KR101515257B1 - 내연기관용 스파크 플러그 및 그 제조방법 - Google Patents

내연기관용 스파크 플러그 및 그 제조방법 Download PDF

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니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
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Abstract

귀금속 칩의 결락을 방지하고, 더 나아가서는 스파크 플러그의 장수명화의 실현을 도모한다. 스파크 플러그(1)는 절연애자(2), 금속 쉘(3), 중심전극(5), 접지전극(27)을 구비한다. 접지전극(27)은 접지전극 본체부(38)와, 상기 접지전극 본체부(38)의 선단측 측면에서 돌출되는 볼록부(34)를 구비한다. 볼록부(34)의 선단면(접합면)(36)에는 귀금속 칩(32)이 접합된다. 접지전극 본체부(38)에서 귀금속 칩(32)의 선단면(37)까지의 돌출길이(L)가 0.4㎜ 이상 1.6㎜ 이하로 설정되고, 귀금속 칩(32)은 Pt을 주성분으로 하는 Pt합금으로 구성되어 있다. 상기 Pt합금은 1100℃의 대기 분위기 하에서 50시간 가열한 후의 평균입경이 68㎛ 이하가 되도록 구성된다. 또, Pt합금에는 Rh, Ir, Ni 및 Ru 중 적어도 1종류가 함유된다.

Description

내연기관용 스파크 플러그 및 그 제조방법{SPARK PLUG FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 내연기관에 사용되는 스파크 플러그 및 그 제조방법에 관한 것이다.
내연기관용 스파크 플러그는 내연기관(엔진)에 부착되어 연소실 내의 혼합기에 대한 착화를 위해서 이용되는 것이다. 스파크 플러그는 일반적으로 축구멍을 가지는 절연체와, 이 축구멍에 삽입되는 중심전극과, 절연체의 외주에 설치되는 금속 쉘(metal shell)과, 금속 쉘의 선단면에 설치되어 중심전극과의 사이에 불꽃방전간극을 형성하는 접지전극을 구비한다.
또, 니켈 합금 등의 내열 내부식성 금속으로 이루어지는 접지전극의 선단부분에 백금 등의 귀금속 합금으로 이루어지는 귀금속 칩을 접합함에 의해서 스파크 플러그의 내구성의 향상을 도모하는 기술이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
특허문헌 1 : 일본국 특개 2003-323962호 공보
그런데, 백금은 고온 조건 하에서 결정입자가 조대화(粗大化)(입성장)하기 쉽다는 성질을 가지고 있다. 입성장하면 입계강도의 저하를 초래한다. 이 때문에, 엔진의 작동에 수반되는 진동이나 엔진 내부의 냉열 사이클의 영향에 의해서 귀금속 칩에 크랙이 발생하고, 더 나아가서는 귀금속 칩의 결락(缺落)을 초래할 우려가 있다.
또한, 근년에는 착화성 및 화염전파성의 향상을 도모하기 위해서 귀금속 칩을 접지전극에서 돌출된 상태로 형성하는 일이 있는데, 이 구성을 채용한 경우, 귀금속 칩의 열방산 성능이 저하되어 귀금속 칩이 더 고온으로 되기 쉽다. 이 때문에, 입성장이 일층 진행되기 쉽게 되어 귀금속 칩의 결락이 일층 우려된다.
본 발명은 상기한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 귀금속 칩의 결락을 방지하고, 더 나아가서는 장수명화의 실현을 도모할 수 있는 내연기관용 스파크 플러그를 제공하는 것에 있다.
이하, 상기 목적을 해결하는데 적합한 각 구성에 대해서 항목별로 나누어 설명한다. 또한, 필요에 따라서 대응하는 구성에 특유한 작용 효과를 부기한다.
구성 1. 본 구성의 내연기관용 스파크 플러그는, 축선방향으로 관통하는 축구멍을 가지는 통형상의 절연체와, 상기 축구멍에 삽입된 중심전극과, 상기 절연체의 외주에 설치된 통형상의 금속 쉘과, 자신의 선단부분이 상기 중심전극의 선단면과 대향하도록 상기 금속 쉘의 선단면에 설치되는 접지전극과, 상기 접지전극에 접합됨과 아울러 자신의 선단부와 상기 중심전극의 선단부와의 사이에 불꽃방전간극을 형성하며 백금을 주성분(가장 질량비가 높은 성분)으로 하는 백금 합금으로 이루어지는 귀금속 칩을 구비하는 내연기관용 스파크 플러그로서,
상기 접지전극의 본체부에서부터 상기 귀금속 칩의 선단면까지의 돌출길이가 0.4㎜ 이상 1.6㎜ 이하임과 아울러,
상기 백금 합금은 1100℃의 대기 분위기 하에서 50시간 가열한 후의 평균입경이 68㎛ 이하가 되는 구성인 것을 특징으로 한다.
여기서 "주성분"이라 하는 것은 재료 중에서 가장 질량비가 높은 성분을 가리키는 것이다. 또, "돌출길이"란 귀금속 칩의 중심축 방향을 따르는 접지전극의 본체부에서부터 귀금속 칩의 선단면까지의 거리를 말하고, 또 "접지전극의 본체부"란 접지전극에서 그 표면에 형성된 볼록부 등을 제외한 평탄부분을 말한다. 따라서, 접지전극의 평탄부분에 볼록부 등이 형성(혹은 볼록형상의 금속부재가 용접)되고, 이 볼록부 등에 귀금속 칩이 형성된 경우, 접지전극의 본체부인 접지전극의 평탄부분에서부터 귀금속 칩의 선단면까지의 거리가 상기 돌출길이가 된다. 또, "평균입경"이란 귀금속 칩의 단면 조직을 관찰하여 얻어진 입경의 평균치를 의미한다(이하 같음). 또, 별도로 중심전극의 선단부에 귀금속 칩을 형성하는 것으로 하여도 좋다. 이 경우에는 상기 중심전극측에 형성된 귀금속 칩과 접지전극측에 형성된 귀금속 칩과의 사이에 불꽃방전간극이 형성되게 된다.
상기 구성 1에 의하면, 접지전극의 본체부에서부터 귀금속 칩의 선단면까지의 돌출길이가 0.4㎜ 이상 1.6㎜ 이하로 된다. 이 때문에, 착화성 및 화염전파성의 향상을 도모할 수 있다.
한편, 귀금속 칩이 접지전극의 본체부에서 돌출된 형상으로 되기 때문에, 귀금속 칩의 열방산 성능이 저하되어 귀금속 칩이 더 고온으로 되기 쉽다. 이것에 의해서 귀금속 칩의 입성장이 더 진행하기 쉬워지게 되기 때문에 입계강도의 저하를 초래하며, 더 나아가서는 귀금속 칩이 결락되는 것이 우려된다. 이 점에서, 상기 구성 1에 의하면, 상기 백금 합금은 1100℃의 대기 분위기 하에서 50시간 가열한 후의 평균입경이 68㎛ 이하가 되는 구성으로 되어 있다. 이것에 의해서 고온 환경 하에 있어서의 입계강도의 저하를 방지할 수 있으며, 더 나아가서는 귀금속 칩의 결락을 방지할 수 있다. 그 결과, 스파크 플러그의 장수명화의 실현을 도모할 수 있다.
또한, 상기 돌출길이를 0.4㎜ 미만으로 한 경우에는 착화성 등의 향상을 충분히 도모할 수 없을 우려가 있음과 아울러, 상기 입성장에 의한 귀금속 칩의 결락이 우려될 정도의 고온으로는 되기 어렵다. 즉, 귀금속 칩이 접지전극의 본체부에서 돌출된 형상으로 되었을 때에 본 발명은 그 효과를 발휘하는 것이다. 다만, 상기 돌출길이가 1.6㎜를 넘는 경우에는 귀금속 칩에 용손(溶損)이 발생할 우려가 높으며, 상기 입성장이 억제된 귀금속 칩을 이용하였다 하더라도 장수명화를 충분히 달성할 수 없는 일이 있다. 또, 귀금속 칩이 상기 돌출길이에 대해서 직경이 작은 구성이면 본 발명의 효과가 일층 더 효과적으로 발휘되는 것이 된다. 이와 같은 구성의 귀금속 칩은 이와 같은 구성이 아닌 귀금속 칩에 비해서 더 고온으로 되기 쉽기 때문이다.
구성 2. 본 구성의 내연기관용 스파크 플러그는, 상기 구성 1에 있어서, 상기 귀금속 칩의 선단부에 잔류하는 응력이 상기 귀금속 칩의 측부에 잔류하는 응력보다도 작은 것을 특징으로 한다.
상기 구성 2에 의하면, 귀금속 칩에 잔류하는 응력(이후, "잔류응력"이라고도 한다)에 대해서, 귀금속 칩의 선단부의 잔류응력이 귀금속 칩의 측부의 잔류응력보다도 작은 것으로 되어 있다. 금속 부재에 있어서는 잔류응력이 커지게 됨에 따라서 금속 조직의 재결정 온도가 낮아지게 된다. 역설적으로는 잔류응력이 작을 수록 재결정 온도가 높아지게 되며, 입성장이 생기기 어렵다. 즉, 귀금속 칩의 선단부와 측부를 비교하면, 선단부에서는 입성장이 생기기 어렵게 되어 있다. 이것에 의해서, 귀금속 칩의 선단부에서는 상술한 입성장에 의한 입계강도의 저하가 생기기 어렵게 되며, 귀금속 칩의 일부가 입계를 따라서 결여되는 것 같은 소모를 생기기 어렵게 할 수 있다. 더 나아가서는 불꽃방전간극의 조기(早期) 확대를 방지하여 스파크 플러그의 장수명화를 도모할 수 있다.
또한, 상기 잔류응력은 스파크 플러그가 사용됨으로써 사용하기 시작하고서 얼마 되지 않아("사용 초기"라고도 한다) 제거될 수 있지만, 선단부의 잔류응력이 사용 초기에 측부의 잔류응력보다도 작게 됨으로써 사용 초기의 단계에 있어서의 불꽃방전간극의 급격한 확대를 억제할 수 있기 때문에 본 구성은 유효한 것이다.
또, 귀금속 칩의 표면의 잔류응력의 대소를 판정함에 있어서는, 예를 들면 비커즈 경도계를 이용하여 판정할 수 있다. 즉, 귀금속 칩의 선단면의 비커즈 경도가 귀금속 칩의 측면의 비커즈 경도보다도 작은 경우에는 귀금속 칩의 선단면의 잔류응력이 귀금속 칩의 측면의 잔류응력보다도 작다고 말할 수 있다.
구성 3. 본 구성의 내연기관용 스파크 플러그는, 상기 구성 1 또는 구성 2에 있어서, 상기 백금 합금은 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 니켈(Ni) 및 루테늄(Ru) 중 적어도 1종류를 함유하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성 1의 백금 합금을 구성함에 있어서는 여러 가지 조성을 채용하는 것이 가능하다. 특히 입성장을 억제한다는 관점에서는 백금 합금이 비교적 융점이 높은 재료를 함유하는 것이 유효하며, 예를 들면 텅스텐(W)이나 탄탈(Ta) 등을 함유하는 것도 생각할 수 있다. 그런데, W이나 Ta 등은 매우 산화하기 쉬운 원소이므로, 칩의 결락은 방지할 수 있지만 내불꽃 소모성의 저하를 초래할 우려가 있다.
이 점에서 상기 구성 3에 의하면, 상기 백금 합금은 Rh, Ir, Ni 및 Ru 중 적어도 1종류를 함유하여 구성된다. 이들 금속이 함유됨에 의해서 상기 구성 1의 백금 합금을 구성함으로써 내불꽃 소모성의 저하를 방지할 수 있다. 그 결과, 스파크 플러그의 장수명화를 한층 더 실현할 수 있다.
또한, 상술한 관점에서 W이나 Ta 등이 백금 합금에는 포함되어 있지 않는 것이 바람직하다. 한편, W이나 Ta 등이 포함되어 있다 하더라도 이것들의 함유량을 2질량% 미만으로 억제하는 것이 바람직하다.
구성 4. 본 구성의 내연기관용 스파크 플러그는, 상기 구성 1 내지 구성 3 중 어느 하나의 구성에 있어서, 상기 백금 합금은 금속 산화물 및 희토류 산화물 중 적어도 일측을 포함하며, 상기 금속 산화물 및/또는 희토류 산화물의 총 함유량을 0.05질량% 이상 2질량% 이하로 한 것을 특징으로 한다.
상기 구성 4에 의하면, 백금 합금에는 금속 산화물 및 희토류 산화물 중 적어도 일측이 함유된다. 이것에 의해서 입성장을 일층 억제할 수 있어 상기 구성의 작용 효과가 더 효과적으로 발휘되게 된다.
또한, 상기 금속 산화물 및/또는 희토류 산화물의 총 함유량이 0.05질량% 미만인 경우에는 상술한 작용 효과가 충분히 발휘되지 않을 우려가 있다. 한편, 총 함유량이 2질량%보다 큰 경우에는 가공성의 저하를 초래하여 귀금속 칩의 성형이 곤란하게 될 우려가 있다.
구성 5. 본 구성의 내연기관용 스파크 플러그는, 상기 구성 1 내지 구성 4 중 어느 하나의 구성에 있어서, 상기 금속 쉘은 그 외주에 내연기관의 엔진 헤드의 부착구멍에 나사결합하기 위한 나사부를 구비하며,
상기 나사부의 외경을 M, 상기 축선방향을 따르는 상기 금속 쉘의 선단면에서부터 상기 귀금속 칩과 상기 접지전극의 본체부 혹은 상기 접지전극의 본체부에서 돌출되는 볼록부가 서로 용합(溶合)되어 형성된 용융부까지의 거리를 H라 하였을 때,
H≥0.5M을 만족하는 것을 특징으로 한다.
또한, "용융부"란 귀금속 칩을 접지전극의 본체부에 직접적으로 접합하는 경우에는 양자를 구성하는 각 금속재료가 용융됨에 의해서 형성된 것을 의미하며, 접지전극의 본체부에 형성된 볼록부를 통해서 귀금속 칩을 접지전극에 간접적으로 접합하는 경우에는 귀금속 칩 및 상기 볼록부를 구성하는 각 금속재료가 용융됨에 의해서 형성된 것을 의미한다. 또, 상기 거리(H)를 계측할 때에는, 접지전극(볼록부) 및 귀금속 칩의 접합면(경계)을 특정할 수 있는 경우에는 용융부 중 상기 접합면에 대응하는 포인트를 상기 거리(H)의 계측 포인트로 할 수도 있다.
상기 구성 5에 의하면, 금속 쉘의 나사부의 외경을 M이라 하고 축선방향을 따르는 금속 쉘의 선단면에서부터 용융부까지의 거리를 H로 하였을 때 "H≥0.5M"을 만족하도록 나사부의 외경(M) 및 거리(H)가 각각 설정되어 있다. 이것에 의해서, 용융부가 연소실의 중심위치에 더 접근할 수 있기 때문에, 불꽃방전간극은 연소실의 중심위치에 더 접근하여 형성되게 된다. 그 결과, 불꽃방전을 연소실의 중심위치에 더 접근한 위치에서 발생시킬 수 있기 때문에, 화염전파성의 향상을 도모할 수 있다. 한편, 연소시의 귀금속 칩의 온도는 금속 쉘의 나사부의 외경과 접지전극의 단면적에 의해서 결정된다. 나사부의 외경을 작게 한 스파크 플러그, 즉 소경(小徑)의 스파크 플러그에서는 접지전극의 단면적을 작게 하지 않을 수 없으므로 귀금속 칩은 더 고온으로 되기 쉬워지게 된다. 즉, 금속 쉘의 선단면에서부터 용융부까지의 거리(H)가 0.5M 미만이면, 귀금속 칩이 과도하게 고온으로 되는 것을 회피할 수 있어 상술한 귀금속 칩을 채용하는 효과가 비교적 작은 것이지만, H≥0.5M을 만족하는 스파크 플러그에 있어서는 귀금속 칩이 고온으로 되기 쉬워 상기 귀금속 칩을 채용하였을 때에 얻어지는 입성장 억제 효과의 혜택이 큰 것이다.
또한, 상기 거리(H)를 더 크게 하여 가면, 접지전극의 선단부에 있어서 용손이 생길 우려가 있다. 따라서, H≤0.8M을 만족하도록 나사부의 외경(M) 및 거리(H)를 각각 설정하는 것이 바람직하다.
구성 6. 본 구성의 스파크 플러그의 제조방법은, 상기 구성 1 내지 구성 5 중 어느 하나의 구성에 기재된 내연기관용 스파크 플러그의 제조방법으로서,
백금을 주성분(가장 질량비가 높은 성분)으로 하는 백금 합금으로 이루어지는 봉재(棒材)로 상기 귀금속 칩과 거의 동일한 직경의 선재를 형성하는 신선공정과, 표면에 연마재가 부착된 와이어로 상기 선재를 연마함에 의해서 상기 선재를 절단하여 상기 귀금속 칩을 얻는 절단공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
귀금속 칩의 입성장을 억제한다는 관점에서는 귀금속 칩 내에 있어서의 응력의 잔류를 억제하는 것이 효과적이다.
이 점에서, 상기 구성 6에 의하면, 귀금속 칩은 신선공정과 절단공정을 거침에 의해서 형성된다. 여기서, 신선공정에서는 봉재에 대해서 신선을 실시함에 의해서 선재를 형성하기 때문에, 그 선재의 측면 표층(후공정의 절단 후에는 귀금속 칩의 측부가 되는 부분)에는 내부와 비교하여 큰 응력이 잔류하게 된다. 그리고, 선재를 절단하게 되는데, 선재를 시어(shear)로 절단하는 경우에는 절단면(즉, 귀금속 칩의 단면)에 응력이 잔류하는 것이 우려되지만, 본 구성 6에서는 와이어로 연마함에 의해서 선재를 절단하기 때문에, 절단면에 응력이 잔류하는 것을 방지할 수 있다. 이것에 의해서, 선재의 측면과 비교해서 잔류응력이 작은 선재의 내부(절단면)가 귀금속 칩의 단면으로서 형성되고, 접지전극측에 접합되는 단면의 반대측 단면이 귀금속 칩의 선단면을 구성하게 된다. 따라서, 본 구성 6에 의해서 형성된 귀금속 칩은, 특히 사용 초기에 있어서 선단면에서의 입성장이 생기기 어렵게 되어 불꽃방전간극의 확대를 효과적으로 방지할 수 있다. 또, 귀금속 칩의 내부에 있어서의 응력의 잔류를 극력 억제할 수 있기 때문에, 우수한 입성장의 억제 효과가 발휘되게 된다. 그 때문에, 고온 환경 하에 있어서의 입계강도의 저하를 일층 방지할 수 있어, 귀금속 칩의 결락을 보다 확실하게 방지할 수 있다.
구성 7. 본 구성의 스파크 플러그의 제조방법은, 상기 구성 6에 기재된 스파크 플러그의 제조방법으로서, 상기 신선공정은 열간 신선인 것을 특징으로 한다.
상기 신선공정이 열간 신선, 즉 봉재 등을 가열하면서 신선을 실시함에 의해서 선재를 형성하기 때문에, 선재의 내부에 잔류하는 응력이 더 작게 되어 상기 효과를 한층 더 효과적으로 얻을 수 있다.
도 1은 본 실시형태에 있어서의 스파크 플러그를 나타내는 일부 파단 정면도이다.
도 2는 본 실시형태에 있어서의 스파크 플러그의 선단부를 나타내는 일부 파단 정면도이다.
도 3은 본 실시형태에 있어서의 귀금속 칩의 제조방법을 설명하기 위한 플로차트이다.
도 4는 착화성 평가시험에 있어서의 돌출길이와 진각(進角)한계와의 관계를 나타내는 절선 그래프이다.
도 5는 다른 실시형태에 있어서의 스파크 플러그의 선단부를 나타내는 일부 파단 정면도이다.
도 6은 다른 실시형태에 있어서의 스파크 플러그의 선단부를 나타내는 일부 파단 정면도이다.
도 7은 다른 실시형태에 있어서의 스파크 플러그의 선단부를 나타내는 일부 파단 정면도이다.
도 8은 다른 실시형태에 있어서의 스파크 플러그의 선단부를 나타내는 일부 파단 정면도이다.
도 9는 다른 실시형태에 있어서의 스파크 플러그의 선단부를 나타내는 일부 파단 정면도이다.
도 10은 다른 실시형태에 있어서의 스파크 플러그의 선단부를 나타내는 일부 파단 정면도이다.
이하에 일 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 스파크 플러그(1)를 나타내는 일부 파단 정면도이다. 또한, 도 1에서는 스파크 플러그(1)의 축선(C1)방향을 도면에 있어서의 상하방향으로 하고, 하측을 스파크 플러그(1)의 선단측, 상측을 후단측으로 하여 설명한다.
스파크 플러그(1)는 통형상을 이루는 절연체로서의 절연애자(2), 이것을 유지하는 통형상의 금속 쉘(3) 등으로 구성되는 것이다.
절연애자(2)에는 축선(C1)을 따라서 축구멍(4)이 관통되게 형성되어 있다. 그리고, 축구멍(4)의 선단부측에는 중심전극(5)이 삽입되어 고정되고, 후단부측에는 단자전극(6)이 삽입되어 고정되어 있다. 축구멍(4) 내에 있어서의 중심전극(5)과 단자전극(6)의 사이에는 저항체(7)가 배치되어 있으며, 이 저항체(7)의 양 단부는 도전성의 유리밀봉층(8,9)을 통해서 중심전극(5)과 단자전극(6)에 각각 전기적에 접속되어 있다. 중심전극(5)은 절연애자(2)의 선단에서 돌출되고, 단자전극(6)은 절연애자(2)의 후단에서 돌출된 상태로 각각 고정되어 있다.
중심전극(5)은 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 내층(5A)과 Ni계 합금으로 이루어지는 외층(5B)에 의해서 구성되어 있다. 또, 상기 중심전극(5)은 그 선단측이 선단으로 향하여 감에 따라서 점차 직경이 축소됨과 아울러, 전체적으로 봉형상(원기둥형상)을 이루며, 그 선단면이 평탄하게 형성되어 있다. 상기 선단면에는 원기둥형상을 이루는 귀금속 칩(31)이 레이저 용접, 전자빔 용접 혹은 저항 용접 등을 실시함에 의해서 접합되어 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 상기 귀금속 칩(31)은 백금(Pt)을 주성분으로 하며, 이리듐(Ir)이 함유된 귀금속 재료(예를 들면, Pt-5Ir)에 의해서 구성되어 있다.
한편, 절연애자(2)는 주지된 바와 같이 알루미나 등을 소성하여 형성되어 있으며, 그 외형부에 있어서, 후단측에 형성된 후단측 몸통부(10)와, 상기 후단측 몸통부(10)보다 선단측에 있어서 직경방향 외측으로 돌출형성된 큰 직경부(11)와, 상기 큰 직경부(11)보다 선단측에 있어서 이것보다 직경이 작게 형성된 중간 몸통부(12)와, 상기 중간 몸통부(12)보다 선단측에 있어서 이것보다 직경이 작게 형성된 긴 다리부(13)를 구비하고 있다. 절연애자(2)에 있어서 큰 직경부(11), 중간 몸통부(12) 및 대부분의 긴 다리부(13)는 금속 쉘(3)의 내부에 수용되어 있다. 그리고, 긴 다리부(13)와 중간 몸통부(12)의 연접부에는 테이퍼형상의 단차부(14)가 형성되어 있으며, 상기 단차부(14)에 의해서 절연애자(2)가 금속 쉘(3)에 걸려 고정되어 있다.
금속 쉘(3)은 저탄소강 등의 금속에 의해서 통형상으로 형성되어 있으며, 그 외주면에는 스파크 플러그(1)를 엔진 헤드에 부착하기 위한 나사부(숫나사부)(15)가 형성되어 있다. 또, 나사부(15)의 후단측의 외주면에는 시트부(16)가 형성되고, 나사부(15)의 후단의 나사 목부(17)에는 링형상의 개스킷(18)이 삽입되어 있다. 또한, 금속 쉘(3)의 후단측에는 금속 쉘(3)을 엔진 헤드에 부착할 때에 렌치 등의 공구를 걸어맞추기 위한 단면 육각형상의 공구 걸어맞춤부(19)가 형성됨과 아울러, 후단부에 있어서 절연애자(2)를 유지하기 위한 코킹부(20)가 형성되어 있다.
또, 금속 쉘(3)의 내주면에는 절연애자(2)를 걸어 고정하기 위한 테이퍼 형상의 단차부(21)가 형성되어 있다. 그리고, 절연애자(2)는 금속 쉘(3)의 후단측에서 선단측으로 향해서 삽입되되, 자신의 단차부(14)가 금속 쉘(3)의 단차부(21)에 걸려 고정된 상태에서 금속 쉘(3)의 후단측의 개구부를 직경방향 내측으로 코킹함에 의해서, 즉 상기 코킹부(20)를 형성함에 의해서 고정된다. 또한, 절연애자(2) 및 금속 쉘(3) 쌍방의 단차부(14,21) 사이에는 원환형상의 평판 패킹(22)이 개재되어 있다. 이것에 의해서 연소실 내의 기밀성이 유지됨으로써, 연소실 내로 노출되는 절연애자(2)의 긴 다리부(13)와 금속 쉘(3)의 내주면의 틈새로 흘러 들어가는 연료 공기가 외부로 누출되지 않도록 되어 있다.
또한, 코킹에 의한 밀폐를 더 완전하게 하기 위해서, 금속 쉘(3)의 후단측에 있어서는 금속 쉘(3)과 절연애자(2)의 사이에 환형상의 링부재(23,24)가 개재되고, 이들 링부재(23,24) 사이에는 탈크(활석)(25)의 분말이 충전되어 있다. 즉, 금속 쉘(3)은 평판 패킹(22), 링 부재(23,24) 및 탈크(25)를 개재하여 절연애자(2)를 유지하고 있다.
또, 금속 쉘(3)의 선단면(26)에는 니켈(Ni)계 합금으로 구성된 접지전극(27)이 접합되어 있다. 즉, 접지전극(27)은 상기 금속 쉘(3)의 선단면(26)에 대해서 그 후단부가 용접됨과 아울러, 선단측이 굽혀지되 그 측면이 중심전극(5)의 선단부{귀금속 칩(31)}와 대향하도록 배치되어 있다. 상기 접지전극(27)은 도 2에 나타낸 바와 같이 L자 형상을 이루는 접지전극 본체부(38)와, 상기 접지전극 본체부(38)의 선단측 측면에서 돌출되는 볼록부(34)를 구비하고 있다. 본 실시형태에 있어서, 상기 볼록부(34)는 Ni계 합금으로 이루어지는 원기둥형상의 칩이 저항 용접됨에 의해서 형성되어 있다.
또, 접지전극(27)의 볼록부(34)의 선단면(접합면)(36)에는 원기둥형상의 귀금속 칩(32)이 접합되어 있다. 더 상세하게는, 볼록부(34)의 접합면(36)에 대해서 귀금속 칩(32)을 맞닿게 한 상태에서 볼록부(34) 및 귀금속 칩(32)의 경계부분인 접합면(36)의 외연부(外緣部)를 따라서 레이저 용접 등에 의해 용융부(35)를 형성함에 의해서 귀금속 칩(32)이 접합되어 있다. 본 실시형태에서는 상기 귀금속 칩(32) 및 상기 귀금속 칩(31) 사이의 틈새가 불꽃방전간극(33)으로 되어 있다. 또한, 중심전극(5)에 형성된 귀금속 칩(31)을 생략하는 구성으로 하여도 된다. 이 경우에는 귀금속 칩(32)과 중심전극(5)의 본체부와의 사이에서 불꽃방전간극(33)이 형성된다.
한편, 본 실시형태에서는 접지전극 본체부(38)에서부터 상기 귀금속 칩(32)의 선단면(37)까지의 돌출길이(L)가 0.4㎜ 이상 1.6㎜ 이하(예를 들면, 1㎜)가 되도록 설정되어 있다. 또한, 나사부(15)의 외경(M) 및 축선(C1)방향을 따르는 금속 쉘(3)의 선단면(26)에서부터 상기 용융부(35){접합면(36)}까지의 거리(H)가 H≥0.5M을 만족하도록 각각 설정되어 있다.
또, 귀금속 칩(32)은 Pt을 주성분으로 하고, 1100℃의 대기 분위기 하에서 50시간 가열한 후의 평균입경이 68㎛ 이하가 되는 Pt합금(예를 들면, Pt-30Ir 등)으로 구성되어 있다. 또한, 상기 Pt합금은 로듐(Rh), Ir, Ni 및 루테늄(Ru) 중 적어도 1종류가 함유되어 있다. 또한, 상기 Pt합금에 금속 산화물 및 희토류 산화물 중 적어도 일측이 함유되는 것으로 하여도 된다. 다만, 상기 금속 산화물 및/또는 희토류 산화물의 총 함유량을 0.05질량% 이상 2질량% 이하로 하는 것이 바람직하다.
또, 귀금속 칩(32)은 후술하는 제조방법에 의해서 그 내부에 성형에 수반되는 응력이 거의 잔류하지 않도록 하여 형성되어 있다. 그래서, 이하에서는 귀금속 칩(32)의 제조방법 및 상기 귀금속 칩(32)을 구비하여 이루어지는 상술한 스파크 플러그(1)의 제조방법에 대해서 설명한다.
먼저 도 3에 의거하여 귀금속 칩(32)의 제조방법을 설명한다. 우선, 소정량의 Pt분말과 Ir분말을 혼합하고, 혼합하여 얻어진 혼합분말을 가압하여 성형한다. 그리고, 얻어진 성형체를 아크 용해함으로써(도 3의 S1) 인고트를 형성한다(도 3의 S2). 이어서, 인고트에 대해서 열간 단조를 함으로써 상기 인고트를 약 10㎜각의 각재(角材)로 하고(도 3의 S3), 얻어진 각재를 절단한다. 그리고, 절단한 각재에 대해서 단면 감소율 95%정도의 압연 가공을 함으로써, 약 1㎜각의 각재(본 발명의 봉재에 상당한다)로 한다(도 3의 S4).
이어서, 상기 각재에 대해서 복수의 원형 다이스에 의해서 단면 감소율 95%정도의 신선 가공을 반복해서 실시하여 직경 0.7㎜의 선재를 형성한다(도 3의 S5). 또한, 신선 가공은 각재의 이동경로를 따라서 배치된 복수의 버너에 의해서 각 원형 다이스나 각재를 각각 소정 온도(예를 들면, 원형 다이스는 약 700℃, 각재는 약 1000℃)로 가열한 후에 행해진다.
그 후, 표면에 연마재(예를 들면, 미소한 다이아몬드재)가 부착된 와이어를 눌러 댐으로써, 상기 선재를 소정 길이(예를 들면, 0.5㎜정도)로 절단하여(도 3의 S6) 귀금속 칩(32)을 얻는다. 더 상세하게는, 상기 와이어는 복수의 풀리에 걸어 놓음으로써 윤상(輪狀)으로 되어 있으며(와이어 톱), 상기 윤상의 와이어가 일방향으로 회전하면서 선재에 눌려 대어짐으로써 선재가 연마ㆍ절단된다. 또한, 선재의 이동경로를 따라서 상기 와이어 톱을 복수 배치하여 선재의 복수 개소를 동시에 절단함으로써 복수의 귀금속 칩(32)이 얻어지도록 구성하여도 좋다.
다음은 스파크 플러그(1)의 제조방법에 대해서 설명한다. 우선, 금속 쉘(3)을 미리 가공하여 둔다. 즉, 원기둥형상의 금속 소재(예를 들면, S17C나 S25C라는 철계 소재나 스테인리스 소재)를 냉간 단조 가공에 의해서 관통구멍을 형성하면서 개형(槪形)을 제조한다. 그 후, 절삭가공을 실시함에 의해서 외형을 조정하여 금속 쉘 중간체를 얻는다.
계속해서, 금속 쉘 중간체의 선단면에 Ni계 합금(예를 들면, 인코넬계 합금 등)으로 이루어지는 긴 봉형상의 접지전극 본체부(38)가 저항 용접된다. 이 용접시에는 이른바 웰딩 드루프(welding droop)가 생기기 때문에, 이 웰딩 드루프를 제거한 후, 금속 쉘 중간체의 소정 부위에 나사부(15)가 전조에 의해서 형성된다. 이것에 의해서, 접지전극 본체부(38)가 용접된 금속 쉘(3)이 얻어진다. 접지전극 본체부(38)가 용접된 금속 쉘(3)에는 아연 도금 혹은 니켈 도금이 실시된다. 또한, 내식성 향상을 도모하기 위해서 그 표면에 크로메이트 처리가 더 실시되는 것으로 하여도 좋다.
또한, 볼록부(34)를 구성하는 원기둥형상의 Ni합금 칩이 접지전극 본체부(38)의 선단측 측면에 접합됨과 아울러, 상술한 귀금속 칩(32)이 상기 볼록부(34)에 접합된다. 더 상세하게는, 귀금속 칩(32)을 상기 Ni합금 칩의 선단면(접합면)(36)에 위치맞춤한 상태에서 상기 선단면(36)의 외연부를 따라서 레이저 용접을 실시함으로써, 귀금속 칩(32)의 선단에서 보았을 때 환형상의 용융부(35)가 형성되어 귀금속 칩(32)과 상기 Ni합금 칩이 접합된다. 이어서, 저항 용접에 의해서 상기 Ni합금 칩의 후단면이 접지전극 본체부(38)의 선단측 측면에 접합된다. 이것에 의해서, 귀금속 칩(32)이 볼록부(34)(Ni합금 칩)에 접합된 접지전극(27)이 구성되게 된다. 또한, 용접을 보다 확실하게 하기 위해서, 용접에 앞서서 용접부위의 도금을 제거하거나 혹은 도금 공정시에 용접 예정부위에 마스킹을 실시하거나 한다. 또, 접지전극 본체부(38)에 Ni합금 칩을 접합한 후{볼록부(34)를 형성한 후}, 귀금속 칩(32)을 볼록부(34)에 접합하는 것으로 하여도 좋다. 또한, 상기 귀금속 칩(32)의 용접 등을 후술하는 조립 후에 실시하는 것으로 하여도 좋다.
한편, 상기 금속 쉘(3)과는 별도로 절연애자(2)를 성형 가공하여 둔다. 예를 들면, 알루미나를 주체로 하되 바인더 등을 포함하는 원료분말을 이용하여 성형용 소지 조립물(造粒物)을 조제하고, 이것을 이용하여 러버 프레스 성형을 실시함에 의해서 통형상의 성형체가 얻어진다. 얻어진 성형체에 대해서 연삭 가공이 실시되어 정형(整形)된다. 그리고, 정형된 것이 소성로에 투입되어 소성된다. 소성 후, 각종의 연마 가공을 실시함에 의해서 절연애자(2)가 얻어진다.
또, 상기 금속 쉘(3) 및 절연애자(2)와는 별도로 중심전극(5)을 제조하여 둔다. 즉, Ni계 합금이 단조 가공되고, 그 중앙부에 방열성 향상을 도모하기 위해서 구리 합금으로 이루어지는 내층(5A)이 형성된다. 그리고, 그 선단부에는 상술한 귀금속 칩(31)이 저항 용접이나 레이저 용접 등에 의해서 접합된다.
그리고, 상기한 바와 같이 하여 얻어진 절연애자(2) 및 중심전극(5)과 저항체(7)와 단자전극(6)이 유리밀봉층(8,9)에 의해서 봉합 고정된다. 유리밀봉층(8,9)으로서는 일반적으로 붕규산 유리와 금속분말이 혼합되어 조제되고, 이 조제된 것을 저항체(7)를 사이에 두고서 절연애자(2)의 축구멍(4) 내에 주입한 후, 상기 단자전극(6)을 후방에서 압압한 상태로 한 후 소성로 내에서 구워 굳힌다. 또한, 이 때 절연애자(2)의 후단측 몸통부(10) 표면에는 유약층이 동시에 소성되는 것으로 하여도 되고, 사전에 유약층이 형성되는 것으로 하여도 된다.
그 후, 상기한 바와 같이 각각 작성된 중심전극(5) 및 단자전극(6)을 구비하는 절연애자(2)와 접지전극(27)을 구비하는 금속 쉘(3)이 조립된다. 더 상세하게는, 비교적 두께가 얇게 형성된 금속 쉘(3)의 후단측의 개구부를 직경방향 내측으로 코킹함에 의해서, 즉 상기 코킹부(20)를 형성함에 의해서 고정된다.
그리고, 최후로 접지전극(27)을 꺾어 구부림에 의해서 중심전극(5)의 선단에 형성된 귀금속 칩(31) 및 접지전극(27)에 형성된 귀금속 칩(32) 간의 상기 불꽃방전간극(33)을 조정하는 가공이 실시된다.
이와 같이 일련의 공정을 거침에 의해서 상술한 구성을 가지는 스파크 플러그(1)가 제조된다.
이상 상세하게 설명한 바와 같이 본 실시형태에 의하면, 접지전극 본체부(38)에서부터 귀금속 칩(32)의 선단면(37)까지의 돌출길이(L)가 0.4㎜ 이상 1.6㎜ 이하로 되어 있다. 따라서, 착화성 및 화염 전파성의 향상을 도모할 수 있다.
또, 귀금속 칩(32)을 구성하는 Pt합금은 1100℃의 대기 분위기 하에서 50시간 가열한 후의 평균입경이 68㎛ 이하가 되는 구성으로 되어 있다. 이것에 의해서, 고온 환경 하에 있어서의 입계강도의 저하를 방지할 수 있으며, 더 나아가서는 귀금속 칩(32)의 결락을 방지할 수 있다. 그 결과, 스파크 플러그(1)의 장수명화의 실현을 도모할 수 있다.
또한, 입성장의 억제를 도모함에 있어서는 내부의 잔류응력의 저감이 유효한 바, 본 실시형태에 있어서 귀금속 칩(32)은 열간 신선 및 와이어에 의한 연마ㆍ절단을 거침에 의해서 형성되어 있다. 즉, 열간 신선을 실시함으로써 귀금속 칩(32) 내부의 잔류응력를 제거할 수 있다. 또, 와이어에 의해서 연마ㆍ절단되기 때문에, 절단면{즉, 귀금속 칩(32)의 단면}에 응력이 잔류하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 수법에 의해서 형성되는 귀금속 칩(32)은 그 내부에 있어서의 응력의 잔류가 극력 억제되기 때문에 뛰어난 입성장의 억제 효과를 가진다. 그 결과, 고온 환경 하에 있어서의 입계강도의 저하를 일층 방지할 수 있어 귀금속 칩(32)의 결락을 더 확실하게 방지할 수 있다.
이어서, 본 실시형태에 의해서 얻어지는 작용 효과를 확인하기 위해서 다음과 같은 시험을 하였다. 즉, Pt을 주성분으로 함과 아울러 Rh, Ir, Ni, Ru, 산화지르코늄(ZrO2) 및 산화이트륨(Y2O3) 등의 다른 성분의 함유량을 각각 달리하고서 1100℃의 대기 분위기 하에서 50시간 가열한 후의 평균입경("가열후 평균입경"이라 한다)이 각각 다른 여러 귀금속 칩의 샘플을 제작하였다. 그리고, 각 귀금속 칩의 샘플을 접지전극에 접합한 여러 스파크 플러그의 샘플을 제작하고, 제작된 각 스파크 플러그의 샘플에 대해서 내결락 평가시험을 실시하였다. 내결락 평가시험의 개요는 다음과 같다.
우선, 각 스파크 플러그의 샘플을 1600㏄ 4기통 DOHC 엔진에 조립하고, 1분간의 전부하 상태(엔진 회전수=6000rpm)로 한 후 1분간 아이들링 상태로 하는 것을 1사이클로 하여 5000사이클에 걸쳐서 엔진을 작동시켰다. 그리고, 5000사이클 종료시에 귀금속 칩이 결락되어 있는지 아닌지를 관찰하였다. 상기 시험의 결과를 표 1에 나타낸다. 또한, 귀금속 칩의 결락이 인정되지 않은 샘플에 대해서는 기본적으로 "○"의 평가를 내리는 한편으로, 귀금속 칩의 결락이 인정된 샘플에 대해서는 "×"의 평가를 내리는 것으로 하였다. 다만, 귀금속 칩의 결락이 인정되지 않은 경우라 하더라도 귀금속 칩에 이상 산화가 생긴 경우 혹은 귀금속 칩의 성형이 곤란하였던 경우에는 "△"의 평가를 내리는 것으로 하였다.
또한, 각 귀금속 칩의 샘플은 길이(높이)가 0.5㎜이고 직경이 0.7㎜인 원기둥형상으로 하였다. 또, 각 귀금속 칩의 샘플의 접지전극에 대한 접합은, Ni-23Cr-14.4Fe-1.4Al[인코넬 601(등록상표)]에 의해서 형성된 길이(높이) 0.4㎜ 직경 0.7㎜의 원기둥형상의 Ni합금 칩에 상기 귀금속 칩의 샘플을 레이저 용접하고, 그리고 접지전극 본체부에 상기 Ni합금 칩을 저항 용접함에 의해서 접합하였다. 또한, 접지전극 본체부는 상기 Ni합금 칩과 같은 합금(인코넬 601)에 의해서 형성하였다.
또한, 가열후 평균입경은 다음과 같이 하여 측정하였다. 즉, 각 합금성분을 용해한 후 신선공정을 거침에 의해서 혹은 각 합금성분을 분말 소결함에 의해서 각 샘플과 같은 조성으로 이루어지는 길이 1.0㎜ 직경 0.7㎜의 원기둥형상의 칩부재를 제작하였다. 그리고, 각 칩부재를 1100℃의 전기로 내에 투입하고, 대기 분위기 하에서 50시간 가열하고, 가열 후의 칩부재에 대해서 연마처리 및 에칭처리를 한 후, 칩부재의 중심축을 통과하는 단면 전 영역을 금속현미경으로 촬상하고, 화상처리를 함에 의해서 금속결정의 개수 및 각 금속결정의 단면 면적을 각각 측정하였다. 그 후, 각 금속결정의 단면 면적의 평균치를 산출함과 아울러, 상기 평균치와 같은 면적을 가지는 원의 직경을 산출하고, 이 직경을 가열후 평균입경으로 하였다.
샘플 No. 칩 조성(질량%) 가열후 평균입경(㎛) 평가
1 Pt-10Rh 200 ×
2 Pt-20Rh 175 ×
3 Pt-20Ir 100 ×
4 Pt-30Ir 45 ○
5 Pt-10Ru 88 ×
6 Pt-20Ru 57 ○
7 Pt-10Ni 135 ×
8 Pt-20Ni 95 ×
9 Pt-20Ir-5Rh 78 ×
10 Pt-20Ir-5Rh-1Ni 68 ○
11 Pt-10Rh-10Ru 140 ×
12 Pt-10Rh-20Ru 87 ×
13 Pt-10Rh-30Ru 65 ○
14 Pt-10Rh-1Ni 120 ×
15 Pt-10Rh-2Ni 61 ○
16 Pt-10Ni-5Ir 67 ○
17 Pt-10Rh-2W 45 △
18 Pt-10Rh-2Ta 49 △
19 Pt-10Rh-2Nb 52 ○
20 Pt-10Rh-0.03ZrO2 83 ×
21 Pt-10Rh-0.05ZrO2 66 ○
22 Pt-10Rh-0.1ZrO2 23 ○
23 Pt-10Rh-1ZrO2 18 ○
24 Pt-10Rh-2ZrO2 14 ○
25 Pt-10Rh-2.5ZrO2 11 △
26 Pt-10Rh-0.03Y2O3 77 ×
27 Pt-10Rh-0.05Y2O3 59 ○
28 Pt-10Rh-0.1Y2O3 20 ○
29 Pt-10Rh-1Y2O3 15 ○
30 Pt-10Rh-2Y2O3 12 ○
31 Pt-10Rh-2.5Y2O3 10 △
32 Pt-10Ni-0.1ZrO2 25 ○
33 Pt-10Ni-0.1Y2O3 15 ○
표 1에 나타낸 바와 같이, 가열후 평균입경이 68㎛를 넘는 샘플(샘플 1, 2, 3, 5, 7, 8, 9, 11, 12, 14, 20, 26)에 대해서는 귀금속 칩이 결락되는 것을 알 수 있었다. 이와 같이 가열후 평균입경이 68㎛를 넘으면, 고온 환경 하에서 입계강도가 낮아지기 때문에, 내구성이 불충분하게 되어 결락이 발생한다고 생각된다.
한편, 가열후 평균입경이 68㎛ 이하인 샘플(샘플 4, 6, 10, 13, 15, 16, 17, 18, 19, 21, 22, 23, 24, 25, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33)에 대해서는 귀금속 칩의 결락이 인정되지 않았다. 이와 같이 가열후 평균입경이 68㎛ 이하로 됨으로써, 고온 환경 하에 있다 하더라도 입계강도가 비교적 높아 충분한 내구성을 가지기 때문에, 결락의 발생을 방지할 수 있다고 생각된다.
또, ZrO2이나 Y2O3을 0.05질량% 이상 2.0질량% 이하 함유하여 이루어지는 샘플(샘플 21, 22, 23, 24, 27, 28, 29, 30, 32, 33)에 대해서는 가열후의 평균입경의 증대가 더 억제되어 칩의 결락방지의 효과가 더 현저하다는 것을 알 수 있었다. 다만, ZrO2이나 Y2O3의 총 함유량이 0.05질량% 미만인 경우(샘플 20, 26)에는 가열후 평균입경이 68㎛를 넘어서 귀금속 칩이 결락되었다. 또, 총 함유량이 2.0질량%를 넘은 경우(샘플 25, 31)에는 칩의 결락을 방지할 수 있었으나, 가공성이 저하되어 상술한 형상으로 성형하는 것이 곤란하게 되었다.
또한, 가열후 평균입경이 68㎛ 이하라 하더라도 텅스텐(W)이나 탄탈(Ta)이 2질량% 이상 함유되어 구성된 경우(샘플 17, 18)에는 귀금속 칩의 결락은 발생하지 않았으나, 이상 산화가 발생하는 것이 분명하였다. 환언하면, Pt을 주성분으로 하고, 가열후 평균입경을 68㎛ 이하로 할 수 있는 조성은 여러 가지 존재하지만, 특히 Rh, Ir, Ni, Ru, ZrO2 , Y2O3 등이 적당히 함유되어 구성된 샘플에 대해서는 내산화성의 저하를 초래하는 일 없어 입계강도의 저하를 방지할 수 있다고 말할 수 있다.
이어서, 접지전극 본체부에서부터 상기 귀금속 칩의 선단면까지의 돌출길이(L)를 여러 가지로 변경한 스파크 플러그의 샘플을 제작하고, 착화성 평가시험을 실시하였다. 상기 착화성 평가시험의 개요는 다음과 같다. 즉, 1600㏄ 4기통 DOHC 엔진에 각 스파크 플러그의 샘플을 조립하고, 회전 변동±10%의 아이들링 상태(예를 들면, 800rpm±80rpm)로 엔진을 동작시켜서 진각(advance)한계를 측정하였다. 시험결과를 도 4의 그래프에 나타낸다. 또한, 접지전극측의 귀금속 칩은 직경 0.7㎜의 원기둥형상을 이루며, Pt-30Ir으로 구성되는 것(가열후 평균입경 45㎛의 것)을 이용하는 것으로 하였다. 또, 중심전극의 선단부에는 직경이 0.6㎜임과 아울러, Ir을 주성분으로 하되 Pt을 5질량% 함유하여 구성되는 원기둥형상의 귀금속 칩을 형성하는 것으로 하였다. 또, 접지전극은 Ni-32Cr-14.4Fe-1.4Al 합금으로 형성하고, 불꽃방전간극은 각 샘플 모두 1.1㎜가 되도록 설정하였다.
도 4에 나타낸 바와 같이 돌출길이(L)가 0.4㎜ 이상으로 됨으로써, 돌출길이(L)가 0.4㎜ 미만인 경우에 비해서 진각한계가 현격하게 증대하여 착화성이 충분히 향상되어 있는 것이 분명하게 되었다. 다만, 돌출길이(L)가 1.6㎜를 넘은 경우에는 귀금속 칩에 용손이 발생하는 경우가 있었다. 따라서, 돌출길이(L)는 0.4㎜ 이상 1.6㎜ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다고 말할 수 있다.
이어서, 표 1의 샘플 3(Pt-20Ir) 및 샘플 4(Pt-30Ir)와 같은 조성을 가지는 귀금속 칩의 샘플이 용융부를 형성함에 의해서 접합됨과 아울러, 나사부의 외경{M(㎜)}, 축선방향을 따르는 금속 쉘의 선단면에서부터 용융부까지의 거리{H(㎜)}, 및 상기 나사부의 외경(M) 및 거리(H)의 비율(H/M)을 여러 가지로 변경한 스파크 플러그의 샘플을 제작하고, 각 스파크 플러그의 샘플에 대해서 상기한 바와 마찬가지로 내결락 평가시험을 실시하였다. 상기 시험의 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 귀금속 칩의 결락이 인정되지 않은 경우에는 기본적으로 "○"의 평가를 내리는 한편, 귀금속 칩의 결락이 인정된 경우에는 "×"의 평가를 내리는 것으로 하였다. 다만, 귀금속 칩의 결락이 인정되지 않은 경우라 하더라도 접지전극에 용손이 발생한 경우에는 "△"의 평가를 내리는 것으로 하였다.
나사부의 외경
(M)		 최단 거리
(H)		 H/M
 평 가
Pt-20Ir(100㎛) Pt-30Ir(45㎛)




14




 5 0.36 ○ ○
6 0.43 ○ ○
7 0.50 × ○
8 0.57 × ○
9 0.64 × ○
10 0.71 × ○
11 0.79 × ○
12 0.86 × ○
13 0.93 × △
14 1.00 × △




12



 4 0.33 ○ ○
5 0.42 ○ ○
6 0.50 × ○
7 0.58 × ○
8 0.67 × ○
9 0.75 × ○
10 0.83 × ○
11 0.92 × △
12 1.00 × △



10



 3 0.30 ○ ○
4 0.40 ○ ○
5 0.50 × ○
6 0.60 × ○
7 0.70 × ○
8 0.80 × ○
9 0.90 × △
10 1.00 × △
표 2에 나타낸 바와 같이 가열후 평균입경이 68㎛를 넘는(표에서는 평균입경=100㎛) 조성(Pt-20Ir)에 대해서는, H/M를 0.5 이상으로 한 경우에 귀금속 칩이 결락되는 것을 알 수 있었다. 이것은 H/M가 커지게 됨에 따라서 귀금속 칩이 연소실의 중심부분에 더 접근하는 것으로 되기 때문에, 귀금속 칩이 더 고온에 노출되어 입성장의 진행 및 입계강도의 저하가 생긴 것에 의한 것이라 생각된다.
이것에 대해서, 가열후 평균입경이 68㎛ 이하(표에서는 평균입경=45㎛)가 되는 조성(Pt-30Ir)에 대해서는, H/M를 0.5 이상으로 한 경우, 환언하면 불꽃방전간극을 연소실의 중심부분에 더 접근하여 형성한 경우라 하더라도 귀금속 칩의 결락이 인정되지 않았다. 이것은 고온 조건 하에 놓여진 경우라 하더라도 입성장이 억제되는 구성으로 되어 있기 때문에, 입계강도의 저하를 방지할 수 있었던 것에 의한 것이라 생각된다. 즉, 가열후 평균입경이 68㎛ 이하인 Pt합금을 이용하면서 H/M를 0.5 이상으로 함으로써, 귀금속 칩의 결락 방지 및 화염 전파성의 향상을 일거에 도모할 수 있다고 말할 수 있다. 다만, H/M가 0.8을 넘으면 접지전극의 용손이 인정되었기 때문에, H/M를 0.8 이하로 하는 것이 바람직하다고 말할 수 있다.
또한, 상기 실시형태의 기재 내용에 한정하지 않고, 예를 들면 다음과 같이 실시하여도 좋다. 물론 이하에서 예시하지 않은 다른 응용예, 변경예도 당연히 가능하다.
(a) 상기 실시형태에서는 접지전극 본체부(38)에 대해서 볼록부(34)를 개재하여 귀금속 칩(32)을 접합하는 것으로 하고 있으나, 도 5에 나타낸 바와 같이 볼록부(34)를 형성하는 일 없이 접지전극(27A)(접지전극 본체부)의 평탄면에 대해서 귀금속 칩(32A)을 직접 접합하는 구성을 채용하여도 된다. 또, 상기 실시형태와 같이 귀금속 칩(32)의 축선방향으로 이종(異種)의 금속부재{상기 실시형태에서는 볼록부(34)}를 접합하는 것은 허용되지만, 귀금속 칩(32)의 직경방향으로 이종의 금속부재를 접합하는 구성은 허용되지 않는다. 즉, 귀금속 칩은 실질적으로 1개의 귀금속 합금으로 이루어지는 것이다. 또한, 용접에 있어서 이종 합금부가 형성되는 것이 저해되는 것은 아니다. 또, 귀금속 칩의 적어도 일부가 이종 금속의 도금 등에 의해서 금속 박막으로 덮여지는 구성으로 하더라도, 당해 구성을 직경방향으로 이종의 금속부재를 접합한 구성으로는 보지 않는다.
(b) 상기 실시형태에서는 귀금속 칩(32)를 원기둥형상으로 하여 그 치수에 대해서 직경을 나타내고 있으나, 완전한 원기둥(즉 단면이 원형)일 필요는 없으며, 약간 타원형상이거나 다각형상으로 하여도 괜찮다. 또한, 이와 같은 형상에 있어서는 귀금속 칩의 단면적을 "S"라 할 때, 2(S/π)1/2에 의해서 산출된 값이 상술한 귀금속 칩의 직경에 상당한다.
(c) 상기 실시형태에서는 도 2에 나타낸 바와 같이 접지전극(27)이 접지전극 본체부(38)에 대해서 별체로 구성한 볼록부(34)를 접합함에 의해서 구성되어 있으나, 접지전극 본체부(38)의 일부를 변형시켜 볼록부(34)를 일체로 형성함에 의해서 구성하는 것으로 하여도 된다.
(d) 상기 실시형태에서는 중심전극(5){귀금속 칩(31)}의 선단면에 대해서 귀금속 칩(32)의 선단면(37)이 대향하도록 구성되어 있으나, 도 6, 도 7, 도 8에 나타낸 바와 같이 중심전극(55B, 55C, 55D)의 측면에 대해서 귀금속 칩(32B, 32C, 32D)의 선단면(37B, 37C, 37D)이 대향하도록 구성되어 있어도 된다. 또한, 도 9에 나타낸 바와 같이 중심전극(55E)의 선단 에지부분에 대해서 귀금속 칩(32E)의 선단면(37E)이 대향하도록 구성되어 있어도 된다. 또, 상기 실시형태에서는 접지전극(27)의 선단측 측면에 귀금속 칩(32)이 형성되어 있으나, 도 6, 도 8, 도 10에 나타낸 바와 같이 접지전극(27B, 27D, 27F)의 선단면에 귀금속 칩(32B, 32D, 32F)을 형성하는 것으로 하여도 된다. 다만, 이 경우에 있어서도 나사부(15)의 외경(M) 및 금속 쉘(3)의 선단면(26)에서부터 용융부(35B, 35C, 35D, 35E, 35F){접합면(36B, 36C, 36D, 36E, 36F)}까지의 거리(H)가 H≥0.5M을 만족하도록 외경(M) 및 거리(H)를 각각 설정하는 것이 바람직하다.
(e) 상기 실시형태에 있어서, 귀금속 칩(32)은 그 내부에 응력이 거의 잔류하지 않도록 하여 형성되어 있으나, 귀금속 칩(32)의 내부에 응력이 잔류하는 것으로 하여도 된다. 따라서, 예를 들면 귀금속 칩(32)의 선단부에 잔류하는 응력을 귀금속 칩(32)의 측부에 잔류하는 응력보다도 작게 하는 것으로 하여도 된다{즉, 귀금속 칩(32)의 측면(39)의 비커즈 경도(예를 들면, 250Hv)에 대해서, 귀금속 칩(32)의 선단면(37)의 비커즈 경도(예를 들면, 200Hv)를 더 작은 것으로 하여도 된다}. 이 경우에는 가열후 평균입경을 68㎛ 이하로 함으로써 입계에 있어서의 균열 등의 발생을 억제할 수 있음과 아울러, 귀금속 칩(32)의 결락(박리)을 더 확실하게 방지할 수 있다. 그 결과, 스파크 플러그(1)의 장수명화를 한층 더 도모할 수 있다.
(f) 상기 실시형태에서는 금속 쉘(3)의 선단면(26)에 접지전극(27)이 접합되는 경우에 대해서 구체화하고 있으나, 금속 쉘의 일부(또는, 금속 쉘에 미리 용접되어 있는 선단의 일부)를 깎아내도록 하여 접지전극을 형성하는 경우에 대해서도 적용 가능하다(예를 들면, 일본국 특개 2006-236906호 공보 등). 또, 금속 쉘(3)의 선단부의 측면에 접지전극(27)을 접합하는 것으로 하여도 된다.
(g) 상기 실시형태에서는 공구 걸어맞춤부(19)가 단면 육각형 형상으로 되어 있으나, 공구 걸어맞춤부(19)의 형상에 관해서는 상기한 형상에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, Bi-HEX(변형 12각)형상[ISO22977:2005(E)] 등으로 되어 있어도 된다.
(h) 상기 실시형태에서는 귀금속 칩의 제조방법에 관해서 상기 구성 7에 의한 제조방법, 즉 가장 이상적인 제조방법을 설명하고 있으나, 본 발명의 스파크 플러그를 얻고자 할 때에는 이 제조방법에 한정되는 것이 아니다. 따라서, 신선공정에서는 냉간으로 그 가공을 하여도 되고, 또 신선공정을 채용하지 않아도 된다. 예를 들면 인고트를 판형상으로 압연한 후, 블랭킹 가공을 실시함에 의해서 귀금속 칩을 형성하고, 귀금속 칩의 선단부를 구성하는 부분을 국부적으로 가열하여 잔류응력를 제거함에 의해서 귀금속 칩을 얻는 것으로 하여도 된다.
1 - 내연기관용 스파크 플러그 2 - 절연애자
3 - 금속 쉘 4 - 축구멍
5,55B,55C,55D - 중심전극 15 - 나사부
26 - 금속 쉘의 선단면 27,27A,27B,27D,27F - 접지전극
32,32A,32B,32C,32D,32E,32F - 귀금속 칩
33 - 불꽃방전간극 34 - 볼록부
35,35B,35C,35D,35E,35F - 용융부
37,37B,37C,37D,37E - 귀금속 칩의 선단면 38 - 접지전극 본체부
39 - 귀금속 칩의 측면 C1 - 축선

Claims (7)

  1. 축선방향으로 관통하는 축구멍을 가지는 통형상의 절연체와,
    상기 축구멍에 삽입된 중심전극과,
    상기 절연체의 외주에 설치된 통형상의 금속 쉘과,
    자신의 선단부분이 상기 중심전극의 선단면과 대향하도록 상기 금속 쉘의 선단면에 설치되는 접지전극과,
    상기 접지전극에 접합됨과 아울러, 자신의 선단부와 상기 중심전극의 선단부와의 사이에 불꽃방전간극을 형성하며, 백금을 가장 질량비가 높은 성분으로 하는 백금 합금으로 이루어지는 귀금속 칩을 구비하는 내연기관용 스파크 플러그로서,
    상기 접지전극의 본체부에서부터 상기 귀금속 칩의 선단면까지의 돌출길이가 0.4㎜ 이상 1.6㎜ 이하임과 아울러,
    상기 백금 합금은 1100℃의 대기 분위기 하에서 50시간 가열한 후의 평균입경이 68㎛ 이하가 되는 구성인 것을 특징으로 하는 내연기관용 스파크 플러그.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 귀금속 칩의 선단부에 잔류하는 응력이 상기 귀금속 칩의 측부에 잔류하는 응력보다도 작은 것을 특징으로 하는 내연기관용 스파크 플러그.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 백금 합금은 로듐, 이리듐, 니켈 및 루테늄 중 적어도 1종류를 함유하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 스파크 플러그.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 백금 합금은 금속 산화물 및 희토류 산화물 중 적어도 일측을 포함하며, 상기 금속 산화물 및/또는 희토류 산화물의 총 함유량을 0.05질량% 이상 2질량% 이하로 한 것을 특징으로 하는 내연기관용 스파크 플러그.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 쉘은 그 외주에 내연기관의 엔진 헤드의 부착구멍에 나사결합하기 위한 나사부를 구비하며,
    상기 나사부의 외경을 M, 상기 축선방향을 따르는 상기 금속 쉘의 선단면에서부터 상기 귀금속 칩과 상기 접지전극의 본체부 혹은 상기 접지전극의 본체부에서 돌출되는 볼록부가 서로 용합(溶合)되어 형성된 용융부까지의 거리를 H라 하였을 때,
    H≥0.5M
    을 만족하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 스파크 플러그.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 내연기관용 스파크 플러그의 제조방법으로서,
    백금을 가장 질량비가 높은 성분으로 하는 백금 합금으로 이루어지는 봉재로 상기 귀금속 칩과 동일한 직경의 선재를 형성하는 신선공정과,
    표면에 연마재가 부착된 와이어로 상기 선재를 연마함에 의해서 상기 선재를 절단하여 상기 귀금속 칩을 얻는 절단공정을
    포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그의 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 신선공정은 열간 신선인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그의 제조방법.
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