JP2010537055A - 改善された電極材料から製造された点火プラグ電極 - Google Patents

Abstract

本発明は、基礎材料としてニッケル、ケイ素０．５〜３原子％及びアルミニウム少なくとも６原子％を含有する電極材料から製造された点火プラグ電極に関する。

Description

本発明は、ニッケルベースの電極材料から製造された点火プラグ電極に関する。

性能及びエンジン動力の向上のために、自動車エンジン及びその構成部品の絶え間ない更なる発展に基づき、エンジン部材の材料に関しても常に高い要求が課せられる。特に、燃料混合物の点火の際に主要な役割がある部材の点火プラグ及び特に点火プラグ電極は、高い負荷にさらされる。この点火の際に、エンジンにより制御される点火装置によって周期的に高電圧が生じ、この高電圧は前記点火プラグの両方の電極間のスパークオーバーによって放電される。この生じたスパークは、次に圧縮された空気燃料混合物を点火する。この点火プラグは、この場合に、極端に高い温度により長期にわたる負荷にさらされる。連続運転におけるエンジン効率は、緻密でなく、点火に不適切であるか又は過熱された点火プラグに基づき低下するため、内燃機関用の点火プラグ電極を製造するための材料は持続的な更なる開発が課せられる。

点火プラグ電極用の基礎材料として通常ではニッケル合金が使用される、それというのもニッケルは、合金の熱安定性には不可欠な高い溶融温度を有し、腐食に対しても高い耐性を示すためである。純粋な貴金属からなる材料又は貴金属ベースの材料、例えば白金又はイリジウムを有する白金合金は火花侵食性の攻撃に対する耐摩耗性に関して向上された耐性及びそれにより前記電極の極めて高い寿命を示すが、白金からなる点火プラグ電極材料は、莫大なコストの観点で、経営学的理由から、慣用のニッケル合金に対して適当な代替物ではない。

ニッケル合金の耐性は、わずかな腐食損失、つまりアークと電極表面との相互作用によって誘導される電極の材料損失及び高い耐酸化性及び耐食性において現れる。この耐食性は、この場合、金属添加物、例えばアルミニウム、マンガン、クロムなどにより更に高めることができる。ケイ素をニッケル基合金に添加することは、更に高温耐酸化性を高める。

DE 39 16 378 A1からは、内燃機関用の点火プラグ電極のために使用する、主にニッケル、ケイ素、マンガン及びアルミニウムから構成されているニッケル基合金が公知であり、この場合、ケイ素の質量割合は０．１〜１．５質量％（Ｇｅｗ.-％）、マンガンの割合は０．１〜０．６５質量％及びアルミニウムの割合は３．１〜５質量％である。他の成分としてクロムを２質量％まで、又はＹ又は希土類元素を０．５質量％まで含有することができる。前記文献の記載によると、その耐性に基づき高温で良好な耐酸化性及び耐食性並びに火花侵食に対して高められた耐性を有するニッケル合金が得られる。

この高められた耐性により、確かに高い耐酸化性及び耐食性が達成されるが、それにより、中心電極及び接地電極との間のアークオーバーの際の極端に高い温度負荷によって、低減された弾性に基づいて、電極の表面での材料の剥離が促進されることになる。更に、この種の緻密な材料は製造において手間がかかりかつ高価であり、加工が困難である。

発明の利点
更なる記載の前に、以下に述べる全ての原子％（Ａｔ.-％）の記載は、他に明確に示されていない限り、常に電極材料の全体組成に関することを言及する。

主請求項の特徴を有する本発明による点火プラグ電極は、ニッケル合金に基づく公知の電極材料と比べて極端に高い耐熱性、最小化された火花侵食による摩耗又は電極の燃焼による消耗により優れており、かつ比類のない耐酸化性及び耐食性を有する。それにより、点火プラグ電極のための低コストの電極材料が提供され、前記材料は今まで貴金属及び貴金属合金からなる電極材料についてだけ達成されていた耐用時間を可能にする。このことは、本発明の場合に、点火プラグ電極がニッケルを基礎材料として含有する電極材料から製造され、かつ更にケイ素０．５〜３原子％（Ａｔ.-％）及びアルミニウム少なくとも６原子％を含有することにより達成される。

従属請求項は、本発明の有利な実施態様及び改良形を示す。

特に、本発明による点火プラグ電極は、化学的及び物理的特性に関して最適化された合金を有することが有利である。所定の量でのニッケル、ケイ素及びアルミニウムのこの組合せにより、前記合金は、簡単でかつ損失なく製造でき、並びにその均質性に基づき持続的に良好な適用プロフィールを有することが生じる。

特に、本発明による点火プラグ電極の極端に高い耐熱性は際立っており、このことは、前記点火プラグの連続運転においても優れた火花侵食耐性及び耐酸化性並びに耐食性においても現れる。

更に、本発明による点火プラグ電極は公知の材料と比べて改善された熱伝導率を有することが際立っている。

特に、本発明による電極材料と他の反応性元素との選択的組合せにより、火花侵食による摩耗をさらに明らかに低減することができかつ耐酸化性及び耐食性の向上を可能にすることが有利である。

本発明による点火プラグ電極の全ての利点は、それにより達成可能な長期間の耐用時間に基づき、前記点火プラグの特に長い交換時期を生じさせ及び市場への高められた受け入れを生じさせる。

実施例の説明
本発明は、ニッケル、ケイ素０．５〜３原子％及びアルミニウム少なくとも６原子％を含有する電極材料から製造された点火プラグ電極に関する。既に記載されたように、この種の電極材料は、耐酸化性及び耐食性に関して利点を有し、並びに火花侵食による摩耗に対して優れた耐性を有する。点火プラグの中心電極及び接地電極の間のスパークの点火の際に、前記電極の両方の表面に、アーク放電中で高温によって、表面近傍の材料領域の酸化プロセスによるか又は溶融又は剥離により材料が摩耗される。これは、火花侵食による摩耗といわれる。電極材料の剥離及び破裂に対して、先行技術では、ニッケル基合金へのアルミニウム及びケイ素の添加によって対処されている。この場合、ケイ素の混入される最大量は約１．５〜３質量％の範囲内であり、合金材料のいまだに十分な加工を許容するアルミニウムの最大割合は、５質量％であることが明らかとなる。

意外にも、発明者は、ニッケル合金中での６原子％を超えるアルミニウムの割合が、火花侵食による摩耗の明らかな低減を生じさせることを見出した。この理論に拘束されずに、ニッケル基合金中でのアルミニウムの高いドーピング割合は、電極材料の表面にほとんど緻密であるが薄い酸化アルミニウム層の形成を引き起こす。この酸化アルミニウム層は、電極間の火花放電の際に高温により引き起こされる剥離及び溶融に対して安定である。この酸化アルミニウム層はニッケル合金材料から別個の層の形成下で分離されるとは解釈されない。むしろ、この電極材料の本発明による組成により、この加工性は良好であり、金属及び金属酸化物の均質な分布が優勢である。この高い含有量のアルミニウムは、全体として、電極材料の表面でこの割合が高まることを引き起こす。それにより、電極表面での前記アルミニウム原子の部分的な酸化によって、均質に分布された酸化アルミニウム領域が形成され、この領域は火花侵食による摩耗に関して、酸化ニッケルと比べてはるかに大きくかつ際立った抵抗性を示す。

ニッケル基合金へのアルミニウムの高いドーピングにより、酸化アルミニウム粒子が合金の内部から剥離する場合、電極材料の表面にアルミニウムが更に後供給することができ、このアルミニウムは次いで再び耐性の酸化物を形成する。従って、ニッケル基材料は傷つけられにくく、明らかに分解が低減される。

高アルミニウムドーピングされたニッケル合金材料の悪い加工性に関するこの優勢な見解に対して、意外にも、ニッケル基合金に対する高い割合のアルミニウムと比較的高い割合のケイ素との組合せは、簡単な加工、さらに均質な合金材料を促進することが見出された。アルミニウムのこの割合は、この場合詳細には制限はない。全く通常の量は、約３０〜４０原子％の範囲内にある。６原子％より低い量は、それに対して、腐食、酸化及び火花侵食による摩耗を再び高める。このことは、恐らく、この場合に、前記ニッケル合金を取り囲んで保護する、電極材料の表面での平面状に覆う酸化アルミニウム層が形成できないことにより説明される。更に、十分なアルミニウムが、内側からアルミニウムの後供給のため及び電極の表面での酸化アルミニウム領域の新たな形成のために提供されない。この火花侵食による摩耗は、従って、本発明による点火プラグ電極材料と比べて明らかに低減される。

このケイ素は、それ自体では高温耐食性及び耐酸化性を改善するために用いられる。ケイ素は化学的には非金属と見なされ、比較的高い融点を有する。それにより、このケイ素は合金を高温で安定化させる。ケイ素は半金属に近いことによって、これは半導体と同じような物理的特性を示す。このことは、金属合金中でのその良好な加工性のために重要である。特に、こののとは本発明による電極材料のために重要である、それというのも、約３原子％までのケイ素の比較的高い割合も、合金材料中へ均質に混入できるためである。今までにニッケル基合金中でのこの種の高いケイ素含有量を提供することは困難であった場合でも、これは電極材料の本発明による組成によって成就され、それにより優れた耐熱性が達成される。

点火プラグ電極用の本発明によるこの電極材料は、慣用の電極材料と比べて改善された熱伝導率も有する。この理論に拘束されずに、これは、前記電極材料の組成の極端な均質性に起因すると予想される。向上された熱伝導率により、この最大電極温度は低下し、それにより侵食性の攻撃はあまり顕著にならない。

本発明による点火プラグ電極材料を用いて、貴金属材料点火プラグについての耐用時間とほぼ同じ範囲の耐用時間が達成される点火プラグを製造することができる。それに対して慣用の点火プラグの耐用時間は単に約６００００ｋｍであるが、本発明による点火プラグ電極の耐用時間は５割り増しより高く、つまり９００００ｋｍを超える。これは、市場への著しく改善された受け入れを生じさせ、環境技術的理由からも、経営学的理由からも利点を有する。

慣用の電極材料と本発明による電極材料との火花侵食による摩耗に関する比較試験を試みるために、火花侵食試験を実施した。このために、電極材料を適当なホルダ中で光源と記録スクリーンとの間に置き、未加工の状態でシルエットを記録した。引き続き、電極表面間で複数回火花を生じさせた。予め定義された点火の回数に達した後に、引き続き更にシルエットを記録した。両方のシルエットを互いに比較した。この火花侵食による摩耗は、材料除去により認識できた。平面状の摩耗と火花の回数との商は、従って、火花侵食に対する試験された電極材料の耐性についての尺度である。

本発明の有利な実施態様の場合には、点火プラグ電極用の電極材料はニッケル基合金の他に、ケイ素約０．５〜２原子％及びアルミニウム約６〜３０原子％を有する。この種の比率は、特に良好に加工可能であることが明らかとなった。約６〜３０原子％のアルミニウムの割合は、前記合金材料中での均質なアルミニウム分布のために十分であり、前記電極材料の表面上での微細に分配された緻密であるが薄い酸化アルミニウム領域の形成を支援し、それにより優れた耐酸化性及び耐食性及び前記電極の最小化された火花侵食による摩耗が達成される。０．５〜２原子％のケイ素の割合は、この場合、一方でケイ素の均質な加工性に関して、及び更には前記電極材料の耐熱性の顕著な向上に関して特に有利である。

更に、アルミニウムの割合が約７〜１０原子％である場合が有利である。前記合金中でアルミニウムの１０原子％を超える範囲内では、前記耐酸化性及び耐食性はもはや比例して向上することができず、例えば１５原子％未満がこの場合に該当する。経営学的理由から、従って、アルミニウムを約７〜１０原子％の範囲内で含有する本発明による電極材料が有利である。この量は、耐酸化性及び耐食性、並びに火花侵食耐性を高める目的で、ニッケル合金の表面に平面状の薄い酸化アルミニウムの層を提供するために十分であり、更に必要な場合に前記電極材料の内部から前記電極の表面へのアルミニウムの後供給のために十分である。７原子％未満〜最小で６原子％は、なおも十分な酸化アルミニウムを形成できるが、この更に低減された量が前記電極材料の摩耗を再び上昇させる、それというのもこの酸化アルミニウム保護層が電極の表面を平面状に覆うように構成されないためである。

他の実施態様において、前記点火プラグ電極は、その合金材料中に反応性元素を、単独で又は任意の組合せで含有することができる。反応性元素とは、元素の周期表の、第５及び第６周期の副族元素並びにランタノイドに見られる元素を意味する。本発明の場合に反応性元素といわれるこれらの元素は、既に向上された耐酸化性及び耐食性を更に高める。特に、イットリウム、ハフニウム、タンタル、セリウム、ランタン及びジルコニウムの元素がこのために特に適していることが見出された。この反応性元素は、この場合、単独でも、任意の組合せでもニッケル基合金と合金させることができる。この反応性元素は、その量が１原子％より低い範囲内にある場合に特に有利に使用される。より高い量はコストの理由から考慮されない、さらに反応性元素の量を増加させることにより、耐酸化性及び耐食性の更なる改善は達成されない。

火花侵食、酸化及び腐食に対する前記合金材料の特に良好な耐性を生じさせる、反応性元素の極めて良好な組合せは、イットリウムとハフニウムの組合せである。これは、両方の元素のニッケル基合金中での極めて良好な溶解度に起因すると予想される。更に、この組合せは良好な溶解度に基づき酸化物の析出を生じさせない。

特に有利な実施態様は、主に、基礎材料としてのニッケル、ケイ素０．５〜２原子％及びアルミニウム７〜１０原子％からなる電極材料から製造された点火プラグ電極である。この規定による電極材料において、個々の成分の極めてバランスのとれた割合が存在するため、前記電極材料は、最良の耐酸化性及び耐食性並びに耐侵食性を示すだけでなく、更に熱伝導率も最適化されかつ更にこの材料は析出又は不均一性が生じることなく容易にかつ低コストで製造可能である。更に、この電極材料の、ひいては点火プラグ電極の持続的な極めて良好な性能が保証される。

更に有利な実施態様は、主に、基礎材料としてのニッケル、ケイ素０．５〜２原子％及びアルミニウム７〜１０原子％及び、イットリウム及び／又はハフニウム及び／又はセリウム及び／又はジルコニウム及び／又はランタン及び／又はタンタルからなるグループから選択された少なくとも１種の反応性元素からなる電極材料から製造された点火プラグ電極である。この種の組合せは、反応性元素を付加的に含有していない相応する電極材料と比較して、耐酸化性及び耐食性に関して更なる明らかな改善を示す。この電極材料は、従って、火花侵食による摩耗、熱伝導率及び更に耐酸化性及び耐食性に関して最適化され、これは、前記電極材料の、ひいては前記電極材料から製造された電極の極端に高い耐用時間を生じさせる。

点火プラグ電極用の本発明による電極材料は、中心電極の製造のためにも、接地電極の製造のためにも、並びに同時に両方の電極の製造のためにも使用できる。

本発明の場合には、少なくとも１つの本発明による点火プラグ電極を有始、それにより改善された耐酸化性及び耐食性、並びに火花侵食耐性及び熱伝導率を有する点火プラグが提供される。

Claims (10)

1. ａ） 基礎材料としてニッケル、
   ｂ） ケイ素０．５〜３原子％及び
   ｃ） アルミニウム少なくとも６原子％
   を含有する電極材料から製造された、点火プラグ電極。
2. 電極材料が、
   ａ） ケイ素０．５〜２原子％及び
   ｂ） アルミニウム６〜３０原子％
   を含有することを特徴とする、請求項１記載の点火プラグ電極。
3. 電極材料が、アルミニウム７〜１０原子％を含有することを特徴とする、請求項１又は２記載の点火プラグ電極。
4. 電極材料が、他の成分としてイットリウム及び／又はハフニウム及び／又はセリウム及び／又はジルコニウム及び／又はランタン及び／又はタンタルを含有することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の点火プラグ電極。
5. 電極材料中に、２原子％未満、有利に１原子％未満のイットリウム及び／又はハフニウム及び／又はセリウム及び／又はジルコニウム及び／又はランタン及び／又はタンタルが含有されていることを特徴とする、請求項４記載の点火プラグ電極。
6. 主に、
   ａ） 基礎材料としてニッケル、
   ｂ） ケイ素０．５〜２原子％及び
   ｃ） アルミニウム７〜１０原子％
   からなる電極材料から製造された、点火プラグ電極。
7. 主に、
   ａ） 基礎材料としてニッケル、
   ｂ） ケイ素０．５〜２原子％及び
   ｃ） アルミニウム７〜１０原子％及び
   ｄ） イットリウム及び／又はハフニウム及び／又はセリウム及び／又はジルコニウム及び／又はランタン及び／又はタンタルからなる電極材料から製造された、点火プラグ電極。
8. ２原子％未満、有利に１原子％未満のイットリウム及び／又はハフニウム及び／又はセリウム及び／又はジルコニウム及び／又はランタン及び／又はタンタルが含有されていることを特徴とする、請求項７記載の点火プラグ電極。
9. 点火プラグ電極は中心電極及び／又は接地電極であることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の点火プラグ電極。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載の点火プラグ電極を有する、点火プラグ。