JP2004186152A - Sparking plug and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スパークプラグ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a spark plug and a manufacturing method thereof.
図2に示したようにスパークプラグ1は、筒状の主体金具2と、主体金具2の中心を通って筒外に先端を突き出す中心電極3と、主体金具2の筒端に溶接等により固着し自由端を鍵型に曲げて前記中心電極3に対向させた接地電極4とを有する。この中心電極3と接地電極4のそれぞれの対向する面が放電部であり、その放電部に白金ニッケル合金などの貴金属チップ5,5を溶接したものが実用化されている。
As shown in FIG. 2, the spark plug 1 is fixed to the cylindrical metal shell 2, the center electrode 3 protruding from the cylinder through the center of the metal shell 2, and the cylindrical end of the metal shell 2 by welding or the like. And a
内燃機関の性能を向上させるためにスパークプラグ1の性能向上が求められており、そのスパークプラグ1の性能を向上させるために接地電極4の耐高温酸化性能の向上が求められている。そしてそのような要求を満たし得る材料として、Niを主成分としAlを0.8wt%以上含む合金がある。しかしそのような合金は、生産工程で窒素雰囲気での熱処理を行うために、合金中のアルミニウム成分が窒化アルミニウムとして合金表面に凝集層を成し、このAl凝集層が当該合金の接地電極4への利用を妨げている。
In order to improve the performance of the internal combustion engine, an improvement in the performance of the spark plug 1 is required, and in order to improve the performance of the spark plug 1, an improvement in the high temperature oxidation resistance of the
すなわち、上記合金を接地電極4の母材に採用した場合、放電部に貴金属チップ5を溶接すると、その溶接時の熱により母材の表層のAl凝集層表面の酸化が促進され、溶接界面に酸化アルミニウムが形成されるため、貴金属チップ5の溶接性の低下、つまり貴金属チップ5の接地電極4からの剥離をもたらす。なお、常識的にはAl凝集層を完全に除去してから貴金属チップ5を溶接することが考えられるが、そうすると母材の加工コストが上昇するから接地電極4の価格が高騰する。
That is, when the above alloy is adopted as the base material of the
請求項1に記載したように、火花放電ギャップを隔てて対向設置してなる中心電極と接地電極のうち少なくとも接地電極の、しかも中心電極と対向する面に貴金属チップを溶接してなるスパークプラグであって、主成分がNiでAlを0.8wt%以上含みさらに自身の表層にAl凝集層を有する合金を接地電極の母材とし、溶接した貴金属チップを含む半断面の貴金属チップの下20μmの範囲の断面積中、Al凝集物の面積占有率が30%以下であるスパークプラグを提供する。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a spark plug formed by welding a noble metal tip to at least a ground electrode of a center electrode and a ground electrode, which are opposed to each other with a spark discharge gap therebetween, and a surface facing the center electrode. An alloy having a main component of Ni and containing 0.8 wt% or more of Al and having an Al aggregated layer on its surface layer is used as a base material of a ground electrode, and is 20 μm below a half-section noble metal tip including a welded noble metal tip. Provided is a spark plug in which the area occupancy of Al agglomerates is 30% or less in the cross-sectional area of the range.
また、請求項2に記載したように、火花放電ギャップを隔てて対向設置してなる中心電極と接地電極のうち少なくとも接地電極の、しかも中心電極が対向する面に貴金属チップを溶接してなるスパークプラグの製造方法であって、主成分がNiでAlを0.8wt%以上含みさらに自身の表層にAl凝集層を有する合金を接地電極の母材とし、先ず、該表層を研削してAl凝集層を薄くし、次に貴金属チップを母材に重ねてその重合部を加熱することにより主として母材を溶融させ、その溶融状態で貴金属チップを押圧することにより溶融したAl凝集層を押し除けつつ貴金属チップを沈降させ、もって貴金属チップを表層下の合金層に接合させるようにしたスパークプラグの製造方法を提供する。 In addition, the spark formed by welding a noble metal tip to at least the ground electrode of the center electrode and the ground electrode, which are opposed to each other with a spark discharge gap therebetween, and on the surface facing the center electrode. A method for manufacturing a plug, wherein an alloy containing Ni as a main component and containing Al in an amount of 0.8 wt% or more and having an Al agglomerated layer on its surface is used as a base material for a ground electrode, and the surface layer is first ground to obtain an Al agglomerated material. While the layer is thinned, the precious metal tip is superimposed on the base material, and the polymerization part is heated to mainly melt the base material, and press the precious metal tip in the molten state to remove the molten Al aggregated layer. Provided is a method for manufacturing a spark plug in which a noble metal tip is allowed to settle and thereby the noble metal tip is joined to an alloy layer below the surface layer.
また、請求項3に記載したように、前記接地電極の中心電極が対向する面に貴金属チップを嵌入させる凹部を形成し、その凹部に貴金属チップを嵌め入れて溶接するようにした請求項2記載のスパークプラグの製造方法を提供する。
また、請求項4に記載したように、少なくとも放電部のAl凝集層の厚みを20μm以下に研削するようにした請求項2又は3記載のスパークプラグの製造方法を提供する。
また、請求項5に記載したように、前記Al凝集層を機械的研削手段により研削するようにした請求項2乃至4の何れか一つに記載のスパークプラグの製造方法を提供する。
また、請求項6に記載したように、前記Al凝集層を化学的研削手段により研削するようにした請求項2乃至4の何れか一つに記載のスパークプラグの製造方法を提供する。
Further, as described in claim 3, a recess for inserting a noble metal tip is formed on a surface of the ground electrode facing the center electrode, and the noble metal tip is inserted into the recess and welded. A method for manufacturing a spark plug is provided.
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the spark plug manufacturing method according to the second or third aspect, wherein at least the thickness of the Al aggregated layer of the discharge part is ground to 20 μm or less.
In addition, as described in
Further, as described in claim 6, the spark plug manufacturing method according to any one of claims 2 to 4, wherein the Al aggregated layer is ground by a chemical grinding means.
請求項1記載の発明によれば、耐高温酸化性能を備えた高性能のスパークプラグが低価格に提供できる。すなわち、耐高温酸化性能には優れるが貴金属チップの溶接性阻害要因たるAl凝集層が表層にあるニッケル合金を母材とする場合でも、溶接した貴金属チップを含む半断面の貴金属チップの下20μmの範囲の断面積中、Al凝集物の面積占有率が30%以下であれば、そのようなAl凝集物があっても貴金属チップの溶接性がよい。これは前記範囲のAl凝集物が面積占有率で30%以下と少ない状態であれば、貴金属チップと接地電極母材との溶接界面においても、溶接性を阻害しない程度に酸化アルミニウムが少ない状態を作り出すことができるためである。また、このことを利用し溶接前に斯かる条件を満たすAl凝集層を残して母材を研削すれば、Al凝集層を完全に取り除く場合に比べて研削コストが削減でき、しかもどのような溶接方法に対しても信頼性の高い溶接を行うことができる、という優れた効果が得られる。 According to the first aspect of the present invention, a high-performance spark plug having high-temperature oxidation resistance can be provided at a low price. That is, even when a nickel alloy having an Al agglomerated layer on the surface layer, which is superior in high temperature oxidation resistance but is a factor that inhibits weldability of the noble metal tip, is used as a base material, it is 20 μm below the noble metal tip having a half cross section including the welded noble metal tip. If the area occupancy of the Al aggregate is 30% or less in the cross-sectional area of the range, the weldability of the noble metal tip is good even if such an Al aggregate is present. This means that if the Al agglomerate in the above range is as small as 30% or less in area occupancy, the state where there is little aluminum oxide to the extent that the weldability is not impaired even at the weld interface between the noble metal tip and the ground electrode base material. This is because it can be produced. In addition, if this is used to grind the base material while leaving an Al agglomerated layer satisfying such conditions before welding, the grinding cost can be reduced compared to the case where the Al agglomerated layer is completely removed, and what kind of welding is performed. The excellent effect that reliable welding can be performed also to the method is obtained.
また、請求項2記載の発明によれば、溶融した母材に貴金属チップを加圧沈降させ、貴金属チップ自体でAl凝集層を押し除けるという手法を採用したため、母材表層のAl凝集物が溶接前において上記条件より多くても結果的に上記条件を満たすようにして貴金属チップの溶接が行える。従ってAl凝集層を研削するコストがさらに削減できる。 Further, according to the invention described in claim 2, since a method is adopted in which the noble metal tip is pressure settled on the molten base material and the Al aggregate layer is pushed away by the noble metal tip itself, the Al aggregate on the base material surface is welded. Even if there are more than the above conditions, the noble metal tip can be welded so as to satisfy the above conditions. Therefore, the cost for grinding the Al aggregated layer can be further reduced.
また、請求項3のように、接地電極の中心電極が対向する面に貴金属チップを嵌入させる凹部を形成し、その凹部に貴金属チップを嵌め入れて溶接するようにすれば、母材全体のAl凝集層を薄く研削するより母材の加工コストがさらに低減できる。また、溶接性試験によれば、請求項2の製造方法において放電部のAl凝集層の厚みは、請求項4に記載したように20μm以下にすれば実用上問題のない溶接性が得られる。
Further, as in claim 3, if a recess for inserting the noble metal tip is formed on the surface of the ground electrode facing the center electrode, and the noble metal tip is inserted into the recess and welded, the Al of the entire base material is formed. The processing cost of the base material can be further reduced than when the agglomerated layer is thinly ground. Further, according to the weldability test, if the thickness of the Al agglomerated layer in the discharge portion is 20 μm or less as described in
以下に本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、図1(a)は母材の拡大半断面図、図1(b)はAl凝集層を研削した状態を示す母材の拡大半断面図、図1(c),(d)は溶接工程を説明する半断面図、図2はスパークプラグの要部正面図、図3は貴金属チップ溶接後の接地電極の要部拡大半断面図、図4は剥離状態を示す接地電極の要部拡大半断面図である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 (a) is an enlarged half sectional view of the base material, FIG. 1 (b) is an enlarged half sectional view of the base material showing a state in which the Al aggregated layer is ground, and FIGS. 1 (c) and 1 (d) are welded. FIG. 2 is a front view of the main part of the spark plug, FIG. 3 is an enlarged half cross-sectional view of the main part of the ground electrode after noble metal tip welding, and FIG. 4 is an enlarged main part of the ground electrode showing a peeled state. FIG.
スパークプラグ1は、既に従来技術の項で説明したように、筒状の主体金具2と、主体金具2の中心を通って筒外に先端を突き出す中心電極3と、主体金具2の筒端に溶接等により固着し自由端を鍵型に曲げて前記中心電極3に対向させた接地電極4とを有する。この中心電極3と接地電極4の間が火花放電ギャップであり、また、中心電極3と接地電極4のそれぞれの対向する面が放電部であって、少なくとも接地電極4の放電部に例えば白金ニッケル合金、白金イリジウム合金などの貴金属チップ5が溶接されている。
As already described in the section of the prior art, the spark plug 1 includes a cylindrical metal shell 2, a center electrode 3 that protrudes from the cylinder through the center of the metal shell 2, and a cylinder end of the metal shell 2. And a
次にスパークプラグ1の製造方法を説明する。但し、スパークプラグ1の接地電極4に関する部分以外は公知の製造方法がそのまま適用されるため説明を省略する。
Next, a method for manufacturing the spark plug 1 will be described. However, since a known manufacturing method is applied as it is except for the portion related to the
先ず接地電極4は、主成分がNiでAlを0.8wt%以上含む合金を母材とする。この種の合金は図1(a)に示したように、生産工程での熱処理によって生じたAl凝集物X(窒化アルミニウムと酸化アルミニウム)を有するAl凝集層4aが合金層4bの表層にある。なお、図1(a)は前記合金の断面をSEM観察した状態を示す。この表層を研削してAl凝集層4aを薄くする(研削工程)。具体的にはAl凝集層4aが20μm以下になるまで研削するとよい。研削のための手段は、研磨機などによる機械的研削手段と、フッ酸又は王水による酸洗い、電解研磨などによる化学的研削手段のどちらでもよい。
First, the
次に図1(c)に示したように電気抵抗溶接機の保持治具6aに接地電極4を載置し、その接地電極4の放電部相当部分に薄い円盤形に加工した貴金属チップ5を載せる。そして、貴金属チップ5の上に電気抵抗溶接機の押圧治具6bを載せ、284〜304N程度の圧力で押圧しながら電極保持治具6aと押圧治具6bの間に1,100A程度の電流を流し、貴金属チップ5と接地電極4の母材の重合部を発熱させる(溶接工程)。接地電極4の母材は融点が1,350℃〜1,400℃であり、一方、貴金属チップ5の融点はそれより高い1,840℃〜1,880℃であるため、母材が先に溶融する。従って図1(d)のように貴金属チップ5が押圧治具6bの圧力を受けて溶融したAl凝集層4aを周りに押し除けつつ沈降する。そして、貴金属チップ5が母材とほぼ面一になった時点で押圧治具6bを上昇させる。これで溶接工程が完了し、貴金属チップ5がAl凝集層4aを押し除けて表層下の合金層4bに接合する。
なお、上記の電気抵抗溶接はAr雰囲気中(具体的には溶接部分にArガスを吹き付けるいわゆるArリッチな状態)で行うとよい。そうすることによりAl凝集層の窒化アルミニウムが溶接時の熱で酸化アルミニウムに変化する現象が起き難くなり、その結果溶接界面の酸化アルミニウム量を低減させることができる。もちろんArガスは他の不活性ガスに置き換えてもよい。
Next, as shown in FIG. 1 (c), the
The above electric resistance welding may be performed in an Ar atmosphere (specifically, a so-called Ar-rich state in which Ar gas is blown onto the welded portion). By doing so, the phenomenon that the aluminum nitride of the Al agglomerated layer changes into aluminum oxide due to heat during welding is less likely to occur, and as a result, the amount of aluminum oxide at the weld interface can be reduced. Of course, the Ar gas may be replaced with another inert gas.
貴金属チップ5を溶接した後の接地電極4の断面は図3のようになっており、同図に斜線で示した貴金属チップ5を含む半断面の貴金属チップ5の下ほぼ20μmの範囲の断面積中、Al凝集物Xの面積占有率が30%以下であれば溶接結果は良好である。これは前記範囲のAl凝集物Xが面積占有率で30%以下と少ない状態であれば、貴金属チップ5と接地電極4の母材との溶接界面においても、溶接性を阻害しない程度に酸化アルミニウムが少ない状態を作り出すことができるためである。
なお、Al凝集物Xの面積占有率は、例えば株式会社キーエンス製の画像処理装置で算出できる。また、面積占有率は30%以下でよいため、貴金属チップ5の下20μmの範囲の全てについて算出しなくてよい場合もある。例えばAl凝集物Xの多い部分を複数箇所任意に選定し、それらの箇所の5μm四方の単位面積についてAl凝集物Xの面積占有率を算出し、その面積占有率の平均が30%を越えなければ、図3の斜線部全体で面積占有率≦30%になることはあり得ない。従って、そのような場合はその時点でAl凝集物Xの算出を打ち切れば良いのであり、そうすることにより面積占有率の算出作業が短縮できる。
The cross-section of the
The area occupation ratio of the Al aggregate X can be calculated by, for example, an image processing apparatus manufactured by Keyence Corporation. In addition, since the area occupation ratio may be 30% or less, it may not be necessary to calculate the entire 20 μm range below the
以上のようにして製造した接地電極4を主体金具2の筒端に溶接する。なお、接地電極4を主体金具2の筒端に溶接してから上記工程を実施するようにしてもよい。
The
[机上チップ溶接性試験1]
本発明の効果を確認するため、次のような机上チップ溶接性試験を行った。
(a)接地電極4の母材として市販のニッケル合金である「Inconel 601」(登録商標)を採用し、これを1.3mm×2.7mmの平角材に加工すると共にAl凝集層4aの厚みを0μmから50μmまで5μm刻みで11種類、各種5個ずつ製造した。なお、母材の具体的な添加元素と添加量(wt%)は次のとおりである。
[Si:0.23 Cr:21.9 Mn:0.20 Al:1.37 Fe:14.6 Ni:61.7]
(b)貴金属チップ5は、Pt−20Ir合金を使用し、これをφ1.1mm、厚さ0.4mmの円盤形に加工した。
(c)溶接工程は、市販の電気抵抗溶接機を使用し、電極保持治具6aと押圧治具6bの間に1,100Aの電流を流しつつ、貴金属チップ5を294Nの圧力で押圧した。
(d)上記の要領で製造した接地電極4に対し、「900℃で2分加熱−1分空冷」という条件を1000回繰り返した後、貴金属チップ5の剥離状況を観察した。その結果を表1に示す。なお、剥離の程度は、図4に示したように溶接部の長さL1に対する剥離した長さL2の割合を百分率(%)で表した。
[Desktop chip weldability test 1]
In order to confirm the effect of the present invention, the following desktop chip weldability test was performed.
(A) “Inconel 601” (registered trademark), which is a commercially available nickel alloy, is used as the base material of the
[Si: 0.23 Cr: 21.9 Mn: 0.20 Al: 1.37 Fe: 14.6 Ni: 61.7]
(B) The
(C) In the welding process, a commercially available electric resistance welder was used, and the
(D) The condition of “heating at 900 ° C. for 2 minutes—air cooling for 1 minute” was repeated 1000 times for the
この溶接性試験1の結果、Al凝集層4aを薄く残しても、つまりAl凝集層4aを完全に除去しなくとも貴金属チップ5を加圧沈降させることにより溶接可能であることが確認できた。特にAl凝集層4aの厚みを20μm以下にすれば、貴金属チップ5の剥離が20%以下に抑制されるから、高品質のスパークプラグの安定提供が可能になる。一方、Al凝集層4aの厚みが21μm〜30μmである場合、21%〜50%の剥離が発生したが、この値の良否は求められる品質レベルによって評価が分かれるのであって、使用可能と評価される場合もある。また、Al凝集層4aの厚みが21μm〜30μmであっても貴金属チップ5の厚さを僅かに増やすことにより溶接性の大幅な改善は可能である。
As a result of the weldability test 1, it was confirmed that welding was possible by precipitating the
[机上チップ溶接性試験2]
Al凝集物Xの面積占有率と貴金属チップ5の溶接性の関係を確認するため次のような机上チップ溶接性試験を行った。
(a)接地電極4の母材として市販のニッケル合金である「Inconel 601」(登録商標)を採用し、これを1.3mm×2.7mmの平角材に加工し、Al凝集層4aの厚みを変えて複数種類製造した。なお、母材の具体的な添加元素と添加量(wt%)は次のとおりである。
[Si:0.25 Cr:20.0 Mn:0.20 Al:1.5 Fe:15.0 Ni:63]
(b)貴金属チップ5は、Pt−20Ir合金を使用し、これをφ1.1mm、厚さ0.4mmの円盤形に加工した。
(c)溶接工程は、市販の電気抵抗溶接機を使用し、電極保持治具6aと押圧治具6bの間に1,100Aの電流を流しつつ、貴金属チップ5を294Nの圧力で押圧した。
(d)上記の要領で製造した接地電極4に対し、「900℃で2分加熱−1分空冷」という条件を1000回繰り返した後、溶接した貴金属チップ5を含む半断面の貴金属チップ5の下20μmの範囲の断面積中、Al凝集物Xの面積占有率と貴金属チップ5の剥離状況を観察した。その結果を表2に示す。なお、剥離の程度は、図4に示したように溶接部の長さL1に対する剥離した長さL2の割合を百分率(%)で表した。
[Desktop chip weldability test 2]
In order to confirm the relationship between the area occupancy of the Al agglomerate X and the weldability of the
(A) “Inconel 601” (registered trademark), which is a commercially available nickel alloy, is used as the base material of the
[Si: 0.25 Cr: 20.0 Mn: 0.20 Al: 1.5 Fe: 15.0 Ni: 63]
(B) The
(C) In the welding process, a commercially available electric resistance welder was used, and the
(D) For the
この溶接性試験2の結果、溶接した貴金属チップ5を含む半断面の貴金属チップ5の下20μmの範囲の断面積中、Al凝集物Xの面積占有率≦30%であるとき貴金属チップ5の溶接性が使用可能な範囲に収まることが確認できた。
As a result of the weldability test 2, welding of the
以上本発明を実施の形態について説明したが、もちろん本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、実施形態では接地電極4の表層全体を研削してAl凝集層4aを薄くしたが、図5に示したように接地電極4の放電部に貴金属チップ5を嵌入させる浅い凹部7を形成し、その凹部7に貴金属チップ5を嵌め入れて溶接するようにしてもよい。この場合、凹部7の底に薄いAl凝集層4aが残っていても実施形態と同じく溶接性に悪影響を及ぼさない。
The embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is of course not limited to the above embodiments. For example, in the embodiment, the entire surface layer of the
また、実施形態では貴金属チップ5を母材に溶接する方法として電気抵抗溶接を使用したが、母材の表面から下20μmの範囲の断面積中、Al凝集物Xの面積占有率が30%以下になるようにAl凝集層4aを予め研削してさえおけば、溶接後においてAl凝集物Xの前記面積占有率は明らかに30%以下になるから、貴金属チップ5を殆ど加圧しない、つまり貴金属チップ5によるAl凝集層4aの押し除け作用が殆ど期待できない溶接方法であるレーザー溶接や超音波溶接などでも貴金属チップ5が溶接できる。もっとも本発明は電気抵抗溶接によるのが実施の容易性、コスト面でベストである。
また、実施形態では接地電極4の母材としてニッケル合金の「Inconel 601」(登録商標)を採用したが、「Inconel 600」(登録商標)を採用してもよい。
Further, in the embodiment, electric resistance welding is used as a method of welding the
In the embodiment, nickel alloy “Inconel 601” (registered trademark) is used as the base material of the
1 …スパークプラグ
3 …中心電極
4 …接地電極
4a…Al凝集層
4b…合金層
5 …貴金属チップ
7 …凹部
X …Al凝集物
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Spark plug 3 ...
Claims (6)
主成分がNiでAlを0.8wt%以上含みさらに自身の表層にAl凝集層を有する合金を接地電極の母材とし、溶接した貴金属チップを含む半断面の貴金属チップの下20μmの範囲の断面積中、Al凝集物の面積占有率が30%以下であることを特徴とするスパークプラグ。 A spark plug in which a noble metal tip is welded to a surface of at least the ground electrode of the center electrode and the ground electrode that are opposed to each other with a spark discharge gap therebetween, and facing the center electrode,
An alloy having Ni as a main component and containing Al in an amount of 0.8 wt% or more and having an Al agglomerated layer on its surface layer is used as a base material for a ground electrode, and is cut within a range of 20 μm below a half-section noble metal tip including a welded noble metal tip A spark plug characterized in that, in the area, the area occupancy of Al aggregates is 30% or less.
主成分がNiでAlを0.8wt%以上含みさらに自身の表層にAl凝集層を有する合金を接地電極の母材とし、先ず、該表層を研削してAl凝集層を薄くし、次に貴金属チップを母材に重ねてその重合部を加熱することにより主として母材を溶融させ、その溶融状態で貴金属チップを押圧することにより溶融したAl凝集層を押し除けつつ貴金属チップを沈降させ、もって貴金属チップを表層下の合金層に接合させるようにしたことを特徴とするスパークプラグの製造方法。 A spark plug manufacturing method in which a noble metal tip is welded to a surface of at least a ground electrode of a center electrode and a ground electrode that are opposed to each other across a spark discharge gap, and the surface of the center electrode is opposed to the ground electrode,
An alloy having Ni as a main component and containing Al in an amount of 0.8 wt% or more and having an Al aggregated layer on its own surface layer is used as a base material for the ground electrode. First, the surface layer is ground to make the Al aggregated layer thin, and then a noble metal. The base material is mainly melted by stacking the chip on the base material and the superposition part is heated, and the precious metal chip is settled while pushing away the molten Al aggregate layer by pressing the precious metal chip in the molten state. A method for manufacturing a spark plug, characterized in that a chip is bonded to an alloy layer below a surface layer.
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