JP3874938B2 - Spark plug and manufacturing method thereof - Google Patents

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    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2222/00Aspects relating to chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive medium
    • C23C2222/10Use of solutions containing trivalent chromium but free of hexavalent chromium

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関用のスパークプラグとその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
内燃機関、例えば自動車用等のガソリンエンジンの点火に使用されるスパークプラグは、中心電極の外側に絶縁体が、さらにその外側に主体金具が設けられ、中心電極との間に火花放電ギャップを形成する接地電極がその主体金具に取り付けられた構造を有する。そして、主体金具の外周面に形成された取付ねじ部により、エンジンのシリンダヘッドに取り付けて使用される。
【0003】
ところで主体金具は一般に炭素鋼等の鉄系材料で構成され、その表面には防食のための亜鉛メッキが施されることが多い。亜鉛メッキ層は鉄に対しては優れた防食効果を有するが、よく知られている通り、鉄上の亜鉛メッキ層は犠牲腐食により消耗しやすく、また、生じた酸化亜鉛により白く変色して外観も損なわれ易い欠点がある。そこで多くのスパークプラグでは、亜鉛メッキ層の表面をさらにクロメート被膜で覆い、メッキ層の腐食を防止することが行われている。
【0004】
ところで、スパークプラグの主体金具に施されるクロメート被膜としては、いわゆる黄色クロメート被膜が用いられてきた。この黄色クロメート被膜は、防食性能が良好であるため、例えば缶詰内面被覆等をはじめ、スパークプラグ以外の分野においても広く使用されてきたものである。しかしながら、クロム成分の一部が六価クロムの形で含有されていることが災いして、環境保護に対する関心が地球規模で高まりつつある近年では次第に敬遠されるようになってきている。例えばスパークプラグが多量に使用される自動車業界においては、廃棄スパークプラグによる環境への影響を考慮して、六価クロムを含有するクロメート被膜の使用は将来全廃しようとの検討も進められている。また、黄色クロメート被膜処理の処理浴は、比較的高濃度の六価クロムを含有するものが使用されるから、廃液処理に多大なコストがかかる難点がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
こうした流れを受けて、六価クロムを含有しないクロメート被膜、すなわちクロム成分の実質的に全てが三価クロムの形で含有されている被膜の開発は、比較的早くから進められてきた。その処理浴は概して六価クロム濃度が低く、中には六価クロムを全く含有しない浴も開発されていて、廃液処理の問題も軽減されている。しかしながら、三価クロム系のクロメート被膜は、黄色クロメート被膜に比べて防食性能が劣るという大きな欠点があり、スパークプラグの主体金具の被覆用被膜としては、広く用いられるに至っていない。
【0006】
また、黄色クロメート被膜を含め、クロメート被膜は耐熱性に劣るという共通の欠点がある。自動車用エンジン等においては、スパークプラグが取り付けられるシリンダヘッドは水冷されているので、スパークプラグが極端に高温になることは少ない。しかしながら、熱負荷が大きくかかる条件下でエンジンの運転を継続したり、あるいはスパークプラグがエキゾーストマニホルドに比較的近くなる位置に取り付けられたりしていると、ときには主体金具の温度が200〜300℃程度まで上昇する場合がある。このような状況下では、クロメート被膜の劣化が進みやすく、防食性能が急激に低下してしまう問題がある。
【0007】
本発明の課題は、主体金具表面を覆うクロメート被膜の六価クロム含有量が少なく、かつ従来のクロメート被膜と比較して防食性能及び耐熱性に優れたスパークプラグと、その製造方法とを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために、本発明のスパークプラグは、中心電極と、その中心電極の外側に設けられた絶縁体と、前記絶縁体の外側に設けられるとともに自身の開口縁を内側に加締めて形成された加締め部により前記絶縁体に固定された主体金具と、前記中心電極との間に火花放電ギャップを形成するように、これと対向する形で配置された接地電極とを備え、さらに、前記加締めに先立って形成され、カチオン成分の主体がクロム成分であり、かつそのクロム成分の90重量%以上が三価クロムからなる三価クロム系クロメート層と、珪素の酸化物を主体に構成され、前記三価クロム系クロメート層を直接又は他層を介して間接的に覆う膜厚0.2μm以上0.8μm以下のシリカ系層との少なくとも2層を含む珪素複合クロメート被膜によって、前記主体金具の表面が前記加締め部とともに被覆されていることを特徴とする。
【0009】
なお、「カチオン系成分」とは、被膜をX線光電子分光法(XPSあるいはESCA)により分析したときに得られる光電子スペクトルにおいて、着目している成分の結合エネルギーピークに、イオン価数が正となる向きの化学シフトが生じている成分のことをいう。
【0010】
上記構成においては、主体金具の表面に形成されるのが、カチオン系成分の主体として珪素成分とクロム成分とを含有する珪素複合クロメート被膜であり、かつそのクロム成分の90重量%以上が三価クロムとなっている。すなわち、通常の黄色クロメート被膜では、クロム成分の25〜35重量%程度が六価クロムであるのに対し、本発明の被膜では、クロム成分に対する六価クロムの含有率が10重量%以下と少ないので、六価クロムを削減しようとする環境対策上の効果を高めることができる。また、使用されるクロメート処理液は、六価クロム成分を全く含有しないか、含有していても黄色クロメート被膜等の処理液と比較すればその量を大幅に削減できるので、排液処理の問題も生じにくい。
【0011】
そして、本発明にて使用される珪素複合クロメート被膜は、カチオン系成分として珪素成分を含んでいる点に特徴がある。複合クロメート被膜に珪素成分が含有されることで、通常の三価クロム系クロメート被膜と比較して防食性能が大幅に向上し、主体金具に腐食に対する耐久性を十分に付与することができるようになる。また、珪素成分を複合させることで被膜の耐熱性が劇的に改善され、スパークプラグの温度が上昇しやすい環境下においても、主体金具の耐食性を十分に維持することができるようになる。
【0012】
スパークプラグには、主体金具の外周面に形成される取付ねじ部の基端部にはめ込まれるべきリング状のガスケットを備えたものがある。このガスケットは、主体金具のねじ部をシリンダヘッド側のねじ孔にねじ込むことにより、ねじ部基端側に形成されたフランジ状のガスシール部と、ねじ孔の開口周縁部との間で潰れるように圧縮変形して、ねじ孔とガスシール部との間をシールする役割を果たす。この場合、そのガスケットの表面の少なくとも一部を、上記珪素複合クロメート被膜によって被覆することができる。これによって、主体金具とともにガスケットに対しても、耐食性及び耐熱性を十分に付与することができるようになる。
【0013】
なお、珪素成分は、例えば酸素と結合した形、すなわちシリカ等の珪素の酸化物の形で含有させることができる。本明細書では、前述のXPSの光電子スペクトルにおいて、+4又はこれに近い価数の珪素のピークと、−2又はこれに近い価数の酸素のピークとが同時に検出されれば、珪素成分は酸素と結合した形で含有されているものと考える。
【0014】
他方、クロメート被膜は、下地金属と、クロメートイオンを含有する溶液との反応により形成されるものであるが、この被膜形成反応は、三価クロムが水酸基及び酸素のブリッジによってポリマー状の錯体を形成することにより、下地金属表面上にゲル状に沈殿・堆積する機構が主体になっているといわれている。三価クロムに水酸基が結合すると、水酸基に含まれるプロトンの影響で、クロムの価数は見掛け上+4にシフトする。本明細書では、前述のXPSの光電子スペクトルにおいて、三価クロムのピーク位置から概ね+4の価数に対応する位置へ化学シフトしたピーク成分が観察されれば、クロム成分はクロメート被膜の構成成分となっているものと考える。
【0015】
クロメート処理は、下地金属を酸化溶出させながら、クロム成分をいわば置換堆積させる一種の化成処理である。従って、外部から電力を供給しない無電解型のクロメート処理においては、下地金属はクロメート処理浴中に溶出可能な金属である必要がある。スパークプラグにおいて主体金具あるいはガスケットは、炭素鋼等の鉄系材料で構成されるのが一般的であり、その表面には防食のために、金属成分の主体が亜鉛からなる亜鉛系メッキ層を形成することができる。この亜鉛系メッキ層は、上記の意味において、クロメート被膜を形成するための下地金属として好都合である。この場合、溶出した亜鉛成分は、クロメート被膜中に取り込まれることが多い。なお、亜鉛系メッキ層は公知の電解亜鉛メッキあるいは溶融亜鉛メッキにより形成することができる。
【0016】
他方、電解クロメート処理法を採用すれば、金属成分の主体がニッケルからなるニッケル系メッキ層等であっても、クロメート被膜を形成することができる。
【0017】
次に、形成するクロメート被膜を、本発明の特徴部である珪素複合クロメート被膜とする方法には、例えばクロメート処理浴中に水溶性のシリカ系化合物、例えば水ガラスなどのアルカリケイ酸塩を配合して、形成されるクロメート被膜中にシリカ成分を混在させる形で取り込ませる方法がある。しかしながら、防食性能(特に塩水噴霧試験に対する耐久性)及び耐熱性をさらに向上させる観点においては、珪素複合クロメート被膜は、次のような構造を有するものとするのがよい。すなわち、珪素複合クロメート被膜を、カチオン成分の主体がクロム成分であり、かつそのクロム成分の90%以上が三価クロムからなる三価クロム系クロメート層と、珪素の酸化物を主体に構成され、三価クロム系クロメート層を直接又は他層を介して間接的に覆うシリカ系層との少なくとも2層を含むものとする。
【0018】
なお、三価クロム系クロメート層においては、カチオン成分の総重量に対し、クロム成分の総重量が50重量%以上となっていればよく、残部が他のカチオン成分、例えば珪素あるいは亜鉛、ニッケル等の成分となっていてもよい。他方、シリカ系層も同様に、カチオン成分の総重量に対し、珪素成分の総重量が50重量%以上となっていればよく、残部が他のカチオン成分、例えばクロムあるいは亜鉛、ニッケル等の成分となっていてもよい。
【0019】
このような被膜形成は、例えば次のような工程を含む本発明のスパークプラグの製造方法により実現できる。
▲1▼クロメート処理工程:主体金具をクロメート処理浴中に浸漬することにより、該主体金具の表面に、クロム成分の90重量%以上が三価クロムからなる三価クロム系クロメート層を形成する。
▲2▼シリカ系層形成工程:その三価クロム系クロメート層が形成された主体金具に対し、アルカリケイ酸塩を所定の溶媒中に溶解させたケイ酸塩溶液を塗布した後、その溶媒を蒸発させることにより、三価クロム系クロメート層上に、珪素の酸化物を主体とするシリカ系層を形成する。
この場合、シリカ系層は、カチオン成分の主体がアルカリ金属元素と珪素とからなる酸化物により主に構成されるものとなる。
【0020】
なお、ガスケットに対して被膜形成する場合も、上記工程において主体金具をガスケットに置き換えることにより、全く同様の方法が適用できることはいうまでもない。
【0021】
上記のように、主体金具の表面にあらかじめ三価クロム系クロメート層を形成しておき、その表面をシリカ系層により覆うことで、被膜の防食性能をさらに大幅に向上させることができる。また、被膜の耐熱性は、従来の三価クロム系クロメート被膜はもちろん、六価クロムを含有する黄色クロメート被膜をも凌駕するレベルのものが達成される。
【0022】
また、シリカ系層の形成には、高周波スパッタリング、反応性スパッタリング、イオンプレーティングあるいは化学蒸着法(CVD)など、気相成膜法を使用してもよい。しかしながら、ケイ酸塩溶液の塗布による上記方法によれば、クロメート処理後の主体金具(あるいはガスケット)をケイ酸塩溶液中に浸漬したり、あるいはケイ酸塩溶液をスプレー噴霧等により塗布した後、塗膜を乾燥させるのみで簡単にシリカ系層を形成できる。
【0023】
なお、三価クロム系クロメート層とシリカ系層との間には、それら両層の中間の含有比率にて三価クロム成分と珪素成分とが混在する、三価クロム−珪素混在層が形成されていてもよい。これにより、珪素複合クロメート被膜の防食性能あるいは耐熱性をさらに向上できる場合がある。例えば、上記のような三価クロム−珪素混在層が形成されるということは、三価クロム系クロメート層とシリカ系層との間に、一種の組成傾斜構造が形成されるということであり、三価クロム系クロメート層とシリカ系層との密着力向上や、加熱時のクロメート層とシリカ系層との収縮率差に基づく応力軽減などの効果により、上記のような被膜の性能改善が達成できる。
【0024】
黄色クロメート被膜等において防食性能が良好なのは、腐食環境下で被膜が破壊された場合も、含有される六価クロムの働きにより三価クロムの網目構造が修復されることがその要因であるといわれている。しかしながら、三価クロム系クロメート層では、六価クロムによるそのような修復効果は期待できないので、被膜にピンホール等の欠陥が生じると、腐食の影響が亜鉛系メッキ層等の下地へ直接及び、急速に腐食が進行してしまうと考えられる。しかしながら、上記構成の珪素複合クロメート被膜では、三価クロム系クロメート層がシリカ系層でいわばオーバーコートされる形となり、腐食の影響が三価クロム系クロメート層ひいては下地層表面に到達しにくくなり、防食性能が改善されるものと推測される。
【0025】
他方、従来のクロメート被膜が耐熱性に劣るのは、クロメート被膜が加熱により収縮し、クラック等の欠陥が生じやすいためであると考えられている。しかしながら、上記の構成では、仮にクロメート層に上記のような欠陥が生じたとしても、その表面が耐熱性の良好なシリカ系層でオーバーコートされているため、防食性能が劣化しにくくなるものと推測される。
【0026】
均一なシリカ系層を形成するためには、ケイ酸塩溶液と、下地となる三価クロム系クロメート層との間のぬれ性を良好にすることも重要である。例えば、三価クロム系クロメート層にピンホールやクラック等の欠陥(この場合、傷や異物付着等による下地の欠陥を引き継いだものも含む)が形成されていると、これとぬれ性のよくないケイ酸塩溶液を使用した場合に、欠陥内に気泡等が残留しやすくなる。この場合、ケイ酸塩水溶液中に適量の界面活性剤を配合することも有効である。
【0027】
他方、クロメート処理工程が終了後、主体金具の表面を未乾燥又は半乾燥の状態でこれをケイ酸塩溶液中に浸漬することにより、シリカ系層形成工程を行う方法もある。すなわち、クロメート処理終了後、未乾燥又は半乾燥の状態の主体金具の表面には、若干水分を含んだ状態で三価クロム系クロメート層が形成されており、引き続き塗布されるケイ酸塩水溶液とのなじみも良好となる。その結果、三価クロム系クロメート層に欠陥が形成されていても、該欠陥内にケイ酸塩水溶液が十分に浸透し、気泡等の残留が生じにくくなって被膜の防食性能を良好なものとすることができる。
【0028】
また、別の効果としては、形成された三価クロム系クロメート層の表層部に残留するクロメート処理液が、塗布されたケイ酸塩水溶液の一部と混合され、前記した三価クロム−珪素混在層を形成しやすい利点がある。三価クロム−珪素混在層形成の効果についてはすでに説明済みである。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のいくつかの実施の形態を図面を用いて説明する。
図1に示す本発明の一例たる抵抗体入りスパークプラグ100は、筒状の主体金具1、先端部が突出するようにその主体金具1内に嵌め込まれた絶縁体2、先端部を突出させた状態で絶縁体2の内側に設けられた中心電極3、及び主体金具1に一端が結合され、他端側が中心電極3の先端と対向するように配置された接地電極4等を備えている。接地電極4と中心電極3の間には火花放電ギャップgが形成されている。
【0030】
絶縁体2は、例えばアルミナあるいは窒化アルミニウム等のセラミック焼結体により構成され、その内部には自身の軸方向に沿って中心電極3を嵌め込むための貫通孔6を有している。貫通孔6の一方の端部側に端子金具13が挿入・固定され、同じく他方の端部側に中心電極3が挿入・固定されている。また、該貫通孔6内において端子金具13と中心電極3との間に抵抗体15が配置されている。この抵抗体15の両端部は、導電性ガラスシール層16,17を介して中心電極3と端子金具13とにそれぞれ電気的に接続されている。
【0031】
主体金具1は、炭素鋼等の金属により円筒状に形成されており、スパークプラグ100のハウジングを構成するとともに、その外周面には、プラグ100を図示しないエンジンブロックに取り付けるためのねじ部7が形成されている。なお、1eは、主体金具1を取り付ける際に、スパナやレンチ等の工具を係合させる工具係合部であり、六角状の軸断面形状を有している。他方、主体金具1の後方側開口部内面と、絶縁体2の外面との間には、フランジ状の突出部2eの後方側周縁と係合するリング状の線パッキン62が配置され、そのさらに後方側にはタルク等の充填層61を介してリング状のパッキン60が配置されている。そして、絶縁体2を主体金具1に向けて前方側に押し込み、その状態で主体金具1の開口縁をパッキン60に向けて内側に加締めることにより加締め部1dが形成され、主体金具1が絶縁体2に対して固定されている。
【0032】
また、主体金具1のねじ部7の基端部には、ガスケット30がはめ込まれている。このガスケット30は、炭素鋼等の金属板素材を曲げ加工したリング状の部品であり、ねじ部7をシリンダヘッド側のねじ孔にねじ込むことにより、主体金具1側のフランジ状のガスシール部1fとねじ孔の開口周縁部との間で、軸線方向に圧縮されてつぶれるように変形し、ねじ孔とねじ部7との間の隙間をシールする役割を果たす。
【0033】
次に、主体金具1の下地層(例えば炭素鋼)40外面全体には防食のための亜鉛メッキ層41(亜鉛系メッキ層)が形成され、そのさらに外側が珪素複合クロメート被膜42で覆われている。また、ガスケット30の外面にも、同様に亜鉛メッキ層45と珪素複合クロメート被膜46とが形成されている。これら亜鉛メッキ層及び珪素複合クロメート被膜は、いずれも同一の方法によって形成されるものであり、以下、主体金具1側で代表させて説明を行う。
【0034】
亜鉛メッキ層41は、公知の電解亜鉛メッキ法により形成されるものであり、厚さは、例えば3〜10μm程度とされる。この厚さが3μm未満では耐食性を十分に確保できなくなる場合があり、逆に10μmを超える膜厚は耐食性確保という観点においては過剰スペックであり、コストアップにつながる。
【0035】
一方、珪素複合クロメート被膜42は、図2(a)に模式的に示すように、カチオン成分の主体がクロム成分であり、かつそのクロム成分の90重量%以上が三価クロムからなる三価クロム系クロメート層(以下、クロメート(III)層と記す)42aと、珪素の酸化物を主体に構成されてクロメート(III)層42aを覆うシリカ系層42cとを含み、それら両層42a,42cの間には、該両層の中間の含有比率にて三価クロム成分と珪素成分とが混在する、三価クロム−珪素混在層42bが形成されている。なお、クロム成分は、なるべく多くの部分が三価クロム成分となっているのがよく、望ましくはクロム成分の実質的に全てが三価クロム成分となっているのがよい。
【0036】
珪素複合クロメート被膜42の全厚さは、例えば0.8〜1.5μmとされる。該全厚さが0.8μm未満になると、亜鉛メッキ層41に対する防食性能及び耐熱性付与効果が不十分となる場合がある。他方、逆に1.5μmを超える膜厚は耐食性確保という観点においては過剰スペックであり、コストアップにつながる。また、珪素複合クロメート被膜が剥離しやすくなる場合もある。
【0037】
また、クロメート(III)層42aの厚さは0.2〜0.3μmとなっているのがよい。該厚さが0.2μm未満になると、珪素複合クロメート被膜42の防食性能が不十分となる場合がある。また、0.3μmを超える膜厚で形成しようとすると、被膜中に六価クロムが残留しやすくなり、所期の組成のクロメート(III)層42aが得られなくなる場合がある。他方、シリカ系層42cの厚さは0.2〜0.8μmとなっているのがよい。該厚さが0.2μm未満になると、珪素複合クロメート被膜42の防食性能及び耐熱性が不十分となる場合がある。また、逆に0.8μmを超える膜厚は過剰スペックであり、コストアップにつながるばかりでなく、被膜が剥離しやすくなる場合もある。
【0038】
図3は、珪素複合クロメート被膜42の形成方法の一例を模式的に示している。まず、公知の電解亜鉛メッキ法等により所定の膜厚の亜鉛メッキ層を形成した主体金具1”を、クロメート処理液50に浸漬する。これにより、図4(a)に示すように、主体金具1”の亜鉛メッキ層41の表面には、クロメート(III)層42aが形成される。
【0039】
使用可能なクロメート処理液としては、次のような成分を含有するものを例示できる(いわゆる、無色あるいは青色クロメート処理液)。
無水クロム酸:0.1〜2g/リットル
硫酸:0.3〜5g/リットル
硝酸:0.5〜10g/リットル
燐酸:必要に応じて2g/リットル程度まで添加される
弗酸:必要に応じて2g/リットル程度まで添加される
この処理液は、六価クロム源である無水クロム酸の使用量が、いわゆる黄色クロメート処理液の4〜10g/リットルと比較して、その半分以下に低減されている。なお、硫酸は反応促進剤として機能し、硝酸は下地金属溶出のための酸化剤として機能する。他方、燐酸は、クロメート被膜の下地金属に対する密着力を向上させる役割を有し、弗酸は被膜中にアニオンとして取り込まれ、ポリマー状錯体構造におけるブリッジ結合を強化して、被膜強度ひいては防食性能を向上させる役割を果たす。
【0040】
また、六価クロム源となる溶質を使用しない以下のような液を使用することも可能である(いわゆるクロム(III)クロメート処理液)。
硫酸クロムカリウム(いわゆるクロム明礬):2.5〜3.5g/リットル
硝酸:3.5〜4.5g/リットル
弗酸:1.5〜2.5g/リットル
ただし、得られるクロメート被膜中のクロム成分に対する三価クロムの含有比率が90重量%以上のものとできるものであれば、クロメート処理液は上記のものに限られるものではない。
【0041】
クロメート処理時の反応については、概ね次のようなものであると考えられる。すなわち、亜鉛メッキ層を形成した主体金具1”を液中に浸漬すると、亜鉛の溶解によって、液中のクロムイオンがこれと置換する形で、水酸化クロム(III)を主体とするゲル状被膜として沈殿する。なお、溶解した亜鉛の一部は、例えばクロム酸亜鉛等の形で被膜中に取り込まれる。形成されるクロメート被膜の構造としては、例えば図4(d)のような形のものが推定される。すなわち、水酸基あるいは酸素のブリッジによって網目状につながった三価クロムのポリマー状錯体が形成され、その網目の一部が、クロメート、ジクロメート、硫酸、塩化物あるいはフッ化物等のアニオン(アニオンの種類は使用するクロメート処理液の組成に応じて異なる)の1種又は2種以上にて置換されたものである。なお、クロメート(III)層42aの形成厚さの調整は、例えば主体金具1”のクロメート処理液中への浸漬時間及び液温度の調整により行うことができる。
【0042】
次に、図3(b)に示すように、クロメート(III)層42aを形成後の主体金具1’は、未乾燥あるいは半乾燥の状態で、ケイ酸塩水溶液51(ケイ酸塩溶液)中に浸漬され、次いでこれを乾燥することにより、図4(c)に示すように、三価クロム−珪素混在層42b及びシリカ系層42cとが形成される。
【0043】
ケイ酸塩水溶液51としては、いわゆる水ガラスの水溶液を使用することができる。水ガラスは、一般式がMO・nSiOで表され(ただし、Mはナトリウム、カリウム等のアルカリ金属元素である)、乾燥により二酸化珪素を析出してゲル状に硬化する。そして、得られるシリカ系層42cは、カチオン成分の主体がアルカリ金属元素と珪素とからなる酸化物(例えば、アルカリケイ酸塩と二酸化珪素とを主体とするゲル状硬化物)により構成される。
【0044】
水ガラスとしては、nが2〜4程度のものが使用される。nが2以下になると、ゲル化がほとんど起こらず、得られるシリカ系層42cが水溶性のものとなってしまうので、安定した被膜が得られなくなる。他方、nが4を超えると、溶液51中においてアルカリケイ酸塩の加水分解が進み過ぎ、二酸化珪素ゲルが析出・沈殿するため、塗布工程を安定に実施することができなくなる。なお、nは、より望ましくは3〜4の範囲のものを使用するのがよい。この場合、珪素複合クロメート被膜42全体における、MOの形に換算したアルカリ金属Mの含有量をμ1、同じくSiOに換算した珪素成分の含有量をμ2とすれば、μ2/μ1の値を2〜4、望ましくは3〜4の範囲で調整することが望ましい。
【0045】
ケイ酸塩水溶液51は、クロメート(III)層42a上にシリカ系層42cをなるべく均一に形成するために、アルカリケイ酸塩の濃度を30〜200g/リットルに調整することが望ましい。濃度が30g/リットル未満になると、シリカ系層42cの形成厚さが不十分となり、珪素複合クロメート被膜42の防食性能あるいは耐熱性能が確保できなくなる場合がある。他方、濃度が200g/リットルを超えると、ケイ酸水溶液51の粘性が高くなり過ぎ、塗布ムラ等の発生により、均一なシリカ系層を形成することが困難となる。
【0046】
図4(a)に示すように、クロメート処理液50から引き上げた直後のクロメート(III)層42aの表層部にはクロメート処理液50が残留しており、これをケイ酸塩水溶液51に浸漬すると、同図(b)に示すように、例えば塗布されたケイ酸塩水溶液51の一部と混合されて混合層42b’が形成される。これを乾燥すれば、図4(c)に示すように、クロメート(III)層42aとシリカ系層42cとの間には、上記混合層42b’に由来する三価クロム−珪素混在層42bが形成される。三価クロム−珪素混在層42bは、クロメート処理液50とケイ酸塩水溶液51との混合(あるいはクロメート(III)層42aへのケイ酸塩水溶液51の浸透)により形成されるため、2つの層42a,42cの中間の含有比率にて三価クロム成分と珪素成分とが混在するものとなる。これは、クロメート(III)層42aとシリカ系層42cとの間に、三価クロム−珪素混在層42bを介して一種の組成傾斜構造が形成されるということであり、両層42a,42cの密着力向上や、熱収縮率差に基づく応力軽減などの効果を奏することができる。
【0047】
なお、クロメート処理終了後、未乾燥又は半乾燥の状態の主体金具1’の表面は、クロメート(III)層42aが湿潤状態で形成されており、ケイ酸塩水溶液51とのなじみが良好となる。従って、図5(a)に示すように、クロメート(III)層42aにピンホール等の欠陥defが形成されていても、ここにケイ酸塩水溶液51が十分に浸透しやすく、形成されるシリカ系層42c内に気泡等を残留しにくくすることができる(図5(b))。
【0048】
このようにして処理された主体金具1あるいはガスケット30は、その亜鉛メッキ層上に形成される珪素複合クロメート被膜が、従来の三価クロム系クロメート被膜、さらには黄色クロメート被膜よりも大幅に高い防食性能及び耐熱性を有し、亜鉛メッキ層に対し腐食に対する耐久性を十分に付与することができるようになる。
【0049】
なお、クロメート処理終了後、主体金具1’の表面を乾燥し、ケイ酸水溶液51に浸漬するようにしてもよい。この場合は、クロメート(III)層42aが一旦乾燥されるため、クロメート処理液50とケイ酸塩水溶液51との混合層42b’は形成されにくい。従って、図2(b)に示すように、クロメート(III)層42aとシリカ系層42cとの間に明確な三価クロム−珪素混在層42bが形成されない場合がある。
【0050】
また、クロメート処理液中に適量の水ガラスを配合して、これに亜鉛系メッキ層を形成した主体金具を浸漬し、乾燥するようにしてもよい。このような方法により得られる珪素複合クロメート被膜も良好な防食性能及び耐食性を備えたものとなる。この場合、図2(c)に示すように、得られる珪素複合クロメート被膜42は、三価クロムのポリマー状錯体基質42d中に、アルカリケイ酸塩と二酸化珪素とを主体とするゲル状硬化物42eが分散した構造を有するものになると考えられる。
【0051】
【実施例】
本発明の効果を確認するために、以下の実験を行った。まず、JISG3539に規定された冷間圧造用炭素鋼線SWCH8Aを素材として用い、図1に示す形状の主体金具1を冷間鍛造により製造した。なお、主体金具1のねじ部7の呼び径は14mmであり、軸方向長さは約19mmとした。次いで、これに公知のアルカリシアン化物浴を用いた電解亜鉛メッキ処理を施すことにより、膜厚約6μmの亜鉛メッキ層を施した。
【0052】
次いで、図3に示すクロメート処理液50として、脱イオン水に対し、硫酸クロムカリウム3g/リットル、硝酸4g/リットル、弗酸2g/リットルの割合で溶解したものを用意し、液温20℃に保持した。他方、NaO・3.5SiOの組成を有するケイ酸ソーダ(水ガラス)を、100g/リットルの濃度で脱イオン水に溶かし、ケイ酸塩水溶液51を用意した。そして、亜鉛メッキ後の主体金具を上記クロメート処理液50に15秒浸漬し、次いで液切りのみを行って乾燥を行わない状態ですぐにこれをケイ酸塩水溶液51中に浸し、さらに80℃の温風により乾燥して、珪素複合クロメート被膜を形成した(試験品▲3▼:本発明品)。
【0053】
この珪素複合クロメート被膜を、厚さ方向にエッチングしながらXPSの光電子スペクトルを測定した結果を図6に示す。各エッチング深さにおける各成分のスペクトルピーク強度から、表面からおよそ0.4μm程度までは、クロム(2p2/3)のピークはほとんど観察されず、珪素の酸化物を主体とするシリカ系層となっていることがわかる。なお、蛍光X線分析法によりさらに詳しく調べたところ、シリカ系層は、珪素をSiO換算した値にて約77重量%、ナトリウムをNaO換算した値にて約22重量%含有していることがわかった。
【0054】
一方、表面から0.7〜1μmの深さにおいては、若干の珪素のピークが観察されるものの、カチオン成分は主体がクロムであり、次いで亜鉛が多く検出された。また、そのクロム(2p2/3)のピークをさらに詳しく調べた結果、クロム成分はその99重量%以上が三価クロムとなっていた。すなわち、上記深さ範囲の厚さおよそ0.3μm部分は、三価クロム系クロメート層となっていることがわかった。
【0055】
そして、上記両層の中間に位置する厚さ約0.3μmの部分は、XPSの各成分のスペクトルピーク強度から、両層の中間の組成にてクロム成分及び珪素成分を含有する三価クロム−珪素混在層となっていることがわかった。
【0056】
なお、クロメート処理液50に15秒浸漬した後、ケイ酸塩水溶液51に浸漬せず、そのまま乾燥したもの(試験品▲2▼:比較例)、逆に、クロメート処理液50に浸漬せず、ケイ酸塩水溶液51にのみ浸漬して乾燥したもの(試験品▲4▼:比較例)も合わせて用意した。試験品▲2▼及び▲4▼の形成被膜を、XPS及び蛍光X線分析法により分析したところ、前者はクロム成分中の三価クロムの重量含有比率がほぼ99%以上の、厚さ約0.5μmのクロメート被膜となっており、後者は珪素をSiO換算した値にて77重量%、ナトリウムをNaO換算した値にて22重量%含有する酸化物系被膜となっていることがわかった。
【0057】
他方、黄色クロメート処理液として、脱イオン水に対し、無水クロム酸7g/リットル、硫酸3g/リットル、硝酸3g/リットルの割合で溶解したものを用意し、液温20℃に保持した。そして、これに主体金具を約15秒浸漬して引き上げ、乾燥させたものを比較例として作製した(試験品▲1▼)。形成された被膜をXPSにより分析したところ、クロム成分中の約30重量%が六価クロム、残部が三価クロムである厚さ約0.5μmクロメート被膜となっていることがわかった。
【0058】
以上▲1▼〜▲4▼の試験品に対し、JIS Z2371に規定された塩水噴霧試験を行い、亜鉛メッキ層の腐食に由来する白錆が全表面のおよそ20%以上現われるまで、もしくは下地の鉄層の腐食に由来する赤錆が少しでも目視確認されるまでの時間により、耐久評価を行った。その結果を図7に示す。すなわち、珪素複合クロメート被膜を形成した本発明品である試験品▲3▼は、黄色クロメート処理した試験品▲1▼も含め、いずれの比較例の試験品よりも圧倒的に優れた耐久性を示していることがわかる。また、試験品▲2▼及び▲4▼の結果から、三価クロム系クロメート層あるいはシリカ系層を単独で形成した場合は、良好な耐久性は得られていないことがわかる。
【0059】
次に、上記各試験品▲1▼〜▲4▼を、200℃で30分大気中で加熱処理した後、同様に塩水噴霧試験を行った結果を図8に示す。黄色クロメート処理を行った試験品▲1▼は、熱処理により耐久時間が大幅に低下しているのに対し、本発明品である試験品▲3▼は、極めて良好な耐久性を示していることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例たるスパークプラグを示す縦半断面図。
【図2】珪素複合クロメート被膜の構造を、いくつかの変形例とともに示す概念図。
【図3】クロメート処理工程及びシリカ系層形成工程の説明図。
【図4】珪素複合クロメート被膜の形成過程及びクロメート層の推定構造を説明する図。
【図5】クロメート処理後、未乾燥状態でシリカ系層を形成する方法の効果を説明する図。
【図6】実施例の試験品▲3▼に形成した珪素複合クロメート被膜のXPSによる分析結果を示す図。
【図7】実施例の試験品に対する塩水噴霧試験の結果を示すグラフ(加熱処理なし)。
【図8】実施例の試験品に対する塩水噴霧試験の結果を示すグラフ(加熱処理後)。
【符号の説明】
1 主体金具
2 絶縁体
3 中心電極
4 接地電極
30 ガスケット
41,45 亜鉛メッキ層
42,46 珪素複合クロメート被膜
42a 三価クロム系クロメート層
42b 三価クロム−珪素混在層
42c シリカ系層
100 スパークプラグ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a spark plug for an internal combustion engine and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Spark plugs used to ignite internal combustion engines, such as gasoline engines for automobiles, etc., have an insulator outside the center electrode and a metal shell on the outside, forming a spark discharge gap with the center electrode. The ground electrode is attached to the metal shell. And it attaches and uses to the cylinder head of an engine with the attaching screw part formed in the outer peripheral surface of a metal shell.
[0003]
By the way, the metal shell is generally made of an iron-based material such as carbon steel, and the surface thereof is often galvanized for corrosion protection. Although the galvanized layer has an excellent anticorrosive effect against iron, as is well known, the galvanized layer on iron is easily consumed by sacrificial corrosion, and the appearance is changed to white due to the generated zinc oxide. There are also disadvantages that are easily damaged. Therefore, in many spark plugs, the surface of the galvanized layer is further covered with a chromate film to prevent corrosion of the plated layer.
[0004]
By the way, a so-called yellow chromate film has been used as the chromate film applied to the metal shell of the spark plug. Since this yellow chromate film has good anticorrosion performance, it has been widely used in fields other than spark plugs, such as canned inner surface coating. However, in recent years when interest in environmental protection has been increasing on a global scale due to the fact that a part of the chromium component is contained in the form of hexavalent chromium, it has been gradually shunned. For example, in the automobile industry in which spark plugs are used in large quantities, in view of the environmental impact of waste spark plugs, the use of chromate coatings containing hexavalent chromium has been studied to be eliminated in the future. In addition, since the treatment bath for the yellow chromate film treatment contains a relatively high concentration of hexavalent chromium, there is a problem that the waste liquid treatment is very expensive.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In response to this trend, the development of a chromate film that does not contain hexavalent chromium, that is, a film in which substantially all of the chromium component is contained in the form of trivalent chromium has been underway relatively early. The treatment bath generally has a low hexavalent chromium concentration, and a bath containing no hexavalent chromium has been developed, and the problem of waste liquid treatment has been reduced. However, the trivalent chromium-based chromate film has a major drawback in that the anticorrosion performance is inferior to that of the yellow chromate film, and has not been widely used as a coating film for the metal shell of the spark plug.
[0006]
In addition, the chromate film, including the yellow chromate film, has a common drawback that it has poor heat resistance. In an automobile engine or the like, since the cylinder head to which the spark plug is attached is water-cooled, the spark plug is unlikely to become extremely hot. However, if the engine operation is continued under conditions where a large heat load is applied, or if the spark plug is mounted at a position that is relatively close to the exhaust manifold, the temperature of the metal shell sometimes becomes about 200-300 ° C. May rise to. Under such circumstances, there is a problem that the deterioration of the chromate film is likely to proceed and the anticorrosion performance is drastically lowered.
[0007]
An object of the present invention is to provide a spark plug in which the chromate film covering the surface of the metal shell has a low hexavalent chromium content and has excellent anticorrosion performance and heat resistance as compared with a conventional chromate film, and a method for producing the same. There is.
[0008]
[Means for solving the problems and actions / effects]
In order to solve the above problems, a spark plug of the present invention includes a center electrode, an insulator provided outside the center electrode, It was fixed to the insulator by a caulking portion that was provided outside the insulator and was formed by caulking its opening edge inward. A grounding electrode disposed opposite to the metal shell and the center electrode so as to form a spark discharge gap; and Prior to the caulking, the main component of the cation component is a chromium component, and 90% by weight or more of the chromium component is mainly composed of a trivalent chromium-based chromate layer and silicon oxide. And at least two layers including a silica-based layer having a film thickness of 0.2 μm or more and 0.8 μm or less that covers the trivalent chromium-based chromate layer directly or indirectly through another layer. With silicon composite chromate coating, Above The surface of the metal shell is Together with the caulking part It is characterized by being coated.
[0009]
The “cationic component” means that the ion valence is positive at the binding energy peak of the component of interest in the photoelectron spectrum obtained when the film is analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS or ESCA). It is a component in which a chemical shift in the direction occurs.
[0010]
In the above configuration, a silicon composite chromate film containing a silicon component and a chromium component as main components of the cationic component is formed on the surface of the metal shell, and 90% by weight or more of the chromium component is trivalent. It is chrome. That is, in the normal yellow chromate film, about 25 to 35% by weight of the chromium component is hexavalent chromium, whereas in the film of the present invention, the content of hexavalent chromium with respect to the chromium component is as low as 10% by weight or less. Therefore, it is possible to enhance the effect on environmental measures to reduce hexavalent chromium. Also, the chromate treatment liquid used does not contain any hexavalent chromium component, or even if it contains it, the amount can be greatly reduced compared to the treatment liquid such as yellow chromate coating, so there is a problem with the drainage treatment. Is less likely to occur.
[0011]
The silicon composite chromate film used in the present invention is characterized in that it contains a silicon component as a cationic component. By including a silicon component in the composite chromate film, the anti-corrosion performance is greatly improved as compared with a normal trivalent chromium-based chromate film, and the metal shell can be sufficiently provided with durability against corrosion. Become. Further, by combining the silicon component, the heat resistance of the coating is dramatically improved, and the corrosion resistance of the metal shell can be sufficiently maintained even in an environment where the temperature of the spark plug is likely to rise.
[0012]
Some spark plugs are provided with a ring-shaped gasket to be fitted to the base end portion of the mounting screw portion formed on the outer peripheral surface of the metal shell. This gasket is crushed between the flange-shaped gas seal portion formed on the base end side of the screw portion and the opening peripheral portion of the screw hole by screwing the screw portion of the metal shell into the screw hole on the cylinder head side. Compressive deformation to serve as a seal between the screw hole and the gas seal portion. In this case, at least a part of the surface of the gasket can be covered with the silicon composite chromate film. Thereby, corrosion resistance and heat resistance can be sufficiently imparted to the gasket as well as the metal shell.
[0013]
The silicon component can be contained, for example, in a form combined with oxygen, that is, in the form of a silicon oxide such as silica. In the present specification, if the silicon peak having a valence of +4 or close to it and the peak of oxygen having a valence of -2 or close to it are detected simultaneously in the above-mentioned XPS photoelectron spectrum, the silicon component is oxygen. It is thought that it is contained in a combined form.
[0014]
On the other hand, the chromate film is formed by the reaction between the base metal and a solution containing chromate ions, but this film formation reaction involves the formation of a polymer complex by trivalent chromium by a bridge of hydroxyl and oxygen. By doing so, it is said that the mechanism of precipitating and depositing in a gel form on the surface of the underlying metal is the main component. When a hydroxyl group is bonded to trivalent chromium, the valence of chromium is apparently shifted to +4 due to the influence of protons contained in the hydroxyl group. In the present specification, if a peak component chemically shifted from a trivalent chromium peak position to a position corresponding to a valence of approximately +4 is observed in the XPS photoelectron spectrum, the chromium component is regarded as a component of the chromate film. I think that it has become.
[0015]
The chromate treatment is a kind of chemical conversion treatment in which the chromium component is replaced and deposited while the base metal is oxidized and eluted. Therefore, in the electroless chromate treatment in which power is not supplied from the outside, the base metal needs to be a metal that can be eluted in the chromate treatment bath. In spark plugs, the metal shell or gasket is generally composed of an iron-based material such as carbon steel, and a zinc-based plating layer consisting mainly of zinc is formed on the surface of the metal for corrosion protection. can do. In this sense, this zinc-based plating layer is convenient as a base metal for forming a chromate film. In this case, the eluted zinc component is often taken into the chromate film. The zinc-based plating layer can be formed by known electrolytic galvanization or hot dip galvanization.
[0016]
On the other hand, if the electrolytic chromate treatment method is employed, a chromate film can be formed even if the metal component is mainly a nickel-based plating layer made of nickel.
[0017]
Next, in the method of forming the chromate film to be formed into a silicon composite chromate film that is a feature of the present invention, for example, a water-soluble silica-based compound, for example, an alkali silicate such as water glass is mixed in a chromate treatment bath. Then, there is a method of incorporating silica components in the formed chromate film. However, from the viewpoint of further improving the anticorrosion performance (particularly durability against the salt spray test) and heat resistance, the silicon composite chromate film should have the following structure. That is, the silicon composite chromate film is mainly composed of a trivalent chromium-based chromate layer in which the main component of the cation component is a chromium component and 90% or more of the chromium component is composed of trivalent chromium, and an oxide of silicon, At least two layers including a silica-based layer covering the trivalent chromium-based chromate layer directly or indirectly through another layer are included.
[0018]
In the trivalent chromium-based chromate layer, it is sufficient that the total weight of the chromium component is 50% by weight or more with respect to the total weight of the cation component, and the remainder is other cation components such as silicon, zinc, nickel, etc. It may be a component of. On the other hand, the silica-based layer is also required that the total weight of the silicon component is 50% by weight or more with respect to the total weight of the cation component, and the remainder is a component such as chromium, zinc, nickel or the like. It may be.
[0019]
Such film formation can be realized, for example, by the spark plug manufacturing method of the present invention including the following steps.
(1) Chromate treatment step: By immersing the metallic shell in a chromate treatment bath, a trivalent chromium-based chromate layer in which 90% by weight or more of the chromium component is composed of trivalent chromium is formed on the surface of the metallic shell.
(2) Silica-based layer forming step: After applying a silicate solution in which an alkali silicate is dissolved in a predetermined solvent to the metal shell on which the trivalent chromium-based chromate layer is formed, the solvent is added. By evaporating, a silica-based layer mainly composed of silicon oxide is formed on the trivalent chromium-based chromate layer.
In this case, the silica-based layer is mainly composed of an oxide mainly composed of an alkali metal element and silicon.
[0020]
Needless to say, the same method can be applied to the formation of a coating on the gasket by replacing the metal shell with the gasket in the above process.
[0021]
As described above, the anticorrosion performance of the coating can be further greatly improved by previously forming the trivalent chromium-based chromate layer on the surface of the metal shell and covering the surface with the silica-based layer. Further, the heat resistance of the coating can be achieved at a level that surpasses that of the conventional trivalent chromium-based chromate coating as well as the yellow chromate coating containing hexavalent chromium.
[0022]
In addition, for the formation of the silica-based layer, a vapor phase film forming method such as high-frequency sputtering, reactive sputtering, ion plating, or chemical vapor deposition (CVD) may be used. However, according to the above method by application of the silicate solution, the metal shell (or gasket) after the chromate treatment is immersed in the silicate solution, or after the silicate solution is applied by spraying or the like, A silica-based layer can be easily formed simply by drying the coating film.
[0023]
In addition, a trivalent chromium-silicon mixed layer is formed between the trivalent chromium-based chromate layer and the silica-based layer, in which the trivalent chromium component and the silicon component are mixed at an intermediate content ratio between the two layers. It may be. Thereby, the anticorrosion performance or heat resistance of the silicon composite chromate film may be further improved. For example, the formation of the trivalent chromium-silicon mixed layer as described above means that a kind of composition gradient structure is formed between the trivalent chromium-based chromate layer and the silica-based layer. Improved coating performance as described above has been achieved by improving the adhesion between the trivalent chromium-based chromate layer and the silica-based layer and reducing stress based on the difference in shrinkage between the chromate layer and the silica-based layer during heating. it can.
[0024]
It is said that the anti-corrosion performance of yellow chromate coatings, etc., is due to the fact that the trivalent chromium network is restored by the action of the hexavalent chromium contained even when the coating is destroyed in a corrosive environment. ing. However, in the trivalent chromium-based chromate layer, since such a repair effect due to hexavalent chromium cannot be expected, if defects such as pinholes occur in the coating, the influence of corrosion directly affects the base such as the zinc-based plating layer, It is thought that corrosion progresses rapidly. However, in the silicon composite chromate film having the above-described structure, the trivalent chromium-based chromate layer is overcoated with a silica-based layer, and the influence of corrosion is less likely to reach the surface of the trivalent chromium-based chromate layer and the underlying layer. It is estimated that the anticorrosion performance is improved.
[0025]
On the other hand, it is considered that the conventional chromate film is inferior in heat resistance because the chromate film is contracted by heating and defects such as cracks are likely to occur. However, in the above configuration, even if the above-mentioned defects occur in the chromate layer, the surface is overcoated with a silica-based layer having good heat resistance, so that the anticorrosion performance is hardly deteriorated. Guessed.
[0026]
In order to form a uniform silica-based layer, it is also important to improve the wettability between the silicate solution and the underlying trivalent chromium-based chromate layer. For example, if a trivalent chromium-based chromate layer has defects such as pinholes or cracks (in this case, including those that have inherited defects in the ground due to scratches or adhesion of foreign matter), the wettability is poor. When a silicate solution is used, bubbles and the like are likely to remain in the defect. In this case, it is also effective to mix an appropriate amount of a surfactant in the aqueous silicate solution.
[0027]
On the other hand, after completion of the chromate treatment step, there is also a method of performing a silica-based layer forming step by immersing the surface of the metal shell in a silicate solution in an undried or semi-dried state. That is, after the chromate treatment is finished, a trivalent chromium-based chromate layer is formed on the surface of the metal shell in an undried or semi-dried state with a slight amount of moisture, The familiarity is also good. As a result, even if defects are formed in the trivalent chromium-based chromate layer, the aqueous solution of silicate sufficiently penetrates into the defects, and it is difficult for bubbles and the like to remain, resulting in good anticorrosion performance of the coating. can do.
[0028]
Further, as another effect, the chromate treatment liquid remaining on the surface layer portion of the formed trivalent chromium-based chromate layer is mixed with a part of the applied silicate aqueous solution, and the aforementioned trivalent chromium-silicon mixture is mixed. There is an advantage that a layer is easily formed. The effect of forming the trivalent chromium-silicon mixed layer has already been described.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
A spark plug 100 with a resistor as an example of the present invention shown in FIG. 1 has a cylindrical metal shell 1, an insulator 2 fitted into the metal shell 1 so that the tip portion protrudes, and a tip portion protruded. In this state, a center electrode 3 provided inside the insulator 2, a ground electrode 4 and the like that are disposed so that one end is coupled to the metal shell 1 and the other end faces the tip of the center electrode 3. A spark discharge gap g is formed between the ground electrode 4 and the center electrode 3.
[0030]
The insulator 2 is made of, for example, a ceramic sintered body such as alumina or aluminum nitride, and has a through-hole 6 for fitting the center electrode 3 along its own axial direction. A terminal fitting 13 is inserted and fixed on one end side of the through hole 6, and the center electrode 3 is inserted and fixed on the other end side. A resistor 15 is disposed between the terminal fitting 13 and the center electrode 3 in the through hole 6. Both ends of the resistor 15 are electrically connected to the center electrode 3 and the terminal fitting 13 through the conductive glass seal layers 16 and 17, respectively.
[0031]
The metal shell 1 is formed in a cylindrical shape from a metal such as carbon steel, and constitutes a housing of the spark plug 100. On the outer peripheral surface thereof, there is a screw portion 7 for attaching the plug 100 to an engine block (not shown). Is formed. In addition, 1e is a tool engaging part which engages tools, such as a spanner and a wrench, when attaching the metal shell 1, and has a hexagonal axial cross-sectional shape. On the other hand, a ring-shaped wire packing 62 that engages with the rear peripheral edge of the flange-shaped protrusion 2e is disposed between the inner surface of the rear opening of the metal shell 1 and the outer surface of the insulator 2, and further On the rear side, a ring-shaped packing 60 is arranged via a filling layer 61 such as talc. Then, the insulator 2 is pushed forward toward the metal shell 1, and in this state, the crimping portion 1d is formed by crimping the opening edge of the metal shell 1 toward the packing 60 inward. It is fixed with respect to the insulator 2.
[0032]
Further, a gasket 30 is fitted into the base end portion of the threaded portion 7 of the metal shell 1. The gasket 30 is a ring-shaped part formed by bending a metal plate material such as carbon steel. By screwing the screw portion 7 into the screw hole on the cylinder head side, the flange-shaped gas seal portion 1f on the metal shell 1 side. Between the screw hole and the periphery of the opening of the screw hole, it is deformed so as to be compressed and crushed in the axial direction, and serves to seal the gap between the screw hole and the screw part 7.
[0033]
Next, a zinc plating layer 41 (zinc-based plating layer) for corrosion prevention is formed on the entire outer surface of the base layer (for example, carbon steel) 40 of the metal shell 1, and the outer side thereof is covered with the silicon composite chromate film 42. Yes. Similarly, a galvanized layer 45 and a silicon composite chromate film 46 are also formed on the outer surface of the gasket 30. The galvanized layer and the silicon composite chromate film are both formed by the same method, and will be described below representatively on the metal shell 1 side.
[0034]
The galvanized layer 41 is formed by a known electrolytic galvanizing method, and has a thickness of about 3 to 10 μm, for example. If the thickness is less than 3 μm, sufficient corrosion resistance may not be ensured. Conversely, a film thickness exceeding 10 μm is excessive in terms of ensuring corrosion resistance, leading to an increase in cost.
[0035]
On the other hand, as schematically shown in FIG. 2 (a), the silicon composite chromate film 42 has a cation component mainly composed of a chromium component, and 90% by weight or more of the chromium component is composed of trivalent chromium. A chromate layer (hereinafter referred to as a chromate (III) layer) 42a and a silica-based layer 42c mainly composed of an oxide of silicon and covering the chromate (III) layer 42a. A trivalent chromium-silicon mixed layer 42b in which a trivalent chromium component and a silicon component are mixed at an intermediate content ratio between the two layers is formed therebetween. It should be noted that as much of the chromium component as possible should be a trivalent chromium component, and desirably substantially all of the chromium component should be a trivalent chromium component.
[0036]
The total thickness of the silicon composite chromate film 42 is, for example, 0.8 to 1.5 μm. When the total thickness is less than 0.8 μm, the anticorrosion performance and heat resistance imparting effect on the galvanized layer 41 may be insufficient. On the other hand, a film thickness exceeding 1.5 μm is excessive in terms of ensuring corrosion resistance, leading to an increase in cost. In addition, the silicon composite chromate film may be easily peeled off.
[0037]
The thickness of the chromate (III) layer 42a is preferably 0.2 to 0.3 μm. If the thickness is less than 0.2 μm, the anticorrosion performance of the silicon composite chromate film 42 may be insufficient. On the other hand, if the film thickness exceeds 0.3 μm, hexavalent chromium tends to remain in the film, and the chromate (III) layer 42a having the desired composition may not be obtained. On the other hand, the thickness of the silica-based layer 42c is preferably 0.2 to 0.8 μm. If the thickness is less than 0.2 μm, the anticorrosion performance and heat resistance of the silicon composite chromate film 42 may be insufficient. On the other hand, a film thickness exceeding 0.8 μm is an excessive specification, which not only leads to an increase in cost, but also the film may be easily peeled off.
[0038]
FIG. 3 schematically shows an example of a method for forming the silicon composite chromate film 42. First, a metal shell 1 ″ having a zinc plating layer having a predetermined thickness formed by a known electrolytic galvanizing method or the like is immersed in a chromate treatment solution 50. As a result, as shown in FIG. A chromate (III) layer 42 a is formed on the surface of the 1 ″ galvanized layer 41.
[0039]
Examples of usable chromate treatment liquid include those containing the following components (so-called colorless or blue chromate treatment liquid).
Chromic anhydride: 0.1-2 g / liter
Sulfuric acid: 0.3-5 g / liter
Nitric acid: 0.5 to 10 g / liter
Phosphoric acid: Add to about 2 g / liter if necessary
Hydrofluoric acid: Add to about 2 g / liter if necessary
In this treatment liquid, the amount of chromic anhydride used as a hexavalent chromium source is reduced to less than half that of the so-called yellow chromate treatment liquid of 4 to 10 g / liter. Sulfuric acid functions as a reaction accelerator, and nitric acid functions as an oxidizing agent for elution of the base metal. On the other hand, phosphoric acid has the role of improving the adhesion of the chromate film to the underlying metal, and hydrofluoric acid is incorporated into the film as an anion, strengthening the bridge bond in the polymer complex structure, and improving the film strength and thus the anticorrosion performance. Play a role to improve.
[0040]
In addition, it is also possible to use the following liquid that does not use a solute serving as a hexavalent chromium source (so-called chromium (III) chromate treatment liquid).
Potassium chromium sulfate (so-called chromium alum): 2.5 to 3.5 g / liter
Nitric acid: 3.5-4.5 g / liter
Hydrofluoric acid: 1.5-2.5 g / liter
However, the chromate treatment solution is not limited to the above as long as the content ratio of trivalent chromium to the chromium component in the chromate film can be 90% by weight or more.
[0041]
The reaction during the chromate treatment is considered to be as follows. That is, when the metal shell 1 "formed with a galvanized layer is immersed in the liquid, the gel-like film mainly composed of chromium (III) hydroxide is replaced by the dissolution of zinc by replacing the chromium ions in the liquid. A part of the dissolved zinc is taken into the film in the form of, for example, zinc chromate, etc. The structure of the formed chromate film is, for example, in the form as shown in FIG. That is, a polymer complex of trivalent chromium formed in a network by a hydroxyl group or oxygen bridge is formed, and a part of the network is made of chromate, dichromate, sulfuric acid, chloride, fluoride, etc. The anion (the kind of anion varies depending on the composition of the chromate treatment solution to be used) is substituted with one or more of the anions (of the chromate (III) layer 42a). Adjustment of NaruAtsu is can be performed, for example, by the immersion time and the adjustment of the liquid temperature to the chromating solution of the metal shell 1 ".
[0042]
Next, as shown in FIG. 3B, the metal shell 1 ′ after the formation of the chromate (III) layer 42a is in an undried or semi-dried state in an aqueous silicate solution 51 (silicate solution). Then, this is dried to form a trivalent chromium-silicon mixed layer 42b and a silica-based layer 42c, as shown in FIG. 4 (c).
[0043]
As the silicate aqueous solution 51, a so-called aqueous solution of water glass can be used. Water glass has the general formula M 2 O · nSiO 2 (Wherein M is an alkali metal element such as sodium or potassium), and silicon dioxide is deposited by drying and hardened into a gel. The obtained silica-based layer 42c is composed of an oxide (for example, a gel-like cured product mainly composed of alkali silicate and silicon dioxide) composed mainly of an alkali metal element and silicon.
[0044]
As water glass, n is about 2-4. When n is 2 or less, gelation hardly occurs and the obtained silica-based layer 42c becomes water-soluble, so that a stable film cannot be obtained. On the other hand, if n exceeds 4, hydrolysis of the alkali silicate proceeds excessively in the solution 51, and silicon dioxide gel precipitates and precipitates, so that the coating process cannot be carried out stably. Note that n is more preferably in the range of 3-4. In this case, M in the entire silicon composite chromate coating 42 2 The content of alkali metal M in terms of O is μ1, also SiO 2 If the content of the silicon component converted into is μ 2, it is desirable to adjust the value of μ 2 / μ 1 in the range of 2 to 4, preferably 3 to 4.
[0045]
In order to form the silica-based layer 42c as uniformly as possible on the chromate (III) layer 42a, the silicate aqueous solution 51 is desirably adjusted to a concentration of alkali silicate of 30 to 200 g / liter. When the concentration is less than 30 g / liter, the formation thickness of the silica-based layer 42c becomes insufficient, and the anticorrosion performance or heat resistance performance of the silicon composite chromate film 42 may not be ensured. On the other hand, when the concentration exceeds 200 g / liter, the viscosity of the aqueous silicic acid solution 51 becomes too high, and it becomes difficult to form a uniform silica-based layer due to the occurrence of coating unevenness and the like.
[0046]
As shown in FIG. 4 (a), the chromate treatment liquid 50 remains on the surface portion of the chromate (III) layer 42a immediately after being pulled up from the chromate treatment liquid 50, and is immersed in the silicate aqueous solution 51. As shown in FIG. 5B, for example, a mixed layer 42b ′ is formed by mixing with a part of the applied aqueous silicate solution 51. If this is dried, as shown in FIG. 4 (c), a trivalent chromium-silicon mixed layer 42b derived from the mixed layer 42b ′ is formed between the chromate (III) layer 42a and the silica-based layer 42c. It is formed. The trivalent chromium-silicon mixed layer 42b is formed by mixing the chromate treatment solution 50 and the silicate aqueous solution 51 (or the penetration of the silicate aqueous solution 51 into the chromate (III) layer 42a). A trivalent chromium component and a silicon component are mixed at an intermediate content ratio between 42a and 42c. This means that a kind of composition gradient structure is formed between the chromate (III) layer 42a and the silica-based layer 42c via the trivalent chromium-silicon mixed layer 42b. Effects such as improved adhesion and stress reduction based on the difference in thermal shrinkage can be achieved.
[0047]
Note that the chromate (III) layer 42a is formed in a wet state on the surface of the metal shell 1 'in an undried or semi-dried state after the chromate treatment is completed, so that the familiarity with the silicate aqueous solution 51 is improved. . Accordingly, as shown in FIG. 5 (a), even if a defect def such as pinholes is formed in the chromate (III) layer 42a, the silicate aqueous solution 51 is sufficiently easily penetrated here, and the formed silica. It is possible to make it difficult for bubbles and the like to remain in the system layer 42c (FIG. 5B).
[0048]
The metal shell 1 or gasket 30 treated in this way has a silicon composite chromate film formed on the galvanized layer, which is significantly higher in corrosion protection than the conventional trivalent chromium-based chromate film and further the yellow chromate film. It has performance and heat resistance, and can sufficiently impart durability against corrosion to the galvanized layer.
[0049]
Note that after the chromate treatment, the surface of the metallic shell 1 ′ may be dried and immersed in the aqueous silicic acid solution 51. In this case, since the chromate (III) layer 42a is once dried, the mixed layer 42b ′ of the chromate treatment solution 50 and the silicate aqueous solution 51 is hardly formed. Therefore, as shown in FIG. 2B, a clear trivalent chromium-silicon mixed layer 42b may not be formed between the chromate (III) layer 42a and the silica-based layer 42c.
[0050]
Alternatively, an appropriate amount of water glass may be blended in the chromate treatment solution, and a metal shell formed with a zinc-based plating layer may be immersed in the chromate treatment solution and dried. The silicon composite chromate film obtained by such a method also has good anticorrosion performance and corrosion resistance. In this case, as shown in FIG. 2 (c), the obtained silicon composite chromate film 42 is a gel-like cured product mainly composed of alkali silicate and silicon dioxide in a polymer complex substrate 42d of trivalent chromium. It is considered that 42e has a dispersed structure.
[0051]
【Example】
In order to confirm the effect of the present invention, the following experiment was conducted. First, using the carbon steel wire SWCH8A for cold heading defined in JISG3539 as a material, the metal shell 1 having the shape shown in FIG. 1 was manufactured by cold forging. The nominal diameter of the threaded portion 7 of the metal shell 1 was 14 mm, and the axial length was about 19 mm. Next, an electrolytic galvanizing treatment using a known alkali cyanide bath was performed on the galvanized layer to give a galvanized layer having a thickness of about 6 μm.
[0052]
Next, as the chromate treatment solution 50 shown in FIG. 3, a solution prepared by dissolving 3 g / liter of potassium chromium sulfate, 4 g / liter of nitric acid, and 2 g / liter of hydrofluoric acid in deionized water was prepared, and the liquid temperature was 20 ° C. Retained. On the other hand, Na 2 O ・ 3.5SiO 2 A silicate aqueous solution 51 was prepared by dissolving sodium silicate (water glass) having the following composition in deionized water at a concentration of 100 g / liter. Then, the galvanized metal shell is immersed in the chromate treatment solution 15 for 15 seconds, and then is immediately immersed in the silicate aqueous solution 51 in a state where only the liquid is removed and drying is not performed. A silicon composite chromate film was formed by drying with warm air (test product (3): product of the present invention).
[0053]
The result of measuring the photoelectron spectrum of XPS while etching this silicon composite chromate film in the thickness direction is shown in FIG. From the spectral peak intensity of each component at each etching depth to about 0.4 μm from the surface, chromium (2p 2/3 ) Is hardly observed, indicating that the silica-based layer is mainly composed of silicon oxide. In addition, when examined in more detail by fluorescent X-ray analysis, the silica-based layer is composed of silicon as SiO 2 About 77% by weight in terms of converted value, sodium as Na 2 It was found that the content was about 22% by weight in terms of O.
[0054]
On the other hand, although a slight silicon peak was observed at a depth of 0.7 to 1 μm from the surface, the cation component was mainly chromium and then a large amount of zinc was detected. The chromium (2p 2/3 As a result of examining the peak of) in more detail, 99% by weight or more of the chromium component was trivalent chromium. That is, it was found that the approximately 0.3 μm portion in the depth range was a trivalent chromium-based chromate layer.
[0055]
Then, the portion having a thickness of about 0.3 μm located in the middle of the two layers is a trivalent chromium containing a chromium component and a silicon component in an intermediate composition of both layers from the spectral peak intensity of each component of XPS. It was found to be a silicon mixed layer.
[0056]
In addition, after being immersed in the chromate treatment liquid 50 for 15 seconds, not immersed in the silicate aqueous solution 51 but dried as it is (test product {circle over (2)}: comparative example), conversely, not immersed in the chromate treatment liquid 50, What was immersed and dried only in the silicate aqueous solution 51 (test product (4): comparative example) was also prepared. When the formed coatings of the test products (2) and (4) were analyzed by XPS and X-ray fluorescence analysis, the former had a weight content ratio of trivalent chromium in the chromium component of about 99% or more and a thickness of about 0. .5μm chromate film, the latter is silicon with SiO 2 77% by weight in terms of converted value, sodium as Na 2 It was found that the oxide-based coating contained 22% by weight in terms of O.
[0057]
On the other hand, a yellow chromate treatment solution prepared by dissolving chromic anhydride at a rate of 7 g / liter, sulfuric acid 3 g / liter, and nitric acid 3 g / liter in deionized water was prepared and kept at a liquid temperature of 20 ° C. Then, a metal shell was dipped in this for about 15 seconds, pulled up, and dried to prepare a comparative example (test product (1)). When the formed film was analyzed by XPS, it was found that the chromate film had a thickness of about 0.5 μm, in which about 30% by weight of the chromium component was hexavalent chromium and the balance was trivalent chromium.
[0058]
The salt spray test specified in JIS Z2371 is performed on the test products of (1) to (4) above, until white rust derived from corrosion of the galvanized layer appears about 20% or more of the entire surface, or Durability evaluation was performed according to the time until red rust derived from corrosion of the iron layer was visually confirmed. The result is shown in FIG. That is, the test product (3), which is a product of the present invention on which a silicon composite chromate film is formed, has an overwhelmingly superior durability than the test products of any of the comparative examples, including the test product (1) treated with yellow chromate. You can see that Further, from the results of the test products (2) and (4), it is understood that when the trivalent chromium-based chromate layer or the silica-based layer is formed alone, good durability is not obtained.
[0059]
Next, FIG. 8 shows the result of the same salt spray test after heat-treating each test product (1) to (4) in the air at 200 ° C. for 30 minutes. The test product {circle around (1)} treated with yellow chromate has a significantly reduced durability due to heat treatment, while the test product {circle around (3)} of the present invention shows extremely good durability. I understand.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal half sectional view showing a spark plug according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing the structure of a silicon composite chromate film together with some modifications.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a chromate treatment step and a silica-based layer formation step.
FIG. 4 is a diagram for explaining a formation process of a silicon composite chromate film and an estimated structure of a chromate layer.
FIG. 5 is a diagram for explaining the effect of a method of forming a silica-based layer in an undried state after chromate treatment.
FIG. 6 is a graph showing the XPS analysis results of the silicon composite chromate film formed on the test product (3) of the example.
FIG. 7 is a graph showing the results of a salt spray test on a test product of an example (no heat treatment).
FIG. 8 is a graph showing the results of a salt spray test on a test product of an example (after heat treatment).
[Explanation of symbols]
1 metal shell
2 Insulator
3 Center electrode
4 Ground electrode
30 Gasket
41, 45 Galvanized layer
42,46 Silicon composite chromate coating
42a Trivalent chromium-based chromate layer
42b Trivalent chromium-silicon mixed layer
42c Silica-based layer
100 spark plug

Claims (6)

中心電極と、その中心電極の外側に設けられた絶縁体と、前記絶縁体の外側に設けられるとともに自身の開口縁を内側に加締めて形成された加締め部により前記絶縁体に固定された主体金具と、前記中心電極との間に火花放電ギャップを形成するように、これと対向する形で配置された接地電極とを備え、さらに、前記加締めに先立って形成され、カチオン成分の主体がクロム成分であり、かつそのクロム成分の90重量%以上が三価クロムからなる三価クロム系クロメート層と、珪素の酸化物を主体に構成され、前記三価クロム系クロメート層を直接又は他層を介して間接的に覆う膜厚0.2μm以上0.8μm以下のシリカ系層との少なくとも2層を含む珪素複合クロメート被膜によって、前記主体金具の表面が前記加締め部とともに被覆されていることを特徴とするスパークプラグ。A center electrode, an insulator provided on the outside of the center electrode, and fixed to the insulator by a crimping portion provided on the outside of the insulator and caulked on the opening edge of the center electrode . A main electrode and a ground electrode disposed opposite to the center electrode so as to form a spark discharge gap between the center electrode, and further formed prior to the crimping, Is a chromium component, and 90% by weight or more of the chromium component is composed mainly of a trivalent chromium-based chromate layer composed of trivalent chromium, and a silicon oxide, and the trivalent chromium-based chromate layer is used directly or otherwise. The surface of the metal shell is covered with the caulking portion by a silicon composite chromate film including at least two layers of a silica-based layer having a film thickness of 0.2 μm or more and 0.8 μm or less that is indirectly covered through the layer. Spark plug characterized by being. 前記主体金具の外周面に形成される取付ねじ部の基端部にはめ込まれるべきリング状のガスケットを備え、そのガスケットの表面の少なくとも一部が、前記珪素複合クロメート被膜によって被覆されている請求項1記載のスパークプラグ。 A ring-shaped gasket to be fitted to a base end portion of a mounting screw portion formed on the outer peripheral surface of the metal shell, wherein at least a part of the surface of the gasket is covered with the silicon composite chromate film. The spark plug according to 1. 前記三価クロム系クロメート層と前記シリカ系層との間に、それら両層の中間の含有比率にて三価クロム成分と珪素成分とが混在する、三価クロム−珪素混在層が形成されている請求項1又は請求項2に記載のスパークプラグ。 Between the trivalent chromium-based chromate layer and the silica-based layer, a trivalent chromium-silicon mixed layer in which a trivalent chromium component and a silicon component are mixed at an intermediate content ratio between the two layers is formed. The spark plug according to claim 1 or 2 . 前記シリカ系層は、カチオン成分の主体がアルカリ金属元素と珪素とからなる酸化物により主に構成されている請求項2又は請求項3に記載のスパークプラグ。 The spark plug according to claim 2 or 3, wherein the silica-based layer is mainly composed of an oxide mainly composed of an alkali metal element and silicon . 請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のスパークプラグの製造方法であって、前記主体金具をクロメート処理浴中に浸漬することにより、該主体金具の表面に、クロム成分の90重量%以上が三価クロムからなる三価クロム系クロメート層を形成するクロメート処理工程と、その三価クロム系クロメート層が形成された主体金具に対し、アルカリケイ酸塩を所定の溶媒中に溶解させたケイ酸塩溶液を塗布した後、その溶媒を蒸発させることにより、前記三価クロム系クロメート層上に、珪素の酸化物を主体とするシリカ系層を形成するシリカ系層形成工程と、を含むことを特徴とするスパークプラグの製造方法。The spark plug manufacturing method according to any one of claims 1 to 4, wherein the metallic shell is immersed in a chromate treatment bath so that 90 weight of a chromium component is formed on the surface of the metallic shell. The alkali silicate is dissolved in a predetermined solvent in the chromate treatment process for forming a trivalent chromium-based chromate layer comprising at least 3% chromium, and the metal shell on which the trivalent chromium-based chromate layer is formed. A silica-based layer forming step of forming a silica-based layer mainly composed of silicon oxide on the trivalent chromium-based chromate layer by applying the silicate solution and then evaporating the solvent; A method for producing a spark plug, comprising: 前記クロメート処理工程が終了後、前記主体金具の表面を未乾燥又は半乾燥の状態でこれを前記ケイ酸塩溶液中に浸漬することにより、前記シリカ系層形成工程を行う請求項5記載のスパークプラグの製造方法。 6. The spark according to claim 5, wherein after the chromate treatment step, the silica-based layer forming step is performed by immersing the surface of the metal shell in the silicate solution in an undried or semi-dried state. Plug manufacturing method.
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