JP2018091369A - Dynamic pressure bearing and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、動圧軸受及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a hydrodynamic bearing and a manufacturing method thereof.
動圧軸受は、相対回転する軸との間の軸受隙間に生じる流体圧力で、軸を非接触支持するものである。動圧軸受の内周面には、軸受隙間に満たされた油(又はグリース、以下同様)等の潤滑流体に動圧を発生させるラジアル動圧発生部(例えば動圧溝)が形成される。 A hydrodynamic bearing is a fluid pressure generated in a bearing gap between a relatively rotating shaft and supports the shaft in a non-contact manner. A radial dynamic pressure generating portion (for example, a dynamic pressure groove) that generates dynamic pressure in a lubricating fluid such as oil (or grease, the same applies hereinafter) filled in the bearing gap is formed on the inner peripheral surface of the dynamic pressure bearing.
動圧軸受の内周面と軸の外周面との間には、数μm程度の軸受隙間が形成されるため、動圧軸受の内周面は高精度に成形する必要がある。また、動圧軸受の内周面には、軸受隙間の幅と同程度の深さの動圧溝が成形されるが、この動圧溝の寸法精度が崩れると、軸受隙間の流体圧が十分に高まらず、負荷容量や軸受剛性の低下を招く。このため、動圧軸受の内周面及び動圧溝は、高い寸法精度が要求される。 Since a bearing gap of about several μm is formed between the inner peripheral surface of the dynamic pressure bearing and the outer peripheral surface of the shaft, the inner peripheral surface of the dynamic pressure bearing needs to be formed with high accuracy. In addition, a dynamic pressure groove having a depth about the same as the width of the bearing gap is formed on the inner peripheral surface of the dynamic pressure bearing. However, if the dimensional accuracy of the dynamic pressure groove is lost, the fluid pressure in the bearing gap is sufficient. However, the load capacity and bearing rigidity are reduced. For this reason, the inner peripheral surface and the dynamic pressure groove of the dynamic pressure bearing are required to have high dimensional accuracy.
動圧溝は、例えば、軸受素材に金型を押し付けることにより型成形される。例えば特許文献1では、圧粉体を焼結して焼結体を形成した後、サイジングを施す際に、焼結体の内周面に動圧溝を型成形している。具体的には、動圧溝の形状に対応した成形型を有するコアロッドを焼結体の内周に挿入し、この状態で焼結体およびコアロッドをダイに圧入することにより焼結体の内周面をコアロッドの成形型に押し付けて動圧溝を成形する。その後、焼結体およびコアロッドを上昇させてダイから排出することにより、ダイによる圧迫力が解放されて焼結体がスプリングバックにより拡径し、コアロッドから焼結体の内周面が離型される。 The dynamic pressure groove is molded by, for example, pressing a mold against a bearing material. For example, in Patent Document 1, after forming a sintered body by sintering a green compact, dynamic pressure grooves are formed on the inner peripheral surface of the sintered body when sizing is performed. Specifically, a core rod having a mold corresponding to the shape of the dynamic pressure groove is inserted into the inner periphery of the sintered body, and in this state, the sintered body and the core rod are press-fitted into the die, thereby causing the inner periphery of the sintered body to be The dynamic pressure groove is formed by pressing the surface against the core rod mold. After that, the sintered body and the core rod are raised and discharged from the die, so that the pressing force by the die is released, the diameter of the sintered body is expanded by the spring back, and the inner peripheral surface of the sintered body is released from the core rod. The
上記のように動圧軸受を焼結金属で形成する場合、圧粉体に対し高温(鉄系材料の場合、800〜1300℃)での焼結処理が施されるが、これにより寸法精度が大きく崩れてしまう。このため、焼結前の圧粉体に動圧溝を成形することはできず、焼結後に、焼結体の寸法矯正及び動圧溝の形成を目的とした上記のサイジングを施すことが必要となるため、コスト高を招く。 When the hydrodynamic bearing is formed of sintered metal as described above, the green compact is sintered at a high temperature (800 to 1300 ° C. in the case of an iron-based material). It will collapse greatly. For this reason, dynamic pressure grooves cannot be formed in the green compact before sintering, and it is necessary to apply the above sizing for the purpose of dimensional correction of the sintered body and formation of dynamic pressure grooves after sintering. Therefore, the cost increases.
例えば、上記特許文献2では、動圧溝を型成形した圧粉体を水蒸気雰囲気中で加熱することにより、圧粉体を構成する金属粉末の粒子の表面に酸化物被膜を形成し、この酸化物被膜により前記粒子同士を結合することで、強度向上を図っている。このように酸化処理が施された圧粉体は、焼結体と比べると強度は劣るが、粒子同士が酸化物被膜で結合されているため、ある程度の強度を有する。この水蒸気処理時の加熱温度は400〜550℃程度であり、従来の焼結温度よりも格段に低いため、圧粉体、ひいては動圧溝の寸法変化が抑えられ、サイジングを施さなくても、要求される寸法精度を満足することができる。
For example, in
上記特許文献2では、銅粉と鉄粉とを混合した原料粉末により圧粉体が形成されている。しかし、本発明者の検証によれば、複数種の金属粉末を含む圧粉体に酸化処理を施すと、金属の種類によって酸化物被膜の形成状態に差異が生じるため、金属粉末の粒子表面に形成される酸化物被膜の厚さや、酸化物被膜と粒子との密着性が不均一となり、その結果、圧粉体の寸法精度が悪化することが明らかになった。
In the said
そこで、本発明は、酸化処理が施された圧粉体(以下、「酸化圧粉体」と言う)からなる動圧軸受の寸法精度を高めることを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to improve the dimensional accuracy of a dynamic pressure bearing made of a green compact (hereinafter referred to as “oxidized green compact”) that has been subjected to an oxidation treatment.
前記課題を解決するために、本発明は、内周面にラジアル動圧発生部を有し、金属粉末の粒子の表面に形成された酸化物被膜を介して前記粒子同士が結合された酸化圧粉体からなる動圧軸受において、前記酸化圧粉体に含まれる金属粉末の99wt%以上が、単一種の金属粉末で構成されたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides an oxidation pressure in which a radial dynamic pressure generating portion is provided on an inner peripheral surface and the particles are bonded to each other through an oxide film formed on the surface of the metal powder particles. The dynamic pressure bearing made of powder is characterized in that 99 wt% or more of the metal powder contained in the oxidized green powder is composed of a single type of metal powder.
また、前記課題を解決するために、本発明は、単一種の金属粉末が95wt%以上を占める原料粉末を圧縮して圧粉体を成形すると同時に、該圧粉体の内周面にラジアル動圧発生部を成形する工程と、前記圧粉体を加熱して、前記圧粉体を構成する金属粉末の粒子の表面に酸化物被膜を形成し、この酸化物被膜を介して前記粒子同士を結合して酸化圧粉体を得る工程とを有する。 In order to solve the above problems, the present invention compresses a raw material powder in which a single kind of metal powder occupies 95 wt% or more to form a green compact, and at the same time, forms a radial motion on the inner peripheral surface of the green compact. A step of forming a pressure generating portion; and heating the green compact to form an oxide film on the surface of the metal powder particles constituting the green compact, and the particles are bonded to each other through the oxide film. Bonding to obtain an oxidized green compact.
上記のように、本発明では、酸化圧粉体に含まれる金属粉末の99wt%以上を単一種の金属粉末で構成し、あるいは、圧粉体の原料粉末の95wt%以上を単一種の金属粉末で構成した。このように、圧粉体を、実質的に単一種の金属粉末で形成することにより、金属粉末の粒子表面に酸化物被膜を均一に形成することができるため、複数種の金属粉末を含む場合と比べて、加熱処理による圧粉体の寸法変化が抑えられ、動圧軸受(酸化圧粉体)の寸法精度、特に内周面及びラジアル動圧発生部(例えば動圧溝)の寸法精度が高められる。 As described above, in the present invention, 99 wt% or more of the metal powder contained in the oxidized green compact is constituted by a single kind of metal powder, or 95 wt% or more of the raw powder of the green compact is constituted by a single kind of metal powder. Consists of. In this way, when the green compact is formed of substantially a single type of metal powder, an oxide film can be uniformly formed on the particle surface of the metal powder. Compared with, the dimensional change of the green compact due to the heat treatment is suppressed, and the dimensional accuracy of the dynamic pressure bearing (oxidized green compact), especially the dimensional accuracy of the inner peripheral surface and the radial dynamic pressure generating part (for example, dynamic pressure groove) Enhanced.
尚、本発明で言う「単一種の金属粉末」とは、鉄粉や銅粉等の単一金属からなる粉末の他、例えば、各粒子が複数種の金属成分を有するプレアロイ粉からなる単一種の合金粉を含む。 The “single type metal powder” referred to in the present invention is a single type consisting of a pre-alloy powder in which each particle has a plurality of types of metal components in addition to a powder consisting of a single metal such as iron powder or copper powder. Containing alloy powder.
動圧軸受の耐久性(耐摩耗性)や強度、酸化物被膜の形成のしやすさ等を考慮すると、上記の圧粉体を構成する単一種の金属粉末としては、鉄粉を用いることが好ましい。 Considering the durability (wear resistance) and strength of the hydrodynamic bearing, the ease of forming an oxide film, etc., iron powder may be used as the single type of metal powder that constitutes the green compact. preferable.
一般的に、金属粉末の種類としては、還元粉、電解粉、アトマイズ粉などがある。電解粉は、粒子が樹枝形状であるため、粒子同士の絡み合いが多く、動圧軸受として必要な強度を得やすいが、樹枝形状の粒子表面に酸化物被膜を均一に形成することは困難である。アトマイズ粉は、粒子が略球状を成しているため、粒子表面に酸化物被膜が均一に形成されやすいが、粒子同士の絡み合いが少なく、動圧軸受として必要な強度を得ることが難しい。還元粉は、粒子内部に空隙を有しているため、圧縮成形により粒子同士が絡み合いやすく、強度を高めやすい。また、還元粉の粒子の形状は、比較的球形に近いため、粒子表面に酸化物被膜が均一に形成されやすい。以上より、上記の圧粉体を構成する単一種の金属粉末としては、還元粉を用いることが好ましい。 In general, the types of metal powder include reduced powder, electrolytic powder, atomized powder, and the like. Electrolytic powder has a dendritic shape, so the particles have many entanglements and it is easy to obtain the strength required for a hydrodynamic bearing, but it is difficult to uniformly form an oxide film on the dendritic particle surface. . Since the atomized powder has substantially spherical particles, an oxide film is easily formed uniformly on the particle surface, but there is little entanglement between the particles and it is difficult to obtain the strength required for a hydrodynamic bearing. Since the reduced powder has voids inside the particles, the particles are easily entangled by compression molding, and the strength is easily increased. Further, since the shape of the particles of the reduced powder is relatively close to a sphere, an oxide film is easily formed uniformly on the particle surface. From the above, it is preferable to use reduced powder as the single type of metal powder constituting the green compact.
上記の動圧軸受と、動圧軸受の内周に挿入された軸部材と、動圧軸受の内周面と軸部材の外周面との間のラジアル軸受隙間に生じる油膜の動圧作用で軸部材を相対回転自在に支持するラジアル軸受部とを備えた流体動圧軸受装置は、動圧軸受の寸法精度が高いことにより、高い負荷容量及び軸受剛性を有する。 The above-mentioned dynamic pressure bearing, the shaft member inserted in the inner periphery of the dynamic pressure bearing, and the dynamic pressure action of the oil film generated in the radial bearing gap between the inner peripheral surface of the dynamic pressure bearing and the outer peripheral surface of the shaft member A fluid dynamic pressure bearing device including a radial bearing portion that supports a member in a relatively rotatable manner has high load capacity and high bearing rigidity due to high dimensional accuracy of the dynamic pressure bearing.
上記の流体動圧軸受装置と、前記ハウジングおよび前記軸部材のうち、回転側に設けられたロータマグネットと、前記ハウジングおよび前記軸部材のうち、固定側に設けられたステータコイルとを備えたモータは、高回転精度を有する。 A motor including the fluid dynamic pressure bearing device described above, a rotor magnet provided on a rotating side of the housing and the shaft member, and a stator coil provided on a fixed side of the housing and the shaft member. Has high rotational accuracy.
前記圧粉体を空気雰囲気中で加熱することにより、水蒸気雰囲気中で加熱する場合と比べて、圧粉体の表面に酸化物被膜がマイルドに形成されるため、酸化圧粉体の表面の粗さやうねりが抑えられる。例えば、実質的に鉄粉のみからなる圧粉体を空気雰囲気中で加熱した場合、前記酸化物被膜は、例えばFe3O4又はFe2O3、あるいはこれらの混合体で形成される。 By heating the green compact in an air atmosphere, an oxide film is mildly formed on the surface of the green compact as compared with the case of heating in a water vapor atmosphere. Swelling is suppressed. For example, when a green compact consisting essentially of iron powder is heated in an air atmosphere, the oxide film is formed of, for example, Fe 3 O 4 or Fe 2 O 3 , or a mixture thereof.
以上のように、本発明によれば、酸化圧粉体からなる動圧軸受の寸法精度を高めることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to improve the dimensional accuracy of a hydrodynamic bearing made of oxidized green compact.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に示すスピンドルモータは、HDD等のディスク駆動装置に用いられるものであり、軸部材2を回転自在に非接触支持する流体動圧軸受装置1と、軸部材2に装着されたディスクハブ3と、例えば半径方向のギャップを介して対向させたステータコイル4およびロータマグネット5とを備えている。ステータコイル4はケーシング6に取付けられ、ロータマグネット5はディスクハブ3に取付けられる。流体動圧軸受装置1のハウジング7は、ケーシング6の内周に装着される。ディスクハブ3には、磁気ディスク等のディスクDが所定枚数保持される。ステータコイル4に通電すると、ステータコイル4とロータマグネット5との間の電磁力でロータマグネット5が回転し、それによって、ディスクハブ3および軸部材2が一体となって回転する。
The spindle motor shown in FIG. 1 is used in a disk drive device such as an HDD, and includes a fluid dynamic bearing device 1 that rotatably supports a
図2に示すように、流体動圧軸受装置1は、本発明の一実施形態に係る動圧軸受としての軸受スリーブ8と、軸受スリーブ8の内周に挿入された軸部材2と、軸受スリーブ8を内周に保持する有底筒状のハウジング7と、ハウジング7の軸方向一端の開口部に設けられたシール部9とを有する。図示例では、ハウジング7の側部7aと底部7bとが別体に形成され、ハウジング7の側部7aとシール部9とが一体に形成されている。尚、以下の説明では、便宜上、軸方向でハウジング7の閉塞側を下側、ハウジング7の開口側を上側と言うが、これは流体動圧軸受装置1の使用態様を限定する趣旨ではない。
As shown in FIG. 2, a fluid dynamic bearing device 1 includes a
軸部材2は、軸部2aと、軸部2aの下端に設けられたフランジ部2bとを備える。軸部材2は、例えば金属で形成され、本実施形態では、軸部2aおよびフランジ部2bを含む軸部材2全体がステンレス鋼で一体に形成される。
The
軸受スリーブ8は円筒状をなし、内周面8aに、軸部材2の外周面2a1と対向するラジアル軸受面が設けられる。図示例では、軸受スリーブ8の内周面8aの軸方向に離隔した2箇所にラジアル軸受面Aが形成される。各ラジアル軸受面Aには、ラジアル動圧発生部としての動圧溝が形成され、本実施形態では、図3に示すように、各ラジアル軸受面Aにへリングボーン形状に配列された動圧溝G1,G2が設けられる。図中クロスハッチングで示す領域は、内径側に盛り上がった丘部を示している(図4においても同様)。上側の動圧溝G1は軸方向で非対称な形状を成し、下側の動圧溝G2は軸方向で対称な形状を成している。軸方向非対称形状の上側の動圧溝G1により、ラジアル軸受隙間の油が軸方向に押し込まれ、ハウジング7の内部で油が強制的に循環される。尚、上下の動圧溝G1,G2の双方を軸方向対称形状としてもよい。また、上下の動圧溝G1,G2を軸方向で連続させたり、上下の動圧溝G1,G2の一方あるいは双方を省略したりしてもよい。また、ラジアル軸受面に、スパイラル形状の動圧溝や軸方向に延びる動圧溝を形成してもよい。
The
軸受スリーブ8の下側端面8bには、軸部材2のフランジ部2bの上側端面2b1と対向するスラスト軸受面Bが設けられる。スラスト軸受面Bには、スラスト動圧発生部として、図4に示すようなポンプインタイプのスパイラル形状の動圧溝G3が形成される。尚、動圧溝の形状として、ヘリングボーン形状や放射溝形状等を採用しても良い。また、軸受スリーブ8の下側端面8b(スラスト軸受面B)を平坦面として、軸部材2のフランジ部2bの上側端面2b1に動圧溝を形成してもよい。
A thrust bearing surface B facing the upper end surface 2b1 of the
軸受スリーブ8の上側端面8cには、環状溝8c1と、環状溝8c1の内径側に設けられた複数の半径方向溝8c2とが形成される(図3参照)。軸受スリーブ8の外周面8dには、複数の軸方向溝8d1が円周方向等間隔に設けられる。これらの軸方向溝8d1、環状溝8c1、及び半径方向溝8c2等を介して、軸部材2のフランジ部2bの外径側の空間がシール空間Sと連通することで、この空間における負圧の発生が防止される。尚、軸受スリーブ8の上側端面8cを平坦面とし、この面と当接するシール部9の下面に半径方向溝を設けてもよい。
An annular groove 8c1 and a plurality of radial grooves 8c2 provided on the inner diameter side of the annular groove 8c1 are formed on the
軸受スリーブ8は、酸化処理が施された圧粉体、すなわち、金属粉末の粒子同士が酸化物被膜を介して結合された圧粉体(酸化圧粉体)の内部気孔に油を含浸させた多孔質含油軸受である。本実施形態の軸受スリーブ8は、実質的に単一種の金属粉末からなる酸化圧粉体で構成され、具体的には、酸化圧粉体を構成する金属粉末の99wt%以上が、単一種の金属粉末(粒子表面の酸化物被膜を含む)で構成される。本実施形態では、軸受スリーブ8が、金属粉末として鉄粉(特に還元鉄粉)のみからなる酸化圧粉体で構成される。具体的に、軸受スリーブ8は、図5に示すように、鉄粒子11と、鉄粒子11の表面に形成された酸化物被膜12とからなる酸化圧粉体で構成される。鉄粒子11は、酸化物被膜12により互いに結合されている。詳しくは、各鉄粒子11の表面に形成された酸化物被膜12が、鉄粒子11間に行き渡ってネットワークを形成することにより、軸受スリーブ8の強度が確保されている。
The
軸受スリーブ8は、酸化物被膜12により鉄粒子11間の隙間(内部気孔)が減じられることで、含油率が4vol%以下、好ましくは2vol%以下とされる。軸受スリーブ8の表面、特にラジアル軸受面Aおよびスラスト軸受面Bには、内部気孔13bと連通していない多数の微小凹部13aや、内部気孔13bと連通した開口部13cが形成される。尚、軸受スリーブ8の含油率は、JIS Z 2501:2000に記載された開放気孔率の測定方法により測定される。
The
軸受スリーブ8の表面は、動圧溝G1、G2、G3の溝底面や、丘部の頂面および側面を含め、全域が型成形された面となっている。軸受スリーブ8には、サイジングが施されておらず、表面に摺動痕は形成されていない。
The entire surface of the
ハウジング7は、円筒状の側部7aと、側部7aの下端の開口部を閉塞する底部7bとを備える(図2参照)。本実施形態では、側部7aと底部7bとが別体に形成されている。側部7aは、樹脂あるいは金属で円筒状に形成される。側部7aの内周面7a1には、軸受スリーブ8の外周面8dが、接着や圧入等の適宜の手段で固定される。底部7bは、例えば、樹脂あるいは金属で円盤状に形成され、側部7aの下端部に、圧入、接着等の適宜の手段で固定される。底部7bの上側端面7b1にはスラスト軸受面Cが形成される。スラスト軸受面Cには、スラスト動圧発生部として、例えばポンプインタイプのスパイラル形状の動圧溝が形成される(図示省略)。尚、動圧溝の形状として、ヘリングボーン形状や放射溝形状等を採用しても良い。また、底部7bの上側端面7b1(スラスト軸受面C)を平坦面として、軸部材2のフランジ部2bの下側端面2b2に動圧溝を形成してもよい。また、ハウジング7の側部7aと底部7bとを一体に形成してもよい。
The
シール部9は、ハウジング7の側部7aの上端から内径側に突出している。本実施形態では、シール部9がハウジング7の側部7aと一体に形成される。シール部9の内周面9aは、下方に向けて漸次縮径したテーパ状を成す。シール部9の内周面9aと軸部2aの外周面2a1との間には、下方に向けて半径方向幅を徐々に狭めた断面楔状のシール空間Sが形成される。この他、シール部9の内周面を円筒面とする一方で、軸部2aの外周面に上方に向けて漸次縮径するテーパ面を設けたり、シール部9の内周面及び軸部2aの外周面の双方にテーパ面を設けたりしてもよい。また、シール部9を、ハウジング7の側部7aと別体に形成し、側部7aの上端開口部に固定してもよい。
The
上記の構成の流体動圧軸受装置1の内部に、油が注入される。本実施形態では、ハウジング7の内周の空間が、軸受スリーブ8の内部気孔を含めて油で満たされ、シール空間S内に油面が保持される。
Oil is injected into the fluid dynamic bearing device 1 having the above-described configuration. In the present embodiment, the inner circumferential space of the
軸部材2が回転すると、軸受スリーブ8の内周面8aのラジアル軸受面Aと軸部2aの外周面2a1との間にラジアル軸受隙間が形成され、ラジアル軸受面Aに設けられた動圧溝G1,G2によりラジアル軸受隙間の油膜の圧力が高められることで、軸部材2をラジアル方向に非接触支持する第1ラジアル軸受部R1及び第2ラジアル軸受部R2が構成される。これと同時に、軸受スリーブ8の下側端面8b(スラスト軸受面B)とフランジ部2bの上側端面2b1との間、及び、ハウジング7の底部7bの上側端面7b1(スラスト軸受面C)とフランジ部2bの下側端面2b2との間にそれぞれスラスト軸受隙間が形成され、各スラスト軸受面B、Cに設けられた動圧溝により各スラスト軸受隙間の油膜の圧力が高められることで、軸部材2を両スラスト方向に非接触支持する第1スラスト軸受部T1及び第2スラスト軸受部T2が構成される。
When the
本実施形態では、軸受スリーブ8の軸受面A、Bに、多数の微小凹部13aが設けられている(図5参照)。この微小凹部13aは、酸化物被膜12により内部気孔13bとの連通が遮断されており、油を保持する油溜まりとなる。軸部材2の回転時には、微小凹部13aに保持された油が軸受隙間に供給されることで、軸受隙間における油膜切れを防止して、軸受スリーブ8と軸部材2との摺動性を確保することができる。
In the present embodiment, a large number of
ここで、上記の軸受スリーブ8の製造方法を説明する。軸受スリーブ8は、圧粉工程、脱脂工程、酸化工程、及び含油工程を経て製造される。以下、各工程を詳しく説明する。
Here, a manufacturing method of the
(1)圧粉工程
圧粉工程は、原料粉末を金型に供給し、圧縮成形することで、円筒状の圧粉体を得る工程である。原料粉末は、粒子表面に酸化物被膜の形成が可能な金属粉末(イオン化傾向の大きな金属)を含む。原料粉末に含まれる金属粉末は、実質的に単一種の金属粉末からなる。具体的には、原料粉末に含まれる金属粉末の99wt%以上(あるいは、金属以外の成分を含む原料粉末全体の95wt%以上)が、単一種の金属粉末からなる。金属粉末としては、例えば鉄粉や銅粉等のように単一金属からなる粉末や、合金粉(例えば、予合金化したプレアロイ粉)を使用することができる。
(1) Compacting step The compacting step is a step of obtaining a cylindrical compact by supplying raw material powder to a mold and compression molding. The raw material powder includes a metal powder (a metal having a large ionization tendency) capable of forming an oxide film on the particle surface. The metal powder contained in the raw material powder is substantially composed of a single type of metal powder. Specifically, 99 wt% or more of the metal powder contained in the raw material powder (or 95 wt% or more of the entire raw material powder including components other than metals) is composed of a single type of metal powder. As the metal powder, for example, powder made of a single metal such as iron powder or copper powder, or alloy powder (for example, pre-alloyed pre-alloy powder) can be used.
原料粉末に含まれる金属粉末としては、還元粉、アトマイズ粉、電解粉等を使用できるが、還元粉を用いることが好ましい。本実施形態では、原料粉末に含まれる金属粉末が、還元粉(特に、還元鉄粉)のみで構成される。 As the metal powder contained in the raw material powder, reduced powder, atomized powder, electrolytic powder and the like can be used, but it is preferable to use reduced powder. In the present embodiment, the metal powder contained in the raw material powder is composed only of reduced powder (particularly reduced iron powder).
原料粉末には、後の圧粉工程における原料粉末と金型との潤滑、あるいは原料粉末同士の潤滑を担保するべく、成形用潤滑剤が添加される。成形用潤滑剤としては、金属セッケンやアミドワックスなどが使用できる。成形用潤滑剤は、粉末として原料粉末に混合する他、上記に挙げた成形用潤滑剤を溶剤に分散させた溶液を、金属粉末に噴霧又は浸漬させ、溶剤成分を揮発・除去することで、成形用潤滑剤を金属粉末の表面に被覆させてもよい。 A molding lubricant is added to the raw material powder in order to ensure lubrication between the raw material powder and the mold in the subsequent compacting process or between the raw material powders. As the molding lubricant, metal soap or amide wax can be used. The molding lubricant is mixed with the raw material powder as a powder, and a solution in which the above-mentioned molding lubricant is dispersed in a solvent is sprayed or immersed in a metal powder to volatilize and remove the solvent component. A molding lubricant may be coated on the surface of the metal powder.
本実施形態では、原料粉末が、鉄粉(還元鉄粉)および成形用潤滑剤のみからなる。原料粉末中の成形用潤滑剤は、例えば0.1〜1wt%、好ましくは0.3〜0.6wt%とされる。 In the present embodiment, the raw material powder consists only of iron powder (reduced iron powder) and a molding lubricant. The molding lubricant in the raw material powder is, for example, 0.1 to 1 wt%, preferably 0.3 to 0.6 wt%.
圧粉工程は、図6に示すフォーミング金型を用いて行われる。フォーミング金型は、ダイ21、コアロッド22、上パンチ23および下パンチ24を備える。コアロッド22の外周面には、動圧溝G1、G2に対応した形状の成形型22a、22bが設けられる。下パンチ24の上面には、動圧溝G3に対応した形状の成形型24aが設けられる。この他、図示は省略するが、ダイ21の内周面には、軸方向溝8d1に対応した形状の成形型が設けられ、上パンチ23の下面には、環状溝8c1および半径方向溝8c2に対応した形状の成形型が設けられる。
The compacting process is performed using a forming mold shown in FIG. The forming mold includes a die 21, a
まず、図6に示すように、ダイ21、コアロッド22、および下パンチ24で区画されたキャビティに、原料粉末Mを充填する。次に、図7に示すように、上パンチ23を降下させて原料粉末Mを圧縮し、圧粉体8’を成形する。これと同時に、コアロッド22の成形型22a、22bにより、圧粉体8’の内周面に動圧溝G1、G2が成形されると共に、下パンチ24の成形型24aにより、圧粉体8’の下側端面に動圧溝G3が成形される。尚、圧粉体8’の下側端面の動圧溝G3は、別工程で形成してもよい。
First, as shown in FIG. 6, a raw material powder M is filled into a cavity defined by a
その後、図8に示すように、圧粉体8’をダイ21の内周から排出することにより、圧粉体8’に加わっていた内径向きの力が解放され、圧粉体8’にスプリングバックが生じる。これにより、圧粉体8’の内周面が拡径し、圧粉体8’がコアロッド22の成形型22a、22bから離型される。
Thereafter, as shown in FIG. 8, the
通常、焼結部品においては密度が高い方が強度は向上する。しかし、本実施形態のように、圧粉体に酸化処理を施すことで高強度化を図る場合は、圧粉密度が高すぎると、圧粉体内部まで空気等の酸化性ガスが侵入できず、酸化物被膜の形成が圧粉体のごく表層に限られるため、強度が向上しにくくなる。この点に鑑み、圧粉密度は、7.2g/cm3以下(真密度比91%以下)、好ましくは7.0g/cm3以下(真密度比89%以下)とするのがよい。 Usually, in a sintered part, the higher the density, the higher the strength. However, as in this embodiment, in the case of increasing the strength by subjecting the green compact to oxidation treatment, if the density of the green compact is too high, an oxidizing gas such as air cannot penetrate into the green compact. Since the formation of the oxide film is limited to the very surface layer of the green compact, the strength is hardly improved. In view of this point, the green density is 7.2 g / cm 3 or less (true density ratio 91% or less), preferably 7.0 g / cm 3 or less (true density ratio 89% or less).
一方、圧粉密度が低すぎると、取扱い時に欠けや割れが発生してしまう(ラトラ値が大きい)、粒子間距離が長過ぎて酸化物被膜が粒子間にわたって形成されない、といった懸念がある。この点に鑑み、圧粉密度は、5.8g/cm3以上(真密度比74%以上)、好ましくは6.0g/cm3以上(真密度比76%以上)とするのがよい。特に、軸受スリーブ8の含油率を4vol%以下とするためには、圧粉密度を高めに設定することが好ましく、具体的には、圧粉密度を6.3g/cm3以上(真密度比80%以上)、好ましくは6.7g/cm3以上(真密度比85%以上)とするのがよい。尚、圧粉密度の測定は、寸法測定法による。また、圧粉体の密度は、後の脱脂工程および酸化工程を経てもほとんど変わらない。
On the other hand, if the powder density is too low, chipping or cracking may occur during handling (the rattra value is large), and there is a concern that the interparticle distance is too long to form an oxide film between the particles. In view of this point, the green density should be 5.8 g / cm 3 or more (true density ratio 74% or more), preferably 6.0 g / cm 3 or more (true density ratio 76% or more). In particular, in order to reduce the oil content of the
(2)脱脂工程
脱脂工程は、圧粉体を加熱して、圧粉体に含まれる成形用潤滑剤を除去(脱ろう)する工程である。脱脂工程は、成形用潤滑剤の分解温度より高く、後述の酸化工程よりも低い温度で行われ、例えば300〜500℃で30〜120分間加熱される。脱脂前の圧粉体8’は、図9の左図に示すように、鉄粒子11の間の隙間に成形用潤滑剤14が配されているが、脱脂工程を施すことにより、図9の中央図に示すように、成形用潤滑剤14が消失し、鉄粒子11のみからなる圧粉体8’が得られる。
(2) Degreasing process The degreasing process is a process in which the green compact is heated to remove (dewax) the molding lubricant contained in the green compact. The degreasing step is performed at a temperature higher than the decomposition temperature of the molding lubricant and lower than the below-described oxidation step, and is heated, for example, at 300 to 500 ° C. for 30 to 120 minutes. As shown in the left diagram of FIG. 9, the
従来の焼結軸受の製造工程では、焼結工程において圧粉体が高温で保持されるため、圧粉体に含まれる潤滑剤成分は分解し、焼結後の製品中には含まれない。しかし、本発明を適用した場合、圧粉体の密度や酸化処理温度、保持時間によっては潤滑剤成分が残存し得る。そのため、酸化処理に先立ち、あらかじめ潤滑剤成分を分解・除去するための脱脂工程を設け、脱脂工程後に連続して同じ雰囲気で酸化処理をする、といった手法を取ることが望ましい。ただし、脱脂工程を設けずに、成形用潤滑剤を含有したまま酸化処理をしても、高強度化が図られることは確認済みである。また、脱脂工程を、別途の加熱装置を用いて、酸化工程とは異なる雰囲気(例えば、不活性ガスや還元性ガス、真空中など)で実施してもよい。 In a conventional sintered bearing manufacturing process, since the green compact is held at a high temperature in the sintering process, the lubricant component contained in the green compact is decomposed and is not included in the sintered product. However, when the present invention is applied, the lubricant component may remain depending on the density of the green compact, the oxidation treatment temperature, and the holding time. Therefore, it is desirable to take a technique in which a degreasing process for decomposing and removing the lubricant component is provided in advance prior to the oxidation process, and the oxidation process is continuously performed in the same atmosphere after the degreasing process. However, it has been confirmed that high strength can be achieved even if an oxidation treatment is carried out while containing a molding lubricant without providing a degreasing step. In addition, the degreasing step may be performed in an atmosphere (for example, an inert gas, a reducing gas, or in a vacuum) different from the oxidation step using a separate heating device.
(3)酸化工程
酸化工程では、圧粉体を酸化性雰囲気中で加熱する。これにより、図9の右図に示すように金属粉末(鉄粉)の各粒子11の表面に酸化物被膜12を生成させ、この酸化物被膜12を介して粒子11同士を結合することで強度が高められ、酸化圧粉体8”が得られる。具体的には、酸化工程により、金属粉末の各粒子の表面に生成される酸化物被膜が、鉄粒子11間に行き渡ってネットワークを形成することで、従来のような高温での焼結による結合力を代替し、酸化圧粉体8”が高強度化される。また、本実施形態では、主成分となる鉄粉の全粒子が酸化物被膜を介して接合されているわけではなく、一部の粒子同士が酸化物被膜を介することなく直接接触して融着している。
(3) Oxidation step In the oxidation step, the green compact is heated in an oxidizing atmosphere. As a result, as shown in the right diagram of FIG. 9, the
酸化物被膜12の生成により、酸化圧粉体8”の内部気孔が減じられる(図5参照)。具体的には、酸化圧粉体8”の内部気孔の一部が酸化物被膜12で埋められたり、表面に開口した連通気孔が酸化物被膜12で塞がれて独立気孔となったりする。これにより、油が浸入可能な気孔が減じられ、含油率が低減される。本実施形態では、酸化物被膜12を生成することで、酸化圧粉体8”の含油率が4vol%以下となる。
The formation of the
上記の酸化処理の処理条件(加熱温度、加熱時間、加熱雰囲気)は、酸化圧粉体8”に、動圧軸受として要求される強度が付与され、且つ、酸化物被膜12により、酸化圧粉体8”の含油率が4vol%以下となるように設定される。具体的に、本実施形態の酸化工程における加熱温度は、350℃以上、好ましくは400℃以上に設定される。また、加熱温度が高すぎると、圧粉体の寸法変化が大きくなるため、加熱温度は600℃以下、好ましくは550℃以下に設定される。加熱時間は、5分〜2時間の範囲で、適宜設定され、例えば10〜20分とされる。酸化圧粉体8”は、軸受スリーブ8に必要とされる強度、具体的には圧環強さ120MPa以上、好ましくは150MPa以上を有する。
The processing conditions (heating temperature, heating time, heating atmosphere) of the above-described oxidation treatment are such that the strength required for a dynamic pressure bearing is imparted to the oxidized
加熱雰囲気は、積極的な酸化を促すために酸化性雰囲気とされる。ただし、水蒸気雰囲気は、酸化物被膜の生成速度が速すぎるため、水蒸気雰囲気よりも酸化物被膜の生成速度が遅い酸化性雰囲気とすることが好ましい。具体的には、空気又は酸素、あるいはこれらに窒素やアルゴンなどの不活性ガスを混合した酸化性ガスの何れかの雰囲気中で加熱することが好ましく、空気雰囲気中で加熱することが最も好ましい。空気雰囲気で酸化処理を行うことで、酸化圧粉体の表面に形成される酸化物被膜が抑えられるため、酸化圧粉体の表面粗さの低下を抑えることができる。また、軸受スリーブ8として使用に耐える強度(例えば圧環強さ120MPa以上)を得るためには、加熱雰囲気中の酸素分率を2vol%以上とすることが好ましい。 The heating atmosphere is an oxidizing atmosphere in order to promote positive oxidation. However, since the generation rate of the oxide film is too high in the water vapor atmosphere, it is preferable to use an oxidizing atmosphere in which the generation rate of the oxide film is lower than that of the water vapor atmosphere. Specifically, heating is preferably performed in an atmosphere of air or oxygen, or an oxidizing gas in which an inert gas such as nitrogen or argon is mixed, and most preferably heating is performed in an air atmosphere. By performing the oxidation treatment in an air atmosphere, the oxide film formed on the surface of the oxidized green compact can be suppressed, so that a reduction in the surface roughness of the oxidized green compact can be suppressed. Further, in order to obtain a strength that can be used as the bearing sleeve 8 (for example, a crushing strength of 120 MPa or more), the oxygen fraction in the heating atmosphere is preferably 2 vol% or more.
鉄粉の表面に形成される鉄酸化物被膜は、Fe3O4、Fe2O3、FeO等からなる。これらの酸化物被膜の比率は、材料および処理条件によって異なる。例えば、圧粉体を水蒸気雰囲気中で加熱した場合、酸化物被膜はほぼFe3O4のみからなる単一相となる。一方、圧粉体を空気雰囲気中で加熱した場合、酸化物被膜は、Fe3O4又はFe2O3あるいはこれらの混相となる。従って、酸化圧粉体に形成された酸化物被膜の組成を分析し、酸化物被膜にFe2O3が含まれていれば、圧粉体の酸化処理が空気雰囲気中で行われたと推定することができる。 The iron oxide film formed on the surface of the iron powder is made of Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3 , FeO, or the like. The ratio of these oxide coatings varies depending on the material and processing conditions. For example, when the green compact is heated in a water vapor atmosphere, the oxide coating becomes a single phase consisting essentially of Fe 3 O 4 . On the other hand, when the green compact is heated in an air atmosphere, the oxide film becomes Fe 3 O 4 or Fe 2 O 3 or a mixed phase thereof. Therefore, the composition of the oxide film formed on the oxidized green compact is analyzed, and if the oxide film contains Fe 2 O 3 , it is estimated that the green powder is oxidized in an air atmosphere. be able to.
上記の酸化工程は、従来の高温での焼結工程と比べて処理温度が低いため、酸化処理による圧粉体の寸法変化が抑えられる。また、上記のように、圧粉体を構成する金属粉末を、実質的に単一種の金属粉末(鉄粉)で構成することにより、金属粉末の粒子表面に酸化物被膜を均一に形成することができるため、酸化処理による圧粉体の寸法変化がさらに抑えられる。また、本実施形態では、圧粉体の酸化処理を空気雰囲気で行うことで、圧粉体の表面に酸化物被膜がマイルドに形成されるため、酸化処理により圧粉体の表面性状が粗くなることを防止できる。 Since the above oxidation process has a lower processing temperature than the conventional high temperature sintering process, the dimensional change of the green compact due to the oxidation process can be suppressed. Further, as described above, the metal powder constituting the green compact is substantially composed of a single type of metal powder (iron powder), thereby forming an oxide film uniformly on the particle surface of the metal powder. Therefore, the dimensional change of the green compact due to the oxidation treatment can be further suppressed. Moreover, in this embodiment, since the oxide film is mildly formed on the surface of the green compact by performing the oxidation treatment of the green compact in an air atmosphere, the surface properties of the green compact become rough due to the oxidation treatment. Can be prevented.
以上のように、酸化処理による圧粉体の寸法精度や表面精度の悪化が抑えられることで、金型で高精度に成形された圧粉体の寸法精度が維持される。特に、本実施形態のように、圧粉工程において圧粉体の成形と同時に動圧溝を成形した場合、その後の酸化工程による圧粉体の寸法変化が抑えられることで、圧粉体の内周面及び動圧溝の寸法精度(溝深さ等)が維持される。これにより、酸化工程後のサイジング工程を省略することができるため、軸受の製造工程が短縮され、コストが低減できると共に、軸受及びフォーミング金型の設計が容易になる。 As described above, the deterioration of the dimensional accuracy and surface accuracy of the green compact due to the oxidation treatment is suppressed, so that the dimensional accuracy of the green compact formed with high accuracy by the mold is maintained. In particular, as in this embodiment, when the dynamic pressure groove is formed at the same time as the green compact is formed in the green compacting process, the dimensional change of the green compact due to the subsequent oxidation process is suppressed, so that The dimensional accuracy (groove depth, etc.) of the peripheral surface and the dynamic pressure groove is maintained. Thereby, since the sizing process after the oxidation process can be omitted, the manufacturing process of the bearing can be shortened, the cost can be reduced, and the design of the bearing and the forming mold can be facilitated.
上記の酸化工程は、圧粉体の形状や寸法によらず適用可能である。また、酸化圧粉体の表面は酸化物被膜で覆われるため、防錆効果が高く、場合によっては防錆処理が不要となる。 The above oxidation step can be applied regardless of the shape and size of the green compact. Further, since the surface of the oxidized green compact is covered with an oxide film, the antirust effect is high, and in some cases, the antirust treatment is unnecessary.
(4)含油工程
含油工程では、酸化圧粉体の内部気孔に、油が含浸される。具体的には、減圧環境下で酸化圧粉体を油中に浸漬した後、大気圧に戻すことにより、酸化圧粉体の表面の開口部から内部気孔に油が入り込む。以上により、多孔質含油軸受としての軸受スリーブ8が完成する。尚、含油工程を省略し、内部に油が含浸されていない酸化圧粉体を用いて、流体動圧軸受装置1を組み立ててもよい。この場合、流体動圧軸受装置1の内部に真空含浸等により油を充填する際に、ドライ状態の酸化圧粉体の内部気孔に油が含浸されることで、多孔質含油軸受としての軸受スリーブ8が得られる。
(4) Oil impregnation step In the oil impregnation step, oil is impregnated into the internal pores of the oxidized green compact. Specifically, after the oxidized green compact is immersed in oil under a reduced pressure environment, the pressure is returned to atmospheric pressure, so that the oil enters the internal pores from the opening on the surface of the oxidized green compact. Thus, the
本発明の実施形態は上記に限られない。例えば、上記の実施形態では、軸受スリーブ8の下側端面8bにスラスト動圧発生部(動圧溝G3)が形成された場合を示したが、これに限らず、例えば、軸受スリーブ8の両端面にスラスト動圧発生部を形成してもよい。あるいは、軸受スリーブ8の何れの端面にもスラスト動圧発生部を設けない構成としてもよい。
The embodiment of the present invention is not limited to the above. For example, in the above-described embodiment, the case where the thrust dynamic pressure generating portion (dynamic pressure groove G3) is formed on the
また、上記の実施形態では、軸受スリーブ8(動圧軸受)が多孔質含油軸受であり、内部が油で満たされたフルフィルタイプの流体動圧軸受装置1に組み込まれた場合を示したが、これに限られない。例えば、軸受スリーブ8を、内部に空気と油が混在するパーシャルフィルタイプの流体動圧軸受装置に組み込んでもよい。この場合、軸受スリーブ8は、内部気孔に含浸される油量が上記実施形態よりも低い状態、あるいは内部気孔に積極的に油を含浸させない状態で使用することができる。
In the above embodiment, the case where the bearing sleeve 8 (dynamic pressure bearing) is a porous oil-impregnated bearing and is incorporated in the full-fill type fluid dynamic pressure bearing device 1 filled with oil is shown. It is not limited to this. For example, the
また、上記の実施形態では、軸受スリーブ8を固定し、軸部材2を回転させる、軸回転タイプの流体動圧軸受装置1を示したが、これとは逆に、軸部材2を固定し、軸受スリーブ8を回転させる、軸固定タイプの流体動圧軸受装置に本発明を適用してもよい。また、本発明に係る流体動圧軸受装置は、HDD等のディスク駆動装置用のスピンドルモータのみならず、冷却ファン用のファンモータやレーザビームプリンタ用のポリゴンスキャナモータなどに組み込んで使用することもできる。
In the above-described embodiment, the shaft rotation type fluid dynamic bearing device 1 in which the
本発明の効果を確認するために、以下の試験を行った。 In order to confirm the effect of the present invention, the following tests were conducted.
原料粉末が異なる3種類の圧粉体を成形し、各圧粉体を空気雰囲気下で加熱することにより、金属粉末の粒子同士が酸化物被膜で結合された3種の酸化圧粉体(試験片)を作製した。これらの試験片のうち、還元鉄粉のみからなる試験片を実施例1、アトマイズ鉄粉のみからなる試験片を実施例2、銅粉及び40%還元鉄粉からなる試験片を比較例とした。各試験片の圧環強さ及び寸法変化率の評価基準を下記の表1及び表2に示し、試験結果を下記の表3に示す。尚、圧環強さは、JIS Z 2507:2000に記載の方法で測定した。また、寸法変化率は、酸化処理前後の寸法変化の割合であり、以下の式に基づいて算出した。
寸法変化率(%)={(酸化処理後寸法−酸化処理前寸法)/酸化処理前寸法}×100
Three types of green compacts with different raw material powders are molded, and each green compact is heated in an air atmosphere to produce three types of oxidized green compacts in which metal powder particles are bonded with an oxide coating (test Piece). Among these test pieces, a test piece made only of reduced iron powder was used in Example 1, a test piece made only of atomized iron powder was used in Example 2, and a test piece made of copper powder and 40% reduced iron powder was used as a comparative example. . The evaluation criteria of the crushing strength and the dimensional change rate of each test piece are shown in Tables 1 and 2 below, and the test results are shown in Table 3 below. The crushing strength was measured by the method described in JIS Z 2507: 2000. The dimensional change rate is a ratio of dimensional change before and after the oxidation treatment, and was calculated based on the following equation.
Dimensional change rate (%) = {(size after oxidation treatment−size before oxidation treatment) / size before oxidation treatment} × 100
表3に示す試験結果から、単一種の金属粉末からなる実施例1及び2は、複数種の金属粉末からなる比較例よりも、寸法変化率が小さいことが確認された。また、実施例の中でも、還元鉄粉のみからなる実施例1は、アトマイズ鉄粉のみからなる実施例2よりも、圧環強さが高いことが確認された。 From the test results shown in Table 3, it was confirmed that Examples 1 and 2 composed of a single type of metal powder had a smaller dimensional change rate than the comparative example composed of a plurality of types of metal powder. Moreover, it was confirmed that Example 1 which consists only of reduced iron powder has higher crushing strength than Example 2 which consists only of atomized iron powder among Examples.
1 流体動圧軸受装置
2 軸部材
7 ハウジング
8 軸受スリーブ
8’ 圧粉体
8” 酸化圧粉体
9 シール部
11 鉄粒子
12 酸化物被膜
14 成形用潤滑剤
A ラジアル軸受面
B,C スラスト軸受面
G1,G2,G3 動圧溝
R1,R2 ラジアル軸受部
T1,T2 スラスト軸受部
S シール空間
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fluid dynamic
Claims (9)
前記酸化圧粉体に含まれる金属粉末の99wt%以上が、単一種の金属粉末で構成されたことを特徴とする動圧軸受。 In a dynamic pressure bearing formed of an oxidized green compact in which a radial dynamic pressure generating portion is formed on the inner peripheral surface and the particles are bonded to each other through an oxide coating formed on the surface of the metal powder particles,
A dynamic pressure bearing, wherein 99 wt% or more of the metal powder contained in the oxidized green powder is composed of a single type of metal powder.
The method for manufacturing a hydrodynamic bearing according to claim 8, wherein the oxide film is formed by heating the green compact in an air atmosphere.
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