CN100383270C - 用于燃油喷射泵的无铅轴承 - Google Patents

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Abstract

在其中加入了硬质颗粒物，例如Fe3P的Cu-Bi基烧结合金中，其微观的主要构成部分为Cu基体、Bi相和硬质颗粒物。在本发明的烧结方法中，尽可能地抑制Bi相的流动。新颖的结构为Bi相和硬质颗粒物之间的接触被保持为较低的比率。本发明的用于燃油喷射泵的无铅轴承，它含有质量百分比为1到30%的Bi和其平均颗粒直径在10到50μm之间、质量百分比为0.1到10%的硬质颗粒物，其余成分为Cu和不可避免的杂质。主要部分的相的属性被高水平地利用，从而其滑动属性相当于含铅的Cu基烧结合金的轴承的滑动属性。

Description

用于燃油喷射泵的无铅轴承
技术领域
本发明涉及一种用于燃油喷射泵的轴承，尤其涉及一种具有改进的滑动性能的铜基烧结合金无铅轴承。
背景技术
柴油机的燃油喷射器将燃油细微地雾化并且均匀地将其与成喷雾状态的空气混合，然后将燃油-空气混合物施以喷射所需的压力。燃油喷射器所起的作用为使燃油以适当的喷射量并且在恰当的喷射时间喷射到燃烧发动机中，其中所述喷射量和时间与发动机的负载和转数(rotation)有关。
燃油喷射泵通常在皮带的辅助下由发动机的曲轴驱动。由于燃油喷射泵为一种悬臂式结构，因此皮带的张紧力给燃油喷射泵施以局部载荷。虽然发动机的燃油对轴承进行润滑，但是由于燃油的低粘性以及局部载荷的存在，轴承的滑动条件容易变成边界润滑条件。因此，轴承的材料应该具有高耐磨性以及高的抗咬合性。最近，由于环境保护的需要，已经开始尝试减少柴油机中所采用的轻质油燃油中的硫含量。这样，燃油的润滑性能也就降低了，因此，耐磨性变得特别的重要。
通常，铅青铜经常用于燃油喷射泵的轴承中。它的成分，例如为，3.0％的Sn，23.0％的Pb，3.0％的Fe，1.0％的P和剩余的Cu。在这些成分中，Fe沉淀为硬颗粒物并且对增强耐磨性起重要作用。
为了充分地雾化燃油，燃油喷射器的压力应该较高。在传统的燃油喷射器中，由于压力与发动机的转速有关，因此在发动机的低转速和高负荷时难于获得高的压力。另外，当在高压情况下产生雾化的燃料喷雾时，NOx的含量很高并且也严重地引发了噪音。这些缺陷通过近来研制的共轨式系统的燃油喷射器来减轻，这种燃油喷射器会产生更高的压力。这种外部凸轮压力燃油供给系统被使用在燃油喷射器中以处理高压。这种系统包括内部部件，例如环形凸轮，此环形凸轮在其滑动部分处具有轴承。参照图5对燃料喷射泵的例子进行说明。
参照图5，示出了燃油喷射泵的这些部件：1-偏心凸轮，2-轴承(衬套)，3-环凸轮(ring cam)壳体，4-壳体，5-高压阀，6-活塞，7-吸入控制阀，8-供给泵，9-凸轮轴，10-吸入阀，和11-连接管。由于上述的压力趋于升高，因此轴承承受着燃油上下波动的压力并且其作用在轴承2表面上的压力非常高。另外，由于通过燃油来获得润滑，因此，轴承上的油膜的厚度非常薄。由于轴承是使用在这种条件下，因此轴承需要有高的耐磨性和抗咬合性。目前燃油喷射泵中所采用的轴承为含铅轴承或者树脂轴承。
日本摩擦学协会举办的摩擦学会议(东京2003-5)的预演讲论文公开了有关燃油泵的抗硫化(sulfurizing-resistant)轴承材料的研究。这项研究提出了向Cu-Ni-Zn基材料中加入0.4wt％的P和2到5％的C。主要是对高硫汽油中的抗硫化特性进行了测试。加入到烧结材料中的石墨(C)使这种材料成为石墨和金属铜合金的复杂结构，并且使其具有了低摩擦性能。因此，就避免使用了对环境造成污染的铅(Pb)。
用于燃油喷射泵中的衬套与通常的衬套相比暴露在更严重的边界润滑条件下。前者衬套所需要的耐磨性、抗咬合性、耐腐蚀性以及类似性能比后者的相应性能更高。因此，铅青铜已用于燃油喷射泵的衬套中。在滑动过程中温度升高时，加入到用于滑动材料的铜合金中的铅(Pb)发生膨胀并且位于滑动表面上的铅在滑动方向上发生变形。因此，由于铅(Pb)良好的自润滑性能，能对滑动表面进行冷却并且能够防止咬合。由于铅(Pb)在铜合金内形成了软的分散相，因此铅具有相容性并且杂质也嵌入到铅相中。
然而，铅(Pb)易于受到除硫酸外的酸腐蚀。当铅以粗大的颗粒物存在于Cu合金中时，轴承的承载能力就降低了。日本已审专利公报(kokoku)No.8-19945(此后将其称作“专利文献1”)提出了以特殊的计算公式表达的一种细微铅颗粒物的散布。所观察到的全部铅(Pb)颗粒物在0.1mm2(105μm2)，即St的范围内，以获得它们的数量(N)以及μm2为单位的面积(Sp)。Sp/St/N的所提出的公式被解析为0.1％的比率或更小。在此公开专利的例子中，采用了Cu-Pb-Sn预合金。同样还描述了在低的烧结温度下可获得细微的Pb结构。因此，所理解的是，通过低温的烧结可抑制Pb的沉淀和生长。
从日本未审专利公报(kokoku)No.7-9046(之后将其称作“专利文献2”)中，我们可以得知这些碳化物，例如Cr2C3、Mo2C、WC、VC和NbC作为硬质颗粒物被加入以增强烧结铜合金的耐磨性。在这篇专利文献中，其平均颗粒直径为10到100μm的铜合金粉末和其平均颗粒直径为从5到150μm的硬质颗粒粉末在V形混合器内被混合，从而被压实和烧结。据描述，铅(Pb)出现在铜合金颗粒物的颗粒(grain)边界处(第4栏第21-22行)。此说明并不与来自平衡相图的知识矛盾，也即，实际上Pb并未溶解在固体Cu中。
日本未审专利公报(kokoku)No.10-330868(此后将其称作“专利文献3”)提出了一种不含铅的合金，它获得了与烧结Cu-Pb合金一样高的滑动性能。该公报的附图中显示出Bi出现在颗粒边界三相点上以及与三相点(triple points)相邻的颗粒边界上。
日本专利No.3421724(此后将其称作“专利文献4”)提出了下面的烧结铜合金。即，硬质颗粒物出现在Pb或者Bi相中并与之混合。即使Pb和Bi在温度升高的情况下变得易流动，此相也不与烧结合金相分离。Pb和Bi相作为硬质颗粒物的衬层，从而当硬质颗粒物和相对的轴彼此进行滑动接触时，会迫使硬质颗粒物进入到Pb或Bi相内。因此，硬质颗粒物的这种侵入属性也就得到减轻。当硬质颗粒物与Pb或Bi相分离时，它们又为Pb或Bi相所捕获。因此由于被分离的硬质颗粒物的磨损得到减轻。由于硬质颗粒物被包裹在Bi相中，因此，Bi相的尺寸大于硬质颗粒物的尺寸。
日本未审专利公报(kokai)No.2001-220630(此后将其称作“专利文献5”)披露了下面的一种Cu-Bi(Pb)基烧结合金，特别一种合金的结构，其中金属间化合物颗粒出现在Bi或者Pb相周围。当烧结合金遭到滑动时，Bi或者Pb相和Cu合金首先发生磨损，同时金属间化合物颗粒保持在表面上并且突出于烧结合金的表面。凹陷的Bi或者Pb相以及Cu合金作为油的保护部分。因此，耐磨性和抗疲劳性都得到了改进。烧结条件的一个例子为大约在15分钟内温度为800-920℃。
用于燃油喷射泵的轴承的传统无Pb的材料不能够获得与传统的含Pb材料相同的或者更高的滑动属性。下面将对上述现有技术中存在的问题进行描述。
由于Pb和Bi实际上不会溶解于固体Cu中，并且它们也不会形成金属间化合物，因此，含在Cu合金中的Pb和Bi形成了与Cu基体相分离的相。Pb和Bi这种结构和属性作为兼容属性用于传统的铜合金中。同时，Pb和Bi的强度低，因此疲劳强度也就降低了。因此，专利文献1中提出的细微的Pb相的低温烧结和形成对于减轻上述的缺陷是行之有效的。但是，烧结时的低温不利于降低铜合金颗粒物的结合强度。
当合金用于高温或变质的油中时，由专利文献3、4和5所提出的Cu-Bi基合金中的Bi相会从合金的表面渗出或者发生腐蚀。所采用的Cu-Bi基合金中的Bi的量小于所加入的量，这样所带来的结果是，将会削弱滑动属性。铋(Bi)也可能会溶解在润滑油中。当Bi相细微地散布的时候，每一Bi颗粒物的体积都会小到能够防止Bi含量的渗出和减少。然而，Bi的细微散布和铜合金烧结后的高强度是相互矛盾的现象。
专利文献4和5中的含Bi的Cu合金中的Bi相在烧结期间转换成液态。因此，Cu基体的成分易于扩散到液态Bi相中。因此，金属间化合物形成于液相中。由于所生成的金属间化合物出现在Bi相和Cu基体的边界处，因此，位于Cu相外部的金属间化合物不能由Cu相来保持。
由于专利文献5的烧结合金的理想结构不能由普通的烧结来获得，因此，烧结过程会持续较长的时期。在这种情况下，Bi相的尺寸变得比硬质颗粒物的尺寸大。专利文献4中的图2示出了Bi相的这种生长。它表明了之后将要描述的硬质颗粒物接触比率在专利文献4中几乎为100％。如专利文献5中的图1所示，在这篇专利文献中硬质颗粒物的接触比例高。正如上面所述的，现有技术中的Bi相是降低抗疲劳性能和抗腐蚀性能的原因之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种Cu-Bi基合金，这种合金能够在获得高度的兼容性的同时，还能获得燃油喷射泵的轴承所需的抗疲劳性能和抗腐蚀性能。
根据本发明的目的，提供了一种用于燃油喷射泵的无铅轴承，它包含质量百分比为1到30％的Bi和其平均颗粒直径在10到50μm之间、质量百分比为0.1到10％的铁基化合物硬质颗粒物，其余成分为Cu和不可避免的杂质，另外，散布在Cu基体内的Bi相的平均颗粒直径小于硬质颗粒物的直径。
本发明还提供了一种用于燃油喷射泵的无铅轴承，它含有质量百分比为1到30％的Bi和其平均颗粒直径在10到50μm之间、质量百分比为0.1到10％的铁基化合物硬质颗粒物，其余成分为Cu和不可避免的杂质，并且这种轴承包括与一部分硬质颗粒物接触的Bi相，该硬质颗粒物与Bi相接触的长度为Bi相的总周向长度的50％或更小，硬质颗粒物的所述部分的数目为整个硬质颗粒物数目的70％或更多。
以下将对本发明进行详细说明
(1)合金组成
由于在Bi的质量百分比小于1％时，抗咬合性较低，此外，在Bi的质量百分比大约30％时，强度较低并且抗疲劳性能较弱，因此在本发明烧结的Cu-Bi基合金中，Bi的质量百分比含量为1％到30％。优选的Bi的质量百分比含量为1到15％。
这里的硬质颗粒物可以是在专利文献2中所提出的那些。优选的是采用与铜合金具有良好的烧结性能的铁基化合物，例如Fe2P、Fe3P、FeB、Fe2B和Fe3B。另外，由于铁基化合物与铋(Bi)具有较弱的可湿性，与铜(Cu)具有较强的可湿性，因此，在烧结后，Bi相和硬质颗粒物的接触比例较低。另外，硬质颗粒物有可能被Cu基体所保持。因此，会导致耐磨性能和抗咬合性能恶化的硬质颗粒物的分离和硬质颗粒物中裂缝的形成在滑动过程中难于发生。当硬质颗粒物的质量百分比含量小于0.1时，抗咬合性能和耐磨性能都会降低。另外，当硬质颗粒物的质量百分比含量大约10％时，强度和抗疲劳性能也会降低。此外，相反材料(opposite material)容易被硬质颗粒物所侵袭，因此烧结性能也会受到影响。硬质颗粒物优选的质量百分比含量为1到5％。
上述成分的其余为Cu和不可避免的杂质。包括Pb在内的杂质是普通的杂质。
如果必要的话，可将一种或多种添加剂元素加入到铜合金中。例如，可加入质量百分比达0.5％的磷(P)，磷能降低铜合金的熔点并且提高烧结属性。当磷的质量百分比含量超过0.5％时，铜合金将变脆。可加入质量百分比在1到15％内的锡(Sn)，锡能够提高强度和抗疲劳性能。当Sn的质量百分比含量小于1％时，强度的增加将不令人满意。另一方面，当Sn的质量百分比含量超过15％时，易形成金属间化合物并且合金也将变脆。还可加入质量百分比含量在0.1到5％之内的镍(Ni)，镍能够提高强度以及抗腐蚀性能。当镍(Ni)的质量百分比含量小于0.1％时，强度将增加得不令人满意。另一方面，当镍(Ni)的质量百分比含量超过5％时，易形成金属间化合物并且合金也将变脆。这些元素被合金化在Cu中并且为铜合金基体的构成元素。
另外，固体润滑剂，例如MoS2和石墨也可加入到铜合金中。固体润滑剂不与铜合金合金化，但是会作为化合物成分出现在铜合金中。可加入质量百分比达5％的固体润滑剂。
(2)合金结构
在本发明的第一和第二轴承中，硬质颗粒物的平均直径在10到50μm之间。当平均颗粒物直径小于10μm时，硬质颗粒物不能够有效地提高耐磨性。另一方面，当颗粒物直径大于50μm时，烧结的铜合金强度将变低。硬质颗粒物优选的平均直径为15到30μm。
本发明的合金结构为，尽可能地抑制Bi相的流动(flow)，由于Bi相的流动被抑制，因此，也就抑制了Bi相和硬质颗粒物之间的接触。这个特征在本发明的第一轴承中被定义为DBi＜DH。在此关系式中，DBi表示Bi相的平均颗粒直径，即Bi相的圆直径。DH表示硬质颗粒物的平均颗粒直径。
本发明的第二轴承包括与一部分硬质颗粒物接触的Bi相，硬质颗粒物与Bi相的接触长度为相对于Bi相的整个周向长度的50％或更少，硬质颗粒物的所述部分的数目为整个硬质颗粒物的70％或更多。
之后将把“相对于Bi相的整个周向长度的一部分硬质颗粒物与Bi相的接触长度”称为“硬质颗粒物接触比”。注意到，除非另外指明，在本段落中硬质颗粒物的说明涉及与Bi相相接触的那些硬质颗粒物。当硬质颗粒物接触比为100％时，一种或多种硬质颗粒物的整个周向都与Bi相相接触。这种接触状态通过每个硬质颗粒物来实现。这种状态仅仅只是硬质颗粒物嵌入到或者包裹到Bi相中。另一方面，当硬质颗粒物接触比例小于100％但是大于0％时，与Bi相接触的硬质颗粒物必定有一部分突出于Bi相的外部。这部分与铜合金接触。在本发明中，由于硬质颗粒物与基体之间的接触被尽可能地降低，因此，硬质颗粒物的接触比例为50％或更少。在这种情况下，硬质颗粒物和铜基体各自的属性可以处于较高水平。
其硬质颗粒物接触比为50％或更小、可以包括那些不与Bi相接触的硬质颗粒物相对于整个硬质颗粒物的数量的比例被称作“硬质颗粒物比”。当硬质颗粒物比为100％时，所有的硬质颗粒物具有50％或者更小的硬质颗粒物接触比。另外，当硬质颗粒物比为0％时，所有的硬质颗粒物具有大于50％的硬质颗粒物接触比。在本发明中，硬质颗粒物比被限制为70％或更高，这是由于轻微地彼此接触的Bi相和硬质颗粒物应该以较大的比例出现在合金中。因此，Bi相和硬质颗粒物各自的属性都令人满意。
为了实现上述的烧结过程，Cu-Bi合金雾状粉末或者Cu-Bi合金混合物粉末的烧结温度应该在烧结温度保持2分钟或者更短的时间。这种烧结可以由本申请人之一所提出的、在日本未审专利公报(kokai)2002-12902(专利文献6)中的高频感应烧结来完成。
(3)合金属性
总的来说，本发明的铜基烧结合金的Bi相显示了兼容性。硬质颗粒物由本发明的铜基烧结合金的基体所保持(held)，并且不容易与Cu基体相分离。因此就提高了耐磨性和抗咬合性能。此外，也提高了强度和抗疲劳性能。
(a)Bi相细微地散布在整个烧结合金中。作为一个整体的烧结合金的材料性能，即所谓的整体性能在抗疲劳、耐腐蚀和强度方面有所提高。
(b)几乎所有硬质颗粒物都由Cu基体或者铜合金基体所保持。烧结合金的滑动表面性能在耐磨方面有所提高。
(c)出现在滑动表面上的Bi相在不使用Pb的情况下提高了兼容性。
(d)细微地散布的Bi相提高了非粘合性和抗咬合性能。
(4)衬套的产生方法
Cu-Bi合金通过雾化的方法研磨成粉。将得到的Cu-Bi粉末与硬质颗粒物粉末和其他金属成分的粉末混合。除了硬质颗粒物之外的成分可以通过雾化的方法来制成合金粉末。粉末的混合物散布在钢片中以达到均匀的厚度并且将其进行之后将要说明的短时间的烧结。对烧结的合金层进行辗轧，然后进行了短时间的烧结。如果必要的话，再对其进行辗轧。得到的经过烧结以及辗轧后的产物为双金属材料，将其切割成预定的形状。将切成的片弯曲成圆筒形并且加工成衬套。
之后将参照附图和实施例对本发明进行详细说明。
附图说明
图1示出了本发明一实施例的烧结铜合金的微观结构(放大了200倍)。
图2示出了本发明另一实施例的烧结铜合金的微观结构(放大了500倍)。
图3示出了本发明比较实施例的烧结铜合金的微观结构(放大了200倍)。
图4示出了本发明比较实施例的烧结铜合金的微观结构(放大了500倍)。
图5(a)和(b)示出了燃油喷射泵的一个例子。
具体实施方式
将其组分为表1所示的Cu-Bi合金粉末(雾状粉末，平均颗粒直径为150μm或更小)以及硬质颗粒物粉末(表1中示出了平均颗粒直径)混合并且将其喷射在钢片上达大约1mm厚。主要的烧结过程在氢气还原气体中以750～1000℃执行20～1800秒。随后进行辗轧过程。在与第一次烧结相同的条件下进行第二次烧结。将得到的烧结材料用作测试材料。在上述烧结时间范围内进行的一段长时间的烧结过程促使了Bi相的扩散并且以此准备比较实施例。
抗咬合性能的测试方法
通过上述方法准备的铜合金的表面由砂纸研磨以将表面粗糙度(10点的平均粗糙度)调节到1.0μm或更小。将钢球搁置在所述准备好的表面上并且使之在负荷下滑到一个方向内。然后观察钢球的表面以测量附着在钢球上的Cu合金的表面积。由于容易附着的材料具有较低的抗咬合性能，因此附着面积小表明抗咬合性能的提高。
检测器：粘滑检测器
负荷：500g
轴的材料：轴承钢(SUJ2)
润滑油：无
温度：从室温向200℃逐渐升高
疲劳强度的测试方法
疲劳强度和拉伸强度表明彼此有良好的兼容性(co-relationship)。因此，提高的疲劳强度在高的拉伸强度下获得。用在JIS中规定的拉伸强度来测量Cu-Bi合金的拉伸强度并将其用作可替换的属性。
表1示出了上面的属性和硬质颗粒物的比例。
Figure C20051008379700111
正如从表1可清楚地看出，本发明的实施例展示了改进了的高度抗咬合性、抗疲劳性和耐腐蚀性。
图1和2示出了本发明第四实施例的微观图，其放大比例分别为200倍和500倍。图3和图4示出了第三比较实施例的微观图，其放大比例分别为200倍和500倍。在前面图1和图2的图中硬质颗粒物和Bi相之间接触的比例低于后面图3和图4的图。
在图1到图4中，Bi相的圆表示围绕在Bi相周围的圆，它看起来象一个形状不规则的颗粒，该圆与这个Bi相的最大外周接触。
将表1中所示的第四比较材料和本发明的第六材料弯曲成圆筒形并将其用作衬套。将其安装在柴油机的燃油喷射泵内，采用作为润滑油的对应于JIS第二类的轻质油进行耐用性测试。在使本发明的第六材料历经1000小时的试验过程中，没有出现损坏或者失效的情况。
工业实用性
如上所述，本发明的燃油喷射泵的轴承不含铅，但是却具有改进的抗咬合性和抗疲劳性。因此，该轴承适于操作在处于高压下的泵中。

Claims (4)

1.一种用于燃油喷射泵的无铅轴承，它包含质量百分比为1到30％的Bi和其平均颗粒直径在10到50μm之间、质量百分比为0.1到10％的铁基化合物硬质颗粒物，其余成分为Cu和不可避免的杂质，另外，散布在Cu基体内的Bi相的平均颗粒直径小于硬质颗粒物的直径。
2.一种用于燃油喷射泵的无铅轴承，它含有质量百分比为1到30％的Bi和其平均颗粒直径在10到50μm之间、质量百分比为0.1到10％的铁基化合物硬质颗粒物，其余成分为Cu和不可避免的杂质，并且这种轴承包括与一部分硬质颗粒物接触的Bi相，该硬质颗粒物与Bi相接触的长度为Bi相的总周向长度的50％或更小，硬质颗粒物的所述部分的数目为整个硬质颗粒物数目的70％或更多。
3.如权利要求1或2所述的无铅轴承，其特征在于，它还包含至少一种从以下组中选择的元素，所述组由质量百分比为1到15％的Sn、质量百分比为0.1到5％的Ni以及质量百分比不多于0.5％的P组成。
4.如权利要求1或2所述的无铅轴承，其特征在于，所述硬质颗粒物由铁基化合物组成，该铁基化合物从Fe2P、Fe3P、FeB、Fe2B和Fe3B中选择。
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