CN105393005B - 烧结轴承及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种烧结轴承，其由使用含有铜粉末及铁粉末的混合金属粉末形成的烧结金属构成。混合金属粉末含有80wt％以上的平均粒径小于45μm的粒子。铜粉末含有电解铜粉，该电解铜粉含有40个数％以上的圆形度0.64以上的粒子。

Description

烧结轴承及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种烧结轴承，特别涉及使用含有铜粉末及铁粉末的混合金属粉末形成的烧结轴承及其制造方法。

背景技术

烧结轴承是在内部空孔中浸渗有润滑油的状态下使用，伴随着与应该支承的轴的相对旋转，浸渗在内部的润滑油向与轴的滑动部渗出而形成油膜，借助该油膜对轴进行旋转支承。此种烧结轴承由于其高旋转精度及静音性，被作为对HDD、LBP多边形扫描器电动机、或者风机电动机等小型电动机进行旋转支承的轴承使用。

如上所述的电子设备的薄型化不断推进，烧结轴承的轴向尺寸日益变小。此种轴向尺寸小的烧结轴承中，确保轴承刚性(特别是径向的轴承刚性)成为一个课题。特别是，在烧结轴承被装入便携电话或平板电脑型终端等中的情况下，由于这些设备被以各种各样的姿势使用，因此对烧结轴承所要求的轴承刚性也变高。然而，由于烧结轴承在轴承面开设有无数的气孔，因此会产生滑动部的油膜从轴承面的开口部向烧结轴承的内部泄漏的所谓动压泄漏，有可能无法获得所需的轴承刚性。虽然可以通过在形成烧结轴承后，对轴承面实施借助喷砂或旋转精压等的封孔处理来避免此种局面，然而该情况下，会导致由工时增加而造成的制造成本的高涨。

因而，例如在下述的专利文献1中，通过将成为烧结轴承的原料的金属粉末微细化(使锡粉末的最大粒径为25μm以下，使铜粉末及SUS粉末的最大粒径为50μm以下)，使因锡粉末的熔融而形成于轴承面的表面开孔微细化，由此实现动压泄漏的防止。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009－197903号公报

发明内容

发明所要解决的问题

然而，如果像上述专利文献1那样，只是单纯地使用微细的粉末，则不能说是充分地抑制动压泄漏。

本发明所要解决的问题在于，充分地抑制来自烧结轴承的轴承面的动压泄漏，提高轴承刚性。

用于解决问题的方法

为了解决所述问题而完成的本发明，是由使用含有铜粉末及铁粉末的混合金属粉末形成的烧结金属构成的烧结轴承，其特征在于，所述混合金属粉末含有80wt％以上的平均粒径小于45μm的粒子，所述铜粉末含有电解铜粉，该电解铜粉含有40个数％以上的圆形度0.64以上的粒子。

另外，为了解决所述问题而完成的本发明，是经过将含有铜粉末及铁粉末的混合金属粉末压缩成形而形成压坯的压缩成形工序、将所述压坯在规定的烧结温度进行烧结的烧结工序而进行的烧结轴承的制造方法，其特征在于，所述混合金属粉末含有80wt％以上的平均粒径小于45μm的粒子，所述铜粉末含有电解铜粉，该电解铜粉含有40个数％以上的圆形度0.64以上的粒子。压坯压坯

需要说明的是，所谓“圆形度”是指各粒子的二维投影图像的圆面积等价径与圆周等价径的比(JIS H7008：2002)。另外，粒子的所谓“平均粒径”是指各粒子的二维投影面积的圆面积等价径的平均值。在实际中，测定成为对象的粒子中的统计上有效的比例的粒子的投影面积，通过求出根据该测定值算出的圆面积等价径的平均值，而求出平均粒径。

通过像这样作为成为烧结金属的原料的混合金属粉末，而使用含有80wt％以上的平均粒径小于45μm的粒子的微细的粉末，可提高烧结轴承的密度而减少内部气孔，其结果是，可以减少轴承面的表面开孔。另外，铜粉末有电解铜粉、雾化粉等种类，然而由于电解铜粉会形成树枝状的复杂的形状，因此容易发生由烧结造成的收缩。因而，通过使上述混合金属粉末中的铜粉末含有电解铜粉，可以促进铜粉末的烧结而进一步提高烧结轴承的密度，从而可以进一步减少轴承面的表面开孔。如上所述，如果将混合金属粉末微细化或使用电解铜粉，通常混合金属粉末的流动性会降低。然而，根据本发明人等的深入研究发现，通过使电解铜粉含有一定量以上圆形度高的粒子，可以抑制混合金属粉末的流动性的降低。由此，可以使混合金属粉末顺畅地流入成形金属模的模腔，因此可以在模腔中均匀地填充混合金属粉末，可以使烧结轴承的内部气孔均匀地分散而防止粗大气孔的形成。

上述的铜粉末优选使用含有15wt％以上的平均粒径小于45μm的粒子的铜粉末。通过像这样使铜粉末基本上不含有平均粒径45μm以上的粗大的粒子，就可以抑制由粗大的粒子引起的粗大的气孔的形成，使烧结轴承的表面开孔的大小均一化。

另外，上述的铜粉末优选使用平均粒径小于10μm的粒子小于10wt％的铜粉末。通过像这样使铜粉末基本上不含有平均粒径小于10μm的超微细的粒子，可以进一步提高混合金属粉末的流动性。

上述的电解铜粉例如可以使用表观密度为1.4～1.7g/cm³的电解铜粉。

在上述的混合金属粉末含有50wt％以上的电解铜粉的情况下，混合金属粉末的流动性降低的可能性变大，因此如上所述地含有一定量以上圆形度高的粒子是有效的做法。另外，如果上述的混合金属粉末中所含的电解铜粉大于60wt％，则铜成分的比例会过大而有可能使得轴承的强度不足。根据以上情况，优选将混合金属粉末中的电解铜粉设为50～60wt％。

上述的铁粉末优选使用含有80wt％以上的平均粒径小于45μm的粒子的铁粉末。

作为上述的铁粉末，例如可以使用还原铁粉。

上述的烧结轴承由以铜及铁作为主成分的烧结金属形成，具体而言，例如由含有铁38～42wt％、锡1～3wt％、余量为铜及不可避免的杂质的烧结金属形成。

发明效果

如上所述，根据本发明，通过使用微细的混合金属粉末、并且铜粉末含有电解铜粉，从而可以提高烧结轴承的密度，减少表面开孔。另外，通过使电解铜粉含有一定量以上的圆形度高的粒子，就可以提高混合金属粉末的流动性，可以在成形金属模的模腔中均匀地填充混合金属粉末。通过像这样使烧结轴承的内部气孔微细化并且均一化，就可以充分地抑制动压泄漏而提高轴承刚性。

附图说明

图1是风机电动机的剖面图。

图2是装入上述风机电动机中的流体动压轴承装置的剖面图。

图3是装入上述流体动压轴承装置中的轴承套筒(烧结轴承)的剖面图。

图4(a)是表示在上述轴承套筒的压缩成形工序中，向模腔中填充了金属粉末的样子的剖面图。

图4(b)是表示在上述轴承套筒的压缩成形工序中，压缩金属粉末的样子的剖面图。

图4(c)是表示在上述轴承套筒的压缩成形工序中，将压坯从金属模中取出的样子的剖面图。

具体实施方式

图1表示便携电话或平板电脑型终端等信息设备的风机电动机。该风机电动机具备：将轴构件2自由旋转地非接触支承的流体动压轴承装置1；安装于轴构件2的转子3；安装于转子3的外径端的叶片4；隔着半径方向(径向)的间隙而对置的定子线圈6a及转子磁铁6b；和收容它们且上端面及侧面的一部分开口的罩壳5。定子线圈6a被安装于流体动压轴承装置1的外周，转子磁铁6b被安装于转子3的内周。通过对定子线圈6a通电，从而转子3、叶片4、以及轴构件2就会一体化旋转，由此产生轴向或外径方向的气流。

流体动压轴承装置1如图2所示，具备轴构件2、壳体7、作为烧结轴承的轴承套筒8、密封构件9、和止推垫10。需要说明的是，以下将有底筒状的壳体7的底部7b侧称作下侧，将开口侧称作上侧。

轴构件2由不锈钢等金属材料以圆柱状形成。轴构件2具有圆筒状的外周面2a、和设于下端的球面状的凸部2b。

壳体7具有近似圆筒状的侧部7a、和堵塞侧部7a的下方的开口部的底部7b。图示例中，侧部7a和底部7b由树脂一体化注射成型。在侧部7a的外周面7a2，固定有罩壳5及定子线圈6a。在侧部7a的内周面7a1，固定有轴承套筒8的外周面8d。在底部7b的上侧端面7b1的外径端，设有位于比内径部更上方处的肩面7b2，轴承套筒8的下侧端面8c与该肩面7b2抵接。在底部7b的上侧端面7b的中央部，配置有止推垫10。

轴承套筒8形成圆筒状，在壳体7的侧部7a的内周面7a1处，通过间隙粘接、压入、压入粘接等适当的方法而被固定。轴承套筒8的内径被设为0.6～2.0mm左右，外径被设为1.5～4.0mm左右。轴承套筒8由作为主成分而含有铜及铁的烧结金属构成。本实施方式的轴承套筒8由烧结金属构成，该烧结金属含有38～42wt％的铁、1～3wt％的锡、余量为铜及不可避免的杂质的。轴承套筒8的密度在干燥状态(在内部气孔中没有浸渗油的状态)下被设为6.9～7.3g/cm³。

轴承套筒8具有被均匀地分散了的无数微细的内部气孔。轴承套筒8的通油度被设为小于0.02g/10min，优选小于0.015g/10min。另外，轴承套筒8的通油度被设为0.005g/10min以上。需要说明的是，此处所说的通油度是指将轴承套筒8的两个端面8b、8c的整个面密封、从轴承套筒8的内径朝向外径以0.4MPa压送10分钟油时的油的透过量。此时的油使用40℃粘度为45mm²/s的油。

在成为径向轴承面的轴承套筒8的内周面8a，形成有作为径向动压发生部的动压槽。该实施方式中，例如如图3所示，在内周面8a的轴向上隔离开的2个部位，形成人字形的动压槽8a1、8a2。动压槽8a1、8a2形成于图3的以交叉影线表示的丘部之间。上侧的动压槽8a1相对于设于丘部的轴向大致中央部的环状部分以轴向非对称的方式形成，环状部分的上侧区域的轴向尺寸X1大于下侧区域的轴向尺寸X2(X1＞X2)。由此，通过将径向轴承间隙的润滑油向下方压入而使轴承内部的润滑油强制性地循环，可以恰当地确保轴承内部的压力平衡。另一方面，下侧的动压槽8a2被轴向对称地形成。

密封构件9由树脂或金属以环状形成，被固定于壳体7的侧部7a的内周面7a1的上端部。密封构件9与轴承套筒8的上侧端面8b抵接。密封构件9的内周面9a在半径方向上与轴构件2的外周面2a对置，在它们之间形成密封空间S。在轴构件2旋转时，利用密封空间S，防止轴承内部的润滑油向外部漏出。

上述的流体动压轴承装置1利用如下所示的步骤被组装。首先，在壳体7的底部7b的上侧端面7b1配置止推垫10。此后，向壳体7的侧部7a的内周，插入预先在内部气孔中浸渗了润滑油的轴承套筒8，在使轴承套筒8的下侧端面8c与底部7b的肩面7b2抵接的状态下，将轴承套筒8的外周面8d固定在侧部7a的内周面7a1。其后，将密封构件9固定在壳体7的侧部7a的内周面7a1的上端。此时，将密封构件9压入壳体7的侧部7a，用密封构件9和壳体7的底部7b的肩面7b2从轴向两侧夹持轴承套筒8，由此可以在轴向上约束轴承套筒8。其后，向轴承套筒8的内周点滴润滑油，插入轴构件2，由此完成流体动压轴承装置1的组装。此时，润滑油充满由密封构件9密封了的壳体7的内部空间(包括轴承套筒8的内部空孔)，油面被维持在密封空间S的范围内。

在上述构成的流体动压轴承装置1中，如果轴构件2旋转，则会在轴承套筒8的内周面8a与轴构件2的外周面2a之间形成径向轴承间隙。而且，形成于轴承套筒8的内周面8a的动压槽8a1、8a2使径向轴承间隙的润滑油产生动压作用，因此构成在径向上对轴构件2进行支承的第一径向轴承部R1及第二径向轴承部R2。另外，通过使轴构件2的下端的凸部2b与止推垫10接触滑动，而构成在推力方向对轴构件2进行支承的推力轴承部T。

此时，通过如上所述地将轴承套筒8的通油度设为小于0.02g/10min，可以抑制来自径向轴承面的动压泄漏，提高径向的轴承刚性。特别是像本实施方式那样，在装入便携电话、平板电脑型终端中的流体动压轴承装置1的情况下，由于对轴构件2施加各种方向的负荷载荷，因此优选如上所述地降低通油度而提高轴承刚性。另外，通过将轴承套筒8的通油度设定为0.005g/10min以上，可以借助轴承套筒8的内部气孔流通一定程度的油，从而可以防止局部的油的劣化或负压的产生。

以下，对上述的轴承套筒8的制造方法进行说明。轴承套筒8经过混合工序、压缩成形(forming)工序、烧结工序、以及动压槽精压工序来进行。

混合工序中，将下述的铜粉末、铁粉末、锡粉末、以及石墨以规定的比例混合，制成用作轴承套筒8的原料的混合金属粉末。

铜粉末含有电解铜粉。本实施方式中，相对于混合金属粉末整体而言含有50wt％以上的电解铜粉。另外，本实施方式中，铜粉末全都是电解铜粉。在铜粉末中，含有85～95wt％的平均粒径小于45μm的粒子。另外，铜粉末中所含的平均粒径小于10μm的粒子小于10wt％。铜粉末含有40～50个数％的圆形度0.64以上的粒子。铜粉末的表观密度被设为1.4～1.7g/cm³。

铁粉末例如使用还原铁粉。在铁粉末中，含有80～90wt％的平均粒径小于45μm的粒子。铁粉末中所含的平均粒径小于10μm的粒子小于10wt％。铁粉末整体的平均粒径略大于铜粉末整体的平均粒径。

锡粉末例如使用雾化粉。锡粉末中所含的平均粒径小于45μm的粒子被设为98％以上。锡粉末中所含的平均粒径小于10μm的粒子小于10wt％。

将上述的铜粉末、铁粉末、以及锡粉末以规定的比例混合，制成混合金属粉末。混合金属粉末的组成被设为铁粉末为38～42wt％、锡粉末为1～3wt％，余量被设为铜及不可避免的杂质。需要说明的是，出于改善压缩成形时的成形性、或完成品的滑动特性的目的，也可以在上述混合金属粉末M中配合石墨(graphite)等固体润滑剂。混合金属粉末M含有80wt％以上的平均粒径小于45μm的粒子。另外，混合金属粉末M中所含的平均粒径小于10μm的粒子小于10wt％。通过像这样用微细的粒子构成混合金属粉末M，表观密度就会降低，混合金属粉末M的流动性有可能降低。然而，通过如上所述地使混合金属粉末中的电解铜粉含有40个数％以上的圆形度0.64以上的粒子，就可以抑制混合金属粉末M的表观密度的降低(具体而言为2.0～2.3g/cm³)，从而可以抑制混合金属粉末M的流动性的降低(具体而言，流动度为80～90sec/50g)。需要说明的是，流动度是利用JIS Z2502：2012《金属粉－流动度测定方法》测定。

压缩成形工序中，将上述混合工序中混合的混合金属粉末M压缩成形为规定形状(图示例中为圆筒形状)，形成压坯。具体而言，首先，如图4(a)所示，向由成形金属模的挤压模11的内周面11a、芯棒12的外周面12a、下冲头13的上端面13a划分出的模腔内流入混合金属粉末M。此时，通过将混合金属粉末M的流动度限制为90sec/50g以下，而将混合金属粉末M顺畅地流入模腔内，可以向整个模腔中均匀地填充混合金属粉末M。

然后，使上冲头14下降，从上方压缩金属粉末M，成形出圆筒状的压坯Ma{参照图4(b)}。其后，通过使挤压模11相对于压坯Ma向下方相对移动，而将压坯Ma从金属模中脱模{参照图4(c)}。此时，作为混合金属粉末M，使用了含有80wt％以上的平均粒径小于45μm的粒子的微细的粉末，因此可以提高压坯Ma的密度而将内部气孔微细化。另外，如上所述，由于在整个模腔中均匀地填充了混合金属粉末M，因此可以使压坯Ma的内部气孔均匀地分散。

烧结工序中，通过将压坯Ma在规定的烧结温度烧结，而形成烧结体。烧结时的温度(烧结温度)被设定为低于铜的熔点(1085℃)，例如850～900℃，本实施方式中被设为870℃。此时，因在混合金属粉末M中含有电解铜粉，而促进铜粉末的烧结，将烧结体的内部气孔进一步微细化。

动压槽精压工序中，在烧结体的内周面，模压成形图3所示的径向动压发生部(动压槽8a1、8a2)。具体而言，虽然省略了图示，然而通过向烧结体的内周插入芯棒，并且在用上下冲头约束烧结体的轴向两个端面的状态下，将烧结体及芯棒压入挤压模的内周，从而将烧结体的内周面向形成于芯棒的外周面的成形模具推压。由此，向烧结体的内周面转印成形模具的形状，成形动压槽8a1、8a2。其后，通过从挤压模的内周抽出烧结体及芯棒，而使烧结体沿外径方向弹回，将烧结体的内周面从芯棒的外周面剥离。此后，从烧结体的内周抽出芯棒，完成轴承套筒8。

通过如上所述地将混合金属粉末的粒子微细化、并使用电解铜粉，而将轴承套筒8的内部气孔微细化并且均一化，由此将轴承套筒8的通油度设定为小于0.02g/10min。由此，不用对轴承面实施封孔处理，就可以抑制来自轴承面(特别是径向轴承面)的动压泄漏而提高轴承刚性。需要说明的是，封孔处理并非必须省略，如果在生产效率或成本方面没有问题，则也可以对实施动压槽精压前的烧结体的内周面实施旋转精压或喷砂等封孔处理。该情况下，可以进一步减少轴承面的表面开孔，从而可以进一步提高轴承刚性。

实施例1

为了确认本发明的效果，进行了以下的试验。首先，形成了由下述的表1所示的组成构成的实施品及比较品。实施品及比较品形成内径1.5mm、外径3.0mm、轴向尺寸3.0mm的圆筒形状。

[表1]

下述的表2表示表1的铜粉A、B(电解粉)的粒度分布及圆形度的分布。

[表2]

如表2所示，实施品中所含的电解铜粉A含有85wt％以上的平均粒径小于45μm的粒子，相对于此，比较品中所含的电解铜粉B含有55～75％的平均粒径小于45μm的粒子。即电解铜粉A与电解铜粉B相比含有更多微细的粒子。另外，电解铜粉A含有约46个数％的圆形度为0.64以上的粒子，而电解铜粉B含有约35个数％的圆形度为0.64以上的粒子。即电解铜粉A与电解铜粉B相比含有更多接近圆形的粒子。通常认为，含有更多微细的粒子的电解铜粉A与电解铜粉B相比表观密度变低，而本实施方式中，电解铜粉A与电解铜粉B相比表观密度变高。对此可以认为是因为，电解铜粉A含有更多圆形度高的粒子。

下述的表3表示表1的铁粉A(还原粉)及铁粉B(雾化粉)的粒度分布。

[表3]

铁粉A

铁粉B

如表3所示，实施品中所含的铁粉A含有约85％的平均粒径小于45μm的粒子，相对于此，比较品中所含的铁粉B含有约17％的平均粒径小于45μm的粒子。即铁粉A与铁粉B相比含有更多微细的粒子。

表4表示表1的锡粉A、B(雾化粉)的粒度分布。

[表4]

如表4所示，锡粉A、B都是含有90％以上的平均粒径小于45μm的粒子的微细的粉末，然而锡粉A与锡粉B相比含有更多微细的粒子。

对成为上述的实施品及比较品的原料的各混合金属粉末，测定出表观密度及流动度。另外，对使用这些混合金属粉末而形成的烧结体(实施品及比较品)测定出通油度。将其结果表示于下述的表5中。

[表5]

	实施品	比较品
			通油度(g/10min)	0.0103	0.0246
表观密度(g/cm3)	2.22	2.37
			流动度(sec/50g)	85.2	72.7

如表5所示，实施品的通油度低于比较品。这可以认为原因在于，通过将原料粉末微细化，而将实施品的内部空孔、甚至将轴承面的表面开口微细化。另一方面，如表1～表4所示，实施品的铜粉、铁粉、以及锡粉的微细的粒子的比例都高于比较品的铜粉、铁粉、以及锡粉。该情况下，认为实施品的原料粉末与比较品的原料粉末相比表观密度会大幅度变低。然而，本实施方式中，如表2所示，通过使实施品的铜粉含有较多接近圆形的粒子，从而尽管与比较品的铜粉相比微细的粒子的比例高，但表观密度仍会变高。由此，就可以以略高于比较品的程度抑制实施品的原料粉末的流动度，抑制为成形上述实施方式的尺寸的烧结轴承成时所必需的程度(例如90sec/50g以下)。根据以上情况可以确认，本发明的实施品通过使用与比较品相比更微细的粉末而可以降低通油度(提高动压泄漏的抑制效果)，并且通过使铜粉含有更多接近圆形的粒子而可以抑制原料粉末的流动性的降低(可以将原料粉末均匀地填充在模腔中)。

符号的说明

1 流体动压轴承装置

2 轴构件

7 壳体

8 轴承套筒(烧结轴承)

9 密封构件

R1、R2 径向轴承部

T 推力轴承部

S 密封空间

Claims (11)

1.一种烧结轴承，是由使用含有铜粉末及铁粉末的混合金属粉末形成的烧结金属构成的烧结轴承，其特征在于，

所述混合金属粉末含有80wt％以上的平均粒径小于45μm的粒子，

所述铜粉末含有电解铜粉，该电解铜粉含有40个数％以上的圆形度0.64以上的粒子。

2.根据权利要求1所述的烧结轴承，其中，

所述铜粉末含有85wt％以上的平均粒径小于45μm的粒子。

3.根据权利要求1或2所述的烧结轴承，其中，

所述铜粉末所含的平均粒径小于10μm的粒子小于10wt％。

4.根据权利要求1或2所述的烧结轴承，其中，

所述电解铜粉的表观密度为1.4～1.7g/cm³。

5.根据权利要求1或2所述的烧结轴承，其中，

在所述混合金属粉末中，含有50～60wt％的所述电解铜粉。

6.根据权利要求1或2所述的烧结轴承，其中，

所述铁粉末含有80wt％以上的平均粒径小于45μm的粒子。

7.根据权利要求1或2所述的烧结轴承，其中，

所述铁粉末为还原铁粉。

8.根据权利要求1或2所述的烧结轴承，其由烧结金属构成，该烧结金属含有38～42wt％的铁、1～3wt％的锡，余量为铜及不可避免的杂质。

9.一种流体动压轴承装置，其具备权利要求1～8中任一项所述的烧结轴承、插入所述烧结轴承的内周的轴构件、和充满形成于所述烧结轴承的内周面与所述轴构件的外周面之间的径向轴承间隙的润滑油。

10.一种电动机，其具备权利要求9所述的流体动压轴承装置、定子线圈、和转子磁铁。

11.一种烧结轴承的制造方法，是经过将含有铜粉末及铁粉末的混合金属粉末压缩成形而形成压坯的压缩成形工序、以及将所述压坯在规定的烧结温度进行烧结的烧结工序而进行的烧结轴承的制造方法，其特征在于，

所述混合金属粉末含有80wt％以上的平均粒径小于45μm的粒子，

所述铜粉末含有电解铜粉，该电解铜粉含有40个数％以上的圆形度0.64以上的粒子。