JP6342825B2 - 軸受および燃料噴射ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、軸受および燃料噴射ポンプに関する。

例えば燃料噴射ポンプ向けの、高圧条件下で用いられる軸受が開発されている。特許文献１は、裏金上にＰＴＦＥ（フッ素系樹脂）層を形成した摺動部材を開示している。一般にフッ素系樹脂は耐荷重性が悪いため、特許文献１においては、裏金上に多孔質金属層（焼結層）を形成し、多孔質金属層にフッ素系樹脂を充填させている。

特開２０００−１９２９６１号公報

軸受に用いる場合、一般には、裏金上にオーバレイ層（樹脂層）を形成してから軸受の形状に曲げ加工をする。しかし、曲げ加工をすると、多孔質金属層等による表面の凹凸によりオーバレイ層に応力集中が発生してしまい、オーバレイ層の剥離の原因となっていた。

これに対し本発明は、オーバレイ層の剥離を抑制する技術を提供する。

本発明は、第１方向に曲げ加工され、当該第１方向に垂直な第２方向における表面粗さが１０μｍを超え、当該第１方向における表面粗さが当該第２方向における表面粗さよりも小さい裏金と、前記裏金の上に形成されたオーバレイ層とを有する軸受を提供する。

前記第１方向における表面粗さが、１０μｍ未満であってもよい。

前記第２方向における表面粗さが、前記オーバレイ層の膜厚の半分以下であってもよい。

この軸受は、前記裏金と前記オーバレイ層との間に、銅焼結層を有さなくてもよい。

前記オーバレイ層を形成する樹脂のガラス転移点が２００℃より高くてもよい。

また、本発明は、上記いずれかの軸受を用いた燃料噴射ポンプを提供する。

本発明によれば、オーバレイ層の剥離を抑制することができる。

一実施形態に係る軸受１の外観を示す図。 軸受１の断面構造を示す模式図。 表面粗さの異方性を示す模式図。 軸受１の製造方法を例示するフローチャート。 粗面化処理を例示する図。 比較例に係る軸受の成形時の応力を例示する図。 疲労破壊に係る応力集中箇所を例示する図。 燃料噴射ポンプ１００を例示する図。

１．構造
図１は、一実施形態に係る軸受１の外観を示す図である。この例で、軸受１は、円筒形状を有する、いわゆるブシュである。軸受１は、例えば、燃料噴射ポンプに用いられる。

図２は、軸受１の断面構造を示す模式図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面、すなわち軸方向に平行な断面を示している。軸受１は、裏金１１およびオーバレイ層１２を有する。裏金１１は、軸受としての機械的強度を与える層である。裏金１１は、例えば鋼で形成される。

オーバレイ層１２は、相手材との摺動に関する特性、例えば、摩擦係数、なじみ性、耐焼付き性、耐腐食性、および異物埋収性（異物ロバスト性）等の特性を改善するための層である。オーバレイ層１２は、少なくともバインダー樹脂を有する。バインダー樹脂としては、例えば、熱硬化性樹脂を使用することができる。具体的には、バインダー樹脂は、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂、ポリイミド（ＰＩ）樹脂、ポリアミド樹脂、フェノール樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリエーテルケーテルケトン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、およびエポキシ樹脂のうち少なくとも１種を含む。

燃料噴射ポンプに用いるのであれば、オーバレイ層１２を形成する樹脂のガラス転移点は２００℃以上であることが好ましく、３００℃以上であることがより好ましい。この観点から、オーバレイ層１２には、例えば、ＰＩ樹脂が用いられる。

オーバレイ層は、添加物を含んでいてもよい。添加剤としては、例えば、固体潤滑剤、軟質物、および硬質物の少なくとも１つが用いられる。オーバレイ層１３におけるバインダー樹脂の含有量は他の添加剤の量に応じて決まるが、例えば、３０〜７０体積％であることが好ましく、４０〜６５体積％であることがより好ましい。

固体潤滑剤は、摩擦特性を改善するために添加される。固体潤滑剤は、オーバレイ層１３において例えば３０〜７０体積％含まれる。固体潤滑剤は、例えば、グラファイト、ＭｏＳ_２、ＷＳ_２、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ｈ−ＢＮ、およびＳＢ_２Ｏ_３のうち少なくとも１種を含む。例えばグラファイトは、エンジン油との親和性が高い。ＭｏＳ_２は、良好な潤滑性を与える。また、ＰＴＦＥは分子間凝集力が小さいので、摩擦係数を低減する効果がある。

軟質物は、異物埋収性を改善するために添加される。軟質物は、例えば、Ｓｎ、Ａｌ、またはＢｉのうち少なくとも１種を含む。硬質物は、耐摩耗性を向上させるために添加される。硬質物は、例えば、クレー、ムライト、およびタルクのうち少なくとも１種を含む。硬質物は、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＮ、ＡＩＮ、ＣｒＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ_２、Ｆｅ_３Ｐ、Ｆｅ_２Ｏ_３、およびＦｅＯのうち少なくとも１種を含んでもよい。

一般に、オーバレイ層と裏金との密着性（接着性）を高めるため、裏金の表面に多孔質金属層を形成し、多孔質金属層の上にオーバレイ層を形成する技術が広く知られている。多孔質金属層は、粉体金属の焼結により形成される。

しかし、本実施形態においては、軸受１は多孔質金属層を有さず、裏金１１の上に直接、オーバレイ層１２が形成されている。オーバレイ層１２の密着性を高めるため、裏金１１の表面には凹凸が形成されている。ここで、この凹凸は異方性を有している。具体的には、成形方向すなわち曲げ加工の方向（円周方向。以下「第１方向」という）とこれに垂直な方向（軸方向。以下「第２方向」という）とで表面粗さが異なっている。

図３は、表面粗さの異方性を示す模式図である。図３（Ａ）は第１方向における表面粗さを、図３（Ｂ）は第２方向における表面粗さを、それぞれ示している。第１方向における表面粗さは、第２方向における表面粗さよりも小さい。

第２方向における表面粗さが大きすぎると、オーバレイ層１２の表面粗さが大きくなってしまい、耐焼付き性が低下する。この観点から、第２方向における表面粗さは、オーバレイ層１２の膜厚の半分以下であることが好ましい。ここで、オーバレイ層１２の膜厚とは、裏金１１の粗さ曲線における所定の点（例えば、最大山高さの点）を基準とした膜厚をいう。

２．製造方法
図４は、軸受１の製造方法を例示するフローチャートである。

ステップＳ１において、裏金が準備される。この時点で裏金は軸受の形状に成形されておらず、例えば平板である。

ステップＳ２において、裏金の表面に粗面化処理が行われる。粗面化処理とは、裏金の表面粗さを増加させる処理をいう。粗面化処理には、例えば、レーザー照射、サンディング等、周知の技術が用いられる。この粗面化処理は、表面を等方的に（ランダムに）粗面化するのではなく、異方性が生じるように粗面化する処理である。

図５は、粗面化処理を例示する図である。ここでは、レーザー照射が用いられる。レーザー光はパルスで（すなわち間欠的に）照射される。１回の照射によりスポット状すなわち円状の凹部が形成される。レーザー光は、位置を少しずつずらしながら照射される。照射位置をずらす方向は、第１方向（図中Ａ方向）である。照射位置は、位置を変更後に形成されるスポットが直前の照射により形成されたスポットの一部と重なるようにずらされる。摺動方向の一端から他端までレーザー光が照射されると、レーザー光の照射位置は第２方向（図中Ｂ方向）にずらされる。その後、レーザー光は、摺動方向の一端から他端まで順に照射される。

粗面化処理により、第１方向においてはレーザー照射された部分とされていない部分が混在しており、両者の高低差によって第１方向の表面粗さは増加している。第２方向においては、レーザー照射された部分とされていな部分とは混在しておらず、第１方向と比べて高低差は小さい、すなわち表面粗さは小さい。

再び図４を参照する。ステップＳ３において、裏金は洗浄される。裏金は、例えば、アルコール等の有機溶媒を用いた超音波洗浄により洗浄される。

ステップＳ４において、裏金の、粗面化された表面にオーバレイ層が形成される。オーバレイ層の形成のために、まず、オーバレイ前駆体が準備される。オーバレイ前駆体は、バインダー樹脂、添加剤、および溶媒を混合することにより調整される。調整されたオーバレイ前駆体は、パッド印刷、スクリーン印刷、エアスプレー、エアレススプレー、静電塗装、タンブリング、スクイズ法、ロール法により裏金に塗布される。塗布に際し、オーバレイ前駆体は、希釈剤で希釈されてもよい。塗布後、オーバレイ前駆体は乾燥および焼成を経てオーバレイ層となる。

ステップＳ５において、裏金は、軸受１としての形状に曲げ加工される。こうして、軸受１が製造される。

３．利点
本実施形態に係る軸受１は、以下の利点を有する。

３−１．剥離の抑制
図６は、比較例に係る軸受の成形時の応力を例示する図である。図６は、第１方向に平行かつ第２方向に垂直な断面の模式図である。この比較例においては、裏金の表面には、多孔質金属層が形成されている。すなわち、裏金の表面には、異方性を有さない、ランダムな凹凸が形成されているといえる。すなわち、第１方向における表面粗さは大きい。したがって、凹凸は第１方向に沿っても形成されており、この断面図にはその凹凸が表されている。この凹凸があると、裏金が曲げ加工されたときに裏金とオーバレイ層との界面において、この凹凸部分に応力が集中してしまう。そのため、曲げ加工時または使用時にオーバレイ層の剥離が起きる場合がある。

これに対し本実施形態に係る軸受１は、第１方向すなわち曲げ加工の方向における表面粗さは小さい。したがって、比較例と比べて界面における応力集中が起こりにくく、オーバレイ層の剥離も起きにくい。

なお、図６では多孔質金属層を有する軸受を比較例として説明したが、多孔質金属層を有さない軸受であっても、裏金の表面にランダムな凹凸が形成された軸受に対しては、本実施形態に係る軸受は上記の利点を有する。

３−２．疲労破壊の抑制
図７は、疲労破壊に係る応力集中箇所を例示する図である。図７（Ａ）は比較例に係る軸受の断面を、図７（Ｂ）は本実施形態に係る軸受の断面を示している。図示は省略したがこの比較例は裏金の表面に多孔質金属層を有している。一般に、多孔質金属層を介してオーバレイ層を形成すると、オーバレイ層の膜厚（裏金表面からの膜厚）は相対的に厚くなる。一方で、本実施形態に係る軸受１は裏金の表面に多孔質金属層を有していないので、オーバレイ層の膜厚を薄くすることができる。

軸受が相手材（軸）と摺動する際、摺動面（表層）から所定の深さ（例えば１００μｍ）の位置に応力が集中することが知られている。したがって、オーバレイ層が１００μｍよりも厚いとオーバレイ層内部で応力集中が発生し、オーバレイ層が疲労破壊しやすくなる。一方でオーバレイ層が１００μｍよりも薄いと応力集中が発生する位置は裏金内部になり、疲労破壊が起こりにくくなる。

３−３．燃料劣化の抑制
多孔質金属層に銅焼結層が用いられ、さらにその軸受がバイオ燃料の使用環境下で用いられた場合、焼結層の銅が、バイオ燃料を劣化させてしまうことがある。本実施形態に係る軸受１は銅焼結層を有さないので、バイオ燃料の使用環境下で用いられてもバイオ燃料を劣化させることがない。

３−４．その他
ＰＴＦＥ樹脂と比較するとＰＩ樹脂は強度が高い。また、ＰＴＦＥ樹脂はガラス転移温度が１３０℃程度であるのに対しＰＩ樹脂はガラス転移温度が３００℃以上であり、耐熱性に優れる。したがって、ＰＩ樹脂を用いた場合、ＰＴＦＥ樹脂と比較して、耐疲労性、密着性、耐摩擦性、耐焼付き性を改善することができる。さらに、添加剤としてグラファイト等の固体潤滑剤を用いた場合、より低摩擦とすることができる。さらに、摩擦が低減されると樹脂へのダメージも低減されるので、耐疲労性がさらに向上する。

４．実施例
４−１．密着性試験
４−１−１．試験片作製
裏金としては、厚さ１ｍｍの鋼板（ＳＰＣＣ（ＪＩＳ））を用いた。裏金表面の粗面化は、レーザー照射により、第１方向に沿って行った。粗面化した裏金表面に、オーバレイ前駆体の塗料をロール法により塗布した。オーバレイ層のバインダー樹脂としては、ガラス転移温度が約３３０℃のＰＩ樹脂を用いた。添加剤は添加しなかった。塗布の際、ＮＭＰを希釈剤として用いた。オーバレイ前駆体と希釈剤の割合は５０：５０（重量比）とした。塗布後、１００℃で１５分、乾燥した。その後、昇温速度１０℃／分で１８０℃まで昇温し、大気中で１時間焼成した。なお、オーバレイ層の厚さは２００μｍであった。

４−１−２．試験方法
試験片と同等の粗さで表面を粗面化したダミーを用意した。このダミーと試験片とを接着剤で接着した。その後、試験機（株式会社島津製作所製オートグラフＡＧ−ＩＳ）にて引っ張り速度２ｍｍ／分で引っ張り、両者の破断に要した力を密着力とした。

４−１−３．試験結果
表１は、各試験片の裏金の表面粗さおよびオーバレイ層の密着力を示す。実験例１において、第１方向の表面粗さＲｚ１は、第２方向の表面粗さＲｚ２よりも小さい。実験例２〜４において、表面粗さＲｚ１とＲｚ２とは同程度である。実験例１を実施例、実験例２〜４を比較例として考えると、表面粗さＲｚ１と表面粗さＲｚ２とが同程度であるものは密着性が悪く、表面粗さＲｚ１が表面粗さＲｚ２よりも小さいものは密着性が良好である。なお、ここでは、密着性試験における密着力が３０ＭＰａ以上のものを密着性が良好、３０ＭＰａ未満のものを密着性が悪いと判断した。

４−２．剥離試験
第２方向の表面粗さが異なる試験片を作成し、これらの試験片について、オーバレイ層の剥離の有無を評価した。試験片の作成方法は、密着性試験で説明したとおりである。

４−２−１．試験方法
オーバレイ層が形成された裏金を内側および外側に向けてＵ字曲げ加工を行った。加工後、試験片を目視し、オーバレイ層に剥離または亀裂が生じているか確認した。

４−２−２．試験結果

表２は、各試験片の裏金の表面粗さおよびオーバレイ層の剥離の有無を示す。実験例５、６、および７において、第１方向の表面粗さＲｚ１は、いずれも５μｍであった。第２方向の表面粗さＲｚ２は、それぞれ、３０、１５、および１０μｍであった。なお、ここでいう表面粗さとは、ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４による十点平均粗さである。

第２方向の表面粗さＲｚ２が１０μｍの実験例７においてはオーバレイ層の剥離が観察されたが、Ｒｚ２が１０μｍを超える試験片（実験例５および６）においてはオーバレイ層の剥離は観察されなかった。

４−３．まとめ
実験例１、５、および６はいずれも、表面粗さＲｚ１が表面粗さＲｚ２よりも小さく、かつ表面粗さＲｚ１が１０μｍ未満である。

５．適用例
図８は、燃料噴射ポンプ１００の構造を例示する図である。燃料噴射ポンプ１００は、軸受１を用いた装置の一例である。燃料噴射ポンプ１００は、軸受１、偏心カム１０１、リングカムハウジング１０２、ハウジング１０３、高圧バルブ１０４、プランジャー１０５、吸引制御バルブ１０６、供給ポンプ１０７、カムシャフト１０８、吸引バルブ１０９、および接続管１１０を有する。軸受１はカムハウジング１０２の内面において偏心カム１０１を支持する。燃料噴射ポンプに用いられる場合、軸受１にかかる繰り返し面圧は高くなり、また、燃料による潤滑のため、油膜厚さは非常に薄い。本実施形態は、オーバレイ層１２の剥離が抑制されるので、燃料噴射ポンプにも好適である。

１…軸受
１１…裏金
１２…オーバレイ層

Claims (6)

1. 第１方向に曲げ加工され、当該第１方向に垂直な第２方向おける表面粗さが１０μｍを超え、当該第１方向における表面粗さが当該第２方向における表面粗さよりも小さい裏金と、
   前記裏金の上に形成され、樹脂を含むオーバレイ層と
   を有する軸受。
2. 前記第１方向における表面粗さが、１０μｍ未満である
   ことを特徴とする請求項１に記載の軸受。
3. 前記第２方向における表面粗さが、前記オーバレイ層の膜厚の半分以下である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の軸受。
4. 前記裏金と前記オーバレイ層との間に、銅焼結層を有さない
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の軸受。
5. 前記オーバレイ層を形成する樹脂のガラス転移点が２００℃より高い
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の軸受。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の軸受を用いた燃料噴射ポンプ。

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