JP3724815B2

JP3724815B2 - 内燃機関用スパークプラグ

Info

Publication number: JP3724815B2
Application number: JP23654892A
Authority: JP
Inventors: 明夫加藤; 阿部　　信男
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1992-08-12
Filing date: 1992-08-12
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2020-12-07
Also published as: JPH0660959A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は，発火部に放電層と緩和層とよりなる複合チップを設けた内燃機関用スパークプラグの製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
自動車等のエンジンには，ＰｔもしくはＰｔ合金等の貴金属を，放電部に配設したスパークプラグが取り付けられている。該スパークプラグは，最も消耗の激しい放電部に上記貴金属を配設しているため，メンテナンスフリーで長期間使用が可能である。
一方，省燃費，排ガス規制といった環境保護の立場から，エンジンは高圧縮比化，リーンバーン化などの動向がある。この場合には，エンジンの燃焼室内の温度は上昇することとなる。そのため，スパークプラグの放電部においては，貴金属と放電部の電極材料との線膨張係数の差に起因する熱応力が大きくなる。
【０００３】
そこで，特公平３─２２０３３号公報，特開昭６０─２６２３７４号に示されるように，熱応力を緩和する緩和層と放電層とを備えた複合チップを用いることが提案されている。複合チップは，緩和層側を放電部と対面させて，放電部に溶接される。緩和層は，放電層と放電部との間の線膨張係数を有する。
【０００４】
【解決しようとする課題】
しかしながら，近年においては，スパークプラグに高性能が期待されている。そのため，スパークプラグへの熱負荷が益々増加することになる。
それ故，予め接合してある放電層と緩和層との接合面で，熱応力による酸化腐食が発生し，甚だしい場合には放電層が脱落し，長期間の使用に支障を来すことになる。
本発明はかかる問題点に鑑み，放電層の剥離，脱落を防止することができる内燃機関用スパークプラグの製造方法を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題の解決手段】
本発明は，絶縁碍子と該絶縁碍子に保持した中心電極と，上記中心電極と対向させた接地電極と，上記中心電極或いは接地電極の少なくとも一方の電極材料の放電部に形成されているとともに，放電層及び緩和層からなる複合チップとを有する内燃機関用スパークプラグの製造方法であって，
耐火花消耗性の良好なＰｔ（白金）７０〜１００％（重量比，以下同じ）とＩｒ（イリジウム）０〜３０％とからなるＰｔ−Ｉｒ合金よりなる放電層，及び上記放電層と上記電極材料との間の線膨張係数を有すると共にＰｔ６０〜９０％とＮｉ１０〜４０％とからなるＰｔ−Ｎｉ合金よりなる緩和層を接合して，上記放電層と上記緩和層との間に，上記放電層及び上記緩和層の両材質の相互拡散により，両材質の濃度が連続的に変化しており，かつ上記中心電極あるいは接地電極の上記放電部に溶接する前後では拡散層の厚みが７０％に減少することを見込んで，上記放電部への溶接後の拡散層の厚みが３μｍ以上の厚さを有する拡散層を形成して複合チップを得，
次いで，該複合チップを，上記中心電極或いは上記接地電極の少なくとも一方の上記放電部に対して，上記拡散層が３μｍ以上の厚みを有しているように抵抗溶接にて接合することを特徴とする内燃機関用スパークプラグの製造方法にある。
【０００６】
本発明において最も注目すべきことは，放電層と緩和層との接合面に，両材質の溶接時における相互拡散により，両材質の濃度が連続的に変化する拡散層が形成されており，該拡散層の厚さは，複合チップが上記放電部に溶接された状態で３μｍ以上であることである。
【０００７】
拡散層の厚さが３μｍ未満の場合には，両材質の熱応力の低減が不充分となり，拡散層に酸化腐食が発生する。甚だしいときには，放電層が緩和層から離脱するおそれがある。
尚，拡散層の厚みは，複合チップ製造時の加熱条件により設定する。即ち，拡散層の厚みを増すためには，加熱温度を上げる，或いは加熱時間を長くするといった手段をとる。
【０００８】
また，複合チップの成分としてＮｉ，Ｆｅ等の卑金属が含有されている場合には，真空中，Ｎ₂ ガス中，Ａｒガス中，又はＮ₂ ＋Ｈ₂ ガス中等の非酸化性の雰囲気下で加圧加熱する。以上のように処理された複合チップを放電部に溶接する際に，加圧力，ジュール熱により，複合チップが変形し厚みも減少する。そのため，この減少分を見込んで加熱条件を設定する必要がある。
そこで，放電部に溶接する前における拡散層の厚みは，上記中心電極あるいは接地電極の上記放電部に溶接する前後では拡散層の厚みが７０％に減少することを見込んで，上記放電部への溶接後の拡散層の厚みが３μｍ以上の厚さとなるようにしておく。
【０００９】
放電層は，Ｐｔ（白金）７０〜１００％（重量比，以下同じ）とＩｒ（イリジウム）０〜３０％とからなるＰｔ─Ｉｒ合金であり，且つ上記緩和層はＰｔ６０〜９０％とＮｉ１０〜４０％とからなるＰｔ−Ｎｉ合金である。
【００１０】
上記放電層において，Ｐｔ−Ｉｒ合金が上記組成の範囲外にある場合には，火花放電による消耗量が多く，スパークプラグの使用期間が短くなるおそれがある。
また，上記緩和層において，Ｐｔ−Ｎｉ合金の組成が上記範囲外にある場合には，緩和層の線膨張係数が，放電層と電極材料との線膨張係数の範囲外になるおそれがある。そのため，緩和層は冷熱負荷時において，放電層と電極材料との熱応力を緩和することができず，両者に亀裂，応力腐食の発生をもたらすおそれがある。
【００１１】
【作用及び効果】
本発明においては，放電層と緩和層との接合面に，両材質の接合時における相互拡散により，両材質の濃度が連続的に変化する拡散層が形成されており，また，該拡散層の厚さは，上記中心電極あるいは接地電極の上記放電部に溶接する前後では拡散層の厚みが７０％に減少することを見込んで，上記放電部への溶接後の拡散層の厚みが３μｍ以上の厚さを有する拡散層を形成して複合チップを得，複合チップが上記放電部に溶接された状態で３μｍ以上である。
そのため，放電層と緩和層との両材質が，拡散層において徐々に変化する。即ち，放電層の材質は，拡散層の放電層側から緩和層側まで，連続的に減少する。また，緩和層の材質は，拡散層の緩和層側から放電層側まで，連続的に減少する。
【００１２】
それ故，両材質の線膨張係数の差が，拡散層において，徐々に変化することになる。従って，冷熱負荷時の際には，拡散層において両材質の熱応力が緩和され，両者に亀裂，応力腐食が発生することがない。
本発明によれば，放電層の剥離，脱落を防止することができる内燃機関用スパークプラグの製造方法を提供することができる。
【００１３】
【実施例】
実施例１
本発明にかかる実施例について，図１〜図５を用いて説明する。
本例の内燃機関用スパークプラグ２は，図１，図２に示すごとく，絶縁碍子２０と，絶縁碍子２０に保持した中心電極４と，絶縁碍子２０の外周に固定したハウジング２５と，ハウジング２５に取り付けられ上記中心電極４との間に火花放電用のギャップ５を介して対向させた接地電極３とよりなる。
【００１４】
接地電極３及び中心電極４の先端には，放電部３０，４０を設けている。
放電部３０には，複合チップ１を設けている。該複合チップ１は，図３（ａ）に示すごとく，放電層１１と緩和層１９とを接合面１１０，１９０において予め接合することにより形成されている。
【００１５】
接合面１１０，１９０の間には，拡散層１５が形成されている。該拡散層１５は，図３（ｂ）に示すごとく，放電層１１及び緩和層１９の接合時における両材質の相互拡散により形成されたもので，両材質の濃度が連続的に変化している。
拡散層１５の厚さは，複合チップ１が放電部３０に溶接された状態で３μｍである。
【００１６】
放電層１１は，耐火花消耗性の良好な貴金属合金として，Ｐｔ８０％とＩｒ２０％よりなるＰｔ−Ｉｒ合金を用いている。放電層１１の線膨張係数は，９×１０^-6／℃である。
接地電極３の放電部３０は，Ｎｉ基耐熱合金を用いており，その線膨張係数は，１５×１０^-6／℃である。
緩和層１９は，Ｐｔ８０％とＮｉ２０％とよりなるＰｔ−Ｎｉ合金を用いている。緩和層１９の線膨張係数は，１２×１０^-6／℃である。尚，線膨張係数は，５０℃〜８００℃の間での測定値である。
【００１７】
上記接地電極３は，ハウジング２５より延設されている。
また，中心電極４及び接地電極３は，Ｎｉ基耐熱合金を用いた電極材料により形成されている。また中心電極４の伝熱性を向上させるため，Ｃｕ材４２が中心電極４内に封入されている。
【００１８】
放電層１１と緩和層１９とを接合する際には，両材質を重ね合わせ，加圧しつつ，１０^-5ｔｏｒｒ以下の真空，もしくはＡｒガス等の非酸化雰囲気下で，１０００℃×１時間程度の熱処理を行う。これにより，放電層１１と緩和層１９との接合面１１０，１９０の間に，拡散層１５が形成される。
【００１９】
複合チップ１，放電層１１，拡散層１５，緩和層１９の厚さは，複合チップ１を放電部３０に溶接する前では，０．５ｍｍ，０．３５ｍｍ，４．２μｍ，０．１５ｍｍである。溶接した後では，複合チップ１，放電層１１，拡散層１５，緩和層１９の厚さは，溶接する前の７０％に減少した。
【００２０】
次に，本例の作用効果について説明する。
本例においては，放電層１１と緩和層１９との接合面１１０，１９０に，両材質の接合時における相互拡散により，両材質の濃度が連続的に変化する拡散層１５が形成されている。該拡散層１５の厚さは，複合チップ１が放電部３０に溶接された状態で３μｍである。
【００２１】
そのため，放電層１１と緩和層１９との両材質が，拡散層１５において徐々に変化する。即ち，放電層１１の材質は，拡散層１５の放電層１１側から緩和層１９側まで，連続的に減少する。また，緩和層１９の材質は，拡散層１５の緩和層１９側から放電層１１側まで，連続的に減少する。
【００２２】
それ故，両材質の線膨張係数の差が，拡散層１５において，徐々に変化することになる。よって，冷熱負荷時の際には，拡散層１５において両材質の熱応力が緩和され，両者に亀裂，応力腐食が発生することがない。従って，スパークプラグ２の寿命が増え，長期間に渡ってスパークプラグ２を使用することができる。
【００２３】
次に，本例のスパークプラグにつき，拡散層の厚みを種々に変えて，火花放電による拡散層の耐酸化腐食性に関する評価試験を行った。
拡散層の厚みは，放電層と緩和層とを接合する際の加熱条件を変えることにより変化させた。
【００２４】
上記試験は，上記スパークプラグを２０００ｃｃ，水冷，４サイクル，６気筒の自動車用エンジンに装着した状態で，スロットル全開，６０００ｒｐｍ×１分間，アイドリング×１分間を１００時間の間繰り返すことにより，上記スパークプラグに冷熱負荷をかけた。その結果を図５に示す。
【００２５】
同図において，横軸は複合チップが放電部に溶接された状態での拡散層の厚みである。また，縦軸は，放電層と緩和層との間の酸化腐食率を示す。該酸化腐食率は，図４に示すごとく，酸化腐食部５０，５１，及び複合チップ１の径方向の長さを，それぞれａ，ｂ，ｄとし，（ａ＋ｂ）×１００／ｄの式により算出した。
【００２６】
図５より知られるごとく，拡散層の厚さが３μｍ以上の場合には，酸化腐食が発生しなかった。一方，拡散層の厚さが３μｍ未満の場合には，酸化腐食が発生した。
このことからも，本例にかかる拡散層は，耐酸化腐食性に優れた効果を発揮することが分かる。
【００２７】
実施例２
本例のスパークプラグは，Ｐｔ６０％・Ｎｉ４０％又はＰｔ９０％・Ｎｉ１０％よりなるＰｔ−Ｎｉ合金からなる緩和層と，Ｐｔ１００％又はＰｔ７０％・Ｉｒ３０％よりなるＰｔ−Ｉｒ合金とからなる放電層を設けている。
その他は，実施例１と同様である。
本例のスパークプラグについても，緩和層と放電層の上記組成の組み合わせを種々に変えて，実施例１と同様に，火花放電による拡散層の耐酸化腐食性に関する評価試験を行った。その結果，実施例１と同様の結果を得た。
【００２８】
実施例３
本例のスパークプラグは，図６に示すごとく，中心電極４の放電部４０に複合チップ１を設けている。接地電極３の放電部３０には放電層１１を設けている。その他は，実施例１と同様である。
本例においても，実施例１と同様の効果を得ることができる。
【００２９】
実施例４
本例のスパークプラグは，図７に示すごとく，接地電極３，中心電極４の放電部３０，４０の双方に，複合チップ１を取り付けている。その他は，実施例１と同様である。
本例においても，実施例１と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１のスパークプラグの要部拡大断面図。
【図２】実施例１のスパークプラグの一部断面側面図。
【図３】実施例１にかかる，複合チップの要部拡大断面図，及び複合チップにおけるＮｉ−Ｉｒ組成分布を示す線図。
【図４】実施例１にかかる，酸化腐食率の算出方法を説明するための説明図。
【図５】実施例１にかかる，拡散層の厚みと酸化腐食率の関係を示す線図。
【図６】実施例３のスパークプラグの要部拡大断面図。
【図７】実施例４のスパークプラグの一部断面側面図。
【符号の説明】
１．．．複合チップ，
１１．．．放電層，
１５．．．拡散層，
１９．．．緩和層，
２．．．スパークプラグ，
２０．．．絶縁碍子，
２５．．．ハウジング，
３．．．接地電極，
３０，４０．．．放電部，
４．．．中心電極，

Claims

絶縁碍子と該絶縁碍子に保持した中心電極と，上記中心電極と対向させた接地電極と，上記中心電極或いは接地電極の少なくとも一方の電極材料の放電部に形成されているとともに，放電層及び緩和層からなる複合チップとを有する内燃機関用スパークプラグの製造方法であって，
耐火花消耗性の良好なＰｔ（白金）７０〜１００％（重量比，以下同じ）とＩｒ（イリジウム）０〜３０％とからなるＰｔ−Ｉｒ合金よりなる放電層，及び上記放電層と上記電極材料との間の線膨張係数を有すると共にＰｔ６０〜９０％とＮｉ１０〜４０％とからなるＰｔ−Ｎｉ合金よりなる緩和層を接合して，上記放電層と上記緩和層との間に，上記放電層及び上記緩和層の両材質の相互拡散により，両材質の濃度が連続的に変化しており，かつ上記中心電極あるいは接地電極の上記放電部に溶接する前後では拡散層の厚みが７０％に減少することを見込んで，上記放電部への溶接後の拡散層の厚みが３μｍ以上の厚さを有する拡散層を形成して複合チップを得，
次いで，該複合チップを，上記中心電極或いは上記接地電極の少なくとも一方の上記放電部に対して，上記拡散層が３μｍ以上の厚みを有しているように抵抗溶接にて接合することを特徴とする内燃機関用スパークプラグの製造方法。