專利名稱：火花塞的電極及其制造方法、以及火花塞及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及火花塞的電極及其制造方法、以及火花塞及火花塞的制造方法。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃機的火花塞的中心電極或接地電極具有伴隨內(nèi)燃機的高性能化在更高溫下使用的傾向，但若燃燒所產(chǎn)生的熱量積蓄，則電極材料劣化，因此需要提高熱傳導(dǎo)性且散熱變好。因此，提案有使用如下的電極:耐腐蝕性優(yōu)異的鎳合金作為外皮，熱傳導(dǎo)率比鎳合金更高的金屬作為中芯〈例如，專利文獻1>。現(xiàn)有技術(shù)文獻專利文獻專利文獻1:日本國特開平5-343157號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的課題銅由于熱傳導(dǎo)率高因而優(yōu)選作為中芯材料，但與作為外皮的鎳合金的熱膨脹系數(shù)差大，因熱應(yīng)力會在外皮與中芯的界面產(chǎn)生間隙。為了防止外皮與中芯的界面的間隙，可以減小兩者的熱膨脹系數(shù)差，但外皮的鎳合金由于承擔(dān)耐腐蝕性因而不希望較大的變更其組成，考慮將中芯的銅與其他金屬進行合金化而減小熱膨脹系數(shù)。但是，由于合金化，與銅單獨的情況相比熱傳導(dǎo)率降低，因此不優(yōu)選。另外，為了降低中芯的熱膨脹系數(shù)，還考慮使陶瓷粉末分散，但在熱傳導(dǎo)率降低的基礎(chǔ)上，陶瓷自身的硬度高，因此會導(dǎo)致切削夾具或切斷夾具、成形金屬模具等加工用夾具的壽命變短這樣的不良情況。另外，作為中芯材料，還考慮使用鎳、鐵等，這是因為熱膨脹系數(shù)與鎳合金接近，并且比銅便宜，但在熱傳導(dǎo)率方面比不上Cu。因此，本發(fā)明的目的在于，在由鎳合金的外皮和中芯構(gòu)成的火花塞的電極中，減小外皮與中芯的熱膨脹系數(shù)差，并且熱傳導(dǎo)率維持良好。另外，目的在于提供一種具有上述電極、且耐久性優(yōu)異的火花塞。用于解決課題的手段為了達成上述目的，本發(fā)明提供下述方案。(I) 一種火花塞的電極，是作為火花塞的中心電極和接地電極的至少一方的電極，上述火花塞的電極的特征在于，由在母材金屬中使碳分散80體積％以下的量的復(fù)合材料構(gòu)成的中芯的至少一部分通過由鎳或以鎳為主成分的金屬構(gòu)成的外皮包圍。(2)根據(jù)上述⑴記載的火花塞的電極，其特征在于，上述母材金屬從銅、鐵、鎳或者以銅、鐵、鎳的至少一種為主成分的金屬中選出。(3)根據(jù)上述(I)或(2)記載的火花塞的電極，其特征在于，上述復(fù)合材料中的碳含量為10體積％以上80體積％以下。(4)根據(jù)上述(I) (3)中任一項記載的火花塞的電極，其特征在于，上述復(fù)合材料中的碳含量為15體積％以上70體積％以下，并且上述復(fù)合材料的熱膨脹率為5X 10_6/K以上14X10-6/K以下。(5)根據(jù)上述(I) (4)中任一項記載的火花塞的電極，其特征在于，上述碳是從碳粉末、碳纖維以及碳納米管中選出的至少ー種。(6)根據(jù)上述(5)記載的火花塞的電極，其特征在于，上述碳粉末的平均粒徑為2 u m以上200 u m以下。(7)根據(jù)上述(5)記載的火花塞的電極，其特征在于，上述碳纖維的平均纖維長度為2iim以上2000 iim以下。(8)根據(jù)上述(5)記載的火花塞的電極，其特征在于，上述碳納米管的長徑部的平均長度為0.1 u m以上2000 u m以下。(9) 一種火花塞,包括:絕緣體,具有沿著軸線方向延伸的軸孔；中心電極，保持于上述軸孔；主體配件，設(shè)置于上述絕緣體的外周；以及接地電極，基端部與上述主體配件接合，在自身的前端部與上述中心電極的前端部之間形成間隙，上述火花塞的特征在干，上述中心電極和上述接地電極的至少一方為上述(I)至(8)中任ー項所述的電扱。(10) ー種火花塞的制造方法，該火花塞包括:絕緣體,具有沿著軸線方向延伸的軸孔；中心電極，保持于上述軸孔的上述軸線方向前端側(cè)；主體配件，設(shè)置于上述絕緣體的外周；以及接地電極，基端部與上述主體配件接合，在該接地電極的前端部與上述中心電極的前端部之間形成間隙，上述火花塞的制造方法的特征在干，在制造上述中心電極或上述接地電極的至少一方的エ序中，在由鎳或以鎳為主成分的金屬構(gòu)成的杯體的凹部中容納中芯后，進行冷加工而制造上述中心電極或上述接地電極，該中芯通過將母材金屬和碳以碳為80體積％以下的方式混合并壓粉或燒結(jié)而成形。(11) 一種火花塞的制造方法,該火花塞包括:絕緣體，具有沿著軸線方向延伸的軸孔；中心電極，保持于上述軸孔的上述軸線方向前端側(cè)；主體配件，設(shè)置于上述絕緣體的外周；以及接地電極，基端部與上述主體配件接合，在該接地電極的前端部與上述中心電極的前端部之間形成間隙，上述火花塞的制造方法的特征在干，在制造上述中心電極或上述接地電極的至少一方的エ序中，制作碳的臨時燒結(jié)體，使母材金屬的溶融物浸入上述碳的臨時燒結(jié)體而成形碳為80體積％以下的中芯，在由鎳或以鎳為主成分的金屬構(gòu)成的杯體的凹部中容納上述中芯后，通過冷加工制造上述中心電極或上述接地電極。
(12) ー種火花塞的電極的制造方法，是制造火花塞的中心電極和接地電極的至少一方的方法，上述火花塞的電極的制造方法的特征在干， 在由鎳或以鎳為主成分的金屬構(gòu)成的杯體的凹部中容納中芯后，冷加工成預(yù)定形狀，該中芯通過將母材金屬和碳以碳為80體積％以下的方式混合并壓粉或燒結(jié)而成形。(13) ー種火花塞的電極的制造方法，是制造火花塞的中心電極和接地電極的至少一方的方法，上述火花塞的電極的制造方法的特征在干，制作碳的臨時燒結(jié)體，使母材金屬的溶融物浸入上述碳的臨時燒結(jié)體而成形碳為80體積％以下的中芯，在由鎳或以鎳為主成分的金屬構(gòu)成的杯體的凹部中容納上述中芯后,冷加工成預(yù)定形狀。發(fā)明效果本發(fā)明的火花塞的電極中的鎳合金的外皮與中芯的熱膨脹系數(shù)差較小，能夠防止在外皮與中芯的界面產(chǎn)生間隙。并且，作為中芯材料，使用使具備與銅相比高出幾倍的熱傳導(dǎo)率的碳分散于母材金屬的復(fù)合材料，因此散熱良好且耐久性優(yōu)異。而且，加工性良好，對加工用夾具的負擔(dān)也減少。另外，本發(fā)明的火花塞成為電極的散熱良好、耐久性優(yōu)異的火花塞。


[圖1]表不火花塞的一例的剖視圖。[圖2]圖2(a)和圖2(b)是表示制造中心電極時的エ件的制造エ序的圖。[圖3]圖3(a) 圖3(c)是表示制造中心電極時的エ件的擠壓エ序的半剖視圖。[圖4]以與軸線正交的剖面表示接地電極的其他例的示意圖。
具體實施例方式
以下，關(guān)于本發(fā)明，示例中心電極的制造方法并進行說明。圖1是表示火花塞的一例的剖視圖。如圖所示，火花塞I由絕緣體2和主體配件9構(gòu)成，該絕緣體2保持在軸孔3的前端側(cè)具有凸緣部的中心電極4，在軸孔3的后端，電阻體8與端子電極6 —起夾著導(dǎo)電性玻璃密封材料7而封入并保持在該軸孔3內(nèi)，該主體配件9將該絕緣體2經(jīng)由填充物13固定保持于臺階部12，并且在螺紋部10的前端將接地電極11配置在與保持于絕緣體2的中心電極4的前端相対的位置。本發(fā)明中，中心電極4構(gòu)成為通過由鎳合金構(gòu)成的外皮15包圍在母材金屬中分散有碳的中芯14。對于外皮材料的鎳合金沒有限制，可以是Inconel (スペシャルメタルズ公司(Special Metals Corporation)的注冊■商標(biāo)名)系，也可以是高Ni系(Ni彡96%)的材料。中芯材料是在母材金屬中使碳分散的復(fù)合材料。例如，碳納米管的熱傳導(dǎo)率在室溫下為3000 5500W m—1 K-1，與銅的398W m—1 IT1相比是很好的高熱傳導(dǎo)物質(zhì)。另外，碳的熱膨脹系數(shù)例如是較低的1.5 2X 10_6/K，能夠降低作為中芯整體的熱膨脹系數(shù)而減小與作為外皮材料的鎳合金的熱膨脹系數(shù)差。另外，作為碳的形態(tài)，除了上述碳納米管以外，還可以使用碳粉末或碳纖維。其中，若考慮分散性或加工性，則碳納米管中的長徑部的平均長度為0.1ym以上2000 以下，特別優(yōu)選2 ii m以上300 ii m以下，碳粉末中的平均粒徑為2 y m以上200 y m以下，特別優(yōu)選7 u m以上50 u m以下,碳纖維中的平均纖維長度為2 u m以上2000 u m以下,特別優(yōu)選2 u m以上300 以下。不論上述哪ー種，若小于下限，則復(fù)合材料的母材金屬與碳的界面面積増加，分割復(fù)合材料而延展性降低，或者難以得到強度上升的效果，結(jié)果是，加工成電極后在內(nèi)部產(chǎn)生空孔。碳納米管的下限值小于粒和纖維的理由是:碳納米管由于呈管形狀因而與復(fù)合材料母材金屬的密合強度變高(錨固效應(yīng))，難以產(chǎn)生空孔。另外，若大于上限，則復(fù)合材料中的理論密度變小，具有加工成電極后在內(nèi)部殘存空孔的傾向，若該空孔進ー步變多則加工性變差。對于母材金屬，優(yōu)選熱傳導(dǎo)率高的銅，但也可以使用比銅便宜的鎳和鐵。鎳和鐵具有與作為外皮材料的鎳合金的熱膨脹系數(shù)差小的優(yōu)點，另ー方面具有與銅相比熱傳導(dǎo)率低的問題，但通過使熱傳導(dǎo)性優(yōu)異的碳分散來提高作為中芯整體的熱傳導(dǎo)率。此外，母材金屬可以分別単獨使用銅、鎳和鐵，也可以混合使用它們。而且，銅、鎳和鐵也可以是以它們?yōu)橹鞒煞?即，含有最多)的合金，作為合金成分列舉鉻、鋯、硅等。復(fù)合材料中的碳含量是80體積％以下，優(yōu)選10體積％以上80體積％以下，特別優(yōu)選15體積％以上70體積％以下，考慮與作為外皮材料的鎳合金的熱膨脹系數(shù)差或熱傳導(dǎo)率，根據(jù)母材金屬和碳的種類而適當(dāng)選擇。此外，復(fù)合材料中的熱膨脹率優(yōu)選5X10_6/K以上14X10-6/K以下，特別優(yōu)選7X10—7K以上14X10—7K以下。此外，復(fù)合材料的碳含量和熱膨脹率可按照下述方法來測定。(I)碳含量測量復(fù)合體的體積和重量，浸潰于硫酸等酸性溶液而僅溶解出母材金屬(例如銅)。殘留的殘渣是碳，根據(jù)其重量算出母材金屬的重量。根據(jù)該母材金屬的重量和密度(例如銅是8.93g/cm3)算出母材金屬的體積，根據(jù)與原本的復(fù)合材料的體積的比算出碳含量。在此，在金屬母材是合金的情況下，也可以對其組成進行定量分析，另外制作該組成的合金(例如，電弧溶解)，然后使用所測定的密度。(2)熱膨脹率惰性氣體中，在加熱到200°C下，通過拉伸負荷法來測定。為了制作復(fù)合材料，可以例如將母材金屬的粉末和碳按照上述比率進行干式混合、壓粉或燒結(jié)。作為壓粉條件，IOOMPa以上的壓カ是適合的。另外，作為燒結(jié)條件，需要在母材金屬的熔點以下進行，常壓的情況下，該母材熔點的90%為指標(biāo)。此外，只要在燒結(jié)時進行加壓(HIP:例如1000氣壓900°C或熱壓カ)，就能較低地設(shè)定燒結(jié)溫度?；蛘?，也可以制作碳的臨時燒結(jié)體，將臨時燒結(jié)體浸潰于母材金屬的溶融物而使母材金屬浸入到臨時燒結(jié)體。為了制造中心電極4，首先，如圖2 (a)所示，在成為外皮15的由鎳合金構(gòu)成的杯體15a的孔部16中容納成為中芯14的由復(fù)合材料構(gòu)成的筒體14a。此外，杯體15a的孔部16的孔底17可以如圖所示以預(yù)定的頂角0擴展成扇狀，也可以形成為平坦。并且，筒體14a容納于杯體15a，從上部按壓筒體14a，從而如圖2 (b)所示形成杯體15a和筒體14a —體化的エ件20。接下來，如圖3(a)所示，將エ件20插入到?jīng)_模30的插入部31，使用沖頭32從上部按壓并擠壓，形成預(yù)定尺寸的小徑部21。并且，如圖3(b)所示，切斷后端部22之后，對殘留的小徑部21進ー步進行擠壓成形，最終如圖3(c)所示，在前端側(cè)具有直徑小于小徑部21的細徑部23，在后端以與絕緣體2的軸孔3的臺階部12卡定的方式形成有突出成凸緣狀的卡定部41，從而制作中心電極4。該中心電極4具有鎳合金構(gòu)成的外皮15和復(fù)合材料構(gòu)成的中芯14。另外，該擠壓成形能夠以低溫進行。通過上述擠壓成形，圖2(b)所示的エ件20沿著軸線方向延伸，與之相伴筒體14a也延伸。因此，形成筒體14a的復(fù)合材料也在最初的狀態(tài)即母材金屬粉末與碳的壓粉體或燒結(jié)體、或者使母材金屬浸入碳的燒結(jié)體的狀態(tài)下，連接的碳彼此分離而分散到母材金屬中。上述以中心電極4為例進行了說明，但接地電極11也可以構(gòu)成為以同樣的鎳合金作為外皮15，以復(fù)合材料作為中芯14，在該情況下，將在鎳合金構(gòu)成的杯體15a中容納復(fù)合材料構(gòu)成的筒體14a的エ件20擠壓成棒狀，以與中心電極4的前端相対的方式彎曲即可。另外，如圖4中與軸線正交的剖視圖所示，接地電極11也可以是在復(fù)合材料構(gòu)成的中芯14和鎳合金構(gòu)成的外皮15的兩層構(gòu)造上進ー步在軸線的中心配置由純Ni構(gòu)成的中心材18而成的三層構(gòu)造。純Ni起到防止接地電極11變形的作用，且防止火花塞制造エ序時的接地電極的彎曲、發(fā)動機裝配后的接地電極突起。為了成為上述三層構(gòu)造，在圖2(b)所示的エ件20中，可以以純Ni為 軸心，制作在其周圍配置復(fù)合材料的筒體，將該筒體容納于杯體15a的孔部16。實施例以下，列舉實施例和比較例進ー步說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不受此限制。(試驗I)使用表I所示的母材金屬和碳(粉末、纖維)，改變碳含量(體積％)而制作復(fù)合材料。關(guān)于各復(fù)合材料，按照上述(I)碳含量和(2)熱膨脹率的各測定方法，測定各自的值。將結(jié)果一并記載到表I中。另外，如圖2(a)和圖2(b)所示，在由鎳合金構(gòu)成的杯體中容納各復(fù)合材料而制作エ件，擠壓成形為中心電極和接地電極，該鎳合金包括20質(zhì)量％的鉻、1.5質(zhì)量％的鋁和15質(zhì)量％的鐵，剰余部分由鎳構(gòu)成。并且，將所制作的中心電極和接地電極沿著其軸線切斷，研磨剖切面并使用金屬顯微鏡進行剖面觀察，檢查在外皮與中芯的邊界是否產(chǎn)生間隙、在中芯是否產(chǎn)生空隙。將結(jié)果一并記載到表I中，但表中的“極大空隙”是指直徑在lOOym以上，“微小空隙”是指直徑小于100 u m, “微小間隙”是指長度小于100 u m, “極大間隙”是指長度在IOOiim以上。另外，使用所制作的中心電極和接地電極來制作火花塞試驗體，安裝到2000cc的發(fā)動機。并且，將發(fā)動機以5000rpm保持I分鐘后、保持I分鐘空轉(zhuǎn)作為ー個周期，重復(fù)該周期250小時而進行冷熱周期試驗。在試驗后，將火花塞從發(fā)動機卸下，使用投影機測定中心電極與接地電極的間隔，求出與最初間隔相比的増加量。另外，關(guān)于綜合評價，在沒有發(fā)生空隙或界面間隙的情況下記為“◎”，在觀察到微小空隙或微小間隙但間隔增加量為140 u m以下的情況下記為“〇”，在產(chǎn)生微小空隙或極小間隙但間隔增加量超過140 u m小于200 u m的情況下記為“A”，在間隔增加量為200 u m以上或者發(fā)生極大空隙或極大間隙的情況下記為“ X ”。上述結(jié)果ー并記載到表I中。[表 I]
權(quán)利要求
1.一種火花塞的電極，是作為火花塞的中心電極和接地電極的至少一方的電極，上述火花塞的電極的特征在于， 由在母材金屬中使碳分散80體積％以下的量的復(fù)合材料構(gòu)成的中芯的至少一部分通過由鎳或以鎳為主成分的金屬構(gòu)成的外皮包圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞的電極，其特征在于， 上述母材金屬從銅、鐵、鎳或者以銅、鐵、鎳的至少一種為主成分的金屬中選出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的火花塞的電極，其特征在于， 上述復(fù)合材料中的碳含量為10體積％以上80體積％以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的火花塞的電極，其特征在于， 上述復(fù)合材料中的碳含量為15體積％以上70體積％以下， 并且上述復(fù)合材料的熱膨脹率為5X 10_6/K以上14Χ 10_6/Κ以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的火花塞的電極，其特征在于， 上述碳是從碳粉末、碳纖維以及碳納米管中選出的至少一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的火花塞的電極，其特征在于， 上述碳粉末的平均粒徑為2μπι以上200μπι以下。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的火花塞的電極，其特征在于， 上述碳纖維的平均纖維長度為2 μ m以上2000 μ m以下。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的火花塞的電極，其特征在于， 上述碳納米管的長徑部的平均長度為0.1 μ m以上2000 μ m以下。
9.一種火花塞,包括: 絕緣體，具有沿著軸線方向延伸的軸孔； 中心電極，保持于上述軸孔； 主體配件，設(shè)置于上述絕緣體的外周；以及 接地電極，基端部與上述主體配件接合，在自身的前端部與上述中心電極的前端部之間形成間隙，上述火花塞的特征在于， 上述中心電極和上述接地電極的至少一方為權(quán)利要求1至8中任一項所述的電極。
10.一種火花塞的制造方法,該火花塞包括: 絕緣體，具有沿著軸線方向延伸的軸孔； 中心電極，保持于上述軸孔的上述軸線方向前端側(cè)； 主體配件，設(shè)置于上述絕緣體的外周；以及 接地電極，基端部與上述主體配件接合，在該接地電極的前端部與上述中心電極的前端部之間形成間隙，上述火花塞的制造方法的特征在于， 在制造上述中心電極或上述接地電極的至少一方的工序中，在由鎳或以鎳為主成分的金屬構(gòu)成的杯體的凹部中容納中芯后，進行冷加工而制造上述中心電極或上述接地電極，該中芯通過將母材金屬和碳以碳為80體積％以下的方式混合并壓粉或燒結(jié)而成形。
11.一種火花塞的制造 方法,該火花塞包括: 絕緣體，具有沿著軸線方向延伸的軸孔； 中心電極，保持于上述軸孔的上述軸線方向前端側(cè)； 主體配件，設(shè)置于上述絕緣體的外周；以及接地電極，基端部與上述主體配件接合，在該接地電極的前端部與上述中心電極的前端部之間形成間隙，上述火花塞的制造方法的特征在于， 在制造上述中心電極或上述接地電極的至少一方的工序中，制作碳的臨時燒結(jié)體，使母材金屬的溶融物浸入上述碳的臨時燒結(jié)體而成形碳為80體積％以下的中芯，在由鎳或以鎳為主成分的金屬構(gòu)成的杯體的凹部中容納上述中芯后，通過冷加工制造上述中心電極或上述接地電極。
12.—種火花塞的電極的制造方法，是制造火花塞的中心電極和接地電極的至少一方的方法，上述火花塞的電極的制造方法的特征在于， 在由鎳或以鎳為主成分的金屬構(gòu)成的杯體的凹部中容納中芯后，冷加工成預(yù)定形狀，該中芯通過將母材金屬和碳以碳為80體積％以下的方式混合并壓粉或燒結(jié)而成形。
13.一種火花塞的 電極的制造方法，是制造火花塞的中心電極和接地電極的至少一方的方法，上述火花塞的電極的制造方法的特征在于， 制作碳的臨時燒結(jié)體，使母材金屬的溶融物浸入上述碳的臨時燒結(jié)體而成形碳為80體積％以下的中芯，在由鎳或以鎳為主成分的金屬構(gòu)成的杯體的凹部中容納上述中芯后，冷加工成預(yù)定形狀。
全文摘要
本發(fā)明中，在由鎳或以鎳為主成分的金屬構(gòu)成的杯體的凹部中容納中芯后，進行冷加工而制造中心電極和接地電極的至少一方，該中芯通過將母材金屬和碳以碳為80體積%以下的方式混合并壓粉或燒結(jié)而成形。上述電極中的外皮與中芯的熱膨脹系數(shù)差小，熱傳導(dǎo)良好且散熱良好，從而得到耐久性優(yōu)異的火花塞。
文檔編號C22C49/04GK103119811SQ201180046169
公開日2013年5月22日 申請日期2011年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月24日
發(fā)明者田中智雄, 柴田勉, 鬼海高明 申請人:日本特殊陶業(yè)株式會社