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CN1379192A - 由铜基烧结合金制成的轴承及马达式燃料泵 - Google Patents

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Abstract

本发明的由铜基烧结合金制成的轴承是由具有这样的成分的铜基烧结合金制成的,即10wt%－25wt%的Ni、Zn:10wt%－25wt%的Zn、0.1wt%－0.9wt%的P、0－0.5wt%的C、0.5wt%－5wt%的二硫化钼以及剩余物为铜和不可避免的杂质。铜基烧结合金的组织结构为,使铜磷化合物、游离石墨以及二硫化钼分散在由Cu－Ni－Zn系合金的固溶体相构成的基体中并且气孔率为5%－25%。

Description

由铜基烧结合金制成的轴承及马达式燃料泵
发明领域
本发明涉及适用于小型且高速驱动工作的马达式燃料泵等的由铜基烧结合金制成的轴承及马达式燃料泵。
背景技术
通常，在以汽油或柴油等液体燃料为燃料的发动机中设有马达式燃料泵。例如，作为汽油发动机用马达式燃料泵地知道了具有图1所示结构的燃料泵。
这种马达式燃料泵具有这样的结构，即在壳体1内，使固定设置在马达5两个端部上的转轴2支承在轴承3a、3b上，使叶轮4插入转轴2一端且沿马达(转子)5的外周面以及轴承3a、3b和转轴2之间的间隙(图中省略)形成狭小的汽油流通路径。上述轴承3a、3b使用了各种铜基烧结合金。
在叶轮4通过马达5转动而旋转时，通过叶轮4的转动使汽油进入壳体1内，送入的汽油通过沿叶轮4外周面及马达外周面形成的汽油流通路径被输出并被送入另行设置的汽油发动机中。此时，微量燃料通过两个轴承3a、3b的内表面和转轴2外周面之间并起到转轴滑动的润滑油的作用。
近年来的如用于摩托车等的发动机的轻型化及高性能化发展惊人，与此相伴地，也强烈要求用于发动机的马达式燃料泵实现小型化。在采用具有上述结构的马达式燃料泵的情况下，为了确保其输出性能和使该燃料泵实现小型化，必须要求高速驱动，即提高转速，在这种条件下，特别要求轴承具有更高的强度和耐磨性能。
但是，以往的马达式燃料泵所用的由铜基烧结合金制成的轴承均不具有足够高的强度和耐磨性能，因此磨损很快。由于磨损在液体燃料含有硫磺或其化合物等杂质的情况下会进一步加快，因此，目前的状况是在较短时间内就达到了使用寿命。
发明内容
本发明人对适用于小型且高速驱动工作的马达式燃料泵的轴承进行了开发和研究。结果，开发了以下的由铜基烧结合金制成的轴承和马达式燃料泵。
与本发明第一技术方案有关的由铜基烧结合金制成的轴承是由具有这样的成分的铜基烧结合金制成的，即10wt％-25wt％的Ni、10wt％-25wt％的Zn、0.1wt％-0.9wt％的P、0.5wt％-5wt％的二硫化钼以及剩余物为铜和不可避免的杂质。另外，所述铜基烧结合金的组织结构为，使铜磷化合物及二硫化钼分布在由Cu-Ni-Zn系合金的固溶体相构成的基体中并且气孔率为5％-25％。
与本发明第二技术方案有关的铜基烧结合金制成的轴承是由具有这样的成分的铜基烧结合金制成的，即10wt％-25wt％的Ni、10wt％-25wt％的Zn、0.1wt％-0.9wt％的P、0.5wt％-5wt％的二硫化钼以及剩余物为铜和不可避免的杂质。所述铜基烧结合金的组织结构为，使铜磷化合物、游离石墨以及二硫化钼分布在由Cu-Ni-Zn系合金的固溶体相构成的基体中并且气孔率为5％-25％。
根据具有上述各种结构的由铜基烧结合金制成的轴承，通过在轴承内的气孔而从轴承外周面向轴承内周面输送液体燃料，通过该液体燃料在轴承内周面上生成液体润滑膜。能够利用该液体润滑膜来缓和因马达高速转动而使轴承受到的摩擦阻力。虽然只是形成前述气孔的部分的耐磨性能降低，但这种耐磨性能的降低可通过使硬质铜磷化合物以及润滑性强的MoS2(或MoS2及游离石墨)分散在由Cu-Ni-Zn系合金的固溶体相构成的基体中而得到弥补。因此，上述由铜基烧结合金制成的轴承与形成基体的Cu-Ni-Zn系合金所具有的优良强度及耐蚀性相互结合。因而，即使在暴露于液体燃料的高压高流速的环境下，也能发挥优良的耐磨性能。另外，即使对具有硫磺或其化合物的杂质的液体燃料来说，这种由铜基烧结合金制成的轴承也能够表现出优良的耐蚀性。
与本发明第三技术方案有关的马达式燃料泵具有壳体、装在该壳体内的转轴、可相对于所述壳体自由转动地支承该转轴的轴承以及被固定在所述转轴上的叶轮，所述轴承为第一技术方案或第二技术方案的由铜基烧结合金制成的轴承。
根据这种马达式燃料泵，即使在高转速的条件下，也能够获得较长的使用寿命并且也实现了小型化。
附图说明
图1是用于汽油发动机的马达式燃料泵的截面图。
最佳实施方式的说明
下面，对本发明的由铜基烧结合金制成的轴承及马达式燃料泵的实施例进行说明。在各实施例中，不应限制由铜基烧结合金制成的轴承的形状，任何形状及尺寸都是可行的，例如也可以与图1中记载的轴承3a、3b相同。
第1实施例
与本发明第一技术方案有关的由铜基烧结合金制成的轴承由具有这样的成分的铜基烧结合金制成，即10wt％-25wt％Ni、10wt％-25wt％的Zn、0.1wt％-0.9wt％的P、0.5wt％-5wt％的二硫化钼以及剩余物为铜和不可避免的杂质。另外，所述铜基烧结合金的组织结构为，使铜磷化合物以及二硫化钼分散在由Cu-Ni-Zn系合金的固溶体相构成的基体中并且气孔率为5％-25％。
说明在该实施例的轴承中如上所述地限定构成该轴承的铜基烧结合金成分及气孔率的理由。
(1)成分
    (a)Ni及Zn
这些成分一起固溶在铜中并形成由Cu-Ni-Zn系合金的固溶体相构成的基体，起到了提高轴承强度和耐蚀性的作用。
在其含量不足10wt％或超过25wt％的情况下，Ni均会降低轴承强度。较理想的Ni含量为15wt％-20wt％。
Zn含量若不足10wt％，则会降低轴承耐蚀性，另一方面，若超过25wt％。则会急剧降低轴承强度。较理想的Zn含量为10wt％-25wt％。
    (b)P
P的有利于提高烧结性并提高轴承强度，同时，它形成分散在基体中的硬质铜磷合金并提高耐磨性。
如果P含量不足0.1wt％，则无法在上述作用中获得所希望的增强效果，另一方面，若超过0.9wt％，则会出现强度降低的趋势，从而难以稳定地保证所希望的高强度。较理想的P含量为0.3wt％-0.6wt％。
    (c)MoS2
MoS2以MoS2微粒形态分布在基体中并赋予轴承以优良的润滑性，它具有利于提高轴承耐磨性的作用。若MoS2的含量不足0.5wt％，则无法获得所希望的优良的润滑性增强效果，另一方面，若超过5wt％，则无法避免强度降低。MoS2含量最好为1wt％-3wt％。
(2)气孔率
分散在Cu-Ni-Zn系合金基体中的气孔的作用是，能够缓和如上所述的在液体燃料高压高速流通下轴承所受的强摩擦及较高承载压力并能够显著抑制轴承磨损。在气孔率不足5％的情况下，分布在基体中的气孔的比例过小而不会充分发挥前述作用，另一方面，若气孔率超过25％，则轴承强度急剧降低。因此，较理想的气孔率为10％-20％。
第2实施例
在上述第1实施例中，只把MoS2用作润滑成分，而本发明第2实施例的由铜基烧结合金制成的轴承的特征在于，除了MoS2以外，还作为润滑成分地含有小于5wt％的碳。即，第2实施例的由铜基烧结合金制成的轴承由具有这样的成分的铜基烧结合金制成，即10wt％-25wt％的Ni、10wt％-25wt％的Zn、0.1wt％-0.9wt％的P、小于5wt％的C、0.5wt％-5wt％的二硫化钼以及剩余物为铜和不可避免的杂质。另外，所述铜基烧结合金的组织结构为，使铜磷化合物、游离石墨以及二硫化钼分散在由Cu-Ni-Zn系合金的固溶体相构成的基体中并且气孔率为5％-25％。
对除碳以外的成分的限定理由与第1实施例相同。
碳主要以游离石墨微粒的形态与MoS2粒子一起分散在基体中，在与MoS2粒子共存的状态下，它会使轴承具有优良的润滑性并且能够提高轴承的耐磨性能。
若铜基烧结合金中的C含量超过5wt％，则会产生轴承强度的降低。因此，较理想的C含量为0.5wt％-5wt％，若C含量不足0.5wt％，则难于获得通过添加碳而提高润滑性的效果。但是，即便在C含量不足0.5wt％的情况下，通过含有除游离碳外的MoS2粒子，也能获得与第1实施例大致相同的效果。因此，更理想的铜基烧结合金的C含量为1wt％-3wt％。若在该范围中，则轴承的强度和耐磨性能良好地均衡。
马达式燃料泵的实施例
例如，本发明的马达式燃料泵的一个实施例如图1所示地具有壳体1、装配在该壳体1内部的转轴2、可相对于壳体1自由转动地支承转轴2的轴承3a、3b以及被固定在转轴2上的叶轮4。轴承3a、3b为上述第1实施例或第2实施例中的由铜基烧结合金制成的轴承。其它结构可以与图1相同。但是，本发明的马达式燃料泵不应局限于图1的结构，可以采用具有以往已知的各种结构的马达式燃料泵。
根据这种马达式燃料泵，即使在高速转动的情况下，也能获得较长的使用寿命并且也实现了小型化。
实例
下面，列举本发明的实例来证实其效果。
实验1
作为原料粉末地使用各种其Ni及Zn含量不同的Cu-Ni-Zn系合金粉末、铜磷合金(P：33wt％)粉末以及MoS2粉末。由于Cu-Ni-Zn系合金粉末是通过水雾化法形成的，因此，它具有45μm的平均粒径。铜磷合金粉末是具有45μm平均粒径的水雾化粉。MoS2粉末具有75μm的平均粒径。
按规定混合成分来混合这些原料粉末，在球磨机中进行40分钟的混合后，在150Mpa-300Mpa的规定压力下压制形成压粉体。通过在氨分解气体介质中在750℃-900℃内的预定温度下保持40分钟地烧结这些压粉体，能够制得实例1-21的轴承。构成这些实例1-21的铜基烧结合金的成分及气孔率如图1所示。另外，轴承的形状为圆形，其尺寸为外形9mm×内径5mm×高度6mm。
当用光学显微镜(200倍)观察实例1-21的任意截面时，极细的铜磷合金以及MoS2分散分布在任何由Cu-Ni-Zn系合金的固溶体相构成的基体中并且具有存在气孔的组织。
另一方面，除了改变表1所述的成分外，以与实例1-21相同的条件分别制造比较例1-10的轴承。比较例1-10全部由其合金成分含量及气孔率中任一个参数均在本发明范围外的铜基烧结合金构成。
将实例1-21及比较例1-10中的各种轴承安装在外形尺寸为长度110mm×直径40mm的燃料泵中，将该燃料泵设置在油箱内。叶轮的转速为3000(最小转速)-12000(最大转速)rpm，汽油流量为：45升/小时(最小流量)-170升/小时(最大流量)，轴承因高速转轴而承受的压力为：最大300Kpa，试验时间为：150小时，在这样的条件下进行实际测试，测定试验后轴承面中的最大磨损深度。根据这种实际测试条件，汽油高速流过泵内的狭小间隙，轴承因高速旋转的转动轴而承受高压并且使轴承暴露在快速流动的汽油中。
测试结果如表1所示。另外，为了评价轴承的强度，表1也示出了各种轴承的抗压强度。
根据表1的结果，在实例1-21中的各轴承中，由于作为材料的铜基烧结合金具有高强度、利用Cu-Ni-Zn系合金的固溶体相的优越耐蚀性及分散分布在基体中的气孔和硬质铜磷合金及具有强润滑性的MoS2的作用，在用作马达式燃料泵的轴承的场合下，即使在汽油高压高速流通的情况下，也能够发挥优越的耐磨性。
另一方面，在比较例1-10中，由于铜基烧结合金的成分含量及气孔率中的任一个参数均在本发明的范围之外，因此，强度和耐蚀性中的至少一个会降低。
实验2
除了实验1所用的各种原料以外，还使用了平均粒径为75μm的石墨粉末，按照与实验1相同的条件制造实例22-46的轴承。这些轴承的成分和气孔率如表2、3所示。
当用光学显微镜(200倍)观察实例22-46的任意截面时，极细的铜磷合金、游离石墨以及MoS2分散分布在全部由Cu-Ni-Zn系合金的固溶体相构成的基体中并且具有存在气孔的组织。
另一方面，除了改变表4所述的成分外，按照与实例22-46相同的条件分别制造比较例11-22的轴承。比较例11-22全部由其合金成分含量及气孔率中的任一个参数均在本发明范围外的铜基烧结合金构成。
将实例22-46以及比较例11-22中的各种轴承安装在外形尺寸为长110mm×直径40mm的燃料泵中，将该燃料泵设置在油箱内。叶轮转速为：3000(最小转速)-9000(最大转速)rpm，汽油的流量：45升/小时(最小流量)-130升/小时(最大流量)，轴承因高速转轴而承受的压力：最大300Kpa，试验时间：220小时，在这样的条件下进行实际测试，测定试验后轴承面中的最大磨损深度。采用这种实际测试，汽油高速流过泵内狭小间隙，轴承因高速旋转的转轴而承受高压并且使轴承暴露于快速流动的汽油下。
测定结果如表2-表4所示。另外，为了评价轴承强度，各表示出了各种轴承的抗压强度。
根据表2和表3，在实例22-46中的各种轴承中，由于作为材料的铜基烧结合金具有高强度并且利用Cu-Ni-Zn系合金的固溶体相而具有优越的耐蚀性以及分散在基体中的气孔和铜磷合金及具有高润滑性的游离石墨和MoS2的作用，在用作马达式燃料泵的轴承的情况下，即使在汽油高压高速流动，也能够发挥优越的耐磨性。
另一方面，在比较例11-22中，由于铜基烧结合金的成分含量以及气孔率中的任一个参数均在本发明的范围之外，因此，强度和耐蚀性中的至少一个会降低。
             表1
    类别                     成分组成(质量百分比)    气孔率(％)     抗压强度(N/mm2)   最大磨损深度(um)
  Ni   Zn   P   MoS2   Cu+杂质
实例   1   10.6   17.4   0.42   2.23   剩余物   14.8       170      1.0
  2   15.0   17.1   0.38   2.31   剩余物   15.4       176      1.2
  3   17.8   16.9   0.41   2.35   剩余物   14.9       186      1.0
  4   20.4   17.0   0.45   2.31   剩余物   15.5       175      1.0
  5   24.5   17.3   0.39   2.29   剩余物   15.7       171      1.1
  6   17.1   10.4   0.43   2.36   剩余物   14.7       193      1.4
  7   17.6   15.5   0.40   2.29   剩余物   15.6       190      1.3
  8   17.3   20.7   0.42   2.30   剩余物   15.2       162      1.3
  9   17.2   23.6   0.41   2.25   剩余物   15.3       154      1.3
  10   17.7   17.2   0.12   2.28   剩余物   15.0       151      1.4
  11   17.0   17.4   0.22   2.33   剩余物   15.3       162      1.3
  12   16.9   17.8   0.67   2.41   剩余物   15.4       150      1.1
  13   17.6   17.3   0.85   2.34   剩余物   15.4       137      1.0
  14   17.5   17.5   0.41   0.57   剩余物   14.5       221      2.4
  15   17.2   17.4   0.44   1.61   剩余物   15.2       210      2.2
  16   17.1   17.5   0.39   2.88   剩余物   15.1       163      1.2
  17   17.7   17.3   0.38   4.86   剩余物   15.5       151      1.1
  18   17.7   17.2   0.41   2.30   剩余物   5.4       218      1.4
  19   16.9   17.8   0.45   2.48   剩余物   10.8       207      1.1
  20   17.4   17.0   0.41   2.28   剩余物   19.7       155      1.3
  21   17.2   17.5   0.43   2.35   剩余物   24.5       138      1.8
比较例   1   9.1※   17.0   0.43   2.32   剩余物   15.5       92      1.2
  2   26.3※   17.8   0.39   2.27   剩余物   14.8       96      1.1
  3   17.1   8.6※   0.42   2.34   剩余物   15.4       94      1.2
  4   16.9   26.6※   0.40   2.29   剩余物   15.7       90      1.0
  5   17.6   17.6   0.03※   2.30   剩余物   15.6       103      6.7
  6   17.2   17.2   1.07※   2.32   剩余物   15.1       82      1.3
  7   17.7   17.5   0.43   0.31※   剩余物   15.3       235      11.4
  8   17.2   17.1   0.44   5.87※   剩余物   14.9       79      1.2
  9   17.5   16.8   0.41   2.35   剩余物   3.8※       237      10.1
  10   17.3   16.8   0.39   2.41   剩余物   26.6※       81      2.1
(表中的※表示在本发明范围外)
               表2
  类别                   成分组成(质量百分比)  气孔率(％)  抗压强度(N/mm2)  最大磨损深度(um)
Ni  Zn  P  C  MoS2  Cu+杂质
实例  22  10.6  17.9  0.46  1.54  1.53 剩余物 15.7  138  1.2
 23  15.6  17.6  0.43  1.50  1.43 剩余物 15.0  146  1.2
 24  17.2  17.7  0.47  1.52  1.51 剩余物 15.4  158  1.1
 25  19.6  17.6  0.41  1.51  1.57 剩余物 15.3  153  1.2
 26  24.3  17.1  0.44  1.49  1.48 剩余物 15.9  142  1.1
 27  17.0  10.8  0.45  1.63  1.55 剩余物 14.2  169  1.6
 28  17.4  15.6  0.42  1.58  1.52 剩余物 15.1  161  1.4
 29  17.1  18.8  0.48  1.55  1.58 剩余物 15.8  154  1.2
 30  17.5  24.5  0.45  1.57  1.56 剩余物 14.9  130  1.1
 31  17.5  16.2  0.13  1.56  1.57 剩余物 15.5  147  1.6
 32  16.8  17.0  0.24  1.56  1.56 剩余物 14.7  152  1.5
 33  16.7  17.4  0.66  1.52  1.52 剩余物 15.3  148  1.1
          表3
  类别                              成分组成(质量百分比) 气孔率(％) 抗压强度(N/mm2) 最大磨损深度(um)
    Ni     Zn     P     C     MoS2    Cu+杂质
实例     34     17.3     16.3     0.87     1.58     1.61     剩余物     15.7     145     1.2
    35     17.0     17.1     0.38     0.54     1.63     剩余物     14.9     209     1.6
    36     16.8     17.6     0.46     1.03     1.59     剩余物     15.4     170     1.4
    37     17.5     16.1     0.43     2.93     1.57     剩余物     15.7     133     1.2
    38     16.5     17.6     0.41     4.93     1.58     剩余物     15.2     124     1.1
    39     17.1     17.5     0.44     1.62     0.52     剩余物     15.4     210     1.6
    40     117.6     17.0     0.40     1.57     1.02     剩余物     15.7     187     1.4
    41     17.2     17.3     0.46     1.59     3.05     剩余物     15.6     135     1.1
    42     17.2     17.2     0.42     1.69     4.86     剩余物     14.7     124     1.0
    43     16.9     16.9     0.45     1.68     1.59     剩余物     5.2     223     1.8
    44     17.1     17.2     0.47     1.56     1.61     剩余物     10.7     218     1.2
    45     16.9     16.6     0.39     1.62     1.58     剩余物     19.3     141     1.3
    46     17.4     17.4     0.43     1.55     1.64     剩余物     24.4     128     1.6
                   表4
  类别                        成分组成(质量百分比) 气孔率(％) 抗压强度(N/mm2) 最大磨损深度(um)
Ni  Zn  P  C  MoS2  Cu+杂质
比较例  11  9.1※  16.1  0.41  1.65  1.63 剩余物 15.8  87  1.5
 12  26.8※  15.7  0.39  1.59  1.54 剩余物 15.7  90  1.3
 13  17.3  8.6※  0.44  1.58  1.51 剩余物 15.2  98  1.8
 14  17.0  26.6  0.46  1.62  1.57 剩余物 15.9  94  1.4
 15  17.2  17.6  0.03※  1.67  1.52 剩余物 15.4  88  6.8
 16  17.5  17.2  0.96※  1.58  1.55 剩余物 15.6  103  1.9
 17  17.6  17.4  0.40  0.33  1.50 剩余物 15.5  210  12.3
 18  17.3  16.8  0.38  5.77※  1.64 剩余物 15.9  90  1.5
 19  17.5  17.0  0.43  1.56  0.31※ 剩余物 15.0  209  11.3
 20  17.4  17.3  0.42  1.51  5.77※ 剩余物 15.1  92  1.3
 21  17.1  17.5  0.45  1.58  1.57 剩余物 3.8※  235  10.8
 22  17.7  17.1  0.41  1.57  1.66 剩余物 26.4※  78  3.2

Claims (9)

1、一种由铜基烧结合金制成的轴承，它是由具有这样的成分的铜基烧结合金制成的，即10wt％-25wt％的Ni、10wt％-25wt％的Zn、0.1wt％-0.9wt％的P、0.5wt％-5wt％的二硫化钼及剩余物为铜和不可避免的杂质，所述铜基烧结合金的组织结构是这样的，使铜磷化合物及二硫化钼分布在由Cu-Ni-Zn系合金的固溶体相构成的基体中并且气孔率为5％-25％。
2、一种由铜基烧结合金制成的轴承，它是由具有这样的成分的铜基烧结合金制成的，即10wt％-25wt％的Ni、10wt％-25wt％的Zn、0.1P：-0.9wt％的P、0.5wt％-5wt％的二硫化钼及剩余物为铜和不可避免的杂质，所述铜基烧结合金的组织结构是这样的，使铜磷化合物、游离石墨以及二硫化钼分布在由Cu-Ni-Zn系合金的固溶体相构成的基体中并且气孔率为5％-25％。
3、根据权利要求2所述的由铜基烧结合金制成的轴承，其中：所述铜基烧结合金中的碳含量为0.5wt％-5wt％。
4、根据权利要求1或2所述的由铜基烧结合金制成的轴承，其中：所述铜基烧结合金中的Ni含量为15wt％-20wt％，Zn含量为15wt％-20wt％。
5、根据权利要求1或2所述的由铜基烧结合金制成的轴承，其中：所述铜基烧结合金中的P含量为0.3wt％-0.6wt％。
6、根据权利要求1或2所述的由铜基烧结合金制成的轴承，其中：所述铜基烧结合金中的二硫化钼含量为1wt％-3wt％。
7、根据权利要求1或2所述的由铜基烧结合金制成的轴承，其中：所述铜基烧结合金的气孔率为10％-20wt％。
8、根据权利要求2所述的由铜基烧结合金制成的轴承，其中：所述铜基烧结合金中的碳含量为为1wt％-3wt％。
9、一种马达式燃料泵，它具有壳体、装配在该壳体内部的转轴、可相对于所述壳体自由转动地支承该转轴的轴承以及被固定在所述转轴上的叶轮，所述轴承为如权利要求1或2所述的由铜基烧结合金制成的轴承。
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