火花塞的制作方法

專利名稱：火花塞的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種內燃機用的火花塞。
最近幾年來，火花塞用的絕緣體的絕大部分是由具備了優良的絕緣耐電壓的氧化鋁陶瓷構成的。另一方面，端子金屬件或中心電極由以鐵和鎳等為主要成分的金屬制成，與絕緣體之間的線膨脹系數之差相當大(比如，鋁為7.3×10-6/℃、鐵和鎳為12～14×10-6/℃左右)。因此，比如在對因使用而被高溫化的火花塞進行冷卻時，由于端子金屬件和中心電極的收縮量比絕緣體要大，因此如果導電性密封材料跟不上這樣收縮的話，則存在脫落的危險。在這里，導電性密封材料為金屬和玻璃的混合體，但是，以往，這種結構具有端子金屬件或中心電極與絕緣體的中間線膨脹系數，所以，可以說，上述兩者的收縮變位差或多或少存在著縮小的傾向。
但是，近年來，采用了火花塞的引擎的標準趨向高功率化，混合氣體的壓縮比也隨之升高，因此，對密封材料的密封性能提出了更高的要求。并且，最近的引擎中安裝了火花塞的汽缸頭部周邊的機構趨于復雜化，安裝空間也變得難以保障，因此，就迫切地要求火花塞的小型化。如果把火花塞小型化，絕緣體乃至形成在其中的貫通孔的內徑也被縮小了。但是，當向這樣的火花塞的中心電極施加引擎燃燒壓時，則施加在貫通孔內部的密封材料上的單位面積壓力變高，混合氣體的壓縮比也會升高。在兩者的影響下，按照以往的導電性密封材料的標準的話，已不能充分確保耐久性能。
為實現上述第一個目的，本發明的火花塞，把端子金屬件和中心電極通過導電性密封材料固定在沿著絕緣體的軸向所形成貫通孔內，其特征在于，絕緣體由氧化鋁陶瓷構成，同時貫通孔的內徑在導電性密封材料的設置位置上被控制在4mm以下，并且，上述導電性密封材料的線膨脹系數被調整在6.8×10-6/℃以下的范圍內。并且，在本發明中，在氧化鋁陶瓷中，氧化鋁的含量為80重量％以上，線膨脹系數為20℃～350℃的平均值。
如前所述，構成絕緣體的氧化鋁的線膨脹系數為約6.8×10-6/℃。在以往的火花塞中，所構成的密封材料具有構成端子金屬件或中心電極的金屬和氧化鋁的中間線膨脹系數。此時，在從高溫進行冷卻時，如圖8(a)所示，在密封材料中，由氧化鋁陶瓷構成的絕緣體收縮量增大，在貫通孔內表面的密封材料與絕緣體之間的結合面上，氧化鋁未收縮部分的拉應力容易殘留在密封材料上，從而容易加大裂縫并產生脫落等。所以，在貫通孔內徑為4mm以下的小型化的火花塞中，當被適用于在高功率、高壓縮比的條件下運行的引擎時，與上述因素相互結合，其耐久性能就得不到保障。另外，當密封材料的半徑方向上的收縮增大時，密封材料從絕緣體貫通孔內表面上脫落而產生間隙，有可能導致氣密性和密封材料自身的耐久性能的降低。
但是，在本發明的火花塞的第1構成中，將密封材料的線膨脹系數調整到比氧化鋁更小的值，具體而言，調整到小于6.8×10-6/℃的范圍內，所以，如圖8(b)所示，冷卻時的密封材料和絕緣體的收縮量的大小關系發生逆轉，有利于抑制裂縫發展的壓縮應力被保留下來。其結果是，得到一種貫通孔內徑在4mm以下的小型火花塞，該火花塞即使是被用于在高功率高壓縮比的條件下運轉的引擎中，也能確保密封材料結合部的充分的耐久性能，甚至能長期保持良好的氣密性能。并且，無須擔心由于密封材料的半徑方向上的收縮被抑制，導致密封材料從絕緣體的貫通孔內表面上脫落而產生間隙。另外，密封材料的線膨脹系數優選6.0×10-6/℃以下。
如果密封材料的線膨脹系數在6.8×10-6/℃以上，就不能完全達到上述效果。另外，對密封材料的線膨脹系數的最小值并沒有特別的限制，但是，對材料選擇的調整界限卻是當然存在的。根據本發明人的研究，證實了通過適當的選擇材料可以得到把一種線膨脹系數控制在比如約3.0×10-6/℃的密封材料。
導電性密封材料，具體而言，可以含有玻璃基體、導電性填充物和絕緣性填充物，為了使其具有上述的線膨脹系數，絕緣性填充物可以含有線膨脹系數比氧化鋁還要低的無機材料。為了將導電性密封材料的線膨脹系數控制到更低，絕緣性填充物進一步優選為由線膨脹系數比玻璃基體還低的無機材料構成。
玻璃基體和以往的導電性密封材料一樣，可以使用諸如硼硅酸鹽類等的以氧化物為主體的物質。在此情況下，當絕緣性填充物的構成為氧化物類無機材料時，可以提高與玻璃基體的親和性，這對實現具有優良的強度及氣密性能的密封結構是有利的。由諸如選自β-鋰霞石、β-鋰輝石、磷灰石、二氧化硅、莫來石、堇青石、鋯石及鈦酸鋁中的1種或2種以上所構成的前述氧化物類無機材料可以適用于本發明。
由線膨脹系數比氧化鋁還小的氧化物類無機材料所構成的絕緣性填充物被作為絕緣性填充物使用時，其在從導電性密封材料的截面組織上所觀察到的絕緣性填充物的顆粒中粒徑在100～350μm范圍的顆粒在截面組織中所占的面積率優選為2～40％。另外，在本說明書中，“由截面組織上所觀察到的絕緣性填充物的顆粒的粒徑”以與該截面上的顆粒有相同面積的圓的直徑表示。
通過使用由線膨脹系數比氧化鋁還小的氧化物類無機材料所構成的絕緣性填充物，可以使得導電性密封材料的線膨脹系數適度地低于由氧化鋁陶瓷構成的絕緣體，這對確保密封材料結合部的耐久性能來說是有利的。并且，通過對密封材料截面組織的該絕緣性填充物的形態進行如上所述的調整，可以顯著提高密封性能及耐久性能，比如，貫通孔內徑為4mm以下的小型火花塞，即使將其適用在以高功率、高壓縮比運行的引擎中，也可以長期保持其良好的密封性能。
在從截面組織所觀察到的絕緣性填充物的顆粒中，粒徑在100～350μm范圍的顆粒的面積率小于5％，則意味著由起初調配的氧化物類無機填料構成的絕緣性填充物的顆粒中的小粒徑的顆粒(如粒徑小于50μm的顆粒)在加熱密封時溶進了玻璃基體中。其結果是，密封材料的軟化點過度地上升，從而導致不能確保良好的密封性能或密封接合部的接合強度。另一方面，當上述面積率超過40％時，絕緣性填充物的顆粒的含有率本身過剩，從而損害軟化時的密封材料的流動性，同樣也導致了不能確保良好的密封性能或密封接合部的接合強度。
圖2是導電性密封材料層的結構模式圖。
圖3是表示絕緣體的若干實施例的縱剖視圖。
圖4是導電性密封材料中所含的微粒絕緣性填充物在密封過程中的動作模式圖。
圖5是圖1的火花塞的制作工序說明圖。
圖6是接續圖5的說明圖。
圖7是接續圖6的說明圖。
圖8是導電性密封材料層的作用說明圖。
圖9是密封性能評價實驗系統圖。
本發明的實施例以下，參照


本發明的實施例。
圖1示出本發明的火花塞的一個實施例。該火花塞100具有筒狀的主體金屬件1；嵌入該主體金屬件1的內側并且前端部21突出的絕緣體2；使形成在前端的點火部31突出，并在此狀態下被設置在絕緣體2的內側的中心電極3；以及一端通過焊接等與主體金屬件1結合，同時另一端向側向折回，其側面與中心電極3的前端相對的接地電極4等。并且，在接地電極4上形成與上述點火部31相對的點火部32，點火部31與相對的點火部32之間的空隙被設置為火花放電間隙。
主體金屬件1由低碳鋼等金屬形成為元筒狀，在構成火花塞100的外殼的同時，其外周面上形成了用來把塞子100安裝到圖中未示的引擎部件上的螺紋部7。并且，1e是在安裝主體金屬件時用來扣合扳手等工具的工具扣合部，其有六角形的截面形狀。
絕緣體2具有用于沿自身的方向把中心電極3嵌入其內部的貫通孔6，整體上由下述絕緣材料構成。即、該絕緣材料以氧化鋁為主體而構成，所構成的氧化鋁陶瓷燒結體，含有鋁成分換算成Al2O3的值為80～98mol％(優選90～98mol％)。
具體而言，可以在下述范圍內含有1種或2種以上的鋁以外的成分。
Si成分按照SiO2的換算值計算，為1.50～5.00mol％。
Ca成分按照CaO的換算值計算，為1.20～4.00mol％。
Mg成分按照MgO的換算值計算，為0.05～0.17mol％。
Ba成分按照BaO的換算值計算，為0.15～0.50mol％。
B成分按照B2O3的換算值計算，為0.15～0.50mol％。
在絕緣體2的軸向中間部位形成向圓周外側突出的例如法蘭狀的突出部2e。并且，在絕緣體2中，以朝向中心電極3(圖1)的前端為其前方，在該突出部2e的后方一側作為本體部2b，本體部2b比突出部2e形成得要細。另一方面，在突出部2e的前方一側，依次形成比該突出部2e要細的第一軸部2g和比該第一軸部2g更細的第二軸部2i。并且，在本體部2b的外周表面的后端形成了波紋部2c，在該本體部2b的外周表面形成釉藥層2d。另外，第一軸部2g的外周面大致為元筒狀，第二軸部2i的外周面大致呈向前端縮徑的圓錐面狀。
絕緣體2的貫通孔6具有能夠穿過中心電極3的大致呈元筒狀的第1部分6a、和形成在前述第1部分6a的后方一側(在圖中的上方一側)，比前述第1部分6a要粗的大致呈元筒狀的第2部分6b。端子金屬件13和電阻體15被收納在第2部分6b內，中心電極3插在第1部分6a。電極固定用凸部3c形成在中心電極3的后端部并從其外周面向外突出。并且，前述貫通孔6的第1部分6a和第2部分6b在圖3(a)的第一軸部2g內相互銜接，在前述的連接位置上形成用來承接中心電極3的電極固定用凸部3c的呈錐形或R形的凸部承接面6c。
另外，第一軸部2g和第二軸部2i的銜接部2h的外周面是階梯面，其通過環狀的板密封件63與形成在主體金屬件1內表面的作為主體金屬件扣合部的凸條部1c進行扣合，借此，防止軸向的滑脫。另一方面，在主體金屬件1后方的開口部內表面與絕緣體2外表面之間設置了環狀的線密封件62，線密封件62與呈法蘭狀的突出部2e的后方外周邊緣扣合，并且，在后方通過滑石等的填充層61來設置環狀的線密封件60。并且，把絕緣體2朝著主體金屬件1壓入前方一側，在此狀態下，朝著線密封件60把主體金屬件1的開口邊緣向內側緊束，并因此形成緊束部1d，主體金屬件1相對于絕緣體2被固定。
圖3(a)以及圖3(b)表示了絕緣體2的若干實例。其各部分的尺寸如下所示全長L130～75mm第一軸部2g的長度L22.0～30mm(但，不包含與突出部2e的銜接部2f，包含與第二軸部2i的銜接部2h)第二軸部2i的長度3.2～27mm本體部2b的外徑D19～13mm突出部2e的外徑D211～16mm第一軸部2g的外徑D35～11mm第二軸部2i的根部外徑D43～8mm第二軸部2i的前端部外徑D5(但，在前端面的外周邊緣上設置R或倒角時，是指在包含中心軸線O的截面上，該R部或倒角部的根部位置的外徑。)2.5～7mm貫通孔6的第二部分6b的內徑D62～4mm(形成前述導電性密封材料層16、17)貫通孔6的第一部分6a的內徑D71～3.5mm第一軸部2g的厚度t10.5～4.5mm第二軸部2i的根部厚度t2(與中心軸線O垂直方向上的值)0.3～3.5mm第二軸部2i的前端部厚度t3(與中心軸線O垂直方向上的值。但，在前端面的外周邊緣上設置R或倒角時，是指在包含中心軸線O的截面上，該R部或倒角部的根部位置的厚度。)0.2～3mm第二軸部2i的平均厚度tA((t2+t3)/2)0.25～3.25mm另外，圖3(a)所示的絕緣體2的上述各部分的尺寸，比如為如下所述L1＝約60mm、L2＝約10mm、L3＝約14mm、D1＝約11mm、D2＝約13mm、D3＝約7.3mm、D4＝5.3mm、D5＝4.3mm、D6＝3.9mm、D7＝2.6mm、t1＝3.3mm、t2＝1.4mm、t3＝0.9mm、tA＝1.15mm。
另外，圖3(b)所示的絕緣體2和圖3(a)所示的相比，其第一軸部2g以及第二軸部2i分別具有稍大的外徑。各部分的尺寸，比如為如下所述L1＝約60mm、L2＝約10mm、L3＝約14mm、D1＝約11mm、D2＝約13mm、D3＝約9.2mm、D4＝6.9mm、D5＝5.1mm、D6＝3.9mm、D7＝2.7mm、t1＝3.3mm、t2＝2.1mm、t3＝1.2mm、tA＝1.65mm。
在絕緣體2的貫通孔6的后端部插入并固定端子金屬件13，同樣，在其前端部插入并固定中心電極3。并且，在該貫通孔6內部，將電阻體15設置在端子金屬件13與中心電極3之間。該電阻體15的兩端通過導電性密封材料層16、17分別和中心電極3及端子金屬件13進行電連接。電阻體15由以玻璃粉末與導電材料粉末(以及根據需要而使用的玻璃以外的陶瓷粉末)的混合粉末為原料，并在后述的玻璃密封工序中對其加熱、加壓而得到的電阻體的組成物質構成。另外，可以省去電阻體15，可以通過一層導電性密封材料使端子金屬件13和中心電極3一體化。
端子金屬件13由低碳素鋼等構成，在其表面形成防腐蝕的鍍鎳層(層厚比如5μm)。并且，該端子金屬件13具有密封部13c(前端部)、和自絕緣體2的后端邊緣突出的端子部13a、和連接端子部13a與密封部13c的棒狀部13b。密封部13c沿軸向形成為長圓筒狀，在其外周表面上設有螺紋狀或肋條狀等形態的凸部，同時，沉入導電性密封材料層17中而配置，并通過該密封材料層17來密封與貫通孔6內表面之間的縫隙。并且，密封部13c外周表面與貫通孔6內周表面之間的縫隙為0.1～0.5mm。
導電性密封材料層16、17構成了本發明的火花塞的主要部分，其由含有玻璃基體、導電性填充物和絕緣性填充物而構成。玻璃基體和以往的導電性密封材料一樣，以諸如硼硅酸鹽系等的氧化物為主體。另外，導電性填充物是以諸如Cu及Fe等的金屬成分中的一種或二種以上為主體的金屬粉末。另一方面，絕緣性填充物是由選自諸如β-鋰霞石、β-鋰輝石、磷灰石、二氧化硅、莫來石、堇青石、鋯石及鈦酸鋁中的1種或2種以上所構成的。
如已經說明的那樣，在火花塞100中，絕緣體2的貫通孔6的內徑在導電性密封材料層16、17的設置位置、也就是說在第二部分6b處的內徑D6為4mm以下。上述的導電性密封材料層16、17，調整其成分及組織，使得其線膨脹系數比氧化鋁小，具體而言，即小于6.8×10-6/℃。在圖2中模式化地表示了導電性密封材料層16、17的優選組織形態，導電性填充物顆粒以形成網絡狀導電電路的形態分散到基于玻璃基體的玻璃基體中，另一方面，絕緣性填充物顆粒，調配時的絕緣性填充物顆粒的主要部分(比如60％以上的體積)不溶解于玻璃基體，從而以結晶顆粒的形態殘留、分散。上述材質的填充物顆粒的軟化點較高，所以，當玻璃基體中產生過剩的溶解時，玻璃的軟化點上升，流動性降低，從而導致不能確保密封性能等缺陷。
絕緣性填充物中所存在的粒徑小于50μm的顆粒在調配到密封材料中時(也就是在實施密封工程前的狀態時)，如圖4所示，易于溶解到玻璃基體甚至是玻璃基體中。在含有率過剩時，容易導致玻璃軟化點的過度上升。另一方面，在絕緣體2和端子金屬件13或中心電極3的密封面上，玻璃基體擔負著導電性密封材料層16、17的密封功能，介入密封面的絕緣性填充物顆粒形成了無助于該密封功能實現的非密封領域。并且，粒徑超過350μm的顆粒，在介入密封面時，在局部形成了較大的非密封領域，所以，當其大量形成時，導致密封性能降低。根據上述理由，調配到密封材料的絕緣性填充物，優選使用的是，其中粒徑小于50μm的顆粒的含有率為10重量％以下，并且粒徑超過350μm的顆粒的含有率為5重量％以下的絕緣性填充物。另外，調配時的絕緣性填充物的粒徑是使用標準篩網來測定的，能夠通過網眼(表示網線內緣間的間距)為50μm的篩網的是粒徑小于50μm的顆粒。同樣，不能通過網眼為350μm的篩網的是粒徑超過350μm的顆粒。
另外，可以把絕緣性填充物的導電性密封材料16、17的配合量設定為2～40重量％。如果該配合量小于2重量％，則難于通過絕緣性填充物的調配來取得密封材料的線膨脹系數的調整效果，但如果超過40重量％時，則會損害軟化時的密封材料的流動性，從而不能確保良好的密封性能或密封部的結合強度。
通過使用上述的絕緣性填充物，可以把導電性密封材料層16、17在從截面組織上所觀察到的絕緣性填充物的顆粒中，粒徑為100～350μm的顆粒在截面組織中所占的面積率控制為為2～40％。通過形成上述組織，可以顯著提高導電性密封材料層16、17的密封性能以及耐久性能，并長期保持良好的密封性能。
構成導電性填充物的金屬粉末顆粒的平均粒徑為20～40μm，密封材料整體的配合量比如為35～70重量％。如果平均粒徑小于20μm，則會導致損害化學的穩定性，導致氧化退化等不利的情形甚至是難以確保必要的導電性能。如果平均粒徑超過40μm，則會導致密封材料的電阻率分布不均，并且，容易損害密封工序中的流動性能。另一方面，如果金屬粉末的配合量小于35重量％，則難以確保必要的導電性能，但超過70重量％時，則會導致用以確保密封性的玻璃基體的配合量不足，不僅如此，還會導致導電性密封材料層16、17的線膨脹系數過度上升，從而不能充分實現本發明的效果。
返回圖1，接地電極4以及中心電極3的主體4a、3a由鎳合金或鐵合金等構成。另外，在中心電極3的主體3a的內部，為了加速放熱而埋設了由銅或銅合金等構成的芯材3b。另一方面，上述點火部31及其相對的點火部32以貴金屬合金為主體而構成，該貴金屬合金以Ir、Pt及Rh中的一種或二種以上為主要成分。另外，可以省去點火部31及其相對的點火部32中的一個或兩個。
上述火花塞100，比如可以用下述方法來制造。首先，關于絕緣體2，將作為原料粉末的氧化鋁粉末、和Si成分、Ca成分、Mg成分、Ba成分以及B成分的各成分的源粉末以燒成后氧化物換算變成上述組分的一定比率進行調配，并添加一定量的結合劑(如PVA)和水，進行混合而制作成型用的素坯釉膏。并且，各成分的源粉末，比如，Si成分、Ca成分、Mg成分、Ba成分以及B成分可分別以SiO2粉末、CaCO3粉末、MgO粉末、BaCO3粉末以及H3BO3粉末的形式進行調配。另外，H3BO3可以溶液的形式進行調配。
可以通過噴干法等對成型用的素坯釉膏進行噴霧干燥并使之成為成型用的素坯造粒物質。并且，通過對成型用的素壞造粒物質進行膠模沖壓來制作絕緣體原形的沖壓成型體。這里，所使用的膠型具有沿著軸向貫通內部的空腔，在該空腔的下側開口部嵌入了下鎖緊。并且，在下鎖緊的鎖緊面上整體凸設。在空腔內沿著該軸向延伸。同時規定絕緣體2的貫通孔6的形狀的壓銷。
在此狀態下，一定量的成型用的素坯造粒物質填充于空腔內，以上鎖緊堵塞空腔的上開口部而進行密封。在此狀態下，向膠型的外周表面施加液壓，通過該膠型壓縮空腔的造粒物質，并由此得到沖壓成型體。另外，成型用的素壞造粒物質，為了加快壓型時造粒物質粉末顆粒的粉碎速度，把成型用的素坯造粒物質的重量設定為100重量分，在該成型用的素坯造粒物質中添加0.7～1.3重量分的水后，進行上述的沖壓成型。通過研磨切削等對成型體的外表面進行加工，使其具有與絕緣體2對應的外形形狀(參考圖3)，然后，在大氣中以1400～1600℃的溫度燒制1～8個小時而得到絕緣體2。
接下來，如下述調制導電性密封材料粉末。即，如圖5(a)所示，以一定量配合玻璃基體粉末和作為導電性填充物粉末的金屬粉末以及絕緣性填充物粉末，從而得到配合原料，將其與水系溶劑以及混合用介質(比如氧化鋁等的陶瓷制物)一起投入混合用的壺中，如圖(b)所示，轉動該壺使上述原料均勻地混合、分散。通過使用上述氧化物類絕緣性填充物粉末，可以得到一種均量的導電性密封材料層16、17，該導電性密封材料層借助于水系溶劑的混合而提高了分散性能，其軟化時的流動性更趨于良好，并且，因顆粒偏集而導致的缺陷等比較少。
另外，通過下述的玻璃密封工序，把中心電極3及端子金屬件13裝配到絕緣體2上，并形成電阻體15及導電性密封材料層16、17。首先，釉藥釉膏從噴霧嘴噴灑并涂布在絕緣體2必要的表面上，由此形成將成為圖1釉藥層2d的釉藥釉膏涂布層2d’，并使其干燥。然后，如圖6(a)所示，使中心電極3對著絕緣體2的貫通孔6插入到其第一部分6a后，如圖(b)所示，填充導電性密封材料粉末H。然后，如圖(c)所示，將壓棒28插入貫通孔6內并預壓縮被充填的粉末H，從而形成第一導電性密封材料粉末層26。接著，將電阻體組成物的原料粉末從絕緣體2的后端填充到貫通孔6內并同樣進行預壓縮，然后填充導電性密封材料粉末，用壓棒28進行預壓縮，由此，如圖6(d)所示，第一導電性密封材料粉末層26、電阻體組成物粉末層25以及第二導電性密封材料粉末層27從中心電極3的一側(下側)層積在貫通孔6內。
并且，如圖7(a)所示，形成了從后端將端子金屬件13配置到貫通孔6的組合體PA。在此狀態下，插入加熱爐并以700～950℃的規定溫度進行加熱，然后，將端子金屬件13從與中心電極3相反的一側沿著軸向壓入貫通孔6內，并沿著軸向擠壓層積狀態下的各層25～27。由此，如圖(b)所示，各層被壓縮、燒結后分別形成了導電性密封材料層16、電阻體15以及導電性密封材料層17(以上為密封工序)。在適用上述壓縮工序的情況下，調整玻璃基體粉末、金屬粉末以及絕緣性填充物粉末的配合量及粒徑，導電性密封材料粉末的表觀軟化點優選500～1000℃。如果軟化點低于500℃，則所得到的導電性密封材料層16、17的耐熱性能會達不到要求，但如果超過1000℃，則密封性能又不能滿足要求。另外，加熱50mg的粉末試料同時進行示差熱分析，從室溫開始測試，其第2個吸熱峰值的溫度即為其軟化點。另外，同時對玻璃密封工序時涂布的釉藥釉膏層2d’進行釉燒，使之形成釉藥層2d。
在如上所述完成了玻璃密封工序的組合體PA，上裝配主體金屬件1和接地電極4等，從而完成了圖1所示的火花塞100。火花塞100用作向燃燒室供給的混合氣體的點火源，把螺紋部7裝配在引擎部件上。
為了驗證本發明的效果，進行以下實驗。
如下所述來制作絕緣體2。首先，以一定的比例將SiO2(純度為99.5％，平均粒徑為1.5μm)、CaCO3(純度為99.9％，平均粒徑為2.0μm)、MgO(純度為99.5％，平均粒徑為2μm)、BaCO3(純度為99.5％，平均粒徑為1.5μm)以及H3BO3(純度為99.0％，平均粒徑為1.5μm)配入作為原料粉末的氧化鋁粉末(氧化鋁95mol％，Na的含量(Na2O換算值)為0.1mol％)，同時，把前述配合后的粉末總量設定為100重量分，加入3重量分的親水性黏合劑PVA和103重量部的水并進行濕法混合，從而制成成型用的素坯釉膏。
接著，用噴干法干燥所得到的成型用素坯釉膏，調制球狀的成型用的素坯造粒物質。另外，用篩子把造粒物質的粒徑修整為50～100μm。并且，通過已經說明的膠模沖壓法，在50Mpa的壓力下使前述造粒物質成型，研磨該成型體的外周表面并使之成為一定的絕緣體形狀，同時，在1550℃的溫度下燒制兩個小時，由此得到圖3(a)所示的絕緣體2(D6＝3.9mm)。另外，通過熒光X線分析，可以發現絕緣體2具有下述的組分Al成分按照Al2O3的換算值計算，為94.9mol％。
Si成分按照SiO2的換算值計算，為2.4mol％。
Ca成分按照CaO的換算值計算，為1.9mol％。
Mg成分按照MgO的換算值計算，為0.1mol％。
Ba成分按照BaO的換算值計算，為0.4mol％。
B成分按照B2O3的換算值計算，為0.3mol％。
接著，按照1∶1的質量比把配合的銅粉末和鐵粉末(平均粒徑均為30μm)和玻璃基體粉末(平均粒徑均為150μm)混合，并使得金屬粉末的含量為約50重量％，從而制成導電性玻璃混合物。并且，玻璃粉末的材質為，分別調配、溶解60重量％的SiO2、30重量％的B2O5、5重量％的Na2O以及5重量％的BaO而得到的硼硅酸堿玻璃，其軟化溫度為750℃。并且，向該導電性玻璃混合物中以各種比例配入由β-鋰霞石、β-鋰輝石、磷灰石、二氧化硅、莫來石、堇青石、鋯石及鈦酸鋁的各種氧化物類無機材料構成的絕緣性填充物，并按照圖5所示的方法進行混合后，通過干燥而制成各種導電性密封材料。另外，各種絕緣性密封材料，在用篩子對其進行顆粒修整后，通過二次調配，對粒度的分布進行調整，使得各種顆粒的含量為如下所述粒徑為150μm以上小于250μm的顆粒的含量為40重量％部；粒徑為106μm以上小于150μm的顆粒的含量為40重量％；粒徑為50μm以上小于106μm的顆粒的含量為15重量％；粒徑小于50μm的顆粒的含量為40重量％。
另外，如下所述來調制電阻體原料粉末。首先，調配30重量％的微粒玻璃粉末(平均粒徑為80μm)、66重量％的陶瓷粉末ZrO2(平均粒徑為3μm)、1重量％的碳黑以及3重量％的作為有機釉膏的糊精，并以水為溶劑通過球磨進行濕法混合，然后使其干燥并得到預備素材。并且，把80重量分的粗粒玻璃粉末配入20重量分的上述預備素材，從而得到電阻體原料粉末。并且，玻璃粉末的材質為，分別調配、溶解50重量％的SiO2、29重量％的B2O5、4重量％的Li2O以及17重量％的BaO而得到的硼硅酸鋰玻璃，其軟化溫度為585℃。
然后，使用上述導電性密封材料粉末和電阻體組成物粉末，并按照圖6、7的所示工序，制作各種如圖1所示的裝有電阻體的火花塞100的樣品。并且，用以形成導電性密封材料粉末層26的導電性密封材料粉末的填充量為0.15克，電阻體原料粉末的填充量為0.40克，用以形成導電性密封材料粉末層27的導電性密封材料粉末的填充量為0.15克，熱壓處理的加熱溫度為900℃，施加壓力為100kg/cm2。
另外，各導電性密封材料粉末，對絕緣體2沿著圓周方向進行研磨清理，并取出內部的導電性密封材料層，從該導電性密封材料層截取直徑為3～4mm且高為2～4mm的測定試料，并使用公知的示差膨脹計來測定自20℃至350℃之間的線膨脹系數的平均值。并且，從絕緣體2上也截取相同尺寸的測定試料，并進行相同的測定，可以得知，其平均值為7.3×10-6/℃。
如上述所得到的火花塞的樣品(在各種條件下共制作100個)的裝配螺紋部7，如圖9所示，其被裝配到形成在加壓實驗臺上的加壓空腔的螺母部上，分別以1.5Mpa(標準實驗)和2.5Mpa(加速實驗)的兩個標準導入該加壓空腔內的空氣，并測定端子金屬件13的空氣泄露量，同時，判斷其密封性能，并把泄露量達到0.5ml/分的樣品測定為泄露品。在表1中，表示了使用以各種比例配合量的堇青石而得到的密封材料作為絕緣性填充物的結果(以100個樣品中的泄露品的產生數來表示)。根據該表，通過配入5重量％以上的堇青石，可以將導電性玻璃密封材料的線膨脹系數的值控制為小于6.8×10-6/℃。另外，通過采用上述的線膨脹系數的值，可以顯著提高加速實驗時的密封性能，特別是，如果將線膨脹系數的值控制到5.1×10-6/℃以下，就可以取得更好的效果。
表1絕緣性填充物堇青石
接著，在表2中，表示了使用以15重量％的調配比例添加堇青石以外的各種絕緣性填充物的密封材料進行相同實驗的結果。其中，線膨脹系數的值均小于6.8×10-6/℃，均可以取得良好的密封性能。另外，在使用線膨脹系數的值小于6.8×10-6/℃的作為絕緣性填充物的二氧化硅或磷灰石進行相同的實驗時，無論是1.5Mpa(標準實驗)還是2.5Mpa(加速實驗)，10個樣品中的泄露數均為零，其所取得的良好的密封性能得以驗證，但，關于這一點，該表中并未提及。
表2絕緣性填充物的調配比例15重量％
另外，表1的實驗結果是基于絕緣體的貫通孔內徑D6為3.9mm這一條件而得出的。而在表3中，表示了在絕緣體的外形尺寸相同、僅僅對D6的值進行了各種變化的前提下進行相同實驗(僅指加速實驗)的結果。根據該表，如果貫通孔的內徑D6超過4mm、比如5mm，就不會產生有密封性能的問題，能夠有效發揮本發明的效果的D6的范圍在4mm以下。
表3絕緣性填充物堇青石
權利要求
1.一種火花塞，把端子金屬件和中心電極通過導電性密封材料固定在沿著絕緣體的軸向所形成的貫通孔內，其特征在于，所述絕緣體由氧化鋁陶瓷構成，同時所述貫通孔的內徑在所述導電性密封材料的設置位置處被控制在4mm以下，并且，所述導電性密封材料的線膨脹系數被調整在小于6.8×10-6/℃的范圍內。
2.根據權利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述導電性密封材料含有玻璃基體、導電性填充物以及絕緣性填充物，并且，所述絕緣性填充物由線膨脹系數比氧化鋁低的無機材料構成。
3.根據權利要求2所述的火花塞，其特征在于，所述絕緣性填充物由線膨脹系數比所述玻璃基體低的無機材料構成。
4.根據權利要求2或3所述的火花塞，其特征在于，所述絕緣性填充物由氧化物類無機材料構成。
5.根據權利要求2至4中的任何一項所述的火花塞，其特征在于，在從所述導電性密封材料的截面組織上所觀察到的絕緣性填充物的顆粒中，粒徑為100～350μm范圍的顆粒在截面組織中所占的面積比率為2～40％。
6.根據權利要求5所述的火花塞，其特征在于，所述導電性密封材料的線膨脹系數被調整到3.0×10-6/℃～6.5×10-6/℃的范圍內。
7.根據權利要求2至6中的任何一項所述的火花塞，其特征在于，所述絕緣性填充物在所述導電性密封材料中的配合量為2～40重量％。
8.根據權利要求2至7中的任何一項所述的火花塞，其特征在于，作為所述絕緣性填充物，其中，粒徑小于50μm的顆粒的含有量為10重量％以下，并且，粒徑超過350μm的顆粒的含有量為5重量％以下。
9.根據權利要求2至8中的任何一項所述的火花塞，其特征在于，所述絕緣性填充物的材質使用選自β-鋰霞石、β-鋰輝石、磷灰石、二氧化硅、莫來石、堇青石、鋯石及鈦酸鋁中的1種或2種以上。
全文摘要
本發明的目的是，提供一種即使縮小了絕緣體貫通孔的內徑也能充分地確保高度的密封性能，甚至在用于高功率的引擎時，也能實現充分的耐久性能的火花塞。在火花塞100中，絕緣體2由氧化鋁陶瓷構成，同時貫通孔6的內徑在導電性密封材料16、17的設置位置處被控制在4mm以下。并且，上述導電性密封材料16、17的線膨脹系數被調整在6.5×10
文檔編號H01T21/02GK1396687SQ0214018
公開日2003年2月12日 申請日期2002年7月3日 優先權日2001年7月6日
發明者本田稔貴 申請人:日本特殊陶業株式會社