內燃機用火花塞及其制造方法

專利名稱：內燃機用火花塞及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種使用于內燃機的火花塞及其制造方法。
背景技術：
內燃機用火花塞安裝于內燃機(發動機)，用于點燃燃燒室內的混合氣體。通常， 火花塞包括具有軸孔的絕緣體、插通于該軸孔的中心電極、設置于絕緣體外周的主體配件、 設置于主體配件的前端面且在與中心電極之間形成火花放電間隙的接地電極。此外，還提出了如下技術，在由鎳合金等耐熱耐腐蝕性金屬構成的接地電極的前 端部分接合由鉬等貴金屬合金構成的貴金屬端頭，從而提高火花塞的耐久性(例如參照專 利文獻1)。專利文獻1 日本特開2003-323962號公報

發明內容
然而，鉬具有在高溫條件下晶粒容易粗大化(晶粒生長)的性質。如果晶粒生長， 則會引起晶界強度下降。因此，由于伴隨發動機的工作而產生的振動及發動機內部的冷熱 循環的影響，貴金屬端頭上產生裂紋，并且存在導致貴金屬端頭脫落的可能性。此外，近年來為了提高著火性及火焰傳播性，以從接地電極突出的狀態設置貴金 屬端頭，但采用該結構時，貴金屬端頭的熱傳導性能下降，貴金屬端頭更容易變成高溫。因 此，晶粒生長容易進一步發展，貴金屬端頭脫落的可能性進一步提高。本發明鑒于上述情況而做出，其目的在于提供一種內燃機用火花塞，能夠防止貴 金屬端頭脫落，并且能夠實現長壽命化。以下，分別分項說明適用于實現上述目的的各結構。另外，根據需要說明所對應的 結構特有的作用效果。結構1.本結構的內燃機用火花塞，包括筒狀的絕緣體，具有在軸線方向上貫通 的軸孔；中心電極，被插入設置在上述軸孔中；筒狀的主體配件，設置在上述絕緣體的外 周；接地電極，以本身的前端部分與上述中心電極的前端面相對的方式設置在上述主體配 件的前端面上；以及貴金屬端頭，與上述接地電極接合，并且在本身的前端部與上述中心 電極的前端部之間形成火花放電間隙，由以鉬為主要成分的鉬合金構成，上述內燃機用火 花塞的特征在于，從上述接地電極的主體部到上述貴金屬端頭的前端面為止的突出長度為 0. 4mm以上、1. 6mm以下，并且上述鉬合金是在1100°C的大氣氛圍下加熱50小時后的平均粒 徑為70 μ m以下的結構。其中，“主要成分”是指材料中質量比最高的成分。此外，“突出長度”是指沿著貴 金屬端頭的中心軸方向從接地電極的主體部到貴金屬端頭的前端面為止的距離，此外，“接 地電極的主體部”是指從接地電極去除形成于其表面上的凸部等的平坦部分。因此，在接地 電極的平坦部分形成有凸部等(或者焊接有凸形的金屬部件)，且在該凸部等上設置有貴 金屬端頭時，從接地電極的主體部即接地電極的平坦部分到貴金屬端頭的前端面為止的距
3離為上述突出長度。此外，“平均粒徑”是指觀察貴金屬端頭的剖面組織而得到的粒徑的平 均值(以下相同)。此外，也可以在中心電極的前端部設置貴金屬端頭。此時，在設置于該 中心電極側的貴金屬端頭與設置于接地電極側的貴金屬端頭之間形成火花放電間隙。根據上述結構1，從接地電極的主體部到貴金屬端頭的前端面為止的突出長度為
0.4mm以上、1. 6mm以下。因此，能夠提高著火性及火焰傳播性。另一方面，由于貴金屬端頭形成為從接地電極的主體部突出的形狀，因此貴金屬 端頭的熱傳導性能下降，貴金屬端頭更容易達到高溫。由此，貴金屬端頭的晶粒生長容易進 一步發展，因此導致晶界強度下降，并且存在貴金屬端頭脫落的可能性。對此，根據上述結構1，上述鉬合金是在1100°c的大氣氛圍下加熱50小時后的平 均粒徑為70 μ m以下的結構。由此，能夠防止高溫環境下晶界強度下降，并且能夠防止貴金 屬端頭脫落。其結果，能夠實現火花塞的長壽命化。另外，在上述突出長度小于0. 4mm時，存在無法充分提高著火性等的可能性，并且 難以達到由于上述晶粒生長而引起貴金屬端頭脫落的程度的高溫。即，貴金屬端頭形成為 從接地電極的主體部突出的形狀時，本發明能夠發揮其效果。但是，在上述突出長度超過
1.6mm時，貴金屬端頭熔化的可能性提高，即使使用了抑制上述晶粒生長的貴金屬端頭，也 無法充分實現長壽命化。此外，若貴金屬端頭的直徑小于上述突出長度，則能夠更有效地發 揮本發明的效果。這是因為，上述結構的貴金屬端頭與不是上述結構的貴金屬端頭相比容 易達到高溫。結構2.本結構的內燃機用火花塞的特征在于，在上述結構1中，殘留在上述貴金 屬端頭的前端部的應力小于殘留在上述貴金屬端頭的側部的應力。根據上述結構2，對于殘留在貴金屬端頭的應力(以下也稱為殘留應力)，貴金屬 端頭的前端部的殘留應力小于貴金屬端頭的側部的殘留應力。在金屬部件中，隨著殘留應 力的增大，金屬組織的再結晶溫度下降。反而言之，殘留應力越小，再結晶溫度越高，難以發 生晶粒生長。即，比較貴金屬端頭的前端部和側部，在前端部難以發生晶粒生長。由此，在 貴金屬端頭的前端部難以發生由于上述晶粒生長而引起的晶界強度下降，難以發生貴金屬 端頭的一部分沿著晶界脫落等耗費。并且，能夠防止火花放電間隙的早期擴大，能夠實現火 花塞的長壽命化。另外，在使用火花塞時，上述殘留應力在開始使用后不久(也稱為使用初期)會被 去除，但前端部的殘留應力在使用初期小于側部的殘留應力，從而能夠抑制火花放電間隙 在使用初期階段急劇擴大，因此本結構很有效。此外，在判斷貴金屬端頭表面的殘留應力的大小時，例如使用維氏硬度計來判斷。 即，當貴金屬端頭前端面的維氏硬度小于貴金屬端頭側面的維氏硬度時，可以認為貴金屬 端頭前端面的殘留應力小于貴金屬端頭側面的殘留應力。結構3.本結構的內燃機用火花塞的特征在于，在上述結構1或2中，上述鉬合金 含有銠(Rh)、銥(Ir)、鎳(Ni)及釕(Ru)中的至少一種。在構成上述結構1的鉬合金時，可以采用各種組成。尤其，從抑制晶粒生長的觀點 出發，鉬合金含有熔點較高的材料時有效，例如也可以考慮含有鎢(W)或鉭(Ta)等。但是， W及Ta等是非常容易氧化的元素，雖然能夠防止端頭脫落，但是會降低耐火花消耗性。對此，根據上述結構3，上述鉬合金含有Rh、Ir、Ni及Ru中的至少一種。通過含有上述金屬而構成上述結構1的鉬合金，能夠防止耐火花消耗性。其結果，能夠實現火花塞的 進一步長壽命化。另外，從上述觀點出發，優選鉬合金不含W或Ta等。另一方面，即使含有W或Ta 等，也優選其含量被抑制為小于2質量％。結構4.本結構的內燃機用火花塞的特征在于，在上述結構1 3的任一項中，上 述鉬合金含有金屬氧化物及稀土類氧化物中的至少一種，該金屬氧化物及/或稀土類氧化 物的總含量為0. 05質量％以上、2質量％以下。根據上述結構4，鉬合金含有金屬氧化物及稀土類氧化物中的至少一種。由此，能 夠進一步抑制晶粒生長，能夠進一步發揮上述結構的作用效果。另外，在上述金屬氧化物及/或稀土類氧化物的總含量小于0. 05質量％時，存在 無法充分發揮上述作用效果的可能性。另一方面，在總含量大于2質量％時，會降低加工 性，存在貴金屬端頭難以成型的可能性。結構5.本結構的內燃機用火花塞的特征在于，在上述結構1 4的任一項中，上 述主體配件在其外周具有用于與內燃機的發動機頭的安裝孔螺合的螺紋部，設上述螺紋部 的外徑為M，沿著上述軸線方向從上述主體配件的前端面到熔融部為止的距離為H時，滿足 H^O. 5M，其中上述熔融部是上述貴金屬端頭與上述接地電極的主體部或從上述接地電極 的主體部突出的凸部彼此熔合而形成的。另外，“熔融部”是指，在貴金屬端頭直接接合在接地電極主體部上時，構成兩者的 各金屬材料熔融而形成的部分，在經由設置在接地電極主體部上的凸部將貴金屬端頭間接 接合在接地電極上時，是指構成貴金屬端頭及上述凸部的各金屬材料熔融而形成的部分。 此外，在測量上述距離H時，確定接地電極(凸部)及貴金屬端頭的接合面(邊界)的情況 下，可以將熔融部中與該接合面對應的點設為上述距離H的測量點。根據上述結構5，設主體配件的螺紋部的外徑為M,沿著軸線方向從主體配件的前 端面到熔融部為止的距離為H時，螺紋部的外徑M及距離H分別被設定為滿足H > 0. 5M。 由此，熔融部進一步靠近燃燒室的中心位置，因此火花放電間隙形成為進一步靠近燃燒室 的中心位置。其結果，能夠在進一步靠近燃燒室中心位置的位置產生火花放電，因此能夠提 高火焰傳播性。另一方面，燃燒時的貴金屬端頭的溫度由主體配件的螺紋部的外徑和接地 電極的剖面面積確定。螺紋徑較小的火花塞即小徑的火花塞不得不減小接地電極的剖面 面積，貴金屬端頭容易達到更高的溫度。即，若從主體配件的前端面到熔融部為止的距離H 小于0. 5M，則能夠避免貴金屬端頭的溫度過高，采用上述貴金屬端頭的效果較小，但是滿足 H ^ 0. 5M的火花塞的貴金屬端頭容易達到高溫，采用上述貴金屬端頭時所獲得的晶粒生長 抑制效果的作用變大。另外，若進一步增大上述距離H，則存在接地電極的前端部產生熔化損失的可能 性。因此，優選螺紋部的外徑M及距離H分別被設定為滿足0.8M。結構6.本結構的火花塞的制造方法，制造上述結構1 5的任一項所述的內燃機 用火花塞，其特征在于，包括拔絲工序，從以鉬為主要成分的鉬合金所構成的棒狀材料形 成與上述貴金屬端頭大致相同直徑的線狀材料；和切斷工序，通過表面上附著有研磨材料 的絲線研磨上述線狀材料，從而切斷上述線狀材料，獲得上述貴金屬端頭。從抑制貴金屬端頭的晶粒生長的觀點出發，抑制在貴金屬端頭中殘留應力較為有
5效。對此，根據上述結構6，貴金屬端頭經過拔絲工序和切斷工序而形成。在此，在拔絲 工序中，對棒狀材料實施拔絲而形成線狀材料，因此在該線狀材料的側面表層(在進行后 述的切斷后成為貴金屬端頭的側部的部分)會殘留比該現狀材料的內部大的應力。并且， 關于線狀材料的切斷，在剪切(Shear)切斷線狀材料時，在切斷面(即貴金屬端頭的斷面) 上有可能殘留應力，但在本結構6中，由于用絲線進行研磨而切斷線狀材料，因此能夠防止 在切斷面上殘留應力。由此，與線狀材料的側面相比殘留應力較小的線狀材料的內部(切 斷面)形成為貴金屬端頭的端面，與接地電極側接合的端面的相反側端面構成為貴金屬端 頭的前端部。因此，通過本結構6形成的貴金屬端頭，尤其在使用初期難以在前端部發生晶 粒生長，能夠有效地防止火花放電間隙的擴大。此外，由于能夠極力抑制應力殘留在貴金屬 端頭的內部，因此能夠發揮優異的抑制晶粒生長的效果。因此，能夠進一步防止高溫環境下 晶界強度的下降，能夠進一步切實地防止貴金屬端頭脫落。結構7.本結構的火花塞的制造方法的特征在于，在上述結構6所述的火花塞的制 造方法中，上述拔絲工序是熱拔絲。由于上述拔絲工序是熱拔絲，即加熱棒狀材料等的同時實施拔絲而形成線狀材 料，因此殘留在線狀材料內部的應力進一步減小，能夠進一步有效地獲得上述效果。


圖1是表示本實施方式的火花塞的局部剖面正視圖。圖2是表示本實施方式的火花塞的前端部的局部剖面正視圖。圖3是用于說明本實施方式的貴金屬端頭的制造方法的流程圖。圖4是表示著火性評價試驗中突出長度與提前角界限的關系的折線圖表。圖5是表示其他實施方式的火花塞的前端部的局部剖面正視圖。圖6是表示其他實施方式的火花塞的前端部的局部剖面正視圖。圖7是表示其他實施方式的火花塞的前端部的局部剖面正視圖。圖8是表示其他實施方式的火花塞的前端部的局部剖面正視圖。圖9是表示其他實施方式的火花塞的前端部的局部剖面正視圖。圖10是表示其他實施方式的火花塞的前端部的局部剖面正視圖。標號說明1內燃機用火花塞2絕緣件3主體配件4 軸孔5、55B、55C、55D 中心電極15螺紋部26主體配件的前端面27、27A、27B、27D、27F 接地電極32、32A、32B、32C、32D、32E、32F 貴金屬端頭33火花放電間隙
6
34 凸部35、35B、35C、35D、35E、35F 熔融部37、37B、37C、37D、37E貴金屬端頭的前端面38接地電極主體部39貴金屬端頭的側面Cl 軸線
具體實施例方式以下，參照

一個實施方式。圖1是表示火花塞1的局部剖面正視圖。另 外，在圖1中以火花塞1的軸線Cl方向為圖中的上下方向，以下側為火花塞1的前端側，以 上側為后端側來進行說明。火花塞1由作為筒狀的絕緣體的絕緣件2、保持該絕緣件2的筒狀的主體配件3等 構成。在絕緣件2中沿著軸線Cl貫通形成有軸孔4。并且，在軸孔4的前端部側插入并 固定有中心電極5，在后端部側插入并固定有端子電極6。在軸孔4內的中心電極5和端子 電極6之間配置有電阻體7，該電阻體7的兩端部經由導電性的玻璃密封層8、9分別與中心 電極5和端子電極6電連接。中心電極5在從絕緣件2的前端突出的狀態下被固定，端子 電極6在從絕緣件2的后端突出的狀態下被固定。中心電極5包括由銅或銅合金構成的內層5A和由Ni類合金構成的外層5B。此 外，該中心電極5的前端側直徑縮小，并且該中心電極5的整體為棒狀(圓柱狀)，其前端面 平坦。在該前端面通過實施激光焊接、電子束焊接或電阻焊接等而接合有形成為圓柱狀的 貴金屬端頭31。另外，在本實施方式中，上述貴金屬端頭31由以鉬(Pt)為主要成分，并含 有銥(Ir)的貴金屬材料(例如Pt-5Ir)構成。另一方面，眾所周知，絕緣件2通過燒制氧化鋁等而形成，在其外形部具有后端 側主體部10，形成在后端側；大徑部11，在該后端側主體部10的前端側向徑向外側突出形 成；中部主體部12，在該大徑部11的前端側形成為直徑小于該大徑部11 ；以及長腳部13， 在該中部主體部12的前端側形成為直徑小于該中部主體部12。絕緣件2中大徑部11、中 部主體部12及長腳部13的大部分被容納在主體配件3的內部。并且，在長腳部13和中部 主體部12的連接部形成有錐形的臺階部14，絕緣件2通過該臺階部14卡定于主體配件3。主體配件3由低碳鋼等金屬形成為筒狀，在其外周面上形成有用于將火花塞1安 裝到發動機頭(Engine head)上的螺紋部(外螺紋部)15。此外，在螺紋部15的后端側的 外周面上形成有基座部16，在螺紋部15后端的螺紋頸17中嵌入有環狀的襯墊18。另外， 在主體配件3的后端側設置有剖面為六邊形的配件扣合部19，用于在發動機頭上安裝主體 配件3時扣合扳手等工具，并且在后端部設置有用于保持絕緣件2的鉚接部20。此外，在主體配件3的內周面設置有用于卡定絕緣件2的錐形的臺階部21。并且， 在絕緣件2從主體配件3的后端側向前端側插入并且其本身的臺階部14與主體配件3的 臺階部21卡定的狀態下，向徑向內側鉚接主體配件3的后端側的開口部，即形成上述鉚接 部20，從而固定絕緣件2。另外，在絕緣件2和主體配件3兩者的臺階部14、21之間介有圓 環狀的板墊22。由此，保持燃燒室內的氣密性，防止進入到暴露于燃燒室內的絕緣件2的長
7腳部13與主體配件3的內周面之間的間隙中的燃燒空氣漏出到外部。另外，為了使通過鉚接而形成的密閉更加完全，在主體配件3的后端側，主體配件 3和絕緣件2之間介有環狀的環部件23、24，在環部件23、24之間填充有滑石(Talc) 25的 粉末。即，主體配件3通過板墊22、環部件23、24及滑石25保持絕緣件2。此外，在主體配件3的前端面26接合有由鎳(Ni)類合金構成的接地電極27。即， 接地電極27的后端部焊接于上述主體配件3的前端面26，并且前端側彎折而被配置為其側 面與中心電極5的前端部(貴金屬端頭31)相對。如圖2所示，該接地電極27包括形成為 L字狀的接地電極主體部38和從該接地電極主體部38的前端側側面突出的凸部34。在本 實施方式中，上述凸部34通過電阻焊接由Ni類合金構成的圓柱狀的端頭而設置。此外，在接地電極27的凸部34的前端面(接合面)36上接合有圓柱狀的貴金屬 端頭32。具體地說，在凸部34的接合面36上抵接貴金屬端頭32的狀態下，沿著凸部34及 貴金屬端頭32的邊界部分即接合面36的外緣部通過激光焊接等形成熔融部35，從而接合 貴金屬端頭32。在本實施方式中，該貴金屬端頭32及上述貴金屬端頭31之間的間隙為火 花放電間隙33。另外，也可以省略設置在中心電極5上的貴金屬端頭31。此時，在貴金屬 端頭32與中心電極5的主體部之間形成火花放電間隙33。此外，在本實施方式中被設定為，從接地電極主體部38到上述貴金屬端頭32的前 端面37為止的突出長度L為0. 4mm以上、1. 6mm以下(例如Imm)。此外，螺紋部15的外徑 M、沿著軸線Cl方向從主體配件5的前端面26到上述熔融部35 (接合面36)為止的距離H 分別被設定為滿足H彡0. 5M。此外，貴金屬端頭32由以Pt為主要成分，在1100°C的大氣氛圍下加熱50小時 后的平均粒徑為70 μ m以下的Pt合金(例如Pt-30Ir等)構成。另外，該Pt合金含有銠 (Rh)、Ir、Ni及釕(Ru)中的至少一種。另外，在該Pt合金中也可以含有金屬氧化物及稀土 類氧化物中的至少一種。但是，優選該金屬氧化物及/或稀土類氧化物的總含量為0. 05質 量％以上、2質量％以下。此外，貴金屬端頭32通過后述的制造方法形成為，在其內部幾乎不殘留伴隨成型 而產生的應力。接著，說明貴金屬端頭32的制造方法及具有該貴金屬端頭32的上述火花 塞1的制造方法。首先，參照圖3說明貴金屬端頭32的制造方法。首先，混合預定量的Pt粉末和Ir 粉末，對混合而得到的混合粉末加壓而成型。并且，電弧熔解該成型體(圖3中的Si)，形成 錠(Ingot)(圖3中的S2)。接著，對錠進行熱鍛(Hot forging)，從而使該鑄塊成為約IOmm 見方的方形材料(圖3中的S3)，并切斷所獲得的方形材料。并且，對切斷而得到的方形材 料實施剖面收縮率為95%左右的壓延加工，從而形成約Imm見方的方形材料(相當于本發 明的棒狀材料)(圖3中的S4)。接著，通過多個圓形塊(Dice)對該方形材料反復實施剖面收縮率為95%左右的 拔絲(Wire drawing)加工，形成直徑為0. 7mm的線狀材料(圖3中的S5)。另外，拔絲加工 是通過沿著方形材料的移動路徑配置的多個燃燒器將各圓形塊及方形材料分別加熱到預 定溫度(例如圓形塊為約700°C，方形材料為1000°C )后進行的。之后，按壓表面上附著有研磨材料(例如微小的金剛石材料)的絲線，從而將所形 成的線狀材料切斷為預定長度(例如0. 5mm左右)(圖3中的S6)，獲得貴金屬端頭32。具
8體地說，上述絲線被多個滑輪架設而形成為輪狀(線鋸Wire saw)，該輪狀的絲線向一個 方向旋轉并按壓線狀材料，從而線狀材料被研磨并切斷。另外，也可以沿著線狀材料的移動 路徑配置多個上述線鋸，同時切斷線狀材料的多個位置，從而獲得多個貴金屬端頭32。接著，說明火花塞1的制造方法。首先，預先加工好主體配件3。即，通過冷鍛(Cold forging)加工圓柱狀的金屬原材料(例如S 17C、S25C這樣的鐵類原材料或不銹鋼原材 料)而形成貫通孔，制造出大致形狀。之后，通過實施切削加工而調整外形，獲得主體配件 半成品。接著，在主體配件半成品的前端面電阻焊接由Ni類合金(例如鉻鎳鐵合金等)構 成的長棒狀的接地電極主體部38。進行該焊接時產生所謂“低垂部(rundown) ”，因此在去 除該“低垂部”之后，在主體配件半成品的預定部位通過軋制而形成螺紋部15。由此，獲得焊 接有接地電極主體部38的主體配件3。在焊接有接地電極主體部38的主體配件3上實施有 鍍鋅或鍍鎳。另外，為了提高耐腐蝕性，也可以在其表面上進一步實施鉻酸鹽(Chromating) 處理。進一步，在接地電極主體部38的前端側側面接合有構成凸部34的圓柱狀的M合 金端頭，并且在上述凸部34上接合上述貴金屬端頭32。具體地說，在上述Ni合金端頭的一 個端面(接合面36)上對準貴金屬端頭32，之后沿著該一個端面的外緣部進行激光焊接， 從而從貴金屬端頭32的前端看形成環狀的熔融部35，貴金屬端頭32和上述Ni合金端頭 接合。接著，通過電阻焊接在接地電極主體部38的前端部側面接合該Ni合金端頭的另一 端面。由此，構成在凸部34(Ni合金端頭)上接合有貴金屬端頭32的接地電極27。另外， 為了可靠地焊接，在焊接之前去除焊接部位的鍍膜，或者在進行鍍敷工序時對預定焊接部 位實施遮蔽。此外，也可以在接地電極主體部38上接合Ni合金端頭之后(形成凸部34之 后)，在凸部34上接合貴金屬端頭32。此外，也可以在后述的組裝之后進行該貴金屬端頭 32的焊接等。另一方面，與上述主體配件3分別地成型加工絕緣件2。例如，使用以氧化鋁為主 體且含有粘合劑等的原料粉末，調制成型用基本塊料，并使用該成型用基本塊料進行橡膠 沖壓加工，從而獲得筒狀的成型體。對所獲得的成型體實施研削加工而調整形狀。并且，調 整形狀后投入到燒制爐中進行燒制。燒制后實施各種研磨加工，從而獲得絕緣件2。此外，與上述主體配件3、絕緣件2分別地制造中心電極5。S卩，鍛造加工Ni類合 金，為了提高散熱性，在其中央部設置由銅合金構成的內層5A。并且，在其前端部通過電阻 焊接或激光焊接等接合上述貴金屬端頭31。并且，如上所述獲得的絕緣件2、中心電極5、電阻體7、端子電極6通過玻璃密封 層8、9被密封固定。作為玻璃密封層8、9，通常混合硼硅酸玻璃和金屬粉末而調制，該調制 而得的物質以夾著電阻體7的方式被注入到絕緣件2的軸孔4內之后，從后方按壓上述端 子電極6的狀態下，在燒制爐內燒制固定。另外，此時也可以在絕緣件2的后端側主體部10 的表面上同時燒制釉層，也可以預先形成釉層。之后，組裝如上所述分別制造的具有中心電極5及端子電極6的絕緣件2和具有 接地電極27的主體配件3。具體地說，向徑向內側鉚接形成為薄壁的主體配件3的后端側 的開口部，即形成上述鉚接部20而固定。并且，最后彎曲接地電極27，從而實施對中心電極5的前端上所設置的貴金屬端
9頭31及接地電極27上所設置的貴金屬端頭32之間的上述火花放電間隙33進行調整的加工。這樣通過一系列的工序制造具有上述結構的火花塞1。如上所述，根據本實施方式，從接地電極主體部38到貴金屬端頭32的前端面37 為止的突出長度L為0. 4mm以上、1. 6mm以下。因此，能夠提高著火性和火焰傳播性。此外，構成貴金屬端頭32的Pt合金是在1100°C的大氣氛圍下加熱50小時后的平 均粒徑為70 μ m以下的結構。由此，能夠防止高溫環境下晶界強度下降，并且能夠防止貴金 屬端頭32脫落。其結果，能夠實現火花塞1的長壽命化。另外，在抑制晶粒生長，有效的是降低內部的殘留應力，在本實施方式中貴金屬端 頭32通過熱拔絲，用絲線進行研磨、切斷而形成。即，通過實施熱拔絲，能夠去除貴金屬端 頭32內部的殘留應力。此外，由于用絲線進行研磨、切斷，因此能夠防止切斷面(即貴金屬 端頭32的端面)上殘留有應力。因此，通過上述方法形成的貴金屬端頭32能夠大幅抑制 在其內部殘留應力，因此具有優異的抑制晶粒生長的效果。其結果，能夠進一步防止高溫環 境下晶界強度下降，能夠切實地防止貴金屬端頭32脫落。接著，為了確認本實施方式所獲得的作用效果進行以下試驗。S卩，制造出以Pt為 主要成分，并且Rh、Ir、Ni、Ru、氧化鋯(ZrO2)及氧化釔(Y2O3)等其他成分的含量分別不同， 1100°C的大氣氛圍下加熱50小時后的平均粒徑(稱為“加熱后平均粒徑”)分別不同的各 種貴金屬端頭的樣品。并且，制造出將各貴金屬端頭的樣品接合到接地電極上的各種火花 塞的樣品，對所制造的各火花塞的樣品進行耐脫落評價試驗。耐脫落評價試驗大致如下。首 先，將各火花塞的樣品組裝到1600cc4氣筒的DOHC發動機上，將處于1分鐘的滿負荷狀態 (發動機轉數=6000rpm)后處于1分鐘的空載狀態作為一個循環，使發動機工作5000個循 環。并且，在5000個循環結束時，觀察貴金屬端頭是否脫落。表1表示該試驗的結果。另 外，對于沒有發現貴金屬端頭脫落的循環基本上作出“〇”的評價，而對發現貴金屬端頭脫 落的循環作出“ X，，的評價。但是，雖然沒有發現貴金屬端頭脫落，但貴金屬端頭上產生異 常氧化時，或者貴金屬端頭的成型較困難時，作出“Δ”的評價。另外，各貴金屬端頭的樣品是長度(高度)為0.5mm、直徑為0.7mm的圓柱狀。此 外，如下進行各貴金屬端頭的樣品在接地電極上的接合，在長度(高度)為0.4mm、直徑為 0. 7mm且由Ni-23Cr-14. 4Fe_l. 4A1 (鉻鎳鐵合金601 (注冊商標))形成的圓柱狀的Ni合金 端頭上激光焊接上述貴金屬端頭的樣品，接著在接地電極主體部上電阻焊接上述Ni合金 端頭。另外，接地電極主體部由與上述Ni合金端頭相同的合金(鉻鎳鐵合金601)形成。此外，如下測量加熱后平均粒徑。即，熔解各合金成分后經過拔絲工序，或者對 各合金成分進行粉末燒制，從而制造由與各樣品相同的組分構成的、長度為1.0mm、直徑為 0. 7mm的圓柱狀的端頭部件。并且，將各端頭部件投入1100°C的電爐內，在大氣氛圍下加熱 50小時，對加熱后的端頭部件實施研磨處理及蝕刻處理后，用金屬顯微鏡拍攝通過端頭部 件的中心軸的剖面整體，并進行圖像處理，從而分別測量金屬結晶的數量及各金屬結晶的 剖面面積。之后計算出各金屬結晶的剖面面積的平均值，并且計算出具有與該平均值相同 的面積的圓的直徑，并以該直徑作為加熱后平均粒徑。表 1
10 從表1可知加熱后平均粒徑超過70 μ m的樣品(樣品1、2、3、5、7、8、9、11、12、14、 20,26)的貴金屬端頭脫落。可以認為這是因為若加熱后平均粒徑超過70 μ m，則高溫環境 下晶界強度下降，所以耐久性不足，導致脫落。另一方面，沒有發現加熱后平均粒徑為70 μ m以下的樣品(樣品4、6、10、13、15、 16、17、18、19、21、22、23、24、25、27、28、29、30、31、32、33)的貴金屬端頭脫落。可以認為這是 因為若加熱后平均粒徑為70 μ m以下，則即使在高溫環境下晶界強度也較高，具有足夠的 耐久性，所以能夠防止脫落。此夕卜，含有0.05質量％以上、2.0質量％以下的&02或Y2O3的樣品(樣品21、22、 23、24、27、28、29、30、32、33)的加熱后的平均粒徑的增大被進一步抑制，防止端頭脫落的效 果更加顯著。但是，在&02或Y2O3的總含量小于0.05質量％時(樣品20、26)，加熱后平均 粒徑超過70 μ m，貴金屬端頭脫落。此外，在總含量超過2.0質量％時(樣品25、31)，雖然 能夠防止端頭脫落，但加工性下降，難以成型為上述形狀。此外，即使加熱后平均粒徑為70μπι以下，在含有2質量％以上的鎢(W)或鉭(Ta) 時(樣品17、18)，雖然沒有發生貴金屬端頭的脫落，但發生了異常氧化。換言之，以Pt為主 要成分，且加熱后平均粒徑能夠達到70 μ m以下的組分有多種，但尤其是適當含有Rh、Ir、Ni、Ru、ZrO2, Y2O3等的樣品不會引起抗氧化性下降，能夠防止晶界強度下降。接著，制造從接地電極主體部到上述貴金屬端頭的前端面為止的突出長度L不 同的火花塞的樣品，進行著火性評價試驗。該著火性評價試驗大致如下。即，在1600cc4 氣筒DOHC發動機上組裝各火花塞的樣品，使發動機以旋轉變動士 10%的空載狀態(例如 800rpm士80rpm)工作，測量提前角界限(timing advance limitation)。圖4的圖表表 示試驗結果。另外，接地電極側的貴金屬端頭采用直徑0. 7mm的圓柱狀，且由Pt-30Ir構 成的端頭(加熱后平均粒徑為45 μ m)。此外，在中心電極的前端部上設置直徑為0.6mm， 且以Ir為主要成分，含有5質量％的？1的圓柱狀的貴金屬端頭。此外，接地電極由 Ni-32Cr-14. 4Fe_l. 4A1合金形成，各樣品的火花放電間隙均設為1. 1mm。從圖4可知，通過將突出長度L設置為0. 4mm以上，與突出長度L小于0. 4mm時相 比，提前角界限顯著增大，著火性充分提高。但是，在突出長度L超過1. 6mm時，存在貴金屬 端頭上發生熔化的情況。因此，優選突出長度L為0. 4mm以上、1. 6mm以下。接著，制造具有與表1的樣品3(Pt-20Ir)及樣品4(Pt_30Ir)相同的組分的貴金 屬端頭的樣品通過熔融部接合，且螺紋部的外徑M(mm)、沿著軸線方向從主體配件前端面到 熔融部為止的距離H(mm)、上述螺紋部的外徑M與距離H的比例“H/M”不同的火花塞的樣 品，對各火花塞的樣品進行與上述相同的抗脫落評價試驗。表2表示該試驗的結果。另外， 在沒有發現貴金屬端頭脫落時，基本上作出“〇”的評價，而在發現貴金屬端頭脫落時作出 “X”的評價。但是，雖然沒有發現貴金屬端頭脫落，但接地電極發生熔化時，作出“Δ”的評 價。表2
13 從表2可知，對于加熱后平均粒徑超過70 μ m (在表2中平均粒徑=100 μ m)的組 分(Pt-20Ir)，當H/M為0.5以上時，貴金屬端頭脫落。可以認為這是因為隨著H/M增大，貴 金屬端頭進一步靠近燃燒室的中心部分，所以貴金屬端頭暴露于更高的溫度下，產生晶粒 生長的發展及晶界強度的下降。
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而對于加熱后平均粒徑為70 μ m以下(在表2中平均粒徑=45 μ m)的組分 (Pt-30Ir)，當Η/Μ為0. 5以上時，換言之，即使火花放電間隙進一步靠近燃燒室的中心部 分，也沒有發現貴金屬端頭脫落。認為這是因為即使置于高溫條件下，也是抑制晶粒生長的 結構，所以能夠防止晶界強度下降。即，通過使用加熱后平均粒徑為70 μ m以下的Pt合金， 并且將H/M設置為0. 5以上，能夠防止貴金屬端頭脫落，并且一舉實現火焰傳播性的提高。 但是，發現當H/M超過0. 8時接地電極熔化，因此可以認為優選H/M為0. 8以下。另外，并不限于上述實施方式的記載內容，例如也可以如下實施。當然也可以是以 下未例示的其他應用例、變形例。(a)在上述實施方式中，在接地電極主體部38上經由凸部34接合有貴金屬端頭 32，但是也可以如圖5所示，不設置凸部34，在接地電極27A (接地電極主體部)的平坦面上 直接接合貴金屬端頭32A。此外，如上述實施方式所述，雖然允許在貴金屬端頭32的軸線 方向上接合不同種類的金屬部件(在上述實施方式中為凸部34)，但是不允許在貴金屬端 頭32的徑向上接合不同種類的金屬部件。即，貴金屬端頭實質上由一個貴金屬合金構成。 另外，焊接時形成不同種類的合金部不會造成妨礙。此外，通過不同種類金屬的鍍敷等在貴 金屬端頭的至少一部分覆蓋金屬薄膜，不認為是在徑向上接合了不同種類的金屬部件的結 構。(b)在上述實施方式中，設貴金屬端頭32為圓柱狀，并用直徑表示了其尺寸，但是 不需要是完整的圓柱(即剖面為正圓)，即使是大致橢圓狀，多邊形，也不會造成影響。另 外，在上述形狀的情況下，設貴金屬端頭的剖面面積為S，通過2 (S/π )1/2計算出的值相當 于上述貴金屬端頭的直徑。(c)在上述實施方式中，如圖2所示，接地電極27通過在接地電極主體部38上接 合與其不同體地構成的凸部34而構成，但也可以是改變接地電極主體部38的局部形狀并 一體地設置凸部34的結構。(d)在上述實施方式中，貴金屬端頭32的前端面37與中心電極5(貴金屬端頭 31)的前端面相對，但是如圖6、圖7、圖8所示，也可以使貴金屬端頭32B、32C、32D的前端 面37B、37C、37D與中心電極55B、55C、55D的側面相對。此外，如圖9所示，也可以使貴金 屬端頭32E的前端面37E與中心電極55E的前端邊緣部分相對。此外，在上述實施方式中， 在接地電極27的前端側側面設置有貴金屬端頭32，但是如圖6、8、10所示，也可以在接地 電極27B、27D、27F的前端面上設置貴金屬端頭32B、32D、32F。但是在這種情況下，同樣優 選的是，以使螺紋部15的外徑M與從主體配件3的前端面26到熔融部35B、35C、35D、35E、 35F(接合面36B、36C、36D、36E、36F)為止的距離H滿足H彡0. 5M的方式，分別設置外徑M 及距離H。(e)在上述實施方式中，形成為在貴金屬端頭32的內部幾乎不殘留應力，但是在 貴金屬端頭32的內部也可以殘留有應力。因此，例如也可以使貴金屬端頭32的前端部上 所殘留的應力小于貴金屬端頭32的側部所殘留的應力(即也可以使貴金屬端頭32的前端 面37的維氏硬度(例如200Hv)小于貴金屬端頭32的側面39的維氏硬度(例如250Hv))。 此時，通過將加熱后平均粒徑設置為70 μ m以下，能夠抑制在晶界產生裂紋等，并且能夠進 一步切實地防止貴金屬端頭32脫落(剝離)。其結果，能夠實現火花塞1的進一步長壽命 化。
(f)在上述實施方式中，具體說明了在主體配件3的前端接合有接地電極27的情 況，但是通過切削主體配件的一部分(或預先焊接在主體配件上的前端配件的一部分)而 形成接地電極的情況下也能夠適用(例如日本特開2006-236906號公報等)。此外，也可以 在主體配件3的前端部的側面上接合接地電極27。(g)在上述實施方式中，配件扣合部19為剖面六邊形，但配件扣合部19的形狀不 限于上述形狀。例如也可以是Bi-HEX(變形12邊)形狀[IS022977 :2005(E)]等。(h)在上述實施方式中，關于貴金屬端頭32的制造方法，說明了上述結構7的制造 方法，即最理想的制造方法，但獲得本發明的火花塞時不限于該制造方法。因此，拔絲工序 也可以在低溫下進行，此外也可以不采用拔絲工序。例如，也可以在對鑄塊進行壓延而成為 板狀后，實施沖壓加工而形成貴金屬端頭，局部加熱構成貴金屬端頭的前端部的部分而去 除殘留應力，從而獲得貴金屬端頭。
權利要求
一種內燃機用火花塞，包括筒狀的絕緣體，具有在軸線方向上貫通的軸孔；中心電極，被插入設置在上述軸孔中；筒狀的主體配件，設置在上述絕緣體的外周；接地電極，以本身的前端部分與上述中心電極的前端面相對的方式設置在上述主體配件的前端面上；以及貴金屬端頭，與上述接地電極接合，并且在本身的前端部與上述中心電極的前端部之間形成火花放電間隙，由以鉑為主要成分的鉑合金構成，上述內燃機用火花塞的特征在于，從上述接地電極的主體部到上述貴金屬端頭的前端面為止的突出長度為0.4mm以上、1.6mm以下，并且上述鉑合金是在1100℃的大氣氛圍下加熱50小時后的平均粒徑為70μm以下的結構。
2.根據權利要求1所述的內燃機用火花塞，其特征在于，殘留在上述貴金屬端頭的前端部的應力小于殘留在上述貴金屬端頭的側部的應力。
3.根據權利要求1或2所述的內燃機用火花塞，其特征在于， 上述鉬合金含有銠、銥、鎳及釕中的至少一種。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的內燃機用火花塞，其特征在于，上述鉬合金含有金屬氧化物及稀土類氧化物中的至少一種，該金屬氧化物及/或稀土 類氧化物的總含量為0. 05質量％以上、2質量％以下。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的內燃機用火花塞，其特征在于，上述主體配件在其外周具有用于與內燃機的發動機頭的安裝孔螺合的螺紋部， 設上述螺紋部的外徑為M，沿著上述軸線方向從上述主體配件的前端面到熔融部為止 的距離為H時，滿足H≥0. 5M,其中上述熔融部是上述貴金屬端頭與上述接地電極的主體部或從上述接地電極的主 體部突出的凸部彼此熔合而形成的。
6.一種內燃機用火花塞的制造方法，制造權利要求1至5中任一項所述的內燃機用火 花塞，其特征在于，包括拔絲工序，從以鉬為主要成分的鉬合金所構成的棒狀材料形成與上述貴金屬端頭大致 相同直徑的線狀材料；和切斷工序，通過表面上附著有研磨材料的絲線研磨上述線狀材料，從而切斷上述線狀 材料，獲得上述貴金屬端頭。
7.根據權利要求6所述的內燃機用火花塞的制造方法，其特征在于， 上述拔絲工序是熱拔絲。
全文摘要
本發明提供內燃機用火花塞及其制造方法，防止貴金屬端頭脫落，實現火花塞的長壽命化。火花塞(1)包括絕緣件(2)、主體配件(3)、中心電極(5)及接地電極(27)。接地電極(27)包括接地電極主體部(38)和從該接地電極主體部(38)的前端側側面突出的凸部(34)。在凸部(34)的前端面(接合面36)上接合有貴金屬端頭(32)。從接地電極主體部(38)到貴金屬端頭(32)的前端面(37)為止的突出長度(L)被設定為0.4mm以上、1.6mm以下，貴金屬端頭(32)由以Pt為主要成分的Pt合金構成。該Pt合金是在1100℃的大氣氛圍下加熱50小時后的平均粒徑為70μm的結構。此外，該Pt合金中含有Rh、Ir、Ni及Ru中的至少一種。
文檔編號C22C5/04GK101904066SQ200880121979
公開日2010年12月1日 申請日期2008年12月24日 優先權日2008年1月10日
發明者吉本修, 無屜守, 鈴木彰 申請人:日本特殊陶業株式會社