(57)【要約】【課題】貴金属成分を含む合金を放電部に備えて耐久性を維持し、非放電部は安価な合金とし、高い耐久性と低コストとを両立する複合金属材の製造方法を提供する。【解決手段】複合金属材は、柱状部材と、その端面および該面に連なる側面の所定幅を被覆する蓋状部材よりなる。複合金属材の製造方法は、第１の金属素線を切断して柱状部材を作製する工程と、柱状部材の端面および該面に連なる側面の所定幅部分を被覆する凹部を備える蓋状部材を作製する工程と、蓋状部材と柱状部材を組み合わせる工程を含む。柱状部材はＮｉ基合金又はＦｅ基合金又は第１のＰｔ基合金からなり、蓋状部材はＩｒ基合金又は第２のＰｔ基合金からなる。柱状部材が第１のＰｔ基合金からなり且つ蓋状部材が第２のＰｔ基合金からなる場合には、柱状部材における第１のＰｔ基合金中の貴金属成分の比率は、蓋状部材における第２のＰｔ基合金中の貴金属成分の比率よりも小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱状部材と、前記柱状部材の一の端面および該面に連なる側面の所定幅部分を被覆する蓋状部材よりなる複合金属材であって、前記柱状部材がＮｉ基合金又はＦｅ基合金又は第１のＰｔ基合金からなり、前記蓋状部材がＩｒ基合金又は第２のＰｔ基合金からなり、前記柱状部材が第１のＰｔ基合金からなり且つ前記蓋状部材が第２のＰｔ基合金からなる場合にはその柱状部材における第１のＰｔ基合金中の貴金属成分の比率は、前記蓋状部材における第２のＰｔ基合金中の貴金属成分の比率よりも小さい、複合金属材の製造方法であって、
第１の金属素線を横に切断して柱状部材を作製する工程と、
前記柱状部材の一の端面および該面に連なる側面の所定幅部分を被覆するための凹部を備える蓋状部材を作製する工程と、
前記蓋状部材と前記柱状部材を組み合わせる工程を含むことを特徴とする複合金属材の製造方法。
【請求項２】
前記蓋状部材を作製する工程が、
プレス成形、冷間圧造加工により元材を加工して柱状部材の一の端面および該面に連なる側面の所定幅部分を被覆するための凹部を備える蓋状部材を作製し、
前記元材が前記Ｉｒ基合金又は第２のＰｔ基合金からなる、
ことを特徴とする請求項１に記載の複合金属材の製造方法。
【請求項３】
前記元材がクラッド材であることを特徴とする請求項２に記載の複合金属材の製造方法。
【請求項４】
前記組み合わせる工程の前に、前記蓋状部材の凹部、及び／又は前記柱状部材の少なくとも一の面にＰｔ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｒｈの少なくとも１以上の成分のめっき層を設け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複合金属材の製造方法。
【請求項５】
前記組み合わせる工程の後に、前記柱状部材と前記蓋状部材との被覆部分を拡散接合又は抵抗溶接する接合工程をさらに含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の複合金属材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合金属材の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関等に用いられるスパークプラグの放電電極は高温にさらされ、かつ、高エネルギーの火花放電の電撃にもさらされている。電極材料は、高温酸化による酸化消耗及び電撃による局所的な溶融飛散などの火花消耗によって放電部が徐々に消耗し、極間距離すなわち放電ギャップが拡大する。
近年は、ＰｔやＩｒを主成分とする貴金属合金からなる放電電極（中心電極及び接地電極）が数多く提案されており、普及が進んでいる。貴金属合金は高温でも耐酸化性が高く、かつ、高融点であるために耐酸化消耗及び耐火花消耗の両面で優れており、スパークプラグの耐久性向上に不可欠となっている。また、耐久性向上に伴って細径の電極が利用できるようになり、電界強度が増したため着火性能も向上した。
一方で、主成分である貴金属は、その資源価格が高止りしており、コスト負担が高まっている。
【０００３】
特許文献１には、内燃機関等に用いられる点火プラグ用の接地電極のための、卑金属層と貴金属層とがクラッドされた電極チップが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−６２８２５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、こうした状況に鑑みてなされたものであり、Ｐｔ基合金、Ｉｒ基合金等の貴金属成分を含む合金を放電部に備えて耐久性を維持しつつ、非放電部は放電部よりも安価な合金とし、高い耐久性と低コストとを両立する新たな複合金属材の製造方法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】
【０００６】
本発明は、柱状部材と、前記柱状部材の一の端面（上面）および該面に連なる側面の所定幅部分を被覆する蓋状部材よりなる複合金属材であって、前記柱状部材がＮｉ基合金又はＦｅ基合金又は第１のＰｔ基合金からなり、前記蓋状部材がＩｒ基合金又は第２のＰｔ基合金からなり、前記柱状部材が第１のＰｔ基合金からなり且つ前記蓋状部材が第２のＰｔ基合金からなる場合にはその柱状部材における第１のＰｔ基合金中の貴金属成分の比率は、前記蓋状部材における第２のＰｔ基合金中の貴金属成分の比率よりも小さい、複合金属材の製造方法であって、第１の金属素線を横に切断して柱状部材を作製する工程と、前記柱状部材の一の端面（上面）および該面に連なる側面の所定幅部分を被覆するための凹部を備える蓋状部材を作製する工程と、前記蓋状部材と前記柱状部材を組み合わせる工程を含むことを特徴とする複合金属材の製造方法である。
【０００７】
上記の製造方法において、前記蓋状部材を作製する工程が、プレス成形、冷間圧造加工により元材を加工して柱状部材の一の端面（上面）および該面に連なる側面の所定幅部分を被覆するための凹部を備える蓋状部材を作製し、前記元材が前記Ｉｒ基合金又は第２のＰｔ基合金からなる、ようにしてもよい。
【０００８】
上記の製造方法において、前記元材がクラッド材であってもよい。
【０００９】
上記の製造方法において、前記組み合わせる工程の前に、前記蓋状部材の凹部、及び／又は前記柱状部材の少なくとも一の面にＰｔ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｎｉの少なくとも１以上の成分のめっき層を設けるようにしてもよい。
【００１０】
また、上記の製造方法において、前記組み合わせる工程の後に、前記柱状部材と前記蓋状部材との被覆部分を拡散接合又は抵抗溶接する接合工程をさらに含むようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、Ｐｔ基合金、Ｉｒ基合金等の貴金属成分を含む合金を放電部に備えて耐久性を維持しつつ、非放電部は放電部よりも安価な合金とし、高い耐久性と低コストとを両立する新たな複合金属材の製造方法を提供することができる。すなわち、従来の柱状部材同士がクラッドされた電極チップは接合が平面的であるため接合部が酸化消耗し剥離しやすいという不具合が発生するのに対し、本発明により提供される複合金属材では、接合が立体的でありかつ接合面積がより大きくとれるため、高温酸化による酸化消耗が少なく、接合部の高い耐久性を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態の複合金属材の１例を示す。上から順に平面図、断面図、底面図である。
【図２】本実施形態の複合金属材の他の１例を示す。上から順に平面図、断面図、底面図である。
【図３】プレス機を用いた場合の蓋状部材の作製工程を示す。
【図４】プレス機を用いた場合の蓋状部材の作製工程を示す。
【図５】組立治具を用いて蓋状部材と前記円柱状部材を組み合わせる工程を示す。
【図６】実施例１８の複合金属材の外観写真である。
【図７】実施例１８の複合金属材を軸方向に切断した断面図の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の製造方法に係る複合金属材１は、柱状部材の一例である円柱状部材２と、円柱状部材の一の上面および該面に連なる側面の所定幅部分を被覆する蓋状部材３よりなる複合金属材であって、円柱状部材２がＮｉ基合金又はＦｅ基合金又は第１のＰｔ基合金からなり、蓋状部材３がＩｒ基合金又は第２のＰｔ基合金からなり、円柱状部材２が第１のＰｔ基合金からなり且つ蓋状部材３が第２のＰｔ基合金からなる場合にはその円柱状部材２における第１のＰｔ基合金中の貴金属成分の比率は、蓋状部材３における第２のＰｔ基合金中の貴金属成分の比率よりも小さい、複合金属材１である。
【００１４】
図１に本発明の製造方法に係る複合金属材１の１例を示す。図１に示すように、複合金属材１は、円柱状部材２と、円柱状部材の一の上面および該面に連なる側面の所定幅部分を被覆する蓋状部材３よりなる。図２には、本発明の製造方法に係る複合金属材の他の１例を示す。複合金属材のうち、蓋状部材３０は、クラッド材からなる。
【００１５】
以下、本発明の製造方法に係る複合金属材１を説明する。
【００１６】
図１は、複合金属材１における円柱状部材２と蓋状部材３の形状の例を示す。複合金属材１における円柱状部材２は柱状部材の一例であって、例えば円柱とすることができ、また例えば、円柱の径は軸方向において部分的に縮径していてもよい。また、複合金属材１における、円柱状部材２（柱状部材）の中心軸方向であって円柱状部材２（柱状部材）を被覆しない側から見たときの、蓋状部材の外観形状は円形であるがそれに限定されない。
【００１７】
複合金属材１における蓋状部材３には、Ｐｔ基合金（第２のＰｔ基合金）、Ｉｒ基合金を用いることができる。Ｐｔ基合金は、放電部となる材料であり比較的高融点で耐酸化性が高いことが望ましく、例えば、ＰｔＮｉ合金、ＰｔＩｒ合金、ＰｔＲｈ合金などを用いることができる。それら合金中のＰｔの比率は６０〜９０ｍａｓｓ％とすることができる。例えば、８０ＰｔＲｈ（ｍａｓｓ％）などを用いるとよい。また、添加元素として、Ｓｒ、Ｂａ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｒ等を加えることができる。
【００１８】
Ｉｒ基合金は、放電部となる材料であり比較的高融点で耐酸化性が高いことが望ましく、例えば、ＩｒＲｈ合金、ＩｒＰｔ合金等、ＩｒＲｈＮｉ合金等を用いることができる。
【００１９】
複合金属材１における円柱状部材２には、Ｎｉ基合金、Ｆｅ基合金、Ｐｔ基合金（第１のＰｔ基合金）を用いることができる。
【００２０】
Ｎｉ基合金は、耐酸化性が高いことが好ましく、例えばスペシャルメタル社製インコネル６００、インコネル６０１、インコネル６１７、ヘインズ社製ヘインズ２４２等の合金を用いることができる。
【００２１】
Ｆｅ基合金は、Ｎｉ基合金と同様に耐酸化性が高いことが好ましく、ＳＵＨ３、ＳＵＳ４３０等の合金を用いることができる。
【００２２】
また、複合金属材１における円柱状部材２には、Ｐｔ基合金（第１のＰｔ基合金）として例えば４０〜９０（ｍａｓｓ％）ＰｔＮｉ合金を用いることができる。第１のＰｔ基合金中の貴金属成分の比率（４０〜９０（ｍａｓｓ％））は、例えば、蓋状部材３における第２のＰｔ基合金中の貴金属成分の比率（Ｐｔの比率は６０〜９０ｍａｓｓ％）よりも小さい。
【００２３】
また、複合金属材１における蓋状部材３０として、クラッド材を用いることができる。具体的には、片面（第１の層）がＩｒ基合金、ＰｔＲｈ合金（８０ＰｔＲｈ）、ＰｔＩｒ合金（８０ＰｔＩｒ）等のＰｔ基合金、他面（第２の層）がＰｔＮｉ合金（８０ＰｔＮｉ、９０ＰｔＮｉ）等のＰｔ基合金を貼り合わせた二層オーバーレイクラッド材を用いることができる。以後、クラッド材を、「第１の層／第２の層」と表記する。
【００２４】
例えば、クラッド材として、Ｉｒ基合金／ＰｔＮｉ合金、ＰｔＲｈ合金／ＰｔＮｉ合金、ＰｔＩｒ合金／ＰｔＮｉ合金を用いることができる。
【００２５】
「第２の層の合金」は、「第１の層の合金」との拡散性、「円柱状部材の合金」との拡散性にそれぞれ優れることが好ましい。また、「第２の層の合金」の熱膨張係数が「第１の層の合金」の熱膨張係数と「円柱状部材の合金」の熱膨張係数の間にあることが好ましい。ＰｔＮｉ合金の熱膨張係数は、「Ｉｒ基合金、ＰｔＲｈ合金、ＰｔＩｒ合金」の熱膨張係数より大きく、Ｎｉ基合金の熱膨張係数より小さい。
【００２６】
蓋状部材３０として、クラッド材を用いる場合に、円柱状部材２が第１のＰｔ基合金からなる場合にはその円柱状部材２における第１のＰｔ基合金中の貴金属成分の比率（４０〜６０（ｍａｓｓ％））は、蓋状部材３０における第２のＰｔ基合金中の貴金属成分の比率よりも小さい。第２のＰｔ基合金は、ＰｔＲｈ合金（８０ＰｔＲｈ）、ＰｔＩｒ合金（８０ＰｔＩｒ）等のＰｔ基合金、他面（第２の層）がＰｔＮｉ合金（８０ＰｔＮｉ、９０ＰｔＮｉ）等のＰｔ基合金と考えると、第２のＰｔ基合金中の貴金属成分の比率は８０〜９０ｍａｓｓ％だからである。
【００２７】
本発明の製造方法に係る複合金属材１では、円柱状部材２の一の上面および該面に連なる側面で円柱状部材２と蓋状部材３、３０とが接合されているので接合面積が広く、剥離リスクの低減に寄与する。
【００２８】
また、複合金属材１では、Ｐｔ基合金又はＩｒ基合金からなる蓋状部材は、円柱状部材２の一の上面および該面に連なる側面の所定幅部分を被覆する構造となっている。その１面はスパークプラグ用放電電極として用いられるとき、他方の電極と対向する放電面として機能する。他の２面は放電面の隣接面となり、電極の側面を保護する。
【００２９】
本発明の製造方法は、第１の金属素線を横に切断して円柱状部材２を作製する工程と、円柱部材２を被覆するための凹部を備える蓋状部材３、３０を作製する工程と、蓋状部材３、３０と円柱状部材２を組み合わせる工程を含む。
【００３０】
円柱状部材２を作製する工程では、第１の金属素線を横に切断する。金属素線は丸線を用いることができる。切断は、ヘッダー加工機、ワイヤーソー、シャー切断機を用いることができる。例えばワイヤーソーを用い、金属素線を並行したワイヤーで所定長さに切断する。  
【００３１】
蓋状部材３、３０を作製する工程では、円柱部材を被覆するための凹部を備える蓋状部材を作製する。蓋状部材３は、プレス機械によるプレス成形、ヘッダー加工機やフォーマー加工機による冷間圧造加工、型彫放電加工機による型彫放電加工、切削加工などの方法により作製することができる。
【００３２】
プレス成形、冷間圧造加工により元材を加工して円柱状部材の一の上面および該面に連なる側面の所定幅部分を被覆するための凹部を備える蓋状部材を作製する工程を以下説明する。図３、図４はプレス機械を用いた場合の工程を示す。図３に示すように、プレス機械を用い、上型と下型との間に板材４を挿入し、パンチで打ち抜き元材５を得る。次に、図４に示すように、成形用金型にその元材５を挿入、凸部付パンチで押圧し、凹部を備える蓋状部材３に成形する。また、ヘッダー加工機やフォーマー加工機による冷間圧造加工の方法では元材５をいわゆる後方押圧加工により蓋状部材３に成形する。
【００３３】
プレス機械によるプレス成形、ヘッダー加工機やフォーマー加工機による冷間圧造加工の方法では、板材４（元材５）を除去することなく所望の形状の蓋状部材を作製することができる。
【００３４】
複合金属材１における蓋状部材３０として、クラッド材を用いる場合、蓋状部材３０を作製する工程は、プレス機械によるプレス成形、ヘッダー加工機やフォーマー加工機による冷間圧造加工の方法が好ましい。例えば、クラッド材として、Ｉｒ基合金／ＰｔＮｉ合金、ＰｔＲｈ合金／ＰｔＮｉ合金、ＰｔＩｒ合金／ＰｔＮｉ合金を用いる場合、ＰｔＮｉ合金側が凹部側になるように加工する。
【００３５】
接合工程を設ける場合には、組み合わせる工程の前に、前記蓋状部材３、３０の凹部、及び／又は前記円柱状部材２の少なくとも一の面にＰｔ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｒｈの少なくとも１以上の成分のめっき層を設けることができる（めっき工程）。円柱状部材２の全表面にめっきを設けても良い。
【００３６】
めっき工程では、めっきの手段は公知の方法が適用でき、電解めっき、無電解めっき、蒸着、スパッタリングなどが適する。
【００３７】
蓋状部材３、３０と円柱状部材２を組み合わせる工程では、図５に示すように、組立治具を用い、凹部を上にした蓋状部材３、３０を下型の孔部に挿入し、円柱状部材２を蓋状部材の凹部に位置し、上型にて押圧する。
【００３８】
接合工程では、円柱状部材２と蓋状部材３、３０との被覆部分を拡散接合又は抵抗溶接する。例えば、アルゴンや窒素等の不活性ガス雰囲気中で、所定温度で熱処理することにより、組み合わせられた円柱状部材２と蓋状部材３、３０とを拡散接合させることも可能である。そのときの熱処理温度は７００℃〜１１００℃が良い。あるいは、大気中で、抵抗溶接機にて組み合わせられた円柱状部材２と蓋状部材３、３０とを抵抗溶接することもできる。
【００３９】
めっき層を設けた場合、めっき成分層は、接合工程において円柱状部材２と蓋状部材３、３０の両隣接面に熱拡散し、緩衝材の役割をする中間層を形成する。この中間層は、円柱状部材２、蓋状部材３、３０及びめっき層の成分が拡散し、各々の成分を含む組成となる。めっき層に適する成分元素は、Ｎｉ基合金、Ｐｔ基合金、Ｆｅ基合金との拡散性に優れる成分が良く，例えばＡｕやＰｄがよく、耐酸化性を備えるならばＲｈがよい。めっき層を備えない場合に比べて接合信頼性の高い複合金属材とすることができる。
【００４０】
本発明によれば、円柱状部材２と、円柱状部材の一の上面および該面に連なる側面の所定幅部分を被覆する蓋状部材３、３０よりなる複合金属材２の製造方法であって、きれいな被覆面を有する複合金属材２を生産性よく製造できる製造方法を提供することができる。
Ｐｔ基合金、Ｉｒ基合金等の貴金属成分を含む合金を蓋状部材に備え、円柱状部材を安価なＮｉ基合金等とすることで、コストを半減することが可能となる。
【００４１】
こうして製造された複合金属材１は、円柱状部材２の一面が、抵抗溶接又はレーザ溶接等の接合手段でスパークプラグの放電電極母材に接合される。
【００４２】
次に実施例により、本発明の複合金属材１の製造法及び特性についてさらに具体的に説明する。
【実施例】
【００４３】
実施例における、円柱状部材および蓋状部材の材質および製法、接合工程の有無、めっき層の有無を表１に示す。
【００４４】
（実施例１〜実施例５）
円柱状部材を作製する工程では、Ｎｉ基合金であるインコネル６００の素線（直径    ０．５ｍｍの丸線）をワイヤーソーにて長さ１．１ｍｍに切断した。
蓋状部材を作製する工程では、プレス機を用い、上型と下型との間に厚み０．４ｍｍのＰｔ基合金（８０ＰｔＲｈ）板材を挿入し、パンチで打ち抜き直径０．７ｍｍの元材を得た。次に、成形用金型にその元材を挿入し、凸部付パンチで押圧し、凹部を備える蓋状部材を得た。
蓋状部材と前記円柱状部材を組み合わせる工程では、組立治具を用い、凹部を上にした蓋材を下型に合わせ、円柱部材を蓋状部材の凹部に位置し、上型にて押圧した。
接合工程では、Ａｒガス雰囲気中、下記に示す温度で１時間時間加熱することにより組み合わせられた円柱状部材と蓋状部材とを拡散接合した。
実施例１    ７００℃
実施例２    ８００℃
実施例３    ９００℃
実施例４  １０００℃
実施例５  １１００℃
【００４５】
（実施例６〜実施例８）
円柱状部材の材質をＮｉ基合金であるインコネル６１７、接合工程の温度を下記とし、それ以外は実施例１〜実施例５と同じ条件とした。
実施例６    ８００℃
実施例７    ９００℃
実施例８  １０００℃
【００４６】
（実施例９）
実施例９では円柱状部材の材質をＮｉ基合金であるヘインズ２４２とし、拡散接合時の温度を９００℃とした以外は実施例１〜５と同じ条件として、複合金属材を製作した。
【００４７】
（実施例１０、実施例１１）
実施例１０、１１では蓋状部材の材質を９０ＰｔＮｉとし、拡散接合時の温度を９００℃、１０００℃とした以外は実施例１〜５と同じ条件にして、複合金属材を製作した。
【００４８】
（実施例１２〜実施例１５）
実施例１２〜実施例１５では、組み合わせられた円柱状部材と蓋状部材とを、抵抗溶接機を用い、大気中で抵抗溶接した。そのうち、実施例１４、実施例１５では、組み合わせ工程の前に、それぞれ無電解めっきにてめっき膜１０μｍのＡｕ膜を作成した。めっき膜作成部位は、実施例１４では蓋状部材の凹面、実施例１５では円柱状部材の一の上面とした。また、実施例１２では、型彫放電機、実施例１３ではヘッダー機を用いて蓋状部材を成形した。
【００４９】
（実施例１６〜実施例１９）
実施例１６〜実施例１９では、蓋状部材と円柱状部材を組み合わせる工程までで留めた実施例である。円柱状部材、蓋状部材の材質、それらの製法は表１に示した。
【００５０】
（実施例２０、実施例２１）
実施例２０では、円柱状部材にＦｅ基合金であるＳＵＨ３、蓋状部材に８０ＰｔＲｈを使用した。実施例２１では、円柱状部材にＦｅ基合金であるＳＵＳ４３０、蓋状部材に９０ＰｔＮｉを使用した。それ以外は、実施例１〜５と同じ製法とし、拡散接合は９００℃１時間で行った。
【００５１】
【表１】
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【００５２】
（評価）
いずれの実施例においても、所定構造の複合金属材が得られた。
【００５３】
図６は、実施例１８の複合金属材の外観写真である。図７は、実施例１８の複合金属材を軸方向に切断した断面図の写真である。（実施例１８は、組み合わせ工程で留め、接合工程をおこなっていない実施例である。）図６、図７に示すように、所定構造の複合金属材が得られていることがわかる。図７によれば、円柱状部材と蓋状部材の両面はきれいに密着している（きれいな被覆面が得られている）ことがわかる。実施例１８に接合工程を付加したものが実施例１〜５であるが、それら実施例では７００℃〜１１００℃１時間の熱処理で円柱状部材と蓋状部材が良好に拡散接合されている。
【符号の説明】
【００５４】
１  複合金属材
２  円柱状部材（柱状部材）
３、３０  蓋状部材
４  板材  
５  元材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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