专利名称：火花塞的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于内燃机，例如汽车发动机点火的火花塞。
例如，日本待审公开专利申请(kokai)9-7733公开了一种火花塞，其中贵金属片包含了Ir和Rh的合金以利用Ir的优点(即高熔点)，同时防止了Ir在高温(约900℃或更高)下的氧化挥发，因此在高温下增强了抗损耗性(抗火花和高温氧化在本说明书下文称为“抗损耗性能”)。
然而，Rh比Ir贵几倍，而且Rh的熔点为1970℃，低于Ir的熔点2454℃。因此，如果Rh的含量过分增加，产生的问题不仅是贵金属片的原料花费升高，而且是抗火花损耗性能变得不足。
为了解决这个问题，本发明人已经尝试通过减少Rh的含量在改善抗火花损耗性能的同时抑制由氧化挥发产生的损耗。然而，已经发现如果Rh的含量这样减少，由于产生了如下文所述的不寻常损耗，在某些情况下不能抑制放电部分(贵金属片)的损耗。
更具体地，本发明人进行了如下实验。在一个6缸汽油发动机(活塞位移2000cc)上装备了一个只有中央电极放电部分装有贵金属片的火花塞，其中贵金属片包含作为主要成分的Ir和20wt％的Rh。汽油发动机在5000rpm的速度下运转，节流阀完全打开，使用无铅汽油作为燃料。在运转20小时后，对贵金属片外观进行观察。结果如图5所示，贵金属片显示了不寻常(unusual)损耗，特别是在贵金属片面向接地电极的非放电表面(放电部分上表面)的周围边缘表面产生拱形侵蚀。从图5可以理解，不寻常损耗在损耗形式上同样不寻常，引起的损耗只通过火花放电或氧化挥发是无法解释的。尽管没有示出，在使用包含作为主要成分的Ir并包含10wt％的Rh、5wt％的Rh或1wt％的Rh的贵金属片进行上述运转(测试)后，发现了类似的不寻常损耗。随着Rh的含量变小，放电部分周围边缘部分的侵蚀程度加重，也就是说，更容易产生不寻常损耗。于是，如果使用增加了Ir含量并减少了昂贵的Rh含量的贵金属片来尝试改善放电部分的抗火花损耗性和抑制氧化损耗，则导致了新的不寻常损耗，无法完全消除放电部分的损耗。
本发明目的是提供一种具有由贵金属片构成的放电部分的火花塞，其中形成放电部分的贵金属片增加了Ir含量并减少了昂贵的Rh含量，其可以防止在贵金属片的周围边缘表面产生的不寻常损耗侵蚀，并且该贵金属片具有优异的抗损耗性能。
本发明人检查了如图5所示的不寻常损耗的放电部分(贵金属片)，并发现在贵金属片表面形成了包含Ca和/或P的沉积物。在一些具有沉积物附着的贵金属片上没有发现不寻常损耗。然而，在全部遭受不寻常损耗的贵金属片上都发现了由Ca和/或P引起的沉积物附着。因此，该沉积物可能是引起上述不寻常损耗的部分原因。从图5明显看到，在放电部分(贵金属片)仅沿着一个方向产生不寻常损耗，意味着该不寻常损耗部分是由放电部分点火所处的点火气氛中存在的流体流动引起的。例如，设想上述流体是包含在混合物中的均匀扩散燃料的一种恒定的混合物流(旋流)。不寻常的损耗也可能是由上述两个原因引起的。无论如何，假定产生该不寻常损耗的机理与由火花放电引起的融熔或分散产生的损耗，或者由贵金属片上的简单氧化挥发产生的损耗的机理不同。
注意到如图5所示的现象，不寻常损耗的Ir-Rh二元合金的贵金属片在其放电表面的周围部分几乎没有不寻常损耗，本发明人分析了放电表面周围的成分，发现在放电表面周围包含Ni。本发明人也分析了不寻常损耗部分(周围边缘表面)的成分并发现不包含Ni。也就是说，在放电表面周围出现的Ni，不是包含于最初制造的贵金属片中的Ni，而是在火花塞的使用中出现的Ni。设想反复的火花放电导致Ni组分从Ni基耐热合金或类似金属构成的接地电极上飞溅出来，接着进入了贵金属片放电表面的周围部分。无论如何，本发明人得知在具有不寻常损耗的贵金属片上，包含Ni没有受不寻常损耗的区域(放电表面周围部分)。
本发明人发现在由Ir-Rh二元合金组成的贵金属片中，当Rh含量变小时，周围边缘表面由于不寻常损耗受到更严重的侵蚀。本发明人进行了大量的如上所述的研究，发现当火花塞的放电部分是由包含了具有高熔点能够改善抗火花损耗性能的90wt％或更多的Ir，0.5wt％或更多的Rh和用作抑制Ir组分氧化挥发引起损耗的0.5-8wt％Ni的贵金属片构成的时候，可以在改善抗火花损耗性能的同时抑制氧化损耗，并且抑制上述不寻常损耗。基于该发现完成本申请。
在贵金属片中Ni含量为0.5-8wt％。如果Ni含量少于0.5wt％，不足以产生抑制不寻常损耗的效果。然而如果Ni含量超过8wt％，由于过多的Ni含量导致包含90wt％或更多Ir来改善抗火花损耗性能的效果不利地降低。因此在贵金属片中合适的Ni含量为0.5-8wt％，更优选1-4wt％。Ni含量更优选为1-4wt％的原因如下。Ni含量为1wt％可以带来满意的抑制不寻常损耗的效果。另一方面，如果Ni含量超过4wt％，可能获得了防止不寻常损耗的效果，但是材料中的Ni组分在使用中由于加热有时氧化，并且缝隙或类似物由氧化的Ni产生并生长，结果是通过例如锻造、压延或冲孔生产出的贵金属片产品可能无法获得良好的加工性能。
贵金属片由基于Ir的合金构成，其中包含90wt％的Ir。Ir具有高熔点(2454℃)，因此当Ir的含量为90wt％或更多时，可以获得良好的抗火花损耗性能。然而，既然Ir组分在超过900℃时存在问题，由于氧化挥发使得损耗倾向于突然增加，本发明的贵金属片包含0.5wt％的Rh以便抑制Ir组分的氧化挥发。如果Rh含量低于0.5wt％，抑制Ir组分氧化挥发的效果不充分，并且贵金属片(放电部分)容易损耗，无法确保火花塞的耐用性。
也就是说，在本申请中，贵金属片包含了具有高熔点的90wt％或更多的Ir组分，以及比Ir更昂高的并且熔点低于Ir的Rh，其用量较小，在能够抑制氧化挥发的范围内。结果是可以确保贵金属片(放电部分)具有优良的抗损耗性能，降低Rh含量后容易发生的不寻常损耗可以通过加入Ni来抑制，于是在低花费下制造出了具有高性能的火花塞。
贵金属片可以包含选自下列元素的氧化物(复合氧化物)Sr、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ti、Zr和Hf，因此可以更有效地抑制Ir在高温下的氧化挥发。优选包含上述氧化物中至少La2O3或Y2O3中的一种。此外可以有利地使用ThO2、ZrO2或类似氧化物。优选这些氧化物的用量为0.5-3wt％。氧化物含量少于0.5wt％则不足以产生所需的效果来抑制加入的金属元素组分的氧化挥发。氧化物含量超过3wt％可能仅会损害贵金属片的抗热性能。
图1以前部总体剖视图显示了本发明火花塞的一个具体实施方案。
图2是图1火花塞的部分剖视图和火花塞主要部分的放大剖视图。
图3是放大的放电部分和其周围部分的视图，并解释了片直径D和放电部分的厚度H等的定义。
图4接着图3说明了金属片的直径D和放电部分的厚度H等。
图5是对中央电极周围放电部分不寻常损耗的观察视图。
图标序号如下100火花塞1金属壳体2绝缘体3中央电极4接地电极6通孔9火花塞放电间隙31，32放电部分31’，32’贵金属片35核心W焊接区域本发明最佳实施方式下面将参照剖视图描述本发明的具体实施方式
。图1是显示本发明的火花塞100实例的垂直剖视图。图2(a)是火花塞100的放电部分和放电部分周围的放大视图。火花塞100是本发明的一个实例，包含了一个电阻器，包括一个圆柱形金属壳体1；装在金属壳体1内部的绝缘体2，其顶部部分21从金属壳体1伸出；穿过绝缘体2中通孔6安放在前端(一端)的中央电极3上，使得在其顶部形成的放电部分31伸出了绝缘体2；接地电极4，其一端通过焊接或类似方法连接到金属外壳上，另一端(4a)部分弯曲使得它的侧表面(4c)面向在中央电极3上形成的放电部分31。在接地电极4上形成了对着放电部分31的放电部分32。在放电部分31和放电部分32之间形成的间隙作为火花放电间隙g。
绝缘体2是由例如氧化铝或氮化铝陶瓷烧结体构成的，其中沿轴向方向具有通孔6以便放置中央电极3。金属壳体1是由金属例如低碳钢构成的，做成圆柱形以形成安放火花塞100的空间。为了将火花塞100装配在图中没有列出的发动机上，金属外壳1的周围外表面构成了螺纹部分7。金属接线元件13从一端固定地插入到通孔6内部，中心电极3从另一端固定地插入到通孔6内部。电阻器15放置在通孔6内部，位于金属接线元件13和中央电极3之间。电阻器15在其两端通过导电玻璃密封层17和18分别与金属接线元件13和中央电极3电连接。特别地，放电部分31和32的表面之一可以省略。在这种情况下，火花放电间隙g在放电部分31和接地电极4之间形成，或者在放电部分32和中央电极3之间形成。
放电部分31是由例如下列方式构成的。如图2(b)所示盘状的贵金属片31’与中央电极3的顶部3a接触，中央电极是由例如Ni基耐热合金(如INCONEL 600，INCO Corp.，UK生产的产品商标)或Fe基耐热合金构成的。焊接区域W是沿着各组件之间界面的周围边缘通过激光焊接、电子束焊接、电阻焊接或类似方法连接各组件而形成。在这种情况下，其中将要在接地电极上形成的放电部分32是由例如Ni基耐热合金(例如INCONEL 600和INCONEL 601)构成的时，放电部分32按以下方式形成。贵金属片32’放置在接地电极4上，对着连接在中央电极3的放电部分31的位置。类似地，沿着组件之间界面的外部边缘形成了连接各组件的焊接区域W’。
放电部分31或32使用了包含90wt％或更多Ir、0.5wt％或更多Rh和0.5-8wt％Ni的贵金属片31’或32’形成。优选贵金属片包含1-4wt％的Ni。
贵金属片31’或32’是按例如以下方式制造的。根据预定的比例混合贵金属粉末材料。将得到的混合物熔融以形成合金锭块。熔融方法的例子包括电弧熔融、等离子束熔融和高频感应熔融。锭块由以下方法形成浇铸熔融的合金，然后使用水冷模具或类似设备迅速冷却。由此得到的锭块降低了离析。或者锭块由以下方法形成压缩具有预定组成的贵金属粉末混合物，然后烧结。
随后，通过对合金锭块各自或一起进行热锻造，热压延和热线拉伸形成线状或棒状材料。将该线状或棒状材料沿长度方向切成段，每段具有指定的长度。例如，合金锭块通过热型锻成为棒状材料。该棒状材料经历了热压延，其中使用了槽纹辊和热锻造以进一步减少直径。最后，对直径减少后的材料进行热线拉伸，从而得到直径不大于0.8mm的线材。随后将线材切成每段具有预定厚度的线段，于是得到了贵金属片31’或32’。
贵金属片31’或32’也可由以下方法制得。混合合金组分并熔融，得到熔融的合金。将熔融的合金热压延成薄片。将薄片进行热冲切以得到预定形状的薄片。或者使用已知的微粒化方法形成球形贵金属合金。由于得到的球形贵金属合金是通过使用压力机或扁平模头粉化或压缩成为扁平或圆柱状的贵金属片31’或32’，所以可以用作放电部分。
如图3所示，本实施例的火花塞100具有细长的放电部分31。特别是，作为放电部分31的贵金属片的直径D为0.3-0.8mm，放电部分厚度H为0.4-2mm。片直径D和放电部分厚度H如图3中的定义。也就是说，片直径D是放电部分31的外径D，放电部分厚度H是沿轴向方向上放电部分31的放电表面31t周围与将中央电极3和贵金属片31’焊接在一起的焊接区域W的相应端边缘的最短距离。至于在上述放电部分31连接了中央电极3的情况下，片直径D和放电部分厚度H可以类似地用于连接接地电极4的放电部分32。
如果片直径D少于0.3mm，甚至针对火花放电、氧化挥发或类似原因引起的普通损耗也不能维持足够的耐用性。然而如果片直径D超过0.8mm，不能得到减小放电电压的效果。进而，如果放电部分的厚度H小于0.4mm，由于重复火花放电，焊接区域W容易暴露于放电表面，无法提供足够的抗火花损耗性能。如果放电部分厚度H超过2.0mm，放电部分容易积累过多热量并在放电部分产生损耗，得到耐用性不令人满意的贵金属片。
将本实施方案的火花塞100如此装配，以至于与中央电极3相连的放电部分31可升高温度。例如，如图3所示，核心35在中央电极3的中央部分形成，核心35的导热性高于形成表面层部分的电极基材36。测得的沿轴向方向放电部分31和核心35的朝向火花放电间隙g一边的顶部35a之间的最短距离L1(下文称为核心顶部)为1-3mm。特别是核心35是由Cu、Cu合金或类似金属构成的，适于释放由放电部分31传向中央电极3的热量。在上述结构中，当上述定义的距离L1不大于1mm，相对于绝缘体的顶部21a，不可避免地核心35的顶部35a位于朝向放电部分31一边。结果是核心35由于积累了过多热量膨胀，可能导致绝缘体2从内部破裂。而且可能因为构成表面层部分的电极基材36的损耗导致核心35暴露出来。当L1超过3mm，放电部分31的温度变得过高；结果由于反复火花放电，放电部分31失去了抗损耗效果。优选L1为1.5-2.5mm。
如图4的剖视图所示，在沿贵金属片31’的径向方向连续形成焊接贵金属片31’和中央电极3的焊接区域W。在这种情况下，在放电部分31和核心35的顶部35a之间的最短距离L1与图3中的定义类似。
如图3所示，当字母J代表沿着轴向测量的在放电表面31t和位于朝向火花放电间隙g边缘的绝缘体2顶部21a之间的最短距断(下文仅称为绝缘体顶部)时，优选距离J不少于1.5mm。使用不少于1.5mm的J值使得放电电压降低。当J值少于1.5mm时，在放电表面31t的电场不会太集中，因此放电电压增加；因此失去了将放电部分31作成细长状的效果。
如图3和4所示，当L2代表沿轴向测量的在绝缘体2顶部21a和核心35的顶部35a之间的最短距离时，相对于绝缘体2(如图4的情况)的顶部21a，在核心35的顶部35a位于朝向放电表面31t的一边的情况下，L2不大于1mm；当绝缘体2顶部21a位于相对于核心35顶部35a的朝向放电部分31t一边时，L2不大于1.5mm。通过详细说明上述L2值的范围，前述定义的L1值容易设置以落入优选范围。
上述火花塞100通过螺纹部分7安装在发动机上，并作为点燃送入燃烧室的混合物的点火源。在使用过程中，在放电部分31和32之间施加放电电压并在火花放电间隙g(对应于图1中的标记)产生火花。当将本发明火花塞100在含有Ca和P的点火气氛中使用时，有效地得到了具有上述组成的贵金属片的放电部分31和32产生的效果。因为点火气氛中包含的Ca和P包含在用于内燃机的发动机油中，本发明火花塞100适于用作使用这种发动机油的内燃机中。
本发明用上述具体实施方案描述，然而，本发明不限于此。不需解释，在不脱离本发明精神的情况下可以作适当变化。
例如，在上述实例中，贵金属片31’放置在中央电极3的顶部3a的端面上，在各组件之间通过激光焊接或类似方法沿界面边缘形成焊接区域W。然而，为了帮助将贵金属片31’放置并固定在中央电极3的顶部3a上，也可以在顶部3a的端面上开槽以适应片的外形以便将贵金属片31’放置在槽中固定，形成焊接区域W。在这种情况下，当焊接区域W通过例如在固定槽露出的周围边缘和薄片外部周围表面之间的交叉边缘上照射激光形成时，通过焊接进行连接不会失败。
进而，尽管上述火花塞100实例是一种只有一个接地电极4的电极类型，但是本发明同样可以用于具有多个接地电极的多电极类型。
实验实施例1用以下方式生产了用作火花塞放电部分的贵金属片。为了制备各自具有如表1所示的不同组成的贵金属片，根据多种组成混合预定元素组分，于是得到了多种原料粉末。然后，分别压实材料粉末成为直径20mm长度130mm的圆柱形。将得到的生压实件置于电弧熔融炉中并进行电弧熔融，于是得到具有多种组分的合金锭块。对合金锭块各自进行热锻造、热压延、热型锻和在约1500℃下进行热线拉伸，因此得到了直径为0.6mm的合金线。将线沿长度方向切成段，因此得到了多组成的直径(片直径)为0.6mm和厚度为0.8mm的贵金属片。
用以下方法评估贵金属片的加工性能。生产表1列出的具有不同组成的各种贵金属片，在该方法中生产的片不产生裂缝的被评为○等级，在生产后的检查中使用放大倍数为40的放大镜确认有裂缝出现但是可以用作贵金属片的被评为△等级。对加工性能的评估结果列于表1。
将得到的上述贵金属片放置在以INCONEL 600构成的中央电极基材顶部表面上，通过激光焊接进行焊接生产如图1或2的火花塞。根据具有各自成分的贵金属片，通过适当的调节激光焊接的条件来进行激光焊接，使得从放电表面周围到中央电极和贵金属片的焊接区域的相应端边缘之间的最短距离(放电部分厚度H)在激光焊接后为0.5mm。在这个实验实例中，与每个火花塞的接地电极连接的放电部分是由Pt-20wt％Ni构成，片直径为0.9mm，厚度为0.6mm。
表1
对得到的火花塞在下列条件下进行耐用性测试。将每个火花塞安装在活塞位移为2000cc的汽油发动机上(6缸)。该汽油发动机节流阀完全打开，以发动机转速为5000rpm运行300小时。使用无铅汽油作为燃料，中央电极顶部温度为900℃。在设置每个火花塞的火花放电间隙为1.1mm的条件下进行耐用性测试。
在耐用性测试后，目视观察每个火花塞评估以放电部分(贵金属片)的一边的侵蚀形式出现的不寻常损耗的程度。当没有观察到不寻常损耗时，等级为○；当观察到不寻常损耗但是完成了耐用性测试时，等级为△；当不寻常损耗使得耐用性测试无法连续进行，等级为×；当仅由不寻常损耗将贵金属片全部损耗完时，等级为-。对不寻常损耗的评估结果列于表1。并且在发动机运转耐用性测试时间后测量增加的间隙量作为评估结果(抗损耗评估结果)，当火花放电间隙增量少于0.15mm，等级为○；当其为0.15至0.3mm时，等级为△；当其超过0.3mm时，等级为×。当不寻常损耗使得耐用性测试无法完成，不测试间隙增量，等级为-。在表1中通过考虑对不寻常损耗、抗损耗性能和加工性能的所有评估结果进行综合评估。也就是说，当所有评估结果为○时等级为◎；当两项评估结果为○且一项评估结果为△时，等级为○；其它等级为×。
从表1可以看出在包含90wt％Ir、0.5wt％Rh和0.5-8wt％Ni的贵金属片以及使用这些贵金属片(实施例1-15)的火花塞中，抑制了不寻常损耗的产生，同时抗损耗性能和加工性能很优异。特别是，在实施例1至4，7至9和11至15中，当Ni含量为1-4wt％时，更有效地抑制了不寻常损耗，并且贵金属片显示出良好的加工性能。
另一方面，在对比实施例16和17中不包含Ni，在对比实施例19中Ni含量少于0.5wt％，无法抑制不寻常损耗的产生。在对比实施例20至22中包含Ni，但是Ir含量少于90wt％，由于抗火花损耗性能降低，不能得到良好的抗损耗性能，不寻常损耗性能或加工性能的评估结果不好。在对比实施例16中Rh含量少于0.5wt％，不能得到Ir的令人满意的抑制氧化挥发的效果，抗损耗性能降低。
实验实施例2下一步，按照表1中实施例3或对比实施例16的贵金属片组成作为放电部分制备火花塞。如前面实施方案(图3和4)所定义的长度L1和L2，按表3中所列变化。火花塞具有片直径D为0.3-0.6mm，放电部分厚度H为0.4-2mm，其它尺寸特征与实验实施例1类似。对火花塞进行类似实验实施例1的耐用性测试，并在耐用性测试后观察放电部分评估不寻常损耗的程度。结果列于表2。在本实验实施例中，当如图4所示核心顶部相对于绝缘体顶部位于朝向放电部分的一边，L2值的标记为负(-)时代表核心顶部和绝缘体顶部之间最短距离。其他L2值如图3所示代表了核心顶部和绝缘体顶部之间最短距离，其中绝缘体顶部相对于核心顶部位于朝向放电部分的一边。
表2
“*”意味着超出了本发明的范围如图2所示，对比实施例不包含Ni，并且对比实施例1至8的L1值为1至3mm，L2值为-1至1.5mm时，显示了由于放电部分曾承受了高温，放电部分产生了显著的不寻常损耗。那些L1和L2值超出上述范围的(对比实施例9)火花塞显示出现了不寻常损耗；然而，设想因为火花部分散热性良好，因此不曾承受高温，其损耗程度少于那些L1和L2值落入上述范围的火花塞。在实施例10-18中，由于加入Ni的火花塞的L1和L2值超出了上述相应范围的，其充分获得了减少不寻常损耗的效果，甚至那些L1和L2值落入上述相应范围，因而放电部分可能曾承受高温的火花塞。
从这两个实验的结果可明显看到，当包含90wt％或更多具有高熔点的Ir组分，以及小量的比Ir更昂贵并且熔点低于Ir的Rh，其用量在能够产生抑制氧化挥发效果的范围内，以及Ni组分，其含量位于上述范围内的贵金属片用作放电部分时，可以确保该贵金属片(放电部分)具有优良的抗损耗性能，可以防止由于减少Rh含量而容易发生的不寻常损耗。也就是说火花塞可以在低花费下具有高性能。
已经对本发明做了详细描述并给出了具体实施方案，很明显本领域技术人员在不脱离本发明精神和范围的情况下可以对本发明作出多种改变和修改。
本申请基于2001年3月28日申请的日本专利申请(专利申请号2001-091585)，这里将其内容全文引入作为参考。
工业实用性本发明是一种火花塞，其中构成放电部分的贵金属片中增加了Ir含量，同时减少了昂贵的Rh的含量，这可以抑制以在贵金属片周围表面侵蚀的方式产生的不寻常损耗，并且显示出优异的抗损耗性能。
权利要求
1.一种火花塞，包含安装在绝缘体的通孔一端的中央电极；和通过火花放电间隙面向中央电极的接地电极，其中中央电极与接地电极中的至少一个的放电部分焊接了贵金属片，放电部分面向火花放电间隙，贵金属片包含90wt％或更多的Ir，0.5wt％或更多的Rh和0.5-8wt％的Ni。
2.权利要求1的火花塞，其中贵金属片包含1-4wt％的Ni。
3.权利要求1或2的火花塞，其中贵金属片包含La2O3和Y2O3中的至少一种。
4.权利要求3的火花塞，其中贵金属片包含0.5-3wt％的La2O3和Y2O3中的至少一种。
全文摘要
本发明目的是提供一种火花塞，其中构成放电部分的贵金属片中增加了Ir含量，同时减少了昂贵的Rh的含量，这可以抑制以在贵金属片周围表面侵蚀的方式产生的不寻常损耗，并且显示出优异的抗损耗性能。在本发明中位于中央电极(3)边缘上的放电部分(31)是由包含Ir基合金的贵金属片(31’)构成的，贵金属片(31’)包含90wt％或更多的Ir作为主要成分并进一步包含0.5wt％或更多的Rh和0.5－8wt％的Ni，因此放电部分31的贵金属片(31’)可以确保具有良好的抗损耗性能，通过加入Ni，可以抑制由于减少Rh含量而容易发生的不寻常损耗，由此可以在低花费下生产具有高性能的火花塞。
文档编号H01T13/39GK1460314SQ02800934
公开日2003年12月3日 申请日期2002年3月27日 优先权日2001年3月28日
发明者松谷涉, 濑川昌幸, 伊藤聪子, 吉本修 申请人:日本特殊陶业株式会社