WO2012039229A1 - スパークプラグの電極及びその製造方法、並びにスパークプラグ及びスパークプラグの製造方法 - Google Patents

スパークプラグの電極及びその製造方法、並びにスパークプラグ及びスパークプラグの製造方法 Download PDF

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柴田　勉
高明 鬼海
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Definitions

  • the present invention relates to an electrode of a spark plug, a manufacturing method thereof, and a spark plug and a manufacturing method of the spark plug.
  • the center electrode and grounding electrode of the spark plug of an internal combustion engine tend to be used at higher temperatures as the performance of the internal combustion engine increases.
  • the electrode material deteriorates. It is necessary to improve the heat pulling. Therefore, it has been proposed to use an electrode having a nickel alloy having excellent corrosion resistance as a skin and a metal having a higher thermal conductivity than that of the nickel alloy as a core (for example, Patent Document 1).
  • Copper is preferred as the core material because of its high thermal conductivity, but there is a large difference in thermal expansion coefficient from the nickel alloy that is the outer shell, and the core deforms due to thermal stress, creating a gap at the interface between the outer shell and the core. It becomes like this. As a result, the heat dissipation of the electrode material is degraded, and the life as a spark plug is shortened. In order to prevent gaps at the interface between the outer skin and the core, the difference in thermal expansion coefficient between them can be reduced.
  • the nickel alloy of the outer skin is corrosion resistant and the core copper is responsible for high thermal conductivity. Can't hope. Since the core is deformed, increasing the strength of the core is also a solution.For example, solid solution strengthening by alloying can be considered. It does n’t come.
  • a method of increasing the strength of the core by suppressing grain growth during overheating by dispersing ceramic powder can be considered, but since the thermal conductivity of ceramic is lower than that of copper, the thermal conductivity of the core decreases.
  • a processing jig such as a cutting jig, a cutting jig, or a molding die is shortened due to contact / abrasion with ceramic.
  • nickel or iron may be used because it has a thermal expansion coefficient close to that of a nickel alloy, high strength, and is cheaper than copper. However, it is as low as Cu in terms of thermal conductivity. Absent.
  • the present invention provides a spark-bragged electrode composed of a nickel alloy skin and an inner core, resists thermal stress generated in the outer skin and the inner core, suppresses gaps due to deformation, and improves thermal conductivity.
  • An object of the present invention is to provide an electrode having heat dissipation more than that of copper. Moreover, it aims at providing the spark plug which has the said electrode and is excellent in durability.
  • the present invention provides the following.
  • An electrode serving as at least one of a center electrode and a ground electrode of the spark plug A composite in which copper or a metal mainly composed of copper is used as a base metal, and carbon having a thermal conductivity higher than that of the base metal is dispersed in the base metal at a rate of 10 to 80% by volume.
  • An electrode of a spark plug characterized in that at least a part of a core made of a material is surrounded by an outer skin made of nickel or nickel-based metal.
  • the carbon is at least one selected from carbon powder, carbon fiber, and carbon nanotube.
  • an insulator having an axial hole extending in the axial direction; A center electrode held in the shaft hole; A metal shell provided on the outer periphery of the insulator; A spark plug including a base electrode joined to the metal shell and a ground electrode that forms a gap between the tip of the metal shell and the tip of the center electrode, At least one of the center electrode and the ground electrode is the electrode according to any one of the above (1) to (7).
  • an insulator having an axial hole extending in the axial direction; A central electrode held on the axially leading end side of the axial hole; A metal shell provided on the outer periphery of the insulator; A method for producing a spark plug comprising a base electrode joined to the metal shell, and a ground electrode that forms a gap between the tip and the tip of the center electrode,
  • a base metal made of copper or a metal mainly composed of copper, and carbon having a thermal conductivity higher than the thermal conductivity of the base metal
  • the carbon is mixed at a ratio of 10 to 80% by volume and compacted or sintered to form a core, and the core is formed in a concave portion of a cup made of nickel or a metal containing nickel as a main component.
  • the center electrode or the ground electrode is manufactured by cold working.
  • an insulator having an axial hole extending in the axial direction; A central electrode held on the axially leading end side of the axial hole; A metal shell provided on the outer periphery of the insulator;
  • a method for producing a spark plug comprising a base electrode joined to the metal shell, and a ground electrode that forms a gap between the tip and the tip of the center electrode, In the step of manufacturing at least one of the center electrode or the ground electrode, a base metal melt made of copper or a metal containing copper as a main component has a thermal conductivity higher than that of the base metal.
  • a carbon pre-sintered body is impregnated so that the carbon is in a proportion of 10 to 80% by volume to form a core, and the core is formed in a concave portion of a cup made of nickel or a metal containing nickel as a main component.
  • the center electrode or the ground electrode is manufactured by cold working.
  • the mixture is compacted or sintered to form a core, and the core is accommodated in a concave portion of a cup made of nickel or nickel-based metal, and then cold-worked into a predetermined shape.
  • a method of manufacturing a spark plug electrode (12) A method of manufacturing at least one of a center electrode and a ground electrode of a spark plug, A melt of a base metal composed of copper or a metal containing copper as a main component is converted into a carbon pre-sintered body having a thermal conductivity higher than the thermal conductivity of the base metal, and 10 to 80 volumes of the carbon.
  • the core is formed by impregnation so as to have a ratio of%, and the core is accommodated in a concave portion of a cup made of nickel or nickel-based metal, and then cold worked into a predetermined shape.
  • a method of manufacturing a spark plug electrode is provided.
  • the electrode of the spark plug of the present invention has a small difference in thermal expansion coefficient between the nickel alloy shell and the core, and can prevent a gap from occurring at the interface between the shell and the core.
  • copper or copper alloy with excellent thermal conductivity is used as the core material, and a composite material in which carbon having thermal conductivity several times higher than that of copper is used. It will be. Furthermore, the workability is good and the burden on the processing jig is reduced.
  • the spark plug of the present invention has good heat dissipation of the electrode and is excellent in durability.
  • FIG. 2A and FIG. 2B are diagrams showing a manufacturing process of a workpiece when manufacturing the center electrode.
  • 3 (a) to 3 (c) are half cross-sectional views showing the workpiece extrusion process when manufacturing the center electrode.
  • FIG. 1 is a sectional view showing an example of a spark plug.
  • the spark plug 1 holds a center electrode 4 having a flange on the front end side of the shaft hole 3, and a conductive glass seal together with a terminal electrode 6 at the rear end of the shaft hole 3.
  • An insulator 2 in which the resistor 8 is enclosed and held in the shaft hole 3 with the material 7 interposed therebetween, and the insulator 2 is fixed to the stepped seat 12 via the packing 13 and the tip of the screw portion 10 Is composed of a metal shell 9 in which a ground electrode 11 is arranged at a position facing the tip of the center electrode 4 held by the insulator 2.
  • the center electrode 4 has a configuration in which a core 14 formed by dispersing carbon in a base metal is surrounded by a skin 15 made of a nickel alloy.
  • nickel alloy of the outer skin material there is no limit to the nickel alloy of the outer skin material, and it may be Inconel (registered trademark name of Special Metals Corporation: hereinafter the same) system, or a high Ni system (Ni ⁇ 96%) material. Also good.
  • Carbon preferably as those high thermal conductivity, more preferably those of 450W / m ⁇ K -1 or more, 600W / m ⁇ K -1 or more, more preferably particularly not less than 700W / m ⁇ K -1 preferable.
  • the thermal conductivity of the carbon nanotube is a 3000 ⁇ 5500W ⁇ m -1 ⁇ K -1 at room temperature, copper 390 W ⁇ m -1 -Remarkably high and preferable compared to K- 1 .
  • the thermal expansion coefficient of carbon is as low as 1.5 to 2 ⁇ 10 ⁇ 6 / K, for example, and the thermal expansion coefficient of the entire core is lowered to reduce the difference in thermal expansion coefficient from the nickel alloy that is the outer skin material. Can do.
  • carbon has an average length of a long diameter portion of 0.1 to 2000 ⁇ m, particularly 2 to 300 ⁇ m in carbon nanotubes, and an average particle size of 2 ⁇ m in carbon powder.
  • the average fiber length is preferably 2 ⁇ m or more and 2000 ⁇ m or less, and particularly preferably 2 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less. If both are smaller than the lower limit, the interface area between the base metal of the composite material and the carbon increases, and the composite material is divided to reduce ductility, or it is difficult to obtain an effect of increasing the strength. After processing into holes, voids are generated inside.
  • the carbon content in the composite material is 10% by volume or more and 80% by volume or less.
  • the type of base metal and carbon is selected. It is selected as appropriate.
  • the higher the thermal conductivity of the composite material the more preferable, 450 W / m ⁇ K or more is more preferable, and 500 W / m ⁇ K or more is particularly preferable.
  • the thermal conductivity and the carbon content of the composite can be obtained by the following method.
  • the volume and weight of the composite are measured and immersed in an acidic solution such as sulfuric acid to dissolve only the base metal (for example, copper). The remaining residue is carbon, and the weight of the base metal is calculated from the weight.
  • the volume of the base metal is calculated from the weight and density of the base metal (for example, 8.93 g / cm 3 for copper), and the carbon content is calculated from the ratio to the volume of the original composite material.
  • the metal base material is an alloy
  • the composition may be quantitatively analyzed, and the density measured separately may be used after producing the alloy of the same composition (for example, arc melting).
  • a base metal powder and carbon may be mixed in a dry manner so as to achieve the above ratio, and compacted or sintered.
  • a press of 100 MPa or more is appropriate.
  • 90% of the base metal melting point is a standard. If pressure is applied during sintering (HIP: 1000 atm. 900 ° C. or hot pressing), the sintering temperature can be set low.
  • a carbon pre-sintered body may be prepared, and the pre-sintered body may be immersed in a base metal melt to impregnate the base metal with the base metal.
  • a cylindrical body 14 a made of a composite material that becomes the core 14 is formed in the hole 16 of the cup 15 a made of a nickel alloy that becomes the outer skin 15.
  • the hole bottom 17 of the hole 16 of the cup 15a may be fan-shaped with a predetermined apex angle ⁇ as illustrated, or may be formed flat.
  • work 20 with which the cup 15a and the cylinder 14a were integrated as shown in FIG.2 (b) is formed by accommodating the cylinder 14a in the cup 15a, and pressing the cylinder 14a from upper part.
  • the workpiece 20 is inserted into the insertion portion 31 of the die 30, pressed from the upper portion with a punch 32, and extruded to form a small-diameter portion 21 having a predetermined dimension.
  • FIG. 3B after the rear end portion 22 is cut, the remaining small diameter portion 21 is further extruded, and finally, as shown in FIG. A center electrode 4 having a narrow-diameter portion 23 smaller in diameter than the portion 21 and having a locking portion 41 protruding in a hook shape so as to be locked to the stepped seat 12 of the shaft hole 3 of the insulator 2 at the rear end. Is produced.
  • the center electrode 4 has an outer skin 15 made of a nickel alloy and an inner core 14 made of a composite material. Moreover, these extrusion molding can be performed cold.
  • the workpiece 20 shown in FIG. 2B is stretched in the axial direction, and the cylindrical body 14a is also stretched accordingly. Therefore, the composite material forming the cylindrical body 14a is also in an initial state, that is, a green compact of a base metal powder and carbon or a sintered body, or a carbon sintered body impregnated with a base metal. The connected carbons are separated and dispersed in the base metal.
  • the center electrode 4 has been described as an example.
  • the ground electrode 11 may have a similar nickel alloy outer skin 15 and a composite material as the core 14.
  • a cup 15 a made of a nickel alloy may be used.
  • the workpiece 20 containing the cylindrical body 14a made of a composite material may be extruded into a rod shape and bent so as to face the tip of the center electrode 4.
  • the ground electrode 11 has a two-layer structure of a core 14 made of a composite material and an outer skin 15 made of a nickel alloy, and further, pure Ni A three-layer structure in which a central member 18 made of Pure Ni plays a role of preventing deformation of the ground electrode 11 and prevents bending of the ground electrode during the spark plug manufacturing process and rising of the ground electrode after mounting the engine.
  • a cylindrical body having pure Ni as an axis and a composite material disposed around the workpiece 20 shown in FIG. 2B is manufactured, and this cylindrical body is cup 15a. What is necessary is just to accommodate in the hole part 16.
  • Test 1 As shown in Table 1, carbons having different thermal conductivities were prepared, and the compounding amount was changed and blended with copper to prepare a composite material. About each composite material, each value was measured according to each measuring method of said (1) thermal conductivity and (2) carbon content of a composite material. For reference, Inconel 601 (INC601) that does not disperse carbon was used. The results are also shown in Table 1.
  • a cup made of a nickel alloy containing 20% by mass of chromium, 1.5% by mass of aluminum and 15% by mass of iron, and the balance nickel Each composite was accommodated to produce a workpiece, and extruded into a center electrode and a ground electrode. Then, the center electrode and the ground electrode thus prepared are cut along the axis, the cut surface is polished, and the cross section is observed with a metal microscope, and a gap or void is generated at the boundary between the outer skin and the core. I checked to see if it was. The results are also shown in Table 1.
  • large void means a diameter of 100 ⁇ m or more
  • small void means a diameter less than 100 ⁇ m
  • void fine means a diameter of 50 ⁇ m or less.
  • large interfacial gap indicates a length of 100 ⁇ m or more.
  • a spark plug specimen was produced using the produced center electrode and ground electrode, and mounted on a 2000 cc engine. And after hold
  • Test 2 As shown in Table 2, carbon powders having different average particle diameters or carbon fibers having different average fiber lengths were prepared and blended so that the carbon content was 40% by volume with respect to copper to prepare a composite. The theoretical density is obtained for each composite material, and the ratio (theoretical density ratio) with the actual density is also shown in Table 2.
  • each composite material was accommodated in a cup made of a nickel alloy and processed into a center electrode and a ground electrode. At that time, the processability to the electrodes was evaluated, and the results are shown in Table 2. Evaluation is made by cutting the center electrode and the ground electrode along the axis, polishing the cut surface, observing a cross section with a metal microscope, and aiming at the position of the composite material from the tip of the nickel electrode (outer skin) to 4 mm. On the other hand, “ ⁇ ” is given when it is within 4.5 mm, “ ⁇ ” is given when it is within 5 mm, “ ⁇ ” is given when it is within 5.5 mm, and “X” is given when it is over 5.5 mm.
  • a spark plug having a small difference in thermal expansion coefficient between the outer skin and the core, good heat conduction, good heat dissipation, and excellent durability can be obtained.

Abstract

　本発明では、銅または銅を主成分とする金属を母材金属とし、母材金属の熱伝導度よりも高い熱伝導度を有するカーボンを１０～８０体積％の割合で母材金属に分散させた複合材からなる中芯を、ニッケルまたはニッケルを主成分とする金属からなる外皮で包囲して中心電極及び接地電極の少なくとも一方を作製する。このような電極は、外皮と中芯との熱膨張係数差が小さく、熱伝導が良好で熱引きが良くなり、耐久性に優れるスパークプラグが得られる。

Description

スパークプラグの電極及びその製造方法、並びにスパークプラグ及びスパークプラグの製造方法
　本発明は、スパークプラグの電極及びその製造方法、並びにスパークプラグ及びスパークプラグの製造方法に関する。
　内燃機関のスパークプラグの中心電極や接地電極は、内燃機関の高性能化に伴ってより高温で使用される傾向にあるが、燃焼による熱が蓄積すると電極材料が劣化するため、熱伝導性を高めて熱引きを良くすることが必要になる。そこで、耐食性に優れるニッケル合金を外皮とし、ニッケル合金よりも熱伝導度の高い金属を中芯とする電極を用いることが提案されている〈例えば、特許文献１〉。
日本国特開平５－３４３１５７号公報
　中芯材料としては熱伝導度が高いことから銅が好ましいが、外皮であるニッケル合金との熱膨張係数差が大きく、熱応力により中芯が変形し外皮と中芯との界面に隙間が生じるようになる。その結果、電極材料の放熱性が劣化し、スパークプラグとしての寿命が短いものとなる。外皮と中芯との界面の隙間を防ぐためには両者の熱膨張係数差を小さくすればよいが、外皮のニッケル合金には耐食性、中芯の銅には高熱伝導性を担うため組成の大きな変更は望めない。中芯が変形することから、中芯の強度を上げることも解決の手段となり、例えば合金化による固溶強化も考えられるが合金化により銅単独の場合よりも熱伝導が低下し大きな改善には至らない。
　また、セラミック粉体を分散させることにより過熱時の粒成長を抑制することにより中芯の強度を上げる手法も考えられるが、セラミックは銅より熱伝導が低いことから中芯の熱伝導度の低下に加えて、セラミックとの接触・磨耗により切削治具や切断治具、成形金型等の加工用治具の寿命が短くなるという不具合を招く。
　また、中芯材料として、ニッケル合金に熱膨張係数が近く、高強度、また銅よりも安価であることからニッケルや鉄等を用いることも考えられるが、熱伝導度の面でＣｕには及ばない。
　そこで本発明は、ニッケル合金の外皮と、中芯とで構成されるスパークブラグの電極において、外皮と中芯とに生じる熱応力に耐え変形による隙間を抑制し、かつ、熱伝導度を良好に維持、更には銅以上の放熱性を有する電極を提供することを目的とする。また、前記の電極を有し、耐久性に優れるスパークプラグを提供することを目的とする。
　上記の目的を達成するために本発明は、下記を提供する。
（１）スパークプラグの中心電極及び接地電極の少なくとも一方となる電極であって、
　銅または銅を主成分とする金属を母材金属とし、前記母材金属の熱伝導度よりも高い熱伝導度を有するカーボンを１０～８０体積％の割合で前記母材金属に分散させた複合材からなる中芯の少なくとも一部が、ニッケルまたはニッケルを主成分とする金属からなる外皮で包囲されていることを特徴とするスパークプラグの電極。
（２）前記カーボンの熱伝導度が４５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする上記（１）記載のスパークプラグの電極。
（３）前記複合材の熱伝導度が４５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする上記（１）または（２）記載のスパークプラグの電極。
（４）前記カーボンが、カーボン粉末、カーボン繊維及びカーボンナノチューブから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする上記（１）～（３）の何れか１項に記載のスパークプラグの電極。
（５）前記カーボン粉末の平均粒径が２μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする上記（４）記載のスパークプラグの電極。
（６）前記カーボン繊維の平均繊維長が２μｍ以上２０００μｍ以下であることを特徴とする上記（４）記載のスパークプラグの電極。
（７）前記カーボンナノチューブの長径部の平均長さが０．１μｍ以上２０００μｍ以下であることを特徴とする上記（４）記載のスパークプラグの電極。
（８）軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、
　前記軸孔に保持される中心電極と、
　前記絶縁体の外周に設けられた主体金具と、
　基端部が前記主体金具に接合され、自身の先端部と前記中心電極の先端部との間に間隙を形成する接地電極とを備えたスパークプラグであって、
　前記中心電極及び前記接地電極の少なくとも一方が、上記（１）～（７）の何れか１項に記載の電極であることを特徴とするスパークプラグ。
（９）軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、
　前記軸孔の前記軸線方向先端側に保持される中心電極と、
　前記絶縁体の外周に設けられた主体金具と、
　基端部が前記主体金具に接合され、その先端部と前記中心電極の先端部との間に間隙を形成する接地電極とを備えたスパークプラグの製造方法であって、
　前記中心電極又は前記接地電極の少なくとも一方を製造する工程において、銅または銅を主成分とする金属からなる母材金属と、前記母材金属の熱伝導度よりも高い熱伝導度を有するカーボンとを、前記カーボンが１０～８０体積％の割合となるように混合して圧粉または焼結して中芯を成形し、ニッケルまたはニッケルを主成分とする金属からなるカップの凹部に前記中芯を収容した後、冷間加工により前記中心電極または前記接地電極を製造することを特徴とするスパークプラグの製造方法。
（１０）軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、
　前記軸孔の前記軸線方向先端側に保持される中心電極と、
　前記絶縁体の外周に設けられた主体金具と、
　基端部が前記主体金具に接合され、その先端部と前記中心電極の先端部との間に間隙を形成する接地電極とを備えたスパークプラグの製造方法であって、
　前記中心電極又は前記接地電極の少なくとも一方を製造する工程において、銅または銅を主成分とする金属からなる母材金属の溶融物を、前記母材金属の熱伝導度よりも高い熱伝導度を有するカーボンの仮焼結体に、前記カーボンが１０～８０体積％の割合となるように含浸させて中芯を成形し、ニッケルまたはニッケルを主成分とする金属からなるカップの凹部に前記中芯を収容した後、冷間加工により前記中心電極または前記接地電極を製造することを特徴とするスパークプラグの製造方法。
（１１）スパークプラグの中心電極及び接地電極の少なくとも一方を製造する方法であって、
　銅または銅を主成分とする金属からなる母材金属と、前記母材金属の熱伝導度よりも高い熱伝導度を有するカーボンとを、前記カーボンが１０～８０体積％の割合となるように混合して圧粉または焼結して中芯を成形し、ニッケルまたはニッケルを主成分とする金属からなるカップの凹部に前記中芯を収容した後、所定形状に冷間加工することを特徴とするスパークプラグの電極の製造方法。
（１２）スパークプラグの中心電極及び接地電極の少なくとも一方を製造する方法であって、
　銅または銅を主成分とする金属からなる母材金属の溶融物を、前記母材金属の熱伝導度よりも高い熱伝導度を有するカーボンの仮焼結体に、前記カーボンが１０～８０体積％の割合となるように含浸させて中芯を成形し、ニッケルまたはニッケルを主成分とする金属からなるカップの凹部に前記中芯を収容した後、所定形状に冷間加工することを特徴とするスパークプラグの電極の製造方法。
　本発明のスパークプラグの電極は、ニッケル合金の外皮と、中芯との熱膨張係数差が小さく、外皮と中芯との界面に隙間が生じることを防ぐことができる。しかも、中芯材料として熱伝導度に優れる銅または銅合金を用い、更に銅よりも数倍高い熱伝導度を持つカーボンを分散させた複合材を用いたため、熱引きが良くなり耐久性に優れたものとなる。更には、加工性も良好で、加工用治具への負担も少なくなる。
　また、本発明のスパークプラグは、電極の熱引きが良く、耐久性に優れたもののとなる。
スパークプラグの一例を示す断面図である。 図２（ａ）と図２（ｂ）は、中心電極を製造する際のワークの製造工程を示す図である。 図３（ａ）～図３（ｃ）は、中心電極を製造する際のワークの押出工程を示す半断面図である。 接地電極の他の例を、軸線に直交する断面で示す模式図である。
　以下、本発明に関して、中心電極の製造方法を例示して説明する。
　図１はスパークプラグの一例を示す断面図である。図示されるように、スパ－クプラグ１は、軸孔３の先端側に鍔部を具えた中心電極４を保持し、軸孔３の後端には、端子電極６と共に、導電性ガラスシ－ル材７を挟んで抵抗体８をこの軸孔３内において内封、保持してなる絶縁体２と、この絶縁体２を段座１２にパッキン１３を介して固持すると共に、ネジ部１０の先端には絶縁体２に保持される中心電極４の先端と対向する位置に接地電極１１を配置してなる主体金具９から構成されている。
　本発明では、中心電極４を、母材金属にカーボンを分散させてなる中芯１４を、ニッケル合金からなる外皮１５で包囲した構成とする。
　外皮材料のニッケル合金には制限はなく、インコネル（スペシャルメタルズ社（Ｓｐｅｃｉａｌ　Ｍｅｔａｌｓ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）の登録商標名：以下同様）系であってもよく、高Ｎｉ系（Ｎｉ≧９６％）の材料であってもよい。
　中芯材料は、母材金属として熱伝導度に優れる銅または銅を主成分（即ち、最も多く含む）とする金属に、カーボンを分散させた複合材である。銅と合金化される金属成分としてはクロムやジルコニア、ケイ素等が挙げられる。
　カーボンは、熱伝導度が高いものほど好ましく、４５０Ｗ／ｍ・Ｋ－１以上のものがより好ましく、６００Ｗ／ｍ・Ｋ－１以上、さらに好ましくは７００Ｗ／ｍ・Ｋ－１以上のものが特に好ましい。具体的には、カーボン粉末やカーボン繊維、カーボンナノチューブが好ましく、中でもカーボンナノチューブの熱伝導度は、室温で３０００～５５００W・ｍ－１・Ｋ－１とされており、銅の３９０W・ｍ－１・Ｋ－１に比べても格段に高く好ましい。また、カーボンの熱膨張係数は例えば１．５～２×１０－６／Ｋと低く、中芯全体としての熱膨張係数を下げて外皮材料であるニッケル合金との熱膨張係数差を小さくすることができる。
　また、カーボンは、分散性や加工性を考慮すると、カーボンナノチューブでは長径部の平均長さが０．１μｍ以上２０００μｍ以下、特に２μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましく、カーボン粉末では平均粒径が２μｍ以上２００μｍ以下、特に７μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、カーボン繊維では平均繊維長が２μｍ以上２０００μｍ以下、特に２μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。何れも、下限よりも小さいと、複合材の母材金属とカーボンとの界面面積が増えることになり複合材を分断して延性が低下する、もしくは強度上昇効果が得られ難くなり、結果、電極に加工した後に内部に空孔が生じてしまう。カーボンナノチューブにおける下限値が粒や繊維より小さい理由は、カーボンナノチューブはチュ－ブ形状をしているため複合材母材金属との密着強度が高くなり（アンカー効果）、空孔が生じにくいためである。また、上限より大きくなると、複合材における理論密度が小さくなり、電極に加工した後に内部に空孔が残存してしまう傾向があり、更にその空孔が多くなると加工性が悪くなる。
　複合材におけるカーボンの含有量は、１０体積％以上８０体積％以下であり、外皮材料であるニッケル合金との熱膨張係数差や、熱伝導度を考慮して、母材金属及びカーボンの種類に応じて適宜選択される。尚、複合材の熱伝導度は高いほど好ましく、４５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上がより好ましく、５００Ｗ／ｍ・Ｋ以上が特に好ましい。
　尚、熱伝導度及び複合材のカーボン含有量は、下記の方法で求めることができる。
（１）熱伝導度
　微小領域が測定可能なサーモリフレクタンス法および周期加熱法を備えた熱物性顕微鏡（ベテル社製ＴＭ）用いて測定する。
（２）カーボン含有量
　複合体の体積と重量を測り、硫酸等の酸性溶液に浸漬して母材金属（例えば銅）のみを溶かし出す。残った残渣はカーボンであり、その重量から母材金属の重量が算出される。この母材金属の重量と密度（例えば銅では８．９３ｇ／ｃｍ３）から母材金属の体積が算出され、元の複合材の体積との比からカーボン含有量を算出する。ここで、金属母材が合金である場合は、その組成を定量分析し、別途、同組成合金を作製（例えば、アーク溶解）の上、測定した密度を用いても良い。
　複合材を作製するには、例えば、母材金属の粉末と、カーボンとを、上記比率となるように乾式で混合し、圧粉または焼結すればよい。圧粉条件としては、１００ＭＰａ以上のプレスが適当である。また、焼結条件としては、母材金属の融点以下で行う必要があり、常圧の場合、その母材融点の９０％が目安となる。尚、焼結の際に加圧（ＨＩＰ：例えば１０００気圧９００℃やホットプレス）するのであれば、焼結温度は低く設定することが出来る。
　あるいは、カーボンの仮焼結体を作製しておき、仮焼結体を母材金属の溶融物に浸漬して仮焼結体に母材金属を含浸させてもよい。
　中心電極４を製造するには、まず、図２（ａ）に示すように、外皮１５となるニッケル合金からなるカップ１５ａの孔部１６に、中芯１４となる複合材からなる筒体１４ａを収容する。尚、カップ１５ａの孔部１６の孔底１７は、図示のように所定の頂角θで扇状に広がっていてもよく、平坦に形成されていてもよい。そして、カップ１５ａに筒体１４ａを収容し、筒体１４ａを上部から押圧することにより、図２（ｂ）に示すようにカップ１５ａと筒体１４ａとが一体化したワーク２０が形成される。
　次いで、図３（ａ）に示すように、ワーク２０をダイス３０の挿入部３１に挿入し、上部からパンチ３２で押圧して押出し、所定寸法の小径部２１を形成する。そして、図３（ｂ）に示すように、後端部２２を切断した後、残った小径部２１を更に押出成形を行い、最終的に図３（ｃ）に示すように、先端側に小径部２１よりも小径の細径部２３を有し、後端に絶縁体２の軸孔３の段座１２に係止するように鍔状に突出した係止部４１が形成された中心電極４を製作する。この中心電極４は、ニッケル合金からなる外皮１５と、複合材からなる中芯１４とを有する。また、これらの押出成形は、冷間で行うことができる。
　上記の押出成形により、図２（ｂ）に示したワーク２０は軸線方向に延伸し、それに伴い筒体１４ａも延伸する。従って、筒体１４ａを形成する複合材も、当初の状態、即ち母材金属粉末とカーボンとの圧粉体や焼結体、あるいはカーボンの焼結体に母材金属を含浸させたものにおいて、連結しているカーボン同士が分離して母材金属中に分散するようになる。
　上記は中心電極４を例に説明したが、接地電極１１を同様のニッケル合金を外皮１５とし、複合材を中芯１４とする構成とすることもでき、その場合は、ニッケル合金からなるカップ１５ａに複合材からなる筒体１４ａを収容したワーク２０を棒状に押出し、中心電極４の先端と対向するように湾曲させればよい。
　また、接地電極１１は、図４に軸線と直交する断面図で示すように、複合材からなる中芯１４と、ニッケル合金からなる外皮１５との２層構造に、更に軸線の中心に純Ｎｉからなる中心材１８を配置した３層構造とすることもできる。純Ｎｉは接地電極１１の変形防止の役割を果たし、スパークプラグ製造工程時の接地電極の曲がりや、エンジン搭載後の接地電極起き上がり防止になる。このような３層構造とするには、図２（ｂ）に示したワーク２０において、純Ｎｉを軸心とし、その周囲に複合材を配置した筒体を作製し、この筒体をカップ１５ａの孔部１６に収容すればよい。
　以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
（試験１）
　表１に示すように、熱伝導度の異なるカーボンを用意し、配合量を変えて銅に配合して複合材を作製した。各複合材について、上記（１）熱伝導度及び（２）複合材のカーボン含有量の各測定方法に従い、それぞれの値を測定した。また、参考のためにカーボンを分散しないインコネル６０１（ＩＮＣ６０１）を用いた。結果を表１に併記する。
　また、図２（ａ）と図２（ｂ）に示すように、クロムを２０質量％、アルミニウムを１．５質量％及び鉄を１５質量％含み、残部ニッケルからなるニッケル合金からなるカップに、各複合材を収容してワークを作製し、中心電極及び接地電極に押出成形した。そして、作製した中心電極及び接地電極を、その軸線に沿って切断し、切断面を研磨して金属顕微鏡にて断面観察を行い、外皮と中芯との境界に隙間や中芯にボイドが発生していないかを調べた。結果を表１に併記するが、表中の「ボイド大」とは直径１００μｍ以上、「ボイド小」とは直径１００μｍ未満、「ボイド微小」とは直径５０μｍ以下を示しており、「界面隙間微小」とは長さ１００μｍ未満、「界面隙間大」とは長さ１００μｍ以上を示す。
　また、作製した中心電極及び接地電極を用いてスパークプラグ試験体を作製し、２０００ｃｃのエンジンに装着した。そして、エンジンを５０００ｒｐｍで１分間保持した後、アイドリングを１分間保持する１サイクルを２５０時間繰り返して冷熱サイクル試験を行った。試験後にスパークプラグをエンジンから取り外し、中心電極と接地電極とのギャップを投影機にて測定し、当初のギャップからの増加量を求めた。
　また、総合評価については、ギャップ増加量が８０μｍ以下で、ボイドが発生しない、もしくは界面隙間が微小の場合に「☆」、ギャップ増加量が８０μｍ超１００μｍ以下で、ボイドが発生しない、または発生しても微小の場合に「◎」、ギャップ増加量が１２０μｍ以下で、ボイドや界面隙間が微小の場合に「〇」、それ以外を「×」とした。上記の結果を表１に併記する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、カーボン含有量が１０体積％以上８０体積％以下である複合材を中芯に用いることにより、電極の熱引きが良くなったことに由来して消耗量が少なく、ギャップの増加が少ない。また、中芯にボイドが発生したり、外皮と中芯との界面に隙間が発生することも抑えられている。これに対し、カーボンの含有量が１０体積％未満ではギャップが増加し、ボイドの発生も見られる。また、カーボンの含有量が８０体積％を超える場合は、複合材の熱伝導度が高くなるものの、界面に隙間が発生しており、特にカーボンの含有量が８５体積％になると電極への加工が困難であった。そのため、カーボンの含有量が８５体積％の複合体については、ギャップ測定及び切断面の観察を行っていない。
（試験２）
　表２に示すように、平均粒径の異なるカーボン粉末または平均繊維長が異なるカーボン繊維を用意し、銅に対しカーボン含有量が４０体積％になるように配合して複合体を作製した。各複合材についてその理論密度を求め、実際の密度との比（理論密度比）を表２に併記する。
　また、試験１と同様にして、ニッケル合金からなるカップに各複合材を収容し、中心電極及び接地電極に加工した。その際、電極への加工性を評価し、結果を表２に示す。評価は、作製した中心電極及び接地電極を、その軸線に沿って切断し、切断面を研磨して金属顕微鏡にて断面観察を行い、ニッケル電極（外皮）先端からの複合材位置が狙い４ｍｍに対し４．５ｍｍ以内の場合に「◎」、５ｍｍ以内の場合に「〇」、５．５ｍｍ以内の場合に「△」、５．５ｍｍ超えの場合に「×」を付した。
　更に、試験１と同様に切断面を金属顕微鏡で観察して、中芯のボイドの有無を調べた。そして、表２にボイドが発生してない場合に「〇」を付し、ボイドが発生している場合は直径３０μｍ未満を「微小」、３０～５０μｍを「小」、５０μｍ超を「大」とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に示すように、カーボンサイズが大きくなるのに従って理論密度比が小さくなり、加工性も低下し、大きなボイドも発生しやすくなる。特に、カーボン粉末では平均粒径が２００μｍ超、カーボン繊維では平均繊維長が２０００μｍ超になると顕著になる。
　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
　本出願は、２０１０年９月２４日出願の日本特許出願（特願２０１０－２１３８３１）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　本発明によれば、中心電極や接地電極において、外皮と中芯との熱膨張係数差が小さく、熱伝導が良好で熱引きが良くなり、耐久性に優れるスパークプラグが得られる。
１　スパ－クプラグ
２　絶縁体
３　軸孔
４　中心電極
６　端子電極
７　導電性ガラスシ－ル材
８　抵抗体
９　主体金具
１０　ネジ部
１１　接地電極
１２　段座
１３　パッキン
１４　中心
１５　外皮
１４ａ　筒体
１５ａ　カップ
２０　ワーク

Claims (12)

  1. 　スパークプラグの中心電極及び接地電極の少なくとも一方となる電極であって、
    　銅または銅を主成分とする金属を母材金属とし、前記母材金属の熱伝導度よりも高い熱伝導度を有するカーボンを１０～８０体積％の割合で前記母材金属に分散させた複合材からなる中芯の少なくとも一部が、ニッケルまたはニッケルを主成分とする金属からなる外皮で包囲されていることを特徴とするスパークプラグの電極。
  2. 　前記カーボンの熱伝導度が４５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１記載のスパークプラグの電極。
  3. 　前記複合材の熱伝導度が４５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１または２記載のスパークプラグの電極。
  4. 　前記カーボンが、カーボン粉末、カーボン繊維及びカーボンナノチューブから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載のスパークプラグの電極。
  5. 　前記カーボン粉末の平均粒径が２μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項４記載のスパークプラグの電極。
  6. 　前記カーボン繊維の平均繊維長が２μｍ以上２０００μｍ以下であることを特徴とする請求項４記載のスパークプラグの電極。
  7. 　前記カーボンナノチューブの長径部の平均長さが０．１μｍ以上２０００μｍ以下であることを特徴とする請求項４記載のスパークプラグの電極。
  8. 　軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、
    　前記軸孔に保持される中心電極と、
    　前記絶縁体の外周に設けられた主体金具と、
    　基端部が前記主体金具に接合され、自身の先端部と前記中心電極の先端部との間に間隙を形成する接地電極とを備えたスパークプラグであって、
    　前記中心電極及び前記接地電極の少なくとも一方が、請求項１～７の何れか１項に記載の電極であることを特徴とするスパークプラグ。
  9. 　軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、
    　前記軸孔の前記軸線方向先端側に保持される中心電極と、
    　前記絶縁体の外周に設けられた主体金具と、
    　基端部が前記主体金具に接合され、その先端部と前記中心電極の先端部との間に間隙を形成する接地電極とを備えたスパークプラグの製造方法であって、
    　前記中心電極又は前記接地電極の少なくとも一方を製造する工程において、銅または銅を主成分とする金属からなる母材金属と、前記母材金属の熱伝導度よりも高い熱伝導度を有するカーボンとを、前記カーボンが１０～８０体積％の割合となるように混合して圧粉または焼結して中芯を成形し、ニッケルまたはニッケルを主成分とする金属からなるカップの凹部に前記中芯を収容した後、冷間加工により前記中心電極または前記接地電極を製造することを特徴とするスパークプラグの製造方法。
  10. 　軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、
    　前記軸孔の前記軸線方向先端側に保持される中心電極と、
    　前記絶縁体の外周に設けられた主体金具と、
    　基端部が前記主体金具に接合され、その先端部と前記中心電極の先端部との間に間隙を形成する接地電極とを備えたスパークプラグの製造方法であって、
    　前記中心電極又は前記接地電極の少なくとも一方を製造する工程において、銅または銅を主成分とする金属からなる母材金属の溶融物を、前記母材金属の熱伝導度よりも高い熱伝導度を有するカーボンの仮焼結体に、前記カーボンが１０～８０体積％の割合となるように含浸させて中芯を成形し、ニッケルまたはニッケルを主成分とする金属からなるカップの凹部に前記中芯を収容した後、冷間加工により前記中心電極または前記接地電極を製造することを特徴とするスパークプラグの製造方法。
  11. 　スパークプラグの中心電極及び接地電極の少なくとも一方を製造する方法であって、
    　銅または銅を主成分とする金属からなる母材金属と、前記母材金属の熱伝導度よりも高い熱伝導度を有するカーボンとを、前記カーボンが１０～８０体積％の割合となるように混合して圧粉または焼結して中芯を成形し、ニッケルまたはニッケルを主成分とする金属からなるカップの凹部に前記中芯を収容した後、所定形状に冷間加工することを特徴とするスパークプラグの電極の製造方法。
  12. 　スパークプラグの中心電極及び接地電極の少なくとも一方を製造する方法であって、
    　銅または銅を主成分とする金属からなる母材金属の溶融物を、前記母材金属の熱伝導度よりも高い熱伝導度を有するカーボンの仮焼結体に、前記カーボンが１０～８０体積％の割合となるように含浸させて中芯を成形し、ニッケルまたはニッケルを主成分とする金属からなるカップの凹部に前記中芯を収容した後、所定形状に冷間加工することを特徴とするスパークプラグの電極の製造方法。
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