(57)【要約】  本発明は、点火プラグの先端部分に配置される貴金属チップと、該貴金属チップが接合される基材とからなる点火プラグの中心電極及び接地電極に用いられる点火プラグ用クラッド電極において、貴金属チップと基材との接合界面が平面であり、その接合部分に５μｍ〜１００μｍ厚みの拡散層が形成されていることを特徴とする。このクラッド電極は、基材の表面に、略円柱状の貴金属チップの接合面を当接し、抵抗溶接により、基材表面に貴金属チップを予備接合し、基材と貴金属チップとが一体となった部分を打ち抜き加工し、熱処理により基材と貴金属チップとを拡散接合することで製造される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
点火プラグの先端部分に配置される貴金属チップと、該貴金属チップが接合される基材とからなる点火プラグの電極に用いられる点火プラグ用クラッド電極において、
貴金属チップと基材との接合界面が略平面であることを特徴とする点火プラグ用クラッド電極。
【請求項２】
貴金属チップと基材との接合部分には、５μｍ〜１００μｍ厚みの拡散層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の点火プラグ用クラッド電極。
【請求項３】
貴金属チップと基材との接合部分の外周表面に未接合部分を有し、前記未接合部分の長さが貴金属チップの半径に対して１／５以下である請求項１又は請求項２に記載の点火プラグ用クラッド電極。
【請求項４】
貴金属チップは、Ｐｔ合金またはＩｒ合金である請求項１〜請求項３のいずれかに記載の点火プラグ用クラッド電極。
【請求項５】
基材は、Ｎｉ合金またはＣｕ合金である請求項１〜請求項４のいずれかに記載の点火プラグ用クラッド電極。
【請求項６】
請求項１〜５いずれかに記載の点火プラグ用クラッド電極に用いる点火プラグ用クラッド電極材料であって、
基材の表面に、略円柱状の貴金属チップの接合面を当接し、
抵抗溶接により、基材表面に貴金属チップを予備接合し、熱処理により、基材と貴金属チップとを拡散接合することにより、基材と貴金属チップとが一体となった点火プラグ用クラッド電極材料。
【請求項７】
基材の表面に、略円柱状の貴金属チップの接合面を当接し、
抵抗溶接により、基材表面に貴金属チップを予備接合し、基材と貴金属チップとが一体となった部分を打ち抜き加工し、
熱処理により、基材と貴金属チップとを拡散接合することによりクラッド電極を形成することを特徴とする請求項１〜請求項４いずれかに記載の点火プラグ用クラッド電極の製造方法。
【請求項８】
予備接合の抵抗溶接条件は、加圧力５〜１０ｋｇｆ、溶接電流５００〜１５００Ａ、通電時間２〜２００ｍｓｅｃであり、
拡散接合の熱処理条件は、真空雰囲気、還元雰囲気、不活性雰囲気のいずれかの雰囲気中で、加熱温度８００〜１２００℃、処理時間１〜５時間である請求項７に記載の点火プラグ用クラッド電極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、点火プラグの電極（中心電極及び接地電極）に関するもので、特に、貴金属チップと基材とを接合した点火プラグ用のクラッド電極及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関などに用いられる点火プラグの中心電極として、Ｐｔ合金やＩｒ合金から形成された貴金属チップを、Ｎｉ合金やＣｕ合金などの基材に接合した、いわゆるクラッド電極が知られている。【０００３】
このような点火プラグ用のクラッド電極は、貴金属チップと基材とが異種材料であり、その接合においては抵抗溶接やレーザー溶接を利用して、その接合安定性を確保している（例えば、特許文献１参照）。【０００４】
ところで、貴金属チップとＮｉ合金などの基材とを接合する際、抵抗溶接だけでは接合強度が満足できないため、レーザー溶接を利用することが多い。このレーザー溶接は、貴金属チップと基材との接触した部分で、その接触した部分の外周表面へレーザーを照射することにより、その照射箇所を溶解して、貴金属チップと基材とを接合させるものである。【０００５】
しかしながら、このレーザー溶接は、貴金属チップと基材との接合部について外周表面から溶解して接合する方法であるため、接合面の内側の部分では未溶解の状態となるおそれがあり、接合界面に空隙が残留する場合がある。この場合、使用時に高温下に曝される際、空隙内部に閉じ込められたガスの膨張によりクラックを生じさせ、貴金属チップが基材から剥離する傾向がある。特に、最近の内燃機関では、点火プラグの使用環境が高温になり、放電発火の繰り返しによる発熱、放熱の過度な冷熱サイクルの影響により、貴金属チップの脱落などの不具合が多く、点火プラグの寿命が早期に尽きてしまうことが指摘されている。【０００６】
また、接合面の内部も完全に溶解させて接合しようとレーザーの熱量を増大させると、接合部の外周表面における溶融帯の幅が大きくなる。この溶融帯は、材料の溶融・凝固により形成される領域であり、その材料組織が他の部位と相違し、脆くまた電気的性質にも劣る。そのため、溶融帯の材料はプラグ材料として有効ではなく、その幅が大きくなるとその分貴金属チップの長さ（厚さ）を余分に取る必要がある。そのため、コスト面或いは省資源化の観点からは好ましいものではなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１３４２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記のような事情のもとになされたもので、貴金属チップと基材とから形成されるクラッド電極において、貴金属チップと基材との接合を確実に維持でき、点火プラグの長寿命化を図ることができると共に、必要最小限長さの貴金属チップが使用されたクラッド電極の製造技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、点火プラグの先端部分に配置される貴金属チップと、該貴金属チップが接合される基材とからなる点火プラグの電極に用いられる点火プラグ用クラッド電極において、貴金属チップと基材との接合界面が略平面であることを特徴とするものである。【００１０】
本発明の点火プラグ用クラッド電極は、貴金属チップと基材との接合について、従来のレーザー溶接に替えて抵抗溶接と拡散接合とが連続した接合プロセスを採用する。拡散接合は、接合界面において全面に渡って拡散層を形成し確実に接合されているため、貴金属チップの剥離や脱落が防止され、厳しい使用環境下においても点火プラグの長寿命化を図ることができる。また、この拡散層は、厚さにバラツキの少ない平滑で均一なものであり、接合界面は略平面となる。そして、拡散層の厚さは、接合条件により制御することができ、これにより貴金属チップの長さを最小限に設定することができる。【００１１】
そして、拡散層の厚さは、５μｍ〜１００μｍとするのが好ましい。この厚みが５μｍ未満であると、十分な接合強度が得られなくなる傾向となる。また、１００μｍを超える場合は、火花消耗（放電消耗）に弱いＮｉ基合金もしくはＣｕ基合金が、放電面上（近傍）に高濃度で存在する傾向となり、点火プラグの寿命の短命化になりやすい。なお、この拡散層は、基材の材料、例えば、Ｎｉ合金やＣｕ合金の基材を使用する場合、ＮｉやＣｕが貴金属チップ側に拡散することによって形成されるものである。【００１２】
また、本発明に係る点火プラグ用クラッド電極は、接合部の外周表面に未接合部を有していても良い。外周表面に未接合部があっても、内部では強固な接合がなされており、貴金属チップが剥離することはない。また、この未接合部は、接合部において貴金属チップと基材との間に生じる熱サイクルを受けたときの膨張・収縮差を緩和する緩衝部として作用し得る。尚、この未接合部の長さ（平均値）は、貴金属チップの半径に対して最大１／５の長さまで許容される。【００１３】
本発明における貴金属チップは、Ｐｔ合金またはＩｒ合金であることが好ましい。具体的には、Ｐｔ−Ｒｈ合金、Ｐｔ−Ｉｒ合金、Ｐｔ−Ｎｉ合金、Ｐｔ−Ｃｕ合金、Ｉｒ−Ｒｈ合金、Ｉｒ−Ｐｔ合金もしくはＩｒ−ＦｅＮｉＣｒ合金等が挙げられる。また、本発明における基材は、Ｎｉ合金またはＣｕ合金であることが好ましい。具体的には、Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｆｅ−Ａｌ合金、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｎｉ−Ｐｔ合金、Ｎｉ−Ｐｄ合金、Ｎｉ−Ｉｒ合金、Ｃｕ−Ｃｒ合金、Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｃｕ―Ｗ合金、Ｃｕ―Ｐｔ合金、Ｃｕ−Ｉｒ合金、Ｃｕ−Ｐｄ合金等が挙げられる。さらに、上記の各種の基材を層状に組み合わせた傾斜合金材料でも良い。【００１４】
また、本発明は、基材の表面に、略円柱状の貴金属チップの接合面を当接し、抵抗溶接により、基材表面に貴金属チップを予備接合し、熱処理により、基材と貴金属チップとを拡散接合することにより、基材と貴金属チップとが一体となったクラッド電極材料に関する。【００１５】
本発明に係る点火プラグ用クラッド電極は、基材の表面に、略円柱状の貴金属チップの接合面を当接し、抵抗溶接により、基材表面に貴金属チップを予備接合し、熱処理により、基材と貴金属チップとを拡散接合することにより製造することができる。従来のレーザー溶接法では、貴金属チップの溶融が多いため、貴金属の使用量が多くなる傾向があったが、本発明の製造方法によれば、必要な貴金属量によりクラッド電極を形成できる。また、基材と、別に準備した貴金属チップとを用いて、予備接合処理を行い、そして、基材と貴金属チップとが一体となった部分を打ち抜き加工を行い、その後、熱拡散接合処理を行うことで、本発明の点火プラグ用クラッド電極が形成できるので、各種材料を効率的に使用でき、製造コストの低減が可能となる。【００１６】
本発明に係る製造方法において、予備接合の抵抗溶接は、加圧力５〜１０ｋｇｆ、溶接電流５００〜１５００Ａ、通電時間２〜２００ｍｓｅｃであることが好ましい。この予備接合条件の特徴は、一般的な抵抗溶接とは異なり、高加圧・低電流・長通電時間である。また本発明に係る製造方法において、拡散接合の熱処理条件は、８００〜１２００℃、１〜５時間、真空中又は還元雰囲気、不活性雰囲気のいずれかの雰囲気で熱処理することが好ましい。特に、熱処理雰囲気については、Ｎｉ基合金、Ｃｕ基合金が高温酸化しない雰囲気であることが望ましい。【００１７】
本発明に係る製造方法において、予備接合加圧力が弱いと、基材と貴金属チップとの接触面積が得られず、接合面に隙間が発生する傾向となる。また、加圧力が強いと、貴金属チップが潰れ、点火プラグとしての着火性能を向上させるためのエッジが得られない傾向となる。そして、予備接合溶接電流が高すぎると、接合面近傍に空孔（ボイド）が発生し、接合強度低下による実使用環境下で貴金属チップの脱落する現象が生じる可能性が高くなり、表面チリが発生し、異常放電のきっかけになる傾向となる。さらに、通電時間については、その時間が長いと、接合界面の拡散も進むが、生産効率が低下し、低コストでの製品が実現できなくなる傾向となる。予備接合通電時間については、短時間であると、接合界面の原子の熱拡散が進まず、次工程の拡散処理でも十分な拡散層が得られにくい傾向となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、貴金属チップと基材との接合を確実に維持でき、点火プラグの長寿命化を図ることが可能となる。また、本発明におけるクラッド電極の製造方法によれば、効率的に材料を使用できるので、製造コストを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】本実施形態のクラッド電極の製造工程を示す断面概略図。
【図１Ｂ】本実施形態のクラッド電極の製造工程を示す断面概略図。
【図１Ｃ】本実施形態のクラッド電極の製造工程を示す断面概略図。
【図１Ｄ】本実施形態のクラッド電極の製造工程を示す断面概略図。
【図２】本実施形態のクラッド電極の斜視図。
【図３Ａ】本実施形態のクラッド電極（未接合部部あり）の断面観察写真。
【図３Ｂ】本実施形態のクラッド電極（未接合部部なし）の断面観察写真。
【図４】従来のレーザー溶接によるクラッド電極の断面観察写真。
【図５】熱サイクル試験後の本実施形態のクラッド電極の断面観察写真。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳説する。
【００２１】
図１Ａ〜Ｄには、本実施形態のグラッド電極の製造工程を示す概略断面図を示す。
【００２２】
＜実施例１＞
まず、図１Ａに示すように、Ｎｉ−Ｉｒ１％合金からなる、厚さ０．３ｍｍのテープ状基材１に、径１．０ｍｍ、厚み０．３ｍｍのＰｔ−Ｒｈ２０％合金からなる円柱状の貴金属チップ２を、基材に対して垂直になるように当接配置した。この貴金属チップ２を、テープ状基材１の表面に当接する際、基材に対して貴金属チップが垂直になっていること、貴金属チップの当接した面と基板表面との間に隙間や、片当たりなどの状態が生じていないようにした。
【００２３】
そして、図１Ｂに示すように、基材１と貴金属チップ２とのそれぞれに、抵抗溶接用の電極（３，３’）を接続し、加圧力７ｋｇｆ、溶接電流１３５０Ａ、通電時間９ｍｓｅｃの条件で、抵抗溶接を行い、予備接合を行った。本実施形態では、この抵抗溶接の条件を変更して２種の予備接合されたクラッド材を製造した。
【００２４】
予備接合処理を行った後、図１（Ｃ）に示すように、所定径の打ち抜きパンチ４と、それに対応する抜きダイ５を用いて、予備接合された部分に打ち抜き加工を行った。その後、基材１と貴金属チップ２に対して、真空中の電気炉内で、加熱温度１１００℃、１時間の条件で熱処理を行った。この熱処理により、図１Ｄに示すように、厚さ３０μｍの拡散層６が形成され、拡散接合がされていたことが断面観察により確認された。図２に、完成した製品形態の斜視図を示す。
【００２５】
続いて、本実施形態で製造されたクラッド電極について評価試験を行った結果について説明する。また、比較のために、従来のレーザー溶接により製造した点火プラグ用電極についても評価を行った。この従来のレーザー溶接法は、上記実施例と同様な形状の円柱状の貴金属チップの基端面を基材表面に載置した状態とし、所定の支持ツールにより貴金属チップを支持しつつ、貴金属チップ中心軸線を回転軸として回転させながら、基板および貴金属チップの接触面の外周に対して間欠的にレーザービームを照射した。このときのレーザービームの出力は３〜５Ｊとした。
【００２６】
得られたクラッド電極の評価として、オートグラフ（圧縮試験）を用いた接合面の剥離試験を行った。その結果、従来のレーザー溶接による点火プラグ用電極では、目標とする３００Ｎ未満の強度であり、破断面は一様なせん断面が得られなかった。これに対して、本実施例のクラッド電極では、３００Ｎ以上の強度を有し、且つ、破断面がほぼせん断面となっており、これにより、接合面に隙間がなく、安定した製品であることが判明した。
【００２７】
また、得られたクラッド電極の評価として、常温−１０００℃間の熱膨張・収縮試験での剥離の状態を確認する試験も行った。その結果、従来のレーザー溶接のクラッド電極では、貴金属チップ（Ｐｔ合金）と基材（Ｎｉ合金）とが接合端部から剥離する現象が多く生じた。これに対して、本実施例のクラッド電極では、本熱膨張・収縮試験に於いても、外観・断面共に剥離はなく、非常に安定したものであることが判明した。この結果から、本実施例のクラッド電極は、実使用環境において実用上問題のないものであることが確認された。
【００２８】
図３Ａ、Ｂ及び図４には、熱膨張・収縮試験後のクラッド電極及びレーザー溶接によるクラッド電極の断面観察写真を示す。図３Ａ、Ｂは、接合部外周表面において未接合部分を有する点火プラグ用電極の断面観察写真（図３Ａ）と、未接合部分を有しない点火プラグ用電極の断面観察写真（図３Ｂ）である。未接合部分を有する点火プラグ用電極の未接合部分の長さの平均は片側４０μｍであった。図３から、本実施形態の２つのクラッド電極の断面において、接合界面における拡散層は、その厚さがほぼ均一であり、接合界面は略平面であった。そして、貴金属チップ（観察断面写真の上側）と基材（観察断面写真の下側）とは、クラックやボイドの発生もなく、接合されていることが判明した。
【００２９】
一方、従来のレーザー溶接による点火プラグ用電極では、図４に示すように、接合部分にクラックが発生し、貴金属チップが剥離するおそれがあることが確認された。また、接合部外周表面から溶融凝固組織を有する溶融帯が３００〜５００μｍの厚さで形成されていた。この溶融帯は、貴金属チップとしての作用が期待できないことから、設計通りの電極とするためには、この厚さの分だけ貴金属チップの長さを長くする必要がある。
【００３０】
また、本実施例に係るクラッド電極について、熱サイクル試験（大気中、７０℃と１０００℃との間での加熱・冷却のサイクルを２００サイクル実施）を行い。その後の断面観察を行ったが、接合界面において熱膨張収縮による剥がれが発生しなかった。図５は、未接合部分を有しない点火プラグ用電極の熱サイクル後の断面観察写真である。
【００３１】
＜実施例２＞
実施例２として、実施例１と同じ材料を準備し、予備接合条件として、加圧力は同じ７kgfで、実施例１の抵抗溶接条件より出力を低下させた１１１０Ａとし、通電時間を１００ｍｓｅｃにした。そして、実施例１と同一の熱処理条件（１１００℃×１時間）の拡散接合処理をしたクラッド電極を作製した。この実施例２のクラッド電極の特性は、実施例１と同じ特性を有していた。
【００３２】
＜実施例３＞
実施例３として、実施例２と同様な材料の組み合わせで、実施例２と同じ予備接合条件として、その後の熱処理条件を高温側へ変化させた１２００℃×１時間で拡散接合処理したクラッド電極を作製した。この実施例３のクラッド電極における断面観察を行ったところ、その拡散層は５０μｍであった。
【００３３】
＜実施例４＞
実施例４として、実施例２に示す材料の組み合わせで、実施例２と同じ予備接合条件として、その後の熱処理条件を１１００℃×２時間で拡散接合処理したクラッド電極を作製した。この実施例４のクラッド電極における断面観察を行ったところ、その拡散層は４０μｍであった。
【００３４】
＜実施例５＞
実施例５として、実施例１と同じ材料を準備し、予備接合条件として、加圧力は同じ７ｋｇｆで、実施例１の抵抗溶接条件より出力を高くした１４００Ａとし、通電時間を４ｍｓｅｃにした。その後の熱処理条件を１２００℃×４時間で拡散接合処理したクラッド電極を作製した。この実施例５のクラッド電極における断面観察を行ったところ、その拡散層は９０μｍであった。
【００３５】
＜実施例６＞
実施例６として、実施例１とは異なる材質であるＣｕ−Ｎｉ３０％合金からなる、厚さ０．３ｍｍのテープ状基材１に、径１．０ｍｍ、厚み０．３ｍｍのＰｔ−Ｉｒ２０％合金からなる円柱状の貴金属チップを準備し、予備接合条件として、加圧力は同じ７ｋｇｆで、実施例１の抵抗溶接条件より出力を低下させた６００Ａとし、通電時間を２００ｍｓｅｃにした。その後の熱処理条件を９００℃×３時間で拡散接合処理したクラッド電極を作製した。この実施例６のクラッド電極における断面観察を行ったところ、その拡散層は１０μｍであった。
【００３６】
上記した実施例２〜６のクラッド電極について、実施例１と同様の剥離試験・熱膨張・収縮試験を行った結果、すべてにおいて非常に優れた特性であった。この結果より、適正な製造条件範囲内であれば、生産ライン上で多少の条件が振れても、クラッド電極の特性が実用レベルを維持できないようなことはなく、品質管理条件も制御しやすいものとなることが判明した。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明によれば、貴金属チップと基材との接合を確実に維持でき、点火プラグの長寿命化を図ることができるため、貴金属の効率的な利用ができ、省資源化を図ることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１    基材
２    貴金属チップ
３    抵抗溶接用の電極
６    拡散層
１０  クラッド電極
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2013015262.tif 000004
【図１Ｃ】
2013015262.tif 000005
【図１Ｄ】
2013015262.tif 000006
【図２】
2013015262.tif 000007
【図３Ａ】
2013015262.tif 000008
【図３Ｂ】
2013015262.tif 000009
【図４】
2013015262.tif 000010
【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年11月1日(2013.11.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
点火プラグの先端部分に配置される貴金属チップと、該貴金属チップが接合される基材とが一体となった点火プラグ用クラッド電極に用いられるクラッド電極材料の製造方法において、
基材の表面に、略円柱状の貴金属チップの接合面を当接し、加圧力５〜１０ｋｇｆ、溶接電流５００〜１５００Ａ、通電時間２〜２００ｍｓｅｃの条件での抵抗溶接により、基材表面に貴金属チップを予備接合し、
基材及び貴金属チップを、真空雰囲気、還元雰囲気、不活性雰囲気のいずれかの雰囲気中、加熱温度８００〜１２００℃、処理時間１〜５時間で加熱して、基材と貴金属チップとを拡散接合することにより基材と貴金属チップとを一体にすることを特徴とするクラッド電極材料の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法により製造される点火プラグ用クラッド電極材料であって、
貴金属チップと基材との接合界面が略平面であり、
貴金属チップと基材との接合部分には、５μｍ〜１００μｍ厚みの拡散層が形成されている点火プラグ用クラッド電極。
【請求項３】
貴金属チップは、Ｐｔ合金またはＩｒ合金である請求項２記載の点火プラグ用クラッド電極材料。
【請求項４】
基材は、Ｎｉ合金またはＣｕ合金である請求項２又は請求項３のいずれかに記載の点火プラグ用クラッド電極材料。
【国際調査報告】
2013015262.tif 000012
2013015262.tif 000013