(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
β−窒化珪素結晶相を主体とし、希土類元素とアルミニウム、酸素、窒素からなる粒界相を含み、ラマン分光法により検出されるSiのピーク（521cm-1）の窒化珪素の最大ピークに対する割合が0.2〜3である窒化珪素質焼結体により構成されていることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
前記窒化珪素質焼結体は、希土類元素の群から選ばれる少なくとも１種の元素を酸化物換算で3 〜8mol％、アルミニウムを酸化物換算で1 〜5mol％、過剰酸素をＳｉＯ2 換算で3 〜8mol％含む成形体を、ＳｉＯを含む窒素雰囲気下1700〜1800℃常圧で焼結させたものであることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項３】
請求項１または２に記載の摺動部材を備えることを特徴とする燃料噴射用ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、信頼性に優れ、耐摩耗特性の要求される摺動部材および該摺動部材を備える燃料噴射ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ディーゼルエンジン用の燃料噴射ポンプは大きくジャーク式噴射装置と蓄圧式噴射装置にわかれ、その機能により種々の種類がある。列形噴射ポンプは最も歴史が古く、中・大型トラック、農業機械、建設機械用として多く使用されている。分配形噴射ポンプは小型で軽量であるため、小型エンジン、特に乗用車用として多く採用されている。
【０００３】
また耐摩耗性を改善するために燃料噴射ポンプ用部品にセラミックスを用いる事が特開平１０−５４３２１号や実開昭６３−１５１９６７号にて提案されている。
【０００４】
一方、窒化珪素質焼結体は、耐熱性、耐熱衝撃性および耐酸化性に優れることからエンジニアリングセラミックス、特にタ−ボロ−タ−等の熱機関用として応用が進められ、またその耐摩耗性を利用し摺動部材としても応用がすすめられている。
【０００５】
近時、高密度で高強度の焼結体を作製するために焼結助剤として希土類酸化物や酸化アルミニウムを添加することが特公昭５２−３６４９号、特公昭５８−５１９１０号にて提案されている。また緻密化を促進するため加圧焼成や、ＨＩＰ焼結の手法も行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記燃料噴射ポンプにおいて、近年の排気ガス規制をクリアーするために燃料噴射圧の高圧化や燃料改質による潤滑性維持物質（硫黄）の低減などが行われており、これまで潤滑材として作用してきた燃料中の硫黄の低減や、部品と部品との接触圧の増大により燃料噴射ポンプ部品の摺動環境は非常に厳しくなっている。
【０００７】
このため従来の金属では焼き付きや異常摩耗等が起こっている。またセラミックスを用いた場合、焼結体中のボイドが破壊起点となりヘルツ応力により剥離が発生するという問題があった。
【０００８】
また、このセラミックスとして、上述したような、焼結助剤として希土類酸化物単独と酸化アルミニウムを含む窒化珪素質焼結体を用いた場合、その焼結性が高められ、高密度化できることにより室温および高温における強度、耐摩耗性をある程度は向上することができるが、実用的には未だ不十分であり、また靭性、耐摩耗性との両立も不十分であった。
【０００９】
従ってこれらの問題を解決するために窒化珪素質焼結体のさらなる強度、靭性の改良、低ボイド化が要求されている。ただし、これらの問題を解決するための手段としての加圧焼成や、ＨＩＰ焼結はコストの増加を伴い好ましくない。
【００１０】
よって本発明の目的は、安価な製造コストで信頼性、耐久性、耐摩耗性を向上した摺動部材および該摺動部材を備える燃料噴射用ポンプを提供する点にある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記問題点に対し、鋭意研究を重ねた結果、安価な常圧焼結においても窒化珪素への添加成分としてＹ等の希土類酸化物と、Ａｌ化合物、ＳｉＯ2 とを特定の割合で添加した成形体を、特定の焼成条件として、Ｓｉの析出量を制御し、緻密化させる焼結体を用いる事によって、上記目的が達成されることを知見し本発明に至った。
【００１２】
本発明の第１の側面に係る摺動部材は、β−窒化珪素結晶相を主体とし、希土類元素とアルミニウム、酸素、窒素からなる粒界相を含み、ラマン分光法により検出されるSiのピーク（521cm-1）の窒化珪素の最大ピークに対する割合が0.2〜3である窒化珪素質焼結体により構成されていることを特徴とする。また、窒化珪素質焼結体は、希土類元素の群から選ばれる少なくとも１種の元素を酸化物換算で3 〜8mol％、アルミニウムを酸化物換算で1 〜5mol％、過剰酸素をＳｉＯ2 換算で3 〜8mol％含む成形体を、ＳｉＯを含む窒素雰囲気下1700〜1800℃常圧で焼結させたものであるのが好ましい。
【００１３】
本発明の第２の側面に係る燃焼噴射用ポンプは、本発明の第１の側面に係る摺動部材を備えることを特徴とする。
【００１４】
【作用】
本発明によれば助剤成分としてＹ等の希土類元素、アルミニウム、シリカの化合物を特定の比率にし、特定の焼成条件により微量のＳｉを析出させることにより、従来に比較して常圧焼成においても高強度で靭性、硬度が高く、耐焼き付き荷重の高い窒化珪素質焼結体が得られる。
【００１５】
そのため、この窒化珪素質焼結体を用いて燃料噴射用ポンプの摺動部材を構成すれば、耐久性を高めることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図によって説明する。
【００１７】
図１に分配式燃料噴射ポンプのフェイスカムによる圧送機構を示す。燃料はドライブシャフト１により駆動されるフィードポンプ２にて燃料タンク３より吸入され、ポンプ室にある圧送部４に送られる。フェイスカム５、プランジャ６も同様にドライブシャフト１により駆動されるが、フェイスカム５はローラ７上で回転するとフェイスカム５がローラ７に乗り上げることによりカムプロファイル８に沿って軸方向に往復動する。すなわち、ドライブシャフト１により駆動されるフェイスカム５とプランジャ６は、回転と同時に往復運動をすることにより、以下のような順序で燃料の圧送を行うことが出来る。
【００１８】
プランジャ６にはフェイスカム５の下降（図面の右方向への移動）行程のみシリンダの吸入ポート１０に連通する吸入溝と、上昇（図面の左方向への移動）行程のみ分配ポート１１と連通する分配溝があり、プランジャ６が下降行程、すなわち圧送室の容積が増加するときフィードポンプ２により供給された燃料は吸入ポート１０から吸入溝を介して圧送室９に吸入される。プランジャ６が回転していくと吸入ポート１０と吸入溝の連通が遮断され分配溝が分配ポート１１に連通する。さらにプランジャ６が回転するとフェイスカム５のカムプロファイル８に沿ってプランジャ６が上昇し始め、圧送室９の燃料は分配ポート１１を経由して分配通路へ圧送され、不図示のノズルから噴出されることになる。
【００１９】
そして、プランジャ６が更に上昇し、プランジャ６のスピルポートがスピルリング端面からポンプ室内へ解放されると、圧送室内の高圧燃料はスピルポートからポンプ室に流出してしまい、燃料の圧送は終了する。
【００２０】
この様な分配形燃料噴射ポンプにおいて、プランジャ６、ローラ７、フェイスカム５及びドライブシャフト１等は摺動部材として作用し、その潤滑は、燃料自体を潤滑剤として使用している。その他、図示していないが、ワッシャー、ローラーピン、シュー等も摺動部材として使用される。
【００２１】
しかしながら、排気ガス規制強化に伴い、燃料改質による排気ガスの浄化を目的とした潤滑性維持物質の低減（低硫黄軽油）により、ポンプ部品に対する摺動環境は非常に厳しくなっている。そこで本発明は、上記各摺動部材の少なくとも１種を、以下に詳述するような窒化珪素質焼結体で構成することにより、耐摩耗性、耐焼き付き特性を向上させ、信頼性、耐久性の高い燃料噴射ポンプを得ることができる。
【００２２】
本発明によれば、上記各摺動部材を構成する窒化珪素質焼結体として、ラマン分光法で検出できる程の微量のＳｉを析出させた窒化珪素質焼結体を用いることが重要である。微細なＳｉを分散させることによりクラックの進展を妨げ、室温強度1000ＭＰａ以上、1000℃の強度800 ＭＰａ以上、破壊靭性値6 ＭＰａ√ｍ以上に向上させ、耐摩耗性も向上できるでのある。
【００２３】
具体的にはラマン分析における窒化珪素の最大ピークとSiのピーク(521cm-1) との比が0.2 〜３、好ましくは１〜２のSiを析出させることが必要である。0.2 より低いと効果が小さく、強度、靭性が向上しない。また３以上ではSi自身が破壊源となり強度劣化する。
【００２４】
このような強度、耐摩耗性、靭性を達成するには希土類元素の群から選ばれる少なくとも１種を酸化物換算で3 〜8mol％、好ましくは5 〜7mol％、アルミニウムを酸化物換算で1 〜5mol％、好ましくは2 〜4mol％、過剰酸素として、磁器中の全酸素量Ａから希土類酸化物およびアルミニウム酸化物に含有される分Ｂを差し引いた（Ａ―Ｂ）の酸素をＳｉＯ2 換算で3 〜8mol％、好ましくは4 〜6mol％含む成形体を、ＳｉＯを含む窒素雰囲気下1700〜1800℃好ましくは1750℃〜1800℃常圧で0.5 時間から３時間、好ましくは１〜２時間保持し焼結させることが必要である。即ち、ＳｉＯを含む雰囲気下で窒化珪素が分解する限界の温度で焼成することにより、所望するＳｉが分散する焼結体が得られるのである。
【００２５】
これらの成分の含有量を上記のように限定したのは、まず成分が上記の値より低いと焼成過程で液相が不足し緻密体が得られず強度は低下する。各成分が上記の値より高いと焼成中の液相が増加し粒成長する。また表層では分解が促進され強度が低下する。雰囲気にＳｉＯを含まないかもしくは1800℃以上の焼成では窒化珪素の分解が促進され強度は劣化する。また1700℃以下ではＳｉの析出が不十分で強度は劣化する。
【００２６】
なお、本発明に用いられる希土類元素としては、Ｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｓｍ等が挙げられる。特性は有意差が認められないが、鉱物中の存在量から判断するとＹが好ましい。
【００２７】
次に、本発明の窒化珪素質焼結体を製造する方法について説明する。まず、窒化珪素を主成分とし、希土類元素の群から選ばれる少なくとも１種を酸化物換算で3 〜8mol％、好ましくは5 〜7mol％、アルミニウムを酸化物換算で1 〜5mol％、好ましくは2 〜4mol％、希土類酸化物およびアルミニウム酸化物以外の過剰酸素をＳｉＯ2 換算で3 〜8mol％、好ましくは4 〜6mol％、含む成形体を作製する。窒化珪素粉末はそれ自体α−Ｓｉ3 Ｎ4 、β−Ｓｉ3 Ｎ4 のいずれでも用いることができ、それらの粒径は0.4 〜1.2 μｍ、酸素量は0.5 〜1.5 重量％が好ましい。
【００２８】
このようにして得られた混合粉末を公知の成形方法、例えば、プレス成形、鋳込み成形、押出し成形、射出成形、冷間静水圧成形などにより所望の形状に成形する。
【００２９】
次に、得られた成形体をＳｉＯを含む窒素雰囲気下で1700〜1800℃好ましくは1750℃〜1800℃常圧で焼結させる。ＳｉＯの雰囲気はシリカとシリコンもしくは窒化珪素との混合粉末を焼成鉢内に入れたものを同時に入炉することにより発生させる。また他の方法として窒化珪素の一部を珪素粉末に置き換え、焼成中に窒化させる様に、部分窒化を焼成に取り入れることも可能である。
【００３０】
一方、周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素金属や、それらの炭化物、窒化物、珪化物、または、ＳｉＣなどは、分散粒子やウィスカ−として本発明の焼結体に存在しても特性を劣化させるような影響が少ないことから、これらを周知技術に基づき、適量添加して複合材料として特性の改善を行うことも当然可能である。
【００３１】
【実施例】
実施例１
窒化珪素粉末（ＢＥＴ比表面積９ｍ2 ／ｇ、α率９８％、酸素量１．２重量％）と各種の希土類元素酸化物（ＲＥ2 Ｏ3 ）粉末と各種の酸化アルミニウム粉末、酸化珪素粉末を用いて、表１に示す組成になるように調合後、１ｔ／ｃｍ2 で金型成形した。成形体を炭化珪素質の匣鉢に入れてＳｉＯを含む窒素雰囲気下1700〜1800℃常圧下で焼成した。
【００３２】
得られた焼結体を、ＪＩＳ−Ｒ１６０１にて指定されている形状まで研磨し試料を作製した。この試料についてＪＩＳ−Ｒ１６０１に基づく室温及び1000℃の４点曲げ抗折強度試験を実施した。またＳＥＰＢ法により破壊靭性値Ｋ1Cを求めた。
【００３３】
また燃料噴射ポンプのワッシャー使用環境を模擬的に評価するため、図２に示すリングオンディスク法により500N荷重における摩擦係数を測定し、順次荷重を上げ、焼き付き荷重を求めた。
【００３４】
ディスク２２は金属製（SUJ2）とし、リング２１は上記方法にて得られた各焼結体を用いた。摺動部の表面粗度は0.3 μmRz 以下に調整し、表面の最大ボイド径を測定後、リングオンディスク試験を実施した。滑り速度は0.2m/sec、潤滑にはエンジンオイルを使用した。さらにラマン分光法によりそれぞれの試料の窒化珪素の最大ピークとＳｉのピーク（521 ｃｍ-1）との比を求めた。
【００３５】
結果を表１に示す。この結果より、ＳｉＯ2 の比率が高いNo.15 の試料は室温強度、高温強度ともに低下しており焼き付き荷重も低い。またラマン分析によるＳi の比率が高いNo.12 、No.14 、No.16 、No.21 の試料は強度特性が低下し、焼き付き荷重も本発明に基づく試料に比較し低下していた。
【００３６】
これらの比較例に対して、その他の本発明に基づく試料は、いずれも抗折強度にすぐれており、かつ焼き付き荷重も優れ、ボイド径も３０μｍ以下に低減できていた。したがって、上記窒化珪素質焼結体を用いて燃料噴射用ポンプの摺動部材を構成すれば、耐久性を向上させられることがわかる。
【００３７】
【表１】
0004268248.tif 000002
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、燃料を燃料タンクから圧送し、圧力を高めて噴射ノズルへ供給するための燃料噴射ポンプにおいて、各摺動部材を、β−窒化珪素結晶相を主体とし、希土類元素とアルミニウム、酸素、窒素からなる粒界相を含み、ラマン分光法により検出される窒化珪素の最大ピークとSiのピーク（521cm -1）との比が0.2 〜３である窒化珪素質焼結体で構成したことによって、安価な製造コストで信頼性、耐久性、耐摩耗性を向上した燃料噴射ポンプを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる燃料噴射ポンプを示す縦断面図である。
【図２】リングオンディスク試験方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１：ドライブシャフト
２：フィードポンプ
５：フェイスカム
６：プランジャ
７：ローラ
【図１】
0004268248.tif 000003
【図２】
0004268248.tif 000004