JP3876166B2 - スパークプラグの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関に使用されるスパークプラグの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上述のようなスパークプラグにおいては、耐火花消耗性向上のために、電極の先端にＰｔやＩｒ等を主体とする貴金属チップを溶接して耐消耗部を形成したものが多数提案されている。
【０００３】
上記のような貴金属耐消耗部は、従来、貴金属チップを電極母材に溶接により接合して形成することが多い。例えば接地電極側の貴金属発火部は、Ｎｉ合金等で構成される電極母材にＰｔ系貴金属等で構成されたチップを重ね合わせ、抵抗溶接することにより形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
抵抗溶接は、チップと電極母材との接触抵抗を利用した通電発熱に頼る形となるので、溶接時の入熱量が小さく、溶接部に形成される拡散ないし合金化した領域（以下、溶接領域という）の広がりも、レーザー溶接に比較すれば小さい。他方、近年の内燃機関は、厳しい排気ガス規制に伴い、直噴エンジンに見られるようにリーンバーン化が進み、また、最適な燃焼を得るためにスパークプラグの火花放電ギャップ形成部分を、従来よりもさらに燃焼室内に突き出させる構造の採用も進んでいる。その結果、スパークプラグの電極、特に燃焼室のより内側に位置する接地電極は厳しい高温状態にさらされるとともに、ヒステリシスの大きい冷熱サイクルが付与されるようになってきている。
【０００５】
そして、溶接領域が比較的狭い抵抗溶接にて貴金属耐消耗部が形成されている場合、上記のようなヒステリシスの大きい冷熱サイクルが付与されると、電極母材との間の線膨張係数差により貴金属耐消耗部に剥離等の不具合が生ずる懸念がある。
【０００６】
本発明の課題は、過酷な運転条件によりヒステリシスの大きい冷熱サイクルが付与された場合でも、電極母材に抵抗溶接接合された貴金属耐消耗部の耐剥離性を十分に確保することができるスパークプラグの製造方法を提供することにある。
【０００７】
【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の製造方法は、電極母材がＮｉ又はＦｅを主成分とする金属からなる接地電極及び／又は中心電極の、電極母材の火花放電ギャップに面する位置に、Ｐｔ又はＩｒを主成分とする貴金属チップを溶接して貴金属耐消耗部を形成したスパークプラグの製造方法であって、電極母材表面への重ね合わせ面の算術平均粗さが１〜１００μｍに調整された貴金属チップを、電極母材の表面に重ね合わせて抵抗溶接する抵抗溶接工程を含むことを特徴とする。なお、本明細書において「主成分」とは、最も質量含有率の高い成分のことをいう。
【０００８】
Ｎｉ合金からなる電極母材に、Ｐｔ又はＩｒを主成分とする貴金属チップを抵抗溶接することにより貴金属耐消耗部を形成する場合、前記した通り、両者の接合界面部に形成される溶接領域が比較的狭くなる。このため、溶接領域が広く形成されるレーザー溶接等と比較して、過酷な冷熱サイクルが加わったときの、耐剥離性を如何に確保するかが重要である。ところで、このような耐剥離性は、溶接前における貴金属チップの、電極母材への重ね合わせ面の表面粗さと密接な関係があることが判明した。そして、貴金属チップの該重ね合わせ面の算術平均粗さ（以下、「Ｒａ１」とする）が上記の範囲に調整される場合に、貴金属耐消耗部の耐剥離性を顕著に向上できたことから、本発明を完成するに至ったのである。
【０００９】
なお、本発明において算術平均粗さは、ＪＩＳ：Ｂ０６０１（１９９４）に規定された方法により測定されたものをいう。該規格には、測定される粗さレベルに応じた評価長さの標準値が示されているが、貴金属発火部の寸法が評価長さに満たない場合、寸法内に収まる短い評価長さにより測定場所を変えて粗さ測定を行い、その評価長さの合計が上記標準長さに到達するように、その測定回数を定めるものとする。また、算術平均粗さは、各測定にて得られる算術平均粗さに評価長さを乗じて合計し、その合計値を評価長さの合計値にて除した値を採用する。
【００１０】
貴金属チップの電極母材表面への重ね合わせ面の算術平均粗さＲａ１が１μｍ未満では、得られる貴金属耐消耗部の耐剥離性が、前記した過酷な運転条件下において不足することにつながる。他方、前記算術平均粗さＲａ１が１００μｍを超えると、貴金属チップと電極母材との接合状態にむらが生じやすくなり、得られる貴金属耐消耗部の耐剥離性が同様に不足することにつながる。
【００１１】
電極母材の側面に、貴金属チップを抵抗溶接することにより貴金属耐消耗部を形成し、これを中心電極の先端面と対向させることにより火花放電ギャップを形成したスパークプラグは、一般に平行電極型と称され、着火性が高いことから、リーンバーンエンジンあるいは直噴型エンジンに広く採用されている。このような平行電極型スパークプラグの接地電極は、火花放電ギャップよりも燃焼室のより中心側に配置されるため特に高温にさらされやすく、冷熱サイクル付加による貴金属耐消耗部の剥離がとりわけ生じやすい傾向にある。こうした平行電極型スパークプラグの接地電極の電極母材は、耐熱性を確保するためにＮｉ基耐熱合金（例えばインコネル６００：インコネルは英国Ｉｎｃｏ社の商標名）等のＮｉ合金にて構成することが有利である。他方、該接地電極側の貴金属耐消耗部は、火花放電時の接地電極側の極性が正に設定されることが多く、火花消耗自体は中心電極側よりも進行し難いことから、Ｉｒ系貴金属よりも融点の低い、Ｐｔを主成分とする貴金属（以下、Ｐｔ系貴金属という）からなる耐消耗部を用いることが、抵抗溶接の容易性とも相俟ってより有利であるといえる。
【００１２】
この場合、接地電極のＮｉ合金からなる電極母材の側面に、Ｐｔを主成分とする貴金属チップを抵抗溶接することにより貴金属耐消耗部が形成される。しかしながら、Ｎｉ合金は線膨張係数が大きいことから、過酷な冷熱サイクルが付与される接地電極の電極母材として採用した場合、Ｐｔ系貴金属からなる耐消耗部との線膨張係数差が特に大きく、剥離等の不具合につながりやすい。従って、本発明は、該接地電極側に適用した場合に、特にその波及効果が大きい。
【００１３】
【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は本発明の適用対象となるスパークプラグの一例を示すものである。該スパークプラグ１００は、筒状の主体金具１、先端部２１が突出するようにその主体金具１の内側に嵌め込まれた絶縁体２、先端に形成された中心電極側貴金属耐消耗部３１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に一端が溶接等により結合されるとともに他端側が側方に曲げ返されて、その側面が中心電極３の先端部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。また、接地電極４には接地電極側貴金属耐消耗部３２が形成されており、前記中心電極側貴金属耐消耗部３１と、接地電極側貴金属耐消耗部３２との間に火花放電ギャップｇが形成されている。
【００１４】
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を嵌め込むための孔部６を有している。また、主体金具１は、低炭素鋼等の金属により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、火花放電ギャップｇ側の外周面には、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。
【００１５】
中心電極３及び接地電極４は、少なくとも表層部をなす電極母材部分がＮｉ合金で構成されている。本実施形態では、いずれの電極母材もインコネル６００により構成されている。また、接地電極側貴金属耐消耗部３２は、例えばＰｔ−ＩｒあるいはＰｔ−Ｎｉ合金等のＰｔを主成分とする合金からなり、他方、中心電極側貴金属耐消耗部３１はＩｒ−ＲｈあるいはＩｒ−Ｐｔ合金等のＩｒを主成分とする貴金属からなる。
【００１６】
図２は接地電極側貴金属耐消耗部３２の形成方法を示すものである。すなわち、工程（ａ）に示すように、該金属耐消耗部３２を形成するための円板状の貴金属チップ３２’を用意する。この貴金属チップ３２’の、接地電極４の電極母材４ａに対する重ね合わせ面３２’ｐの算術平均粗さＲａ１は１〜１００μｍとなるように調整される。貴金属チップ３２’は、例えば圧延等により形成された板材を円形に打ちぬいたり、あるいは円状断面の線材を鍛造／圧延あるいは伸線により製造し、これを放電加工あるいは刃切断等により輪切りにして製造される。
【００１７】
板材からの打抜きを採用する場合、板材の圧延面の表面粗さが上記範囲を充足していれば、これをそのまま重ね合わせ面３２’ｐとして使用することもできる。ただし、圧延面の表面粗さが上記範囲外のものとなっていたり、あるいは打抜後のバリが問題となる場合は、粗さ調整研磨が必要となる。この場合、表面粗さが上記の範囲を充足するものとなるように、研磨砥石の番手を選定する必要がある。他方、線材を輪切りにして製造する方法においては、放電加工を採用する場合は、放電電圧、放電ワイヤ径及びワイヤの相対送り速度等の調整により、また、切断刃（たとえばダイヤモンド刃）を用いる場合、刃の砥粒の番手、回転速度及び刃送り速度等の調整により、得られる切断面の算術平均粗さが上記範囲のものとなるように調整する。ただし、切断上がりの状態で算術平均粗さが本発明の範囲外となっている場合は、打抜の場合と同様の粗さ調整研磨を行なう。
【００１８】
上記のようにして得られた貴金属チップ３２’は、工程（ｂ）に示すように、重ね合わせ面３２’ｐ側にて接地電極４の電極母材側面に重ね合わされ、この状態で電極ＥＬ，ＥＬ間に挟み付けて加圧しつつ、通電発熱する。これにより、貴金属チップ３２’と電極母材４ａとの間で発熱し、工程（ｃ）に示すように、該貴金属チップ３２’が電極母材４ａに食い込みつつ、電極母材４ａとの間に、拡散・合金化した溶接部（図示せず）が形成され、接地電極側貴金属耐消耗部３２となる。
【００１９】
一方、中心電極３の先端部３ａはテーパ状に縮径されるとともにその先端面が平坦に構成され、ここに中心電極側貴金属耐消耗部３１の上記合金組成が得られるように組成調整された円板状のチップを重ね合わせ、さらにその接合面外縁部に沿ってレーザー溶接により固着することにより、図１に示すような中心電極側貴金属耐消耗部３１が形成される。
【００２０】
重ね合わせ面３２ｐの算術平均粗さＲａ１が上記範囲を充足しない貴金属チップ３２’を用いて貴金属耐消耗部３２を形成したスパークプラグの場合、次のような事情等により貴金属耐消耗部３２の剥離が生じやすくなる。例えば、スパークプラグを直噴型エンジンに取り付け、リーンバーン条件にて高速高負荷運転を行なった後、エンジン停止するサイクルを繰り返すと、貴金属耐消耗部３２と電極母材４ａとの接合部には激しい冷熱サイクルが加わる。これにより、両者の接合界面には、線膨張係数差に基づく剪断応力が発生する。貴金属チップ３２’の重ね合わせ面３２ｐの算術平均粗さが上記範囲を充足しない場合、上記剪断応力が繰り返し付加されると、図３に示すように、界面に沿った亀裂Ｃの発生及び進展が生じやすくなり、最終的に剥離に至ると考えられる。
【００２１】
そこで、上記のように重ね合わせ面３２ｐの算術平均粗さＲａ１を調整した後、抵抗溶接を行なえば接合部の界面結合力が改善される結果、亀裂Ｃの進展が抑制され、耐剥離性が向上すると推定される。界面結合力が向上する要因としては、以下のようなことが考えられる。例えば、通電電流値を多少低めに抑えつつ、加圧力を大きく設定して抵抗溶接を行なえば、図５に示すように、発熱により生ずる拡散層ＤＬの厚さが薄くなる代わり、重ね合わせ面３２’ｐの凹凸が電極母材４ａ側に食い込んで、起伏の大きい接合界面ＢＰが形成される。こうした接合界面ＢＰは接合面積の増大をもたらすとともに、食い込みによるアンカー効果を生じ、接合強度そのものが向上する。また、接合界面ＢＰ自体が大きく起伏していれば、亀裂Ｃが仮に発生しても、迂回しながら亀裂Ｃの進展が進むことになる。その結果、耐剥離性の増大がもたらされる。なお、貴金属発火部３２をＰｔ−Ｉｒ合金にて構成した場合、Ｉｒの酸化による界面腐食が起こりやすく、その酸化スケールの進展により亀裂の進行が助長されやすいが、本発明を適用すれば、このような材質を用いた場合でも亀裂の発生・進展を効果的に抑制することができる。
【００２２】
他方、通電電流値を大きく設定し、加圧力を幾分低く設定した場合は、抵抗発熱が大きくなるから、図６に示すように、重ね合わせ面３２’ｐの凹凸がつぶれ、接合界面ＢＰが平坦化する場合がある。他方、電極母材４ａとの電気的接触は凸部頂上付近で選択的に生じ、この部分に電流が集中して発熱が大きくなる。その結果、最終的に形成される拡散層ＤＬの厚さには、もとの重ね合わせ面３２’ｐの凹凸分布に対応した分布を生ずる。その結果、拡散層ＤＬの境界形状に起伏が生じ、図５の接合界面ＢＰと同様に、アンカー効果による接合強度の増大効果及び亀裂Ｃの迂回効果がもたらされ、耐剥離性が向上する。
【００２３】
次に、冷熱サイクルが加わったときに発生する図３のような亀裂Ｃは、その発生が部分的なものに留まれば、耐消耗部３２の剥離はもたらさない。そして、こうした亀裂Ｃが適度に生ずる状況下においては、以下のような利点が生ずる場合もある。すなわち、冷熱サイクルが付加されたとき、その加熱時において、接合界面付近に発生する剪断応力が耐消耗部３２の降伏応力を上回ると、図４に示すように、耐消耗部３２は電極母材４ａに引っ張られる形で塑性変形し、応力緩和する。この塑性変形による歪は永久的なものであるから、再び冷却されても元には戻らない。従って、冷熱サイクルが繰り返し付加されると、耐消耗部３２は塑性変形が徐々に蓄積されて、やがてはその厚さｔが無視できない程度に減少することになる。この厚さｔの減少は耐消耗部３２の消耗代を減少させることになるから、特に長寿命が要求されるスパークプラグにおいては問題となる場合がある。これは、耐消耗部３２を軟質なＰｔ系貴金属にて構成した場合、特に顕著である（従って、Ｐｔに適量のＮｉやＩｒなどを添加して固溶強化を図ることは、耐消耗部３２の塑性変形防止の観点において有効である）。
【００２４】
しかしながら、亀裂Ｃが適度に形成される場合は、応力の一部が亀裂Ｃの形成により緩和されるため、耐消耗部３２の塑性変形はその分抑制される。その結果、熱サイクルが繰り返されたときの厚さｔの減少を抑制することができる。このような効果を得るには、耐消耗部３２と電極母材４ａとの間のアンカー効果等に基づく結合力を、耐消耗部３２の耐剥離性が極端に損なわれない範囲で、作為的に小さく設定することが有効である。具体的には、貴金属チップ２３’の、電極母材４ａ表面への重ね合わせ面３２’ｐの算術平均粗さＲａ１を、前記のものよりも小さい１〜２０μｍに調整することが有効である。Ｒａ１が２０μｍを超えると、耐消耗部３２は電極母材４ａとの結合力が強くなりすぎ、結果として熱サイクルが繰り返されたときの、厚さｔの減少抑制効果をもはや期待できなくなる。
【００２５】
なお、上記耐剥離性向上効果は、図２において工程（ａ）に示すように、貴金属チップ３２を重ね合わせる電極母材４ａの重ね合わせ面４ｐは、算術平均粗さＲａ２を１〜１００μｍとすることにより、さらに顕著なものとすることができる。また、冷熱サイクル反復に伴う耐消耗部３２の厚さ減少を抑制する観点においては、上記Ｒａ２を１〜２０μｍの範囲に調整することが望ましい。
【００２６】
また、上記実施形態のスパークプラグ１００においては、接地電極側貴金属耐消耗部３２をＰｔ系貴金属により構成していたが、これをＩｒ系貴金属として同様に抵抗溶接を行なう場合にも、本発明の概念を適用できることはもちろんである。他方、中心電極側貴金属耐消耗部３１はＩｒ系貴金属チップのレーザー溶接により形成しているが、抵抗溶接にて形成することももちろん可能であり、本発明の概念を適用することができる。
【００２７】
【実施例】
本発明の効果を確認するために、以下の実験を行なった。
接地電極側の貴金属耐消耗部を形成するための貴金属チップを、以下のように作製した。まず、所定量のＰｔに対しＩｒを２０質量％までの範囲にて配合・溶解することにより、Ｐｔ−Ｉｒ合金インゴットを作製した。この合金を、１５００℃にて熱間鍛造し、次いで１３００℃で熱間圧延及び熱間スエージングし、さらに１２００℃にて熱間伸線することにより、直径０．９ｍｍの合金線材を得た。これを放電加工により長手方向に切断することにより、直径０．９ｍｍ、厚さ０．６ｍｍの円板状の貴金属チップとした。各貴金属チップの両切断面を種々の番手のグラインダにより研磨し、その算術平均粗さＲａ１を０．５〜１２０μｍとなるように調整した。
【００２８】
他方、接地電極は、縦１．３ｍｍ、横２．７ｍｍの角状断面を有するインコネル６００線材を長さ９ｍｍに切断することにより作製した。なお、貴金属チップの接合予定面については、グラインダ研磨によりその算術平均粗さＲａ１を０．５〜１２０μｍとなるように調整した。
【００２９】
そして、上記接地電極の側面に貴金属チップを抵抗溶接し、図１に示す形態の接地電極側の接合構造を完成させた。なお、抵抗溶接は、加圧荷重が３４ｋｇ／ｃｍ^２、交流６０Ｈｚによる溶接電流値が１０５０Ａ、通電サイクルが１０サイクルとなるように条件設定して行なった。
【００３０】
他方、中心電極３側については、組成がＩｒ−５質量％Ｐｔであり、直径０．６ｍｍ厚さ０．８ｍｍの寸法を有する貴金属チップを作製し、インコネル６００製の中心電極母材の先端面に全周レーザー溶接することにより接合した。そして、これら接地電極及び中心電極を用いて図１に示す形態のスパークプラグ試験品を作成し、接地電極側の貴金属耐消耗部の耐剥離性を評価した。
【００３１】
耐剥離性の評価方法は以下の通りである。まず、スパークプラグの火花放電ギャップ側の先端部を、接地電極の貴金属チップ溶接部近傍の温度である１０００℃にガスバーナーを用いて２分間加熱し、次いで１分空冷するサイクルを１０００回繰り返す（これは、通常走行条件による実機耐久性試験において走行距離約１０万ｋｍに相当する）。次に、試験品を、接地電極の貴金属耐消耗部の中心軸線を通る面にて切断・研磨して顕微鏡にて拡大観察するとともに、貴金属耐消耗部と電極母材との界面の亀裂進展長を観察視野上にて測定し、界面の全長で割った値を剥離進展率として算術する。そして、その剥離進展率が５０％を超えたものを耐剥離性不良、５０％以下のものを耐剥離性良好とする。各スパークプラグとも、１条件につき試験品数ｎを４に設定し、全数良好と判定されたものを優（○）、良品が１〜３個のものを可（△）、不良数が全数になったものを不可（×）として判定した。また、上記断面にて試験前及び試験後の貴金属耐消耗部の厚さをそれぞれ測定し、試験後の厚さ減少率が２０％未満であれば、貴金属耐消耗部の厚さ減少抑制効果が大（○）、２０％以上３０％未満であれば中（△）、３０％を超える場合は小（×）として判定した。
【００３２】
表１は、電極母材側の算術平均粗さＲａ２を１０μｍに固定し、貴金属チップ側の算術平均粗さＲａ１を種々に変化させたときの耐剥離性評価結果を示すものである。これによると、算術平均粗さＲａ１が１〜１００μｍのとき、良好な結果が得られていることがわかる。
【００３３】
【表１】

【００３４】
また、表２は、貴金属チップ側の算術平均粗さＲａ１を１０μｍに固定し、電極母材側の算術平均粗さＲａ２を種々に変化させたときの耐剥離性評価結果を示すものである。これによると、算術平均粗さＲａ２が１〜１００μｍのとき、良好な結果が得られていることがわかる。
【００３５】
【表２】

【００３６】
表３は、電極母材側の算術平均粗さＲａ２を１０μｍに固定し、貴金属チップ側の算術平均粗さＲａ１を種々に変化させたときの、貴金属耐消耗部の厚さ減少抑制効果の評価結果を示すものである。これによると、算術平均粗さＲａ１が１〜２０μｍのとき、厚さ減少抑制効果が大きいことがわかる。
【００３７】
【表３】

【００３８】
表４は、貴金属チップ側の算術平均粗さＲａ１を１０μｍに固定し、電極母材側の算術平均粗さＲａ２を種々に変化させたときの、貴金属耐消耗部の厚さ減少抑制効果の評価結果を示すものである。これによると、算術平均粗さＲａ２が１〜２０μｍのとき、厚さ減少抑制効果が大きいことがわかる。
【００３９】
【表４】

【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスパークプラグの一実施例を示す正面縦断面図。
【図２】接地電極側貴金属耐消耗部の製造工程を模式的に示す図。
【図３】貴金属耐消耗部の剥離原因を説明する図。
【図４】貴金属耐消耗部が伸び変形する様子を説明する図。
【図５】本発明の効果要因を推定して示す第一の模式図。
【図６】本発明の効果要因を推定して示す第二の模式図。
【符号の説明】
３ 中心電極
４ 接地電極
３２ 貴金属耐消耗部
３２’ 貴金属チップ
ｇ 火花放電ギャップ
１００ スパークプラグ

Claims (4)

1. 電極母材がＮｉ又はＦｅを主成分とする金属からなる接地電極及び／又は中心電極の、前記電極母材の火花放電ギャップに面する位置に、Ｐｔ又はＩｒを主成分とする貴金属チップを溶接して貴金属耐消耗部を形成したスパークプラグの製造方法であって、
   前記電極母材表面への重ね合わせ面の算術平均粗さが１〜１００μｍに調整された前記貴金属チップを、前記電極母材の表面に重ね合わせて抵抗溶接する抵抗溶接工程を含むことを特徴とするスパークプラグの製造方法。
2. 前記接地電極のＮｉ合金からなる前記電極母材の側面に、Ｐｔを主成分とする貴金属チップを抵抗溶接することにより前記貴金属耐消耗部を形成し、これを前記中心電極の先端面と対向させることにより火花放電ギャップを形成する請求項１記載のスパークプラグの製造方法。
3. 前記貴金属チップとして、前記電極母材表面への重ね合わせ面の算術平均粗さが１〜２０μｍに調整されたものを使用する請求項１又は２に記載のスパークプラグの製造方法。
4. 前記電極母材の、前記貴金属チップの重ね合わせ面の算術平均粗さが１〜１００μｍとされる請求項１ないし３のいずれか１項に記載のスパークプラグの製造方法。

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