JP4699867B2 - 点火プラグ用電極材料 - Google Patents
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従来から本用途の点火プラグ用電極材料には耐酸化性、耐火花損耗性、高温強度等が要求されるため種々のNi基合金が広く使用されている。また、最近では、Ni基合金単体の電極を用いた点火プラグ以外に、さらに高温に耐えられるように、Ni基合金からなる電極の放電部分に貴金属を接合し、寿命を改善した点火プラグや、Ni基合金からなる電極母材内に芯材として熱伝導の良好なAgやCuを設けたものも多く使用されてきている。
具体的には、低CrのNi基合金において、耐酸化性を補うためにSi、Mn、Al等の元素を1種または2種以上、あるいはYや希土類元素の添加を行う提案が、特開昭63−18033号(特許文献1参照)、特開平2−34734号(特許文献2参照)、特開平2−34735号(特許文献3参照)、特開平4−45239号(特許文献4参照)、特開平9−235637号(特許文献5参照)に提案されている。
耐酸化性を補うための合金元素量が多くなると、熱伝導率が低いことによって電極温度が下がりにくくなり、結果的に高温にさらされることになって酸化しやすくなったり、融点低下による溶損が影響する火花損耗を起こし易くなるおそれがあった。
また、最近の内燃機関の高性能化及び燃焼効率向上、燃焼機構の変換等による高負荷化により、点火プラグ用合金に対する環境は更に苛酷になってきており、上述した合金では必ずしも満足できる特性が得られなくなってきている。
本発明の目的は、上記事情に鑑みて内燃機関の高負荷化、高性能化に対応して、耐酸化性、耐火花損耗性に優れ、さらに製造性も優れた特性を有する点火プラグ用電極材料を提供することである。
また、上記の点火プラグ用電極材料の好ましい組成は、質量%で、C:0.05%以下(0を含む)、Si:0.5〜1.5%、Mn:0.2%以下(0を含む)、Cr:0.3%以下(0を含む)、Al:0.3%以下(0を含む)、Y及び希土類元素のうち1種または2種以上を合計で0.01〜0.2%、残部をNi及び不可避不純物とするものである。
上記の点火プラグ用電極材料のさらに好ましい組成は、質量%で、C:0.05%以下(0を含む)、Si:0.5〜1.5%、Mn:0.1%未満(0を含む)、Cr:0.3%以下(0を含む)、Al:0.1%以下(0を含む)、Y及び希土類元素のうち1種または2種以上を合計で0.01〜0.2%、残部をNi及び不可避不純物とするものである。
また、本発明では上記の化学組成に加えて、B、Ti、Nb、Zrのうちの少なくとも1種を、Bについては0.015%以下、Tiについては0.50%以下、Nbについては1.0%以下、Zrについては0.20%以下で更に添加することができる。
なお、本願において、「Y及び希土類元素のうち1種または2種以上」とは、Yと希土類元素とをあわせた元素群の中から選ばれる少なくとも一種以上という意である。
本発明者の検討によれば、熱伝導率を高くすることにより、点火プラグとしての使用時に材料温度を低くでき、結果として耐酸化性を向上できる。また、融点低下を防止することにより、点火プラグとしての使用時に火花損耗を起こし難くすることができる。
Cは、加工性を良好にするには低い方が良く、0.1%を超えると焼鈍後の硬さが上昇し、冷間加工性が低下するため0.1%以下に限定する。Cの望ましい範囲は0.05%以下であり、0%(無添加レベル以下)であっても差し支えない。
Siは、耐酸化性向上に非常に有効な元素である一方、熱伝導率、融点を低下させる元素であるため、良好な耐酸化性を得るために、熱伝導率、融点を大きく低下させない範囲で積極的に添加する。0.3%より少ないと耐酸化性の向上効果が少なく、一方、3.0%を超えて添加すると融点、熱伝導率の低下が大きくなることから、Siは0.3〜3.0%とした。さらに好ましくはSiは0.5〜1.5%がよい。
Mnも、耐酸化性を向上させる元素である一方、熱伝導率、融点を低下させる元素である。本発明のように、Siをある程度含有する場合には、高い熱伝導率と融点を確保するためにMnは低く抑える必要がある。0.5%以上添加すると融点の低下が大きくなることから、Mnは0.5%未満とした。好ましくはMnは0.2%以下であり、さらに好ましい範囲は0.1%未満であり、0%(無添加レベル以下)であっても差し支えない。
なお、本発明においては、Crを0.5%未満に抑えることによる耐酸化性の不足分を、Siの少量添加とYと希土類元素の1種または2種以上を添加することで補うものである。Crの望ましい範囲は0.3%以下であり、0%(無添加レベル以下)であっても差し支えない。
Alは、耐酸化性を高める元素である一方、熱伝導率を大きく低下させる元素である。本発明のように、Siをある程度含有する場合には、Alは低く抑える必要がある。Alは0.5%より多く添加すると熱伝導率が大きく低下することから、ここではAlは0.3%以下とした。好ましくは、0.1%以下がよく、0%(無添加レベル以下)であっても差し支えない。
B、Ti、NbおよびZrは粒界強化元素として高温での強度、延性、耐粒界酸化性を高めるため、必要に応じて、B:0.015%以下、Ti:0.50%以下、Nb:1.0%以下、Zr:0.20%以下の範囲で1種または2種以上を添加することができる。
また、Ca及びMgは脱酸、脱硫元素として合金の清浄度を高め、高温での延性を改善することから、必要に応じてCa:0.20%以下、Mg:0.05%以下の範囲で添加しても良い。
なお、不可避的不純物として、残留する可能性のある主な元素は、P、S、N、O等である。これらはできるだけ低い方が望ましいが、P≦0.03%、S≦0.03%、N≦0.05%、O≦0.01%であれば点火プラグ電極用材料の基本特性に特に大きな影響を及ぼさないと考えられるので、この範囲であれば許容できる。
熱伝導率は、加熱した点火プラグ電極の降温に影響し、先端部分が到達する温度を左右する重要な特性の一つであり、高い方が望ましい。
熱伝導率は合金元素の増加につれて低下する傾向があるので、熱伝導率を高く維持するためには合金元素の添加量を抑制する必要がある。一方、耐酸化性を向上させるのは、耐酸化性向上効果のある合金元素を多く添加することが望ましい。
したがって、良好な耐酸化性を確保しつつ、高い熱伝導率を維持するには、本発明の成分範囲の規定のとおり、合金元素の総量を抑制する中で耐酸化性に効果のある元素を適切に選択すること、熱伝導率を低下させにくい合金元素を選択することが必要である。
熱伝導率を高くすることで、点火プラグ電極の温度が下がるので、酸化に対しても有利となる。上記の合金成分の規定範囲内で、効果的な合金元素の選択により、熱伝導率は、点火プラグ電極の温度を低くすることに効果のある35W/(m・K)以上に調整することができる。さらに適切な合金元素の選択により、40W/(m・K)以上に調整することが望ましい。
したがって、良好な耐酸化性を確保しつつ、高い融点を維持するには、本発明の成分範囲の規定のとおり、合金元素の総量を抑制する中で耐酸化性に効果のある元素を適切に選択すること、融点を低下させにくい合金元素を選択することが必要である。
上記の合金成分の規定範囲内で、効果的な合金元素の選択により、融点は、点火プラグ電極の耐火花損耗性を向上させることに効果のある1420℃以上に調整することができる。
真空溶解で10kg鋼塊を作製し、均質化熱処理後、熱間加工を行い、熱間加工性を確認するとともに、30mm角の棒材を作製した。また、一部、冷間加工を行い、加工性を確認した。化学組成を表1に示す。なお、REMの添加は希土類元素の混合物として添加しても良いが、今回はLa及びCeを複合添加した。」
試料No.1〜10は本発明合金、試料No.21〜23は比較合金であり、これらの合金に、さらに800℃で1hの焼鈍を行った後、以下に示す各試験の試料とした。
表2に得られた試料の焼鈍後の硬さ、熱伝導率、融点、耐酸化試験後の増量、スケール剥離量を測定した結果を示す。なお、耐酸化試験は試料を800、900、1000℃の大気中にそれぞれ100hr暴露して行った。また、熱伝導率は25℃及び900℃における値を示したものである。
一方、Siが本発明の規定量を超えて高い試料No.21は融点が1420℃より低く、十分な耐火花損耗性が得られないと考えられる。Cr、Alが本発明の規定量を超えて高い試料No.22は、25℃での熱伝導率が35W/(m・K)より低く、酸化スケールの剥離も多くなっており、点火プラグ電極に用いた場合に温度上昇が大きくなり、酸化が起こりやすいと考えられる。
また、Yおよび希土類元素を添加していない試料No.23は、熱伝導率、融点は高いものの、高温、特に900、1000℃での酸化増量、剥離スケール量が多く、点火プラグ電極材に必要な耐酸化性が十分得られないものと考えられる。
図1は本発明の点火プラグ用電極材料を用いた点火プラグ100の全体構成を示す一部断面とした正面図あり、図2は図1中の丸で囲んだA部分の詳細説明図である。点火プラグ100は、エンジンの燃焼室を区画形成するエンジンブロック(図示せず)に設けられたネジ穴に挿入されて固定されるようになっている。
また、点火プラグ100は、導電性の鉄鋼材料(例えば低炭素鋼)等からなる円筒形状の取付金具10を有しており、この取付金具10は、上記エンジンブロックに固定するための取付ネジ部11を備えている。取付金具10の内部には、アルミナセラミック(Al2O3)等からなる絶縁体20が固定されており、この絶縁体20の先端部21は、取付金具10から露出するように設けられている。
一方、接地電極40は、一端側にて取付金具10の一端に溶接により固定され、途中で略L字に曲げられて、他端側の側面41において中心電極30の先端面31と火花ギャップ50を隔てて対向している。
試料No.31は本発明合金、試料No.41,No.42は比較合金である。
表4に耐酸化性評価結果を示す。
150時間後の電極の酸化状態を調査したところ、No.31では優れた熱伝導により、試験中の電極の温度が低く抑えられる為、酸化深さは0.05mmと軽微であった。対してNo.41とNo.42では酸化深さはそれぞれ、0.52mm、0.48mmと酸化が深く進行していた。これは熱伝導率が低いため、電極温度が上昇した結果と考えられる。
評価は、図3に示したように、耐久試験後の接地電極ギャップ拡大量△Gを測定することによりおこなった。
表5に耐火花消耗性の評価結果を示す。
No.31の実走パターン試験600時間後の接地電極火花ギャップ拡大量は0.10mmと軽微であった。対してNo.41とNo.42では0.24mm、0.25mmとギャップ拡大量が大きかった。これは融点が低いために点火火花による消耗が大きくなった結果と考えられる。
以上より、エンジンベンチ試験にて耐酸化性と耐火花消耗性が共に優れていることを確認した。
10 取付金具
11 取付ネジ部
20 絶縁体
21 絶縁体の先端部
22 絶縁体の軸孔
30 中心電極
31 中心電極の先端面
40 接地電極
41 接地電極の先端側の側面
50 火花ギャップ
Claims (6)
- 質量%で、C:0.1%以下(0を含む)、Si:0.3〜3.0%、Mn:0.5%未満(0を含む)、Cr:0.5%未満(0を含む)、Al:0.3%以下(0を含む)、Y及び希土類元素のうち1種または2種以上を合計で0.01〜0.3%、残部はNi及び不可避不純物からなることを特徴とする点火プラグ用電極材料。
- 質量%で、C:0.05%以下(0を含む)、Si:0.5〜1.5%、Mn:0.2%以下(0を含む)、Cr:0.3%以下(0を含む)、Al:0.3%以下(0を含む)、Y及び希土類元素のうち1種または2種以上を合計で0.01〜0.2%、残部はNi及び不可避不純物からなることを特徴とする点火プラグ用電極材料。
- 質量%で、C:0.05%以下(0を含む)、Si:0.5〜1.5%、Mn:0.1%未満(0を含む)、Cr:0.3%以下(0を含む)、Al:0.1%以下(0を含む)、Y及び希土類元素のうち1種または2種以上を合計で0.01〜0.2%、残部はNi及び不可避不純物からなることを特徴とする点火プラグ用電極材料。
- B、Ti、Nb、Zrのうちの少なくとも1種を、Bについては0.015%以下、Tiについては0.50%以下、Nbについては1.0%以下、Zrについては0.20%以下で更に添加することを特徴とする請求項1、2または3に記載の点火プラグ用電極材料。
- 室温における熱伝導率が35W/(m・K)以上であることを特徴とする請求項1〜4の何れか一つに記載の点火プラグ用電極材料。
- 融点が1420℃以上であることを特徴とする請求項1〜5の何れか一つに記載の点火プラグ用電極材料。
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