(57)【要約】      （修正有）【課題】優れた耐火花消耗性を有する貴金属チップを備えるスパークプラグにおいて、その接地電極の酸化を改善するとともに高温強度に優れるものとする。【解決手段】  貴金属製のチップ４３が接合される接地電極４０を構成するＮｉ基合金は、Ｎｉを６８質量％以上含有し、さらにＣｒを１５質量％以上２３質量％以下、Ｍｏを０．８質量％以上３．５質量％以下、Ｃを０．０１質量％以上０．０５質量％以下、Ｆｅを３質量％以下、Ｂを０．００３質量％以上０．０１質量％を含有してなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の主体金具と、
当該主体金具の内孔に自身の外周を保持された筒状の絶縁碍子と、
前記絶縁碍子の先端部の内孔に配置される中心電極と、
一端に耐消耗性に優れるチップが接合され、当該チップと前記中心電極の先端との間に火花放電間隙を形成し、他端が前記主体金具の先端に接合された接地電極と、
を備えるスパークプラグであって、
前記接地電極は、
主成分としてＮｉを６８質量％以上含有してなり、
副成分としてＣｒを１５質量％以上２３質量％以下、Ｍｏを０．８質量％以上３．５質量％以下、Ｃを０．０１質量％以上０．０５質量％以下、Ｆｅを３質量％以下含有し、さらにＢを０．００３質量％以上０．０１質量％以下含有してなることを特徴とするスパークプラグ。
【請求項２】
前記接地電極は、
さらにＳｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉをそれぞれ０．３質量％以下含有することを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ。
【請求項３】
前記Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉ成分の合計含有量が０．８重量％以下であることを特徴とする請求項２記載のスパークプラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に取り付けられて使用されるスパークプラグに関し、特に接地電極の先端に耐消耗性に優れるチップが接合されたスパークプラグに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車エンジン等の内燃機関に装着され点火用に使用されるスパークプラグは、一般的に筒状の主体金具と、この主体金具に保持される中心電極が固定された絶縁碍子と、主体金具に接合され中心電極と火花放電間隙を形成する接地電極とを備えて構成される。また、中心電極、接地電極の耐消耗性や着火性を考慮してそれぞれの電極の火花放電間隙に面する部分に耐火花消耗性や耐酸化消耗性に優れる貴金属を配したものがある。
【０００３】
これら中心電極や接地電極を構成する材料としてインコネル６００（登録商標）等のＮｉ系のものが使用されている（例えば特許文献１参照）。この材質は高温強度や耐高温酸化性に優れる性質を備えるためである。
【０００４】
ところで近年、内燃機関は高出力化や省燃費化等のため燃焼効率改善され、燃焼温度がより高温となる傾向がある。このため、燃焼室に曝されるスパークプラグに、より高温耐性に優れることが要求されている。特に接地電極は、一般的に内燃機関に取り付けられる主体金具から燃焼室の中央に向かって突出した形態をしているため、絶縁碍子に周囲を保持されている中心電極に比較して高温となりやすい。このため、高温強度不足が懸念され、その対策としてＷやＭｏを添加することが検討されている（例えば特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００５−４４６２７号公報
【特許文献２】特開２００３−２５７５８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＷやＭｏを含有させると高温強度は向上する一方、耐高温酸化性が低下してしまうという問題がある。そこで低下してしまう耐高温酸化性を補うためにＣｒの含有量を増やすことが考えられる。ところが、Ｃｒを多量に含有させると電極の熱伝導性が低下してしまい、先端に接合されたチップの熱引きが悪化することによりチップの耐久性、ひいてはスパークプラグの耐久性が低下してしまう問題がある。
【０００６】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、従来同等の熱伝導性と耐酸化性能を備え、高温強度を向上させた接地電極であっても、接合したチップの脱落等の不具合なく使用できるスパークプラグ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】
【０００７】
そこで、本発明は、
筒状の主体金具と、当該主体金具の内孔に自身の外周を保持された筒状の絶縁碍子と、前記絶縁碍子の先端部の内孔に配置される中心電極と、一端に耐消耗性に優れるチップが接合され、当該チップと前記中心電極の先端との間に火花放電間隙を形成し、他端が前記主体金具の先端に接合された接地電極と、を備えるスパークプラグであって、
前記接地電極は、主成分としてＮｉを６８質量％以上含有してなり、副成分としてＣｒを１５質量％以上２３質量％以下、Ｍｏを０．８質量％以上３．５質量％以下、Ｃを０．０１質量％以上０．０５質量％以下、Ｆｅを３質量％以下含有し、さらにＢを０．００３質量％以上０．０１質量％以下含有してなることを特徴としている。
【０００８】
上記のように本発明では、Ｎｉ合金に対してＭｏを０．８質量％以上３．５質量％以下含有するようにしている。Ｍｏは前述の通りＷと同様に高温強度を向上させる効果が期待できる。そこで高温強度不足を解消するために０．８質量％以上添加する。しかしながら、添加しすぎると熱伝導率が低下してしまうため接地電極の先端に接合したチップの耐久性の低下が懸念される。そこで上限を３．５質量％としている。
【０００９】
またＣを０．０１質量％以上０．０５質量％以下含有するようにしている。Ｃを含有することによって高温強度を向上させる効果があるためである。しかしながら、過度に含有させてしまうと後述するＣｒ成分と炭化物を形成してしまい耐酸化性能を低下させてしまうためである。
【００１０】
一方、接地電極の高温酸化を防ぐためには接地電極の表面に酸素の進入を防ぐための保護性酸化被膜を形成するＣｒを含有させることが有効である。ところが、ＣｒはＣの含有量によっては互いに反応してＣｒの炭化物を形成してしまう。また、ＣｒはＭｏ同様にＮｉ合金の熱伝導率を低下させてしまうため、徒に含有させればよいのではない。すなわちＣｒの含有量はＭｏを含有させたことによる熱伝導率の低下、Ｃを含有させたことによるＣｒ炭化物の生成とのバランスを考慮する必要があり、本発明ではＣｒの含有量を１５質量％以上２３質量％以下含有するようにしている。
【００１１】
上記構成による接地電極は高温強度に優れ、高温酸化耐性を付与する保護性酸化被膜の形成が可能であり、熱伝導率の低下を最小限に抑制したものであるといえる。しかしながら、スパークプラグの接地電極として望まれる特性はこうした使用環境への耐性だけではなく、より容易に、また確実に製造することができることも重要な要件である。
【００１２】
そこで、本発明の接地電極にはＦｅを３質量％以下で含有させている。Ｆｅは熱間鍛造加工を行う際に割れを防ぐ効果を奏するので熱間における加工性を向上させるという面でスパークプラグの接地電極を形成するためには不可欠な元素であるともいえる。しかしながら、周知の通りＦｅは高温強度を低下させる作用があるため、その含有量はできるだけ抑えた方が望ましい。
【００１３】
Ｆｅの含有量を抑えたため、接地電極の形成時における熱間鍛造加工の際の割れの発生が懸念される。そこで本発明ではＢを０．００３質量％以上０．０１質量％以下含有させる。Ｂは接地電極を構成する組織の粒界強度を向上させる効果を有し熱間鍛造時における割れを防止することができる。ただし、過度に含有させると冷間鍛造性が悪化するため上記範囲に留めておくことが望ましい。
【００１４】
本発明のスパークプラグの接地電極は上記組成を備えるため、貴金属製のチップを備えるスパークプラグが過酷な環境で用いられても長寿命を達成することが可能となる。
【００１５】
なお、本発明は上記構成に加え、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉを含有する場合、それぞれ０．３質量％以下含有させることが望ましい。これらの成分は接地電極の原料に不純物として含有されうるＰやＳ等を取り除く効果を奏する。本発明のスパークプラグの接地電極材料となるＮｉ合金を製造する際には前記不純物を取り除くためにＳｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉを含有させており、こうして調製された接地電極材料はスパークプラグとして悪影響をもたらすＰやＳ等の不純物の含有されないものとなる。Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉの添加量が少ないとＮｉ合金中の前記不純物が抜けきっていないものとなってしまう。逆説的には、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉが接地電極材料に含有されていることでスパークプラグとして悪影響をもたらす不純物が含有されていないことを保証することになる。
【００１６】
ところで、例えばＳｉ、Ａｌは高温耐酸化性や耐火花消耗性を向上させる効果を奏することが知られているが、一方で接地電極の内部酸化を助長させる一因ともなりうる。本発明では高温耐酸化性や耐火花消耗性については接地電極に貴金属チップを配することによって向上させているため、上記のように不純物を含有していないことを保証できればよく、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉはそれぞれ０．３質量％以下で含有するようにしている。また、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｔｉは合計含有量が０．８重量％以下であることがより望ましい。
【００１７】
本発明のスパークプラグについて、従来公知のスパークプラグの接地電極に用いられる電極材料と対比してみると、例えば、特開２０００−３３６４４６号公報に記載される電極材料はＭｏ、Ｂを含有していない。Ｍｏを含有しないので高温強度が不十分であり、Ｂを含有していないので加工性を確保するために比較的多量（３質量％超）のＦｅを含有しなければならない。Ｆｅを多量に含有している点においてもやはり高温強度が不足してしまい本発明の課題を解決し得ない。
【００１８】
また、例えば特開２００２−１２９２６８号公報に記載される電極材料は、上記公報とは異なりＭｏを含有した例が記載されている。しかしながら、やはり多量のＦｅを含有しており、高温強度の不足が懸念される。
【００１９】
一方、特開２００２−２３５１３７号公報に記載される電極材料はＢを含有することを開示している。しかしながら、Ｍｏが含有されておらず高温強度が低いばかりか、上記２つの公報同様にＦｅを多量に含有しており、高温強度を重視したものではないことがわかる。
【００２０】
このように、従来公知のスパークプラグのＮｉ合金電極材料は本発明の課題を解決するものではなかった。これは、上記公報に記載のものはいずれも貴金属チップを備えたスパークプラグを想定していないために生じる際であり、本発明は貴金属チップを備えることを前提として発明がなされたためである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１に本発明のスパークプラグ１００の全体図を示す。スパークプラグ１００は、概略、中心電極１０と端子電極２０を備えた絶縁碍子３０と、接地電極４０を備えた主体金具５０とが組み合わされて構成される。以下、各部材について説明する。
【００２２】
中心電極１０はインコネル６００をはじめとするＮｉ系合金を母材として、後端部に鍔部１１を有した略棒状に形成される。Ｎｉ系合金からなる母材の中心部には熱伝導性を向上させる目的でＣｕ合金が芯１２を構成している。また中心電極１０の先端にはＰｔやＩｒ等を含有する貴金属合金からなる耐消耗性に優れるチップ１３が接合される。一方、主体金具５０が備える接地電極４０は、後述するＮｉ合金を母材として構成され、略矩形に形成されて主体金具５０の先端に接合される。接地電極４０は先端部の一側面が中心電極１０に接合されたチップと火花放電間隙Ｇを形成するように略直角に折り曲げられる。この接地電極４０の先端部の一側面にも着火性の向上や耐消耗性の向上を目的として中心電極１０と同様に貴金属合金からなるチップ４３が接合される。
【００２３】
主体金具５０はＳ１５ＣやＳ２５Ｃ等の鉄系の金属部材やステンレス等の金属部材に塑性加工を施し略円筒形に形成され、切削等の仕上げを経てその概形が形成される。主体金具５０の外周面のうち先端側には図示しない内燃機関にスパークプラグ１００を取り付けるためのねじ部５１が転造される。このねじ部５１の後端側には内燃機関に取り付けたときにその外表面にガスケット８を介して当接して気密を保持するための座面を有する鍔部５２が形成されており、さらに鍔部５２の後端側には内燃機関へ取り付けるときにプラグレンチ等の工具が係合する工具係合部５３が形成されている。この工具係合部５３と鍔部５２との間には絶縁碍子３０を組み付けるときに座屈されるように薄肉に形成されている（なお、図１では座屈した後の形状を示している）。
【００２４】
工具係合部５３の後端側はスパークプラグ１００の完成時に主体金具５０の最後端部となる加締め蓋６０が形成されるように薄肉の筒状に形成される（前同、図１では加締め蓋が形成された後の形状を示している。）。主体金具５０の内孔５７はねじ部５１が形成された軸線位置に小径孔５４が形成され、この小径孔５４のうちの先端側に径方向内向きに突出した棚部５５が形成されている。この小径孔５４に連なる後端側は鍔部５２の形成された軸線位置を境に大径孔５６が後端まで形成されている。このように形成された主体金具５０の先端に接地電極４０が接合される。この接合は抵抗溶接によって行われ、溶接ダレを除去した後、接地電極４０と共に主体金具５０に亜鉛等のめっき処理が行われる。
【００２５】
絶縁碍子３０はアルミナや窒化アルミニウム等の絶縁セラミック粉末にバインダ等が混ぜられ、プレスによってその概形が形成され、砥石によって研削されて整形された後、焼成されることによって作製される。この絶縁碍子３０は略円筒形であり内部に軸孔３１が形成され、外表面の軸線Ｏ方向略中央には径方向外向きに突出した中胴部３２が形成されている。この中胴部３２の先端側には先端向きの段部３３を有する先端側胴部３４が形成され、一方中胴部３２の後端側には先端側胴部３４よりわずかに大径の後端側胴部３５が形成されている。なお、先端側胴部３４に形成された段部３３よりも先端側はスパークプラグ１００としての完成時には燃焼ガスに晒される脚長部３６を構成する。軸孔３１のうち、この脚長部３６の後端側には中心電極１０を支持する支持段部３７が形成され、軸孔３１の内径は支持段部３７よりも先端側がその後端側よりも細く形成される。
【００２６】
絶縁碍子３０と中心電極１０、端子電極２０の組み付けについても従来周知のようにガラスシール材５や抵抗材６が用いられ一体とされた絶縁碍子組立体が接地電極４０の接合された主体金具５０へ組み付けられる。この組み付けについても従来周知の通りであり、中胴部３２より先端側の絶縁碍子１０の段部３３と主体金具５０の棚部５５との間にパッキン７を介装させる。また、中胴部３２より後端側にはパッキン３，３および滑石（タルク）４を介して加締め蓋６０により絶縁碍子１０を主体金具５０に固定する。
【００２７】
以上のように、中心電極１０および端子電極２０が固定された絶縁碍子３０と、接地電極４０が接合された主体金具５０との組付けを行うことによってスパークプラグ１００は完成する。
【００２８】
本発明のスパークプラグ１００の接地電極４０の組成について説明する。接地電極４０は、Ｃｒ成分を１６重量％、Ｍｏ成分を３．０重量％、Ｆｅ成分を２．０重量％、Ｃ成分を０．０４重量％、Ｂ成分を０．００４重量％、Ｍｎ成分を０．２５重量％、Ａｌ成分を０．２重量％、Ｓｉ成分を０．２重量％、Ｔｉ成分を０．１重量％、残部をＮｉ成分（約７８．２重量％）として構成される。また、比較例として作成した接地電極４０の組成（比較例１〜１２）を表１に記載する。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
上記組成を備える接地電極４０は次のように作製される。まず、公知の真空溶解炉を用い、各成分組成をもった合金の溶湯を調製し、真空鋳造にて３０ｃｍ角棒状の鋳塊を形成する。この鋳塊を熱間鍛造にて直径６０ｍｍの丸棒とし、この丸棒に線引き加工を施して、断面寸法１．５ｍｍ×２．８ｍｍの線材とする。この線材が主体金具５０に溶接され接地電極４０をなす。
【００３１】
次に本発明のスパークプラグ１００の性能評価試験について説明する。接地電極の組成は上記実施例および比較例１〜１１の通りであり、行う性能評価試験は以下の通りである。なお、実施例および比較例のいずれも製造方法を同一としてスパークプラグ１００を作製した。
【００３２】
・酸化膜厚増加評価
酸化膜厚増加評価試験は、上記説明したスパークプラグ１００の完成形態にて行い、接地電極４０に接合されたチップ４３はφ１．０ｍｍ、長さ０．５ｍｍの円柱形状のもの（組成：８０Ｐｔ−２０Ｉｒ）である。このスパークプラグ１００を４気筒２リットルガソリンエンジンに取り付け、エンジンの回転数が５０００ｒｐｍとアイドル状態（７００ｒｐｍ）を１分ずつ繰り返し、２５０時間エンジンを運転した後の酸化膜厚をそれぞれの接地電極４０の組成について測定する。なお、測定箇所はチップ４３の接合された部位の背面を通る接地電極４０の長手方向の断面を取り、ＳＥＭにて観察し、その拡大画像上で測定を行った。判定基準は、酸化膜厚の測定値が１２０μｍ未満であったものを○、１２０μｍ以上１８０μｍ未満を△、１８０μｍ以上のものを×と判定した。なお、この評価試験においてチップが脱落してしまったものについても×と判定している。
【００３３】
・高温強度評価
高温強度評価試験は上記スパークプラグ１００を完成する前の接地電極４０（ただしチップ４３は接合されていない）単体を長手方向の一端と他端を支持した状態で電気炉内に投入し、７００℃になるように加熱した状態にて長手方向に引っ張った時の強度を測定する。判定基準は、その強度が３５０Ｎ／ｍｍ２以上であったものを○、それ未満であったものを×と判定した。
【００３４】
・加工性評価
加工性評価試験は、素線加工工程及び接地電極形成工程によって割れ等の不具合の発生が無いものを○、発生したものを×と判定した。これらの工程は特殊な工程ではなく従来周知の工程と同様である。なお、前者工程時による不具合を×（熱間）とし、後者工程時による不具合を×（冷間）と表記している。
【００３５】
・チップ耐久性評価
上記同様の評価対象のスパークプラグを４気筒２リットルエンジンに取り付け、５０００ｒｐｍにて４００時間運転後に貴金属チップの状態を観察する。判定は試験前後でスパークプラグの軸線Ｏ方向に垂直な方向からの貴金属チップの投影図の面積比較を行い、貴金属チップが接地電極から脱落すること無く、貴金属チップの残存量が９０％以上であったものを○、９０％未満８０％以上であったものを△、８０％未満であったものを×と判定した。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
上記評価試験より、次のことが確認される。
実施例および比較例１，２の対比よりＣｒ成分は１５重量％以上２３重量％以下で含有するとよい。Ｃｒは酸化してＣｒ２Ｏ３膜を形成する。このＣｒ２Ｏ３膜は緻密な構造を持つため接地電極４０まわりの酸素が接地電極４０内部の組織と反応することを防ぎ、接地電極４０の酸化消耗を軽減する作用を奏する保護性酸化被膜となる。比較例１はＣｒが１５重量％未満であることからこの作用を期待できず、接地電極４０内部の組織と酸素が反応してしまい酸化膜厚が増大する。また、その結果としてチップ４３と接地電極４０との接合力が低下し、チップ４３が脱落するという弊害が生じる。
【００３８】
一方、比較例２はＣｒを過剰に含有するため、熱伝導率が低下してしまい接地電極４０の放熱性能が低下する。その結果、比較例１の接地電極４０の先端側は実施例のものに比較してより高温の状態となる。接地電極４０の先端部が高温となると、接地電極４０とチップ４３の熱膨張係数の違いから両者の接合面における膨張量が異なる。先端部は高温の状態にあるため、膨張量の差異によって接合面に生じる応力は解放される一方、低温の状態となったときに生じる応力によってチップ４３が接地電極４０から脱落してしまうものと考えられる。
【００３９】
実施例および比較例３，４の対比よりＭｏは０．８重量％以上３．５重量％以下で含有するとよい。比較例３ではＭｏの含有量が不十分のため高温強度が十分向上しない。一方、比較例４ではＭｏを過剰に含有させたために酸化膜厚増加評価において×と判定される結果となった。Ｍｏは高温強度を向上させる一方、保護性酸化被膜の形成を阻害する作用を有するため、過剰に含有させると酸化膜厚の増大の原因となる。
【００４０】
実施例及び比較例５の対比よりＦｅは過度に含有させない方が好ましいことが確認できる。Ｆｅは耐酸化性能、高温強度を下げてしまうためできる限り含有させない方が好ましいが、接地電極４０を作製するためにはある程度の熱間鍛造性能を備えるべきであり、その許容される上限は本発明の構成では３重量％である。
【００４１】
実施例及び比較例６，７の対比よりＣは０．０１重量％以上０．０５重量％以下で含有させることが好ましいといえる。比較例６ではＣの含有量が少ないため、耐酸化性能が低下してしまうことはないが十分な高温強度が得られず、比較例１と同様のメカニズムによってチップ４３の脱落の危険性を生じる。一方、比較例７では過度に含有させたために耐酸化性能が不十分という結果となった。
【００４２】
実施例及び比較例８，９の対比よりＢの効果が確認できる。比較例８は０．００３重量％未満であるため、接地電極４０を作製する過程にて割れが生じてしまった。その結果として加工性を×と判定している。また、このような不具合が生じたことから酸化膜厚増加評価試験、高温強度評価試験、チップ耐久性評価試験は行っていない。一方、比較例９は０．０１重量％を超えて含有しているため、冷間加工性が悪化してしまい、試験を行うための接地電極を形成するために素線から線引き加工を施して接地電極４０の形状とする際に割れを生じるサンプルが頻発した。
【００４３】
実施例および比較例１０の対比より、接地電極４０に付加的に含有されるＭｎ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉについてはその含有量がそれぞれ０．３重量％以下となるようにすることが好ましいといえる。これら成分はそれぞれの酸素との親和力がＣｒと酸素の親和力よりも高く、接地電極４０の表層に形成されるＣｒ２Ｏ３膜と接地電極４０との界面にて酸化物を形成する。形成された酸化物はＣｒ２Ｏ３膜を破壊してしまい接地電極４０の保護性酸化膜による酸化耐性が低下してしまうおそれがある。また、さらに望ましくはこれらの成分は合計で０．８重量％以下とするとよい。一方、ＰやＳ等の不純物が含有されていないことを保証する意味ではＭｎ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉのうち少なくとも１種以上がたとえば０．１重量％以上含有されていればよい。
【００４４】
なお、比較例１１として従来相当品であるＮＦＣ６００についても同様の試験を行った。Ｃｒの含有量は十分であるものの、Ｆｅが７重量％と多量に含有されているため、酸化を助長してしまい十分な酸化抑制効果が得られなかった。加えて高温強度の低下も懸念される。また、Ｍｏが含有されていないため高温強度についても十分ではなく、過酷な評価試験である本実施例においては本発明の目的を解決するものではなかった。
【００４５】
以上の評価試験より本発明のスパークプラグは、耐火花消耗性については貴金属製のチップを備えることで達成し、そのチップが接合される接地電極が過酷な状況下で使用されても十分な長寿命を達成することが可能となる。
【００４６】
なお、本発明のスパークプラグに対し、接地電極にＣｕ等の良熱伝導性の芯材を有するように構成してもよく、本発明はその構成を除外するものではない。しかしながら、本発明であれば上記芯材を使用することなく貴金属チップの脱落を防止する効果を奏するため、製造コストの面からも本発明が優れることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明のスパークプラグ１００の全体図を示し、その一部断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０  中心電極
２０  端子電極
３０  絶縁碍子
４０  接地電極
４３  （貴金属）チップ
５０  主体金具
１００  スパークプラグ
【図１】
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