JP5819651B2

JP5819651B2 - グロープラグ

Info

Publication number: JP5819651B2
Application number: JP2011149791A
Authority: JP
Inventors: 健一熊谷; 紘文岡田; 秀衛石井
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2010-07-21
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2015-11-24
Anticipated expiration: 2031-07-06
Also published as: EP2410243A3; EP2410243A2; JP2012042196A

Description

本発明は、ディーゼルエンジンに使用されるグロープラグに関する。

従来から、ディーゼルエンジンの始動補助等に使用されるグロープラグとして、先端部の閉じた金属製のチューブ（シーズ管）内に、クロム（Ｃｒ）やアルミニウム（Ａｌ）等を含有する発熱コイルを封入したシーズヒータを用いるものが知られている。

このようなグロープラグでは、使用温度の高温化と急速昇温性が要求されている。このため、シーズ管は、耐熱性及び耐久性が求められるようになり、従来のＳＵＳ３１０、インコネル（登録商標）６０１等を用いたシーズ管では、耐酸化性の点で要求を満足できなくなっていた。また、従来のグロープラグでは、シーズ管にき裂が生じ易いという問題があった。これは、通常のグロープラグのシーズ管は、帯材を丸めて溶接してパイプ状とし、このパイプ状の部材から成形してシーズ管を構成しているため、この溶接部の強度が他の部分に比べて弱くなり、き裂が生じ易いためである。

このため、変形と加熱を繰り返して行うことにより、溶接部のき裂の発生を抑制するグロープラグの製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、このグロープラグの製造方法によっても、溶接部に発生するき裂を防止する効果が十分とは言えず、さらに耐熱性及び耐久性を向上させることが求められている。

特開２００９−１５８４３１号公報

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたものである。本発明は、従来に比べて耐熱性及び耐久性の向上を図ることのできるグロープラグを提供することを目的とする。

本発明のグロープラグの一態様は、シーズ管内に発熱コイルを収容したシーズヒータを用いたグロープラグであって、前記シーズ管は、クロム（Ｃｒ）を２１〜３０mass％、炭素（Ｃ）を０．０５〜０．３０mass％、アルミニウム（Ａｌ）を１．０〜２．４mass％、チタン（Ｔｉ），ジルコニウム（Ｚｒ），ニオブ（Ｎｂ）のうちの１種類以上を０．１〜０．３mass％含むニッケル基合金からなり、当該シーズ管の周方向横断面で金属組織を観察したとき、金属組織の大きさが、ＪＩＳＧ０５５１（２００５年）による結晶粒度番号において変動が２以内であり、ビッカース硬度が２００〜４００の範囲内であることを特徴とする。

本発明のグロープラグでは、シーズ管が、クロム（Ｃｒ）を２１〜３０mass％、炭素（Ｃ）を０．０５〜０．３０mass％、アルミニウム（Ａｌ）を１．０〜２．４mass％、チタン（Ｔｉ），ジルコニウム（Ｚｒ），ニオブ（Ｎｂ）のうちの１種類以上を０．１〜０．３mass％含むニッケル基合金から構成されている。これは、以下のような理由による。

クロム（Ｃｒ）の含有量の下限を２１mass％としたのは、高温耐酸化性を確保するためであり、上限を３０mass％としたのは、冷間加工性を確保するためである。すなわち、クロム（Ｃｒ）の含有量を２１mass％未満とすると、十分な高温耐酸化性を得ることができなくなり、クロム（Ｃｒ）の含有量を３０mass％より多くとすると、十分な冷間加工性が得られなくなるためである。

炭素（Ｃ）の含有量の下限を０．０５mass％としたのは、高温強度を確保するためであり、上限を０．３mass％としたのは、冷間加工性と高温耐酸化性を確保するためである。すなわち、炭素（Ｃ）の含有量を０．０５mass％未満とすると、十分な高温強度を得ることができなくなり、炭素（Ｃ）の含有量を０．３mass％より多くとすると、十分な冷間加工性と高温耐酸化性が得られなくなるためである。

アルミニウム（Ａｌ）の含有量の下限を１．０mass％としたのは、高温耐酸化性を確保するためであり、上限を２．４mass％としたのは、Ｎｉ_３Ａｌの過剰な生成を回避するためである。すなわち、アルミニウム（Ａｌ）の含有量を１．０mass％未満とすると、十分な高温耐酸化性を得ることができなくなり、アルミニウム（Ａｌ）の含有量を２．４mass％より多くとすると、Ｎｉ_３Ａｌが過剰に生成されるためである。

チタン（Ｔｉ），ジルコニウム（Ｚｒ），ニオブ（Ｎｂ）のうちの１種類以上の含有量の下限を０．１mass％としたのは、高温クリープ強度を確保するためであり、上限を０．３mass％としたのは、冷間加工性を確保するためである。すなわち、チタン（Ｔｉ），ジルコニウム（Ｚｒ），ニオブ（Ｎｂ）のうちの１種類以上の含有量を、０．１mass％未満とすると、十分な高温クリープ強度を得ることができなくなり、０．３mass％より多くとすると、十分な冷間加工性が得られなくなるためである。

また、本発明のグロープラグでは、シーズ管の周方向横断面で金属組織を観察したとき、金属組織の大きさが、ＪＩＳＧ０５５１（２００５年）による結晶粒度番号において変動が２以内となっている。このように、シーズ管の周方向横断面における金属組織の大きさを均一化することによって、例えば、溶接部とその他の部位における金属組織の大きさの相違に起因して溶接部において割れが発生することを抑制することができる。すなわち、周方向の金属組織を均一にすることで、同一周面に強度の高い部位と低い部位とが存在する状態が無くなり、加熱冷却で生じる熱応力による変形に対して一点に集中して変形することを無くすことができる。これによって、シーズ管に割れが生じ難い高耐久性、高耐熱性のグロープラグとすることができる。

なお、ＪＩＳＧ０５５１（２００５年）による結晶粒度番号において変動が２以内とは、例えば、粒度番号が９−１１の範囲内等、中間の粒度番号に対してプラスマイナス１の範囲内であることを示している。この場合、シーズ管の周方向横断面で金属組織を観察したとき、金属組織の大きさが、ＪＩＳＧ０５５１（２００５年）による結晶粒度番号において変動が０、すなわち結晶粒度番号が同一となっていることがさらに好ましい。

また、シーズ管の周方向横断面とは、グロープラグを軸線方向に垂直な径方向から見たときに、軸線方向における発熱コイルと同位置にあるシーズ管の第１部位（つまり、発熱コイルを径方向から取り囲むシーズ管の第１部位）から、発熱コイルの先端部と同位置にあるシーズ管の第２部位を除く第３部位の横断面のことを指す。なお、発熱コイルの先端部は、発熱コイルの先端から発熱コイルの軸線方向長さの２０％までの部位を指す。そして、この第３部位範囲内のシーズ管の横断面においてはいずれの横断面であっても、金属組織の大きさがＪＩＳＧ０５５１（２００５年）の結晶粒度番号において変動が２以内であることを示している。

また、本発明のグロープラグでは、さらに、シーズ管のビッカース硬度（ＨＶ）が２００〜４００の範囲内である。シーズ管のビッカース硬度が２００未満の場合、製造工程途中でシーズ管に曲がりが生じ、４００より大きいと圧入作業性が低下してしまうためである。

また、本発明のグロープラグでは、上記の金属組織の大きさは、ＪＩＳＧ０５５１（２００５年）による結晶粒度番号において７−１２の範囲とすることが好ましい。結晶粒径が小さ過ぎると、高温強度が低くなり、結晶粒径が大き過ぎると、粒界面積が少なくなって耐粒界腐食性能が低下してしまうからである。具体的な結晶粒径で説明すると、平均結晶粒径を２０μｍ〜１００μｍ程度とすることが好ましい。

さらに、本発明のグロープラグでは、シーズ管の周方向横断面で金属組織を観察したとき、３μｍ以上の炭化物が直径０．１ｍｍの視野内で５個以上存在する状態となっていることが好ましい。炭化物の析出が少ないと、使用中に結晶粒が粗大化して粒界割れが発生するからであり、
また、部分的に炭化物析出していると同一断面内で強度の低い部分が存在することになり、シーズ管の変形、破壊につながるからである。

本発明によれば、従来に比べて耐熱性及び耐久性の向上を図ることのできるグロープラグを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るグロープラグの概略構成を示す図。図１のグロープラグの断面概略構成を示す図。図１のグロープラグの要部断面概略構成を示す図。実施例に係るグロープラグのシーズ管横断面の金属組織を示す写真。比較例１に係るグロープラグのシーズ管横断面の金属組織を示す写真。比較例２に係るグロープラグのシーズ管横断面の金属組織を示す写真。実施例及び比較例１，２に係るグロープラグの耐久試験後の外観を示す写真。

以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態にかかるグロープラグ１の全体概略構成を示す図であり、図２はグロープラグ１の縦断面概略構成を示す図である。

図１、図２に示すように、グロープラグ１は、筒状の主体金具２と、主体金具２に装着されたシーズヒータ３とを備えている。

主体金具２には、軸線Ｃ_１方向に貫通する軸孔４が形成されている。また、主体金具２の外周面には、ディーゼルエンジンへの取付用のねじ部５と、トルク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６とが形成されている。

シーズヒータ３は、シーズ管７とリード部材としての中軸８とが軸線Ｃ_１方向に一体化されて構成されている。

図３に示すように、シーズ管７は、先端部が閉じた金属製の筒状のチューブから構成されている。本実施形態において、このシーズ管７は、クロム（Ｃｒ）を２１〜３０mass％、炭素（Ｃ）を０．０５〜０．３０mass％、アルミニウム（Ａｌ）を１．０〜２．４mass％、チタン（Ｔｉ），ジルコニウム（Ｚｒ），ニオブ（Ｎｂ）のうちの１種類以上を０．１〜０．３mass％含むニッケル基合金から構成されている。かかるニッケル基合金としては、例えば、ドイツ工業規格（ＤＩＮ）で規定されたＤＩＮ２．４６３３（ａｌｌｏｙ６０２）の合金がこれに相当する。

また、シーズ管７は、その周方向横断面で金属組織を観察したとき、金属組織の大きさが均一とされており、金属組織の大きさは、ＪＩＳＧ０５５１（２００５年）による結晶粒度番号において変動が２以内となっている。なお、シーズ管７の周方向横断面とは、図３における後述する発熱コイル９と同位置にあるシーズ管の第１部位Ｔ_１から、発熱コイル９の先端部９ａと同位置にあるシーズ管の第２部位Ｔ_２を除く第３部位Ｔ_３の横断面のことを指す。なお、第２部位Ｔ_２は、発熱コイル９の先端部９ａに対応する部位である。この発熱コイル９の先端部９ａは、発熱コイル９の先端から発熱コイル９の軸線Ｃ_１方向長さの２０％までの部位（例えば、発熱コイルの全長が１０ｍｍとした場合、発熱コイル９の先端から２ｍｍまでの部位を指す）を指す。

このように、周方向横断面における金属組織の大きさを均一にしたシーズ管７を製造するためには、例えば、帯材から電縫管を製造して溶接部とその他の部分の組織が均一になるまで塑性加工と溶体化処理を繰り返す方法、帯材から深絞り加工によって製造する方法、棒材から押し出し成形で製造する方法等を用いることができる。塑性加工は、冷間および熱間のどちらであってもよい。なお、シーズ管７の金属組織の大きさは、ＪＩＳＧ０５５１（２００５年）による結晶粒度番号において７〜１２の範囲とすることが好ましい。

さらに、シーズ管７は、そのビッカース硬度（ＨＶ）が、２００〜４００の範囲内とされている。

図３に示すように、シーズ管７の内側には、シーズ管７先端に接合される発熱コイル９と、当該発熱コイル９の後端に直列接続された制御コイル１０とが酸化マグネシウム粉末等の絶縁粉末１１とともに封入されている。

シーズ管７と発熱コイル９とは、先端側接合部位２１によって接合されている。また、発熱コイル９と制御コイル１０とは、後端側接合部位２２によって接合されている。

さらに、シーズ管７の後端は、中軸８との間で環状ゴム１７により封止されている。加えて、前述のように、発熱コイル９は、その先端においてシーズ管７と導通しているが、発熱コイル９及び制御コイル１０の外周面とシーズ管７の内周面とは、絶縁粉末１１の介在により絶縁された状態となっている。

発熱コイル９は、例えば、鉄（Ｆｅ）−クロム（Ｃｒ）−アルミニウム（Ａｌ）系合金の抵抗発熱線により構成されている。また、制御コイル１０は発熱コイル９の材質よりも電気比抵抗の温度係数が大きい材質、例えば、コバルト（Ｃｏ）−ニッケル（Ｎｉ）−Ｆｅ系合金等に代表されるＣｏ又はＮｉを主成分とする抵抗発熱線により構成されている。発熱コイル９は通電によって発熱し、シーズ管７の表面温度を所定の温度まで昇温させ、制御コイル１０は発熱コイル９の過昇温を生じにくくすることができるようになっている。

また、シーズ管７には、スウェージング加工等によって、その先端部に発熱コイル９等を収容する小径部７ａが形成されるとともに、その後端側において小径部７ａよりも径の大きい大径部７ｂが形成されている。そして、この大径部７ｂが、主体金具２の軸孔４に形成された小径部４ａに対し圧入接合されることにより、シーズ管７が主体金具２の先端より突出した状態で保持される。

中軸８は、自身の先端がシーズ管７内に挿入され、制御コイル１０の後端と電気的に接続されるとともに、主体金具２の軸孔４に挿通されている。中軸８の後端は主体金具２の後端から突出しており、この主体金具２の後端部においては、ゴム製等のＯリング１２、樹脂製等の絶縁ブッシュ１３、絶縁ブッシュ１３の脱落を防止するための押さえリング１４、及び、通電ケーブル接続用のナット１５がこの順序で中軸８に嵌め込まれた構造となっている（図２参照）。

次に上記のように構成されてなるグロープラグ１の製造方法について説明する。

まず、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金の抵抗発熱線をコイル形状に加工し、発熱コイル９を得る。

次いで、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｆｅ系合金等の抵抗発熱線をコイル形状に加工し、制御コイル１０を得る。そして、発熱コイル９の後端部分と、制御コイル１０の先端部分とを、後端側接合部位２２においてアーク溶接等によって接合する。

次に、最終寸法より加工代分だけ大径に形成され、かつ、先端の閉じていない筒状のシーズ管７内に、中軸８の先端と、当該中軸８と一体となった発熱コイル９及び制御コイル１０とが配置される。そして、アーク溶接によって、シーズ管７の先端部分を閉塞させるとともに、当該シーズ管７の先端部分と発熱コイル９の先端部分とを先端側接合部位２１において接合する。

その後、シーズ管７内に絶縁粉末１１を充填した後、当該シーズ管７にスウェージング加工を施す。これにより、大径部７ａを有するシーズ管７が形成されるとともに、当該シーズ管７が中軸８と一体となってシーズヒータ３が完成する。

そして、上記のように形成されたシーズヒータ３が主体金具２の軸孔４に圧入固定されるとともに、主体金具２の後端部分において、Ｏリング１２や絶縁ブッシュ１３等が中軸８に嵌め込まれることで、グロープラグ１が完成する。

このようにして、本実施形態では、従来に比べて耐熱性及び耐久性の向上したグロープラグを得ることができる。

図４は、実施例に係るグロープラグのシーズ管７の周方向横断面の金属組織を写した写真を示しており、図４（ａ）は周方向横断面全体を示し、図４（ｂ）は、その一部を拡大して示し、図４（ｃ）は、その一部をさらに拡大して示している。また、図５，６は、比較例１，２に係るグロープラグのシーズ管の周方向横断面の金属組織を写した写真を示しており、図５（ａ），図６（ａ）は周方向横断面全体を示し、図５（ｂ），図６（ｂ）は、その一部を拡大して示し、図５（ｃ）．図６（ｃ）は、その一部をさらに拡大して示している。

図４に示す実施例は、上記したドイツ工業規格（ＤＩＮ）で規定されたＤＩＮ２．４６３３（ａｌｌｏｙ６０２）の合金に相当するニッケル基合金を用いて、シーズ管７を以下のようにして製造した。

具体的には、ＤＩＮ２．４６３３の帯材から深絞り加工を用いて小径部７ａ、大径部７ｂを有するシーズ管７を形成する。その後、シーズ管７が加工硬化しているため、シーズ管７を軟化するために１１４０℃で熱処理を実施した。なお、この熱処理を実施することでも、シーズ管７の周方向の組織の大きさが均一な傾向となる。

このシーズ管７を、当該シーズ管７の周方向横断面においてその金属組織を観察した時、大きさが均一で、ＪＩＳＧ０５５１（２００５年）による結晶粒度番号が全て１１、つまり結晶粒度番号の変動がゼロとなっていた。

一方、図５に示す比較例１は、上記実施例と同じニッケル基合金を用いてシーズ管を構成しているが、この比較例１は、帯材を丸めて溶接部において単に溶接のみを施したパイプ状部材からシーズ管を構成した。

図５（ａ），（ｂ）に示すように、比較例１では、溶接部とその他の部位の組織の大きさが不均一になっており、溶接部におけるＪＩＳＧ０５５１（２００５年）による結晶粒度番号が１１、他の部位におけるＪＩＳＧ０５５１（２００５年）による結晶粒度番号が８、つまり結晶粒度番号の変動が３となっていた。

また、比較例２は、ＮＣＦ６０１に相当する合金を使用し、帯材を丸めて溶接部において単に溶接のみを施したパイプ状部材からシーズ管を構成した。図６（ａ），（ｂ）に示すように、比較例２では、溶接部とその他の部位の組織の大きさが不均一になっており、溶接部におけるＪＩＳＧ０５５１（２００５年）による結晶粒度番号が１１となっており、他の部位におけるＪＩＳＧ０５５１（２００５年）による結晶粒度番号が８となっていた。つまり結晶粒度番号の変動が３となっていた。

さらに、図４（ｃ）に示すように、実施例では、シーズ管の周方向横断面で金属組織を観察したとき、３μｍ以上の大きさの炭化物が直径０．１ｍｍの視野内に５個以上存在する状態となっていた。これに対して、図５（ｃ）、図６（ｃ）に示すように、比較例１、比較例２の溶接部においては、３μｍ以上の大きさの炭化物の数は少なく、直径０．１ｍｍの視野内に５個未満であった。

図７は、上記実施例のグロープラグ及び比較例１，２のグロープラグについて耐久性試験を行った後の外観の写真を比較して示すもので、図７（ａ）が実施例、図７（ｂ）が比較例１、図７（ｃ）が比較例２である。この耐久性試験は、以下のようにして行った。

グロープラグの通電をＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことで、シーズ管の劣化を観察する。具体的には、シーズ管が室温状態でグロープラグの通電をＯＮし、シーズ管の表面を２秒以内に１０００℃に到達させる。その後、シーズ管の表面を１０５０℃で３分保持した後、グロープラグの通電をＯＦＦし、シーズ管が室温状態になるまで冷却する。これを１サイクルとし、１００００サイクル繰り返し、その後のシーズ管の劣化状態を観察する。

図７（ｂ）に示すように、比較例１では、耐久性試験によってシーズ管の溶接部に割れが発生した。また、図７（ｃ）に示すように、比較例２では耐久性試験によってシーズ管の先端部分に消耗が発生した。これに対して、図７（ａ）に示すように、実施例では、耐久性試験によってシーズ管の溶接部に割れが発生することがなく、先端部の消耗も発生しなかった。

以上のよう、シーズ管の周方向横断面で金属組織を観察したときのＪＩＳＧ０５５１（２００５年）による結晶粒度番号の変動が０となっていた実施例のグロープラグは、この変動が３となっていた比較例１，２のグロープラグに比べて耐熱性及び耐久性が高いことが確認できた。したがって、高い耐熱性及び耐久性を得るためには、シーズ管の周方向横断面で金属組織を観察したときのＪＩＳＧ０５５１（２００５年）による結晶粒度番号の変動は２以内とすることが好ましく、０とすることがさらに好ましい。

１……グロープラグ、２……主体金具、３……シーズヒータ、７……シーズ管、９……発熱コイル、１０……制御コイル。

Claims

シーズ管内に発熱コイルを収容したシーズヒータを用いたグロープラグであって、
前記シーズ管は、クロム（Ｃｒ）を２１〜３０mass％、炭素（Ｃ）を０．０５〜０．３０mass％、アルミニウム（Ａｌ）を１．０〜２．４mass％、チタン（Ｔｉ），ジルコニウム（Ｚｒ），ニオブ（Ｎｂ）のうちの１種類以上を０．１〜０．３mass％含むニッケル基合金からなり、当該シーズ管の周方向横断面で金属組織を観察したとき、金属組織の大きさが、ＪＩＳＧ０５５１（２００５年）による結晶粒度番号において変動が２以内であり、
かつ、ビッカース硬度が２００〜４００の範囲内である
ことを特徴とするグロープラグ。
請求項１記載のグロープラグであって、
前記シーズ管の周方向横断面で金属組織を観察したとき、金属組織の大きさが、ＪＩＳＧ０５５１（２００５年）による結晶粒度番号において７〜１２の範囲にあることを特徴とするグロープラグ。
請求項１又は２記載のグロープラグであって、
前記シーズ管の周方向横断面で金属組織を観察したとき、３μｍ以上の大きさの炭化物が直径０．１ｍｍの視野内に５個以上存在する
ことを特徴とするグロープラグ。