KR101562410B1 - 스파크 플러그 및 그 제조방법 - Google Patents

스파크 플러그 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 과제는 귀금속 칩이 접합되어 이루어지는 접지전극의 발화부가 높은 내구성을 가지는 스파크 플러그 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. 이 스파크 플러그는 중심전극과 절연체와 금속 쉘과 전극 모재의 일단이 상기 금속 쉘의 단부에 접합되고 타단에 귀금속 칩이 접합된 접지전극을 구비하며, 상기 귀금속 칩은 가공경화에 의해서 평균 경도가 Hv260 이상 Hv650 이하이고, 상기 전극 모재는 Cr이 15질량% 이상 30질량% 이하, Al이 1.5질량% 이상 4질량% 이하 함유되어 이루어지는 Ni합금에 의해서 형성되어 이루어지고, 상기 귀금속 칩과 상기 전극 모재의 사이에 형성되어 있는 용접부는 Ni과 Cr과 Al과 Si와 Fe의 합계 질량이 상기 용접부의 전체 질량에 대해서 5질량% 이상 35질량% 이하이고, 상기 귀금속 칩과 상기 용접부와 상기 전극 모재의 평균 경도가 이 순서로 크고, 또한 상기 용접부의 평균 경도가 Hv255 이상 Hv400 이하이다.

Description

스파크 플러그 및 그 제조방법{SPARK PLUG AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 스파크 플러그 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 접지전극의 발화면에 귀금속 칩이 부착되어 이루어지는 스파크 플러그 및 그 제조방법에 관한 것이다.
근년, 자동차 엔진 등의 내연기관에 사용되는 스파크 플러그는, 내(耐)불꽃 소모성 향상을 위해 중심전극의 선단부에 있어서의 발화면 또는 접지전극의 상기 중심전극에 대향한 발화면에 내불꽃 소모성이 우수한 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir) 등으로 구성되는 귀금속 칩 또는 이것들을 주체로 하는 합금으로 이루어지는 귀금속 칩을 용접한 스파크 플러그가 사용되고 있다. 한편, 중심전극 및 접지전극에 있어서의 상기 귀금속 칩이 접합되어 있는 전극 모재는 Ni합금과 같은 열전도성이 양호한 금속이 사용 되고 있다.
상기 전극 모재와 귀금속 칩은 충분한 내열성을 확보하고 있음에도 불구하고 고온 산화 및 고온 열 사이클을 받음으로써 전극 모재와 귀금속 칩의 접합부에 크랙이 발생하며, 이 크랙이 진행하여 귀금속 칩이 박리 또는 탈락에 이르는 일이 있었다. 또, 근년의 연료의 린화 및 고압축화에 따라서 귀금속 칩은 소경화(小徑化)가 요구됨과 아울러 전극의 온도가 상승하는 경향이 있다. 그 결과, 전극 모재와 귀금속 칩의 접합부에 더욱 더 부하가 걸려서 귀금속 칩이 전극 모재에서 박리 또는 탈락하기 쉬운 상황으로 되어 있다. 그래서, 전극 모재와 귀금속 칩을 강고하게 접합하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다.
특허문헌 1에서는, 귀금속 칩과 중심전극 또는 접지전극의 사이에 형성되는 용융 고착층의 치수 등을 규정함에 의해서, 용융 고착층에 있어서의 접합 강도가 우수한 고성능, 장수명의 내연기관용 스파크 플러그를 제공하는 것을 시도하였다.
특허문헌 2에서는, 귀금속 칩과 접지전극이 용해된 용융부의 형상 및 귀금속 칩의 치수 및 그 성분 등을 규정함에 의해서, 착화성을 확보하면서 접지전극과 귀금속 칩의 접합성을 향상시킨 스파크 플러그를 제공하는 것을 시도하였다.
특허문헌 3에서는, 귀금속 칩과 칩 피고착면 형성부위에 걸치는 형태로 형성된 전(全)둘레 레이저 용접부의 치수를 규정함에 의해서, 발화부의 내구성을 향상시킨 스파크 플러그를 제공하는 것을 시도하였다.
그런데, 접지전극은 중심전극보다 연소실 내로 돌출된 상태로 설치되어 있어 접지전극 쪽이 중심전극보다도 온도가 높아지기 때문에, 온도차가 심한 가혹한 환경에 놓여져 있다. 따라서, 접지전극에 있어서의 귀금속 칩의 박리 또는 탈락을 방지하는 것이 더 요망되고 있다.
특허문헌 1 ： 일본국 특허 제3121309호 공보 특허문헌 2 ： 일본국 특허 제3702838호 공보 특허문헌 3 ： 일본국 특개 2002－237370호 공보
본 발명의 과제는, 귀금속 칩이 접합되어 이루어지는 접지전극의 발화부가 높은 내구성을 가지는 스파크 플러그 및 그 제조방법을 제공하는 것이고, 특히 접지전극의 전극 모재와 귀금속 칩의 접합성이 양호한 스파크 플러그 및 그 제조방법을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서,
청구항 1은,
중심전극과; 상기 중심전극의 외주에 설치된 절연체와; 상기 절연체를 유지하는 금속 쉘과; 전극 모재의 일단이 상기 금속 쉘의 단부에 접합되고, 타단에 귀금속 칩이 접합 되고, 상기 귀금속 칩의 선단면과 상기 중심전극의 선단면 또는 측면이 불꽃방전간극을 두고서 대향하도록 배치된 접지전극;을 구비하는 스파크 플러그로서,
상기 귀금속 칩은 가공경화에 의해서 평균 경도가 Hv260 이상 Hv650 이하이고,
상기 전극 모재는 Cr이 15질량% 이상 30질량% 이하, Al이 1.5질량% 이상 4질량% 이하 함유되어 이루어지는 Ni합금에 의해서 형성되어 이루어지고,
상기 귀금속 칩과 상기 전극 모재의 사이에 형성되어 있는 용접부는 Ni과 Cr과 Al과 Si와 Fe의 합계 질량이 상기 용접부의 전체 질량에 대해서 5질량% 이상 35질량% 이하이고,
상기 귀금속 칩의 평균 경도가 상기 용접부의 평균 경도보다 크고, 또한 상기 용접부의 평균 경도가 상기 전극 모재의 평균 경도보다 크고,
또한 상기 용접부의 평균 경도가 Hv255 이상 Hv400 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그이고,
청구항 2는,
상기 용접부는 Cr과 Al과 Si와 Fe의 합계 질량이 상기 용접부의 전체 질량에 대해서 3질량% 이상 9.5질량% 이하인 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 스파크 플러그이고,
청구항 3은,
상기 용접부는 Cr과 Al과 Si의 합계 질량이 상기 용접부의 전체 질량에 대해서 2질량% 이상 4질량% 이하인 것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 2에 기재된 스파크 플러그이고,
청구항 4는,
상기 용접부는 상기 귀금속 칩과 상기 전극 모재를 레이저 용접에 의해서 접합하여 이루어지며, 상기 레이저 용접은 3밀리세컨드(millisecond, m초) 이하의 레이저 펄스를 복수회 조사하는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 기재된 스파크 플러그이고,
삭제
삭제
삭제
청구항 6은,
Cr이 15질량% 이상 30질량% 이하, Al이 1.5질량% 이상 4질량% 이하 함유되어 이루어지는 Ni합금에 의해서 형성되어 이루어지는 전극 모재의 단부를 금속 쉘의 단부에 접합하는 공정과,
금속 쉘에 중심전극과 절연체를 조립하는 공정과,
전극 모재에 있어서의 상기 금속 쉘에 접합되는 단부와는 반대측의 단부에 가공경화에 의해서 평균 경도가 Hv260 이상 Hv650 이하인 귀금속 칩을 3밀리세컨드 이하의 레이저 펄스를 복수회 조사하는 레이저 용접에 의해서 접합하고, 상기 귀금속 칩과 상기 전극 모재의 사이에 형성되어 있는 용접부는 Ni과 Cr과 Al과 Si와 Fe의 합계 질량이 상기 용접부의 전체 질량에 대해서 5질량% 이상 35질량% 이하로 하는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그의 제조방법이다.
본 발명에 관한 스파크 플러그의 접지전극의 전극 모재는 Cr이 15질량% 이상 30질량% 이하, Al이 1.5질량% 이상 4질량% 이하 함유되어 이루어지는 Ni합금에 의해서 형성되어 이루어지기 때문에, 전극 모재가 산화되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 전극 모재가 산화됨에 의해서 전극 모재의 두께가 감소하고, 그 결과, 전극 모재의 표면에서 돌출된 상태로 접합되어 있는 귀금속 칩의 돌출량이 상대적으로 커지게 되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 열 사이클 및 발화시의 충격에 의해서 귀금속 칩이 전극 모재에서 박리 또는 탈락되는 것을 방지할 수 있다.
또, 본 발명에 관한 스파크 플러그의 귀금속 칩과 상기 전극 모재의 사이에 형성되어 있는 용접부는 Ni과 Cr과 Al과 Si와 Fe의 합계 질량이 용접부의 전체 질량에 대해서 5질량% 이상 35질량% 이하이기 때문에, 귀금속 칩과 용접부의 계면에 내부 산화층이 생성되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 내연기관 내에 있어서의 열 사이클의 영향에 의해서 내부 산화층에 생기는 크랙의 생성을 억제할 수 있다. 또, 용접부의 평균 경도가 Hv255 이상 Hv400 이하이기 때문에, 내연기관 내에 있어서의 열 사이클의 영향에 의해서 귀금속 칩과 전극 모재의 사이에 열팽창의 차이에 의한 변형이 생겼다 하더라도 용접부에 크랙이 생성되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 귀금속 칩은 가공경화에 의해서 평균 경도가 Hv260 이상 Hv650 이하이기 때문에, 열 사이클의 영향에 의해서 귀금속 칩의 측면에 생기는 인장응력에 의한 귀금속 칩의 크랙을 방지할 수 있다.
또, 귀금속 칩, 용접부, 전극 모재의 순서로 평균 경도가 크기 때문에, 이것에 의해서도 귀금속 칩의 크랙을 방지할 수 있다. 또, 귀금속 칩과 용접부의 계면의 내부 산화층에 생기는 크랙의 진전을 억제할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 귀금속 칩이 전극 모재에서 박리 또는 탈락되는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 전극 모재와 귀금속 칩의 접합성이 양호하고, 높은 내구성을 가지는 스파크 플러그를 제공할 수 있다.
본 발명에 관한 스파크 플러그의 제조방법에 의하면, 상술한 효과를 가지는 스파크 플러그를 용이하게 제조할 수 있다.
도 1(a)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 일 실시형태인 스파크 플러그의 일부 단면 전체 설명도이다. 도 1(b)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 일 실시형태인 스파크 플러그의 주요 부분을 나타내는 단면 설명도이다.
도 2(a)는 열 사이클 시험 전에 있어서의 귀금속 칩과 전극 모재의 반단면 확대 설명도이다. 도 2(b)는 열 사이클 시험 후에 있어서의 귀금속 칩과 전극 모재의 반단면 확대 설명도이다.
도 3은 귀금속 칩과 전극 모재의 접합부에 있어서의 단면 확대 설명도이다.
도 4(a)는 전극 모재를 형성하고 있는 Ni합금의 용해량이 적은 경우에 있어서의 귀금속 칩과 전극 모재의 반단면 설명도이다. 도 4(b)는 전극 모재를 형성하고 있는 Ni합금의 용해량이 많은 경우에 있어서의 귀금속 칩과 전극 모재의 반단면 설명도이다.
도 5(a)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 다른 실시형태인 스파크 플러그의 일부 단면 전체 설명도이다. 도 5(b)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 다른 실시형태인 스파크 플러그의 주요 부분을 나타내는 단면 설명도이다.
도 6은 본 발명에 관한 스파크 플러그 다른 실시형태인 스파크 플러그의 주요 부분을 나타내는 단면 설명도이다.
도 7(a)는 전극 모재, 용접부 및 귀금속 칩의 경도 측정 위치를 나타내는 단면 설명도이고, 도 7(b)는 도 7(a)에 있어서의 P1으로 절단하여 나타내는 절단면에 있어서의 경도 측정점을 나타내는 설명도이고, 도 7(c)는 도 7(a)에 있어서의 P2로 절단하여 나타내는 절단면에 있어서의 경도 측정점을 나타내는 설명도이다.
본 발명에 관한 스파크 플러그의 일 실시형태인 스파크 플러그를 도 1에 나타낸다. 도 1(a)는 본 실시형태의 스파크 플러그의 일부 단면 전체 설명도이고, 도 1(b)는 본 실시형태의 스파크 플러그의 주요 부분을 나타내는 단면 설명도이다. 또한, 도 1(a)에서는 지면(紙面)의 하측을 축선의 선단방향, 지면의 상측을 축선의 후단방향으로 하고, 도 1(b)에서는 지면의 상측을 축선의 선단방향, 지면의 하측을 축선의 후단방향으로 하여 설명한다.
상기 스파크 플러그(1)는 도 1(a) 및 도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 대략 봉형상의 중심전극(2)과, 상기 중심전극(2)의 외주에 설치된 대략 원통형상의 절연체(3)와, 상기 절연체(3)를 유지하는 원통형상의 금속 쉘(4)과, 전극 모재(10)의 일단이 상기 금속 쉘(4)의 단부에 접합되고, 타단에 귀금속 칩(5)이 접합되고, 상기 귀금속 칩(5)의 선단면과 상기 중심전극(2)의 선단면이 불꽃방전간극(G)을 두고서 대향하도록 배치된 접지전극(6)을 구비하고 있다.
금속 쉘(4)은 원통형상을 이루고 있으며, 절연체(3)를 내장함에 의해서 절연체(3)를 유지하도록 형성되어 있다. 스파크 플러그(1)의 선단부에 있어서의 금속 쉘(4)의 외주면에는 나사부(40)가 형성되어 있으며, 이 나사부(40)를 이용하여 도시하지 않은 내연기관의 실린더 헤드에 부착된다. 금속 쉘(4)은 전도성의 철강재료, 예를 들면 저탄소강에 의해서 형성될 수 있다.
절연체(3)는 금속 쉘(4)의 내주면에 활석(탈크)이나 패킹 등을 통해서 유지되어 있으며, 절연체(3)의 축선방향을 따라서 중심전극(2)을 유지하는 축구멍을 가진다. 절연체(3)의 선단부는 금속 쉘(4)의 선단면에서 돌출된 상태로 금속 쉘(4)에 고정되어 있다. 절연체(3)는 열을 전달하기 어려운 재료로 형성되어 있으면 되며, 이러한 재료로서는 예를 들면 알루미나를 주체로 하는 세라믹 소결체를 들 수 있다.
중심전극(2)은 외측부재(7)와, 이 외측부재(7)의 내부의 축심부에 동심적으로 매립되도록 형성되어 이루어지는 내측부재(8)와, 외측부재(7)의 선단면에 접합되어 이루어지는 귀금속 칩(9)에 의해서 형성되어 있다. 중심전극(2)은 원기둥형상을 이루고 있으며, 선단부가 절연체(3)의 선단면에서 돌출된 상태로 절연체(3)의 축구멍에 고정되어 있으며, 금속 쉘(4)에 대해서 절연 유지되어 있다. 중심전극(2)의 선단부는 그 선단으로 감에 따라서 직경이 축소되는 원뿔대 형상부를 가지며, 외측부재(7)에 의해서 형성되어 이루어지는 원뿔대 형상부의 선단면에 원기둥형상의 귀금속 칩(9)이 적절한 용접수법(예를 들면, 레이저 용접 또는 전기저항 용접)에 의해서 용융 고착되어 있다. 이 귀금속 칩(9)은 원뿔대 형상부의 직경보다 작은 직경을 가진다. 중심전극(2)에 있어서의 귀금속 칩(9)은 통상 원기둥형상을 이루며, 그 직경은 0.3∼1.5mm, 높이는 0.4∼2.5 mm인 것이 바람직하다.
외측부재(7)는 예를 들면 Ni합금 등의 내열성 및 내식성이 우수한 금속재료에 의해서 형성되어 이루어진다. 내측부재(8)는 예를 들면 구리(Cu) 또는 은(Ag) 등의 열전도성이 우수한 금속재료에 의해서 형성되어 이루어진다.
접지전극(6)은 예를 들면 각기둥으로 형성되어 이루어지며, 일단이 상기 금속 쉘(4)의 단부에 접합되며 도중에서 대략 L자형으로 구부러져 있는 전극 모재(10)와, 상기 전극 모재(10)의 타단의 측면에 접합되어 있는 원기둥형상의 귀금속 칩(5)에 의해서 형성되며, 상기 귀금속 칩(5)의 선단면과 상기 중심전극(2)의 선단면이 불꽃방전간극(G)을 두고서 서로 대향하도록 접지전극(6)의 형상 및 구조가 설계된다. 도 1(a) 및 도 1(b)에는 상기 접지전극의 일례가 도시되어 있다.
상기 불꽃방전간극(G)은 중심전극(2)에 있어서의 귀금속 칩(9)의 선단면과 접지전극(6)에 있어서의 귀금속 칩(5)의 선단면의 사이의 간극이며, 이 불꽃방전간극(G)은 통상 0.3∼1.5mm로 설정된다. 또, 중심전극(2)에 귀금속 칩(9)이 없는 경우에는, 불꽃방전간극(G)은 중심전극(2)의 선단면과 접지전극(6)에 있어서의 귀금속 칩(5)의 선단면의 사이의 간극이며, 이 불꽃방전간극(G)은 통상 0.3∼1.5mm로 설정된다.
전극 모재(10)는 Ni을 주성분으로 하며 Cr과 Al과 Si와 Fe을 함유하는 Ni합금에 의해서 형성되어 이루어지며, Cr이 15질량% 이상 30질량% 이하, 또한 Al이 1.5질량% 이상 4질량% 이하 함유되어 이루어지며, 바람직하게는 Cr이 20질량% 이상 25질량% 이하, 또한 Al이 2질량% 이상 3질량% 미만 함유되어 이루어진다. 전극 모재(10)를 형성하고 있는 Ni합금은 Cr이 15질량% 이상 함유됨으로써, 산화 분위기에 있어서 Cr2O3 보호피막(단지 보호피막이라 칭하는 것도 있다)이 생성되어 내산화성을 향상시킬 수 있다. 이 Cr2O3 보호피막은 전극 모재(10)의 표면 및 용접부(11)의 표면에 형성된다. 또한, 상기 "표면"이란 전극 모재(10)와 용접부(11)의 접촉면이 아니라 산화 분위기에 노출되는 외측 표면이다. 또, 전극 모재(10)를 형성하고 있는 Ni합금은 Al이 1.5질량% 이상 함유됨으로써, Cr2O3 보호피막의 밀착성을 향상시킴과 아울러 Cr2O3 보호피막 직하에 Al2O3이 생성되기 때문에 내산화성을 향상시킬 수 있다. 한편, 전극 모재(10)를 형성하고 있는 Ni합금이, Cr이 15질량% 미만 또는 Al이 1.5질량% 미만 함유되어 있는 경우에는 전극 모재(10)의 표면이 산화되기 쉬워지게 된다. 또, 전극 모재(10)를 형성하고 있는 Ni합금이, Cr이 30질량%를 초과하여 함유되어 있는 경우에는 Ni-Cr 금속간 화합물이 생성됨으로써 내부 산화가 촉진되게 되고, Al이 4질량%를 초과하여 함유되어 있는 경우에는 Cr2O3 보호피막보다 우선적으로 Al2O3이 전극 모재의 표면에 점재(點在)함으로써 균일한 Cr2O3 보호피막을 전극 모재의 표면에 생성시킬 수 없기 때문에 산화가 촉진되게 된다. 이와 같이, 전극 모재(10)를 형성하고 있는 Ni합금에 있어서의 Cr과 Al의 함유량이 상기 범위 밖인 경우에는 전극 모재(10)가 산화되기 쉬워지기 때문에, 전극 모재의 체적이 감소한다. 즉, 귀금속 칩 주변에 있어서의 전극 모재의 두께가 감소하는 일이 있다.
도 2(a) 및 도 2(b)는 내연기관 내에 있어서 열 사이클을 받기 전후에 있어서의 귀금속 칩과 전극 모재의 접합상태를 나타내는 반단면 확대 설명도이다. 도 2(a)에 나타내는 열 사이클을 받기 전의 전극 모재(210a)와 도 2(b)에 나타내는 열 사이클을 받은 후의 전극 모재(210b)에서는 열 사이클을 받은 후의 전극 모재(210b) 쪽이 그 두께가 두께 B만큼 얇게 되어 있다. 상기 전극 모재(210a,210b)의 두께의 감소는 전극 모재(210a,210b)가 산화된 것에 의한 것이다. 원기둥형상을 이루는 귀금속 칩(25a,25b)은 전극 모재(210a,210b)의 표면에서 돌출된 상태로 접합되어 있다. 도 2(a) 및 도 2(b)에 나타낸 바와 같이 열 사이클을 받기 전후에 있어서 전극 모재(210b)의 두께가 두께 B만큼 감소하면, 귀금속 칩(25b)의 돌출량은 두께 B의 분량만큼 커지게 된다. 이와 같이 되면, 외력이 귀금속 칩(25b)에 작용했을 경우의 약점, 예를 들면 크랙이 용접부(211b)에 존재하면, 열 사이클 및 발화시의 충격에 의해서 귀금속 칩(25b)이 꺾여지기 쉬워지게 되므로 전극 모재(210b)에서 탈락하기 쉬워지게 된다. 게다가, 전극 모재(210a,210b)를 형성하고 있는 Ni합금의 Cr의 양이 30질량%를 넘고 또한 Al의 양이 4질량%를 넘으면, Ni합금이 고용경화되어 인발 및 굽힘 가공이 곤란하게 되기 때문에, L자 곡선을 가지는 전극 모재(210a,210b)로 할 경우에는 바람직하지 않다. 또한, 전극 모재(210a,210b)를 형성하고 있는 Ni합금에 포함되어 있는 Si는 불가피한 불순물로서 함유되는 경우도 있다.
내연기관 내에 있어서 열 사이클을 받기 전후에 있어서의 전극 모재의 두께의 감소량은 열 사이클을 받기 전의 전극 모재의 두께와 열 사이클을 받은 후의 전극 모재의 두께를 측정하고, 이 측정치에서 열 사이클을 받기 전후에 있어서의 전극 모재의 두께의 차(두께 B)를 산출함에 의해서 구할 수 있다.
전극 모재(10)의 평균 경도는 Hv150 이상 Hv220 이하인 것이 바람직하고, Hv160 이상 Hv220 이하인 것이 특히 바람직하다. 전극 모재(10)의 평균 경도가 상기 범위 내에 있으면, 엔진 내의 가열 및 진동에 의한 전극 모재(10) 자신의 절손(折損)을 방지할 수 있고, 또 강성이 높다는 점에서 진동도 억제되어 귀금속 칩(35)과 용접부(311)의 계면의 내부 산화층(312)에 생기는 크랙의 진전을 억제할 수 있다. 또한, 전극 모재의 경도가 상기 범위 내에 있으면, L자형 혹은 완만하게 반원형상으로 형성된 만곡형의 전극 모재는 그 만곡부분에 있어서의 절손 사고가 쉽게 일어나지 않게 된다는 특유의 효과도 가진다.
전극 모재의 평균 경도는 다음과 같이 측정하여 구할 수 있다. 전극 모재의 길이방향을 따르는 중심축선에 직교하는 평면으로 전극 모재를 절단함에 의해서 나타나는 전극 모재의 단면에 있어서의 임의의 면적의 단면 중에서 임의의 개수의 측정점을 선택하여 그 측정점에서 경도를 측정하고, 얻어지는 임의의 개수의 측정치의 평균을 냄으로써 평균 경도가 구해진다. 다만, 전극 모재의 평균 경도, 용접부의 평균 경도 및 귀금속 칩의 평균 경도를 효율좋게 측정하는 것이라면, 귀금속 칩이 용접되어 있는 전극 모재의 단부에 있어서, 귀금속 칩의 중심축선을 포함하는 단면이 나타나도록 용접부를 통해서 귀금속 칩을 가지는 전극 모재를 절단함에 의해서 나타나는 전극 모재의 절단면에서 임의의 개수의 경도 측정점을 선택하고, 이 경도 측정점에서 마이크로 비커즈 경도계에 의해서 0.5N 하중의 조건에서 JIS Z 2244에 준거하여 전극 모재의 경도를 측정한다. 그리고, 임의의 개수의 경도 측정치의 평균을 냄으로써 전극 모재의 평균 경도가 구해진다. 또한, 경도 측정점의 개수로서는 4∼16개소의 경도 측정점을 들 수 있지만, 통상은 가로 3열 및 세로 3열로 같은 간격으로 늘어선 9개소의 경도 측정점을 최적한 예로서 들 수 있다.
도 1(a) 및 도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 접지전극(6)에 있어서의 귀금속 칩(5)은 통상 원기둥형상을 이루며, 직경이 0.5∼2.0mm, 높이가 0.4∼1.5mm인 것이 바람직하다. 귀금속 칩(5)의 크기가 상기 범위 내에 있으면, 착화성, 방열성 및 접합성 등의 관점에서 바람직하고, 내구성이 우수한 스파크 플러그(1)로 할 수 있다.
중심전극(2)에 접합되어 이루어지는 귀금속 칩(9)과 전극 모재(10)에 접합되어 이루어지는 귀금속 칩(5)은 Pt, Pt합금, Ir, Ir합금 등의 귀금속에 의해서 형성되며, 예를 들면 Pt을 주성분으로 하며 Ir, Rh, Nb, W, Pd, Re, Ru, Os 중 적어도 하나가 첨가되어 이루어지는 Pt합금 칩, 및 Ir을 주성분으로 하며 Pt, Rh, Nb, W, Pd, Re, Ru, Os 중 적어도 하나가 첨가되어 이루어지는 Ir합금 칩을 들 수 있다. Pt 및 Ir을 주성분으로 한 경우, 이것 이외에 첨가되는 성분은 5∼50질량%의 범위 내에서 첨가되는 것이 바람직하다.
전극 모재(10)에 접합되어 이루어지는 귀금속 칩(5)은 중심전극(2)에 접합되어 이루어지는 귀금속 칩(9)보다도 온도차가 심한 가혹한 환경에 놓여져 있기 때문에, 후술하는 바와 같이 그 특성을 규정함에 의해서 내구성을 향상시킬 필요가 있다.
전극 모재(10)에 접합되어 이루어지는 귀금속 칩(5)은 그 평균 경도가 Hv260 이상 Hv650 이하이며, 특히 Hv260 이상 Hv550 이하인 것이 바람직하다. 귀금속 칩(5)을 전극 모재(10)에 용접할 때에는 통상 귀금속 칩에 외적 부하가 가해진다. 이 외적 부하로서는 핸들링시에 생기는 응력, 용접시의 열충격 및 스파크 플러그(1)의 제작 공정시에 있어서 지그와의 접촉 혹은 낙하 등이라는 뜻밖의 충격 등을 들 수 있다. 귀금속 칩의 평균 경도가 Hv260 미만이면, 핸들링시에 생기는 응력 및 뜻밖의 충돌 등의 기계적 응력에 의해서 귀금속 칩(5)이 변형될 우려가 있다. 귀금속 칩의 평균 경도가 Hv650을 넘으면, 상기 기계적 응력에 의해서 결손이 생길 우려가 있으며, 또한 용접시의 열충격에 의해서 크랙이 생길 우려가 있다.
귀금속 칩의 평균 경도는 다음과 같이 하여 측정할 수 있다. 귀금속 칩의 길이방향을 따르는 중심축선을 포함하는 평면이 단면이 되도록 귀금속 칩을 절단함에 의해서 나타나는 귀금속 칩의 단면에 있어서의 임의의 면적의 단면 중에서 임의의 개수의 측정점을 선택하여 그 측정점에서 경도를 측정하고, 얻어지는 임의의 개수의 측정치의 평균을 냄으로써 평균 경도가 구해진다. 다만, 전극 모재의 평균 경도, 용접부의 평균 경도 및 귀금속 칩의 평균 경도를 효율좋게 측정하는 것이라면, 귀금속 칩이 용접되어 있는 전극 모재의 단부에 있어서, 귀금속 칩의 중심축선을 포함하는 단면이 나타나도록 용접부를 통해서 전극 모재에 접합된 귀금속 칩을 절단함에 의해서 나타나는 귀금속 칩의 절단면에서 임의의 개수의 경도 측정점을 선택하고, 이 경도 측정점에서 마이크로 비커즈 경도계에 의해서 0.5N 하중의 조건에서 JIS Z 2244에 준거하여 귀금속 칩의 경도를 측정한다. 그리고, 임의의 개수의 경도 측정치의 평균을 냄으로써 귀금속 칩의 평균 경도가 구해진다. 또한, 경도 측정점의 개수로서는 4∼16개소의 경도 측정점을 들 수 있지만, 통상은 가로 3열 및 세로 3열로 같은 간격으로 늘어선 9개소의 경도 측정점을 최적한 예로서 들 수 있다.
또한, 전극 모재에 귀금속 칩이 아직 접합되어 있지 않은 경우에는 귀금속 칩의 중심축선을 포함하는 단면이 나타나도록 귀금속 칩을 절단하고, 절단에 의해서 나타나는 귀금속 칩의 단면에 대해서 경도 측정을 하여도 된다.
귀금속 칩의 제작법을 다음과 같이 설명한다. 귀금속 칩은 귀금속 재료인 인고트를 열간 또는 냉간에 의한 단조, 압연, 스웨이징, 블랭킹 및 인발 등의 가공에 의해서 제작된다. 귀금속 칩이 상기 가공에 의해서 생기는 가공변형에 의해서 경도가 높아지게 되는 것을 가공경화라 한다. 귀금속 칩은 소결법에 의해서 제작하는 것보다도 아크 용해로 등을 사용하는 용해법에 의해서 인고트를 제작하고, 이어서 상기 가공방법에 의해서 가공경화를 수반하면서 제작하는 것이 바람직하다. 소결법은 소망하는 조성을 가지는 귀금속 분말을 성형하고, 소망하는 형상을 가지는 귀금속 칩을 구워 굳히는 방법이다. 이 소결법에 의해서 귀금속 칩을 제작한 경우에는, 조성을 균일화하는 것이 어렵고, 또 무르고 귀금속 칩의 결손이 생기기 쉽게 되는 것이므로, 내구성이 떨어진다는 문제점이 생긴다. 한편, 귀금속 칩이 용해법과 상기 가공방법에 의해서 제작되어 가공경화에 의해서 상기 범위 내의 평균 경도를 가지는 경우에는, 귀금속 칩은 그 내부에 변형을 가지게 된다. 엔진을 가동함에 의해서 귀금속 칩이 고온 하에 놓이게 되면, 상기 변형이 없어지고, 이 귀금속 재료가 재결정화되어 조직이 미세화된다. 이 조직의 미세화는 열 사이클에 의한 결정립계의 탈락을 억제할 수 있기 때문에, 귀금속 칩의 열 사이클 환경 하에 있어서의 내구성을 향상시킬 수 있다.
귀금속 칩은 열간 또는 냉간에 의한 단조, 압연 및 스웨이징 중 어느 하나를 거친 후에 블랭킹 또는 인장되어 가공경화하는 것이 바람직하다. 인장된 선재의 가공조직은 인장방향 즉 길이방향으로 섬유상으로 되기 때문에, 이 선재를 소망하는 길이로 절단하고 그 절단면을 전극 모재(10)의 측면과 접촉시키고서 용접하도록 형성되는 것이 바람직하다. 이것은 다음의 이유에 의한다. 귀금속 칩과 전극 모재를 용접하면, 일반적으로 열 잔류 응력이 생긴다. 본 실시형태에 있어서는 귀금속 칩의 열팽창계수가 전극 모재의 열팽창계수보다도 낮기 때문에 주로 귀금속 칩의 측면에 인장응력이 생기며, 그 결과 귀금속 칩에 크랙이 생기기 쉬워지게 된다. 그러나, 인발에 의해서 얻어진 인발방향의 섬유상의 조직이 전극 모재의 접촉면에 대해서 수직이 되도록 귀금속 칩이 용접되면, 상기 인장응력에 의해서 생기는 귀금속 칩의 크랙을 방지할 수 있다. 일반적으로 두껍거나 긴 귀금속 칩 일수록 인발에 의한 가공을 하는 것이 바람직하다. 또, 인발에 의한 가공은 길이 및 직경방향 모두에 있어서 치수 정밀도가 우수하기 때문에 바람직하다. 한편, 두께가 얇은 것은 절단시에 지석의 저항에 의해서 변형될 가능성이 높기 때문에 블랭킹에 의한 제작이 바람직하다. 블랭킹은 상기 가공법 중 단조, 압연 등에 의해서 시트 형상으로 제작된 것을 금형으로 때려 뽑는 수법이다. 귀금속 칩이 얇은 경우에는 상기 열 잔류 응력이 용접면에 수평한 방향의 인장응력이 된다. 이 블랭킹에 의해서 얻어진 귀금속 칩은 용접면에 대해서 수평한 가공조직을 가지기 때문에, 이 잔류 응력에 의한 귀금속 칩의 크랙을 방지할 수 있다.
귀금속 칩(5)은 레이저 용접 또는 전기저항 용접에 의해서 전극 모재(10)에 용융 고착되기 때문에, 귀금속 칩(5)과 전극 모재(10)의 경계에는 귀금속 칩(5)과 전극 모재(10)가 용융되어 이루어지는 용접부(11)가 형성되어 있다.
용접부(11)는 전극 모재(10)와 귀금속 칩(5)에 상기한 용접을 함으로써 형성된다. 따라서, 용접부(11)는 전극 모재를 형성하는 물질과 귀금속 칩을 형성하는 물질에 유래하는 물질로 형성된다.
이와 같이 하여 형성되는 용접부(11)의 조성은 Ni과 Cr과 Al과 Si와 Fe의 합계 질량이 용접부의 전체 질량에 대해서 5질량% 이상 35질량% 이하이며, 바람직하게는 10질량% 이상 32질량% 이하이다.
또, 용접부(11)의 조성은 Cr과 Al과 Si와 Fe의 합계 질량이 용접부의 전체 질량에 대해서 3질량% 이상 9.5질량% 이하인 것이 바람직하며, 5질량% 이상 8질량% 이하인 것이 더 바람직하다.
또한, 용접부(11)의 조성은 Cr과 Al과 Si의 합계 질량이 용접부의 전체 질량에 대해서 2질량% 이상 4질량% 이하인 것이 바람직하며, 3.5질량% 이상 3.8질량% 이하인 것이 더 바람직하다.
용접부(11)의 조성이 상기 범위 내에 있는 경우에는 도 3에 나타낸 바와 같이 귀금속 칩(35)과 용접부(311)의 계면에 내부 산화층(312)이 생성되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 내연기관 내에 있어서의 열 사이클의 영향에 의해서 내부 산화층(312)에 생기는 크랙의 생성을 억제할 수 있다. 따라서, 크랙의 생성에 의해서 귀금속 칩(35)이 전극 모재(310)에서 박리 또는 탈락하는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 전극 모재와 귀금속 칩의 접합성이 양호한 스파크 플러그를 제공할 수 있다.
귀금속 칩(35)과 용접부(311)의 계면에 내부 산화층(312)이 생성되는 원인의 하나로서, 귀금속 중의 산소 확산 속도는 매우 빠른 것에 대해서 Ni 중의 산소 확산 속도는 귀금속에 비해서 2급수 정도 늦은 것을 들 수 있다. 귀금속 중의 산소 확산 속도는 매우 빠르기 때문에, 귀금속 칩(35) 측에서 산소가 내부, 즉 용접부(311) 및 전극 모재(310) 측으로 확산 진입하여 간다. 용접부(311)는 귀금속 및 Ni합금에 포함되는 원소를 포함하고 있기 때문에, 용접부(311)의 산소 확산 속도는 귀금속 칩(35)에 비해서 늦다. 따라서, 귀금속 칩(35) 측에서 확산 침입하여 온 산소의 확산 속도는 용접부(311)에서 저하되기 때문에, 귀금속 칩(35)과 용접부(311)의 계면에서 산소가 농화(濃化)된다. 용접부(311)에 포함되는 Cr, Al, Si 및 Fe은 Ni보다 산화되기 쉽기 때문에, Cr, Al, Si 및 Fe이 농화된 산소에 의해서 산화됨으로써 내부 산화층(312)가 생성된다.
본 발명에 관한 스파크 플러그에 있어서의 용접부는, Ni과 Cr과 Al과 Si와 Fe의 합계 질량이 상기 범위 내에 있으면, 귀금속 칩과 용접부의 계면에 있어서 산소가 농화되는 것을 억제할 수 있으며, 또한 Cr과 Al과 Si와 Fe의 합계 질량이 상기 범위 내에 있으면, 이들 원소가 산화됨에 의해서 생성되는 내부 산화층의 생성을 억제할 수 있다.
용접부의 조성은 다음과 같이 하여 결정할 수 있다. 즉, 용접부에 있어서의 임의의 복수 개소를 선택하고, EPMA를 이용하여 WDS(Wavelength Dispersive X-ray Spectrometer) 분석을 함에 의해서 각각의 개소의 질량 조성을 측정한다. 이어서, 측정한 복수 개소의 값의 평균치를 산출하고, 이 평균치를 용접부의 조성으로 한다.
용접부의 평균 경도는 Hv255 이상 Hv400 이하이며, 바람직하게는 Hv280 이상 Hv350 이하이다. 용접부의 평균 경도가 Hv400을 넘는 경우에는, 용접부가 취성(脆性)을 가지게 되기 때문에 열 피로에 의해서 크랙이 생성되기 쉬워지게 된다. 용접부의 평균 경도가 Hv255 미만인 경우에는, 내연기관 내에 있어서의 열 사이클의 영향에 의해서 귀금속 칩과 전극 모재의 사이에 열팽창율의 차이에 의한 변형이 생긴 경우에, 용접부에 있어서의 평균 경도가 작기 때문에 크랙이 생성되기 쉬워지게 된다. 그러나, 용접부의 평균 경도가 상기 범위 내에 있으면, 용접부에 크랙이 생성되기 어려워지게 되기 때문에, 귀금속 칩이 전극 모재에서 박리 또는 탈락되는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 전극 모재와 귀금속 칩의 접합성이 양호한 스파크 플러그를 제공할 수 있다.
크랙의 생성은 용접부를 금속 현미경으로 관찰함으로써 확인할 수 있다.
용접부의 평균 경도는 다음과 같이 측정할 수 있다. 귀금속 칩이 용접되어 있는 전극 모재의 단부에 있어서, 귀금속 칩의 중심축선을 포함하는 단면이 나타나도록 용접부를 통해서 귀금속 칩을 접합한 전극 모재를 절단함에 의해서 나타나는 용접부의 절단면에서 임의의 개수의 경도 측정점을 선택하고, 이 경도 측정점에서 마이크로 비커즈 경도계에 의해서 0.5N 하중의 조건에서 JIS Z 2244에 준거하여 용접부의 경도를 측정한다. 그리고, 임의의 개수의 경도 측정치의 평균을 냄으로써 용접부의 평균 경도가 구해진다. 또한, 경도 측정점의 개수로서는 10∼40개소의 경도 측정점을 들 수 있지만, 통상은 30개소의 경도 측정점을 최적한 예로서 들 수 있다. 또한, 용접부에 있어서의 측정점의 개수가 전극 모재에 있어서의 측정점의 개수 혹은 귀금속 칩에 있어서의 측정점의 개수보다도 많게 하는 것은, 용접부에서는 열에 의한 경도의 변화 또는 분산이 있기 때문이다.
귀금속 칩과 전극 모재의 접합은 레이저 용접 또는 전기저항 용접 등의 적당한 용접 수법에 의해서 귀금속 칩을 전극 모재에 용융 고착할 수 있다. 특히, 전극 모재의 표면의 예를 들면 표면조도나 산화물의 영향을 받지 않고 신뢰성이 높은 용접 강도가 얻어지는 점에서 레이저 용접이 바람직하다. 레이저를 이용하여 귀금속 칩과 전극 모재를 접합할 경우에는, 귀금속 칩을 전극 모재의 소정 위치에 설치하고, 귀금속 칩의 경사 상측에서 귀금속 칩과 전극 모재의 접촉부분을 부분적으로 또는 전 둘레에 걸쳐서 레이저 빔을 조사한다. 1회의 레이저 조사에 의한 용융부가 서로 겹쳐지도록 대략 동일한 간격으로 전 둘레에 걸쳐서 레이저 빔을 조사하면, 귀금속 칩과 전극 모재의 접합이 강고하게 되기 때문에 바람직하다.
레이저 조사는 레이저 에너지가 2∼8J/펄스, 1회의 레이저 조사시간 즉 펄스폭이 3밀리세컨드(millisecond, m초) 이하, 특히 2밀리세컨드 이하의 레이저 빔을 사용하는 것이 바람직하다. 레이저 에너지 및 펄스폭이 상기 범위 내에 있으면, 용접부의 평균 경도를 상기 범위 내로 조정할 수 있다.
용접부에 있어서의 조성의 조정은, 귀금속 칩의 외주면에 있어서 레이저가 조사되는 축방향 높이를 일정하게 함에 의해서 귀금속 칩을 형성하고 있는 귀금속의 용해량을 일정하게 하고, 전극 모재를 형성하고 있는 Ni합금의 용해량을 증감시킴에 의해서 조정할 수 있다. 도 4(a)는 전극 모재를 형성하고 있는 Ni합금의 용해량이 적은 경우에 있어서의 귀금속 칩과 전극 모재의 반단면 설명도이고, 도 4(b)는 전극 모재를 형성하고 있는 Ni합금의 용해량이 많은 경우에 있어서의 귀금속 칩과 전극 모재의 반단면 설명도이다. 도 4(a) 및 도 4(b)에 나타낸 바와 같이, 귀금속 칩(45a,45b)과 전극 모재(410a,410b)의 접촉면(413a,413b)에서부터 귀금속 칩(45a,45b)과 용접부(411a,411b)의 경계면 중 가장 귀금속 칩 근방의 위치(414a,414b)까지의 거리(H)를 일정하게 한다. 전극 모재(410a)를 형성하고 있는 Ni합금의 용해량을 적게 할 경우에는, 도 4(a)에 나타낸 바와 같이, 귀금속 칩(45a)과 전극 모재(410a)의 접촉면(413a)에서부터 용접부(411a)와 전극 모재(410a)의 경계면 중 가장 전극 모재(410a) 근방의 위치(415a)까지의 거리(Ha)를 작게 한다. 전극 모재(410b)를 형성하고 있는 Ni합금의 용해량을 많게 할 경우에는, 도 4(b)에 나타낸 바와 같이, 귀금속 칩(45b)과 전극 모재(410b)의 접촉면(413b)에서부터 용접부(411b)와 전극 모재(410b)의 경계면 중 가장 전극 모재(410b) 근방의 위치(415b)까지의 거리(Hb)를 크게 한다. 또한, 상기 거리(Ha,hb)는 레이저 조사의 직경 및 레이저 조사의 에너지를 조정함에 의해서 증감시킬 수 있다.
용접부는 귀금속 칩과 전극 모재가 소망하는 강도로 접합되도록 형성되어 있으면 되며, 원기둥형상의 귀금속 칩을 접지전극에 설치한 경우에 있어서의 귀금속 칩과 접지전극의 원형상 접촉면의 환형상 부분에 용접부가 형성되어도 되고, 이 환형상 부분 중 일부에 형성되어 있어도 된다. 또, 도 3에 나타낸 바와 같이, 귀금속 칩(35)과 전극 모재(310)의 접촉면(313)의 전체 면 또는 일부에 형성되어 있어도 된다. 귀금속 칩(35)과 전극 모재(310)의 접촉면(313)의 전체 면에 용접부(311)가 형성되어 있으면, 귀금속 칩(35)과 전극 모재(310)의 접합을 강고하게 할 수 있기 때문에 바람직하다.
또, 귀금속 칩(35)과 전극 모재(310)의 접촉면(313)에서부터 귀금속 칩(35)과 용접부(311)의 계면 중 가장 귀금속 칩(35) 근방의 위치(314)까지의 거리(H)는 0.3∼0.7mm인 것이 바람직하다. 상기 범위 내에 있으면, 귀금속 칩(35)과 전극 모재(310)의 접합을 강고하게 할 수 있음과 아울러 소망하는 착화성을 유지할 수 있다.
상술한 바와 같이 귀금속 칩(5)의 평균 경도는 Hv260 이상 Hv650 이하이고, 용접부(11)의 평균 경도는 Hv255 이상 Hv400 이하이고, 전극 모재(10)의 평균 경도는 Hv150 이상 Hv220 이하인 것이 바람직하다. 게다가, 상기 평균 경도의 범위 내에서, 귀금속 칩(5)의 평균 경도가 용접부(11)의 평균 경도보다 크고, 또한 용접부(11)의 평균 경도가 전극 모재(10)의 평균 경도보다 크다. 귀금속 칩(5), 용접부(11), 전극 모재(10)의 순서로 평균 경도가 커지게 되어 있으면, 귀금속 칩의 크랙의 방지나 귀금속 칩(35)과 용접부(311)의 계면의 내부 산화층(312)에 생기는 크랙의 진전을 억제 할 수 있다.
상기 스파크 플러그(1)는 예를 들면 다음과 같이 하여 제조된다. 즉, 상기 조성을 가지는 Ni합금을 소정의 형상으로 가공하여 전극 모재(10)를 제작한다. 이어서, 소정의 형상으로 소성가공 등에 의해서 형성된 금속 쉘(4)의 단부에 전극 모재(10)의 일단을 레이저 용접 또는 전기저항 용접에 의해서 접합한다.
상기 공정을 전후로 하여, Ni합금 등의 전극 재료를 소정의 형상으로 가공하여 중심전극(2)을 제작하고, 소정의 형상 및 치수를 가지는 절연체(3)에 공지의 수법에 의해서 조립한다. 또한, 이 중심전극(2)의 단면에는 귀금속 칩(9)을 레이저 용접에 의해서 용융 고착시켜도 된다.
이어서, 중심전극(2)이 조립된 절연체(3)를 전극 모재(10)가 접합된 금속 쉘(4)에 조립한다.
이어서, 상기 가공경화에 의해서 제조된 귀금속 칩(5)을 상기 전극 모재(10)에 있어서의 금속 쉘(4)에 접합되어 있는 단부와는 반대측의 단부에 레이저 용접에 의해서 용융 고착시키고, 전극 모재(10)를 대략 L자형이 되도록 구부려서 상기 귀금속 칩(5)과 상기 중심전극(2)의 선단면 또는 측면이 불꽃방전간극을 두고서 대향하도록 조정한다.
또한, 전극 모재(10)는 금속 쉘(4)에 접합되기 전에 대략 L자형으로 구부려도 된다. 또, 귀금속 칩(5)은 금속 쉘(4)에 접합된 전극 모재(10)가 대략 L자형이 되도록 구부려진 후에 전극 모재(10)의 단부에 접합되어도 된다.
본 발명에 관한 스파크 플러그는 상기한 실시형태에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 각종 변경이 가능하다. 예를 들면, 도 1(b)에 나타내는 스파크 플러그(1)의 접지전극(6)은 금속 쉘(4)의 단부에 접합되어 있으나, 금속 쉘의 외주면에 접합되고 있어도 된다.
또, 중심전극(2)에 접합되어 이루어지는 귀금속 칩(9)은 요구되는 성능에 따라서 필요없게 되는 일도 있으나, 귀금속 칩(9)이 중심전극(2)에 접합될 경우에는 상술한 전극 모재(10)와 귀금속 칩(5)을 접합하는 경우와 마찬가지로 하여 접합시킬 수 있다.
본 발명에 관한 스파크 플러그의 다른 실시형태인 스파크 플러그를 도 5(a) 및 도 5(b)에 나타낸다. 도 5(a)는 다른 실시형태인 스파크 플러그의 일부 단면 전체 설명도이고, 도 5(b)는 다른 실시형태인 스파크 플러그의 주요 부분을 나타내는 단면 설명도이다. 이 스파크 플러그(51)는 도 5(a) 및 도 5(b)에 나타낸 바와 같이 중심전극(52)과, 상기 중심전극(52)의 외주에 설치된 절연체(53)와, 상기 절연체(53)를 유지하는 금속 쉘(54)과, 일단이 상기 금속 쉘(54)의 단부에 접합되고 타단에 귀금속 칩(55)이 접합되고 상기 귀금속 칩(55)의 선단면과 상기 중심전극(52)의 측면이 불꽃방전간극(G2)을 두고서 대향하도록 배치된 접지전극(56)을 구비하고 있다.
이 스파크 플러그(51)는, 접지전극(56)의 금속 쉘(54)에 접합되어 있는 단면과는 반대측의 단면에 접합되어 이루어지는 귀금속 칩(55)이 중심전극(52)의 귀금속 칩(59)의 측면과 대향하도록 배치되어 있는 것 외에는 도 1(a) 및 도 1(b)에 나타내는 스파크 플러그(1)과 같이 형성될 수 있다.
접지전극은 도 5(a) 및 도 5(b)에 나타낸 바와 같이 1개이어도 되고, 도 6에 나타낸 바와 같이 2개의 접지전극(66,66)이 대향하도록 금속 쉘(64)의 단부에 접합되어 있어도 된다. 또한, 도시하지는 않았으나 3개 이상의 접지전극이 금속 쉘의 단부에 접합되고, 접지전극의 금속 쉘에 접합되어 있는 단면과는 반대측의 단면에 접합되어 이루어지는 귀금속 칩이 중심전극의 귀금속 칩의 측면과 대향하도록 배치되어 있어도 된다.
본 발명에 관한 스파크 플러그는 자동차용 엔진의 점화전으로서 사용되는 것이며, 엔진의 연소실을 구획 형성하는 엔진 헤드(도시생략)에 형성된 나사구멍에 삽입 고정되어 사용된다.
≪실시예≫
＜스파크 플러그의 제작＞
도 1(a) 및 도 1(b)에 나타낸 것과 같은 형상을 가지는 스파크 플러그(1)를 다음과 같이 하여 제작하였다.
우선, 후술하는 조성을 가지는 Ni합금을 각기둥 형상으로 가공하여 전극 모재(10)를 제작하였다. 이어서, 금속 쉘(4)의 단부에 전극 모재(10)의 일단을 접합하고, 이것에 중심전극(2)과 절연체(3)를 조립하였다. 상기 조립을 전후로 하여 Pt-20질량%Rh의 인고트를 제작하고, 열간에 의한 단조를 거쳐 인발가공을 하고, 인발방향이 원기둥의 높이가 되도록 하여 절단함으로써 직경 0.7mm, 높이 1.0mm의 원기둥 형상을 가지는 귀금속 칩(5)을 제작하였다. 이어서, 상기 전극 모재(10)에 있어서의 금속 쉘(4)에 접합되어 있는 단부와는 반대측의 단부 측면에 상기 귀금속 칩(5)을 고정하고, 전극 모재(10)와 귀금속 칩(5)에 레이저 빔을 조사하여 용접 고착시키고, 전극 모재(10)를 대략 L자형이 되도록 구부리되 상기 귀금속 칩(5)과 상기 중심전극(2)의 선단면이 불꽃방전간극을 두고서 대향하도록 조정하였다. 또한, 레이저 빔의 레이저 에너지는 4J/펄스, 1회의 레이저 조사시간, 즉 펄스폭을 2밀리세컨드로 하여 전 둘레에 걸쳐서 동일한 간격으로 8개소에 레이저를 조사하였다. 여기서, 전극 모재는 귀금속 칩의 중심축을 따라서 절단하였을 경우의 단면형상이 1.3mm(귀금속 칩의 중심축 방향의 폭)×2.7mm(귀금속 칩의 중심축에 직교하는 방향의 폭)의 사각형이고, Ni합금의 조성은 Ni：잔부, Cr：15∼17질량%, Si：0.1∼0.3질량%, Al：1.5∼3.0질량%, Fe：0∼9.0질량%의 것을 이용하였다.
용접부에 있어서의 조성의 조정은 도 4(a) 및 도 4(b)에 나타낸 바와 같이, 귀금속 칩의 외주면에 있어서 레이저가 조사되는 축방향 높이를 일정하게 함에 의해서 귀금속 칩을 형성하고 있는 귀금속의 용해량을 일정하게 하고, 전극 모재를 형성하고 있는 Ni합금의 용해량을 증감시킴에 의해서 실시하였다. 또한, Ni합금의 용해량은 레이저 조사 직경을 조정함에 의해서 관리하였다.
(냉열 사이클 시험)
제작된 스파크 플러그 시험체를 2000cc 엔진에 장착하고, 5000rpm으로 1분간 유지 후 아이들링 1분간 유지라고 하는 운전조건을 100시간 반복함에 의해서 냉열 사이클 시험을 하였다.
(평가 방법)
냉열 사이클 시험 후의 스파크 플러그(1)는 접지전극의 길이방향에 대해서 수직으로 귀금속 칩의 단면이 관찰될 수 있도록 절단하고, 경면 연마를 하였다. 이하의 평가 항목에 대해서 실시한 측정결과를 표 1에 나타낸다.
1. 조성
스파크 플러그(1)의 용접부(11)의 조성은, 용접부(11)에 있어서의 임의의 10개소를 선택하고 EPMA를 이용하여 WDS 분석을 함으로써 각각의 개소의 조성을 측정하였다. 이어서, 측정한 10개소의 값의 평균치를 산출하고, 이 평균치를 스파크 플러그(1)의 용접부(11)의 조성으로 하였다. 또한, 분석은 빔 직경이 50∼100㎛, 측정영역이 용접부(11) 내에 들어가도록 하였다.
2. 경도
스파크 플러그(1)의 용접부(11)의 평균 경도는, 우선 도 7(a)에 나타낸 바와 같이 용접부(11)를 통해서 귀금속 칩(5)이 접합되는 전극 모재(10)의 상기 귀금속 칩(5)의 중심축선(P1)을 가지는 평면으로 전극 모재(10), 용접부(11) 및 귀금속 칩(5)를 절단함에 의해서 나타나는 단면{도 7(b) 참조}에 있어서, 도 7(b)에 나타낸 바와 같이 임의의 30개소를 선택하고, 마이크로 비커즈 경도계에 의해서 0.5N 하중의 조건에서 JIS Z 2244에 준거하여 각각의 개소의 마이크로 비커즈 경도를 측정하였다. 이어서, 측정한 30개소의 값의 평균치를 산출하고, 이 평균치를 스파크 플러그 시험체의 용접부의 평균 경도로 하였다.
귀금속 칩(5)의 평균 경도는, 도 7(b)에 나타낸 바와 같이 절단된 귀금속 칩(5)의 단면에 있어서, 측정 영역에 용접부(11)가 들어가지 않도록 주의하면서 R×L1으로 나타내는 영역 내에서 가로 3열 및 세로 3열로 동일한 간격으로 늘어선 9개소의 점을 선택하고, 마이크로 비커즈 경도계에 의해서 0.5N 하중의 조건에서 JIS Z 2244에 준거하여 측정하였다. 이어서, 측정한 9개소의 값의 평균치를 산출하고, 이 평균치를 귀금속 칩(5)의 평균 경도로 하였다.
전극 모재(10)의 평균 경도는, 도 7(b)에 나타낸 바와 같이 절단된 전극 모재(10)의 단면에 있어서, 측정 영역에 용접부(11)가 들어가지 않도록 주의하면서 R×L2로 나타내는 영역 내에서 가로 3열 및 세로 3열로 동일한 간격으로 늘어선 9개소의 점을 선택하고, 마이크로 비커즈 경도계에 의해서 0.5N 하중의 조건에서 JIS Z 2244에 준거하여 측정하였다. 이어서, 측정한 9개소의 값의 평균치를 산출하고, 이 평균치를 전극 모재(10)의 평균 경도로 하였다. 또한, 전극 모재의 평균 경도는 도 7(a)에서 P2로 나타내는 만곡부분에 있어서의 절단면{도 7(c) 참조}에 있어서의 측정치이어도 된다.
3. 크랙 진전율
크랙 진전율은, 우선 도 3에 나타낸 바와 같이 금속 현미경 관찰에 의해서 귀금속 칩(35)과 용접부(311)의 계면의 길이(L)와 크랙의 길이(M 및 N)를 측정하였다. 그리고, 귀금속 칩(35)과 용접부(311)의 계면의 길이(L)에 대한 크랙의 길이(M＋N)의 비율을 산출하고, 이 값을 크랙 진전율로 하였다. 또한, 귀금속 칩(35)과 용접부(311)의 계면의 길이를 측정할 때, 예를 들면 질산 10% 용액으로 에칭하면 계면이 명확하게 되어 측정하기 쉬워지게 된다.
Ni,Cr,Al,Si,Fe의 합계 농도
(질량%)		 Cr,Al,Si,Fe의
합계 농도
(질량%)		 Cr,Al,Si의
합계 농도
(질량%)		 용접부
경도
(Hv)		 귀금속 칩 경도
(Hv)		 전극모재 경도
(Hv)		 크랙
진전율
(%)
비교예 1 2.4 0.4 0.1 421 320 263 73.0
비교예 2 4.5 1.0 0.8 403 655 224 51.3
실시예 1 5.2 2.1 1.1 399 649 216 49.4
실시예 2 7.8 3.1 1.5 384 572 218 47.9
실시예 3 10.6 4.4 2.1 367 552 219 32.3
실시예 4 13.1 5.3 3.0 355 521 203 25.8
실시예 5 14.9 5.5 3.4 347 485 194 18.7
실시예 6 18.0 5.7 3.5 333 448 190 12.1
실시예 7 19.9 6.1 3.7 325 404 182 9.7
실시예 8 22.7 6.5 3.8 309 384 175 8.1
실시예 9 25.5 6.9 3.8 299 361 171 8.9
실시예10 28.0 7.7 3.9 292 320 169 15.1
실시예11 30.1 8.2 3.9 278 265 166 26.2
실시예12 32.3 9.0 4.0 267 264 161 37.1
실시예13 34.2 9.5 4.0 256 264 157 47.0
실시예14 34.8 9.6 4.1 255 261 153 50.0
비교예 3 35.4 10.8 5.8 253 255 145 51.2
비교예 4 39.9 16.2 10.0 250 240 145 57.2
냉열 사이클 시험 후의 스파크 플러그(1)는 모두 용접부(11)와 귀금속 칩(5)의 계면에 크랙이 존재하고 있었다.
＜접지전극의 제작＞
Cr과 Al의 양을 변화시킨 Ni합금을 아크 용해로를 이용하여 제작하고, 이 제작한 Ni합금을 인발가공하여 단면 형상이 1.3×2.7mm의 사각형을 가지는 전극 모재(10)를 제작하였다. 상술한 스파크 플러그(1)를 제작한 경우와 마찬가지로 레이저 조사에 의해서 직경 0.7mm, 높이 1.0mm, Pt-20질량%Rh 합금에 의해서 형성된 귀금속 칩(5)을 상기 전극 모재(10)에 접합시켜서, 귀금속 칩(5)을 접합시킨 접지전극(6)을 제작하였다.
(열 사이클 시험)
제작한 접지전극(6)을 대기중에 있어서 1200℃에서 30분간 유지 후, 실온에서 30분간 유지하는 것을 100회 반복함에 의해서 열 사이클 시험을 하였다.
(평가방법)
1. 산화 감육량(酸化 減肉量)
열 사이클 시험 후의 접지전극(6)을 귀금속 칩(5)의 단면 관찰을 할 수 있도록 잘라내었다. 열 사이클 시험 후의 전극 모재(10)의 두께는 금속 현미경으로 상술한 단면 관찰을 할 수 있도록 잘라낸 접지전극(6)에서 측정하였다. 도 2(a) 및 도 2(b)에 나타낸 바와 같이, 열 사이클 시험 전의 전극 모재의 두께(1.3mm)와 열 사이클 시험 후의 전극 모재의 두께의 차(B)를 산출하고, 이 산출치를 산화 감육량(減肉量)으로 하였다. 이 결과를 표 2에 나타낸다.
Ni량 Cr량(질량%) Al량(질량%) 산화 감육량(mm)
비교예 5 잔부 9.0 1.3 0.33
비교예 6 잔부 12.0 1.5 0.29
비교예 7 잔부 14.5 1.5 0.22
비교예 8 잔부 15.0 1.4 0.22
실시예 15 잔부 15.0 1.5 0.19
실시예 16 잔부 21.0 2.0 0.10
실시예 17 잔부 27.0 3.0 0.16
실시예 18 잔부 30.0 4.0 0.18
비교예 9 잔부 30.0 4.2 0.20
비교예 10 잔부 30.5 1.5 0.31
비교예 11 잔부 33.5 4.0 0.38
1,51,61 - 스파크 플러그 2,52,62 - 중심전극
3,53,63 - 절연체 4,54,64 - 금속 쉘
40 - 나사부
5,9,25a,25b,35,45a,45b,55,59,65,69 - 귀금속 칩
6,56,66 - 접지전극 7,57,67 - 외측부재
8,58,68 - 내측부재
10,210a,210b,310,410a,410b,510,610 - 전극 모재
11,211a,211b,311,411a,411b,511,611 - 용접부
216a,216b - 외측면 12,312 - 내부 산화층
313,413a,413b - 접촉면
314,414a,414b - 귀금속 칩과 용접부의 경계면에 있어서의 가장 귀금속 칩 측의 위치
415a,415b - 용접부와 전극 모재의 경계면에 있어서의 가장 전극 모재 측의 위치
G - 불꽃방전간극

Claims (10)

  1. 중심전극과,
    상기 중심전극의 외주에 설치된 절연체와,
    상기 절연체를 유지하는 금속 쉘과,
    전극 모재의 일단이 상기 금속 쉘의 단부에 접합되고, 타단에 귀금속 칩이 접합 되고, 상기 귀금속 칩의 선단면과 상기 중심전극의 선단면 또는 측면이 불꽃방전간극을 두고서 대향하도록 배치된 접지전극을 구비하는 스파크 플러그로서,
    상기 귀금속 칩은 가공경화에 의해서 평균 경도가 Hv260 이상 Hv650 이하이고,
    상기 전극 모재는 Cr이 15질량% 이상 30질량% 이하, Al이 1.5질량% 이상 4질량% 이하 함유되어 이루어지는 Ni합금에 의해서 형성되어 이루어지고,
    상기 귀금속 칩과 상기 전극 모재의 사이에 형성되어 있는 용접부는 Ni과 Cr과 Al과 Si와 Fe의 합계 질량이 상기 용접부의 전체 질량에 대해서 5질량% 이상 35질량% 이하이고,
    상기 귀금속 칩의 평균 경도가 상기 용접부의 평균 경도보다 크고, 또한 상기 용접부의 평균 경도가 상기 전극 모재의 평균 경도보다 크고,
    또한 상기 용접부의 평균 경도가 Hv255 이상 Hv400 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 용접부는 Cr과 Al과 Si와 Fe의 합계 질량이 상기 용접부의 전체 질량에 대해서 3질량% 이상 9.5질량% 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 용접부는 Cr과 Al과 Si의 합계 질량이 상기 용접부의 전체 질량에 대해서 2질량% 이상 4질량% 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용접부는 상기 귀금속 칩과 상기 전극 모재를 레이저 용접에 의해서 접합하여 이루어지며, 상기 레이저 용접은 3밀리세컨드 이하의 레이저 펄스를 복수회 조사하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  5. 삭제
  6. Cr이 15질량% 이상 30질량% 이하, Al이 1.5질량% 이상 4질량% 이하 함유되어 이루어지는 Ni합금에 의해서 형성되어 이루어지는 전극 모재의 단부를 금속 쉘의 단부에 접합하는 공정과,
    금속 쉘에 중심전극과 절연체를 조립하는 공정과,
    전극 모재에 있어서의 상기 금속 쉘에 접합되는 단부와는 반대측의 단부에 가공경화에 의해서 평균 경도가 Hv260 이상 Hv650 이하인 귀금속 칩을 3밀리세컨드 이하의 레이저 펄스를 복수회 조사하는 레이저 용접에 의해서 접합하고, 상기 귀금속 칩과 상기 전극 모재의 사이에 형성되어 있는 용접부는 Ni과 Cr과 Al과 Si와 Fe의 합계 질량이 상기 용접부의 전체 질량에 대해서 5질량% 이상 35질량% 이하로 하는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 용접부는 Cr과 Al과 Si와 Fe의 합계 질량이 상기 용접부의 전체 질량에 대해서 3질량% 이상 9.5질량% 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그의 제조방법.
  10. 청구항 6에 있어서, 상기 용접부는 Cr과 Al과 Si의 합계 질량이 상기 용접부의 전체 질량에 대해서 2질량% 이상 4질량% 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그의 제조방법.
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