火花塞用包层电极及其制造方法
【专利摘要】本发明为一种火花塞用包层电极，用于火花塞的中心电极及接地电极，由配置于火花塞的前端部分的贵金属片和与该贵金属片接合的基材构成，其特征在于，贵金属片与基材的接合界面为平面，在该接合部分形成有厚度为5μm～100μm的扩散层。该包层电极通过如下方法进行制造：将大致圆柱状的贵金属片的接合面抵接于基材的表面，通过电阻焊在基材表面预备接合贵金属片，对基材与贵金属片成为一体后的部分进行冲裁加工，通过热处理将基材和贵金属片扩散接合。
【专利说明】火花塞用包层电极及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及火花塞的电极(中心电极及接地电极)，尤其涉及将贵金属片和基材接合的火花塞用包层电极及其制造方法。
【背景技术】
[0002]近年来，作为内燃机等所使用的火花塞的中心电极，公知的有将由Pt合金或Ir合金形成的贵金属片接合于Ni合金或Cu合金等基材的所谓包层电极。
[0003]这种火花塞用包层电极的贵金属片与基材为不同种类的材料，在其接合时利用电阻焊或激光焊接，确保其接合稳定性(例如参照专利文献I)。
[0004]然而，将贵金属片与Ni合金等基材接合时，仅利用电阻焊无法满足接合强度，因此大多利用激光焊接。该激光焊接通过在贵金属片与基材接触的部分将激光向该接触部分的外周表面照射而将该照射部位熔解，使贵金属片与基材接合。
[0005]但是，该激光焊接是针对贵金属片与基材的接合部从外周表面开始熔解来进行接合的方法，因此有可能接合面的内侧的部分处于未熔解的状态，存在接合界面中残留空隙的情况。在该情况下，在使用时暴露于高温下时，存在如下倾向:由于被关入空隙内部的气体的膨胀而产生裂缝，贵金属片从基材剥离。特别指出的是，在最近的内燃机中，火花塞的使用环境为高温，由于放电点火的反复进行而导致的发热、散热的冷热循环的影响，贵金属片的脱落等问题较多，火花塞的寿命早早结束。
[0006]另外，如果想要接合面的内部也完全熔解并接合而增大激光的热量时，接合部的外周表面的熔融带的宽度变大。该熔融带是由于材料熔融、凝固而形成的区域，其材料组织与其他部位不同，脆并且电气性质也差。因此，熔融带的材料作为火花塞材料并不有效，其宽度变大的话，相应地需要多余地截取贵金属片的长度(厚度)。因此，从成本方面或节省资源的观点来看并不优选。
[0007]现有技术文献
[0008]专利文献
[0009]专利文献1:日本特开2004-134209号公报
【发明内容】
[0010]发明要解决的课题
[0011]本发明基于上述那样的情况而完成，其目的在于提供一种包层电极的制造技术，在由贵金属片和基材形成的包层电极中，能够可靠地维持贵金属片与基材的接合，实现火花塞的长寿命化，并且使用最小必要长度的贵金属片。
[0012]用于解决课题的方案
[0013]本发明为一种火花塞用包层电极，用于火花塞的电极，由配置于火花塞的前端部分的贵金属片和与该贵金属片接合的基材构成，其特征在于，贵金属片与基材的接合界面为大致平面。[0014]本发明的火花塞用包层电极中，贵金属片与基材的接合使用电阻焊和扩散接合连续的接合工序，替代以往的激光焊接。扩散接合在接合界面上遍及整个面地形成扩散层而可靠地接合，因此能够防止贵金属片的剥离或脱落，在严酷的使用环境下也能够实现火花塞的长寿命化。并且，该扩散层是厚度的偏差小的平滑且均匀的层，接合界面为大致平面。并且，扩散层的厚度可以通过接合条件来控制，由此能够将贵金属片的长度设定为最小限度。
[0015]并且，扩散层的厚度优选为5 μ m?100 μ m。该厚度小于5 μ m的话,存在无法获得充分的接合强度的倾向。另外，在超过IOOym的情况下，会有不耐火花消耗(放电消耗)的Ni基合金或Cu基合金在放电面上(附近)以高浓度存在的倾向，火花塞的寿命容易变短。另外，该扩散层在基材的材料使用例如Ni合金或Cu合金的基材的情况下，通过Ni或Cu向贵金属片侧扩散而形成。
[0016]另外，本发明的火花塞用包层电极也可以在接合部的外周表面具有未接合部。虽然在外周表面具有未接合部，但在内部进行了强固的接合，因此贵金属片不会剥离。并且，该未接合部可作为在接合部中缓和受到贵金属片与基材之间产生的热循环时的膨胀差和收缩差的缓冲部而起作用。另外，该未接合部的长度(平均值)最大可容许至贵金属片的半径的1/5的长度。
[0017]本发明中的贵金属片优选为Pt合金或Ir合金。具体来说,可以列举出Pt-Rh合金、Pt-1r合金、Pt-Ni合金、Pt-Cu合金、Ir-Rh合金、Ir-Pt合金或者Ir-FeNiCr合金等。另夕卜，本发明中的基材优选为Ni合金或Cu合金。具体来说，可以列举出N1-Cr合金、N1-Fe-AI合金、N1-Fe-Co 合金、N1-Pt 合金、N1-Pd 合金、N1-1r 合金、Cu-Cr 合金、Cu-Ni 合金、Cu-W合金、Cu-Pt合金、Cu-1r合金、Cu-Pd合金等。进而，也可以是将上述的各种基材组合成层状后的梯度合金材料。
[0018]另外，本发明涉及一种包层电极材料，将大致圆柱状的贵金属片的接合面抵接于基材的表面，通过电阻焊在基材表面预备接合贵金属片，通过热处理将基材和贵金属片扩散接合，从而基材与贵金属片成为一体。
[0019]本发明的火花塞用包层电极可以通过如下方法来制造，即将大致圆柱状的贵金属片的接合面抵接于基材的表面，通过电阻焊在基材表面预备接合贵金属片，通过热处理将基材和贵金属片扩散接合。在以往的激光焊接法中，贵金属片的熔融较多，因此存在贵金属的使用量变多的倾向，但根据本发明的制造方法，可以利用必需的贵金属量形成包层电极。另外，使用基材和另行准备的贵金属片来进行预备接合处理，并且，对基材与贵金属片成为一体后的部分进行冲裁加工，然后进行热扩散接合处理，从而能够形成本发明的火花塞用包层电极，因此能够高效地使用各种材料，能够降低制造成本。
[0020]在本发明的制造方法中，预备接合的电阻焊优选为加压力5?lOkgf、焊接电流500?1500A、通电时间2?200msec。该预备接合条件的特征与一般的电阻焊不同，是高加压、低电流、长通电时间。另外，在本发明的制造方法中，扩散接合的热处理条件优选为，800?1200°C、1?5小时、在真空中或还原气氛、不活泼气氛中的任一种气氛中进行热处理。特别是，关于热处理气氛，优选是Ni基合金、Cu基合金不会高温氧化的气氛。
[0021]在本发明的制造方法中，预备接合加压力弱时，无法获得基材与贵金属片的接触面积，存在接合面中产生间隙的倾向。另外，加压力强时，贵金属片被压坏，存在无法得到用于提高作为火花塞的点火性能的边缘的倾向。并且，预备接合焊接电流过高时，在接合面附近产生空孔(孔隙)，因接合强度降低而在实际使用环境下发生贵金属片脱落的现象的可能性变高，产生表面瑕疵，存在成为异常放电的契机的倾向。而且，关于通电时间，该时间长时，接合界面的扩散也发展，但生产效率降低，存在无法实现低成本的制品的倾向。关于预备接合通电时间，如果是短时间的话，接合界面的原子的热扩散未进行，存在在下一工序的扩散处理中也难以获得充分的扩散层的倾向。
[0022]发明效果
[0023]根据本发明，能够可靠地维持贵金属片与基材的接合，能够实现火花塞的长寿命化。并且，根据本发明的包层电极的制造方法，能够高效地使用材料，因此能够降低制造成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1A是表示本实施方式的包层电极的制造工序的剖面概要图。
[0025]图1B是表示本实施方式的包层电极的制造工序的剖面概要图。
[0026]图1C是表示本实施方式的包层电极的制造工序的剖面概要图。
[0027]图1D是表示本实施方式的包层电极的制造工序的剖面概要图。
[0028]图2是本实施方式的包层电极的立体图。
[0029]图3A是本实施方式的包层电极(有未接合部)的剖面观察照片。
[0030]图3B是本实施方式的包层电极(没有未接合部)的剖面观察照片。
[0031]图4是以往的基于激光焊接的包层电极的剖面观察照片。
[0032]图5是热循环试验后的本实施方式的包层电极的剖面观察照片。
【具体实施方式】
[0033]以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
[0034]图1A?D中示出了表示本实施方式的包层电极的制造工序的概要剖面图。
[0035]实施例1
[0036]首先，如图1A所示，在由Ni_Irl%合金构成的厚度为0.3mm的带状基材I上抵接配置直径为1.0mm、厚度为0.3mm的由Pt_Rh20%合金构成的圆柱状的贵金属片2,该贵金属片2相对于基材垂直。在将该贵金属片2抵接于带状基材I的表面时，确保贵金属片相对于基材垂直，在贵金属片的抵接面和基板表面之间不会产生间隙或部分接触等的状态。
[0037]接着，如图1B所示，在基材I和贵金属片2上分别连接电阻焊用的电极(3、3’)，以加压力7kgf、焊接电流1350A、通电时间9msec的条件进行电阻焊,进行预备接合。在本实施方式中，变更该电阻焊的条件而制造了 2种预备接合后的包层材料。
[0038]在进行了预备接合处理之后，如图1 (C)所示，利用规定直径的冲裁冲头4和与其对应的冲裁模5，对预备接合后的部分进行冲裁加工。其后，对基材I和贵金属片2，在真空中的电炉内，以加热温度为1100°C、时间为I小时的条件进行了热处理。通过该热处理，如图1D所示，形成了厚度为30 μ m的扩散层6，通过剖面观察确认出进行了扩散接合。图2表示完成后的产品形态的立体图。
[0039]接下来，说明针对在本实施方式中制造的包层电极进行了评价试验后的结果。另夕卜，为了进行比较，也对以往的通过激光焊接制造的火花塞用包层电极进行了评价。该以往的激光焊接法中，形成将与上述实施例同样的形状的圆柱状的贵金属片的基端面载置于基材表面的状态，通过规定的支承工具支承贵金属片，并以贵金属片中心轴线为旋转轴进行旋转，同时间歇性地对基板以及贵金属片的接触面的外周照射激光束。此时的激光束的输出为3?5J。
[0040]作为所获得的包层电极的评价，进行了使用自动绘图仪(压缩试验)的接合面的剥离试验。其结果是，在以往的基于激光焊接的火花塞用包层电极中，强度小于作为目标的300N，断裂面并未获得一样的剪切面。与此相对，在本实施例的包层电极中，具有300N以上的强度，且断裂面基本成为剪切面，由此判断为在接合面没有间隙且稳定的产品。
[0041]另外，作为所获得的包层电极的评价，还进行了确认在常温-1000°C之间的热膨胀、收缩实验下的剥离状态的试验。其结果是，在以往的激光焊接的包层电极中，产生了很多贵金属片(Pt合金)和基材(Ni合金)从接合端部剥离的现象。与此相对，在本实施例的包层电极中，在热膨胀、收缩实验中判断为外观、剖面均没有剥离且非常稳定的产品。由该结果可以确认，本实施例的包层电极在实际使用环境下没有实用上的问题。
[0042]在图3A、图3B以及图4中表示了热膨胀、收缩试验后的包层电极以及基于激光焊接的包层电极的剖面观察照片。图3A、B是在接合部外周表面具有未接合部分的火花塞用电极的剖面观察照片(图3A)和不具有未接合部分的火花塞用电极的剖面观察照片(图3B)。具有未接合部分的火花塞用电极的未接合部分的平均长度为单侧40 μ m。由图3可以看出，在本实施方式的两个包层电极的剖面中，接合界面中的扩散层的厚度大致均匀，接合界面为大致平面。并且，可以判断出贵金属片(观察剖面照片的上侧)和基材(观察剖面照片的下侧)没有产生裂缝或孔隙地接合。
[0043]另一方面，在以往的基于激光焊接的火花塞用电极中，如图4所示，确认出在接合部分产生了裂缝，贵金属片有可能剥离。另外，从接合部外周表面形成了厚度为300?500 μ m的具有熔融凝固组织的熔融带。该熔融带无法期待作为贵金属片的作用，因此为了形成与设计相同的电极，需要将贵金属片的长度延长该厚度的量。
[0044]另外，针对本实施例的包层电极进行热循环试验(在大气中，将在70°C和1000°C之间的加热、冷却的循环实施200个循环)，然后进行了剖面观察，在接合界面并没有产生热膨胀收缩导致的剥离。图5是不具有未接合部分的火花塞用电极的热循环后的剖面观察照片。
[0045]实施例2
[0046]作为实验例2，准备和实验例I相同的材料，作为预备接合条件，加压力为相同的7kgf，与实施例1的电阻焊条件相比，输出为降低后的1110A，通电时间为100msec。并且，制作出进行了与实施例1相同的热处理条件(1100°C Xl小时)的扩散接合处理后的包层电极。该实施例2的包层电极的特性具有与实施例1相同的特性。
[0047]实施例3
[0048]作为实施例3，利用和实施例2相同的材料的组合，设定和实施例2相同的预备接合条件，制造出以使其后的热处理条件向高温侧变化后的1200°C Xl小时进行扩散接合处理后的包层电极。对该实施例3的包层电极进行了剖面观察，其扩散层为50μπι。
[0049]实施例4[0050]作为实施例4，利用实施例2所示的材料的组合，设定和实施例2相同的预备接合条件，制造出使其后的热处理条件为1100°c X2小时而进行了扩散接合处理后的包层电极。对该实施例4的包层电极进行了剖面观察，其扩散层为40 μ m。
[0051]实施例5
[0052]作为实验例5，准备和实验例I相同的材料，作为预备接合条件，加压力为相同的7kgf，与实施例1的电阻焊条件相比，输出为提高后的1400A，通电时间为4msec。制作出使其后的热处理条件为1200°C X4小时而进行了扩散接合处理后的包层电极。对该实施例5的包层电极进行了剖面观察，其扩散层为90μπι。
[0053]实施例6
[0054]作为实施例6，在由与实施例1不同的材质的Cu_Ni30%合金构成的、厚度为0.3mm的带状基材I上准备由直径为1.0mm、厚度为0.3mm的Pt_Ir20%合金构成的圆柱状的贵金属片，作为预备接合条件，加压力为相同的7kgf，与实施例1的电阻焊条件相比，输出为降低后的600A，通电时间为200msec。制作出使其后的热处理条件为900°C X3小时而进行了扩散接合处理后的包层电极。对该实施例6的包层电极进行了剖面观察，其扩散层为10 μ m0
[0055]针对上述实施例2?6的包层电极进行了与实施例1相同的剥离试验、热膨胀、收缩试验的结果是，全部具有非常优良的特性。根据该结果可以判断出，只要是在适当的制造条件范围内，即使在生产线上一些条件发生摆动，也不会产生包层电极的特性无法维持实用水平的问题，质量管理条件也容易控制。
[0056]工业上的可利用性
[0057]根据本发明，能够可靠地维持贵金属片与基材的接合，能够实现火花塞的长寿命化，因此能够高效地利用贵金属，实现节省资源化。
[0058]标号说明
[0059]1:基材
[0060]2:贵金属片
[0061]3:电阻焊用的电极
[0062]6:扩散层
[0063]10:包层电极
【权利要求】
1.一种火花塞用包层电极，用于火花塞的电极，由配置于火花塞的前端部分的贵金属片和与该贵金属片接合的基材构成，其特征在于， 贵金属片与基材的接合界面为大致平面。
2.根据权利要求1所述的火花塞用包层电极，其特征在于， 在贵金属片与基材的接合部分形成有厚度为5 μ m?100 μ m的扩散层。
3.根据权利要求1或2所述的火花塞用包层电极，其中， 在贵金属片与基材的接合部分的外周表面具有未接合部分，所述未接合部分的长度为贵金属片的半径的1/5以下。
4.根据权利要求1?3中的任一项所述的火花塞用包层电极，其中， 贵金属片为Pt合金或Ir合金。
5.根据权利要求1?4中的任一项所述的火花塞用包层电极,其中， 基材为Ni合金或Cu合金。
6.—种火花塞用包层电极材料,用于权利要求1?5中的任一项所述的火花塞用包层电极，其中， 将大致圆柱状的贵金属片的接合面抵接于基材的表面， 通过电阻焊在基材表面预备接合贵金属片，并通过热处理将基材和贵金属片扩散接合，从而基材与贵金属片成为一体。
7.一种火花塞用包层电极的制造方法，用于制造权利要求1?4中的任一项所述的火花塞用包层电极，其特征在于， 将大致圆柱状的贵金属片的接合面抵接于基材的表面， 通过电阻焊在基材表面预备接合贵金属片，对基材与贵金属片成为一体后的部分进行冲裁加工， 通过热处理将基材和贵金属片扩散接合，从而形成包层电极。
8.根据权利要求7所述的火花塞用包层电极的制造方法，其中， 预备接合的电阻焊条件为加压力5?lOkgf、焊接电流500?1500A、通电时间2?200msec， 扩散接合的热处理条件为在真空气氛、还原气氛、不活泼气氛中的任一种气氛中，加热温度800?1200°C、处理时间I?5小时。
【文档编号】H01T13/20GK103765708SQ201280037882
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年7月24日 优先权日:2011年7月28日
【发明者】野村幸正, 今井雅满, 田中邦弘 申请人:田中贵金属工业株式会社