JPH06338376A

JPH06338376A - スパークプラグ用電極

Info

Publication number: JPH06338376A
Application number: JP12567493A
Authority: JP
Inventors: Wataru Matsutani; 渉松谷; Mamoru Musasa; 守無笹
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1993-05-27
Filing date: 1993-05-27
Publication date: 1994-12-06
Also published as: BR9401722A

Abstract

(57)【要約】【目的】電極母材からの貴金属合金電極の剥離や脱落
を防止する。【構成】ニッケル合金の重量中の窒素ガス、酸素ガス
の和が５０ｐｐｍになるように脱ガスを行った後に、そ
の溶解金属より直方体形状の電極母材１１を製作する。
また、Ｐｔ−Ｉｒ合金も同様に真空溶解して、Ｐｔ−Ｉ
ｒ合金の重量中の窒素ガス、酸素ガスの和が１０ｐｐｍ
になるように脱ガスを行った後に、その溶解金属より円
板状の貴金属材１８を製作する。そして、電極母材１１
の発火部１２と貴金属材１８とをレーザー熔接により加
熱溶融して溶融凝固貴金属合金層１９を発火部１２に形
成し、その発火部１２にＰｔ−Ｉｒ−Ｎｉ合金製の貴金
属合金電極１３を設けることによって、溶融凝固貴金属
合金層１９内の窒素ガスや酸素ガスの残留量が著しく減
少し、貴金属合金電極１３の熱応力による亀裂の発生や
進展を抑制した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ熔接、電子ビー
ム熔接等の熔接手段を用いて、中心電極または接地電極
の電極母材の発火部に貴金属合金電極を形成するスパー
クプラグ用電極に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、耐食性、耐熱性ニッケル合金
製の電極母材の発火部の略中央位置に、その電極母材の
軸方向に対して垂直方向からレーザビームを照射し、こ
のレーザービームの照射により電極母材の発火部および
耐火花消耗性貴金属製の貴金属材を加熱溶融させた後に
その溶融金属層を凝固させて電極母材の発火部に貴金属
合金電極を形成するようにしたスパークプラグ用中心電
極の製造方法（特公昭６３−５７９１９号公報に見られ
る技術、特開平２−４９３８８号公報に見られる技術、
特開平３−１７６９７８号公報に見られる技術等）が提
案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の製造
方法においては、電極母材の素材や貴金属材の素材の冶
金時に溶解金属の温度がかなり高温のために極めて短時
間内に多量のガス構成元素（酸素、窒素など）を吸収し
てしまう。そして、吸収されたガスは温度降下に伴って
金属材料へのガス固溶量が減少し、溶解時に抜け切れな
かったガスが凝固時に析出し、完全に凝固してしまった
溶融凝固貴金属合金層内に多くの気泡１００（図４参
照）が残留してしまう（内部欠陥）。

【０００４】したがって、このような金属材料を用いて
形成された電極母材の発火部に貴金属材をレーザー熔接
により接合することにより、図４に示したように、電極
母材１０１の発火部１０２に溶融凝固貴金属合金層から
なる貴金属合金電極１０３を形成すると、その貴金属合
金電極１０３内の気泡１００の残留量が多いため貴金属
合金電極１０３の強度が低下する。これによって、冷熱
運転の激しい内燃機関に取り付けて使用すると、図５に
示したように、貴金属合金電極１０３の亀裂１０４の進
展が多くの気泡１００間を伝わるので早くなり、最悪の
場合には貴金属合金電極１０３が電極母材１０１より剥
離したり脱落したりすることにより内燃機関が損傷した
り、スパークプラグのプラグ寿命が短くなったりすると
いう不具合があった。

【０００５】本発明は、溶融凝固貴金属合金層の内部の
ガス構成元素の残留量を減少させて貴金属合金電極が電
極母材より剥離したり脱落したりすることを防いで内燃
機関の損傷やスパークプラグのプラグ寿命の短縮化を防
止することが可能なスパークプラグ用電極の提供を目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、耐食性金属
を用いた第１金属材料よりなる電極母材の発火部と、耐
火花消耗性貴金属を用いた第２金属材料よりなる貴金属
材とを熔接手段を用いて加熱溶融させて、前記電極母材
の発火部に溶融凝固貴金属合金層よりなる貴金属合金電
極を形成してなるスパークプラグ用電極において、前記
溶融凝固貴金属合金層を形成する前記第１金属材料およ
び前記第２金属材料は、その重量中のガス構成元素の和
が２００ｐｐｍ以下の材料を用いてなることを特徴とす
る技術手段を採用した。

【０００７】

【作用】この発明によれば、溶融凝固貴金属合金層内の
窒素、酸素等のガス構成元素の残留量を低減するため、
溶融凝固貴金属合金層を形成する、電極母材を形成する
耐食性金属を用いた第１金属材料と貴金属材を形成する
耐火花消耗性貴金属を用いた第２金属材料との重量中の
ガス構成元素の和が２００ｐｐｍ以下の材料を用いてい
る。

【０００８】これにより、第１金属材料の電極母材の発
火部に第２金属材料の貴金属材を熔接手段を用いて加熱
溶融して形成した溶融凝固貴金属合金層内のガス構成元
素の残留量が現象して気泡の発生が低減される。このた
め、エンジンの冷熱サイクルの繰り返し運転時に溶融凝
固貴金属合金層内に発生する応力による亀裂の進展を防
げる。

【０００９】

【実施例】本発明のスパークプラグ用電極を図１ないし
図３に示す一実施例に基づき説明する。〔実施例の構成〕図１ないし図３は本発明の一実施例を
示したもので、図１は内燃機関用のスパークプラグの火
花放電部を示した図である。スパークプラグ１は、筒状
絶縁体２、この絶縁体２内に保持された中心電極３、こ
の中心電極３の先端面との間に火花放電ギャップＧを形
成する接地電極４、およびこの接地電極４を先端面に抵
抗熔接した主体金具５等から構成されている。

【００１０】絶縁体２は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を主
体とするセラミック焼結体よりなり、内燃機関の燃焼室
（図示せず）内に突出される脚長部６の軸孔７内に中心
電極３の発火部側が嵌め込まれている。

【００１１】中心電極３は、先端面（放電端面）８が絶
縁体２の軸孔７より突出した状態で軸孔７内に嵌め込ま
れることによって絶縁体２の脚長部６に保持されてい
る。この中心電極３の絶縁体２の先端面より突出してい
る部分は、軸孔７の径より直径が細くなっている。ま
た、中心電極３は、耐熱性、耐食性に優れたニッケル合
金製の電極母材９、およびこの電極母材９内に埋め込ま
れた熱伝導性に優れた銅または銀製の芯材１０より構成
されている。

【００１２】接地電極４は、本発明のスパークプラグ用
電極であって、Ｌ字状の電極母材１１、およびこの電極
母材１１において中心電極３の内周面との間で火花放電
が発生する発火部（放電端面）１２に形成された貴金属
合金電極１３等から構成されている。

【００１３】電極母材１１は、被覆材１４および芯材１
５を有している。その被覆材１４は、耐熱性、耐食性に
優れたニッケル合金よりなり、主体金具４の先端面に熔
接されて保持されている。なお、被覆材１４には、例え
ばインコネル６００、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｓｉ合金、Ｎｉ−Ｍ
ｎ−Ｓｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｃｒ−Ａｌ合
金などが用いられる。また、芯材１５は、銅または銀等
の良熱伝導性金属よりなり、被覆材１４の内部に同心的
に埋め込まれている。

【００１４】貴金属合金電極１３は、電極母材１１の被
覆材１４の放電端面１２に略円板状に一体的に形成さ
れ、耐食性、耐火花消耗性に優れた白金または白金合金
よりなる。なお、貴金属合金電極１３には、例えばＰ
ｔ、Ｐｔ−Ｎｉ合金（被覆体１４と同じ成分のニッケル
合金を含有した白金合金）、Ｉｒ、Ｉｒ−Ｎｉ合金、Ｐ
ｔ−Ｉｒ−Ｎｉ合金などが用いられる。

【００１５】主体金具５は、低炭素鋼等の導電性金属に
より円筒状に形成されており、絶縁体２の外周に緊密的
に嵌め合わされてスパークプラグ１のハウジングを構成
する。この主体金具５の外周には、内燃機関のシリンダ
ーヘッド（図示せず）に螺合させるためのねじ部１６が
形成されている。

【００１６】〔実施例の製造方法〕次に、この実施例の
接地電極４の製造方法を図２に基づいて説明する。７５
重量％以上のニッケルを含んだインコネル６００の冶金
時に、そのインコネル６００を、真空中で加熱溶解（い
わゆる真空溶解）して、インコネル６００の重量中の窒
素ガス、酸素ガスの和を設定濃度（例えば２００ｐｐ
ｍ）以下の５０ｐｐｍになるように脱ガスを行い、その
後にインコネル６００よりなる溶解金属を例えば断面円
形（例えばφ４mm）状で所定の長さのコイル材（図示せ
ず）にする。

【００１７】また、８０重量％の白金に２０重量％のニ
ッケルを含有したＰｔ−Ｎｉ合金の冶金時に、そのＰｔ
−Ｎｉ合金を、真空中で加熱溶解（いわゆる真空溶解）
して、Ｐｔ−Ｎｉ合金の重量中の窒素ガス、酸素ガスの
和を設定濃度（例えば２００ｐｐｍ）以下の１０ｐｐｍ
になるように脱ガスを行い、その後にＰｔ−Ｎｉ合金よ
りなる溶解金属を例えば断面円形（例えば直径φ０．７
mm）状の丸棒材（図示せず）にする。

【００１８】そして、コイル材を所定の長さに切断して
押出し成形によりカップ状の被覆材（図示せず）を形成
し、その被覆材内に銅等の熱伝導性に優れた金属製の芯
材（図示せず）を嵌め込んで押出し成形することによっ
て、被覆材と芯材よりなる例えば幅２．７mm×厚さ１．
３mmの直方体形状の電極母材１１を製作する。そして、
図２（ａ）に示したように、直方体状の電極母材１１の
被覆材１４の発火部１２に凸部を持つプレスピン（図示
せず）等によってプレス加工して円溝１７を形成する。
この円溝１７は、例えばφ０．８mm、深さ０．１mmの円
形状で電極母材１１の被覆材１４の先端面より所定の場
所に設けられている。また、図２（ａ）に示したよう
に、丸棒材を所定の長さに切断して貴金属材１８を形成
する。この貴金属材１８は、例えばφ０．７mm、厚み
０．１５mmの円板形状である。なお、貴金属材１８の体
積は円溝１７の容積とほぼ同一になるように形成されて
いる。

【００１９】そして、円溝１７の中央部に貴金属材１８
を嵌め込んだ後に貴金属材１８を抵抗熔接により電極母
材１１の被覆材１４の表面に仮固定する。そして、図２
（ｂ）に示したように、不活性ガス（例えばアルゴンガ
ス）の雰囲気中で、円溝１７の中心位置に対して垂直方
向からレーザービームＬＢを照射（例えばレーザースポ
ット径１．４mm）して貴金属材１８とこの貴金属材１８
の周辺の電極母材１１の被覆材１４を加熱溶融させる。
このとき、貴金属材１８の全周を例えば４発のレーザー
ビームＬＢの照射にてシーム熔接する。なお、不活性ガ
スの雰囲気中でレーザー熔接を行っているので、貴金属
材１８と電極母材１１の被覆材１４の加熱溶融時に酸素
ガスや窒素ガスが吸収される心配は全くない。

【００２０】なお、レーザー熔接機としては、パルスＹ
ＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）レーザー
が使用されている。このパルスＹＡＧレーザーは、レー
ザ出力が１０Ｊで、発振パルス幅が２．０秒で、焦点が
電極母材１１の被覆材１４の端面よりアンダーフォーカ
ス側（軸心側）に１０mm位置に設定されている。また、
ＣＯ₂レーザー等のその他のレーザー熔接機を用いても
良い。さらに、熔接方法としてレーザー熔接を用いてい
るが、貴金属材１８とこの貴金属材１８の周辺の電極母
材１１の被覆材１４を溶融させることができれば電子ビ
ーム熔接を真空中または不活性ガス雰囲気中で行っても
良い。また、レーザー熔接をシームレスとなるように行
ったが、レーザー熔接をスポット的に熔接しても良い。

【００２１】そして、レーザー熔接によって電極母材１
１の被覆材１４の発火部１２と貴金属材１８とが溶融す
ると、図２（ｃ）に示したように、レーザー熔接後の電
極母材１１の発火部１２には、０．５重量％以上で８
０．０重量％以下の電極母材１１の被覆材１４のニッケ
ル合金成分が貴金属材１８の貴金属成分とが溶け合った
溶融凝固貴金属合金層１９が形成される。この溶融凝固
貴金属合金層１９中の重量中の窒素、酸素の和は電極母
材１１と貴金属材１８のガス構成元素の和が２００ｐｐ
ｍ以下の材料を用いることによって、溶融凝固貴金属合
金層１９内の窒素や酸素の残留量が飛躍的に減少する。

【００２２】なお、溶融凝固貴金属合金層１９と電極母
材１１の被覆材１４との間には幅が数μｍ〜数百μｍの
拡散合金部２０も形成される。この拡散合金部２０は、
貴金属含有量が基部２１に近い方が大きく、電極母材１
１の被覆材１４に近づくにしたがい貴金属含有量が少な
くなっている。そして、発火部１２に貴金属合金電極１
３を形成した直方体形状の電極母材１１を主体金具５の
先端面に抵抗熔接等の熔接手段により接合した後に、塑
性加工によって電極母材１１をＬ字状に折り曲げて接地
電極４を製作する。

【００２３】〔実施例の作用〕次に、この実施例の作用
を図１および図２に基づき説明する。スパークプラグ１
を内燃機関のシリンダーブロックに取り付けて中心電極
３に高電圧を間欠的に印加すると、中心電極３の放電端
面８と接地電極４の発火部１２に形成した貴金属合金電
極１３との間で火花放電が繰り返される。そして、貴金
属合金電極１３内の窒素や酸素の気泡が少ないので、こ
のスパークプラグ１の使用時の冷熱運転の繰り返しによ
り発生する熱応力によって生ずる亀裂の発生、亀裂の進
展が抑制される。これによって、貴金属合金電極１３が
電極母材１１から剥離したり脱落したりすることはほと
んどなくなる。

【００２４】〔実施例の効果〕以上のように、この実施
例においては、溶融凝固貴金属合金層１９内の窒素や酸
素を減少することができるので、貴金属合金電極１３内
の窒素ガスや酸素ガスの残留量が少なくなる。このた
め、貴金属合金電極１３の脱落による内燃機関の損傷を
防止できると共に、プラグ寿命の長期化を達成すること
ができる。

【００２５】また、この実施例においては、接地電極４
の発火部１２に、電極母材１１の成分と貴金属材１８の
成分とからなる貴金属合金電極１３を形成しているの
で、スパークプラグ１の使用時の冷熱運転の繰り返しに
よる熱応力が貴金属合金電極１３の一面に集中せず分散
する。

【００２６】さらに、電極母材１１と貴金属合金電極１
３の境界面において、電極母材１１と貴金属合金電極１
３の熱膨張係数の差が小さくなり、それによって熱応力
も小さくなる。これにより、電極母材１１と貴金属合金
電極１３との境界面またはその近傍の亀裂の発生および
亀裂の進展が抑えられ、電極母材１１と貴金属合金電極
１３との境界部分の劣化が抑えられるので、貴金属合金
電極１３の電極母材１１からの耐剥離性を向上すること
ができる。

【００２７】〔実験結果〕次に、電極母材１１の重量中
の窒素ガスや酸素ガスの濃度を変化させて、貴金属合金
電極１３内の気泡の発生状態について調査した実験につ
いて説明する。この実験は、インコネル６００等の第１
金属材料よりなる電極母材の窒素ガスや酸素ガスの濃度
を変化させたものの発火部１２に、Ｐｔ−２０Ｎｉ製の
第２金属材料よりなる貴金属材１８（φ０．７×ｔ０．
１５）の重量中の窒素ガスや酸素ガスの濃度が１０ｐｐ
ｍ以下のものをレーザー熔接して溶融凝固貴金属合金層
を形成して貴金属合金電極内の気泡の発生状態および耐
久試験について調査したもので、その結果を表１に示し
た。なお、耐久試験は４サイクル、６気筒、２０００ｃ
ｃのエンジンを用いて、アイドリング×１分と５０００
ｒｐｍ×Ｗ・Ｏ・Ｔ（フルスロットル）×１分の冷熱サ
イクルの繰り返しを１００時間行った。

【００２８】

【表１】

【００２９】なお、表１において、判定結果の○は良
好、△は厳しい条件下で問題発生する恐れ有り、×は使
用不可である。また、電極母材（インコネル６００）の
成分のうちその他の成分として、Ｍｎ、Ｃ等が微量に含
有されている。さらに、貴金属材のＰｔ−Ｎｉ合金のＮ
＋Ｏのガス濃度は１００ｐｐｍ以下のものを使用してい
る。

【００３０】そして、表１からも確認できるように、第
１金属材料の電極母材１１と第２金属材料の貴金属材１
８の窒素、酸素のガス濃度の和が２００ｐｐｍ以下の場
合には、溶融凝固貴金属合金層の気泡残留率が０．７％
以下となり、耐久試験において溶融凝固貴金属合金層の
亀裂、剥離が発生しないことが判った。また、両者のガ
ス濃度が４００ｐｐｍを越えると溶融凝固貴金属合金層
に亀裂、部分的に剥離が生じた。

【００３１】なお、図３（ａ）には第１金属材料の冶金
時に第１金属材料の重量中の窒素ガスや酸素ガスの濃度
を脱ガスを行って５０ｐｐｍ以下にしたもの（発明品）
の貴金属合金電極の断面図を示した。また、図３（ａ）
には第１金属材料の冶金時に第１金属材料の重量中の窒
素ガスや酸素ガスの濃度を脱ガスを行って１９０ｐｐｍ
以下にしたもの（発明品）の貴金属合金電極の断面図を
示した。さらに、図３（ａ）には７００ｐｐｍ（第１金
属材料を脱ガスをしていない）もの（従来品）の貴金属
合金電極の断面図を示した。図３からも確認できるよう
に、電極母材つまり第１金属材料の窒素ガスや酸素ガス
の濃度と、貴金属材つまり第２金属材料の重量中の窒素
ガスや酸素ガスの濃度の和を２００ｐｐｍ以下とするこ
とによって、充分に残留気泡を低減することができる。

【００３２】〔変形例〕本実施例では、貴金属材１８に
含有する貴金属として主に白金を用いたが、貴金属材１
８に含有する貴金属として主に金、パラジウム、ロジウ
ム等の耐火花消耗性に優れた貴金属を含有しても良い。
本実施例では、接地電極４の発火部１２に貴金属合金電
極１３を形成したが、中心電極３の発火部の先端面また
は先端側面に貴金属合金電極を形成しても良い。また、
本発明を沿面放電型スパークプラグやセミ沿面放電型ス
パークプラグに用いても良い。

【００３３】

【発明の効果】この発明は、溶融凝固貴金属合金層内の
ガス構成元素の残留量を減少させることができるので、
貴金属合金電極内のガス構成元素の残留量も減少する。
これによって、スパークプラグ１の使用時の冷熱サイク
ル運転の繰り返しにより発生する熱応力によって生ずる
亀裂の発生、亀裂の進展を抑制することができる。この
結果、内燃機関の損傷を防止することができると共に、
スパークプラグのプラグ寿命の長期化を達成することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例にかかる内燃機関用のスパー
クプラグの火花放電部を示した斜視図である。

【図２】本発明の一実施例にかかる貴金属合金電極の製
造工程図である。

【図３】貴金属合金電極の発明品と従来品の実験結果を
示した模式図である。

【図４】従来の製造方法により形成された溶融凝固貴金
属合金層を示した断面図である。

【図５】従来の製造方法により形成された貴金属合金電
極を示した断面図である。

【符号の説明】

１スパークプラグ４接地電極（スパークプラグ用電極）１１電極母材１２発火部１３貴金属合金電極１８貴金属材１９溶融凝固貴金属合金層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】耐食性金属を用いた第１金属材料よりな
る電極母材の発火部と、耐火花消耗性貴金属を用いた第
２金属材料よりなる貴金属材とを熔接手段を用いて加熱
溶融させて、前記電極母材の発火部に溶融凝固貴金属合
金層よりなる貴金属合金電極を形成してなるスパークプ
ラグ用電極において、前記溶融凝固貴金属合金層を形成する前記第１金属材料
および前記第２金属材料は、その重量中のガス構成元素
の和が２００ｐｐｍ以下の材料を用いてなることを特徴
とするスパークプラグ用電極。