JP2019110114A - スパークプラグ用電極、及びスパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】耐消耗性をさらに向上させることのできるスパークプラグ用電極を提供する。【解決手段】５〜５０ｗｔ％のＲｈを含むＩｒＲｈ合金に、Ｔａ及びＮｂの少なくとも一方が合計で０．３〜７．５ｗｔ％添加された貴金属チップの電極部材（１５、１６）が、放電部である中心電極先端部及び接地電極先端部（１３ａ、１４ａ）に設けられる事により、耐消耗性をさらに向上させたスパークプラグ用電極（１３、１４）を構成している。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関のスパークプラグに用いられる電極に関する。

従来、スパークプラグ用電極において、Ｉｒ（イリジウム）にＲｈ（ロジウム）を３〜３０ｗｔ％添加したＩｒＲｈ合金を、放電部の電極部材に用いたスパークプラグ用電極がある（特許文献１参照）。特許文献１に記載のスパークプラグ用電極によれば、高温耐熱性に優れていると同時に、耐消耗性を向上させることができるとしている。

特許第２８７７０３５号公報

近年、内燃機関において、高出力化や燃費改善のために、スパークプラグの高電流化及び高電圧化が進んでいる。このため、スパークプラグ用電極には、さらなる耐消耗性の向上が求められている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、耐消耗性をさらに向上させることのできるスパークプラグ用電極を提供することを主たる目的とする。

上記課題を解決するための第１の手段は、スパークプラグ用電極であって、
ＩｒＲｈ合金に、
Ｔａ及びＮｂの少なくとも一方が合計で０．３〜７．５ｗｔ％添加された電極部材が、放電部に設けられている。

上記構成によれば、スパークプラグ用電極の放電部に、電極部材が設けられている。このため、電極部材において、スパークプラグの放電が行われる。電極部材は、ＩｒＲｈ合金であり、望ましくは５〜５０ｗｔ％のＲｈを含むＩｒＲｈ合金であり、さらに望ましくは５〜３０ｗｔ％のＲｈを含むＩｒＲｈ合金である。このため、高温で酸化物が生成されることによるＩｒの揮発消耗を、高温で揮発しにくいＲｈにより抑制することができる。

さらに、電極部材では、上記ＩｒＲｈ合金に、Ｔａ（タンタル）及びＮｂ（ニオブ）の少なくとも一方が合計で０．３〜７．５ｗｔ％、望ましくは０．３〜６ｗｔ％添加されている。ＩｒＲｈ合金にＴａ，Ｎｂを合計で０．３ｗｔ％以上添加することにより、耐消耗性が向上することが本願発明者により確認されている。Ｔａ及びＮｂは、Ｒｈよりも融点が高いため、火花放電における電極部材の溶融飛散を抑制することができると推定される。ただし、Ｔａ，Ｎｂの添加量が合計で６ｗｔ％を超えて８ｗｔ％以上になると、耐消耗性が低下することが本願発明者により確認されている。粒界にＴａ，Ｎｂが偏析して粒界が脆くなり、耐消耗性が低下することが原因と推定される。この点、上記構成によれば、スパークプラグ用電極の耐消耗性をさらに向上させることができる。また、電極部材では、上記ＩｒＲｈ合金に、Ｎｂを添加せず、Ｔａを０．３〜７．５ｗｔ％、望ましくは０．３〜６ｗｔ％添加してもよい。

第２の手段では、前記電極部材には、Ｔａ及びＮｂの少なくとも一方が合計で１〜５ｗｔ％添加されている。ＩｒＲｈ合金にＴａ，Ｎｂを合計で１〜５ｗｔ％添加することにより、耐消耗性がさらに向上することが本願発明者により確認されている。したがって、上記構成によれば、スパークプラグ用電極の耐消耗性をさらに向上させることができる。また、電極部材に、Ｎｂを添加せず、Ｔａを１〜５ｗｔ％添加してもよい。

第３の手段では、前記電極部材には、Ｎｉ（ニッケル）及びＣｏ（コバルト）の少なくとも一方が合計で０．３〜３ｗｔ％添加されている。ＩｒＲｈ合金にＴａ，Ｎｂを合計で０．３〜７．５ｗｔ％、望ましくは０．３〜６ｗｔ％添加した材料に、Ｎｉ，Ｃｏを合計で０．３ｗｔ％以上添加することにより、耐消耗性が向上することが本願発明者により確認されている。Ｎｉ，Ｃｏを添加することにより、酸化物の生成によるＩｒの揮発消耗を抑制することができると推定される。ただし、Ｎｉ，Ｃｏの添加量が合計で３ｗｔ％を超えると、耐消耗性が低下することが本願発明者により確認されている。Ｎｉ，ＣｏはＩｒ，Ｒｈよりも融点が低いため、火花放電における電極部材の溶融飛散が増加することが原因と推定される。この点、上記構成によれば、スパークプラグ用電極の耐消耗性をさらに向上させることができる。また、ＩｒＲｈ合金にＮｂを添加せず、Ｔａを０．３〜７．５ｗｔ％、望ましくは０．３〜６ｗｔ％添加した材料に、Ｎｉ及びＣｏの少なくとも一方を合計で０．３〜３ｗｔ％添加してもよい。

第４の手段では、前記電極部材には、Ｎｉ及びＣｏの少なくとも一方が合計で０．５〜１．５ｗｔ％添加されている。ＩｒＲｈ合金にＴａ，Ｎｂを合計で０．３〜７．５ｗｔ％、望ましくは０．３〜６ｗｔ％添加した材料に、Ｎｉ，Ｃｏを合計で０．５〜１．５ｗｔ％添加することにより、耐消耗性がさらに向上することが本願発明者により確認されている。したがって、上記構成によれば、スパークプラグ用電極の耐消耗性をさらに向上させることができる。また、ＩｒＲｈ合金にＮｂを添加せず、Ｔａを０．３〜７．５ｗｔ％、望ましくは０．３〜６ｗｔ％添加した材料に、Ｎｉ及びＣｏの少なくとも一方を合計で０．５〜１．５ｗｔ％添加してもよい。

第５の手段は、スパークプラグであって、第１〜第４のいずれかの手段のスパークプラグ用電極を備えている。

スパークプラグの半断面図。 図１の部分拡大図。 Ｔａを添加したＩｒＲｈ合金の貴金属チップの耐消耗性試験の結果を示すグラフ。 Ｔａ，Ｎｉを添加したＩｒＲｈ合金の貴金属チップの耐消耗性試験の結果を示すグラフ。

以下、内燃機関に用いられるスパークプラグに具現化した一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１に示すように、スパークプラグ１０は、鉄等の金属材料によって形成された円筒状のハウジング１１を備えている。ハウジング１１の下部の外周には、ねじ部１１ａが形成されている。

ハウジング１１の内部には、円筒状の絶縁碍子１２の下端部が同軸に挿入されている。絶縁碍子１２は、アルミナ等の絶縁材料で成形されている。絶縁碍子１２に対してハウジング１１の上端部１１ｂをかしめることにより、ハウジング１１と絶縁碍子１２とが一体に結合されている。そして、絶縁碍子１２の下部（一端部）において、貫通孔１２ａ（中空部）には、中心電極１３が挿入されて保持されている。

中心電極１３（スパークプラグ用電極）は、耐熱性等に優れているＮｉ合金を母材として、円柱状に形成されている。具体的には、中心電極１３の内材（中心材）が銅で形成され、外材（外皮材）がＮｉ（ニッケル）基合金で形成されている。中心電極１３の先端部１３ａは、絶縁碍子１２の下端（一端）から露出している。

中心電極１３の先端部１３ａに対向する位置には、ハウジング１１の下端面（一端面）から一体的に湾曲して延びる接地電極１４が配置されている。接地電極１４（スパークプラグ用電極）もＮｉ基合金によって形成されている。

図２に示すように、中心電極１３の先端部１３ａと、これに対向する接地電極１４の先端部１４ａとによって、スパークプラグ１０の放電部が構成されている。中心電極１３の先端部１３ａ及び接地電極１４の先端部１４ａには、それぞれ貴金属チップ１５，１６が取り付けられている。貴金属チップ１５，１６（電極部材）は、レーザー溶接、または抵抗溶接等の接合加工により、それぞれ先端部１３ａ，１４ａに接合されている。貴金属チップ１５と貴金属チップ１６との間に、火花ギャップ１７が形成されている。すなわち、貴金属チップ１５と貴金属チップ１６との間で放電が行われ、火花が形成される。

貴金属チップ１５，１６は、共に円柱状に形成されている。例えば、貴金属チップ１５の外径Ａ＝１．０ｍｍ、高さＢ＝１．５ｍｍである。貴金属チップ１６の外径Ｃ＝１．０ｍｍ、高さＤ＝０．５ｍｍである。

図１に戻り、中心電極１３の上部には、周知のように中心軸１８、端子部１９が電気的に接続されている。端子部１９には、火花発生用の高電圧を印加する外部回路が接続される。また、ハウジング１１のねじ部１１ａの上端部には、内燃機関への取り付けに用いられるガスケット２０が設けられている。

貴金属チップ１５，１６は、高融点で耐消耗性に優れたＩｒ（イリジウム）をベースに、Ｉｒの高温揮発性を抑制するために、Ｒｈ（ロジウム）を含むＩｒＲｈ合金により形成されている。ＩｒＲｈ合金は、高温の大気又は酸化雰囲気において、結晶粒界からのＩｒの酸化揮発を抑制することができる。望ましくはＲｈを５〜５０ｗｔ％含むＩｒＲｈ合金、さらに望ましくはＲｈを５〜３０ｗｔ％含むＩｒＲｈ合金は、高温の大気又は酸化雰囲気において、結晶粒界からのＩｒの酸化揮発を抑制することができる。本願発明者は、ＩｒＲｈ合金にＴａを添加することにより、耐消耗性が向上することを見出した。なお、上記ＩｒＲｈ合金において、Ｒｈ、Ｔａを除く成分はＩｒである。

図３は、Ｔａを添加したＩｒＲｈ合金の貴金属チップ１５の耐消耗性試験の結果を示すグラフである。耐消耗性試験では、内燃機関に取り付けたスパークプラグ１０により、５６００ｒｐｍで５０時間燃料への点火（火花放電）を行った。同図では、Ｔａを添加していない第１比較例の貴金属チップ１５の消耗量（体積減少量）を１として、Ｔａ添加量を変化させた貴金属チップ１５の消耗量を比率で示している。同図では、Ｒｈの含有量が、それぞれ５ｗｔ％、１０ｗｔ％、３０ｗｔ、５０ｗｔ％の場合について示している。

同図に示すように、Ｒｈの含有量が５ｗｔ％、１０ｗｔ％、３０ｗｔ、５０ｗｔ％のいずれであっても、Ｔａ添加量が０．３〜７．５ｗｔ％の範囲、望ましくはＴａ添加量が０．３〜６ｗｔ％の範囲において、貴金属チップ１５の消耗量が減少している。特に、Ｔａ添加量が１．０〜５．０ｗｔ％の範囲において、貴金属チップ１５の消耗量が顕著に減少している。Ｔａの融点（３０２７℃）は、Ｒｈの融点（１９６０℃）よりも高いため、火花放電における貴金属チップ１５の溶融飛散を抑制することができると推定される。

なお、Ｔａ添加量が６ｗｔ％を超えて８ｗｔ％以上になると、貴金属チップ１５の消耗量が第１比較例（消耗比率＝１）よりも増加している。粒界にＴａが偏析して粒界が脆くなり、耐消耗性が低下することが原因と推定される。

図４は、Ｔａ，Ｎｉを添加したＩｒＲｈ合金の貴金属チップ１５の耐消耗性試験の結果を示すグラフである。耐消耗性試験では、内燃機関に取り付けたスパークプラグ１０により、５６００ｒｐｍで５０時間燃料への点火を行った。同図では、Ｒｈの含有量が１０ｗｔ％でＴａを添加した第２比較例の貴金属チップ１５の消耗量を１として、Ｎｉ（ニッケル）の添加量を変化させた貴金属チップ１５の消耗量を比率で示している。同図では、Ｔａ添加量が、それぞれ０．３ｗｔ％、３．０ｗｔ％、８．０ｗｔ％の場合について示している。なお、上記ＩｒＲｈ合金において、Ｒｈ、Ｔａ、Ｎｉを除く成分はＩｒである。

同図に示すように、Ｔａ添加量が０．３ｗｔ％、３．０ｗｔ％、８．０ｗｔ％のいずれであっても、Ｎｉ添加量が０．３〜３ｗｔ％の範囲において、貴金属チップ１５の消耗量が減少している。特に、Ｎｉ添加量が０．５〜１．５ｗｔ％の範囲において、貴金属チップ１５の消耗量が顕著に減少している。酸化物の融点が高いＮｉを添加することにより、酸化物の生成によるＩｒの揮発消耗を抑制することができると推定される。

なお、Ｎｉ添加量が４ｗｔ％以上になる（３ｗｔ％を超える）と、貴金属チップ１５の消耗量が第２比較例よりも増加している。Ｎｉの融点（１４５０℃）はＩｒの融点（２４５４℃），Ｒｈの融点（１９６０℃）よりも低いため、火花放電における貴金属チップ１５の溶融飛散が増加することが原因と推定される。

そこで、本実施形態の貴金属チップ１５，１６では、ＩｒＲｈ合金、望ましくは５〜５０ｗｔ％のＲｈを含むＩｒＲｈ合金、より望ましくは５〜３０ｗｔ％のＲｈを含むＩｒＲｈ合金に、Ｔａを０．３〜７．５ｗｔ％、望ましくはＴａを０．３〜６ｗｔ％、より望ましくは１〜５ｗｔ％添加している。さらに、貴金属チップ１５，１６には、Ｎｉを０．３〜３ｗｔ％、望ましくは０．５〜１．５ｗｔ％添加している。

以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。

・貴金属チップ１５，１６は、ＩｒＲｈ合金、望ましくは５〜５０ｗｔ％のＲｈを含むＩｒＲｈ合金、さらに望ましくは５〜３０ｗｔ％のＲｈを含むＩｒＲｈ合金である。このため、高温で酸化物が生成されることによるＩｒの揮発消耗を、高温で揮発しにくいＲｈにより抑制することができる。

・貴金属チップ１５，１６では、上記ＩｒＲｈ合金に、Ｔａが０．３〜７．５ｗｔ％、望ましくはＴａが０．３〜６ｗｔ％添加されている。ＩｒＲｈ合金にＴａを０．３ｗｔ％以上添加することにより、耐消耗性が向上する。ただし、Ｔａ添加量が６ｗｔ％を超えて８ｗｔ％以上になると、耐消耗性が低下する。この点、上記構成によれば、貴金属チップ１５，１６（中心電極１３，接地電極１４）の耐消耗性をさらに向上させることができる。

・貴金属チップ１５，１６には、Ｔａが１〜５ｗｔ％添加されている。ＩｒＲｈ合金にＴａを１〜５ｗｔ％添加することにより、耐消耗性がさらに向上する。したがって、貴金属チップ１５，１６の耐消耗性をさらに向上させることができる。

・貴金属チップ１５，１６には、Ｎｉが０．３〜３ｗｔ％添加されている。ＩｒＲｈ合金にＴａを０．３〜８ｗｔ％添加した材料に、Ｎｉを０．３ｗｔ％以上添加することにより、耐消耗性が向上する。ただし、Ｎｉ添加量が３ｗｔ％を超えると、耐消耗性が低下する。この点、上記構成によれば、貴金属チップ１５，１６の耐消耗性をさらに向上させることができる。

・貴金属チップ１５，１６には、Ｎｉが０．５〜１．５ｗｔ％添加されている。ＩｒＲｈ合金にＴａを０．３〜８ｗｔ％添加した材料に、Ｎｉを０．５〜１．５ｗｔ％添加することにより、耐消耗性がさらに向上する。したがって、貴金属チップ１５，１６の耐消耗性をさらに向上させることができる。

なお、上記実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。上記実施形態と同一の部分については、同一の符号を付すことにより説明を省略する。

・図３では、ＩｒＲｈ合金にＴａを添加した貴金属チップ１５の消耗量を示した。これに対して、Ｔａに代えて、同じく第５属元素のＮｂ（ニオブ）を添加しても同様の効果を奏することができる。要するに、ＩｒＲｈ合金にＴａ，Ｎｂを合計で０．３〜７．５ｗｔ％、望ましくは０．３〜６ｗｔ％、さらに望ましくは１〜５ｗｔ％添加することにより、貴金属チップ１５，１６の耐消耗性をさらに向上させることができる。なお、上記ＩｒＲｈ合金において、Ｒｈ、Ｔａ、Ｎｂを除く成分はＩｒである。

・図４では、Ｒｈの含有量が１０ｗｔ％でＴａを添加した材料に、Ｎｉを添加した貴金属チップ１５の消耗量を示した。これに対して、Ｎｉに代えて、同じく鉄属元素のＣｏ（コバルト）を添加しても同様の効果を奏することができる。要するに、ＩｒＲｈ合金にＴａ，Ｎｂを合計で０．３〜７．５ｗｔ％、望ましくは０．３〜６ｗｔ％添加した材料に、Ｎｉ，Ｃｏを合計で０．３〜３ｗｔ％、望ましくは０．５〜１．５ｗｔ％添加することにより、貴金属チップ１５，１６の耐消耗性をさらに向上させることができる。なお、上記ＩｒＲｈ合金において、Ｒｈ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｃｏを除く成分はＩｒである。また、Ｃｒ（クロム）、Ｒｅ（レニウム）を添加することによっても、酸化物の生成によるＩｒの揮発消耗を抑制することができると推定される。このため、ＩｒＲｈ合金にＴａ，Ｎｂ，Ｒｅを合計で０．３〜７．５ｗｔ％、望ましくは０．３〜６ｗｔ％添加した材料に、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒを合計で０．３〜３ｗｔ％、望ましくは０．５〜１．５ｗｔ％添加することにより、貴金属チップ１５，１６の耐消耗性をさらに向上させることができる。なお、上記ＩｒＲｈ合金において、Ｒｈ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒを除く成分はＩｒである。

・中心電極１３の先端部１３ａ全体（電極部材）を、貴金属チップ１５と同一の材料により形成することもできる。

・接地電極１４の先端部１４ａ全体（電極部材）を、貴金属チップ１６と同一の材料により形成することもできる。

・中心電極１３の先端部１３ａ（放電部）及び接地電極１４の先端部１４ａ（放電部）の一方のみに、貴金属チップ１５，１６に相当する電極部材を設けてもよい。

１０…スパークプラグ、１３…中心電極、１３ａ…先端部、１４…接地電極、１４ａ…先端部、１５…貴金属チップ、１６…貴金属チップ。

Claims (11)

1. ＩｒＲｈ合金に、
   Ｔａ及びＮｂの少なくとも一方が合計で０．３〜７．５ｗｔ％添加された電極部材（１５、１６）が、放電部（１３ａ、１４ａ）に設けられている、スパークプラグ用電極（１３、１４）。
2. 前記ＩｒＲｈ合金は、５〜５０ｗｔ％のＲｈを含む、請求項１に記載のスパークプラグ用電極。
3. ５〜３０ｗｔ％のＲｈを含むＩｒＲｈ合金に、
   Ｔａ及びＮｂの少なくとも一方が合計で０．３〜６ｗｔ％添加された電極部材（１５、１６）が、放電部（１３ａ、１４ａ）に設けられている、スパークプラグ用電極（１３、１４）。
4. 前記電極部材には、Ｔａ及びＮｂの少なくとも一方が合計で１〜５ｗｔ％添加されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のスパークプラグ用電極。
5. ＩｒＲｈ合金に、
   Ｔａが０．３〜７．５ｗｔ％添加された電極部材（１５、１６）が、放電部（１３ａ、１４ａ）に設けられている、スパークプラグ用電極（１３、１４）。
6. 前記ＩｒＲｈ合金は、５〜５０ｗｔ％のＲｈを含む、請求項５に記載のスパークプラグ用電極。
7. ５〜３０ｗｔ％のＲｈを含むＩｒＲｈ合金に、
   Ｔａが０．３〜６ｗｔ％添加された電極部材（１５、１６）が、放電部（１３ａ、１４ａ）に設けられている、スパークプラグ用電極（１３、１４）。
8. 前記電極部材には、Ｔａが１〜５ｗｔ％添加されている、請求項５〜７のいずれか１項に記載のスパークプラグ用電極。
9. 前記電極部材には、Ｎｉ及びＣｏの少なくとも一方が合計で０．３〜３ｗｔ％添加されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載のスパークプラグ用電極。
10. 前記電極部材には、Ｎｉ及びＣｏの少なくとも一方が合計で０．５〜１．５ｗｔ％添加されている、請求項９に記載のスパークプラグ用電極。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載のスパークプラグ用電極を備えるスパークプラグ（１０）。

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