JP5755599B2 - 耐食性、耐摩耗性及びなじみ性に優れたモータ式燃料ポンプ用焼結軸受 - Google Patents

Description

本発明は、優れた耐食性と耐摩耗性を示すＺｎ−Ｐ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃ−Ｃｕ系焼結合金で構成されたモータ式燃料ポンプの軸受に関するものである。

モータ式燃料ポンプが組込まれている電子制御式ガソリン噴射装置は、自動車の省燃費、排出ガスのクリーン化に効果があることから広く使用されている。

近年の自動車エンジンの小型軽量化指向は強く、これに伴い図３に示した燃料ポンプも小型化され、燃料ポンプに用いられる軸受も小寸法化及び薄肉化されている。一方、モータの吐出性能は従来どおり維持されている。このため、モータ式燃料ポンプに用いられる軸受は、ガソリンの高圧高速流に晒された環境下であっても、優れた耐摩耗性が要求されている。

ところで、近年の自動車市場のグローバル化に伴って、世界各地に自動車が普及しているが、世界各国で使用されるガソリン等液体燃料の品質は様々で、燃料の中に硫黄や有機酸が多く含まれている粗悪ガソリンを使用せざる得ない地域も少なくない。そして、これら硫黄や有機酸を含む粗悪ガソリンを使用した場合、硫黄や有機酸によりモータ式燃料ポンプの軸受が腐食し、モータロックによる故障や軸受の強度低下等により軸受寿命が短くなってしまうという問題があった。

上記の問題について、硫黄又はその化合物を不純物に含む燃料に対しては、例えば、特許文献１、２に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おり、有機酸等を含む粗悪なガソリン等の燃料に対しては、例えば、特許文献３にＳｎ高濃度合金相が形成された組織を有するＣｕ−Ｎｉ系焼結合金からなる軸受が開示されている。

特開２００１−１９２７５４号公報 特開２００２−１８０１６２号公報 特開２００６−１９９９７７号公報

しかし、特許文献１〜２に開示された軸受では、優れた耐摩耗性を有し、硫黄を含む粗悪ガソリンに対して優れた耐食性を示すが、有機酸を含む粗悪ガソリンに対する耐食性は十分ではなかった。また特許文献３の軸受では、優れた耐摩耗性を有し、有機酸を含む粗悪ガソリンにおいても優れた耐食性を示すが、モータ式燃料ポンプの軸受としては、特許文献１〜２に示す軸受よりも相手シャフト材とのなじみ性が悪い事から、モータ運転初期の負荷が高くなる場合があり、モータ電流過多などの問題があった。

そこで、本発明は、上記の問題を一掃し、硫黄や有機酸を含む粗悪ガソリンに対して耐食性を有し、耐摩耗性かつ相手シャフトとのなじみ性に優れるため小型化された燃料ポンプにおいても好適に用いることのできる、新規のＺｎ−Ｐ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃ−Ｃｕ系焼結合金で構成されたモータ式燃料ポンプ用焼結軸受を提供することを目的とする。

特許文献３に示された軸受のなじみ性改善にはＮｉあるいはＳｎ量低減が有効と考えられたが、しかし、硫黄や有機酸を含む粗悪ガソリンに対する耐食性はＮｉあるいはＳｎ量低減に伴い低下する。すなわちＮｉあるいはＳｎ含有量に対し、なじみ性と耐食性は相反する性質である。そこで、ＮｉあるいはＳｎ量低減によるなじみ性改善と硫黄や有機酸を含む粗悪ガソリンに対する耐食性の両立のために鋭意研究した結果、合金成分をＺｎ−Ｐ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃ−Ｃｕ系とし、Ｚｎ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金の固溶体相からなる素地の粒界に質量％で１５％以上のＳｎを含有するＳｎ合金相を形成し、素地には８％〜１８％の割合で気孔を分散分布させ、前記気孔内に遊離黒鉛を分布させた金属組織とすることで、優れた耐摩耗性を有しながら優れた相手シャフト材とのなじみ性と硫黄や有機酸を含む粗悪ガソリンに対する優れた耐食性を有する軸受材料を見出したのである。

すなわち、本発明のモータ式燃料ポンプ用軸受は、質量％で、３〜１３％のＺｎと、０．３〜０．４％のＰと、１０〜２１％のＮｉと、３〜１２％のＳｎと、４〜６％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、Ｚｎ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金の固溶体相からなる素地の粒界に質量％で１５％以上のＳｎを含有するＳｎ合金相が形成され、かつ、８〜１８％の気孔率を有し、さらに前記気孔内には遊離黒鉛が分布している組織を有していて、６０℃の硫黄試験液に５００時間浸漬する前後での質量の変化が０．１２％以下であり、６０℃の有機酸試験液に５００時間浸漬する前後での質量の変化が０．３８％以下である。

また、前記質量％で１５％以上のＳｎを含有するＳｎ合金相は、質量％で、０．１〜５．０％のＺｎと、０．４〜１．５％のＰと、２０〜３５％のＣｕと、２０〜４３．５％のＮｉとを含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなるものである。

本発明のモータ式燃料ポンプ用焼結軸受は、ガソリンなど通常の液体燃料の他、特に硫黄や有機酸を高濃度に含む粗悪なガソリンなどの液体燃料中であっても優れた耐食性、耐摩耗性及び相手シャフト材とのなじみ性を発揮するものであり、粗悪な液体燃料を用いても長期信頼性のモータ式燃料ポンプを提供することができる。

実施例１のなじみ性試験のおけるモータ式燃料ポンプ運転初期のモータ電流値の経時変化を示すグラフである。 実施例１の電子線マイクロアナライザー分析における電子顕微鏡組織写真である。 ガソリンエンジン用のモータ式燃料ポンプの構成を示す断面図である。

本発明のモータ式燃料ポンプ用焼結軸受は、質量％で、３〜１３％のＺｎと、０．１〜０．９％のＰと、１０〜２１％のＮｉと、３〜１２％のＳｎと、１〜８％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、Ｚｎ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金の固溶体相からなる素地中の粒界に質量％で１５％以上のＳｎを含有するＳｎ合金相が形成され、かつ、８〜１８％の気孔率を有し、さらに前記気孔内には遊離黒鉛が分布している組織を有している。素地にＺｎ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金の固溶体相とし、粒界にＳｎ合金相を形成することで、相手シャフト材とのなじみ性に優れ、耐硫黄性、耐有機酸性を示すとともに優れた耐摩耗性を有するモータ式燃料ポンプの軸受となる。

以下、本発明のモータ式燃料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）Ｚｎ：質量％で３〜１３％
Ｚｎは、硫黄を含むガソリンに対して耐食性を有し、焼結によりＮｉ、Ｓｎ、ＣｕとともにＺｎ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金の固溶体相を形成して、軸受に優れた耐食性、なじみ性を具備せしめる作用があるが、Ｚｎの含有量が３％未満では所望の耐食性及びなじみ性が得られない。一方、Ｚｎの含有量が１３％を超えると有機酸を含むガソリンに対して耐食性が低下するようになるので好ましくない。

（２）Ｐ：質量％で０．１〜０．９％
Ｐは、圧粉体の焼結性を促進し、軸受の強度を向上させる。焼結後は金属組織の粒界に多く含まれている。Ｐ含有量が０．１％未満では十分な焼結性効果を得ることができない。一方、Ｐ含有量が０．９％を越えると焼結時の寸法変化が大きくなり、軸受製品の寸法精度が低下するので好ましくない。

（３）Ｎｉ：質量％で１０〜２１％
Ｎｉは、優れた強度、耐摩耗性及び耐食性を付与し、焼結によりＺｎ、Ｓｎ、ＣｕとともにＺｎ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金の固溶体相を形成し、さらにＰ、Ｓｎ、Ｃｕとともに粒界にＳｎ合金相を形成して、軸受に優れた強度、耐摩耗性及び耐食性を付与する。Ｎｉ含有量が１０％未満では、優れた耐食性が得られない。一方、Ｎｉ含有量が２１％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。

（４）Ｓｎ：質量％で３〜１２％
Ｓｎは、焼結によりＮｉ、Ｓｎ、Ｐとともに粒界にＳｎ合金相を形成し、さらにＺｎ、Ｎｉ、Ｐ、ＣｕとともにＺｎ−Ｎｉ−Ｐ−Ｓｎ−Ｃｕ合金の固溶体相からなる素地を形成することで軸受に優れた耐食性を付与する。Ｓｎ含有量が３％未満では粒界相が十分形成されず、所望の耐食性が得らない。一方、Ｓｎ含有量が１２％を超えても耐食性向上に効果が少なく、かえって焼結時の寸法変化が大きくなり、軸受製品の寸法精度が低下するので好ましくない。

（５）Ｃ：質量％で１〜８％
Ｃは黒鉛に由来するものである。Ｃは、主に、素地中に分散分布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８％を越えても耐摩耗性向上の効果が少なく、軸受の強度が急激に低下するので好ましくない。

（６）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が、気孔率が８％未満ではその効果が十分でなくなる。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。

（７）１５質量％以上のＳｎを含有するＳｎ合金相
素地の粒界に形成された、質量％で１５％以上のＳｎを含有するＳｎ合金相は、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１５％以上のＳｎを含有するＳｎ合金相は、原料粉末に、Ｃｕ−Ｎｉ合金粉末又はＺｎ−Ｎｉ−Ｃｕ合金粉末と、Ｓｎ粉末、Ｃｕ−Ｐ粉末、Ｃｕ−Ｚｎ粉末、黒鉛粉末を、質量％で、３〜１３％のＺｎと、０．１〜０．９％のＰと、１０〜２１％のＮｉと、３〜１２％のＳｎと、１〜８％のＣとを含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる成分組成となるように配合し、混合した原料粉末を用いて圧粉成形し、次いで行う焼結の温度範囲を８４０℃〜９３０℃に制御して焼結した後、直ちに冷却速度１５℃／分以上で急冷することで、効率よく素地の粒界に形成される。上記の条件により形成されたＳｎ合金相は、質量％で、０．１〜５．０％のＺｎと、０．４〜１．５％のＰと、２０〜３５％のＣｕと、２０〜４３．５％のＮｉとを含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物とを含有する。

以下、本発明のモータ式燃料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）モータ式燃料ポンプ用焼結軸受の製作
原料粉末として、いずれも３０〜１００μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＣｕ−３０質量％Ｎｉ合金粉末、Ｃｕ−２５質量％Ｎｉ合金粉末、Ｃｕ−２０質量％Ｎｉ合金粉末、Ｃｕ−１５質量％Ｎｉ合金粉末、Ｃｕ−８質量％Ｐ合金粉末、Ｓｎ粉末、Ｃｕ−３０質量％Ｚｎ合金粉末、Ｃｕ−２０質量％Ｚｎ合金粉末、Ｃｕ−４０質量％Ｚｎ合金粉末、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｚｎ合金粉末、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、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、８４０〜９３０℃範囲内の所定の温度で焼結し、１５℃／分以上の冷却速度で急冷し、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）、従来軸受、及び比較軸受を製作した。

なお、本発明例において、電子線マイクロアナライザーによる金属組織観察を行った結果、金属組織中にＺｎ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金の固溶体相からなる素地及び素地中の粒界に質量％で１５％以上のＳｎを含有するＳｎ合金相が形成されおり、８〜１８％の気孔率を有し、前記気孔内には黒鉛が分散分布した組織を有していた。

（２）耐摩耗試験
上記の本発明例と従来例及び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２．８μｍ以下であり、優れた耐摩耗性を有していることが確認された。

（３）耐食試験
上記の本発明例と従来例及び比較例の軸受について耐食試験を行った。

ガソリンに、硫黄を添加して疑似粗悪ガソリンを想定した硫黄試験液と、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。この硫黄試験液及び有機酸試験液を６０℃に加熱した後、硫黄試験液及び有機酸試験液それぞれに本発明例と従来例及び比較例の軸受を５００時間浸漬した。そして、硫黄試験液及び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率を測定した。表１に耐食試験による質量変化の結果を示す。

本発明例において、軸受の硫黄試験液における質量変化は０．１２％以下であり、また、有機酸試験液における質量変化は０．３８％以下であり、耐硫化性と耐有機酸性の両方の耐食性が高いことが確認された。

一方、比較例において、比較例５は軸受の硫黄試験液における質量変化は０．３５％で耐食性が低く、その他の比較例は０．１５％以下であり、耐硫化性が高い一方で、有機酸試験液における質量変化は０．５６〜０．７０％であり、本発明例よりも大幅に耐食性が低かった。

また、従来例において、Ｓｎを含まない従来例１は、耐硫化性が高い一方で、耐有機酸性が本発明例よりも大幅に低く、Ｓｎを含むＮｉ含有量が本発明例よりも多い従来例２は耐硫化性及び耐有機酸性とも本発明例とほぼ同等の耐食性を示した。

（４）なじみ性試験
上記の本発明例３と従来例１、２の軸受をモータに組み込み、連続運転させた時の消費電流を３０分測定した。図１にその結果を示す。本発明例３の軸受及びＳｎを含まない従来例１の軸受を用いたモータの電流値は、Ｎｉ含有量が多くＳｎを含有する従来例２の軸受よりも短い時間で低下し、安定を示した。さらに、安定後の電流も低かった。このことから、本発明軸受は従来例２軸受よりも初期なじみ性が優れていることが確認された。

（５）電子線マイクロアナライザー分析
本発明例３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、
Ｚｎ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金の固溶体相からなる素地及び粒界の質量％で１５％以上のＳｎを含有するＳｎ合金相について、Ｚｎ、Ｐ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｃｕを定量分析した。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２の電子顕微鏡組織写真（ＣＯＭＰＯ像）に示すようにＺｎ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金相及び粒界のＳｎ合金相をそれぞれ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。なお、本分析結果は、金属組織中の特定部位を分析したものであり、全体組成を示しているものではない。また、合金成分元素であるＣは素地中に分散分布する気孔内に遊離黒鉛としてほとんど存在しているため、定量分析元素から除外した。

本発明例３の合金には素地にＺｎ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金相と粒界の質量％で１５％以上のＳｎを含有するＳｎ合金相が存在することが確認された。

Claims (2)

1. 質量％で、３〜１３％のＺｎと、０．３〜０．４％のＰと、１０〜２１％のＮｉと、３〜１２％のＳｎと、４〜６％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、Ｚｎ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃｕ合金の固溶体相からなる素地の粒界に質量％で１５％以上のＳｎを含有するＳｎ合金相が形成され、かつ、８〜１８％の気孔率を有し、さらに前記気孔内には遊離黒鉛が分布している組織を有していて、６０℃の硫黄試験液に５００時間浸漬する前後での質量の変化が０．１２％以下であり、６０℃の有機酸試験液に５００時間浸漬する前後での質量の変化が０．３８％以下であることを特徴とする耐食性、耐摩耗性及びなじみ性に優れたモータ式燃料ポンプ用焼結軸受。
2. 前記質量％で１５％以上のＳｎを含有するＳｎ合金相は、質量％で、０．１〜５．０％のＺｎと、０．４〜１．５％のＰと、２０〜３５％のＣｕと、２０〜４３．５％のＮｉ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記載の耐食性、耐摩耗性及びなじみ性に優れたモータ式燃料ポンプ用焼結軸受。