KR20100044784A - 점화 장치용 전극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온 산화, 황화 및 관련 부식 마모에 대한 내성을 개선하고 뿐만 아니라 고온 인장, 크리프 파괴와 피로 강도 및, 크래킹과 피괴에 대한 내성을 개선하는, 희석 니켈 합금으로부터 만든 점화장치용 전극을 포함하며, 상기 희석 니켈 합금은 90 중량% 이상의 니켈, 지르코늄, 붕소 및 알루미늄, 마그네슘, 실리콘, 크롬, 티타늄 및 망간으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함한다. Zr/B의 중량비는 일반적으로 약 5 내지 150일 수 있고, 합금의 0.005-0.5 중량% 범위의 지르코늄과 합금의 0.001-0.01 중량% 범위의 붕소를 포함할 수 있다. 합금의 내산화성은 합금에 하프늄을 추가함으로써 개선될 수 있으며, 이들 량은 지르코늄과 비교해서 0.005-0.2 중량%를 포함할 수 있다. 희석 합금 원소로서 알루미늄과 실리콘을 포함하는 희석 니켈 합금의 전극 뿐만아니라 크롬, 실리콘, 망간 및 티타늄을 포함하는 희석 니켈 합금의 전극은 특히 스파크 플러그 전극으로서 유용하다. 전극 합금은 미량원소로서 일반적으로 특정 최대 량으로, 코발트, 니오븀, 바나듐, 몰리브덴, 텅스텐, 구리, 철, 탄소, 칼슘, 인 또는 유황 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 점화 장치는 스파크 플러그일 수 있으며, 이는 세라믹 절연체; 전도성 셸; 센터 전극; 접지 전극을 포함한다. 센터 전극 또는 접지 전극의 적어도 하나는 본 발명의 전극이다. 이들 전극은 구리 또는 은 도는 이들 합금과 같은 희석 니켈 합금의 보다 큰 열 전도성을 가진 코어를 또한 포함할 수 있다.

Description

점화 장치용 전극{ELECTRODE FOR AN IGNITION DEVICE}

본 발명은 내온, 내산화, 내황화 및 내파괴성인 지르코늄 및 붕소의 합금 첨가물들을 포함하는 희석 니켈(a dilute nickel)로 만든 고성능 전극, 특히 내연엔진, 노 등에 맞는 스파크 플러그와 같은, 점화 장치용 전극에 관한 것이다.

스파크 플러그는 내연 엔진의 연소실로 연장하고 스파크를 생성하여 공기 및 연료의 혼합물을 점화하는 스파크 점화 장치이다. 엔진 기술의 최근 개발에서 높은 작동 온도를 야기하여 엔진 효율의 개선을 달성한다. 그러나, 이들 높은 작업 온도는 스파크 플러그 전극의 재료 조건에 매우 제한이 된다.

상표명 Inconel 600®, Nicrofer 7615® 및 Ferrochronin 600®로 시판되는 것과 같은, UNS N06600 지정된 Ni계 니켈-철 크롬 합금, 뿐만 아니라 다양한 희석 니켈 합금은 스파크 플러그 전극 재료로 널리 사용되고 있다. 희석 니켈 합금은 일반적으로 합금의 90 중량% 이상의 니켈 함량과 소량의 다양한 합금 원소, 예를 들어 실리콘, 알루미늄, 이트륨, 크롬, 티타늄, 코발트, 텅스텐, 몰리브덴, 니오븀, 바나듐, 칼슘, 망간 등을 가지는 고 니켈 합금으로, 순수 니켈의 것보다 고온도 성질을 개선하고, 고온 산화, 황화 및 관련 부식 마모뿐만 아니라 이들 장치의 작동으로부터 야기하는 주기적 열 기계 응력과 관련된 변형, 크래킹 및 파괴에 대한 내성을 보강한다.

잘 알려진 바와 같이, 이들 희석 니켈 합금의 고온 산화에 대한 내성은 작동 온도가 상승함에 따라 감소한다. 연소 환경이 높은 산화 분위기이므로, 고온 산화 및 황화에 의해 발생된 변형 및 파괴를 포함하는 부식 마모는 일어날 수 있고, 가장 높은 작동 온도에서 특히 악화된다. 작동 온도의 상한값(예, 1400℉)에서, 인장, 크리프 파괴, 피로 강도가 크게 감소되는 것으로 관찰되며, 이로 인해 전극의 변형, 크래킹 및 피괴를 야기할 수 있다. 이들 고온 현상은 전극 디자인, 특정 작업 조건 및 다른 원소들에 의존하여, 스파크 플러그 갭의 바람직하지 않은 성장 및 점화 장치와 관련된 엔진의 성능의 약화에 개별적으로 그리고 집단적으로 기여할 수 있다. 극단의 경우에, 전극, 점화 장치 및 관련 엔진의 고장은 이들 고온 현상으로부터의 전극 변형 및 파괴로부터 일어날 수 있다. 이들 고장 모드와 결과는 특히 레이싱 엔진과 같은, 경쟁 어플리케이션에서 문제가 될 수 있다.

따라서, 고온 산화, 황화 및 관련 부식 마모에 대한 내성을 개선하고 뿐만 아니라 고온 인장, 크리프 파괴와 피로 강도 및, 크래킹과 피괴에 대한 내성을 개선하는, 희석 니켈 합금으로부터 만든 고 성능 전극의 필요성이 있다.

한 양태에서, 본 발명은 고온 산화, 황화 및 관련 부식 마모에 대한 내성을 개선하고 뿐만 아니라 고온 인장, 크리프 파괴와 피로 강도 및, 크래킹과 피괴에 대한 내성을 개선하는, 희석 니켈 합금으로부터 만든 점화장치용 전극을 포함하며, 상기 희석 니켈 합금은 90 중량% 이상의 니켈, 지르코늄, 붕소 및 알루미늄, 마그네슘, 실리콘, 크롬, 티타늄 및 망간으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함한다. 알루미늄, 실리콘, 크롬, 티타늄 및 망간은 희석 합금 원소들로 해서 모든 6개의 원소들을 포함하며, 이들은 임의의 조합들과 대응 량으로 추가될 수 있다. 지르코늄과 붕소를 추가한바, 이들 원소들을 개별적으로 어느 하나를 추가해서 얻을 수 있는 개선과 비교해서, 이들 합금내에서 나타난 성질의 개선에서 보다 시너지 효과가 나타나는 것으로 관찰된다. 지르코늄과 붕소는 일반적으로 약 5 내지 150, 적합하게 50 내지 100, 가장 적합하게 70 내지 80의 Zr/B의 중량비로 존재하게 될 것이다. 지르코늄과 붕소가 전극 합금의 요구조건에 맞추어 임의의 양으로 존재할 수 있지만, 일반적으로 약 2.74 중량% 또는 그 이하의 지르코늄과 약 3.50 중량% 또는 그 이하의 붕소가 이들 구성원소의 양호한 상한값으로 바람직하다. 또한 지르코늄의 양이 붕소의 양보다 많은 것이 바람직한 것으로 바람직하다. 희석 원소로서, 알루미늄과 실리콘; 알루미늄, 실리콘과 이트륨; 및 크롬, 실리콘, 망간 및 티타늄을 포함하는 희석 니켈 합금에서, 합금의 0.005-0.5 중량% 범위의 지르코늄과 합금의 0.001-0.01 중량% 범위의 붕소가 특히 유용하다.

또 다른 양태에서, 본 발명의 희석 니켈 전극은 또한 이트륨, 란탄, 세륨과 네오디뮴으로 구성하는 적어도 하나의 희토 원소를 포함하는 내산화성을 보강하는 희토 합금 첨가물을 포함한다. 또 다른 양태에서는, 추가로 내산화성을 개선하기 위해서, 발명의 전극은 또한 하프늄을 포함할 수 있다.

또 다른 양태에서, 본 발명의 희석 니켈 전극은 또한 적어도 하나의 코발트, 니오븀, 바나듐, 몰리브덴, 텅스텐, 구리, 철, 탄소, 칼슘, 인 또는 유황을 포함한 미량 원소(trace element)를 포함할 수 있다.

또 다른 양태에서는, 본 발명의 희석 니켈 전극은 희석 합금 원소로서 실리콘과 알루미늄을 포함할 수 있다. 희석 합금 원소로서 실리콘과 알루미늄을 포함하는 본 발명의 희석 니켈 전극의 한 예는 1.0-1.5 중량% 알루미늄, 1.0-1.5 중량%의 실리콘; 0.005-0.5 중량% 지르코늄, 0.001 - 0.01 %중량 붕소와 나머지 대부분 니켈을 포함하는 합금이다. 양호하게, 희석 합금 원소로서 실리콘과 알루미늄을 포함하는 본 발명의 희석 니켈 전극은 1.0-1.5 중량% 알루미늄; 1.0-1.5 중량%의 실리콘; 0.005-0.5 중량% 지르코늄; 0.001-0.01 중량% 붕소; 0.1-0.2 중량% 이트륨 및 나머지 니켈 및 미량 원소를 포함하는 합금이다. 보다 양호하게는, 희석 합금 원소로서 실리콘과 알루미늄을 포함하는 본 발명의 희석 니켈 전극은 1.0-1.5 중량% 알루미늄; 1.0-1.5 중량%의 실리콘; 0.005-0.5 중량% 지르코늄; 0.001-0.01 중량% 붕소, 0.1 - 0.2 중량% 이트륨, 0.005-0.2 중량% 하프늄과 나머지 니켈 및 미량 원소를 포함하는 합금이다.

또 다른 양태에서는, 본 발명의 희석 니켈 전극은 희석 합금 원소로서 크롬, 실리콘, 망간 및 티타늄을 포함할 수 있다. 희석 합금 원소로서 크롬, 실리콘, 망간 및 티타늄을 포함하는 본 발명의 희석 니켈 전극의 한 예는 1.65-1.90 중량% 크롬, 0.35-0.55 중량% 실리콘; 1.80-2.10 중량% 망간, 0.20-0.40 중량% 티타늄, 0.005-0.5 중량% 지르코늄; 0.001-0.01 중량% 붕소와 나머지 대부분 니켈을 포함하는 합금이다. 양호하게, 희석 합금 원소로서 크롬, 실리콘, 망간 및 티타늄을 포함하는 본 발명의 희석 니켈 전극은 1.65-1.90 중량% 크롬; 0.35-0.55 중량% 실리콘, 1.80-2.10 중량% 망간, 0.20-0.40 중량% 티타늄, 0.005-0.5 중량% 지르코늄; 0.001-0.01 중량% 붕소, 0.005-0.2 중량% 하프늄과 나머지 니켈 및 미량원소를 포함한다.

또 다른 양태에서는, 점화 장치는 일반적으로 환형 세라믹 절연체; 상기 세라믹 절연체의 적어도 일부분을 에워싸는 전도성 셸; 상기 세라믹 절연체내에 배치되고, 센터 전극 스파팅 표면이 있는 스파킹 단부와 터미널 단부를 가지는 센터 전극; 상기 셸에 작동가능하게 부착되고, 상기 센터 전극 스파팅 표면에 인접해서 위치된 접지 전극을 가지는, 접지 전극을 포함하는 스파크 플러그이며, 상기 센터 전극 스파팅 표면과 상기 접지 전극 스파팅 표면사이에 스파크 갭을 형성하며; 상기 센터 전극 또는 상기 접지 전극의 적어도 하나는 본 발명의 전극이다.

스파크 플러그는 또한 센터 전극 또는 접지 전극중 적어도 하나에 부착된 스파킹 팁을 가질 수 있으며, 스파킹 팁은 금, 금 합금, 백금 그룹 금속 또는 텅스텐 합금중 하나를 포함한다. 백금 그룹 금속 스파크 팁은 백금, 이리듐, 로듐, 팔라듐, 루테늄 및 레늄으로 구성하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소와 이들의 임의의 조합 합금을 포함할 수 있다. 백금 그룹 금속은 또한 합금 첨가물로서 니켈, 크롬, 철, 망간, 구리, 알루미늄, 코발트, 텅스텐, 이트륨, 지르코늄, 하프늄, 란탄, 세륨과 네오디뮴으로 구성하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함할 수 있다.

또 다른 양태에서는, 스파크 플러그는 양 극성 또는 음 극성중 하나와 작동가능한 센터 전극과 접지 전위와 작동가능한 접지 전극의 가능성을 가질 수 있다.

합금으로부터 만든 전극을 포함하는 본 합금 및 스파크 플러그는 종래 기술의 스파크 플러그와 합금에 존재하는 단점과 약점을 극복하고 고온 산화/황화, 부식, 변형 및 파괴에 대한 내성을 개선하는 희석 니켈 합금 재료를 제공한다.

본 발명의 상술 및 다른 특징과 장점은 아래의 상세한 설명과 첨부의 도면을 참고로 하면 보다 용이하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 Ni-계 니켈-철-크롬 합금으로부터 제작된 셸과 센터 전극을 포함하는 예시적 스파크 플러그의 부분 단면도.
도 2는 도 1의 영역 2의 단면도.
도 3은 열 전도 코어를 가지는 도 1에 도시한 전극의 변경 전극 구성을 도시하는 영역 3의 단면도.
도 4는 고온 스파킹 팁을 가지는 본 발명에 따른 Ni-계 니켈-철-크롬 합금으로부터 제작된 센터 전극과 셸을 포함하는 예시적 스파크 플러그의 부분 단면도.
도 5는 도 4의 영역 5의 단면도.
도 6은 열 전도 코어를 가지는 도 4에 도시한 전극의 변경 전극 구성을 도시하는 영역 6의 단면도.

도 1 내지 도 6를 참조하면, 본 발명은 연료/공기 혼합물을 점화하는데 사용되는 점화 장치(5)용 전극이다. 전극은 스파크 플러그, 글로우 플러그, 점화기 등의 다양한 구성을 포함하는 임의의 적합한 점화 장치(5)에 사용될 수 있지만, 특히 다양한 스파크 플러그 전극 구성에 사용하기에 적합하다. 스파크 플러그와 같은 점화 장치의 전극은 장치의 기능에 필수적이다. 스파크 플러그와 같은, 스파크 점화 장치에서, 전극에 사용된 합금은 장치에 의해 겪게 되는, 가장 극한의 온도, 압력, 화학 부식 및 물리적 식각 상태에 노출된다. 이들은 산화, 황화를 촉진하는 연소 프로세스와 다른 부식 프로세스와 관련된 매우 많은 고온 화학 반응족에, 뿐만 아니라 전극의 스파크 표면의 식각을 촉진하는 초기 점화핵(spark kernel) 및 플레임 프론트(flame front)에 관련된 플라즈마의 반응에 전극 합금이 노출되는 것을 포함한다. 전극은 또한 극한 온도에 주기적인 노출에 관련된 열-기계적 스트레스를 받고, 특히 전극 합금과는 다른 물리적 및 기계적 성질, 예를 들어 열팽창 계수를 가지는 전극 표면상의 부식물로부터 많은 부식 프로세스를 받는다. 또한 귀금속 스파크 팁이 기계적으로 변형, 용접 그렇지 않으면 스파킹 표면으로서 전극 단부에 부착되어지는 경우에, 귀금속 팁과 전극 재료의 열 팽창 계수의 불일치에 관련된 추가의 주기적 기계적 스트레스가 있으며, 이들은 다양한 고온 크리프, 변형, 크래킹 및 파괴 현상을 야기할 수 있으며, 결국에 귀금속 팁과 전극의 파단을 가져온다. 이들 모두는 전극의 성질을 악화시킬 수 있는 프로세스들로 나타내며, 특히 이들은 스파크 갭을 변경시켜서 스파크의 형성, 위치, 형상, 지속성 및 다른 특징들을 변경시키고, 그리고 그 다음에 연료/공기 혼합물의 연소 특성 및 엔진의 성능 특성에 영향을 줄 수 있다. 본 발명은 스파크 플러그의 센터와 접지 전극 재료로서 자주 사용되는 희석 니켈 합금에서의 이들 악화 프로세스들을 개선하고자 한다.

도 1 내지 도 3를 참조하면, 본 발명에 따른 전극을 가지는 스파크 플러그는 전체적으로 도면부호 10으로 도시되어 있다. 스파크 플러그(10)는 도면부호 12로 도시되어 있는 전체적으로 환형 세라믹 절연체를 포함하며, 절연체는 특정 절연 강도, 고 기계적 강도, 고 열전도성 및 열쇼크에 우수한 내성을 가지는 산화 알루미늄 또는 다른 적합한 전기 절연 재료를 포함한다. 절연체(12)는 그린 상태에서 세라믹 분말로부터 프레스 성형되어 세라믹 분말을 조밀하게 하고 자기화하는데 충분한 고온으로 소결된다. 절연체(12)는 점화 와이어와 시스템(도시 생략)과 스파크 플러그의 터미널 단부(20)의 전기적 접속을 전기적으로 절연하기 위해서 고무 또는 다른 절연 스파크 플러그 부트(boot)(도시 생략)가 둘러싸이고 그립부분의 노출 상부분(14)을 포함할 수 있는 외면을 가진다. 노출 마스트 부분(14)은 스파크나 2차 섬락(secondary voltage flashover) 전압에 대해서 추가의 보호를 제공하고, 마스트 부분과 스파크 플러그 부트의 그립핑 작용을 개선도록 일련의 리브(16) 또는 다른 표면 그레이징 또는 피쳐(glazing or features)를 포함할 수 있다. 절연체(12)는 일반적으로 관형 또는 환형 구조로 되어 있고, 상부 터미널 단부(20)와 하부 코어 노스 단부(22)(lower core nose end) 사이를 길이방향으로 연장하는 중앙 통로(18)를 포함한다. 중앙 통로(18)는 일반적으로 다양한 단면적을 가지는데, 터미널 단부(22)에서 또는 그 근처에서 가장 크고 코어 노스 단부(22)에서 또는 그 근처에서 가장 작다.

전도 금속 셸은 전체적으로 도면부호 24로 도시되어 있다. 금속 셸(24)을 다양한 코팅 또는 비코팅 스틸 합금을 포함하는, 임의의 적합한 금속으로 만들 수 있다. 셸(24)은 절연체(12)의 중간 및 하부분의 외면을 둘러싸고 이와 밀봉 결합하도록 되어 있고 적어도 하나의 부착된 접지 전극(26)을 포함하는 일반적으로 환형 내면을 가진다. 접지 전극(26)이 흔히 사용되는 싱글 L-형상 스타일로 도시되어 있지만, 직선, 굽은, 환형, 트로코이드형 또는 다른 형상의 멀티플 접지 전극을 두, 세, 네 개 전극 형상를 포함하는, 스파크 플러그(10)에 대한 의도한 적용에 따라서 치환할 수 있다. 예를 들어, 전극들은 특정 스파킹 표면 형상(구성)을 달성하는데 사용된 환형 링 또는 다른 구조에 의해 함께 결합될 수 있다. 접지 전극(26)은 또한 관련 센터 전극 스파킹 표면(51)을 가지는 센터 전극(48)과 접지 전극(26)사이에 위치된 스파크 갭(54)에 인접하고 부분적으로 바운딩하는 스파킹 단부(17)상에, 하나 이상의 접지 전극 스파킹 표면(15)을 가진다. 스파크 갭(54)는 전극과 이들의 각 스파킹 단부와 표면의 상대적 오리엔테이션에 따라서, 단부 갭, 측면 갭 또는 표면 갭을 구성할 수 있다. 접지 전극 스파킹 표면(15)과 센터 전극 스파킹 표면(51)은 각각 둥근, 직사각형 및 다른 형상을 포함하는, 임의의 단면 형상을 가질 수 있으며, 이들 형상은 다를 수 있다.

셸(24)은 본체 부분에서 일반적으로 관형 또는 환형이고 절연체(12)의 소형 메이팅 하부 슐더(11)에 대해서 프레싱 접촉하도록 되어 있는 내부 하부 압축 플랜지(28)를 포함한다. 셸(24)은 일반적으로 또한 절연체(12)의 대형 상부 슐더(13)에 지탱하도록 조립체 작업 동안에 거쳐서 크림프되거나 형성되는(crimped or formed), 상부 압축 플랜지(30)를 포함한다. 셸은 또한 열에 의한 축선방향으로 그리고 방사내향으로 접혀지도록 설계되어 있는 변형가능한 죤(32)을 포함할 수 있으며, 변형가능한 죤은 절연체(12)에 대해서 고정 축선 위치로 셸(24)을 유지하고 절연체(12)와 셸(24) 사이의 기체 기밀 방사 밀봉을 형성하기 위해서, 상부 압축 플랜지(30)의 변형 동안 또는 그 다음에 과도한 축선 압축력의 적용에 관련 있다. 가스켓, 세멘트 또는 다른 밀봉 화합물은 절연체(12)와 셸(24)사이에 끼워넣어질 수 있어서, 조립된 스파크 플러그(10)의 가스 기밀 밀봉을 완벽하게 하고 구조의 완성도를 개선한다.

셸(24)에는 연소실 개구내에 스파크 플러그의 제거와 설치를 위한 툴 수용 헥사곤(34) 또는 다른 피쳐가 제공될 수 있다. 피쳐 크기는 적합하게 관련 분야의 산업 표준 툴 크기에 따를 것이다. 물론, 약간의 적용예는 스팬너 렌치를 수용하는 슬롯과 같은, 헥사곤과 다른 툴 수용 인터페이스 또는 레이싱 스파크 플러그에서 알려진 바와 같은 다른 피쳐를 필요로 할 수 있다. 나사진 섹션(36)은 금속 셸(24)의 하부분상에, 밀봉 시트(38) 바로 아래에 형성되어 있다. 밀봉 시트(38)는 적당한 인터페이스를 제공하도록 가스켓(도시 생략)과 쌍으로 형성될 수 있다. 상기 인터페이서에 대항해서 스파크 플러그(10)가 안치되어 셸(24)의 외면과 연소실 개구내의 나사진 보어 사이의 스페이스의 고온 가스 밀봉을 제공한다. 변경적으로, 밀봉 시트(38)는 조밀한 오차를 제공하기 위해서 셸(24)의 하부분을 따라서 위치된 테이퍼진 시트로 설계될 수 있으며 또한 스파크 플러그 시트의 스타일에 맞은 메이팅 테이퍼로 설계되어진 실린더 헤드내의 자체-밀봉 설치물로서 설계될 수 있다.

전기 전도 터미널 스터드(40)는 절연체(12)의 중앙 통로(18)내에 부분적으로 배치되며, 노출 상부 포스트(39)로부터 아래로 중앙 통로(18) 중간에 들어 있는 바닥 단부(41)까지 연장한다. 상부 포스트(39)는 여기에 기술한 바와 같은 전기 절연 부트내에 통상적으로 들어 있는 점화 와이어(도시 생략)에 연결하고 스파크 갭(54)내에 스파크를 발생함으로써 스파크 플러그(10)를 점화하는데 필요한 높은 전압 전기의 타임드 디스차지(timed discharges)를 수용한다.

터미널 스터드(40)의 바닥 단부(41)는 복합 3층 억제자-밀봉 팩(43)의 상의 상단을 이루는 전도 유리 밀봉(42)내에 들어 있다. 전도 유리 밀봉(42)은 터미널 스터드(40)의 바닥 단부를 밀봉하고 레지스터 층(44)에 전기적 접속을 하는 기능을 한다. 복합 3층 억제자-밀봉 팩의 센터 층을 포함하는, 상기 레지스터 층(44)은 전자계 간섭(EMT)을 감소하는데 알려진 임의의 적합한 조성물로 만들 수 있다. 사용된 점화 시스템의 추천된 설치물과 형태에 따라서, 예를 들어 레지스터 층(44)은 보다 전통적인 레지스터-억제자로서 기능하도록, 또는 변경적으로 유도-억제자(inductive-suppressor), 또는 이들의 조합으로 기능하도록 설계될 수 있다. 레지스터 층(44) 바로 아래에, 다른 전도 유리 밀봉(46)이 억제자-밀봉 팩(43)의 바닥 또는 하부에 설정되어 터미널 스터드(40)와 억제자-밀봉 팩(43)을 센터 전극(48)에 전기적으로 접속한다. 상부 층(42)와 바닥 층(46)은 동일한 도전 재료 또는 상이한 도전 재료로 만들 수 있다. 유리의 많은 다른 형상(구성), 다른 밀봉 및 EMI 억제자는 잘 알려져 있으며 또한 본 발명에 따라서 사용될 수 있다. 따라서, 점화 시스템으로부터의 전기 전하는 터미널 스터드(40)의 바닥 단부를 통해서 이동하여 상부 층 도전 유리 밀봉(42)으로, 그리고 레지스터 층(44)을 통해서 하부 도전 유리 밀봉 층(46)으로 이동한다.

전도성 센터 전극(48)은 부분적으로 중앙 통로(18)내에 배치되어 길이방향으로 하부 유리 밀봉 층(46)내에 싸여 있는 헤드(49)에서부터 접지 전극(26) 부근의 스파킹 단부(50)까지 연장한다. 센터 전극 스파킹 표면(51)이 스파킹 단부(50)상에 위치하고 접지 전극 스파킹 표면(15)에 대향해 위치되므로, 이들 사이의 공간에 스파크 갭(54)을 형성한다. 억제-밀봉 팩은 터미널 스터드(40)과 센터 전극(48)을 전기적으로 상호접속하며, 동시에, 작동 동안 연소 가스 누설로부터 중앙 통로(18)를 밀봉하고 또한 스파크 플러그(10)로부터 라디오 주파수 잡음 방출을 억제한다. 도시한 바와 같이, 센터 전극(48)은 양호하게 헤드로부터 스파킹 단부(50)까지 연속적으로 중단없이 연장하는 원-피스 구조이다. 스파크 플러그(10)의 작동 동안에 센터 전극(48)의 극성이 음극 또는 양극 중 어느 하나로 될 수 있어서, 센터 전극(48)이 접지 전위보다 높거나 낮은 전위를 가질 수 있음을 쉽게 이해할 수 있다.

도시한 스파크 플러그(10)는 대표적인 구조를 나타낸 것이고, 절연체(12), 셸(24) 및 전극(26, 48)를 사용해서 다른 스파크 플러그(10) 또는 점화 장치(5)의 구성이 본 발명에 따라서 쉽게 가능하리라 생각된다.

센터 전극(48)과 셸 전극(26) 중 적어도 하나, 양호하게는 양쪽 모두는 유사한 합금 구성물(formulations) 보다 우수한 상술한 악화 프로세스들에 개선된 내성(resistance)을 주도록 특별히 구성되어진 희석 니켈 합금으로부터 만들진다. 구체적으로, 지르코늄과 붕소의 특정 량을 기존 합금 구성물에 추가사용해서 기존 합금 구성물에서 보다 우수하게 상술한 나쁜 프로세스에 개선된 내성을 주는 합금 구성물로 개선한다. 기존 합금 구성물은 이들 합금 첨가물을 포함하지 않은 유사한 합금 구성물이다. 일반적으로, 지르코늄과 붕소의 소량을 추가하는 대신에 같은 량의 니켈을 추가해도 상술한 개선을 얻을 수 있다. 본 발명의 전극은 적어도 90 중량% 니켈; 지르코늄; 붕소; 알루미늄, 실리콘, 크롬,티타늄 및 망간으로 이루어지는 그룹으로부터의 적어도 하나의 원소를 포함하는 솔루션-증강 희석 니켈 합금이다. 여기서 상술한 바와 같이 지르코늄과 붕소를 함유하는 솔루션-증강 희석 니켈 합금에서 출원인에 의해 관찰된 유사한 개선들은 동일자 출원된 미국 특허 출원번호 11/764,528에 있으며, 이들 특허출원은 본 발명에서 참고로 사용되고 있다. 확실하게, 본 발명은 또한 지르코늄, 붕소 적어도 하나의 다른 솔루션 증강 요소와 적어도 50% 니켈을 포함하는, 다른 솔루션-증강 희석 니켈 합금으로부터 만든 스파크 플러그까지 확장한다. 여기서 언급한 합금 요소의 퍼센트는 특별한 언급이 없는 한 합금의 중량 퍼센트이다. 지르코늄과 붕소는 일반적으로 Zr/B의 중량비율이 약 5로부터 150까지의 범위인 량으로 포함되어 있다. 그러나, 이 비율의 보다 양호한 범위는 약 50 내지 100이고, 보다 양호한 범위는 약 70 내지 80이다. 지르코늄과 붕소가 전극 합금의 다른 요구조건에 맞추어 임의의 량으로 존재할 수 있지만, 확실하게는 지르코늄의 약 2.74 중량% 또는 그 이하 및 붕소 약 3.50 중량% 또는 그 이하가 이들 원소들의 양호한 상한값이라는 것이다. 또한 확실하게는 지르코늄의 량이 붕소의 량보다 큰 것이 바람직하다는 것이다. 솔루션-증강 희석 니켈 합금에서 일반적으로, 합금의 0.005-0.5 중량% 범위내의 지르코늄과 합금의 0.001-0.01 중량 % 범위 붕소의 사용이 특히 유용한 것으로 확신된다. 알루미늄, 실리콘, 크롬, 티타늄 및 망간으로 이루어지는 그룹에서의 적어도 하나의 원소를 포함하는 상술한 합금 조성물에서, 합금의 0.005-0.5 중량% 범위내의 지르코늄과 합금의 0.001-0.01 중량 % 범위 붕소의 사용이 특히 유용한 것으로 알려져 있다. 붕소 및 지르코늄은 입계 강화제로 알려져 있다. 이들은 입계에 편석하여 입계를 안정화시켜서 입계 강도와 연성을 증가시키고, 입계 확산을 지연시키고, 전극의 작동 상태 하에서 환경적 및 기계적 인자로 야기 되는 입간 크래킹을 슬라이딩하고 지체시킨다. 그럼으로써, 고온 결정립 성장을 방지하고 고온 크리프, 변형 환경적 크래킹 및, 스트레스 파단과 같은 다양한 파괴 현상에 대한 합금의 내성을 증강시킨다. 지르코늄과 붕소의 첨가에 관한 성능 개선은 시너지 효과가 나서 지르코늄 또는 붕소중 하나가 합금에 개별적으로 추가될 때 나오는 개선보다 크다.

이들 합금의 나쁜 내성에 대한 추가의 개선으로서, 확실하게 고온 산화와 황화 내성의 개선이 달성되도록, 상술한 전극 합금 재료 조성물은 또한 하프늄을 포함할 수 있다. 하프늄의 량은 약 0.005-0.2% 범위일 수 있다. 하프늄의 량은 일반적으로 지르코늄의 량과 비교가능하지만, 본 발명에는 주요하지 않다. 내산화와 내황화성을 증감시킴으로써, 합금성분의 열 팽창 계수 불일치와 관련된 산화 스케일 스폴링(열충격성) 현상과 다양한 크래킹에 대한 내성을 개선하고 크랙을 전파하는 경향이 있는 열-기계적 스트레스에 대한 내성을 개선한다.

본 발명의 희석 니켈 합금은 적어도 90 중량%를 포함한다. 니켈은 합금 첨가물로서 하나 이상의 희석 원소에 의해 희석된다. 가장 일반적으로, 합금은 알루미늄, 실리콘, 티타늄 및 망간으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 합금 첨가물로서 포함할 수 있다. 특히, 이들 합금은 임의의 조합 형태의 이들 두 원소를 포함한다. 특히, 이들 합금 임의의 조합 형태의 이들 3 원소를 포함한다. 매우 특히, 이들 합금은 임의의 조합 형태의 이들 4 원소를 포함한다. 매우 특히, 이들 합금은 임의의 조합 형태의 이들 5 원소를 포함한다. 매우 특히, 이들 합금은 임의의 조합 형태의 이들 6 원소를 포함한다.

이들 합금의 내성 악화에 대한 추가의 개선으로서, 특히 고온 내산화성의 개선으로, 상술한 전극 합금 재료 조성물은 또한 합금 첨가물로서 적어도 하나의 희토 원소를 포함할 수 있다. 본 출원의 목적으로, 희토 원소는 상술한 바와 같이, 이트륨과 하프늄을 포함하며, 이들은 반응 전이 금속이지만, 희토 원소 합금 첨가물에 의해 생성된 것과 유사한 솔루션 강화 희석 니켈 합금을 개선한다. 특히 희토 원소는 이트륨, 하프늄, 란타늄, 세륨 및 니오븀로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 한 원소를 포함할 것이다. 그러나, 희토 원소 합금 첨가물의 조합은 본 발명의 범주에 속한다. 또한 더욱 상세하게, 모든 희토 원소 합금 첨가물의 조성 범위는 양호하게 합금의 약 0.1-0.2중량%으로 제한된다. 하프늄이 선택되는 경우에, 이의 량은 상술한 다른 희토 구성물과의 무관하게 정해질 수 있지만, 양호하게는 모든 희토 원소 구성물의 전체가 하는 합금의 약 0.1-0.2중량%이다.

전극 합금 재료는 또한 미량의 다른 원소들을 포함할 수 있다. 이들 미량 원소는 불가피한 불순물 원소들이다. 통상적으로 불가피한 불순물은 주요 합금 구성물 재료에 사용된 프로세스 또는 전극 합금에 사용된 프로세스와 관련이 있다. 그러나, 다른 전극 구성물의 순도와 제조 프로세스가 제어된다면, 이들 미량 원소는 불가피하게 필요하지 않고 이들의 존재 또는 부재와 반응 량은 제어될 수 있다. 미량 원소는 철, 칼슘, 코발트, 니오븀, 바나듐, 텅스텐, 몰리브덴, 구리, 카본, 인 및 황의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 본 발명의 전극 합금 재료는 통상적으로 이들 원소들의 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이들의 전체 수는 목적의 구성물을 생성하는데 사용된 소스와 제작 방법에 관련이 있다. 철, 코발트, 니오븀, 텅스텐, 바나듐, 몰리브덴, 구리 및 카본을 포함하는 약간의 이들 원소는 상술한 고온 성질상의 약간의 포지티브 영향에 중립적일 수 있다. 이들 원소의 합금에 존재하는 정도는, 고온 성질상에 포지티브 또는 네가티브 효과를 가지는 것이든지 무관하게, 양호하게 이들의 양은 아래와 같이 합금의 중량%로 제한된다; 코발트 0.05% 최대, 니오븀 0.01% 최대, 바나듐 0.05% 최대, 텅스텐 0.05% 최대, 구리 0.05% 최대, 카본 0.01% 최대, 인 0.005% 최대 및 황 0.005% 최대.

두 희석 구성물의 합금의 예시적인 실시예에서, 원소는 알루미늄과 실리콘을 포함할 수 있다. 특히, 합금은 1.0-1.5 중량% 알루미늄, 1.0-1.5 중량%의 실리콘; 0.005-0.5 중량% 지르코늄, 0.001 - 0.01 %중량 붕소와 나머지 대부분 니켈을 포함한다. 양호하게, 내산성을 개선하기 위해서 합금은 1.0-1.5 중량% 알루미늄; 1.0-1.5 중량%의 실리콘; 0.005-0.5 중량% 지르코늄; 0.001-0.01 중량% 붕소; 0.1-0.2 중량% 이트륨 및 나머지 니켈 및 미량 원소를 포함한다. 보다 양호하게는, 내산성을 더욱더 개선하기 위해서, 합금은 1.0-1.5 중량% 알루미늄; 1.0-1.5 중량%의 실리콘; 0.005-0.5 중량% 지르코늄; 0.001-0.01 중량% 붕소, 0.1 - 0.2 중량% 이트륨, 0.005-0.2 중량% 하프늄과 나머지 니켈 및 미량 원소를 포함한다.

4개의 희석 구성물을 가지는 본 발명의 합금의 다른 예시적인 실시예에서, 원소는 크롬, 실리콘, 망간 및 티타늄을 포함할 수 있다. 특히 합금은 1.65-1.90 중량% 크롬, 0.35-0.55 중량% 실리콘; 1.80-2.10 중량% 망간, 0.20-0.40 중량% 티타늄, 0.005-0.5 중량% 지르코늄; 0.001-0.01 중량% 붕소와 나머지 대부분 니켈을 포함한다. 양호하게, 합금은 1.65-1.90 중량% 크롬; 0.35-0.55 중량% 실리콘, 1.80-2.10 중량% 망간, 0.20-0.40 중량% 티타늄, 0.005-0.5 중량% 지르코늄; 0.001-0.01 중량% 붕소, 0.005-0.2 중량% 하프늄과 나머지 니켈 및 미량원소를 포함한다.

상술한 바와 같은 희석 니켈 합금 재료 조성물로 만든 스파크 플러그 접지 전극(26)과 센터 전극(48)은 산화, 황화 및 관련 부식 마모에 대한 내성 뿐만 아니라 내연기관의 연소실의 극한 환경에서의 열 기계적 스트레스와 관련된 크래킹 및 파괴에 대한 내성을 개선한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 변경 전극 형태에서, 접지 전극(26)과 센터 전극(48) 중 어느 하나 또는 둘 모두에 구리 또는 은 또는 이들 중 어느 하나를 포함하는 다양한 합금과 같은 고 열전도성(예, ≥250 W/M* ⁰K)의 재료로부터 만든 고열전도 코어(제각기 27, 49)가 제공될 수 있다. 고열전도 코어는 열 싱크로 작용하여 스파크 갭(54) 영역으로부터 열을 방출하는데 도움을 줌으로써, 이 영역내의 전극의 작동 온도를 낮추고 추가로 이들의 성능을 개선하고 여기서 기술한 나쁜 프로세스에 대한 내성을 개선한다.

도 4 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 스파크 플러그(10)는 또한 접지 전극(26)과 센터 전극(48) 중 어느 하나 또는 둘 모두상에 성능을 개선하고 또는 여기서 기술한 나쁜 프로세스에 대한 내성을 개선하는 다른 고온 재료로된 제각기 점화 팁(62, 52)을 가질 수 있다. 팁은 모든 종류의 귀금속과 비귀금속 점화 팁을 포함할 수 있다. 센터 전극(48)의 점화 팁(52)은 이 전극의 스파킹 단부(50)상에 위치되고 스파킹 표면(51')을 가진다. 접지 전극(26)의 점화 팁(62)은 이 전극의 스파킹 단부(17)상에 위치되고 스파킹 표면(15')을 가진다. 사용시, 점화 팁(62, 52)은 스파크 갭(54)을 가로질러 전자를 방출하기 위한 스파킹 표면(51', 15')을 제각기 포함한다. 센터 전극(48)의 점화 팁(52)과 접지 전극(26)의 점화 팁(62)은 각각 다양한 종래 기술중 어느 하나에 따라서 만들어져 결합될 수 있다. 이들 종래 기술은 다양한 패드형, 와이어형 또는 리벗형 점화 팁의 형성과 부착을 포함한다. 점화 팁(62, 52)은 Au-40 Pd(중량 퍼센트) 합금과 같은 Au-Pd 합금을 포함하는, 금 또는 금 합금으로부터 만들어진다. 점화 팁(62, 52)은 또한 종래 순수 금속 또는 백금, 이리듐, 로듐, 팔라듐, 루테늄 및 레늄을 포함하는, 백금 그룹 금속의 합금과 이들을 조합한 다양한 합금으로부터 만들 수 있다. 본 출원의 목적으로, 레늄 또한 백금 그룹 금속의 것과 유사한 고 융점 및 다른 고온 특성을 근거한 백금 그룹 금속의 정의 내에 포함될 것이다. 그러나, 점화 팁(62, 52)내에 사용하기 위한 첨가 합금 원소는 니켈, 크롬, 철, 망간, 구리, 알루미늄, 코발트, 텅스텐, 지르코늄 및 이트륨, 란타늄, 세륨 및 네오디뮴을 포함하는 희토 원소를 포함하며, 이들 원소에 제한되지는 않는다. 사실상, 연소 환경내의 적당한 스파크 침식부식(Erosion Corrosion) 성능을 제공하는 임의의 재료도 점화 팁(62, 52)으로서 사용하기에 적합할 수 있다. 점화 팁(62, 52)은 또한 W-Ni, W-Cu 및 W-Ni-Cu 합금을 포함하는 다양한 텅스텐 합금으로도 만들 수 있다.

점화 팁(62, 52)과 다른 특정요소가 전극 바디에 용접될 때, 본 희석 니켈 전극 재료는 또한 유익하다. 이는 고온에서 용접의 내파괴성과 내구성과 강도를 제공한다. 본 희석 니켈 전극 재료는 스파크 플러그(10)용 셸 전극(26)과 센터 전극(48)의 특정 분야에 사용되는 것으로 기술되어 있어도, 다른 점화 장치용 전극에 본 합금을 사용하고 적용하는 것은 이 기술분야의 종사자에 의해 쉽게 생각할 수 있을 것이다. 본 발명의 재료의 고온 산화 및 황화, 고온 기계적 강도에 대한 우수한 내성으로 인해서, 열 기계적 유도 스트레스에 의한 용접 부착물, 특히 다양한 점화 팁 형상과 관련된 부착물의 크래킹 및 파괴를 개선한다.

분명하게, 본 발명의 많은 개량과 변경은 상술한 내용으로부터 가능하다. 그러므로, 첨부의 청구범위 내에서 본 발명은 위에서 특정한 것 외에 다른 것으로도 실행될 수 있음을 이해해주기 바란다.

Claims (21)

1. 점화장치용 전극으로서,
   상기 전극은 90 중량% 이상의 니켈;
   지르코늄;
   붕소; 및 알루미늄, 마그네슘, 실리콘, 크롬, 티타늄 및 망간으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 합금으로 형성된 점화장치용 전극.
2. 제 1항에 있어서, 하프늄을 더 포함하는 점화장치용 전극.
3. 제 1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 원소는 실리콘과 알루미늄을 포함하도록 선택되는 점화장치용 전극.
4. 제 3항에 있어서, 상기 합금의 중량%로 1.0-1.5% 알루미늄; 1.0-1.5% 실리콘; 0.005-0.5% 지르코늄; 0.001-0.01% 붕소 및 나머지 대부분 니켈을 포함하는 점화장치용 전극.
5. 제 3항에 있어서, 이트륨, 하프늄, 란타늄, 세륨 및 네오디뮴을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 희토 원소를 더 포함하는 점화장치용 전극.
6. 제 5항에 있어서, 상기 합금의 중량%로 1.0-1.5% 알루미늄; 1.0-1.5% 실리콘; 0.005-0.5% 지르코늄; 0.001-0.01 % 붕소; 0.1-0.2% 이트륨 및 나머지 니켈과 미량원소를 포함하는 점화장치용 전극.
7. 제 5항에 있어서, 상기 적어도 하나의 희토 원소는 이트륨 및 하프늄을 더 포함하도록 선택되는 점화장치용 전극.
8. 제 1항에 있어서, 상기 합금의 중량%로 1.0-1.5% 알루미늄; 1.0-1.5% 실리콘; 0.005-0.5 % 지르코늄; 0.001-0.01% 붕소; 0.1-0.2% 이트륨; 0,005-0.2% 하프늄 및 나머지 니켈과 미량원소를 포함하는 점화장치용 전극.
9. 제 6항에 있어서, 상기 미량원소는 코발트, 니오븀, 바나듐, 몰리브덴, 텅스텐, 구리, 철, 탄소, 칼슘, 인 또는 유황 중 적어도 하나를 포함하는 점화장치용 전극.
10. 제 8항에 있어서, 상기 미량원소는 코발트, 니오븀, 바나듐, 몰리브덴, 텅스텐, 구리, 철, 탄소, 칼슘, 인 또는 유황 중 적어도 하나를 포함하는 점화장치용 전극.
11. 제 1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 원소는 크롬, 실리콘, 망간 및 티타늄을 포함하도록 선택되는 점화장치용 전극.
12. 제 11항에 있어서, 상기 합금의 중량%로, 1.65-1.90% 크롬, 0.35-0.55% 실리콘; 1.80-2.10% 망간, 0.20-0.40% 티타늄, 0.005-0.5% 지르코늄; 0.001-0.01% 붕소와 나머지 대부분 니켈을 포함하는 점화장치용 전극.
13. 제 11항에 있어서, 하프늄을 더 포함하는 점화장치용 전극.
14. 제 13항에 있어서, 상기 합금의 중량%로, 1.65-1.90% 크롬; 0.35-0.55% 실리콘; 1.80-2.10 중량% 망간, 0.20-0.40 중량% 티타늄, 0.005-0.5 중량% 지르코늄; 0.001-0.01 중량% 붕소, 0.005-0.2 중량% 하프늄과 나머지 니켈 및 미량원소를 포함하는 점화장치용 전극.
15. 제 12항에 있어서, 상기 미량 원소는 코발트, 니오븀, 바나듐, 몰리브덴, 텅스텐, 구리, 철, 탄소, 칼슘, 인 또는 유황 중 적어도 하나를 포함하는 점화장치용 전극.
16. 제 14항에 있어서, 상기 미량원소는 코발트, 니오븀, 바나듐, 몰리브덴, 텅스텐, 구리, 철, 탄소, 칼슘, 인 또는 유황 중 적어도 하나를 포함하는 점화장치용 전극.
17. 제 1항에 있어서, 상기 점화 장치는
    일반적으로 환형 세라믹 절연체;
    상기 세라믹 절연체의 적어도 일부분을 에워싸는 전도성 셸;
    상기 세라믹 절연체내에 배치되고, 센터 전극 스파팅 표면이 있는 스파킹 단부와 터미널 단부를 가지는 센터 전극;
    상기 셸에 작동가능하게 부착되고, 상기 센터 전극 스파팅 표면에 인접해서 위치된 접지 전극을 가지는, 접지 전극을 포함하는 스파크 플러그이며,
    상기 센터 전극 스파팅 표면과 상기 접지 전극 스파팅 표면사이에 스파크 갭을 형성하며; 상기 센터 전극 또는 상기 접지 전극의 적어도 하나는 제 1항에 따른 전극인 점화장치용 전극.
18. 제 17항에 있어서, 상기 센터 전극은 포지티브 극성 또는 네가티브 극성중 하나로 작동가능하고 상기 접지 전극은 접지 전위에 작동가능한 점화장치용 전극.
19. 제 17항에 있어서, 상기 센터 전극 또는 상기 접지 전극중 적어도 하나에 부착된 스파킹 팁을 더 포함하며, 상기 스파킹 팁은 금, 금 합금, 백금 그룹 금속 또는 텅스텐 합금중 하나를 포함하는 점화장치용 전극.
20. 제 20항에 있어서, 상기 백금 그룹 금속은 백금, 이트륨, 로듐, 팔라듐, 루데늄 및 레륨으로 구성하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 점화장치용 전극.
21. 제 20항에 있어서, 상기 백금 그룹 금속은 니켈, 크롬, 철, 망간, 구리, 알루미늄, 코발트, 텅스텐, 이트륨, 지르코늄, 하프늄, 란탄, 세륨과 네오디뮴으로 구성하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 더 포함하는 점화장치용 전극.
    

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