(57)【要約】【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、焼結体は黄銅合金が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。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【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が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】
窒化ホウ素粒子の平均粒径が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。
【発明の詳細な説明】
【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】
自動車の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と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に送り込むことで、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、黄銅系生地にＭｎ−Ｓｉ系化合物を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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３７１８１４７号公報
【発明の概要】
【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は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で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で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が要請され、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、焼結体は黄銅合金が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、窒化ホウ素粒子の平均粒径としては、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】
【図１】ターボチャージャの概略構成を示す断面図である。
【図２】過給機用焼結軸受の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【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、原料粉末を金型に充填し、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、及び上下のパンチで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。
【符号の説明】
【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）
【図１】
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【図２】
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