CN101098977A - 马达式燃料泵的轴承 - Google Patents

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Abstract

一种马达式燃料泵的轴承，其由Cu-Ni系烧结合金构成，所述Cu-Ni系烧结合金由Ni：21～35％、Sn：5～12％、C：3～7％、P：0.1～0.8％、余量：Cu和不可避免杂质构成。在轴承的基体中以气孔率：8～18％的比例形成了气孔，在粒界部包含的P成分最多，在轴承的表面开放且在上述轴承内部延伸的开气孔的内面分布有游离石墨。该轴承在上述开气孔的内面以及上述开气孔的开口部周边，形成有含有50质量％以上的Sn的Sn高浓度合金层。

Description

马达式燃料泵的轴承
技术领域
本发明涉及由Cu-Ni系烧结合金构成的马达式燃料泵的轴承。
本申请基于2005年1月18日申请的特愿2005-009989号主张优先权，并在此引用了其内容。
背景技术
以往，在使用汽油和轻油等液体燃料作为燃料的发动机中，一般具有马达式燃料泵。例如，作为汽油发动机使用的燃料泵，已知有图2的概略横剖视图所示的马达式燃料泵20。
图2所示的马达式燃料泵20，在壳体21内，被固定在马达22的两端部的旋转轴23由轴承24支撑，在上述旋转轴23的一端部插入有叶轮25。沿着上述叶轮25及马达(电枢)22的外周面、轴承24与旋转轴23之间的间隙，形成有狭窄的汽油流通路26。并且，在壳体21内形成有未图示的燃料通路。当通过上述马达22的旋转使叶轮25旋转时，由叶轮25将汽油(燃料)27吸入壳体21内，并被升压，通过上述汽油流通路26和燃料通路被送出壳体21，送到另外设置的汽油发动机中。
在这样的马达式燃料泵20中，作为上述轴承24，使用各种高强度Cu系烧结合金(例如参照专利文献1、2和3)。
专利文献1：特开昭54-26206号公报
专利文献2：特开昭55-119144号公报
专利文献3：特公昭57-16175号公报
近年来，具有使用汽油和轻油等液体燃料的马达式燃料泵的发动机在世界各地被广泛使用。但是，所使用的液体燃料的品质在世界各地不同，而且使用劣质汽油的地区很多。作为被称为劣质汽油的一种，已知有包含有机酸的劣质汽油。如果使用这种包含有机酸的劣质汽油，则有机酸会对由Cu系烧结合金构成的马达式燃料泵20的轴承24产生腐蚀。这样的轴承24的腐蚀会侵入在轴承24的表面开放，且在轴承内部延伸的气孔(以下称为开气孔)的开口部周边和上述开气孔的内面等，造成轴承24的强度降低，缩短轴承24的寿命。
并且，近年来，汽车等的发动机的小型化和轻量化发展显著，随之也强烈希望发动机中使用的燃料泵的小型化和轻量化，由此对于作为其构造部件的轴承也要求小型化和薄壁化。但是，在上述构造的马达式燃料泵20的情况下，为了既确保其喷出性能又能实现小型化，需要提高转速。在这种情况下，被吸进燃料泵20内的液体燃料27以高压高速通过因小型化而变得更狭窄的间隙的流通路26。在这样的条件下，特别是对于轴承24，由于其小型化和薄壁化，所以要求具有更高的强度和耐磨损性。但是，以往的Cu系烧结合金制轴承，尽管都具有高强度，但由于不具备充分的耐磨损性，所以现状是轴承的磨损进程加快，在短时间内便达到了使用寿命。
发明内容
本发明的发明者们为了开发在维持优异强度和良好的耐磨损性的同时，对于包含有机酸的汽油具有良好的耐腐蚀性的马达式燃料泵用轴承，进行了研究，并获得了以下的结果。
(i)将Cu-Ni合金粉末、Cu-P合金粉末、Sn粉末和石墨粉末作为原料粉末，以质量％(以下，％表示质量％)计，按照Ni：21～35％、Sn：5～12％、C：3～7％、P：0.1～0.8％、余量：Cu和不可避免杂质的成分组成进行配比混合，制成混合粉末。将通过对该混合粉末进行压缩成形而得到的压粉体在温度：800～950℃下进行烧结。然后将通过烧结而得到的烧结体以15℃/分钟以上的冷却速度急速冷却，得到如图1的截面组织的示意图所示的由在基体(matrix)中以气孔率：8～18％的比例分布有气孔，在粒界部包含的P成分最多，并且沿着开气孔的内面分布有游离石墨的Cu-Ni系烧结合金构成的轴承。在该轴承的开气孔的内面以及上述开气孔的开口部周边，形成有包含50质量％以上的Sn的Sn高浓度合金层。
另外，气孔率由从与烧结体相同组成的物质的真密度减去烧结密度，并除以真密度后的百分率表示。即，在将气孔率设为p，将烧结体的密度设为D，将与烧结体相同组成的物质的真密度设为Dr时，气孔率p被表示为如下。
p＝(Dr-D)/Dr×100
(ii)形成有上述Sn高浓度合金层的轴承，由于Cu-Ni合金粒相互间的接合强度在烧结时Cu-Ni合金粒相互间提高合金粒间的烧结性的P成分的作用下显著提高，所以轴承本身具有高强度。在由该Cu-Ni系烧结合金构成的轴承的开气孔的内面和开气孔的开口部周边，形成有含有50质量％以上的Sn的Sn高浓度合金层。因此，可防止最容易受到液体燃料中包含的有机酸等杂质的腐蚀的开气孔的内面和开气孔的开口部周边部的腐蚀。这样的由形成了Sn高浓度合金层的Cu-Ni系烧结合金构成的轴承，对于含有大量有机酸的液体燃料呈现出优良的耐腐蚀性。
(iii)上述Sn高浓度合金层在其最表面层中Sn浓度最高，越接近Cu-Ni合金粒，Sn含有量越低。另外，上述Sn高浓度合金层，如果按平均计算，则由包含Cu：5～27％、Ni：5～22％、P：0.1～0.6％、余量：Sn和不可避免杂质的，Sn：50质量％以上的Sn-Cu-Ni系Sn基合金构成。
本发明是根据这样的研究结果而构成的具有耐腐蚀性和耐磨损性的马达式燃料泵的轴承，其由Cu-Ni系烧结合金构成，上述Cu-Ni系烧结合金由Ni：21～35％、Sn：5～12％、C：3～7％、P：0.1～0.8％、余量：Cu和不可避免杂质构成，在基体(matrix)中以气孔率：8～18％的比例形成有气孔，在粒界部中包含的P成分最多，沿着上述气孔内面分布有游离石墨，在表面开放的开气孔的内面以及上述开气孔的开口部周边，形成有包含50质量％以上的Sn的Sn高浓度合金层。
在该轴承中，上述Sn高浓度合金层优选由Cu：5～27％、Ni：5～22％、P：0.1～0.6％、余量：Sn和不可避免杂质构成。
(发明效果)
本发明的轴承作为使用通常的液体燃料的发动机的马达式燃料泵用是理所当然的，即使在使用含有有机酸等的劣质汽油等液体燃料的情况下，也能够发挥其良好的耐腐蚀性、耐磨损性和高强度。因此，可提供即使使用劣质液体燃料也能够长时间维持充分高性能的发动机。
附图说明
图1是利用光学显微镜对本发明的轴承的接近表面的截面进行观察所观察到的组织的示意图。
图2是汽油发动机用马达式燃料泵的概略横剖视图。
图中：10-Cu-Ni合金粒；11-基体(matrix)；12-开气孔；13-游离石墨；14-Sn高浓度合金层；15-露出部分；20-马达式燃料泵；21-壳体；22-马达(电枢)；23-旋转轴；24-轴承；25-叶轮；26-汽油流通路；27-汽油(燃料)。
具体实施方式
下面，结合图1对本发明的轴承进行说明。图1是在轴承表面部分，利用光学显微镜对以通过上述轴承的中心轴的面进行切断的面进行观察时所观察到的截面组织的示意图。该轴承中，在由Cu-Ni合金粒10构成的轴承的基体(matrix)11中分布有气孔率：8～18％的开气孔12。并且，上述Cu-Ni合金粒10的粒界部分布有P成分，沿着上述开气孔12的内面分布有游离石墨13。若使用这样的Cu-Ni系烧结合金构成轴承，则通过构成基体11的Cu-Ni合金粒10，可确保良好的耐磨损性。并且，基于游离在开气孔12内面的高润滑性的游离石墨13的作用、和经由存在于轴承内的开气孔12从轴承外周面供给到轴承内周面的液体燃料所形成的流体润滑膜的作用，可降低引起液体燃料的高压高速流的马达的高速旋转给轴承带来的摩擦阻力，可显著提高耐磨损性。而且，由于上述Cu-Ni合金粒10间的接合强度，在烧结时Cu-Ni合金粒10间提高颗粒彼此的烧结性的P成分的作用下显著提高，所以轴承本身具有高强度。因此，由上述Cu-Ni系烧结合金构成的轴承可实现小型化和薄壁化，在曝露于液体燃料的高压高速流的环境下发挥优良的耐磨损性。
在上述开气孔12的内面和上述开气孔12的开口部周边(轴承表面)，形成有含有50质量％以上的Sn的Sn高浓度合金层14。Sn高浓度合金层14虽然覆盖了轴承表面的大部分，但如图1所示那样，在开气孔12的生成间隔大的部分，有时生成未被Sn高浓度合金层14覆盖而露出了Cu-Ni合金粒10基体的露出部分15。但是，即使形成了少量的露出部分，由于不是容易受腐蚀的开口部周边，所以露出部分对有机酸所产生的腐蚀的影响极小。
下面，说明在本发明的马达式燃料泵的轴承中，如上述那样对Cu-Ni系烧结合金的配合组成以及气孔率进行了限定的理由。
(1)成分组成
(a)Ni
Ni具有赋予优良的强度、耐磨损性以及耐腐蚀性，通过形成由Cu-Ni合金粒10构成的烧结后的基体11，使轴承本身具备优良的强度、耐磨损性和耐腐蚀性的作用。Cu-Ni合金中的Ni的含有比例如果小于21％，则不能确保轴承具有优良的强度、耐磨损性和耐腐蚀性，如果大于35％，则烧结性急剧下降，必然导致强度降低。因此，将Ni的含有比例设定为21～35％。
(b)P
P成分具有烧结时在Cu-Ni合金粒10间提高烧结性，提高由Cu-Ni合金粒10构成的基体11的强度，也就是提高轴承的强度的作用。P的含有比例如果小于0.1％，则不能发挥充分的烧结性，如果大于0.8％，则Cu-Ni合金粒10边界部的强度急剧降低。因此，将P的含有比例设定为0.1～0.8％。
(c)石墨
石墨主要是沿着分布在基体11中的开气孔12内面，作为游离石墨13而存在，具有赋予轴承优良的润滑性，有助于提高轴承的耐磨损性的作用。石墨的含有比例如果小于3％，则不能获得所希望的提高耐磨损性的效果，如果大于7％，则强度急剧降低。因此，将石墨的含有比例设定为3～7％。
(d)Sn
Sn的添加是为了通过在Cu-Ni系烧结合金轴承的开气孔12的内面和上述开气孔12的开口部周边形成含有50质量％以上的Sn的Sn高浓度合金层14，来提高轴承的耐腐蚀性。Sn的含有量如果小于5％，则由于不能形成充分厚度的Sn高浓度合金层14，所以并不优选，如果大于12％，则在Cu-Ni合金粒的粒界上也会生成Sn高浓度合金层14，使得强度显著下降，所以并不优选。因此，将Sn的含有量设定为5～12％。
(2)气孔率
分布在轴承基体11中开气孔12，如上述那样，具有缓和在液体燃料的高压高速流通下轴承所承受的强烈摩擦和高面压，有效抑制轴承的磨损的作用。气孔率如果小于8％，则分布在基体11中的开气孔12的比例过少，上述作用不能得到充分满意的发挥，如果大于18％，则轴承的强度急剧下降。因此，将气孔率设定为8～18％。
(3)Sn高浓度合金层14的成分组成
Sn高浓度合金层14是将通过烧结而获得的烧结体轴承以15℃/分钟以上的冷却速度进行急速冷却来获得。Sn高浓度合金层14的Sn浓度在最表面层中最高，越接近合金粒10，Sn含有量越少。上述Sn高浓度合金层14的平均成分组成是Cu：5～27％、Ni：5～22％、P：0.1～0.6％、余量：Sn和不可避免杂质。
(实施例)
下面，采用实施例对本发明的马达式燃料泵的轴承进行具体说明。
作为原料粉末，准备了都具有30～100μm范围内的规定的平均粒径的Cu-Ni合金(Ni含有比例显示在表1中)粉末、Cu-P合金(P含有比例显示在表1中)粉末、石墨粉末、Sn粉末以及Cu粉末。按照表1、2所示的各个成分组成来配合这些原料粉末，添加1％的硬脂酸，在V型混合机中进行了20分钟的混合。然后，以200～700MPa范围内的规定的压力，冲压形成压粉体。然后将该压粉体放置在氨分解气体气氛中以表1中所示的各个温度进行了烧结。最后，通过在200～700MPa的范围内的规定的压力下进行整形处理，制造成分别由具有表2所示的气孔率的Cu-Ni系烧结合金或Cu系烧结合金构成的本发明的轴承1～12、比较轴承1和现有轴承1。
使用光学显微镜(200倍)对所获得的本发明的轴承1～12、比较轴承1和现有轴承1的任意截面进行了观察。本发明的轴承1～12都是在Cu-Ni合金的轴承基体11中气孔以表2所示的各个气孔率的比例分布，在Cu-Ni合金粒10的粒界部分布P成分，沿着上述开气孔12的内面分布游离石墨13，在轴承表面开放的开气孔12的内面和上述开气孔12的开口部周边形成了含有50质量％以上的Sn的Sn高浓度合金层14。另一方面，比较轴承1虽然在Cu-Ni合金的轴承基体上气孔以表2所示的气孔率的比例分布，在Cu-Ni合金粒的粒界部分布P成分，沿着开气孔的内面分布游离石墨，但未形成Sn高浓度合金层。现有轴承1在Cu系合金的轴承基体上气孔以表2所示的气孔率的比例分布，沿着开气孔的内面分布有游离石墨。
然后，使用上述的本发明的轴承1～12、比较轴承1和现有轴承1，进行了以下试验。
将上述本发明的轴承1～12、比较轴承1和现有轴承1组装在具有长度为110mm、直径为40mm的外形尺寸的燃料泵中。将该燃料泵设置在汽油箱内，在以下的条件下进行了试验。
叶轮转速：5000(最小转速)～15000(最大转速)rpm
汽油流量：50升/小时(最小流量)～250升/小时(最大流量)
轴承承受的基于高速旋转轴的压力：最大500KPa
试验时间：500小时
即，基于马达的高速旋转使汽油高速流通狭窄的间隙，由此使轴承承受高压，在曝露于高流速的汽油中的条件下进行实机试验，测定了试验后的轴承面上的最大磨损深度。并将其测定结果表示在表2中。
并且，为了评价上述本发明的轴承1～12、比较轴承1和现有轴承1的强度，对各个轴承进行了压溃试验，测定了压溃强度。并将其结果表示在表2中。
并且，为了评价上述本发明的轴承1～12、比较轴承1和现有轴承1的耐腐蚀性，通过在汽油中添加用RCOOH(R是氢原子或烃基)表示的羧酸，制成假设为模拟劣质汽油的有机酸试验液，将其加热到60℃，将上述本发明的轴承1～12、比较轴承1和现有轴承1在加热的有机酸试验液中浸渍100小时。测定浸渍在有机酸试验液之前和浸渍后的各个轴承的质量的变化量，并将其结果表示在表2中。
表1
轴承                           原料粉末的配合组成(质量％) 烧结温度(℃) 烧结体的冷却速度(℃/分钟)
 石墨粉末       Cu-P粉末    Sn粉末     Cu-Ni粉末   Cu粉末
本发明   1     5.0     Cu-6％P：5.0     5.8  Cu-25％Ni：84.2     -  950     20
  2     6.7     Cu-6％P：5.0     6.1  Cu-27％Ni：82.2     -  900     35
  3     4.9     Cu-6％P：5.0     9.1  Cu-27％Ni：81.1     -  920     40
  4     5.2     Cu-6％P：5.0     11.1  Cu-28％Ni：78.7     -  950     50
  5     4.8     Cu-5％P：10.0     8.9  Cu-37％Ni：76.3     -  920     35
  6     5.0     Cu-5％P：10.0     9.0  Cu-38％Ni：76.0     -  910     20
  7     4.9     Cu-5％P：10.0     9.3  Cu-37％Ni：75.8     -  890     15
  8     3.5     Cu-6％P：5.0     5.3  Cu-35％Ni：86.2     -  970     45
  9     4.7     Cu-5％P：10.0     6.6  Cu-44％Ni：78.7     -  970     50
  10     6.5     Cu-7％P：10.0     9.5  Cu-45％Ni：74.0     -  900     50
  11     3.2     Cu-7％P：10.0     10.7  Cu-44％Ni：76.1     -  970     60
  12     6.8     Cu-7％P：10.0     11.9  Cu-48％Ni：71.3     -  890     40
比较1     3.0     -     10.0  -     87.0  770     10
现有1     3.0     -     3.0  Cu-25％Ni：76.0     18.0  800     10
表2
轴承     成分组成(质量％)   Sn高浓度合金层的有无 气孔率(％) 压溃强度(N/mm2)   最大磨损深度(μm)     基于腐蚀试验的质量变化(mg)
    Ni     Sn     P     C     Cu
本发明 1     21.1     5.8     0.3     5.0     余量     有     14.8     235   3.1     9.8
  2     22.2     6.1     0.3     6.7     余量     有     11.2     231   4.5     7.5
  3     21.9     9.1     0.3     4.9     余量     有     12.1     293   1.8     6.9
  4     22.0     11.1     0.3     5.2     余量     有     9.2     334   2.4     6.3
  5     28.2     8.9     0.5     4.8     余量     有     10.2     316   1.1     8.1
  6     28.9     9.0     0.5     5.0     余量     有     13.0     260   1.0     5.2
  7     28.0     9.3     0.5     4.9     余量     有     17.8     222   1.2     7.1
  8     30.2     5.3     0.3     3.5     余量     有     10.5     358   1.1     4.6
  9     34.6     6.6     0.5     4.7     余量     有     9.8     370   1.3     3.3
  10     33.3     9.5     0.7     6.5     余量     有     12.2     310   1.1     2.3
  11     33.5     10.7     0.7     3.2     余量     有     8.5     443   0.8     1.1
  12     34.2     11.9     0.7     6.8     余量     有     10.6     355   1.0     2.8
比较1     0     10.0     0     3.0     余量     无     13.5     196   14.0     150
现有1     19.0     3.0     0     3.0     余量     无     13.1     158   12.0     50.8
根据表1、2所示的结果可看出，本发明的轴承1～12都具有耐磨损性，并具有基于分布在上述Cu-Ni合金粒10的粒界部的P成分的提高烧结性的效果的高强度，而且对于有机酸试验液具有优良的耐腐蚀性。与之相对，由Cu系烧结合金构成的现有轴承1虽然具有同等的高强度，但磨损进程相对快，对于有机酸试验液的耐腐蚀性差。未形成Sn高浓度合金层的比较轴承1对于有机酸试验液的耐腐蚀性差。
以上，对本发明的优选实施例进行了说明，但本发明不限于这些实施例。在不脱离本发明的宗旨的范围内，可以进行结构的附加、省略、置换、以及其他的变更。本发明不受上述说明的限定，而只受附加的权利请求范围的限定。
(产业上的可利用性)
本发明的轴承作为使用通常的液体燃料的发动机的马达式燃料泵用是理所当然的，即使在使用含有有机酸等的劣质汽油等液体燃料的情况下，也能够发挥其良好的耐腐蚀性、耐磨损性和高强度。因此，可提供即使使用劣质液体燃料也能够长时间维持充分高性能的发动机。

Claims (2)

1.一种马达式燃料泵的轴承，其由Cu-Ni系烧结合金构成，
所述Cu-Ni系烧结合金由Ni：21～35％、Sn：5～12％、C：3～7％、P：0.1～0.8％、余量：Cu和不可避免杂质构成，
所述轴承包含：
以气孔率：8～18％的比例形成在基体中的气孔；
主要包含于粒界部的P成分；
沿着在所述轴承的表面开放且在所述轴承内部延伸的开气孔的内面分布的游离石墨；和
形成在所述开气孔的内面以及所述开气孔的开口部周边，含有50质量％以上的Sn的Sn高浓度合金层。
2.根据权利要求1所述的马达式燃料泵的轴承，其中，
所述Sn高浓度合金层由Cu：5～27％、Ni：5～22％、P：0.1～0.6％、余量：Sn和不可避免杂质构成。
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