JP5439499B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関等に使用されるスパークプラグに関し、特に電極の先端部に貴金属チップを備えたものに関する。

スパークプラグは、自身の軸線に沿って配置された中心電極と、その中心電極の先端部に間隙を介して配置された接地電極とを備え、両電極間にて火花放電を生じさせることにより、内燃機関（エンジン）等の燃焼室内部に導入された混合気を着火させるものである。スパークプラグに使用される電極は、火花放電による電極の消耗のみならず、燃焼ガスに晒されることに起因する酸化等による電極の消耗が懸念されることから、従来から耐久性に優れる電極材料の開発が行われている（例えば、特許文献１参照）。

一方、火花放電による電極の消耗の対策として、火花放電の生じる両電極の先端部に貴金属チップを接合することで、耐火花消耗性に優れる構成としたスパークプラグも存在する（例えば、特許文献２参照）。更に、電極の先端部に貴金属チップを接合したスパークプラグにおいては、チップの大きさを比較的小さくすることにより、着火性を向上させたスパークプラグも存在する（例えば、特許文献３参照）。

ところで、エンジンの高出力化等に伴って、スパークプラグの使用される環境がより過酷になってきており、スパークプラグの電極に対して更なる耐久性の向上が求められている。従来では、その要求に応えるべく、電極材料として、ＮＣＦ６００やＮＣＦ６０１等が使用されてきた。

特開２００２−２６０８１８号公報 特開２００３−１９７３４７号公報 特開２００２−３１３５２４号公報

ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）６０１のようなＡｌを含有したＮｉ基合金は、高温雰囲気に晒されると表面にＡｌ酸化物層を形成することにより、電極材料の酸化消耗を抑制し、耐高温酸化性を確保している。ところが、Ａｌは窒素との反応性も高いため、Ａｌと窒素とが反応してＡｌ窒化物が析出し、Ａｌ酸化物層よりも内側の領域に塊状のＡｌ窒化物が形成されてしまうことが見出された。このＡｌ窒化物は硬質であり、Ａｌ窒化物が散在した領域を脆化させる要因となる。このようなＡｌ窒化物は、温度が高くなるほど、また、高温保持温度が長くなるほど電極材料内部にまで析出するようになり、厚みの薄い電極材料では、厚み方向全体にわたってＡｌ窒化物が析出してしまう場合がある。

また、貴金属チップが接合された電極が高温雰囲気に晒されると、電極材料成分の一部が貴金属チップの内部に拡散して貴金属元素と反応し、低融点化合物が形成されてしまうことが見出された。低融点化合物が形成されると、貴金属チップの耐火花消耗性や耐酸化性が低下したり、更には、電極に対する貴金属チップの接合信頼性が低下したりする。

本発明では、上記事情を鑑みてなされたものであり、積極的にＡｌを含有させることなく、電極の耐高温酸化性を向上させると共に、電極に接合された貴金属チップの耐火花消耗性、耐酸化性及び接合信頼性を向上させたスパークプラグを提供することを目的とする。

請求項１に係るスパークプラグは、軸線方向に延びる中心電極と、前記中心電極の径方向周囲を取り囲んで保持する絶縁碍子と、前記絶縁碍子の径方向周囲を取り囲んで当該絶縁碍子を保持する主体金具と、自身の一端部が前記中心電極の先端部との間で間隙を形成するように屈曲されると共に、自身の他端部が前記主体金具に接合される接地電極と、を備え、前記中心電極及び前記接地電極の少なくとも一方における前記間隙に臨む位置に貴金属を主成分とする小片からなる発火部が付設されてなるスパークプラグであって、前記発火部の重さは１．５ｍｇ以上であると共に、前記中心電極及び前記接地電極のうち前記発火部が付設された電極は、Ｎｉを主成分とし、Ｃを０．００５質量％以上０．１質量％以下、Ｓｉを１．０５質量％以上３質量％以下、Ｍｎを２質量％以下、Ｃｒを２０質量％以上３２質量％以下、Ｆｅを６質量％以上１６質量％以下含有することを特徴とする。

これによれば、中心電極及び接地電極のうち貴金属を主成分とする小片からなる発火部が付設された電極は、Ｃを０．００５質量％以上０．１質量％以下含有している。ＣはＣｒ等と結合して炭化物を形成し、固溶化温度に近い温度に晒された場合に結晶粒の粗大化を防止して耐高温酸化性を向上させる効果がある。その効果を得るためには、Ｃを０．０５質量％以上含有させる必要がある。また、Ｃを含有させることにより、粒界を強化する効果もある。一方、Ｃの含有量が０．１質量％を超えてしまうと、マトリックス中のＣｒを過剰に消費して耐高温酸化性を低下させるため、Ｃの含有量は０．１０質量％以下としている。また、Ｃの含有量が０．１質量％を超えると、加工性が低下するおそれもある。

加えて、発火部が付設された電極は、Ｓｉを１．０５質量％以上３質量％以下含有している。本発明では、耐高温酸化性を向上させるために、Ａｌに代えてＳｉを含有している。Ｓｉは電極表面にＳｉ酸化物を生成し耐高温酸化性を向上させる効果がある。その効果を得るためには、Ｓｉを１．０５質量％以上含有させる必要がある。耐高温酸化性をより一層向上させるには、Ｓｉを１．２質量％以上含有させることが好ましい。一方、Ｓｉ酸化物はＮｉを主成分とする電極と比較して熱膨張係数が非常に小さいため、Ｓｉ酸化物が多量に生成した状態で冷熱サイクルに晒されると、Ｓｉ酸化物が電極表面から剥離して、耐高温酸化性が低下する。このため、Ｓｉの含有量は３質量％以下としている。また、Ｓｉの含有量が３質量％を超えると、加工性が低下するおそれもある。

また、Ｓｉは電極の主成分であるＮｉ中において比較的拡散速度が速い元素であり、発火部の付設された電極が高温雰囲気に晒されると、電極中のＳｉが発火部に拡散して、貴金属元素とＳｉとの低融点化合物が形成されてしまう。この低融点化合物が多量に形成されてしまうと、発火部の耐火花消耗性や耐酸化性が低下したり、発火部の剥離が生じて接合信頼性が低下したりするため、Ｓｉの含有量は３質量％以下にする必要がある。

加えて、発火部が付設された電極は、Ｍｎを２質量％以下（０質量％を含む）含有している。Ｍｎは脱酸元素として有用であるため、電極材料の形成にあたって添加することが好ましい。但し、Ｍｎが多量に含有されていると、耐高温酸化性が低下するため、Ｍｎの含有量は２質量％以下とする必要がある。また、Ｍｎの含有量が２質量％を超えると、加工性が低下するおそれもある。

加えて、発火部が付設された電極は、Ｃｒを２０質量％以上３２質量％以下含有している。Ｃｒは高温下において電極表面にＣｒ_２Ｏ_３を形成して耐高温酸化性を付与するために必須の元素である。その効果を得るためには、Ｃｒを２０質量％以上含有させる必要がある。一方、Ｃｒの含有量が３２質量％を超えると、γ’相の生成が顕著となり、耐高温酸化性が低下するため、Ｃｒの含有量は３２質量％以下とする必要がある。また、Ｃｒの含有量が３２質量％を超えると、加工性や靭性が低下するおそれもある。耐高温酸化性向上の観点から、Ｃｒの含有量は、２０質量％以上２７質量％以下が好ましく、２２質量％以上２７質量％以下が更に好ましい。

加えて、発火部が付設された電極は、Ｆｅを６質量％以上１６質量％以下含有している。Ｆｅの含有量を６質量％以上とすることにより、後述する試験結果から明らかなように、耐高温酸化性が向上する。また、Ｆｅを含有させることにより、固溶化熱処理後の電極の硬度を低下させる効果や加工性を向上させる効果もある。一方、Ｆｅを過剰に含有させると、耐高温酸化性が低下するだけでなく、脆化相であるσ相が析出しやすくなるため、Ｆｅの含有量は１６質量％以下にする必要がある。

加えて、発火部の重さは１．５ｍｇ以上としている。上述したように、電極中のＳｉは拡散しやすく、発火部を構成する貴金属元素とＳｉとの低融点化合物が形成されてしまう。この低融点化合物の発火部全体に対する形成割合が多くなると、発火部の耐火花消耗性や耐酸化性が低下したり、発火部の剥離が生じて接合信頼性が低下したりする。そこで、発火部の重さを１．５ｍｇ以上と発火部を比較的大きくすることにより、Ｓｉが拡散して低融点化合物が形成されたとしても、その影響を極力小さくすることできる。このため、発火部の耐火花消耗性、耐酸化性及び電極に対する接合信頼性を高めることができる。

ここで、本発明において、主成分とは、電極において最も質量比の高い成分を意味する。

また、請求項２に係るスパークプラグは、前記発火部が付設された電極は、前記Ｓｉを１．４質量％以下含有することを特徴とする。

また、請求項３に係るスパークプラグは、前記発火部が付設された電極は、Ｚｒ、Ｙ、ＲＥＭのうちの少なくともいずれか一種を合計で０．０１質量％以上０．５質量％以下含有することを特徴とする。

更に、請求項４のスパークプラグは、前記発火部が付設された電極は、Ａｌを０．１質量％以上２質量％以下含有することを特徴とする。

また、請求項５のスパークプラグは、前記発火部が付設された電極は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃｕのうちの少なくともいずれか一種を合計で０．１質量％以上２質量％以下含有することを特徴とする。

更に、請求項６のスパークプラグは、前記接地電極の前記他端部は、前記主体金具の先端面に接合されており、前記接地電極の前記他端部から前記一端部までの前記接地電極の延伸方向に沿った長さをＬとし、前記接地電極の延伸方向に垂直な断面積をＳとしたとき、１．５≦Ｌ／Ｓ≦８．５を満たすことを特徴とする。

着火性を向上させるためには、接地電極における断面積を比較的小さくしつつ長さを比較的長くすることが考えられるが、エンジンの振動による接地電極の耐折損性が低下するおそれがある。加えて、接地電極に発火部が付設されている場合には、発火部はその重さが大きくかつ接地電極の一端部に付設されるために、接地電極全体の重心位置が主体金具との固定端となる接地電極の他端部から遠ざかることとなる。このため、接地電極の屈曲部における力学的モーメントが増大して、つまり、接地電極の屈曲部に加わる負荷が大きくなって、接地電極の耐折損性の低下がより顕著になる。また、接地電極の断面積が小さくなることで、接地電極が受けた熱を主体金具に伝えることが難しくなり、接地電極がより高温になりやすくなるため、耐高温酸化性が要求される。

尚、接地電極の断面積Ｓは、主体金具との溶接性を確保するために２ｍｍ^２以上とすることが好ましく、着火性を確保するために５ｍｍ^２以下とすることが好ましい。また、接地電極の他端部から一端部までの長さＬは、接地電極の屈曲加工性を確保するために６ｍｍ以上とすることが好ましく、スパークプラグを内燃機関に取付けた際に内燃機関の他の構成部品と干渉することを避けるために２０ｍｍ以下とすることが好ましい。ここで、接地電極の延伸方向位置によって断面積Ｓが異なる場合、断面積Ｓは異なる延伸方向位置における断面積の平均値（例えば、接地電極を延伸方向に１０等分した位置における各断面積の平均値）とする。また、接地電極の他端部から一端部までの長さＬは、接地電極のうち中心電極側に面している側面に沿って接地電極の他端部から一端部に至るまでの長さＬ１と、接地電極のうち中心電極側に面している側面とは反対側の側面に沿って接地電極の他端部から一端部に至るまでの長さＬ２との算術平均値（（Ｌ１＋Ｌ２）／２）とする。

また、請求項７のスパークプラグは、前記中心電極の前記先端部には、円錐状の円錐部が形成されており、前記発火部は、前記中心電極の前記円錐部の先端に付設されており、前記中心電極の前記円錐部の体積は０．２ｍｍ^３以上２．５ｍｍ^３以下であることを特徴とする。

円錐部は、発火部が受けた熱を中心電極に伝える部位であり、この円錐部の体積が大きいほど発火部の耐火花消耗性が向上する。一方、円錐部の体積が大きくなり過ぎると、発火部と円錐部との熱膨張係数の差に起因する熱応力によって、発火部と円錐部との接合界面にてクラックが生じて、発火部の熱引きが低下して発火部の耐火花消耗性が低下するおそれがある。

請求項１のスパークプラグによれば、電極の耐高温酸化性を向上させると共に、電極に付設された発火部の耐火花消耗性、耐酸化性及び接合信頼性を向上させることができる。

請求項２のスパークプラグによれば、発火部が付設された電極は、Ｓｉを１．４質量％以下含有している。これにより、電極中のＳｉが発火部に拡散する量を低減し、貴金属元素とＳｉとの低融点化合物の形成を抑制できる。このため、発火部の耐火花消耗性を更に高めることができる。

請求項３のスパークプラグによれば、発火部が付設された電極は、Ｚｒ、Ｙ、ＲＥＭのうちの少なくともいずれか一種を合計で０．０１質量％以上０．５質量％以下含有している。Ｚｒ、Ｙ、ＲＥＭは、Ｓｉ酸化物の剥離を抑制して耐高温酸化性を向上させる効果がある。その効果を得るためには、Ｚｒ、Ｙ、ＲＥＭのうちの少なくともいずれか一種を合計で０．０１質量％以上含有させる必要がある。また、Ｚｒ、Ｙ、ＲＥＭを含有させることにより、加工性が向上し、更に、粒界を強化する効果もある。但し、Ｚｒ、Ｙ、ＲＥＭを過剰に含有させると、熱間加工性が悪化するおそれがある。このため、Ｚｒ、Ｙ、ＲＥＭのうちの少なくともいずれか一種の含有量を合計で０．５質量％以下としている。

Ａｌは耐高温酸化性向上に有効な元素であるが、上述したようにＡｌ窒化物の生成により電極の脆化を招くおそれがある。ところが、Ａｌを所定量のＳｉと共に電極に含有させることにより、ＳｉによってＡｌ窒化物の生成を抑制でき、Ａｌによる耐高温酸化性向上効果のみを発揮できることが見出された。但し、Ａｌを過剰に含有させるとＳｉによるＡｌ窒化物の生成抑制効果を得ることができない。そこで、請求項４のスパークプラグでは、電極材料がＳｉを所定量含有しつつ、さらにＡｌを０．１質量％以上２質量％以下含有することにより、耐高温酸化性及び耐高温窒化性の両立を図ることが可能となる。

請求項５のスパークプラグによれば、発火部が付設された電極は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃｕのうちの少なくともいずれか一種を合計で０．１質量％以上２質量％以下含有している。Ｔｉ、Ｎｂ、ＣｕはＳｉ酸化物の剥離を抑制して耐高温酸化性を向上させる効果がある。その効果を得るためには、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃｕのうちの少なくともいずれか一種を合計で０．１質量％以上含有させる必要がある。一方、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃｕを過剰に含有させると、加工性が悪化するおそれがある。このため、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃｕのうちの少なくともいずれか一種の含有量を合計で２質量％以下としている。

請求項６のスパークプラグでは、電極が上述の各成分を含有した電極材料から構成されているため、接地電極の他端部から一端部までの接地電極の延伸方向に沿った長さをＬとし、接地電極の延伸方向に垂直な断面積をＳとしたとき、１．５≦Ｌ／Ｓ≦８．５を満たす構成、即ち、接地電極が比較的細くて長い構成であったとしても、耐高温酸化性を確保できるため、耐折損性に優れたスパークプラグとすることが可能となる。

請求項７のスパークプラグでは、中心電極の円錐部の体積を２．５ｍｍ^３以下としている。これにより、発火部と円錐部との接合界面にてクラックが生じることを抑制できるので、発火部の熱引き、ひいては、発火部の耐火花消耗性を確保することができる。また、中心電極が上述の各成分を含有した電極材料から構成されているため、円錐部の体積が０．２ｍｍ^３と比較的小さくても円錐部の耐高温酸化性を確保することでき、発火部の熱引き、ひいては、発火部の耐火花消耗性を確保することができる。

本実施形態におけるスパークプラグの構成を示す一部破断正面図である。 スパークプラグの先端部の構成を示す一部破断拡大正面図である。

以下に、実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、スパークプラグ１を示す一部破断正面図である。尚、図１では、スパークプラグ１の軸線ＣＬ１方向を図面における上下方向とし、下側をスパークプラグ１の先端側、上側を後端側として説明する。

スパークプラグ１は、筒状をなす絶縁体としての絶縁碍子２、これを保持する筒状の主体金具３などから構成されるものである。

絶縁碍子２は、周知のようにアルミナ等を焼成して形成されており、その外形部において、後端側に形成された後端側胴部１０と、当該後端側胴部１０よりも先端側において径方向外向きに突出形成された大径部１１と、当該大径部１１よりも先端側においてこれよりも細径に形成された中胴部１２と、当該中胴部１２よりも先端側においてこれよりも細径に形成された脚長部１３とを備えている。加えて、絶縁碍子２のうち、大径部１１、中胴部１２、及び、大部分の脚長部１３は、主体金具３の内部に収容されている。そして、脚長部１３と中胴部１２との連接部にはテーパ状の段部１４が形成されており、当該段部１４にて絶縁碍子２が主体金具３に係止されている。

さらに、絶縁碍子２には、軸線ＣＬ１に沿って軸孔４が貫通形成されており、当該軸孔４の先端側には中心電極５が挿入、固定されている。当該中心電極５は、全体として棒状（円柱状）をなし、絶縁碍子２の先端から突出している。また、中心電極５は、後述のニッケル（Ｎｉ）を主成分とするＮｉ合金からなる外層５Ｂと、前記Ｎｉ合金よりも熱伝導性の高い銅、銅合金又は純Ｎｉからなる内層５Ａとを備えている。さらに、円柱状をなす前記中心電極５は、自身の外径が略一定の本体部３４と、本体部３４の先端側に本体部３４よりも径小であって先端側に向かって先細りテーパ状の円錐部３２とを備えている。この円錐部３２の先端面に貴金属合金（例えば、イリジウム合金）により形成された円柱状の貴金属部（発火部）３１が溶融部を介して接合されている。この貴金属部３１の重さは１．５ｍｇ以上とされている。また、円錐部３２の体積は、０．２ｍｍ^３以上２．５ｍｍ^３以下とされている。ここで、円錐部３２の体積は、円錐部３２の後端（中心電極の本体部と円錐部３２との境界部）から円錐部３２と貴金属部３１とが溶け込みあった溶融部のうち最も後端までの領域に存在する部位の体積とする。

また、軸孔４の後端側には、絶縁碍子２の後端から突出した状態で端子電極６が挿入、固定されている。

さらに、軸孔４の中心電極５と端子電極６との間には、円柱状の抵抗体７が配設されている。当該抵抗体７の両端部は、導電性のガラスシール層８、９を介して、中心電極５と端子電極６とにそれぞれ電気的に接続されている。

加えて、主体金具３は、低炭素鋼等の金属により筒状に形成されており、その外周面にはスパークプラグ１を内燃機関や燃料電池改質器等の燃焼装置に取付けるためのねじ部（雄ねじ部）１５が形成されている。また、ねじ部１５の後端側の外周面には座部１６が形成され、ねじ部１５後端のねじ首１７にはリング状のガスケット１８が嵌め込まれている。さらに、主体金具３の後端側には、スパークプラグ１を燃焼装置に取付ける際にレンチ等の工具を係合させるための断面六角形状の工具係合部１９が設けられるとともに、後端部において絶縁碍子２を保持するための加締め部２０が設けられている。尚、本実施形態では、スパークプラグ１の小型化を図るべく、主体金具３が比較的小径化されており、結果として、ねじ部１５のねじ径が比較的小径化（例えば、Ｍ１０以下）されたものとなっている。

また、主体金具３の内周面には、絶縁碍子２を係止するためのテーパ状の段部２１が設けられている。そして、絶縁碍子２は、主体金具３の後端側から先端側に向かって挿入され、自身の段部１４が主体金具３の段部２１に係止された状態で、主体金具３の後端側の開口部を径方向内側に加締めること、つまり上記加締め部２０を形成することによって固定される。尚、絶縁碍子２及び主体金具３双方の段部１４、２１間には、円環状の板パッキン２２が介在されている。これにより、燃焼室内の気密性を保持し、燃焼室内に晒される絶縁碍子２の脚長部１３と主体金具３の内周面との間の空間に入り込む燃料ガスが外部に漏れないようになっている。

さらに、加締めによる密閉をより完全なものとするため、主体金具３の後端側においては、主体金具３と絶縁碍子２との間に環状のリング部材２３、２４が介在され、リング部材２３、２４間にはタルク（滑石）２５の粉末が充填されている。すなわち、主体金具３は、板パッキン２２、リング部材２３、２４及びタルク２５を介して絶縁碍子２を保持している。

また、主体金具３の先端部２６には、略中間部分が曲げ返されて、その先端側側面が中心電極５の先端部と対向する接地電極２７が接合されている。当該接地電極２７は、外層２７Ａと、内層２７Ｂとからなる２層構造となっている。本実施形態において、前記外層２７Ａは後述のＮｉ合金によって構成されている。一方、前記内層２７Ｂは、前記Ｎｉ合金よりも良熱導電性金属である銅や銅合金、純Ｎｉ等によって構成されている。尚、本実施形態では、接地電極２７は外層２７Ａ及び内層２７Ｂからなる２層構造となっているが、銅によって構成された内層２７Ｂの更に内部にＮｉによって構成された芯部を埋設した３層構造としてもよい。また、接地電極２７は、主体金具３の先端面に接合された基端部（他端部）から先端部（一端部）までの接地電極２７の延伸方向に沿った距離をＬ（ｍ）とし、接地電極２７の延伸方向に垂直な断面積をＳ（ｍｍ）としたとき、ＬとＳとの比（Ｌ／Ｓ）が、１．５≦Ｌ／Ｓ≦８．５を満たしている。

加えて、接地電極２７のうち貴金属部３１の先端面と対向する部位には、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、或いは、ロジウム（Ｒｈ）、又は、これらのうちいずれか１種を主成分とする合金により形成された円柱状の貴金属チップ（発火部）４１が接合されている。より詳しくは、図２に示すように、貴金属チップ４１は、レーザ溶接にて自身と接地電極２７とが溶け込み合って形成された溶融部３５が自身の基端部周囲に形成されることで接地電極２７に接合されている。この貴金属チップ４１の重さは１．５ｍｇ以上とされている。

また、前記貴金属部３１と貴金属チップ４１との間には、間隙としての火花放電間隙３３が形成されている。そして、当該火花放電間隙３３において、軸線ＣＬ１方向にほぼ沿った方向で火花放電が行われるようになっている。尚、軸線ＣＬ１に沿った火花放電間隙３３の大きさＧは１．１ｍｍ以下とされている。

ここで、発火部（貴金属部３１、貴金属チップ４１）の重さは、次のようにして測定することができる。即ち、発火部（貴金属部３１、貴金属チップ４１）を含むように中心電極５或いは接地電極２７を切断する。次いで、３５％塩酸もしくは王水に浸漬して中心電極５或いは接地電極２７のみを溶解することにより発火部のみを取り出し、重さの測定を行うことにより、発火部の重さを測定することができる。

次いで、中心電極５の外層５Ｂ及び接地電極２７の外層２７Ａを構成する電極材料について詳述する。

中心電極５の外層５Ｂ及び接地電極２７の外層２７Ａは、Ｎｉを主成分とし、Ｃを０．００５質量％以上０．１質量％以下、Ｓｉを１．０５質量％以上３質量％以下、Ｍｎを２質量％以下、Ｃｒを２０質量％以上３２質量％以下、Ｆｅを６質量％以上１６質量％以下含有している。

また、中心電極５の外層５Ｂ及び接地電極２７の外層２７Ａは、Ｚｒ、Ｙ、ＲＥＭのうちの少なくともいずれか一種を合計で０．０１質量％以上０．５質量％以下含有することとしてもよい。

更に、中心電極５の外層５Ｂ及び接地電極２７の外層２７Ａは、Ａｌを０．１質量％以上２質量下含有することとしてもよい。

また、中心電極５の外層５Ｂ及び接地電極２７の外層２７Ａは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃｕのうちの少なくともいずれか一種を合計で０．１質量％以上２質量％以下含有することとしてもよい。

以上詳述したように、本実施形態によれば、中心電極５及び接地電極２７の耐高温酸化性を向上させると共に、中心電極５及び接地電極２７に接合された発火部（貴金属部３１、貴金属チップ４１）の耐火花消耗性、耐酸化性及び接合信頼性を向上させることができる。

次に、本発明の作用効果を確認すべく行った各試験について説明する。

〔評価試験１〕
表１に示す各成分を混合・調合した原料粉末を真空高周波誘導炉にて溶解して、各組成毎のインゴット１００ｇを得た。尚、表１に示す組成は、得られたインゴットを蛍光Ｘ線分析装置にて測定した測定値であり、各成分の合計が１００質量％となるように示したものである。次に、得られた各組成のインゴットを直径１６ｍｍの円柱棒材となるように熱間鍛造した後、１１００℃にて固溶化熱処理を行った。その後、各組成の棒材を圧延加工して、幅３ｍｍ、長さ２５ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの大きさの各試験片を作製し、９８０℃にて焼鈍を行った。焼鈍後の各試験片に対して耐高温酸化性評価を行った。

耐高温酸化性評価の概要は次の通りである。即ち、大気雰囲気の電気炉内にて上記の各試験片を１２００℃で３０分間保持した後、電気炉から取り出して室温までファンにより急冷するサイクルを１サイクルとする冷熱試験を２００サイクル行った。冷熱試験終了後、各試験片の断面を観察し、試験片の厚さ方向において酸化していない箇所の最大厚さ（以後、「残存厚さ」ともいう。）を測定した。そして、冷熱試験前の試験片に厚さに対する残存厚さの割合（残存率）を算出した。その結果も表１に示す。

表１より、本発明の範囲に含まれる試料Ｎｏ．２〜７、１２〜１５、１７〜２１、２４〜２７、３０〜３２は、耐高温酸化性評価における残存率が７０％以上であり、優れた耐高温酸化性を有していることが分かった。一方、試料Ｎｏ．１、８〜１１、１６、２２、２３、２８、２９、３３は残存率が７０％未満であり、耐高温酸化性に劣ることが分かった。

〔評価試験２〕
評価試験１と同様に、表２に示す各組成の棒材を圧延加工及び９８０℃での焼鈍を施して、幅３ｍｍ、長さ２５ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの大きさの各組成の板材を作製した。次いで、各板材に対して、重さを種々変更した直径０．７ｍｍのＰｔ系貴金属チップ（Ｐｔ−２０質量％Ｎｉ）を抵抗溶接にて接合したもの、及び、重さを種々変更した厚さ０．５５ｍｍのＩｒ系貴金属チップ（Ｉｒ−２０質量％Ｒｈ）をレーザ溶接にて接合したものを試験片とした。尚、Ｐｔ系貴金属チップの重さは、Ｐｔ系貴金属チップの厚さを、０．２ｍｍ（重さ１．３ｍｇ）、０．２３ｍｍ（重さ１．５ｍｇ）、０．４７ｍｍ（重さ３．０ｍｇ）と調整することによって変更した。また、Ｉｒ系貴金属チップの重さは、Ｉｒ系貴金属チップの直径を、０．４ｍｍ（重さ１．３ｍｇ）、０．４３ｍｍ（重さ１．５ｍｇ）、０．６ｍｍ（重さ３．０ｍｇ）と調整することによって変更した。そして、各試験片に対して、接合信頼性評価を行った。

接合信頼性評価の概要は次の通りである。即ち、大気中にて、バーナにより試験片を１１００℃の状態で２分間保持した後、バーナを消火して１分間冷却するサイクルを１サイクルとする冷熱試験を２００００サイクル行った。冷熱試験終了後、各試験片の溶接部の断面を観察し、溶接界面において本来接合されている部分の長さに対する剥離している部分長さの割合（剥離率）を算出した。その結果も表２に示す。

表２より、板材の組成が本発明の範囲に含まれる試料Ｎｏ．３４〜３８のうち、貴金属チップの重さが１．５ｍｇ以上のものは、剥離率が３０％以下であり、接合信頼性が高いことが分かった。一方、板材の組成が本発明の範囲に含まれる試料Ｎｏ．３４〜３８であっても、貴金属チップの重さが１．５ｍｇ未満のものは、剥離率が３０％を超えたり、或いは、貴金属チップが消失してしまい、接合信頼性に劣ることが分かった。即ち、貴金属チップを備えたスパークプラグにおいて、電極の耐高温酸化性及び貴金属チップの接合信頼性を確保するためには、電極の組成のみならず、貴金属チップの重さを１．５ｍｇ以上にする必要があることが分かった。

〔評価試験３〕
評価試験１と同様に、表３に示す各組成の棒材を圧延加工及び９８０℃での焼鈍を施して、直径０．７５ｍｍ、長さ５０ｍｍの丸棒材を各組成２本ずつ作製した。次いで、各組成の丸棒材のうち一方の丸棒材の端面に直径０．７ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのＩｒ−２０質量％Ｒｈ製貴金属チップをレーザ溶接したものを準備すると共に、他方の丸棒材の端面に直径０．７ｍｍ、厚さ０．４７ｍｍのＰｔ−２０質量％Ｎｉ製貴金属チップをレーザ溶接したものを準備した。次いで、貴金属チップが接合された各組成の丸棒材を、大気中にて、バーナにより１１００℃の状態で２分間保持した後、バーナを消火して１分間冷却するサイクルを１サイクルとする冷熱試験を２００００サイクル行った。冷熱試験終了後、各組成の丸棒材を貴金属チップ同士が対向するように配置して、火花消耗性評価を行った。

火花消耗性評価の概要は次の通りである。即ち、０．７ＭＰａの窒素雰囲気中において両貴金属チップの間隙が０．９ｍｍとなるように配置された同一組成の丸棒材に対して、２０ｋＶの電圧を周波数６０Ｈｚの条件で５０時間の間印加する放電試験を行った。尚、放電試験は、Ｉｒ−２０質量％Ｒｈ製貴金属チップが接合された丸棒材を負極、Ｐｔ−２０質量％Ｎｉ製貴金属チップが接合された丸棒材を正極となる条件で行った。放電試験終了後、両貴金属チップの体積をＸ線ＣＴ装置により測定した。そして、放電試験前後の両貴金属チップの体積減少量の合計（火花消耗量）を算出した。その結果も表３に示す。

表３より、Ｓｉの含有量が１．４質量％以下の試料Ｎｏ．４１〜４３は、火花消耗量が３０ｍｍ^３以下であり、耐火花消耗性が良好であることが分かった。一方、試料Ｎｏ．４４は火花消耗量が３０ｍｍ^３を超えており、耐火花消耗性に劣ることが分かった。

〔評価試験４〕
評価試験１と同様に、表４に示す各組成（Ｚｒ、Ｙ、ＲＥＭを含有した組成）の棒材を圧延加工して、幅３ｍｍ、長さ２５ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの大きさの各試験片を作製し、９８０℃にて焼鈍を行った。そして、焼鈍後の各試験片に対して評価試験１と同様の耐高温酸化性評価を行った。また、加工性評価として、作製された各試験片の表面を観察して、クラック発生の有無を確認した。その結果を表４に示す。

表４より、Ｚｒ、Ｙ、ＲＥＭの合計含有量が０．０１質量％以上０．５質量％以下の試料Ｎｏ．４５〜５７、５９、６０は、耐高温酸化性評価における残存率が８０％以上であり、一層優れた耐高温酸化性を有していると共に、加工性が良好であることが分かった。一方、試料Ｎｏ．５８は残存率が８０％以上であるものの、加工性に劣ることが分かった。

〔評価試験５〕
評価試験１と同様に、表５に示す各組成（Ａｌを含有した組成）の棒材を圧延加工及び９８０℃での焼鈍を施して、幅３ｍｍ、長さ２５ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの大きさの各試験片を作製し、各試験片に対して評価試験１同様の耐高温酸化性評価を行うと共に、耐高温窒化性評価を行った。

耐高温窒化性評価の概要は次の通りである。即ち、大気中にて、バーナにより試験片を１１００℃の状態で２分間保持した後、バーナを消火して１分間冷却するサイクルを１サイクルとする冷熱試験を２００００サイクル行った。冷熱試験終了後、各試験片の断面を観察し、試験片の厚さ方向において酸化もしくは窒化していない箇所の最大厚さ（以後、「残存厚さ」ともいう。）を測定した。そして、冷熱試験前の試験片に厚さに対する残存厚さの割合（残存率）を算出した。その結果も表５に示す。

表５より、本発明の範囲に含まれ、且つ、Ａｌの含有量が０．１質量％以上２質量の試料Ｎｏ．６１、６３〜６８は、耐高温酸化性評価における残存率が８３％以上であると共に、耐高温窒化性評価における残存率が９０％以上であり、耐高温酸化性及び耐高温窒化性に優れていることが分かった。これに対して、試料Ｎｏ．６２はＡｌを含有しているものの、それ以外の組成が本発明の範囲から外れており、耐高温酸化性及び耐高温窒化性に劣ることが分かった。また、試料Ｎｏ．６９は耐高温窒化性評価における残存率が９０％未満であり、耐高温窒化性に劣ることが分かった。

〔評価試験６〕
評価試験１と同様に、表６に示す各組成（Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃｕを含有した組成）の棒材を圧延加工及び９８０℃での焼鈍を施して、幅３ｍｍ、長さ２５ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの大きさの各試験片を作製し、各試験片に対して評価試験１と同様の耐高温酸化性評価を行った。また、加工性評価として、作製された各試験片の表面を観察して、クラック発生の有無を確認した。その結果を表６に示す。

表６より、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃｕの合計含有量が０．１質量％以上２質量％以下の試料Ｎｏ．７０〜７４、７６〜７９、８１〜８５は、耐高温酸化性評価における残存率が８５％以上であり、一層優れた耐高温酸化性を有していると共に、加工性が良好であることが分かった。一方、試料Ｎｏ．７５、８０は残存率が８５％以上であるものの、加工性に劣ることが分かった。

〔評価試験７〕
評価試験１と同様に、表７に示す各組成の棒材を圧延加工及び９８０℃での焼鈍を施して接地電極を作製した。尚、接地電極の大きさは表８に示すものである。次いで、各接地電極を主体金具の先端面に抵抗溶接にて接合した試験体を作製した。そして、各試験体の接地電極に対して耐折損性評価を行った。

耐折損性評価の概要は次の通りである。即ち、大気中にて、バーナにより試験体を２分間加熱保持した後、バーナを消火して１分間冷却するサイクルを１サイクルとする冷熱試験を１００００サイクル行った。尚、加熱温度は、表７における試料Ｎｏ．８９、Ｌ／Ｓ＝４．６の試験体の接地電極温度が１０００℃となるようにバーナ火力を調整し、その他の試験体に対しても同じバーナ火力にて加熱を行った。また、主体金具の過熱を防止するために、水冷（水温４０℃）のＡｌ製フォルダに主体金具を固定して冷熱試験を行った。冷熱試験終了後、各試験体の主体金具を固定すると共に接地電極の一端部を掴んで引張試験（クロスヘッドスピード１５ｍｍ／ｍｉｎ）を行い、破断面の断面積を測定した。そして、冷熱試験前の接地電極の断面積に対する破断面の断面積の割合（断面積比率）を算出した。その結果も表７に示す。

表７より、電極の組成が本発明の範囲に含まれると共に、ＬとＳとの比（Ｌ／Ｓ）が１．５≦Ｌ／Ｓ≦８．５のものは、断面積比率が６９％以下であり、耐折損性に優れることが分かった。尚、ＬとＳとの比（Ｌ／Ｓ）が３．７≦Ｌ／Ｓ≦５．７のものは、一層優れた耐折損性を有することが分かった。一方、ＬとＳとの比（Ｌ／Ｓ）が１．５未満のものや８．５を超えるものは、断面積比率が６９％を超えてしまい、耐折損性に劣ることが分かった。

〔評価試験８〕
評価試験１と同様に、表９に示す各組成からなる中心電極を作製した。尚、中心電極の先端には円錐部が設けられており、円錐部の先端面の直径が１．０ｍｍ、円錐部の基端（円錐部と中心電極の本体部との境界）の直径が２．０ｍｍとなっている。そして、表９に示すように、円錐部の体積を種々変更した中心電極を作製した。尚、円錐部の体積は、円錐部における軸線方向の長さを調整することにより変更した。次いで、各中心電極の先端面に、直径０．６ｍｍ、厚さ０．８ｍｍのＩｒ−１０質量％Ｒｈ製貴金属チップ（重さ４．４ｍｇ）をレーザ溶接にて接合した。その後、貴金属チップが接合された各中心電極を絶縁体に組み付け等してスパークプラグを作製した。そして、作製された各スパークプラグに対して、火花消耗性評価を行った。

火花消耗性評価の概要は次の通りである。即ち、６気筒（排気量２８００ｃｃ）のエンジンにスパークプラグを取り付け、スロットル全開で回転数５５００ｒｐｍの状態で１分間保持した後、アイドリングを１分間保持するサイクルを３００時間にわたって実施する実機試験を行った。実機試験終了後、各スパークプラグの貴金属チップの体積を測定した。そして、実機試験前の貴金属チップの体積に対する実機試験後の貴金属チップの体積の割合（残存率）を算出した。その結果も表９に示す。

表９より、電極の組成が本発明の範囲に含まれると共に、円錐部の体積が０．２ｍｍ^３以上２．５ｍｍ^３以下のものは、減少率が６５％以下であり、耐火花消耗性に優れることが分かった。尚、一方、円錐部の体積が０．２ｍｍ^３未満のものや２．５ｍｍ^３を越えるものは、減少率が６５％を超えてしまい、耐火花消耗性に劣ることが分かった。

尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば、次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。

上記実施形態では、貴金属チップ４１を接地電極２７に対してレーザ溶接にて接合しているが、貴金属チップ４１と接地電極２７とを抵抗溶接にて接合してもよい。

上記実施形態では、接地電極２７に接合される貴金属チップとして円柱状の貴金属チップ４１を適用しているが、貴金属チップ４１の形状は円柱状に限定されず、円板状や角柱状の貴金属チップでもよい。

上記実施形態では、接地電極２７が外層２７Ａと内層２７Ｂとの２層構造になっているが、内層２７Ｂを省いた構成、すなわち、接地電極全体をＮｉ合金にて構成してもよい。

１…スパークプラグ、２…絶縁碍子（絶縁体）、３…主体金具、５…中心電極、１５…ねじ部、２７…接地電極、２７Ｂ…内層、３１…貴金属部、３３…火花放電間隙（間隙）、４１…貴金属チップ。

Claims (7)

1. 軸線方向に延びる中心電極と、
   前記中心電極の径方向周囲を取り囲んで保持する絶縁碍子と、
   前記絶縁碍子の径方向周囲を取り囲んで当該絶縁碍子を保持する主体金具と、
   自身の一端部が前記中心電極の先端部との間で間隙を形成するように屈曲されると共に、自身の他端部が前記主体金具に接合される接地電極と、を備え、
   前記中心電極及び前記接地電極の少なくとも一方における前記間隙に臨む位置に貴金属を主成分とする小片からなる発火部が付設されてなるスパークプラグであって、
   前記発火部の重さは１．５ｍｇ以上であると共に、
   前記中心電極及び前記接地電極のうち前記発火部が付設された電極は、Ｎｉを主成分とし、Ｃを０．００５質量％以上０．１質量％以下、Ｓｉを１．０５質量％以上３質量％以下、Ｍｎを２質量％以下、Ｃｒを２０質量％以上３２質量％以下、Ｆｅを６質量％以上１６質量％以下含有することを特徴とするスパークプラグ。
2. 前記発火部が付設された電極は、前記Ｓｉを１．４質量％以下含有することを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
3. 前記発火部が付設された電極は、Ｚｒ、Ｙ、ＲＥＭのうちの少なくともいずれか一種を合計で０．０１質量％以上０．５質量％以下含有することを特徴とする請求項１又は２に記載のスパークプラグ。
4. 前記発火部が付設された電極は、Ａｌを０．１質量％以上２質量下含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスパークプラグ。
5. 前記発火部が付設された電極は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃｕのうちの少なくともいずれか一種を合計で０．１質量％以上２質量％以下含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスパークプラグ。
6. 前記接地電極の前記他端部は、前記主体金具の先端面に接合されており、
   前記接地電極の前記他端部から前記一端部までの前記接地電極の延伸方向に沿った長さをＬとし、前記接地電極の延伸方向に垂直な断面積をＳとしたとき、
   １．５≦Ｌ／Ｓ≦８．５
   を満たすことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のスパークプラグ。
7. 前記中心電極の前記先端部には、円錐状の円錐部が形成されており、
   前記発火部は、前記中心電極の前記円錐部の先端に付設されており、
   前記中心電極の前記円錐部の体積は０．２ｍｍ^３以上２．５ｍｍ^３以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のスパークプラグ。
   

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