JP4267837B2 - Spark plug and manufacturing method thereof - Google Patents
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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及びそ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タイプのものが多数提案されている。特に、火花放電時に負極性に設定されることの多い中心電極側の耐消耗部は、火花の強いアタックを受けて消耗しやすいことから、貴金属化の効果が特に大きい。このような貴金属耐消耗部は、Pt系金属で構成されることも多かったが、高温での耐火花消耗性に優れたIr系のものの使用が拡大しつつある。
【0003】
一方、高出力エンジンあるいはリーンバーンエンジンへの適用が進むにつれ、接地電極側の耐消耗部についても耐消耗性が求められるようになってきており、従来、主にPt系金属がその材質として採用されてきた。このようなPt系金属による耐消耗部は、Pt系金属からなるチップを接地電極の母材に抵抗溶接を用いて接合することにより形成される。
【0004】
しかしながら、スパークプラグの適用環境がますます厳しくなりつつある近年では、接地電極側の耐消耗部でさえ、Pt系金属では耐久性の不足が指摘されており、Ir系金属への転換が検討されている。しかし、Ir系金属はPt系金属と比べて融点が相当に高く、抵抗溶接では接合強度を十分に確保することが困難になる問題がある。その原因は、一見、Ir系金属の高融点に起因した溶け不足にあるものと思われるが、本発明者らが検討したところによると、本質的な原因はこのような溶け不足によるものではなく、Ir系金属と接地電極の母材を構成するNi系金属との、線膨張係数の不一致に起因したものであることが明らかになってきた。
【0005】
すなわち、Niの高温での線膨張係数は、800K(527℃)で16.8×10−6/℃であるのに対し、Irは8.1×10−6/℃とかなり小さい。従って、溶接後に冷却する際に、あるいは、エンジンに取り付けて使用するときの冷熱サイクル付加により、耐消耗部と母材との接合面に収縮差に基づく応力が集中し、剥離等につながりやすくなるのである。
【0006】
そこで、特開2000−277231号公報には、Ir系金属からなる耐消耗部とNi系金属からなる電極母材との間に、両者の中間の線膨張係数を有する緩和層を挿入し、接合界面への熱的な力集中を緩和して耐剥離性を向上させる提案がなされている。緩和層の材質としては、Pt−20質量%Ir合金、Pt−20質量%Ir−2質量%Ni合金、あるいはPt−10質量%Ni合金など、Ptを主成分とした金属が用いられている。また、上記公報中では、耐消耗部となる貴金属チップを緩和層に食い込ませ、接合界面を曲面状となすことで、耐剥離性をさらに向上させる提案もなされている(公報図2、図10等)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報のスパークプラグにおいては、次のような問題が生じやすくなる。すなわち、ガソリンエンジンの燃料の無鉛化が遅れている一部の国や地域では、アンチノック剤として四メチル鉛などを添加した有鉛ガソリンが現在でも使用されている。そして、これらの国や地域でも、高級車等においては貴金属チップを使用したスパークプラグが使用され始めているが、本発明者らの検討によると、有鉛ガソリンを使用するエンジンにおいては、Pt系の耐消耗部を使用したスパークプラグを適用すると、ガソリン中に含まれるPb(鉛)成分の影響により耐消耗部が異常腐食することが判明した。従って、上記公報のように緩和層を使用するタイプのスパークプラグにおいても、その緩和層がPt系金属で構成されている場合、特に、公報図2や図10等のように、緩和層の表面が一部雰囲気中に露出する形になっている場合は、Pb成分のアタックにより緩和層が急速に腐食し、耐消耗部の剥離・脱落等につながる懸念が生ずる。この鉛腐食の問題は、電極温度の上がりやすい接地電極側にてより生じやすく、極端な場合、接地電極側の耐消耗部だけが鉛腐食の影響を大きく受けるといったこともありうる。なお、本願出願人は、特公平7−11974号公報において、接地電極側ではなく、中心電極側の貴金属耐消耗部及び緩和層を、それぞれ耐鉛腐食性に優れたIr−Ni系合金で構成するスパークプラグを提案している。しかし、本発明者等の検討によると、貴金属耐消耗部及び緩和層がいずれもIr−Ni系合金で構成される該公報の構造を、より温度上昇の激しい接地電極側に適用した場合、貴金属耐消耗部と緩和層との接合界面でIrの酸化による界面腐食が著しくなり、貴金属耐消耗部の剥離・脱落が生じやすくなる問題があることがわかった。
【0008】
本発明は、貴金属耐消耗部と接地電極母材との間に緩和金属部を設けるとともに、特に鉛腐食及び酸化腐食の進行しやすい環境下でも、貴金属耐消耗部と緩和金属部との界面の剥離耐久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。
【0009】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
本発明に係るスパークプラグは、接地電極の側面に固着された貴金属耐消耗部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において、
接地電極の少なくとも側面部がニッケル合金からなる電極母材とされ、
貴金属耐消耗部は、Ir及びRhの一方又は双方を合計にて80質量%以上含有し、かつIrの含有量が97質量%以下であって、Pt、Rh、Ru及びReから選ばれる1種又は2種以上の含有率が3質量%以上である金属にて構成されるとともに、電極母材と貴金属耐消耗部との中間の線膨張係数を有する金属からなる緩和金属部を介して電極母材に接合され、
また、緩和金属部は、IrとRhとの合計が30質量%以上であり、かつRhとNiとの合計が20質量%以上である金属にて構成され、さらに、
貴金属耐消耗部と中心電極との対向方向を基準として見たときに、緩和金属部は、側周面の少なくとも一部を電極母材中に埋没させる形で該電極母材に接合される一方、その緩和金属部の中心電極との対向側の端面外周縁部を接地電極の側面に露出させた形態にて、貴金属耐消耗部が、側周面の少なくとも一部を緩和金属部中に埋没させる形で該緩和金属部に接合されたことを特徴とする。
【0010】
上記本発明のスパークプラグにおいては、接地電極母材を周知のNi系合金にて構成する場合、該接地電極側の貴金属耐消耗部を、その側周面の少なくとも一部を緩和金属部中に埋没させる形で貴金属耐消耗部に接合した構造となし、かつ、貴金属耐消耗部と緩和金属部とを各々上記の組成にて構成することにより、鉛腐食及び酸化腐食の双方を考慮しなければならない過酷な環境下においても、それら貴金属耐消耗部と緩和金属部との接合界面の剥離耐久性を大幅に向上させることができる。
【0011】
また、上記本発明のスパークプラグは、緩和金属部を形成するための第一金属チップを接地電極の側面に重ね合わせて加圧しつつ通電加熱することにより、該第一金属チップを電極母材に接合する第一接合工程と、緩和金属部を形成するための第一金属チップに対し、貴金属耐消耗部を形成するための、第一金属チップよりも径小の第二金属チップを重ね合わせて加圧しつつ通電加熱することにより、該第一金属チップを第二金属チップに接合する第二接合工程とを含む本発明のスパークプラグの製造方法により製造できる。なお、第一接合工程と第二接合工程は、この順序で実施してもよいし、実施順序を逆としてもよい。なお、本明細書でいう貴金属耐消耗部及び緩和金属部の各組成は、接合されたチップのうち、溶接時に生ずる溶融部あるいは拡散部を除いた部分の組成を指すものとする。この意味において、第一金属チップは得るべき緩和金属部と同一組成のものが、また、第二金属チップは貴金属耐消耗部と同一組成のものが、それぞれ使用されることとなる。
【0012】
【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(ここでは、先端面)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には上記中心電極側貴金属耐消耗部31に接地電極側貴金属耐消耗部32が形成されており、それら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との間の隙間が火花放電ギャップgとされている。
【0013】
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。
【0014】
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4mがNi合金で構成されている。このうち、図2(a)に示すように、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、電子ビーム溶接、抵抗溶接等により溶接部Bを形成してこれを固着することにより中心電極側貴金属耐消耗部31が形成される。接地電極側貴金属耐消耗部(以下、単に貴金属耐消耗部という)32の形成方法については、後に詳述する。
【0015】
接地電極4は、少なくとも側面部、ここでは全体がニッケル合金からなる電極母材4mとされている。貴金属耐消耗部32は、Ir及びRhの一方又は双方を合計にて80質量%以上含有し、かつIrの含有量が97質量%以下であって、Pt、Rh、Ru及びReから選ばれる1種又は2種以上の含有率が3質量%以上である金属にて構成されている。そして、図2(b)に示すように、電極母材4mと貴金属耐消耗部32との中間の線膨張係数を有する金属からなる緩和金属部33を介して電極母材4mに接合されている。緩和金属部33は、IrとRhとの合計が30質量%以上であり、かつRhとNiとの合計が20質量%以上である金属にて構成されている。なお、緩和金属部33はNiを必須成分として含有していると、Niを主体に構成する電極母材4mとの線膨張係数の差をさらに縮めることができるので、より望ましい。
【0016】
そして、貴金属耐消耗部32と中心電極3との対向方向(即ち、中心電極3の軸線方向)Oを基準として見たときに、緩和金属部33は、側周面33sの少なくとも一部を電極母材4m中に埋没させる形で該電極母材4mに接合されている。また、貴金属耐消耗部32は、緩和金属部33の中心電極3との対向側の端面外周縁部33pを接地電極4の側面4cに露出させた形態にて、側周面32sの少なくとも一部を緩和金属部33中に埋没させる形で該緩和金属部33に接合されている。
【0017】
接地電極4側の貴金属耐消耗部32の周辺構造及び各部の組成を上記のように構成することで、有鉛ガソリンを使用した高速・高負荷条件下でスパークプラグ100を使用する場合など、鉛腐食及び酸化腐食の双方を考慮しなければならない過酷な環境下において、それら貴金属耐消耗部32と緩和金属部33との接合界面BDの剥離耐久性を大幅に向上させることができる。以下、その理由について詳細に説明する。
【0018】
貴金属耐消耗部32の組成は、高温での耐火花消耗性及び耐酸化消耗性を抑制することを一つの観点として設定されたものであるが、RhやIrがリッチな組成であるから、高温(例えば800K)での線膨張係数の値はおおむね9〜10(×10−6/℃:以下、煩雑であるので、線膨張係数の値を示すとき、「×10−6/℃」の部分を省略して示す)程度の値となるのに対し、電極母材4mはNiリッチであり、線膨張係数の値は15〜16と大きい。そこで、両者の収縮差を緩和するために両者の間に、それらの中間の線膨張係数を有する緩和金属部33が配置される。
【0019】
しかしながら、図6(a)に示すように、貴金属耐消耗部32の側周面32sが電極母材4mと直接接する界面BDDが形成されている場合、この区間には緩和金属部33の効果が及ばないので、冷熱サイクルが加わったとき、貴金属耐消耗部32と電極母材4mとの膨張差により界面BDDを開く向きの応力が強く作用する。特に、前記した公報のごとく、接地電極4側において、鉛腐食及び酸化腐食への耐久性を両立させるための各部の組成条件を十分に考慮していない構成を採用したときは、図6(b)に示すように、貴金属耐消耗部32の側周面32sから緩和金属層33rの周側面を経て底面33b側に回り込む亀裂Cが急速に進展し、貴金属耐消耗部32が緩和金属層33rもろとも剥離しやすくなることがわかった。また、昇温時の膨張差により界面BDDに亀裂Cが生じたとき、応力集中する亀裂先端部での腐食が助長されると、いわゆる応力腐食割れと類似の現象により亀裂進展が促される可能性もありうる。
【0020】
そこで、図6(c)に示すように、貴金属耐消耗部32の側周面32sを緩和金属部33中に埋没させた構造にすると、側周面32sと電極母材4mとの間にも緩和金属部33が挟まって応力緩和効果を生ずるので、図6(d)に示すように、貴金属耐消耗部32の側周面32sにおける亀裂Cの進展速度は減少する。また、該亀裂Cは、貴金属耐消耗部32の底面32bには回り込まず、緩和金属層33を横切って電極母材4mに到達する形で進展し、結果的に貴金属耐消耗部32の剥離が生じにくくなることもわかった。なお、この効果を高めるには、図2(c)に示すように、貴金属耐消耗部32の側周面32sの全面を緩和金属部33に埋没させた構造とすることが望ましい。図6(b)のような構成では、緩和金属部33の底面外周縁が、比較的大きな曲率半径を有した形状になりやすく、その丸みを帯びた縁に沿ってクラックが底面32b側に回り込みやすくなるなるのに対し、図6(d)の構成では、貴金属耐消耗部32の底面外縁までクラックが進行しても、該外縁が比較的先鋭な形状となっているため、クラックが底面32b側に回り込まず、直進しやすくなると考えられる。
【0021】
しかし、接合界面BDDの剥離耐久性を十分に確保するためには、それだけでは十分でなく、貴金属耐消耗部32及び緩和金属部33の組成を上記の範囲に調整することが不可欠である。まず、貴金属耐消耗部32は、先にも説明した通り、高温での耐火花消耗性を確保する観点から、Ir及びRhの一方又は双方を合計にて80質量%以上含有したものとする必要がある。例えば、高温での火花消耗を抑制する観点では融点のより高いIrを使用することが有効であるが、Irは高温では酸化揮発消耗を生じやすいので、これを抑制するために、Irの含有量は97質量%以下とし、かつ、Pt、Rh、Ru及びReから選ばれる1種又は2種以上の含有率を3質量%以上とする必要がある。後者の元素群は、Irが含有される場合には、その酸化揮発を抑制する効果を有する。ただし、合計含有量が3質量%未満では、十分な効果が得られない。また、酸化揮発消耗抑制をより優先させたい場合には、80質量%以上確保されるRh+Irの合計含有量において、Rh含有量を優位とし、Ir含有量を低減することが有効となる。もちろん、Irを全く含有させない組成を採用することも可能であり、この場合は、Irの酸化揮発消耗が生じなくなることが自明である。なお、Rh含有量を増大させることは、耐鉛腐食性を向上させる観点においても効果があり、特に、Rhの含有量を50質量%以上としたときに顕著である。他方、鉛腐食抑制を考慮しつつ、高温での耐火花消耗性抑制効果をより高めたい場合には、Ir含有量を30〜80質量%とするのがよい。
【0022】
次に、緩和金属部33は、IrとRhとの合計が40質量%以上(100質量%含む)であり、かつRhとNiとの合計が20質量%以上(100質量%含む)である金属にて構成する必要がある。緩和金属部33は、貴金属耐消耗部32が、Ir及び/又はRhを主体に構成されるので、IrとRhとの合計含有量を40質量%以上確保しないと、応力緩和効果が十分に達成されなくなる。他方、RhとNiとは、耐鉛腐食性を改善する効果があり、両者の一方又は双方を合計にて20質量%以上含有させることで、鉛腐食による緩和金属部33自体の消耗抑制、及び貴金属耐消耗部32との界面での、鉛腐食に起因した亀裂進展助長を抑制することができる。ここでも、鉛腐食の影響を緩和するためには、Rhの含有量を増加させることがより有効であり、例えば、Rhの含有量を50質量%以上(100質量%含む)とすると、鉛腐食の影響をさらに劇的に改善することができる。
【0023】
そして、重要な点は、前記した貴金属耐消耗部32の組成と上記の緩和金属部33の組成とを組み合わせて採用した場合に限り、接地電極4側において、貴金属耐消耗部32と緩和金属部33との界面における、酸化腐食に起因した亀裂進展助長を抑制する効果も同時に達成することが可能になることである。すなわち、貴金属耐消耗部32側では、Irを含有しない場合も含め、Irの酸化消耗が問題となりにくい組成が採用されているが、これが、結果としては緩和金属部33との界面での亀裂進展をも効果的に抑制することにつながる(特に、酸化腐食に起因した応力腐食割れ的な機構が関与している場合は、亀裂進展抑制はより顕著になるものと考えられる)。そして、鉛腐食と酸化腐食の双方が問題となるスパークプラグの使用環境下では、これらのいずれの構成が欠けても、結果的に貴金属耐消耗部32の耐剥離性を十分に確保することができなくなってしまうのである。
【0024】
なお、緩和金属部33の組成は、当然に、線膨張係数が貴金属耐消耗部32と電極母材4mとの中間となることも考慮して選択されなければならないが、これは、採用する電極母材4m及び貴金属耐消耗部32の具体的な組成に応じて、適宜調整されなければならない。しかし、貴金属耐消耗部32は、前述した通り、IrとRhとの合計含有量が80質量%以上であり、その800Kでの線膨張係数は8〜11程度の範囲にある。他方、接地電極4の電極母材4mの材質としては、Ni含有量が60質量%以上(高温強度及び耐酸化性確保の関係から、上限は95質量%程度である)であり、かつNi以外の残部が主にCr又はCr及びFeからなるNi合金とされることが多い。例えば、電極母材4mの材質として多用されるインコネル600(商標名)は、Ni:76質量%、Cr:15.5質量%、Fe:8質量%(残部微量添加元素もしくは不純物)であり、インコネル601(商標名)は、Ni:60.5質量%、Cr:23質量%、Fe:14質量%(残部微量添加元素もしくは不純物)である。Fe及びCrの800Kでの線膨張係数がそれぞれ16.2及び11.8であることを考慮すれば、上記の組成の電極母材4mの800Kでの線膨張係数は、14〜16程度の範囲にあると見積もられる。
【0025】
そこで、緩和金属部33は、前記した緩和金属部の効果が損なわれない範囲での副成分の含有を考慮して、Ir、Rh及びNiの合計含有量を90質量%以上に定めたとき、Ir、Rh及びNiの合計を100質量%に換算したときの、Ir、Rh及びNiの組成が、図3に示すIr−Ni−Rh三成分系組成正三角形上において、
A点:Ir=80質量%、Ni=20質量%、Rh=0質量%
B点:Ir=80質量%、Ni=0質量%、Rh=20質量%
C点:Ir=0質量%、Ni=0質量%、Rh=100質量%
D点:Ir=0質量%、Ni=70質量%、Rh=30質量%
E点:Ir=30質量%、Ni=70質量%、Rh=0質量%
の各点を順次結んで得られる閉組成領域の内部(境界含む)に設定されていることが、緩和金属部33による応力緩和効果を十分に確保する上で望ましい。図3には、各組成にて推定される800Kでの線膨張係数の値を等高線により示している(括弧内は線膨張係数の数値である)。これからもわかる通り、上記の閉組成領域は、線膨張係数の値がおおむね略9〜15となる範囲に対応している。
【0026】
なお、緩和金属部33の組成は、より望ましくは、
A’点:Ir=70質量%、Ni=30質量%、Rh=0質量%
B’点:Ir=0質量%、Ni=10質量%、Rh=90質量%
D点:Ir=0質量%、Ni=70質量%、Rh=30質量%
E点:Ir=30質量%、Ni=70質量%、Rh=0質量%
の各点を順次結んで得られる閉組成領域の内部(境界含む:線膨張係数の値が略11〜14に対応)に設定されていること、さらには望ましくは、
A”点:Ir=60質量%、Ni=40質量%、Rh=0質量%
B”点:Ir=0質量%、Ni=20質量%、Rh=80質量%
D’点:Ir=0質量%、Ni=60質量%、Rh=40質量%
E’点:Ir=40質量%、Ni=60質量%、Rh=0質量%
の各点を順次結んで得られる閉組成領域の内部(境界含む:線膨張係数の値が略12〜14に対応)に設定されているのがよい。緩和金属部33中のNi含有量を増加させることは、電極母材4mとの線膨張係数差を縮小する上でより有効である。
【0027】
上記スパークプラグ100の貴金属耐消耗部32は、図4に示すような、一般的な抵抗溶接を用いた工程により形成することができる。まず、(a)に示すように、緩和金属部33を形成するための第一金属チップ33’を接地電極4の側面4cに重ね合わせて加圧しつつ、電極EL,EL間に挟み付けて通電加熱することにより、該第一金属チップ33’を電極母材4mに食い込ませながら接合する(第一接合工程)。次に、(b)に示すように、緩和金属部33を形成するための第一金属チップ33’に対し、貴金属耐消耗部32を形成するための、第一金属チップ33’よりも径小の第二金属チップ32を重ね合わせて加圧しつつ通電加熱することにより、該第一金属チップ33’を第二金属チップ32’に食い込ませながら接合する(第二接合工程)。これらの工程により、(c)に示すように、第一金属チップ33’と第二金属チップ32’とは、それぞれ緩和金属部33及び貴金属耐消耗部32となる。
【0028】
第一金属チップ33’及び第二金属チップ32’が、厚さ方向に重ね合される円板状とされる場合、第二金属チップ32’の直径を0.2〜2mmに設定するとともに、第一金属チップ33’の直径を第二金属チップ32’の直径の104〜200%に設定するのがよい。第二金属チップ32’の直径が0.2mm未満では、形成される貴金属耐消耗部32が、高温ですぐに火花消耗し、寿命を十分に確保できなくなる。他方、第二金属チップ32’の直径が2mmを超えると、接合界面に働く熱応力が大きくなりすぎて、耐剥離性を十分に確保できなくなる。また、第一金属チップ33’の直径が第二金属チップ32’の直径の104%未満になると、緩和金属部33を、貴金属耐消耗部32の側周面32s側に十分回り込ませた構造を実現できなくなる。他方、200%を超えると、得られる緩和金属部33による応力緩和効果が飽和し、不要なコストアップを招く。第一金属チップ33’の直径は、これらを考慮して0.3〜2.5mmとする。
【0029】
さらに、第二金属チップ32’の厚さは0.1〜1.0mmとするのがよく、第一金属チップ33’の厚さは第二金属チップ32’の厚さの20〜300%とするのがよい。第二金属チップ32’の厚さが0.1mm未満では、得られる貴金属耐消耗部32の厚さが不足し、十分な寿命を確保できなくなる。また、機械的な剛性も不足するので、熱応力による貴金属耐消耗部32の変形も起こりやすくなる。第二金属チップ32’の厚さが1.0mmを超えると、抵抗溶接時における電極母材4mへの埋没量が大きくなりすぎ、電極母材4mの変形が甚だしくなる。他方、第一金属チップ33’の厚さが第二金属チップ32’の厚さの20%未満になると、得られる緩和金属部33の厚さが薄くなり過ぎ、応力緩和機能が不十分となる。また、300%を超えると、得られる緩和金属部33による応力緩和効果が飽和し、不要なコストアップを招く。
【0030】
さらに、図4(d)に示すように、接地電極4の側面4cの幅をW、第一チップ33’の直径をd1としたとき、寸法差L=W−d1が0.1mm以上確保されていることが望ましい。Lが0.1mm未満になると、抵抗溶接時において、第一チップ33’を電極母材4m中に十分に埋没させることが困難となる。
【0031】
なお、図2(c)に示すように、貴金属耐消耗部32及び緩和金属部33との双方を、対向方向Oにおいて繊維状に引き延ばされた結晶組織を有するものとして構成すると、図6(c)に示す、貴金属耐消耗部32の底面32b側への亀裂の進展が一層進みにくくなり、耐剥離性をより高めることができる。組織をこのようなものとするには、合金を熱間鍛造、熱間圧延及び熱間伸線の1種又は2種以上の組合せにより線状あるいはロッド状の素材に加工した後、これを長さ方向に所定長に切断して形成したチップ(後述する第一チップ33’及び第二チップ32’)を用いて貴金属耐消耗部32及び緩和金属部33を形成することが有効である。なお、繊維状に引き延ばされた結晶組織とは、組織延伸方向と平行な断面に観察される結晶粒子の平均的なアスペクト比(図2(d):W1/W2)が5以上となっているものをいう。
【0032】
なお、円板状の第一金属チップ33’及び第二金属チップ32’を用いたとき、図5に示すように、前記した対向方向Oにおいて、貴金属耐消耗部32の緩和金属部33への接合端面32bを平坦に形成し、緩和金属部33の電極母材4mへの接合端面(底面)33bが、中央部が外縁部よりも突出する凸曲面状に形成することができる。このようにすると、接合面積が増大して貴金属耐消耗部32の接合強度が高められるほか、接合端面33bの中央部において緩和金属部33の厚みが増すので、該中央部での応力緩和効果が高められ、接合端面33bの中央部への亀裂進展を抑制することができる。その結果、貴金属耐消耗部32の耐剥離性をさらに向上させることができる。なお、上記のような構造を得るには、用いる第一チップ33’の厚さt1と、第二チップ32’の厚さt2との比t1/t2を0.5〜2.0に設定することが有効である。
【0033】
さらに、図7(d)に示すように、緩和金属部33の側周面33sを、対向方向Oにおける中央部が両端部よりも半径方向に膨出する凸型に形成することもできる。このようにすると、緩和金属部33の凸状の側周面33sが、対応する凹状に形成された電極母材4m側の孔内側面4sと係合して、緩和金属部33の抜け落ちが生じにくくなる。このような緩和金属部33を形成するには、図7(a)に示すように、球状の第一チップ133を用い、これを抵抗溶接時の加熱圧縮によりつぶしながら電極母材4mに食い込ませればよい。なお、この実施形態では、球状の第一チップ133は、図7(b)に示すように、抵抗溶接時の電極の先端面に対応して、上面が平坦化される形で電極母材4mに食い込んでおり、図7(c)に示すように、ここに円板状の第二チップ32’を重ねて、図4と同様に抵抗溶接することにより、図7(d)に示すように、貴金属耐消耗部32を形成している。これによると、貴金属耐消耗部32の緩和金属部33への接合端面32bを平坦に形成できる一方、緩和金属部33の電極母材4mへの接合端面(底面)33bは、図5と同様に、中央部が外縁部よりも突出する凸曲面状に形成することができる。
【0034】
なお、図8に示すように、1つの緩和金属部33に対し、複数の貴金属耐消耗部32を分散させる形で接合することもできる。
【0035】
【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。
(実施例1)
接地電極側の緩和金属層及び貴金属耐消耗部を形成するための第一チップ及び第二チップを、以下のように作製した。まず、貴金属耐消耗部用の第二チップは、所定量のIrとRhとを配合・溶解することにより、Ir−40質量%Rhの組成を有する合金を作製した。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1mmの合金線材を得た。これを長手方向に切断することで直径1mm、厚さ0.2mmの円板状のチップとした。また、緩和金属層用の第一チップは、種々の比率にてIrとNiとを配合・溶解することにより、表1に示す各種Ni含有量を有するIr−Ni合金を作製した。そして、第二チップと同様の方法により直径1.2mm、厚さ0.2mmの円板状のチップとした。これらチップを用いて、インコネル600製の接地電極母材の側面(幅2.5mm)に、図4に示す方法により抵抗溶接し、図2に示す形態の接地電極側の接合構造を完成させた。なお、抵抗溶接の条件は、通電電流値650A、加圧荷重35kg/cm2に設定した。
【0036】
一方、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、上記第二チップと同様の方法により作製し、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(ただし、ギャップ間隔1.1mm)、接地電極側の貴金属耐消耗部の耐剥離性と耐鉛腐食性とを評価した。
【0037】
まず、耐剥離性の評価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ガスバーナーにより1000℃に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。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、貴金属耐消耗部と緩和金属層部との界面の亀裂もしくは酸化スケールの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出する。そして、その剥離進展率が50%を超えたものを不良(×)、50%以下のものを良好(○)として評価する。
【0038】
他方、耐鉛腐食性の評価は以下のようにして行なった。すなわち、各スパークプラグを、6気筒ガソリンエンジン(排気量2000cc)に取り付け、4メチル鉛を0.04質量%含有する有鉛ガソリンを燃料として、スロットル全開状態、エンジン回転数5000rpmにて、中心電極側が負となる極性にて100時間運転を行なった。運転終了後、試験品を、接地電極の貴金属耐消耗部と緩和金属層と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、緩和金属層の貴金属耐消耗部の周囲を取り囲む部分の残留率が80%以上のものを優良(◎)、60%以上80%未満のものを良好(○)、60%未満のものを不良(×)として評価する。以上の結果を表1に示す。
【0039】
【表1】
これによると、Ir−Ni合金からなる緩和金属部の場合、Ni量が20〜70質量%の範囲内において、耐剥離性及び耐鉛腐食性のいずれも良好となっていることがわかる。
【0040】
(実施例2)
貴金属耐消耗部用の第二チップをIr−40質量%Rhの組成とし、緩和金属層用の第一チップを、種々の比率のRh−Ni合金とした以外は、実施例1と同様のスパークプラグ試験品を作製し、同様の評価を行なった。以上の結果を表2に示す。
【0041】
【表2】
これによると、Rh−Ni合金からなる緩和金属部の場合、Ni量が70質量%以下の範囲(100質量%Rhを含む)において、耐剥離性及び耐鉛腐食性のいずれも良好となっていることがわかる。
【0042】
(実施例3)
貴金属耐消耗部用の第二チップを種々の比率のIr−Pt合金とし、緩和金属層用の第一チップを、Ir−40質量%Niの組成とした以外は、実施例1と同様のスパークプラグ試験品を作製し、同様の評価を行なった。ただし、耐鉛腐食性の評価は、貴金属耐消耗部の残留率が80%以上のものを優良(◎)、60%以上80%未満のものを良好(○)、60%未満のものを不良(×)として評価する。以上の結果を表3に示す。
【0043】
【表3】
これによると、Ir−Pt合金からなる貴金属耐消耗部の場合、Pt量が3〜20質量%の範囲において、耐剥離性及び耐鉛腐食性のいずれも良好となっていることがわかる。
【0044】
(実施例4)
貴金属耐消耗部用の第二チップを種々の比率のIr−Rh合金とし、緩和金属層用の第一チップを、Ir−40質量%Niの組成とした以外は、実施例1と同様のスパークプラグ試験品を作製し、同様の評価を行なった。ただし、耐鉛腐食性の評価は、貴金属耐消耗部の残留率が80%以上のものを優良(◎)、60%以上80%未満のものを良好(○)、60%未満のものを不良(×)として評価する。以上の結果を表4に示す。
【0045】
【表4】
これによると、Ir−Rh合金からなる貴金属耐消耗部の場合、Rh量が10質量%以上の範囲において、耐剥離性及び耐鉛腐食性のいずれも良好となっていることがわかる。
【0046】
(実施例5)
貴金属耐消耗部用の第二チップをIr−40質量%Rh合金とし、緩和金属層用の第一チップを、Ir−40質量%Niの組成として、実施例1と同様に作製した。ここで、第一チップの寸法は直径d1を1.2mm、厚さを0.2mmに固定したが、第二チップは厚さ0.2mmに固定し、直径d2を0.9〜1.18mmの種々の寸法に形成した。これらのチップを用いて、実施例1と同様のスパークプラグ試験品を作製し、耐剥離性の評価を実施例1と同様に行なった。以上の結果を表5に示す。
【0047】
【表5】
これによると、d1/d2が104%以上で耐剥離性がいずれも良好となっていることがわかる。
【0048】
(実施例6)
貴金属耐消耗部用の第二チップをIr−40質量%Rh合金とし、緩和金属層用の第一チップを、Ir−40質量%Niの組成として、実施例1と同様に作製した。ここで、第一チップの直径d1と第二チップの直径d2との比d1/d2を120%に固定し(いずれも厚さ0.2mm)、かつ第二チップの直径d2を0.2〜1.5mmの種々の寸法に設定した。これらのチップを用いて、実施例1と同様のスパークプラグ試験品を作製し、耐火花消耗性試験を以下の条件にて行った。すなわち、プラグを試験用チャンバに取り付けるとともにフルトランジスタ型イグナイタに接続し、チャンバ内空気圧0.4MPa(約4気圧)、最大電圧30kVにて周波数100Hzの交流電圧を100時間印加するとともに、試験後に同様の断面観察を行い、貴金属耐消耗部の厚さが70%以上残留していたものを良好(○)、70%未満であったものを不良(×)として評価する。結果を表6に示す。
【0049】
【表6】
【0050】
これによると、d2が0.3mm以上で耐消耗性が良好となっていることがわかる。
【0051】
(実施例7)
貴金属耐消耗部用の第二チップをIr−40質量%Rh合金とし、緩和金属層用の第一チップを、Ir−40質量%Niの組成として、実施例1と同様に作製した。ここで、第一チップの直径d1を、接地電極の幅W(2.5mm)を基準として、L=W−d1の値が0〜0.4mmの種々の値となるように設定した。これらのチップを、実施例1と同様に接地電極に溶接するとともに、溶接後の同様の断面観察により、チップ厚みの90%以上が埋没していたものを良好(○)、90%未満であったものを不良(×)として評価する。結果を表7に示す。
【0052】
【表7】
【0053】
これによると、L=W−d1の値が0.1mm以上で溶接性が良好となっていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のスパークプラグの一実施例を示す正面部分断面図。
【図2】その要部を示す拡大断面図。
【図3】緩和金属部の望ましい組成範囲を示す図。
【図4】接地電極側の貴金属耐消耗部の形成工程の一例を説明する図。
【図5】緩和金属部の第一の変形態様を示す断面図。
【図6】本発明のスパークプラグの作用を比較例とともに示す図。
【図7】緩和金属部の第二の変形態様を示す断面図。
【図8】貴金属耐消耗部の変形態様を示す斜視図。
【符号の説明】
3 中心電極
4 接地電極
4c 側面
4m 電極母材
31a 先端面
32 貴金属耐消耗部
32b 接合端面
32s 側周面
32’ 第二金属チップ
33 緩和金属部
33p 端面外周縁部
33s 側周面
33’ 第一金属チップ
g 火花放電ギャップ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a spark plug used for an internal combustion engine and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Many spark plugs as described above have been proposed in which a wear-resistant portion is formed by welding a noble metal tip mainly composed of Pt, Ir or the like to the tip of an electrode in order to improve the spark wear resistance. . In particular, the wear resistant part on the side of the center electrode, which is often set to negative polarity at the time of spark discharge, is likely to wear due to a strong attack of the spark, so that the effect of precious metalization is particularly great. Such noble metal wear resistant parts are often composed of Pt-based metals, but the use of Ir-based ones that are excellent in spark wear resistance at high temperatures is expanding.
[0003]
On the other hand, as application to high-power engines or lean-burn engines progresses, wear resistance is also required for the wear-resistant part on the ground electrode side. Conventionally, Pt-based metals have been mainly used as the material. It has been. Such a wear resistant part made of Pt-based metal is formed by joining a chip made of Pt-based metal to the base material of the ground electrode using resistance welding.
[0004]
However, in recent years when the application environment of spark plugs is becoming increasingly severe, it has been pointed out that even the wear-resistant part on the ground electrode side is insufficient in durability with Pt-based metals, and conversion to Ir-based metals has been studied. ing. However, Ir-based metals have a considerably higher melting point than Pt-based metals, and there is a problem that it is difficult to ensure sufficient joint strength by resistance welding. The cause seems to be due to insufficient melting due to the high melting point of Ir-based metals. However, according to the study by the present inventors, the essential cause is not due to such insufficient melting. It has become clear that this is due to a mismatch in linear expansion coefficient between the Ir-based metal and the Ni-based metal constituting the base material of the ground electrode.
[0005]
That is, the linear expansion coefficient of Ni at a high temperature is 16.8 × 10 8 at 800 K (527 ° C.). -6 / ° C while Ir is 8.1 × 10 -6 / C and very small. Therefore, when cooling after welding, or by applying a thermal cycle when mounted on an engine and used, stress based on the shrinkage is concentrated on the joint surface between the wear resistant part and the base material, which easily leads to peeling. It is.
[0006]
Therefore, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-277231, a relaxation layer having a linear expansion coefficient intermediate between both of the wear resistant part made of Ir metal and the electrode base material made of Ni metal is inserted and bonded. Proposals have been made to improve the peel resistance by relaxing the thermal force concentration on the interface. As the material of the relaxation layer, a metal mainly composed of Pt, such as a Pt-20 mass% Ir alloy, a Pt-20 mass% Ir-2 mass% Ni alloy, or a Pt-10 mass% Ni alloy, is used. . Further, in the above publication, a proposal has been made to further improve the peeling resistance by causing a noble metal tip serving as a wear resistant portion to bite into the relaxation layer and making the bonding interface into a curved surface (see FIGS. 2 and 10). etc).
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the spark plug of the above publication tends to cause the following problems. That is, in some countries and regions where lead-free fuel for gasoline engines is delayed, leaded gasoline with tetramethyl lead added as an anti-knock agent is still used. In these countries and regions, spark plugs using precious metal chips have begun to be used in luxury cars, etc., but according to the study by the present inventors, in engines using leaded gasoline, Pt series It has been found that when a spark plug using a wear resistant part is applied, the wear resistant part is abnormally corroded by the influence of a Pb (lead) component contained in gasoline. Therefore, even in a spark plug using a relaxation layer as described in the above publication, when the relaxation layer is made of a Pt-based metal, the surface of the relaxation layer is particularly formed as shown in FIGS. Is partially exposed to the atmosphere, the Pb component attack may cause the mitigation layer to corrode rapidly, leading to a concern that the wear resistant part may be peeled off or dropped off. This problem of lead corrosion is more likely to occur on the ground electrode side where the electrode temperature is likely to rise. In an extreme case, only the wear-resistant part on the ground electrode side may be greatly affected by lead corrosion. In addition, in the Japanese Patent Publication No. 7-19744, the applicant of the present application is configured with an Ir-Ni alloy having excellent lead corrosion resistance in each of the noble metal wear resistant portion and the relaxation layer on the center electrode side, not on the ground electrode side. A spark plug is proposed. However, according to the study by the present inventors, when the structure of the publication in which the noble metal wear resistant portion and the relaxation layer are both made of an Ir-Ni alloy is applied to the ground electrode side where the temperature rises more rapidly, the noble metal It has been found that there is a problem that interfacial corrosion due to oxidation of Ir becomes remarkable at the joint interface between the wear resistant part and the relaxation layer, and the noble metal wear resistant part is likely to be peeled off and dropped off.
[0008]
The present invention provides a relaxed metal portion between the noble metal wear resistant portion and the ground electrode base material, and particularly in an environment where lead corrosion and oxidative corrosion tend to proceed, especially at the interface between the noble metal wear resistant portion and the relaxed metal portion. An object of the present invention is to provide a spark plug excellent in peeling durability and a manufacturing method thereof.
[0009]
[Means for solving the problems and actions / effects]
The spark plug according to the present invention is a spark plug in which a spark discharge gap is formed by making a noble metal wear resistant portion fixed to the side surface of the ground electrode face the tip surface of the center electrode.
At least a side surface portion of the ground electrode is an electrode base material made of a nickel alloy,
The noble metal wear resistant part contains one or both of Ir and Rh in a total of 80% by mass or more, and the Ir content is 97% by mass or less, and is selected from Pt, Rh, Ru and Re Alternatively, the electrode matrix is formed of a metal having a content rate of 2 or more and 3% by mass or more, and a relaxed metal portion made of a metal having an intermediate linear expansion coefficient between the electrode matrix and the noble metal wear resistant portion. Bonded to the material,
The relaxed metal portion is made of a metal having a total of Ir and Rh of 30% by mass or more and a total of Rh and Ni of 20% by mass or more,
When viewed from the direction in which the noble metal wear-resistant portion and the center electrode face each other, the relaxation metal portion is joined to the electrode base material in such a manner that at least a part of the side peripheral surface is buried in the electrode base material. The noble metal wear-resistant part is buried in at least a part of the side peripheral surface in the relaxed metal part, with the outer peripheral edge of the relaxed metal part facing the center electrode exposed on the side surface of the ground electrode. It is characterized in that it is joined to the relaxed metal part in a form that causes
[0010]
In the spark plug of the present invention, when the ground electrode base material is made of a well-known Ni-based alloy, the noble metal wear-resistant portion on the ground electrode side is at least part of the side peripheral surface in the relaxed metal portion. Both lead corrosion and oxidation corrosion must be taken into account by constructing the structure in which the noble metal wear resistant part and the relaxed metal part are each composed of the above-mentioned composition by being buried in the noble metal wear resistant part. Even in a severe environment that does not become necessary, it is possible to greatly improve the peeling durability of the joint interface between the noble metal wear resistant portion and the relaxed metal portion.
[0011]
In addition, the spark plug of the present invention is configured such that the first metal tip for forming the relaxed metal portion is superposed on the side surface of the ground electrode and heated while being energized, whereby the first metal tip is used as the electrode base material. A second metal tip having a diameter smaller than that of the first metal tip for forming the noble metal wear resistant portion is superimposed on the first joining step to be joined and the first metal tip for forming the relaxed metal portion. It can manufacture by the manufacturing method of the spark plug of this invention including the 2nd joining process of joining this 1st metal tip to the 2nd metal tip by carrying out energization heating while pressing. In addition, a 1st joining process and a 2nd joining process may be implemented in this order, and it is good also as an implementation order reverse. In addition, each composition of a noble metal wear-resistant part and a relaxation metal part as used in this specification shall point out the composition of the part except the fusion | melting part or spreading | diffusion part which arises at the time of the chip | tip joined. In this sense, the first metal tip has the same composition as the relaxation metal portion to be obtained, and the second metal tip has the same composition as the noble metal wear resistant portion.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Several embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
A
[0013]
The
[0014]
In the
[0015]
The
[0016]
Then, when viewed from the reference direction O (ie, the axial direction of the center electrode 3) O between the noble metal wear-
[0017]
When the
[0018]
The composition of the noble metal wear
[0019]
However, as shown in FIG. 6A, when the interface BDD in which the side
[0020]
Therefore, as shown in FIG. 6 (c), when the side
[0021]
However, in order to sufficiently secure the peeling durability of the bonding interface BDD, it is not sufficient, and it is essential to adjust the composition of the noble metal wear
[0022]
Next, the
[0023]
The important point is that the noble metal wear
[0024]
It should be noted that the composition of the
[0025]
Therefore, in consideration of the inclusion of subcomponents within the range in which the effect of the relaxed metal portion is not impaired, the
Point A: Ir = 80 mass%, Ni = 20 mass%, Rh = 0 mass%
B point: Ir = 80 mass%, Ni = 0 mass%, Rh = 20 mass%
C point: Ir = 0 mass%, Ni = 0 mass%, Rh = 100 mass%
D point: Ir = 0 mass%, Ni = 70 mass%, Rh = 30 mass%
E point: Ir = 30 mass%, Ni = 70 mass%, Rh = 0 mass%
In order to sufficiently secure the stress relaxation effect by the
[0026]
The composition of the
A ′ point: Ir = 70 mass%, Ni = 30 mass%, Rh = 0 mass%
B ′ point: Ir = 0 mass%, Ni = 10 mass%, Rh = 90 mass%
D point: Ir = 0 mass%, Ni = 70 mass%, Rh = 30 mass%
E point: Ir = 30 mass%, Ni = 70 mass%, Rh = 0 mass%
It is set within the closed composition region obtained by sequentially connecting the points (including the boundary: the value of the linear expansion coefficient corresponds to approximately 11 to 14), more preferably,
A ″ point: Ir = 60 mass%, Ni = 40 mass%, Rh = 0 mass%
B ″ point: Ir = 0 mass%, Ni = 20 mass%, Rh = 80 mass%
D ′ point: Ir = 0 mass%, Ni = 60 mass%, Rh = 40 mass%
E ′ point: Ir = 40 mass%, Ni = 60 mass%, Rh = 0 mass%
It is preferable to set the inside of the closed composition region obtained by sequentially connecting these points (including the boundary: the value of the linear expansion coefficient corresponds to approximately 12 to 14). Increasing the Ni content in the
[0027]
The noble metal wear
[0028]
When the
[0029]
Further, the thickness of the
[0030]
Further, as shown in FIG. 4D, when the width of the side surface 4c of the
[0031]
As shown in FIG. 2C, when both the noble metal wear
[0032]
When the disk-shaped
[0033]
Furthermore, as shown in FIG.7 (d), the side peripheral surface 33s of the
[0034]
In addition, as shown in FIG. 8, it can also join to the one
[0035]
【Example】
In order to confirm the effect of the present invention, the following experiment was conducted.
Example 1
The first chip and the second chip for forming the relaxed metal layer and the noble metal wear resistant part on the ground electrode side were produced as follows. First, a second chip for a noble metal wear resistant part was prepared by mixing and dissolving a predetermined amount of Ir and Rh to produce an alloy having a composition of Ir-40% by mass Rh. This alloy was hot forged at 1500 ° C., then hot rolled and hot swaged at 1300 ° C., and further hot drawn at 1200 ° C. to obtain an alloy wire having a diameter of 1 mm. This was cut in the longitudinal direction to obtain a disk-shaped chip having a diameter of 1 mm and a thickness of 0.2 mm. Moreover, the 1st chip | tip for relaxation | moderation metal layers produced Ir-Ni alloy which has various Ni content shown in Table 1 by mix | blending and melt | dissolving Ir and Ni in various ratios. And it was set as the disk-shaped chip | tip of diameter 1.2mm and thickness 0.2mm by the method similar to a 2nd chip | tip. Using these tips, resistance welding was performed on the side surface (width 2.5 mm) of the ground electrode base material made of Inconel 600 by the method shown in FIG. 4 to complete the ground electrode side joint structure shown in FIG. . The resistance welding conditions were as follows: energization current value 650A, pressure load 35 kg / cm 2 Set to.
[0036]
On the other hand, for the
[0037]
First, evaluation of peeling resistance is as follows. First, a cycle in which the tip of the spark plug on the spark discharge gap side is heated to 1000 ° C. for 2 minutes by a gas burner and then air-cooled for 1 minute is repeated 1000 times. Next, the test article is cut and polished on the surface passing through the central axis of the noble metal wear resistant portion of the ground electrode and magnified and observed with a microscope, and a crack at the interface between the noble metal wear resistant portion and the relaxation metal layer portion or The progress length of the oxide scale is measured in the observation field, and the value divided by the total length of the interface is calculated as the peeling progress rate. And the thing whose peeling progress rate exceeded 50% is evaluated as bad (x), and the thing below 50% is evaluated as favorable ((circle)).
[0038]
On the other hand, lead corrosion resistance was evaluated as follows. That is, each spark plug is attached to a 6-cylinder gasoline engine (displacement 2000 cc), fueled with leaded gasoline containing 0.04% by mass of 4-methyllead, and the center electrode at a throttle fully opened state at an engine speed of 5000 rpm. The operation was carried out for 100 hours with a negative polarity. After the operation is completed, the test product is cut and polished on the surface passing through the central axis of the noble metal wear-resistant part of the ground electrode and the relaxation metal layer, and magnified and observed with a microscope. A case where the surrounding ratio of the surrounding portion is 80% or more is evaluated as excellent (◎), a case where it is 60% or more and less than 80% is evaluated as good (◯), and a case where it is less than 60% is evaluated as bad (×). The results are shown in Table 1.
[0039]
[Table 1]
According to this, in the case of a relaxed metal part made of an Ir—Ni alloy, it can be seen that both the peel resistance and lead corrosion resistance are good when the Ni content is in the range of 20 to 70 mass%.
[0040]
(Example 2)
A spark similar to that of Example 1 except that the second tip for the noble metal wear resistant portion has a composition of Ir-40% by mass Rh and the first tip for the relaxed metal layer is made of various ratios of Rh-Ni alloys. A plug test product was produced and evaluated in the same manner. The results are shown in Table 2.
[0041]
[Table 2]
According to this, in the case of a relaxed metal part made of an Rh—Ni alloy, both the peel resistance and lead corrosion resistance are good when the Ni content is in the range of 70 mass% or less (including 100 mass% Rh). I understand that.
[0042]
(Example 3)
The same spark as in Example 1 except that the second tip for the noble metal wear resistant portion is made of various proportions of Ir—Pt alloy and the first tip for the relaxed metal layer has a composition of Ir-40 mass% Ni. A plug test product was produced and evaluated in the same manner. However, the evaluation of lead corrosion resistance is excellent when the residual ratio of the precious metal wear-resistant part is 80% or more (◎), good when it is 60% or more and less than 80% (○), and poor if it is less than 60%. Evaluate as (x). The results are shown in Table 3.
[0043]
[Table 3]
According to this, in the case of a noble metal wear resistant part made of an Ir—Pt alloy, it can be seen that both the peel resistance and the lead corrosion resistance are good when the Pt amount is in the range of 3 to 20% by mass.
[0044]
(Example 4)
The same spark as in Example 1 except that the second tip for the noble metal wear resistant portion is made of various ratios of Ir—Rh alloy and the first tip for the relaxed metal layer has a composition of Ir-40 mass% Ni. A plug test product was produced and evaluated in the same manner. However, the evaluation of lead corrosion resistance is excellent when the residual ratio of the precious metal wear-resistant part is 80% or more (◎), good when it is 60% or more and less than 80% (○), and poor if it is less than 60%. Evaluate as (x). The results are shown in Table 4.
[0045]
[Table 4]
According to this, in the case of a noble metal wear resistant part made of an Ir—Rh alloy, it can be seen that both the peel resistance and the lead corrosion resistance are good when the Rh amount is 10% by mass or more.
[0046]
(Example 5)
The second tip for the noble metal wear resistant part was made of an Ir-40 mass% Rh alloy, and the first tip for the relaxed metal layer was produced in the same manner as in Example 1 with a composition of Ir-40 mass% Ni. Here, the dimensions of the first chip were fixed at a diameter d1 of 1.2 mm and a thickness of 0.2 mm, while the second chip was fixed at a thickness of 0.2 mm and a diameter d2 of 0.9 to 1.18 mm. It was formed in various dimensions. Using these chips, a spark plug test product similar to that in Example 1 was produced, and the peel resistance was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 5.
[0047]
[Table 5]
According to this, it can be seen that d1 / d2 is 104% or more and that the peel resistance is good.
[0048]
(Example 6)
The second tip for the noble metal wear resistant part was made of an Ir-40 mass% Rh alloy, and the first tip for the relaxed metal layer was produced in the same manner as in Example 1 with a composition of Ir-40 mass% Ni. Here, the ratio d1 / d2 between the diameter d1 of the first chip and the diameter d2 of the second chip is fixed to 120% (both have a thickness of 0.2 mm), and the diameter d2 of the second chip is 0.2 to Various dimensions of 1.5 mm were set. Using these chips, a spark plug test product similar to that in Example 1 was produced, and a spark consumption test was performed under the following conditions. That is, the plug is attached to a test chamber and connected to a full transistor igniter, and an AC voltage of 100 Hz is applied for 100 hours at a chamber internal air pressure of 0.4 MPa (about 4 atm) and a maximum voltage of 30 kV. The cross-sectional observation is performed, and the case where the thickness of the noble metal wear resistant part remains 70% or more is evaluated as good (◯), and the case where it is less than 70% is evaluated as defective (×). The results are shown in Table 6.
[0049]
[Table 6]
[0050]
According to this, it is understood that the wear resistance is good when d2 is 0.3 mm or more.
[0051]
(Example 7)
The second tip for the noble metal wear resistant part was made of an Ir-40 mass% Rh alloy, and the first tip for the relaxed metal layer was produced in the same manner as in Example 1 with a composition of Ir-40 mass% Ni. Here, the diameter d1 of the first chip was set so that the value of L = W−d1 could be various values from 0 to 0.4 mm with reference to the width W (2.5 mm) of the ground electrode. These tips were welded to the ground electrode in the same manner as in Example 1, and by observation of the same cross section after welding, those in which 90% or more of the tip thickness was buried were good (◯), and less than 90%. Are evaluated as defective (×). The results are shown in Table 7.
[0052]
[Table 7]
[0053]
According to this, it can be seen that the weldability is good when the value of L = W−d1 is 0.1 mm or more.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial front sectional view showing an embodiment of a spark plug according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged sectional view showing the main part.
FIG. 3 is a view showing a desirable composition range of a relaxed metal part.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a process for forming a noble metal wear resistant part on the ground electrode side.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a first modification of the relaxation metal portion.
FIG. 6 is a view showing the operation of the spark plug of the present invention together with a comparative example.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a second modification of the relaxation metal portion.
FIG. 8 is a perspective view showing a deformation mode of the noble metal wear resistant part.
[Explanation of symbols]
3 Center electrode
4 Ground electrode
4c side
4m electrode base material
31a Tip surface
32 Noble metal wear resistant part
32b Joint end face
32s side surface
32 'second metal tip
33 Relaxation metal part
33p Outer peripheral edge
33s side peripheral surface
33 '1st metal tip
g Spark discharge gap
Claims (10)
前記接地電極(4)の少なくとも側面部がニッケル合金からなる電極母材(4m)とされ、
前記貴金属耐消耗部(32)は、Ir及びRhの一方又は双方を合計にて80質量%以上含有し、かつIrの含有量が97質量%以下であって、Pt、Rh、Ru及びReから選ばれる1種又は2種以上の含有率が3質量%以上である金属にて円板状に構成されるとともに、前記電極母材(4m)と前記貴金属耐消耗部(32)との中間の線膨張係数を有する金属からなる緩和金属部(33)を介して前記電極母材(4m)に接合され、
また、前記緩和金属部(33)は、RhとNiとを必須とし、かつ、IrとRhとの合計が30質量%以上であり、かつRhとNiとの合計が20質量%以上である金属にて構成され、さらに、
前記貴金属耐消耗部と前記中心電極との対向方向(O)を基準として見たときに、前記緩和金属部(33)は、側周面(33s)の少なくとも一部を前記電極母材(4m)中に埋没させる形で該電極母材(4m)に接合される一方、その緩和金属部(33)の前記中心電極(3)との対向側の端面外周縁部(33p)を前記接地電極(4)の側面(4c)に露出させた形態にて、前記貴金属耐消耗部(32)が、側周面(32s)の少なくとも一部を前記緩和金属部(33)中に埋没させる形で該緩和金属部(33)に接合されたことを特徴とするスパークプラグ(100)。A spark plug (a spark discharge gap (g) is formed by causing the noble metal wear resistant part (32) fixed to the side surface (4c) of the ground electrode (4) to face the tip surface (31a) of the center electrode (3). 100)
At least a side surface portion of the ground electrode (4) is an electrode base material (4m) made of a nickel alloy,
The noble metal wear-resistant part (32) contains one or both of Ir and Rh in a total of 80% by mass or more, and the Ir content is 97% by mass or less, and is obtained from Pt, Rh, Ru, and Re. It is configured in a disc shape with a metal having a content of 1 type or 2 types or more selected of 3% by mass or more, and is intermediate between the electrode base material (4m) and the noble metal wear resistant part (32). It is joined to the electrode base material (4m) via a relaxation metal part (33) made of a metal having a linear expansion coefficient,
The relaxed metal portion (33) is a metal in which Rh and Ni are essential , the total of Ir and Rh is 30% by mass or more, and the total of Rh and Ni is 20% by mass or more. In addition,
When viewed from the reference direction (O) between the noble metal wear resistant part and the center electrode, the relaxation metal part (33) has at least a part of the side peripheral surface (33s) formed on the electrode base material (4m). The outer peripheral edge portion (33p) on the opposite side of the relaxed metal portion (33) to the center electrode (3) is joined to the ground electrode while being bonded to the electrode base material (4m) so as to be buried in In the form exposed on the side surface (4c) of (4), the noble metal wear resistant portion (32) is configured to bury at least a part of the side peripheral surface (32s) in the relaxed metal portion (33). A spark plug (100), wherein the spark plug (100) is joined to the relaxation metal portion (33).
前記緩和金属部(33)は、Ir、Rh及びNiの合計含有量が90質量%以上であって、かつ、Ir、Rh及びNiの合計を100質量%に換算したときの、Ir、Rh及びNiの組成が、図3に示すIr−Ni−Rh三成分系組成正三角形上において、
A点:(Ir=80質量%、Ni=20質量%、Rh=0質量%)
B点:(Ir=80質量%、Ni=0質量%、Rh=20質量%)
C点:(Ir=0質量%、Ni=0質量%、Rh=100質量%)
D点:(Ir=0質量%、Ni=70質量%、Rh=30質量%)
E点:(Ir=30質量%、Ni=70質量%、Rh=0質量%)
の各点を順次結んで得られる閉組成領域の内部(境界含む:ただし、Rh=0質量%及びNi=0質量%の部分を除く)に設定されてなる請求項1記載のスパークプラグ(100)。The electrode base material (4 m) is a Ni alloy having a Ni content of 60% by mass or more, and the balance other than Ni mainly composed of Cr or Cr and Fe,
The relaxed metal part (33) has a total content of Ir, Rh and Ni of 90% by mass or more, and Ir, Rh and Ni when the total of Ir, Rh and Ni is converted to 100% by mass. On the Ir-Ni-Rh ternary composition equilateral triangle shown in FIG.
Point A: (Ir = 80 mass%, Ni = 20 mass%, Rh = 0 mass%)
Point B: (Ir = 80 mass%, Ni = 0 mass%, Rh = 20 mass%)
C point: (Ir = 0 mass%, Ni = 0 mass%, Rh = 100 mass%)
Point D: (Ir = 0% by mass, Ni = 70% by mass, Rh = 30% by mass)
E point: (Ir = 30 mass%, Ni = 70 mass%, Rh = 0 mass%)
The spark plug (100) according to claim 1, wherein the spark plug (100) is set within a closed composition region obtained by sequentially connecting the points (including a boundary , except for a portion of Rh = 0 mass% and Ni = 0 mass% ). ).
前記緩和金属部(33)を形成するための第一金属チップ(33’)を前記接地電極(4)の側面(4c)に重ね合わせて加圧しつつ通電加熱することにより、該第一金属チップ(33’)を前記電極母材(4m)に接合する第一接合工程と、
前記緩和金属部(33)を形成するための第一金属チップ(33’)に対し、前記貴金属耐消耗部(32)を形成するための、前記第一金属チップ(33’)よりも径小の第二金属チップ(32’)を重ね合わせて加圧しつつ通電加熱することにより、該第一金属チップ(33’)を前記第二金属チップ(32’)に接合する第二接合工程と、
を含むことを特徴とするスパークプラグの製造方法。A method for manufacturing a spark plug (100) according to any of claims 1 to 6,
The first metal tip (33 ') for forming the relaxed metal portion (33) is superposed on the side surface (4c) of the ground electrode (4) and heated while being energized to thereby heat the first metal tip. A first joining step of joining (33 ′) to the electrode base material (4 m);
The diameter of the first metal tip (33 ′) for forming the relaxed metal portion (33) is smaller than that of the first metal tip (33 ′) for forming the noble metal wear resistant portion (32). A second joining step of joining the first metal tip (33 ′) to the second metal tip (32 ′) by applying and heating the second metal tip (32 ′) while being superposed and pressurized.
A method for manufacturing a spark plug, comprising:
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