JP2020057559A - スパークプラグ - Google Patents
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Abstract
【課題】機械的強度を向上できる絶縁体を有するスパークプラグを提供すること。【解決手段】スパークプラグは内燃機関に装着され、混合気に点火する装置である。スパークプラグは、アルミナ基焼結体からなる絶縁体を備えている。絶縁体は、混合気や燃焼ガスに曝される部材である。絶縁体は、酸化物換算で、Ａｌ成分を９０ｗｔ％以上含有する。絶縁体は、結晶粒の平均粒径が１．５μｍ以下、且つ、結晶粒の粒子径分布の標準偏差が１．２μｍ以下である。【選択図】図１
Description
本発明はスパークプラグに関し、特に機械的強度を向上できるスパークプラグに関するものである。
内燃機関に使用されるスパークプラグは、例えば、アルミナを主成分とするアルミナ基焼結体からなる絶縁体を備えている（例えば特許文献１及び２）。特許文献１及び２に開示される技術では、ＣａＯやＢａＯ等の助剤とアルミナとの比率を設定することにより、主に耐電圧性能の改善を図っている。
ところが、上記技術に対して、絶縁体の機械的強度の向上が求められている。
本発明はこの要求に応えるためになされたものであり、機械的強度を向上できる絶縁体を有するスパークプラグを提供することを目的としている。
この目的を達成するために本発明のスパークプラグは、アルミナ基焼結体からなる絶縁体を備え、絶縁体は、酸化物換算で、Ａｌ成分を９０ｗｔ％以上含有し、結晶粒の平均粒径が１．５μｍ以下、且つ、結晶粒の粒子径分布の標準偏差が１．２μｍ以下である。
請求項１記載のスパークプラグによれば、絶縁体は、結晶粒の平均粒径が１．５μｍ以下、且つ、粒子径分布の標準偏差が１．２μｍ以下なので、絶縁体に荷重が加わったときの応力を分散できる。特定の結晶粒に応力が集中して生じるクラックを抑制できるので、絶縁体の機械的強度を向上できる。
請求項２記載のスパークプラグによれば、絶縁体は結晶粒の粒子径分布の標準偏差が１．０μｍ以下なので、特定の結晶粒に応力が集中して生じるクラックをさらに抑制できる。よって、絶縁体の機械的強度をより向上できる。
請求項３記載のスパークプラグによれば、絶縁体は結晶粒の平均粒径が１．０μｍ以下なので、特定の結晶粒に応力が集中して生じるクラックをさらに抑制できる。よって、絶縁体の機械的強度をより向上できる。
以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施におけるスパークプラグ１０の軸線Ｏを境にした片側断面図である。図１では、紙面下側をスパークプラグ１０の先端側、紙面上側をスパークプラグ１０の後端側という。図１に示すようにスパークプラグ１０は、絶縁体１１、中心電極１５及び主体金具１７を備えている。
絶縁体１１は、機械的特性や高温下の絶縁性に優れるアルミナ基焼結体からなる略円筒状の部材である。絶縁体１１は、軸線Ｏに沿って貫通する軸孔１２が形成されている。絶縁体１１は、先端側を向く傾斜面である第１係止部１３、及び、後端側を向く傾斜面である第２係止部１４が、外周面に形成されている。
中心電極１５は、軸孔１２に挿入されると共に絶縁体１１の先端側に保持される金属製（例えばニッケル基合金製）の棒状の電極である。端子金具１６は、高圧ケーブル（図示せず）が接続される棒状の部材であり、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成されている。端子金具１６は絶縁体１１に取り付けられ、端子金具１６の先端側は軸孔１２内に配置される。端子金具１６は中心電極１５と軸孔１２内で電気的に接続される。
主体金具１７は、内燃機関のねじ穴（図示せず）に固定される略円筒状の部材であり、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成されている。主体金具１７は、絶縁体１１の第１係止部１３及び第２係止部１４を軸線Ｏ方向の両側から挟み、絶縁体１１を外周側から保持する。接地電極１８は主体金具１７に接合される金属製（例えばニッケル基合金製）の棒状の部材である。接地電極１８は、中心電極１５と火花ギャップを介して対向する。
絶縁体１１はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主体とし、アルミナ以外に、Ｓｉ，Ｍｇ，Ｂａ，Ｃａ及び希土類元素などの酸化物のうちの１種ないしは複数種からなる助剤を含有する。絶縁体１１を構成するアルミナ基焼結体は、Ａｌ２Ｏ３に換算して、Ａｌ成分を９０ｗｔ％以上含有する。アルミナ基焼結体が含有するＡｌ成分は、好ましくは９８ｗｔ％以下である。アルミナ基焼結体がＡｌ成分を９０ｗｔ％以上含有することにより、焼結性を確保すると共に良好な耐電圧性能を得ることができる。Ａｌ成分はＡｌ２Ｏ３，ＢａＡｌ１２Ｏ１９，ＢａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８等の結晶相を形成して結晶粒や結晶粒界にも存在する。
助剤は、酸化物、イオン等としてアルミナ基焼結体の結晶粒や結晶粒界に存在する。助剤は、通常、焼結時には溶融して液相を形成し、焼結体の緻密化を促進する機能を果たす。助剤の中には、アルミナの異常粒成長を抑制し、絶縁体の機械的強度を確保する機能を果たすものもある。
アルミナ基焼結体は、この発明の目的を損なわない範囲で、不可避不純物などの他の元素を含有しても良い。他の元素としては、Ｎａ，Ｓ，Ｎ，Ｂ，Ｔｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｋ，Ｆｅ等が挙げられる。
次に、絶縁体１１及びスパークプラグ１０の製造方法について具体的に説明する。絶縁体１１の原料粉末として、主成分としてのＡｌ化合物粉末および助剤粉末と、バインダーと、溶媒とを混合して、スラリーを調製する。必要に応じて、可塑剤、消泡剤、分散剤等の添加物を添加してもよい。各原料粉末の混合は、原料粉末の混合状態を均一にし、かつ得られる焼結体を高度に緻密化することができるように、８時間以上にわたって行われるのが好ましい。
Ａｌ化合物粉末は、焼成によりアルミナに転化する化合物であれば特に制限はなく、通常、アルミナ粉末が用いられる。Ａｌ化合物粉末は、現実的に不可避不純物としてＮａ成分を含有していることがあるので、高純度のものを用いるのが好ましく、例えば、Ａｌ化合物粉末における純度は９９．５％以上であるのが好ましい。
Ａｌ化合物粉末は、焼成後のアルミナ基焼結体の質量（酸化物換算）を１００質量％としたときに、酸化物換算で９０質量％以上９８質量％以下となるように調製されることが、良好な機械的強度を得る上で好ましい。
助剤粉末は、例えば、各元素の酸化物、その複合酸化物、水酸化物、炭酸塩、塩化物、硫酸塩、硝酸塩等の各種無機系粉末、又は天然鉱物の粉末等を挙げることができる。なお、助剤粉末等として酸化物以外の粉末を使用する場合には、その使用量は酸化物に換算したときの質量％で把握する。助剤粉末等の純度および粒子径分布はＡｌ化合物粉末の場合と基本的に同様である。
Ａｌ化合物粉末および助剤粉末は、緻密なアルミナ基焼結体を得るため、粒子径の累積分布５０ｖｏｌ％のときの粒子径（メジアン径、以下「Ｄ５０」と称す）が０．４〜１．５μｍであり、累積分布（フルイ下）９０ｖｏｌ％のときの粒子径（以下「Ｄ９０」と称す）が１．０〜３．５μｍの粉末を使用するのがよい。この粒子径は、レーザー回折／散乱式粒子径分布測定装置（堀場製作所製ＬＡ９５０）により測定した値である。
バインダーは、原料粉末の成形性を良好にすることができればよく、そのようなバインダーとして親水性結合剤を挙げることができる。親水性結合剤としては、例えば、ポリビニルアルコール、水溶性アクリル樹脂、アラビアゴム、デキストリン等を挙げることができる。これらのバインダーは、１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
バインダーは、原料粉末１００質量部に対して、０．１〜７質量部の割合で配合されるのが好ましく、１〜５質量部の割合で配合されるのが特に好ましい。
溶媒は、原料粉末を分散させることができればよく、そのような溶媒として水、アルコール等を挙げることができる。これらの溶媒は１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。溶媒は、原料粉末１００質量部に対して、４０〜１２０質量部であるのが好ましく、５０〜１００質量部であるのが特に好ましい。
原料粉末、バインダー、溶媒等を混合して得られたスラリーは、スプレードライ法等により噴霧乾燥されて球状の造粒物に調製される。この造粒物の平均粒径は、３０〜２００μｍが好ましく、５０〜１５０μｍが特に好ましい。この平均粒径は、レーザー回折／散乱式粒子径分布測定装置（堀場製作所製ＬＡ９５０）により測定した値である。
次に、この造粒物を例えばラバープレス又は金型プレス等でプレス成形して成形体を得る。得られた成形体は、その外面がレジノイド砥石等で研削されることにより形状が整えられる。なお、成形体の成形方法はプレス成形に限られるものではなく、射出成形等の他の成形方法を採用することは当然可能である。
所望の形状に整形された成形体を、大気雰囲気下、１４５０以上の最高温度まで４時間以内に昇温し、最高温度で１〜１．５時間焼成した後、冷却することにより、アルミナ基焼結体が得られる。アルミナの異常粒成長を抑制して、得られるアルミナ基焼結体（絶縁体１１）の機械的強度を確保する。
一方、Ｎｉ基合金等の電極材料を所定の形状および寸法に加工して中心電極１３及び接地電極１６を作製する。所定の形状および寸法に塑性加工等によって形成した主体金具１５に接地電極１６を抵抗溶接等によって接合する。絶縁体１１に中心電極１３及び端子金具１４を公知の方法により組み付け、接地電極１６が接合された主体金具１５に絶縁体１１を組み付ける。接地電極１６の先端部を中心電極１３側に折り曲げて、接地電極１６の先端が中心電極１３の先端と対向するようにして、スパークプラグ１０が製造される。
絶縁体１１は、結晶粒の平均粒径が１．５μｍ以下、且つ、粒子径分布の標準偏差が１．２μｍ以下に調製される。結晶粒の粒子径はインターセプト法により求める。詳細は後述する。
絶縁体１１の結晶粒の平均粒径および粒子径分布の標準偏差は、Ａｌ化合物粉末および助剤粉末の粒子径分布、助剤粉末の配合量などにより制御できる。粉末が細かかったり助剤粉末の配合量が多かったりすると、アルミナ基焼結体に粒成長が生じ易くなる。結晶粒の平均粒径を１．５μｍ以下、且つ、粒子径分布の標準偏差を１．２μｍ以下にすることにより、絶縁体１１に荷重が加わったときの応力を分散できる。特定の結晶粒に応力が集中して生じるクラックを抑制できるので、絶縁体１１の機械的強度を向上できる。
なお、絶縁体１１の結晶粒の粒子径分布の標準偏差が１．０μｍ以下であると、応力分散の効果を高め、絶縁体１１の強度をより向上できるので好ましい。また、絶縁体１１の結晶粒の平均粒径が１．０μｍ以下であると、同様に、応力分散の効果を高め、絶縁体１１の強度をより向上できるので好ましい。絶縁体１１の結晶粒の粒子径分布の標準偏差の下限を０．２μｍにすると、標準偏差を小さくするための工程管理を簡易にできると共に、粒子径の比較的大きな結晶粒がクラックの伸展を止める機能を果たし、靭性を確保できるので、機械的強度をより向上できる。
絶縁体１１の粒子径は、絶縁体１１のうち第１係止部１３よりも先端側の部分の研磨断面から算出する。第１係止部１３よりも先端側の部分は、スパークプラグ１０が内燃機関（図示せず）に装着されたときに、燃焼ガスに曝される。第１係止部１３よりも先端側の部分は、燃焼ガスの圧力によって曲げ荷重が加わり易く折損などのおそれがあるので、この部分の機械的強度を向上させることにより、絶縁体１１の折損などの不具合の発生を抑制できる。
本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
（アルミナ基焼結体の製造）
原料粉末として、種々の粒子径分布のアルミナ粉末および助剤粉末（ＳｉＯ２粉末、及び、Ｂａ，Ｃａ，Ｍｇの炭酸塩粉末など）を準備した。これらの粉末を種々の割合で混合した原料粉末と、バインダーとしてのポリビニルアルコールと、溶媒としての水とを混合して種々のスラリーを調製した。
原料粉末として、種々の粒子径分布のアルミナ粉末および助剤粉末（ＳｉＯ２粉末、及び、Ｂａ，Ｃａ，Ｍｇの炭酸塩粉末など）を準備した。これらの粉末を種々の割合で混合した原料粉末と、バインダーとしてのポリビニルアルコールと、溶媒としての水とを混合して種々のスラリーを調製した。
得られたスラリーをスプレードライ法等により噴霧乾燥し、平均粒径が約１００μｍの球状の造粒物に調製した。得られた造粒物を金型プレスにより成型することで、断面が長方形の角柱形状の種々の成形体を得た。この成形体を大気雰囲気下において、温度１４５０℃〜１６５０℃の範囲内の焼成時間を１〜８時間に設定して焼結体を得た。得られた焼結体を平面研削盤等で加工し、ＪＩＳ Ｒ１６０１：２００８に規定される厚み３ｍｍ、幅４ｍｍの試験片とした。以下、サンプル（焼結体）の評価方法について説明する。
（焼結体の組成）
サンプル１〜２３における焼結体の組成、即ち各成分の含有率を、蛍光Ｘ線分析または化学分析により検出した。検出された各成分の酸化物換算の質量の合計を１００ｗｔ％としたときの質量割合（％）として、Ａｌ２Ｏ３以外の助剤およびＡｌ２Ｏ３の含有率を算出した。
サンプル１〜２３における焼結体の組成、即ち各成分の含有率を、蛍光Ｘ線分析または化学分析により検出した。検出された各成分の酸化物換算の質量の合計を１００ｗｔ％としたときの質量割合（％）として、Ａｌ２Ｏ３以外の助剤およびＡｌ２Ｏ３の含有率を算出した。
（原料粉末の粒度分布）
レーザー回折／散乱式粒子径分布測定装置（堀場製作所製ＬＡ９５０）を用いて、原料粉末（Ａｌ化合物粉末および助剤粉末）の累積分布５０ｖｏｌ％のときの粒子径（Ｄ５０）及び累積分布（フルイ下）９０ｖｏｌ％のときの粒子径（Ｄ９０）を測定した。
レーザー回折／散乱式粒子径分布測定装置（堀場製作所製ＬＡ９５０）を用いて、原料粉末（Ａｌ化合物粉末および助剤粉末）の累積分布５０ｖｏｌ％のときの粒子径（Ｄ５０）及び累積分布（フルイ下）９０ｖｏｌ％のときの粒子径（Ｄ９０）を測定した。
（結晶粒の平均粒径および標準偏差）
得られた焼結体について、断面を鏡面研磨した後、熱エッチング処理を行った。熱エッチング処理の代わりに化学エッチング処理を行っても良い。ＳＥＭを用いて、エッチング処理を行った断面を観察した。ＳＥＭの加速電圧は１５ｋＶ、作動距離は１０〜１２ｍｍとした。１視野の大きさを２０μｍ×１５μｍとする矩形領域のＳＥＭ画像を、無作為に１０視野撮影した。
得られた焼結体について、断面を鏡面研磨した後、熱エッチング処理を行った。熱エッチング処理の代わりに化学エッチング処理を行っても良い。ＳＥＭを用いて、エッチング処理を行った断面を観察した。ＳＥＭの加速電圧は１５ｋＶ、作動距離は１０〜１２ｍｍとした。１視野の大きさを２０μｍ×１５μｍとする矩形領域のＳＥＭ画像を、無作為に１０視野撮影した。
得られたＳＥＭ画像を画像解析ソフト（Soft Imaging System GmbH社製Analysis Five）によって２値化した。２値化の閾値は以下のように設定した。まず、ＳＥＭ画像のうちの二次電子像および反射電子像を確認し、反射電子像における濃色の境界（結晶粒界に相当する）にラインを引き、結晶粒界の位置を明確にした。次に、結晶粒界のエッジを保ちながら反射電子像の画像を滑らかにした。次いで、反射電子像の画像から、横軸に明るさ、縦軸に頻度をとったグラフを作成した。多峰性（山が２つ）のグラフが得られるので、２つの山の中間点の明るさを２値化の閾値とした。
次いで、インターセプト法によって平均粒径を求めた。まず、ＳＥＭ画像の矩形領域の２つの対角線の少なくとも一方と交差する結晶粒を選択し、選択された個々の結晶粒について、その最大径を求めてこれを長径Ｄ１とした。最大径は、その結晶粒の外径をあらゆる方向から測定したときの最大値である。そして、長径Ｄ１の中点を通り長径Ｄ１と直交する直線上における結晶粒の外径を短径Ｄ２とした。長径Ｄ１と短径Ｄ２の平均値を、その結晶粒のみなし粒径とした。対角線の少なくとも一方と交差するｎ個の結晶粒のみなし粒径の平均値を、その視野における平均粒径とした。また、ｎ個の結晶粒のみなし粒径の分布の標準偏差を、その視野における標準偏差とした。平均粒径および標準偏差はＳＥＭ画像の視野ごとに多少の差が発生するので、平均粒径および標準偏差は１０視野の平均をとった。
（曲げ強さ）
ＪＩＳ Ｒ１６０１：２００８に基づいて、室温（５〜３５℃）における焼結体の３点曲げ強さを測定した。
ＪＩＳ Ｒ１６０１：２００８に基づいて、室温（５〜３５℃）における焼結体の３点曲げ強さを測定した。
表１はサンプル１〜２３における焼結体の組成、原料粉末のＤ５０及びＤ９０、焼結体の結晶粒の平均粒径および結晶粒の粒子径分布の標準偏差、曲げ強さの測定結果である。この実施例では、原料粉末の粒度分布（Ｄ５０及びＤ９０）を適宜設定することにより、結晶粒の平均粒径および標準偏差が異なる種々のサンプル（焼結体）を得た。曲げ強さのサンプル数（Ｎ）は１０であった。なお、サンプル１〜２３における焼結体の相対密度は９４〜９９％であった。
結晶粒の平均粒径が１．５μｍ以下、且つ、結晶粒の粒子径分布の標準偏差が１．０μｍ以下のサンプル１−１７は曲げ強さが５８０ＭＰａ以上であり、結晶粒の平均粒径が１．５μｍ以下、且つ、結晶粒の粒子径分布の標準偏差が１．０μｍよりも大きく１．２μｍ以下のサンプル１８，１９に比べて曲げ強さが大きいことが明らかになった。
結晶粒の平均粒径が１．０μｍ以下、且つ、結晶粒の粒子径分布の標準偏差が１．０μｍ以下のサンプル１−１４は曲げ強さが６００ＭＰａ以上であり、結晶粒の平均粒径が１．０μｍよりも大きく１．５μｍ以下、且つ、結晶粒の粒子径分布の標準偏差が１．０μｍ以下のサンプル１５−１７に比べて曲げ強さが大きいことが明らかになった。
サンプル１−１９は、焼結体に荷重が加わったときの応力を分散することができ、特定の結晶粒に応力が集中して生じるクラックを抑制できたので、サンプル２０−２３に比べて機械的強度が向上したと推察される。サンプル１−１７は、サンプル１８，１９に比べて結晶粒の粒子径分布の標準偏差が小さいので、応力集中の抑制効果をより向上できたと推察される。サンプル１−１４は、サンプル１５−１７に比べて結晶粒の平均粒径が小さいので、応力集中の抑制効果をさらに向上できたと推察される。
以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。
上記実施の形態では、主体金具１７に接合された接地電極１８と中心電極１５との間に火花放電を生じさせるスパークプラグ１０の場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。実施の形態で説明したアルミナ基焼結体を、他のスパークプラグの絶縁体に適用することは当然可能である。他のスパークプラグとしては、例えば、中心電極１５を内包する絶縁体の周囲にバリア放電を生じさせるスパークプラグ、絶縁体を貫通する中心電極の先端にコロナ放電を生じさせるスパークプラグ等が挙げられる。
１０ スパークプラグ
１１ 絶縁体
１１ 絶縁体
Claims (3)
- アルミナ基焼結体からなる絶縁体を備え、
前記絶縁体は、酸化物換算で、Ａｌ成分を９０ｗｔ％以上含有するスパークプラグであって、
前記絶縁体は、結晶粒の平均粒径が１．５μｍ以下、且つ、前記結晶粒の粒子径分布の標準偏差が１．２μｍ以下であるスパークプラグ。 - 前記絶縁体は、前記標準偏差が１．０μｍ以下である請求項１記載のスパークプラグ。
- 前記絶縁体は、前記平均粒径が１．０μｍ以下である請求項１又は２に記載のスパークプラグ。
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