JP6769007B2 - モータ式燃料ポンプ用焼結軸受及びその製造方法 - Google Patents

モータ式燃料ポンプ用焼結軸受及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、安価で有機酸を含む粗悪ガソリン環境下で使用可能な耐摩耗性に優れたＣｕ−Ｎｉ系焼結合金で構成されたモータ式燃料ポンプ用焼結軸受及びその製造方法に関する。
世界には自動車用の燃料として硫黄や有機酸が高濃度含まれた粗悪燃料を使用せざるを得ない地域が少なくないが、自動車マーケットのグローバル化により、この粗悪燃料を使用した自動車からの排出ガスによる大気汚染や地球温暖化が問題となっている。
近年、環境保全対策として、自動車業界は、燃費向上のために図３に示すような燃料ポンプやＥＧＲ（排気再循環）の普及拡大を進めている。また、自動車の燃料も大気汚染の要因となっていることから、燃料中の硫黄濃度低減やＣＯ２排出量削減のためにバイオマスの持つエネルギーを利用したアルコール或いはそれを添加したガソリンを燃料として使用する取り組みが世界各地域で進められてきている。しかし、その一方で、アルコールをガソリンや軽油などに加えたバイオマス燃料中ではアルコールが分解することにより有機酸が生成し、この有機酸が燃料ポンプの青銅系焼結軸受を腐食するという問題があった。
このような自動車のグローバル化に伴う高濃度に硫黄や有機酸を含む粗悪燃料に対して、優れた耐食性を有する燃料ポンプ用軸受としては、例えば、特許文献１や特許文献２に開示されているものが知られている。しかし、これらの軸受材料には高価なＮｉやＳｎが多量に使用されており、高コストであるという問題あった。すなわち、特許文献１に開示された軸受は、高価なＳｎを５〜１２質量％と高価なＮｉを２１〜３５質量％含有するため、材料費が高価であった。特許文献２に開示された軸受は、特許文献１に開示された軸受のＮｉ量を低減させて材料コストの低減を図っているが、Ｎｉよりも高価なＳｎを５〜１２質量％含有するためコスト低減が不十分であった。
また、軸受材料に安価なＡｌを用いたアルミ青銅製の軸受が特許文献３や特許文献４に開示されている。これらの軸受は、高価なＮｉ、Ｓｎを使用せずに安価なＡｌを含有するアルミ青銅からなる焼結軸受とすることで材料コストを低減することができる。しかし、Ａｌを含むアルミ青銅の焼結はＡｌが焼結時に酸化しやすく焼結が進みにくいため、その対策として、原料粉末中にフッ化アルミやフッ化カルシウムからなる焼結助剤を加え、さらには焼結雰囲気に水素ガス、窒素ガス或いはこれらの混合ガスを用いて焼結時間を長くする必要があった。このように、アルミ青銅の焼結は生産性が低く、その上、アルミ青銅の焼結においては、フッ化アルミやフッ化カルシウムからなる助剤の熱分解によって生じるフッ素系のガスにより焼結炉の腐食が懸念されるため、その対策が必要であった。したがって、特許文献３や特許文献４に開示された軸受は、製造コストの増加が避けられず、その結果として、トータルコストが高くなってしまうという問題があった。
特開２００６―１９９９７７号公報 国際公開第２０１２／０６３７８５号 特開２０１３−２１７４９３公報 特開２０１５―２２７５００号公報
そこで、本発明は、上記の問題を一掃し、安価で耐食性及び耐摩耗性を有するＣｕ−Ｎｉ系焼結合金で構成されたモータ式燃料ポンプ用軸受及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明のモータ式燃料ポンプ用焼結軸受は、質量％で、１０〜２０％のＮｉと、２〜４．５％のＳｎと、０．０５〜０．４％のＰと、２〜７％のＣとを含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなるとともに、Ｓｎが金属マトリックス中に均一に分散分布する金属組織を有し、かつ、７〜１７％の気孔率を有し、気孔内に遊離黒鉛が分散分布する。
本発明のモータ式燃料ポンプ用焼結軸受の製造方法は、Ｓｎ単体の粉末を含む原料粉末を、質量％で、１０〜２０％のＮｉと、２〜４．５％のＳｎと、０．０５〜０．４％のＰと、２〜７％のＣとを含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる組成になるように配合するステップと、原料粉末をプレス成形して圧粉体を製作するステップと、圧粉体を８８０〜９６０℃の範囲内の温度で焼結するステップとを備えた。
本発明のモータ式燃料ポンプ用焼結軸受は、質量％で、１０〜２０％のＮｉと、２〜４．５％のＳｎと、０．０５〜０．４％のＰと、２〜７％のＣとを含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなるとともに、Ｓｎが金属マトリックス中に均一に分散分布する金属組織を有し、かつ、７〜１７％の気孔率を有し、気孔内に遊離黒鉛が分散分布することで、高価なＳｎの使用量低減を可能とし、安価に製造できるとともに、有機酸を含む粗悪ガソリン中でも、優れた耐食性及び耐摩耗性を示すものとなる。
本発明例６の合金（Ｃｕ：残部、Ｎｉ：１８．５％、Ｓｎ：３％、Ｐ：０．２％、Ｃ：６％）の断面組織をＳＥＭで観察した電子顕微鏡写真である。 本発明例５の合金（Ｃｕ：残部、Ｎｉ：１７．７％、Ｓｎ：３％、Ｐ：０．１５％、Ｃ：４％）の断面組織をＳＥＭで観察した電子顕微鏡写真とＥＤＸで観察したＮｉ、Ｓｎ、Ｃ、Ｃｕ、Ｐのマッピング図である。 ガソリンエンジン用のモータ式燃料ポンプの構成を示す断面図である。
本発明のモータ式燃料ポンプ用焼結軸受は、質量％で、１０〜２０％のＮｉと、２〜４．５％のＳｎと、０．０５〜０．４％のＰと、２〜７％のＣとを含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなるとともに、Ｓｎが金属マトリックス中に均一に分散分布する金属組織を有し、かつ、７〜１７％の気孔率を有し、気孔内に遊離黒鉛が分散分布する。そして、この組成等により、安価に製造できるとともに、有機酸を含む粗悪ガソリン中でも、優れた耐食性及び耐摩耗性を示すものとなる。
また、本発明のモータ式燃料ポンプ用焼結軸受の製造方法は、Ｓｎ単体の粉末を含む原料粉末を、質量％で、１０〜２０％のＮｉと、２〜４．５％のＳｎと、０．０５〜０．４％のＰと、２〜７％のＣとを含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる組成になるように配合するステップと、原料粉末をプレス成形して圧粉体を製作するステップと、圧粉体を８８０〜９６０℃の範囲内の温度で焼結するステップとを備えた。これにより、Ｓｎが金属マトリックス中に均一に分散分布する金属組織を有する本発明のモータ式燃料ポンプ用焼結軸受を製造することができる。
以下、本発明のモータ式ポンプ用焼結軸受の組成等について、詳細に説明する。なお、以下で説明される含有量は、すべて質量％である。
（１）Ｎｉ：質量％で１０〜２０％
Ｎｉは、焼結によりＳｎ、ＣｕとともにＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ相を形成して、軸受に優れた耐食性を付与する。Ｎｉ含有量が１０％未満では所望の耐食性が得られず、一方、Ｎｉ含有量が２０％を超えても耐食性向上の効果が少なく、原料コストが高くなるため好ましくない。
（２）Ｐ：質量％で０．０５〜０．４％
Ｐは、圧粉体の焼結性を促進し、素地の強度を向上させる効果作用がある。Ｐ含有量が０．０５％未満では素地の強度向上に効果が少ない。一方、Ｐ含有量が０．４％を越えると粒界にＮｉ−Ｐ相の析出が多くなり、耐食性が低下するようになるので好ましくない。
（３）Ｓｎ：質量％で２〜４．５％
Ｓｎは、焼結によりＮｉ、ＣｕとともにＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ相を形成して、軸受に優れた耐食性を付与する。Ｓｎ含有量が２％未満では所望の耐食性が得られない。一方、Ｓｎ含有量が４．５％を超えると原料コストが高くなるので好ましくない。
（４）Ｃ：質量％で２〜７％
Ｃは黒鉛に由来するものである。Ｃは、主に、素地中に分散している気孔内に遊離黒鉛として存在し、軸受に優れた潤滑性を付与し、耐摩耗性を向上させる。Ｃ含有量が２％未満では所望の効果が得られない。一方、Ｃ含有量が７％を越えても耐摩耗性向上の効果が少なく、かえって軸受の強度が低下するため好ましくない。
（５）気孔率：７〜１７％
気孔は素地に分散し、液体燃料の高圧高速流通下で軸受が受ける強い摩擦を緩和し、軸受の摩耗を抑制する効果がある。気孔率が７％未満ではその効果が十分でない。一方、気孔率が１７％を超えると強度が低下するので好ましくない。
（６）Ｓｎが金属マトリックス中に均一に分散分布する金属組織について
Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎで構成される金属マトリックスにおいて、Ｓｎを均一に分散分布させることで、２〜４．５質量％の少量のＳｎで有機酸を含む粗悪ガソリンに対し、優れた耐食性を付与する。
質量％で２〜４．５％のＳｎをＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎで構成される金属マトリックス中に均一に分散分布させるためには、Ｓｎの添加方法並びに焼結温度の条件を適宜設定する必要がある。ＳｎはＳｎ単体の粉末で添加する方法とＣｕ−ＳｎやＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ等の合金化した粉末で添加する方法が考えられるが、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ合金粉末は粉末自体が硬く、そのため圧縮成形性が低下し、圧粉体が欠けやすくなるため好ましくなく、Ｃｕ−Ｓｎの合金粉末を用いるよりもＳｎ単体の粉末を用いた方が、金属マトリックス中への拡散が良く、焼結温度を８８０℃〜９６０℃とすることにより、Ｓｎを効率よく金属マトリックス中に分散分布させることができる。
以下、本発明のモータ式燃料ポンプ用焼結軸受の具体的な実施例について説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。
（１）モータ式燃料ポンプ用焼結軸受の製作
原料粉末として、粒径１００メッシュ以下のＣｕ−２５質量％Ｎｉ粉末、粒径２５０メッシュ以下のＣｕ−８質量％Ｐ粉末、粒径２５０メッシュ以下のＳｎ粉末、黒鉛粉末、及び電解Ｃｕ粉末を用意した。これらの原料粉末を表１に示す組成になるように配合し、ステアリン酸を０．５質量％添加してＶ型混合機にて２０分混合した後、所定の圧力でプレス成形して圧粉体を製作した。この圧粉体を、天然ガスと空気を混合し、加熱した触媒に通すことで分解変成させたエンドサーミックガス（吸熱型ガス）雰囲気中で、８８０〜９６０℃の範囲内の所定の温度で焼結し、続いてサイジングを行った。以上の工程により、外径：１０ｍｍ×内径：５ｍｍ×高さ：５ｍｍの寸法を有し、表１に示す組成成分の本発明軸受（以下、本発明例という）、及び比較としてＳｎ含有量が２％未満の比較軸受（以下、比較例という）を製作した。
（２）耐食試験
上記の本発明例と比較例の軸受について耐食試験を行った。
ガソリンにＲＣＯＯＨ（Ｒは水素原子又は炭化水素基）で表されるカルボン酸を添加して、擬似粗悪ガソリンを想定した有機酸試験液を製作した。この有機酸試験液を６０℃に加熱した後、有機酸試験液に本発明例と比較例の軸受を１００時間浸漬した。そして、有機酸試験液に浸漬する前の質量と浸漬後の質量の変化を測定した。その結果を表１に示す。
本発明例における軸受の質量変化は０．８７％以下であり、耐食性が高いことが確認された。一方、比較例における軸受の質量変化は１．５％であり、本発明例よりも大幅に耐食性が低かった。
（３）耐摩耗試験
上記の本発明例と比較例の軸受について、ガソリンが狭い空間を高速で流通し、これを生起せしめるモータの高速回転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耐摩耗試験を行った。外側寸法が長さ：１１０ｍｍ×直径：４０ｍｍの燃料ポンプに軸受を組み込み、この燃料ポンプをガソリンタンク内に設置した。インンペラの回転数：５，０００〜１５，０００ｒｐｍ、ガソリンの流量：５０〜２５０リットル／時、軸受が高速回転より受ける圧力：最大５００ｋＰａ、試験時間：５００時間の条件にて実機実験を行った。試験後の軸受面における最大摩耗深さを測定した。その結果を表１に示す。
本発明例における軸受の最大摩耗深さは７．８μｍ以下であり、耐摩耗性が高いことが確認された。一方、比較例における軸受の最大摩耗深さは１８μｍであり、本発明例よりも大幅に耐摩耗性が低かった。
（４）走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による分析
本発明例の合金の断面組織を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。分析倍率は３５０倍とした。
その結果、本発明例の合金では、７〜１７％の割合で気孔が分散し、遊離黒鉛も分散していた。
一例として、図１に本発明例６の合金（Ｃｕ：残部、Ｎｉ：１８．５％、Ｓｎ：３％、Ｐ：０．２％、Ｃ：６％）の電子顕微鏡写真を示す。
（５）走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）のエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）による分析
本発明例の合金について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に付属するエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）分析装置を用いて、金属マトリックスのＮｉ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｐ、Ｃ各元素の分布状態を調べた。分析条件は、加速電圧２０ｋＶに設定し、軸受の断面組織について、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｐ、Ｃ各元素のマッピング分析を行った。分析倍率は３５０倍とした。
その結果、本発明例の合金では、ＳｎがＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎからなる金属マトリックス中にほぼ均一に分散分布していることが確認された。
一例として、図２に本発明例５の合金（Ｃｕ：残部、Ｎｉ：１７．７％、Ｓｎ：３％、Ｐ：０．１５％、Ｃ：４％）の電子顕微鏡写真とＮｉ、Ｓｎ、Ｃ、Ｃｕ、Ｐのマッピング図を示す。Ｓｎのマッピング図に示すように、ＳｎはＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎからなる金属マトリックス中にほぼ均一に分散分布していることが分かる。

Claims (2)

  1. 質量％で、１０〜２０％のＮｉと、２〜４．５％のＳｎと、０．０５〜０．４％のＰと、２〜７％のＣとを含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなるとともに、Ｓｎが金属マトリックス中に均一に分散分布する金属組織を有し、かつ、７〜１７％の気孔率を有し、気孔内に遊離黒鉛が分散分布することを特徴とするモータ式燃料ポンプ用焼結軸受。
  2. 請求項１に記載のモータ式燃料ポンプ用焼結軸受の製造方法であって、
    Ｓｎ単体の粉末を含む原料粉末を、質量％で、１０〜２０％のＮｉと、２〜４．５％のＳｎと、０．０５〜０．４％のＰと、２〜７％のＣとを含有し、残部がＣｕ及び不可避不純物からなる組成になるように配合するステップと、原料粉末をプレス成形して圧粉体を製作するステップと、圧粉体を８８０〜９６０℃の範囲内の温度で焼結するステップとを備えたことを特徴とするモータ式燃料ポンプ用焼結軸受の製造方法。
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