JP6425943B2 - 燃料ポンプ用焼結軸受およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、耐食性および耐摩耗性に優れ、高強度を有する燃料ポンプ用焼結軸受およびその製造方法に関する。

従来、例えば、燃料としてガソリンや軽油などを用いるエンジンには電動燃料ポンプが使用されている。近年、ガソリンや軽油などの燃料を用いる電動燃料ポンプを備えたエンジンは、世界各地で広く使用されており、使用されるガソリンや軽油などの品質は世界の各地域で異なっており、粗悪なガソリンが使用されている地域も多い。粗悪なガソリンの一種として有機酸を含むガソリンおよびバイオ燃料が知られているが、電動燃料ポンプに銅系焼結軸受を使用した場合、このような粗悪ガソリンに含まれている有機酸やバイオ燃料により、銅系焼結軸受が腐食される。この腐食は、軸受表面に開口する気孔の開口部周辺およびこの気孔の内面、さらには軸受の内部に内在し、かつ表面から内部に連通している気孔の内面などに進行して軸受の強度を低下させ、銅系焼結軸受の寿命が短くなる。

さらに、近年、自動車などのエンジンの小型化、軽量化はめざましく、これに伴って、燃料ポンプにも小型化および軽量化が求められ、これに組込まれる焼結軸受もコンパクト化が求められる。例えば、電動燃料ポンプでは、吐出性能を確保しつつ小型化するには、回転数を高める必要があり、これに伴い、燃料ポンプ内に取り込まれたガソリンなどの燃料が狭い隙間の流通路を高圧かつ高速で通過することになり、このような条件下では、焼結軸受にコンパクト化と共に一層の高強度と耐摩耗性、摩擦特性および耐腐食性が要求されることになる。このため、従来の銅系焼結軸受は、高強度を有するが、特に耐腐食性については十分ではない。

このような用途に使用する焼結軸受として、例えば、特許文献１には、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃ−Ｐ系の焼結軸受が公開されている。

一方、機械的特性と耐食性に優れた焼結軸受として、アルミニウム青銅系の焼結軸受が知られている。この焼結軸受では、焼結時に昇温する過程で表面に酸化アルミニウム膜が生成しアルミニウムの拡散を阻害するために十分な耐腐食性と強度を有する焼結体を容易に得ることができないという問題がある。特許文献２には、前記問題を改良するために、焼結アルミニウム含有銅合金用混合粉末およびその製造方法に関する技術が公開されている。

特許第４５２１８７１号公報 特開２００９−７６５０号公報

特許文献１に記載されたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｃ−Ｐ系の焼結軸受では、強度や耐摩耗性は向上するが、耐食性の面では十分なものとはいえない。また、希少金属であるＮｉを含有するので、コスト面でも問題がある。

特許文献２に記載されたアルミニウム含有銅合金粉末は成形性および焼結性に優れたものであるが、当該アルミニウム含有銅合金粉末を用いたアルミニウム青銅系焼結軸受として、安定した耐腐食性、機械的特性、コンパクト化、低コスト化を満たす多量生産に適した製品を得るためには、更なる検討が必要である。

従来の問題に鑑み、本発明は、耐腐食性および強度、耐摩耗性などの機械的特性を向上させると共に、コンパクト化、低コスト化を図った燃料ポンプ用アルミニウム青銅系焼結軸受を提供すること、および生産性がよく、低コストで、多量生産に好適な燃料ポンプ用アルミニウム青銅系焼結軸受の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、アルミニウム青銅系焼結軸受およびその製造方法において、軸受機能の向上と共に、コンパクト化、低コスト化、生産性の向上を図るために、焼結による膨張を有効利用するという新規な着想を前提条件として、前述したような常にガソリンと接触する環境下にある燃料ポンプ用焼結軸受おいて、粗悪なガソリンによる硫化腐食、有機酸およびバイオ燃料による腐食を抑制し、かつ、初期なじみ、耐久性等の性能を確保するために、種々の検討と試験評価を行い、以下の知見を得たことにより本発明に至った。
（１）アルミニウム配合量と硫化腐食性の関係では、アルミニウムの配合量が多くなるほど耐腐食性は向上する。これは、アルミニウムの配合量が増えると銅への拡散が増進し耐腐食性が向上すると考えられる。
（２）アルミニウム配合量と有機酸腐食性の関係では、アルミニウムの配合量が多くなるほど耐腐食性は低下する。ただし、アルミニウムの配合量が９．０質量％付近から重量変化率が穏やかになる。
（３）アルミニウムの配合量とアルミニウム青銅組織の関係では、アルミニウムの配合量は多くなるほどβ相の割合が多くなる。β相は５６５℃で共析変態し、α相とγ相になり、アルミニウム配合量が多くなるほどγ相の割合が多くなる。γ相は耐有機酸腐食性、初期なじみ性を低下させるので、銅源として、アルミニウム―銅合金粉末を用い、銅単体の粉末を添加しない場合は、γ相とα相との比を、０＜γ相／α相≦０．１０とする。
（４）焼結温度と耐腐食性の関係では、焼結温度を高くするとアルミニウムの拡散が増進し耐腐食性が向上する。
（５）添加剤である燐は、焼結過程でのアルミニウムの拡散の促進で、アルミニウム量を減らすことができ耐腐食性と初期なじみを劣化するアルミニウム組織のγ相の析出を削減できることが考えられる。
（６）アルミニウムの配合量と初期なじみ時間および摩擦係数との関係では、アルミニウムの配合量と初期なじみ時間および摩擦係数は比例関係にある。これは、アルミニウムの配合量が増加するとγ相が増加することが考えられる。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、８．５〜１０重量％のアルミニウムおよび０．１〜０．６重量％の燐を含有し、残部の主成分を銅とし、不可避不純物を含んだ燃料ポンプ用焼結軸受であって、この焼結軸受は、アルミニウム−銅合金が焼結された組織を有し、かつ前記焼結軸受の表層部の気孔を内部の気孔より小さくしたことを特徴とする。これにより、耐腐食性および強度、耐摩耗性などの機械的特性や油膜形成性、保油性を向上させると共に、コンパクト化、低コスト化を図ることができる。

また、燃料ポンプ用焼結軸受の製造方法としての本発明は、８．５〜１０重量％のアルミニウムおよび０．１〜０．６重量％の燐を含有し、残部の主成分を銅とし、不可避不純物を含んだ燃料ポンプ用焼結軸受の製造方法であって、この製造方法は、原料粉末としてアルミニウム−銅合金粉、電解銅粉および燐−銅合金粉を用い、少なくとも、原料粉末に焼結助剤が添加された圧粉体を成形する成形工程と、前記圧粉体からアルミニウム−銅合金組織を有する焼結体を得る焼結工程と、前記焼結体を寸法整形するサイジング工程とを含んでいることを特徴とする。これにより、生産性がよく、低コストで、多量生産に好適な燃料ポンプ用アルミニウム青銅系焼結軸受の製造方法を実現することができる。これにより製造された燃料ポンプ用焼結軸受は、耐腐食性および強度、耐摩耗性などの機械的特性や油膜形成性、保油性を向上させると共に、コンパクト化を図ることができる。

上記のアルミニウム−銅合金の組織は、α相を有していることが好ましい。α相は、耐有機酸腐食性、初期なじみ性に対して有効なものである。

上記のアルミニウム−銅合金の組織（以下、アルミニウム青銅組織ともいう）は、銅源として、アルミニウム―銅合金粉末を用い、銅単体の粉末を添加しない場合は、γ相とα相との比γ相／α相を、０＜γ相／α相≦０．１０とすることが好ましい。０＜γ相／α相≦０．１０の範囲であれば、耐有機酸腐食性、初期なじみ性に優れる。

上記の黒鉛の配合量として、アルミニウム、燐、残部の主成分を銅とする原料粉末および不可避不純物の合計１００重量％に対して、３〜１０重量％添加されていることが好ましく、例えば、３〜５重量％添加されているものが使用可能である。３重量％未満では、燃料ポンプ用焼結軸受として黒鉛添加による潤滑性、耐摩耗性の向上効果が得られない。一方、５重量％を超えると、例えばアルミニウムの銅への拡散が阻害され始めることが懸念される。黒鉛の添加量が１０重量％を超えると、アルミニウムの銅への拡散が阻害されるので、考慮が必要である。耐摩耗性については、黒鉛の添加量を増量すると耐摩耗性が向上するが、黒鉛の添加量１０重量％から摩耗量が若干多くなり、材料強度の低下が原因と考えられる。

上記の前記黒鉛粉は、天然黒鉛、又は人造黒鉛の微粉を樹脂バインダで造粒後粉砕し、粒径１４５メッシュ以下の黒鉛粉末にしたものが好ましい。一般的に黒鉛を４重量％以上添加すると成形することができないが、造粒黒鉛を使用することで成形を可能にした。

上記の燃料ポンプ用焼結軸受には、焼結助剤としての錫を添加しないことが好ましい。錫はアルミニウムの拡散を妨げるので好ましくない。

上記の燃料ポンプ用焼結軸受において、アルミニウムの含有量を９〜９．５重量％とするとさらに好ましい。燃料ポンプ用焼結軸受として、アルミニウムの含有量が８．５〜１０重量％であれば使用可能であり、９〜９．５重量％は最適な範囲である。

上記の焼結助剤として、前記アルミニウム−銅合金粉、電解銅粉および燐−銅合金粉からなる原料粉末の合計１００重量％に対して、フッ化アルミニウムおよびフッ化カルシウムを合計で０．０５〜０．２重量％添加することが好ましい。０．０５重量％未満では、焼結助剤としての効果が不十分となり、緻密で適宜の強度を有する焼結体が得られない。一方、０．２重量％を超えると、それ以上添加しても焼結助剤としての効果は頭打ちとなり、コスト的な観点から０．２重量％以下に止めることが好ましい。

上記のアルミニウム−銅合金粉の平均粒径ｄ１と電解銅粉の平均粒径ｄ２との比ｄ２／ｄ１を２〜３とすることが好ましい。比ｄ２／ｄ１がこの範囲にあると、アルミニウムを銅に十分拡散させることができ、耐腐食性に優れる。

上記の電解銅粉は、粉末形状が異なるもので構成され、アスペクト比が２以上の電解銅粉の割合Ｗ１と２未満の電解銅粉の割合Ｗ２との比Ｗ２／Ｗ１を３〜９とすることが好ましい。アスペクト比が２以上の電解銅粉は、アルミニウムの拡散のためには有効であるが、成形性が悪い。比Ｗ２／Ｗ１が、３未満であると成形性の面から好ましくなく、一方、９を超えるとアルミニウムの拡散が不十分となるので好ましくない。ここで、アスペクト比とは、粉末の長軸長さを粉末の厚みで除した比を意味する。

燃料ポンプ用焼結軸受の製造方法としての第２の発明は、８．５〜１０重量％のアルミニウムおよび０．１〜０．６重量％の燐を含有し、残部の主成分を銅とし、不可避不純物を含んだ燃料ポンプ用焼結軸受の製造方法であって、この製造方法は、原料粉末として、銅単体の粉末を添加せず、アルミニウム−銅合金粉および燐−銅合金粉を用い、少なくとも、原料粉末に焼結助剤が添加された圧粉体を成形する成形工程と、前記圧粉体からアルミニウム−銅合金組織を有する焼結体を得る焼結工程と、前記焼結体を寸法整形するサイジング工程とを含んでいることを特徴とする。ここで、原料粉末としての銅単体の粉末を添加せずとは、製造現場において不可避的に含まれる銅単体の粉末は許容する意味で用いる。

上記の製造方法としての第２の発明も、生産性がよく、低コストで、多量生産に好適な燃料ポンプ用アルミニウム青銅系焼結軸受の製造方法を実現することができる。また、これにより製造された燃料ポンプ用焼結軸受は、耐腐食性および強度、耐摩耗性などの機械的特性や油膜形成性、保油性を向上させると共に、コンパクト化を図ることができる。さらに、銅単体の粉末が添加されていないので、銅単体が偏った部分が略無くなり、この部分による腐食の発生が回避されると共に、アルミニウム−銅合金粉の粒一つ一つの耐腐食性が向上することにより、さらに厳しい使用環境に対しても耐腐食性を確保することができる。

上記の原料粉末としてのアルミニウム−銅合金粉が、７〜１１重量％アルミニウム−銅合金粉末であることが好ましく、例えば８〜１０重量％アルミニウム−銅合金粉末であることがより好ましい。これらの場合、アルミニウム−銅合金粉の粒一つ一つ耐腐食性が向上し、燃料ポンプ用焼結軸受全体の耐腐食性が向上する。

本発明による燃料ポンプ用焼結軸受は、耐腐食性および強度、耐摩耗性などの機械的特性や油膜形成性、保油性を向上させると共に、コンパクト化、低コスト化を図ることができる。また、本発明による燃料ポンプ用焼結軸受の製造方法は、生産性がよく、低コストで、多量生産に好適な燃料ポンプ用アルミニウム青銅系焼結軸受の製造方法を実現することができる。

さらに、銅単体の粉末を添加せず、アルミニウム−銅合金粉を用いた製造方法としての第２の発明によれば、銅単体が偏った部分が略無くなり、この部分による腐食の発生が回避されると共に、アルミニウム−銅合金粉の粒一つ一つの耐腐食性が向上することにより、さらに厳しい使用環境に対しても耐腐食性を確保することができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料ポンプ用焼結軸受が使用される燃料ポンプの概要を示す縦断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃料ポンプ用焼結軸受および本発明の第１の実施形態に係る製造方法に基づく燃料ポンプ用焼結軸受の縦断面図である。 （ａ）は図２のＡ部の金属組織を拡大した模式図で、（ｂ）は図２のＢ部の金属組織を拡大した模式図で、（ｃ）は図２のＣ部の金属組織を拡大した模式図である。 アルミニウムの配合量と硫化腐食性の関係についての試験結果を示すグラフである。 アルミニウムの配合量と有機酸腐食性の関係についての試験結果を示すグラフである。 アルミニウムの配合量と銅イオン溶出量の関係についての試験結果を示すグラフである。 アルミニウムの配合量と初期なじみ時間の関係についての試験結果を示すグラフである。 アルミニウムの配合量と摩擦係数の関係についての試験結果を示すグラフである。 図２の燃料ポンプ用焼結軸受の製造工程を説明する図である。 原料粉末の混合機の概要図である。 メッシュベルト式連続炉の概要図である。 サイジング工程を説明する図であり、（ａ）は焼結体をサイジング加工の金型にセットした状態を示し、（ｂ）はコアが下降した状態を示し、（ｃ）はサイジング加工が終了した状態を示す。 サイジング工程における製品の圧縮状態を示す図である。 含油装置の概要図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料ポンプ用焼結軸受についてのアルミニウムの配合量と有機酸腐食性の関係についての試験結果を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る燃料ポンプ用焼結軸受についてのアルミニウムの配合量と銅イオン溶出量の関係についての試験結果を示すグラフである。

以下、本発明の燃料ポンプ用焼結軸受についての第１の実施形態およびその製造方法についての第１の実施形態を添付図面に基づいて説明する。燃料ポンプ用焼結軸受についての第１の実施形態を図１〜８に示し、製造方法についての第１の実施形態を図９〜１４に示す。

図１は、本実施形態に係る焼結軸受が使用される燃料ポンプの概要を示す縦断面図である。電動燃料ポンプ４０は、円筒状の金属製ハウジング４１の上部にモータ部４２が組み込まれ、その下側にポンプ部４３が組み込まれている。ハウジング４１の上端部には合成樹脂製モータカバー４５が加締め固定されている。ハウジング４１の下端部には金属製ポンプカバー４６およびポンプボデー４７が取り付けられている。ハウジング４１内のモータカバー４５とポンプカバー４６との間にモータ部室４８が形成され、ポンプカバー４６とポンプボデー４７との間にポンプ部室４９が形成されている。ポンプカバー４６は、モータ部室４８とポンプ部室４９とを区画する区画壁を形成している。

モータ部室４８にはモータのアーマチュア５０が配置されている。アーマチュア５０の軸５２の上下端部は、モータカバー４５とポンプカバー４６にそれぞれすべり軸受１、２を介して回転自在に支持されている。このすべり軸受１、２が本実施形態の燃料ポンプ用焼結軸受である。

ハウジング４１に内周面には、マグネット５５がアーマチュア５０の外周面に対して所定の間隔をあけて固定されている。モータカバー４５には、アーマチュア５０の整流子５０ａに摺接するブラシ５６がスプリング５７により付勢された状態で組み込まれている。ブラシ５６は、チョークコイル５８を介して外部接続端子（図示省略）と導通されている。モータカバー４５には、燃料噴射弁に通じる燃料供給パイプ（図示省略）を接続する吐出口７０が設けられている。この吐出口７０には、燃料の逆流を阻止するチェックバルブ７１がスプリング７２により閉止方向に付勢された状態で組み込まれている。

ポンプ部４３のポンプカバー４６とポンプボデー４７との間にはプレート７４が介在されており、ポンプ部室４９が２室に区画されている。この各室にはインペラ７５がそれぞれ配置されている。両インペラ７５は、軸５２の下端部に連結されており、モータ部４２によって回転駆動される。ポンプボデー４７には吸入口７６が設けられており、ポンプカバー４６には流通口７７が設けられている。

燃料ポンプ４０は、モータ部４２によってポンプ部４３のインペラ７５を回転させる。これにより、燃料タンク内の燃料が吸入口７６よりポンプ部室４９に汲み上げられ、この燃料は、ポンプ部４３の流路を経てポンプカバー４６の流通口７７よりモータ部室４８に入り、吐出口７０から吐出される。したがって、アーマチュア５０の軸５２を回転自在に支持する本実施形態の燃料ポンプ用焼結軸受１、２は燃料（例えば、ガソリン）と常に接触する環境下にある。図１に示す燃料ポンプ４０は、例えば燃料ポンプ４０がガソリン等の液体状燃料中に浸されるインタンク方式の燃料ポンプ４０である。

ここで燃料ポンプの種類について説明すると、燃料ポンプとして、例えば、インタンク方式の燃料ポンプと、アウトタンク方式の燃料ポンプとの二種類の方式のものが挙げられる。

インタンク方式の燃料ポンプは、例えば、ガソリン等の液体状燃料の液中に燃料ポンプそのものが浸漬されつつ使用される方式のものである。このため、例えばインタンク方式の燃料ポンプに用いられる焼結軸受１、２は、必ずしも含油されていなくてもよいものであるが、初期摩耗を少しでも抑えるために、インタンク方式の燃料ポンプに用いられる焼結軸受１、２は、含油されたものが用いられることが好ましい。

これに対し、アウトタンク方式の燃料ポンプは、ガソリン等の液体状燃料の液中に燃料ポンプそのものが浸漬されることなく大気中で使用される方式のものである。例えばアウトタンク方式の燃料ポンプに用いられる焼結軸受についても必ずしも含油されていなくてもよいものであるが、初期摩耗を少しでも抑えるために、アウトタンク方式の燃料ポンプに用いられる焼結軸受についても含油されていることが好ましい。

本実施形態の燃料ポンプ用焼結軸受の縦断面図を図２に示す。燃料ポンプ用焼結軸受（以下、単に焼結軸受ともいう）１は、内周に軸受面１ａを有する円筒状に形成される。焼結軸受１の内周にアーマチュア５０（図１参照）の軸５２を挿入し、その状態で軸５２を回転させると、焼結軸受１の無数の空孔に保持された潤滑油が温度上昇に伴って軸受面１ａに滲み出す。この滲み出した潤滑油によって、軸５２の外周面と軸受面１ａの間の軸受隙間に油膜が形成され、軸５２が軸受１によって相対回転可能に支持される。焼結軸受２は、焼結軸受１と形状や寸法などが異なるが機能的には同じであるので、焼結軸受１を例にとって説明し、図２に符号２を併記して焼結軸受２の説明は省略する。

本実施形態の燃料ポンプ用焼結軸受１は、各種粉末を混合した原料粉末を金型に充填し、これを圧縮して圧粉体を成形した後、圧粉体を焼結することで形成される。

原料粉末は、アルミニウム−銅合金粉末、銅粉末、燐−銅合金粉末、黒鉛粉末と焼結助剤としてのフッ化アルミニウムおよびフッ化カルシウムを混合した混合粉末である。各粉末の詳細を以下に述べる。

[アルミニウム−銅合金粉末]
４０〜６０重量％アルミニウム−銅合金粉末を粉砕し、粒度調整した。アルミニウム−銅合金粉末の粒径は１００μｍ以下で、平均粒径は３５μｍである。ここで、本明細書において、平均粒径とは、レーザ回析により測定した粒径の平均値を意味する。具体的には、（株）島津製作所製ＳＡＬＤ−３１００により、５０００粉末をレーザ回析で測定したときの粒径の平均値とする。

アルミニウム−銅合金粉末を用いることで、黒鉛、燐等の添加剤の効果を引き出し、焼結軸受材として耐腐食性、強度、摺動特性等に優れる。また、合金化されているので、比重の小さいアルミニウム単体粉体の飛散に伴う取り扱い上の問題はない。

アルミニウム青銅組織は、α相が最も硫化腐食、有機酸腐食に対する耐腐食性および初期なじみに優れる。４０〜６０重量％アルミニウム−銅合金粉末を用いることで、黒鉛が添加されても強度が得られ焼結軸受が製造可能となる。組織がγ相になると、耐摩耗性には優れるが、耐有機酸腐食性および初期なじみが劣化する。アルミニウム青銅組織は、γ相とα相との比γ相／α相を、０．１０≦γ相／α相≦０．２５とすることが好ましい。γ相／α相の比が０．１０未満では耐摩耗性が低下し好ましくなく、一方、０．２５を超えると初期なじみ性、耐有機酸腐食性が低下するので、好ましくない。

［銅粉末］
銅粉末は、アトマイズ粉、電解粉、粉砕粉があるが、銅にアルミニウムを十分に拡散させるには、樹枝状の電解粉が有効であり、成形性、焼結性、摺動特性に優れる。そのため、本実施形態では、銅粉として電解粉を用いた。また、アルミニウムを銅へ十分に拡散させるためには、粉末形状が異なる電解銅粉を２種類用い、アスペクト比が２以上の電解銅粉の割合Ｗ１と２未満の電解銅粉の割合Ｗ２との比Ｗ２／Ｗ１を３〜９とすることが好ましい。アスペクト比が２以上の電解銅粉は、アルミニウムの拡散のためには有効であるが、成形性が悪い。比Ｗ２／Ｗ１が、３未満であると成形性の面から好ましくなく、一方、９を超えるとアルミニウムの拡散が不十分となるので好ましくない。

本実施形態では、電解銅粉の平均粒径は８５μｍのものを用いた。前述したアルミニウム−銅合金粉の平均粒径ｄ１と電解銅粉の平均粒径ｄ２との比ｄ２／ｄ１を２〜３とすることが好ましい。比ｄ２／ｄ１がこの範囲にあると、アルミニウムを銅に十分拡散させることができ、耐腐食性に優れる。このため、本実施形態では、アルミニウム−銅合金粉の平均粒径ｄ１を３５μｍ、電解銅粉の平均粒径ｄ２を８５μｍとした。ただし、これに限ることなく、アルミニウム−銅合金粉末の平均粒径は２０〜６５μｍ程度のものが使用可能であり、電解銅粉の粒径は２００μｍ以下で、平均粒径は６０〜１２０μｍ程度のものが使用可能である。

[燐合金粉末]
燐合金粉末は、７〜１０重量％燐−銅合金粉末を用いた。燐は、焼結時の固液相間の濡れ性を高める効果がある。燐の配合量は、０．１〜０．６重量％、具体的には０．１〜０．４重量％が好ましい。０．１重量％未満では固液相間の焼結促進効果が乏しく、一方、上記の０．６重量％好ましくは０．４重量％を超えると、焼結が進み過ぎてアルミニウムが偏析しγ相の析出が増え焼結体が脆くなる。

［黒鉛粉末］
黒鉛は、主として素地に分散分布する気孔内に遊離黒鉛として存在し、焼結軸受に優れた潤滑性を付与し、耐摩耗性の向上に寄与する。黒鉛の配合量は、アルミニウム、燐、残部の主成分を銅とする原料粉末および不可避不純物の合計１００重量％に対して、３〜１０重量％が好ましく、例えば３〜５重量％としてもよい。３重量％未満では、燃料ポンプ用焼結軸受として黒鉛添加による潤滑性、耐摩耗性の向上効果が得られない。一方、５重量％を超えると、例えばアルミニウムの銅への拡散が阻害され始めることが懸念される。黒鉛の添加量が１０重量％を超えると、材料強度が低下し、アルミニウムの銅への拡散を阻害するので好ましくない。一般的に黒鉛を４重量％以上添加すると成形することができないが、造粒黒鉛を使用することで成形を可能にした。本実施形態では、黒鉛粉末は、天然黒鉛、又は人造黒鉛の微粉を樹脂バインダで造粒後粉砕し、粒径１４５メッシュ以下の黒鉛粉末を用いた。

[フッ化アルミニウムおよびフッ化カルシウム]
アルミニウム−銅合金粉末は、焼結時にその表面に生成する酸化アルミニウムの皮膜が焼結を著しく阻害するが、焼結助剤としてのフッ化アルミニウムおよびフッ化カルシウムは、アルミニウム−銅合金粉末の焼結温度である８５０〜９００℃で溶融しながら徐々に蒸発し、アルミニウム−銅合金粉末の表面を保護して酸化アルミニウムの生成を抑制することにより、焼結を促進しアルミニウムの拡散を増進させる。フッ化アルミニウムおよびフッ化カルシウムは、焼結時に蒸発、揮散するので、焼結軸受の完成品には殆ど残らない。

焼結助剤としてのフッ化アルミニウムおよびフッ化カルシウムは、アルミニウム、燐、残部の主成分を銅とする原料粉末および不可避不純物の合計１００重量％に対して、合計で０．０５〜０．２重量％程度で添加することが好ましい。０．０５重量％未満では、焼結助剤としての効果が不十分となり、緻密で適宜の強度を有する焼結体が得られない。一方、０．２重量％を超えると、それ以上添加しても焼結助剤としての効果は頭打ちとなり、コスト的な観点から０．２重量％以下に止めることが好ましい。

本実施形態の燃料ポンプ用焼結軸受および後述する製造方法では、アルミニウム含有量が８．５〜１０重量％、燐が０．１〜０．４重量％で、残部の主成分が銅となるような割合で、アルミニウム−銅合金粉末、電解銅粉末および燐合金粉末を混合し、この合計１００重量％に対して、黒鉛の配合量が３〜５重量％になるように黒鉛粉末を混合して原料粉末とした。焼結助剤として、フッ化アルミニウムおよびフッ化カルシウムを合計で０．０５〜０．２重量％、成形性を容易にするためにステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム等の潤滑剤を０．１〜１重量％添加した。

詳しく説明すると、例えば、本実施形態の燃料ポンプ用焼結軸受および後述する製造方法では、アルミニウム含有量が８．５〜１０重量部、燐が０．１〜０．４重量部で、残部の主成分が銅となるような割合で、アルミニウム−銅合金粉末、電解銅粉末および燐合金粉末を混合し、この合計１００重量部に対して、黒鉛の配合量が３〜５重量部になるように黒鉛粉末を混合して原料粉末とした。黒鉛の配合量は、アルミニウム、燐、残部の主成分を銅とする原料粉末および不可避不純物の合計１００重量部に対して、３〜１０重量部が好ましく、例えば３〜５重量部としてもよい。３重量部未満では、燃料ポンプ用焼結軸受として黒鉛添加による潤滑性、耐摩耗性の向上効果が得られない。一方、５重量部を超えると、例えばアルミニウムの銅への拡散が阻害され始めることが懸念される。黒鉛の添加量が１０重量部を超えると、材料強度が低下し、アルミニウムの銅への拡散を阻害するので好ましくない。一般的に黒鉛を４重量部以上添加すると成形することができないが、造粒黒鉛を使用することで成形を可能にした。本実施形態では、黒鉛粉末は、天然黒鉛、又は人造黒鉛の微粉を樹脂バインダで造粒後粉砕し、粒径１４５メッシュ以下の黒鉛粉末を用いた。焼結助剤として、フッ化アルミニウムおよびフッ化カルシウムを合計で０．０５〜０．２重量部、成形性を容易にするためにステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム等の潤滑剤を０．１〜１重量部添加した。

図３に本実施形態に係る焼結軸受の断面の金属組織の模式図を示す。図３（ａ）は図２のＡ部を拡大した図である。同様に、図３（ｂ）は図２のＢ部を、図３（ｃ）は図２のＣ部を、それぞれ、拡大した図である。すなわち、図３（ａ）は内径側の軸受面の表層部の金属組織を示し、図３（ｂ）は内部の金属組織を示し、図３（ｃ）は外径面の表層部の金属組織を示す。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、ハッチングを付した３がアルミニウム−銅合金組織で、表面および内部気孔の周りに酸化アルミニウム皮膜４が存在する。このため、耐食性および耐摩耗性に優れる。図示は省略するが、アルミニウム−銅合金組織３の粒界部には燐が多くある。気孔内には遊離黒鉛５が分布しているので、潤滑性、耐摩耗性に優れる。

図３（ａ）に示すように、内径側の軸受面に形成された開放気孔ｄｂ１と軸受面の表層の内部気孔ｄｂ２が形成されている。図３（ｂ）に示すように軸受内部には気孔ｄｉが形成され、図３（ｃ）に示すように外径面に形成された解放気孔ｄｏ１と外径面の表層に形成された内部気孔ｄｏ２が形成されている。軸受面に形成された開放気孔ｄｂ１、軸受面の表層の内部気孔ｄｂ２、軸受内部には気孔ｄｉ、外径面に形成された解放気孔ｄｏ１および外径面の表層に形成された内部気孔ｄｏ２は、それぞれ連通している。

焼結軸受１は、後述する製造方法（図１３参照）において、焼結後に軸受の外径面１ｂと内径側の軸受面１ａの両方がサイジング加工されている。そして、アルミニウム青銅系焼結軸受は、焼結することにより膨張するので、軸受の外径面１ｂが内径側の軸受面１ａよりも大きな量でサイジングされる。そのため、外径面１ｂ側の表層部の気孔ｄｏ〔図３（ｃ）参照〕は、軸受面１ａ側の表層部の気孔ｄｂ〔図３（ａ）参照〕よりも多くつぶされる。外径面１ｂ側の表層部の気孔ｄｏ、軸受面１ａ側の表層部の気孔ｄｂおよびつぶされない軸受内部の気孔ｄｉ〔図３（ｂ）参照〕の大きさを比較すると、ｄｏ＜ｄｂ＜ｄｉの関係になる。このような関係になっているので、軸受面１ａ側では、耐食性、油膜形成性を向上させることができ、一方、封孔状態に近い外径面１ｂ側や端面１ｃ側では、耐食性、保油性を向上させることができる。

焼結軸受１の気孔ｄｏ、ｄｂ、ｄｉ内には、潤滑油が含浸されている。これにより、運転開始時より良好な潤滑状態を得ることができる。潤滑油としては鉱油、ポリαオレフィン（ＰＡＯ）、エステル、液状グリース等を使用することができる。ただし、軸受の使用用途にとっては、必ずしも潤滑油を含浸する必要はない。

図２に焼結軸受１の表層の圧縮層をハッチングで示す。ハッチングは、軸受１の半径方向の上側半分にだけに付して、下側半分は図示を省略する。焼結軸受１の表層は圧縮層を有する。外径面１ｂ側の表層の圧縮層Ｐｏの密度比αｏおよび軸受面１ａ側の表層の圧縮層Ｐｂの密度比αｂは、いずれも内部の密度比αｉより高く、密度比αｏ、αｂのいずれもが８０％≦αｏおよびαｂ≦９５％の範囲に設定されている。密度比αｏおよびαｂが８０％未満では軸受強度が不十分となり、一方、９５％を超えると含油量が不足し、好ましくない。

そして、外径面１ｂ側の表層の圧縮層Ｐｏの深さの平均値をＴｏ、軸受面１ａ側の表層の圧縮層Ｐｂの深さの平均値をＴｂとし、軸受面の内径寸法Ｄ１との比をそれぞれＴｏ／Ｄ１およびＴｂ／Ｄ１とすると、１／１００≦Ｔｏ／Ｄ１およびＴｂ／Ｄ１≦１／１５に設定することが好ましい。ここで、密度比αは次式で表される。
α（％）＝（ρ１／ρ０）×１００
ただし、ρ１：多孔質体の密度、ρ０：その多孔質体に細孔がないと仮定した場合の密度Ｔｏ／Ｄ１およびＴｂ／Ｄ１が１／１００未満では気孔のつぶれが不十分となり、一方、１／１５を超えると気孔がつぶれ過ぎて好ましくない。

次に、本実施形態に至るまでの検証結果を図４〜８に基づいて説明する。図４、５、７および８における破線Ｘ１〜Ｘ４は、それぞれの試験項目の許容レベルを示す。

図４は、アルミニウム（Ａｌ）配合量と硫化腐食性の関係を試験した結果を示す。アルミニウム配合量が多くなるほど耐腐食性が向上することが確認できた。この試験結果より、燃料ポンプ用焼結軸受の耐硫化腐食性に対して、アルミニウムの配合量は８．５重量％以上が必要であることが分かる。
[試験条件]
・溶剤：市販ガソリンに３００ｐｐｍ硫黄を添加した。
・温度：８０℃
・時間：３００時間
・試験方法：浸漬

図５は、アルミニウム配合量と有機酸腐食性の関係を試験した結果を示す。アルミニウム配合量が多くなるほど耐腐食性が低下することが分かった。ただし、アルミニウム配合量９．０質量％付近から重量変化率が穏やかになる。アルミニウム配合量が多くなるほど重量変化率が大きくなる要因は、銅イオンとアルミニウムイオンの溶出であり、この銅イオンとアルミニウムイオンの溶出が多くなる要因は、アルミニウム組織のγ相の析出が大きくなるためであることが考えられる。この試験結果より、燃料ポンプ用焼結軸受の耐有機酸腐食性に対して、アルミニウムの配合量は１０重量％以下が必要であることが分かる。
[試験条件]
・溶剤：濃度２％の有機酸。
・温度：５０℃
・時間：１００時間
・試験方法：浸漬

図６は、アルミニウム配合量と銅イオン溶出量の関係を試験した結果を示す。アルミニウム配合量が多くなるほど銅イオンの溶出量が減少し、アルミニウム配合量８．５質量％付近から急激に銅イオンの溶出量が減少することが確認できた。銅イオン溶出量が減少する要因は、アルミニウム配合量が増えると拡散が十分に進むことが考えられる。この試験結果からも、アルミニウムの配合量は８．５重量％以上が必要であることが分かる。
[試験条件]
・溶剤：濃度２％の有機酸。
・温度：５０℃
・時間：１００時間
・試験方法：浸漬

図７は、アルミニウム配合量と初期なじみ時間の関係を試験した結果を示す。アルミニウム配合量と初期なじみ時間は比例関係になることが確認できた。これは、アルミニウム配合量が増加するとアルミニウム組織に硬質のγ相が増加するためであると考えられる。この試験結果より、燃料ポンプ用焼結軸受の初期なじみに対して、アルミニウムの配合量は１０重量％以下が必要であることが分かる。
[試験条件]
・ＰＶ値：５０ＭＰａ・ｍ／ｍｉｎ
・試料サイズ：内径５ｍｍ×外径１０ｍｍ×幅７ｍｍ
・試験時間：３０ｍｉｎ

図８は、アルミニウム配合量と摩擦係数の関係を試験した結果を示す。アルミニウム配合量と摩擦係数は比例関係になることが確認できた。これは、アルミニウム配合量が増加するとアルミニウム組織に硬質のγ相が増加するためであると考えられる。アルミニウム配合量１０重量％以下では、許容レベルＸ４に対して十分に余裕があることが分かる。
[試験条件]
・ＰＶ値：５０ＭＰａ・ｍ／ｍｉｎ
・試料サイズ：内径５ｍｍ×外径１０ｍｍ×幅７ｍｍ
・試験時間：３０ｍｉｎ

表１に第１の実施形態における燃料ポンプ用焼結軸受の硬さを測定した結果を示す。表１に示す硬さの値は、試験荷重２５ｇにおけるビッカース硬さ（Ｈｖ：Ｖｉｃｋｅｒｓ ｈａｒｄｎｅｓｓ）に基づいて評価した値である。以下、硬さの値については、ビッカース硬さ（Ｈｖ）に基づく値として説明する。また、比較として銅系焼結軸受の硬さを比較例１として併記した。

表１の如く、銅系焼結軸受の硬さが７０〜８０であるのに対し、第１の実施形態における燃料ポンプ用焼結軸受の硬さは、例えば１２０〜２２０であり、この結果から、第１の実施形態における燃料ポンプ用焼結軸受は、銅系焼結軸受よりも耐摩耗性に優れた焼結軸受であると判定できる。これは、柔らかい相であるα相の硬さが１２０〜１４０であり、硬い相であるγ相の硬さが２００〜２２０であり、第１の実施形態における燃料ポンプ用焼結軸受のいずれの相の硬さも、銅系焼結軸受の硬さよりも硬いことによる。

図４〜８および表１に示す試験結果より、燃料ポンプ用焼結軸受として、アルミニウム配合量が８．５〜１０重量％であれば使用可能であり、９．０〜９．５重量％が最適なアルミニウム配合量であることが確認できた。

次に、燃料ポンプ用焼結軸受の製造方法についての第１の実施形態を説明する。図９に示すような原料粉末準備工程Ｓ１、成形工程Ｓ２、焼結工程Ｓ３、サイジング工程Ｓ４、含油工程Ｓ５を経て製造される。

［原料粉末準備工程Ｓ１］
原料粉末準備工程Ｓ１では、焼結軸受１の原料粉末が準備・生成される。原料粉末は、４０〜６０重量％アルミニウム−銅合金粉末を１７〜２０重量％、７〜１０重量％燐−銅合金粉末を２〜４重量％、電解銅粉末を残重量％とする合計１００重量％に対して、焼結助剤として、フッ化アルミニウムおよびフッ化カルシウムを合計で０．０５〜０．２重量％、黒鉛粉末を３〜５重量％、成形性を容易にするためにステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム等の潤滑剤を０．１〜１重量％添加した。潤滑剤を添加することにより、後述する圧粉体をスムーズに離型することができ、離型に伴う圧粉体の形状の崩れを回避することができる。具体的には、上記の原料粉末Ｍを、例えば、図１０に示すＶ型混合機１０の缶体１１に投入し、缶体１１を回転させて均一に混合する。

例えば、４０〜６０重量％アルミニウム−銅合金粉末を１７〜２０重量％、７〜１０重量％燐−銅合金粉末を２〜４重量％、電解銅粉末を残重量％とする合計１００重量％（黒鉛部分は含まれない）の合金部分に対し、アルミニウムの含有量が、例えば８．５重量％以上１０重量％以下、具体的には９重量％以上９．５重量％以下となるようにする。

例えば、原料粉末は、４０〜６０重量％アルミニウム−銅合金粉末を１７〜２０重量部、７〜１０重量％燐−銅合金粉末を２〜４重量部、電解銅粉末を残重量部とする合計１００重量部に対して、焼結助剤として、フッ化アルミニウムおよびフッ化カルシウムを合計で０．０５〜０．２重量部、黒鉛粉末を３〜１０重量部、例えば３〜５重量部、成形性を容易にするためにステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム等の潤滑剤を０．１〜１重量部添加したものが使用可能とされる。

例えば、４０〜６０重量％アルミニウム−銅合金粉末を１７〜２０重量部、７〜１０重量％燐−銅合金粉末を２〜４重量部、電解銅粉末を残重量部とする合計１００重量部（黒鉛部分は含まれない）の合金部分に対し、アルミニウムの含有量が、例えば８．５重量部以上１０重量部以下、具体的には９重量部以上９．５重量部以下となるようにする。

［成形工程Ｓ２］
成形工程Ｓ２では、上記の原料粉末を圧粉することにより、焼結軸受１の形状をなした圧粉体１’（図１３参照）を形成する。圧粉体１’は、焼結温度以上で加熱することにより形成される焼結体１”の密度比αが７０％以上で８０％以下となるように圧縮成形される。図１３では、簡便的に、圧粉体には符号１’、焼結体には符号１”を併記している。

具体的には、例えばサーボモータを駆動源としたＣＮＣプレス機に圧粉体形状に倣ったキャビティを画成してなる成形金型をセットし、キャビティ内に充填した上記の原料粉末を２００〜７００ＭＰａの加圧力で圧縮することにより圧粉体１’を成形する。圧粉体１’の成形時において、成形金型は７０℃以上に加温してもよい。

本実施形態の燃料ポンプ用焼結軸受１の製造方法では、アルミニウム源として、アルミニウム−銅合金粉末を用いることにより、流動性に起因する成形性の低下による圧粉体の強度不足の問題が改善され、比重の小さいアルミニウム単体粒子の飛散に伴う取り扱い上の問題はない。また、生産効率がよく多量生産に好適である。

[焼結工程Ｓ３]
焼結工程Ｓ３では、圧粉体１’を焼結温度で加熱し、隣接する原料粉末同士を焼結結合させることによって焼結体１”を形成する。図１１に示すメッシュベルト式連続炉１５を使用し、メッシュベルト１６に圧粉体１’を多量に投入し、焼結体１”を形成する。これにより、安定した品質、製造方法を実現することができる。

焼結工程において重要なことは、銅にアルミニウムを十分拡散させ耐腐食性を向上させることと、アルミニウム青銅組織をα相にすることで、耐腐食性と軸受性能（初期なじみ）を向上させることである。γ相になると硬くなり、耐摩耗性には優れるが、耐有機酸腐食性は低下する。そのため、できる限りγ相の析出は抑えるようにアルミニウム量を減らすことが必要であることが判明した。

さらに、アルミニウム組織は、γ相とα相との比γ相／α相を、０．１０≦γ相／α相≦０．２５とすることが好ましい。γ相／α相の比が０．１０未満では耐摩耗性が低下し好ましくなく、一方、０．２５を超えると初期なじみ性、耐有機酸腐食性が低下するので、好ましくない。

上記を満足する焼結条件として、焼結温度は９００〜９５０℃が好ましく、さらに、９００〜９２０℃（例えば、９２０℃）が好ましい。また、雰囲気ガスは、水素ガス、窒素ガスあるいはこれらの混合ガスとし、焼結時間は、長くした方が耐腐食性に良く、燃料ポンプ用焼結軸受では２０〜６０分（例えば、３０分）が好ましい。

アルミニウム−銅合金粉末は、共晶温度５４８℃以上になると様々な液相が発生する。液相が発生すると膨張し、発生した液相により焼結ネックが形成され、緻密化に至り、寸法が収縮していく。本実施形態では、メッシュベルト式連続炉１５で焼結することにより、焼結体１”の表面が酸化され、焼結が阻害されることにより緻密化に至らず、寸法が膨張したままとなる。ただし、焼結体１”の内部は、酸化されず焼結されるため、焼結体１”の強度は十分確保することができる。メッシュベルト式連続炉１５を使用したので、圧粉体１’の投入から取出しまで焼結時間を短く多量生産でき、コスト低減を図ることができる。また、焼結軸受の機能面では、強度は十分確保することができる。

上記の焼結工程においては、添加された燐合金粉末が効果を発揮することにより、良質の焼結体を形成することができる。燐により、焼結時の固液相間の濡れ性を高め、良好な焼結体が得られる。燐の配合量としては、０．１〜０．６重量％、具体的には０．１〜０．４重量％が好ましい。０．１重量％未満では固液相間の焼結促進効果が乏しく、一方、上記の０．６重量％好ましくは０．４重量％を超えると、得られた焼結体が偏析し脆くなる。

さらに、黒鉛は、主として素地に分散分布する気孔内に遊離黒鉛として存在し、焼結軸受に優れた潤滑性を付与し、耐摩耗性の向上に寄与する。黒鉛の配合量は、アルミニウム、燐、残部の主成分を銅とする原料粉末および不可避不純物の合計１００重量％に対して、３〜１０重量％が好ましく、例えば３〜５重量％としてもよい。３重量％未満では、燃料ポンプ用焼結軸受として黒鉛添加による潤滑性、耐摩耗性の向上効果が得られない。一方、５重量％を超えると、例えばアルミニウムの銅への拡散が阻害され始めることが懸念される。黒鉛の添加量が１０重量％を超えると、材料強度が低下し、アルミニウムの銅への拡散を阻害するので好ましくない。一般的に黒鉛を４重量％以上添加すると成形することができないが、造粒黒鉛を使用することで成形を可能にした。本実施形態では、黒鉛粉末は、天然黒鉛、又は人造黒鉛の微粉を樹脂バインダで造粒後粉砕し、粒径１４５メッシュ以下の黒鉛粉末を用いた。

［サイジング工程Ｓ４］
サイジング工程Ｓ４では、焼結により圧粉体１’と比較して膨張した焼結体１”を寸法整形する。図１２にサイジング工程Ｓ４の詳細を示す。サイジング加工の金型は、ダイス２０、上パンチ２１、下パンチ２２およびコア２３とからなる。図１２（ａ）に示すように、コア２３と上パンチ２１が上方に後退した状態で、下パンチ２２上に焼結体１”をセットする。図１２（ｂ）に示すように、最初にコア２３が焼結体１”の内径に入り、その後、図１２（ｃ）に示すように、上パンチ２１により焼結体１”がダイス２０に押し込まれ、上下パンチ２１、２２により圧縮される。これにより、焼結体１”の表面が寸法整形される。サイジング加工により、膨張した焼結体１”の表層の気孔をつぶし、製品内部と表層部に密度差が生じる。

図１３にサイジング加工により焼結体１”が圧縮される状態を示す。サイジング加工前の焼結体１”を２点鎖線で示し、サイジング加工後の製品１を実線で示す。２点鎖線で示すように、焼結体１”は径方向および幅方向に膨張している。このため、焼結体１”は、外径面１ｂを内径側の軸受面１ａより多く圧縮される。その結果、外径面１ｂ側の表層の気孔ｄｏ〔図３（ｃ）参照〕は、内径側の軸受面１ｂの表層の気孔ｄｂ〔図３（ａ）参照〕よりも多く潰され、潰されない軸受内部の気孔ｄｉ〔図３（ｂ）参照〕に対して、ｄｏ＜ｄｂ＜ｄｉの関係になる。このような関係になっているので、内径側の軸受面１ａでは、耐食性、油膜形成性を向上させることができる。一方、封孔状態に近い外径面１ｂや端面１ｃでは、耐食性、保油性を向上させることができる。

上記のサイジング工程の金型をダイス２０、一対のパンチ２１、２２およびコア２３から構成し、パンチ２１、２２とダイス２０により焼結体１”の軸方向両側と外径側から圧縮し、焼結体１”の内径側をコア２３により整形することにより、アルミニウム青銅系焼結軸受の焼結による膨張を有効利用し、焼結軸受１の寸法整形と共に所望の気孔を形成することができる。

また、上記のダイス２０の内径寸法と焼結体１”の外径寸法との寸法差およびコア２３の外径寸法と焼結体１”の内径寸法との寸法差を加減することにより、焼結体１”の表面の気孔の大きさを設定することができる。これにより、焼結軸受１の表面の気孔の大きさを容易にコントロールすることができる。さらに、図示は省略するが、軸受面１ａ（図１３参照）を回転サイジングすることで、軸受面１ａの気孔を小さくすることができる。

［含油工程Ｓ５］
含油工程Ｓ５は、製品１（焼結軸受）に潤滑油を含浸する工程である。図１４に含油装置を示す。含油装置２５のタンク２６内に製品１を投入し、その後、潤滑油２７をタンク２６内に注入する。そして、タンク２６内を減圧することにより、製品１の気孔ｄｏ、ｄｂ、ｄｉ（図３参照）内に潤滑油２７を含浸する。これにより、運転開始時より良好な潤滑状態を得ることができる。潤滑油としては鉱油、ポリαオレフィン（ＰＡＯ）、エステル、液状グリース等を使用することができる。ただし、軸受の使用用途に応じて実施すればよく、必ずしも実施する必要はない。

以上のような工程で製造された本実施形態の焼結軸受１は、耐食性および強度、耐摩耗性などの機械的特性や油膜形成性、保油性を向上させると共に、コンパクト化、低コスト化を図ることができる。燃料ポンプ用焼結軸受として、粗悪なガソリンによる硫化腐食、有機酸およびバイオ燃料に対して腐食を抑制し、かつ、初期なじみ、耐久性等の性能に優れる。

次に、本発明に係る燃料ポンプ用焼結軸受についての第２の実施形態および製造方法についての第２の実施形態を説明する。第１の実施形態の燃料ポンプ用焼結軸受および製造方法では、アルミニウム源および銅源となる原料粉末として、アルミニウム−銅合金粉末と電解銅粉を用いたが、第２の実施形態では、銅単体の電解銅粉を添加せず、アルミニウム−銅合金粉末を用いた点が第１の実施形態と異なる。

さらに厳しい使用環境に対しては、銅単体の粉末を添加すると、銅単体が偏った部分が生じることにより、耐腐食性に問題があるという知見を得た。この知見を基に種々検討の結果、アルミニウム源および銅源となる原料粉末として、アルミニウム−銅合金粉末を用い、銅単体の粉末を添加しないという着想により、本実施形態に至った。

本実施形態の燃料ポンプ用焼結軸受および製造方法における、アルミニウム含有量が８．５〜１０重量％、燐が０．１〜０．４重量％で、残部の主成分が銅とする組成は、第１の実施形態と同じである。しかし、原料粉末は次のように異なる。すなわち、銅単体の電解銅粉を添加せずに、前記組成になるような割合で、アルミニウム−銅合金粉末および燐合金粉末を混合し、この合計１００重量％に対して、黒鉛の配合量が３〜５重量％になるように黒鉛粉末を混合して原料粉末とした。また、焼結助剤として、フッ化アルミニウムおよびフッ化カルシウムを合計で０．０５〜０．２重量％、さらに、成形性を容易にするためにステアリン酸亜鉛を０．１〜１重量％添加した。

例えば、燃料ポンプ用焼結軸受および製造方法における、アルミニウム含有量が８．５〜１０重量部、燐が０．１〜０．４重量部、必要に応じて黒鉛の配合量が３〜１０重量部、例えば３〜５重量部で、残部の主成分が銅とする組成のものが使用可能とされる。この場合、例えば原料粉末は次のようになる。すなわち、銅単体の電解銅粉を添加せずに、前記組成になるような割合で、アルミニウム−銅合金粉末および燐合金粉末を混合し、この合計１００重量部に対して、黒鉛の配合量が３〜１０重量部、例えば３〜５重量部になるように黒鉛粉末を混合して原料粉末とした。黒鉛の配合量は、アルミニウム、燐、残部の主成分を銅とする原料粉末および不可避不純物の合計１００重量部に対して、３〜１０重量部が好ましく、例えば３〜５重量部としてもよい。３重量部未満では、燃料ポンプ用焼結軸受として黒鉛添加による潤滑性、耐摩耗性の向上効果が得られない。一方、５重量部を超えると、例えばアルミニウムの銅への拡散が阻害され始めることが懸念される。黒鉛の添加量が１０重量部を超えると、材料強度が低下し、アルミニウムの銅への拡散を阻害するので好ましくない。一般的に黒鉛を４重量部以上添加すると成形することができないが、造粒黒鉛を使用することで成形を可能にした。本実施形態では、黒鉛粉末は、天然黒鉛、又は人造黒鉛の微粉を樹脂バインダで造粒後粉砕し、粒径１４５メッシュ以下の黒鉛粉末を用いた。また、焼結助剤として、フッ化アルミニウムおよびフッ化カルシウムを合計で０．０５〜０．２重量部、さらに、成形性を容易にするためにステアリン酸亜鉛を０．１〜１重量部添加した。

銅源として、アルミニウム―銅合金粉末を用い、銅単体の粉末を添加しない本実施形態のアルミニウム青銅組織は、γ相とα相との比γ相／α相を、０＜γ相／α相≦０．１０とすることが好ましい。０＜γ相／α相≦０．１０の範囲であれば、耐有機酸腐食性、初期なじみ性に優れる。

本実施形態に係る焼結軸受の断面の金属組織は、図３の模式図で示した第１の実施形態と同様であるので、図３について前述した内容を準用し、重複説明を省略する。

また、本実施形態の焼結軸受１の表層の圧縮層の状態も、図２に示す第１の実施形態の焼結軸受と同様であるので、図２について前述した内容を準用し、重複説明を省略する。

次に、本実施形態に至るまでの検証結果を図１５および図１６に基づいて説明する。図１５における破線Ｘ２は、試験項目の許容レベルを示す。図示は省略するが、アルミニウム配合量と硫化腐食性の関係については、第１の実施形態における焼結軸受よりも第２の実施形態における焼結軸受のほうに良好な結果が確認された。また、初期なじみ時間の関係および摩擦係数の関係については、第１の実施形態における焼結軸受の試験結果と、第２の実施形態における焼結軸受の試験結果とは、略同等の結果とされたことから、ここではその詳細な説明を省略する。

図１５は、アルミニウム配合量と有機酸腐食性の関係を試験した結果を示す。試験条件は図５と同じである。図１５において◆印は図５に示した第１の実施形態の焼結軸受の試験結果であるが、◇印で示した本実施形態の焼結軸受は、アルミニウムの配合量８．５重量％において、第１の実施形態よりも有機酸耐腐食性がさらに向上することが確認できた。アルミニウム源および銅源となる原料粉末として、銅単体の粉末を添加せずに、アルミニウム−銅合金粉末を用いたので、銅単体が偏った部分が略なくなり、その部分による腐食の発生が回避され、耐腐食性が向上したものと考えられる。これと相俟って、アルミニウム−銅合金粉末を用いることにより、アルミニウム−銅合金粉の粒一つ一つ耐腐食性が向上し、焼結軸受全体の耐腐食性が向上したものと考えられる。

図１６は、アルミニウム配合量と銅イオン溶出量出量の関係を試験した結果を示す。試験条件は図６と同じである。図１６においても◆印は図６に示した第１の実施形態の焼結軸受の試験結果であるが、◇印で示した本実施形態の焼結軸受は、アルミニウムの配合量８．５重量％において、第１の実施形態よりも銅イオン溶出量が減少することが確認できた。

表２に第２の実施形態における燃料ポンプ用焼結軸受の硬さを測定した結果を示す。表２に示す硬さの評価の仕方等と表１に示す硬さの評価の仕方等とは同じであるから、ここではその詳細な説明を省略する。

表２の如く、銅系焼結軸受の硬さが７０〜８０であるのに対し、第２の実施形態における燃料ポンプ用焼結軸受の硬さは、例えば１００〜２４０であり、この結果から、第２の実施形態における燃料ポンプ用焼結軸受は、銅系焼結軸受よりも耐摩耗性に優れた焼結軸受であると判定できる。これは、柔らかい相であるα相の硬さが１００〜１４０であり、硬い相であるγ相の硬さが２００〜２４０であり、第２の実施形態における燃料ポンプ用焼結軸受のいずれの相の硬さも、銅系焼結軸受の硬さよりも硬いことによる。

図１５、１６および表２の試験結果より、本実施形態の燃料ポンプ用焼結軸受は、さらに厳しい使用環境に対しても耐腐食性を確保できることが確認できた。

次に、製造方法についての第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態の製造方法も、図９に示す第１の実施形態の焼結軸受の製造方法と同様であるので、前述した内容を準用し、原料粉末準備工程Ｓ１および成形工程Ｓ２の相違するところのみを説明する。

[原料粉末準備工程Ｓ１]
原料粉末準備工程Ｓ１では、焼結軸受１の原料粉末が準備される。原料粉末は、７〜１１重量％アルミニウム−銅合金粉末、好ましくは８〜１０重量％アルミニウム−銅合金粉末を９０〜９７重量％、７〜１０重量％燐−銅合金粉末を１〜６重量％とする合計１００重量％に対して、黒鉛粉末を３〜５重量％、焼結助剤としてフッ化アルミニウムおよびフッ化カルシウムを合計で０．０５〜０．２重量％、成形性を容易にするための潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を０．１〜１重量％添加した。７〜１１重量％アルミニウム−銅合金粉末は、粉砕して粒度調整したものを用いた。第１の実施形態と同様、上記の原料粉末を、例えば、図１０に示すＶ型混合器１０の缶体１１に投入し、缶体１１を回転させて均一に混合する。

例えば、７〜１１重量％アルミニウム−銅合金粉末を９０〜９７重量％、７〜１０重量％燐−銅合金粉末を１〜６重量％とする合計１００重量％（黒鉛部分は含まれない）の合金部分に対し、アルミニウムの含有量が、例えば８．５重量％以上１０重量％以下、具体的には９重量％以上９．５重量％以下となるようにする。

例えば、原料粉末は、７〜１１重量％アルミニウム−銅合金粉末、好ましくは８〜１０重量％アルミニウム−銅合金粉末を９０〜９７重量部、７〜１０重量％燐−銅合金粉末を１〜６重量部とする合計１００重量部に対して、黒鉛粉末を３〜１０重量部、例えば３〜５重量部、焼結助剤としてフッ化アルミニウムおよびフッ化カルシウムを合計で０．０５〜０．２重量部、成形性を容易にするための潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を０．１〜１重量部添加したものが使用可能である。

例えば、７〜１１重量％アルミニウム−銅合金粉末を９０〜９７重量部、７〜１０重量％燐−銅合金粉末を１〜６重量部とする合計１００重量部（黒鉛部分は含まれない）の合金部分に対し、アルミニウムの含有量が、例えば８．５重量部以上１０重量部以下、具体的には９重量部以上９．５重量部以下となるようにする。

［成形工程Ｓ２］
成形工程Ｓ２では、上記の原料粉末を圧粉することにより、焼結軸受１の形状をなした圧粉体１’（図１３参照）を形成する。本実施形態では、アルミニウム源および銅源となる原料粉末として、銅単体の粉末を添加せずに、アルミニウム−銅合金粉末を用いたので、銅単体が偏った部分が略なくなり、その部分による腐食の発生が回避される。これにより、耐腐食性が向上する。また、アルミニウム−銅合金粉末を用いることにより、アルミニウム−銅合金粉の粒一つ一つの耐腐食性が向上し、燃料ポンプ用焼結軸受全体の耐腐食性が向上する。

本実施形態の製造方法に基づく燃料ポンプ用焼結軸受では、特に厳しい使用環境に対しても耐腐食性を確保することができる。また、第１の実施形態の焼結軸受と同様、強度、耐摩耗性などの機械的特性や油膜形成性、保油性を向上させると共に、コンパクト化、低コスト化を図ることができる。

以上の各実施形態の説明では、本発明を、軸受面１ａを真円形状とした真円軸受に適用する場合を例示したが、本発明は真円軸受に限らず、軸受面１ａや軸５２の外周面にヘリングボーン溝、スパイラル溝等の動圧発生部を設けた流体動圧軸受にも同様に適用することができる。

本実施形態の焼結軸受は、例えば、燃料ポンプの種類等により、潤滑油等の油類が含まれていない燃料ポンプ用焼結軸受、少量の潤滑油が含まれた燃料ポンプ用焼結軸受、潤滑油が十分に含まれた燃料ポンプ用焼結軸受等の各種燃料ポンプ用焼結軸受が使用可能である。

本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々の形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

１ 燃料ポンプ用焼結軸受
１’ 圧粉体
１” 焼結体
１ａ 軸受面
１ｂ 外径面
１ｃ 端面
２ 燃料ポンプ用焼結軸受
３ アルミニウム銅合金組織
４ 酸化アルミニウム皮膜
５ 遊離黒鉛
１５ メッシュベルト式連続炉
２０ ダイス
２１ 上パンチ
２２ 下パンチ
２３ コア
４０ 燃料ポンプ
５２ 軸
Ｄ１ 軸受面の内径寸法
ｄｂ 気孔
ｄｉ 気孔
ｄｏ 気孔
Ｔｉ 圧縮層
Ｔｏ 圧縮層

Claims (7)

1. ８．５〜１０重量％のアルミニウム、０．１〜０．６重量％の燐、および遊離黒鉛を含有し、残部の主成分を銅とし、不可避不純物を含んだ燃料ポンプ用焼結軸受であって、
   この焼結軸受は、アルミニウム−銅合金組織を有し、銅単体組織を有さず、前記焼結軸受の表層部の気孔を内部の気孔より小さくし、かつ前記アルミニウム−銅合金の組織のγ相とα相との比γ相／α相を、０＜γ相／α相≦０．１０としたことを特徴とする燃料ポンプ用焼結軸受。
2. 前記燃料ポンプ用焼結軸受は、焼結助剤としての錫が含有されていないことを特徴とする請求項１に記載の燃料ポンプ用焼結軸受。
3. 請求項１または２のいずれか一項に記載の燃料ポンプ用焼結軸受において、アルミニウムの含有量を９〜９．５重量％としたことを特徴とする燃料ポンプ用焼結軸受。
4. ８．５〜１０重量％のアルミニウム、０．１〜０．６重量％の燐、および遊離黒鉛を含有し、残部の主成分を銅とし、不可避不純物を含んだ燃料ポンプ用焼結軸受の製造方法であって、
   この製造方法は、原料粉末として、銅単体の粉末を添加せず、アルミニウム−銅合金粉および燐−銅合金粉を用い、少なくとも、原料粉末に黒鉛粉および焼結助剤が添加された圧粉体を成形する成形工程と、前記圧粉体から、γ相とα相との比γ相／α相を０＜γ相／α相≦０．１０としたアルミニウム−銅合金組織を有する焼結体を得る焼結工程と、
   前記焼結体を寸法整形するサイジング工程とを含んでいることを特徴とする燃料ポンプ用焼結軸受の製造方法。
5. 前記原料粉末としてのアルミニウム−銅合金粉が、７〜１１重量％アルミニウム−銅合金粉末であることを特徴とする請求項４に記載の燃料ポンプ用焼結軸受の製造方法。
6. 前記アルミニウム−銅合金粉および燐−銅合金粉の合計１００重量％に対して、３〜１０重量％の前記黒鉛粉が添加されていることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料ポンプ用焼結軸受の製造方法。
7. 前記焼結助剤として、前記アルミニウム−銅合金粉および燐−銅合金粉の合計１００重量％に対して、フッ化アルミニウムおよびフッ化カルシウムが合計で０．０５〜０．２重量％添加されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の燃料ポンプ用焼結軸受の製造方法。

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