JP2003197345A

JP2003197345A - スパークプラグの製造方法

Info

Publication number: JP2003197345A
Application number: JP2001391734A
Authority: JP
Inventors: Keiji Kano; 啓二金生
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2001-12-25
Publication date: 2003-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】接地電極の耐熱耐酸化性を向上させるために
Ｎｉ基合金にＡｌを添加した場合、従来の熱処理（焼き
なまし）条件では硬度が下がらず、ギャップ成形性が悪
化する。【解決手段】Ｎｉを主成分元素としてＡｌが添加され
ている合金を所定断面形状の線状に加工して接地電極の
素材を形成し、接地電極の素材をピーク温度１０００℃
以上に加熱した後、ピーク温度から６００℃までの冷却
速度を１００℃／秒以上にして冷却する。これにより、
ＮｉとＡｌが反応して金属間化合物を生成する温度域の
滞留時間が短くなるため、金属間化合物の生成が防止な
いしは抑制され、ギャップ成形が容易に行えるレベルま
で硬度を低下させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、中心電極と接地電
極との間で火花放電を行うスパークプラグの製造方法に
関し、本発明によって製造されたスパークプラグは、自
動車、コージェネレーション、ガス圧送用ポンプなどに
使用される内燃機関等に適用することができる。

【０００２】

【従来の技術】熱負荷が厳しい環境で使用されるスパー
クプラグは、接地電極の内部酸化進行による酸化消耗を
抑制するために、接地電極の材料として、耐熱耐酸化性
に優れたＮＣＦ６００等のＮｉ基合金を用いている。こ
こで、ＮＣＦ６００は、ＪＩＳ（日本工業規格）に記さ
れたＮｉ基合金であり、具体的には、Ｎｉを主成分と
し、Ｃｒが１５重量％、Ｆｅが８重量％添加されたＮｉ
基合金である。

【０００３】また、接地電極の素材は通常引き抜き加工
によって製造され、接地電極は一端部がハウジングに接
合された後、中間部で折り曲げられて他端部が中心電極
と対向するようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年のエン
ジンは希薄燃焼化が進み、スパークプラグの電極は高温
化・急熱急冷が促進され、熱負荷環境が厳しくなってい
る。そして、将来的には、接地電極温度はＮＣＦ６００
の耐熱耐酸化性の限界近くに達し、接地電極の酸化消耗
の抑制が困難になってスパークプラグの寿命確保が困難
になると推測される。

【０００５】ここで、耐熱耐酸化性を向上させる方法と
して、接地電極の材料として酸化被膜が形成されやすい
材料を用いることにより、使用初期段階で接地電極表面
に強固な酸化被膜を形成し、その酸化被膜により接地電
極内部への酸化の進行を抑制することが考えられる。そ
して、そのような酸化被膜が形成されやすくするために
は、Ｎｉ基合金にＡｌを添加することが有効である。

【０００６】しかしながら、Ｎｉ基合金にＡｌを添加し
た場合、新たな問題が発生することが判明した。すなわ
ち、接地電極の素材は引き抜き加工時に加工硬化するた
め、引き抜き加工後に焼きなましを行って硬度を下げて
いるが、Ｎｉ基合金にＡｌを添加した場合には、焼きな
まししても硬度が下がらないために、接地電極を折り曲
げる際の加工性、すなわちギャップ成形性が悪化すると
いう問題が発生した。

【０００７】一方、特開２００１−２５７０５３号公報
には、接地電極の素材の硬度が高い場合には接地電極を
加熱させてギャップ成形を行うことにより、ギャップ成
形性を向上させる点が記載されている。しかしながら、
この方法では、ギャップ成形性は向上するものの、接地
電極を加熱しながら接地電極の曲げ加工を行うため、ギ
ャップ成形時の製造工程が複雑となり製造コストが高く
なってしまう。

【０００８】本発明は上記の点に鑑みてなされたもの
で、Ｎｉ基合金にＡｌを添加した接地電極素材を用いる
スパークプラグの製造にあたって、接地電極を加熱しな
くてもギャップ成形が容易に行えるようにすることを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】ところで、Ｎｉ基合金に
Ａｌを添加した接地電極素材において、焼きなましによ
り硬度が下がらない原因について本発明者らが検討した
ところ、ＮｉとＡｌが反応して金属間化合物を生成する
温度域があり、焼きなましの際その温度域の滞留時間が
長くなると金属間化合物が生成されてしまうためと判明
した。因みに、焼きなましにおけるピーク温度は約９０
０℃である。

【００１０】そして、本発明者らの実験によると、Ｎｉ
基合金にＡｌを添加した合金を線状に加工した後、一旦
１０００℃以上に加熱し、次いで冷却速度を１００℃／
秒以上にして急冷することにより、ギャップ成形が容易
に行えるレベルまで硬度を低下させ得ることが確認され
た。

【００１１】本発明は、上記の検討結果に基づいてなさ
れたもので、請求項１に記載の発明では、中心電極
（３）と、中心電極を保持する絶縁碍子（２）と、絶縁
碍子を保持固定する主体金具（１）と、一端部が主体金
具に接合され、中間部で折り曲げられて他端部が中心電
極と対向する接地電極（４）とを備えるスパークプラグ
の製造方法であって、Ｎｉを主成分元素としてＡｌが添
加されている合金を所定断面形状の線状に加工して接地
電極の素材を形成し、接地電極の素材を高温保持した
後、急冷することにより、硬度（Ｈｖ０．５）が２１０
以下になることを特徴とする。

【００１２】これによると、ＮｉとＡｌが反応して金属
間化合物を生成する温度域の滞留時間を短くして金属間
化合物の生成を防止ないしは抑制し、硬度（Ｈｖ０．
５）が２１０以下になるようにしているため、ギャップ
成形を容易に行うことができる。従って、Ａｌ添加によ
る耐熱耐酸化性の向上と、硬度低下によるギャップ成形
性とを両立させることができる。

【００１３】請求項２に記載の発明では、接地電極
（４）の合金は、ＮＣＦ６００にＡｌが添加されたもの
であることを特徴とする。

【００１４】これによると、耐熱耐酸化性に優れたＮＣ
Ｆ６００にＡｌが添加されているため、接地電極の耐熱
耐酸化性を一層向上させることができる。

【００１５】請求項３に記載の発明では、Ａｌの添加量
が１．５重量％以上であることを特徴とする。

【００１６】ところで、本発明者らの実験によると、Ａ
ｌの添加量を１．５重量％以上としたときに接地電極の
耐熱耐酸化性の向上が認められた。従って、請求項３の
発明により、接地電極の耐熱耐酸化性を確実に向上させ
ることができる。

【００１７】請求項４に記載の発明では、中心電極
（３）と、中心電極を保持する絶縁碍子（２）と、絶縁
碍子を保持固定する主体金具（１）と、一端部が主体金
具に接合され、中間部で折り曲げられて他端部が中心電
極と対向する接地電極（４）とを備えるスパークプラグ
の製造方法であって、Ｎｉを主成分元素としてＡｌが添
加されている合金を所定断面形状の線状に加工して接地
電極の素材を形成し、接地電極の素材をピーク温度１０
００℃以上に加熱した後、ピーク温度から６００℃まで
の冷却速度を１００℃／秒以上にして冷却することを特
徴とする。

【００１８】これによると、ＮｉとＡｌが反応して金属
間化合物を生成する温度域の滞留時間が短くなるため、
金属間化合物の生成が防止ないしは抑制され、ギャップ
成形が容易に行えるレベルまで硬度を低下させることが
できる。従って、Ａｌ添加による耐熱耐酸化性の向上
と、硬度低下によるギャップ成形性とを両立させること
ができる。

【００１９】請求項５に記載の発明では、接地電極
（４）の合金は、ＮＣＦ６００にＡｌが添加されたもの
であることを特徴とする。

【００２０】これによると、耐熱耐酸化性に優れたＮＣ
Ｆ６００にＡｌが添加されているため、接地電極の耐熱
耐酸化性を一層向上させることができる。

【００２１】請求項６に記載の発明では、Ａｌの添加量
が１．５重量％以上であることを特徴とする。

【００２２】これによると、接地電極の耐熱耐酸化性を
確実に向上させることができる。

【００２３】請求項７に記載の発明では、接地電極
（４）の硬度（Ｈｖ０．５）が２１０以下であることを
特徴とする。

【００２４】これによると、ギャップ成形時のスプリン
グバックが実用上問題ない程度に抑制されて、精度よく
ギャップ成形を行うことができる。

【００２５】なお、本明細書におけるビッカース硬度
は、ＪＩＳ：Ｚ２２４４に規定された微少ビッカース硬
さ試験方法において、試験力４．９０３Ｎ（Ｈｖ０．
５）にて測定したものをいう。

【００２６】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。

【００２８】図１は本実施形態のスパークプラグを示す
半断面図であり、このスパークプラグは、円筒形状の金
属製の主体金具１を有しており、この主体金具１は、図
示しないエンジンのシリンダブロックに固定するための
取付ネジ部１ａを備えている。主体金具１の内部には、
アルミナセラミック（Ａｌ₂Ｏ₃）等からなる絶縁碍子２
が固定されており、この絶縁碍子２の先端部２ａは、主
体金具１から露出するように設けられている。

【００２９】中心電極３は絶縁碍子２の軸孔２ｂに固定
され、絶縁碍子２を介して主体金具１に絶縁保持されて
おり、中心電極３の先端部３ａは絶縁碍子２の先端部２
ａから露出するように設けられている。この中心電極３
は、内材がＣｕ等の熱伝導性に優れた金属材料、外材が
Ｎｉ基合金等の耐熱耐酸化性に優れた金属材料により構
成された円柱体をなす。

【００３０】接地電極４は、主体金具１の一端に抵抗溶
接により固定され、途中で略Ｌ字に曲げられて、溶接部
分とは反対の先端部４ａにおいて中心電極３の先端部３
ａと放電ギャップ５を隔てて対向している。

【００３１】ここで、上記構成のスパークプラグにおい
て、図２の図表に示すＮｏ１ないしＮｏ７の材料（以
下、検討電極材という）にて形成した接地電極４を用い
たスパークプラグと、図２の図表に示す従来材にて形成
した接地電極４を用いたスパークプラグとを用意し、耐
熱耐酸化性およびギャップ成形性の評価実験を行った。
図２の図表中には、Ａｌの添加量、下記の焼きなまし後
のビッカース硬度（Ｈｖ０．５）、下記耐久試験後の接
地電極４の酸化層深さ、およびギャップ成形性を示して
いる。

【００３２】なお、従来材はＮＣＦ６００であり、検討
電極材はＮＣＦ６００をベースにしてＡｌの添加量を増
加したものである。ただし、Ａｌの添加量が多くなると
硬度が高くなりすぎて、接地電極４の素材の引き抜き加
工ができなくなるため、Ａｌは５ｗｔ％以下とした。図
２の図表に示す検討電極材および従来材は、引き抜き加
工後に、ピーク温度約９００℃の条件で焼きなましを行
ったものである。また、接地電極４の厚さＣ１および幅
Ｃ２（図３参照）は、自動車用スパークプラグで一般的
な寸法、すなわち、Ｃ１＝１．６ｍｍ、Ｃ２＝２．８ｍ
ｍとした。

【００３３】そして、空気燃料重量比（Ａ／Ｆ）を１
２．５に設定した過給器付きの１８００ｃｃエンジンに
上記の評価用スパークプラグを装着し、エンジン回転数
５６００ｒｐｍで１２０時間運転して耐久試験を行っ
た。この耐久試験後の接地電極４の酸化層深さにより耐
熱耐酸化性を評価したところ、図２の図表に示すよう
に、Ａｌの添加量が１．５ｗｔ％以上の検討電極材の場
合、酸化層深さが従来材の半分以下に抑制され、耐熱耐
酸化性が大きく向上することが確認された。

【００３４】また、ビッカース硬度が２１０（Ｈｖ０．
５）以下の場合、ギャップ成形性が良好であった。図２
の図表から明らかなように、Ａｌの添加量が多くなるほ
ど硬度が上昇し、ギャップ成形性確保の観点からはＡｌ
の添加量の上限は１．５ｗｔ％となる。

【００３５】以上の検討結果によれば、耐熱耐酸化性お
よびギャップ成形性を両立させるためには、Ａｌの添加
量を１．５ｗｔ％前後の狭い範囲に管理しなければなら
ず、組成管理が困難となる。

【００３６】そこで、Ａｌの添加量を多くして耐熱耐酸
化性を向上させた電極材について、硬度を低下させる検
討を行った。以下の検討で用いた電極材は、ＮＣＦ６０
０をベースにＡｌを５ｗｔ％添加したものである。

【００３７】ここで、焼きなましにより硬度が下がらな
い原因は、焼きなましの際にＮｉとＡｌが反応して金属
間化合物が生成されるためと考え、より詳細には、ピー
ク温度約９００℃に保持している間、または、空冷によ
り成り行きで冷却している間に、金属間化合物が生成さ
れると考えた。

【００３８】以上の観点から、電極素材の引き抜き加工
後に行う熱処理のピーク温度と冷却速度とをパラメータ
として、金属間化合物の生成を抑制し得る熱処理条件の
検討を行った。なお、６００℃以下では金属間化合物は
生成されないと判断して、冷却速度はピーク温度から６
００℃までの冷却速度とした。この冷却速度は、強制空
冷や水冷により調整した。また、温度はφ２ｍｍのＣＡ
熱電対を用いて測定した。

【００３９】図４にその結果を示しており、横軸はピー
ク温度、縦軸は熱処理後の素材の硬度であり、この図４
中、白三角マークは、冷却速度を従来の焼きなましと同
等の５０℃／秒に設定してピーク温度を変更したもので
あるが、ピーク温度を変更しても硬度は低下しなかっ
た。

【００４０】一方、冷却速度を１００℃／秒（図４中の
白丸マーク）に設定した場合、冷却速度を１５０℃／秒
（図４中の黒三角マーク）に設定した場合、および冷却
速度を２００℃／秒（図４中の黒丸マーク）に設定した
場合、ピーク温度が９５０℃以下では硬度は低下しなか
ったが、ピーク温度を１０００℃以上に設定すると硬度
はビッカース硬度２１０（Ｈｖ０．５）以下となった。
また、冷却速度が高いほど硬度が低くなることが確認さ
れた。

【００４１】以上の結果から、Ｎｉ基合金にＡｌを添加
した合金を電極素材とする場合、１０００℃未満の温度
域でＮｉとＡｌの金属間化合物が生成されると推定され
る。従って、接地電極の素材を、ＮｉとＡｌが反応して
金属間化合物を生成する温度域以上の高温に保持した
後、金属間化合物を生成する温度域以下まで急冷するこ
とにより、より詳細には、一旦１０００℃以上に加熱
し、次いで冷却速度１００℃／秒以上で急冷することに
より、金属間化合物が生成される温度域の滞留時間を短
くして金属間化合物の生成を防止ないしは抑制し、ギャ
ップ成形が容易に行えるレベルまで素材の硬度を低下さ
せることができる。従って、Ａｌ添加による耐熱耐酸化
性の向上と、硬度低下によるギャップ成形性とを両立さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係るスパークプラグの全体
構成を示す半断面図である。

【図２】実験に供したスパークプラグの、接地電極のＡ
ｌ添加量や評価結果等を示す図表である。

【図３】実験に供したスパークプラグの、中心電極と接
地電極との対向部の断面図である。

【図４】熱処理後の電極素材の硬度を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１…主体金具、２…絶縁碍子、３…中心電極、４…接地
電極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中心電極（３）と、前記中心電極を保持
する絶縁碍子（２）と、前記絶縁碍子を保持固定する主
体金具（１）と、一端部が前記主体金具に接合され、中
間部で折り曲げられて他端部が前記中心電極と対向する
接地電極（４）とを備えるスパークプラグの製造方法で
あって、Ｎｉを主成分元素としてＡｌが添加されている合金を所
定断面形状の線状に加工して前記接地電極の素材を形成
し、前記接地電極の素材を高温保持した後、急冷することに
より、硬度（Ｈｖ０．５）が２１０以下になることを特徴とす
るスパークプラグの製造方法。
【請求項２】前記接地電極（４）の合金は、ＮＣＦ６
００にＡｌが添加されたものであることを特徴とする請
求項１に記載のスパークプラグの製造方法。
【請求項３】前記Ａｌの添加量が１．５重量％以上で
あることを特徴とする請求項１または２に記載のスパー
クプラグの製造方法。
【請求項４】中心電極（３）と、前記中心電極を保持
する絶縁碍子（２）と、前記絶縁碍子を保持固定する主
体金具（１）と、一端部が前記主体金具に接合され、中
間部で折り曲げられて他端部が前記中心電極と対向する
接地電極（４）とを備えるスパークプラグの製造方法で
あって、Ｎｉを主成分元素としてＡｌが添加されている合金を所
定断面形状の線状に加工して前記接地電極の素材を形成
し、前記接地電極の素材をピーク温度１０００℃以上に加熱
した後、前記ピーク温度から６００℃までの冷却速度を
１００℃／秒以上にして冷却することを特徴とするスパ
ークプラグの製造方法。
【請求項５】前記接地電極（４）の合金は、ＮＣＦ６
００にＡｌが添加されたものであることを特徴とする請
求項４に記載のスパークプラグの製造方法。
【請求項６】前記Ａｌの添加量が１．５重量％以上で
あることを特徴とする請求項４または５に記載のスパー
クプラグの製造方法。
【請求項７】前記接地電極（４）の硬度（Ｈｖ０．
５）が２１０以下であることを特徴とする請求項４ない
し６のいずれか１つに記載のスパークプラグの製造方
法。