JPWO2009081562A1 - スパークプラグ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
請求項1は、
中心電極と、
前記中心電極の外周に設けられた絶縁体と、
前記絶縁体を保持する主体金具と、
電極母材の一端が前記主体金具の端部に接合され、他端に貴金属チップが接合され、前記貴金属チップの先端面と前記中心電極の先端面又は側面とが火花放電間隙を介して対向するように配置された接地電極と、を備えるスパークプラグであって、
前記貴金属チップは、加工硬化により、平均硬度がHv260以上Hv650以下であり、
前記電極母材は、Crが15質量%以上30質量%以下、Alが1.5質量%以上4質量%以下含有されて成るNi合金により形成されて成り、
前記貴金属チップと前記電極母材との間に設けられている溶接部は、NiとCrとAlとSiとFeとの合計質量が前記溶接部の全質量に対して5質量%以上35質量%以下であり、
前記貴金属チップの平均硬度が前記溶接部の平均硬度より大きく、更に、前記溶接部の平均硬度が前記電極母材の平均硬度より大きく、
かつ、前記溶接部の平均硬度がHv255以上Hv400以下である
ことを特徴とするスパークプラグであり、
請求項2は、
前記溶接部は、CrとAlとSiとFeとの合計質量が前記溶接部の全質量に対して3質量%以上9.5質量%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あり、
請求項3は、
前記溶接部は、CrとAlとSiとの合計質量が前記溶接部の全質量に対して2質量%以上4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であり、
請求項4は、
前記溶接部は、前記貴金属チップと前記電極母材とをレーザ溶接によって接合されて成り、前記レーザ溶接は、3m秒以下のレーザパルスを複数回照射することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のスパークプラグであり、
請求項5は、
中心電極と、
前記中心電極の外周に設けられた絶縁体と、
前記絶縁体を保持する主体金具と、
Crが15質量%以上30質量%以下、Alが1.5質量%以上4質量%以下含有されて成るNi合金により形成されて成る電極母材の一端が前記主体金具の端部に接合され、他端に加工硬化により平均硬度がHv260以上Hv650以下である貴金属チップが接合され、前記貴金属チップの先端面と前記中心電極の先端面又は側面とが火花放電間隙を介して対向するように配置された接地電極と、
を備えるスパークプラグの製造方法であって、
前記電極母材における前記主体金具に接合された端部とは反対側の端部に、貴金属チップを3m秒以下のレーザパルスを複数回照射するレーザ溶接により接合することを特徴とするスパークプラグの製造方法であり、
請求項6は、
Crが15質量%以上30質量%以下、Alが1.5質量%以上4質量%以下含有されて成るNi合金により形成されて成る電極母材の端部を主体金具の端部に接合する工程と、
主体金具に中心電極と絶縁体とを組み付ける工程と、
電極母材における前記主体金具に接合される端部とは反対側の端部に、加工硬化により平均硬度がHv260以上Hv650以下である貴金属チップを、3m秒以下のレーザパルスを複数回照射するレーザ溶接により接合する工程と、
を有することを特徴とするスパークプラグの製造方法である。
主体金具4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。
絶縁体3は、熱を伝えにくい材料で形成されていれば良く、そのような材料として例えば、アルミナを主体とするセラミック焼結体が挙げられる。
なお、電極母材に貴金属チップが未だ接合されていない場合には、貴金属チップの中心軸線を含む断面が現われるように貴金属チップを切断し、切断により現われる貴金属チップの断面について硬度測定をしてもよい。
このようにして形成される溶接部11の組成は、NiとCrとAlとSiとFeとの合計質量が溶接部の全質量に対して5質量%以上35質量%以下であり、好ましくは、10質量%以上32質量%以下である。
また、溶接部11の組成は、CrとAlとSiとFeとの合計質量が溶接部の全質量に対して3質量%以上9.5質量%以下であるのが好ましく、5質量%以上8質量%以下であるのがより好ましい。
さらに、溶接部11の組成は、CrとAlとSiとの合計質量が溶接部の全質量に対して2質量%以上4質量%以下であるのが好ましく、3.5質量%以上3.8質量%以下であるのがより好ましい。
溶接部11の組成が前記範囲内にある場合には、図3に示すように、貴金属チップ35と溶接部311との界面に内部酸化層312が生成されるのを抑制することができるので、内燃機関内における熱サイクルの影響により内部酸化層312に生じるクラックの生成を抑制することができる。したがって、クラックの生成により貴金属チップ35が電極母材310から剥離又は脱落するのを防止することができる。その結果、電極母材と貴金属チップとの接合性が良好なスパークプラグを提供することができる。
前記工程と前後して、Ni合金等の電極材料を所定の形状に加工して中心電極2を作製し、所定の形状及び寸法を有する絶縁体3に公知の手法により組み付ける。なお、この中心電極2の端面には貴金属チップ9をレーザ溶接により溶融固着させてもよい。
次いで、前記加工硬化により製造された貴金属チップ5を、前記電極母材10における主体金具4に接合されている端部とは反対側の端部に、レーザ溶接により溶融固着させ、電極母材10を略L字型になるように曲げて、前記貴金属チップ5と前記中心電極2の先端面又は側面とが火花放電間隙を介して対向するように調整する。
なお、電極母材10は、主体金具4に接合される前に略L字型に曲げられてもよい。また、貴金属チップ5は、主体金具4に接合された電極母材10が略L字型になるように曲げられた後に、電極母材10の端部に接合されてもよい。
図1(a)、(b)に示されるのと同様の形状を有するスパークプラグ1を次のようにして作製した。まず、後述する組成を有するNi合金を角柱状に加工して電極母材10を作製した。次いで、主体金具4の端部に電極母材10の一端部を接合し、これに中心電極2と絶縁体3とを組み付けた。これと前後して、Pt−20質量%Rhのインゴットを作製し、熱間による鍛造を経て伸線加工をし、伸線方向が円柱の高さとなるように切断することにより、直径0.7mm、高さ1.0mmの円柱形状を有する貴金属チップ5を作製した。次いで、前記電極母材10における主体金具4に接合されている端部とは反対側の端部側面に前記貴金属チップ5を固定し、電極母材10と貴金属チップ5とにレーザビームを照射して溶接固着させて、電極母材10を略L字型になるように曲げて、前記貴金属チップ5と前記中心電極2の先端面とが火花放電間隙を介して対向するように調整した。。なお、レーザビームのレーザエネルギーは4J/パルス、1回のレーザ照射時間すなわちパルス幅を2m秒として、全周に渡って等間隔に8箇所レーザ照射を行った。ここで、電極母材は、貴金属チップの中心軸に沿って切断した場合の断面形状が1.3mm(貴金属チップの中心軸方向の幅)×2.7mm(貴金属チップの中心軸に直交する方向の幅)の四角形であり、Ni合金の組成は、Ni:残部、Cr:15〜17質量%、Si:0.1〜0.3質量%、Al:1.5〜3.0質量%、Fe:0〜9.0質量%のものを用いた。
作製したスパークプラグ試験体を、2000ccのエンジンに装着し、5000rpmで1分間保持後、アイドリング1分間保持という運転条件を100時間繰り返すことにより冷熱サイクル試験を行った。
冷熱サイクル試験後のスパークプラグ1は、接地電極の長手方向に対し垂直に貴金属チップの半断面が観察できるように切り出して、鏡面研磨を行った。以下の評価項目について行った測定結果を表1に示す。
スパークプラグ1の溶接部11の組成は、溶接部11における任意の10箇所を選択し、EPMAを利用して、WDS分析を行うことにより、各々の箇所の組成を測定した。次に、測定した10箇所の値の平均値を算出して、この平均値をスパークプラグ1の溶接部11の組成とした。なお、分析は、ビーム径が50〜100μm、測定域が溶接部11内に収まるように行った。
スパークプラグ1の溶接部11の平均硬度は、まず、図7(a)に示されるように、溶接部11を介して貴金属チップ5を接合する電極母材10の前記貴金属チップ5の中心軸線P1を有する平面で電極母材10、溶接部11及び貴金属チップ5を切断することにより現われる断面(図7(b)を参照)において、図7(b)に示されるように、任意の30箇所を選択し、マイクロビッカース硬度計により、0.5N荷重の条件でJIS Z 2244に準拠して、各々の箇所のマイクロビッカース硬さを測定した。次に、測定した30箇所の値の平均値を算出して、この平均値をスパークプラグ試験体の溶接部の平均硬度とした。
貴金属チップ5の平均硬度は、図7(b)に示されるように、切断した貴金属チップ5の断面において、測定領域に溶接部11が入らないように注意して、R×L1で示される領域中で縦3列及び横3列に等間隔に並んだ9点を選択し、マイクロビッカース硬度計により0.5N荷重の条件でJIS Z 2244に準拠して測定した。次に、測定した9箇所の値の平均値を算出して、この平均値を貴金属チップ5の平均硬度とした。
電極母材10の平均硬度は、図7(b)に示されるように、切断した電極母材10の断面において、測定領域に溶接部11が入らないように注意して、R×L2で示される領域中で縦3列及び横3列に等間隔に並んだ9点を選択し、マイクロビッカース硬度計により0.5N荷重の条件でJIS Z 2244に準拠して測定した。次に、測定した9箇所の値の平均値を算出して、この平均値を電極母材10の平均硬度とした。なお、電極母材の平均硬度は、図7(a)で示されるP2で示される曲成部分における切断面(図7(c)を参照)における測定値であっても良い。
クラック進展率は、まず、図3に示すように、金属顕微鏡観察により、貴金属チップ35と溶接部311との界面の長さLとクラックの長さ(M及びN)を測定した。次に、貴金属35と溶接部311との界面の長さLに対するクラックの長さ(M+N)の割合を算出して、この値をクラック進展率とした。なお、貴金属35と溶接部311との界面の長さを測定する際、例えば硝酸10%溶液でエッチングすることにより、界面が明確になり測定し易くなる。
CrとAlの量を変化させたNi合金をアーク溶解炉にて作製し、この作製したNi合金を線引き加工し、断面形状が1.3×2.7mmの四角形を有する電極母材10を作製した。前述のスパークプラグ1を作製した場合と同様にしてレーザ照射によって、直径0.7mm、高さ1.0mm、Pt−20質量%Rh合金により形成された貴金属チップ5を前記電極母材10に接合させ、貴金属チップ5を接合させた接地電極6を作製した。
作製した接地電極6を、大気中において1200℃で30分間保持後、室温で30分間保持することを100回繰り返すことにより熱サイクル試験を行った。
1.酸化減肉量
熱サイクル試験後の接地電極6を貴金属チップ5の半断面観察ができるように切り出した。熱サイクル試験後の電極母材10の厚さは、金属顕微鏡により、上述の判断面観察ができるように切り出した接地電極6から測定した。図2(a)、(b)に示すように、熱サイクル試験前の電極母材の厚さ(1.3mm)と熱サイクル試験後の電極母材の厚さとの差Bを算出し、この算出値を酸化減肉量とした。この結果を表2に示す。
2、52、62 中心電極
3、53、63 絶縁体
4、54、64 主体金具
40 ネジ部
5、9、25a、25b、35、45a、45b、55、59、65、69 貴金属チップ
6、56、66 接地電極
7、57、67 外材
8、58、68 内材
10、210a、210b、310、410a、410b、510、610 電極母材
11、211a、211b、311、411a、411b、511、611 溶接部
216a、216b 外側面
12、312 内部酸化層
313、413a、413b 接触面
314、414a、414b 貴金属チップと溶接部との境界面の最も貴金属チップ寄りの位置
415a、415b 溶接部と電極母材との境界面の最も電極母材寄りの位置
G 火花放電間隙
Claims (6)
- 中心電極と、
前記中心電極の外周に設けられた絶縁体と、
前記絶縁体を保持する主体金具と、
電極母材の一端が前記主体金具の端部に接合され、他端に貴金属チップが接合され、前記貴金属チップの先端面と前記中心電極の先端面又は側面とが火花放電間隙を介して対向するように配置された接地電極と、を備えるスパークプラグであって、
前記貴金属チップは、加工硬化により、平均硬度がHv260以上Hv650以下であり、
前記電極母材は、Crが15質量%以上30質量%以下、Alが1.5質量%以上4質量%以下含有されて成るNi合金により形成されて成り、
前記貴金属チップと前記電極母材との間に設けられている溶接部は、NiとCrとAlとSiとFeとの合計質量が前記溶接部の全質量に対して5質量%以上35質量%以下であり、
前記貴金属チップの平均硬度が前記溶接部の平均硬度より大きく、更に、前記溶接部の平均硬度が前記電極母材の平均硬度より大きく、
かつ、前記溶接部の平均硬度がHv255以上Hv400以下であること
を特徴とするスパークプラグ。 - 前記溶接部は、CrとAlとSiとFeとの合計質量が前記溶接部の全質量に対して3質量%以上9.5質量%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。
- 前記溶接部は、CrとAlとSiとの合計質量が前記溶接部の全質量に対して2質量%以上4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。
- 前記溶接部は、前記貴金属チップと前記電極母材とをレーザ溶接によって接合されて成り、前記レーザ溶接は、3m秒以下のレーザパルスを複数回照射することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のスパークプラグ。
- 中心電極と、
前記中心電極の外周に設けられた絶縁体と、
前記絶縁体を保持する主体金具と、
Crが15質量%以上30質量%以下、Alが1.5質量%以上4質量%以下含有されて成るNi合金により形成されて成る電極母材の一端が前記主体金具の端部に接合され、他端に加工硬化により平均硬度がHv260以上Hv650以下である貴金属チップが接合され、前記貴金属チップの先端面と前記中心電極の先端面又は側面とが火花放電間隙を介して対向するように配置された接地電極と、
を備えるスパークプラグの製造方法であって、
前記電極母材における前記主体金具に接合された端部とは反対側の端部に、貴金属チップを3m秒以下のレーザパルスを複数回照射するレーザ溶接により接合することを特徴とするスパークプラグの製造方法 - Crが15質量%以上30質量%以下、Alが1.5質量%以上4質量%以下含有されて成るNi合金により形成されて成る電極母材の端部を主体金具の端部に接合する工程と、
主体金具に中心電極と絶縁体とを組み付ける工程と、
電極母材における前記主体金具に接合される端部とは反対側の端部に、加工硬化により平均硬度がHv260以上Hv650以下である貴金属チップを、3m秒以下のレーザパルスを複数回照射するレーザ溶接により接合する工程と、
を有することを特徴とするスパークプラグの製造方法。
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