CN103125055B - 火花塞的电极及其制造方法、以及火花塞及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明中，将由复合材料构成的中芯通过由镍或以镍为主成分的金属构成的外皮包围而制作中心电极和接地电极的至少一方，该复合材料将铜或以铜为主成分的金属作为母材金属，使具有比母材金属的热传导率更高的热传导率的碳以10～80体积%的比例在母材金属中分散。上述电极中的外皮与中芯的热膨胀系数差小，热传导良好且散热良好，从而得到耐久性优异的火花塞。

Description

火花塞的电极及其制造方法、以及火花塞及其制造方法

技术领域

本发明涉及火花塞的电极及其制造方法、以及火花塞及火花塞的制造方法。

背景技术

内燃机的火花塞的中心电极或接地电极具有伴随内燃机的高性能化在更高温下使用的倾向，但若燃烧所产生的热量积蓄，则电极材料变差，因此需要提高热传导性且散热变好。因此，提案有使用如下的电极：耐腐蚀性优异的镍合金作为外皮，热传导率比镍合金更高的金属作为中芯<例如，专利文献1>。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本国特开平5-343157号公报

发明内容

发明所要解决的课题

铜由于热传导率高因而优选作为中芯材料，但与作为外皮的镍合金的热膨胀系数差大，并且由于热应力，中芯会变形且在外皮与中芯的界面产生间隙。其结果是，电极材料的散热性变差，作为火花塞的寿命变短。为了防止外皮与中芯的界面的间隙，可以减小两者的热膨胀系数差，但外皮的镍合金承担耐腐蚀性，中芯的铜承担高热传导性，因此不希望较大的变更其组成。由于中芯会变形，因此提高中芯的强度也成为解决的手段，例如还考虑由合金化所产生的固溶强化，但合金化与铜单独的情况相比热传导降低，没有较大的改善。

另外，还考虑使陶瓷粉末分散而抑制过热时的粒成长从而提高中芯的强度的方法，但陶瓷与铜相比热传导低，因此导致中芯的热传导率降低，而且由于与陶瓷的接触或磨耗因而切削夹具、切断夹具、成形金属模具等加工用夹具的寿命变短这样的不良情况。

另外，作为中芯材料还考虑使用镍、铁等，这是因为热膨胀系数与镍合金接近，高强度并且比铜便宜，但在热传导率方面比不上Cu。

因此，本发明的目的在于，提供一种电极，在由镍合金的外皮和中芯构成火花塞的电极中，抵抗在外皮和中芯中产生的热应力且抑制变形所产生的间隙，并且热传导率维持良好，而且具有铜以上的散热性。另外，目的在于提供一种具有上述电极、且耐久性优异的火花塞。

用于解决课题的手段

为了达成上述目的，本发明提供下述方案。

(1)一种火花塞的电极，是作为火花塞的中心电极和接地电极的至少一方的电极，上述火花塞的电极的特征在于，

由复合材料构成的中芯的至少一部分通过由镍或以镍为主成分的金属构成的外皮包围，该复合材料将铜或以铜为主成分的金属作为母材金属，使具有比上述母材金属的热传导率更高的热传导率的碳以10～80体积%的比例在上述母材金属中分散。

(2)根据上述(1)记载的火花塞的电极，其特征在于，上述碳的热传导率为450W/m·K以上。

(3)根据上述(1)或(2)记载的火花塞的电极，其特征在于，上述复合材料的热传导率为450W/m·K以上。

(4)根据上述(1)～(3)中任一项记载的火花塞的电极，其特征在于，上述碳是从碳粉末、碳纤维和碳纳米管中选出的至少一种。

(5)根据上述(4)记载的火花塞的电极，其特征在于，上述碳粉末的平均粒径为2μm以上200μm以下。

(6)根据上述(4)记载的火花塞的电极，其特征在于，上述碳纤维的平均纤维长度为2μm以上2000μm以下。

(7)根据上述(4)记载的火花塞的电极，其特征在于，上述碳纳米管的长径部的平均长度为0.1μm以上2000μm以下。

(8)一种火花塞，包括：

绝缘体，具有沿着轴线方向延伸的轴孔；

中心电极，保持于上述轴孔；

主体配件，设置于上述绝缘体的外周；以及

接地电极，基端部与上述主体配件接合，在自身的前端部与上述中心电极的前端部之间形成间隙，上述火花塞的特征在于，

上述中心电极和上述接地电极的至少一方为上述(1)～(7)中任一项所述的电极。

(9)一种火花塞的制造方法，该火花塞包括：

绝缘体，具有沿着轴线方向延伸的轴孔；

中心电极，保持于上述轴孔的上述轴线方向前端侧；

主体配件，设置于上述绝缘体的外周；以及

接地电极，基端部与上述主体配件接合，在该接地电极的前端部与上述中心电极的前端部之间形成间隙，上述火花塞的制造方法的特征在于，

在制造上述中心电极或上述接地电极的至少一方的工序中，将由铜或以铜为主成分的金属构成的母材金属、和具有比上述母材金属的热传导率更高的热传导率的碳以上述碳为10～80体积%的比例的方式混合并压粉或烧结而成形中芯，在由镍或以镍为主成分的金属构成的杯体的凹部中容纳上述中芯后，通过冷加工制造上述中心电极或上述接地电极。

(10)一种火花塞的制造方法，该火花塞包括：

绝缘体，具有沿着轴线方向延伸的轴孔；

中心电极，保持于上述轴孔的上述轴线方向前端侧；

主体配件，设置于上述绝缘体的外周；以及

接地电极，基端部与上述主体配件接合，在该接地电极的前端部与上述中心电极的前端部之间形成间隙，上述火花塞的制造方法的特征在于，

在制造上述中心电极或上述接地电极的至少一方的工序中，将由铜或以铜为主成分的金属构成的母材金属的溶融物浸入具有比上述母材金属的热传导率更高的热传导率的碳的临时烧结体中，以使上述碳为10～80体积%的比例，从而成形中芯，在由镍或以镍为主成分的金属构成的杯体的凹部中容纳上述中芯后，通过冷加工制造上述中心电极或上述接地电极。

(11)一种火花塞的电极的制造方法，是制造火花塞的中心电极和接地电极的至少一方的方法，上述火花塞的电极的制造方法的特征在于，

将由铜或以铜为主成分的金属构成的母材金属、和具有比上述母材金属的热传导率更高的热传导率的碳以上述碳为10～80体积%的比例的方式混合并压粉或烧结而成形中芯，在由镍或以镍为主成分的金属构成的杯体的凹部中容纳上述中芯后，冷加工成预定形状。

(12)一种火花塞的电极的制造方法，是制造火花塞的中心电极和接地电极的至少一方的方法，上述火花塞的电极的制造方法的特征在于，

将由铜或以铜为主成分的金属构成的母材金属的溶融物浸入具有比上述母材金属的热传导率更高的热传导率的碳的临时烧结体中，以使上述碳为10～80体积%的比例，从而成形中芯，在由镍或以镍为主成分的金属构成的杯体的凹部中容纳上述中芯后，冷加工成预定形状。

发明效果

本发明的火花塞的电极中的镍合金的外皮与中芯的热膨胀系数差小，能够防止在外皮与中芯的界面产生间隙。并且，作为中芯材料，使用使具备与铜相比高出几倍的热传导率的碳分散的复合材料，因此散热良好且耐久性优异。而且，加工性良好，对加工用夹具的负担也减少。

另外，本发明的火花塞成为电极的散热良好、耐久性优异的火花塞。

附图说明

[图1]表示火花塞的一例的剖视图。

[图2]图2(a)和图2(b)是表示制造中心电极时的工件的制造工序的图。

[图3]图3(a)～图3(c)是表示制造中心电极时的工件的挤压工序的半剖视图。

[图4]以与轴线正交的剖面表示接地电极的其他例的示意图。

具体实施方式

以下，关于本发明，示例中心电极的制造方法并进行说明。

图1是表示火花塞的一例的剖视图。如图所示，火花塞1由绝缘体2和主体配件9构成，该绝缘体2保持在轴孔3的前端侧具有凸缘部的中心电极4，在轴孔3的后端，电阻体8与端子电极6一起夹着导电性玻璃密封材料7而封入并保持在该轴孔3内，该主体配件9将该绝缘体2经由填充物13固定保持于台阶部12，并且在螺纹部10的前端将接地电极11配置在与保持于绝缘体2的中心电极4的前端相对的位置。

本发明中，中心电极4构成为通过由镍合金构成的外皮15包围在母材金属中分散有碳的中芯14。

对于外皮材料的镍合金没有限制，可以是Inconel(スペシャルメタルズ公司(Special Metals Corporation)的注册商标名；以下同样)系，也可以是高Ni系(Ni≥96%)的材料。

中芯材料是在作为母材金属的热传导率优异的铜或以铜为主成分(即，含有最多)的金属中使碳分散的复合材料。作为与铜合金化的金属成分列举铬、锆、硅等。

碳的热传导率越高越优选，更优选450W/m·K^-1以上，进一步优选600W/m·K^-1以上，特别优选700W/m·K^-1以上。具体而言，优选碳粉末、碳纤维或碳纳米管，其中，碳纳米管的热传导率在室温下为3000～5500W·m^-1·K^-1，与铜的390W·m^-1·K^-1相比非常高，因此优选。另外，碳的热膨胀系数例如是较低的1.5～2×10^-6/K，能够降低作为中芯整体的热膨胀系数而减小与作为外皮材料的镍合金的热膨胀系数差。

另外，若考虑碳的分散性或加工性，则碳纳米管中的长径部的平均长度为0.1μm以上2000μm以下，特别优选2μm以上300μm以下，碳粉末中的平均粒径为2μm以上200μm以下，特别优选7μm以上50μm以下，碳纤维中的平均纤维长度为2μm以上2000μm以下，特别优选2μm以上300μm以下。不论上述哪一种，若小于下限，则复合材料的母材金属与碳的界面面积增加，分割复合材料而延展性降低，或者难以得到强度上升效果，结果是，加工成电极后在内部产生空孔。碳纳米管的下限值小于粒和纤维的理由是：碳纳米管由于呈管形状因而与复合材料母材金属的密合强度变高(锚固效应)，难以产生空孔。另外，若大于上限，则复合材料中的理论密度变小，具有加工成电极后在内部残存空孔的倾向，若该空孔进一步变多则加工性变差。

复合材料中的碳含量为10体积%以上80体积%以下，考虑与作为外皮材料的镍合金的热膨胀系数差或热传导率，根据母材金属和碳的种类而适当选择。此外，复合材料的热传导率越高越优选，更优选450W/m·K以上，特别优选500W/m·K以上。

此外，热传导率和复合材料的碳含量可按照下述方法求出。

(1)热传导率

使用包括能够测定微小区域的热反射（Thermoreflectance）法和周期加热法的热物性显微镜（Bethel公司制的ＴＭ）来测定。

(2)碳含量

测量复合体的体积和重量，浸渍于硫酸等酸性溶液而仅溶解出母材金属(例如铜)。残留的残渣是碳，根据其重量算出母材金属的重量。根据该母材金属的重量和密度(例如铜是8.93g/cm³)算出母材金属的体积，根据与原本的复合材料的体积的比算出碳含量。在此，在金属母材是合金的情况下，也可以对其组成进行定量分析，另外制作该组成的合金(例如，电弧溶解)，然后使用所测定的密度。

为了制作复合材料，可以例如将母材金属的粉末和碳按照上述比率进行干式混合、压粉或烧结。作为压粉条件，100MPa以上的压力是适合的。另外，作为烧结条件，需要在母材金属的熔点以下进行，常压的情况下，该母材熔点的90%为指标。此外，只要在烧结时进行加压(HIP：例如1000气压900℃或热压力)，就能较低地设定烧结温度。

或者，也可以制作碳的临时烧结体，将临时烧结体浸渍于母材金属的溶融物而使母材金属浸入到临时烧结体。

为了制造中心电极4，首先，如图2(a)所示，在成为外皮15的由镍合金构成的杯体15a的孔部16中容纳成为中芯14的由复合材料构成的筒体14a。此外，杯体15a的孔部16的孔底17可以如图所示以预定的顶角θ扩展成扇状，也可以形成为平坦。并且，筒体14a容纳于杯体15a，从上部按压筒体14a，从而如图2(b)所示形成杯体15a和筒体14a一体化的工件20。

接下来，如图3(a)所示，将工件20插入到冲模30的插入部31，使用冲头32从上部按压并挤压，形成预定尺寸的小径部21。并且，如图3(b)所示，切断后端部22之后，对残留的小径部21进一步进行挤压成形，最终如图3(c)所示，在前端侧具有直径小于小径部21的细径部23，在后端以与绝缘体2的轴孔3的台阶部12卡定的方式形成有突出成凸缘状的卡定部41，从而制作中心电极4。该中心电极4具有镍合金构成的外皮15和复合材料构成的中芯14。另外，该挤压成形能够以低温进行。

通过上述挤压成形，图2(b)所示的工件20沿着轴线方向延伸，与之相伴筒体14a也延伸。因此，形成筒体14a的复合材料也在最初的状态即母材金属粉末与碳的压粉体或烧结体、或者使母材金属浸入碳的烧结体的状态下，连接的碳彼此分离而分散到母材金属中。

上述以中心电极4为例进行了说明，但接地电极11也可以构成为以同样的镍合金作为外皮15，以复合材料作为中芯14，在该情况下，将在镍合金构成的杯体15a中容纳复合材料构成的筒体14a的工件20挤压成棒状，以与中心电极4的前端相对的方式弯曲即可。

另外，如图4中与轴线正交的剖视图所示，接地电极11也可以是在复合材料构成的中芯14和镍合金构成的外皮15的两层构造上进一步在轴线的中心配置由纯Ni构成的中心材18而成的三层构造。纯Ni起到防止接地电极11变形的作用，且防止火花塞制造工序时的接地电极的弯曲、发动机装配后的接地电极突起。为了成为上述三层构造，在图2(b)所示的工件20中，以纯Ni为轴心，制作在其周围配置复合材料的筒体，将该筒体容纳于杯体15a的孔部16即可。

实施例

以下，列举实施例和比较例进一步说明本发明，但本发明并不受此限制。

(试验1)

如表1所示，准备热传导率不同的碳，改变调配量而调配于铜，从而制作复合材料。关于各复合材料，按照上述(1)热传导率和(2)复合材料的碳含量的各测定方法，测定各自的值。另外，为了参考，使用未分散碳的Inconel601(INC601)。结果一并记载到表1中。

另外，如图2(a)和图2(b)所示，在由镍合金构成的杯体中容纳各复合材料而制作工件，挤压成形为中心电极和接地电极，该镍合金包括20质量%的铬、1.5质量%的铝和15质量%的铁，剩余部分由镍构成。并且，将所制作的中心电极和接地电极沿着其轴线切断，研磨剖切面并使用金属显微镜进行剖面观察，检查在外皮与中芯的边界是否产生间隙、在中芯是否产生空隙。将结果一并记载到表1中，但表中的“空隙大”是指直径100μm以上，“空隙小”是指直径小于100μm，“空隙微小”是指直径50μm以下，“界面间隙微小”是指长度小于100μm，“界面间隙大”是指长度100μm以上。

另外，使用所制作的中心电极和接地电极来制作火花塞试验体，安装到2000cc的发动机。并且，将发动机以5000rpm保持1分钟后、保持1分钟空转作为一个周期，重复该周期250小时而进行冷热周期试验。在试验后，将火花塞从发动机卸下，使用投影机测定中心电极与接地电极的间隔，求出与最初间隔相比的增加量。

另外，关于综合评价，在间隔增加量为80μm以下，并且未产生空隙或界面间隙微小的情况下记为“☆”，在间隔增加量超过80μm且100μm以下，并且未产生空隙或尽管产生但微小的情况下记为“◎”，在间隔增加量为120μm以下，并且空隙或界面间隙微小的情况下记为“〇”，除此之外记为“×”。上述结果一并记载到表1中。

[表1]

如表1所示，通过将碳含量为10体积%以上80体积%以下的复合材料用于中芯，由于电极的散热变好，因而消耗量变少，间隔的增加变少。另外，抑制在中芯产生空隙或在外皮与中芯的界面产生间隙。与之相对，碳含量小于10体积%时，间隔增加，还观察到产生空隙。另外，在碳含量超过80体积%的情况下，复合材料的热传导率变高但在界面产生间隙，特别是若碳含量达到85体积%则向电极的加工是困难的。因此，关于碳含量为85体积%的复合体，不进行间隔测定和剖切面的观察。

(试验2)

如表2所示，准备平均粒径不同的碳粉末或平均纤维长度不同的碳纤维，对于铜以碳含量为40体积%的方式调配而制作复合体。对于各复合材料求出其理论密度，将与实际的密度的比(理论密度比)一并记载到表2中。

另外，与试验1同样地，在由镍合金构成的杯体中容纳各复合材料，加工成中心电极和接地电极。此时，评价制成电极的加工性，结果如表2所示。关于评价，将所制作的中心电极和接地电极沿着其轴线切断，研磨剖切面并使用金属显微镜进行剖面观察，复合材料位置离镍电极(外皮)前端的距离相对于目标4mm，在4.5mm以内的情况下记为“◎”，在5mm以内的情况下记为“〇”，在5.5mm以内的情况下记为“△”，在超过5.5mm的情况下记为“×”。

而且，与试验1同样地使用金属显微镜观察剖切面，检查中芯有无空隙。并且，在表2中，在没有产生空隙的情况下记为“〇”，在产生了空隙的情况下将直径小于30μm设为“微小”，将30～50μm设为“小”，将超过50μm设为“大”。

[表2]

如表2所示，伴随碳尺寸变大而理论密度比变小，加工性也降低，还容易发生较大的空隙。特别是，若碳粉末中的平均粒径超过200μm，碳纤维中的平均纤维长度超过2000μm，则变得显著。

对本发明详细且参照特定的实施方式进行了说明，但只要不脱离本发明的主旨和范围，能够进行各种变更和修正，这对于本领域技术人员而言是自明的。

本申请基于2010年9月24日申请的日本专利申请(特愿2010-213831)，在此作为参照而引入其内容。

产业上的可利用性

根据本发明得到以下火花塞，在中心电极或接地电极中，外皮与中芯的热膨胀系数差小，热传导良好且散热良好，耐久性优异。

标号说明

1火花塞

2绝缘体

3轴孔

4中心电极

6端子电极

7导电性玻璃密封材料

8电阻体

9主体配件

10螺纹部

11接地电极

12台阶部

13填充物

14中心

15外皮

14a筒体

15a杯体

20工件

Claims (12)

1.一种火花塞的电极，是作为火花塞的中心电极和接地电极的至少一方的电极，上述火花塞的电极的特征在于，

由复合材料构成的中芯的至少一部分通过由镍或以镍为主成分的金属构成的外皮包围，该复合材料将铜或以铜为主成分的金属作为母材金属，使具有比上述母材金属的热传导率更高的热传导率的碳以10～80体积%的比例在上述母材金属中分散。

2.根据权利要求1所述的火花塞的电极，其特征在于，

上述碳的热传导率为450W/m·K以上。

3.根据权利要求1或2所述的火花塞的电极，其特征在于，

上述复合材料的热传导率为450W/m·K以上。

4.根据权利要求1或2所述的火花塞的电极，其特征在于，

上述碳是从碳粉末、碳纤维和碳纳米管中选出的至少一种。

5.根据权利要求4所述的火花塞的电极，其特征在于，

上述碳粉末的平均粒径为2μm以上200μm以下。

6.根据权利要求4所述的火花塞的电极，其特征在于，

上述碳纤维的平均纤维长度为2μm以上2000μm以下。

7.根据权利要求4所述的火花塞的电极，其特征在于，

上述碳纳米管的长径部的平均长度为0.1μm以上2000μm以下。

8.一种火花塞，包括：

绝缘体，具有沿着轴线方向延伸的轴孔；

中心电极，保持于上述轴孔；

主体配件，设置于上述绝缘体的外周；以及

接地电极，基端部与上述主体配件接合，在自身的前端部与上述中心电极的前端部之间形成间隙，上述火花塞的特征在于，

上述中心电极和上述接地电极的至少一方为权利要求1至7中任一项所述的电极。

9.一种火花塞的制造方法，该火花塞包括：

绝缘体，具有沿着轴线方向延伸的轴孔；

中心电极，保持于上述轴孔的上述轴线方向前端侧；

主体配件，设置于上述绝缘体的外周；以及

接地电极，基端部与上述主体配件接合，在该接地电极的前端部与上述中心电极的前端部之间形成间隙，上述火花塞的制造方法的特征在于，

在制造上述中心电极或上述接地电极的至少一方的工序中，将由铜或以铜为主成分的金属构成的母材金属、和具有比上述母材金属的热传导率更高的热传导率的碳以上述碳为10～80体积%的比例的方式混合并压粉或烧结而成形中芯，在由镍或以镍为主成分的金属构成的杯体的凹部中容纳上述中芯后，通过冷加工制造上述中心电极或上述接地电极。

10.一种火花塞的制造方法，该火花塞包括：

绝缘体，具有沿着轴线方向延伸的轴孔；

中心电极，保持于上述轴孔的上述轴线方向前端侧；

主体配件，设置于上述绝缘体的外周；以及

接地电极，基端部与上述主体配件接合，在该接地电极的前端部与上述中心电极的前端部之间形成间隙，上述火花塞的制造方法的特征在于，

在制造上述中心电极或上述接地电极的至少一方的工序中，将由铜或以铜为主成分的金属构成的母材金属的溶融物浸入具有比上述母材金属的热传导率更高的热传导率的碳的临时烧结体中，以使上述碳为10～80体积%的比例，从而成形中芯，在由镍或以镍为主成分的金属构成的杯体的凹部中容纳上述中芯后，通过冷加工制造上述中心电极或上述接地电极。

11.一种火花塞的电极的制造方法，是制造火花塞的中心电极和接地电极的至少一方的方法，上述火花塞的电极的制造方法的特征在于，

将由铜或以铜为主成分的金属构成的母材金属、和具有比上述母材金属的热传导率更高的热传导率的碳以上述碳为10～80体积%的比例的方式混合并压粉或烧结而成形中芯，在由镍或以镍为主成分的金属构成的杯体的凹部中容纳上述中芯后，冷加工成预定形状。

12.一种火花塞的电极的制造方法，是制造火花塞的中心电极和接地电极的至少一方的方法，上述火花塞的电极的制造方法的特征在于，

将由铜或以铜为主成分的金属构成的母材金属的溶融物浸入具有比上述母材金属的热传导率更高的热传导率的碳的临时烧结体中，以使上述碳为10～80体积%的比例，从而成形中芯，在由镍或以镍为主成分的金属构成的杯体的凹部中容纳上述中芯后，冷加工成预定形状。

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