JP2019211040A - 過給機用焼結軸受及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温環境下での耐腐食性、摺動性、及び耐摩耗性に優れ、且つ低コスト化を達成できる過給機用焼結軸受を提供する。【解決手段】焼結軸受５は、クロムを１１質量％以上含むステンレス鋼を主体とし、０．２質量％以上２質量％以下の窒化ホウ素を含む焼結体で形成される。【選択図】図２

Description

本発明は、過給機に用いられる焼結軸受に関する。

自動車エンジン等で使用される過給機、例えばターボチャージャは、軸の両端にタービンインペラとコンプレッサインペラとを取り付けた構造を有する。エンジンの駆動中は、シリンダからの排気ガスによってタービンインペラが回転駆動され、このトルクでコンプレッサインペラが回転して空気を圧縮する。過給機は、このようにして圧縮した空気をシリンダの吸気側に送り込むことで、エンジンの吸気効率を高める機能を有する。

過給機の軸を支持する軸受は、タービンインペラとコンプレッサインペラとの間でハウジング内に配置される。この軸受としては、軸受とハウジング、および軸受と軸の双方の間に油膜を形成するフローティング軸受を使用するのが通例である。このフローティング軸受としては、軸受を潤滑油（エンジンオイル）中に浮かせて軸受が軸に対して連れ回るようにしたフルフローティング構造と、軸受の回転を拘束したセミフローティング構造とが知られている。

過給機の軸は１０万ｒｐｍを超える高速で回転する。また、排熱等の影響により軸受周辺は数百度程度の高温となる。従って、過給機用の軸受では、高温下で高い耐摩耗性や耐焼き付き性が必要とされる。また、排気ガスやエンジンオイルに対する耐腐食性も必要とされる。このような過酷な環境下で使用される過給機用軸受の一例として、特許文献１には、黄銅系生地にＭｎ−Ｓｉ系化合物を析出させた黄銅系合金（黄銅系メタル）からなるすべり軸受が開示されている。

特許第３７１８１４７号公報

特許文献１の黄銅系メタル軸受は溶製材で形成されている。溶製材からなるすべり軸受は、その製作過程で切削加工等を必要とするため、高コスト化する問題がある。この問題を解決する手法として、ニアネットシェイプで成形可能となる焼結軸受を使用することが考えられる。

その一方で、過給機用軸受の焼結軸受への置き換えには多くの障害がある。例えば焼結軸受としては鉄系や青銅系が一般的であるが、鉄系焼結軸受では耐焼き付き性を満足することができず、青銅系焼結軸受では、低融点（ほぼ２３２℃）のＳｎ単体組織を含むため、過給機として使用した際に軸受強度が著しく低下する問題がある。また、摺動性の観点から、軸受面には固体潤滑剤組織を形成することが望まれるが、固体潤滑剤として一般的な黒鉛は、３２５℃以上で炭酸ガス化して消失するため、過給機用焼結軸受としての使用には適さない。二硫化モリブデンも同様に高温で消失するため、過給機用焼結軸受の固体潤滑剤としての使用には適さない。さらに、過給機用軸受では、軸受が高速回転する軸と瞬間的に接触摺動する（フルフローティングタイプでは、さらに軸受とハウジングも瞬間的に接触摺動する）ため、その衝突時の軸受の摩耗を抑制できるよう高い耐摩耗性が必要とされる。

近年では、過給機のさらなるパワーアップが要請され、この要請に応えるべく、軸の回転速度や軸受温度がさらに高まる傾向にある（軸の回転速度は３０万ｒｐｍ程度、軸受温度は４００℃程度に達する可能性がある）。このような要求特性の更なる過酷化に対し、既存の黄銅系メタル等からなる過給機用軸受では対応に限界がある。例えば黄銅系メタルは４００℃程度での軟化が著しいため、高温下での耐摩耗性に不安が残る。

以上の問題に鑑み、本発明は、高温環境下での耐腐食性、摺動性、及び耐摩耗性に優れ、且つ低コスト化を達成できる過給機用焼結軸受を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、クロムを１１質量％以上含むステンレス鋼を主体とした焼結体からなる過給機用焼結軸受であって、前記焼結体が、０．２質量％以上２質量％以下の窒化ホウ素を含むことを特徴とする過給機用焼結軸受を提供する。

このように、過給機用焼結軸受を、ステンレス鋼粉を主体とした焼結体で形成することで、高温環境下での優れた耐腐食性が付与される。また、この焼結体が、高温環境下でも優れた自己潤滑機能を発揮する窒化ホウ素を含むことで、表面に露出した窒化ホウ素が軸と摺動することにより高温環境下における軸との摺動性が高められ、焼結軸受の耐摩耗性を高めることができる。

上記の過給機用焼結軸受において、十分な摺動性を得るためには、表面に、窒化ホウ素を面積比で３％以上の割合で露出させることが好ましい。

上記の過給機用焼結軸受を構成する焼結体は、耐腐食性に特に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を主体としたものであることが好ましい。具体的には、焼結体を、例えば１７質量％以上２１質量％以下のクロムと、９質量％以上１２質量％以下のニッケルと、３質量％以上５質量％以下の銅と、０．５質量％以上１質量％以下の錫と、０．２質量％以上２質量％以下の窒化ホウ素と、残部の主成分としての鉄とからなる構成することが好ましい。

上記の過給機用焼結軸受は、クロムを１１質量％以上含むステンレス鋼粉と０．２質量％以上２質量％以下の窒化ホウ素粉とを混合することにより原料粉末を作製する工程と、前記原料粉末を圧縮成形して圧粉体を形成する工程と、前記圧粉体を焼結して焼結体を得る工程とを経て製造することができる。

窒化ホウ素粉の平均粒径は、２μｍ以上２０μｍ以下とすることが好ましい。

以上のように、本発明の過給機用焼結軸受によれば、従来から用いられる黄銅系メタルからなる軸受よりも低コスト化を図ることができる。さらに、ステンレス鋼を主体とした焼結体に窒化ホウ素を配合することで、高温時の耐腐食性、摺動性、及び耐摩耗性を高めることができる。

ターボチャージャの概略構成を示す縦断面図である。 過給機用焼結軸受の縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本発明に係る焼結軸受は、自動車エンジン等に装備される過給機に使用される。図１は、この種の過給機の一例として、フルフローティング軸受構造を用いたターボチャージャの概要を示す縦断面図である。

ターボチャージャ１は、軸２と、軸２の一端に設けられたタービンインペラ３と、軸２の他端に設けられたコンプレッサインペラ４と、軸２をラジアル方向で支持するラジアル軸受５と、軸２に固定されたスラストカラー９をスラスト方向で支持するスラスト軸受６と、ラジアル軸受５およびスラスト軸受６を支持するハウジング７とを有する。エンジンの駆動中は、シリンダからの排気ガスによってタービンインペラ３が回転駆動され、このトルクで軸２、さらにコンプレッサインペラ４が回転する。コンプレッサインペラ４の回転により、空気が圧縮される。この圧縮空気をシリンダの吸気側に送り込むことで、エンジンの吸気効率が高められる。

軸２は、ラジアル軸受５およびスラスト軸受６で回転自在に支持される。フルフローティング軸受構造を有するターボチャージャ１では、図１に示すように、軸方向に離間した二カ所にラジアル軸受５を配置し、対をなすラジアル軸受５の軸方向一方側にスラスト軸受６を配置する場合が多い。図示例では、軸２に設けられたスラストカラー９が、タービン３側（図中左側）のラジアル軸受５よりもさらにタービン３側に設けられ、スラスト軸受６とハウジング７との軸方向間に配される。しかしながら、各軸受５，６の配置位置や数は任意であり、図示した構造に限定されるものではない。

ラジアル軸受５およびスラスト軸受６は、タービンインペラ３とコンプレッサインペラ４の間に配置された中空状のハウジング７内に収容される。ハウジング７には、潤滑油としてのエンジンオイルを循環させるためのオイル経路８が形成されている。オイル経路８の下流端は、ハウジング７の内周面及び端面に開口している。

ハウジング７の内周面に開口したオイル経路８から流出したエンジンオイルは、ラジアル軸受５の外周面５ｂ（図２参照）とハウジング７の内周面の間の隙間に供給され、さらにラジアル軸受５に形成された連通孔５ｃ（図２参照）を介して、ラジアル軸受５の内周面（軸受面５ａ）と軸２の外周面との間の隙間に供給される。これにより、各隙間（ラジアル軸受隙間）に油膜が形成され、これらの油膜により軸２がラジアル方向に支持される。このような各ラジアル隙間に油膜が形成されるフローティング軸受構造では、ラジアル軸受５はエンジンオイル中に浮いたフローティング状態となる。特に、本実施形態のようなフルフローティング軸受構造では、軸２の回転中に、ラジアル軸受５が軸２に連れ回る形で軸２よりも低速で回転する。

また、ハウジング７の端面に開口したオイル経路８から流出したエンジンオイルは、スラスト軸受６に形成されたオイル経路（図示省略）を介して、スラスト軸受６の端面とスラストカラー９の一方の端面との間の隙間に供給され、さらに、スラストカラー９の外周を回り込んで、スラストカラー９の他方の端面とハウジング７の端面との間の隙間に供給される。これにより、各隙間（スラスト軸受隙間）に油膜が形成され、これらの油膜によりスラストカラー９及び軸２が両スラスト方向に支持される。

図２に、以上に述べたターボチャージャ１に使用されるラジアル軸受５の縦断面図を示す。このラジアル軸受５は、ステンレス鋼を主体とした円筒状の焼結体からなる（以下では、ラジアル軸受５を単に「焼結軸受５」と呼ぶ）。焼結軸受５の内周面には、軸受面５ａが設けられる。焼結軸受５の内周に軸２が挿入され、軸２が焼結軸受５によって回転自在に支持される。焼結軸受５には、焼結軸受５を挟んだ両側に形成される隙間を連通する連通孔５ｃが設けられる。図示例の連通孔５ｃは、焼結軸受５の内周面と外周面を貫通する径方向の孔である。連通孔５ｃは、円周方向の一個所に設ける他、円周方向の複数箇所に設けることもできる。

この焼結軸受５は、各種粉末を混合して原料粉末を作製する工程と、原料粉末を金型に充填し、これを圧縮して圧粉体を成形する工程と、圧粉体を焼結する工程とを経て形成される。

原料粉末は、大部分（具体的には９０質量％以上）を構成するステンレス鋼粉と、微量（具体的には０．２質量％以上２質量％以下）の窒化ホウ素粉とを含む。原料粉末には、成形を容易にするための成形助剤として、ステアリン酸亜鉛あるいはステアリン酸カルシウム等の潤滑剤を添加するのが好ましい。本実施形態の原料粉末は、９８質量％以上のステンレス鋼粉と、０．２質量％以上２質量％以下の窒化ホウ素粉と、ステンレス鋼粉及び窒化ホウ素粉の合計１００質量％に対して０．１質量％以上１質量％以下の成形助剤とからなる。なお、成形助剤は、焼結に伴って蒸発、揮散するため、焼結後の焼結体には残らない。

ステンレス鋼粉は、クロム１１％以上含む鋼粉であり、例えばオーステナイト系ステンレス鋼粉、特に、銅及び錫を含むオーステナイト系ステンレス鋼粉が使用できる。本実施形態のステンレス鋼粉は、１７質量％以上２１質量％以下のクロム、９質量％以上１２質量％以下のニッケル、３質量％以上５質量％以下の銅、及び０．５質量％以上１質量％以下の錫を含み、残部の主成分が鉄である。ステンレス鋼粉は、微量（例えば０．０３質量％以下）の炭素を含んでいてもよい。

窒化ホウ素粉は、平均粒径が２μｍ以上２０μｍ以下であるものが使用される。なお、本明細書において、平均粒径とは、レーザ回析により測定した粒径の平均値を意味する。具体的には、株式会社島津製作所製ＳＡＬＤ−３１００により、５０００粉末をレーザ回析で測定したときの粒径の平均値である。

以上に述べた原料粉末を混合した後、原料粉末を圧縮成形することで圧粉体が形成される。次いで、圧粉体が焼結工程に移送され、炉内で加熱することで焼結され、焼結体が得られる。焼結温度は例えば１０００〜１２００℃の範囲内で設定される。

このようにして得た焼結体に対してサイジングを行うことで、焼結体が整形される。サイジングは、コア、ダイス、および上下のパンチで画成された円筒状のキャビティ内で焼結体を圧縮し、焼結体の内周面をコアの外周面に、外周面をダイスの内周面にそれぞれ押し付けることで行われる。サイジングを行った後、必要に応じて切削加工を施すことで、図２に示す焼結軸受５が完成する。焼結体への潤滑油等の含浸は行われない。

以上の手順で製作された焼結軸受５（焼結体）は、クロムを１１質量％以上含むステンレス鋼を主体とし、微量の窒化ホウ素を含む焼結体で形成される。具体的には、焼結軸受５を構成する焼結体が、９０質量％以上のステンレス鋼と、０．２質量％以上２質量％以下の窒化ホウ素とを含む。本実施形態の焼結軸受５は、ステンレス鋼（特にオーステナイト系ステンレス鋼）及び窒化ホウ素のみからなり、詳しくは、１７質量％以上２１質量％以下のクロムと、９質量％以上１２質量％以下のニッケルと、３質量％以上５質量％以下の銅と、０．５質量％以上１質量％以下の錫と、０．２質量％以上２質量％以下の窒化ホウ素と、残部の主成分としての鉄とからなる焼結体で構成される。このように、焼結軸受５を、ステンレス鋼、特にオーステナイト系ステンレス鋼を主体とした焼結体で形成することで、高温環境下でも優れた耐腐食性を有する。また、焼結体に切削加工を施す場合、上記のように焼結体が銅及び錫を含むことで、切削性が向上する。尚、焼結軸受５を形成する焼結体は、微量（例えば０．０３質量％以下）の炭素を含んでいてもよい。

上記の焼結軸受５を構成する焼結体には窒化ホウ素が均一に分散されているため、焼結体の表面に窒化ホウ素が露出している。本実施形態では、焼結体の表面（特に軸受面５ａ）に、窒化ホウ素が面積比で３％以上、好ましくは５％以上の割合で露出している。窒化ホウ素は、高温環境下でも優れた自己潤滑機能を発揮するため、焼結体の表面に露出した窒化ホウ素が相手材（軸２あるいはハウジング７）と摺動することで、高温時の摺動性及び耐摩耗性が高められる。このような特性を発揮するために、焼結体に含まれる窒化ホウ素の配合量は０．２質量％以上とされる。一方、焼結体に含まれる窒化ホウ素の配合量が多すぎると、相対的にステンレス鋼の割合が低下し、耐腐食性が不足する恐れがある。従って、焼結体に含まれる窒化ホウ素の配合量は２質量％以下とされる。

以上に述べた理由から、今後、過給機用軸受に対する要求性能（軸の回転速度や軸受使用温度）がさらに過酷化し、例えば３０万ｒｐｍの回転速度や４００℃程度の軸受使用温度が求められるようになっても、本発明により、耐腐食性、摺動性、耐摩耗性といった過給機用軸受に対する要求特性を満足することが可能となる。加えてニアネットシェイプ成形が可能な焼結軸受であるので、既存の黄銅系メタルからなる過給機用軸受よりも低コスト化を達成することができる。

以上の説明では、本発明の焼結軸受５をフルフローティング構造のターボチャージャに適用した実施形態を例に挙げたが、本発明の焼結軸受５の適用対象は、フルフローティング構造に限定されず、焼結軸受５をフローティングさせつつ、ハウジング７に対する軸受の回転を拘束したセミフローティング構造のターボチャージャにも同様に適用することができる。

また、以上の説明では、図１に示すラジアル軸受に本発明を適用した場合を説明したが、本発明は、図１に示すスラスト軸受６にも同様に適用することができる。すなわち、スラスト軸受６を、クロムを１１質量％以上含むステンレス鋼を主体とし、０．２質量％以上２質量％以下の窒化ホウ素を含む焼結体で形成してもよい。

１ ターボチャージャ
２ 軸
３ タービンインペラ
４ コンプレッサインペラ
５ ラジアル軸受（過給機用焼結軸受）
６ スラスト軸受
７ ハウジング
８ オイル経路
９ スラストカラー

Claims (7)

1. クロムを１１質量％以上含むステンレス鋼を主体とした焼結体からなる過給機用焼結軸受であって、
   前記焼結体が、０．２質量％以上２質量％以下の窒化ホウ素を含むことを特徴とする過給機用焼結軸受。
2. 前記焼結体の表面に窒化ホウ素が面積比で３％以上の割合で露出した請求項１に記載の過給機用焼結軸受。
3. 前記焼結体が、オーステナイト系ステンレス鋼を主体とした請求項１又は２に記載の過給機用焼結軸受。
4. 前記焼結体が、１７質量％以上２１質量％以下のクロムと、９質量％以上１２質量％以下のニッケルと、３質量％以上５質量％以下の銅と、０．５質量％以上１質量％以下の錫と、０．２質量％以上２質量％以下の窒化ホウ素と、残部の主成分としての鉄とからなる請求項１〜３の何れか１項に記載の過給機用焼結軸受。
5. クロムを１１質量％以上含むステンレス鋼粉と０．２質量％以上２質量％以下の窒化ホウ素粉とを混合することにより原料粉末を作製する工程と、前記原料粉末を圧縮成形して圧粉体を形成する工程と、前記圧粉体を焼結する工程とを有する過給機用焼結軸受の製造方法。
6. 前記ステンレス鋼粉が、１７質量％以上２１質量％以下のクロムと、９質量％以上１２質量％以下のニッケルと、３質量％以上５質量％以下の銅と、０．５質量％以上１質量％以下の錫と、残部の主成分としての鉄とからなる請求項５に記載の過給機用焼結軸受の製造方法。
7. 前記窒化ホウ素粉の平均粒径が２μｍ以上２０μｍ以下である請求項５又は６に記載の過給機用焼結軸受の製造方法。