CN103119313B - 烧结轴承 - Google Patents

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Abstract

通过使用微细的铜系粉末，具体而言，通过使用含有80％以上的直径45μm以下的粒子的铜系粉末，能够大幅地降低通气度。若使用该铜系粉末，则烧结金属中的铜的比率为40％以下(铁的比率为60％以上)而提高耐磨损性，通油度为1.00g/10min以下而容易提高油膜形成率。

Description

烧结轴承
技术领域
本发明涉及烧结轴承，尤其是涉及铜铁系的烧结轴承。
背景技术
烧结轴承在内部空孔中浸渍润滑油而使用。伴随着烧结轴承与轴的相对旋转，浸渍在烧结轴承的内部的润滑油向烧结轴承与轴的滑动部渗出而形成油膜，经由该油膜对轴进行支承。这样的烧结轴承从其高旋转精度及肃静性出发，优选利用作为向信息设备用的电动机主轴等装入的流体动压轴承用(例如参照专利文献1)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-279349号公报
发明的概要
发明要解决的课题
在烧结轴承中，有以铜为主成分的铜系、以铁为主成分的铁系、以铜及铁为主成分的铜铁系等。
铜系的烧结轴承由于作为主成分的铜比较柔软，因此通过压缩成形而容易产生变形，烧结轴承的内部气孔容易压坏。因此，通油度(从烧结轴承的内径侧向外径侧负载一定的压力而使油贯通时的油的通过容易度)降低。当通油度低时，轴承间隙的润滑油的压力难以向烧结轴承的内部逃散，因此油膜的压力容易升高，能得到优异的支承力。然而，由于铜柔软，因此耐磨损性差，尤其是由于与电动机等的起动停止时的旋转轴的接触，而轴承面容易提前磨损。
另一方面，铁系的烧结轴承由于作为主成分的铁比较硬，因此轴承面的耐磨损性优异。然而，由于铁不易通过压缩成形产生变形，因此烧结轴承的内部气孔不易压坏，通油度高。因此，在电动机等的常规旋转时，轴承间隙的润滑油向烧结轴承的内部逃散而难以形成良好的油膜，轴承面与轴发生接触，而会导致轴承面的提前的磨损或噪音的发生等不良情况。
铜铁系的烧结轴承能够具有铜系及铁系这两者的特性。这种情况下，当增加铜的比率时，虽然能得到通油度下降这样的优点，但是会产生耐磨损性下降这样的不良情况。另一方面，当增加铁的比率时，虽然能得到耐磨损性提高的优点，但是会产生通油度升高这样的不良情况。
例如，若提高烧结金属的密度(烧结密度＝重量/表观体积)则内部气孔减少，因此能够降低通油度。然而，当烧结金属的内部气孔被压坏时，由于浸渍在烧结金属的内部的油量减少，因此油急剧劣化，可能会导致烧结轴承的短寿命化。
如以上所述，在铜铁系的烧结轴承中，同时实现高耐磨损性和低通油度(高油膜形成性)这两者非常困难。因此，铜及铁的比率、烧结密度、或烧结温度等的条件明显受到限制，设计的自由度变得非常窄是目前的实际情况。
发明内容
本发明要解决的课题是在铜铁系的烧结轴承中，同时容易实现高耐磨损性和低通油度这两者，并扩大设计的自由度。
用于解决课题的手段
本发明者们研究了使用铜粉末A的铜铁系的烧结轴承(现有品)和使用铜粉末B的铜铁系的烧结轴承(本发明品)的通油度等。如表1所示，铜粉末B与铜粉末A相比，直径为45μm以下的微细的粒子的比率高。需要说明的是，铜粉末B以三个批次测定了粒径。而且，各粉末的比率以重量比来表示。
[表1]
图1中，表示烧结密度为6.9g/cm3的烧结轴承中的铜的比率(重量比)与通油度的关系。如该图所示，使用了铜粉末B的本发明品通油度大幅低于使用了相同比率的铜粉末A的现有品(约1/10)。例如铜30％的本发明品表现出与铜60％的现有品同等的通油度。而且，若观察图2所示的现有品的铜的比率与油膜形成率的关系的话，在现有品中，随着铜的比率从50％减小而油膜形成率从100％逐渐变差。另一方面，若观察图3所示的本发明品的铜的比率与油膜形成率的关系的话，在本发明品中，即使在铜的比率低的情况下(例如20％)，油膜形成率也表现出大致100％。由此可知，即使在由于使用铜粉末B而降低铜的比率，即提高铁的比率，从而提高了耐磨损性的情况下，也能够降低通油度而提高油膜形成率。
另外，在图4中，示出铜的比率为30％的烧结轴承中的烧结密度与通油度的关系。如该图所示，使用了铜粉末B的本发明品(图中圆圈所示)的通油度大幅低于使用了铜粉末A的相同的烧结密度的现有品(图中三角形所示)(约1/10左右)。由此可知，由于使用铜粉末B，不用提高烧结密度，即，能确保含油率并同时降低通油度。
从以上的结果可知，由于使用铜粉末B，即，由于实现了铜粉末的微细化，而能够降低通油度并提高油膜形成率。因此，提高铁的比率而提高耐磨损性，并使用微细的铜粉末而降低通油度，由此能够容易地同时满足高耐磨损性和低通油度，设计的自由度大幅扩展。在烧结轴承中，例如，要求铜的比率40％以下(即铁的比率60％以上)且通油度1.00g/10min以下的情况，但通过使用微细的铜粉末，能够容易地进行满足这样的要求的设计。例如在图4所示的例子中，使用了铜粉末A的现有品(三角形符号)的烧结密度为6.8g/cm3时，在烧结温度870℃下，能够满足通油度1.00g/10min，但是在烧结温度950℃下，无法满足上述的通油度，因此烧结温度被限制为870℃左右。另一方面，使用了铜粉末B的本发明品(圆形符号)的烧结密度为6.8g/cm3时，无论烧结温度是870℃还是950℃，都能够满足上述的通油度，因此与现有品相比，能缓和烧结温度的限制。
即，为了解决所述课题而作出的本发明的烧结轴承由铜铁系的烧结金属构成，并在内周面形成有径向轴承面，该铜铁系的烧结金属通过对将铜系粉末及铁系粉末压缩成形后的压粉体进行烧结而得到，所述烧结轴承中，铜系粉末包含以重量比计为80％以上的直径45μm以下的粒子，烧结金属的铜的比率以重量比计为40％以下(铁的比率为60％以上)，通油度为1.00g/10min以下。
需要说明的是，“铜系粉末”是指以铜为主成分的金属粉末，除了纯铜粉末之外，还包括以铜为主成分的合金粉末。同样地，“铁系粉末”是指以铁为主成分的金属粉末，除了纯铁粉末之外，还包括以铁为主成分的合金粉末。
通油度使用图5所示的通油度试验装置100来测定。该通油度试验装置具备：从轴向两侧夹持固定圆筒状的试料W(烧结轴承)的保持部101、102；积存油的罐103。试料W的轴向两端部与保持部101、102之间由未图示的橡胶垫圈密封。积存在罐103的内部的油(双酯油系润滑油)经由配管104及保持部101内的连通路105，向试料W的内周的空间供给。在室温(26～27℃)环境下，以0.4Mpa对罐103进行空气加压，从试料W的内径侧向外径侧通油10分钟。此时，从试料W的该表面渗出而滴下的油向配设在试料W的下方的布(或纸)106渗入而提取。然后，根据试验前后的布106的重量差，算出通油度。
在上述的烧结轴承中，无需为了将通油度抑制得较低而提高烧结密度，因此例如能够使烧结密度为6.9g/cm3以下。这种情况下，能够将含油率确保为10％以上。另一方面，当烧结密度过低时，通油度升高，压力泄漏，因此烧结密度优选为6.5g/cm3以上。需要说明的是，“含油率”以容积百分率来表示浸渍的烧结金属含有的油量，未浸渍油的烧结轴承的重量为W1，内部气孔尽量浸渍了油之后的烧结轴承的重量为W2，烧结金属的体积为W3，浸渍油密度为ρ时，由(W2-W1)/(W3×ρ)×100表示(JIS Z2501)。
然而，当烧结温度升高而接近铜的熔点(1083℃)时，铜熔析而促进铜与铁的合金化，烧结轴承的耐磨损性飞跃性地提高。另一方面，由于合金化进展，而铜存在的部位成为空洞，因此通油度升高且油膜形成率下降。即使在这种情况下，通过使用上述的微细化的铜系粉末也能够降低通油度。因此，即使在提高烧结温度而实现耐磨损性的进一步提高的情况下，也能够抑制通油度而确保油膜形成率。但是，当铜系粉末完全熔化时通油度过高，因此烧结温度优选设定为铜的熔点以下，尤其是优选为850～1000℃的范围。
例如，在径向轴承面形成有动压槽等径向动压产生部的烧结轴承中，在径向动压产生部的作用下，油膜的压力积极地升高，利用其动压作用来支承旋转轴。这种情况下，当烧结轴承的通油度高时，压力升高后的润滑油向轴承内部逃散而动压作用受损。因此，优选使用上述那样的微细化的铜系粉末来降低通油度。而且，在烧结轴承的端面设置推力轴承面并在该推力轴承面形成有推力动压产生部的情况也同样。
发明效果
如以上所述，根据本发明的烧结轴承，通过使用微细化的铜系粉末能够减少通油度，因此容易同时实现高耐磨损性和低通油度这两者，能够扩大设计的自由度。
附图说明
图1是表示烧结轴承的铜的比率与通油度的关系的坐标图。
图2是表示现有品的烧结轴承的铜的比率与油膜形成率的关系的坐标图。
图3是表示本发明品的烧结轴承的铜的比率与油膜形成率的关系的坐标图。
图4是表示烧结轴承的烧结密度与通油度的关系的坐标图。
图5是概念性地表示通油度试验装置的侧视图。
图6是将本发明的实施方式的烧结轴承装入后的电动机的剖视图。
图7是向图6的电动机装入后的流体动压轴承装置。
图8是本发明的实施方式的烧结轴承的剖视图。
图9是图8的烧结轴承的仰视图。
具体实施方式
以下，基于附图，说明本发明的实施方式。
图6所示的主轴电动机使用于HDD等盘驱动装置，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1；装配于轴构件2的盘毂3；隔着间隙对置的定子线圈4及转子磁铁5。定子线圈4安装在电动机托架6的外周，转子磁铁5安装在盘毂3的内周。盘毂3在其外周保持有一张或多张(在图6中为两张)磁盘D。在如此构成的主轴电动机中，当向定子线圈4通电时，转子磁铁5旋转，伴随于此，盘毂3及由盘毂3保持的盘D与轴构件2一体旋转。
如图7所示，流体动压轴承装置1的主要的结构要素包括轴构件2、有底筒状的壳体7、本发明的一实施方式的烧结轴承8、密封构件9。需要说明的是，在以下的说明中，为了便于说明，在轴向上将壳体7的闭塞侧作为下侧，而将开口侧作为上侧。
轴构件2例如由不锈钢等金属材料形成，具备轴部2a和在轴部2a的下端设置的凸缘部2b。轴部2a具有圆筒状的外周面2a1和朝向上方逐渐缩径的锥形面2a2。轴部2a的外周面2a1配设在烧结轴承8的内周，锥形面2a2配设在密封构件9的内周。
烧结轴承8由以铜及铁为主成分的铜铁系的烧结金属构成。在对包含铜系粉末和铁系粉末的混合金属粉末进行了压缩成形之后，对该压缩成形体进行烧结而得到烧结轴承8。烧结轴承8中的铜及铁的比率为以重量比计的铜40％以下且铁60％以上，在本实施方式中，为铜30％且铁70％。在烧结轴承8中使用的铜系粉末使用的是包含80％以上的直径45μm以下的粒子的铜系粉末，例如，使用上述表1的铜粉末B。烧结密度为6.9g/cm3以下，例如为6.8g/cm3。烧结温度设定为铜的熔点以下，优选设定为850℃～1000℃的范围，例如设定为950℃。通油度为1.00g/10min以下，具体而言，为约0.2g/10min(参照图4)。
通过如上述那样含有较多的铁，能提高烧结轴承8的耐磨损性。而且，通过如上述那样降低通油度，在径向轴承间隙内提高了压力的润滑油不易向烧结轴承8的内部逃逸，因此能提高支承力。而且，通过如上述那样使用微细的铜系粉末，不用提高烧结密度而能够降低通油度，因此能够使烧结密度如上述那样为6.9g/cm3以下，由此能够将含油率确保为10％以上。而且，通过如上述那样使用微细的铜系粉末来降低通油度，能够如上述那样以比较高的温度进行烧结，因此促进铜与铁的合金化，进一步提高耐磨损性。
如上述那样的微细的铜系粉末例如通过对各种粒径的铜粉进行筛分而得到，或者可以使用从废弃的电路基板熔析出的铜来形成。后者那样的再生铜粉含有较多的微细的粒子，因此能够简单地得到上述那样的微细的铜系粉末。
另外，由于铜的造价远高于铁，因此通过如上述那样降低铜的比率而提高铁的比率，能实现低成本化。而且，若使用上述那样的再生铜粉，则能够实现进一步的低成本化，并减轻对环境的负担。
烧结轴承8呈大致圆筒状，内周面8a作为径向轴承面发挥功能。在烧结轴承8的内周面8a形成有用于使径向轴承间隙的润滑油产生动压作用的径向动压产生部。在本实施方式中，如图8所示，在烧结轴承8的内周面8a的沿着轴向分离的两个部位形成有人字形形状的动压槽8a1、8a2作为径向动压产生部。在上侧的动压槽区域中，动压槽8a1形成为轴向非对称形状，具体而言，对于在丘部的轴向大致中央部形成的带状部分而言，上侧的槽的轴向尺寸X1大于下侧的槽的轴向尺寸X2(X1＞X2)。在下侧的动压槽区域中，动压槽8a2形成为轴向对称形状。通过以上叙述的上下动压槽区域内的抽吸能力的不平衡，在轴构件2的旋转中，充满在烧结轴承8的内周面8a与轴部2a的外周面之间的油被压入下方。
烧结轴承8的下侧端面8c作为推力轴承面发挥功能。在烧结轴承8的下侧端面8c上形成有用于使推力轴承间隙的油膜产生动压作用的推力动压产生部。在本实施方式中，如图9所示，在烧结轴承8的下侧端面8c形成有螺旋形状的动压槽8c1作为推力动压产生部。在烧结轴承8的外周面8d上的圆周方向等间隔的多个部位(在图示例中为三个部位)形成有轴向槽8d1。在将烧结轴承8的外周面8d和壳体7的内周面7c固定的状态下，轴向槽8d1作为油的连通路发挥功能，通过该连通路能够将轴承内部的压力平衡保持在适当范围内。
壳体7一体地具有：在内周保持有烧结轴承8的筒状的侧部7a；将侧部7a的下端闭塞的底部7b。在壳体7的底部7b的上侧端面7b1上形成有例如螺旋形状的动压槽作为用于使推力轴承间隙的油膜产生动压作用的推力动压产生部(图示省略)。
密封构件9例如由树脂材料或金属材料形成为环状，并配设在壳体7的侧部7a的上端部内周。密封构件9的内周面9a沿着径向与在轴部2a的外周设置的锥形面2a2对置，在它们之间形成有朝向下方而径向尺寸逐渐缩小的密封空间S。通过该密封空间S的毛细管力，将润滑油向轴承内部侧拉入，并防止油的漏出。在本实施方式中，由于在轴部2a侧形成锥形面2a2，因此密封空间S也作为离心力密封发挥功能。由密封构件9密封后的壳体7的内部空间中充满的润滑油的油面维持在密封空间S的范围内。即，密封空间S具有能够吸收润滑油的体积变化的容积。
在上述结构的流体动压轴承装置1中，当轴构件2旋转时，在烧结轴承8的内周面8a(径向轴承面)与轴部2a的外周面2a1之间形成径向轴承间隙。该径向轴承间隙产生的油膜的压力借助形成在烧结轴承8的内周面8a上的动压槽8a1、8a2而提升，从而构成通过该动压作用将轴部2a非接触支承为旋转自如的第一径向轴承部R1及第二径向轴承部R2。
与此同时，在凸缘部2b的上侧端面2b1与烧结轴承8的下侧端面8c(推力轴承面)之间的推力轴承间隙、及凸缘部2b的下侧端面2b2与壳体7的底部7b的上侧端面7b1之间的推力轴承间隙形成油膜，在动压槽的动压作用下，油膜的压力升高。通过该动压作用，构成将凸缘部2b非接触支承为沿着两推力方向旋转自如的第一推力轴承部T1及第二推力轴承部T2。
本发明并不局限于上述的实施方式。例如，在以上的实施方式中，作为径向动压产生部，例示了人字形形状的动压槽，但并不局限于此，也可以采用例如所谓立式止推轴承、波型轴承、或多圆弧轴承。而且，也可以采用将烧结轴承8的内周面8a及轴构件2的外周面2a1这双方设为圆筒面，且作为径向轴承部R1、R2而不具有动压产生部的所谓正圆轴承。
另外，在以上的实施方式中，作为推力动压产生部，例示了螺旋形状的动压槽，但并不局限于此，也可以采用例如立式止推轴承或波型轴承。或者作为推力轴承部T1、T2，也可以采用对轴构件的端部进行接触支承的枢轴轴承。这种情况下，烧结轴承8的下侧端面8c未作为推力轴承面发挥功能。
另外，在以上的实施方式中，径向动压产生部及推力动压产生部分别形成在烧结轴承8的内周面8a、下侧端面8c及壳体7的内底面7b1，但也可以形成在隔着轴承间隙与这些面对置的面、即轴部2a的外周面2a1、凸缘部2b的上侧端面2b1及下侧端面2b2。
另外，本发明的动压轴承装置并不局限于上述那样使用于HDD等盘驱动装置的主轴电动机，也可以优选使用作为光盘的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、激光束打印机的多面扫描仪电动机等的旋转轴支承用、或电气设备的冷却用的风扇电动机。
符号说明
1 流体动压轴承装置
2 轴构件
3 盘毂
4 定子线圈
5 转子磁铁
6 电动机托架
7 壳体
8 烧结轴承
8a 内周面(径向轴承面)
8a1、8a2 动压槽(径向动压产生部)
8c 下侧端面(推力轴承面)
8c1 动压槽(推力动压产生部)
9 密封构件
D 盘
R1、R2 径向轴承部
T1、T2 推力轴承部
S 密封空间

Claims (11)

1.一种烧结轴承，由铜铁系的烧结金属构成，并在内周面形成有径向轴承面，该铜铁系的烧结金属通过对将包含铜系粉末及铁系粉末的混合金属粉末压缩成形后的压粉体进行烧结而得到，所述烧结轴承中，
所述铜系粉末包含以重量比计为80％以上的直径45μm以下的粒子，所述烧结金属的铜的比率以重量比计为40％以下，铁的比率以重量比计为60％以上，通油度为1.00g/10min以下。
2.根据权利要求1所述的烧结轴承，其中，
烧结密度为6.9g/cm3以下。
3.根据权利要求2所述的烧结轴承，其中，
含油率为10％以上。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的烧结轴承，其中，
烧结温度为铜的熔点以下。
5.根据权利要求4所述的烧结轴承，其中，
烧结温度为850℃～1000℃的范围。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的烧结轴承，其中，
在所述径向轴承面形成有径向动压产生部。
7.根据权利要求4所述的烧结轴承，其中，
在所述径向轴承面形成有径向动压产生部。
8.根据权利要求5所述的烧结轴承，其中，
在所述径向轴承面形成有径向动压产生部。
9.根据权利要求6所述的烧结轴承，其中，
在端面具有推力轴承面，在该推力轴承面形成有推力动压产生部。
10.根据权利要求7所述的烧结轴承，其中，
在端面具有推力轴承面，在该推力轴承面形成有推力动压产生部。
11.根据权利要求8所述的烧结轴承，其中，
在端面具有推力轴承面，在该推力轴承面形成有推力动压产生部。
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