JP2010530609A - 点火装置用電極 - Google Patents

Abstract

点火装置用電極は、高温酸化、スルフィド化および関連する腐食による消耗に対する耐性を向上する希薄ニッケル合金から作られ、重量で９０％のニッケル、ジルコニウム、およびホウ素と、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、クロム、チタンおよびマンガンからなる群のうち少なくとも１つの元素とを含む。Ｚｒ／Ｂの重量比は５〜１５０程度とすることができ、合金の重量で、０．００５〜０．５％ジルコニウム、０．００１〜０．０１％ホウ素を含み得る。合金の酸化耐性は合金に、ジルコニウムの量と比較できる程度のハフニウムを加えることによってもまた改善され、このハフニウムの量は合金の重量でたとえば０．００５〜０．２％である。アルミニウムおよびシリコンを含む希薄ニッケル合金の電極は、クロム、シリコン、マンガンおよびチタンを含むものと同様に、スパークプラグ電極として有用である。これらの電極合金は、コバルト、ニオブ、バナジウム、モリブデン、タングステン、銅、鉄、炭素、カルシウム、リンまたは硫黄の少なくとも１つを、概して特定の最大量で、微量元素としてまた含んでもよい。点火装置は、セラミック碍子と、導電性シェルと、中心電極と、接地電極とを有するスパークプラグであってもよい。中心電極、接地電極、またはその両方が、本発明の希薄ニッケル合金から作られ得る。これらの電極は、銅または銀またはこれらの合金のような、希薄ニッケル合金よりも高い熱伝導性を有するコアをまた有してもよい。

Description

発明の背景
発明の分野
本発明は、温度、酸化、スルフィド化および破壊耐性のある、ジルコニウムおよびホウ素の合金添加元素を含む希薄ニッケル合金から作られた高性能電極に関し、より特定的には、内燃機関、炉などのためのスパークプラグのような点火装置用の電極に向けられたものである。

スパークプラグは、内燃機関の燃焼室の内部へと延び、かつ、空気と燃料との混合物に点火するためのスパークを生成する、スパーク点火装置である。近年のエンジン技術の発展の結果、エンジン効率の改善を達成するために、動作温度がより高くなってきている。このようなより高い動作温度は、しかしながら、スパークプラグ電極をその材料性能の正に限界へと向かわせている。現在、さまざまな希薄ニッケル合金だけでなく、インコネル６００（Ｒ）、ニクロフェル７６１５（Ｒ）、およびフェロクロニン６００（Ｒ）の商標名で販売されているような、ＵＮＳ Ｎ０６６００によって特定される、Ｎｉベースのニッケル−鉄−クロム合金が、スパークプラグ電極材料として広く用いられている。希薄ニッケル合金は、高ニッケル合金であって、合金の重量で概して９０％を超えるニッケル含有量を有し、またシリコン、アルミニウム、イットリウム、クロム、チタン、コバルト、タングステン、モリブデン、ニオブ、バナジウム、銅、カルシウム、マンガンなどのような少量のさまざまな合金化元素を有し、これにより純ニッケルに比して高温特性が改善される。この改善には、これら装置の動作から生じる周期的な熱機械的ストレスに関連した、変形、ひび割れ、および破損だけでなく、高温酸化、スルフィド化および関連した腐食による消耗への耐性を高めることが含まれる。

よく知られているように、これら希薄ニッケル合金の高温酸化への耐性は、その動作温度が高くなるにつれて低下してしまう。燃焼環境は高い酸化性を有するため、高温酸化およびスルフィド化に起因する変形および破損を含む腐食による消耗が生じることがあり、これは特に最高動作温度において深刻となる。動作温度の上限（たとえば１４００°Ｆ）においてはまた、電極の変形、ひび割れ、および破損に繋がり得る、引張り、クリープ破断および疲労強度が顕著に低下することが認められている。電極の設計、特定の動作条件、および他の要因に依存して、これらの高温現象は独立的および集合的に、スパークプラグギャップの望ましくない増大と、点火装置および関連するエンジンの性能低下とに繋がり得る。これらの高温現象から生じる電極の変形および破壊から、極端な場合、電極、点火装置、および関連するエンジンの破壊が生じ得る。これらの故障モードおよび作用は、レーシングエンジンのような競技用途において特に問題となり得る。

したがって、高温引張り、クリープ破断および疲労強度と、ひび割れおよび破損への耐性とを改善するだけでなく、高温酸化、スルフィド化および関連する腐食による消耗への耐性を改善する、希薄ニッケル合金からなる高性能電極が求められている。

発明の概要
一の局面において本発明は、改善された、高温引張り、クリープ破損および疲労強度と、ひび割れおよび破損への耐性とだけでなく、高温酸化、スルフィド化および関連する腐食による消耗に対する耐性を向上した、希薄ニッケル合金からなる点火装置用電極を含む。この合金は、重量で９０％のニッケル、ジルコニウム、およびホウ素と、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、クロム、チタンおよびマンガンからなる群のうち少なくとも１つの元素とを含む。希釈合金元素としてのアルミニウム、シリコン、クロム、チタンおよびマンガンは、全６元素について、任意の組合せおよび相対量で添加されてよい。ジルコニウムおよびホウ素の添加には、これらの元素のいずれか単体での添加に比して、この合金において示される諸特性の改善に関して相乗効果が認められている。ジルコニウムおよびホウ素は概してＺｒ／Ｂの重量比で５〜１５０程度で存在することが想定され、より特定的には５０〜１００程度、さらに特定的には７０〜８０程度で存在することが想定される。ジルコニウムおよびホウ素は、電極合金の諸要求に一致する限りにおいて任意の量で存在し得るが、ジルコニウムは重量で２．７４％程度以下の量が、またホウ素は重量で３．５０％程度以下が、これらの成分についての概して好ましい上限であると考えられる。またジルコニウムの量はホウ素の量に比して多い方が好ましいと考えられる。アルミニウムとシリコン、アルミニウムとシリコンとイットリウム、およびクロムとシリコンとマンガンとチタンの組合せを希釈元素として含む希薄ニッケル合金において、ジルコニウムは合金の重量で０．００５〜０．５％の範囲、ホウ素は合金の重量で０．００１〜０．０１％の範囲での使用が特に有用である。

他の局面において本発明の希薄ニッケル電極はまた、酸化耐性を向上させるために希土類合金化添加物を含んでもよく、この場合イットリウム、ランタン、セリウムおよびネオジムからなる群のうちの少なくとも１つの希土類元素を含む。他の局面において、酸化耐性をさらに改善するために本発明の電極はまたハフニウムを含んでもよい。

さらに他の局面において、本発明の希薄ニッケル電極は、コバルト、ニオブ、バナジウム、モリブデン、タングステン、銅、鉄、炭素、カルシウム、リンまたは硫黄の少なくとも１つを含む微量元素を含んでもよい。

さらに他の局面において、本発明の希薄ニッケル電極は、希釈合金元素としてシリコンおよびアルミニウムを含んでもよい。希釈合金化元素としてシリコンおよびアルミニウムを有する本発明の希薄ニッケル電極の例として、合金は、上記合金の重量で、１．０〜１．５％アルミニウム、１．０〜１．５％シリコン、０．００５〜０．５％ジルコニウム、０．００１〜０．０１％ホウ素、および実質的残余のＮｉを含む。より特定的には、希釈合金化元素としてシリコンおよびアルミニウムを含む本発明の希釈ニッケル電極は、１．０〜１．５％アルミニウム、１．０〜１．５％シリコン、０．００５〜０．５％ジルコニウム、０．００１〜０．０１％ホウ素、０．１〜０．２％イットリウム、および残余のＮｉと微量元素とを含む合金である。さらにより特定的には、希釈合金化元素としてシリコンおよびアルミニウムを含む本発明の希薄ニッケル電極は、１．０〜１．５％アルミニウム、１．０〜１．５％シリコン、０．００５〜０．５％ジルコニウム、０．００１〜０．０１％ホウ素、０．１〜０．２％イットリウム、０．００５〜０．２％ハフニウム、および残余のＮｉと微量元素とを含む合金である。

さらに他の局面において、本発明の希薄ニッケル電極は、希釈合金元素として、クロム、シリコン、マンガンおよびチタンを含んでもよい。クロム、シリコン、マンガンおよびチタンを希釈合金化元素として有する、本発明の希薄ニッケル電極の一例として、上記合金の重量で、１．６５〜１．９０％クロム、０．３５〜０．５５％シリコン、１．８０〜２．１０％マンガン、０．２０〜０．４０％チタン、０．００５〜０．５％ジルコニウム、０．００１〜０．０１％ホウ素、および実質的残余のＮｉを含む合金がある。より特定的には、希釈合金化元素としてクロム、シリコン、マンガン、およびチタンを有する本発明の希薄ニッケル電極は、１．６５〜１．９０％クロム、０．３５〜０．５５％シリコン、１．８０〜２．１０％マンガン、０．２０〜０．４０％チタン、０．００５〜０．５％ジルコニウム、０．００１〜０．０１％ホウ素、０．００５〜０．２％ハフニウム、および残余のＮｉと微量元素とを含む合金である。

さらに他の局面において点火装置は、概して環状のセラミック碍子と、このセラミック碍子の少なくとも一部を囲む導電性シェルと、ターミナル端と中心電極スパーク表面のあるスパーク端とを有しかつセラミック碍子内に配置された中心電極と、シェルに動作可能に取付けられかつ上記中心電極スパーク表面近傍に位置する接地電極スパーク表面を有する接地電極と、を有するスパークプラグである。上記中心電極スパーク表面および上記接地電極スパーク表面は、それらの間にスパークギャップを規定する。上記において、上記中心電極または上記接地電極の少なくとも一方が、本発明の電極である。

スパークプラグは中心電極または接地電極の少なくとも一方に取付けられたスパークチップをまた有し、このスパークチップは、金、金合金、白金族金属またはタングステン合金の１つを含む。白金族金属スパークチップは、白金、イリジウム、ロジウム、パラジウム、ルテニウムおよびレニウムからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含んでもよく、それらの任意の組合せの合金を含んでもよい。白金族金属はまた、ニッケル、クロム、鉄、マンガン、銅、アルミニウム、コバルト、タングステン、イットリウム、ジルコニウム、ハフニウム、ランタン、セリウム、およびネオジムからなる群の少なくとも１つの元素を合金化添加物として含んでもよい。

さらに他の局面において、スパークプラグは正極または負極の一方で動作可能な中心電極と、接地電位で動作可能な接地電極とを有してもよい。

本合金と、この合金から作られた電極を含むスパークプラグとは、高温酸化／スルフィド化、腐食、変形、および破損に対する改善された耐性を呈する希薄ニッケル合金材料を提供するために、従来技術のスパークプラグおよび合金における、所定の不利益および欠点を克服する。

本発明の上記および他の特徴および利点は、後述する詳細な説明および添付の図面と共に考慮されることによって、より容易に理解されるであろう。

本発明によるＮｉベースのニッケル−鉄−クロム合金から作られたシェルおよび中心電極を含む例示的なスパークプラグの部分断面図である。 図１の領域２の断面図である。 領域３の部分断面図であり、図１に示す電極構成に対する代替構成であって熱伝導性のコアを有するものを説明する図である。 本発明によるＮｉベースのニッケル−鉄−クロム合金から作られたシェルおよび中心電極を含みかつ高温スパークチップを有する例示的なスパークプラグの部分断面図である。 図４の領域５の断面図である。 図４の領域６の断面図であり、図４に示す電極構成に対する代替構成であって熱伝導性のコアを有するものを説明する図である。

好ましい実施の形態の詳細な説明
図１〜６を参照して、本発明は、燃料／空気混合物に点火するために用いられる点火装置５のための電極である。この電極は、任意の好適な点火装置５において用いることができ、このような装置としては、スパークプラグ、グロープラグ、イグナイタなどのさまざまな形態が含まれるが、特には、さまざまなスパークプラグ電極の形態における使用に適している。点火装置においてスパークプラグのような電極は、この装置の機能にとって不可欠のものである。スパークプラグのようなスパーク点火装置において、電極に用いられる合金は、装置が経る最も極端な温度、圧力、化学的腐食および物理的侵食の条件にさらされる。これは、電極のスパーク表面の腐食を促進する火炎核および火炎面に関連したプラズマの反応だけでなく、酸化、スルフィド化および他の腐食プロセスをも促進する燃焼プロセスに関連した、多くの高温化学反応体種への電極合金の曝露を含む。電極はまた、極限温度への周期的な曝露に関連した熱機械的ストレスに晒されており、具体的には、電極合金に比して熱膨張係数のような物理的および機械的特性が相違するような腐食生成物が腐食プロセスによって電極表面上に形成され得るほどである。また貴金属スパークチップが、機械的に変形され、溶接され、または他の方法で電極端にスパーク表面として取付けられた場合、貴金属チップおよび電極材料の間での熱膨張係数の不整合に関連してさらなる周期的な熱機械的ストレスが生じ、これによりさまざまな高温クリープ、変形、ひび割れ、および破損現象を生じることがあり、その場合、貴金属チップおよび電極の故障を生じる。それらのすべては、それによって電極の特性が低下し得るプロセスの典型的なものである。それらは特に、スパークギャップの変化と、それに伴うスパークの形成、位置、形状、期間および他の特徴における変化とを生じさせることがあり、そしてこれは燃料／空気混合物の燃焼特性に、さらにはエンジンの性能特性に影響する。本発明は、スパークプラグ用の中心および接地電極材料にしばしば使用されている、一般に用いられる希薄ニッケル合金に比して、これらの劣化プロセスに対する耐性を改善している。

図１〜３を参照して、本発明による電極を有するスパークプラグを符号１０に概して示す。スパークプラグ１０は、符号１２に概して示すように、おおよそ環状の碍子５を含み、この碍子は酸化アルミニウム、または他の電気的絶縁性を有する材料を含み、また、所定の絶縁強度と、高い機械的強度と、高い熱的伝導性と、優れた熱衝撃耐性とを有する。碍子１２は、未焼成のセラミック粉体からプレス成形され、そしてこのセラミック粉体の密度を上げかつガラス質に変えるのに十分な高い温度で焼結されてもよい。碍子１２は外周面を有し、この外周面は部分的に露出された上方部１４を含んでもよく、そこにゴムまたは他の絶縁性スパークプラグカバー（図示せず）が巻付いてグリップし、それにより、スパークプラグのターミナル端２０の電気的配線と、点火ワイヤおよびシステム（図示せず）とが電気的に分離される。露出された柱部１４は、連続したリブ１６または他の表面施釉または形状を有してもよく、これにより、スパークまたは二次電圧フラッシュオーバーに対するさらなる保護がなされ、またスパークプラグカバーと柱部とのグリップ状態が改善される。碍子１２はおおよそ管状または環状の構造であって、上方ターミナル端２０および下方コア突出端２２の間を縦方向に延びる中心管部１８を含む。中心管部１８は概して変化の付いた断面積を有し、概して、ターミナル端２０またはその近傍において最大となり、コア突出端２２またはその近傍において最小となる。

電気的伝導性を有する金属シェルを符号２４に概して示す。金属シェル２４は、任意の好適な金属から作ることができ、この金属はコートされたまたはコートなしのさまざまな合金鋼を含む。シェル２４は、碍子１２の中間および下方部の外表面を取囲みかつこれとの封止固定を行なうのに適したおおよそ環状の内表面を有し、かつ、少なくとも１つの付属接地電極２６を含む。接地電極２６は一般に用いられている単一のＬ形状型で図示されているが、スパークプラグ１０の意図される用途に応じて、直線状の、湾曲状の、環状の、トロコイド状の、および他の形態の多様な接地電極によって置き換えることができるものと解され、これは２個、３個および４個の電極形態の場合を含み、またこれらの電極が、特定のスパーク表面形態を得るために用いる環状リングまたは他の構造によって互いに連結されている場合を含む。接地電極２６は１つ以上の接地電極スパーク表面１５を有する。接地電極スパーク表面１５は、スパークギャップ５４の境界を部分的に画してこれに隣接するスパーク端１７上に位置する。スパークギャップ５４は、接地電極２６と、接地電極２６が接地電極スパーク表面１５を有するのと同様に中心電極スパーク表面５１を対応して有する中心電極４８との間に位置する。スパークギャップ５４は、諸電極とそのそれぞれのスパーク端および表面との相対的な位置に依存して、端部ギャップ、側部ギャップ、または表面部ギャップ、またはこれらの組合せを構成してもよい。接地電極スパーク表面１５および中心電極スパーク表面５１の各々は、任意の好適な形状を有してよく、この形状は円形状、正方形状、四角形状および他の形状を含み、これらの形状は互いに異なってもよい。

シェル２４はその本体部において概して管状または環状であり、内部下方圧縮フランジ２８を含む。内部下方圧縮フランジ２８は、これにはまる碍子１２の小さな下方肩部１１に対する押付け接触で支持されるのに適している。シェル２４はまた、概して、上方圧縮フランジ３０を含む。上方圧縮フランジ３０は、組立作業の際、碍子１２の大きな上方肩部１３上に位置するように襞付けされまたは重ねて形成される。シェルはまた変形可能領域３２を含んでもよい。この変形可能領域３２は、変形可能領域３２の加熱と、上方圧縮フランジ３０の変形の間またはこの後における関連した極度の軸方向圧縮力の印加とに応答して、軸方向にまた径方向内部に潰れるように好適に設計されている。これにより、碍子１２に関して固定された軸方向位置においてシェル３４が保持され、また碍子１２およびシェル２４の間で気密な径方向シールが形成される。気密シールをより完全とし、かつ組上がったスパークプラグ１０の構造一体性を改善するために、碍子１２およびシェル２４の間に、ガスケット、セメント、または他のシーリングコンパウンドが挟まれてもよい。

シェル２４には、燃焼室開口部におけるスパークプラグの取外しおよび取付けのために、工具受容六角部３４または他の形状が設けられてもよい。この形状の大きさは好ましくは、関連用途におけるこの種の業界標準の工具の大きさに適合したものであろう。いくつかの用途においては、当然に、六角形以外の工具受容領域が求められることがあり、このような領域としては、スパナレンチを受けるための溝部のようなもの、あるいはレーシング用スパークプラグおよび他の用途において知られているような他の形状のものがある。捩じ切りされた部分３６が金属シェル２４の下方部の上に、シーリングシート３８のすぐ下において形成されている。シーリングシート３８はガスケット（図示せず）と対にされていてもよく、これにより、スパークプラグ１０が固定されるのに好適な領域が設けられ、また、シェル２４の外表面と、燃焼室開口部における捩じ切りされた穴との間の空間の高温ガスシールが設けられる。これと代替的に、シーリングシート３８がシェル２４の下方部に沿って位置するテーパ状のシートとして設計されていてもよく、これにより、この種のスパークプラグシートがはまるテーパを有するようにまた設計されているシリンダヘッドにおいて、精密な公差と自己封止型の取付けとがもたらされる。

電気的伝導性を有するターミナルスタッド４０は、碍子１２の中心管部１８内に部分的に配置されており、露出された上部端子３９から底部端４１へと縦方向に延びており、その途中部分が中心管部１８下に嵌め込まれている。上部端子３９は点火ワイヤ（図示せず）に接続されており、このワイヤは一般的にはここで説明するように電気的に絶縁性のカバーに埋込まれている。また上部端子３９は、スパークギャップ５４においてスパークを生成することでスパークプラグ１０を点火するのに要する、所定のタイミングでの高電圧放電を受ける。

ターミナルスタッド４０の底部端４１は導電性ガラスシール４２内に埋込まれており、３層複合の抑制シールユニット４３の最上層を形成している。導電性ガラスシール４２は、ターミナルスタッド４０の底部端をシールしかつそれを抵抗層４４に電気的に接続する機能を有する。この抵抗層４４は、３層型の抑制シールユニットの中央層をなすものであって、電磁干渉（「ＥＭＩ」）を軽減するために知られている任意の好適な組成から作ることができる。推奨される装置および用いられる点火システムのタイプに応じて、そのような抵抗層４４は、従来からの抵抗型抑制器として、またこれに代わって誘導型抑制器としてまたはこれらの組合せとして機能するように設計されてもよい。抵抗層４４の直下で、もう１つの導電性ガラスシール４６は、抑制シールユニット４３の底部または下方層を構成し、またターミナルスタッド４０および抑制シールユニット４３を中心電極４８に電気的に接続する。上部層４２および底部層４６は、同一の導電性材料または異なる導電性材料から作られ得る。ガラスおよび他のシールとＥＭＩ抑制器との他の多くの形態はよく知られており、本発明に従って同様に用いることができる。よって、点火システムからの電荷は、ターミナルスタッド４０の底部端を通って、上部層導電性グラスシール４２に、そして抵抗層４４を通って、下方導電性ガラスシール層４６内へと伝搬する。

導電性中心電極４８は部分的に中心管部１８内に配置されており、下方ガラスシール層４６内に覆われているその頭部４９から、接地電極２６近傍のそのスパーク端５０へと、縦方向に延びている。中央電極スパーク表面５１は、スパーク端５０上に位置し、かつ接地電極スパーク表面１５の反対に位置しており、それによって両者の間の空間にスパークギャップ５４を形成している。抑制シールユニットはターミナルスタッド４０および中央電極４８を電気的に相互に連結させており、また同時に、燃焼ガスの漏れから中心管部１８をシールし、またその動作中にスパークプラグ１０からのラジオ周波数ノイズ放出を抑制する。図示されているように、中心電極４８は好ましくは、その頭部とそのスパーク端５０との間を連続的にかつ遮られることなく延びる、単品の構造である。スパークプラグ１０の動作における中心電極４８の極性は正または負のいずれであってもよく、対応して中心電極４８は接地電位に比してより高いまたはより低い電位を有するということは、容易に理解され得るところであって、かつ本発明の範囲内のところである。

以上がスパークプラグ１０の代表的な構成であるが、本発明に従って、碍子１２、シェル２４および電極２６および４８を用いた他のスパークプラグ１０または点火装置５の構成が可能であることは容易に理解されるであろう。

中心４８およびシェル２６電極のうち好ましくは両方、ただし少なくとも一方は、希薄ニッケル合金から作られていて、かつこの合金は上記の劣化プロセスに対する改善された耐性を有するように特に組成されており、これらの改善を含まない類似の合金組成の耐性に比して改善された耐性を有する。具体的には、改善された合金組成は、特定量のジルコニウムおよびホウ素をその合金組成に含み、これらの合金化添加物を含まない類似の合金組成に比して、ここで説明された劣化プロセスに対する改善された耐性を生じることが認められている。概して、添加された少量のジルコニウムおよびホウ素は等価量のニッケルと置換されることで、この改善を生じる。本発明の電極は、固溶強化された希薄ニッケル合金を含み、かつこの合金は、重量で少なくとも９０％のニッケルと、ジルコニウムと、ホウ素と、アルミニウム、シリコン、クロム、チタンおよびマンガンからなる群のうちの少なくとも１つの元素とを有する。ここで説明されたようにジルコニウムおよびホウ素を同様に含む、固溶強化されたＮｉベースのニッケル−クロム−鉄合金、つまり本出願と同日に提出され引用によりその全体をここに援用する米国特許出願１１／７６４，５２８において出願人によって認められた同様の改善に基づいて、本発明は他の固溶強化されたＮｉベースの合金から作られたスパークプラグ電極にまで及ぶと考えられ、この合金は、ジルコニウム、ホウ素、少なくとも１つの他の固溶強化成分、および少なくとも５０％のニッケルを有するものを含む。これらの合金は任意の好適な固溶強化成分を含み得るものであって、この成分は本願明細書に記載されたものを含む。本願明細書において与えられる合金成分のパーセンテージは、特に記載のない限り、合金の重量によるパーセンテージである。

ジルコニウムおよびホウ素は概して、Ｚｒ／Ｂの重量比が５から１５０程度の範囲になるような量で含まれる。しかしながらこの比のより好ましい範囲は５０から１００程度であり、さらに好ましい範囲は７０から８０程度の範囲である。ジルコニウムおよびホウ素は電極合金の他の諸要求と両立する任意の量で存在し得るが、重量で２．７４％程度以下の量のジルコニウムと、重量で３．５０％程度以下の量のホウ素とが、これらの成分にとっての好ましい上限値であると考えられる。またジルコニウムの量はホウ素の量に比して多い方が好ましいと考えられる。固溶強化された希薄ニッケル合金においては概して、合金の重量で０．００５〜０．５％の範囲のジルコニウムと、合金の重量で０．００１〜０．０１％の範囲のホウ素との使用が特に有用であると考えられる。アルミニウム、シリコン、クロム、チタンおよびマンガンからなる群のうち少なくとも１つの元素を含む上述した合金組成において、合金重量で０．００５〜０．１５％の範囲のジルコニウムと、合金の重量で０．００１〜０．０１％の範囲のホウ素との使用が特に有用であることが知られている。ホウ素およびジルコニウムは粒界強化元素として知られている。これらは粒界に偏析し、粒界強度および靭性を向上させ、粒界拡散および滑りを妨げて、また電極の動作条件下における環境的なまた機械的な要因によって引起される粒子間のひび割れを遅らせて、粒界を安定化するのに役立ち、それによって、高温グレイン成長を抑制し、また高温クリープ、変形、環境によるひび割れ、およびストレス破断のようなさまざまな破損現象に対するこれらの合金の耐性を高める。ジルコニウムおよびホウ素の添加に関連した特性の改善は相乗作用性のものであり、すなわち、ジルコニウムまたはホウ素のいずれかがこれらの合金に単独で添加された場合に生じる改善に比してより大きな改善を生じる。

これらの合金の劣化耐性に対するさらなる改善として、特に高温酸化およびスルフィド化の耐性改善と考えられるところによって、上述した電極合金材料組成はまたハフニウムを含んでもよい。ハフニウムの量は０．００５〜０．２％程度の範囲とすることができる。ハフニウムの量は概してジルコニウムの量と比較できる程度のものとすることができるが、この点は本発明にとって必須ではない。酸化およびスルフィド化に対する耐性を高めることによって、それらの種のものと合金のものとの間での熱膨張係数の不整合とひび割れを伝搬しやすい熱機械的ストレスとに関連した、さまざまな割れと酸化スケール剥離との現象に対して、合金の耐性が改善される。

本発明の希薄ニッケル合金は少なくとも９０％のニッケルを含む。ニッケルは合金化添加物としての少なくとも１つの希釈元素によって希釈されている。最も一般的には、これらの合金は合金化添加物として、アルミニウム、シリコン、クロム、チタンおよびマンガンからなる群から選択された少なくとも１つの金属を含んでもよい。より特定的には、これらの元素の２つを任意の組合せで含んでもよい。さらにより特定的には、これらの元素の３つを任意の組合せで含んでもよい。さらにより特定的には、これらの元素の４つを任意の組合せで含んでもよい。さらに特定的には、これらの元素の５つを任意の組合せで含んでもよく、より特定的には、これらの元素の６つすべてを含んでもよい。

これらの合金の劣化耐性に対するさらなる改善として、特に高温酸化耐性の改善によって、上述した電極合金材料組成はまた、合金化添加物として少なくとも１つの希土類元素を含んでもよい。この適用の目的において、希土類元素の定義はまた上述したようにイットリウムおよびハフニウムを含み、これらの元素は、反応性の遷移金属であるが、希土類元素合金化添加物の添加によって生じる改善と同様の改善を、これらの固溶強化された希薄ニッケル合金に対して生じる。より具体的には希土類元素は、イットリウム、ハフニウム、ランタン、セリウム、およびネオジムからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含むと考えられる。しかしながら希土類元素合金化添加物の任意の組合せが本発明の範囲内に含まれる。またより具体的には、希土類元素合金化添加物の全体の組成範囲は合金の重量で好ましくは０．１〜０．２％程度に限定される。ハフニウムが選択されている場合、その量は上述した方法による他の希土類成分とは独立して変えられてもよいが、しかしながら希土類元素成分すべての合計は合金の重量で０．１〜０．２％程度であることが好ましい。

電極合金材料はまた微量の他元素を含んでもよい。これらの微量元素は偶発的な不純物元素であってもよい。一般的には偶発的な不純物は、主要な合金成分材料を作るのに用いられるプロセス、または電極合金を形成するのに用いられるプロセスに関連している。しかしながら、他の電極組成の純度と製造プロセスとが制御されれば、これらの微量元素は必ずしも偶発的ではなくなり、その存在または不存在と、相対的な量とは制御され得る。微量元素は、鉄、カルシウム、コバルト、ニオブ、バナジウム、タングステン、モリブデン、銅、炭素、リンおよび硫黄を任意の組合せで含み得る。本発明の電極合金材料は典型的にはこれらの元素の少なくとも１つを含むと考えられ、その総数は、典型的には言及された成分を作るのに用いられる材料および製造方法に関連する。鉄、コバルト、ニオブ、タングステン、バナジウム、モリブデン、銅および炭素を含む、これらの元素のいくつかは、本明細書において記載された高温特性に対して中立ないし肯定的な影響を持ち得るものであり、一方、カルシウム、リンおよび硫黄を含む他のものは、これらに対して若干否定的な作用を持ち得る。合金の高温特性に対して肯定的、否定的いずれの作用を有するかに関わらず、合金におけるこれらの元素の存在の限度として、これらの分量を次のように制限することが好ましい。つまり合金の重量で、コバルト最大０．０５％、ニオブ最大０．０１％、バナジウム最大０．０１％、モリブデン最大０．０１％、タングステン最大０．０１％、銅最大０．０５％、炭素最大０．０１％、鉛最大０．００５％、リン最大０．００５％、および硫黄最大０．００５％。である。

２つの希釈成分を有する本発明の合金の例示的な実施形態において、その元素はアルミニウムおよびシリコンを含んでもよい。より特定的には、合金は、１．０〜１．５％アルミニウム、１．０〜１．５％シリコン、０．００５〜０．５％ジルコニウム、０．００１〜０．０１％ホウ素、および実質的残余のニッケルを含む。さらにより特定的には、酸化に対する耐性を高めるために、この合金は、１．０〜１．５％アルミニウム、１．０〜１．５％シリコン、０．００５〜０．５％ジルコニウム、０．００１〜０．０１％ホウ素、０．１〜０．２％イットリウム、および残余のＮｉおよび微量元素を含んでもよい。さらにより一層特定的には、酸化に対する耐性をより一層高めるために、この合金は、１．０〜１．５％アルミニウム、１．０〜１．５％シリコン、０．００５〜０．５％ジルコニウム、０．００１〜０．０１％ホウ素、０．１〜０．２％イットリウム、０．００５〜０．２％ハフニウム、および残余のＮｉおよび微量元素を含んでもよい。

４つの希釈成分を有する本発明の合金のもう１つの例示的な実施形態において、その元素は、クロム、シリコン、マンガンおよびチタンを含んでもよい。より特定的には合金は、１．６５〜１．９０％クロム、０．３５〜０．５５％シリコン、１．８０〜２．１０％マンガン、０．２０〜０．４０％チタン、０．００５〜０．０１５％ジルコニウム、０．００１〜０．０１％ホウ素、および実質的残余のＮｉを含む。さらにより特定的には、酸化に対する耐性を高めるために、この合金は、１．６５〜１．９０％クロム、０．３５〜０．５５％シリコン、１．８０〜２．１０％マンガン、０．２０〜０．４０％チタン、０．００５〜０．０１５％ジルコニウム、０．００１〜０．０１％ホウ素、０．００５〜０．２％ハフニウム、および残余のＮｉおよび微量元素を含んでもよい。

上述した希釈ニッケル合金材料組成から作られたスパークプラグ接地電極２６および中心電極４８は、内燃機関の燃焼室の極端に厳しい環境における熱機械的ストレスに関連したひび割れおよび破損に対する改善された耐性だけでなく、酸化、スルフィド化および関連する腐食による消耗に対する改善された耐性を有する。

図３に示すように、代替的な電極構成において、接地電極２６および中心電極４８のいずれか一方または両方それぞれには、熱的伝導性を有するコア２７、４９が設けられていてもよく、これらは、銅または銀またはこれらのいずれかのさまざまな合金のように、高い熱伝導性（たとえば０≧２５０Ｗ／Ｍ＊°Ｋ）の材料から作られている。熱的に高い伝導性を有するコアはヒートシンクとして機能し、スパークギャップ５４領域から熱を抜き去るのに役立ち、それによってこの領域における電極の動作温度を低下させ、その性能と、本明細書に記載された劣化プロセスに対する耐性とをさらに改善する。

図４〜６に示すように、スパークプラグ１０はまた接地電極２６または中心電極４８のいずれかまたは両方のスパーク端上に、それと異なる高温材料からなる点火チップ６２、５２をそれぞれ含んでもよく、この材料は、スパーク性能または上述した劣化プロセスに対する耐性のいずれかまたは両方の改善を行なうものである。これはあらゆる種類の貴金属および非貴金属点火チップを含み得る。中心電極４８点火チップ５２はこの電極のスパーク端５０上に位置し、スパーク表面５１′を有する。接地電極２６点火チップ６２はこの電極のスパーク端１７上に位置し、スパーク表面１５′を有する。点火チップ５２、６２は、使用される際、スパークギャップ５４を横切る電子の放出のために、スパーク表面５１′、１５′をそれぞれ含む。中心電極４８のための点火チップ５２および接地電極２６のための点火チップ６２の各々は多くの公知技術のいずれによっても作りまた接合することができ、この技術は、その形成、取付け、またはその逆において、さまざまなパッド状、ワイヤ状またはリベット状の点火チップと、抵抗溶接、レーザ溶接、またはそれらのさまざまな組合せとを含む。点火チップ５２、６２は、金または金合金から作られてもよく、Ａｕ−４０Ｐｄ（重量％）合金のようなＡｕ−Ｐｄ合金であってもよい。点火チップ５２、６２はまた公知の、白金族金属の純金属または合金の任意のものから作られてもよく、白金、イリジウム、ロジウム、パラジウム、ルテニウムおよびレニウム、およびこれらのさまざまな合金の組合せの任意のもので作られてもよい。この適用の目的においてはレニウムも、白金族金属のいくつかのものに類似した高融点および他の高温特性に基づいて、白金族金属の定義に含まれる。点火チップ５２、６２において用いられる添加合金化元素は、ニッケル、クロム、鉄、マンガン、銅、アルミニウム、コバルト、タングステン、ジルコニウム、および、イットリウムとランタンとセリウムとネオジムとを含む希土類元素を含んでもよいが、これに限定されるものではない。実際、燃焼環境において好適なスパーク腐食浸食特性を生じる任意の材料は、点火チップ５２、６２としての使用にも好適であり得る。点火チップ５２、６２はまた、Ｗ−Ｎｉ、Ｗ−ＣｕおよびＷ−Ｎｉ−Ｃｕ合金を含むさまざまなタングステン合金から作られていてもよい。

本希薄ニッケル電極材料はまた、この材料によって作られた電極体に点火チップ５２、６２または他の形状が溶接される際にも利点がある。それは高温での溶接の、強度、耐久性、破損耐性を改善する。本希薄ニッケル電極材料はスパークプラグ１０のためのシェル２６および／または中心４８電極の特定の用途に用いられるものとして説明されたが、高温酸化およびスルフィド化に対する優れた耐性、高温機械強度、および特にさまざまな点火チップ形態に関連した溶接取付けにおけるもののような熱機械的に誘起されるストレスに起因する溶接取付けのひび割れおよび破損に対する耐性の改善が本発明の材料によって得られることから、他の点火装置用の電極のための本合金の他の使用および用途が当業者にとって容易に想到されると解されよう。

当然に本発明の多くの修正および変形が上記教示に鑑みて可能である。したがって特に示されていない限り本発明は添付のクレームの範囲内で実施され得ると解される。

Claims (21)

1. 点火装置用の電極であって、前記電極は合金からなり、重量で少なくとも９０％のニッケルと、ジルコニウムと、ホウ素と、アルミニウム、シリコン、クロム、チタンおよびマンガンからなる群から選択された少なくとも１つの元素とを含む、電極。
2. さらにハフニウムを含む、請求項１に記載の電極。
3. 前記少なくとも１つの元素は、シリコンおよびアルミニウムを含むように選択される、請求項１に記載の電極。
4. 前記合金の重量で、１．０〜１．５％アルミニウム、１．０〜１．５％シリコン、０．００５〜０．５％ジルコニウム、０．００１〜０．０１％ホウ素、および実質的残余のＮｉを含む、請求項３に記載の電極。
5. イットリウム、ハフニウム、ランタン、セリウムおよびネオジムからなる群から選択された少なくとも１つの希土類元素をさらに含む、請求項３に記載の電極。
6. 前記合金の重量で、１．０〜１．５％アルミニウム、１．０〜１．５％シリコン、０．００５〜０．５％ジルコニウム、０．００１〜０．０１％ホウ素、０．１〜０．２％イットリウム、および残余のＮｉと微量元素とを含む、請求項５に記載の電極。
7. 前記少なくとも１つの希土類元素は、イットリウムおよびハフニウムを含むように選択される、請求項５に記載の電極。
8. 前記合金の重量で、１．０〜１．５％アルミニウム、１．０〜１．５％シリコン、０．００５〜０．５％ジルコニウム、０．００１〜０．０１％ホウ素、０．１〜０．２％イットリウム、０．００５〜０．２％ハフニウム、および残余のＮｉと微量元素とを含む、請求項７に記載の電極。
9. 前記微量元素は、コバルト、ニオブ、バナジウム、モリブデン、タングステン、銅、鉄、炭素、カルシウム、リンまたは硫黄の少なくとも１つを含む、請求項６に記載の電極。
10. 前記微量元素は、コバルト、ニオブ、バナジウム、モリブデン、タングステン、銅、鉄、炭素、カルシウム、リン、または硫黄の少なくとも１つを含む、請求項８に記載の電極。
11. 前記少なくとも１つの元素は、クロム、シリコン、マンガン、およびチタンを含むように選択される、請求項１に記載の電極。
12. 前記合金の重量で、１．６５〜１．９０％クロム、０．３５〜０．５５％シリコン、１．８０〜２．１０％マンガン、０．２０〜０．４０％チタン、０．００５〜０．５％ジルコニウム、０．００１〜０．０１％ホウ素、および実質的残余のＮｉを含む、請求項１１に記載の電極。
13. さらにハフニウムを含む、請求項１１に記載の電極。
14. 前記合金の重量で、１．６５〜１．９０％クロム、０．３５〜０．５５％シリコン、１．８０〜２．１０％マンガン、０．２０〜０．４０％チタン、０．００５〜０．５％ジルコニウム、０．００１〜０．０１％ホウ素、０．００５〜０．２ハフニウム、および残余のＮｉと微量元素とを含む、請求項１３に記載の電極。
15. 前記微量元素は、コバルト、ニオブ、バナジウム、モリブデン、タングステン、銅、鉄、炭素、カルシウム、リン、または硫黄の少なくとも１つを含む、請求項１２に記載の電極。
16. 前記微量元素は、コバルト、ニオブ、バナジウム、モリブデン、タングステン、銅、鉄、炭素、カルシウム、リン、または硫黄の少なくとも１つを含む、請求項１４に記載の電極。
17. 前記点火装置は、スパークプラグであって、
    概して環状のセラミック碍子と
    前記セラミック碍子の少なくとも一部を取囲む導電性シェルと、
    前記セラミック碍子内に配置され、ターミナル端と、中心電極スパーク表面が設けられたスパーク端とを有する中心電極と、
    前記シェルに動作可能に取付けられ、前記中心電極スパーク表面近傍に位置する接地電極スパーク表面を有する接地電極とをさらに備え、前記中心電極スパーク表面および前記接地電極スパーク表面はその間にスパークギャップを規定し、前記中心電極または前記接地電極の少なくとも１つが前記電極である、請求項１に記載の電極。
18. 前記中心電極は正極または負極の一方で動作可能であり、接地電極は接地電位で動作可能である、請求項１７に記載の電極。
19. 前記中心電極または前記接地電極の少なくとも１つに取付けられたスパークチップをさらに有し、前記スパークチップは、金、金合金、白金族金属、またはタングステン合金の１つを含む、請求項１７に記載の電極。
20. 前記白金族金属は、白金、イリジウム、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、およびレニウムからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む、請求項１９に記載の電極。
21. 前記白金族金属は、ニッケル、クロム、鉄、マンガン、銅、アルミニウム、コバルト、イットリウム、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、ランタン、セリウム、およびネオジムからなる群から選択された少なくとも１つの元素をさらに含む、請求項２０に記載の電極。

Images