(57)【要約】【課題】貴金属チップの側面に生じる抉れを抑制できるスパークプラグを提供する。【解決手段】貴金属チップ３１’の表面から内部に８０μｍまでの領域を表層部領域２１とし、該表層部領域２１よりも内部を内層部領域２０と定義する。内層部領域２０は、Ｉｒ又はＩｒ合金にて構成されている。一方、表層部領域２１内には、Ｎｉ、Ｒｅ、Ａｇ及びＡｕから選ばれる１種以上にて構成される異常消耗抑制成分の質量％における含有量が、内層部領域２０よりも多く設定されている異常消耗抑制層２４が、貴金属チップ３１’の径方向側周面及び先端面３１ｔに形成されている。異常消耗抑制層２４は、金属被膜層２３及び拡散層２２により形成されている。【選択図】　　図２
2004031300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心電極（３）と、該中心電極（３）の先端面と自身の側面とが火花放電ギャップ（ｇ）を形成するように配置された接地電極（４）とを備え、前記中心電極（３）と接地電極（４）には、火花放電ギャップ（ｇ）に対応する位置の少なくとも一方に、発火部（３１）が配設してあるスパークプラグ（１００）において、
前記発火部（３１）のうちで、前記発火部（３１）の表面から内部に８０μｍまでの領域を表層部領域（２１）とし、前記発火部（３１）の前記表層部領域（２１）よりも内部の領域を内層部領域（２０）として、
該内層部領域（２０）は、Ｉｒ又はＩｒ合金からなるとともに、前記発火部（３１）の少なくとも径方向外側にある前記表層部領域（２１）内には、Ｎｉ、Ｒｅ、Ａｇ及びＡｕから選ばれる１種以上にて構成される異常消耗抑制成分の質量％における含有量が、前記内層部領域（２０）よりも多い異常消耗抑制層（２４）を備えることを特徴とするスパークプラグ（１００）。
【請求項２】
前記異常消耗抑制層は、前記発火部の前記径方向外側及び前記発火部の先端側に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項３】
前記異常消耗抑制層は前記発火部の最表面に形成されるものであって、
該異常消耗抑制層は、前記異常消耗抑制成分又はその合金からなる金属被膜層と、前記異常消耗抑制成分の濃度が径方向外側に向かって漸次増加する拡散層との少なくともいずれかにて構成されていることを特徴とする請求項１ないし２に記載のスパークプラグ。
【請求項４】
前記異常消耗抑制層は、前記金属被膜層と前記拡散層とを有し、
前記拡散層の前記径方向の厚さが、前記金属被膜層の前記径方向の厚さより大きくなることを特徴とする請求項３に記載のスパークプラグ。
【請求項５】
前記金属被膜層は、メッキ層であることを特徴とする請求項４に記載のスパークプラグ。
【請求項６】
前記内層部領域は、０．５〜８質量％のＮｉを含有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のスパークプラグ。
【請求項７】
前記異常消耗抑制層は、前記異常消耗抑制成分を主成分とし、Ｂ、Ｗ、Ｐ、Ｆｅのうち少なくとも一種以上を含有していることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載のスパークプラグ。
【請求項８】
中心電極と、接地電極とを備え、該中心電極と該接地電極により火花放電ギャップを形成するとともに、前記中心電極と前記接地電極との少なくとも一方は、前記火花放電ギャップの対応する位置に発火部を有するスパークプラグの製造方法において、
発火部は、ＩｒまたはＩｒ合金からなる本体チップの少なくとも径方向側面にＮｉ、Ｒｅ、Ａｇ及びＡｕから選ばれる一種以上にて構成される異常消耗抑制成分を含有する金属層を形成する工程と、
前記金属層が形成された前記本体チップに熱処理を行うことにより金属被膜層および拡散層を形成する工程と、により形成されることを特徴とするスパークプラグの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スパークプラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車エンジン等の内燃機関の着火用に使用されるスパークプラグにおいては、発火部の耐火花消耗性向上のために、電極の先端にＩｒを主体とする貴金属チップを溶接したタイプのものが多数提案されている。また、このようなＩｒを主体とする貴金属チップを用いたスパークプラグにおいては、特開平３−１０１０８６号公報に開示されているように、Ｉｒを主体とする内部芯の周囲に、Ｎｉ又はＮｉ合金にてなる厚さ１００μｍ以上のＮｉクラッド材を配置して、貴金属チップと中心電極との溶接性を向上させようとするもの等、耐火花消耗性の向上を目的とするもの以外にも様々工夫が為されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
昨今では、さらなる内燃機関の性能向上に際して、発火部の火花消耗に加えて、スパークプラグ使用中に、発火部側面における異常消耗も起こり易い。この異常消耗は、図１３に示すように、発火部３１の側面を径方向内部に向かって抉る形で進行し、火花消耗とは発生形態が異なるため、耐火花消耗性の向上を目的とするＩｒを主体とする発火部３１では、十分にその発生を抑制できなかった。
【０００４】
本発明は、発火部に貴金属チップを用いたスパークプラグにおいて、発火部側面に生じる抉れを抑制できるスパークプラグを提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために、本発明のスパークプラグは、中心電極と、該中心電極の先端面と自身の側面とが火花放電ギャップを形成するように配置された接地電極とを備え、中心電極と接地電極には、火花放電ギャップに対応する位置の少なくとも一方に、発火部を有するスパークプラグにおいて、前記発火部のうちで、前記発火部の表面から内部に８０μｍまでの領域を表層部領域とし、発火部の表層部領域よりも内部の領域を内層部領域として、該内層部領域は、Ｉｒ又はＩｒ合金からなるとともに、発火部の少なくとも径方向外側にある表層部領域内には、Ｎｉ、Ｒｅ、Ａｇ及びＡｕから選ばれる１種以上にて構成される異常消耗抑制成分の質量％における含有量が、内層部領域よりも多い異常消耗抑制層を備えることを特徴とする。
【０００６】
本発明者等は、異常消耗が進行した発火部において、その先端面周辺がほとんど異常消耗していないことに着目した。そして、該先端面周辺において、成分分析をおこない、該先端面周辺にＮｉが含有されていることを見出した。なお、異常消耗が生じている部分（図１３に示す発火部３１の側面）には、Ｎｉは殆ど含有されていなかった。つまり、この先端面周辺に存在するＮｉは、発火部に作成当初から含有されていたものではなく、スパークプラグの使用過程において含有されたものである。すなわち、火花放電の繰り返しによりＮｉ系耐熱合金等にて構成される接地電極からＮｉ成分が飛び出し、その後該Ｎｉ成分が発火部の先端面周辺に注入されたものと考えられる。いずれにしても、本発明者らは、異常消耗が観察される放電部において、異常消耗の起こりにくい部分（先端面周辺）にＮｉが含有されているという知見を得た。
【０００７】
さらに、本発明者等は、Ｒｅ、Ａｇ及びＡｕにおいても、Ｎｉと同様に、異常消耗を抑制する働きがあることを見出した。よって、発火部（即ち、固着後の貴金属チップ）において、表層部領域と内層部領域とを上記のように定義したとき、発火部の少なくとも径方向側周面にある表層部領域内において、Ｎｉ、Ｒｅ、Ａｇ及びＡｕから選ばれる１種以上にて構成される異常消耗抑制成分の質量％における含有量が、内層部領域よりも多い異常消耗抑制層を形成することで、発火部側面を抉る形態で進行する異常消耗を効果的に抑制することを可能にしたのである。
【０００８】
本発明のように、発火部の内層部と表層部との組成を変化させたスパークプラグは、例えば、前述の特開平３−１０１０８６号公報等にも開示されている。該公報には、Ｎｉ合金にてなる中心電極と貴金属チップとの間の溶接性を高めるために、Ｉｒを主体として構成される内部芯の周囲にＮｉクラッド材を配置した貴金属チップが提案されている。しかしながら、このような貴金属チップをもちいて発火部を形成したスパークプラグは、Ｎｉクラッド材の膜厚が１００μｍ以上と厚膜であるため、長時間の使用により、内部芯とＮｉクラッド材の境界部に隙間が生じ、Ｎｉクラッド材が内部芯から剥離することがある。これにより、Ｉｒを主体として構成される内部芯が内燃機関の燃焼室内に露出し、最終的には図１３に示されるのと同様な状態となり、Ｉｒ内部芯に抉れが生じることがある。
【０００９】
そこで、本発明においては、前記発火部のうちで、前記発火部の表面から内部に８０μｍまでの領域を表層部領域とし、その表層部領域に異常消耗抑制成分の質量％における含有量が、内層部領域よりも多い異常消耗抑制層を備えることを特徴とする。このように８０μｍ以下の表層部領域内に、異常消耗抑制層を形成することで、異常消耗抑制層が発火部（特に内層部領域）からはがれるのを抑制することができ、発火部の径方向側周面における抉れを抑制できる。
【００１０】
また、異常消耗抑制層は発火部の最表面に形成されるものであって、異常消耗抑制層は、異常消耗抑制成分又はその合金からなる金属被膜層と、異常消耗抑制成分の濃度が径方向外側に向かって漸次増加する拡散層との少なくともいずれかにて構成されているものとできる。金属被膜層は、Ｉｒ又はＩｒ合金にてなる本体チップの表面に異常消耗抑制成分を含有する金属を被膜することにより形成することができ、拡散層は、本体チップと金属被膜層の相互間にそれぞれの成分を拡散させることにより形成することができる。
【００１１】
また、異常消耗抑制層は、金属被膜層と拡散層とを有し、前記拡散層の前記径方向の厚さが、前記金属被膜層の前記径方向の厚さより大きくなる。これにより、異常消耗抑制層が内層部領域からはがれるのをより抑制することができ、発火部の径方向側周面における抉れを抑制できる。
【００１２】
また、異常消耗抑制層は異常消耗抑制成分を主成分とし、Ｂ、Ｗ、Ｐ、Ｆｅのうち少なくとも一種以上を含有している。異常消耗抑制成分にＢ、Ｗ、Ｐ、Ｆｅを含有することで、異常消耗抑制層の耐火花消耗性や異常消耗抑制層の本体チップに対する耐剥離性などの耐久性が向上する。さらに、上記Ｂ、Ｗ、Ｐ、Ｆｅは０．３〜２質量％含有されているとよい。上記Ｂ、Ｗ、Ｐ、Ｆｅが０．３質量％以下であると、耐久性を向上させる効果が低減し、また、上記Ｂ、Ｗ、Ｐ、Ｆｅが２Ｗｔ％以上含有されていると、異常消耗抑制層に含有される異常消耗抑制成分の効果が薄れ、異常消耗を抑制する働きが悪くなる。
【００１３】
なお、異常消耗抑制成分にＢ、Ｐを含有させることは、異常消耗抑制層が本体チップから剥離を抑制する働きをする。これにより、異常消耗抑制層の耐久性を向上している。また、異常消耗抑制成分にＷを含有させることは、異常消耗抑制層自身の融点を高める働きをしている。これにより、異常消耗抑制層の耐火花消耗性を高め、耐久性を向上させている。また、異常消耗抑制成分にＦｅを含有させることは、異常消耗抑制層の耐触性を高める働きをしている。これにより、異常消耗抑制層の耐久性を向上させている。なお、スパークプラグが使用される環境下に応じて、Ｂ、Ｐ、Ｗ、Ｆｅ、の中から適宜の元素を選択して異常消耗抑制層に含有させればよい。例えば、火花消耗性の向上がより一層要求される内燃機関では、異常消耗抑制層にＷを含有させるとよい。
【００１４】
また、本発明のスパークプラグを製造するためには、以下の方法を採用することができる。すなわち、中心電極と、接地電極とを備え、該中心電極と該接地電極により火花放電ギャップを形成するとともに、前記中心電極と前記接地電極との少なくとも一方は、前記火花放電ギャップの対応する位置に発火部を有するスパークプラグの製造方法において、発火部は、ＩｒまたはＩｒ合金からなる本体チップの少なくとも径方向側面にＮｉ、Ｒｅ、Ａｇ及びＡｕから選ばれる一種以上にて構成される異常消耗抑制成分を含有する金属層を形成する工程と、前記金属層が形成された前記本体チップに熱処理を行うことにより金属被膜層及び拡散層を形成する工程と、により形成されることを特徴とするスパークプラグの製造方法。
【００１５】
このような方法を採用することで、本発明のスパークプラグを容易に製造することができる。異常消耗抑制成分が主成分として含有される金属層を表層部の最表面側に形成することにより、表層部領域内に、異常消耗抑制成分が内層部領域よりも多く含有した金属層を形成することができる。そして、金属層が形成された貴金属チップに対して、熱処理を行うことにより、最表層に形成された金属層の構成成分のうち、一部あるいは全部を、表層部領域の内部側に向かって拡散させることになり、表層部領域において、異常消耗抑制成分と内層部領域の構成成分（Ｉｒ等）とが固溶してなる拡散層が形成される。また、拡散しない金属層は、金属被膜層となる。この製造方法により、貴金属チップの側周面に形成される異常消耗を抑制する拡散層を形成することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のいくつかの実施の形態について図面を用いて説明する。図１は本発明のスパークプラグ１００の一例を示した縦断面図である。本発明の一例たる抵抗体入りスパークプラグ１００は、筒状の主体金具１、先端部２５が突出するようにその主体金具１の内側に嵌め込まれた絶縁体２、先端に形成された発火部３１を突出させた状態で絶縁体２の内側に設けられた中心電極３、及び主体金具１に一端が溶接等により結合されるとともに、他端側が側方に曲げ返されて、その側面が中心電極３に形成された発火部３１と対向するように配置された接地電極４等を備えている。また、接地電極４には発火部３１に対向する発火部３２が形成されており、発火部３１と発火部３２とに挟まれた隙間に火花放電ギャップｇが形成されている。なお、発火部３１及び対向する発火部３２のいずれか一方を省略する構成としてもよい。この場合には、発火部３１又は対向する発火部３２及び接地電極４又は中心電極３との間で火花放電ギャップｇが形成される。
【００１７】
絶縁体２は、例えばアルミナあるいは窒化アルミニウム等のセラミック焼結体により構成され、その内部には自身の軸方向に沿って中心電極３を嵌め込むための貫通孔６を有している。また主体金具１は、低炭素鋼等の金属により円筒状に形成されており、スパークプラグ１００のハウジングを構成するとともに、その外周面には、スパークプラグ１００を図示しないエンジンブロックに取付けるためのねじ部７が形成されている。貫通孔６の一方の端部側に端子金具８が挿入・固定され、同じく他方の端部側に中心電極３が挿入・固定されている。また、該貫通孔６内において端子金具８と中心電極３との間に抵抗体１５が配置されている。この抵抗体１５の両端部は、導電性ガラスシール層１６、１７を介して中心電極３と端子金具１３とにそれぞれ電気的に接続されている。
【００１８】
発火部３１は、軸線方向に対して直交する断面形状が円形となる貴金属チップ３１’、例えば円柱状や円板状の貴金属チップ３１’を、例えばＩＮＣＯＮＥＬ
６００（英国ＩＮＣＯ社の商標）等のＮｉ系耐熱合金、又はＦｅ系耐熱合金で構成される中心電極３の先端部に重ねあわせ、レーザー溶接、電子ビーム溶接、抵抗溶接等により溶接部Ｗ１を形成してこれを固着するようにして形成される。また、例えばＩＮＣＯＮＥＬ
６００（英国ＩＮＣＯ社商標名）等のＮｉ系耐熱合金で構成されている接地電極４側に発火部３２を形成する場合には、発火部３２は中心電極３側の発火部３１と対応する位置において、接地電極４に貴金属チップ３２’を位置合わせし、その接合面外周縁部に沿って同様に溶接部Ｗ１を形成してこれを固着することにより形成される。なお、溶接の方法しては、図６のように、溶接部Ｗ２が発火部３１と中心電極３との接合面の全てを含むようになっていても良い。また貴金属チップ３１’の形状としては、軸線方向（厚み方向）に沿ってみたときに、段階的に径が変化するもの（例えば、先端側をより径小とするもの等）を採用することも可能である。
【００１９】
図２は、本発明に係るスパークプラグ１００の、中心電極３に固着される発火部３１周辺における縦断面図の一例を示すものである。該縦断面図は、発火部３１の中心軸線Ｏを含む形で形成されている。図２においては、発火部３１表面から８０μｍ内部までの領域を表層部領域２１として、該表層部領域２１よりも内部の領域を内層部領域２０とし、表層部領域内２１に、貴金属チップ３１’の最表層を含む形で、Ｎｉ、Ｒｅ、Ａｇ及びＡｕから選ばれる１種以上にて構成される異常消耗抑制成分を含有する金属被膜層２３が形成されている。金属被膜層２３は、例えばメッキ層として形成することができる。なお、内層部領域２０は、Ｉｒ単体あるいは金属被膜層２３よりも異常消耗抑制成分の含有量が少ないＩｒ合金にて構成されている。そして、内層部領域２０を構成する構成成分と、異常消耗抑制成分とが固溶する拡散層２２が、表層部領域２１内に形成されている。本実施の形態においては、この金属被膜層２３と拡散層２２とが異常消耗抑制層２４を構成している。
【００２０】
図３は、発火部３１の中心軸線Ｏを含む断面における、径方向の異常消耗抑制成分の濃度プロファイル（微小領域における含有量（質量％）の分布）を模式的に示すものである。図３の通り、本実施の形態においては、内層部領域２０に、異常消耗抑制成分が殆ど含有されていない例を示すが、表層部領域２１よりも少ない含有量であれば、内層部領域２０に異常消耗抑制成分が含有されていてもよい。例えば、内層部領域は、Ｉｒを主成分として含有し、０．５〜８質量％のＮｉを含有するようにしてもよい。本発明の発火部３１の異常消耗抑制層が何らかの原因で消耗し、抉れが生じやすい内層部領域が外部に露出した場合でも、該発火部３１の側面に生じる異常消耗を抑制することができる。０．５質量％未満であると、異常消耗を抑制する効果が十分に発揮できない。一方、８質量％を超えると、火花消耗に対する耐久性が劣化するため好ましくない。なお、本明細書にて、「主成分」（「主体に」等も同様）とは、着目している材料あるいは組織において、５０質量％以上が含有している成分を意味する。
【００２１】
具体的には、濃度プロファイル中で、異常消耗抑制成分が最も多く含有されている領域の濃度を、Ｘ（質量％）として、異常消耗抑制成分の濃度が、Ｘ’（質量％）＝０．９５×Ｘ（質量％）よりも多い領域を金属被膜層２３と定義し、該金属被膜層２３の厚さをＴ２（μｍ）とする。また、異常消耗抑制成分の濃度が、Ｘ’（質量％）から漸減し、内層部領域と略同一となる領域までを拡散層２２と定義し、該拡散層２２の厚さをＴ３（μｍ）とする。このとき、０＜Ｔ２＋Ｔ３≦０．４Ｒを満足しているのがよい。なお、金属被膜層の厚さＴ２と拡散層の厚さＴ３の合計が異常消耗抑制層の厚さＴ１と等しいことは言うまでもない。また、図３に示す本実施の形態においては、Ｔ２は３〜１０μｍであるのがよい。また、Ｔ３は１〜３０μｍであるのがよい。さらに、Ｔ３が、Ｔ２より大きくなるとよい。Ｔ３をＴ２より大きくすることにより、異常消耗抑制層（Ｔ２、Ｔ３）が内層部領域からはがれるのを抑制することができ、発火部の径方向側周面における抉れを抑制できる。
【００２２】
さらに、図２に戻り、本実施の形態においては、異常消耗抑制層２４は、発火部３１の径方向側周面及び先端面３１ｔに形成されている。発火部３１における異常消耗は、特に発火部３１の径方向側周面において顕著であるが、発火部３１の先端面３１ｔにも異常消耗抑制層を形成することで、先端面３１ｔや、側周面の上端における異常消耗も抑制される。また、このような構成では、異常消耗抑制層を形成する表面を選択する必要がないので、製造に際して特別な配慮を行わなくてもよい。
【００２３】
また、上記のような本発明にかかる発火部３１（特に内層部領域２０内）には、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ及びＲｅから選ばれる１種又は２種以上が含有されていてもよい。このような元素を含有させることにより、高温におけるＩｒの酸化揮発を抑制することが可能となる。さらに、これらのうちでも特にＲｈを含有させるのがよく、その含有量を０．５〜４０質量％とするのがよい。Ｒｈの含有量が０．５質量％未満であると、Ｒｈを含有させることの酸化揮発抑制に対する効果が十分に得られない。一方、４０質量％を超えると、発火部３１融点が低下して、火花放電による消耗を効果的に抑制することができなくなる。従って、上記範囲のＲｈを含有させることにより、火花放電による消耗とＩｒの酸化揮発による消耗等を効果的に抑制することが可能となる。
【００２４】
さらに、発火部３１は、ＲｕあるいはＲｅの少なくとも一方が１〜５質量％含有されているものとすることもできる。これらの元素はＩｒよりは劣るもののＲｈよりも融点が高いために、火花放電に対する耐久性を向上させるのに有効であるとともに、Ｉｒよりも高温で酸化揮発しにくいため、耐高温酸化性を向上させる観点からも有効である。これらの元素の含有量が１質量％未満では十分な上記効果が得られず、５質量％を超えると逆に耐火花消耗性及び耐高温酸化性が劣化するため、上記範囲内に設定するのがよい。
【００２５】
また、発火部３１は、Ｓｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｔｉ、Ｚｒ及びＨｆから選ばれる元素の酸化物（複合酸化物を含む）が含有されていてもよい。これにより、Ｉｒの高温での酸化揮発による消耗がさらに効果的に抑制される。上記酸化物の含有量は０．５〜３質量％の範囲にて設定するのがよい。含有量が０．５質量％未満になると、当該酸化物添加による酸化揮発防止効果が十分に得られなくなる。一方、酸化物の含有量が３質量％を超えると発火部３１の耐熱性が却って損なわれてしまうことがある。なお、上記酸化物としては、Ｌａ２Ｏ３及びＹ２Ｏ３の少なくとも一方が含有されているのがよいが、このほかにもＴｈＯ２、ＺｒＯ２等を好ましく使用することができる。以上のように、本発明にかかる発火部３１（貴金属チップ３１’）は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、発火部３１の特性を向上させるために、その他の構成を有してもよい。
【００２６】
さらに、本発明のスパークプラグ１００の発火部３１は、そのチップ径Ｄ（ｍｍ）が０．４〜０．８ｍｍ、発火部厚さＨ（ｍｍ）が０．３５〜１．１５ｍｍとなっている。これらチップ径Ｄ及び発火部厚さＨは図２に示すように規定する。すなわち、チップ径Ｄは発火部３１の外径であって、発火部厚さＨは、貴金属チップ３１’の先端面３１ｔの外縁から、中心電極３と貴金属チップ３１’を溶接する溶接部Ｗ１の対応する端縁までの最短距離である。なお、上記のような発火部厚さＨを実現するためには、貴金属チップの厚さ（チップ厚さ）ｔを０．４〜１．２ｍｍにするのがよい。
【００２７】
このような、発火部３１を有するスパークプラグ１００は、以下の方法により形成することができる。すなわち、貴金属チップ３１’（より詳しくは異常消耗抑制層２４の形成前の本体チップ）の原料となる貴金属粉末を所期の比率で配合し、これを溶解して合金インゴットを形成する。具体的な溶解方法としては、例えばアーク溶解や、プラズマビーム溶解や高周波誘導溶解等の方法が採用される。また、合金溶液を水冷鋳型等により鋳造、急冷インゴットとすれば、合金の偏析を低減することができるため、該方法を採用してもよい。また、上記インゴットは所望の組成にて配合した貴金属粉末を圧縮成形したあと、焼結することによって作製するようにしてもよい。
【００２８】
その後、合金を熱間鍛造、熱間圧延及び熱間伸線の１種又は２種以上の組合せにより線状あるいはロッド状の素材に加工した後、これを長さ方向に所定長さに切断する。例えば、熱間鍛造によりロッド状に加工した後、溝付圧延ロールによる熱間圧延と、熱間スエージングによりさらに縮径し、最終的に熱間伸線により、例えば０．８ｍｍ以下の線径の線材に加工する。その後、該線材を所望の厚さとなるように切断する。これにより、異常消耗抑制層２４を形成する前の本体チップが形成される。
【００２９】
また、本体チップの作製は、各合金成分を配合・溶解することにより得られる溶解合金を熱間圧延により板状に加工し、その板材を熱間打抜加工により所定のチップ形状に打ち抜いて形成することも可能である。さらに、公知のアトマイズ法により球状の貴金属合金を作製し、該球状の貴金属合金をそのまま発火部として使用する（この場合も、球状の貴金属合金が貴金属チップの概念に入るものとする）ようにしてもよいし、これをプレスあるいは平ダイスで圧縮して、扁平状あるいは円柱状の本体チップとすることもできる。また、貴金属粉末をチップ状に成形した後、焼結することにより本体チップとすることもできる。
【００３０】
上記のように形成された本体チップの表面に金属層２３’を形成する。該金属層２３’の形成は、例えば、メッキ処理により行うことができる。具体的には、得られた本体チップを、異常消耗抑制成分を含有するメッキ浴に浸漬し、本体チップの表面に、異常消耗抑制成分を含むメッキ層を形成する。メッキ層の膜厚としては、例えば５〜１０μｍのものを採用するのがよい。そして、このメッキ層が形成済みの本体チップに対して、７００〜９００℃の温度で１〜１０時間熱処理することにより、貴金属チップ３１’（発火部３１）の表層部領域２１内に膜厚１〜１０μｍの拡散層２２を形成することができる。そして、金属層２３’のうち、拡散層２２以外の層は、金属被膜層２３となる。なお、金属層２３’は、メッキ層として形成する以外に、化学蒸着（ＣＶＤ）や、例えばイオンプレーティング等の物理蒸着（ＰＶＤ）により形成することもできる。このように、金属被膜層２３及び拡散層２２が形成された貴金属チップ３１’を、中心電極３の先端面に配置し、該貴金属チップ’と中心電極３とを溶接することにより本発明に係るスパークプラグ１００を形成することができる。
【００３１】
さらに、本発明のスパークプラグ１００においては、発火部３１の構成として、図４に示すように、表層部領域２１内に異常消耗抑制成分を含有する金属層２３’を形成したのち、熱処理を行なわないものを採用することもできる。つまり、拡散層２２が形成されていない場合であり、異常消耗抑制層２４が金属被膜層２３のみで構成されている場合である。このとき、金属被膜層２３（異常消耗抑制層２４）は、例えばメッキ層とから構成される。金属被膜層２３をメッキ層とする場合、該金属被膜層２３（金属層２３’）は電気メッキ処理又は無電解メッキ処理により形成することができる。どちらの方法で形成しても、金属被膜層２３としてのメッキ層の厚さＴ２（μｍ）として、前記発火部の半径をＲ（μｍ）としたとき、０＜Ｔ２≦０．４Ｒとすることができる。また、金属被膜層２３の構成成分としては、異常消耗抑制成分が含まれていることはもちろんであるが、その他の成分が含まれていても問題はない。例えば、金属被膜層２３として、Ｎｉ−Ｉｒ合金にてなるメッキ層を採用することができる。Ｎｉ−Ｉｒ合金にてメッキを行うことによって、発火部３１の最表面近傍に、Ｉｒが含有されることになり、例えば、他のＮｉ合金を採用する場合よりも、耐火花消耗性の向上が期待できる。特に、図４に示すように、金属被膜層２３を形成するのみで、拡散層２２を敢えて形成しないような場合には、火花消耗により金属被膜層２３が消耗しやすくなることも考えられるので、Ｎｉ−Ｉｒ合金メッキ層の形成は効果的である。また、金属被膜層２３形成の際に、金属層２３’のみを形成して、熱処理を敢えて行なわなくても、スパークプラグ１００の使用中に、金属被膜層２３の構成成分が表層部領域２１内に拡散して、拡散層２２が形成される場合も考えられる。なお、金属被膜層２３は、メッキ処理により形成するほかに、化学蒸着（ＣＶＤ）や例えばイオンプレーティング等の物理蒸着（ＰＶＤ）により形成する他、これらの手法を適宜組み合わせて利用することもできる。
【００３２】
図５は、表層部領域２１内に金属被膜層２３のみを形成した場合の、発火部３１の中心軸線を含む断面における異常消耗抑制成分の径方向の濃度プロファイルを模式的に示すものである。異常消耗抑制成分の濃度プロファイルは、表層部領域２１内のある位置において、最表面から中心軸線Ｏに向けて異常消耗抑制成分の濃度が急峻に減少する形態を有する。この実施の形態においては、金属層２３’（金属被膜層２３）の形成後、敢えて熱処理を行っていないが、異常消耗抑制成分が急激に減少する近傍では、金属被膜層２３の構成成分と内層部領域２０の構成成分とが固溶する固溶層が少なからず存在する。本実施の形態においては、このように不可避的に形成される固溶層を拡散層２２とはみなさないことにする。
【００３３】
さらに、発火部３１は図６のような構造のものを採用することも可能である。図６の発火部３１は、表層部領域２１内に拡散層２２のみが形成されている。つまり、金属被膜層２３が形成されていない場合であり、異常消耗抑制層２４が拡散層２２のみにより構成されている場合である。このような拡散層２２（異常消耗抑制層２４）を形成するためには、例えば、異常消耗抑制成分を、本体チップの表面にイオン注入するか、メッキ層を形成した後メッキ層成分を完全に拡散させることで形成することができる。この場合、発火部３１の径方向における異常消耗抑制成分の濃度プロファイルは、図７に示すように、発火部３１の表面から、連続して緩やかに減少する形態となる。そして、発火部３１の表面から、異常消耗抑制成分の濃度が、内層部領域２０の濃度と略同一となる領域までを拡散層２２としたとき、該拡散層２２の膜厚Ｔ３として、前記発火部の半径をＲ（μｍ）としたとき）が０＜Ｔ３≦０．４Ｒとなっている。なお、図６のように、溶接部Ｗ２が発火部３１と中心電極３との接合部の全てを含むようになっていても良い。
【００３４】
図２、図４、図６に示した発火部３１は、いずれも、その全面において、異常消耗抑制層２４が形成されている。しかしながら、本発明は、これに限られるものではなく、以下のような形態を採用することも可能である。すなわち、図８に示すように、発火部３１の径方向側周面にのみ、異常消耗抑制層２４を形成することもできる。発火部３１に生じる異常消耗は、発火部３１の径方向側周面において特に生じやすい。そのため、発火部３１の径方向側周面にのみ、異常消耗抑制層２４を形成するだけでも、異常消耗を抑制することが可能である。
【００３５】
図８に示すような、発火部３１は、図１０に示すような方法により作製することができる。まず、通常の発火部３１を作製するのと同様に、本体チップ（特に内層部領域）の原料となる合金にて構成された線材３３を作製する。そして、該線材３３の表面に、例えば、メッキ処理により、異常消耗抑制成分を含有する金属層２３’を形成する。その後、該金属層２３’が形成された線材３３を、貴金属チップ３１’としての適当な長さに切断することにより、貴金属チップ３１’作製する。そして、金属層２３’の形成後に、線材３３に対して熱処理することにより、金属層２３’に含まれる異常消耗抑制成分を線材３３の内部に拡散させ、拡散層２２を形成しておいてもよい。なお、金属層２３’を形成し、線材３３を切断したのち、得られる本体チップに対して熱処理を行い、拡散層２２を形成するようにしてもよい。また、線材３３の表面に対してイオン注入等により異常消耗抑制成分を注入し、拡散層２２のみを形成して、線材３３を所定長さに切断することにより、発火部３１を作製してもよい。これらの方法により、径方向側周面のみに金属被膜層２３及び拡散層２２からなる異常消耗抑制層２４が形成された貴金属チップ３１’を形成することができる。
【００３６】
さらに、本発明のスパークプラグ１００においては、発火部３１近傍の構造を図９のようにすることも可能である。発火部３１に加えて、中心電極３の先端側における表面にも、異常消耗抑制層２４が形成されている。例えば、異常消耗抑制層２４として、Ｎｉ−Ｉｒ合金にて構成される金属被膜層２３を形成する場合、Ｎｉ合金にて構成される中心電極３の表面に、該金属被膜層２３を形成すれば、中心電極３の表面近傍においても、耐火花消耗性が向上することになる。このようなスパークプラグ１００は、図１１に示す方法により、得ることができる。まず、Ｉｒを主体に構成される本体チップを公知の方法により作製したのち、該発火部３１を中心電極３の先端に配置し、例えばレーザー溶接等により、本体チップと中心電極３とを溶接する。そして、その後、溶接後の本体チップと中心電極３に対して、異常消耗抑制成分を含有する金属層２３’を形成する。該金属層２３’は、例えば電気メッキ処理又は無電解メッキ処理により形成することができる。そして、金属層２３’を形成された本体チップに対して熱処理を行い、拡散層２２を形成してもよい。これにより、中心電極３の先端側における表面にも、異常消耗抑制層２４を形成することができる。
【００３７】
さらに、本発明のスパークプラグ１００においては、異常消耗抑制層２４は異常消耗抑制成分を主成分とし、Ｂ、Ｗ、Ｐ、Ｆｅを少なくとも一種以上含有することも可能である。例えば、異常消耗抑制層２４をＮｉ−Ｂ合金にて形成すれば、耐久性を更に向上することになる。この場合、異常消耗抑制層は、例えば無電解メッキ処理により形成することができる。また、これらのメッキ層を２種以上適宜組み合わせて２層以上形成することも可能である。例えば、本体チップからの剥離防止効果に優れたＢまたはＰを含んだ第１Ｎｉ層を形成し、その上に耐火花消耗性乃至耐蝕性に優れたＦｅまたはＷを含んだ第２Ｎｉ層を形成した２層構造のＮｉ層としてもよい。このような構造にすることにより、本体チップからの剥離を効果的に防止しつつ、耐火花消耗性・耐蝕性に優れた発火部を有するスパークプラグを得ることが可能となる。
【００３８】
以上の実施の形態においては、中心電極３側の発火部３１となる貴金属チップ３１’の場合に限って述べたが、本発明はこれに限られるものではなく、接地電極４側に発火部３２となる貴金属チップ３２’を形成する場合、該貴金属チップ３２’にも適用することが可能であり、特に抉れ生じ易い発火部厚さＨ／チップ径Ｄ＝１以上または先端部の径が０．８ｍｍ以下の接地電極側の発火部３２に適用すると、有効である。
【００３９】
【実施例】
本発明の効果を調べるために、以下の実験を行った。まず、表１に示すような組成の貴金属チップ３１’を形成する。貴金属チップ３１’の寸法としては、チップ径Ｄが０．６ｍｍ、チップ厚さｔが０．８ｍｍとする。なお、それぞれ異常消耗抑制成分を含有する金属層を無電解メッキ処理により形成し、形成されるメッキ層（金属層）における異常消耗抑制成分の含有量が９５質量％以上とし、さらに、メッキ層の膜厚を１０μｍとする。このような金属層が形成された貴金属チップ３１’に対しては、９５０℃にて８時間熱処理することにより、拡散層を形成する。なお、このときの拡散層の膜厚は、２０μｍとなる。また、金属被膜層の膜厚は２μｍとなる。
【００４０】
【表１】
2004031300.tif 000003
【００４１】
このように得られた、貴金属チップ３１’をそれぞれ中心電極に溶接して、発火部３１を有するスパークプラグを作製し、それぞれのスパークプラグを排気量２０００ｃｃのエンジンに取付け、無鉛ガソリンを使用して、全開耐久試験（回転数：６０００ｒｐｍ、試験時間：２０時間）を行った。このときの中心電極の温度は略９５０℃である。試験終了後、発火部３１の側面における異常消耗の程度を、図１３に規定する抉れ消耗量により比較した。結果を図１２に示す。図１２のように、異常消耗抑制成分（Ｎｉ、Ｒｅ、Ａｕ、Ａｇ）にて構成されるメッキ層を形成したもの（Ｎｏ．２、４、６、８、１０）は、異常消耗抑制成分にて構成されるメッキ層が形成されていないもの（Ｎｏ．１、３、５、７、９）よりも、ぞれぞれ抉れ消耗量が少ない。例えば、Ｎｏ．７、Ｎｏ．８を比較すれば、異常消耗抑制成分（Ａｕ）にて構成されるメッキ層を形成した場合（Ｎｏ．８）は、メッキ層を形成しない場合（Ｎｏ．７）よりも、さらに抉れ消耗が抑制されていることがわかる。さらに、Ｎｏ．３、Ｎｏ．４は、本体チップに１質量％のＮｉを含有させたものである。そして、Ｎｏ．４は、さらにＮｉメッキを施したものであるが、Ｎｏ．３と比較して、さらに抉れ消耗が抑制されており、発火部３１の抉れを防止するには、異常消耗抑制成分の存在が必須であることがわかる。
【００４２】
続いて、本体チップの組成をＩｒ−１質量％Ｒｈに固定して、発火部３１の径方向外側及び発火部３１の先端側にＢ、Ｗ、Ｆｅ、Ｐを含有したＮｉメッキ層を有した場合に、発火部３１の異常消耗の程度を比較した。表４は、比較に使用するメッキ層が形成されていない発火部３１と、本発明であるＮｉのみを含有したメッキ層を形成された発火部３１と、Ｎｉを主成分とし、Ｂ、Ｗ、Ｆｅ、Ｐが含有されたメッキ層を形成する発火部３１との組成を示すものである。本体チップの寸法としては、チップ径Ｄが０．６ｍｍ、チップ厚さｔが０．８ｍｍとし、メッキ層の厚みは１０μｍである。また、Ｂ、Ｗ、Ｆｅ、Ｐの含有量は１質量％である。なお、本試験は、図１２と同様の試験である、全開耐久試験にて行った。試験終了後の異常消耗の程度を、図１３に規定する抉れ消耗量により比較した。結果を図１４に示す。
【００４３】
【表２】
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【００４４】
図１４のように、Ｎｉを主成分とし、Ｂ、Ｗ、Ｆｅ、Ｐが含有されたメッキ層を形成した発火部３１（ＮＯ．３、４、５、６、７、８）は、Ｎｉのみが含有したメッキ層を形成する発火部３１（ＮＯ．２）と同様に、メッキ層が形成されていない発火部３１（ＮＯ．１）よりも、抉れ消耗が抑制されていることがわかる。
【００４５】
続いて、本体チップの組成をＩｒ−１Ｒｈに固定して、表面にＮｉを主成分とし、Ｂ、Ｗ、Ｆｅ、Ｐが含有されたメッキ層を形成した場合の、発火部３１の耐久性を比較した。なお実験に使用された組成は、上記表４に示すものである。実機高速模擬パターン耐久試験にて行った。なお、アイドリングから４０００〜５０００ｒｐｍまでの間を平均速度１２０ｋｍ／ｈとなるようにし、走行距離が５万ｋｍ相当の時のはがれの程度を、図１６に規定するメッキはがれ量により比較した。結果を図１５に示す。
【００４６】
図１５に示すように、Ｎｉのみを含有したメッキ層を形成する発火部３１（ＮＯ．２）に比べて、Ｎｉを主成分とし、Ｂ、Ｗ、Ｆｅ、Ｐが含有されたメッキ層を形成した発火部３１（ＮＯ．３、４、５、６、７、８）のメッキはがれ量が小さくなることがわかる。つまり、耐久性が本発明品であるＮｉのみを含有したメッキ層を形成する発火部３１よりも更に向上していることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるスパークプラグを示す断面図。
【図２】本発明にかかる発火部の一例を説明する図。
【図３】図２に示す発火部の径方向における異常消耗抑制成分濃度分布。
【図４】本発明にかかる発火部の一例を説明する図。
【図５】図４に示す発火部の径方向における異常消耗抑制成分濃度分布。
【図６】本発明にかかる発火部の一例を説明する図。
【図７】図６に示す発火部の径方向における異常消耗抑制成分濃度分布。
【図８】本発明にかかる発火部の変形例を示す図。
【図９】本発明にかかるスパークプラグの変形例を示す図。
【図１０】図８に示す発火部の作製方法を説明する図。
【図１１】図９に示すスパークプラグの作製方法を説明する図。
【図１２】実施例における抉れ消耗量評価結果。
【図１３】異常消耗の形態及び抉れ消耗量の定義を示す図。
【図１４】実施例における抉れ消耗量評価結果。
【図１５】実施例におけるメッキはがれ量結果。
【図１６】メッキはがれの形態およびメッキはがれ量の定義を示す図。
【符号の説明】
１００　スパークプラグ
３１’　貴金属チップ
３　中心電極
４　接地電極
３１　発火部
２０　内層部領域
２１　表層部領域
２２　拡散層
２３　金属被膜層
２３’　金属層
２４　異常消耗抑制層
【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】
2004031300.tif 000009
【図６】
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【図７】
2004031300.tif 000011
【図８】
2004031300.tif 000012
【図９】
2004031300.tif 000013
【図１０】
2004031300.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
2004031300.tif 000016
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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