CN109890539A - 烧结轴承及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

对粉体压坯进行烧结而制作出烧结轴承，该粉体压坯包含在铁粉(12)的表面通过部分扩散而附着有铜粉(13)的部分扩散合金粉、单质铜粉、熔点低于铜的低熔点金属粉、以及石墨粉。部分扩散合金粉(11)的最大粒径为106μm以下，部分扩散合金粉(11)的铜粉(13)的最大粒径为10μm以下。

Description

烧结轴承及其制造方法
技术领域
本发明涉及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烧结体，伴随着与所要支承的轴的相对旋转，浸渗到烧结体的内部的润滑油渗出到与轴的滑动部而形成油膜，隔着该油膜对轴进行旋转支承。
作为烧结轴承，已知有由铁系或铜系烧结体构成的烧结轴承。铁系的烧结轴承的材料强度高，但材质硬，因而与轴的滑动性差。另一方面，铜系的烧结轴承的材质柔软，因而与轴的滑动性优异，但其材料强度比铁系差。
因此，已知有使用在铁粉粒子的表面包覆铜的铜包覆铁粉的烧结轴承。通过像这样将铁粉粒子的表面用铜包覆，轴承面的大部分由铜形成，因而轴不容易受到损伤，可得到平滑的滑动。另外，由于在以铜为主体的轴承面之下形成了以铁为主体的牢固的骨架，因而可确保轴承整体的强度。
例如在专利文献1中示出了一种使用粒度为80目以下的铜包覆铁粉的烧结轴承。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3613569号公报
专利文献2：日本特开2016-50648号公报
发明内容
发明所要解决的课题
上述那样的烧结轴承多数被用于支承在比较低速(例如圆周速度300m/min以下)下进行旋转的旋转轴的用途。但是，在支承以圆周速度超过600m/min那样的高速进行旋转的轴的情况下，难以利用现有的烧结轴承对轴进行稳定的支承。
例如作为小型马达用的轴承、例如装备在笔记本型个人电脑等中的风扇马达用的轴承，多数情况下使用在烧结金属制造的轴承部件的内周面上形成有排列成人字形形状等的多个动压产生槽的流体动压轴承(专利文献2)。通过像这样形成动压产生槽，在轴的旋转中发挥出利用动压产生槽将润滑油集中在轴承面的轴向的部分区域的动压效果，利用该动压效果相对于轴承部件非接触地支承旋转的轴。
轴承部件的内周面的动压产生槽例如可如下形成：在对烧结体进行精整时，在中心销的外周面形成与动压产生槽的形状相对应的多个凸部，在伴随着精整的加压力下，使烧结体的内周面与中心销的外周面的凸部咬合，由此形成该动压产生槽。但是，在该工序中，由于动压产生槽通过烧结材料的塑性变形而形成，因而会由于塑性变形量的偏差而在该精度确保中存在限制。
另一方面，据认为若轴承面的粗大气孔减少，则油膜形成率提高，因此即使省略动压产生槽，也可得到充分的油膜刚性。因此认为，能够将具有动压产生槽的流体动压轴承替换成不具有这样的动压产生槽的所谓正圆轴承，能够实现轴承装置的低成本化。
因此，本发明的目的在于提供一种烧结轴承，其轴承面的粗大气孔减少，表面开孔与内部气孔微细化且均质化。
用于解决课题的手段
为了实现上述目的，本发明提供一种烧结轴承，其是由烧结体构成的烧结轴承，该烧结体包含将铁粉的表面用铜包覆的铜包覆铁粉以及熔点低于铜的低熔点金属(例如低熔点金属粉)，其中，上述铁粉的粒度为145目以下。
需要说明的是，粒度为145目以下的粉末是指能够通过网孔为145目(约106μm)的筛的粉末(即不包含不能通过网孔145目的筛的粒子的粉末)。粉末的粒度通过例如激光衍射/散射法进行测定。
如此，通过使用铜包覆铁粉来形成烧结轴承，如上所述，铜在轴承面露出得多而提高与轴的滑动性，并且由于形成铁的骨架而提高烧结体的强度。在这样的烧结轴承中，通过将作为铜包覆铁粉的核的铁粉的粒度微细化至145目以下，可将烧结体中形成的空孔、特别是在轴承面开口的空孔微细化，并且可将空孔径均匀化，因而可提高烧结轴承的油膜形成能力。
具体地说，图1中示出了使用以100目以下的铁粉作为核的铜包覆铁粉的烧结轴承的油膜形成率(比较品、参照左图)、以及使用以145目以下(具体为325目以下)的铁粉作为核的微细的铜包覆铁粉的烧结轴承的油膜形成率(本发明品、参照右图)的测定结果。该图表示，从油膜形成率为100％的水平线向下方延伸的垂直线越短，油膜形成率越接近100％，该垂直线越长，油膜形成率越低。比较品中几乎不存在油膜形成率为100％的期间，与之相对，本发明品中，油膜形成率几乎始终显示为100％。这样，本发明品中，由于油膜形成率高，因而容易在轴承面的整个面均匀地形成油膜，能够稳定地支承高速旋转的轴。需要说明的是，油膜形成率的测定中，一边对轴与轴承之间施加电压一边使它们相对旋转，对它们之间的通电量(电压)进行测定，由此进行油膜形成率的测定。
另外，通过如上所述利用网孔小的筛对铁粉进行筛分，可除去变形的粒子，因而铁粉的各粒子成为比较接近球形的形状。以像这样比较接近球形的铁粒子作为核的铜包覆铁粉的流动度高，能够顺利地填充在成型模具内。由此能够防止原料粉的粒子形成桥部而形成粗大的空孔，因而更加容易在整个轴承面形成均匀的油膜。
关于作为铜包覆铁粉的核的铁粉，优选使用本来就比较接近球形的雾化粉。
另外，为了实现上述目的，本发明的烧结轴承是使粉体压坯烧结而成的烧结轴承，该粉体压坯包含在铁粉的表面通过部分扩散而附着有第一铜粉的部分扩散合金粉、第二铜粉、以及熔点低于铜的低熔点金属粉，该烧结轴承的特征在于，部分扩散合金粉的最大粒径为106μm以下，上述部分扩散合金粉的第一铜粉的最大粒径为10μm以下。
本发明中，对部分扩散合金粉和铜粉(第一铜粉)的最大粒径进行了限制，而且使该铜粉的最大粒径为10μm以下来进行铜粉的小粒径化。从而能够使部分扩散合金粉的粒径一致，由此，在烧结后能够不容易产生粗大气孔。另一方面，不会使原料粉的粒径变得过小，在粉体压坯的成型时的原料粉的流动性也良好。
若第二铜粉以不规则形状制成多孔质状，则烧结后的烧结体能够比粉体压坯更收缩。因此，能够将烧结组织致密化，进一步抑制粗大气孔的产生。
根据本发明，即使在使轴承面成为没有动压产生槽的圆筒面状的情况下，也可确保充分的油膜刚性，能够得到高油膜形成率。从而能够省略动压产生槽，与使用具有那样的动压产生槽的流体动压轴承的情况相比，能够实现轴承装置的低成本化。
另外，本发明的特征在于，在使如下的粉体压坯烧结来制造烧结轴承时，该粉体压坯包含在铁粉的表面通过部分扩散而附着有第一铜粉的部分扩散合金粉、第二铜粉、以及熔点低于铜的低熔点金属粉，使部分扩散合金粉的最大粒径为106μm以下，上述部分扩散合金粉的第一铜粉的最大粒径为10μm以下。这种情况下，优选使用不规则形状的多孔质铜粉作为第二铜粉。
另外，为了实现上述目的，本发明的烧结轴承是使粉体压坯烧结而成的烧结轴承，该粉体压坯包含在铁粉的表面通过部分扩散而附着有铜粉的部分扩散合金粉、以及以铜为基础的铜系粉，该烧结轴承的特征在于，使用使熔点低于铜的低熔点金属与铜进行合金化而成的多孔质的铜合金粉作为铜系粉，部分扩散合金粉的最大粒径为106μm以下，上述部分扩散合金粉的铜粉的最大粒径为10μm以下。
本发明中，对部分扩散合金粉和铜粉的最大粒径进行了限制，而且使该铜粉的最大粒径为10μm以下来进行铜粉的小粒径化。从而能够使部分扩散合金粉的粒径一致，由此，在烧结后能够不容易产生粗大气孔。另一方面，不会使原料粉的粒径变得过小，在粉体压坯的成型时的原料粉的流动性也良好。
通过使用使熔点低于铜的低熔点金属与铜进行合金化而成的铜合金粉(例如青铜粉)作为铜系粉，能够更为有效地抑制粗大气孔的产生。即，在以单质粉的形式使用低熔点金属的情况下，在烧结时低熔点金属粉整体发生熔融而成为液相，其发生移动而在原来的位置形成空孔。与之相对，通过使用铜合金粉，在烧结时仅铜合金粉的表面发生熔融，因而能够防止那样的空孔的产生。另外，通过使用铜合金粉，还能够避免在使用低熔点金属的单质粉的情况下成为问题的偏析。
另一方面，只是简单地将低熔点金属与铜进行合金化而成的粉末通常为实心且为硬质的，不容易发生变形，因而在粉体压坯的成型时容易在粒子间产生间隙。从而成为在烧结后产生粗大气孔的主要原因。与之相对，若使用多孔质的铜合金粉，则粉末被软化，因而原料粉的压缩性提高，在粒子间不容易产生间隙。从而能够抑制烧结后的粗大气孔的产生。
根据本发明，即使在使轴承面成为没有动压产生槽的圆筒面状的情况下，也能够确保充分的油膜刚性，得到高油膜形成率。从而能够省略动压产生槽，与使用具有那样的动压产生槽的流体动压轴承的情况相比，能够实现轴承装置的低成本化。
另外，本发明的特征在于，在使如下的粉体压坯烧结来制造烧结轴承时，该粉体压坯包含在铁粉的表面通过部分扩散而附着有铜粉的部分扩散合金粉、以及以铜为基础的铜系粉，使用使熔点低于铜的低熔点金属与铜进行合金化而成的多孔质的铜合金粉作为铜系粉，使部分扩散合金粉的最大粒径为106μm以下，上述部分扩散合金粉的铜粉的最大粒径为10μm以下。多孔质的铜合金粉可以通过对铜合金粉进行退火而得到。
发明效果
如上所述，根据本发明，能够减少轴承面的粗大气孔，使表面开孔微细化且均质化。由此，不容易产生轴承面的压力散逸，因而能够得到高油膜形成率。
附图说明
图1是示出比较品(左图)和本发明品(右图)的油膜形成率的测定结果的图。
图2是烧结轴承的截面图。
图3是风扇马达的截面图。
图4是风扇马达用轴承装置的截面图。
图5是示意性示出部分扩散合金粉的形态的图。
图6是对多孔质铜粉的显微镜照片进行二值化处理而得到的图。
图7是示意性示出本发明中的烧结组织的图。
图8是示意性示出部分扩散合金粉的其他例的图。
图9是示出油膜形成率的比较试验结果的图。
图10是示出油膜形成率的测定装置的电路图。
具体实施方式
<第一实施方式>
下面使用图1和图2对本发明的第一实施方式进行说明。
如图2所示，本实施方式的烧结轴承8由呈圆筒状的烧结体构成。在烧结轴承8的内周面8a设置有未形成动压槽的平滑的圆筒面状的轴承面。在本实施方式中，烧结轴承8的整个内周面8a作为轴承面发挥功能。轴2插入到烧结轴承8的内周。
构成烧结轴承8的烧结体如下形成：将混合有各种粉末的原料粉填充到模具中，对其进行压缩而成型出粉体压坯，之后对粉体压坯进行烧结，由此形成该烧结体。原料粉是以铜包覆铁粉作为主成分的混合粉末，例如包含95wt％以上的铜包覆铁粉。
铜包覆铁粉是将铁粉的表面用铜层包覆的粉末。在本实施方式中，通过对铁粉实施镀覆(电解镀覆或化学镀覆)而将铁粉的表面用铜包覆。包覆铁粉的铜的比例例如相对于铁粉为20～40wt％。包覆铁粉的铜的膜厚例如为0.1～25μm。
作为铜包覆铁粉的核的铁粉使用145目以下的粉末、即能够通过145目(网孔约为106μm)的筛的粉末。本实施方式中，关于作为铜包覆铁粉的核的铁粉，例如使用325目以下的粉末、即通过了325目(网孔约为45μm)的筛的粉末。作为铁粉，能够广泛使用还原铁粉、雾化铁粉等公知的粉末，例如可以使用比较接近球形的雾化铁粉。
需要说明的是，还原铁粉通常含有大量的变形形状的粒子，但通过如上所述使其通过网孔小的筛，可除去变形形状的粒子，因而留下比较接近球形的粒子。从而，关于作为铜包覆铁粉的核的铁粉，也可以使用还原铁粉。还原铁粉也被称为海绵铁粉，由于在粒子的内部具有无数的微小空孔，因而容易发生塑性变形。因此，若对包含还原铁粉的原料粉进行压缩，则还原铁粉发生塑性变形而容易与其他粒子发生缠绕，因而能够增加粉体压坯的强度、进而能够提高对粉体压坯实施烧结而成的烧结体的强度。
低熔点金属粉作为烧结时的粘结剂而进行添加。作为低熔点金属粉，使用熔点低于铜的金属粉、特别是熔点为700℃以下的金属粉，例如锡、锌、磷合金等粉末。本实施方式中，在这些中，使用容易扩散到铜和铁中、并且容易以单质粉进行使用的锡粉、特别是雾化锡粉。低熔点金属粉在烧结时变成液相而发生移动，在原来的位置形成空孔。从而，为了将空孔微细化，作为低熔点金属粉，优选使用粒度小的金属粉(例如粒度为145目以下、优选粒度为250目以下、进一步优选粒度为325目以下的金属粉)。
需要说明的是，也可以使用使铜与低熔点金属进行合金化而成的合金化铜粉(例如青铜粉)。其中，这种合金化铜粉通常为硬质的、不容易变形，因而在粉体压坯的成型时容易在粒子间产生间隙，成为烧结后的空孔粗大化的主要原因。从而，如上所述，优选混配低熔点金属的单质粉。
在上述的原料粉中可以根据需要添加各种成型助剂(例如成型用润滑剂)。在本实施方式中，相对于上述原料粉混配0.1～1.0wt％的成型用润滑剂。作为成型用润滑剂，可以使用例如金属皂(硬脂酸钙等)、蜡。其中，这些成型用润滑剂通过烧结而分解、消失，成为粗大气孔的主要原因，因而优选尽可能抑制成型用润滑剂的用量。
另外，在原料粉中可以添加固体润滑剂。作为固体润滑剂，可以使用例如石墨粉。石墨粉通过在轴承面露出而发挥出对与轴的滑动进行润滑的作用。但是，在如本实施方式那样对高速旋转的轴进行支承的烧结轴承的情况下，磨损粉末等异物与在轴承面露出的石墨发生缠绕，反而可能使滑动性变差。从而，特别是在对高速旋转的轴进行支承的情况下，有时也优选不混配固体润滑剂。
另外，在原料粉中可以添加其他金属粉，例如可以添加铜的单质粉。作为铜的单质粉，可以使用电解铜粉、雾化铜粉。
本实施方式的原料粉仅由铜包覆铁粉、锡粉以及成型用润滑剂构成，不包含固体润滑剂、其他金属粉。原料粉中，按照铜的含量为15wt％～40wt％、低熔点金属的含量为1wt％～4wt％、余量为铁的方式对各粉末的组成、混配量进行调整。
通过将上述原料粉填充到成型模具的内部并进行压缩而成型出粉体压坯。此时，原料粉中包含的铁粉微细，由此使粉体压坯中形成的空孔微细化，并且使空孔径均匀化。但是，在像这样铁粉微细时，原料粉的流动性不足，无法均匀填充到模具内部，有可能在粉体压坯中形成粗大空孔。这种情况下，作为常见的对策，大多通过扩展原料粉的粒度分布的宽度而使其包含大粒子，由此使小粒子进入到大粒子彼此间的间隙中，防止粗大空孔的形成。
本发明中，并未扩展原料粉的粒度分布的宽度而用铜包覆微细铁粉的表面，由此稍增大铜包覆铁粉的粒度，改善原料粉的流动性。另外，通过使用以比较接近球形的铁粉作为核的铜包覆铁粉，可进一步提高原料粉的流动性。通过上述方式能够将包含粒度为145目以下、优选粒度为250目以下、更优选粒度为325目以下的微细铁粉的原料粉均匀地填充到模具的内部，因而能够得到具有微细且直径均匀的内部空孔的粉体压坯。
通过对上述粉体压坯进行烧结而得到烧结体。烧结温度为低熔点金属的熔点以上且为铜的熔点以下的温度，具体为800℃～900℃的程度。通过对粉体压坯进行烧结，粉体压坯中的锡粉成为液相而润湿铜包覆铁粉的铜层的表面，促进铜的烧结。另外，在烧结中成为液相的锡粉起到粘结剂的作用。通过上述方式使铜包覆铁粉彼此以及铜包覆铁粉的铁粒子与铜层牢固地结合。需要说明的是，本实施方式中，由于原料粉、烧结气氛不含碳且烧结温度为900℃以下，因而烧结体的铁组织全部为铁素体相。
该烧结体例如密度为6.0～7.2g/cm3(优选为6.9～7.2g/cm3)、开放气孔率为5～20％(优选为6～18％)。在该烧结体的内部空孔中浸渗有油。油例如使用40℃的运动粘度为10～200mm2/sec、优选为10～60mm2/sec、且粘度指数为100～250的油。通过上述方式完成本实施方式的烧结轴承8。需要说明的是，开放气孔率利用JIS Z2501:2000所记载的方法进行测定。
本实施方式的烧结轴承8中，内部空孔、特别是在轴承面开口的空孔被微细化，且空孔径被均匀化，因而在轴2的旋转时容易在整个轴承面形成油膜。因此，即使在轴2以高速(例如圆周速度为600m/min以上)旋转的情况下，也能够在烧结轴承8的内周面8a与轴2的外周面之间的轴承间隙的整周连续地形成油膜，因而能够稳定地支承轴2。
在以上的实施方式中，对于将本发明应用于支承高速旋转的轴的烧结轴承的情况进行了说明，但当然也可将本发明应用于支承常规转速(例如为300m/min左右)的轴的烧结轴承。
另外，本发明的烧结轴承不仅能够应用于轴旋转的情况，而且还能够应用于将轴固定而使烧结轴承侧旋转的情况。
<第二实施方式>
下面使用图3～图8对本发明的第二实施方式进行说明。
图3中示出了组装在信息设备、特别是移动电话、平板型终端等移动设备中的冷却用风扇马达。该风扇马达具备：轴承装置1；安装于轴承装置1的轴部件2上的转子3；安装于转子3的外径端的叶片4；隔着半径方向的间隙对置的定子线圈6a和转子磁铁6b；以及收纳它们的外壳5。定子线圈6a被安装于轴承装置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，使转子3、叶片4以及轴部件2一体地旋转，由此产生轴向或外径方向的气流。
如图4所示，轴承装置1具备轴部件2、壳体7、烧结轴承8、密封部件9、以及推力承载件10。
轴部件2由不锈钢等金属材料形成为圆柱状，被插入到形成为圆筒状的烧结轴承8的内周面。轴部件2被作为轴承面的烧结轴承8的内周面8a支承为在径向上自由旋转。轴部件2的下端与配置于壳体7的底部7b的推力承载件10接触，在轴部件的旋转时，利用推力承载件10沿推力方向支承轴部件2。壳体7具有大致圆筒状的侧部7a、以及封闭侧部7a的下方的开口部的底部7b。外壳5和定子线圈6a被固定于侧部7a的外周面，轴承部件8被固定于侧部7a的内周面。密封部件9由树脂或金属形成为环状，被固定于外壳的侧部的内周面的上端部。密封部件9的下侧的端面与轴承部件8的上侧端面在轴向抵接。密封部件9的内周面与轴部件2的外周面在半径方向对置，两者之间形成密封空间S。该轴承装置1中，至少由轴承部件8的内周面与轴部件2的外周面形成的径向间隙利用润滑油被充满。此外，也可以将壳体7的内部空间全部利用润滑油充满(这种情况下，在密封空间S形成油面)。
轴承部件8由包含铁和铜作为主成分的铁铜系烧结体形成。该烧结体如下制作：将混合有各种粉末的原料粉供给到模具中，对其进行压缩而成型出粉体压坯，之后对粉体压坯进行烧结，由此制作出该烧结体。本实施方式中使用的原料粉是以部分扩散合金粉和单质铜粉作为主原料并在其中混配有低熔点金属和固体润滑剂的混合粉末。下面对上述各粉末进行详细说明。
[部分扩散合金粉]
如图5所示，作为部分扩散合金粉11，使用在作为核的铁粉12的表面通过部分扩散而附着有粒径小于该铁粉的铜粉13(第一铜粉)的Fe-Cu部分扩散合金粉。该部分扩散合金粉11的扩散部分形成Fe-Cu合金，该合金部分具有铁原子12a与铜原子13a相互结合、排列而成的晶体结构。
作为部分扩散合金粉11的铁粉12，可以使用还原铁粉、雾化铁粉等，在本实施方式中使用还原铁粉。还原铁粉为不规则形状，且形成具有内部气孔的海绵状(多孔质状)。与使用雾化铁粉的情况相比，通过使用还原铁粉，能够提高压缩性、提高成型性。另外，由于烧结后的铁组织为多孔质状，因而还得到了在铁组织中也能够保有润滑油、能够提高烧结体的保油性的优点。另外，由于提高铜粉对铁粉的附着性，因而能够得到铜浓度均匀的部分扩散合金粉。
另外，关于作为部分扩散合金粉11的核的铁粉12，使用粒度为145目以下的粉末。此处“粒度为145目”是指通过了网孔为145目(约106μm)的筛的粉末。从而，这种情况下的铁粉的最大粒径为106μm。“粒度为145目以下”是指粉末的粒度为145目以下、即粉末的最大粒径为106μm以下。需要说明的是，铁粉12的粒度更优选为230目(网孔63μm、最大粒径63μm)以下。粉末的粒径可以利用例如激光衍射/散射法进行测定(以下相同)。
另外，作为部分扩散合金粉11的铜粉13(第一铜粉)，能够使用电解铜粉和雾化铜粉这两者，但更优选使用电解铜粉。电解铜粉通常为树枝状，因而通过使用电解铜粉作为铜粉13，可得到在烧结时容易进行烧结的优点。另外，部分扩散合金粉11的铜粉13的最大粒径为10μm以下。需要说明的是，部分扩散合金粉11中的Cu粉的比例为10～30质量％(优选为15质量％～25质量％)。
作为以上说明的部分扩散合金粉11，使用粒度为145目以下(最大粒径106μm以下)的合金粉。
[单质铜粉]
如图6所示，作为单质铜粉(第二铜粉)，使用表面和内部这两方为多孔质的铜粉(在图6的白底中显现为黑色的部分表示空孔)。该多孔质的铜粉可以通过使铜粉退火而得到。单质铜粉的粒径与部分扩散合金粉中的铁粉12为相同程度，具体地说，粒度为145目以下(最大粒径106μm以下)、更优选为230目以下(最大粒径63μm以下)。
作为单质铜粉，还可以使用以上所述的多孔质铜粉、以及按照长宽比为例如13以上进行扁平化而成的箔状铜粉。箔状铜粉在粉体压坯的成型时容易出现在表面，因而能够容易地用铜膜形成包含轴承面的烧结体的表面。
[低熔点金属粉]
低熔点金属粉作为烧结时的粘结剂而进行添加。作为低熔点金属粉，使用熔点低于铜的金属粉、特别是熔点为700℃以下的金属粉，例如锡、锌、磷等粉末。本实施方式中，在这些中，使用容易扩散到铜和铁中、并且容易以单质粉进行使用的锡粉、特别是雾化锡粉。低熔点金属粉在烧结时变成液相而发生移动，在原来的位置形成空孔。从而，为了将空孔微细化，作为低熔点金属粉，也优选使用粒度小的金属粉，例如使用粒度为250目以下(最大粒径63μm以下)、优选为350目以下(最大粒径45μm以下)的金属粉。
需要说明的是，还可以使用使铜与低熔点金属进行合金化而成的合金化铜粉(例如青铜粉)。
[固体润滑剂]
作为固体润滑剂，可以使用一种或两种以上的石墨、二硫化钼等粉末。在本实施方式中，考虑到成本，使用石墨粉、特别是鳞片状石墨粉。固体润滑剂粉通过在轴承面8a露出而起到润滑与轴部件2的滑动的作用。
以上所述的原料粉的组成中，单质铜粉为10质量％以上50质量％以下(优选为20质量％以上30质量％以下)，低熔点金属粉为1质量％～4质量％，碳为0.1～1.5质量％，其余为部分扩散合金粉。在原料粉中可以根据需要添加各种成型助剂(例如成型用润滑剂)。在本实施方式中，相对于上述原料粉100％混配成型用润滑剂0.1～1.0质量％。作为成型用润滑剂，可以使用例如金属皂(硬脂酸钙等)、蜡。其中，这些成型用润滑剂通过烧结而分解、消失，成为粗大气孔的主要原因，因而优选尽可能抑制成型用润滑剂的用量。
将上述原料粉填充到模具的内部，通过压缩而成型出粉体压坯。之后对粉体压坯进行烧结，由此得到烧结体。烧结温度为低熔点金属的熔点以上、且为铜的熔点以下的温度，具体为760℃～900℃的程度。通过对粉体压坯进行烧结，粉体压坯中的锡粉变成液相而润湿部分扩散合金粉的表面的铜粉(第一铜粉)或单质铜粉(第二铜粉)的表面，由此促进铜粒子彼此间或铜粒子与铁粒子间的烧结。
该烧结体例如密度为6.0～7.4g/cm3(优选为6.9～7.3g/cm3)、内部空孔率为4～20％、优选为4～12％(更优选为5～11％)。另外，对于烧结体中的各元素的含量，铜为30质量％～60质量％，低熔点金属为1质量％～4质量％，碳为0.1～1.5质量％，其余为铁。
将该烧结体通过精整进行整形，由此能够将轴承面的正圆度提高至1μm以下。之后利用真空浸渗等方法使润滑油浸渗到烧结体的内部空孔中，由此完成图4所示的烧结轴承8(烧结含油轴承)。润滑油例如使用40℃的运动粘度为10～200mm2/sec、优选为10～60mm2/sec、且粘度指数为100～250的润滑油。
如图7所示，该烧结体的烧结组织形成如下的形态：在部分扩散合金粉11的来自铁粉12的Fe组织12’(以散点图案表示)的周围混存有部分扩散合金粉11的来自铜粉13的Cu组织13’(以深灰色表示)、和来自单质铜粉的铜组织14’(以浅灰色表示)。由此形成大量的铁组织12’被铜组织13’、14’包覆的形态，因而能够减少铁组织12’在轴承面的露出量，由此能够提高烧结轴承8的初期磨合性。如此，将铁组织的周围用铜组织覆盖的烧结组织也可通过使用将铁粉镀铜而成的铜包覆铁粉而得到，但在使用铜包覆铁粉的情况下，与本发明中使用的Fe-Cu部分扩散合金粉相比，烧结后的铜组织与铁组织间的颈部强度降低，因而烧结轴承的径向抗压强度大幅降低。
在Fe-Cu部分扩散合金粉的制造过程中，在没有如上所述对铁粉12和铜粉13的最大粒径进行限制的情况下，即使这些铁粉12和铜粉13的平均粒径是接近上述最大粒径的值，也会以还混入有粒径大的铁粉、铜粉的状态制造出部分扩散合金粉。因此，如图8中示意性示出，形成了相当量的粒径大的铁粉与铜粉一体化而成的粒子(粗大粒子)。若以这样的粗大粒子集合的状态进行烧结，则粒子间的间隙增大，因而在烧结后会产生粗大气孔。
与之相对，本发明中，对铜粉13、进而对部分扩散合金粉的最大粒径进行了限制，而且铜粉13的最大粒径远小于部分扩散合金粉12的最大粒径。从而成为部分扩散合金粉的粒度分布尖锐的形态(成为部分扩散合金的粒径一致的状态)。另一方面，原料粉的粒径不会变得过小，粉末状态的流动性也良好。因此，在烧结后不容易产生粗大气孔，能够使烧结组织中的空孔微细化且均质化。
此外，在本发明中，使用多孔质铜粉作为单质铜粉。根据本发明人的验证，已明确，通过使用多孔质的铜粉(也包含多孔质的Cu-Sn合金粉)，烧结后的烧结体比粉体压坯更收缩。具体地说，烧结体相对于粉体压坯的尺寸变化率在内径尺寸和外径尺寸中均为0.995～0.999的程度。据认为这是因为，多孔质的铜粉发挥出了在烧结时吸引周边的铜粒子(部分扩散合金粉的铜粉和其他多孔质铜粉)的作用。与之相对，在使用非多孔质的铜粉的现有的铜铁系烧结体中，通常在烧结时比粉体压坯的状态更膨胀。通过像这样在烧结时烧结体发生收缩，烧结组织致密化，因而能够更可靠地抑制粗大气孔的产生。
通过这些作用能够得到各表面气孔的面积为0.005mm2以下的烧结体，能够防止粗大气孔的产生。另外，轴承面的表面开孔率以面积比计为4％以上15％以下。另外，烧结体中的通油度为0.05～0.025g/10分钟。此处所说的“通油度”是用于定量地表示多孔质的工件藉由其多孔质组织能够流通何种程度的润滑油的参数[单位：g/10min]。通油度可以如下求出：在室温(26～27℃)环境下对圆筒状试验体的内周孔在负载0.4MPa的加压力的同时用润滑油充满，采集从在试验体的外径面开口的表面开孔中渗出而滴落的油，由此求出通油度。
如此，根据本发明，能够消除在轴承面产生的粗大气孔(表面气孔的最大面积为0.005mm2)、使表面开孔的尺寸均匀化。由此能够抑制轴承面8a的压力散逸、提高油膜形成率，因而不论低速旋转和高速旋转，均能够确保高油膜刚性、稳定地支承轴。因此，即使为没有动压产生槽的正圆轴承的形态，也能够得到与带动压产生槽的烧结轴承同等的轴承性能，能够用作带动压产生槽的烧结轴承的代替品。特别是在带动压槽的烧结轴承中，在圆周速度为5m/min以下的区域由于无法充分得到动压效果因而难以使用，但若为本发明的烧结轴承，则可得到即使在圆周速度为5m/min以下的低速区域也能够稳定地支承轴的优点。
另外，在图8所示的粗大粒子中，扩散接合部的面积小于铜粉的体积，因而两者的粘结强度降低。因此，在对部分扩散合金粉进行过筛时，在该冲击下，铜粒子容易从铁粒子脱落。这种情况下形成在原料粉中混入大量小粒径的单质铜粉的状态，因而原料粉的流动性降低，成为招致铜的偏析的主要原因。与之相对，在本发明中，由于限制了部分扩散合金粉的制造中使用的铜粉13的最大粒径，因而部分扩散合金粉总体上具有图5所示的形态。这种情况下，由于与铜粉13的体积相比扩散接合部的面积相对增大，因而铁粉12与铜粉13的粘结强度提高。因此，在进行过筛时铜粉也不容易脱落，能够防止上述弊端。
图9中示出了本发明品与比较品的油膜形成率的测定结果。需要说明的是，作为比较品所使用的烧结轴承为使用了以100目以下的铁粉作为核的铜包覆铁粉的烧结轴承。
油膜形成率如下求出：使用图10所示的电路，设置轴与烧结轴承的组合作为样品，之后测定电压，由此求出油膜形成率。若检测电压为0[V]，则油膜形成率为0％，若检测电压与电源电压相等，则油膜形成率为100％。油膜形成率为100％意味着轴与烧结轴承处于非接触状态，油膜形成率为0％意味着轴与烧结轴承接触。图9的横轴表示时间。作为测定条件，轴的转速被设定为2000min-1、轴的推力负荷被设定为0.2N。
如图9中所明确，可认为比较品中，轴与烧结轴承频繁地接触；与之相对，本发明品中几乎维持非接触状态。由此确认到，与比较品相比，本发明品得到了更良好的油膜形成率。
上文中，作为本发明的烧结轴承的使用例例示出了风扇马达，但本发明中的烧结轴承的适用对象并不限定于此，可用于各种用途中。
另外，对于在烧结轴承8的轴承面8a的内周面未形成动压产生槽的情况进行了说明，但也可以根据需要在轴承面8a形成多个动压产生槽。动压产生槽还可以形成在轴2的外周面。
<第三实施方式>
下面引用图4～图7对本发明的第三实施方式进行说明。需要说明的是，本实施方式中，除了轴承部件8的原料粉的组成以外，与上述第二实施方式相同，因而以轴承部件8的构成和制造方法为中心进行说明，省略其他方面的说明。
轴承部件8由包含铁和铜作为主成分的铁铜系烧结体形成。该烧结体如下制作：将混合有各种粉末的原料粉供给至模具中，对其进行压缩而成型出粉体压坯，之后对粉体压坯进行烧结，由此制作出该烧结体。本实施方式中使用的原料粉是将部分扩散合金粉和以铜为基础的铜系粉作为主原料并在其中混配有固体润滑剂的混合粉末。下面对上述各粉末进行详细说明。
[部分扩散合金粉]
如图5所示，作为部分扩散合金粉11，使用在作为核的铁粉12的表面通过部分扩散而附着有粒径小于该铁粉的铜粉13(纯铜粉)的Fe-Cu部分扩散合金粉。该部分扩散合金粉11的扩散部分形成Fe-Cu合金，该合金部分具有铁原子12a与铜原子13a相互结合、排列而成的晶体结构。
作为部分扩散合金粉11的铁粉12，可以使用还原铁粉、雾化铁粉等，在本实施方式中使用还原铁粉。还原铁粉为不规则形状，且形成具有内部气孔的海绵状(多孔质状)。与使用雾化铁粉的情况相比，通过使用还原铁粉，能够提高压缩性、提高成型性。另外，由于烧结后的铁组织为多孔质状，因而还得到了在铁组织中也能够保有润滑油、能够提高烧结体的保油性的优点。另外，由于提高铜粉对铁粉的附着性，因而能够得到铜浓度均匀的部分扩散合金粉。
另外，关于作为部分扩散合金粉11的核的铁粉12，使用粒度为145目以下的粉末。此处“粒度为145目”是指通过了网孔为145目(约106μm)的筛的粉末。从而，这种情况下的铁粉的最大粒径为106μm。“粒度为145目以下”是指粉末的粒度为145目以下、即粉末的最大粒径为106μm以下。需要说明的是，铁粉12的粒度更优选为230目(网孔63μm、最大粒径63μm)以下。粉末的粒径可以利用例如激光衍射/散射法进行测定(以下相同)。
另外，作为部分扩散合金粉11的铜粉13，能够使用电解铜粉和雾化铜粉这两者，但更优选使用电解铜粉。电解铜粉通常为树枝状，因而通过使用电解铜粉作为铜粉13，可得到在烧结时容易进行烧结的优点。另外，部分扩散合金粉11的铜粉13的最大粒径为10μm以下。需要说明的是，部分扩散合金粉11中的Cu粉的比例为10～30质量％(优选为15质量％～25质量％)。
作为以上说明的部分扩散合金粉11，使用粒度为145目以下(最大粒径106μm以下)的合金粉。
[铜系粉末]
作为铜系粉末，使用使低熔点金属与铜进行合金化而成的多孔质的铜合金粉。低熔点金属作为烧结时的粘结剂发挥功能，使用熔点低于铜的金属、特别是熔点为700℃以下的金属，例如锡、锌、磷等。这些之中，由于锡具备容易扩散到铜和铁中的特征，因而本实施方式的铜合金粉由使用锡作为低熔点金属的青铜粉(Cu-Sn合金粉)构成。铜合金粉的粒径与部分扩散合金粉中的铁粉12为同等程度，具体地说，粒度为145目以下(最大粒径106μm以下)、更优选为230目以下(最大粒径63μm以下)。
另外，如图6所示，作为上述铜合金粉，使用表面和内部这两方形成为多孔质的铜合金粉(在图6的白底中显现为黑色的部分表示空孔)。该多孔质的铜合金粉可以通过使铜合金粉退火而得到。需要说明的是，图6中示出了利用同样的处理进行了多孔质化的铜粉，铜合金粉也处于以与之类似的形态进行了多孔质化的状态。
[固体润滑剂]
作为固体润滑剂，可以使用一种或两种以上的石墨、二硫化钼等粉末。在本实施方式中，考虑到成本，使用石墨粉、特别是鳞片状石墨粉。固体润滑剂粉通过在轴承面8a露出而起到润滑与轴部件2的滑动的作用。
以上所述的原料粉的组成中，铜合金粉为10质量％以上50质量％以下(优选为20质量％以上30质量％以下)，碳为0.1～1.5质量％，其余为部分扩散合金粉。原料粉中的低熔点金属的比例优选为1质量％～4质量％。在原料粉中可以根据需要添加各种成型助剂(例如成型用润滑剂)。在本实施方式中，相对于上述的原料粉100％混配成型用润滑剂0.1～1.0质量％。作为成型用润滑剂，可以使用例如金属皂(硬脂酸钙等)、蜡。其中，这些成型用润滑剂通过烧结而分解、消失，成为粗大气孔的主要原因，因而优选尽可能抑制成型用润滑剂的用量。
将上述原料粉填充到模具的内部，通过压缩而成型出粉体压坯。之后对粉体压坯进行烧结，由此得到烧结体。烧结温度为低熔点金属的熔点以上、且为铜的熔点以下的温度，具体为760℃～900℃的程度。通过对粉体压坯进行烧结，粉体压坯中的铜合金粉的表面变成液相而润湿部分扩散合金粉的表面的铜粉(第一铜粉)或其他铜合金粉的表面，由此促进铜粒子彼此间或铜粒子与铁粒子间的烧结。
该烧结体例如密度为6.0～7.4g/cm3(优选为6.9～7.3g/cm3)、内部空孔率为4～20％、优选为4～12％(更优选为5～11％)。另外，对于烧结体中的各元素的含量，铜为30质量％～60质量％、低熔点金属为1质量％～4质量％、碳为0.1～1.5质量％，其余为铁。
将该烧结体通过精整进行整形，由此能够将轴承面的正圆度提高至1μm以下。之后利用真空浸渗等方法使润滑油浸渗到烧结体的内部空孔中，由此完成图4所示的烧结轴承8(烧结含油轴承)。润滑油例如使用40℃的运动粘度为10～200mm2/sec、优选为10～60mm2/sec、且粘度指数为100～250的润滑油。
如图7所示，该烧结体的烧结组织形成如下的形态：在部分扩散合金粉11的来自铁粉12的Fe组织12’(以散点图案表示)的周围混存有部分扩散合金粉11的来自铜粉13的Cu组织13’(以深灰色表示)、和来自铜合金粉的铜组织14’(以浅灰色表示)。由此形成大量的铁组织12’被铜组织13’、14’包覆的形态，因而能够减少铁组织12’在轴承面的露出量，由此能够提高烧结轴承8的初期磨合性。如此将铁组织的周围用铜组织覆盖的烧结组织也可通过使用将铁粉镀铜而成的铜包覆铁粉而得到，但在使用铜包覆铁粉的情况下，与本发明中使用的Fe-Cu部分扩散合金粉相比，烧结后的铜组织与铁组织间的颈部强度降低，因而烧结轴承的径向抗压强度大幅降低。
本发明中，对铜粉13、进而对部分扩散合金粉的最大粒径进行了限制，而且铜粉13的最大粒径远小于部分扩散合金粉的最大粒径。从而成为部分扩散合金粉的粒度分布尖锐的形态(成为部分扩散合金的粒径一致的状态)。另一方面，原料粉的粒径不会变得过小，粉末状态的流动性也良好。因此，在烧结后不容易产生粗大气孔，能够使烧结组织中的空孔微细化且均质化。
另外，本发明中，由于使用使熔点低于铜的低熔点金属与铜进行合金化而成的铜合金粉作为铜系粉，因而能够更为有效地抑制粗大气孔的产生。即在将低熔点金属的单质粉混配在原料粉中的情况下，在烧结时低熔点金属粉整体发生熔融而成为液相，其发生移动而在原来的位置形成空孔，因而成为粗大气孔的产生原因；但通过使用铜合金粉，在烧结时仅铜合金粉的表面发生熔融，因而能够防止那样的空孔的产生。另外，通过使用铜合金粉，还能够避免在使用低熔点金属的单质粉的情况下成为问题的偏析。
另一方面，只是简单地将低熔点金属与铜进行合金化而成的粉末通常为实心且为硬质的，不容易发生变形，因而在粉体压坯的成型时容易在粒子间产生间隙。从而成为在烧结后产生粗大气孔的主要原因。与之相对，若使用多孔质的铜合金粉，则粉末被软化，因而原料粉的压缩性提高，在粒子间不容易产生间隙，从而能够抑制烧结后的粗大气孔的产生。
此外，根据本发明人的验证，已明确，若使用多孔质的铜合金粉作为铜系粉，则烧结后的烧结体比粉体压坯更收缩。具体地说，烧结体相对于粉体压坯的尺寸变化率在内径尺寸和外径尺寸中均为0.995～0.999的程度。据认为这是因为，多孔质的铜合金粉发挥出了在烧结时吸引周边的铜粒子(部分扩散合金粉的铜粉和其他铜合金粉)的作用。与之相对，在使用非多孔质的铜合金粉的现有的铜铁系烧结体中，通常在烧结时比粉体压坯的状态更膨胀。通过像这样在烧结时烧结体发生收缩，烧结组织致密化，因而能够更可靠地抑制粗大气孔的产生。
符号说明
1 轴承装置
2 轴部件
8 烧结轴承
8a 内周面(轴承面)
11 部分扩散合金粉
12 铁粉
13 铜粉

Claims (13)

1.一种烧结轴承，其是使粉体压坯烧结而成的烧结轴承，该粉体压坯包含在铁粉的表面通过部分扩散而附着有第一铜粉的部分扩散合金粉、第二铜粉、以及熔点低于铜的低熔点金属粉，该烧结轴承的特征在于，
部分扩散合金粉的最大粒径为106μm以下，所述部分扩散合金粉的第一铜粉的最大粒径为10μm以下。
2.如权利要求1所述的烧结轴承，其中，所述第二铜粉形成为多孔质状。
3.如权利要求1或2所述的烧结轴承，其中，使轴承面为没有动压产生槽的圆筒面状。
4.一种烧结轴承的制造方法，其特征在于，在使如下的粉体压坯烧结来制造烧结轴承时，该粉体压坯包含在铁粉的表面通过部分扩散而附着有第一铜粉的部分扩散合金粉、第二铜粉、以及熔点低于铜的低熔点金属粉，
使部分扩散合金粉的最大粒径为106μm以下，所述部分扩散合金粉的第一铜粉的最大粒径为10μm以下。
5.如权利要求4所述的烧结轴承的制造方法，其中，使用多孔质铜粉作为所述第二铜粉。
6.一种烧结轴承，其是使粉体压坯烧结而成的烧结轴承，该粉体压坯包含在铁粉的表面通过部分扩散而附着有铜粉的部分扩散合金粉、以及以铜为基础的铜系粉，该烧结轴承的特征在于，
使用使熔点低于铜的低熔点金属与铜进行合金化而成的多孔质的铜合金粉作为铜系粉，部分扩散合金粉的最大粒径为106μm以下，所述部分扩散合金粉的铜粉的最大粒径为10μm以下。
7.如权利要求6所述的烧结轴承，其中，使轴承面为没有动压产生槽的圆筒面状。
8.一种烧结轴承的制造方法，其特征在于，在使如下的粉体压坯烧结来制造烧结轴承时，该粉体压坯包含在铁粉的表面通过部分扩散而附着有铜粉的部分扩散合金粉、以及以铜为基础的铜系粉，
使用使熔点低于铜的低熔点金属与铜进行合金化而成的多孔质的铜合金粉作为铜系粉，使部分扩散合金粉的最大粒径为106μm以下，所述部分扩散合金粉的铜粉的最大粒径为10μm以下。
9.如权利要求8所述的烧结轴承的制造方法，其中，通过对铜合金粉进行退火而使其多孔质化。
10.一种烧结轴承，其是由烧结体构成的烧结轴承，该烧结体包含将铁粉的表面用铜包覆的铜包覆铁粉以及熔点低于铜的低熔点金属粉，其中，所述铁粉的粒度为145目以下。
11.如权利要求10所述的烧结轴承，其中，所述铁粉为雾化粉。
12.一种烧结轴承的制造方法，其具有下述工序：对原料粉进行压缩而成型出粉体压坯的工序，该原料粉包含将铁粉的表面用铜包覆的铜包覆铁粉以及熔点低于铜的低熔点金属粉；以及在高于所述低熔点金属粉的熔点且低于铜的熔点的温度对所述粉体压坯进行烧结而得到烧结体的工序，其中，所述铁粉的粒度为145目以下。
13.如权利要求12所述的烧结轴承的制造方法，其中，所述铁粉为雾化粉。
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