内燃机的火花塞的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种内燃机的火花塞，尤其是一种火花塞，所述火花塞具有中心电极和接地电极。中心电极面向接地电极从而在中心电极和接地电极之间形成火花放电间隙。在中心电极和接地电极的至少一个上形成有电极芯片。该电极芯片具有这样的组分，该组分包括40-60mol%的铝和作为其余料的铱。在电极芯片的组分中，可以用1-20mol%的选自镍、铁、钴、钛和铑中的至少一种金属替代铱的部分。
【专利说明】内燃机的火花塞
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在机动车辆的内燃机中使用的火花塞。
【背景技术】
[0002]安装到机动车辆的内燃机使用各种类型的火花塞来点燃烧室中的燃料。例如，火花塞具有其中在中心电极和接地电极之间形成火花放电间隙的传统结构。在形成于中心电极和接地电极之间的火花放电间隙中产生火花放电，以点燃内燃机的燃烧室中的由空气和燃料组成的混合气体。另一类型的火花塞具有这样的结构，其中在中心电极或接地电极上形成电极芯片以增强点火能力等等。
[0003]最近，考虑到因内燃机具有高的性能等而使内燃机的燃烧室中的温度增大，需要提高火花塞中使用的电极芯片的耐磨性。存在对于火花塞中的电极芯片产生火花侵蚀或火花磨损以及氧化侵蚀或氧化磨损的侵蚀。在火花侵蚀中，电极芯片的表面因火花放电而瞬间熔融。另一方面，在发生氧化侵蚀时，当火花塞用在高温环境中时，电极的表面被氧化和蒸发。例如，日本专利公开第JP H09-298083号公开了一种具有常规结构的火花塞，其中电极芯片由铱Ir制成，铱具有高的熔点和优良的耐火花侵蚀能力。除了铱之外，电极芯片还包含具有优良抗氧化性的钼Pt和铑Rh。
[0004]但是，由于JP H09-398083号中公开的火花塞中使用的常规电极芯片由贵金属诸如铱、钼和铑制成，所以这增大了电极芯片和火花塞的制造成本。因此，需要提供一种火花塞，该火花塞以低的制造成本而具有优良的耐火花放电磨损能力、优良的抗氧化性和长的寿命。
【发明内容】
[0005]因此希望提供一种火花塞，其以低的制造成本而具有优良的耐压火花放电磨损性、优良的抗氧化性和长的寿命。
[0006]—不例性实施方式提供了 一种具有中心电极和接地电极的火花塞。在该火花塞中，接地电极布置成面对中心电极从而在中心电极和接地电极之间形成火花放电间隙。电极芯片形成在中心电极和接地电极中的至少一个上。具体地，电极芯片包含40_60mol%的铝和作为其余料的铱。
[0007]在根据示例性实施方式的火花塞的结构中，电极芯片形成在中心电极和接地电极中的至少一个上。电极芯片包含40-60mol%的铝和作为其余料的铱。即，火花塞中的电极芯片由包含铝和铱的合金(Ir-Al合金)制成。具体地，由于电极芯片中的铝含量在电极芯片的整个组成中的40-60%的范围内，金属间化合物Ir-Al表现为Ir_Al合金中的主相。
[0008]电极芯片中的Ir-Al合金中的金属间化合物Ir-Al具有高的熔点和优良的抗氧化性。S卩，Ir-Al合金中的金属间化合物Ir-Al具有有高熔点的铱的优良耐火花磨损性以及铝的优良的抗氧化性。这使得提供一种具有优良的耐压火花磨损性、优良的抗氧化性和长的寿命的火花塞成为可能。[0009]此外，由于火花塞中的电极芯片包含40-60mol%的铝，其是非贵金属且能够以低的成本购得。这使得与常规火花塞相比，可以降低火花塞和电极芯片的制造成本，其中常规火花塞具有的电极芯片在能够以高成本购得的铱之外包括仅诸如钼、铑的贵金属。
[0010]本发明提供了具有优良耐火花磨损性、优良抗氧化性和长的使用寿命的电极芯片和火花塞。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]将参考附图举例说明本发明的优选的、非限定性的实施方式，其中:
[0012]图1是示出根据本发明第一和第二示例性实施方式的火花塞的一部分的截面图；
[0013]图2是示出图1中所示的根据本发明第一和第二示例性实施方式的火花塞中的中心电极、接地电极、形成在中心电极上的电极芯片、形成在接地电极上的电极芯片和火花放电间隙的视图；
[0014]图3是示出作为测试样本S3的、与本发明第一示例性实施方式相对应的火花塞的电极芯片的剖切表面的视图；
[0015]图4是示出作为测试样本S8的、与本发明第二示例性实施方式相对应的火花塞的电极芯片的剖切表面的视图；
[0016]图5是示出在高温氧化测试中、根据本发明第四示例性实施方式的电极芯片(作为测试样本S31-S39)中每一个电极芯片的维持时间段和质量变化之间的关系的视图；
[0017]图6是示出具有仅形成在中心电极上的电极芯片的火花塞的变形的视图；和
[0018]图7是示出具有被形成在接地电极上的电极芯片的火花塞的另一变形的视图。
【具体实施方式】
[0019]下文中，将参考附图描述本发明的各种实施方式。在下面对各种实施方式的描述中，全部附图中相同的字符或数值表示相同或相似的部件。
[0020]根据本发明的火花塞具有一个或更多个电极芯片。每个电极芯片包括占总量40-60mol%的铝A1和作为其余料的铱Ir。可接受的是，每个电极芯片还包括不超过占总量
0.5mol%的硅Si和锌Zn作为附带杂质。
[0021]一般地，铱具有近似2447°C的熔点。另一方面，铝具有比铱的熔点低的、近似660°C的熔点。相应地，电极芯片的熔点能够通过调整电极芯片中的铝含量来改变。另外，电极芯片的抗氧化性能够通过调整铝含量来改变。
[0022]例如，当火花塞中形成的电极芯片的铝含量小于40mol%时，可以抑制电极芯片的熔点的降低，但存在这样的可能，即难以维持必需的抗氧化性。
[0023]另一方面，当火花塞中形成的电极芯片的铝含量大于60mol%时，可以提高抗氧化性，但降低了电极芯片的熔点。在这一结构中，可能难以维持必需的耐火花磨损性。
[0024]另外，当在火花塞中形成的电极芯片中的铝含量小于40mol%且大于60mol%时，可能会降低电极芯片中Ir-Al合金中的金属间化合物Ir-Al的含量比率。即，例如，可能增大铱和铝的作为金属间化合物Ir-Al之外的相的固溶体的含量。存在这样的可能性，即电极芯片难以同时维持耐火花磨损能力和抗氧化性两者。
[0025]另外，金属间化合物Ir-Al作为形成电极芯片的Ir_Al合金主相的主相。再另外，作为Ir-Al合金之外的相的、铱和铝的固溶体通常包含在电极芯片中。
[0026]再另外，可以使用光学显微镜或者电子显微镜对电极芯片的截面拍摄，并计算金属间化合物Ir-Al的面积在电极芯片的截面的整个面积上的比率，以获得金属间化合物Ir-Al在Ir-Al合金中的比率。
[0027]再另外，电极芯片可以包含在l_20mol%的范围内的、选自镍N1、铁Fe、钴Co、钼Pt和铑Rh的至少一种金属，以替代电极芯片中的铱的部分。
[0028]在该示例中，根据本发明的火花塞中的电极芯片由合金(Ir-Al-M合金)制成，其中具有作为晶体结构的体心立方晶格结构(BCC结构)的Ir-Al合金的部分被由选自镍、铁、钴、钼和铑中的至少一种元素替代。该种元素将用参考符号“元素M”指代。形成电极芯片的合金包含由铱、铝和元素Μ构成的金属间化合物Ir-Al-M作为主相。电极芯片的这一结构使得抑制除形成电极芯片的合金中的金属间化合物之外的相(诸如固溶体等)的生成成为可能。相应地，可以增大金属间化合物在形成电极芯片的合金中的比率。这使得可以提高电极芯片的耐火花磨损性和抗氧化性。
[0029]再另外，当替代形成电极芯片的合金中的铱的部分的元素Μ含量小于lmol%时，可能抑制形成电极芯片的合金中的固溶体的产生等等，以及可能难以充分获得增大金属间化合物在形成电极芯片的合金中的比率的效率。
[0030]另一方面，当元素Μ的含量大于20mol%时，由于形成电极芯片的合金中的铱的含量减小且电极芯片的熔点降低，所以电极芯片可能难以充分地获得耐火花放电磨损性。
[0031]再另外，根据本发明的电极芯片可以含有至少一些镍和铑以代替铱的部分。该结构使得可以增大金属间化合物在形成电极芯片的合金中的比率，并且进一步提高电极芯片的耐火花磨损性和抗氧化性。
[0032]第一示例性实施方式
[0033]将参考图1和2描述用于内燃机的根据第一和第二不例性实施方式的火花塞1。
[0034]图1是示出根据第一和第二示例性实施方式的火花塞1的一部分的截面的视图。图2是示出图1中所示的根据第一和第二示例性实施方式的火花塞中的中心电极2、接地电极3、在中心电极2与接地电极3上形成的电极芯片4以及火花放电间隙G。具体地，电极芯片4被形成在中心电极2上。电极芯片4被形成在接地电极3上。这些电极芯片4隔着火花放电间隙G面对彼此。电极芯片4由40-60mol%的铝和作为其余料的铱制成。
[0035]现在将描述在根据第一不例性实施方式的火花塞1中的每一个电极芯片4的详细结构。
[0036]如图1所示，火花塞1包括中心电极2、接地电极3、电极芯片4、电绝缘体5诸如陶瓷电绝缘体等等以及外壳6。外壳6具有筒状形状。螺纹部61形成在外壳6的外周处。火花塞1通过在燃烧室的壁部中形成的螺纹孔(未示出)和外壳6的螺纹部61固定到内燃机(未示出)的燃烧室的壁部。
[0037]电绝缘体5具有筒状形状。电绝缘体5被支撑在外壳6的内部。中心电极2被支撑在电绝缘体5的内部从而中心电极2从电绝缘体5伸出并暴露于外部，即暴露于燃烧室中的燃料混合物。
[0038]接地电极3连接到外壳6的前端面60。如图1和2中所示，接地电极3从外壳6的前端面60朝向中心电极2延伸，并且弯曲以便接地电极3沿着火花塞1的轴线方向面向中心电极2。
[0039]如图2所示，电极芯片4通过焊接连接到中心电极2的中心电极基部21的前端部
21。另外，电极芯片4通过焊接被连接到接地电极3的接地电极基部31的相对部311。每一个电极芯片均具有筒状形状。火花放电间隙G形成在电极芯片4之间。
[0040]中心电极2的中心电极基部21和接地电极3的接地电极基部31中的每一个均由镍合金(Ni合金)制成。
[0041]中心电极2的电极芯片4和接地电极3的电极芯片4中的每一个均由40_60mol%的铝和作为其余料的铱制成。即，电极芯片4包括由铱和铝组成的合金(Ir-Al合金)。除了包含铱和铝之外，可接受的是电极芯片4包含总量不超过近似0.5mol%的硅和锌作为附带杂质。
[0042]现在将说明具有先前所述结构的根据第一示例性实施方式的火花塞1的作用和效果。
[0043]在根据第一示例性实施方式的火花塞1的结构中，电极芯片4形成在中心电极2上，并且电极芯片4也形成在接地电极3上。具体地，电极芯片4具有特定的组成，即包含40-60mol%的铝和作为其余料的铱。
[0044]由于电极芯片4包括铱和铝的合金(Ir-Al合金)，并且铝的含量具有前述的范围，存在由铱和招构成的金属间化合物(金属间化合物Ir-Al)作为形成电极芯片4的Ir-Al合金中的主相。
[0045]作为在Ir-Al合金中的主相的金属间化合物Ir_Al具有高的熔点并且具有优良的抗氧化性。即，在电极芯片4中包含的金属间化合物Ir-Al具有铱的高熔点和优良耐火花磨损性以及铝的优良的抗氧化性。这使得可以提供具有优良的耐火花磨损性和优良抗氧化性两者的、根据第一不例性实施方式的火花塞1。这可以使得火花塞1具有长的寿命。
[0046]另外，根据第一不例性实施方式的火花塞1中的电极芯片4包含40_60mol%的招，而铝是低成本的材料并且在市场上易于以低价购得。这使得可以降低火花塞1中的电极芯片4的制造成本。例如，与由诸如铱、钼和铑的贵金属制成的常规电极芯片的制造成本相t匕，根据第一示例性实施方式的火花塞1中的电极芯片4能够用低的制造成本生产。即，可以以低的制造成本制成根据第一示例性实施方式的具有电极芯片4的火花塞1。
[0047]如前所述，第一示例性实施方式提供了这样的火花塞1，其用于内燃机、具有优良的耐火花磨损性、优良的抗氧化性和长的寿命。
[0048]第二示例性实施方式
[0049]现在将描述根据第二示例性实施方式的火花塞1。根据第二示例性实施方式的火花塞1中的中心电极2和接地电极3的每个均具有电极芯片4，该电极芯片4的含量均不同于根据第一不例性实施方式的火花塞1中使用的电极芯片4。
[0050]S卩，根据第二不例性实施方式的火花塞1具有电极芯片4,电极芯片4中的每一个电极芯片均包括在l-20mol%的范围内的、选自镍、铁、钴、钼和铑中的至少一种金属。S卩，根据第二示例性实施方式的火花塞1中的电极芯片4包括40-60mol%的铝、l_20mol%的选自镍、铁、钴、钼和铑中的至少一种金属。电极芯片4还包括作为其余料的铱。
[0051]由于根据第二示例性实施方式的火花塞1中的其它组件与根据第一示例性实施方式的火花塞1中的其它组件相同，这里省略它们的解释。[0052]在第二示例性实施方式中，电极芯片4包括这样的合金(Ir-Al-M合金)，其中具有作为晶体结构的体心立方晶格结构(BCC结构)的Ir-Al合金的部分被替代为选自镍、铁、钴、钼和铑中的至少一种元素。该种元素将用参考符号“元素M”指代。形成电极芯片4的合金包括金属间化合物Ir-Al-M。金属间化合物Ir-Al-M包括铱、招和元素Μ。根据第二示例性实施方式的火花塞1中的电极芯片4的这一结构使得抑制除形成电极芯片的合金中的金属间化合物之外的相(诸如固溶体等)的生成成为可能。相应地，可以提高金属间化合物在形成电极芯片4的合金中的比率。这使得可以增强电极芯片的耐火花磨损性和抗氧化性。根据第二示例性实施方式的火花塞的其它作用和效果与根据第一示例性实施方式的火花塞的那些相同。
[0053]第三示例性实施方式
[0054]现在将描述第三示例性实施方式。在第三示例性实施方式中，评估作为火花塞的每个测试样本的耐磨损性。耐磨损性包括耐火花放电磨损性和抗氧化性。
[0055]第三示例性实施方式使用具有不同组分的多个电极芯片，如表1中所示。第三示例性实施方式测试样本S1-S21，其中每一个样本均具有不同组分的电极芯片。第三示例性实施方式检测测试样本S1-S21中每一个测试样本的耐火花放电磨损性和抗氧化性。
[0056]此外，表1示出了组分，金属间化合物在测试样本S1-S21中每一个测试样本中的电极芯片中的面积的比率。表1略去附带杂质。
[0057]现在将描述测试样本S1-S21中每一个测试样本中使用的电极芯片。
[0058]测试样本S2-S4中每一个测试样本中的电极芯片包含40_60mol%的铝和作为其余料的铱。即，测试样本S2-S4中每一个测试样本中的电极芯片对应于如前所述的根据第一示例性实施方式的火花塞1中使用的电极芯片4。
[0059]另一方面，测试样本S1中的电极芯片包含70mol%的铝，这大于60mol%的铝。测试样本S5中的电极芯片包含30mol%的铝，这小于40mol%的铝。
[0060]测试样本S2-S4中每一个测试样本中的电极芯片包含:50mol%的铝，这在40-60mol%铝的范围内；l-20mol%的元素M，其中元素Μ选自镍、铁、钴、钼和铑中的至少一种金属；以及作为其余料的铱。特别是，在测试样本S2-S4中每一个测试样本的电极芯片中，铱的部分被元素Μ替代。S卩，测试样本S2-S4中每一个测试样本的电极芯片对应于如前所述的根据第二示例性实施方式的火花塞中使用的电极芯片。
[0061]另一方面，测试样本S9中的电极芯片包含50mol%的铝，和30mol%的镍，这高于替代铱的部分的20mol%的镍。
[0062]现在将描述生产作为测试样本的每一个火花塞中的电极芯片的方法。
[0063]首先，元素粉，诸如铱粉、招粉、镍Ni粉、铁Fe粉、钴Co粉、钼Pt粉、错Rh粉以预定组分混合以制成电极芯片的原混合物(raw mixture)ο
[0064]接着，原混合物使用7.5kff的最大功率通过离子弧熔融法熔融超过10分钟，并被干燥以制成坯料。该方法使用不小于99.95%纯度的铱粉、不小于99.95%纯度的钼粉、不小于99.95%纯度的铑粉，不小于95%纯度的铝粉，以及不小于99.8%纯度的镍粉。
[0065]接着，所生产的坯料在1400°C的温度下退火并保持在氩气Ar环境下超过72小时。在退火处理之后，还料被切割成具有预定尺寸的部件(具有0.55mm的直径和0.8mm的轴向长度)。这样制成了具有直径为0.55mm且长度为0.8mm的筒状的电极芯片。[0066]接着，现在将描述检测在每一个测试样本中的电极芯片中包含的金属间化合物的面积的比率的方法。
[0067]首先，电极芯片被切割以形成切割表面。切割表面通过打磨被抛光。
[0068]接着，通过光学显微镜或电子显微镜拍摄电极芯片的抛光表面。操作数据处理软件以处理所拍摄的图像数据。换句话说，操作对所拍摄的图像数据的二值化(binarization)以将金属间化合物相从固溶体相区分开。计算金属间化合物的面积的比率。
[0069]图3是不出与第二不例性实施方式相对应、与第一不例性实施方式相对应的作为测试样本S3的火花塞的电极芯片的切割表面的视图。图4是示出与第二示例性实施方式相对应的作为测试样本S8的火花塞的电极芯片的切割表面的视图。
[0070]在图3和4中，以附图标记400标记的灰度区域指示电极芯片中的金属间化合物相，而以附图标记401标记的白色区域指示电极芯片中的固溶体相。如图4中清楚示出的，在作为测试样本S8的电极芯片的切割表面中，仅存在金属间化合物相，无固溶体。
[0071]现在将描述耐磨损性测试。
[0072]每个电极芯片通过激光焊接被固定到作为测试样本S1-S21中每一个测试样本的火花塞中的中心电极和接地电极中的每一个电极。
[0073]接着，作为测试样本S1-S21中每一个测试样本的火花塞被安装到发动机排量为2500cc的直列六缸的内燃机。
[0074]接着，内燃机以5600rpm (全负荷工况)运行超过100小时。在发动机运行之前和之后检测测试样本S1-S21中每一个测试样本中的火花放电间隙G的间隙长度L (见图2)。当检测的间隙长度L小于0.03mm时，则该测试样本的评估结果为“A”。另一方面，当检测的间隙长度L不小于0.09mm时，则该测试样本的评估结果为“C”。当检测的间隙长度L在不小于0.03mm和小于0.09mm的范围内时，该测试样本的评估结果为“B”。
[0075]表1
[0076]
【权利要求】
1.火花塞(1)，包括:中心电极(2);和接地电极(3)，所述接地电极布置成面对所述中心电极从而在所述中心电极(2)和所述接地电极(3 )之间形成火花放电间隙(G)，其中，电极芯片(4)形成在所述中心电极(2)和所述接地电极(3)的至少一个上，并且所述电极芯片包括40-60mol%的铝和作为其余料的铱。
2.根据权利要求1所述的火花塞(1)，其特征在于，所述电极芯片(4)还包括替代铱的部分的l_20mol%的选自镍、铁、钴、钼和铑中的至少一种金属。
3.根据权利要求2所述的火花塞(1)，其特征在于，所述电极芯片(4)包括替代铱的部分的从镍和铑中选取的至少一种金属。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的火花塞(1)，其特征在于，所述电极芯片(4)形成在所述中心电极(2)上。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的火花塞(1)，其特征在于，所述电极芯片(4)形成在所述接地电极(3)上。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的火花塞(1)，其特征在于，所述电极芯片(4)还包含不超过近似0.5mol%的总量的硅和锌作为附带杂质。
【文档编号】H01T13/32GK103633562SQ201310363324
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年8月20日 优先权日:2012年8月20日
【发明者】村山勇树, 阿部信男, 土井义规, 东峰寿行, 横田俊介 申请人:株式会社电装, 石福金属兴业株式会社