CN1619174A - 制造轴承装置的方法、轴承装置、马达和记录盘驱动设备 - Google Patents
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Abstract
本发明的主要目的是提供一种在抗冲击性和滑动性能方面优越的马达的轴承装置。因此，依照本发明，轴和所述轴插入其中的套由不锈钢制成，并且在轴的表面上提供镀层，所述镀层通过化学镀镍形成以具有至少6％和最多12％的磷浓度，并且在至少500℃和最多700℃的气氛下经受沉淀硬化处理。因此，可提高具有优越抗冲击性的轴承装置的滑动性能。
Description
技术领域
本发明涉及包括轴和套的轴承装置、电动马达和盘驱动设备。
背景技术
通常，包括轴承装置的马达用于不同类型的电子设备，在所述轴承装置中，轴插入到圆筒形的套中并且通过润滑油使得所述轴被转动地支撑。例如，在一种用于存储各种信息的硬盘驱动设备中，通过马达使得信息被磁性地记录在其上的盘形记录媒体(即，硬盘)转动，从而利用磁头来读写信息。
在这种马达中，当马达被启动和停止或者经受大的外部冲击时轴和套(通过它们之间很少的润滑油)相互直接滑动接触。当该接触发生时，如果轴和套的表面由相同材料制成，那么这两个部件可能会由于它们的滑动接触所产生的摩擦热而相互粘连。因此，轴和套通常由不同的构成材料(所谓的材料系统)制成。例如，轴和套中的一个由不锈钢制成并接着经受渗氮处理，而另一个由不锈钢制成并直接使用。这样，可构成能够保持高耐磨性能和控制粘附的产生的轴承装置。
日本未审定专利申请公开No.11-223213披露了一种方法，其中对套进行包含1至5％的磷的镍磷基化学镀，从而形成具有高表面硬度和高形状精度的套，以及对轴进行包含3至20％的含氟树脂粉末和7至15％的磷的化学镀，从而防止轴和套相互粘连。
近年来，硬盘驱动设备用作各种便携式电子设备的存储装置，其越来越需要减小的尺寸以及耐冲击和较高的可靠性。但是，在根据常规材料系统的马达的轴承装置中，难于进一步提高关于抗冲击和可靠性的滑动性能。在上述日本未审定专利申请公开No.11-223213中所述的方法中，可增加套的表面硬度，但硬度的增加不一定能够保证抗冲击的改善。
发明内容
因此，为了解决上述问题而完成本发明，且本发明的一个主要目的是提供一种在抗冲击和滑动性能方面优越的轴承装置。
本发明的另一主要目的是提供一种制造在抗冲击和滑动性能方面优越的轴承装置的方法。
本发明的又一主要目的是获得一种包括该在抗冲击和滑动性能方面优越的轴承装置的马达。本发明的又一主要目的是提供一种包括该马达的盘驱动设备。
根据本发明的制造轴承装置的方法包括：形成轴部件和套部件的步骤；在轴部件和套部件中的一个上进行化学镀镍以形成具有至少6％和最多12％的磷浓度的镀层的步骤；以及在至少500℃和最多700℃的气氛下对其中一个部件进行沉淀硬化处理的步骤。
根据本发明，可提高包括优越的抗冲击性的轴承装置中的滑动性能，并且也可提高具有高抗冲击性的马达和盘驱动机构的可靠性。
根据本发明的轴承装置包括轴和轴插入其中的套，其中轴和套中的一个包括通过化学镀镍形成以具有至少6％和最多12％的磷浓度、并且在至少500℃和最多700℃的气氛下经受沉淀硬化处理的镀层。
根据本发明的电动马达包括上述的轴承装置和用于使轴相对于套转动的驱动机构。
根据本发明的盘驱动设备包括用于容纳其上记录有信息的盘状记录媒体的盒、固定在该盒内并且用于使记录媒体转动的马达、以及用于写和读关于记录媒体的信息的存取装置。
附图说明
现参考附图，其构成了本原始公开的一部分。
图1示出了硬盘驱动设备的结构。
图2是示出了马达结构的纵向截面图。
图3是轴承装置的放大图。
图4是制造该轴承装置的步骤的流程图。
图5是倾斜下落试验的示意图。
图6(a)至(i)分别示出了关于轴中的镀层的磷浓度和在沉淀硬化中的处理温度的组合的、镀层的X射线分析结果。
图7示出了当改变镀层的磷浓度时沉淀硬化中的处理温度和维氏硬度之间的关系。
图8是Falex试验(磨损常温试验)的示意图。
图9示出了当改变镀层的磷浓度时，在轴中的沉淀硬化中的处理温度和磨损量速度之间的关系。
图10示出了当改变镀层的磷浓度时，在V形块中的沉淀硬化中的处理温度和磨损量速度之间的关系。
图11示出了当改变镀层的磷浓度时，沉淀硬化中的处理温度和发生卡紧的载荷之间的关系。
图12示出了当改变镀层的磷浓度时，沉淀硬化中的处理温度和达到发生卡紧的时间长度之间的关系。
图13示出了当改变镀层的磷浓度时，沉淀硬化中的处理温度和磨损系数之间的关系。
具体实施方式
图1示出了一种常规硬盘驱动设备80的内部结构，其中安装有根据本发明的一个实施例的电动马达1。由于盒81而使得硬盘驱动设备80的内部是其中所含的灰尘极少的洁净空间。盒81中装有作为圆形记录媒体的记录盘82、用于写和(或)读关于记录盘82的信息的存取单元83以及用于使记录盘82转动的马达1。
存取单元83包括用于接近记录盘82周围并且磁性地写和读关于记录盘82的信息的磁头831、用于支撑磁头831的臂832以及用于通过移动臂832来改变磁头831和记录盘82的相对位置的磁头移动机构833。根据该结构，磁头831接近保持在转动的记录盘82附近的、记录盘82的所需位置，从而写和读信息。
图2是示出了用于驱动所述盘的马达1的结构的纵向截面图。马达1包括为转动体的转子单元2，和为固定体的定子单元3。转子单元2通过包括轴41和套42的轴承装置4而相对于定子单元3被转动地支撑。
转子单元2包括转子主体21，转子主体21具有基本为杯状的形状并在定子单元3侧(图2中的下侧)上开口。由不锈钢(例如，SUS303Cu)制成并且在其表面上具有镀层的轴41以突出在开口侧上的方式固定于转子主体21的中心。在转子主体21的外圆周表面上形成有向外延伸而后在定子-单元-3侧上向下弯曲的环形突出部分211。以多极方式磁化并且具有环形形状的场磁铁22固定于环形突出部分211的内圆周表面上。
定子单元3包括沿垂直于轴41的中心轴线J1的方向延伸并且具有基本为圆形形状的基板31，并且向上突出的圆柱形部分311形成在基板31的中央处。轴41的自由端侧插入于其中的、由不锈钢(例如，DHS-1)制成并且具有基本为圆柱形形状的套42，插入并固定到圆柱形部分311中。而且，在圆柱形部分311的外围中设有电枢32，其中绕组被缠绕在设在环形铁心中的多个凸极的周围，电枢32面向场磁铁22的中心轴线J1侧。场磁铁22和电枢32构成马达1的驱动机构，其中控制由与电枢32相连接的供电电路(未示出)所供应的电流，以产生用于使得转子单元2围绕用作相对于定子单元3的转动中心的轴41转动的力矩(转动力)。
具有圆形形状并且从用作延伸中心的中心轴线J1处延伸的止推板411形成在轴41的自由端侧上的端部处。在套42的内圆周表面中，具有环形形状的环形挖去部分421形成在轴41的自由端侧上。止推板411装配进由挖去部分421所形成的圆形空间中。而且，用于封闭套42的下侧开口的相对板(counter plate)43设在套42的下侧端部中。相对板43面对止推板411的下表面。
图3是马达1的轴承装置4的放大图，图中仅示出了图2中所示的中心轴线J1的结构右侧。如图3中所示，环形槽412形成在轴41的外圆周表面上，并且分别充满润滑油的径向轴承部分61和62相对于轴41和套42之间的环形槽412被形成在上侧和下侧上。在径向轴承部分61和62中，用于产生流体动压的槽(例如，人字形槽)形成在套42的内圆周表面上，从而当马达1转动时使得轴41沿垂直于中心轴线J1的径向方向被支撑。在径向轴承部分61和62中，由于用于产生流体动压的槽形成在轴41的外圆周表面和套42的内圆周表面的至少一个上，因此可发挥其作为利用流体动压的径向轴承部分的作用。
充满润滑油的止推轴承部分63和64分别形成在止推板411的上表面(环形表面)与挖去部分421的面向下的表面之间以及止推板411的下表面与相对板43的上表面之间。在止推轴承部分63和64中，用于产生流体动压的槽(例如，泵入型的螺旋槽)形成在止推板411的上表面和下表面中，从而当马达1转动时使得轴41沿中心轴线J1的方向(也称作轴向方向)被支撑。在止推轴承部分63和64中，以与径向轴承部分61和62中相同的方式，由于用于产生流体动压的槽形成在相对的表面的至少一个上，因此可发挥其作为利用流体动压的止推轴承部分的作用。
如前面所述，在稍后所述的制造步骤中在特定条件下将镀层410形成在轴41的整个表面上。
接下来，将描述制造马达1的轴承装置4的步骤流程。图4是示出了制造轴承装置4的步骤的流程图。在制造轴承装置4中，通过例如切削操作(步骤S11)来制造由不锈钢制成的轴部件(即，构成轴41的部件，在稍后所述的步骤中在其表面上形成有镀层410)和套部件(即，套42)。然后，当需要时执行诸如表面除油、除杂质、表面活化等处理。然后，使轴部件经受镍触击电镀，并且形成近地面层(步骤S12)。当完成触击电镀时，使得轴部件经受化学镀镍(即，以镍磷为基础的化学镀)，并且具有预定磷浓度的镀层形成在轴部件的近地面层上(步骤S13)。
之后，执行铬酸盐处理以形成防锈膜(步骤S14)。在清洁步骤之后，对轴部件执行沉淀硬化处理，并且非晶质的镀层结晶(步骤S15)。以这样的方式执行沉淀硬化处理，即，在60分钟内将轴部件布置于其中的熔炉中的气氛加热到例如稍后描述的预定温度，保持约60分钟，并且在30分钟内使其迅速冷却到300℃。然后，作为其上形成有镀层的轴部件的轴41插入到套42中。而且，相对板43安装在套42的另一个开口上。因此完成了轴承装置4的制造(步骤S16)。
根据镀层的粘附性、耐蚀性等，只有在需要时才执行步骤S12中的触击电镀和步骤S14中的铬酸盐处理。
接下来将描述从抗冲击性试验中所获得的结果，所述试验是针对使用包括图4中所示的制造步骤中所制造的轴承装置的马达的、硬盘驱动设备而执行的。表1示出了倾斜跌落试验的结果，这是冲击试验的一个示例。表1中的[”]表示英寸。为了描述倾斜跌落试验，如图5中所示，在包括以额定转动速度驱动的马达的硬盘驱动设备80中，其中矩形外壳侧表面和底表面相互交叉的侧部被称作支撑轴A1，而其中支撑轴A1侧上的侧表面的相对侧上的侧表面和底表面相互交叉的侧部A2，被提升到预定高度H并且被放开以向硬盘驱动设备80施加冲击。从而根据马达的转动是否由于所施加的冲击而停止来评价抗冲击性。该试验被称为附加有回转力矩的冲击试验。
[表1]
| 沉淀硬化中的处理温度 | 磷浓度(％) | ||
| 6 | 7 | 8 | |
| 350℃ | 2/24”NG | - | 2/25”NG |
| 500℃ | 2/25”NG | - | 2/26”NG |
| 600℃ | 2/2对于7”和直立位置试验成功 | 1/1对于7”和直立位置试验成功 | 2/2对于7”和直立位置试验成功 |
| 700℃ | 2/2对于7”和直立位置试验成功 | - | 2/2对于7”和直立位置试验成功 |
表1示出了在制造轴承装置时与轴中的镀层的磷浓度和沉淀硬化中的处理温度的组合有关的倾斜跌落试验的结果。表1中的对应于所述组合的栏中的上部左右侧上所示的数字分别表示试样量和从中获得结果的样品量，而下侧上的数字表示试验的结果。例如，在试验结果中，[5”NG]表示当在5英寸(127mm)的高度H下向其施加冲击时马达的转动停止了(而当高度H低于5英寸时马达的转动未停止)。[对于7”和直立位置试验成功]表示当在7英寸(约178mm)的高度H下向其施加冲击时马达的转动未停止，并且当以使得布置在支撑轴A1正上方的侧部A2(即，在高度H最大化的情况下将硬盘驱动设备布置在直立位置的状态)落下的方式向其施加冲击时马达的转动也未停止。
从表1中可，在沉淀硬化中，当在600℃到700℃的处理温度下磷浓度处于6％和8％之间时可获得优越的抗冲击性，该结论由结果[对于7”和直立位置试验成功]支持。此外，当沉淀硬化中的处理温度为500℃时，当磷浓度为6％和8％时获得了各自的结果[5”NG]和[6”NG]，与350℃的温度相比较提供了好一些的抗冲击性。例如，通常公知的是，沉淀硬化中的处理温度太高会提升镀层中的敏化，这会导致晶体中的碳(C)的产生和形成晶间腐蚀。然而，已经证实，在低于700℃的任何温度下都不会发生这样的问题。
把目光集中在磷浓度上，在沉淀硬化中，当处理温度为350℃和500℃时，8％的磷浓度显示出比6％的磷浓度更好的结果。从该结果中可知，当磷浓度增加时可提高抗冲击性。因此，考虑到通过其可稳定地执行化学镀镍的磷浓度的实验范围，当磷浓度处于至少6％和最大12％的范围内时可实现优越的抗冲击性。
图6(a)至(i)分别示出了关于轴中的镀层的磷浓度和在沉淀硬化中的处理温度的组合的、镀层的X射线分析结果。参照图6(a)至(i)中所示的光谱峰，其上标有O的峰表示Ni3P的晶体，而其上标有×的峰表示Ni元素的晶体。
图6(a)和(b)示出了当沉淀硬化中的处理温度为350℃并且磷浓度分别为6％和8％时镀层的X射线分析结果，其中表示Ni3P的晶体的峰分别为零和两个，而表示Ni3P的结晶并不十分提前。
图6(c)和(d)示出了当沉淀硬化中的处理温度为500℃并且磷浓度分别为6％和8％时镀层的X射线分析结果，其中表示Ni3P的晶体的峰相应地为三个，而表示Ni3P的结晶较为提前。
图6(e)到(g)示出了当沉淀硬化中的处理温度为600℃并且磷浓度分别为6％、7％和8％时镀层的X射线分析结果。图6(h)和(i)示出了当沉淀硬化中的处理温度为700℃并且磷浓度分别为6％和8％时镀层的X射线分析结果。在图6(e)到(i)中分别存在表示Ni3P的晶体的至少四个峰，表示Ni3P的结晶更为提前。在以沉淀硬化中的各个处理温度为基础的比较中，当磷浓度增加时加速了Ni3P的结晶。这些获得的结果与图1中所示的倾斜跌落试验的结果一致，说明当Ni3P的结晶提前时提高了抗冲击性。
图7示出了当改变镀层的磷浓度时沉淀硬化中的处理温度和维氏硬度(在下文中，简称其为“硬度”)之间的关系。在图7中，分别对应于图3中所示的径向轴承部分61和62的轴41的外圆周表面上的一些位置处的硬度的平均值由Rad表示，而分别对应于止推轴承部分63和64的止推板411的上表面和下表面上的一些位置处的硬度的平均值由Axi表示。Rad或Axi前面所示的比值为镀层的各个磷浓度。
如图7中所示，当沉淀硬化中的处理温度在350℃-600℃的范围内增加时，硬度线性减小，而在600℃和700℃下硬度基本保持恒定。从上述结果中并且也考虑表1中所示的倾斜跌落试验的结果，当沉淀硬化中的处理温度较低时，在抗冲击性减小时硬度增加了，而当沉淀硬化中的处理温度较高时，在抗冲击性提高时硬度被降低了。由此，考虑到当处理温度为350℃-600℃时硬度线性减小的事实，因此可以说在沉淀硬化中在600℃的处理温度下所获得的抗冲击性是不同寻常的，即，在倾斜跌落试验中高度H最大(直立位置)并且在沉淀硬化中在大约550℃的处理温度下可获得充分良好的抗冲击性的条件下，马达的转动未停止。
接着，下面将描述作为轴承装置4的另一种评价方法的Falex试验。如图8中所示，轴41布置在由不锈钢制成的一对试件(在下文中，称其为“V形块”)91之间，所述不锈钢是用于制成套(为了精确，由不锈钢制成并且具有与轴41相同材料的镀层的杆状试件被夹在挖去部分911之间，所述挖去部分911形成为在V形块91中相互面对)的材料。将一个V形块91固定，而另一个V形块91经受载荷P，同时使轴41在某个转动速度(例如，1200rpm)下恒定地转动，并为轴41供以润滑油。然后，检查滑动性能，例如开始产生卡紧(或粘附)之前的时间长度和当产生卡紧时的载荷量级。
图9到图13示出了从Falex试验中获得的不同结果。图9和图10示出了当改变镀层的磷浓度时沉淀硬化中的处理温度和磨损量速度之间的关系，其中分别示出了轴41的磨损量速度和V形块91的磨损量速度。磨损量速度是指用载荷P除以磨损率(＝(容积的磨损量)/(滑动距离))所获得的数值。在图9和图10中，以及稍后所述的图11和图13中，不经历沉淀硬化处理的具有镀层的轴(在下文中，称之为非处理轴)由指向该处的附图标记71表示，并且只经历传统渗氮处理的轴(在下文中，称之为渗氮-处理轴)由指向该处的附图标记72表示。
如图9中所示，当沉淀硬化中的处理温度为500℃-700℃并且磷浓度为6％和7％时轴41中的抗磨损性能比通过渗氮处理所获得的效果好。图10的V形块91中的磨损量速度显示了当沉淀硬化中的处理温度为350℃和500℃时非处理轴和渗氮-处理轴基本相同的水平，然而当温度为600℃和700℃时，所述磨损量速度大大降低。
图11示出了当改变镀层的磷浓度时沉淀硬化中的处理温度和发生卡紧的载荷之间的关系。图12示出了沉淀硬化中的处理温度和在预定载荷下开始产生卡紧之前的时间长度之间的关系。在图11和图12中，示出了与在沉淀硬化中的处理温度为350℃时非-处理轴和渗氮-处理轴在卡紧载荷与轴14的卡紧时间长度方面相比较，沉淀硬化处理的效果没有任何差异。然而，在500℃-700℃下，除了在500℃的温度下磷浓度为7％时之外，随着温度的增加，卡紧载荷与卡紧时间长度都增加。特别是，在600℃和700℃的温度下获得了十分有利的结果。
而且，在图11和图12中，当沉淀硬化中的处理温度为500℃到600℃时，卡紧载荷与卡紧时间长度显著提高，从中可预料到，在沉淀硬化中的处理温度设置为550℃时在磷浓度为7％时可获得比非-处理轴和渗氮-处理轴中更有利的结果。
图13示出了当改变镀层的磷浓度时沉淀硬化中的处理温度和磨损系数之间的关系。在图13中，当沉淀硬化中的处理温度为500℃-700℃时轴41的磨损系数变得小于渗氮-处理轴的磨损系数。因此，从Falex试验中所获得的结果可证明，当沉淀硬化中的处理温度被设置为500℃-700℃时可实现超越传统渗氮-处理轴的滑动性能。
如上所述，图2中所示的马达1包括包含轴41和套42的轴承装置4，其中轴41的表面上具有镀层410，并且镀层410通过化学镀镍形成有至少6％和最多12％的磷浓度并且在至少500℃和最多700℃的气氛下经受沉淀硬化处理。套42是由不同于轴41中的镀层的材料410制成的。因此，可获得包括不会相互粘连的轴41和套42并且具有优越抗冲击性的轴承装置4。因此，如果大冲击施加于高速转动的马达1时可防止马达1遭到可能对其驱动造成的损害。可提高轴承装置4的滑动性能，并且还可提高马达1的可靠性。而且，当使用上述马达1时，可提高具有高抗冲击性的硬盘驱动设备80的可靠性。
因此，如前面所述，已描述了本发明的优选实施例，然而本发明并不限于此并且可作出各种修正。
根据本实施例的轴承装置4的结构仅是可选择的一个示例，并且根据使用方法可进行适当地改变。
在轴承装置4中，可将通过化学镀镍形成并且经历沉淀硬化处理的镀层形成在套42上。为了使得轴承装置4易于制造，镀层优选地形成在比套42的形状更简单的轴41上。
其上形成有镀层的轴部件或套部件不必非由不锈钢制成，而是可由可行范围内的其他材料(例如，诸如磷青铜、铁或铝的其他金属材料)制成。
在前述实施例中，轴41固定于转子单元2上，并且相对于套42转动。作为另一种结构，套42可固定于转子单元2上(或与之一体形成)，并且相对于轴41转动。
除硬盘驱动设备80以外，马达1还可被用在用于驱动例如光盘、磁光盘和具有盘状的记录媒体的装置中。
Claims (15)
1.一种制造轴承装置的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
形成轴部件和套部件；
在轴部件或套部件上进行化学镀镍；以及对其中一个部件进行沉淀硬化处理。
2.依照权利要求1中所述的制造轴承装置的方法，其特征在于，在至少500℃和最多700℃的气氛下进行沉淀硬化处理。
3.依照权利要求1中所述的制造轴承装置的方法，其特征在于，在所述化学镀镍中镀层的磷浓度为至少6％和最多12％。
4.依照权利要求1中所述的制造轴承装置的方法，其特征在于，所述一个部件由不锈钢制成。
5.依照权利要求1中所述的制造轴承装置的方法，其特征在于，所述部件中的一个是轴部件。
6.一种制造轴承装置的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：形成轴部件和套部件；
在轴部件或套部件上进行化学镀镍以形成具有至少6％和最多12％的磷浓度的镀层；以及
在至少500℃和最多700℃的气氛下对其中一个部件进行沉淀硬化处理。
7.依照权利要求6中所述的制造轴承装置的方法，其特征在于，还包括：
用于产生动压的槽形成在所述轴的外表面或所述套的内表面的任意一个上的步骤。
8.一种轴承装置，其包括轴和所述轴插入其中的套，其特征在于，
该轴和套中的任意一个包括通过化学镀镍形成以具有至少6％和最多12％的磷浓度、并且在至少500℃和最多700℃的气氛下经历沉淀硬化处理的镀层。
9.如权利要求8中所述的轴承装置，其特征在于，
所述轴或套中的任意一个由不锈钢制成。
10.如权利要求8中所述的轴承装置，其特征在于，所述轴包括镀层。
11.如权利要求8中所述的轴承装置，其特征在于，
所述轴部件的外表面通过其中的微小间隔面对所述套部件的内表面，并且
所述镀层形成在轴部件的外表面或套部件的内表面中的任意一个上。
12.如权利要求11中所述的轴承装置，其特征在于，
用于产生动压的槽形成在相互面对的所述轴的外表面或所述套的内表面的任意一个上，并且
润滑剂流体充入所述轴的外表面和所述套部件的内表面之间的间隔中。
13.如权利要求12中所述的轴承装置，其特征在于，
所述镀层形成在轴的外表面上，并且
所述用于产生动压的槽形成在套部件的内表面上。
14.一种电动马达，其特征在于，所述马达包括：
权利要求8中所述的轴承装置；以及用于使所述轴相对于套转动的驱动机构。
15.一种盘驱动设备，其特征在于，所述盘驱动设备包括：
用于容纳其上记录信息的盘状记录媒体的盒；
固定在盒内并且用于使记录媒体转动的、权利要求14中所述的马达；以及
用于写和读关于记录媒体的信息的存取装置。
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