JP6039983B2 - 内燃機関用のスパークプラグ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、自動車等の内燃機関に用いられるスパークプラグに関する。
従来、自動車等の内燃機関の着火手段として、中心電極と、該中心電極との間に火花放電ギャップを設けた接地電極とを備えたスパークプラグが用いられている。スパークプラグは、中心電極と接地電極との間に設けられた火花放電ギャップに火花放電を発生させることにより、混合気（空気と燃料とが混合されたもの）を着火させる。
また、スパークプラグには、着火性等を高めるために中心電極や接地電極に電極チップを設けたものがある。
また、スパークプラグには、着火性等を高めるために中心電極や接地電極に電極チップを設けたものがある。
近年、内燃機関の高性能化等により燃焼室の温度が高くなる傾向にあるため、電極チップに優れた耐消耗性が要求されるようになっている。
ここで、電極チップの消耗の原因としては、火花放電によって電極チップが瞬間的に溶融することによる火花消耗と、高温環境下での使用によって電極チップが酸化揮発することによる酸化消耗とがある。
ここで、電極チップの消耗の原因としては、火花放電によって電極チップが瞬間的に溶融することによる火花消耗と、高温環境下での使用によって電極チップが酸化揮発することによる酸化消耗とがある。
電極チップを構成する電極材料としては、例えば、高融点で耐火花消耗性に優れたＩｒ（イリジウム）が用いられる。ところが、貴金属であるＩｒは高価であるため、製造コストが高くなるという問題が生じる。
そこで、Ｉｒよりも高融点で耐火花消耗性に優れ、かつ安価なＷ（タングステン）を用いることが検討されている。ただし、Ｗは酸素との親和力が大きく、耐酸化性が十分とはいえない。そのため、特許文献１では、Ｗに加えて耐酸化性に優れたＣｒ（クロム）を含有させた電極材料が開示されている。
そこで、Ｉｒよりも高融点で耐火花消耗性に優れ、かつ安価なＷ（タングステン）を用いることが検討されている。ただし、Ｗは酸素との親和力が大きく、耐酸化性が十分とはいえない。そのため、特許文献１では、Ｗに加えて耐酸化性に優れたＣｒ（クロム）を含有させた電極材料が開示されている。
しかしながら、上記特許文献１のスパークプラグでは、次のような問題が生じるおそれがある。すなわち、電極チップの耐酸化性を確保するために含有させるＣｒの融点（約１８５７℃）は、Ｗの融点（約３４０７℃）に比べて低い。そのため、Ｃｒの含有量が多い場合には、Ｃｒ添加によって融点が低下し、耐火花消耗性を十分に確保することができないおそれがある。また、Ｃｒの含有量が少ない場合には、Ｃｒ添加による融点の低下及びそれに伴う耐火花消耗性の低下を抑制することができるが、耐酸化性を十分に確保することができないおそれがある。
このようなことから、耐火花消耗性及び耐酸化性を十分に確保した上で、安価に製造することができるスパークプラグが望まれている。
このようなことから、耐火花消耗性及び耐酸化性を十分に確保した上で、安価に製造することができるスパークプラグが望まれている。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、耐火花消耗性及び耐酸化性に優れた長寿命で安価な内燃機関用のスパークプラグ及びその製造方法を提供しようとするものである。
本発明の一の態様は、中心電極と
該中心電極との間に火花放電ギャップを設けた接地電極とを備え、
上記中心電極及び上記接地電極の少なくとも一方には、電極チップが設けられており、
該電極チップは、Ｃｒを５〜４５質量％、元素Ｘを０．５〜２５質量％含有し、残部がＷ及び不可避的不純物からなる基材部と、該基材部の少なくとも一部を覆うように設けられ、該基材部よりもＣｒの含有量が多いＣｒ濃化層と、上記基材部と上記Ｃｒ濃化層との間に設けられ、上記基材部を構成する材料と上記Ｃｒ濃化層を構成する材料とからなる拡散層とを有し、
上記基材部に含有される上記元素Ｘは、Ｍｏ、Ｓｉ、Ａｌ及びＰｄの少なくとも一種以上からなり、
上記拡散層は、上記基材部側に近づくほど該基材部を構成する材料成分の割合が徐々に高くなり、上記Ｃｒ濃化層側に近づくほど該Ｃｒ濃化層を構成する材料成分の割合が徐々に高くなるように形成されていることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグにある（請求項１）。
該中心電極との間に火花放電ギャップを設けた接地電極とを備え、
上記中心電極及び上記接地電極の少なくとも一方には、電極チップが設けられており、
該電極チップは、Ｃｒを５〜４５質量％、元素Ｘを０．５〜２５質量％含有し、残部がＷ及び不可避的不純物からなる基材部と、該基材部の少なくとも一部を覆うように設けられ、該基材部よりもＣｒの含有量が多いＣｒ濃化層と、上記基材部と上記Ｃｒ濃化層との間に設けられ、上記基材部を構成する材料と上記Ｃｒ濃化層を構成する材料とからなる拡散層とを有し、
上記基材部に含有される上記元素Ｘは、Ｍｏ、Ｓｉ、Ａｌ及びＰｄの少なくとも一種以上からなり、
上記拡散層は、上記基材部側に近づくほど該基材部を構成する材料成分の割合が徐々に高くなり、上記Ｃｒ濃化層側に近づくほど該Ｃｒ濃化層を構成する材料成分の割合が徐々に高くなるように形成されていることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグにある（請求項１）。
上記スパークプラグにおいて、中心電極及び接地電極の少なくとも一方には、電極チップが設けられている。そして、該電極チップは、基材部と、該基材部の少なくとも一部を覆うように設けられ、該基材部よりもＣｒの含有量が多いＣｒ濃化層と、基材部とＣｒ濃化層との間に設けられた拡散層とを有する。
このような構成とすることにより、電極チップの耐火花消耗性と耐酸化性とを両立させることができる。
このような構成とすることにより、電極チップの耐火花消耗性と耐酸化性とを両立させることができる。
すなわち、本発明者は、耐酸化性が特に必要とされるのは電極チップの表面であること、またＣｒ酸化保護膜を生成するために必要なＣｒ量よりもＣｒ酸化保護膜の維持に必要なＣｒ量のほうが少ないことに着目し、基材部よりもＣｒの含有量が多いＣｒ濃化層を電極チップの表面に設けている。そのため、スパークプラグの使用初期段階において、電極チップ（Ｃｒ濃化層）の表面に強固なＣｒ酸化保護膜（Ｃｒ2Ｏ3）を生成させることができる。そして、Ｃｒ酸化保護膜が生成された後は、基材部に含有されたＣｒによってＣｒ酸化保護膜を十分に維持することができる。これにより、電極チップの耐酸化性を十分に確保することができる。
一方、基材部は、Ｃｒの含有量を上記特定の範囲としており、またＣｒ濃化層よりもＣｒの含有量を少なくしている。すなわち、電極チップの表面に設けたＣｒ濃化層によって耐酸化性を十分に確保することができるため、基材部におけるＣｒの含有量を抑えることができる。これにより、Ｃｒ添加による電極チップの融点の低下及びそれに伴う耐火花消耗性の低下を抑制することができる。逆に言えば、基材部の主成分となるＷの特性、つまり高融点であるＷの優れた耐火花消耗性を有効に発揮することができ、電極チップの耐火花消耗性を十分に確保することができる。
よって、電極チップ全体として、耐火花消耗性と耐酸化性との両方を十分に確保することができ、スパークプラグの長寿命化を図ることができる。
よって、電極チップ全体として、耐火花消耗性と耐酸化性との両方を十分に確保することができ、スパークプラグの長寿命化を図ることができる。
また、基材部とＣｒ濃化層との間には、基材部を構成する材料とＣｒ濃化層を構成する材料とからなる拡散層が設けられている。そのため、Ｃｒ濃化層は、拡散層を介して基材部と一体的に形成される。すなわち、Ｃｒ濃化層は、拡散層を介して基材部と強固に結合した状態となる。これにより、電極チップの表面に設けられたＣｒ濃化層の剥離、脱落等を抑制することができ、電極チップの優れた耐酸化性を長期間に渡って維持することができる。
また、基材部は、Ｍｏ、Ｓｉ、Ａｌ及びＰｄの少なくとも一種以上からなる元素（元素Ｘ）を含有し、その含有量を上記特定の範囲としている。そのため、例えば基材部を焼結させて作製する場合に、基材部の焼結性を向上させ、焼結密度を高めることができる。これにより、基材部の耐久性を向上させることができ、電極チップの耐火花消耗性や耐酸化性の向上を図ることができる。
すなわち、焼結密度が低い場合、基材部に存在する空孔が多くなるため、空孔の内壁面の酸化消耗が問題となる。また、空孔は、振動等による亀裂発生の起点となるため、耐久性の低下を招くおそれがある。したがって、基材部の焼結密度を高めることにより、基材部に存在する空孔が減少し、上述した効果を得ることができる。
すなわち、焼結密度が低い場合、基材部に存在する空孔が多くなるため、空孔の内壁面の酸化消耗が問題となる。また、空孔は、振動等による亀裂発生の起点となるため、耐久性の低下を招くおそれがある。したがって、基材部の焼結密度を高めることにより、基材部に存在する空孔が減少し、上述した効果を得ることができる。
また、基材部は、安価なＷを主な成分の１つとして含有している。そのため、電極チップの製造コストを低減することができる。例えば従来のように、貴金属であって高価なＩｒ等を電極チップの主成分として用いた場合に比べて、電極チップの製造コストを大幅に低減することができる。これにより、スパークプラグの製造コストを低減することができる。
以上のように、耐火花消耗性及び耐酸化性に優れた長寿命で安価な内燃機関用のスパークプラグを提供することができる。
上記スパークプラグにおいて、上記基材部におけるＣｒの含有量は、５〜４５質量％である。
上記基材部におけるＣｒの含有量が５質量％未満の場合には、電極チップの耐酸化性を十分に確保することができないおそれがある。一方、４５質量％を超える場合には、Ｃｒ添加による融点の低下を招き、電極チップの耐火花消耗性を十分に確保することができないおそれがある。
このようなことから、上記基材部におけるＣｒの含有量は、１５〜３０質量％であることがより好ましい。
上記基材部におけるＣｒの含有量が５質量％未満の場合には、電極チップの耐酸化性を十分に確保することができないおそれがある。一方、４５質量％を超える場合には、Ｃｒ添加による融点の低下を招き、電極チップの耐火花消耗性を十分に確保することができないおそれがある。
このようなことから、上記基材部におけるＣｒの含有量は、１５〜３０質量％であることがより好ましい。
また、上記基材部における上記元素Ｘの含有量は、０．５〜２５質量％である。
上記基材部における上記元素Ｘの含有量が０．５質量％未満の場合には、基材部の焼結性を向上させ、焼結密度を高めるという上述の効果を十分に得ることができないおそれがある。一方、２５質量％を超える場合には、上記元素Ｘ添加による融点の低下を招き、電極チップの耐火花消耗性を十分に確保することができないおそれがある。また、上記元素Ｘ添加による焼結性向上の効果が小さくなるおそれがある。
上記基材部における上記元素Ｘの含有量が０．５質量％未満の場合には、基材部の焼結性を向上させ、焼結密度を高めるという上述の効果を十分に得ることができないおそれがある。一方、２５質量％を超える場合には、上記元素Ｘ添加による融点の低下を招き、電極チップの耐火花消耗性を十分に確保することができないおそれがある。また、上記元素Ｘ添加による焼結性向上の効果が小さくなるおそれがある。
また、上記Ｃｒ濃化層は、上記基材部の少なくとも一部を覆うように設けられている。すなわち、Ｃｒ濃化層は、電極チップの表面（露出する表面）の一部に設けられていてもよいし、表面全体に設けられていてもよい。なお、基材部とＣｒ濃化層との間に設けられる拡散層も同様である。
また、上記電極チップの表面のうち、火花放電を行う放電面（他方の電極チップに対向する面）では主に火花消耗の影響を受け、放電面以外の面では主に酸化消耗の影響を受ける。したがって、電極チップの表面のうち、少なくとも放電面以外の面には、耐酸化性を十分に確保するためにＣｒ濃化層（及び拡散層）が設けられていることが好ましい。
また、上記拡散層は、上記基材部と上記Ｃｒ濃化層との間に設けられ、上記基材部を構成する材料と上記Ｃｒ濃化層を構成する材料とからなる。
例えば、拡散層は、基材部側に近づくほど基材部を構成する材料成分の割合が徐々に高くなり、Ｃｒ濃化層側に近づくほどＣｒ濃化層を構成する材料成分の割合が徐々に高くなるような構成とすることができる。
例えば、拡散層は、基材部側に近づくほど基材部を構成する材料成分の割合が徐々に高くなり、Ｃｒ濃化層側に近づくほどＣｒ濃化層を構成する材料成分の割合が徐々に高くなるような構成とすることができる。
また、上記Ｃｒ濃化層は、上記基材部に含有される元素と同様の元素を含有してなる構成としてもよい（請求項２）。
この場合には、基材部とＣｒ濃化層とが拡散層を介してより強固に結合した状態とすることができる。これにより、電極チップの表面に設けられたＣｒ濃化層の剥離、脱落等をより一層抑制することができる。
なお、上記基材部に含有される元素とは、基材部に含有される不可避的不純物以外の元素のことである。
この場合には、基材部とＣｒ濃化層とが拡散層を介してより強固に結合した状態とすることができる。これにより、電極チップの表面に設けられたＣｒ濃化層の剥離、脱落等をより一層抑制することができる。
なお、上記基材部に含有される元素とは、基材部に含有される不可避的不純物以外の元素のことである。
また、上記Ｃｒ濃化層におけるＣｒの含有量は、上記基材部におけるＣｒの含有量よりも５質量％以上多いことが好ましい（請求項３）。
この場合には、スパークプラグの使用初期段階において、電極チップ（Ｃｒ濃化層）の表面に強固なＣｒ酸化保護膜を十分に生成させ、それを維持することができる。これにより、電極チップの耐酸化性をより一層十分に確保することができる。
この場合には、スパークプラグの使用初期段階において、電極チップ（Ｃｒ濃化層）の表面に強固なＣｒ酸化保護膜を十分に生成させ、それを維持することができる。これにより、電極チップの耐酸化性をより一層十分に確保することができる。
上記基材部と上記Ｃｒ濃化層とのＣｒの含有量の差が５質量％未満の場合には、スパークプラグの使用初期段階において、電極チップ（Ｃｒ濃化層）の表面に強固なＣｒ酸化保護膜を生成させるという上述の効果を十分に得ることができないおそれがある。
このようなことから、上記Ｃｒ濃化層におけるＣｒの含有量は、上記基材部におけるＣｒの含有量よりも１０質量％以上多いことがより好ましい。
このようなことから、上記Ｃｒ濃化層におけるＣｒの含有量は、上記基材部におけるＣｒの含有量よりも１０質量％以上多いことがより好ましい。
また。上記Ｃｒ濃化層の厚みは、１〜３０μｍであることが好ましい（請求項４）。
この場合には、スパークプラグの使用初期段階において、電極チップ（Ｃｒ濃化層）の表面に強固なＣｒ酸化保護膜を生成させて維持し、電極チップの耐酸化性を十分に確保することができるという上述の効果を有効に発揮することができる。
この場合には、スパークプラグの使用初期段階において、電極チップ（Ｃｒ濃化層）の表面に強固なＣｒ酸化保護膜を生成させて維持し、電極チップの耐酸化性を十分に確保することができるという上述の効果を有効に発揮することができる。
上記Ｃｒ濃化層の厚みが１μｍ未満の場合には、電極チップの耐酸化性を十分に確保することができないおそれがある。一方、３０μｍを超える場合には、Ｃｒ添加による融点の低下を招き、電極チップの耐火花消耗性を十分に確保することができないおそれがある。
このようなことから、上記Ｃｒ濃化層の厚みは、５〜３０μｍであることがより好ましい
このようなことから、上記Ｃｒ濃化層の厚みは、５〜３０μｍであることがより好ましい
また、上記Ｃｒ濃化層は、拡散浸透処理によって形成されていてもよい（請求項５）。
この場合には、基材部とＣｒ濃化層との間に拡散層を容易かつ精度良く形成することができる。また、基材部とＣｒ濃化層とが拡散層を介してより強固に結合した状態とすることができる。これにより、電極チップの表面に設けたＣｒ濃化層の剥離、脱落等をより一層抑制することができる。
この場合には、基材部とＣｒ濃化層との間に拡散層を容易かつ精度良く形成することができる。また、基材部とＣｒ濃化層とが拡散層を介してより強固に結合した状態とすることができる。これにより、電極チップの表面に設けたＣｒ濃化層の剥離、脱落等をより一層抑制することができる。
なお、上記Ｃｒ濃化層は、拡散浸透処理以外の方法を用いて形成することもできる。例えば、電気メッキ、スパッタ、蒸着等の方法によって基材部の表面にＣｒ被膜を形成し、次いで拡散熱処理（例えば、真空又は不活性雰囲気中、５００〜１５００℃の条件）を行うことにより、Ｃｒ濃化層と拡散層とを形成することができる。
（実施例１）
内燃機関用のスパークプラグにかかる実施例について、図を用いて説明する。
本例のスパークプラグ１は、図１、図２に示すごとく、中心電極２と、中心電極２との間に火花放電ギャップＧを設けた接地電極３とを備えている。中心電極２及び接地電極３には、電極チップ４が設けられている。
内燃機関用のスパークプラグにかかる実施例について、図を用いて説明する。
本例のスパークプラグ１は、図１、図２に示すごとく、中心電極２と、中心電極２との間に火花放電ギャップＧを設けた接地電極３とを備えている。中心電極２及び接地電極３には、電極チップ４が設けられている。
図３に示すごとく、電極チップ４は、Ｃｒを５〜４５質量％、元素Ｘを０．５〜２５質量％含有し、残部がＷ及び不可避的不純物からなる基材部４１と、基材部４１を覆うように設けられ、基材部４１よりもＣｒの含有量が多いＣｒ濃化層４３と、基材部４１とＣｒ濃化層４３との間に設けられ、基材部４１を構成する材料とＣｒ濃化層４３を構成する材料とからなる拡散層４２とを有する。
基材部４１に含有される元素Ｘは、Ｍｏ、Ｓｉ、Ａｌ及びＰｄの少なくとも一種以上からなる。
以下、これを詳説する。
基材部４１に含有される元素Ｘは、Ｍｏ、Ｓｉ、Ａｌ及びＰｄの少なくとも一種以上からなる。
以下、これを詳説する。
図１に示すごとく、スパークプラグ１は、中心電極２及び接地電極３の他に、絶縁碍子５及びハウジング６を備えている。
筒状のハウジング６の外周には、取付用ネジ部６１が設けられている。スパークプラグ１は、ハウジング６の取付用ネジ部６１をエンジンの燃焼室の壁部に設けられたネジ孔（図示略）に螺合させることによって装着される。
筒状のハウジング６の外周には、取付用ネジ部６１が設けられている。スパークプラグ１は、ハウジング６の取付用ネジ部６１をエンジンの燃焼室の壁部に設けられたネジ孔（図示略）に螺合させることによって装着される。
ハウジング６の内側には、筒状の絶縁碍子５が保持されている。絶縁碍子５の内側には、絶縁碍子５の先端から突出して中心電極２が保持されている。
ハウジング６の先端面６０には、接地電極３が接合されている。接地電極３は、ハウジング６の先端面６０から中心電極２に沿って延び、途中で内側に折り曲げられ、中心電極２に対して軸方向に対向するように形成されている。
ハウジング６の先端面６０には、接地電極３が接合されている。接地電極３は、ハウジング６の先端面６０から中心電極２に沿って延び、途中で内側に折り曲げられ、中心電極２に対して軸方向に対向するように形成されている。
図２に示すごとく、中心電極２において、中心電極母材２１の先端部２１１には、電極チップ４が溶接により接合されている。また、接地電極３において、接地電極母材３１における中心電極２と対向する対向部３１１には、電極チップ４が溶接により接合されている。なお、中心電極２の中心電極母材２１及び接地電極３の接地電極母材３１は、いずれもＮｉ合金からなる。
中心電極２及び接地電極３の電極チップ４は、それぞれ略円柱形状を呈している。また、電極チップ４間には、火花放電ギャップＧが設けられている。
中心電極２及び接地電極３の電極チップ４は、それぞれ略円柱形状を呈している。また、電極チップ４間には、火花放電ギャップＧが設けられている。
図３に示すごとく、中心電極２の電極チップ４は、基材部４１と、Ｃｒ濃化層４３と、基材部４１とＣｒ濃化層４３との間に設けられた拡散層４２とにより構成されている。なお、接地電極３の電極チップ４も同様の構成である。
基材部４１は、Ｃｒを５〜４５質量％、元素Ｘを０．５〜２５質量％含有し、残部がＷ及び不可避的不純物からなる。ここで、元素Ｘは、Ｍｏ、Ｓｉ、Ａｌ及びＰｄの少なくとも一種以上の元素からなる。
基材部４１は、Ｃｒを５〜４５質量％、元素Ｘを０．５〜２５質量％含有し、残部がＷ及び不可避的不純物からなる。ここで、元素Ｘは、Ｍｏ、Ｓｉ、Ａｌ及びＰｄの少なくとも一種以上の元素からなる。
Ｃｒ濃化層４３は、基材部４１を覆うように電極チップ４の表面（露出する表面）全体に設けられている。また、Ｃｒ濃化層４３は、基材部４１に含有される元素（Ｃｒ、元素Ｘ、Ｗ）と同様の元素を含有してなり、基材部４１よりもＣｒの含有量が多い。Ｃｒ濃化層４３におけるＣｒの含有量は、基材部４１におけるＣｒの含有量よりも５質量％以上多い。また、Ｃｒ濃化層４３の厚みは、１〜３０μｍである。また、Ｃｒ濃化層４３は、後述するように、拡散浸透処理によって形成されている。
拡散層４２は、基材部４１を構成する材料とＣｒ濃化層４３を構成する材料とからなる。具体的には、拡散層４２は、基材部４１側に近づくほど基材部４１を構成する材料成分の割合が徐々に高くなり、Ｃｒ濃化層４３側に近づくほどＣｒ濃化層４３を構成する材料成分の割合が徐々に高くなる。また、拡散層４２は、後述するように、Ｃｒ濃化層４３を拡散浸透処理によって形成する際に形成されたものである。
次に、電極チップ４の作製方法について説明する。
電極チップ４を作製するに当たっては、まず、最終的に基材部４１の組成となるように原料粉末の調製を行う。次いで、原料粉末を所定の形状に成形した後、その成形体を非酸化雰囲気中（Ａｒ雰囲気中）において温度１３００〜１５００℃の条件で焼成する。これにより、円柱形状の基材部４１（直径：０．５５ｍｍ、軸方向長さ：０．８ｍｍ）を得る。
電極チップ４を作製するに当たっては、まず、最終的に基材部４１の組成となるように原料粉末の調製を行う。次いで、原料粉末を所定の形状に成形した後、その成形体を非酸化雰囲気中（Ａｒ雰囲気中）において温度１３００〜１５００℃の条件で焼成する。これにより、円柱形状の基材部４１（直径：０．５５ｍｍ、軸方向長さ：０．８ｍｍ）を得る。
次いで、基材部４１に対して拡散浸透処理を行う。具体的には、耐熱容器内に基材部４１を配置し、その周囲にＣｒ粉末を配置する。次いで、耐熱容器に蓋をして密閉した状態とし、水素雰囲気中において１５００℃、１時間の条件で加熱処理を行う。これにより、基材部４１の表面にＣｒ濃化層４３が形成される。また、基材部４１とＣｒ濃化層４３との間に拡散層４２が形成される。
以上により、基材部４１と拡散層４２とＣｒ濃化層４３とからなる電極チップ４（図３）を作製する。
以上により、基材部４１と拡散層４２とＣｒ濃化層４３とからなる電極チップ４（図３）を作製する。
次に、本例のスパークプラグ１における作用効果について説明する。
本例のスパークプラグ１において、中心電極２及び接地電極３には、電極チップ４が設けられている。そして、電極チップ４は、基材部４１と、基材部４１を覆うように設けられ、基材部４１よりもＣｒの含有量が多いＣｒ濃化層４３と、基材部４１とＣｒ濃化層４３との間に設けられた拡散層４２とを有する。
このような構成とすることにより、電極チップ４の耐火花消耗性と耐酸化性とを両立させることができる。
本例のスパークプラグ１において、中心電極２及び接地電極３には、電極チップ４が設けられている。そして、電極チップ４は、基材部４１と、基材部４１を覆うように設けられ、基材部４１よりもＣｒの含有量が多いＣｒ濃化層４３と、基材部４１とＣｒ濃化層４３との間に設けられた拡散層４２とを有する。
このような構成とすることにより、電極チップ４の耐火花消耗性と耐酸化性とを両立させることができる。
すなわち、本発明者は、耐酸化性が特に必要とされるのは電極チップ４の表面であること、またＣｒ酸化保護膜を生成するために必要なＣｒ量よりもＣｒ酸化保護膜の維持に必要なＣｒ量のほうが少ないことに着目し、基材部４１よりもＣｒの含有量が多いＣｒ濃化層４３を電極チップ４の表面に設けている。そのため、スパークプラグ１の使用初期段階において、電極チップ４（Ｃｒ濃化層４３）の表面に強固なＣｒ酸化保護膜（Ｃｒ2Ｏ3）を生成させることができる。そして、Ｃｒ酸化保護膜が生成された後は、基材部４１に含有されたＣｒによってＣｒ酸化保護膜を十分に維持することができる。これにより、電極チップ４の耐酸化性を十分に確保することができる。
一方、基材部４１は、Ｃｒの含有量を上記特定の範囲としており、またＣｒ濃化層４３よりもＣｒの含有量を少なくしている。すなわち、電極チップ４の表面に設けたＣｒ濃化層４３によって耐酸化性を十分に確保することができるため、基材部４１におけるＣｒの含有量を抑えることができる。これにより、Ｃｒ添加による電極チップ４の融点の低下及びそれに伴う耐火花消耗性の低下を抑制することができる。逆に言えば、基材部４１の主成分となるＷの特性、つまり高融点であるＷの優れた耐火花消耗性を有効に発揮することができ、電極チップ４の耐火花消耗性を十分に確保することができる。
よって、電極チップ４全体として、耐火花消耗性と耐酸化性との両方を十分に確保することができ、スパークプラグ１の長寿命化を図ることができる。
よって、電極チップ４全体として、耐火花消耗性と耐酸化性との両方を十分に確保することができ、スパークプラグ１の長寿命化を図ることができる。
また、基材部４１とＣｒ濃化層４３との間には、基材部４１を構成する材料とＣｒ濃化層４３を構成する材料とからなる拡散層４２が設けられている。そのため、Ｃｒ濃化層４３は、拡散層４２を介して基材部４１と一体的に形成される。すなわち、Ｃｒ濃化層４３は、拡散層４２を介して基材部４１と強固に結合した状態となる。これにより、電極チップ４の表面に設けられたＣｒ濃化層４３の剥離、脱落等を抑制することができ、電極チップ４の優れた耐酸化性を長期間に渡って維持することができる。
また、基材部４１は、Ｍｏ、Ｓｉ、Ａｌ及びＰｄの少なくとも一種以上からなる元素（元素Ｘ）を含有し、その含有量を上記特定の範囲としている。そのため、本例のように基材部４１を焼結させて作製する場合に、基材部４１の焼結性を向上させ、焼結密度を高めることができる。これにより、基材部４１の耐久性を向上させることができ、電極チップ４の耐火花消耗性や耐酸化性の向上を図ることができる。
また、基材部４１は、安価なＷを主な成分の１つとして含有している。そのため、電極チップ４の製造コストを低減することができる。例えば従来のように、貴金属であって高価なＩｒ等を電極チップ４の主成分として用いた場合に比べて、電極チップ４の製造コストを大幅に低減することができる。これにより、スパークプラグ１の製造コストを低減することができる。
また、本例において、Ｃｒ濃化層４３は、基材部４１に含有される元素と同様の元素を含有してなる。そのため、基材部４１とＣｒ濃化層４３とが拡散層４２を介してより強固に結合した状態とすることができる。これにより、電極チップ４の表面に設けられたＣｒ濃化層４３の剥離、脱落等をより一層抑制することができる。
また、Ｃｒ濃化層４３におけるＣｒの含有量は、基材部４１におけるＣｒの含有量よりも５質量％以上多い。そのため、スパークプラグ１の使用初期段階において、電極チップ４（Ｃｒ濃化層４３）の表面に強固なＣｒ酸化保護膜を十分に生成させ、それを維持することができる。これにより、電極チップ４の耐酸化性をより一層十分に確保することができる。
また。Ｃｒ濃化層４３の厚みは、１〜３０μｍである。そのため、スパークプラグ１の使用初期段階において、電極チップ４（Ｃｒ濃化層４３）の表面に強固なＣｒ酸化保護膜を生成させて維持し、電極チップ４の耐酸化性を十分に確保することができるという上述の効果を有効に発揮することができる。
また、Ｃｒ濃化層４３は、拡散浸透処理によって形成されている。そのため、基材部４１とＣｒ濃化層４３との間に拡散層４２を容易かつ精度良く形成することができる。また、基材部４１とＣｒ濃化層４３とが拡散層４２を介してより強固に結合した状態とすることができる。これにより、電極チップ４の表面に設けたＣｒ濃化層４３の剥離、脱落等をより一層抑制することができる。
以上のごとく、本例によれば、耐火花消耗性及び耐酸化性に優れた長寿命で安価な内燃機関用のスパークプラグ１を提供することができる。
なお、本例では、図３に示すごとく、Ｃｒ濃化層４３（及び拡散層４２）を電極チップ４の表面（露出する表面）全体に設けたが、電極チップ４の表面の一部に設ける構成としてもよい。例えば、図４に示すごとく、電極チップ４の表面のうち、主に火花消耗の影響を受ける放電面４０１（他方の電極チップ４に対向する面）にＣｒ濃化層４３（及び拡散層４２）を設けず、主に酸化消耗の影響を受け、耐酸化性が必要な放電面４０１以外の側面４０２にＣｒ濃化層４３（及び拡散層４２）を設ける構成としてもよい。
（実施例２）
本例は、基材部におけるＣｒの含有量を変化させた場合の電極チップ（基材部）の耐消耗性を評価した例である。ここでの耐消耗性の評価とは、耐火花消耗性及び耐酸化性の複合評価である。後述する実施例４、５も同様である。
本例は、基材部におけるＣｒの含有量を変化させた場合の電極チップ（基材部）の耐消耗性を評価した例である。ここでの耐消耗性の評価とは、耐火花消耗性及び耐酸化性の複合評価である。後述する実施例４、５も同様である。
本例では、基材部におけるＣｒの含有量（ｘ１質量％）が異なる複数の電極チップを準備した。なお、電極チップは、基材部の耐消耗性を評価するため、基材部のみで構成した。また、基材部の組成は、Ｗ：（９０−ｘ１）質量％、Ｃｒ：ｘ１質量％、Ｐｄ：１０質量％とした。以下、これを（９０−ｘ１）Ｗ−ｘ１Ｃｒ−１０Ｐｄのように表記する。
そして、各電極チップを用いたスパークプラグに対して耐久試験を行い、耐消耗性について評価した。
耐久試験は、中心電極及び接地電極に電極チップをレーザ溶接したスパークプラグを直列６気筒、排気量２５００ｃｃのエンジンに設置し、エンジンを毎分５６００回転（全負荷）にて１００時間運転した。
耐消耗性の評価は、耐久試験前後それぞれの電極チップの写真を撮影し、その写真からＵＧ（Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ）等のＣＡＤソフト等を用いて、耐久試験前後それぞれの電極チップの３Ｄモデルを作成した。そして、両者を比較することによって電極チップの消耗体積を算出した。
耐久試験は、中心電極及び接地電極に電極チップをレーザ溶接したスパークプラグを直列６気筒、排気量２５００ｃｃのエンジンに設置し、エンジンを毎分５６００回転（全負荷）にて１００時間運転した。
耐消耗性の評価は、耐久試験前後それぞれの電極チップの写真を撮影し、その写真からＵＧ（Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ）等のＣＡＤソフト等を用いて、耐久試験前後それぞれの電極チップの３Ｄモデルを作成した。そして、両者を比較することによって電極チップの消耗体積を算出した。
図５に耐消耗性の評価結果を示す。同図は、基材部のＣｒ含有量（質量％）と耐久試験後の電極チップ（基材部）の消耗体積（ｍｍ3）との関係を示したものである。
同図から、基材部のＣｒ含有量が５〜４５質量％の範囲では消耗体積が０．１５ｍｍ3以下となり、耐消耗性に優れていることがわかった。特に、基材部のＣｒ含有量が１５〜３０質量％の範囲では消耗体積がより小さい値を示し、耐消耗性により一層優れていることがわかった。
一方、基材部のＣｒ含有量が５質量％よりも少なく、また４５質量％よりも多くなると、消耗体積が大きくなる傾向が見られた。
同図から、基材部のＣｒ含有量が５〜４５質量％の範囲では消耗体積が０．１５ｍｍ3以下となり、耐消耗性に優れていることがわかった。特に、基材部のＣｒ含有量が１５〜３０質量％の範囲では消耗体積がより小さい値を示し、耐消耗性により一層優れていることがわかった。
一方、基材部のＣｒ含有量が５質量％よりも少なく、また４５質量％よりも多くなると、消耗体積が大きくなる傾向が見られた。
以上の結果より、基材部におけるＣｒの含有量を５〜４５質量％とすることにより、耐消耗性（耐火花消耗性及び耐酸化性）を十分に確保することができることがわかった。
また、基材部におけるＣｒの含有量は、耐消耗性をより高めるという観点から、１５〜３０質量％であることが好ましいことがわかった。
また、基材部におけるＣｒの含有量は、耐消耗性をより高めるという観点から、１５〜３０質量％であることが好ましいことがわかった。
（実施例３）
本例は、基材部におけるＰｄ（元素Ｘ）の含有量を変化させた場合の基材部の焼結性を評価したものである。
本例は、基材部におけるＰｄ（元素Ｘ）の含有量を変化させた場合の基材部の焼結性を評価したものである。
本例では、Ｐｄの含有量（ｘ２質量％）が異なる複数の基材部を準備した。また、基材部の組成は、６０Ｗ−（４０−ｘ２）Ｃｒ−ｘ２Ｐｄとした。
そして、各基材部の焼結密度を測定し、基材部の焼結性について評価した。なお、焼結密度の測定は、アルキメデス法を用いて理論密度に対する相対密度を測定することによって行った。
そして、各基材部の焼結密度を測定し、基材部の焼結性について評価した。なお、焼結密度の測定は、アルキメデス法を用いて理論密度に対する相対密度を測定することによって行った。
図６に焼結性の評価結果を示す。同図は、基材部のＰｄ含有量（質量％）と焼結密度（％）との関係を示したものである。
同図から、基材部のＰｄ含有量が０．５質量％以上の範囲では焼結密度が８５％以上となり、焼結性に優れていることがわかった。ただし、基材部のＰｄ含有量が２５質量％を
超えると、焼結密度の上昇はほとんど見られなかった。
同図から、基材部のＰｄ含有量が０．５質量％以上の範囲では焼結密度が８５％以上となり、焼結性に優れていることがわかった。ただし、基材部のＰｄ含有量が２５質量％を
超えると、焼結密度の上昇はほとんど見られなかった。
以上の結果より、基材部におけるＰｄ（元素Ｘ）の含有量を０．５〜２５質量％とすることにより、基材部の焼結性を向上させることができることがわかった。
なお、本例では、基材部に含有する元素ＸとしてＰｄを用いたが、例えば、これに代えてＭｏ、Ｓｉ、Ａｌを用いた場合も良好な焼結性が得られるものと考えられる。その根拠となるデータを表１に示す。
表１は、組成の異なる５つの基材部（試験体１〜５）について、焼結性（焼結密度）の評価結果を示したものである。また、同表には、焼結性と併せて耐消耗性（消耗体積）の評価結果も示してある。なお、焼結性の評価は、上述した内容と同様である。また、耐消耗性の評価は、上述した実施例２と同様である。
表１は、組成の異なる５つの基材部（試験体１〜５）について、焼結性（焼結密度）の評価結果を示したものである。また、同表には、焼結性と併せて耐消耗性（消耗体積）の評価結果も示してある。なお、焼結性の評価は、上述した内容と同様である。また、耐消耗性の評価は、上述した実施例２と同様である。
表１から、基材部に含有する元素ＸとしてＭｏ、Ｓｉ、Ａｌを用いた試験体３〜５は、元素Ｘを含有していない試験体１に比べて焼結密度が高く、また元素ＸとしてＰｄを用いた試験体２とほぼ同等の焼結密度であり、焼結性に優れていることがわかった。
また、同表から、試験体３〜５は、試験体１に比べて消耗体積が非常に小さく、試験体２とほぼ同等の消耗体積であり、耐消耗性にも優れていることがわかった。
また、同表から、試験体３〜５は、試験体１に比べて消耗体積が非常に小さく、試験体２とほぼ同等の消耗体積であり、耐消耗性にも優れていることがわかった。
（実施例４）
本例は、Ｃｒ濃化層におけるＣｒの含有量を変化させた場合の電極チップの耐消耗性を評価したものである。
本例は、Ｃｒ濃化層におけるＣｒの含有量を変化させた場合の電極チップの耐消耗性を評価したものである。
本例では、Ｃｒ濃化層におけるＣｒの含有量（ｘ３質量％）が異なる複数の電極チップを準備した。なお、電極チップは、基材部と拡散層とＣｒ濃化層とにより構成した。また、基材部の組成は６０Ｗ−３０Ｃｒ−１０Ｐｄとし、Ｃｒ濃化層の組成は（９０−ｘ３）Ｗ−ｘ３Ｃｒ−１０Ｐｄとした。また、Ｃｒ濃化層の厚みは、１０μｍとした。
そして、各電極チップを用いたスパークプラグに対して耐久試験を行い、耐消耗性について評価した。なお、耐久試験及び耐消耗性の評価は、上述した実施例２と同様である。
そして、各電極チップを用いたスパークプラグに対して耐久試験を行い、耐消耗性について評価した。なお、耐久試験及び耐消耗性の評価は、上述した実施例２と同様である。
図７に耐消耗性の評価結果を示す。同図は、Ｃｒ濃化層のＣｒ含有量（質量％）と耐久試験後の電極チップの消耗体積（ｍｍ3）との関係を示したものである。
同図から、Ｃｒ濃化層のＣｒ含有量が３５質量％以上の範囲（基材部のＣｒ含有量よりも５質量％以上多い範囲）では消耗体積が０．０６ｍｍ3以下となり、耐消耗性に優れていることがわかった。特に、Ｃｒ濃化層のＣｒ含有量が４０質量％以上の範囲（基材部のＣｒ含有量よりも１０質量％以上多い範囲）では消耗体積がより小さい値を示し、耐消耗性により一層優れていることがわかった。
一方、Ｃｒ濃化層のＣｒ含有量が３５質量％よりも少なくなると、消耗体積が大きくなる傾向が見られた。
同図から、Ｃｒ濃化層のＣｒ含有量が３５質量％以上の範囲（基材部のＣｒ含有量よりも５質量％以上多い範囲）では消耗体積が０．０６ｍｍ3以下となり、耐消耗性に優れていることがわかった。特に、Ｃｒ濃化層のＣｒ含有量が４０質量％以上の範囲（基材部のＣｒ含有量よりも１０質量％以上多い範囲）では消耗体積がより小さい値を示し、耐消耗性により一層優れていることがわかった。
一方、Ｃｒ濃化層のＣｒ含有量が３５質量％よりも少なくなると、消耗体積が大きくなる傾向が見られた。
以上の結果より、Ｃｒ濃化層におけるＣｒの含有量は、耐消耗性を十分に確保するために、基材部におけるＣｒの含有量よりも５質量％以上多いことが好ましく、１０質量％以上多いことがより好ましいことがわかった。
（実施例５）
本例は、Ｃｒ濃化層の厚みを変化させた場合の電極チップの耐消耗性を評価したものである。
本例は、Ｃｒ濃化層の厚みを変化させた場合の電極チップの耐消耗性を評価したものである。
本例では、Ｃｒ濃化層の厚みが異なる複数の電極チップを準備した。なお、電極チップは、基材部と拡散層とＣｒ濃化層とにより構成した。また、基材部の組成は６０Ｗ−３０Ｃｒ−１０Ｐｄとし、Ｃｒ濃化層の組成は５２Ｗ−４０Ｃｒ−８Ｐｄとした。
そして、各電極チップを用いたスパークプラグに対して耐久試験を行い、耐消耗性について評価した。なお、耐久試験及び耐消耗性の評価は、上述した実施例２と同様である。
そして、各電極チップを用いたスパークプラグに対して耐久試験を行い、耐消耗性について評価した。なお、耐久試験及び耐消耗性の評価は、上述した実施例２と同様である。
図８に耐消耗性の評価結果を示す。同図は、Ｃｒ濃化層の厚み（μｍ）と耐久試験後の電極チップの消耗体積（ｍｍ3）との関係を示したものである。
同図から、Ｃｒ濃化層の厚みが１〜３０μｍの範囲では消耗体積が０．０６ｍｍ3以下となり、耐消耗性に優れていることがわかった。特に、Ｃｒ濃化層の厚みが５〜３０μｍの範囲では消耗体積がより小さい値を示し、耐消耗性により一層優れていることがわかった。
一方、Ｃｒ濃化層の厚みが１μｍよりも小さく、また３０μｍよりも大きくなると、消耗体積が大きくなる傾向が見られた。
同図から、Ｃｒ濃化層の厚みが１〜３０μｍの範囲では消耗体積が０．０６ｍｍ3以下となり、耐消耗性に優れていることがわかった。特に、Ｃｒ濃化層の厚みが５〜３０μｍの範囲では消耗体積がより小さい値を示し、耐消耗性により一層優れていることがわかった。
一方、Ｃｒ濃化層の厚みが１μｍよりも小さく、また３０μｍよりも大きくなると、消耗体積が大きくなる傾向が見られた。
以上の結果より、Ｃｒ濃化層の厚みは、耐消耗性を十分に確保するために、１〜３０μｍであることが好ましく、５〜３０μｍであることがより好ましいことがわかった。
１ スパークプラグ
２ 中心電極
３ 接地電極
４ 電極チップ
４１ 基材部
４２ 拡散層
４３ Ｃｒ濃化層
Ｇ 火花放電ギャップ
２ 中心電極
３ 接地電極
４ 電極チップ
４１ 基材部
４２ 拡散層
４３ Ｃｒ濃化層
Ｇ 火花放電ギャップ
Claims (5)
- 中心電極（２）と
該中心電極（２）との間に火花放電ギャップ（Ｇ）を設けた接地電極（３）とを備え、
上記中心電極（２）及び上記接地電極（３）の少なくとも一方には、電極チップ（４）が設けられており、
該電極チップ（４）は、Ｃｒを５〜４５質量％、元素Ｘを０．５〜２５質量％含有し、残部がＷ及び不可避的不純物からなる基材部（４１）と、該基材部（４１）の少なくとも一部を覆うように設けられ、該基材部（４１）よりもＣｒの含有量が多いＣｒ濃化層（４３）と、上記基材部（４１）と上記Ｃｒ濃化層（４３）との間に設けられ、上記基材部（４１）を構成する材料と上記Ｃｒ濃化層（４３）を構成する材料とからなる拡散層（４２）とを有し、
上記基材部（４１）に含有される上記元素Ｘは、Ｍｏ、Ｓｉ、Ａｌ及びＰｄの少なくとも一種以上からなり、
上記拡散層（４２）は、上記基材部（４１）側に近づくほど該基材部（４１）を構成する材料成分の割合が徐々に高くなり、上記Ｃｒ濃化層（４３）側に近づくほど該Ｃｒ濃化層（４３）を構成する材料成分の割合が徐々に高くなるように形成されていることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ（１）。 - 請求項１に記載のスパークプラグ（１）において、上記Ｃｒ濃化層（４３）は、上記基材部（４１）に含有される元素と同様の元素を含有してなることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ（１）。
- 請求項１又は２に記載のスパークプラグ（１）において、上記Ｃｒ濃化層（４３）におけるＣｒの含有量は、上記基材部（４１）におけるＣｒの含有量よりも５質量％以上多いことを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ（１）。
- 請求項１〜３のいずれか１項に記載のスパークプラグ（１）において、上記Ｃｒ濃化層（４３）の厚みは、１〜３０μｍであることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ（１）。
- 請求項１〜４のいずれか１項に記載のスパークプラグ（１）を製造する方法であって、上記Ｃｒ濃化層（４３）を、拡散浸透処理によって形成することを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ（１）の製造方法。
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