JP4080015B2 - スパークプラグ - 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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車エンジン等の内燃機関用のスパークプラグとして、耐火花消耗性向上のために電極の先端にＰｔ（白金）合金のチップを溶接して発火部を形成したものが使用されているが、白金は高価であるためチップ材料として安価なＩｒ（イリジウム）を使用する提案がなされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のプラグにおいてチップをＩｒで構成した場合、Ｉｒは９００〜１０００℃の高温域において酸化・揮発しやすい性質を有しているため、そのまま電極発火部に使用すると、火花消耗よりも酸化・揮発による消耗が問題となる欠点がある。従って、市街地走行のような温度の低い条件であれば耐久性はよいが、高速連続運転の場合には、耐久性が極端に低下してしまう問題があった。一方、これとは別の問題として、Ｉｒは常温及び高温のいずれにおいても延性あるいは展性に乏しいことから、発火部を形成するためのチップを鍛造、圧延あるいは打抜き等の加工により製造しようとすると、材料歩留まりと製造能率が低下して量産性が悪化する欠点がある。
【０００４】
例えば、前述の発火部の耐久性を改善するための一手段としては、適当な金属成分を合金に添加してＩｒの酸化・揮発による消耗を抑さえることが考えられるが、合金の加工性については必ずしも改善されなかったり、添加元素の種類によっては加工性が一層悪化することもありうる。また、加工性の問題を回避するために、焼結法によりチップを製造する提案がなされているが（例えば特開昭６１−８８４７９号公報）、焼結合金製のチップは溶解合金製のチップに比べると耐久性に劣る欠点がある。このように、Ｉｒ系のチップを使用したプラグにおいて、チップの耐久性と量産性の双方に優れたものは未だ開発されておらず、該プラグの普及を妨げる大きな原因となっている。
【０００５】
本発明の課題は、Ｉｒを主体に構成されつつも、高温でのＩｒ成分の酸化・揮発による消耗が起こりにくく、しかも加工性に優れた材料により発火部が構成されたスパークプラグを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上述の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、一方の端部側から中心電極を突出させた状態で、絶縁体の外側に設けられた主体金具と、その主体金具に一端が結合され、他端側が中心電極と対向するように配置された接地電極と、それら中心電極と接地電極との少なくとも一方に固着されて火花放電ギャップを形成する発火部とを備え、その発火部が、Ｉｒを主体としてＰｄを１〜３０重量％の範囲で含有し、さらにＲｈを１〜４９重量％の範囲で含有した合金の、圧延、鍛造又は打抜きによる熱間加工材により構成されることを特徴とする。
【０００７】
本発明者は、火花放電ギャップを形成する発火部を、Ｉｒを主体として上記範囲のＰｔないしＰｄを含有する合金により構成することで、高温でのＩｒ成分の酸化・揮発による消耗が効果的に抑制さるとともに、合金がさらに上記範囲のＲｈを含有することにより、その加工性が劇的に改善されることを見い出したのである。これにより、Ｉｒ系金属で発火部を構成した従来のスパークプラグの問題点がことごとく解決され、ひいては発火部の構成材料としてＩｒを主成分とする金属を使用しつつも、その耐久性（特に高速走行時の耐久性）と量産性の双方に優れたスパークプラグを実現することができる。
【０００８】
なお、上記発火部は、表記組成の金属からなるチップを、接地電極及び／又は中心電極に対し溶接により接合して形成することができる。この場合、本明細書でいう「発火部」とは、接合されたチップのうち、溶接による組成変動の影響を受けていない部分（例えば、溶接により接地電極ないし中心電極の材料と合金化した部分を除く残余の部分）を指すものとする。
【０００９】
この場合、チップは、原料を所定の組成となるように配合・溶解して得られる溶解合金に対し所定の加工を施して形成された加工材により構成できる。なお、ここでいう「加工」とは、圧延、鍛造、引き抜き、切削、切断及び打抜きの少なくともいずれかの工程を含む方法によりなされるものを意味するものとする。この場合、圧延、鍛造、あるいは打抜き等の加工は、合金を所定の温度に昇温して行ういわゆる熱間加工（あるいは温間加工）により行うことができる。その加工温度は合金組成にもよるが、例えば７００℃以上とするのがよい。本発明のスパークプラグにおけるチップ材質においては、とりわけ熱間打抜きにおける加工特性が良好であり、例えば溶解合金を熱間圧延により板状に加工し、さらにその板材を熱間打抜き加工により所定の形状に打ち抜いてチップを形成するようにすれば、チップの製造効率が著しく改善され、チップの製造単価を大幅に低減することができる。なお、溶解合金を熱間圧延又は熱間鍛造により線状あるいはロッド状に加工した後、これを長さ方向に所定長に切断してチップを形成する方法も可能である。
【００１０】
Ｒｈの含有量が１重量％未満になると、合金の加工性改善効果が十分に達成できなくなり、例えば加工中に割れやクラックなどが生じやすくなって、チップを製造する際の材料歩留まりの低下につながる。また、熱間打抜き加工等によりチップを製造する場合は、打抜き刃等の工具の消耗あるいは損傷が生じやすくなり、製造効率が低下する。一方、４９重量％を超えると合金の融点が低下し、プラグの耐久性低下を招く。それ故、Ｒｈの含有量は前述の範囲で調整するのがよく、望ましくは２〜２０重量％の範囲で調整するのがよい。特に、ＰｄないしＰｔの合計含有量が５重量％以上である場合には合金がさらに脆くなり、所定量以上のＲｈを添加しないと、加工によるチップ製造が極めて困難となる。この場合、Ｒｈは２重量％以上、望ましくは５重量％以上、さらに望ましくは１０重量％以上添加するのがよい。なお、Ｒｈの含有量が３重量％以上である場合には、Ｒｈは加工性の改善だけでなく、高温でのＩｒ成分の酸化・揮発の抑制に対しても効果を生ずる場合がある。
【００１１】
ＰｔないしＰｄの合計含有量が１重量％未満になるとＩｒの酸化・揮発の抑制効果が不十分となり、チップが消耗しやすくなるためプラグの耐久性が低下する。一方、含有量が３０重量％を超えると合金の融点が低下し、プラグの耐久性が同様に低下したり（例えばＰｄ単独添加の場合）、あるいは高価なＰｔないしＰｄの含有量が増大して発火部の材料コストが増大する割には、発火部の消耗抑制効果がそれほど期待できなくなる問題が生ずる。以上のことから、ＰｔないしＰｄの合計含有量は前述の範囲で調整するのがよく、望ましくは３〜２０重量％の範囲で調整するのがよい。
【００１２】
なお、ＰｔないしＰｄはそれぞれ単独で合金に含有させることができ、この場合は、その含有量を下記のように調整することが望ましい。
▲１▼Ｐｔを使用する場合は、その含有量を１〜２０重量％の範囲で設定するのがよい。合金中のＰｔの含有量が１重量％未満になるとＩｒの酸化・揮発の抑制効果が不十分となり、発火部が消耗しやすくなるためプラグの耐久性が低下する。一方、Ｐｔの含有量が２０重量％を超えると、高価なＰｔの含有量が増大して発火部の材料コストが増大する割には、発火部の消耗抑制効果がそれほど期待できなくなる。
【００１３】
▲２▼Ｐｄを使用する場合は、その含有量を１〜３０重量％の範囲で設定するのがよい。合金中のＰｄの含有量が１重量％未満になるとＩｒの酸化・揮発の抑制効果が不十分となり、発火部が消耗しやすくなるためプラグの耐久性が低下する。一方、Ｐｄの含有量が３０重量％を超えると合金の融点が低下し、プラグの耐久性が同様に低下する。以上のことから、Ｐｄの含有量は前述の範囲で調整するのがよく、望ましくは１．５〜１８重量％、より望ましくは２〜１５重量％の範囲で調整するのがよい。
【００１４】
また、Ｐｔ及びＰｄは、２種以上のものを組み合わせて含有させることもできる。
【００１５】
【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、先端に形成された発火部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には上記発火部３１に対向する発火部３２が形成されており、それら発火部３１と、対向する発火部３２との間の隙間が火花放電ギャップｇとされている。
【００１６】
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。
【００１７】
次に、中心電極３及び接地電極４の本体部３ａ及び４ａはＮｉ合金等で構成されている。一方、上記発火部３１及び対向する発火部３２は、Ｉｒを主体としてＰｔ及びＰｄの少なくともいずれかを合計で１〜３０重量％、望ましくは３〜２０重量％の範囲で含有し、さらにＲｈを１〜４９重量％、望ましくは２〜２０重量％の範囲で含有した合金により構成される。
【００１８】
図２に示すように、中心電極３の本体部３ａは先端側が縮径されるとともにその先端面が平坦に構成され、ここに上記発火部を構成する合金組成からなる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、電子ビーム溶接、抵抗溶接等により溶接部Ｗを形成してこれを固着することにより発火部３１が形成される。また、対向する発火部３２は、発火部３１に対応する位置において接地電極４にチップを位置合わせし、その接合面外縁部に沿って同様に溶接部Ｗを形成してこれを固着することにより形成される。これらチップは、例えば表記組成となるように各合金成分を配合・溶解することにより得られる溶解合金を熱間圧延により板状に加工し、その板材を熱間打抜き加工により所定のチップ形状に打ち抜いて形成されたものが使用されている。なお、チップは、合金を熱間圧延又は熱間鍛造により線状あるいはロッド状に加工した後、これを長さ方向に所定長に切断して形成したものを使用してもよい。
【００１９】
ここで、発火部３１及び対向する発火部３２のいずれか一方を省略する構成としてもよい。この場合には、発火部３１又は対向する発火部３２と接地電極４又は中心電極３との間で火花放電ギャップｇが形成される。
【００２０】
以下、スパークプラグ１００の作用について説明する。すなわち、スパークプラグ１００は、そのねじ部７においてエンジンブロックに取り付けられ、燃焼室に供給される混合気への着火源として使用される。ここで、その火花放電ギャップｇを形成する発火部３１及び対向する発火部３２が前述の合金で構成されることで、Ｉｒの酸化・揮発による発火部の消耗が抑制されるので、長期に渡って火花放電ギャップｇが拡大せず、プラグ１００の寿命を伸ばすことができる。また、合金組成が前述の範囲に設定されることで、発火部３１及び３２を構成するチップを熱間圧延及び熱間打抜き等により極めて能率よく製造できる。
【００２１】
【実施例】
（実施例１）
所定量のＩｒとＰｄ及び／又はＰｔとを配合・溶解することにより、ＰｄとＰｔとを合計で０〜３０重量％（０重量％は比較例）の各比率で含有し、さらにＲｈを０〜１０重量％（０重量％は比較例）の各種比率で含有して、残部が実質的にＩｒである合金を作製した。この合金に対し、１パス当りの圧下率を１０〜３５％の範囲で各種値に固定的に設定して熱間圧延を行い、厚さ０．５mmの板材に加工した。なお、圧延中は試料温度が常に７００℃以上に保持されるよう、一定パス毎に所定の炉を用いて試料を加熱した。そして、圧延により得られた板材の外観を目視にて観察し、割れやクラックの発生しなかったものを「○」、微小なクラックが発生したものを「△」、割れの発生したものを「×」として評価した。その結果を表１に示す（なお、各組成及び圧延条件毎の試料数は５０００とした）。
【００２２】
【表１】

【００２３】
すなわち、Ｒｈを添加しない比較例の試料（Ｎｏ．１〜３）については、圧延時に割れやクラックを生じやすく、特に、Ｐｔを５〜１０重量％含有するＮｏ．２ないし３の試料については、圧下率を１０％としても、割れ等を生ずることなく板材に加工することはほぼ不可能であった。一方、Ｒｈを２重量％以上含有させた実施例の試料（Ｎｏ．４〜８）については、圧下率を２５％〜３０重量程度まで増大させても問題なく圧延することができ、加工性が良好であることがわかる。
【００２４】
次いで、上記得られた板材を熱間打抜き加工（温度７００℃以上）することにより、直径０．７mm、厚さ０．５mmの円板状のチップを得た（なお、Ｒｈを添加しないＮｏ．２及び３の試料の板材については、打抜き中に割れが生じたりして加工が困難であったため、チップの作製は断念した）。それらチップを用いて、図１に示すスパークプラグ１００の発火部３１及び対向する発火部３２を形成するとともに（火花放電ギャップｇの幅１．１mm）、各プラグの性能試験を以下の条件にて行った。すなわち、６気筒ガソリンエンジン（排気量３０００cc）にそれらプラグを取り付け、スロットル全開状態、エンジン回転数６０００ｒｐｍにて４００時間連続運転し（中心電極温度約９２０℃）、運転終了後のプラグの火花放電ギャップｇの拡大量を測定し、ギャップ拡大量が０．２mm 未満のものを「○」、０．２〜０．４mmのものを「△」、０．４mmを超えるものを「×」として評価を行った。結果を表１に示す。
【００２５】
すなわち、比較例（Ｎｏ．１：Ｉｒ金属）のプラグは火花放電ギャップが著しく拡大しているのに対し、実施例のプラグ（Ｎｏ．４〜８）については、火花放電ギャップの増加が小さく耐久性に優れている。以上の実験結果から、合金組成が本発明の範囲に属するチップを使用したプラグは、チップの耐久性に優れ、かつ溶解合金からの熱間加工（圧延及び打抜き）によるチップの製造も容易であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスパークプラグを示す正面部分断面図。
【図２】その要部を示す拡大断面図。
【符号の説明】
１ 主体金具
２ 絶縁体
３ 中心電極
４ 接地電極
３１ 発火部（チップ）
３２ 対向する発火部（チップ）
ｇ 火花放電ギャップ

Claims (4)

1. 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た主体金具と、その主体金具に一端が結合され、他端側が前記中心電極と対向するように配置された接地電極と、それら中心電極と接地電極との少なくとも一方に固着されて火花放電ギャップを形成する発火部とを備え、
   その発火部が、Ｉｒを主体としてＰｄを１〜３０重量％の範囲で含有し、さらにＲｈを１〜４９重量％の範囲で含有した合金の、圧延、鍛造又は打抜きによる熱間加工材により構成されることを特徴とするスパークプラグ。
2. 前記発火部を構成する合金は、Ｒｈを２〜２０重量％の範囲で含有する請求項１記載のスパークプラグ。
3. 前記発火部を構成する合金はＰｄを３〜２０重量％の範囲で含有する請求項１又は請求項２に記載のスパークプラグ。
4. 前記発火部を構成する合金はＰｄを５重量％以上含有し、Ｒｈを５重量％以上含有するものである請求項１ないし３のいずれかに記載のスパークプラグ。

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