KR101297019B1

KR101297019B1 - 스파크 플러그

Info

Publication number: KR101297019B1
Application number: KR1020117017325A
Authority: KR
Inventors: 도모오 다나카; 다이스케 스모야마
Original assignee: 니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2013-08-14
Also published as: JP5325220B2; JPWO2010084755A1; US8415867B2; KR20110124212A; WO2010084755A1; EP2383848B1; EP2383848A1; EP2383848A4; CN102273032A; US20110285270A1

Abstract

스파크 플러그(100)는 전극의 선단부에 중심전극 팁(90,95)을 구비한다. 중심전극 팁(90,95)은 Pd를 주성분으로 하되 Pd의 함유량이 40중량%보다 많고, Ir, Ni, Co, Fe 중 적어도 하나의 원소를 함유하며 Ir를 함유하는 경우에는 Ir의 함유량이 0.5중량% 이상 20중량% 이하이고, Ni, Co, Fe을 함유하는 경우에는 하나의 원소의 함유량이 0.5중량% 이상 40중량% 이하이다.

Description

스파크 플러그{SPARK PLUG}

본 발명은 스파크 플러그의 전극 선단에 형성된 전극 팁의 조성에 관한 것이다.

종래, 스파크 플러그의 전극의 선단에 형성된 전극 팁의 재료로는 백금(Pt)이 실용화되어 있다. 또, 희소 금속인 Pt의 대체 재료로서 팔라듐(Pd) 전극 팁이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1).

특허문헌 1 : 일본국 특허공개 평5－47954호 공보 특허문헌 2 : 일본국 특허공개 평10－22053호 공보 특허문헌 3 : 일본국 특허공개 2002－83663호 공보 특허문헌 4 : WO2008/014192호 공보

그러나, Pd는 Pt보다 융점이 낮기 때문에 불꽃 소모성이 뒤떨어지고, 연소실 온도가 높으면 입자가 성장하기 쉬워져서 박리나 균열이 발생하기 때문에 신뢰성이 부족하다는 문제가 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것이며 Pd을 사용한 전극 팁의 불꽃 소모성과 신뢰성의 향상을 목적으로 한다.

본 발명은 상기한 과제 중 적어도 일부를 해결하기 위해서 이하의 형태 또는 적용예를 취하는 것이 가능하다.

［적용예 1］전극의 선단부에 전극 팁을 구비한 스파크 플러그에 있어서,

상기 전극 팁은,

Pd를 함유하되 Pd의 함유량이 40중량%보다 많고,

이리듐(Ir), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe) 중 적어도 하나의 원소를 함유하되, Ir를 함유하는 경우에는 Ir의 함유량이 0.5중량% 이상 20중량% 이하이며, Ni, Co, Fe을 함유하는 경우에는 하나 원소의 함유량이 0.5중량% 이상 40중량% 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.

적용예 1에 있어서의 스파크 플러그에 의하면, Pd을 함유하는 재료를 전극 팁으로서 사용함으로써, 불꽃 소모성이 뛰어나고 박리·균열이 발생하기 어려운 특성을 얻을 수 있다.

［적용예 2］적용예 1에 기재된 스파크 플러그에 있어서,

상기 전극 팁은,

티탄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 희토류 원소 중 어느 하나의 원소를 0.05중량% 이상 0.5중량% 이하 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.

이와 같이 하면, 불꽃 소모성이 보다 뛰어나고 박리·균열이 발생하기 어려운 특성을 얻을 수 있다.

［적용예 3］

적용예 1 또는 적용예 2에 기재된 스파크 플러에 있어서,

상기 전극 팁은,

Pd, Ir, Ni, Co, Fe, Ti, Zr, Hf, 희토류와는 다른 원소의 함유량이 0중량% 이상 0.2중량% 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.

이와 같이 하면, 불꽃 소모성이 보다 뛰어나고 박리·균열의 발생하기 어려운 특성을 얻을 수 있다.

［적용예 4］

적용예 1 내지 적용예 3 중 어느 하나에 기재된 스파크 플러그에 있어서,

상기 전극 팁은,

잔류하는 산소의 함유량이 0ppm 이상 300ppm 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.

이와 같이 하면, 발한(發汗)·전극 단락이 보다 발생하기 어려운 특성을 얻을 수 있다.

［적용예 5］

적용예 1 내지 적용예 4 중 어느 하나에 기재된 스파크 플러그는 또한,

상기 전극은 Ni 또는 Ni을 함유하는 합금이며, 실리콘(Si) 원소의 함유량이 3중량% 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.

이와 같이 하면 발한이 발생하기 어려운 특성을 얻을 수 있다.

또한 본 발명은 여러 가지의 형태로 실현하는 것이 가능하다. 예를 들면, 스파크 플러그의 제조방법, 스파크 플러그의 전극에 형성되는 전극 팁의 제조방법 등, 스파크 플러그의 전극 팁 재료 등의 형태로 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태로서의 스파크 플러그의 부분단면도이다.
도 2는 스파크 플러그의 중심전극의 선단부 부근의 확대도이다.
도 3은 전극 팁과 전극의 접합부를 확대해서 나타내는 단면도이다.
도 4는 실시예 1~28에 사용한 전극 팁부재의 조성과 그 평가결과를 나타내는 표.
도 5는 비교예 1~7에 사용한 전극 팁부재의 조성과 그 평가결과를 나타내는 표.
도 6은 실시예 29~40에 사용한 전극 팁부재의 조성과 그 평가결과를 나타내는 표.

이어서 본 발명의 일 실시형태인 스파크 플러그의 실시형태 및 실시예를 이하의 순서로 설명한다.

A. 실시형태 :

B. 실시예 :

C. 실시형태의 변형예 :

A. 실시형태 :

· 스파크 플러그의 구조 :

도 1은 본 발명의 일 실시형태로서의 스파크 플러그(100)의 부분단면도이다. 또한 도 1에 있어서, 스파크 플러그(100)의 축선방향(OD)을 도면에 있어서의 상하방향으로 하고, 하측을 스파크 플러그(100)의 선단측, 상측을 후단측으로 해서 설명한다.

스파크 플러그(100)는 절연애자(10)와, 금속 쉘(50)과, 중심전극(20)과, 접지전극(30)과, 금속단자(40)를 구비하고 있다. 중심전극(20)은 절연애자(10) 내에 있어서 축선방향(OD)으로 연장된 상태로 지지되어 있다. 절연애자(10)는 절연체로서 기능하고 있으며, 금속 쉘(50)은 상기 절연애자(10)를 지지하고 있다. 금속단자(40)는 절연애자(10)의 후단부에 형성되어 있다. 또한 중심전극(20)과 접지전극(30)의 구성에 대해서는 도 2에서 상세하게 설명한다.

절연애자(10)는 알루미나 등을 소성하여 형성되되, 축중심에 축선방향(OD)으로 연장되는 축구멍(12)이 형성된 통형상을 가진다. 축선방향(OD)의 대략 중앙에는 외경이 가장 큰 플랜지부(19)가 형성되어 있으며, 그보다 후단측(도 1에 있어서의 상측)에는 후단측 몸통부(18)가 형성되어 있다. 플랜지부(19)보다 선단측(도 1에 있어서의 하측)에는 후단측 몸통부(18)보다도 외경이 작은 선단측 몸통부(17)가 형성되어 있으며, 이 선단측 몸통부(17)보다 선단측에는 선단측 몸통부(17)보다도 외경이 작은 다리부(13)가 더 형성되어 있다. 다리부(13)는 선단측으로 갈수록 지름이 작아지며, 스파크 플러그(100)가 내연기관의 엔진 헤드(200)에 부착될 때에는 내연기관의 연소실에서 노출된다. 다리부(13)와 선단측 몸통부(17) 사이에는 단차부(15)가 형성되어 있다.

금속 쉘(50)은 저 탄소강재로 형성된 원통 형상의 금속 부재이며, 스파크 플러그(100)를 내연기관의 엔진 헤드(200)에 고정한다. 그리고, 금속 쉘(50)은 절연애자(10)를 내부에 지지하고 있으며, 절연애자(10)는 그 후단측 몸통부(18)의 일부에서부터 다리부(13)에 걸친 부위가 금속 쉘(50)에 의해서 에워싸여 있다.

또, 금속 쉘(50)은 공구 걸어맞춤부(51)와 부착 나사부(52)를 구비하고 있다. 공구 걸어맞춤부(51)는 스파크 플러그 렌치(도시하지 않음)가 끼워 맞춰지는 부위이다. 금속 쉘(50)의 부착 나사부(52)는 나사산이 형성된 부위이며, 내연기관의 상부에 형성된 엔진 헤드(200)의 부착 나사구멍(201)에 나사결합된다.

금속 쉘(50)의 공구 걸어맞춤부(51)와 부착 나사부(52)의 사이에는 플랜지형상의 밀봉부(54)가 형성되어 있다. 부착 나사부(52)와 밀봉부(54) 사이의 나사 목(59)에는 판체를 구부려서 형성한 환형상의 개스킷(5)이 삽입되어 있다. 개스킷(5)은 스파크 플러그(100)를 엔진 헤드(200)에 부착할 때에, 밀봉부(54)의 시트면(55)과 부착 나사구멍(201)의 개구 주연부(205)의 사이에서 눌려져서 변형된다. 이 개스킷(5)의 변형에 의해, 스파크 플러그(100)와 엔진 헤드(200)의 사이가 밀봉되어 부착 나사구멍(201)을 통한 엔진 내의 기밀성이 확보된다.

금속 쉘(50)의 공구 걸어맞춤부(51)보다 후단측에는 두께가 얇은 코킹부(53)가 형성되어 있다. 또, 밀봉부(54)와 공구 걸어맞춤부(51) 사이에는 코킹부(53)와 마찬가지로, 두께가 얇은 버클링(buckling)부(58)가 형성되어 있다. 금속 쉘(50)의 공구 걸어맞춤부(51)에서부터 코킹부(53)에 걸친 내주면과 절연애자(10)의 후단측 몸통부(18)의 외주면 사이에는 원환(圓環)형상의 링부재(6,7)가 개재되어 있다. 양 링부재(6,7) 사이에는 탤크(활석)(9) 분말이 더 충전되어 있다. 코킹부(53)를 내측으로 구부러지도록 코킹하면, 절연애자(10)는 링부재(6,7) 및 탤크(9)를 통해서 금속 쉘(50) 내의 선단측을 향해 눌러 붙여진다. 이것에 의해, 절연애자(10)의 단차부(15)가 금속 쉘(50)의 내주에 형성된 단차부(56)에 지지되어 금속 쉘(50)과 절연애자(10)가 일체가 된다. 이때, 금속 쉘(50)과 절연애자(10) 사이의 기밀성은 절연애자(10)의 단차부(15)와 금속 쉘(50)의 단차부(56) 사이에 개재된 환형상의 판 패킹(8)에 의해 지지되어 연소가스의 유출이 방지된다. 버클링부(58)는 코킹 시에 가해진 압축력에 수반하여 외측으로 휘어져 변형되도록 구성되어 있으며, 탤크(9)의 압축 스트로크를 받아 금속 쉘(50) 내의 기밀성을 높이고 있다. 또한 금속 쉘(50)의 단차부(56)보다도 선단측과 절연애자(10) 사이에는 소정 치수의 간극(C)이 형성되어 있다.

도 2는 스파크 플러그(100)에 있어서 중심전극(20)의 선단부(22) 부근의 확대도이다. 중심전극(20)은 전극 모재(21)의 내부에 심재(芯材,25)를 매설한 구조를 가지는 봉형상의 전극이다. 전극 모재(21)는 인코넬(상표명) 600 또는 601 등의 니켈(Ni) 또는 Ni를 주성분으로 하는 합금으로 형성되어 있다. 심재(25)는 전극 모재(21)보다도 열전도성이 뛰어난 구리(Cu) 또는 Cu를 주성분으로 하는 합금으로 형성되어 있다. 통상적으로 중심전극(20)은 저부를 가지는 통형상으로 형성된 전극 모재(21)의 내부에 심재(25)를 채우고, 저부측에서부터 압출 성형하여 연장시키는 것에 의하여 제작된다. 심재(25)는 몸통 부분에 있어서는 대략 일정한 외경을 이루지만, 선단측에 있어서는 테이퍼 형상으로 형성된다. 또, 중심전극(20)은 축구멍(12) 내에서 후단측을 향해서 연이어 형성되며, 밀봉체(4) 및 세라믹 저항(3)(도 1)을 경유하여 금속단자(40)(도 1)에 전기적으로 접속되어 있다. 금속단자(40)에는 고압케이블(도시하지 않음)이 플러그 캡(도시하지 않음)을 통해서 접속되어 고전압이 인가된다.

중심전극(20)의 선단부(22)는 절연애자(10)의 선단부(11)보다도 돌출되어 있다. 중심전극(20)의 선단부(22)의 선단면에는 중심전극 팁(90)이 접합되어 있다. 중심전극 팁(90)은 축선방향(OD)으로 연장된 대략 원기둥 형상을 가지고 있다. 또한 중심전극 팁(90)의 구체적인 조성에 대해서는 후술한다.

접지전극(30)은 내(耐) 부식성이 높은 금속으로 형성되며, 예를 들면 인코넬(상표명) 600 또는 601 등의 Ni합금으로 형성되어 있다. 이 접지전극(30)의 기단부(32)는 용접에 의해서 금속 쉘(50)의 선단면(57)에 접합되어 있다. 또, 접지전극(30)은 구부러져 있으며, 접지전극(30)의 선단부(33)는 중심전극 팁(90)의 단면(92)과 대향하고 있다.

또한 접지전극(30)의 선단부(33)에는 접지전극 팁(95)이 접합되어 있다. 접지전극 팁(95)의 단면(96)은 중심전극 팁(90)의 단면(92)과 대향하고 있다. 또한 접지전극 팁(95)은 중심전극 팁(90)과 같은 재료로 형성할 수 있다. 또한 이하에서는 중심전극(20)과 접지전극(30)을 합쳐서, “전극(20,30)”이라고 하며, 접지전극 팁(95)과 중심전극 팁(90)을 합쳐서, “전극 팁(90,95)”이라고 한다. 또, 중심전극 팁(90)과 접지전극 팁(95) 사이에는 불꽃이 발생하는 간극인 불꽃 방전 갭(G)(mm)이 형성되어 있다.

· 전극 팁 재료 및 모재 재료의 조성 :

도 3은 전극 팁(90,95)과 전극(20,30)의 접합부를 확대하여 나타내는 단면도이다. 또한 도 3은 전극 팁(90,95)을 직접 전극(20,30)에 용접한 예를 나타내고 있다. 전극 팁(90,95)은 Pd를 주성분으로 한 합금, 즉, 중량%에서 Pd를 가장 많이 함유하는 합금에 의해 형성되어 있다.

또, 전극 팁(90,95)과 전극(20,30)의 사이는 예를 들면, 레이저 용접에 의해서 접합되어 있으며, 도 3에는 레이저 용융부(120)가 형성되어 있다. 레이저 용융부(120)는 중심전극 팁(90,95)을 전극(20,30)에 용접할 때에 형성되기 때문에, 중심전극 팁(90,95)과 전극(20,30) 양방의 금속성분을 포함하고 있다. 또한 전극 팁(90,95)과 중심전극(20,30)의 사이는 저항용접에 의해 접합되어도 좋다.

전극 팁(90,95)의 재료(전극 팁 재료)는 Pd를 40중량%보다 많이 함유하는 것이 바람직하다. Pd는 Pt와 비교해 가격이 저렴하기 때문에, Pd가 많이 포함되는 전극이 요망되기 때문이다.

전극 팁 재료에는 이리듐(Ir)이 0.5중량% 이상 20중량% 이하가 더욱 포함되는 것이 바람직하다. Ir를 첨가함으로써 전극 팁 재료의 융점이 상승하여 내(耐) 불꽃 소모성이 향상된다. 이것은 융점이 높아짐으로써 전극 팁 재료의 스퍼터링률이 저하되는 것이나, 내연기관 내에서의 가동시의 온도상승에 의한 입자성장이 억제되는 것에 의한다. 전극 팁 재료는 융점이 높은 만큼, 내 불꽃 소모성이 향상되는 것이 알려져 있다. 스퍼터링률은 하나의 이온이 고체에 충돌하였을 때, 스퍼터링에 의하여 튀어 날아가는 시료 고체의 원자의 수이다. 전극 팁 재료는 스퍼터링률이 낮은 만큼, 불꽃 소모성이 향상되는 것이 알려져 있다. 입자성장은 입계(粒界)에서의 균열을 야기한다. 전극 재료에서는 내연기관에서 가동하였을 때에 있어서의 입자성장의 정도가 크면 박리나 균열을 야기하는 것이 알려져 있다.

Ir과 Pd는 완전 고용체(complete solid solution)이기 때문에 첨가량이 많을수록 융점이 높아져서 스퍼터링률 저하 효과가 크며, 0.5중량% 이상인 것이 바람직하다. 그러나, Ir과 Pd가 완전 고용체이기는 하지만 스피노달 분해가 발생해서, 예를 들면, Pd가 37중량%인 경우 1482℃이하에서는 Ir 고용체 ＋ Pd 고용체의 2상(相) 영역이 존재한다. 그 결과, 미시적(微示的)으로 생각하면 소망 조성과 다른 부분이 존재하게 되어 상기한 효과를 얻는 것이 곤란하게 된다. 또, 이 2상 분리에 의해 전극 팁 재료가 취화(脆化)되게 되어, 내연기관에서 가동하였을 때의 냉열 사이클에 의해 균열이나 박리가 발생하기 쉽다. 또, 2상 분리가 발생된 전극 팁 재료는 가공성의 저하를 야기하여 생산력이 현저하게 저하될 우려가 있다. 이와 같은 것들에 입각하면 Ir 첨가량은 20중량% 이하인 것이 바람직하다. 또, 실험결과로부터 Ir의 첨가량은 5중량% 이상인 것이 보다 바람직하고, 12중량% 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또, 16중량% 이하인 것이 보다 바람직하다.

또, 전극 팁 재료에는 Ir과 아울러, 혹은 Ir을 대신해서 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe) 중 적어도 하나가, 1종류의 원소 당 0.5중량% 이상 40중량% 이하 더욱 포함되는 것이 바람직하고, 5중량% 이상 35중량% 이하 포함되는 것이 보다 바람직하다. Ni, Co, Fe는 스퍼터링률이 작은 원소이므로, 전극 팁 재료의 내 불꽃 소모성을 향상시킬 수 있다. 또, 본 실시형태의 전극 팁(90,95)은 Ni 또는 Ni를 주성분으로 하는 합금으로 형성된 전극(20,30)에 접합된다. Pd와 Ni의 열팽창률의 차이는 실온에서 약 3ppm(parts per million)/℃정도이다. 전극 팁 재료에 Ni, Co, Fe을 첨가하면 전극 팁(90,95)과 전극(20,30)의 열팽창률의 차이가 작아지므로, 전극 팁(90,95)과 전극(20,30)의 접합성이 향상된다. 그 결과, 스파크 플러그(100)의 내열 사이클성{내(耐) 박리성}을 향상시킬 수 있다. 한편, 40중량%를 넘게 Ni, Co, Fe을 첨가하면 전극 팁 재료의 융점이 현저하게 저하된다. 또, 40중량%를 넘게 Ni, Co, Fe을 첨가하면 Ni, Co, Fe 원소의 산화가 발생한다. 이로 인해 40중량%를 넘게 Ni, Co, Fe을 첨가하면 내 불꽃 소모성의 열화(劣化)가 발생한다. 내연기관 내에 있어서의 전극 팁 재료의 온도는 1000℃에 가깝게 되며, 스파크에 의한 불꽃 에너지를 더욱 가하면 전극 팁 재료의 융점은 1100℃ 이상이 바람직하며, 이 이하의 융점인 전극 팁 재료는 내 불꽃 소모성이 부족하다고 생각된다.

또한 순 Pd의 전극 팁 재료를 사용하면, 내연기관에서 가동하였을 경우에 있어서 상기한 열팽창률의 차이에 기인하는 열응력이 원인으로 박리나 균열이 발생한다. 이 중 균열에 관해서는 재료의 취화{입자성장에 의한 입계 강도 열화나 수소 취화(Hydrogen embrittlement)}가 열응력의 영향을 가속한다. 입자성장은 상기한 Ir, Ni, Co, Fe 원소를 첨가함으로써 억제가 가능하다. 입자성장을 효과적으로 억제하기 위해서는 이들 원소 첨가량이 0.5중량% 이상인 것이 바람직하다. 또, Pd는 일반적으로 수소 투과성이 높은 원소이다. 가동 중인 내연기관의 분위기에는 수분이나 연료의 열분해에 의해 수소가 발생한다. 발생한 수소가 Pd에 확산하여 취화가 발생하는 원인이 된다. 이것을 억제하려면 상기한 Ir, Ni, Co, Fe 원소를 0.5중량% 이상 첨가하는 것이 효과적이다.

전극 팁 재료에 있어서, Ir, Ni, Co, Fe 원소 중 복수의 원소를 첨가해도 좋지만, 그 합계량은 60중량%를 넘지 않는 것이 바람직하다. 상기한 바와 같이, Pd는 40중량% 이상인 것이 바람직하기 때문이다.

전극 팁 재료에는 티탄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 혹은 희토류 원소가 0.05중량% 이상 0.5중량% 이하 더욱 포함되는 것이 바람직하고, 0.2중량% 이상 0.5중량% 이하 포함되는 것이 보다 바람직하다. 희토류 원소로서는 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 란타늄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 테르븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 에르븀(Er), 툴륨(Tm), 이테르븀(Yb), 루테튬(Lu)이 바람직하며, 특히, Y, Nd가 바람직하다.

전극 팁 재료에 Ti, Zr, Hf, 희토류 원소를 첨가함으로써, 내연기관의 가동 중에 있어서의 입자성장을 억제할 수 있다. 그 결과, 전극 팁(90,95)의 내열 사이클성이 향상된다. Ti, Zr, Hf, 희토류 원소의 함유량이 0.05중량% 미만에서는 효과가 부족하다. 또, Ti, Zr, Hf, 희토류 원소의 함유량이 0.5중량%를 넘으면 Ni 또는 Ni를 주성분으로 하는 합금으로 형성된 전극(20,30)과의 접합 경계면이나 입계 경계면에 산화물이 생성되기 쉬워진다. 이 산화물에 의해 전극 팁(90,95)의 내구성이 열화할 우려가 있다. Ti, Zr, Hf, 희토류 원소는 원소 단체(單體)로 첨가해도 좋고, 산화물로서 첨가해도 좋다. 산화물로서 첨가하였을 경우에도 마찬가지로 0.05중량% 미만에서는 효과가 부족하고, 0.5중량%를 넘으면 Ni 또는 Ni를 주성분으로 하는 합금으로 형성된 전극(20,30)과의 접합 경계면에 산화물이 응집하여 용접 강도를 저하시켜서 가공성을 현저하게 열화시킬 우려가 있다.

또한 전극 팁 재료는 제조 시에 있어서 불가피 불순물이 0.01중량% 이상 0.25중량% 이하인 것이 바람직하다. 이때, 불가피 불순물이란, 제조 시에 의도적으로 혼입하지 않았음에도 불구하고, 원재료에 혼입되어 있거나 제조과정에 있어서 혼입됨으로써, 최종적인 전극 팁 재료에 잔류하는 물질이다. 불가피 불순물로서는 예를 들면, 붕소(B), 나트륨(Na), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 바륨(Ba), 산소(O)를 들 수 있다.

불가피 불순물은 내연기관에서의 가동 시에 있어서, 전극 팁 재료의 입계에 응집하여 산소를 내부로 인입하고 산화 소모를 촉진한다. 동시에 불가피 불순물은 입계 산화를 일으켜서 입계 파괴를 일으키는 원인이 될 우려가 있기 때문에, 0.01중량% 이상 0.25중량% 이하로 하는 것이 바람직하다.

전극 팁 재료는 제조 시에 있어서 불가피 불순물로서 포함되는 산소가 300ppm(parts per million) 이하인 것이 바람직하다. 전극 팁 재료에 있어서의 용존산소의 농도를 300ppm 이하로 함으로써, 이른바 발한을 억제할 수 있다. 발한은 내연기관에서 가동되고 있을 때, 전극 팁 재료가 부분적으로 용융되는 현상이다. 발한은 중심전극(20)의 중심전극 팁(90)과 접지전극(30)의 접지전극 팁(95)의 단락 등의 문제를 야기할 우려가 있다.

발한의 메커니즘은 이하와 같이 생각되고 있다. 내연기관 내에서는 연소방식에 의해 생긴 수분이 분해되어, 혹은 연료의 열분해에 의하여 수소가 발생한다. 발생한 수소는 전극 팁 재료 내로 확산된다. Pd는 Pt와 비교하였을 경우, 수소 용해량·투과성이 매우 큰 것으로 알려져 있다. Pd를 주성분으로 하는 전극 팁 재료인 경우, 수소와 Pd 내의 용존산소가 반응하여 전극 팁 재료의 내부에서 수증기가 발생하는 경우가 있다. 수증기의 발생에 의해 전극 팁 재료의 팽창과 내부 산화가 발생하거나, 수증기가 환원조건에 의하여 수소와 산소로 해리되거나 한다. 이러한 반응의 반복됨으로써 전극 팁 재료가 해면(海綿) 형상의 조직이 되어 열전도가 나빠져서 과열 용해하여 발한되게 된다.

이러한 발한의 발생을 억제하기 위해서, 상기한 바와 같이 용존산소량을 300ppm 이하로 하는 것이 바람직하다.

이어서, 전극 팁(90,95)이 접합되는 모재인 중심전극(20) 및 접지전극(30)의 재료(모재 재료)에 대해서 설명한다.

모재 재료는 Si 원소의 함유량이 3중량% 이하인 것이 바람직하다. 상기한 바와 같이, 모재 재료는 Ni 또는 Ni를 주성분으로 하는 합금으로 형성되어 있지만, 모재 재료에는 내 산화성을 향상시키기 위해서, Al, Cr, Si 원소가 첨가되는 경우가 있다. 이들 원소는 내연기관에서의 가동시에 있어서의 고온 환경 하에서 전극 팁(90,95) 측으로 확산된다. 이들 첨가원소 중, Si는 Pd에 비하여 비교적 낮은 온도에서 공정반응(eutectic reaction)이 발생한다. 또, Si는 Pd에 비한 고용(固溶) 가능량이 매우 낮기 때문에 소량의 확산에 의하여 공정반응이 발생한다. Pd와 Si의 공정온도는 821℃이다. 따라서, 내연기관에서의 가동시에 상정되는 전극 팁(90,95)의 도달 온도 약 1100℃에서는 공정온도를 넘게 되어, 전극 팁 재료에 부분적으로 액상(液相)이 발생하게 된다. 전극 팁 재료에 액상이 발생하면 내 불꽃 소모성의 열화, 입계 산화, 입가 거칠기가 커지는 것에 의한 균열, 발한이 발생할 우려가 있으며, 전극 팁(90,95)의 내구성이 현저하게 손상될 우려가 있다. 이러한 문제를 억제하기 위해서, 본 실시형태에 있어서의 전극 팁 재료는 Si의 함유량이 3중량% 이하인 전극 모재에 접합하여 사용되는 것이 바람직하다.

B. 실시예 :

본 실시형태의 효과를 확인하기 위하여, 복수의 스파크 플러그 샘플을 준비하여 평가시험을 행하였다. 평가시험의 내용과 평가기준에 대해서는 후술한다. 복수의 샘플에서는 접지전극 팁(95)을 복수 종류의 전극 팁 재료로 제작함과 아울러, 접지전극(30)을 복수 종류의 모재 재료로 제작하였다.

전극 팁 재료는 Pd 금속에 소정의 첨가원소(Ir, Ni, Co, Fe, Ti, Hf, Zr, Y)를 소정의 비율로 배합하여 용해하는 용해법으로 제작하였다. 전극 팁 재료는 직경 0.9㎜, 높이 0.6㎜의 원통 형상의 접지전극 팁(95)으로서 성형하였다. 전극 팁 재료의 불가피 불순물의 양은 글로 방전 질량분석법(GS－MS : Glow Discharge Mass Spectrometry)에 의하여 측정하였다. 전극 팁 재료의 용존산소량은 전극 팁 재료를 불활성 가스 내에서 가열 용해시키고, 비 분산 적외선흡수분석(NDIR : Non-Dispersive Infrared method)에 의해 분석하여 측정하였다. 용해법은 아르곤(Ar) 분위기 내에 있어서 아크 용해에 의해 행하였지만, 이때 도입되는 Ar 가스 내의 산소 함유 레벨을 조정함으로써, 전극 팁 재료의 용존산소량을 조정하였다. 불가피 불순물의 양은 첨가원소의 순도를 조정하는 것에 의하여 조정하였다.

도 4는 실시예 1 ~ 실시예 28에 사용된 전극 팁부재의 조성과 그 평가결과를 나타내는 표이다. 도 5는 비교예 1 ~ 비교예 7에 사용한 전극 팁부재의 조성과 그 평가결과를 나타내는 표이다. 실시예 1 ~ 실시예 28 및 비교예 1 ~ 비교예 7에서는 전극 팁 재료의 용존산소량을 각각 200ppm으로 조정하였다. 또, 실시예 1 ~ 실시예 28 및 비교예 1 ~ 비교예 7에서는 접지전극(30)을 형성하는 모재 재료로서 단면 사이즈 1.3㎜×2㎜의 인코넬 601(시판재 : Si함유량 0.2중량%)을 사용한다.

실시예 1 ~ 실시예 28 및 비교예 1 ~ 비교예 7의 평가시험에서는 각 샘플을 6기통(배기량 2800cc)의 엔진에 탑재하고, 스로틀을 전개(全開)로 해서 회전수 5500rpm에서 1분간 유지한 후, 아이들링 상태에서 1분간 유지하는 가동조건의 사이클을 300시간에 걸쳐서 반복하는 실기(實機)가동을 행하였다. 실기가동 후에 각 샘플의 접지전극 팁(95)의 내 불꽃 소모성, 박리, 균열에 대해 평가하였다.

도 4, 5의 우단에는 각 실시예의 종합평가를 나타내고 있다. 종합평가에서는 박리·균열의 발생이 없고, 또한, 전극 소모량이 0.13㎜(밀리미터) 이하인 경우를 우수 「◎」로 하였다. 또, 미소한 균열·박리가 있었을 경우, 또는 전극 소모량이 0.14㎜ ~ 0.15㎜인 경우를 양호 「○」로 하였다. 또, 작은 박리·균열이 발생하였을 경우, 한편, 전극 소모량이 0.14㎜~0.15㎜인 경우를 가능 「△」로 하였다. 또, 큰 박리·균열이 발생하였을 경우, 또는 전극 소모량이 0.15㎜를 넘는 경우를 불가 「×」로 하였다. 균열·박리·입자성장의 정도는 확대경 및 금속현미경에 의한 표면 및 단면의 관찰에 의하여 확인하였다. 전극 소모량은 도 3에 나타내는 접지전극 팁(95)의 두께를 실기가동 전과 실기가동 후의 단면의 금속현미경에 의한 관찰로 측정하여 그 차분(差分)을 산출하였다. 미소한 균열·박리란, 단면에 있어서의 균열의 침입량, 또는 박리량이 0.1㎜ 이내인 것으로 하였다. 작은 박리·균열이란, 단면에 있어서의 균열의 침입량, 또는 박리량이 0.1㎜를 넘고 0.2㎜ 이내인 것으로 하였다. 큰 박리·균열은 단면에 있어서의 균열의 침입량, 또는 박리량이 0.2㎜를 넘는 것으로 하였다.

이 시험결과로부터 자명한 바와 같이, Pd를 40중량% 이상 포함하고, Ir를 0.5중량% 이상 20중량% 이하 첨가한 전극 팁 재료를 사용하면, 내 불꽃소모성이 뛰어나기 때문에 균열·박리가 발생하기 어려운 전극 팁을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 또, Ir의 첨가량이 12중량% 이상 16중량% 이하인 경우에 있어서, 내 불꽃 소모성이 보다 뛰어나기 때문에 균열·박리가 발생하기 어려운 전극 팁을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.

마찬가지로, Pd를 40중량% 이상 포함하고, Ni, Co, Fe 중 적어도 하나가 1종류의 원소 당 0.5중량% 이상 40중량% 이하 첨가된 전극 팁 재료를 사용하면, 내 불꽃소모성이 뛰어나기 때문에 균열·박리가 발생하기 어려운 전극 팁을 얻을 수 있는 것이 알 수 있다. 또, Ni, Co, Fe 중 적어도 하나가 1종류의 원소 당 5중량% 이상 35중량% 이하 포함되는 경우에 있어서, 내 불꽃소모성이 보다 뛰어나기 때문에 균열·박리가 발생하기 어려운 전극 팁을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.

또, Ir, Ni, Co, Fe 중, 복수 종류의 원소를 첨가해서 합계의 첨가량이 40중량%를 넘었다고 해도, 1종류 당 원소 첨가량이 상기 범위에 들어가 있고, 또한, Pd를 40중량% 이상 포함한 경우에는 비교적 내 불꽃소모성이 뛰어나기 때문에 균열·박리가 발생하기 어려운 전극 팁을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.

또한 전극 팁 재료에, Ti, Zr, Hf, Y, Nd, Ce 중 하나가 0.05중량% 이상 0.5중량% 이하 포함되면, 내 불꽃 소모성이 보다 뛰어나기 때문에 균열·박리가 발생하기 어려운 전극 팁을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.

또한 전극 팁 재료에 있어서, B, Na, Al, Si, Ba 등의 불가피 불순물의 함유량을 0.01중량% 이상 0.25중량% 이하로 억제하면, 내 불꽃소모성이 뛰어나기 때문에 균열·박리가 발생하기 어려운 전극 팁을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.

도 6은 실시예 29 ~ 실시예 40에 사용된 전극 팁부재의 조성과 그 평가결과를 나타내는 표이다. 실시예 29 ~ 실시예 40에서는 전극 팁 재료의 용존산소량에 의한 성능에 대한 영향 및, 접지전극(30)을 형성하는 모재(母材)재료에 있어서의 Si 함유량에 의한 성능에 대한 영향을 평가하는 것을 주목적으로 하였다. 따라서, 산소 용존량이 다른 복수 종류의 전극 팁 재료를 사용한 접지전극 팁(95)을 제작 함과 아울러, 복수 종류의 Si 함유량을 가지는 Ni-Si 합금을 모재전극으로 사용해서 접지전극(30)을 제작하였다.

실시예 29 ~ 실시예 40의 평가시험에서는 상기 실시예 1 ~ 실시예 28 및 비교예 1 ~ 비교예 7과 같이, 각 샘플을 6기통(배기량 2800cc)의 엔진에 탑재하고, 스로틀을 전개(全開)로 해서 회전수 5500rpm에서 1분간 유지한 후, 아이들링상태에서 1분간 유지하는 가동조건의 사이클을 300시간에 걸쳐서 반복하는 실기(實機)가동을 행하였다. 실기가동 후에 각 샘플의 접지전극 팁(95)의 붕괴, 발한에 대해서 평가하였다. 균열은 상기와 같은 평가방법으로 평가하고, 발한은 확대경을 사용하여 표면을 시각점검으로 확인하였다. 평가에 있어서, 균열이 없는 것에 대해서 우수 「◎」로 하고, 작은 균열이 있는 것에 대해서는 가능 「△」으로 하였다. 또, 평가에 있어서, 발한이 없는 것에 대해서는 우수 「◎」로 하고, 약간의 발한이 인정된 것에 대해서는 가능 「△」으로 하였다.

이 시험결과로부터 자명한 바와 같이, Pd를 주성분으로 하는 전극 팁 재료에 있어서, 용존산소의 농도를 300ppm 이하로 억제하면 이른바 발한을 억제할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한 Pd를 주성분으로 하는 전극 팁 재료를 사용한 접지전극 팁(95)을 접합하기 위한 접지전극(30)에 있어서, Si함유량을 3.0중량% 이하로 조정한 재료를 사용하면 접지전극 팁(95)의 붕괴를 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.

이상의 실시예에서 접지전극(30)과 접지전극 팁(95)에 대해서 평가한 것은 내연기관에 있어서의 온도조건, 연소조건이 내연기관의 연소실의 중심에 보다 가까운 접지전극(30) 및 접지전극 팁(95)이 중심전극(20) 및 중심전극 팁(90)보다 혹독하기 때문이다. 따라서, 상기의 평가결과로부터, 상기한 각 실시예의 전극 팁 재료 및 모재재료를 중심전극 팁(90) 및 중심전극(20)에 적용하였을 경우에 최적결과를 얻을 수 있는 것을 용이하게 이해할 수 있다.

C. 실시형태의 변형예 :

· 제 1 변형예 :

상기 실시형태에서는 중심전극 팁(90)과 접지전극 팁(95)이 축선방향(OD)으로 대향하는 세로 방전형의 스파크 플러그(100)를 예로서 설명하였지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 중심전극 팁(90)과 접지전극 팁(95)이 축선방향(OD)과 수직방향으로 대향하는 가로 방전형의 스파크 플러그에 적용할 수 있는 것은 물론이다. 접지전극 팁(95)과 중심전극 팁(90)의 위치관계는 스파크 플러그의 용도나, 요구되는 성능 등에 따라 적절히 설정하는 것이 가능하다. 또, 1개의 중심전극에 대해서 복수의 접지전극이 형성되어도 좋다.

· 제 2 변형예 :

상기한 전극 팁 재료는 중심전극 팁(90) 및 접지전극 팁(95)의 양쪽 모두에 사용되는 것으로 하였지만, 중심전극 팁(90) 및 접지전극 팁(95) 중 어느 일측에만 사용되어도 좋다. 또, 상기한 접지전극 팁(95)은 평(平) 팁형상으로 하였지만, 축선방향(OD)으로 연장된 대략 원주형상으로 하여도 좋다.

이상으로, 본 발명의 실시형태 및 그 변형예, 및, 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이것들로 제한되는 것이 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 여러 가지의 형상으로 실시가 가능하다.

3 - 세라믹 저항 4 - 밀봉체
5 - 개스킷 6 - 링부재
8 - 판 패킹 9 - 탤크
10 - 절연애자 11 - 선단부
12 - 축구멍 13 - 다리부
15 - 단차부 17 - 선단측 몸통부
18 - 후단측 몸통부 19 - 플랜지부
20 - 중심전극 21 - 전극 모재
22 - 선단부 25 - 심재(芯材)
30 - 접지전극 32 - 기단부
33 - 선단부 40 - 금속단자
50 - 금속 쉘 51 - 공구 걸어맞춤부
52 - 부착 나사부 53 - 코킹부
54 - 밀봉부 55 - 시트면
56 - 단차부 57 - 선단면
58 - 버클링부 59 - 나사 목
90,95 - 전극 팁 100 - 스파크 플러그
120 - 레이저 용융부 200 - 엔진 헤드
205 - 개구 주연부

Claims

전극의 선단부에 전극 팁을 구비한 스파크 플러그에 있어서,
상기 전극 팁은,
Pd를 함유하되 Pd의 함유량이 40중량%보다 많고,
Ir, Ni, Co, Fe 중 적어도 하나의 원소를 함유하되, Ir을 함유하는 경우에는 Ir의 함유량이 0.5중량% 이상 20중량% 이하이며, Ni, Co, Fe을 함유하는 경우에는 어느 하나의 원소 함유량이 각각 0.5중량% 이상 40중량% 이하이며,
잔존하는 산소의 함유량이 70ppm 이상 300ppm 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1에 있어서,
상기 전극 팁은,
Ti, Zr, Hf, 희토류 원소 중 어느 하나의 원소를 0.05중량% 이상 0.5중량% 이하 포함한 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 전극 팁은,
Pd, Ir, Ni, Co, Fe, Ti, Zr, Hf, 희토류와는 다른 원소의 함유량이 0중량% 이상 0.2중량% 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1에 있어서,
상기 전극은 Ni 또는 Ni을 함유하는 합금이며, Si 원소의 함유량이 3중량% 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
전극의 선단부에 전극 팁을 구비한 스파크 플러그에 있어서,
상기 전극 팁은,
Pd를 함유하되 Pd의 함유량이 40중량%보다 많고,
Ir, Ni, Co, Fe 중 적어도 하나의 원소를 함유하되, Ir을 함유하는 경우에는 Ir의 함유량이 0.5중량% 이상 20중량% 이하이며, Ni, Co, Fe을 함유하는 경우에는 어느 하나의 원소 함유량이 각각 0.5중량% 이상 40중량% 이하이며,
잔존하는 산소의 함유량이 0ppm 이상 300ppm 이하이고,
B, Na, Al, Si, Ba의 합계가 0.01중량% 이상 0.25중량% 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.