专利名称：内燃机用火花塞的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃机用火花塞，特别涉及会发生包含沿着绝缘体顶端表面的沿面放电在内的火花放电的内燃机用火花塞。
背景技术：
近年来，随着引擎性能的进步，对内燃机用火花塞的长寿命化与耐污损性要求更高了。例如，作为改善了耐污损性的内燃机用火花塞，有所谓的半沿面放电型火花塞(例如，参照专利文献1、专利文献2)。这个内燃机用火花塞的构成，使得所产生的火花在接地电极与绝缘体之间发生空气放电，在绝缘体与中心电极之间，以经由绝缘体顶端表面的沿面放电形态传播。一般情况下，内燃机用火花塞在低温环境中长时间使用后，会变成所谓“熏黑”或者“覆盖”的状态，绝缘体顶端表面被碳等导电性污损物覆盖，容易发生运转不良。对此情况，前述的半沿面放电型火花塞由于沿绝缘体顶端表面的沿面放电会烧光碳等污损物，有十分优秀的耐污损性。
特开2001-68252号公报(第5-9页，图1)[专利文献2]特开2001-164146号公报(第7-11页，图1)对于半沿面放电型火花塞，当沿着绝缘体顶端表面的沿面放电频繁发生时，绝缘体顶端表面会被削出沟状，即容易产生所谓的“沟槽(チャンネリング)”是公知的。若沟槽不断深入，可能发生火花塞的耐热性被损害、可靠性降低等不好的情况。为了抑制沟槽，已知有一种内燃机用火花塞，在中心电极的电极材料中使用含Fe、Cr作为副成分的Ni合金(例如，参照专利文献1)。这个火花塞利用Fe、Cr的氧化物能够形成半导体的特点，由于火花放电产生中心电极的火花消耗，溅出的Fe、Cr会附着在绝缘体顶端表面并形成氧化物半导体覆盖膜，该覆盖膜可以保护绝缘体并且降低放电电压，从而抑制沟槽。
但是，由于随着Fe、Cr的添加，中心电极的热传导率降低，又产生了中心电极的消耗变得显著的问题。还有，中心电极的消耗中又认为包含火花消耗和氧化消耗两个因素。对于这个问题，已知有一种内燃机用火花塞(例如，参照专利文献2)，通过调整所含Fe、Cr的含有率，可以使在抑制沟槽的同时抑制中心电极的消耗成。这个内燃机用火花塞中，使Fe占1.0wt％以上、Cr占1.5wt％以上、Fe与Cr合计占2.5wt％以上9.0wt％以下、Ni占80wt％以上，从而既抑制沟槽又抑制中心电极的消耗。这个内燃机用火花塞的特征是利用作为Ni合金副成分、形成氧化物半导体的元素，使用了最适合的副成分Fe、Cr。但是，即使调整所含Fe、Cr的含有率，也不能充分抑制中心电极的消耗。
发明内容
本发明借鉴了已有的相关材料，其目的在于，提供一种可以同时做到抑制沟槽和抑制中心电极消耗的内燃机用火花塞。
解决措施的一种内燃机用火花塞，具有其轴孔贯穿轴线方向的筒状绝缘体；插入上述轴孔其顶部从绝缘体顶端突出的中心电极；一个或多个位于前述中心电极径向外侧的接地电极，其相对于绝缘体顶端及中心电极顶端的位置关系按如下方式决定，使之包括其自身与前述中心电极顶端之间所产生的火花放电中的至少有一部分是沿着前述绝缘体顶端表面的沿面放电；前述中心电极中的至少前述顶端，至少其表面由作为主成分的Ni为80wt％以上、作为副成分的Fe、Cr合计在2.5wt％以上10.0wt％以下的Ni合金所制，上述Ni合金作为副成分还含有0.2wt％以上0.8wt％以下的Al。
以往的内燃机用火花塞中，通过添加可形成氧化物半导体的Fe、Cr等元素作为构成中心电极的Ni合金的副成分，通过火花消耗在绝缘体顶端表面形成氧化物半导体的覆盖膜，用这个覆盖膜在保护绝缘体的同时降低放电电压，从而抑制沟槽。因此，不适合添加象Al这样氧化物会形成绝缘体的元素作为Ni合金的副成分，从未考虑用此类元素作为副成分。
相对于此，本发明的内燃机用火花塞中，中心电极的至少其顶部，至少形成其表面的Ni合金的副成分，除了Fe、Cr还含0.2wt％以上0.8wt％以下的Al。通过添加0.2wt％以上热传导率高的Al，可以防止由于添加Fe、Cr造成的Ni合金热传导率降低，抑制中心电极的消耗。并且，由于只含0.8wt％以下的Al，可以控制在绝缘体顶端表面形成的覆盖膜中所含的绝缘性高的Al氧化物(Al2O3)的量，保持覆盖膜的导电性，从而抑制沟槽。
还有，作为本发明的内燃机用火花塞，比如可以列举半沿面放电型火花塞，在接地电极与绝缘体之间发生空气放电，在绝缘体与中心电极之间，经由绝缘体顶端表面发生沿面放电的火花放电。还可以是在半沿面放电型火花塞中组合了与中心电极顶端表面相对的平行电极的火花塞，或者是不从包围着绝缘体周围的环状接地电极产生空气放电、而是到中心电极都产生沿面放电的全沿面放电型火花塞。本发明的内燃机用火花塞，至少包括经由绝缘体顶端表面产生沿面放电的所有内燃机用火花塞。
其中，对于在半沿面放电型火花塞中组合了与中心电极顶端表面相对的平行电极的火花塞，为了提高点火性与耐久性，可以在中心电极顶部的顶端(中心电极顶端表面)上另外架设小金属片。并且这个小金属片是不包含在中心电极顶部的。作为这个小金属片，可以列举以如Pt、Ir、Rh等贵重金属作为主成分的合金，或者以如W等高熔点金属作为主成分的合金。
另外，前述内燃机用火花塞，可以是上述一个或者多个接地电极中的至少一个，它的顶端表面夹住前述绝缘体顶端的至少一部分，并且与前述中心电极顶部侧面的圆周方向一部分相对配置。
作为本发明的内燃机用火花塞，可以举出比如半沿面放电型火花塞。半沿面放电型火花塞中，由于接地电极的顶端表面夹住前述绝缘体顶端的至少一部分，并且与前述中心电极顶部侧面的圆周方向一部分相对，所以经由绝缘体顶端表面的圆周方向一部分，火花放电集中于中心电极顶部侧面的圆周方向一部分。所以，在会发生沿面放电的内燃机用火花塞中，以往的半沿面放电型火花塞特别容易发生沟槽和中心电极的消耗。对应这个问题，如前所述，本发明的内燃机用火花塞中，作为制成中心电极的至少顶部的Ni合金中的副成分，除了Fe与Cr，还含有0.2wt％以上0.8wt％以下的Al，所以可以既抑制沟槽又抑制中心电极的消耗。
另外，本发明的内燃机用火花塞，不限于半沿面放电型火花塞，还包含在半沿面放电型中组合与中心电极的顶端表面相对置的平行电极的火花塞。该火花塞，如前所述，可在中心电极的顶部的顶端(中心电极的顶端表面)另外设置金属小片。
另外，前述内燃机用火花塞，Ni合金中可以含有1.5wt％以上5.0wt％以下的副成分Fe。
如前所述，作为Ni合金副成分的Al，会形成绝缘性高的氧化物(Al2O3)。因此由于绝缘体顶端表面上形成的覆盖膜中含有Al2O3，覆盖膜的导电性会降低。对应于此，本发明的内燃机用火花塞中，使Ni合金含副成分Fe的含有率在1.5wt％以上5.0wt％以下。因为Fe的含有率在1.5wt％以上，可以抑制因含有绝缘性高的Al氧化物(Al2O3)引起的覆盖膜导电性降低，从而在绝缘体顶端表面形成可以发挥抑制沟槽作用的覆盖膜。因为Fe的含有率在5.0wt％以下，可以抑制Ni合金的热传导率降低，从而抑制中心电极消耗。
另外，前述任一个内燃机用火花塞，Ni合金可以含1.5wt％以上5.0wt％以下的副成分Cr。
本发明的内燃机用火花塞中，将Ni合金含副成分Cr的含有率控制在1.5wt％以上5.0wt％以下。因为Cr的含有率在1.5wt％以上，可以抑制含绝缘性高的Al氧化物(Al2O3)引起的覆盖膜导电性降低，从而在绝缘体顶端表面形成可以发挥抑制沟槽作用的覆盖膜。因为Cr的含有率在5.0wt％以下，可以抑制Ni合金的热传导率降低，从而抑制中心电极消耗。
另外，前述任一个内燃机用火花塞，Ni合金可以含Mn、Cu、Co中至少任一种副成分。
一般来说，已知在成分中含有Al的氧化物和Mn、Cu或者Co的氧化物的复合氧化物，可以形成半导体。于是，本发明的内燃机用火花塞中，作为Ni合金的副成分，除了Al以外还加入Mn、Cu或者Co中的至少任一种。这样，在绝缘体顶端表面形成的覆盖膜中，不再包含绝缘性高的Al氧化物(Al2O3)，而是形成以Al氧化物作为一种成分的复合氧化物半导体(比如，氧化铝和氧化锰形成的复合氧化物半导体)。于是，由于覆盖膜的导电性增强，而放电电压降低，更好地抑制了沟槽现象。
另外，前述任一个内燃机用火花塞，前述Ni合金，在设副成分中的Al的含有率为b(wt％)，Mn、Cu和Co合计的含有率为c(wt％)时，满足0.3b≤c≤6.0b。
本发明的内燃机用火花塞，关于Ni合金，当Al的含有率为b(wt％)，Mn、Cu和Co合计的含有率为c(wt％)时，使其满足0.3b≤c≤6.0b。相对于Al，因为Mn、Cu和Co按重量加入0.3倍以上，可以在绝缘体顶端表面形成有效抑制沟槽的、以Al氧化物作为一种成分的复合氧化物半导体(比如，氧化铝和氧化锰形成的复合氧化物半导体)。因为Mn、Cu和Co按重量加入6.0倍以下，可以保证中心电极的耐消耗性和耐热强度。
另外，前述任一个内燃机用火花塞，前述中心电极含有由Cu或者Cu合金构成的轴芯；轴芯顶端位于比前述中心电极顶端表面靠近根部的位置时，至少能覆盖前述轴芯顶端一侧的、由所述Ni合金构成的覆盖材料。所述Ni合金含有0.003wt％以上0.005wt％以下的副成分C。
也可以使用将Cu或者Cu合金制成的轴芯和Ni合金制成的覆盖轴芯顶端的覆盖材料一体成型部件，作为内燃机用火花塞的中心电极。
用Cu或者Cu合金制成的轴芯的热膨胀率比用于覆盖它的由Ni合金制成的覆盖材料的热膨胀率大。所以，当把如上构成的中心电极的火花塞付诸使用时，由于向轴芯径向外侧热膨胀的影响，位于覆盖材料之内的轴芯周围的部分(以下也称作周围覆盖部分)比Ni合金本来的热膨胀大，有向径向外侧膨胀的危险。另一方面，覆盖材料中位于比轴芯靠近顶端的部分(以下也称作顶端覆盖部分)不受沿轴芯向径向外侧热膨胀的影响，向径向外侧只按Ni合金本身的比例发生热膨胀。于是，对于覆盖材料，周围覆盖部分就会比顶端覆盖部分向径向外侧膨胀得更多，不但会变形或者断裂，还有发生中心电极顶部向根部方向缩进变形的危险。
对应于此，本发明的内燃机用火花塞中，构成中心电极的覆盖材料的Ni合金含有0.003wt％以上0.005wt％以下的副成分C。因为C的含有率在0.003wt％以上，提了了Ni合金发热时的强度，可以抑制位于轴芯周围的周围覆盖部分由于轴芯热膨胀影响造成的向径向外侧膨胀变大的变形。这样，就可以抑制中心电极顶部向根部方向的缩进变形。并且，因为C的含有率在0.05wt％以下，Ni合金的硬度不会过高，也可以防止中心电极的成型性下降。另外，轴芯会有两种情况，一种是轴芯顶端位于比绝缘体顶端靠近根部的位置、中心电极顶部不包含轴芯，另一种是轴芯的一部分被包含于中心电极顶部，被配置在其顶端从绝缘体顶端突出的位置。
另外，前述任一个内燃机用火花塞，可以配置主配件，使其包围前述绝缘体周围，前述的绝缘体顶端可以从主配件的顶端表面伸出，主配件顶端外径在10.1mm以下。
近年来，随着内燃机大功率化燃烧室中吸气及排气管道大型化和4活塞化成为议题，又因为引擎有着小型化的倾向，人们希望内燃机用火花塞能够小型化。但是，对于半沿面放电型火花塞等沿面放电型火花塞，越加小型化(半径细化)沿面放电越显著，而且，有越加小型化(半径细化)绝缘体厚度越薄的倾向。所以，沟槽的问题对于主配件的螺纹半径在M12以下的情况特别严重。
对应于此，本发明的半沿面放电型火花塞由于用含有前述成分的Ni合金形成中心电极，主配件的顶端外径即使在10.1mm以下(相当于螺纹直径在M12以下的主配件的顶端外径)，也可以抑制沟槽现象。
另外，所谓主配件的顶端外径，指的是除去在主配件顶端角部形成的圆角部分后的顶端外径。因此，本发明，也适用于主配件的外侧面没有形成固定螺纹部分的火花塞也就是所谓无螺纹塞。
图1是实施方案的内燃机用火花塞100侧面图。
图2是表示实施方案的内燃机用火花塞100中主要部分构造的截面图。
图3是表示实施方案的内燃机用火花塞100中主要部分构造的俯视图。
图4是说明实施方案的内燃机用火花塞100作用的说明图。
图5是关于实施方案的内燃机用火花塞100的中心电极120的耐消耗性的绝缘体140的耐沟槽性，评估试验结果表格。
图6是关于实施方案的内燃机用火花塞100的中心电极120的耐缩进性的评估试验结果表格。
图7是表示变形方案的内燃机用火花塞200中主要部分构造的图示，(a)为正视截面图，(b)为侧视截面图。
图8是表示变形方案的内燃机用火花塞300中主要部分构造的图示，(a)为侧视截面图，(b)为其放大图。
具体实施例方式
实施方案本实施方案的内燃机用火花塞100参照图示进行说明。内燃机用火花塞100如图1所示，含有接地电极110、中心电极120、主配件130和绝缘体140，利用主配件130外侧面形成的螺纹部分130b，安置于没有显示出的引擎气缸顶部，以供使用。
顶端部分100b(图1的B部分)是内燃机用火花塞100中有关本发明的主要部分，在此，将其剖视图示于图2，俯视面示于图3。其中，绝缘体140由铝制成，为筒状物，含有贯穿轴线C方向的轴孔140b。中心电极120为轴状金属物体，插入轴孔140b，其顶部120b固定设于比绝缘体140的顶端表面140d更向前方突出的位置。中心电极120的顶部120b外径为2.2mm。在主配件130的外侧表面形成称为M14的螺纹部分130b，包围在绝缘体140的周围并在其间形成间隙。本实施方案中，主配件130的顶端外径D为12.05mm。接地电极110为金属物体，共设2个，设在将中心电极120夹在中间相对峙的位置。具体地说，接地电极110的根部110c通过焊接固定于主配件130(参照图2)，如图3所示，接地电极的顶端表面110b被配置成与中心电极120的顶部侧面120c的圆周方向一部分的两个相对部分，120h相对置。
另外，内燃机用火花塞100，如图2所示，绝缘体140的顶端部分140c被配置于夹在中心电极120的顶部侧面120c和接地电极的顶端表面110b之间的位置。具体地说，绝缘体140的顶端表面140d从轴线C方向看时，位于接地电极110的顶端表面110b的内侧(下侧)边缘110f与外侧(上侧)边缘110e之间。中心电极120的顶部侧面120c和接地电极110的顶端表面110b中的间隙作为第1火花隙g1，绝缘体140的顶端部分侧面140e和接地电极110的顶端表面110b中的间隙作为第2火花隙g2。
另外，内燃机用火花塞100中，中心电极120为了自身放热良好，含有在以轴线C为中心位置设置的Cu制成的轴芯122、覆盖此轴芯122顶端122b的Ni合金制成的覆盖材料121，轴芯122和覆盖材料121形成一体。构成覆盖材料121的Ni合金，主要成分为Ni，副成分为Fe、Cr、Al等等。关于其详细成分在后叙述。另外，本实施方案的内燃机用火花塞100中，轴芯122的顶端被配置在比绝缘体140的顶端表面140d更靠近根部的位置，中心电极120的顶部120b不包含轴芯122。因此，中心电极120的顶部120b全部由Ni合金形成。还有，本实施方案中，接地电极110也是由和中心电极120的覆盖材料121相同的Ni合金形成。
接下来，说明这种内燃机用火花塞100使用中的样子。内燃机用火花塞100利用在主配件130形成的螺纹部分130b安置于没有显示出的引擎气缸顶部，作为供给燃烧室的混合气体的点火源。这个内燃机用火花塞100，例如施加中心电极120为负极，接地电极110为正极的放电用高压电。这样，如图4(a)所示，发生在第1间隙g1两侧的接地电极110的顶端表面110b和中心电极120的顶部侧面120c之间进行空气放电的火花放电S1，使在图中没有显示出的燃烧室中的混合气体点火。或者，发生沿着绝缘体140的顶端表面140d和顶端部分侧面140e的沿面放电，以及在第2火花隙g2两侧的接地电极110的顶端表面110b和绝缘体140的顶端部分侧面140e之间进行空气放电的组合的火花放电S2，使在图中没有显示出的燃烧室中的混合气体点火。
这样，内燃机用火花塞100，在接地电极110的顶端表面110b和绝缘体140的顶端部分140c之间发生空气放电，绝缘体140的顶端部分140c和中心电极120的顶部侧面120c之间发生沿着绝缘体140的顶端表面140d和顶端部分侧面140e的沿面放电，即作为所谓的半沿面放电型火花塞工作。
还有，在内燃机用火花塞100中，绝缘体140的顶端部分140c表面污损相对较少时，在第1火花隙g1中发生火花放电的频率高，污损较多时，在第2火花隙g2中发生火花放电的频率高。于是，发生污损时，通过沿着绝缘体140的顶端表面140d和顶端部分侧面140e的沿面放电，可以烧光碳等污损物质，耐污损性很好。
然而，如前所述，在内燃机用火花塞100中，接地电极110的顶端表面110b被配置成与中心电极120的顶部侧面120c的圆周方向一部分的两个对峙部分，120h相对置(参照图3)。因此，在中心电极120的顶部侧面120c中，火花放电S1、S2会集中于120h两个对峙部分，120h消耗会被集中这两个对峙部分120h。而且，如图3所示，火花放电S2中的沿面放电集中于在绝缘体140的顶端表面140d和顶端部分侧面140e中，介于接地电极110的顶端表面110b和中心电极120的对峙部分120h之间的顶端中介部分140h(图3的斜线部分)和侧面中介部分140i。因此，沟槽会集中于绝缘体140的顶端中介部分140h和侧面中介部分140i。于是，对于内燃机用火花塞100中这样的半沿面放电型火花塞，中心电极的消耗和绝缘体的沟槽就成为问题。
对于这样的内燃机用火花塞100，准备了16种火花塞样品1-16，调整了构成中心电极120的顶部120b的Ni合金成分，对中心电极120的耐消耗性和绝缘体140的耐沟槽性进行评估试验。具体地说，将4气缸的汽油引擎(排气量1800cc)中分别装上这16种火花塞样品1～16，使用无铅高辛烷汽油作燃料，油门全开状态，引擎转数为6000rpm，开动200小时。然后用三维激光测量仪测量中心电极120的消耗体积，评估中心电极120的耐消耗性。并且，用三维激光测量仪测量绝缘体140的沟槽深度，评估耐沟槽性。试验结果示于图5。使内燃机用火花塞100的中心电极120为负极，接地电极110为正极施加放电用高压。
首先讨论火花塞样品3的试验结果。火花塞样品3中，作为Ni合金的副成分，含有5.0wt％Cr、3.0％Fe、不含Al。火花塞样品3中绝缘体140的沟槽深度为0.23mm，结果良好。
这个结果可以考虑以下原因。首先，如图4(a)所示，由于火花放电S1或者是S2的发生，接地电极110的顶端表面110b和中心电极120的顶端部分侧面120c之间的气体分子发生离子化，然后，由于接地电极110和中心电极120之间形成的电场分布，上述离子冲撞中心电极120的顶端部分侧面120c，使中心电极120的顶部侧面120c(Ni合金)的金属成分(Fe、Cr等)飞散。通常情况下，由于燃烧室中燃烧气体造成高温的氧化环境，飞散的Fe、Cr等金属成分立刻成为氧化物，附在绝缘体140的顶端表面140d和顶端部分侧面140e上，形成覆盖膜160。Fe、Cr的氧化物形成半导体，所以这个覆盖膜160变为具有导电性。结果，如图4b所示，在沿着绝缘体140的顶端表面140和顶端的侧面140c的沿面放电时，由该覆盖膜160变为具有导电性。其结果，如图4(b)所示，在沿着绝缘体140的前端表面140d和顶端的侧面140e的沿面放电时，也可以由该覆盖膜160保护绝缘体140的顶端表面140d和顶端部分侧面140e，同时又降低了放电电压，于是抑制了沟槽。
这个现象，可以说是类似于以中心电极120的顶部侧面120c(Ni合金)为靶的反应性溅射的机理。中心电极120的顶部侧面120c和接地电极110的顶端表面110b作为点火面，在象高速或者高负荷运转时，其温度容易上升的环境下，容易发生中心电极120的顶部侧面120c的溅射式蒸发，促进了覆盖膜160的形成。也就是说，越容易引起沟槽的条件下，越促进覆盖膜160的形成，可以预期得到优越的沟槽抑制效果。关于这件事，在前述专利文献2中也有记载。
但是，对于火花塞样品3，中心电极120的消耗体积为0.46mm3，比较大。这可以考虑是因为在中心电极120的顶部120b使用的Ni合金，添加了热传导率较低的Fe、Cr，降低了中心电极120的顶部120b热传导率，促使中心电极120被消耗。
于是，为了抑制中心电极120的消耗，使用添加了热传导率高的Al的火花塞样品4、5、10、11进行试验。
火花塞样品4中，与火花塞样品3相同，在中心电极120的顶部120b使用含有5.0wt％Cr、3.0％Fe，另外还含有1.0wt％Al的Ni合金。火花塞样品4的试验结果，中心电极120的消耗体积为0.19mm3，非常好。证明，通过在中心电极120的顶部120b使用含有Al的Ni合金，可以抑制中心电极120的消耗。但是，绝缘体140的沟槽深度却变为0.56mm这样很大的值。可以认为，这是因为在绝缘体140上形成的覆盖膜160中含有绝缘性高的Al的氧化物(Al2O3)，降低了覆盖膜160的导电性。
另一方面，火花塞样品5中，也与火花塞样品3相同，在中心电极120顶部120b，使用含有5.0wt％Cr、3.0％Fe，另外还含有0.5wt％Al的Ni合金。这个火花塞样品5中，中心电极120的消耗体积为0.31mm3，结果良好，绝缘体140的沟槽深度也是0.27mm的良好结果。可以认为，这是因为作为Ni合金的副成分加入0.5wt％Al，抑制了由于添加Fe、Cr产生的中心电极120的顶部120b热传导率低下，也抑制了覆盖膜160中所含绝缘性高的Al的氧化物(Al2O3)的量，保持了覆盖膜160的导电性。
另外，火花塞样品10、11中，也与火花塞样品3相同，在中心电极120的顶部120b使用含有5.0wt％Cr、3.0％Fe，另外还分别含有0.2wt％和0.8wt％Al的Ni合金。这个火花塞样品10、11中，中心电极120的消耗体积分别为0.37mm3、0.26mm3，结果良好；绝缘体140的沟槽深度也分别是0.26mm、0.39mm，结果良好。
讨论以上火花塞样品4、5、10、11的试验结果，可以说为了抑制中心电极120的消耗，Ni合金的含Al率应在0.2wt％以上。通过加入0.2wt％以上热传导率高的Al作为Ni合金的副成分，可以抑制由于添加Fe、Cr产生的Ni合金热传导率低下。另一方面，可以说为了抑制绝缘体140的沟槽，Ni合金的含Al率优选在0.8wt％以下。通过加入0.8wt％以下的Al，可以抑制在绝缘体140的顶端表面140d和顶端部分侧面140e上形成的覆盖膜160中所含绝缘性高的Al的氧化物(Al2O3)的量，保持了覆盖膜160的导电性。总之，Ni合金Al的含有率优选在0.2wt％以上0.8wt％以下。
接下来，对火花塞样品5～8、12、13的试验结果进行比较讨论。在火花塞样品5～8、12、13中，在中心电极120的顶部120b使用，每个都含有5.0wt％Cr、3.0％Fe，还有0.5wt％Al，但是Mn的含有率不同的Ni合金。
火花塞样品6中，在中心电极120的顶部120b使用含有0.2wt％Mn作为副成分的Ni合金。这个火花塞样品6的中心电极120的消耗体积为0.24mm3，结果良好；而且绝缘体140的沟槽深度为0.17mm，是非常好的结果。所以，火花塞样品6，和不含Mn的火花塞样品5相比，中心电极120的耐消耗性和绝缘体140的耐沟槽性全都改善了。
这可以认为，如文献《感温半道体的实际》(作者二木久夫，出版社产报)第20页所记载，是因为Al的氧化物和Mn的氧化物结合形成了复合氧化物半导体。具体地说，可以认为，由于加入Mn作为Ni合金的副成分，在覆盖膜160中，不再包含绝缘性高的Al氧化物(Al2O3)，而是可形成Al的氧化物和Mn的氧化物相结合的复合氧化物半导体，增强了覆盖膜160的导电性，降低了放电电压。另外，火花塞样品6中，构成中心电极120的顶部120b的Ni合金中，Mn的含有率(wt％)是Al含有率(wt％)的0.4倍。
火花塞样品7中，在中心电极120的顶部120b使用含有2.0wt％Mn作为副成分的Ni合金。这个火花塞样品7的中心电极120的消耗体积为0.26mm3，结果良好；而且绝缘体140的沟槽深度为0.18mm，是非常好的结果。火花塞样品7和上述火花塞样品6，有着基本相同的中心电极120的耐消耗性和绝缘体140的耐沟槽性。另外，火花塞样品7中，构成中心电极120的顶部120b的Ni合金中，Mn的含有率(wt％)是Al含有率(wt％)的4.0倍。
火花塞样品12、13中，在中心电极120的顶部120b使用分别含有0.15wt％、3.0wt％Mn作为副成分的Ni合金。这个火花塞样品12、13的中心电极120的消耗体积分别为0.22mm3、0.29mm3，结果良好；而且绝缘体140的沟槽深度都是0.19mm，是非常好的结果。火花塞样品12、13和上述火花塞样品6，也有着基本相同的中心电极120的耐消耗性和绝缘体140的耐沟槽性。另外，火花塞样品12、13中，构成中心电极120的顶部120b的Ni合金中，Mn的含量(wt％)分别变为Al含有率(wt％)的0.3倍、6.0倍。
火花塞样品8中，中心电极120的顶部120b使用含有4.0wt％Mn作为副成分的Ni合金。这个火花塞样品8的中心电极120的消耗体积为0.24mm3，结果良好；但绝缘体140的沟槽深度为0.24mm，结果虽好，但中心电极120的火花消耗体积为0.39mm3，变大了。这可以考虑，由于作为Ni合金的副成分的Mn含量变高，中心电极120的顶部120b的热传导率降低，无法保证耐消耗性。另外，火花塞样品8中，在构成中心电极120的顶部120b的Ni合金中，Mn的含有率(wt％)变为Al含有率(wt％)的8.0倍讨论上述火花塞样品5、6、7、8、12、13的试验结果，可以认为，为了更有效地抑制绝缘体140的沟槽现象，Ni合金中Mn的含有率(wt％)对Al的含有率(wt％)优选为0.3倍以上。可以认为在绝缘体140的顶端表面140d和顶端部分侧面140e可以形成对抑制沟槽有效的、Al氧化物和Mn氧化物结合而成的复合氧化物半导体。另外，为了抑制中心电极120的消耗，将Ni合金中Mn的含有率(wt％)对Al的含有率(wt％)优选为6.0倍以下。可以认为由于比率在6.0倍以下，可以确保中心电极120的耐消耗性。总之，在构成中心电极120的顶部120b的Ni合金中，Mn的含有率(wt％)可优选在Al的含有率(wt％)的0.3倍以上6.0倍以下。
另外，这个实施方式中，为了与Al氧化物形成复合氧化物半导体，选择了金属元素Mn，其实也可以使用Co或Cu代替Mn。前述文献《感温半导体的实际》(作者二木久夫，出版社产报)第20页中记载，Co、Cu的氧化物也可与Al氧化物形成复合氧化物半导体。并且，当对Al重量含有率相同时，所形成的复合氧化物半导体的电阻率也基本相同。所以可以认为，对于构成中心电极120的顶部120b的Ni合金，与Mn相同，通过使Co或者Cu的含有率(wt％)为Al的含有率(wt％)的0.3倍以上6.0倍以下，可以有效地抑制绝缘体140的沟槽，并且同时确保中心电极120的耐消耗性和耐热强度。而且，不只是含有Mn、Co、Cu中的某一种，也可以同时含有两种以上。这时，把它们的合计含有率(wt％)优选在Al的含有率(wt％)的0.3倍以上6.0倍以下。
接下来，比较讨论火花塞样品1、2、7、9、14、15、16的试验结果。在火花塞样品1、2、7、9、14、15、16中，在中心电极120的顶部120b使用每个都含有0.5wt％Al、2.0wt％Mn，但是Cr和Fe的含有率各不相同的Ni合金。
对于火花塞样品1，在中心电极120的顶部120b使用含有1.0wt％Cr、1.0wt％Fe、Cr和Fe一共2.0wt％的Ni合金。这个火花塞样品1的中心电极120的消耗体积为0.14mm3，结果非常好，但是绝缘体140的沟槽深度为0.71mm，非常大。可以认为，这是因为Ni合金的副成分中Cr和Fe含有率低，中心电极120的顶部120b热传导率不会降低可以保证耐消耗性，但是由于在覆盖膜160中所含的氧化物半导体减少，导致耐沟槽性降低。
另一方面，对于火花塞样品2，在中心电极120的顶部120b使用含有6.0wt％Cr、6.0wt％Fe、Cr和Fe一共12.0wt％作为副成分的Ni合金。这个火花塞样品2的绝缘体140的沟槽深度为0.12mm，结果非常好；但是，中心电极120的消耗体积为0.93mm3非常大。与火花塞样品1相反，可以认为，这是因为在Ni合金的副成分中的Cr和Fe含有率高，通过覆盖膜160中所含的氧化物半导体增加，使耐沟槽性提高，但是由于中心电极120的顶部120b热传导率降低，导致耐消耗性降低。
对应于此，对于火花塞样品7，在中心电极120的顶部120b使用，含有5.0wt％Cr、3.0wt％Fe、Cr和Fe一共8.0wt％作为副成分的Ni合金。在这个火花塞样品7中如前所述，中心电极120的消耗体积为0.26mm3，结果良好；而且绝缘体140的沟槽深度为0.18mm，结果非常好。可以认为，这是因为构成中心电极120的顶部120b的Ni合金，通过含有5.0wt％Cr、3.0wt％Fe、一共8.0wt％Cr和Fe作为副成分，由覆盖膜160中所含的氧化物半导体提高了耐沟槽性的同时，抑制中心电极120的顶部120b热传导率的降低，从而确保耐消耗性。
另外，对于火花塞样品9，在中心电极120的顶部120b使用含有3.0wt％Cr、3.0wt％Fe、Cr和Fe一共6.0wt％作为副成分的Ni合金。这个火花塞样品9的中心电极120的消耗体积为0.21mm3，结果良好；而且绝缘体140的沟槽深度为0.19mm，结果非常好。火花塞样品9与火花塞样品7相比，可以说有着基本相同的中心电极120的耐消耗性以及绝缘体140的耐沟槽性提高。
另外，对于火花塞样品14、15，在中心电极120的顶部120b使用作为副成分分别含有1.5wt％和1.0wt％的Cr、1.0wt％和1.5wt％的Fe、且Cr和Fe一共均为2.5wt％的Ni合金。火花塞样品14、15的中心电极120的消耗体积分别为0.18mm3、0.17mm3，结果非常好；而且绝缘体140的沟槽深度分别为0.38mm、0.39mm，结果良好另外，另外，对于火花塞样品16，在中心电极120的顶部120b使用作为副成分含有5.0wt％Cr、5.0wt％Fe、且Cr和Fe一共10.0wt％的Ni合金。这个火花塞样品9的中心电极120的消耗体积为0.38mm3，结果良好；而且绝缘体140的沟槽深度为0.17mm，结果非常好。
讨论以上火花塞样品1、2、7、9、14、15、16的试验结果，为了抑制绝缘体140的沟槽，可以认为，构成中心电极120的顶部120b的Ni合金，优选含有Cr、Fe作为副成分，Cr、Fe中至少有一个含1.5wt％以上，而且Cr、Fe合计优选含有2.5wt％以上。可以认为这样一来，尤其能够抑制由于含绝缘性高的Al氧化物(Al2O3)导致的覆盖膜160导电性降低，提高耐沟槽性。并且，为了抑制中心电极120的消耗，构成中心电极120的顶部120b的Ni合金，优选含作为副成分的5.0wt％以下的Cr、5.0wt％以下的Fe，而且Cr、Fe合计优选在10.0wt％以下。这样，可以认为通过抑制中心电极120的顶部120b热传导率的降低，而确保耐消耗性。
如前所述，本实施方式的内燃机用火花塞100中，中心电极120有由Cu构成的轴芯122，此轴芯122的顶端122b被由Ni合金制成的覆盖材料121所覆盖(参照图2)。然而，用Cu制成的轴芯122的热膨胀率比覆盖它的Ni合金制成的覆盖材料121的热膨胀率大。所以，当把内燃机用火花塞100付诸使用时，由于向轴芯122的径向外侧热膨胀的影响，位于覆盖材料121之内的轴芯122周围的周围覆盖部分122d，比Ni合金原来的热膨胀更大有向径向外侧膨胀的危险。
另一方面，覆盖材料121中位于比轴芯122靠近顶端的部分即顶端覆盖侧部121b，不受向轴芯122的径向外侧热膨胀的影响，向径向外侧只发生Ni合金本身的热膨胀。所以，对于覆盖材料121，随着周围覆盖部分121d就会比顶端覆盖侧部121b向径向外侧膨胀得更多，产生变形，中心电极120顶部120b有发生向根部方向(图2中下方)缩进变形的危险。
于是，通过将C添加构成中心电极120覆盖材料121的Ni合金中，试图提高Ni合金的热时强度，抑制由于轴芯122向径向外侧热膨胀的影响导致的顶部120b的缩进，进行以下试验。即，对于构成中心电极120覆盖材料121的Ni合金的副成分，除调整添加C成分外，制备与前述样品9有着同样构成的4种火花塞样品17～20，进行对中心电极120缩进量评估的试验。具体地说，利用燃烧室，将火花塞样品17～20加热到850℃后保持3分钟，然后空气冷却1分钟，作为一个循环，进行2500次这样的热循环试验。之后，测定中心电极120的缩进量，评价其耐缩进性。实验结果示于图6的表中。
火花塞样品17～20中，在中心电极120覆盖材料121使用，只有副成分中C的含有率不同的Ni合金。其中，火花塞样品17，在中心电极120覆盖材料121使用含有0.001wt％副成分C作为副成分的Ni合金。对于火花塞样品17，中心电极120的缩进量为0.10mm，是个很大的值。这可以认为，C的含有率只有0.001wt％，无法充分保证Ni合金的热时强度，无法抑制由于轴芯122热膨胀的影响，使中心电极120覆盖材料121的周围覆盖部分121d向径向外侧的变形。
对应于此，火花塞样品18，在中心电极120覆盖材料121使用含有0.003wt％副成分C作为副成分的Ni合金。对于火花塞样品18，可把中心电极120的缩进量抑制为0.07mm。这可以认为，由于使C的含有率为0.003wt％，可以提高Ni合金的热时强度，可以抑制由于轴芯122热膨胀的影响，使中心电极120覆盖材料121的周围覆盖部分121d向径向外侧的变形。
还有，火花塞样品19，在中心电极120覆盖材料121使用含有0.05wt％副成分C作为副成分的Ni合金。对于火花塞样品19，中心电极120的缩进量为0.02mm，变为极小的值。更有，火花塞样品20，在中心电极120覆盖材料121使用含有0.1wt％副成分C作为副成分的Ni合金。对于火花塞样品20，中心电极120的缩进量为0.00mm，就是说没有观测到缩进量。
讨论以上火花塞样品17～20的试验结果，可以认为，作为构成中心电极120覆盖材料121的Ni合金的副成分，只需含有0.003wt％以上C，就可以抑制中心电极120的缩进。然而，将C的含有率提高到0.1wt％以上的火花塞样品20，由于Ni合金的硬度过高，中心电极120变得难以成型。所以，关于构成中心电极120覆盖材料121的Ni合金，可以说将C的含有率更优选在0.003wt％以上0.05wt％以下。
(变形方案1)
接下来，对于实施方式的内燃机用火花塞100的第1变形方案的内燃机用火花塞200，参照图示进行说明。此变形方案1的内燃机用火花塞200，与实施方案的内燃机用火花塞100相比，塞子顶端的构造不同，其它部分基本相同。所以，以与实施方案不同的部分为中心进行说明，关于同样的部分，则省略说明或者简略说明。
此实施方案1的内燃机用火花塞200前部的截面图示于图7。图7(a)为正视截面图，图7(b)为侧视截面图。内燃机用火花塞200不但有实施方式的内燃机用火花塞100的两个接地电极110，还有平行电极250。另外，为了提高点火性与耐用性，在中心电极120的顶部120b的顶端，另设有小金属片225(这个小金属片225，不包含于中心电极120的顶部120b)，具体来说，在中心电极120的顶端表面120f上，圆盘形的小金属片225用激光焊接被固定。这个小金属片225，可以是以如Pt、Ir、Rh等贵重金属作为主成分的合金，或者以如W等高熔点金属作为主成分的合金制成。
如图7(b)所示，平行电极250，其顶端250c与小金属片225的顶端表面225b相对置。另外平行电极250的顶端250c中，与小金属片225的顶端表面225b相对的相对面250b，使其与小金属片225的顶端表面225b相平行配置。即，内燃机用火花塞200，是在半沿面放电型火花塞中组合了平行电极250的火花塞。另外，此变形方案1的内燃机用火花塞200中，轴芯122的顶端被配置在比绝缘体140顶端表面140d更靠近根部位置，在中心电极120的顶部120b不包含轴芯122，因此，中心电极120的顶部120b全部由Ni合金形成。
此内燃机用火花塞200中，平行电极250的相对面250b和小金属片225的顶端表面225b中的间隙作为第3火花隙g3，接地电极110的顶端表面110b和绝缘体140的顶端部分侧面140e中的间隙作为第4火花隙g4。然后，通过火花隙g3、g4发生火花放电，当绝缘体体140的顶端表面140d及顶端部分侧面140e有污损时，火花在火花隙g4两侧的接地电极110的顶端表面110b和绝缘体140的顶端部分侧面140e之间容易发生火花放电。因此，担心会频繁地发生沿着绝缘体140的顶端表面140d及顶端部分侧面140e的沿面放电，于是绝缘体140的沟槽和中心电极120的消耗情况令人担心。
因此，在此变形方案1的内燃机用火花塞200中，也和实施方案相同，通过调整构成中心电极120的覆盖材料121的Ni合金的成分，抑制中心电极120的消耗，并且抑制绝缘体140的沟槽。具体地说，作为Ni合金的副成分，含有Cr、Fe，而Cr、Fe之中至少有一种含量1.5wt％以上，而且Cr、Fe合计含2.5wt％以上10.0wt％以下，另外优选含有0.2wt％以上0.8wt％以下的Al。并且，关于Ni合金的副成分，至少含有Mn、Co、Cu种的某一种，他们的合计含有率在Al含有率的0.3倍以上6.0倍以下，则可以更好地改善耐沟槽性。并且，通过加入0.003wt％以上0.05wt％以下的C作为Ni合金的副成分，可以保持中心电极120良好的成型性，并且抑制中心电极120的缩进。
内燃机用火花塞200中，如前所述，在中心电极120的顶端表面120f上，用激光焊接固定由Pt、Ir、Rh等贵重金属作为主成分的合金、或者W等高熔点金属作为主成分的合金制成的小金属片225。然而，象中心电极120的顶部120b这样，含有80wt％以上Ni、一共2.5wt％以上10.0wt％以下Fe、Cr的Ni合金，和由Pt、Ir、Rh等贵重金属作为主成分的合金、或者W等高熔点金属作为主成分的合金，他们的焊接性并不好。所以，在这样的火花塞中，小金属片225有脱落的危险。
对应于此，在此变形方案1的内燃机用火花塞200中，将小金属片225的直径控制在0.8mm以下，可以减少焊接不良的程度，小金属片225不容易脱落。
(变形方案2)接下来，对于实施方案的内燃机用火花塞100的第2变形方案的内燃机用火花塞300，参照图示进行说明。此变形方式2的内燃机用火花塞300，与实施方案的内燃机用火花塞100相比，塞子顶端的构造不同，其它部分基本相同。所以，以与实施方案不同的部分为中心进行说明，关于同样的部分，则省略说明或者简略说明。
此变形方式2的内燃机用火花塞300的顶端的截面图示于图8(a)。内燃机用火花塞300，带有环状的接地电极310，被配置成其接地电极310的顶端表面310b与绝缘体340的顶端表面340d相接。这样的内燃机用火花塞300中，接地电极310的顶端表面310b和中心电极120的顶部侧面120c之间的放电路径上，几乎沿着全程发生沿着绝缘体340的顶端表面340d的沿面放电S3，也就是，所谓的全沿面放电型火花塞。因此，在这样的内燃机用火花塞300中，绝缘体340的沟槽和中心电极120的消耗也令人担心。另外，此变形方式2的内燃机用火花塞300中，轴芯122的顶端被配置成，在比绝缘体340的顶端表面340d更靠近根部位置，中心电极120的顶部120b不包含轴芯122。因此，中心电极120的顶部120b全部由Ni合金制成。
因此，在此变形方案2的内燃机用火花塞300中，也和实施方案相同，通过调整构成中心电极120的覆盖材料121的Ni合金的成分，抑制中心电极120的消耗，并且抑制绝缘体340的沟槽。具体地说，作为Ni合金的副成分，含有Cr、Fe，而Cr、Fe之中至少有一种含量1.5wt％以上，而且Cr、Fe合计含2.5wt％以上10.0wt％以下，另外优选含有0.2wt％以上0.8wt％以下的Al。这样，如图8(b)中放大所示，绝缘体340的顶端表面340d上，可以形成有耐沟槽性的覆盖膜340d。并且，关于Ni合金的副成分，至少含有Mn、Co、Cu种的某一种，他们的合计含有率在Al含有率的0.3倍以上6.0倍以下，则可以更好地改善耐沟槽性。并且，通过加入0.003wt％以上0.05wt％以下的C作为Ni合金的副成分，可以保持中心电极120良好的成型性，并且抑制中心电极120的缩进。
以上说明了本发明的变形方案以及实施方案1、2，但本发明并不仅限于上述实施方式，很显然，在不偏离其原理的范围内，可以适当变化使用。
例如，在这些变形方案中，使用主配件130的螺纹部分130b的标称直径为M14的火花塞。但是，本发明并不仅限于M14的火花塞。还可以说，对于M12以下的部件，比如含有M12、M10的主配件的内燃机用火花塞，特别有效。即，象半沿面放电型火花塞这样可能有沿面放电的火花塞中，越加小型化(细径化)沿面放电越显著，而且，还有绝缘体厚度越薄、中心电极越细的倾向。所以，对于主配件的螺纹直径在M12以下的小型化(细径化)火花塞，相比于M14以上的火花塞，沟槽和中心电极消耗的影响更大，火花塞的性能有可能更快地严重下降。这样，对于M12以下的任一种小径火花塞，本发明可能同时做到抑制沟槽和抑制中心电极消耗。
于是，螺纹标称的直径在M14以下，即，主配件的顶端外径在10.1mm以下的隙径火花塞中也适用本发明，所以，可以特别有效地同时抑制沟槽和抑制中心电极消耗，实现火花塞长寿命化。
还有，对于主配件的外侧面没有形成固定螺纹部分、也就是所谓无螺纹塞，本发明也可以得到同样的效果。
另外，在实施方案中，内燃机用火花塞100，作成设有2个接地电极110的半沿面放电型火花塞，其实有一个或多个接地电极都可以，比如，作成设有3个或者4个接地电极的半沿面放电型火花塞也可以。
另外，在实施方案中，轴芯122的顶端被配置在比绝缘体140、340的顶端表面140d、340d更靠近根部位置，中心电极120的顶部120b不包含轴芯122。即，中心电极120的顶部120b全部由Ni合金形成。但是，轴芯122的顶端被配置在比绝缘体140、340的顶端表面140d、340d更靠近外部位置，中心电极120的顶部120b包含轴芯122，也是可以的。即，中心电极120的顶部120b可以不是全部由Ni合金形成，只要至少顶部120b的表面是由Ni合金形成就可以。
权利要求
1.一种内燃机用火花塞，具有其轴孔贯穿轴线方向的筒状绝缘体；插入上述轴孔，其顶部从绝缘体顶端突出的中心电极；一个或多个位于前述中心电极径向外侧的接地电极，其相对于绝缘体顶端及中心电极顶部的位置关系按如下方式决定，使之包括其自身与前述中心电极顶部之间所产生的火花放电中的至少有一部分是沿着前述绝缘体顶端表面的沿面放电；前述中心电极中的至少前述顶部由Ni合金所制，至少其表面含有作为主成的Ni为80wt％以上、作为副成分的Fe、Cr合计在2.5wt％以上10.0wt％以下，上述Ni合金作为副成分还含有0.2wt％以上0.8wt％以下的Al。
2.根据权利要求1所述的内燃机用火花塞，其中，上述一个或者多个接地电极中的至少一个，其顶端表面夹住前述绝缘体顶端的至少一部分，并且与前述中心电极顶部侧面的圆周方向一部分相对配置。
3.根据权利要求1所述的内燃机用火花塞，前述Ni合金含有1.5wt％以上5.0wt％以下的前述副成分Fe。
4.根据权利要求1所述的内燃机用火花塞，前述Ni合金含有1.5wt％以上5.0wt％以下的前述副成分Cr。
5.根据权利要求1所述的内燃机用火花塞，前述Ni合金含有Mn、Cu、Co中至少任一种副成分。
6.根据权利要求5所述的内燃机用火花塞，前述Ni合金的前述副成分中，设Al含有率为b(wt％)，Mn、Cu和Co合计的含有率为c(wt％)时，满足0.3b≤c≤6.0b。
7.根据权利要求1所述的内燃机用火花塞，其中所述中心电极含有由Cu或者Cu合金构成的轴芯；和由所述Ni合金构成的、其轴芯顶端位于比所述中心电极顶端表面靠近根部的位置时，至少能覆盖所述轴芯顶端一侧的覆盖材料，所述Ni合金作为副成分含有0.003wt％以上0.005wt％以下的C。
8.根据权利要求1～权利要求7的任一项所述的内燃机用火花塞，其主配件被配置成包围所述绝缘体周围，所述的绝缘体顶端从主配件的顶端端表面伸出，所述主配件顶端外径在10.1mm以下。
全文摘要
本发明提供一种内燃机用火花塞，可以同时抑制沟槽和中心电极的火花消耗。本发明的内燃机用火花塞(100)，具有有轴孔(140b)的筒状绝缘体(140)；插入轴孔(140b)的顶端、且顶部(120b)从绝缘体(140)顶端突出的中心电极(120)；和接地电极(110)，使其顶端(110b)与中心电极(120)顶部侧面(120c)之间所产生的火花放电中，至少有一部分包含沿着绝缘体(140)顶端侧面(140c)及顶端表面(140d)的沿面放电。中心电极(120)的顶部(120b)，作为主成分含有Ni80wt％以上、作为副成分含有Fe、Cr一共占2.5wt％以上10.0wt％以下，并含0.2wt％以上0.8wt％以下的Al。
文档编号C22C19/03GK1499686SQ200310102589
公开日2004年5月26日 申请日期2003年10月24日 优先权日2002年10月25日
发明者伊藤聪子, 小林宪司, 熊谷健一, 松谷涉, 松原佳弘, 一, 司, 弘 申请人:日本特殊陶业株式会社