KR101409547B1 - 스파크 플러그 - Google Patents

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KR101409547B1
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도모오 다나카
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니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 소망하는 내구성을 가지는 귀금속 팁, 구체적으로는 내소모성, 내박리성 및 내팁균열성이 우수한 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그를 제공하는 것을 과제로 한다. 본 발명의 스파크 플러그는, (1) Mp(Pt 또는 Pt과 Pd으로 이루어지고, Pd은 귀금속 팁의 질량에 대해서 20질량% 이하이다), Cu 및 M(M은 Rh, Ir, Ru, Re 및 W으로 이루어지는 원소군에서 선택되는 적어도 1종이다)을 합계로 95질량% 이상 함유하고, 또한 상기 Mp, Cu, M의 질량비가 특정 범위에 있는 것, 또는 (2) 상기 Mp, Cu, M의 질량비(Mp, Cu, M)가 특정 범위에 있고, 또한 용접면적(S)(㎟), 팁 돌출치수(H)(㎜), 커버링 치수(L)(㎜) 및 팁/용접부 간 거리(h)(㎜)가 다음의 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다. (a) H≤0.13S+1.18, (b) S≤5, (c) 0.1≤h 또는 0.03≤L

Description

스파크 플러그{SPARK PLUG}
본 발명은 스파크 플러그에 관한 것으로서, 특히 중심전극 및 접지전극 중 적어도 일방에 귀금속 팁이 형성되어 이루어지는 스파크 플러그에 관한 것이다.
자동차 엔진 등의 내연기관의 점화용으로 사용되는 스파크 플러그는, 일반적으로 통형상의 금속쉘과, 상기 금속쉘의 내측 구멍에 배치되는 통형상의 절연체와, 상기 절연체의 선단측 내측 구멍에 배치되는 중심전극과, 일단이 금속쉘의 선단측에 접합되고 타단이 중심전극과 간극을 형성하도록 설치된 접지전극을 구비한다. 또한, 내불꽃 소모성 향상 등을 목적으로 하여, 중심전극과 접지전극의 선단면에 귀금속 합금에 의해서 형성되는 팁이 형성된 스파크 플러그도 알려져 있다.
그런데, 최근의 자동차 등의 내연기관은 고출력 및 고착화성이 요구되고 있어, 연소실 내의 압력이 높은 과급기가 장착된 내연기관이나 고에너지 코일을 이용한 내연기관이 개발되고 있다. 이와 같은 내연기관에서 사용되는 스파크 플러그의 사용 환경은 매우 가혹하기 때문에, 내산화성 뿐만 아니라 내불꽃 소모성이나 내박리성이 우수한 스파크 플러그의 개발이 요구되고 있다.
예를 들면, 특허문헌 1에는, Pt에 대해서 Rh, Ir, Ni, Pd 등을 첨가한 재료에 대해서 내소모성을 향상시킨 스파크 플러그가 기재되어 있다. 또, 특허문헌 2에는, 전극 구분(區分)과 전극 베이스 보디와의 사이에 극히 근소한 열기계적인 응력밖에 생기지 않고, 게다가 저렴하게 제조할 수 있는 점화 플러그를 제공하는 것을 목적으로 하여, 전극의 일방의 단(端)구분에 전극 구분이 형성되어 있는 형식의 것에 있어서, 전극 구분이 구리를 함유한 합금을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 점화 플러그가 기재되어 있다.
그 외에도 각종 귀금속 합금으로 형성된 팁이 중심전극 및/또는 접지전극에 형성되어 이루어지는 스파크 플러그가 다수 알려져 있다.
특허문헌 1 : 일본국 특허공개 2005-353606호 공보 특허문헌 2 : 일본국 특허공개 2004-165165호 공보
그러나, 지금까지 알려져 있는 어떠한 귀금속 합금으로 형성된 팁도 일장일단이 있어, 모든 성능을 만족하는 스파크 플러그는 없었다. 예를 들면, Pt-Rh 합금이나 Pt-Ir 합금으로 형성된 귀금속 팁은 내불꽃 소모성이 특히 우수하지만, 연소실 내의 고온 환경 및 냉열 사이클을 수반하는 환경 하에 있어서의 귀금속 팁과 전극 모재와의 사이에서의 내박리성 및 내팁균열성(tip breakage resistance)이 뒤떨어진다. Pt-Ni 합금으로 형성된 귀금속 팁은 내박리성이 특히 우수하지만, 내불꽃 소모성이 뒤떨어진다.
본 발명은 이러한 과제를 해결하는 것을 목적으로 하고, 소망하는 내구성을 가지는 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그를 제공하는 것을 과제로 한다. 구체적으로는 내소모성, 내박리성 및 내팁균열성이 우수한 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단은, (Ⅰ) 중심전극 및 상기 중심전극과의 사이에 간극을 형성한 접지전극을 구비하고, 상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 적어도 일방에 귀금속 팁이 형성된 스파크 플러그에 있어서, 상기 귀금속 팁은 Mp(Pt 또는 Pt과 Pd으로 이루어지고, Pd은 귀금속 팁의 질량에 대해서 20질량% 이하이다), Cu 및 M(M은 Rh, Ir, Ru, Re 및 W으로 이루어지는 원소군에서 선택되는 적어도 1종이다)을 합계로 95질량% 이상 함유하고, 또한 상기 Mp, Cu, M의 질량비(Mp, Cu, M)가 3성분계 조성도에 있어서의 각 점 D(95, 5, 0), E(94.5, 5, 0.5), F(87, 5, 8), G(80, 12, 8), H(79.5, 20, 0.5), I(80, 20, 0), D(95, 5, 0)를 이 순서대로 연결하는 선분으로 둘러싸인 영역 내(선상(線上)을 포함한다)에 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
상기 (Ⅰ)의 바람직한 형태는,
(Ⅱ) 상기 귀금속 팁은 질량비(Mp, Cu, M)가 3성분계 조성도에 있어서의 각 점 E(94.5, 5, 0.5), F(87, 5, 8), G(80, 12, 8), H(79.5, 20, 0.5), E(94.5, 5, 0.5)를 이 순서대로 연결하는 선분으로 둘러싸인 영역 내(선상을 포함한다)에 있는 것을 특징으로 하고,
(Ⅲ) 축구멍을 가지는 절연체를 구비하고, 상기 축구멍에 설치된 중심전극 및 상기 중심전극과의 사이에 간극을 형성한 접지전극을 구비하고, 상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 적어도 일방에 귀금속 팁이 형성된 스파크 플러그에 있어서, 이하에 기재된 용접면적(S)(㎟)과 팁 돌출치수(H)(㎜), 커버링 치수(covering length)(L)(㎜), 팁/용접부 간 거리(h)(㎜)가 다음의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
(a) H≤0.13S+1.18, (b) S≤5, (c) 0.1≤h 또는 0.03≤L
단, 용접면적(S)은, 상기 귀금속 팁이 상기 중심전극 및/또는 상기 접지전극의 선단면 또는 둘레측면에 형성되고, 상기 귀금속 팁이 당해 귀금속 팁과 설치 금속체(단, 설치 금속체는 중심전극, 접지전극, 또는 이들 전극과 상기 귀금속 팁과의 사이에 설치된 토대를 말한다)와의 용융에 의해서 형성되는 용접부를 통해서 접합되어 있는 상기 설치 금속체의 접합면에 대해서 수직인 방향을 X방향이라 하고, 상기 X방향에서 관찰하여, 상기 설치 금속체와 상기 귀금속 팁을 상기 X방향에 직교하는 면으로 투영한 경우에 있어서의 양 투영영역이 겹쳐지는 영역의 면적(S)(단, 상기 귀금속 팁이 설치 금속체에 당해 설치 금속체에 있어서의 복수 면에서 접합되어 있는 경우에는 각 면에 대해서 수직인 방향을 Y방향이라 하고, 각 Y방향에 있어서의 겹쳐지는 영역의 합계 면적을 S라 한다)이고, 팁 돌출치수(H)는, 상기 귀금속 팁과 대향 금속 볼록체(단, 대향 금속 볼록체는 귀금속 팁, 중심전극의 선단부가 돌출되게 형성되는 중심전극 볼록부, 또는 접지전극의 선단부가 돌출되게 형성되는 접지전극 볼록부를 말한다)가 대향하는 방향에 있어서, 상기 설치 금속체의 상기 접합면과 당해 접합면에서부터 가장 멀리 떨어진 상기 귀금속 팁의 선단면과의 사이의 거리(단, 상기 설치 금속체와 상기 귀금속 팁과의 사이의 전면(全面)에 상기 용접부가 형성되어 있는 경우에는, 상기 귀금속 팁의 축선(PX)방향에 있어서의 상기 용접부의 두께가 가장 얇은 부위에 있어서의 두께의 1/2이 되는 점에서부터 상기 축선(PX)방향으로 가장 멀리 떨어진 상기 귀금속 팁의 표면까지의 거리이다)이고, 커버링 치수(L)와 팁/용접부 간 거리(h)에 대해서는, 상기 축구멍이 연장되는 방향을 상기 중심전극의 축선(AX)방향이라 하였을 때, (1) 상기 귀금속 팁과 상기 대향 금속 볼록체가 상기 축선(AX)방향으로 대향하도록 배치되고, 상기 귀금속 팁이 상기 설치 금속체로부터 상기 축선(AX)에 직교하는 방향으로 돌출되지 않는 경우에는, 커버링 치수(L)는, 상기 축선(AX)방향에서 관찰하여, 상기 귀금속 팁의 최대 직경이 되는 둘레측면 상의 점(k1)을 포함하는 상기 축선(AX)에 평행한 직선군(直線群)과 상기 귀금속 팁에 대향하는 상기 대향 금속 볼록체의 최대 직경이 되는 둘레측면 상의 점(k2)을 포함하는 상기 축선(AX)에 평행한 직선군과의 사이의 최단 거리이고, 팁/용접부 간 거리(h)는, 상기 귀금속 팁에 있어서, 상기 점(k1)을 포함하고 상기 축선(AX)에 평행한 면에 있어서의 상기 귀금속 팁의 선단에서부터 상기 용접부와의 경계까지의 상기 축선(AX)방향 거리이고, (2) 상기 귀금속 팁이 상기 접지전극으로부터 상기 축선(AX)에 직교하는 방향으로 돌출되도록 상기 접지전극에 형성되고, 상기 대향 금속 볼록체의 선단면과 상기 귀금속 팁이 상기 축선(AX)방향에 있어서 대향하도록 배치되어 있는 경우에는, 커버링 치수(L)는 상기 축선(AX)방향에서 관찰하여, 상기 대향 금속 볼록체의 선단면을 상기 축선(AX)방향에 수직한 가상면으로 투영한 경우에 있어서의 투영면 상의 점(k3)과, 상기 접지전극을 상기 가상면으로 투영한 경우에 있어서의 투영면의 윤곽선 및 상기 귀금속 팁을 상기 가상면으로 투영한 경우에 있어서의 투영면의 윤곽선이 교차함에 의해서 생기는 교점(k41)과의 최단 거리이고, (i) 상기 귀금속 팁의 팁/용접부 간 거리(h)는, 상기 귀금속 팁에 있어서, 상기 교점(k41)을 포함하고 상기 축선(AX)에 평행한 면에 있어서의 상기 귀금속 팁의 선단에서부터 상기 용접부와의 경계까지의 거리이고, (ⅱ) 상기 대향 금속 볼록체가 중심전극에 형성된 귀금속 팁인 경우에는, 상기 대향 금속 볼록체의 팁/용접부 간 거리(h)는, 상기 점(k3)을 포함하고 상기 축선(AX)에 평행한 면에 있어서의 상기 중심전극에 형성된 귀금속 팁의 선단에서부터 상기 용접부와의 경계까지의 상기 축선(AX)방향의 거리이다.
상기 과제를 해결하기 위한 다른 수단은, (Ⅳ) 축구멍을 가지는 절연체를 구비하고, 상기 축구멍에 설치된 중심전극 및 상기 중심전극과의 사이에 간극을 형성한 접지전극을 구비하고, 상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 적어도 일방에 귀금속 팁이 형성된 스파크 플러그에 있어서, 상기 귀금속 팁은 Mp(Pt 또는 Pt과 Pd으로 이루어지고, Pd은 귀금속 팁의 질량에 대해서 20질량% 이하이다), Cu 및 M(M은 Rh, Ir, Ru, Re 및 W으로 이루어지는 원소군에서 선택되는 적어도 1종이다)을 합계로 95질량% 이상 함유하고, 또한 상기 Mp, Cu, M의 질량비(Mp, Cu, M)가 3성분계 조성도에 있어서의 각 점 A(97, 3, 0), B(80, 3, 17), C(75, 25, 0), A(97, 3, 0)를 이 순서대로 연결하는 선분으로 둘러싸인 영역 내(선상을 포함한다)에 있고, 상기 (Ⅲ)에 기재된 용접면적(S)(㎟)과 팁 돌출치수(H)(㎜), 커버링 치수(L)(㎜), 팁/용접부 간 거리(h)(㎜)가 다음의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
(a) H≤0.13S+1.18, (b) S≤5, (c) 0.1≤h 또는 0.03≤L
상기 (Ⅰ) 및 (Ⅵ)의 바람직한 형태는,
(Ⅴ) 상기 Mp는 Pt과 Pd으로 이루어지는 것을 특징으로 하고,
(Ⅵ) 상기 귀금속 팁은 Ni, Co, Fe 및 Mn으로 이루어지는 원소군(A) 및/또는 Ti, Hf, Y 및 희토류 원소로 이루어지는 원소군(B)에서 선택되는 적어도 1종을 포함하며, 상기 원소군(A)의 합계 질량이 5질량% 이하이고, 상기 원소군(B)의 합계 질량이 1.5질량% 이하이고, 또한 상기 원소군(A) 및 상기 원소군(B)의 합계 질량이 5질량% 이하인 것을 특징으로 하고,
(Ⅶ) 상기 M은 Rh인 것을 특징으로 하고,
(Ⅷ) 상기 귀금속 팁의 경도가 140Hv 이상인 것을 특징으로 하고,
(Ⅸ) 상기 귀금속 팁의 경도가 200Hv 이상인 것을 특징으로 하고,
(Ⅹ) 상기 중심전극이 절연체의 축방향으로 형성된 축구멍에 그 일단부에서 노출되도록 고정되고, 금속단자가 상기 축구멍의 타단부에서 노출되도록 고정되고, 상기 축구멍 내에 있어서의 상기 중심전극과 상기 금속단자와의 사이에 저항체가 설치되고, 상기 저항체의 저항값이 10㏀ 이하인 것을 특징으로 하고,
(XI) 상기 귀금속 팁은 상기 접지전극에만 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 (Ⅰ)의 스파크 플러그에 의하면, 중심전극 및 접지전극 중 적어도 일방에 형성된 귀금속 팁이 Mp, Cu, M을 합계로 95질량% 이상 함유하고, 또한 Mp, Cu, M의 질량비가 특정한 범위에 있기 때문에, 우수한 내구성을 가지는, 특히 내소모성, 내박리성 및 내팁균열성이 우수한 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그를 제공할 수 있다.
상기 (Ⅳ)의 스파크 플러그에 의하면, 중심전극 및 접지전극 중 적어도 일방에 형성된 귀금속 팁이 Mp, Cu, M을 합계로 95질량% 이상 함유하고, 또한 Mp, Cu, M의 질량비가 특정한 범위에 있고, 또한 귀금속 팁이 특정한 치수를 가지고 있기 때문에, 우수한 내구성을 가지는, 특히 내소모성, 내박리성 및 내팁균열성이 우수한 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그를 제공할 수 있다.
또, 상기 귀금속 팁이 Ni, Co, Fe 및 Mn으로 이루어지는 원소군(A) 및/또는 Ti, Hf, Y 및 희토류 원소로 이루어지는 원소군(B)에서 선택되는 적어도 1종을 특정량 더 함유하면, 내박리성 및 내팁균열성 중 적어도 1개의 성능이 한층 더 우수한 스파크 플러그를 제공할 수 있다.
또, 상기 귀금속 팁의 경도가 특정한 값 이상이면, 내충격성이 한층 더 우수하며, 제조공정 중에 지그와 접촉하여 충격을 받았다 하더라도 귀금속 팁의 변형을 억제할 수 있다.
또, 저항체의 저항값이 10㏀ 이하인 스파크 플러그로서, 불꽃 방전시에 불꽃방전간극에 부여되는 에너지가 크게 되었다 하더라도, 내소모성 등이 우수한 상기 귀금속 팁이 형성되어 있으면, 스파크 플러그의 성능을 유지할 수 있다.
또한, 중심전극보다도 고온으로 되어 가혹한 환경 하에 있는 접지전극에 상기 귀금속 팁이 구비되어 있으면 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 2는 본 발명에 관한 스파크 플러그에 형성된 귀금속 팁의 Mp, Cu, M의 질량비를 나타내는 3성분계 조성도이다.
도 3은 스파크 플러그에 구비된 귀금속 팁의 경도를 측정하는 위치를 나타내는 설명도이다.
도 4(a)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 일 실시형태인 스파크 플러그의 발화부분을 나타내는 단면 설명도이다. 도 4(b)는 도 4(a)의 관찰방향(X)에서 접지전극을 관찰한 경우의 접지전극 요부 설명도이다.
도 5(a)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 다른 실시형태인 스파크 플러그의 발화부분을 나타내는 단면 설명도이다. 도 5(b)는 도 5(a)의 관찰방향(X2)에서 접지전극을 관찰한 경우의 접지전극 요부 설명도이다.
도 6(a)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 다른 실시형태인 스파크 플러그의 발화부분을 나타내는 단면 설명도이다. 도 6(b)는 도 6(a)의 관찰방향(X3)에서 접지전극을 관찰한 경우의 접지전극 요부 설명도이다.
도 7(a)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 다른 실시형태인 스파크 플러그의 발화부분을 나타내는 단면 설명도이다. 도 7(b)는 도 7(a)의 관찰방향(X4)에서 접지전극을 관찰한 경우의 접지전극 요부 설명도이다.
도 8(a)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 다른 실시형태인 스파크 플러그의 발화부분을 나타내는 단면 설명도이다. 도 8(b1)은 도 8(a)의 관찰방향(Y1)에서 접지전극을 관찰한 경우의 접지전극 요부 설명도이다. 도 8(b2)는 도 8(a)의 관찰방향(Y2)에서 접지전극을 관찰한 경우의 접지전극 요부 설명도이다. 도 8(b3)는 도 8(a)의 관찰방향(Y3)에서 접지전극을 관찰한 경우의 접지전극 요부 설명도이다.
도 9(a)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 다른 실시형태인 스파크 플러그의 발화부분을 나타내는 단면 설명도이다. 도 9(b)는 도 9(a)의 관찰방향(X6)에서 접지전극을 관찰한 경우의 접지전극 요부 설명도이다. 도 9(c)는 접지전극 팁의 팁 단면적(Ag6)을 설명하기 위한 설명도이다.
도 10은 본 발명에 관한 스파크 플러그에 형성된 귀금속 팁의 Mp, Cu, M의 질량비를 나타내는 3성분계 조성도이다.
도 11(a)∼(d)는 스파크 플러그에 형성된 귀금속 팁의 내박리성을 평가하는 시험의 개요를 설명하기 위한 설명도이다.
도 12는 스파크 플러그에 형성된 귀금속 팁의 내충격성을 평가하는 시험의 개요를 설명하기 위한 설명도이다.
도 13은 팁 돌출치수(H)와 용접면적(S)을 변화시킨 경우의 내구성 시험의 평가 결과를 나타내는 도면이다.
(제 1 발명)
본 발명에 관한 스파크 플러그는 중심전극과 접지전극을 가지며, 상기 중심전극의 일단과 접지전극의 일단이 간극을 두고서 대향하도록 배치되고, 상기 중심전극과 접지전극 중 적어도 일방에 귀금속 팁이 형성되어 있다. 본 발명에 관한 스파크 플러그는 이와 같은 구성을 가지는 스파크 플러그라면, 그 외의 구성은 특히 한정되지 않으며, 공지의 여러 가지 구성을 채택할 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, 중심전극의 축선을 'AX'라 하고, 도 1(a) 및 도 1(b)에서는 도면의 하측을 축선(AX)의 선단방향, 도면의 상측을 축선(AX)의 후단방향으로 하여 설명한다.
상기 스파크 플러그(1)는 도 1(a) 및 도 1(b)에 나타내는 바와 같이, 원통형상의 금속쉘(2)과, 상기 금속쉘(2)에 내장된 대략 원통형상의 절연체(3)와, 상기 절연체(3)의 축구멍(20) 내에 선단방향에서부터 순차적으로 내장된 중심전극(4)과 저항체(5)와 단자전극(6)과, 일단이 중심전극(4)의 선단면과 간극을 두고서 대향하도록 배치됨과 아울러 타단이 금속쉘(2)의 단면에 접합된 접지전극(7)을 구비하며, 상기 접지전극(7)의 선단부에 있어서의 중심전극에 대향하는 면에 귀금속 팁이 형성되고{이하, 접지전극에 형성된 귀금속 팁을 '접지전극 팁(8)'이라고도 한다}, 상기 중심전극(4)의 선단면에 귀금속 팁이 형성되고{이하, 중심전극에 형성된 귀금속 팁을 '중심전극 팁(9)'이라고도 한다}, 접지전극 팁(8)과 중심전극 팁(9)의 사이에 불꽃방전간극(G)이 형성되어 있다.
상기 금속쉘(2)은 대략 원통형상을 이루고 있으며, 절연체(3)를 내장함에 의해서 절연체(3)를 유지하도록 형성되어 있다. 금속쉘(2)에 있어서의 선단방향의 외주면에는 나사부(10)가 형성되어 있으며, 상기 나사부(10)를 이용하여 도시하지 않은 내연기관의 실린더 헤드에 스파크 플러그(1)가 장착된다. 금속쉘(2)은 전도성의 철강 재료, 예를 들면 저탄소강에 의해서 형성될 수 있다.
상기 절연체(3)는 금속쉘(2)의 내주부에 활석(탈크)(11) 또는 패킹(12) 등을 통해서 유지되어 있으며, 절연체(3)의 축구멍(20) 내에 중심전극(4)과 저항체(5)와 단자전극(6)을 유지하고 있다. 절연체(3)는, 절연체(3)에 있어서의 선단방향의 단부가 금속쉘(2)의 선단면에서 돌출된 상태로 금속쉘(2)에 고착되어 있다. 절연체(3)는 기계적 강도, 열적 강도, 전기적 강도 등을 가지는 재료로 형성되는 것이 바람직하며, 이와 같은 재료로서는 예를 들면 알루미나를 주체로 하는 세라믹 소결체를 들 수 있다.
상기 중심전극(4)은 외측 부재(13)와 이 외측 부재(13)의 내부의 축심부에 동심적으로 매립되도록 형성되어 이루어지는 내측 부재(14)에 의해서 형성되어 있다. 중심전극(4)은 그 선단부가 절연체(3)의 선단면에서 돌출된 상태로 절연체(3)의 축구멍(20) 내에 고정되어 있으며, 금속쉘(2)에 대해서 절연 유지되어 있다. 외측 부재(13)는 열전도성 및 기계적 강도 등을 가지는 재료로 형성되는 것이 바람직하며, 예를 들면, 인코넬(상표명) 등의 Ni기(基) 합금으로 형성된다. 내측 부재(14)는 Cu 또는 Ag 등의 열전도성이 우수한 금속 재료에 의해서 형성될 수 있다.
상기 접지전극(7)은 예를 들면 대략 각기둥체로 형성되어 있으며, 일단이 금속쉘(2)의 단면에 접합되고, 도중에서 대략 L자로 구부러져서 그 선단부가 중심전극(4)의 축선(AX)방향에 위치하도록 그 형상 및 구조가 설계되어 있다. 접지전극(7)이 이와 같이 설계됨으로써, 접지전극(7)의 일단이 중심전극(4)과 간극을 두고서 대향하도록 배치되어 있다. 접지전극(7)은 중심전극(4)을 형성하는 재료와 같은 재료에 의해서 형성된다.
상기 단자전극(6)은 그 선단부가 절연체(3)의 후단면에서 돌출된 상태로 절연체(3)의 축구멍(20) 내에 고정되어 있으며, 금속쉘(2)에 대해서 절연 유지되어 있다. 단자전극(6)은 예를 들면 저탄소강 등으로 형성되며, 그 표면에 Ni 금속층이 도금 등에 의해서 형성되어 있다.
상기 저항체(5)는 상기 절연체(3)의 축구멍(20) 내에 있어서의 중심전극(4)과 단자전극(6)의 사이에 고정되어 있다. 저항체(5)는 유리 분말, 세라믹 분말, 비금속 도전성 분말 및/또는 금속 분말 등의 혼합물에 의해서 형성될 수 있다. 상기 저항체(5)의 저항값은 통상 15㏀ 이하이지만, 10㏀ 이하인 경우에는 특히 불꽃방전시에 불꽃방전간극(G)에 부여되는 에너지가 커지기 때문에 불꽃 소모가 현저하게 된다. 따라서, 저항체(5)의 저항값이 10㏀ 이하인 경우에는 이하에 나타내는 팁 재료로 형성된 귀금속 팁의 효과가 더욱 발휘된다.
상기 접지전극 팁(8)은 예를 들면 원기둥 형상이며, 접지전극(7)의 선단부에 상기 중심전극(4)의 선단면에 형성된 중심전극 팁(9)에 대향하도록 형성된다. 접지전극 팁(8)은 후술하는 팁 재료 또는 이 팁 재료 이외의 공지 재료에 의해서 형성되면 좋으나, 통상 접지전극 팁(8)은 중심전극 팁(9)보다도 고온에 노출되기 때문에, 접지전극 팁(8)은 후술하는 팁 재료로 형성되는 것이 좋다.
상기 중심전극 팁(9)은 예를 들면 원기둥 형상이며, 중심전극(4)의 선단면에 형성된다. 중심전극 팁(9)은 후술하는 팁 재료 또는 이 팁 재료 이외의 공지 재료에 의해서 형성된다.
상기 접지전극 팁(8)과 상기 중심전극 팁(9)은 간극을 두고서 대향하도록 배치되며, 이 간극이 불꽃방전간극(G)이 된다. 본 발명의 스파크 플러그(1)는 중심전극(4) 및 접지전극(7) 중 적어도 일방에 귀금속 팁(8,9)이 형성되어 있으면 좋고, 예를 들면 접지전극(7)에만 귀금속 팁(8)이 형성되어 있는 경우에는 중심전극(4)과 접지전극 팁(8)의 사이의 간극이 불꽃방전간극이 된다. 이 불꽃방전간극은 통상 0.3∼1.5㎜로 설정된다.
스파크 플러그(1)에 있어서는 접지전극 팁(8) 및 중심전극 팁(9) 중 적어도 일방이 하기한 팁 재료에 의해서 형성되며, 바람직하게는 더 고온에 도달하는 접지전극 팁(8)이 하기한 팁 재료에 의해서 형성된다.
이들 귀금속 팁을 형성하는 팁 재료는, Mp(Pt 또는 Pt과 Pd으로 이루어지고, Pd은 귀금속 팁의 질량에 대해서 20질량% 이하이다), Cu 및 M(M은 Rh, Ir, Ru, Re 및 W으로 이루어지는 원소군에서 선택되는 적어도 1종이다)을 합계로 95질량% 이상 함유하고, 또한 상기 Mp, Cu, M의 질량비(Mp, Cu, M)가 3성분계 조성도에 있어서의 각 점 D(95, 5, 0), E(94.5, 5, 0.5), F(87, 5, 8), G(80, 12, 8), H(79.5, 20, 0.5), I(80, 20, 0), D(95, 5, 0)를 이 순서대로 연결하는 선분으로 둘러싸인 영역 내(선상을 포함한다)에 있다.
상기 팁 재료에 있어서의 Mp, Cu 및 M의 함유율이 95질량% 이상이고, 도 2에 나타내는 Mp, Cu, M의 3성분계 조성도에 있어서의 3성분의 질량비(Mp, Cu, M)가 각 점 D, E, F, G, H, I, D를 이 순서대로 연결하는 선분으로 둘러싸인 영역 내(선상을 포함한다)에 있으면, 내소모성, 내박리성 및 내팁균열성이 우수한 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그를 제공할 수 있다.
상기 팁 재료는 3성분계 조성도에 있어서의 3성분의 질량비(Mp, Cu, M)가 각 점 E(94.5, 5, 0.5), F(87, 5, 8), G(80, 12, 8), H(79.5, 20, 0.5), E(94.5, 5, 0.5)를 이 순서대로 연결하는 선분으로 둘러싸인 영역 내(선상을 포함한다)에 있는 것이 바람직하다.
상기 팁 재료는, 3성분계 조성도에 있어서 Cu가 5질량% 이상이면, 중심전극 및 접지전극을 형성하는 전극 재료에 이용되는 Ni기 합금과 팁 재료와의 열팽창 계수의 차가 작아지기 때문에, Pt-Rh 합금, Pt-Ir 합금에 비해서 내박리성이 우수하다. 또, 내박리성의 향상에 효과적인 재료로서 알려져 있는 Pt-Ni 합금보다도 융점의 저하를 억제할 수 있어 내박리성 뿐만 아니라 내불꽃 소모성도 우수하다. 또한, 결정 입도가 커지게 되는 경향이 있는 Pt-Rh 합금에 비해서 상기 팁 재료는 결정 입도가 커지지 않고, 또 Pt-Ir 합금에 비해서 내부 산화를 억제할 수 있기 때문에 내팁균열성도 우수하다.
3성분계 조성도에 있어서 Cu가 5질량% 미만이면, 상기 효과가 얻어지지 않는다. 3성분계 조성도에 있어서 Cu가 25질량%를 넘으면, 산화하기 쉬운 Cu가 증가하기 때문에, 내산화성이 저하되는 것 외에도 결정 입계에서 내부 산화를 일으켜 팁 균열이나 팁 박리가 발생하는 일이 있다. 또한, 이러한 원인에 의해서 열전도성이 저하되어 내소모성에 악영향을 미칠 우려가 있다.
상기 팁 재료가 M을 함유하면, 특히 3성분계 조성도에 있어서 M이 0.5질량% 이상이면, M은 융점이 높기 때문에 내불꽃 소모성이 우수한 팁 재료가 된다. 또, 결정 입도가 미세하게 되기 때문에, 팁 내에서의 균열에 기인하는 결정립의 탈락을 억제할 수 있다. 또한, 고강도로 되기 때문에, 제조공정 중에 지그와 접촉하여 충격을 받더라도 귀금속 팁의 변형을 억제할 수 있기 때문에, 내충격성도 우수하다.
다만, 3성분계 조성도에 있어서 M이 8질량%를 넘으면, 취화를 일으키기 때문에, 가공성의 저하 및 열응력이나 내부 부식에 의한 팁 균열이 발생하기 쉬워지게 된다. 또, M은 열팽창 계수가 작기 때문에, M을 다량으로 함유하면, 전극 재료에 이용되는 Ni기 합금과 팁 재료와의 열팽창 계수의 차가 커지게 되므로, 내박리성에 악영향을 미친다. 따라서, 3성분계 조성도에 있어서 M은 8질량% 이하이다.
이상과 같이 팁 재료에 있어서의 Cu 및 M의 작용에 대해서 설명하였으나, 팁 재료는 각각의 단독 성분의 질량 비율에 의한 영향 뿐만 아니라, 3성분(Mp, Cu, M)의 질량비에 의한 영향이 크다. 팁 재료가 Cu와 M을 합하여 소정 비율 이상 함유하고 있는 경우, 즉 3성분계 조성도에 있어서 Cu와 M의 질량 비율이 직선 GH를 넘은 경우에는 내박리성, 내소모성, 내팁균열성 중 적어도 1개가 열화된다. 따라서, 3성분계 조성도에 있어서 Cu와 M의 질량 비율은 직선 GH 이하이다.
또한, M은 Rh, Ir, Ru, Re 및 W으로 이루어지는 원소군에서 선택되는 적어도 1 종이다. Rh, Ir, Ru, Re 및 W은 모두 융점이 높고, 스퍼터링하기 어렵고, Pt과 함께 사용함으로써 강도가 향상되고, 결정립을 미세하게 할 수 있기 때문에, 이들 원소군에서 선택되는 적어도 1종이 3성분계 조성도에 나타내는 범위에 있으면, 내박리성, 내소모성 및 내팁균열성이 우수한 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그를 제공할 수 있다. 이들 원소군 중에서도 Rh은 자신이 산화하여 치밀한 산화피막을 형성함으로써 그 이상의 산화를 억제할 수 있기 때문에, 특히 바람직하다.
Pt 또는 Pt과 Pd으로 이루어지고, Pd은 귀금속 팁의 질량에 대해서 20질량% 이하이다. Pt은 내산화성, 내불꽃 소모성 및 가공성이 우수하기 때문에, 팁 재료의 주성분으로서 우수하다. 또, Pd은 Pt과 마찬가지로 내산화성이 우수할 뿐만 아니라, 열팽창 계수가 Pt보다도 크기 때문에, 특정량의 Pd을 함유하는 것이 내박리성에 있어서 유리하다. 따라서, 팁 재료로 이루어지는 귀금속 팁의 전체 질량에 대해서 Pd이 20질량% 이하인 경우에는 내박리성이 더 우수한 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그를 제공할 수 있다. 다만, Pd이 20질량%를 넘으면, 팁 재료의 융점이 저하됨으로써 내소모성이 저하된다.
팁 재료는 Ni, Co, Fe 및 Mn으로 이루어지는 원소군(A) 및/또는 Ti, Hf, Y 및 희토류 원소로 이루어지는 원소군(B)에서 선택되는 적어도 1종을 포함하며, 상기 원소군(A)의 합계 질량이 팁 재료로 이루어지는 귀금속 팁의 전체 질량에 대해서 5질량% 이하이고, 상기 원소군(B)의 합계 질량이 팁 재료로 이루어지는 귀금속 팁의 전체 질량에 대해서 1.5질량% 이하이고, 또한 상기 원소군(A) 및 상기 원소군(B)의 합계 질량이 팁 재료로 이루어지는 귀금속 팁의 전체 질량에 대해서 5질량% 이하인 것이 바람직하다.
팁 재료에 있어서의 원소군(A)의 합계 질량이 0질량%를 넘고 5질량% 이하이면, 내박리성, 내팁균열성이 한층 더 우수하다. 원소군(A)는 열팽창 계수가 크기 때문에, 전극 재료의 열팽창 계수와의 차가 작아지게 되어 열응력의 발생을 억제할 수 있는 것, 및 결정립이 미세하게 되기 때문에 내팁균열성에 유효하다.
팁 재료에 있어서의 원소군(B)의 합계 질량이 0질량%를 넘고 1.5질량% 이하, 특히 0.01질량% 이상 1질량% 이하이면, 결정립이 미세하게 되기 때문에 내팁균열성이 우수하다.
팁 재료에 있어서의 원소군(A) 및 원소군(B)의 함유율이 너무 크면, 융점이 저하되어 내소모성이 열화될 우려가 있다. 따라서, 원소군(A) 및 원소군(B)의 합계 질량은 귀금속 팁에 대해서 5질량% 이하인 것이 바람직하다.
상기 팁 재료는 Mp, Cu 및 M을 합계로 95질량% 이상과, 소망에 따라서 Ni, Co, Fe 및 Mn으로 이루어지는 원소군(A)와, Ti, Hf, Y 및 희토류 원소로 이루어지는 원소군(B)를 실질적으로 함유한다. 이들 각 성분은 상기한 각 성분의 함유율의 범위 내에서, 이들 각 성분과 불가피 불순물의 합계가 100질량%가 되도록 함유된다. 상기 성분 이외의 성분, 예를 들면 Ag, B, Ca, Al, Si, Mg이 미량의 불가피 불순물로서 함유되는 일이 있다. 이들 불가피 불순물의 함유량은 적은 것이 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 모든 종류의 불가피 불순물의 합계 비율은 0.2질량부 이하인 것이 좋다.
상기 팁 재료로 형성되는 귀금속 팁에 함유되는 각 성분의 함유율은 다음과 같이 하여 측정할 수 있다. 즉, 우선 귀금속 팁(8,9)을 절단하여 단면을 노출시키고, 상기 귀금속 팁(8,9)의 단면에 있어서 임의의 복수 개소(예를 들면, 5개소)를 선택하고, EPMA를 이용하여 WDS(Wavelength Dispersive X-ray Spectrometer)분석을 함으로써 각각의 개소의 질량 조성을 측정한다. 그리고, 측정한 복수 개소의 값의 평균값을 산출하고, 이 평균값을 귀금속 팁의 조성으로 한다. 또한, 측정 장소로서 중심전극(4), 접지전극(7) 및/또는 토대(土臺) 등의 설치 금속체와 귀금속 팁(8,9)을 용융 접착할 때에 형성되는 용접부(15)를 제외한다.
또한, 상기 팁 재료는 소정의 원료를 소정의 배합 비율로 배합하여 후술하는 방법으로 제조된다. 제조된 팁 재료의 조성은 원료의 조성과 거의 일치한다. 따라서, 상기 팁 재료에 함유되는 각 성분의 함유율은, 간이적인 방법으로서 원료의 배합 비율로부터도 산출할 수 있다.
상기 팁 재료로 형성되는 귀금속 팁의 경도는 140Hv 이상인 것이 바람직하고, 200Hv 이상인 것이 특히 바람직하다.
귀금속 팁의 경도가 상기 범위 내라면, 제조공정 중에 팁이 지그에 접촉하더라도 귀금속 팁의 변형을 방지할 수 있다.
귀금속 팁의 경도는 다음과 같이 하여 측정한다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 귀금속 팁(8,9)의 표면에 있어서의 중심전극(4) 또는 접지전극(7)에 접합되어 있는 면의 반대측의 면의 중심에 있어서, 마이크로 비커즈 경도계에 의해서 1N 하중의 조건으로 JIS Z 2244에 준거하여 마이크로 비커즈 경도를 측정한다.
귀금속 팁의 경도는 팁 재료의 조성, 귀금속 팁을 제조할 때의 가공 조건, 가공 전후의 열처리 온도 및 시간, 귀금속 팁을 접지전극 및 중심전극에 용접할 때의 열부하 및 저항 용접할 경우에는 그 때에 발생하는 귀금속 팁의 변형량, 중심전극에 형성되어 있는 귀금속 팁의 경우에는 저항체, 절연체, 금속단자 및 중심전극을 접합할 때의 열처리 조건 등에 따라서 조정할 수 있다. 구체적으로는 귀금속 팁을 제조할 때의 가공율을 크게 함에 의해서, 가공 후의 열처리 온도를 낮게 혹은 시간을 짧게 함에 의해서, 귀금속 팁을 접지전극 및 중심전극에 용접할 때의 온도를 낮게 혹은 시간을 짧게 함에 의해서, 및/또는 저항 용접을 하는 경우에는 귀금속 팁의 변형량을 크게 함에 의해서, 가공 변형이 커지게 되기 때문에 높은 변형 저항이 얻어지며, 고경도가 된다.
본 발명의 스파크 플러그가 상기한 팁 재료에 의해서 형성될 뿐만 아니라 하기한 치수를 가지는 귀금속 팁을 구비함으로써, 내소모성, 내팁균열성 및 내박리성이 한층 더 우수한 귀급속 팁을 가지는 스파크 플러그를 제공할 수 있다.
즉, 이하에 규정하는 용접면적(S)(㎟), 팁 돌출치수(H)(㎜), 커버링 치수(covering length)(L)(㎜) 및 팁/용접부 간 거리(h)(㎜)가 다음의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.
(a) H≤0.13S+1.18, (b) S≤5, (c) 0.1≤h 또는 0.03≤L
또한, 귀금속 팁은 이하에 규정하는 팁 단면적(A)(㎟)이 다음의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.
(d) 0.2≤A≤1.8
상기 귀금속 팁에 있어서의 용접면적(S)과 팁 돌출치수(H)가 "(a) H≤0.13S+1.18"이라는 관계를 만족하면, 내소모성이 한층 더 우수한 귀금속 팁을 가지는 스파크 플러그를 제공할 수 있다. 귀금속 팁의 내소모성을 향상시키기 위해서는 귀금속 팁의 열방산을 양호하게 하는 것이 좋다. 용접면적(S)이 작으면 귀금속 팁과 전극의 접촉면적이 작아지게 되는 결과, 귀금속 팁이 받은 열을 전극으로 전도시키기 어렵게 되어 열방산이 나빠지게 된다고 지금까지 생각하여 왔다. 그러나, 용접면적(S) 뿐만 아니라 팁 돌출치수(H)도 열방산에 영향을 미치는 것을 본 발명자들이 발견하였다. 즉, 용접면적(S)이 작더라도 팁 돌출치수(H)가 소정값보다 작으면, 귀금속 팁의 과열을 억제할 수 있어 내소모성이 양호하게 된다. 반대로, 팁 돌출치수(H)가 크더라도 용접면적(S)이 크면, 열방산이 양호하게 되기 때문에 과열을 억제할 수 있다.
상기 귀금속 팁에 있어서의 용접면적(S)과 커버링 치수(L)와 팁/용접부 간 거리(h)가 "(b) S≤5" 또한 "(c) 0.1≤h 또는 0.03≤L"이라는 관계를 만족하면, 내박리성이 한층 더 우수한 귀금속 팁을 가지는 스파크 플러그를 제공할 수 있다. 용접면적(S)이 크면, 귀금속 팁을 형성하는 팁 재료와 전극을 형성하는 전극 재료 간의 열팽창 계수의 차에 의해서, 특히 귀금속 팁의 외주부에 높은 열응력이 발생함으로써 귀금속 팁이 전극에서 박리되기 쉬워지게 된다. 따라서, 용접면적(S)은 5 이하인 것이 바람직하다. 또, 연소실 내는 기류의 흐름이 매우 격심하기 때문에, 커버링 치수(L)와 팁/용접부 간 거리(h)가 상기 범위 밖에 있으면, 전극에 있어서의 귀금속 팁의 외주에 근접하는 부분 및/또는 용접부로 방전되기 쉬워지게 된다. 전극 및 용접부는 귀금속 팁보다도 융점이 낮기 때문에, 전극 및 용접부가 소모되기 쉬워지게 되며, 귀금속 팁과 전극 및 용접부의 계면이 패이게 됨으로써 내박리성이 저하된다. 또한, 전극 및 용접부가 소모됨에 따라서 실질적으로 용접면적(S)이 작아지게 됨으로써 내소모성에도 악영향을 미친다. 따라서, 팁/용접부 간 거리(h)는 0.1 이상, 또는 커버링 치수(L)는 0.03 이상인 것이 바람직하다.
상기 귀금속 팁에 있어서의 팁 단면적(A)은 "(d) 0.2≤A≤1.8"인 것이 바람직하고, 팁 단면적(A)이 상기 범위 내에 있으면, 내소모성이 한층 더 우수하다.
도 4(a)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 일 실시형태인 스파크 플러그의 발화부분을 나타내는 단면 설명도이다. 도 4(b)는 도 4(a)의 관찰방향(X)에서 접지전극을 관찰한 경우의 접지전극 요부 설명도이다.
본 실시형태의 스파크 플러그(1)의 접지전극 팁(8)에 있어서의 용접면적을 'Sg1'이라 하면, 용접면적(Sg1)은, 상기 접지전극 팁(8)이 당해 접지전극 팁(8)과 접지전극(7)(이하, '설치 금속체'라고도 한다)의 용융에 의해서 형성되는 용접부(15)를 통해서 접합되어 있는 접지전극의 접합면(16)에 대해서 수직방향인 X방향에서 관찰한 경우에, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이 접지전극(7)을 X방향에 직교하는 면으로 투영한 경우에 있어서의 투영영역(Pg1)과 접지전극 팁(8)을 X방향에 직교하는 면으로 투영한 경우에 있어서의 투영영역(Pt1)이 겹쳐지는 영역의 면적이다. 중심전극 팁(9)에 있어서의 용접면적(Sc1)도 또한 접지전극 팁(8)의 용접면적(Sg1)과 마찬가지로 규정된다.
용접면적(Sg1)은 접지전극(7)의 상부를 X방향에서 사진을 찍고, 접지전극 팁(8)과 용접부(15)의 경계선(17)으로 둘러싸인 부분의 면적을 화상 해석 소프트(예를 들면, Photoshop)를 사용하여 산출한다. 용접면적(Sc1)도 또한 상기 용접면적(Sg1)과 마찬가지로 하여 구할 수 있다.
본 실시형태의 스파크 플러그(1)의 접지전극 팁(8)에 있어서의 팁 돌출치수를 'Hg1'이라 하면, 팁 돌출치수(Hg1)는, 상기 접지전극 팁(8)과 중심전극 팁(9)(이하, '대향 금속 볼록체'라고도 한다)이 대향하는 방향에 있어서, 상기 접지전극(7)의 접합면(16)과 당해 접합면(16)에서부터 가장 멀리 떨어진 상기 접지전극 팁(8)의 선단면과의 사이의 거리이다. 중심전극 팁(9)에 있어서의 팁 돌출치수(Hc1)도 또한 상기 접지전극 팁(8)의 팁 돌출치수(Hg1)와 마찬가지로 규정된다.
본 실시형태의 스파크 플러그(1)의 커버링 치수를 'L1'이라 하고, 절연체(3)의 축구멍(20)이 연장되는 방향을 중심전극(4)의 축선(AX)방향이라 하였을 때, 본 실시형태의 스파크 플러그(1)는 접지전극 팁(8)과 중심전극 팁(9)이 상기 축선(AX)방향으로 대향하도록 배치되고, 상기 접지전극 팁(8)이 상기 접지전극(7)으로부터 상기 축선(AX)에 직교하는 방향으로 돌출되지 않는 경우이기 때문에, 다음과 같이 규정된다. 즉, 커버링 치수(L1)는, 상기 축선(AX)방향에서 관찰하여, 상기 접지전극 팁(8)의 최대 직경이 되는 둘레측면 상의 점(k1)을 포함하는 상기 축선(AX)에 평행한 직선군(直線群)(lg1)과 중심전극 팁(9)의 최대 직경이 되는 둘레측면 상의 점(k2)을 포함하는 상기 축선(AX)에 평행한 직선군(lc1)과의 사이의 최단 거리이다.
본 실시형태의 스파크 플러그(1)의 접지전극 팁(8)에 있어서의 팁/용접부 간 거리를 'hg1'이라 하면, 팁/용접부 간 거리(hg1)는, 상기 접지전극 팁(8)에 있어서, 상기 점(k1)을 포함하고 상기 축선(AX)에 평행한 면에 있어서의 상기 접지전극 팁(8)의 선단에서부터 상기 용접부(15)와의 경계까지의 상기 축선(AX)방향 거리이다. 중심전극 팁(9)에 있어서의 팁/용접부 간 거리(hc1)도 또한 상기 접지전극 팁(8)의 팁/용접부 간 거리(hg1)와 마찬가지로 규정된다.
본 실시형태의 스파크 플러그(1)의 접지전극 팁(8)에 있어서의 팁 단면적을 'Ag1', 중심전극 팁(9)에 있어서의 팁 단면적을 'Ac1'이라 하면, 도 4에 나타내는 바와 같이, 접지전극 팁(8) 및 중심전극 팁(9)은 모두 원기둥체이고, 접지전극 팁(8) 및 중심전극 팁(9)의 선단면은 평면이고, 이들 선단면은 서로 평행하기 때문에, 팁 단면적(Ag1) 및 팁 단면적(Ac1)은 접지전극 팁(8) 및 중심전극 팁(9) 각각의 선단면의 면적이다. 또한, 제조상의 오차에 의해서 이들 선단면이 엄밀하게는 서로 평행하지 않는 경우라 하더라도, 팁 단면적은 각각의 귀금속 팁의 선단면의 면적으로 하면 된다.
상기한 귀금속 팁이 스파크 플러그에 있어서의 중심전극 및 접지전극 중 적어도 어느 일방, 특히 접지전극에 형성되면, 과급기가 장착된 내연기관이나 고에너지 코일을 이용한 내연기관 등 가혹한 환경 하에서 본 발명의 스파크 플러그가 사용되더라도, 내소모성, 내팁균열성 및 내박리성이 우수한 귀금속 팁을 구비하고 있기 때문에 소망하는 성능을 유지할 수 있다.
상기 스파크 플러그(1)는 예를 들면 다음과 같이 하여 제조된다. 우선 귀금속 팁(8,9)은, 각 성분의 함유율이 상기한 범위가 되는 팁 재료를 배합 및 용해하여 얻어지는 용해재(溶解材)를 예를 들면 열간 압연에 의해서 판재로 가공하고, 이 판재를 열간 펀칭 가공에 의해서 소정의 팁 형상으로 펀칭하여 형성하는 방법, 합금을 열간 압연, 열간 주조 또는 열간 와이어 드로잉에 의해서 와이어 형상 또는 로드 형상의 소재로 가공한 후에, 이것을 길이방향으로 소정 길이로 절단하여 형성하는 방법 등을 채용할 수 있다.
중심전극(4) 및/또는 접지전극(7)은, 예를 들면 진공 용해로를 이용하여 소망하는 조성을 가지는 합금의 용탕을 조제하고, 진공 주조에 의해서 각 용탕으로부터 주괴(ingot)를 조제한 후, 이 주괴를 열간 가공, 와이어 드로잉 가공 등에 의해서 소정의 형상 및 소정의 치수로 적절하게 조정하여 중심전극(4) 및/또는 접지전극(7)을 제작할 수 있다. 또한, 컵 형상으로 형성한 외측 부재(13)에 내측 부재(14)를 삽입하고, 압출 가공 등의 소성 가공에 의해서 중심전극(4)을 형성할 수도 있다. 또, 접지전극(7)이 외부층과 당해 외부층의 축심부에 매립되도록 형성된 축부에 의해서 형성되는 경우에는(도시생략), 컵 형상으로 형성한 외부층에 축부를 삽입하고서 압출 가공 등의 소성 가공을 한 후, 대략 각기둥 형상으로 소성 가공한 것을 접지전극(7)으로 할 수 있다.
그리고, 소정의 형상으로 소성 가공 등에 의해서 형성한 금속쉘(2)의 단면에 접지전극(7)의 일단부를 전기 저항 용접 또는 레이저 용접 등에 의해서 접합한다. 접지전극이 접합된 금속쉘에 Zn 도금 또는 Ni 도금을 실시한다. Zn 도금 또는 Ni 도금을 한 후에 3가 크로메이트 처리를 실시하여도 좋다.
그리고, 상기한 바와 같이 제작한 귀금속 팁(8,9)을 접지전극(7) 및 중심전극(4)에 저항 용접 및/또는 레이저 용접 등에 의해서 용융 고착한다. 저항 용접에 의해서 귀금속 팁(8,9)을 접지전극(7) 및/또는 중심전극(4)에 접합하는 경우에는, 예를 들면 귀금속 팁(8,9)을 접지전극(7) 및/또는 중심전극(4)의 소정 위치에 놓고서 눌러 붙이면서 저항 용접을 실시한다. 레이저 용접에 의해서 귀금속 팁(8,9)을 접지전극(7) 및/또는 중심전극(4)에 접합하는 경우에는, 예를 들면 귀금속 팁(8,9)을 접지전극(7) 및/또는 중심전극(4)의 소정 위치에 놓고서, 귀금속 팁(8)의 경사 상측에서 귀금속 팁(8,9)과 접지전극(7) 및/또는 중심전극(4)의 접촉부분을 부분적으로 또는 전체 둘레에 걸쳐서 레이저 빔을 조사한다. 또한, 저항 용접을 한 후에 레이저 용접을 실시하여도 좋다.
한편, 세라믹 등을 소정의 형상으로 소성함에 의해서 절연체(3)를 제작하고, 이 절연체(3)의 축구멍(20) 내에 귀금속 팁(9)이 접합된 중심전극(4)을 삽입하고, 유리 밀봉을 형성하는 유리 분말, 저항체(5)를 형성하는 저항체 조성물, 상기 유리 분말을 이 순서대로 상기 축구멍(20) 내에 예비 압축하면서 충전한다. 그리고, 상기 축구멍(20)의 후단부에서 금속단자(6)를 압입하면서 저항체 조성물 및 유리 분말을 압축 가열한다. 이와 같이 하면 저항체 조성물 및 유리 분말이 소결되어 저항체(5) 및 유리 밀봉층이 형성된다. 그리고, 접지전극(7)이 접합된 금속쉘(2)에 중심전극(4) 등이 고정된 절연체(3)를 조립한다. 최후로 접지전극(7)의 선단부를 중심전극(4) 측으로 구부려서 접지전극(7)의 일단이 중심전극(4)의 선단부와 대향하도록 함으로써, 스파크 플러그(1)가 제조된다.
본 발명에 관한 스파크 플러그의 다른 실시형태인 스파크 플러그를 도 5에 나타낸다. 도 5(a)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 다른 실시형태인 스파크 플러그의 발화부분을 나타내는 단면 설명도이다. 도 5(b)는 도 5(a)의 관찰방향(X2)에서 접지전극을 관찰한 경우의 접지전극 요부 설명도이다.
본 실시형태의 스파크 플러그(201)는 접지전극(207)의 접합면(216)에 접지전극 팁(208)이 저항 용접에 의해서 접합되어 있는 결과, 접지전극 팁(208)의 외주부에 극히 작은 체적의 용접부(215)('웰드 플래시(weld flash)'라 불리는 경우도 있다)가 형성되는 것, 또 중심전극(204)의 선단면에 중심전극 팁이 형성되지 않고, 중심전극(204)의 선단부가 '凸'자 형상으로 돌출되게 형성되는 중심전극 볼록부(222)(이하, '대향 금속 볼록체'라고도 한다)를 가지고 있는 것 이외에는 도 4에 나타낸 스파크 플러그(1)와 같은 구성을 가지고 있다.
따라서, 본 실시형태의 스파크 플러그(201)의 접지전극 팁(208)에 있어서의 용접면적(Sg2), 팁 돌출치수(Hg2), 커버링 치수(L2), 팁/용접부 간 거리(hg2), 팁 단면적(Ag2)은 스파크 플러그(1)와 마찬가지로 규정된다. 중심전극(204)에는 귀금속 팁이 형성되어 있지 않기 때문에, 중심전극(204)에 있어서의 용접면적, 팁 돌출치수, 팁/용접부 간 거리, 팁 단면적에 대해서는 규정되지 않는다.
본 발명에 관한 스파크 플러그의 다른 실시형태인 스파크 플러그를 도 6에 나타낸다. 도 6(a)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 다른 실시형태인 스파크 플러그의 발화부분을 나타내는 단면 설명도이다. 도 6(b)는 도 6(a)의 관찰방향(X3)에서 접지전극을 관찰한 경우의 접지전극 요부 설명도이다.
본 실시형태의 스파크 플러그(301)는 중심전극(304)에 대향하는 측의 접지전극(307)의 표면에 토대(土臺)(318)가 형성되고, 상기 토대(318)의 접지전극(307)과 접합되어 있는 면의 반대측의 면에 용접부(315)를 통해서 접지전극 팁(308)이 형성되고, 접지전극 팁(308)과 토대(318)가 접촉하는 일 없이 접지전극 팁(308)과 토대(318)와의 사이의 전면(全面)에 용접부(315)가 형성되어 있는 것 이외에는 도 4에 나타낸 스파크 플러그(1)와 같은 구성을 가지고 있다.
따라서, 본 실시형태의 스파크 플러그(301)의 접지전극 팁(308)에 있어서의 용접면적(Sg3), 커버링 치수(L3), 팁/용접부 간 거리(hg3), 팁 단면적(Ag3) 및 중심전극 팁(309)의 용접면적(Sc3), 팁 돌출치수(Hc3), 팁/용접부 간 거리(hc3), 팁 단면적(Ac3)은 스파크 플러그(1)와 마찬가지로 규정된다.
본 실시형태의 스파크 플러그(301)의 접지전극 팁(308)에 있어서의 팁 돌출치수(Hg3)에 관해서는, 접지전극 팁(308)과 토대(318)와의 사이의 전면에 용접부(315)가 형성되어 있기 때문에, 접지전극 팁(308)과 토대(318)가 직접 접촉하여 접합되어 있는 면이 없다. 따라서, 팁 돌출치수(Hg3)는 접지전극 팁(308)의 축선(PX3)방향에 있어서의 용접부(315)의 두께가 가장 얇은 부위에 있어서의 두께의 1/2이 되는 점에서부터 상기 축선(PX3)방향으로 가장 멀리 떨어진 접지전극 팁(308)의 선단면까지의 거리로 한다.
본 발명에 관한 스파크 플러그의 다른 실시형태인 스파크 플러그를 도 7에 나타낸다. 도 7(a)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 다른 실시형태인 스파크 플러그의 발화부분을 나타내는 단면 설명도이다. 도 7(b)는 도 7(a)의 관찰방향(X4)에서 접지전극을 관찰한 경우의 접지전극 요부 설명도이다.
본 실시형태의 스파크 플러그(401)는 중심전극(404)에 대향하는 측의 접지전극(407)의 표면에 토대(418)가 형성되고, 상기 토대(418)의 접지전극(407)과 접합되어 있는 면의 반대측의 면에 용접부(415)를 통해서 접지전극 팁(408)이 형성되고, 접지전극 팁(408)과 토대(418)가 용접부(415)를 통하지 않고 일부 접촉되어 있는 것 이외에는 도 6에 나타낸 스파크 플러그(301)와 같은 구성을 가지고 있다.
따라서, 본 실시형태의 스파크 플러그(401)의 접지전극 팁(408)에 있어서의 용접면적(Sg4), 커버링 치수(L4), 팁/용접부 간 거리(hg4), 팁 단면적(Ag4) 및 중심전극 팁(409)의 용접면적(Sc4), 팁 돌출치수(Hc4), 팁/용접부 간 거리(hc4), 팁 단면적(Ac4)은 스파크 플러그(1)와 마찬가지로 규정된다.
본 실시형태의 스파크 플러그(401)의 접지전극 팁(408)에 있어서의 팁 돌출치수(Hg4)에 관해서는, 접지전극 팁(408)과 토대(418)와의 사이의 전면에 용접부(415)가 형성되어 있지 않는 경우이기 때문에, 팁 돌출치수(Hg4)는 접지전극 팁(408)과 중심전극 팁(409)이 대향하는 방향에 있어서, 토대(418)에 있어서의 접지전극 팁(408)과 접촉되어 있는 접합면(416)과 당해 접합면(416)에서부터 가장 멀리 떨어진 접지전극 팁(408)의 선단면과의 사이의 거리이다.
본 발명에 관한 스파크 플러그의 다른 실시형태인 스파크 플러그를 도 8에 나타낸다. 도 8(a)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 다른 실시형태인 스파크 플러그의 발화부분을 나타내는 단면 설명도이다. 도 8(b1)∼(b3)는 도 8(a)의 관찰방향(Y1,Y2,Y3) 각각에 직교하는 면으로 중심전극 팁, 접지전극 팁 및/또는 접지전극을 투영한 경우에 있어서의 투영영역을 나타내는 투영영역 설명도이다.
본 실시형태의 스파크 플러그(501)는 접지전극 팁(508)이 각기둥체이고, 이 각기둥체의 일부가 접지전극(507)의 선단면 및 둘레측면에 개구되도록 형성된 노치부(519)에 삽입되어 각기둥체가 가지는 6개의 면 중 4개의 면과 상기 노치부(519)가 가지는 4개의 면이 접합되고, 접지전극 팁(508)이 접지전극(507)으로부터 중심전극(504)의 축선(AX5)에 직교하는 방향으로 돌출되도록 형성되어 있는 것 이외에는 도 4에 나타낸 스파크 플러그(1)과 같은 구성을 가지고 있다. 또한, 본 실시형태의 스파크 플러그(501)는, 상기 접지전극(507)에 있어서의 평탄면에 접지전극 팁(508)을 용융 접합할 때에, 접지전극 팁(508)을 접지전극(507)에 압압함에 의해서 접지전극(507)에 형성된 오목부에 접지전극 팁(508)이 삽입되도록 형성되는 형태도 포함한다. 따라서, 상기 노치부(519)는 접지전극 팁(508)을 삽입하기 전에 미리 접지전극(507)에 형성하는 경우와 용융 접합할 때에 형성되는 경우를 포함한다.
따라서, 본 실시형태의 스파크 플러그(501)의 중심전극 팁(509)에 있어서의 용접면적(Sc5), 팁 돌출치수(Hc5), 팁/용접부 간 거리(hc5), 팁 단면적(Ac5)은 스파크 플러그(1)과 마찬가지로 규정된다.
본 실시형태의 스파크 플러그(501)의 접지전극 팁(508)에 있어서의 용접면적(Sg5)은, 각기둥체의 접지전극 팁(508)이 가지는 6개의 면 중 4개의 면이 접지전극(507)에 있어서의 노치부(519)가 가지는 4개의 면에 접합되어 있기 때문에, 4개의 면 각각에 대해서 수직인 방향을 Y1, Y2, Y3, Y4 방향이라 하고, Y1, Y2, Y3, Y4 방향 각각에서 관찰하여, 접지전극(507)과 접지전극 팁(508)을 Y1, Y2, Y3, Y4 방향에 직교하는 면으로 투영한 경우에 있어서의 접지전극(507)의 투영영역(Pg51, Pg52, Pg53, Pg54)과 접지전극 팁(508)의 투영영역(Pt51, Pt52, Pt53, Pt54)이 겹쳐지는 영역의 면적(Sg51, Sg52, Sg53, Sg54)의 합계 면적(Sg51+Sg52+Sg53+Sg54)이다{도 8(b1)∼(b3) 참조}.
팁 돌출치수(Hg5)는, 접지전극 팁(508)과 중심전극 팁(509)이 대향하는 방향에 있어서, 접지전극(507)의 접합면(516)과 당해 접합면(516)에서부터 가장 멀리 떨어진 접지전극 팁(508)의 선단면과의 사이의 거리이다. 또한, 상기 접합면(516)은 접지전극 팁(508)과 중심전극 팁(509)이 대향하는 방향에 있어서의 접지전극(507)의 표면으로서, 노치부(519)가 형성되어 있는 부위 이외의 면이다.
커버링 치수(L5)에 관해서는, 도 4에 나타내는 스파크 플러그(1)와는 달리, 접지전극 팁(508)이 접지전극(507)으로부터 축선(AX5)에 직교하는 방향으로 돌출되도록 접지전극(507)에 형성되고, 중심전극 팁(509)의 선단면과 접지전극 팁(508)이 축선(AX5)방향에 있어서 대향하도록 배치되어 있기 때문에 다음과 같이 규정된다. 즉, 커버링 치수(L5)는, 도 8(b1)에 나타내는 바와 같이, 축선(AX5)방향에서 관찰하여, 중심전극 팁(509)의 선단면을 축선(AX5)방향에 수직한 가상면으로 투영한 경우에 있어서의 투영면(Pct5) 상의 점(k3)과, 접지전극(507)을 상기 가상면으로 투영한 경우에 있어서의 투영면(Pg51)의 윤곽선 및 접지전극 팁(508)을 상기 가상면으로 투영한 경우에 있어서의 투영면(Pt51)의 윤곽선이 교차함에 의해서 생기는 2개의 교점(k41,k42)과의 거리 중 최단 거리를 형성하는 교점(k41)과의 거리이다.
접지전극 팁(508)에 있어서의 팁/용접부 간 거리(hg5)는, 접지전극 팁(508)에 있어서, 상기 교점(k41)을 포함하고 축선(AX5)에 평행한 면에 있어서의 접지전극 팁(508)의 선단에서부터 상기 용접부와의 경계까지의 거리이다.
중심전극 팁(509)에 있어서의 팁/용접부 간 거리(hc5)는, 상기 점(k3)을 포함하고 축선(AX5)에 평행한 면에 있어서의 중심전극 팁(509)의 선단에서부터 중심전극(504)에 있어서의 용접부(521)와의 경계까지의 상기 축선(AX5)방향의 거리이다.
접지전극 팁(508)에 있어서의 팁 단면적(Ag5)에 관해서는, 접지전극 팁(508)은 각기둥체이고, 6개의 면이 모두 평면이기 때문에, 팁 단면적(Ag5)은 접지전극 팁(508)에 있어서의 중심전극 팁(509)에 대향하는 측의 면의 면적이다.
본 발명에 관한 스파크 플러그의 다른 실시형태인 스파크 플러그를 도 9에 나타낸다. 도 9(a)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 다른 실시형태인 스파크 플러그의 발화부분을 나타내는 단면 설명도이다. 도 9(b)는 도 9(a)의 관찰방향(X6)에서 접지전극을 관찰한 경우의 접지전극 요부 설명도이다. 도 9(c)는 접지전극 팁의 팁 단면적(Ag6)을 설명하기 위한 설명도이다.
본 실시형태의 스파크 플러그(601)는 접지전극 팁(608)이 반구(半球) 형상인 것 이외에는 도 4에 나타낸 스파크 플러그(1)와 같다.
따라서, 본 실시형태의 스파크 플러그(601)의 접지전극 팁(608)에 있어서의 용접면적(Sg6), 팁 돌출치수(Hg6), 커버링 치수(L6), 팁/용접부 간 거리(hg6) 및 중심전극 팁(609)의 용접면적(Sc6), 팁 돌출치수(Hc6), 팁/용접부 간 거리(hc6), 팁 단면적(Ac6)은 스파크 플러그(1)와 마찬가지로 규정된다.
본 실시형태의 스파크 플러그(601)의 접지전극 팁(608)에 있어서의 팁 단면적(Ag6)은, 접지전극 팁(608)의 선단면이 평면이 아니기 때문에 다음과 같이 규정한다. 즉, 팁 단면적(Ag6)은, 접지전극 팁(608)과 중심전극 팁(609)의 최단 거리를 연결하는 직선(KX6)과 상기 접지전극 팁(608)의 표면과의 교점을 점(f6)이라 하고, 상기 직선(KX6)과 상기 중심전극 팁(609)의 표면과의 교점을 점(g6)이라 하고, 접지전극 팁(608)에 있어서, 점(f6)에서 점(g6)이 위치하는 측의 반대측 방향으로 점(f6)에서부터 0.2㎜의 거리에 있고, 중심전극 팁(609)의 선단면에 대해서 평행하게 되는 평면(Mg6)과, 상기 접지전극 팁(608)의 표면에 의해서 둘러싸이는 부분의 체적(V6)과 동일한 체적(V6)의 높이 0.2㎜의 원기둥체를 상정한 경우에 있어서의 상기 원기둥체의 바닥 면적이다{도 9(c) 참조}.
또한, 예를 들면 상기 접지전극 팁(608)이, 그 선단면은 평면이지만 접지전극 팁(608)의 축선에 직교하는 방향에 있어서의 단면적이 상기 축선을 따라서 변화하는 경우, 예를 들면 접지전극(607)을 향해서 직경이 확대되는 테이퍼 형상을 가지고 있는 경우에도 팁 단면적(Ag6)은 접지전극 팁(608)의 선단면의 면적이 아니라, 상기한 팁 단면적(Ag6)과 마찬가지로 하여 팁 단면적이 규정된다.
(제 2 발명)
본 발명에 관한 스파크 플러그는 중심전극과 접지전극을 가지며, 상기 중심전극의 일단과 접지전극의 일단이 간극을 두고서 대향하도록 배치되고, 상기 중심전극과 접지전극 중 적어도 일방에 귀금속 팁이 형성되어 있다. 본 발명에 관한 스파크 플러그는 이와 같은 구성을 가지는 스파크 플러그라면, 그 외의 구성은 특히 한정되지 않으며, 공지의 여러가지 구성을 채택할 수 있다.
본 발명에 관한 스파크 플러그는, 도 1에 나타내는 스파크 플러그(1)에 있어서의 중심전극 팁(9) 및 접지전극 팁(8)의 조성에 관한 설명 이외에는, 도 1에 나타내는 스파크 플러그(1)에 관하여 설명한 구성과 같은 구성을 가지고 있다.
본 발명에 관한 스파크 플러그에 있어서는 접지전극 팁 및 중심전극 팁 중 적어도 일방이 하기한 팁 재료에 의해서 형성되며, 바람직하게는 더 고온에 도달하는 접지전극 팁이 하기한 팁 재료에 의해서 형성된다.
이들 귀금속 팁을 형성하는 팁 재료는, Mp(Pt 또는 Pt과 Pd으로 이루어지고, Pd은 귀금속 팁의 질량에 대해서 20질량% 이하이다), Cu 및 M(M은 Rh, Ir, Ru, Re 및 W으로 이루어지는 원소군에서 선택되는 적어도 1종이다)을 합계로 95질량% 이상 함유하고, 또한 상기 Mp, Cu, M의 질량비(Mp, Cu, M)가 3성분계 조성도에 있어서의 각 점 A(97, 3, 0), B(80, 3, 17), C(75, 25, 0), A(97, 3, 0)를 이 순서대로 연결하는 선분으로 둘러싸인 영역 내(선상을 포함한다)에 있다.
상기 팁 재료에 있어서의 Mp, Cu 및 M의 함유율이 95질량% 이상이고, 도 10에 나타내는 Mp, Cu, M의 3성분계 조성도에 있어서의 3성분의 질량비(Mp, Cu, M)가 각 점 A, B, C, A를 이 순서대로 연결하는 선분으로 둘러싸인 영역 내(선상을 포함한다)에 있고, 또한 귀금속 팁이 하기에 나타내는 구조를 가지면, 내소모성, 내박리성 및 내팁균열성이 우수한 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그를 제공할 수 있다. 즉, 상기한 제 1 발명에 있어서의 귀금속 팁의 조성의 범위 밖이라 하더라도, 특정한 조성 범위에 있고, 또한 특정한 구조를 가지는 귀금속 팁이라면, 내소모성, 내박리성 및 내팁균열성이 우수한 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그를 제공할 수 있다.
이하에서는 귀금속 팁이 후술하는 특정한 구조를 가지는 것을 전제로 하고서, 귀금속 팁의 조성에 의한 작용에 대해서 설명한다.
상기 팁 재료는, 도 10에 나타내는 3성분계 조성도에 있어서 Cu가 3질량% 이상이면, 특히 5질량% 이상이면, 중심전극 및 접지전극을 형성하는 전극 재료에 이용되는 Ni기 합금과 팁 재료와의 열팽창 계수의 차가 작아지기 때문에 내박리성이 우수하다. 또, 내박리성의 향상에 효과적인 재료로서 알려져 있는 Pt-Ni 합금보다도 융점의 저하를 억제할 수 있어 내박리성 뿐만 아니라 내불꽃 소모성도 우수하다. 또한, 결정 입도가 커지게 되는 경향이 있는 Pt-Rh 합금에 비해서 상기 팁 재료는 결정 입도가 커지지 않고, 또 Pt-Ir 합금에 비해서 내부 산화를 억제할 수 있기 때문에 내팁균열성도 우수하다.
3성분계 조성도에 있어서 Cu가 3질량% 미만이면, 상기 효과가 얻어지지 않는다. 3성분계 조성도에 있어서 Cu가 25질량%를 넘으면, 산화하기 쉬운 Cu가 증가하기 때문에, 내산화성이 저하되는 것 외에도 결정 입계에서 내부 산화를 일으켜 팁 균열이나 팁 박리가 발생하는 일이 있다. 또한, 이러한 원인에 의해서 열전도성이 저하되어 내소모성에 악영향을 미칠 우려가 있다.
상기 팁 재료가 M을 함유하면, 특히 3성분계 조성도에 있어서 M이 0.5질량% 이상이면, M은 융점이 높기 때문에 내불꽃 소모성이 우수한 팁 재료가 된다. 또, 결정 입도가 미세하게 되기 때문에, 팁 내에서의 균열에 기인하는 결정립의 탈락을 억제할 수 있다. 또한, 고강도로 되기 때문에, 제조공정 중에 지그와 접촉하여 충격을 받더라도 귀금속 팁의 변형을 억제할 수 있기 때문에, 내충격성도 우수하다.
다만, 3성분계 조성도에 있어서 M이 17질량%를 넘으면, 취화를 일으키기 때문에, 가공성의 저하 및 열응력이나 내부 부식에 의한 팁 균열이 발생하기 쉬워지게 된다. 또, M은 열팽창 계수가 작기 때문에, M을 다량으로 함유하면, 전극 재료에 이용되는 Ni기 합금과 팁 재료와의 열팽창 계수의 차가 커지게 되므로, 내박리성에 악영향을 미친다. 따라서, 3성분계 조성도에 있어서 M은 17질량% 이하이고, 8질량% 이하인 것이 바람직하다.
이상과 같이 팁 재료에 있어서의 Cu 및 M의 작용에 대해서 설명하였으나, 팁 재료는 각각의 단독 성분의 질량 비율에 의한 영향 뿐만 아니라, 3성분(Mp, Cu, M)의 질량비에 의한 영향이 크다. 팁 재료가 Cu와 M을 합하여 소정 비율 이상 함유하고 있는 경우, 즉 3성분계 조성도에 있어서 Cu와 M의 질량 비율이 직선 BC를 넘은 경우에는 내박리성, 내소모성, 내팁균열성 중 적어도 1개가 열화된다. 따라서, 3성분계 조성도에 있어서 Cu와 M의 질량 비율은 직선 BC 이하이고, 직선 GH 이하인 것이 바람직하다.
또한, M은 Rh, Ir, Ru, Re 및 W으로 이루어지는 원소군에서 선택되는 적어도 1 종이다. Rh, Ir, Ru, Re 및 W은 모두 융점이 높고, 스퍼터링하기 어렵다. 또한, 고용강화(固溶强化)에 의해서 강도가 향상되고, 결정립을 미세하게 할 수 있기 때문에, 이들 원소군에서 선택되는 적어도 1종이 3성분계 조성도에 나타내는 범위에 있으면, 내박리성, 내소모성 및 내팁균열성이 우수한 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그를 제공할 수 있다. 이들 원소군 중에서도 Rh은 자신이 산화하여 치밀한 산화피막을 형성하고, 이것이 Cu 등의 산화를 억제할 수 있기 때문에 특히 바람직하다.
Mp는 Pt 또는 Pt과 Pd으로 이루어지고, Pd은 귀금속 팁의 질량에 대해서 20질량% 이하이다. Pt은 내산화성, 내불꽃 소모성 및 가공성이 우수하기 때문에, 팁 재료의 주성분으로서 우수하다. 또, Pd은 Pt과 마찬가지로 내산화성이 우수할 뿐만 아니라, 열팽창 계수가 Pt보다도 크기 때문에, 특정량의 Pd을 함유하는 것이 내박리성에 있어서 유리하다. 따라서, 팁 재료로 이루어지는 귀금속 팁의 전체 질량에 대해서 Pd이 20질량% 이하인 경우에는 내박리성, 내소모성 및 내팁균열성이 우수한 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그를 제공할 수 있다. 가격으로서도 Pt보다 저렴하다. 다만, Pd이 20질량%를 넘으면, 팁 재료의 융점이 저하됨으로써 내소모성이 저하된다.
팁 재료는 Ni, Co, Fe 및 Mn으로 이루어지는 원소군(A) 및/또는 Ti, Hf, Y 및 희토류 원소로 이루어지는 원소군(B)에서 선택되는 적어도 1종을 포함하며, 상기 원소군(A)의 합계 질량이 팁 재료로 이루어지는 귀금속 팁의 전체 질량에 대해서 5질량% 이하이고, 상기 원소군(B)의 합계 질량이 팁 재료로 이루어지는 귀금속 팁의 전체 질량에 대해서 1.5질량% 이하이고, 또한 상기 원소군(A) 및 상기 원소군(B)의 합계 질량이 팁 재료로 이루어지는 귀금속 팁의 전체 질량에 대해서 5질량% 이하인 것이 바람직하다.
팁 재료에 있어서의 원소군(A)의 합계 질량이 0질량%를 넘고 5질량% 이하이면, 내박리성 및 내팁균열성이 한층 더 우수하다. 원소군(A)는 열팽창 계수가 크기 때문에, 전극 재료의 열팽창 계수와의 차가 작아지게 되어 열응력의 발생을 억제할 수 있는 것, 및 결정립이 미세하게 되기 때문에 내팁균열성에 유효하다.
팁 재료에 있어서의 원소군(B)의 합계 질량이 0질량%를 넘고 1.5질량% 이하, 특히 0.01질량% 이상 1질량% 이하이면, 결정립이 미세하게 되기 때문에 내팁균열성이 우수하다.
팁 재료에 있어서의 원소군(A) 및 원소군(B)의 함유율이 너무 크면, 융점이 저하되어 내소모성이 열화될 우려가 있다. 따라서, 원소군(A) 및 원소군(B)의 합계 질량은 귀금속 팁에 대해서 5질량% 이하인 것이 바람직하다.
상기 팁 재료는 Mp, Cu 및 M을 합계로 95질량% 이상과, 소망에 따라서 Ni, Co, Fe 및 Mn으로 이루어지는 원소군(A)와, Ti, Hf, Y 및 희토류 원소로 이루어지는 원소군(B)를 실질적으로 함유한다. 이들 각 성분은 상기한 각 성분의 함유율의 범위 내에서, 이들 각 성분과 불가피 불순물의 합계가 100질량%가 되도록 함유된다. 상기 성분 이외의 성분, 예를 들면 Ag, B, Ca, Al, Si, Mg이 미량의 불가피 불순물로서 함유되는 일이 있다. 이들 불가피 불순물의 함유량은 적은 것이 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 모든 종류의 불가피 불순물의 합계 비율은 0.2질량부 이하인 것이 좋다.
상기 팁 재료로 형성되는 귀금속 팁에 함유되는 각 성분의 함유율은 제 1 발명에서 설명한 것과 마찬가지로 하여 측정할 수 있다.
상기 팁 재료로 형성되는 귀금속 팁의 경도는 140Hv 이상인 것이 바람직하고, 200Hv 이상인 것이 특히 바람직하다.
귀금속 팁의 경도가 상기 범위 내라면, 제조공정 중에 팁이 지그에 접촉하더라도 귀금속 팁의 변형을 방지할 수 있다.
귀금속 팁의 경도는 제 1 발명에서 설명한 것과 마찬가지로 하여 측정할 수 있다. 귀금속 팁의 경도의 조정도 또한 제 1 발명에서 설명한 것과 마찬가지로 하여 조정할 수 있다.
본 발명에 관한 스파크 플러그에 형성되는 귀금속 팁은, 이하에 기재된 용접면적(S)(㎟), 팁 돌출치수(H)(㎜), 커버링 치수(L)(㎜) 및 팁/용접부 간 거리(h)(㎜)가 다음의 조건을 만족한다.
(a) H≤0.13S+1.18, (b) S≤5, (c) 0.1≤h 또는 0.03≤L
또한, 귀금속 팁은 이하에 규정하는 팁 단면적(A)(㎟)이 다음의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.
(d) 0.2≤A≤1.8
상기 귀금속 팁에 있어서의 용접면적(S)과 팁 돌출치수(H)가 "(a) H≤0.13S+1.18"이라는 관계를 만족하면, 내소모성이 우수한 귀금속 팁을 가지는 스파크 플러그를 제공할 수 있다. 귀금속 팁의 내소모성을 향상시키기 위해서는 귀금속 팁의 열방산을 양호하게 하는 것이 좋다. 용접면적(S)이 작으면 귀금속 팁과 전극의 접촉면적이 작아지게 되는 결과, 귀금속 팁이 받은 열을 전극으로 전도시키기기 어렵게 되어 열방산이 나빠지게 된다고 지금까지 생각하여 왔다. 그러나, 용접면적(S) 뿐만 아니라 팁 돌출치수(H)도 열방산에 영향을 미치는 것을 본 발명자들이 발견하였다. 즉, 용접면적(S)이 작더라도 팁 돌출치수(H)가 소정값보다 작으면, 귀금속 팁의 과열을 억제할 수 있어 내소모성이 양호하게 된다. 반대로, 팁 돌출치수(H)가 크더라도 용접면적(S)이 크면, 열방산이 양호하게 되기 때문에 과열을 억제할 수 있다.
상기 귀금속 팁에 있어서의 용접면적(S)과 커버링 치수(L)와 팁/용접부 간 거리(h)가 "(b) S≤5" 또한 "(c) 0.1≤h 또는 0.03≤L"이라는 관계를 만족하면, 내박리성이 우수한 귀금속 팁을 가지는 스파크 플러그를 제공할 수 있다. 용접면적(S)이 크면, 귀금속 팁을 형성하는 팁 재료와 전극을 형성하는 전극 재료 간의 열팽창 계수의 차에 의해서, 특히 귀금속 팁의 외주부에 높은 열응력이 발생함으로써 귀금속 팁이 전극에서 박리되기 쉬워지게 된다. 따라서, 용접면적(S)은 5 이하이다. 또, 연소실 내는 기류의 흐름이 매우 격심하기 때문에, 커버링 치수(L)와 팁/용접부 간 거리(h)가 상기 범위 밖에 있으면, 전극에 있어서의 귀금속 팁의 외주에 근접하는 부분 및/또는 용접부로 방전되기 쉬워지게 된다. 전극 및 용접부는 귀금속 팁보다도 융점이 낮기 때문에, 전극 및 용접부가 소모되기 쉬워지게 되며, 귀금속 팁과 전극 및 용접부의 계면이 패이게 됨으로써 내박리성이 저하된다. 또한, 전극 및 용접부가 소모됨에 따라서 실질적으로 용접면적(S)이 작아지게 됨으로써 내소모성에도 악영향을 미친다. 따라서, 팁/용접부 간 거리(h)가 0.1 이상, 또는 커버링 치수(L)가 0.03 이상이다.
상기 귀금속 팁에 있어서의 팁 단면적(A)은 "(d) 0.2≤A≤1.8"인 것이 바람직하고, 팁 단면적(A)이 상기 범위 내에 있으면, 내소모성 한층 더 우수하다.
제 2 발명에서 규정되는 상기 용접면적(S), 상기 팁 돌출치수(H), 상기 커버링 치수(L), 상기 팁/용접부 간 거리(h) 및 상기 팁 단면적(A)은 제 1 발명에서 도 4∼도 9를 참조하면서 설명한 것과 마찬가지로 하여 규정된다.
제 2 발명에 관한 스파크 플러그는 상기 제 1 발명에 관한 스파크 플러그와 마찬가지로 하여 제조할 수 있다.
제 1 및 제 2 발명에 관한 스파크 플러그는 자동차용 내연기관, 예를 들면 가솔린 엔진 등의 점화전으로서 사용되며, 내연기관의 연소실을 구획 형성하는 헤드(도시생략)에 형성된 나사구멍에 상기 나사부(10)가 나사 결합됨으로써 소정의 위치에 고정된다. 본 발명에 관한 스파크 플러그는 어떤 내연기관에도 사용할 수 있지만, 내박리성, 내소모성 및 내팁균열성이 우수한 귀금속 팁을 구비하고 있기 때문에, 특히 과급기가 장착된 내연기관이나 고에너지 코일을 이용한 내연기관에 매우 적합하게 사용될 수 있다.
제 1 및 제 2 발명에 관한 스파크 플러그는 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 팁(9) 및 접지전극 팁(8) 모두가 상기 팁 재료로 형성되어 있으나, 본 발명에 있어서, 중심전극 팁(9)만이 상기 팁 재료로 형성되어 있어도 좋고, 접지전극 팁(8)만이 상기 팁 재료로 형성되어 있어도 좋다. 본 발명에 관한 스파크 플러그는 통상 중심전극보다도 접지전극 측이 더 고온에 노출되기 때문에, 적어도 접지전극 팁을 상기 팁 재료로 형성하는 것이 바람직하다.
[실시예]
(제 1 발명)
〈내소모성 및 내팁균열성을 평가하기 위한 스파크 플러그 시험체(A)의 제작〉
표 1∼5에 나타내는 조성을 가지는 합금을 용해하여 용해재(溶解材)를 조정하고, 이 용해재를 열간 또는 냉간에서 압연, 단조, 신선, 스웨이징 중 어느 1개 이상의 공정을 이용하여 와이어 형상의 소재로 가공한 후, 이것을 길이방향으로 절단하여 원기둥체의 귀금속 팁을 제조하였다.
INC 601을 주조 가공하여 중심전극과 접지전극을 제조하였다. 봉형상으로 형성된 중심전극의 선단면에 중심전극용으로서 제조된 귀금속 팁을 저항 용접한 후에 레이저 용접을 하여 접합하였다(이하, 중심전극에 접합된 귀금속 팁을 '중심전극 팁'이라고도 한다). 또, 대략 각기둥 형상으로 형성된 접지전극의 선단부의 둘레측면에 접지전극용으로서 제조된 귀금속 팁을 저항 용접한 후에 레이저 용접을 하여 접합하였다(이하, 접지전극에 접합된 귀금속 팁을 '접지전극 팁'이라고도 한다). 또한, 접지전극은 1.6×3.0㎜의 대략 각기둥체이며, 폭이 3.0㎜인 면에 귀금속 팁을 접합하였다.
그리고, 공지의 수법에 따라서 금속쉘의 일단면에 귀금속 팁이 접합되어 있지 않은 접지전극의 일단부를 접합하고, 그리고, 세라믹으로 형성된 절연체에 상기 중심전극을 조립하고, 접지전극이 접합된 금속쉘에 상기 절연체를 조립하였다. 그리고, 접지전극의 선단부를 중심전극 측으로 구부려서 접지전극의 일단이 중심전극의 선단부와 대향하도록 하여, 스파크 플러그 시험체(A)를 제조하였다.
또한, 제조된 스파크 플러그 시험체(A)의 나사 직경은 M14이고, 중심전극 팁의 선단면과 당해 중심전극 팁에 대향하는 접지전극 팁의 선단면과의 사이의 불꽃방전간극은 1.1㎜이었다. 또, 중심전극 팁 및 접지전극 팁 모두는 용접면적(S)이 0.2㎟, 팁 돌출치수(H)가 1.4㎜, 커버링 치수(L)가 0㎜, 팁/용접부 간 거리(h)가 1.0㎜, 팁 단면적(A)이 0.2㎟인 원기둥체이었다. 이들 스파크 플러그 시험체는, 도 4에 나타내는 스파크 플러그와 마찬가지로 귀금속 팁이 원기둥체이고, 저항 용접 및 레이저 용접에 의해서 전극에 접합되어 있다. 이와 같은 귀금속 팁의 형상을 이하에서는 "원기둥 형상(Ⅰ)"이라 한다.
중심전극에 접합된 귀금속 팁과 접지전극에 접합된 귀금속 팁의 경도를 상기한 방법으로 측정한 바, 모두 140Hv 이상이었다. 중심전극과 금속단자의 사이에 형성되어 있는 저항체의 저항값은 5㏀이었다.
〈내박리성을 평가하기 위한 스파크 플러그 시험체(B)의 제작〉
접지전극 팁이 레이저 용접을 하지 않고 저항 용접만에 의해서 전극에 접합되고, 접지전극 팁의 용접면적(S)이 5.3㎟, 팁 돌출치수(H)가 0.2㎜, 커버링 치수(L)가 0.02㎜, 팁/용접부 간 거리(h)가 0㎜, 팁 단면적(A)이 5.3㎟인 원기둥체인 것 이외에는 상기 스파크 플러그 시험체(A)와 같게 하여 스파크 플러그 시험체(B)를 제조하였다. 이들 스파크 플러그 시험체는, 도 5에 나타내는 스파크 플러그와 마찬가지로 귀금속 팁이 원기둥체이고, 저항 용접만에 의해서 전극에 접합되어 있다. 이와 같은 귀금속 팁의 형상을 이하에서는 "원기둥 형상(Ⅱ)"이라 한다.
또, 중심전극에 접합된 귀금속 팁과 접지전극에 접합된 귀금속 팁의 경도를 상기한 방법으로 측정한 바, 모두 140Hv 이상이었다. 중심전극과 금속단자의 사이에 형성되어 있는 저항체의 저항값은 5㏀이었다.
〈내변형성을 평가하기 위한 스파크 플러그 시험체(C)의 제작〉
표 6에 나타내는 조성을 가지는 접지전극 팁을 성형할 때의 가공률 및 가공 온도 등의 가공 조건 및 귀금속 팁을 접지전극에 용접할 때의 용접 조건을 변경하여 경도가 다른 접지전극 팁을 형성하고, 이 접지전극 팁의 용접면적(S)이 0.4㎟, 팁 돌출치수(H)가 1㎜, 팁/용접부 간 거리(h)가 0.6㎜, 팁 단면적(A)이 0.4㎟인 원기둥체인 것 이외에는 스파크 플러그 시험체(A)와 같게 하여 접지전극 팁의 경도가 다른 스파크 플러그 시험체(C)를 제조하였다. 이 스파크 플러그 시험체(C)의 접지전극 팁의 형상은 원기둥 형상(Ⅰ)이다.
〈저항체의 저항값에 의한 영향을 평가하기 위한 스파크 플러그 시험체(D)의 제작〉
스파크 플러그 시험체(A) 중 3개에 대해서, 저항체의 원료의 혼합비율 등을 변화시켜서, 저항체의 저항값이 10㏀ 또는 15㏀인 스파크 플러그 시험체(D)를 제조하였다.
〈평가방법〉
(내구성 시험의 방법)
상기한 바와 같이 제조된 스파크 플러그 시험체(A,B,D)를 과급기가 장착된 2000cc 4기통의 엔진에 부착하고, 스로틀 전개 상태에서 엔진 회전수 6000rpm의 상태를 3분간 유지하고, 그 후 아이들링을 엔진 회전수 900rpm으로 실시하는 사이클을 300시간 반복한 시점에서, 이하에 기재하는 내소모성, 내팁균열성 및 내박리성을 평가하였다.
[내소모성의 평가]
상기 내구성 시험을 300시간 반복한 전후의 스파크 플러그 시험체(A,D)에 있어서의 중심전극 팁의 선단면과 접지전극 팁의 선단면의 간극을 핀 게이지로 측정하여 상기 간극의 확대량을 산출하고, 이 확대량을 이하의 기준에 의거하여 평가하였다. 결과를 표 1∼5, 표 7에 나타낸다.
× : 0.2㎜ 이상
○ : 0.15㎜ 이상 0.2㎜ 미만
◎ : 0.12㎜ 이상 0.15㎜ 미만
☆ : 0.12㎜ 미만
[내팁균열성의 평가]
상기 내구성 시험을 300시간 반복한 후의 스파크 플러그 시험체(A)에 대해서 귀금속 팁이 접합된 접지전극을 잘라내고, 불꽃방전간극을 따르는 방향과 이것에 수직한 방향인 귀금속 팁의 전 둘레에 걸친 방향에서 SEM을 이용하여 250배로 관찰하고, 이하의 기준에 의거하여 평가하였다. 결과를 표 1∼5에 나타낸다.
× : 귀금속 팁의 표면에 균열이 10개소 이상 관찰되거나 또는 결정립의 탈락이 관찰된다.
○ : 귀금속 팁의 표면에 균열이 10개소 미만 관찰된다.
◎ : 귀금속 팁의 표면에 균열이 관찰되지 않는다.
[내박리성의 평가]
상기 내구성 시험을 300시간 반복한 후의 스파크 플러그 시험체(B)에 대해서 귀금속 팁이 접합된 접지전극을 잘라내고, 귀금속 팁의 중심을 지나며 접지전극의 길이방향으로 평행한 단면이 얻어지도록 절단하고, 이 반단면(半斷面)을 금속 현미경으로 관찰하여 산화 스케일의 유무를 조사하였다. 또한, 산화 스케일은 금속 현미경으로 관찰한 경우에 흑색으로 보이는 부분이고, 귀금속 팁과 용접부 또는 접지전극과의 계면이 산화 또는 박리되어 있는 부분이다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 상기한 용접면적에 있어서의 접지전극의 길이방향 거리(a)와, 이 반단면에 있어서의 접지전극의 접합면(16,216,516,616)에 평행한 방향의 각 산화 스케일의 길이(b,c,d)를 측정하고, a값에 대한 각 산화 스케일의 합계 길이(b+c+d)의 비율을 산출하여, 이하의 기준에 의거하여 평가하였다. 결과를 표 1∼5에 나타낸다.
× : 산화 스케일의 비율이 60% 이상
○ : 산화 스케일의 비율이 30% 이상 60 % 미만
◎ : 산화 스케일의 비율이 30% 미만
(내변형성 시험의 방법)
상기한 바와 같이 제조된 스파크 플러그 시험체(C)에 대해서 귀금속 팁(8)이 접합된 접지전극(7)을 잘라내어 도 12에 나타내는 장치에 원기둥 형상의 귀금속 팁(8)의 선단면이 상측이 되도록 설치하고, 접지전극을 설치하는 토대의 표면으로부터의 높이가 50㎜인 위치에서 45g의 낙하 지그를 낙하시켜서 귀금속 팁(8)에 충돌시키고, 귀금속 팁(8)과 낙하 지그와의 충돌방향의 변형량을 측정하였다. 또한, 귀금속 팁(8)은 당해 귀금속 팁(8)의 둘레측면에서부터 중심방향으로 0.2㎜까지의 면이 낙하 지그와 충돌하도록 배치하였다.
[내변형성의 평가]
상기한 바와 같이 제조된 스파크 플러그 시험체(C)를 상기한 내변형성 시험에 제공하여 상기 귀금속 팁의 변형량을 측정하고, 이 측정값을 이하의 기준에 의거하여 평가하였다. 결과를 표 6에 나타낸다.
× : 250㎛ 이상
○ : 210㎛ 이상 250㎛ 미만
◎ : 180㎛ 이상 210㎛ 미만
☆ : 180㎛ 미만
또한, 스파크 플러그 시험체의 내구성 시험의 결과를 나타내는 표 1∼5에 있어서의 종합 평가는 이하의 기준에 의거하여 평가하였다.
× : 내소모성, 내팁균열성, 내박리성의 평가 결과 중 적어도 1개가 ×이다.
○ : 내소모성, 내팁균열성, 내박리성의 평가 결과가 모두 ○이다.
◎ : 내소모성, 내팁균열성, 내박리성의 평가 결과 중 ◎ 이상이 1개 있다.
☆ : 내소모성, 내팁균열성, 내박리성의 평가 결과 중 ◎ 이상이 2개 있다.
☆☆ : 내소모성, 내팁균열성, 내박리성의 평가 결과가 모두 ◎ 이상이다.
또, 표 1 및 표 2에 나타내는 조성을 가지는 접지전극 팁의 Pt, Cu, Rh의 질량비를 도 2에 나타내었다. 도 2에서는 표 1 및 표 2에 있어서의 종합 평가가 "×"일 때의 질량비를 "▲", "○" 및 "◎"일 때의 질량비를 "●"로 나타내었다. 또한, 도 2에 있어서의 Mp가 Pt에 대응하고, M이 Rh에 대응한다.
No. 조성(질량%) 내구성 시험시의 평가
Pt Cu Rh Ni Ir 내소모성 내팁균열성 내박리성 종합평가
1














비교예















 80.0 0.0 0.0 20.0 - × ○ ◎ ×
2 80.0 0.0 20.0 - - ☆ × × ×
3 80.0 0.0 0.0 - 20.0 ◎ × × ×
4 98.0 2.0 0.0 - - ○ ○ × ×
5 93.0 2.0 5.0 - - ☆ ○ × ×
6 88.0 2.0 10.0 - - ☆ ○ × ×
7 83.0 2.0 15.0 - - ☆ ○ × ×
8 79.0 3.0 18.0 - - ☆ × × ×
9 75.0 5.0 20.0 - - ☆ × × ×
10 77.0 7.0 16.0 - - ☆ × × ×
11 76.0 14.0 10.0 - - × × × ×
12 75.0 20.0 5.0 - - × × ○ ×
13 73.0 27.0 0.0 - - × × ○ ×
14 97.0 3.0 0.0 - - ○ ○ × ×
15 92.0 3.0 5.0 - - ☆ ○ × ×
16 85.0 3.0 12.0 - - ☆ ○ × ×
17 82.0 3.0 15.0 - - ☆ ○ × ×
18 80.0 3.0 17.0 - - ☆ ○ × ×
19 96.0 4.0 0.0 - - ○ ○ × ×
20 93.0 4.0 3.0 - - ☆ ○ × ×
21 88.0 4.0 8.0 - - ☆ ○ × ×
22 85.0 5.0 10.0 - - ☆ ○ × ×
23 80.0 5.0 15.0 - - ☆ ○ × ×
24 83.0 7.0 10.0 - - ☆ ○ × ×
25 80.0 7.0 13.0 - - ☆ ○ × ×
26 80.0 10.0 10.0 - - ☆ ○ × ×
27 78.0 12.0 10.0 - - ◎ × × ×
28 78.0 15.0 7.0 - - ◎ × ○ ×
29 79.0 16.0 5.0 - - ◎ × ○ ×
30 79.0 18.0 3.0 - - ◎ × ○ ×
31 77.0 18.0 5.0 - - ◎ × ○ ×
32 76.0 22.0 2.0 - - ◎ × ○ ×
33 77.0 23.0 0.0 - - ○ × ○ ×
34 75.0 25.0 0.0 - - ○ × ○ ×
NO.
조성(질량%) 내구성 시험시의 평가
Pt Cu Rh Ni Ir 내소모성 내팁분열성 내박리성 종합평가
35











실시예










 95.0 5.0 0.0 - - ○ ○ ○ ○
36 90.0 10.0 0.0 - - ○ ○ ○ ○
37 85.0 15.0 0.0 - - ○ ○ ○ ○
38 80.0 20.0 0.0 - - ○ ○ ○ ○
39 94.5 5.0 0.5 - - ☆ ○ ○ ◎
40 92.0 5.0 3.0 - - ☆ ○ ○ ◎
41 90.0 5.0 5.0 - - ☆ ○ ○ ◎
42 87.0 5.0 8.0 - - ☆ ○ ○ ◎
43 92.5 7.0 0.5 - - ☆ ○ ○ ◎
44 90.0 7.0 3.0 - - ☆ ○ ○ ◎
45 88.0 7.0 5.0 - - ☆ ○ ○ ◎
46 85.0 7.0 8.0 - - ☆ ○ ○ ◎
47 83.0 9.0 8.0 - - ☆ ○ ○ ◎
48 89.5 10.0 0.5 - - ☆ ○ ○ ◎
49 87.0 10.0 3.0 - - ☆ ○ ○ ◎
50 85.0 10.0 5.0 - - ☆ ○ ○ ◎
51 82.0 10.0 8.0 - - ☆ ○ ○ ◎
52 87.5 12.0 0.5 - - ☆ ○ ○ ◎
53 85.0 12.0 3.0 - - ☆ ○ ○ ◎
54 80.0 12.0 8.0 - - ☆ ○ ○ ◎
55 80.0 14.0 6.0 - - ☆ ○ ○ ◎
56 84.5 15.0 0.5 - - ☆ ○ ○ ◎
57 82.0 15.0 3.0 - - ☆ ○ ○ ◎
58 80.0 15.0 5.0 - - ☆ ○ ○ ◎
59 80.0 17.0 3.0 - - ☆ ○ ○ ◎
60 80.0 18.0 2.0 - - ☆ ○ ○ ◎
61 79.5 20.0 0.5 - - ☆ ○ ○ ◎
No.
조성(질량%) 내구성시험시의 평가
Pt Cu Rh Ir Ru Re W 내소모성 내팁균열성 내박리성 종합평가
42


실시예
 87.0 5.0 8.0 ☆ ○ ○ ◎
62 87.0 5.0 8.0 ◎ ○ ○ ◎
63 87.0 5.0 8.0 ◎ ○ ○ ◎
64 87.0 5.0 8.0 ◎ ○ ○ ◎
65 87.0 5.0 3.0 5.0 ◎ ○ ○ ◎
66 87.0 5.0 3.0 3.0 2.0 ◎ ○ ○ ◎
50 85.0 10.0 5.0 ☆ ○ ○ ◎
67 85.0 10.0 5.0 ◎ ○ ○ ◎
68 85.0 10.0 5.0 ◎ ○ ○ ◎
69 85.0 10.0 2.0 3.0 ◎ ○ ○ ◎
No. 조성(질량%) 내구성 시험시의 평가
Pt Cu Rh Pd 내소모성 내팁균열성 내박리성 종합평가
38
실시예
 80.0 20.0 ○ ○ ○ ○
70 70.0 20.0 10.0 ○ ○ ◎ ◎
71 60.0 20.0 20.0 ○ ○ ◎ ◎
72 비교예 50.0 20.0 30.0 × ○ ◎ ×
No.
조성(질량%) 내구성 시험시의 평가
Pt Cu Rh Ir Ni Co Mn Hf Ti Y La 내소모성 내팁
균열성		 내박리성 종합평가
35
실시예		 95.0 5.0 ○ ○ ○ ○
73 90.0 5.0 5.0 ○ ◎ ◎ ☆
74 90.0 5.0 5.0 ○ ◎ ◎ ☆
75 90.0 5.0 5.0 ○ ◎ ◎ ☆
76 비교예 89.0 5.0 6.0 × ○ ◎ ×
46

실시예		 85.0 7.0 8.0 ☆ ○ ○ ◎
77 83.5 7.0 8.0 1.5 ☆ ◎ ○ ☆
78 83.5 7.0 8.0 1.5 ☆ ◎ ○ ☆
79 83.5 7.0 8.0 1.5 ☆ ◎ ○ ☆
80 83.0 7.0 8.0 2.0 ◎ ◎ ○ ☆
81 83.0 7.0 8.0 2.0 ◎ ◎ ○ ☆
36 90.0 10.0 ○ ○ ○ ○
82 85.0 10.0 3.5 1.5 ○ ◎ ◎ ☆
83 비교예 84.5 10.0 3.5 2.0 × × ◎ ×
No.
조성(질량%) 평가
Pt Cu Rh Ir 경도 내변형성
84 비교예 80.0 20.0 210 ×
85


실시예



 95.0 5.0 135 ○
86 95.0 5.0 140 ◎
87 90.0 10.0 100 ○
88 90.0 10.0 140 ◎
89 89.5 10.0 0.5 130 ○
90 89.5 10.0 0.5 140 ◎
91 89.5 10.0 0.5 200 ☆
92 85.0 10.0 5.0 185 ◎
93 85.0 10.0 5.0 200 ☆
94 85.0 10.0 5.0 210 ☆
No. 조성(질량%) 저항값
(㏀)		 평가
Pt Cu Rh Ni 내소모성
1
비교예		 80.0 20.0 5 ×
95 80.0 20.0 10 ×
96 80.0 20.0 15 ○
35

실시예

 95.0 5.0 5 ○
97 95.0 5.0 10 ○
98 95.0 5.0 15 ◎
50 85.0 10.0 5.0 5 ☆
99 85.0 10.0 5.0 10 ☆
100 85.0 10.0 5.0 15 ☆
제 1 발명의 범위에 포함되는 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그는 표 2∼표 7에 나타내는 바와 같이 내소모성, 내박리성 및 내팁균열성이 우수하였다.
한편, 제 1 발명의 범위 밖에 있는 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그는 표 1 및 표 4∼7에 나타내는 바와 같이 내소모성, 내박리성 및 내팁균열성 중 적어도 1개의 특성이 열화되어 있었다.
표 3에 나타내는 바와 같이, 귀금속 팁이 Rh, Ir, Ru, Re 및 W 중 어느 1개의 원소를 함유하고 있어도 같은 성능을 가지는 귀금속 팁이 얻어졌다. 표 4에 나타내는 바와 같이, Pt과 Cu를 함유하는 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그(No.38)에 비해서, Pt과 Cu와 Pd을 함유하는 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그(No.70, 71)는 내박리성이 우수하였다. 표 5에 나타내는 바와 같이, Ni, Co, Mn 중 적어도 1개를 함유하는 스파크 플러그(No.73∼75, 82)는 이들 원소를 함유하지 않는 스파크 플러그(No.35, 36)에 비해서 내박리성 및 내팁균열성이 한층 더 우수하였다. 또, Hf, Ti, Y, La 중 어느 1개를 함유하는 스파크 플러그(No.77∼82)는 이들 원소를 함유하지 않는 스파크 플러그(No.35, 46, 36)에 비해서 내팁균열성이 한층 더 우수하였다.
표 6에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 범위에 포함되는 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그는 귀금속 팁의 경도가 140Hv 이상, 특히 200Hv 이상이면, 내변형성이 한층 더 우수하였다. 표 7에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 범위에 포함되는 귀금속 팁을 구비하여 이루어지는 스파크 플러그는 저항체의 저항값이 10㏀ 이하이어도 내소모성이 우수하였다.
(제 2 발명)
〈내소모성 및 내팁균열성을 평가하기 위한 스파크 플러그 시험체(E)의 제작〉
표 8∼12에 나타내는 조성을 가지는 귀금속 팁에 있어서, 접지전극 팁의 팁 돌출치수(H)가 1.2㎜, 팁/용접부 간 거리(h)가 0.8㎜인 것 이외에는 상기 스파크 플러그 시험체(A)와 같게 하여 스파크 플러그 시험체(E)를 제조하였다. 이 스파크 플러그 시험체(E)의 귀금속 팁의 형상은 원기둥 형상(Ⅰ)이다.
또, 중심전극 팁과 접지전극 팁의 경도를 상기한 방법으로 측정한 바, 모두 140Hv 이상이었다. 중심전극과 금속단자의 사이에 형성되어 있는 저항체의 저항값은 5㏀이었다.
〈내박리성을 평가하기 위한 스파크 플러그 시험체(F)의 제작〉
표 8∼12에 나타내는 조성을 가지는 귀금속 팁에 있어서, 접지전극 팁의 용접면적(S)이 5㎟, 커버링 치수(L)가 0.03㎜, 팁 단면적(A)이 5㎟인 것 이외에는 상기 스파크 플러그 시험체(B)와 같게 하여 스파크 플러그 시험체(F)를 제조하였다. 이 스파크 플러그 시험체(F)의 중심전극 팁의 형상은 원기둥 형상(Ⅰ)이고, 접지전극 팁의 형상은 원기둥 형상(Ⅱ)이다.
〈스파크 플러그 시험체(G)의 제작〉
표 13에 나타내는 조성을 가지는 귀금속 팁에 있어서, 접지전극 팁의 직경 및 높이를 변경함에 의해서 용접면적(S) 및 팁 돌출치수(H)를 변화시킨 것 이외에는 스파크 플러그 시험체(E)와 같게 하여 스파크 플러그 시험체(G)를 제조하였다. 이 스파크 플러그 시험체(G)의 접지전극 팁의 형상은 원기둥 형상(Ⅰ)이다. 또한, 표 13에 있어서 Pt-18Cu-5Rh로 나타내는 기호는, 귀금속 팁이 Pt을 77질량%, Cu를 18질량%, Rh을 5질량% 함유하는 것을 나타낸다. 이하에 나타내는 같은 기호도 같은 의미이다.
〈스파크 플러그 시험체(H)의 제작〉
표 14에 나타내는 조성을 가지는 귀금속 팁에 있어서, 접지전극 팁의 용접면적(S) 및 팁 돌출치수(H)를 고정한 상태에서 접지전극 팁의 형상을 변화시킨 것 이외에는 스파크 플러그 시험체(E)와 같게 하여 스파크 플러그 시험체(H)를 제조하였다. 또한, 표 14에 나타내는 귀금속 팁의 형상에 대해서, '돌출형상'은 도 6 및 도 7에 나타내는 접지전극 팁과 같은 형상이고, '각(角)팁형상'은 도 8에 나타내는 접지전극 팁과 같은 형상이고, '반구(半球)형상'은 도 9에 나타내는 접지전극 팁과 같은 형상이다.
〈스파크 플러그 시험체(I)의 제작〉
표 15에 나타내는 조성을 가지는 접지전극 팁에 있어서, 접지전극 팁의 직경 및 용접 조건을 변경함에 의해서 용접면적(S)을 변화시킨 것 이외에는 스파크 플러그 시험체(F)와 같게 하여 스파크 플러그 시험체(I)를 제조하였다. 또한, 커버링 치수(L)는 0㎜, 팁/용접부 간 거리(h)는 0.1㎜이었다.
〈스파크 플러그 시험체(J)의 제작〉
표 16에 나타내는 조성을 가지는 접지전극 팁에 있어서, 접지전극 팁의 직경 및 용접 조건을 변경함에 의해서 커버링 치수(L), 팁/용접부 간 거리(h)를 변화시킨 것 이외에는 스파크 플러그 시험체(F)와 같게 하여 스파크 플러그 시험체(J)를 제조하였다.
〈스파크 플러그 시험체(K)의 제작〉
표 17에 나타내는 조성을 가지는 접지전극 팁에 있어서, 용접면적(S), 커버링 치수(L) 및 팁/용접부 간 거리(h)를 고정한 상태에서 접지전극 팁의 형상을 변화시킨 것 이외에는 스파크 플러그 시험체(F)와 같게 하여 스파크 플러그 시험체(K)를 제조하였다.
〈내변형성을 평가하기 위한 스파크 플러그 시험체(L)의 제작〉
표 18에 나타내는 조성을 가지는 접지전극 팁을 성형할 때의 가공률 및 가공 온도 등의 가공 조건 및 귀금속 팁을 접지전극에 용접할 때의 용접 조건을 변경하여 경도가 다른 접지전극 팁을 형성하고, 이 접지전극 팁의 용접면적(S)이 0.4㎟, 팁 돌출치수(H)가 1㎜, 팁/용접부 간 거리(h)가 0.6㎜, 팁 단면적(A)이 0.4㎟인 원기둥체인 것 이외에는 스파크 플러그 시험체(E)와 같게 하여 접지전극 팁의 경도가 다른 스파크 플러그 시험체(L)를 제조하였다. 이 스파크 플러그 시험체(L)의 접지전극 팁의 형상은 원기둥 형상(Ⅰ)이다.
〈저항체의 저항값에 의한 영향을 평가하기 위한 스파크 플러그 시험체(M)의 제작〉
스파크 플러그 시험체(E) 중 2개에 대해서, 저항체의 원료의 혼합비율 등을 변화시켜서, 저항체의 저항값을 10㏀ 또는 15㏀으로 한 스파크 플러그 시험체(M)를 제조하였다.
〈평가방법〉
상기한 바와 같이 제조된 스파크 플러그 시험체에 대해서, 제 1 발명에 있어서의 평가방법과 마찬가지로 하여 시험을 실시하고 평가하였다. 또, 스파크 플러그 시험체의 내구성 시험의 결과를 나타내는 표 8∼12의 종합평가도 또한 제 1 발명에서 기재한 기준에 따라서 평가하였다. 결과를 표 8∼19 및 도 13에 나타낸다.
또, 표 8 및 표 9에 나타내는 조성을 가지는 접지전극 팁의 Pt, Cu, Rh의 질량비를 도 10에 나타내었다. 도 10에서는 표 8 및 표 9에 있어서의 종합평가가 "×"일 때의 질량비를 "▲", "◎"일 때의 질량비를 "◆", "☆"및 "☆☆"일 때의 질량비를 "●"로 나타내었다. 또한, 도 10에 있어서의 Mp가 Pt에 대응하고, M이 Rh에 대응한다.
No.
조성(질량%) 내구성 시험시의 평가
Pt Cu Rh Ni Ir 내소모성 내팁균열성 내박리성 종합평가
100





비교예


 80.0 0.0 0.0 20.0 - × ○ ◎ ×
101 80.0 0.0 20.0 - - ☆ × × ×
102 80.0 0.0 0.0 - 20.0 ◎ × × ×
103 98.0 2.0 0.0 - - ◎ ○ × ×
104 93.0 2.0 5.0 - - ☆ ○ × ×
105 88.0 2.0 10.0 - - ☆ ○ × ×
106 83.0 2.0 15.0 - - ☆ ○ × ×
107 79.0 3.0 18.0 - - ☆ × × ×
108 75.0 5.0 20.0 - - ☆ × × ×
109 77.0 7.0 16.0 - - ☆ × × ×
110 76.0 14.0 10.0 - - × × ○ ×
111 75.0 20.0 5.0 - - × × ○ ×
112 73.0 27.0 0.0 - - × × ○ ×
No.
조성(질량%) 내구성 시험시의 평가
Pt Cu Rh Ni Ir 내소모성 내팁균열성 내박리성 종합평가
113



















실시예























 97.0 3.0 0.0 - - ◎ ○ ○ ◎
114 92.0 3.0 5.0 - - ☆ ○ ○ ◎
115 85.0 3.0 12.0 - - ☆ ○ ○ ◎
116 82.0 3.0 15.0 - - ☆ ○ ○ ◎
117 80.0 3.0 17.0 - - ☆ ○ ○ ◎
118 96.0 4.0 0.0 - - ◎ ○ ○ ◎
119 93.0 4.0 3.0 - - ☆ ○ ○ ◎
120 88.0 4.0 8.0 - - ☆ ○ ○ ◎
121 85.0 5.0 10.0 - - ☆ ○ ○ ◎
122 80.0 5.0 15.0 - - ☆ ○ ○ ◎
123 83.0 7.0 10.0 - - ☆ ○ ○ ◎
124 80.0 7.0 13.0 - - ☆ ○ ○ ◎
125 80.0 10.0 10.0 - - ☆ ○ ○ ◎
126 78.0 12.0 10.0 - - ☆ ○ ○ ◎
127 78.0 15.0 7.0 - - ☆ ○ ○ ◎
128 79.0 16.0 5.0 - - ☆ ○ ○ ◎
129 79.0 18.0 3.0 - - ☆ ○ ○ ◎
130 77.0 18.0 5.0 - - ☆ ○ ○ ◎
131 76.0 22.0 2.0 - - ☆ ○ ○ ◎
132 77.0 23.0 0.0 - - ◎ ○ ○ ◎
133 75.0 25.0 0.0 - - ◎ ○ ○ ◎
134 95.0 5.0 0.0 - - ◎ ○ ◎ ☆
135 90.0 10.0 0.0 - - ◎ ○ ◎ ☆
136 85.0 15.0 0.0 - - ◎ ○ ◎ ☆
137 80.0 20.0 0.0 - - ◎ ○ ◎ ☆
138 94.5 5.0 0.5 - - ☆ ◎ ◎ ☆☆
139 92.0 5.0 3.0 - - ☆ ◎ ◎ ☆☆
140 90.0 5.0 5.0 - - ☆ ◎ ◎ ☆☆
141 87.0 5.0 8.0 - - ☆ ◎ ◎ ☆☆
142 92.5 7.0 0.5 - - ☆ ◎ ◎ ☆☆
143 90.0 7.0 3.0 - - ☆ ◎ ◎ ☆☆
144 88.0 7.0 5.0 - - ☆ ◎ ◎ ☆☆
145 85.0 7.0 8.0 - - ☆ ◎ ◎ ☆☆
146 83.0 9.0 8.0 - - ☆ ◎ ◎ ☆☆
147 89.5 10.0 0.5 - - ☆ ◎ ◎ ☆☆
148 87.0 10.0 3.0 - - ☆ ◎ ◎ ☆☆
149 85.0 10.0 5.0 - - ☆ ◎ ◎ ☆☆
150 82.0 10.0 8.0 - - ☆ ◎ ◎ ☆☆
151 87.5 12.0 0.5 - - ☆ ◎ ◎ ☆☆
152 85.0 12.0 3.0 - - ☆ ◎ ◎ ☆☆
153 80.0 12.0 8.0 - - ☆ ◎ ◎ ☆☆
154 80.0 14.0 6.0 - - ☆ ◎ ◎ ☆☆
155 84.5 15.0 0.5 - - ☆ ◎ ◎ ☆☆
156 82.0 15.0 3.0 - - ☆ ◎ ◎ ☆☆
157 80.0 15.0 5.0 - - ☆ ◎ ◎ ☆☆
158 80.0 17.0 3.0 - - ☆ ◎ ◎ ☆☆
159 80.0 18.0 2.0 - - ☆ ◎ ◎ ☆☆
160 79.5 20.0 0.5 - - ☆ ◎ ◎ ☆☆
No.
조성(질량%) 내구성 시험시의 평가
Pt Cu Rh Ir Ru 내소모성 내팁균열성 내박리성 종합평가
114

실시예		 92.0 3.0 5.0 ☆ ○ ○ ◎
161 92.0 3.0 5.0 ◎ ○ ○ ◎
162 90.0 5.0 2.0 3.0 ◎ ○ ○ ◎
140 90.0 5.0 5.0 ☆ ◎ ◎ ☆☆
163 90.0 5.0 2.0 3.0 ◎ ◎ ◎ ☆☆
No.
조성(질량%) 내구성 시험시의 평가
Pt Cu Rh Pd 내소모성 내팁균열성 내박리성 종합평가
121 실시예
 85.0 5.0 10.0 ☆ ○ ○ ◎
164 65.0 5.0 10.0 20.0 ☆ ○ ◎ ☆
No.
조성(질량%) 내구성 시험시의 평가
Pt Cu Rh Ni Co Ti La 내소모성 내팁균열성 내박리성 종합평가
127 실시예 78.0 15.0 7.0 ☆ ○ ○ ◎
165 73.0 15.0 7.0 5.0 ☆ ○ ◎ ☆
166 비교예 72.0 15.0 7.0 6.0 ◎ × ○ ×
114

실시예
 92.0 3.0 5.0 ☆ ○ ○ ◎
167 90.5 3.0 5.0 1.5 ☆ ◎ ○ ☆
168 90.0 3.0 5.0 2.0 ◎ ○ ○ ◎
120 88.0 4.0 8.0 ☆ ○ ○ ◎
169 83.0 4.0 8.0 3.5 1.5 ☆ ◎ ◎ ☆☆
170 비교예 82.5 4.0 8.0 3.5 2.0 × ○ ○ ×
No.

조성(질량%) Pt-18Cu-5Rh Pt-20Cu Pt-20Cu-0.5Rh
S
(㎟)		 H
(㎜)		 내구성 시험시의 평가
내소모성 내팁균열성 내소모성 내팁균열성 내소모성 내팁균열성
180 실시예
 0.2 0.15 ☆ ○ ◎ ○ ☆ ◎
181 0.2 1.20 ☆ ○ ◎ ○ ☆ ◎
182 비교예 0.2 1.40 ◎ × ○ ○ ☆ ○
183 실시예 0.8 0.20 ☆ ○ ◎ ○ ☆ ◎
184 비교예 0.8 1.50 ◎ × ○ ○ ☆ ○
185 실시예 1.4 1.30 ☆ ○ ◎ ○ ☆ ◎
186 비교예 2.1 1.70 ◎ × ○ ○ ☆ ○
187
실시예		 2.8 0.20 ☆ ○ ◎ ○ ☆ ◎
188 2.8 1.00 ☆ ○ ◎ ○ ☆ ◎
189 2.8 1.50 ☆ ○ ◎ ○ ☆ ◎
190 비교예 2.8 1.80 ◎ × ○ ○ ☆ ○
191 실시예 4.0 1.60 ☆ ○ ◎ ○ ☆ ◎
192 비교예 5.0 2.10 ◎ × ○ ○ ☆ ○
193
실시예
 5.0 0.20 ☆ ○ ◎ ○ ☆ ◎
194 5.0 1.00 ☆ ○ ◎ ○ ☆ ◎
195 5.0 1.80 ☆ ○ ◎ ○ ☆ ◎


No.
 조성(질량%) Pt-18Cu-5Rh

용접방법 저항+레이저 저항 레이저 저항 레이저
접지전극팁의 형상 원통형상Ⅰ 원통형상Ⅱ 돌출형상 각팁형상 반구형상

S
(㎟)		 H
(㎜)		 내구성 시험시의 평가
내소모성 내팁균열성 내소모성 내팁균열성 내소성모 내팁균열성 내소모성 내팁균열성 내소모성 내팁균열성 종합평가
196 실시예 0.2 1.20 ☆ ○ ☆ ○ ☆ ○ ◎ ○ ◎ ○ ○
197 비교예 0.2 1.40 ◎ × ◎ × ◎ × ○ × ○ × ×

No.

조성(질량%) Pt-3Cu-17Rh Pt-5Cu Pt-5Cu-8Rh
S
(㎟)		 내구성 시험시의 평가
내박리성
198
실시예

 0.3 ○ ◎ ◎
199 0.9 ○ ◎ ◎
200 2.5 ○ ◎ ◎
201 5.0 ○ ◎ ◎
202 비교예 5.3 × ○ ○

No.

조성(질량%) Pt-3Cu-17Rh Pt-5Cu Pt-5Cu-8Rh
L
(㎜)		 H
(㎜)		 내구성 시험시의 평가
내박리성
203 실시예
 0.05 0 ○ ◎ ◎
204 0.03 0 ○ ◎ ◎
205 비교예 0 0 × ○ ○
206 실시예
 0 0.2 ○ ◎ ◎
207 0 0.1 ○ ◎ ◎
208 비교예 0 0 × ○ ○


No.
조성(질량%) Pt-3Cu-17Rh
용접방법 저항+레이저 저항 레이저 저항 저항+레이저
접지전극팁의 형상 원통형상Ⅰ 원통형상Ⅱ 돌출형상 각팁형상 반구형상
S
(㎟)		 L
(㎜)		 H
(㎜)		 내구성 시험시의 평가
내박리성
209 실시예 5.0 0 0.1 ○ ○ ○ ○ ○
210 비교예 5.0 0 0 × × × × ×
211 실시예 5.0 0.03 0 ○ ○ ○ ○ ○
212 비교예 5.2 0.03 0 × × × × ×
No.
조성(질량%) 평가
Pt Cu Rh 경도 내변형성
213 비교예 80.0 0 20.0 210 ×
214
실시예

 92.0 3.0 5.0 120 ○
215 92.0 3.0 5.0 145 ◎
216 88.0 4.0 8.0 180 ◎
217 88.0 4.0 8.0 200 ☆
No.
조성 (질량%) 저항값
(㏀)		 내구성 시험시의 평가
Pt Cu Rh Ni 내소모성
100
비교예
 80.0 0 0 20.0 5 ×
218 80.0 0 0 20.0 10 ×
219 80.0 0 0 20.0 15 ○
130
실시예
 77.0 18.0 5.0 0 5 ☆
220 77.0 18.0 5.0 0 10 ☆
221 77.0 18.0 5.0 0 15 ☆
제 2 발명의 범위에 포함되는 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그는 표 9∼표 19에 나타내는 바와 같이 내소모성, 내박리성 및 내팁균열성이 우수하였다.
한편, 제 2 발명의 범위 밖에 있는 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그는 표 8, 12∼19에 나타내는 바와 같이 내소모성, 내박리성 및 내팁균열성 중 적어도 1개의 특성이 열화되어 있었다.
표 10에 나타내는 바와 같이, 귀금속 팁이 Rh, Ir 및 Ru 중 어느 1개의 원소를 함유하고 있어도 같은 성능을 가지는 귀금속 팁이 얻어졌다. 표 11에 나타내는 바와 같이, Pt과 Cu와 Rh을 함유하는 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그(No.121)와, Pt과 Cu와 Rh과 Pd을 함유하는 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그(No.164)는 모두 같은 성능을 가지는 귀금속 팁이 얻어졌다. 표 12에 나타내는 바와 같이, Ni, Co, Ti 및 La 중 적어도 1개를 합계로 5질량% 이하 함유하는 스파크 플러그는, 이들 원소를 함유하지 않는 스파크 플러그 및 이들 원소를 합계로 5질량%을 넘게 함유하는 스파크 플러그에 비해서 내소모성, 내박리성 및 내팁균열성이 한층 더 우수하였다.
표 13에 있어서, 원소 조성이 Pt-18Cu-5Rh인 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그의 평가 결과를, 세로축을 팁 돌출치수(H)(㎜)로 하고 가로축을 용접면적(S)(㎟)으로 하여 도 13에 나타내었다. 도 13에 나타내는 바와 같이, 점(0.2, 1.2)과 점(5, 1.8)을 연결하는 직선(H=0.13S+1.18)보다도 팁 돌출치수(H)가 큰 접지전극 팁을 구비하여 이루어지는 제 2 발명의 범위 밖에 있는 스파크 플러그(No.182, 186, 190, 192)에 비해서, 제 2 발명의 범위 내에 있는 스파크 플러그의 내소모성 및 내팁균열성의 평가 결과가 양호하였다. 표 14에 나타내는 바와 같이, 상기 직선보다도 팁 돌출치수(H)가 작은 접지전극 팁을 구비하여 이루어지는 스파크 플러그는 접지전극 팁의 형상이 다르더라도 종합 평가가 양호하였다.
표 15에 나타내는 바와 같이, 용접면적(S)이 5.0 이하인 접지전극 팁을 구비하여 이루어지는 스파크 플러그는 내박리성의 평가가 양호하였다. 표 16에 나타내는 바와 같이, h가 0.1(㎜) 이상 또는 L이 0.03(㎜) 이상인 접지전극 팁을 구비하여 이루어지는 스파크 플러그는 내박리성의 평가가 우수하였다. 표 17에 나타내는 바와 같이, 용접면적(S)(㎟)이 5.0 이하 또한 h가 0.1(㎜) 이상 또는 L이 0.03(㎜) 이상인 접지전극 팁을 구비하여 이루어지는 스파크 플러그는 접지전극 팁의 형상이 다르더라도 내박리성의 평가가 양호하였다.
표 18에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 범위에 포함되는 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그는 귀금속 팁의 경도가 140Hv 이상, 특히 200Hv 이상이면, 내구성이 한층 더 우수하였다. 표 19에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 범위에 포함되는 귀금속 팁을 구비하여 이루어지는 스파크 플러그는 저항체의 저항값이 10㏀ 이하이어도 내소모성이 우수하였다.
1, 101, 102 - 스파크 플러그 2 - 금속쉘
3 - 절연체 4 - 중심전극
5 - 저항체 6 - 금속단자
7 - 접지전극 8 - 접지전극 팁
9 - 중심전극 팁 10 - 나사부
11 - 탈크 12 - 패킹
13 - 외측 부재 14 - 내측 부재
15 - 용접부 16 - 접합면
17 - 경계선 18 - 토대(土臺)
20 - 축구멍 521 - 중심전극 팁에 있어서의 용접부
G - 불꽃방전간극

Claims (11)

  1. 중심전극 및 상기 중심전극과의 사이에 간극을 형성한 접지전극을 구비하고, 상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 적어도 일방에 귀금속 팁이 형성된 스파크 플러그에 있어서,
    상기 귀금속 팁은 Mp(Mp는 Pt 또는 Pt과 Pd으로 이루어지고, Pd은 귀금속 팁의 질량에 대해서 20질량% 이하이다), Cu 및 M(M은 Rh, Ir, Ru, Re 및 W으로 이루어지는 원소군에서 선택되는 적어도 1종이다)을 합계로 95질량% 이상 함유하고, 또한 상기 Mp, Cu, M의 질량비(Mp, Cu, M)가 3성분계 조성도에 있어서의 각 점 D(95, 5, 0), E(94.5, 5, 0.5), F(87, 5, 8), G(80, 12, 8), H(79.5, 20, 0.5), I(80, 20, 0), D(95, 5, 0)를 이 순서대로 연결하는 선분으로 둘러싸인 영역 내(선상(線上)을 포함한다)에 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 귀금속 팁은 질량비(Mp, Cu, M)가 3성분계 조성도에 있어서의 각 점 E(94.5, 5, 0.5), F(87, 5, 8), G(80, 12, 8), H(79.5, 20, 0.5), E(94.5, 5, 0.5)를 이 순서대로 연결하는 선분으로 둘러싸인 영역 내(선상을 포함한다)에 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  3. 축구멍을 가지는 절연체를 구비하고, 상기 축구멍에 설치된 중심전극 및 상기 중심전극과의 사이에 간극을 형성한 접지전극을 구비하고, 상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 적어도 일방에 귀금속 팁이 형성된 스파크 플러그에 있어서,
    상기 귀금속 팁은 Mp(Pt 또는 Pt과 Pd으로 이루어지고, Pd은 귀금속 팁의 질량에 대해서 20질량% 이하이다), Cu 및 M(M은 Rh, Ir, Ru, Re 및 W으로 이루어지는 원소군에서 선택되는 적어도 1종이다)을 합계로 95질량% 이상 함유하고, 또한 상기 Mp, Cu, M의 질량비(Mp, Cu, M)가 3성분계 조성도에 있어서의 각 점 A(97, 3, 0), B(80, 3, 17), C(75, 25, 0), A(97, 3, 0)를 이 순서대로 연결하는 선분으로 둘러싸인 영역 내(선상을 포함한다)에 있고, 이하에 기재된 용접면적(S)(㎟)과 팁 돌출치수(H)(㎜), 커버링 치수(L)(㎜), 팁/용접부 간 거리(h)(㎜)가 다음의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
    (a) H≤0.13S+1.18, (b) S≤5, (c) 0.1≤h 또는 0.03≤L
    단, 용접면적(S)은, 상기 귀금속 팁이 상기 중심전극 및/또는 상기 접지전극의 선단면 또는 둘레측면에 형성되고, 상기 귀금속 팁이 당해 귀금속 팁과 설치 금속체(단, 설치 금속체는 중심전극, 접지전극, 또는 이들 전극과 상기 귀금속 팁과의 사이에 설치된 토대를 말한다)와의 용융에 의해서 형성되는 용접부를 통해서 접합되어 있는 상기 설치 금속체의 접합면에 대해서 수직인 방향을 X방향이라 하고, 상기 X방향에서 관찰하여, 상기 설치 금속체와 상기 귀금속 팁을 상기 X방향에 직교하는 면으로 투영한 경우에 있어서의 양 투영영역이 겹쳐지는 영역의 면적(S)(단, 상기 귀금속 팁이 설치 금속체에 당해 설치 금속체에 있어서의 복수 면에서 접합되어 있는 경우에는 각 면에 대해서 수직인 방향을 Y방향이라 하고, 각 Y방향에 있어서의 겹쳐지는 영역의 합계 면적을 S라 한다)이고,
    팁 돌출치수(H)는, 상기 귀금속 팁과 대향 금속 볼록체(단, 대향 금속 볼록체는 귀금속 팁, 중심전극의 선단부가 돌출되게 형성되는 중심전극 볼록부, 또는 접지전극의 선단부가 돌출되게 형성되는 접지전극 볼록부를 말한다)가 대향하는 방향에 있어서, 상기 설치 금속체의 상기 접합면과 당해 접합면에서부터 가장 멀리 떨어진 상기 귀금속 팁의 선단면과의 사이의 거리(단, 상기 설치 금속체와 상기 귀금속 팁과의 사이의 전면(全面)에 상기 용접부가 형성되어 있는 경우에는, 상기 귀금속 팁의 축선(PX)방향에 있어서의 상기 용접부의 두께가 가장 얇은 부위에 있어서의 두께의 1/2이 되는 점에서부터 상기 축선(PX)방향으로 가장 멀리 떨어진 상기 귀금속 팁의 표면까지의 거리이다)이고,
    커버링 치수(L)와 팁/용접부 간 거리(h)에 대해서는, 상기 축구멍이 연장되는 방향을 상기 중심전극의 축선(AX)방향이라 하였을 때,
    (1) 상기 귀금속 팁과 상기 대향 금속 볼록체가 상기 축선(AX)방향으로 대향하도록 배치되고, 상기 귀금속 팁이 상기 설치 금속체로부터 상기 축선(AX)에 직교하는 방향으로 돌출되지 않는 경우에는, 커버링 치수(L)는, 상기 축선(AX)방향에서 관찰하여, 상기 귀금속 팁의 최대 직경이 되는 둘레측면 상의 점(k1)을 포함하는 상기 축선(AX)에 평행한 직선군(直線群)과 상기 귀금속 팁에 대향하는 상기 대향 금속 볼록체의 최대 직경이 되는 둘레측면 상의 점(k2)을 포함하는 상기 축선(AX)에 평행한 직선군과의 사이의 최단 거리이고, 팁/용접부 간 거리(h)는, 상기 귀금속 팁에 있어서, 상기 점(k1)을 포함하고 상기 축선(AX)에 평행한 면에 있어서의 상기 귀금속 팁의 선단에서부터 상기 용접부와의 경계까지의 상기 축선(AX)방향 거리이고,
    (2) 상기 귀금속 팁이 상기 접지전극으로부터 상기 축선(AX)에 직교하는 방향으로 돌출되도록 상기 접지전극에 형성되고, 상기 대향 금속 볼록체의 선단면과 상기 귀금속 팁이 상기 축선(AX)방향에 있어서 대향하도록 배치되어 있는 경우에는, 커버링 치수(L)는 상기 축선(AX)방향에서 관찰하여, 상기 대향 금속 볼록체의 선단면을 상기 축선(AX)방향에 수직한 가상면으로 투영한 경우에 있어서의 투영면 상의 점(k3)과, 상기 접지전극을 상기 가상면으로 투영한 경우에 있어서의 투영면의 윤곽선 및 상기 귀금속 팁을 상기 가상면으로 투영한 경우에 있어서의 투영면의 윤곽선이 교차함에 의해서 생기는 교점(k41)과의 최단 거리이고, (i) 상기 귀금속 팁의 팁/용접부 간 거리(h)는, 상기 귀금속 팁에 있어서, 상기 교점(k41)을 포함하고 상기 축선(AX)에 평행한 면에 있어서의 상기 귀금속 팁의 선단에서부터 상기 용접부와의 경계까지의 거리이고, (ⅱ) 상기 대향 금속 볼록체가 중심전극에 형성된 귀금속 팁인 경우에는, 상기 대향 금속 볼록체의 팁/용접부 간 거리(h)는, 상기 점(k3)을 포함하고 상기 축선(AX)에 평행한 면에 있어서의 상기 중심전극에 형성된 귀금속 팁의 선단에서부터 상기 용접부와의 경계까지의 상기 축선(AX)방향의 거리이다.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Mp는 Pt과 Pd으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 귀금속 팁은 Ni, Co, Fe 및 Mn으로 이루어지는 원소군(A) 및/또는 Ti, Hf, Y 및 희토류 원소로 이루어지는 원소군(B)에서 선택되는 적어도 1종을 포함하며, 상기 원소군(A)의 합계 질량이 5질량% 이하이고, 상기 원소군(B)의 합계 질량이 1.5질량% 이하이고, 또한 상기 원소군(A) 및 상기 원소군(B)의 합계 질량이 5질량% 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 M은 Rh인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    축구멍을 가지는 절연체를 구비하고, 상기 축구멍에 설치된 중심전극 및 상기 중심전극과의 사이에 간극을 형성한 접지전극을 구비하고, 상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 적어도 일방에 귀금속 팁이 형성된 스파크 플러그에 있어서, 이하에 기재된 용접면적(S)(㎟)과 팁 돌출치수(H)(㎜), 커버링 치수(L)(㎜), 팁/용접부 간 거리(h)(㎜)가 다음의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
    (a) H≤0.13S+1.18, (b) S≤5, (c) 0.1≤h 또는 0.03≤L
    단, 용접면적(S)은, 상기 귀금속 팁이 상기 중심전극 및/또는 상기 접지전극의 선단면 또는 둘레측면에 형성되고, 상기 귀금속 팁이 당해 귀금속 팁과 설치 금속체(단, 설치 금속체는 중심전극, 접지전극, 또는 이들 전극과 상기 귀금속 팁과의 사이에 설치된 토대를 말한다)와의 용융에 의해서 형성되는 용접부를 통해서 접합되어 있는 상기 설치 금속체의 접합면에 대해서 수직인 방향을 X방향이라 하고, 상기 X방향에서 관찰하여, 상기 설치 금속체와 상기 귀금속 팁을 상기 X방향에 직교하는 면으로 투영한 경우에 있어서의 양 투영영역이 겹쳐지는 영역의 면적(S)(단, 상기 귀금속 팁이 설치 금속체에 당해 설치 금속체에 있어서의 복수 면에서 접합되어 있는 경우에는 각 면에 대해서 수직인 방향을 Y방향이라 하고, 각 Y방향에 있어서의 겹쳐지는 영역의 합계 면적을 S라 한다)이고,
    팁 돌출치수(H)는, 상기 귀금속 팁과 대향 금속 볼록체(단, 대향 금속 볼록체는 귀금속 팁, 중심전극의 선단부가 돌출되게 형성되는 중심전극 볼록부, 또는 접지전극의 선단부가 돌출되게 형성되는 접지전극 볼록부를 말한다)가 대향하는 방향에 있어서, 상기 설치 금속체의 상기 접합면과 당해 접합면에서부터 가장 멀리 떨어진 상기 귀금속 팁의 선단면과의 사이의 거리(단, 상기 설치 금속체와 상기 귀금속 팁과의 사이의 전면(全面)에 상기 용접부가 형성되어 있는 경우에는, 상기 귀금속 팁의 축선(PX)방향에 있어서의 상기 용접부의 두께가 가장 얇은 부위에 있어서의 두께의 1/2이 되는 점에서부터 상기 축선(PX)방향으로 가장 멀리 떨어진 상기 귀금속 팁의 표면까지의 거리이다)이고,
    커버링 치수(L)와 팁/용접부 간 거리(h)에 대해서는, 상기 축구멍이 연장되는 방향을 상기 중심전극의 축선(AX)방향이라 하였을 때,
    (1) 상기 귀금속 팁과 상기 대향 금속 볼록체가 상기 축선(AX)방향으로 대향하도록 배치되고, 상기 귀금속 팁이 상기 설치 금속체로부터 상기 축선(AX)에 직교하는 방향으로 돌출되지 않는 경우에는, 커버링 치수(L)는, 상기 축선(AX)방향에서 관찰하여, 상기 귀금속 팁의 최대 직경이 되는 둘레측면 상의 점(k1)을 포함하는 상기 축선(AX)에 평행한 직선군(直線群)과 상기 귀금속 팁에 대향하는 상기 대향 금속 볼록체의 최대 직경이 되는 둘레측면 상의 점(k2)을 포함하는 상기 축선(AX)에 평행한 직선군과의 사이의 최단 거리이고, 팁/용접부 간 거리(h)는, 상기 귀금속 팁에 있어서, 상기 점(k1)을 포함하고 상기 축선(AX)에 평행한 면에 있어서의 상기 귀금속 팁의 선단에서부터 상기 용접부와의 경계까지의 상기 축선(AX)방향 거리이고,
    (2) 상기 귀금속 팁이 상기 접지전극으로부터 상기 축선(AX)에 직교하는 방향으로 돌출되도록 상기 접지전극에 형성되고, 상기 대향 금속 볼록체의 선단면과 상기 귀금속 팁이 상기 축선(AX)방향에 있어서 대향하도록 배치되어 있는 경우에는, 커버링 치수(L)는 상기 축선(AX)방향에서 관찰하여, 상기 대향 금속 볼록체의 선단면을 상기 축선(AX)방향에 수직한 가상면으로 투영한 경우에 있어서의 투영면 상의 점(k3)과, 상기 접지전극을 상기 가상면으로 투영한 경우에 있어서의 투영면의 윤곽선 및 상기 귀금속 팁을 상기 가상면으로 투영한 경우에 있어서의 투영면의 윤곽선이 교차함에 의해서 생기는 교점(k41)과의 최단 거리이고, (i) 상기 귀금속 팁의 팁/용접부 간 거리(h)는, 상기 귀금속 팁에 있어서, 상기 교점(k41)을 포함하고 상기 축선(AX)에 평행한 면에 있어서의 상기 귀금속 팁의 선단에서부터 상기 용접부와의 경계까지의 거리이고, (ⅱ) 상기 대향 금속 볼록체가 중심전극에 형성된 귀금속 팁인 경우에는, 상기 대향 금속 볼록체의 팁/용접부 간 거리(h)는, 상기 점(k3)을 포함하고 상기 축선(AX)에 평행한 면에 있어서의 상기 중심전극에 형성된 귀금속 팁의 선단에서부터 상기 용접부와의 경계까지의 상기 축선(AX)방향의 거리이다.
  8. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 귀금속 팁의 경도가 140Hv 이상인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  9. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 귀금속 팁의 경도가 200Hv 이상인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  10. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중심전극이 절연체의 축방향으로 형성된 축구멍에 그 일단부에서 노출되도록 고정되고, 금속단자가 상기 축구멍의 타단부에서 노출되도록 고정되고, 상기 축구멍 내에 있어서의 상기 중심전극과 상기 금속단자와의 사이에 저항체가 설치되고, 상기 저항체의 저항값이 10㏀ 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 .
  11. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 귀금속 팁은 상기 접지전극에만 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
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