JP4070228B2

JP4070228B2 - スパークプラグの製造方法

Info

Publication number: JP4070228B2
Application number: JP2000065582A
Authority: JP
Inventors: 渉松谷
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2000-03-09
Filing date: 2000-03-09
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2020-03-09
Also published as: JP2001257053A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスパークプラグの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用エンジンなどの内燃機関に使用されるスパークプラグの多くにおいて、中心電極との間で火花放電ギャップを形成する接地電極（当業者の間では外側電極とも称される）は、近年、内燃機関が高出力化するに伴い、折損等の問題も生じやすくなっている。その原因として、機関もしくは燃焼振動による共振と高加速度（Ｇ）とが考えられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、より厳しい環境下における接地電極の耐久性を確保するために、その材質としてインコネル６００（英国インコ社の商標名）等の耐熱合金を使用することも行われているが、高出力エンジンにおける折損防止の観点においては強度的に必ずしも十分でない問題がある。これは、接地電極が、先端側が中心電極側を向くように曲げ加工されていることから、主体金具への取り付け基端側に曲げモーメントが作用しやすく、また、燃焼に伴う衝撃波等を直接受ける位置に取り付けられていることが原因しているためであると考えられる。なお、接地電極の素材断面積を大きくして曲げ剛さを向上させる方法もあるが、種々の制約により限界がある。例えば電極曲げ方向の素材厚さを大きくする場合、主体金具の取付ねじ部外面側への厚さを大きくし過ぎると、スパークプラグをシリンダヘッドに取り付けた際に、プラグホールのねじ山と接地電極の基端部とが干渉して、正常な取付けが不能となる場合がある。他方、主体金具の取付ねじ部内面側への厚さを大きくし過ぎると、電極基端部内面が中心電極に近づき過ぎ、火花の横飛び等が生じ易くなる。また、接地電極の厚さをむやみに大きくし過ぎると、スパークプラグの取付位置によっては、接地電極が吸入混合気の火花放電ギャップへの流入を妨げて、着火性を大幅に低下させる場合がある。
【０００４】
本発明の課題は、接地電極の素材厚さをそれほど大きくしなくとも、折損等に対する強度を十分に確保することができるスパークプラグの製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記の課題を解決するために、本発明のスパークプラグの製造方法は、
中心電極と、その中心電極の外側に設けられた絶縁体と、前記絶縁体の外側に設けられた炭素鋼からなる主体金具と、一端側が前記主体金具に結合され、他端側が前記中心電極の先端と対向するように配置されて前記中心電極との間に火花放電ギャップを形成する接地電極とを備え、前記接地電極の少なくとも表層部が、電極側面においてＲ状の曲げ部の中央にて２０℃で測定したビッカース硬さが２６５以上１３００以下であって、７３０℃にて測定したビッカース硬さが６０以上２００以下の金属にて構成されているスパークプラグの製造方法であって、
前記接地電極の少なくとも表層部を構成する前記金属として、Ｎｉの含有量が９〜８３質量％であり、ＦｅとＮｉとの合計含有量が５０〜８３質量％であり、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ及びＣｏの１種又は２種以上を合計で１６〜４９質量％含有し、かつＡｌ及びＴｉの一方又は双方を１〜１０質量％含有するＮｉ基耐熱合金又はＦｅ基耐熱合金を使用し、
前記主体金具に一端側が結合された、少なくとも表層部が前記Ｎｉ基耐熱合金又は前記Ｆｅ基耐熱合金にて構成された接地電極素材をレーザービームにより局所加熱しながら、その他端側を側方に曲げ加工する加熱曲げ加工工程を含むことを特徴とする。
【０００７】
本発明者らが鋭意検討したところ、接地電極の素材として２０℃にて測定したビッカース硬さが２２０以上の金属を採用することで、取付対象となる内燃機関が高出力化しても電極折損等の問題を極めて効果的に抑制することができ、ひいては接地電極の素材厚さをそれほど大きくしなくとも、折損等に対する強度を十分に確保することができ、電極の長寿命化を図ることが可能となる。
【０００８】
なお、接地電極は、その全体が前記した高硬度金属によって構成されていてもよいし、内部に放熱用の金属材料（ＣｕあるいはＣｕ合金など、高硬度金属よりは硬度が小さい金属を用いる）を配設する場合には、表層部を含む主要部分（体積比率にて５０％以上を占める部分）のみが高硬度金属にて構成されていてもいずれでもよい。
【０００９】
なお、接地電極の少なくとも表層部を構成する高硬度金属の部分は、少なくともスパークプラグが未使用の状態（スパークプラグに対し、その使用に伴う熱履歴が未だ加わっていない状態）において、２０℃にて測定したビッカース硬さが２２０以上確保されていればよい。なお、高硬度金属としては、望ましくは２０℃にて測定したビッカース硬さが２６５以上であるのがよく、また、スパークプラグの昇温する実使用環境を考慮すれば、７３０℃にて測定したビッカース硬さが、６０以上、望ましくは１００以上確保される金属材料を使用するのがよい。他方、室温でのビッカース硬さが１３００を超えると材料の延性が不足し、スパークプラグ取付時等において物が当たるなど、強い衝撃が加わると却って折損等が生じ易くなることもある。従って、材料のビッカース硬さは望ましくは１３００以下、さらに望ましくは１２００以下の材質を選択するのがよい。なお、本明細書においてビッカース硬さは、ＪＩＳ：Ｚ２２４４に規定された微小ビッカース硬さ試験方法において、試験荷重３００ｇｆにて測定したものをいう。
【００１０】
金属素材としては、具体的には、Ｎｉ基耐熱合金あるいはＦｅ基耐熱合金のうち、加工後に上記ビッカース硬さレベルを確保できる組成のものを選択して用いることができる。なお、Ｎｉ基耐熱合金とはＮｉを主成分とする耐熱合金のことであり、Ｆｅ基耐熱合金とはＦｅを主成分とする耐熱合金のことである。さらに、「主成分」とは最も含有率の高い金属元素成分のことをいう。
【００１１】
なお、従来のスパークプラグでは、純Ｎｉや、インコネル６００など室温での強度がそれほど高くない金属素材を使用していたが、このような金属素材は一般には室温での変形能が比較的大きいので、電極の曲げ加工も冷間にて行われていた。しかしながら、本発明のように室温での硬度の高い金属材料は変形能が小さく、冷間加工では加工割れ等が問題になったり、あるいはスプリングバックが大きいためギャップ調整精度が低下したりする場合がある。そこで、本発明のスパークプラグの製造方法においては、接地電極を加熱することにより、このような高硬度の素材を用いつつもスムーズで欠陥等が生じにくく、またスプリングバックによるギャップ調整精度の低下も小さい曲げ加工が可能となった。なお、Ｎｉ基耐熱合金あるいはＦｅ基耐熱合金等を使用する場合には、加工温度の目安はおおむね６００〜９００℃である。また、昇温することにより確実に曲げ加工を可能とするためには、７３０℃にて測定したビッカース硬さが２００以下となる金属を、接地電極素材として使用することが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のいくつかの実施の形態を図面を用いて説明する。
図１に示す本発明の一例たる抵抗体入りスパークプラグ１００は、筒状の主体金具１、先端部が突出するようにその主体金具１内に嵌め込まれた絶縁体２、先端部を突出させた状態で絶縁体２の内側に設けられた中心電極３、及び主体金具１に一端が結合され、他端側が中心電極３の先端と対向するように配置された接地電極４等を備えている。接地電極４と中心電極３の間には火花放電ギャップｇが形成されている。
【００１３】
絶縁体２は、例えばアルミナあるいは窒化アルミニウム等のセラミック焼結体により構成され、その内部には自身の軸方向に沿って中心電極３を嵌め込むための貫通孔６を有している。貫通孔６の一方の端部側に端子金具１３が挿入・固定され、同じく他方の端部側に中心電極３が挿入・固定されている。また、該貫通孔６内において端子金具１３と中心電極３との間に抵抗体１５が配置されている。この抵抗体１５の両端部は、導電性ガラスシール層１６，１７を介して中心電極３と端子金具１３とにそれぞれ電気的に接続されている。
【００１４】
主体金具１は、炭素鋼等の金属により円筒状に形成されており、スパークプラグ１００のハウジングを構成するとともに、その外周面には、プラグ１００を図示しないエンジンブロックに取り付けるためのねじ部７が形成されている。なお、１ｅは、主体金具１を取り付ける際に、スパナやレンチ等の工具を係合させる工具係合部であり、六角状の軸断面形状を有している。他方、主体金具１の後方側開口部内面と、絶縁体２の外面との間には、絶縁体２の長手方向中間位置に形成されたフランジ状の突出部２ｅの後方側周縁と係合するリング状の線パッキン６２が配置され、そのさらに後方側にはタルク等の充填層６１を介してリング状のパッキン６０が配置されている。また、主体金具１の後方側の開口縁はパッキン６０に向けて内側に加締めることにより加締め部１ｄが形成され、主体金具１が絶縁体２に対して固定されている。
【００１５】
また、主体金具１のねじ部７の基端部には、ガスケット３０がはめ込まれている。このガスケット３０は、炭素鋼等の金属板素材を曲げ加工したリング状の部品であり、ねじ部７をシリンダヘッド側のねじ孔にねじ込むことにより、主体金具１側のフランジ状のガスシール部１ｆとねじ孔の開口周縁部との間で、軸線方向に圧縮されてつぶれるように変形し、ねじ孔とねじ部７との間の隙間をシールする役割を果たす。
【００１６】
接地電極４は、高出力化したガソリンエンジンに適用された場合においても、折損等の不具合が回避できるように、少なくとも表層部、本実施の形態ではその全体が、２０℃にて測定したビッカース硬さが２２０以上、望ましくは２６５以上の金属にて構成されている。また、該金属としては、望ましくは７３０℃でのビッカース硬さが６０以上、より望ましくは１００以上の材料が選択される。
【００１７】
具体的には、上記のような金属として、該硬さレベルを有するものとなるように組成調整されたＮｉ基耐熱合金あるいはＦｅ基耐熱合金にて構成される。例えば、析出強化型の材料では、Ｎｉの含有量が９〜８３質量％であり、ＦｅとＮｉとの合計含有量が５０〜８３質量％であり、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ及びＣｏの１種又は２種以上（以下、耐酸化性付与成分という）を合計で１６〜４９質量％含有し、かつＡｌ及びＴｉの一方又は双方（以下、析出形成成分という）を１〜１０質量％含有するＮｉ基耐熱合金又はＦｅ基耐熱合金を使用することができる。この材料は、上記組成範囲のＮｉとＡｌ及び/又はＴｉとを含有することで、適当な熱処理によりＮｉ_３ＡｌあるいはＮｉ_３Ｔｉ等の微細な金属間化合物が、Ｎｉ又はＦｅを主成分とするマトリックス中に分散析出し、高温強度が向上する。
【００１８】
なお、Ｎｉ含有量が９質量％未満では分散強化に寄与できる析出物の形成量が不足し、８３質量％を超えると、耐酸化性付与成分の含有代が不足して高温耐酸化性が不十分となる場合がある。他方、耐酸化性付与成分の含有量が１６質量％未満では高温耐酸化性が不十分となり、４９質量％を超えると強度や加工性の低下につながる場合がある。また、析出形成成分が１質量％未満では、分散強化に寄与できる析出物の形成量が不足し、１０質量％を超えると材料の脆化につながる場合がある。また、ＦｅとＮｉとの合計含有量が５０質量％未満では必要な強度の確保が困難となり、８３質量％を超えると耐酸化性付与成分の含有代が不足して高温耐酸化性が不十分となる場合がある。
【００１９】
上記組成を有するＮｉ基耐熱合金のうち、本発明に特に適したものとして以下のようなものがある（ただし、これらに限定されるものではない）：
・インコネル６０１（英国インコ社商標名、標準組成：Ｎｉ−２３質量％Ｃｒ−１．４質量％Ａｌ−１４．１質量％Ｆｅ−０．５質量％Ｍｎ−０．２質量％Ｓｉ−０．０５質量％Ｃ）；
・インコネルＸ７５１（英国インコ社商標名、標準組成：Ｎｉ−１５．５質量％Ｃｒ−１．０質量％Ｎｂ−０．７質量％Ａｌ−２．５質量％Ｔｉ−７質量％Ｆｅ−０．５質量％Ｍｎ−０．２質量％Ｓｉ−０．０５質量％Ｃ）。
【００２０】
また、マトリックス固溶強化型のＮｉ基耐熱合金として、Ｎｉを４５〜７０質量％含有し、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ及びＣｏ（耐酸化付与成分）の１種又は２種以上を合計で２８〜４５質量％含有し、かつＦｅを１〜２０質量％含有するものを使用することもできる。Ｎｉ含有量が４５質量％未満では高温強度を十分に確保できなくなる場合があり、７０質量％以上では固溶成分でもある耐酸化性付与成分の含有代が不足して、高温強度あるいは高温耐酸化性が不十分となる場合がある。他方、耐酸化性付与成分の含有量が２８質量％未満では高温強度あるいは高温耐酸化性が不十分となる場合があり、４５質量％を超えると強度や加工性の低下につながる場合がある。
【００２１】
上記組成を有するＮｉ基耐熱合金のうち、本発明に特に適したものとして以下のようなものがある（ただし、これらに限定されるものではない）：
・ハステロイＣ２２（米国ハイネス・ステライト社商標名、標準組成：Ｎｉ−２１．５質量％Ｃｒ−２．５質量％Ｃｏ−１３．５質量％Ｍｏ−４質量％−５．５質量％Ｆｅ−１．０質量％Ｍｎ−０．１質量％Ｓｉ−０．０１質量％Ｃ）；
・ハステロイＣ２７６（米国ハイネス・ステライト社商標名、標準組成：Ｎｉ−１５．５質量％Ｃｒ−２．５質量％Ｃｏ−１６質量％Ｍｏ−３．７質量％−５．５質量％Ｆｅ−１．０質量％Ｍｎ−０．１質量％Ｓｉ−０．０１質量％Ｃ）。
【００２２】
なお、接地電極４の曲げ方向の厚さは、以下のように設定するのがよい。
取付ねじ部の呼びがＭ１０である場合：０．８〜１．３ｍｍ；
取付ねじ部の呼びがＭ１２である場合：０．８〜１．５ｍｍ；
取付ねじ部の呼びがＭ１４である場合：１．８〜１．７ｍｍ。なお、本明細書において取付ねじ部の呼びは、ＩＳＯ２７０５（Ｍ１０）、ＩＳＯ２７０４（Ｍ１２）及びＩＳＯ１９１９（Ｍ１４）に規定された値を意味し、当然に、該規格に定められた寸法公差の範囲内での変動を許容する。
【００２３】
上記スパークプラグ１００は以下のようにして製造することができる。まず、接地電極となるべき線状の金属素材（例えば伸線加工や圧延加工により製造されたもの）の一端側を抵抗溶接等の溶接により主体金具に溶接し、次いで必要な電極長さに切断する。これを、既に中心電極３等を組み付けた絶縁体の外側に配置して加締め止めし、図１にスパークプラグ１００において、接地電極４の曲げ加工のみを行っていない状態の組立体１００’（図２）を作る。そして、曲げ前の接地電極４（接地電極素材）は、以下の工程で先端側が中心電極３の先端面に向けて曲げ加工され、火花ギャップｇが形成されてスパークプラグ１００となる。この加工は、例えば予備曲げと本曲げとの２段階の工程で行うことができる。
【００２４】
図２（ａ）に示すように、予備曲げ工程は、組立体１００’の中心電極３の先端面と対向するように予備曲げスペーサ４２を配置し、その予備曲げスペーサ４２に対し接地電極４の先端側を、曲げパンチ４３を用いて中心電極３とは反対側から押しつけることにより行うものである。ここで、曲げ加工される接地電極素材は前述の通り、２０℃（常温）でのビッカース硬さが２２０以上の比較的硬質のものを使用するので、常温では変形抵抗が幾分高すぎ、曲げ加工時に割れ等が生じて歩留まりが低下する場合がある。
【００２５】
そこで、素材を例えば７００℃以上に加熱して変形抵抗を低減して加工を行うことが有効である。加熱方法としては、図２（ｂ）に示すように、レーザービームＬＢにより接地電極４のみを局所加熱する方法が採用できる。レーザービームＬＢはレンズにより細く絞ることが可能であるから、塑性変形が特に大きく生ずるＲ状の曲げ部のみを選択的に加熱することができる。なお、この実施例では、予備曲げスペーサ４２あるいは予備曲げパンチ４３によりレーザー光が遮られないように、接地電極４に対し側方からレーザービームＬＢを照射するようにしている。
【００２６】
次いで本曲げ工程においては、まず、図２（ｃ）に示すように、中心電極３の先端面と、予備曲げ終了後の接地電極４の先端部との間に、火花ギャップ量を規定するナイフ状のスペーサ９５を挟み込む。そして、同図（ｄ）に示すように、その状態で接地電極４に対して、スペーサ９５と反対側から接近・離間可能に設けられた本曲げパンチ９０により、先端が斜め上方を向く形で予備曲げされた接地電極４を、先端部が中心電極３の先端面とほぼ平行となるように本曲げ加工を施す。このときも接地電極４に対しては、レーザービームＬＢによる局所加熱を行うことができる。
【００２７】
なお、接地電極の加熱方法としてはレーザービーム照射による方法に限らず、例えば通電抵抗発熱を利用した直接加熱を行うこともできる。図３にそのいくつかの例を示している。図３（ａ）及び（ｂ）は予備曲げ時の加熱方法を示すものであり、（ａ）では予備曲げパンチ４３及び予備曲げスペーサ４２を通電電極に流用し、加熱電源５０により直流通電加熱（交流通電加熱でもよい）する方法である。他方、（ｂ）では、予備曲げパンチ４３及び予備曲げスペーサ４２とは別体の通電電極９１，９１を電極基端部及び先端部にそれぞれ当接させ、加熱電源５０により通電加熱する方法である。なお、予備曲げパンチ４３と主体金具１との間で通電するようにしてもよい。また、図３（ｃ）は、本曲げパンチ９０及び主体金具１を介して接地電極４を通電加熱しながら本曲げ工程を行う様子を示している。
【００２８】
なお、図４に示すように、接地電極４に予め曲げ加工を施した後、主体金具１に絶縁体２を組み付けるようにしてもよい。
【００２９】
【実験例】
本発明の効果を確認するために、以下の実験を行った。図１に示すスパークプラグとして、取付ねじ部７の呼びがＭ１４、接地電極４の基端部と中心電極３との軸線間距離ｌ_１が５．１ｍｍ、中心電極３の主体金具１からの出寸法ｌ_２が３ｍｍ、火花放電ギャップｇの間隔が１．１ｍｍ、接地電極４の断面形状及び寸法が、図５（ａ）に示す矩形のもの（曲げ方向厚さｈ×幅ｗが１．３ｍｍ×２．７ｍｍ、１．２ｍｍ×２．２ｍｍ及び１．５ｍｍ×２．８ｍｍのもの）及び同図（ｂ）に示す円形のもの（φ１．１ｍｍ）を各種作成した。接地電極４の材質として用いたのは、インコネル６０１、インコネルＸ７５０、インコネル６００（英国インコ社商標名、標準組成：Ｎｉ−１５．５質量％Ｃｒ−８質量％Ｆｅ−０．５質量％Ｍｎ−０．２質量％Ｓｉ−０．０８質量％Ｃ：比較例）、Ｎｉ−５質量％Ｗ合金（比較例）であり、いずれも冷間伸線後焼きなました線材を素材として用いた（ただし、インコネル６０１、インコネルＸ７５０については必要な時効硬化処理を行なっている）。なお、別途線径４ｍｍの素材も同様の方法により製造し、これを用いて作成した試験片により引張試験を行い、引張強さの測定を別途行った。
【００３０】
上記の素材を用いた接地電極の曲げ加工は、図２に示す予備曲げ＋本曲げの各工程を、レーザービーム（ＣＷ−ＹＡＧレーザー、ビーム径１．０ｍｍ、エネルギー１０Ｊ）を用いて、電極を７３０℃に加熱して行った。なお、曲げ加工後の電極のビッカース硬さを、図１に示すように、電極側面においてＲ状の曲げ部の略中央ＭＰにて、２０℃及び７３０℃の２つの条件にて測定した。
【００３１】
そして、上記の各スパークプラグを１８００ｃｃの４サイクルＤＯＨＣガソリンエンジンに取り付け、スロットル全開状態にてエンジン回転数が６０００ｒｐｍとなるように負荷調整した状態で連続運転し、接地電極に折損が生じて点火不能となるまでの耐久時間を測定した。以上の結果を図５に示す。
【００３２】
この結果によれば、２０℃にて測定したビッカース硬さが２２０以上の金属にて接地電極を構成したものは優れた耐久性を示し、特に室温でのビッカース硬さが２６５以上、７３０℃でのビッカース硬さが１００以上のインコネルＸ７５０では、電極断面寸法を相当縮小しても耐久性を十分維持できることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスパークプラグの一例を示す縦断面図。
【図２】接地電極の曲げ工程の一例を示す工程説明図。
【図３】同じく曲げ工程の変形例を示す工程説明図。
【図４】接地電極の曲げ後に主体金具と絶縁体との組み付けを行う方法を示す説明図。
【図５】実験結果を示す説明図。
【符号の説明】
１主体金具
２絶縁体
３中心電極
４接地電極
ｇ火花放電ギャップ

Claims

中心電極と、その中心電極の外側に設けられた絶縁体と、前記絶縁体の外側に設けられた炭素鋼からなる主体金具と、一端側が前記主体金具に結合され、他端側が前記中心電極の先端と対向するように配置されて前記中心電極との間に火花放電ギャップを形成する接地電極とを備え、前記接地電極の少なくとも表層部が、電極側面においてＲ状の曲げ部の中央にて２０℃で測定したビッカース硬さが２６５以上１３００以下であって、７３０℃にて測定したビッカース硬さが６０以上２００以下の金属にて構成されているスパークプラグの製造方法であって、
前記接地電極の少なくとも表層部を構成する前記金属として、Ｎｉの含有量が９〜８３質量％であり、ＦｅとＮｉとの合計含有量が５０〜８３質量％であり、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ及びＣｏの１種又は２種以上を合計で１６〜４９質量％含有し、かつＡｌ及びＴｉの一方又は双方を１〜１０質量％含有するＮｉ基耐熱合金又はＦｅ基耐熱合金を使用し、
前記主体金具に一端側が結合された、少なくとも表層部が前記Ｎｉ基耐熱合金又は前記Ｆｅ基耐熱合金にて構成された接地電極素材をレーザービームにより局所加熱しながら、その他端側を側方に曲げ加工する加熱曲げ加工工程を含むことを特徴とするスパークプラグの製造方法。
前記接地電極の少なくとも表層部を構成する前記金属として、Ｎｉを４５〜７０質量％含有し、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ及びＣｏの１種又は２種以上を合計で２８〜４５質量％含有し、かつＦｅを１〜２０質量％含有するＮｉ基耐熱合金が使用される請求項１記載のスパークプラグの製造方法。
前記加熱曲げ加工工程において前記接地電極素材を７００℃以上に加熱する請求項２記載のスパークプラグの製造方法。
前記接地電極素材は、少なくとも表層部が、前記加熱された状態にて測定したビッカース硬さが２００以下であり、かつ曲げ加工後において２０℃にて測定したビッカース硬さが２２０以上となる金属にて構成されたものを使用する請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のスパークプラグの製造方法。