专利名称：火花塞的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机用火花塞。
另一方面，近年来的内燃机，伴随严格的排气规定要求，在直接喷射式发动机中能看到的贫燃烧化得到发展，另外，为获得最佳燃烧，使火花塞的火花放电间隙，采用比过去更进一步地突出到燃烧室内的结构。其结果，火花塞的电极，特别是位于更靠近燃烧室内侧的接地电极被置于严酷的高温状态下。因此，接地电极的耐热性或耐磨损性的改善也成为重要课题，不仅贵金属点火部件的形成，而且人们开始尝试把电极自身的材料也置换成耐热性更高的金属。例如，过去，作为接地电极的材质，有采用Ni基耐热合金之一的因科内尔合金(Inconel)600(英国因科公司的商标名)的，并研究着进一步提高了高温强度和耐高温氧化性的因科内尔合金601，该合金的Cr及Fe的含量更高，并添加有Al。
但是，关于接地电极的贵金属耐磨部，过去多是通过电阻焊接使贵金属片接合在接地电极上而形成。可是，本发明者等研究发现，把高熔点的贵金属片电阻焊接到因科内尔合金601等更高等级的耐热合金上时，在前述严酷的使用环境下，用电阻焊接很难确保足够的接合强度。具体讲，在火花塞使用过程中遭受激烈的热循环时，会产生贵金属耐磨部从接地电极剥离、不能正常点火的问题。
因科内尔合金601等是增加了Cr和Al等改善耐蚀性成分的含量的耐热合金，本来就有耐氧化性变高，相应地降低焊接性的倾向。因此，关于上述接合强度降低的原因的观点之一，就是以该焊接性降低为起因的熔化不充分造成的。但是，根据本发明者等的研究发现，其本质原因并不是该熔化不充分。
本发明提供的火花塞，即使是利用增加了Cr和Al等改善耐蚀性成分的含量的耐热合金构成接地电极时，也能充分确保与其相接合的贵金属耐磨部的耐剥离性，甚至在更严酷的使用环境下也能长期稳定使用。
上述结构中，特别是当火花塞使用时形成处于高温的接地电极面部分的材料(以下称电极母材)，是由比过去使用的因科内尔合金601等具有更优良的高温强度及耐氧化性的上述组成的Ni合金构成。结果，增强了更高温环境下的耐久性，不易产生腐蚀和破损等问题。
另一方面，在这种组成的电极母材上接合形成贵金属耐磨部时，本发明者等详细研究了影响其耐剥离性的主要原因，发现电极母材的焊接性降低的原因不是熔化不充分等，真正的原因是构成耐磨部的贵金属和电极母材的线膨胀系数不一致。进一步研究发现，如上所述，把构成贵金属耐磨部的贵金属的800K时的线膨胀系数设为α1，把电极母材的800K时的线膨胀系数设为α2，通过将Δα≡α2-α1调整为4.55×10-6/K以下，可以大幅度提高接地电极的贵金属耐磨部的耐剥离性。
但是，象前述的贫燃或直接喷射式发动机等高速或高负荷运转时等，在接地电极的可达温度变得更高的使用环境下，只靠类似上述的线膨胀系数差Δα的调整，要充分确保贵金属耐磨部的耐剥离性还有困难。因此，通过把根据前述定义的接地电极的贵金属耐磨部的外径调整到0.6mm以上、1.5mm以下，可以进一步提高耐剥离性，即使在上述严酷的使用环境下，也能充分确保贵金属耐磨部的耐久性。
关于构成电极母材的Ni合金的组成，是Cr含量为21～25质量％。Cr含量不足21质量％时，所期望的耐高温氧化性和高温强度的确保有困难。另外，超过25质量％时，因材料的延展性降低，除降低耐冲击强度外，还会恶化加工性，使制造成本上升。
另外，Fe含量是7～20质量％。Fe含量不足7质量％时，所期望的高温强度的确保有困难。另外，超过20质量％时，因材料的延展性降低，除降低耐冲击强度外，还会恶化加工性，使制造成本上升。
此外，Al含量是1～2质量％。Al含量不足1质量％时，所期望的耐高温氧化性的确保有困难。另外，超过2质量％时，由于Ni3Al等金属间化合物的形成，使材料的延展性降低，除降低耐冲击强度外，还会恶化加工性，使制造成本上升。
Ni是构成上述各副成分以外的余量的主要元素，其含量不足58质量％时，所期望的耐高温氧化性的确保有困难。另一方面，考虑到各副成分元素的下限值，Ni的含量不可能超过71质量％。
作为具有上述组成的Ni合金，可以用因科内尔合金601来示例。其标准组成是Ni60.5质量％、Cr23质量％、Al1.5质量％、Fe14.1质量％、Mn0.5质量％、Si0.2质量％、C0.05质量％。
另外，如果Δα超过5.7×10-6/K，在被施加激烈的热循环时，就不能充分确保贵金属耐磨部的耐剥离性。具有上述合金组成范围的电极母材的800K时的线膨胀系数α2，大致上能被控制在15.2～15.4×10-6/K的范围内(例如，因科内尔合金601时为15.3×10-6/K)。另一方面，贵金属耐磨部的800K时的线膨胀系数α1，比电极母材的线膨胀系数α2小，其值因贵金属组成有大的变动。因此，考虑到选定的电极母材(Ni合金)的α2值，来选定所使用的贵金属的组成，以便使具有尽量和α2接近的线膨胀系数α1。
贵金属耐磨部以贵金属为主要成分比较好(即，贵金属的含量在50质量％以上)，一般被称为贵金属的金属元素中，如果是较高熔点的元素(Pt、Ir、Rh、Ru等)，以任何一个作主要成分都可。另外，Δα为零也是允许的，但是考虑以能充分确保耐磨性的贵金属组成为前提时，把Δα控制在0.8×10-6/K以下事实上是有困难的。
从使α2接近α1和确保耐磨性并存的观点看，贵金属耐磨部的主要成分优选Pt。Pt的800K时的线膨胀系数是10.3×10-6/K。贵金属耐磨部的构成主体是Pt时，为进一步提高高温耐磨性，也可以采用含有Pd或Ru的Pt-Pd-Ru合金。此时，Ru的含量越小α1就越小(即，Δα越大)，需要在Δα不超过4.55×10-6/K的范围中选定Ru的含量。另外，对于使α2接近α1的观点，采用在Pt中添加了显著增加线膨胀系数的Ni的Pt-Ni合金也很有效(例如，Pt-20质量％Ni)。
接地电极的贵金属耐磨部的外径，如前所述，需要在0.6mm以上、1.5mm以下。贵金属耐磨部的外径超过1.5mm时，所期望的耐剥离性的确保就有困难。这是因为电极母材和贵金属耐磨部的接合面积增加的结果，使得因升温/冷却时的热膨胀/收缩而产生的沿接合界面的两者的变位差增大，因此容易产生剥离。所以，通过把贵金属耐磨部的前述外径控制在1.5mm以下，可进一步提高耐剥离性，即使在上述严酷的使用环境下，也能充分确保贵金属耐磨部的耐久性。另一方面，贵金属耐磨部的外径不足0.6mm时，就不能充分确保贵金属耐磨部的寿命。另外，在本说明书中，贵金属耐磨部的外径是按在和中心电极的中心轴线垂直的平面上的、贵金属耐磨部的正投影的外径来定义的。此外，在本说明书中，贵金属耐磨部的上述正投影图形的形状可以是圆形，当然也可以是其他形状，例如正投影图形的形状也可以是角形。
另外，为进一步提高贵金属耐磨部的耐剥离性，优选调整贵金属耐磨部的尺寸，以使S/T为0.7以上、4.5以下，其中T为贵金属耐磨部的厚度，与中心电极的中心轴线垂直的平面上的贵金属耐磨部的投影面积为S。S/T不足0.7时，贵金属耐磨部的厚度相对过大，结果使得在施加冷热循环时，作用于电极母材和高贵金属耐磨部的接合面上的应力变大，从提高贵金属耐磨部的耐剥离性的观点看，是起着不利的作用。另一方面，S/T超过4.5时，贵金属耐磨部的厚度相对过小，结果使得有时不能充分确保贵金属耐磨部的寿命。
图2表示的是图1的火花塞的变形例的主要部分截面图。
具体实施例方式
以下，参照
本发明的几个实施方案。
图1(a)表示的本发明的一个实施例的火花塞100，包括筒状主体金属部件1；绝缘体2，为了突出前端部21而嵌装在主体金属部件1的内侧；中心电极3，在使形成于前端的中心电极贵金属耐磨部31突出的状态下，设置于绝缘体2的内侧；以及接地电极4等，通过焊接等与主体金属部件1的一端接合，同时另一端侧向弯曲，以使该侧面与中心电极3的前端部(这里是前端面)对置配置。另外，在接地电极4上形成接地电极贵金属耐磨部32，这些中心电极贵金属耐磨部31和接地电极贵金属耐磨部32之间的间隙就形成火花塞放电间隙g 。
绝缘体2，例如是由氧化铝或氮化铝等陶瓷烧结体构成，在其内部沿着自身的轴方向有孔6，用以嵌装中心电极3。另外，主体金属部件1是利用低碳钢等金属形成圆筒状，构成火花塞100的外壳，同时在其外周面上形成有螺纹部7，以便把火花塞100安装到未图示的发动机组上。
中心电极3和接地电极4中形成至少表层部分的电极母材部分是由Ni合金构成的。其中，中心电极3的电极母材是由因科内尔合金600等Ni合金构成，接地电极4的电极母材是由在权利要求范围中所记述组成的Ni合金(例如，因科内尔合金601)构成。
如图1(a)所示，中心电极3的前端部3a被减径成锥状，同时其前端面是平坦的，在此处叠合中心电极贵金属耐磨部31的圆板状片，该片的组成被调整为可以获得权利要求范围所记述的合金组成，进一步沿其接合面外周通过激光焊接、电子束焊接、电阻焊接等形成焊接部B以把其固定，这样就形成了中心电极贵金属耐磨部31。
另一方面，接地电极贵金属耐磨部32，通过把用于形成该金属耐磨部32的圆板状贵金属片叠合在接地电极4的电极母材侧面上并继续加压，使这些重叠部分夹持在电极间进行通电加热，如图1(b)所示，使该贵金属片以被咬合到电极母材上的形式进行接合。在贵金属片和电极母材之间形成已扩散及合金化的焊接部W，这就形成了接地电极贵金属耐磨部32。另外，接地电极贵金属耐磨部32，意味着除焊接部W区域(即，受到扩散及合金化影响的部分区域)外的贵金属构成部分(所以，接地电极贵金属耐磨部32的厚度T是除去了该焊接部W区域以外的厚度)。
接地电极贵金属耐磨部32(或用于形成它的贵金属片)，例如由Pt-Pd-Ru合金构成，对其组成进行调整，以使和电极母材间的前述线膨胀系数差Δα(800K)在4.55×10-6/K以下。另外，前面定义的其外径d被调整为0.6mm以上、1.5mm以下。这样，通过该贵金属片形成的接地电极贵金属耐磨部32的从电极母材剥离下来的耐剥离性就得到了大幅度的改善。此外，从提高耐剥离性的观点看，接地电极贵金属耐磨部32的厚度T，与在和中心电极的中心轴线垂直的平面上的投影面积S的比S/T最好控制在0.7以上、4.5以下。
另外，接地电极贵金属耐磨部32，从提高耐剥离性的观点看，如图1(b)所示，最好是以部分咬合到电极母材中的形式形成。此时，电极母材最好是用比贵金属片软的软质Ni合金构成，以便使贵金属片一边咬合到电极母材中，一边进行电阻焊接的作业容易。
本发明中，意图通过在接地电极4的电极母材所使用的前述Ni合金的表面上形成钝态保护膜提高耐氧化性。此外，通过增加Cr的量和添加实质量的Al，使所形成的钝态保护膜更加坚固、稳定，其结果将有助于进一步提高高温耐氧化性，从而提高电极的耐久性。另外，由于可以增加接地电极4的长度，所以和贵金属耐磨部32的耐剥离性的提高效果相辅相成，使过去在燃烧室中央的附近位置进行火花放电的想法变得可行，还能够实现稳定燃烧。
过去，通过在接地电极4的内部埋设由Cu等导热性比Ni优良的金属构成的放热促进部件，以改善电极的放热，在燃烧室内的温度上升时，也能使电极保持低温以确保耐久性。但是，作为电极母材，通过采用上述Ni合金，即使电极温度多少有所上升时，也能确保足够的强度和耐氧化性，所以没必要再埋设放热促进部。结果，有助于降低火花塞的制造成本。另一方面，如图2所示，用上述Ni合金构成电极母材时，也可以在接地电极4的内部埋设放热促进部4k。这样，可以获得能够适应更加严酷的环境的火花塞。
为确认本发明的效果，进行了以下实验。(实施例1)按照以下方法制作了用于形成接地电极的贵金属耐磨部的贵金属片。首先，通过对规定量的Pt混合、溶解10质量％的Pd及0～20质量％范围的Ru，制作了具有各种组成的Pt-Pd-Ru合金及Pt-Pd合金锭。把该合金在1500℃下进行热锻，然后在1300℃下进行热轧及热型锻，进一步在1200℃下进行热拉丝，即获得直径为0.5～1.6mm的合金线材。通过把其纵向切断，就得到直径为0.5～1.6mm、厚度为0.4mm的圆板状片。用这些片，再电阻焊接到因科内尔合金601制接地电极母材的侧面(宽2.7mm)上，即完成了图1(b)所示方式的接地电极的接合构造。电阻焊接的条件是通电电流值900A、加压负荷2.45MPa。
为测定各种组成的合金及因科内尔合金601的800K时的线膨胀系数，另外还制作了宽5mm、长5mm(L0)、高20mm(以上是273K时的值)的试验片。使用公知的膨胀计，测定纵向的尺寸L的温度变化，同时设773K～873K时的尺寸变化量为ΔL，设把其用温度宽度ΔT除后的值为dL/dT，计算出
α≡(1/L0)·dL/dT的值作为800K时的线膨胀系数。结果，因科内尔合金601的线膨胀系数α1是15.3×10-6/K。另外，关于各种合金的线膨胀系数α2，以Δα(＝α1-α2)的形式用表1表示。
关于中心电极3的制作是，把按照和接地电极片相同的制作方法，制得的组成是Ir-5质量％的Pt、具有尺寸为直径0.6mm厚0.8mm的贵金属片，利用全外周激光焊接接合到因科内尔合金600制的中心电极母材的前端面。然后，使用这些接地电极和中心电极，作成图1所示方式的火花塞试验品，评价接地电极贵金属耐磨部的耐剥离性。
耐剥离性的评价方法如下。首先，用煤气燃烧器把火花塞的火花放电间隙的前端部1000℃加热在2分钟后，重复风冷1分钟的循环1000次。然后，以接地电极的贵金属耐磨部的中心轴线通过的面为基准，把试验品切断、研磨，用显微镜进行放大观察，同时通过观察视野测定贵金属耐磨部和电极母材界面间的龟裂长度，计算出用界面全长除后的值作为剥离发展率。把该剥离发展率超过50％的评价为差(×)，50％以下的评价为良好(○)。
表1表示的把贵金属耐磨部的直径固定为0.9mm、厚度T固定为0.4mm，对材质进行各种变化时的耐剥离性的评价结果和Δα的测定结果。另外，表2是把贵金属耐磨部的材质固定为Pt-10质量％Pd-5质量％Ru，厚度T为0.4mm，直径为0.5～1.6mm的不同值时的耐剥离性评价结果，和前述的S/T的值的结果。
表1
表2
从表1的结果看出，Δα在4.55×10-6/K以下时，耐剥离性良好。另外，从表2的结果看出，贵金属耐磨部直径为0.6～1.5mm、S/T为0.7～4.5时的耐剥离性良好。
权利要求
1.一种火花塞，通过使固定在接地电极(4)侧面(4c)上的贵金属耐磨部(32)和中心电极(3)的前端面(31a)对置，形成火花放电间隙(g)的火花塞(100)，其特征在于包含前述接地电极(4)的至少侧面(4c)的部分，由含有Cr21～25质量％、Al1～2质量％、Fe7～20质量％、Ni58～71质量％的Ni合金构成；前述贵金属耐磨部(32)通过焊接部(W)与前述接地电极(4)的侧面(4c)接合；同时把构成前述贵金属耐磨部(32)的贵金属的800K时的线膨胀系数设为α1，把构成含有前述接地电极(4)的前述侧面(4c)的部分的前述Ni合金的800K时的线膨胀系数设为α2，进行调整，使Δα≡α2-α1为4.55×10-6/K以下；并且，使该贵金属耐磨部(32)外径为0.6mm以上、1.5mm以下，该外径被定义为与在和前述中心电极(3)的中心轴线(O)垂直的平面上的前述贵金属耐磨部(32)的正投影图形具有相同面积的圆的直径。
2.如权利要求1所述的火花塞，其中设前述贵金属耐磨部(32)的厚度为T，设在和前述中心电极(3)的中心轴线(O)垂直的平面上的前述贵金属耐磨部(32)的正投影面积为S，调整前述贵金属耐磨部(32)的尺寸，使S/T为0.7以上、4.5以下。
全文摘要
提供一种火花塞，即使利用增加了Cr和Al等耐蚀性改善成分的含量的耐热合金构成接地电极母材时，也能充分确保与其接合的贵金属耐磨部的耐剥离性，并且可以在更严酷的使用环境下长期稳定使用。火花塞(100)的接地电极(4)的至少侧面是由含有Cr21～25质量％、Al1～2质量％、Fe7～20质量％、Ni58～71质量％的Ni合金组成的电极母材。贵金属耐磨部(32)通过焊接部(W)与电极母材接合。设构成该贵金属耐磨部(32)贵金属的800K时的线膨胀系数为α1，设电极母材的800K时的线膨胀系数为α2，进行调整，使Δα≡α2－α1为4.55×10
文档编号H01T13/39GK1417909SQ02148169
公开日2003年5月14日 申请日期2002年10月31日 优先权日2001年10月31日
发明者杉山芳久, 杉浦义孝 申请人:日本特殊陶业株式会社