JP2004538617A - 電極に貴金属チップを装着する方法並びに電極及び点火プラグ - Google Patents

Abstract

本発明は、貴金属チップ（１）の領域内に腐食又は侵食を許容することなしに、貴金属チップと電極との特に耐久性のある接合を可能にする、電極上に貴金属チップを装着する方法、電極及び点火プラグを提供する。このために製作法上の１段階において貴金属チップ（１）が電極（５）上に溶接される。また別の製作段階において貴金属チップ（１）は第１領域（１０）において溶融され、かつ電極（５）は、前記第１領域（１０）に隣接した第２領域（１５）において溶融されて、前記両領域（１０，１５）内に混合合金（６０）が形成され、しかも前記第１領域（１０）は、該第１領域がほぼリング状に前記貴金属チップ（１）の材料によって包囲されているように選定される。

Description

【０００１】
技術分野：
本発明は、独立請求項１に記載した形式の電極に貴金属チップを装着する方法、独立請求項９に記載した形式の電極、及び独立請求項１３に記載した形式の点火プラグに関する。
【０００２】
背景技術：
貴金属チップを電極に溶接することは、国際特許９１／０２３９３号明細書に基づいて既に公知である。但し、ここで云う電極とは、点火プラグの接地電極又は中央電極のことである。
【０００３】
発明の開示：
前記独立請求項の特徴部に記載した構成手段を備えた、電極に貴金属チップを装着する本発明の方法、本発明の電極及び点火プラグが、前記背景技術に対比して有する顕著な利点は、貴金属チップが第１領域において溶融され、かつ電極が前記第１領域に近接した第２領域において溶融されて、前記の両領域において混合合金を形成し、しかも前記第１領域が、ほぼリング状に貴金属チップの材料によって完全に包囲されているように選定される点にある。混合合金によって、貴金属チップと電極との間の継手は疲れ強さを有することができる。第１領域がほぼリング状に貴金属チップの材料によって完全包囲されていることに基づいて、貴金属チップ及び貴金属チップと電極との間の継手は耐摩耗性になり、かつ耐腐食性及び耐侵食性になる。
【０００４】
従属請求項に記載した構成手段によって、独立請求項に記載した方法及び電極の有利な構成及び改良が可能になる。
【０００５】
第１及び第２の両領域は、レーザエネルギーによって溶融されるのが特に有利である。このようにすれば、両領域が混合合金を生成する範囲を特定され、かつ高い局所的な精密さをもって溶融することができるので、両領域の外部における貴金属チップ又は電極の溶融が防止される。更に又、レーザエネルギーの使用による混合合金生成のための両領域における溶融操作を、相応のレーザ出力で特に迅速に実現することが可能になる。
【０００６】
更なる利点は、１つのレーザ素子からのレーザエネルギーをレーザパルスによって照射させる点にある。このようにすれば、両領域を溶融するために必要なエネルギーが、レーザパルスの出力と時間の選択によって、精確にかつ特定の仕方で供用される。
【０００７】
発明を実施するための最良の形態：
次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。
【０００８】
点火プラグの耐摩耗性に対する要求は、ここ数年来、鰻登りに高まっている。目下の所、点火プラグの交換間隔は、種々の自動車産業メーカーによってすでに６０，０００，００ｋｍ〜１００，０００，００ｋｍと規定される。従って目下の趨勢は、車両の耐用寿命にできるだけ接近した耐用寿命を有する、いわゆる「生涯点火プラグ」に移行している。
【０００９】
このような耐用寿命は、少なくとも屋根形電極として構成された接地電極を有する点火プラグの場合、中央電極とこれに対置する接地電極に貴金属合金を使用することによってしか得られない。このような貴金属合金は、例えば押出プレス法、メッキ加工法、抵抗溶接法及びレーザ溶接法又はレーザ合金法によって、点火プラグの各電極に固着することができる。これらの電極は例えばニッケル合金から成っている。
【００１０】
貴金属合金とこのような電極との間の継手を製作するための方法上の技術に対しては高い要求が課される。それというのは貴金属合金の特性が、ニッケル合金に対比して、融点及び沸点並びに熱膨張係数の点で著しく相違しているからである。抵抗溶接法は、コストに見合った接合法である。貴金属合金が抵抗溶接法によってニッケル合金と接合されると、この接合部の加熱時に、熱膨張係数が相違しかつ貴金属合金とニッケル合金との間の境界域における拡散ゾーン厚が僅かであることに基づいて、要するに貴金属合金とニッケル合金との相互混和作用が僅かであることに基づいて、互いに相接する領域で接合部の裂開が生じることがある。このようにして生じた亀裂内には、殊に電極が接地電極又は中央電極として内燃機関の燃焼室内に挿入されて其処のガス混合気によって包囲された場合に、腐食が発生する。従って、このような継手の耐用寿命は局限されることになる。
【００１１】
貴金属合金とニッケル合金との間の接合部を、より安定化させる方法は、レーザ溶接法を使用して、貴金属合金とニッケル合金との間に溶接継手を装着する点にある。しかしながら、このような溶接継手の装着は、比較的手間がかかり、かつ貴金属合金のための材料消費量が比較的高くなる。
【００１２】
これに対比して、より単純な方法は所謂レーザ合金法であり、この場合、貴金属合金とニッケル合金は、互いに隣接した領域において完全溶融され、それに伴って混和され、つまり合金される。その際に生じる貴金属−ニッケル−合金は、しかしながら侵食及び腐食の点で、純然たる貴金属合金よりも耐性が劣る。
【００１３】
ところで本発明の方法は、抵抗溶接法、レーザ溶接法又はレーザ合金法による貴金属合金とニッケル合金との接合時に生じる前記の欠点を大幅に回避しようとするものである。それによって本発明は耐久性及び耐摩耗性のある電極を製作し、しかも貴金属又は貴金属合金と電極との間の接合を僅かな経費で実現可能にしようとする。
【００１４】
図１に示した電極５は、例えば点火プラグの中央電極であることができる。電極５は頭頂２０を有し、該頭頂は図１では凹設部を形成しているが、絶対に必要と云う訳ではない。以下の例において電極５はニッケル合金から成っているものとする。
【００１５】
図１では更にまた貴金属チップ１が図示されており、該貴金属チップは、純貴金属又は貴金属合金から成ることができる。純貴金属としては、その場合例えば金、白金又はイリジウムが使用される。貴金属合金を使用する場合には、この貴金属合金は同じく金、白金又はイリジウムを使用して生成される。この場合、貴金属合金とは、単に貴金属を含有した合金と解することができる。本例では貴金属チップ１は貴金属合金として形成されており、かつ白金成分を含有するものとする。図１によれば貴金属チップ１は、その下面３５が可能な限りぴったりと電極５の頭頂２０によって受容され得るように成形されている。図１によれば、貴金属チップ１はその下面３５に、電極５の頭頂２０に設けた凹設部に対応した凸設部を有している。貴金属チップ１の直径はその場合、例えば頭頂２０の領域における電極５の直径に全く等しい寸法に選ばれている。しかし前記直径は、より大きな寸法又はより小さな寸法に選ぶこともできる。
【００１６】
ところで図１に示した製作法上の第１段階において、貴金属チップ１が、図１に矢印によって示唆したように電極５の頭頂２０上にぴったりと載設される。
【００１７】
次いで図２に示した製作法上の第２段階において貴金属チップ１は、該貴金属チップ１が電極５に境を接する領域において、例えば抵抗溶接法によって電極５と互いに溶接される。この領域は図２において符号４０で表示されている。該領域は、以下の説明において溶接領域４０としても表される。
【００１８】
その溶接時に溶接領域４０において生じる拡散ゾーンの厚さは概ね数μｍにすぎず、従って、貴金属チップ１とニッケル含有の電極５との熱膨張係数が異なっていることに基づいて、熱応力亀裂発生の要因となる。
【００１９】
製作法上の第３段階において貴金属チップ１には第１領域１０において、また電極５には前記第１領域１０に隣接した第２領域１５において溶融が施され、その結果、前記第１及び第２領域１０，１５内において、貴金属チップ１の材料と電極５の材料とから成る混合合金、要するにここで選択した例によれば、貴金属チップ１の貴金属合金と、電極５のニッケル合金とから成る混合合金が生成されることになる。その場合第１領域１０は、図３から判るように、貴金属チップ１の材料によってほぼリング状に完全に被覆されているように特定される。なお全ての図面において同一の符号は等しい構成要素を表している。溶接領域４０は、図３では判り易くするために第２領域１５に対する第１領域１０の境界域２５の溶接範囲にハッチングを施して、符号４５で特別に表示されている。この溶接領域を以下、境界溶接域４５と呼ぶ。第１領域１０及び第２領域１５の溶融時に、前記境界溶接域４５も溶融され、その結果、図２に示した製作法上の第２段階の後には溶接領域４０の一部分として、貴金属チップ１と電極５との間に前記拡散ゾーンが生じた。第１領域１０内、第２領域１５内及び境界溶接域４５内には、図３に示した製作法上の第３段階において、貴金属チップ１の材料と電極５の材料との、可能な限り完全な混和が生じる。従って図３に示した第３段階の後には第１領域１０内、第２領域１５内及び境界溶接域４５内には、ほぼ均質な貴金属−ニッケル−合金が得られ、この貴金属−ニッケル−合金は、図３によれば、貴金属チップ１の領域ではほぼリング状に貴金属チップ１の材料によって完全に包囲され、電極５の領域では電極５の材料によって完璧に包囲され、かつ溶接領域４０の領域では拡散ゾーンによって完璧に包囲されている。この場合に決定的なことは殊に、第１領域１０がほぼリング状に貴金属チップ１の材料によって完全に包囲されている点にある。
【００２０】
このようにして貴金属チップ１の領域における混合合金は、燃焼室寄り端面を除けば、貴金属チップ１を包囲する雰囲気から完璧に断たれ、ひいては周辺外気の影響に対して防護されており、かつ内燃機関の、特に燃焼室内において侵食作用及び腐食作用を受けることもない。図３によれば、第１領域１０内、第２領域１５内及び境界溶接域４５内において生成する混合合金は、電極５の領域において、周辺雰囲気から完璧に断たれている。それというのは第２領域１５も、境界溶接域４５もしくは第１領域１０に対する境界域５０を除けば、電極５の材料によって完全に包囲されているからである。
【００２１】
混合合金によって、貴金属チップ１と電極５との間の継手は特に安定化及び耐久化され、貴金属チップ１と電極５との間の拡散ゾーンの領域がもはや亀裂形成の危険に曝されることもなくなる。貴金属チップ１の領域において貴金属成分とニッケル成分とから成る混合合金を、周辺雰囲気に対してほぼリング状に遮蔽することによって、特に貴金属チップ１と電極５との間の継手領域において、侵食及び腐食の発生し易い混合合金を有害な周辺雰囲気に曝すことが防止されるので、貴金属チップ１と電極５との間の継手が特に耐久性になる。
【００２２】
第１領域１０、境界溶接領域４５及び第２領域１５の溶融は、例えばレーザエネルギーによって実現される。このためには例えば図３に示したように、１つのレーザ素子３０によってレーザエネルギーを発生することが可能である。図３において符号５５はレーザビームを表わす。該レーザビームはその場合、第１領域１０、境界溶接域４５及び第２領域１５に対して集束されており、かつこれらの領域の局所を精確に溶融し、ひいてはこれらの領域に、可能な限り一定の、均質的な混合合金を生成する役目を果たす。該レーザビームはその場合例えばレーザパルスによって、点火プラグの場合には貴金属チップ１の、燃焼室寄り端面に対して照射することができる。その場合レーザエネルギーは、貴金属チップ１の端面全体に対して照射されるのではなく、該端面のほぼ円環状範囲によって包囲されたほぼ円形の範囲に照射される。従って貴金属チップ１は、ほぼリング状に貴金属チップ１の材料によって完全に包囲された第１領域１０を生ぜしめるためには、端面の円形領域又はそれ以下の領域において溶融されるにすぎない。レーザパルスの使用は、第１領域１０、第２領域１５及び境界溶接域４５を溶融するのに必要なエネルギーを、所期のようにかつ規定通りに使用することを可能にする。レーザパルスは例えば約１０ｍｓの単位時間当り約１ｋＷの出力を有することができる。
【００２３】
従って図４に示したように、製作法上の第３段階の後に、貴金属チップ１と電極５との間には、貴金属チップ１の貴金属合金の熱膨張係数と電極５のニッケル合金の熱膨張係数との中間の熱膨張係数を有する混合合金６０が生じる。これによって殊に混合合金６０の領域内では、熱応力に起因した亀裂は避けられる。従って貴金属チップ１と電極５との間の継手は耐久性があり堅牢である。この耐久性は、溶接領域４０、要するに拡散ゾーン領域における混合合金６０の横断面が大きくなるに応じて、益々大になる。混合合金６０の燃焼室寄り端面１００だけが、貴金属チップ１の溶融されなかった材料によって包囲されていず、従って燃焼室に直接曝されている。図３に示したように第１領域１０はほぼリング状に、貴金属チップ１の溶融されなかった材料によって完全に包囲されているので、図４に示したように混合合金６０は、貴金属チップ１の領域において周辺の影響から充分に遮蔽されている。従って貴金属チップ１の上面における混合合金６０の、燃焼室寄り端面１００を除けば、殊に溶接領域４０の燃焼室寄り部分では、使用される貴金属合金の極めて優れた侵食・腐食特性が得られる。それに伴って殊に溶接領域４０では、腐食及び侵食が防止され、かつ貴金属チップ１と電極５との間の継手の耐久性が高められる。
【００２４】
従って、このようにして形成された貴金属チップ１を有する電極５は、貴金属使用量が最小限であるにも拘わらず、苛酷な燃焼室条件下において耐久性並びに耐侵食性及び耐腐食性を具備している。溶接継手の製作法上の第２段階とレーザ合金化の製作法上の第３段階は、短いサイクル時間でかつ同時に実施することができる。従って純然たる溶接接合又はレーザ合金化に対比して製作時間が増大することはない。
【００２５】
電極５は本例では点火プラグの中央電極として構成されている。相応の形式で貴金属チップを、接地電極、例えば屋根形電極又はサイド電極に装着することも可能である。従って中央電極も、単数又は複数の接地電極も共にそれぞれ貴金属チップを備えた形式の点火プラグを製作することが可能になり、その場合、中央電極の貴金属チップは、電極摩耗を最低限に抑えかつ点火プラグの耐用寿命を延長させるために、火花ギャップを形成する接地電極の貴金属チップに対向配置されている。該点火プラグは全ての図面において符号６５によって表わされ、かつ図面を判り易くするために、本例では点火プラグ６５の中央電極として機能する電極５の区分だけが図示されているにすぎない。
【００２６】
全ての図面において、既に示唆したように同一の符号は等しい構成要素を表わすものであり、かつ貴金属チップ１は縦断面図で示されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の点火プラグ用電極を形成するための本発明の方法上の第１段階を示す縦断面図である。
【図２】
本発明の方法上の第２段階を示す縦断面図である。
【図３】
本発明の方法上の第３段階を示す縦断面図である。
【図４】
本発明の方法上の第４段階を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ 貴金属チップ、 ５ ニッケル含有の電極、 １０ 第１領域、 １５ 第２領域、 ２０ 頭頂、 ２５ 境界域、 ３０ レーザ素子、 ３５ 下面、 ４０ 溶接領域、 ４５ 境界溶接域、 ５０ 境界域、 ５５ レーザビーム、 ６０ 混合合金、 ６５ 点火プラグ、 １００ 燃焼室寄り端面

Claims (13)

1. １つの製作段階で貴金属チップ（１）を電極（５）上に溶接する形式の、１つの電極（５）上に貴金属チップ（１）を装着する方法において、別の製作段階で貴金属チップ（１）を第１領域（１０）において溶融し、かつ電極（５）を、前記第１領域（１０）に隣接した第２領域（１５）において溶融して、前記両領域（１０，１５）内に混合合金（６０）を形成し、しかも前記第１領域（１０）を、該第１領域がほぼリング状に前記貴金属チップ（１）の材料によって包囲されているように選定することを特徴とする、電極に貴金属チップを装着する方法。
2. 第１製作段階のための溶接法として、抵抗溶接法を選定する、請求項１記載の方法。
3. 第１及び第２の領域をレーザエネルギーによって溶融する、請求項１又は２記載の方法。
4. レーザエネルギーを１つのレーザ素子（３０）からレーザパルスによって、貴金属チップ（１）の端面に照射する、請求項３記載の方法。
5. レーザパルスが、約１０ｍｓの時間当たり約１ｋＷの出力を照射する、請求項４記載の方法。
6. 電極（５）用の材料として、非貴金属、殊にニッケル又はニッケル合金を選ぶ、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 貴金属チップ（１）用の材料として、特に金成分、イリジウム成分又は白金成分を含有した貴金属合金を選ぶ、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 貴金属チップ（１）用の材料として、純貴金属、特に金、イリジウム又は白金を選ぶ、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
9. 電極（５）に溶接された貴金属チップ（１）を有する、特に点火プラグ（６５）用の電極（５）において、第１領域（１０）内の貴金属チップ（１）と、前記第１領域（１０）に隣接した第２領域（１５）内の電極（５）とが混合合金（６０）を形成しており、しかも前記第１領域（１０）がほぼリング状に前記貴金属チップ（１）の材料によって完全に包囲されていることを特徴とする電極。
10. 電極（５）が、非貴金属、殊にニッケル又はニッケル合金から形成されている、請求項９記載の電極。
11. 貴金属チップ（１）が、特に金成分、イリジウム成分又は白金成分を含有した貴金属合金から形成されている、請求項９又は１０記載の電極。
12. 貴金属チップ（１）が、純貴金属、特に金、イリジウム又は白金から形成されている、請求項９又は１０記載の電極。
13. 電極（５）が貴金属チップ（１）を有し、かつ該貴金属チップ（１）が電極（５）と溶接されている形式の、電極（５）、特に中央電極又は接地電極を備えた点火プラグ（６５）において、第１領域（１０）内の貴金属チップ（１）と、前記第１領域（１０）に隣接した第２領域（１５）内の電極（５）とが混合合金を形成しており、しかも前記第１領域（１０）がほぼリング状に前記貴金属チップ（１）の材料によって完全に包囲されていることを特徴とする点火プラグ。