KR20090004919A

KR20090004919A - 스파크 플러그

Info

Publication number: KR20090004919A
Application number: KR1020087024456A
Authority: KR
Inventors: 어리나 레비나; 제임즈 디. 라이코우스키
Original assignee: 페더럴-모걸 코오포레이숀
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2007-04-06
Publication date: 2009-01-12
Also published as: EP2005543A2; WO2007118187A2; US20070236124A1; JP2009533802A; BRPI0710551A2; WO2007118187A3

Abstract

센터 전극 및 그라운드 전극을 갖고 있는 스파크 플러그. 상기 센터 전극 및 그라운드 전극중 적어도 하나의 스파크 부분은 기본 재료의 부식을 실질상 방지하는 기본 재료 및 보호 재료를 포함한다.

스파크 플러그, 센터 전극, 그라운드 전극, 스파크 부분, 기본 재료, 보호 재료

Description

스파크 플러그{SPARK PLUG}

본 발명은 센터 전극 및 그라운드 전극을 갖는 스파크 플러그에 관한 것이다. 이러한 센터 전극 및 그라운드 전극중 적어도 하나의 일부는 기본 재료 및 이러한 기본 재료의 부식을 방지하기 위한 보호 재료를 갖는 스파크부를 포함한다.

스파크 플러그는 산업계에 주지되어 있고 내연기관내의 연소를 점화시키기 위해 오랫동안 사용되어왔다. 스파크 플러그는 엔진 실린더내의 가스를 점화시키는 기본 기능을 실행하고, 이러한 점화는 파워 스트로크를 생성한다. 내연기관의 바로 이러한 성질로 인해, 스파크 플러그는 보통 스파크 플러그의 수명을 감소시켜온 높은 온도 및 다양한 부식 연속 가스를 포함하는 엔진 실린더내에서 발생하는 많은 극한 상황에 노출되어 있다. 스파크 침식은 또한 스파크 플러그의 수명을 감소시킬 수 있다.

전기 스파크 침식은 전극 재료를 기화시키는 스파크 아크의 주기적 에너지로 인해 동작 동안 전극 및 특히, 스파크 플러그의 연소 팁이 부식하는 경우에 발생한다. 스파크 플러그는 스파크 침식에 취약한 니켈 또는 니켈 합금으로부터 형성된 전극을 보통 가지고 있다. 향상된 연료 절감을 위해 엔진에 새로운 기술을 사용함으로써 센터 전극과 그라운드 전극 사이의 갭을 스파크가 강제 점프하도록 하는 스 파크 플러그를 통과하는 증가된 에너지 및 잠재적으로 보다 긴 아크 내구성을 얻을 수 있다. 이러한 증가된 에너지는 스파크 침식에 취약한 재료에서의 스파크 침식율을 증가시켰고 보다 많은 스파크 플러그 제조자는 보통 사용되는 니켈 또는 니켈 합금 재료에서 벗어나 플라티늄, 이리듐, 또는 그 합금과 같은 스파크 침식에 매우 강한 재료를 찾고 있다.

니켈 및 니켈 합금이 보통 부식에 매우 강하지만, 니켈 및 니켈 합금보다 스파크 침식에 보다 강한 금속 또는 금속 합금 대체물은 부식에 민감할 수 있다. 니켈 또는 니켈 합금에 대한 가장 보편적인 대체물은 플라티늄, 이리듐, 또는 그 합금이었다. 플라티늄 및 이리듐이 일반적으로 비싸기 때문에, 스파크 부분을 제공하는데 사용되는 재료의 양을 최소화하는 것이 바람직하다. 따라서, 플라티늄 또는 이리듐 또는 그 합금으로 형성된 스파크 부분은 보통 니켈 또는 니켈 합금 센터 전극에 부착되고 그 크기가 최소화된다.

플라티늄 및 플라티늄 합금이 스파크 침식을 감소시키는데 매우 양호하지만, 이들은 부식에 취약할 수 있다. 또한, 플라티늄 및 플라티늄 합금은 스파크 부분으로서 사용될 대 스파크 부분상에 다양한 성장 특징을 형성할 수 있다. 장시간 이러한 성장은 스파크를 방해할 수 있거나 스파크 갭 또는 스파크 프로필을 변경시킬 수 있어서 스파크 플러그의 성능을 감소시킬 수 있다. 또한, 연소 가스의 일부는 플라티늄 스파크 부분의 부식을 유발할 수 있기 때문에, 이러한 부식은 스파크 플러그 갭을 변경시키고 이로 인해 스파크 플러그의 성능을 감소시킨다. 감소된 스파크 플러그의 성능은 엔진 불발을 유발할 수 있고, 연료 효율을 저하시키고 엔진 성능을 감소시킬 수 있다.

스파크 플러그의 성능을 향상시키고 스파크 플러그의 스파크 부분상의 다양한 재료의 성장을 방지하기 위해, 많은 스파크 플러그의 제조자는 최근에 방전 또는 스파크 부분으로서 이리듐으로 전환하고 있다. 이리듐이 매우 높은 용융점을 가지고 있기 때문에, 스파크 침식에 매우 강하지만 보다 높은 동작 온도에서 산화 및 다른 부식에 취약하다. 그러나, 엔진 제조자가 연료 절감을 위해 엔진 변경을 통해 스파크 플러그에 대한 전기적 스트레스 및 화학적 스트레스를 증가시킴에 따라, 이리듐이 스파크 플러그의 동작 범위(800 - 1100℃)의 상단부와 같은 고온에서 매우 휘발성이 높은 산화 상태를 갖는 것이 발견되었다. 전통적인 엔진과 비교하여, 이러한 보다 새로운 기술 엔진은 스파크가 센터 전극과 그라운드 전극 사이의 갭을 강제 점프하도록 하기위해 스파크 플러그를 통해 공급되는 보다 많은 에너지를 요구하고 있고, 스파크 플러그의 동작 온도는 증가하고 있었다. 고온에서 스파크 플러그의 이리듐 스파크 부분에는 심각한 부식이 발생할 수 있다.

한 특별 모드에서, 이리듐의 부식은 칼슘 및/또는 인이 이리듐과 반응하여 스파크 부분의 부식 및 침식을 유발할 때 발생하는 것으로 생각된다. 연소 재료내의 칼슘 및 인의 존재는 엔진 제조자가 마찰을 줄여 때로 보다 많은 오일이 연소실내에 스며들게 함으로써 연료 절감을 증가시키려고 시도 함에 따라 비교적 보다 최근에 발생된 사실이다. 칼슘 및 인은 주로 엔지 오일에, 특히 오일 첨가재에 존재한다. 엔진 실린더내의 연소 동안 산소의 존재하의 칼슘 및 인은 이리듐과 반응하여 휘발성 화합물을 형성하는 것으로 생각되는데, 이러한 휘발성 화합물은 기화하 여 스파크 부분내의 이리듐의 손실을 유발하는 것으로 생각된다. 보다 구체적으로, 연소 및 소진 사이클 동안 칼슘 기체는 스파크 플러그의 이리듐 스파크 부분, 및 특히 스파크 부분의 양측에 응축하는 것으로 생각된다. 용융된 칼슘은 이리듐을 용해시키고 이리듐은 인의 존재하에서는 산화에 취약한 것으로 알려져 있다. 따라서, 인과 산소가 용해된 칼슘 이리듐 혼합물과 반응한 후에 형성된 화합물은 매우 큰 비휘발성을 가져서 기화되어 이리듐 스파크 부분의 손실을 유발하게 된다. 보다 구체적으로, 이러한 인 및 칼슘과의 부식 메커니즘은 스파크 표면상의 스파크의 활동으로 인해 부식 데포짓의 축적을 방지하는 것으로 생각되는 반대측 전극과 마주하는 스파크 표면이 아닌 전극의 사이드들을 보통 부식시킨다. 스파크 부분의 일부의 손실을 도시하는 스파크 플러그의 도면이 도 1에 도시되어 있다. 또한, 이리듐은 약 800 내지 1100℃의 온도 범위에서 칼슘 및 인의 존재 없이 일부 산화될 수 있고 칼슘 및 인의 존재하에서 상술된 부식 과정이 보통 스파크 플러그의 동작 범위내에 있는 600℃의 낮은 온도에서 일어날 수 있음에 주목해야 한다. 물론, 엔진 압축이 증가함에 따라, 스파크 플러그의 온도 동작 범위는 증가할 것이고 칼슘 및 인의 존재하지 않는다 할지라도 이리듐의 산화의 문제는 점차 커질 것이다.

상기 관점에서, 본 발명은 센터 전극 및 그라운드 전극중 적어도 하나가 스파크 침식에 매우 강한 기본 재료 및 스파크 플러그가 경험할 수 있는 다양한 부식 메커니즘에 매우 강한 보호 재료를 갖는 스파크 부분을 포함하는 스파크 플러그에 관한 것이다. 이러한 보호 재료는 기본 재료에 적용되거나 기본 재료와 함께 형성된 재료의 박층이다. 이러한 보호 재료 또는 층은 니켈 또는 니켈 합금으로 형성되고 0.09mm 미만의 두께를 갖는다. 또한 보호 재료는 스파크 플러그의 제조 동안 기본 재료의 외표면에 근방에 얇은 합금층을 형성하도록 보통 기본 재료에 확산된다. 기본 재료는 플라티늄, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 레늄, 또는 그 합금을 포함하는 스파크 플러그에서 보통 사용되는 다양한 원소로 형성될 수 있다.

본 발명의 적용의 추가적인 범위는 다음의 상세한 설명, 청구범위 및 도면으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 상세한 설명 및 구체적인 실시예가 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하고 있지만 이는 단지 예일 뿐이고 다양한 변형 및 수정이 본 발명의 정신 및 범위에서 당업자에게 명백하다는 것을 이해해야 한다.

본 발명은 아래에 주어진 상세한 설명, 첨부된 청구범위 및 다음의 첨부된 도면으로부터 보다 잘 이해될 것이다.

도 1은 심하게 부식된 이리듐 스파크 부분의 예를 도시한 도면,

도 2는 스파크 플러그의 부분 단면도,

도 3은 스파크 플러그의 스파크 부분을 포함하는 센터 전극의 확대 단면도,

도 4는 스파크 플러그의 스파크 부분을 포함하는 센터 전극의 확대 단면도,

도 5는 스파크 플러그의 스파크 부분을 포함하는 센터 전극의 확대 단면도,

도 6은 스파크 플러그의 스파크 부분을 포함하는 센터 전극의 확대 단면도,

도 7은 스파크 플러그의 스파크 부분을 포함하는 센터 전극의 확대 단면도,

도 8은 스파크 플러그의 스파크 부분을 포함하는 센터 전극의 확대 단면도,

도 9는 스파크 부분을 포함하는 그라운드 전극의 확대 단면도,

도 10은 확산 경계를 나타내는 스파크 부분의 확대 단면도,

도 11은 기본 재료와 보호 재료가 확산하기 전에 보호 재료의 다중층을 갖는 스파크 플러그의 스파크 부분을 포함하는 센터 전극의 확대 단면도, 및

도 12는 스파크 부분을 포함하는 그라운드 전극의 확대 단면도.

본 발명은 그라운드 전극(12) 및 센터 전극(20)을 갖는 스파크 플러그(10; 도 2)에 관한 것이다. 센터 전극(20) 및/또는 그라운드 전극(12)은 스파크 부분(30)을 포함한다. 스파크 부분(30)은 본딩되거나, 용접되거나(38), 또는 센터 전극(20; 도 2) 및/또는 그라운드 전극(12)에 부착될 수 있다.

스파크 부분(30)은 기본 재료(36) 및 외부 또는 보호층(도 3 내지 도 9)을 보통 형성하는 보호재료(34)를 포함한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 보호재료(34)는 기본 재료와 함께 확산될 수 있어서, 보호재료(34)와 기본 재료(36) 사이에 별개의 층 없이 스파크 부분(30)을 형성한다. 보다 구체적으로, 기본 재료(36)는 이리듐(Ir), 플라티늄(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 레늄(Re), 또는 그 합금와 같은 스파크 침식에 강한 재료로 주로 형성된다. 상기 그룹의 가장 보편적으로 사용되는 원소는 플라티늄 및 이리듐을 포함한다. 상기 기본 재료의 합금을 형성하기 위한 첨가제의 예는 이리듐, 플라티늄, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 레늄, 지르코늄(Zr), 니켈(Ni), 및 텅스텐(W)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함한다. 합금으로부터 형성된 또 다른 기본 재료(36)의 예는 "스파크 플러그" 표제의, 2007년 3월 26일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제11/691,288호에 보다 상세하게 기술되어 있다. 본 발명이 기본 재료로서 이리듐 또는 플라티늄, 또는 이리듐 합금 또는 플라티늄 합금을 제시하고 있지만, 본 발명은 기본 재료로서 이리듐 또는 플라티늄, 또는 이리듐 또는 플라티늄 합금에만 제한되는 것은 아니다. 기본 재료로서 사용되기에 적합한 또 다른 이리듐 합금의 예는 94중량% 내지 99중량% 이리듐, 1중량% 또는 3중량% 로듐, 0.1중량% 내지 1.5중량% 텅스텐, 및 0.01중량% 내지 0.1중량% 지르코늄을 포함한다. 큰 산업적 스파크 플러그에 있어서, 기본 재료는 보통 대략 1.8mm 내지 4mm의 직경을 가지고 있고, 차량 스파크 플러그에 대하여, 0.4mm 내지 2.1mm, 그리고 호비 스파크 플러그에 대하여 0.25mm 내지 2.1mm의 직경을 갖는다.

보호 재료(34)는 기본 재료와 함께 조합될 때, 칼슘 및 인의 존재하에서의 기본 재료의 부식 또는 산화를 방지한다. 보호 재료(34)는 내부식성 및 내산화성 원소로부터 형성된다. 본 발명에서 보호 재료(34)는 니켈 또는 니켈 합금으로 형성된다. 니켈 합금의 예는 85중량% 및 15중량%의 크롬을 포함한다.

보호 재료(34)가 상술된 바와 같이 단일 합금으로 형성될 수 있지만, 상기 원소의 각각은 또한 기본 재료상의 분리된 층으로 놓일 수 있다. 그 합금 대신에 각 개별적인 원소의 분리된 연속층을 놓음으로써 요구되는 충분한 보호를 제공할 수 있고 재료 비용을 낮출 수 있다는 것이 발견되었다. 예를 들어, 기본 재료가 이리듐 또는 이리듐 합금이라면, 구리는 플레이팅을 통해 제1층으로서 적용된 후에 니켈이 연속 플레이팅 옵션을 통해 외층으로서 인가될 수 있다. 물론, 크롬이 유사한 내부식성 결과를 얻기 위해 구리를 대신할 수도 있다. 물론, 다양한 배열 순서가 내층이고 기본 재료와 직접 접촉하는 니켈과 함께 사용될 수 있다. 본 발명자는 구리, 니켈 및 크롬을 포함하는 보호 재료에 대한 임의의 배열의 층이 상요될 수 있지만, 도 11의 확대 단면도에 도시된 바와 같이 기본 재료(36)에 구리 제1층(34a)을 플레이팅하고, 플레이팅 동작을 통해 구리에 부착된 크롬의 제2층(34b)을 플레이팅한 후에 플레이팅 동작을 통해 크롬에 부착된 니켈의 제3층(34c)을 플레이팅함으로써 형성된다는 것을 또한 발견하였다. 그러나, 개별층으로서 추후에 기본재료와 함께 확산될 수 있다는 것에 주목해야 한다.

스파크는 보통 스파크 부분(30)의 에지(44)에 발생하고, 니켈은 스파크 침식을 받기 대문에, 보호 재료는 충분히 얇게 형성되어 스파크 갭(14)을 가로지르는 스파크는 스파크 플러그의 계속되는 동작 동안 보호 재료(34)가 아닌 기본 재료(36)에서 주로 발생하여야 한다. 일부 실시예에서, 제조의 용이를 위해, 방전면(40)은 또한 동작 동안 방전면(40)으로부터 부식하지만 칼슘 및 인의 존재하에서의 부식에서 보호하기 위해 스파크 부분(30)의 사이드에 남아 있는 희생 보호 재료(36)로써 코팅될 수 있다. 따라서, 보호 재료(34)는 0.09mm 미만의 두께를 갖도록 형성된다. 0.002 내지 0.018mm의 두께를 가진 층을 더함으로써 스파크 침식을 피하면서 기본 재료에 충분한 내부식성을 제공할 수 있다. 보호 재료(34)가 매우 얇은 층의 재료로써 형성되지만, 스파크 침식으로 인한 임의의 갭 변경은 스파크 플러그의 성능에 실질상 영향을 주지 않는다. 또한, 사이드 표면과 같은 부식에 취약한 영역은 보통 스파크 침식에 보통 취약하지 않지만 보호 재료는 사이드 표면을 부식으로부터 보호한다. 스파크 부분(30)의 에지(44) 및 방전면(40)은 스파크 활동이 인 및 칼슘의 존재하에서 이러한 부식 메커니즘을 방지하기 대문에 인 및 칼슘의 존재하에서 보통 부식에 취약하지 않다.

도시된 실시예내의 스파크 부분(30)은 외주면(42) 및 제1단부 또는 방전면(40)을 갖는 실린더형 또는 다각형 형상을 갖는다. 방전면(40)을 마주하는 단부는 센터 전극(20)에 부착되어 있다. 센터 전극(20)은 니켈 또는 니켈 합금과 같은 내부식성 원소 또는 합금으로 보통 만들어지지만, 철 기반 센터 전극과 같은 다른 원소 및 합금이 사용될 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 보호 재료(34)는 제1단부 또는 방전면(40) 상에 뻗어 있지 않다. 방전면(40)으로부터 동작 동안 스파크가 지속적으로 발산되기 때문에, 방전면(40)에 대한 부식은, 스파킹이 방전면(40)을 부식 원소가 없는 상태로 유지시킴에 따라 최소 또는 존재하지 않게 된다.

상술된 바와 같이, 스파크 침식을 방지하기 위해, 스파크 부분(30)은 0.09mm 미만의 두께로써 플레이팅되거나, 스퍼터링되거나, 플레임 스프레잉되거나 플라즈마 코팅되는 보호 재료를 갖는다. 따라서, 기본 재료(36)에 추가되거나 배치되는 보호 재료(34)의 양은 최소이다. 따라서, 충분한 보호 재료가 내부식성을 가지면서, 스파크 침식을 통해 과도한 갭 성장을 방지하기 위해 스파크 면에 배치되는 재료의 양을 최소하는 스파크 부분(30)을 형성하도록 기본 재료의 외주부에 배치된다.

상술된 바와 같이, 엔진의 스파크 플러그의 제조 공정 및 추후 잠재적인 동작동안 노내의 스파크 프러그의 컴포넌트 또는 스파크 플러그의 점화 동안, 박층을 사용함으로써, 보호 재료(34)는 기본 재료(36)내에 확산되어서 보호 재료 및 기본 재료는 함께 확산되어, 도 10에 도시된 바와 같이 보호 재료(34)와 기본 재료(36) 사이의 경계를 판정하기 어려울 수 있다. 보다 구체적으로, 기본 재료(36)가 외주부 주변의 보호 재료(34)와 함께 확산되기 때문에, 단면도에서 스파크 부분(30)은 보조 재료의 양이 외주부로부터 지속적으로 감소하는 확산된 영역(90)을 통해 외주부(42) 근방의 주로 니켈인 것으로부터 이동한다. 도 3 내지 도 10은 보호재료(34)를 확산전의 두께에 대하여 확대하여 도시하고 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 외주부에서의 대략 100% 보호 재료 사이에 있는 도시된 층은 일단 확산이 발생하면 아무런 뚜렷한 경계가 존재하지 않을지라도, 내부 경계(91)가 도시되고 적어도 10%로 감소한다. 보다 구체적으로, 보호 재료의 확산된 영역(90)은 내부 경계(91)를 형성하는 상기 주어진 영역에서 90중량%보다 큰 것과 같이 기본 재료(36)가 실질상 주요 재료일 때까지 스파크 부분(30)의 센터(32)쪽으로 대략 100%의 재료를 보호 재료가 형성하는 외주부(42)로부터 뻗는다. 도 10에 도시된 바와 같이, 기본 재료와 보호 재료의 동일한 양이 발견될 수 있는 영역(64)이 발견되었다. 당업자는 도 3 내지 도 9가 명료한 시각효과를 위해, 청구범위에 청구되거나 명세서에 기술된 것 보다 기본 재료에 대하여 훨씬 더 두꺼운 것으로 확산된 영역 또는 보호 재료의 층을 도시한 것을 이해할 것이다.

동작에서 스파크 플러그가 보호 재료(34)내로 확산된 기본 재료(36) 및 기본 재료(36)내로 확산된 보호 재료(34)를 갖기 때문에, 보호 재료(34)가 보다 두꺼운 클래딩된 재료에 대해 발생할 수 있는 바와 같이 동작동안 기본 재료(36)로부터 분리되는 것은 매우 어렵다. 예를 들어, 0.12mm 보다 큰 두께, 보다 구체적으로 0.25mm보다 큰 두께를 갖는 외층을 갖는 클래드 베이스는 스파크 플러그가 핫 및 콜드 열 사이클 사이에서 지속적으로 변동함에 따라 장시간 분리될 수 있수도 있는 상이한 재료로 인해 상이한 열 프로필을 가질 수 있다. 따라서, 이산적인 개별적인 층을 갖는 대신에 기본 재료내에 확산되는 박층을 제공함으로써 스파크 플러그가 증가된 내구성은 물론 증가된 스파크 내침식성, 증가된 내부식성을 통해 동작의 수명을 증가시키도록 할 수 있다.

스파크 부분(30)을 포함하는 스파크 플러그(10)는 임의의 공지된 방법을 통해 제조될 수 있다. 센터 전극(20) 및/또는 그라운드 전극(12)에 스파크 부분(30)을 추가하는 단계를 포함하는 스파크 플러그의 제조는 주지되어 있다. 본 발명에서, 스파크 부분(30)은 센터 전극(20) 및/또는 그라운드 전극(12)에 임의의 공지된 방법을 통해 본딩될 수 있거나, 저항용접될 수 있거나, 레이저 용접될 수 있거나 부착될 수 있다. 스파크 플러그(10)는 센터 전극(20)상의 스파크 부분(30)은 방전면(40)과 함께 그라운드 전극(12)쪽으로 돌출하도록 금속 셀, 인슬레이터 및 이러한 인슬레이터내에 배치된 센터 전극(20)을 보통 포함한다(도 2).

인슬레이터는 보통 알루미나로 형성되고 센터 전극(20)이 뻗어 있는 통로를 가지고 있다. 금속 셀은 엔진 블록내에 스레딩하는 나사산 부분을 포함하는 실린더형상의 금속 슬리브로 형성된다. 금속 셀은 보통 플레인 탄소강으로 형성되지만 스테인레스 강 또는 다른 재료일 수 있다.

스파크 부분(30)은 보통 먼저, 플라티늄, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 레늄, 또는 그 합금으로부터 기본 재료(36)을 형성함으로써 형성된다. 스파크 부분(30)의 기본 재료(36)는 임의의 공지된 방법을 통해 형성될 수 있다. 기본 재료(36)는 핫 포밍, 핫 롤링, 또는 핫 와이어 드로잉을 통해 금속 시트, 디스크, 와이어, 또는 로드로 형성될 수 있다. 기본 재료(36)를 형성하는 또 다른 방법은 금속 파우더를 취하여 이 금속 파우더를 용융시켜 기본 재료(36)를 형성하는 것이다. 이러한 용융 공정은 용융, 빔 용융, 레이저 용융, 고주파수 유도 용융, 플라즈마 용융, 또는 임의의 다른 공지된 방법을 통해 이루어질 수 있다.

기본 재료(36)는 요구되는 형상, 보통 긴 로드 또는 와이어의 형태로 형성된 후에, 보호 재료(34)가 로드 또는 와이어를 형성하는 기본 재료(36)에 추가된다. 보호 재료(34)는 논-전해질 플레이팅에 대한 전해질, 전착, 스퍼터링, 플레임 스프레잉, 또는 공유압출성형과 같은 공정을 통해 추가될 수 있다. 보호층의 두께가 기본층에 추가될 때 0.25mm 이상인 것이 핵심이고, 보다 구체적으로 보호층이 0.12mm 미만이라면 도움이 된다. 믈론, 기본 재료의 외표면상에 0.25mm 미만, 보다 구체적으로 0.12mm 미만의 박층을 제공하는 임의의 다른 수단이 기본 재료(36)에 보호재료(34)를 적용하기위해 사용될 수 있다. 일단 스파크 부분(30)이 기본 재료(36)의 외측상의 보호재료(34)와 함게 형성되어 있다면 긴 부분이 적합한 길이로 커팅되거나 스탬핑되거나 프레싱되어 개별적인 피스가 센터 전극(20) 또는 그라운드 전극(12)에 부착되기 위해 준비되어진다.

그라운드 전극(12) 및/또는 센터 전극(20)에 스파크 부분을 부착하는 방법은 센터 또는 그라운드 전극(12/20)에 저항, 레이저 또는 다른 수단등의 용접을 포함한다. 또 다른 방법은 기계적 잠금 메커니즘(도시되지 않음)을 생성하기 위해 스파크 부분(30)의 외표면에 임프레션 또는 디프레션을 형성하는 것이다. 센터 전극(20)은 스파크 부분(30)과 동일한 직경으로 드릴링 아웃되고 스파크 부분(30)은 구멍(도 7)내에 삽입된다. 그다음, 센터 전극(20)은 레이저 등에 의해 가열되어 금속은 삽입된 스파크 부분(30) 주변에서 용융되어 외표면상의 디프레션으로 형성된다. 물론, 헤딩된 리벳을 제조하는 등과 같은 스파크 부분(30)에 대한 다른 형성 동작이 실행될 수 있고 그후에 스파크 부분은 당업계에 알려진 바와 같이 센터 전극(20)에 부착될 수 있다. 또한, 스파크 부분(30)은 다른 와이어 또는 디스크에 부착될 수 있고 용접될 수 있고, 그후에 센터 전극(20)에 용접되어 센터 전극(20)과 스파크 부분(30) 사이의 결합을 강화시킨다.

센터 전극(20)이 센터 전극(20)에 직접 용접되어 도 3에 도시되어 있고, 센터 전극(20)은 센터 전극의 니켈 팁(21)의 직경을 감소시키고 스파크 부분(30)을 수용하기 위한 캐비티(22)를 제공하기 위해 처리될 수 있다. 스파크 부분(30)은 하나 보다 많은 재료로부터 형성되고 보호 재료가 적용된 조립된 스파크 부분(30)과 같은 다양한 구성을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 예를 들어, 스파크 부분은 니켈 부분과 이리듐 부분으로부터 형성될 수 있고, 이러한 스파크 부분은 센터 전극에 조립될 수 있다(도 6). 보호 재료(36)는 양측 부분을 덮을 수 있고 센터 전극에 조립되기 전 또는 후에 적용될 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 스파크 부분(30)은 먼저 기본 부분(36)에 보호 재료(34)를 코팅하기 위해 먼저 처리될 수 있다. 그다음, 스파크 부분(30)은 보호 재료(34)에 의해 코팅될 때 센터 전극(20)에 용접된다. 용접 풀(38)은 센터 전극(20)으로의 스파크 부분(30)의 용접으로부터 발생한다. 도 5 및 도 6의 스파크 부분(30)은 기본 재료(36)가 센터 전극(20)에 부착된 후에 적용된다. 보다 구체적으로, 기본 재료(36)는 센터 전극(20)에 부착된 후에 보호 재료(34)가 센터 전극(20) 및 기본 재료(36)에 적용된다. 이로 인해, 제조 공정 동안 보호 재료의 용이한 적용이 가능해진다. 도 6에서, 다층 리벳이 보통 니켈 합금의, 또 다른 재료(33)에 부착된 기본 재료를 갖는 스파크 부분으로서 형성된다. 조립된 스파크 부분(30)의 일예는 "다층 점화 팁을 갖는 스파크 플러그를 형성하는 방법"의 2006년 11월 20일에 출원된 미국 특허 출원 제11,602,028호, "다층 점화 팁을 가진 스파크 플러그"의 제목의 2006년 11월 20일 출원된 미국 특허 출원 제11/602,146호 및 "다층 점화 팁을 가진 스파크 플러그"의, 2006년 11월 20일에 출원된 미국 특허 출원 제11/602,169호에서 발견될 수 있고 이것들은 여기에 언급되어 통합되어 있다. 상술된 바와 같이, 스파크 부분(30)만이 보호 재료의 층을 포함할 수 있거나 센터 전극 및 기본 부분이 보호재료의 층을 포함할 수 있다. 보호 재료(34)는 스파크 부분(30)을 형성하기 위해 다층 리벳에 적용된다. 다층 리벳 스파크 부분(30)은 그다음 용접등에 의해 센터 전극에 부착된다. 도 6내의 다층 리벳은 센터 전극에 부착된 후에 보호 재료로써 코팅된 것으로 도시되어 있지만, 먼저 보호 재료에 의해 코팅된 후에 부착될 수도 있다. 도 9는 그라운드 전극(12)에 적용되는 스파크 부분(30)을 도시하고 있다.

보호 재료는 화학적 또는 열 처리를 통해 더 강화될 수 있다. 열 또는 화학적 처리는 스파크 부분(30)이 센터 전극에 부착되기 전에 또는 후에 행할 수 있다. 예를 들어, 스파크 부분(30)의 열 처리는 스파크 플러그(10)의 최종 점화와 같은 스파크 플러그의 제조 동안 행할 수 있어서 기본 재료(36)와 보호층(34) 사이의 연결은 기본 재료(36)내에 확산되는 보호층(34)에 의해 강화된다. 이러한 재료들의 확산은 2개의 층 사이의 인터페이스가 경계 대신에 확산 경계층을 생성하도록 발생할 수 있다. 또한, 2개의 층 사이의 인터페이스를 확산시킴으로써, 2개의 재료가 유사해짐에 따라 분자 레벨에서의 보다 친숙한 접속이 가능하고, 각각은 안에 확산된 또 다른 것의 일부를 가지고 있고 외주부에 바람직한 내부식성은 물론 방전면에 바람직한 스파크 내침식성을 제공한다. 따라서, 충분한 보호 재료는 높은 내부식성을 가지면서 에지(44) 근방의 과도한 스파크 침식을 방지하기 위해 배치되는 재료의 양을 최소화하는 스파크 부분(30)을 형성하도록 기본 재료의 외주부에 배치된다.

제조 공정 동안, 보호 재료는 적어도 부분적으로 기본 재료내에 확산되어 강화된 내부식성을 얻을 수 있다. 보다 구체적으로, 530℃를 초과하는 온도등과 같은 유리 실의 점화 동안, 보호 재료는 기본 재료내로 확산하기 시작한다. 예를 들어, 니켈 보호 재료(34)가 이리듐의 기본 재료(36)내로 확산될 때, 이리듐 니켈 합금은 니켈 또는 이리듐 어느 하나의 성능보다 탁월한 강화된 내성을 제공한다. 따라서, 보호 재료는 도 10에 도시된 바와 같이, 확산된 영역(39)을 형성한다. 확산된 영역(90)은 확산되지 않은 보호 재료(34)가 부식될 지라도 내성을 제공한다. 또한, 보호 재료와의 기본 재료의 조합이 강화된 내성을 제공한다는 것이 발견되었다. 보다 구체적으로, 스파크 플러가 유리 실을 형성하도록 보통 750℃ 내지 1000℃에서 점화될 때, 보호 재료는 확산된 영역(39)을 형성하기 위해 기본 재료내에 확산된다. 확산된 영역은 스파크 부분의 센터로부터 이동하여, 기본 재료와 보호 재료가 대략 동일한 양으로 존재하는 섹션(64)에 도달될 때까지 주로 기본 재료이고, 스파크 부분(30)의 외부 에지 근방에서 주로 보호 재료이다. 적용된 보호 재료의 두께에 의존하여, 확산된 영역은 제조 공정 동안 노출되지 않을 수 있고 외표면은 오직 보호 재료이다. 그러나, 엔진의 동작 동안, 보호 재료는 스파크 부분의 외표면을 형성할 수 있다. 확산된 영역은 보통 적용된 보호 재료의 층보다 얇은 두께를 갖고 있고, 보통 0.007mm 미만의 두께, 보다 구체적으로 0.005mm의 두께를 갖고 있다.

상기 설명은 본 발명의 일실시예를 개시하고 설명한다. 당업자는 이러한 설명, 첨부된 도면 및 청구범위로부터, 다양한 변경, 수정 및 변화가 다음의 청구범위에 의해 한정된 본 발명의 진정한 정신 및 범위로부터 벗어남없이 가능하다는 것을 용이하게 이해할 것이다.

Claims

센터 전극 및 그라운드 전극을 갖고 있는 스파크 플러그로서, 상기 센터 전극 및 상기 그라운드 전극중 적어도 하나는 스파크 부분을 포함하고, 상기 스파크 부분은 니켈을 포함하는 기본 재료 및 보호 재료를 포함하고, 상기 보호층은 0.09mm 미만의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 기본 재료는 플라티늄, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄 및 레늄으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 기본 재료는 플라티늄, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄 및 레늄으로 구성된 그룹으로부터 선택된 원소중 하나의 합금으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 보호 재료는 구리, 크롬, 바나듐, 지르코늄, 텅스텐, 오스뮴, 금, 철 및 알루미늄으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 원소는 15% 미만의 상기 보호 재료를 형성하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 보호 재료는 대략 85% 니켈 및 대략 15% 크롬을 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 보호 재료는 본질상 니켈로 구성된 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 스파크 부분은 제1 단부 및 외주부를 갖는 긴 형상을 갖고 있고 상기 보호 재료 및 상기 보호 재료는 상기 제1단부를 형성하고 상기 보호 재료는 실질상 상기 외주부의 모두를 형성하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 보호 재료는 상기 기본 재료 상에 플레이팅되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 보호 재료는 스퍼터링되거나, 전착되거나, 압출되거나 또는 플레임 스프레이되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 기본 재료는 외부 기본 주위면을 포함하고 보호 재료는 상기 기본 재료에 적어도 부분적으로 확산되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 기본 재료는 외부 기본 주위면을 포함하고, 상기 스파크 부분은 530℃ 위로 가열되고, 상기 기본 재료와 상기 보호 재료 사이의 경계는 확산된 합금이 되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 기본 재료는 외부 기본 주위면을 포함하고, 상기 스파크 부분은 대략 760℃ 내지 820℃ 사이로 가열되어 상기 기본 재료와 상기 보호 재료 사이의 경계는 확산시켜 상기 기본 재료 및 상기 보호 재료의 확산된 합금을 형성하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 스파크 부분의 외표면 근방의 확산된 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 기본 재료 및 보호 재료의 합금을 형성하는 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 보호 재료는 0.005mm 내지 0.09mm의 두께로 적용되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제15항에 있어서, 상기 보호 재료는 0.005mm 내지 0.025mm의 두께로 적용되 는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제15항에 있어서, 상기 보호 재료는 0.007mm 내지 0.02mm의 두께로 적용되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제15항에 있어서, 상기 스파크 부분은 상기 적용된 보호 재료 보다 작은 두께를 갖는 확산된 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제15항에 있어서, 상기 스파크 부분은 0.005mm 내지 0.09mm의 두께를 갖는 확산된 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 스파크 부분은 상기 스파크 부분의 외주부로부터 센터 쪽으로 뻗는 확산된 영역을 포함하고, 상기 확산된 영역은 0.025mm 미만의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제1항에 있어서, 상기 스파크 부분은 상기 스파크 부분의 외주부로부터 센터 쪽으로 뻗는 확산된 영역을 포함하고, 상기 확산된 영역은 0.012mm 미만의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
센터 전극 및 그라운드 전극을 갖고 있는 스파크 플러그로서, 상기 센터 전 극 및 상기 그라운드 전극중 적어도 하나는 스파크 부분을 포함하고, 상기 스파크 부분은 니켈을 포함하는 기본 재료 및 보호 재료를 포함하고, 상기 보호층은 상기 기본 재료에 적어도 부분적으로 확산되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제22항에 있어서, 상기 기본 재료는 플라티늄, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄 및 레늄으로 구성된 그룹으로부터 선택된 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제22항에 있어서, 상기 기본 재료는 플라티늄, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄 및 레늄으로 구성된 그룹의 적어도 하나의 원소를 포함하는 합금으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제22항에 있어서, 상기 보호 재료는 구리, 크롬, 바나듐, 지르코늄, 텅스텐, 오스뮴, 금, 철 및 알루미늄으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 원소는 15% 미만의 상기 보호 재료를 형성하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제22항에 있어서, 상기 보호 재료는 대략 85% 니켈 및 대략 15% 크롬을 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제22항에 있어서, 상기 스파크 부분은 제1 단부 및 외표면을 갖는 긴 형상을 가지고 있고, 상기 기본 재료 및 상기 보호 재료는 상기 제1 단부를 형성하고 상기 보호 재료는 실질상 상기 외표면의 모두를 형성하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제22항에 있어서, 상기 보호 재료는 0.09mm 미만의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제22항에 있어서, 상기 보호 재료는 상기 기본 재료상에 플레이팅되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제22항에 있어서, 상기 보호 재료는 상기 기본 재료에 적어도 부분적으로 확산되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제30항에 있어서, 상기 기본 재료와 상기 보호 재료 사이의 경계는 상기 스파크 부분이 530℃ 위로 가열될 때 확산된 합금이 되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제19항에 있어서, 상기 보호층 및 상기 기본 재료는 확산 영역에서 만나는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제32항에 있어서, 상기 확산 영역은 보통 플라티늄, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄 및 레늄으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료 및 니켈의 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제32항에 있어서, 상기 확산 영역은 사이에 섹션이 있는 제1 사이드 및 제2 사이드를 포함하고, 상기 제1 사이드는 주로 기본 재료로 형성되고 제2 사이드는 주로 보호 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제34항에 있어서, 상기 확산 영역의 섹션은 대략 동일한 퍼센트의 상기 기본 재료 및 보호 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제32항에 있어서, 상기 보호 재료가 상기 기본 재료와 함께 확산되고, 소량의 기본 재료가 스파크 부분의 외주부에서 발견되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.