阅读说明：本技术 火花塞 (Spark plug ) 是由 八木亮树 于 2019-06-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种火花塞,无论拧紧速度如何都能够抑制主体金属件的断裂。火花塞具备主体金属件,该主体金属件具有在外周面形成有外螺纹的圆筒状的主干部和与主干部的后端邻接并向径向外侧突出的座部。在主干部存在第一区域和第二区域,第一区域在轴线方向上至少包含从主干部的后端至自外螺纹的后端起的第一个螺纹牙的范围,第二区域与第一区域在周向上邻接,第一区域的维氏硬度值比第二区域的维氏硬度值大。(The invention provides a spark plug, which can restrain the breakage of a main metal piece regardless of the tightening speed. The spark plug includes a main body metal fitting having a cylindrical trunk portion with a male screw formed on an outer peripheral surface thereof, and a seat portion adjacent to a rear end of the trunk portion and protruding radially outward. The trunk portion has a first region and a second region, the first region includes at least a range from a rear end of the trunk portion to a first thread ridge from a rear end of the external thread in an axial direction, the second region is adjacent to the first region in a circumferential direction, and a Vickers hardness value of the first region is larger than a Vickers hardness value of the second region.)

火花塞

技术领域

本发明涉及火花塞，特别是涉及具有在外周面的一部分形成有外螺纹的主体金属件的火花塞。

背景技术

火花塞通过将主体金属件的外螺纹向发动机的螺纹孔拧紧而安装于发动机。为了即便施加过大的拧紧扭矩也能避免主体金属件断裂，在专利文献1中公开了如下的技术：在成为主体金属件的原形的筒状的构件上形成了外螺纹之后，对该构件进行渗碳处理或淬火处理，使主体金属件的螺纹部遍及整周地固化。

【专利文献1】日本特开2007-280942号公报

发明内容

发明要解决的课题

然而，在上述现有技术中，通过螺纹部的固化而主体金属件的断裂载荷能够增大，但是固化后的螺纹部的韧性下降，因此在拧紧速度快时，在比拧紧速度慢时的断裂载荷小的载荷下，主体金属件可能会断裂。

本发明为了解决上述的问题点而作出，目的在于提供一种无论拧紧速度如何都能够抑制主体金属件的断裂的火花塞。

用于解决课题的方案

为了实现该目的，本发明的火花塞具备主体金属件，该主体金属件具有：圆筒状的主干部，从前端侧向后端侧沿轴线延伸，在外周面形成有外螺纹；及座部，与主干部的后端邻接，向径向外侧突出。在主干部存在第一区域和第二区域，第一区域在轴线方向上至少包含从主干部的后端至自外螺纹的后端起的第一个螺纹牙的范围，且是周向的一部分的范围，第二区域与第一区域在周向上邻接，第一区域的维氏硬度值比第二区域的维氏硬度值大。

另外，本发明的火花塞具备主体金属件，该主体金属件具有：圆筒状的主干部，从前端侧向后端侧沿轴线延伸，在外周面形成有外螺纹；及座部，与主干部的后端邻接，向径向外侧突出。在主干部存在第一区域和第二区域，第一区域在轴线方向上至少包含从主干部的后端至自外螺纹的后端起的第一个螺纹牙的范围，且是周向的一部分的范围，第二区域与第一区域在周向上邻接，第一区域的组织与第二区域的组织不同，第一区域存在马氏体。

发明效果

根据第一方案记载的火花塞，在主体金属件的主干部中的从拧紧火花塞时大的拧紧轴力作用的部位即主干部的后端至自外螺纹的后端起的第一个螺纹牙的范围存在第一区域和与第一区域在周向上邻接且维氏硬度值比第一区域小的第二区域。维氏硬度值比第一区域的维氏硬度值小的第二区域沿拧紧轴力施加的方向与第一区域并列存在，因此当拧紧外螺纹时，以使第一区域的伸长与第二区域的伸长相等的方式向第一区域及第二区域分配拧紧轴力。由此，与不存在第二区域的情况相比，在拧紧轴力快时，能够抑制主体金属件在比拧紧速度慢时的断裂载荷小的载荷下断裂。由此，无论拧紧速度如何都能够抑制主体金属件的断裂。

根据第二方案记载的火花塞，在主体金属件的主干部存在包含从主干部的后端至自外螺纹的后端起的第一个螺纹牙的范围的第一区域和与第一区域在周向上邻接的第二区域。第一区域的组织与第二区域的组织不同，在第二区域中不存在硬度大的马氏体。比第一区域柔软的第二区域沿着拧紧轴力施加的方向而与第一区域并列存在，因此具有与第一方案同样的效果。

根据第三方案记载的火花塞，第二区域与第一区域的周向的两侧邻接地配置，因此除了第一方案或第二方案的效果之外，无论拧紧速度如何都能够进一步抑制主体金属件的断裂。

根据第四方案记载的火花塞，第一区域存在马氏体，因此除了第一方案的效果之外，还能够通过碳钢制造主体金属件。

根据第五方案记载的火花塞，第一区域在轴线方向上包含从主干部的后端至外螺纹的前端的范围。由此，除了第一方案至第四方案中任一方案的效果之外，还能够提高从拧紧轴力施加的主干部的后端至外螺纹的前端的强度。

附图说明

图1是第一实施方式的火花塞的单侧剖视图。

图2(a)是主体金属件的侧视图，图2(b)是图2(a)的IIb-IIb线处的主体金属件的剖视图，图2(c)是图2(a)的IIc-IIc线处的主体金属件的剖视图。

图3是表示主体金属件的外螺纹的伸长与拧紧轴力的关系的示意图。

图4(a)是第二实施方式的火花塞的主体金属件的侧视图，图4(b)是第三实施方式的火花塞的主体金属件的侧视图，图4(c)是第四实施方式的火花塞的主体金属件的侧视图。

附图标记说明

10 火花塞

15、40、50、60 主体金属件

16 主干部

16a 主干部的后端

16b 范围

17 外螺纹

17a 外螺纹的后端

17b 螺纹牙

17c 外螺纹的前端

18 座部

31、41、51、61 第一区域

32、42、52、62 第二区域

O 轴线

具体实施方式

以下，关于本发明的优选实施方式，参照附图进行说明。图1是第一实施方式的火花塞10的以轴线O为界的单侧剖视图。在图1中，外螺纹17的螺纹牙的图示简化(在图2(a)、图4(a)～图4(c)中也相同)。将图1的纸面下侧称为火花塞10的前端侧，将纸面上侧称为火花塞10的后端侧。

如图1所示，火花塞10将绝缘体11保持于主体金属件15。绝缘体11是由高温下的绝缘性、机械特性优异的氧化铝等形成的大致圆筒状的构件。绝缘体11沿轴线O贯通轴孔12。

中心电极13是向轴孔12***并沿轴线O保持于绝缘体11的棒状的电极。中心电极13以从绝缘体11的前端突出的方式配置于轴孔12。中心电极13将导热性优异的芯材埋设于电极母材。电极母材由以Ni为主体的合金或由Ni构成的金属材料形成，芯材由铜或以铜为主成分的合金形成。芯材可以省略。

端子配件14是连接有高压线缆(未图示)的棒状的构件，前端侧配置在绝缘体11内。端子配件14在轴孔12内与中心电极13电连接。在绝缘体11的外周的前端侧固定有主体金属件15。

主体金属件15是由具有导电性的金属材料(例如低碳钢等)形成的大致圆筒状的构件。主体金属件15具备形成为圆筒状的主干部16、与主干部16的后端邻接并向径向的外侧突出的座部18、与座部18的后端邻接的后端部19。后端部19具备壁厚比座部18薄的薄壁部20和从薄壁部20向径向的外侧突出的工具卡合部21。

主干部16是将绝缘体11的前端侧的部分包围的部位，在外周形成有外螺纹17。外螺纹17与发动机24的螺纹孔25卡合而将主体金属件15固定于发动机24。座部18是限制外螺纹17相对于发动机24的拧入量并用于将外螺纹17与螺纹孔25之间的间隙填塞的部位。在本实施方式中，在座部18的前端装配有衬垫23。夹在座部18与发动机24之间的衬垫23将外螺纹17与螺纹孔25之间的间隙密封。

薄壁部20是在将主体金属件15向绝缘体11组装时使其发生塑性变形而用于紧固固定的部位。工具卡合部21是在向发动机24的螺纹孔25拧紧外螺纹17时使扳手等工具卡合的部位。

接地电极22是与主体金属件15的主干部16接合的棒状的金属制(例如镍基合金制)的构件。在接地电极22与中心电极13之间形成有火花间隙。在本实施方式中，接地电极22弯折。

火花塞10例如通过以下的方法来制造。首先，将中心电极13向绝缘体11的轴孔12***，以中心电极13的前端从绝缘体11的前端突出的方式配置。接下来，向绝缘体11的轴孔12***端子配件14，确保端子配件14与中心电极13的导通。接下来，向预先接合有接地电极22的主体金属件15***绝缘体11，将主体金属件15的后端弯折而将主体金属件15组装于绝缘体11。将接地电极22弯折，装配衬垫23而得到火花塞10。

参照图2，说明主体金属件15。图2(a)是主体金属件15的侧视图，图2(b)是图2(a)的IIb-IIb线处的主体金属件15的剖视图，图2(c)是图2(a)的IIc-IIc线处的主体金属件15的剖视图。图2(a)所示的主体金属件15图示出向绝缘体11组装前的状态。将图2(a)的纸面下侧称为主体金属件15的前端侧，将纸面上侧称为主体金属件15的后端侧(在图4(a)～图4(c)中也相同)。

主体金属件15通过例如以下的方法来制造。首先，通过冷锻、切削等来形成成为主体金属件15的原形的筒状的工件(未图示)。工件的卡合部30与座部18的前端邻接。卡合部30是衬垫23(参照图1)卡合的部位。

如图2(a)所示，在工件的主干部16上接合了接地电极22(弯折之前的直线状的棒材)之后，通过滚轧、切削等在主干部16形成外螺纹17。卡合部30与外螺纹17的后端17a邻接。如图2(b)所示，外螺纹17的沟径与卡合部30的外径大致相同。在主干部16形成了外螺纹17之后，在主干部16作出第一区域31及第二区域32，得到主体金属件15。主体金属件15根据需要而实施镀敷等。

第一区域31是维氏硬度值比第二区域32的维氏硬度值大的区域。在本实施方式中，主体金属件15由低碳钢形成，通过向外螺纹17的表面的一部分照射激光束并加热而进行淬火，形成第一区域31。加热不充分的区域成为第二区域32。在淬火后，根据需要进行回火。由于淬火而在第一区域31的组织中存在马氏体，在第二区域32的组织中存在奥氏体及珠光体中的至少一方。通过使用碳钢制的主体金属件15，能够利用热处理来形成硬度不同的第一区域31及第二区域32。

需要说明的是，第一区域31的形成并不限于激光淬火。当然可以通过电子束淬火、放电固化、喷丸固化来形成第一区域31。放电固化、喷丸固化不是利用碳的固溶来使组织固化，因此主体金属件15的材质可以不为碳钢。在该情况下，主体金属件的材质可以考虑导热性、耐热性等而从各种金属材料之中适当选择。

另外，并不限于使外螺纹17的一部分固化而形成第一区域31的情况。当然可以使外螺纹17的一部分软化而形成第二区域32，并将其余的部分形成为第一区域31。例如，通过淬火回火使形成有外螺纹17的主体金属件15固化之后，通过向外螺纹17的表面的一部分照射激光束、电子射束并加热而进行退火，能够形成第二区域32。退火不充分的区域成为第一区域31。

如图2(c)所示，第一区域31是主干部16的周向的一部分的区域，第二区域32与第一区域31在周向上邻接。第一区域31及第二区域32存在于从将火花塞10的外螺纹17向发动机24的螺纹孔25拧紧时大的拧紧轴力作用的主干部16的后端16a(参照图2(b))至自外螺纹17的后端17a起的第一个螺纹牙17b的范围16b。第一个螺纹牙17b可以为完全螺纹部，也可以为不完全螺纹部。在本实施方式中，第一区域31及第二区域32包括从主干部16的后端16a至外螺纹17的前端17c的范围。第二区域32与第一区域31的周向的两侧邻接地配置，第一区域31及第二区域32分别为三处。

第一区域31及第二区域32的维氏硬度遵照JIS Z2244：2009来测定。利用与轴线O垂直的平面将主干部16切断，成为对其切断面进行镜面研磨来测定维氏硬度的试验片。在维氏硬度试验中，将压头压入到沿试验片(主干部16)的周向相互分离的多个测定点来制作压痕。从主干部16的外周面至各测定点的距离恒定，在各测定点处向压头施加的试验力及保持时间相同。

在本实施方式中，第一区域31的主干部16的厚度方向(径向)的整体由于激光淬火而固化，因此将主干部16的厚度的中心设为测定点。但是，在通过喷丸固化等形成第一区域31时等，在外螺纹17的表面的极小一部分存在第一区域31、第二区域32时，测定固化(或软化)的部分的维氏硬度。

维氏硬度值在第一区域31、第二区域32之中存在±50HV左右的不均，因此将维氏硬度值相差100HV以上的区域设为第一区域31及第二区域32。例如，第一区域31的维氏硬度值为500HV以上，第二区域32的维氏硬度值小于400HV。

测定沿周向相互分离的多个测定点的维氏硬度值，并对它们进行比较，由此能够确定在主干部16的周向上邻接的第一区域31及第二区域32。此外，通过测定从主干部16的后端16a至切断面的距离不同的多个试验片的维氏硬度值，能够确定第一区域31及第二区域32从主干部16的后端16a向前端侧延伸的范围。将它们组合，能够确定主干部16的第一区域31及第二区域32的周向及轴线方向的广度。

另外，利用与轴线O垂直的平面将主干部16切断，将主干部16研磨至平坦的截面出现，通过金属显微镜或SEM对组成像的组织观察能够确认第一区域31的马氏体。在组织观察时，根据需要进行基于腐蚀液的电解或无电解蚀刻等。此外，通过进行从主干部16的后端16a至切断面为止的距离不同的多个截面的组织观察，能够确定第一区域31及第二区域32从主干部16的后端16a向前端侧延伸的范围。将它们组合，能够确定主干部16中的第一区域31及第二区域32的周向及轴线方向的广度。

图3是表示主体金属件15的外螺纹17的伸长与拧紧轴力的关系的示意图。图3中，除了本实施方式的主体金属件15的线图之外，还图示出遍及外螺纹17的整周地形成有第一区域31的比较例的主体金属件(以下称为“金属件31”)的线图及遍及外螺纹17的整周地形成有第二区域32的比较例的主体金属件(以下称为“金属件32”)的线图。

当向外螺纹17施加过大的拧紧扭矩时，超过屈服点而断裂。金属件32与金属件31相比伸长大，但是与金属件31相比断裂载荷小。另一方面，金属件31由于外螺纹17的固化而与金属件32相比断裂载荷大，但是外螺纹17的韧性下降，达到断裂为止的伸长小。因此，金属件31在拧紧速度快时，由于其冲击，在比拧紧速度慢时的断裂载荷小的载荷下可能会断裂。

相对于此，主体金属件15在从主干部16的后端16a至自外螺纹17的后端17a起的第一个螺纹牙17b的范围16b存在有第一区域31和与第一区域31在周向上邻接且维氏硬度值比第一区域31的维氏硬度值小的第二区域32。范围16b是在拧紧时容易产生应力集中的部位。沿着拧紧轴力施加的方向(轴线方向)，与第一区域31并列地存在第二区域32，因此当拧紧外螺纹17时，以第一区域31的伸长与第二区域32的伸长相等的方式向第一区域31及第二区域32分配拧紧轴力。由此，与不存在第二区域32的情况(金属件31的情况)相比，在拧紧速度快时，能抑制主体金属件15在比拧紧速度慢时的断裂载荷小的载荷下发生断裂。由此，无论拧紧速度如何都能够抑制主体金属件的断裂。

另外，主体金属件15在第一区域31存在马氏体而固化。第一区域31的组织与第二区域32的组织不同，在第二区域32不存在马氏体。比第一区域31柔软的第二区域32沿着拧紧轴力施加的方向而与第一区域31并列存在，因此如上所述，无论拧紧速度如何都能够抑制主体金属件的断裂。

第二区域32与第一区域31的周向的两侧邻接地配置，因此能够将比第一区域31柔软的第二区域32沿周向分散配置。由此，无论拧紧速度如何都能够进一步抑制主体金属件15的断裂。

另外，第一区域31在轴线方向上以包含从主干部16的后端16a至外螺纹17的前端17c的范围的方式形成，因此，不仅是从主干部16的后端16a至第一个螺纹牙17b的应力集中容易产生的范围16b，而且也能够提高从拧紧轴力施加的主干部16的后端16a至外螺纹17的前端17c的强度。

参照图4，说明第二实施方式至第四实施方式。图4(a)是第二实施方式的火花塞的主体金属件40的侧视图，图4(b)是第三实施方式的火花塞的主体金属件50的侧视图，图4(c)是第四实施方式的火花塞的主体金属件60的侧视图。主体金属件40、50、60取代第一实施方式中说明的火花塞10的主体金属件15而保持绝缘体11。关于与第一实施方式中说明的部分相同的部分，标注同一附图标记而省略以下的说明。

如图4(a)所示，主体金属件40沿主干部16的周向交替地形成第一区域41及第二区域42。第一区域41的维氏硬度值比第二区域42的维氏硬度值大，在第一区域41的组织中存在马氏体。

第一区域41存在于从主干部16的后端16a至第一个螺纹牙17b(参照图2(b))的范围16b。在轴线方向(图4(a)上下方向)上，从第一区域41的前端至外螺纹17的前端17c存在第二区域42。在本实施方式中，第一区域41及第二区域42在范围16b之中分别存在两处。主体金属件40在应力集中容易产生的范围16b存在第一区域41及第二区域42，因此如第一实施方式中说明那样，无论拧紧速度如何都能够抑制主体金属件40的断裂。

如图4(b)所示，主体金属件50沿主干部16的周向交替形成有第一区域51及第二区域52。第一区域51的维氏硬度值比第二区域52的维氏硬度值大，在第一区域51的组织中存在马氏体。

第一区域51存在于从主干部16的后端16a至外螺纹17的前端17c的范围。在本实施方式中，第一区域51及第二区域52分别存在六处。与第一实施方式相比，能够缩窄第一区域51及第二区域52的周向的宽度，因此能够减小为了分别形成第一区域51及第二区域52而对外螺纹17实施的处理面积。其结果是，除了第一实施方式中说明的作用效果之外，还能够使用于形成第一区域51及第二区域52的处理简易。

如图4(c)所示，主体金属件60沿主干部16的周向交替地形成有第一区域61及第二区域62。第一区域61的维氏硬度值比第二区域62的维氏硬度值大，在第一区域61的组织中存在马氏体。

第一区域61及第二区域62分别从主干部16的后端16a呈螺旋状地形成。由此，相比较于第一区域及第二区域与轴线O(参照图2(a))平行地存在的情况，能够延长第一区域61及第二区域62的长度。能够延长第一区域61及第二区域62，相应地能够增大第一区域61及第二区域62的伸长，因此除了第一实施方式中说明的作用效果之外，还能够扩大拧紧扭矩的容许范围。

以上，基于实施方式而说明了本发明，但是本发明不受上述的实施方式的任何限定，不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种改良变形是能够容易地推测的。例如第一区域31、41、51、61及第二区域32、42、52、62只要存在至少各一个即可，因此第一区域及第二区域的个数可以适当设定。

在实施方式中，说明了在主体金属件15、40、50、60的座部18的前端配置衬垫23的火花塞10，但是未必限于此。当然也可以适用于省略衬垫、使座部18的前端面带有锥形、使座部18与发动机24接触而对燃烧气体进行密封的锥片类型的火花塞(主体金属件)。

在实施方式中，说明了通过淬火、放电固化、喷丸固化来形成第一区域31、41、51、61、或者通过退火来形成第二区域32、42、52、62的情况，但是未必限于此。当然可以准备维氏硬度值相差100HV以上的2个原料，使用该原料来形成第一区域及第二区域，将它们通过焊接等进行接合而制造存在第一区域及第二区域的主体金属件。