JP4834264B2

JP4834264B2 - スパークプラグ

Info

Publication number: JP4834264B2
Application number: JP2001302183A
Authority: JP
Inventors: 友聡加藤; 守無笹
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: JP2003105467A

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】
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としては、中心電極と、自身の側面と中心電極の先端面との間に放電ギャップを形成する平行電極とを備えたいわゆる平行対向型のスパークプラグがあり、上記放電ギャップにて中心電極の軸線方向に火花放電が可能とされている。このような平行対向型のスパークプラグにおいては、耐久性向上を目的として、中心電極及び接地電極の少なくとも一方にＰｔ合金やＩｒ合金等の貴金属チップを溶接したものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、エンジンの高性能化、燃焼効率の向上、燃焼ガスの変更に伴い、スパークプラグの電極温度が上昇し、又は厳しい熱サイクルに晒されるようになり、電極母材に耐久性向上を目的として溶接された貴金属チップが剥離する場合がある。特に、中心電極に比して高温環境下に晒され、相対的に冷熱温度変化の激しい平行電極においては貴金属チップが剥離する可能性が高い。このように貴金属チップが電極母材から剥離すると、耐久性向上効果がなくなり、当該スパークプラグの耐久寿命が短くなってしまう場合がある。
【０００４】
本発明の課題は、上記のような平行対向型のスパークプラグにおいて、特に貴金属チップを溶接する場合の平行電極母材の材質選択により、貴金属チップの剥離を防止ないし抑制することが可能なスパークプラグを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記問題を解決するために本発明のスパークプラグは、
中心電極と、該中心電極の外側に配置される絶縁体と、絶縁体の外側を覆う筒状の主体金具と、一端側が前記主体金具の先端部に配設され、他端側の側面が中心電極の先端面との間に放電ギャップを形成する平行電極とを備え、平行電極における放電ギャップに臨む位置に、貴金属元素を主成分とする貴金属チップが配設されるとともに、平行電極の少なくとも表層部を形成する電極母材が、Ｃｒを１５質量％以上２５質量％以下、Ｆｅを０．０５質量％以上５質量％以下、Ａｌを０．０５質量％以上５質量％以下、Ｃを０．０１質量％以上０．１質量％以下、Ｓｉ及び／又はＭｎを０．１質量％以上２質量％以下、含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【０００６】
平行電極は、中心電極に比して燃焼環境下に晒され、熱が逃げ難くいため、熱酸化等により中心電極よりも相対的に貴金属チップの剥離が生じやすく、また中心電極に比して相対的に長いため折れやすいものである。そこで、本発明においては、平行電極の少なくとも表層部を形成する電極母材を、上記各成分からなる高温強度及び耐酸化性に優れたＮｉ合金にて構成したため、高温環境下における強度及び耐食性が高いものとなり、上記貴金属チップの剥離が防止ないし抑制され、当該スパークプラグは高い耐久性を具備するものとなる。
【０００７】
貴金属チップは例えば溶接により平行電極に配設することが可能で、本発明の構成成分を含む電極母材を具備する平行電極においては、該溶接された貴金属チップの剥離が防止ないし抑制される。なお、平行電極において少なくとも貴金属チップが溶接等により配設された面、及びその周辺が上記各成分を少なくとも含む電極母材にて構成されるものとすることができ、特に少なくとも上記貴金属チップ近傍において各成分が含まれていれば、貴金属チップの剥離を防止ないし抑制することができる。
【０００８】
次に、上記平行電極の構成成分について説明する。
Ｃｒは高温強度、高温耐食性を向上させる作用がある。含有量が１５質量％未満の場合には、十分な高温強度ないし耐食性の向上が見られない場合があり、２５質量％を超えると該平行電極の曲げ加工等における加工性が低下する場合がある。Ｃｒの含有量は好ましくは１６質量％以上２２質量％以下とするのが良い。
Ｆｅは高温強度、高温耐食性を向上させる作用がある。含有量が５質量％を超える、もしくは０．０５質量％未満の場合には、十分な高温強度ないし耐食性の向上が見られない場合がある。Ｆｅの含有量は好ましくは０．５質量％以上３質量％以下とするのが良い。
Ａｌは高温強度、高温耐食性を向上させる作用がある。含有量が０．０５質量％未満の場合、十分な高温強度ないし耐食性の向上が見られない場合があり、５質量％を超えると該平行電極の曲げ加工等における加工性が低下する場合がある。また、主体金具に対して溶接により該平行電極を配設する場合には、その溶接性も低下する場合がある。Ａｌの含有量は好ましくは０．３質量％以上４．５質量％以下とするのが良い。
Ｃは高温強度を向上させる作用がある。含有量が０．１質量％を超えると該平行電極の曲げ加工等における加工性が低下する場合があり、また主体金具に対して溶接により該平行電極を配設する場合には、その溶接性も低下する場合がある。また、０．０１質量％未満では、高温強度の向上が見られない場合がある。Ｃの含有量は好ましくは０．０５質量％以上０．１質量％以下とするのが良い。
Ｓｉ及び／又はＭｎは耐酸化性を向上させ、含有量が２質量％を超えると該平行電極の曲げ加工等における加工性が低下する場合がある。Ｓｉ及び／又はＭｎの含有量は好ましくは０．５質量％以上１質量％以下とするのが良い。
【０００９】
また、上記電極母材にはＷを１０質量％以上２０質量％以下含有させることができる。ＷはＮｉ合金中に固溶硬化して高温強度、高温耐酸化性を向上させる。１０質量％未満の場合、該高温強度、高温耐酸化性の顕著な向上効果が得られなくなる場合があり、２０質量％を超えると該平行電極の曲げ加工等における加工性が低下する場合がある。Ｗの含有量は好ましくは１０質量％以上１５質量％以下とするのが良い。
【００１０】
また、上記電極母材にはＭｏを０．５質量％以上５質量％以下含有させることができる。ＭｏはＷと同様にＮｉ合金中に固溶硬化して高温強度、高温耐酸化性を向上させる。０．５質量％未満の場合、該高温強度、高温耐酸化性の顕著な向上効果が得られなくなる場合があり、５質量％を超えると該平行電極の曲げ加工等における加工性が低下する場合がある。Ｍｏの含有量は好ましくは１質量％以上３質量％以下とするのが良い。
【００１１】
さらに、上記電極母材にはＣｏを０．５質量％以上５質量％以下含有させることができ、該Ｃｏの添加により高温強度を向上させることができる。０．５質量％未満の場合は、高温強度の顕著な向上効果が得られなくなる場合があり、５質量％を超えて添加しても、それ以上の効果が得られないことから経済性を考慮して上限を５質量％とするのがよい。Ｃｏの含有量は好ましくは２質量％以上５質量％以下とするのが良い。
【００１２】
なお、本明細書において「主成分」、「主体として含む」とは、特に断りがないかぎり、最も質量含有率が高くなる態様で含むことを意味するものとして用いた。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に示す本発明の一例たるスパークプラグ１００は、いわゆる平行対向型のスパークプラグであって、筒状の主体金具１、先端部が突出するようにその主体金具１内に嵌め込まれた絶縁体２、先端部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に一端側が結合され、他端側が中心電極３の先端面と対向するように配置された平行電極４等を備えている。そして、平行電極４と中心電極３との間には放電ギャップｇが形成されている。
【００１４】
ここで、平行電極４は、図２に示すように中心電極３の先端面３ａと概ね平行に配置される直線状の平行部４ａを有し、該平行部４ａの側面において中心電極３の先端面３ａとの間に放電ギャップｇを形成している。この平行電極４において、放電ギャップｇに臨む位置には、貴金属元素を主成分とする貴金属チップ３２が溶接により接合されている。なお、中心電極３の先端面３ａには本実施例の場合、貴金属元素を主成分とする貴金属チップ３１が同様に溶接により接合されており、該貴金属チップ３１の先端面をもって中心電極３の先端面３ａとしている。このように電極の発火部に貴金属チップを配設させることにより、電極の耐久性が向上されている。
【００１５】
図１に戻り、主体金具１は炭素鋼等で形成され、主体金具１の外周面には取付け用のねじ部７が形成されている。スパークプラグ１００は、該ねじ部７により例えばガソリンエンジン（内燃機関）のシリンダヘッドに取り付けられる。そして、その状態で平行電極４と中心電極３との間に高電圧を印加することにより、火花放電ギャップｇに火花放電して、該エンジンの着火源としての役割を果たすこととなる。なお、ねじ部７の外径は、例えば１４ｍｍである。また、中心電極３はインコネル（Inconel：商標名）等のＮｉ合金で構成されている。さらに、絶縁体２はアルミナ等のセラミックス焼成体で構成されている。
【００１６】
絶縁体２の軸方向には貫通孔６が形成されており、その一方の端部側に端子金具８が挿入・固定され、同じく他方の端部側に中心電極３が挿入・固定されている。また、該貫通孔６内において端子金具８と中心電極３との間に抵抗体１５が配置されている。この抵抗体１５の両端部は、導電性ガラスシール層１６，１７を介して中心電極３と端子金具８とにそれぞれ電気的に接続されている。これら導電性ガラスシール層１６，１７及び抵抗体１５は、導電性結合層を形成するものである。なお、抵抗体１５を省略し、端子金具８と中心電極３とを単一の導電性ガラスシール層で接合するようにしてもよい。なお、端子金具８は低炭素鋼等で構成され、表面には防食のための図示しないＮｉメッキ層が形成されたものである。
【００１７】
上記スパークプラグ１００において、平行電極４の少なくとも表層部を形成する電極母材がＮｉを主成分とするＮｉ合金から構成されている。さらに、上記貴金属チップ３２の剥離を防止ないし抑制するために、該電極母材がＣｒを１５質量％以上２５質量％以下、Ｆｅを０．０５質量％以上５質量％以下、Ａｌを０．０５質量％以上５質量％以下、Ｃを０．０１質量％以上０．１質量％以下、Ｓｉ及び／又はＭｎを０．１質量％以上２質量％以下、含有して構成されている。
【００１８】
なお、平行電極４における更なるチップの剥離防止のために、Ｗを１０質量％以上２０質量％以下、及び／又はＭｏを０．５質量％以上５質量％以下、及び／又はＣｏを０．５質量％以上５質量％以下含有させることができる。このような構成成分を具備した母材を、平行電極４の少なくとも表層部を形成する電極母材として適用することにより、該平行電極４における貴金属チップ３２の剥離が防止ないし抑制され、ひいてはスパークプラグ１００の耐久寿命向上に寄与することが可能となる。また、平行電極４の先端が主体金具１に対してスパークプラグ１００の軸線方向に５ｍｍ以上突出している場合には、特に熱の影響を受けやすいので上記の効果が大きくなる。
【００１９】
【実施例】
上記構成のスパークプラグ１００について、本発明の効果を確認するために以下の実験を行った。平行電極４の電極母材の材質として、表１に示す各添加元素からなる種々の組成の合金を採用した。この電極母材を主体金具１の先端面１ａに抵抗溶接により接合して、平行電極４とし、図１に示すのと同様の形態の各種スパークプラグを作成した（比較例１〜３，実施例１〜６）。このスパークプラグ（比較例１〜３，実施例１〜６）を用いて以下の各試験（耐剥離性試験、引張り強さ試験、耐酸化性試験、耐折損性試験）を行った。なお、各電極には貴金属チップ３１，３２としてＰｔ−２０質量％Ｉｒからなる円板状部材を抵抗溶接により接合させてある。
【００２０】
【表１】

【００２１】
（耐剥離性試験）
まず、平行電極４に溶接された貴金属チップ３２の耐剥離性試験を行った。具体的には、机上冷熱バーナー試験により、１０００℃、２分間加熱と、自然冷却１分を１サイクルとして、この冷熱サイクルを１０００サイクル行った後の酸化スケールの発生率（％）を算出することで評価した。すなわち、貴金属チップは電極材料の火花消耗を抑制するために配設されているが、該電極材料と貴金属チップとの溶接面における酸化スケールの発生率（％）を評価することで貴金属チップの剥離性を評価することができる。ここでは、冷熱サイクルを１０００サイクル行った後の平行電極４を、貴金属チップ３２の中心軸線を含む軸方向に切断した面にエッチングを施し、貴金属チップ３２の径方向における酸化スケールの深さを測定した。図３に切断面の模式図を示す。酸化スケール深さは、平行電極４の母材と貴金属チップ３２との界面に生じる亀裂ｓｆの、チップの径方向への進展長（Ｂ１＋Ｂ２）として定義される値である。そして、酸化スケール発生率（％）は、酸化スケール深さ（Ｂ１＋Ｂ２）とチップ径Ａとの比（Ｂ１＋Ｂ２）／Ａで定義される値であり、貴金属チップの剥離度合いを測る目安となる。
【００２２】
（引張り強さ試験）
表１に示す添加元素を含む各電極材料を用い、平行電極を形成する前の線材を作製した。そして、それらを適宜切断し、８００℃にて引張り試験を行った。結果を表２に示す。
【００２３】
（耐酸化性試験）
表１に示した各比較例及び実施例のスパークプラグを電気炉（大気中）において加熱冷却する耐酸化性試験を行ない、平行電極４表面の酸化膜厚が０．１ｍｍに達するサイクル数を確認した。試験は、１１００℃、２４時間加熱と、室温までの徐冷とを１サイクルとした。結果を表２に示す。
【００２４】
（耐折損性試験）
耐折損性試験用エンジン（2000cc、４気筒、４サイクル）に、表１に示した各比較例及び実施例のスパークプラグを取り付け耐折損性試験を行ない、その後の平行電極４のクラック発生の有無の状態を確認した。試験は、回転数７０００ｒｐｍで運転１分、アイドル１分を１サイクルとして、２００サイクル繰り返した。結果を表２に示す。
【００２５】
【表２】

【００２６】
このように、各試験において、実施例１〜６のスパークプラグは比較例１〜３に比して相対的に良好な結果を示した。具体的には、耐剥離性試験において、実施例１〜６では酸化スケールの発生率が約３０％以下（詳しくは２６％以下）となり、比較例に比して非常に低い発生率であった。特に実施例６では酸化スケールの発生率が３％であり、極めて良好な耐酸化性を具備していた。即ち、貴金属チップの耐剥離性が極めて高いことが分かる。ここで、該冷熱サイクルを１０００サイクル行った後の貴金属チップの耐剥離性について金属顕微鏡にて観察した。その観察図を図４に示す。図４（ａ）は実施例６のものであり、図４（ｂ）は比較例１のものである。比較例１の平行電極４’においては貴金属チップ３２’の剥離が生じているのに対し、実施例６の平行電極４においては、貴金属チップ３２が極めて剥離し難くなっていることが分かる。
【００２７】
次に、引張り強さ試験においては、比較例１〜３に対応する電極母材は１２０〜１６０ＭＰａ（詳しくは１２２．５〜１４９．９ＭＰａ）程度の引張り強さである一方、実施例１〜６に対応する電極母材は２７０〜５３０ＭＰａ（詳しくは２７０．５〜５１４．５ＭＰａ）程度の引張り強さで、実施例の方が相対的に高く、引張り強度が高くなっていることが分かる。
【００２８】
耐酸化性試験においては、平行電極４表面の酸化膜厚が０．１ｍｍに達するサイクルとして、比較例１〜３では１１〜２０サイクルの早いサイクルで０．１ｍｍに到達した。一方、実施例１〜６では３０サイクル到達時点でも平行電極４表面の酸化膜厚は０．１ｍｍに達せず、比較例１〜３に比して相対的に耐酸化性が高いことが分かる。
【００２９】
耐折損性試験においては、比較例１〜３では平行電極４に折損又は０．５ｍｍ以上のクラック発生が確認された。一方、実施例１〜６については折損が無く、クラックの発生についても無い若しくは０．５ｍｍ未満の微小クラックの発生であった。
【００３０】
以上の結果から、実施例１〜６のスパークプラグについては、平行電極４において、従来に比して相対的に強度が向上し高い耐折損性を具備するとともに、貴金属チップ３２の剥離が防止ないし抑制され、高い耐酸化性を具備するものとなる。したがって、該実施例１〜６のスパークプラグは優れた耐久寿命性を備えたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスパークプラグの一例を示す全体縦断面図。
【図２】図１の要部拡大断面図。
【図３】酸化スケール発生率を説明するための断面模式図。
【図４】平行電極における貴金属チップの剥離性について金属顕微鏡にて観察した結果を示す観察図。
【符号の説明】
１主体金具
２絶縁体
３中心電極
４平行電極（接地電極）
３２貴金属チップ
１００スパークプラグ

Claims

中心電極（３）と、
該中心電極（３）の外側に配置される絶縁体（２）と、
前記絶縁体（２）の外側を覆う筒状の主体金具（１）と、
一端側が前記主体金具（１）の先端部（１ａ）に配設され、他端側の側面が前記中心電極（３）の先端面（３ａ）との間に放電ギャップ（ｇ）を形成する平行電極（４）とを備え、
前記平行電極（４）における前記放電ギャップ（ｇ）に臨む位置に、貴金属元素を主成分とする貴金属チップ（３２）が配設されるとともに、
前記平行電極（４）の少なくとも表層部を形成する電極母材が、Ｃｒを１５質量％以上２５質量％以下、Ｆｅを０．０５質量％以上５質量％以下、Ａｌを０．０５質量％以上５質量％以下、Ｃを０．０１質量％以上０．１質量％以下、Ｓｉ及び／又はＭｎを０．１質量％以上２質量％以下、含有し、残部がＮｉ及び不可避的不純物からなることを特徴とするスパークプラグ（１００）。
前記電極母材がＷを１０質量％以上２０質量％以下、含有する請求項１に記載のスパークプラグ（１００）。
前記電極母材がＭｏを０．５質量％以上５質量％以下、含有する請求項１又は２に記載のスパークプラグ（１００）。
前記電極母材がＣｏを０．５質量％以上５質量％以下、含有する請求項１ないし３のいずれか１項に記載のスパークプラグ（１００）。