(57)【要約】【課題】  スパークプラグの性能向上には接地電極を、Niを主成分としAlを0.8wt％以上含む合金にするとよいが、そのような合金は表層にAl凝集層が形成されているため放電部への貴金属チップの溶接が困難である。一方、Al凝集層を完全に除去しようとすると加工コストの高騰が問題になる。【解決手段】  火花放電ギャップを隔てて対向設置してなる中心電極と接地電極４のうち少なくとも接地電極４の、しかも中心電極と対向する面に貴金属チップ５を溶接してなるスパークプラグであって、主成分がＮｉでＡｌを０.８ｗｔ％以上含みさらに自身の表層にＡｌ凝集層４ａを有する合金を接地電極４の母材とし、溶接した貴金属チップ５を含む半断面の貴金属チップ５の下２０μｍの範囲の断面積中、Ａｌ凝集物Ｘの面積占有率が３０％以下であるスパークプラグを提供する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
火花放電ギャップを隔てて対向設置してなる中心電極と接地電極のうち少なくとも接地電極の、しかも中心電極と対向する面に貴金属チップを溶接してなるスパークプラグであって、
主成分がＮｉでＡｌを０.８ｗｔ％以上含みさらに自身の表層にＡｌ凝集層を有する合金を接地電極の母材とし、溶接した貴金属チップを含む半断面の貴金属チップの下２０μｍの範囲の断面積中、Ａｌ凝集物の面積占有率が３０％以下であることを特徴とするスパークプラグ。
【請求項２】
火花放電ギャップを隔てて対向設置してなる中心電極と接地電極のうち少なくとも接地電極の、しかも中心電極が対向する面に貴金属チップを溶接してなるスパークプラグの製造方法であって、
主成分がＮｉでＡｌを０.８ｗｔ％以上含みさらに自身の表層にＡｌ凝集層を有する合金を接地電極の母材とし、先ず、該表層を研削してＡｌ凝集層を薄くし、次に貴金属チップを母材に重ねてその重合部を加熱することにより主として母材を溶融させ、その溶融状態で貴金属チップを押圧することにより溶融したＡｌ凝集層を押し除けつつ貴金属チップを沈降させ、もって貴金属チップを表層下の合金層に接合させるようにしたことを特徴とするスパークプラグの製造方法。
【請求項３】
前記接地電極の中心電極が対向する面に貴金属チップを嵌入させる凹部を形成し、その凹部に貴金属チップを嵌め入れて溶接するようにしたことを特徴とする請求項２記載のスパークプラグの製造方法。
【請求項４】
少なくとも放電部のＡｌ凝集層の厚みを２０μｍ以下に研削するようにしたことを特徴とする請求項２又は３記載のスパークプラグの製造方法。
【請求項５】
前記Ａｌ凝集層を機械的研削手段により研削するようにしたことを特徴とする請求項２乃至４の何れか一つに記載のスパークプラグの製造方法。
【請求項６】
前記Ａｌ凝集層を化学的研削手段により研削するようにしたことを特徴とする請求項２乃至４の何れか一つに記載のスパークプラグの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパークプラグ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図２に示したようにスパークプラグ１は、筒状の主体金具２と、主体金具２の中心を通って筒外に先端を突き出す中心電極３と、主体金具２の筒端に溶接等により固着し自由端を鍵型に曲げて前記中心電極３に対向させた接地電極４とを有する。この中心電極３と接地電極４のそれぞれの対向する面が放電部であり、その放電部に白金ニッケル合金などの貴金属チップ５，５を溶接したものが実用化されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
内燃機関の性能を向上させるためにスパークプラグ１の性能向上が求められており、そのスパークプラグ１の性能を向上させるために接地電極４の耐高温酸化性能の向上が求められている。そしてそのような要求を満たし得る材料として、Ｎｉを主成分としＡｌを０.８ｗｔ％以上含む合金がある。しかしそのような合金は、生産工程で窒素雰囲気での熱処理を行うために、合金中のアルミニウム成分が窒化アルミニウムとして合金表面に凝集層を成し、このＡｌ凝集層が当該合金の接地電極４への利用を妨げている。
【０００４】
すなわち、上記合金を接地電極４の母材に採用した場合、放電部に貴金属チップ５を溶接すると、その溶接時の熱により母材の表層のＡｌ凝集層表面の酸化が促進され、溶接界面に酸化アルミニウムが形成されるため、貴金属チップ５の溶接性の低下、つまり貴金属チップ５の接地電極４からの剥離をもたらす。なお、常識的にはＡｌ凝集層を完全に除去してから貴金属チップ５を溶接することが考えられるが、そうすると母材の加工コストが上昇するから接地電極４の価格が高騰する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に記載したように、火花放電ギャップを隔てて対向設置してなる中心電極と接地電極のうち少なくとも接地電極の、しかも中心電極と対向する面に貴金属チップを溶接してなるスパークプラグであって、主成分がＮｉでＡｌを０.８ｗｔ％以上含みさらに自身の表層にＡｌ凝集層を有する合金を接地電極の母材とし、溶接した貴金属チップを含む半断面の貴金属チップの下２０μｍの範囲の断面積中、Ａｌ凝集物の面積占有率が３０％以下であるスパークプラグを提供する。
【０００６】
また、請求項２に記載したように、火花放電ギャップを隔てて対向設置してなる中心電極と接地電極のうち少なくとも接地電極の、しかも中心電極が対向する面に貴金属チップを溶接してなるスパークプラグの製造方法であって、主成分がＮｉでＡｌを０.８ｗｔ％以上含みさらに自身の表層にＡｌ凝集層を有する合金を接地電極の母材とし、先ず、該表層を研削してＡｌ凝集層を薄くし、次に貴金属チップを母材に重ねてその重合部を加熱することにより主として母材を溶融させ、その溶融状態で貴金属チップを押圧することにより溶融したＡｌ凝集層を押し除けつつ貴金属チップを沈降させ、もって貴金属チップを表層下の合金層に接合させるようにしたスパークプラグの製造方法を提供する。
【０００７】
また、請求項３に記載したように、前記接地電極の中心電極が対向する面に貴金属チップを嵌入させる凹部を形成し、その凹部に貴金属チップを嵌め入れて溶接するようにした請求項２記載のスパークプラグの製造方法を提供する。
また、請求項４に記載したように、少なくとも放電部のＡｌ凝集層の厚みを２０μｍ以下に研削するようにした請求項２又は３記載のスパークプラグの製造方法を提供する。
また、請求項５に記載したように、前記Ａｌ凝集層を機械的研削手段により研削するようにした請求項２乃至４の何れか一つに記載のスパークプラグの製造方法を提供する。
また、請求項６に記載したように、前記Ａｌ凝集層を化学的研削手段により研削するようにした請求項２乃至４の何れか一つに記載のスパークプラグの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１記載の発明によれば、耐高温酸化性能を備えた高性能のスパークプラグが低価格に提供できる。すなわち、耐高温酸化性能には優れるが貴金属チップの溶接性阻害要因たるＡｌ凝集層が表層にあるニッケル合金を母材とする場合でも、溶接した貴金属チップを含む半断面の貴金属チップの下２０μｍの範囲の断面積中、Ａｌ凝集物の面積占有率が３０％以下であれば、そのようなＡｌ凝集物があっても貴金属チップの溶接性がよい。これは前記範囲のＡｌ凝集物が面積占有率で３０％以下と少ない状態であれば、貴金属チップと接地電極母材との溶接界面においても、溶接性を阻害しない程度に酸化アルミニウムが少ない状態を作り出すことができるためである。また、このことを利用し溶接前に斯かる条件を満たすＡｌ凝集層を残して母材を研削すれば、Ａｌ凝集層を完全に取り除く場合に比べて研削コストが削減でき、しかもどのような溶接方法に対しても信頼性の高い溶接を行うことができる、という優れた効果が得られる。
【０００９】
また、請求項２記載の発明によれば、溶融した母材に貴金属チップを加圧沈降させ、貴金属チップ自体でＡｌ凝集層を押し除けるという手法を採用したため、母材表層のＡｌ凝集物が溶接前において上記条件より多くても結果的に上記条件を満たすようにして貴金属チップの溶接が行える。従ってＡｌ凝集層を研削するコストがさらに削減できる。
【００１０】
また、請求項３のように、接地電極の中心電極が対向する面に貴金属チップを嵌入させる凹部を形成し、その凹部に貴金属チップを嵌め入れて溶接するようにすれば、母材全体のＡｌ凝集層を薄く研削するより母材の加工コストがさらに低減できる。また、溶接性試験によれば、請求項２の製造方法において放電部のＡｌ凝集層の厚みは、請求項４に記載したように２０μｍ以下にすれば実用上問題のない溶接性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、図１（ａ）は母材の拡大半断面図、図１（ｂ）はＡｌ凝集層を研削した状態を示す母材の拡大半断面図、図１（ｃ），（ｄ）は溶接工程を説明する半断面図、図２はスパークプラグの要部正面図、図３は貴金属チップ溶接後の接地電極の要部拡大半断面図、図４は剥離状態を示す接地電極の要部拡大半断面図である。
【００１２】
スパークプラグ１は、既に従来技術の項で説明したように、筒状の主体金具２と、主体金具２の中心を通って筒外に先端を突き出す中心電極３と、主体金具２の筒端に溶接等により固着し自由端を鍵型に曲げて前記中心電極３に対向させた接地電極４とを有する。この中心電極３と接地電極４の間が火花放電ギャップであり、また、中心電極３と接地電極４のそれぞれの対向する面が放電部であって、少なくとも接地電極４の放電部に例えば白金ニッケル合金、白金イリジウム合金などの貴金属チップ５が溶接されている。
【００１３】
次にスパークプラグ１の製造方法を説明する。但し、スパークプラグ１の接地電極４に関する部分以外は公知の製造方法がそのまま適用されるため説明を省略する。
【００１４】
先ず接地電極４は、主成分がＮｉでＡｌを０.８ｗｔ％以上含む合金を母材とする。この種の合金は図１（ａ）に示したように、生産工程での熱処理によって生じたＡｌ凝集物Ｘ（窒化アルミニウムと酸化アルミニウム）を有するＡｌ凝集層４ａが合金層４ｂの表層にある。なお、図１（ａ）は前記合金の断面をＳＥＭ観察した状態を示す。この表層を研削してＡｌ凝集層４ａを薄くする（研削工程）。具体的にはＡｌ凝集層４ａが２０μｍ以下になるまで研削するとよい。研削のための手段は、研磨機などによる機械的研削手段と、フッ酸又は王水による酸洗い、電解研磨などによる化学的研削手段のどちらでもよい。
【００１５】
次に図１（ｃ）に示したように電気抵抗溶接機の保持治具６ａに接地電極４を載置し、その接地電極４の放電部相当部分に薄い円盤形に加工した貴金属チップ５を載せる。そして、貴金属チップ５の上に電気抵抗溶接機の押圧治具６ｂを載せ、２８４〜３０４Ｎ程度の圧力で押圧しながら電極保持治具６ａと押圧治具６ｂの間に１，１００Ａ程度の電流を流し、貴金属チップ５と接地電極４の母材の重合部を発熱させる（溶接工程）。接地電極４の母材は融点が１，３５０℃〜１，４００℃であり、一方、貴金属チップ５の融点はそれより高い１，８４０℃〜１，８８０℃であるため、母材が先に溶融する。従って図１（ｄ）のように貴金属チップ５が押圧治具６ｂの圧力を受けて溶融したＡｌ凝集層４ａを周りに押し除けつつ沈降する。そして、貴金属チップ５が母材とほぼ面一になった時点で押圧治具６ｂを上昇させる。これで溶接工程が完了し、貴金属チップ５がＡｌ凝集層４ａを押し除けて表層下の合金層４ｂに接合する。
なお、上記の電気抵抗溶接はＡｒ雰囲気中（具体的には溶接部分にＡｒガスを吹き付けるいわゆるＡｒリッチな状態）で行うとよい。そうすることによりＡｌ凝集層の窒化アルミニウムが溶接時の熱で酸化アルミニウムに変化する現象が起き難くなり、その結果溶接界面の酸化アルミニウム量を低減させることができる。もちろんＡｒガスは他の不活性ガスに置き換えてもよい。
【００１６】
貴金属チップ５を溶接した後の接地電極４の断面は図３のようになっており、同図に斜線で示した貴金属チップ５を含む半断面の貴金属チップ５の下ほぼ２０μｍの範囲の断面積中、Ａｌ凝集物Ｘの面積占有率が３０％以下であれば溶接結果は良好である。これは前記範囲のＡｌ凝集物Ｘが面積占有率で３０％以下と少ない状態であれば、貴金属チップ５と接地電極４の母材との溶接界面においても、溶接性を阻害しない程度に酸化アルミニウムが少ない状態を作り出すことができるためである。
なお、Ａｌ凝集物Ｘの面積占有率は、例えば株式会社キーエンス製の画像処理装置で算出できる。また、面積占有率は３０％以下でよいため、貴金属チップ５の下２０μｍの範囲の全てについて算出しなくてよい場合もある。例えばＡｌ凝集物Ｘの多い部分を複数箇所任意に選定し、それらの箇所の５μｍ四方の単位面積についてＡｌ凝集物Ｘの面積占有率を算出し、その面積占有率の平均が３０％を越えなければ、図３の斜線部全体で面積占有率≦３０％になることはあり得ない。従って、そのような場合はその時点でＡｌ凝集物Ｘの算出を打ち切れば良いのであり、そうすることにより面積占有率の算出作業が短縮できる。
【００１７】
以上のようにして製造した接地電極４を主体金具２の筒端に溶接する。なお、接地電極４を主体金具２の筒端に溶接してから上記工程を実施するようにしてもよい。
【実施例１】
【００１８】
［机上チップ溶接性試験１］
本発明の効果を確認するため、次のような机上チップ溶接性試験を行った。
（ａ）接地電極４の母材として市販のニッケル合金である「Inconel 601」（登録商標）を採用し、これを１.３ｍｍ×２.７ｍｍの平角材に加工すると共にＡｌ凝集層４ａの厚みを０μｍから５０μｍまで５μｍ刻みで１１種類、各種５個ずつ製造した。なお、母材の具体的な添加元素と添加量（ｗｔ％）は次のとおりである。
［Ｓｉ:0.23  Ｃｒ:21.9  Ｍｎ:0.20  Ａｌ:1.37  Ｆｅ:14.6  Ｎｉ:61.7］
（ｂ）貴金属チップ５は、Ｐｔ−２０Ｉｒ合金を使用し、これをφ１.１ｍｍ、厚さ０.４ｍｍの円盤形に加工した。
（ｃ）溶接工程は、市販の電気抵抗溶接機を使用し、電極保持治具６ａと押圧治具６ｂの間に１，１００Ａの電流を流しつつ、貴金属チップ５を２９４Ｎの圧力で押圧した。
（ｄ）上記の要領で製造した接地電極４に対し、「９００℃で２分加熱−１分空冷」という条件を１０００回繰り返した後、貴金属チップ５の剥離状況を観察した。その結果を表１に示す。なお、剥離の程度は、図４に示したように溶接部の長さＬ１に対する剥離した長さＬ２の割合を百分率（％）で表した。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
この溶接性試験１の結果、Ａｌ凝集層４ａを薄く残しても、つまりＡｌ凝集層４ａを完全に除去しなくとも貴金属チップ５を加圧沈降させることにより溶接可能であることが確認できた。特にＡｌ凝集層４ａの厚みを２０μｍ以下にすれば、貴金属チップ５の剥離が２０％以下に抑制されるから、高品質のスパークプラグの安定提供が可能になる。一方、Ａｌ凝集層４ａの厚みが２１μｍ〜３０μｍである場合、２１％〜５０％の剥離が発生したが、この値の良否は求められる品質レベルによって評価が分かれるのであって、使用可能と評価される場合もある。また、Ａｌ凝集層４ａの厚みが２１μｍ〜３０μｍであっても貴金属チップ５の厚さを僅かに増やすことにより溶接性の大幅な改善は可能である。
【００２１】
［机上チップ溶接性試験２］
Ａｌ凝集物Ｘの面積占有率と貴金属チップ５の溶接性の関係を確認するため次のような机上チップ溶接性試験を行った。
（ａ）接地電極４の母材として市販のニッケル合金である「Inconel 601」（登録商標）を採用し、これを１.３ｍｍ×２.７ｍｍの平角材に加工し、Ａｌ凝集層４ａの厚みを変えて複数種類製造した。なお、母材の具体的な添加元素と添加量（ｗｔ％）は次のとおりである。
［Ｓｉ:0.25  Ｃｒ:20.0  Ｍｎ:0.20  Ａｌ:1.5  Ｆｅ:15.0  Ｎｉ:63］
（ｂ）貴金属チップ５は、Ｐｔ−２０Ｉｒ合金を使用し、これをφ１.１ｍｍ、厚さ０.４ｍｍの円盤形に加工した。
（ｃ）溶接工程は、市販の電気抵抗溶接機を使用し、電極保持治具６ａと押圧治具６ｂの間に１，１００Ａの電流を流しつつ、貴金属チップ５を２９４Ｎの圧力で押圧した。
（ｄ）上記の要領で製造した接地電極４に対し、「９００℃で２分加熱−１分空冷」という条件を１０００回繰り返した後、溶接した貴金属チップ５を含む半断面の貴金属チップ５の下２０μｍの範囲の断面積中、Ａｌ凝集物Ｘの面積占有率と貴金属チップ５の剥離状況を観察した。その結果を表２に示す。なお、剥離の程度は、図４に示したように溶接部の長さＬ１に対する剥離した長さＬ２の割合を百分率（％）で表した。
【００２２】
【表２】
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【００２３】
この溶接性試験２の結果、溶接した貴金属チップ５を含む半断面の貴金属チップ５の下２０μｍの範囲の断面積中、Ａｌ凝集物Ｘの面積占有率≦３０％であるとき貴金属チップ５の溶接性が使用可能な範囲に収まることが確認できた。
【００２４】
以上本発明を実施の形態について説明したが、もちろん本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、実施形態では接地電極４の表層全体を研削してＡｌ凝集層４ａを薄くしたが、図５に示したように接地電極４の放電部に貴金属チップ５を嵌入させる浅い凹部７を形成し、その凹部７に貴金属チップ５を嵌め入れて溶接するようにしてもよい。この場合、凹部７の底に薄いＡｌ凝集層４ａが残っていても実施形態と同じく溶接性に悪影響を及ぼさない。
【００２５】
また、実施形態では貴金属チップ５を母材に溶接する方法として電気抵抗溶接を使用したが、母材の表面から下２０μｍの範囲の断面積中、Ａｌ凝集物Ｘの面積占有率が３０％以下になるようにＡｌ凝集層４ａを予め研削してさえおけば、溶接後においてＡｌ凝集物Ｘの前記面積占有率は明らかに３０％以下になるから、貴金属チップ５を殆ど加圧しない、つまり貴金属チップ５によるＡｌ凝集層４ａの押し除け作用が殆ど期待できない溶接方法であるレーザー溶接や超音波溶接などでも貴金属チップ５が溶接できる。もっとも本発明は電気抵抗溶接によるのが実施の容易性、コスト面でベストである。
また、実施形態では接地電極４の母材としてニッケル合金の「Inconel 601」（登録商標）を採用したが、「Inconel 600」（登録商標）を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（ａ）は母材の拡大半断面図、（ｂ）はＡｌ凝集層を研削した状態を示す母材の拡大半断面図、（ｃ），（ｄ）は溶接工程を説明する半断面図である。
【図２】スパークプラグの要部正面図である。
【図３】貴金属チップ溶接後の接地電極の要部拡大半断面図である。
【図４】剥離状態を示す接地電極の要部拡大半断面図である。
【図５】他の形態を示す接地電極の分解斜視図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  …スパークプラグ
３  …中心電極
４  …接地電極
４ａ…Ａｌ凝集層
４ｂ…合金層
５  …貴金属チップ
７  …凹部
Ｘ  …Ａｌ凝集物
【図１】
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【図２】
2004186152.tif 000006
【図３】
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【図４】
2004186152.tif 000008
【図５】
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