专利名称：火花塞的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用在内燃机中的火花塞。
背景技术：
近来，内燃机例如汽车发动机趋向于提高在燃烧室内的温度，以便增大发动机输出功率并且改善燃油效率。已经广泛使用了这样一种发动机来提高可燃性，该发动机具有按照这样一种方式在其中设置火花塞(下面也简称为火花塞)，即，用于形成火花放电间隙的火花塞的放电部分伸出到燃烧室中。在这些情况下，因为放电部分暴露于高温，所以用于形成火花塞的放电部分的侧电极或中心电极容易由于火花放电而迅速被侵蚀。为了改善用于形成火花放电间隙的放电部分对火花侵蚀的抵抗力，已经对这种火花塞提出了大量提案，其中将主要包含Pt、Ir等的贵金属顶端焊接在侧电极或中心电极的前端上。
例如，在专利文献1中，已经披露了具有主要包含Ir和Rh的贵金属顶端的火花塞。在该火花塞的贵金属顶端中，利用Ir熔点较高的优点来抑制火花侵蚀。另外，可以通过加入Rh或Ir来防止在高温(不低于900℃)下氧化的Ir挥发，由此抑制贵金属顶端的氧化侵蚀。因此，可以改善贵金属顶端在更高温度下耐侵蚀性。
另外，在专利文献2中，已经披露了这样一种火花塞，它包括一个贵金属顶端，其在放电部分中具有预定顶端直径D和厚度H并且包含Ir作为主要组分以及Rh和Ni作为附加组分。在火花塞的贵金属顶端中，与专利文献1中一样，可以通过将Rh加入到Ir中来防止氧化Ir挥发，同时聪明地利用了Ir的熔化温度较高的优点。另外，还披露了另一种火花塞，它包括一个贵金属顶端，该顶端还包含有Ni作为附加组分，用来抑制在包含有加入到Ir中的Rh的贵金属顶端中可能出现的异常侵蚀，具体地说，用来抑制这样一种异常侵蚀现象，其中贵金属顶端的侧部将受到侵蚀从而根据使用情况从一个方向选择地被挖空。
日本专利特许公开No.7733/1997[专利文献2]日本专利特许公开No.2002-359050发明内容但是已经发现，即使在如专利文献2所述一样的包括含有作为主要组分的Ir和作为附加组分的Rh和Ni的贵金属顶端的火花塞中，根据使用条件仍然会出现以下现象。即，如在图9的照片和图10的说明图中所示一样，虽然颗粒状物质201沉积在贵金属顶端200的表面上，但是贵金属顶端200的侧表面200S部分被侵蚀，就好像该贵金属顶端200出汗一样(这种现象在下面将被称为出汗现象)。顺便说一下，如图9所示一样，沉积有大量颗粒状物质201的部位为与另一个电极相对以形成火花放电间隙的放电表面200T及其附近(附图中的上表面)，尤其是侧面200S的放电表面侧端部200ST。在图9中，相对于侧面100S的中心由在(b)中的虚线表示的左部EA尤其受到侵蚀。
虽然在贵金属顶端中的这种出汗现象的产生机理的细节是未知的，但是可以知道的是，包含在侵蚀部分中的Ir挥发、然后挥发的Ir凝结并且沉积从而长大成颗粒物。顺便说一下，对侧面200S进行观察，结果贵金属顶端的晶界部分优先侵蚀(具体参见相对于中心的左部EA)。
当包括贵金属顶端200的火花塞持续操作时，该贵金属顶端200被更强烈地侵蚀，同时颗粒状物质201的形状就好像部分贵金属顶端200将要剥落一样，因为颗粒状物质201长大同时相互成一体从而象蘑菇帽一样垂下。在这种情况下，贵金属顶端200的散热特性下降，并且该贵金属顶端200的耐久性进一步下降。而且，长大部分可能耗损。
本发明是考虑到上述问题完成的。也就是说，本发明的一个目的在于提供一种更耐用的火花塞，它设有中心电极和侧电极，从而在该中心电极和侧电极之间形成火花放电间隙，中心电极和侧电极中的至少一个包括面对着火花放电间隙的贵金属部件，其中可以抑制贵金属部件的出汗现象，同时可以抑制该贵金属部件的火花侵蚀、氧化侵蚀和异常侵蚀。
作为一种解决手段，提供一种火花塞，它包括中心电极和位于中心电极的至少一侧的侧电极，从而在该中心电极和侧电极之间形成火花放电间隙，其中中心电极和侧电极中的至少一个包括面对着火花放电间隙的贵金属部件；并且该贵金属部件包含有作为主要组分的Ir、0.3质量％至43质量％(包含两个端点)的Rh、5.2质量％至41质量％(包含两个端点)的Ru以及0.4质量％至19质量％(包含两个端点)的Ni。
在根据本发明的火花塞中，因为在中心电极和侧电极中的至少一个中所包括的贵金属部件包含具有高熔点的Ir作为主要组分，所以耐热性良好。而且，由于在贵金属部件中加入有预定量的Rh，所以即使在高温下也能够抑制由于Ir挥发而导致的贵金属部件侵蚀。而且，由于在贵金属部件中还加入有预定量Ni，所以即使在可能引起异常侵蚀、例如在背景技术中火花塞贵金属部件被挖空的使用条件下，也能够抑制贵金属部件的异常侵蚀。
另外，由于在贵金属部件中加入有预定量的Ru，所以可以抑制引起贵金属部件侵蚀和颗粒状物质沉积的出汗现象、和由于出汗现象发展而导致出现的剥落现象，由此抑制贵金属部件的侵蚀和变形。
这样，可以抑制在火花塞中的氧化侵蚀、异常侵蚀和出汗现象，从而使火花塞的耐久性良好，从而该火花塞在下面所述的耐久性测试中表现出的侵蚀量不大于0.3mm。
顺便说一下，在本发明中，“贵金属部件包含有作为主要组分的Ir”这句话指的是该贵金属部件的Ir含量不少于50质量％。
该贵金属部件还可以包含有除了Ir、Rh、Ru和Ni之外的任意材料。
例如，当使用Ir、Rh、Ru和Ni作为贵金属部件的原料时，在贵金属部件中不可避免地会包含有少量杂质(例如，Si、W等)。
为了进一步改善例如在高温(不低于900℃)下的抗氧化侵蚀性、以便在另一种使用条件中保持优越性，在该贵金属部件中可以包含有例如Pt、Pd、Re或Os。
为了进一步改善在该火花塞(贵金属部件)的温度相对较低(大约为600℃)的情况中的抗氧化侵蚀性和抗火花侵蚀性、以便在另一种情况中保持优越性，在该贵金属部件中可以包含选自Sr、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ti、Zr和Hf中的元素的氧化物(包括复合氧化物)。尤其优选使用Y2O3、La2O3、ThO2或ZrO2。
优选的是，在根据权利要求1的火花塞中，该贵金属部件可以包含有作为主要组分的Ir、0.5质量％至36质量％(包含两个端点)的Rh、5.2质量％至36质量％(包含两个端点)Ru以及0.4质量％至11质量％(包含两个端点)的Ni。
在本发明中，当在上述范围内选择在火花塞中的贵金属部件的组分时，可以同时抑制氧化侵蚀和异常侵蚀，并且可以抑制出汗现象而同时保持高耐热性，从而可以使贵金属部件的耐久性如此之好，以致于该贵金属部件在将在下面所述的耐久性测试中表现出的侵蚀量不大于0.15mm。
优选的是，在根据权利要求1的火花塞中，贵金属部件可以包含有作为主要组分的Ir、1.0质量％至31质量％(包含两个端点)的Rh、5.2质量％至31质量％(包括两个端点)的Ru以及0.4质量％至7质量％(包含两个端点)的Ni。
在本发明中，当在上述范围内选择在火花塞中的贵金属部件的组分时，可以同时抑制氧化侵蚀和异常侵蚀，并且可以抑制出汗现象而同时保持高耐热性，从而可以使贵金属部件的耐久性如此之好，以致于该贵金属部件在将在下面所述的耐久性测试中表现出的侵蚀量不大于0.10mm。
优选的是，在根据权利要求1的火花塞中，贵金属部件可以包含有作为主要组分的Ir、6.5质量％至22质量％(包含两个端点)的Rh、5.2质量％至24质量％(包含两个端点)的Ru以及0.4质量％至3.5质量％(包含两个端点)的Ni。
在本发明中，当在上述范围内选择在火花塞中的贵金属部件的组分时，可以同时抑制氧化侵蚀和异常侵蚀，并且可以抑制出汗现象而同时保持高耐热性，从而可以使贵金属部件的耐久性如此之好，以致于该贵金属部件在将在下面所述的耐久性测试中表现出的侵蚀量不大于0.05mm。
优选的是，在根据权利要求1之4中任一项所述的火花塞中，贵金属部件可以包含8质量％至20质量％(包含两个端点)的Ru。
根据本发明，可以同时抑制氧化侵蚀和异常侵蚀并同时保持高耐热性，从而可以使贵金属部件的耐久性如此之好，以致于其侵蚀量在将在下面所述的耐久性测试中不大于0.3mm。另外，当在上述范围内选择在火花塞中的贵金属部件的Ru含量时，可以有效抑制由于出汗现象发展而导致出现会造成贵金属部件侵蚀和颗粒状物质沉积的出汗现象以及剥落现象的发生，由此有效抑制了该贵金属部件的侵蚀和变形。
优选的是，在根据权利要求1至5中任一项所述的火花塞中，贵金属部件可以包含Pt、Pd、Re和Os中的至少一种。
在本发明中，当在火花塞的贵金属部件中包含有Pt、Pd、Re和Os中的至少一种时，可以更大地抑制贵金属部件在高温(不低于900℃)下的氧化侵蚀。
优选的是，在根据权利要求1至6中任一项所述的火花塞中，贵金属部件可以包含选自Sr、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ti、Zr和Hf中的元素的氧化物(包括复合氧化物)。
在本发明中，当在火花塞的贵金属部件中还包含有选自Sr、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ti、Zr和Hf中的元素的氧化物(包括复合氧化物)时，在贵金属部件的温度相对较低(例如，大约为600℃)的情况中，可以更加有效地抑制贵金属部件的氧化侵蚀和火花侵蚀。
顺便说一下，优选的是，在0.5质量％至3质量％的范围内选择所包含的上述元素氧化物的量。如果该氧化物的量小于0.5质量％，则不能令人满意地获得通过加入该氧化物而得到的防氧化挥发效果。另一方面，如果该氧化物的量大于3质量％，则反而会损害贵金属部件的耐热性。
优选的是，在根据权利要求7所述的火花塞中，贵金属部件可以包含Y2O3、La2O3、ThO2和ZrO2中的至少一种。
在本发明中，在火花塞的贵金属部件中包含有Y2O3、La2O3、ThO2和ZrO2中的至少一种。因此，在贵金属部件的温度相对较低(例如，大约为600℃)的情况下，可以特别有效地抑制贵金属部件的氧化侵蚀。
另外，作为另一种解决手段，提供一种火花塞，它包括中心电极和位于中心电极的至少一侧的侧电极，从而在该中心电极和侧电极之间形成火花放电间隙，其中中心电极和侧电极中的至少一个包括面对着火花放电间隙的贵金属部件；并且该贵金属部件包含有作为主要组分的Ir以及在8质量％至20质量％(包含两个端点)范围内的Rh、Ni和Ru。
在根据本发明的火花塞中，由于牢牢固定在中心电极和侧面电极(接地电极)中的至少一个上的贵金属部件包含有具有高熔点的Ir作为主要组分，所以其耐热性良好。而且，由于在该贵金属部件中加入有Rh，所以即使在高温下也能够抑制由于Ir挥发而导致的侵蚀。而且，由于在该贵金属部件中还加入有Ni，所以即使在会引起异常侵蚀、例如在背景技术中火花塞的贵金属部件挖空的使用情况中，也能够抑制异常侵蚀。
另外，由于在贵金属部件中加入有在上述范围内的Ru，所以可以有效抑制引起贵金属部件侵蚀和颗粒状物质沉积的出汗现象的出现和由于出汗现象发展而导致出现的剥落现象，由此抑制贵金属部件的侵蚀和变形。因此，在该火花塞中，可以将由于出汗现象而在其上沉积有颗粒状物质的区域的百分比降低至50％或更小，并且在下面所述的耐久性测试中可以抑制颗粒状物质的尺寸。顺便说一下，在本发明中，“贵金属部件包含有作为主要组分的Ir”这句话指的是贵金属部件的Ir含量不少于50质量％。
优选的是，在根据权利要求9所述的火花塞中，贵金属部件的Ni含量可以在从不小于0.4质量％的量到少于Ru含量的量的范围内。
在本发明中，当在贵金属部件中加入0.4质量％或更多的Ni时，可以令人满意地抑制异常侵蚀。另一方面，当Ni含量小于Ru含量时，可以令人满意地抑制侵蚀量。
优选的是，在根据权利要求9或10所述的火花塞中，贵金属部件的Rh含量可以在不小于0.3质量％的量到不大于Ru含量的量的范围内。
在本发明中，当在贵金属部件中加入0.3质量％或更多的Rh时，可以令人满意地抑制氧化侵蚀。另一方面，当Rh含量不大于Ru含量时，可以令人满意地抑制侵蚀量。
图1为根据一个实施方案的火花塞的剖视图；图2(a)为在图1中所示的火花塞的局部放大半剖视图，并且图2(b)为该火花塞的主要部分的放大剖视图；图3为一个表格，显示出关于根据实施例和比较实施例的火花塞的组分和测试结果；图4为曲线图1，显示出在图3的表格中所示的实施例和比较实施例中、有关具有由Ir-αRh-6Ru-1Ni表示的组分的一些火花塞的在Rh含量α和侵蚀量之间的关系；图5为曲线图2，显示出在图3的表格中所示的实施例和比较实施例中、有关具有由Ir-8Rh-βRu-1Ni表示的组分的一些火花塞的在Ru含量β和侵蚀量之间的关系；图6为曲线图3，显示出在图3的表格中所示的实施例和比较实施例中有关具有由Ir-8Rh-11Ru-γNi表示的组分的一些火花塞的在Ni含量γ和侵蚀量之间的关系；图7为一个照片，显示出在耐久性测试之后、根据该实施方案的火花塞的贵金属顶端的示例；图8为在图7中所示的贵金属顶端的说明图；图9为一个照片，显示出在耐久性测试之后、根据背景技术的火花塞的贵金属顶端；并且图10为在图9中所示的贵金属顶端的说明图。
顺便说一下，在这些附图中，参考标号100表示火花塞；100X，(火花塞的)中心轴线；1，金属外壳；1T，前端表面；11，外螺纹部分；2，绝缘体；21、前端部分；2H，通孔；3，中心电极；31，第一放电部分；31T，第一放电表面；32，中心电极主体；32T，主体前端表面；33，第一贵金属顶端；33T，第一顶端前端表面；33S，第一顶端侧表面；34，第一焊接部分；35，芯部主体；4，侧电极；41，第二放电部分；41T，第二放电表面；42，侧电极主体；42R，连接部分；42S，内侧表面；43，第二贵金属顶端；43T，第二顶端前端表面；43S，第二顶端侧表面；44，第二焊接部分；5，端子附件；6，电阻；7、8，导电玻璃的密封层，并且参考符号G表示火花放电间隙。
具体实施方案下面将参照图1和2对根据本发明一个实施方案的火花塞进行说明。图1为根据该实施方案的火花塞100的纵向剖视图。图2(a)为在火花塞100中的火花放电间隙G及其附近的局部放大半剖视图。图2(b)为图2(a)的主要部分的放大剖视图。
根据该实施方案的火花塞100为所谓的含电阻火花塞。该火花塞100包括一个圆柱形金属外壳1和一个绝缘体2，该绝缘体装配到金属外壳1中，从而该绝缘体2的前端部分21从该金属外壳1中伸出。该火花塞100还包括一中心电极3，它插入到绝缘体2中以便在这样一种条件下设在绝缘体2内部，所述条件为形成在中心电极3的前端(在图面的下边)处的第一放电部分31从绝缘体2的前端部分21伸出。
中心电极3包括芯部主体35、中心电极主体32和第一贵金属顶端33。芯部主体35沿着火花塞100的中心轴线100X延伸，并且由导热性良好的金属例如Cu、Cu合金等制成。中心电极主体32设置成包围着芯部主体35。第一贵金属顶端33通过第一焊接部分34焊接在中心电极主体32的主体前端表面(在该图面中的下端表面)32T上。第一贵金属顶端33的形状为φ0.6mm乘t0.8mm的圆柱形。第一贵金属顶端33形成在中心电极3中的第一放电部分31，主要用于产生火花放电。第一贵金属顶端33的第一顶端前端表面(在图面中的下端表面)33T与将在下面所述的侧电极4相对设置。第一顶端前端表面33T形成第一放电部分31的第一放电表面31T。
该火花塞100还包括侧电极(接地电极)4。该侧电极4与金属外壳1的前端表面(在该图面中的下表面)连接，从而位于中心电极3一侧(在该图面中的左侧)上。侧电极4包括在其底端侧连接部分42R处焊接到金属外壳1的前端表面1T上的侧电极主体42，同时侧电极主体42的前端朝着中心轴线100X(中心电极3)侧弯曲，从而基本上成“L”形。侧电极4还包括第二贵金属顶端43，它通过第二焊接部分44焊接到侧电极主体42上，从而设置在位于中心电极3侧上的侧电极主体42的内侧表面42S中。该第二贵金属顶端43的形状类似于φ0.7mm乘t0.3mm的圆盘。与图2(b)中所示一样，第二贵金属顶端43设置在火花塞100的中心轴线100X上。第二贵金属顶端43在侧电极4中形成第二放电部分41，主要用来产生火花放电。第二贵金属顶端43的第二顶端前端表面43T(在该图面中的上端表面)位于与中心电极3的第一放电表面31T(第一贵金属顶端33的第一顶端前端表面33T)相对的位置上，从而第二顶端前端表面43T形成第二放电部分41的第二放电表面41T。
因此，在中心电极3的第一放电部分31和侧电极4的第二放电部分41之间(即，在第一放电表面31T和第二放电表面41T之间)形成火花放电间隙G。因此，中心电极3的第一放电部分31(第一贵金属顶端33)和侧电极4的第二放电部分41(第二贵金属顶端43)都面对着火花放电间隙G，从而该间隙G形成于第一和第二放电部分31和41之间。
而且，侧电极4设定为具有接地电位，因为该侧电极4通过金属外壳1与未示出的发动机组电连接。
该金属外壳1由金属例如低碳钢制成，并且其形状类似于圆柱体。金属外壳1形成用于火花塞100的外壳。在金属外壳1的外圆周表面中形成有用于将火花塞100安装到未示出的发动机组中的外螺纹部分11。
绝缘体2由陶瓷烧结体例如氧化铝或氮化铝制成。绝缘体2为一圆柱体，该圆柱体具有形成在其中从而沿着其自身的轴向方向(在该图面中的垂直方向)穿过圆柱体的通孔2H。基本上为棒状的端子附件5固定插入到通孔2H的一个端侧(在该图面中的上侧)中。同样，如上所述中心电极3固定插入到通孔2H的另一个端侧(在该图面中的下侧)中。电阻6设在通孔2H中并且位于端子附件5和中心电极3之间。电阻6的相对端部分别通过导电玻璃的密封层7和8与中心电极3和端子附件5电连接。因此，端子附件5和中心电极3通过电阻6相互电连接。
中心电极3的中心电极主体32由Ni基耐热合金、例如INCONEL600(在英国的Inco Europe Limited的注册商标)或Fe基耐热合金制成。侧电极4的侧电极主体42由Ni基耐热合金例如INCONEL600或INCONEL601制成。
如图1和2所示，根据该实施方案的火花塞100具有这样一种结构，其中部分中心电极32从绝缘体的前端部分21伸出，并且其中第一贵金属顶端33焊接到中心电极主体32的前端上。为此，用于散热的从第一贵金属顶端33到芯部主体35的距离往往较大。因此，当使用该火花塞100时，难以将流入到贵金属顶端33(第一放电部分31)中的热量散发出去，从而第一贵金属顶端33的温度往往较高。
由于第二贵金属顶端43(第二散热部分41)固定安装在由导热性低于Cu等的Ni合金基耐热合金制成的侧电极主体42上，所以热量难以从第二贵金属顶端43中散发出去，从而该第二贵金属顶端43的温度在使用中也往往较高。
顺便说一下，为了改善第二贵金属顶端43的散热特性，可以使用在内部具有由Cu或Cu合金制成的芯部主体的侧电极主体作为侧电极主体42。
总之，第一贵金属顶端33的温度和第二贵金属顶端43的温度往往较高。因此必须使用具有通过不仅考虑了由火花放电引起的侵蚀而且还考虑了在火花塞100中于高温下氧化的Ir的挥发引起的氧化侵蚀、异常侵蚀等而制备出的组分的贵金属顶端。
因此在该实施方案中，如在图3的表格中所示一样，为形成第一和第二放电部分31和41的第一和第二贵金属顶端33和43制备出总共25种Ir基合金。每种Ir基合金包含有作为主要组分的Ir并且以各种组分比包含有Rh、Ri和Ni。因此，生产出25种试样火花塞100。顺便说一下，在每个试样火花塞100中对于第一和第二贵金属顶端33和43使用具有相同组分的贵金属。
根据顶端33和43的组分，通过熔融法或烧结法来形成第一和第二贵金属顶端33和43。当从这些方法中选择了熔融法时，将作为原料的粉末贵金属以所需的比例混合，一旦熔融就冷却以形成合金铸锭。采用电弧熔融作为该熔融方法的一个特例。顺便说一下，熔融方法的其它示例包括等离子束熔融、高频感应熔融等。如果采用水冷铸造法等，以便对贵金属合金液体(熔融金属)进行铸造并且淬火以形成铸锭，则可以降低合金的偏析。因此，也可以采用这种方法。
在通过热锻将所获得的贵金属合金铸锭加工成棒状材料之后，通过采用带凹槽压辊的热轧和热旋锻进一步减小该棒状材料的直径，并且通过热拉丝将该棒状材料最终加工成具有所需的线材直径的贵金属线材。然后，将该贵金属线材切割成具有所需的厚度。这样，获得第一和第二贵金属顶端33和43中的每一个。
顺便说一下，可以按照与上述方式不同的以下方式获得第一和第二贵金属顶端33和43。通过选自热锻、热轧和热拉丝的两种或多种方法的组合，将贵金属合金铸锭加工成线状或棒状材料，然后沿着纵向方向将该线状或棒状材料切割成具有预定长度的段。
或者可以通过热轧将该贵金属合金铸锭加工成板状材料，然后通过热冲切将该板状材料冲切成预定的顶端形状。或者可以通过已知的喷雾法生产出球状贵金属合金，并且通过压机或平方块进行挤压以形成扁平或圆柱形第一和第二贵金属顶端33和43。
另一方面，当选择烧结法时，通过模压模制对以所需比例混合并且包含有PVA(粘接剂)作为附加组分的粉末贵金属进行挤压模制，然后在氢氛围中于大约1000℃下对它进行煅烧以除去粘接剂。然后，在氢氛围中于大约2100℃下对经煅烧的材料进行烧结以形成合金铸锭。虽然煅烧和烧结都是在氢氛围中进行的，但是，它们可以在氩氛围中或在真空中进行。或者，可以通过CIP模制对粉末贵金属进行挤压模制，或者可以通过在向粉末贵金属加压的同时进行HIP模制来对该粉末贵金属进行烧结。在图3中所示的表格中说明了使用熔融方法和烧结方法中的哪一种来获得贵金属合金。具体地说，通过熔融方法生产出在No.1至No.22的火花塞中的贵金属顶端，并且通过烧结方法生产出在No.23至No.25的火花塞中的贵金属顶端。
通过已知的方法生产出各个试样火花塞100。具体地说，首先将第一贵金属顶端33焊接在中心电极主体32上。更具体地说，将圆盘状第一贵金属顶端33叠置在中心电极主体32的前端表面32T上。然后，用激光束圆周地照射与中心电极主体32接触的第一贵金属顶端33的第一顶端侧表面33S的接触部分附近，由此形成环状第一焊接部分34。按照这样的方式，将第一贵金属顶端33焊接在中心电极主体32的前端表面32T上(参见图2(b))。
顺便说一下，可以根据中心电极主体32和第一贵金属顶端33的材料、尺寸等来采用除了激光焊接之外的能量束焊接、例如电子束焊接。或者，可以采用电阻焊接，从而将第一贵金属顶端33的整个端面熔融并且焊接到中心电极主体32上。
然后，将中心电极3插入到绝缘体2的通孔2H中，从而第一贵金属顶端33和部分中心电极主体32从绝缘体2的前端部分21伸出。另外，将密封玻璃部件、电阻6、密封玻璃部件和端子附件5顺序插入到通孔2H中，并且插入到中心电极3的后端侧上，然后加热。因此，将密封玻璃部件熔融以形成导电玻璃的密封层7和8，并且将中心电极3、电阻6和端子附件5固定装配到通孔2H中。
然后，在侧电极4还没有弯曲的条件下，将已经焊接有侧电极4的金属外壳1安装在绝缘体2上。另外，将第二贵金属顶端43焊接在侧电极4上。具体地说，通过电阻焊接在未弯曲侧电极主体42的内侧表面42S的预定位置中形成第二焊接部分44。然后，使侧电极4弯曲。而且，调节侧电极主体42的弯曲状态，以便第二顶端前端表面43T位于与第一顶端前端表面33T相对的位置上，并且形成具有预定尺寸的火花放电间隙G。这样，完成了该火花塞100。
顺便说一下，除了通过电阻焊接将第二贵金属顶端43连接到侧电极主体42上的上述方式之外，在电阻焊接之后可以按照另一种方式例如激光焊接方式或电阻焊接和激光焊接两种方式将第二贵金属顶端43连接在侧电极主体42上。
<实施例>
在上述试样火花塞100上进行以下测试。测试的具体内容如下。也就是说，将每个火花塞100安装在2000cc排量的汽油发动机(六缸)中。在保持在全油门状态中并且保持在5000rpm的发动机转速下的同时，使该发动机累积操作300小时。使用无铅汽油作为燃料。中心电极的前端温度为900℃。在测试开始时，将每个火花塞的火花放电间隙G设定为1.1mm。
在测试之后，测量该火花放电间隙G。计算出第一和第二贵金属顶端33和43(下面简称为贵金属顶端33等)的侵蚀量。同时，用光学显微镜来视觉观察在贵金属顶端33等中异常侵蚀(挖空)和出汗现象的存在。因此，获得在图3的表格中所示的结果(参见图4)。
而且，使用在组分上与上述贵金属顶端33相同的贵金属试样，从而通过下面的测试检查氧化侵蚀的存在。也就是说，在大气氛围中将在组分上与第一和第二贵金属顶端33和43相同的贵金属试样加热至1100℃，并且停留20小时。在测试之前和之后测量出每个贵金属试样的重量，从而计算出贵金属试样的重量残存率。
在图3的表格中，“组分”栏表示在每个试样火花塞100中所使用的第一和第二贵金属顶端的组分。附属于每个元素或氧化物的数字表示元素(或氧化物)的组分比(质量％)。例如，贵金属顶端No.1的组分(Ir-0.2Rh-6Ru-1Ni)表示该贵金属顶端No.1包含有0.2质量％Rh、0.6质量％Ru、1.0质量％Ni和剩下量的Ir。
另外，“侵蚀量”栏指的是与在测试开始时的火花放电间隙G相比、在该火花塞的火花放电间隙G中的增加量。顺便说一下，火花放电间隙G为在第一放电表面31T和第二放电表面41T之间的最小距离。另外，在图3的表格中，侵蚀量按照下面的方式分成五个部分○、●、□、△和×。这里“○”表示侵蚀量不大于0.05mm的情况，“●”表示侵蚀量大于0.05mm但不大于0.10mm的情况，“□”表示侵蚀量大于0.10mm但不大于0.15mm的情况、“△”表示侵蚀量大于0.15mm但不大于0.30mm的情况，并且“×”表示侵蚀量大于0.30mm的情况。
另外，在表格中的“氧化”栏显示出关于氧化侵蚀的评估。上述重量残存率不小于90％的情况评价为“○”，而重量残存率小于90％的情况评价为“×”。另外，“挖空”栏显示出关于异常侵蚀的评估，表示这样一种状态，其中部分贵金属顶端侧面33S、43S选择性地侵蚀从而被挖空。没有出现异常侵蚀的情况被评价为“○”，而出现了异常侵蚀的情况评价为“×”。另外，“出汗”栏显示出是否存在出汗现象，其中在贵金属顶端的一部分中产生出颗粒状物质，同时该贵金属顶端的另一部分侵蚀。其上沉积有颗粒状物质的区域占据了贵金属顶端侧面33S、43S的面积的50％或更少的情况评价为“○”(尤其是，在评价为“○”的情况中，即颗粒状物质的尺寸较小的情况被评价为“@”)，并且其上沉积有颗粒状物质的区域占据了贵金属顶端侧面33S、43S面积的50％以上的情况评价为“×”。
根据图3的表格，证实只在关于氧化侵蚀(在栏“氧化”)方面被评价为“×”的火花塞No.1中出现了氧化侵蚀。其原因如下。即，由于在火花塞No.1中所使用的贵金属顶端33等的组分为Ir-0.2Rh-6Ru-1Ni并且包含有少量Rh，所以不能充分抑制氧化Ir的挥发，从而在贵金属顶端中出现氧化侵蚀。也就是说，该结果表明0.2质量％的Rh含量不足以抑制氧化侵蚀。
顺便说一下，当出现氧化侵蚀时，贵金属顶端33等从第一和第二放电表面31T和41T的侧面开始侵蚀。为此，火花塞No.1的侵蚀量的数值较大为0.32mm，从而该火花塞No.1在侵蚀量的评价中被评价为“×”。
还证实，只在关于异常侵蚀(在“挖空”栏)方面被评价为“×”的火花塞No.20中出现了异常侵蚀。其原因如下。即，由于在火花塞No.20中所使用的贵金属顶端33等的组分为Ir-8Rh-11Ru-0.2Ni，并且包含有少量Ni，所以不能充分抑制贵金属顶端的异常侵蚀，从而出现导致贵金属顶端被挖空的异常侵蚀。也就是说，该结果表明0.2质量％的Ni含量不足以抑制异常侵蚀。
但是，即使在出现异常侵蚀时，贵金属顶端33等的第一和第二放电表面31T和41T的侧面也不会侵蚀如此多。为此，火花塞No.20的侵蚀量的数值较小为0.08mm，从而该火花塞No.20在侵蚀量的评价中被评价为“○”。
还证实，只在关于出汗现象(在“出汗”栏)方面被评价为“×”的火花塞No.10中出现了出汗现象。其原因如下。即，由于在火花塞No.10中所使用的贵金属顶端33等的组分为Ir-8Rh-3Ru-1Ni并且包含有少量Ru，所以不能充分抑制贵金属顶端的出汗现象，从而在贵金属顶端中集中出现出汗现象。也就是说，该结果表明3.0质量％的Ru含量不足以抑制出汗现象。
但是，即使在出现出汗现象时，贵金属顶端33等的第一和第二放电表面31T和41T的侧面也不会侵蚀过多。为此，火花塞No.10的侵蚀量的数值相对较小为0.13mm，从而该火花塞No.10在侵蚀量的评价中被评价为“△”。
另一方面，证实被评价为“@”的火花塞No.12至No.15以及No.20至No.25不会出现出汗。从该事实中可以证实，当Ru含量在8质量％至20质量％的范围中并且大于Ni含量和Rh含量时，也就是说当Ru含量在上述范围内并且为仅次于Ir含量的第二最大值时，有效抑制了出汗现象。
另外，在曲线1至3中显示出有关侵蚀量的结果(图4至6)。
在图4中所示的曲线1显示出在图3的表格中所示实施例和比较实施例中有关一些试样火花塞100(No.1至No.9)的、在Rh含量α和侵蚀量之间的关系，所述的试样火花塞100使用了具有由Ir-αRh-6Ru-1Ni代表的组分的贵金属顶端33等。
参照该曲线1，证实当贵金属顶端33等的Rh含量α设定为不小于0.3质量％并且不大于43质量％时，可以获得不大于0.30mm的侵蚀量(评价为“△”或更好)。
另一方面，在图5中所示的曲线2显示出在图3的表格中所示实施例和比较实施例中有关一些试样火花塞100(No.10至No.19)的在Ru含量β和侵蚀量之间的关系，所述火花塞100使用了具有由Ir-8Rh-βRu-1Ni表示的组分的贵金属顶端33等。
参照图2，证实当贵金属顶端33等的Ru含量β设定为不大于43质量％时，可以获得不大于0.30的侵蚀量(评价为“△”或更好)。另一方面，如上所述，考虑到出汗现象，3.0质量％的Ru含量(参见No.10)是不够的。但是，当Ru含量为5.2质量％时(参见No.11)，不会出现出汗现象。因此，证实Ru含量β优选设定为不小于5.2质量％。
另外，在图6中所示的曲线3显示出在图3的表格中所示实施例和比较实施例中有关一些试样火花塞100(No.12和No.20至No.25)的在Ni含量γ和侵蚀量之间的关系，所述试样火花塞100使用了具有由Ir-8Rh-11Ru-γNi表示的组分的贵金属顶端33等。
参照曲线3，证实当贵金属顶端33等的Ni含量γ设定为不小于19质量％时，能够获得不大于0.30的侵蚀量(评价为“△”或更好)。另一方面，如上所述，考虑到异常侵蚀，0.2质量％的Ni含量是不够的(参见No.20)。但是，当Ni含量为0.4质量％时不会出现异常侵蚀(参见No.21)。因此，证实Ni含量优选设定为不小于0.4质量％。
因此，从这些事实中证实，包含有作为主要组分的Ir、0.3质量％至43质量％(包含两个端点)的Rh、5.2质量％至41质量％(包含两个端点)的Ru和0.4质量％至19质量％(包含两个端点)的Ni的组分适用于该贵金属顶端33等的组分，从而使之能够抑制氧化侵蚀、异常侵蚀和出汗现象，并且使得耐久性如此之高，以致于在上述耐久性测试中可以使贵金属顶端33等的侵蚀量降低至0.30mm或更小。
同样，根据图4至6所示的曲线1至3，证实当将贵金属顶端33等的Rh含量α设定为不小于0.5质量％并且不大于36质量％时，可以使贵金属顶端33等的侵蚀量降低至0.15mm或更小(评价为“□”或更好)。还证实Ru含量β优选选择为不大于36％。如果如上所述还考虑了出汗现象，则证实Ru含量β优选选择为不小于5.2质量％并且不大于36质量％。还证实，Ni含量γ优选选择为不大于11质量％。如果如上所述还考虑了异常侵蚀，则证实Ni含量γ优选选择为不小于0.4质量％并且不大于11质量％。
因此，从这些事实中证实，包含有作为主要组分的Ir、0.5质量％至36质量％(包含两个端点)的Rh、5.2质量％至36质量％(包含两个端点)的Ru和0.4质量％至11质量％(包含两个端点)的Ni的组分适用于该贵金属顶端33等的组分，从而使之能够抑制氧化侵蚀、异常侵蚀和出汗现象，并且使得耐久性如此之高，以致于在上述耐久性测试中可以使贵金属顶端33等的侵蚀量降低至0.15mm或更小。
另外，根据在图4至6中所示的曲线1至3，证实当将贵金属顶端33等的Rh含量α选择为不小于1.0质量％并且不大于31质量％时，可以使贵金属顶端33等的侵蚀量降低至0.10mm或更小(评价为“●”或更好)。还证实Ru含量β优选选择为不大于31％。如果如上所述还考虑了出汗现象，则证实Ru含量β优选选择为不小于5.2质量％并且不大于31质量％。还证实，Ni含量γ优选选择为不大于7质量％。如果如上所述还考虑了异常侵蚀，则证实Ni含量γ优选选择为不小于0.4质量％并且不大于7质量％。
因此，从这些事实中证实，包含有作为主要组分的Ir、1.0质量％至31质量％(包含两个端点)的Rh、5.2质量％至31质量％(包含两个端点)的Ru和0.4质量％至7质量％(包含两个端点)的Ni的组分适用于该贵金属顶端33等的组分，以致于使之能够抑制氧化侵蚀、异常侵蚀和出汗现象，并且使得耐久性如此之高，以致于在上述耐久性测试中可以使贵金属顶端33等的侵蚀量降低至0.10mm或更小。
另外，根据图4至6所示的曲线1至3，证实当将贵金属顶端33等的Rh含量α选择为不小于6.5质量％并且不大于22质量％时，可以使贵金属顶端33等的侵蚀量降低至0.05mm或更小(评价为“○”或更好)。还证实Ru含量β优选选择为不大于24％。如果如上所述还考虑了出汗现象，则证实Ru含量β优选选择为不小于5.2质量％并且不大于24质量％。还证实，Ni含量γ优选选择为不大于3.5质量％。如果如上所述还考虑了异常侵蚀，则证实Ni含量γ优选选择为不小于0.4质量％并且不大于3.5质量％。
因此，从这些事实中证实，包含有作为主要组分的Ir、6.5质量％至22质量％(包含两个端点)的Rh、5.2质量％至24质量％(包含两个端点)的Ru和0.4质量％至3.5质量％(包含两个端点)的Ni的组分适用于该贵金属顶端33等的组分，从而使之能够抑制氧化侵蚀、异常侵蚀和出汗现象，并且使得耐久性如此之高，以致于在上述耐久性测试中可以使贵金属顶端33等的侵蚀量降低至0.05mm或更小。
顺便说一下，图7和8、作为第一贵金属顶端33在耐久性测试之后的形式的示例、显示出火花塞No.12的第一贵金属顶端33的照片和说明图。
通过与在图9和10中所示的照片和说明图的比较可以很容易理解，在火花塞No.12的第一贵金属顶端33中，在第一顶端前端表面33T(这些附图中的上表面)和第一顶端侧表面33S之间的角部不是圆的，从而显然由于耐久性测试而导致的火花侵蚀和侵蚀非常小。而且，第一顶端侧表面33S基本上保持其圆柱形形状，从而没有发现出现将第一顶端侧表面33S挖空的异常侵蚀。另外，颗粒状物质的沉积量非常小，从而显然很少出现出汗现象。因此，证实可以抑制氧化侵蚀、异常侵蚀还有出汗现象，同时当包含有上述量的Ir、Rh、Ru和Ni时可以降低侵蚀量。
虽然已经参照特定实施方案对本发明进行了详细说明，但是对于本领域普通技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以作出各种各样的改变和改进。
该申请基于2003年5月28日提交的日本专利申请(日本专利申请No.2003-151102)，其内容在这里被结合作为参考。
<工业实用性>
虽然已经基于一个实施方案对本发明进行了说明，但是本发明当然不限于该实施方案，并且在不脱离本发明的精神的情况下可采用该实施方案的任何适当的变型。
例如，在上述实施方案中，使用这样一种火花塞100，其中第一贵金属顶端33焊接在中心电极主体32上，并且其中第二贵金属顶端43焊接在侧电极主体42上。然而，不是必须使用这些贵金属顶端。例如，整个侧电极4可以由具有预定组分的贵金属制成。
在上述实施方案中，使用了这样一种火花塞100，其中贵金属顶端33等分别设在中心电极主体32和侧电极主体42中。但是，本发明可以应用于这样一种火花塞，其中贵金属顶端设在中心电极主体32中或设在侧电极主体42中。
或者，在上述实施方案中，在第一贵金属顶端33和第二贵金属顶端43中使用了具有相同组分的贵金属。但是，考虑到中心电极3和侧电极4之间的差异，可以使分别与中心电极3和侧电极4连接的贵金属顶端的组分彼此不同。另外，当在第一贵金属顶端33和第二贵金属顶端43中分别使用了不同组分时，可以在本发明中所限定的范围内仅仅选择这些组分中的一种，但是优选的是在本发明所限定的范围内选择两种组分。
另外，在上述实施方案中，使用侧电极4位于中心电极3前面(在图1和2中的下边)的那种火花塞作为火花塞100。但是，本发明可以应用于在中心电极和侧电极的形式上不同的另一种类型的火花塞。例如，本发明可以应用于所谓“表面放电式”或“半表面放电式”火花塞，其中，中心电极的侧表面和侧电极的前端表面彼此相对设置。具体地说，本发明可以应用于面对着火花放电间隙的任何贵金属部件的组分。
权利要求
1.一种火花塞，包括中心电极；以及位于所述中心电极的至少一侧的侧电极，从而在该中心电极和侧电极之间形成火花放电间隙，其中所述中心电极和所述侧电极中的至少一个包括面对着所述火花放电间隙的贵金属部件；并且所述贵金属部件包含有作为主要组分的Ir、0.3质量％至43质量％的Rh、5.2质量％至41质量％的Ru以及0.4质量％至19质量％的Ni。
2.如权利要求1所述的火花塞，其中所述贵金属部件包含有作为主要组分的Ir、0.5质量％至36质量％的Rh、5.2质量％至36质量％的Ru以及0.4质量％至11质量％的Ni。
3.如权利要求1所述的火花塞，其中所述贵金属部件包含有作为主要组分的Ir、1.0质量％至31质量％的Rh、5.2质量％至31质量％的Ru以及0.4质量％至7质量％的Ni。
4.如权利要求1所述的火花塞，其中所述贵金属部件包含有作为主要组分的Ir、6.5质量％至22质量％的Rh、5.2质量％至24质量％的Ru以及0.4质量％至3.5质量％的Ni。
5.如权利要求1至4中任一项所述的火花塞，其中所述贵金属部件包含有8质量％至20质量％的Ru。
6.如权利要求1至5中任一项所述的火花塞，其中所述贵金属部件包含有Pt、Pd、Re或Os中的至少一种。
7.如权利要求1至6中任一项所述的火花塞，其中所述贵金属部件包含选自Sr、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ti、Zr和Hf中的元素的氧化物(包括复合氧化物)。
8.如权利要求7所述的火花塞，其中所述贵金属部件包含有Y2O3、La2O3、ThO2和ZrO2中的至少一种。
9.一种火花塞，包括中心电极；以及位于中心电极的至少一侧的侧电极，从而在所述中心电极和所述侧电极之间形成火花放电间隙，其中所述中心电极和所述侧电极中的至少一个包括面对着所述火花放电间隙的贵金属部件；并且所述贵金属部件包含作为主要组分的Ir、以及8质量％至20质量％范围内的Rh、Ni和Ru。
10.如权利要求9所述的火花塞，其中所述贵金属部件中的Ni含量不小于0.4质量％并且小于在所述贵金属部件中的Ru含量。
11.如权利要求9或10所述的火花塞，其中所述贵金属部件中的Rh含量为不小于0.3质量％并且不大于在所述贵金属部件中的Ru含量。
全文摘要
本发明的一个目的在于提供一种更耐用的火花塞，它设有中心电极和侧电极，从而在该中心电极和侧电极之间形成火花放电间隙，中心电极和侧电极中的至少一个包括面对着火花放电间隙的贵金属部件，其中可以抑制贵金属部件的出汗现象，同时可以抑制该贵金属部件的火花侵蚀、氧化侵蚀和异常侵蚀。在本发明中，该火花塞(100)包括中心电极(3)和位于中心电极(3)的至少一侧的侧电极(4)，从而在该中心电极(3)和侧电极(4)之间形成火花放电间隙(G)。中心电极(3)和侧电极(4)分别包括第一和第二贵金属顶端(33)和(43)。第一和第二贵金属顶端(33)和(43)面对着火花放电间隙(G)，从而形成该火花放电间隙(G)。这些贵金属顶端(33)等包含有作为主要组分的Ir、0.3质量％至43质量％的Rh、5.2质量％至41质量％的Ru以及0.4质量％至19质量％的Ni。
文档编号H01T13/39GK1698245SQ20048000040
公开日2005年11月16日 申请日期2004年3月22日 优先权日2003年5月28日
发明者布目健二, 吉本修, 松谷涉, 松原佳弘 申请人:日本特殊陶业株式会社