KR101392129B1

KR101392129B1 - 스파크 플러그

Info

Publication number: KR101392129B1
Application number: KR1020127011004A
Authority: KR
Inventors: 츠토무 시바타; 다케히토 구노; 도모오 다나카; 겐지 누노메; 쇼이치로 나가토모
Original assignee: 니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2014-05-07
Also published as: EP2518170A1; CN102597284A; JP5106679B2; US20120013241A1; KR20120104528A; EP2518170A4; WO2011077619A1; CN102597284B; EP2518170B1; US8283846B2; JPWO2011077619A1

Abstract

본 발명의 과제는 고열전도성 및 고강도를 유지하면서 부식형태 신생이물의 발생을 억제할 수 있는 중심전극 및/또는 접지전극을 구비한 스파크 플러그를 제공하는 것이다.
본 발명의 스파크 플러그는, 중심전극 및 상기 중심전극과의 사이에 간극을 가지도록 배치된 접지전극을 구비하며, 상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 적어도 어느 일방이 Ni을 96질량% 이상 함유하는 전극재료에 의해서 형성되어 이루어지는 스파크 플러그에 있어서, 상기 전극재료는 Y과 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 합계로서 0.05질량% 이상 0.45질량% 이하, Mn을 0.05질량% 이상, 및 Ti과 V과 Nb으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 합계로서 0.01질량% 이상 함유하고, 또한 Mn의 함유량(b)과 Ti, V 및 Nb의 합계 함유량(a)의 비율(a/b)이 0.02 이상 0.40 이하인 것을 특징으로 한다.

Description

스파크 플러그{SPARK PLUG}

본 발명은 스파크 플러그에 관한 것으로서, 특히 전극재료에 Ni기 합금을 사용한 스파크 플러그에 관한 것이다.

자동차 엔진 등의 내연기관의 점화용으로 사용되는 스파크 플러그는 일반적으로 통형상의 금속 쉘과, 이 금속 쉘의 내측 구멍에 배치되는 통형상의 절연체와, 이 절연체의 선단측 내측 구멍에 배치되는 중심전극과, 일단이 금속 쉘의 선단측에 접합되고 타단이 중심전극과 불꽃방전간극을 형성하도록 배치된 접지전극을 구비한다. 그리고, 스파크 플러그는 내연기관의 연소실 내에서 중심전극의 선단과 접지전극의 선단 사이에 형성되는 불꽃방전간극에 불꽃 방전하여 연소실 내에 충전된 연료를 연소시킨다.

이와 같은 스파크 플러그의 전극재료로서는 내산화성, 내불꽃소모성 등이 우수한 여러 가지 Ni기 합금이 널리 사용되고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에는 「Cr:0.5∼5%, Mn:0.1∼3%, Si:0.1∼3%, Y:0.00001∼0.5%를 함유하고, 나머지가 Ni 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성(이상, 중량%)을 가지는 Ni기 합금으로 구성한 것을 특징으로 하는 Ni기 합금제 점화 플러그 전극」이 기재되어 있다. 특허문헌 2에는 「질량%로 C:0.1% 이하(0을 포함한다), Si:0.3∼3.0%, Mn:0.5% 미만(0을 포함한다), Cr:0.5% 미만(0을 포함한다), Al:0.3% 이하(0을 포함한다), Hf와 Re의 1종 또는 2종을 합계로서 0.005∼1.0%, 잔부는 Ni 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 점화 플러그용 전극재료」가 기재되어 있다. 특허문헌 3에는 「중량비로 Cr 0.5∼3%, Si 0.3∼2.5%, Mn 0.5∼1.8%(다만 0.5%, 1.8%는 포함하지 않음) 및 Al 0.05∼2.5%(다만 0.05%는 포함하지 않음)를 함유하고, Si와 Cr의 비율(Si/Cr)이 1.1 미만이고, 잔부 Ni 및 불가피 불순물로 이루어지는 Ni기 합금을 사용한 것을 특징으로 하는 점화 플러그용 전극」이 기재되어 있다.

그런데, 최근의 지구 온난화 방지, 화석 연료 절약 등의 요구가 높아짐에 따라서, 자동차 등의 내연기관에 있어서, 연비향상을 위해 공연비를 크게 설정하는 등의 대책이 강구되고 있다. 이와 같은 내연기관에서는 연소실, 특히 중심전극의 선단 및 접지전극의 선단이 위치하는 영역 근방의 온도가 고온화되어, 연소실 내부가 고산소 농도로 되는 경향이 있다. 또한, 스파크 플러그의 소형화에 따라서 중심전극 및 접지전극도 가늘어지기 때문에, 방전에 의해서 발생한 열을 중심전극이 절연체 및 패킹을 통해서 금속 쉘로, 접지전극이 금속 쉘로 전도하여 방출('열방산'이라 하는 경우도 있다)할 수 없게 되어, 중심전극 및 접지전극 자신의 온도도 상승하기 쉬워지게 된다.

스파크 플러그가 이와 같은 고온 및 고산소 농도의 환경 하에서 사용되게 되고, 중심전극 및 접지전극의 온도도 상승하기 쉬운 구조로 되면, 종래의 스파크 플러그에서는 소망하는 성능을 유지하는 것이 어려워지게 된다. 예를 들면, 정규의 착화 전에 고온의 전극이 발화원으로 되어 연료에 착화되는 프리이그니션(pre-ignition)이라 불리우는 현상이 발생하는 일이 있다.

특허문헌 1 : 일본국 특허공개 소63-18033호 공보 특허문헌 2 : 일본국 특허공개 2007-92139호 공보 특허문헌 3 : 일본국 특허공개 평2-163335호 공보

그래서, 프리이그니션 등의 이상 현상이 없는 고성능의 스파크 플러그를 제공하기 위해서 여러 가지 검토를 한 바, 고온 및 고산소 농도의 환경 하에서는 전극에 부착된 퇴적물(deposit)(즉, 오일이나 미연소 연료 등의 퇴적물)과 전극재료가 반응하여 형성되었다고 생각되는 복수의 작은 괴상(塊狀)의 부식형태 신생이물(腐食形態新生異物)이 전극의 표면을 덮도록 형성되는 일이 있고(도 3 참조), 이 부식형태 신생이물이 착화성에 영향을 주는 것을 알게 되었다. 이 부식형태 신생이물이 형성되면, 중심전극과 접지전극 사이에 형성되어 있는 불꽃방전간극이 좁아져서 착화성이 떨어질 우려가 있다. 최악의 경우에는 중심전극과 접지전극이 단락되어 엔진이 실화될 우려도 있다. 또, 전극의 열전도성이 저하되어 열방산이 나빠지게 되면, 전극이 발화원으로 되어 프리이그니션을 유발할 우려도 있다.

본 발명은 고열전도성 및 고강도를 유지하면서 부식형태 신생이물의 발생을 억제할 수 있는 중심전극 및/또는 접지전극을 구비한 스파크 플러그를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단은,

(1) 중심전극 및 상기 중심전극과의 사이에 간극을 가지도록 배치된 접지전극을 구비하며, 상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 적어도 어느 일방이 Ni을 96질량% 이상 함유하는 전극재료에 의해서 형성되어 이루어지는 스파크 플러그에 있어서,

상기 전극재료는 Y과 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 합계로서 0.05질량% 이상 0.45질량% 이하, Mn을 0.05질량% 이상, 및 Ti과 V과 Nb으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 합계로서 0.01질량% 이상 함유하고, 또한 Mn의 함유량(b)과 Ti, V 및 Nb의 합계 함유량(a)의 비율(a/b)이 0.02 이상 0.40 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그이다.

상기 (1)의 바람직한 형태는,

(2) 상기 비율(a/b)이 0.03 이상 0.29 이하, 더 바람직하게는 0.04 이상 0.14 이하이고,

(3) 상기 전극재료는 Si를 0.15질량% 이상 1.5질량% 이하 함유하고,

(4) 상기 전극재료는 Al을 0.01질량% 이상 0.1질량% 이하 함유하고,

(5) 상기 전극재료는 Cr을 0.05질량% 이상 0.5질량% 이하 함유하고,

(6) 상기 전극재료는 C를 0.005질량% 이상 함유하고,

(7) 상기 전극재료는 Ti을 함유하고,

(8) 적어도 상기 접지전극이 상기 전극재료에 의해서 형성되어 이루어지는 스파크 플러그이다.

본 발명에 관한 스파크 플러그는, 고(高)Ni기 합금에 있어서, 특정량의 Y과 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종, Mn 및 Ti과 V과 Nb으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 함유하고, 또한 Mn의 함유량(b)과 Ti, V 및 Nb의 합계 함유량(a)의 비율(a/b)이 특정 범위에 있는 전극재료에 의해서 형성되어 이루어지는 중심전극 및/또는 접지전극을 구비하고 있기 때문에, 고열전도성 및 고강도를 유지하면서 부식형태 신생이물의 발생을 억제할 수 있는 중심전극 및/또는 접지전극을 구비한 스파크 플러그를 제공할 수 있다.

또, 상기 전극재료가 특정량의 Si, Al, 및/또는 Cr을 더 함유하면, 부식형태 신생이물의 발생을 한층 더 억제할 수 있다.

또, 상기 전극재료가 특정량의 C를 더 함유하면, 한층 더 높은 강도를 얻을 수 있어 전극의 절손 및 변형을 방지할 수 있다.

또한, 중심전극보다도 고온으로 되어 퇴적물이 부착되기 쉬운 접지전극이 상기 전극재료에 의해서 형성되어 이루어지면, 한층 더 효과적이다.

도 1은 본 발명에 관한 스파크 플러그의 일 실시형태인 스파크 플러그를 설명하는 설명도로서, 도 1(a)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 일 실시형태인 스파크 플러그의 일부 단면 전체 설명도이고, 도 1(b)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 일 실시형태인 스파크 플러그의 주요 부분을 나타내는 단면 설명도이다.
도 2(a)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 다른 실시형태인 스파크 플러그의 주요 부분을 나타내는 단면 설명도이고, 도 2(b)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 또 다른 실시형태인 스파크 플러그의 주요 부분을 나타내는 단면 설명도이다.
도 3은 종래의 스파크 플러그에 형성된 부식형태 신생이물의 사진이다.

본 발명에 관한 스파크 플러그는 중심전극과 접지전극을 가지며, 상기 중심전극의 일단과 상기 접지전극의 일단이 간극을 두고서 대향하도록 배치되어 있다. 본 발명에 관한 스파크 플러그는 이와 같은 구성을 가지는 스파크 플러그라면, 그 외의 구성은 특히 한정되지 않으며, 공지의 여러 가지 구성을 채용할 수 있다.

본 발명에 관한 스파크 플러그의 일 실시형태인 스파크 플러그를 도 1에 나타낸다. 도 1(a)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 일 실시형태인 스파크 플러그(1)의 일부 단면 전체 설명도이고, 도 1(b)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 일 실시형태인 스파크 플러그(1)의 주요 부분을 나타내는 단면 설명도이다. 또한, 도 1(a)에서는 도면의 하측을 축선(AX)의 선단방향, 도면의 상측을 축선(AX)의 후단방향으로 하고, 도 1(b)에서는 도면의 상측을 축선(AX)의 선단방향, 도면의 하측을 축선(AX)의 후단방향으로 하여 설명한다.

상기 스파크 플러그(1)는 도 1(a) 및 도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 대략 봉형상의 중심전극(2)과, 중심전극(2)의 외주에 설치된 대략 원통형상의 절연체(3)와, 절연체(3)를 유지하는 대략 원통형상의 금속 쉘(4)과, 일단이 중심전극(2)의 선단면과 불꽃방전간극(G)을 사이에 두고서 대향하도록 배치됨과 아울러 타단이 금속 쉘(4)의 단면에 접합된 접지전극(6)을 구비하고 있다.

상기 금속 쉘(4)은 대략 원통형상을 이루고 있으며, 절연체(3)를 내장함에 의해서 절연체(3)를 유지하도록 형성되어 있다. 금속 쉘(4)에 있어서의 선단방향의 외주면에는 나사부(9)가 형성되어 있으며, 이 나사부(9)를 이용하여 도시하지 않은 내연기관의 실린더 헤드에 스파크 플러그(1)가 장착된다. 금속 쉘(4)은 도전성의 철강재료 예를 들면, 저탄소강에 의해서 형성될 수 있다.

상기 절연체(3)는 금속 쉘(4)의 내주부에 활석(탈크)(10) 또는 패킹(11) 등을 통해서 유지되어 있으며, 절연체(3)의 축선방향을 따라서 중심전극(2)을 유지하는 축구멍을 가지고 있다. 절연체(3)는 그 선단부가 금속 쉘(4)의 선단면에서 돌출된 상태로 금속 쉘(4)에 고착되어 있다. 절연체(3)는 기계적 강도, 열적 강도, 전기적 강도를 가지는 재료인 것이 바람직하고, 이와 같은 재료로서는 예를 들면, 알루미나를 주체로 하는 세라믹 소결체를 들 수 있다.

중심전극(2)은 외측 부재(7)와 이 외측 부재(7)의 내부의 축심부에 동심적으로 매립되도록 형성되어 이루어지는 내측 부재(8)에 의해서 형성되어 있다. 중심전극(2)은 그 선단부가 절연체(3)의 선단면에서 돌출된 상태로 절연체(3)의 축구멍에 고정되어 있으며, 금속 쉘(4)에 대해서 절연 유지되어 있다. 중심전극(2)은 후술하는 전극재료 또는 이 전극재료 이외의 공지된 재료로 형성되며, 특히 중심전극(2)의 외측 부재(7)는 후술하는 전극재료로 형성되는 것이 좋다.

상기 접지전극(6)은 예를 들면 대략 각주체(角柱體)로 형성되어 이루어지며, 일단이 금속 쉘(4)의 단면에 접합되고, 도중에서 대략 L자로 굽혀짐에 의해서 그 선단부가 중심전극(2)의 축선방향에 위치하도록 그 형상 및 구조가 설계되어 있다. 접지전극(6)이 이와 같이 설계됨으로써, 접지전극(6)의 일단이 중심전극(2)과 불꽃방전간극(G)을 사이에 두고서 대향하도록 배치되어 있다. 불꽃방전간극(G)은 중심전극(2)의 선단면과 접지전극(6)의 표면 사이의 간극이며, 이 불꽃방전간극(G)은 통상 0.3∼1.5㎜로 설정된다. 접지전극(6)은 후술하는 전극재료 또는 이 전극재료 이외의 공지된 재료로 형성하면 좋지만, 통상 접지전극(6)은 중심전극(2)보다도 고온에 노출되기 때문에, 접지전극(6)은 후술하는 전극재료로 형성하는 것이 좋다.

스파크 플러그(1)에 있어서는 상기한 바와 같이 중심전극(2) 및 접지전극(6) 중 적어도 일방이 하기한 전극재료로 형성되며, 바람직하게는 더 고온에 이르는 접지전극(6)이 하기한 전극재료로 형성된다.

전극재료로서는 Ni을 95질량% 이상 함유하는 고Ni기 합금과, Ni을 50∼85질량% 함유하고, Cr 및 Fe을 10∼42질량% 함유하는 인코넬 600, 인코넬 601(Inconel:상표명) 등의 저Ni기 합금이 널리 알려지고 있다. 본 발명에서는 상기 고Ni기 합금에 대해서 검토를 하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이들 전극을 형성하는 전극재료는 Ni을 96질량% 이상, Y과 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 합계로서 0.05질량% 이상 0.45질량% 이하, Mn을 0.05질량% 이상, 및 Ti과 V과 Nb으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 합계로서 0.01질량% 이상 함유하고, 또한 Mn의 함유량(b)과 Ti, V 및 Nb의 합계 함유량(a)의 비율(a/b)이 0.02 이상 0.40 이하이다.

전극재료에 있어서의 Ni의 함유율이 96질량% 미만이면, 전극재료의 열전도율이 저하되기 때문에, 방전에 의해서 발생한 열을 전극이 효과적으로 방출할 수 없게 되어 방전부가 항상 고온으로 되는 결과, 전극이 산화 소모되게 된다. 또, 전극의 온도가 상승함에 의해서 프리이그니션, 즉 정규의 착화 전에 고온의 전극이 발화원으로 되어 연료에 착화된다는 현상이 발생하는 일이 있다. 전극재료의 고열전도율을 유지할 수 있는 점에서, Ni의 함유율은 96질량% 이상인 것이 좋다.

전극재료에 있어서의 Y과 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 합계 함유율이 0.05질량% 미만이면, 전극이 고온에 노출됨에 의해서 전극재료의 조직이 입성장하기 쉬워지기 때문에, 전극이 절손 및 변형되기 쉬워진다. 또, 상기 합계 함유율이 0.45질량%를 넘으면, 전극에 부착된 퇴적물(즉, 오일이나 미연소 연료 등의 퇴적물)과 전극재료가 반응하여 다수의 작은 괴상의 부식형태 신생이물이 전극의 표면을 덮도록 형성된다는 특이한 현상이 발생하기 쉬워진다. 이와 같은 부식형태 신생이물이 형성되면, 중심전극(2)의 선단면과 이것에 대향하는 접지전극(6)의 표면과의 사이의 간격이 좁아져서 착화성이 떨어질 우려가 있다. 최악의 경우에는 중심전극과 접지전극이 단락되어 엔진이 실화될 우려도 있다. 또, 부식형태 신생이물이 형성되면, 전극의 열전도성이 저하되어 열방산이 나빠지게 되므로 프리이그니션을 유발할 우려가 있다.

상기 희토류 원소로서는 Nd, La, Ce, Dy, Er, Yb, Pr, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Ho, Tm, Lu를 들 수 있다.

전극재료에 있어서의 Mn의 함유율이 0.05질량% 이상이면, 이 전극재료에 의해서 형성된 전극의 표면에 강고한 산화피막이 형성되기 때문에, 전극의 내산화성이 향상된다. Mn에 의해서 형성되는 산화피막은 내산화성에 대해서는 유효하게 작용한다. 그러나, 전극이 고온 및 고산소 농도의 환경 하에 노출되면, 전극의 표면에 부식형태 신생이물이 발생하는 일이 있다. 이 부식형태 신생이물은, 전극이 고온 및 고산소 농도의 환경 하에 놓여짐에 의해서 전극에 부착된 퇴적물에 포함되는 C와 상기 Mn에 의해서 형성되는 산화피막이 반응하여 형성되었다고 생각된다. 이 부식형태 신생이물이 전극의 표면을 덮도록 형성되면, 상기한 바와 같이 정상적인 착화가 이루어지지 않게 된다.

그래서, 전극재료로서 Mn에 더하여 Ti, V 및 Nb으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 함유시키면, 부식형태 신생이물의 형성을 억제할 수 있는 것을 발견하였다. 전극재료가 Ti, V 및 Nb으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 함유하면, Ti, V 및 Nb으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종이 산화피막에 침입한 퇴적물에서 추출되는 C를 트랩(traps)함으로써, C와 Mn의 산화피막이 반응하여 형성되는 부식형태 신생이물의 발생이 억제된다고 추정된다. 예를 들면, C를 트랩한 Ti은 TiC을 형성한다. TiC은 Mn의 산화피막과 반응하여 화합물을 형성하지 않기 때문에, Mn의 산화피막은 융점이 떨어지는 일 없이 안정하게 존재할 수 있게 된다. 그 결과, 부식형태 신생이물이 형성되기 어렵게 된다고 생각된다.

따라서, 전극재료에 있어서의 Mn의 함유율과 Ti, V 및 Nb으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 합계 함유율이 소정 범위에 있을 뿐만 아니라, Mn의 함유량에 대한 Ti, V 및 Nb의 합계 함유량의 비율이 특정한 범위에 있는 것이 본 발명의 과제를 달성하는데 매우 중요하다. 즉, Mn을 0.05질량% 이상 함유하고, Ti, V 및 Nb으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 0.01질량% 이상 함유하고, 또한 Mn의 함유량(b)과 Ti, V 및 Nb의 합계 함유량(a)의 비율(a/b)이 0.02 이상 0.40 이하이면, 부식형태 신생이물의 형성이 억제된다.

다만, 전극재료는 실시형태를 고려하여 Mn을 0.07질량% 이상 함유하는 것이 있고, 또 3질량% 이하로 함유하는 것도 있고, Ti, V 및 Nb으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 합계로서 0.02질량% 이상 함유하는 것이 있고, 또 0.1질량% 이하로 함유하는 것도 있다.

상기 비율(a/b)은 0.03 이상 0.29 이하인 것이 바람직하고, 0.04 이상 0.14 이하인 것이 특히 바람직하다. 비율(a/b)이 상기 범위 내에 있으면, 부식형태 신생이물의 형성이 한층 더 억제된다.

상기 Ti, V 및 Nb은 어느 것이나 퇴적물에서 추출되는 C를 트랩하는 작용이 있다고 생각되며, 어느 것이나 부식형태 신생이물의 형성을 억제하는 효과가 있지만, 이것들 중에서는 경제성의 관점에서 Ti을 함유시키는 것이 특히 바람직하다.

전극재료는 Si를 함유하는 것이 바람직하고, 0.15질량% 이상 1.5질량% 이하 함유하는 것이 특히 바람직하다.

전극재료는 Al을 함유하는 것이 바람직하고, 0.01질량% 이상 0.1질량% 이하 함유하는 것이 특히 바람직하다.

전극재료는 Cr을 함유하는 것이 바람직하고, 0.05질량% 이상 0.5질량% 이하 함유하는 것이 특히 바람직하다.

전극재료가 Si, Al 및/또는 Cr을 함유하면, Mn의 산화피막이 한층 더 강고하게 된다. 따라서, 전극재료가 Si, Al 및/또는 Cr을 함유, 특히 상기 범위 내에서 함유하면, 내산화성이 향상됨과 아울러 Mn의 산화피막 중에 퇴적물에서 추출되는 C가 침입하기 어렵게 되기 때문에, 보다 효과적으로 부식형태 신생이물의 발생을 억제할 수 있다.

전극재료는 C를 함유하는 것이 바람직하고, 0.005질량% 이상 함유하는 것이 특히 바람직하다. 전극재료에 있어서의 C의 함유율이 0.005질량% 이상이면, 고온 환경 하에서의 전극재료의 기계적 강도를 확보할 수 있기 때문에, 전극의 절손 및 변형을 방지할 수 있다. 전극이 고온 환경 하에 노출되거나 전극의 열방산이 나빠져서 전극 온도가 상승하거나 하더라도, 전극의 기계적 강도를 확보할 수 있는 점에서 C의 함유율은 0.005질량% 이상, 더 바람직하게는 0.01질량% 이상 0.05질량% 이하인 것이 좋다.

상기 전극재료는 Ni, Y과 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종, Mn, 및 Ti과 V과 Nb으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종과, 소망에 따라서 Si, Al, Cr 및/또는 C를 실질적으로 함유한다. 이것들의 각 성분은 상기한 각 성분의 함유율의 범위 내에서, 이것들의 각 성분과 불가피 불순물의 합계가 100질량%가 되도록 함유된다. 상기 성분 이외의 성분, 예를 들면 S, P, Fe, Cu, B, Zr, Mg 및/또는 Ca이 미량의 불가피 불순물로서 함유되는 일이 있다. 이들 불가피 불순물의 함유량은 적은 쪽이 바람직하지만, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 함유하고 있어도 좋고, 상기한 성분의 합계 질량을 100질량부로 하였을 때에, 상기한 1종류의 불가피 불순물의 비율은 0.1질량부 이하, 함유되는 모두 종류의 불가피 불순물의 합계 비율은 0.2질량부 이하인 것이 좋다.

상기 전극재료에 포함되는 각 성분의 함유율은 다음과 같이 하여 측정할 수 있다. 즉, 상기 전극재료를 전극으로 한 경우에, 이 전극과 금속 쉘 및/또는 귀금속 팁 등의 다른 부재를 용융 접착할 때에 형성되는 용융부를 제외한 부분에서 시료를 채취하고(탄소유황분석은 0.3g 이상, ICP발광분석은 0.2g 이상이 바람직하다), C의 함유량은 탄소유황분석에 의해서, 그 외의 성분은 ICP발광분석(inductively coupled plasma emission spectrometry)을 실시함에 의해서 분석한다. Ni에 대해서는 상기 분석 측정값의 잔부로서 산출한다. 탄소유황분석에서는 채취한 시료를 연소로에서 열분해하고, 비분산 적외선 검출함에 의해서 C의 함유량을 정량(定量)한다(탄소유황분석장치로서, 예를 들면 호리바 제작소 제품 EMIA-920V). ICP발광분석에서는 시료를 산분해법(예를 들면, 초산)에 의해서 용액화하고, 정성(定性)분석 후, 검출 원소 및 지정 원소에 대해서 정량한다(ICP발광분석장치로서, 예를 들면 서모 피셔 제품 iCAP-6500). 어느 분석이나 3회의 측정값의 평균값을 산출하고, 그 평균값을 전극재료에 있어서의 각 성분의 함유율로 한다.

또한, 상기 전극재료는 소정의 원료를 소정의 배합 비율로 배합하여 이하에 나타내는 바와 같이 제조된다. 제조된 전극재료의 조성은 원료의 조성과 거의 일치한다.따라서, 상기 전극재료에 포함되는 각 성분의 함유율은 간이적인 방법으로서 원료의 배합 비율로부터도 산출할 수 있다.

상기한 전극재료가 스파크 플러그에 있어서의 중심전극 및 접지전극 중 적어도 어느 일방, 특히 접지전극에 사용되면, 이들 전극이 고온 및 고산소 농도의 분위기에 노출되더라도, 또한 스파크 플러그의 소형화에 따라서 중심전극 및 접지전극의 단면적이 작아지게 되었더라도, 고열전도성 및 기계적 강도를 유지하면서 부식형태 신생이물의 형성을 억제할 수 있다. 전극이 고열전도성을 가지면, 방전에 의해서 발생한 열을 금속 쉘로 신속하게 전도시킬 수 있기 때문에, 전극의 온도 상승에 의한 전극의 산화 소모를 방지할 수 있다. 또, 연소효율 향상의 요구에 따라서 내연기관 내부가 고온 및 고산소 농도로 되는 경향이 있지만, 고온 하에서도 전극의 기계적 강도가 유지되어 있기 때문에, 사용중의 절손 및 변형을 방지할 수 있다. 또한, 부식형태 신생이물의 형성을 억제할 수 있기 때문에, 부식형태 신생이물이 형성되면, 중심전극의 단면과 이것에 대향하는 접지전극의 표면과의 사이의 간격이 좁아져서 착화성이 떨어지거나 최악의 경우 중심전극과 접지전극이 단락되어 엔진이 실화될 우려가 있지만, 이와 같은 착화불량을 억제할 수 있다. 또, 부식형태 신생이물이 형성되면, 전극의 열전도성이 저하되어 열방산이 나빠지게 됨으로써 전극이 발화원으로 되어 프리이그니션을 유발할 우려가 있지만, 이와 같은 현상을 방지할 수 있다.

상기 스파크 플러그(1)는 예를 들면, 다음과 같이 하여 제조된다. 우선 각 성분의 함유율이 상기한 범위가 되는 전극재료가 되도록, Ni을 96질량% 이상, Y과 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 합계로서 0.05질량% 이상 0.45질량% 이하, Mn을 0.05질량% 이상, 및 Ti과 V과 Nb으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 합계로서 0.01질량% 이상, 소망에 따라서 Si를 0.15질량% 이상 1.5질량% 이하, Al을 0.01질량% 이상 0.1질량% 이하, Cr을 0.05질량% 이상 0.5질량% 이하, 및 C를 0.005질량% 이상을 용해하여 조정한다. 또한, 전극재료에 있어서의 Mn의 함유량(b)과 Ti, V 및 Nb의 합계 함유량(a)의 비율(a/b)이 0.02 이상 0.4 이하가 되도록 조정한다.

이와 같이 하여 조정한 전극재료를 소정의 형상으로 가공하여 중심전극(2) 및/또는 접지전극(6)을 제작한다. 전극재료의 조정 및 가공을 연속해서 할 수도 있다. 예를 들면, 진공 용해로를 사용하여 소망하는 조성을 가지는 합금의 용탕을 조제하고, 진공 주조에 의해서 각 용탕으로부터 주괴를 조제한 후, 이 주괴를 열간가공, 와이어 드로잉 가공 등을 하여 소정의 형상 및 소정의 치수로 적절히 조정함에 의해서 중심전극(2) 및/또는 접지전극(6)을 제작할 수 있다. 또한, 컵형상으로 형성한 외측 부재(7)에 내측 부재(8)를 삽입하고, 압출가공 등의 소성가공에 의해서 중심전극(2)을 형성할 수도 있다. 또, 도 2(a)에 나타낸 바와 같이, 접지전극(61)이 외부층(12)과 이 외부층(12)의 축심부에 매설되도록 형성된 축부(13)에 의해서 형성되어 이루어지는 경우에는, 컵형상으로 형성한 외부층(12)에 축부(13)를 삽입하고, 압출가공 등의 소성가공을 한 후, 대략 각기둥 형상으로 소성가공한 것을 접지전극(61)으로 할 수 있다.

그 다음에, 소성가공 등에 의해서 소정의 형상으로 형성한 금속 쉘(4)의 단면에 접지전극(6)의 일단부를 전기저항 용접 또는 레이저 용접 등에 의해서 접합한다. 접지전극이 접합된 금속 쉘을 Zn도금 또는 Ni도금을 실시한다. Zn도금 또는 Ni도금 후에 3가 크로메이트 처리를 실시하여도 좋다. 또, 접지전극에 도금이 부착되어 있어도 좋고, 접지전극에 도금이 부착되지 않도록 마스킹을 하여도 좋고, 접지전극에 부착된 도금을 별도로 박리하여도 좋다. 그 다음에, 세라믹 등을 소정의 형상으로 소성함에 의해서 절연체(3)를 제작하고, 중심전극(2)을 절연체(3)에 공지 수법에 따라서 조립하고, 접지전극(6)이 접합된 금속 쉘(4)에 상기 절연체(3)를 조립한다. 그리고, 접지전극(6)의 선단부를 중심전극(2) 측으로 굽힘에 의해서 접지전극(6)의 일단이 중심전극(2)의 선단부와 대향하도록 함으로써 스파크 플러그(1)가 제조된다.

본 발명에 관한 스파크 플러그는 자동차용 내연기관, 예를 들면 가솔린 엔진 등의 점화전으로서 사용되며, 내연기관의 연소실을 구획 형성하는 헤드(도시생략)에 형성된 나사구멍에 상기 나사부(9)가 나사결합됨으로써 소정의 위치에 고정된다. 본 발명에 관한 스파크 플러그는 어떠한 내연기관에도 사용할 수 있지만, 고열전도성, 고강도를 유지하면서 부식용 신생이물의 형성을 억제할 수 있는 중심전극 및/또는 접지전극을 구비하기 때문에, 특히 고온 및 고산소 농도가 되는 내연기관에 최적하게 사용될 수 있다.

본 발명에 관한 스파크 플러그(1)는 상기한 실시형태에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위에 있어서 여러 가지 변경이 가능하다. 예를 들면, 상기 스파크 플러그(1)는 중심전극(2)의 선단면과 접지전극(6)에 있어서의 일단의 표면이 중심전극(2)의 축선방향에서 불꽃방전간극(G)을 사이에 두고서 대향하도록 배치되어 있으나, 본 발명에 있어서, 도 2(a) 및 도 2(b)에 나타낸 바와 같이, 중심전극(2)의 측면과 접지전극(61,62)의 일단의 선단면이 중심전극(2)의 반지름방향에서 불꽃방전간극(G)을 사이에 두고서 대향하도록 배치되어 있어도 좋다. 이 경우에, 중심전극(2)의 측면에 대향하는 접지전극(61,62)은 도 2(a)에 나타낸 바와 같이 단수개 설치되어도 좋고, 도 2(b)에 나타낸 바와 같이 복수개 설치되어도 좋다.

또, 상기 스파크 플러그(1)는 중심전극(2) 및 접지전극(6) 모두가 상기 전극재료로 형성되어 있는데, 본 발명에서는 중심전극만이 상기 전극재료로 형성되어 있어도 좋고, 접지전극만이 상기 전극재료로 형성되어 있어도 좋다. 본 발명에 관한 스파크 플러그는 통상 중심전극보다도 접지전극 측이 더 고온에 노출되기 때문에, 적어도 접지전극을 상기 전극재료로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 중심전극(2)이 상기 전극재료 이외의 재료로 형성되는 경우에는, 예를 들면 외측 부재(7)가 상기 전극재료 이외의 공지의 Ni합금 등으로 형성되고, 내측 부재(8)가 Cu 또는 Ag 등의 열도전성이 우수한 금속재료에 의해 형성된다.

상기 스파크 플러그(1)는 도 1(b)에 나타낸 바와 같이 접지전극(6) 전체가 상기 전극재료에 의해서 형성되어 있으나, 도 2(a)에 나타낸 바와 같이 접지전극(61)이 외부층(12)과 이 외부층(12)의 내부의 축심부에 동심적으로 매립되도록 형성된 축부(13)에 의해서 형성되되, 외부층(12)이 상기 전극재료, 축부(13)가 Cu를 주성분으로 하는 금속재료에 의해서 형성되어도 좋다. 혹은, 도 2(b)에 나타낸 바와 같이 접지전극(62)이 외부층(14)과 이 외부층(14)의 내부의 축심부에 동심적으로 매립되도록 형성된 축부(15)와 이들 외부층(14)과 축부(15) 사이에 축부(15)를 덮도록 형성된 중간층(16)에 의해서 형성되되, 외부층(14)이 상기 전극재료, 중간층(16)이 Cu를 주성분으로 하는 금속재료, 축부(15)가 Ni을 주성분으로 하는 금속재료에 의해서 형성되어도 좋다. 이와 같은 구조를 가지는 접지전극은 열방산이 좋아 고온으로 된 접지전극의 온도를 효과적으로 낮출 수 있다.

또한, 상기 스파크 플러그(1)는 중심전극(2) 및 접지전극(6)을 구비하고 있는데, 본 발명에서는 중심전극의 선단부 및 접지전극의 표면의 양방 또는 어느 일방에 귀금속 팁을 구비하고 있어도 좋다. 중심전극의 선단부 및 접지전극의 표면에 형성되는 귀금속 팁은 통상 원기둥 또는 각기둥 형상을 이루며, 적당한 치수로 조정되고 적당한 용접수법(예를 들면, 레이저 용접 또는 전기저항 용접)에 의해서 중심전극의 선단부, 접지전극의 표면에 용융 고착된다. 이 경우, 대향하는 2개의 귀금속 팁의 표면 사이에 형성되는 간극, 또는 귀금속 팁의 표면과 이 귀금속 팁에 대향하는 중심전극(2) 또는 접지전극(6)의 표면 사이의 간극이 상기 불꽃방전간극이 된다. 상기 귀금속 팁을 형성하는 재료는 예를 들면, Pt, Pt합금, Ir, Ir함금 등의 귀금속을 들 수 있다.

《실시예》

＜스파크 플러그 시험체의 제작＞

통상의 진공 용해로를 사용하여 표 1 및 표 2에 나타내는 조성(질량%)을 가지는 합금의 용탕을 조제하고, 진공 주조에 의해서 각 용탕으로부터 주괴를 조제하였다. 그 후, 이 주괴를 열간 주조에 의해서 직경 4.2㎜의 환봉으로 하였다. 이 환봉을 컵형상으로 형성하고, 컵형상의 외측 부재에 Cu의 내측 부재를 삽입하고서 압출가공 등의 소성가공 후에 와이어 드로잉 가공을 실시하여 직경 2.5㎜의 복합재로 하고, 또 직경 4.2㎜의 환봉을 와이어 드로잉 가공, 소성가공 등을 실시하여 단면 치수 1.6㎜×2.8㎜의 선재로 하여, 상기 복합재를 스파크 플러그 시험체의 중심전극, 상기 선재를 스파크 플러그 시험체의 접지전극으로 제작하였다.

그리고, 공지 수법에 의해서 금속 쉘의 일단면에 상기 접지전극의 일단부를 접합하고, 그 다음에, 세라믹으로 형성된 절연체에 상기 중심전극을 조립하고, 접지전극이 접합된 금속 쉘에 상기 절연체를 조립하였다. 그리고, 접지전극의 선단부를 중심전극 측으로 구부려서 접지전극의 일단이 중심전극의 선단부와 대향하도록 하여 스파크 플러그 시험체를 제조하였다.

또한, 제조된 스파크 플러그 시험체의 나사지름은 M14이고, 절연체의 단면에서부터 축선방향으로 돌출되는 중심전극의 단면까지의 길이를 나타내는 중심전극 돌출치수는 3㎜, 금속 쉘의 단면에서부터 축선방향으로 돌출되는 절연체의 단면까지의 길이를 나타내는 절연체 돌출치수는 3㎜, 중심전극의 단면과 이 중심전극에 대향하는 접지전극의 표면 사이의 불꽃방전간극은 1.1㎜이었다.

＜평가방법＞

(부식형태 신생이물의 형성)

상기한 바와 같이 제조한 스파크 플러그 시험체를 2000cc 6기통의 가솔린 엔진에 부착하고, 스로틀 전개 상태에서 엔진 회전수 5000rpm 상태를 유지하고, 100∼200시간의 운전을 실시하였다. 또한, 연료는 무연 가솔린을 사용하였다.

부식형태 신생이물의 형성상태에 대해서는, 확대경(×50)을 사용하여 접지전극의 표면에 부식형태 신생이물이 형성되어 있는지 아닌지를 육안으로 판단하고, 이하의 기준에 의거하여 평가하였다. 결과를 표 1 및 표 2에 나타낸다.

× : 100시간의 운전에서 부식형태 신생이물이 관찰된 경우.

○ : 150시간의 운전에서 부식형태 신생이물이 관찰된 경우.

◎ : 200시간의 운전에서 부식형태 신생이물이 관찰된 경우.

☆ : 200시간의 운전에서 부식형태 신생이물이 관찰되지 않은 경우.

(강도 시험)

상기한 바와 같이 제조한 스파크 플러그 시험체를, 접지전극이 1000℃가 되도록 가열하면서 주파수 40Hz, 가속도 30G에서 진동시험을 실시하고, 이하의 기준에 의거하여 평가하였다. 결과를 표 1 및 표 2에 나타낸다.

× : 4시간 미만의 진동시험에서 절손된 경우.

○ : 4시간 이상 8시간 미만의 진동시험에서 절손된 경우.

◎ : 8시간의 진동시험에서 절손되지 않은 경우.

(열전도성 시험)

상기한 바와 같이 제조한 스파크 플러그 시험체와 같은 치수를 가지며, 또한 중심전극의 외측 부재와 접지전극이 순Ni로 형성된 스파크 플러그를 접지전극의 온도가 1000℃가 되도록 버너로 가열하였다. 이 가열조건과 같은 조건으로 상기한 바와 같이 제조한 스파크 플러그 시험체를 버너로 가열하고, 접지전극의 온도를 방사 온도계로 측정하고, 이하의 기준에 의거하여 평가하였다. 결과를 표 1 및 표 2에 나타낸다.

× : 접지전극의 온도가 1050℃를 초과한 경우.

○ : 접지전극의 온도가 1000∼1050℃인 경우.

본 발명의 범위에 포함되는 전극재료로 형성된 전극을 구비한 스파크 플러그는, 표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 부식형태 신생이물이 형성되기 어렵고, 고강도이고, 고열전도성을 가지고 있었다.

한편, 본 발명의 범위 외에 있는 전극재료로 형성된 전극을 구비한 스파크 플러그는, 표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 부식형태 신생이물의 형성, 강도 및 열전도성 중 적어도 1개의 특성이 뒤떨어져 있었다.

비교예 1∼3은 Ti, V 및 Nb가 함유되어 있지 않고, 비교예 4∼8은 Mn의 함유율 및 비율(a/b)이 본 발명의 범위 외에 있어 어느 것이나 부식형태 신생이물의 형성에 관한 평가가 뒤떨어져 있었다. 비교예 9∼12는 비율(a/b)이 본 발명의 범위 외에 있어 부식형태 신생이물의 형성에 관한 평가가 뒤떨어져 있었다. 비교예 13∼15는 Y 및/또는 희토류 원소의 함유율이 본 발명의 범위보다 적어 강도에 관한 평가가 뒤떨어져 있었다. 비교예 16은 Y 및/또는 희토류 원소의 함유율이 본 발명의 범위보다 많아 부식형태 신생이물의 형성에 관한 평가가 뒤떨어져 있었다. 비교예 17∼22는 Ni의 함유율이 본 발명의 범위보다 적어 열전도성에 관한 평가가 뒤떨어져 있었다.

1,101,102 - 스파크 플러그 2 - 중심전극
3 - 절연체 4 - 금속 쉘
6,61,62 - 접지전극 7 - 외측 부재
8 - 내측 부재 9 - 나사부
10 - 탈크 11 - 패킹
12,14 - 외부층 13,15 - 축부
16 - 중간층 G - 불꽃방전간극

Claims

중심전극 및 상기 중심전극과의 사이에 간극을 가지도록 배치된 접지전극을 구비하며, 상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 적어도 어느 일방이 Ni을 96질량% 이상 함유하는 전극재료에 의해서 형성되어 이루어지는 스파크 플러그에 있어서,
상기 전극재료는 Y과 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 합계로서 0.05질량% 이상 0.45질량% 이하, Mn을 0.05질량% 이상, 및 Ti과 V과 Nb으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 합계로서 0.01질량% 이상 함유하고,
또한 Mn의 함유량(b)과 Ti, V 및 Nb의 합계 함유량(a)의 비율(a/b)이 0.02 이상 0.40 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1에 있어서,
상기 비율(a/b)이 0.03 이상 0.29 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 비율(a/b)이 0.04 이상 0.14 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 전극재료는 Si를 0.15질량% 이상 1.5질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 전극재료는 Al을 0.01질량% 이상 0.1질량 %이하 함유하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 전극재료는 Cr을 0.05질량% 이상 0.5질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 전극재료는 C를 0.005질량% 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 전극재료는 Ti을 함유하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
적어도 상기 접지전극이 상기 전극재료에 의해서 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.