JPWO2011077619A1 - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

この発明の課題は、高熱伝導性及び高強度を維持しつつ、腐食様新生異物の発生を抑制することのできる中心電極及び／又は接地電極を備えたスパークプラグを提供することである。この発明のスパークプラグは、中心電極、及び前記中心電極との間に間隙を有するように設けられた接地電極を備え、前記中心電極及び前記接地電極のいずれか少なくとも一方がＮｉを96質量％以上含有する電極材料により形成されて成るスパークプラグにおいて、前記電極材料は、Ｙと希土類元素とからなる群より選択される少なくとも１種を合計で0.05質量％以上0.45質量％以下、Ｍｎを0.05質量％以上、及びＴｉとＶとＮｂとからなる群より選択される少なくとも１種を合計で0.01質量％以上含有し、かつ、Ｍｎの含有量（ｂ）とＴｉ、Ｖ、及びＮｂの合計含有量（ａ）との比（ａ／ｂ）が0.02以上0.40以下であることを特徴とする。

Description

この発明は、スパークプラグに関し、特に、電極の材料にＮｉ基合金を用いたスパークプラグに関する。

自動車エンジン等の内燃機関の点火用に使用されるスパークプラグは、一般に、筒状の主体金具と、この主体金具の内孔に配置される筒状の絶縁体と、この絶縁体の先端側内孔に配置される中心電極と、一端が主体金具の先端側に接合され、他端が中心電極と火花放電間隙を形成するように設けられた接地電極とを備える。そして、スパークプラグは、内燃機関の燃焼室内で、中心電極の先端と接地電極の先端との間に形成される火花放電間隙に火花放電され、燃焼室内に充填された燃料を燃焼させる。

このようなスパークプラグの電極の材料には、耐酸化性、耐火花消耗性等に優れた種々のＮｉ基合金が広く使用されている。例えば、特許文献１には、「Ｃｒ：０．５〜５％，Ｍｎ：０．１〜３％，Ｓｉ：０．１〜３％，Ｙ：０．００００１〜０．５％，を含有し、残りがＮｉおよび不可避不純物からなる組成（以上、重量％）を有するＮｉ基合金で構成したことを特徴とするＮｉ基合金製点火プラグ電極」が記載されている。特許文献２には、「質量％でＣ：０．１％以下（０を含む）、Ｓｉ：０．３〜３．０％、Ｍｎ：０．５％未満（０を含む）、Ｃｒ：０．５％未満（０を含む）、Ａｌ：０．３％以下（０を含む）、ＨｆとＲｅの１種または２種を合計で０．００５〜１．０％、残部はＮｉ及び不可避不純物からなることを特徴とする点火プラグ用電極材料」が記載されている。特許文献３には、「重量比でＣｒ０．５〜３％、Ｓｉ０．３〜２．５％、Ｍｎ０．５〜１．８％（ただし ０．５％、１．８％含まず）およびＡｌ０．０５〜２．５％（ただし０．０５％含まず）を含有し、ＳｉとＣｒの比（Ｓｉ／Ｃｒ）が１．１未満であり、残部Ｎｉおよび不可避不純物よりなるＮｉ基合金を用いたことを特徴とする点火プラグ用電極」が記載されている。

ところで、近年の地球温暖化防止、化石燃料節約等の要求の高まりに伴って、自動車等の内燃機関において、燃費向上のため空燃比を大きく設定する等の対策が講じられている。このような内燃機関においては、燃焼室、特に中心電極の先端及び接地電極の先端が位置する領域近傍の温度が高温化し、燃焼室内は高酸素濃度になる傾向がある。さらに、スパークプラグの小型化に伴い、中心電極及び接地電極も細くなるので、放電で生じた熱を、中心電極が絶縁体及びパッキンを介して主体金具へと、接地電極が主体金具へと伝導して逃がすことができなくなり（熱引きと称することもある。）、中心電極及び接地電極自身の温度も上昇し易くなる。

スパークプラグが、このような高温及び高酸素濃度の環境下で使用されるようになり、中心電極及び接地電極の温度も上昇し易い構造になると、従来のスパークプラグでは所望の性能を維持するのが難しくなってくる。例えば、正規の着火前に高温の電極が発火源となり、燃料に着火するプレイグニッションと呼ばれる現象が発生することがある。

特開昭６３−１８０３３号公報 特開２００７−９２１３９号公報 特開平２−１６３３３５号公報

そこで、プレイグニッション等の異常現象のない高性能なスパークプラグを提供すべく種々の検討を行ったところ、高温及び高酸素濃度の環境下においては、電極に付着したデポジットすなわちオイルや未燃焼燃料等の付着物と電極材料とが反応して形成されたと考えられる、複数の細かい塊状の腐食様新生異物が電極表面を覆うように形成されることがあり（図３参照。）、この腐食様新生異物が着火性に影響を与えることが分かった。この腐食様新生異物が形成されると、中心電極と接地電極との間に設けられている火花放電間隙が狭まり、着火性が落ちる虞がある。最悪の場合、中心電極と接地電極が短絡し、エンジンが失火する虞もある。また、電極の熱伝導性が低下して熱引きが悪くなることから、電極が発火源となりプレイグニッションを誘発する虞もある。

この発明は、高熱伝導性及び高強度を維持しつつ、腐食様新生異物の発生を抑制することのできる中心電極及び／又は接地電極を備えたスパークプラグを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段は、
（１）中心電極、及び前記中心電極との間に間隙を有するように設けられた接地電極を備え、前記中心電極及び前記接地電極のいずれか少なくとも一方がＮｉを９６質量％以上含有する電極材料により形成されて成るスパークプラグにおいて、
前記電極材料は、Ｙと希土類元素とからなる群より選択される少なくとも１種を合計で０．０５質量％以上０．４５質量％以下、Ｍｎを０．０５質量％以上、及びＴｉとＶとＮｂとからなる群より選択される少なくとも１種を合計で０．０１質量％以上含有し、かつ
Ｍｎの含有量（ｂ）とＴｉ、Ｖ、及びＮｂの合計含有量（ａ）との比（ａ／ｂ）が０．０２以上０．４０以下であ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、
（２）前記比（ａ／ｂ）が０．０３以上０．２９以下、さらに好ましくは０．０４以上０．１４以下であり、
（３）前記電極材料は、Ｓｉを０．１５質量％以上１．５質量％以下含有し、
（４）前記電極材料は、Ａｌを０．０１質量％以上０．１質量％以下含有し、
（５）前記電極材料は、Ｃｒを０．０５質量％以上０．５質量％以下含有し、
（６）前記電極材料は、Ｃを０．００５質量％以上含有し、
（７）前記電極材料は、Ｔｉを含有し、
（８）少なくとも前記接地電極が前記電極材料により形成されてなるスパークプラグである。

この発明に係るスパークプラグは、高Ｎｉ基合金において、特定量のＹと希土類元素とからなる群より選択される少なくとも１種、Ｍｎ、及びＴｉとＶとＮｂとからなる群より選択される少なくとも１種を含有し、かつＭｎの含有量（ｂ）とＴｉ、Ｖ、及びＮｂの合計含有量（ａ）との比（ａ／ｂ）が特定の範囲にある電極材料で形成されてなる中心電極及び／又は接地電極を備えているから、高熱伝導性及び高強度を維持しつつ、腐食様新生異物の発生を抑制することのできる、中心電極及び／又は接地電極を備えたスパークプラグを提供することができる。

また、前記電極材料がさらに特定量のＳｉ、Ａｌ、及び／又はＣｒを含有すると、より一層腐食様新生異物の発生を抑制することができる。

また、前記電極材料がさらに特定量のＣを含有すると、より一層高い強度を得ることができ、電極の折損及び変形を防止することができる。

さらに、中心電極よりも高温になり、デポジットにも曝され易い接地電極が、前記電極材料により形成されてなると、より一層効果的である。

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を説明する説明図であり、図１（ａ）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の一部断面全体説明図であり、図１（ｂ）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の主要部分を示す断面説明図である。 図２（ａ）は、この発明に係るスパークプラグの他の実施例であるスパークプラグの主要部分を示す断面説明図であり、図２（ｂ）は、この発明に係るスパークプラグのさらに別の実施例であるスパークプラグの主要部分を示す断面説明図である。 図３は従来のスパークプラグに形成された腐食様新生異物の写真である。

この発明に係るスパークプラグは、中心電極と接地電極とを有し、この中心電極の一端と接地電極の一端とが間隙を介して対向するように配置されている。この発明に係るスパークプラグは、このような構成を有するスパークプラグであれば、その他の構成は特に限定されず、公知の種々の構成を採ることができる。

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を図１に示す。図１（ａ）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り、図１（ｂ）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の主要部分を示す断面説明図である。なお、図１（ａ）では紙面下方を軸線ＡＸの先端方向、紙面上方を軸線ＡＸの後端方向として、図１（ｂ）では紙面上方を軸線ＡＸの先端方向、紙面下方を軸線ＡＸ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（ａ）及び（ｂ）に示されるように、略棒状の中心電極２と、中心電極２の外周に設けられた略円筒状の絶縁体３と、絶縁体３を保持する略円筒状の主体金具４と、一端が中心電極２の先端面と火花放電間隙Ｇを介して対向するように配置されると共に他端が主体金具４の端面に接合された接地電極６とを備えている。

前記主体金具４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を保持するように形成されている。主体金具４における先端方向の外周面にはネジ部９が形成されており、このネジ部９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。

前記絶縁体３は、主体金具４の内周部に滑石（タルク）１０又はパッキン１１等を介して保持されており、絶縁体３の軸線方向に沿って中心電極２を保持する軸孔を有している。絶縁体３は、絶縁体３における先端方向の端部が主体金具４の先端面から突出した状態で、主体金具４に固着されている。絶縁体３は、機械的強度、熱的強度、電気的強度を有する材料であることが望ましく、こ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。

中心電極２は、外材７と、外材７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内材８とにより形成されている。中心電極２は、その先端部が絶縁体３の先端面から突出した状態で絶縁体３の軸孔に固定されており、主体金具４に対して絶縁保持されている。中心電極２は、後述する電極材料又はこの電極材料以外の公知の材料で形成され、特に中心電極２の外材７は後述する電極材料で形成されるのがよい。

前記接地電極６は、例えば、略角柱体に形成されてなり、一端が主体金具４の端面に接合され、途中で略Ｌ字に曲げられて、その先端部が中心電極２の軸線方向に位置するように、その形状及び構造が設計されている。接地電極６がこのように設計されることによって、接地電極６の一端が中心電極６と火花放電間隙Ｇを介して対向するように配置されている。火花放電間隙Ｇは、中心電極２の先端面と接地電極６の表面との間の間隙であり、この火花放電間隙Ｇは、通常、０．３〜１．５ｍｍに設定される。接地電極６は、後述する電極材料又はこの電極材料以外の公知の材料で形成されればよいが、通常、接地電極６は中心電極２よりも高温に曝されるため、接地電極６は後述する電極材料で形成されるのがよい。

スパークプラグ１においては、前記のように、中心電極２及び接地電極６の少なくとも一方が下記電極材料で形成され、好ましくは、より高温に達する接地電極６が下記電極材料で形成される。

電極材料としては、Ｎｉを９５質量％以上含有する高Ｎｉ基合金とＮｉを５０〜８５質量％含有し、Ｃｒ及びＦｅを１０〜４２質量％含有するインコネル６００、インコネル６０１（Inconel：商標名）等の低Ｎｉ基合金が広く知られている。この発明においては、前記高Ｎｉ基合金について検討を行い、本願発明を完成させるに到った。

これらの電極を形成する電極材料は、Ｎｉを９６質量％以上、Ｙと希土類元素とからなる群より選択される少なくとも１種を合計で０．０５質量％以上０．４５質量％以下、Ｍｎを０．０５質量％以上、及びＴｉとＶとＮｂとからなる群より選択される少なくとも１種を合計で０．０１質量％以上含有し、かつＭｎの含有量（ｂ）とＴｉ、Ｖ、及びＮｂの合計含有量（ａ）との比（ａ／ｂ）が０．０２以上０．４０以下である。

電極材料におけるＮｉの含有率が９６質量％未満であると、電極材料の熱伝導率が低下するので、放電で生じた熱を電極が効果的に逃がすことができなくなり、放電部が常に高温となる結果、電極が酸化消耗してしまう。また、電極温度が上昇することにより、プレイグニッションすなわち正規の着火前に高温の電極が発火源になり燃料に着火するという現象が生じることがある。電極材料の高熱伝導率が維持できる点で、Ｎｉの含有率は９６質量％以上であるのがよい。

電極材料におけるＹと希土類元素とからなる群より選択される少なくとも１種の合計含有率が０．０５質量％未満であると、電極が高温に曝されることにより電極材料の組織が粒成長し易くなるので、電極が折損及び変形し易くなる。また、前記合計含有率が０．４５質量％を超えると、電極に付着したデポジットすなわちオイルや未燃焼燃料等の付着物と電極材料とが反応して、多数の細かい塊状の腐食様新生異物が電極の表面を覆うように形成されるという特異な現象が生じ易くなる。このような腐食様新生異物が形成されると、中心電極２の先端面とこれに対向する接地電極６の表面との間の間隔が狭まり、着火性が落ちる虞がある。最悪の場合、中心電極と接地電極が短絡し、エンジンが失火する虞もある。また、腐食様新生異物が形成されると、電極の熱伝導性が低下して熱引きが悪くなることからプレイグニッションを誘発する虞がある。

前記希土類元素としては、Ｎｄ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｐｒ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｌｕを挙げることができる。

電極材料におけるＭｎの含有率が０．０５質量％以上であると、この電極材料により形成された電極の表面に強固な酸化被膜が形成されるので、電極の耐酸化性が向上する。Ｍｎにより形成される酸化被膜は耐酸化性に対しては有効に作用する。しかし、電極が高温及び高酸素濃度の環境下に曝されると、電極の表面に腐食様新生異物が発生することがある。この腐食様新生異物は、電極が高温及び高酸素濃度の環境下に置かれたことにより、電極に付着したデポジットに含まれるＣとこのＭｎにより形成される酸化被膜とが反応して、形成されたと考えられる。この腐食様新生異物が電極の表面を覆うように形成されると、上述したように、正常な着火が行なわれなくなってしまう。

そこで、電極材料として、Ｍｎに加えて、Ｔｉ、Ｖ、及びＮｂからなる群より選択される少なくとも１種を含有させると、腐食様新生異物の形成を抑制することができることを見出した。電極材料がＴｉ、Ｖ、及びＮｂからなる群より選択される少なくとも１種を含有すると、Ｔｉ、Ｖ、及びＮｂからなる群より選択される少なくとも１種が酸化被膜に侵入したデポジット由来のＣをトラップすることにより、ＣとＭｎの酸化被膜とが反応して形成される腐食様新生異物の発生が抑制されると推定される。例えばＣをトラップしたＴｉは、ＴｉＣを形成する。ＴｉＣはＭｎの酸化被膜と反応して化合物を形成しないので、Ｍｎの酸化被膜は融点が下がることなく、安定して存在することができるようになる。その結果、腐食様新生異物が形成され難くなると考えられる。

したがって、電極材料におけるＭｎの含有率とＴｉ、Ｖ、及びＮｂからなる群より選択される少なくとも１種の合計含有率とが所定範囲にあるだけでなく、Ｍｎの含有量に対するＴｉ、Ｖ、及びＮｂの合計含有量の割合が特定の範囲にあることが、本願発明の課題を達成するためには重要である。すなわち、Ｍｎを０．０５質量％以上含有し、Ｔｉ、Ｖ、及びＮｂからなる群より選択される少なくとも１種を０．０１質量％以上含有し、かつＭｎの含有量（ｂ）とＴｉ、Ｖ、及びＮｂの合計含有量（ａ）との比（ａ／ｂ）が０．０２以上０．４０以下であると、腐食様新生異物の形成が抑制される。

もっとも、電極材料は、実施の態様を考慮してＭｎを０．０７質量％以上含有することがあり、また３質量％以下で含有することもあり、Ｔｉ、Ｖ、及びＮｂからなる群より選択される少なくとも１種を合計で０．０２質量％以上含有することがあり、また０．１質量％以下で含有することもある。

前記比（ａ／ｂ）は０．０３以上０．２９以下であるのが好ましく、０．０４以上０．１４以下であるのが特に好ましい。比（ａ／ｂ）が前記範囲内にあると、腐食様新生異物の形成がより一層抑制される。

前記Ｔｉ、Ｖ、及びＮｂは、いずれもデポジット由来のＣをトラップする作用があると考えられ、いずれも腐食様新生異物の形成を抑制する効果があるが、これらのうちでは、経済性の観点からＴｉを含有させるのが特に好ましい。

電極材料は、Ｓｉを含有するのが好ましく、０．１５質量％以上１．５質量％以下含有するのが特に好ましい。

電極材料は、Ａｌを含有するのが好ましく、０．０１質量％以上０．１質量％以下含有するのが特に好ましい。

電極材料は、Ｃｒを含有するのが好ましく、０．０５質量％以上０．５質量％以下含有するのが特に好ましい。

電極材料が、Ｓｉ、Ａｌ、及び／又はＣｒを含有すると、Ｍｎの酸化被膜がさらに強固になる。したがって、電極材料が、Ｓｉ、Ａｌ、及び／又はＣｒを含有、特に前記範囲内で含有すると、耐酸化性が向上すると共に、Ｍｎの酸化被膜中にデポジット由来のＣが侵入し難くなるので、より効果的に腐食様新生異物の発生を抑制することができる。

電極材料は、Ｃを含有するのが好ましく、０．００５質量％以上含有するのが特に好ましい。電極材料におけるＣの含有率が０．００５質量％以上であると、高温環境下での電極材料の機械的強度を確保できるので、電極の折損及び変形を防止することができる。電極が高温環境下に曝されたり、電極の熱引きが悪く、電極温度が上昇したりしても、電極の機械的強度を確保できる点で、Ｃの含有率は０．００５質量％以上、さらに好ましくは０．０１質量％以上０．０５質量％以下であるのがよい。

この電極材料は、Ｎｉ、Ｙと希土類元素とからなる群より選択される少なくとも１種、Ｍｎ、及びＴｉとＶとＮｂとからなる群より選択される少なくとも１種と、所望により、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｒ、及び／又はＣとを実質的に含有する。これらの各成分は、前述した各成分の含有率の範囲内で、これら各成分と不可避不純物との合計が１００質量％になるように含有される。前記成分以外の成分、例えば、Ｓ、Ｐ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｂ、Ｚｒ、Ｍｇ、及び／又はＣａが微量の不可避不純物として含有されることがある。これらの不可避不純物の含有量は少ない方が好ましいが、本願発明の目的を達成することができる範囲内で含有していてもよく、前述した成分の合計質量を１００質量部としたときに、前述した１種類の不可避不純物の割合は０．１質量部以下、含有されるすべて種類の不可避不純物の合計割合は０．２質量部以下であるのがよい。

この電極材料に含まれる各成分の含有率は、次のようにして測定することができる。すなわち、この電極材料を電極とした場合に、この電極と主体金具及び／又は貴金属チップ等の他の部材とを溶融接着する際に形成される溶融部を除く部分から試料を採取し（炭素硫黄分析は０．３ｇ以上、ＩＣＰ発光分析は０．２ｇ以上が望ましい）、Ｃの含有量は炭素硫黄分析により、その他成分はＩＣＰ発光分析（inductively coupled plasma emission spectrometry）を行うことにより、分析する。Ｎｉについては上記分析測定値の残部として算出する。炭素硫黄分析では、採取した試料を燃焼炉にて熱分解し、非分散赤外線検出することでＣの含有量を定量する（炭素硫黄分析装置として、例えば、ホリバ製作所製EMIA-920V）。ＩＣＰ発光分析では、試料を酸分解法（例えば硝酸）により溶液化し、定性分析の後、検出元素及び指定元素について定量を行う（ＩＣＰ発光分析装置として、例えば、サーモフィッシャー製iCAP-6500）。いずれの分析も３回の測定値の平均値を算出し、その平均値を電極材料における各成分の含有率とする。

なお、この電極材料は、所定の原料を所定の配合割合で配合して、以下に示すように製造される。製造された電極材料の組成は、原料の組成とはほぼ一致する。したがって、この電極材料に含まれる各成分の含有率は、簡易的な方法として原料の配合割合からも算出することができる。

上述した電極材料がスパークプラグにおける中心電極及び接地電極のいずれか少なくとも一方、特に接地電極に使用されると、これらの電極が高温及び高酸素濃度の雰囲気に曝されても、さらにはスパークプラグの小型化に伴って中心電極及び接地電極の断面積が小さくなったとしても、高熱伝導性及び機械的強度を維持しつつ、腐食様新生異物の形成を抑制することができる。電極が高熱伝導性を有すると、放電で生じた熱を主体金具に速やかに伝導させることができるので、電極の温度上昇による電極の酸化消耗を防止することができる。また、燃焼効率向上の要求に伴い、内燃機関内が高温及び高酸素濃度になる傾向にあるところ、高温下においても電極の機械的強度が維持されているので、使用中の折損及び変形を防止することができる。さらに、腐食様新生異物の形成を抑制することができるので、腐食様新生異物が形成されると、中心電極の端面とこれに対向する接地電極の表面との間の間隔が狭まり、着火性が落ちたり、最悪の場合、中心電極と接地電極が短絡し、エンジンが失火したりする虞があるところ、このような着火不良を抑制することができる。また、腐食様新生異物が形成されると、電極の熱伝導性が低下して熱引きが悪くなることから電極が発火源となりプレイグニッションを誘発する虞があるところ、このような現象を防止することができる。

前記スパークプラグ１は、例えば次のようにして製造される。まず、各成分の含有率が前述した範囲となる電極材料を、Ｎｉを９６質量％以上、Ｙと希土類元素とからなる群より選択される少なくとも１種を合計で０．０５質量％以上０．４５質量％以下、Ｍｎを０．０５質量％以上、及びＴｉとＶとＮｂとからなる群より選択される少なくとも１種を合計で０．０１質量％以上、所望によりＳｉを０．１５質量％以上１．５質量％以下、Ａｌを０．０１質量％以上０．１質量％以下、Ｃｒを０．０５質量％以上０．５質量％以下、及びＣを０．００５質量％以上を溶解して、調整する。なお、電極材料における、Ｍｎの含有量（ｂ）とＴｉ、Ｖ、及びＮｂの合計含有量（ａ）との比（ａ／ｂ）が０．０２以上０．４以下となるように調整する。

このようにして調整した電極材料を所定の形状に加工して中心電極２及び／又は接地電極６を作製する。電極材料の調整及び加工を連続して行うこともできる。例えば、真空溶解炉を用いて、所望の組成を有する合金の溶湯を調製し、真空鋳造にて各溶湯から鋳塊を調製した後、この鋳塊を、熱間加工、線引き加工等して、所定の形状及び所定の寸法に適宜調整して、中心電極２及び／又は接地電極６を作製することができる。なお、内材８をカップ状に形成した外材７に挿入し、押し出し加工等の塑性加工にて中心電極２を形成することもできる。また、図２（ａ）に示されるように、接地電極６１が外部層１２とこの外部層１２の軸心部に埋め込まれるように設けられた軸部１３とにより形成されてなる場合には、軸部１３をカップ状に形成した外部層１２に挿入し、押し出し加工等の塑性加工した後、略角柱状に塑性加工したものを、接地電極６１にすることができる。

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４の端面に、接地電極６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。接地電極が接合された主体金具を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良い。また、接地電極にめっきが付いていても良く、接地電極にめっきが付かないようにマスキングをしても良く、接地電極に付いためっきを別途剥離しても良い。次いで、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、中心電極２を絶縁体３に公知の手法により組み付け、接地電極６が接合された主体金具４にこの絶縁体３を組み付ける。そして、接地電極６の先端部を中心電極２側に折り曲げて、接地電極６の一端が中心電極２の先端部と対向するようにして、スパークプラグ１が製造される。

本発明に係るスパークプラグは、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９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は、如何なる内燃機関にも使用することができるが、高熱伝導性、高強度を維持しつつ腐食用新生異物の形成を抑制することのできる中心電極及び／又は接地電極を備えているから、特に、高温及び高酸素濃度となる内燃機関に好適に使用されることができる。

この発明に係るスパークプラグ１は、前記した実施例に限定されることはなく、本願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、前記スパークプラグ１は、中心電極２の先端面と接地電極６における一端の表面とが、中心電極２の軸線方向で、火花放電間隙Ｇを介して対向するように配置されているが、この発明において、図２（ａ）及び（ｂ）に示されるように、中心電極２の側面と接地電極６１，６２における一端の先端面が、中心電極２の半径方向で、火花放電間隙Ｇを介して対向するように配置されていてもよい。この場合に、中心電極２の側面に対向する接地電極６１，６２は、図２（ａ）に示されるように単数が設けられても、図２（ｂ）に示されるように複数が設けられてもよい。

また、前記スパークプラグ１は、中心電極２及び接地電極６が共に前記電極材料で形成されているが、この発明において、中心電極のみが前記電極材料で形成されていてもよく、接地電極のみが前記電極材料で形成されていてもよい。この発明に係るスパークプラグは、通常、中心電極よりも接地電極の方がより高温に曝されるため、少なくとも接地電極を前記電極材料で形成するのが好ましい。なお、中心電極２が前記電極材料以外の材料で形成される場合には、例えば、外材７が前記電極材料以外の公知のＮｉ合金等で形成され、内材８がＣｕ又はＡｇ等の熱伝導性に優れた金属材料により形成される。

前記スパークプラグ１は、図１（ｂ）に示されるように、接地電極６全体が前記電極材料により形成されているが、図２（ａ）に示されるように、接地電極６１が、外部層１２と、外部層１２の内部の軸心部に同心に埋め込まれるように設けられた軸部１３とにより形成され、外部層１２が前記電極材料、軸部１３がＣｕを主成分とする金属材料により形成されてもよい。あるいは、図２（ｂ）に示されるように、接地電極６２が、外部層１４と、外部層１４の内部の軸心部に同心に埋め込まれるように設けられた軸部１５と、軸部１５と外部層１４との間に軸部１５を覆うように設けられた中間層１６とにより形成され、外部層１４が前記電極材料、中間層１６がＣｕを主成分とする金属材料、軸部１５がＮｉを主成分とする金属材料により形成されてもよい。このような構造を有する接地電極は、熱引きがよく、高温になった接地電極の温度を効果的に下げることができる。

さらに、前記スパークプラグ１は、中心電極２及び接地電極６を備えているが、この発明においては、中心電極の先端部及び接地電極の表面の両方又はいずれか一方に、貴金属チップを備えていてもよい。中心電極の先端部及び接地電極の表面に形成される貴金属チップは、通常、円柱又は角柱形状を有し、適宜の寸法に調整され、適宜の溶接手法例えばレーザ溶接又は電気抵抗溶接により中心電極の先端部、接地電極の表面に溶融固着される。この場合、対向する２つの貴金属チップの表面の間に形成される間隙、又は貴金属チップの表面とこの貴金属チップに対向する中心電極２又は接地電極６の表面との間の間隙が前記火花放電間隙となる。この貴金属チップを形成する材料は、例えば、Ｐｔ、Ｐｔ合金、Ｉｒ、Ｉｒ合金等の貴金属が挙げられる。

＜スパークプラグ試験体の作製＞
通常の真空溶解炉を用いて、表１及び２に示す組成（質量％）を有する合金の溶湯を調製し、真空鋳造にて各溶湯から鋳塊を調製した。その後、この鋳塊を熱間鋳造にて直径４．２ｍｍの丸棒とした。この丸棒をカップ状に形成し、Ｃｕの内材をカップ状外材に挿入し、押し出し加工等の塑性加工後に線引き加工を施して、直径２．５ｍｍの複合材とし、直径４．２ｍｍの丸棒から線引き加工、塑性加工等を施し断面寸法１．６ｍｍ×２．８ｍｍの線材とし、前記複合材をスパークプラグ試験体の中心電極、前記線材をスパークプラグ試験体の接地電極に作製した。

そして、公知の手法により、主体金具の一端面に前記接地電極の一端部を接合し、次いで、セラミックで形成された絶縁体に前記中心電極を組み付け、接地電極が接合された主体金具にこの絶縁体を組み付けた。そして、接地電極の先端部を中心電極側に折り曲げて、接地電極の一端が中心電極の先端部と対向するようにして、スパークプラグ試験体を製造した。

なお、製造されたスパークプラグ試験体のねじ径はＭ１４であり、絶縁体の端面から軸線方向に突出する中心電極の端面までの長さを示す中心電極出寸法は３ｍｍ、主体金具の端面から軸線方向に突出する絶縁体の端面までの長さを示す絶縁体出寸法は３ｍｍ、中心電極の端面とこの中心電極に対向する接地電極の表面との間の火花放電間隙は１．１ｍｍであった。

＜評価方法＞
（腐食様新生異物の形成）
前述のように製造したスパークプラグ試験体を、２０００ｃｃ、６気筒のガソリンエンジンに取り付け、スロットル全開状態で、エンジン回転数５０００ｒｐｍの状態を維持し、１００〜２００時間の運転を行った。なお、燃料は無鉛ガソリンを使用した。
腐食様新生異物の形成状態にいては、拡大鏡（×５０）を用いて、接地電極の表面に腐食様新生異物が形成されているか否かを目視により判断し、以下の基準に基づいて評価した。結果を表１及び２に示す。
×：１００時間の運転で腐食様新生異物が観察された場合。
○：１５０時間の運転で腐食様新生異物が観察された場合。
◎：２００時間の運転で腐食様新生異物が観察された場合。
☆：２００時間の運転で腐食様新生異物が観察されなかった場合。

（強度試験）
前述のように製造したスパークプラグ試験体を、接地電極が１０００℃になるように加熱しつつ、周波数４０Ｈｚ、加速度３０Ｇにて、振動試験を行い、以下の基準に基づいて評価した。結果を表１及び２に示す。
×：４時間未満の振動試験で折損した場合。
○：４時間以上８時間未満の振動試験で折損した場合。
◎：８時間の振動試験で折損しなかった場合。

（熱伝導性試験）
前述のように製造したスパークプラグ試験体と同様の寸法を有し、かつ中心電極の外材と接地電極とが純Ｎｉで形成されたスパークプラグを、接地電極の温度が１０００℃になるようにバーナーで加熱した。この加熱条件と同じ条件で、前述のように製造したスパークプラグ試験体をバーナーで加熱し、接地電極の温度を放射温度計で測定し、以下の基準に基づいて評価した。結果を表１及び２に示す。
×：接地電極の温度が１０５０℃を超えた場合。
○：接地電極の温度が１０００〜１０５０℃であった場合。

本願発明の範囲に含まれる電極材料で形成された電極を備えたスパークプラグは、表１及び表２に示されるように、腐食様新生異物が形成され難く、高強度であり、高熱伝導性を有していた。

一方、本願発明の範囲外にある電極材料で形成された電極を備えたスパークプラグは、表１及び２に示されるように、腐食様新生異物の形成、強度及び熱伝導性の少なくとも１つの特性が劣っていた。

比較例１〜３は、Ｔｉ、Ｖ及びＮｂを含有せず、比較例４〜８は、Ｍｎの含有率及び比（ａ／ｂ）が本願発明の範囲外にあり、いずれも腐食様新生異物の形成に関する評価が劣っていた。比較例９〜１２は、比（ａ／ｂ）が本願発明の範囲外にあり、腐食様新生異物の形成に関する評価が劣っていた。比較例１３〜１５は、Ｙ及び／又は希土類元素の含有率が本願発明の範囲より少なく、強度に関する評価が劣っていた。比較例１６は、Ｙ及び／又は希土類元素の含有率が本願発明の範囲より多く、腐食様新生異物の形成に関する評価が劣っていた。比較例１７〜２２は、Ｎｉの含有率が本願発明の範囲より少なく、熱伝導率に関する評価が劣っていた。

１，１０１，１０２ スパークプラグ
２ 中心電極
３ 絶縁体
４ 主体金具
６，６１，６２ 接地電極
７ 外材
８ 内材
９ ネジ部
１０ タルク
１１ パッキン
１２，１４ 外部層
１３，１５ 軸部
１６ 中間層
Ｇ 火花放電間隙

Claims (9)

1. 中心電極、及び前記中心電極との間に間隙を有するように設けられた接地電極を備え、前記中心電極及び前記接地電極のいずれか少なくとも一方がＮｉを９６質量％以上含有する電極材料により形成されて成るスパークプラグにおいて、
   前記電極材料は、Ｙと希土類元素とからなる群より選択される少なくとも１種を合計で０．０５質量％以上０．４５質量％以下、Ｍｎを０．０５質量％以上、及びＴｉとＶとＮｂとからなる群より選択される少なくとも１種を合計で０．０１質量％以上含有し、かつ
   Ｍｎの含有量（ｂ）とＴｉ、Ｖ、及びＮｂの合計含有量（ａ）との比（ａ／ｂ）が０．０２以上０．４０以下であることを特徴とするスパークプラグ。
2. 前記比（ａ／ｂ）が０．０３以上０．２９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。
3. 前記比（ａ／ｂ）が０．０４以上０．１４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。
4. 前記電極材料は、Ｓｉを０．１５質量％以上１．５質量％以下含有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。
5. 前記電極材料は、Ａｌを０．０１質量％以上０．１質量％以下含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のスパークプラグ。
6. 前記電極材料は、Ｃｒを０．０５質量％以上０．５質量％以下含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のスパークプラグ。
7. 前記電極材料は、Ｃを０．００５質量％以上含有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のスパークプラグ。
8. 前記電極材料は、Ｔｉを含有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のスパークプラグ。
9. 少なくとも前記接地電極が前記電極材料により形成されてなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のスパークプラグ。

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