JP2853111B2 - スパークプラグ - Google Patents
スパークプラグInfo
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- H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
- H01T13/00—Sparking plugs
- H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
- H01T13/32—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation characterised by features of the earthed electrode
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
- H01T13/00—Sparking plugs
- H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
- H01T13/39—Selection of materials for electrodes
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Description
ークプラグに関する。
ルとの複合構造部材を採用した中心電極は、温度変化の
激しい運転条件(例えば全開高速運転- アイドリングと
の繰り返し)に遭遇すると、熱膨張係数差により生じる
熱応力により、外皮側のニッケル材が塑性変形し、その
蓄積により中心電極の形状が変形する。尚、変形具合
は、銅材中に発生するボイドの影響を強く受け、ボイド
が拡大成長すると外皮側のニッケル材の変形が加速す
る。図12は、中心電極110の変形の様子を示したも
のであり、熱応力の繰り返しにより銅120の中にボイ
ド130が発生し、ボイド130が成長することにより
中心電極110は、図12の(a) に示す様に径方向に膨
張し、軸方向に縮む。尚、初期形状を二点鎖線、変形後
形状を実線で示す。更に熱サイクルを加え続けると、中
心電極110は、図12の(b) の実線(5000rpm
全開1分- アイドリング1分を6000サイクル施した
もの)に示す様に、径方向に膨張し続け、遂には絶縁体
140を押し割るという不具合が発生する。
地電極150に採用すると、熱膨張係数差により生じる
熱応力により、銅160中にボイド170が発生し、ボ
イド170が成長することにより、図13の二点鎖線に
示す様に、接地電極150が起き上がって来るという不
具合が発生する。
は、共に、銅120、160中にボイド130、170
が形成し、それが成長することにより生じる現象である
ので、このボイド130、170の発生を抑制できれ
ば、電極の変形を防ぐことができる。
究が行われ、これら銅合金材料に関する多くの特許が出
願され、公開されている。特開昭61- 143971号
公報、特開昭61- 143972号公報、特開昭61-
143973号公報、特開昭61- 148788号公
報、特開昭61- 148789号公報、特開昭61- 1
48790号公報、特開平4- 065791号公報。
には、Ti、Zr、Crの内、一種若しくは二種以上を
0.02〜1.0重量%としたものが開示されている。
定の元素を選び、銅に添加する添加量を規制するもので
あり、特定の元素を、どの様な目的で、且つどの様な状
態で使用して課題を解決しようとするかについては、ど
の公報にも全く記載されていない。通常、銅に他の元素
を添加すると熱伝導率は急速に悪化する。この為、上記
各公報に基づいて、銅に特定元素を所定量添加して製造
した銅合金を、中心電極や接地電極の芯材に用いた場
合、電極は熱伝導率が低下し、以下に示す不具合が発生
するとともに、ボイドの発生抑制や成長防止の効果は不
十分である。中心電極に用いた場合、耐プレイグニッシ
ョン性能が悪化する。接地電極に用いた場合、ニッケル
材の高温酸化が起き易く、ニッケル材の酸化に起因して
電極消耗度合が早い。
もに高温強度に優れ、且つ高温での結晶粒の粗大化の抑
制を図って粒界等で発生し易いミクロボイドの発生を防
止した銅合金が製造でき、該銅合金とニッケル合金との
複合構造部材を中心電極や接地電極に用いることによ
り、プラグの耐久性や耐プレイグニッション性能の向上
を図ったスパークプラグの提供にある。
本発明は以下の構成を採用した。 (1)耐蝕性に優れたニッケル合金の内部に、良熱伝導
性を有する銅合金を封入した複合構造部材を、中心電
極、或いは接地電極の、少なくとも一方の電極に使用す
るスパークプラグにおいて、前記銅合金は、常温での熱
伝導率がレーザーフラッシュ法の測定で200W/m・
k以上であるとともに、純銅中に過飽和固溶体として析
出するクロム又はジルコニウムの少なくとも一方を含む
一種類以上の金属元素を、総和で0.5重量%以上1.
5重量%以下添加し、金属元素若しくは金属間化合物が
銅の母相から析出した状態で均一的に存在し、その析出
物の大きさが10μm以下であることを特徴とする。
に、良熱伝導性を有する銅合金を封入した複合構造部材
を、中心電極、或いは接地電極の、少なくとも一方の電
極に使用するスパークプラグにおいて、前記銅合金は、
常温での熱伝導率がレーザーフラッシュ法の測定で20
0W/m・k以上であるとともに、前記銅合金は、純銅
中に、0.2重量%以上1.5重量%以下のセラミック
粉末を分散して添加し、該セラミック粉末が微粒子とし
て均一的に存在する。
ル合金の内部に封入する銅合金は、常温での熱伝導率が
レーザーフラッシュ法の測定で200W/m・k以上で
あるとともに、純銅中に過飽和固溶体として析出するク
ロム又はジルコニウムの少なくとも一方を含む一種類以
上の金属元素を、総和で0.5重量%以上1.5重量%
以下添加し、金属元素若しくは金属間化合物が銅の母相
から析出した状態で均一的に存在し、その析出物の大き
さが10μm以下である。
析出する金属元素(クロムやジルコニウムを含む)の析
出物の大きさは10μm以下であり、クロムやジルコニ
ウムの一方を含む金属元素を少量添加(0.5重量%〜
1.5重量%)しているので高温強度が向上し、熱サイ
クルを加えても結晶粒が微細状態を維持(結晶粒の粗大
化が阻止される)し、ミクロボイドが粒界で発生し難く
なり、その成長も阻止できる。この為、熱サイクルによ
る中心電極や接地電極の変形は起き難く、スパークプラ
グの耐久性が向上する。
ザーフラッシュ法の測定で200W/m・k以上である
ので、電極の熱引き性に優れ、中心電極に採用した場合
は耐プレイグニッション性能の向上が図れ、接地電極に
採用した場合は、母材の高温酸化が防止でき、電極消耗
割合を大幅に低減できる。
を越えると、析出物による銅合金の高温強度の向上効果
が発現し難くなる。金属元素の添加量が0.5重量%未
満であると銅合金の高温強度が向上せず(銅の母相中で
の過飽和固溶体の析出量が少ないため)、熱サイクルに
より結晶粒が粗大化し、ミクロボイドが発生して成長す
る。又、添加元素の総量が1.5重量%を越えると熱伝
導特性が大幅に悪化する。
する銅合金を封入した複合構造部材を、中心電極、或い
は接地電極の、少なくとも一方の電極に使用するスパー
クプラグにおいて、前記銅合金は、常温での熱伝導率が
レーザーフラッシュ法の測定で200W/m・k以上で
あるとともに、前記銅合金は、純銅中に、0.2重量%
以上1.5重量%以下のセラミック粉末を分散して添加
し、該セラミック粉末が微粒子として均一的に存在する
ことを特徴とする。
以下のセラミック粉末を分散して添加して製造した銅合
金は、銅の優れた熱伝導性を損なわせること無く、高温
時の機械的強度を増大させる。尚、セラミック粉末が
0.2重量%未満であると銅合金の高温強度の増大効果
が不十分となり、1.5重量%を越えると銅合金の熱伝
導率が大幅に低下する。
ザーフラッシュ法の測定で200W/m・k以上である
ので、電極の熱引き性に優れ、中心電極に採用した場合
は耐プレイグニッション性能の向上が図れ、且つ冷熱サ
イクルの繰り返しに対する耐久性にも優れる。又、接地
電極に採用した場合は、母材の高温酸化が防止でき、電
極消耗割合を大幅に低減できる。
明する。図1に示すスパークプラグ100は、軸孔11
を有する棒状の絶縁体1と、先端部21が絶縁体1の先
端面12から突出する様に軸孔11内に嵌着される棒状
の中心電極2と、先端部21方向にL状に屈曲する板状
の接地電極31を先端面30に溶接し、絶縁体1を嵌め
込んで固定する筒状の主体金具3とを備え、図2、図9
に示す如く、中心電極2及び接地電極31に、ニッケル
合金製の母材nの内部に銅合金を芯材cとして埋入した
複合材を用いている。
耐蝕性に優れる高ニッケル合金(インコネル;商品名)
であり、芯材cは、銅との過飽和固溶体を形成する表1
に示す一種以上の金属元素(但し、Cr又はZrの少な
くとも一方を含む)を含有し、且つ添加する金属元素の
総量を0.5重量%〜1.5重量%に調整して製造した
銅合金であり、金属元素若しくは金属間化合物が銅の母
相から析出した状態で均一的に分散して存在する様にし
ている。表1中、実施例関連材料は、材料B、D、E、
F、G、H、I、J、K、M、N、Oである。尚、図3
の(a)は材料Hに係る組織の顕微鏡写真(1000
倍)であり、(b)は(a)中のZrを、(c)は
(a)中のCrに関して面分析した写真であり、白点は
Zr又はCrの存在を示す。
uに、表1に示す割合で金属元素を添加し、非酸化雰囲
気で溶解後、丸棒状に鋳造し、この部材を900℃前後
に加熱して熱間押出し成形を施し、コイル材にする。こ
のコイル材を950℃〜960℃に加熱した後、強制冷
却(水冷等)を施し、過飽和固溶体として、添加した金
属元素に係わる10μm以下の微細な析出物を均一に分
散させている。
接地電極31の部材としてニッケルとの複合構造にした
後、950℃〜960℃に加熱保持後、強制冷却(水や
アルゴンガスを用いる)して、過飽和固溶体として、1
0μm以下の微細な析出物を均一的に分散させる様にし
ても良い。
素を少量添加した場合の、温度- 熱伝導率特性の変化を
図5、図6とともに述べる。図5は、純Cuに、Crや
Zrを少量(0.26〜0.9重量%)添加した場合
の、温度- 熱伝導率特性を描いたグラフである。このグ
ラフに示す様に、純Cuは温度上昇とともに熱伝導率が
低下するが、純CuにCrやZrを添加することによ
り、銅合金(芯材c)の温度- 熱伝導率特性を上昇傾向
にすることができる。
i、Be、Ta等の内、少なくとも1種以上の金属元素
を、各々少量添加した場合の、温度- 熱伝導率特性を描
いたグラフである。すなわち、Ti、Ta、Be、N
i、Co等の金属元素を少量添加しても銅合金(芯材
c)の温度- 熱伝導率特性を維持することができる。
析出するクロム、ジルコニウム等を添加することによ
り、芯材cの高温時における熱伝導性を向上させること
ができ、この芯材cを中心電極2に用いれば、使用時の
中心電極2の先端部の温度の過昇温が防止でき、過熱し
た中心電極2の先端部や絶縁体1の先端部が着火源とな
って、機関の圧縮過程において過早着火する、所謂、プ
レイグニッションの発生が防止できる。
ナやマグネシア等のセラミック粉末を分散させて添加す
る(0.2重量%〜1.5重量%)と、これらセラミッ
ク粉末は銅の内部に微粒子として存在するため、熱伝導
性の著しい低下を招くこと無く、高温時の機械的強度が
増大でき、中心電極2等に用いる芯材cとして適当であ
る。
径小部22が設けられると共に、径小部22の先端面2
21の中心に穴222が形成され、穴222には貴金属
チップ(イリジウム合金)23が芯材c先端と接触状態
に嵌め込まれ、貴金属チップ23は母材nに溶接されて
いる(図2参照)。ここで、図4は、2000cc、六
気筒エンジンに装着して5500rpm、全負荷200
Hrの試験を行って求めた、基部231- 先端面c’間
の距離とスパークギャップ増加量(貴金属チップ23の
消耗量)との関係を示す実験データであり、貴金属チッ
プ23の基部231と芯材cの先端面c’との距離が
0.5mmを越えると、火花放電による火花放電間隔の
増加量が急激に増大することが判る。
(6000rpm)に装着して求めた、熱伝導率- プレ
イグニッション発生進角との関係を示す実験データであ
り、銅合金(芯材c)の熱伝導率が、レーザーフラッシ
ュ法の測定で200W/m・k(常温20℃で測定)以
上であればプレイグニッション発生の可能性が低いこと
が判る。尚、200W/m・k以上となる材料は、材料
A、B、C、D、F、G、H、I、J、M、N、O、
P、Q、及びRである。
様に調合し、金属元素成分が銅の母相から析出した状態
(金属又は金属間化合物の形)で分散して存在する様に
した析出硬化型銅材を使用した、材料B、D、E、F、
G、H、I、J、K、L、M、N、及びOは、銅合金の
高温強度が向上し、結晶粒が微細状態を維持し、結晶粒
の粗大化が抑制され、前記材料を用いた中心電極2に
は、2000cc六気筒エンジンで6000rpm全開
1分- アイドリング1分の熱サイクルを1000サイク
ル加えてもボイドの発生は認められず、0.1mm引っ
込むのに3500回〜4000回のサイクル数が必要で
ある(熱サイクルで中心電極2が変形し難い)という高
耐久性を示す。また、200W/m・k以上の熱伝導性
と熱サイクル1000サイクルでボイド発生が無く優れ
た耐久性の両特性を合わせ持つ材料は、B、D、F、
G、H、I、J、M、N、Oである。
ンに装着して行った全開高速耐久試験(6000rpm
×200Hr)後の、材料G(b)、材料Q(a)に係
る、組織(接地電極31)の顕微鏡写真であり、材料G
(実施例関連品)は結晶粒の粗大化が抑制されている。
尚、添加する金属元素の総量が0.5重量%未満である
と金属元素が十分な量、析出しないので結晶粒が粗大化
し、銅合金の高温強度が劣る様になるとともに、ボイド
が発生し易い。また、1.5重量%を越えると芯材cの
熱伝導率の低下が顕著になり、実用に供さなくなる。
はニッケルを95重量%(残部はCr、Fe、Mnを適
量含有)含有した耐蝕性の高ニッケル合金であり、芯材
cは、銅との固溶体を形成する添加元素(表2に示し、
Cr又はZrの少なくとも一方を含む)を含有し、且つ
総量を0.5重量%〜1.5重量%に調整した銅合金で
あり、更に、金属元素を銅の母相から析出した状態で分
散させている。尚、実施例関連品は、表3中、材料B、
D、E、F、G、H、I、J、K、M、N、Oである。
様に調合し、金属元素が銅の母相から析出した状態(金
属又は金属間化合物の形)で分散して存在する様にした
析出硬化型銅材を使用した、材料B、D、E、F、G、
H、I、J、K、L、M、N、Oは、銅合金の高温強度
が向上し、熱サイクルを加えても結晶粒が微細状態を維
持し、結晶粒の粗大化が抑制され、前記材料を用いた接
地電極31には、熱サイクル1000サイクル(上記と
同様の熱サイクル試験を実施)でのボイドの発生は認め
られず、変形開始(図13に示す起き上がり変形)迄に
2000回〜2600回以上のサイクル数が必要である
(熱サイクルで接地電極31が変形し難い)という高耐
久性を示す。
(6000rpm全開×200Hr)に装着して求め
た、熱伝導率- 電極消耗量との関係を示す実験データで
あり、銅合金(芯材c)の熱伝導率がレーザーフラッシ
ュ法の測定で200W/m・k以上であれば接地電極3
1の電極消耗量が少ない(0.1mm以下)ことが判
る。尚、200W/m・k以上となる材料は、材料A、
B、C、D、F、G、H、I、J、M、N,O、P、
Q、Rである。また、200W/m・k以上の熱伝導性
と長い熱サイクル数を経ても変形を起こし難い耐久性の
両特性を合わせ持つ材料は、B、D、F、G、H、I、
J、M、N、Oである。
出し型のスパークプラグに、上記銅合金(芯材c)を採
用した実施例を示す。通常のスパークプラグでは、発火
位置が主体金具410の先端面411から3.0mm〜
4.0mm程度突き出しているが、図11に示す様に、
4.5mm〜10.0mm程度突き出して燃焼室中央部
で点火させる方が、希薄燃焼での点火性が改善できる。
しかし、突き出し長hが長い程、受熱温度が増加し、銅
とニッケルの熱膨張差に起因する熱応力が増大し、図1
2、13に示す不具合が発生し易くなる。しかし、本発
明の構成を採用した銅合金(芯材c)を用いれば、過飽
和固溶元素の微細析出物により、高温での結晶粒の粗大
化及び粒界部での割れが防止でき、高温強度の低下も抑
制されるので、銅中のボイド発生→成長が少なく、中心
電極420や接地電極430に変形不具合の無い、優れ
た性能を具備した突出し型のスパークプラグ400を製
造することができる。
視図である。
極の半断面図である。
加量との関係を示すグラフである。
温度- 熱伝導率特性を描いたグラフである。
- 熱伝導率特性を描いたグラフである。
を示すグラフである。
の、材料G(b)、材料Q(a)に係る、組織の顕微鏡
写真である。
極の断面図である。
極消耗量の関係を示すグラフである。
断面図である。
り返しによりボイドが成長して中心電極が変形する様子
を示す説明図である。
り返しによりボイドが成長して接地電極が変形する様子
を示す説明図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 耐蝕性に優れたニッケル合金の内部に、
良熱伝導性を有する銅合金を封入した複合構造部材を、 中心電極、或いは接地電極の、少なくとも一方の電極に
使用するスパークプラグにおいて、 前記銅合金は、常温での熱伝導率がレーザーフラッシュ
法の測定で200W/m・k以上であるとともに、純銅
中に過飽和固溶体として析出するクロム又はジルコニウ
ムの少なくとも一方を含む一種類以上の金属元素を、総
和で0.5重量%以上1.5重量%以下添加し、 金属元素若しくは金属間化合物が銅の母相から析出した
状態で均一的に存在し、その析出物の大きさが10μm
以下であることを特徴とするスパークプラグ。 - 【請求項2】 耐蝕性に優れたニッケル合金の内部に、
良熱伝導性を有する銅合金を封入した複合構造部材を、 中心電極、或いは接地電極の、少なくとも一方の電極に
使用するスパークプラグにおいて、 前記銅合金は、常温での熱伝導率がレーザーフラッシュ
法の測定で200W/m・k以上であるとともに、 前記銅合金は、純銅中に、0.2重量%以上1.5重量
%以下のセラミック粉末を分散して添加し、該セラミッ
ク粉末が微粒子として均一的に存在することを特徴とす
る スパークプラグ。
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