JP6489754B2 - グロープラグ - Google Patents

Description

この発明は、グロープラグに関する。

グロープラグは、圧縮着火方式によるディーゼルエンジン等の内燃機関の補助熱源として用いられる。グロープラグは、通常、先端が閉じて基端部が開いた有底筒状のシース管と、この内部に前記シース管の軸線方向に沿って配置され、通電により発熱する抵抗発熱体とを有する。抵抗発熱体の先端部はシース管の先端部に接続され、抵抗発熱体の基端部は、シース管の基端側に延びる中軸部材に接続されている。この中軸部材を介して通電されることにより抵抗発熱体が発熱する。シース管の内部はマグネシア粉末等の絶縁粉末で満たされ、抵抗発熱体の外周面とシース管の内周面とが絶縁されている。

近年、グロープラグの長寿命化が益々要求されるようになっている。例えば、特許文献１には、「発熱コイル内部への窒素の侵入を抑制することで、発熱コイル内部の窒化を防止し、ひいては耐久性に優れ、長期寿命化を図ることが可能なシースヒータ及びグロープラグを提供すること」（０００８欄）を目的として、「・・前記チューブはニッケル（Ｎｉ）又は鉄（Ｆｅ）を主成分とするとともに、前記発熱コイルはアルミニウム（Ａｌ）を５質量％以上含有し、前記チューブの先端及び前記コイルの先端が接合された部位であって、前記チューブを構成する金属及び前記発熱コイルを構成する金属が相互に溶融されて混じり合うことによって形成された先端側接合部位のうち、内側表面から５μｍ以内の表層領域であって、少なくとも前記発熱コイルの先端外周から前記先端側接合部位の内側表面に沿って１００μｍの範囲内におけるアルミニウム（Ａｌ）の含有量を３．５質量％以上としたことを特徴とするシースヒータ」（請求項１）が開示されている。

特開２００９−１５８４３１号公報

ところで、グロープラグにおけるシースヒータは、筒状のシース管前駆体の内部に抵抗発熱体を配置し、シース管前駆体の先端開口部と抵抗発熱体の先端部とを溶接することにより形成される。したがって、シースヒータの先端部分はシース管前駆体を形成する材料と抵抗発熱体を形成する材料とが溶融されて混じり合うことにより形成された溶融部により閉塞されている。この溶融部は、グロープラグの製造工程で小さな割れ（クラックと称することもある）が発生することがあり、この割れが発見された場合には、製造不良と判断される。また、製造不良と判断されなかったとしても、グロープラグは冷熱サイクルの厳しい環境下で使用されるので、発見し難い微小な割れが溶融部に存在した場合には、これが要因となって溶融部にクラックが発生し、グロープラグの寿命が低下する。

この発明は、溶融部にクラックが発生するのを抑制することで、生産性が良好で長寿命のグロー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］ 金属製の抵抗発熱体と、
Ｎｉを主成分とするＮｉ合金からなり、前記抵抗発熱体の外周に配置され、軸線方向に延びる筒部と、少なくとも前記筒部の主成分と前記抵抗発熱体の主成分とを含有し、前記筒部の先端を閉塞する溶融部とを有するシース管と、
を備えるグロープラグであって、
前記溶融部は、Ｃを０．０３質量以上０．１質量％以下含有し、ビッカース硬度が１５０Ｈｖ以上３５０Ｈｖ以下であるグロープラグである。

前記［１］の好ましい態様は、
［２］ 前記溶融部は、Ｎｉを主成分とし、Ｃｒを２２質量％以上２７質量％以下、Ｆｅを１１質量％以上２５質量％以下、Ａｌを２．２質量％以上３．５質量％以下、及びＣを０．０３質量以上０．１質量％以下含有する。

この発明によると、シース管における溶融部が、Ｃを０．０３質量以上０．１質量％以下含有し、ビッカース硬度が１５０Ｈｖ以上３５０Ｈｖ以下であるので、溶融部にクラックが発生するのを抑制することができる。したがって、グロープラグを製造する際に、溶融部におけるクラックの発生率を低くすることができるので、歩留りが向上し、生産性が良好になる。また、グロープラグが冷熱サイクルの厳しい環境下で使用されても、溶融部にクラックが発生し難く、長寿命のグロープラグを提供することができる。

図１は、この発明に係るグロープラグの一実施例であるグロープラグの一部断面全体説明図である。 図２は、図１におけるグロープラグにおけるシースヒータを拡大して示した要部断面説明図である。 図３は、シースヒータの先端部を拡大して示した要部断面説明図である。

この発明に係るグロープラグの一実施例であるグロープラグを図１に示す。図１はこの発明に係るグロープラグの一実施例であるグロープラグ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シースヒータ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。

このグロープラグ１０は、図１に示されるように、中軸部材２００と、主体金具５００と、通電によって発熱するシースヒータ８００とを備える。これらの部材は、グロープラグ１０の軸線Ｏに沿って組み付けられている。

主体金具５００は、炭素鋼等により形成され、略円筒形状を有する。主体金具５００は、軸線Ｏ方向に延びる軸孔５１０を有する。主体金具５００は、軸孔５１０の先端側の端部において、シースヒータ８００を保持する。主体金具５００は、軸孔５１０の後端側の端部において、絶縁部材４１０とＯ−リング４６０とを介して、中軸部材２００を保持する。絶縁部材４１０は、絶縁部材４１０の後端に接するリング３００が中軸部材２００に加締められることで、軸線Ｏ方向の位置が固定される。主体金具５００の後端側が絶縁部材４１０によって絶縁される。主体金具５００は中軸部材２００の一部を内包し、軸孔５１０と中軸部材２００との間には、両者を電気的に絶縁する空隙が形成されている。主体金具５００は、工具係合部５２０と、雄ネジ部５４０とを備える。工具係合部５２０は、主体金具５００の外周面に形成され、トルクレンチ等の工具が係合される。雄ネジ部５４０は、工具係合部５２０より先端側の主体金具５００の外周面に形成され、グロープラグ１０をディーゼルエンジン等の内燃機関のエンジンヘッドに取り付ける際に、エンジンヘッドの取付け孔に螺合される。

中軸部材２００は、導電材料で形成され、円柱形状を有する。中軸部材２００は、主体金具５００に挿入された状態で軸線Ｏに沿って配置される。中軸部材２００は、先端側に設けられた中軸部材先端部２１０と、後端側に設けられた接続部２９０とを備える。中軸部材先端部２１０は、シースヒータ８００の内部に配置されている。接続部２９０は、主体金具５００から突出して、その外周面は雄ネジが形成されている。接続部２９０には、係合部材１００が嵌合されている。係合部材１００には、バッテリ等の電源から電力の供給されるコネクタ付きケーブルが接続される。

図２は、シースヒータを拡大して示した要部断面説明図である。シースヒータ８００は、シース管８１０と、抵抗発熱体としての発熱コイル８２０と、制御コイル８３０と、絶縁粉末８４０とを備える。

シース管８１０は、軸線Ｏ方向に延び、先端が閉塞した有底筒状を有する。シース管８１０は、軸線Ｏ方向に延びる筒部８６０と前記筒部８６０の先端を閉塞する溶融部８５０とを有する。筒部８６０は、Ｎｉを主成分とするＮｉ合金により形成される。Ｎｉ合金としては、例えば、Ｎｉ-Ｃｒ-Ｆｅ合金等を挙げることができる。Ｎｉ-Ｃｒ-Ｆｅ合金としては、例えば、インコネル６０１、アロイ６０２ＣＡ、アロイ６０２ＭＣＡ等を挙げることができる。溶融部８６０については後述する。シース管８１０は、発熱コイル８２０と、制御コイル８３０と、絶縁粉末８４０とを内包する。シース管８１０は、シース管先端部８１１とシース管後端部８１９とを備える。シース管先端部８１１は、シース管８１０の先端側において、外側に向けて丸く形成された端部である。シース管後端部８１９は、シース管８１０の後端側において開口した端部である。シース管８１０の内部には中軸部材２００がその後端側がシース管後端部８１９から突出した状態で配置されている。シース管８１０は、パッキン６００と絶縁粉末８４０とによって、中軸部材２００から電気的に絶縁される。パッキン６００は、中軸部材２００とシース管８１０との間に挟まれた絶縁部材である。シース管８１０は、主体金具５００と電気的に接続されている。

絶縁粉末８４０は、電気絶縁性を有する粉末である。絶縁粉末８４０としては、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の粉末が挙げられる。絶縁粉末８４０は、シース管８１０の内部に充填され、シース管８１０の内周面と、発熱コイル８２０、制御コイル８３０、及び中軸部材２００それぞれの外周面とを電気的に絶縁する。

制御コイル８３０は、発熱コイル８２０を形成する材料よりも電気比抵抗の温度係数が大きい導電材料で形成されたコイルである。この導電材料としては、Ｃｏを主成分とするＣｏ合金、Ｎｉを主成分とするＮｉ合金等が挙げられる。制御コイル８３０は、発熱コイル８２０に供給される電力を制御する。制御コイル８３０は、シース管８１０の内部に軸線Ｏ方向に沿って配置される。制御コイル８３０は、先端側の端部である制御コイル先端部８３１と、後端側の端部である制御コイル後端部８３９とを備える。制御コイル先端部８３１は、発熱コイル８２０の発熱コイル後端部８２９に溶接されることによって、発熱コイル８２０と電気的に接続される。制御コイル後端部８３９は、中軸部材２００の中軸部材先端部２１０に接合されることによって中軸部材２００と電気的に接続される。

発熱コイル８２０は、導電材料で形成されたコイルである。この導電材料としては、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、及びＣｏ等の金属、並びにこれらの元素のいずれかを主成分とする合金が挙げられ、Ｆｅを主成分とする合金として例えばカンタル等が挙げられる。発熱コイル８２０は、通電によって発熱する。発熱コイル８２０は、シース管８１０の内部に軸線Ｏ方向に沿って配置される。発熱コイル８２０は、先端側の端部である発熱コイル先端部８２１と、後端側の端部である発熱コイル後端部８２９とを備える。発熱コイル先端部８２１は、シース管８１０の先端付近に溶接されることによってシース管８１０と電気的に接続される。

シース管８１０は、発熱コイル８２０と溶接される前は、先端が開口した筒形状を有する（これを、シース管前駆体と称する。）。溶接前に、発熱コイルがシース管前駆体の先端開口部を貫通するように配置され、アーク溶接等によってシース管前駆体の先端開口部と発熱コイルの先端部とが溶接されることによって、図２に示されるように、シース管８１０は先端が閉塞した有底筒状になる。

図３は、シースヒータの先端部を拡大して示した要部断面説明図である。シース管８１０は、シース管前駆体と発熱コイルとが溶接されることによって形成された溶融部８５０をその先端部に有する。図３では、溶融部８５０がハッチングで示されている。溶融部８５０は、発熱コイルとシース管前駆体とが溶融した状態で混ざり合い、その後、固まって形成された部位である。溶融部８５０の外表面は、シース管先端部８１１を形成する。シース管８１０における溶融部８５０を除いて残った部位が筒部８６０である。溶融部８５０は、筒部８６０の先端を閉塞する。溶融部８５０は、このように溶接によって形成されているので、筒部８６０の主成分と発熱コイル８２０の主成分とを少なくとも含有する。なお、「主成分」とは、筒部８６０又は発熱コイル８２０それぞれに含まれる成分のうちで最も質量割合の多い成分のことをいう。

溶融部８５０は、Ｃを０．０３質量以上０．１質量％以下含有する。溶融部８５０がＣを前記範囲内で含有し、後述するようにビッカース硬度が特定の範囲内にあると、グロープラグ１０の製造直後においても、グロープラグ１０が冷熱サイクル環境下で使用された後においても、溶融部８５０にクラックが発生するのが抑制される。溶融部８５０におけるＣの含有量が大きくなるほど溶融部８５０の強度が大きくなる。溶融部８５０におけるＣの含有量が０．０３質量％未満であると、後述するグロープラグ１０の製造工程及び使用時に必要とされる強度が得られず、溶融部が変形するおそれがある。溶融部８５０におけるＣの含有量が０．１質量％を超えると、グロープラグ１０が冷熱サイクル環境下で使用された後の溶融部８５０にクラックが発生し易くなる。また、溶融部８５０におけるＣの含有量が０．１質量％を超えると、溶融部８５０に含有される元素と炭化物を生成し易くなり、この炭化物により溶融部８５０の耐酸化性が低下し、グロープラグの寿命が低下する。また、溶融部８５０における炭化物の含有率が増加するほど加工性が悪くなり、後述するグロープラグの製造工程で行われるスウェージング加工がし難くなる。

溶融部８５０は、Ｃ以外の成分として、筒部８６０の主成分と発熱コイル８２０の主成分とを少なくとも含有し、例えば、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ等の元素を含有する。溶融部８５０が、Ｃｒ及び／又はＡｌを特にその表面部分に含有すると、Ｃｒ_２Ｏ_３の酸化被膜及びＡｌ_２Ｏ_３の酸化被膜が溶融部８５０の表面に生成されるので、グロープラグ１０は冷熱環境下における耐酸化性に優れる。例えば、溶融部８５０は、Ｎｉを主成分として、Ｃｒを２２質量％以上２７質量％以下、Ｆｅを１１質量％以上２５質量％以下、Ａｌを２．２質量％以上３．５質量％以下、及びＣを０．０３質量以上０．１質量％以下含有する。

溶融部８５０におけるＣの含有率及びその他の成分の含有率は、シース管前駆体と発熱コイルとの溶接方法、シース管前駆体及び発熱コイルの組成、シース管前駆体の先端開口部及び発熱コイルの先端部の形状、及びシース管前駆体と発熱コイルとの溶接時の位置関係等を適宜変更することにより調整することができる。

溶融部８５０における各成分の含有率は次のようにして求めることができる。溶融部８５０における炭素（Ｃ）の含有率は、炭素硫黄分析装置を用いて分析を行う。溶融部８５０における炭素（Ｃ）以外の成分については、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：Electron Probe Micro Analyzer）が備える波長分散型Ｘ線分光器（ＷＤＳ：Wavelength Dispersive X-ray Spectrometer）を用いて、分析を行う。

炭素（Ｃ）の分析は、市販の炭素硫黄分析装置を用いて、以下の手順で行う。第１のステップとして、分析試料２点と標準試料候補とを準備する。分析試料は、グロープラグ１０から溶融部８５０の一部を切り出し、各１．０ｇの試料片を２点準備する。１本のグロープラグ１０から１．０ｇの分析試料２点を切り出すことができない場合には、同様に製造したグロープラグ１０（同一品番）複数本から分析試料を切り出してもよい。標準試料候補は、炭素含有量が既知である市販の試料であり、炭素含有量の異なる複数の標準試料を準備する。

第２のステップとして、１点目の分析試料の炭素の分析を行う。まず、炭素硫黄分析装置中の高周波炉にセラミック製のるつぼをセットし、るつぼを空焼きした後、るつぼに１点目の分析試料を投入する。１点目の分析試料の分析条件は、例えば、積算待ち時間を５秒、積算時間を６０秒、コンパレータレベルを１．０％、高周波炉出力設定を０〜１７５ｍＡで５秒、１７５ｍＡで３５秒保持する条件とする。この分析条件で１点目の分析試料を酸素気流中で加熱し酸化反応させ、試料中の炭素を二酸化炭素（ＣＯ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）に酸化反応させる。分析試料から発生した水分（Ｈ_２Ｏ）及び水素（Ｈ_２）は過塩素酸マグネシウム（Ｍｇ（ＣｌＯ_４）_２）で脱水除去する。発生した二酸化炭素と一酸化炭素とを含む気流を一定流量で赤外線検出器に導入し、検出された二酸化炭素と一酸化炭素との出力（電流値）を検出する。

第３のステップとして、第２のステップで検出した出力を、別の試料の分析で作成した検量線に当てはめ、１点目の分析試料中の炭素の含有率（質量％）を算出する。算出された１点目の分析試料の炭素含有率は、別の試料の分析で作製した検量線を流用しているため、正確な炭素含有率ではない。１点目の分析試料の分析は、おおよその炭素含有率を把握するのが目的である。

第４のステップとして、るつぼに含有される炭素の分析を行う。まず、炭素硫黄分析装置中の高周波炉にセラミック製のるつぼをセットし、るつぼを空焼きした後、るつぼに助燃材を投入する。分析条件及び分析手順は、第２のステップと同様にして行い、二酸化炭素と一酸化炭素との出力を検出する。検出された二酸化炭素と一酸化炭素との出力を、後述する第７のステップで作成する検量線の原点（ゼロ）のデータとして使用する。

第５のステップとして、標準試料候補の中から検量線を作成するのに最適な標準試料を選択する。標準試料としては、第２及び第３のステップで求めた１点目の分析試料の炭素含有量より炭素含有量が多く、かつ、１点目の分析試料の炭素含有量に最も近い標準試料を選択する。この標準試料は、後述する第７のステップの検量線を作成するために用いる。例えば、標準試料として、炭素（Ｃ）の含有率が０．４３質量％の０．３ｇの試料片を用いる。

第６のステップとして、標準試料の炭素の分析を行う。まず、炭素硫黄分析装置中の高周波炉にセラミック製のるつぼをセットし、るつぼを空焼きした後、るつぼに第５のステップで選択した標準試料を投入する。分析条件及び分析手順は、第２のステップと同様にして行い、二酸化炭素と一酸化炭素との出力を検出する。検出された二酸化炭素と一酸化炭素との出力を、後述する第７のステップの検量線のデータとして使用する。

第７のステップとして、第４のステップと第６のステップとで得られた二酸化炭素と一酸化炭素との出力から検量線を作成する。検量線とは、炭素含有量と、検出された二酸化炭素及び一酸化炭素の出力との関係を示す直線の式である。検量線は、第４のステップで得られた、るつぼの炭素含有量及び二酸化炭素と一酸化炭素との出力を示す点を原点（ゼロ）とし、この原点から第６のステップで得られた、標準試料の炭素含有量及び二酸化炭素と一酸化炭素との出力を示す点までを結ぶ直線の式である。

第８のステップとして、２点目の分析試料の炭素の分析を行う。まず、炭素硫黄分析装置中の高周波炉にセラミック製のるつぼをセットし、るつぼを空焼きした後、るつぼに２点目の分析試料を投入する。分析条件及び分析手順は、第２のステップと同様にして行い、二酸化炭素と一酸化炭素との出力を検出する。検出された二酸化炭素と一酸化炭素との出力を、第７のステップで作成した検量線に当てはめ、２点目の分析試料の炭素の含有率を算出する。このようにして、溶融部８５０における炭素（Ｃ）の含有率を求める。

炭素（Ｃ）以外の成分の分析は、ＥＰＭＡのＷＤＳを用いて、以下の手順で行う。第１のステップとして、ＥＰＭＡのＷＤＳを用いて溶融部８５０における定性分析を実施する。この分析によって、溶融部８５０に含まれる元素を特定し、最大質量％の元素を主成分とする。

第１のステップにおける分析対象の箇所は以下のように決定する。まず、シースヒータ８００を樹脂で固めて、軸線Ｏを含む断面で切断して切断面を露出させる。切断面を鏡面仕上げした後、シュウ酸二水和物による電解エッチングを行い、拡大した断面の画像を観察すると、溶融部８５０と発熱コイル８２０との境界を特定することができる。溶融部８５０の切断面において９箇所の測定点で成分分析を行い、得られた測定値の算術平均を溶融部の組成とする。９箇所の測定点は、次のように決定する。切断面において、溶融部８５０における軸線Ｏに沿った線分の中心、すなわち軸線Ｏ方向における溶融部８５０の先端から発熱コイル８２０との境界までの線分の中心を第１測定点ａ_１とする。第２測定点ａ_２及び第３測定点ａ_３は、第１測定点ａ_１から軸線Ｏに直交する方向にそれぞれ１０μｍの距離の点とする。第４測定点ａ_４及び第５測定点ａ_５は、第１測定点ａ_１から軸線Ｏ方向にそれぞれ１０μｍの距離の点とする。第６測定点ａ_６及び第７測定点ａ_７は、第４測定点ａ_４から軸線Ｏに直交する方向にそれぞれ１０μｍの距離の点とする。第８測定点ａ_８及び第９測定点ａ_９は、第５測定点ａ_５から軸線Ｏ方向にそれぞれ１０μｍの距離の点とする。なお、溶融部８５０の外表面に酸化被膜が形成されている場合がある。この酸化被膜は、通常、０．０３ｍｍ程度の厚さを有する。前記電解エッチング後の断面画像によって、酸化被膜と溶解部との境界を特定することができる。したがって、前述した方法により決定した成分分析の測定点が酸化被膜上にある場合には、測定点を適宜移動し、溶融部上で測定点を決定する。

第２のステップとして、ＥＰＭＡの測定条件を決定する。この決定は、分析精度を高めるために実施される。測定条件は、第１のステップで特定した主成分の検出において、Ｘ線の大量入射による数え落としが起こらないビーム電流量で、測定カウント数が１万カウント以上得られることが満たされるように決定される。

第３のステップとして、上記９箇所の測定点において第１のステップで特定した元素を第２のステップで決定した条件で定量分析する。測定条件は、例えば、次のようにする。加速電圧は２０ｋＶ、プローブ電流２．５×１０^−８Ａ、ビームの照射径１０μｍで主ピークを１０秒、バックグラウンドを高角側、低角側それぞれ５秒ずつ取り込む。正味の強度から各元素のＣＰＳ（Count Per Second）を得て、同条件で分析した比較試料（ASTIMEX社製標準試料）のＣＰＳを用いてＺＡＦ法によって定量計算を実施する。この比較試料は、元素含有率が予め分析されている。ＺＡＦとは、原子番号効果（Z effect）と、吸収効果（Absorption effect）と、蛍光励起効果（Fluorescence excitation effect）とに基づく頭字語である。なお、この定量計算の際、Ｃの含有率については炭素硫黄分析装置での分析値を採用し、その他の元素については元素含有率の合計が１００％となるようにノーマライズ（規格化）する。

溶融部８５０は、ビッカース硬度が１５０Ｈｖ以上３５０Ｈｖ以下である。溶融部８５０のビッカース硬度が前記範囲内にあり、前述したように特定の組成を有すると、溶融部８５０にクラックが発生するのが抑制される。溶融部８５０のビッカース硬度が３５０Ｈｖを超えると、溶融部８５０にクラックが発生し易くなる。溶融部８５０のビッカース硬度が１５０Ｈｖ未満であると、後述するグロープラグ１０の製造工程でシースヒータ８００を主体金具５００に組付ける際に溶融部８５０が変形し易くなる。グロープラグ１０は、通常、通電時にシースヒータ８００の先端部付近の所定の位置が最高温度になるように設計されているが、溶融部８５０の変形により最高温度を示す位置が最高温度になるように設計した位置からずれるおそれがある。

溶融部８５０におけるビッカース硬度は、溶融部８５０の組成、後述するグロープラグ１０の製造工程における、シース管前駆体と発熱コイルとの溶融方法、スウェージングの加工の程度等を適宜変更することにより調整することができる。

溶融部８５０におけるビッカース硬度は、前述した成分分析をする際に準備した切断面において、成分分析を行った点とは異なる点で測定する。具体的には、測定点は、成分分析における第１測定点ａ_１から軸線Ｏ方向の発熱コイルが配置されている側に０．２ｍｍ移動した点と、この点から軸線Ｏに直交する方向にそれぞれ０．５ｍｍの距離の点の３箇所を選択する。ビッカース硬度は、これら３箇所の測定点で、試験力を３Ｎ、試験力の保持時間を１０ｓとしてＪＩＳ Ｚ ２２４４に準拠して測定し、得られた測定値の算術平均を算出することで求めることができる。

グロープラグ１０は、溶融部がＣを０．０３質量以上０．１質量％以下含有し、ビッカース硬度が１５０Ｈｖ以上３５０Ｈｖ以下であるから、溶融部にクラックが発生するのを抑制することができる。したがって、グロープラグを製造する際に、溶融部におけるクラックの発生率を低くすることができるので、歩留りが向上し、生産性が良好になる。また、グロープラグが冷熱サイクルの厳しい環境下で使用されても、溶融部にクラックが発生し難く、長寿命のグロープラグを提供することができる。

グロープラグ１０は、例えば、次のようにして製造される。

まず、所定の組成を有する抵抗発熱線をコイル状に加工し、発熱コイル８２０及び制御コイル８３０をそれぞれ製造する。次いで、発熱コイル８２０と制御コイル８３０との端部同士をアーク溶接等により接合し、コイル部材とする。次いで、コイル部材のうち制御コイル８３０側を中軸部材２００の先端部に接合する。

一方、所定の組成を有する金属鋼管をシース管８１０の最終寸法よりも大径に形成し、かつ、その先端部を他の部分よりも減径させて、先窄まり状のシース管前駆体を製造する。

シース管前駆体の内部に中軸部材２００と一体となったコイル部材を挿入し、シース管前駆体の先窄まり状の先端開口部に発熱コイル８２０の先端部を配置する。アーク溶接等によってシース管前駆体の先端開口部と発熱コイル８２０の先端部分とを溶融し、シース管前駆体の先端部分を閉塞し、内部にコイル部材が収容されたシースヒータ前駆体を形成する。

次いで、シースヒータ前駆体のシース管８１０内にＭｇＯ粉末等の絶縁粉末４１０を充填する。さらに、シース管８１０の後端開口部にパッキン６００を挿入して、シース管８１０を封止する。さらに、シース管８１０にスウェージング加工を施し、所定の外径を有するシースヒータ８００を形成する。

このように形成されたシースヒータ８００は、主体金具５００の軸孔５１０に圧入固定されると共に、主体金具５００の後端部分において、Ｏ−リング４６０及び絶縁部材４１０が嵌め込まれ、リング３００で中軸部材２００を加締めて、グロープラグ１０が完成する。

本発明に係るグロープラグは、圧縮着火方式によるディーゼルエンジン等の内燃機関の補助熱源として用いられる。グロープラグは、内燃機関の燃焼室を区画形成するヘッドに設けられたネジ穴に雄ネジ部５４０が螺合されて、所定の位置に固定される。このグロープラグは、冷熱サイクル環境下における溶融部のクラックの発生を抑制しているから、特に、燃焼室内の温度が従来よりも高い内燃機関に好適に使用される。

本発明に係るグロープラグは、前述した実施形態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。

例えば、上述した実施形態のグロープラグ１０においては、抵抗発熱体としての発熱コイル８２０は、螺旋状に巻回されているが、抵抗発熱体の形状は特に限定されず、軸線Ｏ方向に沿って延びる棒状であってもよい。

また、シース管の形状は、筒状である限り特に限定されず、軸線Ｏに直交する方向の断面から見て、円形状、楕円形状、多角形状等であってもよい。

また、上述した実施形態のグロープラグ１０においては、発熱コイル８２０の過昇温を防止するために、発熱コイル８２０と中軸部材２００との間に制御コイル８３０が介在されているが、発熱コイルと中軸部材とが直接に接合され、制御コイルが省略されていてもよい。

＜クラック発生率の評価＞
図２に示すシースヒータと同様の形状を有するシースヒータを、次のようにして作製した。まず、所定の組成を有する、シース管前駆体、発熱コイル、制御コイル、及び中軸部材を準備した。発熱コイルと制御コイルとの端部同士を接合してコイル部材とした。次いで、コイル部材の制御コイル側の端部と中軸部材の端部とを接合して一体部材とした。次いで、シース管前駆体の内部に一体部材を挿入し、シース管前駆体の先窄まり状の先端開口部に発熱コイルの先端部を配置した。次いで、シース管前駆体の先端開口部と発熱コイルの先端部分とをアーク溶接によって溶融してシース管前駆体の先端部分を閉塞し、内部にコイル部材が収容されたシースヒータ前駆体を作製した。シースヒータ前駆体の先端部分は、シース管前駆体と発熱コイルとの溶融によって形成された溶融部によって閉塞された。なお、シース管前駆体は、Ｃｒ：２４〜２６質量％、Ｆｅ：７〜１１質量％、Ａｌ：１．９〜２．６質量％、Ｃ：０．０５〜０．２５質量％、Ｎｉ：６０．２〜６７．１質量％の組成を有するものを用いた。発熱コイルは、Ｃｒ：２２〜２６質量％、Ｆｅ：６５．１〜７２．４質量％、Ａｌ：５．２〜７．５質量％、Ｃ：０．０２質量％、Ｔｉ：０〜０．４質量％、Ｓｉ：０．２〜０．５質量％、Ｍｎ：０．２〜０．５の組成を有するものを用いた。

次いで、シースヒータ前駆体のシース管内にＭｇＯ粉末を充填し、シース管の後端開口部にパッキンを挿入して、シース管を封止した。さらに、シース管にスウェージング加工を施し、所定の外径を有するシースヒータを作製した。シースヒータは、溶融部における組成と硬度とが同じものを１００体ずつ作製した。なお、溶融部の組成は、シース管前駆体と発熱コイルとの溶接方法、シース管前駆体及び発熱コイルそれぞれの組成、及びシース管前駆体と発熱コイルとの溶接時の位置関係を適宜変更することにより調整した。また、溶融部のビッカース硬度は、溶融部の組成、シース管前駆体と発熱コイルとの溶融方法及びスウェージング加工の程度を適宜変更することにより調整した。

溶融部の組成は、炭素（Ｃ）については、炭素硫黄分析装置を用いて、また、炭素（Ｃ）以外の成分については、ＥＰＭＡが備えるＷＤＳを用いて、前述したように測定した。結果を表１に示す。

溶融部のビッカース硬度は、試験力を３Ｎ、試験力の保持時間を１０ｓとしてＪＩＳ Ｚ ２２４４に準拠して、前述したように測定した。結果を表１に示す。

作製したシースヒータの溶融部を拡大鏡で観察し（２０倍）、クラックの有無を調べた。クラックが発見されたシースヒータの数が１％以上の場合には「×」、クラックが発見されたシースヒータの数が１％未満の場合には「○」として、結果を表１に示した。

＜耐久試験後のクラック発生率の評価＞
「クラック発生率の評価」で作製したシースヒータと同様にしてシースヒータを作製し、これを前述したように主体金具に組付けて、図１に示すグロープラグと同様の構造を有するグロープラグを作製した。なお、グロープラグは同様に製造したグロープラグすなわち表１において同じ試験番号のグロープラグを１００本ずつ作製した。作製したグロープラグに、シースヒータの溶融部先端から軸線Ｏ方向に２ｍｍの位置の表面温度が通電開始から２秒後に１０００℃となり、通電開始から１８０秒後に１１００℃となるように、電圧を印加し、前記表面温度が３０℃になるまで冷却を行う通電サイクルを５０００サイクル繰り返す耐久試験を行った。
耐久試験後の溶融部を拡大鏡で観察し（２０倍）、クラックの有無を調べた。溶融部にクラックが発見されたグロープラグの数が１％以上の場合には「×」、クラックが発見されたグロープラグの数が１％未満の場合には「○」として、結果を表１に示した。

表１に示すように、溶融部のＣの含有率が０．１質量％以下であり、ビッカース硬度が３５０Ｈｖ以下である試験番号８〜１４、１８〜２２、２６〜３０、３４〜３８は、製造直後のクラックの発生率及び耐久試験後のクラックの発生率の評価結果がいずれも良好であった。一方、溶融部におけるＣの含有率及びビッカース硬度の少なくとも一方が前記範囲外にある試験番号１〜７、１５〜１７、２３〜２５、３１〜３３は、製造直後のクラックの発生率及び耐久試験後のクラックの発生率の評価結果がいずれも劣っているか、或いは、製造直後のクラックの発生率の評価結果は良好であるが耐久試験後のクラックの発生率の評価結果が劣っていた。これらの結果から、溶融部のＣの含有率が０．１質量％以下であり、ビッカース硬度が３５０Ｈｖ以下であると、溶融部にクラックが発生するのを抑制することができ、生産性が良好で長寿命のグロープラグを提供できることが分る。

＜耐酸化性の評価＞
「耐久試験後のクラック発生率の評価」で用いた耐久試験前後のグロープラグを用いて溶融部の耐酸化性の評価を行った。
溶融部の耐酸化性は、耐久性試験前後における溶融部の軸線Ｏ方向の長さを測定することにより溶融部の軸線Ｏ方向の肉厚減少量を求め、以下の基準にしたがって評価した。溶融部の肉厚減少量が０．０５ｍｍ未満である場合を「○」、０．０５ｍｍ以上である場合を「×」として、結果を表２に示した。
なお、試験番号４４及び４５のシースヒータの溶融部のビッカース硬度は１５０Ｈｖ以上３５０Ｈｖ以下の範囲内にあり、試験番号４３及び４６のシースヒータの溶融部のビッカース硬度は、前記範囲外にあった。

表２に示すように、溶融部のＣの含有率が０．１質量％以下である試験番号４４〜４６は、耐酸化性の評価結果が良好であり、また、シースヒータ前駆体をスウェージング加工する際の加工性が良好であった。一方、溶融部のＣの含有率が０．１０質量％より大きい試験番号４３のシースヒータは耐酸化性の評価結果が劣っており、また、加工性にも劣っていた。これらの結果から、溶融部のＣの含有率が０．１質量％以下であると、耐酸化性及び加工性に優れることが分る。

＜強度の評価＞
「クラック発生率の評価」で作製したシースヒータと同様にして、表２に示すように、溶融部のＣの含有率が異なるシースヒータを作製し、シースヒータの溶融部に軸線Ｏ方向に５０００Ｎの荷重を加えたときの、軸線Ｏ方向の変形量を測定して、溶融部の強度試験を行った。
溶融部の強度は、溶融部の強度試験前後におけるシースヒータの軸線Ｏ方向の長さを測定することにより溶融部の変形量を求め、以下の基準にしたがって評価した。溶融部の変形量が０．５ｍｍ未満である場合を「○」、０．５ｍｍ以上である場合を「×」として、結果を表２に示した。

表２に示すように、溶融部のＣの含有率が０．０３質量％以上である試験番号４３〜４５は、強度の評価結果が良好であり、溶融部のＣの含有率が０．０３質量％より小さい試験番号４６は、強度の評価結果が劣っていた。これらの結果から、グロープラグを製造する工程及び使用時に必要とされる強度を得るためには、溶融部のＣの含有率が０．０３質量％以上である必要があることが分る。

＜グロープラグの最高温度位置のずれ幅の評価＞
「クラック発生率の評価」で作製したシースヒータと同様にして、表３に示すように、溶融部のビッカース硬度が異なるシースヒータを作製し、作製したシースヒータを主体金具に組付けてグロープラグを作製した。グロープラグは、同様に製造したグロープラグすなわち表３において同じ試験番号のグロープラグを１０本ずつ作製した。
作製したグロープラグに、設計された最高温度の位置が１０００℃程度になる電圧を印加し、溶融部の先端から軸線Ｏ方向に１ｍｍ離れた位置から軸線Ｏ上に０．５ｍｍ間隔で温度を測定した。１０本のグロープラグ中１０本の最高温度の位置が同じである場合すなわち最高温度位置のずれ幅が０．５ｍｍ未満である場合を「○」、１０本のグロープラグ中１本でも最高温度位置のずれ幅が０．５ｍｍ以上である場合を「×」として評価した。結果を表３に示した。
なお、試験番号４９〜５３のグロープラグの溶融部におけるＣの含有率は、０．０３質量％以上０．１質量％以下の範囲内にあり、試験番号４７、４８、５４のグロープラグの溶融部におけるＣの含有率は、前記範囲外にあった。

表３に示すように、溶融部のビッカース硬度が１５０Ｈｖ以上である試験番号４７〜５３のグロープラグは、作製したグロープラグすべてが通電時に最高温度になるように設計した位置からのずれ幅が小さく、所望の品質を有していた。一方、溶融部のビッカース硬度が１５０Ｈｖ未満である試験番号５４のグロープラグは、通電時に最高温度になるように設計した位置からのずれ幅が大きいグロープラグがあり、製造不良と判断されるグロープラグが発生する可能性が高い。試験番号５４のグロープラグは、シースヒータを主体金具に組付ける際に、シースヒータの先端部に位置する溶融部のビッカース硬度が小さく、シースヒータの先端部が変形し易いので、最高温度になるように設計した位置のずれ幅が大きくなり易いことが分る。したがって、設計通りのグロープラグを生産性良く製造するためには、溶融部のビッカース硬度が少なくとも１５０Ｈｖである必要があることが分る。

１０ グロープラグ
１００ 係合部材
２００ 中軸部材
２１０ 中軸部材先端部
２９０ 接続部
３００ リング
４１０ 絶縁部材
４６０ Ｏ−リング
５００ 主体金具
５１０ 軸孔
５２０ 工具係合部
５４０ 雄ネジ部
６００ パッキン
８００ シースヒータ
８１０ シース管
８１１ シース管先端部
８１９ シース管後端部
８２０ 発熱コイル
８３０ 制御コイル
８３１ 制御コイル先端部
８３９ 制御コイル後端部
８４０ 絶縁粉末
８５０ 溶融部
８６０ 筒部

Claims (2)

1. 金属製の抵抗発熱体と、
   Ｎｉを主成分とするＮｉ合金からなり、前記抵抗発熱体の外周に配置され、軸線方向に延びる筒部と、少なくとも前記筒部の主成分と前記抵抗発熱体の主成分とを含有し、前記筒部の先端を閉塞する溶融部とを有するシース管と、
   を備えるグロープラグであって、
   前記溶融部は、Ｃを０．０３質量以上０．１質量％以下含有し、ビッカース硬度が１５０Ｈｖ以上３５０Ｈｖ以下であるグロープラグ。
2. 前記溶融部は、Ｎｉを主成分とし、Ｃｒを２２質量％以上２７質量％以下、Ｆｅを１１質量％以上２５質量％以下、Ａｌを２．２質量％以上３．５質量％以下、及びＣを０．０３質量以上０．１質量％以下含有する請求項１に記載のグロープラグ。

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