JP2014517869A - 点火プラグ電極材料および点火プラグ、並びに点火プラグ電極材料および点火プラグのための電極を製造するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電極材料の費用およびひいては点火プラグの費用が安価に維持しつつ、電極材料の腐食および侵食を著しく減少する。
【解決手段】本発明は、ａ）０．７乃至１．３質量％のシリコン、ｂ）０．５乃至１．０質量％の銅、およびｃ）残り：ニッケル、を含有している点火プラグ電極材料に関する。
【選択図】図３

Description

本発明は、点火プラグ電極材料、および前記点火プラグ電極材料より形成された電極を含有する点火プラグ、並びに前記点火プラグ電極材料および電極を製造するための方法に関する。

点火プラグは、様々な構成のものが背景技術において公知である。ガソリンエンジンにおいて、点火プラグはその電極間に、燃料空気混合気を点火するための点火火花を生ぜしめる。点火プラグは接地電極と中心電極とを有しており、この場合、２つ乃至５つまでの電極を有する点火プラグ型式が公知である。電極は、点火プラグハウジング（接地電極）に取り付けられるか、または中心電極としてセラミック碍子に取り付けられる。点火プラグの耐用年数は、電極材料の耐腐食性および耐侵食性によって影響を受ける。従来の電極材料は、アルミニウム部分を有するニッケル合金をベースとしている。

しかしながら、このような電極材料は、エンジンルーム内の運転条件下、つまり高温時および大気酸化時において、ニッケル表面の大部分、並びに電極材料内のニッケルの一部も、周囲の酸素と反応して酸化する、という問題を有している。これによって、ニッケル酸化層が形成され、このニッケル酸化層は、断熱特性を有すると共に、導電性を遮断する特性も有していて、短時間で早くも腐食若しくは火花侵食される傾向にある。これによって、電極間隔は拡大され、ひいては最終的に点火プラグの故障を招くことになる。点火プラグを規定通りに使用した場合の酸化層の形成は、場合によっては、純粋な貴金属より成る電極材料、或いは貴金属ベースの例えばプラチナ、またはイリジウムを含有するプラチナ合金より成る電極材料を使用することによって得られ、このようなプラチナまたはプラチナ合金は、火花侵食性の攻撃に対する摩耗に関連して、より高い耐性を有している。しかしながら、このような電極材料、特にプラチナは、莫大な費用を必要とするので、このような大量生産品例えば点火プラグに使用するには問題がある。

これに対して、請求項１に記載した特徴を有する本発明による点火プラグ電極材料は、ニッケル基合金をベースとしているので、電極材料の費用およびひいては点火プラグの費用が安価に維持される、という利点を有している。さらに、この点火プラグ電極材料は、規定通りに使用した場合に、つまり高い温度および酸素が存在する状態で使用した場合に、少なくともその表面の一部に、短時間で、大抵は数時間後に、特に均質な比較的薄い酸化物層が形成される。このような酸化物層は、少なくとも６Ｗ／ｍＫ、特に少なくとも８Ｗ／ｍＫまたは１０Ｗ／ｍＫおよびそれ以上の高い熱伝導率、並びに特に高い導電率を有している。これによって、電極材料に印加される電圧および電極材料に作用する温度は、迅速に電極材料全体に均一に分配され、したがって電極表面の小さい領域に限定された局所的な温度最大値および電圧最大値が形成されることは避けられ、これによって、電極材料の腐食および侵食は著しく減少される。シリコンおよび銅を適切に使用することによって、導電性および熱伝導率の他に、自己形成される酸化層の耐酸化性およびまた酸化層の熱力学的な形状安定性も改善され、それによって、電極材料の火花侵食による摩耗も減少される。この場合、シリコンの割合は、電極材料の全質量に関連して０．７乃至１．３質量％の範囲内である。０．７質量％の僅かな割合で既に、電極材料の酸化反応および電気抵抗は、電極材料に形成される酸化層に好適な影響を与える。しかしながら１．３質量％より多いシリコンの割合から、これとは逆の効果が生じる。電極材料の全質量に関連して０．５乃至１．０質量％の割合を有する銅を添加することによって、電極材料の電気抵抗はさらに減少される。何故ならば酸化ニッケル格子内に銅イオンが蓄積され、それによって、自己形成される酸化層の導電率が高められるからである。このような効果は、０．５質量％の僅かな割合の銅において既に検出可能である。しかしながら銅の割合は、１質量％を越えてはならない。何故ならばそうでないと、点火プラグ電極材料の十分な機械的強度が、もはや十分に保証され得ないからである。従って本発明は新しい手段を提供するものである。何故ならば、電極材料の構成要素、つまりニッケル、銅およびシリコンを適切に選択することによって、規定通りに使用した場合に形成される酸化物層が最適化され、背景技術におけるように、できるだけ高い耐腐食性に特別の注意を払う必要はないからである。

従属請求項には、本発明の好適な実施態様が記載されている。

個別の元素および化合物の量表示は、以下では特に定められていなければ、それぞれ点火プラグ電極材料の全質量に関連付けられている。

特に好適には、点火プラグ電極材料は、０．９乃至１．１質量％、特に１質量％のシリコンの含有量を有していて、０．６乃至０．８５質量％、特に０．７５質量％の銅の含有量を有しており、この場合、ニッケルの含有量は約９７．５乃至９８．５質量％である。この割合において、添加された元素は、点火プラグを規定通りに使用した場合に形成される酸化物層の特に高い熱伝導率および導電率を生ぜしめる。しかも、自己形成される酸化物層は、熱力学的および機械的に十分に頑丈であるので、本発明による点火プラグ電極材料の火花侵食による摩耗および腐食も効果的に減少される。

本発明の別の好適な実施態様によれば、本発明による点火プラグ電極材料は、さらに、０．０７乃至０．１３質量％、特に０．０９乃至０．１１質量％、および特に０．１０質量％のイットリウムを含有していることを特徴としている。このように少量のイットリウムを添加することによって、本発明による点火プラグ電極材料を有する点火プラグの規定通りの使用中における異常な粒子の成長は阻止される。イットリウム含有量は、例えば合金の低い酸素含有量によって適切に低く維持することができる。０．１３質量％よりも多いイットリウム割合から、酸化反応およびひいては自己形成される酸化物層の電気抵抗も不都合な影響を受ける。

特に好適には、電極材料は、実質的にアルミニウムおよび／またはアルミニウム化合物および／または金属間化合物を含有していない。アルミニウムおよびその化合物は、電極材料および自己形成される酸化物層の導電率を低下させ、ひいては電極材料を火花侵食により摩耗させる。アルミニウムを省くことによって、酸化反応および特に自己形成される酸化物層の電気抵抗、およびひいては点火プラグ電極材料の侵食反応が著しく（測定可能に）改善される。しかも材料の変形可能性が著しく改善される。類似の効果は、金属間化合物を省くことによっても得られる。何故ならば金属間化合物は、ニッケルマトリックス内に析出物として存在し、熱機械的な応力を生ぜしめ、熱伝導率を低下させ、それによって火花侵食による摩耗および電極材料の腐食が高められるからである。

本発明の別の好適な実施態様によれば、点火プラグ電極材料は、金属の不純物の含有量の合計が、０．１５質量％よりも少ないことを特徴としている。この場合、金属の不純物は、例えば鉄、チタン、クロム、マンガン等の元素および化合物を包含している。このような不純物は、シリコンおよび銅をニッケル基材料の所定の領域に添加することによって得られるような、導電率および熱伝導率を高める効果を低下させる。しかも、このような不純物によって、合金の熱伝導率は低下せしめられる。

特に好適には、鉄および／またはクロムおよび／またはチタンの含有量が、０．０５質量％よりも少なく、特に０．０１質量％よりも少ない。何故ならば、これらの元素は、酸化物層の導電率に不都合な影響を及ぼすからである。さらに好適には、硫黄および／または硫黄化合物および／または炭素および／または炭素化合物の含有量が、０．０１質量％よりも少なく、特に０．００５質量％よりも少なく、特に０．００１質量％よりも少ない。何故ならば、これらの元素および化合物も、合金の酸化反応に不都合な影響を及ぼし、特に電極材料を著しく腐食させるからである。

特に好適には、点火プラグ電極材料内の酸素含有量が、０．００３質量％よりも少なく、特に０．００２質量％よりも少ない。何故ならば、酸素は、ニッケル材料を酸化させるだけではなく、場合によっては存在する不純物も酸化させ、これによって電極材料の摩耗を高めるからである。

本発明のさらに好適な実施態様によれば、点火プラグ電極材料が、実質的に、つまり技術的な制限により避けることができない不純物は除いて、１質量％のシリコン、０．７５質量％の銅、および０．１質量％のイットリウムより成っており、残りの材料はニッケルより成っていて、約９８．１５質量％のニッケルより構成される。このような電極材料は、規定通りに使用した場合に、１０Ｗ／ｍＫよりも高い熱伝導率、および僅かな電気抵抗、つまり高い導電率を有する、薄くて均一で頑丈な酸化物層を形成する。これによって点火プラグ電極材料は、低減された火花侵食性の摩耗および、著しく減少された腐食傾向を有しており、従って高い温度において継続使用するために最も適している。

本発明のさらに好適な実施態様によれば、点火プラグ電極材料は、実質的に、つまり技術的な制限により避けることのできない不純物を除いて、０．７乃至１．３質量％、特に１質量％のシリコン、０．５乃至１．０質量％、特に０．７５質量％の銅、０．０７乃至０．１３質量％、特に０．１質量％のイットリウムより成っていて、０．００３質量％よりも少なく、特に０．００２質量％よりも少ない酸素、０．００１質量％の硫黄、および０．００３質量％の炭素を含有しており、残りの材料はニッケルより形成されていて、この場合、金属の不純物の割合の合計が０．１質量％よりも少ない。この電極材料は、その組成に基づいて、最小の火花侵食性摩耗および最小の腐食傾向を有している。

さらに本発明は、本発明による点火プラグ電極材料を製造するための方法に関するものであり、この方法は、ニッケル基合金を製造するステップと、シリコン、銅および場合によってはイットリウム等の別の元素を添加するステップとを有している。

さらに本発明は、点火プラグ電極を製造するための方法に関するものであり、この方法は、
ニッケル基合金を製造するステップと、
その他の元素を添加するステップと、
少なくとも６Ｗ／ｍＫ、特に少なくとも８Ｗ／ｍＫ、特に少なくとも１０Ｗ／ｍＫの熱伝導率、および式：ｌｏｇＲ＝ａ+ｂ*Ｔ／１０００により規定された電気抵抗と同じかまたはこれよりも小さい電気抵抗を有する酸化層を形成するステップと、
を有しており、
前記式中、０．６≦ａ≦０．８特に０．７であり、
前記式中、３．１≦ｂ≦３．３特に３．２であり、
前記式中、Ｔは、点火プラグ電極の表面の少なくとも一部におけるケルビン温度であり、
酸化物層を形成する前の点火プラグ電極材料が次の元素、つまり：
ａ）ベース材料としてのニッケル、
ｂ）０．７乃至１．３質量％のシリコン、
ｃ）０．５乃至１．０質量％の銅、
を含有している。

この方法に従って製造された点火プラグ電極は、単一材料電極としても、また２種類の材料より成る電極としても製造することができ、この場合、２種類の材料より成る電極は、単一材料電極と比較して、単に周壁材料として構成された本発明による点火プラグ電極材料を有しており、コア材料は銅より構成されている。コア材料は好適には成形ワイヤとして設けられている。

本発明による点火プラグ電極の表面に形成される酸化物層は、最適化された構造を有している。この場合、最適化された構造とは、酸化物層が均一で頑丈な結合部を有していて、しかも、従来の電極に形成される酸化物層と比較して、薄くて表面が均一である、という意味である。これによって、電極表面における酸化物層の電気抵抗を小さくすることができ、ひいては酸化物層の改善された導電率が得られる。しかも電極材料の熱伝導率も高められる。従って本発明の方法によれば、安価な電極材料より製造された点火プラグ電極が提供され、この電極材料は、著しく高い耐熱性、および著しく低減された火花侵食性摩耗、つまり電極焼損が僅かであることを特徴としており、優れた耐酸化性および耐腐食性を有している。従って、本発明によって製造された点火プラグ電極は、例えばエンジンの燃焼室内等の、過酷な条件下での高い温度においても、頑丈であり、耐摩耗性がある。

好適には、酸化物層は点火プラグ電極を規定通りに使用することによって形成可能である。このことによって、点火プラグ電極は、品質を低下させることなしに、使用する前に任意の長さで保管しておくことができ、使用開始後に初めて酸化物層を形成することによって「活性化」させることができる。

さらに本発明は、前記点火プラグ電極材料より成る電極に関するものであり、電極は、中心電極としておよび／または接地電極として、コア有りでもコア無しでも、好適には銅コアまたはシルバーコアを有して中心電極および／または接地電極に使用することができる。

以下に本発明の実施例を添付の図面を用いて詳しく説明する。

従来の点火プラグ電極材料と比較した、本発明による点火プラグ電極材料の、点火火花当たりの摩耗を示す図表である。 中心電極が２種類の材料より成る電極として構成され、接地電極が単一材料電極として構成されている、接地電極と中心電極とを有する本発明による点火プラグを示す図である。 中心電極が２種類の材料より成る電極として構成され、接地電極がやはり２種類の材料より成る電極として構成されている、接地電極と中心電極とを有する本発明による点火プラグを示す図である。

発明の実施例
図１は、以下に記載されているように、従来の点火プラグ電極材料Ｂと比較した、本発明による点火プラグ電極材料Ａの、点火火花当たりの摩耗（標準誤差を含む）をμｍ^３／火花で示す図表である。

本発明による点火プラグ電極材料Ａは以下の組成を有している：
ａ）１質量％のシリコン、
ｂ）０．７５質量％の銅、
ｃ）０．１質量％のイットリウム、
ｄ）０．００２質量％の酸素、
ｅ）０．００１質量％の硫黄、
ｆ）０．００３質量％の炭素、
この場合、残りの材料はニッケルより成っていて、金属の不純物の割合の合計は、０．１質量％よりも少ない。

従来の点火プラグ電極材料Ｂは以下の組成を有している：
ａ）１質量％のシリコン、
ｂ）１質量％のアルミニウム、
ｃ）０．２質量％のイットリウム、
この場合、残りの材料はニッケルより成っている。これらの点火プラグ電極材料の元素のそれぞれの含有量は、ＩＣＰにより決定されている。

２つの材料ＡおよびＢは、空気下で９００℃の電極温度および７bar（バール）の圧力において、９０ｍＡの初期火花電流を有する点火コイルを利用して、火花侵食試験が実施されている。図表は、約１８μｍ^３／火花を有する、本発明による最適化された点火プラグ電極材料Ａと比較して、約２５μｍ^３／火花を有する、アルミニウムを含有する従来の電極材料Ｂの点火火花当たりの摩耗が大きいことを明らかに示している。この場合、本発明による電極材料Ａの著しく低減された火花侵食による摩耗は、優れた熱伝導率および僅かな電気抵抗、つまり高い導電率を有する、比較的薄い均質な酸化物層が形成されていることに起因している。

図２は、中心電極２と接地電極３とを有する本発明による点火プラグ１を示し、この場合、中心電極２も接地電極３も、本発明による点火プラグ電極材料より形成されている。中心電極２は、２種類の材料より成る電極として構成されていて、接地電極３は単一材料電極として構成されている。

図３は、中心電極２と接地電極３とを有する本発明による点火プラグ１を示し、この場合、中心電極２も接地電極３も２種類の材料より成る電極として構成されていて、本発明による点火プラグ電極材料より成る電極周壁５と、コア材料、好適には銅より成る電極コア４とから構成されている。

従って本発明によれば、特に規定通りに使用した場合に、酸化物層の形成に基づいて、火花侵食による摩耗が少なく、最少化された製造コストでしかも優れた耐腐食性、並びに熱力学的例えば機械的に十分な形状安定性を有する、点火プラグ電極または一般的に点火プラグを製造するための点火プラグ電極材料が提供される。

１ 点火プラグ
２ 中心電極
３ 接地電極
４ 電極コア
５ 電極周壁

Claims (15)

1. 点火プラグ電極材料であって、
   ａ）０．７乃至１．３質量％のシリコン、
   ｂ）０．５乃至１．０質量％の銅、および
   ｃ）残り：ニッケル、
   を含有する、点火プラグ電極材料。
2. シリコンの含有量が、０．９乃至１．１質量％、特に１質量％であり、および／または銅の含有量が０．６乃至０．８５質量％、特に０．７５質量％であり、ニッケルの含有量が、ほぼ９７．５乃至９８．５質量％である、請求項１に記載の点火プラグ電極材料。
3. 前記電極材料がさらに、０．０７乃至０．１３質量％、特に０．０９乃至０．１１質量％、および特に０．１０質量％のイットリウムを含有している、請求項１または２に記載の点火プラグ電極材料。
4. 前記電極材料が、実質的にアルミニウムおよび／またはアルミニウム化合物および／または金属間化合物を含有していない、請求項１から３のいずれか１項に記載の点火プラグ電極材料。
5. 金属の不純物の含有量の合計が、０．１５質量％よりも少ない、請求項１から４のいずれか１項に記載の点火プラグ電極材料。
6. 鉄および／またはクロムおよび／またはチタンの含有量が、０．０５質量％よりも少なく、特に０．０１質量％よりも少ない、請求項１から５のいずれか１項に記載の点火プラグ電極材料。
7. 硫黄および／または硫黄化合物および／または炭素および／または炭素化合物の含有量が、０．０１質量％よりも少なく、特に０．００５質量％よりも少なく、特に０．００１質量％よりも少ない、請求項１から６のいずれか１項に記載の点火プラグ電極材料。
8. 酸素含有量が、０．００３質量％よりも少なく、特に０．００２質量％よりも少ない、請求項１から７のいずれか１項に記載の点火プラグ電極材料。
9. 点火プラグ電極材料が、実質的に、
   ａ）９８．１５質量％のニッケル、
   ｂ）１質量％のシリコン、
   ｃ）０．７５質量％の銅、および、
   ｄ）０．１質量％のイットリウム、
   より成っている、請求項１から８のいずれか１項に記載の点火プラグ電極材料。
10. 点火プラグ電極材料が、実質的に、
    ａ）０．７乃至１．３質量％、特に１質量％のシリコン、
    ｂ）０．５乃至１．０質量％、特に０．７５質量％の銅、
    ｃ）０．０７乃至０．１３質量％、特に０．１質量％のイットリウム、
    ｄ）０．００３質量％よりも少なく、特に０．００２質量％よりも少ない酸素、
    ｅ）０．００１質量％の硫黄、
    ｆ）０．００３質量％の炭素、
    ｇ）残り：ニッケル、
    より成っており、
    金属の不純物の割合の合計が０．１質量％よりも少ない、請求項１から９のいずれか１項に記載の点火プラグ電極材料。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の点火プラグ電極材料を製造するための方法において、
    ニッケル基合金を製造するステップと、
    その他の元素を添加するステップと、
    を有する、点火プラグ電極材料を製造するための方法。
12. 点火プラグ電極を製造するための方法において、
    ニッケル基合金を製造するステップと、
    その他の元素を添加するステップと、
    少なくとも６Ｗ／ｍＫ、特に少なくとも８Ｗ／ｍＫ、特に少なくとも１０Ｗ／ｍＫの熱伝導率、および式：ｌｏｇＲ＝ａ+ｂ*Ｔ／１０００により規定された電気抵抗と同じかまたはこれよりも小さい電気抵抗を有する酸化層を形成するステップと、
    を有しており、
    前記式中、０．６≦ａ≦０．８特に０．７であり、
    前記式中、３．１≦ｂ≦３．３特に３．２であり、
    前記式中、Ｔは、点火プラグ電極の表面の少なくとも一部におけるケルビン温度であり、
    酸化物層を形成する前の点火プラグ電極材料が次の元素、つまり：
    ａ）ベース材料としてのニッケル、
    ｂ）０．７乃至１．３質量％のシリコン、
    ｃ）０．５乃至１．０質量％の銅、
    を含有している、点火プラグ電極を製造するための方法。
13. 前記酸化物層が前記点火プラグ電極を規定通りに使用することによって形成可能である、請求項１２に記載の方法。
14. 点火プラグであって、請求項１から１０のいずれか１項に記載の点火プラグ電極材料より成る電極を有することを特徴とする、点火プラグ。
15. 前記電極が中心電極および／または接地電極であって、これらの電極が、コア有りでも、またコア無しでも、特に銅コアを有して、中心電極および／または接地電極に使用される、請求項１４に記載の点火プラグ。

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