JP2006286371A - スパークプラグの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 接地電極の表面上に形成したＮｉを主成分とする被膜層を容易に腐食させ剥離することができるスパークプラグの製造方法を提供する。
【解決手段】 接地電極３０を主体金具５０に溶接した金具組立体２００の表面にめっきを施し、被膜層を形成する。そして接地電極３０の先端部３１を剥離液２１０中に浸漬し、浸漬した部分に形成されている被膜層を剥離除去する。このとき使用される剥離液２１０は塩酸、硝酸、硫酸等の酸性溶液が用いられるが、酸化力の強い過酸化水素水をさらに含有させることで、酸性溶液による腐食が促進される。これにより、酸性溶液によっても腐食しにくいＮｉ等を主成分とする被膜層を容易に腐食させることができ、接地電極から被膜層の剥離を短期間で行うことができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関用のスパークプラグの製造方法に関するものである。

従来、内燃機関には点火のためのスパークプラグが用いられている。一般的なスパークプラグは、中心電極が挿設された絶縁碍子を保持する主体金具と、この主体金具の先端面に溶接された接地電極を有しており、この接地電極の他端部と、中心電極の先端部とが対向して火花放電ギャップを形成している。この火花放電ギャップにおいて、中心電極と接地電極との互いの対向面には、耐火花消耗性向上のための貴金属チップが形成されている。

このようなスパークプラグでは主体金具の耐食性を高めるため、主体金具の表面上にめっきによる被膜層の形成が行われている。その製造工程ではスパークプラグの生産性やコスト面などを考慮し、主体金具への接地電極の溶接を行って、主体金具に接地電極が接合された状態（以下、この状態の主体金具を「金具組立体」という。）でバレルめっき処理を施し、金具組立体の表面上に被膜層を形成している。

ところで、バレルめっき処理により金具組立体の表面上に被膜層を形成すれば、接地電極の表面にも被膜層が形成されてしまう。その状態で接地電極に貴金属チップを接合すれば、溶接不良が生じ、貴金属チップが剥離・脱落してしまう虞がある。これを防止するには、金具組立体へめっきを施し被膜層を形成する前に、事前に接地電極に対してマスキング処理を行い、接地電極に被膜層が形成されないようにする方法が考えられる。しかし、マスキング処理を施す工程や、被膜層の形成後にマスクを取り除く工程が必要となるため、生産性やコスト面を鑑みると実用的ではない。そこで従来では、マスキング処理を行わず金具組立体に対しめっきによる被膜層を形成した後、接地電極に形成された被膜層を化学的に剥離除去することで、工程数を減らして生産性を高めている（例えば特許文献１参照。）。
特開２００１−６８２５０号公報

しかしながら特許文献１では、めっきにより接地電極の表面に形成された被膜層が亜鉛（Ｚｎ）を主成分とする金属層であり、このような亜鉛めっき層は酸性の剥離液により腐食（溶解）しやすいため容易に剥離を行うことができるが、その被膜層がニッケル（Ｎｉ）を主成分とする金属層である場合、亜鉛と比べ酸で腐食しにくいため剥離に時間がかかり、生産性が低下するという問題があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、接地電極の表面上に形成したＮｉを主成分とする被膜層を容易に腐食させ剥離することができるスパークプラグの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明のスパークプラグの製造方法は、中心電極と、前記中心電極の軸線方向に延びる軸孔を有し、その軸孔の内部で前記中心電極を保持する絶縁碍子と、前記絶縁碍子の径方向周囲を取り囲んで保持する主体金具と、一端部が前記主体金具の先端面に接合され、他端部が前記中心電極に対向する接地電極と、少なくとも前記接地電極の他端部に接合された貴金属チップとを備えたスパークプラグを製造する方法であって、前記接地電極と前記主体金具とが接合され一体となった金具組立体に、Ｎｉを９８重量％以上含有するＮｉめっき層を形成するＮｉめっき層形成工程と、前記Ｎｉめっき層形成工程によってＮｉめっき層が形成された前記金具組立体に、含有されるＣｒ成分のうち９５重量％以上が三価クロムである三価クロメート被膜層を形成する三価クロメート被膜層形成工程と、前記三価クロメート被膜層形成工程によってＮｉめっき層上に三価クロメート被膜層が形成された前記金具組立体の前記接地電極を酸性剥離液中に浸漬して、前記Ｎｉめっき層および前記三価クロメート被膜層を化学的に剥離除去する剥離工程と、前記剥離工程によって前記Ｎｉめっき層および前記三価クロメート被膜層が剥離された前記接地電極に、前記貴金属チップを溶接する溶接工程とを備え、前記剥離工程では、前記剥離液中に過酸化水素水が含有されていることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明のスパークプラグの製造方法は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記酸性剥離液は、塩酸、硫酸または硝酸のうちの少なくとも一種を含有することを特徴とする。

また、請求項３に係る発明のスパークプラグの製造方法は、請求項１または２に記載の発明の構成に加え、前記剥離工程において、前記剥離液中に、さらに有機物からなるインヒビターが添加されることを特徴とする。

請求項１に係る発明のスパークプラグの製造方法では、接地電極に形成したＮｉめっき層および三価クロメート被膜層は酸性剥離液中で腐食されにくいが、この酸性剥離液中に酸化力の強い過酸化水素水を含有させることで、酸性剥離液によるＮｉめっき層および三価クロメート被膜層の腐食が促進されるので、Ｎｉめっき層および三価クロメート被膜層の剥離を短時間で行うことができる。これにより、スパークプラグの生産効率を高め、製造コストを低減することができる。また、この過酸化水素水は揮発しやすく取り扱いが難しいが、過酸化水素水を酸性剥離液の主成分として使用するのではなく、酸性剥離液による腐食を補助する補助剤として使用することにより、過酸化水素水の取扱量を減らして管理を容易にすることができる。なお、本明細書にて、「酸性剥離液の主成分」とは、Ｎｉめっき層と三価クロメート被膜層の剥離を行うことができる成分からなる酸性の液体を酸性剥離液といい、その主成分とは、酸性剥離液をなす成分のうち、最も含有率の高い成分を意味する。

また、請求項２に記載するように、酸性剥離液として塩酸、硫酸または硝酸のうち少なくとも一種を含有させている。このような酸性剥離液中に過酸化水素水をさらに含有させ、Ｎｉめっき層および三価クロメート被膜層を溶解させて剥離するきっかけを生じさせることによって、また、過酸化水素水を含有させることによる相乗作用によって、塩酸、硫酸または硝酸によるＮｉめっき層および三価クロメート被膜層の腐食が促進され、Ｎｉめっき層および三価クロメート被膜層の剥離を短時間で行うことができる。

また、請求項３に係る発明のスパークプラグの製造方法では、請求項１または２に係る発明の効果に加え、剥離液中に有機物からなるインヒビターを添加すれば、Ｎｉめっき層および三価クロメート被膜層が剥離されて剥離液中に露出される接地電極の母材をインヒビターにより腐食から保護することができ、酸化力の強い過酸化水素水により接地電極の母材が腐食されることを防止することができる。

以下、本発明を具体化したスパークプラグの製造方法の一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、本実施の形態のスパークプラグの製造方法によって製造されるスパークプラグの一例としてのスパークプラグ１００の構造について説明する。図１は、スパークプラグ１００の部分断面図である。なお、図１において、スパークプラグ１００の軸線Ｏ方向において、中心電極２０が設けられた側をスパークプラグ１００の先端側とし、接続端子４０が設けられた側を後端側として説明する。

図１に示すように、スパークプラグ１００は、概略、絶縁碍子１０と、この絶縁碍子１０を保持する主体金具５０と、絶縁碍子１０の軸孔１２内に保持された中心電極２０と、主体金具５０に接合され、先端部３１が中心電極２０の先端部２２に対向する接地電極３０と、絶縁碍子１０の後端側に設けられた接続端子４０とから構成されている。

まず、このスパークプラグ１００の絶縁体を構成する絶縁碍子１０について説明する。絶縁碍子１０は、周知のようにアルミナ等を焼成して形成されており、軸線Ｏ方向に軸孔１２を有する筒状の絶縁部材である。軸線Ｏ方向の略中央には外径が最も大きな鍔部１９が形成されており、これより後端側には後端側胴部１８が形成されている。また、その後端側胴部１８よりさらに後端側に、沿面距離を稼ぐためのコルゲーション部１６が形成されている。鍔部１９より先端側には後端側胴部１８より外径の小さな先端側胴部１７が形成され、さらにその先端側胴部１７よりも先端側に、先端側胴部１７よりも外径の小さな脚長部１３が形成されている。脚長部１３は先端側ほど縮径されており、スパークプラグ１００が図示外の内燃機関に組み付けられた際には、その燃焼室に曝される。

次に、中心電極２０について説明する。中心電極２０は、インコネル（商標名）６００または６０１等のニッケル系合金等からなる電極母材２１の中心部に、放熱促進のための銅または銅合金などで構成された金属芯２３が埋設された棒状の電極である。中心電極２０の先端部２２は絶縁碍子１０の先端面から突出しており、先端側に向かって径小となるように形成されている。その先端部２２の先端面には、柱状の貴金属チップ９０が、柱軸を中心電極２０の軸線にあわせるようにして抵抗溶接により溶接されている。また、中心電極２０は、軸孔１２の内部に設けられたシール材１４および抵抗体３を経由して、軸孔１２の後端側に保持される接続端子４０と電気的に接続されている。

次に、接続端子４０について説明する。接続端子４０は中心電極２０と接地電極３０との間で火花放電を行うための電圧を、外部から中心電極２０に印加するための棒状の端子である。軸孔１２内で軸線Ｏに沿って延びる胴部４１の後端に、絶縁碍子１０の後端より露出される端子部４２が形成されている。この端子部４２にはプラグキャップ（図示外）を介して高圧ケーブル（図示外）が接続され、外部回路より中心電極２０に高電圧が印加されるようになっている。

次に、主体金具５０について説明する。主体金具５０は絶縁碍子１０を保持し、図示外の内燃機関にスパークプラグ１００を固定するための円筒状の金具である。主体金具５０は、絶縁碍子１０の鍔部１９近傍の後端側胴部１８から、鍔部１９、先端側胴部１７および脚長部１３を取り囲むようにして絶縁碍子１０を保持している。主体金具５０は低炭素鋼材で形成され、図示外のスパークプラグレンチが嵌合する工具係合部５１と、図示外の内燃機関上部に設けられたエンジンヘッドに螺合するねじ部５２とを備えている。さらに、主体金具５０は工具係合部５１の後端側に加締め部５３を有している。この加締め部５３を加締めることにより、主体金具５０の内周に形成した段部５６に、絶縁碍子１０の先端側胴部１７と脚長部１３との間の段部１５が板パッキン８を介して支持され、主体金具５０と絶縁碍子１０とが一体にされる。加締めによる密閉を完全なものとするため、主体金具５０の加締め部５３近傍の内周面と、絶縁碍子１０の鍔部１９近傍の後端側胴部１８の外周面との間に環状のリング部材６，７が介在され、リング部材６，７の間にはタルク（滑石）９の粉末が充填されている。また、主体金具５０の中央部には鍔部５４が形成され、ねじ部５２の後端部側（図１における上部）近傍、すなわち鍔部５４の座面５５にはガスケット５が嵌挿されている。

なお、主体金具５０には耐腐食性向上のため、めっきが施され、その表面上に被膜層８０が形成されている。被膜層８０は２層に形成され、母材（下地）となる主体金具５０の表面上には、ニッケル（Ｎｉ）を９８重量％以上含有するＮｉめっき層８１が形成されている。そしてＮｉめっき層８１の表面上には、含有されるクロム（Ｃｒ）成分の内９５重量％以上が三価クロムである三価クロメート被膜層８２が形成されている。なお、後述するが、めっきによる被膜層８０の形成は主体金具５０に接地電極３０を接合した金具組立体２００（図２参照）に対しバレルめっき処理を施すことによって行われるため、接地電極３０の表面にも上記被膜層８０が形成されることとなる。

次に、接地電極３０について説明する。接地電極３０は耐腐食性の高い金属から構成され、一例としてインコネル（商標名）６００または６０１などのニッケル系合金が用いられている。この接地電極３０は、自身の長手方向と直交する横断面が略長方形であり、屈曲された角棒状の外形を呈している。そして、角棒状の基端側の基部（一端部）３２が、主体金具５０の先端面５７に抵抗溶接により接合されている。一方、この接地電極３０の基部３２とは反対側の先端部（他端部）３１は中心電極２０の先端部２２に対向するよう屈曲されている。この中心電極２０に対向する側の面である内面３３は、中心電極２０の軸線方向に略直交している。そして内面３３には、上記中心電極２０の貴金属チップ９０と同様の柱状の貴金属チップ９１が抵抗溶接され、この貴金属チップ９１と、貴金属チップ９０との間での火花放電ギャップが形成されている。

このような構成のスパークプラグ１００の製造の一工程では、その生産性やコスト面などを鑑みて、主体金具５０と接地電極３０とを接合した金具組立体２００（図２参照）に対し被膜層形成処理を行ってから、接地電極３０の内面３３に貴金属チップ９１を抵抗溶接している。しかし、Ｎｉめっき層８１や三価クロメート被膜層８２からなる被膜層８０が接地電極３０の表面上に形成されたままの状態で貴金属チップ９１の抵抗溶接が行われると溶接性に劣るため、本実施の形態では、接地電極３０から被膜層８０を剥離する処理が行われる。以下、スパークプラグ１００の製造に関する一連の工程について説明する。なお、本実施の形態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、所定の形状になるように研削等を行い高温で焼成することによって絶縁碍子１０を形成する。一方、前述のニッケル系合金により棒状の中心電極２０および接地電極３０を作製する。なお、中心電極２０の形成時には、金属芯２３を挿入して形成している。そして公知のガラスシール工程によって、中心電極２０、シール材１４、抵抗体３、予め塑性加工等によって作製された接続端子４０等が絶縁碍子１０と一体に形成される。そして、中心電極２０の先端部２２に、貴金属チップ９０が抵抗溶接される。なお、このガラスシール工程において絶縁碍子１０の表面に釉薬層を形成してもよい。

主体金具５０は、鋼鉄材料を使用し、所定の形状に塑性加工や切削、転造加工を行うことによって作製される。この際、主体金具５０には所定の形状の工具係合部５１、ねじ部５２、鍔部５４等が形成される。

そして、絶縁碍子１０等を組み付ける前の円筒状の主体金具５０の先端面５７に、接地電極３０の基部３２が抵抗溶接により接合され、金具組立体２００（図２参照）が形成される。接地電極３０は曲げ加工が施される前の棒状の状態であり、その先端部３１を主体金具５０の軸線方向先端側に向けて接合される。

次に、この金具組立体２００に対し、公知のバレル装置（図示外）によるバレルめっき処理が施され、被膜層８０の形成が行われる。まず、金具組立体２００の表面上にＮｉを９８重量％以上含有したＮｉめっき層を形成するために、金具組立体２００をＮｉめっき浴に浸す（Ｎｉめっき層形成工程）。次いで、含有されるＣｒ成分のうち９５重量％以上が三価クロムである三価クロメート被膜層を形成するために、三価クロメート処理浴に浸す（三価クロメート被膜層形成工程）。すなわち、上記めっきにより被膜層を形成する工程では、主体金具５０の表面上と、主体金具５０に接合された接地電極３０の表面上とに、Ｎｉめっき層８１および三価クロメート被膜層８２からなる被膜層８０が形成される。

次いで、めっきにより被膜層が形成された金具組立体２００を乾燥させた後、図２に示すように、接地電極３０の先端部３１が剥離液２１０中に浸漬される。剥離液２１０は、本実施の形態では、硝酸を含有する酸性の剥離液である。剥離液に含有する成分としては硝酸以外に塩酸や硫酸を用いてもよく、それらを混合してもよい。そして、接地電極３０の剥離液２１０に浸漬した部分の被膜層８０は硝酸により腐食され、接地電極３０の母材（下地）から被膜層８０が剥離される（剥離工程）。

さらに、剥離液２１０には過酸化水素水（Ｈ_２Ｏ_２）を含有させ得る。Ｈ_２Ｏ_２は非常に強い酸化力を有しており、これを上記剥離液２１０に含有させることで被膜層８０の剥離速度を促進させることができる。そのため、接地電極３０に形成された被膜層８０をより確実に取り除くことができる。

この剥離工程によって被膜層８０が剥離され、母材の露出した接地電極３０の先端部３１の内面３３には、貴金属チップ９１が抵抗溶接される（溶接工程）。貴金属チップ９１は接地電極３０の母材に直接溶接されるため、両者の溶接性は高く、溶接後に貴金属チップ９１が剥離・脱落してしまう虞は低減される。

そして、中心電極２０等が一体となった絶縁碍子１０が金具組立体２００に挿入され、前述の板パッキン８、リング部材６，７、タルク９等を用い、加締め部５３を形成することによって、金具組立体２００に一体に組み付けられる。次いで接地電極３０を折り曲げる加工が行われ、スパークプラグ１００が組み立てられた際に、接地電極３０の先端部３１に接合された貴金属チップ９１と、中心電極２０の先端部２２に接合された貴金属チップ９０とが対向して火花放電ギャップが形成される。このような加工を経て、スパークプラグ１００が完成する。

上記のように作製されるスパークプラグ１００において、接地電極３０に形成した被膜層８０の剥離を行うにあたって剥離液２１０に過酸化水素水を含有させたことによる効果を確認するため、以下に示す評価試験を行った。

［実施例１］
この評価試験では、剥離液にＨ_２Ｏ_２を含有した場合と、含有しなかった場合とのそれぞれの場合において、被膜層が剥離されるまでの時間を比較した。まず、インコネル（商標名）６００を母材とする接地電極を主体金具に接合した金具組立体のサンプルを作成し、バレルめっき処理にて各サンプルの表面に約６μｍの厚さのＮｉめっき層を形成し、さらに約０．３μｍの三価クロメート被膜層を形成した。

次に、７０％硝酸（ＨＮＯ_３）と精製水（Ｈ_２Ｏ）とを１対１の比で混合した剥離液、３５％塩酸（ＨＣｌ）と精製水（Ｈ_２Ｏ）とを１対１の比で混合した剥離液、９８％硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）と精製水（Ｈ_２Ｏ）とを１対１の比で混合した剥離液、そして、塩酸（ＨＣｌ）と精製水（Ｈ_２Ｏ）と３５％過酸化水素水（Ｈ_２Ｏ_２）とを１対１対０．５の比で混合した剥離液をそれぞれ生成し、これら剥離液を注いだ４つの剥離槽を用意した。

そして、本実施の形態で説明した剥離工程（図２参照）と同様に各サンプルの接地電極の先端部（後に貴金属チップが溶接される箇所）を剥離液に浸漬した。このとき時間の計測を開始し、接地電極の剥離液に浸漬した部分の被膜層が腐食し剥離されるまでの時間を計測した。その結果を表１に示す。

なお、上記評価試験において、剥離液に浸漬した部分の被膜層と剥離液との反応により水素が発生し、気泡が生ずるが、その気泡が発生しなくなった時点で剥離が終了したと判断した。

評価試験の結果、ＨＮＯ_３を含有した剥離液、ＨＣｌを含有した剥離液、およびＨ_２ＳＯ_４を含有した剥離液のいずれの剥離液を用いても、接地電極を剥離液につけてから１０分（６００ｓｅｃ）が経過しても被膜層の剥離は終了しなかった。これに対し、ＨＣｌを含有した剥離液にＨ_２Ｏ_２を含有した剥離液を用いた場合、接地電極を剥離液につけてから６分２０秒（３８０ｓｅｃ）後には、浸漬させた部分の被膜層がすべて剥離された。

この結果から、剥離液に含まれる酸性溶液がＨＮＯ_３、ＨＣｌ、Ｈ_２ＳＯ_４のいずれであっても、被膜層を腐食させるにはかなりの時間を要するが、こうした酸性剥離液に酸化力の強いＨ_２Ｏ_２を含有させると、酸性剥離液による被膜層の腐食が促進されることがわかった。

なお、本発明は上記実施の形態に限られず、各種の変更が可能である。例えば剥離工程において、接地電極３０の母材が剥離液２１０による腐食されることを防止するためには、剥離液２１０中に有機物からなる腐食抑制剤（インヒビター）を添加するとよい。インヒビターの一例としては、メタニトロベンゼンスルホン酸ソーダが挙げられる。また、腐食により剥離液２１０中に分散した金属イオンをキレート化（錯イオン化）するために、剥離液２１０中に錯化剤を添加するとよい。錯化剤の一例としては、エチレンジアミン（ＥＤＡ）やチオシアンアンモニウム等が挙げられる。

また、本実施の形態では貴金属チップ９１の接合部位である先端部３１の被膜層８０の剥離したが、接地電極３０全体の被膜層８０を剥離してもよい。しかし、剥離工程において、主体金具５０に剥離液２１０が接触して先端面５７の被膜層８０が剥離してしまう虞があるため、接地電極３０全体を剥離液２１０に浸漬させる場合には、剥離液２１０の液位管理が肝要である。この手間を軽減するには、少なくとも貴金属チップ９１を接合する部位である接地電極３０の先端部３１に形成された被膜層８０が剥離されていれば足りるため、本実施の形態のように、接地電極３０の先端部３１を剥離液２１０中に浸漬させることが好ましい。

また、本実施の形態では、剥離液２１０に塩酸、硫酸または硝酸を例に説明したが、フッ化物、有機物を主体とする剥離溶液を用いてもよい。

また、本実施の形態では中心電極２０の先端部２２に貴金属チップ９０を接合したが、貴金属チップ９０はなくてもよい。

本発明は、内燃機関に用いられるスパークプラグに適用することができる。

スパークプラグ１００の部分断面図である。 金具組立体２００の接地電極３０を剥離液２１０に浸漬する様子を示す図である。

符号の説明

１０ 絶縁碍子
１２ 軸孔
２０ 中心電極
３０ 接地電極
３１ 先端部
３２ 基部
５０ 主体金具
５７ 先端面
８１ Ｎｉめっき層
８２ 三価クロメート被膜層
９１ 貴金属チップ
１００ スパークプラグ
２００ 金具組立体
２１０ 剥離液

Claims (3)

1. 中心電極と、
   前記中心電極の軸線方向に延びる軸孔を有し、その軸孔の内部で前記中心電極を保持する絶縁碍子と、
   前記絶縁碍子の径方向周囲を取り囲んで保持する主体金具と、
   一端部が前記主体金具の先端面に接合され、他端部が前記中心電極に対向する接地電極と、
   少なくとも前記接地電極の他端部に接合された貴金属チップと
   を備えたスパークプラグを製造する方法であって、
   前記接地電極と前記主体金具とが接合され一体となった金具組立体に、Ｎｉを９８重量％以上含有するＮｉめっき層を形成するＮｉめっき層形成工程と、
   前記Ｎｉめっき層形成工程によってＮｉめっき層が形成された前記金具組立体に、含有されるＣｒ成分のうち９５重量％以上が三価クロムである三価クロメート被膜層を形成する三価クロメート被膜層形成工程と、
   前記三価クロメート被膜層形成工程によってＮｉめっき層上に三価クロメート被膜層が形成された前記金具組立体の前記接地電極を酸性剥離液中に浸漬して、前記Ｎｉめっき層および前記三価クロメート被膜層を化学的に剥離除去する剥離工程と、
   前記剥離工程によって前記Ｎｉめっき層および前記三価クロメート被膜層が剥離された前記接地電極に、前記貴金属チップを溶接する溶接工程と
   を備え、
   前記剥離工程では、前記剥離液中に過酸化水素水が含有されていることを特徴とするスパークプラグの製造方法。
2. 前記酸性剥離液は、塩酸、硫酸または硝酸のうちの少なくとも一種を含有す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。
3. 前記剥離工程において、前記剥離液中に、さらに有機物からなるインヒビターが添加され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。

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