JP4255519B2

JP4255519B2 - 内燃機関用スパークプラグ及びその製造方法

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Publication number: JP4255519B2
Application number: JP17018895A
Authority: JP
Inventors: 阿部　　信男; 弘法長村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1995-06-12
Filing date: 1995-06-12
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2024-04-15
Also published as: JPH08339880A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は，内燃機関用スパークプラグに関する。
【０００２】
【従来技術】
近年，自動車等の内燃機関においては，排気規制，希薄燃焼等の観点から，長寿命，高性能のスパークプラグが求められている。
これまで，スパークプラグの長寿命化に対しては，中心電極及び接地電極の放電部にＰｔ（白金）又はＰｔ合金よりなる貴金属チップを配設することにより，各電極の消耗を抑制する対策が採られてきた。
【０００３】
一方，スパークプラグの高性能化，即ち着火性等の向上に対しては，中心電極及び接地電極における放電部の先鋭化が図られ，放電部は従来よりも細径，かつ長い形状となっている。そのため，上記放電部の熱容量が小さくなって使用時の温度変化が従来よりも激しくなる。それ故，放電部の耐熱性の要求はさらに高まり，従来よりもさらに高融点材料よりなる貴金属チップが求められている。
【０００４】
そこで，Ｐｔ又はＰｔ合金よりも高融点材料であるＩｒ（イリジウム）又はＩｒ合金を上記貴金属チップとして使用したスパークプラグが提案されている。
【０００５】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来のスパークプラグにおいては，次の問題がある。
即ち，上記貴金属チップとして用いるＩｒ又はＩｒ合金は，高融点材料ではあるが，高温酸化雰囲気中において酸化物を生成する。そして，この酸化物は脆く，剥離，脱落しやすく，また１０００℃近傍で揮発する。そのため，単にＩｒ又はＩｒ合金を貴金属チップとして使用しても，Ｉｒ又はＩｒ合金の剥離，脱落或いは揮発によって，十分な長寿命化を図ることは困難である。
【０００６】
また，Ｉｒ又はＩｒ合金の剥離或いは揮発等を防止する方法として，例えば特開平５−３４３１５６号公報に示されているごとく，ＰｔパイプにＩｒの芯材を挿入した状態で引き抜き加工する方法等によって，Ｉｒの表面にＰｔ膜を形成することが提案されている。
【０００７】
これによれば，Ｐｔ膜の存在によって，Ｉｒの亀裂，剥離或いは脱落等が防止される。しかし，スパークプラグの使用温度は，急激な昇降を繰り返し，かつ最高温度も非常に高い。そのため，上記の構成においては，ＩｒとＰｔとの熱膨張率の差により発生する熱応力によってＰｔ膜が亀裂，剥離或いは脱落してしまい，上記効果が持続され難い。
【０００８】
また，特開平３−１０１０８６号公報においては，Ｉｒ又はＩｒ合金よりなる内部芯の周囲に，Ｎｉ（ニッケル）合金からなる１００μｍ以上の厚みの外筒を配設し，さらに内部芯と外筒との間に中間層を有する貴金属チップが提案されている。これによれば，外筒が上記内部芯から剥離等することを防止することができ，また貴金属チップと電極との接合信頼性を向上させることができる。
【０００９】
しかしながら，上記Ｎｉ合金は比較的融点が低く，また外筒厚みが１００μｍ以上と厚いため，Ｉｒ又はＩｒ合金による電極消耗防止効果が少ない。また，内部芯の周囲に１００μｍ以上の厚みの外筒を形成する場合，それを例えばメッキ処理方法によって行ったとしても，その処理時間が長くなり量産性に欠ける。また，使用メッキ量が増加してコストアップにもつながる。
【００１０】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，高融点のＩｒ又はＩｒ合金を有効に用いた，長寿命，高性能のスパークプラグを提供しようとするものである。
【００１１】
【課題の解決手段】
本発明は，貫通孔を有する絶縁碍子と，上記貫通孔に保持された中心電極と，上記絶縁碍子を保持するハウジングと，該ハウジングに設けられた接地電極とよりなり，上記中心電極と上記接地電極との間には火花ギャップを有し，また上記中心電極及び上記接地電極は，共にＮｉ基合金よりなると共にその放電部にそれぞれ貴金属チップを配設してある内燃機関用スパークプラグにおいて，
少なくとも一方の上記貴金属チップは，Ｉｒ又はＩｒ合金からなる芯材と，該芯材の周囲に熱処理により形成された，該芯材と耐酸化性金属とよりなる拡散層とを有してなり，
かつ上記耐酸化性金属は，Ｒｈ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｃｒの１種以上を含有していることを特徴とする内燃機関用スパークプラグにある。
【００１２】
本発明において最も注目すべきことは，少なくとも一方の上記貴金属チップは，Ｉｒ又はＩｒ合金からなる芯材と，該芯材の周囲に形成された上記拡散層とを有していることである。
上記Ｉｒ合金としては，例えばＩｒ−Ｒｈ，Ｉｒ−Ｐｔ，Ｉｒ−Ｐｄ，Ｉｒ−Ｏｓ，Ｉｒ−Ｒｕがある。
【００１３】
上記拡散層は，例えば，メッキ処理方法等により上記芯材の周囲を上記耐酸化性金属により被覆した後，８００〜１１００℃の加熱処理を加えることにより形成する。この際，上記耐酸化性金属は，拡散層の周囲に残存してもよいし，全てが拡散層に変化してもよい。
【００１４】
また、上記耐酸化性金属としては、例えばＲｈ（ロジウム）のような耐酸化性、高融点の金属を用いることができ、Ｒｈ単体であってもＲｈを含有する合金であってもよい。
【００１５】
また，上記芯材の周囲に形成されている上記拡散層の厚さは，０．５〜５０μｍであることが好ましい。拡散層の厚さが０．５μｍ未満の場合には，Ｉｒの揮発消耗を防止する効果が著しく低下してしまうという問題がある。一方，５０μｍを越える場合には，熱処理時間が長くなり量産性に欠けるという問題がある。
【００１６】
また，上記中心電極の上記放電部に配設してある上記貴金属チップは，円柱形状であって，その外径をＡ，長さをＢとした場合，０．５ｍｍ≦Ａ≦２．０ｍｍ，０．３ｍｍ≦Ｂ≦２．５ｍｍの条件を満たすことが好ましい。
上記外径Ａが０．５ｍｍ未満の場合には，貴金属チップによる耐消耗性効果があまり発揮されず，電極の消耗が激しくなるという問題がある。一方，２．０ｍｍを越える場合には，着火性の悪化及び放電電圧の上昇を招くという問題がある。
【００１７】
また，上記長さＢが０．３ｍｍ未満の場合には，中心電極との接合安定性が低下するという問題があり，一方２．５ｍｍを越える場合には，折損等の不具合が発生するという問題がある。
また，上記中心電極と上記貴金属チップとは，溶接によって接合することが好ましい。これにより，容易に接合することができる。尚，溶接方法としては，例えばレーザー溶接，抵抗溶接等がある。
【００１８】
また，上記接地電極の上記放電部に配設してある上記貴金属チップは，円柱形状であって，その外径をＣ，長さをＤとした場合，０．５ｍｍ≦Ｃ≦１．７ｍｍ，０．３ｍｍ≦Ｄ≦１．０ｍｍの条件を満たすことが好ましい。
上記外径Ａが０．５ｍｍ未満の場合には，貴金属チップによる耐消耗性効果が殆ど発揮されず，電極の消耗が激しくなるという問題がある。一方，１．７ｍｍを越える場合には，接地電極との安定した接合性が得られなくなる。
【００１９】
また，上記長さＢが０．３ｍｍ未満の場合には，接地電極との接合安定性が低下するという問題があり，一方１．０ｍｍを越える場合には，貴金属チップの温度上昇による消耗が著しくなるという問題がある。
また，上記接地電極と上記貴金属チップとは，溶接によって接合することが好ましい。これにより，容易に接合することができる。尚，溶接方法としては，例えばレーザー溶接，抵抗溶接等がある。
【００２０】
【作用および効果】
本発明の内燃機関用スパークプラグにおいては，少なくとも一方の上記貴金属チップは，従来のＰｔ等よりも高融点のＩｒ又はＩｒ合金からなる芯材を有する。そして，さらにその芯材の周囲には上記拡散層を有する。そのため，Ｉｒ又はＩｒ合金の高融点性を十分に発揮して電極の消耗を抑制し，スパークプラグの長寿命化を図ることができる。
【００２１】
即ち，Ｉｒは高融点ではあるが，高温酸化雰囲気においては約１０００℃近辺で酸化揮発する。しかしながら，本発明においては，Ｉｒ又はＩｒ合金からなる芯材の周囲に上記拡散層を有する。そのため，Ｉｒの酸化が抑制され，その酸化揮発も抑制される。それ故，Ｉｒ本来の高融点性が発揮され，電極の消耗を抑制することができる。
【００２２】
また、上記拡散層は、Ｉｒ又はＩｒ合金と、ＲｈまたはＲｈ合金の高融点で耐酸化性に優れた金属とから得られた拡散層である。そのため、拡散層自体も優れた耐消耗性を発揮する。それ故、本発明における貴金属チップは、従来よりもさらに耐消耗性に優れる。
【００２３】
また，上記の如く優れた貴金属チップを用いることによって，放電部の先鋭化を図ることができ，優れた着火性を維持することができる。
したがって，本発明によれば，高融点のＩｒ又はＩｒ合金を有効に用いた，長寿命，高性能のスパークプラグを提供することができる。
【００２４】
【実施例】
本発明の実施例にかかる内燃機関用スパークプラグにつき，図１〜図６を用いて説明する。
本例の内燃機関用スパークプラグ１０は，図４に示すごとく，貫通孔４１を有する絶縁碍子４と，上記貫通孔４１に保持された中心電極２と，上記絶縁碍子４を保持するハウジング５と，該ハウジング５に設けられた接地電極３とよりなる。
【００２５】
上記中心電極２と上記接地電極３との間には火花ギャップＧを有する。また上記中心電極２及び上記接地電極３は、共にＮｉ基合金よりなると共にその放電部にそれぞれ貴金属チップ６２、６３を配設してある。上記貴金属チップ６２、６３は、図１〜図３に示すごとく、Ｉｒ又はＩｒ合金からなる芯材６２１、６３１と、該芯材６２１、６３１の周囲に熱処理により形成された、Ｉｒ又はＩｒ合金と耐酸化性金属とよりなる拡散層６２２、６３２とを有してなる。また、上記耐酸化性金属は、ＲｈまたはＲｈ合金からなる。
【００２６】
また，図５に示すごとく，上記中心電極２の放電部に配設してある上記貴金属チップ６２は円柱形状であって，その外径Ａ＝１．０ｍｍ，長さＢ＝１．５ｍｍである。
そして，図３，図５に示すごとく，上記中心電極２と上記貴金属チップ６２とは，溶接部６２においてレーザー溶接により接合してある。
【００２７】
また，図５に示すごとく，上記接地電極３の放電部に配設してある上記貴金属チップ６３は円柱形状であって，その外径Ｃ＝１．０ｍｍ，長さＤ＝０．５ｍｍである。
そして，上記接地電極３と上記貴金属チップ６３とは，抵抗溶接によって接合してある。
【００２８】
また，上記貴金属チップ６２，６３を作製するに当たっては，まずＩｒ又はＩｒ合金よりなる芯材の周囲をメッキ処理し，約１０μｍ厚みの耐酸化性金属により被覆する。次いで，１０００℃において３０分間熱処理する。これにより，図１〜図３に示すごとく，Ｉｒ又はＩｒ合金と耐酸化性金属とが相互に拡散し，拡散層６２２，６３２が形成される。
【００２９】
そして，この拡散層６２２，６３２の周囲には，上記耐酸化性金属の残存層６２３，６３３が残存する。また，図３に示すごとく，上記拡散層６２２，６３２の厚みＴ２は約１０μｍであり，一方残存した耐酸化性金属の残存層６２３，６３３の厚みＴ３は約５μｍである。
【００３０】
次に，本例においては，上記貴金属チップ６２，６３における耐酸化性金属の違いによる耐消耗性の違いを，火花耐久試験により評価した。
耐酸化性金属としては，Ｒｈ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｃｒを用い，中心電極２における貴金属チップ６２と接地電極における貴金属チップ６３とは，同種類の耐酸化性金属を用いて同じ構成とした。上記中心電極２及び接地電極３における芯材６２１，６３１は純Ｉｒを用いた。
また，比較のために，上記と同じＩｒ合金のみからなり拡散層及び耐酸化性金属の残存層を有しない貴金属チップを備えたスパークプラグも評価した。
【００３１】
上記火花耐久試験は，４気圧に加圧した圧力容器中にスパークプラグをセットして６００℃に加熱し，１００Ｈｚで２００時間，火花放電させて行った。そして，その時の火花ギャップＧ（図４）の拡大量を測定し，耐消耗性を評価した。
その結果を図６に示す。図６は，横軸に耐酸化性金属の種類をとり，縦軸に火花ギャップＧの拡大量をとった。
【００３２】
図６より知られるごとく，火花ギャップ拡大量は，拡散層を有しない場合（Ｃ１）が最も多く，拡散層を有する場合（Ｅ１〜Ｅ４）は全てこれより良好であった。特に，Ｒｈを耐酸化性金属として用いた場合（Ｅ１）には，拡散層を有しない場合（Ｃ１）に比べて，火花ギャップ拡大量が半分以下であり，非常に優れた特性を示した。次いで，Ｃｒ（Ｅ２），Ｐｔ（Ｅ３），Ｒｄ（Ｅ４）の順に効果があった。
【００３３】
なお，本例においては，上記拡散層の厚みＴ２を約１０μｍとしたが，０．５〜５０μｍの範囲において変化させた場合にも，本例と同様の効果が得られる。
【００３４】
実施例２
本例においては，図７に示すごとく，実施例１における中心電極２に配設した貴金属チップ６２に代えて，芯材６５１の周囲に拡散層６５２のみを有し，その周囲には耐酸化性金属の残存が認められない貴金属チップ６５を用いた。
この拡散層６５２の厚みＴ２は，約１０μｍである。また，接地電極３における貴金属チップ（図示略）も，上記中心電極２における貴金属チップ６５と同様の構成とした。その他は，実施例１と同様である。
【００３５】
本例においては，拡散層６５２の周囲に耐酸化性金属が残存していないが，実施例１と同様の効果が得られる。
なお，本例においては，上記拡散層６５２の厚みを約１０μｍとしたが，これを０．５〜５０μｍの範囲において変化させた場合にも，本例と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，貴金属チップの平面図。
【図２】実施例１における，貴金属チップの縦断面図。
【図３】実施例１における，中心電極に配設した貴金属チップの斜視図。
【図４】実施例１のスパークプラグの一部切欠断面図。
【図５】実施例１における，貴金属チップの配設状態を示す説明図。
【図６】実施例１における，火花耐久試験結果を示す説明図。
【図７】実施例２における，中心電極に配設した貴金属チップの斜視図。
【符号の説明】
１０．．．スパークプラグ，
２．．．中心電極，
３．．．接地電極，
４．．．絶縁碍子，
４１．．．貫通孔，
５．．．ハウジング，
６２，６３，６５．．．貴金属チップ，
６２１，６３１．．．芯材，
６２２，６３２，６５２．．．拡散層，
６２３，６３３．．．耐酸化性金属，

Claims

貫通孔を有する絶縁碍子と，上記貫通孔に保持された中心電極と，上記絶縁碍子を保持するハウジングと，該ハウジングに設けられた接地電極とよりなり，上記中心電極と上記接地電極との間には火花ギャップを有し，また上記中心電極及び上記接地電極は，共にＮｉ基合金よりなると共にその放電部にそれぞれ貴金属チップを配設してある内燃機関用スパークプラグにおいて，
少なくとも一方の上記貴金属チップは，Ｉｒ又はＩｒ合金からなる芯材と，該芯材と耐酸化性金属とよりなる厚さが０．５〜５０μｍである拡散層を有するとともに、上記拡散層の周囲には、上記耐酸化性金属の残存層が形成されてなり，上記耐酸化性金属は，ＲｈまたはＲｈ合金からなることを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
請求項１において，上記中心電極の上記放電部に配設してある上記貴金属チップは円柱形状であって，その外径をＡ，長さをＢとした場合，
０．５ｍｍ≦Ａ≦２．０ｍｍ，０．３ｍｍ≦Ｂ≦２．５ｍｍの条件を満たし，また，上記中心電極と上記貴金属チップとは，溶接によって接合されていることを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
請求項１〜２のいずれか１項において，上記接地電極の上記放電部に配設してある上記貴金属チップは円柱形状であって，その外径をＣ，長さをＤとした場合，０．５ｍｍ≦Ｃ≦１．７ｍｍ，０．３ｍｍ≦Ｄ≦１．０ｍｍの条件を満たし，また，上記接地電極と上記貴金属チップとは，溶接によって接合されていることを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。
貫通孔を有する絶縁碍子と，上記貫通孔に保持された中心電極と，上記絶縁碍子を保持するハウジングと，該ハウジングに設けられた接地電極とよりなり，上記中心電極と上記接地電極との間には火花ギャップを有し，また上記中心電極及び上記接地電極は，共にＮｉ基合金よりなると共にその放電部にそれぞれ貴金属チップを配設してある内燃機関用スパークプラグにおいて，
少なくとも一方の上記貴金属チップを作製するに当たり、Ｉｒ又はＩｒ合金からなる芯材の周囲を，ＲｈまたはＲｈ合金からなる耐酸化性金属により被覆する被覆工程と、熱処理によって上記芯材と上記耐酸化性金属とを拡散させ、上記芯材の周囲に、該芯材と上記耐酸化性金属とが相互拡散した厚さが０．５〜５０μｍである拡散層を形成する熱処理工程とを有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。
請求項４において、上記被覆工程では、メッキ処理によって上記芯材の周囲を上記耐酸化性金属により被覆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。
請求項４又は５において、上記熱処理工程では、上記拡散層を形成すると共に、該拡散層の周囲には、上記耐酸化性金属の残存層を形成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。