(57)【要約】【課題】  放電電圧を低減し、かつ、その状態を長期間維持することができるプラグ材料、及び、その製造方法を提供する。【解決手段】  本発明は、点火プラグの中心電極を構成する略円柱形状のプラグ材料であって、その断面構造において、第１の金属からなる境界相と、前記境界相により区分された第２の金属からセル相からなり、前記第１の金属と前記第２の金属とは、耐火花消耗性の異なる金属であるプラグ材料である。本発明では、耐火花消耗性の低い金属が優先的に消耗するため、消耗により生じた凹みによりエッジが出現する。これにより放電電圧の低減を図ることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
点火プラグの中心電極を構成する略円柱形状のプラグ材料であって、その断面構造において、第１の金属からなる境界相と、前記境界相により区分された第２の金属からなるセル相からなり、前記第１の金属と前記第２の金属とは、耐火花消耗性の異なる金属であるプラグ材料。
【請求項２】
第１の金属及び第２の金属は、白金：５〜１００重量％、イリジウム：１０〜１００重量％、ロジウム：０．１〜５０重量％の少なくともいずれかよりなる貴金属合金、又は、前記貴金属合金に鉄、ニッケル、クロムの少なくともいずれかを０．１〜１５重量％添加した貴金属合金であり、
第１の金属のＩｒ濃度は第２の金属のＩｒ濃度に比べて５重量％以上少ないものである請求項１記載のプラグ材料。
【請求項３】
プラグ材料の断面積に対する第２の金属の面積比が、２〜８０％である請求項１又は請求項２のいずれかに記載のプラグ材料。
【請求項４】
セル相は、外周に向かう平坦な延長部を有する略菱形又は略三叉形の多角形状を有し、前記セル相によって区分された複数の相が形成されてなる請求項１〜請求項３のいずれかに記載のプラグ材料。
【請求項５】
境界相が複数のセル層を分断することにより、ハニカム形状を有してなる請求項１〜請求項３のいずれかに記載のプラグ材料。
【請求項６】
外周側面に第１の金属からなる被覆層を有する請求項１〜請求項５のいずれかに記載のプラグ材料。
【請求項７】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載のプラグ材料の製造方法であって、複数の第１の金属からなる棒材又は線材と、第２の金属からなる棒材又は線材とを並列に結束し、結束した前記棒材又は線材を線引き加工するプラグ材料の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜請求項６のいずれかに記載のプラグ材料の製造方法であって、第１の金属で被覆された第２の金属からなる棒材又は線材を複数並列に結束し、結束した前記棒材又は線材を線引き加工するプラグ材料の製造方法。
【請求項９】
結束した棒材又は線材の、側面又は少なくともいずれかの端部を溶接接合した後、線引き加工する請求項７又は請求項８記載のプラグ材料の製造方法。
【請求項１０】
線引き加工の前に、結束した棒材又は線材を第１の金属からなる筒状材に挿入し、前記筒状材を線引き加工する請求項８又は請求項９記載のプラグ材料の製造方法。
【請求項１１】
第１の金属と第２の金属との硬度差が１００Ｈｖ以下である材料を用いて加工する請求項７〜請求項１０記載のプラグ材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、点火プラグの中心電極を構成する材料に関する。詳しくは、放電電圧が低く、その状態を長期維持することができるプラグ材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関用の点火プラグの主要部材である中心電極の構成材料として、従来からＰｔ、Ｉｒ、これらの合金が使用されている。これらの金属は、融点が高く耐火花消耗性、耐酸化性に優れることから、燃焼室内の高温・高酸化性雰囲気中でも長寿命であることによる。また、中心電極の構造として、これらの金属・合金を単独使用するものに加えて、最近では２種類の材料を組み合わせたクラッド材を用いる例も知られている（例えば、特許文献１）。Ｐｔ、Ｉｒのような貴金属はいずれも高融点材料であるが、厳密に比較すると、耐火花消耗性、耐酸化性が異なることから、これらのクラッド材を用いることで、それぞれの長所を活かすことができる。
【特許文献１】特開２００２−３５９０５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、この種のプラグ材料に要求される特性としては、上記のような消耗性、耐酸化性が優先的に挙げられるが、放電電圧もこれらに劣らず重要な特性といえる。如何に耐火花消耗性に優れるとしても中心電極は使用に伴い消耗し、その形状変化により放電電圧が大きく変化し失火現象が生じることがある。従って、放電電圧が適切に低減されており、安定した放電特性を有するものが求められる。この点、従来のプラグ材料においては、このような観点から開発されたものは少ない。
【０００４】
そこで、本発明は、放電電圧を低減し、かつ、その状態を長期間維持することができるプラグ材料を提供する。また、このプラグ材料を効率的に製造することができる方法も提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
点火プラグの放電電圧は、その環境面での状況によっても変化するが、中心電極の形状に関していえば、エッジ（角）が出現する形状とすることで放電電圧が低下する傾向がある。消耗により放電特性が変化するのは、消耗により中心電極の形状が丸みを帯びてくるためである。本発明者等は鋭意研究を行い、２種の金属・合金が複合されたプラグ材料を基本とし、放電電圧が低減するため、より多くのエッジを有する構造のものを見出した。
【０００６】
即ち、本発明は、点火プラグの中心電極を構成する略円柱形状のプラグ材料であって、その断面構造において、第１の金属からなる境界相と、前記境界相により仕切られた第２の金属からなる複数のセル相からなり、前記第１の金属と前記第２の金属とは、耐火花消耗性の異なる金属であるプラグ材料である。
【０００７】
本発明に係るプラグ材料は、例えば、図１のような断面構造を有し、境界相を備え、境界相により区分されたセル相が形成される。それぞれの相は、耐火花消耗性の異なる金属からなる。このプラグ材料では、耐火花消耗性の低い金属が優先的に消耗するため、消耗により生じた凹みによりエッジが出現する。このようにして生じるエッジの長さは、従来の単純なクラッド材よりも長いものであるから、放電電圧の低減を図ることができる。また、耐火花消耗性の高い金属からなる相もやがて消耗するため中心電極端面は平坦となるが、その際には耐火花消耗性の低い金属からなる相が優先的に消耗し、再度エッジが出現する。このように、エッジの出現、摩耗による平坦化、エッジの再度の出現を繰返ししつつ、放電電圧の低減・安定化を図ることができる。
【０００８】
本発明においては、耐火花消耗性の異なる金属・合金を、境界相及びセル相の構成材料として選択し組み合わせるものであるが、境界相（第１の金属）を耐火花消耗性の低い金属で構成し、セル相（第２の金属）を耐火花消耗性の高い金属で構成しても良いし、逆の組み合わせとしても良い。図２のように、いずれにしても、耐火花消耗性の低い金属の消耗によりエッジが出現するからである。本発明において好ましいのは、セル相の方に耐火花消耗性の高い金属を配するのが好ましい。境界相が消耗した際、セル相が針状で残りやすく、放電電圧を安定化させるからである。
【０００９】
第１の金属及び第２の金属の具体的な材質は、いずれもプラグ材料として使用可能な金属・合金であることが好ましく、貴金属を含む合金が好ましい。貴金属合金としては、白金、イリジウム、ロジウムの少なくともいずれかを含むものが好ましく、各貴金属の組成として、白金：５〜１００重量％、イリジウム：１０〜１００重量％、ロジウム：０．１〜５０重量％の合金が好ましい。また、これら貴金属以外に、鉄、ニッケル、クロムの少なくともいずれかを０．１〜１５重量％添加したものも適用できる。
【００１０】
耐火花消耗性に基づく第１の金属及び第２の金属の選定においては、イリジウムの含有量と耐火花消耗性には相関があることから、上記の組成において、イリジウムの濃度を基準とすることが好ましい。具体的には、第１の金属のＩｒ濃度は第２の金属のＩｒ濃度に比べて５重量％以上少なくなるように各金属の組成を決定することが好ましい。尚、第１の金属及び第２の金属の組み合わせとしては、例えば、下記表１のようなものが挙げられる。
【００１１】
【表１】
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【００１２】
上記のような断面形状において、放電電圧をより低くするためには、セル相の面積を全断面積に対して２〜８０％とするのが好ましい。断面積が大きすぎると放電電圧が低下しなくなるからである。また、耐消耗性を重視する場合はセル相の面積は全断面積に対して５０％以上にするのが好ましい。
【００１３】
本発明に係るプラグ材料は、図４のように、その外周側面に第１の金属からなる被覆層を有しても良い。この被覆層は、第１の金属からなり境界相と連通するものである。
【００１４】
本発明に係るプラグ材料の断面形状において、境界相及びセル相の形状の例としては、図１のように、セル相を四方に平坦な延長部を有する略菱形形状を有するものの他、三叉形状のセル相が形成されたもの（図３（Ａ））、別形状のセル相が形成されたもの（図３（Ｂ）、（Ｃ））等が挙げられる。これらのうちセル相の形状が細く複雑になる程、消耗時のエッジの長さが増大するが、セル相を複雑化すると製造が困難となる傾向があることから、どのような形状にするかは製造効率とのバランスにより決定される。
【００１５】
次に、本発明に係るプラグ材料の製造方法について説明する。本発明に係るプラグ材料の製造方法は、複数の第１の金属からなる棒材又は線材と、第２の金属からなる棒材又は線材と並列に結束し、結束した前記棒材又は線材を線引き加工するか、又は、第１の金属で被覆された第２の金属からなる棒材又は線材を複数並列に結束し、結束した前記棒材又は線材を線引き加工するものである。
【００１６】
これらの製造方法は、いずれも、棒材又は線材を原料とするものであり、結束した棒材又は線材を線引き加工により各材料が一体化するまで加工することで、第１及び第２の金属を変形させつつ、境界相及びセル相を形成するものである。これらの方法によれば、境界相を容易に形成することができ、また、ハニカム形状のような複雑形状のセル相も形成することができる。
【００１７】
ここで、前者の第１、第２の金属からなる２種の棒材又は線材を使用する方法（図５（Ａ））は、図１のような、境界相の中心部に塊状のセル相を有する形状を形成するのに有用である。一方、後者の第１の金属で被覆された第２の金属からなる棒材又は線材を用いる方法（図５（Ｂ））は、幅狭の細い境界相を形成するのに有用である。
【００１８】
これらの製造方法においては、いずれの場合においても結束した棒材又は線材の側面、又は、少なくともいずれかの端部を溶接接合した後、線引き加工するのが好ましい。加工時の取り扱いを容易にするためである。
【００１９】
また、これらの方法においては、線引き加工の前に、結束した棒材又は線材を第１の金属からなる筒状材に挿入し、前記筒状材を線引き加工するができる（図６Ａ）。この方法によれば、外周側面に被覆層を備えるプラグ材料を容易に製造することができる。また、第1と第２の金属を逆の組み合わせとしても良い。（図６Ｂ）
【００２０】
尚、本発明において、第１の金属及び第２の金属は、両者の硬度差が１００Ｈｖ以下となるような組み合わせが好ましい。硬度差が大きすぎると、加工の際に軟らかい材料が優先的に変形して線材長手方向に伸びてしまうため、設計通りの寸法形状が得にくいからである。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明に係るプラグ材料は、放電電圧が低減されており、更に、これを長期間維持することができるものである。また、本発明に係るプラグ材料の製造方法は、断面形状が比較的複雑なプラグ材料を効率的に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の好適な実施例を説明する。
【００２３】
第１実施形態：直径８ｍｍのＰｔ−２０重量%Ｉｒ合金の線材を4本用意し、これらを直径１１ｍｍのＩｒ−１０重量%Ｒｈ合金の線材の外周に配した。そして、各線材の側面をレーザー溶接した。溶接の条件は、出力２５０ｋｗ、パルス幅３．５ｍｓｅｃ、ＯＦＦ時間２．０ｍｓｅｃとした。
【００２４】
次に、結束した線材を１２００℃に加熱して、熱間スエージングで直径８ｍｍまで加工した。更に、熱処理を行いながら線引き加工を行い直径１．２ｍｍの線材（プラグ材料）を製造した。尚、この線引き加工では、断面減少率で３０％加工する度に１２００℃の熱処理を行った。製造したプラグ材料は、図１に示すような断面形状であり、セル相であるＩｒ−１０重量%Ｒｈ合金の中心部が、約０．６ｍｍ角の正方形状であった。このとき、プラグ材料断面積に対するセル相の面積比は３５％であった。
【００２５】
第２実施形態：直径５．９ｍｍのＩｒ−１０重量%Ｒｈ合金の線材に、外径９ｍｍ、内径６ｍｍのＰｔ−２０重量%Ｉｒ合金のパイプを被せ、１２００℃に加熱して、熱間スエージングで直径４mmまで加工した後に、加工ひずみ除去と拡散接合のために温度１２００℃で１時間の熱処理を行い、更に、２．３ｍｍまで線引き加工し、Ｐｔ−２０重量%Ｉｒ合金で被覆されたＩｒ−１０重量%Ｒｈ合金の線材を製造した。
【００２６】
次に、この被覆された線材を７本結束し、これに外径９ｍｍ、内径７ｍｍのＰｔ−２０重量%Ｉｒ合金のパイプを被せ、熱間スエージング加工した。そして、熱処理を行いながら線引き加工を行い直径１．２ｍｍの線材（プラグ材料）を製造した。線引き加工の際には、断面減少率で３０％加工する度に１２００℃の熱処理を行った。製造したプラグ材料は、図６（Ａ）に示すような断面形状であり、Ｐｔ−２０重量%Ｉｒ合金からなるハニカム形状の境界相と、７つのＩｒ−１０重量%Ｒｈ合金からなる多角形のセル相が形成された。セル相の幅は約０．２ｍｍであった。このとき、プラグ材料断面積に対するセル相の面積比は２５％であった。
【００２７】
第３実施形態：ここでは、第１実施形態に対し、境界相、セル相を構成する金属を逆にしてプラグ材料を製造した。直径８ｍｍのＩｒ−１０重量%Ｒｈ合金の線材を4本用意し、これらを直径１１ｍｍのＰｔ−２０重量%Ｉｒ合金の線材の外周に配し、溶接して結束した線材を線引き加工してプラグ材料を製造した。線材溶接の条件、線引き加工の条件は第１実施形態と同様とした。製造したプラグ材料は、図１に示すような断面形状であり、セル相であるＰｔ−２０重量%Ｉｒ合金の中心部が、０．６ｍｍ角の正方形状であった。このとき、プラグ材料断面積に対するセル相の面積比は３５％であった。
【００２８】
比較例１、２：上記実施形態に対する比較として、従来のプラグ材料であるＩｒ−１０重量%Ｒｈ合金線材、Ｐｔ−２０重量%Ｉｒ合金線材を用意した。線径はいずれも１．２ｍｍである。
【００２９】
放電試験：各実施形態、比較例に係るプラグ材料について放電試験を行った。この試験では、各線材を３０ｍｍに切断、ギャップ１ｍｍの間隔で対向させて、３００時間放電させ、その間の放電電圧の平均値、最大値を測定した。表２はその結果を示す。
【００３０】
【表２】
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【００３１】
表２から、第１〜第３実施形態に係るプラグ材料は、比較例と比較して平均の放電電圧が低減されていることがわかる。また、第１〜第３実施形態に係る平均値と最大値との差も低くなっており、安定した放電特性を維持していることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係るプラグ材料の断面構造の一例を示す図。
【図２】本発明に係るプラグ材料の消耗した状態を説明する図。
【図３】本発明に係るプラグ材料の断面構造の他の一例を示す図。
【図４】本発明に係るプラグ材料の被覆層を有する場合の断面構造の一例を示す図。
【図５】本発明に係るプラグ材料の製造方法を説明する図。
【図６】本発明に係るプラグ材料の製造方法を説明する図。
【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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