JP2004235040A - スパークプラグ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】優れた耐熱性や耐火花消耗性と高温での耐酸化性や耐腐食性とをより確実に発揮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】中心電極２０及び接地電極３０の少なくとも一方は、クロムの偏析が少ないタングステン−クロム合金によって構成されている。
【選択図】 図２
【解決手段】中心電極２０及び接地電極３０の少なくとも一方は、クロムの偏析が少ないタングステン−クロム合金によって構成されている。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスパークプラグ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパークプラグは、筒状の主体金具を備えており、この主体金具内には、主体金具の軸方向に延在し、両端を主体金具の両端から突出させた筒状の絶縁体が固定されている。また、主体金具の軸方向には中心電極が延在し、中心電極の先端は絶縁体の先端から突出され、中心電極の後端は絶縁体内に固定されている。一方、主体金具には接地電極の一端が固定され、接地電極の他端部は中心電極との間に放電ギャップを形成している。
【０００３】
一般的なスパークプラグの中心電極及び接地電極は、各々Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）６００等のＮｉ合金等からなる。また、近年、エンジンの苛酷な稼動条件に耐え得るスパークプラグが求められており、この耐久性が要求されるスパークプラグの中心電極及び接地電極は、上記電極母材と、この電極母材の放電ギャップ側を形成する位置に溶接されたＩｒを含むＰｔ合金等の耐火花消耗材からなるチップとを有している。特に高い耐久性が要求されるスパークプラグの中心電極及び接地電極は、そのような電極母材やそのチップにタングステン−クロム合金が採用されようとしている（特許文献１参照。）。
【０００４】
同特許文献１に記載のように、タングステンは、融点が３４０７°Ｃと極めて高い材料であることから、スパークプラグの中心電極や接地電極として用いられることにより、耐熱性や耐火花消耗性の点で優れていると考えられるものの、酸素との親和力が大きいことから高温での耐酸化性や耐腐食性に懸念がある。他方、クロムは、融点が１８５７°Ｃとタングステンに比して低い材料であることから、スパークプラグの中心電極や接地電極として耐熱性や耐火花消耗性はさほど期待できないものの、タングステンの耐酸化性や耐腐食性を補う性質を有している。このため、タングステンとクロムとを含有するタングステン−クロム合金がスパークプラグの中心電極や接地電極として用いられれば、タングステン及びクロムの特性を生かしつつ、互いの欠点を補うことにより、優れた耐熱性や耐火花消耗性を発揮しつつ、耐酸化性や耐腐食性の懸念を払拭することが可能と考えられる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３４８６４０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１記載のように、タングステン−クロム合金をスパークプラグの中心電極や接地電極として用いようとしても、その中心電極や接地電極が必ずしも優れた耐熱性や耐火花消耗性を発揮できず、高温での耐酸化性や耐腐食性も十分でない場合があることが明らかとなった。
【０００７】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、優れた耐熱性や耐火花消耗性と高温での耐酸化性や耐腐食性とをより確実に発揮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を解決すべき課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上記課題解決のために鋭意研究を行い、上記のように確実性に欠ける原因がクロムの偏析によって生じていることを発見し、本発明を完成するに至った。すなわち、クロムが偏析すれば、その偏析を生じている部分では、クロムの濃度が相対的に高い分、タングステンの濃度が相対的に低下しており、融点が低下することとなる。また、クロムが偏析すれば、偏析を生じていない部分では、クロムの濃度が相対的に低くなり、耐酸化性や耐腐食性が低下することとなる。
【０００９】
本発明のスパークプラグは、筒状の主体金具と、該主体金具の軸方向に延在し、該主体金具の内側に固定された筒状の絶縁体と、該主体金具の軸方向に延在し、放電可能な先端を該絶縁体の先端から突出させて後端が該絶縁体内に固定された中心電極と、該主体金具に一端が固定され、該中心電極との間に放電ギャップを形成する接地電極とを備えたスパークプラグにおいて、
【００１０】
前記中心電極及び前記接地電極の少なくとも一方は、クロムの偏析が少ないタングステン−クロム合金によって構成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明のスパークプラグの中心電極及び接地電極の少なくとも一方は、クロムの偏析が少ないタングステン−クロム合金によって構成されており、換言すれば、タングステンとクロムとがともに相手側に対して好適に分散して固溶したものとなっている。このため、タングステンの特性による優れた耐熱性や耐火花消耗性が発揮されるとともに、クロムの特性による高温での耐酸化性や耐腐食性も発揮される。
【００１２】
したがって、本発明のスパークプラグによれば、優れた耐熱性や耐火花消耗性と高温での耐酸化性や耐腐食性とをより確実に発揮することができる。このため、このスパークプラグを用いれば、苛酷なエンジンの稼動条件の下でも優れた耐久性を発揮することができる。
【００１３】
本発明において、クロムの偏析が少ないタングステン−クロム合金はそのまま中心電極及び接地電極を構成してもよく、チップが溶接される電極母材を構成してもよく、電極母材に溶接されるチップを構成してもよい。特に、中心電極及び接地電極において、放電を行う部分がクロムの偏析の少ないタングステン−クロム合金であることが好ましい。
【００１４】
ここで、タングステン−クロム合金は、３０質量％以上のクロムを含むクロム系組織が面積の３５％未満を占めるものであることが好ましい。すなわち、この場合、３０質量％以上のクロムを含むクロム系組織がクロムの偏析部分であり、このクロムの偏析部分がタングステン−クロム合金の面積の３５％未満を占めておれば、クロムの偏析が少ないと言い得る。発明者らの試験結果によれば、この場合に本発明の効果を生じる。なお、タングステン−クロム合金の面積において３０質量％以上のクロムを含むクロム系組織が３５％未満を占めるということは、タングステン−クロム合金の表面ばかりでなく、断面においても、３０質量％以上のクロムを含むクロム系組織が３５％未満の面積を占めていることとなる。
【００１５】
他方、タングステン−クロム合金は、５０質量％以上のタングステンを含むタングステン系組織が面積の６５％以上を占めるものであることも好ましい。すなわち、この場合、５０質量％以上のタングステンを含むタングステン系組織以外がクロムの偏析部分であり、このクロムの偏析部分以外の部分がタングステン−クロム合金の面積の６５％以上を占めておれば、クロムの偏析が少ないと言い得る。発明者らの試験結果によれば、この場合に本発明の効果を生じる。なお、タングステン−クロム合金の面積において５０質量％以上のタングステンを含むタングステン系組織が面積の６５％以上を占めるということは、タングステン−クロム合金の表面ばかりでなく、断面においても、５０質量％以上のタングステンを含むタングステン系組織が６５％以上の面積を占めていることとなる。
【００１６】
発明者らの試験結果によれば、タングステン−クロム合金は、タングステン６０〜９７質量部と、クロム３〜３０質量部とを含むことが好ましい。ここで、質量部とは、タングステン−クロム合金の全質量を分母とし、タングステン−クロム合金に含まれるタングステン又はクロムの質量を分子とした割合である。タングステン−クロム合金が実質的にタングステン及びクロムからなり、タングステン−クロム合金の全質量部が１００に相当すれば、質量部は質量％と等しい。なお、実質的にとは不可避の不純物を含み得ることを意味する。タングステンとクロムとをこの範囲内としたタングステン−クロム合金であれば、クロムの偏析が少なく、本発明の効果を生じる。タングステン−クロム合金は、タングステン７０〜８０質量部と、クロム２０〜３０質量部とを含むことがより好ましい。
【００１７】
また、タングステン−クロム合金は、Ｌａ、Ｒｅ、Ｓｉ及びＩｒの少なくとも１種類を含むことが好ましい。Ｌａ、Ｒｅ、Ｓｉ及びＩｒは、タングステン−クロム合金中において、表面からのクロムの揮発を抑制することができるからである。発明者らの試験結果によれば、タングステン−クロム合金中において、Ｌａ、Ｒｅ、Ｓｉ及びＩｒの少なくとも１種類は各々及び合計が１０質量％未満で含まれておれば、クロムの揮発の抑制を十分に行うことができる。つまり、Ｌａ、Ｒｅ、Ｓｉ又はＩｒのいずれか１種類が１０質量％未満で含まれている場合、また、Ｌａ、Ｒｅ、Ｓｉ又はＩｒのいずれか２種類の合計が１０質量％未満で含まれている場合、さらに、Ｌａ、Ｒｅ、Ｓｉ又はＩｒのいずれか３種類の合計が１０質量％未満で含まれている場合、また、Ｌａ、Ｒｅ、Ｓｉ及びＩｒの４種類の合計が１０質量％未満で含まれている場合であれば、クロムの揮発の抑制を行うことができるのである。
【００１８】
また、本発明のスパークプラグは、本発明のスパークプラグの製造方法により製造することができる。すなわち、この製造方法は、筒状の主体金具と、該主体金具の軸方向に延在し、該主体金具の内側に固定された筒状の絶縁体と、該主体金具の軸方向に延在し、放電可能な先端を該絶縁体の先端から突出させて後端が該絶縁体内に固定された中心電極と、該主体金具に一端が固定され、該中心電極との間に放電ギャップを形成する接地電極とを備えたスパークプラグの製造方法において、
【００１９】
少なくともタングステン粉末及びクロム粉末を含む混合粉末により成形体を得る成形工程と、該成形体を水素雰囲気で焼結し、一次焼結体を得る一次焼結工程と、該一次焼結体を真空雰囲気、窒素雰囲気又は不活性ガス雰囲気で該一次焼結工程の温度を超えない温度により焼結し、前記中心電極及び前記接地電極の少なくとも一方を得る二次焼結工程とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
本発明のスパークプラグの製造方法では、成形工程において、少なくともタングステン粉末及びクロム粉末を含む混合粉末により成形体を得る。そして、一次焼結工程において、成形体を水素雰囲気で焼結し、一次焼結体を得る。発明者らの試験結果によれば、こうして成形体を水素雰囲気で焼結することにより、クロムが表面から揮発することを抑制することができる。この後、二次焼結工程において、一次焼結体を真空雰囲気、窒素雰囲気又は不活性ガス雰囲気で一次焼結工程の温度を超えない温度により焼結し、中心電極及び接地電極の少なくとも一方を得る。発明者らの試験結果によれば、こうして一次焼結体を真空雰囲気、窒素雰囲気又は不活性ガス雰囲気で一次焼結工程の温度を超えない温度により焼結することにより、内部のクロムの濃度を均一化することができる。成形体を真空雰囲気、窒素雰囲気又は不活性ガス雰囲気で焼結後、水素雰囲気で焼結すると、却ってクロムの揮発量が多くなってしまう。また、二次焼結工程を一次焼結工程の温度以上の温度で行なってもクロムの揮発量が多くなってしまう。発明者らの試験結果によれば、こうして中心電極及び接地電極の少なくとも一方を得れば、クロムの偏析が少ないタングステン−クロム合金を得ることができる。このため、こうして得られるスパークプラグによって本発明の効果を奏することができる。
【００２１】
ここで、二次焼結工程では、加圧焼結を行なうことが好ましい。加圧焼結としては、例えば、熱間等方圧加工（ＨＩＰ）処理等を用いることができる。加圧焼結によってタングステン−クロム合金の焼結強度が高められることとなり、タングステン−クロム合金の結晶密度を高めることができるからである。このため、中心電極及び設置電極の強度を高めることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のスパークプラグ及びその製造方法を具体化した実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２３】
（試験例）
先ず、図１に示すように、成形工程Ｓ１０において、Ｗ、Ｃｒ、Ｌａ２Ｏ３、Ｒｅ、Ｓｉ及びＩｒの各金属粉末を表１に示す各試料１〜１９の組合せで混合する。なお、各元素記号の前の数字は質量％である。こうして得られる混合粉末をプレスによって成形する。こうして、表１に示す各試料１〜１９の成形体を得る。
【００２４】
【表１】
【００２５】
次に、図１に示すように、一次焼結工程Ｓ２０において、各試料１〜１９の成形体を表１に示す雰囲気中において１６００（°Ｃ）で焼結する。こうして表１に示す各試料１〜１９の一次焼結体を得る。
【００２６】
次いで、図１に示すように、二次焼結工程Ｓ３０において、各試料１〜１３の一次焼結体を表１に示す雰囲気で焼結する。その際、真空雰囲気の場合は１６００（°Ｃ）の温度で焼結を行う。また、窒素や不活性ガス雰囲気の場合は１５００（°Ｃ）の温度でＨＩＰによる加圧焼結を行う。タングステン−クロム合金の焼結強度が高められ、その結晶密度を高めることができるからである。こうして二次焼結工程Ｓ３０において、一次焼結工程Ｓ２０の温度を超えない温度により焼結を行う。なお、各試料１４〜１９の一次焼結体については、二次焼結工程Ｓ３０を行っていない。
【００２７】
こうして得られた各試料１〜１９を接地電極のチップとして、以下に示す机上耐酸化試験及びエンジン耐久試験を行う。
【００２８】
机上耐酸化試験では、先ず、各試料１〜１９のチップの質量を測定する。次に、大気雰囲気の電気炉において、各試料１〜１９のチップを１０５０（°Ｃ）の温度で２０時間加熱した後、そのチップの質量を測定する。そして、数１に示す式において、加熱前の各試料１〜１９のチップに対する加熱後の各試料１〜１９のチップの質量変化ａ（％）を求める。
【００２９】
【数１】
【００３０】
ここで、質量変化ａ（％）について、５０≦ａ＜１０５（％）の範囲にある場合を◎とし、３０≦ａ＜５０（％）の範囲にある場合を○とし、０（％）≦ａ＜３０（％）、１０５（％）≦ａの範囲にある場合を×とする。その結果を表２に示す。
【００３１】
【表２】
【００３２】
また、各試料１〜１９のチップを図２に示す接地電極３０のチップ３１としてスパークプラグ１０を製造する。このスパークプラグ１０は、筒状の主体金具６０を備えており、この主体金具６０内には、主体金具６０の軸方向に延在し、両端を主体金具６０の両端から突出させた筒状の絶縁体６２が固定されている。また、主体金具６０の軸方向には中心電極２０が延在し、中心電極２０の先端は絶縁体６２の先端から突出され、中心電極２０の後端は絶縁体６２の後端で図示しない抵抗材及び導電材を介して端子６３に電気的に接続されている。一方、主体金具６０には、厚さ１（ｍｍ）、幅２．２（ｍｍ）のＮｉ合金からなる接地電極３０の一端が固定され、接地電極３０の他端部は中心電極２０との間に放電ギャップを形成している。接地電極３０の他端部の放電ギャップ側にはφ０．９（ｍｍ）のチップ３１が固定されている。こうして、中心電極２０及び接地電極３０は放電ギャップを形成しながら対向して設けられている。ここで、中心電極２０の先端と接地電極３０のチップ３１と間には、１．１（ｍｍ）間隔を初期値とした放電ギャップが形成されている。
【００３３】
こうして製造されたスパークプラグ１０を２８００ｃｃの排気量を有する図示しない６気筒エンジンに取り付けることによって、エンジン耐久試験を行う。
【００３４】
エンジン耐久試験では、スロットルを全開にして、回転数を５５００（ｒｐｍ）とした苛酷な稼動条件下において、４００時間、連続運転する。その際、中心電極２０の温度は約９００（°Ｃ）になっている。そして、エンジンを止めた後、放電ギャップの増加量ｃ（ｍｍ）を測定する。ここで、放電ギャップの増加量ｃ（ｍｍ）について、０≦ｃ＜０．４５（ｍｍ）の範囲にある場合を◎とし、０．４５≦ｃ＜０．５５（ｍｍ）の範囲にある場合を○とし、０．５５≦ｃ＜０．６５（ｍｍ）の範囲にある場合を△とし、０．６５（ｍｍ）≦ｃの範囲にある場合を×とする。その結果も表２に示す。
【００３５】
また、各試料１〜１９について、以下に示す方法でＷ濃度が５０（質量％）以上である面積の割合（％）と、Ｃｒ濃度が３０（質量％）以上である面積の割合（％）とを測定する。
【００３６】
まず、各試料１〜１９は、図３（ａ）に示すように、材質の中心Ｏを通るように切断され、図３（ｂ）に示すように、切断面Ｓ１が形成される。こうして切断された切断面Ｓ１は、図３（ａ）に示す各試料１〜１９の表面積Ｓ０の１０（％）以上の面積を有していることがわかる。切断された各試料１〜１９の切断面Ｓ１に対し、ＪＥＯＬ社製の電子線プローブマイクロアナライザー（ＪＸＡ−８８００Ｍ）（以下、ＥＰＭＡという。）を用い、加速電圧２０（ｋＶ）、ビーム電流２．５×１０−８（ｍＡ）、スポット径（１μｍ以下）の条件下、３００×３００（μｍ２）の範囲の定性分析を行う。その際、２００倍に拡大されたＥＰＭＡの画像において、Ｃｒ濃度が３０（質量％）以上である場合と、Ｗ濃度が５０（質量％）以上である場合とで異なる色が着色されるように設定している。こうして着色されたＥＰＭＡの画像を解析し、それぞれ着色された面積の割合（％）を算出する。その結果も表２に示す。
【００３７】
＜確認＞
各試料１〜１９について、クロム濃度が３０（質量％）以上である理論上の面積の割合（％）を確認する。図４では、タングステン−クロム合金に含まれるタングステンと添加物（Ｗ及びＣｒ以外の上記金属粉末）との合計の濃度（質量％）を下の横軸として、その濃度に対応するクロムの濃度（質量％）を上の横軸とする。また、クロム濃度が３０（質量％）以上である面積の割合（％）を縦軸とする。こうして、クロム濃度が３０（質量％）以上である理論上の面積の割合は着色部分Ａ１に示す範囲内である。こうして、表１に示す各試料１〜１９において、図４からわかるように、クロム濃度が３０（質量％）以上である理論上の面積の割合（％）を表３に示す。
【００３８】
また、各試料１〜１９について、タングステン濃度が５０（質量％）以上である理論上の面積の割合（％）を確認する。図５に示すように、タングステン−クロム合金に含まれるタングステンの濃度（質量％）を下の横軸として、その濃度に対応するクロムの濃度（質量％）を上の横軸とする。また、タングステン濃度が５０（質量％）以上である面積の割合（％）を縦軸とする。こうして、タングステン濃度が５０（質量％）以上である理論上の面積の割合は着色部分Ａ２に示す範囲内である。こうして、表１に示す各試料１〜１９において、図５から判るように、Ｗ濃度が５０（質量％）以上である理論上の面積の割合（％）を表３に示す。
【００３９】
【表３】
【００４０】
＜評価＞
各試料１〜１９において、表２に示すＷ濃度が５０（質量％）以上である面積の割合（％）は、表３に示す理論上の面積の割合（％）を満たしており、表２に示すＣｒ濃度が３０（質量％）以上である面積の割合（％）も、表３に示す理論上の面積の割合（％）を満たしている。その中で、机上耐酸化試験で◎又は○であり、かつエンジン耐久試験が◎又は○であるものは、試料２〜９、１１、１３であった。
【００４１】
各試料２〜９、１１、１３は、３０質量％以上のクロムを含むクロム系組織が面積の３５％未満を占めており、かつ５０質量％以上のタングステンを含むタングステン系組織が面積の６５％以上を占めている。
【００４２】
各試料２〜９、１１、１３は、タングステン６０〜９７質量部と、クロム３〜３０質量部とが含まれている。また、各試料４〜９、１１、１３は、クロムの揮発の抑制するため、Ｌａ、Ｒｅ、Ｓｉ及びＩｒの少なくとも１種類が含まれている。このため、試料４〜９、１１、１３において、Ｌａ、Ｒｅ、Ｓｉ及びＩｒの少なくとも１種類は各々及び合計が１０質量％未満の範囲で含まれている。
【００４３】
特に、各試料２〜９、１１、１３は、図１に示す一次焼結工程Ｓ２０において、その試料の成形体が水素雰囲気で焼結されているため、表面から揮発するクロムが抑制されている。また、二次焼結工程Ｓ３０において、その試料の一次焼結体を真空雰囲気、窒素雰囲気又はアルゴン雰囲気で一次焼結工程Ｓ２０の温度を超えない温度により焼結されているため、内部のクロムの濃度が均一化されている。なお、試料１１、１３では、二次焼結工程Ｓ３０でＨＩＰが用いられているため、タングステン−クロム合金の焼結強度及び結晶密度が高められている。このようなタングステン−クロム合金であれば、中心電極及び接地電極の強度を高めることができる。
【００４４】
こうして得られた各試料２〜９、１１、１３うち、例えば、試料６の切断面Ｓ１におけるＳＥＭ写真を図６に示す。また、試料１６の切断面Ｓ１におけるＳＥＭ写真を図７に示す。このため、試料６は、試料１６に比してクロムの偏析が少ないタングステン−クロム合金となっている。
【００４５】
図６に示すように、クロムの偏析が少ないタングステン−クロム合金は、タングステンとクロムとがともに相手側に対して好適に分散して固溶したものとなっている。このため、タングステンの特性による優れた耐熱性や耐火花消耗性が発揮されるとともに、クロムの特性による高温での耐酸化性や耐腐食性も発揮される。このため、試料２〜９、１１、１３のタングステン−クロム合金は、図２に示すスパークプラグ１０の接地電極３０のチップ３１に用いて好適であると考えられる。また、中心電極２０に設けられるチップや中心電極２０及び接地電極３０の母材として用いても好適である。
【００４６】
したがって、実施形態のスパークプラグ１０によれば、優れた耐熱性や耐火花消耗性と高温での耐酸化性や耐腐食性とをより確実に発揮することができる。このため、このスパークプラグを用いれば、苛酷なエンジンの稼動条件の下でも優れた耐久性を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態のスパークプラグの製造方法を示す工程図である。
【図２】実施形態のスパークプラグの一部断面図である。
【図３】実施形態のタングステン−クロム合金の斜視図である。
【図４】実施形態に係り、クロム濃度が３０（質量％）以上である理論上の面積の割合（％）を示す図である。
【図５】実施形態に係り、タングステン濃度が５０（質量％）以上である理論上の面積の割合（％）を示す図である。
【図６】実施形態のタングステン−クロム合金のＳＥＭ写真の図である。
【図７】従来のタングステン−クロム合金のＳＥＭ写真の図である。
【符号の説明】
６０…主体金具
６２…絶縁体
２０…中心電極
３０…接地電極
１０…スパークプラグ
Ｓ１０…成形工程
Ｓ２０…一次焼結工程
Ｓ３０…二次焼結工程
【発明の属する技術分野】
本発明はスパークプラグ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパークプラグは、筒状の主体金具を備えており、この主体金具内には、主体金具の軸方向に延在し、両端を主体金具の両端から突出させた筒状の絶縁体が固定されている。また、主体金具の軸方向には中心電極が延在し、中心電極の先端は絶縁体の先端から突出され、中心電極の後端は絶縁体内に固定されている。一方、主体金具には接地電極の一端が固定され、接地電極の他端部は中心電極との間に放電ギャップを形成している。
【０００３】
一般的なスパークプラグの中心電極及び接地電極は、各々Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）６００等のＮｉ合金等からなる。また、近年、エンジンの苛酷な稼動条件に耐え得るスパークプラグが求められており、この耐久性が要求されるスパークプラグの中心電極及び接地電極は、上記電極母材と、この電極母材の放電ギャップ側を形成する位置に溶接されたＩｒを含むＰｔ合金等の耐火花消耗材からなるチップとを有している。特に高い耐久性が要求されるスパークプラグの中心電極及び接地電極は、そのような電極母材やそのチップにタングステン−クロム合金が採用されようとしている（特許文献１参照。）。
【０００４】
同特許文献１に記載のように、タングステンは、融点が３４０７°Ｃと極めて高い材料であることから、スパークプラグの中心電極や接地電極として用いられることにより、耐熱性や耐火花消耗性の点で優れていると考えられるものの、酸素との親和力が大きいことから高温での耐酸化性や耐腐食性に懸念がある。他方、クロムは、融点が１８５７°Ｃとタングステンに比して低い材料であることから、スパークプラグの中心電極や接地電極として耐熱性や耐火花消耗性はさほど期待できないものの、タングステンの耐酸化性や耐腐食性を補う性質を有している。このため、タングステンとクロムとを含有するタングステン−クロム合金がスパークプラグの中心電極や接地電極として用いられれば、タングステン及びクロムの特性を生かしつつ、互いの欠点を補うことにより、優れた耐熱性や耐火花消耗性を発揮しつつ、耐酸化性や耐腐食性の懸念を払拭することが可能と考えられる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３４８６４０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１記載のように、タングステン−クロム合金をスパークプラグの中心電極や接地電極として用いようとしても、その中心電極や接地電極が必ずしも優れた耐熱性や耐火花消耗性を発揮できず、高温での耐酸化性や耐腐食性も十分でない場合があることが明らかとなった。
【０００７】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、優れた耐熱性や耐火花消耗性と高温での耐酸化性や耐腐食性とをより確実に発揮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を解決すべき課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上記課題解決のために鋭意研究を行い、上記のように確実性に欠ける原因がクロムの偏析によって生じていることを発見し、本発明を完成するに至った。すなわち、クロムが偏析すれば、その偏析を生じている部分では、クロムの濃度が相対的に高い分、タングステンの濃度が相対的に低下しており、融点が低下することとなる。また、クロムが偏析すれば、偏析を生じていない部分では、クロムの濃度が相対的に低くなり、耐酸化性や耐腐食性が低下することとなる。
【０００９】
本発明のスパークプラグは、筒状の主体金具と、該主体金具の軸方向に延在し、該主体金具の内側に固定された筒状の絶縁体と、該主体金具の軸方向に延在し、放電可能な先端を該絶縁体の先端から突出させて後端が該絶縁体内に固定された中心電極と、該主体金具に一端が固定され、該中心電極との間に放電ギャップを形成する接地電極とを備えたスパークプラグにおいて、
【００１０】
前記中心電極及び前記接地電極の少なくとも一方は、クロムの偏析が少ないタングステン−クロム合金によって構成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明のスパークプラグの中心電極及び接地電極の少なくとも一方は、クロムの偏析が少ないタングステン−クロム合金によって構成されており、換言すれば、タングステンとクロムとがともに相手側に対して好適に分散して固溶したものとなっている。このため、タングステンの特性による優れた耐熱性や耐火花消耗性が発揮されるとともに、クロムの特性による高温での耐酸化性や耐腐食性も発揮される。
【００１２】
したがって、本発明のスパークプラグによれば、優れた耐熱性や耐火花消耗性と高温での耐酸化性や耐腐食性とをより確実に発揮することができる。このため、このスパークプラグを用いれば、苛酷なエンジンの稼動条件の下でも優れた耐久性を発揮することができる。
【００１３】
本発明において、クロムの偏析が少ないタングステン−クロム合金はそのまま中心電極及び接地電極を構成してもよく、チップが溶接される電極母材を構成してもよく、電極母材に溶接されるチップを構成してもよい。特に、中心電極及び接地電極において、放電を行う部分がクロムの偏析の少ないタングステン−クロム合金であることが好ましい。
【００１４】
ここで、タングステン−クロム合金は、３０質量％以上のクロムを含むクロム系組織が面積の３５％未満を占めるものであることが好ましい。すなわち、この場合、３０質量％以上のクロムを含むクロム系組織がクロムの偏析部分であり、このクロムの偏析部分がタングステン−クロム合金の面積の３５％未満を占めておれば、クロムの偏析が少ないと言い得る。発明者らの試験結果によれば、この場合に本発明の効果を生じる。なお、タングステン−クロム合金の面積において３０質量％以上のクロムを含むクロム系組織が３５％未満を占めるということは、タングステン−クロム合金の表面ばかりでなく、断面においても、３０質量％以上のクロムを含むクロム系組織が３５％未満の面積を占めていることとなる。
【００１５】
他方、タングステン−クロム合金は、５０質量％以上のタングステンを含むタングステン系組織が面積の６５％以上を占めるものであることも好ましい。すなわち、この場合、５０質量％以上のタングステンを含むタングステン系組織以外がクロムの偏析部分であり、このクロムの偏析部分以外の部分がタングステン−クロム合金の面積の６５％以上を占めておれば、クロムの偏析が少ないと言い得る。発明者らの試験結果によれば、この場合に本発明の効果を生じる。なお、タングステン−クロム合金の面積において５０質量％以上のタングステンを含むタングステン系組織が面積の６５％以上を占めるということは、タングステン−クロム合金の表面ばかりでなく、断面においても、５０質量％以上のタングステンを含むタングステン系組織が６５％以上の面積を占めていることとなる。
【００１６】
発明者らの試験結果によれば、タングステン−クロム合金は、タングステン６０〜９７質量部と、クロム３〜３０質量部とを含むことが好ましい。ここで、質量部とは、タングステン−クロム合金の全質量を分母とし、タングステン−クロム合金に含まれるタングステン又はクロムの質量を分子とした割合である。タングステン−クロム合金が実質的にタングステン及びクロムからなり、タングステン−クロム合金の全質量部が１００に相当すれば、質量部は質量％と等しい。なお、実質的にとは不可避の不純物を含み得ることを意味する。タングステンとクロムとをこの範囲内としたタングステン−クロム合金であれば、クロムの偏析が少なく、本発明の効果を生じる。タングステン−クロム合金は、タングステン７０〜８０質量部と、クロム２０〜３０質量部とを含むことがより好ましい。
【００１７】
また、タングステン−クロム合金は、Ｌａ、Ｒｅ、Ｓｉ及びＩｒの少なくとも１種類を含むことが好ましい。Ｌａ、Ｒｅ、Ｓｉ及びＩｒは、タングステン−クロム合金中において、表面からのクロムの揮発を抑制することができるからである。発明者らの試験結果によれば、タングステン−クロム合金中において、Ｌａ、Ｒｅ、Ｓｉ及びＩｒの少なくとも１種類は各々及び合計が１０質量％未満で含まれておれば、クロムの揮発の抑制を十分に行うことができる。つまり、Ｌａ、Ｒｅ、Ｓｉ又はＩｒのいずれか１種類が１０質量％未満で含まれている場合、また、Ｌａ、Ｒｅ、Ｓｉ又はＩｒのいずれか２種類の合計が１０質量％未満で含まれている場合、さらに、Ｌａ、Ｒｅ、Ｓｉ又はＩｒのいずれか３種類の合計が１０質量％未満で含まれている場合、また、Ｌａ、Ｒｅ、Ｓｉ及びＩｒの４種類の合計が１０質量％未満で含まれている場合であれば、クロムの揮発の抑制を行うことができるのである。
【００１８】
また、本発明のスパークプラグは、本発明のスパークプラグの製造方法により製造することができる。すなわち、この製造方法は、筒状の主体金具と、該主体金具の軸方向に延在し、該主体金具の内側に固定された筒状の絶縁体と、該主体金具の軸方向に延在し、放電可能な先端を該絶縁体の先端から突出させて後端が該絶縁体内に固定された中心電極と、該主体金具に一端が固定され、該中心電極との間に放電ギャップを形成する接地電極とを備えたスパークプラグの製造方法において、
【００１９】
少なくともタングステン粉末及びクロム粉末を含む混合粉末により成形体を得る成形工程と、該成形体を水素雰囲気で焼結し、一次焼結体を得る一次焼結工程と、該一次焼結体を真空雰囲気、窒素雰囲気又は不活性ガス雰囲気で該一次焼結工程の温度を超えない温度により焼結し、前記中心電極及び前記接地電極の少なくとも一方を得る二次焼結工程とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
本発明のスパークプラグの製造方法では、成形工程において、少なくともタングステン粉末及びクロム粉末を含む混合粉末により成形体を得る。そして、一次焼結工程において、成形体を水素雰囲気で焼結し、一次焼結体を得る。発明者らの試験結果によれば、こうして成形体を水素雰囲気で焼結することにより、クロムが表面から揮発することを抑制することができる。この後、二次焼結工程において、一次焼結体を真空雰囲気、窒素雰囲気又は不活性ガス雰囲気で一次焼結工程の温度を超えない温度により焼結し、中心電極及び接地電極の少なくとも一方を得る。発明者らの試験結果によれば、こうして一次焼結体を真空雰囲気、窒素雰囲気又は不活性ガス雰囲気で一次焼結工程の温度を超えない温度により焼結することにより、内部のクロムの濃度を均一化することができる。成形体を真空雰囲気、窒素雰囲気又は不活性ガス雰囲気で焼結後、水素雰囲気で焼結すると、却ってクロムの揮発量が多くなってしまう。また、二次焼結工程を一次焼結工程の温度以上の温度で行なってもクロムの揮発量が多くなってしまう。発明者らの試験結果によれば、こうして中心電極及び接地電極の少なくとも一方を得れば、クロムの偏析が少ないタングステン−クロム合金を得ることができる。このため、こうして得られるスパークプラグによって本発明の効果を奏することができる。
【００２１】
ここで、二次焼結工程では、加圧焼結を行なうことが好ましい。加圧焼結としては、例えば、熱間等方圧加工（ＨＩＰ）処理等を用いることができる。加圧焼結によってタングステン−クロム合金の焼結強度が高められることとなり、タングステン−クロム合金の結晶密度を高めることができるからである。このため、中心電極及び設置電極の強度を高めることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のスパークプラグ及びその製造方法を具体化した実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２３】
（試験例）
先ず、図１に示すように、成形工程Ｓ１０において、Ｗ、Ｃｒ、Ｌａ２Ｏ３、Ｒｅ、Ｓｉ及びＩｒの各金属粉末を表１に示す各試料１〜１９の組合せで混合する。なお、各元素記号の前の数字は質量％である。こうして得られる混合粉末をプレスによって成形する。こうして、表１に示す各試料１〜１９の成形体を得る。
【００２４】
【表１】
次に、図１に示すように、一次焼結工程Ｓ２０において、各試料１〜１９の成形体を表１に示す雰囲気中において１６００（°Ｃ）で焼結する。こうして表１に示す各試料１〜１９の一次焼結体を得る。
【００２６】
次いで、図１に示すように、二次焼結工程Ｓ３０において、各試料１〜１３の一次焼結体を表１に示す雰囲気で焼結する。その際、真空雰囲気の場合は１６００（°Ｃ）の温度で焼結を行う。また、窒素や不活性ガス雰囲気の場合は１５００（°Ｃ）の温度でＨＩＰによる加圧焼結を行う。タングステン−クロム合金の焼結強度が高められ、その結晶密度を高めることができるからである。こうして二次焼結工程Ｓ３０において、一次焼結工程Ｓ２０の温度を超えない温度により焼結を行う。なお、各試料１４〜１９の一次焼結体については、二次焼結工程Ｓ３０を行っていない。
【００２７】
こうして得られた各試料１〜１９を接地電極のチップとして、以下に示す机上耐酸化試験及びエンジン耐久試験を行う。
【００２８】
机上耐酸化試験では、先ず、各試料１〜１９のチップの質量を測定する。次に、大気雰囲気の電気炉において、各試料１〜１９のチップを１０５０（°Ｃ）の温度で２０時間加熱した後、そのチップの質量を測定する。そして、数１に示す式において、加熱前の各試料１〜１９のチップに対する加熱後の各試料１〜１９のチップの質量変化ａ（％）を求める。
【００２９】
【数１】
ここで、質量変化ａ（％）について、５０≦ａ＜１０５（％）の範囲にある場合を◎とし、３０≦ａ＜５０（％）の範囲にある場合を○とし、０（％）≦ａ＜３０（％）、１０５（％）≦ａの範囲にある場合を×とする。その結果を表２に示す。
【００３１】
【表２】
また、各試料１〜１９のチップを図２に示す接地電極３０のチップ３１としてスパークプラグ１０を製造する。このスパークプラグ１０は、筒状の主体金具６０を備えており、この主体金具６０内には、主体金具６０の軸方向に延在し、両端を主体金具６０の両端から突出させた筒状の絶縁体６２が固定されている。また、主体金具６０の軸方向には中心電極２０が延在し、中心電極２０の先端は絶縁体６２の先端から突出され、中心電極２０の後端は絶縁体６２の後端で図示しない抵抗材及び導電材を介して端子６３に電気的に接続されている。一方、主体金具６０には、厚さ１（ｍｍ）、幅２．２（ｍｍ）のＮｉ合金からなる接地電極３０の一端が固定され、接地電極３０の他端部は中心電極２０との間に放電ギャップを形成している。接地電極３０の他端部の放電ギャップ側にはφ０．９（ｍｍ）のチップ３１が固定されている。こうして、中心電極２０及び接地電極３０は放電ギャップを形成しながら対向して設けられている。ここで、中心電極２０の先端と接地電極３０のチップ３１と間には、１．１（ｍｍ）間隔を初期値とした放電ギャップが形成されている。
【００３３】
こうして製造されたスパークプラグ１０を２８００ｃｃの排気量を有する図示しない６気筒エンジンに取り付けることによって、エンジン耐久試験を行う。
【００３４】
エンジン耐久試験では、スロットルを全開にして、回転数を５５００（ｒｐｍ）とした苛酷な稼動条件下において、４００時間、連続運転する。その際、中心電極２０の温度は約９００（°Ｃ）になっている。そして、エンジンを止めた後、放電ギャップの増加量ｃ（ｍｍ）を測定する。ここで、放電ギャップの増加量ｃ（ｍｍ）について、０≦ｃ＜０．４５（ｍｍ）の範囲にある場合を◎とし、０．４５≦ｃ＜０．５５（ｍｍ）の範囲にある場合を○とし、０．５５≦ｃ＜０．６５（ｍｍ）の範囲にある場合を△とし、０．６５（ｍｍ）≦ｃの範囲にある場合を×とする。その結果も表２に示す。
【００３５】
また、各試料１〜１９について、以下に示す方法でＷ濃度が５０（質量％）以上である面積の割合（％）と、Ｃｒ濃度が３０（質量％）以上である面積の割合（％）とを測定する。
【００３６】
まず、各試料１〜１９は、図３（ａ）に示すように、材質の中心Ｏを通るように切断され、図３（ｂ）に示すように、切断面Ｓ１が形成される。こうして切断された切断面Ｓ１は、図３（ａ）に示す各試料１〜１９の表面積Ｓ０の１０（％）以上の面積を有していることがわかる。切断された各試料１〜１９の切断面Ｓ１に対し、ＪＥＯＬ社製の電子線プローブマイクロアナライザー（ＪＸＡ−８８００Ｍ）（以下、ＥＰＭＡという。）を用い、加速電圧２０（ｋＶ）、ビーム電流２．５×１０−８（ｍＡ）、スポット径（１μｍ以下）の条件下、３００×３００（μｍ２）の範囲の定性分析を行う。その際、２００倍に拡大されたＥＰＭＡの画像において、Ｃｒ濃度が３０（質量％）以上である場合と、Ｗ濃度が５０（質量％）以上である場合とで異なる色が着色されるように設定している。こうして着色されたＥＰＭＡの画像を解析し、それぞれ着色された面積の割合（％）を算出する。その結果も表２に示す。
【００３７】
＜確認＞
各試料１〜１９について、クロム濃度が３０（質量％）以上である理論上の面積の割合（％）を確認する。図４では、タングステン−クロム合金に含まれるタングステンと添加物（Ｗ及びＣｒ以外の上記金属粉末）との合計の濃度（質量％）を下の横軸として、その濃度に対応するクロムの濃度（質量％）を上の横軸とする。また、クロム濃度が３０（質量％）以上である面積の割合（％）を縦軸とする。こうして、クロム濃度が３０（質量％）以上である理論上の面積の割合は着色部分Ａ１に示す範囲内である。こうして、表１に示す各試料１〜１９において、図４からわかるように、クロム濃度が３０（質量％）以上である理論上の面積の割合（％）を表３に示す。
【００３８】
また、各試料１〜１９について、タングステン濃度が５０（質量％）以上である理論上の面積の割合（％）を確認する。図５に示すように、タングステン−クロム合金に含まれるタングステンの濃度（質量％）を下の横軸として、その濃度に対応するクロムの濃度（質量％）を上の横軸とする。また、タングステン濃度が５０（質量％）以上である面積の割合（％）を縦軸とする。こうして、タングステン濃度が５０（質量％）以上である理論上の面積の割合は着色部分Ａ２に示す範囲内である。こうして、表１に示す各試料１〜１９において、図５から判るように、Ｗ濃度が５０（質量％）以上である理論上の面積の割合（％）を表３に示す。
【００３９】
【表３】
＜評価＞
各試料１〜１９において、表２に示すＷ濃度が５０（質量％）以上である面積の割合（％）は、表３に示す理論上の面積の割合（％）を満たしており、表２に示すＣｒ濃度が３０（質量％）以上である面積の割合（％）も、表３に示す理論上の面積の割合（％）を満たしている。その中で、机上耐酸化試験で◎又は○であり、かつエンジン耐久試験が◎又は○であるものは、試料２〜９、１１、１３であった。
【００４１】
各試料２〜９、１１、１３は、３０質量％以上のクロムを含むクロム系組織が面積の３５％未満を占めており、かつ５０質量％以上のタングステンを含むタングステン系組織が面積の６５％以上を占めている。
【００４２】
各試料２〜９、１１、１３は、タングステン６０〜９７質量部と、クロム３〜３０質量部とが含まれている。また、各試料４〜９、１１、１３は、クロムの揮発の抑制するため、Ｌａ、Ｒｅ、Ｓｉ及びＩｒの少なくとも１種類が含まれている。このため、試料４〜９、１１、１３において、Ｌａ、Ｒｅ、Ｓｉ及びＩｒの少なくとも１種類は各々及び合計が１０質量％未満の範囲で含まれている。
【００４３】
特に、各試料２〜９、１１、１３は、図１に示す一次焼結工程Ｓ２０において、その試料の成形体が水素雰囲気で焼結されているため、表面から揮発するクロムが抑制されている。また、二次焼結工程Ｓ３０において、その試料の一次焼結体を真空雰囲気、窒素雰囲気又はアルゴン雰囲気で一次焼結工程Ｓ２０の温度を超えない温度により焼結されているため、内部のクロムの濃度が均一化されている。なお、試料１１、１３では、二次焼結工程Ｓ３０でＨＩＰが用いられているため、タングステン−クロム合金の焼結強度及び結晶密度が高められている。このようなタングステン−クロム合金であれば、中心電極及び接地電極の強度を高めることができる。
【００４４】
こうして得られた各試料２〜９、１１、１３うち、例えば、試料６の切断面Ｓ１におけるＳＥＭ写真を図６に示す。また、試料１６の切断面Ｓ１におけるＳＥＭ写真を図７に示す。このため、試料６は、試料１６に比してクロムの偏析が少ないタングステン−クロム合金となっている。
【００４５】
図６に示すように、クロムの偏析が少ないタングステン−クロム合金は、タングステンとクロムとがともに相手側に対して好適に分散して固溶したものとなっている。このため、タングステンの特性による優れた耐熱性や耐火花消耗性が発揮されるとともに、クロムの特性による高温での耐酸化性や耐腐食性も発揮される。このため、試料２〜９、１１、１３のタングステン−クロム合金は、図２に示すスパークプラグ１０の接地電極３０のチップ３１に用いて好適であると考えられる。また、中心電極２０に設けられるチップや中心電極２０及び接地電極３０の母材として用いても好適である。
【００４６】
したがって、実施形態のスパークプラグ１０によれば、優れた耐熱性や耐火花消耗性と高温での耐酸化性や耐腐食性とをより確実に発揮することができる。このため、このスパークプラグを用いれば、苛酷なエンジンの稼動条件の下でも優れた耐久性を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態のスパークプラグの製造方法を示す工程図である。
【図２】実施形態のスパークプラグの一部断面図である。
【図３】実施形態のタングステン−クロム合金の斜視図である。
【図４】実施形態に係り、クロム濃度が３０（質量％）以上である理論上の面積の割合（％）を示す図である。
【図５】実施形態に係り、タングステン濃度が５０（質量％）以上である理論上の面積の割合（％）を示す図である。
【図６】実施形態のタングステン−クロム合金のＳＥＭ写真の図である。
【図７】従来のタングステン−クロム合金のＳＥＭ写真の図である。
【符号の説明】
６０…主体金具
６２…絶縁体
２０…中心電極
３０…接地電極
１０…スパークプラグ
Ｓ１０…成形工程
Ｓ２０…一次焼結工程
Ｓ３０…二次焼結工程
Claims (9)
- 筒状の主体金具と、該主体金具の軸方向に延在し、該主体金具の内側に固定された筒状の絶縁体と、該主体金具の軸方向に延在し、放電可能な先端を該絶縁体の先端から突出させて後端が該絶縁体内に固定された中心電極と、該主体金具に一端が固定され、該中心電極との間に放電ギャップを形成する接地電極とを備えたスパークプラグにおいて、
前記中心電極及び前記接地電極の少なくとも一方は、クロムの偏析が少ないタングステン−クロム合金によって構成されていることを特徴とするスパークプラグ。 - 前記タングステン−クロム合金は、３０質量％以上のクロムを含むクロム系組織が面積の３５％未満を占めるものであることを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ。
- 前記タングステン−クロム合金は、５０質量％以上のタングステンを含むタングステン系組織が面積の６５％以上を占めるものであることを特徴とする請求項１又は２記載のスパークプラグ。
- 前記タングステン−クロム合金は、タングステン６０〜９７質量部と、クロム３〜３０質量部とを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のスパークプラグ。
- 前記タングステン−クロム合金は、タングステン７０〜８０質量部と、クロム２０〜３０質量部とを含むことを特徴とする請求項４記載のスパークプラグ。
- 前記タングステン−クロム合金は、Ｌａ、Ｒｅ、Ｓｉ及びＩｒの少なくとも１種類を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載のスパークプラグ。
- Ｌａ、Ｒｅ、Ｓｉ及びＩｒの少なくとも１種類は各々及び合計が１０質量％未満であることを特徴とする請求項６記載のスパークプラグ。
- 筒状の主体金具と、該主体金具の軸方向に延在し、該主体金具の内側に固定された筒状の絶縁体と、該主体金具の軸方向に延在し、放電可能な先端を該絶縁体の先端から突出させて後端が該絶縁体内に固定された中心電極と、該主体金具に一端が固定され、該中心電極との間に放電ギャップを形成する接地電極とを備えたスパークプラグの製造方法において、
少なくともタングステン粉末及びクロム粉末を含む混合粉末により成形体を得る成形工程と、
該成形体を水素雰囲気で焼結し、一次焼結体を得る一次焼結工程と、
該一次焼結体を真空雰囲気、窒素雰囲気又は不活性ガス雰囲気で該一次焼結工程の温度を超えない温度により焼結し、前記中心電極及び前記接地電極の少なくとも一方を得る二次焼結工程とを備えたことを特徴とするスパークプラグの製造方法。 - 前記二次焼結工程では、加圧焼結を行なうことを特徴とする請求項８記載のスパークプラグの製造方法。
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