JP6312723B2 - スパークプラグ - Google Patents
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Description
この発明は、スパークプラグに関する。特に、この発明は、高温環境下において接地電極の表面温度が上昇することを抑制した接地電極を備えるスパークプラグに関する。
自動車エンジン等の内燃機関に、スパークプラグが用いられている。近年、内燃機関が高性能化し、内燃機関の燃焼室内の環境が益々過酷になる傾向にある。このような過酷な環境下で使用される電極において生じる様々な問題を解決するための電極材料が提案されている。
例えば、特許文献１には、電極母材に貴金属チップを接合してなるスパークプラグにおいて、電極母材は、Ｃｒが１０〜２０重量％、Ａｌが１．５〜５．５重量％添加され、且つＣｒの添加量をＡｌの添加量の３倍以上としたものであって、大気中にて３００℃以下から１０００℃以上への温度変化が１００回以上行われるものであって、この温度変化による１０００℃以上の総時間が１時間以上であるような環境下に、電極母材をさらした時、電極母材において表面にＣｒの酸化物が形成され、このＣｒの酸化物よりも内部にＡｌの酸化物が形成されることが記載されている。特許文献１に記載の発明によると、Ｃｒの酸化物が電極母材の表面に安定して存在するので、電極母材の内部への酸化が進行しないことが開示されている（特許文献１の００１１欄）。また、Ｃｒの酸化物及びＡｌの酸化物は、高温環境下での使用に伴って形成されていくので、電極母材の加工性に問題がなく、また、貴金属チップの組成を変えることがないから、貴金属チップの火花消耗性を確保することができることが開示されている（特許文献１の００１４欄）。
特許文献２には、電極材料の表面上に存在する酸化物層と電極材料の電気抵抗とを同様にすることにより、燃焼室が高温で過酷な条件下にあっても安定かつ耐消耗性を有する電極材料が提供されることが開示されている（特許文献２の０００７欄等）。
特許文献３には、「Ｃｒ：１３〜１９％（以下、％は重量％をいう。）、Ｆｅ：６〜１０％、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｔａの中から少なくとも１種類以上でその合計が０．５％を超え２．５％未満含有する残部Ｎｉからなるスパークプラグ用電極材料」（特許文献３の請求項１）が記載されている。特許文献３における電極材料は、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｂ等を所定量含有するので、スパークプラグが高温雰囲気に曝されると電極表面が酸化されて、多元素複合型の多孔質酸化膜が形成される。その後、多孔質酸化膜内で選択酸化が始まり、スパークプラグ電極の表面にＣｒ２Ｏ３の緻密な保護酸化膜が形成され、これによって電極の耐高温酸化性が高められ、電極の耐久性を向上させることが開示されている（特許文献３の０００６欄〜０００８欄）。
ところで、内燃機関の高性能化に伴って燃焼室内の温度は益々高温化し、接地電極の表面温度が１０００℃以上になる場合がある。接地電極の表面温度が高くなり過ぎると、放電により火花が発生する前に接地電極が火種となって燃料に着火する異常燃焼の発生、及び接地電極が溶融する温度に達することによる接地電極の溶損といった不具合が生じることがある。
この発明は、高温環境下において接地電極の表面温度が上昇することを抑制することにより、異常燃焼の発生及び接地電極の溶損を抑制した接地電極を備えるスパークプラグを提供することを目的とする。
前記課題を解決するための手段は、
［１］ 軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、
前記軸孔内の先端側に設けられた中心電極と、
前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
前記主体金具の先端側端部に固定された基端部及び前記中心電極との間に間隙を介して対向する先端部を有する接地電極と、
を備えるスパークプラグであって、
前記接地電極は、Ｎｉを主成分とし、Ｃｒの含有率が１４質量％以上３３質量％以下であり、かつＡｌの含有率が０．３質量％以上２．０質量％以下である母材と、
前記母材の表面にあり、前記母材よりもＣｒの含有率が小さく、前記母材よりもＮｉの含有率が大きく、かつ５μｍ以上の厚みを有するＣｒ欠乏層と、
前記Ｃｒ欠乏層の表面にあり、前記母材よりもＣｒの含有率が大きく、かつ１５μｍ以下の厚みを有する高Ｃｒ層と、
を有することを特徴とするスパークプラグである。
［１］ 軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、
前記軸孔内の先端側に設けられた中心電極と、
前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
前記主体金具の先端側端部に固定された基端部及び前記中心電極との間に間隙を介して対向する先端部を有する接地電極と、
を備えるスパークプラグであって、
前記接地電極は、Ｎｉを主成分とし、Ｃｒの含有率が１４質量％以上３３質量％以下であり、かつＡｌの含有率が０．３質量％以上２．０質量％以下である母材と、
前記母材の表面にあり、前記母材よりもＣｒの含有率が小さく、前記母材よりもＮｉの含有率が大きく、かつ５μｍ以上の厚みを有するＣｒ欠乏層と、
前記Ｃｒ欠乏層の表面にあり、前記母材よりもＣｒの含有率が大きく、かつ１５μｍ以下の厚みを有する高Ｃｒ層と、
を有することを特徴とするスパークプラグである。
前記［１］の好ましい態様は、以下の通りである。
［２］ 前記Ｃｒ欠乏層の厚みは、１０μｍ以上１５μｍ以下である。
［３］ 前記［１］又は［２］に記載のスパークプラグにおいて、前記母材は、Ａｌの含有率が０．３質量％以上１．０質量％以下、Ｓｉの含有率が０．５質量％以上１．３質量％以下、及びＦｅの含有率が６．０質量％以上１４質量％以下である。
［２］ 前記Ｃｒ欠乏層の厚みは、１０μｍ以上１５μｍ以下である。
［３］ 前記［１］又は［２］に記載のスパークプラグにおいて、前記母材は、Ａｌの含有率が０．３質量％以上１．０質量％以下、Ｓｉの含有率が０．５質量％以上１．３質量％以下、及びＦｅの含有率が６．０質量％以上１４質量％以下である。
この発明における接地電極は、Ｎｉを主成分とし、Ｃｒの含有率が１４質量％以上３３質量％以下であり、かつＡｌの含有率が０．３質量％以上２．０質量％以下である母材を有する。接地電極がこのような組成を有する電極材料のみにより形成されている場合、純Ｎｉで形成される電極材料に比べて耐腐食性に優れる一方で熱伝導性に劣り、接地電極の温度が高くなり易い。しかしながら、この発明における接地電極は、前記組成を有する母材の外表面に母材よりもＣｒの含有率が大きく、かつ１５μｍ以下の厚みを有する高Ｃｒ層が存在するので、外部からの熱を遮断し、外部からの受熱による温度上昇を抑制することができる。また、高Ｃｒ層と母材との間に母材よりもＣｒの含有率が小さく、母材よりもＮｉの含有率が大きく、かつ５μｍ以上の厚みを有するＣｒ欠乏層が存在し、母材よりも良好な熱伝導性を有すると考えられることから、高Ｃｒ層が受熱した熱を速やかに母材に熱伝導することができ、接地電極の表面における温度上昇を抑制することができる。したがって、この発明によると、高温環境下において接地電極の表面温度が上昇することを抑制することができる。これにより、放電により火花が発生する前に接地電極が火種となって燃料に着火する異常燃焼や接地電極が溶融する温度に達することによる接地電極の溶損を抑制した接地電極を備えるスパークプラグを提供することができる。
図１はこの発明に係るスパークプラグの一実施例であるスパークプラグ１の一部断面全体説明図である。なお、図１では紙面下方すなわち後述する接地電極が配置されている側を軸線Ｏの先端方向、紙面上方を軸線Ｏの後端方向として説明する。
このスパークプラグ１は、図１に示されるように、軸線Ｏ方向に沿って延びる軸孔２を有する略円筒形状の絶縁体３と、前記軸孔２内の先端側に設けられた略棒状の中心電極４と、前記軸孔２内の後端側に設けられた端子金具５と、前記軸孔２内の前記中心電極４と前記端子金具５との間に配置された接続部６と、前記絶縁体３の外周に設けられ、前記軸線Ｏ方向先端側から後端側に延びる略円筒形状の主体金具７と、前記主体金具７の先端側端部に固定された基端部及び前記中心電極４との間に間隙Ｇを介して対向する先端部を有する接地電極８とを備える。
絶縁体３は、後端側胴部１１と、大径部１２と、先端側胴部１３、脚長部１４とを備えている。後端側胴部１１は、端子金具５を収容し、端子金具５と主体金具７とを絶縁する。大径部１２は、該後端側胴部１１よりも先端側に配置され、径方向外向きに突出している。先端側胴部１３は、該大径部１２の先端側に配置され、大径部１２より小さい外径を有し、接続部６を収容する。脚長部１４は、該先端側胴部１３の先端側に配置され、先端側胴部１３より小さい外径を有し、中心電極４を収容する。絶縁体３は、先端側端部が主体金具７の先端側端部から突出した状態で、主体金具７に固定されている。絶縁体３は、機械的強度、熱的強度、電気絶縁性を有する材料で形成される。
接続部６は、軸孔２内の中心電極４と端子金具５との間に配置され、中心電極４及び端子金具５を軸孔２内に固定すると共にこれらを電気的に接続する。
主体金具７は、略円筒形状を有しており、絶縁体３を内装することにより絶縁体３を保持する。主体金具７における先端方向の外周面にはネジ部２４が設けられている。このネジ部２４を利用して図示しない内燃機関のシリンダヘッドにスパークプラグ１が装着される。主体金具７は、ネジ部２４の後端側にフランジ状のガスシール部２５を有し、ガスシール部２５の後端側にスパナやレンチ等の工具を係合させるための工具係合部２６、工具係合部２６の後端側に加締め部２７を有する。主体金具７は、導電性の鉄鋼材料、例えば、低炭素鋼により形成されることができる。
端子金具５は、絶縁体３の後端側からその一部が露出した状態で軸孔２内に挿入されて接続部６により固定されている。端子金具５は、低炭素鋼等の金属材料により形成されることができる。
中心電極４は、接続部６に接する後端部２８と、前記後端部２８から先端側に延びる棒状部２９とを有する。中心電極４は、その先端が絶縁体３の先端から突出した状態で絶縁体３の軸孔２内に固定されている。中心電極４における後端部２８と棒状部２９とは、Ｎｉ合金等の中心電極４に使用される公知の材料で形成されることができる。中心電極４は、２層構造であり、Ｎｉ合金等により形成される外層と、外層を形成するＮｉ合金等よりも熱伝導率の高い材料により形成され、該外層の内部の軸心部に同心に埋め込まれるように形成されてなる芯部とにより形成される。芯部を形成する材料としては、例えば、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｇ、Ａｇ合金、純Ｎｉ等を挙げることができる。なお、中心電極４は、単層構造でＮｉ合金等により形成されてもよい。中心電極４は、棒状部２９の先端面にチップを有していてもよい。チップを形成する材料としては、Ｐｔ合金及びＩｒ合金等を挙げることができる。チップは、例えば、抵抗溶接及び／又はレーザ溶接等により棒状部２９に接合される。
次に、この発明の特徴部分である接地電極について説明する。
図２に示すように、接地電極８は、例えば、略角柱形状を有し、基端部１５が主体金具７の先端側端部に固定され、途中で略Ｌ字状に屈曲され、先端部１６が中心電極４の先端面３３との間に間隙Ｇを介して対向するように設けられている。この実施形態における間隙Ｇは、中心電極４の先端面３３と前記先端面３３に対向する接地電極８の側面との最短距離である。この間隙Ｇは、通常、０．３〜１．５ｍｍに設定される。なお、接地電極８は、中心電極４の先端面３３に対向する面にチップを有していてもよい。チップが設けられている場合には、中心電極４の先端面３３とチップの先端面との距離が間隙Ｇとなる。チップを形成する材料としては、Ｐｔ合金及びＩｒ合金等を挙げることができる。チップは、例えば、抵抗溶接及び／又はレーザ溶接等により接地電極８の先端部１６に接合される。
接地電極８は、母材４１と母材４１の表面を被覆するＣｒ欠乏層４２とＣｒ欠乏層４２の表面を被覆する高Ｃｒ層４３とを有する。
母材４１は、Ｎｉを主成分とし、Ｃｒの含有率が１４質量％以上３３質量％以下であり、かつＡｌの含有率が０．３質量％以上２．０質量％以下である金属である。Ｎｉの含有率は、６５質量％以上８５．７質量％以下であるのが好ましい。接地電極がこのような組成を有する金属材料のみにより形成されている場合、酸素雰囲気で高温環境である燃焼室内では、接地電極の表面にＣｒの酸化膜が形成されるので腐食を抑制することができる一方で、Ｎｉの含有率が高いＮｉ合金に比べて熱伝導性が劣るので、接地電極の表面温度が高くなり易い。そのため、放電により火花が発生する前に接地電極が火種となって燃料に着火する異常燃焼の発生、及び接地電極が溶融する温度に達することによる接地電極の溶損といった不具合が発生し易い。一方、この接地電極８は、このような不具合が発生し易い組成を有する母材４１の表面にＣｒ欠乏層４２と高Ｃｒ層４３とをこの順に有するので、高温環境下において接地電極８の表面温度が上昇することを抑制することができ、それによって異常燃焼の発生及び接地電極の溶損を抑制することができる。
母材４１は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ以外の元素として、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、希土類元素等から選択される少なくとも一種の元素を含有してもよい。希土類元素としては、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、及びＬｕを挙げることができる。母材４１はＮｉ、Ｃｒ、Ａｌ以外の元素として、Ｓｉ及びＦｅを含有するのが好ましい。また、母材４１は、Ｎｉを主成分（含有率が最も大きい成分）とし、Ｃｒの含有率が１４質量％以上３３質量％以下、Ａｌの含有率が０．３質量％以上１．０質量％以下、Ｓｉの含有率が０．５質量％以上１．３質量％以下、及びＦｅの含有率が６．０質量％以上１４質量％以下であるのが好ましい。このような組成を有する金属材料のみからなる接地電極は、前述した不具合をより発生し易いので、このような組成を有する母材４１の表面にＣｒ欠乏層４２と高Ｃｒ層４３とをこの順に有する接地電極８は、高温環境下において接地電極８の表面温度が上昇することを抑制する効果が高い。
高Ｃｒ層４３は、接地電極８における外表面にあり、母材４１よりもＣｒの含有率が大きく、かつ１５μｍ以下の厚みを有する層である。高Ｃｒ層は、後述するように電極材料を低酸素分圧下で熱処理することにより形成され、電極材料に含まれるＣｒが外表面に向かって拡散することにより、緻密な高Ｃｒ層４３が外表面に形成される。高Ｃｒ層４３は、１５μｍ以下という薄くて緻密な層であるので、外部からの熱を遮断し、外部からの受熱による温度上昇を抑制することができる。高Ｃｒ層４３の厚みが１５μｍを超えると、高Ｃｒ層が外部からの熱を遮断する効果よりも母材４１内部からの放冷を妨げる効果が大きくなり、接地電極８の表面温度が上昇することを抑制することができない。高Ｃｒ層の厚みは１．０μｍ以上であるのが好ましく、５．０μｍ以上であるのがより好ましく、１１．０μｍ以下であるのが好ましい。高Ｃｒ層の厚みが前記範囲内にあると、接地電極８の表面温度が上昇することをより一層抑制することができる。
Ｃｒ欠乏層４２は、母材４１よりもＣｒの含有率が小さく、母材４１よりもＮｉの含有率が大きく、かつ５μｍ以上の厚みを有する層である。Ｃｒ欠乏層４２は、後述するように電極材料を低酸素分圧下で熱処理することにより形成される。この熱処理により、電極材料に含まれるＣｒが外表面に向かって拡散し、母材４１よりもＣｒの含有率が小さく、かつ母材４１よりもＮｉの含有率が大きい金属の層が母材４１と高Ｃｒ層４３との間に形成される。Ｃｒ欠乏層４２は、母材４１よりもＣｒの含有率が小さく、Ｎｉの含有率が大きいので、母材４１より熱伝導性が良好であると考えられる。高Ｃｒ層４３と母材４１との間に良好な熱伝導性を有するＣｒ欠乏層４２が存在するので、高Ｃｒ層４３が受熱した熱を速やかに母材４１に熱伝導することができ、その結果、熱引きが良好になり、接地電極８の表面における温度上昇を抑制することができる。Ｃｒ欠乏層４２の厚みが５μｍ以下であると、高Ｃｒ層４３が受熱した熱を速やかに母材４１に熱伝導する効果が得られない。Ｃｒ欠乏層４２の厚みは、１０μｍ以上であるのが好ましく、３０μｍ以下であるのが好ましく１５μｍ以下であるのがより好ましい。Ｃｒ欠乏層４２の厚みが前記範囲内にあると、接地電極８の表面温度が上昇することをより一層抑制することができる。
母材４１の組成、高Ｃｒ層４３及びＣｒ欠乏層４２それぞれのＮｉ及びＣｒの含有率、厚みは、次のようにして求めることができる。まず、図３に示すように、接地電極８の中心を通り長手方向に沿う面で接地電極８を切断し、切断面４０を得る。母材４１の組成は、接地電極８の幅方向の中心で接地電極８の先端から基端部１５側に２ｍｍの位置で、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に付属されているエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）にて、点分析を行うことにより、測定する。例えば、Ｃｒの含有率は、点分析により検出された全元素の含有量に対するＣｒの含有量を算出することにより求める。高Ｃｒ層４３及びＣｒ欠乏層４２それぞれのＣｒの含有率は、前記切断面４０において、母材４１の組成を点分析した位置から接地電極８の幅方向の縁辺に向かうラインＬ上における縁辺付近をライン分析することにより、測定する。ライン分析により接地電極８の外表面すなわち前記切断面４０における縁辺付近にＣｒの含有率が母材４１より大きい領域がある場合、これを高Ｃｒ層４３と称し、それよりも内側にＣｒの含有率が母材４１より小さい領域がある場合、これをＣｒ欠乏層４２と称する。Ｃｒ欠乏層４２における複数箇所において点分析を行い、Ｎｉの含有率を測定する。Ｃｒ欠乏層４２では、Ｃｒが外表面に向かって拡散し、母材４１よりもＣｒが減少しているので、通常、Ｎｉの含有率は母材４１よりも大きい。高Ｃｒ層４３の厚みは、母材４１におけるＣｒの含有率より大きい領域における前記ラインＬ上の長さを測定する。Ｃｒ欠乏層４２の厚みは、母材４１におけるＣｒの含有率より小さい領域における前記ラインＬ上の長さを測定する。
高Ｃｒ層４３及びＣｒ欠乏層４２は、スパークプラグ１の稼働中に高温になり易い部位における母材４１の表面を少なくとも被覆していればよい。例えば、高Ｃｒ層４３及びＣｒ欠乏層４２は、母材４１の先端部１６の表面を被覆していればよく、母材４１における主体金具７に接合されている面以外の全表面を被覆しているのが好ましい。図２に示すように、この実施形態では、高Ｃｒ層４３及びＣｒ欠乏層４２は、母材４１における主体金具７に接合されている面以外の全表面を被覆している。少なくとも高温になり易い部位における母材４１の表面が高Ｃｒ層４３及びＣｒ欠乏層４２の両方によって被覆されていると、高温になり易い部位の表面が高温になるのを抑制し、異常燃焼の発生及び溶損を抑制することができる。
スパークプラグ１は、例えば次のようにして製造される。まず、この発明の特徴部分である接地電極８の製造方法について説明する。
まず、Ｎｉを主成分とし、Ｃｒの含有率が１４質量％以上３３質量％以下であり、かつＡｌの含有率が０．３質量％以上２．０質量％以下であるＮｉ合金を準備し、適宜伸線加工を行い所定の形状及び所定の寸法に調整して電極材料を得る。次いで、得られた電極材料をＡｒ等の不活性ガス雰囲気で、酸素分圧が０．０１ｐｐｍ〜０．５ｐｐｍの範囲にある低酸素分圧下において、８００℃〜１１００℃で１時間〜３０時間加熱する熱処理を行う。この熱処理によって、電極材料の内部から外表面に向かってＣｒが拡散し、母材４１とＣｒ欠乏層４２と高Ｃｒ層４２とを有する接地電極８を得ることができる。
電極材料に対して熱処理を行った後に、主体金具７に接合する端面等の接地電極８の表面の一部を切削及び切断等して除去することにより、母材４１の表面における所望の位置にＣｒ欠乏層４２及び高Ｃｒ層４３を設けることができる。また、Ｎｉ合金の組成、熱処理をする際の雰囲気、酸素分圧、温度、時間等を適宜変更することにより、Ｃｒ欠乏層４２及び高Ｃｒ層４３の厚みを調整することができる。
次いで、所定の形状に塑性加工等によって形成した主体金具７の端面に、接地電極８の一端部を電気抵抗溶接又はレーザ溶接等によって接合する。次いで、接地電極８が接合された主体金具７にＺｎめっき又はＮｉめっきを施す。Ｚｎめっき又はＮｉめっきの後に３価クロメート処理を行ってもよい。
中心電極４は、カップ状に形成したＮｉ合金等からなる外材に、外材より熱伝導率の高いＣｕ合金等からなる内材を挿入し、押し出し加工等の塑性加工にて、外層の内部に芯部を有する中心電極４を形成する。
一方、セラミック等を所定の形状に焼成することによって絶縁体３を作製し、この絶縁体３の軸孔２内に中心電極４を挿設し、接続部６を形成する組成物を前記軸孔２内に予備圧縮しつつ充填する。次いで前記軸孔２内の後端側端部から端子金具５を圧入しつつ前記組成物を圧縮加熱する。こうして前記組成物が焼結して接続部６が形成される。次いで接地電極８が接合された主体金具７に、この中心電極４等が固定された絶縁体３を組み付ける。最後に接地電極８の先端部１６を中心電極４側に折り曲げて、接地電極８の先端部１６の側面と中心電極４の先端面３３とが対向するようにして、スパークプラグ１が製造される。
この発明に係るスパークプラグ１は、自動車用の内燃機関例えばガソリンエンジン等の点火栓として使用され、内燃機関の燃焼室を区画形成するヘッド（図示せず）に設けられたネジ穴に前記ネジ部２４が螺合されて、所定の位置に固定される。この発明に係るスパークプラグ１は、如何なる内燃機関にも使用することができる。この発明に係るスパークプラグ１は、高温環境下において接地電極８の表面温度の上昇を抑制した接地電極８を備えているので、燃焼室内が高温になり易い内燃機関に特に好適である。
この発明に係るスパークプラグ１は、前述した実施例に限定されることはなく、本発明の目的を達成することができる範囲において、種々の変更が可能である。
（接地電極の作製）
表１及び表２の「母材の組成」の欄に記載の組成と同様の組成を有するＮｉ合金を、適宜伸線加工を行い、縦１．３ｍｍ、横２．７ｍｍ、長さ１３ｍｍを有する角柱形状の電極材料を作製した。試験番号１及び２１は、これを接地電極として、下記の加熱試験を行った。試験番号２、３、６〜１２、２４〜３１は、得られた電極材料を、Ａｒガス雰囲気で酸素分圧０．０２ｐｐｍの低酸素分圧下において、８００℃〜１０００℃の温度範囲で１時間〜３０時間保持する熱処理を行い、接地電極を作製した。試験番号４及び２２は、水素雰囲気で酸素分圧０．０２ｐｐｍの低酸素分圧下において、１０００℃で１時間保持する熱処理を行い、接地電極を作製した。試験番号５及び２３は、真空中で酸素分圧０．０２ｐｐｍの低酸素分圧下において、１０００℃で１時間保持する熱処理を行い、接地電極を作製した。
表１及び表２の「母材の組成」の欄に記載の組成と同様の組成を有するＮｉ合金を、適宜伸線加工を行い、縦１．３ｍｍ、横２．７ｍｍ、長さ１３ｍｍを有する角柱形状の電極材料を作製した。試験番号１及び２１は、これを接地電極として、下記の加熱試験を行った。試験番号２、３、６〜１２、２４〜３１は、得られた電極材料を、Ａｒガス雰囲気で酸素分圧０．０２ｐｐｍの低酸素分圧下において、８００℃〜１０００℃の温度範囲で１時間〜３０時間保持する熱処理を行い、接地電極を作製した。試験番号４及び２２は、水素雰囲気で酸素分圧０．０２ｐｐｍの低酸素分圧下において、１０００℃で１時間保持する熱処理を行い、接地電極を作製した。試験番号５及び２３は、真空中で酸素分圧０．０２ｐｐｍの低酸素分圧下において、１０００℃で１時間保持する熱処理を行い、接地電極を作製した。
（母材の組成、Ｃｒ欠乏層及び高Ｃｒ層の厚みの測定）
接地電極における母材、高Ｃｒ層、及びＣｒ欠乏層の組成は、ＳＥＭ（日本電子株式会社製）に付属されたＥＤＳを用いて、測定した。まず、図３に示すように、作製した接地電極８の中心を通り、長手方向に沿う面で接地電極を切断し、切断面４０を得た。
母材４１の組成は、切断面４０において、接地電極８の幅方向の中心で接地電極８の長手方向の端縁から内側に２ｍｍの位置で、加速電圧２０ｋＶ、スポット径７０μｍで点分析を行うことにより、測定した。結果を表１及び表２に示す。表１及び表２において、例えば、「Ｎｉ−２３Ｃｒ−１．５Ａｌ」は、Ｃｒの含有率が２３質量％であり、Ａｌの含有率が１．５質量％であり、残部がＮｉであることを示す。
次いで、この切断面４０において、母材４１の組成を点分析した位置から接地電極８の幅方向の縁辺に向かうラインＬ上における接地電極８の縁辺付近をライン分析した。試験番号２９についてライン分析した結果を図４に示す。図４に示すように、接地電極８の外表面すなわち切断面４０における縁辺付近にＣｒの含有率が母材４１より大きい領域（高Ｃｒ層４３）があり、それよりも内部にＣｒの含有率が母材４１より小さい領域（Ｃｒ欠乏層４２）があった。Ｃｒの含有率が母材４１よりも小さい領域をＣｒ欠乏層４２とみなして、この領域における３箇所において点分析を行い、Ｎｉの含有率を測定したところ、いずれの箇所においてもＮｉの含有率は母材４１のＮｉの含有率よりも大きかった（図４に示す「％」は「質量％」である）。試験番号２〜１２及び２２〜３１のいずれについても、ライン分析の結果、母材４１の表面にＣｒ欠乏層４２と高Ｃｒ層４３とがあった。
高Ｃｒ層４２の厚みは、母材４１よりもＣｒの含有率が大きい領域におけるラインＬ上の長さを測定した。
Ｃｒ欠乏層４２の厚みは、母材４１よりもＣｒの含有率が小さい領域におけるラインＬ上の長さを測定した。
接地電極における母材、高Ｃｒ層、及びＣｒ欠乏層の組成は、ＳＥＭ（日本電子株式会社製）に付属されたＥＤＳを用いて、測定した。まず、図３に示すように、作製した接地電極８の中心を通り、長手方向に沿う面で接地電極を切断し、切断面４０を得た。
母材４１の組成は、切断面４０において、接地電極８の幅方向の中心で接地電極８の長手方向の端縁から内側に２ｍｍの位置で、加速電圧２０ｋＶ、スポット径７０μｍで点分析を行うことにより、測定した。結果を表１及び表２に示す。表１及び表２において、例えば、「Ｎｉ−２３Ｃｒ−１．５Ａｌ」は、Ｃｒの含有率が２３質量％であり、Ａｌの含有率が１．５質量％であり、残部がＮｉであることを示す。
次いで、この切断面４０において、母材４１の組成を点分析した位置から接地電極８の幅方向の縁辺に向かうラインＬ上における接地電極８の縁辺付近をライン分析した。試験番号２９についてライン分析した結果を図４に示す。図４に示すように、接地電極８の外表面すなわち切断面４０における縁辺付近にＣｒの含有率が母材４１より大きい領域（高Ｃｒ層４３）があり、それよりも内部にＣｒの含有率が母材４１より小さい領域（Ｃｒ欠乏層４２）があった。Ｃｒの含有率が母材４１よりも小さい領域をＣｒ欠乏層４２とみなして、この領域における３箇所において点分析を行い、Ｎｉの含有率を測定したところ、いずれの箇所においてもＮｉの含有率は母材４１のＮｉの含有率よりも大きかった（図４に示す「％」は「質量％」である）。試験番号２〜１２及び２２〜３１のいずれについても、ライン分析の結果、母材４１の表面にＣｒ欠乏層４２と高Ｃｒ層４３とがあった。
高Ｃｒ層４２の厚みは、母材４１よりもＣｒの含有率が大きい領域におけるラインＬ上の長さを測定した。
Ｃｒ欠乏層４２の厚みは、母材４１よりもＣｒの含有率が小さい領域におけるラインＬ上の長さを測定した。
（加熱試験）
作製した接地電極を、バーナで２分間加熱し、接地電極の表面温度を熱電対で測定した。試験番号１及び２１の接地電極の表面温度が一定になったときの温度（Ｔ０）を基準として、試験番号２〜１２及び２２〜３１の接地電極の表面温度が一定になったときの温度（Ｔ）との差ΔＴ（＝Ｔ−Ｔ０）を、表１及び表２に示した。
作製した接地電極を、バーナで２分間加熱し、接地電極の表面温度を熱電対で測定した。試験番号１及び２１の接地電極の表面温度が一定になったときの温度（Ｔ０）を基準として、試験番号２〜１２及び２２〜３１の接地電極の表面温度が一定になったときの温度（Ｔ）との差ΔＴ（＝Ｔ−Ｔ０）を、表１及び表２に示した。
試験番号２〜１２については、加熱試験において、基準となる試験番号１の接地電極の表面温度との差ΔＴによって、以下の基準にしたがって評価した。結果を表１に示す。
◎：温度差ΔＴが−２０℃以上
○：温度差ΔＴが−２０℃より大きく、−１０℃以下
×：温度差ΔＴが−１０℃より大きい
◎：温度差ΔＴが−２０℃以上
○：温度差ΔＴが−２０℃より大きく、−１０℃以下
×：温度差ΔＴが−１０℃より大きい
試験番号２２〜３１については、加熱試験において、基準となる試験番号２１の接地電極の表面温度との差ΔＴによって、以下の基準にしたがって評価した。結果を表２に示す。
◎：温度差ΔＴが−４０℃以上
○：温度差ΔＴが−４０℃より大きく、−２０℃以下
×：温度差ΔＴが−２０℃より大きい
◎：温度差ΔＴが−４０℃以上
○：温度差ΔＴが−４０℃より大きく、−２０℃以下
×：温度差ΔＴが−２０℃より大きい
表１及び表２に示すように、本発明の範囲内にある試験番号２、３、６〜１１、２４〜３１の接地電極は、評価結果が「○」又は「◎」であり、Ｃｒ欠乏層及び高Ｃｒ層を有さない試験番号１及び２１の接地電極に比べて、接地電極の表面温度の上昇を抑制しているのに対し、本発明の範囲外にある試験番号４、５、１２、２２、２３の接地電極は、評価結果が「×」であり、Ｃｒ欠乏層及び高Ｃｒ層を有さない試験番号１及び２１の接地電極の表面温度と同等か、或いは高くなった。
表１に示すように、Ｃｒ欠乏層の厚みが５μｍ以上１０μｍ未満、１５μｍを超え３０μｍ以下の範囲にある試験番号２、３、６、７、１０、１１の接地電極は、評価結果が「○」であるのに対し、Ｃｒ欠乏層の厚みが１０μｍ以上１５μｍ以下の範囲にある試験番号８及び９の接地電極は、評価結果が「◎」であり、Ｃｒ欠乏層の厚みが１０μｍ以上１５μｍ以下の範囲にあると接地電極の表面温度の上昇をより一層抑制できた。
ＮｉとＣｒとＡｌとを含む試験番号１の接地電極に比べて、さらにＳｉとＦｅとを含む試験番号２１の接地電極は、表面温度が高かった。
表２に示すように、母材がＮｉ、Ｃｒ、及びＡｌのみを含む母材を有する試験番号１〜１２の接地電極と同様に、Ｎｉ、Ｃｒ、及びＡｌ以外の元素を含む母材を有する試験番号２１〜３１の接地電極も、Ｃｒ欠乏層の厚みが１０μｍ以上１５μｍ以下の範囲にある試験番号２６、２９〜３１の接地電極は、評価結果が「◎」であるのに対し、Ｃｒ欠乏層の厚みが５μｍ以上１０μｍ未満の範囲にある試験番号２４、２５、２７、２８の接地電極は、評価結果が「○」であり、Ｃｒ欠乏層の厚みが１０μｍ以上１５μｍ以下の範囲にあると表面温度の上昇をより一層抑制できた。
表２に示すように、母材がＮｉ、Ｃｒ、及びＡｌのみを含む母材を有する試験番号１〜１２の接地電極と同様に、Ｎｉ、Ｃｒ、及びＡｌ以外の元素を含む母材を有する試験番号２１〜３１の接地電極も、Ｃｒ欠乏層の厚みが１０μｍ以上１５μｍ以下の範囲にある試験番号２６、２９〜３１の接地電極は、評価結果が「◎」であるのに対し、Ｃｒ欠乏層の厚みが５μｍ以上１０μｍ未満の範囲にある試験番号２４、２５、２７、２８の接地電極は、評価結果が「○」であり、Ｃｒ欠乏層の厚みが１０μｍ以上１５μｍ以下の範囲にあると表面温度の上昇をより一層抑制できた。
１ スパークプラグ
２ 軸孔
３ 絶縁体
４ 中心電極
５ 端子金具
６ 接続部
７ 主体金具
８ 接地電極
１１ 後端側胴部
１２ 大径部
１３ 先端側胴部
１４ 脚長部
１５ 基端部
１６ 先端部
２４ ネジ部
２５ ガスシール部
２６ 工具係合部
２７ 加締め部
２８ 後端部
２９ 棒状部
３３ 先端面
４０ 切断面
４１ 母材
４２ Ｃｒ欠乏層
４３ 高Ｃｒ層
Ｇ 間隙
２ 軸孔
３ 絶縁体
４ 中心電極
５ 端子金具
６ 接続部
７ 主体金具
８ 接地電極
１１ 後端側胴部
１２ 大径部
１３ 先端側胴部
１４ 脚長部
１５ 基端部
１６ 先端部
２４ ネジ部
２５ ガスシール部
２６ 工具係合部
２７ 加締め部
２８ 後端部
２９ 棒状部
３３ 先端面
４０ 切断面
４１ 母材
４２ Ｃｒ欠乏層
４３ 高Ｃｒ層
Ｇ 間隙
Claims (3)
- 軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、
前記軸孔内の先端側に設けられた中心電極と、
前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
前記主体金具の先端側端部に固定された基端部及び前記中心電極との間に間隙を介して対向する先端部を有する接地電極と、
を備えるスパークプラグであって、
前記接地電極は、Ｎｉを主成分とし、Ｃｒの含有率が１４質量％以上３３質量％以下であり、かつＡｌの含有率が０．３質量％以上２．０質量％以下である母材と、
前記母材の表面にあり、前記母材よりもＣｒの含有率が小さく、前記母材よりもＮｉの含有率が大きく、かつ５μｍ以上の厚みを有するＣｒ欠乏層と、
前記Ｃｒ欠乏層の表面にあり、前記母材よりもＣｒの含有率が大きく、かつ１５μｍ以下の厚みを有する高Ｃｒ層と、
を有することを特徴とするスパークプラグ。 - 前記Ｃｒ欠乏層の厚みは、１０μｍ以上１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
- 前記母材は、Ａｌの含有率が０．３質量％以上１．０質量％以下、Ｓｉの含有率が０．５質量％以上１．３質量％以下、及びＦｅの含有率が６．０質量％以上１４質量％以下であ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。
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