CN102165654A - 火花塞及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种火花塞，在该火花塞中，施加到接地电极的镀膜能够较容易地去除以防止点火性能的劣化，而不增加成本，还提供该火花塞的制造方法。火花塞(1)具有：金属壳(3)；由Ni合金制成的接地电极(27)；以及含Ni作为主要成分的Ni镀层(28)，在接地电极(27)的至少基端部的表面和金属壳(3)的表面施加该Ni镀层(28)。施加到接地电极(27)的将弯曲部位的中心电极侧的部位的Ni镀膜(41)被激光束等照射，由此在接地电极(27)的将弯曲部位的中心电极侧的部位形成熔融层(29)，在该熔融层中，Ni镀膜(41)的金属材料和接地电极(27)的金属材料熔融在一起。在接地电极(27)的除了用激光束照射的部位之外的部位上形成镍镀层(28)。

Description

火花塞及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种在内燃机等中使用的火花塞及其制造方法。
背景技术
例如汽车发动机等内燃机用的火花塞例如包括：中心电极，其沿火花塞的轴线方向延伸；绝缘体，其位于中心电极的外侧；筒状的金属壳，其位于绝缘体的外侧；以及接地电极，其基端部接合到金属壳的前端部。接地电极被弯曲并且配置成使接地电极的末端部面对中心电极，由此在中心电极和接地电极之间限定火花放电间隙。
一般地，金属壳由如低碳钢等铁基材料制成并且涂覆有用于改进耐腐蚀性的镍镀层。为了在金属壳上形成镀层，考虑到提高生产率，有利地使用所谓的筒式电镀(barrel plating)处理。这里，通常通过电阻焊接使金属壳和接地电极接合。由此，当镀层已经施加到金属壳的表面时，难以将接地电极接合到金属壳。即使接地电极被接合到金属壳，在金属壳和接地电极之间的焊接接合部，也可能在镀层中发生破损，并且成为耐腐蚀性劣化的诱因。因此，通常的做法是，在金属壳和接地电极接合在一起之后，对金属壳和接地电极两者都进行镀层处理，由此在金属壳和接地电极的整个表面上形成镀膜。
然而，在镀膜被施加到接地电极的状态下，朝向中心电极弯曲接地电极可能导致镀膜剥离。当在镀膜从接地电极的中心电极侧的部位剥离的状态下使用火花塞时，在中心电极和镀膜的剥离部之间可能发生火花放电(所谓的“侧向火花”)并且导致点火性能的劣化。
想到从接地电极的给定部位(例如，接地电极的将弯曲的部位)去除(剥离)已经施加到接地电极的整个表面的镀膜。提案了如下技术：在利用预定的夹具保持金属壳的状态下，通过将接地电极的给定部位浸渍在酸性剥离液中来去除镀膜。(例如，参见专利文件1。)
现有技术文献
专利文件
专利文件1：日本特开2001-68250号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，上述提案技术由于需要处理和管理酸性剥离液以及夹具被酸性剥离液消耗而产生了制造成本高的问题。还提案了通过在掩膜接地电极的给定部位之后进行镀层处理而避免在接地电极的给定部位形成镀膜的技术。即使在该提案技术中，仍存在关于如成本增加和作业性低下等问题的担心。
鉴于上述情形做出了本发明。本发明的目的是提供一种火花塞，在该火花塞中，能够较容易地去除施加到接地电极的镀膜从而防止点火性能的劣化，但不增加成本。本发明的目的还在于提供该火花塞的制造方法。
用于解决问题的方案
下文以下列的分项来说明适于解决上述问题并且实现本发明的目的的各种构造。根据需要，也会说明这些构造的具体功能和效果。
构造1：一种火花塞，其包括：棒状的中心电极，其沿所述火花塞的轴线方向延伸；圆筒状的绝缘体，其具有沿所述轴线方向形成在所述绝缘体中的轴向孔并且所述绝缘体将所述中心电极保持在所述轴向孔中；圆筒状的金属壳，其布置在所述绝缘体的外周；以及接地电极，其由镍基合金制成，所述接地电极从所述金属壳的前端部延伸并且所述接地电极在大致中间部分以在所述接地电极的末端部和所述中心电极的前端部之间限定火花放电间隙的方式弯曲，其中，所述火花塞还包括：通过用激光束或电子束照射所述接地电极的将弯曲部位的中心电极侧的部位而形成的熔融层，在所述熔融层中：所述接地电极的金属材料与施加到所述接地电极的所述将弯曲部位的至少中心电极侧的部位的镍基镀层的金属材料熔融在一起；以及位于所述接地电极的除了用激光束或电子束照射的部位之外的部位的镍基镀层。
贵金属合金的贵金属电极头可以布置在中心电极的前端部。在这种情况下，在贵金属电极头和接地电极之间限定火花放电间隙。
在构造1中，通过激光束或电子束照射接地电极的将弯曲部位的至少中心电极侧的部位而形成熔融层，在熔融层中，所述接地电极的金属材料(镍合金)与镀膜的金属材料熔融在一起。也就是，激光束或电子束的照射能够去除较差地附着到接地电极的镀膜，同时，在接地电极的表面上形成熔融层。该熔融层与接地电极具有较好的附着性，在该熔融层中，接地电极的镍合金与镀膜的Ni成分熔融在一起。由于镀膜已经从接地电极的将弯曲的部位去除，因此在接地电极的弯曲过程中，不发生镀膜的剥离。此外，由于熔融层与接地电极具有良好的附着性，因此在接地电极的弯曲过程中，熔融层几乎不发生剥离。因此，可以限制中心电极和接地电极之间发生异常火花放电，并且更确实地防止火花塞的点火性能的劣化。
此外，在构造1中，通过照射激光束或电子束来去除镀膜。由此与现有技术的通过将接地电极的末端部浸渍在酸性剥离液中来去除镀膜的技术和现有技术的在对接地电极进行掩膜处理之后形成镀膜的技术相比，可以大幅降低成本，显著提高作业性。
构造2：根据构造1的火花塞，其中，镍基镀膜被施加到所述接地电极的末端部的与所述中心电极限定火花放电间隙的部位并且用激光束或电子束照射，使得所述镍基镀膜的金属材料和所述接地电极的金属材料熔融在一起而形成的所述熔融层形成于所述接地电极的末端部的与所述中心电极限定火花放电间隙的部位；所述火花塞还包括接合到所述熔融层的贵金属电极头。
贵金属合金的贵金属电极头可以被接合到接地电极，以改进耐久性和点火性能。然而，当镀膜被施加到接地电极的接合贵金属电极头的部位(接合部位)时，可能难以确保通过电阻焊接将贵金属电极头接合到接地电极。
在构造2中，通过激光束或电子束照射接地电极的接合贵金属电极头的接合部位上的镍基镀膜来形成熔融层。由此，贵金属电极头通过与接地电极具有良好附着性的熔融层被接合到接地电极。这能够确保贵金属电极头的接合。也就是，可以通过激光束或电子束的照射，较容易地实现确保贵金属电极头和接地电极的电阻焊接接合。
由激光束或电子束的照射所形成的熔融层具有微细的表面凸凹，在构造2中，这在将贵金属电极头接合到接地电极时具有显著效果。通过激光束或电子束的照射形成的具有这种表面凸凹的熔融层能够减小贵金属电极头和熔融层之间的接触面积，延伸地，增大电阻焊接过程中贵金属电极头和熔融层之间的接触阻抗。由此，即使在用于使接地电极压靠贵金属电极头的压力或所施加的焊接电流被降低到较小的水平的情况下，也能够以足够的强度接合贵金属电极头。
构造3：根据构造1或2的火花塞，其中，所述接地电极的镍基合金含有铬；所述镍基镀层含3质量％～30质量％的铬。
为了提高抗氧化性，铬(Cr)可以被添加到接地电极。然而，将Cr添加到接地电极使得在高温条件下Cr易于从接地电极扩散(迁移)到Ni基镀层。这可能导致伴随Cr的扩散的Ni颗粒的生长，并且不能呈现足够的抗氧化性提高效果。
在构造3中，镀层的Cr含量为3质量％～30质量％，从而即使在高温条件下也有效地限制Cr从接地电极扩散到镀层。由此，可以防止Ni颗粒的生长并且发挥足够的抗氧化性提高效果。
如果镀层的Cr含量小于3质量％，不能适当地限制Cr从接地电极扩散。如果镀层的Cr含量大于30质量％，将劣化镀层与接地电极的附着性，使得镀层(镀膜)易于从接地电极剥离。在发生镀层剥离时，火花塞易于在剥离的镀层和中心电极之间发生异常放电(所谓的“侧向火花”)，并且劣化点火性能。
构造4：一种火花塞，其包括：棒状的中心电极，其沿所述火花塞的轴线方向延伸；圆筒状的绝缘体，其具有沿所述轴线方向形成在所述绝缘体中的轴向孔并且所述绝缘体将所述中心电极保持在所述轴向孔中；圆筒状的金属壳，其布置在所述绝缘体的外周；以及接地电极，其由含有铬的镍基合金制成，所述接地电极从所述金属壳的前端部延伸并且所述接地电极在大致中间部分以在所述接地电极的末端部和所述中心电极的前端部之间限定火花放电间隙的方式弯曲，其中，所述火花塞还包括：通过用激光束或电子束照射所述接地电极的将弯曲部位的中心电极侧的部位而形成的熔融层，在所述熔融层中：所述接地电极的金属材料与施加到所述接地电极的所述将弯曲部位的至少中心电极侧的部位的镍基镀膜和铬酸盐膜的双覆层的金属材料熔融在一起；镍基镀层，其位于所述接地电极的除了用激光束或电子束照射的部位之外的部位；以及铬酸盐膜层，其位于所述镍基镀层上。
在构造4中，Ni基镀层和铬酸盐膜层依次形成在接地电极的除了用激光束或电子束照射的部位之外的部位上。这在Cr从接地电极扩散到Ni基镀层之前使Cr从接地电极的温度比内部的温度更易于升高的表面的部位、即从位于接地电极的表面的铬酸盐膜层扩散到Ni基镀层。由此可以更确实地防止Cr从接地电极扩散到镀层，并且充分地提高接地电极的抗氧化性。
由于Cr扩散的影响随着接地电极的Cr含量的增加而增大，因此构造3和构造4对于Cr含量高的接地电极特别有效。特别优选的是，当接地电极的Cr含量为10质量％以上、更优选为20质量％以上时，应用构造3和4。
构造5：根据构造4的火花塞，其中，所述镍基镀膜和所述铬酸盐膜的所述双覆层被施加到所述接地电极的末端部的与所述中心电极限定火花放电间隙的部位并且被激光束或电子束照射，使得所述双覆层的金属材料和所述接地电极的金属材料熔融在一起而形成的所述熔融层形成于所述接地电极的末端部的与所述中心电极限定火花放电间隙的部位；所述火花塞还包括接合到所述熔融层的贵金属电极头。
在构造5中可以获得与构造2相同的功能和效果。
构造6：根据构造1至构造5中的任一构造所述的火花塞，其中，所述镀层的表面的最靠近所述熔融层的部位与所述熔融层的与所述镀层的所述表面所在侧相反的一侧的部位之间的沿所述接地电极的厚度方向的最大长度为200μm以下。
在构造6中，所述镀层的表面的最靠近所述熔融层的部位与所述熔融层的与所述镀层的所述表面所在侧相反的一侧的部位之间的沿所述接地电极的厚度方向的最大长度(下文称为“表观熔融层厚度”)被控制为200μm以下的较小厚度。由此可以更确实地防止熔融层与接地电极的附着性的劣化。此外，当表观熔融层厚度被控制为200μm以下时，可以将贵金属电极头更确实地不仅接合到熔融层而且还接合到接地电极。结果，可以以更高的接合强度接合贵金属电极头并且有效地防止贵金属电极头的剥离。
构造7：一种火花塞的制造方法，所述火花塞包括：棒状的中心电极，其沿所述火花塞的轴线方向延伸；圆筒状的绝缘体，其具有沿轴线方向形成在所述绝缘体中的轴向孔并且所述绝缘体将所述中心电极保持在所述轴向孔中；圆筒状的金属壳，其布置在所述绝缘体的外周；接地电极，其由镍基合金制成，所述接地电极从所述金属壳的前端部延伸并且所述接地电极在大致中间部分以在所述接地电极的末端部和所述中心电极的前端部之间限定火花放电间隙的方式弯曲；以及镍基镀层，其形成于所述接地电极和所述金属壳的表面的部分，所述制造方法包括：镀膜施加步骤，用于对已经接合了所述接地电极的所述金属壳进行镀镍处理，由此将镀膜施加到所述金属壳和所述接地电极的大致整个表面；熔融层形成步骤，用于形成熔融层，在所述熔融层中，通过激光束或电子束照射所述接地电极的将弯曲部位的至少中心电极侧的部位而将所述接地电极的金属材料与所述镀膜的金属材料熔融在一起；以及火花放电间隙限定步骤，用于弯曲所述接地电极的所述将弯曲部位，以在所述接地电极的末端部和所述中心电极的前端部之间限定所述火花放电间隙，其中，在所述熔融层形成步骤中，以如下方式照射激光束或电子束：使所述镀层的表面的最靠近所述熔融层的部位与所述熔融层的与所述镀层的所述表面所在侧相反的一侧的部位之间的沿所述接地电极的厚度方向的最大长度大于或等于所述镀层的厚度。
在构造7中，以如下方式照射激光束或电子束来进行所述熔融层形成步骤：使所述镀层的表面的最靠近所述熔融层的部位与所述熔融层的与所述镀层的所述表面所在侧相反的一侧的部位之间的沿所述接地电极的厚度方向的最大长度大于或等于所述镀层的厚度。这确保形成镀膜的金属材料和接地电极的金属材料(Ni合金)熔融在一起的熔融层。由此，可以在构造7中获得与构造1相同的功能和效果。
构造8：根据构造7的火花塞的制造方法，其中，所述火花塞还包括贵金属电极头，其以在所述贵金属电极头和所述中心电极之间限定所述火花放电间隙的方式布置在所述接地电极的末端部；在所述熔融层形成步骤中，通过激光束或电子束照射所述接地电极的所述贵金属电极头所接合到的接合部位而形成所述熔融层；所述制造方法还包括在所述接地电极的所述接合部位将所述贵金属电极头接合到所述熔融层。
可以在构造8中获得与构造2相同的功能和效果。
构造9：根据构造7或8的火花塞的制造方法，其中，在所述熔融层形成步骤中，以如下方式照射激光束或电子束：使所述镀层的表面的最靠近所述熔融层的部位与所述熔融层的与所述镀层的所述表面所在侧相反的一侧的部位之间的沿所述接地电极的厚度方向的最大长度为200μm以下。
可以在构造9中获得与构造6相同的功能和效果。
构造10：根据构造7至9的任一构造的火花塞的制造方法，其中，在所述熔融层形成步骤中，在氧气分压为103Pa以下的气氛中进行激光束或电子束照射。
在构造10中，在氧气分压为103Pa以下的气氛中进行激光束或电子束照射。由此可以有效地防止形成的熔融层的氧化并且确保耐久性的提高。
这里，可以通过各种技术来进行在氧气分压为103Pa以下的气氛中进行激光束或电子束照射，例如在真空中照射激光束或电子束，或者在向工件表面吹送如氮气、氦气或氩气等辅助气体的状态下照射激光束或电子束。
附图说明
图1是本发明所实现的火花塞的局部剖开的主视图。
图2是火花塞的前端部的局部剖开的主视图。
图3是示出根据本发明的第一实施方式的熔融层等的结构的部分的放大截面图。
图4的(a)至图4的(c)是示出根据本发明的第一实施方式如何在接地电极的末端部形成熔融层的放大示意图；图4的(d)是示出根据本发明的第一实施方式的贵金属电极头接合到接地电极的状态的放大截面图。
图5是示出表观熔融层厚度与氧化皮发展率之间的关系的图。
图6的(a)至图6的(c)是根据本发明的其它实施方式的接地电极的末端部的放大截面图。
图7是示出根据本发明的另一实施方式的激光处理技术的示意性平面图。
图8的(a)和图8的(b)是根据本发明的其它实施方式的接地电极的部分的放大主视图。
图9是示出根据本发明的第二实施方式的铬酸盐膜层等的结构的部分的放大截面图。
图10是示出根据本发明的第三实施方式的Ni镀层等的结构的部分的放大截面图。
具体实施方式
[第一实施方式]
以下将参照附图说明本发明的第一实施方式。图1是根据本发明的第一实施方式的火花塞1的局部剖开的主视图。在下面的说明中，火花塞1的轴线CL1的方向被称为图1的上下方向，图1的下侧被限定为火花塞1的前端侧，图1的上侧被限定为火花塞1的后端侧。
火花塞1包括作为筒状绝缘体的陶瓷绝缘体2和在其中保持陶瓷绝缘体2的筒状金属壳3。
如众所周知的那样，陶瓷绝缘体2通过烧结氧化铝等而形成由如下部分构成的外形：后端主体部10，其形成在所述外形的后端侧；大径部11，其在后端主体部10的前端侧沿径向向外突出；中间主体部12，其位于大径部11的前端侧并且直径比大径部11的直径小；以及腿部13，其位于中间主体部12的前端侧并且直径比中间主体部12的直径小。锥状台阶部14形成于腿部13和中间主体部12之间的连接部，使得陶瓷绝缘体2在该锥状台阶部14处被保持在金属壳3上。
此外，沿着轴线CL1形成贯通陶瓷绝缘体2的轴向孔4。火花塞1包括插入并且固定在轴向孔4的前端侧的中心电极5。中心电极5整体为棒状(圆柱状)，其具有平坦的前端面并且从陶瓷绝缘体2的前端突出。这里，中心电极5由铜或铜合金的内层5A和Ni基合金的外层5B构成。火花塞1还包括由贵金属合金(例如，铱合金或铂合金)形成并且被接合到中心电极5的末端部的圆柱状的贵金属电极头31。
火花塞1还包括插入并固定在轴向孔4的后端侧并且一部分从陶瓷绝缘体2的后端突出的端子电极6。
圆柱状的电阻元件7在轴向孔4中被配置在中心电极5和端子电极6之间，并且电阻元件7的两端部经由导电的玻璃密封层8和9电连接到中心电极5和端子电极6。
金属壳3由如低碳钢等金属材料形成为筒状，并且具有螺纹部(外螺纹部)15和座部(seat portion)16，螺纹部15形成于金属壳3的外周面用于将火花塞1安装到燃烧装置(例如，内燃机)，座部16形成在金属壳3的位于螺纹部15的后侧的外周面上。环状垫圈18被装配于位于螺纹部15的后端的螺纹颈17。金属壳3还具有弯边部20和截面为大致六角形的工具接合部19，工具接合部19形成于金属壳3的后端侧用于与如扳手等工具接合以将金属壳3固定到燃烧装置，弯边部20形成于金属壳3的后端部用于保持陶瓷绝缘体2。
另一方面，在金属壳3的内周面上形成有锥状台阶部21，以在该锥状台阶部21上接合陶瓷绝缘体2。陶瓷绝缘体2由此从金属壳3的后端侧插入前端侧并且在陶瓷绝缘体2的台阶部14接合到金属壳3的台阶部21的状态下通过使金属壳3的后端开口部向径向内侧弯边、即形成弯边部20而被固定在金属壳3中。环形板状密封件22被保持在陶瓷绝缘体2的台阶部14和金属壳3的台阶部21之间，以保持燃烧室的气密性，由此防止燃料空气混合物进入陶瓷绝缘体2的腿部13和金属壳3的内周面之间的空间而泄漏到外部。
为了通过弯边来确保更完全的密封，环状圈构件(annularring member)23和24介于陶瓷绝缘体2和金属壳3之间，并且在圈构件23和24之间填充滑石粉25。也就是，经由板状密封件22、圈构件23和24以及滑石25在金属壳3中保持陶瓷绝缘体2。
如图2所示，火花塞1还包括接地电极27和圆柱状的贵金属电极头32，其中，接地电极27由镍基合金制成并且被接合到金属壳3的前端部26，贵金属电极头32由贵金属合金(例如，铂合金)形成并且以朝中心电极5突出的方式设置在接地电极27的末端部。这里，贵金属电极头32通过电阻焊接被接合到接地电极27。在贵金属电极头31和32之间限定火花放电间隙33，从而在火花放电间隙33中发生大致沿轴线CL1方向的火花放电。
在本实施方式中，Ni镀层28作为镍基镀层形成在金属壳3的表面上以及接地电极27的除了接地电极27的中心电极5侧的侧面的末端部之外的部位的表面上(如散点图案所示)。这里，可以如下地形成Ni镀层28。将Ni镀膜作为Ni基镀膜施加到金属壳3和接地电极27的整个表面。然后，利用激光束照射接地电极27的中心电极5侧的侧面的末端部。由此，从接地电极27的中心电极5侧的侧面的末端部去除Ni镀膜，从而残存的Ni镀膜构成Ni镀层28。这里，Ni镀层28形成为具有较小的厚度(例如，大约10μm)。
此外，接地电极27的中心电极5侧的侧面的激光照射过的部位形成熔融层29。(在图2中，为了方便起见，熔融层29示出为具有大的厚度)。这里，通过使Ni镀膜的金属材料和接地电极27的金属材料(Ni合金)熔融在一起而形成熔融层29。如图3所示，Ni镀层28的表面(Ni镀层28的距熔融层29最近的表面的部位)和熔融层29的与Ni镀层28所述的表面所在侧相反的一侧的部位之间沿接地电极27的厚度方向的最大长度Dp(即、表观熔融层厚度)被控制成大于或等于Ni镀层28的厚度，并且小于或等于200μm。由于在激光束照射处理(激光处理)过程中Ni镀膜和接地电极27的金属材料发生剥蚀(气化、汽化)，熔融层29的表面比Ni镀层28的表面更凹进。而且熔融层29的表面形成有微细的凸凹(fine roughness)。
接着，下面将说明上述构造的火花塞1的制造方法。首先，预先制造金属壳3。更具体地，对圆柱状的金属材料(例如，如S17C或S25C的铁基材料或不锈钢材料)进行冷锻，由此在圆柱状的金属材料中切出通孔，并且使圆柱状的金属材料形成为大概的形状。然后，调整金属材料的外形。所形成的金属材料被用作半成品的金属壳部件。
由直棒状的Ni合金制备接地电极27并且将其电阻焊接到半成品的金属壳部件的前端面。在焊接过程中会出现毛刺。在去除这些焊接毛刺之后，通过在半成品的金属壳部件的给定区域进行部件滚轧(component rolling)而形成螺纹部15。这样，可以获得焊接有接地电极27的金属壳3。
接着，在镀膜施加步骤中，如图4的(a)所示，通过筒式电镀机(未示出)将含Ni作为主要成分的Ni镀膜41施加到金属壳3和接地电极27的整个表面。接着，在熔融层形成步骤中，如图4的(b)所示，通过移动激光束的照射位置来激光处理接地电极27的中心电极5侧的侧面的末端部。由此，如图4的(c)所示，从激光处理的部位去除Ni镀膜41，由此在激光处理过的部位形成熔融层29并且残存的Ni镀膜41构成Ni镀层28。在激光处理中，用具有较高熔融能量的激光束照射以控制成使得表观熔融层厚度Dp大于或等于Ni镀层28(Ni镀膜41)的厚度。由此，通过熔融Ni镀膜41的金属材料和接地电极27的金属材料(Ni合金)两者来形成熔融层29，而不是仅熔融Ni镀膜41的金属材料。另一方面，激光束的熔融能量被限制成不能过高，由此将熔融层29的表观熔融层厚度Dp控制在200μm以下。
此后，将贵金属电极头32压到接地电极27的末端部的熔融层29的给定区域并且将其电阻焊接到该给定区域。由于如上所述，熔融层29形成为具有较小厚度(200μm以下)，因此如图4的(d)所示，贵金属电极头32不仅焊接到熔融层29而且还焊接到接地电极27。
此外，通过如下方法形成陶瓷绝缘体2：例如由含有粘合剂的氧化铝基原料粉末制备颗粒状的成型材料、通过橡胶挤压成型将制备的材料成型为筒状体、通过切削形成成型体，然后在烧结炉中烧结该成型体。
中心电极5与金属壳3和陶瓷绝缘体2分开地形成。更具体地，通过锻压中央含有用于改善散热性能的铜合金的Ni合金材料而制备中心电极5。然后，通过激光焊接等将贵金属电极头31接合到中心电极5的前端部。
陶瓷绝缘体2、中心电极5、电阻元件7和端子电极6经由玻璃密封层8和9固定在一起。一般通过将硼硅酸盐玻璃与金属粉末混合来制备玻璃密封层8和9的材料。制备的材料以将电阻元件夹在中间的方式被填充到陶瓷绝缘体2的轴向孔4中，然后通过在端子电极6从后方挤压的状态下在烧结炉中烧结而固化。此时，可以同时或预先在陶瓷绝缘体2的后端主体部的表面上形成釉料层。
此后，通过将金属壳3的较薄的后端开口部沿径向向内弯边从而形成弯边部20而将固定有中心电极5和端子电极6的陶瓷绝缘体2与固定有接地电极27的金属壳3组装在一起。
最后，以调节贵金属电极头31和32之间的火花放电间隙的方式使接地电极27朝向中心电极5弯曲。结果，完成上述的火花塞1。
如上所述，在本实施方式中，通过利用激光束至少照射施加有Ni镀膜41的部分而在接地电极27的将弯曲的部位的中心电极5侧的部位上形成接地电极27的金属材料(Ni合金)和Ni镀膜41的金属材料熔融在一起的熔融层29。换言之，激光束的照射能够去除已经较差地附着到接地电极27的Ni镀膜41，同时，在接地电极27的表面上形成熔融层29。接地电极27的Ni合金和Ni镀膜41的Ni成分熔融在一起的熔融层29较好地附着到接地电极27。由于Ni镀膜41已经从接地电极27的将弯曲的部位去除，因此，在弯曲接地电极27的过程中，不发生Ni镀膜41的剥离。此外，由于熔融层29较好地附着到接地电极27，因此在弯曲接地电极27的过程中熔融层29几乎不发生剥离。因此，可以限制中心电极5和接地电极27之间的异常火花放电，并且确实地防止火花塞的点火性能的劣化。
此外，通过照射激光束而去除Ni镀膜41。由此，与现有技术的通过将接地电极的末端部浸渍在酸性剥离液中来去除镀膜的技术和现有技术的在对接地电极进行掩膜处理之后形成镀膜的技术相比，可以大幅降低成本，显著提高作业性。
在使用贵金属电极头32的情况下，由于熔融层29在接地电极27接合贵金属电极头32的接合部位通过激光束照射而形成有凹凸状的微表面，因此可以减小贵金属电极头32和熔融层29之间的接触面积，延伸地，增大电阻焊接过程中贵金属电极头32和熔融层29之间的接触阻抗。由此，即使在用于使贵金属电极头32压靠接地电极27的压力或所施加的焊接电流减小到较小的水平的情况下，也能以足够的强度接合贵金属电极头32。
此外，表观熔融层厚度被控制到200μm以下的较小厚度，从而可以确实地防止熔融层29附着到接地电极27的附着性劣化，并且可以确实地使贵金属电极头32不仅接合到熔融层29而且还接合到接地电极27。由此，可以以更高的接合强度接合贵金属电极头32，并且有效地防止剥离。
[第二实施方式]
参照图9，下面将说明本发明的第二实施方式，将重点说明第一实施方式和第二实施方式之间的差异。
在第二实施方式中，使用由含有Ni作为主要成分且含有预定量(例如，10质量％以上)的铬(Cr)的Ni基合金(例如，Cr含量为大约22质量％的商标名为Inconel 601)制成的接地电极27A。
此外，在金属壳3的表面上和接地电极27A的除了接地极27A的中心电极5侧的侧面的末端部之外的部位的表面上形成Ni镀层28。还在Ni镀层28上形成铬酸盐膜层30。这里，可以如下地形成Ni镀层28和铬酸盐膜层30。Ni镀膜作为Ni基镀膜被施加到金属壳3和接地电极27的整个表面。然后，在金属壳3和接地电极27A的整个表面上进行铬酸盐处理，以形成铬酸盐膜层叠在Ni镀膜上的双覆层。激光束照射接地电极27A的中心电极5侧的侧面的末端部。由此，从接地电极27A的中心电极5侧的侧面的末端部去除双覆层。由此，残存的Ni镀层28和铬膜层30的双覆层形成在接地电极27的表面的给定部位和金属壳3的表面上。
在第二实施方式中，在使用期间，在高温条件下，在Cr从接地电极27A扩散到Ni镀层28之前，Cr从接地电极27A的表面上的铬膜层30扩散到Ni镀层28。由此，可以确实地防止Cr从接地电极27A扩散到Ni镀层28，并且发挥充分改善抗氧化性的效果。
[第三实施方式]
参照图10，下面将说明本发明的第三实施方式，将重点说明第一实施方式和第三实施方式之间的差异。
在第三实施方式中，使用由含有Ni作为主要成分且含有预定量(例如，10质量％以上)的Cr的Ni基合金制成的接地电极27B。
此外，在金属壳3的表面上和接地电极27B的除了接地电极27B的中心电极5侧的侧面的末端部之外的部位的表面上形成Ni镀层28A。这里，可以如下地形成Ni镀层28A。含有Ni作为主要成分且含有3质量％～30质量％的Cr的Ni镀膜被施加到金属壳3和接地电极27B的整个表面。激光束照射接地电极27B的中心电极5侧的侧面的末端部。由此，从接地电极27B的中心电极5侧的侧面的末端部去除Ni镀膜。由此，残存的Ni镀膜构成含有Ni作为主要成分且含有3质量％～30质量％的Cr的Ni镀层28A。
在第三实施方式中，Ni镀层28A的Cr含量为3质量％～30质量％。由此，即使在高温条件下也可以有效地限制Cr从接地电极27B扩散到Ni镀层28，并且由于Cr添加到接地电极27，所以可以发挥充分改善抗氧化性的效果。
为了验证上述实施方式的功能和效果，进行镀层剥离性试验。镀层剥离性试验的具体过程如下。通过将10μm厚度的Ni镀膜施加到接地电极的整个表面并且利用激光束照射形成熔融层而制备棒状接地电极作为样品，棒状接地电极均具有施加到接地电极的整个表面的10μm厚度的Ni镀膜并且利用激光束照射以形成熔融层。调节激光束的输出以改变熔融层的表观厚度。这里，对于每个表观熔融层厚度制备5个样品。每个样品被燃烧器加热且在900℃下保持1分钟，自然冷却到室温，然后弯曲成直角。通过视觉观察检查在样品的弯曲部是否发生Ni镀膜的剥离。当在同样表观熔融层厚度的所有5个样品中均发现Ni镀膜剥离时，镀膜的剥离性评价为“×”；当在同样表观熔融层厚度的5个样品中的至少一个中发现Ni镀膜剥离时，镀膜的剥离性评价为“△”；当在同样表观熔融层厚度的5个样品中的任意一个中均未发现Ni镀膜剥离时，镀膜的剥离性评价为“○”。样品的表观熔融层厚度和评价结构在表1中示出。
表1
  表观熔融层厚度   评价
  3μm   ×
  5μm   ×
  8μm   △
  10μm   ○
  15μm   ○
  20μm   ○
如表1所示，当表观熔融层厚度小于10μm、即小于Ni镀膜的厚度时，在样品中发生Ni镀膜的剥离。认为原因在于，由于激光束的输出较小，通过仅熔融Ni镀膜的Ni成分而不熔融接地电极的Ni合金形成熔融层，从而与接地电极的附着强度不足的Ni镀膜残留在熔融层的以下。
相反，当表观熔融层厚度为10μm以上、即大于或等于Ni镀膜的厚度时，在样品中一点也未发生Ni镀膜的剥离。认为原因在于，由于激光束的输出较高，通过熔融接地电极的Ni合金和Ni镀膜的Ni成分而形成熔融层，从而与接地电极的附着强度不足的Ni镀膜消失；并且所形成的熔融层含有接地电极的Ni合金成分并且与接地电极的附着性良好。
由上述镀层剥离性试验结果已经示出，优选地将激光束等的输出调节成使表观熔融层厚度大于或等于Ni镀膜(Ni镀层)的厚度。
接着，对不同表观熔融层厚度的火花塞样品进行电极头剥离性试验，这里，对于每种表观熔融层厚度制备5个样品。在各样品中，通过电阻焊接将贵金属电极头接合到接地电极。电极头剥离性试验的具体过程如下。样品被安装到直列6缸、排气量2000ccDOHC发动机。发动机遭受1000周期的1分钟怠速运转和1分钟的负荷运转(转速为6000rpm)。在完成1000周期的怠速运转和负荷运转之后，观察样品的截面以确定发展的氧化皮的长度与贵金属电极头和贵金属电极头所接合到的部位之间的界面区域的长度的比(称为“氧化皮发展率”)。在图5中，示出了样品的表观熔融层厚度和氧化皮发展率之间的关系的图。当表观熔融层厚度为0μm时，样品在接地电极的整个表面上形成Ni镀层，没有形成熔融层(即、未进行激光处理)。另一方面，通过在将10μm厚的Ni镀膜施加到接地电极的表面后进行激光处理，使样品形成有熔融层。
如图5所示，当样品的表观熔融层厚度为0μm(样品未经过处理)时，样品的氧化皮发展率超过85％。认为原因在于：Ni镀膜存在于接地电极的表面，从而贵金属电极头的接合区域中的大部分接合到与接地电极不具有足够附着性的Ni镀膜；并且，当样品在该状态下被加热时，出现抗氧化性差的Ni镀膜的快速氧化。
当样品的表观熔融层厚度为250μm以上时，样品的氧化皮发展率好于未处理的样品的氧化皮发展率，但是样品的氧化皮发展率可能超过50％。认为原因在于：熔融层形成为具有较大厚度，从而贵金属电极头仅被接合到熔融层(即，贵金属电极头未被接合到接地电极)，这导致贵金属电极头与接地电极的附着性略微劣化。
相反，当样品的表观熔融层厚度(Ni镀膜的厚度)在10μm～200μm的范围时，样品的氧化皮发展率小于50％，并且获得极好的贵金属电极头的耐剥离性。认为原因在于：由于充分地将Ni镀膜从接地电极的表面去除，同时，熔融层的厚度较薄，因此，贵金属电极头不仅接合到熔融层而且接合到接地电极。
由此，结论是，以如下方式进行激光处理是有效的：将表观熔融层厚度控制成大于或等于Ni镀膜的厚度并且小于或等于200μm，从而防止镀膜在接地电极的弯曲过程中发生剥离，并且在将贵金属电极头接合到接地电极的情况下实现贵金属电极头的良好的耐剥离性。
然后，对具有含Cr接地电极的火花塞样品进行机上燃烧器加热试验(desktop burner heating test)，在其中一个样品中，铬酸盐膜形成在Ni镀层上(样品A)，在另一个样品中，铬酸盐膜未形成在Ni镀层上(样品B)。机上燃烧器加热试验的具体过程如下。利用燃烧器使样品加热2分钟以将接地电极的温度控制到950℃，然后冷却1分钟，进行1000个循环。在完成1000个循环的加热和冷却之后，观察样品的截面，以检查样品的截面处是否发生Ni颗粒的成长。表2中示出了样品的机上燃烧器加热试验的结果。
表2
Figure BPA00001332426300201
如表2所示，在铬酸盐膜未形成在Ni镀层上的样品B的接地电极中发生Ni颗粒的成长，这导致了抗氧化性下降。认为原因在于：在高温条件下发生Cr从接地电极扩散到Ni镀层的情况。
相反，在铬酸盐膜形成在Ni镀层上的样品A的接地电极中未发生Ni颗粒的成长，这导致了高的抗氧化性。认为原因在于：在Cr从接地电极扩散到Ni镀层的之前，发生Cr从接地电极上的铬酸盐膜扩散到Ni镀层；结果更确实地防止了Cr从接地电极扩散到Ni镀层。
此外，制备多个具有含Cr接地电极和Ni镀层的Cr含量不同的火花塞样品。以与上述相同的方式方式对各样品进行机上燃烧器加热试验，并且还进行附着性评价试验。
这里，通过如下方式进行附着性评价试验：在将Ni镀层施加到棒状接地电极之后，弯曲接地电极，然后检查在接地电极的与中心电极相反的一侧的Ni镀层是否发生剥离。当在样品中未发生Ni镀层的剥离时，Ni镀层的附着性评价为“○”；当在样品中发生Ni镀层的剥离时，Ni镀层的附着性评价为“×”，这意味着可能发生异常放电。表3中示出机上燃烧器加热试验的结果和附着性评价的结果。
表3
  铬含量(质量％)   附着性   Ni颗粒成长
  0   ○   发生
  2   ○   发生
  3   ○   未发生
  10   ○   未发生
  15   ○   未发生
  20   ○   未发生
  25   ○   未发生
  30   ○   未发生
  35   ×   未发生
如表3所示，在Ni镀层的Cr含量小于3质量％的样品中发生Ni颗粒成长。由此，这些样品的抗氧化性不足。认为原因在于，由于Ni镀层的Cr含量过低，不能充分地防止Cr从接地电极扩散到Ni镀层。
在Ni镀层的Cr含量超过30质量％的样品中防止了Ni颗粒成长的发生。但是，Ni镀层易于剥离。认为原因在于，由于Ni镀层的Cr含量过高，Ni镀层与接地电极的附着性劣化。
相反，在Ni镀层的Cr含量控制在3质量％～30质量％的样品中，同时有效地防止了Ni颗粒成长的发生和Ni镀层的剥离。
基于上述试验结果，结论是：在接地电极中添加Cr的情况中，优选地，在Ni镀层上形成铬酸盐膜并且形成Cr含量为3质量％以上的Ni镀层，从而防止接地电极中Ni颗粒成长的发生。
还得出结论：在Ni镀层中添加Cr的情况中，优选地，将Ni镀层中的Cr含量控制为30质量％以下，从而确保Ni镀层的足够的耐剥离性。
本发明不限于上述实施方式并且可选地实现如下。毋庸赘言，除下列实施例之外的任意应用例和变形例也是可以的。
(a)在上述实施方式中，通过激光处理形成熔融层29，可选地可以通过利用电子束的照射来形成熔融层29。
(b)此外，尽管上述实施方式中未具体说明，但是可以通过真空下的激光处理或者在向工件表面吹送如氮气、氦气或氩气等辅助气体的状态下的激光处理来形成熔融层29。在这种情况下，可以有效地防止熔融层29氧化，以改进耐久性。
(c)在上述实施方式中，Ni镀膜41的厚度被设定为10μm。然而，对Ni镀膜41的厚度没有具体限制，只要Ni镀层28显示足够的耐腐蚀性即可。在改变Ni镀膜41的厚度的情况下，需要以如下方式适当地调节激光束的输出等：使表观熔融层厚度大于或等于Ni镀层28的厚度。
(d)尽管在上述实施方式中，贵金属电极头32被布置在接地电极27上，但是如图6的(a)(图6的(a)至图6的(c)均示出了弯曲之前的接地电极)所示，可以省略贵金属电极头32。如图6的(b)所示，尽管在上述实施方式中，通过电阻焊接来接合贵金属电极头32，但是可以替换电阻焊接通过激光焊接或电阻焊接和激光焊接的组合经由熔融接合部43将贵金属电极头42接合到接地电极27。
此外，尽管在上述实施方式中贵金属电极头32被直接接合到接地电极27，然而如图6的(c)所示，贵金属电极头45可以经由缓和层电极头(relief tip)44间接地接合到接地电极27。为了缓和接地电极27和缓和层电极头44之间的接合部以及贵金属电极头45和缓和层电极头44之间的接合部的热膨胀的差异所引起的应力，缓和层电极头44优选由线性膨胀系数在接地电极27的Ni合金的线性膨胀系数和贵金属电极头45的贵金属合金的线性膨胀系数之间的金属材料制成。通过形成金属材料的线性膨胀系数在接地电极27的Ni合金的线性膨胀系数和贵金属电极头45的贵金属合金的线性膨胀系数之间的缓和层电极头44，可以进一步改进贵金属电极头45的耐剥离性。
(e)在上述实施方式中，在接地电极27的面对中心电极5的侧面上进行激光处理。可选地，如图7所示，可行的是通过在激光处理过程中绕接地电极的中心轴线略微地转动接地电极27而在接地电极27的面对中心电极5的侧面以及与该侧面相邻的侧面上进行激光处理。
(f)尽管在上述实施方式中本发明的技术构思所适用的火花塞1具有基端部沿着轴线CL延伸的单个接地电极27，但是对本发明的技术构思所适用的接地电极的数量和形式没有特别地限定。如图8的(a)所示，本发明的技术构思适用于具有相对于轴线CL1倾斜地延伸的接地电极47的火花塞101。此外，如图8的(b)所示，本发明的技术构思还适用于具有朝向轴线CL1弯曲的多个接地电极48的火花塞102。在这种情况下，通过透过金属壳3的激光束或电子束的照射能够较容易地进行激光处理或电子束处理。在火花塞101、102中略微弯曲接地电极47、48以微调火花放电间隙的尺寸时，可以更确实地防止在弯曲接地电极47、48时Ni镀膜的剥离。
(g)尽管在上述实施方式中未具体说明，但是熔融层29的表面可以进行平滑化加工(例如，附加的激光处理)。通过使电场强度易于较高的熔融层29的表面凸凹平滑化，可以有效地防止中心电极5(贵金属电极头31)和熔融层29之间的异常火花放电，以进一步改进点火性能。
(h)尽管在上述实施方式中贵金属电极头31被设置在中心电极5的前端部，但是可以省略该贵金属电极头31。
(i)在上述实施方式中，接地电极27接合到金属壳3的前端面。这些实施方式适用于通过切割金属壳的一部分(或者预先焊接到金属壳的前端金属安装部)来形成接地电极的情况。(例如，参见日本特开2006-236906号公报)。此外，接地电极27可选地可以接合到金属壳3的前端部26的侧面。
(j)在上述实施方式中，工具接合部19的截面为六角形，但是工具接合部19不限于这种形式。例如，工具接合部19的形式可以是Bi-HEX(12点)设计(根据ISO22977：2005(E))等。
(k)在上述实施方式中，内燃机被用作燃烧装置。然而，火花塞1所适用的燃烧装置不限于内燃机。火花塞1可以用于例如燃料改质单元或锅炉的燃烧器中的点火。
附图标记说明
1、101、102：火花塞
2：陶瓷绝缘体(绝缘体)
3：金属壳
4：轴向孔
5：中心电极
27、47、48：接地电极
28：Ni镀层(镀层)
29：熔融层
41：Ni镀膜(镀膜)
CL 1：轴线

Claims (10)

1.一种火花塞，其包括：
棒状的中心电极，其沿所述火花塞的轴线方向延伸；
圆筒状的绝缘体，其具有沿所述轴线方向形成在所述绝缘体中的轴向孔并且所述绝缘体将所述中心电极保持在所述轴向孔中；
圆筒状的金属壳，其布置在所述绝缘体的外周；以及
接地电极，其由镍基合金制成，所述接地电极从所述金属壳的前端部延伸并且所述接地电极在大致中间部分以在所述接地电极的末端部和所述中心电极的前端部之间限定火花放电间隙的方式弯曲，
其中，所述火花塞还包括：
通过用激光束或电子束照射所述接地电极的将弯曲部位的中心电极侧的部位而形成的熔融层，在所述熔融层中：所述接地电极的金属材料与施加到所述接地电极的所述将弯曲部位的至少中心电极侧的部位的镍基镀层的金属材料熔融在一起；以及
位于所述接地电极的除了用激光束或电子束照射的部位之外的部位的镍基镀层。
2.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，镍基镀膜被施加到所述接地电极的末端部的与所述中心电极限定火花放电间隙的部位并且用激光束或电子束照射，使得所述镍基镀膜的金属材料和所述接地电极的金属材料熔融在一起而形成的所述熔融层形成于所述接地电极的末端部的与所述中心电极限定火花放电间隙的部位；所述火花塞还包括接合到所述熔融层的贵金属电极头。
3.根据权利要求1或2所述的火花塞，其特征在于，所述接地电极的镍基合金含有铬；所述镍基镀层含3质量％～30质量％的铬。
4.一种火花塞，其包括：
棒状的中心电极，其沿所述火花塞的轴线方向延伸；
圆筒状的绝缘体，其具有沿所述轴线方向形成在所述绝缘体中的轴向孔并且所述绝缘体将所述中心电极保持在所述轴向孔中；
圆筒状的金属壳，其布置在所述绝缘体的外周；以及
接地电极，其由含有铬的镍基合金制成，所述接地电极从所述金属壳的前端部延伸并且所述接地电极在大致中间部分以在所述接地电极的末端部和所述中心电极的前端部之间限定火花放电间隙的方式弯曲，
其中，所述火花塞还包括：
通过用激光束或电子束照射所述接地电极的将弯曲部位的中心电极侧的部位而形成的熔融层，在所述熔融层中：所述接地电极的金属材料与施加到所述接地电极的所述将弯曲部位的至少中心电极侧的部位的镍基镀膜和铬酸盐膜的双覆层的金属材料熔融在一起；
镍基镀层，其位于所述接地电极的除了用激光束或电子束照射的部位之外的部位；以及
铬酸盐膜层，其位于所述镍基镀层上。
5.根据权利要求4所述的火花塞，其特征在于，所述镍基镀膜和所述铬酸盐膜的所述双覆层被施加到所述接地电极的末端部的与所述中心电极限定火花放电间隙的部位并且被激光束或电子束照射，使得所述双覆层的金属材料和所述接地电极的金属材料熔融在一起而形成的所述熔融层形成于所述接地电极的末端部的与所述中心电极限定火花放电间隙的部位；所述火花塞还包括接合到所述熔融层的贵金属电极头。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的火花塞，其特征在于，所述镀层的表面的最靠近所述熔融层的部位与所述熔融层的与所述镀层的所述表面所在侧相反的一侧的部位之间的沿所述接地电极的厚度方向的最大长度为200μm以下。
7.一种火花塞的制造方法，所述火花塞包括：棒状的中心电极，其沿所述火花塞的轴线方向延伸；圆筒状的绝缘体，其具有沿轴线方向形成在所述绝缘体中的轴向孔并且所述绝缘体将所述中心电极保持在所述轴向孔中；圆筒状的金属壳，其布置在所述绝缘体的外周；接地电极，其由镍基合金制成，所述接地电极从所述金属壳的前端部延伸并且所述接地电极在大致中间部分以在所述接地电极的末端部和所述中心电极的前端部之间限定火花放电间隙的方式弯曲；以及镍基镀层，其形成于所述接地电极和所述金属壳的表面的部分，所述制造方法包括：
镀膜施加步骤，用于对已经接合了所述接地电极的所述金属壳进行镀镍处理，由此将镀膜施加到所述金属壳和所述接地电极的大致整个表面；
熔融层形成步骤，用于形成熔融层，在所述熔融层中，通过激光束或电子束照射所述接地电极的将弯曲部位的至少中心电极侧的部位而将所述接地电极的金属材料与所述镀膜的金属材料熔融在一起；以及
火花放电间隙限定步骤，用于弯曲所述接地电极的所述将弯曲部位，以在所述接地电极的末端部和所述中心电极的前端部之间限定所述火花放电间隙，
其中，在所述熔融层形成步骤中，以如下方式照射激光束或电子束：使所述镀层的表面的最靠近所述熔融层的部位与所述熔融层的与所述镀层的所述表面所在侧相反的一侧的部位之间的沿所述接地电极的厚度方向的最大长度大于或等于所述镀层的厚度。
8.根据权利要求7所述的火花塞的制造方法，其特征在于，所述火花塞还包括贵金属电极头，其以在所述贵金属电极头和所述中心电极之间限定所述火花放电间隙的方式布置在所述接地电极的末端部；在所述熔融层形成步骤中，通过激光束或电子束照射所述接地电极的所述贵金属电极头所接合到的接合部位而形成所述熔融层；所述制造方法还包括在所述接地电极的所述接合部位将所述贵金属电极头接合到所述熔融层。
9.根据权利要求7或8所述的火花塞的制造方法，其特征在于，在所述熔融层形成步骤中，以如下方式照射激光束或电子束：使所述镀层的表面的最靠近所述熔融层的部位与所述熔融层的与所述镀层的所述表面所在侧相反的一侧的部位之间的沿所述接地电极的厚度方向的最大长度为200μm以下。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的火花塞的制造方法，其特征在于，在所述熔融层形成步骤中，在氧气分压为103Pa以下的气氛中进行激光束或电子束照射。
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