(57)【要約】  スパークプラグを含むスパーク点火装置の電極は、本質的に重量％で少なくとも１５％のＮｉおよび残余が実質的にＰｔ、特に１５〜４５％のＮｉおよび残余が実質的にＰｔ、５〜３５％のＷおよび残余が実質的にＰｄ、５〜１５％のＮｉ、５〜１５％のＰｔ、１０％未満のＩｒ、および残余が実質的にＰｄからなる合金を含む。
2011517830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心電極および接地電極を有するスパーク点火装置であって、中心電極および接地電極は非貴金属系合金で製造され、それぞれの電極に結合された貴金属系着火チップを各々含み、前記スパークチップのそれぞれのスパーク面を呈し、スパーク面はそれらの間の空間にスパークギャップを規定し、前記スパークチップは、本質的に重量％で少なくとも１５％のＮｉおよび残余が実質的にＰｔからなる合金で製造され、接着材料を含む中間貴金属を使用することなく前記中心電極および前記接地電極に直接結合され、かつ本質的にイリジウムを有さない、スパーク点火装置。
【請求項２】
前記合金は、本質的に重量％で１５〜４５％のＮｉおよび残余が実質的にＰｔからなる、請求項１に記載のスパーク点火装置。
【請求項３】
前記合金は、本質的に重量％で３０％のＮｉおよび残余が実質的にＰｔからなる、請求項１に記載のスパーク点火装置。
【請求項４】
前記合金はさらに、本質的にイットリウム、ハフニウム、ランタン、セリウム、ジルコニウム、タンタル、およびネオジウムからなるグループから選択される少なくとも１つの反応要素からなる、請求項１に記載のスパーク点火装置。
【請求項５】
前記反応要素は、０．０１〜０．２重量％の量で存在する、請求項４に記載のスパーク点火装置。
【請求項６】
中心電極および接地電極を有するスパーク点火装置であって、中心電極および接地電極は、それぞれの電極に結合された貴金属系着火チップを各々含み、前記スパークチップのそれぞれのスパーク面を呈し、スパーク面はそれらの間の空間にスパークギャップを規定し、前記スパークチップは、本質的に重量％で２０〜４５％のＰｄ、２〜１８％のＩｒ、５％未満のＷ、および残余が実質的にＰｔからなる合金で製造され、前記Ｐｔの量は５０％より多い、スパーク点火装置。
【請求項７】
前記合金は、重量％で２５％のＰｄ、１５％のＩｒ、２％のＷを有し、残余が実質的にＰｔからなる、請求項６に記載のスパーク点火装置。
【請求項８】
前記合金はさらに、イットリウム、ハフニウム、ランタン、セリウム、ジルコニウム、タンタル、およびネオジウムからなるグループから選択される少なくとも１つの反応要素を含む、請求項６に記載のスパーク点火装置。
【請求項９】
前記反応要素は、０．０１〜０．２重量％の量で存在する、請求項８に記載のスパーク点火装置。
【請求項１０】
中心電極および接地電極を有するスパーク点火装置であって、中心電極および接地電極は、それぞれの電極に結合された貴金属系着火チップを各々含み、前記スパークチップのそれぞれのスパーク面を呈し、スパーク面はそれらの間の空間にスパークギャップを規定し、前記スパークチップは、本質的に重量％で５〜３５％のＷおよび残余が実質的にＰｄからなり、かつＩｒを実質的に有さない合金で製造される、スパーク点火装置。
【請求項１１】
前記合金は、本質的に重量％で２０％のＷおよび残余が実質的にＰｄからなる、請求項１０に記載のスパーク点火装置。
【請求項１２】
前記合金はさらに、本質的にイットリウム、ハフニウム、ランタン、セリウム、およびネオジウムからなるグループから選択される少なくとも１つの反応要素からなる、請求項１０に記載のスパーク点火装置。
【請求項１３】
前記反応要素は、０．０１〜０．２重量％の量で存在する、請求項１２に記載のスパーク点火装置。
【請求項１４】
中心電極および接地電極を有するスパーク点火装置であって、中心電極および接地電極は、それぞれの電極に結合された貴金属系着火チップを各々含み、前記スパークチップのそれぞれのスパーク面を呈し、スパーク面はそれらの間の空間にスパークギャップを規定し、前記スパークチップは、本質的に重量％で５〜１５％のＮｉ、５〜１５％のＰｔ、１０％未満のＩｒ、および残余が実質的にＰｄからなる合金で製造される、スパーク点火装置。
【請求項１５】
前記合金は、本質的に重量％で１０％のＮｉ、１０％のＰｔ、５％のＩｒ、および残余が実質的にＰｄからなる、請求項１４に記載のスパーク点火装置。
【請求項１６】
前記合金はさらに、本質的にイットリウム、ハフニウム、ランタン、セリウム、およびネオジウムからなるグループから選択される少なくとも１つの反応要素からなる、請求項１４に記載のスパーク点火装置。
【請求項１７】
前記反応要素は、０．０１〜０．２重量％の量で存在する、請求項１６に記載のスパーク点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
１．技術分野
本発明は概してスパークプラグ電極のための材料に関し、特にスパークプラグ電極のスパーク面上で使用するための材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
２．関連技術
ＵＮＳ  Ｎ０６６００に基づいて規定され、Inconel（登録商標）６００（Ｒ）、Nicrofer（登録商標）７６１５（Ｒ）およびFerrochronin６００（Ｒ）の商標で販売されているようなニッケル−鉄−クロミウム合金を含むニッケルおよびニッケル系合金がスパークプラグの電極材料として広く使用されている。これらの材料は、高温酸化および他の劣化現象に影響されやすく、特にスパーク面の溶食および腐食を引起こす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特に、スパーク面を形成するために電極に加えられるあらゆる種類のスパークチップまたはパッドの形態のスパークプラグ電極の高温性能を向上させるために、さまざまな貴金属合金が提案されてきた。スパークプラグ電極の貴金属強化型スパーク面の現在の材料は、主に高白金または高イリジウム合金である（一般に９０重量％を超える）。例として、純粋なイリジウムおよび純粋な白金、ならびに多数の白金およびイリジウム合金を含み、重量％で１０％までのＮｉを含むＰｔ、４％までのＷを含むＰｔ、２０％までのＩｒを含むＰｔ、および１０％までのＲｈを含むＩｒという組成を有する合金を含み、合金成分としてＷもしくはＺｒの一方または両方も含まれ得る。これらの材料は、一般に材料費が高いもしくは材料処理費が高い、または両方とも高い。また、これらの材料の費用は絶えず変動するため、変動費用を考慮に入れずに設計および指定することが難しく、余分な費用を伴う。
【０００４】
したがって、スパークプラグ電極のスパーク面として使用され得る追加的な合金材料を特定することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の概要
本発明は概して、代替的な中心および接地電極スパークチップ材料を提供し、現在の材料よりも実質的に低い材料費および処理費で同様または向上した性能を提供する。本発明の材料は、各成分の相対量を考慮した成分の市価が、各成分の相対量を考慮した現在の材料の成分の市価よりも低い場合、現在の材料と置換され得る。主な性能基準は、耐電食性と、酸化、硫化および他の燃焼成分または反応生成物による高温腐食に対する耐性と、電極またはスパークチップに使用されるワイヤ、パッド、ボール、リベットおよび他の形状への成形性と、Ｎｉ系合金およびＦｅ系合金を含むベース電極材料への溶接性とである。
【０００６】
一局面において、スパーク点火装置の電極は、本質的に重量％で１５〜４５％のＮｉおよび残余が実質的にＰｔからなる合金組成を含み得、特に、本質的に重量％で３０％のＮｉおよび残余が実質的にＰｔからなる合金組成を含み得る。
【０００７】
別の局面において、スパーク点火装置の電極は、本質的に重量％で５〜３５％のＷおよび残余が実質的にＰｄからなる合金組成を含み得、特に、本質的に重量％で２０％のＷおよび残余が実質的にＰｄからなる合金組成を含み得る。
【０００８】
別の局面において、ここに記載される組成を有するスパーク点火装置の電極は、イットリウム、ハフニウム、ランタン、セリウム、ジルコニウム、タンタル、およびネオジウムからなるグループから選択される少なくとも１つの反応要素も含み得、特に、重量％で約０．０１〜０．２％の反応要素、さらに特に約０．１〜０．２％の反応要素を含む合金組成を含み得る。反応要素は、いずれかの組合わせの複数の反応要素も含み得る。
【０００９】
別の局面において、本発明は、記載した合金組成の電極を有するスパークプラグを含み、スパークプラグは、おおむね環状のセラミック絶縁体と、セラミック絶縁体の少なくとも一部分を包囲する導電性のシェルと、端子端部および中心電極スパーク面を備えたスパーク端部を有し、セラミック絶縁体に配置された中心電極と、中心電極スパーク面に近接して位置する接地電極スパーク面を有し、シェルに動作可能に取付けられた接地電極とを有する。中心電極スパーク面および接地電極スパーク面は、それらの間にスパークギャップを規定する。中心電極スパーク面および接地電極スパーク面の少なくとも一方は、本発明の合金を含む。
【００１０】
本発明のこれらおよび他の特徴および利点は、好ましい実施例の詳細な説明から当業者にとって明らかとなるであろう。詳細な説明に添付される図面を以下に説明する。
【００１１】
図面の簡単な説明
本発明のこれらおよび他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面を参照すれば、より容易に理解されるであろう。一部の図面において、同様の要素は同様の数字を用いて特定される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る合金を含む高温スパークチップを有する接地電極および中心電極を含む例示的なスパークプラグの部分断面図である。
【図２】図１の領域２の断面図である。
【図３】熱伝導性コアを有する図１に示される構造の代替的な接地および中心電極構造を例示する図１の領域３の断面図である。
【図４】本発明およびいくつかの比較例の合金に関する加速寿命試験に伴うギャップ成長率のプロットである。
【図５】本発明およびいくつかの比較例の合金に関する加速寿命試験に伴うギャップ成長率の拡大プロットである。
【図６】Ｐｔ−Ｎｉ二相図の再現、およびそこに存在するある代表的な相のプロットである。
【図７Ａ】製造時の状態の、本発明のＰｔ−３０Ｎｉ合金のリベットの写真である。
【図７Ｂ】３００時間の加速寿命試験後の、本発明のＰｔ−３０Ｎｉ合金のリベットの写真である。
【図７Ｃ】製造時の状態の、本発明のＰｔ−１０Ｎｉ合金のリベットの写真である。
【図７Ｄ】３００時間の加速寿命試験後の、本発明のＰｔ−１０Ｎｉ合金のリベットの写真である。
【図８】Ｐｔ−１０Ｎｉに関する、試験サイクル／時間の関数としてのスパークギャップ成長のグラフである。
【図９】Ｐｔ−１０Ｎｉの費用に正規化された、いくつかの先行技術の合金および純貴金属の費用のグラフである。
【図１０】Ｐｔ−１０Ｎｉの費用に正規化された、本発明の合金およびいくつかの比較例の合金の費用のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
好ましい実施例の詳細な説明
図１から図３を参照して、混合気を点火するのに使用される代表的なスパーク点火装置を示す。本発明に包含されるスパーク点火装置は、限定はしないがさまざまな構造のスパークプラグ、グロープラグ、スパークイグナイタなどを含むが、さまざまなスパークプラグ電極構造における使用に特に適合化される。スパークプラグなどの点火装置の電極は、当該装置の機能に不可欠である。スパークプラグなどのスパーク点火装置において、電極に使用される合金は、当該装置が被る最も極端な温度、圧力、化学的腐食および物理的溶食条件にさらされる。これらは、酸化、硫化および他の腐食処理を促進する燃焼処理に対応付けられる多数の高温化学反応剤種と、電極のスパーク面の溶食を促進するスパーク核および火炎前面に対応付けられるプラズマの反応とに対する、電極合金の暴露を含む。電極は、特に、腐食処理によって電極合金とは異なる物理的および機械的特性、たとえば熱膨張係数を有する電極面上に腐食生成物が形成される程度にまで、極端な温度への周期的な暴露に対応付けられる熱機械応力も受ける。また、貴金属スパークチップが機械的に変形されるか、溶接されるか、または他の方法で電極端部にスパーク面として取付けられる場合、貴金属チップと電極材料との熱膨張係数の不整合に対応付けられる追加的な周期性の熱的機械的応力が存在し、さまざまな高温クリープ変形、クラッキング、および破断現象を引起こす可能性があり、貴金属チップおよび電極の破損に繋がる。これらはすべて、電極の特性を劣化させ得る処理であり、特に、スパークギャップの変化、したがってスパークの構成、位置、形状、継続期間、および他の特徴の変化を引起こす可能性があり、ひいては混合気の燃焼特性およびエンジンの性能特性に影響を及ぼす。
【００１４】
本発明に包含される点火装置は、純粋なイリジウムおよび純粋な白金などの既知のスパークチップ材料に関連して上記した劣化の問題点に対して、匹敵するか場合によっては向上した耐性を有する合金と、重量％で１０％までのＮｉを含むＰｔ、４％までのＷを含むＰｔ、２０％までのＩｒを含むＰｔ、および１０％までのＲｈを含むＩｒという組成を含み、かつ合金成分としてＷもしくはＺｒの一方または両方も含み得る多数の白金およびイリジウム合金とで製造されたスパーク面すなわちチップを有する電極を含む。
【００１５】
同じく図１から図３を参照して、代表的なスパークプラグ装置１０は、全体を１２で示す環状のセラミック絶縁体を含み、スパークプラグ絶縁体としての使用に好適な酸化アルミニウムまたは他の電気絶縁材料で製造され得、スパークプラグ製造分野の当業者に知られているように、適切な絶縁耐力、高い機械的強度、高い熱伝導性、および優れた熱衝撃耐性を有する。
【００１６】
絶縁体１２は、未加工状態のセラミックパウダーからプレス成形され、次いでセラミックパウダーを高密度化しかつガラス化するのに十分な高温で焼結され得る。絶縁体１２は、部分的に露出した上側マスト部分１４を含み得る外面を有し、ゴムまたは他の絶縁スパークプラグブーツ（図示せず）が外面を包囲して把持し、スパークプラグの端子端部２０の、点火配線およびシステム（図示せず）との電気接続を電気的に分離させる。露出したマスト部分１４は、スパークまたは二次的な電圧フラッシュオーバーに対する追加的な保護をもたらし、かつスパークプラグブーツによるマスト部分の把持動作を向上させるために、一連のリブ１６または他の表面艶出しもしくは特徴を含み得る。絶縁体１２は、おおむね筒状または環状の構造であり、上側端子端部２０と下側コアノーズ端部２２との間で長手方向に延在する中心通路１８を含む。中心通路１８は全体的に断面積が変動し、おおむね端子端部２０またはその付近が最大であり、コアノーズ端部２２またはその付近が最小である。
【００１７】
導電性の金属シェルが全体的に２４で示される。金属シェル２４は、Ｎｉ系合金コーティングを有するものを含むさまざまな被覆されたおよび被覆されていない鋼合金を含む、いずれかの好適な金属で作製され得る。シェル２４は、おおむね環状の内面を有し、環状の内面は、絶縁体１２の中心部分および下側部分の外面を包囲し、封止係合するように適合化され、接地電位に維持される少なくとも１つの取付けられた接地電極２６を含む。接地電極２６は一般的に使用される単一Ｌ型形式で図示されているが、用途に応じて、直線型、屈曲型、環状型、トロコイド型および他の形状の複数の接地電極をスパークプラグ１０と置換することができ、２、３、４電極構造、ならびに特定のスパーク面形状を実現するのに使用される環状リングおよび他の構造によって電極が互いに結合される形状を含むことが理解されるであろう。接地電極２６は、接地電極２６と中心電極４８との間に位置するスパークギャップ５４に近接し部分的に境界を接するスパーク端部１７上に、１つ以上の接地電極スパーク面１５を有し、中心電極４８も、対応付けられた中心電極スパーク面５１を有する。スパークギャップ５４は、電極と、それぞれのスパーク端部およびスパーク面との相対的な方位に応じて、端部ギャップ、側方ギャップ、もしくは表面ギャップ、またはそれらの組合せを構成し得る。接地電極スパーク面１５および中心電極スパーク面５１は、円形、長方形、正方形、および他の形状を含むいずれかの好適な断面形状を各々有し得、これらの形状はそれぞれのスパーク面ごとに異なっていてもよい。
【００１８】
シェル２４は、その本体部分においておおむね筒状または環状であり、絶縁体１２の小さい噛合下方肩部１１に加圧接触して載るように適合化された内側下方圧縮フランジ２８を含む。シェル２４は一般に上方圧縮フランジ３０も含み、組立動作中に絶縁体１２の大きい上側肩部１３上に載るように圧着されるかまたは形成される。シェルは変形可能領域３２も含み得、変形可能領域３２は、上方圧縮フランジ３０の変形中または変形後に変形可能領域３２が加熱され、かつ対応して大きな軸方向の圧縮力が加えられると、軸方向および径方向内側に折り畳まれて、絶縁体１２に対して固定された軸方向の位置にシェル３４を保持し、絶縁体１２とシェル２４との間に径方向気密封止を生じさせるように設計され、かつ適合化される。気密封止を完成させ、かつ組立てられたスパークプラグ１０の構造的一体性を向上させるために、ガスケット、セメントまたは他の封止剤を絶縁体１２とシェル２４との間に介在させることもできる。
【００１９】
シェル２４は、燃焼室の開口部においてスパークプラグを取出したり設置したりするための工具収容六角形３４または他の特徴を有し得る。この特徴の寸法は、関連する用途のこの種の業界標準の工具寸法に合致することが好ましい。もちろん、一部の用途においては、スパナレンチを収容するためのスロットなどの、六角形以外の工具収容界面、またはスパークプラグを高速化する際および他の用途において知られているような他の既知の特徴が必要とされ得る。封止座部３８の直下において、ねじ切りされた部分３６が金属シェル２４の下側部分上に形成される。封止座部３８はガスケット（図示せず）と対になって、スパークプラグ１０が着座し、シェル２４の外面と燃焼室開口部のねじ切りされたボアとの間の空間に高温ガス封止をもたらす好適な界面をもたらし得る。代替的に、封止座部３８は、シェル２４の下側部分に沿って位置する先細りの座部（図示せず）として設計され、精密公差および円筒の頭部への自己封止設置をもたらし得る。この形式のスパークプラグ座部については、円筒の頭部も噛合う先細り部を有して設計される。
【００２０】
導電性の端子スタッド４０が絶縁体１２の中心通路１８に部分的に配置され、露出した上部ポスト３９から底部端部４１まで長手方向に延在し、中心通路１８に部分的に埋込まれる。上部ポストは点火ワイヤ（図示せず）に接続し、ここに記載されるような電気分離するブーツに典型的に埋め込まれ、スパークギャップ５４にスパークを発生させることによってスパークプラグ１０を着火させるのに必要な高い電圧電気の時限式の放電を受ける。
【００２１】
端子スタッド４０の底部端部４１は導電性ガラスシール４２内に埋込まれ、複合３層サプレッサ−シールパック４３の上側層を形成する。導電性ガラスシール４２は、端子スタッド４０の底部端部を封止し、抵抗層４４に電気接続するように機能する。この抵抗層４４は、３層サプレッサ−シールパックの中心層を含み、電磁干渉（「ＥＭＩ」）を減少させると知られているいずれかの好適な成分で形成することができる。推奨される設備および使用される点火システムの種類に応じて、このような抵抗層４４は、より従来的な抵抗−サプレッサとして、もしくは代替的に誘導性サプレッサ、またはそれらの組合せとして機能するように設計されてもよい。抵抗層４４の直下には、別の導電性ガラスシール４６がサプレッサ−シールパック４３の底部または下側層を定め、端子スタッド４０およびサプレッサ−シールパック４３を中心電極４８に電気接続する。上部層４２および底部層４６は、同じ導電性材料または異なる導電性材料で作製され得る。多くの他の形状のガラスおよび他のシールならびにＥＭＩサプレッサが周知であり、本発明にしたがって使用してもよい。したがって、点火システムからの電荷は、端子スタッド４０の底部端部を通り、上側層導電性ガラスシール４２へ、抵抗層４４を通り、下側導電性ガラスシール層４６へと進む。
【００２２】
導電性中心電極４８は、部分的に中心通路１８に配置され、下側ガラスシール層４６に入っている頭部４９から、接地電極２６に近接したスパーク端部５０まで長手方向に延在する。中心電極スパーク面５１はスパーク端部５０上に位置し、接地電極スパーク面１５に対向して位置し、これによりそれらの間の空間にスパークギャップ５４を形成する。サプレッサ−シールパックは、端子スタッド４０と中心電極４８とを電気的に相互接続するが、燃焼ガス漏れから中心通路１８を封止し、かつ動作中のスパークプラグ１０からの無線周波数ノイズ放出も抑制する。図示のとおり、中心電極４８は、その頭部と点火端部５０との間で連続して途切れずに延在する一体構造であることが好ましい。中心電極４８が接地電位よりも高いもしくは低い電位を有するように、スパークプラグ１０の動作中の中心電極４８の極性が正または負のどちらでもよいことは容易に理解され、本発明の範囲内である。
【００２３】
これはスパークプラグ１０の代表的な構造であるが、本発明によれば、絶縁体１２、シェル２４、ならびに電極２６および４８を使用した他のスパークプラグ１０または点火装置構造が可能であることが容易に理解されるであろう。
【００２４】
本発明によれば、中心電極４８および接地電極２６のいずれかまたは両方が、以下に述べる高温貴金属合金をそれぞれのスパーク面５１および１５上に含むことになる。これは、中心電極４８および接地電極２６のいずれかまたは両方の全体を貴金属合金で形成すること、または代替的に、たとえば電極の一部分を上記のスパーク端部上の貴金属スパークチップの使用と組合せた好適な非貴金属で形成することによって行われ得る。電極の一方または両方が非貴金属部分を含む場合、中心電極４８および接地電極２６のいずれかまたは両方は、さまざまなＮｉ系およびＦｅ系合金などの多くの高融点金属を含むいずれかの好適な導電性非貴金属材料で作製され得る。例として、たとえばUnified Numbering System for Metals and Alloys（ＵＮＳ）規格Ｎ０６６００に包含されるクロミウムおよび鉄を含む溶液強化型Ｎｉ系超合金などのさまざまな希釈Ｎｉ合金およびＮｉ系超合金を含み、Inconel（登録商標）６００（Ｒ）、Nicrofer（登録商標）７６１５（Ｒ）およびFerrochronin６００（Ｒ）の商標で販売されている合金を含む。上記の電極合金材料組成は、高温強度および酸化耐性を向上させるために、合金添加物として少なくとも１つの反応要素も含み得る。具体的には、反応要素は、イットリウム、ハフニウム、ランタン、セリウム、ジルコニウム、タンタル、およびネオジウムからなるグループから選択される少なくとも１つの要素を含み得る。しかし、反応要素合金添加物のいずれの組合せも本発明の範囲に包含される。反応要素は、いずれかの組合せの複数の反応要素も含み得る。具体的には、すべての反応要素合金添加物の組成範囲は、合金の約０．０１〜０．２重量％であり、特に合金の約０．１〜０．２重量％である。
【００２５】
図３に示すように、代替的な電極形状では、接地電極２６および中心電極４８のいずれかまたは両方に、銅もしくは銀、またはそれらのいずれかのさまざまな合金などの熱伝導性が高い材料（たとえば≧２５０Ｗ／Ｍ＊°Ｋ）でそれぞれ作製される熱伝導性コア２７および４９を設けることができる。熱伝導性が高いコアはヒートシンクとして機能し、スパークギャップ５４領域から熱を引出すのに役立ち、それによりこの領域の電極の動作温度を低下させ、電極の性能と、ここに記載される劣化処理に対する耐性とをさらに向上させる。
【００２６】
図１から図３に示すように、本発明によれば、スパークプラグ１０は、接地電極２６および中心電極４８のいずれかまたは両方のスパーク端部上に、向上したスパーク性能もしくは記載した劣化処理への耐性のいずれかまたはそれらの両方を有する高温貴金属合金材料からなる貴金属着火もしくはスパークチップ６２および５２もそれぞれ含み得る。中心電極４８の着火チップ５２は当該電極のスパーク端部５０上に位置し、スパーク面５１を有する。接地電極２６の着火チップ６２は、当該電極のスパーク端部１７上に位置し、スパーク面１５を有する。着火チップ５２および６２は、スパークギャップ５４の両端に電子を放出するために、それぞれスパーク面５１および１５を含む。中心電極４８の着火チップ５２および接地電極２６の着火チップ６２は、さまざまな組合わせの抵抗溶接、レーザ溶接、またはそれらの組合わせによるさまざまなパッド状、ワイヤ状もしくはリベット状の着火チップの形成および取付け、または逆を含む多数の既知の技術のいずれかにしたがって各々作製し結合することができる。着火チップ５２および６２は、さまざまな円筒形、正方形もしくは長方形の棒、部分的な球体、半球体、円錐形、ピラミッド型、ならびに他の形態を含むいずれかの好適な寸法および断面形状または三次元形態を有し得る。貴金属着火チップ５２および６２は、中心電極４８または接地電極２６に取り付けられ得るような非貴金属部分と、それぞれスパーク面５１および１５を含む貴金属部分とを含む複合もしくは多層構造も含み得る。
【００２７】
本発明によれば、中心電極４８もしくは接地電極２６のいずれかもしくは両方、またはそれぞれの着火チップ５２および６２は、本発明に係るさまざまな貴金属合金で作製され得る。本発明の貴金属合金は概ね、性能を損失することなく場合によっては性能を向上させて、従来から使用されている貴金属合金よりも高密度で低費用の、ＮｉおよびＰｄを含む材料を使用する。これが本発明の合金の有利な点である。市況によっては、本発明の材料は、使用される構成要素の量、構成材料費、およびより低い材料処理費の組合せによって、より低い総費用で入手可能であり得る。本発明の合金のさらなる利点は、上記の性能基準に関する製造に使用するのに適格とされ、市況によってそうすることが有利である場合には現在の貴金属電極材料の代わりに代用され得る点である。これらの合金は、いくつかのＰｔ系合金およびＰｄ系合金を含み、これらの要素は主要成分である。他の産業および他の用途、たとえば医療用装置、集積回路の配線および金属被覆、ならびに宝飾品での使用が実用化されてきた本発明の合金を使用することが特に有効である。なぜなら、これらの合金は、少量または特製品用途に対応付けられた設定および他の手数料を必要とすることなく、容易に入手可能でありかつボリュームディスカウントおよび他の商業的恩恵を受けるのに十分な量で生産されているからである。
【００２８】
本発明の合金組成の一例は、本質的に、重量％で１５〜４５％のＮｉおよび残余が実質的にＰｔであるＰｔ系合金であり、特に、本質的に３０％のＮｉおよび残余が実質的にＰｔであるＰｔ系合金である。実質的にというのは、残余は本質的にＰｔであるが、ごく微量の他の要素も含み得ることを意味する。これらのごく微量の要素は、偶発的な不純物要素であり得る。典型的に偶発的な不純物は、貴金属合金成分材料を製造するのに使用される処理、または貴金属合金を形成するのに使用される処理に対応付けられる。しかし、他の電極成分の純度および製造処理が制御されるならば、これらのごく微量の要素は偶発的とは限らず、それらの有無および相対量は制御され得る。合金は両方のスパークチップに使用され、たとえば溶接によって、貴金属を含有する中間接着層を使用することなくそれぞれの電極に結合される。換言すると、この合金で作製されるチップは、貴金属合金材料の介在層を必要とすることなく、ベース電極に直接結合される。合金は、本質的にイリジウムも有さない。
【００２９】
本発明の合金組成の第２の例は、重量％で２０〜４５％のＰｄ、２〜１８％のＩｒ、５％未満のＷ、および残余が実質的にＰｔを含むＰｔ系合金であり、Ｐｔの量は５０％より多い。特に本発明は、重量％で２５％のＰｄ、１５％のＩｒ、２％のＷを有し、残余が実質的にＰｔであるＰｔ系合金を含む。
【００３０】
本発明の合金組成の第３の例は、本質的に、重量％で５〜３５％のＷおよび残余が実質的にＰｄからなるＰｄ系合金である。特に本発明は、本質的に２０重量％のＷおよび残余が実質的にＰｄからなるＰｄ系合金を含む。
【００３１】
本発明の合金組成の第４の例は、本質的に、重量％で５〜１５％のＮｉ、５〜１５％のＰｔ、１０％未満のＩｒ、および残余が実質的にＰｄからなるＰｄ系合金である。特に本発明は、本質的に、重量％で１０％のＮｉ、１０％のＰｔ、５％のＩｒ、および残余が実質的にＰｄからなるＰｄ系合金を含む。
【００３２】
着火チップ５２および６２は、上記の例に記載した合金でも作製され得る。着火チップ５２および６２のための本発明の合金に使用される追加的な合金要素は、イットリウム、ハフニウム、ランタン、セリウム、ジルコニウム、タンタル、およびネオジウムを含む反応要素を含み得る。使用される際、反応要素は一般に、約０．０１〜０．２重量％、特に約０．１〜０．２重量％の量で添加される。
【００３３】
概して、性能を損失することなく場合によっては性能を向上させて、より高密度でより低費用の、ＮｉおよびＰｄを含む材料を使用することが本発明の合金の有利な局面である。市況によっては、本発明の材料は、使用される構成要素の量、構成材料費、およびより低い材料処理費の組合せによって、より低い総費用で入手可能であり得る。たとえば、本発明の貴金属合金は、冷間成形対熱間ヘディング加工（hot heading）、研磨、または他の貴金属合金、特に多くのイリジウム合金を形成するのに典型的に使用される電極放電加工（ＥＤＭ）により、頭部付きリベットもしくは同様の形状を形成するのに使用され得るということから、処理費用が低下し得る。また、本発明の合金は典型的に、多くのイリジウム合金よりも融解温度が低いか、またはより高い白金成分合金である。さらに、本発明の合金は、中心もしくは接地電極またはその着火チップとして使用されるのに十分な寸法のワイヤ、ロッド、棒、または他の原料に延伸するのに必要とするアニーリングサイクルが概して少ない。またさらに、本発明の合金は、ダイヤモンド切断を必要とする多くのイリジウム合金と比較して延性が優れているために、概してせん断することができる。本発明の合金のさらなる利点は、上記の性能基準に関する製造に使用するのに適格とされ、市況によってそうすることが有利である場合には現在の貴金属電極材料の代わりに代用され得る点である。
【００３４】
実施例
本発明のいくつかの例示的な合金材料をスパーク面として、いくつかの現在のスパークチップ合金に対して評価し、加速寿命試験において時間の関数としてスパークギャップのギャップ成長およびギャップ成長率によって測定されたように、耐電食性と、酸化、硫化および他の燃焼成分もしくは反応生成物による高温腐食に対する耐性とについて、少なくとも実質的に同様の、場合によっては優れた性能を有することが判明した。また、電極またはスパークチップに使用されるワイヤ、パッド、ボール、リベット、および他の形状への実質的に同様の成形性と、Ｎｉ系およびＦｅ系電極合金を含むベース電極材料への溶接性と、容易に製造され、現在の貴金属スパークチップ材料の代わりとしてスパークチップとして含まれ得るような他の要因とを示した。行った加速寿命試験および比較例の結果を以下に示す。
【００３５】
加速寿命試験は、スパークチップを含む、同じ形状を有するスパークプラグを用いて、ここに記載した本発明の異なるスパーク合金組成および比較例に含まれていたいくつかの現在の合金組成を使用して行なわれた。
【００３６】
スパークプラグは、シェル、絶縁体、端子スタッド、ガラスシール、中心電極、および接地電極を含む同じ全体形状を有するものであった。中心電極および接地電極は、図３に示した熱伝導性の銅合金コアを含むものであった。いずれの場合も、接地電極は、抵抗溶接によって取付けられた直径１．２ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのＰｔ−１０Ｎｉ（重量％）のパッドを含むものであった。試験したさまざまなスパークチップ合金の中心電極は、図７Ａから図７Ｄに示す０．７ｍｍの頭部付きリベットの形態のスパークチップを含むものであり、抵抗溶接によって取付けられ、試験した合金材料の各々について実質的に同様の溶接結合部を実現した。スパークギャップは１．２５ｍｍであり、中心電極のスパークチップは接地電極パッドの中心上に実質的に軸方向に中心決めされた。本発明のスパークチップ合金は、重量％でＰｔ−３０ＮｉおよびＰｔ−２０Ｗであった。また、重量％でＰｔ−１０Ｎｉ、Ｉｒ−２Ｒｈ−０．３Ｗ−０．０２Ｚｒ、およびＮｉ−２０Ｃｒを含むいくつかの現在のスパークチップ合金も比較のために試験した。Ｎｉ−２０Ｃｒ合金は貴金属合金ではなく、一般に使用される市販のスパークプラグ電極合金組成の代表として含めた。Ｎｉ−２０Ｃｒ合金のスパークギャップ成長性能は、（Inconel（登録商標）６００の商標で知られている）ＵＮＳ  Ｎ０６６００などのさまざまなＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金と、純粋なＮｉと、Ｎｉ−Ｃｒ−ＭｎおよびＮｉ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｙ合金などの多数の希釈Ｎｉ合金などの貴金属合金成分を含まない多くのＮｉ系合金とを含む。希釈ニッケル合金は高ニッケル合金であり、一般に合金の９０重量％より多いニッケル成分を有し、少量の合金要素、たとえばシリコン、アルミニウム、イットリウム、クロミウム、チタン、コバルト、タングステン、モリブデン、ニオビウム、バナジウム、銅、カルシウム、マンガンなどを有し、純粋なニッケルに対して高温特性が向上し、高温酸化、硫化、および対応付けられた腐食摩耗、ならびにこれらの装置の動作に起因する周期的な熱機械応力に対応付けられる変形、クラッキング、および破損に対する向上した耐性を有する。
【００３７】
上記のスパークチップ合金の各々のスパークチップを含む多数のスパークプラグについて、同一の６気筒３．３リッターＶ−６自動車用エンジンにおいて加速摩耗試験を行なった。エンジンがアイドルからピークトルクおよびピークパワーから再びアイドルへとサイクルを繰返す１時間のスケジュールをエンジンに対して行なった。１時間のスケジュールが計５００時間繰返され、加速寿命試験を実現した。この５００時間の試験は、典型的な運転／動作条件の下での約１００，０００マイルのエンジン動作と以前から関連付けられている。一般に、動作環境に晒されるとギャップの寸法は増大する。ギャップの成長率は、商業的に非常に重要である。なぜなら、特定のスパークチップ合金のギャップ成長率は、スパークプラグの耐用年数に間接的に関係するからである（すなわち、成長率が高い合金は動作寿命が短い）。特定の動作寿命を実現しなければならない場合（たとえば１００，０００マイル）、これは最大許容可能ギャップ成長率に移すことができる。特定の合金のギャップ成長率は、ここに記載される加速寿命試験によって決定することができる。
【００３８】
これらの加速摩耗試験において、テストエンジンを上記のように繰返して、約４００〜８００℃というエンジン／スパークプラグ動作温度の多様性を実現した。この熱サイクルは、スパークプラグ、特にスパークチップにおいて、これらの合金と関連付けられる電極材料との熱膨張係数の不整合による周期的な熱応力を導入する。また、動作温度の多様性および熱膨張係数の不整合による寸法変動、ならびにエンジンの速度変化、したがって点火システムの電圧出力は、点火システムの動作電圧に生じる変化による、かつスパークギャップの寸法変化による電気的応力変動を導入するようにも作用する。一般に、テストによって、特にスパーク電圧に関して、スパーク電圧を約５〜３０ｋＶの間で変動させることで電気的応力に多様性が導入される。スパークギャップの変動は、１００時間の間隔で測定された。ギャップの情報は、ギャップ成長およびギャップ成長率に変換された。本発明のスパークチップ合金および比較例の合金のギャップ成長率を図４および図５に示す。図７Ａおよび図７Ｂは、製造時の状態（図７Ａ）および３００時間の加速寿命試験後（図７Ｂ）の本発明のＰｔ−３０Ｎｉ合金の写真である。比較のため、図７Ｃおよび図７Ｄは、製造時の状態（図７Ｃ）および３００時間の加速寿命試験後（図７Ｄ）のＰｔ−１０Ｎｉ合金の写真である。
【００３９】
図４および図５に示すように、本発明の合金のすべては、貴金属の比較例、すなわちＰｔ−１０Ｎｉ、Ｉｒ−２Ｒｈ−０．３Ｗ−０．０２Ｚｒと実質的に同様のギャップ成長率を示した。実質的に同様とは、非貴金属の比較例、Ｎｉ−２０Ｃｒ（図４）を参照する。換言すると、本発明の貴金属合金と比較例の貴金属合金との最大の違いはＰｄ−２０Ｗに関してであり、Ｉｒ−２Ｒｈ−０．３Ｗ−０．０２Ｚｒの約１９７％、Ｐｔ−１０Ｎｉのわずか１０８％のギャップ成長率を示した。１９７％上昇した成長率でも改良であり、率が約２１７４％高かったＩｒ−２Ｒｈ−０．３Ｗ−０．０２ＺｒおよびＮｉ−２０Ｃｒと、率が約１１７８％高かったＰｔ−１０ＮｉおよびＮｉ−２０Ｃｒとの成長率性能の比較の意味では実質的に同様である。さらに、Ｐｔ−２０Ｗを除くすべての合金は、Ｐｔ−１０Ｎｉ合金と比較するとより良い性能を有し、Ｐｔ−２０Ｗによる成長率は、Ｐｔ−１０Ｎｉ合金のわずか約１１０％であった。したがって本発明のすべての合金は、Ｐｔ−１０Ｎｉ、Ｉｒ−２Ｒｈ−０．３Ｗ−０．０２Ｚｒならびに他の既知のＰｔおよびＩｒ合金に対して、商業的に有用な改良であると考えられる。なぜなら、図９および図１０に示すように、実質的に少ない費用で実質的に同様のギャップ成長率性能を呈するからである。
【００４０】
図４および図５に示すように、Ｐｄ−Ｒｅ合金、Ｐｄ−１４Ｒｅも試験したが、本発明の合金として許容可能な性能を示さなかった。なぜなら、Ｐｔ−１０Ｎｉと実質的に同様のギャップ成長およびギャップ成長率性能を示さなかったからである。
【００４１】
特に注目すべきは、Ｐｔ−３０Ｎｉの性能であった。この合金のギャップ成長率は、Ｐｔ−１０Ｎｉ合金よりも低かった。これは、Ｎｉ−２０Ｃｒについて得られたデータに鑑みると予期されないことであった。Ｎｉ−２０Ｃｒは、上述のように、ここに示したようなＮｉ系合金を含む他の非貴金属スパークプラグ電極合金と同様であることが知られている。というのは、ニッケル量の増大に関連付けられた白金の漸進的な希釈に伴って、ギャップ成長率が直線など着実に上昇するようには見受けられないためである。なぜなら、約４００〜５００℃では平衡ＮｉＰｔ相、約５００〜６００℃では平衡ＮｉＰｔおよびＮｉ3Ｐｔ相の混合物、約６００℃を超えるとＮｉおよびＰｔの固溶体を形成する（図６参照）Ｐｔ−３０Ｎｉの性能は、Ｐｔ−１０Ｎｉよりも実際に良好であったからである。Ｐｔ−３０Ｎｉに関して、基本的なギャップおよびギャップ率成長データを図８および図９に示す。図６を参照し、Ｐｔ−３０Ｎｉ合金のニッケルおよび白金が４００〜８００℃の動作温度範囲の上端（すなわち約６００〜８００℃）において固溶体として存在することをＮｉ−Ｐｔ相の図が示していることから、一層高密度のＮｉ、おそらく５０％Ｎｉ以上に同様のギャップ成長率性能が実現可能であり得ることが示唆される。なぜならＰｔおよびＮｉは、約６５％Ｎｉを超える動作温度範囲全体に対して完全固溶性を有し、動作範囲の約５２５〜８００℃の部分に対しては、約３０〜６５％Ｎｉの完全固溶性を有するからである。
【００４２】
上記の発明は、該当する法律的基準にしたがって記載されており、ゆえに記載は本質的に限定的なものではなく例示的なものである。当業者には、開示されている実施例の変更および修正が明らかとなり得、発明の範囲内である。したがって、本発明がもたらす法律的保護範囲は、添付の請求項を検討することによってのみ決定することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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