒状的壳体7；在壳体7的内周配置的作为烧结轴承的轴承套筒1；插入壳体7的内周的轴构件2；在壳体7的开口部设置的密封部9。此外，为了容易说明，在轴向上以壳体7开口的一侧为上侧且以壳体7闭塞的一侧为下侧进行说明。

轴构件2由不锈钢等的金属材料形成，具备轴部2a和在轴部2a的下端设置的凸缘部2b。轴构件2整体除了由金属形成以外，例如凸缘部2b的整体或其一部分(例如两端面)由树脂构成，由此能够形成金属与树脂的混合结构。

壳体7例如通过树脂材料形成为有底筒状的杯状。在壳体7的内底面7b1形成有例如螺旋形状的动压槽(图示省略)。上述的轴承套筒1的外周面1d通过粘接或压入等适当的方法固定在壳体7的内周面7c。需要说明的是，壳体7不局限于一体形成的情况，也可以由筒状的侧部和闭塞该侧部的一方的开口部的盖部构成。

密封部9例如通过树脂材料形成为环状。密封部9的内周面9a形成为圆筒面状。在密封部9的内周面9a与轴部2a的锥状外周面2a2之间形成有朝向下方而半径方向尺寸逐渐缩小的楔状的密封空间S。构成通过该密封空间S的毛细管力保持润滑油的毛细管密封。密封空间S的容积设定为在轴承装置的使用温度范围内比保持在轴承装置的内部的润滑油的热膨胀量大，由此，在轴承装置的使用温度范围内，润滑油不会从密封空间S漏出，油面始终保持在密封空间S内。

当轴构件2旋转时，在轴承套筒1的内周面1a与轴构件2的圆筒状外周面2a1之间形成径向轴承间隙，并且在轴承套筒1的下侧端面1c与轴构件2的凸缘部2b的上侧端面2b1之间以及壳体7的内底面7b1与轴构件的凸缘部2b的下侧端面2b2之间分别形成有轴向轴承间隙。并且，通过轴承套筒1的内周面1a的动压槽1a1、1a2使上述径向轴承间隙的润滑油产生动压作用，从而构成将轴构件2的轴部2a在径向方向上非接触支承为旋转自如的径向轴承部R1、R2。同时，通过轴承套筒1的下侧端面1c的动压槽1c1以及壳体7的内底面7b1的动压槽使上述各轴向轴承间隙的润滑油产生动压作用，从而构成将轴构件2的凸缘部2b在两轴向方向上非接触支承为旋转自如的第一轴向轴承部T1及第二轴向轴承部T2。此时，径向轴承间隙的下端与第一轴向轴承部T1的轴承间隙的外径端相连。

如上所述，轴承套筒1的内周面1a的动压槽1a1相对于丘部的带状部分形成为非轴向对称，带状部分的上侧区域的轴向尺寸X1比下侧区域的轴向尺寸X2形成得大(图1(a)参照)。因此，轴构件2的旋转时，对于由动压槽1a1产生的润滑油的引入力(抽吸力)来说，上侧区域比下侧区域相对大。通过该引入力的差压，径向轴承间隙的润滑油向下方流动，在第一轴向轴承部T1的轴向轴承间隙→轴向槽1d1→密封部9的下侧端面9b与轴承套筒1的上侧端面1b之间的空间这样的路径中循环，并被再次引入径向轴承间隙。如此，通过构成为润滑油在壳体7的内部空间流动循环，能够防止内部空间内的润滑油的压力局部成为负压的现象，从而能够消除与产生负压相伴的气泡的生成、由气泡的生成引起的润滑油的泄漏、振动的产生等问题。并且，因某些理由在润滑油中混入气泡的情况下，也可将气泡在伴随润滑油循环时从密封空间S内的润滑油的油面(气液界面)向外部大气排出，因此能够进一步有效地防止气泡引起的不良影响。

在以上的实施方式中，作为径向动压产生部而形成有人字形状的动压槽1a1、1a2，但不局限于此，例如可以采用螺旋形状的动压槽、阶梯轴承或多圆弧轴承。还可以构成不设置动压产生部，使轴部2a的外周面2a1及轴承套筒1的内周面1a都形成为圆筒面的所谓正圆轴承。

另外，在以上的实施方式中，作为轴向动压产生部而形成有螺旋形状的动压槽，但不局限于此，也可以采用例如人字形状的动压槽、阶梯轴承或波型轴承(阶梯型成为波型的轴承)等。

另外，在以上的实施方式中，动压产生部形成于轴承套筒1的内周面1a、下侧端面1c以及壳体内底面7b1，但也可以在与它们分别隔开轴承间隙而对置的面、即在轴部2a的外周面2a1、凸缘部2b的上侧端面2b1以及下侧端面2b2设置动压产生部。

另外，在以上的实施方式中，径向轴承部R1、R2在轴向上被分离设置，但也可以将它们在轴向上连续设置。或者，也可以仅设置它们中的任一方。

另外，在以上的实施方式中，作为充满于流体动压轴承装置100的内部，且在径向轴承间隙或轴向轴承间隙产生动压作用的流体，例示了润滑油，除此以外还能够使用使各轴承间隙产生动压作用的流体、例如空气等气体、磁性流体或者润滑脂等。

另外，上述的流体动压轴承装置不局限于HDD等碟盘驱动装置中使用的主轴电动机，还适合适用于光磁盘驱动用的主轴电动机等在高速旋转下使用的信息设备用的小型电动机、激光打印机的三维扫描电动机(polygon scanner motor)或者电气设备的风扇电动机等。

附图说明

图1a是轴承套筒的剖视图。

图1b是轴承套筒的仰视图。

图2是分离合金粉的粒子的剖视图。

图3是轴承套筒的轴承面的放大剖视图。

图4是表示分离合金粉的粒子的其它例子的剖视图。

图5是装入流体动压轴承装置的电动机的剖视图。

图6是具备轴承套筒的流体动压轴承装置的剖视图。

符号说明：

1 轴承套筒(烧结轴承)

10 分离合金粉

11 第一区域(SUS钢)

12 第二区域(Cu系金属材料)

A 轴承面

2 轴构件

3 碟盘轮毂

4 定子线圈

5 转子磁体

6 托架

7 壳体

9 密封部

100 流体动压轴承装置

R1、R2 径向轴承部

T1、T2 轴向轴承部

S 密封空间

Claims (8)

1.一种烧结轴承，其通过将金属粉末的压缩成形体烧结而成，其中，

所述烧结轴承使用含有分离合金粉的金属粉末，该分离合金粉具有由各粒子不同的金属材料构成的多个区域，且各区域的界面的至少一部分合金化。

2.根据权利要求1所述的烧结轴承，其中，

分离合金粉具有由Fe系金属材料构成的区域。

3.根据权利要求2所述的烧结轴承，其中，

Fe系金属材料为SUS钢。

4.根据权利要求2或3所述的烧结轴承，其中，

在分离合金粉中，Fe系金属材料的表面的至少一部分由其它金属材料覆盖。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的烧结轴承，其中，

分离合金粉具有由Cu系金属材料构成的区域。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的烧结轴承，其中，

分离合金粉通过喷散法制造而成。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的烧结轴承，其中，

所述烧结轴承作为流体动压轴承使用，在轴承面形成有使流体产生动压作用的动压产生部。

8.一种流体动压轴承装置，其具备权利要求1～7中任一项所述的烧结轴承和插入在烧结轴承的内周中的轴构件。

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