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技術 過給機用焼結軸受

出願人 NTN株式会社
発明者 中作和彦
出願日 2019年2月14日 (1年9ヶ月経過) 出願番号 2019-024326
公開日 2020年8月31日 (2ヶ月経過) 公開番号 2020-133679
状態 未査定
技術分野 粉末冶金 過給機 すべり軸受
主要キーワード フローティング軸受 寸法矯正 フローティングタイプ 窒化ホウ素粉 黄銅合金 制作過程 フローティング構造 他方端面
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2020年8月31日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (3)

課題

高温下における耐腐食性摺動性、及び耐摩耗性に優れ、且つ低コスト化を達成できる過給機用焼結軸受を提供すること。

解決手段

ターボチャージャ過給機)1の軸2を支持する過給機用焼結軸受5について、25〜45質量%の亜鉛と、ケイ素アルミニウムマンガンのうちの少なくとも一種を含む1〜3質量%の添加物と、0.2〜2質量%の窒化ホウ素とを含有し、残部が銅および不可避的不純物からなる焼結体で形成され、焼結体は黄銅合金焼結された組織を有し、組織内に窒化ホウ素が分布する構成とした。

概要

背景

自動車エンジン等で使用される過給機(例えばターボチャージャ)は、軸の両端にタービンインペラコンプレッサインペラとを取り付けた構造を有する。エンジンの駆動中には、シリンダからの排気ガスによってタービンインペラが回転駆動され、このトルクでコンプレッサインペラが回転して空気が圧縮される。過給機は、圧縮した空気をシリンダの吸気側送り込むことで、エンジンの吸気効率を高める機能を有する。

過給機の軸を支持する軸受は、タービンインペラとコンプレッサインペラとの間でハウジング内に配置される。この軸受としては、軸受とハウジングとの間、及び、軸受と軸との間に油膜を形成するフローティング軸受を使用するのが通例である。このフローティング軸受の構造としては、軸受を潤滑油エンジンオイル)中に浮かせて軸受が軸に対して連れ回るようにしたフルフローティング構造と、軸受の回転を拘束したセミフローティング構造とが知られている。

過給機の軸は10万rpmを超える高速で回転する。また、排熱等の影響により軸受周辺は数百度程度の高温となる。従って、過給機用の軸受では、高温下で高い耐摩耗性や耐焼き付き性が必要とされる。これに加えて、排気ガスやエンジンオイルへの耐腐食性も必要となる。このような過酷な環境下で使用される過給機用軸受の一例として、特許文献1には、黄銅生地にMn−Si系化合物析出させた黄銅系合金(黄銅系メタル)からなるすべり軸受が開示されている。

概要

高温下における耐腐食性、摺動性、及び耐摩耗性に優れ、且つ低コスト化を達成できる過給機用焼結軸受を提供すること。ターボチャージャ(過給機)1の軸2を支持する過給機用焼結軸受5について、25〜45質量%の亜鉛と、ケイ素アルミニウムマンガンのうちの少なくとも一種を含む1〜3質量%の添加物と、0.2〜2質量%の窒化ホウ素とを含有し、残部が銅および不可避的不純物からなる焼結体で形成され、焼結体は黄銅合金焼結された組織を有し、組織内に窒化ホウ素が分布する構成とした。

目的

本発明は、高温下における耐腐食性、耐摩耗性、及び摺動性に優れ、且つ低コスト化を達成できる過給機用焼結軸受を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

過給機の軸を支持する過給機用焼結軸受であって、25〜45質量%の亜鉛と、ケイ素アルミニウムマンガンのうちの少なくとも一種を含む1〜3質量%の添加物と、0.2〜2質量%の窒化ホウ素とを含有し、残部が銅および不可避的不純物からなる焼結体で形成され、前記焼結体は黄銅合金焼結された組織を有し、該組織内に窒化ホウ素が分布していることを特徴とする過給機用焼結軸受。

請求項2

前記焼結体の表面に、窒化ホウ素が面積比で3%以上かつ10%以下の割合で分散していることを特徴とする請求項1に記載の過給機用焼結軸受。

請求項3

窒化ホウ素粒子平均粒径が2μm以上かつ20μm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の過給機用焼結軸受。

技術分野

0001

本発明は、過給機用焼結軸受に関する。

背景技術

0002

自動車エンジン等で使用される過給機(例えばターボチャージャ)は、軸の両端にタービンインペラコンプレッサインペラとを取り付けた構造を有する。エンジンの駆動中には、シリンダからの排気ガスによってタービンインペラが回転駆動され、このトルクでコンプレッサインペラが回転して空気が圧縮される。過給機は、圧縮した空気をシリンダの吸気側送り込むことで、エンジンの吸気効率を高める機能を有する。

0003

過給機の軸を支持する軸受は、タービンインペラとコンプレッサインペラとの間でハウジング内に配置される。この軸受としては、軸受とハウジングとの間、及び、軸受と軸との間に油膜を形成するフローティング軸受を使用するのが通例である。このフローティング軸受の構造としては、軸受を潤滑油エンジンオイル)中に浮かせて軸受が軸に対して連れ回るようにしたフルフローティング構造と、軸受の回転を拘束したセミフローティング構造とが知られている。

0004

過給機の軸は10万rpmを超える高速で回転する。また、排熱等の影響により軸受周辺は数百度程度の高温となる。従って、過給機用の軸受では、高温下で高い耐摩耗性や耐焼き付き性が必要とされる。これに加えて、排気ガスやエンジンオイルへの耐腐食性も必要となる。このような過酷な環境下で使用される過給機用軸受の一例として、特許文献1には、黄銅生地にMn−Si系化合物析出させた黄銅系合金(黄銅系メタル)からなるすべり軸受が開示されている。

先行技術

0005

特許第3718147号公報

発明が解決しようとする課題

0006

特許文献1の黄銅系メタル軸受溶製材で形成されている。溶製材からなるすべり軸受は、その製作過程における切削加工で多くの工数が必要であり、生産性が低いことから高コスト化する問題がある。この問題を解決する手法として、ニアネットシェイプ成形可能となる焼結軸受を採用することが考えられる。焼結軸受は、その制作過程におけるサイジング寸法矯正が可能であり、切削加工を省略、或いは、大幅に低減できるため、低コスト化が可能となる。

0007

しかしながら、過給機用軸受として焼結軸受を採用するには多くの障害がある。例えば鉄系や青銅系が焼結軸受として一般的であるが、鉄系焼結軸受では耐焼き付き性を満足できず、青銅系焼結軸受では、低融点(略232℃)のSn単体組織を含むため、過給機に採用した際に軸受強度が著しく低下する問題がある。また、摺動性の観点から、軸受面には固体潤滑剤組織を形成することが望まれるが、固体潤滑剤として一般的な黒鉛は、325℃以上で炭酸ガス化して消失するため、過給機用焼結軸受への使用には適さない。二硫化モリブデンも同様に高温で消失するため、過給機用焼結軸受の固体潤滑剤としての使用には適さない。さらに、過給機用軸受では、軸受が高速回転する軸と瞬間的に接触摺動する(フルフローティングタイプでは、さらに軸受とハウジングも瞬間的に接触摺動する)ため、その衝突時の軸受の摩耗を抑制できるよう高い耐摩耗性が必要とされる。

0008

近年においては、過給機のさらなるパワーアップ要請され、このような要請に応えるべく、軸の回転速度や軸受使用温度がさらに高まる傾向にある(軸の回転速度は30万rpm程度、軸受使用温度は400℃程度に達する可能性がある)。このような要求特性の更なる過酷化に対し、既存の黄銅系メタル等からなる過給機用軸受では対応に限界がある。例えば黄銅系メタルは400℃程度での軟化が著しいため、高温下における耐摩耗性に不安が残る。

0009

上記の事情に鑑みなされた本発明は、高温下における耐腐食性、耐摩耗性、及び摺動性に優れ、且つ低コスト化を達成できる過給機用焼結軸受を提供することを技術的な課題とする。

課題を解決するための手段

0010

上記の課題を解決するための本発明は、過給機の軸を支持する過給機用焼結軸受であって、25〜45質量%の亜鉛と、ケイ素アルミニウムマンガンのうちの少なくとも一種を含む1〜3質量%の添加物と、0.2〜2質量%の窒化ホウ素とを含有し、残部が銅および不可避的不純物からなる焼結体で形成され、焼結体は黄銅合金焼結された組織を有し、該組織内に窒化ホウ素が分布していることを特徴とする。

0011

本軸受によれば、亜鉛の含有量が25〜45質量%であることで、高温下における排気ガスや潤滑油への耐腐食性を向上させることが可能となる。また、本軸受を形成する焼結体について、黄銅合金が焼結された組織内に窒化ホウ素を分布させたことで、高温下における耐摩耗性、及び摺動性を向上させることができる。さらに、本軸受が焼結体で形成されていることで、本軸受の製作に際して切削加工を省略、或いは、大幅に低減できるため、低コスト化が可能となる。なお、焼結体がケイ素、アルミニウム、マンガンのうちの少なくとも一種を含む添加物を含有していることで、軸受の更なる機能の向上が図られる。例えばケイ素、アルミニウム、及びマンガンの添加により、黄銅合金の硬度が上昇し、耐摩耗性がより高められる。

0012

上記の過給機用焼結軸受において、焼結体の表面に、窒化ホウ素が面積比で3%以上かつ10%以下の割合で分散していることが好ましい。

0013

このようにすれば、高温下でも優れた自己潤滑機能を発揮する窒化ホウ素が、上記の面積比で焼結体の表面に分散していることで、軸受の耐摩耗性、及び摺動性を更に高めることができる。なお、窒化ホウ素粒子平均粒径としては、2μm以上かつ20μm以下であることが好ましい。

発明の効果

0014

本発明に係る過給機用焼結軸受によれば、高温下における耐腐食性、耐摩耗性、及び摺動性に優れた性能を獲得できると共に、低コスト化を達成することが可能となる。

図面の簡単な説明

0015

ターボチャージャの概略構成を示す断面図である。
過給機用焼結軸受の断面図である。

実施例

0016

以下、本発明の実施形態に係る過給機用焼結軸受について、添付の図面を参照しながら説明する。

0017

本実施形態に係る焼結軸受は、自動車のエンジン等に装備される過給機に採用されるものである。図1は、過給機の一例として、フルフローティング軸受を用いたターボチャージャの概略構成を示す断面図である。

0018

ターボチャージャ(過給機)1は、軸2と、軸2の一端に設けられたタービンインペラ3と、軸2の他端に設けられたコンプレッサインペラ4と、軸2をラジアル方向で支持するラジアル軸受5と、軸2に固定されたスラストカラー9をスラスト方向で支持するスラスト軸受6と、ラジアル軸受5およびスラスト軸受6を収容するハウジング7とを有する。エンジンの駆動中には、シリンダからの排気ガスによってタービンインペラ3が回転駆動し、このトルクで軸2、及びコンプレッサインペラ4が回転する。コンプレッサインペラ4の回転によって空気が圧縮される。この圧縮空気をシリンダの吸気側に送り込むことで、エンジンの吸気効率が高められる。

0019

軸2は、ラジアル軸受5およびスラスト軸受6により回転自在に支持される。フルフローティング軸受構造を有するターボチャージャ1では、図1に示すように、軸方向(スラスト方向)に離間した二箇所にラジアル軸受5が配置され、対をなすラジアル軸受5の軸方向一方側にスラスト軸受6が配置される場合が多い。本実施形態では、軸2に設けられたスラストカラー9が、タービンインペラ3側(図中の左側)のラジアル軸受5よりも更にタービンインペラ3側に近接して設けられている。しかしながら、各軸受5,6が配置される位置や数は任意であり、図示した構造に限定されるものではない。

0020

ラジアル軸受5およびスラスト軸受6は、タービンインペラ3とコンプレッサインペラ4との間に配置された中空状のハウジング7内に収容されている。ハウジング7には、潤滑油としてのエンジンオイルを循環させるためのオイル経路8が形成されている。オイル経路8の下流端は、ハウジング7の内周面および端面(タービンインペラ3側の端面)に開口している。

0021

ハウジング7の内周面の開口から流出したエンジンオイルは、ラジアル軸受5の外周面5b(図2を参照)とハウジング7の内周面との隙間に供給される。また、当該隙間に供給されたエンジンオイルは、ラジアル軸受5に形成された連通孔5c(図2を参照)を介して、ラジアル軸受5の内周面(軸受面5a)と軸2の外周面との隙間に供給される。これにより、各隙間(ラジアル軸受隙間)に油膜が形成され、これらの油膜により軸2がラジアル方向に支持される。このようなラジアル軸受隙間に油膜が形成されるフローティング軸受構造では、ラジアル軸受5はエンジンオイル中に浮いたフローティング状態となる。特に、本実施形態のようなフルフローティング軸受構造では、軸2の回転中にラジアル軸受5が軸2に連れ回る形で軸2よりも低速で回転する。

0022

また、ハウジング7の端面の開口から流出したエンジンオイルは、スラスト軸受6に形成されたオイル経路(図示省略)を介して、スラスト軸受6の端面とスラストカラー9の一方端面との隙間に供給される。また、当該隙間に供給されたエンジンオイルは、スラストカラー9の外周を回り込んで、スラストカラー9の他方端面とハウジング7の端面との隙間に供給される。これにより、各隙間(スラスト軸受隙間)に油膜が形成され、これらの油膜によりスラストカラー9及び軸2がスラスト方向に支持される。

0023

図2は、上記のターボチャージャ1に組み込まれたラジアル軸受5の断面図である。このラジアル軸受5は、焼結金属からなり、その内周面に軸受面5aを有する円筒状に形成されている(以下、ラジアル軸受5を「焼結軸受5」と称する)。軸2は焼結軸受5の内周側に挿入され、焼結軸受5によって回転自在に支持される。焼結軸受5には、その内周面(軸受面5a)と外周面5bとを連通させる径方向に延びた連通孔5cが設けられている。連通孔5cは、円周方向の一箇所のみに設けられる場合もあれば、複数箇所に設けられる場合もある。

0024

焼結軸受5を形成する焼結体は、各種粉末を混合して原料粉末を得る工程と、原料粉末を金型充填し、これを圧縮して圧粉体を成形する工程と、圧粉体を焼結する工程とを経て作製される。

0025

原料粉末は、大部分を構成する焼結用の黄銅合金紛と、微量の窒化ホウ素粉および添加物とを含んでいる。添加物は、焼結軸受5の機能を向上させるための添加物(以下、「機能向上用添加物」と称する)である。なお、原料粉末に対しては、成形を容易にするための成形助剤として、ステアリン酸亜鉛、或いは、ステアリン酸カルシウム等の潤滑剤を加えるのが好ましい。

0026

詳細には、本実施形態の原料粉末は、95質量%以上の黄銅合金紛(亜鉛の含有量は25〜45質量%)と、0.2〜2質量%の窒化ホウ素粉と、ケイ素、アルミニウム、及びマンガンを含んだ1〜3質量%の機能向上用添加物とを含む。これら黄銅合金紛、窒化ホウ素紛、及び機能向上用添加物の合計100質量%に対し、0.1〜1質量%の成形助剤が加えられている。本実施形態においては、機能向上用添加物としてケイ素、アルミニウム、及びマンガンの三種が含まれているが、これら三種の中から選択される一種のみ、或いは、二種のみが含まれていてもよい。なお、成形助剤は焼結に伴って蒸発揮散することから、焼結後の焼結体には残らない。

0027

黄銅合金紛は、粒径が例えば180μm以下、好ましくは150μm以下、より好ましくは106μm以下で、粒径45μm以下のものが35〜50質量%含まれたものである。一方で、窒化ホウ素粉は、平均粒径が2μm以上かつ20μm以下であるものが使用される。なお、ここで言う「平均粒径」とは、レーザ回析により測定した粒径の平均値を意味する。具体的には、株式会社島津製作所製SALD−3100により、5000粉末をレーザ回析で測定したときの粒径の平均値である。

0028

上記の各種粉末を混合して原料粉末を得た後、原料粉末を圧縮成形することで圧粉体が成形される。次いで、焼結のための工程に移送された圧粉体が、炉内で加熱されて焼結されることで焼結体が作製される。

0029

上述のようにして作製された焼結体に対し、サイジングを行うことで焼結体が整形される。サイジングは、コアダイス、及び上下のパンチ画成された円筒状のキャビティ内で焼結体を圧縮し、焼結体の内周面をコアの外周面に、焼結体の外周面をダイスの内周面にそれぞれ押し付けることで行われる。サイジングを行った後、必要に応じて切削加工を施すことで焼結軸受5が完成する。なお、焼結体への潤滑油等の含浸は行われない。

0030

上述の手順で製作された焼結軸受5(焼結体)は、25〜45質量%の亜鉛と、ケイ素、アルミニウム、マンガンを含む1〜3質量%の添加物と、0.2〜2質量%の窒化ホウ素とを含有し、残部が銅および不可避的不純物で構成されたものとなる。黒鉛、錫、鉄等は不可避的不純物となるものを除き含有されない。焼結軸受5(焼結体)は黄銅合金が焼結された組織を有し、この組織内に窒化ホウ素が分布している。軸受面5aや外周面5b等を含む焼結軸受5(焼結体)の表面には、窒化ホウ素が均一に分散し、その表面(気孔も含む)における窒化ホウ素の割合は、面積比で3%以上かつ10%以下となる。窒化ホウ素粒子の平均粒径は、上記のごとく2μm以上かつ20μm以下となる。

0031

この焼結軸受5では、亜鉛の含有量が25〜45質量%であることで、高温下における排気ガスや潤滑油への耐腐食性を向上させることが可能となる。さらに、焼結体の表面に存する窒化ホウ素は、高温下でも優れた自己潤滑機能を発揮する。そのため、この窒化ホウ素が相手材(軸2、或いは、ハウジング7)と摺動することで、高温下における耐摩耗性、及び摺動性が高められる。このような特性を発揮するために、焼結体に含まれる窒化ホウ素の配合量は0.2質量%以上とされている。一方、焼結体に含まれる窒化ホウ素の配合量が多すぎると、相対的に黄銅合金の割合が低下し、耐腐食性が不足する恐れがある。従って、焼結体に含まれる窒化ホウ素の配合量は2質量%以下とされている。

0032

上述の理由から、今後、過給機用軸受に対する要求性能(軸の回転速度や軸受使用温度)がさらに過酷化し、例えば、30万rpmの回転速度や400℃程度の軸受使用温度が求められるようになっても、耐腐食性、耐摩耗性、及び摺動性といった過給機用軸受に対する要求特性を満足することが可能となる。加えて、ニアネットシェイプ成形が可能な焼結軸受であるので、既存の黄銅系メタルからなる過給機用軸受よりも低コスト化を達成することができる。また、上記の焼結体は、その組成から快削性が確保されており、軸受の製作に際して切削加工が必要になった場合でも、当該加工を迅速に行うことが可能である。

0033

ここで、本発明に係る過給機用焼結軸受は、上記の実施形態で説明した構成に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態においては、焼結軸受5をフルフローティング構造のターボチャージャに適用した場合を例に挙げたが、焼結軸受5の適用対象はフルフローティング構造に限定されない。フローティングさせつつ、ハウジング7に対する軸受の回転を拘束したセミフローティング構造にも同様に適用が可能である。

0034

また、上記の実施形態においては、本発明をラジアル軸受5に適用した場合を例に挙げたが、本発明はスラスト軸受6にも同様に適用が可能である。

0035

1ターボチャージャ(過給機)
2 軸
5ラジアル軸受(焼結軸受)
5a軸受面
5b外周面
6スラスト軸受(焼結軸受)

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