JP4267802B2 - 電極材料 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として内燃機関用点火プラグ等の電極，溶接用電極等に用いられる電極材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの高圧縮比化、ターボチャージャ等での過給による充填効率向上などにより、内燃機関用点火プラグにとって、エンジン内の条件がより一層過酷になってきている。すなわち、エンジン内がさらに高温化し、さらには、ガソリン・エアー混合ガスの圧縮燃焼と同ガスの排気吸入による著しい温度変化の繰り返しや、エンジンの高出力化による振動などが加わり、これに伴って、プラグ電極に対する要求特性がますます厳しくなってきた。そこで、かかる要求に対応する為、耐熱性に優れたＷ及びＣｒを主材料とする含有する合金が検討されている。
【０００３】
このような合金として、例えば、特公昭５３−４１０８７号には、タングステンを主材料とし、ニッケル０．５〜１２重量％，鉄０．５〜８重量％，モリブデン０．５〜２５重量％、並びにＣｒ、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｍｏ、その他の添加物を含み、かつ添加物の総量が１５重量％以下の高温用タングステン基合金が開示されている。このものは、この添加物の含有により、Ｗ−Ｎｉ−Ｆｅ−Ｍｏ合金よりもさらに高い高温特性を得ることができる。
【０００４】
また、２６重量％以下のＷと３０重量％未満のＣｒを含む耐酸化性を有する耐熱合金も特公昭５４−３３２１２号、特開昭５１−１３６５２１号、特公昭５５−４０６５３号に開示されている。一方、スパークプラグ用電極材料としては、Ｃｒ１５〜４０重量％、残部をＷとするタングステン合金が、特開昭６１−２６７４８号に開示されている。この材料は、８００〜１０００℃に耐える耐酸化性の電極として、使用が期待される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特公昭５３−４１０８７号の高温用タングステン合金にあっては、Ｃｒの含有量が少なく酸化雰囲気での加熱による酸化が大きく、耐酸化性が不十分であった。また、特公昭５４−３３２１２号、特開昭５１−１３６５２１号、特公昭５５−４０６５３号に開示されている２６重量％以下のＷと３０重量％未満のＣｒを含む耐酸化性耐熱合金にあっては、Ｗ量が少ないため１９００℃以下で溶融してしまい、耐火花消耗性が不十分であった。またＣｒ量も３０重量％未満と小さく、耐酸化性も不十分であった。従って、これらに開示されている材料は、高い耐酸化性を要求されるスパークプラグ用電極材料として、適当とはいえないものであった。
【０００６】
さらには、特開昭６１−２６７４８号に開示されているタングステン合金よりなる電極材料は、８００〜１２００℃での耐酸化性が著しく向上するが、焼結温度が１３００〜１４００℃と低いため、焼結密度も理論密度の５０〜８０重量％低くなっている。このため、組織的欠陥が多く、内部まで酸化が進行し易く、耐酸化性に問題があった。
【０００７】
本発明は、耐酸化性，耐火花消耗性に優れ、焼結密度の高いスパークプラグ用電極材料や溶接用電極として最適なＷ−Ｃｒ基合金を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Ｗを３５重量％以上、Ｃｒを３０重量％〜６０重量％含有し、Ｎｉ又はＦｅのうち少なくとも一種を０．３重量％乃至２．０重量％の範囲で添加し、さらにＳｉ又はＡｌのうち少なくとも一種を５重量％以下添加するとともに、Ｗの一部をＭｏ又はＮｂのうち少なくとも一種と置換し、かつＭｏ又はＮｂの含有量を５重量％以下としたＷ−Ｃｒ基合金からなる電極材料である。
【０００９】
この構成にあって、耐火花消耗性を得るため、Ｗを主成分とし、その含有量を３５重量％以上としている。
【００１０】
次に１０００℃以上の高温での耐酸化性向上のためにＣｒの含有量は３０重量％以上とし、上限は６０重量％以下とする。Ｃｒ量が６０重量％以上となると、溶融温度が低下し、耐火花消耗性は低下し、好ましくない。
【００１１】
さらに、Ｗよりも低融点である、Ｎｉ及びＦｅの少なくとも一種を添加することにより、より低温で液相を形成させ、液相焼成を促進することが可能となり、焼結密度は８５％以上が得られる。
【００１２】
またＳｉ，Ａｌの少なくとも一種を５重量％まで添加することにより高温で、より良好で安定な酸化被膜が形成され、耐酸化性の向上がみられる。ただし、５重量％を越えると、合金の脆化が著しく、加工性が悪くなる。
【００１３】
上述の成分からなるＷ−Ｃｒ基合金は、水素ガス中あるいは、真空中等の非酸化性雰囲気で１６００〜２７００℃の温度範囲で焼結が行われる。液相焼結を十分に促進させるためには、１６００℃以上の温度が必要であり、焼結中の雰囲気による酸化あるいは浸炭を防ぐためには、２７００℃以下とする必要があるからである。
【００１４】
ここで、Ｗの一部をＭｏ又はＮｂのうち少なくとも一種と置換し、かつＭｏ又はＮｂの含有量を５重量％以下とすることができる。すなわち、耐火花消耗性を得るため、Ｗを主成分とし、その含有量を３５重量％以上とするが、このＷの一部は、ごく少量であれば、高融点で特性の似通った、ＭｏあるいはＮｂの少なくとも一種と置き換えることができる。ただし、ＭｏあるいはＮｂの含有量が５重量％を越えると、溶融温度の低下により耐火花消耗性が低下することもあるので、ＭｏあるいはＮｂの含有量が５重量％以下が望ましい。
【００１５】
以上のＷ−Ｃｒ基合金は、高温での耐酸化性、耐火花消耗性が高く、かつ高焼結密度を有し、主にスパークプラグ用電極材料として最適である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
添付図面に従って本発明の実施例を説明する。
図１は、本発明が適用される内燃機関用スパークプラグ１を示すものである。ここで、この内燃機関用スパークプラグ１は、端子部２，絶縁部３及び主体金具４を備えてなり、該主体金具４の下部には内燃機関等のエンジンヘッドに螺合するための取付け螺子５が形成される。さらに先端には中心電極６と、接地電極７とが設けられている。そしてこの接地電極４と中心電極６との間に火花放電ギャップを形成するようにしている。
【００１７】
本発明に係る電極材料は、この接地電極４及び中心電極６の材料として用いられる。
【００１８】
図２は、スパークプラグ用電極材料として用いるＷ−Ｃｒ基合金にあって、その成分を変えた試料１〜試料１９の特性を示すものであり、夫々酸化揮発性、火花消耗性、及び焼結密度を判定した。かかる図２にあって、酸化揮発性は残量率（％）により定めた。またその判定基準は次の表で示すとおりである。
【００１９】
【表１】

【００２０】
この各試料に係るＷ−Ｃｒ基合金は、水素ガス中あるいは、真空中等の非酸化性雰囲気で１６００〜２７００℃の温度範囲で焼結を行なった。ここで液相焼結を十分に促進させるためには、１６００℃以上の温度が必要である。また、２７００℃以下とするのは焼結中の雰囲気による酸化あるいは浸炭を防ぐためである。
【００２１】
ここで、本発明にあっては、特に耐酸化性のすぐれた材料を提供しようとするものであるから、酸化揮発性については優判定のもの、耐火花消耗性及び焼結密度については可以上のものを範囲内とした。
【００２２】
この図２にあって各試料と判定との関係と、その総合評価につき説明する。
ここで試料１〜試料６，９はＷ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｆｅ合金であり、Ｎｉを０．５重量％、Ｆｅを０．３重量％とし、Ｃｒを変化させると共に、その残り（Ｃが微小に含有）をＷとしたものである。ここで、試料１は、Ｃｒが少なく、このため酸化揮発性（耐酸化性）が不良であった。その他の試料２〜６，９は、酸化揮発性が良好（可又は良）ではあるものの、上述した近年の過酷な条件化における使用を前提とすると、従来を越える特性（優）とは言い難いものであった。従って、試料１〜試料６，９はその総合評価としていずれも範囲外とすべきものであった。
【００２３】
一方、試料７，８はＡｌを３重量％添加したものであるが、この添加により、酸化揮発性が向上し、優判定となった。ここで試料７は、Ｍｏを５．０重量％添加したものであり、試料８は、Ｎｂを５．０重量％添加したものである。ところで試料１０は、Ｎｂを５．０重量％添加し、Ｎｉを１．０重量％、Ｆｅを０．５重量％としたものであるが、酸化揮発性が充分ではなかった。また試料１１は、、Ｎｉを１．５重量％、Ｆｅを０．７重量％とし、試料１２は、Ｎｉを２．０重量％、Ｆｅを１．０重量％としたものであるが、同じく酸化揮発性が充分とはならなかった。従って、試料７，試料８はいずれも総合評価として適正であり、かつ試料１０〜１２はいずれも範囲外とすべきものであった。
【００２４】
ところで、試料１３〜１９は、夫々Ｓｉ又はＡｌのいずれか、又は両方を含有し、かつＣｒを４０重量％，Ｎｉを０．５重量％、Ｆｅを０．３重量％としたものであるが、いずれも、酸化揮発性が優判定となった。ただし、試料１５は、火花放電性と、焼結密度が不良であった。また、試料１８は、耐火花消耗性が不良であった。この結果、試料１３，１４及び試料１６，１７，１９は総合評価として範囲内であり、試料１５，１８は範囲外とすべきものであった。
【００２５】
上述の各結果に基づき、各成分の好ましい範囲を検討する。
各試料にあっては、いずれも、耐火花消耗性を得るため、Ｗを主成分としている。ただし、Ｗを主成分とするために、その含有量は３５重量％以上とする必要がある。
【００２６】
１０００℃以上の高温での耐酸化性向上のためにＣｒの含有量は３０重量％以上（試料１を除外）とし、上限は６０重量％以下とする。Ｃｒ量が６０重量％以上となると、溶融温度が低下し、耐火花消耗性は低下するから好ましくないからである。
【００２７】
さらに、Ｎｉ及びＦｅはＷよりも低融点であり、そこで、Ｎｉ及びＦｅの少なくとも一種を添加することにより、より低温で液相を形成させ、液相焼成を促進することが可能となり、焼結密度は８５％以上が得られる。
【００２８】
またＳｉ，Ａｌの少なくとも一種を５重量％まで添加する（試料７，８，１３，１４，１６，１７，１９）ことにより高温で、より良好で安定な酸化被膜が形成され、耐酸化性の向上がみられる。ただし、５重量％を越える（試料１５，１８）と、合金の脆化が著しく、加工性が悪くなる。
【００２９】
かかる結果を総合すると、Ｗを３５重量％以上、Ｃｒを３０重量％〜６０重量％含有し、Ｎｉ又はＦｅのうち少なくとも一種を添加し、さらにＳｉ又はＡｌのうち少なくとも一種を５重量％以下添加したＷ−Ｃｒ基合金からなるスパークプラグ用電極材料にあっては、高温での耐酸化性、耐火花消耗性が高く、かつ高焼結密度を有することとなり、近年の過酷な条件で使用されるスパークプラグ用電極材料として最適である。
【００３０】
一方、Ｗの一部は、ごく少量であれば、高融点で特性の似通った、ＭｏあるいはＮｂの少なくとも一種と置き換えることができる。ただし、ＭｏあるいはＮｂの含有量が５重量％を越えると、試料１０のように、溶融温度の低下により耐火花消耗性が低下することもあるので、ＭｏあるいはＮｂの含有量が５重量％以下が望ましい。すなわち、Ｗの一部をＭｏ又はＮｂのうち少なくとも一種と置換し、かつＭｏ又はＮｂの含有量を５重量％以下とした材料は、スパークプラグ用電極材料として好適である。尚、かかる電極材料は、スパークプラグに限定されるものではなく、溶接用電極等、他の電極材料としても用いられ得る。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は、Ｗを３５重量％以上、Ｃｒを３０重量％〜６０重量％含有し、Ｎｉ又はＦｅのうち少なくとも一種を添加し、さらにＳｉ又はＡｌのうち少なくとも一種を５重量％以下添加したＷ−Ｃｒ基合金からなるスパークプラグや溶接用電極等に用いられる電極材料であり、このため、高温での耐酸化性、耐火花消耗性が高く、かつ高焼結密度を有し、スパークプラグ用電極材料等に最適である。この場合に、Ｗの一部をＭｏ又はＮｂのうち少なくとも一種と置換し、かつＭｏ又はＮｂの含有量を５重量％以下とした構成も同様の効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関用スパークプラグ１の側面図である。
【図２】各試料の試験結果を示す図表である。
【符号の説明】
１ 内燃機関用スパークプラグ
４ 接地電極
６ 中心電極

Claims (1)

1. Ｗを３５重量％以上、Ｃｒを３０重量％〜６０重量％含有し、Ｎｉ又はＦｅのうち少なくとも一種を０．３重量％乃至２．０重量％の範囲で添加し、さらにＳｉ又はＡｌのうち少なくとも一種を５重量％以下添加するとともに、Ｗの一部をＭｏ又はＮｂのうち少なくとも一種と置換し、かつＭｏ又はＮｂの含有量を５重量％以下としたＷ−Ｃｒ基合金からなる電極材料。

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