JP2016102553A - 動圧軸受及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストに製造可能でありながら、必要とされる強度を具備し、かつ所望の軸受性能を安定的に発揮することのできる動圧軸受を提供する。【解決手段】 酸化物皮膜を形成可能な金属粉末を含む原料粉末の圧粉体１０’を母体とし、支持すべき軸（軸部材２）の外周面２ａ１との間にラジアル軸受隙間を形成する内周面８ａに型成形された動圧発生部Ａ１，Ａ２を有する動圧軸受１０であって、圧粉体１０’に水蒸気処理を施すことにより金属粉末の粒子間に形成された酸化物皮膜１１を有し、１５０ＭＰａ以上の圧環強度を有する。【選択図】 図２

Description

本発明は、動圧軸受及びその製造方法に関し、特に、圧粉体を母体とする動圧軸受及びその製造方法に関する。

周知のように、動圧軸受は、支持すべき軸との間に形成される軸受隙間内の潤滑流体（例えば潤滑油）に動圧作用を発生させるための動圧発生部を有する。動圧軸受としては、ラジアル荷重のみを支持するもの、スラスト荷重のみを支持するもの、ラジアル荷重及びスラスト荷重の双方を支持するもの、などがある。ラジアル荷重を支持する動圧軸受は、その内周面に動圧発生部（ラジアル動圧発生部）を有し、スラスト荷重を支持する動圧軸受は、その端面に動圧発生部（スラスト動圧発生部）を有する。

例えば下記の特許文献１には、各種動圧軸受のうち、ラジアル荷重を支持する動圧軸受の製造手順が記載されている。具体的には、金属粉末を主原料とした原料粉末の圧粉体を圧縮成形するのと同時に圧粉体の内周面に動圧発生部を型成形し、その後、この圧粉体を焼結して焼結体を得る焼結工程、さらには焼結体の寸法矯正を行う寸法矯正工程を実施する、というものである。このようにすれば、圧粉体に動圧発生部を型成形せず、寸法矯正工程（整形工程）等において焼結体に動圧発生部を型成形する場合（例えば、特許文献２）に必要となる別途の成形金型が不要となるので、動圧軸受を低コストに製造することができるという利点がある。なお、スラスト荷重を支持する動圧軸受や、ラジアル荷重及びスラスト荷重の双方を支持する動圧軸受も特許文献１と同様の手順で製造することができる。

特開２０００−６５０６５号公報 特許第３６０７６６１号

ところで、焼結工程は、動圧軸受に必要とされる強度を確保することを主たる目的として実施されるが、焼結工程では、通常、８００℃以上で圧粉体が加熱される。このため、焼結工程の実施により得られる焼結体には、焼結後の熱収縮等に伴って各部の寸法精度に崩れが生じ易い。従って、焼結体に動圧軸受として必要とされる各部精度を確保するには、焼結体にサイジング等の寸法矯正加工（整形加工）を施すことが必要不可欠となる。逆に言えば、圧粉体に、動圧軸受としてそのまま使用できるだけの強度を確保できれば、焼結工程およびその後の整形工程を省略することができ、動圧軸受の製造コストを大幅に低廉化できると考えられる。

プレス装置（成形金型装置）による原料粉末の加圧力（成形圧力）を高めて原料粉末を高密度に圧縮すれば、圧粉体の強度を高めることができることに加え、この圧粉体をそのまま動圧軸受として使用した場合に、軸受隙間に形成される流体膜の剛性低下（いわゆる圧力抜けの発生）を可及的に防止して所望の軸受性能を安定的に発揮し得るとも考えられる。しかしながら、プレス装置による圧縮だけで、圧粉体の強度を動圧軸受として使用可能なレベルにまで高めることは現実的ではない。そもそも、圧粉体は、原料粉末が押し固められたものに過ぎないため、取り扱い性や他部材への組込み性等も考慮すると、高密度に成形された圧粉体であってもこれをそのまま動圧軸受として使用するのは無理がある。

以上の実情に鑑み、本発明の課題は、比較的低コストに製造可能でありながら、実使用に耐え得るだけの強度を具備し、所望の軸受性能を安定的に発揮することのできる動圧軸受を提供することにある。

上記の課題を解決するために創案された本願の第１発明は、酸化物皮膜を形成可能な金属粉末を含む原料粉末の圧粉体を母体とし、支持すべき軸との間に軸受隙間を形成する面に、型成形された動圧発生部を有する動圧軸受であって、圧粉体に水蒸気処理を施すことにより金属粉末の粒子間に形成された酸化物皮膜を有し、１５０ＭＰａ以上の圧環強度を有することを特徴とする。

また、上記の課題を解決するために創案された本願の第２発明は、支持すべき軸との間に軸受隙間を形成する面に動圧発生部を有し、１５０ＭＰａ以上の圧環強度を有する動圧軸受を製造するための方法であって、酸化物皮膜を形成可能な金属粉末を含む原料粉末を圧縮し、支持すべき軸との間に軸受隙間を形成する面に動圧発生部が型成形された圧粉体を得る圧縮成形工程と、圧粉体に水蒸気処理を施し、圧粉体を構成する金属粉末の粒子間に酸化物皮膜を形成する水蒸気処理工程と、からなることを特徴とする。

なお、本願発明でいう「酸化物皮膜を形成可能な金属粉末」とは、換言するならばイオン化傾向が大きい金属の粉末であり、例えば、鉄、アルミニウム、マグネシウム、クロム等の粉末、あるいは上記金属が含まれる合金粉末を採用できる。酸化物皮膜を形成可能な金属粉末は、一種のみ用いても良いし、複数種混合して用いても良い。また、「軸受隙間」とは、ラジアル軸受隙間及びスラスト軸受隙間の少なくとも一方を含む概念である。従って、本発明は、ラジアル荷重を支持する動圧軸受、スラスト荷重を支持する動圧軸受、あるいは、ラジアル荷重及びスラスト荷重の双方を支持する動圧軸受の何れにも適用できる。また、「動圧発生部」とは、軸受隙間に介在する潤滑油等の潤滑流体に動圧作用を生じさせ得るものであればどのようなものであっても良く、例えば、複数の動圧溝をヘリングボーン形状やスパイラル形状に配列したものを挙げることができる。さらに、「圧環強度」とは、ＪＩＳ Ｚ ２５０７に規定された方法に基づいて算出される値である。

本発明で採用する水蒸気処理は、酸化物皮膜を形成可能な金属粉末を含む原料粉末の圧粉体を酸化雰囲気中で所定温度（例えば４００〜５５０℃）に加熱しながら水蒸気と反応させることにより、上記金属粉末の粒子間（上記金属粉末の粒子表面）に酸化物皮膜を形成（生成）する処理である。上記の金属粉末として鉄粉末を採用した場合、酸化物皮膜は四酸化三鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）の皮膜である。そして、上記金属粉末の粒子間に形成される酸化物皮膜が粒子同士の結合媒体として機能し、圧粉体を焼結したときに形成されるネッキングの役割を代替するので、圧粉体を、そのまま動圧軸受として使用可能なレベル、具体的には圧環強度１５０ＭＰａ以上にまで高強度化することができる。また、金属粉末の粒子間に形成される酸化物皮膜により、圧粉体の内部気孔の大きさが小さくなって圧粉体の気孔率が低下する。従って、軸受隙間に形成される流体膜の剛性低下を可及的に防止し、所望の軸受性能を安定的に発揮し得る動圧軸受を実現することができる。

また、圧粉体に施すべき水蒸気処理は、その処理温度が、圧粉体を焼結する場合の加熱温度よりも格段に低いので、処理後におけるワークの寸法変化量を小さくすることができる。そのため、圧粉体を焼結した場合には、焼結工程後の実施が必要不可欠であったサイジング等の整形加工を省略することができる。また、寸法変化量を小さくできれば、圧粉体の成形金型の設計が容易となる。さらに、処理温度が低ければ、処理時に必要なエネルギーも削減できて処理コストが減じられる。以上より、本発明によれば、実使用に耐え得るだけの強度を具備しつつ、所望の軸受性能を安定的に発揮することのできる動圧軸受を低コストに得ることができる。

本発明に係る動圧軸受において、その母体となる圧粉体の相対密度が高すぎると、水蒸気処理時に圧粉体の芯部にまで水蒸気を侵入させることが難しく、圧粉体の強度向上に寄与する酸化物皮膜を圧粉体の芯部に形成することが難しくなるという懸念がある。また、水蒸気処理に伴って大きな寸法変化が生じる他、動圧軸受の内部気孔で保持し得る潤滑油量（動圧軸受の保油量）が少なくなる懸念もある。これとは逆に、圧粉体の相対密度が低すぎると、圧粉体の取り扱い性が低下する、金属粉末の粒子間距離が拡大するため酸化物皮膜を所定態様で形成することが難しくなる、などといった懸念がある。従って、圧粉体の相対密度は、８０％以上８８％以下とするのが好ましい。なお、ここでいう「相対密度」は真密度比とも称され、以下の関係式から算出される。
相対密度＝（圧粉体全体の密度／真密度）×１００[％]
上式における「真密度」とは、溶製材のように素材内部に気孔が存在しない材料の理論密度を意味し、「圧粉体全体の密度」は、例えばＪＩＳ Ｚ２５０１に規定された方法により測定することができる。

圧粉体は、銅粉末と、酸化物皮膜を形成可能な金属粉末としての鉄粉末とを混合してなる原料粉末の圧粉体とするのが好ましい。圧粉体が銅粉末を含むことにより、軸受隙間を形成する面（軸受面）の摺動性を高めることができる一方、上記金属粉末として安価で入手性に優れた鉄粉末を採用することにより、動圧軸受のコスト増を抑制することができる。この場合、例えば、コスト及び強度を重視するのであれば、銅粉末よりも鉄粉末の配合割合を高くし、軸受面の摺動性を重視するのであれば、鉄粉末よりも銅粉末の配合割合を高くすれば良い。

水蒸気処理を圧粉体に２０分以上施せば、動圧軸受に必要とされる強度（圧環強度１５０ＭＰａ以上）を確保することができる。一方、圧粉体に施す水蒸気処理は、その処理時間を長くするほど酸化物皮膜の生成が進展して圧粉体の強度を高め得るというわけではなく、所定の処理時間を超えると、酸化物皮膜の生成が停止して圧粉体の強度向上効果が飽和する。また、水蒸気処理の処理時間が長くなるほど、水蒸気処理に要するコスト、ひいては動圧軸受の製造コストが増大する。従って、水蒸気処理の処理時間は、２０分以上６０分以下に設定するのが好ましい。

本発明に係る動圧軸受は、潤滑油を含浸させた状態、すなわち含油動圧軸受として使用することができる。

また、本発明に係る動圧軸受は、低コストに製造可能でありながら、実使用に耐え得るだけの強度を具備し、所望の軸受性能を安定的に発揮することができるので、この動圧軸受と、動圧軸受に対して相対回転する軸部材とで、軸部材を動圧軸受に対して相対回転可能に非接触支持する流体動圧軸受装置を構成することができる。この流体動圧軸受装置は、例えばＰＣ用のファンモータや、ディスク駆動装置用のスピンドルモータ等の各種モータに組み込んで好適に使用することができ、しかも各種モータの低コスト化に寄与することができる。

以上より、本発明によれば、低コストに製造可能でありながら、実使用に耐え得るだけの強度を具備し、所望の軸受性能を安定的に発揮することのできる動圧軸受を提供することができる。

本発明の実施形態に係る動圧軸受を構成部材とした流体動圧軸受装置の一例を示す断面図である。 図１に示す動圧軸受の断面図である。 図１に示す動圧軸受の下端面を示す平面図である。 圧粉体の圧縮成形工程を模式的に示す図であって、（ａ）図は同工程の初期段階を示す図、（ｂ）図は同工程の途中段階を示す図である。 本発明に係る動圧軸受の相対密度と圧環強度の相関関係を示す図である。 本発明に係る動圧軸受および焼結体からなる動圧軸受の相対密度と透過率の相関関係を示す図である。 通油度の測定装置を概念的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係る動圧軸受１０を構成部材とした（動圧軸受１０を軸受スリーブ８として用いた）流体動圧軸受装置の一例を示す。図１に示す流体動圧軸受装置１は、軸受スリーブ８（動圧軸受１０）と、軸受スリーブ８の内周に挿入され、軸受スリーブ８に対して相対回転する軸部材２と、軸受スリーブ８を内周に保持した有底筒状のハウジング７と、ハウジング７の開口部をシールするシール部材９とを備える。ハウジング７の内部空間には、潤滑流体としての潤滑油（密な散点ハッチングで示す）が充填されている。なお、以下では、便宜上、シール部材９が設けられた側を下側、その軸方向反対側を下側として説明を進める。

ハウジング７は、円筒状の筒部７ａと、筒部７ａの下端開口を閉塞する底部７ｂとを一体に有する有底筒状をなしている。筒部７ａと底部７ｂの境界部には段部７ｃが設けられており、この段部７ｃの上端面に軸受スリーブ８の下端面８ｂを当接させることにより、ハウジング７に対する軸受スリーブ８の軸方向相対位置が決定付けられる。

底部７ｂの内底面７ｂ１には、軸部材２と軸受スリーブ８の相対回転時に、対向する軸部材２のフランジ部２ｂの下端面２ｂ２との間にスラスト軸受部Ｔ２のスラスト軸受隙間を形成する円環状のスラスト軸受面が設けられている。このスラスト軸受面には、スラスト軸受部Ｔ２のスラスト軸受隙間内の潤滑油に動圧作用を発生させるための動圧発生部（スラスト動圧発生部）が設けられている。図示は省略するが、このスラスト動圧発生部は、後述するスラスト動圧発生部Ｂと同様に、例えば、スパイラル形状の動圧溝と、この動圧溝を区画する凸状の丘部とを円周方向に交互に配して構成される。

シール部材９は円環状に形成され、ハウジング７の筒部７ａの内周面７ａ１に適宜の手段で固定される。シール部材９の内周面９ａは、下方に向けて漸次縮径したテーパ面状に形成され、対向する軸部材２の外周面２ａ１との間に下方に向けて径方向寸法を漸次縮小させたシール空間Ｓを形成する。シール空間Ｓは、ハウジング７の内部空間に充填された潤滑油の温度変化に伴う容積変化量を吸収するバッファ機能を有し、想定される温度変化の範囲内で潤滑油の油面を常にシール空間Ｓの軸方向範囲内に保持する。

軸部材２は、軸部２ａと、軸部２ａの下端に一体又は別体に設けられたフランジ部２ｂとを備える。軸部２ａの外周面２ａ１のうち、軸受スリーブ８の内周面８ａと対向する部分は、相対的に小径な円筒面状の中逃げ部２ｃが設けられている点を除いて凹凸のない平滑な円筒面に形成されている。また、フランジ部２ｂの上端面２ｂ１及び下端面２ｂ２は平滑な平坦面に形成されている。

軸受スリーブ８は、円筒状をなし、ハウジング７の内周面に適宜の手段で固定されている。軸受スリーブ８の内周面８ａには、軸部材２と軸受スリーブ８の相対回転時に、対向する軸部２ａの外周面２ａ１との間にラジアル軸受部Ｒ１，Ｒ２のラジアル軸受隙間を形成する円筒状のラジアル軸受面が軸方向の二箇所に離間して設けられている。２つのラジアル軸受面には、図２に示すように、ラジアル軸受隙間内の潤滑油に動圧作用を発生させるためのラジアル動圧発生部Ａ１，Ａ２がそれぞれ形成されている。図示例のラジアル動圧発生部Ａ１，Ａ２のそれぞれは、軸方向に対して傾斜した複数の上側動圧溝Ａａ１と、上側動圧溝Ａａ１とは反対方向に傾斜した複数の下側動圧溝Ａａ２と、動圧溝Ａａ１，Ａａ２を区画する凸状の丘部とで構成され、動圧溝Ａａ１，Ａａ２は全体としてヘリングボーン形状に配列されている。丘部は、周方向で隣り合う動圧溝間に設けられた傾斜丘部Ａｂと、上下の動圧溝Ａａ１，Ａａ２間に設けられ、傾斜丘部Ａｂと略同径の環状丘部Ａｃとからなる。

軸受スリーブ８の下端面８ｂには、軸部材２と軸受スリーブ８の相対回転時に、対向するフランジ部２ｂの上端面２ｂ１との間にスラスト軸受部Ｔ１のスラスト軸受隙間を形成する円環状のスラスト軸受面が設けられている。このスラスト軸受面には、図３に示すように、スラスト軸受部Ｔ１のスラスト軸受隙間内の潤滑油に動圧作用を発生させるための動圧発生部（スラスト動圧発生部）Ｂが形成されている。図示例のスラスト動圧発生部Ｂは、スパイラル形状の動圧溝Ｂａと、動圧溝Ｂａを区画する凸状の丘部Ｂｂとを円周方向に交互に配して構成される。

以上の構成を有する流体動圧軸受装置１において、軸部材２と軸受スリーブ８が相対回転すると、軸受スリーブ８の内周面８ａに設けた二つのラジアル軸受面と、これらに対向する軸部２ａの外周面２ａ１との間にラジアル軸受隙間がそれぞれ形成される。そして軸部材２と軸受スリーブ８の相対回転に伴い、両ラジアル軸受隙間に形成される油膜の圧力がラジアル動圧発生部Ａ１，Ａ２（動圧溝Ａａ１，Ａａ２）の動圧作用によって高められ、その結果、軸部材２をラジアル方向に相対回転自在に非接触支持するラジアル軸受部Ｒ１，Ｒ２が軸方向に離間した二箇所に形成される。このとき、軸部２ａの外周面２ａ１に中逃げ部２ｃを設けたことにより、二つのラジアル軸受隙間間には円筒状の潤滑油溜りが形成される。そのため、ラジアル軸受隙間における油膜切れ、すなわちラジアル軸受部Ｒ１，Ｒ２の軸受性能低下を可及的に防止することができる。

軸部材２と軸受スリーブ８の相対回転時には、ラジアル軸受部Ｒ１，Ｒ２のラジアル軸受隙間が形成されるのと同時に、軸受スリーブ８の下端面８ｂに設けたスラスト軸受面Ｂとこれに対向するフランジ部２ｂの上端面２ｂ１との間、および、ハウジング７の底部７ｂの内底面７ｂ１とこれに対向するフランジ部２ｂの下端面２ｂ２との間にスラスト軸受隙間がそれぞれ形成される。そして、軸部材２と軸受スリーブ８の相対回転に伴い、両スラスト軸受隙間に形成される油膜の圧力がスラスト動圧発生部Ｂ，Ｃ（動圧溝Ｂａ，Ｃａ）の動圧作用によってそれぞれ高められ、その結果、軸部材２をスラスト一方向および他方向に相対回転自在に非接触支持するスラスト軸受部Ｔ１，Ｔ２が形成される。

図示は省略するが、以上で説明した流体動圧軸受装置１は、例えば、（１）ディスク装置用のスピンドルモータ、（２）レーザビームプリンタ（ＬＢＰ）用のポリゴンスキャナモータ、あるいは（３）ＰＣ用のファンモータなどのモータ用軸受装置として用いられる。（１）の場合、例えば、軸部材２にディスク搭載面を有するディスクハブが一体又は別体に設けられ、（２）の場合、例えば、軸部材２にポリゴンミラーが一体又は別体に設けられる。また、（３）の場合、例えば、軸部材２に羽根を有するファンが一体又は別体に設けられる。

以上で説明した流体動圧軸受装置１では、軸受スリーブ８として用いた動圧軸受１０が特徴的な構成を有する。以下、本実施形態の動圧軸受１０の構造および製造方法について詳細に説明する。

動圧軸受１０は、酸化物皮膜を形成可能な金属粉末（ここでは鉄粉末）、さらには銅粉末を含む原料粉末の圧粉体を母体としており、圧粉体の相対密度は、８０％以上８８％以下とされる。このような圧粉体を母体とした動圧軸受１０は、図２中の拡大図に模式的に示すように、鉄粉末の粒子（Ｆｅ粒子）間に形成された酸化物皮膜１１（より詳細には、各Ｆｅ粒子の表面に生成され、隣接する粒子同士を結合した酸化物皮膜１１）を有しており、流体動圧軸受装置１に組み込んで使用できるだけの強度、具体的には１５０ＭＰａ以上の圧環強度を有する。このような構成を有する動圧軸受１０は、主に、圧縮成形工程、水蒸気処理工程および含油工程を順に経て製造される。以下、各工程について詳細に説明する。

［圧縮成形工程］
圧縮成形工程では、酸化物皮膜を形成可能な金属粉末を含む原料粉末を圧縮することにより、支持すべき軸（軸部材２）との間に軸受隙間を形成する面（ここでは内周面および一端面）に動圧発生部が型成形された圧粉体１０’を得る。圧粉体１０’は、例えば一軸加圧成形法により成形することができ、具体的には図４（ａ）（ｂ）に示すような成形金型装置２０を用いて圧粉体１０’を得ることができる。この成形金型装置２０は、圧粉体１０’の外周面を成形する円筒状のダイ２１と、ダイ２１の内周に配され、圧粉体１０’の内周面を成形するコアピン２２と、圧粉体１０’の一端面（下端面）および他端面（上端面）を成形する一対の下パンチ２３および上パンチ２４とを備え、コアピン２２、下パンチ２３および上パンチ２４はダイ２１に対して軸方向（上下）に相対移動可能とされる。コアピン２２の外周面には、圧粉体１０’の内周面に設けるべきラジアル動圧発生部Ａ１，Ａ２の形状に対応した凹凸状の型部２５，２５が上下に離間して設けられ、下パンチ２３の上端面には、圧粉体１０’の下端面に設けるべきスラスト動圧発生部Ｂの形状に対応した凹凸状の型部２６が設けられている。なお、型部２５，２６における凹部と凸部間の高低差は実際には数μｍ〜十数μｍ程度であるが、図４（ａ）（ｂ）では誇張して描いている。

以上の構成を有する成形金型装置２０において、まず、図４（ａ）に示すように、ダイ２１の内周にコアピン２２を配置した状態で下パンチ２３を下降させ、ダイ２１の内周面、コアピン２２の外周面および下パンチ２３の上端面でキャビティ２７を画成してから、キャビティ２７に原料粉末Ｍを充填する。ここで、本実施形態の原料粉末Ｍは、酸化物皮膜を形成可能な金属粉末としての鉄粉末と、銅粉末と、例えばアミドワックス系の固体潤滑剤粉末とを混合した混合粉末である。原料粉末Ｍに固体潤滑剤粉末を含めることにより、粉末の粒子同士の摩擦、さらには粉末と金型間の摩擦を低減して圧粉体１０’の成形性を高めることができる。

原料粉末Ｍを構成する鉄粉末としては、例えば還元鉄粉やアトマイズ鉄粉を使用可能であり、ここでは、多孔質状をなし、含油性に優れた還元鉄粉を使用する。また、銅粉末としては、電解銅粉やアトマイズ銅粉等を使用可能であり、ここでは、型内での流動性、さらには圧縮成形性を考慮して、電解銅粉とアトマイズ銅粉とを混合したものを使用する。原料粉末Ｍにおける鉄粉末と銅粉末の配合割合は要求特性に応じて任意に設定可能であり、例えば、質量比で、鉄粉末：４０％、銅粉末：６０％とすることができる。このように、鉄粉末よりも銅粉末の配合割合を高くした場合には、動圧軸受１０のラジアル軸受面およびスラスト軸受面の摺動性を十分に高めることができる。但し、動圧軸受１０に必要とされる強度を確保するためには、Ｆｅ粒子間（Ｆｅ粒子表面）に形成される酸化物皮膜１１（四酸化三鉄の皮膜）を介して隣接する粒子同士を結合する必要がある。このため、鉄粉末は、質量比で少なくとも３０％以上配合するのが好ましい。

また、コストや圧粉体１０’の成形性を考慮すると、鉄粉末として、その平均粒径が２０μｍ以上１００μｍ以下のものを使用するのが好ましい。また、型内での流動性や圧縮成形を考慮すると、銅粉末としては、その平均粒径が４５μｍ未満のものを使用するのが好ましい。

そして、図４（ｂ）に示すように上パンチ２４を下降移動させ、キャビティ２７に充填した原料粉末Ｍを軸方向に圧縮すると、円筒状の圧粉体１０’が成形される。このとき、圧粉体１０’の内周面には型部２５の形状が転写され、また、圧粉体１０’の一端面には型部２６の形状が転写される。これにより、円筒状の圧粉体１０’が圧縮成形されるのと同時に、圧粉体１０’の内周面および一端面にラジアル動圧発生部Ａ１，Ａ２およびスラスト動圧発生部Ｂが型成形される。図示は省略するが、圧粉体１０’の成形後には、上パンチ２４、下パンチ２３およびコアピン２２を上昇移動させ、圧粉体１０’をダイ２１から排出する。圧粉体１０’がダイ２１から排出されると、いわゆるスプリングバックにより圧粉体１０’の内周面および外周面が拡径し、圧粉体１０’の内周面とコアピン２２の外周面に設けた型部２５との軸方向における凹凸係合状態が解消される。これにより、圧粉体１０’の内周面に型成形されたラジアル動圧発生部Ａ１，Ａ２の形状を崩すことなく、圧粉体１０’の内周からコアピン２２を抜き取ることができる。

動圧軸受１０の母体となる圧粉体１０’は、その相対密度が８０％以上あれば、動圧軸受１０に必要とされる強度（圧環強度１５０ＭＰａ以上）を最終的に確保することができることが判明した（図５を参照）。そのため、本実施形態で採用した一軸加圧成形法であっても、相対密度８０％以上の圧粉体１０’を確実に得ることができる。一軸加圧成形法であれば、圧粉体１０’を得る際に利用できるその他の加圧成形法（例えば、多軸ＣＮＣプレスを用いた成形、冷間等方圧加圧法、熱間等方圧加圧法等）に比べて圧粉体１０’を低コストに得ることができるという利点がある。もちろん、一軸加圧成形法に替えて、多軸ＣＮＣプレスを用いた成形、冷間等方圧加圧法、熱間等方圧加圧法等を利用して圧粉体１０’を成形しても構わない。

［水蒸気処理工程］
水蒸気処理工程では、圧粉体１０’を酸化雰囲気中で４００〜５５０℃の範囲で加熱しながら所定時間水蒸気と反応させる。これにより、圧粉体１０’を構成するＦｅ粒子の表面に酸化物皮膜１１としての四酸化三鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）の皮膜が徐々に形成され、この皮膜が成長するのに伴って、隣接する粒子同士が酸化物皮膜１１を介して結合した動圧軸受１０が得られる。なお、水蒸気処理の処理時間は２０分以上とする。水蒸気処理を２０分以上施せば、動圧軸受１０に必要とされる強度を確保し得るだけの酸化物皮膜１１を圧粉体１０’に形成することができるからである。水蒸気処理は、その処理時間を長くするほど圧粉体１０’（動圧軸受１０）の強度を高め得るというわけではなく、所定の処理時間を超えると、酸化物皮膜１１の成長が停止して圧粉体１０’の強度向上効果が飽和する。また、水蒸気処理の処理時間が長くなるほど、水蒸気処理に要するコストが増大する。従って、水蒸気処理の処理時間は、２０分以上６０分以下とする。

なお、本実施形態では、圧粉体１０’の成形用粉末として、固体潤滑剤粉末を含む原料粉末Ｍを使用していることから、水蒸気処理を実施するのに先立って、圧粉体１０’に含まれる固体潤滑剤粉末を除去するための脱脂処理を実施するのが好ましい。酸化物皮膜１１の成長を促進し、動圧軸受１０に必要とされる強度（圧環強度１５０ＭＰａ以上）を確実に得るためである。

［含油工程］
この含油工程では、いわゆる真空含浸等の手法により、隣接する粒子間に酸化物皮膜１１（四酸化三鉄の皮膜）が形成された圧粉体１０’の内部気孔に潤滑油を含浸させる。なお、この含油工程は、必ずしも実施する必要はなく、圧粉体１０’をいわゆる含油動圧軸受として使用する場合にのみ実施すれば良い。

以上で説明したように、本実施形態に係る動圧軸受１０は、圧粉体１０’を母体とし、かつ圧粉体１０’に水蒸気処理を施すことによりＦｅ粒子相互間、さらにはＦｅ粒子−Ｃｕ粒子間に形成された酸化物皮膜１１としての四酸化三鉄の皮膜を有する。そして、この皮膜が、圧粉体１０’を構成する粒子同士の結合媒体として機能し、圧粉体を焼結したときに形成されるネッキングの役割を代替するので、圧粉体１０’をそのまま動圧軸受１０（軸受スリーブ８）として使用可能なレベル、具体的には圧環強度１５０ＭＰａ以上にまで高強度化することができる。

また、酸化物皮膜１１の存在により、圧粉体１０’の内部気孔の大きさが小さくなって圧粉体１０’の気孔率が低下する。そのため、この圧粉体１０’を動圧軸受１０として用いれば、圧粉体１０’の密度（相対密度）をいたずらに上げずとも、また、別途の封孔処理等を施さずとも、ラジアル軸受隙間およびスラスト軸受隙間に形成される油膜の剛性低下を可及的に防止し、所望の軸受性能を安定的に発揮可能な流体動圧軸受装置１を実現することができる。

また、酸化物皮膜１１を生成するために圧粉体１０’に施される水蒸気処理は、その処理温度が、圧粉体１０’を焼結する場合の加熱温度よりも格段に低いので、処理後における圧粉体１０’の寸法変化量を小さくすることができる。具体的に述べると、本実施形態で採用している材料組成の圧粉体１０’（Ｃｕ：４０質量％、Ｆｅ：６０質量％の圧粉体１０’）の場合、焼結ではその処理後に概ね０．５％程度生じる寸法変化量（ここでは収縮量）を、水蒸気処理では概ね０．３％程度にまで小さくすることができる。そのため、圧粉体１０’を焼結した場合には、焼結工程後の実施が必要不可欠であったサイジング等の整形加工を省略することも可能になる。また、寸法変化量を小さくできれば、圧粉体１０’を成形するための成形金型装置２０の設計が容易となる。さらに、処理温度が低ければ、処理時に必要なエネルギーも削減できるため、処理コストを低減できる。以上より、本発明によれば、実使用に耐え得るだけの強度を具備しつつ、所望の軸受性能を安定的に発揮することのできる動圧軸受１０を低コストに得ることができる。

ここで、本発明に係る動圧軸受１０が所望の圧環強度を有すると共に所望の軸受性能を安定的に発揮可能であることを実証するための確認試験を実施したので、詳細に述べる。これらの確認試験の実施に際し、成形金型装置２０の加圧力（成形圧力）を調整することで相対密度が相互に異なる５種類の圧粉体１０’（具体的には、鉄粉末及び銅粉末の配合割合を質量比で４０％及び６０％とした原料粉末Ｍを、相対密度が概ね８０％、８２．３％、８４．７％、８７％および８９．５％となるように圧縮成形した圧粉体１０’）を試験的に作製し、その後、これらの圧粉体１０’のそれぞれに水蒸気処理を５１０℃×４０分の条件で施して動圧軸受１０を得た。そして、まず、これら５種類の動圧軸受１０それぞれの圧環強度を測定したので、その結果を図５に示す。図５からも明らかなように、８０％以上の相対密度を有する圧粉体１０’に水蒸気処理を施した場合、動圧軸受１０に必要とされる圧環強度１５０ＭＰａ以上を確保することができる。

また、本発明に係る動圧軸受１０の油膜形成能力（軸受性能）を評価するために、試験的に作製した上記５種類の動圧軸受１０のそれぞれについて通油度を測定・算出した。さらに、本発明に係る動圧軸受１０の油膜形成能力が、焼結体からなる一般的な動圧軸受のそれとどの程度異なるのかを明らかにするために、上記５種類の圧粉体１０’を焼結することで得られた動圧軸受（焼結体からなる動圧軸受）のそれぞれについても通油度を測定・算出した。なお、通油度の値は、試験体のサイズによって左右されるため、算出した通油度を用いて、試験体のサイズに左右されずに油膜形成能力の判断材料として用い得る透過率を算出した。

上記の「通油度」とは、多孔質のワークが、その多孔質組織を介してどの程度潤滑油を流通させることができるのかを定量的に示すためのパラメータ［単位：ｇ／１０ｍｉｎ］であり、図７に示すような試験装置１００を用いて測定することができる。同図に示す試験装置１００は、円筒状の試験体Ｗ（ここでは上記の動圧軸受１０、あるいは圧粉体１０’の焼結体）を軸方向両側から挟持固定した筒状の保持部１０１，１０２と、油を貯留するタンク１０３と、タンク１０３内に貯留された油を保持部１０１に供給するための配管１０４とを備える。試料Ｗの軸方向両端部と保持部１０１，１０２との間は、図示しないシール体によりシールされている。以上の構成において、室温（２６〜２７℃）環境下でタンク１０３内に貯留された油（流体動圧軸受装置１の内部空間に充填される潤滑油と同種の潤滑油）に０．４ＭＰａの加圧力を負荷し、潤滑油を、配管１０４の内部流路および保持部１０１の内部流路１０５を介して試験体Ｗの軸方向貫通孔に１０分間供給し続ける。試験体Ｗの下方には、紙製又は布製の吸油体１０６が配されており、上記態様で試験体Ｗに潤滑油が供給されたときに試験体Ｗの外径面に開口した表面開口から滲み出して滴下した油を吸油体１０６で採取する。そして、試験前後における吸油体１０６の重量差から通油度を算出する。

次に、上記の「透過率」は、透過量［単位：ｍ^２］とも言うことができ、以下の関係式から算出される。

上記の関係式において、ｋ：透過率［ｍ^２］、μ：潤滑油の絶対粘度［Ｐａ・ｓ］、Ｌ：試験体の軸方向寸法［ｍ］、ｒ_１：試験体の内径寸法［ｍ］、ｒ_２：試験体の外径寸法［ｍ］、Δｐ：圧力差［Ｐａ］、ｑ：体積流量［ｍ^３／ｓ］である。但し、ここでの圧力差Δｐは上述した「通油度」の測定手順に倣ってΔｐ＝０．４ＭＰａ（０．４×１０^６Ｐａ）であり、また、体積流量ｑは、上記の試験装置１００を用いて算出した「通油度」を換算して得られる。

上記５種類の動圧軸受１０、および上記５種類の圧粉体１０’を焼結してなる焼結体の透過率を図６に示す。なお、動圧軸受１０のうち、相対密度８９．５％の圧粉体１０’を母体とする動圧軸受１０については、求められた透過率が１Ｅ^−１８［ｍ^２］よりも小さくなったために図６中への記載を省略している。図６からも明らかなように、圧粉体１０’に水蒸気処理を施してなる本発明に係る動圧軸受１０であれば、圧粉体１０’を焼結することで得られる一般的な動圧軸受よりも、相対密度が５％程度小さい圧粉体１０’を用いた場合と同等の油膜形成能力（軸受性能）を発揮することができる。

さらに言えば、相対密度が８０％以上の圧粉体１０’を母体とし、この圧粉体１０’に水蒸気処理を施せば動圧軸受１０に必要とされる強度、さらには油膜形成能力を確保することができる。但し、圧粉体１０’の相対密度が８８％を超える程度にまで高まると、水蒸気処理時に圧粉体の芯部にまで水蒸気を侵入させることが難しく、圧粉体の強度向上に寄与する酸化物皮膜を圧粉体の芯部に形成することが難しくなる、水蒸気処理に伴って大きな寸法変化が生じる、動圧軸受の内部気孔で保持し得る潤滑油量（動圧軸受の保油量）が少なくなる、などといった不都合が生じ得る。従って、圧粉体１０’の相対密度は、８０％以上８８％以下とするのが好ましい。

以上では、ラジアル荷重およびスラスト荷重（厳密にはスラスト一方向の荷重）を支持する動圧軸受１０に本発明を適用したが、本発明は、ラジアル荷重のみを支持する動圧軸受１０や、スラスト荷重のみを支持する動圧軸受１０にも好ましく適用することができる。また、ラジアル動圧発生部Ａ１，Ａ２は、ラジアル軸受隙間内の潤滑油に動圧作用を発生させ得るものであればその形態は特に問わず、例えば多円弧面で構成することもできる。

また、本発明に係る動圧軸受１０を構成部材として用い得る流体動圧軸受装置は、図１に示す流体動圧軸受装置１に限定されないのはもちろんである。

１ 流体動圧軸受装置
２ 軸部材（支持すべき軸）
２ａ 軸部
２ｂ フランジ部
８ 軸受スリーブ
８ａ 内周面
８ｂ 下端面
９ シール部材
１０ 動圧軸受
１１ 酸化物皮膜
２０ 成形金型装置
Ａ１，Ａ２ ラジアル動圧発生部（動圧発生部）
Ｂ スラスト動圧発生部（動圧発生部）
Ｒ１，Ｒ２ ラジアル軸受部
Ｔ１，Ｔ２ スラスト軸受部

Claims (8)

1. 酸化物皮膜を形成可能な金属粉末を含む原料粉末の圧粉体を母体とし、支持すべき軸との間に軸受隙間を形成する面に、型成形された動圧発生部を有する動圧軸受であって、
   前記圧粉体に水蒸気処理を施すことにより前記金属粉末の粒子間に形成された酸化物皮膜を有し、１５０ＭＰａ以上の圧環強度を有することを特徴とする動圧軸受。
2. 前記圧粉体の相対密度が８０％以上８８％以下である請求項１に記載の動圧軸受。
3. 前記圧粉体が、銅粉末と、前記金属粉末としての鉄粉末とを混合してなる原料粉末の圧粉体である請求項１又は２に記載の動圧軸受。
4. 前記圧粉体の内部気孔に潤滑油を含浸させてなる請求項１〜３の何れか一項に記載の動圧軸受。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の動圧軸受と、該動圧軸受に対して相対回転する軸部材と、を備える流体動圧軸受装置。
6. １５０ＭＰａ以上の圧環強度を有する動圧軸受を製造するための方法であって、
   酸化物皮膜を形成可能な金属粉末を含む原料粉末を圧縮し、支持すべき軸との間に軸受隙間を形成する面に動圧発生部が型成形された圧粉体を得る圧縮成形工程と、
   前記圧粉体に水蒸気処理を施し、前記圧粉体を構成する前記金属粉末の粒子間に酸化物皮膜を形成する水蒸気処理工程と、を備えることを特徴とする動圧軸受の製造方法。
7. 前記水蒸気処理の処理温度を４００℃以上５５０℃以下に設定した請求項６に記載の動圧軸受の製造方法。
8. 前記水蒸気処理の処理時間を２０分以上６０分以下に設定した請求項６又は７に記載の動圧軸受の製造方法。

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