JP2011171037A - 耐火花消耗特性及び放電特性に優れた点火プラグ電極用の材料 - Google Patents
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Abstract
【課題】耐酸化消耗性、火花消耗性にも優れ、使用時の放電特性も考慮したプラグ電極用の材料を提供する。
【解決手段】本発明は、プラグ電極用材料において、Cuを5質量%以上〜30質量%以下、Irを0.1質量%以上〜15質量%以下含み、残部Ptからなるプラグ電極用材料である。CuとIrの2種の金属を複合的に合金化することで、放電電圧の低減、火花消耗への耐久性を向上させることができ、いずれか一方の金属のみの添加では、火花消耗性の改善効果が薄く、放電電圧の低減効果が期待できない。
【選択図】 図1
【解決手段】本発明は、プラグ電極用材料において、Cuを5質量%以上〜30質量%以下、Irを0.1質量%以上〜15質量%以下含み、残部Ptからなるプラグ電極用材料である。CuとIrの2種の金属を複合的に合金化することで、放電電圧の低減、火花消耗への耐久性を向上させることができ、いずれか一方の金属のみの添加では、火花消耗性の改善効果が薄く、放電電圧の低減効果が期待できない。
【選択図】 図1
Description
本発明は、点火プラグの中心電極と接地電極を構成する材料に関し、耐久性、特に、火花消耗に対して耐久性が確保された材料であり放電特性に優れた材料を提供する。
内燃機関用の点火プラグは、燃焼室内の過酷環境においても長期間使用できるよう、耐消耗性に優れることが求められる。かかる要求特性を満たすべく、その主要部材である中心電極及び接地電極の構成材料として、Ir、Pt、Ni、これらの合金からなる材料が用いられている(特許文献1)。これらの材料は、融点が高く、高温・高酸化性の燃焼室内でも酸化消耗し難い優れたプラグ電極用の材料として知られている。
ところで、プラグ電極用の材料開発は、上記のような耐久性の向上に焦点が当てられることが多いが、電極(放電電極)に使用されるものである以上、その放電特性も重要であるといえる。特に、近年の自動車用エンジンは、内部温度の高温化や精密な電子制御化が進行しており、放電特性は材料選択の重要な指標となり得るものの、こうした検討は少なかった。
また、従来のプラグ電極用材料の耐久性に関する検討例は、上記のように、融点が高く、高酸化雰囲気下でも酸化による消耗が少ないものの開発に主眼がおかれたものが多かった。しかし、プラグ電極の消耗の要因には、酸化消耗の他、使用中に絶えず生じる火花による火花消耗もある。従って、従来の方針自体には間違いはないものの、これに火花消耗に対する耐性に関する観点を明確に付加する必要があるといえる。
そこで本発明は、耐酸化消耗性のみならず火花消耗性にも優れ、更に、使用時の放電特性も考慮したプラグ電極用の材料を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本願発明は、プラグ電極用材料において、Cuを5質量%以上〜30質量%以下、Irを0.1質量%以上〜15質量%以下含み、残部Ptからなるプラグ電極用材料である。
本発明に係るプラグ電極用材料は、白金にCu(銅)を添加し、更に、貴金属であるIr(イリジウム)を添加した3元系合金である。このように、CuとIrの2種の金属を複合的に合金化することで、放電電圧の低減、火花消耗への耐久性を向上させることができる。このことは、Cu、Irのいずれかのみの添加では、本願発明の目的を達成することができないことを意味する。即ち、Cuのみの添加では、火花消耗性の改善効果が薄く、一方、Irのみを添加した合金(従来技術に相当する)は、放電電圧の低減効果が期待できない。
また、本発明では、各合金金属の添加量に制限がある。本発明者等によれば、各金属の添加量を適正範囲外とすると、火花消耗性や放電特性が悪化する他、酸化消耗が大きくなる。即ち、火花消耗性、放電特性、酸化消耗性のバランスを良好なものとするためには、各合金金属の添加量を制限することが必要である。
以下、本発明に係るPt合金の構成についてより詳細に説明する。Cuは、主に合金材料の放電電圧低減の作用を有する。この添加量を5〜30質量%とするのは、5質量%未満では放電電圧が低下しにくく、30質量%を超えると高温酸化により消耗しやすい傾向となる。また、Cuの含有量は、8質量%以上が好ましく、10質量%以上が特に好ましい。特に放電電圧が低くなるからである。
本発明のPt合金は、上記含有量のCuに加え、0.1質量%以上〜15質量%以下のIrを含むものである。少量のIrを含むことで、放電電圧がさらに低くなるとともに、火花放電による電極の消耗量が減少する。具体的には、Cuのみを含むPt合金に比べ、火花放電後の消耗面積が約40%まで低減される。また、放電電圧のばらつきも低下し、電圧安定性が向上する。本発明は、Irの含有量が上記のように少量であっても、耐消耗性の高く放電特性に優れたプラグ材料となる点に特徴を有する。
Irの含有量は0.1質量%以上〜15質量%以下とする。0.1質量%未満では、火花放電による消耗の抑制効果が得られにくく、15質量%を超えると合金が加工しにくい傾向となる。Irは、上記含有量の範囲内において、比較的高濃度とすると、より火花放電による消耗の抑制効果が高いものとなり、比較的低濃度とすると、より高温酸化特性の優れたものとなる。このため、点火プラグの使用条件を考慮し、いずれの特性を重視すべきかによって、好適なIr含有量を選択することが好ましい。具体的には、火花消耗の抑制効果を重視する場合には、Irの含有量は0.3質量%以上が好ましく、8質量%以上が特に好ましい。一方、高温酸化特性の方を重視するときには、12質量%以下が好ましく、4.5質量%以下が特に好ましく、1質量%以下が更に特に好ましい。更に、上記から両者のバランスを重視するのであれば、Irの含有量は0.3〜1質量%とするのが好ましい。
以上説明した本発明のPt合金は、構成金属を混合し、溶解・鋳造を行うことで製造することができ、得られたPt合金を板材や線材とした後、所望の長さに切断する方法等によって貴金属チップに加工して、スパークプラグとして使用可能となる。
本発明のPt合金は、耐高温酸化消耗と耐火花消耗を兼ね備えたプラグ材料である。また、放電電圧のばらつきが少なく、安定性の向上した材料である。
以下、本発明の好適な実施例を説明する。まず、予備試験として、PtへのCu添加による放電特性への影響を確認するため、Pt−Cu合金の特性評価を行った。
原材料として、Pt及び合金金属(Cu)の小片(寸法:2〜10mm)を用意し、所定の合金組成となるよう水冷銅鋳型に装填した。そして、高周波誘導加熱法(浮揚溶解法)にて不活性ガス中で溶解・鋳造した。溶解条件は、出力40kW、周波数250kHzとし、均一な組成とすべく合金全体を溶融した。合金溶融後、出力をコントロールし、200℃/分の冷却速度で徐冷させて残存ガスを排出し、ボイドのないマーブル状インゴット(直径15mm、厚さ8mm)を製造した。次に、製造したマーブル状インゴットを水冷銅鋳型に互いに接触するように並べ、接触部分についてアルゴンアークを照射して溶解・接合した。
マーブル状インゴットの一体化をした後、熱間鍛造し、12mm角のインゴットに成型した。そして、その後溝圧延、スウェージング加工、ダイス引き加工を行い、直径0.6mmの線材とした。これらの加工過程においては、断面減少率20%から50%とする段階で1000℃〜1200℃の熱処理を行った。この線材から、長さ0.8mmの貴金属チップを切り出した。以上の加工の過程において、被加工材料に顕著な割れ、断線はみられなかった。また、加工後の線材について金属組織を観察したところ、結晶粒径の揃った均質な材料であった。得られた貴金属チップについて、下記のように高温酸化後の残存率、放電特性の評価を行った。
[耐高温酸化消耗性]
製造した貴金属チップの耐高温酸化消耗性を評価した。チップを大気中で1200℃で50時間加熱し、試験前後の重量測定により、残存率を算出した。
製造した貴金属チップの耐高温酸化消耗性を評価した。チップを大気中で1200℃で50時間加熱し、試験前後の重量測定により、残存率を算出した。
[放電特性]
φ0.6mmの貴金属ワイヤーを用いて放電電圧を測定した。貴金属ワイヤーを中心極と接地極としその間のギャップは1.0mmとした。窒素雰囲気(6気圧)で140時間放電し、28分間隔で約2分間の電圧測定を行い。各測定区間における最大電圧、平均電圧を求めると共に、全体の最大電圧の最大値、平均電圧の平均値、それぞれの標準偏差を算出した。
φ0.6mmの貴金属ワイヤーを用いて放電電圧を測定した。貴金属ワイヤーを中心極と接地極としその間のギャップは1.0mmとした。窒素雰囲気(6気圧)で140時間放電し、28分間隔で約2分間の電圧測定を行い。各測定区間における最大電圧、平均電圧を求めると共に、全体の最大電圧の最大値、平均電圧の平均値、それぞれの標準偏差を算出した。
[火花消耗特性]
火花消耗による消耗量も評価の対象とした。火花消耗の評価は、放電特性前後の貴金属チップ先端部の寸法測定を行い、消耗面積を測定して評価した。
火花消耗による消耗量も評価の対象とした。火花消耗の評価は、放電特性前後の貴金属チップ先端部の寸法測定を行い、消耗面積を測定して評価した。
表1より、Pt合金は、Cuを含むことにより平均電圧の低減に効果があることが分かった。一方、Cu含有量の増加は、Pt合金の高温酸化による残存率を低下させる傾向にある。このため、本発明は、放電電圧の低下と、高温酸化による消耗とのバランスを考慮し、Cuの含有量を5〜30質量%としている。
次に、Pt−Cu−Ir合金からなる貴金属チップを作成し、高温酸化後の残存率、放電特性の評価を行った。貴金属チップの製造は、予備試験と同様とし、高温酸化後の残存率、放電特性及びその後の火花消耗量の評価も同様とした。
この評価結果を表2に示す。表2にはPt−Cu合金(参考例2のCu10%合金)、Pt−Ir合金(Ir20%)からなる貴金属チップについての評価結果を、比較として示している。また、図1に、Cu濃度を固定(10質量%)しIr濃度を変化させた合金についての評価結果を示した。
表2及び図1より、Pt−Cu合金にIrを更に添加することで、火花消耗面積の著しい低減が見られることが確認できた。また、放電特性についてみても、平均電圧の低下に加えて、最大電圧の低下効果も生じ、更に、それらのばらつき(標準偏差)も低下することが分かった。尚、本実施形態では、CuとIrの合計含有率を25質量%以下とした合金について検討を行ったが、これらは高温酸化残存率を高く維持することができ、好適であることがわかる。
但し、Irは15質量%を超えて添加すると加工性が低下するので15質量%以下の添加が好ましい。これは、試験的にIrを15質量%を超えて含有させた合金をインゴットから線材へ加工したところ、断線が生じやすく、加工が全くできないわけではなかったが生産効率に乏しいという結果が得られたことから確認された事項である。
本発明は、耐消耗性が高く、長期間使用可能なプラグ電極用材料である。また、放電電圧のバラつきが少なく、プラグ使用時の安定性も向上する。
Claims (1)
- プラグ電極用材料において、Cuを5質量%以上〜30質量%以下、Irを0.1質量%以上〜15質量%以下含み、残部Ptからなるプラグ電極用材料。
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