JP2013091834A - 点火プラグ電極用の材料 - Google Patents

Abstract

【課題】今後より過酷な使用環境に晒されるプラグ電極用材料について、優れた高温酸化特性及び耐火花消耗性を有するものを提供する。
【解決手段】本発明は、Ｉｒに必須の添加元素であるＣｏ及びＷを添加したＩｒ合金からなるプラグ電極用材料であって、前記Ｉｒ合金は、Ｃｏを１０質量％〜３０質量％、Ｗを５質量％〜１０質量％、残部Ｉｒからなるプラグ電極用材料である。本発明に係るＩｒ合金材料は、添加元素として、Ｂ、Ｃ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｌａ、Ｃｅ、Yを任意に添加することで、加工性、高温酸化特性を更に改善することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、点火プラグの中心電極と接地電極を構成する材料に関し、耐久性、特に、高温酸化特性及び耐火花消耗性に優れ、加工性も良好なイリジウム合金に関する。

内燃機関用の点火プラグは、燃焼室内の過酷環境においても長期間使用できるよう、耐消耗性に優れることが求められる。かかる要求特性を満たすべく、その主要部材である中心電極及び接地電極の構成材料として、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｎｉ、これらの合金からなる材料が用いられている（特許文献１）。これらの材料は、融点が高く、高温・高酸化雰囲気の燃焼室内でも酸化消耗し難い優れたプラグ電極用の材料として知られている。

プラグ電極用材料の耐久性に関する検討は、より詳細には高温酸化特性と耐火花消耗性が重視される。即ち、高酸化雰囲気下でも酸化による消耗が少ない材料や、プラグ使用中に絶えず生じる火花による火花消耗の少ない材料の開発が重視されていた。

特開２００９−２９５４２７号公報

ところで、近年の自動車用エンジンには燃費向上を狙ったものが多く開発されており、燃焼効率を高めるための圧縮比の向上や精密な電子制御化が進行しており、その内部環境は従来のエンジンよりも過酷なものとなっている。そのため、プラグ電極用材料に対してもこれまで以上の高温酸化特性及び耐火花消耗性の改善が期待されている。

そこで本発明は、上記のような過酷な環境下であっても、優れた高温酸化特性及び耐火花消耗性を有するプラグ電極用の材料を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本願発明は、Ｉｒに必須の添加元素であるＣｏ及びＷを添加したＩｒ合金からなるプラグ電極用材料であって、前記Ｉｒ合金は、Ｃｏを１０質量％〜３０質量％、Ｗを５質量％〜１０質量％、残部Ｉｒからなるプラグ電極用材料である。

本発明に係るプラグ電極用材料は、Ｉｒ（イリジウム）を基本とした合金であり、これに必須の添加元素として、Ｃｏ（コバルト）及びＷ（タングステン）を所定濃度添加した合金である。Ｉｒ基合金を適用するのは、Ｉｒは基本的に耐火花消耗性に優れることを考慮したものである。一方、Ｉｒは高温酸化特性がやや劣る面があり、従来のＩｒ合金からなるプラグ材料は、今後の要求に十分応えられないといえる。本願発明は、高温酸化特性を補完すると共に、耐火花消耗性を更に改善する添加元素として、ＣｏとＷを同時に添加するものである。

以下、本発明に係るＩｒ合金の構成についてより詳細に説明する。上記の通り、ＣｏとＷを必須の添加元素とする。Ｃｏは、合金の高温酸化特性を改善する目的で添加する。このＣｏ添加量は、１０〜３０質量％とする。１０質量％未満では高温酸化特性の改善効果が見られず、Ｉｒ本来の高温酸化消耗が生じる傾向がある。また、３０質量％を超えると火花消耗が増加傾向となる。一方、Ｗは、合金の耐火花消耗性を向上させる作用を有する。Ｗ添加量は、５〜１０質量％とする。５質量％未満では耐火花消耗性の改善効果が見られず、逆に１０質量％を超えると高温酸化による消耗が生じる傾向がある。本発明では、ＣｏとＷの各添加元素の添加量の範囲に上記のような制限がある。本発明によれば、各金属の添加量を適正範囲外とすると、高温酸化特性や火花消耗性が却って悪化する。即ち、各特性のバランスを最適なものとするためには、各合金金属の添加量を上記のように制限することが必要である。

また、本発明に係るＩｒ合金からなるプラグ電極用材料は適宜、添加元素を追加することで、高温酸化特性や耐火花消耗性をより改善させ、更に、他の特性の改善を図ることができる。この補完的な他の特性としては加工性改善が挙げられるが、これはプラグ電極用材料のような微細加工が必要となる材料にとって重要である。

加工性改善のための添加元素は、Ｂ（ホウ素）又はＣ（炭素）のいずれかが適用される。これらは、少なくともいずれかを０．００５〜０．１質量％添加するのが好ましい。０．００５質量％未満では、効果がなく、また、０．１質量％を超えるとホウ化物、炭化物を形成し、加工性を悪化させることとなる。

また、加工性改善のための添加元素としては、Ｒｅ（レニウム）又はＲｈ（ロジウム）を添加しても良い。Ｒｅ又はＲｈについては、これらの少なくともいずれを０．０２〜０．１質量％添加するのが好ましい。０．０２質量％未満では加工性改善効果が見られない。また、Ｒｅ又はＲｈについては、添加すればする程加工性が良好となるが、０．１質量％の添加でプラグ電極用材料に必要な加工性が確保でき、これを超えた添加は材料コストを押し上げることとなる。

本発明に係るＩｒ合金は、ＩｒへのＣｏ及びＷの所定量合金化により、高い高温酸化特性を発揮するが、更に微量の添加元素により高温酸化特性を改善することができる。高温酸化特性の更なる向上のための添加元素としては、Ｓｉ（ケイ素）又はＧｅ（ゲルマニウム）が挙げられ、これらの少なくともいずれかを０．００３〜０．０２質量％添加するのが好ましい。０．００３質量％未満では効果がなく、また、０．０２質量％を超える添加量は高温酸化特性を大幅に向上させることなく加工性を悪化させることとなる。

また、添加元素として、材料表面に酸化皮膜を形成させ高温酸化特性を向上させるものがある。具体的には、Ａｌ（アルミニウム）、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｌａ（ランタン）、Ｃｅ（セリウム）、Ｙ（イットリウム）が挙げられる。

これらのうち、Ａｌ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉの各元素は、少なくともいずれかを０．００５〜１．０質量％添加するのが好ましい。０．００５質量％未満では効果がなく、また、１．０質量％を超えると酸化皮膜が剥離し易くなり、材料消耗が進行する傾向がある、また、Ａｌの場合には添加しすぎると材料中に金属間化合物（γ’相）が出現し、加工性が悪化するからである。

また、Ｌａ、Ｃｅ、Ｙも合金表面に酸化被膜を形成させ、高温酸化特性を改善するが、少なくともいずれかを０．００３〜０．２質量％微量添加するのが好ましい。０．００３質量％未満では効果がない一方、多量添加すると加工性悪化に繋がるからである。

以上説明した本発明に係るＩｒ合金は、構成金属を混合し、溶解・鋳造を行うことで製造することができ、得られたＩｒ合金を板材や線材とした後、所望の長さに切断する方法等によって貴金属チップに加工して、スパークプラグとして使用可能となる。尚、本発明に係るＩｒ−Ｃｏ−Ｗ合金は、添加元素（特にＡｌ）によっては、高温で長時間加熱すると金属間化合物（γ’相）が析出することがある。この金属間化合物は加工性を悪化させるため、本発明に係る合金はγ’相の生成を回避する。そのため、上記の製造工程及び加工工程では、熱間加工における短時間の高温加熱は許容されるが、γ’相が生成しないよう長時間加熱は回避する。

本発明のＩｒ−Ｃｏ−Ｗ合金は、耐高温酸化性と耐火花消耗性を兼ね備えたプラグ材料である。また、この合金は、適宜の添加元素を添加することで、加工性改善、高温酸化特性の更なる改善等を図ることができる。

実施例１と比較例８の高温酸化試験後の材料断面の写真。

以下、本発明の好適な実施例を説明する。本実施形態では、Ｉｒ−Ｃｏ−Ｗ合金を基本とした各種組成のＩｒ合金を製造し、その特性評価をした。Ｉｒ合金の製造は、アーク溶解炉により所定の合金組成となるよう調整し合金インゴット（５０〜１５０ｇ）を製造した。そして、このインゴットについての加工試験を行った。この加工試験は、上記溶解インゴットを融点直下の温度まで加熱しながら鍛造加工を実施し、そのインゴットの外観及び断面のクラックの発生状況で加工性を評価した。

次に、各インゴットについて、ワイヤー（直径１ｍｍ）に加工した。ワイヤーへの加工は、上記、加工試験に用いたインゴットから１．０ｍｍφ×２０ｍｍＬの棒を切り出して、更に、これをφ１．０×５ｍｍＬに切断した試料に対し高温酸化特性と火花消耗性を評価した。

[高温酸化特性の評価]
製造した合金線の耐高温酸化消耗性を評価した。評価方法は、大気中１２００℃で５０時間加熱し、試験前後の重量測定により、残存率を算出した。

[耐火花消耗性の評価]
合金線を中心極および接地極としたプラグを製造し（電極間のギャップ：１．０ｍｍ）、エア加圧（６気圧）で１４０時間放電し、放電後の消耗長さ（ΔＬ）を測定して評価した。以上の評価試験の結果を表１、２に示す。

表１より、本発明の基本組成となるＩｒ−Ｃｏ−Ｗ合金（実施例１〜５）は、高温酸化特性及び火花消耗性共に優れた特性を持つことが分かる。この点、Ｉｒ−Ｃｏ２元合金（比較例１）は、主には耐火花消耗に欠け、Ｉｒ−Ｗ２元合金（比較例２）は、耐高温酸化特性が劣る。これに対し、Ｃｏ、Ｗを同時に最適添加量入れたＩｒ合金（実施例１〜５）は、双方の特性も十分満足させることができる。また、Ｃｏ、Ｗ両元素の添加量が好適範囲外となる場合（比較例３〜７）、高温酸化特性、火花消耗性の少なくともいずれかがが劣ることとなる。

また、表２から添加元素の効果をみると、Ｂ又はＣは、０．００５質量％以上の添加で加工性改善の効果が見られる（実施例１、６〜１０）。また、Ｒｅ、Ｒｈも加工性改善効果を有する（実施例１、１１〜１４）。

更に、プラグ材料の高温酸化特性改善を有する添加元素として、Ｓｉ又はＧｅは、適当な量を添加することで、高温酸化特性の改善効果が見られる（実施例１、１５〜２０）。また、Ａｌも高温酸化特性の改善効果を有するが（実施例１、２１〜２２）、１％を超える添加は、火花消耗が増加する傾向にあり加工性もやや劣る（実施例２３）。更に、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｙの各添加元素も高温酸化特性の改善効果を発揮する（実施例１、２４〜３５）。

図１は、実施例１（Ｉｒ−１１質量％Ｃｏ−９質量％Ｗ）と比較例８（Ｉｒ−１０質量％Ｒｈ）の高温酸化試験後の材料断面の写真を示すものである。図１から、比較例８の従来のプラグ電極材料は、酸化進行による部位（写真上の黒色部）が多く存在するのに対して、実施例２のＩｒ−Ｃｏ−Ｗ合金は、内部への酸化進行も無く、酸化減耗率は少ないものと考えられる。

本発明は、高温酸化及び火花消耗による耐消耗性が高く、長期間使用可能なプラグ電極用材料である。本発明は、燃費向上等を図ってより過酷な環境となる自動車用エンジンに適用されるプラグへの適用が可能である。

Claims (6)

1. Ｉｒに必須の添加元素であるＣｏ及びＷを添加したＩｒ合金からなるプラグ電極用材料であって、
   前記Ｉｒ合金は、Ｃｏを１０質量％〜３０質量％、Ｗを５質量％〜１０質量％、残部Ｉｒからなるプラグ電極用材料。
2. Ｉｒ合金は、Ｂ又はＣの少なくともいずれかを０．００５〜０．１質量％含むＩｒ合金である請求項１記載のプラグ電極用材料。
3. Ｉｒ合金は、Ｒｅ又はＲｈの少なくともいずれかを０．０２〜０．１質量％含むＩｒ合金である請求項１又は請求項２記載のプラグ電極用材料。
4. Ｉｒ合金は、Ｓｉ又はＧｅの少なくともいずれかを０．００３〜０．０２質量％含むＩｒ合金である請求項１〜請求項３のいずれかに記載のプラグ電極用材料。
5. Ｉｒ合金は、Ａｌ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔｉの少なくともいずれかを０．００５〜１．０質量％含むＩｒ合金である請求項１〜請求項４のいずれかに記載のプラグ電極用材料。
6. Ｉｒ合金は、Ｌａ、Ｃｅ、Ｙの少なくともいずれかを０．００３〜０．２質量％含むＩｒ合金である請求項１〜請求項５のいずれかに記載のプラグ電極用材料。