CN110418853B - 马达式燃料泵用烧结轴承及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种由价廉且具有优异的耐蚀性和耐磨性的Cu‑Ni系烧结合金构成的马达式燃料喷射泵用轴承。其以质量％计含有10～20％的Ni、2～4.5％的Sn、0.05～0.4％的P以及2～7％的C，剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成，同时，所述马达式燃料泵用烧结轴承具有Sn均匀地分散分布在金属基质中的金属组织，且具有7～17％的气孔率，在气孔内分散分布有游离石墨。

Description

马达式燃料泵用烧结轴承及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种以价廉且在含有有机酸的劣质汽油的环境下能够使用的耐磨性优异的Cu-Ni系烧结合金构成的马达式燃料泵用烧结轴承及其制造方法。
背景技术
在世界各地，作为机动车用的燃料不得不使用含有高浓度的硫磺和有机酸的劣质燃料的地区也不在少数，但随着机动车市场的国际化，造成了从使用该劣质燃料的机动车排出的尾气导致的大气污染和全球变暖的问题。
近年来，作为环境保护对策，为了提高燃油经济性，机动车行业正在推进如图3所示的燃料泵和EGR(排气再循环)的普及扩大。另外，由于机动车的燃料也成为大气污染的主要原因，因此，为了降低燃料中的硫磺浓度和减少CO2的排放量，在世界各地正在推进使用利用具有生物质(バイオマス)能源的乙醇、或添加该乙醇的汽油作为燃料的组合方式。但是，另一方面，在将乙醇添加在汽油或柴油等中的生物量燃料中，由于乙醇分解会产生有机酸，进而具有该有机酸腐蚀燃料泵的青铜系烧结轴承的问题。
针对伴随这种机动车的国际化的含有高浓度的硫磺和有机酸的劣质燃料，作为具有优异的耐蚀性的燃料泵用轴承，已知在例如专利文献1和专利文献2中有公开。但是，在这些轴承材料中，使用大量的昂贵的Ni和Sn，存在着成本高的问题。即，专利文献1所公开的轴承由于含有5～12质量％的昂贵的Sn和含有21～35质量％的昂贵的Ni，因此，材料费昂贵。专利文献2所公开的轴承虽试图减少在专利文献1所公开的轴承的Ni含量，而降低材料成本，但由于含有5～12质量％的比Ni贵的Sn，因此，其成本降低并不充分。
另外，专利文献3和专利文献4中公开有在轴承材料中使用价廉的Al的铝青铜制的轴承。这些轴承通过设为不使用昂贵的Ni、Sn而由含有价廉的Al的铝青铜构成的烧结轴承，从而能够降低材料成本。但是，对于含有Al的铝青铜的烧结，由于Al在烧结时容易氧化，而难以使烧结进展，作为其对策，需要在原料粉末中添加由氟化铝和氟化钙构成的烧结助剂，还需要在烧结气氛中使用氢气、氮气或它们的混合气体而延长烧结时间。如此，铝青铜的烧结的生产率低，而且，在铝青铜的烧结中，通过由氟化铝和氟化钙构成的助剂的热分解会产生氟系气体，该氟系气体有可能会腐蚀烧结炉，需要其对策。因此，在专利文献3和专利文献4中所公开的轴承不可避免要增加制造成本，其结果，仍存在着导致加大总成本的问题。
专利文献1：日本特开2006-199977号公报
专利文献2：国际公开第2012/063785号
专利文献3：日本特开2013-217493号公报
专利文献4：日本特开2015-227500号公报
发明内容
在此，本发明的目的在于，提供一种能够一并解决上述问题、由价廉且具有耐蚀性和耐磨性的Cu-Ni系烧结合金构成的马达式燃料泵用轴承及其制造方法。
本发明的马达式燃料泵用烧结轴承以质量％计含有10～20％的Ni、2～4.5％的Sn、0.05～0.4％的P、2～7％的C，剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成，同时，其具有Sn均匀地分散分布在金属基质中的金属组织，且具有7～17％的气孔率，在气孔内分散分布有游离石墨。
本发明的马达式燃料泵用烧结轴承的制造方法具有以下步骤：以成为如下组成的方式配制含有Sn单质粉末的原料粉末：以由质量％计含有10～20％的Ni、2～4.5％的Sn、0.05～0.4％的P、2～7％的C，且剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成；将原料粉末进行冲压成型进而制作生坯；及在880～960℃的范围内的温度下烧结生坯。
本发明的马达式燃料泵用烧结轴承通过以质量％计含有10～20％的Ni、2～4.5％的Sn、0.05～0.4％的P、2～7％的C，且其剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成，同时，所述马达式燃料泵用烧结轴承具有Sn均匀地分散分布在金属基质中的金属组织，且具有7～17％的气孔率，在气孔内分散分布有游离石墨，由此能够减少昂贵的Sn的使用量而廉价地进行制造，同时，在含有有机酸的劣质汽油中也显示出优异的耐蚀性和耐磨性。
附图说明
图1为通过SEM观察本发明例6的合金(Cu：剩余部分、Ni：18.5％、Sn：3％、P：0.2％、C：6％)的剖面组织的电子显微镜照片。
图2为通过SEM观察本发明例5的合金(Cu：剩余部分、Ni：17.7％、Sn：3％、P：0.15％、C：4％)的剖面组织的电子显微镜照片、以及通过EDX观察本发明例5的合金的Ni、Sn、C、Cu、P的映射图。
图3为表示汽油发动机用的马达式燃料泵的结构的剖面图。
具体实施方式
本发明的马达式燃料泵用烧结轴承以质量％计含有10～20％的Ni、2～4.5％的Sn、0.05～0.4％的P、2～7％的C，且其剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成，同时，所述马达式燃料泵用烧结轴承具有Sn均匀地分散分布在金属基质中的金属组织，且具有7～17％的气孔率，并且在气孔内分散分布有游离石墨。而且，通过该组成等，成为能够廉价地进行制造、并且即使在含有有机酸的劣质汽油中也显示出优异的耐蚀性和耐磨性的马达式燃料泵用烧结轴承。
另外，本发明的马达式燃料泵用烧结轴承的制造方法具有以下步骤：以成为如下组成的方式配制含有Sn单质粉末的原料粉末：以由质量％计含有10～20％的Ni、2～4.5％的Sn、0.05～0.4％的P、2～7％的C，且剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成；将原料粉末进行冲压成型而制作生坯；及在880～960℃的范围内的温度下烧结生坯。由此，能够制造具有Sn均匀地分散分布在金属基质中的金属组织的本发明的马达式燃料泵用烧结轴承。
以下，对本发明的马达式燃料泵用烧结轴承的组成等进行详细说明。另外，在以下所说明的含量全部为质量％。
(1)Ni：以质量％计为10～20％
Ni通过烧结与Sn、Cu一同形成Cu-Ni-Sn相，而对轴承赋予优异的耐蚀性。Ni的含量若低于10％，则得不到所希望的耐蚀性。另一方面，Ni的含量即使超过20％，其改善耐蚀性的效果也不明显，并且原料成本也会加大，因此不被优选。
(2)P：以质量％计为0.05～0.4％
P具有促进生坯的烧结性，且提高基质的强度的作用效果。P的含量若低于0.05％，则增强基质的强度的效果不明显。另一方面，P的含量若超过0.4％，则会在晶界中加大Ni-P相的析出，进而导致耐蚀性降低，因此不被优选。
(3)Sn：以质量％计为2～4.5％
Sn通过烧结与Ni、Cu一同形成Cu-Ni-Sn相，而对轴承赋予优异的耐蚀性。Sn的含量若低于2％，则得不到所希望的耐蚀性。另一方面，Sn的含量若超过4.5％，则其原料成本加大，因此不被优选。
(4)C：以质量％计为2～7％
C为来自于石墨的成分。C主要作为游离石墨存在于分散在基质中的气孔内，而对轴承赋予优异的润滑性，并且提高耐磨性。若C的含量低于2％，则得不到所希望的效果。另一方面，C的含量即使超过7％，其提高耐磨性的效果也不明显，相反导致轴承的强度降低，因此不被优选。
(5)气孔率：7～17％
气孔分散在基质中，且具有缓和轴承在液体燃料的高压高速流通下所受到的强烈的磨擦的效果、并抑制轴承的磨耗的效果。若气孔率低于7％，则其效果不充分。另一方面，气孔率若超过17％，则强度降低，因此不被优选。
(6)关于Sn均匀地分散分布在金属基质中的金属组织
在以Cu-Ni-Sn构成的金属基质中，通过均匀地分散分布Sn，进而以2～4.5质量％的少量的Sn对含有有机酸的劣质汽油能够赋予优异的耐蚀性。
为了将以质量％计为2～4.5质量％的Sn均匀地分散分布在由Cu-Ni-Sn构成的金属基质中，需要适当地设定Sn的添加方法以及烧结温度的条件。考虑到有Sn以Sn单质粉末的方式进行添加的方法和以Cu-Sn或Cu-Ni-Sn等的已进行合金化的粉末进行添加的方法，但Cu-Ni-Sn合金粉末其粉末自身硬，因此，其压缩成型性差，进而生坯变得容易缺损，因此不被优选，与使用Cu-Sn合金粉末相比，在使用Sn单质的粉末的情况下，其向金属基质中的扩散良好，通过将烧结温度设置为880～960℃，进而能够将Sn高效地分散分布在金属基质中。
以下，对本发明的马达式燃料泵用烧结轴承的具体的实施例进行说明。需要说明的是，本发明不限定于以下的实施例，其可进行各种变形实施。
实施例1
(1)马达式燃料泵用烧结轴承的制作
作为原料粉末，准备了粒径100目以下的Cu-25质量％Ni粉末、粒径250目以下的Cu-8质量％P粉末、粒径250目以下的Sn粉末、石墨粉末以及电解Cu粉末。然后，将这些原料粉末按表1所示的组成进行配合，添加0.5质量％的硬脂酸，并通过V型混合机混合20分钟后，以规定的压力冲压成型而制作成生坯。在通过混合天然气和空气、并经过已加热的催化剂所分解变成的吸热式气体(吸热型气体)的环境中，且在880℃～960℃范围内的所定温度下，将该生坯进行烧结，并接下来进行尺寸调整。通过以上工序，制作出了具有外径：10mm×内径：5mm×高度：5mm的尺寸且按表1所示的组成成分的本发明的轴承(以下称为本发明例)、以及作为比较例的Sn含量低于2％的比较轴承(以下称为比较例)。
[表1]
Figure BDA0002200402170000051
(2)耐蚀试验
对上述的本发明例和比较例的轴承进行了耐蚀试验。
将以RCOOH(R为氢原子或烃基)所表示的羧酸添加在汽油中，从而制作了设想为模拟劣质汽油的有机酸试验液。在将该有机酸试验液加热至60℃之后，再将本发明例和比较例的轴承放在有机酸试验液中浸泡了100小时。然后，测定了上述各轴承浸泡在有机酸试验液中之前的质量和浸泡之后的质量的变化。将其结果表示在表1。
确认到本发明例的轴承的质量变化为0.87％以下，耐蚀性高。另一方面，比较例的轴承的质量变化为1.5％，其耐蚀性与本发明例相比大幅度降低。
(3)[耐磨耗试验]
在处于将汽油以高速流通于狭小的空间，且通过由此所产生的马达的高速转动使轴承承受高压并置于高流速的汽油中的条件下，对于上述的本发明例和比较例的轴承进行了耐磨耗试验。将轴承安装在外侧尺寸为长度：110mm×直径：40mm的燃料泵上，再将该燃料泵设置在汽油油箱内。在叶轮转速：5000～15000rpm、汽油流量：50～250升/小时、轴承由于高速转动所受到的最大压力：500kPa、以及试验时间：500个小时的条件下进行了实机试验。并测定了在试验后的轴承表面的最大磨耗深度。将其结果表示在表1。
本发明例的轴承的最大磨耗深度为7.8μm以下，因此，被确认为耐磨性高。另一方面，比较例的轴承的最大磨耗深度为18μm，其耐磨性与本发明例相比大幅度降低。
(4)通过扫描型电子显微镜(SEM)进行分析
使用扫描型电子显微镜(SEM)对本发明例的合金的剖面组织进行了观察。其分析倍率为350倍。
其结果，在本发明例的合金中以7～17％的比例分散有气孔，也分散有游离石墨。
作为一例，在图1中，表示为本发明例6的合金(Cu：剩余部分、Ni：18.5％、Sn：3％、P：0.2％、C：6％)的电子显微镜照片。
(5)通过扫描型电子显微镜(SEM)的能量色散X射线分析仪(EDX)进行分析
对于本发明例的合金，使用附属于扫描型电子显微镜(SEM)的能量色散X射线分析仪(EDX)的分析装置对金属基质的Ni、Sn、Cu、P、C各元素的分布状态进行了调查。分析条件设定为加速电压20kV，且对轴承的剖面组织进行了Ni、Sn、Cu、P、C各元素的映射分析。分析倍率为350倍。
其结果，确认到在本发明例的合金中，Sn大致均匀地分散分布在由Cu-Ni-Sn构成的金属基质中。
作为一例，图2表示本发明例5的合金(Cu：剩余部分、Ni：17.7％、Sn：3％、P：0.15％、C：4％)的电子显微镜照片和Ni、Sn、C、Cu、P的映射图。如Sn的映射图所示可知，Sn大致均匀地分散分布在由Cu-Ni-Sn构成的金属基质中。

Claims (2)

1.一种马达式燃料泵用烧结轴承，其特征在于，
其以质量％计含有10～14.1％的Ni、2～3.5％的Sn、0.05～0.4％的P、2～7％的C，剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成，同时，所述马达式燃料泵用烧结轴承具有Sn均匀地分散分布在金属基质中的金属组织，且具有7～17％的气孔率，在气孔内分散分布有游离石墨。
2.一种马达式燃料泵用烧结轴承的制造方法，其特征在于，其为权利要求1所述的马达式燃料泵用烧结轴承的制造方法，所述制造方法具备以下步骤：
以成为如下组成的方式配制含有Sn单质粉末的原料粉末：以质量％计含有10～14.1％的Ni、2～3.5％的Sn、0.05～0.4％的P、2～7％的C，且剩余部分由Cu及不可避免的杂质构成；
将原料粉末进行冲压成型而制作生坯；及
在880～960℃的范围内的温度下烧结生坯。
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