KR101875295B1

KR101875295B1 - 스파크 플러그

Info

Publication number: KR101875295B1
Application number: KR1020167012654A
Authority: KR
Inventors: 다이스케 스모야마; 츠토무 시바타
Original assignee: 니뽄 도쿠슈 도교 가부시키가이샤
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2018-07-05
Also published as: CN105745798B; CN105745798A; US20160294164A1; EP3073591A1; JP5815649B2; WO2015075855A1; EP3073591A4; US9948068B2; EP3073591B1; JP2015099721A; KR20160071447A

Abstract

이 발명은, 중심 전극 및 접지 전극의 적어도 일방에 팁이 형성된 스파크 플러그에 있어서, 상기 팁의 이상 소모를 억제함으로써, 내구성이 우수한 스파크 플러그를 제공하는 것을 과제로 한다. 중심 전극과 상기 중심 전극 사이에 간극을 형성하여 배치된 접지 전극을 구비하고, 상기 중심 전극과 상기 접지 전극의 적어도 일방은 상기 간극을 형성하는 팁을 갖고, 상기 팁은, 조성이 Pt 를 주성분으로 하고, Rh 가 5 질량％ 이상 및 Ni 가 0 질량％ 이상 8 질량％ 미만인 본체부와, 상기 본체부의 중심으로부터 상기 간극을 향하는 방향으로 연장되는 축선의 직경 방향 외측을 향하는 표면에 적어도 형성되고, Ni 를 8 질량％ 이상 함유하고, 그 두께가 2 ㎛ 이상인 표면층을 갖는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.

Description

스파크 플러그{SPARK PLUG}

이 발명은 스파크 플러그에 관한 것이다. 이 발명은 특히 중심 전극 및 접지 전극의 적어도 일방에 팁이 형성된 스파크 플러그에 관한 것이다.

스파크 플러그는 자동차 엔진 등의 내연 기관의 점화용에 사용된다. 스파크 플러그는, 일반적으로, 통상의 주체 금구와, 이 주체 금구의 내공 (內孔) 에 배치되는 통상의 절연체와, 이 절연체의 선단측 내공에 배치되는 중심 전극과, 일단이 주체 금구의 선단측에 접합되고, 타단이 중심 전극과의 사이에 불꽃 방전 간극을 갖는 접지 전극을 구비한다. 그리고, 스파크 플러그는 내연 기관의 연소실 내에서, 중심 전극의 선단부와 접지 전극의 선단부 사이에서 형성되는 불꽃 방전 간극에 불꽃 방전되어 연소실 내에 충전된 연료를 연소시킨다.

중심 전극 및 접지 전극을 형성하는 재료로는, Ni 합금 등이 일반적으로 사용된다. Ni 합금은 내산화성 및 내소모성에 관해서 Pt 및 Ir 등의 귀금속을 주성분으로 한 귀금속 합금에 비하면 다소 열등하다. 그러나, 귀금속에 비해서 저렴하기 때문에 접지 전극 및 중심 전극을 형성하는 재료로서 바람직하게 사용된다.

최근, 연소실 내의 온도가 고온화되는 경향이 있다. 그 때문에, Ni 합금 등으로 형성된, 접지 전극의 선단부와 중심 전극의 선단부 사이에서 불꽃 방전이 발생되면, 접지 전극 및 중심 전극과의 대향하는 각각의 선단부가 불꽃 소모를 쉽게 일으키는 경우가 있다. 그래서, 접지 전극과 중심 전극의 대향하는 각각의 선단부에 팁을 형성하고, 이 팁에서 불꽃 방전이 발생되도록 함으로써 접지 전극 및 중심 전극의 내소모성을 향상시키는 방법이 개발되어 있다.

이 팁을 형성하는 재료로는, 내산화성 및 내불꽃 소모성이 우수한 귀금속을 주성분으로 하는 재료가 사용되는 경우가 많다. 그러한 재료로서 Ir, Ir 합금, Pt 합금 등이 있다. 또, 팁의 내구성을 향상시키는 목적에서, Ir 을 주성분으로 하는 심재의 표면에 보호 피막층 등을 형성한 팁이 제안되어 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 및 2).

일본 공개특허공보 2004-31300호 일본 공개특허공보 2012-38733호 일본 공개특허공보 2002-359050호

그런데, 최근, 스파크 플러그에 있어서는, 엔진의 고출력화 및 연비 향상을 도모하기 위해서, 연료실 내의 플러그 주변에 연료를 직접 분사하는 직분 가솔린 엔진, 및 공기에 대한 연료의 혼합비를 작게 하여 고산소 농도 분위기에서 연소를 가능하게 하는 린번 엔진 등이 개발되어 있다.

이와 같은 엔진에서는, 스파크 플러그에 내산화성을 갖는 것이 요구된다. 그 때문에, 중심 전극 및 접지 전극에 형성되는 팁을 형성하는 재료로는, 내불꽃 소모성이 우수한 것으로 알려진 Ir 합금보다 내산화성이 우수한 것으로 알려진 Pt 합금 쪽이 내구성을 확보할 수 있다고 생각되어 왔다. 특히, Pt 에 Rh 를 함유시킴으로써, 내산화성 및 내불꽃 소모성을 향상시킨 Pt-Rh 합금이 바람직하다고 생각되어 왔다.

그러나, Pt-Rh 합금으로 이루어지는 팁을 구비한 스파크 플러그를, 직분 가솔린 엔진에서 사용하면, 직분 가솔린 엔진은, 고산소 농도 분위기인 린번 상태에서 팁 표면에 흡기 가스나 연료가 직격하기 쉽기 때문에, 팁에 있어서의 특정 부위, 특히, 팁의 흡기 밸브측의 측면에 있어서 이상 소모가 발생되는 경우가 있는 것을 알 수 있었다. 이 팁의 측면에 있어서의 이상 소모는, 스파크 플러그가 고온이고 고산소 농도인 연소실 내에서 사용되어, 팁의 표면에 흡기 가스나 연료가 직격하기 쉽고, 또, 팁 주변의 산소 농도나 온도의 변화가 큰 조건 하에 팁이 놓였을 경우에 발생되기 쉬운 것을 알 수 있었다.

특허문헌 3 에 있어서, Ir 합금에서 발생되는 이상 소모가 나타나 있다. Pt-Rh 합금으로 이루어지는 팁의 측면에 있어서의 이상 소모는, 특허문헌 3 의 이상 소모와는 그 소모 메커니즘이 상이하다. 특허문헌 3 에 개시되어 있는, Ir 과 20 질량％ 의 Rh 를 함유한 귀금속 팁은, 「방전부의 방전면이 아닌 외주 측면을 원호상으로 도려낸 듯한 형태로 이상 소모가 발생」 (단락 번호 0005 란) 되는 것에 비해서, Pt-Rh 합금으로 이루어지는 팁은, 팁에 있어서의 일방의 측면 전체가 소실되는 형태로 이상 소모가 발생된다. 양자의 소모 메커니즘이 상이한 것은 양자의 소모 형태가 상이한 것으로부터도 알 수 있다.

이 발명은, 중심 전극 및 접지 전극의 적어도 일방에 팁이 형성된 스파크 플러그에 있어서, 상기 팁의 이상 소모를 억제함으로써, 내구성이 우수한 스파크 플러그를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단은,

[1] 중심 전극과, 상기 중심 전극과의 사이에 간극을 형성하여 배치된 접지 전극을 구비하는 스파크 플러그로서,

상기 중심 전극과 상기 접지 전극의 적어도 일방은 상기 간극을 형성하는 팁을 갖고,

상기 팁은, 조성이 Pt 를 주성분으로 하고, Rh 가 5 질량％ 이상 및 Ni 가 0 질량％ 이상 8 질량％ 미만인 본체부와, 상기 본체부의 중심으로부터 상기 간극을 향하는 방향으로 연장되는 축선의 직경 방향 외측을 향하는 표면에 적어도 형성되고, Ni 를 8 질량％ 이상 함유하고, 그 두께가 2 ㎛ 이상인 표면층을 갖는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그이다.

상기 [1] 의 바람직한 양태는,

[2] 상기 본체부의 조성은, Ni 가 0 질량％ 이상 1 질량％ 이하이다.

[3] 상기 [1] 또는 [2] 에 기재된 스파크 플러그에 있어서, 상기 표면층은, Ni 를 40 질량％ 이상 함유하고, 그 두께가 2 ㎛ 이상이다.

[4] 상기 [1] ∼ [3] 중 어느 하나에 기재된 스파크 플러그에 있어서, 상기 간극을 형성하는 상기 팁의 면으로부터 상기 간극이 위치하는 측과는 반대측을 향하여 두께 0.2 ㎜ 의 영역은, 상기 영역의 전체 질량에 대해서, Ni 와 Ni 보다 융점이 낮은 원소의 합계 함유율이 7 질량％ 이하이다.

[5] 상기 [1] ∼ [4] 중 어느 하나에 기재된 스파크 플러그에 있어서, 상기 팁을 갖는 상기 중심 전극 또는 상기 팁을 갖는 상기 접지 전극은, 상기 팁에 있어서의 상기 본체부가 노출되어 있는 면을, 상기 중심 전극 또는 상기 접지 전극에 접합함으로써 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그이다.

[6] 상기 [1] ∼ [5] 중 어느 하나에 기재된 스파크 플러그에 있어서, 상기 팁이 상기 접지 전극으로부터 0.15 ㎜ 이상 돌출되어 있고, 0.15 ㎜ 이상 돌출된 임의의 위치에 있어서, 상기 본체부의 중심으로부터 상기 간극을 향하는 방향으로 연장되는 축선 방향의 직경 방향에 있어서의 단면 (斷面) 을 관찰했을 때, 대기와 접하는 외주면에 있어서, 곡률 반경 R 0.33 ㎜ 이상의 부분이 존재하는 것을 특징으로 하는 청구항 1 ∼ 5 중 어느 1 항에 기재된 스파크 플러그이다.

이 발명에 의하면, 중심 전극과 접지 전극의 적어도 일방에 형성된 팁이, 상기 조성을 갖는 본체부의 표면 중 본체부의 중심으로부터 간극을 향한 방향으로 연장되는 축선의 직경 방향 외주면 (측면이라고 칭하는 경우도 있다) 에 적어도 형성되고, Ni 를 8 질량％ 이상 함유하고, 그 두께가 2 ㎛ 이상인 표면층을 갖기 때문에, 스파크 플러그가 고온이고 고산소 농도인 연소실 내에서 사용되어, 팁의 표면에 흡기 가스가 직격하기 쉽고, 또, 팁 주변의 산소 농도나 온도의 변화가 큰 조건 하에 팁이 놓여도, 팁의 측면에 있어서의 이상 소모를 억제함으로써, 내구성이 우수한 스파크 플러그를 제공할 수 있다.

도 1 은 이 발명에 관련된 스파크 플러그의 일 실시예인 스파크 플러그의 일부 단면 전체 설명도이다.
도 2 는 도 1 에 있어서의 스파크 플러그에 있어서의 팁을 확대하여 나타낸 주요부 설명도이다.
도 3 은 팁의 조성을 측정하는 위치를 나타내는 단면 설명도이다.
도 4 는 이 발명에 관련된 스파크 플러그의 다른 일 실시예인 스파크 플러그의 일부 단면 주요부 설명도이다.
도 5 는 팁에 있어서의 저융점 원소의 조성을 측정하는 영역을 나타내는 상면 설명도이다.

이 발명에 관련된 스파크 플러그의 일 실시예인 스파크 플러그를 도 1 에 나타낸다. 도 1 은 이 발명에 관련된 스파크 플러그의 일 실시예인 스파크 플러그 (1) 의 일부 단면 전체 설명도이다. 또한, 도 1 에서는 지면 하방 즉 후술하는 접지 전극이 배치되어 있는 측을 축선 O 의 선단 방향, 지면 상방을 축선 O 의 후단 방향으로서 설명한다.

이 스파크 플러그 (1) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 축선 O 방향으로 연장되는 축공 (2) 을 갖는 대략 원통 형상의 절연체 (3) 와, 상기 축공 (2) 내의 선단측에 배치된 대략 봉상의 중심 전극 (4) 과, 상기 축공 (2) 내의 후단측에 배치된 단자 금구 (5) 와, 상기 중심 전극 (4) 과 상기 단자 금구 (5) 를 상기 축공 (2) 내에서 전기적으로 접속하는 접속부 (6) 와, 상기 절연체 (3) 를 유지하는 대략 원통상의 주체 금구 (7) 와, 일 단부 (端部) 가 상기 주체 금구 (7) 의 선단부에 접합됨과 함께 타 단부가 상기 중심 전극 (4) 과 간극 G 를 개재하여 대향하도록 배치된 접지 전극 (8) 을 구비하고, 상기 접지 전극 (8) 에는 그 선단부의 측면에 팁 (9) 이 형성되어 있다.

상기 절연체 (3) 는 축선 O 방향으로 연장되는 축공 (2) 을 갖고, 대략 원통상을 갖고 있다. 절연체 (3) 는 후단측 동체부 (11) 와, 대직경부 (12) 와, 선단측 동체부 (13), 다리 길이부 (14) 를 구비하고 있다. 후단측 동체부 (11) 는 단자 금구 (5) 를 수용하고, 단자 금구 (5) 와 주체 금구 (7) 를 절연한다. 대직경부 (12) 는 그 후단측 동체부보다 선단측에 있어서 직경 방향 외향으로 돌출되어 있다. 선단측 동체부 (13) 는 그 대직경부 (12) 의 선단측에 있어서 접속부 (6) 를 수용하고, 대직경부 (12) 보다 작은 외경을 갖는다. 다리 길이부 (14) 는 그 선단측 동체부 (13) 의 선단측에 있어서 중심 전극 (4) 을 수용하고, 선단측 동체부 (13) 보다 작은 외경 및 내경을 갖는다. 선단측 동체부 (13) 와 다리 길이부 (14) 의 내주면은 선반부 (15) 를 개재하여 접속되어 있다. 이 선반부 (15) 에, 후술하는 중심 전극 (4) 의 플랜지부 (16) 가 맞닿도록 배치되고, 중심 전극 (4) 이 축공 (2) 내에 고정되어 있다. 선단측 동체부 (13) 와 다리 길이부 (14) 의 외주면은 단부 (段部) (17) 를 개재하여 접속된다. 이 단부 (17) 에, 후술하는 주체 금구 (7) 의 테이퍼부 (18) 가 판 패킹 (19) 을 개재하여 맞닿고, 절연체 (3) 가 주체 금구 (7) 에 대해서 고정되어 있다. 절연체 (3) 는 절연체 (3) 에 있어서의 선단 방향의 단부가 주체 금구 (7) 의 선단면으로부터 돌출된 상태에서, 주체 금구 (7) 에 고정되어 있다. 절연체 (3) 는 기계적 강도, 열적 강도, 전기적 강도를 갖는 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같은 재료로서, 예를 들어 알루미나를 주체로 하는 세라믹 소결체를 들 수 있다.

상기 절연체 (3) 의 축공 (2) 내에는, 그 선단측에 중심 전극 (4), 후단측에 단자 금구 (5), 중심 전극 (4) 과 단자 금구 (5) 사이에는 접속부 (6) 가 형성되어 있다. 접속부 (6) 는 중심 전극 (4) 및 단자 금구 (5) 를 축공 (2) 내에 고정시킴과 함께 이것들을 전기적으로 접속한다. 상기 접속부 (6) 는 저항체 (21) 와, 제 1 시일체 (22) 와, 제 2 시일체 (23) 에 의해서 형성되어 있다. 저항체 (21) 는 전파 잡음을 저감하기 위해서 배치되어 있다. 제 1 시일체 (22) 는 그 저항체 (21) 와 중심 전극 (4) 사이에 형성되어 있다. 제 2 시일체 (23) 는 그 저항체 (21) 와 단자 금구 (5) 사이에 형성되어 있다. 저항체 (21) 는 유리 분말, 비금속 도전성 분말 및 금속 분말 등을 함유하는 조성물을 소결하여 형성되고, 그 저항값은 통상적으로 100 Ω 이상이다. 제 1 시일체 (22) 및 제 2 시일체 (23) 는 유리 분말 및 금속 분말 등을 함유하는 조성물을 소결하여 형성되고, 그 저항값은 통상적으로 100 mΩ 이하이다. 이 실시양태에 있어서의 접속부 (6) 는 저항체 (21) 와 제 1 시일체 (22) 와 제 2 시일체 (23) 에 의해서 형성되어 있으나, 저항체 (21) 와 제 1 시일체 (22) 와 제 2 시일체 (23) 의 적어도 1 개에 의해서 형성되어 있어도 된다.

상기 주체 금구 (7) 는 대략 원통상을 갖고 있고, 절연체 (3) 를 내장함으로써 절연체 (3) 를 유지하도록 형성되어 있다. 주체 금구 (7) 에 있어서의 선단 방향의 외주면에는 나사부 (24) 가 형성되어 있다. 이 나사부 (24) 를 이용하여 도시되지 않은 내연 기관의 실린더 헤드에 스파크 플러그 (1) 가 장착된다. 상기 주체 금구 (7) 는, 나사부 (24) 의 후단측에 플랜지상의 가스 시일부 (25) 를 갖고, 가스 시일부 (25) 의 후단측에 스패너나 렌치 등의 공구를 걸어 맞추게 하기 위한 공구 걸어 맞춤부 (26), 공구 걸어 맞춤부 (26) 의 후단측에 코킹부 (27) 를 갖는다. 코킹부 (27) 및 공구 걸어 맞춤부 (26) 의 내주면과 절연체 (3) 의 외주면 사이에 형성되는 환상의 공간에는 링상의 패킹 (28, 29) 및 활석 (30) 이 배치되어 절연체 (3) 가 주체 금구 (7) 에 대해서 고정되어 있다. 나사부 (24) 의 내주면에 있어서의 선단측은, 다리 길이부 (14) 에 대해서 공간을 갖도록 배치되어 있다. 그리고, 직경 방향 내향으로 돌출되는 돌기부 (32) 에 있어서의 후단측의 테이퍼상으로 확경되는 테이퍼부 (18) 와 절연체 (3) 의 단부 (17) 가 환상의 판 패킹 (19) 을 개재하여 맞닿아 있다. 주체 금구 (7) 는 도전성의 철강 재료, 예를 들어 저탄소강에 의해서 형성될 수 있다.

단자 금구 (5) 는 중심 전극 (4) 과 접지 전극 (8) 사이에서 불꽃 방전을 행하기 위한 전압을 외부로부터 중심 전극 (4) 에 인가하기 위한 단자이다. 단자 금구 (5) 는 절연체 (3) 의 후단측으로부터 그 일부가 노출된 상태에서 축공 (2) 내에 삽입되고, 제 2 시일체 (23) 에 의해서 고정되어 있다. 단자 금구 (5) 는 저탄소강 등의 금속 재료에 의해서 형성될 수 있다.

상기 중심 전극 (4) 은, 상기 접속부 (6) 에 접하는 후단부 (34) 와, 상기 후단부 (34) 로부터 선단측으로 연장되는 봉상부 (35) 를 갖는다. 후단부 (34) 는 직경 방향 외향으로 돌출되는 플랜지부 (16) 를 갖는다. 그 플랜지부 (16) 가 절연체 (3) 의 선반부 (15) 에 맞닿도록 배치되고, 축공 (2) 내주면과 후단부 (34) 의 외주면 사이에 제 1 시일체 (22) 가 충전되어 있음으로써, 중심 전극 (4) 은 그 선단이 절연체 (3) 의 선단면으로부터 돌출된 상태에서 절연체 (3) 의 축공 (2) 내에 고정되고, 주체 금구 (7) 에 대해서 절연 유지되어 있다. 중심 전극 (4) 에 있어서의 후단부 (34) 와 봉상부 (35) 는 Ni 합금 등의 중심 전극 (4) 에 사용되는 공지된 재료로 형성될 수 있다. 중심 전극 (4) 은, Ni 합금 등에 의해서 형성되는 외층과, Ni 합금보다 열전도율이 높은 재료에 의해서 형성되고, 그 외층의 내부의 축심부에 동심으로 매립되도록 형성되어 이루어지는 심부에 의해서 형성되어도 된다. 심부를 형성하는 재료로는, 예를 들어 Cu, Cu 합금, Ag, Ag 합금, 순 Ni 등을 들 수 있다.

상기 접지 전극 (8) 은 예를 들어 대략 각주 형상으로 형성되어 이루어지고, 일 단부가 주체 금구 (7) 의 선단부에 접합되고, 도중에서 대략 L 자상으로 굴곡되고, 타 단부가 중심 전극 (4) 의 선단부와의 사이에 간극 G 를 개재하여 대향하도록 형성되어 있다. 상기 접지 전극 (8) 은 Ni 합금 등의 접지 전극 (8) 에 사용되는 공지된 재료로 형성될 수 있다. 또, 중심 전극 (4) 과 마찬가지로 접지 전극의 축심부에 Ni 합금보다 열전도율이 높은 재료에 의해서 형성되는 심부가 형성되어 있어도 된다.

상기 팁 (9) 은 이 실시형태에 있어서는 원주상이고, 접지 전극 (8) 에만 형성되어 있다. 상기 팁 (9) 은 그 형상은 특별히 한정되지 않고, 중심 전극 (4) 에만 형성되어 있어도 되고, 접지 전극 (8) 과 중심 전극 (4) 의 양방에 형성되어 있어도 된다. 또, 접지 전극 (8) 및 중심 전극 (4) 에 형성된 팁 중 적어도 일방의 팁이, 후술하는 특성을 갖는 재료에 의해서 형성된 팁에 의해서 형성되어 있으면 되고, 타방의 팁은 팁으로서 사용되는 공지된 재료로 형성되어도 된다. 상기 팁 (9) 은, 레이저 용접 및 저항 용접 등의 적절한 방법에 의해서 접지 전극 (8) 에 있어서의 중심 전극 (4) 에 대향하는 면에 접합되어 있다. 이 실시형태의 스파크 플러그 (1) 에 있어서의 간극 G 는, 접지 전극 (8) 에 형성된 팁 (9) 과 중심 전극 (4) 사이의 최단 거리이다. 이 간극 G 는 통상적으로, 0.3 ∼ 1.5 ㎜ 로 설정된다. 도 4 에 나타내는 바와 같이, 접지 전극 (108, 208) 에 형성된 팁 (109, 209) 의 선단면과, 중심 전극 (104) 에 형성된 팁 (309) 의 측면이 대향하도록 형성되어 있는 스파크 플러그 (101) 의 경우에는, 접지 전극 (108) 의 선단부에 형성된 팁 (109) 과, 중심 전극 (104) 에 형성된 팁 (309) 과의 대향하는 각각의 대향면 사이의 최단 거리가 간극 G' 로 되고, 이 간극 G' 에서 불꽃 방전이 발생된다.

이 발명의 특징 부분인 팁에 대해서 이하에 상세하게 설명한다.

도 2 에 나타내는 바와 같이, 이 실시형태의 팁 (9) 은, 본체부 (41) 와, 이 본체부 (41) 의 둘레측면 즉 본체부 (41) 의 중심으로부터 간극 G 를 향하는 방향으로 연장되는 축선 A 의 직경 방향 외주면 (측면이라고 칭하는 경우도 있다) 에 형성되어 있는 표면층 (42) 을 갖는다.

상기 본체부 (41) 의 조성은 Pt 를 주성분으로 하고, Rh 가 5 질량％ 이상 및 Ni 가 0 질량％ 이상 8 질량％ 미만이다. 상기 본체부 (41) 의 조성은 Pt 를 주성분으로 하고, Rh 가 5 질량％ 이상 45 질량％ 이하 및 Ni 가 0 질량％ 이상 7 질량％ 이하인 것이 바람직하다. 상기 본체부 (41) 의 조성은 Pt 를 주성분으로 하고, Rh 가 5 질량％ 이상 45 질량％ 이하 및 Ni 가 0 질량％ 이상 1 질량％ 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 「주성분」이란 본체부 (41) 에 함유되는 성분 중에서 가장 질량 비율이 많은 성분을 말한다. 상기 본체부 (41) 가 상기 조성 범위에 있으면, 내불꽃 소모성 및 내산화성이 우수하지만, 이 본체부 (41) 의 전체 표면이 노출되어 있을 경우에는, 후술하는 이상 소모가 발생되기 쉬워진다. 특히, Ni 의 함유율이 적어질수록 이상 소모가 발생되기 쉬워진다. 그러나, 이 발명의 팁은 본체부의 표면 중 이상 소모가 발생되기 쉬운 면에 적어도 표면층을 갖기 때문에, 이상 소모의 발생을 억제할 수 있다.

팁 (9) 에 발생되는 이상 소모에 대해서 먼저 설명한다. 지금까지 Pt 합금으로 이루어지는 팁 (9) 은 내불꽃 소모성 및 내산화성이 우수하다고 생각되어 왔다. 그러나, 스파크 플러그가 고온이고 고산소 농도인 연소실 내에서 장시간 가동되어 팁 (9) 의 표면에 흡기 가스가 직격하기 쉽고, 또, 팁 (9) 주변의 산소 농도 및 온도의 변화가 큰 조건 하에 팁 (9) 이 놓여졌을 경우, 팁 (9) 에 있어서의 특정 부위 (예를 들어, 팁 (9) 의 측면) 가 소실되어 버리는 현상 (이상 소모) 이 발생되는 경우가 있었다. 이 팁 (9) 이 소실되어 버리는 현상은, 팁 (9) 에 있어서의 흡기 가스가 직격하기 쉬운 부위에 발생되고, 배기 밸브가 있는 측에 면하고 있는 부위에는 발생되어 있지 않다. 이 현상은 불꽃 방전에 의해서 팁 (9) 의 방전면이 소실되는 불꽃 소모와는 상이하다. 또, 팁 (9) 이 산화됨으로써, 팁 (9) 의 전체 표면의 일부가 소실되는 단순한 산화 소모와도 상이하다. 따라서, 불꽃 소모와도 산화 소모와도 상이한 이와 같은 팁 (9) 의 특정 부위가 소실되는 현상을 「이상 소모」라고 칭한다.

이상 소모는, Pt 합금으로 이루어지는 팁 (9) 중 Rh 의 함유율이 5 질량％ 이상 및 Ni 의 함유율이 8 질량％ 미만, 특히 7 질량％ 이하인 팁 (9) 에서 특히 발생되기 쉽다. 한편, 조성이 상기 범위 내에 있는 팁 (9) 은 내불꽃 소모성 및 내산화성이 우수하기 때문에, 이상 소모의 발생을 억제할 수 있으면, 내구성이 양호한 스파크 플러그를 제공할 수 있다. 그래서, 본 발명자들은, 상기 조성을 갖는 본체부 (41) 의 표면 중 적어도 이상 소모가 발생되기 쉬운 면에, 후술하는 표면층 (42) 을 형성함으로써 이상 소모의 발생을 억제하는 것을 생각하여 본 발명에 이르렀다.

상기 표면층 (42) 은 Ni 를 8 질량％ 이상 함유하고, 그 두께가 2 ㎛ 이상이다. 상기 표면층 (42) 은 Ni 를 40 질량％ 이상 함유하고, 그 두께가 2 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 표면층 (42) 에 있어서의 Ni 의 함유율이 상기 범위 내에 있고, Ni 의 함유율이 8 질량％ 이상이며, 바람직하게는 40 질량％ 이상인 부분의 두께가 2 ㎛ 이상이면, 본체부 (41) 에 함유되는 Rh 가 산화되기 어려워진다. 그 결과, 팁 (9) 에 이상 소모가 잘 발생되지 않게 된다. Ni 의 함유율이 8 질량％ 미만이면, Ni 산화물의 피막이 충분히 형성되지 않아 이상 소모가 발생되기 쉬워진다. 표면층 (42) 의 두께가 2 ㎛ 미만에서는, 조성에 관계없이 치밀한 막이 형성되지 않고, 표면층 (42) 을 본체부 (41) 의 표면에 형성함으로 인한 이상 소모의 발생을 억제하는 효과가 얻어지지 않는다. 또, 표면층 (42) 의 두께가 2 ㎛ 미만에서는, 스파크 플러그 (1) 의 가동 시간의 경과와 함께, 본체부 (41) 와 표면층 (42) 에 있어서의 원소가 상호 확산되어, 표면층 (42) 에 의한 이상 소모의 발생을 억제하는 효과가 저하되어 버린다.

상기 표면층 (42) 을 상기 본체부 (41) 표면의 적어도 일부에 형성함으로써, 이상 소모의 발생을 억제할 수 있는 것은 다음과 같은 이유로 생각할 수 있다. 먼저, 이상 소모는 다음과 같은 메커니즘에 의해서 발생된다고 생각할 수 있다. 팁에 이상 소모가 발생될 때의 팁이 놓여진 환경에서는, 흡기 밸브측으로부터 흡기 가스가 팁의 표면에 직격하기 때문에, 그 자리에 흡기 가스가 체류하기 쉽고, 국소적으로 산소 농도가 올라감과 함께 온도가 급격히 내려가고, 그 후, 연소에 의해서 급격하게 온도가 올라감과 함께 산소 농도가 내려간다. 팁이 놓여진 환경에서는, 이와 같은 분위기의 변화가 반복된다. 내연 기관의 연료실 내와 같이, 대기 중과 비교하여 산소가 적은 환경 하에 있어서, Rh 산화물의 산소 해리압은, Pt 및 Ni 산화물의 그것과 비교하여 산화와 환원의 사이클이 발생되기 쉬운 영역에 있기 때문에, 산소 농도가 높으며 또한 비교적 온도가 낮은 산화 분위기에서 Rh 가 산화되어 Rh 산화물을 형성하고, 그 후, 산소 농도가 낮으며 또한 비교적 온도가 높은 환원 분위기에서 Rh 산화물이 환원되어 금속 Rh 를 형성한다. 이와 같이 하여 팁의 표면에서 Rh 산화물의 형성과 금속 Rh 로의 환원이 반복된다. 산소 농도나 온도의 변화가 그다지 크지 않다면, 금속 Rh 가 산화되지 않고 그대로 존재하거나, 금속 Rh 가 산화되어 치밀한 Rh 산화물의 막이 형성되거나 함으로써 우수한 내산화성을 나타낼 것이다. 그러나, Rh 산화물과 금속 Rh 에서는 체적이 상이하고, 금속 Rh 가 산화되어 Rh 산화물이 되면 체적이 커지고, Rh 산화물이 환원되어 금속 Rh 가 되면 체적이 작아지기 때문에, 이와 같은 산화 환원이 팁의 표면에서 반복됨으로써 팁 (9) 표면은 해면상이 된다. 해면상이 된 팁의 표면은 박리되어 탈락되기 쉬워져, 이상 소모라는 현상을 일으킨다. 순 Pt 팁 및 Ir 합금 팁에서 이와 같은 현상이 발생되지 않는 이유는, Pt 의 경우에는, 원래 산소 해리압이 매우 높아, 내연 기관의 연소실 내와 같이 산소가 적은 환경 하에서는 Pt 는 산화되지 않기 때문으로 생각한다. 또, Ir 의 경우에는, 매우 미미한 산소 농도에서도 휘발성 산화물인 IrO₃ 을 생성하기 쉽고, 분위기가 변화되어도 산화 환원의 사이클이 발생되지 않기 때문으로 생각된다.

한편, Pt 와 Rh 를 함유하는 상기 본체부 (41) 의 표면의 적어도 일부에, Ni 를 본체부 (41) 보다 많이 함유하는 상기 표면층 (42) 이 형성되어 있으면, Ni 의 산화물은 Rh 의 산화물과 비교하여 산소 해리압이 낮기 때문에, 산화되기 쉽고 환원되기 어려워 팁 (9) 의 표면에 Ni 산화물의 피막이 형성된다. 즉, 팁 (9) 이 Rh 가 산화 환원되는 환경 하에 놓여도, Ni 는 산화되어 Ni 산화물을 형성한 상태에서 환원되기 어렵다. 팁 (9) 의 표면이 Ni 산화물의 피막으로 덮여 있으면, 본체부 (41) 의 표면 부근의 산소 농도는 Rh 가 산화되는 해리압 이하로 되어 Rh 가 산화되기 어려워진다. 본체부 (41) 의 표면에 표면층 (42) 이 형성되어 있으면, 이와 같이 하여 본체부 (41) 의 표면에 있어서의 Rh 의 산화 환원이 발생되기 어려워짐으로써, 팁 (9) 의 표면이 해면상으로 되는 것을 방지하여 이상 소모를 억제할 수 있다. 또, Ni 는 접지 전극 (8) 및 중심 전극 (4) 의 주성분인 경우가 많기 때문에, 팁 (9) 과 접지 전극 (8) 또는 중심 전극 (4) 을 용접할 때에 형성되는 용융부 (43) 와 표면층 (42) 사이에서 확산이 일어나기 쉽고, 용융부 (43) 와 표면층 (42) 의 경계에서 표면층 (42) 이 박리되기 어렵다. 그 결과, 표면층 (42) 에 의한 이상 소모의 발생을 억제하는 효과가 장기간에 걸쳐서 발휘된다.

상기 표면층 (42) 은, Pt 와 동일한 면심 입방 격자 구조를 갖는 금속 원소를 함유하는 것이 바람직하고, 그러한 금속 원소 중 Pt 와 전율 (全率) 고용 (固溶) 하는 금속 원소를 함유하는 것이 특히 바람직하다. 그러한 원소로서 Pt 를 들 수 있다. 즉, 상기 표면층 (42) 은 Ni 이외의 원소로서 Pt 를 함유하는 것이 바람직하다. 상기 표면층 (42) 이 면심 입방 격자 구조를 갖는 금속 원소로서, Pt 와 전율 고용하는 금속 원소를 함유하면 표면층 (42) 내에 석출물이 형성되기 어렵고, 또, 본체부 (41) 와 표면층 (42) 사이의 원소의 상호 확산에 의해서 큰 체적 변화를 일으키지 않고, 이로써 밀착성이 양호해져 표면층 (42) 내에 있어서의 크랙의 발생 및 표면층 (42) 의 박리가 발생되는 것을 억제할 수 있다. 또, 원소의 상호 확산에 의한 팁 (9) 자체의 열전도율의 저하를 최저한으로 억제할 수 있어 팁 (9) 의 과열을 억제할 수 있다.

상기 표면층 (42) 은, Rh 보다 고융점인 원소의 함유율이 표면층 (42) 의 전체 질량에 대해서 30 질량％ 미만인 것이 바람직하고, 10 질량％ 이하인 것이 보다 바람직하고, 1 질량％ 이하인 것이 가장 바람직하다. Rh 보다 고융점인 원소로는, 예를 들어 W, Mo, Ta, Nb, Hf, Ir, Ru, 및 Re 등을 들 수 있다. 이들 원소는 Ni 와 합금화함으로써 물러지기 쉽고, Pt 및 Rh 와 비교하여 산소 해리압이 낮아 표면층 (42) 의 내부에서 산화되기 쉽다. 그 때문에, 이들 원소의 함유율이 지나치게 많으면, 내부 산화에 의한 압축 응력에 의해서 표면층 (42) 이나 본체부 (41) 와 표면층 (42) 의 경계 부분에서 크랙이 발생되기 쉬워지고, 냉열 사이클이 더해지면 표면층 (42) 의 박리가 발생되기 쉬워진다. 따라서, 표면층 (42) 에 있어서의 이들 원소의 함유율이 적을수록, 표면층 (42) 의 박리를 방지할 수 있다. 또, 이들 고융점의 원소는 본체부 (41) 에 함유시키는 경우에 있어서도, 상기 함유율로 억제하는 것이 바람직하다. 본체부 (41) 에 이들 원소가 다량으로 함유되어 있으면, 스파크 플러그 (1) 의 사용에 의해서 본체부 (41) 에 있어서의 이들 원소가 표면층 (42) 에 확산됨으로써, 표면층 (42) 에 함유하는 것과 마찬가지로 악영향을 미치기 때문이다.

상기 표면층 (42) 은 Ni 보다 저융점인 원소의 함유율이 표면층 (42) 의 전체 질량에 대해서 10 질량％ 미만인 것이 바람직하고, 함유하지 않는 것이 가장 바람직하다. Ni 보다 저융점인 원소로는, 예를 들어 Fe, Al, Si, Co, Cu, Au 및 Ag 등을 들 수 있다. 이들 원소는 융점이 낮기 때문에, 표면층 (42) 에 있어서의 이들 원소의 함유율이 적을수록, 표면층 (42) 의 내불꽃 소모성의 열화를 억제할 수 있다.

이 발명에 있어서의 팁 (9) 은 본체부 (41) 의 조성이 Pt 를 주성분으로 하고, Rh 가 5 질량％ 이상 및 Ni 가 0 질량％ 이상 8 질량％ 미만이고, 표면층 (42) 의 조성이, Ni 가 8 질량％ 이상이면 되고, 본체부 (41) 와 표면층 (42) 은 각각 5 질량％ 보다 작은 함유율로 불가피 불순물을 함유하고 있어도 된다. 본체부 (41) 에 있어서의 불가피 불순물로는, 예를 들어 Al, Si, Fe, Cu 등을 들 수 있다. 표면층 (42) 에 있어서의 불가피 불순물로는, 예를 들어 Al, Si, Mn, P 등을 들 수 있다. 이들 불가피 불순물의 함유율은 적은 것이 바람직하지만, 이 발명의 과제를 달성할 수 있는 범위 내에서 함유하고 있어도 되고, 전술한 성분의 합계 질량을 100 질량부로 했을 때, 전술한 1 종류의 불가피 불순물의 비율은 0.1 질량부 이하, 함유되는 전체 종류의 불가피 불순물의 합계 비율은 0.2 질량부 이하인 것이 좋다.

상기 본체부 (41) 및 상기 표면층 (42) 에 있어서의 각 성분의 함유율은 다음과 같이 하여 구할 수 있다. 먼저, 팁 (9) 의 축선 A 를 포함하는 단면에서 절단하여 절단면을 노출시킨다. 도 3 에 나타내는 바와 같이, 상기 본체부 (41) 의 조성은, 상기 절단면에 있어서의 중심 부근에 대해서 EPMA 를 이용하여, WDS (Wavelength Dispersive X-ray Spectrometer) 분석을 행함으로써, 각 측정 지점에 있어서의 질량 조성을 측정한다. 즉, 축선 A 방향에 있어서의 절단면의 단부에서 단부까지의 선분의 중심을 통과하고, 상기 축선 A 와 직교하는 방향에 있어서의 절단면의 단부에서 단부까지의 선분의 중심을 중심점 C 로 하고, 이 중심점 C 에서 스폿 직경 100 ㎛ 의 영역의 분석치를 본체부 (41) 의 조성으로 한다. 상기 표면층 (42) 의 조성은, 상기 절단면의 단부로부터 내측으로 2 ㎛ 의 위치에 있어서 스폿 직경 1 ㎛ 의 영역을 분석함으로써, 그 측정점에 있어서의 조성을 표면층 (42) 의 조성으로서 구할 수 있다.

상기 표면층 (42) 의 두께는, 축선 A 와 직교하는 방향의 상기 선분 L 상을 1 ㎛ 간격으로 원소 분석하고, 선분 L 의 단부로부터 타단을 향하는 측정점에 있어서, Ni 의 함유율이 8 질량％ 이상인 부분의 길이로서 구할 수 있다. 또, 표면층 (42) 의 두께가 20 ㎛ 이상인 경우에는 10 ㎛ 간격으로 분석해도 된다. 상기 표면층 (42) 은 본체부 (41) 의 표면에 형성되어 있기 때문에, Ni 의 함유율이 8 질량％ 이상인 점은, 통상적으로 상기 선분 L 상의 일단으로부터 타단을 향하여 일정한 길이에 걸쳐서 존재한다. 축선 A 와 직교하는 방향의 임의의 복수의 상기 선분 L 상을 원소 분석함으로써, 팁 (9) 의 측면에 있어서의 임의의 위치의 두께를 구할 수 있다.

상기 표면층 (42) 은, 본체부 (41) 의 전체 표면 중 흡기 가스가 직격하기 쉬운 부위에 적어도 형성되어 있으면 되고, 본체부 (41) 의 전체 표면에 형성되어 있어도 된다. 흡기 가스가 직격하기 쉬운 부위로는, 도 1 에 나타내는 스파크 플러그 (1) 에 있어서는, 중심 전극 (4) 및 접지 전극 (8) 의 어느 것에 결합되는 팁 (9) 에 대해서도, 본체부 (41) 의 둘레측면 즉 본체부 (41) 의 축선 A 의 직경 방향 외주면이고, 도 4 에 나타내는 스파크 플러그 (101) 에 있어서는, 중심 전극 (104) 에 결합되어 있는 팁 (309) 에 대해서는 중심 전극 (104) 에 결합되어 있는 면 이외의 전체 표면, 접지 전극 (108, 208) 에 결합되어 있는 팁 (109, 209) 에 대해서는 본체부의 둘레측면 중 축선 O' 의 선단측을 향하는 면이다.

상기 표면층 (42) 은 본체부 (41) 의 전체 표면에 형성되어 있어도 되나, 접지 전극 (8) 에 결합되어 있는 면에는 형성되어 있지 않는 것이 바람직하다. 즉, 팁 (9) 에 있어서의 본체부 (41) 가 노출되어 있는 면을, 접지 전극 (8) 에 저항 용접, 혹은 레이저 용접, 혹은 저항 용접을 행한 후에 레이저 용접을 행하고, 이것들을 접합하여 팁 (9) 을 갖는 접지 전극 (8) 을 형성하는 것이 바람직하다. 팁 (9) 에 있어서의 접지 전극 (8) 에 결합되는 면에는 흡기 가스가 직격하는 경우는 없어, 이 면에 이상 소모는 발생되지 않기 때문에, 표면층 (42) 을 형성해도 본원 발명의 효과가 얻어지지 않는다. 또, 팁 (9) 에 있어서의 접지 전극 (8) 에 결합되는 면에 표면층 (42) 이 형성되어 있으면, 후술하는 바와 같이, 팁 (9) 을 접지 전극 (8) 에 저항 용접, 혹은 레이저 용접, 혹은 그 양방에 의해서 접합할 때, 팁 (9) 및 접지 전극 (8) 등이 용융되고, 용융된 입자가 접합부의 주변으로 비산되어 부착될 우려가 있고, 이로써 스파크 플러그의 품질을 유지할 수 없어 제조 불량이 될 우려가 있다. 따라서, 팁 (9) 에 있어서의 접지 전극 (8) 에 접합되는 면은, 그 중의 적어도 일부가 본체부 (41) 에 의해서 형성되어 있는 것이 바람직하고, 상기 면은 그 전체 면이 본체부 (41) 에 의해서만 형성되어 있는 것이 특히 바람직하다.

상기 간극 G 를 형성하는 상기 팁 (9) 의 선단면으로부터 상기 간극 G 가 위치하는 측과는 반대측을 향하여 두께 0.2 ㎜ 의 영역에 대해서, 상기 영역의 전체 질량에 대해서, Ni 와 Ni 보다 융점이 낮은 원소의 합계 함유율이 0 질량％ 를 초과하고 7 질량％ 이하인 것이 바람직하다. 도 1 에 나타내는 스파크 플러그 (1) 와 같이, 중심 전극 (4) 의 선단과 접지 전극 (8) 에 형성된 원주상의 팁 (9) 의 선단면 사이에 간극 G 가 형성되어 있는 경우에는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 팁 (9) 에 있어서의 상기 영역 T₁ 은 원주상의 팁 (9) 의 선단 부분의 두께 0.2 ㎜ 의 영역 T₁ 로서, 그 영역 T₁ 은 원반상체이다. 상기 영역 T₁ 에는 본체부 (41) 및 표면층 (42) 이 포함되어 있다. 팁 (9) 의 선단면으로부터 두께 0.2 ㎜ 의 범위 내의 영역에 팁 (9) 을 접지 전극 (8) 에 용접했을 때에 형성된 용융부 (43) 가 포함되는 경우에는, 상기 영역에는 본체부 (41) 와 표면층 (42) 과 용융부 (43) 가 포함된다. 또, 도 4 에 나타내는 스파크 플러그 (101) 와 같이, 중심 전극 (104) 에 형성된 팁 (309) 의 측면과 접지 전극 (108, 208) 에 형성된 팁 (109, 209) 의 선단면 사이에 간극 G' 가 형성되어 있는 경우에는, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 중심 전극 (104) 에 형성된 팁 (309) 에 있어서의 상기 영역 T₂ 는, 팁 (309) 의 축선 O' 방향의 선단측에서 보았을 때 접지 전극 (108) 에 형성된 팁 (109) 에 가장 가까운 점 E 에 있어서의 접선 F₁ 과 이 접선 F₁ 을 상기 간극 G' 가 위치하는 측과는 반대측을 향하여 0.2 ㎜ 이동한 제 2 접선 F₂ 와의 사이에 포함되는 영역 T₂ 로서, 그 영역 T₂ 는 원호 절결 주상체이다. Ni 보다 융점이 낮은 원소로는, 예를 들어 Fe, Al, Si, Co, Cu, Au, 및 Ag 등을 들 수 있다.

상기 영역 T₁, T₂ 에 있어서의 Ni 와 Ni 보다 융점이 낮은 원소의 합계 함유율이 상기 범위 내에 있으면, 이상 소모의 발생을 억제함과 함께, 내소모성이 우수한 스파크 플러그를 제공할 수 있다. Ni 와 Ni 보다 융점이 낮은 원소는 주로 표면층 (42) 에 함유되기 때문에, 상기 영역 T₁, T₂ 에 있어서의 Ni 와 Ni 보다 융점이 낮은 원소의 합계 함유율에 의해서 상기 영역 T₁, T₂ 에 있어서의 표면층 (42) 이 차지하는 체적이 어느 정도 나타난다. 상기 표면층 (42) 의 두께는, 전술한 바와 같이 2 ㎛ 이상이면 되고, 그 상한치는 이 발명의 과제를 달성할 수 있는 범위에서 적절히 설정되면 되며, 예를 들어 본체부 (41) 의 직경 이하이다. 그러나, 표면층 (42) 이 두꺼워질수록 이상 소모의 발생을 억제할 수 있는 한편, 표면층 (42) 이 두꺼워질수록 본체부의 체적이 작아지므로, 반대로 내소모성이 열등해지게 된다. 따라서, 상기 영역 T₁, T₂ 에 있어서의 Ni 와 Ni 보다 융점이 낮은 원소의 합계 함유율을 상기 범위 내로 함으로써, 이상 소모의 발생을 억제함과 함께, 내소모성이 우수한 스파크 플러그를 제공할 수 있다.

팁에 있어서의 상기 영역의, Ni 와 Ni 보다 융점이 낮은 원소의 합계 함유율은 다음과 같이 하여 측정할 수 있다. 먼저, 상기 간극을 형성하고 있는 팁의 선단면으로부터 상기 간극 G 가 위치하는 측과는 반대측을 향하여 0.2 ㎜ 의 위치에서 팁을 절단한다. 절단된 팁의 선단측의 원반상체를 용해시킨 후, 화학 분석 (ICP 발광법) 에 의해서 상기 원소의 질량 비율을 측정할 수 있다.

팁 (9) 의 형상은 이 실시양태에 있어서는 원주상이지만 특별히 한정되지 않고, 원주상 이외에, 타원주상, 각주상 및 판상 등의 적절한 형상을 채용할 수 있다. 팁 (9) 이 접지 전극 (8) 의 표면으로부터 돌출되어 있고, 흡기 가스가 직격하기 쉬운 형상을 갖는 팁일수록 이상 소모가 발생되기 쉽다. 따라서, 이 발명의 팁이 이하의 2 가지 조건의 양방을 만족하는 팁이면, 이상 소모의 발생을 보다 더 억제할 수 있다. (1) 팁이 접지 전극의 표면으로부터 0.15 ㎜ 이상 돌출되어 있고, (2) 접지 전극에 형성되어 있는 팁의, 접지 전극의 표면으로부터 상기 표면과 직교하는 방향으로 0.15 ㎜ 이상의 임의의 위치에서, 팁의 축선 A 와 직교하는 단면에서 절단하여 얻어진 절단면의 윤곽의 적어도 일부의 곡률 반경 R 이 0.33 ㎜ 이상인, 즉 상기 절단면을 관찰했을 때, 대기와 접하는 외주면에 있어서, 곡률 반경 R 이 0.33 ㎜ 이상인 부분이 존재한다.

상기 조건 (1) 및 (2) 를 만족하는 팁 (9) 으로는, 예를 들어 반경이 0.33 ㎜ 이상이고 높이가 0.15 ㎜ 이상인 원주상의 팁을 들 수 있다. 또한, 팁 (9) 이 접지 전극 (8) 에 형성되어 있는 경우뿐만 아니라 중심 전극에 형성되어 있는 경우에 대해서도, 상기 조건 (1) 및 (2) 의 양방을 만족하는 팁이면, 보다 더 효과를 얻을 수 있다. 또한, 팁이 접지 전극의 표면으로부터 0.6 ㎜ 이상 돌출되어 있으면, 보다 더 이상 소모가 발생되기 쉬워지기 때문에, 이 발명의 효과를 얻을 수 있다.

상기 팁은 변형예로서 상기 본체부와 상기 표면층 사이에 확산층을 갖고 있어도 된다. 상기 확산층은 본체부의 표면에 표면층을 형성한 팁에 열처리를 행함으로써, 본체부와 표면층 사이에 원소가 상호 확산되고, 이로써 형성된 층이다. 따라서, 상기 확산층은 본체부의 조성으로부터 표면층의 표면부에 있어서의 조성으로 점차 조성이 변화되는 경사 구조를 갖는다. 상기 팁이 이와 같은 경사 구조를 갖고 있으면, 본체부와 표면층의 밀착성이 양호해지고, 표면층이 본체부로부터 박리되기 어려워져, 장기간에 걸쳐서 표면층에 의한 이상 소모의 억제 효과가 발휘된다.

본체부와 표면층의 밀착성을 고려할 경우, 상기 확산층의 두께는 적어도 2 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 단, 확산층이 지나치게 두꺼워지면, 상기 본체부와 표면층의 합금화가 진행됨으로써 열전도율이 저하되어, 불꽃 소모하기 쉬워진다. 따라서, 확산층의 두께는 200 ㎛ 미만인 것이 바람직하다. 상기 확산층의 두께가 상기 범위 내에 있으면, 내불꽃 소모성을 확보하면서 본체부와 표면층의 밀착성이 양호해져, 표면층이 본체부로부터 박리되기 어려워진다. 상기 확산층의 두께는 표면층의 두께를 구하는 경우와 동일하게 하여 구할 수 있다. 즉, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 팁의 절단면에 있어서 축선 A 와 직교하는 방향의 임의의 선분 L 상을 원소 분석하고, 선분 L 의 단부로부터 타단을 향하는 측정점에 있어서, Ni 의 함유율이 점차 변동되는 영역의 선분 L 상의 길이를 확산층의 두께로서 구할 수 있다. 여기서, Ni 의 함유율이 점차 변동된다고 하고 있으나, 대부분의 경우에는 Ni 의 함유율이 많은 표면층으로부터 Ni 의 함유율이 적은 본체부를 향하여 Ni 의 함유율은 감소된다. 단, 본체부와 표면층을 구성하는 원소가 3 개 이상인 경우로서, 본체부와 표면층의 상호 확산에 의해서 석출물을 형성하는 경우에는, 팁의 표면으로부터 중심을 향하여 Ni 의 함유율이 증대되는 경우가 있을 수 있다. 또, 이와 같은 경우에도, 이 발명의 범위 내이면 이상 소모 억제의 효과를 얻을 수 있다.

상기 스파크 플러그 (1) 는, 예를 들어 다음과 같이 하여 제조된다. 먼저, 팁 (9) 은 본체부 (41) 가 되는 심재를 제조하고, 이 심재의 표면에 표면층 (42) 을 형성함으로써 제조된다.

본체부 (41) 가 되는 심재를 제조할 때에는, 먼저, 각 성분의 함유율이 전술한 범위로 되는 금속 성분을 배합하여 원료 분말을 준비한다. 이것을 아크 용해하여 잉곳을 형성하고, 이 잉곳을 열간 단조하여 봉재로 한다. 다음으로, 이 봉재를 복수 회 홈 롤 압연하고, 필요에 따라서 스웨이징을 행하고, 다이스 인발로 신선 (伸線) 가공을 행함으로써, 단면이 원 형상인 환봉재로 하고, 이 환봉재를 소정 길이로 절단한다. 이 환봉재의 표면에 표면층을 형성하고, 이 표면층이 형성된 환봉재를 팁 (9) 으로서의 원하는 길이로 절단함으로써, 본체부 (41) 의 표면에 표면층 (42) 이 형성된 팁 (9) 을 제조한다. 또한, 본체부 (41) 가 되는 심재의 형상은 원주상에 한정되지 않고, 예를 들어 상기 잉곳을 사각형 다이스를 사용하여 신선 가공을 행하여 각재로 가공하고, 그 각재를 소정 길이로 절단함으로써 예를 들어 각봉상으로 형성할 수도 있다.

상기 심재의 표면에 표면층 (42) 을 형성하는 방법으로는 특별히 한정되지 않지만, 전해 도금 처리, 무전해 도금 처리, 화학 증착법, 물리 증착법, 및 심재에 원통의 봉재를 입혀 가공하는 이종재의 접합 (클래드재) 등을 들 수 있다.

전해 도금 처리, 혹은 무전해 도금 처리에 의해서 심재의 표면에 표면층 (42) 을 형성하는 경우에는, 전술한 조성을 갖는 표면층 (42) 이 형성되도록, 도금욕의 조성이나 전류치, 전압치 또는 열처리 조건 등을 제어하여 도금 처리함으로써 형성된다. 심재의 표면에 상이한 조성의 도금을 연속적으로 형성시켜 복층 구조로 해도 된다. 화학 증착법 (CVD) 으로는, MOCVD, PECVD, LPCVD, 상압 CVD, CCVD 등을 들 수 있다. 물리 증착법 (PVD) 으로는, 진공 증착법, DC 스퍼터링, 고주파 스퍼터링 등의 각종 스퍼터링법, 고주파 이온 플레이팅 등의 각종 이온 플레이팅법, 분자선 에피택시법, 레이저 어블레이션법, 이온화 클러스터 빔 증착법, 이온 빔 증착법 등을 들 수 있다.

심재의 전체 표면 중의 일부에 표면층 (42) 을 형성하고, 본체부 (41) 의 일부가 노출된 팁 (9) 을 제조하는 방법으로는, 심재의 전체 표면에 표면층 (42) 을 형성한 후, 표면층 (42) 을 구비한 심재를 그 심재의 축선과 수직으로 절단함으로써, 본체부의 일부가 노출된 팁을 제조하는 방법, 및 심재의 전체 표면에 표면층 (42) 을 형성한 후, 일부의 표면층 (42) 을 절삭 및 절단하거나 하여 제거함으로써, 팁에 있어서의 임의의 부위에 본체부가 노출된 팁을 제조하는 방법 등을 들 수 있다.

이 발명에 있어서의 팁 (9) 은, 상기 공정에 더하여 열처리 공정을 행하여, 상기 본체부 (41) 와 상기 표면층 (42) 에 있어서의 원소가 상호 확산됨으로써 형성되는 확산층을 형성해도 된다. 열처리 공정은 심재의 표면에 상기 표면층 (42) 을 형성한 후, 예를 들어 600 ∼ 1300 ℃ 의 온도로 0 ∼ 10 시간 유지함으로써 행해진다. 0 시간 유지란 승온시킨 후 바로 강온시키는 것을 나타낸다. 가열 방법은 특별히 한정되지 않고, 전기로를 사용하여 분위기 제어하여 가열해도 되고 버너에 의해서 가열해도 된다. 또, 상기 열처리 공정을 복수 회 행해도 된다.

중심 전극 (4) 에 팁이 접합되는 경우에는, 접지 전극 (8) 에 접합되는 팁 (9) 과 동일한 방법에 의해서 팁을 제조해도 되고, 종래 공지된 방법에 의해서 팁을 제조해도 된다.

중심 전극 (4) 및 접지 전극 (8) 은, 예를 들어 진공 용해로를 사용하여, 원하는 조성을 갖는 합금의 용탕을 조제하고, 선긋기 가공 등을 행하여 소정 형상 및 소정 치수로 적절히 조정하여 제조할 수 있다. 중심 전극 (4) 이, 외층과 이 외층의 축심부에 매립되도록 형성된 심부에 의해서 형성되어 있는 경우에는, 중심 전극 (4) 은 컵상으로 형성된 Ni 합금 등으로 이루어지는 외재에, 외재보다 열전도율이 높은 Cu 합금 등으로 이루어지는 내재를 삽입하고, 압출 가공 등의 소성 가공에 의해서, 외층의 내부에 심부를 갖는 중심 전극 (4) 을 형성한다. 접지 전극 (8) 역시 중심 전극 (4) 과 동일하게 외층과 심부에 의해서 형성되어도 되고, 이 경우에는 중심 전극 (4) 과 동일하게 하여 컵상으로 형성된 외재에 내재를 삽입하고, 압출 가공 등의 소성 가공한 후, 대략 각주상으로 소성 가공한 것을 접지 전극 (8) 으로 할 수 있다.

이어서, 소정 형상으로 소성 가공 등에 의해서 형성한 주체 금구 (7) 의 단면에, 접지 전극 (8) 의 일 단부를 전기 저항 용접 또는 레이저 용접 등에 의해서 접합한다. 이어서, 접지 전극 (8) 이 접합된 주체 금구 (7) 에 Zn 도금 또는 Ni 도금을 행한다. Zn 도금 또는 Ni 도금 후에 3 가 크로메이트 처리를 행해도 된다. 또, 접지 전극에 행해진 도금은 박리해도 된다.

이어서, 상기 서술한 바와 같이 제조한 팁 (9) 을 접지 전극 (8) 에 저항 용접 및/또는 레이저 용접 등에 의해서 용융 고착한다. 저항 용접으로 팁 (9) 을 접지 전극 (8) 에 접합하는 경우에는, 예를 들어 팁 (9) 을 접지 전극 (8) 의 소정 위치에 설치하여 밀착시키면서 저항 용접을 행한다. 레이저 용접으로 팁 (9) 을 접지 전극 (8) 에 접합하는 경우에는, 예를 들어 팁 (9) 을 접지 전극 (8) 의 소정 위치에 설치하고, 팁 (9) 과 접지 전극 (8) 의 접촉 면과 평행 방향으로부터 팁 (9) 과 접지 전극 (8) 의 접촉 부분을 부분적으로 또는 전체 둘레에 걸쳐서 레이저 빔을 조사한다. 저항 용접을 한 후에 레이저 용접을 추가해도 된다. 본체부 (41) 의 전체 표면에 표면층 (42) 이 형성된 팁 (9) 을 접지 전극 (8) 에 접합하는 경우에는, 팁 (9) 및 접지 전극 (8) 이 용융되고, 용융된 입자가 접합부의 주변으로 비산되어 부착될 우려가 있고, 이로써 스파크 플러그의 품질을 유지할 수 없어 제조 불량이 될 우려가 있다. 한편, 팁 (9) 에 있어서의 접지 전극 (9) 에 접합되는 면에 표면층 (42) 이 형성되어 있지 않고, 본체부 (41) 가 노출되어 있는 팁 (9) 이면, 팁 (9) 을 접지 전극 (8) 에 접합할 때, 팁 (9) 및 접지 전극 (8) 이 용융된 입자가 비산되는 것을 방지할 수 있어, 제조 불량이 되는 스파크 플러그의 수를 저감할 수 있다. 따라서, 제조 불량이 되는 스파크 플러그의 수를 저감할 수 있는 점에서, 팁 (9) 은, 팁 (9) 에 있어서의 접지 전극 (8) 에 접합되는 면에 있어서 본체부가 노출되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 중심 전극 (4) 에 팁을 접합하는 경우에는, 접지 전극 (8) 에 팁 (9) 을 접합하는 방법과 동일하게 하여 접합할 수 있다.

한편, 세라믹 등을 소정 형상으로 소성함으로써 절연체 (3) 를 제조하고, 이 절연체 (3) 의 축공 (2) 내에 중심 전극 (4) 을 삽입하여 제 1 시일체 (22) 를 형성하는 조성물, 저항체 (21) 를 형성하는 조성물, 제 2 시일체 (23) 를 형성하는 조성물을 이 순으로 상기 축공 (2) 내에 예비 압축하면서 충전한다. 이어서 상기 축공 (2) 내의 단부로부터 단자 금구 (5) 를 압입하면서 상기 조성물을 압축 가열한다. 이렇게 하여 상기 조성물이 소결되어 저항체 (21), 제 1 시일체 (22) 및 제 2 시일체 (23) 가 형성된다. 이어서 접지 전극 (8) 이 접합된 주체 금구 (7) 에 이 중심 전극 (4) 등이 고정된 절연체 (3) 를 장착한다. 마지막으로, 접지 전극 (8) 의 선단부를 중심 전극 (4) 측으로 절곡하고, 접지 전극 (8) 의 일단이 중심 전극 (4) 의 선단부와 대향하도록 하여 스파크 플러그 (1) 가 제조된다.

본 발명에 관련된 스파크 플러그 (1) 는, 자동차용의 내연 기관, 예를 들어 가솔린 엔진 등의 점화전으로서 사용되고, 내연 기관의 연소실을 구획 형성하는 헤드 (도시 생략) 에 형성된 나사 구멍에 상기 나사부 (24) 가 나사 결합되어 소정 위치에 고정된다. 이 발명에 관련된 스파크 플러그 (1) 는 어떠한 내연 기관에도 사용할 수 있다. 이 발명에 관련된 스파크 플러그 (1) 는 고온이고 고산소 농도인 연소실 내에서 사용되어, 팁의 표면에 흡기 가스가 직격하기 쉽고, 또, 팁 주변의 산소 농도 및 온도의 변화가 큰 조건에 팁이 놓여도, 팁의 측면에 있어서의 이상 소모의 발생을 억제할 수 있기 때문에, 예를 들어 린번 상태에서 운전되는 직분 가솔린 엔진 등의 내연 기관에 특히 바람직하다.

이 발명에 관련된 스파크 플러그 (1) 는, 전술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위에서 여러 가지의 변경이 가능하다. 예를 들어, 상기 스파크 플러그 (1) 는, 중심 전극 (4) 의 선단면과 접지 전극 (8) 에 형성된 팁 (9) 의 선단면이, 축선 O 방향에서, 간극 G 를 개재하여 대향하도록 배치되어 있지만, 이 발명에 있어서, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 중심 전극 (104) 에 형성된 팁 (309) 의 측면과 접지 전극 (108, 208) 에 형성된 팁 (109, 209) 의 선단면이, 중심 전극의 반경 방향에서, 간극 G' 를 개재하여 대향하도록 배치되어 있어도 된다. 이 경우에, 중심 전극에 형성된 팁 (309) 의 측면에 대향하는 접지 전극은 단수가 형성되어 있어도 되고 복수가 형성되어 있어도 된다.

실시예

＜스파크 플러그 시험체의 제조＞

(시험 번호 1 ∼ 59)

표면층을 갖는 표면층 형성 팁은 본체부가 되는 심재를 제조하고, 전해 도금 처리 또는 이종 재료의 입힘 (클래드) 에 의해서, 이 심재의 표면에 표면층을 형성함으로써 제조하였다.

전해 도금 처리에 의해서 표면층을 형성한 경우, 심재는 소정 조성을 갖는 원료 분말을 배합하고, 아크 용해하여 잉곳을 형성하고, 이 잉곳을 열간 단조, 열간 압연 및 열간 스웨이징하고, 추가로 신선 가공을 행함으로써, 직경 0.35 ㎜ 이고 소정 길이의 환봉재로 하고, 이 환봉재의 둘레측면에, 전해 도금 처리에 의해서 소정 조성을 갖는 표면층을 형성하고, 그 후 소정 길이로 절단함으로써, 직경 0.35 ㎜, 높이 0.6 ㎜ 의 원주상의 본체부를 갖고, 본체부의 둘레측면에 표면층이 형성된 표면층 형성 팁을 얻었다.

이종 재료의 입힘 (클래드) 에 의해서 표면층을 형성할 경우, 심재는 소정 조성을 갖는 원료 분말을 배합하고, 아크 용해하여 잉곳을 형성하고, 이 잉곳을 열간 단조, 열간 압연 및 열간 스웨이징하고, 추가로 신선 가공을 행함으로써, 소정 길이의 환봉재로 하고, 이 환봉재의 둘레측면에, 소정 조성을 갖는 표면층에 상당하는 원통의 재료를 입혀 신선 가공을 행하고, 소정 길이로 절단함으로써, 직경 0.35 ㎜, 높이 0.6 ㎜ 의 원주상의 본체부를 갖고, 본체부의 둘레측면에 표면층이 형성된 표면층 형성 팁을 얻었다.

또, 어느 수법에 의해서 본체부의 표면에 표면층을 형성시킨 경우여도, 표면층을 형성한 후, 필요에 따라서 열처리를 행한 팁에 대해서는, 본체부와 표면층 사이에서 원소의 확산이 발생되어 확산층이 형성되기 때문에, 본체부의 직경은 0.35 ㎜ 미만이 되었다.

표면층 무형성 팁은 표면층 형성 팁에 있어서의 심재와 동일하게 하여 직경 0.35 ㎜ 의 환봉재를 형성하고, 이것을 소정 길이로 절단함으로써, 직경 0.35 ㎜, 높이 0.6 ㎜ 의 원주상의 표면층 무형성 팁을 형성하였다.

얻어진 표면층 형성 팁 중 일부에 대해서는, 이어서, 열처리 공정으로서 전기로에서 600 ∼ 1300 ℃ 의 범위 내에 있어서의 소정 온도에서, 0 ∼ 10 시간 범위에서 소정 시간 유지하여, 본체부와 표면층 사이에 확산층을 형성하였다.

얻어진 표면층 무형성 팁 및 표면층 형성 팁 (팁이라고 총칭하는 경우도 있다) 을 인코넬 (601) 에 의해서 형성된 접지 전극에 저항 용접한 후, 레이저 용접에 의해서 접합하여, 도 1 에 나타내는 구조를 갖는 스파크 플러그 시험체를 제조하였다.

(시험 번호 60 ∼ 81)

본체부의 직경을 0.7 ㎜ 로 변경하고, 표면층의 두께, 본체부 및 표면층의 조성을 변경한 것 이외에는, 시험 번호 1 ∼ 59 와 동일하게 하여 스파크 플러그 시험체를 제조하였다. 또한, 본체부는 Pt 를 주성분으로 하고, Rh 를 10 ％ 함유하고 있다. 표면층에 있어서의 Ni 이외의 원소는, 본체부에 함유되는 원소 만으로 이루어지도록 제조하였다.

(시험 번호 82 ∼ 90)

표 5 에 나타내는 바와 같이, 팁의 반경을 변경한 것 이외에는, 시험 번호 9, 19 와 동일하게 하여 스파크 플러그 시험체를 제조하였다. 아울러, 후술하는 「이상 소모의 평가」를 하기 위해서, 표면층 무형성 팁을 사용했을 때의 이상 소모 개시 시간 t₁ 을 측정하는 데 사용하는 샘플로서, 시험 번호 82 ∼ 90 과 동일한 반경을 갖는 표면층 무형성 팁을 구비한 스파크 플러그 시험체를 제조하였다.

＜팁의 조성 및 표면층 두께의 측정 방법＞

팁의 조성은, EPMA (니혼 덴시 주식회사 제조 JXA-8500F) 의 WDS 분석을 행함으로써 질량 조성을 측정하였다. 본체부의 조성에 대해서는, 팁을 그 축선 A 를 포함하는 평면에서 절단하고, 이 절단면에 있어서 전술한 바와 같이 중심 부근의 질량 조성을 측정하였다 (가속 전압 ： 20 ㎸, 스폿 직경 ： 100 ㎛). 표면층의 조성에 대해서는, 스폿 직경을 1 ㎛ 로 하고, 상기 절단면에 있어서 축선 A 와 직교하는 방향의 임의의 2 개의 선분 L 상을 1 ㎛ 간격으로 질량 조성을 측정하고, 절단면의 단부 즉 선분 L 의 단부로부터 타단을 향하여 2 ㎛ 위치의 Ni 의 함유율을 측정하고, 이들 측정치의 산술 평균치를 표면 Ni 함유율로서 표 1 에 나타내었다. 또한, 표 1 의 표면층에 있어서의 「Ni 이외의 함유 원소」란의 기호의 의미는 다음과 같다. 「*1」은 Ni 이외의 성분을 100 질량％ 로 했을 때, 본체부와 동일한 조성을 갖는 것을 나타낸다. 「*2」는 Ni 이외의 원소가 본체부에 함유되는 원소뿐인 것을 나타낸다 (조성은 상이하다). 「Pt」는, Ni 이외의 성분이 Pt 뿐인 것을 나타낸다. 그 밖의 기호는 Ni 를 포함하여 100 질량％ 로 했을 때의 성분비를 나타낸다.

표면층의 두께에 대해서는, 상기 2 개의 선분 L 의 단부로부터 타단을 향하여 질량 조성을 측정하고, Ni 의 함유율이 8 질량％ 이상인 부분의 길이를 구하고, 이들 산술 평균치를 표면층의 두께로서 표 1 에 나타내었다. 상기 표면 Ni 함유율이 8 질량％ 미만인 경우에는, 표면층의 두께는 선분 L 의 단부로부터 타단을 향하여 질량 조성을 측정하고, Ni 의 함유율이 표면 Ni 함유율의 80 ％ 가 될 때까지의 부분의 길이를 표면층의 두께로 하였다. 또, 상기 선분 L 의 단부로부터 타단을 향하여 질량 조성을 측정하고, Ni 의 함유율이 점차 변동되는 부분이 2 ㎛ 이상 있었을 경우에는, 확산층이 있다고 판단하였다.

＜Ni 및 저융점 원소의 측정 방법＞

도 2 에 나타내는 바와 같이, 간극 G 를 형성하고 있는 팁의 면으로부터 상기 간극 G 가 위치하는 측과는 반대측을 향하여 0.2 ㎜ 의 위치에서 팁을 절단하고, 팁의 선단측의 원반상체를 필요 수량 용해시킨 후, 화학 분석 (ICP 발광법) 에 의해서, Ni 및 Ni 보다 융점이 낮은 원소의 질량 비율을 측정하였다. 측정 결과를 표 3 에 나타낸다.

＜내구 시험 방법＞　

제조된 스파크 플러그 시험체를, 시험용의 과급기 장착 엔진 (초기 방전 전압 20 ㎸ 이상, 배기량 660 ㏄, 3 기통) 에, 흡기 가스가 접지 전극에 형성된 팁에 직격하기 쉽도록, 접지 전극을 흡기 가스의 흐름을 방해하지 않는 위치로 조정하여 장착하였다. 공연비 (공기/연료) 는 11.3, 스로틀 전체 개방이고, 엔진 회전수 6000 rpm 상태를 유지하여, 100 시간 운전을 행하는 내구 시험을 행하였다. 접지 전극 모재의 선단으로부터 1 ㎜ 위치의 온도를 열전쌍에 의해서 측정한 결과 950 ℃ 였다.

＜이상 소모의 평가＞

상기 내구 시험에 있어서, 팁에 있어서의 흡기 가스가 직격하는 부위에 소모가 발생되어 있는 것이 관찰된 경우, 이상 소모가 발생되었다고 판단하여 이상 소모의 발생 개시 시간을 측정하였다. 표면층 무형성 팁을 사용했을 때의 이상 소모 개시 시간 t₁ 에 대한 표면층 무형성 팁과 동일한 조성을 갖는 본체부의 표면에 표면층을 형성한 표면층 형성 팁을 사용했을 때의 이상 소모 개시 시간 t₂ 의 비 (t₂/t₁) 를 산출하고, 이하의 기준에 따라서 이상 소모를 평가하였다. 결과를 표 1 및 표 2 에 나타낸다.

★ ： 상기 비 (t₂/t₁) 가 2.5 이상일 때　

☆ ： 상기 비 (t₂/t₁) 가 2 이상 2.5 미만일 때　

◎ ： 상기 비 (t₂/t₁) 가 1.5 이상 2 미만일 때

○ ： 상기 비 (t₂/t₁) 가 1.3 이상 1.5 미만일 때　

× ： 상기 비 (t₂/t₁) 가 1.3 미만일 때

－： 표면층 무형성 팁에 있어서 이상 소모의 발생 없음

＜내소모성의 평가＞

상기 내구 시험의 전후에 간극 G 의 길이를 측정하고, 내구 시험 전후에서의 간극 G 의 증가량을 산출하였다. 표면층 무형성 팁을 사용했을 때의 간극 증가량 H₁ 에 대해서, 표면층 형성 팁을 사용했을 때의 간극 증가량 H₂ 의 간극 증가 비율 {(H₂ － H₁)/H₁} × 100 을 산출하고, 이하의 기준에 의해서 내소모성을 평가하였다. 결과를 표 3 에 나타낸다.

○ ： 상기 간극 증가 비율이 20 ％ 이하일 때

－： 상기 간극 증가 비율이 20 ％ 를 초과할 때

＜본체부에 대한 표면층의 피복 부위의 차에 의한 평가＞　

시험 번호 10 의 팁을 접지 전극에 저항 용접하는 용접 시험을 1000 개의 팁에 대해서 행하였다. 용접 후에 있어서의 접지 전극에서 팁의 선단까지의 치수가, 용접 전의 팁의 높이보다 0.1 ㎜ 작아지도록 용접한 후, 팁 및 접지 전극이 용융되어 비산된 금속 입자가 접합부의 주변에 부착되어 있는 것이 관찰되고, 그 금속 입자가 직경 0.1 ㎜ 이상인 경우에 스퍼터가 발생하였다고 판단하여 스퍼터가 발생된 팁의 수를 카운트하였다. 또, 본체부의 전체 표면에 표면층이 형성되어 있는 것 이외에는, 시험 번호 10 과 동일한 시험 번호 81 의 팁에 대해서도 동일한 시험을 행하였다. 스퍼터의 발생률을 산출하고, 이하의 기준에 따라서 평가하였다. 결과를 표 4 에 나타낸다.

○ ： 스퍼터 발생률이 3 ％ 미만

－： 스퍼터 발생률이 3 ％ 이상

＜팁 직경의 차에 의한 이상 소모의 평가＞

표 5 에 나타내는 바와 같이, 원주상의 팁의 반경을 변화시킨 것 이외에는, 시험 번호 9 및 19 와 동일한 팁을 구비한 스파크 플러그 시험체를 사용하여, 「이상 소모의 평가」와 동일하게 하여 평가하였다. 또한, 표 5 에 나타내는 시험 번호 82 ∼ 90 의 표면층 형성 팁의 이상 소모의 발생 개시 시간 t₂ 와, 이와 동일한 반경을 갖는 표면층 무형성 팁의 이상 소모의 발생 개시 시간 t₁ 을 측정하여 비 (t₂/t₁) 를 산출하고, 산출된 값에 의해서 이상 소모를 평가하였다.

표 1 에 나타내는 바와 같이, 본 발명에 있어서의 본체부의 조성 범위 외의 조성을 갖는 시험 번호 1 ∼ 6 의 팁은 이상 소모가 발생되지 않았다. 이 점에서, 특정 조성을 갖는 팁에 이상 소모가 발생되는 것을 알 수 있다. 또, 표 1 에 나타내는 바와 같이, 표면층이 없는 표면층 무형성 팁에 비해서, Ni 를 8 질량％ 이상 함유하고, 그 두께가 2 ㎛ 이상인 표면층이 형성된 표면층 형성 팁은 이상 소모의 발생이 억제되었다. 한편, Ni 의 함유율이 8 질량％ 이상 및 그 두께가 2 ㎛ 이상이라는 조건 중 어느 일방을 만족하지 않는 표면층이 형성된 표면층 형성 팁은 이상 소모의 발생이 억제되지 않았다. 또한, 시험 번호 14, 29, 30, 52, 53, 54 의 팁에서는, 본체부와 표면층의 경계 부분에서 미세한 크랙이 발생되어 있었다. 시험 번호 34, 55, 56, 57 의 팁에서는, 본체부와 표면층의 경계 부분에서 보다 큰 크랙이 발생되어 있었다. 시험 번호 58 의 팁에서는, 본체부 (41) 와 표면층 (42) 의 경계 부분에서 더욱 큰 크랙이 발생되어 있었다.

표 2 에 나타내는 바와 같이, Ni 를 100 ％ 함유하는 표면층을 구비한 시험 번호 20 의 팁은, 이상 소모의 발생이 억제된 것에 비해서, Ag 를 100 ％ 함유하는 표면층을 구비한 시험 번호 59 의 팁은, 이상 소모의 발생이 억제되지 않았다. 이 점에서, Ni 를 함유하는 표면층을 형성함으로써 이상 소모의 발생을 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.

표 3 에 나타내는 바와 같이, 팁의 선단면으로부터 두께 0.2 ㎜ 의 범위에 있어서의 Ni 및 저융점 원소의 함유율이 7 질량％ 이하이면, 표면층이 없는 팁에 뒤떨어지지 않는 내소모성을 유지할 수 있는 것을 알 수 있다.

표 4 에 나타내는 바와 같이, 본체부의 전체 표면에 표면층이 형성되어 있는 시험 번호 81 의 팁에 비해서, 본체부의 둘레측면에만 표면층이 형성되어 있는 시험 번호 10 의 팁 쪽이 스퍼터 발생률이 낮았다. 따라서, 본체부의 둘레측면에만 표면층이 형성되어 있는 팁은, 스파크 플러그를 제조할 때에 제조 불량의 발생을 억제할 수 있다.

표 5 에 나타내는 바와 같이, 팁의 반경이 클수록 이상 소모의 발생을 억제할 수 있었다. 이 점에서, 흡기 가스가 직격하기 쉽고, 이상 소모가 발생되기 쉬워지는 반경이 큰 팁일수록, 본 발명의 팁은 이상 소모의 발생의 억제 효과가 높은 것을 알 수 있다.

1, 101 : 스파크 플러그
2 : 축공
3 : 절연체
4, 104 : 중심 전극
5 : 단자 금구
6 : 접속부
7 : 주체 금구
8, 108, 208 : 접지 전극
9, 109, 209, 309 : 팁
11 : 후단측 동체부
12 : 대직경부
13 : 선단측 동체부
14 : 다리 길이부
15 : 선반부
16 : 플랜지부
17 : 단부
18 : 테이퍼부
19 : 판 패킹
21 : 저항체
22 : 제 1 시일체
23 : 제 2 시일체
24 : 나사부
25 : 가스 시일부
26 : 공구 걸어 맞춤부
27 : 코킹부
28, 29 : 패킹
30 : 활석
32 : 돌기부
34 : 후단부
35 : 봉상부
41 : 본체부
42 : 표면층
43 : 용융부
G, G' : 불꽃 방전 간극

Claims

중심 전극과, 상기 중심 전극과의 사이에 간극을 형성하여 배치된 접지 전극을 구비하는 스파크 플러그로서,
상기 중심 전극과 상기 접지 전극의 적어도 일방은 상기 간극을 형성하는 팁을 갖고,
상기 팁은, 조성이 잔부가 Pt 및 불가피 불순물로 이루어지고, Rh 가 5 질량％ 이상 45 질량％ 이하 및 Ni 가 0 질량％ 이상 8 질량％ 미만인 본체부와, 상기 본체부의 중심으로부터 상기 간극을 향하는 방향으로 연장되는 축선의 직경 방향 외측을 향하는 표면에 적어도 형성되고, Ni 를 8 질량％ 이상 100 질량% 이하 함유하고, 그 두께가 2 ㎛ 이상인 표면층을 갖고,
상기 간극을 형성하는 상기 팁의 면으로부터 상기 간극이 위치하는 측과는 반대측을 향하여 두께 0.2 ㎜ 의 영역은, 상기 영역의 전체 질량에 대해서, Ni 와 Ni 보다 융점이 낮은 원소의 합계 함유율이 7 질량％ 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 1 항에 있어서,
상기 본체부의 조성은, Ni 가 0 질량％ 이상 1 질량％ 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 1 항에 있어서,
상기 표면층은, Ni 를 40 질량％ 이상 100 질량% 이하 함유하고, 그 두께가 2 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
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제 1 항에 있어서,
상기 팁을 갖는 상기 중심 전극 또는 상기 팁을 갖는 상기 접지 전극은, 상기 팁에 있어서의 상기 본체부가 노출되어 있는 면을, 상기 중심 전극 또는 상기 접지 전극에 접합함으로써 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 1 항 내지 제 3 항 및 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 팁이 상기 접지 전극으로부터 0.15 ㎜ 이상 돌출되어 있고, 0.15 ㎜ 이상 돌출된 임의의 위치에 있어서, 상기 본체부의 중심으로부터 상기 간극을 향하는 방향으로 연장되는 축선 방향의 직경 방향에 있어서의 단면을 관찰했을 때, 대기와 접하는 외주면에 있어서, 곡률 반경 R 0.33 ㎜ 이상의 부분이 존재하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.