WO2006022337A1 - 高強度を示しかつ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などの焼結Ｃｕ合金製軸受 - Google Patents

高強度を示しかつ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などの焼結Ｃｕ合金製軸受 Download PDF

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Definitions

  • Sintered Cu alloy bearings such as recirculation exhaust gas flow control valve for EGR type internal combustion engine showing high strength and excellent wear resistance in high temperature environment
  • the present invention has high strength and has substantially the same thermal expansion coefficient as that of an austenitic stainless steel reciprocating shaft. Therefore, even when exposed to a high temperature environment, the reciprocating shaft Since excellent sliding characteristics are maintained in the meantime, it relates to sintered Cu alloy bearings such as recirculation exhaust gas flow control valves for EGR internal combustion engines that exhibit excellent wear resistance.
  • stainless steel shaft! /, U As a bearing for an austenitic stainless steel reciprocating shaft (hereinafter referred to as stainless steel shaft! /, U) that operates the recirculation exhaust gas flow control valve provided in the exhaust gas extraction pipe of EGR, for example, Ni: 10 -30%, Sn: 5-12%, C: 3-10%, the remainder consisting of Cu and inevitable impurities, and a structure in which free graphite is dispersed and distributed on the base of the Cu-Ni-Sn solid solution
  • the one made of sintered Cu alloy with a metal is known (see, for example, Patent Document 1).
  • Patent Document 1 JP 2004-68074 A
  • the recirculation exhaust gas flow control valve is arranged in the vicinity of the combustion chamber of the engine.
  • the current situation is being exposed to high temperature environments as high as 450 ° C.
  • the reciprocating shaft and bearing of the recirculation exhaust gas flow control valve are normally designed based on the sliding characteristics in a room temperature environment, there is a large difference in thermal expansion between them when exposed to a high temperature environment. As a result, a phenomenon may occur in which the sliding characteristics are significantly impaired, such as an increase in clearance between both sliding surfaces and an increase in sliding surface resistance.
  • the present invention has been made on the basis of the above research results.
  • a stainless shaft bearing for operating a recirculation exhaust gas flow control valve of an EGR type internal combustion engine is provided.
  • the austenitic stainless steel that constitutes the stainless steel shaft is the one defined as “austenite” in the “stainless steel bar” of JIS G4303 (1979 edition).
  • the Sn component forms a solid solution of Cu and Ni and improves the strength of the bearing and contributes to the improvement of the wear resistance of the bearing, but it is desirable if its content is less than 5%. However, if the content exceeds 12%, the aggressiveness against the stainless steel shaft, which is the counterpart material, increases rapidly, and the wear of the stainless steel shaft is accelerated. Therefore, the content was determined to be 5-12%.
  • the C component exists as free graphite whose main component is distributed and distributed on the substrate, and improves the lubricity of the bearing, thereby contributing to improved wear resistance of the bearing and stainless steel shaft. If the content is less than 10%, the dispersion distribution ratio of free graphite is insufficient and the desired excellent lubricity cannot be ensured. On the other hand, if the content exceeds 10%, the strength of the bearing decreases rapidly, resulting in wear. The content was determined to be 3 to 10 o / o.
  • the P component improves the sinterability during sintering, thereby improving the strength of the substrate, that is, the strength of the bearing, but if the P content is less than 0.1%, sufficient sinterability is exhibited. However, if the content exceeds 0.9%, the strength of the grain boundary will drop sharply, so the strength of the sintered alloy will decrease. This is not preferable. Therefore, the content of the P component is set to 0.1 to 0.9%.
  • the bearing of the present invention has higher strength, and even if it is exposed to a high temperature environment, excellent lubrication characteristics are maintained with the counterpart stainless steel shaft. It can cope with high output and low fuel consumption as well as light weight and compactness.
  • the present invention sintered Cu alloy bearing with the dimensions of outer diameter: 20mm X inner diameter: 5mm X length: 20mm 1 to 15, comparative sintered Cu alloy bearings (hereinafter referred to as comparative bearings) 1 to 8 and conventional sintered Cu alloy bearings (hereinafter referred to as conventional bearings) 1 were manufactured.
  • Comparative bearing 1-8 are both intended content of any of the alloy components are composed of a sintered Cu alloy outside the scope mosquito ⁇ et of the present invention, 19 to 21 X 10- 6 The coefficient of thermal expansion of ZK is shown.
  • the bearings 1 to 15 of the present invention have higher strength than the conventional bearing 1, and all have substantially the same thermal expansion coefficient as the stainless steel shaft. Even when exposed to a high temperature environment of 435 ° C, it retains excellent lubrication characteristics with the stainless steel shaft, indicating that it exhibits excellent wear resistance with small opponent attack. Karu. However, as seen in comparative bearings 1-8, in the case of a bearing made of sintered Cu alloy whose content is out of the range of the present invention, the strength is reduced or compared with stainless steel shaft. Therefore, the clearance of the sliding surface is increased, which promotes the occurrence of local wear on the sliding surface, and the wear of the local wear portion rapidly proceeds.

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Abstract

【課題】　高強度を有しかつ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％、Ｐ：０．１～０．９％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－Ｐ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。

Description

明 細 書
高強度を示しかつ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などの焼結 Cu合金製軸受
技術分野
[0001] この発明は、高強度を有し、さらに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などの焼結 Cu合金製軸受に関するも のである。
背景技術
[0002] 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の低減を図る EGR (排出ガス再循環システム）が広く
X
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!/、う）の 軸受として、例えば、 Ni: 10〜30%、 Sn: 5〜12%、 C : 3〜10%を含有し、残りが C u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合金製のものなどが知られて ヽる（例えば特許 文献 1参照)。
特許文献 1：特開 2004— 68074号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0003] 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ぐかつ軽量化およ びコンパクト化に対する要求も強ぐこれに伴ない、上記の再循環排ガス流量制御弁 は一層の強度を必要とされるようになつてきた。
さらに上記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 になってきた結果、高出力化に伴なうエンジン発熱量の増大と相俟って、 450°Cにも 達する高温環境に曝される現状が生じつつある。ところが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つたり、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ことがある。
課題を解決するための手段
[0004] 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しかつ一層高 強度を有する軸受を開発すべく研究を行なった結果、
従来の特開 2004— 68074号公報記載の焼結 Cu合金にさらに質量％ (以下、％ は質量0 /0を示す）で、 P : 0. 1〜0. 9%を添カ卩した、 Ni: 10〜30%、 Sn: 5〜12%、 C : 3〜10%、P : 0. 1〜0. 9%を含有し、残りが Cuと不可避不純物力もなる組成、並 びに Cu— Ni— Sn— P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 X 10—6ΖΚ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 X 10— 6ZKの熱膨張係数は上記ステンレス 'シャフトのもつ 15〜17 X 10— 6Ζκ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°C 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ぐすぐれた耐摩耗性を発揮するようになり、さらに、従来の 特開 2004— 68074号公報記載の焼結 Cu合金製軸受に比べて強度が一層向上す ると 、う研究結果が得られたのである。
[0005] 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%、 P : 0. 1〜0. 9%、
を含有し、残りが Cuと不可避不純物力もなる組成、並びに Cu— Ni— Sn— P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、強度を一層向上させ、さらに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。
[0006] 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 X 10—ソ Kの熱膨張係数を示し、また同 30%の含有で、同じく 15 X 10—ソ 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 X 10— 6ZK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 X 10— 6Ζκ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 1 5 X 10— 6Ζκ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 抵抗が大きくなつ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 ο/ο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
[0007] (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 つ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。
[0008] (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 力 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 10%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 3〜10 o/oと定めた。
[0009] (d) P
P成分は、焼結時に焼結性を向上させ、もって素地の強度、すなわち軸受けの強度 を向上させる作用があるが、 Pの含有量が 0. 1%未満では十分な焼結性を発揮させ ることができないことから十分な強度が得られないので好ましくなぐ一方、 0. 9%を 越えて含有させると、粒界部の強度が急激に低下するので焼結合金の強度がかえつ て低下するようになるので好ましくない。したがって、 P成分の含有量を 0. 1〜0. 9% に定めた。
発明の効果
[0010] この発明の軸受は、一層の高強度を有し、さらに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、さらに軽量ィ匕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。
発明を実施するための最良の形態
[0011] 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 50 mの平均粒径を有し 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： 20 μ mのアトマイズ Sn粉 末、平均粒径：20 mの炭素粉末、平均粒径：15 /ζ πιを有し Pを 5〜10%の範囲内 で含有する各種のアトマイズ Cu— Ρ合金粉末、並びに平均粒径： 15 mを有し Pを 2 〜9%の範囲内で含有する各種のアトマイズ Ni— P合金粉末を用意し、これら原料粉 末を表 1に示される成分組成となるように配合し、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 X内径： 5mm X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） 1〜15、比較焼結 Cu合金製軸受 (以下、比較軸受と いう） 1〜8および従来焼結 Cu合金製軸受（以下、従来軸受という） 1をそれぞれ製造 した。
なお、比較軸受 1〜8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 の範囲カゝら外れた焼結 Cu合金で構成されたものであり、 19〜21 X 10— 6ZKの熱膨 張係数を示した。
ついで、これらの軸受の強度を評価する目的で軸受の圧壊強度を求め、その結果 を表 1に示し、さらにこれら軸受を排気量： 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 X長さ： 60mmの寸法をもつ: feJIS · 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 Z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 Z分、
試験時間： 500時間、
の条件で摩耗試験を行な ヽ、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°Cの範囲 内の温度を示した。 [表 1]
Figure imgf000007_0001
*印は、 この発明の範囲から外れている値を示す。 表 1に示される結果から、本発明軸受 1〜15は、従来軸受 1に比べて一層の高強 度を有し、さらに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°C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ことがわ かる。しかし、比較軸受 1〜8に見られるように、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、強度が低下したり、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成分の含有量力この発明の範囲力 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。

Claims

請求の範囲
[1] 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%、
P : 0. 1〜0. 9%、
を含有し、残りが Cuと不可避不純物力もなる組成、並びに Cu— Ni— Sn— P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 徴とする高強度を示しかつ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などの焼結 Cu合金製軸受。
PCT/JP2005/015448 2004-08-27 2005-08-25 高強度を示しかつ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などの焼結Ｃｕ合金製軸受 WO2006022337A1 (ja)

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