JP4914023B2 - Method for fabricating the center electrode of a spark plug - Google Patents
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Description
本発明は、ほぼ円筒状のベースボディを製作し、ルテニウムベースで製造された合金から成る局所的な保護層をベースボディに被着して、点火プラグの中心電極を製作するための方法に関する。 The present invention relates to a method for fabricating a center electrode of a spark plug by fabricating a substantially cylindrical base body and depositing a local protective layer of a ruthenium based alloy on the base body.
点火プラグの電極は、組付け位置で内燃機関の燃焼室内に露出していて、この場合、火花浸食、酸化および腐食ひいては激しい摩耗にさらされている。点火プラグの運転中に生ぜしめられる放電によって電極に伝達されるエネルギに関連して、電極の材料が溶融され、蒸発させられかつ/または酸化される。 The electrode of the spark plug is exposed in the combustion chamber of the internal combustion engine at the assembly position, and in this case is exposed to spark erosion, oxidation and corrosion and thus severe wear. In connection with the energy transferred to the electrode by the discharge produced during operation of the spark plug, the electrode material is melted, evaporated and / or oxidized.
点火プラグの寿命を延長するためには、構造的な手段だけでなく、材料技術的な手段も講じられ得る。点火プラグ電極を製造するためには、一般的に、高い融点および高い沸点を有する材料が使用される。この場合、材料選択は、点火プラグの運転中に生ぜしめられる後放電のアーク割合が、火花浸食に対して一層有利なグロー放電のために減じられるように行われる。特に点火プラグ電極のためには、僅かな酸化傾向、僅かな腐食傾向および/または火花浸食作用に対する高い耐摩耗性を有する材料が使用される。 In order to extend the life of the spark plug, not only structural means but also material technical means can be taken. In order to produce a spark plug electrode, a material having a high melting point and a high boiling point is generally used. In this case, the material selection is performed in such a way that the arc rate of the post-discharge generated during the operation of the spark plug is reduced for a glow discharge which is more advantageous against spark erosion. In particular for spark plug electrodes, materials are used which have a slight oxidation tendency, a slight corrosion tendency and / or a high wear resistance against spark erosion.
特にニッケルベースの材料は、点火プラグの電極を製造するための十分に普及した材料を成している。特に長寿命の点火プラグ電極を製作するためには、白金ベースの材料が使用されてもよいし、イリジウムベースの材料が使用されてもよい。また、ニッケルベースで製造された材料から成るベースボディと、白金から成る局所的な強化部とから成る中心電極を備えた点火プラグを製作することが知られている。しかし、電極材料としての白金の使用によって、点火プラグが極めて高価となる。 In particular, nickel-based materials constitute a sufficiently popular material for producing spark plug electrodes. In particular, a platinum-based material or an iridium-based material may be used to produce a long-life spark plug electrode. It is also known to produce a spark plug with a center electrode consisting of a base body made of a nickel-based material and a local reinforcement made of platinum. However, the use of platinum as an electrode material makes spark plugs very expensive.
ヨーロッパ特許出願公開第0660475号明細書に基づき、点火プラグが公知である。この公知の点火プラグは接地電極と中心電極とを有している。この中心電極はベースボディと、ルテニウム/アルミニウム合金から成るインサートもしくは付設部とから成っている。中心電極を製作するためには、まず、ベースボディが成形され、次いで、このベースボディの、接地電極に面した端面に、局所的な保護層を成すインサートが被着される。 A spark plug is known from EP-A-0 660 475. This known spark plug has a ground electrode and a center electrode. The center electrode is composed of a base body and an insert or attachment portion made of a ruthenium / aluminum alloy. In order to fabricate the center electrode, first a base body is molded, and then an insert forming a local protective layer is applied to the end surface of the base body facing the ground electrode.
しかし、ヨーロッパ特許出願公開第0660475号明細書に基づき公知のインサートは、周面にわたって複数の接地電極と協働する中心電極を有する、いわゆる「沿面放電プラグ」として形成された点火プラグには使用することができない。
本発明の課題は、点火プラグの中心電極を製作するための方法を改良して、点火プラグの、周面にわたって少なくとも1つの接地電極と協働する中心電極を、高い耐火花浸食性および/または耐酸化性を備えて製造することができるようにすることである。 The object of the present invention is to improve the method for producing the center electrode of the spark plug so that the center electrode cooperating with at least one ground electrode over the circumferential surface of the spark plug has a high spark erosion resistance and / or It is to be able to be manufactured with oxidation resistance.
この課題を解決するために本発明の方法では、保護層を形成するための合金をスラリの形でベースボディに塗布し、再溶融プロセス後にベースボディに結合するようにした。 In order to solve this problem, in the method of the present invention, an alloy for forming a protective layer is applied to the base body in the form of a slurry and bonded to the base body after the remelting process.
本発明による方法は、中心電極が任意の箇所、すなわち、その周面に耐摩耗性の、すなわち、耐火花浸食性のかつ耐酸化性の保護層を備えることができるという利点を有している。この保護層はその脆弱性の性質に基づき変形加工技術的な形状付与を行うことができない。保護層は、特に局所的に放電作用の領域で、ほぼ円筒状のベースボディに被着される。 The method according to the invention has the advantage that the central electrode can be provided with a protective layer which is wear-resistant, i.e. spark erosion-resistant and oxidation-resistant, at any location, i.e. its peripheral surface. . This protective layer cannot be deformed and shaped according to its fragile nature. The protective layer is applied to the substantially cylindrical base body, particularly in the region of local discharge action.
本発明により製作された中心電極は、特に周面にわたって少なくとも1つの接地電極と協働する中心電極である。この場合、スラリは、有利には、ベースボディの周面に塗布される。たとえば、この事例では、いわゆる「沿面放電プラグ」の中心電極が考慮される。 The center electrode made according to the present invention is a center electrode which cooperates with at least one ground electrode, especially over the circumference. In this case, the slurry is advantageously applied to the peripheral surface of the base body. For example, in this case, the center electrode of a so-called “surface discharge plug” is considered.
本発明による方法によれば、確かに、白金で強化された中心電極よりも僅かであるものの、たとえばニッケルベースの合金から製作されたベースボディよりも高い耐摩耗性を備えた点火プラグの中心電極が製作可能である。さらに、本発明により製作された中心電極では、白金強化部を備えた中心電極に比べて著しいコスト利点が得られる。 According to the method according to the invention, the center electrode of a spark plug with a higher wear resistance than a base body made, for example, of a nickel-based alloy, although certainly less than a platinum-reinforced center electrode. Can be produced. Furthermore, the center electrode fabricated in accordance with the present invention provides significant cost advantages over the center electrode with platinum reinforcement.
本発明による方法では、保護層を製作するために僅かな量の合金しか必要とならないので、保護層のためには、いまや僅かな材料コストしか生ぜしめられない。 Since the method according to the invention requires only a small amount of alloy to produce the protective layer, there is now only a small material cost for the protective layer.
本発明による方法の有利な実施態様では、ルテニウムのほかに、元素:ニッケル、アルミニウムおよび/またはクロムを含有した合金が使用される。この場合、この合金のニッケル割合は、有利には約30体積%〜40体積%であり、合金のアルミニウムおよびクロムの割合は、約10体積%〜30体積%である。したがって、各合金元素:ニッケル、アルミニウムおよびクロムの割合に関連して、各使用事例のために、十分に高い融点を生ぜしめることができる。この融点は中心電極の高い耐摩耗性を保証している。さらに、合金のアルミニウム・クロム割合は、酸化性の雰囲気が形成されかつ中心電極が運転中に露出している内燃機関の燃焼室内で、安定的なかつ迅速に増加する酸化アルミニウム・酸化クロム層が中心電極に形成されることを保証している。この層は中心電極の激しい酸化を阻止する。熱衝撃または放電に基づく酸化物層の剥離の事例でも、この酸化物層は後成長するので、電極材料を保護する作用は存在し続ける。しかし、この事例では、ベースボディを製作するために、酸化物層を後供給するための十分な量のアルミニウムおよびクロムを含有した材料を使用することが有利である。 In an advantageous embodiment of the process according to the invention, alloys containing elements: nickel, aluminum and / or chromium in addition to ruthenium are used. In this case, the nickel proportion of the alloy is advantageously about 30% to 40% by volume, and the aluminum and chromium proportions of the alloy are about 10% to 30% by volume. Thus, a sufficiently high melting point can be produced for each use case in relation to the ratio of each alloying element: nickel, aluminum and chromium. This melting point ensures high wear resistance of the center electrode. Furthermore, the aluminum / chromium ratio of the alloy is centered on a stable and rapidly increasing aluminum oxide / chromium oxide layer in the combustion chamber of the internal combustion engine where an oxidizing atmosphere is formed and the central electrode is exposed during operation. It is guaranteed to be formed on the electrode. This layer prevents severe oxidation of the center electrode. Even in the case of exfoliation of the oxide layer due to thermal shock or discharge, the oxide layer continues to grow so that the effect of protecting the electrode material continues to exist. In this case, however, it is advantageous to use a material containing a sufficient amount of aluminum and chromium to post-supply the oxide layer to fabricate the base body.
有利には、点火プラグの運転中に行われる放電作用の領域でしかベースボディに塗布されないスラリが、本発明による方法の有利な実施態様では、有利には5体積%〜9体積%の間の割合を有するバインダと、有利には31体積%〜45体積%の間の割合を有する溶剤と、有利には50体積%〜60体積%の間の割合を有する合金とから成っている。スラリの組成に関連して、合金の種々異なる層厚さを良好な品質で実現することができる。 Advantageously, a slurry which is applied to the base body only in the region of the discharge action which takes place during operation of the spark plug is preferably between 5% and 9% by volume in a preferred embodiment of the method according to the invention. It comprises a binder having a proportion, preferably a solvent having a proportion between 31% and 45% by volume, and preferably an alloy having a proportion between 50% and 60% by volume. With regard to the composition of the slurry, different layer thicknesses of the alloy can be achieved with good quality.
スラリのバインダとして、たとえばエチルセルロースを使用することができる。このエチルセルロースは、再溶融プロセス時に簡単に蒸発することができる。 As the slurry binder, for example, ethyl cellulose can be used. This ethylcellulose can be easily evaporated during the remelting process.
スラリの溶剤として、特に有機的な溶剤が適している。この溶剤は、たとえばベンジルアルコールとエタノールとから成る混合液を成していてよい。溶剤の成分の、選択された混合比は、有利には、保護層の、製作したい層厚さに関連している。したがって、エタノールは、たとえばベンジルアルコールよりも低い沸点を有している。したがって、溶剤を除去するために多くの時間を必要とする、より大きな層厚さの製作時には、より高いベンジルアルコール割合を有する溶剤混合液が選択される。過度に高いエタノール割合は、迅速な蒸発プロセスに基づき、保護層におけるキャビティ形成を生ぜしめる恐れがある。 An organic solvent is particularly suitable as the slurry solvent. This solvent may comprise a mixed solution of benzyl alcohol and ethanol, for example. The selected mixing ratio of the solvent components is advantageously related to the layer thickness of the protective layer that it is desired to produce. Thus, ethanol has a lower boiling point than, for example, benzyl alcohol. Thus, when making larger layer thicknesses that require more time to remove the solvent, a solvent mixture having a higher benzyl alcohol ratio is selected. An excessively high ethanol ratio can result in cavity formation in the protective layer based on a rapid evaporation process.
中心電極を簡単に、ほぼ円筒状の周面を備えて製作することができるようにするために、スラリが、ベース電極の環状溝内に供給されると有利である。 In order to be able to make the central electrode easily with a substantially cylindrical peripheral surface, it is advantageous if a slurry is fed into the annular groove of the base electrode.
スラリを中心電極に塗布するためには、有利には空気圧制御されるマイクロ調量機器が特に適している。このマイクロ調量機器は、有利には1.1mm〜1.3mmの内径を備えた塗布ニードルを有していて、約2bar〜3barの空気圧で負荷されている。塗布ニードルの内径と、空気圧とは、スラリの粘度と、スラリを製作するために使用される合金パウダの粒度とに関連して選択することができる。合金の平均的な粒度は、たとえば22μmである。マイクロ調量機器は、蓄え容器と、たとえばポリエチレンから成る、有利には円錐形の塗布ニードルとを備えた標準実験室機器であってよい。 For applying the slurry to the central electrode, a micrometering device which is advantageously pneumatically controlled is particularly suitable. The micrometering device preferably has an application needle with an inner diameter of 1.1 mm to 1.3 mm and is loaded with an air pressure of about 2 bar to 3 bar. The inner diameter of the application needle and the air pressure can be selected in relation to the viscosity of the slurry and the particle size of the alloy powder used to make the slurry. The average grain size of the alloy is, for example, 22 μm. The micrometering device may be a standard laboratory device with a reservoir and an application needle, for example made of polyethylene, preferably of a conical shape.
再溶融プロセスを実施するためには、有利には、レーザが使用される。このレーザは、ダイオードレーザとして形成されていてもよいし、YAGレーザとして形成されていてもよい。この場合、高い耐摩耗性を達成するためには、合金とベースボディの材料との混合度が最大35%に調整される。より高い混合度は、保護層なしの中心電極に比べて、耐摩耗性の低減すら生ぜしめる恐れがある。混合度はレーザ再溶融プロセスのプロセスガイドに関連している。再溶融プロセスを最適化するためには、たとえばレーザの出力と、レーザをベースボディの周面の周りに1回転させるための時間と、回転の回数とが変えられ得る。また、混合の度合いはベースボディの熱容量にも関連している。さらに、この熱容量は、ベースボディのジオメトリもしくは寸法と、レーザによって放出される放射線に対する、スラリのために使用される合金パウダの吸収能とに関連している。 In order to carry out the remelting process, a laser is advantageously used. This laser may be formed as a diode laser or a YAG laser. In this case, in order to achieve high wear resistance, the degree of mixing of the alloy and the base body material is adjusted to a maximum of 35%. A higher degree of mixing can even lead to a reduction in wear resistance compared to a center electrode without a protective layer. The degree of mixing is related to the process guide of the laser remelting process. In order to optimize the remelting process, for example, the power of the laser, the time for rotating the laser once around the circumference of the base body, and the number of rotations can be varied. The degree of mixing is also related to the heat capacity of the base body. Furthermore, this heat capacity is related to the geometry or dimensions of the base body and the ability of the alloy powder used for the slurry to absorb the radiation emitted by the laser.
主として、再溶融プロセスの開始点もしくは終了点を特徴付ける箇所を有していない均一に再溶融された保護層を製造するためには、ベースボディに被着された材料が連続して2回再溶融されると有利である。このことは、特に定置のレーザビームにおいて、ベースボディが再溶融プロセスの間にその固有の軸線を中心として2回回転させられることによって実現することができる。 Primarily, the material applied to the base body is remelted twice in succession to produce a uniformly remelted protective layer that does not have a point characterizing the start or end point of the remelt process. It is advantageous if This can be achieved by rotating the base body twice about its own axis during the remelting process, especially in stationary laser beams.
本発明による対象の別の利点および有利な実施態様は、発明を実施するための最良の形態、図面の簡単な説明および特許請求の範囲から知ることができる。 Further advantages and advantageous embodiments of the object according to the invention can be seen from the best mode for carrying out the invention, the brief description of the drawings and the claims.
以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。 In the following, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1には、ともかく慣用の形式で形成された、自動車内燃機関のエンジンブロックに組み付けるための沿面放電プラグの、製作の間の中心電極10が示してある。
FIG. 1 shows a
この中心電極10は、NiAlSiY合金から成るほぼ円筒状のベースボディ11を有している。このベースボディ11はその熱伝導率の向上のために銅芯12を有している。ベースボディ11は、周面に形成された溝13を備えて製造され、その後、回転工具に据え付けられる。
The
次いで、溝13が、スラリのための蓄え容器16と、1.19mmの内径を備えた、ポリエチレンから製造された円錐形のニードル17とを有するマイクロ調量機器15によってスラリで充填される。このスラリは、5体積%のエチルセルロースと、ベンジルアルコールおよびエタノールから形成された45体積%の溶剤と、50体積%の合金とから成っている。この合金はルテニウムベースで製造されていて、50体積%のルテニウムと、30体積%のニッケルと、20体積%のクロムおよびアルミニウムとを有している。マイクロ調量機器15は時間・空気圧制御されている。溝13の充填の間、ベースボディ11が矢印Xにより回転させられる。
The
次いで、溝13内に供給されたスラリが室温で乾燥させられ、これによって、溶剤が除去され、合金と結合剤とから成るプレコーティング層18が形成される。
Next, the slurry supplied into the
乾燥後、ダイオードレーザ19によってレーザ再溶融プロセスが行われ、これによって、溝13内に金属間層20が形成される。この金属間層20はスラリの合金とベースボディ11の材料とから成っている。この場合、スラリの合金とベースボディ11の材料との混合は最大35%である。このことを達成するためには、ダイオードレーザ19が、600μmのファイバ直径と、200mmの焦点距離と、80rpmの回転数と、−10mmの焦点位置とを有しているように調整されている。レーザの出力は最大800ワットに調整される。
After drying, a laser remelting process is performed by the
スラリのバインダが蒸発させられる再溶融プロセスの間、ベースボディ11はその軸線を中心として2回回転させられる。
During the remelting process in which the slurry binder is evaporated, the
最後に、中心電極10が、点火プラグの運転中に生ぜしめられる放電作用の箇所に環状のコーティング層もしくは保護層を備えている。したがって、点火プラグの寿命延長を最大50%だけ達成することができる。
Finally, the
10 中心電極、 11 ベースボディ、 12 銅芯、 13 溝、 15 マイクロ調量機器、 16 蓄え容器、 17 ニードル、 18 プレコーティング層、 19 ダイオードレーザ、 20 金属間層 10 central electrode, 11 base body, 12 copper core, 13 groove, 15 micrometering device, 16 storage container, 17 needle, 18 pre-coating layer, 19 diode laser, 20 intermetallic layer
Claims (9)
−ルテニウムベースで製造された合金から成る局所的な保護層(20)をベースボディ(11)に被着して、点火プラグの中心電極を製作するための方法において、
保護層(20)を形成するための合金をスラリの形でベースボディ(11)に塗布し、再溶融プロセス後にベースボディ(11)に結合し、前記スラリが、バインダと、溶剤と、前記合金とから成っており、前記スラリをベースボディ(11)の環状溝(13)内に供給することを特徴とする、点火プラグの中心電極を製作するための方法。 -Producing a substantially cylindrical base body (11);
In a method for producing a central electrode of a spark plug by applying a local protective layer (20) made of an alloy made of ruthenium base to a base body (11),
An alloy for forming the protective layer (20) is applied to the base body (11) in the form of a slurry and bonded to the base body (11) after the remelting process, and the slurry comprises a binder, a solvent, and the alloy. and it consists with, characterized that you supplied to the annular groove (13) in the slurry-based body (11), a method for fabricating the center electrode of the spark plug.
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