專利名稱:內燃機用火花塞的制作方法
技術領域:
本發明涉及一種內燃機用火花塞。
背景技術:
諸如車輛發動機等內燃機用的火花塞包括例如中心電極;絕緣體,其被設置于中心電極的外側;筒狀金屬殼,其被設置于絕緣體的外側;接地電極,該接地電極的基端部 被接合到金屬殼的前端面。接地電極的前端部的內表面被布置成與中心電極的前端部相 對,因此,在中心電極的前端部和接地電極的前端部之間形成火花放電間隙。近來,考慮到由貴金屬合金制成的電極頭(貴金屬電極頭(precious metal tips))能夠被接合到中心電極的前端部和接地電極的前端部,從而達到除了改善點火性能 和改善火花的傳播性之外還改善耐火花消耗性的目的。此外,存在一種如下的技術為了達 到增加貴金屬電極頭與接地電極之間的接合強度的目的,用于接地電極的貴金屬電極頭被 接合到中間構件,并且中間構件被接合到接地電極(例如,參考專利文獻1和2)。在此技術 中,利用由中間構件和貴金屬電極頭二者熔合在一起的金屬形成的熔融部而將中間構件和 貴金屬電極頭接合在一起。[專利文獻1]日本特開2004-134209號公報[專利文獻2]日本特開平8-298178號公報
發明內容
發明要解決的問題順便提及,由于當前對減小火花塞直徑的要求,所以需要使接地電極細徑化 (thinning)。由于燃料的稀薄燃燒(Ieanburning)和高壓縮比(high compression),即使 考慮到發動機的燃燒條件,接地電極也暴露于比以往更高的溫度。具體地,在提供如上述專利文獻中的中間構件的技術中,中間構件被布置成與接 地電極相比更加突出(與具有相當好的熱傳導性的接地電極間隔一段距離),因此可以 說中間構件更容易暴露于高溫。因此,在熔融部和中間構件之間的界面處產生氧化(腐 蝕),而且擔心形成氧化膜(氧化皮(oxide scale)) 0更具體地,當氧氣侵入到熔融部 和中間構件之間的界面處時,較易于氧化的材料從中間構件的內部移動到該界面,并且 與氧氣結合,從而很容易在界面處形成氧化膜。此外,當氧化膜形成于熔融部和中間構 件之間的界面時,界面處的接合強度顯著降低,結果,擔心將使貴金屬電極頭的耐剝離性 (exfoliationresistance)劣化。為了解決上述問題,本發明的目的是提供一種內燃機用火花塞,該火花塞具有接 合到接地電極的前端部的貴金屬電極頭,并且確保貴金屬電極頭的長時間的穩定接合狀 態。用于解決問題的方案以下將在不同的段落中說明適用于解決該問題的各方面。另外,根據需要還將說明各方面的相應的操作和效果。在第一方面中,內燃機用火花塞包括中心電極,其為在軸線CLl方向上延伸的棒狀;絕緣體,其為大致圓筒狀并且被設置于所述中心電極的外周;筒狀金屬殼,其被設置于所述絕緣體的外周;接地電極,其具有被接合到所述金屬殼的基端部和被布置成與所述中心電極的前端部面對的前端部,其中,接地電極貴金屬電極頭在與所述中心電極的所述前端部相對的位置處或者 在與被接合到所述中心電極的所述前端部的中心電極貴金屬電極頭相對的位置處被接合 到所述接地電極的所述前端部,其中,在所述中心電極的前端部和所述接地電極貴金屬電極頭的前端部之間或者 在所述中心電極貴金屬電極頭的前端部和所述接地電極貴金屬電極頭的前端部之間形成 火花放電間隙,其中,所述接地電極貴金屬電極頭利用熔融部而被接合到臺座部的座面,其中所 述臺座部含與所述接地電極相同的成分,并且通過對構成所述接地電極貴金屬電極頭和 所述臺座部的金屬進行激光焊接或電子束焊接從而將金屬熔融在一起,由此形成所述熔融 部,其中,所述臺座部被接合到所述接地電極,以及其中,所述臺座部的所述熔融部附近的晶粒的粒徑比所述臺座部的所述接地電極 附近的晶粒的粒徑大。利用該第一方面,通過熔融部將用于所述接地電極的貴金屬電極頭接合到所述臺 座部的座面,其中由通過激光焊接或者電子束焊接而熔融在一起的這兩者的金屬形成所述 熔融部。因此,可以保證所述臺座部和用于所述接地電極的貴金屬電極頭之間的足夠的接 合強度。此外,所述臺座部包括與所述接地電極相同的成分,并且即使在所述臺座部通過例 如電阻焊接等而被接合到所述接地電極的情況下,所述臺座部也能夠保證較充分的接合強 度。順便提及,所述臺座部從所述接地電極突出,并且更容易暴露于高溫。另外,如上 所述,擔心在所述熔融部和所述臺座部之間的界面處由于較易于氧化的材料與氧氣的結合 而形成氧化膜。在此方面中,在第一方面中,所述臺座部的所述熔融部附近的晶粒的粒徑比 所述臺座部的所述接地電極附近的晶粒的粒徑大。因此,在所述熔融部附近的所述臺座部 中較易于氧化的材料能夠移動的路徑的數量較小。因此,即使氧氣侵入到該界面,較易于氧 化的材料也很難從所述臺座部的內部出現于該界面,因此幾乎不形成氧化膜。結果,能夠長 時間地保證界面處的穩定的接合強度,由此防止用于所述接地電極的貴金屬電極頭的耐剝 離性的劣化。這里,“晶粒的粒徑”是指預定區域內的晶粒的平均粒徑。作為計算方法,例如,獲 得通過用于所述接地電極的貴金屬電極頭的軸線中心的截面的圖像,并且在該圖像上畫出 直徑為0. Imm的虛擬圓,然后測量該虛擬圓內所包括的晶粒的數量。用該虛擬圓的面積除 以晶粒的數量,計算每個晶粒的截面積,然后從該截面積計算晶粒的直徑。經由該計算得到 的數值是晶粒的粒徑。“熔融部附近”一般地是指到熔融部的距離比到接地電極的距離短的任意區域。例如,當畫出具有0. Imm的直徑的虛擬圓時,虛擬圓的一部分被畫成與“熔融部”重疊,并且包含在該圓內部的晶粒被用于測量粒徑。同樣地,“接地電極附近”一般是指到接 地電極的距離比到熔融部的距離短的任意區域。例如,當畫出具有0. Imm的直徑的虛擬圓 時,虛擬圓的一部分被畫成與接地電極重疊,并且包含在該圓內部的晶粒被用于測量粒徑。此外,優選“用于所述接地電極的貴金屬電極頭被接合到所述臺座部的座面從而 形成組合體,并且所述組合體的所述臺座部被接合到所述接地電極”。因此,能夠順利地進 行接合加工。此外,還優選采用如下所述的第二、第三、第四、第五、第六和第七方面。在第二方面中在第一方面的火花塞中,所述臺座部包括圓板狀的基部,其一端面被接合到所述接地電極;以及突出部,其從所述基部的另一端面突出,并且所述突出部為圓柱狀,所述圓柱狀的 直徑比所述基部的直徑小,并且所述接地電極貴金屬電極頭被接合到所述突出部,所述基部的在外周方向上比所述突出部突出的部分是凸緣部,以及所述凸緣部的晶粒的粒徑比所述突出部的晶粒的粒徑小。利用該第二方面,因為所述臺座部在接合到所述接地電極的一側具有在外周上設 置有凸緣部的基部,所以與沒有凸緣部的情況相比能夠加大接合面積。因此,可以獲得更強 的接合。因為用于所述接地電極的貴金屬電極頭的熱傳導路徑被加寬,所以可以提高貴金 屬電極頭的耐久性。同時,因為所述臺座部設置有凸緣部并且所述凸緣部從所述接地電極突出,所以 擔心由于朝向所述凸緣部的火花放電會造成火花消耗。具體地,存在如下的可能性由于火 花放電的影響在晶粒邊界處所述臺座部的所述凸緣部的晶粒將脫落,并且當晶粒大時,由 于脫落而造成的消耗程度增加。在此方面,在第二方面中,在所述臺座部中,所述凸緣部的 晶粒的粒徑比所述突出部的晶粒的粒徑小。因此,即使在所述中心電極(或所述中心電極 的貴金屬電極頭)和所述凸緣部之間產生火花放電時,脫落的晶粒較小,從而能夠最小化 由于脫落而造成的損壞。結果,可以防止所述臺座部中的耐火花消耗性的劣化。在第三方面,用于內燃機的火花塞包括中心電極,其為在軸線CLl方向上延伸的棒狀;絕緣體,其為大致圓筒狀并且被設置于所述中心電極的外周;筒狀金屬殼,其被設置于所述絕緣體的外周;接地電極,其具有被接合到所述金屬殼的基端部和被布置成與所述中心電極的前 端部面對的前端部,其中,接地電極貴金屬電極頭在與所述中心電極的所述前端部相對的位置處或者 在與被接合到所述中心電極的所述前端部的中心電極貴金屬電極頭相對的位置處被接合 到所述接地電極的所述前端部,其中,在所述中心電極的前端部和所述接地電極貴金屬電極頭的前端部之間或者 在所述中心電極貴金屬電極頭的前端部和所述接地電極貴金屬電極頭的前端部之間形成 火花放電間隙,其中,所述接地電極貴金屬電極頭利用熔融部而被接合到臺座部的座面,其中所述臺座部含與所述接地電極相同的成分,并且通過對構成所述接地電極貴金屬電極頭和所述臺座部的金屬進行激光焊接或電子束焊接從而將金屬熔融在一起,由此形成所述熔融 部,其中,所述臺座部被接合到所述接地電極,其中,所述臺座部包括圓板狀基部,其一端面被接合到所述接地電極;以及突出部,其從所述基部的另一端面突出,并且所述突出部為圓柱狀,所述圓柱狀的 直徑比所述基部的直徑小,并且所述接地電極貴金屬電極頭被接合到所述突出部,所述基部的在外周方向上比所述突出部突出的部分是凸緣部,以及所述凸緣部的晶粒的粒徑比所述突出部的晶粒的粒徑小。利用該第三方面,能夠體現第一和第二方面的效果。在第四方面中,在第二或第三方面的火花塞中,滿足A >10 和 B 彡 10,其中A表示所述突出部的晶粒的粒徑,B表示所述凸緣部的晶粒的粒徑,其中A和 B的單位都是μ m。在第五方面中,在第四方面的火花塞中,滿足10 < A 彡 200 和 0. 1 彡 B 彡 10。為了可靠地體現上述的效果,如在第四方面中,優選所述突出部的晶粒的粒徑A 大于ΙΟμπι。因此,能夠顯著改善抗氧化性,從而可以防止用于所述接地電極的貴金屬電極 頭的耐剝離性的劣化。優選所述凸緣部的晶粒的粒徑B等于或小于ΙΟμπι。因此,可以防止 由于相對較大的晶粒脫落所致的所述凸緣部的消耗程度的增加。具體地,如在第五方面中,優選所述突出部的晶粒的粒徑A小于200μπι。在粒徑 A等于或大于200 μ m的情況下,擔心用于接地電極的貴金屬電極頭將隨著晶粒的脫落而脫 落。優選所述凸緣部的晶粒的粒徑B等于或大于0.1 μ m。在粒徑B小于0.1 μπι的情況下, 所述凸緣部的硬度增加,擔心可加工性劣化。在第六方面中,在第二至第五方面的火花塞中,所述凸緣部的晶粒是扁平狀的,并且取向為與所述臺座部的軸線方向垂直的方 向。利用該第六方面,因為所述凸緣部的晶粒是扁平狀的,并且取向為與所述臺座部 的軸線方向垂直的方向,雖然在中心電極(或者中心電極的貴金屬電極頭)和凸緣部之間 產生火花放電,并且晶粒脫落,但是仍然可以最小化在軸線方向(厚度方向)上形成的凹陷 和裂紋。結果,可以進一步防止所述臺座部中的耐火花消耗性的劣化。在第七方面中,在第二至第五方面的火花塞中,所述臺座部主要包含與所述接地 電極的主要成分相同的金屬。利用此第七方面,所述臺座部的主要成分是與所述接地電極的主要成分相同的金 屬(例如,鎳)。因此,所述臺座部和所述接地電極的相容性增加,例如,在兩者通過電阻焊 接等被熔融在一起的情況下,可以顯著地增強接合強度。
圖1是示出根據一種實施方式的火花塞的構造的局部剖切正視圖。圖2是該火花塞的局部放大剖視圖。圖3是示出從與圖2垂直的方向觀察時的火花塞的放大剖視圖。圖4A至圖4C是示意性地示出組合體和接地電極的制造過程的剖視圖。圖5A至圖5C是示意性地示出臺座部的制造過程的剖視圖。圖6是示出臺座部的接地電極附近的晶粒(grains)的平均粒徑均一化而熔融部 附近的晶粒的平均粒徑可改變的情況下氧化膜的形成比例的關系的圖。圖7是示出臺座部的熔融部附近的晶粒(grains)的平均粒徑均一化而凸緣部的 晶粒的平均粒徑可改變的情況下凸緣部的消耗量的關系的圖。圖8是根據另一實施方式的火花塞的局部放大圖。附圖標記說明1 火花塞2 絕緣體3 金屬殼5:中心電極27 接地電極31 貴金屬電極頭(用于中心電極)32 貴金屬電極頭(用于接地電極)33 火花放電間隙42 熔融部51:臺座部52:凸緣部53 基部54 突出部54a 座面71 組合體CLl 軸線CL2 軸線(臺座部的軸線)
具體實施例方式以下將參考
本發明的實施方式。圖1是示出火花塞1的局部剖切正視圖。 在圖1中,火花塞1的軸線CLl的方向表示圖中的上下方向,并且底側和頂側表示火花塞1 的前端側和后端側。火花塞1包括絕緣體2,其作為長的絕緣構件;筒狀金屬殼3,其用于保持絕緣體2。絕緣體2設置有沿軸線CLl貫通的軸向孔4。中心電極5被插入和固定到軸向孔 4的前端部,并且端子電極6被插入和固定到后端部。在軸向孔4中,電阻器7被布置在中 心電極5和端子電極6之間,并且電阻器7的兩個端部經由導電玻璃密封層8和9分別被 電連接至中心電極5和端子電極6。
中心電極5以從絕緣體2的前端部突出的狀態被固定到該絕緣體2的前端部,端 子電極6以從絕緣體2的后端部突出的狀態被固定到該絕緣體2的后端部。另外,包含銥 作為主要成分的并且包含5%質量百分比的鉬的貴金屬電極頭(用于中心電極的貴金屬電 極頭)31通過焊接被接合到中心電極5。另一方面,眾所周知通過在氧化鋁等上進行燒制而形成絕緣體2,并且從外觀觀察 時該絕緣體2包括大直徑部11,其在軸線CLl的方向的大致中央部處具有在徑向上向外 凸出的凸緣的形狀;中間主干部12,其具有比大直徑部11的直徑小的直徑,并且被設置于 大直徑部11的前側的前端側;和長腿部13,其具有比中間主干部12的直徑小的直徑,而且 被設置于中間主干部12的前側的前端側并且暴露于內燃機(發動機)的燃燒室。包括大 直徑部11、中間主干部12和長腿部13的絕緣體2的前端側被收納于筒狀金屬殼3中。臺 階部14被形成于長腿部13和中間主干部12之間的連接部,通過臺階部14將絕緣體2鎖 定到金屬殼3。金屬殼3由諸如低碳鋼等金屬形成并且形成為筒狀,在該金屬殼3的外周面上,形 成有用于將火花塞1安裝到發動機氣缸蓋所需的螺紋部(陽螺紋)15。座部16被設置于螺 紋部15的后側的后端側的外周面上,環狀墊圈18被插入裝配到螺紋部15的后端的螺紋頭 17。在金屬殼3的后端側設置有工具接合部19,該工具接合部19具有六角形剖面,并且諸 如扳手等工具被接合到該工具接合部19從而將金屬殼3安裝到氣缸蓋,并且在該工具接合 部19的后端部設置有用于保持絕緣體2的彎邊部20(觀叫印0汁1011)。用于鎖定絕緣體2的臺階部21被設置于金屬殼3的內周面上。另外,從金屬殼3 的后端側向前端側插入絕緣體2,并且通過彎邊金屬殼3的后端側的開口部而固定該絕緣 體2,即,通過在臺階部14被鎖定到金屬殼3的臺階部21的階段形成彎邊部20而固定絕緣 體2。環板狀密封件22被插入到絕緣體2的臺階部14和金屬殼3的臺階部21之間。因 此,能夠維持燃燒室的氣密性,而且流進絕緣體2的暴露于燃燒室的長腿部13和金屬殼3 的內周面之間的間隙的燃料氣體不會泄漏出去。另外,為了通過彎邊獲得更完全氣密性,環狀圈構件23和24在金屬殼3的后端側 被插入到金屬殼3和絕緣體2之間,滑石粉末(滑石)25被填充到圈構件23和24之間。也 就是,金屬殼3利用板狀密封件22、圈構件23和24、以及介于圈構件23和24之間的滑石 25保持絕緣體2。另外,具有大致L形狀的接地電極27被接合到金屬殼3的前端面26。也就是,接 地電極27的基端部被焊接到金屬殼3的前端面26,而且接地電極27的前端側被以該前端 側的側面面對中心電極5的前端部(貴金屬電極頭31的前端部)的方式彎曲。接地電極 27具有面對貴金屬電極頭31的貴金屬電極頭(用于接地電極的貴金屬電極頭)32。另外, 貴金屬電極頭31和32與軸線線CLl對齊,而且貴金屬電極頭31和32之間的間隙是火花 放電間隙33。如圖2所示,通過由銅或銅合金制成的內層5A和由鎳(Ni)合金制成 的外層5B構 成中心電極5。中心電極5具有小直徑的前端側,在全局上具有棒狀形狀(圓柱狀)和平坦 的前端面。圓柱狀的貴金屬電極頭31被布置成與該前端面重疊,通過沿著貴金屬電極頭31 和中心電極5的接合面的外周部進行激光焊接、電子束焊接等而將貴金屬電極頭31和中心 電極5熔融到一起形成熔融部41。也就是,通過熔融部41將貴金屬電極頭31固定且接合到中心電極5。 同時,接地電極27具有包括內層27A和外層27B的雙層結構。在該實施方式中, 外層27B由諸如Inconel 600或Inconel 601 (兩者均是商標名)等鎳合金制成。另一方 面,內層27A由銅合金制成,其中該銅合金是比鎳合金或純銅具有更好的熱傳導性的金屬。 由于內層27A的存在,所以可以提高熱傳遞。在本實施方式中,為了說明的方便,將說明簡 單的兩層結構,然而也可以采用三層結構或具有四層以上的多層結構。這里,優選外層27B 內側的層包含具有比外層27B的熱傳導性更好的熱傳導性的金屬。因此,例如,由銅合金或 純銅等制成的中間層可以被設置于外層27B的內側,由純鎳制成的最內層可以被設置于中 間層的內側。在此情況下,中間層和最內層構成了內層27A。當然,接地電極27也可以采用 只由鎳合金制成的單層結構以替代多層結構。已經提到中心電極5的貴金屬電極頭31主要包含銥,而接地電極27的貴金屬電 極頭32由包含例如鉬作為主要成分和20%質量百分比的銠的貴金屬合金制成。這里,貴 金屬電極頭32的組成只是一種示例,不限于此說明。例如,作為另一種示例,也可以采用包 含鉬作為主要成分和10%質量百分比的鎳的貴金屬合金(Pt-IONi),從而增強與后述的主 要包含鎳的臺座部51的焊接性。例如如下制造貴金屬電極頭31和32。首先,準備主要包 含銥或鉬的鑄錠(ingot),將合金成分與鑄錠一起混合并且熔融從而獲得上述的預定的組 成,再次形成與熔融的合金有關的鑄錠,然后,在該鑄錠上進行熱鍛(hot forging)和熱軋 (hotrolling)(槽型軋制(groove rolling))。此后,通過拔絲加工而獲得棒狀材料,并且 將此棒狀材料切斷成預定的長度,由此獲得圓柱狀的貴金屬電極頭31和32。然而,如圖3所示,本實施方式中的接地電極27側的貴金屬電極頭32不是直接接 合到接地電極的前端部,而是利用主要包含鎳的臺座部51間接地接合到接地電極的前端 部。更具體地,臺座部51包括具有圓板狀的基部53和突出部54,該突出部54從基部53突 出并且具有直徑比基部53的直徑小的圓柱狀。基部53的在外周方向上從突出部54突出 的部分是凸緣部52。貴金屬電極頭32被接合到突出部54的座面54a,并且基部53被接合 到接地電極27的內側的平坦面。將說明貴金屬電極頭32和臺座部51的接合順序。首先,如圖4A所示,在貴金屬 電極頭32與臺座部51的突出部54的座面54a接觸的狀態下,如圖4B所示,沿著該接合面 的外周進行激光焊接或電子束焊接。因此,貴金屬電極頭32和臺座部51 (突出部54)被熔 融在一起從而形成熔融部42,由此獲得如下的組合體71 在該組合體71中貴金屬電極頭 32和臺座部51被熔融,并且由介于二者之間的熔融部42而牢固地固定在一起。如圖4C 所示,組合體71的臺座部51 (的基部53)通過電阻焊接被接合到接地電極27的平坦面上。 這里,因為臺座部51和接地電極27的外層27B均由鎳合金制成,所以使用電阻焊接能夠獲 得足夠的接合強度。因為在電阻焊接過程中在按壓凸緣部52的同時進行焊接,所以在此情 況下,基部53的周圍部分(凸緣部52)趨向于更加積極地(positively)被焊接。在此方 面中,為了使得基部53的中央部更可靠地被焊接,可以在該中央位置處與基部53的下端面 (電阻焊接面)一體地形成突起。在本實施方式中,臺座部51的熔融部42附近的晶粒的粒徑比臺座部51的接地電 極27附近的晶粒的粒徑大。“晶粒的粒徑”是指預定區域內的晶粒的平均粒徑。作為一種 計算方法,如上所述,例如獲得穿過貴金屬電極頭32的軸線中心的截面的圖像,并且在該圖像上畫出直徑為0. Imm的虛擬圓,然后測量該虛擬圓內所包括的晶粒的數量。另外,用該 虛擬圓的面積除以晶粒的數量,來計算每個晶粒的截面積,然后從該截面積計算晶粒的直 徑。另外,經由該計算得到的數值是晶粒的粒徑。“熔融部42的附近”一般是指到熔融部42 的距離比到接地電極27的距離短的任意區域。例如,當如上畫出具有0. Imm的直徑的虛擬 圓時,虛擬圓的一部分被畫成與熔融部42重疊,并且包含在該圓內部的晶粒被用于測量粒 徑。同樣地,“接地電極27的附近”一般是指到接地電極27的距離比到熔融部42的距離短 的任意區域。例如,當如上畫出具有0. Imm的直徑的虛擬圓時,虛擬圓的一部分被畫成與接 地電極27重疊,并且包含在該圓內部的晶粒被用于測量粒徑。在本實施方式中,在臺座部51中,凸緣部52的晶粒的粒徑比突出部54的晶粒的 粒徑小。具體地,當假設突出部54的晶粒的粒徑是Α(μπι)并且凸緣部52的晶粒的粒徑是 Β(μπι)時,滿足10 < A彡200,并且0. 1彡B彡10。凸緣部52的晶粒是扁平形狀,并且取向為與臺座部51的軸線CL2 (參見圖4C)的 方向(在本實施方式中,軸線CLl的方向)垂直的方向。這里,將參考圖5說明構制上述的各區域中的晶粒的技術的示例。首先,如圖5Α 所示,準備固定模具62,其中該固定模具62具有與臺座部51的外形一樣的形狀的模具表面 61。然后,將具有圓柱形狀并且由鎳合金制成的臺座端頭(pedestal tip)51A放置于模具 表面61。這里,如圖5B所示,優選臺座端頭51A具有與突出部54的直徑大致相同的直徑并 且被放置和固定到模具表面61中的用于形成突出部54的區域。接著,沿圖中的箭頭方向壓被布置成與固定模具62相隔一定距離的可移動模具 63。因此,臺座端頭51A的富余部(marginportion)等在臺座端頭51A的上部外周和固定 模具62的空間中移動(塑性變形),從而形成凸緣部52。從固定模具62中取出成型的部 分,由此獲得如圖5C所示的臺座部51。另外,在成型過程中,可以使用錘等作為壓具,以替 代可移動模具63。通過采用成型技術,凸緣部52的晶粒被擠壓和壓碎,從而其粒徑比沒有 被壓碎和變形的突出部54的晶粒的粒徑小,并且凸緣部52的晶粒變得扁平并且取向為與 中心軸線的方向(制造完畢之后軸線CLl的方向)垂直的方向。出于相同的原因,在制造 完畢之后,被布置于接地電極27側的基部53的晶粒的粒徑變得比被布置于制造完畢之后 的熔融部42側的突出部54的晶粒的粒徑小。接著,將說明具有上述構造的火花塞1的制造方法,尤其是接地電極27等的制造 過程。首先,預先加工金屬殼3。也就是,通過冷鍛在具有圓柱狀的金屬材料(例如,諸如 S15C或者S25C或不銹鋼材料等鐵基材料)上形成通孔,從而形成初始形狀。此后,進行切 削加工(cutting process)從而制造外形,由此獲得金屬殼中間體。然后,制造接地電極27的中間體。也就是,接地電極27的中間體就是彎曲之前的 豎直的棒狀構件。例如如下獲得彎曲之前的接地電極27。也就是,準備由內層27A的金屬材料制成的芯材料和由外層27B的金屬材料制成 的有底筒狀構件(兩者均未示出)。通過將芯材料插入到有底筒狀構件的凹部中,由此形成 杯狀材料(cup material) 0接著,在冷環境 下在具有兩層結構的杯狀材料上進行細化加工 (thinning process)。作為在冷環境下進行的細化加工的示例,例如,包括使用模具等進行 拔絲加工(wiredrawing)和使用陰模進行擠出成型加工(extrusion)等。此后,通過進行 彎邊,形成具有矩形截面的并且被細徑化的棒狀構件。
接著,接地電極27在被彎曲之前以及被接合電極頭之前通過電阻焊接被接合到 金屬殼中間體的前端面。另外,因為在電阻焊接期間發生所謂的“壓陷(shear droop) ”,因 此要進行消除“壓陷”的操作。在此示例中,在進行彎邊、切削等之后通過電阻焊接合彎曲之 前的接地電極27。然而,也可以在進行細化加工、將棒狀構件接合到金屬殼中間體和進行彎 邊之后再進行切削加工。在此情況下,在彎邊過程中,在保持金屬殼中間體的狀態下,將接 合到金屬殼中間體的前端面的棒狀構件從前端側引入到彎邊機的加工單元(彎邊模具)。 因此,為了在彎邊過程中確保保持部位,不需要刻意地將棒狀構件設置得較長。
此后,通過螺紋滾軋(thread rolling)而在金屬殼中間體的預定部位形成螺紋部 15。因此,獲得焊接了彎曲之前的接地電極27的金屬殼3。在金屬殼3上進行鍍鋅(Zinc plating)或鍍鎳(nickel plating)。為了增強耐腐蝕性,可以在該表面上額外地進行鍍鉻 (chromate treatment)0同時,如上所述,提供貴金屬電極頭32的組合體71。也就是,在貴金屬電極頭32 與臺座部51的突出部54的座面54a接觸的狀態下,沿著該接合面的外周部在該接合面上 進行激光焊接或電子束焊接,從而形成熔融部42,并且因此獲得如下的組合體71 在此組 合體71中,貴金屬電極頭32和臺座部51被牢固地接合和固定到彼此。如圖4C所示,通過電阻焊接將組合體71的臺座部51 (基部53)接合到彎曲之前 的接地電極27的平坦面。為了更加可靠的焊接,在進行焊接之前在焊接部處進行涂層去除 處理,或在電鍍過程中在焊接目標部進行掩蔽處理(masking)。可以在后述的組裝之后進行 組合體71的焊接。同時,除金屬殼3之外也成型絕緣體2。例如,通過使用包含氧化鋁作為主要成分 以及粘合劑等的原料粉末(raw powder)而制備基礎金屬顆粒材料,并使用該材料進行橡膠 擠壓成型(rubber press forming),由此獲得筒狀成型體(cylindricalcompact)。在獲得 的成型體上進行磨削而進行整形(shape)。然后,被整形的成型體被投入到燃燒爐中進行燒 制,由此獲得絕緣體2。與金屬殼3和絕緣體2分開地制備中心電極5。也就是,鍛造鎳基的合金,在中央 部設置銅芯從而提高散熱性。另外,通過激光焊接等將上述的貴金屬電極頭31接合到中心 電極5的前端部。通過未示出的玻璃密封材料將中心電極5和端子電極6密封和固定于絕緣體2的 軸向孔4中,其中,該中心電極5接合了如上所述獲得的貴金屬電極頭31。作為玻璃密封材 料,一般地,準備并混合硼硅酸鹽玻璃和金屬粉末以備使用。在中心電極5首先被插入到絕 緣體2的軸向孔4中的狀態下,準備好的密封材料被注入到絕緣體2的軸向孔4中,然后從 后側壓入端子電極6,接下來在燃燒爐中燒制烘焙。在此定時,可以在絕緣體2的后端側的 體干部(shank)的表面上同步地燒制釉層(glaze layer),或者可以預先形成釉層。之后,絕緣體2和金屬殼3被相互組裝在一起,其中絕緣體2具有如上制造的中心 電極5和端子電極6,金屬殼3具有豎直棒狀的接地電極27。更具體地,在金屬殼3的形成 得相對薄的后端部上進行冷彎邊或熱彎邊,從而部分絕緣體2被保持成在周向由金屬殼3 包圍。最后,具有豎直棒狀的接地電極27被彎曲從而調整中心電極5 (的貴金屬電極頭 31)和接地電極27 (的貴金屬電極頭32)之間的火花放電間隙33。
通過這一系列的加工,制造具有上述構造的火花塞1。如上所述,在本實施方式中,臺座部51從接地電極27突出,并且更可能暴露于高 溫。擔心在熔融部42和臺座部51之間的界面(參見如圖3的粗線所示的附圖標記KM)處 由于較易于氧化的材料與氧氣的結合為形成氧化膜。在此方面中,在本實施方式中,臺座部 51的熔融部42附近的晶粒的粒徑比臺座部51的接地電極27附近的晶粒的粒徑大。因此, 在熔融部42附近的臺座部51中,以下的路徑(的數量)較小較易于氧化的材料能在此路 徑上移動到界面KM。因此,即使當氧氣侵入到界面KM時,較易于氧化的材料也幾乎不會從 臺座部51的內部出現于界面KM,從而很難形成氧化膜。結果,能夠長時間地保證界面KM處 的穩定的接合強度,由此防止用于接地電極的貴金屬電極頭32的耐剝離性的劣化。在臺座部51的接合到接地電極27的一側,設置有具有凸緣部52的基部53。因 此,可以增大接合面積并且獲得更強的接合。由于貴金屬電極頭32的熱傳導路徑被加寬, 因此可以提高貴金屬電極頭32的耐久性。在臺座部51中,凸緣部52的晶粒的粒徑比突出部54的晶粒的粒徑小。因此,即 使當在凸緣部52和用于中心電極的貴金屬電極頭31之間產生火花放電時,脫落的晶粒也 比較小,從而能夠最小化由于脫落而引起的破壞。具體地,因為突出部54的晶粒的粒徑A比10 μ m大,所以能夠獲得抗氧化性能的 較大的改善,從而能夠進一步防止貴金屬電極頭32的耐剝離性的劣化。因為突出部54的 晶粒的粒徑A比200 μ m小,所以貴金屬電極頭32隨著晶粒的脫落而脫落的現象很少發生。另一方面,因為凸緣部52的晶粒的粒徑B等于或小于10 μ m,所以可以防止凸緣部 52隨著較大晶粒的脫落而被消耗的程度的增加。另外,因為凸緣部52的晶粒的粒徑B等于 或大于0. 1 μ m,所以可以防止加工性的劣化。在本實施方式中,因為凸緣部52的晶粒是扁平狀的,并且取向為與軸線CLl的方 向垂直的方向,所以盡管如上所述火花放電朝向凸緣部52并且晶粒脫落,仍然可以最小化 在軸線方向(厚度方向上)上形成的凹陷和裂紋。結果,可以防止臺座部51中的耐火花消 耗性的劣化。這里,為了驗證此優點,為多種類型的評測制造了多個試樣。實驗結果說明如下。首先,準備如下的試樣作為第一試樣,并且在這些試樣的每一個試樣上進行抗氧 化性試驗該試樣的臺座部的接地電極附近(凸緣部)的晶粒的平均粒徑為5 μ m,而臺座 部的貴金屬電極頭(Pt-IONi)附近(也就是熔融部附近突出部)的晶粒的平均粒徑不同。 作為抗氧化性試驗的試驗條件,在950°C下加熱兩分鐘并且冷卻一分鐘被認為是一個周期 (cycle),該試驗進行1000個周期。在1000個周期之后,觀察熔融部和臺座部之間的焊接 界面的剖面(通過貴金屬電極頭的軸線的剖面)從而測量在焊接界面處存在的氧化膜的比 例。氧化膜的比例是用百分比表示的數值,其中該比例通過在焊接界面(與圖3中的KM相 對應)上進行成分分析并且通過用形成氧化物的區域的總長度除以焊接界面的總長度而 獲得。結果如圖6所示。如圖所示,在臺座部的熔融部附近(突出部)的晶粒的平均粒徑比臺座部的接地 電極附近的晶粒的平均粒徑大的情況下,很明顯氧化膜的比例等于或小于20%,并且很難 形成氧化膜。相反地,在熔融部附近(突出 部)晶粒的平均粒徑比接地電極附近(凸緣 部)的晶粒的平均粒徑小的情況下,氧化膜的比例相當高。可以認為這是因為在熔融部附近(突出部)的臺座部中,較易氧化的材料能夠向臺座部和熔融部之間的界面移動的路徑 (的數量)增加,所以氧氣侵入到界面中時,來自于臺座部的內部的較易氧化的材料較大量 地出現在界面上從而形成氧化膜。在圖6中,在突出部的晶粒的平均粒徑大于10 μ m的情況下,很明顯地氧化膜的 比例等于或小于20%,并且很難形成氧化膜。另一方面,在突出部的晶粒的平均粒徑小于 IOym(例如,等于或小于8μπι)的情況下,氧化膜的比例具有一個較高的值。雖然未在圖6 中示出,但是可以看出當突出部的晶粒的平均粒徑是200 μ m時,當晶粒脫落時發生丟失的 部分大,在貴金屬電極頭接合方面存在明顯的困難。
接著,準備如下的試樣并且在這些試樣的每一個試樣上進行試驗臺火花耐久性 (desk spark endurance)試驗該試樣的臺座部的熔融部附近(突出部)的晶粒的平均粒 徑為15 μ m,而凸緣部的晶粒的平均粒徑不同。也就是,在該試驗臺火花耐久性試驗中,在氮 氣氣氛下每秒產生100次火花放電,進行250個小時的試驗,從而測量在試驗之前和試驗之 后消耗的凸緣部的量(凸緣部在軸線方向上消耗的長度)。結果如圖7所示。如圖所示,在凸緣部的晶粒的平均粒徑比臺座部的熔融部附近(突出部)的晶粒 的平均粒徑小的情況下,可以防止凸緣部的消耗。相反地,在凸緣部的晶粒的平均粒徑比熔 融部附近(突出部)的晶粒的平均粒徑大的情況下,凸緣部的消耗程度明顯增加。可以認 為這是因為由于火花放電的影響,在各晶粒邊界處存在臺座部的凸緣部的晶粒脫落的可能 性,并且當晶粒大時,由于脫落而引起的消耗程度增加。另外,在圖7中,很明顯,在凸緣部的晶粒的平均粒徑等于或小于10 μ m的情況下, 能夠妨礙消耗,使消耗程度等于或小于0. 01mm。相反地,在凸緣部的晶粒的平均粒徑大于 10 μ m的情況下(例如,在等于或大于12 μ m的情況下),凸緣部的消耗程度明顯增加。另 夕卜,雖然未在圖7中示出,但是在與凸緣部相對應的區域中的晶粒的平均粒徑是0. Ιμπι的 情況下,形成臺座部變得困難。另外,本發明不限于上述的實施方式,例如可以對本發明進行如下實施。(a)在本實施方式中,臺座部51具有圓板狀的基部53,其外周上設有凸緣部;突 出部54,其為從基部53突出的圓柱狀從而其截面為凸出形狀。然而,在第一構造的實施方 式中,可以采用具有另一形狀的臺座部。例如,可以采用具有簡單的圓柱狀的臺座部。(b)在本實施方式中,限定了在內層27A和臺座部51之間存在外層27B的情況。 然而,也可以限定不插入外層27B的情況。在此情況下,臺座部51與內層27A直接接觸,并 且能夠減小內層27A和貴金屬電極頭32之間的距離,由此提高熱傳遞。(c)在本實施方式中,示出了熔融部42的一側和另一側沒有互相連接的剖面,然 而,該一側和另一側可以彼此連接。(d)在本實施方式中,用于中心電極的貴金屬電極頭31的前端面與用于接地電極 的貴金屬電極頭32的前端部的內表面相對,然而,如圖8所示,例如,也可以采用如下的類 型(所謂的橫向放電類型)在該類型中組合體71被接合到接地電極27的前端面27s,并 且用于接地電極的貴金屬電極頭32的前端面與中心電極5或用于中心電極的貴金屬電極 頭31的側周面相對。(e)在本實施方式中,限定了接地電極27被接合到金屬殼3的前端部26的前端面 的情況,然而,也可以采用如下的情況金屬殼的一部分(被預先焊接到金屬殼的前端金屬部件的一部分)被切除從而形成接地電極(例如,日本特開2006-236906等)。另外, 接地 電極27可以被接合到金屬殼3的前端部26的側面。
權利要求
一種內燃機用火花塞(1),所述火花塞(1)包括中心電極(5),其為在軸線(CL1)方向上延伸的棒狀;絕緣體(2),其為大致圓筒狀并且被設置于所述中心電極(5)的外周;筒狀金屬殼(3),其被設置于所述絕緣體(2)的外周;接地電極(27),其具有被接合到所述金屬殼(3)的基端部和被布置成與所述中心電極(5)的前端部面對的前端部,其中,接地電極貴金屬電極頭(32)在與所述中心電極(5)的所述前端部相對的位置處或者在與被接合到所述中心電極(5)的所述前端部的中心電極貴金屬電極頭(31)相對的位置處被接合到所述接地電極(27)的所述前端部,其中,在所述中心電極(5)的前端部和所述接地電極貴金屬電極頭(32)的前端部之間或者在所述中心電極貴金屬電極頭(31)的前端部和所述接地電極貴金屬電極頭(32)的前端部之間形成火花放電間隙(33),其中,所述接地電極貴金屬電極頭(32)利用熔融部(42)而被接合到臺座部(51)的座面,其中所述臺座部(51)含與所述接地電極(27)相同的成分,并且通過對構成所述接地電極貴金屬電極頭(32)和所述臺座部(51)的金屬進行激光焊接或電子束焊接從而將金屬熔融在一起,由此形成所述熔融部(42),其中,所述臺座部(51)被接合到所述接地電極(27),以及其中,所述臺座部(51)的所述熔融部(42)附近的晶粒的粒徑比所述臺座部(51)的所述接地電極(27)附近的晶粒的粒徑大。
2.根據權利要求1所述的火花塞,其特征在于, 所述臺座部(51)包括圓板狀的基部(53),其一端面被接合到所述接地電極(27);以及 突出部(54),其從所述基部(53)的另一端面突出,并且所述突出部為圓柱狀,所述圓 柱狀的直徑比所述基部(53)的直徑小,并且所述接地電極貴金屬電極頭(32)被接合到所 述突出部,所述基部(53)的在外周方向上比所述突出部(54)突出的部分是凸緣部(52),以及 所述凸緣部(52)的晶粒的粒徑比所述突出部(54)的晶粒的粒徑小。
3.一種內燃機用火花塞(1),所述火花塞(1)包括 中心電極(5),其為在軸線(CL1)方向上延伸的棒狀;絕緣體(2),其為大致圓筒狀并且被設置于所述中心電極(5)的外周; 筒狀金屬殼(3),其被設置于所述絕緣體(2)的外周;接地電極(27),其具有被接合到所述金屬殼(3)的基端部和被布置成與所述中心電極 (5)的前端部面對的前端部,其中,接地電極貴金屬電極頭(32)在與所述中心電極(5)的所述前端部相對的位置處 或者在與被接合到所述中心電極(5)的所述前端部的中心電極貴金屬電極頭(31)相對的 位置處被接合到所述接地電極(27)的所述前端部,其中,在所述中心電極(5)的前端部和所述接地電極貴金屬電極頭(32)的前端部之間 或者在所述中心電極貴金屬電極頭(31)的前端部和所述接地電極貴金屬電極頭(32)的前 端部之間形成火花放電間隙(33),其中,所述接地電極貴金屬電極頭(32)利用熔融部(42)而被接合到臺座部(51)的座面,其中所述臺座部(51)含與所述接地電極(27)相同的成分,并且通過對構成所述接地電 極貴金屬電極頭(32)和所述臺座部(51)的金屬進行激光焊接或電子束焊接從而將金屬熔 融在一起,由此形成所述熔融部(42),其中,所述臺座部(51)被接合到所述接地電極(27),其中,所述臺座部(51)包括圓板狀的基部(53),其一端面被接合到所述接地電極(27);以及突出部(54),其從所述基部(53)的另一端面突出,并且所述突出部為圓柱狀,所述圓 柱狀的直徑比所述基部(53)的直徑小,并且所述接地電極貴金屬電極頭(32)被接合到所 述突出部,所述基部(53)的在外周方向上比所述突出部(54)突出的部分是凸緣部(52),以及所述凸緣部(52)的晶粒的粒徑比所述突出部(54)的晶粒的粒徑小。
4.根據權利要求2或3所述的火花塞,其特征在于,滿足A> 10和B≤10,其中A表示所述突出部(54)的晶粒的粒徑,B表示所述凸緣部(52)的晶粒的粒徑,A 和B的單位都是y m。
5.根據權利要求4所述的火花塞,其特征在于,滿足10 < A≤200和0. 1≤B≤10。
6.根據權利要求2至5中任一項所述的火花塞,其特征在于,所述凸緣部(52)的晶粒是扁平狀的,并且取向為與所述臺座部(51)的軸線方向垂直 的方向。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的火花塞,其特征在于,所述臺座部(51)含與所 述接地電極(27)的主要成分相同的金屬作為主要成分。
全文摘要
一種火花塞,該火花塞具有被接合到接地電極的前端部的貴金屬電極頭,能夠長時間地保證貴金屬電極頭的穩定接合狀態。接地電極(27)側的貴金屬電極頭(32)不直接接合到接地電極(27)的前端部,而是通過介于貴金屬電極頭(32)和接地電極(27)之間的臺座部(51)間接地接合到接地電極(27)的前端部。臺座部(51)包括基部(53),其為圓板狀并且在其外周設有凸緣部(52);突出部(54),其從基部(53)突出并且為圓柱狀。首先,在貴金屬電極頭(32)與臺座部(51)的突出部(54)接觸的狀態下,在其上進行激光焊接等從而形成熔融部(42)并且獲得組合體,臺座部(51)的基部(53)通過電阻焊接被接合到接地電極(27)的平坦面上。臺座部(51)的熔融部(42)附近的晶粒的粒徑比臺座部(51)的接地電極(27)附近的晶粒的粒徑大,而且臺座部(51)的凸緣部(52)的晶粒的粒徑比突出部(54)的晶粒的粒徑小。
文檔編號H01T21/02GK101861685SQ20088011607
公開日2010年10月13日 申請日期2008年11月13日 優先權日2007年11月15日
發明者吉本修, 宮下直道, 無笹守, 田中智雄, 鈴木彰, 鳥居計良 申請人:日本特殊陶業株式會社