JP2021039911A

JP2021039911A - スパークプラグ

Info

Publication number: JP2021039911A
Application number: JP2019161694A
Authority: JP
Inventors: 健吾服部; Kengo Hattori
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2019-09-05
Filing date: 2019-09-05
Publication date: 2021-03-11
Anticipated expiration: 2039-09-05
Also published as: JP7493316B2

Abstract

【課題】耐酸化消耗性を確保しつつ耐火花消耗性を向上できるスパークプラグを提供すること。【解決手段】スパークプラグは、Ｉｒ合金からなる放電部材を備える第１電極と、放電部材と火花ギャップを介して対向する第２電極と、を備え、放電部材は、Ｒｈを６質量％以上３５質量％以下、Ｒｕを０．１質量％以上２５質量％以下、Ｎｂを０．１質量％以上３質量％以下、Ｎｉを４質量％以下含有し、残部がＩｒである。【選択図】図１

Description

本発明はＩｒ合金からなる放電部材を備えるスパークプラグに関するものである。

Ｉｒを主体とするＩｒ合金からなる放電部材が、火花ギャップを介して電極に対向するスパークプラグが知られている。Ｉｒは融点が高いが、高温環境下では揮発性の酸化物を生じて消耗し易いという性質がある。そこで、Ｉｒの酸化揮発を抑制してＩｒ合金からなる放電部材の耐酸化消耗性を確保するため、特許文献１に開示される放電部材は、Ｉｒを主体とし、Ｒｈを０．１〜３５質量％、Ｒｕを０．１〜１７質量％含有する。

また、特許文献２に開示される放電部材は、Ｉｒを主体とし、Ｒｈを５．５〜４５原子％、Ｎｂを０．１〜１６原子％含有する。高温環境下において揮発性のあるＩｒ酸化物よりもＮｂ酸化物が安定に存在することを利用して、Ｉｒの酸化揮発を抑制し、放電部材の耐酸化消耗性を確保する。

特許第３６７２７１８号公報国際公開第２０１８／０２１０２８号明細書

しかし、特許文献１及び２に開示の放電部材は耐火花消耗性に改善の余地があり、放電部材と電極との間の火花放電によって放電部材が消耗し易いという問題点がある。

本発明はこの問題点を解決するためになされたものであり、耐酸化消耗性を確保しつつ耐火花消耗性を向上できるスパークプラグを提供することを目的としている。

この目的を達成するために本発明のスパークプラグは、Ｉｒ合金からなる放電部材を備える第１電極と、放電部材と火花ギャップを介して対向する第２電極と、を備え、放電部材は、Ｒｈを６質量％以上３５質量％以下、Ｒｕを０．１質量％以上２５質量％以下、Ｎｂを０．１質量％以上３質量％以下、Ｎｉを４質量％以下含有し、残部がＩｒである。

請求項１記載のスパークプラグによれば、放電部材は、Ｒｈを６質量％以上３５質量％以下、Ｒｕを０．１質量％以上２５質量％以下、Ｎｂを０．１質量％以上３質量％以下含有し、残部がＩｒである。これによりＲｕとＮｂとの相乗的な固溶硬化が発現するので、放電部材の高温強度を向上できる。さらに、Ｎｂは合金の再結晶温度を上昇させ、高温環境下の結晶成長を抑制するので、高温環境下においても合金の加工組織を維持できる。これにより放電部材の高温強度がさらに向上するので、耐酸化消耗性を確保しつつ耐火花消耗性を向上できる。なお、放電部材は、Ｉｒの一部に代えてＮｉを４質量％以下含有しても良い。

一実施の形態におけるスパークプラグの片側断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は一実施の形態におけるスパークプラグ１０の軸線Ｏを境にした片側断面図である。図１では、紙面下側をスパークプラグ１０の先端側、紙面上側をスパークプラグ１０の後端側という。

図１に示すようにスパークプラグ１０は、絶縁体１１、中心電極１３（第２電極）、主体金具１７及び接地電極１８（第１電極）を備えている。絶縁体１１は、機械的特性や高温下の絶縁性に優れるアルミナ等により形成された略円筒状の部材である。絶縁体１１は、軸線Ｏに沿って貫通する軸孔１２が形成されている。

中心電極１３は、軸孔１２に挿入されて軸線Ｏに沿って絶縁体１１に保持される棒状の電極である。中心電極１３は、母材１４と、母材１４の先端に接合される放電部材１５とを備えている。母材１４は熱伝導性に優れる芯材が埋設されている。母材１４は、Ｎｉを主体とする合金またはＮｉからなる金属材料で形成されており、芯材は銅または銅を主成分とする合金で形成されている。なお、芯材を省略することは当然可能である。放電部材１５は、例えば母材１４よりも耐火花消耗性の高いＰｔ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｒｈ等の貴金属やＷ、又は、貴金属やＷを主体とする合金によって形成されている。

端子金具１６は、高圧ケーブル（図示せず）が接続される棒状の部材であり、先端側が絶縁体１１内に配置される。端子金具１６は、軸孔１２内で中心電極１３と電気的に接続されている。

主体金具１７は、内燃機関のねじ穴（図示せず）に固定される略円筒状の金属製の部材である。主体金具１７は導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成される。主体金具１７は絶縁体１１の外周に固定されている。主体金具１７の先端には、接地電極１８が接続されている。

接地電極１８は、主体金具１７に接続される母材１９と、母材１９に接合される放電部材２０と、を備えている。母材１９は熱伝導性に優れる芯材が埋設されている。母材１９は、Ｎｉを主体とする合金からなる金属材料で形成されており、芯材は銅または銅を主成分とする合金で形成されている。なお、芯材を省略して、Ｎｉを主体とする合金で母材１９の全体を形成することは当然可能である。

放電部材２０は、Ｉｒ合金によって形成されている。Ｉｒ合金からなる放電部材２０は、Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｎｂを含有する。さらにＮｉを含有しても良い。放電部材２０は、レーザ溶接や抵抗溶接、拡散接合等によって母材１９に固着されている。放電部材２０は、火花ギャップ２１を介して中心電極１３と対向する。

スパークプラグ１０は、例えば、以下のような方法によって製造される。まず、中心電極１３を絶縁体１１の軸孔１２に挿入する。軸孔１２に端子金具１６を挿入し、端子金具１６と中心電極１３との導通を確保した後、予め母材１９が接合された主体金具１７を絶縁体１１の外周に組み付ける。母材１９に放電部材２０を固着した後、放電部材２０が中心電極１３と対向するように母材１９を屈曲して、スパークプラグ１０を得る。

放電部材２０は、Ｒｈを６質量％以上３５質量％以下、Ｒｕを０．１質量％以上２５質量％以下、Ｎｂを０．１質量％以上３質量％以下、Ｎｉを４質量％以下含有し、残部がＩｒである。Ｎｉを４質量％以下含有するとは、Ｎｉを含まないか、Ｎｉを４質量％以下含むことを意味する。

Ｉｒは高融点金属なので、放電部材２０の主成分となる。主成分とは、放電部材２０を構成する元素のうち最も含有量が多い元素のことである。Ｉｒは、合金を構成する全成分の合計量に対して４０質量％以上が好ましく、より好ましくは４５質量％以上である。

Ｒｈは、Ｉｒの酸化揮発を抑制し、放電部材２０の耐酸化消耗性を確保するための元素である。Ｒｈの含有量は６質量％以上３５質量％以下である。Ｒｕ及びＮｂの存在下において、Ｒｈの含有量が６質量％未満であると、放電部材２０の高温強度が低下し、耐火花消耗性が低下する。Ｒｈの含有量が多すぎると、合金の融点および再結晶温度が低下する傾向がみられる。

Ｒｕは、放電部材２０の耐酸化消耗性を向上させるための元素である。Ｒｕの含有量は０．１質量％以上２５質量％以下である。Ｒｕの含有量が０．１質量％未満であると、放電部材２０の耐酸化消耗性が低下する。Ｒｕの含有量が多すぎると、合金の塑性変形能が低下して加工が困難になる傾向がみられ、また、耐酸化消耗性が低下する傾向がみられる。Ｒｈの含有量とＲｕの含有量の合計は５５質量％以下が好ましく、より好ましくは５０質量％以下である。

Ｎｂは、放電部材２０の耐火花消耗性を向上させるための元素である。Ｎｂは、Ｒｕの存在下において相乗的な固溶硬化を発現する。ＲｕとＮｂとの固溶硬化により、合金の高温強度を相乗的に向上させる。さらにＮｂは、合金の再結晶温度を上昇させ、高温環境下における結晶成長を抑制する。これにより高温環境下においても合金の加工組織を維持できる。よって、放電部材２０の高温強度が高くなり、耐火花消耗性が向上する。

Ｎｂの含有量は０．１質量％以上３質量％以下である。Ｎｂの含有量が０．１質量％未満であると、Ｒｕとの相乗的な固溶硬化が少なくなり高温強度が不十分になる。Ｎｂの含有量が多すぎると、合金の塑性変形能が低下して加工が困難になる傾向がみられ、また、Ｎｂの酸化が顕著になり耐酸化消耗性が低下する傾向がみられる。

放電部材２０の強度を向上させる元素として、Ｎｉが４質量％以下の範囲で含まれていても良い。Ｎｉの含有量が４質量％を超えると、Ｎｉの酸化消耗が顕著になり耐酸化消耗性が低下する傾向がみられる。

Ｒｈを６質量％以上３５質量％以下、Ｒｕを０．１質量％以上２５質量％以下、Ｎｂを０．１質量％以上３質量％以下含有し、残部をＩｒとすることにより、単相の固溶体合金を得ることができる。そのため、このＩｒ合金は展延性を有し、圧延加工や伸線加工など、既知の加工法を用いて様々な形状にできる。また、このＩｒ合金は機械加工および溶接などの加工方法も適用できる。よって、合金インゴットを板材や線材に加工した後、所定の大きさに切断して得られた放電部材２０を中心電極１３や接地電極１８に配置して、スパークプラグ１０を得ることができる。

本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

（Ｉｒ合金の調製）
試験者は、Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｎｂ，Ｎｉの各原料粉末を所定の割合で混合して、種々の混合粉末を得た。得られた混合粉末を、一軸加圧成形機を用いて成形し圧粉体を得た。得られた圧粉体をアーク溶解法により溶解し、種々の合金のインゴットを作製した。作製したインゴットを熱間鍛造し、厚さ４ｍｍの板材とした。この板材を熱間圧延して、組成が異なる厚さ１ｍｍのＩｒ合金製の板材を得た。

（試験１）
試験者は、厚さ１ｍｍの板材から、厚さ１ｍｍの円板状の試験片を切り出した。試験片の質量Ｍ０（ｍｇ）を測定した後、試験片を電気炉にセットし、大気中、１２００℃の条件で２０時間保持した。冷却後、試験片の質量Ｍ１（ｍｇ）を測定し、単位面積当たりの質量変化ΔＭ（ｍｇ／ｍｍ^２）をΔＭ＝（Ｍ１−Ｍ０）／Ｓの式から求めた。Ｓ（ｍｍ^２）は試験前（電気炉にセットする前）の試験片の表面積である。表面積Ｓは試験片の寸法から算出した。

試験前後の質量変化ΔＭ（ｍｇ／ｍｍ^２）が−０．１０以上（減量が０．１０以下）の合金をＡ、ΔＭが−０．１０未満−０．２０以上（減量が０．１０を超え０．２０未満）の合金をＢ、ΔＭが−０．２０未満（減量が０．２０より多い）の合金をＣとした。Ａは耐酸化消耗性が特に良好、Ｂは耐酸化消耗性が良好、Ｃは耐酸化消耗性が悪い（酸化消耗量が多い）と評価した。

（試験２）
試験１において作製したＩｒ合金からなる試験片を放電部材２０として母材１９に固着し、実施形態におけるスパークプラグ１０のサンプルを作製した。火花ギャップ２１の大きさは１．１ｍｍとした。投影機を用いて軸線Ｏに垂直に投影したときの、試験前の放電部材２０（試験片）の厚さを測定した。

作製したスパークプラグ１０のサンプルをチャンバ（図示せず）に取り付けた後、試験ガス（本実施例では常温の窒素）を０．５リットル／分の流量でチャンバに流し、チャンバの内部の圧力を０．６ＭＰａに保った。この状態で放電部材２０と中心電極１３との間に、周波数１００Ｈｚで５００時間、放電を起こす試験を行った。

試験後、投影機を用いて軸線Ｏに垂直に投影したときの放電部材２０（試験片）の厚さを測定した。試験前の放電部材２０の厚さと試験後の放電部材２０の厚さとを比較し、試験後の放電部材２０の厚さの減少が、試験前の厚さに比べて０．０５ｍｍ未満の合金をＡ、０．０５ｍｍ以上の合金をＢとした。Ａは耐火花消耗性が良好、Ｂは耐火花消耗性が悪い（火花消耗量が多い）と評価した。合金の組成、耐酸化消耗性の評価、耐火花消耗性の評価を表１に記した。

表１に示すように耐酸化消耗性の評価では、Ｎｏ．１１−２２はＡ、Ｎｏ．１，３−１０はＢであったが、Ｎｏ．２はＣであった。耐酸化消耗性の評価Ｂ又はＣのＮｏ．１−１０と、耐酸化消耗性の評価ＡのＮｏ．１１−２２と、を比較すると、Ｎｏ．１−１０はＲｈの含有量が５〜１０質量％であり、Ｎｏ．１１−２２はＲｈの含有量が２０〜３５質量％であった。Ｒｈの含有量が２０質量％以上であると、耐酸化消耗性が特に良好になることがわかった。

耐酸化消耗性の評価ＢのＮｏ．１，３−１０と、耐酸化消耗性の評価ＣのＮｏ．２と、を比較すると、Ｎｏ．１，３−１０はＲｕの含有量が０．１〜２５質量％であり、Ｎｏ．２はＲｕを含有していなかった。Ｒｈの含有量が５質量％以上の場合に、Ｒｕの含有量が０．１〜２５質量％であると、耐酸化消耗性が良好になることがわかった。

耐火花消耗性の評価では、Ｎｏ．３−６，８−２２はＡであったが、Ｎｏ．１，２，７はＢであった。耐火花消耗性の評価ＢのＮｏ．１と、耐火花消耗性の評価ＡのＮｏ．３−６，８−２２と、を比較すると、Ｎｏ．１はＲｈの含有量が５質量％であり、Ｎｏ．３−６，８−２２はＲｈの含有量が６〜３５質量％であった。Ｒｈの含有量が６〜３５質量％であると耐火花消耗性が良好になることがわかった。

耐火花消耗性の評価ＢのＮｏ．２と、耐火花消耗性の評価ＡのＮｏ．３−６，８−２２と、を比較すると、Ｎｏ．２はＲｕを含有していなかったが、Ｎｏ．３−６，８−２２はＲｕの含有量が０．１〜２５質量％であった。Ｒｈの含有量が６〜３５質量％の場合に、Ｒｕの含有量が０．１〜２５質量％であると耐火花消耗性が良好になることがわかった。

耐火花消耗性の評価ＢのＮｏ．７と、耐火花消耗性の評価ＡのＮｏ．３−６，８−２２と、を比較すると、Ｎｏ．７はＮｂを含有していなかったが、Ｎｏ．３−６，８−２２はＮｂの含有量が０．１〜３質量％であった。Ｒｈの含有量が６〜３５質量％、Ｒｕの含有量が０．１〜２５質量％の場合に、Ｎｂの含有量が０．１〜３質量％であると耐火花消耗性が良好になることがわかった。

以上の結果から、Ｒｈを６〜３５質量％、Ｒｕを０．１〜２５質量％、Ｎｂを０．１〜３質量％含有し、残部がＩｒであるＩｒ合金（Ｎｏ．３−６，８−２２）は、耐酸化消耗性を確保しつつ耐火花消耗性を向上できることが明らかになった。また、Ｉｒの一部に代えてＮｉを４質量％以下含有しても良いことも明らかになった。

これは、Ｒｈ及びＲｕによってＩｒの酸化揮発を抑制し、さらにＲｕとＮｂとの相乗的な固溶硬化によって高温強度を向上できたからであると推察される。さらに、ＮｂはＩｒ合金の再結晶温度を上昇させ、高温環境下の結晶成長を抑制するので、高温環境下においても加工組織を維持できる。よって、耐酸化消耗性を確保しつつ耐火花消耗性を向上できたと推察される。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

実施形態では、放電部材２０の形状が円板状の場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他の形状を採用することは当然可能である。放電部材２０の他の形状としては、例えば円錐台状、楕円柱状、三角柱や四角柱等の多角柱状などが挙げられる。

実施形態では、母材１９の片方の端部に放電部材２０が接合され、母材１９のもう片方の端部が主体金具１７に接続される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。母材１９の片方の端部と放電部材２０との間に中間材を介在させることは当然可能である。

実施形態では、接地電極１８の母材１９のうち中心電極１３の側を向く面に放電部材２０が固着される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。放電部材２０と中心電極１３との間に火花ギャップ２１が形成されるのであれば、母材１９のどの面に放電部材２０を固着しても構わない。

実施形態では、第１電極として接地電極１８を例示し、第２電極として中心電極１３を例示したが、必ずしもこれに限られるものではない。中心電極１３を第１電極とし、接地電極１８を第２電極とすることは当然可能である。この場合、中心電極１３の母材１４にＩｒ合金からなる放電部材２０が固着される。

実施形態では、主体金具１７に接合された母材１９を屈曲させる場合について説明した。しかし、必ずしもこれに限られるものではない。屈曲した母材１９を用いる代わりに、直線状の母材を用いることは当然可能である。この場合には、主体金具１７の先端側を軸線Ｏ方向に延ばし、直線状の母材を主体金具１７に接合して、母材を中心電極１３と対向させる。接地電極１８の数も適宜設定される。

実施形態では、放電部材２０が中心電極１３と軸線方向に対向するように接地電極１８を配置する場合について説明した。しかし、必ずしもこれに限られるものではなく、接地電極１８と中心電極１３との位置関係は適宜設定できる。接地電極１８と中心電極１３との他の位置関係としては、例えば、中心電極１３の側面と接地電極１８の放電部材２０とが対向するように接地電極１８を配置すること等が挙げられる。

１０スパークプラグ
１３中心電極（第２電極）
１８接地電極（第１電極）
２０放電部材
２１火花ギャップ

Claims

Ｉｒ合金からなる放電部材を備える第１電極と、
前記放電部材と火花ギャップを介して対向する第２電極と、を備えるスパークプラグであって、
前記放電部材は、Ｒｈを６質量％以上３５質量％以下、Ｒｕを０．１質量％以上２５質量％以下、Ｎｂを０．１質量％以上３質量％以下、Ｎｉを４質量％以下含有し、残部がＩｒであるスパークプラグ。