(57)【要約】【課題】軸受に四三酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）皮膜を形成することにより、表面粗さを改善し、耐食性や耐摩耗性の向上をはかる。【解決手段】圧粉成型金属焼結体の多孔質素材に４００〜６００℃の雰囲気温度内において水蒸気処理を施すことにより、Ｆｅ３Ｏ４皮膜を形成する。これにより、耐食性や耐摩耗性の向上をはかることができ、またメッキの下地処理としても好都合であり、とくに流体動圧軸受として最適である。さらにはコストの低減も期待できる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧粉成型金属焼結体素材に水蒸気処理を施すことにより、多孔質表面にＦｅ３Ｏ４皮膜を形成するようにした流体動圧軸受の製造方法。
【請求項２】
圧粉成型金属焼結体素材に対し、４００〜６００℃の雰囲気温度内において水蒸気処理を施すことにより、多孔質表面にＦｅ３Ｏ４皮膜を形成するようにした流体動圧軸受の製造方法。
【請求項３】
圧粉成型金属焼結体素材に対する水蒸気処理時間が２５〜８０分であるところの請求項２に記載の流体動圧軸受の製造方法。
【請求項４】
圧粉成型金属焼結体素材に対し、４５０〜５５０℃の雰囲気温度内において水蒸気処理を施すことにより、多孔質表面にＦｅ３Ｏ４皮膜を形成するようにした流体動圧軸受の製造方法。
【請求項５】
圧粉成型金属焼結体素材に対する水蒸気処理時間が４０〜６５分であるところの請求項４に記載の流体動圧軸受の製造方法。
【請求項６】
圧粉成型金属焼結体素材の体積密度が８０％以上、さらに好ましくは８５％以上であるところの請求項１・２・４のいずれか１に記載の流体動圧軸受の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は非接触摺動で回転軸を支持する流体動圧軸受の製造方法に関し、モータの耐久性および回転精度の向上ならびに低ノイズ化、さらにはコストの低減をはかることを目的とする。
【背景技術】
【０００２】
近年ＡＶ機器やＯＡ機器類等の高精度化に伴い、とくにハードディスクドライブや、各種ＤＶＤあるいはＣＤ読み取り用等のスピンドルモータ、あるいはファンモータ等のモータの回転精度向上、低ノイズ化の要請が著しく高まりつつあり、これらの要請に応えるべく非接触でモータ軸を支持する流体動圧型の軸受が注目されている。
【０００３】
ヘリングボーン溝付きなど、軸受内周面や端面に溝を施した流体動圧型軸受の普及に伴い、回転精度の向上等さらなる性能の向上や低コスト化の要請が高まるなか、軸受内周面や端面への溝の切削加工が不要な金属粉末の圧粉焼結体が多用されるようになった。金属粉末の圧粉焼結体により成型される軸受は、従来の軸受装置の課題、すなわち真鍮など銅系の軸受とステンレス回転軸との組み合わせのような、それぞれの部材の熱線膨張係数差による使用環境温度範囲が狭いこと、また回転軸と軸受間の適正クリアランス維持が困難であるところから回転精度の向上には自ずと限界があること、等の課題を一応解決できる。
【０００４】
また、軸受の材質を鉄系のものにすることで回転軸との熱線膨張係数差を縮小することもできるが、一般的に鉄系材は動圧溝などの切削加工性が悪く、切削工具の短寿命化や切削後の軸受内径精度悪化による管理費増大などにより量産性ならびに低コスト化が困難となるので現実的ではない等の課題も解決することが可能ではある。
【０００５】
しかし、圧粉焼結体により成型される軸受は金属粉末を原料として用いるために、通常の工程では焼結体粒子間の空隙による連通孔の存在を完全に無くすことが不可能であるところから通気性が高まり、軸受表面で発生した動圧が上記した連通孔を通じて漏れ、圧力低下や回転軸の剛性、回転精度に悪影響を及ぼしやすい。
【０００６】
そこで、焼結体軸受に樹脂を含浸させて気孔を封孔するようにした技術がすでに提案されている（特許文献１参照）。また純鉄では焼結体軸受に樹脂を含浸させて気孔を封孔した後に表面硬度不足を補うためにメッキを施すこともおこなわれている。さらに焼結体軸受に樹脂、あるいは金属、ガラスなどの物質を含浸させて気孔を封孔した後に焼結体軸受表面に金属粒子や樹脂粒子を用いたショットブラストを施すことにより気孔開口部を縮小させることも考えられる。
【特許文献１】特開平８−２２１８９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、圧粉焼結体軸受に樹脂を含浸させる場合においては、通常の工程において樹脂含浸材が軸受材表面に残留しやすく、寸法精度に悪影響を及ぼしやすいこと、また樹脂表面にはメッキが付き難く、樹脂含浸前の空孔が大きい場合には後処理としてのメッキが不完全になりがちであること、さらに純鉄では表面硬度不足を補う必要から軸受材表面にメッキ処理を施すが、空孔内のメッキ液の完全除去が困難であるところから、残留メッキ液による金属腐食を招き易いこと、さらに樹脂含浸量の管理が難しく、しかも樹脂含浸により真密度（＝空孔無し）に達する可能性もあるために樹脂含浸後の寸法精度向上を目的とした金型内再圧縮は難しいこと、などのさらなる課題が残されている。
【０００８】
また樹脂含浸後には個々の軸受材について洗浄をおこなう必要があるが、これらを一括しておこなうと、軸受材同士が当たって打痕ができるところから、打痕を嫌う場合には各軸受材を個別洗浄する必要があるところからコストの上昇に繋がること、さらには含浸させた樹脂が流体動圧軸受ユニットに用いられる潤滑油などの流体と反応して膨潤や収縮を起こす場合があり、やはり精度上の不安材料となりがちである等の問題がある。
【０００９】
さらに、焼結体軸受に樹脂その他の物質を含浸させて気孔を封孔した後に焼結体軸受表面にショットブラストを施す場合においては、一般的に軸受の表面粗さが悪化し、流体動圧用軸受としては不向きとなるのみならず、寸法精度も悪化して製品バラツキを生ずるほか、軸受材に残留するショット粉除去のための洗浄工程を別途必要とするためコスト高となる等の問題もある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで本発明は、上記した従来技術では不十分とされる金属粉末焼結体による軸受の課題を解決し、流体動圧軸受を用いたモータの耐久性および回転精度の向上ならびに低ノイズ化、さらにはコストの低減をはかるようにしたものであって、具体的には第１の発明は、圧粉成型金属焼結体素材に水蒸気処理を施すことにより、多孔質表面にＦｅ３Ｏ４皮膜を形成するようにした流体動圧軸受の製造方法に関する。さらに第２の発明は、圧粉成型金属焼結体素材に対し、４００〜６００℃の雰囲気温度内において水蒸気処理を施すことにより、多孔質表面にＦｅ３Ｏ４皮膜を形成するようにした流体動圧軸受の製造方法に関する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は上記したように、圧粉成型金属焼結体の多孔質素材に水蒸気処理を施すことにより、多孔質表面にＦｅ３Ｏ４皮膜を形成するようにし、また圧粉成型金属焼結体の多孔質素材に４００〜６００℃の雰囲気温度内において水蒸気処理を施すことにより、Ｆｅ３Ｏ４皮膜を形成するようにしたものであるために、焼結体素材の空孔を通じて内部にまでＦｅ３Ｏ４皮膜が生成され、多孔質の空孔が十分に封孔されて機械的強度が増すばかりでなく焼結体軸受の表面粗さが改善され、しかも含浸される材料が樹脂ではなくＦｅ３Ｏ４皮膜であるところから耐食性や耐摩耗性の向上をはかることができ、またメッキの下地処理としても好都合であり、また出来上がった軸受製品は、とくに流体動圧軸受として最適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下において本発明の具体的な内容を説明すると、第１の発明は圧粉成型金属焼結体（スリーブ)素材の多孔質素材に水蒸気処理を施すことにより、四三酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）皮膜を形成するようにしたものである。この場合、圧粉成型に用いる金属粉末については、真鍮など銅系のものでもよいが、モータの回転軸との熱線膨張係数差を小さくするためには鉄系の粉末が好ましい。鉄粉を圧粉成型した後、これを焼結して軸受用の焼結体素材とする。
【００１３】
焼結体素材は多孔質であり、これを流体動圧軸受として用いた場合には動圧漏れによる圧力低下を招くために、サイジング処理を経た金属焼結軸受素材に対し、少なくともその内周面のモータ軸と摺接する部分に四三酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）皮膜を形成する。しかしこの場合に、単に金属焼結軸受素材の表面に水蒸気処理により四三酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）皮膜を施したとしても金属焼結軸受素材の表面が十分に封孔され難く、モータの駆動中に潤滑油を吸引して重量を増すなどの不具合を生じやすい。
【００１４】
そこで金属焼結軸受素材に対し、この四三酸化鉄（Ｆｅ３Ｏ４）皮膜を形成する方法が本発明の第２の発明であって、第２の発明は、圧粉成型金属焼結体素材に対し、４００〜６００℃の雰囲気温度内において水蒸気処理を施すことにより、多孔質表面にＦｅ３Ｏ４皮膜を形成するようにしたものである。
【００１５】
水蒸気処理は一般的に飽和水蒸気中に通した水素ガスを供給することにより酸化させるなどの手法により、これまではせいぜい２３０℃以下の比較的低温雰囲気で木材の成分分離や変形の永久固定、木質ボード類の寸法安定性付与、あるいは食品類についての安定化手段として知られているものであるが、処理温度および処理時間を変えることにより金属焼結軸受材に転用することに成功した。
【００１６】
水蒸気処理に用いるのは耐圧構造の熱処理炉が好ましく、内部に金属焼結軸受素材と水とを入れて施蓋により内部を密封した後、４００〜６００℃の高温度まで加熱する。加熱によって内部の水が蒸発し、チャンバー内の圧力が上昇して金属焼結軸受素材の熱処理が開始される。炉内温度にもよるが概ね水蒸気処理時間が２５〜８０分経過すると、金属焼結軸受素材表面にスピネル相酸化物であるＦｅ３Ｏ４の緻密で安定的な酸化皮膜が生成される。因みにこの場合の皮膜厚は５μｍ程度であり軸受の寸法精度への影響は殆どない。
【００１７】
なお、水蒸気処理の雰囲気温度については、４００℃未満では軸受素材に対するＦｅ３Ｏ４の十分な皮膜生成がおこなわれない。また反対に６００℃を超えてもＦｅ３Ｏ４の生成に変化はなく、また熱処理炉が高価となるところから４００〜６００℃の範囲内、さらに好ましくは４５０〜５５０℃の範囲内であるのが経済的観点よりみて理想的である。
【００１８】
また水蒸気処理に要する時間についても、雰囲気温度が上記したように４００〜６００℃の範囲内であるとした場合にＦｅ３Ｏ４の５μｍ程度の皮膜厚を得るためには雰囲気温度６００℃で凡そ２５分間、５５０℃の場合で凡そ４０分間、４５０℃の場合で凡そ６５分間、４００℃の場合で凡そ８０分間程度であるから２５〜８０分間の範囲内であるのが好ましい。
【００１９】
さらに、水蒸気処理後の封孔性および表面粗さ改善効果を十分にするためには、使用する金属焼結軸受素材の相対密度がある程度高くなければならない。すなわち金属焼結軸受素材の相対密度が低いとＦｅ３Ｏ４による封孔性が十分ではなく、表面粗さがあまり改善されないばかりでなくモータの使用中に潤滑油を吸引しやすくなる。
【００２０】
そこで本発明者らが、この点に関してさらに実験を重ねた結果、この場合に使用する金属焼結軸受素材の相対密度について、８０％未満のものでは表面粗さが目立ち、また封孔性が十分ではなかった。さらに８０％以上のもの、さらに好ましくは８５％以上のものでは表面粗さならびに封孔性が十分となることがわかった。
【００２１】
上記の水蒸気処理をおこなった金属焼結軸受素材については、その後必要に応じて再度サイジング処理を施すことにより、さらなる精度の向上をはかることができる。水蒸気処理を施した焼結軸受は耐蝕性や耐摩耗性、さらに機械的強度が向上するばかりでなく、表面が金属により覆われることになるためにメッキの下地処理としても優れ、とくに空孔が埋まることにより表面粗さがなくなり、流体動圧軸受として最適に利用しうる。
【００２２】
これらの諸点について具体的に説明をすると、圧粉成型金属焼結体の多孔質素材に４００〜６００℃の雰囲気温度内において水蒸気処理を施すことにより、空孔を小さくすることが可能で、樹脂表面に対するメッキ付着の困難性を減少してその後のメッキ処理の効果を良好にし、また処理条件によっては通気性をほぼゼロにすることが可能となり、動圧漏れによる圧力低下をなくし、軸剛性および回転精度を向上させることができるほか、メッキ液の浸入を防いで耐蝕性を良好にすることができ、また場合によってはメッキ処理自体を不要にすることもできる。
【００２３】
さらに樹脂を含浸させる場合に比べ、圧力や処理時間など水蒸気処理条件の管理が容易で生成されるＦｅ３Ｏ４の皮膜厚についても自在に調整が可能であり、また標準膜厚が５μｍ程度であるために、樹脂含浸の場合にみられる含浸樹脂の表面残留による寸法精度悪化量がきわめて小さく、また金型を用いた再圧縮による寸法矯正も可能となる。
【００２４】
水蒸気処理をおこなう場合においては、個々の軸受材同士を衝突させることなく処理作業を進めることができるので製品に打痕を生ずることがなく、また処理前に内部に残留した加工油を高温処理して除去することができるため、余分な洗浄工程を必要としない。さらに生成されたＦｅ３Ｏ４皮膜は、従来の樹脂含浸による場合のような軸受ユニットの潤滑油と反応し膨潤や収縮したりすることがなく、きわめて安定的である。
【００２５】
さらに在来技術のような、焼結体軸受に樹脂等を含浸させて気孔を封孔した後に焼結体軸受表面にショットブラストを施す場合に比べて皮膜面の粗さがなく粗度がきわめて小さいこと、さらに寸法精度や製品歩留り率が高いことから、とくに流体動圧軸受モータユニットに適しており、しかも残留ショット粉除去のための洗浄工程も必要としないからコストの低減をはかることもできる。
【実施例１】
【００２６】
鉄系粉末を圧粉した後、これを焼結し、さらにサイジングを施して３種類の軸受用素材を得、これを耐圧構造の熱処理炉〔東京熱処理工業(株)のバッチ式ホモ処理炉〕内に入れ、５５０℃まで水蒸気加熱した後、これを５５分間維持して水蒸気処理を実施した。その結果各軸受用素材表面に平均５．０μｍ厚のＦｅ３Ｏ４皮膜層が形成された。これをサンプル１〜３として以下の試験をおこなった。  なおこの場合に使用する熱処理炉については、上記のものに限らず、このほかにも例えばサンレー冷熱株式会社製の工業用過熱水蒸気処理炉（ＳＴ炉）やあるいはビット炉と蒸気発生装置の組み合わせなどであってもよい。
【００２７】
サンプル１〜３と従来品であるショットブラスト後に樹脂含浸を施したサンプルについて寸法、通気性、表面粗さについて計測した結果を図面に示す。図１はサイジング後であって水蒸気処理前、図２はサイジング後であって水蒸気処理後、図３はサイジング前であって水蒸気処理前、図４はサイジング前であって水蒸気処理後、図５はサイジング後であってショットブラストして樹脂含浸させたものをあらわしている。
【００２８】
〔外径変化〕
各サンプルの外径変化について比較すると、
〔処  理〕              〔サンプル〕        〔外径(mm)〕
［サイジング後、水蒸気処理前］        １                11.497
２                11.496
３                11.498
Ave.              11.4970
［サイジング後、水蒸気処理］          １                11.505
２                11.505
３                11.506
Ave.              11.5053
※上記のように水蒸気処理による外径の変化量は0.0083、平均膜厚は0.004程度であり、  水蒸気処理の前後で各サンプル共に外径寸法についてバラツキ幅に大きな差は認められ  ず、また酸化膜厚は平均して安定していた。
【００２９】
〔通気性〕
各サンプルの通気性について比較すると、
〔処  理〕            〔サンプル〕  〔圧力差(mmH2O)〕  〔流量(cm3)〕
［サイジング後、水蒸気処理前］      １              1781              37
２              1786              31
３              1789              44
［サイジング後、水蒸気処理後］      １              1798              2
２              1816              1
３              1810              0
［サイジング前、水蒸気処理前］      １              1778              307
２              1783              388
３              1785              373
［サイジング前、水蒸気処理後］      １              1804                2
２              1834                2
３              1828                2
［サイジング後、ショットブラスト＋樹脂含浸］
４              1819                4
５              1807                2
６              1815                1
※サイジングの前後に拘わらず、水蒸気処理を施したサンプルの通気性は、いずれも４以  下であり、この場合測定誤差を考慮すると略ゼロであると考えられる。
【００３０】
〔表面粗さ〕
各サンプルの表面粗さについて比較すると、
〔処  理〕            〔サンプル〕  〔Ｒａ(μｍ)〕〔Ｒｍａｘ(μｍ)〕
［サイジング後、水蒸気処理前］      １            0.1708          8.216
２            0.1014          4.292
３            0.1250          4.504
Ave.          0.1324          5.6707
［サイジング後、水蒸気処理後］      １            0.1368          2.008
２            0.3479          5.792
３            0.3085          4.608
Ave.          0.2644          4.1360
［サイジング前、水蒸気処理前］      １            0.1726          2.984
２            0.1632          3.924
３            0.1966          4.676
Ave.          0.1775          3.8613
［サイジング前、水蒸気処理後］      １            0.3997          5.640
２            0.5214          6.088
３            0.5044          7.004
Ave.          0.4752          6.2440
［サイジング後、ショットブラストおよび樹脂含浸］
４            0.7616          9.456
５            0.8493          6.784
６            0.5481          6.600
Ave.          0.7197          7.6133
【００３１】
上記の表面粗さについて検討してみると、
※１．Ｒａについては、水蒸気処理により若干悪化の傾向があるが、ショットブラスト＋  樹脂含浸の場合に比べると十分に改善傾向がみられる。
※２．Ｒｍａｘについては、サイジング前では水蒸気処理により若干悪化の傾向がみられるが、サイジング後では十分に改善された。これは水蒸気処理前の空孔量の差が影響し  たものと考えられる。
※３．ショットブラスト＋樹脂含浸の場合と比べると、サイジングの前後を問わず、水蒸  気処理を施した場合のほうが格段に良好であった。
【００３２】
なお、本発明における圧粉成型金属焼結体の多孔質素材に対する水蒸気処理として４００〜６００℃の雰囲気温度内であることを条件としたが、このほかにも無酸化（不活性）条件での加熱加工を容易に行うことができる過熱水蒸気処理に遠赤外線加熱を併用することにより、上記の雰囲気温度範囲よりも低い低エネルギー負荷型の過熱水蒸気処理装置を用いてより低い温度条件により同様のＦｅ３Ｏ４皮膜形成をおこなうことも可能である。
【００３３】
過熱水蒸気処理は伝熱速度は高いが熱効率が低い欠点を有するため、上記の無酸素加熱加工処理法によれば、過熱水蒸気処理の長所に加えて極めて高い熱効率を実現することができ、軸受品質の向上のほか、処理時間の短縮化とコストの低減をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】サイジング後であって水蒸気処理前の寸法、通気性、表面粗さについて計測した結果をあらわしたパラメータグラフ。
【図２】サイジング後であって水蒸気処理後の寸法、通気性、表面粗さについて計測した結果をあらわしたパラメータグラフ。
【図３】サイジング前であって水蒸気処理前の寸法、通気性、表面粗さについて計測した結果をあらわしたパラメータグラフ。
【図４】サイジング前であって水蒸気処理後の寸法、通気性、表面粗さについて計測した結果をあらわしたパラメータグラフ。
【図５】サイジング後であってショットブラストして樹脂含浸させた場合の寸法、通気性、表面粗さについて計測した結果をあらわしたパラメータグラフ。
【図１】
2007057068.tif 000002
【図２】
2007057068.tif 000003
【図３】
2007057068.tif 000004
【図４】
2007057068.tif 000005
【図５】
2007057068.tif 000006