JP4318912B2

JP4318912B2 - スパークプラグ

Info

Publication number: JP4318912B2
Application number: JP2002371245A
Authority: JP
Inventors: 健一熊谷; 憲司小林; 渉松谷; 佳弘松原
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2002-12-24
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2022-12-24
Also published as: JP2004206892A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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の点火用に使用されるスパークプラグは、一般に筒状の主体金具と、該主体金具の内孔に配置される筒状の絶縁体と、該絶縁体の先端側内孔に配置される中心電極と、一端が前記主体金具の先端側に固着され、他端側が前記中心電極と火花放電ギャップを形成する接地電極を備える。
【０００３】
従来、この種のスパークプラグの中心電極または接地電極の電極材料として、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。
【０００４】
【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
【０００５】
【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は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。
【０００６】
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、耐久性に優れた電極材料にて構成されるスパークプラグを提供することを目的とする。
【０００７】
【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、筒状の主体金具と、該主体金具の内孔に配置される筒状の絶縁体と、該絶縁体の先端側内孔に配置される中心電極と、一端が前記主体金具の先端側に固着され、他端側が前記中心電極と火花放電ギャップを形成する接地電極を備えるスパークプラグにおいて、前記中心電極及び前記接地電極の少なくとも一方が、Ｓｉが０．５〜１．５％（以下、％は重量％をいう）、Ａｌが０．５〜１．５％、Ｃが０．０４〜０．０５、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％を含有し、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以下に調製される電極材料にて構成されることを特徴とする。
【０００８】
（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（２０℃〜２５℃）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。
【０００９】
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。
【００１０】
（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。
【００１１】
（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。
【００１２】
（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。
【００１３】
（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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
（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。
【００１８】
（８）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。
【００１９】
【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断面図、図２はスパークプラグ用電極材料に供される試料であり、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。
【００２０】
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、先端側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、先端側が突出するように絶縁体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中心電極側に曲げ返されて、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、中心電極３と、対向する接地電極４との間の隙間が火花放電ギャップｇとされている。
【００２１】
主体金具１は、低炭素鋼などからなり、略筒形である。この主体金具は、径方向に突出するフランジ部１１と、これより基端側に位置し、スパークプラグ１００をエンジンのシリンダヘッド等に取り付ける際にスパナ等の工具に係合させる断面六角形状の工具係合部１２と、フランジ部より先端側に位置し、フランジ部より細径である先端部１３とを有する。先端側１３の外周には、スパークプラグ１００をエンジンのシリンダヘッド等にねじ止めするねじ１４が形成されている。また工具係合部１２の基端側には、絶縁体２を主体金具１に加締め固定するための加締め部１５を備える。
【００２２】
一方、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を嵌め込むための軸孔２Ｈを有している。この軸孔２Ｈのうち、先端側には中心電極３が基端側には端子金具５が固定されている。この軸孔２Ｈにおいて、中心電極３と端子金具５の間には抵抗体６が配置されている。この抵抗体６の両端部は、導電性のガラスシール７によって、中心電極３及び端子金具５が電気的に接続している。
【００２３】
絶縁体２は、径方向に突出する突出部２１と、その基端側には、突出部より径小な基端部２２が形成されている。一方、突出部２１の先端側には、突出部２１より径小な中間胴部２３が形成され、さらに先端側には、脚部２４が形成されている。
【００２４】
中心電極３は、銅等からなる良熱伝導芯３１と、前述した材料からなる被覆部３２とを有し、被覆部３２の先端は絶縁体２の先端から先端側に突出するように配置されている。一方、接地電極４は、一端が主体金具１の先端面に固着され、他端側が中心電極側に向けて曲げ返されて、中心電極３の先端部と対向するように配置されている。
【００２５】
【実施例】
次に、本発明の効果を確認するために、以下のような実験を行った。
図２の各試料を使用し、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３、後者を接地電極４に作成した。そして、公知の手法により、中心電極３を絶縁体２の軸孔２Ｈに組み付け、さらに、抵抗体７及び端子金具６を組み付け、ガラスシールを行う。そして、主体金具１にこの絶縁体２を組み付け、接地電極４の一端を主体金具１に固着し、他端部を中心電極側に折り返して、中心電極の先端部と対向するようにする。
【００２６】
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。
【００２７】
参考例６ないし参考例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り、参考例６は、Ｃが０．００３％である。参考例７は、Ｃが０．１０％である。参考例８は、結晶の平均粒径が４００μｍである。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。参考例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。参考例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。参考例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。
【００３４】
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と大きなギャップとなり、不可であった。比較例２は、Ａｌが含まれていないので、２５０ｍｍ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、２５０ｍｍ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、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と大きなギャップとなり、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。
【００３５】
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。本発明のスパークプラグでは、ねじ部５が形成されていたが、これに限られず、ねじ部が形成されていないスパークプラグでも良い。
また、実施例では接地電極４には、本発明の材料のみで構成したものにより形成されていたが、これに限られず、中心電極と同様に銅等からなる良熱伝導芯と、本発明の材料で構成された被覆層からなる接地電極としてもよい。また、実施例では、中心電極３は銅等からなる良熱伝導芯３１と、前述した材料からなる被覆部３２で形成されていたが、これに限らず、本発明の材料のみで構成したものより形成されていても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】電極材料が使用される本発明のスパークプラグを示す断面図である。
【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】
１００…スパークプラグ
１…主体金具
２…絶縁体
３…中心電極
４…接地電極
５…端子金具
６…抵抗体
７…ガラスシール

Claims

筒状の主体金具と、該主体金具の内孔に配置される筒状の絶縁体と、該絶縁体の先端側内孔に配置される中心電極と、一端が前記主体金具の先端側に固着され、他端側が前記中心電極と火花放電ギャップを形成する接地電極を備えるスパークプラグにおいて、
前記中心電極及び前記接地電極の少なくとも一方が、Ｓｉが０．５〜１．５％（以下、％は重量％をいう）、Ａｌが０．５〜１．５％、Ｃが０．０４〜０．０５％、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％を含有し、
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以下に調製される電極材料にて構成されることを特徴とするスパークプラグ。
請求項１のスパークプラグにおいて、
前記電極材料が、９００℃で１００時間保持した後における結晶の平均粒径を３００μｍ以下に調製してなるスパークプラグ。