JP4295501B2 - スパークプラグ用電極材料 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のスパークプラグに使用されるスパークプラグ用電極材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のスパークプラグ用電極材料として、ＮｉにＳｉを０．５〜１．５％（以下％は重量％をいう）、Ｍｎを０．７〜２．８％、Ａｌを０．２５〜４．５％含有させたＮｉ基合金からなる材料が知られている（特許文献１参照。）。またＮｉにＳｉを１．０〜２．５％、Ｃｒを０．５〜２．５％、Ｍｎを０．５〜２．０％、Ａｌを０．６〜２．０％含有させたＮｉ基合金からなるスパークプラグ用材料も知られている（特許文献２参照）。こうした成分は、スパークプラグの耐硫黄、鉛腐食、耐高温酸化の性能を満たすとともに、火花放電による電極消耗を抑制して、耐久性を向上させるために添加されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６４−８７７３８号公報
【特許文献２】
特開平４−４５２３９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
最近では、燃料の清浄化や燃焼の改善に伴い、耐硫黄や鉛腐食に対する要求は従来に比べて減少したが、逆に、より一層、火花放電による電極消耗を抑制して、耐久性を向上させる要求が従来以上に高まっている。しかし、特許文献１、特許文献２の材料を使用したスパークプラグでは、その要求を十分に満足するものでなかった。
【０００５】
本発明は、上記従来の技術の問題を解決するものであり、電極の消耗を低減し、耐久性に優れたスパークプラグ用電極材料を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題を解決するためになされた本発明は、
スパークプラグの中心電極または接地電極に用いられるスパークプラグ用電極材料において、
Ｓｉが０．５〜１．５％（以下、％は重量％をいう）、Ａｌが０．５〜１．５％、Ｙ，ＮｄまたはＳｍのうちから１種または２種選択された成分が０．０５〜０．５％を有し、
ＣｒとＭｎとの合計量が０．８％以下であって、残部がＮｉと不可避不純物からなり、
常温での比抵抗が２５μΩｍ以下であり、かつ９００℃で１００時間保持した後における結晶の平均粒径が３００μｍ以下に調製したこと、を特徴とする。
【０００７】
（１） 材料の概略
上記要求に答えるべく、Ｎｉ基合金からなる電極の火花消耗を抑えるために、本願発明者等が検討した結果、常温（２０〜２５℃）での比抵抗を２５μΩｃｍ以下とすることで耐久性を向上させることが見いだされた。これは、電極の常温での比抵抗が２５μΩｃｍを越えると、火花放電時に電極の温度が上昇し、電極の消耗を速めて、耐久性を損なう原因となるからである。よって、本発明にかかるスパークプラグ用電極材料は、常温での比抵抗を２５μΩｃｍ以下となるＮｉ基合金とすることで、耐久性を向上させ、電極の火花消耗を抑制することができる。
【０００８】
さらに、Ｎｉ基合金からなる電極材料として最低限必要な耐食性、耐高温酸化性の要求を満たすために、Ｎｉに含有する添加成分を調整する。しかし、添加成分においても添加量が増大すると、常温での比抵抗を上昇させる添加成分がある。よって、常温での比抵抗を２５μΩｃｍ以下にしつつ、耐食性や耐高温酸化性の要求をも満たすような電極材料とするために、添加成分を調整する。つまり、従来よりＣｒ、Ｍｎの添加量を減らして、Ｓｉ、Ａｌを添加することによりそれらの保護酸化膜を形成するとともに、少ない添加量のＳｉ、Ａｌであっても保護酸化膜を補強するためにＹ、Ｎｄ、Ｓｍを添加している。以下、各成分の作用について説明する。
【０００９】
（２） Ｃｒ、Ｍｎの作用
ＣｒおよびＭｎは、スパークプラグの表面に保護酸化膜を形成することで、耐食性および耐酸化性の向上に作用する。しかし、含有量が増加すると、常温での比抵抗が増加する。よって、ＣｒおよびＭｎは、それらの合計量が０．８％以下であることが好ましく、特に好ましくは０．５％以下である。
【００１０】
（３） Ｓｉの作用
Ｓｉは保護酸化膜をスパークプラグ用電極の表層に形成することで耐食性および耐高温酸化性を向上させる作用があり、０．５〜１．５％添加される。添加量が０．５％未満では、その効果が乏しく、一方、１．５％を越えると、常温での比抵抗が増大し、電極の消耗の抑制効果が得られないからである。Ｓｉの範囲は、好ましくは、０．５〜１．０％である。
【００１１】
（４） Ａｌの作用
ＡｌはＳｉと同様に保護酸化膜を形成することで耐食性および耐高温酸化性を向上させる作用があり、０．５〜１．５％添加される。Ａｌも、同様に、添加量が０．５％未満では、その効果が乏しく、一方１．５％を越えると、常温での比抵抗が増大し、電極の消耗の抑制効果が得られなく、好ましくは、０．５〜１．０％である。
【００１２】
（５） Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍの作用
Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍは、上述したＣｒまたはＭｎの合計の添加量が０．８％以下であっても、ＳｉおよびＡｌから形成される保護酸化膜を強化して耐食性および耐高温酸化性を向上させる作用がある。ＡｌおよびＳｉの保護酸化膜は、主としてＮｉ基合金のマトリックス上にＡｌ_２Ｏ_３、さらにその上のＳｉＯ_２から構成されるが、Ｙなどの化合物は、Ａｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２からマトリックス相に対して楔の効果を発揮する化合物を形成して、保護酸化膜とマトリックス相との密着性を高める。
【００１３】
また、Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍの元素は、Ｏ、Ｓとの親和性が強く、電極内部に浸入してきたＯやＳと化合物を作るために、主成分の酸化や硫化を遅らせる効果がある。
【００１４】
さらに、Ｃｒ、Ｍｎの添加量を０．８％以下としたので、電極が高温に晒されると結晶粒が成長し易くなるが、これを、Ｙなどが抑制する。すなわち、電極の内部酸化は粒界に沿って進行するため、結晶粒界が減少すると電極の中心部まで粒界酸化が進みやすくなり、電極破損に至るような内部酸化を招くおそれがある。しかし、Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍは、Ｎｉに固溶しないので、粒界に析出してピン止め効果を果たして、結晶粒の粗大化を防止する。
【００１５】
Ｙなどが上述した効果を得るための好適な範囲は、０．０５〜０．５％である。これは、０．０５％未満では、その効果が乏しく、一方、０．５％を越えると、接地電極用素線の伸線加工や中心電極用に熱伝導性良好部材を封入加工する塑性加工性が低下するからである。
【００１６】
（６） Ｃの作用
さらに本発明では、Ｃが０．０１〜０．０７％含有されていてもよい。Ｃは、高温の機械的強度を高める作用がある。すなわち、上記Ｎｉ基合金では、高温強度が低下し易いが、浸入型元素であるＣの添加により、使用中に熱応力による電極の変形を生じにくい。Ｃは、このような作用を得るために、０．０１〜０．０７％である。Ｃが０．０１％未満であると効果を得ることができず、また、Ｃが０．０７％を越えると、スパークプラグ用電極材料の変形抵抗が大きくなり、中心電極に熱伝導性良好部材を封入するような塑性加工が難しくなるからである。
【００１７】
（７） 平均粒径
さらにスパークプラグ用電極材料の結晶粒は、９００℃で１００時間保持した後の平均粒径が３００μｍ以下であることがよい。これを上回ると、粒界酸化から電極破損を招くおそれがある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるスパークプラグ、スパークプラグ用電極材料の製造例および試験例につき説明する。図１はスパークプラグの外観図、図２はスパークプラグ用電極材料に供される試料、図３は各試料の評価試験の結果を説明する説明図である。
【００１９】
（１） 内燃機関用スパークプラグの概略構成
図１に示される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、内燃機関用スパークプラグ１の先端には、中心電極６と接地電極７とが設けられている。そして、中心電極６と接地電極７との間に火花放電ギャップを形成するようにしている。なお、本発明に係る電極材料は、中心電極６および接地電極７の材料として用いられる。
【００２０】
（２） 試料の製造および組成
図２の各試料は、以下の工程により製造した。すなわち、通常の真空溶解炉を用い、各成分組成をもった合金の溶湯を調製し、真空鋳造にて鋳塊とした。その後、この鋳塊を熱間鍛造にて、直径６０ｍｍの丸棒とした。この丸棒に線引き加工を施して、直径４ｍｍの線材、ならびに断面寸法１．６ｍｍ×２．８ｍｍの線材とし、前者をスパークプラグの中心電極、後者を接地電極に作成した。
【００２１】
（２）−１ 実施例
図２において、実施例１ないし実施例５は、Ｓｉが０．５〜１．５％、Ａｌが０．５〜１．５％、Ｙ，ＮｄまたはＳｍのうちから１種または２種選択された成分が０．０５〜０．５％を有し、ＣｒとＭｎとの合計量が０．８％以下であって、残部がＮｉと不可避不純物からなり、常温での比抵抗が２５μΩｃｍ以下に調製されている。
【００２２】
実施例６ないし実施例８は、実施例１などの範囲に、Ｃの含有量または結晶の平均粒径を調製したものである。すなわち、実施例６は、Ｃが０．０１％（請求項２の下限）より少ない０．００３％である。実施例７は、Ｃが０．０７％（請求項２の上限）より多い０．１０％である。実施例８は、結晶の平均粒径が上述の上限範囲である３００μｍを越えた４００μｍである。
【００２３】
（２）−２ 比較例
比較例１ないし比較例９は、上記実施例の上下限を調べるために作成した。すなわち、比較例１は、Ｓｉ：２．０％でＳｉの上限値である１．５％を越えている。比較例２は、Ａｌが上述の下限値である０．５％を満たさない、つまり含有していないものである。比較例３は、Ｎｄが上述の下限値である０．０５％より少ない０．０２％である。比較例４は、Ｙ＋Ｎｄが上述の上限値である０．５％より多い０．６％である。比較例５は、常温での比抵抗が上述の上限値である２５μｍより大きい２８μｍである。比較例６は、Ｓｉが上述の下限値である０．５％より少ない０．２％である。比較例７は、Ａｌが上述の上限値である１．５％より大きい２．０％である。比較例８は、ＣｒとＭｎの合計重量が上限値０．８％より大きい１．２％である。比較例９は、従来の技術に相当する。
【００２４】
（３） 評価試験
（３）−１ ギャップ試験
本試験は、各試料について、エンジンのシミュレーションにより、耐久試験の前後のギャップの増加量を測定することにより行なった。評価に使用したエンジンの態様は、６気筒、２．８リットルである。時速１６０ｋｍで約４００時間の耐久試験を行ない、耐久試験の前後のキャップの増加量を測定した。
評価基準として、０．３ｍｍ未満を良好、０．３０ｍｍ以上０．３５ｍｍ未満を可、０．３５ｍｍ以上を不可と判定した。
【００２５】
（３）−２ 酸化膜厚試験
本試験は、各試料について、エンジンのシミュレーション試験により、試験後の酸化膜厚を測定することにより行なった。評価に使用したエンジンの態様は、４気筒、２．０リットルである。エンジンを５０００ｒｐｍで回転させる期間とアイドリングの期間とを１分間隔で１００時間繰り返した。このときの最高温度は、９００℃であった。試験後における接地電極表面に形成された酸化膜厚を測定した。なお、酸化膜に粒界酸化が見られる場合は、それも含めた膜厚とした。評価基準として、１８０μｍ未満を良好、１８０μｍ以上２１０μｍ未満を可、２１０μｍ以上を不可と判定した。これは、酸化膜が厚くなりすぎると、電極自体の温度が上昇し過ぎるために、保護酸化膜は、薄い方が望ましいからである。
【００２６】
（３）−３ 中心電極変形試験
本試験は、中心電極に冷熱サイクルを施すことにより、中心電極の変形量を測定することにより行なった。すなわち、中心電極の先端を、８５０℃に３分間加熱し、１分間空冷し、これを１サイクルとして繰り返した。そして、中心電極の長さが０．１ｍｍ短くなるまでのサイクル数で評価した。
評価基準は、２５００サイクル以上を良好、２５００未満を可と判定した。
【００２７】
（３）−４ 塑性加工性
塑性加工性は、中心電極に熱伝導性良好部材を封入するような加工性の良否により判定した。
【００２８】
（４） 試料の評価
（４）−１ 実施例
実施例１ないし実施例５のいずれも、良好な評価を得ることができた。実施例６は、Ｃの含有量が０．００３％と少ないために、中心電極変形試験による評価が可であった。実施例７は、Ｃの含有量が０．１％と多いために、塑性加工性がやや劣り、可であった。実施例８は、平均結晶粒径が４００μｍと大きいので、酸化膜厚試験による評価が可であった。
このように、ギャップ試験、酸化膜厚試験、中心電極変形試験および塑性加工性が全て可以上のものがスパークプラグ用の電極材料として優れた耐久性をもって使用することができることがわかる。さらに高い耐久性の必要な場合には、全ての試験が良好となる材料を選択することが好ましい。
【００２９】
（４）−２ 比較例
比較例１は、Ｓｉの含有量が２％と多いために、比抵抗が３０μΩｍと大きくなり、電極ギャップ増加量が０．３６ｍｍと大きくなり、不可であった。比較例２は、Ａｌが含まれていないので、２５０μｍの厚い酸化膜厚となり、不可であった。比較例３は、Ｎｄが０．０２％と少ないので、２５０μｍ以上の厚い酸化膜厚となり、不可であった。比較例４は、Ｙ＋Ｎｄが０．６％と多いので、塑性加工性が不可であった。比較例５は、比抵抗が２８μΩｍと大きいので、電極ギャップ増加量が０．３５ｍｍと大きくなり、不可であった。比較例６は、Ｓｉが０．２％と少ないので、２２０μｍの厚い酸化膜厚となり、不可であった。比較例７は、Ａｌが２．０％と多いので、電極ギャップ増加量が０．３６ｍｍと大きくなり、不可であった。比較例８は、ＣｒとＭｎの合計量が１．２％と多いので、電極ギャップ増加量が０．３６ｍｍと大きくなり、不可であった。比較例９は、従来の技術に相当し、常温での比抵抗などが大きいので、電極ギャップ増加量が０．４０ｍｍと大きくなり、不可であった。
【００３０】
なお、この発明は上記実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のスパークプラグ用電極材料が使用されるスパークプラグを示す外観図である。
【図２】 スパークプラグ用電極材料に供される試料を説明する説明図である。
【図３】 各試料の評価試験の結果を説明する説明図である。
【符号の説明】
１...内燃機関用スパークプラグ
２...端子部
３...絶縁部
４...主体金具
５...螺子
６...中心電極
７...接地電極

Claims (2)

1. スパークプラグの中心電極または接地電極に用いられるスパークプラグ用電極材料において、
   Ｓｉが０．５〜１．５％（以下、％は重量％をいう）、Ａｌが０．５〜１．５％、Ｙ，ＮｄまたはＳｍのうちから１種または２種選択された成分が０．０５〜０．５％を有し、
   ＣｒとＭｎとの合計量が０．８％以下であって、残部がＮｉと不可避不純物からなり、
   常温での比抵抗が２５μΩｃｍ以下であり、かつ９００℃で１００時間保持した後における結晶の平均粒径が３００μｍ以下に調製したこと、を特徴とするスパークプラグ用電極材料。
2. 請求項１のスパークプラグ用電極材料において、
   Ｃが０．０１〜０．０７％含有されているスパークプラグ用電極材料。

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