JP5912986B2 - Electrode material, electrode for spark plug and spark plug - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関のスパークプラグ(点火プラグ)の電極の構成材料に利用される電極材料、この電極材料からなる電極、及びこの電極を具えるスパークプラグに関するものである。特に、高温での耐酸化性、耐火花消耗性、及び耐発汗性に優れるスパークプラグ用電極が得られる電極材料に関するものである。   The present invention relates to an electrode material used as a constituent material of an electrode of a spark plug (ignition plug) of an internal combustion engine, an electrode made of the electrode material, and a spark plug including the electrode. In particular, the present invention relates to an electrode material from which an electrode for a spark plug excellent in oxidation resistance at high temperatures, spark wear resistance, and sweat resistance can be obtained.

従来、自動車のガソリンエンジンなどの内燃機関の点火には、スパークプラグが用いられている。スパークプラグは、代表的には、棒状の中心電極と、中心電極の端面に対向するように離間して配置された接地電極とを具え、中心電極と接地電極との間で火花放電を行い、この放電により両電極間に流入する燃料混合気体に点火する。   Conventionally, spark plugs are used for ignition of internal combustion engines such as automobile gasoline engines. The spark plug typically includes a rod-shaped center electrode and a ground electrode arranged so as to face the end face of the center electrode, and performs a spark discharge between the center electrode and the ground electrode. This discharge ignites the fuel mixture gas flowing between both electrodes.

上記電極材料として、特許文献1では、Ndを含有するニッケル合金を開示している。   As the electrode material, Patent Document 1 discloses a nickel alloy containing Nd.

特開2009-016278号公報JP 2009-016278

近年、環境保全対策などのために自動車などの燃費を向上することが望まれている。燃費を向上するために、例えば、内燃機関における燃焼温度を高めることが挙げられる。しかし、燃焼温度を更に高めることで、スパークプラグの電極は、従来よりも更に高温環境(例えば、従来の一般的な自動車のガソリンエンジンにおいて、使用時の最高到達温度(900〜1000℃程度)+100℃程度といった高温環境)で使用されることになる。従って、スパークプラグの電極には、更なる高温環境であっても、十分に使用可能な特性、具体的には、耐酸化性、耐火花消耗性、耐発汗性を具えることが望まれる。   In recent years, it has been desired to improve the fuel efficiency of automobiles for environmental conservation measures. In order to improve fuel consumption, for example, raising the combustion temperature in an internal combustion engine can be mentioned. However, by further increasing the combustion temperature, the spark plug electrode has a higher temperature environment than before (for example, in the conventional general automobile gasoline engine, the highest temperature reached during use (about 900 to 1000 ° C.) +100 It will be used in a high temperature environment such as about ℃. Accordingly, it is desired that the electrode of the spark plug has sufficient usable characteristics even in a higher temperature environment, specifically, oxidation resistance, spark consumption resistance, and sweat resistance.

特許文献1に開示されるスパークプラグの電極は、添加元素としてNdやYを含み、NdやYとNiとの金属間化合物を存在させることで、酸化による内部腐食を生じ難くしたり、添加元素としてTiやSiなどの第二元素を含み、電極の表層に第二元素の酸化物を生成させることで、耐酸化性を高めている。また、上記第二元素の含有量を1重量%未満として比抵抗を低くし電極の熱伝導率を向上することで、耐火花消耗性を高めている。しかし、本発明者らが調べたところ、上述のように更なる高温環境での使用に対しては、この電極でも耐酸化性、耐火花消耗性が十分であるとは言えない。   The electrode of the spark plug disclosed in Patent Document 1 contains Nd or Y as an additive element, and makes it difficult for internal corrosion due to oxidation to occur due to the presence of an intermetallic compound of Nd, Y and Ni, or an additive element As a result, a second element such as Ti or Si is included, and an oxide of the second element is generated on the surface layer of the electrode, thereby enhancing oxidation resistance. In addition, the resistance to sparks is increased by reducing the specific resistance by reducing the content of the second element to less than 1% by weight and improving the thermal conductivity of the electrode. However, as a result of investigations by the present inventors, it cannot be said that this electrode has sufficient oxidation resistance and spark consumption resistance for use in further high temperature environments as described above.

また、特許文献1に記載されるスパークプラグの電極のように、Niの含有量が非常に高いニッケル合金からなる電極では、電極表面にNiを含む粒が形成される、所謂発汗という現象が生じ得る。特許文献1では、この発汗現象に対して十分に検討されていない。   In addition, an electrode made of a nickel alloy having a very high Ni content, such as the electrode of a spark plug described in Patent Document 1, causes a phenomenon of so-called sweating in which grains containing Ni are formed on the electrode surface. obtain. Patent Document 1 does not fully examine this sweating phenomenon.

上記発汗粒は、母相のNiと、ガソリンなどの雰囲気中の元素(Ca,Pなど)とが反応して形成されたNi化合物が電極表面、特に、電極において火花放電が行われる部分(主として中心電極及び接地電極において互いに対向する面)の周囲に付着し、この付着箇所の融点が部分的に低下して母相が溶融することで更に大きくなると考えられる。このような発汗粒が形成され続けると、エンジンの点火状態が不安定になったり、最悪の場合、発汗粒が脱落してエンジンを破損させる恐れがある。上述のように更なる高温環境下では、母相が溶融し易くなることから、従来の電極よりも耐発汗性を向上することが望まれる。   The above sweat particles are formed by reacting Ni in the matrix with elements (Ca, P, etc.) in an atmosphere such as gasoline, and the surface of the electrode, in particular, the part where spark discharge is performed on the electrode (mainly It is considered that the adhesion occurs around the surfaces of the center electrode and the ground electrode facing each other), and the melting point of the adhesion portion is partially lowered to further increase the mother phase. If such sweat particles continue to be formed, the ignition state of the engine may become unstable, or in the worst case, the sweat particles may fall off and damage the engine. As described above, in a further high temperature environment, the matrix phase is easily melted, and thus it is desired to improve the anti-perspiration property as compared with the conventional electrode.

そこで、本発明の目的は、耐高温酸化性、耐火花消耗性、及び耐発汗性に優れるスパークプラグの電極が得られる電極材料を提供することにある。また、本発明の他の目的は、耐高温酸化性、耐火花消耗性、及び耐発汗性に優れるスパークプラグ用電極、及びこの電極を具えるスパークプラグを提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an electrode material from which an electrode of a spark plug excellent in high temperature oxidation resistance, spark wear resistance and sweat resistance can be obtained. Another object of the present invention is to provide a spark plug electrode excellent in high-temperature oxidation resistance, spark consumption resistance, and sweat resistance, and a spark plug including the electrode.

本発明者らが検討した結果、Yを特定の範囲で含有すると共に、SiやAlを比較的少なく含有し、かつCr及びMnを若干量含有することで、耐高温酸化性、耐火花消耗性、及び耐発汗性に優れる電極材料が得られる、との知見を得た。本発明は、上記知見に基づくものである。   As a result of investigations by the present inventors, Y is contained in a specific range, Si and Al are contained in a relatively small amount, and Cr and Mn are contained in a small amount, thereby being resistant to high-temperature oxidation and spark consumption. And the knowledge that an electrode material excellent in sweat resistance can be obtained. The present invention is based on the above findings.

本発明の電極材料は、スパークプラグの電極に用いられるものであり、質量%で、Al及びSiの少なくとも一方を0.01%以上0.4%以下、かつ合計で0.5%未満、Crを0.05%以上0.8%以下、Mnを0.05%以上0.8%以下、かつCrとMnとを合計で1.5%以下、Yを0.3%以上1.0%以下含有し、残部がNi及び不可避不純物からなるニッケル合金により構成されている。   The electrode material of the present invention is used for an electrode of a spark plug, and in mass%, at least one of Al and Si is 0.01% or more and 0.4% or less, and less than 0.5% in total, and Cr is 0.05% or more and 0.8%. Hereinafter, it is made of a nickel alloy containing 0.05% or more and 0.8% or less of Mn, 1.5% or less of Cr and Mn in total, Y of 0.3% or more and 1.0% or less, with the balance being Ni and inevitable impurities.

本発明電極材料は、上述のように特定の元素を特定の範囲で含有するニッケル合金から構成されることで、従来の電極材料に比較して、更なる高温環境で使用される電極に用いられた場合であっても、酸化腐食され難く、また、火花による消耗を抑制することができる。かつ、本発明電極材料は、上記電極に用いられた場合であっても、従来の電極材料と比較して、発汗粒が生じ難く、耐発汗性にも優れる。   The electrode material of the present invention is composed of a nickel alloy containing a specific element in a specific range as described above, so that it can be used for an electrode used in a higher temperature environment than a conventional electrode material. Even if it is a case, it is hard to be oxidatively corroded and consumption by a spark can be suppressed. And even if it is a case where this invention electrode material is a case where it is used for the said electrode, compared with the conventional electrode material, it is hard to produce perspiration particles and is excellent in perspiration resistance.

以下、本発明をより詳しく説明する。なお、元素の含有量は、断りが無い限り質量%とする。
[電極材料]
(組成)
《主成分》
本発明電極材料は、Yに加え、Al及びSiの少なくとも一方、そして、Cr及びMnを添加元素とし、Niの含有量が97質量%以上のニッケル合金から構成される。Niを主成分とすることで、塑性加工性に優れる上に、比抵抗を小さくでき、火花による消耗を低減することができる。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail. In addition, unless otherwise indicated, content of an element shall be mass%.
[Electrode material]
(composition)
《Main component》
The electrode material of the present invention is composed of a nickel alloy containing at least one of Al and Si, Cr and Mn as additive elements in addition to Y, and a Ni content of 97% by mass or more. By using Ni as a main component, it is excellent in plastic workability, can reduce the specific resistance, and can reduce consumption due to sparks.

《Y》
本発明電極材料に含有するYは、主として、母相のNiとの金属間化合物として存在し、極一部は、Niに固溶して存在する。ここで、スパークプラグの電極は、900〜1000℃程度といった高温環境で使用されることから、使用時、当該電極を構成する結晶粒が粒成長して粗大になる場合がある。これに対し、本発明電極材料は、上記金属間化合物の所謂ピン止め効果により、結晶粒の粒成長を抑制することができ、当該電極材料からなる電極が高温環境下で使用されても、結晶粒が微細な状態を維持することができる。そのため、外部からの酸素が結晶粒界を伝って電極の内部に侵入しようとしても、粒界が長いことで、その侵入度合い(深度)が深くなることを抑制することができる。従って、本発明電極材料は、特に、その内部まで酸化して腐食することを低減でき、耐酸化性に優れる。この耐酸化性の効果を十分に得るためには、Yを0.3%以上含有する必要がある。Yが多いほど、結晶粒を微細に維持することができ、耐酸化性に優れる傾向にあるが、多過ぎると、比抵抗が大きくなったり、塑性加工性の低下を招き、所定の形状の電極に加工し難くなったりするため、Yの上限を1.0%以下とする。また、Yは、Ndと比較して水素を吸蔵し難い。従って、製造工程において水素を含有する雰囲気で熱処理を行った場合であっても、本発明電極材料は、水素脆化が生じ難い。Yのより好ましい含有量は、0.3%以上0.6%以下である。
《Y》
Y contained in the electrode material of the present invention exists mainly as an intermetallic compound with Ni as a parent phase, and a very small part is present in a solid solution in Ni. Here, since the electrode of the spark plug is used in a high temperature environment of about 900 to 1000 ° C., the crystal grains constituting the electrode may grow and become coarse during use. On the other hand, the electrode material of the present invention can suppress the growth of crystal grains due to the so-called pinning effect of the intermetallic compound, and even if the electrode made of the electrode material is used in a high temperature environment, A fine grain state can be maintained. Therefore, even if oxygen from outside tries to enter the inside of the electrode through the crystal grain boundary, it is possible to prevent the penetration degree (depth) from becoming deep due to the long grain boundary. Accordingly, the electrode material of the present invention can reduce oxidation and corrosion particularly to the inside thereof, and is excellent in oxidation resistance. In order to obtain the effect of oxidation resistance sufficiently, it is necessary to contain 0.3% or more of Y. The more Y, the finer the crystal grains that can be maintained and the better the oxidation resistance. However, when the amount is too large, the specific resistance increases or the plastic workability decreases, resulting in an electrode having a predetermined shape. Therefore, the upper limit of Y is set to 1.0% or less. Y is less likely to occlude hydrogen than Nd. Therefore, even when heat treatment is performed in an atmosphere containing hydrogen in the manufacturing process, the electrode material of the present invention is unlikely to be hydrogen embrittled. A more preferable content of Y is 0.3% or more and 0.6% or less.

《Al,Si》
本発明電極材料は、Al及びSiの少なくとも一方の元素を含有することで、電極材料の表面において、AlやSiが酸化物を形成して、電極材料の内部に酸素が侵入することを低減することができ、上述のように内部酸化を抑制して、耐酸化性を高められる。また、AlやSiを後述するCr及びMnと同時に含有することで、電極材料は、耐発汗性を高められる。このような効果を十分に得るためには、Al及びSiの少なくとも一方を0.01%以上含有する必要があり、特に、0.1%以上、更に0.2%以上含有することが好ましい。AlやSiが多いほど、上記酸化物が形成され易く、耐酸化性を高められたり、耐発汗性を高められるが、多過ぎると、形成された酸化物層が膨張して亀裂(クラック)が入ったり破裂したり、酸化物層が剥離したりするため、一つの元素の上限を0.4%以下とし、合計を0.5%未満とする。また、AlとSiとは、ほぼ同等の酸化抑制効果が得られるが、AlよりもSiの方が酸化抑制効果が若干高い傾向にある。従って、少量の添加で酸化抑制効果を発揮させる場合には、AlやSi及びAlの双方を含有するよりも、Siのみを含有する方がより好ましい。また、Siの含有量は、0.1%以上0.4%以下が好ましい。
《Al, Si》
The electrode material of the present invention contains at least one element of Al and Si, thereby reducing the intrusion of oxygen into the electrode material by forming an oxide of Al or Si on the surface of the electrode material. As described above, the internal oxidation can be suppressed and the oxidation resistance can be enhanced. Further, by containing Al and Si together with Cr and Mn described later, the electrode material can improve the sweat resistance. In order to obtain such an effect sufficiently, it is necessary to contain at least one of Al and Si in an amount of 0.01% or more, and in particular, it is preferable to contain 0.1% or more, and more preferably 0.2% or more. As the amount of Al or Si increases, the above-mentioned oxide is more easily formed, and the oxidation resistance can be enhanced or the sweat resistance can be enhanced, but if the amount is too large, the formed oxide layer expands and cracks (cracks) occur. In order to enter or rupture, or the oxide layer may peel off, the upper limit of one element is 0.4% or less, and the total is less than 0.5%. Al and Si have almost the same oxidation suppression effect, but Si tends to have a slightly higher oxidation suppression effect than Al. Therefore, when the effect of suppressing oxidation is exhibited with a small amount of addition, it is more preferable to contain only Si than to contain both Al, Si and Al. The Si content is preferably 0.1% or more and 0.4% or less.

《Cr,Mn》
そして、本発明電極材料では、上記AlやSiと共にCr及びMnの双方を含有していることを特徴の一つとする。本発明者らが調べたところ、AlやSiと共にCr及びMnを含有することで、発汗粒が生じ難い、との知見を得た。この理由は、AlやSiと共にCrやMnがガソリン中に含まれるCaやPなどといった雰囲気中の元素と反応することで、母相のNiとCaやPなどとが反応することを抑制し、NiとCaなどとの化合物が電極材料に付着することを低減できるため、と考えられる。特に、Crは、Mnよりも発汗粒の発生を抑制する効果が高い傾向にある。また、AlやSiを多く添加すると、上述のように発汗を抑制できるものの、酸化物層にクラックが生じたり、酸化物層が剥離したりし易くなるのに対し、AlやSiを少なめにしてCrやMnを若干含有すると上記酸化物層の膨張などの問題が生じ難く、耐発汗性に優れる、との知見を得た。更に、CrやMnも耐酸化性を高める効果がある。これらのことから、本発明電極材料は、Cr及びMnを含有する。上記効果を十分に得るためには、Cr及びMnのいずれも0.05%以上含有する必要があり、CrやMnの含有量が多いほど、耐発汗性の向上に効果がある。しかし、CrやMnが多過ぎると、比抵抗が大きくなり過ぎるため、いずれも上限を0.8%以下、かつ合計を1.5%以下とする。特に、Crの含有量は、0.2%以上0.8%以下、Mnの含有量は0.1%以上0.3%以下が好ましい。また、Mnを0.2%程度含有すると、内部酸化を効果的に抑制することができて好ましい。
《Cr, Mn》
One feature of the electrode material of the present invention is that it contains both Cr and Mn together with the Al and Si. As a result of investigation by the present inventors, it was found that sweat grains are hardly generated by containing Cr and Mn together with Al and Si. The reason for this is that Cr and Mn react with elements in the atmosphere such as Ca and P contained in gasoline together with Al and Si, thereby suppressing the reaction of the parent phase Ni with Ca and P, etc. This is thought to be because it is possible to reduce the adhesion of Ni and Ca to the electrode material. In particular, Cr tends to have a higher effect of suppressing the generation of sweat particles than Mn. In addition, when a large amount of Al or Si is added, although sweating can be suppressed as described above, the oxide layer is easily cracked or the oxide layer is easily peeled off. It has been found that when a small amount of Cr or Mn is contained, problems such as expansion of the oxide layer hardly occur and the sweat resistance is excellent. Furthermore, Cr and Mn also have an effect of improving oxidation resistance. From these facts, the electrode material of the present invention contains Cr and Mn. In order to sufficiently obtain the above effect, it is necessary to contain both 0.05% or more of Cr and Mn, and the higher the content of Cr and Mn, the more effective the improvement of sweat resistance. However, if there is too much Cr or Mn, the specific resistance becomes too large, so the upper limit is 0.8% or less and the total is 1.5% or less. In particular, the Cr content is preferably 0.2% to 0.8%, and the Mn content is preferably 0.1% to 0.3%. Further, it is preferable to contain about 0.2% of Mn because internal oxidation can be effectively suppressed.

特に、Crが多いほど、発汗を抑制する効果が高い。従って、MnよりもCrを多く含むと、耐酸化性を向上できると共に、更に優れた耐発汗性を有することができる。即ち、Cr及びMnの含有量がCr>Mnを満たし、特に、Mnに対するCrの質量割合Cr/Mnが2以上を満たすことが好ましい。   In particular, the more Cr, the higher the effect of suppressing sweating. Therefore, when Cr is contained more than Mn, the oxidation resistance can be improved and the sweat resistance can be further improved. That is, the Cr and Mn contents preferably satisfy Cr> Mn, and particularly, the Cr mass ratio Cr / Mn with respect to Mn preferably satisfies 2 or more.

上記電極材料の添加元素の含有量は、原料として添加する元素の量を調整することで、上記特定の範囲にすることができる。なお、上記添加元素の他、高温強度が望まれる場合、Cを微量に含有することを許容する。但し、Cが多過ぎると、加工性が悪くなる傾向にあるため、Cの含有量は0.05質量%以下が好ましい。   The content of the additive element in the electrode material can be adjusted to the specific range by adjusting the amount of the element added as a raw material. In addition to the above additive elements, when high temperature strength is desired, a small amount of C is allowed. However, if the amount of C is too large, the workability tends to deteriorate, so the C content is preferably 0.05% by mass or less.

[比抵抗]
本発明電極材料は、上記特定の範囲で特定の元素を含有することで、比抵抗が小さく、火花による消耗が少ない。上記添加元素の含有量にもよるが、本発明電極材料は、常温(代表的には20℃)での比抵抗が20μΩ・cm以下を満たすことができる。比抵抗は、上述のように主として添加元素の含有量により変化し、添加元素の含有量が小さいほど、比抵抗が小さくなる傾向にある。
[Resistivity]
The electrode material of the present invention contains a specific element in the above specific range, so that the specific resistance is small and the consumption by the spark is small. Although depending on the content of the additive element, the electrode material of the present invention can satisfy a specific resistance of 20 μΩ · cm or less at room temperature (typically 20 ° C.). The specific resistance changes mainly depending on the content of the additive element as described above, and the specific resistance tends to decrease as the content of the additional element decreases.

[耐酸化性]
本発明電極材料は、高温環境下に長時間曝した場合であっても、結晶粒が微細な組織を維持することができる。具体的には、上記電極材料を1000℃×72時間加熱した後、この加熱後の電極材料の平均結晶粒径が300μm以下を満たすことができる。「1000℃×72時間」との条件は、従来の一般的な自動車のガソリンエンジンにおける使用時の最高到達温度と同等程度の温度条件であり、かつ加熱時間が長いため、非常に厳しい条件を模したものである。このような厳しい条件の加熱を行っても電極材料を構成する結晶粒が小さければ小さいほど、上述のように電極材料の内部への酸素の侵入を抑制することができ、優れた耐酸化性を有する、と評価することができる。そこで、本発明では、耐酸化性の評価の指標として、「1000℃×72時間加熱後の平均結晶粒径」を採用する。上記添加元素の含有量により上記平均結晶粒径を変化させることができ、例えば、200μm以下、特に100μm以下を満たす電極材料とすることができる。
[Oxidation resistance]
The electrode material of the present invention can maintain a fine structure of crystal grains even when exposed to a high temperature environment for a long time. Specifically, after the electrode material is heated at 1000 ° C. for 72 hours, the average crystal grain size of the electrode material after the heating can satisfy 300 μm or less. The condition of "1000 ° C x 72 hours" is a temperature condition equivalent to the maximum temperature achieved when using a conventional general automobile gasoline engine, and the heating time is long. It is a thing. As described above, the smaller the crystal grains that make up the electrode material, even when such severe heating is performed, can suppress the intrusion of oxygen into the electrode material as described above, resulting in superior oxidation resistance. It can be evaluated that it has. Therefore, in the present invention, “average crystal grain size after heating at 1000 ° C. × 72 hours” is adopted as an index for evaluating oxidation resistance. The average crystal grain size can be changed depending on the content of the additive element. For example, an electrode material satisfying 200 μm or less, particularly 100 μm or less can be obtained.

[形状]
本発明電極材料は、代表的には、伸線加工により形成された線材が挙げられる。断面形状は、矩形状、円形状など、種々の形状とすることができる。
[shape]
The electrode material of the present invention typically includes a wire formed by wire drawing. The cross-sectional shape can be various shapes such as a rectangular shape and a circular shape.

[製造方法]
本発明電極材料は、代表的には、溶解→鋳造→熱間圧延→冷間伸線及び熱処理により得られる。また、上述のようにYを含有する金属間化合物を電極材料中に存在させるには、例えば、溶解時や鋳造時の雰囲気を酸素濃度が低くなるように制御することが挙げられる。
[Production method]
The electrode material of the present invention is typically obtained by melting → casting → hot rolling → cold drawing and heat treatment. Further, in order for the intermetallic compound containing Y to be present in the electrode material as described above, for example, the atmosphere during melting or casting is controlled so that the oxygen concentration becomes low.

冷間伸線後、最終熱処理(軟化処理)を行う場合、非酸化性雰囲気(例えば、水素雰囲気、窒素雰囲気)下で700〜1000℃、特に、800〜950℃程度で行うことが好ましい。このような軟化処理を行うことで、電極材料を所定の電極形状に加工し易かったり、当該軟化処理以前の加工による加工歪みを除去して、電極材料の比抵抗を小さくすることができる。   When the final heat treatment (softening treatment) is performed after the cold wire drawing, it is preferably performed at 700 to 1000 ° C., particularly about 800 to 950 ° C. in a non-oxidizing atmosphere (for example, a hydrogen atmosphere or a nitrogen atmosphere). By performing such a softening process, it is easy to process the electrode material into a predetermined electrode shape, or the processing distortion due to the process before the softening process can be removed, and the specific resistance of the electrode material can be reduced.

[スパークプラグ用電極]
本発明電極材料は、スパークプラグに具える中心電極及び接地電極のいずれの構成材料にも好適に利用することができる。上記接地電極は、中心電極と比較して、自動車のエンジンなどの内燃機関において、燃焼室の中心に近い位置に配置される傾向にある。本発明電極材料は、上述のように高温での特性に優れることから、特に、上記接地電極の構成材料に好適に利用することができる。本発明電極は、上記電極材料を適宜な長さに切断したり、更に所定の形状に成形したりすることで製造することができる。
[Spark plug electrode]
The electrode material of the present invention can be suitably used for any constituent material of the center electrode and the ground electrode provided in the spark plug. The ground electrode tends to be disposed at a position closer to the center of the combustion chamber in an internal combustion engine such as an automobile engine than the center electrode. Since the electrode material of the present invention is excellent in characteristics at a high temperature as described above, it can be suitably used particularly as a constituent material of the ground electrode. The electrode of the present invention can be produced by cutting the electrode material into an appropriate length or further forming it into a predetermined shape.

[スパークプラグ]
本発明電極は、自動車のエンジンといった内燃機関において、点火に利用するスパークプラグの構成部材として好適に利用することができる。本発明スパークプラグは、代表的には、絶縁碍子と、この絶縁碍子を保持する主体金具と、上記絶縁碍子内に保持され、当該絶縁碍子の先端から一部が突出された中心電極と、上記主体金具の先端側の面に一端を溶接され、他端が中心電極の端面に対向するように設けられた接地電極と、上記絶縁碍子の後端に設けられた端子金具とを具えるものが挙げられる。公知のスパークプラグの電極に代えて、本発明電極を利用することができる。
[Spark plug]
The electrode of the present invention can be suitably used as a constituent member of a spark plug used for ignition in an internal combustion engine such as an automobile engine. The spark plug of the present invention typically includes an insulator, a metal shell that holds the insulator, a center electrode that is held in the insulator and partially protrudes from the tip of the insulator, and the above One having one end welded to the front end surface of the metal shell and the other end facing the end surface of the center electrode and a terminal metal fitting provided at the rear end of the insulator. Can be mentioned. The electrode of the present invention can be used in place of a known spark plug electrode.

本発明電極材料により構成される本発明電極、及び電極を具える本発明スパークプラグは、耐高温酸化性、耐火花消耗性、耐発汗性に優れる。   The electrode of the present invention constituted by the electrode material of the present invention and the spark plug of the present invention including the electrode are excellent in high-temperature oxidation resistance, spark consumption resistance, and sweat resistance.

図1は、酸化物層の形成状態を説明するための電極材料の光学顕微鏡写真である。FIG. 1 is an optical micrograph of an electrode material for explaining the formation state of an oxide layer.

以下、本発明の実施の形態を説明する。
ニッケル合金からなる線材を複数作製し、各線材から一般的な自動車のガソリンエンジンの点火に利用されるスパークプラグ用電極を作製して、その特性を評価した。
Embodiments of the present invention will be described below.
A plurality of wires made of nickel alloy were prepared, and electrodes for spark plugs used for ignition of a general automobile gasoline engine were prepared from each wire, and the characteristics were evaluated.

各線材は、以下のように作製した。通常の真空溶解炉を用いて、表1に示す組成(単位は質量%)のニッケル合金の溶湯を作製した。溶湯の原料には、市販の純Ni(99.0質量%以上Ni)、各添加元素の粒を用いた。また、不純物や介在物などを低減、除去するために溶湯の精錬を行った。溶湯温度を適宜調整して真空鋳造により鋳塊(2ton)を得た。試料No.120,127は、上記精錬具合を調整することで、C(炭素)の含有量が表1に示す量となるようにし、その他の試料は、実質的にCが含有されないように上記精錬具合を調整した。また、酸素濃度が低くなるように雰囲気を管理して、上記溶解、鋳造を行った。   Each wire was produced as follows. Using an ordinary vacuum melting furnace, a nickel alloy melt having the composition shown in Table 1 (unit: mass%) was produced. Commercially available pure Ni (99.0 mass% or more Ni) and grains of each additive element were used as the raw material for the molten metal. In addition, the molten metal was refined to reduce and remove impurities and inclusions. The molten metal temperature was appropriately adjusted to obtain an ingot (2 tons) by vacuum casting. Sample Nos. 120 and 127 are adjusted so that the content of C (carbon) is as shown in Table 1 by adjusting the refining conditions, and the other refining conditions are such that C is not substantially contained in other samples. Adjusted. Further, the above melting and casting were carried out by controlling the atmosphere so that the oxygen concentration was lowered.

得られた鋳塊を再加熱して鍛造加工を施し、約150mm角のビレットを得た。このビレットに熱間圧延を施し、線径5.5mmΦの圧延線材を得た。この圧延線材に冷間伸線及び熱処理を組み合わせて施し、線径2.5mmΦ、線径4.2mmΦの冷間伸線材を得た。線径2.5mmΦの冷間伸線材には、圧延加工を施して、1.5mm2.8mm平角線状となるように変形し、平角線材を得た。得られた平角線材、及び線径4.2mmΦの冷間伸線材に最終熱処理(軟化処理、温度:800〜1000℃、非酸化性雰囲気(窒素雰囲気または水素雰囲気)、連続軟化炉使用)を施して、軟材(電極材料)を得た。得られた各軟材を適宜な長さに切断した後、所定の形状に適宜成形して、一般的な普通乗用車に用いられているスパークプラグ用接地電極(1.5mm2.8mmの平角線を使用)、スパークプラグ用中心電極(線径4.2mmΦを使用)を作製し、試料とした。   The obtained ingot was reheated and forged to obtain a billet of about 150 mm square. This billet was hot-rolled to obtain a rolled wire having a wire diameter of 5.5 mmΦ. This rolled wire was subjected to a combination of cold wire drawing and heat treatment to obtain a cold wire material having a wire diameter of 2.5 mmΦ and a wire diameter of 4.2 mmΦ. The cold-drawn wire rod having a wire diameter of 2.5 mmΦ was subjected to a rolling process and deformed into a 1.5 mm 2.8 mm flat wire, thereby obtaining a flat wire. Final flat heat treatment (softening treatment, temperature: 800-1000 ° C, non-oxidizing atmosphere (nitrogen atmosphere or hydrogen atmosphere), using continuous softening furnace) is applied to the obtained rectangular wire and cold drawn wire with a diameter of 4.2 mmΦ. A soft material (electrode material) was obtained. Each soft material obtained is cut to an appropriate length, then molded into a predetermined shape, and a spark plug ground electrode (1.5mm 2.8mm rectangular wire used in ordinary ordinary passenger cars) is used. ), A spark plug center electrode (using a wire diameter of 4.2 mmΦ) was prepared and used as a sample.

得られた各試料の電極の組成をICP発光分光分析装置を用いて調べたところ、表1に示す組成と同様であり、残部は、Ni及び不可避不純物であった。また、いずれの試料の電極もNiの含有量が95質量%以上であった(試料No.1〜8は97質量%以上Ni)。組成の分析は、上記ICP発光分光分析法による他、原子吸光光度法などでも行える。また、各試料の電極の炭素量を高周波燃焼赤外線吸収法により測定したところ、表1に示す組成と同様であった。表1において「-(ハイフン)」は、検出限界未満であり、実質的に含有されていないことを示す。更に、Yを含む各試料をSEM及びEDXによる元素分析、又はEPMAを用いて調べたところ、YとNiとの金属間化合物が存在していることが確認できた。   When the composition of the electrode of each obtained sample was examined using an ICP emission spectroscopic analyzer, it was the same as the composition shown in Table 1, and the balance was Ni and inevitable impurities. Further, the Ni content of each sample electrode was 95% by mass or more (sample Nos. 1 to 8 were 97% by mass or more Ni). The composition can be analyzed by the atomic absorption spectrophotometry method as well as the above ICP emission spectroscopic analysis method. Further, when the carbon content of the electrode of each sample was measured by the high frequency combustion infrared absorption method, it was the same as the composition shown in Table 1. In Table 1, “-(hyphen)” is less than the detection limit and indicates that it is not substantially contained. Furthermore, when each sample containing Y was examined using elemental analysis by SEM and EDX, or EPMA, it was confirmed that an intermetallic compound of Y and Ni was present.

Figure 0005912986
Figure 0005912986

《比抵抗》
上記電極の作製に利用した各軟材の比抵抗を測定した。その結果を表2に示す。比抵抗(常温)は、電気抵抗測定装置を用いて、四端子法により測定した(評点間距離GL=100mm)。
《Specific resistance》
The specific resistance of each soft material used for the production of the electrode was measured. The results are shown in Table 2. The specific resistance (room temperature) was measured by a four-terminal method using an electrical resistance measuring device (distance between grades GL = 100 mm).

《耐酸化性》
作製した上記各試料について、耐酸化性を評価した。その結果を表2に示す。耐酸化性は、上述した1.5mm×2.8mmの平角の軟材により作製した接地電極と、線径4.2mmΦの軟材により作製した中心電極とを具えるスパークプラグを試験用のエンジン(排気量2000cc、6気筒)に取り付け、スロットル全開で1分間、アイドル状態で1分間の運転を100時間繰り返す耐久試験を行った。上記耐久試験後、接地電極の断面写真を撮影し、当該電極の酸化している領域(酸化物層)の厚さを測定した。
酸化物層は、図1に示すように、最表面に形成されて、添加元素の含有量が高く、Niが少ない外側酸化物層と、その内部に形成されて、Niが多い内部酸化物層との二層構造に形成される。そこで、内部酸化物層は、上記電極の表面から内部酸化物層と外側酸化物層との境界までの平均厚さ、外側酸化物層は、上記境界から電極の最表面までの平均厚さを測定した。電極内部への酸素の侵入度合いが少ないほど、内部酸化物層が薄くなり、内部酸化し難いと言える。なお、図1に示す光学顕微鏡写真は、試料No.2の電極の作製に利用した軟材に、1000℃×72時間の熱処理を施して作製した、説明用のサンプルである。
<Oxidation resistance>
Each of the prepared samples was evaluated for oxidation resistance. The results are shown in Table 2. The oxidation resistance was determined by using a spark plug comprising the above-mentioned ground electrode made of a 1.5 mm × 2.8 mm flat soft material and a center electrode made of a soft material having a wire diameter of 4.2 mmΦ for a test engine (displacement volume). 2000cc, 6 cylinders), and a durability test was repeated for 100 hours of operation for 1 minute with the throttle fully open and 1 minute in the idle state. After the durability test, a cross-sectional photograph of the ground electrode was taken, and the thickness of the oxidized region (oxide layer) of the electrode was measured.
As shown in FIG. 1, the oxide layer is formed on the outermost surface and has a high content of additive elements and a small amount of Ni, and an inner oxide layer that is formed inside and has a large amount of Ni. And a two-layer structure. Therefore, the inner oxide layer has an average thickness from the surface of the electrode to the boundary between the inner oxide layer and the outer oxide layer, and the outer oxide layer has an average thickness from the boundary to the outermost surface of the electrode. It was measured. It can be said that the lower the degree of oxygen intrusion into the electrode, the thinner the internal oxide layer and the less internal oxidation occurs. The optical micrograph shown in FIG. 1 is an explanatory sample produced by subjecting the soft material used for producing the electrode of Sample No. 2 to heat treatment at 1000 ° C. for 72 hours.

そして、耐酸化性は、上記外側酸化物層及び内部酸化物層の合計厚さが200μm以上の場合、或いは酸化物層の膨張により、酸化物層が内部破裂したり、酸化物層にクラックが顕著に発生した場合、耐高温酸化性が従来品と同等程度であったとして×、上記合計厚さが200μm未満であり、かつ上記内部破裂やクラックが軽微であったり、上記内部破裂やクラックがほとんど無い場合は良好であるとして○、上記合計厚さが180μm未満で、上記内部破裂やクラックがほとんど無い場合を特に良好であるとして◎と評価した。   In addition, the oxidation resistance is determined when the total thickness of the outer oxide layer and the inner oxide layer is 200 μm or more, or due to the expansion of the oxide layer, the oxide layer is internally ruptured or cracked in the oxide layer. If it occurs remarkably, the high temperature oxidation resistance is equivalent to that of the conventional product x, the total thickness is less than 200 μm, and the internal burst or crack is slight, or the internal burst or crack is The case where there was almost none was evaluated as good, and the case where the total thickness was less than 180 μm and there was almost no internal rupture or crack was evaluated as ◎ as particularly preferable.

《耐火花消耗性、耐発汗性》
作製した上記各試料について、耐火花消耗性、耐発汗性を評価した。その結果を表2に示す。耐火花消耗性及び耐発汗性は、上述した1.5mm×2.8mmの平角の軟材により作製した接地電極と、線径4.2mmΦの軟材により作製した中心電極とを具えるスパークプラグを用意し、通常の燃焼温度(900〜1000℃程度)よりも100℃程度燃焼温度が高くなるように調整された過酷試験用のエンジン(排気量2800cc、6気筒)に上記スパープラグを取り付け、400時間の耐久走行試験(150km/hで約6万kmの走行)を行った。上記耐久走行試験後、電極の表面状態を拡大鏡で観察して、発汗粒の発生状態を観察すると共に、中心電極と接地電極とにおいて火花放電に利用されている部分の間隙(以下、火花放電間隙と呼ぶ)の大きさの増加量(設計初期値からの増加量)を測定した。
《Spark resistance and sweat resistance》
Each of the prepared samples was evaluated for spark wear resistance and sweat resistance. The results are shown in Table 2. For spark wear resistance and sweat resistance, a spark plug is prepared that includes the ground electrode made of the above-mentioned 1.5 mm x 2.8 mm flat soft material and the center electrode made of soft material with a wire diameter of 4.2 mmΦ. Attach the above spar plug to a severe test engine (displacement 2800cc, 6 cylinders) adjusted so that the combustion temperature is about 100 ° C higher than the normal combustion temperature (about 900-1000 ° C), and 400 hours An endurance running test (running about 60,000 km at 150 km / h) was conducted. After the endurance running test, observe the surface condition of the electrode with a magnifying glass to observe the state of sweat particles, and the gap between the center electrode and the ground electrode used for spark discharge (hereinafter referred to as spark discharge). The amount of increase in size (called the gap) (the amount of increase from the initial design value) was measured.

耐火花消耗性は、上記火花放電間隙の大きさの増加量が0.5mm以上の場合を×、0.2mm以上0.5mm未満の場合を○、0.2mm未満の場合を◎と評価した。上記火花放電間隙は、間隙ゲージなどを利用することで測定することができる。   The spark wear resistance was evaluated as x when the increase in the size of the spark discharge gap was 0.5 mm or more, ◯ when 0.2 mm or more and less than 0.5 mm, and ◎ when it was less than 0.2 mm. The spark discharge gap can be measured by using a gap gauge or the like.

耐発汗性は、発汗粒が著しく発生しているもの、即ち、大きな粒が存在して、電極が大きく膨れていたり、全面的に発汗粒が発生している場合を×、発汗粒が発生し、電極表面の凹凸が大きな場合を従来材並みとして△、発汗粒の発生が軽微である場合を○、発汗粒の発生がほとんど見られない場合を◎と評価した。   Sweating resistance is x when sweat particles are remarkably generated, that is, when large particles are present and the electrode is greatly swollen or sweat particles are generated entirely. The case where the unevenness of the electrode surface was large was evaluated as △, the case where the generation of sweating particles was slight, and the case where the generation of sweating particles was hardly observed were evaluated as ◎.

《結晶粒径》
上記電極の作製に利用した各軟材を大気炉で1000℃×72時間加熱した後、この加熱後の各軟材の断面写真を光学顕微鏡で撮影し(倍率:50〜200倍)、この顕微鏡像に対して、交線法(ライン法)を利用して平均結晶粒径を算出した。その結果を表2に示す。
<Crystal grain size>
After each soft material used for the production of the above electrode was heated in an atmospheric furnace at 1000 ° C. for 72 hours, a cross-sectional photograph of each soft material after heating was taken with an optical microscope (magnification: 50 to 200 times). For the image, the average crystal grain size was calculated using the intersection method (line method). The results are shown in Table 2.

Figure 0005912986
Figure 0005912986

表2に示すように、Y,Al及びSiの少なくとも一方,Cr及びMnを特定の範囲で含有する電極材料(ここでは軟材)から製造した電極を具える試料No.1〜8は、高温であっても耐酸化性に優れることが分かる。具体的には、試料No.1〜8は、電極の表面側及び内部の双方において概ね同程度の厚さの酸化物層が存在しており、内部酸化物層が極端に厚くなっていない。この理由の一つは、AlやSiを少なめに含有すると共に、Cr及びMnを適量含有することで、内部酸化が抑制できたためであると考えられる。特に、試料No.1〜8のうち、Crを多めに含む試料は、内部酸化を抑制する効果が高い傾向にあり、AlよりもSiを含有する試料の方が耐酸化性に優れる傾向にあることが分かる。また、試料No.1〜8は、高温に曝されても結晶粒が微細な組織を維持することができ、このことからも優れた耐酸化性を有することができたと考えられる。   As shown in Table 2, sample Nos. 1 to 8 including electrodes manufactured from an electrode material (soft material in this case) containing at least one of Y, Al and Si, Cr and Mn in a specific range are high temperatures. However, it turns out that it is excellent in oxidation resistance. Specifically, in Sample Nos. 1 to 8, an oxide layer having substantially the same thickness is present both on the surface side and inside of the electrode, and the internal oxide layer is not extremely thick. One reason for this is thought to be that internal oxidation could be suppressed by containing a small amount of Al and Si and containing appropriate amounts of Cr and Mn. In particular, among samples No. 1 to 8, samples containing a large amount of Cr tend to have a higher effect of suppressing internal oxidation, and samples containing Si tend to have better oxidation resistance than Al. I understand that. Samples Nos. 1 to 8 were able to maintain a fine structure of crystal grains even when exposed to high temperatures, and from this, it is considered that they could have excellent oxidation resistance.

更に、試料No.1〜8はいずれも、比抵抗が20μΩ・cm以下と小さいことから、火花による消耗も少ないことが分かる。この理由の一つは、AlやSiを過剰に含有していないためであると考えられる。そして、試料No.1〜8はいずれも、耐発汗性に優れており、その中でもCrを多めに含有してCr/Mnが2以上を満たす試料は、耐発汗性に特に優れる傾向にあることが分かる。この理由の一つは、CrやMnを含有することで、使用環境の雰囲気中の元素と、電極の母相のNiとが低融点の化合物を生成することを抑制することができたためであると考えられる。   Furthermore, since all of sample Nos. 1 to 8 have a specific resistance as small as 20 μΩ · cm or less, it can be seen that consumption due to sparks is small. One reason for this is thought to be because Al and Si are not excessively contained. Samples Nos. 1 to 8 are all excellent in sweat resistance, and among them, samples containing a large amount of Cr and satisfying Cr / Mn of 2 or more tend to be particularly excellent in sweat resistance. I understand. One of the reasons is that by containing Cr and Mn, it was possible to suppress the formation of a low melting point compound between the element in the atmosphere of the use environment and Ni of the parent phase of the electrode. it is conceivable that.

これに対して、上記特定の元素を特定の範囲で含有していない試料No.100,120〜127は、耐発汗性に劣ることが分かる。また、試料No.100,120〜127のうち、耐発汗性がよい試料でも、比抵抗が大きく、耐火花消耗性に劣っていたり、酸化物層にクラックが生じるなどして、耐酸化性に劣っていたりすることが分かる。即ち、上記特定の元素を特定の範囲で含有していないスパークプラグ用電極では、従来よりも高温環境下で使用される場合、耐高温酸化性、耐火花消耗性、耐発汗性をバランスよく具えることが難しいと言える。   On the other hand, it can be seen that Sample Nos. 100 and 120 to 127 that do not contain the specific element in a specific range are inferior in sweat resistance. Also, among samples No. 100 and 120-127, even samples with good sweat resistance have high specific resistance, inferior spark resistance, and cracks in the oxide layer, resulting in inferior oxidation resistance. I understand that. That is, an electrode for a spark plug that does not contain the above-mentioned specific element in a specific range has a good balance of high-temperature oxidation resistance, spark consumption resistance, and sweat resistance when used in a higher temperature environment than before. It can be said that it is difficult to obtain.

上述のように、Y,Al及びSiの少なくとも一方,Cr及びMnを特定の範囲で含有する電極材料から作製したスパークプラグ用電極は、耐高温酸化性、耐火花消耗性、耐発汗性に優れており、従来よりも更に温度が高い環境(例えば、+100℃程度の超高温環境)であっても、十分に使用することができると期待される。また、上記電極は、酸化による酸化物層の膨張が少なく、この膨張に伴う酸化物層の内部破裂やクラックが生じ難い上に、比抵抗が小さくて火花による消耗が少なく、かつ発汗粒が生じ難いことから、長寿命であると期待される。   As described above, the electrode for a spark plug produced from an electrode material containing at least one of Y, Al and Si, Cr and Mn in a specific range is excellent in high temperature oxidation resistance, spark consumption resistance, and sweat resistance. Therefore, it is expected that it can be sufficiently used even in an environment where the temperature is higher than before (for example, an ultra-high temperature environment of about + 100 ° C.). In addition, the oxide layer is less likely to expand due to oxidation, and the oxide layer is not easily ruptured or cracked due to the expansion. In addition, the specific resistance is low, the consumption due to sparks is small, and sweat particles are generated. Because it is difficult, it is expected to have a long life.

なお、上述した実施形態は、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、上述した構成に限定されるものではない。例えば、電極材料の組成、形状、大きさなどを適宜変更することができる。また、接地電極と中心電極とで組成を異ならせることもできる。   The above-described embodiment can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention, and is not limited to the above-described configuration. For example, the composition, shape, size, etc. of the electrode material can be changed as appropriate. Further, the composition can be made different between the ground electrode and the center electrode.

本発明電極材料は、自動車のエンジンといった内燃機関のスパークプラグ用電極の構成材料に好適に利用することができる。本発明電極は、上記スパークプラグの構成部品に好適に利用することができる。また、本発明スパークプラグは、上記内燃機関の点火用部材に好適に利用することができる。   The electrode material of the present invention can be suitably used as a constituent material of an electrode for a spark plug of an internal combustion engine such as an automobile engine. The electrode of the present invention can be suitably used for the components of the spark plug. Moreover, the spark plug of the present invention can be suitably used for the ignition member of the internal combustion engine.

Claims (8)

スパークプラグの電極に用いられる電極材料であって、
質量%で、
Al及びSiの少なくとも一方を0.01%以上0.4%以下、かつ合計で0.5%未満、
Crを0.05%以上0.8%以下、及びMnを0.05%以上0.8%以下、かつCrとMnとを合計で1.5%以下、
Yを0.3%以上1.0%以下含有し、残部がNi及び不可避不純物からなることを特徴とする電極材料。
An electrode material used for an electrode of a spark plug,
% By mass
At least one of Al and Si is 0.01% or more and 0.4% or less, and less than 0.5% in total;
Cr is 0.05% or more and 0.8% or less, Mn is 0.05% or more and 0.8% or less, and Cr and Mn are 1.5% or less in total.
An electrode material comprising Y in an amount of 0.3% to 1.0%, the balance being Ni and inevitable impurities.
質量%で、
Crの含有量が0.2%以上0.8%以下、
Mnの含有量が0.1%以上0.3%以下であることを特徴とする請求項1に記載の電極材料。
% By mass
Cr content is 0.2% to 0.8%,
2. The electrode material according to claim 1, wherein the Mn content is 0.1% or more and 0.3% or less.
Cr及びMnの含有量は、Cr>Mnを満たし、
かつ、Mnに対するCrの質量割合Cr/Mnが2以上を満たすことを特徴とする請求項1又は2に記載の電極材料。
The content of Cr and Mn satisfies Cr> Mn,
3. The electrode material according to claim 1, wherein a mass ratio Cr / Mn of Cr to Mn satisfies 2 or more.
質量%で、Siの含有量が0.1%以上0.4%以下であることを特徴とする請求項2又は3に記載の電極材料。   4. The electrode material according to claim 2, wherein the content of Si is 0.1% to 0.4% by mass. 前記電極材料の常温での比抵抗が20μΩ・cm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電極材料。   5. The electrode material according to claim 1, wherein the electrode material has a specific resistance at room temperature of 20 μΩ · cm or less. 前記電極材料を1000℃×72時間加熱した後、この加熱後の電極材料の平均結晶粒径が300μm以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の電極材料。   6. The electrode material according to claim 1, wherein after heating the electrode material at 1000 ° C. for 72 hours, an average crystal grain size of the heated electrode material is 300 μm or less. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の電極材料から構成されたことを特徴とするスパークプラグ用電極。   A spark plug electrode comprising the electrode material according to any one of claims 1 to 6. 請求項7に記載のスパークプラグ用電極を具えることを特徴とするスパークプラグ。   8. A spark plug comprising the spark plug electrode according to claim 7.
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