JP2006063398A - 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
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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。
【選択図】 なし
【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。
【選択図】 なし
Description
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。
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、ＮＯXの低減を図るＥＧＲ（排出ガス再循環システム）が広く採用されている。
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・シャフトという）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Ｃｕ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いる（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−６８０７４号公報
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・シャフトという）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Ｃｕ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いる（例えば特許文献１参照）。
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く、かつ軽量化およびコンパクト化に対する要求も強く、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ってきた。
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℃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ったり、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。
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℃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ったり、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。
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％を示す）で、Ｐ：０．１〜０．９％を添加した、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合金は、合金成分として含有するＮｉの作用で、１５〜１７×１０-6／Ｋ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１５〜１７×１０-6／Ｋの熱膨張係数は上記ステンレス・シャフトのもつ１５〜１７×１０-6／Ｋ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℃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く、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いう研究結果が得られたのである。
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％を示す）で、Ｐ：０．１〜０．９％を添加した、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合金は、合金成分として含有するＮｉの作用で、１５〜１７×１０-6／Ｋ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１５〜１７×１０-6／Ｋの熱膨張係数は上記ステンレス・シャフトのもつ１５〜１７×１０-6／Ｋ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℃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く、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いう研究結果が得られたのである。
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。
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。
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：１７×１０-6／Ｋの熱膨張係数を示し、また同３０％の含有で、同じく１５×１０-6／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１５〜１７×１０-6／Ｋ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１７×１０-6／Ｋ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１５×１０-6／Ｋ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っ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％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。
（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：１７×１０-6／Ｋの熱膨張係数を示し、また同３０％の含有で、同じく１５×１０-6／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１５〜１７×１０-6／Ｋ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１７×１０-6／Ｋ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１５×１０-6／Ｋ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っ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％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。
（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。
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。
（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が、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％と定めた。
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が、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％と定めた。
（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く、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っ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。
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く、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っ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。
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、さらに軽量化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。
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５０μｍ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：２０μｍのアトマイズＳｎ粉末、平均粒径：２０μｍの炭素粉末、平均粒径：１５μｍ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−Ｐ合金粉末、並びに平均粒径：１５μｍ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×内径：５ｍｍ×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から外れた焼結Ｃｕ合金で構成されたものであり、１９〜２１×１０-6／Ｋの熱膨張係数を示した。
原料粉末として、いずれも５０μｍ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：２０μｍのアトマイズＳｎ粉末、平均粒径：２０μｍの炭素粉末、平均粒径：１５μｍ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−Ｐ合金粉末、並びに平均粒径：１５μｍ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×内径：５ｍｍ×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から外れた焼結Ｃｕ合金で構成されたものであり、１９〜２１×１０-6／Ｋ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×長さ：６０ｍｍの寸法をもったＪＩＳ・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／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／分、
試験時間：５００時間、
の条件で摩耗試験を行ない、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℃の範囲内の温度を示した。
エンジン回転数：３０００回転／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／分、
試験時間：５００時間、
の条件で摩耗試験を行ない、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℃の範囲内の温度を示した。
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℃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成分の含有量がこの発明の範囲から外れた場合にも、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 (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。
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