CN110475982A - 烧结轴承及其制造方法 - Google Patents

Abstract

提供一种减少轴承面的粗大气孔，使表面开孔微细化且均质化的烧结轴承。在铁粉(12)的表面，通过部分扩散使Cu－Sn合金粉(13)附着，对于以如此形成的部分扩散合金粉作为主要粉末的压粉体进行烧结而制作烧结轴承。使部分扩散合金粉(11)的最大粒径为106μm以下，并且使Cu－Sn合金粉(13)的最大粒径为45μm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

小型电动机用的轴承，例如，作为笔记本型个人电脑等所装备的风扇电动机用的轴承，多数情况是使用在烧结金属制的轴承构件的内周面形成有以人字形形状等排列的多个动压发生槽的流体动压轴承(专利文献1)。通过如此形成动压发生槽，在轴的旋转中，利用动压发生槽，润滑油被聚集在轴承面的轴向部分区域而发生动压效应，借助该动压效应，进行旋转的轴相对于轴承构件被非接触地支承。

【先行技术文献】

【专利文献】

专利文献1：日本特开2016-50648号公报

轴承构件的内周面的动压发生槽能够通过如下方式形成，例如在精整烧结体时，在中心销的外周面形成与动压发生槽的形状对应的多个凸部，在伴随精整而来的加压力下，使烧结体的内周面咬住中心销的外周面的凸部而形成。但是，在这样的工序中，因为动压发生槽由烧结材料的塑性变形而形成，所以，由于塑性变形量的偏差，致使其精度确保存在局限。

另一方面认为，如果减少轴承面的粗大气孔，则油膜形成率提高，因此即使省略动压发生槽，也能够得到充分的油膜刚性。因此认为，可以将具有动压发生槽的流体动压轴承置换为这种没有动压发生槽的所谓正圆轴承，从而能够达成轴承装置的低成本化。

发明内容

因此，本发明其目的在于，提供一种减少轴承面的粗大气孔，使表面开孔和内部气孔微细化且均质化的烧结轴承。

为了达成以上的目的，本发明是一种具备轴承面以铜和铁为主成分的烧结轴承，其特征在于，具有通过使部分扩散合金粉进行烧结而形成的组织，其中，所述部分扩散合金粉是使铜和熔点低于铜的低熔点元素合金化而成的合金化铜粉通过部分扩散而附着于铁粉的表面而形成的，部分扩散合金粉的最大粒径为106μm，所述合金化铜粉的最大粒径为45μm以下。

在本发明中，限制部分扩散合金粉和合金化铜粉的最大粒径，而且使合金化铜粉的最大粒径为45μm以下，使合金化铜粉小粒径化。因此，在部分扩散合金粉中，不包含使粗大铁粉和粗大合金化铜粉一体化而成的粒子，能够统一部分扩散合金粉的粒径。由此，能够在烧结后难以生成粗大气孔。另一方面，原料粉的粒径不会过小，成形压粉体时的原料粉的流动性也良好。

作为部分扩散合金粉的铜成分，通过使用铜和熔点低于铜的低熔点元素经合金化而成的合金化铜粉(例如青铜粉)，能够更进一步有效地抑制粗大气孔的发生。即，以低熔点元素作为单体粉使用时，烧结时低熔点元素粉全体熔融而成为液相，其进行移动而在原来的地方形成空孔。相对于此，通过使用合金化铜粉，在烧结时只有合金化铜粉的表面熔融，因此能够防止这样的空孔发生。另外，通过使用合金化铜粉，还能够避免在使用低熔点元素的单体粉时构成问题的偏析。

另一方面，铜与低熔点元素经合金化而成的粉末(Cu－Sn合金粉)，一般为硬质而难以变形，因此，若将这样的合金化铜粉直接添加到原料粉末中，则压缩性和成形性差，因此在压粉体的成形时，粒子间容易产生间隙，成为烧结后发生粗大气孔的要因。相对于此，如果使合金化铜粉多孔质化，则粉末整体被软化，因此原料粉的压缩性提高而在粒子间难以产生间隙。因此，能够抑制烧结后的粗大气孔的发生。合金化铜粉的多孔质化可如下实现：例如可通过在部分扩散合金粉的制造时加热(低温加热)铁粉和合金化铜粉的混合粉末，对合金化铜粉进行热处理而达成。

如果是以上阐述的构成，则可以确保充分的油膜刚性，得到高油膜形成率。因此，可以将轴承面形成为圆筒面状而省略动压发生槽，与使用具有这样的动压发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，本发明是一种具备轴承面以铜和铁为主成分的烧结轴承的制造方法，其特征在于，使用部分扩散合金粉成形压粉体，其中，所述部分扩散合金粉是使铜和熔点低于铜的低熔点元素经合金化而成的合金化铜粉通过部分扩散而附着于铁粉的表面而形成的，使部分扩散合金粉的最大粒径为106μm，并且使所述合金化铜粉的最大粒径为45μm以下，对所述压粉体进行烧结。

如以上，根据本发明，能够减少轴承面的粗大气孔而使表面开孔微细化且均质化。由此，轴承面的压力损失难以发生，可以得到高油膜形成率。

附图说明

图1是风扇电动机的剖视图。

图2是风扇电动机用轴承装置的剖视图。

图3A是示意性地表示部分扩散合金粉的形态的图。

图3B是示意性地表示部分扩散合金粉的形态的图。

图4是表示部分扩散合金粉的粒度分布的图。

图5是示意性地表示部分扩散合金粉的另一例的图。

图6是表示油膜形成率的比较试验结果的图。

图7是表示油膜形成率的测量装置的电路图。

具体实施方式

以下，基于附图说明本发明的实施的方式。

图1表示在信息设备、特别是手机和平板型终端等的移动设备上所组装的冷却用的风扇电动机。该风扇电动机具备：轴承装置1；装配在轴承装置1的轴构件2上的转子3；安装于转子3的外径端的叶片4；在半径方向上隔着空隙而对置的定子6a和转子磁体6b；收容这些的罩壳5。定子6a安装在轴承装置1的外周，转子磁体6b安装在转子3的内周。通过向定子6a通电，转子3、叶片4及轴构件2一体地旋转，由此使轴向或外径方向的气流发生。

如图2所示，轴承装置1具备：轴构件2；支座7；烧结轴承8；密封构件9；止推垫10。

轴构件2由不锈钢等的金属材料形成为圆柱状，被插入到成为圆筒状的烧结轴承8的内周面。轴构件2被作为轴承面的烧结轴承8的内周面8a在径向上旋转自由地支承。轴构件2的下端与配置于支座7的底部7b的止推垫10接触，在轴构件的旋转时，轴构件2由止推垫10在推力方向上支承。支座7具有大体圆筒状的侧部7a，和封闭侧部7a的下方的开口部的底部7b。在侧部7a的外周面固定有罩壳5和定子6a，在侧部7a的内周面固定有轴承构件8。密封构件9由树脂或金属形成为环状，固定在支座的侧部的内周面的上端部。密封构件9的下侧的端面与轴承构件8的上侧端面在轴向上抵接。密封构件9的内周面与轴构件2的外周面在半径方向上对置，在两者之间形成有密封空间S。在所述轴承装置1中，至少由轴承构件8的内周面和轴构件2的外周面所形成的径向间隙被润滑油填满。此外，也可以在支座7的内部空间全部填满润滑油(这种情况下，在密封空间S中可形成油面)。

轴承构件8由作为主成分含有铁和铜的铁铜系的烧结体形成。该烧结体通过如下方式制作：将混合有各种粉末的原料粉供给到模具中，对其进行压缩而成形压粉体后，对压粉体进行烧结。以下，对于此制造工序详细阐述。

如图3A所示，部分扩散合金粉11是在作为核的铁粉12的表面，通过部分扩散而使粒径小于该铁粉的合金化铜粉13附着于其上的合金粉。详情如图3B中的局部放大图所示，具有在铁粉与铜粉的边界，铁组织中扩散有铜组织的一部分(铜原子13a)，并且铜组织中扩散有铁组织的一部分(铁原子12a)，由此铁原子12a和铜原子13a被部分置换的结晶结构。

作为部分扩散合金粉11的铁粉12能够使用还原铁粉、雾化铁粉等，但在本实施方式中使用还原铁粉。还原铁粉为不规则形状，且为具有内部气孔的海绵状(多孔质状)。通过使用还原铁粉，与使用雾化铁粉的情况相比，能够使压缩性提高而提高成形性。另外，因为烧结后的铁组织为多孔质状，所以还能够得到使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。此外，由于合金化铜粉13对于铁粉的附着性提高，因此能够得到铜浓度均匀的部分扩散合金粉。

另外，作为部分扩散合金粉11中构成核的铁粉12，可使用粒度145目以下的粉末。在此所谓“粒度145目”意思是通过网眼为145目数(约106μm)的筛网的筛下材的粉末(即，不含未能通过网眼145目的筛网的筛上材的粉末)。因此，这时的铁粉的最大粒径为106μm。“粒度145目以下”意思是粉末的粒度在145目以下，即粉末的最大粒径在106μm以下。铁粉的粒径优选为20μm以上，更优选为38μm以上。铁粉的最大粒径优选为75μm以下。如果说粒度，则优选使用230目(网眼63μm，最大粒径63μm)以下的铁粉。也能够使用325目以下(网眼45μm，最大粒径45μm)的粒度的铁粉。另外，铁粉的平均粒径为106μm以下，具体来说为45μm以上、75μm以下(优选为45μm以上、63μm以下)。粉末的粒径(含平均粒径)，例如能够由激光衍射·散射法测量(下同)。

合金化铜粉13是使铜和熔点低于铜的低熔点元素合金化而成的粉末(完全合金粉末)。低熔点元素作为烧结时的粘合剂发挥功能，熔点比铜低的元素，特别是熔点在700℃以下的元素(例如锡、锌、磷等)作为低熔点元素被使用。特别是优选使用锡、锌等的低熔点金属。低熔点金属之中，因为锡具备容易向铜和铁扩散这样的特征，所以优选使用作为低熔点元素而使用了锡的青铜粉(Cu－Sn合金粉)作为合金化铜粉13。合金化铜粉13的最大粒径为45μm以下，优选为20μm以下。合金化铜粉13的平均粒径，优选为铁粉12的平均粒径的大约1/10以下(具体来说，为1/100以上、1/10以下)。

将以上所述的铁粉和合金化铜粉的混合物搬入带式的加热炉内，通过加热规定时间，合金化铜粉的一部分扩散至铁粉中，得到部分扩散合金粉。作为炉内温度，以数百℃为宜，作为加热时间，以数十分钟左右为宜。本实施方式所使用的部分扩散合金粉，通过将铁粉和合金化铜粉扩散接合之后，再进行粉碎而取得。因为Cu－Sn混合粉一般为硬质而难以变形，所以若将含有铁粉和Cu－Sn混合粉的混合粉末作为原料粉末使用，则存在压粉体成形时的压缩性和成形性降低的问题。相对于此，如果如上述使用Fe－Cu－Sn部分扩散合金粉，则通过该粉末制造时的加热，各粉末(特别是合金化铜粉13)被热处理，进行多孔质化。由此，部分扩散合金粉的各个粒子被软质化，因此压粉体成形时的压缩性和成形性提高。

如图3的右侧放大示意图所示，在部分扩散合金粉11的扩散部分(散点纹样部分)形成Fe－Cu－Sn合金。这一合金部分具有铁原子和铜原子和锡原子相互结合并排列的结晶结构。合金化铜粉13之中，扩散部分以外，当初的Cu－Sn合金的组织维持原样。

作为以上说明的部分扩散合金粉11，使用的是粒度145目以下(最大粒径106μm以下)的粉末。粉碎后的部分扩散合金粉的粒度，如图4所示这样表现为正态分布，但在粉碎后，例如经过网眼145目的筛网筛分，则能够得到具有图中的散点纹样所表示的粒度分布的部分扩散合金粉。在本实施方式中，使用如此筛分后的筛下材的部分扩散合金粉。

在本实施方式中，原料粉末的组成为部分扩散合金粉100％。原料粉末中的各元素的比例优选为，铜为15质量％～40质量％(优选为20质量％～30质量％)，低熔点金属等的低熔点元素为1质量％～4质量％，余量为铁和不可避免的杂质。

还有，只使用部分扩散合金粉时，因为铜的调合比例的上限值有界限，所以想要将铜的调合比例提高至上限以上等时，也可以在原料粉末中单体添加铜粉末(纯铜粉末)。另外，在本实施方式中，在原料粉末中没有调合固体润滑剂。这是因为，例如作为固体润滑剂，若将一般的石墨粉调合在原料粉末中，使轴高速旋转(例如周速600m/min以上)时，则露出到轴承面的石墨组织中会缠绕磨耗粉等异物，反而有可能使滑动性恶化。当然，如果不是在高速旋转的用途中使用的烧结轴承，也可以在原料粉末中以例如0.1～1.5质量％左右的比例调合石墨粉末。作为固体润滑剂也能够使用二硫化钼等。

相对于以上所述的原料粉末100％，调合0.1～1.0质量％的成形用润滑剂。作为成形用润滑剂，例如能够使用金属皂(硬脂酸锌、硬脂酸钙等)和蜡。但是，这些成形用润滑剂会因烧结而分解·消失，成为粗大气孔的要因，因此优选尽量抑制成形用润滑剂的使用量。

将上述的原料粉末填充到模具的内部，进行压缩而成形压粉体。其后，烧结压粉体，得到烧结体。烧结温度为低熔点元素(低熔点金属)的熔点以上，且为铜的熔点以下的温度，具体来说就是760℃～900℃左右。通过烧结压粉体，部分扩散合金粉中包含的合金化铜粉的表面成为液相，润湿其他的合金化铜粉的表面，因此可促进铜系粒子之间和铜系粒子与铁粒子间的烧结。

该烧结体中，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，因为原料粉和烧结炉的气氛不含碳，且烧结温度为900℃以下，所以烧结体的铁组织全部为铁素体相。附带一提，烧结体中的各元素的含量，与原料粉末中的各元素的含有比例为相同的值。

通过精整对该烧结体进行整形，由此能够将轴承面的正圆度提高到1μm以下。其后，以真空含浸等的手法使烧结体的内部空孔含浸润滑油，从而完成图2所示的烧结轴承8(烧结含油轴承)。润滑油使用的是，例如40℃下的动力粘度为10～200mm²/sec，优选为20～80mm²/sec，且粘度指数为100～250的润滑油。

该烧结体的烧结组织构成的形态为，在来自部分扩散合金粉11的铁粉12的Fe组织的周围，分散有来自部分扩散合金粉11的合金化铜粉13的Cu系组织。由此，成为铁组织由铜系组织被覆这样的形态，因此能够减少轴承面中的铁组织的露出量，据此，能够使烧结轴承8的初始配合性提高。如此以铜系组织覆盖铁组织的周围的烧结组织，也能够通过使用对铁粉镀铜而得到的铜被覆铁粉而取得，但使用铜被覆铁粉时，与本实施方式中使用的部分扩散合金粉相比，烧结后的铜系组织与铁组织间的颈部强度降低，因此烧结轴承的环压强度大幅降低。

在Fe－Cu－Sn部分扩散合金粉的制造过程中，如果没有以上述方式限制铁粉12和合金化铜粉13的最大粒径，则即使这些铁粉12和合金化铜粉13的平均粒径为与上述最大粒径近似的值，也会有粒径大的铁粉和合金化铜粉混入，并以此状态制造部分扩散合金粉的情况。因此，如图5示意性地所示，会相当量地形成粒径大的铁粉和合金化铜粉一体化的粒子(粗大粒子)。如果以这样的粗大粒子集合的状态烧结，则粒子间的间隙变大，因此在烧结后会产生粗大气孔。

相对于此，在本发明中，限制合金化铜粉13，还有部分扩散合金粉的最大粒径，而且合金化铜粉13的最大粒径比部分扩散合金粉的最大粒径小得多。因此，部分扩散合金粉的粒度分布成为尖锐的形状(成为部分扩散合金的粒径统一的状态)。另一方面，原料粉的粒径不会过小，粉末的状态下的流动性也良好。因此，烧结后难以发生粗大气孔，能够使烧结组织中的空孔微细化且均质化。

另外，在本发明中，因为使用铜和熔点低于铜的低熔点元素经合金化而成的合金化铜粉13作为铜系粉，所以能够更进一步有效地抑制粗大气孔的发生。即，作为低熔点元素而将此单体粉调合到原料粉中时，烧结时低熔点元素粉全体熔融而成为液相，其进行移动而在原来的地方形成空孔，因此成为粗大气孔的发生原因，但通过使用合金化铜粉，则烧结时只有合金化铜粉的表面发生熔融，所以能够防止这样的空孔的发生。另外，通过使用合金化铜粉，也能够避免使用低熔点元素的单体粉时构成问题的偏析。

仅仅只使铜和低熔点元素进行合金化的粉末，一般是实心且硬质而难以变形，因此在压粉体的成形时，容易在粒子间产生间隙，成为烧结后发生粗大气孔的要因。相对于此，在Fe－Cu－Sn部分扩散合金粉中，通过其制造时的低温加热，Cu－Sn合金粉被热处理而多孔质化，因此能够使原料粉末软化而使压缩性和成形性提高。因此，在粒子间难以发生间隙，从这一点出发，也能够抑制烧结后的粗大气孔的发生。为了促进Cu－Sn合金粉的多孔质化，也可以在部分扩散合金粉11的制造后，再以上述同样的加热条件，对部分扩散合金粉进行再加热。

而且，通过本发明者们的验证可知，如果使用多孔质的铜合金粉作为铜系粉，则烧结后的烧结体与压粉体相比进行收缩。具体来说，烧结体相对于压粉体的尺寸变化率，内径尺寸和外径尺寸均为0.995～0.999左右。这被认为是由于，多孔质的铜合金粉起到了在烧结时吸引周边的铜系粒子的作用。相对于此，在使用了非多孔质的铜合金粉的现有铜铁系烧结体中，烧结时比压粉体的状态膨胀是惯例。如此在烧结时烧结体发生收缩，则烧结组织得到致密化，因此可以更确实地抑制粗大气孔的发生。

通过这些作用，能够得到各表面气孔的面积为0.01mm²(0.1mm×0.1mm)以下的烧结体，可以防止粗大气孔的发生。附带一提，轴承面的表面开孔率，以面积比计为4％以上、20％以下(优选为12％以下，偏差在5％以下)。另外，烧结体中的通油度为0.010～0.025g/10分钟。这里所说的“通油度”是用于定量地表示在多孔质的工件中，经由其多孔质组织能够使何种程度的润滑油流通的参数[单位：g/10min]。通油度能够通过如下方式求得：在室温(26～27℃)环境下，对圆筒状试验体的内周孔负载0.4MPa的加压力，并以润滑油充满，提取从试验体的外径面开口的表面开孔渗出滴下的油。

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0.01mm²)，使表面开孔的大小均匀化。由此，能够抑制轴承面8a的压力损失而提高油膜形成率，因此不论低速旋转和高速旋转，都可以确保高油膜刚性而稳定地支承轴。因此，即使是没有动压发生槽的正圆轴承的形态，也能够得到与带动压发生槽的烧结轴承同等的轴承性能，可以作为带动压发生槽的烧结轴承的替代品使用。特别是在带动压力槽的烧结轴承中，在周速5m/min以下的区域，因为无法充分获得动压效应而使用困难，但如果是本发明的烧结轴承，则能够得到如下的优点：即使在周速5m/min以下的低速区域，也能够稳定地对轴进行支承。另外，即使在高于600m/min的高速旋转下，因为能够遍及轴承面8a与轴2的外周面之间的轴承间隙的全周而连续地形成油膜，所以能够稳定地支承轴2。附带一提，在现有的烧结轴承中，周速10m/min～300m/min左右为使用范围。

另外，在图5所示的粗大粒子中，与合金化铜粉13的体积相比，因为扩散接合部的面积变小，所以两者的接合强度降低。因此，将部分扩散合金粉过筛时，在此冲击下，铜系粒子(Cu－Sn合金粒子)容易从铁粒子上脱落。这种情况下，会成为在原料粉中大量混入有小粒径的Cu－Sn合金粉的状态，因此原料粉的流动性降低，成为招致铜等的偏析的要因。相对于此，在本申请发明中，因为对于部分扩散合金粉的制造中所使用的合金化铜粉13的最大粒径进行制限，所以部分扩散合金粉总的来说具有图3所示这样的形态。这种情况下，与合金化铜粉13的体积相比，扩散接合部的面积相对地变大，因此铁粉12与合金化铜粉13的接合强度提高。因此，在进行过筛时，合金化铜粉也难以脱落，能够防止上述的弊端。

【实施例】

图6中表示本发明品与比较品的油膜形成率的测量结果。还有，比较品是使用了以80目筛下的铁粉为核的铜被覆铁粉的烧结轴承，本发明品是使用了以145目筛下的铁粉为核的部分扩散合金粉的烧结轴承。

油膜形成率通过如下方式求得：使用图7所示的电路，作为试样，使轴与烧结轴承组合，将其装配好之后，通过测量电压而求得。如果检测电压为0[V]，则油膜形成率为0％，如果检测电压与电源电压相等，则油膜形成率为100％。油膜形成率100％意味着轴与烧结轴承处于非接触状态，油膜形成率0％意味着轴与烧结轴承接触。图6的横轴表示时间。作为测量条件，轴的转速设定为2000min^－1，轴的轴向负荷设定为0.2N。

由图6还可知，比较品几乎不存在油膜形成率为100％的期间，轴与烧结轴承频繁接触，相对于此，本发明品其油膜形成率大约为100％，大体上可维持非接触状态。因此可确认，与比较品相比，本发明品能够得到更良好的油膜形成率。

以上，作为本发明的烧结轴承的使用例而例示了风扇电动机，但本发明的烧结轴承的适用对象不限定于此，而是能够在各种用途中使用。

另外，对于在烧结轴承8的轴承面8a的内周面没有形成动压发生槽的情况进行了说明，但根据需要，能够在轴承面8a形成多个动压发生槽。动压发生槽也能够在轴2的外周面形成。另外，烧结轴承8不仅能够用于支承旋转运动的情况，也能够用于支承直线运动的情况。

【符号说明】

1 轴承装置

2 轴构件

8 烧结轴承

8a 内周面(轴承面)

11 部分扩散合金粉

12 铁粉

13 合金化铜粉

Claims (5)

1.一种烧结轴承，是具备轴承面并以铜和铁为主成分的烧结轴承，其特征在于，

具有通过使部分扩散合金粉烧结而形成的组织，其中，所述部分扩散合金粉是使铜和熔点低于铜的低熔点元素经合金化而成的合金化铜粉通过部分扩散而附着于铁粉的表面而形成的，

部分扩散合金粉的最大粒径为106μm，所述合金化铜粉的最大粒径为45μm以下。

2.根据权利要求1所述的烧结轴承，其中，使合金化铜粉多孔质化。

3.根据权利要求1或2所述的烧结轴承，其中，使轴承面成为没有动压发生槽的圆筒面状。

4.一种烧结轴承的制造方法，其特征在于，是具备轴承面并以铜和铁为主成分的烧结轴承的制造方法，

使用部分扩散合金粉成形压粉体，其中，所述部分扩散合金粉是使铜和熔点低于铜的低熔点元素经合金化而成的合金化铜粉通过部分扩散而附着于铁粉的表面而形成的，

使部分扩散合金粉的最大粒径为106μm，并且使所述合金化铜粉的最大粒径为45μm以下，

使所述压粉体烧结。

5.根据权利要求4所述的烧结轴承的制造方法，其中，通过热处理使所述合金化铜粉多孔质化。