JP5425558B2

JP5425558B2 - グロープラグ用ハウジング及びグロープラグ

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Publication number: JP5425558B2
Application number: JP2009186395A
Authority: JP
Inventors: 良二谷村
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2009-08-11
Filing date: 2009-08-11
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2029-08-11
Also published as: JP2011038698A

Description

本発明は、自動車用ディーゼルエンジン等の内燃機関に使用されるグロープラグを構成するためのグロープラグ用ハウジング及びグロープラグに関する。

従来から、自動車用ディーゼルエンジン等の内燃機関の始動促進用にグロープラグが使用されている。このようなグロープラグとしては、筒状で外周面に機関取り付け用のねじ部等が設けられたハウジング内に、先端側がハウジングの先端部から突出し、後端側がハウジング内に収容されるように、ヒータ保持外筒を介してセラミックヒータを支持した構成のものが知られている。

また、上記構成のグロープラグの場合、セラミックヒータをヒータ保持外筒に圧入する等してセラミックヒータとヒータ保持外筒とを固定し、この後ヒータ保持外筒とハウジングとをレーザによる全周溶接等によって固着した構成とすることも知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００８−８６０７号公報

上記のグロープラグにおいて、ヒータ保持外筒については、より耐食性が求められるため、例えばＳＵＳ４３０等のステンレス製とする一方、ハウジングは加工の容易性等が重視されるため炭素鋼を用いることが考えられている。ここで、炭素鋼を溶接材料として使用する場合、一般的には炭素の含有量を０．３質量％以下としている。これは、炭素の含有量の増加に伴い熱影響部の硬化が大きくなるためである。しかし、グロープラグ用のハウジングの場合、炭素の含有量が０．３質量％以下になると、引張強さ、降伏点、耐力が低下し、グロープラグを自動車用ディーゼルエンジン等に締め付けた際に、ハウジングが変形する可能性があり、強度を満足するためには、炭素の含有量を０．３５質量％以上程度とすることが望ましい。

しかしながら、上記のように炭素の含有量が０．３５質量％以上の炭素鋼からなる材料、例えばＳ４０Ｃ（ＪＩＳ：Ｃ＝０．３７〜０．４３質量％）、ＳＴＫＭ１６Ｃ（ＪＩＳ：Ｃ＝０．３５〜０．４５質量％）を用いてハウジングを構成すると、ハウジングとヒータ保持外筒とを溶接する際に溶接部に表面割れが発生するという問題がある。なお、前述したとおり、ヒータ保持外筒は炭素含有量が０．１２質量％以下のフェライト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ４３０等）から構成することが多い。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。本発明は、自動車用ディーゼルエンジン等に締め付けた際に変形等が生じることのない十分な機械的強度を確保することができるとともに、ヒータ保持外筒との溶接時に溶接部の表面割れが発生することを防止することのできるグロープラグ用ハウジング及びグロープラグを提供することを目的とする。

本発明のグロープラグ用ハウジングは、軸線に沿って棒状の形態をなすヒータと、前記ヒータの外周に嵌合されたフェライト系ステンレス製のヒータ保持外筒と、前記軸線に沿って延在する円筒状の形態をなすハウジングであって、先端側に前記ヒータ保持外筒が溶接により固着され、前記ヒータの先端側を自身の先端側から突出させた状態で、前記ヒータの後端側を前記ヒータ保持外筒を介して内部に保持するハウジングとを備えたグロープラグに前記ハウジングとし使用されるグロープラグ用ハウジングであって、Ｓｉの含有量が０．４０質量％以下、Ｍｎの含有量が０．４０〜１．００質量％、Ｐの含有量が０．０４０質量％以下、Ｃの含有量が０．３７〜０．４４質量％であり、かつ、Ｃの含有量とＳの含有量の関係が、０．４２質量％＜Ｃ≦０．４４質量％の場合、Ｓ≦（−０．７５Ｃ（質量％）＋０．３３）（質量％）であり、０．３７質量％≦Ｃ≦０．４２質量％の場合、Ｓ≦（−０．１Ｃ（質量％）＋０．０５７）（質量％）であり、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。

本発明のグロープラグは、軸線に沿って棒状の形態をなすヒータと、前記ヒータの外周に嵌合されたフェライト系ステンレス製のヒータ保持外筒と、前記軸線に沿って延在する円筒状の形態をなすハウジングであって、先端側に前記ヒータ保持外筒が溶接により固着され、前記ヒータの先端側を自身の先端側から突出させた状態で、前記ヒータの後端側を前記ヒータ保持外筒を介して内部に保持するハウジングとを備えたグロープラグであって、前記ハウジングは、Ｓｉの含有量が０．４０質量％以下、Ｍｎの含有量が０．４０〜１．００質量％、Ｐの含有量が０．０４０質量％以下、Ｃの含有量が０．３７〜０．４４質量％であり、かつ、Ｃの含有量とＳの含有量の関係が、０．４２質量％＜Ｃ≦０．４４質量％の場合、Ｓ≦（−０．７５Ｃ（質量％）＋０．３３）（質量％）であり、０．３７質量％≦Ｃ≦０．４２質量％の場合、Ｓ≦（−０．１Ｃ（質量％）＋０．０５７）（質量％）であり、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。

例えば、高炭素鋼からなる管材であるＳＴＫＭ１６Ｃは、ＪＩＳ規格では、Ｓｉの含有量が０．４０質量％以下、Ｍｎの含有量が０．４０〜１．００質量％、Ｐの含有量が０．０４０質量％以下、Ｃの含有量が０．３５〜０．４５質量％、Ｓの含有量が０．０４０質量％以下と規定されている。また、棒材であるＳ４０Ｃは、ＪＩＳ規格では、Ｓｉの含有量が０．１５〜０．３５質量％、Ｍｎの含有量が０．６０〜０．９０質量％、Ｐの含有量が０．０３０質量％以下、Ｃの含有量が０．３７〜０．４３質量％、Ｓの含有量が０．０３５質量％以下（不純物としてＣｕは０．３０質量％を、Ｎｉは０．２０質量％を、Ｎｉ＋Ｃｒは０．３５質量％を超えてはならない。）と規定されている。しかしながら、上記の各成分の含有量が上記の範囲内の管材又は棒材をグロープラグ用ハウジングに使用した場合、必要な機械的強度は得られるが、ヒータ保持外筒との溶接時に溶接部の表面割れが発生する。

本発明では、溶接時における溶接部の表面割れの発生を防止できるＣの含有量を規定するとともに、低融点非金属介在物であり結晶粒界へ偏析し易いＳの含有量をＣの含有量に応じて規定することによって、溶接時における溶接部の表面割れの発生を防止する。すなわち、本発明のグロープラグ用ハウジング及びグロープラグでは、Ｓｉの含有量が０．４０質量％以下、Ｍｎの含有量が０．４０〜１．００質量％、Ｐの含有量が０．０４０質量％以下、Ｃの含有量が０．３７〜０．４４質量％とすることによって、十分な機械的強度を確保しつつ溶接時に高温になることに起因して硬度が高くなることを抑制する。また、これとともに、縦軸をＳ量、横軸をＣ量とした図２のグラフに示すように、
０．４２質量％＜Ｃ≦０．４４質量％の場合、
Ｓ≦（−０．７５Ｃ（質量％）＋０．３３）（質量％）、
０．３７質量％≦Ｃ≦０．４２質量％の場合、
Ｓ≦（−０．１Ｃ（質量％）＋０．０５７）（質量％）、
とＣの含有量に応じて低融点非金属介在物であるＳの上限量を規定することによって、結晶粒界へのＳの偏析を抑制する。そして、これらの作用によって溶接部に生じる表面割れの発生を防止する。

本発明のグロープラグ用ハウジング及びグロープラグにおいて、前記ハウジングのＰの含有量は、０．０２０質量％以下とすることが好ましい。ＰはＳと同様に、低融点金属であり、溶接時に粒界に偏析し易い、このため上限値を０．０２０質量％とすれば、結晶粒界へのＰの偏析を抑制し、溶接部に生じる表面割れの発生をさらに抑制することができる。また、上記の量にＰ量を規定することによって、冷間脆性の向上にも寄与する。

本発明のグロープラグ用ハウジング及びグロープラグにおいて、前記ハウジングのＭｎの含有量は、０．７０〜１．０質量％とすることが好ましい。Ｍｎは、溶接性に悪影響を与えるＳと結合し易い性質を持っている。このためＭｎの含有量を０．７質量％以上とすることによってＳの偏析を抑制し、溶接性を向上させることができる。一方、Ｍｎの含有量が１．０質量％を超えて多くなると焼入れ性が向上し硬度が高くなり、その結果、溶接時に低温割れを引き起こす可能性が高くなる。以上の理由で、Ｍｎ量は０．７〜１．０質量％とすることが好ましい。

本発明によれば、自動車用ディーゼルエンジン等に締め付けた際に変形等が生じることのない十分な機械的強度を確保することができるとともに、ヒータ保持外筒との溶接時に溶接部の表面割れが発生することを防止することのできるグロープラグ用ハウジング及びグロープラグを提供することができる。

本発明の実施形態に係るセラミックグロープラグの全体概略構成を示す縦断面図。Ｓ量及びＣ量と溶接部の表面割れの発生の有無の関係とを調べた結果を示すグラフ。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係るセラミックグロープラグ１００の全体概略構成を示す縦断面図である。なお、図面上下方向を軸線ＡＸ方向とし、下方を先端、上方を後端として説明する。

図１に示すように、セラミックグロープラグ１００は、ハウジング１０、中軸２０、セラミックヒータ３０、金属リング４０、ピン端子５０、ヒータ保持外筒６０が組み合わされて構成されている。

ハウジング１０は、炭素鋼からなり、軸線ＡＸに沿って自身の内部が貫通した内孔１０１を有する円筒状とされており、外周面には、ディーゼルエンジン（図示せず。）への固定のためのねじ部１０２が転造もしくは切削により形成されている。このハウジング１０を構成する炭素鋼は、Ｓｉの含有量が０．４０質量％以下、Ｍｎの含有量が、０．４０〜１．０質量％、Ｐの含有量が、０．０４０質量％以下、Ｃの含有量が０．３７〜０．４４質量％であり、かつ、Ｃの含有量とＳの含有量の関係が、
０．４２質量％＜Ｃ≦０．４４質量％の場合、
Ｓ≦（−０．７５Ｃ（質量％）＋０．３３）（質量％）
であり、
０．３７質量％≦Ｃ≦０．４２質量％の場合、
Ｓ≦（−０．１Ｃ（質量％）＋０．０５７）（質量％）
となっており、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。

ハウジング１０の後端部１０３には、ディーゼルエンジンへ取り付ける際に六角レンチやプラグレンチ等の工具を係合させるための工具係合部１０４が形成されている。また、後端部１０３の内周側には、後端側に向かって内孔１０１を拡径するテーパ部１０５、およびこのテーパ部１０５のさらに後端側に隣接する大径孔１０６が形成されている。

ヒータ保持外筒６０は、耐熱性が高く耐腐食性の高い金属（本実施形態ではＳＵＳ４３０から構成されている。このヒータ保持外筒６０は、鍔状部（大円筒部６０１）を有し、内孔６０２が自身の内周に形成された略筒状とされている。そして、この内孔６０２へセラミックヒータ３０が圧入されることによってセラミックヒータ３０を保持している。

ヒータ保持外筒６０は、先端側に比較的薄肉の小円筒部６０３、この小円筒部６０３の後端側に隣接して後端向きに拡径するテーパ６０４、さらにこのテーパ６０４に続き小円筒部６０３よりも大径でハウジング１０の先端部と略同一の外径を有する大円筒部６０１、さらに大円筒部６０１よりも後端側には大円筒部６０１よりも小径の係合円筒部６０５が形成された構成を備える。なお、図示しないディーゼルエンジンへグロープラグ１００として取り付けられる際には、テーパ６０４が燃焼室との気密を確保するシールとしての役割を担う。なお、ヒータ保持外筒６０の各部の肉厚は、数ミリ程度とされている。

中軸２０は、導電性の金属からなり棒状の形態を呈している。中軸２０の先端部は、金属リング４０と嵌合するように先端小径部２０１が形成され、一方後端部２０２はピン端子５０が取り付けられるためにその他の部位よりも小径に形成されている。

金属リング４０は、円筒形状とされており上述したヒータ保持外筒６０より肉薄（肉厚が１ｍｍ以下程度）に形成されている。このため、金属リング４０は、引張強度が高く、硬度の大きい金属、本実施形態ではＳＵＳ６３０から構成されている。この金属リング４０の内径はセラミックヒータ３０の後端部３０１および中軸２０の先端小径部２０１のそれぞれの外径と略同径とされている。一方、金属リング４０の外径は、中軸２０の先端小径部２０１の後端側に隣接する部分の外径と略同径とされている。

セラミックヒータ３０は、絶縁性セラミック（窒化珪素、アルミナ等）から棒状に形成されたセラミック基体３１に、導電性セラミックからなる発熱体３２および１対のリード部３３、３３が埋設された構成とされている。セラミックヒータ３０の先端寄りの内部に位置する発熱体３２は、導電性セラミックでＵ字状に形成されている。また、この発熱体３２の各基端から後方へ向かって延びる２本のリード部３３は同様に導電性セラミックから形成されている。

上記リード部３３の一方（図１中右側のリード部３３）には、ヒータ３０の後端部３０１において軸線ＡＸに垂直な径方向へ延在しセラミック基体３１の表面に露出する第２電極取り出し部３４が設けられている。この第２電極取り出し部３４は、金属リング４０と電気的に接続されている。リード部３３の他方（図１中左側のリード部３３）には、上記した第２電極取り出し部３４より先端側にて、軸線ＡＸに垂直な径方向へ延在しセラミック基体３１の表面に露出する第１電極取り出し部３５が設けられている。この第１電極取り出し部３５は、ヒータ保持外筒６０と電気的に接続されている。

上記構成のセラミックグロープラグ１００では、セラミックヒータ３０の先端部が、ヒータ保持外筒６０の先端部から突出した状態となっている。そして、セラミックグロープラグ１００を図示しないディーゼルエンジンのプラグ取り付け孔内に挿入し、ねじ部１０２をディーゼルエンジンの取り付けねじに締め付けてテーパ６０４をディーゼルエンジンに当接させることにより、気密性を確保する。この状態で、ヒータ３０の先端側が燃焼室内に位置するように内燃機関に取り付けられ、ピン端子５０、中軸２０、金属リング４０を介してヒータ３０に通電して発熱させることによってディーゼルエンジンの始動を補助する。

上記構成のセラミックグロープラグ１００の製造工程では、まず金属リング４０へセラミックヒータ３０を挿通（圧入）して一体とする。この金属リング４０と一体となったセラミックヒータ３０をさらにヒータ保持外筒６０へ挿入（圧入）し、さらに金属リング４０へ中軸２０を圧入の上レーザ溶接を行いヒータ−中軸一体物を作製する。

この後、セラミックヒータ３０、金属リング４０、ヒータ保持外筒６０、中軸２０の組立体にハウジング１０を被せてヒータ保持外筒６０と溶接部１２（図１参照。）においてレーザによる全周溶接を行いハウジング１０とヒータ保持外筒６０とを固着する。しかる後、Ｏリング１１１、絶縁ブッシュ１１２を挿入し、ハウジング１０の後端部１０３から突出した中軸２０の後端部２０２にピン端子５０をかしめ固定することでセラミックグロープラグ１００は完成する。

上記のハウジング１０とヒータ保持外筒６０とのレーザ溶接の際、例えば、前述した炭素鋼のＳＴＫＭ１６ＣやＳ４０Ｃからハウジング１０を構成したものでは、溶接部に表面割れが発生し易いという問題があった。これに対して本実施形態では、溶接部に表面割れが発生することを防止することができる。

表１に示すように、実施例１〜９として、Ｓｉの含有量が０．４０質量％以下、Ｍｎの含有量が、０．４０〜１．００質量％、Ｐの含有量が、０．０４０質量％以下、Ｃの含有量が０．３７〜０．４４質量％であり、かつ、Ｃの含有量とＳの含有量の関係が、
０．４２質量％＜Ｃ≦０．４４質量％の場合、
Ｓ≦（−０．７５Ｃ（質量％）＋０．３３）（質量％）
であり、
０．３７質量％≦Ｃ≦０．４２質量％の場合、
Ｓ≦（−０．１Ｃ（質量％）＋０．０５７）（質量％）
の範囲に入るハウジング１０を作成し、実際にヒータ保持外筒６０とのレーザ溶接を行った。なお、このレーザ溶接の際のレーザのピークパワーは、１．５〜２．０Ｗ、１秒当たりのショット数は１５〜２０、パルス波形は数ミリ秒かけてピークパワーまで上昇させ、ピークパワーで１ミリ秒維持し数ミリ秒かけてパワーを低下させるショット波形とし、３秒で１回転させて全周溶接を行った。この結果、表１の結果の欄に○印で示されるように、溶接部に表面割れは発生しなかった。なお、上記の実施例１〜９及び後述する比較例１〜９については、これらを構成する鋼材は、熱間圧延された棒を冷間引き抜きした冷間引抜鋼を使用している。冷間引抜鋼は、引き抜き後に、焼きなまし、応力除去焼きなまし、高周波焼入れ、復炭といった熱処理をすることも可能であるが、評価には熱処理を実施していない鋼材を用いている。

一方、比較例１〜９として、Ｃの含有量とＳの含有量が上記の範囲外となるハウジング１０を作成し、実際にヒータ保持外筒６０とのレーザ溶接を実施例１〜９と同様に行った。この結果、表１の結果の欄に×印で示されるように、溶接部に表面割れが発生した。以上の結果をグラフ上にプロットしたのが図２のグラフである。図２のグラフにおいて、縦軸はＳ量（質量％×１０００）、横軸はＣ量（質量％×１００）を示しており、実施例は白抜きの円、比較例は黒塗りの円でプロットしてある。また、直線Ａは、Ｓ（質量％）≦−０．７５Ｃ（質量％）＋０．３３を示し、直線Ｂは、Ｓ（質量％）≦−０．１Ｃ（質量％）＋０．０５７を示している。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。

１０……ハウジング、２０……中軸、３０……セラミックヒータ、４０……金属リング、５０……ピン端子、６０……ヒータ保持外筒、１００……セラミックグロープラグ。

Claims

軸線に沿って棒状の形態をなすヒータと、
前記ヒータの外周に嵌合されたフェライト系ステンレス製のヒータ保持外筒と、
前記軸線に沿って延在する円筒状の形態をなすハウジングであって、先端側に前記ヒータ保持外筒が溶接により固着され、前記ヒータの先端側を自身の先端側から突出させた状態で、前記ヒータの後端側を前記ヒータ保持外筒を介して内部に保持するハウジングと
を備えたグロープラグに前記ハウジングとし使用されるグロープラグ用ハウジングであって、
Ｓｉの含有量が０．４０質量％以下、Ｍｎの含有量が０．４０〜１．００質量％、Ｐの含有量が０．０４０質量％以下、Ｃの含有量が０．３７〜０．４４質量％であり、かつ、Ｃの含有量とＳの含有量の関係が、
０．４２質量％＜Ｃ≦０．４４質量％の場合、
Ｓ≦（−０．７５Ｃ（質量％）＋０．３３）（質量％）
であり、
０．３７質量％≦Ｃ≦０．４２質量％の場合、
Ｓ≦（−０．１Ｃ（質量％）＋０．０５７）（質量％）
であり、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とするグロープラグ用ハウジング。
請求項１記載のグロープラグ用ハウジングであって、
前記ハウジングのＰの含有量が０．０２０質量％以下であることを特徴とするグロープラグ用ハウジング。
請求項１又は２記載のグロープラグ用ハウジングであって、
前記ハウジングのＭｎの含有量が０．７０〜１．００質量％であることを特徴とするグロープラグ用ハウジング。
軸線に沿って棒状の形態をなすヒータと、
前記ヒータの外周に嵌合されたフェライト系ステンレス製のヒータ保持外筒と、
前記軸線に沿って延在する円筒状の形態をなすハウジングであって、先端側に前記ヒータ保持外筒が溶接により固着され、前記ヒータの先端側を自身の先端側から突出させた状態で、前記ヒータの後端側を前記ヒータ保持外筒を介して内部に保持するハウジングと
を備えたグロープラグであって、
前記ハウジングは、Ｓｉの含有量が０．４０質量％以下、Ｍｎの含有量が０．４０〜１．００質量％、Ｐの含有量が０．０４０質量％以下、Ｃの含有量が０．３７〜０．４４質量％であり、かつ、Ｃの含有量とＳの含有量の関係が、
０．４２質量％＜Ｃ≦０．４４質量％の場合、
Ｓ≦（−０．７５Ｃ（質量％）＋０．３３）（質量％）
であり、
０．３７質量％≦Ｃ≦０．４２質量％の場合、
Ｓ≦（−０．１Ｃ（質量％）＋０．０５７）（質量％）
であり、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とするグロープラグ。
請求項４記載のグロープラグであって、
前記ハウジングのＰの含有量が０．０２０質量％以下であることを特徴とするグロープラグ。
請求項４又は５記載のグロープラグであって、
前記ハウジングのＭｎの含有量が０．７０〜１．００質量％であることを特徴とするグロープラグ。