CN103081263A

CN103081263A - 火花塞及火花塞用的主体金属壳体

Info

Publication number: CN103081263A
Application number: CN2011800392549A
Authority: CN
Inventors: 那须弘哲; 儿玉和宏
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2010-08-11
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2031-04-12
Also published as: EP2605348A4; US8853927B2; KR101368169B1; BR112013002995A2; JP2012038672A; US20130134858A1; KR20130036376A; JP4805400B1; EP2605348A1; WO2012020523A1; BR112013002995B1; EP2605348B1; CN103081263B

Abstract

本发明提供一种耐盐腐蚀性和耐应力腐蚀裂纹性优异的火花塞。该火花塞具有主体金属壳体，该主体金属壳体被包括镍镀层和形成于上述镍镀层之上的铬酸盐层的复合层所覆盖，其特征在于，镍镀层的厚度A为3μm≤A≤15μm，铬酸盐层的厚度B为2nm≤B≤45nm。

Description

火花塞及火花塞用的主体金属壳体

技术领域

本发明涉及一种内燃机用的火花塞。

背景技术

使用于汽油发动机等内燃机的点火的火花塞具有如下构造：在中心电极的外侧设有绝缘体，而且，在该绝缘体的外侧设有主体金属壳体，在主体金属壳体安装有接地电极，在该接地电极与中心电极之间形成火花放电间隙。通常，主体金属壳体由碳钢等铁类材料构成，大多在其表面实施用于防腐的镀敷处理。作为该镀敷处理技术，公知有形成由Ni镀层和铬酸盐层构成的双层构造的镀层的施工技术（专利文献1）。

专利文献1：日本特开2002－184552号公报

在形成双层构造的镀层的技术中，在铆接处理之前进行镀敷处理。铆接处理指的是将装配有中心电极的绝缘体插入到空心圆筒状的主体金属壳体的空洞部分，将主体金属壳体的一部分铆接于内侧（绝缘体侧），从而将主体金属壳体固定于绝缘体的处理。因与该铆接处理相伴的主体金属壳体的变形而具有在镀层上产生裂纹、剥离进而导致耐盐腐蚀性劣化的问题。另外，由于因铆接处理而残留于主体金属壳体的应力、与热铆接时的加热所造成的组织变化相伴的硬度上升，故具有会在主体金属壳体中的硬度较高且存在较大残留应力的部位产生应力腐蚀裂纹的问题。但是，以往的实际情况是，对于耐盐腐蚀性和耐应力腐蚀裂纹性均优异的火花塞并没有进行充分的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐盐腐蚀性和耐应力腐蚀裂纹性优异的火花塞。

本发明是为了解决上述问题的至少一部分而完成的，其能够通过以下的技术方案或应用例得以实现。

[应用例1]一种火花塞，其具有主体金属壳体，该主体金属壳体被包括镍镀层和形成于上述镍镀层之上的铬酸盐层的复合层所覆盖，该火花塞的特征在于，上述镍镀层的厚度A为3μm≤A≤15μm，上述铬酸盐层的厚度B为2nm≤B≤45nm。

[应用例2]根据应用例1所述的火花塞，其特征在于，该火花塞满足20nm≤B≤45nm。

[应用例3]根据应用例2所述的火花塞，其特征在于，该火花塞满足5μm≤A≤15μm。

[应用例4]一种火花塞用的主体金属壳体，该火花塞用的主体金属壳体被包括镍镀层和形成于上述镍镀层之上的铬酸盐层的复合层所覆盖，其特征在于，上述镍镀层的厚度A为3μm≤A≤15μm，上述铬酸盐层的厚度B为2nm≤B≤45nm。

另外，能够通过各种方式来实现本发明，例如，能够通过火花塞、主体金属壳体的制造方法等的技术方案来实现本发明。

在应用例1的火花塞中，由于主体金属壳体中的镍镀层的厚度A不小于3μm，因此能够抑制因在形成镍镀层之前附着于主体金属壳体的表面的油等的清洗不充分所造成的残留而导致产生镀层难以附着的部分（针孔）的情况，因此能够提高耐盐腐蚀性。此外，由于镍镀层的厚度A不大于15μm，因此能够抑制厚度较厚所造成的镍镀层的裂纹，能够提高镀层抗剥离性。因而，能够提高耐盐腐蚀性。另外，由于铬酸盐层的厚度B不在小于2nm这一较小的范围内，因此能够抑制铆接所造成的残留应力所导致的铬酸盐层的破坏。此外，由于铬酸盐层的厚度B不在大于45nm的较大的范围内，因此能够抑制铬酸盐层向主体金属壳体（镍镀层）密合的密合性劣化所导致的在加工时产生裂纹的情况。因而，能够提高耐应力腐蚀裂纹性。综上所述，能够提供一种耐盐腐蚀性和耐应力腐蚀性优异的火花塞。

采用应用例2的结构，能够进一步提高耐腐蚀裂纹性。

采用应用例3的结构，能够进一步提高镀层抗剥离性和耐盐腐蚀性。

在应用例4的主体金属壳体中，由于镍镀层的厚度A不小于3μm，因此能够抑制因在形成镍镀层之前附着于主体金属壳体的表面的油等的清洗不充分所造成的残留而导致产生镀层难以附着的部分（针孔）的情况，因此能够提高耐盐腐蚀性。此外，由于镍镀层的厚度A不大于15μm，因此能够抑制厚度较厚所造成的镍镀层的裂纹，能够提高镀层抗剥离性。因而，能够提高耐盐腐蚀性。另外，由于铬酸盐层的厚度B不在小于2nm的较小的范围内，因此能够抑制铆接所造成的残留应力所导致的铬酸盐层的破坏。此外，由于铬酸盐层的厚度B不在大于45nm的较大的范围内，因此能够抑制铬酸盐层向主体金属壳体（镍镀层）密合的密合性劣化所导致的在加工时产生裂纹的情况。因而，能够提高耐应力腐蚀裂纹性。这样，通过使用应用例4的主体金属壳体，能够提供一种耐盐腐蚀性和耐应力腐蚀性优异的火花塞。

附图说明

图1是示出作为本发明的一实施例的火花塞的构造的主要部分剖视图。

图2是示出将主体金属壳体1铆接固定于绝缘体2的工序的一例的说明图。

图3是示出主体金属壳体的镀敷处理的步骤的流程图。

图4是示出针对在上述处理条件下制成的49个试样S1～S49的镀层抗剥离性、耐盐腐蚀性以及耐应力腐蚀裂纹性的试验结果的说明图。

具体实施方式

A.火花塞的结构：图1是示出作为本发明的一实施例的火花塞的构造的主要部分剖视图。该火花塞100包括：筒状的主体金属壳体1；筒状的绝缘体2，其以顶端部突出的方式嵌入该主体金属壳体1内；中心电极3，其以使顶端部突出的状态设置于绝缘体2的内侧；以及接地电极4，其配置为一端与主体金属壳体1相结合，另一端侧与中心电极3的顶端相对。在接地电极4与中心电极3之间形成有火花放电间隙g。

绝缘体2例如由氧化铝或氮化铝等的陶瓷烧结体构成，且在其内部具有通孔6，该通孔6供中心电极3沿绝缘体2的轴向嵌入。在通孔6的一侧的端部侧插入并固定有端子金属壳体13，在另一侧的端部侧插入并固定有中心电极3。另外，在通孔6内，在端子金属壳体13与中心电极3之间配置有电阻器15。该电阻器15的两端部借助导电性玻璃密封层16、17而分别与中心电极3与端子金属壳体13电连接。

主体金属壳体1由碳钢等金属形成为空心圆筒状，并构成火花塞100的壳体。在主体金属壳体1的外周面形成有螺纹部7，该螺纹部7用于将火花塞100安装于未图示的发动机体。另外，六棱部1e是当将主体金属壳体1安装于发动机体时与扳手、扳子等工具相卡合的工具卡合部，且该六棱部1e具有六棱状的横截面形状。在主体金属壳体1的后方侧（图中的上方）的开口部的内表面与绝缘体2的外表面之间，在绝缘体2的凸缘状的突出部2e的后方侧周缘配置有环状的线密封件62，进而在该线密封件62的后方侧依次配置有滑石等的填充层61和环状的密封件60。在组装时，以朝向主体金属壳体1的方式向前方侧（图中的下侧）压入绝缘体2，并在该状态下以朝向密封件60（进而作为铆接承受部发挥功能的突出部2e）的方式将主体金属壳体1的后端的开口边缘铆接于内侧，从而形成铆接部1d，从而将主体金属壳体1固定于绝缘体2。

在主体金属壳体1的螺纹部7的基端部嵌入有密封垫30。该密封垫30是弯曲加工碳钢等金属板材料而成的环状的部件，通过将螺纹部7旋入汽缸盖侧的螺纹孔内而使该密封垫30以在主体金属壳体1侧的凸缘状的气密部1f与螺纹孔的开口周缘部之间沿轴线方向被压扁的方式变形，进而发挥密封螺纹孔与螺纹部7之间的间隙的作用。

图2是示出将主体金属壳体1铆接固定于绝缘体2的工序的一例的说明图。另外，在图2中，以省略接地电极4的方式描绘。首先，对于图2的（a）所示的主体金属壳体1，如图2的（b）所示，将预先组装有中心电极3和导电性玻璃密封层16、17、电阻器15以及端子金属壳体13的绝缘体2从主体金属壳体后端的插入开口部1p（形成有应作为铆接部1d的铆接预定部200）插入到通孔6内，借助板密封件63使绝缘体2的卡合部2h与主体金属壳体1的卡合部1c形成为相卡合的状态。

然后，如图2的（c）所示，从主体金属壳体1的插入开口部1p侧向内侧配置线密封件62，形成滑石等的填充层61，进而配置线密封件60。然后，利用铆接模具111并借助于线密封件62、填充层61以及线密封件60将铆接预定部200铆接于作为铆接承受部的突出部2e的端面2n，如图2的（d）所示地形成铆接部1d，从而将主体金属壳体1铆接固定于绝缘体2。此时，除了铆接部1d以外，位于六棱部1e与气密部1f之间的槽部1h（图1）也屈从于铆接时的压缩应力而变形。其理由在于，铆接部1d与槽部1h的厚度在主体金属壳体1中最薄，易于变形。另外，也将槽部1h称作“薄壁部”。在图2的（d）的工序之后，通过将接地电极4向中心电极3侧弯曲加工，形成火花放电间隙g，从而完成图1的火花塞100。另外，图2所说明的铆接工序是冷轧铆接，但是也能够利用热铆接。

B.镀敷处理：在制造火花塞100时，在上述铆接工序之前，对主体金属壳体进行镀敷处理。图3是示出主体金属壳体的镀敷处理的步骤的流程图。在步骤T100中，进行冲击镍镀敷处理。该冲击镍镀敷处理是为了清洗由碳钢形成的主体金属壳体的表面并且提高镀层与基底金属间的密合性而进行的。但是，也可以省略冲击镍镀敷处理。作为冲击镍镀敷处理的处理条件，能够利用通常利用的处理条件。具体的优选处理条件的例子如下。

＜冲击镍镀敷处理的处理条件的例子＞：镀浴组成：氯化镍：150g／L～600g／L、35%盐酸：50ml／L～300ml／L、溶剂：去离子水、处理温度（浴温度）：25℃～40℃、阴极电流密度：0.2A／dm²～0.4A／dm²、处理时间：5分～20分钟。

在步骤T110中进行电解镍镀敷处理。作为电解镍镀敷处理，能够利用使用了旋转机筒的机筒式电解镍镀敷处理，另外，也能够利用静止镀层法等其他镀敷处理方法。作为电解镍镀层的处理条件，能够利用通常利用的处理条件。具体的优选的处理条件的例子如下。

＜电解镍镀层的处理条件的例子＞：镀层浴组成：硫酸镍：100g／L～400g／L、氯化镍：20g／L～60g／L、硼酸：20g／L～60g／L、溶剂：去离子水、浴pH：2.0～4.8、处理温度（浴温度）：25℃～60℃、阴极电流密度：0.2A／dm²～0.4A／dm²、处理时间：24分～192分钟。

在步骤T120中，进行电解铬酸盐处理。在电解铬酸盐处理中也能够利用旋转机筒，另外，也能够利用静止镀层法等其他镀敷处理方法。电解铬酸盐处理的优选处理条件的例子如下。

＜电解铬酸盐处理的处理条件的例子＞：处理浴（铬酸盐处理液）组成：重铬酸钠：20g／L～70g／L、溶剂：去离子水、浴pH：2～6、处理温度（浴温度）：20℃～60℃、阴极电流密度：0.01A／dm²～0.50A／dm²（特别优选0.02A／dm²～0.45A／dm²）、处理时间：1分～10分钟。

另外，作为重铬酸盐，除了重铬酸钠以外，也能够利用重铬酸钾。另外，其他的处理条件（重铬酸盐的量、阴极电流密度、处理时间等）也能够与所期望的铬酸盐层膜厚相对应地采用不同于上述的组合。

上述的镀敷处理的结果为，在主体金属壳体的外表面和内表面上形成有镍镀层和铬酸盐层的双层构造的皮膜。另外，也能够进一步在该双层构造的皮膜之上形成其他的保护皮膜。例如，能够形成含有C（矿物油、石墨），且含有从Al、Ni、Zn、Cu中选择的1种以上的成分的防烧接剂的皮膜。通过形成防烧接剂的皮膜，能够抑制发动机头成为高温的情况下的火花塞与发动机头之间的烧接。另外，例如，也能够形成含有C、Ba、Ca以及Na的至少1种的防锈油的膜。于是，在形成了多层构造的保护皮膜之后，铆接工序使主体金属壳体与绝缘体等相固定，从而制造了火花塞。

C.应用例：C1.处理条件：将JISG3539所规定的冷轧压造用碳钢线SWCH17K用作原材料，利用冷轧锻造来制造主体金属壳体1。通过焊接使接地电极4与该主体金属壳体1相接合，在进行了脱脂、水洗之后，在下述的处理条件下进行使用了旋转机筒的镍触击电镀敷处理。＜冲击镍镀敷处理的处理条件＞：镀层浴组成：氯化镍：300g／L、35%盐酸：100ml／L、处理温度（浴温度）：30±5℃、阴极电流密度：0.3A／dm²、处理时间：15分钟。

接着，通过在下述的处理条件下使用旋转机筒进行电解镍镀敷处理而形成镍镀层。另外，该镍镀层中的镍（Ni）的成分比率（质量%）为98%以上。＜电解镍镀层的处理条件＞：镀层浴组成：硫酸镍：250g／L、氯化镍：50g／L、硼酸：40g／L、浴pH：4.0、处理温度（浴温度）：55±5℃、阴极电流密度：0.3A／dm²、处理时间：24分～192分。

在本应用例中，利用镀敷处理时间来控制镍镀层的厚度，准备了镍镀层的厚度不同的7种试样。具体地说，利用以下的7种处理时间准备镍镀层的厚度不同的7种试样。另外，“镍镀层的厚度”指的是，利用上述的镍触击电镀敷处理所获得的镀层的厚度与利用上述的电解镍镀敷处理所获得的镀层的厚度的合计厚度。处理时间：24分、镍镀层厚度：2μm；处理时间：36分、镍镀层厚度：3μm；处理时间：48分钟、镍镀层厚度：4μm；处理时间：60分钟、镍镀层厚度：5μm；处理时间：108分、镍镀层厚度：9μm；处理时间：180分钟、镍镀层厚度：15μm；处理时间：192分钟、镍镀层厚度：16μm。另外，预先通过实验求得了处理时间与镍镀层的厚度间的关系。镍镀层的厚度的测量是在X射线的光束直径：0.2mm、照射时间：10秒的条件下，使用荧光X射线厚度仪来实施的。

接着，通过在下述的处理条件下使用旋转机筒进行电解铬酸盐处理，从而在镍镀层之上形成了铬酸盐层。＜电解铬酸盐处理的处理条件＞：处理浴（铬酸盐处理液）组成：重铬酸钠：40g／L、溶剂：去离子水、处理温度（浴温度）：35±℃、阴极电流密度：0.01A／dm²～0.50A／dm²、处理时间：5分钟。

在本应用例中，利用阴极电流密度来控制铬酸盐层的厚度，准备铬酸盐层的厚度不同的7种试样。具体地说，根据以下7种阴极电流密度准备了铬酸盐层的厚度不同的7种试样。阴极电流密度：0.01A／dm²、铬酸盐膜厚：1nm；阴极电流密度：0.02A／dm²、铬酸盐膜厚：2nm；阴极电流密度：0.10A／dm²、铬酸盐膜厚：10nm；阴极电流密度：0.20A／dm²、铬酸盐膜厚：20nm；阴极电流密度：0.40A／dm²、铬酸盐膜厚：40nm；阴极电流密度：0.45A／dm2、铬酸盐膜厚：45nm；阴极电流密度：0.50A／dm²、铬酸盐膜厚：50nm。另外，预先通过实验求得了阴极电流密度与铬酸盐层的厚度间的关系。如下所述地进行铬酸盐层的厚度的测量。首先，使用聚焦离子光束加工装置（FIB加工装置）从各试样的外表面附近切取小片。然后，通过使用扫描型透过型电子显微镜（STEM）在加速电压200kV下分析该小片，在主体金属壳体的横截面（在图1中，用单点划线表示的垂直于中心轴线的截面）中的外表面附近获得Cr元素的色图图像。然后，根据该色图图像测量铬酸盐层的膜厚。

基于以上的各处理条件，做成了镍镀层的厚度和铬酸盐层的厚度彼此不同的49个（7种×7种）主体金属壳体的试样（S1～S49），并对各试样S1～S49进行了用于评价耐盐腐蚀性、镀层抗剥离性以及耐应力腐蚀裂纹性的试验。

C2.评价试验条件：＜耐盐腐蚀性试验＞作为关于耐盐腐蚀性的评价试验，进行了JIS H8502所规定的中性盐水喷雾试验。在该试验中，在48小时的盐水喷雾试验之后，测量了红锈的产生面积相对于试样的主体金属壳体的表面积的比例。在计算产生面积比例的值时，拍摄试验后的试样的照片，测量该照片中产生了红锈的部分的面积Sa与照片中的主体金属壳体的面积Sb，将该比Sa／Sb作为红锈的产生面积比例进行计算。

＜镀层抗剥离性试验＞作为关于镀层抗剥离性的评价试验，在铬酸盐处理之后，通过铆接工序将各试样的主体金属壳体固定于绝缘体等，之后，观察铆接部1d的镀层状态，判定镀层是否产生有浮起或剥离。

＜耐应力腐蚀裂纹性试验＞作为关于耐应力腐蚀裂纹性的评价试验，实施了以下的加速腐蚀试验。首先，在各试样（主体金属壳体）的槽部1h（图1）打开4个直径大致2mm的孔，之后，通过铆接将各试样（主体金属壳体）固定于绝缘体等。打开孔的理由在于为了使试验用的腐蚀液进入到主体金属壳体的内部。加速腐蚀试验的试验条件如下。

[加速腐蚀试验（耐应力腐蚀裂纹性评价试验）的试验条件]：腐蚀液组成：四水硝酸钙：1036g、硝酸铵：36g、过锰酸钾：12g、纯水：116g、pH：3.5～4.5、处理温度：30℃～40℃，在此，将作为氧化剂的过锰酸钾放入腐蚀液内的理由在于为了加速腐蚀试验。

在该试验条件下，经过10小时后取出试样，从外部使用放大镜观察槽部1h，检查是否在槽部1h产生有裂纹。在未产生有裂纹的情况下，更换腐蚀液，在相同条件下进一步追加10小时的加速腐蚀试验，重复进行该试验，直到累计试验时间达到80小时为止。作为铆接工序的结果，在槽部1h内产生有较大的残留应力。因而，能够利用该加速腐蚀试验来评价槽部1h的耐应力腐蚀裂纹性。

C3.试验结果：图4是示出关于在上述的处理条件下制作而成的49个试样S1～S49的镀层抗剥离性、耐盐腐蚀性以及耐应力腐蚀裂纹性的试验结果的说明图。

如图4所示，在镀层抗剥离性这一点上，在任一铬酸盐层的厚度的试样中均获得了大致相同的结果。具体地说，在任一铬酸盐层的厚度的试样中，只要镍镀层的厚度在2μm～15μm的范围内，就不会产生镀层的浮起和剥离，但是在镍镀层的厚度为16μm的试样（试样S7、S14、S21、S28、S35、S42、S49）中，产生了镀层的浮起或剥离。因而，在镀层抗剥离性的点上，优选镍镀层的厚度在2μm～15μm的范围内。其原因可以推测为，若镍镀层的厚度过大，则即使是较小的应力，也容易使镀层产生裂纹。

在耐盐腐蚀性这一点上，在任一铬酸盐层的厚度的试样中均获得了大致相同的结果。具体地说，在任一铬酸盐层的厚度的试样中，只要镍镀层的厚度在3μm～16μm的范围内，就能够将产生的红锈抑制在10%以内，但是在镍镀层的厚度为2μm的试样（试样S2、S8、S15、S22、S29、S36、S43）中，产生的红锈大于10%。因而，在耐盐腐蚀性这一点上，优选镍镀层的厚度在3μm～16μm的范围内。其原因可以推测为，若镍镀层的厚度过小，则因附着于主体金属壳体的表面的油、污渍等的因清洗不充分而造成的残留而产生有镀层难以附着的部分（针孔），进而导致从该部分生锈、生锈面积扩大。

在耐应力腐蚀裂纹性这一点上，在任一镍镀层的厚度的试样中均获得了大致相同的结果。具体地说，在任一镍镀层的厚度的试样中，只要铬酸盐层的厚度在2nm～45nm的范围内，当累计试验时间为20小时以下时，未在槽部1h产生有裂纹，但是在铬酸盐层的厚度为1nm的试样（试样S1～S7）以及50nm的试样（试样S43～S49）中，当累计试验时间为20小时以下时，在槽部1h产生了裂纹。因而，在耐应力腐蚀裂纹性这一点上，优选铬酸盐层的厚度在2nm～45nm的范围内。特别是，由于当铬酸盐膜的厚度在20nm～45nm的范围（试样S22～S42）内且累计试验时间为80小时以下时未产生有裂纹，因此更加优选该范围。

在铬酸盐层的厚度较小的（1nm）试样中耐应力腐蚀裂纹性较差，其原因可以推测为，由于镀层过薄，因此铬酸盐层易于被残留应力所破坏。另外，在铬酸盐层的厚度较大的（50nm）试样中耐应力腐蚀裂纹性较差，其原因可以推测为，由于铬酸盐层较厚而导致其在主体金属壳体上的密合性劣化，因此容易在铆接等加工时产生裂纹。

综合以上的镀层抗剥离性、耐盐腐蚀性以及耐应力腐蚀裂纹性进行判断，最优选镍镀层的厚度在5μm～15μm的范围内并且铬酸盐层的厚度在20nm～45nm的范围内的试样。在满足该条件的试样S25～S27、S32～S34、S39～S41中，所有试验的评价均为最高。

附图标记说明

1、主体金属壳体；1c、卡合部；1d、铆接部；1e、六棱部；1f、气密部（凸缘部）；1h、槽部（薄壁部）；1p、插入开口部；2、绝缘体；2e、突出部；2h、卡合部；2n、端面；3、中心电极；4、接地电极；6、通孔；7、螺纹部；13、端子金属壳体；15、电阻器；16、17、导电性玻璃密封层；30、密封垫；60、线密封件；61、填充层；62、线密封件；63、板密封件；100、火花塞；111、模具；200、铆接预定部。

Claims

1.一种火花塞，其具有主体金属壳体，该主体金属壳体被包括镍镀层和形成于上述镍镀层之上的铬酸盐层的复合层覆盖，该火花塞的特征在于，

上述镍镀层的厚度A为3μm≤A≤15μm，上述铬酸盐层的厚度B为2nm≤B≤45nm。

2.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，

该火花塞满足20nm≤B≤45nm。

3.根据权利要求2所述的火花塞，其特征在于，

该火花塞满足5μm≤A≤15μm。

4.一种火花塞用的主体金属壳体，该火花塞用的主体金属壳体被包括镍镀层和形成于上述镍镀层之上的铬酸盐层的复合层覆盖，其特征在于，上述镍镀层的厚度A为3μm≤A≤15μm，上述铬酸盐层的厚度B为2nm≤B≤45nm。