JP2008007794A

JP2008007794A - 電子制御スロットル用Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受

Info

Publication number: JP2008007794A
Application number: JP2006176252A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Harakawa; 俊郎原川; Teruo Shimizu; 輝夫清水; Tsuneo Maruyama; 恒夫丸山; Takahiro Nosu; 敬弘野須; Yoichi Murakami; 洋一村上; Shigehiko Inayoshi; 成彦稲吉
Original assignee: Denso Corp; Diamet Corp
Current assignee: Denso Corp; Diamet Corp
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2008-01-17

Abstract

【課題】シャフトの揺動回転に長期間耐えうる信頼性に優れた電子制御スロットル用Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受を提供する。
【解決手段】Ｎｉ：１７〜２２％、Ｓｎ：８〜１０％、Ｃ：５〜７％、Ｐ：０．１〜０．３％、フッ化カルシウム：２〜４％を含有し、残部：Ｃｕおよび不可避不純物からなる成分組成、並びに素地中に遊離黒鉛およびフッ化カルシウムが分散分布した組織を有する電子制御スロットル用Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製の軸受。
【選択図】なし

Description

この発明は、電子制御スロットルにおけるバタフライ弁のシャフトの軸受として使用するための優れた信頼性および特性を有するＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受に関するものである。

従来からＥＧＲ式内燃機関の再循環排ガス流量制御弁を作動させるステンレス鋼製往復動シャフトの軸受など高温環境下で強度、耐摩擦摩耗性および耐焼付き性が要求される軸受の材料としてＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金が使用されており、このＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金からなる軸受として、例えば、Ｎｉ：１７〜２２％、Ｓｎ：５〜１２％、Ｃ：３〜１０％を含有し、残りがＣｕと不可避不純物からなる組成、並びに素地に遊離黒鉛が分散分布した組織を有するＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系焼結合金からなる軸受などが知られている（例えば特許文献１参照）。

さらに、このＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金からなる軸受の摩擦係数を下げて潤滑性を一層向上させるために、二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤を添加することも知られており、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金の潤滑性を高めるために含まれる二硫化モリブデンの量は通常１〜５％である。

特開２００４−６８０７４号公報

一方、電子制御スロットルにおけるバタフライ弁のシャフトはその両端が軸受で支持されており、このシャフトは回転角度：１８０度以下の範囲内で正転および逆転の回転を繰り返し行う（以下、この正逆回転を「揺動回転」という）。前記シャフトの揺動回転はシャフトが一方向にのみ回転する一方向回転に比べて焼付きが発生しやすく、また摩擦摩耗が激しいために寿命が短くなる。特に近年の電子制御スロットルにおけるバタフライ弁のシャフトは高速回転速度で揺動回転が頻繁に行われるところから、そこに使用されるバタフライ弁のシャフトを支持する軸受は一方向高速回転する場合に比べて一層過酷な条件にさらされており寿命が短くなっている。さらに、近年、可能な限り自動車の室内空間を広げようとするために自動車電子部品の一層の小型化が求められており、さらに燃費の改善から一層の軽量化が求められている。そのために自動車部品の一部である電子制御スロットルにおけるバタフライ弁のシャフトを支持する軸受も可及的に軽量化しようとしている。しかし、軸受を薄く小型化して軽量化すると、シャフトの揺動回転に対して軸受は長期間耐えることができなくなる。この発明は、かかるシャフトの揺動回転に長期間耐えうる信頼性に優れた電子制御スロットル用Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、シャフトの正逆高速回転と一時停止の繰り返しの高速揺動回転に耐えることができる電子制御スロットル用Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受を得るべく研究を行った。

その結果、Ｎｉ：１７〜２２％、Ｓｎ：８〜１０％、Ｃ：５〜７％、Ｐ：０．１〜０．３％を含有し、残部：Ｃｕおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金に、固体潤滑剤として、フッ化カルシウム：２〜４％含有せしめたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金は素地中に遊離黒鉛およびフッ化カルシウムが分散分布した組織を有し、このＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金で作製した軸受は、前記電子制御スロットルにおけるバタフライ弁のシャフトの高速揺動回転に対して長期間耐えることができる、という研究結果が得られたのである。

この発明は、かかる研究結果に基づいてなされたものであって、

質量％で、Ｎｉ：１７〜２２％、Ｓｎ：８〜１０％、Ｃ：５〜７％、Ｐ：０．１〜０．３％、フッ化カルシウム：２〜４％を含有し、残部：Ｃｕおよび不可避不純物からなる成分組成、並びに素地中に遊離黒鉛およびフッ化カルシウムが分散分布した組織を有する電子制御スロットル用Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受、に特徴を有するものである。

この発明の電子制御スロットル用Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金を製造するには、原料粉末として、Ｎｉ：１５〜３５質量％を含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる成分組成のＣｕ−Ｎｉ粉末、Ｓｎ粉末、黒鉛粉末およびフッ化カルシウム粉末を用意し、さらにＰ：８質量％を含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる成分組成のＣｕ−Ｐ合金粉末を用意し、これら原料粉末を、Ｎｉ：１７〜２２％、Ｓｎ：８〜１０％、Ｃ：５〜７％、Ｐ：０．１〜０．３％、フッ化カルシウム：２〜４％を含有し、残部：Ｃｕおよび不可避不純物からなる成分組成を有するように配合し混合して混合粉末を作製し、この混合粉末を圧縮成形して得られた圧粉体を温度：７００〜９５０℃で燒結することにより得られる。

このようにして得られた電子制御スロットル用Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受は、素地に気孔率：６〜１２％の割合で気孔が分散分布し、さらに素地中に遊離黒鉛およびフッ化カルシウム粒子が分散分布している組織を有している。

つぎに、この発明の電子制御スロットル用Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受の成分組成を上記の通りに限定した理由を説明する。

（ａ）Ｎｉ
Ｎｉ含有量と軸受の熱膨張係数との間には、Ｎｉ：１７％の含有で、実質的に軸受：１７×１０^-6／Ｋの熱膨張係数を示し、また同２２％の含有で、同じく１５×１０^-6／Ｋの熱膨張係数を示す関係があり、これらの熱膨張係数はシャフトのもつ１５〜１７×１０^-6／Ｋの熱膨張係数に相当するものである。したがって、この発明の電子制御スロットル用Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受に含まれるＮｉ量は熱膨張係数との整合性から、その含有量を１７〜２２％と定めた。
さらに述べれば、その含有量が１７％未満では熱膨張抑制効果が不十分で、軸受の熱膨張係数が１７×１０^-6／Ｋを越えて大きなものなり、この結果高温環境ではシャフトとの摺動面間のクリアランスが増大し、これが摺動面における局部的摩耗発生の原因となるので好ましくなく、一方その含有量が２２％を越えると、軸受の熱膨張係数が１５×１０^-6／Ｋ未満となってしまい、高温環境ではシャフトとの摺動面間の抵抗が大きくなって摩耗が急速に増大するようになることから好ましくない。したがって、この発明のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金に含まれるＮｉ含有量を１７〜２２％と定めた。

（ｂ）Ｓｎ
Ｓｎ成分には、ＣｕおよびＮｉと素地の固溶体を形成して、軸受の強度を向上させ、もって軸受の耐摩耗性向上に寄与する作用があるが、その含有量が８％未満では所望の強度向上効果が得られず、一方その含有量が１０％を越えると相手材であるシャフトに対する攻撃性が急激に増大し、シャフトの摩耗が促進されるようになることから、その含有量を８〜１０％と定めた。

（ｃ）Ｃ
Ｃ成分は、主体が素地に分散分布する遊離黒鉛として存在し、軸受の潤滑性を向上させ、もって軸受およびシャフトの耐摩耗性向上に寄与する作用をもつが、その含有量が５％未満では遊離黒鉛の分散分布割合が不十分で、所望のすぐれた潤滑性を確保することができず、一方その含有量が７％を越えると、軸受の強度が急激に低下し、摩耗が急激に進行するようになることから、その含有量を５〜７％と定めた。

（ｄ）Ｐ

Ｐ成分は、焼結時に焼結性を向上させ、もって素地の強度、すなわち軸受けの強度を向上させる作用があるので必要に応じて含有させるが、Ｐの含有量が０．１％未満では十分な焼結性を発揮させることができないことから十分な強度が得られないので好ましくなく、一方、０．３％を越えて含有させると、粒界部の強度が急激に低下するので焼結合金の強度がかえって低下するようになるので好ましくない。したがって、Ｐ成分の含有量を０．１〜０．３％に定めた。

（ｅ）フッ化カルシウム

フッ化カルシウムは耐焼付き性を著しく向上させる作用があるが、その含有量が２％未満では所望の効果が得られず、一方、４％を越えて含有すると、強度が低下し、さらに相手材であるシャフトに対する摩耗性が急激に増大し、シャフトの摩耗が促進されるようになることから、軸受の摩耗も増加し、耐摩擦摩耗性が低下するようになるので好ましくない。したがって、フッ化カルシウムの含有量を２〜４％に定めた。

この発明の電子制御スロットル用Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受は、従来のＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受と比較して使用寿命が長く、一層の信頼性を有する。

この発明の電子制御スロットル用Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受を実施例により具体的に説明する。
原料粉末として、平均粒径：１５０μｍ以下でＮｉ：１５〜３５質量％を含有し、残部がＣｕおよび不可避不純物からなる成分組成のアトマイズＣｕ−Ｎｉ粉末、平均粒径：２０μｍのアトマイズＳｎ粉末、平均粒径：６０μｍのＣａＦ_２粉末、平均粒径：１５０μｍ以下のＣｕ−Ｐ合金（Ｃｕ−８．４％Ｐ共晶合金）粉末、平均粒径：２０μｍの黒鉛粉末、平均粒径：１５０μｍ以下のＭｏＳ_２粉末を用意した。

先に用意したこれら原料粉末を表１〜２に示される最終成分組成となるように配合し、ステアリン酸を１％加えてＶ型混合機で２０分間混合した後、プレス成形して圧粉体を作製し、この圧粉体をアンモニア分解ガス雰囲気中、温度：７００〜９５０℃の範囲内の所定の温度で焼結することによりいずれも外径:１８ｍｍ×内径：８ｍｍ×高さ：８ｍｍの寸法を有し、表１〜２に示される成分組成および気孔率を有する本発明Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受１〜１８、比較Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受１〜１０および従来Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受を作製した。

得られた上記の本発明Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受１〜１８、比較Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受１〜１０および従来Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受に合成油を含浸せしめ、この合成油を含浸せしめた本発明Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受１〜１８、比較Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金１〜１０製軸受および従来Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受を用いて下記の試験を行った。

圧壊試験：
合成油を含浸せしめた本発明Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受１〜１８、比較Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受１〜１０および従来Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受に半径方向から荷重をかけ、リング状試験片が破壊したときの圧壊荷重を測定し、その結果を表１〜２に示すことにより強度及び靭性を評価した。

耐摩耗性試験：
合成油を含浸せしめた本発明Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受１〜１８、比較Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受１〜１０および従来Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受にＳＵＳ３０４の６Ｓ仕上げのシャフトを挿入し、本発明Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受１〜１８、比較Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受１〜１０および従来Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受の半径方向（シャフトの軸方向に対して直角方向）に荷重：０．３ＭＰａを軸受の外側からかけながら前記シャフトを７０度正回転したのち逆回転する揺動回転を１サイクルとしてこれを１００万サイクル繰り返す試験を実施し、試験後の軸受の内径の最大摩耗深さを測定し、その結果を表１〜２に示すことにより強度、耐摩擦摩耗性を評価した。

耐焼付き性試験：

合成油を含浸せしめた本発明Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受１〜１８、比較Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受１〜１０および従来Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受にＳＵＳ３０４の６Ｓ仕上げのシャフトを挿入し、前記シャフトを９０度正回転したのち逆回転する揺動回転を１サイクルとしてこれを繰り返し行い、同時に本発明Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受１〜１８、比較Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受１〜１０および従来Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受の半径方向（シャフトの軸方向に対して直角方向）にかけた荷重を段階的に増加させ、焼付きが発生したときの荷重を焼付き荷重として測定し、その結果を表１〜２に示すことにより耐焼付き性を評価した。

表１〜２に示される結果から、本発明Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受１〜１８はいずれも従来Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受に比べて優れた圧壊荷重が大きいところから高強度を有し、さらに最大摩耗深さおよび焼付き荷重が小さいことから優れた強度、耐摩擦摩耗性および耐焼付き性を有することが分かる。しかし、この発明の範囲から外れた成分組成を有する比較Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受１〜１０からなるリング状試験片は高強度、強度、耐摩擦摩耗性および耐焼付き性のうちの少なくともいずれかの特性が劣ることが分かる。

Claims

質量％で、Ｎｉ：１７〜２２％、Ｓｎ：８〜１０％、Ｃ：５〜７％、Ｐ：０．１〜０．３％、フッ化カルシウム：２〜４％を含有し、残部：Ｃｕおよび不可避不純物からなる成分組成、並びに素地中に遊離黒鉛およびフッ化カルシウムが分散分布した組織を有する電子制御スロットル用Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系銅基焼結合金製軸受。