KR100644319B1 - Spark Plug with Iridium-Rhodium Alloy Electrode Tip including Tungsten - Google Patents
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Abstract
본 발명은 점화플러그에 관한 것으로서 보다 상세하게는 중심전극과 접지전극에 각각 귀금속재의 점화부를 접합하여 착화성을 향상시키고, 이 점화부에 일정량의 원소를 첨가하여 이리듐의 휘발성을 개선함으로써 상기 점화부의 내구성을 높일 수 있음은 물론, 내열성 및 내마모성을 높일 수 있는 텅스텐을 함유하는 이리듐-로듐계 점화플러그에 관한 것이다.The present invention relates to an ignition plug, and more particularly, to improve ignition by bonding an ignition part of a noble metal material to a center electrode and a ground electrode, respectively, and adding a certain amount of elements to the ignition part to improve volatility of iridium. The present invention relates to an iridium-rhodium-based spark plug containing tungsten capable of increasing durability and of increasing heat resistance and abrasion resistance.
이를 위해 본 발명은 중심전극과; 상기 중심전극과는 스파크를 발생시킬 수 있는 간극을 형성하며 대향하는 접지전극과; 상기 중심전극과 접지전극에 각각 접합되는 귀금속재의 점화부들;을 포함하여 구성되고, 상기 점화부들은 20중량%의 로듐(Rh)과 10중량%의 텅스텐(W)과 1중량%의 루테늄(Ru)이 함유되고, 나머지는 이리듐(Ir)으로 조성된 합금으로 이루어진 것을 특징으로 한다.The present invention for this purpose; A ground electrode facing the center electrode to form a gap capable of generating a spark; And ignition parts of a precious metal material bonded to the center electrode and the ground electrode, respectively, wherein the ignition parts include 20 wt% rhodium (Rh), 10 wt% tungsten (W), and 1 wt% ruthenium (Ru). ), And the rest is made of an alloy composed of iridium (Ir).
점화, 이리듐, 원소, 내구성, 착화, 텅스텐Ignition, Iridium, Elemental, Durable
Description
도 1은 본 발명에 따른 점화플러그를 나타낸 부분 단면도,1 is a partial cross-sectional view showing a spark plug according to the present invention,
도 2는 점화플러그의 내구력 시험형태를 나타낸 예시도,2 is an exemplary view showing the durability test form of the spark plug;
도 3은 텅스텐의 함유량과 점화플러그의 공극 증가량을 나타낸 그래프.3 is a graph showing the amount of tungsten and the amount of void increase in the spark plug.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10: 중심전극 10a, 20a: 점화부10:
20: 접지전극 50: 점화플러그20: ground electrode 50: spark plug
본 발명은 점화플러그에 관한 것으로서 보다 상세하게는 중심전극과 접지전극에 각각 귀금속재의 점화부를 접합하여 착화성을 향상시키고, 이 점화부에 일정량의 원소를 첨가하여 이리듐의 휘발성을 개선함으로써 상기 점화부의 내구성을 높일 수 있음은 물론, 내열성 및 내마모성을 높일 수 있는 텅스텐을 함유하는 이리듐-로듐계 점화플러그에 관한 것이다.The present invention relates to an ignition plug, and more particularly, to improve ignition by bonding an ignition part of a noble metal material to a center electrode and a ground electrode, respectively, and adding a certain amount of elements to the ignition part to improve volatility of iridium. The present invention relates to an iridium-rhodium-based spark plug containing tungsten capable of increasing durability and of increasing heat resistance and abrasion resistance.
근래에 도시의 대기 오염과 CO에 의한 지구 온난화로 자동차의 배기가스 절 감, 연비향상, NO 저감과 같은 과제가 중요하게 대두되었다.In recent years, due to urban air pollution and global warming caused by CO, problems such as automobile exhaust emission reduction, fuel efficiency improvement, and NO reduction have emerged.
따라서, 자동차 산업에서도 공해물질의 발생을 줄이고 연비를 향상시킬 수 있는 점화장치의 개발이 활발히 진행되어 왔다.Therefore, the development of an ignition device that can reduce the generation of pollutants and improve fuel efficiency in the automobile industry has been actively progressed.
상기 점화장치에서 핵심을 이루는 것이 점화플러그인데, 상기 점화플러그는 자동차 엔진의 실린더 내에서 혼합기를 연소시킬 수 있는 스파크를 발생시키기 위한 부품이다.The core of the ignition device is a spark plug, which is a component for generating a spark capable of burning a mixer in a cylinder of an automobile engine.
상기 점화플러그의 성능을 향상시키기 위해서는 높은 착화성과 낮은 방전 전압이 요구된다.In order to improve the performance of the spark plug, high ignition and low discharge voltage are required.
또한, 상기 점화플러그는 고온 고압의 환경에서 지속적으로 스파크를 일으키는 바, 높은 성능과 함께 긴 수명이 요구되며, 이를 위해서는 내구성을 향상시키는 것이 필요하다. In addition, the spark plug continuously causes sparks in an environment of high temperature and high pressure, and requires a long life with high performance, and for this purpose, it is necessary to improve durability.
이러한 과제를 해결하고자 기존에는 점화플러그의 중심전극과 접지전극에 귀금속재의 팁을 용접하였다.In order to solve this problem, the tip of the precious metal material was welded to the center electrode and the ground electrode of the spark plug.
초기에는 상기 팁을 주로 백금으로 구성하였는데, 이것은 백금의 비싼 가격 뿐 만 아니라 마모 문제로 인해 전극의 세경화에 곤란성을 가져왔다. 따라서 백금 보다 저렴한 가격, 우수한 내마모성과 공회전 안정성, 낮은 방전 전압, 적은 NO 방출 등의 장점을 갖는 이리듐(Ir) 합금이 대안으로 제시되었다.Initially, the tip consisted mainly of platinum, which caused difficulty in thinning the electrode due to the wear problem as well as the high price of platinum. Therefore, an iridium (Ir) alloy has been proposed as an alternative, which has the advantages of lower cost than platinum, excellent wear resistance and idling stability, low discharge voltage, and low NO emission.
그러나 순수한 이리듐(Ir)은 900~1200℃ 사이에서 휘발 산화하여 전극 팁 부분의 체적 손실이 큰 단점이 있었다.However, pure iridium (Ir) has a disadvantage in that the volume loss of the electrode tip is large due to volatilization between 900 and 1200 ° C.
한편, 최근에는 상기와 같은 순수 이리듐(Ir)의 고온 환경에서의 휘발 산화 현상을 개선하기 위해 이리듐(Ir)에 로듐(Rh)을 첨가하여 RhO막을 형성시킴으로써 증기압이 큰 IrO 형성을 억제하여 내산화 휘발성을 개선하는 방법이 개발되었다.On the other hand, recently, in order to improve the volatilization phenomenon of pure iridium (Ir) as described above in high temperature environment, rhodium (Rh) is added to iridium (Ir) to form a RhO film, thereby suppressing the formation of IrO having a large vapor pressure to prevent oxidation. Methods to improve volatility have been developed.
이로 인하여 상기와 같이 순수한 이리듐(Ir)에 로듐(Rh)을 첨가할 경우 로듐(Rh)의 첨가량이 증가 할수록 이리듐(Ir)-로듐(Rh) 합금의 내산화 휘발성은 개선되나 로듐(Rh)의 첨가량이 증가 할수록 합금의 용융점이 감소하여 내구성이 저하되는 결점이 있었다.Therefore, when rhodium (Rh) is added to pure iridium (Ir) as described above, the oxidation resistance of the iridium (Ir) -rhodium (Rh) alloy is improved as the amount of rhodium (Rh) is increased, but the rhodium (Rh) As the addition amount increased, the melting point of the alloy was reduced, resulting in a decrease in durability.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써 본 발명의 목적은 높은 착화성을 유지하면서도 내구성, 내열성 및 내마모성을 높일 수 있는 점화플러그를 제공하는데 있다.The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a spark plug that can increase the durability, heat resistance and wear resistance while maintaining high ignition.
아울러, 본 발명의 또 다른 목적은 방전부분의 직경을 감소시켜 방전시 요구전압의 감소, 공회전 안정성 등을 꾀할 수 있는 점화플러그를 제공하는데 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a spark plug that can reduce the diameter of the discharge portion to reduce the required voltage during discharge, idling stability and the like.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중심전극과; 상기 중심전극과는 스파크를 발생시킬 수 있는 간극을 형성하며 대향하는 접지전극과; 상기 중심전극과 접지전극에 각각 접합되는 귀금속재의 점화부들;을 포함하여 구성되고, 상기 점화부들은 20중량%의 로듐(Rh)과 10중량%의 텅스텐(W)과 1중량%의 루테늄(Ru)이 함유되고, 나머지는 이리듐(Ir)으로 조성된 합금으로 이루어진 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object and the center electrode; A ground electrode facing the center electrode to form a gap capable of generating a spark; And ignition parts of a precious metal material bonded to the center electrode and the ground electrode, respectively, wherein the ignition parts include 20 wt% rhodium (Rh), 10 wt% tungsten (W), and 1 wt% ruthenium (Ru). ), And the rest is made of an alloy composed of iridium (Ir).
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상기와 같은 특징을 갖는 본 발명은 이에 따른 바람직한 실시예를 통해 보다 명확히 설명될 수 있을 것이다.The present invention having the features as described above will be more clearly described through the preferred embodiment accordingly.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 함께 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 점화플러그를 나타낸 부분 단면도이다.1 is a partial cross-sectional view showing a spark plug according to the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 점화플러그(50)는 중심전극(10)과 상기 중심전극(10)의 선단부에 대향되는 위치에 완곡하게 뻗은 접지전극(20)을 포함한다.As shown in FIG. 1, the
여기서 상기 접지전극(20)은 상기 중심전극(10)과 스파크를 발생시킬 수 있는 간극을 형성하며 대향된다.Here, the
상기 중심전극(10)과 접지전극(20)은 높은 내열성과 내마모성을 갖도록 Ni을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다.The
또한, 상기 중심전극(10)과 접지전극(20)의 선단부에는 귀금속재의 점화부(10a,20a)가 각각 접합된다.In addition, the
여기서, 상기 점화부들(10a,20a)은 상기 중심전극(10)과 접지전극(20)에 용접으로 접합되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 레이저 용접으로 접합될 수 있을 것이다.Here, the
상기한 바에 의하면, 상기 중심전극(10)과 접지전극(20)에는 각각 점화부(10a,20a)가 접합되며 상기 점화부들(10a,20a)은 상호 스파크 갭을 형성하는 구조이다.According to the above, the
따라서, 본 발명에 따른 점화플러그(50)에서 상기 점화부(10a,20a)의 물리적, 화학적 특성은 매우 중요하며, 이는 상기 점화부(10a,20a)를 이루는 합금에 함유되는 원소의 종류와 함량에 따라 달라지는 바, 이에 관하여 본 출원인이 수행한 실험과 그 결과를 예시하면 다음과 같다.Therefore, in the
<실험 방법>Experimental Method
점화플러그(50) 점화부(10a,20a)의 재료로서 이리듐(Ir)을 기본으로 하고 로듐(Rh)의 양을 0~30중량%, 루테늄(Ru)의 양을 0~5중량%, 텅스텐(W)의 양을 0~30중량%까지로 각각 변화시켜 첨가한 후 용융시켰으며 고온에서의 단조, 압연, 인발 등의 공정을 통해서 직경 0.7mm의 봉상의 형태로 제조한 후 중심전극(10)에 용접하였다.(여기서 0%는 첨가되지 않은 것을 의미함)Spark
이때 중심전극(10)의 직경은 0.7mm, 높이는 1.12mm이며 접지전극(20)의 직경은 1.4mm, 높이는 0.15mm이다.At this time, the diameter of the
이같은 방법으로 제조된 각 조성의 시편들에 대해 엔진 다이나모메타를 이용하여 열 사이클 내구력 시험을 실시했다.Heat cycle endurance tests were conducted on engine dynamometers for specimens of each composition prepared in this manner.
실험은 총 4기통 1600℃ 가솔린 엔진에서 6000rpm의 회전속도로 300시간(600사이클)로 진행되었으며, 이때 한 사이클의 시간은 30분으로, 가열과 냉각의 형태 는 다음과 같다.The experiment was carried out for 300 hours (600 cycles) at a rotation speed of 6000rpm in a four-cylinder 1600 ℃ gasoline engine, where one cycle was 30 minutes, and the heating and cooling were as follows.
도 2는 점화플러그의 내구력 시험형태를 나타낸 예시도이다.2 is an exemplary view showing the durability test form of the spark plug.
도 2에 도시된 바와 같이, 한 사이클은 총 3단계로 나뉘어 지며, 제 1단계에서는 엔진이 정지상태로 부터 공회전을 거쳐 6000rpm에 도달하는 시간 10초를 포함하여 총 3분간 작동된다.As shown in FIG. 2, one cycle is divided into three stages, and in the first stage, the engine is operated for a total of three minutes, including 10 seconds of time when the engine reaches idle at 6000 rpm from idling.
다시, 상기 엔진은 6000rpm에서 공회전을 거쳐 정지되는 시간 10초를 포함하여 2분간 정지된다.Again, the engine is stopped for 2 minutes, including 10 seconds of idle time at 6000 rpm.
상기와 같은 과정을 반복하여 상기 제 1단계에서는 엔진이 6000rpm에서 총 4회 작동한다.In the first step by repeating the above process, the engine operates a total of four times at 6000rpm.
그리고, 제 2단계에서는 상기 엔진이 6000rpm으로 부터 공회전을 거쳐 정지되는 시간 30초를 포함하여 10분간 정지된다.In the second stage, the engine is stopped for 10 minutes including the
아울러, 제 3단계에서는 정지된 엔진을 냉각수를 이용하여 2분간 급속냉각시킨다.In addition, in the third step, the stopped engine is rapidly cooled for 2 minutes using cooling water.
상기와 같은 실험에 의해 중심전극(10)과 접지전극(20)에 각각 접합된 점화부(10a,20a)의 마모정도를 측정하는데 이는 상기 점화부들(10a,20a) 간의 간격(이하 공극이라함)을 측정함으로써 가능해진다.By the above experiment, the degree of wear of the
즉, 상기 공극과 점화부(10a,20a)의 마모정도는 비례관계에 있는 것이다.That is, the degree of wear of the voids and the
따라서 상기 공극의 증가량이 크면, 점화부(10a,20a)의 내구성 및 내마모성이 낮은 것을, 상기 공극의 증가량이 작으면 상기 점화부(10a,20a)의 내구성 및 내마모성이 높은 것을 각각 의미한다.Therefore, if the increase of the voids is large, the durability and abrasion resistance of the
<실험 결과><Experiment Result>
상기 표1은 점화부를 구성하는 각 원소의 함량과 공극의 증가량과의 관계를 나타낸다.Table 1 shows the relationship between the amount of each element constituting the ignition unit and the increase amount of the voids.
상기 표1에서 알 수 있듯, 이리듐(Ir)원소에 20중량%의 로듐(Rh)를 첨가할 경우 공극의 증가량이 가장 적은 바, 본 발명에 따른 점화플러그(50)의 점화부(10a,20a)에는 20중량%의 로듐(Rh)이 함유되는 것이 바람직하다.As can be seen from Table 1, when the 20% by weight of rhodium (Rh) is added to the element of iridium (Ir), the amount of increase in voids is the smallest, the
참고로, 상기 점화부(10a,20a)에서 이리듐(Ir)원소에 로듐(Rh)를 첨가하게 되면 상기 이리듐(Ir)의 고온에서의 내산화 휘발성이 개선되어 상기 점화부(10a,20a)의 내구성이 향상된다. 그런데 첨가되는 로듐(Rh)의 양이 10중량% 미만일 경우, 상기 점화부(10a,20a)의 내구성 향상 효과가 미미하며, 반면에 첨가되는 로듐(Rh)의 양이 30중량% 보다 많을 경우, 오히려 상기 점화부(10a,20a)의 내구성이 저하되는 문제점이 있다.For reference, when rhodium (Rh) is added to the iridium (Ir) element in the
또한, 상기 표에서 이리듐(Ir)원소에 20중량%의 로듐(Rh)이 함유된 점화부(10a,20a)에 루테늄(Ru)을 첨가하면 공극의 증가량이 더욱 감소됨을 알 수 있다. 이는 상기 점화부(10a,20a)에 고융점의 루테늄(Ru)(융점2334℃)를 첨가하면 내열성 및 내마모성이 향상되는 것에 기인한다.In addition, it can be seen that when the ruthenium (Ru) is added to the
이때, 상기 점화부(10a,20a)에 함유되는 루테늄(Ru)의 양은 0.5중량%~5중량%의 범위에 속하는 것이 바람직한데 이는 상기 점화부(10a,20a)에 함유되는 루테늄(Ru)의 양이 0.5중량% 미만이면, 상기 점화부(10a,20a)의 내구성 향상 효과가 미미하며, 반면에 루테늄(Ru)의 양이 5중량% 보다 많게 되면 오히려 상기 점화부(10a,20a)의 내구성이 저하된다는 것에 기인한다.At this time, the amount of ruthenium (Ru) contained in the ignition unit (10a, 20a) is preferably in the range of 0.5% by weight to 5% by weight, which is of the ruthenium (Ru) contained in the ignition unit (10a, 20a) If the amount is less than 0.5% by weight, the durability improvement effect of the ignition unit (10a, 20a) is insignificant, while if the amount of ruthenium (Ru) is more than 5% by weight rather the durability of the ignition unit (10a, 20a) This is due to the degradation.
더 나아가, 본 발명에 따른 점화플러그(50)에서 상기 점화부(10a,20a)에 함유되는 루테늄(Ru)의 양은 1중량%인 것이 더욱 바람직하다.Furthermore, the amount of ruthenium Ru contained in the
아울러, 상기 점화부(10a,20a)에 고융점의 텅스텐(W)(융점3422℃)을 더불어 첨가하면, 내열성 및 내마모성을 더욱 향상시킬 수 있는데, 이 경우에도 상기 텅스텐의 양은 1중량%~30중량%의 범위로 한정된다.In addition, by adding the high melting point tungsten (W) (melting point 3422 ° C) to the
상기 텅스텐(W)의 양이 1중량% 미만일 경우에는 상기 점화부(10a,20a)의 내구성 향상을 기대하기 어려우며, 30중량% 을 초과할 시에는 상기 점화부(10a,20a)의 내구성이 오히려 저하되거나 상기 점화부(10a,20a)에서 착화가 잘 일어나지 않는 등 부정적인 효과가 발생하기 때문이다.When the amount of tungsten (W) is less than 1% by weight, it is difficult to expect durability improvement of the
도 3은 텅스텐(W)의 함유량과 점화플러그(50)의 공극 증가량을 나타낸 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 점화플러그(50)에서, 바람직하게 는 상기 점화부(10a,20a)에 함유되는 텅스텐(W)의 양이 1중량%~20중량%의 범위에 속하는 것이 좋다.3 is a graph showing the amount of tungsten (W) and the amount of increase in the pore of the
그리고, 좀더 바람직하게는 상기 텅스텐(W)의 양이 5중량%~15중량%의 범위에 속하는 것이 좋다.And, more preferably, the amount of tungsten (W) is preferably in the range of 5% by weight to 15% by weight.
더 나아가 상기 표에 나타난 바와 같이, 상기 점화부(10a,20a)에 함유되는 텅스텐(W)의 양은 10중량%인 것이 더욱 바람직하다.Furthermore, as shown in the above table, the amount of tungsten (W) contained in the
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 점화플러그(50)에서는 중심전극(10)과 접지전극(20)에 각각 접합되는 귀금속재의 점화부들(10a,20a) 중 적어도 하나, 즉 상기 중심전극(10)과 접지전극(20)의 양측에 접합된 점화부들(10a,20a) 모두 또는 이 중 어느 하나에 해당되는 중심전극(10)측의 점화부(10a)나 접지전극(20)측의 점화부(20a)는 이리듐(Ir)에 로듐(Rh)과 루테늄(Ru)과 텅스텐(W)이 함유된 합금으로 이루어지며, 이때 상기 각 원소의 함량에 있어서는 20중량%의 로듐(Ru)과 1중량%의 루테늄(Ru)과 10중량%의 텅스텐(W)이 함유되고, 나머지는 이리듐(Ir)으로 조성되는 것이 가장 바람직하다.As described above, in the
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 중심전극과 접지전극에 각각 귀금속재의 점화부를 접합하여 착화성을 향상시키고, 이 점화부에 일정량의 원소를 첨가하여 이리듐의 휘발성을 개선함으로써 상기 점화부의 내구성을 높일 수 있음은 물론, 내열성 및 내마모성을 높일 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention improves the ignition property by bonding the ignition part of the precious metal material to the center electrode and the ground electrode, respectively, and by adding a certain amount of elements to the ignition part to improve the volatility of iridium, thereby increasing the durability of the ignition part. Of course, there is an effect that can increase the heat resistance and wear resistance.
더 나아가, 본 발명은 점화부의 내구성, 내열성, 내마모성을 향상시킴으로써 방전부분의 직경이 감소되고 이로 인해 방전을 위한 요구전압의 감소, 공회전 안정성 등을 꾀할 수 있는 효과가 있다.Furthermore, the present invention has the effect of reducing the diameter of the discharge portion by improving the durability, heat resistance, wear resistance of the ignition portion, thereby reducing the required voltage for discharge, idling stability and the like.
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