專利名稱：內(nèi)燃機(jī)的火花塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機(jī)的火花塞，并且尤其涉及一種鍍鋅以具有極佳防銹性能的內(nèi)燃機(jī)的火花塞。
背景技術(shù)：
用來點(diǎn)燃諸如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)燃機(jī)且在內(nèi)燃機(jī)中使用的火花塞一般包括一圓柱形金屬殼；一提供在金屬殼內(nèi)部孔中的圓柱形絕緣體；一提供在絕緣體的前端側(cè)內(nèi)部孔中的中心電極；和一接地電極，其一端結(jié)合到金屬殼的前端側(cè)并且另一端表面與中心電極一起形成一火花放電間隙。
當(dāng)電極材料用作在內(nèi)燃機(jī)中使用的火花塞的中心電極和接地電極時(shí)，存在一已知的合金組，例如，其被稱為M-CrAlY。在此，M為復(fù)合材料，其由Ni(鎳)，Co(鈷)或者Fe(鐵)，或者為諸如NiCo或者FeCo的Ni，Co和Fe的合成物組成，并且其包含15-30wt.％的Cr(鉻)，5-15wt.％的Al(鋁)，和大約0-2wt.％的Y(釔)(例如，參見JP-A-63-138681)。
也已知一Ni類合金(例如，參見JP-A-64-87738)，其中0.5-1.5wt.％的Si，0.7-2.8wt.％的Mn和0.25-4.5wt.％的Al被加入到Ni中；一Ni類合金(例如，參見JP-A-4-45239)，其中1.0-2.5wt.％的Si，0.5-2.5wt.％的Cr，0.5-2.0wt.％的Mn和0.6-2.0wt.％的Al被加入到Ni中；和一Ni類合金(例如，參見JP-A-2004-11024)，其中1.8-2.2wt.％的Si，0.05-0.1wt.％的從Y，Hf和Zr中選出的一種或者多種，和2-2.4wt.％的Al被加入到Ni中。內(nèi)燃機(jī)中火花塞的電極材料中加入這些單獨(dú)的成分可以改善抗硫能力，抗鉛腐蝕性和抗高溫氧化性，并且抑制火花放電導(dǎo)致的電極的降低，從而提高耐久性。
近年來，考慮到環(huán)境的影響，對(duì)燃料的凈化進(jìn)行了改善，以減少燃料中的硫和鉛的成分，從而內(nèi)燃機(jī)中火花塞的電極對(duì)抗硫和鉛性能的要求比現(xiàn)有技術(shù)中的低。另一方面，從提高耐久性的觀點(diǎn)來看，需要通過火花放電對(duì)內(nèi)燃機(jī)中火花塞的電極降低產(chǎn)生更大的抑制。
由于通過火花放電使得內(nèi)燃機(jī)的火花塞對(duì)電極的降低所施加的抑制作用比抗硫能力和抗鉛腐蝕性的改善作用要重要，因此，存在已知的使用在內(nèi)燃機(jī)中的火花塞(例如，參見JP-A-2004-206892)，其采用的電極材料包含0.5-1.5wt.％的Si，0.5-1.5wt.％的Al，0.05-0.5wt.％的Y，Nd和Sm至少之一，和整量小于等于0.8wt.％的Cr和Mn，并且剩余物為Ni和不可避免的雜質(zhì)，并且在室溫(大約20℃)下電阻率小于等于25μΩcm。
發(fā)明概要在現(xiàn)有技術(shù)中，使用在內(nèi)燃機(jī)中的火花塞的電極材料不僅可以改善抗硫性能，抗鉛腐蝕性和抗熱氧化性，而且通過火花放電可以少量的降低電極。近來，在另一方面，由于燃料中的硫和鉛的成分，使得火花放電對(duì)電極產(chǎn)生更少的降低比抗鉛腐蝕性更加重要。
在此，對(duì)內(nèi)燃機(jī)中火花塞的金屬殼進(jìn)行電鍍以防銹。通常采用的是鍍鎳。鍍鎳對(duì)抗熱性是極佳的，從而使得其可適當(dāng)?shù)赜糜诟邷氐慕饘贇ど?，但其?duì)防銹不一定充分。因此，調(diào)查表明可以用防銹性能極佳的鍍鋅來代替鍍鎳。
但是，鍍鋅較難實(shí)施，因?yàn)樵阱兊牟襟E中產(chǎn)生的氫會(huì)對(duì)電極材料施加不利的影響。電極材料使其電阻率降低來抑制通過點(diǎn)火放電的上述降低，具體來說，降低另外的成分來降低電阻率。這樣會(huì)增長(zhǎng)組成電極材料的晶粒變粗糙的趨勢(shì)。
在晶粒較小的情況下，在晶粒之間形成的晶界復(fù)雜的纏繞，從而使得在電極材料在高溫下使用時(shí)，它們能夠防止氧從外部穿透，由此來抑制破損。在晶粒變粗糙的情況下，如上所述，另一方面，晶粒之間的晶界采用一種相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，從而使得當(dāng)電極材料在高溫下使用時(shí)，氧能容易從外部穿透，從而通過氧化作用會(huì)容易產(chǎn)生破損。
因此，用于抑制晶粒成長(zhǎng)的Y等被加入到具有降低的電阻率的電極材料中，以便于抑制由于粗糙晶粒所產(chǎn)生的氧化作用。但是，包含Y的電極材料容易吸留氫，從而使得由于吸留氫會(huì)使得電極材料變脆。
通常說來，當(dāng)接地電極被接合到其上時(shí)，金屬殼被電鍍。因此，倘若接地電極由上述具有吸留氫特性的電極材料制成，電極材料會(huì)在鍍鋅時(shí)刻吸留氫，從而使其變脆。因此，倘若具有吸留氫特性的電極材料被使用，較難實(shí)施鍍鋅。
本發(fā)明已經(jīng)構(gòu)思去解決這些至今所述的問題，并且具有一個(gè)目標(biāo)，其提供一內(nèi)燃機(jī)的火花塞，其通過抑制火花發(fā)電導(dǎo)致的電極降低而具有極佳耐久力并且通過鍍鋅具有極佳的防銹性能。
根據(jù)本發(fā)明，提供一內(nèi)燃機(jī)的火花塞，其包含一圓柱形金屬殼；一提供在金屬殼內(nèi)部孔中的圓柱形絕緣體；一提供在絕緣體的前端側(cè)內(nèi)部孔中的中心電極；和一接地電極，其一端結(jié)合到金屬殼的前端側(cè)并且另一端表面與中心電極一起形成一火花放電間隙，其中至少接地電極包含一電極材料，其包含大于等于0.5wt.％且小于等于1.5wt.％的Si，大于等于0.5wt.％且小于等于1.5wt.％的Al，整量為大于等于0.02wt.％且小于等于1.0wt.％的Ti，V，Zr，Nb和Hf至少之一，大于等于0.03wt.％且小于等于0.09wt.％C，和大于等于95.5wt.％的Ni，并且在室溫(大約20℃)下電阻率為小于等于25μΩcm。
本發(fā)明中的電極材料可以包含整量為0.5wt.％的Cr和Mn至少之一。而且，如從Zr和Hf中選擇那樣，本發(fā)明的電極材料還優(yōu)選包含Ti，V，Zr，Nb和Hf至少一種。該種包含有Zr的電極材料可包含Ti，V，Nb和Hf的至少之一。
另一方面，包含有Hf的電極材料優(yōu)選包含大于等于0.2wt.％的Hf。包含有Hf的電極材料包含Ti，V，Zr和Nb的至少之一。在這種情況下，電極材料優(yōu)選在Ti，V，Zr，Nb和Hf的重量中Hf最多。
包含有Hf的電極材料優(yōu)選包含Ti，V，Zr和Nb中的尤其是Zr。在這種情況下，Hf含量與Zr含量的重量比(Hf/Zr)優(yōu)選為3到11。包含有Hf和Zr的電極材料進(jìn)一步包含Ti，V和Nb的至少之一。在這種情況下，Hf的含量相對(duì)于Ti，V和Nb的總含量的重量比(Hf/(Ti+V+Nb))優(yōu)選大于等于2。
在900℃溫度下保持100小時(shí)之后，本發(fā)明中的電極材料優(yōu)選具有小于等于300μm的平均晶粒直徑。而且，本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)的火花塞中的金屬殼優(yōu)選鍍鋅的厚度大于等于3μm。
根據(jù)本發(fā)明，使用內(nèi)燃機(jī)中的火花塞的至少接地電極能夠抑制由于火花放電產(chǎn)生的電極的降低，并且通過采用具有預(yù)定成分和電阻率的Ni合金制成的電極材料可以具有極佳的耐久性，通過應(yīng)用防銹性能極佳的鍍鋅，從而可以具有極佳的防銹性能。


圖1表示根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)的火花塞一個(gè)實(shí)施例的剖視圖。
附圖標(biāo)記的說明1-金屬殼2-絕緣體3-中心電極(31-熱導(dǎo)心部，32-涂層部分)
4-接地電極100-使用在內(nèi)燃機(jī)中的火花塞發(fā)明詳述根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)的火花塞在下面進(jìn)行描述。
圖1表示本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)的火花塞一個(gè)實(shí)施例的剖視圖。使用在內(nèi)燃機(jī)中的火花塞100構(gòu)造包括一圓柱形金屬殼1；一安裝在金屬殼1中以在其前端側(cè)突出的圓柱形絕緣體2；一安裝在絕緣體2中以在其前端側(cè)突出的中心電極3；和一接地電極4，其一端通過焊接等結(jié)合到金屬殼1的一端上并且另一端側(cè)朝向中心電極3彎曲。在相對(duì)的中心電極3和接地電極4之間形成一間隙，稱為火花放電間隙。
金屬殼1由低碳剛等材料并通常為圓柱形。該金屬殼1包括在徑向上突出的凸緣部分11；具有六角部分的固定接合部分12，在內(nèi)燃機(jī)中的火花塞100安裝在未示出的發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋等部件上時(shí)，其適合與與諸如板手的緊固物相接合；設(shè)置在凸緣部分11的前端側(cè)的前端部分13，其直徑比凸緣部分11的直徑小。前端側(cè)13的外周形成有螺紋部分14用于將火花塞100緊固在發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋等部件中。固定接合部分12在其基端側(cè)提供有附加緊固部分15，以用于附加的將絕緣體2固定在金屬殼1中。
另一方面，絕緣體2由燒結(jié)的陶瓷件制成，例如氧化鋁或者氮化鋁，并且沿著其本身軸向上形成有軸向孔2H用于安裝中心電極3。在該軸向孔2H中，中心電極3被結(jié)合到前端側(cè)，并且終端固定件5被結(jié)合到基端側(cè)。在該軸向孔2H中，電阻器6提供在中心電極3和終端固定件5之間。該電阻器6通過玻璃墊圈7電氣連接到中心電極3和終端固定件5上。
絕緣體2提供有徑向凸出部分21，其具有形成在基端側(cè)的基端部分22，并且該基端部分22的直徑小于凸出部分21的直徑。另一方面，凸出部分21具有形成在其前端側(cè)的中間主體部分23，該中間主體部分23的直徑小于凸出部分21的直徑，并且支柱部分24形成在更前端側(cè)。
中心電極3包括由銅等材料制成的熱導(dǎo)心部31以及涂層部分32，并且使得涂層部分32的前端從絕緣體2的前端朝向前端側(cè)突出。另一方面，接地電極4具有結(jié)合到金屬殼1的前端側(cè)的一端，并且另一側(cè)朝向中心電極3彎曲。接地電極4與中心電極3的前端部分相面對(duì)。為了防銹，優(yōu)選金屬殼具有鍍鋅表面，以使其具有鍍鋅層并且用鉻酸鹽進(jìn)一步處理，盡管此未示出。該鍍鋅層(包括鉻酸鹽層)優(yōu)選具有大于等于3μm的厚度以用于防銹。
根據(jù)本發(fā)明的該火花塞100中的中心電極3和接地電極4，至少接地電極4由下面電極材料制成。在此，中心電極3和接地電極4不需要全部都由下面電極材料制成。在本實(shí)施例中，例如，如上所述，中心電極3被構(gòu)造包括熱導(dǎo)心部31和涂層部分32。但是，該涂層部分32是由接地電極同樣性質(zhì)的電極材料制成。
在本發(fā)明中，特別是接地電極4由下面電極材料制成，使得鍍鋅可以完成以使其具有極佳的防銹性能。更具體的，金屬殼1通常被電鍍使得接地電極4被接合到金屬殼1上。因此，倘若接地電極4由吸留氫的這樣電極材料制成，產(chǎn)生氫的鍍鋅是困難的，因?yàn)榻拥仉姌O4會(huì)吸留產(chǎn)生的氫并且會(huì)變脆。
因此，至少接地電極4通過采用能夠鍍鋅的這樣電極材料進(jìn)行構(gòu)造，如下面所述。甚至倘若當(dāng)接地電極被結(jié)合到金屬殼1時(shí)接地電極4被鍍鋅，接地電極4能夠防止吸留氫并且變脆，從而使得鍍鋅會(huì)具有極佳的防銹性能。
在本發(fā)明的火花塞100中采用的電極材料包含大于等于0.5wt.％且小于等于1.5wt.％的Si，大于等于0.5wt.％且小于等于1.5wt.％的Al，整量為大于等于0.02wt.％且小于等于1.0wt.％的Ti，V，Zr，Nb和Hf至少之一，大于等于0.03wt.％且小于等于0.09wt.％C，和大于等于95.5wt.％的Ni，并且在室溫(大約20℃)下電阻率為小于等于25μΩcm。
如果在20℃下電極材料的電阻率大于25μΩcm，中心電極3和接地電極4在火花放電時(shí)刻溫度上升，使得它們被過早的耗盡而使得它們的耐久性降低。然而，在本發(fā)明中，在20℃下中心電極3和接地電極4的電極材料設(shè)置具有小于等于25μΩcm的電阻率，從而使得中心電極3和接地電極4的耐久性可得到改進(jìn)。在此，接地電極4的電極材料的電阻率由對(duì)未結(jié)合到金屬殼1上的接地電極測(cè)量所得值進(jìn)行確定。
此外，為了滿足對(duì)電極材料的抗腐蝕性和抗高溫氧化性的最低要求，包含在Ni中的附加成分被調(diào)節(jié)。但是，如果該附加物過多，在20℃下一些附加成分的電阻率會(huì)上升。因此，附加成分進(jìn)行調(diào)節(jié)使得電極材料滿足抗腐蝕性和抗高溫氧化性的要求，同時(shí)也能在20℃下保持電阻率小于等于25μΩcm。
在現(xiàn)有技術(shù)中，具體來說，通過包含Si和Al同時(shí)減少Cr和Mn的含量來形成保護(hù)氧化膜，并且通過包含Ti，V，Zr，Nb和Hf的至少之一甚至少量的Si和Ai來強(qiáng)化保護(hù)氧化膜。這些各個(gè)成分的作用將在下面進(jìn)行描述。
Cr和Mn通過在電極材料的表面上形成保護(hù)氧化膜來改善抗腐蝕性和抗氧化性。但是，如果這些成分增加，在20℃下的電阻率會(huì)上升。因此，Cr和Mn它們的總量不超過0.5wt.％。在此，Cr和Mn不是必要的成分，兩者都可不被包含。而且，倘若Cr和Mn被包含，兩者或者它們兩者之一可被包含。
Si在電極材料的表面上形成保護(hù)氧化膜，因此可以改善抗腐蝕性和抗氧化性，并且其包含在0.5wt.％至1.5wt.％的范圍之內(nèi)。如果Si含量小于0.5wt.％，則其不能充分實(shí)現(xiàn)其作用，如果其含量超過1.5wt.％，則在20℃下的電阻率會(huì)上升，從而不能充分獲得對(duì)電極材料的下降進(jìn)行抑制的效果。
類似Si，Al也在電極材料的表面上形成保護(hù)氧化膜，因此可以改善抗腐蝕性和抗氧化性，并且其包含在0.5wt.％至1.5wt.％的范圍之內(nèi)。如果Al含量小于0.5wt.％，則其不能充分實(shí)現(xiàn)其作用，如果其含量超過1.5wt.％，則在20℃下的電阻率會(huì)上升，從而不能充分獲得對(duì)電極材料的下降進(jìn)行抑制的效果。
Ti，V，Zr，Nb和Hf可促進(jìn)Al2O3或者保護(hù)氧化膜的形成，從而可以改善抗腐蝕性和抗氧化性，即使Cr和Mn的總含量不超過0.5wt.％。當(dāng)已經(jīng)穿透到電極材料中的N和Al被結(jié)合成AlN時(shí)，在電極材料表面上的保護(hù)氧化膜的形成被延遲，從而使得抗氧化性不能保持。但是，考慮到被包含的Ti，V，Zr，Nb和Hf的至少之一可以固定穿透到電極材料中的N，從而防止了電極材料中的Al形成AlN。因此，用來改善抗氧化性能的保護(hù)氧化膜Al2O3的形成是便利的。
而且，Ti，V，Zr，Nb和Hf可以使得電極材料，甚至暴露在高溫下，也較難裂開和斷裂。在電極材料中，當(dāng)暴露在高溫下時(shí)晶粒發(fā)光，使得在晶粒中間形成的晶界從復(fù)雜結(jié)構(gòu)改變到相對(duì)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。當(dāng)晶界為相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)時(shí)，氧化作用非常容易發(fā)生在晶界中，從而使得電極材料容易裂開和斷裂。但是，通過包含Ti，V，Zr，Nb和Hf的至少之一，它們的碳化物析出入晶界中以抑制晶粒的生長(zhǎng)。因此，可以防止強(qiáng)烈發(fā)生在晶界內(nèi)部的氧化作用，從而較難裂開和破裂。
根據(jù)本發(fā)明通過包含Ti，V，Zr，Nb和Hf的至少之一，可能實(shí)施防銹性能上極佳的鍍鋅，這種防銹性能在含有Y的現(xiàn)有技術(shù)中是較難實(shí)現(xiàn)的。
具體說來，具有降低的電阻率的現(xiàn)有技術(shù)中的電極材料可以通過在Ni基合金中包含Y等制成，以防止晶粒從粗糙變成相對(duì)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。如果Ni基合金包含Y，其容易吸留氫，并由于具有吸留的氫而變脆。通常說來，金屬殼1被電鍍并接地電極4結(jié)合到其上。因此，如果接地電極4由容易吸留氫的電極材料制成，當(dāng)進(jìn)行鍍鋅作用時(shí)金屬殼1容易產(chǎn)生氫，從而使得接地電極吸留產(chǎn)生的氫并且變脆。
在本發(fā)明中，Ti，V，Zr，Nb和Hf的至少之一被包含以替換Y等，使得其能防止電極材料吸留氫并且變脆。因此，可以實(shí)施防銹性能極佳的鍍鋅。
Ti，V，Zr，Nb和Hf的總含量為大于等于0.02wt.％并且小于等于1.0wt.％。如果該含量小于0.02wt.％，抑制AlN的形成和抑制晶粒成長(zhǎng)的上述效果不充分。另一方面，如果含量超過1.0wt.％，在制造接地電極4的抽取單絲的運(yùn)行中，在塑性加工操作以將銅等的導(dǎo)熱件31填入到中心電極3中等操作過程的效率會(huì)降低。從更好的改善抑制AlN形成和晶粒生長(zhǎng)的效果觀點(diǎn)來看，上述含量?jī)?yōu)選大于等于0.05wt.％。另一方面，從塑性可加工性等觀點(diǎn)來看，上述含量更優(yōu)選小于等于0.06wt.％。
在此，在對(duì)Ni的固溶體限制效果中，Zr比剩下的元素(Ti，V，Nb和Hf)要差，并且容易析出入晶界中，從而它對(duì)抑制晶粒成長(zhǎng)具有更好的效果。換句話說，金屬的元素(Ti，V，Nb和Hf)不同于Zr，它們比Zr具有更有效的對(duì)Ni的固溶體限制，并且較難析出入晶界中，從而使得它們對(duì)抑制晶粒生長(zhǎng)的效果不如Zr。因此，倘若除Zr之外的金屬元素(Ti，V，Nb和Hf)被專門的包含，優(yōu)選它們的總含量大于等于0.2wt.％。甚至在除Zr之外的金屬元素(Ti，V，Nb和Hf)被這樣專門的包含時(shí)，該含量的上限為小于等于1.0wt.％，優(yōu)選為小于等于0.6wt.％。
在這些中，Hf在部分特性和效果上很難降低，不像剩下的金屬元素(Ti，V，Nb和Hf)一樣受其含量的影響，并且不是具體的限制在大于等于0.2wt.％和小于等于1.0wt.％的含量范圍之內(nèi)，如上所限定的。因此，Hf是優(yōu)選的，因?yàn)槠淠鼙话谝槐匾牧俊?br> 例如，如果設(shè)定Ti的含量使得其能防止晶粒變粗糙，Ti可能會(huì)具有過高的電阻率，這樣會(huì)對(duì)火花下降產(chǎn)生不利影響。從改善抗氧化性能的觀點(diǎn)看，優(yōu)選V和Nb的含量約為0.5wt.％。但是，從防止晶粒變粗糙的觀點(diǎn)看，優(yōu)選含量輕微上升。在含量上的這樣不同會(huì)導(dǎo)致不能實(shí)現(xiàn)這兩種效果。
用于相類似的效果，Zr是有利的，甚至其比剩余金屬元素(Ti，V，Nb和Hf)的含量少時(shí)，如上所述。另一方面，Zr易于改變其特性，甚至其含量輕微改變時(shí)，從而因?yàn)槠浜恳髧?yán)格控制，其對(duì)制造來說不是必要優(yōu)選的。而且，如果Zr的含量能夠?qū)崿F(xiàn)補(bǔ)償抗氧化性和抑制粗晶粒的效果，在冷加工性上Zr會(huì)輕微變低。
因此，除了Hf的金屬元素，也就是，Ti，V，Nb和Hf會(huì)降低局部特性或者受它們的含量輕微的影響，并且在所有的特性或效果上不容易實(shí)現(xiàn)平衡。另一方面，Hf很難降低其局部性能或者受其含量的影響，但是能夠包含在一必要的量而不受任何限制，只要其含量在0.2wt.％至1.0wt.％范圍之中。因此，在Ti，V，Zr，Nb和Hf之中特別優(yōu)選包含Hf。
從上述獲得不同效果的觀點(diǎn)看，優(yōu)選Hf的含量大于等于0.2wt.％。即使包含了Hf，從更好改善性能的觀點(diǎn)來看，可包含除了Hf的其它金屬元素(Ti，V，Zr和Nb)。在這種情況下，優(yōu)選在Ti，V，Zr和Nb之中Hf含量最多。如上所述，Hf很難降低局部特性或者受其含量的影響，從而通過這種主要成分各個(gè)性能可以較好的平衡。
倘若不僅包含Hf而且包含其它金屬元素(Ti，V，Zr和Nb)，優(yōu)選包含有具有最大影響的Zr的含量。通過含有Zr和Hf，含量會(huì)低于其它元素被包含的情況，同時(shí)可以較好的平衡各個(gè)特性。優(yōu)選在這種情況下Hf與Zr的重量比(Hf/Zr)為大于等于3并且小于等于11。通過設(shè)置重量比大于等于3并且小于等于11，可能得到極佳的抗氧化性能，可減少火花放電時(shí)刻的降低并且可以較好平衡各個(gè)性能。
而且，當(dāng)包含有Hf和Zr時(shí)，也可以包含剩余金屬元素Ti，V和Nb至少之一。在這種情況下，優(yōu)選Hf與Ti，V和Nb的總含量的重量比((Hf/(Ti+V+Nb)))大于等于2。Hf可有效的平衡各個(gè)性能。但是，如果上述重量比小于2，Hf的含量被降低使得較難有效的平衡特性或者效果。
包含C可以在高溫下增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度。具體來說，上述Ni基合金容易降低高溫強(qiáng)度，但是通過增加C或者穿透性元素能夠抑制由于熱應(yīng)力的變形。C的含量在0.03wt.％至0.09wt.％范圍之中。如果C的含量小于0.03wt.％，則高溫處的機(jī)械強(qiáng)度不充分，如果含量高于0.09wt.％，則抗變形力高，較難進(jìn)行塑性加工，從而很難通過填充銅等材料的導(dǎo)熱件31來制造中心電極3。
而且，優(yōu)選電極材料具有這樣的成分，使其保留在900℃的空氣中100小時(shí)之后，其晶粒具有的平均晶粒直徑為小于等于300μm。如果在900℃的空氣中100小時(shí)之后，它們的平均直徑超過300μm，晶粒會(huì)由于晶粒區(qū)域被氧化電極會(huì)破裂。
實(shí)施例本發(fā)明通過這些實(shí)施例得到更詳細(xì)的描述。
首先，火花塞100的中心電極3和接地電極4通過采用具有Ni基合金的成分的電極材料制成，如在下面的步驟中，下表1所列出的。
具體來說，一普通真空熔爐用來將具有各個(gè)成分的熔化合金通過真空鑄造變成坯料。在此之后，坯料被熱鍛造成直徑為60mm的圓條。這些圓條被拉成具有4mm的直徑的單絲和具有截面尺寸為1.6mm×2.8mm的單絲。銅的導(dǎo)熱件31被作為芯安裝在前者之中，并且從而形成中心電極3，并且后者用作為接地電極4。
接地電極4的一端部分通過電阻焊接連接到金屬殼1的前端部分上，該金屬殼1已經(jīng)通過低碳鋼的金屬原料形成了預(yù)定的形狀。在此之后，接地電極4浸入到約10％的鹽酸中以去除在切削過程中產(chǎn)生的銹，氧化物或者切屑，并且用水進(jìn)行沖洗。在此之后，與接地電極4結(jié)合的金屬殼1被滾鍍有鍍鋅層，并且然后用鉻酸鹽處理。這樣用鉻酸鹽處理的鍍鋅層具有3μm的厚度。僅僅在例16中，形成鍍鎳層用來替換鍍鋅層。
另一方面，中心電極3通過已知的方法裝配到絕緣體2的軸向孔2H中，并且用玻璃密封，并且電阻器6和終端固定件5被裝配。然后，通過將絕緣體2和結(jié)合有接地電極4的金屬殼1兩者進(jìn)行裝配以形成火花塞100，并且通過朝向中心電極3將接地電極4的前端部分向后折，以使其面對(duì)中心電極3的前端部分。
在例1至25的火花塞100中，制造中心電極3(也就是，涂層部分32)和接地電極4的電極材料的成分和電阻率在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。此外，在比較1至10的火花塞100和現(xiàn)有技術(shù)中，制造中心電極3和接地電極4的電極材料的成分也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
表1

接下來，火花塞100接受下面的測(cè)試和測(cè)量，并且它們的特性被進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估的結(jié)果在表2中列出?！爸行碾姌O可變形性測(cè)試”表示相對(duì)熱循環(huán)的變形耐久性，并且“塑性可加工性”表示可加工性，中心電極3被作為測(cè)試評(píng)估件使用。但是，不能滿足這些測(cè)試評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的電極材料確定較難適用為接地電極4。
(60,000Km電極間隙增加的相應(yīng)測(cè)試)各個(gè)例子、對(duì)比例和現(xiàn)有技術(shù)中的火花塞100運(yùn)用和測(cè)試在6缸、2.8升發(fā)動(dòng)機(jī)中運(yùn)行約400小時(shí)(相應(yīng)于150公里/小時(shí)下運(yùn)行60,000公里)。這些測(cè)試是在測(cè)試之前和之后增加點(diǎn)火放電間隙g上進(jìn)行的。
在評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中火花放電間隙g的增加小于0.30mm的試樣標(biāo)記為“○”，因?yàn)樗鼈兪菢O佳的并具有極少電極減少；火花放電間隙g的增加大于等于0.30mm并且小于0.35mm的試樣標(biāo)記為“△”因?yàn)樗鼈兪呛侠淼?；并且火花放電間隙g的增加大于等于0.35mm的試樣標(biāo)記為“×”因?yàn)樗鼈兪鞘〉摹?br> (氧化膜厚度的測(cè)試)各個(gè)例子、對(duì)比例和現(xiàn)有技術(shù)中的火花塞100使用在四缸、2.0升的發(fā)動(dòng)機(jī)中。5000rpm時(shí)運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)1分鐘和空轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)(在700至800rpm)1分鐘的循環(huán)重復(fù)100小時(shí)。在此之后，接地電極在縱向上被切下，并且測(cè)量氧化膜厚度。在此，發(fā)動(dòng)機(jī)的最高溫度為950℃，并且的氧化膜厚度的測(cè)量值包含在晶界氧化層厚度，如果有的話。
在評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中在測(cè)試后，接地電極4的試樣具有氧化膜厚度小于180μm被評(píng)估為“○”，因?yàn)樗鼈儧]有過多的氧化膜構(gòu)成并且是極佳的；試樣的厚度大于等于180μm和小于210μm被評(píng)估為“△”因?yàn)樗鼈兪呛侠淼?；并且試樣的厚度大于等?10μm時(shí)被評(píng)估為“×”因?yàn)樗鼈兪鞘〉?。?dāng)氧化膜過厚時(shí)，電極本身很容易升高溫度。因此，優(yōu)選厚度小于210μm，并且更優(yōu)選厚度小于180μm。
(中心電極變形測(cè)試)各個(gè)例子、對(duì)比例和現(xiàn)有技術(shù)中的火花塞100被采用，并且對(duì)中心電極3前端在850℃下加熱3分鐘并且冷卻同樣部位1分鐘的循環(huán)反復(fù)進(jìn)行。循環(huán)的數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)直到中心電極3的長(zhǎng)度比初始值短0.1mm。
在評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中直到中心電極3的長(zhǎng)度比初始值短0.1mm時(shí)循環(huán)數(shù)目大于等于2,500的試樣被評(píng)估為“○”，因?yàn)橹行碾姌O3的變形極少并且是極佳的；循環(huán)數(shù)大于等于1,500并且小于2,500時(shí)試樣被評(píng)估為“△”因?yàn)樗鼈兪呛侠淼?；循環(huán)數(shù)小于1,500時(shí)試樣被評(píng)估為“×”因?yàn)樗鼈兪鞘〉摹?br> (脆性測(cè)試)各個(gè)例子、對(duì)比例和現(xiàn)有技術(shù)中的火花塞100的接地電極4被反復(fù)的拉長(zhǎng)和折疊，直到接地電極4斷裂的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。在此，將接地電極4從直狀態(tài)朝向中心電極3折疊90度并且彎曲接地電極4到直狀態(tài)這樣的動(dòng)作認(rèn)為是一次。
在評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中直到接地電極4破裂時(shí)計(jì)數(shù)大于等于6的試樣評(píng)估為“○”，因?yàn)橥ㄟ^氫吸留它們極少變脆；計(jì)數(shù)為3至5時(shí)的試樣評(píng)估為“△”，因?yàn)樗鼈兪呛侠淼?；?jì)數(shù)為2時(shí)的試樣被評(píng)估為“×”因?yàn)樗鼈兪鞘〉摹?br> (鹽水噴淋測(cè)試)各個(gè)例子，對(duì)比和現(xiàn)有技術(shù)中的火花塞100在JIS H8502的條件下接受鹽水噴淋測(cè)試，直到紅銹形成的時(shí)限被計(jì)數(shù)。在評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中直到紅銹形成的時(shí)限大于等于96小時(shí)的試樣被評(píng)估為“○”，因?yàn)樗鼈冊(cè)诜冷P性能上是極佳的；直到紅銹形成的時(shí)限大于等于48小時(shí)并小于等于96小時(shí)的試樣被評(píng)估為“△”，因?yàn)樗鼈兪呛侠淼模恢钡郊t銹形成的時(shí)限小于等于48小時(shí)的試樣被評(píng)估為“×”，因?yàn)樗鼈兪鞘〉模?塑性可操作性)當(dāng)各個(gè)例子，對(duì)比和現(xiàn)有技術(shù)的火花塞100的中心電極3準(zhǔn)備時(shí)，對(duì)將銅的導(dǎo)熱件31作為心部安裝在上述電極材料的可操作性進(jìn)行檢測(cè)(變成涂層32)。
在評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中當(dāng)導(dǎo)熱件31安裝在上述電極材料中時(shí)沒出現(xiàn)操作裂縫在涂層部分32中，和在涂層32和熱導(dǎo)部件31之間沒發(fā)現(xiàn)間隙的試樣被評(píng)估為“○”，因?yàn)樗鼈兊乃苄钥刹僮餍詷O佳；具有操作裂縫和在涂層部分32和導(dǎo)熱件31之間形成有間隙的試樣被評(píng)估為“×”，因?yàn)樗鼈兪鞘〉摹?br> (平均晶粒直徑測(cè)量)各個(gè)例子、對(duì)比例和現(xiàn)有技術(shù)中的火花塞100在大氣中接受電爐熱處理，在900℃工作100小時(shí)。在此之后，接地電極在縱向上被切下，并且對(duì)平均晶粒直徑進(jìn)行測(cè)量。在平均晶粒直徑的這些測(cè)量中，接地電極4在面對(duì)中心電極3的部分的半節(jié)被磨光和侵蝕，從而使得晶界暴露作為測(cè)量面。對(duì)這個(gè)測(cè)量面，采用光學(xué)顯微鏡去測(cè)量每單位面積的晶粒的數(shù)目，使得平均晶粒直徑可以從每單位面積的晶粒數(shù)目進(jìn)行計(jì)算。
表2

從表2中明顯看出，對(duì)比1至10或者現(xiàn)有技術(shù)的多個(gè)火花塞100在本發(fā)明的電極材料的成分或者20℃的電阻率范圍之外，在使用后會(huì)導(dǎo)致火花放電間隙g和氧化膜形成的增加，從而使得它們很難同時(shí)滿足所有的特性?？梢耘袛喑龅膶?duì)比10的火花塞100包含Y作為電極材料，它們很難制造出鍍鋅成品，因?yàn)樗鼈冊(cè)阱冧\時(shí)吸留氫使得接地電極4變脆。
另一方面，電極材料的成分和20℃的電阻率在本發(fā)明范圍之內(nèi)的例1和2的火花塞100可以抑制火花發(fā)電間隙g的增加，在使用后，會(huì)導(dǎo)致更多氧化膜和更粗糙的晶粒的形成。而且，也發(fā)現(xiàn)由于吸留氫電極材料的脆性會(huì)被抑制，從而使得鍍鋅可以具有極佳的防銹性能。此外發(fā)現(xiàn)中心電極的塑性可操作性是充分的。
而且，對(duì)于金屬元素(Ti，V，Zr，Nb和Hf)包含在電極材料中，Zr是優(yōu)選的，因?yàn)樗色@得相對(duì)滿意的結(jié)果，甚至在0.05wt.％這樣少含量的情況，如例5等所示例的。例如，如例15和17所表示的，Hf的含量超過Zr的含量，但是它很難減少特性和效果，甚至其含量為0.2，0.4和1.0wt.％。而且，由于Hf的含量在0.2到1.0wt.％范圍內(nèi)，當(dāng)制造的觀點(diǎn)看是優(yōu)選的，因?yàn)槠洳幌馴r一樣作為制造成電極時(shí)需要嚴(yán)格控制。
倘若Hf和剩余金屬元素(Ti，V，Zr和Nb)包含在電極材料中，如果Hf的含量等于剩余金屬元素(Ti，V，Zr和Nb)總含量時(shí)，通過使Hf的含量多于剩余各個(gè)金屬元素(Ti，V，Zr和Nb)，氧化膜的形成可以得到更加抑制。該成分是優(yōu)選的，因?yàn)樘匦钥梢暂^好進(jìn)行平衡。在此，在氧化膜的形成的趨勢(shì)上，Hf的含量比Nb和Ti的含量更重要。例18和19表示這種情況，其中Nb或Ti包含作為金屬元素而不是Hf。
除了Hf的金屬元素(Ti，V，Zr和Nb)和Hf一起被包含在電極材料中時(shí)，如例20至24所示的，會(huì)發(fā)現(xiàn)Hf是優(yōu)選的，因?yàn)樯踔疗湓诰哂泻苌俚暮慷寄塬@得滿意的效果。倘若Zr和Hf一起被包含在電極材料中時(shí)，氧化膜的形成會(huì)得到更加抑制以較好的平衡特性，通過設(shè)置Hf相對(duì)Zr的含量的重量比(Hf/Zr)大于等于3或者小于等于11，如例20至23所示的。
倘若Hf和Zr和剩余金屬元素(Ti，V和Nb)一起被包含在電極材料中時(shí)，通過設(shè)置Hf相對(duì)Ti，V和Nb含量的重量比(Hf/(Ti+V+Nb))大于等于2，如例24和25所示的，火花發(fā)電間隙g和氧化膜的形成的增長(zhǎng)會(huì)得到更加抑制以較好的平衡特性。在此，例24和25表示該情況的一個(gè)例子，其中V或NB分別包含作為金屬元素，而不是Hf和Zr。
本申請(qǐng)是基于2005年1月31申請(qǐng)的日本專利申請(qǐng)JP2005-24500，2005年11月30申請(qǐng)的日本專利申請(qǐng)JP2005-345337，它們的整個(gè)內(nèi)容在此作為參考被結(jié)合，并與詳細(xì)描述出結(jié)果一樣。
權(quán)利要求
1.一種火花塞，其包含圓柱形金屬殼；提供在所述金屬殼內(nèi)部孔中的圓柱形絕緣體；提供在所述絕緣體的前端側(cè)內(nèi)部孔中的中心電極；和接地電極，其一端結(jié)合到所述金屬殼的前端側(cè)并且另一端表面與所述中心電極一起形成火花放電間隙，其中所述接地電極包含電極材料，其包含0.5至1.5wt.％的Si，0.5至1.5wt.％的Al，0.02至1.0wt.％的Ti，V，Zr，Nb和Hf中至少之一，0.03至0.09wt.％的C，以及大于或等于95.5wt.％的Ni，并且在20℃下電阻率等于或小于25μΩcm。
2.如權(quán)利要求1所述的火花塞，其中所述的電極材料包含Zr。
3.如權(quán)利要求1所述的火花塞，其中所述的電極材料包含Ti，V，Nb和Hf中的至少之一和Zr。
4.如權(quán)利要求1所述的火花塞，其中所述電極材料包含小于或等于0.5wt.％的Cr和Mn中的至少之一。
5.如權(quán)利要求4所述的火花塞，其中所述電極材料包含Zr。
6.如權(quán)利要求4所述的火花塞，其中所述電極材料包含Ti，V，Nb和Hf中的至少之一和Zr。
7.如權(quán)利要求1所述的火花塞，其中所述電極材料包含大于或等于0.2wt.％的Hf。
8.如權(quán)利要求7所述的火花塞，其中所述電極材料包含Ti，V，Zr和Nb中的至少之一，包含在所述電極材料中的Hf的重量大于包含在所述電極材料中的Ti，V，Zr和Nb的每個(gè)的重量。
9.如權(quán)利要求8所述的火花塞，其中所述電極材料包含Zr。
10.如權(quán)利要求9所述的火花塞，其中包含在所述電極材料中的Hf與包含在所述電極材料中的Zr的重量含量之比為3到11。
11.如權(quán)利要求9所述的火花塞，其中所述電極材料包含Ti，V和Nb中的至少之一，并且包含在所述電極材料中的Hf的含量與包含在所述電極材料中的Ti，V和Nb的總含量的重量比大于或等于2。
12.如權(quán)利要求1所述的火花塞，其中在900℃溫度下保持100小時(shí)之后，所述電極材料具有小于或等于300μm的平均晶粒直徑。
13.如權(quán)利要求1所述的火花塞，其中所述的金屬殼具有含鋅的鍍層并且厚度大于或等于3μm。
全文摘要
一火花塞，其包含一圓柱形金屬殼；一提供在所述金屬殼內(nèi)部孔中的圓柱形絕緣體；一提供在所述絕緣體的前端側(cè)內(nèi)部孔中的中心電極；和一接地電極，其一端結(jié)合到所述金屬殼的前端側(cè)并且另一端表面與所述中心電極一起形成一火花放電間隙，其中所述接地電極包含一電極材料，其包含0.5至1.5wt.％的Si，0.5至1.5wt.％的Al，0.02至1.0wt.％的Ti，V，Zr，Nb和Hf至少之一，0.03至0.09wt.％C，和大于等于95.5wt.％的Ni，并且在20℃下電阻率小于等于25μΩcm。
文檔編號(hào)H01T13/02GK1815830SQ200610006858
公開日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2006年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月31日
發(fā)明者熊谷健一, 近藤輝幸, 天野孝三, 山崎和郎, 中井由弘, 沼野正禎 申請(qǐng)人:日本特殊陶業(yè)株式會(huì)社, 住友電氣工業(yè)株式會(huì)社