KR101403830B1 - 스파크 플러그의 전극 및 그 제조방법, 및 스파크 플러그 및 스파크 플러그의 제조방법 - Google Patents

스파크 플러그의 전극 및 그 제조방법, 및 스파크 플러그 및 스파크 플러그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 구리 또는 구리를 주성분으로 하는 금속을 모재금속으로 하고, 모재금속의 열전도도보다도 높은 열전도도를 가지는 카본을 10∼80체적%의 비율로 모재 금속에 분산시킨 복합재로 이루어지는 코어를, 니켈 또는 니켈을 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 외피로 포위하여 중심전극 및 접지전극 중 적어도 일방을 제작한다. 이와 같은 전극은 외피와 코어의 열팽창계수의 차가 작고, 열전도가 양호하여 열방산이 좋아지게 되고, 내구성이 우수한 스파크 플러그를 얻을 수 있다.

Description

스파크 플러그의 전극 및 그 제조방법, 및 스파크 플러그 및 스파크 플러그의 제조방법{SPARK PLUG ELECTRODE, METHOD FOR PRODUCING SAME, SPARK PLUG, AND METHOD FOR PRODUCING SPARK PLUG}
본 발명은 스파크 플러그의 전극 및 그 제조방법, 및 스파크 플러그 및 스파크 플러그의 제조방법에 관한 것이다.
내연기관의 스파크 플러그의 중심전극이나 접지전극은, 내연기관이 고성능화됨에 따라서 더욱더 고온에서 사용되는 경향이 있는 데, 연소에 의한 열이 축적되면 전극재료가 열화되기 때문에 열전도성을 높여서 열방산을 좋게 할 필요가 있다. 그래서, 내식성이 우수한 니켈 합금을 외피(外皮)로 하고, 니켈 합금보다도 열전도도가 높은 금속을 코어(core)로 하는 전극을 이용하는 것이 제안되어 있다〈예를 들면, 특허문헌 1〉.
특허문헌 1 : 일본국 공개특개 평5-343157호 공보
코어재료로서는 열전도도가 높은 점에서 구리가 바람직하지만, 외피인 니켈 합금과의 열팽창계수의 차(差)가 크므로, 열응력에 의해서 코어가 변형되어 외피와 코어의 계면에 간극이 발생하게 된다. 그 결과, 전극재료의 방열성이 저하되어 스파크 플러그로서의 수명이 짧은 것이 된다. 외피와 코어의 계면에서의 간극을 방지하기 위해서는 양자의 열팽창계수의 차를 작게 하면 되는 데, 외피의 니켈 합금은 내식성을, 코어의 구리는 고열전도성을 담당하기 때문에 그 조성의 큰 변경은 바람직하지 않다. 코어가 변형된다는 점에서 코어의 강도를 높이는 것도 해결수단이 되기 때문에, 예를 들면 합금화에 의한 고용강화도 생각할 수 있지만, 합금화에 의해서 구리 단독의 경우보다도 열전도도가 저하되므로 큰 개선에는 이르지 못한다.
또, 세라믹 분체를 분산시킴에 의해서 과열시의 입성장을 억제함으로써 코어의 강도를 높이는 수법도 생각할 수 있지만, 세라믹은 구리보다 열전도도가 낮기 때문에 코어의 열전도도의 저하뿐만 아니라, 세라믹과의 접촉·마모에 의해서 절삭 지그나 절단 지그, 성형금형 등의 가공용 지그의 수명이 짧아지게 된다는 문제를 초래한다.
또, 코어재료로서, 열팽창계수가 니켈 합금에 가깝고, 고강도이고 또한 구리보다도 저렴하기 때문에 니켈이나 철 등을 이용하는 것도 생각할 수 있지만, 열전도도의 면에서 Cu에는 미치지 못한다.
그래서, 본 발명은 니켈 합금의 외피와 코어로 구성되는 스파크 플러그의 전극에 있어서, 외피와 코어에 발생하는 열응력에 견뎌서 변형에 의한 간극을 억제하고, 또한 열전도도를 양호하게 유지하고, 게다가 구리 이상의 방열성을 가지는 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또, 상기한 전극을 가지며, 내구성이 우수한 스파크 플러그를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 이하의 것을 제공한다.
(1) 스파크 플러그의 중심전극 및 접지전극 중 적어도 일방이 되는 전극으로서,
구리 또는 구리를 주성분으로 하는 금속을 모재금속으로 하고, 상기 모재금속의 열전도도보다도 높은 열전도도를 가지는 카본을 10∼80체적%의 비율로 상기 모재금속에 분산시킨 복합재로 이루어지는 코어의 적어도 일부가, 니켈 또는 니켈을 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 외피로 포위되어 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그의 전극.
(2) 상기 카본의 열전도도가 450W/m·K 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 스파크 플러그의 전극.
(3) 상기 복합재의 열전도도가 450W/m·K 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 스파크 플러그의 전극.
(4) 상기 카본이 카본분말, 카본섬유 및 카본나노튜브에서 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 상기 (1)∼(3) 중 어느 한 항에 기재된 스파크 플러그의 전극.
(5) 상기 카본분말의 평균 입경이 2㎛ 이상 200㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 상기 (4)에 기재된 스파크 플러그의 전극.
(6) 상기 카본섬유의 평균 섬유길이가 2㎛ 이상 2000㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 상기 (4)에 기재된 스파크 플러그의 전극.
(7) 상기 카본나노튜브의 평균 길이가 0.1㎛ 이상 2000㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 상기 (4)에 기재된 스파크 플러그의 전극.
(8) 축선방향으로 연장되는 축구멍을 가지는 절연체와,
상기 축구멍에 유지되는 중심전극과,
상기 절연체의 외주에 설치된 금속쉘과,
기단부가 상기 금속쉘에 접합되고, 자신의 선단부와 상기 중심전극의 선단부의 사이에 간극을 형성하는 접지전극을 구비하는 스파크 플러그로서,
상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 적어도 일방이 상기 (1)∼(7) 중 어느 한 항에 기재된 전극인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
(9) 축선방향으로 연장되는 축구멍을 가지는 절연체와,
상기 축구멍의 상기 축선방향 선단측에 유지되는 중심전극과,
상기 절연체의 외주에 설치된 금속쉘과,
기단부가 상기 금속쉘에 접합되고, 그 선단부와 상기 중심전극의 선단부의 사이에 간극을 형성하는 접지전극을 구비한 스파크 플러그의 제조방법으로서,
상기 중심전극 또는 상기 접지전극 중 적어도 일방을 제조하는 공정에 있어서, 구리 또는 구리를 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 모재금속과 상기 모재금속의 열전도도보다도 높은 열전도도를 가지는 카본을 상기 카본이 10∼80체적%의 비율이 되도록 혼합하고 압분(壓粉) 또는 소결하여 코어를 성형하고, 니켈 또는 니켈을 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 컵의 오목부에 상기 코어를 수용한 후, 냉간 가공에 의해서 상기 중심전극 또는 상기 접지전극을 제조하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그의 제조방법.
(10) 축선방향으로 연장되는 축구멍을 가지는 절연체와,
상기 축구멍의 상기 축선방향 선단측에 유지되는 중심전극과,
상기 절연체의 외주에 설치된 금속쉘과,
기단부가 상기 금속쉘에 접합되고, 그 선단부와 상기 중심전극의 선단부의 사이에 간극을 형성하는 접지전극을 구비한 스파크 플러그의 제조방법으로서,
상기 중심전극 또는 상기 접지전극 중 적어도 일방을 제조하는 공정에 있어서, 구리 또는 구리를 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 모재금속의 용융물을 상기 모재금속의 열전도도보다도 높은 열전도도를 가지는 카본의 가(假)소결체에 상기 카본이 10∼80체적%의 비율이 되도록 함침시켜서 코어를 성형하고, 니켈 또는 니켈을 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 컵의 오목부에 상기 코어를 수용한 후, 냉간 가공에 의해서 상기 중심전극 또는 상기 접지전극을 제조하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그의 제조방법.
(11) 스파크 플러그의 중심전극 및 접지전극 중 적어도 일방을 제조하는 방법으로서,
구리 또는 구리를 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 모재금속과 상기 모재금속의 열전도도보다도 높은 열전도도를 가지는 카본을 상기 카본이 10∼80체적%의 비율이 되도록 혼합하고 압분 또는 소결하여 코어를 성형하고, 니켈 또는 니켈을 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 컵의 오목부에 상기 코어를 수용한 후, 소정 형상으로 냉간 가공하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그의 전극의 제조방법.
(12) 스파크 플러그의 중심전극 및 접지전극 중 적어도 일방을 제조하는 방법으로서,
구리 또는 구리를 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 모재금속의 용융물을 상기 모재금속의 열전도도보다도 높은 열전도도를 가지는 카본의 가소결체에 상기 카본이 10∼80체적%의 비율이 되도록 함침시켜서 코어를 성형하고, 니켈 또는 니켈을 주성분으로 하는 금속으로 이루어지는 컵의 오목부에 상기 코어를 수용한 후, 소정 형상으로 냉간 가공하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그의 전극의 제조방법.
본 발명의 스파크 플러그의 전극은, 니켈 합금의 외피와 코어의 열팽창계수의 차가 작아 외피와 코어의 계면에 간극이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 코어재료로서 열전도도가 우수한 구리 또는 구리 합금을 이용하고, 게다가 구리보다도 수 배 높은 열전도도를 가지는 카본을 분산시킨 복합재를 이용하였기 때문에, 열방산이 좋게 되고 내구성이 우수한 것이 된다. 또한, 가공성도 양호하고, 가공용 지그에 대한 부담도 적어지게 된다.
또, 본 발명의 스파크 플러그는 전극의 열방산이 좋고, 내구성이 우수한 것이 된다.
도 1은 스파크 플러그의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 2(a)와 도 2(b)는 중심전극을 제조할 때의 워크의 제조공정을 나타내는 도면이다.
도 3(a)∼도 3(c)는 중심전극을 제조할 때의 워크의 압출공정을 나타내는 반단면도이다.
도 4는 접지전극의 다른 예를 축선에 직교하는 단면으로 나타내는 모식도이다.
이하, 본 발명에 관해서, 중심전극의 제조방법을 예시하여 설명한다.
도 1은 스파크 플러그의 일례를 나타내는 단면도이다.
스파크 플러그(1)는 도 1에 나타낸 바와 같이, 축구멍(3)의 선단측에는 걸림부(41)를 구비한 중심전극(4)를 유지하고, 축구멍(3)의 후단에는 단자전극(6)과 함께 전도성 유리 실링부(7)를 사이에 두고 저항체(8)를 상기 축구멍(3) 내에 밀봉ㆍ유지하여 이루어지는 절연체(2)와; 상기 절연체(2)를 단차부(12)에 패킹(13)을 통해서 고지(固持)함과 아울러, 나사부(10)의 선단에는 절연체(2)에 유지되는 중심전극(4)의 선단과 대향하는 위치에 접지전극(11)을 배치하여 이루어지는 금속쉘(9);로 구성되어 있다.
본 발명에서는 중심전극(4)을, 모재금속에 카본을 분산시켜서 이루어지는 코어(14)를 니켈 합금으로 이루어진 외피(15)로 포위한 구성으로 한다.
외피재료인 니켈 합금에는 제한이 없으며, 인코넬{스페셜 메탈 주식회사(Special Metals Corporation)의 등록상표명: 이하 같음}계이어도 좋고, 고Ni계(Ni≥96%)의 재료이어도 좋다.
코어재료는, 모재금속으로서 열전도도가 우수한 구리 또는 구리를 주성분으로 하는(즉, 가장 많이 포함하는) 금속에 카본를 분산시킨 복합재이다. 구리와 합금화되는 금속성분으로는 크롬이나 지르코니아, 규소 등을 들 수 있다.
카본은 열전도도가 높은 것일수록 바람직하며, 450W/m·K-1 이상인 것이 보다 바람직하고, 600W/m·K-1 이상, 더욱더 바람직하게는 700W/m·K-1 이상인 것이 특히 바람직하다. 구체적으로는 카본분말이나 카본섬유, 카본나노튜브가 바람직하며, 그 중에서도 카본나노튜브의 열전도도는 상온에서 3000∼5500Wㆍm-1·K-1로 되어 있으며, 구리의 390Wㆍm-1·K-1에 비해서도 현격히 높아 바람직하다. 또, 카본의 열팽창계수는 예를 들면, 1.5∼2×10-6/K로 낮아, 코어 전체로서의 열팽창계수를 낮춰서 외피재료인 니켈 합금과의 열팽창계수의 차를 작게 할 수 있다.
또, 카본은 분산성(分散性)과 가공성을 고려하면, 카본나노튜브에서는 평균 길이가 0.1㎛ 이상 2000㎛ 이하, 특히 2㎛ 이상 300㎛ 이하인 것이 바람직하고, 카본분말에서는 평균 입경이 2㎛ 이상 200㎛ 이하, 특히 7㎛ 이상 50㎛ 이하인 것이 바람직하고, 카본섬유에서는 평균 섬유길이가 2㎛ 이상 2000㎛ 이하, 특히 2㎛ 이상 300㎛ 이하인 것이 바람직하다. 어느 것이나 하한보다도 작으면, 복합재의 모재금속과 카본의 계면면적이 증가하게 되어 복합재를 분단하고 연성이 저하되거나 혹은 강도 상승 효과가 얻어지기 어렵게 되며, 그 결과, 전극으로 가공한 후에 내부에 보이드(void)가 발생한다. 카본나노튜브에 있어서의 하한값이 입자나 섬유보다 작은 이유는, 카본나노튜브는 튜브 형상을 하고 있기 때문에 복합재의 모재금속과의 밀착 강도가 높아지게 되어(앵커 효과) 보이드가 발생하기 어렵기 때문이다. 또, 상한보다 커지게 되면, 복합재에 있어서의 이론 밀도가 작아지게 되어, 전극으로 가공한 후에 내부에 보이드가 잔존하는 경향이 있고, 상기 보이드가 더 많아지게 되면 가공성이 나빠지게 된다.
복합재에 있어서의 카본의 함유량은 10체적% 이상 80체적% 이하이고, 외피재료인 니켈 합금과의 열팽창계수의 차나 열전도도를 고려하여, 모재금속 및 카본의 종류에 따라서 적절히 선택된다. 또한, 복합재의 열전도도는 높을수록 바람직하며, 450W/m·K 이상이 더 바람직하고, 500W/m·K 이상이 특히 바람직하다.
또한, 열전도도 및 복합재의 카본 함유량은 하기의 방법에 의해서 구할 수 있다.
(1) 열전도도
미소(微小)영역이 측정 가능한 열반사법(thermoreflectance method) 및 주기가열법(periodic heating method)을 구비한 열물성 현미경{베텔(bethel)주식회사 제품 TM}을 이용하여 측정한다.
(2) 카본 함유량
복합재의 체적와 중량을 측정하고, 황산 등의 산성 용액에 침지하여 모재금속(예를 들면, 구리)만을 녹여 낸다. 남은 잔사가 카본이며, 그 중량에 의거하여 모재금속의 중량이 산출된다. 이 모재금속의 중량과 밀도(예를 들면, 구리에서는 8.93g/㎤)에 의거하여 모재금속의 체적이 산출되고, 원래의 복합재의 체적과의 비율에 의거하여 카본 함유량을 산출한다. 여기서, 모재금속이 합금인 경우는 그 조성을 정량 분석하고, 별도로 같은 조성 합금을 제작(예를 들면, 아크 용해)한 후, 측정한 밀도를 사용하여도 좋다.
복합재를 제작하기 위해서는, 예를 들면 모재금속의 분말과 카본을 상기 비율이 되도록 건식 혼합하고, 압분(壓粉) 또는 소결하면 된다. 압분 조건으로서는 100㎫ 이상의 프레스가 적당하다. 또, 소결 조건으로서는 모재금속의 융점 이하에서 실시할 필요가 있고, 상압의 경우, 그 모재금속의 융점의 90%가 기준이 된다. 또한, 소결할 때에 가압(HIP : 예를 들면 1000기압 900℃나 핫 프레스)하는 것이라면, 소결 온도는 낮게 설정할 수 있다.
혹은, 카본의 가(假)소결체를 제작하여 두고, 가소결체를 모재금속의 용융물에 침지하여 가소결체에 모재금속을 함침시켜도 된다.
중심전극(4)을 제조하기 위해서는, 우선 도 2(a)에 나타낸 바와 같이, 외피(15)가 되는 니켈 합금으로 이루어지는 컵(15a)의 구멍부(16)에, 코어(14)가 되는 복합재로 이루어지는 통형상체(14a)를 수용한다. 또한, 컵(15a)의 구멍부(16)의 바닥(17)은 도시한 바와 같이 소정의 꼭지각(θ)으로 부채꼴 형상으로 벌어져 있어도 되고, 평탄하게 형성되어 있어도 된다. 그리고, 컵(15a)에 통형상체(14a)를 수용하고, 통형상체(14a)를 상단에서 압압함으로써 도 2(b)에 나타낸 바와 같이 컵(15a)과 통형상체(14a)가 일체화된 워크(20)가 형성된다.
이어서, 도 3(a)에 나타낸 바와 같이 워크(20)를 다이스(30)의 삽입부(31)에 삽입하고, 상부에서 펀치(32)로 압압하여 압출함으로써 소정 치수의 소경부(小徑部)(21)를 형성한다. 그리고, 도 3(b)에 나타낸 바와 같이 후단부(22)를 절단한 후, 남은 소경부(21)를 더 압출 성형하여 최종적으로 도 3(c)에 나타낸 바와 같이 선단측에 소경부(21)보다도 직경이 작은 세경부(細徑部)(23)를 가지며, 후단에 절연체(2)의 축구멍(3)의 단차부에 걸리도록 턱형상으로 돌출된 걸림부(41)가 형성된 중심전극(4)을 제작한다. 이 중심전극(4)은 니켈 합금으로 이루어지는 외피(15)와 복합재로 이루어지는 코어(14)를 가진다. 또, 이것들의 압출 성형은 냉간에 의해서 실시할 수 있다.
상기한 압출 성형에 의해서 도 2(b)에 나타낸 워크(20)가 축선방향으로 연신(延伸)되고, 이것에 수반하여 통형상체(14a)도 연신된다. 따라서, 통형상체(14a)를 형성하는 복합재도 당초의 상태, 즉 모재금속의 분말과 카본의 압분체나 소결체, 혹은 카본의 소결체에 모재금속을 함침시킨 것에 있어서, 연결되어 있는 카본끼리가 분리되어 모재금속 중에 분산되게 된다.
이상은 중심전극(4)을 예로 하여 설명하였으나, 접지전극(11)을 상기한 바와 마찬가지로 니켈 합금을 외피(15)로 하고 복합재를 코어(14)로 하는 구성으로 할 수 있으며, 이 경우에는 니켈 합금으로 이루어지는 컵(15a)에 복합재로 이루어지는 통형상체(14a)를 수용한 워크(20)를 봉형상으로 압출하고, 중심전극(4)의 선단과 대향하도록 만곡시키면 된다.
또, 접지전극(11)은, 도 4에 축선과 직교하는 단면도로 나타낸 바와 같이, 복합재로 이루어지는 코어(14)와 니켈 합금으로 이루어지는 외피(15)의 2층 구조에, 축선의 중심에 순Ni로 이루어지는 코어재(18)를 더 배치한 3층 구조로 할 수도 있다. 순Ni은 접지전극(11)의 변형방지의 역할을 하기 때문에, 스파크 플러그 제조공정시의 접지전극의 휘어짐이나 엔진 탑재 후의 접지전극의 들뜸이 방지된다. 이와 같은 3층 구조로 하기 위해서는, 도 2(b)에 나타낸 워크(20)에 있어서, 순Ni을 축심(軸心)으로 하고 그 주위에 복합재를 배치한 통형상체를 제작하고, 이 통형상체를 컵(15a)의 구멍부(16)에 수용하면 된다.
《실시예》
이하, 실시예 및 비교예를 열거하여 본 발명을 더욱더 상세하게 설명하는데, 본 발명은 이것에 하등 제한되는 것은 아니다.
〈시험 1〉
표 1에 나타낸 바와 같이 열전도도가 다른 카본을 준비하고, 배합량을 변경하여 구리에 배합한 복합재를 제작하였다. 각 복합재에 대해서 상기한 '(1) 열전도도' 및 '(2) 복합재의 카본 함유량'의 각 측정방법에 따라서 각각의 값을 측정하였다. 또, 참고로 하기 위해서 카본을 분산하지 않은 인코넬 601(INC601)을 이용하였다. 결과를 표 1에 병기한다.
또, 도 2(a)와 도 2(b)에 나타낸 바와 같이 크롬을 20질량%, 알루미늄을 1.5질량% 및 철을 15질량% 포함하고, 잔부 니켈로 이루어지는 니켈 합금으로 이루어진 컵에 각 복합재를 수용하여 워크를 제작하고, 이 워크를 압출 성형하여 중심전극 및 접지전극을 제작하였다. 그리고, 제작된 중심전극 및 접지전극을 그 축선을 따라서 절단하고, 그 절단면을 연마하고서 금속 현미경으로 단면 관찰을 실시하여 외피와 코어의 경계에 간극이나 코어에 보이드가 발생하지 않았는지를 조사하였다. 결과를 표 1에 병기하는데, 표 1에 있어서 "보이드 대(大)"란 직경 100㎛ 이상, "보이드 소(小)"란 직경 100㎛ 미만, "보이드 미소(微小)"란 직경 50㎛ 이하를 나타내고, "계면간극 미소(微小)"란 길이 100㎛ 미만, "계면간극 대(大)"란 길이 100㎛ 이상을 나타낸다.
또, 제작된 중심전극 및 접지전극을 이용하여 스파크 플러그 시험체를 제작하고, 2000㏄ 엔진에 장착하였다. 그리고, 엔진을 5000rpm에서 1분간 유지한 후, 아이들링을 1분간 유지하는 1사이클을 250시간 반복하는 냉열 사이클 시험을 실시하였다. 시험 후에 스파크 플러그를 엔진에서 떼어내어 중심전극과 접지전극의 갭을 투영기로 측정하고, 당초의 갭에서부터의 증가량을 구하였다.
또, 종합평가에 대해서는, 갭 증가량이 80㎛ 이하이고, 보이드가 발생하지 않는 혹은 계면 간극이 미소한 경우에는 "☆", 갭 증가량이 80㎛ 초과 100㎛ 이하이고, 보이드가 발생하지 않는 또는 발생하더라도 미소한 경우에는 "◎", 갭 증가량이 120㎛ 이하이고, 보이드나 계면 간극이 미소한 경우에는 "○", 그 이외를 "×"로 하였다. 상기의 결과를 표 1에 병기한다.
카본 모재금속 복합재 시험결과


함유량
(체적%)
 열전도도
(W/mㆍK)
 금속
종류
 열전도도
(W/mㆍK)
 열전도도
(W/mㆍK)
 내구시험결과 종합평가
갭 증가량
(㎛)		 보이드or간극
1 비교예 0 - INC601 - - 238 - ×
2 비교예 0 - Cu 390 390 167 보이드 대 ×
3 비교예 5 350 Cu 390 388 152 보이드 소 ×
4 비교예 5 1000 Cu 390 410 131 보이드 소 ×
5 실시예 10 420 Cu 390 392 115 보이드 미소 ○
7 실시예 10 700 Cu 390 415 92 보이드 미소 ◎
8 실시예 10 1000 Cu 390 432 85 보이드 미소 ◎
9 실시예 20 420 Cu 390 399 106 보이드 미소 ○
10 실시예 20 450 Cu 390 402 97 없음 ◎
11 실시예 20 700 Cu 390 441 83 없음 ◎
12 실시예 20 1000 Cu 390 476 78 없음 ☆
14 실시예 30 450 Cu 390 407 95 없음 ◎
15 실시예 30 700 Cu 390 468 49 없음 ☆
16 실시예 30 1000 Cu 390 524 43 없음 ☆
17 실시예 50 420 Cu 390 409 112 없음 ○
18 실시예 50 450 Cu 390 419 89 없음 ◎
19 실시예 50 700 Cu 390 527 42 없음 ☆
20 실시예 50 1000 Cu 390 632 35 없음 ☆
21 실시예 60 420 Cu 390 396 110 없음 ○
22 실시예 60 450 Cu 390 425 89 없음 ◎
23 실시예 60 700 Cu 390 558 40 없음 ☆
24 실시예 60 1000 Cu 390 693 31 없음 ☆
25 실시예 70 420 Cu 390 397 110 없음 ○
26 실시예 70 450 Cu 390 431 85 없음 ◎
27 실시예 70 700 Cu 390 591 56 없음 ☆
28 실시예 70 1000 Cu 390 759 49 없음 ☆
29 실시예 80 420 Cu 390 421 118 계면 간극 미소 ○
30 실시예 80 450 Cu 390 428 92 계면 간극 미소 ◎
31 실시예 80 700 Cu 390 626 79 계면 간극 미소 ☆
32 실시예 80 1000 Cu 390 832 65 계면 간극 미소 ☆
33 비교예 83 420 Cu 390 423 136 계면 간극 대 ×
34 비교예 83 450 Cu 390 440 130 계면 간극 대 ×
35 비교예 83 700 Cu 390 632 129 계면 간극 대 ×
36 비교예 83 1000 Cu 390 849 122 계면 간극 대 ×
37 비교예 85 420 Cu 390 426 - - ×
38 비교예 85 450 Cu 390 441 - - ×
39 비교예 85 700 Cu 390 643 - - ×
40 비교예 85 1000 Cu 390 871 - - ×
표 1에 나타낸 바와 같이, 카본 함유량이 10체적% 이상 80체적% 이하인 복합재를 코어에 이용함으로써, 전극의 열방산이 좋아지게 된 것에 기인하여 소모량이 적고, 갭의 증가가 적다. 또, 코어에 보이드가 발생하거나, 외피와 코어의 계면에 간극이 발생하는 것도 억제되어 있다. 이것에 대해서, 카본의 함유량이 10체적% 미만에서는 갭이 증가하고, 보이드의 발생도 보인다. 또, 카본의 함유량이 80체적%를 초과하는 경우는 복합재의 열전도도가 높아지게 되지만 계면에 간극이 발생하였고, 특히 카본의 함유량이 85체적%가 되면 전극으로의 가공이 곤란하였다. 따라서, 카본의 함유량이 85체적%인 복합재에 대해서는 갭 측정 및 절단면의 관찰을 실시하지 않았다.
〈시험 2〉
표 2에 나타낸 바와 같이, 평균 입경이 다른 카본분말 또는 평균 섬유길이가 다른 카본섬유를 준비하고, 구리에 대해서 카본 함유량이 40체적%가 되도록 배합하여 복합재를 제조하였다. 각 복합재에 대해서 그 이론 밀도를 구하고, 실제 밀도와의 비(이론 밀도비)를 표 2에 병기한다.
또, 시험 1과 마찬가지로, 니켈 합금으로 이루어지는 컵에 각 복합재를 수용하고, 중심전극 및 접지전극으로 가공하였다. 이 때, 전극으로의 가공성을 평가하고, 결과를 표 2에 나타낸다. 평가는, 제작된 중심전극 및 접지전극을 그 축선을 따라서 절단하고, 그 절단면을 연마하고서 금속 현미경으로 단면 관찰을 실시하여, 니켈 전극(외피) 선단에서부터의 복합재 위치가 목표 4㎜에 대해서 4.5㎜ 이내인 경우에는 "◎", 5㎜ 이내인 경우에는 "○", 5.5㎜ 이내인 경우에는 "△", 5.5㎜ 초과인 경우에는 "×"로 하였다.
또한, 시험 1과 마찬가지로 절단면을 금속 현미경으로 관찰하여 코어의 보이드 유무를 조사하였다. 그리고, 표 2에 보이드가 발생하지 않는 경우에는 "○", 보이드가 발생한 경우에는 직경 30㎛ 미만을 "미소(微小)", 30∼50㎛를 "소(小)", 50㎛ 초과를 "대(大)"로 하였다.
카본
함유량		 모재
금속		 카본 복합재 전극재 가공 판정
형상 사이즈 이론 밀도비 가공성 단면
41 실시예 40 Cu

입자



 1 99.4 ○ 보이드 소 양호
42 실시예 40 Cu 2 99.5 ◎ ○ 우수
43 실시예 40 Cu 7 99.4 ◎ ○ 우수
44 실시예 40 Cu 15 99.5 ◎ ○ 우수
45 실시예 40 Cu 50 99.0 ◎ ○ 우수
46 실시예 40 Cu 150 95.2 ○ ○ 우수
47 실시예 40 Cu 209 89.4 △ 보이드 소 양호
48 실시예 40 Cu 220 87.3 △ 보이드 대 양호
49 실시예 40 Cu



섬유






 1 99.5 ○ 보이드 소 양호
50 실시예 40 Cu 5 99.4 ◎ ○ 우수
51 실시예 40 Cu 7 99.5 ◎ ○ 우수
52 실시예 40 Cu 15 99.7 ◎ ○ 우수
53 실시예 40 Cu 50 99.5 ◎ ○ 우수
54 실시예 40 Cu 300 97.2 ◎ ○ 우수
55 실시예 40 Cu 500 96.0 ○ ○ 우수
56 실시예 40 Cu 900 93.5 ○ ○ 우수
57 실시예 40 Cu 1300 92.6 ○ ○ 우수
58 실시예 40 Cu 1800 91.3 △ ○ 우수
59 실시예 40 Cu 2000 90.1 △ 보이드 미소 우수
60 실시예 40 Cu 2010 88.4 △ 보이드 소 양호
61 실시예 40 Cu 2100 87.2 △ 보이드 대 양호
표 2에 나타낸 바와 같이, 카본 사이즈가 커짐에 따라서 이론 밀도비가 작아지게 되고, 가공성도 저하되고, 큰 보이드도 발생하기 쉬워지게 된다. 특히, 카본분말에서는 평균 입경이 200㎛ 초과, 카본섬유에서는 평균 섬유길이가 2000㎛ 초과가 되면 현저하게 된다.
본 발명을 특정한 실시형태를 참조하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하는 일 없이 여러 가지 변경이나 수정을 가할 수 있는 것은 당업자에게 있어서 명백하다.
본 출원은 2010년 9월 24일에 출원된 일본 특허출원(특원 2010-213830)에 근거하는 것이며, 그 내용을 여기에 참조한다.
본 발명에 의하면, 중심전극이나 접지전극에 있어서, 외피와 코어의 열팽창계수의 차가 작고, 열전도가 양호하여 열방산이 좋아지게 되고, 내구성이 우수한 스파크 플러그를 얻을 수 있다.
1 - 스파크 플러그 2 - 절연체
3 - 축구멍 4 - 중심전극
6 - 단자전극 7 - 전도성 유리 실링재
8 - 저항체 9 - 금속쉘
10 - 나사부 11 - 접지전극
12 - 단차부 13 - 패킹
14 - 코어 15 - 외피
14a - 통형상체 15a - 컵
20 - 워크

Claims (12)

  1. 스파크 플러그의 중심전극 및 접지전극 중 적어도 일방이 되는 전극으로서,
    구리 또는 구리를 가장 많이 포함하는 금속을 모재금속으로 하고, 상기 모재금속의 열전도도보다도 높은 열전도도를 가지는 카본을 10∼80체적%의 비율로 상기 모재금속에 분산시킨 복합재로 이루어지는 코어의 적어도 일부가 니켈 또는 니켈을 가장 많이 포함하는 금속으로 이루어지는 외피로 포위되어 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그의 전극.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 카본의 열전도도가 450W/m·K 이상인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그의 전극.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합재의 열전도도가 450W/m·K 이상인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그의 전극.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 카본이 카본분말, 카본섬유 및 카본나노튜브에서 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그의 전극.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 카본분말의 평균 입경이 2㎛ 이상 200㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그의 전극.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 카본섬유의 평균 섬유길이가 2㎛ 이상 2000㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그의 전극.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 카본나노튜브의 평균 길이가 0.1㎛ 이상 2000㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그의 전극.
  8. 축선방향으로 연장되는 축구멍을 가지는 절연체와,
    상기 축구멍에 유지되는 중심전극과,
    상기 절연체의 외주에 설치된 금속쉘과,
    기단부가 상기 금속쉘에 접합되고, 자신의 선단부와 상기 중심전극의 선단부의 사이에 간극을 형성하는 접지전극을 구비하는 스파크 플러그로서,
    상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 적어도 일방이 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 기재된 전극인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  9. 축선방향으로 연장되는 축구멍을 가지는 절연체와,
    상기 축구멍의 상기 축선방향 선단측에 유지되는 중심전극과,
    상기 절연체의 외주에 설치된 금속쉘과,
    기단부가 상기 금속쉘에 접합되고, 그 선단부와 상기 중심전극의 선단부의 사이에 간극을 형성하는 접지전극을 구비한 스파크 플러그의 제조방법으로서,
    상기 중심전극 또는 상기 접지전극 중 적어도 일방을 제조하는 공정에 있어서, 구리 또는 구리를 가장 많이 포함하는 금속으로 이루어지는 모재금속과 상기 모재금속의 열전도도보다도 높은 열전도도를 가지는 카본을 상기 카본이 10∼80체적%의 비율이 되도록 혼합하고 압분(壓粉) 또는 소결하여 코어를 성형하고, 니켈 또는 니켈을 가장 많이 포함하는 금속으로 이루어지는 컵의 오목부에 상기 코어를 수용한 후, 냉간 가공에 의해서 상기 중심전극 또는 상기 접지전극을 제조하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그의 제조방법.
  10. 축선방향으로 연장되는 축구멍을 가지는 절연체와,
    상기 축구멍의 상기 축선방향 선단측에 유지되는 중심전극과,
    상기 절연체의 외주에 설치된 금속쉘과,
    기단부가 상기 금속쉘에 접합되고, 그 선단부와 상기 중심전극의 선단부의 사이에 간극을 형성하는 접지전극을 구비한 스파크 플러그의 제조방법으로서,
    상기 중심전극 또는 상기 접지전극 중 적어도 일방을 제조하는 공정에 있어서, 구리 또는 구리를 가장 많이 포함하는 금속으로 이루어지는 모재금속의 용융물을 상기 모재금속의 열전도도보다도 높은 열전도도를 가지는 카본의 가(假)소결체에 상기 카본이 10∼80체적%의 비율이 되도록 함침시켜서 코어를 성형하고, 니켈 또는 니켈을 가장 많이 포함하는 금속으로 이루어지는 컵의 오목부에 상기 코어를 수용한 후, 냉간 가공에 의해서 상기 중심전극 또는 상기 접지전극을 제조하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그의 제조방법.
  11. 스파크 플러그의 중심전극 및 접지전극 중 적어도 일방을 제조하는 방법으로서,
    구리 또는 구리를 가장 많이 포함하는 금속으로 이루어지는 모재금속과 상기 모재금속의 열전도도보다도 높은 열전도도를 가지는 카본을 상기 카본이 10∼80체적%의 비율이 되도록 혼합하고 압분 또는 소결하여 코어를 성형하고, 니켈 또는 니켈을 가장 많이 포함하는 금속으로 이루어지는 컵의 오목부에 상기 코어를 수용한 후, 소정 형상으로 냉간 가공하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그의 전극의 제조방법.
  12. 스파크 플러그의 중심전극 및 접지전극 중 적어도 일방을 제조하는 방법으로서,
    구리 또는 구리를 가장 많이 포함하는 금속으로 이루어지는 모재금속의 용융물을 상기 모재금속의 열전도도보다도 높은 열전도도를 가지는 카본의 가소결체에 상기 카본이 10∼80체적%의 비율이 되도록 함침시켜서 코어를 성형하고, 니켈 또는 니켈을 가장 많이 포함하는 금속으로 이루어지는 컵의 오목부에 상기 코어를 수용한 후, 소정 형상으로 냉간 가공하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그의 전극의 제조방법.
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