內(nèi)燃機的火花塞的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種內(nèi)燃機的火花塞，尤其是一種火花塞，所述火花塞具有中心電極和接地電極。中心電極面向接地電極從而在中心電極和接地電極之間形成火花放電間隙。在中心電極和接地電極的至少一個上形成有電極芯片。該電極芯片具有這樣的組分，該組分包括40-60mol%的鋁和作為其余料的銥。在電極芯片的組分中，可以用1-20mol%的選自鎳、鐵、鈷、鈦和銠中的至少一種金屬替代銥的部分。
【專利說明】內(nèi)燃機的火花塞
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在機動車輛的內(nèi)燃機中使用的火花塞。
【背景技術(shù)】
[0002]安裝到機動車輛的內(nèi)燃機使用各種類型的火花塞來點燃燒室中的燃料。例如，火花塞具有其中在中心電極和接地電極之間形成火花放電間隙的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在形成于中心電極和接地電極之間的火花放電間隙中產(chǎn)生火花放電，以點燃內(nèi)燃機的燃燒室中的由空氣和燃料組成的混合氣體。另一類型的火花塞具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中在中心電極或接地電極上形成電極芯片以增強點火能力等等。
[0003]最近，考慮到因內(nèi)燃機具有高的性能等而使內(nèi)燃機的燃燒室中的溫度增大，需要提高火花塞中使用的電極芯片的耐磨性。存在對于火花塞中的電極芯片產(chǎn)生火花侵蝕或火花磨損以及氧化侵蝕或氧化磨損的侵蝕。在火花侵蝕中，電極芯片的表面因火花放電而瞬間熔融。另一方面，在發(fā)生氧化侵蝕時，當火花塞用在高溫環(huán)境中時，電極的表面被氧化和蒸發(fā)。例如，日本專利公開第JP H09-298083號公開了一種具有常規(guī)結(jié)構(gòu)的火花塞，其中電極芯片由銥Ir制成，銥具有高的熔點和優(yōu)良的耐火花侵蝕能力。除了銥之外，電極芯片還包含具有優(yōu)良抗氧化性的鉬Pt和銠Rh。
[0004]但是，由于JP H09-398083號中公開的火花塞中使用的常規(guī)電極芯片由貴金屬諸如銥、鉬和銠制成，所以這增大了電極芯片和火花塞的制造成本。因此，需要提供一種火花塞，該火花塞以低的制造成本而具有優(yōu)良的耐火花放電磨損能力、優(yōu)良的抗氧化性和長的壽命。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]因此希望提供一種火花塞，其以低的制造成本而具有優(yōu)良的耐壓火花放電磨損性、優(yōu)良的抗氧化性和長的壽命。
[0006]—不例性實施方式提供了 一種具有中心電極和接地電極的火花塞。在該火花塞中，接地電極布置成面對中心電極從而在中心電極和接地電極之間形成火花放電間隙。電極芯片形成在中心電極和接地電極中的至少一個上。具體地，電極芯片包含40_60mol%的鋁和作為其余料的銥。
[0007]在根據(jù)示例性實施方式的火花塞的結(jié)構(gòu)中，電極芯片形成在中心電極和接地電極中的至少一個上。電極芯片包含40-60mol%的鋁和作為其余料的銥。即，火花塞中的電極芯片由包含鋁和銥的合金(Ir-Al合金)制成。具體地，由于電極芯片中的鋁含量在電極芯片的整個組成中的40-60%的范圍內(nèi)，金屬間化合物Ir-Al表現(xiàn)為Ir_Al合金中的主相。
[0008]電極芯片中的Ir-Al合金中的金屬間化合物Ir-Al具有高的熔點和優(yōu)良的抗氧化性。S卩，Ir-Al合金中的金屬間化合物Ir-Al具有有高熔點的銥的優(yōu)良耐火花磨損性以及鋁的優(yōu)良的抗氧化性。這使得提供一種具有優(yōu)良的耐壓火花磨損性、優(yōu)良的抗氧化性和長的壽命的火花塞成為可能。[0009]此外，由于火花塞中的電極芯片包含40-60mol%的鋁，其是非貴金屬且能夠以低的成本購得。這使得與常規(guī)火花塞相比，可以降低火花塞和電極芯片的制造成本，其中常規(guī)火花塞具有的電極芯片在能夠以高成本購得的銥之外包括僅諸如鉬、銠的貴金屬。
[0010]本發(fā)明提供了具有優(yōu)良耐火花磨損性、優(yōu)良抗氧化性和長的使用壽命的電極芯片和火花塞。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]將參考附圖舉例說明本發(fā)明的優(yōu)選的、非限定性的實施方式，其中:
[0012]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一和第二示例性實施方式的火花塞的一部分的截面圖；
[0013]圖2是示出圖1中所示的根據(jù)本發(fā)明第一和第二示例性實施方式的火花塞中的中心電極、接地電極、形成在中心電極上的電極芯片、形成在接地電極上的電極芯片和火花放電間隙的視圖；
[0014]圖3是示出作為測試樣本S3的、與本發(fā)明第一示例性實施方式相對應(yīng)的火花塞的電極芯片的剖切表面的視圖；
[0015]圖4是示出作為測試樣本S8的、與本發(fā)明第二示例性實施方式相對應(yīng)的火花塞的電極芯片的剖切表面的視圖；
[0016]圖5是示出在高溫氧化測試中、根據(jù)本發(fā)明第四示例性實施方式的電極芯片(作為測試樣本S31-S39)中每一個電極芯片的維持時間段和質(zhì)量變化之間的關(guān)系的視圖；
[0017]圖6是示出具有僅形成在中心電極上的電極芯片的火花塞的變形的視圖；和
[0018]圖7是示出具有被形成在接地電極上的電極芯片的火花塞的另一變形的視圖。
【具體實施方式】
[0019]下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的各種實施方式。在下面對各種實施方式的描述中，全部附圖中相同的字符或數(shù)值表示相同或相似的部件。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的火花塞具有一個或更多個電極芯片。每個電極芯片包括占總量40-60mol%的鋁A1和作為其余料的銥Ir?？山邮艿氖?，每個電極芯片還包括不超過占總量
0.5mol%的硅Si和鋅Zn作為附帶雜質(zhì)。
[0021]一般地，銥具有近似2447°C的熔點。另一方面，鋁具有比銥的熔點低的、近似660°C的熔點。相應(yīng)地，電極芯片的熔點能夠通過調(diào)整電極芯片中的鋁含量來改變。另外，電極芯片的抗氧化性能夠通過調(diào)整鋁含量來改變。
[0022]例如，當火花塞中形成的電極芯片的鋁含量小于40mol%時，可以抑制電極芯片的熔點的降低，但存在這樣的可能，即難以維持必需的抗氧化性。
[0023]另一方面，當火花塞中形成的電極芯片的鋁含量大于60mol%時，可以提高抗氧化性，但降低了電極芯片的熔點。在這一結(jié)構(gòu)中，可能難以維持必需的耐火花磨損性。
[0024]另外，當在火花塞中形成的電極芯片中的鋁含量小于40mol%且大于60mol%時，可能會降低電極芯片中Ir-Al合金中的金屬間化合物Ir-Al的含量比率。即，例如，可能增大銥和鋁的作為金屬間化合物Ir-Al之外的相的固溶體的含量。存在這樣的可能性，即電極芯片難以同時維持耐火花磨損能力和抗氧化性兩者。
[0025]另外，金屬間化合物Ir-Al作為形成電極芯片的Ir_Al合金主相的主相。再另外，作為Ir-Al合金之外的相的、銥和鋁的固溶體通常包含在電極芯片中。
[0026]再另外，可以使用光學(xué)顯微鏡或者電子顯微鏡對電極芯片的截面拍攝，并計算金屬間化合物Ir-Al的面積在電極芯片的截面的整個面積上的比率，以獲得金屬間化合物Ir-Al在Ir-Al合金中的比率。
[0027]再另外，電極芯片可以包含在l_20mol%的范圍內(nèi)的、選自鎳N1、鐵Fe、鈷Co、鉬Pt和銠Rh的至少一種金屬，以替代電極芯片中的銥的部分。
[0028]在該示例中，根據(jù)本發(fā)明的火花塞中的電極芯片由合金(Ir-Al-M合金)制成，其中具有作為晶體結(jié)構(gòu)的體心立方晶格結(jié)構(gòu)(BCC結(jié)構(gòu))的Ir-Al合金的部分被由選自鎳、鐵、鈷、鉬和銠中的至少一種元素替代。該種元素將用參考符號“元素M”指代。形成電極芯片的合金包含由銥、鋁和元素Μ構(gòu)成的金屬間化合物Ir-Al-M作為主相。電極芯片的這一結(jié)構(gòu)使得抑制除形成電極芯片的合金中的金屬間化合物之外的相(諸如固溶體等)的生成成為可能。相應(yīng)地，可以增大金屬間化合物在形成電極芯片的合金中的比率。這使得可以提高電極芯片的耐火花磨損性和抗氧化性。
[0029]再另外，當替代形成電極芯片的合金中的銥的部分的元素Μ含量小于lmol%時，可能抑制形成電極芯片的合金中的固溶體的產(chǎn)生等等，以及可能難以充分獲得增大金屬間化合物在形成電極芯片的合金中的比率的效率。
[0030]另一方面，當元素Μ的含量大于20mol%時，由于形成電極芯片的合金中的銥的含量減小且電極芯片的熔點降低，所以電極芯片可能難以充分地獲得耐火花放電磨損性。
[0031]再另外，根據(jù)本發(fā)明的電極芯片可以含有至少一些鎳和銠以代替銥的部分。該結(jié)構(gòu)使得可以增大金屬間化合物在形成電極芯片的合金中的比率，并且進一步提高電極芯片的耐火花磨損性和抗氧化性。
[0032]第一示例性實施方式
[0033]將參考圖1和2描述用于內(nèi)燃機的根據(jù)第一和第二不例性實施方式的火花塞1。
[0034]圖1是示出根據(jù)第一和第二示例性實施方式的火花塞1的一部分的截面的視圖。圖2是示出圖1中所示的根據(jù)第一和第二示例性實施方式的火花塞中的中心電極2、接地電極3、在中心電極2與接地電極3上形成的電極芯片4以及火花放電間隙G。具體地，電極芯片4被形成在中心電極2上。電極芯片4被形成在接地電極3上。這些電極芯片4隔著火花放電間隙G面對彼此。電極芯片4由40-60mol%的鋁和作為其余料的銥制成。
[0035]現(xiàn)在將描述在根據(jù)第一不例性實施方式的火花塞1中的每一個電極芯片4的詳細結(jié)構(gòu)。
[0036]如圖1所示，火花塞1包括中心電極2、接地電極3、電極芯片4、電絕緣體5諸如陶瓷電絕緣體等等以及外殼6。外殼6具有筒狀形狀。螺紋部61形成在外殼6的外周處。火花塞1通過在燃燒室的壁部中形成的螺紋孔(未示出)和外殼6的螺紋部61固定到內(nèi)燃機(未示出)的燃燒室的壁部。
[0037]電絕緣體5具有筒狀形狀。電絕緣體5被支撐在外殼6的內(nèi)部。中心電極2被支撐在電絕緣體5的內(nèi)部從而中心電極2從電絕緣體5伸出并暴露于外部，即暴露于燃燒室中的燃料混合物。
[0038]接地電極3連接到外殼6的前端面60。如圖1和2中所示，接地電極3從外殼6的前端面60朝向中心電極2延伸，并且彎曲以便接地電極3沿著火花塞1的軸線方向面向中心電極2。
[0039]如圖2所示，電極芯片4通過焊接連接到中心電極2的中心電極基部21的前端部
21。另外，電極芯片4通過焊接被連接到接地電極3的接地電極基部31的相對部311。每一個電極芯片均具有筒狀形狀?；鸹ǚ烹婇g隙G形成在電極芯片4之間。
[0040]中心電極2的中心電極基部21和接地電極3的接地電極基部31中的每一個均由鎳合金(Ni合金)制成。
[0041]中心電極2的電極芯片4和接地電極3的電極芯片4中的每一個均由40_60mol%的鋁和作為其余料的銥制成。即，電極芯片4包括由銥和鋁組成的合金(Ir-Al合金)。除了包含銥和鋁之外，可接受的是電極芯片4包含總量不超過近似0.5mol%的硅和鋅作為附帶雜質(zhì)。
[0042]現(xiàn)在將說明具有先前所述結(jié)構(gòu)的根據(jù)第一示例性實施方式的火花塞1的作用和效果。
[0043]在根據(jù)第一示例性實施方式的火花塞1的結(jié)構(gòu)中，電極芯片4形成在中心電極2上，并且電極芯片4也形成在接地電極3上。具體地，電極芯片4具有特定的組成，即包含40-60mol%的鋁和作為其余料的銥。
[0044]由于電極芯片4包括銥和鋁的合金(Ir-Al合金)，并且鋁的含量具有前述的范圍，存在由銥和招構(gòu)成的金屬間化合物(金屬間化合物Ir-Al)作為形成電極芯片4的Ir-Al合金中的主相。
[0045]作為在Ir-Al合金中的主相的金屬間化合物Ir_Al具有高的熔點并且具有優(yōu)良的抗氧化性。即，在電極芯片4中包含的金屬間化合物Ir-Al具有銥的高熔點和優(yōu)良耐火花磨損性以及鋁的優(yōu)良的抗氧化性。這使得可以提供具有優(yōu)良的耐火花磨損性和優(yōu)良抗氧化性兩者的、根據(jù)第一不例性實施方式的火花塞1。這可以使得火花塞1具有長的壽命。
[0046]另外，根據(jù)第一不例性實施方式的火花塞1中的電極芯片4包含40_60mol%的招，而鋁是低成本的材料并且在市場上易于以低價購得。這使得可以降低火花塞1中的電極芯片4的制造成本。例如，與由諸如銥、鉬和銠的貴金屬制成的常規(guī)電極芯片的制造成本相t匕，根據(jù)第一示例性實施方式的火花塞1中的電極芯片4能夠用低的制造成本生產(chǎn)。即，可以以低的制造成本制成根據(jù)第一示例性實施方式的具有電極芯片4的火花塞1。
[0047]如前所述，第一示例性實施方式提供了這樣的火花塞1，其用于內(nèi)燃機、具有優(yōu)良的耐火花磨損性、優(yōu)良的抗氧化性和長的壽命。
[0048]第二示例性實施方式
[0049]現(xiàn)在將描述根據(jù)第二示例性實施方式的火花塞1。根據(jù)第二示例性實施方式的火花塞1中的中心電極2和接地電極3的每個均具有電極芯片4，該電極芯片4的含量均不同于根據(jù)第一不例性實施方式的火花塞1中使用的電極芯片4。
[0050]S卩，根據(jù)第二不例性實施方式的火花塞1具有電極芯片4,電極芯片4中的每一個電極芯片均包括在l-20mol%的范圍內(nèi)的、選自鎳、鐵、鈷、鉬和銠中的至少一種金屬。S卩，根據(jù)第二示例性實施方式的火花塞1中的電極芯片4包括40-60mol%的鋁、l_20mol%的選自鎳、鐵、鈷、鉬和銠中的至少一種金屬。電極芯片4還包括作為其余料的銥。
[0051]由于根據(jù)第二示例性實施方式的火花塞1中的其它組件與根據(jù)第一示例性實施方式的火花塞1中的其它組件相同，這里省略它們的解釋。[0052]在第二示例性實施方式中，電極芯片4包括這樣的合金(Ir-Al-M合金)，其中具有作為晶體結(jié)構(gòu)的體心立方晶格結(jié)構(gòu)(BCC結(jié)構(gòu))的Ir-Al合金的部分被替代為選自鎳、鐵、鈷、鉬和銠中的至少一種元素。該種元素將用參考符號“元素M”指代。形成電極芯片4的合金包括金屬間化合物Ir-Al-M。金屬間化合物Ir-Al-M包括銥、招和元素Μ。根據(jù)第二示例性實施方式的火花塞1中的電極芯片4的這一結(jié)構(gòu)使得抑制除形成電極芯片的合金中的金屬間化合物之外的相(諸如固溶體等)的生成成為可能。相應(yīng)地，可以提高金屬間化合物在形成電極芯片4的合金中的比率。這使得可以增強電極芯片的耐火花磨損性和抗氧化性。根據(jù)第二示例性實施方式的火花塞的其它作用和效果與根據(jù)第一示例性實施方式的火花塞的那些相同。
[0053]第三示例性實施方式
[0054]現(xiàn)在將描述第三示例性實施方式。在第三示例性實施方式中，評估作為火花塞的每個測試樣本的耐磨損性。耐磨損性包括耐火花放電磨損性和抗氧化性。
[0055]第三示例性實施方式使用具有不同組分的多個電極芯片，如表1中所示。第三示例性實施方式測試樣本S1-S21，其中每一個樣本均具有不同組分的電極芯片。第三示例性實施方式檢測測試樣本S1-S21中每一個測試樣本的耐火花放電磨損性和抗氧化性。
[0056]此外，表1示出了組分，金屬間化合物在測試樣本S1-S21中每一個測試樣本中的電極芯片中的面積的比率。表1略去附帶雜質(zhì)。
[0057]現(xiàn)在將描述測試樣本S1-S21中每一個測試樣本中使用的電極芯片。
[0058]測試樣本S2-S4中每一個測試樣本中的電極芯片包含40_60mol%的鋁和作為其余料的銥。即，測試樣本S2-S4中每一個測試樣本中的電極芯片對應(yīng)于如前所述的根據(jù)第一示例性實施方式的火花塞1中使用的電極芯片4。
[0059]另一方面，測試樣本S1中的電極芯片包含70mol%的鋁，這大于60mol%的鋁。測試樣本S5中的電極芯片包含30mol%的鋁，這小于40mol%的鋁。
[0060]測試樣本S2-S4中每一個測試樣本中的電極芯片包含:50mol%的鋁，這在40-60mol%鋁的范圍內(nèi)；l-20mol%的元素M，其中元素Μ選自鎳、鐵、鈷、鉬和銠中的至少一種金屬；以及作為其余料的銥。特別是，在測試樣本S2-S4中每一個測試樣本的電極芯片中，銥的部分被元素Μ替代。S卩，測試樣本S2-S4中每一個測試樣本的電極芯片對應(yīng)于如前所述的根據(jù)第二示例性實施方式的火花塞中使用的電極芯片。
[0061]另一方面，測試樣本S9中的電極芯片包含50mol%的鋁，和30mol%的鎳，這高于替代銥的部分的20mol%的鎳。
[0062]現(xiàn)在將描述生產(chǎn)作為測試樣本的每一個火花塞中的電極芯片的方法。
[0063]首先，元素粉，諸如銥粉、招粉、鎳Ni粉、鐵Fe粉、鈷Co粉、鉬Pt粉、錯Rh粉以預(yù)定組分混合以制成電極芯片的原混合物(raw mixture)ο
[0064]接著，原混合物使用7.5kff的最大功率通過離子弧熔融法熔融超過10分鐘，并被干燥以制成坯料。該方法使用不小于99.95%純度的銥粉、不小于99.95%純度的鉬粉、不小于99.95%純度的銠粉，不小于95%純度的鋁粉，以及不小于99.8%純度的鎳粉。
[0065]接著，所生產(chǎn)的坯料在1400°C的溫度下退火并保持在氬氣Ar環(huán)境下超過72小時。在退火處理之后，還料被切割成具有預(yù)定尺寸的部件(具有0.55mm的直徑和0.8mm的軸向長度)。這樣制成了具有直徑為0.55mm且長度為0.8mm的筒狀的電極芯片。[0066]接著，現(xiàn)在將描述檢測在每一個測試樣本中的電極芯片中包含的金屬間化合物的面積的比率的方法。
[0067]首先，電極芯片被切割以形成切割表面。切割表面通過打磨被拋光。
[0068]接著，通過光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡拍攝電極芯片的拋光表面。操作數(shù)據(jù)處理軟件以處理所拍攝的圖像數(shù)據(jù)。換句話說，操作對所拍攝的圖像數(shù)據(jù)的二值化(binarization)以將金屬間化合物相從固溶體相區(qū)分開。計算金屬間化合物的面積的比率。
[0069]圖3是不出與第二不例性實施方式相對應(yīng)、與第一不例性實施方式相對應(yīng)的作為測試樣本S3的火花塞的電極芯片的切割表面的視圖。圖4是示出與第二示例性實施方式相對應(yīng)的作為測試樣本S8的火花塞的電極芯片的切割表面的視圖。
[0070]在圖3和4中，以附圖標記400標記的灰度區(qū)域指示電極芯片中的金屬間化合物相，而以附圖標記401標記的白色區(qū)域指示電極芯片中的固溶體相。如圖4中清楚示出的，在作為測試樣本S8的電極芯片的切割表面中，僅存在金屬間化合物相，無固溶體。
[0071]現(xiàn)在將描述耐磨損性測試。
[0072]每個電極芯片通過激光焊接被固定到作為測試樣本S1-S21中每一個測試樣本的火花塞中的中心電極和接地電極中的每一個電極。
[0073]接著，作為測試樣本S1-S21中每一個測試樣本的火花塞被安裝到發(fā)動機排量為2500cc的直列六缸的內(nèi)燃機。
[0074]接著，內(nèi)燃機以5600rpm (全負荷工況)運行超過100小時。在發(fā)動機運行之前和之后檢測測試樣本S1-S21中每一個測試樣本中的火花放電間隙G的間隙長度L (見圖2)。當檢測的間隙長度L小于0.03mm時，則該測試樣本的評估結(jié)果為“A”。另一方面，當檢測的間隙長度L不小于0.09mm時，則該測試樣本的評估結(jié)果為“C”。當檢測的間隙長度L在不小于0.03mm和小于0.09mm的范圍內(nèi)時，該測試樣本的評估結(jié)果為“B”。
[0075]表1
[0076]
【權(quán)利要求】
1.火花塞(1)，包括:中心電極(2);和接地電極(3)，所述接地電極布置成面對所述中心電極從而在所述中心電極(2)和所述接地電極(3 )之間形成火花放電間隙(G)，其中，電極芯片(4)形成在所述中心電極(2)和所述接地電極(3)的至少一個上，并且所述電極芯片包括40-60mol%的鋁和作為其余料的銥。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞(1)，其特征在于，所述電極芯片(4)還包括替代銥的部分的l_20mol%的選自鎳、鐵、鈷、鉬和銠中的至少一種金屬。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的火花塞(1)，其特征在于，所述電極芯片(4)包括替代銥的部分的從鎳和銠中選取的至少一種金屬。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的火花塞(1)，其特征在于，所述電極芯片(4)形成在所述中心電極(2)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的火花塞(1)，其特征在于，所述電極芯片(4)形成在所述接地電極(3)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的火花塞(1)，其特征在于，所述電極芯片(4)還包含不超過近似0.5mol%的總量的硅和鋅作為附帶雜質(zhì)。
【文檔編號】H01T13/32GK103633562SQ201310363324
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月20日
【發(fā)明者】村山勇樹, 阿部信男, 土井義規(guī), 東峰壽行, 橫田俊介 申請人:株式會社電裝, 石福金屬興業(yè)株式會社