KR101562151B1 - 점화 플러그용 클래드 전극 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 점화 플러그의 선단 부분에 배치되는 귀금속 팁과, 상기 귀금속 팁이 접합되는 기재로 이루어지는 점화 플러그의 중심 전극 및 접지 전극에 사용되는 점화 플러그용 클래드 전극에 있어서, 귀금속 팁과 기재와의 접합 계면이 평면이며, 그 접합 부분에 5 ㎛ ~ 100 ㎛ 두께의 확산층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 이 클래드 전극은, 기재의 표면에, 대략 원기둥 형상의 귀금속 팁의 접합면을 접촉하고, 저항 용접에 의해 기재 표면에 귀금속 팁을 예비 접합하고, 기재와 귀금속 팁이 일체로 된 부분을 펀칭 가공하고, 열처리에 의해 기재와 귀금속 팁을 확산 접합함으로써 제조된다.

Description

점화 플러그용 클래드 전극 및 그 제조 방법{CLAD ELECTRODE FOR SPARK PLUG, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은, 점화 플러그의 전극(중심 전극 및 접지 전극)에 관한 것으로서, 특히 귀금속 팁과 기재를 접합한 점화 플러그용의 클래드 전극 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근 들어, 내연 기관 등에 사용되는 점화 플러그의 중심 전극으로서, Pt 합금이나 Ir 합금으로 형성된 귀금속 팁을, Ni 합금이나 Cu 합금 등의 기재에 접합한, 소위 클래드 전극이 알려져 있다.

이러한 점화 플러그용의 클래드 전극은, 귀금속 팁과 기재가 이종 재료이고, 그 접합에 있어서는 저항 용접이나 레이저 용접을 이용하여, 그 접합 안정성을 확보하고 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).

그런데, 귀금속 팁과 Ni 합금 등의 기재를 접합할 때, 저항 용접만으로는 접합 강도를 만족할 수 없기 때문에, 레이저 용접을 이용하는 경우가 많다. 이 레이저 용접은, 귀금속 팁과 기재가 접촉한 부분에서, 그 접촉한 부분의 외주 표면에 레이저를 조사함으로써, 그 조사 개소를 용해하여, 귀금속 팁과 기재를 접합시키는 것이다.

그러나, 이 레이저 용접은, 귀금속 팁과 기재와의 접합부에 대하여 외주 표면으로부터 용해하여 접합하는 방법이기 때문에, 접합면의 내측의 부분에서는 미 용해의 상태로 될 우려가 있고, 접합 계면에 공극이 잔류하는 경우가 있다. 이 경우, 사용 시에 고온 하에 노출될 때, 공극 내부에 가두어진 가스의 팽창에 의해 균열을 발생시키고, 귀금속 팁이 기재로부터 박리되는 경향이 있다. 특히, 최근의 내연 기관에서는, 점화 플러그의 사용 환경이 고온으로 되고, 방전 발화의 반복에 의한 발열, 방열의 과도한 냉열 사이클의 영향에 의해, 귀금속 팁의 탈락 등의 문제가 많아, 점화 플러그의 수명이 짧아져 버린다는 것이 지적되고 있다.

또한, 접합면의 내부도 완전히 용해시켜서 접합하고자 레이저의 열량을 증대시키면, 접합부의 외주 표면에 있어서의 용융대의 폭이 크게 된다. 이 용융대는, 재료의 용융·응고에 의해 형성되는 영역이며, 그 재료 조직이 다른 부위와 상이하여, 무르고, 또한 전기적 성질도 떨어진다. 그로 인해, 용융대의 재료는 플러그 재료로서 유효하지 않고, 그 폭이 크게 되면 그만큼 귀금속 팁의 길이(두께)를 필요 이상으로 취할 필요가 있다. 그로 인해, 비용면 또는 자원 절약화의 관점에서 바람직한 것이 아니었다.

일본 특허 공개 제2004-134209호 공보

본 발명은 상기와 같은 사정을 근거로 이루어진 것으로, 귀금속 팁과 기재로형성되는 클래드 전극에 있어서, 귀금속 팁과 기재와의 접합을 확실하게 유지할 수 있고, 점화 플러그의 장수명화를 도모할 수 있음과 함께, 필요한 최소한의 길이의 귀금속 팁이 사용된 클래드 전극의 제조 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 점화 플러그의 선단 부분에 배치되는 귀금속 팁과, 상기 귀금속 팁이 접합된 기재로 이루어지는 점화 플러그의 전극에 사용되는 점화 플러그용 클래드 전극에 있어서, 귀금속 팁과 기재와의 접합 계면이 대략 평면인 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 점화 플러그용 클래드 전극은, 귀금속 팁과 기재와의 접합에 대하여, 종래의 레이저 용접에 대신하여 저항 용접과 확산 접합이 연속된 접합 프로세스를 채용한다. 확산 접합은, 접합 계면에 있어서 전체 면에 걸쳐 확산층을 형성하여 확실하게 접합되어 있기 때문에, 귀금속 팁의 박리나 탈락이 방지되고, 혹독한 사용 환경 하에 있어서도 점화 플러그의 장수명화를 도모할 수 있다. 또한, 이 확산층은, 두께에 편차가 적은 평활하고 균일한 것이고, 접합 계면은 대략 평면으로 된다. 그리고, 확산층의 두께는, 접합 조건에 의해 제어할 수 있고, 이에 의해 귀금속 팁의 길이를 최소한으로 설정할 수 있다.

그리고, 확산층의 두께는, 5 ㎛ ~ 100 ㎛으로 하는 것이 바람직하다. 이 두께가 5 ㎛ 미만이면, 충분한 접합 강도가 얻어지지 않게 되는 경향이 있다. 또한, 100 ㎛을 초과하는 경우에는, 불꽃 소모(방전 소모)에 약한 Ni기 합금 또는 Cu기 합금이, 방전면상(근방)에 고농도로 존재하는 경향이 있고, 점화 플러그의 수명이 단명화 되기 쉽다. 또한, 이 확산층은, 기재의 재료, 예를 들어, Ni 합금이나 Cu 합금의 기재를 사용하는 경우, Ni나 Cu가 귀금속 팁 측으로 확산함으로써 형성되는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 점화 플러그용 클래드 전극은, 접합부의 외주 표면에 미접합부를 갖고 있어도 된다. 외주 표면에 미접합부가 있어도, 내부에서는 견고한 접합이 이루어져 있어, 귀금속 팁이 박리되는 일은 없다. 또한, 이 미접합부는, 접합부에 있어서 귀금속 팁과 기재와의 사이에 생기는 열 사이클을 받았을 때의 팽창·수축차를 완화하는 완충부로서 작용할 수 있다. 또한, 이 미접합부의 길이(평균값)는 귀금속 팁의 반경에 대하여 최대 1/5의 길이까지 허용된다.

본 발명에 있어서의 귀금속 팁은, Pt 합금 또는 Ir 합금인 것이 바람직하다. 구체적으로는, Pt-Rh 합금, Pt-Ir 합금, Pt-Ni 합금, Pt-Cu 합금, Ir-Rh 합금, Ir-Pt 합금 또는 Ir-FeNiCr 합금 등을 들 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서의 기재는, Ni 합금 또는 Cu 합금인 것이 바람직하다. 구체적으로는, Ni-Cr 합금, Ni-Fe-Al 합금, Ni-Fe-Co 합금, Ni-Pt 합금, Ni-Pd 합금, Ni-Ir 합금, Cu-Cr 합금, Cu-Ni 합금, Cu-W 합금, Cu-Pt 합금, Cu-Ir 합금, Cu-Pd 합금 등을 들 수 있다. 또한, 상기의 각종 기재를 층 형상으로 조합한 경사 합금재료라도 좋다.

또한, 본 발명은 기재의 표면에, 대략 원기둥 형상의 귀금속 팁의 접합면을 접촉시키고, 저항 용접에 의해 기재 표면에 귀금속 팁을 예비 접합하고, 열처리에 의해 기재와 귀금속 팁을 확산 접합함으로써, 기재와 귀금속 팁이 일체로 된 클래드 전극 재료에 관한 것이다.

본 발명에 따른 점화 플러그용 클래드 전극은, 기재의 표면에, 대략 원기둥 형상의 귀금속 팁의 접합면을 접촉시키고, 저항 용접에 의해, 기재 표면에 귀금속 팁을 예비 접합하고, 열처리에 의해, 기재와 귀금속 팁을 확산 접합함으로써 제조할 수 있다. 종래의 레이저 용접법에서는, 귀금속 팁의 용융이 많기 때문에, 귀금속의 사용량이 많게 되는 경향이 있었으나, 본 발명의 제조 방법에 의하면, 필요한 귀금속량에 따라 클래드 전극을 형성할 수 있다. 또한, 기재와, 별도로 준비한 귀금속 팁을 사용하여 예비 접합 처리를 행하고, 기재와 귀금속 팁이 일체로 된 부분을 펀칭 가공을 행하고, 그 후, 열확산 접합 처리를 행함으로써, 본 발명의 점화 플러그용 클래드 전극을 형성할 수 있기 때문에, 각종 재료를 효율적으로 사용할 수 있어, 제조 비용의 저감이 가능하게 된다.

본 발명에 따른 제조 방법에 있어서, 예비 접합의 저항 용접은, 가압력 5 ~ 10 kgf, 용접 전류 500 ~ 1500 A, 통전시간 2 ~ 200 msec인 것이 바람직하다. 이 예비 접합 조건의 특징은, 일반적인 저항 용접과는 달리, 고가압·저전류·긴 통전시간이다. 또한 본 발명에 따른 제조 방법에 있어서, 확산 접합의 열처리 조건은, 800 ~ 1200 ℃, 1 ~ 5 시간, 진공 중 또는 환원 분위기, 불활성 분위기 중 어느 하나의 분위기에서 열처리하는 것이 바람직하다. 특히, 열처리 분위기에 대해서는, Ni기 합금, Cu기 합금이 고온 산화하지 않는 분위기인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 제조 방법에 있어서, 예비 접합 가압력이 약하면, 기재와 귀금속 팁과의 접촉 면적이 얻어지지 않고, 접합면에 간극이 발생하는 경향이 있다. 또한, 가압력이 강하면, 귀금속 팁이 찌부러지고, 점화 플러그로서의 착화 성능을 향상시키기 위한 에지가 얻어지지 않는 경향이 있다. 그리고, 예비 접합 용접 전류가 너무 높으면, 접합면 근방에 공동(보이드)이 발생하고, 접합 강도 저하에 의한 실사용 환경 하에서 귀금속 팁이 탈락하는 현상이 발생할 가능성이 높게 되어, 표면 더스트가 발생하여, 이상 방전의 계기로 될 경향이 있다. 또한, 통전시간에 대해서는, 그 시간이 길면 접합 계면의 확산도 진행하지만, 생산 효율이 저하하여, 저비용으로의 제품을 실현할 수 없게 될 경향이 있다. 예비 접합 통전시간에 대해서는, 단시간이면 접합 계면의 원자의 열확산이 진행되지 않고, 다음 공정의 확산 처리에서도 충분한 확산층이 얻어지기 어려운 경향이 있다.

본 발명에 따르면, 귀금속 팁과 기재와의 접합을 확실하게 유지할 수 있고, 점화 플러그의 장수명화를 도모하는 것이 가능하게 된다. 또한, 본 발명에 있어서의 클래드 전극의 제조 방법에 의하면, 효율적으로 재료를 사용할 수 있기 때문에, 제조 비용을 저감하는 것이 가능하게 된다.

도 1a는 본 실시 형태의 클래드 전극의 제조 공정을 나타내는 단면 개략도.
도 1b는 본 실시 형태의 클래드 전극의 제조 공정을 나타내는 단면 개략도.
도 1c는 본 실시 형태의 클래드 전극의 제조 공정을 나타내는 단면 개략도.
도 1d는 본 실시 형태의 클래드 전극의 제조 공정을 나타내는 단면 개략도.
도 2는 본 실시 형태의 클래드 전극의 사시도.
도 3a는 본 실시 형태의 클래드 전극(미접합부분 있음)의 단면 관찰 사진.
도 3b는 본 실시 형태의 클래드 전극(미접합부분 없음)의 단면 관찰 사진.
도 4는 종래의 레이저 용접에 의한 클래드 전극의 단면 관찰 사진.
도 5는 열 사이클 시험 후의 본 실시 형태의 클래드 전극의 단면 관찰 사진.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

도 1a~d에는, 본 실시 형태의 클래드 전극의 제조 공정을 도시하는 개략 단면도를 나타낸다.

<실시예 1>

우선, 도 1a에 나타나는 바와 같이, Ni-Ir 1 % 합금으로 이루어지는, 두께 0.3 mm의 테이프 형상 기재(1)에, 직경 1.0 mm, 두께 0.3 mm의 Pt-Rh 20 % 합금으로 이루어지는 원기둥 형상의 귀금속 팁(2)을, 기재에 대하여 수직으로 되도록 접촉 배치하였다. 이 귀금속 팁(2)이 테이프 형상 기재(1)의 표면에 접촉할 때, 기재에 대하여 귀금속 팁이 수직으로 되어 있게 하면서, 귀금속 팁의 접촉한 면과 기판 표면과의 사이에 간극이나, 불완전한 접촉 등의 상태가 생기지 않도록 하였다.

그리고, 도 1b에 나타나는 바와 같이, 기재(1)와 귀금속 팁(2)의 각각에, 저항 용접용의 전극(3, 3')을 접속하고, 가압력 7 kgf, 용접 전류 1350 A, 통전시간 9 msec의 조건에서 저항 용접을 행하고, 예비 접합을 행하였다. 본 실시 형태에서는, 이 저항 용접의 조건을 변경하여 2 종의 예비 접합된 클래드재를 제조하였다.

예비 접합 처리를 행한 후, 도 1c에 나타나는 바와 같이, 소정 직경의 펀칭 펀치(4)와, 거기에 대응하는 트리밍 다이(5)를 사용하여, 예비 접합된 부분에 펀칭 가공을 행하였다. 그 후, 기재(1)와 귀금속 팁(2)에 대하여 진공 중의 전기로내에서, 가열 온도 1100 ℃, 1 시간의 조건으로 열처리를 행하였다. 이 열처리에 의해, 도 1d에 나타나는 바와 같이, 두께 30 ㎛의 확산층(6)이 형성되고, 확산 접합되어 있는 것이 단면 관찰에 의해 확인되었다. 도 2는, 완성한 제품 형태의 사시도를 도시한다.

계속해서, 본 실시 형태로 제조된 클래드 전극에 대하여 평가 시험을 행한 결과에 대하여 설명한다. 또한, 비교를 위하여, 종래의 레이저 용접에 의해 제조한 점화 플러그용 전극에 대해서도 평가를 행하였다. 이 종래의 레이저 용접법은, 상기 실시예와 마찬가지로 원기둥 형상의 귀금속 팁의 기단부면을 기재 표면에 배치한 상태로, 소정의 지지 툴에 의해 귀금속 팁을 지지하면서, 귀금속 팁 중심 축선을 회전축으로 하여 회전시키면서, 기판 및 귀금속 팁의 접촉면의 외주에 대하여 간헐적으로 레이저 빔을 조사하였다. 이때의 레이저 빔의 출력은 3 ~ 5 J로 하였다.

얻어진 클래드 전극의 평가로서, 오토그래프(압축 시험)를 이용한 접합면의 박리 시험을 행하였다. 그 결과, 종래의 레이저 용접에 의한 점화 플러그용 전극에서는, 목표로 하는 300 N 미만의 강도를 갖고, 파단면은 균일한 전단면이 얻어지지 않았다. 이에 대하여, 본 실시예의 클래드 전극에서는, 300 N 이상의 강도를 갖고, 또한 파단면이 거의 전단면으로 되어 있고, 이에 의해, 접합면에 간극이 없고, 안정된 제품인 것이 판명되었다.

또한, 얻어진 클래드 전극의 평가로서, 상온과 1000 ℃ 사이에서의 열팽창·수축시험에서 박리 상태를 확인하는 시험도 행하였다. 그 결과, 종래의 레이저 용접의 클래드 전극에서는, 귀금속 팁(Pt 합금)과 기재(Ni 합금)가 접합 단부로부터 박리되는 현상이 많이 발생하였다. 이에 대하여, 본 실시예의 클래드 전극에서는, 본 열팽창·수축시험에 있어서도, 외관·단면 모두에 박리가 없고, 매우 안정된 것임이 판명되었다. 이 결과로부터, 본 실시예의 클래드 전극은, 실사용 환경에 있어서 실용상 문제가 없는 것임이 확인되었다.

도 3a, b 및 도 4는, 열팽창·수축 시험후의 클래드 전극 및 레이저 용접에 의한 클래드 전극의 단면 관찰 사진을 도시한다. 도 3a, b는, 접합부 외주 표면에 있어서 미접합 부분을 갖는 점화 플러그용 전극의 단면 관찰 사진(도 3a)과, 미접합 부분을 갖지 않는 점화 플러그용 전극의 단면 관찰 사진(도 3b)이다. 미접합 부분을 갖는 점화 플러그용 전극의 미접합 부분의 길이의 평균은 편측 40 ㎛이었다. 도 3으로부터, 본 실시 형태의 2 개의 클래드 전극의 단면에 있어서, 접합 계면에 있어서의 확산층은, 그 두께가 거의 균일하고, 접합 계면은 대략 평면이었다. 그리고, 귀금속 팁(관찰 단면 사진의 상측)과 기재(관찰 단면 사진의 하측)는, 균열이나 보이드의 발생도 없이 접합되어 있는 것이 판명되었다.

한편, 종래의 레이저 용접에 의한 점화 플러그용 전극에서는, 도 4에 도시한 바와 같이, 접합 부분에 균열이 발생하고, 귀금속 팁이 박리될 우려가 있는 것이 확인되었다. 또한, 접합부 외주 표면으로부터 용융 응고 조직을 갖는 용융대가 300 ~ 500 ㎛의 두께로 형성되어 있었다. 이 용융대는, 귀금속 팁으로서의 작용이 기대 되지 않으므로, 설계대로의 전극으로 하기 위해서는, 이 두께의 분만큼 귀금속 팁의 길이를 길게 할 필요가 있다.

또한, 본 실시예에 관한 클래드 전극에 대하여, 열 사이클 시험(대기 중, 70 ℃와 1000 ℃의 사이에서의 가열·냉각의 사이클을 200 사이클 실시)을 행한다. 그 후의 단면 관찰을 행하였으나, 접합 계면에 있어서 열팽창 수축에 의한 박리가 발생하지 않았다. 도 5는 미접합 부분을 갖지 않는 점화 플러그용 전극의 열 사이클 후의 단면 관찰 사진이다.

<실시예 2>

실시예 2로서, 실시예 1과 같은 재료를 준비하고, 예비 접합 조건으로서, 가압력은 같은 7 kgf로, 실시예 1의 저항 용접 조건 보다 출력을 저하시킨 1110 A로 하고, 통전시간을 100 msec로 하였다. 그리고, 실시예 1과 동일한 열처리 조건 (1100 ℃×1 시간)의 확산 접합 처리를 한 클래드 전극을 제작하였다. 이 실시예 2의 클래드 전극의 특성은, 실시예 1과 같은 특성을 갖고 있었다.

<실시예 3>

실시예 3으로서, 실시예 2와 마찬가지의 재료의 조합으로 실시예 2와 같은 예비 접합 조건으로서, 그 후의 열처리 조건을 고온측으로 변화시킨 1200 ℃×1 시간으로 확산 접합 처리한 클래드 전극을 제작하였다. 이 실시예 3의 클래드 전극에 있어서의 단면 관찰을 행한 바, 그 확산층은 50 ㎛이었다.

<실시예 4>

실시예 4로서, 실시예 2에 나타나는 재료의 조합으로 실시예 2와 같은 예비 접합 조건으로 하고, 그 후의 열처리 조건을 1100 ℃×2 시간으로 확산 접합 처리한 클래드 전극을 제작하였다. 이 실시예 4의 클래드 전극에 있어서의 단면 관찰을 행한 바, 그 확산층은 40 ㎛이었다.

<실시예 5>

실시예 5로서, 실시예 1과 동일한 재료를 준비하고, 예비 접합 조건으로서, 가압력은 같은 7 kgf로, 실시예 1의 저항 용접 조건보다 출력을 높게 한 1400 A로 하고, 통전시간을 4 msec로 하였다. 그 후의 열처리 조건을 1200 ℃×4 시간으로 확산 접합 처리한 클래드 전극을 제작하였다. 이 실시예 5의 클래드 전극에 있어서의 단면 관찰을 행한 바, 그 확산층은 90 ㎛이었다.

<실시예 6>

실시예 6으로서, 실시예 1과는 다른 재질인 Cu-Ni 30 % 합금으로 이루어지는, 두께 0.3 mm의 테이프 형상 기재(1)에, 직경 1.0 mm, 두께 0.3 mm의 Pt-Ir 20 % 합금으로 이루어지는 원기둥 형상의 귀금속 팁을 준비하고, 예비 접합 조건으로서, 가압력은 같은 7 kgf로, 실시예 1의 저항 용접 조건보다 출력을 저하시킨 600 A로 하고, 통전시간을 200 msec으로 하였다. 그 후의 열처리 조건을 900 ℃×3 시간으로 확산 접합 처리한 클래드 전극을 제작하였다. 이 실시예 6의 클래드 전극에 있어서의 단면 관찰을 행한 바, 그 확산층은 10 ㎛이었다.

상기한 실시예 2 ~ 6의 클래드 전극에 대해서, 실시예 1과 마찬가지의 박리 시험·열팽창·수축시험을 행한 결과, 모두에 있어서 매우 우수한 특성을 보였다. 이 결과로부터, 적정한 제조 조건 범위 내라면, 생산 라인상에서 다소의 조건이 변동되더라도, 클래드 전극의 특성이 실용 레벨을 유지할 수 없을 일은 없고, 품질 관리 조건도 제어하기 쉬운 것임이 판명되었다.

본 발명에 따르면, 귀금속 팁과 기재와의 접합을 확실하게 유지할 수 있고, 점화 플러그의 장수명화를 도모할 수 있으므로, 귀금속의 효율적인 이용을 할 수 있고, 자원 절약화를 도모할 수 있다.

1 : 기재
2 : 귀금속 팁
3 : 저항 용접용의 전극
6 : 확산층
10 : 클래드 전극

Claims (8)

1. 점화 플러그의 선단 부분에 배치되는 귀금속 팁과, 상기 귀금속 팁이 접합되는 기재로 일체로 이루어지는 점화 플러그용 클래드 전극에 사용되는 클래드 전극 재료의 제조 방법에 있어서,
   기재의 표면에, 원기둥 형상의 귀금속 팁의 접합면을 접촉시키고, 가압력 5 ~ 10 kgf, 용접 전류 500 ~ 1500 A, 통전시간 2 ~ 200 msec의 조건에서의 저항 용접에 의해 기재 표면에 귀금속 팁을 예비 접합하고,
   기재 및 귀금속 팁을, 진공 분위기, 환원 분위기, 불활성 분위기 중 어느 하나의 분위기에서, 가열 온도 800 ~ 1200 ℃, 처리 시간 1 ~ 5 시간으로 가열하여 기재와 귀금속 팁을 확산 접합함으로써 기재와 귀금속 팁을 일체로 하는 것을 특징으로 하는, 클래드 전극 재료의 제조 방법.
2. 제1항의 제조 방법에 의해 제조된 점화 플러그용 클래드 전극 재료이며,
   귀금속 팁과 기재와의 접합 계면이 평면이고,
   귀금속 팁과 기재와의 접합 부분에는, 5 ㎛ ~ 100 ㎛ 두께의 확산층이 형성되어 있는, 점화 플러그용 클래드 전극 재료.
3. 제2항에 있어서, 귀금속 팁은, Pt 합금 또는 Ir 합금인, 점화 플러그용 클래드 전극 재료.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 기재는, Ni 합금 또는 Cu 합금인, 점화 플러그용 클래드 전극 재료.
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