KR101368169B1

KR101368169B1 - 스파크 플러그 및 스파크 플러그용 주체 금구

Info

Publication number: KR101368169B1
Application number: KR1020137005866A
Authority: KR
Inventors: 히로아키 나스; 가즈히로 고다마
Original assignee: 니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
Priority date: 2010-08-11
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2014-02-27
Also published as: EP2605348A4; US8853927B2; BR112013002995A2; JP2012038672A; US20130134858A1; KR20130036376A; JP4805400B1; EP2605348A1; WO2012020523A1; CN103081263A; BR112013002995B1; EP2605348B1; CN103081263B

Abstract

내염식성 및 내응력 부식 균열성이 우수한 스파크 플러그를 제공한다. 니켈 도금층과 상기 니켈 도금층 상에 형성된 크로메이트층을 포함하는 복합층으로 피복된 주체 금구를 구비한 스파크 플러그로서, 상기 니켈 도금층의 두께(A)는 3㎛≤A≤15㎛이고, 상기 크로메이트층의 두께(B)는 2㎚≤B≤45㎚인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.

Description

스파크 플러그 및 스파크 플러그용 주체 금구{SPARK PLUG, AND MAIN METAL FITTING FOR SPARK PLUG}

본 발명은 내연기관의 스파크 플러그에 관한 것이다.

가솔린 엔진 등의 내연기관의 점화에 사용되는 스파크 플러그는, 중심전극의 외측에 절연체가 설치되고, 또한 그 외측에 주체 금구(主體金具, main matal fitting)가 설치되고, 중심전극과의 사이에 불꽃방전 갭을 형성하는 접지전극이 주체 금구에 부착된 구조를 가진다. 주체 금구는 일반적으로 탄소강 등의 철계 재료로 구성되며, 그 표면에는 방식(防蝕)을 위한 도금이 실시되는 경우가 많다. 이러한 도금 기술로서, Ni 도금층 및 크로메이트층으로 이루어지는 2층 구조의 도금층을 형성하는 시공 기술이 알려져 있다(특허문헌 1).

특허문헌 1 : 일본국 공개특허 2002-184552 호 공보

2층 구조의 도금층을 형성하는 기술에서는 코킹 처리 전에 도금 처리가 실시된다. "코킹 처리"란 중심전극이 조립된 절연체를 중공 원통형상의 주체 금구의 공동부(空洞部)에 삽입하고, 이 주체 금구의 일부를 내측(절연체측)으로 코킹함으로써, 주체 금구를 절연체에 대해서 고정하는 처리이다. 이 코킹 처리에 수반되는 주체 금구의 변형에 의해서 도금층에 균열이나 박리가 발생하여 내염식성(耐鹽蝕性)이 열화된다고 하는 문제가 있었다. 또, 코킹 처리에 의해서 주체 금구에 잔류하는 응력이나 열 코킹시의 가열에 의한 조직 변화에 수반되는 경도의 상승에 기인하여, 주체 금구에 있어서 경도가 높고 큰 잔류 응력이 존재하는 개소에 응력 부식 균열(應力腐蝕龜裂)이 발생한다고 하는 문제가 있었다. 그러나, 종래에 있어서는 내염식성 및 내응력 부식 균열성이 모두 우수한 스파크 플러그에 대해서 충분한 연구가 이루어져 있지 않은 것이 실정이었다.

본 발명은 내염식성 및 내응력 부식 균열성이 우수한 스파크 플러그를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상술한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 이하의 형태 또는 적용예로서 실현하는 것이 가능하다.

[적용예 1]

니켈 도금층과 상기 니켈 도금층 상에 형성된 크로메이트층을 포함하는 복합층으로 피복된 주체 금구를 구비하는 스파크 플러그로서, 상기 니켈 도금층의 두께(A)는 3㎛≤A≤15㎛이고, 상기 크로메이트층의 두께(B)는 2㎚≤B≤45㎚인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.

[적용예 2]

적용예 1에 기재된 스파크 플러그에 있어서, 상기 크로메이트층의 두께(B)는 20㎚≤B≤45㎚을 만족하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.

[적용예 3]

적용예 2에 기재된 스파크 플러그에 있어서, 상기 니켈 도금층의 두께(A)는 5㎛≤A≤15㎛을 만족하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.

[적용예 4]

니켈 도금층과 상기 니켈 도금층 상에 형성된 크로메이트층을 포함하는 복합층으로 피복된 스파크 플러그용 주체 금구로서, 상기 니켈 도금층의 두께(A)는 3㎛≤A≤15㎛이고, 상기 크로메이트층의 두께(B)는 2㎚≤B≤45㎚인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그용 주체 금구.

또한, 본 발명은 여러 가지 형태로 실현하는 것이 가능하며, 예를 들면 스파크 플러그나 주체 금구의 제조방법 등의 형태로 실현할 수 있다.

적용예 1의 스파크 플러그에서는, 주체 금구에 있어서의 니켈 도금층의 두께(A)가 3㎛보다도 작지 않기 때문에, 니켈 도금층을 형성하기 전에 주체 금구의 표면에 부착되어 있던 기름 등의 세정 부족에 의한 잔류에 의해서 도금하기 어려운 부분(핀 홀)이 생기는 것을 억제할 수 있어, 내염식성을 높일 수 있다. 또한, 니켈 도금층의 두께(A)가 15㎛보다도 크지 않기 때문에, 두께가 두꺼운 것에 의한 니켈 도금층의 균열을 억제할 수 있어, 내도금 박리성을 높일 수 있다. 따라서, 내염식성을 높일 수 있다. 또, 크로메이트층의 두께(B)가 비교적 작은 2㎚보다도 작은 범위를 제외하고 있기 때문에, 코킹에 의한 잔류 응력에 기인하는 크로메이트층의 파괴를 억제할 수 있다. 또한, 크로메이트층의 두께(B)가 비교적 큰 45㎚보다도 큰 범위를 제외하고 있기 때문에, 주체 금구(니켈 도금층)에 대한 밀착성이 떨어지는 것에 의한 가공시의 균열의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 내응력 부식 균열성을 높일 수 있다. 이상에 의해서, 내염식성 및 내응력 부식 균열성이 우수한 스파크 플러그를 제공할 수 있다.

적용예 2의 구성에 의해서 내응력 부식 균열성을 더 높일 수 있다.

적용예 3의 구성에 의해서 내도금 박리성 및 내염식성을 더 높일 수 있다.

적용예 4의 주체 금구에서는, 니켈 도금층의 두께(A)가 3㎛보다도 작지 않기 때문에, 니켈 도금층을 형성하기 전에 주체 금구의 표면에 부착되어 있던 기름 등의 세정 부족에 의한 잔류에 의해서 도금하기 어려운 부분(핀 홀)이 생기는 것을 억제할 수 있어, 내염식성을 높일 수 있다. 또한, 니켈 도금층의 두께(A)가 15㎛보다도 크지 않기 때문에, 두께가 두꺼운 것에 의한 니켈 도금층의 균열을 억제할 수 있어, 내도금 박리성을 높일 수 있다. 따라서, 내염식성을 높일 수 있다. 또, 크로메이트층의 두께(B)가 비교적 작은 2㎚보다도 작은 범위를 제외하고 있기 때문에, 코킹에 의한 잔류 응력에 기인하는 크로메이트층의 파괴를 억제할 수 있다. 또한, 크로메이트층의 두께(B)가 비교적 큰 45㎚보다도 큰 범위를 제외하고 있기 때문에, 주체 금구(니켈 도금층)에 대한 밀착성이 떨어지는 것에 의한 가공시의 균열의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 내응력 부식 균열성을 높일 수 있다. 이와 같이 적용예 4의 주체 금구를 이용함으로써, 내염식성 및 내응력 부식 균열성이 우수한 스파크 플러그를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예로서의 스파크 플러그의 구조를 나타내는 요부 단면도이다.
도 2는 주체 금구(1)를 절연체(2)에 코킹 고정하는 공정의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 3은 주체 금구의 도금 처리의 수순을 나타내는 플로차트이다.
도 4는 후술하는 처리조건으로 작성된 49개의 샘플 S1∼S49에 대한 내도금 박리성과 내염식성과 내응력 부식 균열성의 시험결과를 나타내는 설명도이다.

A. 스파크 플러그의 구성 :

도 1은 본 발명의 일 실시예로서의 스파크 플러그의 구조를 나타내는 요부 단면도이다. 상기 스파크 플러그(100)는 통형상의 주체 금구(1)와, 선단부가 돌출되도록 상기 주체 금구(1) 내에 끼워넣어진 통형상의 절연체(2)와, 선단부를 돌출시킨 상태로 절연체(2)의 내측에 설치된 중심전극(3)과, 주체 금구(1)에 일단이 결합되고 타단측이 중심전극(3)의 선단과 대향하도록 배치된 접지전극(4)을 구비하고 있다. 접지전극(4)과 중심전극(3)의 사이에는 불꽃방전 갭(g)이 형성되어 있다.

절연체(2)는 예를 들면 알루미나 혹은 질화알루미늄 등의 세라믹 소결체에 의해서 구성되며, 그 내부에는 절연체(2)의 축방향을 따라서 중심전극(3)을 끼워넣기 위한 관통구멍(6)을 가지고 있다. 관통구멍(6)의 일측의 단부측에는 금속 단자(13)가 삽입 고정되고, 타측의 단부측에는 중심전극(3)이 삽입 고정되어 있다. 또, 관통구멍(6) 내에 있어서, 금속 단자(13)와 중심전극(3)의 사이에 저항체(15)가 배치되어 있다. 상기 저항체(15)의 양 단부는 도전성 유리 밀봉층(16,17)을 통해서 중심전극(3)과 금속 단자(13)에 각각 전기적으로 접속되어 있다.

주체 금구(1)는 탄소강 등의 금속에 의해서 중공 원통형상으로 형성되어 있으며, 스파크 플러그(100)의 하우징을 구성한다. 주체 금구(1)의 외주면에는 스파크 플러그(100)를 도시하지 않은 엔진 블록에 부착하기 위한 나사부(7)가 형성되어 있다. 또한, 육각부(1e)는 주체 금구(1)를 엔진 블록에 부착할 때에 스패너나 렌치 등의 공구가 걸어맞춰지는 공구 걸어맞춤부이며, 육각형상의 횡단면형상을 가지고 있다. 주체 금구(1)의 후방측(도 1에서의 상측) 개구부의 내면과 절연체(2)의 외면의 사이에는, 절연체(2)의 플랜지형상의 돌출부(2e)의 후방측 둘레 가장자리에 링형상의 링 패킹(62)이 배치되고, 또한 그 후방측에는 탈크 등의 충전층(61)과 링형상의 링 패킹(60)이 순차적으로 배치되어 있다. 조립시에는 절연체(2)를 주체 금구(1)를 향해서 전방측(도 1에서의 하측)으로 압입하고, 이 상태에서 주체 금구(1)의 후단의 개구 가장자리부를 링 패킹(60){더 나아가서는 코킹 받이부로서 기능하는 돌출부(2e)}을 향해서 내측으로 코킹함으로써 코킹부(1d)가 형성되며, 주체 금구(1)가 절연체(2)에 대해서 고정된다.

주체 금구(1)의 나사부(7)의 기단부에는 개스킷(30)이 끼워져 있다. 이 개스킷(30)은 탄소강 등의 금속판 소재를 굽힘 가공한 링형상의 부품이며, 나사부(7)를 실린더 헤드 측의 나사구멍에 나사끼움함에 의해서, 주체 금구(1)의 플랜지형상의 가스 밀봉부(1f)와 나사구멍의 개구 주연부와의 사이에서 축선방향으로 압축되어 찌부러지도록 변형됨으로써, 나사구멍과 나사부(7)의 사이의 간극을 밀봉하는 역할을 한다.

도 2는 주체 금구(1)를 절연체(2)에 코킹 고정하는 공정의 일례를 나타내는 설명도이다. 또한, 도 2에서는 접지전극(4)을 생략한 상태로 나타내고 있다.

우선 도 2(a)에 나타내는 바와 같은 주체 금구(1)에 대해서, 도 2(b)와 같이 관통구멍(6)에 중심전극(3), 도전성 유리 밀봉층(16,17), 저항체(15) 및 금속 단자(13)를 미리 조립한 절연체(2)를 주체 금구(1)의 후단의 삽입 개구부(1p){나중에 코킹부(1d)가 되는 코킹 예정부(200)가 형성되어 있다}에서 삽입하여, 절연체(2)의 걸어맞춤부(2h)와 주체 금구(1)의 걸어맞춤부(1c)를 시트 패킹(63)을 통해서 걸어맞춘 상태로 한다.

그리고, 도 2(c)에 나타내는 바와 같이 주체 금구(1)의 삽입 개구부(1p) 측에서 내측으로 링 패킹(62)을 배치하고, 또한 탈크 등의 충전층(61)을 형성하고서 링 패킹(60)을 배치한다.

그리고, 코킹 금형(111)으로 코킹 예정부(200)를 링 패킹(62), 충전층(61) 및 링 패킹(60)을 통해서 코킹 받이부로서의 돌출부(2e)의 단면(2n)에 코킹함으로써, 도 2(d)에 나타내는 바와 같이 코킹부(1d)가 형성되어 주체 금구(1)가 절연체(2)에 코킹 고정된다. 이 때, 코킹부(1d) 외에도 육각부(1e)와 가스 밀봉부(1f)의 사이에 있는 홈부(1h){도 2(a)}가 코킹시의 압축 응력에 의해서 굽혀지도록 변형된다. 그 이유는, 코킹부(1d)와 홈부(1h)의 두께가 주체 금구(1) 중에서 가장 얇아 변형되기 쉽기 때문이다. 또한, 홈부(1h)를 '박육부(薄肉部, 두께가 얇은 부분)'라고도 한다.

도 2(d)의 공정 후에, 접지전극(4)을 중심전극(3) 측으로 굽힘 가공하여 불꽃방전 갭(g)을 형성함으로써, 도 1의 스파크 플러그(100)가 완성된다. 또한, 도 2에서 설명한 코킹공정은 냉간 코킹이지만, 열 코킹도 이용할 수 있다.

B. 도금 처리 :

스파크 플러그(100)의 제조시에 있어서, 상술한 코킹공정 전에 주체 금구(1)에 대해서 도금 처리가 실시된다. 도 3은 주체 금구의 도금 처리의 수순을 나타내는 플로차트이다.

스텝 T100에서는 니켈 스트라이크 도금 처리가 실시된다. 이 니켈 스트라이크 도금 처리는 탄소강으로 형성된 주체 금구의 표면을 세정함과 아울러 도금과 하지 금속(下地金屬)의 밀착성을 향상시키기 위해서 실시되는 것이다. 다만, 니켈 스트라이크 도금 처리는 생략하여도 좋다. 니켈 스트라이크 도금의 처리조건으로서는 통상 이용되는 처리조건을 이용할 수 있다. 구체적인 바람직한 처리조건의 예는 이하와 같다.

〈니켈 스트라이크 도금의 처리조건의 예〉

ㆍ도금욕 조성 :

염화니켈: 150∼600g/L

35%염산: 50∼300ml/L

용매: 탈이온수

·처리온도(욕 온도) : 25∼40℃

·음극전류밀도 : 0.2∼0.4A/d㎡

·처리시간 : 5∼20분

스텝 T110에서는 전해 니켈 도금 처리가 실시된다. 전해 니켈 도금 처리로서는 회전 배럴을 사용한 배럴식 전해 니켈 도금 처리를 이용할 수 있고, 또 정지 도금법 등의 다른 도금 처리방법을 이용하여도 좋다. 전해 니켈 도금의 처리조건으로서는 통상 이용되는 처리조건을 이용할 수 있다. 구체적인 바람직한 처리조건의 예는 이하와 같다.

〈전해 니켈 도금의 처리조건의 예〉

·도금욕 조성 :

황산니켈: 100∼400g/L

염화니켈: 20∼60g/L

붕산: 20∼60g/L

용매: 탈이온수

·욕(bath) pH : 2.0∼4.8

·처리온도(욕 온도) : 25∼60℃

·음극전류밀도 : 0.2∼0.4A/d㎡

·처리시간 : 24∼192분

스텝 T120에서는 전해 크로메이트 처리가 실시된다. 전해 크로메이트 처리에서도 회전 배럴을 이용할 수 있고, 또 정지 도금법 등의 다른 도금 처리방법을 이용하여도 좋다. 전해 크로메이트 처리의 바람직한 처리조건의 예는 이하와 같다.

〈전해 크로메이트의 처리조건의 예〉

·처리욕(크로메이트 처리액) 조성 :

중크롬산나트륨: 20∼70g/L

용매: 탈이온수

·욕(bath) pH : 2∼6

·처리온도(욕 온도) : 20∼60℃

·음극전류밀도 : 0.01∼0.50A/d㎡(특히 0.02∼0.45A/d㎡이 바람직하다)

·처리시간 : 1∼10분

또한, 중크롬산염으로서는 중크롬산나트륨 외에 중크롬산칼륨도 이용할 수 있다. 또, 다른 처리조건(중크롬산염의 분량, 음극전류밀도, 처리시간 등)은 바람직한 크로메이트층의 두께에 따라서 상기한 것과는 다른 조합을 채용할 수 있다.

이들 도금 처리의 결과, 니켈 도금층과 크로메이트층의 2층 구조의 피막이 주체 금구의 외면 및 내면에 형성된다. 또한, 상기 2층 구조의 피막 위에 다른 보호피막을 더 형성할 수도 있다. 예를 들면 C{광물유(mineral oil)·그라파이트}를 함유하며, Al, Ni, Zn, Cu에서 선택되는 성분을 1종류 이상 함유하는 늘어붙음 방지제(seizure inhibitor)의 피막을 형성할 수 있다. 늘어붙음 방지제의 피막을 형성함으로써, 엔진 헤드가 고온으로 된 경우에 있어서의 스파크 플러그와 엔진 헤드 간의 늘어붙음을 억제할 수 있다. 또, 예를 들면 C, Ba, Ca 및 Na 중 적어도 1종류를 함유하는 방청유의 막을 형성할 수도 있다. 이와 같이 다층 구조의 보호피막이 형성된 후에, 주체 금구가 코킹공정에 의해서 절연체 등과 고정되어 스파크 플러그가 제조된다.

C. 실시예 :

C1. 처리조건 :

JIS G3539에 규정된 냉간 압조용 탄소강선 SWCH17K를 소재로서 이용하여 주체 금구(1)를 냉간 단조에 의해서 제조하였다. 이 주체 금구(1)에 접지전극(4)을 용접 접합하고, 탈지·수세정을 실시한 후, 하기의 처리조건으로 회전 배럴을 이용한 니켈 스트라이크 도금 처리를 실시하였다.

〈니켈 스트라이크 도금의 처리조건〉

·도금욕 조성 :

염화니켈: 300g/L

35%염산: 100ml/L

·처리온도(욕 온도) : 30±5℃

·음극전류밀도 : 0.3A/d㎡

·처리시간 : 15분

이어서, 전해 니켈 도금 처리를 회전 배럴을 이용하여 하기의 처리조건으로 실시함으로써, 니켈 도금층을 형성하였다. 또한, 이 니켈 도금층에 있어서의 니켈(Ni)의 성분비율(질량%)은 98% 이상이었다.

〈전해 니켈 도금의 처리조건〉

·도금욕 조성 :

황산니켈: 250g/L

염화니켈: 50g/L

붕산: 40g/L

·욕(bath) pH : 4.0

·처리온도(욕 온도) : 55±5℃

·음극전류밀도 : 0.3A/d㎡

·처리시간 : 24분∼192분

본 실시예에서는 도금 처리시간에 의해서 니켈 도금층의 두께를 제어하여, 니켈 도금층의 두께가 다른 7종류의 샘플을 준비하였다. 구체적으로는 이하의 7종류의 처리시간에 의해서 니켈 도금층의 두께가 다른 7종류의 샘플을 준비하였다. 또한 "니켈 도금층의 두께"란 상술한 니켈 스트라이크 도금 처리에서 얻어진 층의 두께와 상술한 전해 니켈 도금 처리에서 얻어진 층의 두께의 합계 두께를 의미한다.

·처리시간 : 24분, 니켈 도금층의 두께 : 2㎛

·처리시간 : 36분, 니켈 도금층의 두께 : 3㎛

·처리시간 : 48분, 니켈 도금층의 두께 : 4㎛

·처리시간 : 60분, 니켈 도금층의 두께 : 5㎛

·처리시간 : 108분, 니켈 도금층의 두께 : 9㎛

·처리시간 : 180분, 니켈 도금층의 두께 : 15㎛

·처리시간 : 192분, 니켈 도금층의 두께 : 16㎛

또한, '처리시간'과 '니켈 도금층의 두께'의 관계는 미리 실험에 의해서 구하였다. 니켈 도금층의 두께의 측정은 형광 X선 막두께계를 이용하여, X선의 빔 직경 : 0.2㎜, 조사시간 : 10초간의 조건 하에서 실시하였다.

이어서, 전해 크로메이트 처리를 회전 배럴을 이용하여 하기의 처리조건으로 실시함으로써, 니켈 도금층 상에 크로메이트층을 형성하였다.

〈전해 크로메이트의 처리조건〉

·처리욕(크로메이트 처리액) 성분 :

중크롬산나트륨: 40g/L

용매: 탈이온수

·처리온도(욕 온도) : 35±5℃

·음극전류밀도 : 0.01A/d㎡∼0.50A/d㎡

·처리시간 : 5분

본 실시예에서는 음극전류밀도에 의해서 크로메이트층의 두께를 제어하여, 크로메이트층의 두께가 다른 7종류의 샘플을 준비하였다. 구체적으로는 이하의 7종류의 음극전류밀도에 의해서 크로메이트층의 두께가 다른 7종류의 샘플을 준비하였다.

·음극전류밀도 : 0.01A/d㎡, 크로메이트층의 두께 : 1㎚

·음극전류밀도 : 0.02A/d㎡, 크로메이트층의 두께 : 2㎚

·음극전류밀도 : 0.10A/d㎡, 크로메이트층의 두께 : 10㎚

·음극전류밀도 : 0.20A/d㎡, 크로메이트층의 두께 : 20㎚

·음극전류밀도 : 0.40A/d㎡, 크로메이트층의 두께 : 40㎚

·음극전류밀도 : 0.45A/d㎡, 크로메이트층의 두께 : 45㎚

·음극전류밀도 : 0.50A/d㎡, 크로메이트층의 두께 : 50㎚

또한, '음극전류밀도'와 '크로메이트층의 두께'의 관계는 미리 실험에 의해서 구하였다. 크로메이트층의 두께의 측정은 이하와 같이 실시하였다. 우선 집속 이온 빔 가공장치(FIB가공장치)를 이용하여 각 샘플의 외표면 근방으로부터 소편(小片)을 잘라낸다. 그리고, 이 소편을 주사형 투과 전자 현미경(STEM)을 이용하여 가속전압 200kV에서 분석함으로써, 주체 금구의 횡단면(도 1에 일점쇄선으로 나타내는 중심축에 수직한 단면)에 있어서의 외표면 근방에 있어서, Cr원소의 컬러 맵 화상을 얻었다. 그리고, 이 컬러 맵 화상으로부터 크로메이트층의 두께를 측정하였다.

이상의 각 처리조건에 의거하여 니켈 도금층의 두께 및 크로메이트층의 두께가 서로 다른 49개(7종류×7종류)의 주체 금구의 샘플(S1∼S49)을 작성하고, 각 샘플 S1∼S49에 대해서 내염식성, 내도금 박리성 및 내응력 부식 균열성을 평가하기 위한 시험을 실시하였다.

C2. 평가시험 조건 :

〈내염식성 시험〉

내염식성에 관한 평가시험으로서, JIS H8502에 규정된 중성 염수 분무 시험을 실시하였다. 이 시험에서는 48시간의 염수 분무 시험 후에, 각 샘플의 주체 금구의 표면적에 대한 붉은 녹의 발생면적의 비율을 측정하였다. 발생면적비율의 값을 구할 때에는, 시험 후의 샘플의 사진을 촬영하고, 그 사진 중에서 붉은 녹이 발생한 부분의 면적(Sa)과 사진 중에서의 주체 금구의 면적(Sb)을 측정하고, 그 비율(Sa/Sb)을 붉은 녹의 발생면적비율로 산출하였다.

〈내도금 박리성 시험〉

내도금 박리성에 관한 평가시험으로서, 각 샘플의 주체 금구를 크로메이트 처리한 후에 코킹공정에 의해서 절연체 등을 고정하고, 그 후에 코킹부(1d)에 있어서의 도금상태를 관찰하고, 도금에 들뜸 또는 박리가 발생하였는지 아닌지를 판정하였다.

〈내응력 부식 균열성 시험〉

내응력 부식 균열성에 관한 평가시험으로서, 이하의 가속 부식(加速腐食) 시험을 실시하였다. 우선 각 샘플(주체 금구)의 홈부(1h)(도 1)에 직경 약 2㎜의 구멍을 4개소 형성한 후에, 코킹에 의해서 절연체 등을 고정하였다. 구멍을 형성한 이유는 시험용 부식액이 주체 금구의 내부에 들어가도록 하기 위해서이다. 가속 부식 시험의 시험조건은 이하와 같다.

〈가속 부식 시험(내응력 부식 균열성 평가시험)의 시험조건〉

·부식액 조성 :

질산칼슘사수화물: 1036g

질산암모늄: 36g

과망간산칼륨: 12g

순수(純水): 116g

·pH : 3.5∼4.5

·처리온도 : 30∼40℃

여기서, 부식액에 산화제로서의 과망간산칼륨을 넣은 이유는 부식 시험을 가속하기 위해서이다.

이 시험조건으로 10시간 후에 샘플을 꺼내어 외부에서 확대경을 이용하여 홈부(1h)를 관찰하고, 홈부(1h)에 균열이 발생하였는지 아닌지를 조사하였다. 균열이 발생하지 않은 경우에는 부식액을 교환하고서 동일 조건으로 10시간의 가속 부식 시험을 더 추가하고, 이 시험을 누계시험시간이 80시간이 될 때까지 반복하여 실시하였다. 홈부(1h)에는 코킹공정의 결과로서 큰 잔류 응력이 발생하고 있다. 따라서, 이 가속 부식 시험에 의해서 홈부(1h)에 있어서의 내응력 부식 균열성을 평가하는 것이 가능하다.

C3. 시험결과 :

도 4는 상기한 처리조건으로 작성된 49개의 샘플 S1∼S49에 대한 내도금 박리성과 내염식성과 내응력 부식 균열성의 시험결과를 나타내는 설명도이다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 내도금 박리성의 점에서는 크로메이트층의 각각의 두께에 있어서 거의 같은 결과가 얻어졌다. 구체적으로는, 크로메이트층의 각각의 두께에 있어서, 니켈 도금층의 두께가 2∼15㎛의 범위인 경우에서는 도금의 들뜸 및 박리가 발생하지 않았으나, 니켈 도금층의 두께가 16㎛인 경우(샘플 S7, S14, S21, S28, S35, S42, S49)에서는 도금의 들뜸 또는 박리가 발생하였다.

따라서, 내도금 박리성의 점에서는, 니켈 도금층의 두께는 2∼15㎛의 범위가 바람직하다. 이것은 니켈 도금층의 두께가 너무 두꺼우면 작은 응력이라 하더라도 도금층이 쉽게 균열되기 때문이라고 추측된다.

내염식성의 점에서는, 크로메이트층의 각각의 두께에 있어서 거의 같은 결과가 얻어졌다. 구체적으로는, 크로메이트층의 각각의 두께에 있어서, 니켈 도금층의 두께가 3∼16㎛의 범위인 경우에서는 붉은 녹의 발생이 10% 이내로 억제되지만, 니켈 도금층의 두께가 2㎛인 경우(샘플 S1, S8, S15, S22, S29, S36, S43)에서는 붉은 녹의 발생은 10%보다도 크게 되어 있다.

따라서, 내염식성의 점에서는, 니켈 도금층의 두께는 3∼16㎛의 범위가 바람직하다. 이것은 니켈 도금층의 두께가 너무 작으면, 주체 금구의 표면에 부착되어 있던 기름이나 먼지 등의 세정 부족에 의한 잔류에 의해서 도금하기 어려운 부분(핀 홀)이 생기고, 이 부분에서 녹이 발생·확대되기 때문이라고 추측된다.

내응력 부식 균열성의 점에서는, 니켈 도금층의 각각의 두께에 있어서 거의 같은 결과를 얻었다. 구체적으로는, 니켈 도금층의 각각의 두께에 있어서, 크로메이트층의 두께가 2∼45㎚의 범위인 경우에서는 누계시험시간이 20시간 이하에서 홈부(1h)에 균열이 발생하지 않았으나, 크로메이트층의 두께가 1㎚인 경우(샘플 S1∼S7) 및 50㎚인 경우(샘플 S43∼S49)에서는 누계시험시간이 20시간 이하에서 홈부(1h)에 균열이 발생하였다.

따라서, 내응력 부식 균열성의 점에서는, 크로메이트층의 두께는 2∼45㎚의 범위가 바람직하다. 특히 크로메이트층의 두께가 20∼45㎚의 범위인 경우(샘플 S22∼S42)에서는 누계시험시간이 80시간 이하에서 균열이 발생하지 않기 때문에, 이 범위가 보다 바람직하다.

크로메이트층의 두께가 작은(1㎚) 경우에 있어서 내응력 부식 균열성이 떨어지는 것은, 층이 너무 얇기 때문에 잔류 응력에 의해서 크로메이트층이 파괴되기 쉽기 때문이라고 추측된다.

또, 크로메이트층의 두께가 큰(50㎚) 경우에 있어서 내응력 부식 균열성이 떨어지는 것은, 크로메이트층이 두꺼워 주체 금구에 대한 밀착성이 떨어지기 때문에, 코킹 등의 가공시에 균열이 발생하기 쉽기 때문이라고 추측된다.

이상 내도금 박리성, 내염식성 및 내응력 부식 균열성을 총합하여 판단하면, 니켈 도금층의 두께가 5∼15㎛의 범위이고, 또한 크로메이트층의 두께가 20∼45㎚의 범위인 경우가 가장 바람직하다. 이 조건을 충족하는 샘플 S25∼S27, S32∼S34, S39∼S41은 모든 시험의 평가가 최고였다.

1 - 주체 금구 1c - 걸어맞춤부
1d - 코킹부 1e - 육각부
1f - 가스 밀봉부(플랜지부) 1h - 홈부(박육부)
1p - 삽입 개구부 2 - 절연체
2e - 돌출부 2h - 걸어맞춤부
2n - 단면 3 - 중심전극
4 - 접지전극 6 - 관통구멍
7 - 나사부 13 - 금속 단자
15 - 저항체 16,17 - 도전성 유리 밀봉층
30 - 개스킷 60 - 링 패킹
61 - 충전층 62 - 링 패킹
63 - 시트 패킹 100 - 스파크 플러그
111 - 금형 200 - 코킹 예정부

Claims

니켈 도금층과 상기 니켈 도금층 상에 형성된 크로메이트층을 포함하는 복합층으로 피복된 주체 금구를 구비하는 스파크 플러그로서, 상기 니켈 도금층의 두께(A)는 3㎛≤A≤15㎛이고, 상기 크로메이트층의 두께(B)는 2㎚≤B≤45㎚인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1에 있어서, 상기 크로메이트층의 두께(B)는 20㎚≤B≤45㎚을 만족하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 2에 있어서, 상기 니켈 도금층의 두께(A)는 5㎛≤A≤15㎛을 만족하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
니켈 도금층과 상기 니켈 도금층 상에 형성된 크로메이트층을 포함하는 복합층으로 피복된 스파크 플러그용 주체 금구로서, 상기 니켈 도금층의 두께(A)는 3㎛≤A≤15㎛이고, 상기 크로메이트층의 두께(B)는 2㎚≤B≤45㎚인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그용 주체 금구.