JP2011256436A

JP2011256436A - スパークプラグの電極部材

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Publication number: JP2011256436A
Application number: JP2010132275A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Fujimura; 佳幸藤村; Yukihiro Nishida; 幸寛西田; Manabu Oku; 学奥
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2010-06-09
Filing date: 2010-06-09
Publication date: 2011-12-22

Abstract

【課題】１０００℃の高温で耐スケール剥離性および熱伝導性を両立し、かつ加工性、溶接性に優れたスパークプラグの接地電極および中心電極用フェライト系ステンレス鋼を提供する。
【解決手段】中心電極１と一端が前記中心電極と火花放電間隔を介して対向するように配置された接地電極２とを備えたスパークプラグの中心電極又は接地電極に用いる金属製の電極部材であって、前記部材がＣｒ：１０〜３５質量％，Ｃ：０.０３質量％以下，Ｎ：０.０３質量％以下，Ｍｎ：１.５質量％以下，Ｓ：０.００８質量％以下を含有し、更にＳｉ：０.３〜２.５質量％、又はＡｌ：０.６〜６.０質量％の一種以上を含み、ＳｉとＡｌの合計量が１.５質量％以上に調整されており、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼で構成されていることを特徴とする、スパークプラグの電極部材。
【選択図】なし

Description

本発明は、１０００℃レベルの高温でも耐酸化性、熱伝導率を両立できるスパークプラグの中心電極または接地電極に用いる電極部材に関する。

スパークプラグは、中心電極の先端と接地電極の先端との間で火花放電され、燃焼室内の燃料を燃焼させる。このように、スパークプラグは熱負荷が厳しい環境で使用されているため、中心電極および接地電極は耐酸化性に優れることが重要であり、一般的に耐熱耐酸化性に優れたＮｉ基合金（ＮＣＦ６００，ＮＣＦ６０１等）、または高価な白金(Ｐｔ)，イリジウム（Ｉｒ）もしくはそれらの合金が用いられる。
また、特開２００６−１５６１１０では、耐酸化性と熱伝導性とを両立させるために、中心電極が主成分としてのＮｉ又はＦｅにＣｒ、Ａｌの少なくとも１種を添加してなる耐酸化合金部と、Ｃｕ、Ｃｕ合金、又はＮｉ、若しくはこれらの複合材からなる良熱伝導金属部とによって構成されている複合材料としている。

特開２００６−１５６１１０公報

近年、自動車の燃費の向上（環境負荷の低減）を目的に、例えば希薄燃焼させるリーンバーンエンジンが重要な位置付けとなっている。このようなエンジンでは、中心電極および接地電極の近傍温度が特に高温となる傾向にある。そのため、従来から使用されているＮｉ基合金等では、将来的な排ガス規制の強化により、耐酸化性を満足できない可能性が考えられる。また、電極材料はいずれもＮｉ，Ｐｔ，Ｉｒが原料として用いられている。これらの金属はいずれも高価なうえ、将来的には資源の枯渇が問題となる可能性がある、いわゆる希少金属である。

ここで、これらの希少金属を用いないで耐スケール剥離性を向上させる方法として、接地電極の材料にＣｒ，ＳｉおよびＡｌを適量添加したＦｅ基合金を用いることにより、使用初期段階で接地電極表面に緻密な酸化皮膜を形成し電極内部への酸化の進行を抑制することが考えられる。

しかし、このような緻密な酸化皮膜を形成させた場合、耐酸化性が向上する一方で熱伝導率が低下してしまうため、放電により得られた熱が放散されにくくなり（すなわち、電極の温度が必要以上に上昇し）耐熱性をかえって損なってしまうという問題が発生するため、Ｃｒ，ＳｉおよびＡｌに関して本用途に最適となるよう調整された鋼の適用が必須となる。さらに、電極は湾曲状に加工されることから加工性も必要であり、かつプラグ本体との溶接が良好に施されなければならない。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、接地電極の耐熱性，特に耐スケール剥離性を向上させるとともに、電極を製造するのに必要な加工性，溶接性および熱伝導性を確保されたスパークプラグを提供することを目的とする。

本発明に係るスパークプラグの電極部材は、以下の構成により成るものである。
請求項１に記載の電極部材は、中心電極１と一端が前記中心電極と火花放電間隔を介して対向するように配置された接地電極２とを備えたスパークプラグの中心電極又は接地電極に用いる金属製の電極部材であって、前記部材がＣｒ：１０〜３５質量％，Ｃ：０.０３質量％以下，Ｎ：０.０３質量％以下，Ｍｎ：１.５質量％以下，Ｓ：０.００８質量％以下を含有し、更にＳｉ：０.３〜２.５質量％、又はＡｌ：０.６〜６.０質量％の一種以上を含み、ＳｉとＡｌの合計量が１.５質量％以上に調整されており、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼で構成されていることを特徴とする、スパークプラグの電極部材である。
請求項２に記載の電極部材は、フェライト系ステンレス鋼が更にＹ：０.００１〜０.１質量％，ＲＥＭ(希土類元素)：０.００１〜０.１質量％，Ｃａ：０.００１〜０.０１質量％の１種又は２種以上を含む請求項１記載のスパークプラグの電極部材である。
請求項３に記載の電極部材は、フェライト系ステンレス鋼が更にＮｂ：０.０５〜０.５０質量％，Ｔｉ：０.０３〜０.５０質量％，Ｍｏ：０.１〜３.０質量％，Ｃｕ：０.１〜１.０質量％の１種又は２種以上を含む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の電極部材である。

本発明に係るスパークプラグの電極部材は、Ｓｉ，ＡｌおよびＣｒを適正量添加することで、Ｃｒ系またはＡｌ系酸化物が安定化した酸化皮膜を表面に形成し、高温で繰り返し加熱、冷却された状態でも酸化皮膜が優れた環境遮断機能を呈し、スケール剥離を抑制することが可能となる。また、その他の特性である熱伝導性、加工性および溶接性も両立することで、加熱・冷却が繰り返されるスパークプラグに好適な材料として使用される。

スパークプラグ先端部の概要を示す図である。

この酸化皮膜は、ステンレス鋼表面に生成するＡｌ系およびＣｒ系酸化物を主体とする酸化皮膜を安定化することによって抑制できる。加熱によりステンレス鋼表面に生成する酸化皮膜は、ステンレス鋼に耐酸化性を付与するものであり、１０００℃程度の高温雰囲気にあっては均一な酸化スケールが生成されず加熱−冷却の繰り返しによってスケール剥離を呈する場合がある。

そこで、Ｃｒ、ＡｌおよびＳｉの添加によってＡｌ系またはＣｒ系酸化物を安定化させることにより、耐繰り返し酸化性，を改善する。Ａｌ，Ｃｒは、ＡｌまたはＣｒ系の酸化物を形成し，酸化皮膜を強化する。また、Ｓｉ添加によって鋼中のＡｌまたはＣｒ拡散が促進され、ＡｌまたはＣｒ系酸化物が生成しやすくなり、スケール剥離が抑制されると推察される。Ｙ，ＲＥＭ，Ｃａの添加も耐スケール剥離の改善に有効である。Ｙ，ＲＥＭ，Ｃａは、酸化皮膜のＡｌまたはＣｒ系酸化物に固溶し、酸化皮膜を強化することによってスケール剥離を抑制するものと推察される。

スパークプラグは、エンジンの稼動および停止に伴い常温から１０００℃前後の高温に至る温度域で加熱・冷却される。そのため、生成されたスケールが加熱・冷却の繰返しにより剥離する可能性が高い。本発明では、適正量のＣｒ、Ａｌ、Ｓｉおよび希土類元素を１種又は２種以上添加することによって耐スケール剥離を改善している。

以上の観点から、スパークプラグに使用されるフェライト系ステンレス鋼の成分・組成を次のように定めた。
Ｃｒ：１０〜３５質量％
ステンレス鋼に必要な耐スケール剥離性を付与する上で必要な合金成分である。耐スケール剥離性を確保するためには、１０質量％以上のＣｒが必要である。しかし、３５質量％を超える過剰量のＣｒが含まれると、フェライト系ステンレス鋼の加工性，低温靭性が低下する。
Ｃ，Ｎ：０.０３質量％以下
高温強度を改善する成分であるが、フェライト系ステンレス鋼に過剰添加すると加工性，低温靭性を著しく低下させる。また、ＴｉやＮｂとの反応によって炭窒化物を生成しやすく、高温強度の改善に有効な固溶Ｔｉや固溶Ｎｂを減少させる。したがって、本成分系ではＣ，Ｎ含有量は少ないほど好ましく、共に上限を０.０３質量％に設定した。

Ｍｎ：１.５質量％以下
フェライト系ステンレス鋼の耐スケール剥離性を向上させる成分であるが、１.５質量％を超える過剰量のＭｎが含まれると鋼材が硬質化し、加工性，低温靭性が低下する。高レベルの加工性を確保する上では、Ｍｎ含有量の上限を０.５質量％にすることが好ましい。
Ｓ：０.００８質量％以下
熱間加工性，耐溶接高温割れ性に悪影響を及ぼす成分であり、異常酸化の起点にもなる。そのため、Ｓ含有量は可能な限り低くすることが好ましく、上限を０.００８質量％に設定した。

Ｓｉ：０.３〜２.５質量％
Ｃｒ系酸化物の安定化に有効な合金成分であり、０.３質量％以上の含有量でＳｉの添加効果が顕著になる。しかし、２.５質量％を超える過剰量のＳｉが含まれると、加工性，特に延性を著しく低下させ、低温靭性も低下する。また、鋼表面に疵が生成しやすくなり、製造性も低下する。
Ａｌ：０.６〜６.０質量％
Ｓｉと同様にＣｒ系酸化物の安定化に有効な合金成分であり、０.６質量％以上の含有量でＡｌの添加効果が顕著になる。しかし、６.０質量％を超える過剰量のＡｌが含まれると、加工性，低温靭性が著しく低下する。Ａｌ及びＳｉの過剰添加に起因する欠陥を発生させることなく酸化皮膜を強化する上では、Ｓｉ，Ａｌの合計添加量を１.５質量％以上に設定することが重要である。合計添加量が１.５質量％に満たないと、Ｃｒ系酸化物を安定させるためにＳｉ，Ａｌの何れか一方を多量に添加する必要が生じ、加工性，低温靭性低下の原因になりやすい。

Ｙ：０.００１〜０.１質量％，ＲＥＭ（希土類元素）：０.００１〜０.１質量％，Ｃａ：０.００１〜０.０１質量％
何れも必要に応じて添加される合金成分であり、酸化皮膜中に固溶し、酸化皮膜を強化する作用を呈する。このような効果は、Ｙ：０.００１質量％以上，ＲＥＭ：０.００１質量％以上，Ｃａ：０.００１質量％以上で顕著になる。しかし、０.１質量％を超える過剰量のＹ，０.１質量％を超える過剰量のＲＥＭ，０.０１質量％を超える過剰量のＣａを添加すると、鋼材が過度に硬質化するばかりでなく、製造時に表面疵が生じやすくなり製造コストの上昇を招く。

Ｎｂ：０.０５〜０.５０質量％，Ｔｉ：０.０３〜０.５０質量％，Ｍｏ：０.１〜３.０質量％，Ｃｕ：０.１〜１.０質量％
何れも必要に応じて添加される合金成分であり、Ｍｏ，Ｃｕは固溶強化、Ｎｂ，Ｔｉは析出強化によってフェライト系ステンレス鋼の高温強度を更に向上させる。それぞれＭｏ：０.１質量％以上，Ｃｕ：０.１質量％以上，Ｎｂ：０.０５質量％以上，Ｔｉ：０.０３質量％以上で添加効果が顕著になる。しかし、過剰量のＣｕが含まれると熱間加工性が低下し、過剰量のＭｏ，Ｎｂ，Ｔｉが含まれると鋼材が過度に硬質化するので、それぞれの上限をＭｏ：３.０質量％，Ｃｕ：１.０質量％，Ｎｂ：０.５０質量％，Ｔｉ：０.５０質量％に設定した。

その他の成分について本発明では特に規定するものではないが、一般的な不純物元素であるＰ，Ｓ，Ｏ，Ｎｉ等は可能な限り低減することが好ましい。通常はＰ：０.０４質量％以下，Ｓ：０.０２質量％以下，Ｏ：０.０２質量％以下，Ｎｉ：０.６質量％以下に規制されるが、高レベルの加工性や溶接性を確保する場合にはＰ，Ｏ，Ｎｉを更に厳しく規制する。また、耐熱性の改善に有効なＷ，Ｔａ，Ｖ，Ｚｒや熱間加工性の改善に有効なＢ，Ｍｇ，Ｃｏ等の元素も必要に応じて添加できる。

表１の成分・組成をもつ各種フェライト系ステンレス鋼を３０ｋｇ真空溶解炉で溶製した。加工性の評価には、線材を用いた。線材の作製は、溶製材を焼鈍および線引きを繰り返し、最終的に厚さ１．６ｍｍ、幅２．８ｍｍの線材を作製した。また、耐スケール剥離性、熱伝導性および溶接性には、板材を作製し評価した。耐スケール剥離性、熱伝導性および溶接性の評価は、それぞれ溶製材を熱延、焼鈍酸洗、冷延、仕上げ焼鈍を施し、耐スケール剥離性は板厚０．５ｍｍ、熱伝導性および溶接性は板厚１．２ｍｍの冷延焼鈍板をそれぞれ製造し評価した。

耐スケール剥離性の試験では、各鋼種とも表面をＪＩＳ
Ｒ６００１に規定される＃４００の番手で乾式研磨処理したのち評価した。試験条件は、１０００℃に２５分保持する加熱及び５０℃以下まで降温して５分保持する冷却を１サイクルとして、加熱・冷却を５００回繰り返した後に試験片の重量を測定し評価した。測定結果を試験前の重量と比較し、重量変化が０〜４.０ｍｇ／ｃｍ²以下を○，試験前の重量よりも減少したもの（０ｍｇ／ｃｍ²未満）、または４.０ｍｇ／ｃｍ²を超えたものを×として耐スケール剥離性を評価した。酸化減量していないものほど、耐スケール剥離性に優れているといえる。

熱伝導性の評価は、板厚１．２ｍｍの板材を用い、ＪＩＳ
Ｒ１６１１に準じたレーザーフラッシュ法にて酸化皮膜を介した熱伝導率を測定した。円盤試料の片面は酸化皮膜を研磨により除去し、酸化皮膜の付いている方の表面からレーザー光を当て、その裏面の温度を測温する方法で行った。試料は１×１０^-7Ｐａの真空容器内に保持した。この方法で８００℃における熱伝導率を測定し、１８Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものを○（良好）、１８Ｗ／ｍ・Ｋ未満のものを×（不良）と評価した。

加工性の試験では、厚さ１．６ｍｍ、幅２．８ｍｍの線材を曲げ試験機にて１８０°の曲げを施して割れが発生しないものを○、割れが発生したものを×として判断した。

スパークプラグの場合、接地電極と主体金具（低炭素鋼）を溶接接合する。そのため、溶接性の評価は、１．２ｍｍｔ×３００ｍｍｗ×１００ｍｍｌの供試鋼と同サイズの低炭素鋼(ＳＰＣＣ)板を用い、出力５２５Ｗ、溶接速度１０００ｍｍ／ｍｉｎの条件でＹＡＧレーザー溶接により突合せ溶接を行った。溶接後は、接合部が試験片中央にくるように１３Ｂ号引張り試験片（ＪＩＳＺ２２０１）を作製し、室温でＪＩＳ
Ｚ２２４１の方法に従い引張り試験を行った。試験材の良否判断は、引張り試験にて母材破断が生じたものを良好（○）、溶接部が破断したものを不良（×）で評価した。

表２の結果にみられるように、本発明例の試料はいずれも耐スケール剥離性試験後に重量変化が４.０ｍｇ／ｃｍ²以下を満足しており、本発明で規定するスパークプラグ材に相当するものが構築された。また、これらは８００℃での熱伝導率は１８Ｗ／ｍ・Ｋ以上に維持されており、高温雰囲気に曝されて使用するスパークプラグ材として優れた耐久性を有するものである。特にＡｌ含有量の増加にともない、安定したＡｌ_２Ｏ_３膜の形成により耐酸化性が優れる傾向を示した。

これに対し、鋼種Ｎｏ.１２〜１７の試料は、各特性のすべてを満足できる組成を有した組成ではない。Ｎｏ．１２は、ＳｉおよびＡｌの添加量が少ないこと、Ｎｏ．１４およびＮｏ．１５はＣｒ含有量が低いことでスケール剥離が抑制できる皮膜が形成されず、耐スケール剥離性に劣る傾向を示す。Ｎｏ．１３はＣｒの増量により均一なＣｒ_２Ｏ_３膜が形成されることで耐スケール剥離性は優れるが、加工性に劣る。Ｎｏ．１６はＡｌの添加量が多いためスケール最外層に均一なＡｌ_２Ｏ_３膜が形成されることで耐スケール剥離性が向上しているが、熱伝導性、加工性および溶接性に劣る。Ｎｏ．１７はＳｉおよびＣｒ添加量が多いものの、Ａｌ添加量が低いことで耐スケール剥離性を満足できない。

本発明によれば、スパークプラグの電極部材として好適な材料を提供できる。

１中心電極
２接地電極
３主体金属
４チップ

Claims

中心電極１と一端が前記中心電極と火花放電間隔を介して対向するように配置された接地電極２とを備えたスパークプラグの中心電極又は接地電極に用いる金属製の電極部材であって、前記部材がＣｒ：１０〜３５質量％，Ｃ：０.０３質量％以下，Ｎ：０.０３質量％以下，Ｍｎ：１.５質量％以下，Ｓ：０.００８質量％以下を含有し、更にＳｉ：０.３〜２.５質量％、又はＡｌ：０.６〜６.０質量％の一種以上を含み、ＳｉとＡｌの合計量が１.５質量％以上に調整されており、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるフェライト系ステンレス鋼で構成されていることを特徴とする、スパークプラグの電極部材。
フェライト系ステンレス鋼が更にＹ：０.００１〜０.１質量％，ＲＥＭ(希土類元素)：０.００１〜０.１質量％，Ｃａ：０.００１〜０.０１質量％の１種又は２種以上を含む請求項１記載のスパークプラグの電極部材。
フェライト系ステンレス鋼が更にＮｂ：０.０５〜０.５０質量％，Ｔｉ：０.０３〜０.５０質量％，Ｍｏ：０.１〜３.０質量％，Ｃｕ：０.１〜１.０質量％の１種又は２種以上を含む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の電極部材。