JP3945980B2

JP3945980B2 - Cu-based sintered alloy bearing for motor fuel pump

Info

Publication number: JP3945980B2
Application number: JP2000383455A
Authority: JP
Inventors: 昇兼崎; 恒夫丸山
Original assignee: 三菱マテリアルＰｍｇ株式会社
Priority date: 2000-12-18
Filing date: 2000-12-18
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2020-12-18
Also published as: JP2002180163A

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、これに用いられるモータ式燃料ポンプにも小型化が強く求められているが、上記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、上記のモータ式燃料ポンプに用いられている従来の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％、
二硫化モリブデン（以下、ＭｏＳ₂で示す）：０．５〜５％、
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系合金の固溶体相からなる素地に、硬質のＣｕ−Ｐ化合物と、高潤滑性を有するＭｏＳ₂が分散分布した組織を有し、さらに５〜２５％の気孔率を有する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高潤滑性ＭｏＳ₂によって補われることから、この結果の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％、
ＭｏＳ₂：０．５〜５％、
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系合金の固溶体相からなる素地に、硬質のＣｕ−Ｐ化合物と、高潤滑性を有するＭｏＳ₂が分散分布した組織を有し、さらに５〜２５％の気孔率を有する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）ＭｏＳ₂
ＭｏＳ₂成分は、ＭｏＳ₂相として素地に分散分布し、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０．５％未満では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５％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０．５〜５％、望ましくはそれぞれ１〜３％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、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ＭｏＳ₂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微細なＣｕ−Ｐ合金とＭｏＳ₂が分散分布し、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）〜８０００（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）〜１２０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：２５０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、本発明焼結軸受１〜２０は、いずれもこれを構成するＣｕ基焼結合金が高強度を有し、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、さらに高潤滑性を有するＭｏＳ₂の作用で、特にモータ式燃料ポンプの軸受として、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。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a bearing made of a Cu-based sintered alloy that exhibits excellent wear resistance when applied to a motor-type fuel pump that is particularly downsized and operated at high drive.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, an engine using liquid fuel such as gasoline or light oil as a fuel is generally provided with a motor type fuel pump. For example, a motor type fuel pump for a gasoline engine has a structure shown in a schematic cross-sectional view in FIG. Are known.
That is, as shown in the drawing, the motor type fuel pump has a casing in which a rotating shaft fixed to both ends of the motor is supported by a bearing, an impeller is inserted into one end of the rotating shaft, and the impeller A gasoline flow passage having a narrow gap is formed along the outer peripheral surface of the motor (armature) and a gap (not shown) between the bearing and the rotary shaft, and the impeller is rotated by the rotation of the motor. Gasoline is taken into the casing by the rotation of the impeller, and the taken-in gasoline is sent out through the gasoline flow path formed along the impeller, the outer peripheral surface of the motor, and a gap (not shown) between the bearing and the rotating shaft. It operates to be sent to a separate gasoline engine. In FIG. 1, a small amount of fuel passes through the outer peripheral portions of both bearings, and the gasoline pressurized by the impeller reaches the outer peripheral surface of the armature through a fuel passage of a casing (not shown).
Various Cu-based sintered alloys are used as the bearings that are structural members of the motor-type fuel pump.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
On the other hand, in recent years, for example, engines such as automobiles have been reduced in weight and performance, and along with this, motor type fuel pumps used therefor have been strongly demanded to be downsized. In the case of a pump, in order to reduce the size of the pump while ensuring the discharge performance, it is necessary to increase the driving speed, that is, to increase the rotation speed. Then, the liquid fuel such as gasoline taken into the fuel pump becomes more narrow. In such a condition, the bearing, which is a structural member of the fuel pump, is required to have a higher level of strength and wear resistance. However, none of the conventional Cu-based sintered alloy bearings used in the motor type fuel pump has sufficient strength and wear resistance. Faster, further the wear progresses in the case where the liquid fuel contains sulfur, etc. and their compounds as impurities, will be further promoted, the reach this result relatively short time service life at present.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the present inventors have conducted research to develop a bearing suitable for use in a motor-type fuel pump that is miniaturized and operated at a high drive, from the above viewpoint.
Motor type fuel pump bearings in mass% (hereinafter% indicates mass%)
Ni: 20 to 40%,
P: 0.1-0.9%
Molybdenum disulfide (hereinafter referred to as MoS ₂ ): 0.5 to 5%,
In which the balance is composed of Cu and inevitable impurities, and the substrate is composed of a solid solution phase of a Cu-Ni-based alloy and has a structure in which a hard Cu-P compound and highly lubricated MoS ₂ are dispersed and distributed. Further, when it is made of a Cu-based sintered alloy having a porosity of 5 to 25%, the frictional resistance that the bearing receives due to the high-speed rotation of the motor that causes the high-pressure and high-speed flow of the liquid fuel passes through the pores existing in the bearing. The fluid lubrication film formed by the liquid fuel supplied from the outer peripheral surface of the bearing to the inner peripheral surface of the bearing is relaxed. On the other hand, the wear resistance is reduced by the amount of the pores formed. The decrease in the property is compensated by the highly lubricated MoS ₂ dispersed and distributed in the base as well as the hard Cu-P compound dispersed and distributed in the base composed of the solid solution phase of the Cu—Ni-based alloy. Alloy bearings, together with the excellent strength and corrosion resistance of the Cu-Ni alloys that form the substrate, exhibit excellent wear resistance in environments exposed to high pressure and high velocity flows of liquid fuel. In addition, this Cu-based sintered alloy bearing has obtained research results that show excellent corrosion resistance against liquid fuels containing sulfur and its compounds as impurities.
[0005]
This invention was made based on the above research results,
Ni: 20 to 40%,
P: 0.1-0.9%
MoS ₂ : 0.5-5%
In which the balance is composed of Cu and inevitable impurities, and the substrate is composed of a solid solution phase of a Cu-Ni-based alloy and has a structure in which a hard Cu-P compound and highly lubricated MoS ₂ are dispersed and distributed. Furthermore, it is made of a Cu-based sintered alloy of a motor type fuel pump that is composed of a Cu-based sintered alloy having a porosity of 5 to 25% and that exhibits excellent wear resistance under high-pressure and high-speed circulation of liquid fuel. The bearing has a feature.
[0006]
Next, the reason why the component composition and the porosity of the Cu-based sintered alloy constituting the bearing of the present invention are limited as described above will be described.
(1) Component composition (a) Ni
The Ni component has the effect of being dissolved in Cu as described above to form a base made of a solid solution phase of a Cu—Ni-based alloy and improving the strength and corrosion resistance of the bearing, but its content is less than 20%. In this case, the desired high strength and high corrosion resistance cannot be ensured. On the other hand, if the content exceeds 40%, the strength decreases. Therefore, the content is preferably Ni: 20 to 40%, preferably Was determined to be 21-30%.
[0007]
(B) P
The P component contributes to improving the bearing strength by improving the sinterability, and also has the effect of improving the wear resistance by forming a hard Cu-P alloy dispersed and distributed in the substrate. If the content is less than 0.1%, a desired improvement effect cannot be obtained in the above action. On the other hand, if the content exceeds 0.9%, the strength tends to decrease, and the desired high strength can be stably secured. Therefore, the content is determined to be 0.1 to 0.9%, preferably 0.3 to 0.6%.
[0008]
(C) MoS ₂
The MoS ₂ component is dispersed and distributed in the base as the MoS ₂ phase, and gives the bearing excellent lubricity, thereby contributing to the improvement of the wear resistance of the bearing. However, if its content is less than 0.5% The desired excellent lubricity cannot be ensured, while when the content exceeds 5%, the strength suddenly decreases. Therefore, the content is preferably 0.5 to 5%, preferably each It was set to 1 to 3%.
[0009]
(2) Porosity The pores dispersed in the base of the Cu-Ni alloy relieve the strong friction and high surface pressure that the bearing receives under high-pressure and high-speed flow of liquid fuel, as described above, thereby significantly suppressing bearing wear. However, if the porosity is less than 5%, the ratio of the pores distributed in the substrate becomes too small to sufficiently exhibit the above-mentioned effect, while the porosity exceeds 25%. Then, since the strength of the bearing suddenly decreases, the porosity is set to 5 to 25%, preferably 10 to 20%.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The Cu-based sintered alloy bearing of the present invention will be specifically described with reference to examples.
As a raw material powder, various Cu-Ni alloy powders which are formed by a water atomization method and all have an average particle diameter of 45 μm but differ in Ni content, and a water atomized Cu-P alloy which also has an average particle diameter of 45 μm (P: containing 33%) Powder, and further, MoS ₂ powder having an average particle diameter of 75 μm is prepared, these raw material powders are blended in a predetermined blending composition, mixed for 40 minutes by a ball mill, and within a range of 150 to 300 MPa. The green compact is pressed into a green compact at a predetermined pressure and sintered in a ammonia decomposition gas atmosphere at a predetermined temperature within a range of 750 to 900 ° C. for 40 minutes. 1. The sintered bearing of the present invention, which is composed of a Cu-based sintered alloy having the composition and porosity shown in FIG. 1 and has dimensions of outer dimensions: 9 mm × inner diameter: 5 mm × height: 6 mm 20 was prepared, respectively.
When the arbitrary cross sections of the sintered bearings 1 to 20 of the present invention obtained as a result were observed using an optical microscope (200 times), all of them were fine Cu-P alloys on a substrate made of a solid solution phase of a Cu-Ni alloy. And a structure in which MoS ₂ is distributed and pores are also present.
For comparison purposes, bearings (hereinafter referred to as comparative sintered bearings) 1 to 8 made of a Cu-based sintered alloy were prepared under the same conditions except that the compositions shown in Table 1 were used.
Each of the above-mentioned comparative sintered bearings 1 to 8 is composed of a Cu-based sintered alloy in which any one of the alloy component content and the porosity is out of the scope of the present invention.
[0011]
Next, the sintered bearings 1 to 20 and the comparative sintered bearings 1 to 8 of the present invention described above are incorporated into a fuel pump having an outer dimension of length: 110 mm × diameter: 40 mm, and the fuel pump is installed in a gasoline tank.
Impeller rotational speed: 3000 (minimum rotational speed) to 8000 (maximum rotational speed) r. p. m. ,
Gasoline flow rate: 45 liters / hour (minimum flow rate) to 120 liters / hour (maximum flow rate),
Pressure that the bearing receives from the high-speed rotating shaft: maximum 300 KPa,
Test time: 250 hours
The actual bearing test was performed under the conditions of the above, that is, under the condition that the bearing is subjected to high pressure by the high-speed rotating shaft of the motor that causes gasoline to flow at high speed through a narrow gap and is exposed to high-speed gasoline. The maximum wear depth on the surface was measured. The measurement results are also shown in Table 1.
Table 1 shows the crushing strength of each sintered bearing for the purpose of evaluating the strength.
[0012]
[Table 1]

[0013]
【The invention's effect】
From the results shown in Table 1, the sintered bearings 1 to 20 of the present invention all have high strength of the Cu-based sintered alloy constituting this, and excellent corrosion resistance of the solid solution phase of the Cu-Ni alloy. , As well as pores and hard Cu-P alloys distributed and distributed in the substrate, and MoS ₂ having high lubricity, especially as a motor fuel pump bearing, even under high pressure and high speed circulation of gasoline. While exhibiting wear resistance, as seen in comparative sintered bearings 1-8, any of the component content and porosity of the Cu-based sintered alloy constituting this is within the scope of the present invention. Obviously, at least one of strength and wear resistance is unavoidably reduced.
As described above, the bearing made of a Cu-based sintered alloy according to the present invention is used not only for a motor type fuel pump of an engine that uses a normal liquid fuel, but particularly with the miniaturization and high drive of the motor type fuel pump. Even when used in an environment where high surface pressure is received from the rotating shaft and exposed to a high-speed flow of liquid fuel, the liquid fuel further contains sulfur or its compounds as impurities. In this case, since it exhibits excellent wear resistance, it is possible to satisfactorily cope with the reduction in weight and performance of engines using liquid fuel.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a motor-type fuel pump for a gasoline engine.

Claims

% By mass
Ni: 20 to 40%,
P: 0.1-0.9%
Molybdenum disulfide: 0.5-5%
And a composition in which the remainder is composed of Cu and inevitable impurities, and a structure in which a hard Cu-P compound and molybdenum disulfide having high lubricity are dispersed and distributed on a substrate composed of a solid solution phase of a Cu-Ni alloy. And a Cu-based motor-type fuel pump that exhibits excellent wear resistance under high-pressure and high-speed flow of liquid fuel, characterized in that it is composed of a Cu-based sintered alloy having a porosity of 5 to 25%. Sintered alloy bearing.