JP2004265857A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】 高温の環境でも長寿命で耐久性に優れたスパークプラグを提供する。
【解決手段】 筒状の主体金具１と、該主体金具１の内孔に配置される筒状の絶縁体２と、該絶縁体２の先端側内孔に配置される中心電極３と、一端が前記主体金具１に固着され、他端側が前記中心電極３と火花放電ギャップを形成する接地電極４を備えるスパークプラグ１００において、中心電極３及び接地電極４の少なくとも一方は、Ｃｒ：１３〜１９％、Ｆｅ：６〜１０％、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｔａの中から少なくとも１種類以上でその合計が０．５％を超え２．５％未満、Ｂ：０．００１〜０．０１％含有した、残部Ｎｉの電極材料から形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関用スパークプラグに関する。

従来、自動車エンジン等の内燃機関の点火用に使用されるスパークプラグは、一般に筒状の主体金具と、該主体金具の内孔に配置される筒状の絶縁体と、該絶縁体の先端側内孔に配置される中心電極と、一端が前記主体金具に固着され、他端側が前記中心電極と火花放電ギャップを形成する接地電極を備える。

ところで、近年、自動車エンジン等の内燃機関の性能改良、あるいは排ガス規制の強化や、燃焼効率向上を目的としたエンジンのリーンバーン化に伴い、その着火に使用されるスパークプラグの電極温度も上昇する傾向にある。こうした課題に対応する材料として、耐熱性、耐高温酸化性に優れたインコネル６００（英国インコ社：商標名）の合金［ＪＩＳ ＮＣＦ（Ｎｉ−１６％Ｃｒ−８％Ｆｅ）］が使われている（例えば、特許文献１）。
特開平１１−１２６７０号公報

しかし、上記従来の電極材料よりもさらに高温であっても耐酸化特性および耐久性に優れた材料を使用したスパークプラグが求められていた。

本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、高温の環境でも使用可能であって、長寿命で耐久性に優れたスパークプラグを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明は、
筒状の主体金具と、該主体金具の内孔に配置される筒状の絶縁体と、該絶縁体の先端側内孔に配置される中心電極と、一端が前記主体金具に固着され、他端側が前記中心電極と火花放電ギャップを形成する接地電極を備える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が、Ｃｒ：１３〜１９％（以下、％は重量％をいう。）、Ｆｅ：６〜１０％、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｔａの中から少なくとも１種類以上でその合計が０．５％を超え２．５％未満、Ｂ：０．００１〜０．０１％含有した残部Ｎｉからなる電極材料にて構成されることを特徴とする。

（１） 発明の概要
本発明のスパークプラグに使用されるスパークプラグ用電極材料は、主成分としてのＮｉ合金であり、Ｃｒ：１３〜１９％を含有することにより、合金材料の表面に、Ｃｒ_２Ｏ_３の保護酸化膜を形成し、さらにＦｅ：６〜１０％を含有することにより熱間加工性を向上させている。

また、本発明は、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｔａの中から少なくとも１種類以上でその合計量が０．５％を超え２．５％未満添加することにより、以下の作用効果を得ている。すなわち、スパークプラグ用電極材料から作製されたスパークプラグ電極は、高温雰囲気に晒されると、電極表面が酸化される。そのとき電極表面には、酸素が十分に存在するので、スパークプラグ電極のすべての元素が酸化される。このとき形成された酸化膜は、多元素複合型の多孔質酸化膜であるので、スパークプラグ電極に対して非保護性である。その後、多孔質酸化膜とスパークプラグ電極との界面から多孔質酸化膜の表面に向かって酸化が起こり始めるが、多孔質酸化膜内では、酸素分圧が電極表面に形成された多孔質酸化膜の表面より少し低くなるので選択酸化が始まる。選択酸化は、まず、主成分Ｎｉよりも酸化物の生成自由エネルギーの小さいＣｒのみがスパークプラグ電極の表面上で酸化され、Ｃｒ２Ｏ３の緻密な酸化被膜を形成する。なお、このＣｒ２Ｏ３は、スパークプラグ電極に対する保護酸化膜である。次に、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｔａは、Ｃｒよりも酸化物の生成自由エネルギーが大きいので、Ｃｒ２０３の保護酸化膜とスパークプラグ電極との界面では酸化せず、多孔質酸化膜とＣｒ２Ｏ３との界面から多孔質酸化膜の表面に向かって酸化する。そして、その酸化の際に熱膨張するので、その表面側にある多孔質酸化膜（ＮｉＯやＦｅＯ）をＣｒ_２Ｏ_３上から剥離させる。

なお、Ｃｒ_２Ｏ_３の上に形成されるＮｉＯやＦｅＯの多孔質酸化膜は、非保護酸化性膜であり、Ｎｉ合金の酸化保護膜として作用しないだけでなく、その低い熱伝導率により電極温度を上げて高温酸化を促進する不具合をもたらす。本発明では、上記のようにＮｂなどの酸化物が酸化の際に、多孔質酸化膜であるＮｉＯやＦｅＯとＣｒ_２Ｏ_３との界面にて形成されて熱膨張することにより、多孔質酸化膜を剥離するので、耐酸化性に寄与しない非保護酸化膜厚を薄くして、熱伝導率を高めている。これにより、電極の温度上昇を抑制して、電極の耐高温酸化性が高められるから、電極の耐久性を向上させることができる。

次に、スパークプラグ用電極材料の各成分の作用などについて説明する。
（２） Ｎｉの作用
Ｎｉはマトリックス元素として作用し、熱伝導率を高くする。

（３） Ｃｒの作用
Ｃｒは十分な厚さの保護酸化膜を形成し、かつ熱伝導率を確保するために、１３〜１９％とする。Ｃｒが１３％未満であると、上述の効果に乏しく、多孔質酸化膜がスパークプラグ電極内部から形成されるので、酸化膜の膜厚が増大する。一方、１９％を越えると、合金の硬度が大きくなって加工性が低下したり、スパークプラグ電極自身の熱伝導率が低くなるので、この範囲であることが好ましく、さらに好ましくは、１４〜１７％の範囲である。

（４） Ｆｅの作用
Ｆｅは熱間加工性を確保する作用があり、６〜１０％の範囲で添加する。Ｆｅが６％未満であると、上述の効果が乏しく、一方、１０％を越えると、多孔質酸化膜の膜厚が増大するので、上述の範囲が好ましい。

（５） Ｎｂなどの希土類元素の作用
Ｎｂ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｔａは、非保護の多孔質酸化膜を剥離させる作用があり、０．５％を越え、２．５％未満の範囲で添加する。これは、Ｎｂなどが０．５％以下であると、上述の効果が乏しく、多孔質酸化膜をスパークプラグ電極表面に残すこととなり、酸化膜厚が増大する。一方、２．５％以上であると、それ自身の酸化膜厚が増大する。また、冷間加工性も低下させるから、上述の範囲であることが好ましい。

（６） Ｂの作用
上記Ｎｂ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｔａを含有させることで、熱間加工性が低下して、スパークプラグ用電極材料の線材の製造工程時（熱間鍛造時）において粒界割れを生じやすくなる。そこで、Ｂを０．００１〜０．０１％の範囲で添加することで、電極材料の粒界強度を高め、熱間加工性を維持する。Ｂが０．００１％未満であると、上述の効果が乏しく、一方、０．０１％を越えるとＣｒ、Ｂの複合化合物が形成されることによって、粒界が酸化に対して鋭敏化され、電極の耐酸化性を低下させるので、上述の範囲が好ましい。

さらに、請求項２のように、上記添加成分が含有されたスパークプラグ用電極材料にＣを０．０１〜０．０７％含有するとよい。
（６） Ｃの作用
Ｃは高温における機械的強度を確保する作用があり、０．０１〜０．０７％の範囲で添加する。Ｃが０．０１％未満であると、上述の効果が乏しく、耐久性が低下する。一方、０．０７％を越えると、冷間加工性が低下するので、上述の範囲が好ましい。

さらに、請求項３のように、上記添加成分が含有されたスパークプラグ用電極材料にＳｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉをその合計が２％未満となるように含有するとよい。
（７） Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉの成分
脱酸剤として作用するＳｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉを残渣として含んでもよい。Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉは、Ｃｒよりも酸素との電子親和力が高いので、Ｃｒ₂Ｏ₃と合金の界面で酸化物を形成し酸化膨張によってＣｒ₂Ｏ₃の酸化膜を破壊する。したがって、これらの成分の合計は、２％未満とすることが好ましい。

以下、本発明のスパークプラグを説明する。図１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、先端側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、先端側が突出するように絶縁体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中心電極側に曲げ返されて、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、中心電極３と、対向する接地電極４との間の隙間が火花放電ギャップｇとされている。

主体金具１は、低炭素鋼などからなり、略筒形である。この主体金具は、径方向に突出するフランジ部１１と、これより基端側に位置し、スパークプラグ１００をエンジンのシリンダヘッド等に取り付ける際にスパナ等の工具に係合させる断面六角形状の工具係合部１２と、フランジ部より先端側に位置し、フランジ部より細径である先端部１３とを有する。先端側１３の外周には、スパークプラグ１００をエンジンのシリンダヘッド等（図示せず）にねじ止めするねじ１４が形成されている。また工具係合部１２の基端側には、絶縁体２を主体金具１に加締め固定するための加締め部１５を備える。

一方、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を嵌め込むための軸孔２Ｈを有している。この軸孔２Ｈのうち、先端側には中心電極３が基端側には端子金具５が固定されている。この軸孔２Ｈにおいて、中心電極３と端子金具５の間には抵抗体６が配置されている。この抵抗体６の両端部は、導電性のガラスシール７によって、中心電極３及び端子金具５が電気的に接続している。

絶縁体２は、径方向に突出する突出部２１と、その基端側には、突出部より径小な基端部２２が形成されている。一方、突出部２１の先端側には、突出部２１より径小な中間胴部２３が形成され、さらに先端側には、脚部２４が形成されている。

中心電極３は、熱伝導度が９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導性良好な材料（例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ）からなる良熱伝導芯３１と、前述した材料からなる被覆部３２とを有し、被覆部３２の先端は絶縁体２の先端から先端側に突出するように配置されている。一方、接地電極４は、一端が主体金具１の先端面に固着され、他端側が中心電極側に向けて曲げ返されて、中心電極３の先端部と対向するように配置されている。

そして、スパークプラグ１００の中心電極３の先端には、貴金属チップ３ａが抵抗溶接またはレーザ溶接により接合され、一方、接地電極４の先端内側であり、かつ貴金属チップ３ａに対向して貴金属チップ４ａが埋め込み溶接後、拡散処理して取り付けられている。上記貴金属チップ３ａ、４ａは、Ｐｔ−Ｉｒ、Ｐｔ−Ｎｉなどの合金から形成されている。そして、スパークプラグ１００において、貴金属チップ３ａと貴金属チップ４ａとの間で火花放電が起こる。

このようなスパークプラグ１００は、次のようにして製造する。但し、スパークプラグ１００の要部の製造方法を中心に説明し、公知部分については、説明を省略または簡略化する。

まず、主原料にアルミナを使用し、高温の所定の形状に焼成することによって絶縁体２を形成する。また、鋼材を使用し、所定の形状に塑性加工することによって、主体金具１を形成する。この際、主体金具１の先端部の外周面にねじ１４を形成している。次いで、カップ状に形成した被覆材料３２に良熱伝導芯３１を挿入し、押し出し加工等の塑性加工にて線状の中心電極３を形成する。また、接地電極４も中心電極と同様に、線引き加工、圧延加工等の塑性加工にて線状に形成する。但し本実施形態においては、接地電極４は単一の材料のみにて形成されている。そして、接地電極４を主体金具１の先端面に電気抵抗溶接する。一方、中心電極３は、先端部を縮径し、その先端面に貴金属チップ３ａを抵抗溶接、レーザ溶接等により固設する。

そして、絶縁体２の軸孔２Ｈに中心電極３を先端側が絶縁体２から突出するように挿入し、次いで、後端側にガラスシール７、抵抗体６、ガラスシール７を順に挿入し、さらに、絶縁体２の後端側に、絶縁体２の後端から端子金具５の後端側が突出するように挿入して、公知の手法を使って、固設する。そして、中心電極３、端子金具５等が固設された絶縁体２を、接地電極４が固設された主体金具１に組み付ける。そして、接地電極４の貴金属チップ４ａを抵抗溶接、レーザ溶接等により固設する。そして、接地電極４の貴金属チップ４ａが中心電極３の貴金属チップ３ａと気中ギャップｇを介して対向するように、接地電極４を曲げ、図１に示すような、スパークプラグ１００が完成する。

上記スパークプラグ１００において、中心電極３、接地電極４の電極材料による、中心電極３、接地電極４、貴金属チップ３ａ、４ａの耐久性および加工性につき、以下の評価試験を行なった。

図２はスパークプラグ用電極材料に供される試料およびその評価試験の結果を説明する説明図である。図２の各試料は、以下の工程により製造した。すなわち、通常の真空溶解炉を用い、各成分組成をもった合金の溶湯を調製し、真空鋳造にて鋳塊とした。その後、この鋳塊を熱間鍛造にて、直径１０ｍｍの丸棒とした。この丸棒に圧延および線引き加工を施して、直径４ｍｍの線材、ならびに断面寸法１．６ｍｍ×２．８ｍｍの線材とし、前者をスパークプラグの中心電極、後者を接地電極に作成した。

（２）−１ 実施例
図２において、実施例１ないし実施例５は、Ｃｒ：１３〜１９％、Ｆｅ：６〜１０％、Ｃ：０．０１〜０．０７％含有し、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｔａの中から少なくとも１種類以上でその合計が０．５％を超え２．５％未満、更にＢ：０．００１〜０．０１％添加された、Ｎｉ６５％以上に調製されている。さらに、実施例３ないし実施例５は、実施例１，２の範囲に、Ｔｉを０．２５％まで増加したものである。実施例６は、Ｃが含まれていないものである。実施例７は、Ｃが上述の上限値である０．０７％を越えた０．１０％である。実施例８は、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉの合計が２．０％を越えた２．６７％である。なお、実施例、及び、後述する比較例の含有量は、Ｂの含有量分析がＧＤＭＳ、Ｃの含有量分析が赤外線吸収分析、その他の元素がＷＤＳ分析によるものである。

（２）−２ 比較例
比較例１ないし比較例６は、上記実施例の上下限を調べるために作成した。すなわち、比較例１は、Ｃｒ：５．０％でＣｒの下限を下回っている。比較例２は、Ｃｒが上述の上限値を超える２０％含有しているものである。比較例３は、Ｆｅが上述の下限値である６％を下回り、添加されていないものである。比較例４は、Ｆｅが上述の上限値である１０％より多い１５％である。比較例５は、Ｔａが上述の下限値である０．５％より少ない０．３％である。比較例６は、Ｎｂが上述の上限値である２．５％を越えた３．０％である。比較例７は、Ｂが上述の上限値である０．０１％を越えた０．０１５％である。比較例８は、Ｂが上述の下限値である０．００１％未満である。従来品は、従来の技術に相当し、Ｎｂなどが含まれていないものである。

（３） 評価試験
（３）−１ 熱間加工試験
熱間加工試験は、中心電極または接地電極の線材製造工程において熱間鍛造時に割れを生じるか否かにより判定した。

（３）−２ 酸化膜厚の耐久試験
本試験は、各試料について、図１に示すスパークプラグ１００を作製し、エンジンのシミュレーション試験により、試験後の酸化膜厚を測定することにより行なった。評価に使用したエンジンの態様は、４気筒、２．０リットルである。エンジンを５０００ｒｐｍで回転させる期間とアイドリングの期間とを１分間隔で２５０時間繰り返した。このときの最高温度は、接地電極４で９００℃であった。試験後における接地電極表面に形成された酸化膜厚を測定した。
評価基準として、１２０μｍ以下を良好（○）、１２０〜１８０μｍを可（△）、１８０μｍ以上を不可（×）と判定した。これは、酸化膜が厚くなりすぎると、電極自体の温度が上昇し過ぎるために、保護酸化膜は、薄い方が望ましいからである。

（３）−３ 貴金属チップ耐久試験
本試験は、図１に示すスパークプラグ１００を作製し、エンジンのシミュレーションにより行なった。評価に使用したエンジンの態様は、４気筒、２．０リットルであり、エンジンを、回転数５０００ｒｐｍ、４００時間で耐久試験を行ない、耐久試験後の中心電極３および接地電極４に溶接した貴金属チップ３ａ、４ａの状態を観察することにより行なった。このときの、中心電極３の温度は８００℃、接地電極４の温度が９００℃であった。
評価基準として、貴金属チップ３ａ、４ａに脱落がなく、正常に放電するものを良（○）、脱落には至っていないものの貴金属チップ３ａ、４ａの残存量がスパークプラグ１００として余裕のないものを可（△）、貴金属チップが脱落したものを不可（×）と判定した。

（３）−４ 冷間加工性
冷間加工性は、Ｃｕなどの良熱伝導芯３１（図１参照）を、試料としての中心電極３に鍛造などで封入加工し、このときの加工性の良否により判定した。
判定基準は、良好に成形できるものを良（○）、加工割れまたは、中心電極１６と芯部材１８との間に隙間が生じるものを不良（×）とした。

（４） 試料の評価
（４）−１ 実施例
実施例１ないし実施例５のいずれも、良好な評価を得ることができた。よって、熱間加工性、酸化膜厚、貴金属チップの耐久性、冷間加工性につきスパークプラグ用の電極材料として優れた特性をもって使用することができた。また、実施例６，７は、Ｃが０．０１〜０．０７％の条件を満たしておらず、冷間加工性などが可であった。さらに、実施例８は、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉの成分の合計が２．０％以下の条件を満たしておらず、酸化膜厚、及びチップ耐久性が可となった。よって、Ｃを０．０１〜０．０７％、さらにＳｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉの成分の合計を２．０％以下とすることで、より特性の優れたスパークプラグ用電極材料となる。

（４）−２ 比較例
比較例１は、Ｃｒが５％と少ないので、チップの耐久性が不可であり、酸化膜厚が２５０μｍとなり不可であった。比較例２は、Ｃｒが上限値の１９％を越えた２０％であり、貴金属チップの耐久性および冷間加工性が不可であった。比較例３は、Ｆｅが含まれていないので、熱間加工性が不可であった。比較例４は、Ｆｅが上限値である１０％を越えた１５％と多いので、酸化膜厚が厚くなりすぎ、また貴金属チップの耐久性も不可であった。比較例５，６は、Ｎｂ，Ｔａなどが０．５％を超え２．５％未満の条件を満たさないので、酸化膜厚が厚くなりすぎて不可であった。比較例７は、Ｂが上限値を越えた０．０１５％であり、酸化膜厚が厚くなりすぎて不可であった。比較例８は、Ｂが下限値の０．００１％未満であり、熱間加工性が不可であった。従来品は、Ｎｂ，Ｔａなどが０．５％を超え２．５％未満の条件を満たさないので、酸化膜厚が厚くなりすぎて不可であった。よって、Ｃｒを１３〜１９％、Ｆｅを６〜１０％、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｔａの中から少なくとも１種類以上でその合計が０．５％を超え２．５％未満、Ｂを０．００１〜０．０１％含有する条件を満たさない比較例は、実施例のようなスパークプラグ用電極材料として十分な特性をもつことができないことが分かった。

電極材料が使用される本発明のスパークプラグを示す断面図である。 スパークプラグ用電極材料に供される試料およびその評価試験の結果を説明する説明図である。

符号の説明

１００…スパークプラグ
１…主体金具
２…絶縁体
３…中心電極
４…接地電極
５…端子金具
６…抵抗体
７…ガラスシール

Claims (3)

1. 筒状の主体金具と、該主体金具の内孔に配置される筒状の絶縁体と、該絶縁体の先端側内孔に配置される中心電極と、一端が前記主体金具に固着され、他端側が前記中心電極と火花放電ギャップを形成する接地電極を備える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が、Ｃｒ：１３〜１９％（以下、％は重量％をいう。）、Ｆｅ：６〜１０％、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｔａの中から少なくとも１種類以上でその合計が０．５％を超え２．５％未満、Ｂ：０．００１〜０．０１％含有した残部Ｎｉからなる電極材料にて構成されることを特徴とするスパークプラグ。
2. 請求項１のスパークプラグにおいて、
   前記電極材料が、さらにＣ：０．０１〜０．０７％含有することを特徴とするスパークプラグ。
3. 請求項１または請求項２に記載のスパークプラグにおいて、
   前記電極材料が、さらにＳｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉの中から少なくとも１種類以上でその合計が２．０％未満含有することを特徴とするスパークプラグ。