JP3945979B2 - モータ式燃料ポンプの黒鉛分散型Ｃｕ基焼結合金製軸受 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、特に小型化され、かつ高駆動操業されるモータ式燃料ポンプに適用した場合にすぐれた耐摩耗性を発揮する黒鉛分散型Ｃｕ基焼結合金製軸受に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般に燃料としてガソリンや軽油などの液体燃料を用いるエンジンにはモータ式燃料ポンプが備えられており、例えばガソリンエンジン用モータ式燃料ポンプとして図１に概略横断面図で示される構造のものが知られている。
すなわち、図示される通り上記モータ式燃料ポンプは、ケーシング内において、モータの両端部に固設した回転軸が軸受に支持され、前記回転軸の一方端部にはインペラが挿入され、かつ前記インペラ、モータ（アーマチュア）の外周面、および軸受と回転軸との間の図示しない隙間にそって狭い間隙のガソリン流通路が形成された構造を有し、前記モータの回転でインペラが回転し、このインペラの回転でガソリンがケーシング内に取り込まれ、取り込まれたガソリンはインペラ、モータの外周面、および軸受と回転軸との間の図示しない隙間にそって形成された前記ガソリン流通路を通って送り出され、別設のガソリンエンジンに送り込まれるように作動するものである。なお、図１では両軸受の外周部を微量の燃料が通過し、インペラで昇圧されたガソリンは図示しないケーシングの燃料通路を通してアーマチュア外周面のところまで到達する。
また、上記のモータ式燃料ポンプの構造部材である上記軸受として各種のＣｕ基焼結合金が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の例えば自動車などのエンジンの軽量化、並びに高性能化はめざましく、これに伴って、これに用いられる燃料ポンプにも小型化が強く求められているが、上記の構造のモータ式燃料ポンプの場合、吐出性能を確保しつつこれを小型化するには、高駆動すなわち回転数を高くすることが必要であり、そうすると、燃料ポンプ内に取り込まれたガソリンなどの液体燃料は一段と狭くなった間隙の流通路を高圧で、かつ速い流速で通り抜けることになり、このような条件下では特にモータ式燃料ポンプの構造部材である軸受には一段の高強度と耐摩耗性が要求されることになるが、上記の構造のモータ式燃料ポンプに用いられているＣｕ基焼結合金製軸受においては、いずれも十分な強度および耐摩耗性を具備するものでないため、摩耗進行が速く、さらにこの摩耗進行は前記液体燃料が硫黄やその化合物などを不純物として含有する場合には、一層促進されるようになり、この結果比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは、上述のような観点から、小型化されて、高駆動操業されるモータ式燃料ポンプに用いるのに適した軸受を開発すべく研究を行った結果、
モータ式燃料ポンプの軸受を、質量％（以下、％は質量％を示す）で、
Ｎｉ：２０〜４０％、
Ｐ ：０．１〜０．９％、
Ｃ ：１〜８％、
を含有し、残りがＣｕと不可避不純物からなる組成、並びに５〜２５％の気孔率を有する黒鉛分散型Ｃｕ基焼結合金で構成すると、液体燃料の高圧高速流を生起せしめるモータの高速回転により軸受が受ける摩擦抵抗が、軸受内に存在する気孔を介して軸受外周面から軸受内周面に供給される液体燃料によって形成される流体潤滑膜の作用で緩和され、一方前記気孔を形成した分だけ耐摩耗性が低下するようになるが、この耐摩耗性の低下はＣｕ−Ｎｉ系合金の固溶体相からなる素地に分散分布した硬質のＣｕ−Ｐ化合物と同じく素地に分散分布した潤滑性の高い遊離黒鉛によって補われることから、この結果の黒鉛分散型Ｃｕ基焼結合金製軸受は、これの素地を形成するＣｕ−Ｎｉ系合金のもつすぐれた強度および耐食性と相俟って、液体燃料の高圧高速流に曝された環境下ですぐれた耐摩耗性を発揮するようになり、また、この黒鉛分散型Ｃｕ基焼結合金製軸受は硫黄やその化合物などを不純物として含有する液体燃料に対してもすぐれた耐食性を示す、という研究結果を得たのである。
【０００５】
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
Ｎｉ：２０〜４０％、
Ｐ ：０．１〜０．９％、
Ｃ ：１〜８％、
を含有し、残りがＣｕと不可避不純物からなる組成、並びに５〜２５％の気孔率を有する黒鉛分散型Ｃｕ基焼結合金で構成してなる、液体燃料の高圧高速流通下ですぐれた耐摩耗性を発揮するモータ式燃料ポンプの黒鉛分散型Ｃｕ基焼結合金製軸受に特徴を有するものである。
【０００６】
つぎに、この発明の軸受において、これを構成する黒鉛分散型Ｃｕ基焼結合金の成分組成および気孔率を上記の通りに限定した理由を説明する。
（１）成分組成
（ａ）Ｎｉ
Ｎｉ成分には、上記の通りＣｕに固溶して、Ｃｕ−Ｎｉ系合金の固溶体相からなる素地を形成し、軸受の強度および耐食性を向上させる作用があるが、その含有量が２０％未満では、所望の高強度および高耐食性を確保することができず、一方がその含有量が４０％を越えると強度が低下するようになることから、その含有量をＮｉ：２０〜４０％、望ましくは２１〜３０％と定めた。
【０００７】
（ｂ）Ｐ
Ｐ成分には、焼結性を向上させて軸受強度の向上に寄与すると共に、素地に分散分布する硬質のＣｕ−Ｐ合金を形成して耐摩耗性を向上させる作用があるが、その含有量が０．１％未満では前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その含有量が０．９％を越えると強度に低下傾向が現われるようになり、所望の高強度を安定的に確保するのが難しくなることから、その含有量を０．１〜０．９％、望ましくは０．３〜０．６％と定めた。
【０００８】
（ｃ）Ｃ
Ｃ成分は、主として素地に分散分布する遊離黒鉛として存在し、軸受にすぐれた潤滑性を付与し、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１％未満では前記作用に所望の向上効果が得られず、一方その含有量が８％を越えると強度が急激に低下するようになることから、その含有量を１〜８％、望ましくは２〜６％と定めた。
【０００９】
（２）気孔率
Ｃｕ−Ｎｉ系合金の素地に分散する気孔には、上記の通り液体燃料の高圧高速流通下で軸受が受ける強い摩擦および高い面圧を緩和し、もって軸受の摩耗を著しく抑制する作用があるが、その気孔率が５％未満では、素地中に分布する気孔の割合が少なくなり過ぎて前記作用を十分満足に発揮することができず、一方その気孔率が２５％を越えると、軸受の強度が急激に低下するようになることから、その気孔率を５〜２５％、望ましくは１０〜２０％と定めた。
【００１０】
【発明の実施の態様】
この発明の黒鉛分散型Ｃｕ基焼結合金製軸受を実施例により具体的に説明する。
原料粉末として、いずれも水アトマイズ法により形成され、かついずれも４５μｍの平均粒径を有するが、Ｎｉ含有量の異なる各種のＣｕ−Ｎｉ合金粉末、同じく４５μｍの平均粒径を有する水アトマイズＣｕ−Ｐ合金（Ｐ：３３％含有）粉末、さらに７５μｍの平均粒径を有する黒鉛粉末を用意し、これら原料粉末を所定の配合組成に配合し,ボールミルで４０分間混合した後、１５０〜３００ＭＰａの範囲内の所定の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体をアンモニア分解ガス雰囲気中、７５０〜９００℃の範囲内の所定の温度に４０分間保持の条件で焼結することにより、それぞれ表１に示される組成並びに気孔率を有する黒鉛分散型Ｃｕ基焼結合金で構成され、かついずれも外形:９ｍｍ×内径：５ｍｍ×高さ：６ｍｍの寸法をもった本発明焼結軸受１〜２０をそれぞれ製造した。
この結果得られた本発明焼結軸受１〜２０の任意断面を光学顕微鏡（２００倍）を用いて観察したところ、いずれもＣｕ−Ｎｉ系合金の固溶体相からなる素地にＣｕ−Ｐ合金と遊離黒鉛が微細に分散分布し、かつ気孔も存在する組織を示した。
また、比較の目的で、表１に示される通りの組成とする以外は同一の条件でＣｕ基焼結合金で構成された軸受（以下、比較焼結軸受という）１〜８をそれぞれ調製した。
なお、上記の比較焼結軸受１〜８は、いずれも合金成分含有量および気孔率のうちのいずれかがこの発明の範囲から外れたＣｕ基焼結合金で構成されたものである。
【００１１】
ついで、上記の本発明焼結軸受１〜２０および比較焼結軸受１〜８を外形寸法が長さ:１１０ｍｍ×直径：４０ｍｍの燃料ポンプに組み込み、この燃料ポンプをガソリンタンク内に設置し、
インペラの回転数：３０００（最小回転数）〜１００００（最大回転数）ｒ．ｐ．ｍ．、
ガソリンの流量：４５リットル／時（最小流量）〜１５０リットル／時（最大流量）、
軸受が高速回転軸より受ける圧力：最大３００ＫＰａ、
試験時間：２００時間、
の条件、すなわちガソリンが狭い間隙を高速で流通し、これを生起せしめるモータの高速回転軸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実機試験を行い、試験後の軸受面における最大摩耗深さを測定した。この測定結果を同じく表１に示した。
また、表１には強度を評価する目的で、それぞれの焼結軸受の圧壊強度を示した。
【００１２】
【表１】

【００１３】
【発明の効果】
表１に示される結果から、黒鉛分散型Ｃｕ基焼結合金で構成された本発明焼結軸受１〜２０は、いずれも高強度を有し、かつＣｕ−Ｎｉ系合金の固溶体相のもつすぐれた耐食性、並びにこれの素地に分散分布する気孔および硬質のＣｕ−Ｐ合金、さらに高い潤滑性を有する遊離黒鉛の作用で、特にモータ式燃料ポンプの軸受として用いた場合、ガソリンの高圧高速流通下で、一段とすぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、比較焼結軸受１〜８に見られる通り、これを構成するＣｕ基焼結合金の成分含有量および気孔率のうちのいずれかがこの発明の範囲から外れると強度および耐摩耗性のうちの少なくともいずれかの低下は避けられないことが明らかである。
上述のように、この発明の黒鉛分散型Ｃｕ基焼結合金製軸受は、通常の液体燃料を用いるエンジンのモータ式燃料ポンプ用としては勿論のこと、特にモータ式燃料ポンプの小型化および高駆動化に伴って回転軸から高面圧を受け、かつ液体燃料の高速流に曝される環境下で用いた場合でも、さらに液体燃料が不純物として硫黄やその化合物などを含有する場合にも、すぐれた耐摩耗性を発揮するものであるから、液体燃料を用いるエンジンの軽量化、並びに高性能化に十分満足に対応できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガソリンエンジン用モータ式燃料ポンプの概略横断面図である。

Claims (1)

1. 質量％で、
   Ｎｉ：２０〜４０％、
   Ｐ ：０．１〜０．９％、
   Ｃ ：１〜８％、
   を含有し、残りがＣｕと不可避不純物からなる組成、並びに５〜２５％の気孔率を有する黒鉛分散型Ｃｕ基焼結合金で構成したことを特徴とする、液体燃料の高圧高速流通下ですぐれた耐摩耗性を発揮するモータ式燃料ポンプの黒鉛分散型Ｃｕ基焼結合金製軸受。

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