WO2011155509A1 - 耐火花消耗特性に優れた点火プラグ電極用の材料 - Google Patents

耐火花消耗特性に優れた点火プラグ電極用の材料 Download PDF

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邦弘 田中
宗樹 中村
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田中貴金属工業株式会社
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    • C22C5/00—Alloys based on noble metals
    • C22C5/04—Alloys based on a platinum group metal
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/39—Selection of materials for electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a material constituting the center electrode and the ground electrode of the spark plug, and provides a material excellent in discharge characteristics and durability, particularly durability against spark consumption.
  • An ignition plug for an internal combustion engine is required to have excellent wear resistance so that it can be used for a long time even in a harsh environment in a combustion chamber.
  • materials composed of Ir, Pt, Ni, and alloys thereof are used as constituent materials of the center electrode and the ground electrode, which are the main members (Patent Document 1). These materials are known as excellent plug electrode materials that have a high melting point and are not easily oxidized and consumed even in a high-temperature, high-oxidation combustion chamber.
  • the present invention provides a material for a plug electrode that is excellent not only in oxidation resistance but also in spark consumption, and further considering discharge characteristics during use.
  • the present invention that solves the above-mentioned problems is a plug electrode material, comprising Cu in an amount of 5% by mass to 30% by mass, Rh in an amount of 0.1% by mass to less than 10% by mass, and the balance Pt. It is.
  • the plug electrode material according to the present invention is a ternary alloy obtained by adding Cu (copper) to platinum and further adding a noble metal Rh (rhodium).
  • a noble metal Rh rhodium
  • the composite of the two kinds of metals Cu and Rh can reduce the discharge voltage and improve the durability against spark consumption.
  • the object of the present invention cannot be achieved by adding only Cu or Rh. That is, when only Cu is added, the effect of improving the spark erosion is thin, whereas an alloy containing only Rh (corresponding to the prior art) cannot be expected to reduce the discharge voltage.
  • the amount of each alloy metal added is limited. According to the present inventors, when the amount of each metal added is outside the proper range, the spark consumption and discharge characteristics are deteriorated and the oxidation consumption is increased. That is, it is necessary to limit the amount of each alloy metal added in order to achieve a good balance of spark consumption, discharge characteristics, and oxidation consumption.
  • Cu mainly has the effect of reducing the discharge voltage of the alloy material.
  • the amount of addition is 5 to 30% by mass. If the amount is less than 5% by mass, the discharge voltage is unlikely to decrease. Moreover, 8 mass% or more is preferable and, as for content of Cu, 10 mass% or more is especially preferable. This is because the discharge voltage is particularly low.
  • the Pt alloy of the present invention contains 0.1% by mass to less than 10% by mass of Rh in addition to the above Cu content.
  • the discharge voltage is further lowered, and the consumption of the electrode due to spark discharge is reduced.
  • the consumption area after spark discharge is reduced to about 40% compared to a Pt alloy containing only Cu.
  • variations in discharge voltage are reduced, and voltage stability is improved.
  • the present invention is characterized in that even if the Rh content is small as described above, the plug material has high wear resistance and excellent discharge characteristics. This is because when the content of Rh is high, it is difficult to form a solid solution during the production of the alloy, and the produced alloy tends to be difficult to process.
  • Rh content is 0.1% by mass or more to less than 10% by mass. If the content is less than 0.1% by mass, it is difficult to obtain the effect of suppressing the consumption due to spark discharge. This is because it tends to vary. Rh is preferably 0.3% by mass to 9.5% by mass, particularly preferably 0.7% by mass to 8.5% by mass. The discharge voltage tends to be particularly low.
  • the Pt alloy of the present invention described above can be manufactured by mixing constituent metals, melting and casting, and using the obtained Pt alloy as a plate or wire and then cutting it to a desired length It can be used as a spark plug by processing it into a noble metal tip.
  • the Pt alloy of the present invention is a plug material that has both high temperature oxidation resistance and spark resistance consumption. In addition, the material has less variation in discharge voltage and improved stability.
  • discharge characteristics The discharge voltage was measured using a ⁇ 0.6 mm noble metal wire. A noble metal wire was used as a center electrode and a ground electrode, and the gap between them was 1.0 mm. Discharge for 140 hours in a nitrogen atmosphere (6 atm) and measure voltage for about 2 minutes at 28-minute intervals. While obtaining the maximum voltage and the average voltage in each measurement section, the maximum value of the entire maximum voltage, the average value of the average voltage, and the standard deviation of each were calculated.
  • the amount of consumption due to spark consumption was also evaluated.
  • the spark consumption was evaluated by measuring the size of the tip of the noble metal tip before and after the discharge characteristics and measuring the consumption area.
  • the Pt alloy contains Cu and is effective in reducing the average voltage.
  • an increase in the Cu content tends to lower the residual rate due to high-temperature oxidation of the Pt alloy.
  • the present invention takes into consideration the balance between the decrease in the discharge voltage and the consumption due to high temperature oxidation, with a discharge voltage of 10 kV or less and a high temperature oxidation residual ratio of 85% or more as a reference, and a Cu content of 5 to 30. Mass%.
  • a noble metal tip made of a Pt—Cu—Rh alloy was prepared, and the remaining rate after high-temperature oxidation and discharge characteristics were evaluated.
  • the precious metal tip was manufactured in the same manner as in the preliminary test, and the remaining rate after high-temperature oxidation, the discharge characteristics, and the evaluation of the amount of spark consumption thereafter were also the same.
  • Table 2 shows the evaluation results of noble metal tips made of Pt—Cu alloy (Cu 10%) as a comparison.
  • FIG. 1 shows the evaluation results for an alloy in which the Cu concentration is fixed (10% by mass) and the Rh concentration is changed.
  • Rh is added in excess of 10% by mass, the effect of improving the discharge characteristics is diminished, so Rh should be in a range not exceeding 10% by mass.
  • the present invention is a plug electrode material that has high wear resistance and can be used for a long period of time. In addition, there is little variation in the discharge voltage, and stability when using the plug is improved.

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Abstract

　本発明は、耐酸化消耗性、火花消耗性にも優れ、使用時の放電特性も考慮したプラグ電極用の材料を提供することを目的とする。　本発明は、Ｃｕを５質量％以上～３０質量％以下、Ｒｈを０．１質量％以上～１０質量％未満含み、残部Ｐｔからなるプラグ電極用材料である。本発明では、ＣｕとＲｈの２種の金属を複合的に合金化することで、放電電圧の低減、火花消耗への耐久性の向上を図るものであり、いずれか一方の金属のみの添加では、火花消耗性の改善効果が薄く、放電電圧の低減効果が期待できない。

Description

耐火花消耗特性に優れた点火プラグ電極用の材料
　本発明は、点火プラグの中心電極と接地電極を構成する材料に関し、耐久性、特に、火花消耗に対して耐久性が確保された材料であり放電特性に優れた材料を提供する。
　内燃機関用の点火プラグは、燃焼室内の過酷環境においても長期間使用できるよう、耐消耗性に優れることが求められる。かかる要求特性を満たすべく、その主要部材である中心電極および接地電極の構成材料として、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｎｉ、これらの合金からなる材料が用いられている（特許文献１）。これらの材料は、融点が高く、高温・高酸化性の燃焼室内でも酸化消耗し難い優れたプラグ電極用の材料として知られている。
特開２００９－２９５４２７号公報
　ところで、プラグ電極用の材料開発は、上記のような耐久性の向上に焦点が当てられることが多いが、電極（放電電極）に使用されるものである以上、その放電特性も重要であるといえる。特に、近年の自動車用エンジンは、内部温度の高温化や精密な電子制御化が進行しており、放電特性は材料選択の重要な指標となり得るものの、こうした検討は少なかった。
　また、従来のプラグ電極用材の耐久性に関する検討例は、上記のように、融点が高く、高酸化雰囲気下でも酸化による消耗が少ないものの開発に主眼がおかれたものが多かった。しかし、プラグ電極の消耗の要因には、酸化消耗の他、使用中に絶えず生じる火花による火花消耗もある。従って、従来の方針自体には間違いはないものの、これに火花消耗に対する耐性に関する観点を明確に付加する必要があるといえる。
　そこで本発明は、耐酸化消耗性のみならず火花消耗性にも優れ、更に、使用時の放電特性も考慮したプラグ電極用の材料を提供とする。
　上記課題を解決する本願発明は、プラグ電極用材料において、Ｃｕを５質量％以上～３０質量％以下、Ｒｈを０．１質量％以上～１０質量％未満含み、残部Ｐｔからなるプラグ電極用材料である。
　本発明に係るプラグ電極用材料は、白金にＣｕ（銅）を添加し、更に、貴金属であるＲｈ（ロジウム）を添加した３元系合金である。このように、ＣｕとＲｈの２種の金属を複合的に合金化することで、放電電圧の低減、火花消耗への耐久性を向上させることができる。このことは、Ｃｕ、Ｒｈのいずれかのみの添加では、本願発明の目的を達成することができないことを意味する。即ち、Ｃｕのみの添加では、火花消耗性の改善効果が薄く、一方、Ｒｈのみを添加した合金（従来技術に相当する）は、放電電圧の低減効果が期待できない。
　また、本発明では、各合金金属の添加量に制限がある。本発明者等によれば、各金属の添加量を適正範囲外とすると、火花消耗性や放電特性が悪化する他、酸化消耗が大きくなる。即ち、火花消耗性、放電特性、酸化消耗性のバランスを良好なものとするためには、各合金金属の添加量を制限することが必要である。
　以下、本発明に係るＰｔ合金の構成についてより詳細に説明する。Ｃｕは、主に合金材料の放電電圧低減の作用を有する。この添加量を５～３０質量％とするのは、５質量％未満では放電電圧が低下しにくく、３０質量％を超えると高温酸化により消耗しやすい傾向となる。また、Ｃｕの含有量は、８質量％以上が好ましく、１０質量％以上が特に好ましい。特に放電電圧が低くなるからである。
　本発明のＰｔ合金は、上記含有量のＣｕに加え、０．１質量％以上～１０質量％未満のＲｈを含むものである。少量のＲｈを含むことで、放電電圧がさらに低くなるとともに、火花放電による電極の消耗量が減少する。具体的には、Ｃｕのみを含むＰｔ合金に比べ、火花放電後の消耗面積が約４０％まで低減される。また、放電電圧のばらつきも低下し、電圧安定性が向上する。本発明は、Ｒｈの含有量が上記のように少量であっても、耐消耗性の高く放電特性に優れたプラグ材料となる点に特徴を有する。Ｒｈの含有量が高くなると、合金製造時に固溶しにくく、また製造した合金も加工しにくい傾向になるためである。
　Ｒｈの含有量は０．１質量％以上～１０質量％未満とするのは、０．１質量％未満では、火花放電による消耗の抑制効果が得られにくく、１０質量％以上では、放電電圧がばらつきやすい傾向となるからである。また、Ｒｈは０．３質量％以上～９．５質量％以下が好ましく、０．７質量％以上～８．５質量％以下が特に好ましい。放電電圧が特に低い傾向となる。
　以上説明した本発明のＰｔ合金は、構成金属を混合し、溶解・鋳造を行うことで製造することができ、得られたＰｔ合金を板材や線材とした後、所望の長さに切断する方法等によって貴金属チップに加工して、スパークプラグとして使用可能となる。
　本発明のＰｔ合金は、耐高温酸化消耗と耐火花消耗を兼ね備えたプラグ材料である。また、放電電圧のばらつきが少なく、安定性の向上した材料である。
Ｐｔ－Ｃｕ－Ｒｈ合金（Ｃｕ濃度１０質量％）のＲｈ含有量に対する耐消耗性の評価結果。
　以下、本発明の好適な実施例を説明する。まず、予備試験として、ＰｔへのＣｕ添加による放電特性への影響を確認するため、Ｐｔ－Ｃｕ合金の特性評価を行った。
　原材料として、Ｐｔ及び合金金属（Ｃｕ）の小片（寸法：２～１０ｍｍ）を用意し、所定の合金組成となるよう水冷銅鋳型に装填した。そして、高周波誘導加熱法（浮揚溶解法）にて不活性ガス中で溶解・鋳造した。溶解条件は、出力４０ｋＷ、周波数２５０ｋＨｚとし、均一な組成とすべく合金全体を溶融した。合金溶融後、出力をコントロールし、２００℃／分の冷却速度で徐冷させて残存ガスを排出し、ボイドのないマーブル状インゴット（直径１５ｍｍ、厚さ８ｍｍ）を製造した。次に、製造したマーブル状インゴットを水冷銅鋳型に互いに接触するように並べ、接触部分についてアルゴンアークを照射して溶解・接合した。
　マーブル状インゴットの一体化をした後、熱間鍛造し、１２ｍｍ角のインゴットに成型した。そして、その後溝圧延、スウェージング加工、ダイス引き加工を行い、直径０．６ｍｍの線材とした。これらの加工過程においては、断面減少率２０％から５０％とする段階で１０００℃～１２００℃の熱処理を行った。この線材から、長さ０．８ｍｍの貴金属チップを切り出した。以上の加工の過程において、被加工材料に顕著な割れ、断線はみられなかった。また、加工後の線材について金属組織を観察したところ、結晶粒径の揃った均質な材料であった。得られた貴金属チップについて、下記のように高温酸化後の残存率、放電特性の評価を行った。
[耐高温酸化消耗]
製造した貴金属チップの耐高温酸化消耗性を評価した。チップを大気中で１２００℃で５０時間加熱し、試験前後の重量測定により、残存率を算出した。
[放電特性]
　φ０．６ｍｍの貴金属ワイヤーを用いて放電電圧を測定した。貴金属ワイヤーを中心極と接地極としその間のギャップは１．０ｍｍとした。窒素雰囲気(６気圧)で１４０時間放電し、２８分間隔で約２分間の電圧測定を行い。各測定区間における最大電圧、平均電圧を求めると共に、全体の最大電圧の最大値、平均電圧の平均値、それぞれの標準偏差を算出した。
　火花消耗による消耗量も評価の対象とした。火花消耗の評価は、放電特性前後の貴金属チップ先端部の寸法測定を行い、消耗面積を測定して評価した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１より、Ｐｔ合金は、Ｃｕを含むことにより平均電圧の低減に効果があることが分かった。一方、Ｃｕ含有量の増加は、Ｐｔ合金の高温酸化による残存率を低下させる傾向にある。このため、本発明は、放電電圧の低下と、高温酸化による消耗とのバランスを考慮して、放電電圧１０ｋＶ以下、高温酸化残存率が８５％以上を基準とし、Ｃｕの含有量を５～３０質量％としている。
　次に、Ｐｔ－Ｃｕ－Ｒｈ合金からなる貴金属チップを作成し、高温酸化後の残存率、放電特性の評価を行った。貴金属チップの製造は、予備試験と同様とし、高温酸化後の残存率、放電特性及びその後の火花消耗量の評価も同様とした。
　この評価結果を表２に示す。表２にはＰｔ－Ｃｕ合金（Ｃｕ１０％）からなる貴金属チップについての評価結果を、比較として示している。また、図１に、Ｃｕ濃度を固定し（１０質量％）、Ｒｈ濃度を変化させた合金についての評価結果を示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２及び図１より、Ｐｔ－Ｃｕ合金にＲｈを更に添加することで、火花消耗面積の低減が見られることが確認できた。また、放電特性についてみても、平均電圧の低下に加えて、最大電圧の低下効果も生じ、更に、それらのばらつき（標準偏差）も低下することが分かった。但し、Ｒｈは１０質量％を超えて添加すると放電特性の改善効果が薄れることから、Ｒｈは１０質量％を超えない範囲とすべきである。
　本発明は、耐消耗性が高く、長期間使用可能なプラグ電極用材料である。また、放電電圧のバラつきが少なく、プラグ使用時の安定性も向上する。

Claims (1)

  1. プラグ電極用材料において、
    Ｃｕを５質量％以上～３０質量％以下、Ｒｈを０．１質量％以上～１０質量％未満含み、残部Ｐｔからなるプラグ電極用材料。
     
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