JP2003007422A

JP2003007422A - スパークプラグの製造方法及びスパークプラグ

Info

Publication number: JP2003007422A
Application number: JP2001192643A
Authority: JP
Inventors: Satoko Ito; 聡子伊藤; Wataru Matsutani; 渉松谷; Masayuki Segawa; 昌幸瀬川
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2003-01-10
Anticipated expiration: 2021-06-26
Also published as: JP4652621B2

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｗ系金属からなる発火部の耐酸化消耗性と機
械的強度との両立が可能なスパークプラグ及びその製造
方法を提供する。【解決手段】スパークプラグ１００は、発火部３１及
び対向する発火部３２が、Ｗを主成分とするＷ系複合材
料を主体に構成されており、該Ｗ系複合材料は５Ａ族金
属元素（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）又は７Ａ族金属元素（Ｍｎ，
Ｔｃ，Ｒｅ）から選択される１ないし複数の添加金属を
含み、その粒子が所定方向に引き伸ばされた組織を有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スパークプラグの
製造方法及びスパークプラグに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば内燃機関の点火用に用いられるス
パークプラグにおいては、耐火花消耗性向上のために電
極の先端にＰｔを主体とするチップを溶接して発火部を
形成したタイプのものが使用されている。しかしなが
ら、近年は、耐火花消耗性をさらに向上させるために、
Ｐｔに代えてＷ（タングステン）を主成分とするチップ
にて発火部を構成したスパークプラグが、例えば特開昭
５９−２５９４５号、特開昭５９−２５９４９号、特開
平５−５４９５５号、特開平８−１８５９５４号公報等
に各種提案されている。

【０００３】さらに近年では、内燃機関の高出力化によ
り燃焼室内の温度も高くなる傾向にあり、また着火性向
上のために、スパークプラグの発火部を燃焼室内部に突
き出させるタイプのエンジンも多く使用されるようにな
ってきている。また、自動車エンジンのメンテナンスフ
リー化対策の一環として、スパークプラグ無交換による
例えば１６万ｋｍ以上連続走行等、以前の状況からは想
像もつかないような苛酷な要望も出されるようになって
きている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】Ｗ系のチップを使用し
た場合、Ｗの融点が約３３８０℃と高いことから耐火花
消耗性は大幅に改善されるが、Ｗは高温で酸化揮発しや
すい性質を有していることから、長時間の高速走行を繰
返してある温度以上に上昇すると、急激に発火部が酸化
消耗し、火花ギャップ間隔が拡大してしまう欠点があ
る。これを解決するために、例えば上述の特開平５−５
４９５５号、特開平８−１８５９５４号等の各公報に
は、ＷにＲｅやＴａ等の添加金属を添加したＷ系合金を
チップに使用し、発火部の耐酸化消耗性を向上させる方
法が提案されている。

【０００５】ここで、Ｗ系合金を用いたチップの製造方
法としては、従来よりＷ粉末に添加金属粉末を添加した
原料粉末をチップ形状に成形し、その成形体を焼結して
チップ化する方法（粉末焼結法）が一般的であった。し
かし、この粉末焼結法で得られたＷ系複合材料からなる
チップは靭性が低く、機械的強度が不足して割れ等が発
生しやすいという欠点がある。また、粉末焼結法を用い
る場合、加工技術の点からＷに対する添加金属の添加量
は現実では３〜１０ｗｔ％程度しか添加できず、耐酸化
消耗性を十分に向上させることができない場合がある。

【０００６】本発明の課題は、Ｗ系複合材料からなる発
火部の耐酸化消耗性と機械的強度との両立が可能なスパ
ークプラグ及びその製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上記の課
題を解決するために、本発明のスパークプラグの製造方
法は、中心電極と接地電極との間に火花放電ギャップが
形成され、かつ、前記中心電極と接地電極の少なくとも
一方の前記火花放電ギャップに臨む位置に、Ｗ（タング
ステン）を主成分とするＷ系複合材料からなる発火部を
設けたスパークプラグの製造方法であって、前記Ｗ系複
合材料の原料粉末を焼結することにより焼結体を作る焼
結工程と、前記焼結体に、Ｗ系複合材料粒子が所定方向
に延伸するように熱間加工を施して熱間加工素材を得る
熱間加工工程と、前記熱間加工素材をチップ素材として
これを所定形状のチップに加工するチップ化工程と、前
記チップを前記中心電極と前記接地電極との少なくとも
一方に接合して前記発火部とする接合工程と、を含むこ
とを特徴とする。

【０００８】Ｗを主成分とするＷ系複合材料にて発火部
を構成する場合、該Ｗ系複合材料の添加成分として、元
素周期律表の５Ａ族又は７Ａ族に属する金属元素から選
択される１ないし複数のものを用いることが、Ｗの酸化
揮発を抑制する上で有効である。具体的には、例えばそ
れら金属元素の金属粉末を用いることができる。

【０００９】Ｗ系複合材料にて発火部を構成したスパー
クプラグにおいて、該発火部の耐酸化消耗性は、従来、
主としてＲｅ等の適当な合金元素の添加により改善の試
みが主になされてきた。それは確かに有効な手法ではあ
るが、本発明者らは、金属組織の観点から鋭意検討を行
った結果、Ｗ系複合材料からなる発火部の高温での耐酸
化消耗性及び機械的強度が、チップにおける金属結晶粒
子の組織形態の影響を大きく受けるとともに、その組織
をＷ系複合材料の粒子（金属結晶粒子）が所定方向に引
き伸ばされた繊維状とすることで、発火部の耐酸化消耗
性が顕著に改善され、かつ機械的強度も向上することを
見い出し、本発明を完成するに至ったのである。

【００１０】すなわち、上記本発明の製造方法によれ
ば、発火部を形成するためのＷ系複合材料からなるチッ
プ素材を、焼結と熱間加工とを組み合わせて製造するこ
とにより、得られる発火部の耐酸化消耗性を、機械的特
性を損ねることなく向上させることができる。焼結法の
採用は、成分偏析防止に有効であり、耐酸化消耗性の改
善に寄与する。そして、さらに熱間加工によりチップの
組織をＷ系複合材料粒子が所定方向に延伸された繊維状
とすることにより、割れや欠けの発生が著しく減少し、
靭性や強度を始めとする機械的特性をさらに向上させる
ことができる。また、熱間加工に伴う圧縮によりＷ系複
合材料からなる焼結体中の空孔がつぶれて減少するの
で、熱伝導度が向上し、かつ空孔が存在することによる
発火部（チップ）内への酸素の侵入を防げ、耐酸化消耗
性のさらなる向上を図ることができる。さらに、熱間加
工工程を経ることで、従来のように金属粉末の成形品を
焼結してチップ化する場合と比較して金属粒子同士のつ
ながりが密となるため火花消耗性が向上し、また粉末焼
結の際にみられる粒界の不純物の偏析が均一化されるた
め粒界腐食による火花消耗性も向上することにつなが
る。

【００１１】上記Ｗ系複合材料への元素周期律表の５Ａ
族又は７Ａ族に属する金属元素からなる金属粉末の含有
量は、５〜４５ｗｔ％程度、好ましくは１０〜４０ｗｔ
％とするのがよい。該含有量が５ｗｔ％未満の場合、耐
火花消耗性は優れるものの耐酸化性が劣る場合があり、
４５ｗｔ％を超えるとＷの相対量が低くなるため耐火花
消耗性が低下するとともに耐酸化性も劣る場合がある。

【００１２】なお、本明細書でいう「発火部」とは、接
合されたチップのうち、接合による組成変動の影響を受
けていない部分（例えば、接合により接地電極ないし中
心電極の材料と合金化した部分を除く残余の部分）を指
すものとする。また、本発明でいう「加工」とは、被加
工素材となるＷ系複合材料の結晶粒子を所定方向に延伸
できるものであれば特に限定されないが、例えば、鍛
造、圧延及び線引き（伸線）の１種又は２種以上の組合
せにより実施できる。この場合、加工は、加工時の素材
温度が１６５０〜１７５０℃となる熱間加工にて行なう
ことが必要である。加工温度が１６５０℃未満では、Ｗ
系複合材料からなる被加工素材の変形抵抗が大きく、ま
た、粒界割れの発生頻度も高くなって健全な加工が不能
となる。他方、加工温度が１７５０℃を超えると、Ｗ成
分の酸化揮発が激しくなり、加工性も却って低下するこ
とにつながる。また、加工に使用する治具（鍛造パンチ
や圧延ロールあるいは伸線用のダイス）の寿命も早期に
尽きやすく、製造コストの高騰を招きやすくなる。

【００１３】加工済みの素材はチップ素材として、種々
の工程により、発火部として適切な形状のチップとされ
る。具体的な加工方法として、熱間加工工程において、
焼結体を熱間鍛造、熱間圧延及び熱間伸線の少なくとも
いずれかにより線状あるいはロッド状の素材（以下、線
状素材と称する）に加工した後、これを長さ方向に所定
長に切断（例えば、放電加工等による）してチップを得
るようにすれば、チップの製造歩留まりも高く、また、
線状素材の軸線方向（チップあるいは発火部となった場
合は、その軸線に平行な方向）に引き延ばされた扁平な
Ｗ系複合材料粒子からなる組織を得る上でも好都合であ
る。

【００１４】この場合、チップは、Ｗ系複合材料粒子が
チップ厚さ方向に延伸するとともに、チップの厚さ方向
と平行な断面に現われる該Ｗ系複合材料粒子の平均アス
ペクト比が５以上となる繊維状組織を呈するものとして
製造されることが望ましい。該アスペクト比が５以上と
なることで、組織の繊維化による耐酸化消耗性及び機械
的強度の向上を特に顕著に図ることができる。なお、ア
スペクト比を極端に大きくすることは、加工工数の徒な
増大により製造能率の低下とコスト高騰を招くので、例
えば１００程度までの範囲で適宜定めるようにする。な
お、本明細書においてアスペクト比とは、図７に示すよ
うに、定められた断面上の視野にて観察される結晶粒子
の外形線に対し、粒子内部を横切らない平行接線対の組
を各種位置関係にて引いたときに、それら接線対の組に
おける最大間隔Ｒｄmaxと同じく最小間隔Ｒminとの比Ｒ
ｄmax／Ｒｄminとして規定する。

【００１５】別の方法としては、熱間加工は熱間圧延工
程を含み、該熱間圧延工程に基づいて熱間加工素材を板
状素材として形成し、その板状素材から板厚方向がチッ
プ厚さ方向となるように、例えば熱間打抜き加工あるい
は放電加工等によりチップを製造することも可能であ
る。該方法も高能率であり、また、板状素材の板面方向
（チップあるいは発火部となった場合は、その軸線に垂
直な方向）に引き延ばされた扁平なＷ系複合材料粒子か
らなる組織を得る上で好都合である。

【００１６】この場合、チップは、Ｗ系複合材料粒子が
チップ主面方向に延伸するとともに、チップ主面と直交
する断面に現われる該Ｗ系複合材料粒子の平均アスペク
ト比が５以上となる繊維粒子組織を呈するものとして製
造されることが望ましい。該アスペクト比が５以上とな
ることで、組織の扁平化による耐酸化消耗性及び機械的
強度の向上を特に顕著に図ることができる。この場合も
アスペクト比を極端に大きくすることは、加工工数の徒
な増大により製造能率の低下とコスト高騰を招くので、
例えば１００程度までの範囲で適宜定めるようにする。

【００１７】次に、本発明のスパークプラグは、上記製
造方法により製造可能なもので、中心電極と接地電極と
の間に火花放電ギャップが形成され、かつ、前記中心電
極と接地電極の少なくとも一方の前記火花放電ギャップ
に臨む位置に、Ｗを主成分とするＷ系複合材料からなる
発火部を設けたスパークプラグであって、前記発火部を
なす前記Ｗ系複合材料の粒子が、所定方向に引き伸ばさ
れた組織を有することを特徴とする。これによれば、発
火部をなすＷ系複合材料の粒子（金属結晶粒子）を所定
方向に引き伸ばされた組織となすことで、耐酸化消耗性
の向上とともに、発火部の靭性や強度といった機械的性
質が改善され、割れや欠け等の不良発生が著しく減少す
る。さらには、Ｗ系複合材料粒子の引き伸ばし組織とす
る加工が加えられていることによりＷ系複合材料からな
る発火部中の空孔（焼結法採用時による）が減少して熱
伝導度が向上し、空孔が存在することによる発火部（チ
ップ）内への酸素の侵入を防ぐことができるから、耐酸
化消耗性のさらなる向上を図ることができる。なお、Ｗ
系複合材料粒子には、元素周期律表の５Ａ族又は７Ａ族
に属する金属元素から選択される１ないし複数のものが
含有されているものとすることができる。この場合、Ｗ
の酸化揮発をさらに抑制することが可能となる。

【００１８】また、前記発火部をなす前記Ｗ系複合材料
は、前記火花放電ギャップに面する表面を発火面とし、
該発火面と直交する向きを発火部高さ方向として、Ｗ系
複合材料粒子が前記発火部高さ方向に延伸するととも
に、該発火部高さ方向と平行な断面に現われる前記Ｗ系
複合材料粒子の平均アスペクト比が５以上となる組織を
呈していることが望ましい。また、Ｗ系複合材料粒子が
発火面に沿う所定方向に延伸するものとなっている場合
は、該発火面においてＷ系複合材料粒子の延伸方向に沿
い、かつ発火面と直交する断面に現われる該Ｗ系複合材
料粒子の平均アスペクト比が５以上となる組織を呈して
いることが望ましい。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。図１及び図２に示す本発明の一例た
るスパークプラグ１００は、筒状の主体金具１、先端部
２１が突出するようにその主体金具１の内側に嵌め込ま
れた絶縁体２、先端に形成された発火部３１を突出させ
た状態で絶縁体２の内側に設けられた中心電極３、及び
主体金具１に一端が溶接等により結合されるとともに他
端側が側方に曲げ返されて、その側面が中心電極３の先
端部と対向するように配置された接地電極４等を備えて
いる。また、接地電極４には上記発火部３１に対向する
発火部３２が形成されており、それら発火部３１と、対
向する発火部３２との間の隙間が火花放電ギャップｇと
されている。

【００２０】絶縁体２は、例えばアルミナあるいは窒化
アルミニウム等のセラミック焼結体により構成され、そ
の内部には自身の軸方向に沿って中心電極３を嵌め込む
ための孔部６を有している。また、主体金具１は、低炭
素鋼等の金属により円筒状に形成されており、スパーク
プラグ１００のハウジングを構成するとともに、その外
周面には、プラグ１００を図示しないエンジンブロック
に取り付けるためのねじ部７が形成されている。

【００２１】中心電極３及び接地電極４のチップ被固着
面形成部位、この実施例では少なくともその表層部がＮ
ｉ又はＦｅを主成分とする耐熱合金にて構成されている
（なお、本明細書において「主成分」とは、最も質量含
有率の高い成分を意味し、必ずしも「５０質量％以上を
占める成分」を意味するものではない）。例えばＮｉを
主成分とする耐熱合金としては、INCONEL600やINCONEL6
01等を使用できる。

【００２２】一方、上記発火部３１及び対向する発火部
３２は、Ｗを主成分とするＷ系複合材料を主体に構成さ
れており、該Ｗ系複合材料は５Ａ族金属元素（Ｖ，Ｎ
ｂ，Ｔａ）又は７Ａ族金属元素（Ｍｎ，Ｔｃ，Ｒｅ）か
ら選択される１ないし複数の添加金属を含み、その粒子
が所定方向に引き伸ばされた組織を有する。これによ
り、中心電極３、接地電極４の温度が上昇しやすい環境
下においても、発火部３１，３２の耐火花消耗性及び機
械的強度を良好なものとすることができ、かつＷ成分の
酸化・揮発により減耗が極めて効果的に抑制される。ま
た、上記のような耐熱合金からなる電極に対する溶接性
も良好である。なお、発火部３１及び対向する発火部３
２のいずれか一方を省略する構成としてもよい。この場
合には、発火部３１と、発火部を有さない接地電極４の
側面との間、又は発火部３２と、発火部を有さない中心
電極３の先端面との間で火花放電ギャップｇが形成され
ることとなる。また、接地電極４側の、対向する発火部
３２は、例えばＰｔ又はＩｒ、Ｒｈを主成分とする貴金
属又は貴金属合金など、Ｗ系複合材料以外にて構成して
もよい。

【００２３】発火部３１，３２を構成するＷ系複合材料
に添加可能な添加金属元素成分としては、上述のように
５Ａ族金属元素（Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ）又は７Ａ族金属元素
（Ｍｎ，Ｔｃ，Ｒｅ）から選択される１ないし複数のも
のを含有させることができる。これらの成分を添加する
ことにより耐酸化消耗性を向上させることが可能とな
り、特にＮｂは、発火部３１，３２の高温での耐酸化消
耗性改善効果が著しく高い。

【００２４】Ｗ系複合材料としては、例えばＷを主成分
とし、添加金属としてＮｂを５〜４５ｗｔ％の範囲で含
有する合金を使用することができる。該合金の使用によ
り、高温でのＷ成分の酸化・揮発による発火部の消耗が
さらに効果的に抑制され、ひいては、より耐久性に優れ
たスパークプラグが実現される。

【００２５】ここで、合金中のＮｂの含有量は上記範囲
内において多くなるほど、発火部３１，３２の酸化・揮
発抑制効果は高められる。この観点において、酸化・揮
発抑制効果が最も顕著となるのは、Ｎｂ含有量が１０〜
４０ｗｔ％、より望ましくは２０〜３５ｗｔ％、最も望
ましくは２５〜３０ｗｔ％においてである。しかしなが
ら、本発明においては、発火部３１，３２を構成するＷ
系複合材料粒子が所定方向に引き伸ばされたことによる
酸化消耗抑制効果が大きいため、Ｎｂの含有量が比較的
小さくとも、引き伸ばしの組織形態を備えないＷ系複合
材料により発火部を構成した従来のスパークプラグと比
較しても良好な酸化・揮発効果が達成される。その結
果、比較的高価なＮｂの含有量を削減しつつも、発火部
３１あるいは３２の耐酸化消耗性に優れたスパークプラ
グが実現可能となる。

【００２６】また、Ｗ系複合材料として、Ｗを主成分と
し、添加金属としてＲｅを５〜４５ｗｔ％の範囲で含有
する合金を使用することもできる。該合金の使用によ
り、高温でのＷ成分の酸化・揮発による発火部の消耗が
効果的に抑制され、ひいては耐久性に優れたスパークプ
ラグが実現される。なお、上記合金中のＲｅの含有量が
５ｗｔ％未満になるとＷの酸化・揮発の抑制効果が不十
分となり、発火部が消耗しやすくなるためプラグの耐久
性が低下する場合がある。一方、Ｒｅの含有量が４５ｗ
ｔ％を超えると合金の融点が低下し、プラグの耐久性が
同様に低下する場合がある。

【００２７】以下、本発明のスパークプラグの製造方法
の実施例について説明する。図３（ａ）に示すように、
中心電極３の先端面に上記発火部３１(図１及び図２参
照)を構成する合金組成からなる円板状のチップ３１’
を重ね合わせ、さらに、その接合面外縁部に沿ってレー
ザー溶接により全周レーザー溶接部（以下、単に溶接部
ともいう）１０を形成してこれを固着することにより発
火部３１が形成される。また、対向する発火部３２(図
１及び図２参照)は、発火部３１に対応する位置におい
て接地電極４にチップ３２’を位置合わせし、その接合
面外縁部に沿って同様に溶接部２０を形成してこれを固
着することにより形成される。

【００２８】これらチップ３１’，３２’（以下、チッ
プ３１，３２を総称する場合は、符号「１５４」ないし
「１５５」を用いる場合がある）の製造方法を以下に説
明する。まず、図４（ａ）に示すようにＷを主成分とす
る所定の組成の原料粉末（Ｗ系複合材料粉末）Ｐを配合
し、これを同図（ｂ）に示すように所定の形状に成形
後、焼結する。なお、原料粉末ＰはＷ金属粉末を主成分
とし上記Ｎｂ，Ｒｅ等の添加金属元素からなる添加金属
粉末を複合させたものとすることができる。

【００２９】図５（ａ）は、Ｗ金属粉末を主体とする原
料粉末Ｐをプレス等により成型して成形体１４０とな
し、同図（ｂ）に示すようにこれを焼結炉ＦＳ内にて焼
結して、ブロック状の焼結体１５０を得る例である。ま
た、図５（ｃ）に示すように、円筒状の粉末成形体１３
０を作り、これを焼結して円筒状の焼結体１３５を作る
こともできる。この形態は、例えば円形断面の線状ある
いは棒状に加工する場合に好都合である。

【００３０】次に上記により得られた焼結体を熱間加工
する。例えば、図５（ｃ）のように得られた円柱状の焼
結体１３５を、回転ハンマーを用いた熱間回転鍛造（熱
間スウェージング：方式自体は公知のものである）、熱
間線材圧延（ロール孔型を形成する溝付ロールを用い
る：方式自体は公知のものである）、もしくはそれらの
組合せにより軸線方向に引き延ばして棒状素材とした
後、図６（ａ）のような伸線ダイスを用いた熱間伸線に
よりさらに引き延ばして、図４（ｄ）のような線状素材
１５３を得る。線状素材１５３は円形の軸断面を有する
ものとして形成され、その組織は、図６（ｂ）に示すよ
うに、Ｗ系複合材料の結晶粒子が素材長手方向に延伸さ
れた繊維状のもとなる。Ｗ系複合材料の結晶粒子の平均
アスペクト比（Ｒｄmax／Ｒｄmin）は、線状素材１５３
の長手方向と平行な断面（図では素材の中心軸線を含む
断面Ａ−Ａ）において５以上とされる。

【００３１】一方、図４（ｂ）に示すブロック状の焼結
体１５０（あるいは、（ｃ）に示す、それを鍛造した棒
状素材１５１）を、図８（ａ）に示すように、圧延ロー
ル対を用いて焼結素材熱間圧延することにより、図４
（ｄ）に示す板状素材１５２とすることができる。板状
素材１５２は、熱間加工により、Ｗ系複合材料の結晶粒
子が板の主面ＭＴに沿う方向に延伸される。そのＷ系複
合材料の結晶粒子は、その延伸方向に沿い、かつ主面と
直交する断面ＬＴにおいて、平均アスペクト比（Ｒｄma
x／Ｒｄmin）が５以上となる扁平粒子組織を呈するもの
とされる。

【００３２】次に、上記のようにして得られた熱間加工
素材となる板状素材１５２又は線状素材１５３を所定形
状のチップに加工する。例えば、図４（ｄ）の板状素材
１５２を熱間打抜き加工により板厚方向に打ち抜けば、
図４（ｅ）に示すようなチップ１５４を形成することが
できる。この場合、チップ１５４は、図１０（ａ）に示
すように、Ｗ系複合材料の結晶粒子がチップ厚さ方向に
おける端面（チップ主面）ＣＰに沿う方向に延伸すると
ともに、その延伸方向に沿いかつチップ主面と直交する
断面ＡＳに現われるＷ系複合材料の結晶粒子の平均アス
ペクト比が５以上となる扁平粒子組織を呈するものとさ
れる。

【００３３】上記チップ１５４は、図１において、中心
電極３の軸線方向Ｏにチップ厚さ方向が一致するよう
に、中心電極３及び／又は接地電極４に溶接により接合
して発火部３１あるいは３２とされる。具体的には、チ
ップ外周面に沿う環状の溶接部１０あるいは２０（図３
参照）をレーザー溶接により形成する方法、あるいは抵
抗溶接を用いる方法を例示できる。図３（ｂ）に示すよ
うに、これら発火部３１，３２は、火花放電ギャップｇ
に面する表面（チップ主面に由来するものである）を発
火面として、Ｗ系複合材料の結晶粒子が発火面と平行な
所定方向Ｊに沿って延伸するとともに、発火面と直交す
る断面に現われるＷ系複合材料の結晶粒子の平均アスペ
クト比が５以上となる扁平粒子組織を呈するものとな
る。

【００３４】一方、図４（ｄ）の線状素材１５３を、放
電加工等により長さ方向に所定の間隔に切断することに
よりチップ１５５を製造することができる。図１０
（ｂ）に示すように、該チップ１５５は、Ｗ系複合材料
の結晶粒子がチップ厚さ方向に延伸するとともに、チッ
プの厚さ方向と平行な断面ＡＳに現われるＷ系複合材料
の結晶粒子の平均アスペクト比が５以上となる繊維状組
織を呈する。該チップ１５５も、図３（ｃ）に示すよう
に、中心電極３及び／又は接地電極４に溶接により接合
して発火部３１あるいは３２とされる。Ｗ系複合材料の
結晶粒子は、軸線Ｏと平行な方向Ｊに沿って延伸すると
ともに、その延伸方向と平行な断面に現われるＷ系複合
材料の結晶粒子の平均アスペクト比が５以上となる繊維
状組織を呈する。

【００３５】なお、図１０（ａ）及び（ｂ）に示す上記
のチップ１５４及び１５５は、例えば直径ｄcが０．４
〜１．２ｍｍ、厚さｔcが０．５〜１．５ｍｍ程度とさ
れる。結果として、発火部３１，３２の外径も同様の寸
法ｄｃを有するものとなる。

【００３６】

【実験例】上記本発明のスパークプラグ１００の構成に
よりもたらされる効果を確認するために、以下の実験を
行った。まず、原料粉末として、平均粒径１０μｍ程度
のＷ粉末に対して、平均粒径１０μｍ程度のＴａ粉末、
Ｎｂ粉末、Ｒｅ粉末をそれぞれ５，１０，２０，３０，
４０，４５，５０重量％となるように乾式混合した。こ
れら各原料粉末を成形圧力２００ｋｇ／ｍｍ^２にて室温
でプレス成形して圧粉成形体となした。次に、この成形
体を真空中にて、３０００℃で２０時間焼結し、縦約３
０ｍｍ、横２０ｍｍ及び高さ１００ｍｍの棒状焼結体を
得た。

【００３７】次に、上記焼結体に以下のような熱間加工
を施した。まず、素材温度を１５００℃に維持しながら
鍛造圧力５×１０^５ｋｇ／ｃｍ^２にて、軸断面形状が１
０ｍｍ角の角柱状棒材に予備鍛造加工した。次いで溝付
ロールを用いた熱間線材圧延加工により、断面が１．５
ｍｍ角となるまで圧延した。なお、圧延時の溝ロール温
度は６８０〜７５０℃、素材温度は１３００〜１４００
℃の範囲に維持した。

【００３８】そして、素材温度を１３００〜１４００℃
に維持して、熱間回転鍛造加工により断面直径が０．９
ｍｍの線材とし、さらに、ダイス温度を６８０〜７５０
℃、線材温度１３００〜１４００℃に維持しながら、最
終線径が０．６ｍｍとなるまで熱間伸線加工を行なっ
た。こうして得られた線材を、放電加工により軸方向に
０．８ｍｍの厚さに切断することにより、直径０．６ｍ
ｍ及び厚さ０．８ｍｍの円板状のチップを得た。

【００３９】得られたチップは、中心軸線を含む断面が
現われるように研磨して組織観察したところ、Ｗ系複合
材料の結晶粒子がチップの厚み方向に引き伸ばされて繊
維状の組織が形成されていることがわかった。該断面に
てＷ系複合材料の結晶粒子の平均アスペクト比を測定し
たところ、約５０であることがわかった。

【００４０】上記の各チップに対し、耐酸化消耗性試験
を行った。すなわち、各チップを大気中にて１１００℃
で２０時間放置した後、各チップの断面の面積に対する
未酸化部分の面積の割合により酸化残存量を算出した。
具体的には、各チップをそれぞれ放電面となる側から平
面視したときのチップ表面面積Ｘを予め求めておき、さ
らに、各チップを大気中にて１１００℃で２０時間放置
した後、各チップを超音波洗浄した場合において、残存
する各チップ（未酸化部分）についてそれぞれ放電面と
なる側から平面視したときのチップ（未酸化部分）表面
面積Ｙを求め、チップ表面面積Ｘに対するチップ（未酸
化部分）表面面積Ｙの割合により酸化残存量を算出し
た。結果を図１１に示す。図１１のグラフは横軸がＴ
ａ，Ｎｂ，Ｒｅの添加量を示し、縦軸が酸化残存量を示
している。このように、Ｔａ，Ｎｂ，Ｒｅの添加量を本
発明の範囲である５〜４５ｗｔ％としたチップは、酸化
消耗が抑制されていることが分かり、１０〜４０ｗｔ％
程度の添加量にするとさらに好ましいことが分かる。な
お、添加金属のないＷ金属は５時間にて消失した。

【００４１】また、上記Ｎｂを各添加量にて含有させた
チップに対して机上火花試験を行った。すなわち、各チ
ップを用いて、図１に示すスパークプラグの発火部３１
及び対向する発火部３２を火花放電ギャップｇの幅が
０．８ｍｍとなるように形成し、プラグを試験用チャン
バに取り付けると共に、フルトランジスタ型イグナイタ
に接続し、チャンバ内気圧０．４ＭＰａ、最大電圧３０
ｋＶにて周波数６０Ｈｚの交流電圧を２００時間印加
し、火花放電ギャップｇの幅の増加量を測定した。な
お、チャンバ内雰囲気は窒素雰囲気として行った。その
結果を図１２に示す。このように、Ｎｂの添加量を本発
明の範囲である５〜４５ｗｔ％としたチップは、ギャッ
プ増加量が小さく耐酸化消耗性が極めて良好ことがわか
る。

【００４２】一方、上記各チップと、熱間加工を行わず
に、粉末成形品を焼結することにより得たチップ（成分
組成は同様）とに対してそれぞれ実機耐久試験を行っ
た。すなわち、図１に示すスパークプラグ１００の発火
部３１及び対向する発火部３２を上記各チップを用い
て、火花放電ギャップｇの幅が０．８ｍｍとなるように
形成するとともに、実機による耐火花消耗性試験を行っ
た。すなわち、プラグをガソリンエンジン（排気量２０
００cc）に取り付け、無鉛ガソリンを使用して、スロッ
トル全開状態、エンジン回転数５０００ｒｐｍにて４０
０時間（５万ｋｍ走行に相当）運転を行ない、火花放電
ギャップｇの拡大量を測定した。なお、試験中の中心電
極温度は、公知の測温プラグを用いて測定したところ、
図１に示すスパークプラグ１００の主体金具１の先端面
位置近傍にて約７８０〜７９０℃（最大８２０℃）であ
った。結果を図１３に示す。焼結のみのチップと比較し
て、焼結後さらに熱間加工することにより組織を繊維状
としたチップは、ギャップ増加量が小さく耐酸化消耗性
が格段に向上しており、極めて良好な結果が得られてい
ることがわかる。

【００４３】次に、Ｎｂを３０ｗｔ％添加し上記熱間加
工により得たチップ（Ｗ−３０Ｎｂ熱間鍛造品）と、Ｎ
ｂを３０ｗｔ％添加し上記熱間加工を行わずに成形・焼
結により得たチップ（Ｗ−３０Ｎｂ焼結品）に対して強
度試験を行った。すなわち、図１に示すスパークプラグ
１００にて主体金具１に接地電極４が結合されていない
ものを準備するとともに、発火部３１に上記各チップを
用いたものをチップ毎に４つずつ準備して、図１４に示
すような装置において該状態のスパークプラグを固定
し、錘（２００ｇ）を角度θ＝１５°〜４５°まで振り
上げ、２．５°毎に初速ゼロにて振り子式に落下させチ
ップ面（発火部３１）に衝撃を加え、チップにおける割
れや欠けの発生の有無を調べた。なお、錘のチップに当
る面にはアルミナ板を固定するものとした。結果を図１
５に示す。図１５は各チップについて割れや欠けが発生
した錘角度をプロットしたもので、焼結のみのチップと
比較して、焼結後、さらに熱間加工することにより組織
を繊維状としたチップでは、欠けの発生する錘角度が大
きくなっており、すなわち耐衝撃性が向上していること
がわかる。

【００４４】なお、Ｗ粉末にＮｂ粉末を１０ｗｔ％添加
し、さらにＲｅ粉末を５，１０，１５，２０，２５ｗｔ
％添加した５種類の原料粉末と、Ｗ粉末にＮｂ粉末を２
０ｗｔ％添加し、さらにＲｅ粉末を５，１０，１５ｗｔ
％添加した３種類の原料粉末とについて、それぞれ上記
と同様、焼結後、熱間加工を施して３元系（Ｗ−Ｎｂ−
Ｒｅ）の各チップを作成した。これら各チップについ
て、上記と同様の耐酸化消耗性試験により酸化残存量を
算出した。結果を図１６に示す。ＷとＮｂからなる２元
系のチップと同様、ＷとＮｂとＲｅからなる３元系のチ
ップについても、良好な耐酸化消耗性を備えていること
が分かる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスパークプラグの一実施例を示す正面
部分断面図。

【図２】その要部を示す拡大断面図。

【図３】図２をさらに拡大して示す拡大断面図。

【図４】発火部形成用チップの製造方法の例を示す模式
図。

【図５】チップの成形及び焼結方法の例を示す模式図。

【図６】Ｗ系複合材料粒子を繊維状となす工程と、得ら
れる素材の組織を模式的に示す説明図。

【図７】結晶粒子のアスペクト比を説明する図。

【図８】Ｗ系複合材料粒子を扁平状となす工程と、得ら
れる素材の組織を模式的に示す説明図。

【図９】焼結体中の空孔が加工による圧縮により消滅す
る様子を模式的に示す図。

【図１０】チップ組織の例をいくつか示す説明図。

【図１１】２元系の耐酸化消耗性試験の結果を示す図。

【図１２】机上火花試験の結果を示す図。

【図１３】実機耐久試験の結果を示す図。

【図１４】強度試験を行うための装置を示す模式図。

【図１５】強度試験の結果を示す図。

【図１６】３元系の耐酸化消耗性試験の結果を示す図。

【符号の説明】

１主体金具２絶縁体３中心電極４接地電極３１発火部３１’ チップ３２対向する発火部ｇ火花放電ギャップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者瀬川昌幸愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内Ｆターム(参考） 5G059 AA04 CC02 DD10 DD12 EE10 EE12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中心電極と接地電極との間に火花放電ギ
ャップが形成され、かつ、前記中心電極と接地電極の少
なくとも一方の前記火花放電ギャップに臨む位置に、Ｗ
を主成分とするＷ系複合材料からなる発火部を設けたス
パークプラグの製造方法であって、前記Ｗ系複合材料の原料粉末を焼結することにより焼結
体を作る焼結工程と、前記焼結体に、Ｗ系複合材料粒子が所定方向に延伸する
ように熱間加工を施して熱間加工素材を得る熱間加工工
程と、前記熱間加工素材をチップ素材としてこれを所定形状の
チップに加工するチップ化工程と、前記チップを前記中心電極と前記接地電極との少なくと
も一方に接合して前記発火部とする接合工程と、を含むことを特徴とするスパークプラグの製造方法。
【請求項２】前記Ｗ系複合材料には、元素周期律表の
５Ａ族又は７Ａ族に属する金属元素の金属粉末が含有さ
れている請求項１記載のスパークプラグの製造方法。
【請求項３】前記金属粉末は、５〜４５ｗｔ％含有さ
れている請求項２記載のスパークプラグの製造方法。
【請求項４】前記焼結体を前記熱間加工により延伸す
ることにより、前記熱間加工素材を線状又はロッド状の
素材（以下、これらを総称して線状素材という）として
形成し、その線状素材を長手方向において所定の間隔に
切断することにより前記チップとなす請求項１ないし３
のいずれかに記載のスパークプラグの製造方法。
【請求項５】前記チップは、Ｗ系複合材料粒子がチッ
プ厚さ方向に延伸するとともに、チップの厚さ方向と平
行な断面に現われる該Ｗ系複合材料粒子の平均アスペク
ト比が５以上となる繊維状組織を呈するものとして製造
される請求項４記載のスパークプラグの製造方法。
【請求項６】前記熱間加工は熱間圧延工程を含み、該
熱間圧延工程に基づいて前記熱間加工素材を板状素材と
して形成し、その板状素材から板厚方向がチップ厚さ方
向となるように前記チップを加工する請求項１ないし３
のいずれかに記載のスパークプラグの製造方法。
【請求項７】前記チップは、Ｗ系複合材料粒子が前記
チップ厚さ方向における端面（以下、チップ主面とい
う）に沿う方向に延伸するとともに、前記延伸方向と平
行かつチップ主面方向と直交する断面に現われる該Ｗ系
複合材料粒子の平均アスペクト比が５以上となる扁平粒
子組織を呈するものとして製造される請求項６記載のス
パークプラグの製造方法。
【請求項８】中心電極と接地電極との間に火花放電ギ
ャップが形成され、かつ、前記中心電極と接地電極の少
なくとも一方の前記火花放電ギャップに臨む位置に、Ｗ
を主成分とするＷ系複合材料からなる発火部を設けたス
パークプラグであって、前記発火部をなす前記Ｗ系複合材料の粒子が、所定方向
に引き伸ばされた組織を有することを特徴とするスパー
クプラグ。
【請求項９】前記Ｗ系複合材料には、元素周期律表の
５Ａ族又は７Ａ族に属する金属元素が含有されている請
求項８記載のスパークプラグ。
【請求項１０】前記発火部をなす前記Ｗ系複合材料
は、前記火花放電ギャップに面する表面を発火面とし、
該発火面と直交する向きを発火部高さ方向として、Ｗ系
複合材料粒子が前記発火部高さ方向に延伸するととも
に、該発火部高さ方向と平行な断面に現われる前記Ｗ系
複合材料粒子の平均アスペクト比が５以上となる繊維状
組織を呈する請求項８又は９に記載のスパークプラグ。
【請求項１１】前記発火部をなす前記Ｗ系複合材料
は、前記火花放電ギャップに面する表面を発火面とし
て、前記Ｗ系複合材料粒子が前記発火面に沿う所定方向
に延伸するとともに、該発火面において前記Ｗ系複合材
料粒子の延伸方向に沿い、かつ前記発火面と直交する断
面に現われる該Ｗ系複合材料粒子の平均アスペクト比が
５以上となる組織を呈する請求項８又は９に記載のスパ
ークプラグ。