DE602005001976T2 - Bleifreies Lager für Kraftstoffeinspritzpumpe - Google Patents

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Youichi Kariya-shi Aichi Murakami
Masashi Kariya-shi Aichi Suzuki
Takahiro Kariya-shi Aichi Nozu
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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Einspritzung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Lager, das für eine Kraftstoffeinspritzpumpe genutzt wird, im Besonderen ein Lager, das aus einer auf Kupfer basierenden, gesinterten Legierung besteht, die frei von Blei ist und verbesserte Gleiteigenschaften aufweist.
  • 2. Beschreibung des zugehörigen Stands der Technik
  • Eine Brennstoffeinspritzdüse eines Dieselmotors zerstäubt den Brennstoff und vermischt ihn, ihm Zustand eines Sprays, gleichmäßig mit Luft und verleiht der Mischung aus Brennstoff und Luft den notwendigen Druck für die Einspritzung. Die Brennstoffeinspritzdüse übernimmt die Aufgabe den Brennstoff in einer geeigneten Einspritzmenge und zu einer geeigneten Einspritzzeit in einen Verbrennungsmotor einzuspritzen, wobei die Menge und die Zeit von der Last und der Rotation des Motors abhängen.
  • Eine Brennstoffeinspritzdüse wird üblicherweise durch eine Kurbelwelle eines Motors mit Hilfe eines Riemens angetrieben. Da die Brennstoffeinspritzdüse eine freitragende Konstruktion ist, verleiht die Riemenspannung der Brennstoffeinspritzdüse eine lokale Last. Obwohl der Brennstoff des Motors das Lager schmiert, ist die Gleitbedingung des Lagers im Grenzbereich einer Schmierung, aufgrund der niedrigen Viskosität des Brennstoffs und der lokalen Last. Das Material des Lagers sollte deshalb höchst beständig gegenüber Verschleiß und Reibverschweißung sein. Seit kurzem wird versucht den Gehalt von Schwefel in Leichtöl, welches in Dieselmotoren genutzt wird, aus Gründen des Umweltschutzes zu senken. Die Schmiereigenschaften des Brennstoffs nehmen entsprechend ab, aus diesem Grund wird die Beständigkeit gegenüber Verschleiß besonders wichtig.
  • Üblicherweise wurde Bleibronze häufig in den Lagern von Brennstoffeinspritzdüsen genutzt. Die Zusammensetzung ist zum Beispiel 3,0% Sn, 23,0% Pb, 3,0% Fe, 1,0% P und der Rest besteht aus Cu. Unter diesen Bestandteilen präzipitiert Fe als harte Partikel und trägt dazu bei die Beständigkeit gegenüber Verschleiß zu erhöhen.
  • Um Brennstoff gut zu zerstäuben sollte der Druck in einer Brennstoffeinspritzdüse hoch sein. In herkömmlichen Brennstoffeinspritzdüsen ist es, da der Druck von der Drehgeschwindigkeit des Motors abhängig ist, schwierig bei niedriger Drehung und hoher Last auf dem Motor, einen hohen Druck zu erreichen. Zusätzlich wird, wenn der zerstäubte Brennstoffstrahl, der unter hohem Druck erzeugt worden ist, verbrannt wird, in hoher Menge NOx gebildet und es entsteht viel Lärm. Diese Nachteile werden durch eine kürzlich entwickelte Brennstoffeinspritzdüse des Common-Rail Systems gelindert, das weiterhin hohen Druck erzeugt. Das Brennstoffzuführsystem, das den äußeren Nocken unter Druck setzt, wird in der Brennstoffeinspritzdüse so verwendet, daß es mit dem hohen Druck zurechtkommt. Dieses System umfasst an seinem gleitenden Teil solche innen liegenden Teile wie einen Kurvenring, einschließlich eines Lagers. Ein Beispiel dieser Brennstoffeinspritzdüse wird mit Hinblick auf 5 beschrieben.
  • Im Hinblick auf 5 werden Teile der Brennstoffeinspritzdüse gezeigt: 1 – Exzenternocken, 2 – Lager (Buchse), 3 – Gehäuse eines Kurvenrings, 4 – Gehäuse, 5 – Hochdruckventil, 6 – Kolben, 7 – Ventil zur Regulierung der Saugkraft, 8 – Speisepumpe, 9 – Nockenwelle, 10 – Saugventil, und 11 – Verbindungsleitung. Das Lager wird dem Kolbendruck des Brennstoffs ausgesetzt und dieser Druck auf die Oberfläche des Lagers 2 ist aufgrund der hier oben beschriebenen, den Druck erhöhenden Tendenzen, sehr hoch. Zusätzlich ist, da die Schmierung durch den Brennstoff erlangt wird, die Dicke des Ölfilms auf dem Lager sehr dünn. Da das Lager unter solchen Bedingungen genutzt wird, ist eine hohe Beständigkeit gegenüber Verschleiß und Reibverschweißung im Lager nötig. Ein bleihaltiges Lager oder ein Harzlager wird zu diesem Zeitpunkt als Lager in Brennstoffeinspritzdüsen verwendet.
  • Ein vorläufige Veröffentlichung für die Tribologie Konferenz des Tribology Institute of Japan (Tokio 2003-5) veröffentlicht Untersuchungen an Material für Lager das unempfindlich gegenüber Sulfurisierung ist, und bei Brennstoffpumpen verwendet wird. Diese Untersuchungen schlagen vor 0,4 Masse% P und zwischen 2 bis 5% C zum auf Cu-Ni-Zn basierenden Material zuzugeben. Es wird hauptsächlich die Widerstandsfähigkeit gegenüber Sulfurisierung bei Brennstoff, der einen hohen Schwefelgehalt hat, gestestet. Der Graphit (C), der zum gesinterten Material zugegeben wird, macht aus diesem Material eine komplexe Struktur aus dem Graphit und der metallischen Kupferlegierung und verleiht niedrige Reibungseigenschaften. Aus diesem Grund kann Blei (Pb), welches umweltverschmutzend ist, vermieden werden.
  • Die Buchse, die in der Brennstoffeinspritzdüse verwendet wird, ist im Vergleich zur allgemeinen Buchse, schwereren Grenzschmierungen ausgesetzt. Die Beständigkeit gegenüber Verschleiß, Reibverschweißung und Korrosion und ähnliches die von dieser Buchse erwartet wird, ist höher als jene die der letzteren. Aus diesem Grund wurde für die Buchsen der Brennstoffeinspritzdüse Bleibronze verwendet. Blei (Pb), welches zur Kupferlegierung des Gleitmaterials gegeben wurde dehnt sich aus und verformt sich in die Gleitrichtung auf der Gleitoberfläche, nach einem Anstieg der Temperatur während des Gleitens. Blei (Pb) kühlt aus diesem Grund die Gleitoberfläche ab, und verhindert, aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften zur Selbstschmierung, Reibverschweißung. Da Blei (Pb) eine weiche Dispersionsphase in der Kupferlegierung bildet, ist Blei kompatibel und Fremdstoffe werden in die Bleiphase eingebettet.
  • Jedoch kann Blei durch Säure, außer Schwefelsäure, korrodiert werden. Wenn Blei in Form von grobkörnigen Partikeln in der Cu Legierung vorhanden ist, wird die Belastungsfähigkeit der Lager herabgesetzt. In der japanischen, geprüften Veröffentlichung der Patentschrift (kokoku) Nr. 8-19945 (folgend als "das Patentdokument 1" bezeichnet) schlägt die Dispersion feiner Bleipartikel nach einer besonderen Berechnungsformel vor. Die gesamten Bleipartikel (Pb) werden im Bereich von 0,1 mm2 (105 μm2) beobachtet, d.h. St, um ihre Anzahl (N) und Fläche (Sp) in μm2 zu bestimmen. Die vorgeschlagene Formel Sp/St/N wird auf ein Verhältnis von 0,1% oder weniger ausgelegt. In einem Beispiel dieser Veröffentlichung wird ein Pulver einer Cu-Pb-Sn Vorlegierung verwendet. Es wird auch beschrieben, daß die feine Bleistruktur wahrscheinlich durch eine niedrige Sintertemperatur erlangt werden können. Es ist deshalb klar, daß die Präzipitation und die Ausbreitung von Pb durch Sintern bei niedrigen Temperaturen unterdrückt werden.
  • Es ist aus der japanischen, noch nicht geprüften Veröffentlichung der Patentschrift (kokoku) Nr. 7-9046 (folgend als "das Patentdokument 2" bezeichnet) bekannt, daß Karbide wie Cr2C3, Mo2C, WC, VC und NbC als harte Partikel zugegeben werden, um die Beständigkeit gegenüber Verschleiß der gesinterten Kupferlegierung zu erhöhen. In dieser Patentschrift werden das Pulver der Kupferlegierung, welches einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 10 bis 100 μm hat, und das Pulver der harten Partikel, welches einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 5 bis 150 μm hat, einem V-Typ Mixer vermischt, verdichtet und gesintert. Es wird beschrieben, daß Blei in den Korngrenzen der Kupferlegierungspartikel vorhanden ist (Spalte 4, Zeilen 21–22). Diese Beschreibung widerspricht nicht der Erkenntnis aus einem Gleichgewichtsphasendiagram, welches so gut wie keine Lösung von Blei im festen Kupfer zeigt.
  • Die japanische, noch nicht geprüfte Veröffentlichung der Patentschrift (kokoku) Nr. 10-330868 (folgend als "das Patentdokument 3" bezeichnet) schlägt eine bleifreie Legierung vor, welche Gleiteigenschaften erreicht, die genauso hoch sind wie jene der gesinterten Cu-Pb Legierung. Eine Zeichnung dieser Veröffentlichung zeigt, daß Bi an den Tripelpunktekorngrenzen und den Korngrenzen die in der Nähe der Tripelpunkte sind, vorhanden ist.
  • Das japanische Patent Nr. 3,421,724 (folgend als "das Patentdokument 4" bezeichnet) zeigt die folgende, gesinterte Kupferlegierung. Hier sind harten Partikel in, und werden mit, der Pb- oder Bi-Phase vermischt. Diese Phase wird nicht von der gesinterten Legierung getrennt, sogar wenn Pb oder Bi nach einem Anstieg der Temperatur fließfähig werden. Die Pb und Bi Phase wirkt als Polsterung für die harten Partikel, so daß, wenn die harten Partikel und die gegenüberliegende Welle miteinander in einen gleitenden Kontakt gebracht werden, die harten Partikel in die Pb oder Bi Phase gezwungen werden. Die aggressiven Eigenschaften der harten Partikel werden so abgeschwächt. Wenn die harten Partikel von der Pb oder Bi-Phase abgelöst werden, werden sie wieder durch die Pb oder Bi-Phase eingefangen. Die Abnutzung aufgrund abgelöster Partikel kann so abgeschwächt werden. Da die harten Partikel in der Bi-Phase mit eingebettet sind, ist die Dicke der Bi-Phase größer als die der harten Partikel.
  • Die japanische, noch nicht geprüfte Veröffentlichung der Patentschrift (kokai) Nr. 2001-220630 (folgend als "das Patentdokument 5" bezeichnet) schlägt die folgende, auf Cu-Bi(Pb) basierende, gesinterte Legierung vor, insbesondere eine Struktur der Legierung, bei welcher die Partikel der innermetallischen Verbindung um die Bi oder Pb Phase vorhanden sind. Wenn die gesinterte Legierung Gleiten ausgesetzt wird, nutzen sich hauptsächlich die Bi oder Pb Phase und die Kupferlegierung ab, während die Partikel der intermetallischen Verbindung auf der Oberfläche zurückbleiben und aus der Oberfläche der gesinterten Legierung herausragen. Die konkave Bi- oder Pb-Phase und die Cu Legierung dienen dazu Öl zurückzuhalten. Resultierend wird die Widerstandsfähigkeit gegenüber Verschleiß und Ermüdung erhöht. Ein Beispiel für die Bedingungen des Sinterns ist 800–920 °C für ungefähr 15 Minuten.
  • Die herkömmlichen Pb-freien Materialien, die für die Lager der Pumpen der Brennstoffeinspritzdüsen verwendet werden können keine Gleiteigenschaften erreichen, die gleich oder besser sind, als jene der herkömmlichen Pb-haltigen Materialien. Probleme des, oben beschriebenen, Standes der Technik werden nachstehend beschrieben.
  • Pb und Bi, die in den Cu-Legierungen enthalten sind, bilden eine, von der Cu Matrix getrennte, Phase, da Pb und Bi so gut wie gar nicht im festen Cu gelöst werden und keine intermetallischen Verbindungen bilden. Solche Strukturen und Eigenschaften des Pb und Bi werden in den herkömmlichen Kupferlegierungen als kompatible Eigenschaften genutzt. Jedoch weisen Pb und Bi niedrige Stärke auf und die Dauerfestigkeit wird herabgesetzt. Aus diesem Grund ist das Sintern bei niedriger Temperatur und die Bildung der feinen Pb-Phase, wie im Patentdokument 1 vorgeschlagen, dazu geeignet die oben genannten Nachteile zu reduzieren. Jedoch hat die niedrige Temperatur beim Sintern eine schädliche Auswirkung auf die Bindekraft der Partikel der Kupferlegierung.
  • Die Bi-Phase, der in Patentdokument 3, 4 und 5 vorgeschlagenen, auf Cu-Bi basierenden Legierungen, sondert sich auf der Oberfläche der Legierungen ab oder korrodiert, wenn die Legierungen bei hoher Temperatur oder mit degradiertem Öl genutzt wird. Die Menge des Bi in den, benutzten, auf Cu-Bi basierenden Legierungen wird geringer als die zugesetzte Menge, mit dem Ergebnis, daß die Gleiteigenschaften in Mitleidenschaft gezogen werden. Wismut (Bi) kann sich auch im Schmieröl lösen. Wenn die Bi-Phase fein dispergiert wird, ist das Volumen der einzelnen Bi Partikel so klein, daß die Absonderung und die Abnahme des Bi-Gehalts verhindert werden kann. Jedoch sind die feine Dispergierung von Bi und eine hohe Festigkeit der Kupferlegierungen nach dem Sintern sich ausschließende Ergebnisse.
  • Die Bi-Phase der Bi enthaltenden Kupferlegierungen der Patentdokumente 4 und 5 wird während des Sinterns verflüssigt. Die Bestandteile der Kupfermatrix können deshalb in die flüssige Bi-Phase diffundieren. Aus diesem Grund bilden sich in der flüssigen Phase intermetallische Verbindungen. Da die entstehenden intermetallischen immer in der Grenzschicht der Bi-Phase und der Cu-Matrix vorhanden sind, können die intermetallischen Verbindungen außerhalb der Cu-Phase nicht durch die Cu-Phase gehalten werden.
  • Da die gewünschte Struktur der gesinterten Legierung gemäß Patentdokument 5 nicht durch herkömmliches Sintern erhalten werden kann, wird das Sintern über einen langen Zeitraum ausgeführt. In diesem Fall wird das Ausmaß der Bi-Phase größer als das Ausmaß der harten Partikel. 2 von Patentdokument 4 legt ein solches Wachstum der Bi-Phase nahe. Es scheint so, als daß das Verhältnis der Kontakte der harten Partikel, die nachfolgend beschrieben wird, im Patentdokument 4 fast bei 100% liegt. Wie in 1 des Patentdokuments 5 gezeigt ist der Anteil des Kontakts der harten Partikel in diesem Patentdokument hoch. Wie voranstehend beschrieben ist die Bi-Phase des Stands der Technik einer der Gründe für die Erniedrigung der Dauerfestigkeit und der Korrosionsbeständigkeit.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung eine auf Cu-Bi basierende Legierung bereit zu stellen, die gleichzeitig ein hohes Maß an Kompatibilität, Dauerfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit erreichen kann, die für das Lager eine Brennstoffeinspritzdüse notwendig ist.
  • In Übereinstimmung mit den Zielen der vorliegenden Erfindung wird ein bleifreies Lager bereit gestellt, bestehend aus zwischen 1 bis 30 Masse-% Bi und zwischen 0,1 bis 10 Masse-% harter Partikel mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 10 bis 50 μm, wobei der Rest Cu und unvermeidbare Verunreinigungen darstellt, und weiterhin die in der Cu-Matrix dispergierte Bi-Phase einen kleineren durchschnittlichen Partikeldurchmesser aufweist als derjenige der harten Partikel.
  • Es wird auch ein bleifreies Lager bereitgestellt, bestehend aus zwischen 1 bis 30 Masse-% Bi und zwischen 0,1 bis 10 Masse-% harter Partikel mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 10 bis 50 μm, wobei der Rest Cu und unvermeidbare Verunreinigungen darstellt, und das eine Bi-Phase enthält, die in Kontakt mit einem Teil der harten Partikel steht, wobei die Kontaktlänge davon mit der Bi-Phase 50% oder weniger, relativ zur gesamten Umfangslänge der Bi-Phase, und die Anzahl des Teils der harten Partikel 70% oder mehr der gesamten harten Partikel beträgt.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend im Detail beschrieben
  • (1) Zusammensetzung der Legierung
  • In der gesinterten, auf Cu-Bi basierenden Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung, liegt der Bi Gehalt zwischen 1 bis 30 Masse-%, da die Widerstandsfähigkeit gegenüber Reibverschweißung bei einem Bi Gehalt von weniger als 1 Masse-% schlecht ist und bei einem Bi-Gehalt von mehr als 30 Masse-% die Beanspruchbarkeit niedrig ist und die Ermüdungsbeständigkeit schlecht ist. Ein bevorzugter Bi-Gehalt liegt zwischen 1 bis 15 Masse-%.
  • Die hier benutzten harten Partikel können jene sein, die im Patentdokument 2 erwähnt werden. Eine auf Fe basierende Verbindung, die hervorragende Sinterungseigenschaften mit der Kupferlegierung aufweist, wie z.B. Fe2P, Fe3P, FeB, Fe2B und Fe3B wird bevorzugt benutzt. Zusätzlich ist der Kontaktanteil zwischen der Bi-Phase und den harten Partikeln nach dem Sintern niedrig, da die auf Fe basierende Verbindung mit Wismut (Bi) eine schlechte Benetzbarkeit aufweist und eine gute Benetzbarkeit mit Kupfer (Cu). Zusätzlich ist es wahrscheinlich, daß die harten Partikel durch die Kupfermatrix gehalten werden. Die Separation der harten Teilchen und die Bildung von Rissen in den harten Partikeln, was zu einer Herabsetzung der Verschleißfestigkeit und der Widerstandsfähigkeit gegenüber Reibverschweißung führt, können deshalb nur schwer während des Gleitens auftreten. Wenn der Gehalt der harten Partikel bei weniger als 0,1 Masse-% liegt sind die Widerstandsfähigkeit gegenüber Reibverschweißung und die Verschleißfestigkeit schlecht. Wenn der Gehalt jedoch anderseits bei mehr als 10 Masse-% liegt sind die Beanspruchbarkeit und die Ermüdungsbeständigkeit herabgesetzt. Zusätzlich ist das gegenüber liegende Material in Gefahr durch die harten Partikel angegriffen zu werden und die Eigenschaften für die Sinterung werden auch beeinträchtigt. Ein bevorzugter Gehalt an harten Partikeln liegt bei von 1 bis 5 Masse-%.
  • Der Rest der obigen Bestandteile ist Cu und unvermeidbare Verunreinigungen. Die Verunreinigungen, einschließlich Pb, sind von üblicher Natur.
  • Wenn es notwendig ist, kann ein zusätzliches Element oder Elemente zur Kupferlegierung zugegeben werden. So kann zum Bespiel Phosphor (P) in einer Menge von bis zu 0,5 Masse-% zugeben werden, welches den Schmelzpunkt der Kupferlegierung herabsetzt und die Eigenschaften der Sinterung verändert. Wenn der Gehalt an Phosphor (P) bei über 0,5 Masse-% liegt, versprödet die Kupferlegierung. Zinn (Sn), welches die Beanspruchbarkeit und die Ermüdungsbeständigkeit verbessert, kann in einem Bereich von 1 bis 15 Masse% zugesetzt werden. Wenn der Gehalt an Sn bei weniger als 1 Masse-% liegt, wird die Beanspruchbarkeit nicht zufrieden stellend verbessert. Wenn der Gehalt an Sn andererseits bei mehr als 15 Masse-% liegt, kann es passieren daß sich intermetallische Verbindungen bilden und die Legierung versprödet. Nickel (Ni), welches die Beanspruchbarkeit und die Korrosionsbeständigkeit verbessert, kann in einer Menge von 0,1 bis 5 Masse-% zugegeben werden. Wenn der Gehalt an Ni bei weniger als 0,1 Masse-% liegt, wird die Beanspruchbarkeit nicht zufrieden stellend verbessert. Wenn der Gehalt an Ni andererseits bei mehr als 5 Masse-% liegt, kann es passieren daß sich intermetallische Verbindungen bilden und die Legierung versprödet. Diese Elemente werden in Cu legiert und sind grundlegende Bestandteile der Kupferlegierungsmatrix.
  • Weiterhin kann ein festes Schmiermittel wie MoS2 und Graphit zur Kupferlegierung gegeben werden. Das feste Schmiermittel wird nicht mit der Kupferlegierung legiert ist aber als Verbundstoffbestandteil in der Kupferlegierung vorhanden. Der feste Schmierstoff kann in einer Menge von bis zu 5 Masse-% zugegeben werden.
  • (2) Struktur der Legierung
  • Im ersten und zweiten Lager gemäß der vorliegenden Erfindung liegt der durchschnittliche Durchmesser der Partikel zwischen 10 bis 50 μm. Wenn der durchschnittliche Durchmesser der Partikel unter 10 μm liegt, sind die harten Partikel nicht wirksam die Verschleißfestigkeit zu verbessern. Wenn der durchschnittliche Durchmesser der Partikel andererseits größer 50 μm ist, ist die Festigkeit der gesinterten Kupferlegierung niedrig. Ein bevorzugter durchschnittlicher Durchmesser der Partikel liegt zwischen 15 und 30 μm.
  • Die Struktur der Legierung gemäß der vorliegenden Verbindung ist so geartet, daß der Fluss der Bi-Phase so weit wie möglich unterdrückt wird und so der Kontakt zwischen der Bi-Phase und den harten Partikeln aufgrund des Flusses der Bi-Phase unterdrückt wird. Diese Eigenschaft wird im ersten Lager, gemäß der vorliegenden Erfindung, als D Bi < DH definiert. In dieser Beziehung gibt D Bi den durchschnittlichen Durchmesser der Partikel der Bi-Phase an, daß heißt den Durchmesser eines Kreises einer Bi-Phase. DH gibt den durchschnittlichen Durchmesser der Partikel der harten Partikel an.
  • Das zweite Lager gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Bi-Phase die mit einem Teil der harten Partikel in Kontakt steht, wobei die Kontaktlänge davon mit der Bi-Phase 50% oder weniger, relativ zur gesamten Umfangslänge der Bi-Phase, und die Anzahl des Teils der harten Partikel 70% oder mehr der gesamten harten Partikel beträgt.
  • Die "Kontaktlänge eines Teils der harten Partikel mit der Bi-Phase relativ zur gesamten Umfangslänge der Bi-Phase" wird nachfolgend als das "Kontaktverhältnis der harten Partikel" bezeichnet. Es ist zu beachten das Beschreibungen der harten Partikel im vorliegenden Absatz sich auf solche beziehen, die in Kontakt mit der Bi-Phase sind, außer wenn es anderweitig angegeben ist. Wenn das Kontaktverhältnis der harten Partikel bei 100% liegt ist die gesamte Umfangslänge von einem oder mehreren harten Partikeln in Kontakt mit der Bi-Phase. Dieser Kontaktzustand wird mit jedem der harten Partikel umgesetzt. Dieser Zustand bedeutet nichts anderes, als daß die harten Partikel in die Bi-Phase eingebettet sind oder von ihr umschlossen werden. Wenn das Kontaktverhältnis der harten Partikel andererseits bei weniger als 100% aber mehr als 0% liegt, haben die harten Partikel, die in Kontakt mit der Bi-Phase sind notwendigerweise einen Teil der aus der Bi-Phase herausragt.
  • Dieser Teil ist in Kontakt mit der Kupferlegierung. In der vorliegenden Erfindung liegt das Kontaktverhältnis der harten Partikel bei 50% oder weniger, da der Kontakt zwischen den harten Partikeln und der Matrix soweit herabgesetzt wird, wie möglich. In diesem Zustand können die jeweiligen Eigenschaften der harten Partikel und der Kupfermatrix auf einem hohen Niveau offenbart werden.
  • Der Anteil der Anzahl der harten Partikel die 50% oder weniger des Kontaktverhältnisses der harten Partikel bezüglich zu den gesamten harten Partikeln, die jene mit einschließen können, die nicht in Kontakt mit der Bi-Phase sind, wird als "das Verhältnis der harten Partikel" bezeichnet. Wenn das Verhältnis der harten Partikel bei 100% liegt, haben alle harten Partikel ein Kontaktverhältnis der harten Partikel von 50% oder weniger. Wenn andererseits das Verhältnis der harten Partikel bei 0% liegt, haben alle harten Partikel ein Kontaktverhältnis der harten Partikel von mehr als 50%. In der vorliegenden Erfindung ist das Verhältnis der harten Partikel auf 70% oder mehr begrenzt, da die Bi-Phase und harte Partikel, die in geringem Masse miteinander in Kontakt sind, in relativ großem Umfang in der Legierung vorhanden sein sollen. Als Ergebnis werden die jeweiligen Eigenschaften der Bi-Phase und der harten Partikel zufrieden stellend gezeigt.
  • Um das vorher hier beschriebene Sinterungsverfahren durchzuführen, wird die Sinterungstemperatur des atomisierten Cu-Bi Legierungspulvers oder des Cu-Bi Legierungsmischpulvers für einen kurzen Zeitraum von 2 Minuten oder weniger bei der Sinterungstemperatur gehalten. Eine solche Sinterung kann durch Hochfrequenzinduktionssinterung durchgeführt werden, wie von einem der derzeitigen Antragsteller in der japanischen, noch nicht geprüften Veröffentlichung der Patentschrift (kokai) Nr. 2002-12902 (Patentdokument 6) vorgeschlagen.
  • (3) Eigenschaften der Legierung
  • Im Allgemeinen zeigt die Bi-Phase der auf Kupfer basierenden, gesinterten Legierung, gemäß der vorliegenden Erfindung, Kompatibilität. Die harten Partikel werden durch die Matrix der auf Kupfer basierenden, gesinterten Legierung, gemäß der vorliegenden Erfindung fest gehalten und sind nicht leicht von der Cu Matrix zu trennen. Daraus folgend sind die Verschleißfestigkeit und die Beständigkeit gegenüber Reibverschweißung verbessert. Weiterhin sind die Beanspruchbarkeit und die Dauerfestigkeit verbessert.
    • (a) Die Bi-Phase ist in der gesamten gesinterten Legierung fein dispergiert. Die Materialeigenschaften der gesinterten Legierung im Ganzen, d.h. die so genannten Gesamteigenschaften sind in der Dauerfestigkeit, der Korrosionsbeständigkeit und der Beanspruchbarkeit verbessert.
    • (b) Fast alle harten Partikel werden von der Cu Matrix oder der Cu-Legierungsmatrix gehalten. Die Oberflächengleiteigenschaften der gesinterten Legierung sind in der Verschleißfestigkeit verbessert.
    • (c) Die Bi-Phase, die auf der Gleitoberfläche vorhanden ist, sorgt für verbesserte Kompatibilität, ohne die Benutzung von Pb.
    • (d) Die fein dispergierte Bi-Phase sorgt für eine verbesserte Nicht-Anhaftung und Beständigkeit gegenüber Reibverschweißung.
  • (4) Herstellungsverfahren der Buchse
  • Die Cu-Bi Legierung wird durch ein Verfahren zur Atomisierung pulverisiert. Das entstehende Cu-Bi Pulver wird mit dem Pulver der harten Partikel und dem Pulver der anderen metallischen Bestandteile vermischt. Die Bestandteile, die nicht das Pulver der harten Partikel sind, können in Form eines Legierungspulvers, welches durch das Verfahren zur Atomisierung gewonnen wurde, sein. Die Pulvermischung wird mit gleichförmiger Dicke auf einem Stahlblech verteilt und wird für einen kurzen Zeitraum, der nachfolgend beschrieben wird, gesintert. Die gesinterte Legierungsschicht wird gewalzt, gefolgt von einem kurzen Zeitraum des Sinterns. Wenn nötig wird das Walzen noch einmal ausgeführt. Das entstehende gesinterte und gewalzte Produkt ist in Form eines Bimetalls, welches in eine vorbestimmte Form geschnitten wird. Das geschnittene Blech wird in eine zylindrische Form gebogen und zu einer Buchse verarbeitet.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Hinblick auf Abbildungen und Beispiele beschrieben.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
  • 1 ist ein Foto, welches die Mikrostruktur der gesinterten Kupferlegierung, gemäß eines Beispiels der vorliegenden Erfindung, zeigt (200-fache Vergrößerung)
  • 2 ist ein Foto, welches die Mikrostruktur der gesinterten Kupferlegierung, gemäß eines weiteren Beispiels der vorliegenden Erfindung, zeigt (500-fache Vergrößerung)
  • 3 ist ein Foto, welches die Mikrostruktur der gesinterten Kupferlegierung, gemäß eines vergleichenden Beispiels der vorliegenden Erfindung, zeigt (200-fache Vergrößerung)
  • 4 ist ein Foto, welches die Mikrostruktur der gesinterten Kupferlegierung, gemäß eines vergleichenden Beispiels der vorliegenden Erfindung, zeigt (500-fache Vergrößerung)
  • 5(a) und (b) zeigen Beispiele einer Brennstoffeinspritzdüse.
  • BEISPIELE
  • Das Cu-Bi Legierungspulver, dessen Zusammensetzung in Tabelle 1 gezeigt wird (das atomisierte Pulver, 150 μm oder weniger des durchschnittlichen Partikeldurchmessers) und das Pulver der harten Partikel (der durchschnittliche Partikeldurchmesser wird in Tabelle 1 gezeigt) wurden vermischt und in einer Dicke von ungefähr 1 mm auf ein Stahlblech aufgebracht. Die erste Sinterung wurde bei 750–1000 °C für 20–1800 Sekunden in reduzierendem Wasserstoffgas durchgeführt. Nachfolgend wurde das Walzen durchgeführt. Die zweite Sinterung wurde unter den gleichen Bedingungen ausgeführt wie die erste Sinterung. Die entstandenen gesinterten Materialien wurden als Testmaterialen verwendet. Die Sinterung für einen langen Zeitraum im Bereich der oben angegebenen Sinterungszeiten fördert die Diffusion der Bi-Phase um so Vergleichsproben herzustellen.
  • Testverfahren für die Widerstandsfähigkeit gegenüber Reibverschweißung
  • Die Oberfläche der Kupferlegierungen, die nach dem oben erwähnten Verfahren hergestellt wurden fein mit Schleifpapier abgeschliffen um die Rauheit der Oberfläche (durchschnittliche Rauheit über 10 Punkte) auf 1,0 μm oder weniger einzustellen. Ein Stahlball wurde auf der so präparierten Oberfläche angestoßen und wurde dazu gebracht, unter Last, in eine Richtung zu gleiten. Die Oberfläche des Stahlballs wurde dann beobachtet um die Fläche der Kupferlegierung zu messen, die an den Stahlball anhaftete. Da leicht anhaftendes Material eine schlechte Widerstandsfähigkeit gegenüber Reibverschweißung, weist eine kleine Anhaftungsfläche auf verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Reibverschweißung hin.
    • Messgerät: Stick Slip Messgerät
    • Last: 500 g
    • Material des Schafts: Lagerstahl (SUJ2)
    • Schmieröl: keines
    • Temperatur: Schrittweiser Anstieg von Raumtemperatur auf 200 °C
  • Testverfahren für die Dauerfestigkeit
  • Die Dauerfestigkeit und die Zugfestigkeit zeigen eine gute Verbindung miteinander. Verbesserte Dauerfestigkeit wird deshalb bei hoher Zugfestigkeit erreicht. Die Messung für die Zugfestigkeit, der in JIS festgelegt wird, wurde genutzt um Zugfestigkeit der Cu-Bi Legierungen zu messen und wurde als alternative Eigenschaft genutzt.
  • Die obigen Eigenschaften und das Verhältnis der harten Partikel werden in Tabelle 1 gezeigt.
    Bi Gehalt (Masse-%) Durchmesser des Kreises der Bi Phase entspricht (μm) Harte Partikel (Masse-%) Durchschnittlicher Durchmesser der harten Partikel (μm) Hart-Material Verhältnis (%) Widerstands fähigkeit gegenüber Reibverschweißung Dauerfestigkeit
    Fe3P Fe2P FeB
    Anhaftende Oberfläche (μm2) Material-Stärke (MPa)
    1 3 3 5 2 1 – 15 89 12 264
    2 5 5 3 2 – 25 94 15 257
    3 5 8 4 – – 25 91 11 262
    4 10 7 3 1 – 15 92 12 252
    5 10 12 4 – – 25 86 8 230
    6 10 14 4 1 – 25 89 8 225
    7 10 18 – – 5 24 84 6 220
    8 15 8 2 – – 15 93 0 238
    9 15 17 2 3 – 25 91 0 214
    10 15 14 – – 4 24 92 0 228
    11 15 13 – 3 – 25 91 0 232
    12 20 22 3 2 – 25 88 0 198
    13 20 28 7 3 – 32 86 0 176
    1 – – – 100 348
    2 5 31 5 – – 25 55 12 184
    3 10 52 3 – – 25 32 25 175
    4 10 105 3 2 – 25 18 50 152
    5 15 68 2 1 – 25 25 50 145
    6 20 127 5 – – 25 12 50 123
  • Wie aus Tabelle 1 klar wird, zeigen die erfinderischen Beispiele ein hohes Maß an verbesserter Widerstandsfähigkeit gegenüber Reibverschweißung, Dauerfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit.
  • Mikroskopische Fotos des erfinderischen Beispiels Nr. 4 ist in den 1 und 2 gezeigt, bei einer Vergrößerung von jeweils 200 und 500. Ein mikroskopisches Foto des Vergleichsbeispiels Nr. 3 ist den 3 und 4 gezeigt, bei einer Vergrößerung von jeweils 200 und 500. In den erstgenannten Fotos der 1 und 2 ist der Kontakt zwischen den harten Partikeln und der Bi-Phase in einem niedrigeren Anteil als der der dann gezeigten Fotos der 3 und 4.
  • In den 1 bis 4 zeigt der Kreis einer Bi-Phase einen Kreis, der eine Bi-Phase einschließt, mit dem Aussehen eines ungleichmäßig geformten Partikels und welcher in Kontakt mit der größten Umfang einer solchen Bi-Phase ist.
  • Beispiel 2
  • Das Material aus Vergleichsbeispiel Nr. 4 und das erfinderische Material Nr. 6, die in Tabelle 1 gezeigt werden, wurden in zylindrische Form gebogen und als Buchse gearbeitet. Diese wurde in der Brennstoffeinspritzdüse eines Dieselmotors benutzt und eine Prüfung der Haltbarkeit wurde durchgeführt, indem Leichtöl, gemäß dem japanischen Industriestandard zweiter Klasse, als Schmieröl genutzt wurde. Im Fall des erfinderischen Materials Nr. 6 trat keine Beschädigung oder Defekt während der Testdauer von 1000 Stunden auf.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Wie vorhergehend beschrieben, ist das Lager für eine Brennstoffeinspritzdüse gemäß der vorliegenden Erfindung frei von Pb, zeigt aber verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Reibverschweißung und Dauerfestigkeit. Das Lager ist deshalb geeignet in einer Pumpe unter hohem Druck genutzt zu werden.

Claims (4)

  1. Bleifreies Lager für eine Kraftstoffeinspritzpumpe, das 1 bis 30 Masse-% Bi, gegebenenfalls mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus 1 bis 15 Masse-% Sn, 0,1 bis 5 Masse-% Ni und nicht mehr als 0,5 Masse-% P, und 0,1 bis 10 Masse-% harter Partikel mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 10 bis 50 μm enthält, wobei der Rest Cu und unvermeidbare Verunreinigungen darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Cu-Matrix dispergierte Bi-Phase einen kleineren durchschnittlichen Partikeldurchmesser aufweist als derjenige der harten Partikel.
  2. Bleifreies Lager für eine Kraftstoffeinspritzpumpe, das 1 bis 30 Masse-% Bi und 0,1 bis 10 Masse-% harter Partikel mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 10 bis 50 μm enthält, wobei der Rest Cu und unvermeidbare Verunreinigungen darstellt, und das eine Bi-Phase enthält, die in Kontakt mit einem Teil der harten Partikel steht, wobei die Kontaktlänge hiervon mit der Bi-Phase 50% oder weniger, relativ zur gesamten Umfangslänge der Bi-Phase, und die Anzahl des Teils der harten Partikel 70% oder mehr der gesamten harten Partikel beträgt.
  3. Bleifreies Lager nach Anspruch 1 oder 2, wobei es weiterhin mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus 1 bis 15 Masse-% Sn, 0,1 bis 5 Masse-% Ni und nicht mehr als 0,5 Masse-% P enthält.
  4. Bleifreies Lager nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, worin die harten Partikel aus einer Eisenverbindung bestehen, ausgewählt aus Fe2P, Fe3P, FeB, Fe2B und Fe3B.
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