JP2006348352A

JP2006348352A - エアベアリングの製造方法

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Publication number: JP2006348352A
Application number: JP2005176812A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Kuwano; 壽桑野
Original assignee: Muroran Institute of Technology NUC
Current assignee: Muroran Institute of Technology NUC
Priority date: 2005-06-16
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2025-06-16
Also published as: JP4189497B2

Abstract

【要約書】
【課題】密度が銅又は鋼の約１／３であり、粒子径は約０．１ｍｍ程度であるアルミニウム粉又はアルミニウムを主成分とする合金粉末を出発原料とし、通気性が高く、焼結と同時にバックメタルへの接合が可能である軽量エアベアリングを安価に製造できる方法を得る。
【解決手段】平均直径０．２ｍｍ未満の原料アルミニウム粉末又はアルミニウム合金粉末を、アルゴンガス雰囲気中でメカニカルミリングを行って平均直径０．３〜０．７ｍｍの焼結用アルミニウム粉末又はアルミニウム合金粉末とした後、この粉末をアルミニウム合金製バックメタルの上に充填し、さらにこれを真空中で、焼結温度４５０〜４７５°Ｃ、加圧力２．４〜５ＭＰａで加圧焼結するとともに、バックメタルに接合することを特徴とするエアベアリングの製造方法。
【選択図】図１

Description

この発明は、アルミニウム粉又はアルミニウム合金粉を原料とした焼結による軽量のエアベアリング（空気軸受）の製造方法に関する。

従来、エアベアリングは、主として銅粉をベースにしてニッケル、錫、グラファイトなどを加えた混合粉又はステンレス鋼粉を、一度高温で焼結して多孔質の焼結板材を成形した後、その板材をステンレス鋼製のバックメタルに重ね、再度加熱・加圧して両者を接合する方法により製造されていた。
このような焼結体の製品は、材料の融点が高いので、高温で焼結が可能であり、したがって、焼結体の強度を高くできるという利点がある。しかし、一方では、銅の密度が８．９ｇ／ｃｍ^３、鉄の密度が７．８ｇ／ｃｍ^３と大きいので、これらを主原料としたエアベアリングは、非常に重いという欠点を有していた。

このようなことから、アルミニウム又はアルミニウム合金製のエアベアリングの提案もある（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。しかし、市販のアルミニウム粉又はアルミニウム合金粉の原料を出発材料として多孔質の焼結体を製造することは必ずしも容易ではない。上記特許文献では、その製造方法の具体例については、何も触れていない。

市販のアルミニウム粉の粒子径は約０．１ｍｍ程度である。このような微細な粒子径を用いて焼結すると、粒子の間隙が減少し通気性が劣るという問題がある。
また、市販のアルミニウム粉は表面が酸化膜で覆われているため、低温での焼結がし難い。したがって、ある程度高温焼結が必要となるが、この場合には粒子同士が不均一に凝着して、粒子の間隙が一層減少し、通気性が劣る結果となる。
また、表面酸化膜の存在は、バックメタルとの接合が難しくなり、接合強度が低下するという問題もある。このようなことから、従来は、粒子径が約０．１ｍｍ程度の市販のアルミニウム粉を用いてエアベアリングを、安価に製造することは難しいと考えられていた。
特開平８−９３７６４号公報特開平８−２１９１４５号公報

本発明は、密度が銅又は鋼の約１／３であり、粒子径は約０．１ｍｍ程度であるアルミニウム粉又はアルミニウムを主成分とする合金粉末を出発原料とし、通気性が非常に高く、焼結と同時にバックメタルへの接合が可能である軽量エアベアリングを安価に製造できる方法を得ることにある。

本発明は、上記課題を達成するため、次の方法を提供するものである。
１）平均直径０．２ｍｍ未満の原料アルミニウム粉末又はアルミニウム合金粉末を、アルゴンガス雰囲気中でメカニカルミリングを行って平均直径０．３〜０．７ｍｍの焼結用アルミニウム粉末又はアルミニウム合金粉末とした後、この粉末をアルミニウム合金製バックメタルの上に充填し、さらにこれを真空中で、焼結温度４５０〜４７５°Ｃ、加圧力２．４〜５ＭＰａで加圧焼結するとともに、バックメタルに接合することを特徴とするエアベアリングの製造方法
２）接合助剤を使用せずに、粉末とバックメタルを直接接合することを特徴とする上記１）記載のエアベアリングの製造方法
３）焼結体の密度が２．７ｇ／ｃｍ^３以下であることを特徴とする上記１）又は２）記載のエアベアリングの製造方法
４）焼結体のガスの開放流量が、無負荷状態において０．５ＭＰaのとき１５Ｌ／ｍｉｎ以上であることを特徴とする上記１）〜３）のいずれかに記載のエアベアリングの製造方法
５）平均直径０．２ｍｍ未満の原料アルミニウム粉末又はアルミニウム合金粉末を、アルゴンガス雰囲気中でメカニカルミリングを行うことにより、酸化膜を除去し、平均直径０．３ｍｍ以上の焼結用アルミニウム粉末又はアルミニウム合金粉末に径を増加させることを特徴とする上記１）〜４）のいずれかに記載のエアベアリングの製造方法
６）放電プラズマ焼結により焼結することを特徴とする上記１）〜５）のいずれかに記載のエアベアリングの製造方法

本発明は、密度が銅又は鋼の約１／３であり、粒子径は約０．１ｍｍ程度であるアルミニウム粉又はアルミニウムを主成分とする合金粉末を出発原料とし、粉末粒子の酸化膜を除去して粒子相互の不規則な凝集を減少させ、これによって低温焼結が可能となり、通気性が非常に高く、焼結と同時にバックメタルへの接合が可能である軽量エアベアリングを安価に製造できるという優れた効果を有する。

図１に、エアベアリングの構造と作動原理の概念図を示す。床面（テーブル）１上にエアベアリング２を置いて作動させた様子を示す。ベースメタル３上には負荷６をかけている。ベースメタル３に結合した焼結層４には、多数の気孔５が形成されており、ベースメタル３に空気７を供給する。これによって、浮上力８を受けて床面１からエアベアリングが浮上する。
本発明のエアベアリングは２０〜５０ｍｍφの円盤状のものを対象とする。エアベアリングとして要求される性能は、無負荷状態において０．５ＭＰaのとき、１５Ｌ／ｍｉｎ以上のガス流量を保持することである。この開放流量を確保するためには、適度の量と大きさの空隙をアルミニウム焼結層中に残しつつ、バックメタルと焼結体が剥離しない十分な強度を備えることである。
そのためには、焼結温度、焼結時間、焼結圧力、アルミニウム粒子の径を適正条件に設定する必要がある。

本発明は、平均直径０．２ｍｍ未満の原料アルミニウム粉末又はアルミニウム合金粉末を出発材料として使用することができる。すなわち、粒子径０．１ｍｍ程度の市販の安価なアルミニウム粉末を使用することができる。アルミニウム合金の例としては、ＡｌにＳｉ１〜１０重量％を添加したＡｌ−Ｓｉ合金、特にＡｌ−１０重量％Ｓｉ合金が主に使用されるが、アルミニウムが主要成分であれば、他のアルミニウム合金を使用することも当然可能である。本願発明はそれらを含むものである。

アルミニウムのような軟質の金属をアルゴンガス雰囲気中でメカニカルミリングを行うと、粉末粒子の塑性変形、分断、凝集が繰り返されるため、表面の酸化膜は破壊され、新鮮なアルミ粒子の表面が形成される。
これによって、粒子径０．１ｍｍ程度の市販の安価なアルミニウム粉末が、凝集して成長し、直径０．２〜０．８ｍｍ程度の粒子が生成する。
これを篩い分けして、平均直径０．３〜０．７ｍｍの焼結用アルミニウム粉末又はアルミニウム合金粉末を得る。この粉末粒子の径は、後述するように焼結による効率の良い多孔質化のための大きな要因となる。

次に、このように粒子形状を調整した粉末を、焼結型内に予め配置したアルミニウム合金製バックメタルの上に充填し、上下をパンチで押え、さらにこれを５〜８Ｐａ程度の真空中で、加熱しながら加圧して放電プラズマ焼結を行う。焼結温度は４５０〜４７５°Ｃとし、加圧力は２．４〜５ＭＰａとする。焼結時間は１〜３０分程度である。
焼結温度が４５０°Ｃ未満、そして加圧力が２．４ＭＰａ未満では、十分な強度をもつ焼結体が得られない。製品とするためには、最終的な表面加工が必要となるが、強度が低いと表面加工の際に剥がれ落ちるという問題があるので、それに必要な焼結温度と加圧力が必要となる。
また、焼結温度が４７５°Ｃ、そして加圧力が５ＭＰａを超えると、アルミニウム又はアルミニウム合金の粒子が凝着し過ぎて密度が上がり、適度な多孔質体が得られず、エアベアリングとしての特性を維持するための通気性が低下することになるので、焼結温度を４５０〜４７５°Ｃとし、加圧力は２．４〜５ＭＰａとするのが望ましい。

上記の４５０〜４７５°Ｃの低温焼結によっても、バックメタルとの接合強度を十分に保持することができる。なお、これらの焼結に際して、接合助剤を使用せずに、粉末とバックメタルを直接接合することが望ましい。接合助剤及びそれに起因する残渣は、本質的に焼結材及びバックメタルとは異質の材料であり、少なからず多孔質化に悪影響を与え、通気性を劣化させる要因となるからである。
以上によって、焼結体の密度を２．７ｇ／ｃｍ^３以下にして孔を増加させ、通気性を良好にすることができる。そして、焼結体のガスの開放流量を、無負荷状態において０．５ＭＰaのとき、目標とする１５Ｌ／ｍｉｎ以上を達成することが可能となる。

以下に、本発明の実施例及び比較例を説明する。なお、実施例はあくまで、発明の理解を容易にするためであり、この実施例の条件に制限されない。すなわち、本願発明の技術思想に基づく変形、他の態様、他の実施条件は、本願発明に全て含まれるものである。

平均直径が０．１ｍｍである市販のアルミニウム粉末（純度９９．５％）をアルゴンガス雰囲気中でメカニカルミリングを行うことにより、平均直径０．１５〜０．７ｍｍの粒状アルミニウム粒子を製造した。これを篩い分けし、それぞれ粉末粒子の平均直径が０．１５ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍの粉末を得た。
このようにして得たアルミニウム粉末を、黒鉛型に予め挿入しておいた３０ｍｍφの円盤状アルミニウム合金製（例えば、Ａ７０７５を使用）バックメタル上に４ｇを充填し、上下を黒鉛パンチで押え、真空中で加圧しながら放電プラズマ焼結により焼結した。

この焼結によりアルミニウム粉末粒子を結合させるとともに、前記バックメタルと接合させた。接合に際しては、従来銅合金エアベアリングで知られているＣｕＰ合金等の接合助剤は使用しなかった。
焼結温度は４５０〜４８０°Ｃの範囲、加圧力２．４〜７ＭＰａの範囲まで行った。これらの条件で製造されたエアベアリングは、０．５ＭＰaの圧力で通気したときに焼結体がバックメタルから剥離せず、十分な接合強度を有していた。
このようにして作製したエアベアリングを用いて、バックメタルに穿孔した給気孔より空気を通入し、アルミニウム粒子の焼結層に存在する空隙より空気を流出させエアベアリングとしての各種機能を調べた。

図２に、焼結温度４５０°Ｃ、焼結圧力７ＭＰａで１０分間焼結した場合の、開放流量のアルミニウム粒子径の依存性を示す。図２に示すように、粉末粒子の平均直径が０．４ｍｍ以上では、焼結体のガスの開放流量が、無負荷状態において０．５ＭＰaのとき１５Ｌ／ｍｉｎ以上であるという目標を達成している。
なお、この図２では、粉末粒子の平均直径が０．３ｍｍでは、焼結体のガスの開放流量が、無負荷状態において０．５ＭＰaのとき１５Ｌ／ｍｉｎ以上であるという目標をやや下回っている。しかし、ガス流量はベースメタルの径に依存し、径が大きくなると径の２乗に比例して吹き出し面積が拡大し、ベースメタルからのガスの流量が増すので、後述する図４に示すように、粉末粒子の平均直径が０．３ｍｍでも、焼結体のガスの開放流量１５Ｌ／ｍｉｎ以上であるという目標を達成することが可能である。以上から、エアベアリングとしての所定の流量を達成するためには、０．３ｍｍ〜０．７ｍｍのアルミニウム粉末を用いると良いことが分る。
アルミニウム粉末又はアルミニウム合金粉末の平均粒径が０．７ｍｍを超えるとさらに流量が増すが、焼結体の気孔が大きくなり過ぎ、ガスの吹き出しが不均一となる。また製品の外観も粗雑になるため好ましくない。したがって、平均粒径は０．７ｍｍ以下とすることが望ましい。

図３に、粉末粒子の平均直径が０．５ｍｍの１０ｗｔ％Ｓｉ含有アルミニウム合金粉末を４２０°Ｃで焼結して得た３０ｍｍφ焼結体の焼結圧力とベアリング流量の関係を示す。なおこの場合、３０ｍｍφのベースメタルを使用した。この図３に示すように、焼結圧力５．５ＭＰａ以下では、同焼結体のガスの開放流量が、無負荷状態において０．５ＭＰaのとき１５Ｌ／ｍｉｎ以上を達成している。
なお、図には示していないが、ガス流量はベースメタルの径に依存し、径が大きくなると径の２乗に比例して吹き出し面積が拡大し、ベースメタルからのガスの流量が増すので、焼結体及びベースメタルの径が５０ｍｍφになると、焼結圧力が７ＭＰａでも、焼結体のガスの開放流量１５Ｌ／ｍｉｎ以上であるという目標を達成することが可能である。

図４に、粉末粒子の平均直径が０．３ｍｍである１０ｗｔ％Ｓｉ含有アルミニウム合金粉末を５０ｍｍφのベースメタルを使用し、焼結温度変化させ、５ＭＰａで焼結した場合の、焼結温度とベアリング流量の関係を示す。
粉末粒子の平均直径が０．３ｍｍにおいては、焼結温度４７５°Ｃ以下で焼結体のガスの開放流量１５Ｌ／ｍｉｎを達成している。
焼結温度が４７５°Ｃを超えると同焼結体のガスの開放流量が、無負荷状態において０．５ＭＰaのとき１５Ｌ／ｍｉｎを切って急速に減少し、焼結温度４８０°Ｃでは５Ｌ／ｍｉｎ以下となり、好ましくないことが分る。
このことから、焼結時の焼結温度は、４７５°Ｃ以下の低温での焼結、できれば焼結温度４５０〜４７０°Ｃで焼結することが必要である。なお、この場合、平均直径が０．３ｍｍ粉末粒子を使用したが、粒子径０．５〜０．７ｍｍの粉末を使用する場合には、さらにガス流量が増加するので、好ましい焼結体が得られる。

図５に、同１０ｗｔ％Ｓｉ含有アルミニウム合金粉末を上記と同様の条件で焼結した場合の、焼結温度と焼結密度の関係を示す。焼結温度が４７５°Ｃを超えると同焼結体の密度が、本願発明で目標とする２．７ｇ／ｃｍ^２を超えるので、このことからも、焼結温度は４７５°Ｃ以下の低温での焼結が必要であることが分る。
好ましくは焼結温度４５０〜４７０°Ｃである。なお、この場合も、平均直径が０．３ｍｍ粉末粒子を使用しているが、粒子径０．５〜０．７ｍｍの粉末を使用する場合には、さらに密度が低下し好ましい焼結体が得られる。

本発明のエアベアリングは、密度が銅又は鋼の約１／３であり、粒子径は約０．１ｍｍ程度であるアルミニウム粉又はアルミニウムを主成分とする合金粉末を出発原料とし、通気性が非常に高く、焼結と同時にバックメタルへの接合が可能である軽量エアベアリングを安価に製造できるので、平面又は曲面加工機、露光装置、位置制御装置、各種軽量軸受装置として利用できる。

エアベアリングの構造と作動原理の概念図である。焼結温度４５０°Ｃ、焼結圧力７ＭＰａで１０分間焼結した場合の、開放流量のアルミニウム粒子径の依存性を示す図である。１０ｗｔ％Ｓｉ含有アルミニウム合金粉末を焼結した場合の、焼結圧力とベアリング流量の関係を示す図である。１０ｗｔ％Ｓｉ含有アルミニウム合金粉末を焼結した場合の、焼結温度とベアリング流量の関係を示す図である。１０ｗｔ％Ｓｉ含有アルミニウム合金粉末を焼結した場合の、焼結温度と焼結密度の関係を示す図である。

符号の説明

１：床面（テーブル）
２：エアベアリング
３：ベースメタル
４：焼結層
５：気孔
６：負荷
７：空気
８：浮上力

Claims

平均直径０．２ｍｍ未満の原料アルミニウム粉末又はアルミニウム合金粉末を、アルゴンガス雰囲気中でメカニカルミリングを行って平均直径０．３〜０．７ｍｍの焼結用アルミニウム粉末又はアルミニウム合金粉末とした後、この粉末をアルミニウム合金製バックメタルの上に充填し、さらにこれを真空中で、焼結温度４５０〜４７５°Ｃ、加圧力２．４〜５ＭＰａで加圧焼結するとともに、バックメタルに接合することを特徴とするエアベアリングの製造方法。
接合助剤を使用せずに、粉末とバックメタルを直接接合することを特徴とする請求項１記載のエアベアリングの製造方法。
焼結体の密度が２．７ｇ／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項１又は２記載のエアベアリングの製造方法。
焼結体のガスの開放流量が、無負荷状態において０．５ＭＰaのとき１５Ｌ／ｍｉｎ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエアベアリングの製造方法。
平均直径０．２ｍｍ未満の原料アルミニウム粉末又はアルミニウム合金粉末を、アルゴンガス雰囲気中でメカニカルミリングを行うことにより、酸化膜を除去し、平均直径０．３ｍｍ以上の焼結用アルミニウム粉末又はアルミニウム合金粉末に径を増加させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のエアベアリングの製造方法。
放電プラズマ焼結により焼結することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のエアベアリングの製造方法。