JP5492308B2 - モータ式燃料噴射ポンプ用焼結軸受 - Google Patents
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Description
本発明は、Ｃｕ系焼結合金で構成されたモータ式燃料噴射ポンプ用焼結軸受に関する。
従来、液体燃料を用いるエンジンには、モータ式燃料噴射ポンプが備えられ、このモータ式燃料噴射ポンプによりエンジンの燃焼室内に液体燃料が噴射されるようになっている。
ガソリンエンジン用のモータ式燃料噴射ポンプとしては、例えば、図５に示す構造のものが知られている。図５に示すポンプは、モータの両端に固定された回転軸が軸受に支持され、一方の回転軸にはインペラが固定され、インペラ及びモータの外周面にガソリンの流路が形成されている。そして、ガソリンがインペラの回転により昇圧されて、図示しないエンジンの燃焼室内に噴射されるようになっている。
一方、ガソリンエンジンは世界各地で使用されているが、その燃料として、一部の地域では有機酸を含む粗悪ガソリンが用いられている。そして、有機酸を含む粗悪ガソリンが用いられた場合、有機酸によりモータ式燃料噴射ポンプの軸受が腐食してしまうという問題があった。
このような問題を解決するために、例えば、特許文献１には、Ｃｕ−Ｎｉ系焼結合金で構成されたモータ式燃料ポンプの軸受が開示されている。
特許文献１に開示された軸受は、Ｓｎが５０質量％以上含有するＳｎ高濃度合金層が形成された組織を有することで、耐食性等を向上させたものである。しかしながら、この軸受は高価なＮｉを２１〜３５質量％含有するため、安価に製造することができないという問題があった。
そこで、本発明は、上記の問題を一掃し、安価で優れた耐食性及び耐摩耗性を有するＣｕ−Ｎｉ系焼結合金で構成されたモータ式燃料噴射ポンプ用軸受を提供することを目的とする。
本発明のモータ式燃料噴射ポンプ用焼結軸受は、質量％で、１０〜２０％のＮｉと、５〜１３％のＳｎと、０．１〜０．８％のＰと、１〜６％のＣとを含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなるとともに、粒界に質量％で３０％以上のＳｎを含有するＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ相が形成され、かつ、８〜１８％の気孔率を有する。
また、前記Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ相は、質量％で、３０〜４９％のＮｉと、１０〜３０％のＣｕと、０．５〜１．５％のＰとを含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなる。
本発明のモータ式燃料噴射ポンプ用焼結軸受は、質量％で、１０〜２０％のＮｉと、５〜１３％のＳｎと、０．１〜０．８％のＰと、１〜６％のＣとを含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなるとともに、粒界に質量％で３０％以上のＳｎを含有するＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ相が形成され、かつ、８〜１８％の気孔率を有することで、安価に製造できるとともに、有機酸を含む粗悪ガソリン中でも、優れた耐食性及び耐摩耗性を示すものとなる。
また、前記Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ相は、質量％で、３０〜４９％のＮｉと、１０〜３０％のＣｕと、０．５〜１．５％のＰとを含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなることで、さらに耐食性及び耐摩耗性に優れたものとなる。
本発明のモータ式燃料噴射ポンプ用焼結軸受は、質量％で、１０〜２０％のＮｉと、５〜１３％のＳｎと、０．１〜０．８％のＰと、１〜６％のＣとを含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなるとともに、粒界に質量％で３０％以上のＳｎを含有するＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ相が形成され、かつ、８〜１８％の気孔率を有する。そして、この組成等により、安価に製造できるとともに、有機酸を含む粗悪ガソリン中でも、優れた耐食性及び耐摩耗性を示すものとなる。また、Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ相が、質量％で、３０〜４９％のＮｉと、１０〜３０％のＣｕと、０．５〜１．５のＰとを含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなる場合には、さらに耐食性及び耐摩耗性に優れたものとなる。
以下、本発明のモータ式燃料噴射ポンプ用焼結軸受の組成等について、詳細に説明する。なお、以下で説明される含有量は、すべて質量％である。
（１）Ｎｉ：質量％で１０〜２０％
Ｎｉは、焼結によりＳｎ、Ｃｕ、Ｐとともに粒界にＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ相を形成して、軸受に優れた耐食性を付与する。Ｎｉ含有量が１０％未満では粒界相が十分形成されず、所望の耐食性が得られない。一方、Ｎｉ含有量が２０％を超えても耐食性向上の効果が少なく、原料コストが高くなるため好ましくない。
Ｎｉは、焼結によりＳｎ、Ｃｕ、Ｐとともに粒界にＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ相を形成して、軸受に優れた耐食性を付与する。Ｎｉ含有量が１０％未満では粒界相が十分形成されず、所望の耐食性が得られない。一方、Ｎｉ含有量が２０％を超えても耐食性向上の効果が少なく、原料コストが高くなるため好ましくない。
（２）Ｐ：質量％で０．１〜０．８％
Ｐは、圧粉体の焼結性を向上させ、素地の強度を向上させる。Ｐ含有量が０．１％未満では素地の強度向上に効果が少ない。一方、Ｐ含有量が０．８％を越えると焼結時の寸法変化が大きくなり、寸法精度が低下するため好ましくない。
Ｐは、圧粉体の焼結性を向上させ、素地の強度を向上させる。Ｐ含有量が０．１％未満では素地の強度向上に効果が少ない。一方、Ｐ含有量が０．８％を越えると焼結時の寸法変化が大きくなり、寸法精度が低下するため好ましくない。
（３）Ｓｎ：質量％で５〜１３％
Ｓｎは、焼結によりＮｉ、Ｓｎ、Ｐとともに粒界にＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ相を形成して、軸受に優れた耐食性を付与する。Ｓｎ含有量が５％未満では粒界相が十分形成されず、所望の耐食性が得られない。一方、Ｓｎ含有量が１３％を超えると焼結時の寸法変化が大きくなり、寸法精度が低下するため好ましくない。
Ｓｎは、焼結によりＮｉ、Ｓｎ、Ｐとともに粒界にＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ相を形成して、軸受に優れた耐食性を付与する。Ｓｎ含有量が５％未満では粒界相が十分形成されず、所望の耐食性が得られない。一方、Ｓｎ含有量が１３％を超えると焼結時の寸法変化が大きくなり、寸法精度が低下するため好ましくない。
（４）Ｃ：質量％で１〜６％
Ｃは黒鉛に由来するものである。Ｃは、主に、素地中に分散している気孔内に遊離黒鉛として存在し、軸受に優れた潤滑性を付与し、耐摩耗性を向上させる。Ｃ含有量が１％未満では所望の効果が得られない。一方、Ｃ含有量が６％を越えても耐摩耗性向上の効果が少なく、軸受の強度が低下するため好ましくない。
Ｃは黒鉛に由来するものである。Ｃは、主に、素地中に分散している気孔内に遊離黒鉛として存在し、軸受に優れた潤滑性を付与し、耐摩耗性を向上させる。Ｃ含有量が１％未満では所望の効果が得られない。一方、Ｃ含有量が６％を越えても耐摩耗性向上の効果が少なく、軸受の強度が低下するため好ましくない。
（５）気孔率：８〜１８％
気孔は素地に分散し、液体燃料の高圧高速流通下で軸受が受ける強い摩擦を緩和し、軸受けの摩耗を抑制する効果がある。気孔率が８％未満ではその効果が十分でない。一方、気孔率が１８％を超えると強度が著しく低下するので好ましくない。
気孔は素地に分散し、液体燃料の高圧高速流通下で軸受が受ける強い摩擦を緩和し、軸受けの摩耗を抑制する効果がある。気孔率が８％未満ではその効果が十分でない。一方、気孔率が１８％を超えると強度が著しく低下するので好ましくない。
（６）質量％で３０％以上のＳｎを含有するＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ相について
素地の粒界に形成された、質量％で３０％以上のＳｎを含有するＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ相は、有機酸を含む粗悪ガソリン中における優れた耐食性を付与する。
素地の粒界に形成された、質量％で３０％以上のＳｎを含有するＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ相は、有機酸を含む粗悪ガソリン中における優れた耐食性を付与する。
質量％で３０％以上のＳｎを含有するＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ相を粒界に形成させるためには、Ｎｉ及びＳｎの含有量並びに焼結温度の条件を適宜設定する必要がある。Ｎｉ含有量を１０％以上、Ｓｎ含有量を５％以上としたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｐ系組成で、焼結温度を８４０℃〜９４０℃とすることにより、効率よく質量％で３０％以上のＳｎを含有するＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ相を粒界に形成することができる。上記の条件により形成されたＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ相は、質量％で、３０〜４０％のＳｎと、３０〜４９％のＮｉと、１０〜３０％のＣｕと、０．５〜１．５％のＰとを含有する。
以下、本発明のモータ式燃料噴射ポンプ用焼結軸受の具体的な実施例について説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。
（１）モータ式燃料噴射ポンプ用焼結軸受の製作
原料粉末として、いずれも粒径１００メッシュの、Ｃｕ−３０質量％Ｎｉ粉、Ｃｕ−２５質量％Ｎｉ粉、Ｃｕ−１５質量％Ｎｉ粉、Ｃｕ−８質量％Ｐ粉、Ｓｎ粉、黒鉛粉末、Ｃｕ粉末を用意した。これらの原料粉末を表１に示す組成になるように配合し、ステアリン酸を０．５質量％添加してＶ型混合機にて２０分混合した後、所定の圧力でプレス成形して圧粉体を製作した。この圧粉体を、天然ガスと空気を混合し、加熱した触媒に通すことで分解変成させたエンドサーミックガス（吸熱型ガス）雰囲気中で、８４０〜９４０℃範囲内の所定の温度で焼結し、続いてサイジングを行った。以上の工程により、外径：１０ｍｍ×内径：５ｍｍ×高さ：５ｍｍの寸法を有し、表１に示す組成成分の本発明軸受（以下、本発明例という）、及び比較としてＮｉ含有量が１０％未満の比較軸受（以下、比較例という）を製作した。
原料粉末として、いずれも粒径１００メッシュの、Ｃｕ−３０質量％Ｎｉ粉、Ｃｕ−２５質量％Ｎｉ粉、Ｃｕ−１５質量％Ｎｉ粉、Ｃｕ−８質量％Ｐ粉、Ｓｎ粉、黒鉛粉末、Ｃｕ粉末を用意した。これらの原料粉末を表１に示す組成になるように配合し、ステアリン酸を０．５質量％添加してＶ型混合機にて２０分混合した後、所定の圧力でプレス成形して圧粉体を製作した。この圧粉体を、天然ガスと空気を混合し、加熱した触媒に通すことで分解変成させたエンドサーミックガス（吸熱型ガス）雰囲気中で、８４０〜９４０℃範囲内の所定の温度で焼結し、続いてサイジングを行った。以上の工程により、外径：１０ｍｍ×内径：５ｍｍ×高さ：５ｍｍの寸法を有し、表１に示す組成成分の本発明軸受（以下、本発明例という）、及び比較としてＮｉ含有量が１０％未満の比較軸受（以下、比較例という）を製作した。
こうして得られた本発明例には８〜１８％の割合で気孔が分散し、遊離黒鉛も分散していた。また、本発明例と比較例の断面組織を電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）（１，０００倍）で分析したところ、本発明例では、粒界にＳｎを３０質量％以上含有するＳｎリッチなＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ相が形成されていた。比較例の粒界にはＳｎを３０質量％以上含有するＳｎリッチ相は形成されていなかった。
（２）耐摩耗試験
上記の本発明例と比較例の軸受について、ガソリンが狭い空間を高速で流通し、これを生起せしめるモータの高速回転によって軸受が高圧を受け、かつ速い流速のガソリンに曝される条件で耐摩耗試験を行った。
上記の本発明例と比較例の軸受について、ガソリンが狭い空間を高速で流通し、これを生起せしめるモータの高速回転によって軸受が高圧を受け、かつ速い流速のガソリンに曝される条件で耐摩耗試験を行った。
外側寸法が長さ：１１０ｍｍ×直径：４０ｍｍの燃料ポンプに軸受を組み込み、この燃料ポンプをガソリンタンク内に設置した。インンペラの回転数：５，０００〜１５，０００ｒｐｍ、ガソリンの流量：５０〜２５０リットル／時、軸受が高速回転より受ける圧力：最大５００ｋＰａ、試験時間：５００時間の条件にて実機実験を行った。試験後の軸受面における最大摩耗深さを測定した。その結果を表１に示す。
本発明例における軸受の最大摩耗深さは４．８μｍ以下であり、耐摩耗性が高いことが確認された。
一方、比較例における軸受の最大摩耗深さは２１．０μｍであり、本発明例よりも大幅に耐摩耗性が低かった。
（３）耐食試験
上記の本発明例と比較例の軸受について耐食試験を行った。
上記の本発明例と比較例の軸受について耐食試験を行った。
ガソリンにＲＣＯＯＨ（Ｒは水素原子又は炭化水素基）で表されるカルボン酸を添加して、擬似粗悪ガソリンを想定した有機酸試験液を製作した。この有機酸試験液を６０℃に加熱した後、有機酸試験液に本発明例と比較例の軸受を２００時間浸漬した。そして、有機酸試験液に浸漬する前の質量と浸漬後の質量の変化を測定した。その結果を表１に示す。
本発明例における軸受の質量変化は０．３７％以下であり、耐食性が高いことが確認された。
一方、比較例における軸受の質量変化は２．４６％であり、本発明例よりも大幅に耐食性が低かった。
（４）電子線マイクロアナライザー分析
本発明例７の合金について、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて、Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ合金相のＣｕ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｐを分析した。分析条件は、加速電圧１５ｋＶ、ビーム径をφ１μｍに設定し、一例として図１の電子顕微鏡写真（ＣＯＭＰＯ像）に示すように、Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ合金相の中央部分を分析した。そして、異なるＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ合金相を５箇所測定して平均値を算出した。その結果を表２に示す。
本発明例７の合金について、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて、Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ合金相のＣｕ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｐを分析した。分析条件は、加速電圧１５ｋＶ、ビーム径をφ１μｍに設定し、一例として図１の電子顕微鏡写真（ＣＯＭＰＯ像）に示すように、Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ合金相の中央部分を分析した。そして、異なるＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ合金相を５箇所測定して平均値を算出した。その結果を表２に示す。
本発明例７の合金には、Ｓｎ濃度が３０％以上のＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ合金相が存在することが確認された。
実施例１と同様の方法で、組成の異なる３種類の軸受を製作した。そして、それぞれの軸受の断面について、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｐ、Ｃｕの分布について分析を行った。分析条件は、加速電圧１５ｋＶに設定した。その結果を図２〜図４に示す。なお、図中、「ＳＥＩ」と示したのは二次電子像、「ＣＯＭＰＯ」と示したのは反射電子組成像である。
図２は、Ｃｕ：残部、Ｓｎ：９％、Ｐ：０．４％、Ｃ：５％であって、Ｎｉ：１６％としたときの電子顕微鏡写真であり、図３は、Ｓｎ、Ｐ、Ｃは図２と同じでＮｉ：１２．５％としたときの電子顕微鏡写真である。図２、図３において、素地中に、素地よりもＳｎ、Ｎｉ、Ｐの含有量が高くＣｕの含有量が低いＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ合金相が分散した、金属組織が存在することがはっきりと確認された。
一方、図４は、Ｓｎ、Ｐ、Ｃは図２と同じでＮｉ：８．２％（本発明の範囲外）としたときの電子顕微鏡写真である。図４においては、Ｓｎリッチ相は確認されなかった。
Claims (2)
- 質量％で、１０〜２０％のＮｉと、５〜１３％のＳｎと、０．１〜０．８％のＰと、１〜６％のＣとを含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなるとともに、粒界に質量％で３０％以上のＳｎを含有するＮｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ相が形成され、かつ、８〜１８％の気孔率を有することを特徴とするモータ式燃料噴射ポンプ用焼結軸受。
- 前記Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐ相は、質量％で、３０〜４９％のＮｉと、１０〜３０％のＣｕと、０．５〜１．５％のＰとを含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなることを特徴とする請求項１記載のモータ式燃料噴射ポンプ用焼結軸受。
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