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陶瓷轴承滚珠的制作方法

  本发明涉及一种轴承滚珠,它们可以用于计算机硬盘驱动器、半导体晶片转移装置、HDD平台支架以及其它要求低振动运转的装置。

  使用安排在外滚道与内滚道之间的滚珠或者滚柱的轴承装置广泛地用在重工业到电子装置的大小装备中,以平稳地旋转部件。传统上,这些轴承滚珠和滚柱一直用钢制造,但是近年来已经开始使用氮化硅之类的陶瓷材料制造。

  钢和超强钢乞今为止是计算机硬盘驱动器等轴承滚珠选用的材料。然而,随着计算机性能的改进,要求更高的旋转频率,因此,已经需要采用陶瓷材料(滚珠制造材料)来制造轴承滚珠。在1996年1月16日公告授予Dunifield等的美国专利5,485,331中说明了一种包含陶瓷轴承滚珠的硬盘驱动器。

  由于陶瓷材料的密度一般低于钢的密度,因此陶瓷轴承滚珠的材料的重量及磨擦阻力相应地较低。还有,因为陶瓷材料的热膨胀系数低于钢的热膨胀系数,尺寸的精密度可以得到改进。陶瓷材料还有要求润滑剂较少的优点。

  然而,单纯选择陶瓷材料用作轴承滚珠还是不足胜任的。例如,在计算机的硬盘驱动中,存储(写入)和读出数据时的不规则轴承振动构成潜在的致命性缺陷。用于这种轴承的滚珠要求比机床等中使用的轴承滚珠有较高的性能精度。

  因此,本发明的目的是提供一种可以防止含有陶瓷轴承滚珠的硬盘驱动器等的不规侧振动的陶瓷轴承滚珠。

  根据本发明的第一个方面,提供一种球度不超过0.08微米、表面粗糙性不超过0.012微米并且最大表面孔隙尺寸是5微米为特征的陶瓷滚珠。

  根据本发明的另一个方面,提供一种有外滚道和内滚道并且在滚道之间容纳多个陶瓷轴承滚珠的磁盘驱动器轴承。轴承的滚道偏差小于硬盘记忆信道的纹槽间距,优选地小于硬盘记忆信道的纹槽间距的一半,更优选地小于硬盘记忆信道的纹槽间距的三分之一。

  应当了了解,如果硬盘驱动马达旋转的硬盘表面上的记忆信道之间的宽度小于球度的公差,那么激光或者磁读取头得不到记录在硬盘表面上的读取信息/资料的风险就大。其原因是,马达轴承的偏差直接地影响记忆信道中数据的读出精确性。这是因为,硬盘是由盘驱动马达轴承的内滚道或者外滚道定位的。

  具有以上特征的根据本发明的陶瓷滚珠有卓越的表面状况和高度的尺寸精确性,因此,当这种陶瓷滚珠轴承用在计算机等的轴承中时,极少出现不规则的轴承振动。结果,可以准确可靠地达到数据写入和读取。

  图1为表示最大的孔隙尺寸的说明图;图2为确定振动程度的实验室设备的说明图。

  1.球度使用JIS B1501标准关于钢珠规程来衡量本发明的陶瓷轴承滚珠。使用测量相应的圆周与球面之间的最大径向距离的仪器,由测定互为直角的两或者三个中纬线.表面粗糙度还是用根据JIS B1501的滚珠轴承钢制滚珠的标准来衡量本发明的陶瓷轴承滚珠。因此,表面粗糙度通过JIS B0651中规定的测量仪器(微量型表面粗糙度测量仪)在一个中纬面测出的中线所示,最大孔隙尺寸是暴露于陶瓷轴承滚珠表面上孔隙的最大孔隙直径。在有多个孔隙时则是最大的孔隙的最大孔隙直径。例如,最大孔隙直径的测量可以通过使用金相显微镜或者扫描电子显微镜测取的陶瓷轴承滚珠的表面图象进行。

  这是考虑到,如果在一个陶瓷轴承滚珠有孔隙时,这些孔隙不仅存在于滚珠的表面,而且也存在于滚珠的内部。因此,当通过抛光滚珠来调节和控制陶瓷轴承滚珠的形状和尺寸时,在其内部的孔隙也必定暴露到表面上。

  优选地,用氮化硅作陶瓷轴承滚珠的主要成分,使滚珠内有硬度、重量、和磨擦损失等方面的优越特性。也可以使用其它的陶瓷材料,例如氧化铝、SiC、氧化锆、氧化铝锆和水门汀的复合物等。

  在此实施例中的陶瓷轴承滚珠的主要成分是氮化硅,而且,此陶瓷滚珠含有例如94%重量的氮化硅、3%重量的氧化铝和3%重量的氧化钇。此陶瓷滚珠轴承是一个正球体,其直径例如为2毫米,其球度不超过0.08微米,例如0.02微米,表面粗糙度不超过0.012微米,例如为0.001微米,而最大的表面孔隙尺寸不超过5微米,例如2微米。

  此陶瓷轴承滚珠的原材料以烧结辅料粉(例如氧化铝和氧化钇的混合物)的重量占1至10份与氮化硅粉的重量占100份混合成浆料而制备的,并且把得到的混合物用纯净水等作为溶剂在球磨或者研磨机中湿混合(或者湿混合粉末化)。

  然后把浆料送到粉料制备装置中,例如送到日本专利申请290798/1998中所示的那种粉料制备装置中。如此制备的粉料通过公知的辊轧/研磨装置成型(研磨)为球形通过控制气压烧结或者说液压烧结把由研磨得到的成型球体烧结成氮化硅的烧结体。

  在另一个方法中,把上述的浆料通过喷雾干燥形成原料粉料,然后用公知的金属压力加工法成型为球体。把成型的球体通过控制气压烧结或者说液压烧结把成型球体烧结成氮化硅的烧结体。

  通过控制烧结辅料的类型和数量、烧结温度和压力及原料的平均颗粒度来控制烧结体的孔隙尺寸。例如,当烧结辅料的量和烧结温度和压力增加同时保持原材料的平均粒度不大,在烧结中大大地促进了原材料的致密性。结果,孔隙一般很小。

  因此,控制烧结辅料和烧结条件,从而使烧结体内部的最大孔隙(在抛光后成为表面孔隙)尺寸不超过5微米。

  这样得到的烧结直径、球度和表面粗糙度通过抛光控制,从而形成直径不超过4个毫米的氮化硅陶瓷轴承滚珠。

  这样生产的陶瓷轴承滚珠的球度不超过0.08微米,表面粗糙度不超过0.012微米,而最大的表面孔隙尺寸不超过5微米。

  这样得到的陶瓷轴承滚珠用在例如计算机的硬盘驱动中的轴承中时,极少出现不规则的振动,从而可以准确可靠地进行数据的写入和读出。

  进行了实验,以确认本发明的优越性,现在对实验细节加以说明。但是,本发明不受此说明的限制。

  通过热液压生产含氮化硅作为主要成分的烧结体滚珠。改变烧结辅料和煅烧条件,使滚珠的内孔隙的尺寸落入本发明的范围内。然后抛光烧结出的滚珠,从而使其球度和表面粗糙度在下面的表中的范围内,以得到本发明的1-10号样例的陶瓷轴承滚珠。

  以同样的方式,通过改变烧结辅料和煅烧条件,从而使之有不同的孔隙直径而制做成比较例,并且把这些滚珠抛光使之有下面的表1中所示的球度和表面粗糙度,以制做成比较例11-16的陶瓷轴承滚珠。

  切割陶瓷轴承滚珠,并在其切割表面上测量最大孔隙尺寸。结果示于表1之中。在抛光滚珠的表面时,在其内部的孔隙暴露在外部,从而内部的孔隙的最大尺寸和表面孔隙的最大尺寸被认为是相同的。

  如图2所示,这些陶瓷轴承滚珠1安排在外滚道和内滚道2、3之间而形成滚珠轴承,并且,在固定外滚道2的同时旋转各个轴承的内滚道3,以进行声学(振动)检测。通过一个传感器(麦克风)在外滚道2上检测以每分钟5000-10000转速度旋转内滚道时产生的声音强度,以检查输出的音强是否超过了预定的允许范围(即30分贝),从而确定各个轴承滚珠1是否有合适的表面特性和精度。结果也示于表1之中。在表1中,音强不超过30分贝的样例用○(满意)标出,而音强超过30分贝的样例用×(不合格)标出。

  由表1可见,采用本发明的陶瓷轴承滚珠的轴承(1-10号样例)被确认为几乎没有振动,从而适用于计算机的硬盘驱动器等中。另一方面,使用比较样例(11-16号样例)滚珠的滚珠轴承不满足本发明的条件,从而引起较大的振动而不适用。

  本发明不限于上述的实施例,它当然可吸收不同实施形式而不偏离本发明的范围。

  本申请基于1999年3月4日申报的日本专利申请11-56999号,在此全文引入。

  1.一种球度不超过0.08微米、表面粗糙度不超过0.012微米和最大表面孔隙尺寸约5个微米的陶瓷滚珠。2.权利要求1所述的陶瓷滚珠,其特征在于,最大内部孔隙尺寸约为5个微米。

  4.一种有内滚道和外滚道的硬盘驱动马达轴承,在内外滚道之间容纳有多个陶瓷轴承滚珠,其球度不超过0.08微米、表面粗糙度不超过0.012微米而最大表面孔隙尺寸约为5微米。

  5.权利要求4所述的硬盘驱动马达轴承,其特征在于,陶瓷轴承滚珠的球度约为0.02微米、表面粗糙度约为0.001微米而最大表面孔隙尺寸约为2微米。

  6.一种有记忆信道的硬盘驱动马达轴承,所述硬盘驱动马达有内外轴承滚道,并且在内外滚道之间容纳多个陶瓷滚珠,轴承的偏差小于硬盘记忆信道的间距。

  7.权利要求6所述的硬盘驱动马达轴承,其特征在于,轴承的偏差小于硬盘记忆信道的间距的一半左右。

  一种能够防止例如硬盘驱动器的不规则振动并且精度高的陶瓷轴承滚珠。此陶瓷滚珠的特征在于,球度不超过0.08微米,表面粗糙度不超过0.012微米,且最大表面孔隙尺寸约5微米。


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