JP3715200B2 - イリジウムベースの球体を有する点火プラグ電極およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の背景
（技術分野）
本発明は自動車のための点火プラグに関し、特に、高温で鉛および酸化に晒されることによって生じる摩耗に対する耐性の高い先端部（チップ部）を含む電極を有する点火プラグに関する。
【０００２】
（論考）
点火プラグは、内燃機関において燃焼室で燃料に点火するために用いられる。点火プラグの電極は、空気と燃料の混合物の点火と燃焼の形成によって発生する強熱と極度の腐食雰囲気を受ける。耐久性とエロージョン耐性を改善するために、点火プラグ電極の先端部は、空気、燃料、および燃料添加物の間の化学反応生成物から生じる内部燃焼室の高温と腐食性環境に耐えることができなければならない。
【０００３】
ＳＡＥ Ｊ３１２は、合衆国において燃料として用いられる自動車用ガソリンの仕様を記載している。ガソリンは、石油に由来する炭化水素類である飽和剤（５０〜８０％）、オレフィン類（０〜１５％）、および芳香族炭化水素（１５〜４０％）の配合物からなる。加鉛ガソリンは、燃料１ガロン当り約０.１０ｇのＰｂ（０.０２６ｇ Ｐｂ/Ｌ）と０.１５％の硫黄を含有する。無鉛ガソリンにおいては、約０.０５ｇ Ｐｂ/ガロン（０.０１３ｇ Ｐｂ/Ｌ）、０.１％の硫黄、および０.００５ｇ Ｐ/ガロン（０.００１３ｇ Ｐ/Ｌ）が存在する。さらに、様々な理由から燃料には多くの添加物が含まれている。例えば、テトラメチル鉛（ＴＭＬ）とテトラエチル鉛（ＴＥＬ）がアンチノック剤として添加される。カルボン酸（酢酸）の化合物が鉛増量剤として添加される。芳香族アミンとフェノールが酸化防止剤として添加される。有機臭素と有機塩素の化合物が掃鉛剤および沈着物改質剤として添加される。リンとホウ素を含有する化合物が、表面着火と過早点火を抑制するために、およびエンジン掃鉛剤として添加される。金属奪活剤が、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、およびＰｂのような金属による燃料の酸化劣化を低減するために添加される。さらに、カルボン酸類、アルコール類、アミン類、スルホネート類、およびアミンのリン酸塩類が、防錆剤として用いられる。
【０００４】
内燃機関における点火の機構は非常に複雑であり、ここでは簡単に説明する。ガソリンエンジンにおいて、上昇するピストンが燃料と空気の混合物を圧縮し、圧力と温度を増大させる。火花が燃料と空気の充填物を着火させ、火炎の先端が前進する力がピストンに対して作用し、未燃焼の燃料と空気の充填物をさらに圧縮する。予備火炎燃焼反応が未燃焼の燃料と空気の混合物の中で生じる。前進する火炎の先端の前方にある末端ガスにおいて急速な燃焼反応が起こるとき、内燃機関に特有のノッキング音がしばしば生じる。ガソリンの予備火炎反応生成物の形成によってノッキングの段階が設定される。アルキル鉛添加物は、それがアンチノック効果を発揮する前に、燃焼室でまず分解して酸化鉛が形成されなければならない、と考えられる。アンチノック種は燃焼室中で微細に分散し、それによって臨界反応種とアンチノック剤との適当な数の衝突が起きなければならない。しかし、酸化鉛の沈着物によって弁の燃焼と添加プラグの閉塞の問題が生じるかもしれない。添加プラグの絶縁体上に蓄積する鉛の沈着物によって、この沈着物の比較的高い電気伝導度のために、エンジンのミスファイヤーが高速度で生じる。
【０００５】
炭化水素燃料の空気との完全燃焼は、二酸化炭素（ＣＯ₂）、水（Ｈ₂Ｏ）および窒素（Ｎ₂）を生成する。燃料に対する空気の比率の１４．５／１は、化学的に正確な混合比である。空気が少ないと、一部一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ₂）が生成物中に見いだされ、過剰な空気が存在する場合には、一部酸素（Ｏ₂）が生成物中に見いだされる。燃焼の間大気の存在により点火プラグ中で電極の高温腐食が生じる。
【０００６】
点火プラグ用の銅（Ｃｕ）とニッケル（Ｎｉ）の製造は、確立された技術であり、種々の方法により達成されている。たとえば、１９７４年４月１６日発行の「点火プラグ中心電極を製造する方法」と題する米国特許第３，８０３，８９２は、二つの材料の平板から銅とニッケルの電極を押出成形する方法が記載されている。１９７０年１２月２２日発行の「イグニッションプラグおよびその中心電極の製造方法」と題する米国特許第３，５４８，４７２は、カップ中に銅ワイヤの一片を挿入しその後二つの材料を一緒に軽く圧縮したりする、いくつかの工程によって外側のニッケルのカップをスリーブ形状に冷間成型する方法を示している。１９７４年１２月３１日発行の「点火プラグ中心電極を製造する方法」と題する米国特許第３，８５７，１４５は、銅中心コアがニッケル部材の中に挿入され、カラー部分によってそこで付着され、電気フローパスを製造する方法を開示している。
【０００７】
上記の方法によって製造された点火プラグ電極は、米国の１９７７年のクリーンエア法の施行前に製造された自動車に使用されると、比較的短い運転時間では満足のいく性能を示す。１９７７年以降、エンジンと燃料の変更によって、ほとんどの自動車の運転温度が上昇した。エンジンと燃料における変化によって、エンジンの操作部品の一部は、排気ガスの腐食効果に晒されてきた。再循環ガス中でより高温でのある運転時間の後、一部の腐食／浸食がニッケル基材の中心電極において発生し得る。いったん腐食が生じると、電気フローパスは低下し、低い燃料効率をもたらしてしまう。
【０００８】
現在製造されている自動車用の点火プラグは、典型的にはニッケルから製造される電極を含んでいる。また電極は、点火プラグの製造中に電極に溶接される非常に小さいチップ部分を含んでいる。このチップ部分は、球又はリベットの形でもよく、典型的にはプラチナ（約９０％）とニッケル（約１０％）からなってもよい。
【０００９】
プラチナ−ニッケルのチップ部分を有するこのような点火プラグの問題は、プラチナが鉛による攻撃を受けやすく、ニッケルが高温において選択的酸化を受けやすいことである。これにより点火プラグの寿命が制限される。
【００１０】
したがって、点火プラグの交換が必要となるまで長寿命の運転期間（たとえば、１５０，０００マイル）を可能にする電極構成を有する点火プラグに対する要求がある。さらに、現在の製造方法によって製造することができ、現在製造されている点火プラグよりもさほど費用がかからないものであり、高い運転温度での鉛と選択的酸化による攻撃に対して高度に耐性がある電極を含むような、長寿命点火プラグに対する要求も存在する。
【００１１】
発明の概要
本発明は、長寿命点火プラグ及びその製造方法に関する。この点火プラグは、少なくとも一つの電極を含み、好適には一組の電極を含み、各電極は、それらに溶接されたチップ部を含む。チップ部は、イリジウム又はイリジウム及びロジウムの組み合わせを含む。
【００１２】
製造中、チップ部は、初めに洗浄され、その後、白金層でコートされる。白金層は、好適には約５〜１５ミクロンの範囲内の厚さ、より好ましくは約１０ミクロンの厚さを有する。好適な一態様において、チップ部は、球面を含む。好適な別の態様において、チップ部は、非常に小さなリベットを含む。
【００１３】
いったんコートされたチップ部は、アニールされる。アニーリングは、約７００〜１４００℃の範囲の温度で、より好ましくは、約９５０℃で、約５〜３０分間、より好ましくは、約５〜１５分間行われる。その後、アニールされたチップ部は、取付具内に置かれ、チップ部と点火プラグの電極との位置が調節され、その結果、チップ部を電極の端部に接触させる。その後、チップ部を電極に溶接する。同様な手順が、好適には、点火プラグの両電極上で行われる。
【００１４】
イリジウム又はイリジウム−ロジウムのチップ部は、鉛によって攻撃されることに対する高い耐性を有する。各チップ部に適用された白金コーティングは、ウェルド亀裂に対する保証に寄与する。ウェルド亀裂は、ニッケルベースの電極とイリジウム又はイリジウム−ロジウムのチップ部との間の熱膨張係数の違いに起因して起こると考えられる。
【００１５】
得られる点火プラグは、非常に長い寿命（ほぼ１５０，０００マイル又はそれ以上）を有する。点火プラグの二つの電極の間に設けられた間隔は、更に、点火プラグの寿命を維持する。その理由は、点火プラグの各電極に取り付けられたチップ部は、有鉛又は無鉛の燃料によって、又は内燃機関の燃焼室内で生成される燃焼ガスによって、実質的に影響されないからである。
【００１６】
本発明の様々な利点が、以下の明細書及び添付した請求の範囲を読むことによって、及び添付図面を参照することによって、当業者に明らかとなるであろう。
好ましい具体例の詳しい説明
図１を参照すると、本発明の好ましい具体例による点火プラグ１０が示されている。点火プラグ１０は、表面に形成されたネジ条１４を有する環状金属ハウジング１２、先端部１８を有する中心電極１６、その中心電極を支持するための絶縁体２０、及び金属ハウジング１２に電気的に接続され、その金属ハウジングによって支持されている側面または接地電極２２を含んでいる。周知のように、先端部１８と側面電極２２との間の距離（ここでは点火プラグ「ギャップ」２４と称する）を、点火プラグ１０の寿命中に一定に維持することは望ましい。
【００１７】
先端部１８は、今まで、内燃エンジンの燃焼室内に存在する燃焼性ガスの存在下に点火侵食に対する応分な良好な抵抗を与えることが判明していた白金から製造されてきた。しかしながら、図１にリベットの形で示されている先端部１８は、内燃エンジンにおいて今なお使用されているある種の燃料中に存在する鉛による攻撃を受け易い。結果として、先端部１８の侵食及び劣化はギャップ２４を拡張させ、従って点火プラグが発生するスパークを弱める。
【００１８】
イリジウムが広範な溶融金属類による攻撃に対する優れた抵抗を有することが見出された。イリジウムは、本発明の共同発明者によって、鉛による攻撃に対して耐えることにおいて白金よりも優れていることが発見された。しかし、イリジウムの熱膨張係数（ＣＴＥ）は、電極１６が典型的に構成される材料であるニッケルと著しく差異がある。かかる熱膨張係数の差異は、先端部及び電極が点火プラグ１０の使用中に加熱するにつれて、先端部と電極とが結合されている領域において亀裂を生じさせ得る。従って、イリジウムの先端部は、ニッケルから構成される電極に、単に抵抗溶接されたり、その他の方法で締結されることはできず、終局的にはそれらの部材の間の結合のところで亀裂または破壊を経験することになる。
【００１９】
ここで図２及び３を参照すると、本発明の先端部１８の二つの具体例が示されている。図２において、先端部１８ａは、その表面に白金被覆２６を有する球体を備えている。その被覆は、好ましくは厚さが５〜１５ミクロン、さらに好ましくは厚さが約１０ミクロンである。球体の直径は、著しく変わり得るものであるが、好ましくは約０．３８〜１．１４ｍｍの範囲、さらに好ましくは約０．７６ｍｍである。球体の重量は、好ましくは約５０〜６０ｍｇ、より好ましくは約５４〜５５ｍｇの範囲内である。
【００２０】
図３は、リベットの形の先端部１８ｂを図示する。その先端部１８ｂは、連続的、半球状外表面３０及び平坦部３２を含む。軸３３が平坦部３２から延在し、平坦な外表面３４を有している。少なくとも頭部２８はその表面に白金被覆３６を有するが、本発明の製造方法では、先端部１８ｂ全体を白金で単に被覆することは一層著しく容易である。白金被覆の厚さも、好ましくは約５〜１５ミクロン、より好ましくは約１０ミクロンである。ここで図４を参照すると、フローチャート３８は、先端部１８を被覆し、電極１６へ溶接するのに実施される工程を図示している。最初にイリジウムまたはイリジウム−ロジウムの先端部が、工程４０に示されるように、得られる。そのような先端部は、ロシア、エカテリングベルグ、レーニン・アベニュー８のＪｏｉｎｔ−Ｓｔｏｃｋ社エカテリングベルグ・ノンフェラス・メタル−プロセッシング・プラントから市販されている。先端部は、好ましくは約１０ｃｍ²の全表面積を有する。工程４２において、先端部１８は、アセトンまたはその他の適当な洗浄剤で洗浄され、脱イオン水または蒸留水もしくは他の適当な濯ぎ剤で濯がれる。次いで先端部１８は工程４４のところに示されるように、白金で被覆される。これは、
白金ジアンミン二亜硝酸（６０％Ｐｔ） １．６７ｇ／Ｌ
ヒドラジン・ハイドレート ０．１３ｇ／Ｌ
水酸化アンモニウム（２５％） １００ ｍＬ／Ｌ
からなる無電解白金メッキ浴を先ず作ることにより達成される。
【００２１】
次いで、それらチップ部分をガラス製ビーカーに入れ、白金めっき浴をそのガラス製ビーカーに添加し、そのビーカーを時計皿で蓋をして、好ましくは、約８０〜８５℃で約３〜１０時間保持する。次いで、それらチップ部分１８をそのガラス製ビーカーから取り出し、水ですすぎ、乾燥して、各々の重量を各々のチップ部分上の白金厚さとともに調べる。その厚さは次式により計算することができる：
ｈ＝０．４７ｍ／ｓ
式中： ｈ＝Ｐｔ厚さ（ミクロン）
ｍ＝Ｐｔ重量（ミリグラム）
ｓ＝Ｐｔ被覆された表面積（１００ｃｍ²）
そのチップ部分を被覆している白金の厚さは、好ましくは、少なくとも約１０ミクロンである。その厚さが少なくとも１０ミクロンでない場合、上述のめっき手順を２回行う。
【００２２】
更に図４を見ると、次いで、工程４６に示すように、そのチップ部分１８をアニールする。これは、その白金被覆された球又はリベットを、石英、セラミック、磁器又はステンレス鋼から作られた入れ物のような適する入れ物に入れること、及びその入れ物をアニール炉に入れ、その炉を約７００〜１４００℃、より好ましくは、約９５０℃の温度で、好ましくは、約５〜３０分間、より好ましくは、約５〜１５分間維持することを包含する。好ましくは、そのアニール炉の内部は減圧であるか、又は窒素、アルゴン又は水素を含有する。そのアニール処理は、白金とイリジウム又はロジウムとの相互拡散を可能とするだろうし、有意にイリジウム合金チップと白金の間の結合力を改善するのに役立つ。白金とイリジウム又はロジウムとの完全固溶体は、プラチナからイリジウム合金への熱膨張係数の緩やかな推移を可能とするだろう。望ましいアニール条件は、種々の硬度を図７に示すアニール温度の関数として調べることにより達成することができる。
【００２３】
更に図４を見ると、次いで、工程４８に示すように、そのチップ部分１８を、溶接ジグに置く。次いで、工程５０に示すように、電極１６をチップ部分の位置に合わせ、工程５２に示すように、そのチップ部分１８は電極１６に抵抗溶接される。
【００２４】
図５を簡単に見ると、その溶接ジグは、それの上面５８に形成された、リベット形又は球形チップ部分１８をその溶接処理の間固定した状態に保持し維持するための凹部５６を有する溶接電極５４の部分を含んでなる。その電極１６には、ニッケルで作られた外側部分１６ａ及び銅芯１６ｂが含まれることが分かる。溶接電極チップ６０は、その溶接処理の間、電極１６の芯１６ｂに圧力を適用するために使用される。この処理の間、その電極１６の下面１６ｃを下げて、その溶接処理の間チップ部分１８ｂと接触させるとき、ニッケルはリベット１８ｂのヘッド２８の周囲を流れる。このやり方において、リベット１８ｂは、電極１６にしっかり固定するようになる。白金被覆されたイリジウム合金チップとニッケル合金電極との間のより良い結合力は、本願に記載されるような白金及びニッケルの相互拡散による抵抗溶接処理により達成することができる。（Ｎｉ，Ｐｔ）、Ｎｉ₃Ｐｔ及びＮｉＰｔのような中間相を、白金とそのニッケル合金電極との間に形成することができ、それは、白金とニッケル合金との間の熱膨張係数における不整合を最小にするだろう。チップ部分１８ｂの白金被覆は、電極１６の熱膨張係数をチップ部分１８により良く調和させて、その電極が室温から使用の間の動作温度になるときの割れ及び応力破壊から守るのに役立つということは、本発明の主要な利点である。
【００２５】
図６を簡単に見ると、球形チップ部分１８ａを保持するのに適する溶接電極部分５４ａを示す。この図において、そのチップ部分１８ａは点火プラグ１０のサイド電極２２に溶接されるように示す。
【００２６】
ニッケルを電極１６に好ましい材料の一つとして説明してきたが、更により好ましい材料は、商業的に入手可能なＩｎｃｏｎｅｌ６００又はＨｏｓｋｉｎｓ８３１又は５９２である。図８は、白金の熱膨張係数は、より密接に種々の温度におけるニッケル又はＩｎｃｏｎｅｌ６００のものを追跡するということを示す。
【００２７】
本発明の点火プラグ構造は、極めて長い寿命の点火プラグを供給する。本明細書に説明するイリジウムチップ部分１８は、鉛及び他の燃焼性ガスに高度に耐性があり、中央電極とサイド電極との間のギャップを長期の使用にわたって一定に維持することを可能とし、それによって、強い火花を電極１８及び２２の間に発生させることを保証する。
【００２８】
当業者は、現時点で前述の説明から、本発明の広範な教示は種々の形態で実行することができることを認識するであろう。従って、本発明をその特定の実施例に関連して説明してきたが、図面、明細書及び特許請求の範囲を検討すると、熟練した実務家にとっては他の修正が明白となるだろうことから、本発明の真の範囲はそのように限定されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 イリジウム合金のチップ部を組み込まれた、本発明の好適な態様に従った点火プラグの正面図である。
【図２】 イリジウム合金の球状チップ部の正面図である。
【図３】 本発明の好適な態様に従った、イリジウム合金のリベット形状チップ部の正面図である。
【図４】 チップ部を点火プラグの電極に対してコート及び溶接するために使用される工程のフローチャートである。
【図５】 チップ部を中央電極に抵抗溶接するために使用される溶接ツールの概略図である。ここで、チップ部は、リベット形状のチップ部を構成する。
【図６】 チップ部を点火プラグのサイド電極に抵抗溶接するために使用される溶接ツールの概略図である。ここで、チップ部は、球状のチップ部を構成する。
【図７】 様々なアニーリング温度でチップ部のために達成された硬度を示すグラフである。
【図８】 点火プラグの構造に使用される様々な材料についての熱膨張係数を示すグラフである。

Claims (11)

1. 予備形成されたチップ部を使用して点火プラグ用の電極を組み立てる方法であって、チップ部がイリジウム合金を少なくとも一部に含み、電極がニッケルを少なくとも一部に含み：
   チップ部を白金でコートしてコートされたチップ部を与え、
   チップ部を電極に溶接する前に、ほぼ７００〜１４００℃の範囲の温度で約５〜１５分間コートされたチップ部をアニールして、白金とイリジウムとの相互拡散を与え、
   チップ部を取付具内に置いて、コートされたチップ部を電極の表面と接触するように配置し、
   チップ部と電極との位置を調節し、そして
   溶接電極チップを電極の一表面に適用することによってチップ部を電極に抵抗溶接する、ここで、電極のニッケルは電極の別の表面においてコートされたチップ部の周囲を流れる
   工程を含む、前記の方法。
2. チップ部をコートする工程が、
   チップ部を洗浄溶媒で洗浄し、
   チップ部をすすぎ溶液ですすぎ、
   無電解白金めっき浴内に、予め決定された時間、予め決定された温度でチップ部を置いて、白金コーティングをその上に形成し、そして
   チップ部をすすぐ
   工程を含む、請求項１に記載の方法。
3. 予め決定された温度が約８０〜８５℃の範囲内の温度からなる、請求項２に記載の方法。
4. チップ部が少なくとも約１０ミクロンの白金コーティングを有することを確実にするために、チップ部の厚さをチェックする工程をさらに含む、請求項２に記載の方法。
5. 予め決定された時間が約３〜１０時間からなる、請求項２に記載の方法。
6. 白金めっき浴が、白金ジアンミン二亜硝酸、水和ヒドラジン、及び水酸化アンモニウムの溶液を含む、請求項２に記載の方法。
7. チップ部が球面を含み、取付具が球面を受けるように形成されている請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. チップ部が、連続的半球状外表面及び平坦面を有する頭部、及び平坦面から延在する軸を含むリベットであり、少なくともその頭部は白金でコートされている請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
9. 軸が取付具で受けられる請求項８に記載の方法。
10. チップ部と電極との間の唯一の接触がコートされたチップ部によってなされる請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
11. チップ部がイリジウム又はイリジウム−ロジウムを一部に含む請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。

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