KR20020077127A - 구리기 소결합금제 베어링 및 모터식 연료펌프 - Google Patents

구리기 소결합금제 베어링 및 모터식 연료펌프 Download PDF

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Abstract

본 발명의 Cu기 소결합금 베어링은, Ni:10∼25wt%, Zn:10∼25wt%, P:0.1∼0.9wt%, C:0∼5wt% 이하, 이황화몰리브덴:0.5∼5wt% 및 잔부가 Cu 와 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 Cu기 소결합금으로 구성되어 있다. Cu기 소결합금은, Cu-Ni-Zn계 합금의 고용체상으로 이루어지는 바탕에, Cu-P 화합물, 유리흑연 및 이황화몰리브덴이 분산되고, 기공율이 5∼25% 인 조직을 갖는다.

Description

구리기 소결합금제 베어링 및 모터식 연료펌프{COPPER-BASED SINTERED ALLOY BEARING AND MOTOR FUEL PUMP}
본 발명은 소형이면서 고구동조업되는 모터식 연료펌프 등에 적합한 Cu기 소결합금제 베어링 및 모터식 연료펌프에 관한 것이다.
일반적으로 연료로 가솔린이나 경유 등의 액체연료를 사용하는 엔진에는 모터식 연료펌프가 구비되어 있다. 예컨대 가솔린엔진용 모터식 연료펌프로서 도 1 에 나타나는 구조의 것이 알려져 있다.
이 모터식 연료펌프는 케이싱 (1) 내에서 모터 (5) 의 양 단부에 고정설치된 회전축 (2) 이 베어링 (3a, 3b) 에 지지되고, 상기 회전축 (2) 의 일측 단부에는 임펠러 (4) 가 삽입되고, 또한 상기 임펠러 (4) 의 외주면, 모터 (아마추어 ; 5) 의 외주면 및 베어링 (3a, 3b) 와 회전축 (2) 사이의 간극 (도시생략) 을 따라 좁은 간극의 가솔린 유통로가 형성된 구조를 갖는다. 상기 베어링 (3a, 3b) 로는 각종 Cu기 소결합금이 사용되고 있다.
상기 모터 (5) 의 회전으로 임펠러 (4) 가 회전하면, 이 임펠러 (4) 의 회전으로 가솔린이 케이싱 (1) 내로 투입되고, 투입된 가솔린은 임펠러 (4) 의 외주면 및 모터 (5) 의 외주면을 따라 형성된 상기 가솔린 유통로를 통하여 보내져, 별도로 설치된 가솔린엔진으로 보내진다. 이 때 미량의 연료가 양 베어링 (3a, 3b) 의 내면과 회전축 (2) 의 외주면 사이를 통과하여 회전축 술라이딩의 윤활유 역할을 한다.
최근의 예컨대 자동차용 등의 엔진의 경량화 및 고성능화가 눈부시고, 이에 따라 엔진에 사용되는 모터식 연료펌프에도 소형화가 크게 요구되고 있다. 상기 구조의 모터식 연료펌프의 경우, 토출성능을 확보하면서 이것을 소형화하기 위해서는, 고구동 즉 회전수를 높게 하는 것이 필요하고, 이와 같은 조건하에서는 특히 베어링에 고강도와 내마모성이 더욱 요구된다.
그러나 종래의 모터식 연료펌프에 사용되고 있는 Cu기 소결합금제 베어링은, 모두 충분한 강도 및 내마모성을 갖고 있지 않아 마모진행이 빨랐다. 이 마모진행은 액체연료가 황이나 그 화합물 등을 불순물로 함유하는 경우에 더욱 촉진되기 때문에, 비교적 단시간에 사용수명에 도달하는 것이 현실정이었다.
본 발명자들은 소형화되어 고구동조업되는 모터식 연료펌프에 사용하기에 적합한 베어링을 개발하기 위해 연구하였다. 그 결과, 이하의 Cu기 소결합금제 베어링 및 모터식 연료펌프를 개발하기에 이르렀다.
도 1 은 가솔린엔진용 모터식 연료펌프의 단면도이다.
본 발명의 제 1 양태에 관련되는 Cu기 소결합금제 베어링은, Ni:10∼25wt%, Zn:10∼25wt%, P:0.1∼0.9wt%, 이황화몰리브덴:0.5∼5wt% 및 잔부가 Cu 와 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 Cu기 소결합금으로 구성되어 있다. 또한 상기 Cu기 소결합금은, Cu-Ni-Zn계 합금의 고용체상으로 이루어지는 바탕에, Cu-P 화합물 및 이황화몰리브덴이 분산되고, 기공율이 5∼25% 인 조직을 갖는다.
본 발명의 제 2 양태에 관련되는 Cu기 소결합금제 베어링은, Ni:10∼25wt%, Zn:10∼25wt%, P:0.1∼0.9wt%, C:5wt% 이하, 이황화몰리브덴:0.5∼5wt% 및 잔부가 Cu 와 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 Cu기 소결합금으로 구성되어 있다. 또한 상기 Cu기 소결합금은, Cu-Ni-Zn계 합금의 고용체상으로 이루어지는 바탕에, Cu-P 화합물, 유리흑연 및 이황화몰리브덴이 분산되고, 기공율이 5∼25% 인 조직을 갖는다.
상기 각 구성을 갖는 Cu기 소결합금제 베어링에 의하면, 베어링내에 존재하는 기공을 통하여 베어링 외주면으로부터 베어링 내주면으로 액체연료가 공급되고, 이 액체연료에 의해 베어링 내주면에 유체윤활막이 발생한다. 이 유체윤활막에 의해 모터의 고속회전으로 인해 베어링가 받는 마찰저항이 완화된다. 상기 기공을 형성한 정도만큼 내마모성이 저하되지만, 이 내마모성의 저하는, Cu-Ni-Zn계 합금의 고용체상으로 이루어지는 바탕에, 경질의 Cu-P 화합물 및 윤활성이 높은 MoS2(또는 MoS2및 유리흑연) 를 분산시킴으로써 보완된다. 따라서 상기 Cu기 소결합금제 베어링은, 바탕을 형성하는 Cu-Ni-Zn계 합금이 갖는 우수한 강도 및 내식성과 함께, 액체연료의 고압고속류에 노출된 환경하에서도, 우수한 내마모성을 발휘한다. 또 이 Cu기 소결합금제 베어링은, 황이나 그 화합물 등을 불순물로 함유하는 액체연료에 대해서도 우수한 내식성을 나타낸다.
본 발명의 제 3 양태에 관련되는 모터식 연료펌프는, 케이싱과, 이 케이싱의 내부에 배치된 회전축과, 이 회전축을 상기 케이싱에 대하여 회전 자유롭게 지지하는 베어링와, 상기 회전축에 고정된 임펠러를 구비하고, 상기 베어링은 상기 제 1 또는 제 2 양태의 Cu기 소결합금제 베어링이다.
이 모터식 연료펌프에 의하면, 높은 회전수에서도 긴 수명이 얻어지고, 소형화도 가능하다.
실시예
이하 본 발명에 관련되는 Cu기 소결합금제 베어링 및 모터식 연료펌프의 실시예를 설명한다. 어느 실시예에서도 Cu기 소결합금제 베어링의 형상은 한정되지 않고, 어떠한 형상 및 치수이어도 되며, 예컨대 도 1 에 기재된 베어링 (3a, 3b) 와 동일하여도 된다.
제 1 실시예
본 발명의 제 1 양태에 관련되는 Cu기 소결합금제 베어링은, Ni:10∼25wt%, Zn:10∼25wt%, P:0.1∼0.9wt%, 이황화몰리브덴:0.5∼5wt% 및 잔부가 Cu 와 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 Cu기 소결합금으로 구성되어 있다. 또한 상기 Cu기 소결합금은, Cu-Ni-Zn계 합금의 고용체상으로 이루어지는 바탕에, Cu-P 화합물, 및 이황화몰리브덴이 분산되고, 기공율이 5∼25% 인 조직을 갖는다.
이 실시예의 베어링에 있어서, 이것을 구성하는 Cu기 소결합금의 조성 및 기공율을 상기와 같이 한정한 이유를 설명한다.
(1) 조성
(a) Ni 및 Zn
이들 성분에는 모두 Cu 에 고용되어 Cu-Ni-Zn계 합금의 고용체상으로 이루어지는 바탕을 형성하고, 베어링의 강도 및 내식성을 향상시키는 작용이 있다.
Ni 함유량은 10wt% 미만에서도 25wt% 을 초과하여도 베어링의 강도가 저하된다. 보다 바람직한 Ni 함유량은 15∼20wt% 이다.
Zn 함유량은 10wt% 미만이 되면 베어링의 내식성이 저하되고, 한편 25wt% 를 초과하면 강도가 급격하게 저하된다. 보다 바람직한 Zn 함유량은 15∼20wt% 이다.
(b) P
P 성분에는 소결성을 향상시켜 베어링 강도의 향상에 기여함과 동시에, 바탕에 분산분포되는 경질의 Cu-P 합금을 형성하여 내마모성을 향상시키는 작용이 있다.
P 함유량이 0.1wt% 미만에서는 상기 작용에 원하는 향상효과를 얻을 수 없고, 한편 0.9wt% 를 초과하면 강도에 저하경향이 나타나 원하는 고강도를 안정적으로 확보하는 것이 곤란해진다. 보다 바람직하게는 P 함유량은 0.3∼0.6wt% 이다.
(c) MoS2
MoS2는 MoS2입자로서 바탕에 분산분포되고, 베어링에 우수한 윤활성을 부여하여 베어링의 내마모성 향상에 기여하는 작용을 갖는다. MoS2함유량이 0.5wt% 미만이 되면 원하는 우수한 윤활성향상 효과를 얻을 수 없고, 한편 5wt% 를 초과하면 강도저하를 피할 수 없다. MoS2함유량은 바람직하게는 1∼3wt% 이다.
(2) 기공율
Cu-Ni-Zn계 합금의 바탕에 분산되는 기공에는, 상기와 같은 액체연료의 고압고속 유통하에서 베어링가 받는 강한 마찰 및 높은 면압을 완화시키고, 그럼으로써 베어링의 마모를 현저하게 억제하는 작용이 있다. 기공율이 5% 미만에서는 바탕중에 분포되는 기공의 비율이 너무 적어 상기 작용을 충분히 발휘할 수 없고, 한편 25% 를 초과하면 베어링의 강도가 급격하게 저하되게 된다. 기공율은 보다 바람직하게는 10∼20% 이다.
제 2 실시예
상기 제 1 실시예에서는, 윤활성분으로서 MoS2만 사용하였으나, 본 발명의 제 2 실시예의 Cu기 소결합금제 베어링은, MoS2외에 5wt% 이하의 탄소를 윤활성분으로 함유하는 것을 특징으로 한다. 즉 제 2 실시예의 Cu기 소결합금제 베어링은, Ni:10∼25wt%, Zn:10∼25wt%, P:0.1∼0.9wt%, C:5wt% 이하, 이황화몰리브덴:0.5∼5wt% 및 잔부가 Cu 와 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을갖는 Cu기 소결합금으로 구성되어 있다. 또한 이 Cu기 소결합금은, Cu-Ni-Zn계 합금의 고용체상으로 이루어지는 바탕에, Cu-P 화합물, 유리흑연 및 이황화몰리브덴이 분산되고, 기공율이 5∼25% 인 조직을 갖는다.
탄소이외의 구성의 한정이유는 제 1 실시예와 동일하다.
탄소는 주로 유리흑연의 입자로서, MoS2입자와 함께 바탕에 분산되고, MoS2입자와 공존한 상태에서 베어링에 우수한 윤활성을 부여하여 베어링의 내마모성 향상에 기여한다.
Cu기 소결합금의 탄소함유량이 5wt% 를 초과하면 베어링의 강도저하가 발생한다. 보다 바람직한 탄소함유량은 0.5∼5wt% 이고, 탄소함유량이 0.5wt% 미만이면 탄소를 첨가하는 것에 의한 윤활성향상 효과는 얻기 곤란해진다. 단, 탄소함유량이 0.5wt% 미만인 경우에도, 유리탄소 외에 MoS2입자를 함유하고 있음으로써, 제 1 실시예와 대략 동등한 효과가 얻어진다. 더욱 바람직한 Cu기 소결합금의 탄소함유량은 1∼3wt% 이다. 이 범위이면 베어링의 강도와 내마모성의 균형이 양호해진다.
모터식 연료펌프의 실시예
본 발명에 관련되는 모터식 연료펌프의 일 실시예는, 예컨대 도 1 에 나타낸 바와 같이 케이싱 (1) 과, 이 케이싱 (1) 의 내부에 배치된 회전축 (2) 과, 이 회전축 (2) 을 상기 케이싱 (1) 에 대하여 회전 자유롭게 지지하는 베어링 (3a, 3b) 와, 상기 회전축 (2) 에 고정된 임펠러 (4) 를 구비한다. 상기 베어링 (3a,3b) 는 상기 제 1 실시예 또는 제 2 실시예의 Cu기 소결합금제 베어링이다. 그 외의 구성은 도 1 과 동일하여도 된다. 단, 본 발명의 모터식 연료펌프는, 도 1 의 구조에 한정되는 것은 아니고, 종래부터 공지된 어떠한 구조의 모터식 연료펌프이어도 된다.
이 모터식 연료펌프에 의하면, 높은 회전수에서도 긴 수명이 얻어지고, 소형화도 가능하다.
실험예
다음으로 본 발명의 실험예를 들어 효과를 실증한다.
실험 1
원료분말로서 Ni 및 Zn 함유량이 다른 각종의 Cu-Ni-Zn 합금분말, Cu-P 합금 (P:33wt% 함유) 분말 및 MoS2분말을 준비하였다. Cu-Ni-Zn 합금분말은, 물 아토마이즈법에 의해 형성된 것으로, 45㎛ 의 평균입경을 갖는다. Cu-P 합금분말은, 45㎛ 의 평균입경을 갖는 물 아토마이즈분말이다. MoS2분말은 75㎛ 의 평균입경을 갖는다.
이들 원료분말을 소정의 배합조성으로 배합하고, 볼밀로 40분 동안 혼합한 후, 150∼300㎫ 범위내의 소정의 압력으로 압분체로 프레스성형하였다. 이 압분체를 암모니아분해 가스분위기중, 750∼900℃ 의 범위내의 소정 온도에 40분 동안 유지시키는 조건에서 소결함으로서, 실시예 1∼21 의 베어링을 제조하였다. 이들 실험예 1∼21 을 구성하는 Cu기 소결합금의 조성 및 기공율은, 표 1 에 나타낸 바와 같다. 또 베어링의 형상은 원통형으로 하고, 그 치수는 외형:9㎜×내경:5㎜×높이:6㎜ 로 하였다.
실험예 1∼21 의 임의단면을 광학현미경 (200배) 을 사용하여 관찰한 결과, 모두 Cu-Ni-Zn계 합금의 고용체상으로 이루어지는 바탕에 미세한 Cu-P 합금 및 MoS2가 분산분포되고, 또한 기공도 존재하는 조직이었다.
한편 표 1 에 기재된 조성으로 변경하는 것 이외에는 실험예 1∼21 과 동일한 조건에서, 비교예 1∼10 의 베어링을 각각 제조하였다. 비교예1∼10은 모두 합금성분 함유량 및 기공율 중의 어느 하나의 파라미터가 본 발명의 범위에서 벗어난 Cu기 소결합금으로 구성된 것이다.
실험예 1∼21 및 비교예 1∼10 의 각 베어링을, 외형치수가 길이:110㎜×직경:40㎜ 의 연료펌프에 형성하고, 이 연료펌프를 가솔린탱크내에 설치하였다. 임펠러의 회전수:3000 (최소회전수) ∼ 12000 (최대회전수) rpm, 가솔린의 유량:45 리터/시 (최소유량) ∼ 170리터/시 (최대유량), 베어링가 고속회전축으로부터 받는 압력:최대 300㎪, 시험시간:150시간의 조건에서 실기시험을 실행하고, 시험후의 베어링면에서의 최대마모깊이를 측정하였다. 이 실기 시험조건에 의하면, 가솔린이 펌프내의 좁은 간극을 고속으로 유통하고, 고속회전하는 회전축에 의해 베어링가 고압을 받고, 또한 빠른 유속의 가솔린에 베어링가 노출된다.
측정결과를 표 1 에 나타냈다. 또 표 1 에는 베어링의 강도를 평가하는 목적에서 각 베어링의 압괴강도도 나타냈다.
표 1 의 결과로부터, 실험예 1∼21 의 베어링은 모두 재료인 Cu기 소결합금이 고강도를 갖고, 또한 Cu-Ni-Zn계 합금의 고용체상이 갖는 우수한 내식성 및 바탕에 분산분포되는 기공 및 경질의 Cu-P 합금, 또한 높은 윤활성을 갖는 MoS2의 작용에 의해, 모터식 연료펌프의 베어링로 사용한 경우에 가솔린의 고압고속유통하에서도 우수한 내마모성을 발휘하였다.
한편 비교예 1∼10 의 베어링에서는, Cu기 소결합금의 성분함유량 및 기공율 중의 어느 하나가 본 발명의 범위에서 어긋남으로써, 강도 및 내마모성 중의 적어도 어느 하나가 저하되었다.
실험 2
실험 1 에서 사용한 각 원료외에, 평균입경 75㎛ 의 흑연분말을 사용하여, 실험 1 과 동일한 조건에서 실험예 22∼46 의 베어링을 제조하였다. 이들 베어링의 조성 및 기공율은 표 2 및 표 3 에 나타낸 바와 같다.
실험예 22∼46 의 임의단면을 광학 현미경 (200배) 을 사용하여 관찰한 결과, 모두 Cu-Ni-Zn 계 합금의 고용체상으로 이루어지는 바탕에 미세한 Cu-P 합금, 유리흑연 및 MoS2가 분산분포되고, 또한 기공도 존재하는 조직이었다.
한편 표 4 의 조성으로 변경하는 것 이외에는 실험예 22∼46 과 동일한 조건에서, 비교예 11∼22 의 베어링을 각각 제조하였다. 비교예 11∼22 는 모두 합금성분 함유량 및 기공율 중의 어느 하나의 파라미터가 본 발명의 범위에서 벗어난 Cu기 소결합금으로 구성된 것이다.
실험예 22∼46 및 비교예 11∼22 의 각 베어링을, 외형치수가 길이:110㎜×직경:40㎜ 의 연료펌프에 장착하고, 이 연료펌프를 가솔린탱크내에 설치하였다.임펠러의 회전수:3000 (최소회전수)∼9000 (최대회전수) rpm, 가솔린의 유량:45리터/시 (최소유량)∼130리터/시 (최대유량), 베어링가 고속회전축으로부터 받는 압력:최대 300㎪, 시험시간:220시간의 조건에서 실기시험을 실행하고, 시험후의 베어링면에서의 최대마모깊이를 측정하였다. 이 실기시험조건에 의하면, 가솔린이 펌프내의 좁은 간극을 고속으로 유통하고, 고속회전하는 회전축에 의해 베어링가 고압을 받고, 또한 빠른 유속의 가솔린에 베어링가 노출된다.
측정결과를 표 2∼표4 에 나타냈다. 또 각 표에는 베어링의 강도를 평가하는 목적으로 각 베어링의 압괴강도도 나타냈다.
표 2 및 표 3 의 결과로부터, 실험예 22∼46 의 베어링은 모두 재료인 Cu기 소결합금이 고강도를 갖고, 또한 Cu-Ni-Zn계 합금의 고용체상이 갖는 우수한 내식성 및 바탕에 분산분포되는 기공 및 경질의 Cu-P 합금, 또한 높은 윤활성을 갖는 유리탄소 및 MoS2의 작용에 의해, 모터식 연료펌프의 베어링로 사용한 경우에 가솔린의 고압고속유통하에서도 우수한 내마모성을 발휘하였다.
한편 비교예 11∼22 의 베어링에서는, Cu기 소결합금의 성분함유량 및 기공율 중의 어느 하나가 본 발명의 범위에서 어긋남으로써, 강도 및 내마모성 중의 적어도 어느 하나가 저하되었다.
본 발명의 Cu기 소결합금제 베어링은, 통상의 액체 연료를 사용하는 엔진의 모터식 연료펌프용으로는 물론, 특히 모터식 연료펌프의 소형화 및 고구동화를 수반한 회전축으로부터 높은 면압을 받고, 또한 액체 연료의 고속 흐름에 노출되는 환경하에서 사용되는 경우에도, 더욱 액체연료가 불순물인 유황 및 그의 화합물 등을 함유하는 경우에도, 뛰어난 내마모성을 발휘하므로, 액체연료를 사용하는 엔진의 경량화 및 고성능화에 충분히 만족스럽게 대응할 수 있다.

Claims (9)

  1. Ni:10∼25wt%,
    Zn:10∼25wt%,
    P:0.1∼0.9wt%,
    이황화몰리브덴:0.5∼5wt% 및
    잔부가 Cu 와 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 Cu기 소결합금으로 구성되고,
    상기 Cu기 소결합금은, Cu-Ni-Zn계 합금의 고용체상으로 이루어지는 바탕에, Cu-P 화합물 및 이황화몰리브덴이 분산되고, 기공율이 5∼25% 인 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 Cu기 소결합금제 베어링.
  2. Ni:10∼25wt%,
    Zn:10∼25wt%,
    P:0.1∼0.9wt%,
    C:5wt% 이하,
    이황화몰리브덴:0.5∼5wt% 및
    잔부가 Cu 와 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 Cu기 소결합금으로 구성되고,
    상기 Cu기 소결합금은, Cu-Ni-Zn계 합금의 고용체상으로 이루어지는 바탕에,Cu-P 화합물, 유리흑연 및 이황화몰리브덴이 분산되고, 기공율이 5∼25% 인 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 Cu기 소결합금제 베어링..
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 Cu기 소결합금의 탄소 함유량은 0.5∼5wt% 인 것을 특징으로 하는 Cu기 소결합금제 베어링.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 Cu기 소결합금의 Ni 함유량은 15∼20wt%, Zn 함유량은 15∼20wt% 인 것을 특징으로 하는 Cu기 소결합금제 베어링.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 Cu기 소결합금의 P 함유량은 0.3∼0.6wt% 인 것을 특징으로 하는 Cu기 소결합금제 베어링.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 Cu기 소결합금의 이황화몰리브덴 함유량은 1∼3wt% 인 것을 특징으로 하는 Cu기 소결합금제 베어링.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 Cu기 소결합금의 기공율은 10∼20% 인 것을 특징으로 하는 Cu기 소결합금제 베어링.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 Cu기 소결합금의 탄소 함유량은 1∼3wt% 인 것을 특징으로 하는 Cu기 소결합금제 베어링.
  9. 케이싱과, 이 케이싱의 내부에 배치된 회전축과, 이 회전축을 상기 케이싱에 대하여 회전 자유롭게 지지하는 베어링와, 상기 회전축에 고정된 임펠러를 구비하고,
    상기 베어링은 제 1 항 또는 2 항의 Cu기 소결합금제 베어링인 것을 특징으로 하는 모터식 연료펌프.
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