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CN103952586A - 高强度且在高温环境下的耐磨损性优异的烧结Cu合金制轴承 - Google Patents

高强度且在高温环境下的耐磨损性优异的烧结Cu合金制轴承 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有高强度且在高温环境下表现出优异的耐磨损性的EGR式内燃机的再循环废气流量控制阀的烧结Cu合金制轴承。以质量％计，由含有Ni：10～30％、Sn：5～12％、C：3～10％、P：0.1～0.9％，余量由Cu和不可避免的杂质构成的组成，以及具有在Cu－Ni－Sn－P系固溶体的基底上分散分布有游离石墨的组织的烧结Cu合金，构成使EGR式内燃机的再循环废气流量控制阀动作的奥氏体系不锈钢制往复运动轴的轴承。

Description

高强度且在高温环境下的耐磨损性优异的烧结Cu合金制轴承
本申请是申请号：200580027512.6，申请日：2005.08.25，发明名称：“显示高强度且在高温环境下显示优异的耐磨损性的EGR式内燃机的再循环废气流量控制阀等的烧结Cu合金制轴承”的申请（PCT/JP2005/015448）的分案申请。 
技术领域
本发明涉及具有高强度、还具有与奥氏体系不锈钢制往复运动轴实际上相同的热膨胀系数，从而即使处于高温环境下在与所述往复运动轴之间也能够保持优异的滑动特性，因此发挥优异的耐磨损性的EGR式内燃机的再循环废气流量控制阀等的烧结Cu合金制轴承。 
背景技术
通常，作为汽油发动机和LPG发动机等内燃机的废气对策的一环，在这些内燃机中大多采用通过使一次排出的气体再次与吸入空气混合，并降低燃烧温度，由此减少NOX的EGR（废气再循环系统）。 
另外，作为使设置在EGR的废气取出配管上的再循环废气流量控制阀动作的奥氏体系不锈钢制往复运动轴（以下，称为不锈钢轴）的轴承，例如已知有：含有Ni：10～30％、Sn：5～12％、C：3～10％，余量由Cu和不可避免的杂质构成的组成，以及具有在Cu－Ni－Sn系固溶体的基材中分散分布有游离石墨的组织的烧结Cu合金制的结构等（例如参照专利文献1）。 
专利文献1：特开2004－68074号公报 
另一方面，近年的内燃机的高输出化及低油耗化显著，且对轻量化及紧凑化的要求加强，随之，上述的再循环废气流量控制阀需要更高的强度。 
进而，将上述再循环废气流量控制阀配置在发动机燃烧室附近，其结果是，在伴随高输出化的发动机发热量的增大的基础上，还产生了甚至处 于达到450℃的高温环境的现状。但由于通常再循环废气流量控制阀的往复运动轴和轴承是以室温环境下的滑动特性为基准而设计的，所以在其处于高温环境下时在两者之间产生大的热膨胀差，其结果两者滑动面的间隙增大，或者有时会产生滑动面阻力增大等明显损害滑动特性的现象。 
因此，本发明者等从如上述的观点出发，对表现出与EGR的再循环废气流量控制阀所用的不锈钢轴的热膨胀对应的热膨胀且具有更高强度的轴承进行开发研究的结果，获得如下研究结果： 
在现有的特开2004－68074号公报记载的烧结Cu合金中，以质量％计（以下％表示质量％），还添加了P：0.1～0.9％，含有Ni：10～30％、Sn：5～12％、C：3～10％、P：0.1～0.9％，余量由Cu和不可避免的杂质构成的组成，以及具有在Cu－Ni－Sn－P系固溶体的基材中分散分布有游离石墨的组织的烧结Cu合金，在作为合金成分而含有的Ni的作用下，表现出15～17×10-6/K的热膨胀系数，因此，在由该结果的烧结Cu合金构成轴承时，所述的15～17×10-6/K的热膨胀系数实际上与上述不锈钢轴所具有的15～17×10-6/K的热膨胀系数相同，所以上述再循环废气流量控制阀即使处于高达450℃的高温环境下，在所述不锈钢轴和所述烧结Cu合金制轴承之间，也能够保持与室温环境下的滑动特性相同的滑动特性，不受环境温度的影响，发挥优异的耐磨损性，进而，相比于现有的特开2004－68074号公报记载的烧结Cu合金制轴承，强度进一步提高。 
发明内容
本发明基于上述研究结果而实现，其特征在于，由如下烧结Cu合金构成使EGR式内燃机的再循环废气流量控制阀动作的不锈钢轴的轴承，由此进一步提高强度，进而在高温环境下也能够发挥优异的耐磨损性。 
该烧结Cu合金含有： 
Ni：10～30％、 
Sn：5～12％、 
C：3～10％、 
P：0.1～0.9％， 
余量由Cu和不可避免的杂质构成的组成，并具有在Cu－Ni－Sn－P 系固溶体的基材中分散分布有游离石墨的组织。 
其次，在本发明的轴承中，对将构成该轴承的烧结Cu合金的组成设定为上述数值的理由进行说明。 
（a）Ni 
Ni含量和轴承的热膨胀系数之间存在如下关系：Ni含量为10％时，实际上轴承表现出17×10-6/K的热膨胀系数，另外，Ni含量为30％时，轴承表现出15×10-6/K的热膨胀系数，这些热膨胀系数相当于如上所述的不锈钢轴所具有的15～17×10-6/K的热膨胀系数，于是，根据与不锈钢轴所具有的热膨胀系数的整合性，其含量设定为10～30％。 
若进一步进行叙述，则在其含量小于10％时，热膨胀抑制效果不充分，轴承的热膨胀系数超过17×10-6/K而变大，其结果，高温环境下与不锈钢轴的滑动面间的间隙增大，这成为滑动面产生局部磨损的原因，另一方面，在其含量超过30％时，轴承的热膨胀系数小于15×10-6/K，高温环境下与不锈钢轴的滑动面间的阻力增大、磨损急剧增大，因此其含量设定为10～30％。 
另外，构成不锈钢轴的奥氏体系不锈钢表示JIS·G4303（1979年版）的“不锈钢钢棒”中作为“奥氏体系”而规定的不锈钢。 
（b）Sn 
在Sn成分中与Cu及Ni形成基底的固溶体，具有提高轴承的强度并且有助于提高轴承的耐磨损性的作用，但其含量小于5％时，无法获得期望的强度提高效果，另一方面，在其含量超过12％时，对作为配合材的不锈钢轴的攻击性急剧增大，促进不锈钢轴的磨损，因此其含量设定为5～12％。 
（c）C 
C成分作为主体分散分布在基材中的游离石墨而存在，具有提高轴承的润滑性并且有助于提高轴承及不锈钢轴的耐磨损性的作用，但其含量小于3％时，游离石墨的分散分布比例不充分，无法确保期望的优异的润滑性，另一方面，在其含量超过10％时，轴承的强度急剧降低，磨损急剧进行，因此其含量设定为3～10％。 
（d）P 
P成分具有烧结时提高烧结性并且提高基材的强度即轴承的强度的作用，但P的含量小于0.1％时，无法发挥充分的烧结性，所以无法获得足够的强度，故并不优选，另一方面，在其含量超过0.9％时，粒界部的强度急剧降低，所以烧结合金的强度反而下降，故并不优选。因此，P成分的含量设定为0.1％～0.9％。 
本发明的轴承具有更高强度，即使处于高温环境下，在与作为配合材的不锈钢轴之间也能够保持优异的润滑特性，所以能够充分满足地对应内燃机的高输出化及低油耗化、进而轻量化及紧凑化。 
具体实施方式
下面，通过实施例对本发明的轴承进行具体说明。 
作为原料粉末，准备均具有50μm的平均粒径且含有Ni在5.9～41.2％的范围内的各种雾化Cu－Ni合金粉末、平均粒径：20μm的雾化Sn粉末、平均粒径：20μm的碳粉末、平均粒径：15μm且含有P在5～10％的范围内的各种雾化Cu－P合金粉末、以及平均粒径：15μm且含有P在2～9％的范围内的各种雾化Ni－P合金粉末，然后调配成表1所示的成分组成的原料粉末，在其中加入0.2％的硬脂酸锌作为润滑材料，用V型搅拌机混合20分钟后，在200MP的压力下冲压成形制成压粉体，以在真空中，在1020～1270K范围内的规定温度下保持1小时的条件下对该压粉体进行烧结，最终在200MP的压力下进行定径处理，由此分别制造出具有外径：20mm×内径：5mm×长度：20mm的尺寸的本发明烧结Cu合金制轴承（以下，称为本发明轴承）1～15、比较烧结Cu合金制轴承（以下，称为比较轴承）1～8及现有烧结Cu合金制轴承（以下，称为现有轴承）1。 
此外，比较轴承1～8均由合金成分中的任一含量在本发明范围之外的烧结Cu合金构成，表现出19～21×10-6/K的热膨胀系数。 
然后，以评价这些轴承的强度为目的，求出轴承的压溃强度，其结果示于表1，进而，在距离排气量：3000cc的EGR型汽油发动机的燃烧室300mm的位置设置的再循环废气流量控制阀中，一同装入这些轴承和具有直径：5mm×长度：60mm的尺寸的JIS·SUS303制不锈钢轴，在 
发动机转速：3000转/分钟、 
不锈钢轴往复运动距离：10mm、 
不锈钢轴往复运动次数：150次/分钟、 
试验时间：500小时 
的条件下进行磨损试验，然后测定了磨损试验后的轴承及不锈钢轴各自的滑动面的最大磨损深度。这些测定结果示于表1。 
此外，在上述的磨损试验中，在测定轴承的温度时，始终表现出420～435℃范围内的温度。 
[表1] 
*标，表示发明范围之外的值。 
从表1所示的结果可知，本发明轴承1～15具有比现有轴承1更高的强度，进而均具有与不锈钢轴实际上相同的热膨胀系数，所以即使处于420～435℃的高温环境下，在与所述不锈钢轴之间也保持优异的润滑特性，因此表现出较小的对方攻击性且优异的耐磨损性。但是，观察比较轴承1～8可知，在含量处于比本发明范围低的范围的烧结Cu合金所构成的轴承的情况下，强度降低且表现出比不锈钢轴大的热膨胀，所以滑动面的间隙增大，这促进了滑动面产生局部磨损，且所述局部磨损部分其磨损急剧进行，另外，在Ni含量处于比本发明的范围高的范围的情况下，或对于石墨制的物质，与不锈钢轴相比热膨胀相对较小，所以在高温环境下滑动面阻力显著增大，促进了磨损的进行，进而在Sn及C成分的含量在本发明范围之外的情况下，轴承的磨损也相对增大，且对方攻击性增大。 

Claims (3)

1.一种表现出小的对方攻击性且表现出优异的耐磨损性的EGR式内燃机的再循环废气流量控制阀的烧结Cu合金制轴承，是使EGR式内燃机的再循环废气流量控制阀动作的不锈钢制往复运动轴的轴承，其特征在于，
所述轴具有15×10-6～17×10-6/K的热膨胀系数，
所述轴承具有15×10-6～17×10-6/K的热膨胀系数，
所述轴承由烧结Cu合金构成，该烧结Cu合金以质量％计含有：
Ni：10～30％、
Sn：5～12％、
C：3～10％、
P：0.1～0.9％，
余量由Cu和不可避免的杂质构成，并具有在Cu－Ni－Sn－P系固溶体的基材中分散分布有游离石墨的组织，
在距离排气量：3000cc的EGR型汽油发动机的燃烧室300mm的位置设置的再循环废气流量控制阀中，一同装入这些轴承和具有直径：5mm×长度：60mm的尺寸的JIS·SUS303制不锈钢轴，在420～435℃的高温环境下，在发动机转速为3000转/分钟，不锈钢制轴往复运动距离为10mm，不锈钢制轴往复运动次数为150次/分钟，试验时间为500小时的条件下进行磨损试验时，轴承的滑动面的最大磨损深度为0.010mm～0.020mm，不锈钢制轴的滑动面的最大磨损深度为0.001mm或0.002mm。
2.根据权利要求1所述的使EGR式内燃机的再循环废气流量控制阀动作的不锈钢制往复运动轴的轴承，其特征在于，所述轴承有如下的烧结Cu合金构成，
该烧结Cu合金以质量％计含有：
Ni：10.1～29.7％、
Sn：5.1～11.6％、
C：3.1～9.3％、
P：0.2～0.8％。
3.根据权利要求1或2所述的使EGR式内燃机的再循环废气流量控制阀动作的不锈钢制往复运动轴的轴承，其特征在于，
所述轴承的滑动面的最大磨损深度为0.010mm、0.013mm、0.014mm、0.015mm、0.016mm、0.017mm、0.018mm、0.019mm、0.020mm。
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