JP2004068074A

JP2004068074A - 高温環境下ですぐれた耐摩耗性を示すＥＧＲ式内燃機関の再循環排ガス流量制御弁の焼結Ｃｕ合金製軸受

Info

Publication number: JP2004068074A
Application number: JP2002228198A
Authority: JP
Inventors: Teruo Shimizu; 清水　輝夫; Tsuneo Maruyama; 丸山　恒夫
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2002-08-06
Filing date: 2002-08-06
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2022-08-06
Also published as: JP3932274B2

Abstract

【課題】高温環境下ですぐれた耐摩耗性を示すＥＧＲ式内燃機関の再循環排ガス流量制御弁の焼結Ｃｕ合金製軸受を提供する。
【解決手段】ＥＧＲ式内燃機関の再循環排ガス流量制御弁を作動させるオーステナイト系ステンレス鋼製往復動シャフトの軸受を、質量％で、Ｎｉ：１０〜３０％、Ｓｎ：５〜１２％、Ｃ：３〜１０％、を含有し、残りがＣｕと不可避不純物からなる組成、並びにＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系固溶体の素地に遊離黒鉛が分散分布した組織を有する焼結Ｃｕ合金で構成する。
【選択図】　　　　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、オーステナイト系ステンレス鋼製往復動シャフトと実質的に同じ熱膨張係数を有し、したがって、高温環境に曝されても前記往復動シャフトとの間にはすぐれた摺動特性が保持されるので、すぐれた耐摩耗性を発揮するＥＧＲ式内燃機関の再循環排ガス流量制御弁の焼結Ｃｕ合金製軸受に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ガソリンエンジンやＬＰＧエンジンなどの内燃機関の排ガス対策の一環として、これらの内燃機関には、一度排出されたガスを再び吸入空気と混合させて燃焼温度を低下させることで、ＮＯ_Ｘの低減を図るＥＧＲ（排出ガス再循環システム）が広く採用されている。
また、ＥＧＲの排ガス取出し配管に設けられた再循環排ガス流量制御弁を作動させるオーステナイト系ステンレス鋼製往復動シャフト（以下、ステンレス・シャフトという）の軸受として、例えば黒鉛製のものや、質量％で、Ｃｕ−７〜１０％Ｓｎ−５〜９％Ｃの組成を有する焼結Ｃｕ合金製のものなどが知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特表２００２−５２１６１０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の内燃機関の高出力化および低燃費化はめざましく、かつ軽量化およびコンパクト化に対する要求も強く、これに伴ない、上記の再循環排ガス流量制御弁は、エンジンの燃焼室の近傍に配置されるようになり、この結果高出力化に伴なうエンジン発熱量の増大と相俟って、４５０℃にも達する高温環境に曝される現状が生じつつある。
通常再循環排ガス流量制御弁の往復動シャフトと軸受は室温環境での摺動特性を基準にして設計されているため、これが高温環境に曝されると両者間には大きな熱膨張差が生じるようになり、この結果両者の摺動面のクリアランスが大きくなったり、摺動面抵抗が増大するなどの摺動特性を著しく損なう現象が発生するようになる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、ＥＧＲの再循環排ガス流量制御弁に用いられているステンレス・シャフトの熱膨張に対応した熱膨張を示す軸受を開発すべく研究を行なった結果、上記の黒鉛は３〜４×１０^−６／Ｋ、Ｃｕ−７〜１０％Ｓｎ−５〜９％Ｃの組成を有する焼結Ｃｕ合金は１９〜２１×１０^−６／Ｋの熱膨張係数を示すが、質量％（以下、％は質量％を示す）で、
Ｎｉ：１０〜３０％、
Ｓｎ：５〜１２％、
Ｃ：３〜１０％、
を含有し、残りがＣｕと不可避不純物からなる組成、並びにＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系固溶体の素地に遊離黒鉛が分散分布した組織を有する焼結Ｃｕ合金は、合金成分として含有するＮｉの作用で、１５〜１７×１０^−６／Ｋの熱膨張係数を示し、したがって、この結果の焼結Ｃｕ合金で軸受を構成すると、前記の１５〜１７×１０^−６／Ｋの熱膨張係数は上記ステンレス・シャフトのもつ１５〜１７×１０^−６／Ｋの熱膨張係数と実質的に同じものとなることから、上記再循環排ガス流量制御弁が４５０℃にも達する高温環境にあっても前記ステンレス・シャフトと前記焼結Ｃｕ合金製軸受との間には、室温環境での摺動特性と同じ摺動特性が保持されることになり、環境温度に影響を受けることなく、すぐれた耐摩耗性を発揮するようになる、という研究結果を得たのである。
【０００６】
この発明は、上記の研究結果にもとづいてなされたものであって、ＥＧＲ式内燃機関の再循環排ガス流量制御弁を作動させるステンレス・シャフトの軸受を、
Ｎｉ：１０〜３０％、
Ｓｎ：５〜１２％、
Ｃ：３〜１０％、
を含有し、残りがＣｕと不可避不純物からなる組成、並びにＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系固溶体の素地に遊離黒鉛が分散分布した組織を有する焼結Ｃｕ合金で構成することにより、高温環境下でもすぐれた耐摩耗性を発揮せしめるようにした点に特徴を有するものである。
【０００７】
つぎに、この発明の軸受において、これを構成する焼結Ｃｕ合金の組成を上記の通りに数値限定した理由を説明する。
（ａ）Ｎｉ
Ｎｉ含有量と軸受の熱膨張係数との間には、Ｎｉ：１０％の含有で、実質的に軸受：１７×１０^−６／Ｋの熱膨張係数を示し、また同３０％の含有で、同じく１５×１０^−６／Ｋの熱膨張係数を示す関係があり、これらの熱膨張係数は上記の通りステンレス・シャフトのもつ１５〜１７×１０^−６／Ｋの熱膨張係数に相当するものであり、このようにステンレス・シャフトのもつ熱膨張係数との整合性から、その含有量を１０〜３０％と定めた。
さらに述べれば、その含有量が１０％未満では熱膨張抑制効果が不十分で、軸受の熱膨張係数が１７×１０^−６／Ｋを越えて大きなものなり、この結果高温環境ではステンレス・シャフトとの摺動面間のクリアランスが増大し、これが摺動面における局部的摩耗発生の原因となり、一方その含有量が３０％を越えると、軸受の熱膨張係数が１５×１０^−６／Ｋ未満となってしまい、高温環境ではステンレス・シャフトとの摺動面間の抵抗が大きくなって摩耗が急速に増大するようになることから、その含有量を１０〜３０％と定めた。
また、ステンレス・シャフトを構成するオーステナイト系ステンレス鋼は、ＪＩＳ・Ｇ４３０３（１９７９年版）の「ステンレス鋼棒」に、「オーステナイト系」として規定されるものを示す。
【０００８】
（ｂ）Ｓｎ
Ｓｎ成分には、ＣｕおよびＮｉと素地の固溶体を形成して、軸受の強度を向上させ、もって軸受の耐摩耗性向上に寄与する作用があるが、その含有量が５％未満では所望の強度向上効果が得られず、一方その含有量が１２％を越えると相手材であるステンレス・シャフトに対する攻撃性が急激に増大し、ステンレス・シャフトの摩耗が促進されるようになることから、その含有量を５〜１２％と定めた。
【０００９】
（ｃ）Ｃ
Ｃ成分は、主体が素地に分散分布する遊離黒鉛として存在し、軸受の潤滑性を向上させ、もって軸受およびステンレス・シャフトの耐摩耗性向上に寄与する作用をもつが、その含有量が３％未満では遊離黒鉛の分散分布割合が不十分で、所望のすぐれた潤滑性を確保することができず、一方その含有量が１２％を越えると、軸受の強度が急激に低下し、摩耗が急激に進行するようになることから、その含有量を３〜１２％と定めた。
【００１０】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の軸受を実施例により具体的に説明する。
原料粉末として、いずれも１５０μｍの平均粒径を有するが、Ｎｉを５．９〜４１．２％の範囲内で含有する各種のアトマイズＣｕ−Ｎｉ合金粉末、平均粒径：２００μｍのアトマイズＳｎ粉末、および平均粒径：２００μｍの炭素粉末を用意し、これら原料粉末を表１に示される配合組成に配合し、これに０．２％のステアリン酸亜鉛を潤滑材として加えてＶ型ミキサーで２０分間混合した後、２００ＭＰａの圧力でプレス成形して圧粉体とし、この圧粉体を真空中、１０２０〜１２７０Ｋの範囲内の所定温度に１時間保持の条件で焼結し、最終的に２００ＭＰａの圧力でサイジング処理することにより、外径：２０ｍｍ×内径：５ｍｍ×長さ：２０ｍｍの寸法をもった本発明焼結Ｃｕ合金製軸受（以下、本発明軸受という）１〜９および比較焼結Ｃｕ合金製軸受（以下、比較軸受という）１〜７をそれぞれ製造した。
なお、比較軸受１〜７は、いずれも合金成分のうちのいずれかの含有量がこの発明の範囲から外れた焼結Ｃｕ合金で構成されたものであり、１９〜２１×１０^−６／Ｋの熱膨張係数を示した。
また、比較軸受８として３．２×１０^−６／Ｋの熱膨張係数を有する黒鉛製のものも用意した。
【００１１】
ついで、これらの軸受を、排気量：３０００ｃｃのＥＧＲ型ガソリンエンジンの燃焼室から３００ｍｍ離れた位置に設置された再循環排ガス流量制御弁に、直径：５ｍｍ×長さ：６０ｍｍの寸法をもったＪＩＳ・ＳＵＳ３０３製ステンレス・シャフトと共に組み込み、
エンジン回転数：３０００回転／分、
ステンレス・シャフト往復動距離：１０ｍｍ、
ステンレス・シャフト往復動回数：１５０回／分、
試験時間：５００時間、
の条件で摩耗試験を行ない、摩耗試験後の軸受およびステンレス・シャフトのそれぞれの摺動面における最大摩耗深さを測定した。これらの測定結果を表１に示した。
なお、上記の摩耗試験中、軸受の温度を測定したところ、常に４２０〜４３５℃の範囲内の温度を示した。
【００１２】
【表１】

【００１３】
【発明の効果】
表１に示される結果から、本発明軸受１〜９は、いずれもステンレス・シャフトと実質的に同じ熱膨張係数をもつので、４２０〜４３５℃の高温環境に曝されても前記ステンレス・シャフトとの間ですぐれた潤滑特性を保持することから、小さな相手攻撃性で、すぐれた耐摩耗性を示すのに対して、比較軸受１〜８に見られるように、合金成分としてＮｉを含有しない、あるいは含有してもその含有量がこの発明の範囲から低い方に外れた焼結Ｃｕ合金構成された軸受の場合は、ステンレス・シャフトに比して大きな熱膨張を示すことから、摺動面のクリアランスが増大し、これが摺動面に局部的摩耗の発生を促し、かつ前記局部的摩耗部分は、その摩耗が急速に進行するようになり、また、Ｎｉ含有量がこの発明の範囲から高い方に外れた場合や、黒鉛製のものでは、ステンレス・シャフトに比して相対的に熱膨張の小さいものとなることから、高温環境下では摺動面抵抗が著しく増大し、摩耗の進行が促進されるようになり、さらにＳｎおよびＣ成分の含有量がこの発明の範囲から外れた場合にも、軸受の摩耗が相対的に大きくなったり、相手攻撃性が増大したりすることが明らかである。
上述のように、この発明の軸受は、高温環境に曝されても相手材であるステンレス・シャフトとの間にすぐれた潤滑特性が保持されるので、内燃機関の高出力化および低燃費化、さらに軽量化およびコンパクト化に十分満足に対応できるものである。

Claims

ＥＧＲ式内燃機関の再循環排ガス流量制御弁を作動させるオーステナイト系ステンレス鋼製往復動シャフトの軸受にして、
上記軸受を、質量％で、
Ｎｉ：１０〜３０％、
Ｓｎ：５〜１２％、
Ｃ：３〜１０％、
を含有し、残りがＣｕと不可避不純物からなる組成、並びにＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系固溶体の素地に遊離黒鉛が分散分布した組織を有する焼結Ｃｕ合金で構成したことを特徴とする高温環境下ですぐれた耐摩耗性を示すＥＧＲ式内燃機関の再循環排ガス流量制御弁の焼結Ｃｕ合金製軸受。