(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
配合割合全体の３８．０〜４２．０ｗｔ％の鉄粉の表面全体を２５．３〜２８．０ｗｔ％の銅で被覆した銅被覆鉄粉と銅粉とからなる原料粉末を焼結して形成され、銅が５１．５〜５９．５ｗｔ％を占めることを特徴とする焼結含油軸受材。
【請求項２】
錫を１．０〜３．０ｗｔ％、黒鉛または二硫化モリブデンを０．５〜２．５ｗｔ％配合することを特徴とする請求項１の焼結含油軸受材。
【請求項３】
配合割合全体の３８．０〜４２．０ｗｔ％の鉄粉の表面全体を２５．３〜２８．０ｗｔ％の銅で被覆した銅被覆鉄粉と銅粉３１．２〜３２．６ｗｔ％を含む原料粉末を混合し、圧粉成形し、焼結した後、サイジングすることを特徴とする請求項１の焼結含油軸受材の製造方法。
【請求項４】
原料粉末に、錫粉１．０〜３．０ｗｔ％、黒鉛または二硫化モリブデンを０．５〜２．５ｗｔ％配合することを特徴とする請求項３の焼結含油軸受材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄粉粒子の表面の全体に銅を被覆した銅被覆鉄粉を主原料とした焼結含油軸受材およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
焼結合金材は含油軸受その他に広く利用されており、軸受に関してはＪＩＳ規格においても家庭用電気機器、音響機器、事務用機器、農業機械、運搬荷役用機器等に関して色々に規定され（例えば焼結含油軸受ならＪＩＳ  Ｂ  １５８１）、 その成分組成としても純鉄系（ＳＢＦ  １１１８）、鉄―銅系（ＳＢＦ  ２１１８及び２２１８）、鉄―炭素系（ＳＢＦ  ３１１８）、鉄―炭素―銅系（ＳＢＦ  ４１１８）、鉄―銅―鉛系（ＳＢＦ  ５１１０）、青銅系（ＳＢＫ  １１１２及び１２１８）、銅系、鉛青銅系（ＳＢＫ  ２１１８）など多様の材質、種類が挙げられる。
【０００３】
一例を挙げると、特公昭５５―３８０１９号には、鉄粉の各単一粒子毎の表面に３０〜６０ｗｔ％の銅を均一に被覆した複合粉を主材とし、これをそのまま或いは錫等の素地強化成分粉末を加えたものに、ステアリン酸亜鉛末、黒鉛、二硫化モリブデン、鉛等の潤滑成分粉末を配合し、混合、攪拌、成形した圧粉体を還元雰囲気中７５０〜１０００℃で焼結後、潤滑油を含浸させて成る鉄―銅系焼結軸受材料が開示されている。
【０００４】
一方、従来から銅を主材とした焼結軸受に関しても種々の材質のものが開発されており、これら銅を主材とした焼結軸受は鉄を主材とした焼結軸受に比べて一般に材質が柔らかくて相手材を傷つけにくく、耐摩耗性に優れており滑らかな摺動が行われる反面、機械的強度、特に降伏強さが低いという欠点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような従来の技術によるものにおいては、その成分組成の如何によりそれぞれの特性が得られるとしても、一般的に強度を重視する場合には鉄粉を用いることが不可欠であるが、この鉄系の軸受においては、耐食性に劣り、摩擦係数が大きくて相手部材を損耗する等、耐摩耗性に劣るという欠点がある。
【０００６】
このような鉄系焼結軸受の欠点を解消するものが、銅を主材とした焼結軸受である。しかしこれら銅系の焼結軸受は、材料強度が鉄系焼結軸受に比べて劣るために高負荷用軸受として用いることができず、また材料面からみても高価であるという欠点がある。そこで、銅系焼結軸受材料中に鉄粉を配して材料強度の向上をはかり、高負荷用軸受として用いることも試行されたが、軸受表面に鉄が露出しているために相手材を傷つけたり、耐食性が劣るという問題がある。
【０００７】
また、青銅系軸受は、強度及び耐摩耗性に優れ、滑り軸受等にも実用化されている。一般に軸受の耐摩耗性を向上させようとすると、材料に２０〜８０ｗｔ％の鉄粉を添加するのであるが、この配合では、青銅系軸受に比べて摺動特性、特に軸部材とのなじみ特性やトルク特性が劣ったものになる。
【０００８】
本発明の目的は、例えば光ディスク用スピンドルモータ等の軸部材を高速回転させる場合において、耐摩耗性および軸部材とのなじみ特性やトルク特性に優れた焼結含油軸受材およびその製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち請求項１の発明は、配合割合全体の３８．０〜４２．０ｗｔ％の鉄粉の表面全体を２５．３〜２８．０ｗｔ％の銅で被覆した銅被覆鉄粉と銅粉とからなる原料粉末を焼結して形成され、銅が５１．５〜５９．５ｗｔ％を占めることを特徴とする焼結含油軸受材である。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の焼結含油軸受材において、錫を１．０〜３．０ｗｔ％、黒鉛または二硫化モリブデンを０．５〜２．５ｗｔ％配合することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項３の発明は、配合割合全体の３８．０〜４２．０ｗｔ％の鉄粉の表面全体を２５．３〜２８．０ｗｔ％の銅で被覆した銅被覆鉄粉と銅粉３１．２〜３２．６ｗｔ％を含む原料粉末を混合し、圧粉成形し、焼結した後、サイジングすることを特徴とする請求項１の焼結含油軸受材の製造方法である。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項３の焼結含油軸受材の製造方法において、原料粉末に、錫粉１．０〜３．０ｗｔ％、固体潤滑剤を０．５〜２．５ｗｔ％配合することを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の焼結含油軸受材を適用すると、主原料として鉄粉の表面全体を銅で被覆してあるので、銅系の軸受材よりも材料強度が強く、また主原料に更に銅粉を加えることによりサイジング後の軸受内表面における鉄の露出量を少なくすることで、従来の鉄―銅系軸受材よりも耐摩耗性に優れ、また摺動特性（特になじみ特性やトルク特性）を向上させ得る。一例として前述した引用文献（特公昭５５―３８０１９号公報）に記載の先行技術では、鉄粉に銅を被覆はするものの、その主材に更に銅粉は加えない点において本発明とは異なる技術であり、鉄の配合割合を低く押さえることによる効果に違いが生じる。
【００１４】
因みになじみ特性及びトルク特性については、軸部材を軸受に嵌合させ軸受を固定し軸部材を高速回転させる際に、回転初期の軸部材と軸受との間の抵抗が少なく、初期から円滑な摺動接触状態にあることがなじみ特性が良い状態である。他方トルク特性は、本願の焼結含油軸受材の場合には、軸部材の高速回転開始から立ち上がりの段階において、摩擦係数が小さくて、軸部材にかかるモーメントつまりトルクが低い状態が、トルク特性が良好な状態である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の一形態を図面を参照しつつ詳述する。
【００１６】
この実施の形態の焼結含油軸受材は、鉄粉の表面全体を銅で被覆した銅被覆鉄粉と銅粉を主原料とし、それに更に錫等の素地強化成分粉末と、黒鉛または二硫化モリブデン等の固体潤滑剤を加えて配合し、混合、攪拌、圧粉成形（フォーミング、図３（Ａ））、した圧粉体を焼結、一次サイジング（図３（Ｂ））、二次サイジング（図３（Ｃ））、回転サイジングを行って焼結軸受材となし、更に超音波洗浄、潤滑油の含浸、遠心分離の諸工程を経て焼結含油軸受材とする。
【００１７】
本実施の形態の焼結含油軸受材において、図１（Ａ）に示すように鉄粉１の表面全体を粒子毎を単位として４０ｗｔ％銅２ａで被覆してあるので、銅被覆鉄粉の銅被覆量は配合割合全体の２５．３〜２８．０ｗｔ％となる。銅被覆量が２５．３％未満では銅被覆が薄すぎて軸受として軸部材との摺動時に皮膜が所期の大きさ以上に大きく破れて鉄が摺動面に大幅に露呈しやすいために相手材を傷つけ易く、滑らかな摺動も行われにくく、また鉄さびの発生が増大する。他方銅被覆量が２８．０％を超えると銅被覆が厚すぎて、摺動面下の鉄骨格による荷重保持効果が充分でないために高負荷用軸受として使用できず、また経済的でない。
【００１８】
鉄粉に対する銅の被覆操作は電気メッキ、溶融メッキ、無電解メッキ、溶射、ドライプレーティング等の手法で適切に実施し得る。その被覆量ないし被覆状態については電気メッキの場合においては通電量、通電時間により適宜に選ぶことができるし、溶融メッキの場合においても溶融温度あるいは鉄粉の予熱温度を制御して適切な範囲に被覆することができる。その他の場合においてもその処理条件如何で任意の被覆状態が形成される。
【００１９】
なお原材料である鉄粉粒子の大きさについては特に制限されないが、純鉄系焼結体製造のために従来一般的に採用されている＋８０メッシュ（１８０μｍ）〜−３２０メッシュ（約４０μｍ）程度より更に拡大した粒子範囲のものを採用することができる。すなわち比較的細粒のものでも銅被覆によって増径され粒径的に従来一般的範囲のものと同様に処理することが可能である。
【００２０】
銅被覆鉄粉粒子に対し錫粉も添加した後焼結することにより、銅被覆層は青銅化し、結果として得られた軸受は高い軸受性能が得られ、強度的にも優れたものとなる。
【００２１】
原料粉末を混合した後に圧粉成形をする。圧粉成形は、一般的に気孔率２３〜３８ｖｏｌ％、特に２６〜３２ｖｏｌ％程度であって、本実施の形態では約２７ｖｏｌ％である。気孔率が２６ｖｏｌ％未満、特に２３ｖｏｌ％未満では焼結後に行われるサイジングのための適正な圧縮代を確保し、かつこのサイジング後において含油軸受などとされる場合に目的の含油率を得るための気孔率を得ることが困難となる。これに対しこの気孔率が３２ｖｏｌ％を超え、特に３８ｖｏｌ％を超えるような大きな気孔率のものでは圧粉成形後の取り扱いないし焼結処理中において部分的欠損ないし破壊の危険性が高くなり、好ましくない。
【００２２】
圧粉成形されたものはエンドサーミックガス雰囲気中において焼結される。本実施の形態では燒結温度は８７０℃である。焼結温度が７５０℃以下では焼結程度が不充分で材料強度が低くなり、空孔量が減少し気孔率（結果的には含油率）が１８％以下となって満足すべき軸受性能が得られない。また焼結温度が１０００℃以上では焼結特性が不安定で銅に対する鉄の合金化の程度も大きく、軸受表面に鉄が露呈し相手材を傷つけやすく、円滑な摺動が得られにくく耐食性の面でも問題となる。なお、燒結時間は１時間である。
【００２３】
焼結後、焼結体をサイジングすることにより所定寸法の製品とする。すなわち焼結によって焼結体にある程度の歪みが生ずるため、これをサイジングし目的の寸法製品とすると共に、歪みや変形を矯正する。このサイジング時における矯正のための圧縮量は焼結体体積比で１５〜３５％程度であり、本実施の形態では約１６％である。１５％未満では上記のような矯正効果を充分に得難いし、また３５％を超えると焼結によってせっかく形成された焼結構造が損なわれ、特に本発明の場合のように軸受体などとして含油せしめた製品とするときには含油量が僅かとなり所期の潤滑性及び耐久性を求め難いこととなる。
【００２４】
焼結後にサイジング処理して目的の寸法および気孔率（含油率）を持った製品にするのであるが、このようなサイジングのための圧縮代は気孔率の２０〜３５％程度であって、本実施の形態では約２６％である。サイジング後に得られる製品の気孔率は１５〜２８％のものとして得られる。１５％未満では軸受として用いるにあたって好ましい含油量が得られないことになり、一方２８％を超えると強度的に劣った製品となる。より好ましい製品気孔率としては１８〜２４％であって、適切な強度、含油率などを得ることができる。
【００２５】
図１（Ａ）の組織図に示すように、サイジング時に適度に銅被覆部分２ａが削られ、鉄が表面に露出し、軸受本体の機械的強度と耐久性を向上させることができる。なおサイジング面は符号３で示してある。
【００２６】
また、鉄粉１の表面を銅被覆２ａした後、更に銅粉２を加え、鉄の割合を全配合割合の４０ｗｔ％以下にすることで、サイジング後の軸受内径表面における鉄の割合を面積比で５〜２０％とし、そのため点在する鉄により耐摩耗性を向上することができるとともに、青銅系や銅系軸受に相当する摺動特性（軸部材とのなじみ特性やトルク特性）を得ることができる（図４参照）。
【００２７】
更に、焼結後の軸受表面は殆ど銅のため、鉄に比べると柔らかく、サイジングによる気孔率のコントロールを容易にすることができる。
【００２８】
黒鉛または二硫化モリブデンのような固体潤滑剤の一種または二種以上を添加することにより、後の圧粉成形の工程をより容易とし、また潤滑性能を向上して摩擦係数を低減することができる。この場合の添加量は上記銅被覆鉄粉またはこれに更に銅粉を添加した主原料粉の０．５ｗｔ％以上であって、０．５ｗｔ％未満ではその添加効果を適切に得ることができず、一方５ｗｔ％を超えて添加すると材料強度などを確保し難い。なお本実施の形態では０．８％としている。
【００２９】
固体潤滑剤としての黒鉛、二硫化モリブデンなどは粉末として添加されるが、黒鉛のような固体潤滑剤は鉄粉等に比べても比重が小であって、このような黒鉛を単純に混合しても他の原料粉に対し均一状態に分散させることが困難であり、しかも搬送荷役中や圧粉成形時などにおいて黒鉛粉の浮上、片寄りなどによる偏析が発生する。そこでこの黒鉛のような固体潤滑剤に関し比較的粗粉のものを採用し、しかもその微粉分を分級して除去したものを用いると有効であることが実験により既に知られている。すなわち上記黒鉛粉末として一般的に市販されているものが１〜３０μｍ、或いは１〜５０μｍの如きであるのに対し本発明者が好ましい固体潤滑剤としての黒鉛は約５０〜６０μｍとされ、粗粉であると共に１０μｍまたは２０μｍ以下の微粉分をカットしたものであり、それによって均一分散を容易化し、また荷役その他の取り扱い時における偏析発生を可及的に防止し得る。前記のような１０μｍ未満、あるいは２０μｍ未満のような微粉分は液中での分級処理で粉塵の発生が無く、しかも適切に分級し得る。
【００３０】
なお、鉄粉、銅粉、錫粉に黒鉛または二硫化モリブデン等の固体潤滑剤を加えて製造した従来の技術による焼結含油軸受材の組織図を図１（Ｂ）に示す。符号１'は鉄粉、２'は銅粉、３'はサイジング面を示す。
【００３１】
以下、本発明の焼結含油軸受材の技術的な具体的用途を、図面を参照しつつ述べる。図２は、本発明の焼結含油軸受材からなる軸受を構成要素とする動圧型軸受ユニット２１を具備する情報機器用スピンドルモータの断面図を示している。このスピンドルモータは、軸部材２２を回転自在に支持する軸受ユニット２１と、軸部材２２に取り付けられ、図示しないポリゴンミラーを保持するロータハブ２３と、軸方向のギャップを介して対向させたモータステータ２４およびモータロータ２５とを有する。ステータ２４は、軸受ユニット２１を保持するケーシング２９に取り付けられ、ロータ２５はロータハブ２３に取り付けられている。ステータ２４に通電すると、ステータ２４とロータ２５との間の励磁力でロータ２５が回転し、ロータハブ２３も回転し、更に軸部材２２が軸受本体２７内で回転する。
【００３２】
因みに、これは既に周知の技術ではあるが、本発明にも関係する技術であるので述べておくと、図３（Ｃ）に示すように、軸受本体の外周面には、３つの通気溝３０が設けてある。これは、図２に示すように軸受本体２７をハウジング２６に挿入嵌合して設置する際に、空気が軸受本体２７の外周面とハウジング２６の内周面との間のすきまから逃げることになるが、該すきまは数μｍ程度しかないため、空気がハウジング２６の底部空間に閉じ込められ、軸受本体の挿入が難しくなる。また、モータ駆動時の発熱等により、閉じ込められた空気が膨張し、軸受本体２７を押し上げて軸受性能を不安定化させるおそれもある。これらの問題は、軸受本体２７の外周面とハウジング２６の内周面との間に図３（Ｃ）に示すような通気溝３０を設けることによって解消される。通気溝３０の数は１つでも複数でもよく、また通気溝３０は、軸受本体２７の外周面とハウジング２６の内周面のいずれか一方、または双方に設けることができる。
【００３３】
【実施例】
各粒子毎単位で４０ｗｔ％銅を被覆した銅被覆鉄粉６５．１５％に、銅粉３２．５７％、素地強化成分粉末として錫粉１．５％、および固体潤滑剤として黒鉛０．７８％を加えて配合し、混合、攪拌、成形（フォーミング）した圧粉体を焼結した後、一次サイジング、二次サイジング、回転サイジングを経て焼結含油軸受材を製造し、更に超音波洗浄、含油、遠心分離の諸工程を経て焼結含油軸受を製造した。この焼結含油軸受と従来の鉄―銅系軸受および銅系軸受との比較試験結果を図４に示す。
【００３４】
試験方法としては、図５に示すような試験機を用いる。含油軸受１２に試験軸１１を挿入し、該試験軸１１を回転させる。その際含油軸受１２にかかるトルクをロードセル１８によって測定し、その値から試験軸と含油軸受本体の摺動面における摩擦係数の経時変化を算出した。図４のグラフにおいて、縦軸が摩擦係数μ、横軸が試験時間（単位：分）である。なお、参考までに試験した３種類の軸受の化学成分を表１に示す。
【００３５】
【表１】
0003774614.tif 000002
【００３６】
図４のグラフに示されているように、本実施例の軸受は、鉄―銅系軸受に比べて摩擦係数が格段に小さく、銅系軸受に匹敵する程のものであり、高度の耐摩耗性を発揮するものである。また軸受の摺動特性について、本実施例の軸受は初期の摩擦係数が、鉄―銅系軸受に比べて低く、従って軸部材との初期からのなじみ特性に優れ、更に立ち上がりの初期トルクが低く、トルク特性にも優れたものである。
【００３７】
また本実施例の軸受は、焼結後複数回のサイジングを行うことで、内径摺動面を面積比で鉄５〜２０％、銅８０〜９５％として成したものであるため、一方で鉄成分が発揮する機械的強度に優れ、他方銅成分を含有することによる耐摩耗性や摺動特性にも優れている。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、軸部材の高速回転下において、鉄粉の配合による軸受本体が材料強度に優れることにより高負荷用軸受として使用でき、さらに銅被覆成分及び銅粉の配合による耐摩耗性、軸部材とのなじみ特性およびトルク特性に優れた焼結含油軸受材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）本発明の焼結含油軸受材の材料組織図。
（Ｂ）従来技術による焼結含油軸受材の材料組織図。
【図２】  本発明の焼結含油軸受の技術的用途を示す縦断面図。
【図３】  本発明の実施形態に係る焼結含油軸受材の製造工程を示す図。
【図４】  本発明の実施例に係る軸受の耐摩耗性を示すグラフ。
【図５】  本発明の実施例に係る摩擦係数を測定する試験機を示す図。
【符号の説明】
１  鉄粉
２  銅粉
２ａ  銅被覆部分
１０  試験機
１１  試験軸
１２  含油軸受
１３  ハウジング
１４  加圧用玉軸受
１５  加圧ハウジング
１６  負荷レバー
１７  おもり
１８  ロードセル
２１  動圧型軸受ユニット
２２  軸部材
２６  ハウジング
２７  軸受本体
３０  通気溝
【図１】
0003774614.tif 000003
【図２】
0003774614.tif 000004
【図３】
0003774614.tif 000005
【図４】
0003774614.tif 000006
【図５】
0003774614.tif 000007