JP5200247B2 - 点火装置用電極 - Google Patents
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Description
本願は、2006年6月19日に出願された米国仮特許出願連続番号第60/814,842号の優先権を主張する。当該仮出願はここにその全体が引用により援用される。
発明の分野
この発明は、温度、酸化、硫化および破壊に対する耐性があるジルコニウムおよびホウ素の合金添加元素を含むNi系ニッケルクロム鉄合金から作られた高性能電極に関し、より特定的には、内燃エンジン、炉などのためのスパークプラグといった点火装置用の電極に関する。
スパークプラグとは、内燃エンジンの燃焼室内に延在して、空気と燃料との混合物に点火するためにスパークを生成するスパーク点火装置である。エンジン技術における最近の開発は、エンジン効率の改良を達成するために、より高温の動作温度をもたらしている。しかしながら、これらのより高温の動作温度は、スパークプラグ電極をそれらの材料能力の極限へと追いやっている。現在、UNS N06600により定義されているNi系ニッケルクロム鉄合金、たとえばインコネル600(Inconel 600)(登録商標)、ニクロファー7615(Nicrofer 7615)(登録商標)、およびフェロクロニン600(Ferrochronin 600)(登録商標)という商標で販売されているものなどは、スパークプラグ電極材料として幅広く使用されている。
一局面では、この発明は、重量で、14.5〜25%のクロムと、7〜22%の鉄と、0.2〜0.5%のマンガンと、0.2〜0.5%のシリコンと、0.1〜2.5%のアルミニウムと、0.05〜0.15%のチタンと、合計で0.01〜0.1%のカルシウ
ムおよびマグネシウムと、0.005〜0.5%のジルコニウムと、0.001〜0.01%のホウ素と、実質的にNiである残部とを含む合金を含む、固溶体強化されたNi系ニッケルクロム鉄合金から作られた、高温酸化、硫化および関連する腐食磨耗に対する耐性が改良され、また、高温引張強度、クリープ破断強度および疲労強度、ならびに亀裂および破壊に対する耐性が改良された点火装置用電極を含む。ジルコニウムおよびホウ素の添加は、これらの元素のいずれかを別個に添加することから生じる改良に比べ、固溶体強化されたNi系ニッケルクロム鉄合金において注目される特性の改良に対して相乗効果を有することが観察されている。ジルコニウムおよびホウ素は一般に、Zr/Bの重量比が約5〜150、より特定的には約50〜100、最も特定的には約70〜80という状態で存在する。ジルコニウムおよびホウ素は、電極合金の要件に整合する任意の量で存在してもよいが、一般に約2.74重量%以下の量のジルコニウムおよび約3.50重量%以下の量のホウ素が、これらの成分にとって好ましい上限であるように思われると考えられている。また、ジルコニウムの量はホウ素の量よりも多いことが好ましいと考えられている。固溶体強化されたNi系ニッケルクロム鉄合金では一般に、合金の0.005〜0.5重量%の範囲のジルコニウムおよび合金の0.001〜0.01重量%の範囲のホウ素の使用が特に有用であると考えられている。マンガン、シリコン、アルミニウム、チタン、カルシウム、およびマグネシウムを含む上述の合金組成において、合金の0.005〜0.15重量%の範囲のジルコニウムおよび合金の0.001〜0.01重量%の範囲のホウ素の使用は特に有用であることが知られている。
、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、およびレニウム、ならびに任意に組合わされたそれらの合金からなる群から選択される少なくとも1つの元素を含んでいてもよい。白金族金属はまた、ニッケル、クロム、鉄、マンガン、銅、アルミニウム、コバルト、タングステン、イットリウム、ジルコニウム、ハフニウム、ランタン、セリウム、およびネオジムからなる群から選択される少なくとも1つの元素を、合金添加元素として含んでいてもよい。
図1〜図6を参照すると、この発明は、燃料/空気混合物に点火するために使用される点火装置5用の電極である。この電極は、スパークプラグ、グロープラグ、点火器などのさまざまな構成を含む任意の好適な点火装置5において使用され得るが、さまざまなスパークプラグ電極構成における使用のために特に適合される。スパークプラグなどの点火装置の電極は、その装置の機能にとって不可欠である。スパークプラグなどのスパーク点火装置では、電極に使用される合金は、装置が経験する最も極限の温度条件、圧力条件、化学的腐食条件、および物理的腐食条件にさらされる。これらは、酸化プロセス、硫化プロセス、および他の腐食プロセスを促進する燃料プロセスに関連する多数の高温化学反応体種類に電極合金がさらされること、および、電極のスパーク表面の腐食を促進するスパーク中心部および炎前面に関連するプラズマの反応を含む。電極はまた、特に電極合金とは異なる物理的および機械的特性、たとえば熱膨張係数を有する電極表面上に腐食プロセスが腐食生成物を形成する限り、極限的な温度に周期的にさらされることに関連する熱機械応力も受ける。また、スパーキング表面としての電極端部に、貴金属スパークチップが機械的に変形され、溶接され、または他の態様で取付けられる場合、貴金属チップおよび電極材料の熱膨張係数の不整合に関連する追加の周期的な熱機械応力があり、それはさまざまな高温クリープ変形、亀裂および破壊現象をもたらす場合があり、貴金属チップおよび電極の故障をもたらす。これらはすべて、電極の特性を劣化させ得るプロセスを表わして
おり、特にそれらは、スパークギャップ、ひいてはスパークの形成、場所、形状、持続期間および他の特性における変化をもたらす場合があり、それは次に、燃料/空気混合物の燃料特性とエンジンの性能特性とに影響を与える。この発明は、インコネル(登録商標)600、フェロクロニン(登録商標)600、ニクロファー(登録商標)7615などの商標で販売されているものを含むさまざまなUNS N06600合金といった一般に使用されている電極合金の耐性を上回る、これらの劣化プロセスに対する改良された耐性を有する。これらの合金は、スパークプラグ用の中心および接地電極材料としてしばしば使用される。
れから密封し、また、動作中のスパークプラグ10からの無線周波数ノイズ放射を抑制する。図示されているように、中心電極48は好ましくは、そのヘッドとそのスパーキング端部50との間で途切れずに連続的に延びる一体構造である。スパークプラグ10の動作中の中心電極48の極性は、中心電極48が接地電位よりも高いかまたは低い電位を有するよう、正か負であってもよいということは、容易に理解され、またこの発明の範囲内にあるとされるであろう。
Claims (4)
- 点火装置用の電極であって、前記電極は本質的に、重量で、
14.5〜25%のクロムと、
7〜22%の鉄と、
0.2〜0.5%のマンガンと、
0.2〜0.5%のシリコンと、
0.1〜2.5%のアルミニウムと、
0.05〜0.15%のチタンと、
合計で0.01〜0.1%のカルシウムおよびマグネシウムと、
0.005〜0.5%のジルコニウムと、
0.001〜0.01%のホウ素と、
Niおよび付随的な不純物である残部とからなる合金を含む、電極。 - イットリウム、ハフニウム、ランタン、セリウム、およびネオジムからなる群から選択される少なくとも1つの希土類元素をさらに含む、請求項1に記載の電極。
- 前記点火装置はスパークプラグであり、
略環状のセラミック絶縁体と、
前記セラミック絶縁体の少なくとも一部を包囲する導電性シェルと、
端子端部と中心電極スパーキング表面を有するスパーキング端部とを有する、前記セラミック絶縁体内に配置された中心電極と、
前記中心電極スパーキング表面に近接して位置する接地電極スパーキング表面を有する、前記シェルに動作可能に取付けられた接地電極とを含み、前記中心電極スパーキング表面および前記接地電極スパーキング表面は、それらの間にスパークギャップを規定しており、
前記中心電極または前記接地電極のうちの少なくとも1つは前記電極である、請求項1に記載の電極。 - 前記中心電極または前記接地電極のうちの少なくとも1つに取付けられたスパーキングチップをさらに含み、前記スパーキングチップは、金、金合金、白金族金属、またはタングステン合金のうちの1つを含み、前記白金族金属は、白金、イリジウム、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、およびレニウムからなる群から選択される少なくとも1つの元素を含む、請求項3に記載の電極。
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