(57)【要約】【課題】高温下で長時間通電した場合に断線を生じないという耐久性に優れることにより、寿命の長いグロープラグを提供する。【解決手段】グロープラグは、筒状の主体金具１と、軸線方向に延びる筒状をなして先端が閉塞し、その主体金具１の先端側から自身の先端部を突出させた状態でその主体金具１内に固定される発熱チューブ２と、先端がその発熱チューブ２内に位置し、後端が主体金具１の後端から突出する中軸３と、発熱チューブ２内で自身の先端部がその発熱チューブ２の先端側と接合され、自身の後端部が中軸３の先端部と直接的に又は間接的に接合された発熱コイル４とを備えている。発熱コイル４は粉末冶金法によって製造されたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金からなる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の主体金具と、軸線方向に延びる筒状をなして先端が閉塞し、該主体金具の先端側から自身の先端部を突出させた状態で該主体金具内に固定される発熱チューブと、先端が該発熱チューブ内に位置し、後端が該主体金具の後端から突出する中軸と、該発熱チューブ内で自身の先端部が該発熱チューブの先端側と接合され、自身の後端部が該中軸の先端部と直接的に又は間接的に接合された発熱コイルとを備えたグロープラグにおいて、
前記発熱コイルは粉末冶金法によって製造されたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金からなることを特徴とするグロープラグ。
【請求項２】
前記発熱コイルは粗大化した結晶により構成されていることを特徴とする請求項１記載のグロープラグ。
【請求項３】
前記結晶の平均粒径は４０μｍ以上であることを特徴とする請求項２記載のグロープラグ。
【請求項４】
筒状の主体金具と、軸線方向に延びる筒状をなして先端が閉塞し、該主体金具の先端側から自身の先端部を突出させた状態で該主体金具内に固定される発熱チューブと、先端が該発熱チューブ内に位置し、後端が該主体金具の後端から突出する中軸と、該発熱チューブ内で自身の先端部が該発熱チューブの先端側と接合され、自身の後端部が該中軸の先端部と直接的に又は間接的に接合された発熱コイルとを備えたグロープラグの製造方法において、
少なくともＦｅ、Ｃｒ又はＡｌを含む１又は２以上の粉末を用いて粉末冶金法によりＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金の線材を調製する線材調製工程と、
前記線材をコイルに加工するコイル成形工程と、
前記コイルを構成する結晶の粒径を粗大化させて前記発熱コイルを形成する粒径粗大化工程と、
該発熱コイルにより前記グロープラグを組み付ける組付工程とを有することを特徴とするグロープラグの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はグロープラグ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的なグロープラグとして、図４に示すグロープラグが知られている。このグロープラグは、筒状の主体金具１と、軸線方向に延びる筒状をなして先端が閉塞し、主体金具１の先端側から自身の先端部を突出させた状態でその主体金具１内に固定される発熱チューブ２と、先端が発熱チューブ２内に位置し、後端が主体金具１の後端から突出する中軸３と、発熱チューブ２内で自身の先端部がその発熱チューブ２の先端側と接合され、自身の後端部が中軸３の先端部と直接的又は間接的に接合された発熱コイル４とを備えている。発熱コイル４は、溶解法によって製造されたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金製の１種の線材から構成されるものが主である。
【０００３】
また、上記グロープラグとは異なり、グロープラグ自身に発熱量を制御させる機能を持たせたものとして、発熱コイル４と中軸３との間に異種の線材から構成された制御コイルを備えたグロープラグも提案されている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、この種のグロープラグは、発熱コイル４としての先端側の第１コイルと、制御コイルとしての後端側の第２コイルとを備えている。第１コイルには溶解法によって製造されたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金が使用され、第２コイルには溶解法によって製造されたＣｏ−Ｆｅ系合金が使用されている。第２コイルは第１コイルよりも高い正の抵抗温度係数を有している。このグロープラグでは、第１コイルが十分に発熱した後、その発熱により第２コイルの比抵抗が増大するので、グロープラグ全体としての発熱量が飽和するという所謂自己制御機能を実現することができる。
【０００４】
【特許文献１】特許２８０６１９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年においては、寿命の長いグロープラグが益々要求されている。また、環境への配慮から排ガス規制が厳しくなる傾向があり、ディーゼルエンジンではグロープラグに長時間通電を行い、燃焼室を高温の状態で安定させて排ガス中の環境悪化物質を極力排出しないようにする工夫がなされている。このようなエンジンに使用されるグロープラグには、高温下で長時間通電した場合に断線を生じないという耐久性の向上が要求されている。
【０００６】
この点、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金からなる第１コイル等の従来の発熱コイルは、高温性能に優れていることから、上記要求を満たすものと考えられていたものの、さらなる性能の向上が希求されているのである。
【０００７】
本発明は、上記の実情に鑑みてなされたものであり、高温下で長時間通電した場合に断線を生じないという耐久性に優れることにより、寿命の長いグロープラグを提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明者は上記課題解決のために鋭意研究を行った。そして、発明者は、従来のグロープラグの発熱コイルは、融点が高く、耐熱性のあるＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金のものではあったものの、それが溶解法によって製造されたものであったことから、耐久性に限界を生じているのではないかと推論した。そして、かかる推論の下、発熱コイルを粉末冶金法によって製造されたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金のものとすることによって、耐久性がより向上し得ることを発見した。発明者はこうして以下の発明を完成させた。
【０００９】
本発明のグロープラグは、筒状の主体金具と、軸線方向に延びる筒状をなして先端が閉塞し、該主体金具の先端側から自身の先端部を突出させた状態で該主体金具内に固定される発熱チューブと、先端が該発熱チューブ内に位置し、後端が該主体金具の後端から突出する中軸と、該発熱チューブ内で自身の先端部が該発熱チューブの先端側と接合され、自身の後端部が該中軸の先端部と直接的に又は間接的に接合された発熱コイルとを備えたグロープラグにおいて、
前記発熱コイルは粉末冶金法によって製造されたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金からなることを特徴とする。
【００１０】
発明者の試験結果によれば、粉末冶金法によって製造されたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金の発熱コイルでは、高温下で長時間通電した場合に断線を生じないという耐久性を維持し、ひいては長寿命化を実現することができるのである。この理由について、発明者は以下のように推論する。
【００１１】
Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金の発熱コイルは、溶解法によるものであれ、粉末冶金法によるものであれ、使用によって自身の表面に酸化皮膜を生じやすい。また、発熱コイルは自身の発熱により熱膨張をする。この際、この酸化皮膜は発熱チューブ内に充填されているＭｇＯ等の粉末と擦れあうことによって剥離する。発熱コイルは、長期間の使用によってこの酸化皮膜の形成及び剥離のサイクルが繰り返される。これにより、発熱コイルは細径化し、ひいては断線に至る。以下、この断線を酸化断線という。
【００１２】
これに対し、粉末冶金法によって製造された発熱コイルは、個々の結晶粒が微細であるため、その表面に形成される酸化皮膜が緻密化している。このため、この発熱コイルはＭｇＯ等の粉末と擦れあうことによる剥離が起き難いと考えられる。すなわち、粉末冶金法によって製造された発熱コイルは、酸化皮膜の剥離を抑制することで、酸化断線を抑制できると考えられる。
【００１３】
したがって、本発明のグロープラグは、高温下で長時間通電した場合の耐久性に優れ、延命化されるのである。
【００１４】
本発明のグロープラグにおいて、発熱コイルは自身の後端部が中軸の先端部と直接的又は間接的に接合される。発熱コイルの後端部が中軸の先端部と直接的に接合された場合、そのグロープラグは制御コイルを備えないものとなる。発熱コイルの後端部が中軸の先端部と間接的に接合された場合、そのグロープラグは制御コイルを備えたものとなる。その場合、粉末冶金法によって製造されたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金からなる発熱コイルは、溶解法等によって製造されたＣｏ−Ｆｅ系合金等からなる制御コイルを介して中軸と接合され得る。
【００１５】
本発明に係る発熱コイルはＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金からなるものである。Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金とは、Ｆｅ、Ｃｒ及びＡｌ以外の元素を含み得る意である。
【００１６】
このＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金としては、Ｃｒ２０〜３５質量％、Ａｌ４〜１２質量％、Ｆｅ実質的に残部のものを採用することができる。Ｃｒは耐酸化性を付与する元素であり、含有量が２０質量％未満では耐酸化性が不充分であり、３５質量％を越えるとシグマ相を形成して脆化する。ＡｌはＣｒと同様に耐酸化性を付与する元素であり、含有量が４質量％未満では耐酸化性が不足し、１２質量％を越えると脆化する。実質的とは、微量元素及び不可避不純物を含み得る意である。微量元素としては、以下に説明するＴｉ、希土類元素等を挙げることができる。
【００１７】
すなわち、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金は本来的に耐酸化性に秀でている。そして、その性能のさらなる向上を実現するため、ＣｒやＡｌの割合を増加することは可能である。しかしながら、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金中のＣｒやＡｌの割合を増加すると、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金は、耐酸化性は向上するものの、加工性が低下してしまう。そこで、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金中にＴｉを添加することにより、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金の加工性を向上させることができる。但し、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金中にＴｉを多く添加すると、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金の耐熱性が低下してしまう場合もあるため、Ｔｉの添加量には留意を要する。また、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金中に希土類元素や希土類元素酸化物を添加することにより、Ａｌ酸化皮膜の密着性を向上させ、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金の耐酸化性を向上させることができる。
【００１８】
また、本発明に係る発熱コイルは、溶解法によって製造されたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金からなるものではなく、粉末冶金法によって製造されたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金からなる。粉末冶金法によるＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金は、溶解法によって製造された同成分の合金と比較し、加工性に優れているという性質がある。また、溶解法によれば、鋳造型の表面からその型に用いた金属が不純物として発熱コイルに混入してしまうのに対して、粉末冶金法によれば、原料である金属粉末をプレス、圧粉等を行って調製することから、意図しない不純物の混入を防止できる。これにより、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金に対する微量元素の添加量を増加することができ、加工性や耐酸化性を向上させることができる。
【００１９】
本発明に係る発熱コイルを得るためには、少なくともＦｅ、Ｃｒ又はＡｌを含む１又は２以上の粉末を用いて粉末冶金法によりＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金の線材を調製する線材調製工程と、その線材をコイルに加工するコイル成形工程とを行うことができる。具体的には、ガスアトマイズ法等によって得た各金属の粉末又はこれらの合金の粉末を混合し、この混合粉末をプレス、圧粉等を行って線材とし、この線材をコイル状に加工することによって本発明の発熱コイルを製造することができる。
【００２０】
本発明に係る発熱コイルは粗大化した結晶により構成されていることが望ましい。すなわち、発熱コイルの断線には、酸化断線のほか、機械強度や耐熱性が問題となる機械断線がある。機械断線は組織の結合力が低いために起きる。このため、その結合力を大きくすることによって機械断線を生じ難くすることができる。発明者は、その手段として、結晶粒径を粗大化すればよいことを見いだしたのである。
【００２１】
発明者の調査によれば、粉末冶金法によって得られた合金は、クリープ現象において、特に高温域では空格子点の流れによるクリープが優先する特性がある。この空格子点の流れによるクリープ速度εについては、
【００２２】
ε＝ＡσＤ／Ｒ2
【００２３】
という関係が知られている。Ａは定数、σは外力、Ｄは自己拡散係数、Ｒは結晶粒の平均の直径である。これは、高温域では結晶粒径が大きい程、クリープ速度が小さくなることを示している。このため、高温域において、結晶は粗大化した粒径の大きいものであれば、時間経過に伴う歪が少ないことがわかる。
【００２４】
このため、粉末冶金法によって製造され、結晶が粗大化したＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金の発熱コイルでは、高温下で長時間通電した場合に断線を生じないという耐久性を向上させることができるのである。
【００２５】
粗大化した結晶により構成された発熱コイルを得るためには、少なくともＦｅ、Ｃｒ又はＡｌを含む１又は２以上の粉末を用いて粉末冶金法によりＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金の線材を調製する線材調製工程と、その線材をコイルに加工するコイル成形工程と、そのコイルを構成する結晶の粒径を粗大化させて発熱コイルを形成する粒径粗大化工程とを行うことができる。具体的には、ガスアトマイズ法等によって得た各金属の粉末又はこれらの合金の粉末を混合し、この混合粉末をプレス、圧粉等を行って線材とし、この線材をコイル状に加工した後、熱処理をすることによってそのような発熱コイルを製造することができる。
【００２６】
本発明のグロープラグは、発熱コイルの結晶は平均粒径が４０μｍ以上であることが望ましい。発明者の調査によれば、粉末冶金法によって製造されたφ６．２ｍｍのＦｅ−２３Ｃｒ−５Ａｌ系線材は、同一の組成及び同一の径の溶解法によって製造されたものと比べ、図１に示すように、熱処理によって、より結晶粒径が粗大化する。また、溶解法によって形成されたコイルの結晶粒径を粗大化させるためには、粉末冶金法によって形成されたコイルに対して、より高温の状態をより長時間保持する必要がある。
【００２７】
また、発明者の試験結果によれば、φ０．３ｍｍのＦｅ−２６Ｃｒ−８Ａｌ系のコイルを１２００°Ｃで５時間保持した後、徐冷する焼鈍（熱処理）を行ったところ、図２に示す焼鈍前の結晶粒径が約４μｍの組織は、図３に示すように、平均粒径が約７０μｍの組織となった。また、１２００°Ｃ以上の高温で保持したり、５時間以上の保持をしたが、大きな変化はみられなかった。さらに、粗大化した結晶粒径を比較した場合、溶解法によるよりも、粉末冶金法による方が極めて大きいため、製造の工数やコスト面を勘案すれば、粉末冶金法による製法であることが望ましい。
【００２８】
発明者の考察によれば、発熱コイルの結晶は平均粒径が４０μｍ以上であれば、高温域での時間経過に伴う歪が少なくなるという効果を十分に得ることができる。粗大化する前における発熱コイルの結晶は平均粒径が４μｍであるのに対し、粗大化した後における発熱コイルの結晶は十分に粗大化したことが確認できる大きさであり、上記クリープ速度εの関係式から、粗大化したことによってクリープ速度が小さくなるという効果が十分に得られる。
【００２９】
このため、粉末冶金法によって製造され、結晶が平均粒径で４０μｍ以上に粗大化したＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金の発熱コイルでは、高温下で長時間通電した場合に断線を生じないという耐久性をより効果的に向上させることができるのである。
【００３０】
本発明のグロープラグの製造方法は、筒状の主体金具と、軸線方向に延びる筒状をなして先端が閉塞し、該主体金具の先端側から自身の先端部を突出させた状態で該主体金具内に固定される発熱チューブと、先端が該発熱チューブ内に位置し、後端が該主体金具の後端から突出する中軸と、該発熱チューブ内で自身の先端部が該発熱チューブの先端側と接合され、自身の後端部が該中軸の先端部と直接的に又は間接的に接合された発熱コイルとを備えたグロープラグの製造方法において、
少なくともＦｅ、Ｃｒ又はＡｌを含む１又は２以上の粉末を用いて粉末冶金法によりＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金の線材を調製する線材調製工程と、
前記線材をコイルに加工するコイル成形工程と、
前記コイルを構成する結晶の粒径を粗大化させて前記発熱コイルを形成する粒径粗大化工程と、
該発熱コイルにより前記グロープラグを組み付ける組付工程とを有することを特徴とする。
【００３１】
この製造方法によれば、粉末冶金法によって製造され、結晶が粗大化したＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金の発熱コイルをもつ本発明のグロープラグを製造することができる。
【００３２】
粒径粗大化工程においては、コイルを構成する結晶の粒径を粗大化させて発熱コイルを形成する。この際、一例として示した図１のグラフでは、１１５０°Ｃ付近において結晶粒径を粗大化する効果が著しいことが確認できる。しかしながら、原料の構成や外的条件によって１０００°Ｃにおいてもこの効果が著しい場合があることが発明者によって確認されている。このため、粒径粗大化工程は１０００°Ｃ〜１５００°Ｃにおいて行えばよい。より確実に短時間で結晶粒径を粗大化させることを考慮すれば、１２００°Ｃ〜１５００°Ｃにおいて焼鈍するとよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明を具体化した実施例１〜４とともに比較例１〜３を説明する。
【００３４】
粉末冶金法によって実施例１の発熱コイルを得る。まず、Ｆｅ−２６Ｃｒ−８Ａｌ系の線材（（株）リケン製「パイロマックス−ＰＭ」：線材径φ０．３ｍｍ）を用意した。この線材は、ガスアトマイズ法によって得たＦｅ、Ｃｒ、Ａｌ及び微量元素を含み得る粉末を用いてＦｅ−２６Ｃｒ−８Ａｌ系となるように混合し、この混合粉末を用いて圧粉したものである（線材調製工程）。
【００３５】
この線材をコイルに加工し（コイル成形工程）、これを焼鈍することなく、実施例１の結晶粒径が粗大化していない発熱コイルとした。
【００３６】
実施例２〜４の発熱コイルは、実施例１と同様の工程によって結晶粒径が粗大化していないコイルを得た後、このコイルの結晶粒径を粗大化させて得た（粒径粗大化工程）。各粒径粗大化工程は以下の通りである。
【００３７】
実施例２の発熱コイルは、コイル成形工程後の各コイルを１１５０°Ｃ×３時間で保持し、徐冷して焼鈍を行ったものである。実施例３の発熱コイルは、コイル成形工程後の各コイルを１２００°Ｃ×３時間で保持し、徐冷して焼鈍を行ったものである。実施例４の発熱コイルは、コイル成形工程後の各コイルを１２００°Ｃ×５時間で保持し、徐冷して焼鈍を行ったものである。
【００３８】
一方、比較例１では、溶解法によって得たＮｉ−２０Ｃｒ系合金の発熱コイルを用いた。また、比較例２では、溶解法によって得たＦｅ−２６Ｃｒ−８Ａｌ系合金の発熱コイルを用いた。比較例１、２の発熱コイルは、焼鈍せずに結晶粒径が粗大化していないものである。比較例３では、溶解法によって得たＦｅ−２６Ｃｒ−８Ａｌ系合金の発熱コイルを１２００°Ｃ×３時間保持し、徐冷して焼鈍したものを用いた。
【００３９】
以上の工程によって得た実施例１〜４及び比較例１〜３の発熱コイルと、これらの発熱コイルを用いた実施例１〜４及び比較例１〜３のグロープラグを用意する。各グロープラグは実施例１〜４及び比較例１〜３の発熱コイルを組み付けたものである（組付工程）。
【００４０】
実施例１〜４及び比較例１〜３の発熱コイルについて平均粒径の測定を行うとともに、実施例１〜４及び比較例１〜３のグロープラグについて高温耐久試験を行った。
【００４１】
各発熱コイルの平均粒径の測定は次のように行った。まず、各発熱コイルの断面上に一辺０．１ｍｍの正方形をとり、その中の結晶の数ｎをカウントする。次にその正方形の面積を数ｎで割る。これにより結晶１個当りの面積が算出される。この面積を円近似し、各円の直径をそれぞれ平均粒径（μｍ）とした。つまり、平均粒径（μｍ）をＲとすると、結晶１個当りの断面積はπＲ2／４であるから、
【００４２】
【数１】
2006038279.tif 000003
【００４３】
の式を用いて各平均粒径（μｍ）を算出した。結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】
2006038279.tif 000004
【００４５】
また、グロープラグの高温耐久試験に関しては、直流１１Ｖを印加した６０秒後の発熱チューブの最も高温部分（表面温度）が９００°Ｃとなるようにした。そして、直流１３Ｖを５分間ＯＮ、１分間ＯＦＦで１サイクルとした場合における各グロープラグの発熱コイルの初期断線までのサイクル数（回）を計測した。なお、各グロープラグの発熱チューブは、外径φ４．５ｍｍ、出寸法２２ｍｍである。出寸法とは、発熱チューブが自身の先端を主体金具の先端から突出させる長さをいう。結果も表１に示す。
【００４６】
表１より、実施例１の粉末冶金法による発熱コイルは、焼鈍していない状態では比較例２の溶解法による発熱コイルと同等の耐久性を示すことがわかる。
【００４７】
また、実施例２〜４の発熱コイルは、粉末冶金法によるコイルを焼鈍により結晶粒径を粗大化させたものであるため、比較例２の溶解法による発熱コイルよりも極めて耐久性が高いことがわかる。特に、実施例３、４の発熱コイルは、結晶粒径が４０μｍ以上であるため、耐久性をより効果的に向上できることがわかる。このため、粉末冶金法によって製造された発熱コイルは酸化断線を抑制していると考えられる。
【００４８】
さらに、実施例２〜４の発熱コイルと比較例３の発熱コイルとを比較すると、たとえ同一の組成であったとしても、実施例２〜４の発熱コイルの方が比較例３の発熱コイルよりも結晶粒径が粗大化していることがわかる。
【００４９】
したがって、実施例１〜４、特に実施例３、４の発熱コイルを採用したグロープラグは、優れた耐久性を発揮することから、延命化されることがわかる。
【００５０】
以上において、本発明を実施例１〜４に即して説明したが、本発明は上記実施例１〜４に限定されるものではなくその趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明はグロープラグに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】実施例１〜４等に係る線材の熱処理による結晶粒径の粗大化を示すグラフである。
【図２】実施例１〜４に係る焼鈍していない発熱コイルの金属組織を示す２５０倍の顕微鏡写真である。
【図３】実施例１〜４に係る焼鈍した発熱コイルの金属組織を示す２５０倍の顕微鏡写真である。
【図４】従来のグロープラグの断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１…主体金具
２…発熱チューブ
３…中軸
４…発熱コイル
【図１】
2006038279.tif 000005
【図４】
2006038279.tif 000006
【図２】
2006038279.tif 000007
【図３】
2006038279.tif 000008