CN1417909A

CN1417909A - 火花塞

Info

Publication number: CN1417909A
Application number: CN02148169A
Authority: CN
Inventors: 杉山芳久; 杉浦义孝
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2003-05-14
Anticipated expiration: 2022-10-31
Also published as: EP1309053A3; EP1309053B1; DE60237749D1; JP2003142226A; EP1309053A2; US6798125B2; CN100355168C; US20030085644A1

Abstract

提供一种火花塞，即使利用增加了Cr和Al等耐蚀性改善成分的含量的耐热合金构成接地电极母材时，也能充分确保与其接合的贵金属耐磨部的耐剥离性，并且可以在更严酷的使用环境下长期稳定使用。火花塞(100)的接地电极(4)的至少侧面是由含有Cr：21～25质量％、Al：1～2质量％、Fe：7～20质量％、Ni：58～71质量％的Ni合金组成的电极母材。贵金属耐磨部(32)通过焊接部(W)与电极母材接合。设构成该贵金属耐磨部(32)贵金属的800K时的线膨胀系数为α1，设电极母材的800K时的线膨胀系数为α2，进行调整，使Δα≡α2－α1为4.55×10^－6/K以下。并使贵金属耐磨部(32)的外径为0.6mm以上、1.5mm以下。

Description

火花塞

技术领域

本发明涉及一种内燃机用火花塞。

背景技术

通常在上述的火花塞中，为提高耐火花磨损性，有许多提案是在电极前端焊接以Pt或Ir等为主体的贵金属片，以形成耐磨部。特别是，在火花放电时多被设定为负极性的中心电极的耐磨部，因接受火花的强烈侵袭容易磨损，所以贵金属化的研究得到发展。

另一方面，近年来的内燃机，伴随严格的排气规定要求，在直接喷射式发动机中能看到的贫燃烧化得到发展，另外，为获得最佳燃烧，使火花塞的火花放电间隙，采用比过去更进一步地突出到燃烧室内的结构。其结果，火花塞的电极，特别是位于更靠近燃烧室内侧的接地电极被置于严酷的高温状态下。因此，接地电极的耐热性或耐磨损性的改善也成为重要课题，不仅贵金属点火部件的形成，而且人们开始尝试把电极自身的材料也置换成耐热性更高的金属。例如，过去，作为接地电极的材质，有采用Ni基耐热合金之一的因科内尔合金(Inconel)600(英国因科公司的商标名)的，并研究着进一步提高了高温强度和耐高温氧化性的因科内尔合金601，该合金的Cr及Fe的含量更高，并添加有Al。

但是，关于接地电极的贵金属耐磨部，过去多是通过电阻焊接使贵金属片接合在接地电极上而形成。可是，本发明者等研究发现，把高熔点的贵金属片电阻焊接到因科内尔合金601等更高等级的耐热合金上时，在前述严酷的使用环境下，用电阻焊接很难确保足够的接合强度。具体讲，在火花塞使用过程中遭受激烈的热循环时，会产生贵金属耐磨部从接地电极剥离、不能正常点火的问题。

因科内尔合金601等是增加了Cr和Al等改善耐蚀性成分的含量的耐热合金，本来就有耐氧化性变高，相应地降低焊接性的倾向。因此，关于上述接合强度降低的原因的观点之一，就是以该焊接性降低为起因的熔化不充分造成的。但是，根据本发明者等的研究发现，其本质原因并不是该熔化不充分。

本发明提供的火花塞，即使是利用增加了Cr和Al等改善耐蚀性成分的含量的耐热合金构成接地电极时，也能充分确保与其相接合的贵金属耐磨部的耐剥离性，甚至在更严酷的使用环境下也能长期稳定使用。

发明内容

本发明涉及的火花塞，是通过使固定在接地电极面上的贵金属耐磨部和中心电极的前端面对置，形成火花放电间隙的火花塞，其特征在于，

包含接地电极的至少侧面的部分，由含有Cr：21～25质量％、Al：1～2质量％、Fe：7～20质量％、Ni：58～71质量％的Ni合金构成；

贵金属耐磨部通过焊接部与接地电极的侧面接合；同时

把构成贵金属耐磨部的贵金属的800K时的线膨胀系数设为α1，把构成含有接地电极的上述侧面的部分的Ni合金的800K时的线膨胀系数设为α2，将Δα≡α2-α1调整为4.55×10^-6/K以下；

并且，使该贵金属耐磨部外径为0.6mm以上、1.5mm以下，该外径被定义为与在和中心电极的中心轴线垂直的平面上的、贵金属耐磨部的正投影图形具有相同面积的圆的直径。

上述结构中，特别是当火花塞使用时形成处于高温的接地电极面部分的材料(以下称电极母材)，是由比过去使用的因科内尔合金601等具有更优良的高温强度及耐氧化性的上述组成的Ni合金构成。结果，增强了更高温环境下的耐久性，不易产生腐蚀和破损等问题。

另一方面，在这种组成的电极母材上接合形成贵金属耐磨部时，本发明者等详细研究了影响其耐剥离性的主要原因，发现电极母材的焊接性降低的原因不是熔化不充分等，真正的原因是构成耐磨部的贵金属和电极母材的线膨胀系数不一致。进一步研究发现，如上所述，把构成贵金属耐磨部的贵金属的800K时的线膨胀系数设为α1，把电极母材的800K时的线膨胀系数设为α2，通过将Δα≡α2-α1调整为4.55×10^-6/K以下，可以大幅度提高接地电极的贵金属耐磨部的耐剥离性。

但是，象前述的贫燃或直接喷射式发动机等高速或高负荷运转时等，在接地电极的可达温度变得更高的使用环境下，只靠类似上述的线膨胀系数差Δα的调整，要充分确保贵金属耐磨部的耐剥离性还有困难。因此，通过把根据前述定义的接地电极的贵金属耐磨部的外径调整到0.6mm以上、1.5mm以下，可以进一步提高耐剥离性，即使在上述严酷的使用环境下，也能充分确保贵金属耐磨部的耐久性。

关于构成电极母材的Ni合金的组成，是Cr含量为21～25质量％。Cr含量不足21质量％时，所期望的耐高温氧化性和高温强度的确保有困难。另外，超过25质量％时，因材料的延展性降低，除降低耐冲击强度外，还会恶化加工性，使制造成本上升。

另外，Fe含量是7～20质量％。Fe含量不足7质量％时，所期望的高温强度的确保有困难。另外，超过20质量％时，因材料的延展性降低，除降低耐冲击强度外，还会恶化加工性，使制造成本上升。

此外，Al含量是1～2质量％。Al含量不足1质量％时，所期望的耐高温氧化性的确保有困难。另外，超过2质量％时，由于Ni₃Al等金属间化合物的形成，使材料的延展性降低，除降低耐冲击强度外，还会恶化加工性，使制造成本上升。

Ni是构成上述各副成分以外的余量的主要元素，其含量不足58质量％时，所期望的耐高温氧化性的确保有困难。另一方面，考虑到各副成分元素的下限值，Ni的含量不可能超过71质量％。

作为具有上述组成的Ni合金，可以用因科内尔合金601来示例。其标准组成是Ni：60.5质量％、Cr：23质量％、Al：1.5质量％、Fe：14.1质量％、Mn：0.5质量％、Si：0.2质量％、C：0.05质量％。

另外，如果Δα超过5.7×10^-6/K，在被施加激烈的热循环时，就不能充分确保贵金属耐磨部的耐剥离性。具有上述合金组成范围的电极母材的800K时的线膨胀系数α2，大致上能被控制在15.2～15.4×10^-6/K的范围内(例如，因科内尔合金601时为15.3×10^-6/K)。另一方面，贵金属耐磨部的800K时的线膨胀系数α1，比电极母材的线膨胀系数α2小，其值因贵金属组成有大的变动。因此，考虑到选定的电极母材(Ni合金)的α2值，来选定所使用的贵金属的组成，以便使具有尽量和α2接近的线膨胀系数α1。

贵金属耐磨部以贵金属为主要成分比较好(即，贵金属的含量在50质量％以上)，一般被称为贵金属的金属元素中，如果是较高熔点的元素(Pt、Ir、Rh、Ru等)，以任何一个作主要成分都可。另外，Δα为零也是允许的，但是考虑以能充分确保耐磨性的贵金属组成为前提时，把Δα控制在0.8×10^-6/K以下事实上是有困难的。

从使α2接近α1和确保耐磨性并存的观点看，贵金属耐磨部的主要成分优选Pt。Pt的800K时的线膨胀系数是10.3×10^-6/K。贵金属耐磨部的构成主体是Pt时，为进一步提高高温耐磨性，也可以采用含有Pd或Ru的Pt-Pd-Ru合金。此时，Ru的含量越小α1就越小(即，Δα越大)，需要在Δα不超过4.55×10^-6/K的范围中选定Ru的含量。另外，对于使α2接近α1的观点，采用在Pt中添加了显著增加线膨胀系数的Ni的Pt-Ni合金也很有效(例如，Pt-20质量％Ni)。

接地电极的贵金属耐磨部的外径，如前所述，需要在0.6mm以上、1.5mm以下。贵金属耐磨部的外径超过1.5mm时，所期望的耐剥离性的确保就有困难。这是因为电极母材和贵金属耐磨部的接合面积增加的结果，使得因升温/冷却时的热膨胀/收缩而产生的沿接合界面的两者的变位差增大，因此容易产生剥离。所以，通过把贵金属耐磨部的前述外径控制在1.5mm以下，可进一步提高耐剥离性，即使在上述严酷的使用环境下，也能充分确保贵金属耐磨部的耐久性。另一方面，贵金属耐磨部的外径不足0.6mm时，就不能充分确保贵金属耐磨部的寿命。另外，在本说明书中，贵金属耐磨部的外径是按在和中心电极的中心轴线垂直的平面上的、贵金属耐磨部的正投影的外径来定义的。此外，在本说明书中，贵金属耐磨部的上述正投影图形的形状可以是圆形，当然也可以是其他形状，例如正投影图形的形状也可以是角形。

另外，为进一步提高贵金属耐磨部的耐剥离性，优选调整贵金属耐磨部的尺寸，以使S/T为0.7以上、4.5以下，其中T为贵金属耐磨部的厚度，与中心电极的中心轴线垂直的平面上的贵金属耐磨部的投影面积为S。S/T不足0.7时，贵金属耐磨部的厚度相对过大，结果使得在施加冷热循环时，作用于电极母材和高贵金属耐磨部的接合面上的应力变大，从提高贵金属耐磨部的耐剥离性的观点看，是起着不利的作用。另一方面，S/T超过4.5时，贵金属耐磨部的厚度相对过小，结果使得有时不能充分确保贵金属耐磨部的寿命。

附图说明

图1表示的是本发明的火花塞的一个实施例的正面纵向截面图及主要部分放大图。

图2表示的是图1的火花塞的变形例的主要部分截面图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的几个实施方案。

图1(a)表示的本发明的一个实施例的火花塞100，包括：筒状主体金属部件1；绝缘体2，为了突出前端部21而嵌装在主体金属部件1的内侧；中心电极3，在使形成于前端的中心电极贵金属耐磨部31突出的状态下，设置于绝缘体2的内侧；以及接地电极4等，通过焊接等与主体金属部件1的一端接合，同时另一端侧向弯曲，以使该侧面与中心电极3的前端部(这里是前端面)对置配置。另外，在接地电极4上形成接地电极贵金属耐磨部32，这些中心电极贵金属耐磨部31和接地电极贵金属耐磨部32之间的间隙就形成火花塞放电间隙g 。

绝缘体2，例如是由氧化铝或氮化铝等陶瓷烧结体构成，在其内部沿着自身的轴方向有孔6，用以嵌装中心电极3。另外，主体金属部件1是利用低碳钢等金属形成圆筒状，构成火花塞100的外壳，同时在其外周面上形成有螺纹部7，以便把火花塞100安装到未图示的发动机组上。

中心电极3和接地电极4中形成至少表层部分的电极母材部分是由Ni合金构成的。其中，中心电极3的电极母材是由因科内尔合金600等Ni合金构成，接地电极4的电极母材是由在权利要求范围中所记述组成的Ni合金(例如，因科内尔合金601)构成。

如图1(a)所示，中心电极3的前端部3a被减径成锥状，同时其前端面是平坦的，在此处叠合中心电极贵金属耐磨部31的圆板状片，该片的组成被调整为可以获得权利要求范围所记述的合金组成，进一步沿其接合面外周通过激光焊接、电子束焊接、电阻焊接等形成焊接部B以把其固定，这样就形成了中心电极贵金属耐磨部31。

另一方面，接地电极贵金属耐磨部32，通过把用于形成该金属耐磨部32的圆板状贵金属片叠合在接地电极4的电极母材侧面上并继续加压，使这些重叠部分夹持在电极间进行通电加热，如图1(b)所示，使该贵金属片以被咬合到电极母材上的形式进行接合。在贵金属片和电极母材之间形成已扩散及合金化的焊接部W，这就形成了接地电极贵金属耐磨部32。另外，接地电极贵金属耐磨部32，意味着除焊接部W区域(即，受到扩散及合金化影响的部分区域)外的贵金属构成部分(所以，接地电极贵金属耐磨部32的厚度T是除去了该焊接部W区域以外的厚度)。

接地电极贵金属耐磨部32(或用于形成它的贵金属片)，例如由Pt-Pd-Ru合金构成，对其组成进行调整，以使和电极母材间的前述线膨胀系数差Δα(800K)在4.55×10^-6/K以下。另外，前面定义的其外径d被调整为0.6mm以上、1.5mm以下。这样，通过该贵金属片形成的接地电极贵金属耐磨部32的从电极母材剥离下来的耐剥离性就得到了大幅度的改善。此外，从提高耐剥离性的观点看，接地电极贵金属耐磨部32的厚度T，与在和中心电极的中心轴线垂直的平面上的投影面积S的比S/T最好控制在0.7以上、4.5以下。

另外，接地电极贵金属耐磨部32，从提高耐剥离性的观点看，如图1(b)所示，最好是以部分咬合到电极母材中的形式形成。此时，电极母材最好是用比贵金属片软的软质Ni合金构成，以便使贵金属片一边咬合到电极母材中，一边进行电阻焊接的作业容易。

本发明中，意图通过在接地电极4的电极母材所使用的前述Ni合金的表面上形成钝态保护膜提高耐氧化性。此外，通过增加Cr的量和添加实质量的Al，使所形成的钝态保护膜更加坚固、稳定，其结果将有助于进一步提高高温耐氧化性，从而提高电极的耐久性。另外，由于可以增加接地电极4的长度，所以和贵金属耐磨部32的耐剥离性的提高效果相辅相成，使过去在燃烧室中央的附近位置进行火花放电的想法变得可行，还能够实现稳定燃烧。

过去，通过在接地电极4的内部埋设由Cu等导热性比Ni优良的金属构成的放热促进部件，以改善电极的放热，在燃烧室内的温度上升时，也能使电极保持低温以确保耐久性。但是，作为电极母材，通过采用上述Ni合金，即使电极温度多少有所上升时，也能确保足够的强度和耐氧化性，所以没必要再埋设放热促进部。结果，有助于降低火花塞的制造成本。另一方面，如图2所示，用上述Ni合金构成电极母材时，也可以在接地电极4的内部埋设放热促进部4k。这样，可以获得能够适应更加严酷的环境的火花塞。

为确认本发明的效果，进行了以下实验。(实施例1)

按照以下方法制作了用于形成接地电极的贵金属耐磨部的贵金属片。首先，通过对规定量的Pt混合、溶解10质量％的Pd及0～20质量％范围的Ru，制作了具有各种组成的Pt-Pd-Ru合金及Pt-Pd合金锭。把该合金在1500℃下进行热锻，然后在1300℃下进行热轧及热型锻，进一步在1200℃下进行热拉丝，即获得直径为0.5～1.6mm的合金线材。通过把其纵向切断，就得到直径为0.5～1.6mm、厚度为0.4mm的圆板状片。用这些片，再电阻焊接到因科内尔合金601制接地电极母材的侧面(宽2.7mm)上，即完成了图1(b)所示方式的接地电极的接合构造。电阻焊接的条件是通电电流值900A、加压负荷2.45MPa。

为测定各种组成的合金及因科内尔合金601的800K时的线膨胀系数，另外还制作了宽5mm、长5mm(L0)、高20mm(以上是273K时的值)的试验片。使用公知的膨胀计，测定纵向的尺寸L的温度变化，同时设773K～873K时的尺寸变化量为ΔL，设把其用温度宽度ΔT除后的值为dL/dT，计算出

α≡(1/L0)·dL/dT的值作为800K时的线膨胀系数。结果，因科内尔合金601的线膨胀系数α1是15.3×10^-6/K。另外，关于各种合金的线膨胀系数α2，以Δα(＝α1-α2)的形式用表1表示。

关于中心电极3的制作是，把按照和接地电极片相同的制作方法，制得的组成是Ir-5质量％的Pt、具有尺寸为直径0.6mm厚0.8mm的贵金属片，利用全外周激光焊接接合到因科内尔合金600制的中心电极母材的前端面。然后，使用这些接地电极和中心电极，作成图1所示方式的火花塞试验品，评价接地电极贵金属耐磨部的耐剥离性。

耐剥离性的评价方法如下。首先，用煤气燃烧器把火花塞的火花放电间隙的前端部1000℃加热在2分钟后，重复风冷1分钟的循环1000次。然后，以接地电极的贵金属耐磨部的中心轴线通过的面为基准，把试验品切断、研磨，用显微镜进行放大观察，同时通过观察视野测定贵金属耐磨部和电极母材界面间的龟裂长度，计算出用界面全长除后的值作为剥离发展率。把该剥离发展率超过50％的评价为差(×)，50％以下的评价为良好(○)。

表1表示的把贵金属耐磨部的直径固定为0.9mm、厚度T固定为0.4mm，对材质进行各种变化时的耐剥离性的评价结果和Δα的测定结果。另外，表2是把贵金属耐磨部的材质固定为Pt-10质量％Pd-5质量％Ru，厚度T为0.4mm，直径为0.5～1.6mm的不同值时的耐剥离性评价结果，和前述的S/T的值的结果。

表1

	耐剥离性	800K时的线膨胀系数的差Δα(×10^-6)
	耐剥离性	800K时的线膨胀系数的差Δα(×10^-6)	Pt-10Pd	×	4.58
Pt-10Pd-5Ru	○	4.55	Pt-10Pd	×	4.58
Pt-10Pd-5Ru	○	4.55	Pt-10Pd-10Ru	○	4.52
Pt-10Pd-15Ru	○	4.49	Pt-10Pd-10Ru	○	4.52
Pt-10Pd-15Ru	○	4.49	Pt-10Pd-20Ru	○	4.46

表2

直径d(mm)	厚度T(mm)	S(mm²)	S/T	耐剥离性
直径d(mm)	厚度T(mm)	S(mm²)	S/T	耐剥离性	φ1.6	0.4	2.01	5.03	×
φ1.5	0.4	1.77	4.43	○	φ1.6	0.4	2.01	5.03	×
φ1.5	0.4	1.77	4.43	○	φ1.2	0.4	1.13	2.83	○
φ0.9	0.4	0.64	1.60	○	φ1.2	0.4	1.13	2.83	○
φ0.9	0.4	0.64	1.60	○	φ0.6	0.4	0.28	0.70	○
φ0.5	0.4	0.19	0.48	×	φ0.6	0.4	0.28	0.70	○

从表1的结果看出，Δα在4.55×10^-6/K以下时，耐剥离性良好。另外，从表2的结果看出，贵金属耐磨部直径为0.6～1.5mm、S/T为0.7～4.5时的耐剥离性良好。

Claims

1.一种火花塞，通过使固定在接地电极(4)侧面(4c)上的贵金属耐磨部(32)和中心电极(3)的前端面(31a)对置，形成火花放电间隙(g)的火花塞(100)，其特征在于：

包含前述接地电极(4)的至少侧面(4c)的部分，由含有Cr：21～25质量％、Al：1～2质量％、Fe：7～20质量％、Ni：58～71质量％的Ni合金构成；

前述贵金属耐磨部(32)通过焊接部(W)与前述接地电极(4)的侧面(4c)接合；同时

把构成前述贵金属耐磨部(32)的贵金属的800K时的线膨胀系数设为α1，把构成含有前述接地电极(4)的前述侧面(4c)的部分的前述Ni合金的800K时的线膨胀系数设为α2，进行调整，使Δα≡α2-α1为4.55×10^-6/K以下；

并且，使该贵金属耐磨部(32)外径为0.6mm以上、1.5mm以下，该外径被定义为与在和前述中心电极(3)的中心轴线(O)垂直的平面上的前述贵金属耐磨部(32)的正投影图形具有相同面积的圆的直径。

2.如权利要求1所述的火花塞，其中设前述贵金属耐磨部(32)的厚度为T，设在和前述中心电极(3)的中心轴线(O)垂直的平面上的前述贵金属耐磨部(32)的正投影面积为S，调整前述贵金属耐磨部(32)的尺寸，使S/T为0.7以上、4.5以下。