KR20100094526A - 스파크 플러그 및 그의 제조방법 - Google Patents

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KR20100094526A
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니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 목적은 접지 전극에 귀금속 칩을 결합함을 통하여 형성되는 접지 전극의 점화부가 높은 내구성을 갖는 스파크 플러그, 및 상기 스파크 플러그의 제조방법을 제공하는 것이다. 상기 스파크 플러그는 중앙 전극, 절연체, 금속쉘, 및 전극 베이스 금속의 일단은 상기 금속쉘의 일단부에 결합되고, 귀금속 칩은 상기 전극 베이스 금속의 타단에 결합되는 구조로 된 접지 전극을 포함한다. 상기 귀금속 칩은 가공 경화를 통하여 이에 부여되는 Hv200 ~ Hv650(모두 포함)의 평균 경도를 갖는다. 상기 전극 베이스 금속은 15질량% ~ 30질량%(모두 포함)의 양으로 Cr 및 1.5질량% ~ 4질량%(모두 포함)의 양으로 Al을 포함하는 Ni 합금으로 형성된다. 상기 귀금속 칩과 상기 전극 베이스 금속 사이에 제공되는 용접 영역에 포함되는 Ni, Cr, Al, Si, 및 Fe의 전체 질량은 용접 금속 영역의 전체 질량에 대하여 45질량% ~ 95질량%(모두 포함)이다. 상기 귀금속 칩은 상기 용접 영역보다 평균 경도가 높고, 이는 상기 전극 베이스 금속보다 평균 경도가 높다. 상기 용접 금속 영역의 평균 경도는 Hv140 ~ Hv245(모두 포함)이다.

Description

스파크 플러그 및 그의 제조방법{SPARK PLUG AND PROCESS FOR PRODUCING THE SPARK PLUG}
본 발명은 스파크 플러그 및 상기 스파크 플러그의 제조방법, 더욱 구체적으로는, 접지 전극의 점화 표면 상에 제공된 귀금속 칩(noble metal chip)을 갖는 스파크 플러그 및 상기 스파크 플러그의 제조방법에 관한 것이다.
최근 수년 동안, 자동차 엔진과 같은 내연 엔진에 사용되는 스파크 플러그는, 스파크 유발 부식에 대한 저항을 강화할 목적으로, 중앙 전극의 선단부의 점화 표면 또는 중앙 전극에 대향되는 접지 전극의 점화 표면에 용접된 귀금속 칩을 갖는다. 귀금속 칩은 스파크 유발 부식에 대하여 우수한 저항을 갖는, 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 또는 이리듐(Ir)과 같은 귀금속, 또는 이러한 귀금속을 주로 포함하는 합금으로 형성된다. 한편, Ni 합금과 같이 양호한 열전도율을 갖는 금속은 중앙 전극의 전극 베이스 금속으로서 또는 귀금속 칩이 결합되는 접지 전극으로서 사용된다.
상기 전극 베이스 금속 및 상기 귀금속 칩은 충분한 열저항을 갖는다. 그러나, 경우에 따라, 고온 산화 조건 및 고온 열 사이클에 대한 노출의 결과, 상기 전극 베이스 금속과 상기 귀금속 칩 사이의 결합부에 균열이 발생되어, 귀금속 칩의 분리 또는 박리가 초래된다. 또한, 연료의 희박 연소 및 보다 높은 정도의 압축에 대한 최근의 관행에 따라, 귀금속 칩은 직경의 감소가 요구되고 있고, 전극 온도는 증가되는 경향을 보이고 있다. 그 결과, 전극 베이스 금속과 귀금속 칩 사이의 결합부에 부여되는 부하가 증가되고 있다; 그러므로, 귀금속 칩은 전극 베이스 금속으로부터 분리되거나 또는 이탈되기 쉽다. 이러한 상황을 해결하기 위하여, 전극 베이스 금속과 귀금속 칩을 강하게 결합하기 위하여 다양한 시도가 이루어지고 있다.
특허문헌 1은, 내연 엔진을 위한 용접 금속층에서 우수한 결합 강도를 가지며 높은 성능 및 오랜 수명의 스파크 플러그를 제공하기 위하여 귀금속 칩과 중앙 전극 또는 접지 전극 사이에 형성되는 용접 금속층의 치수를 명시한다.
특허문헌 2는, 점화 성능을 보장하면서 상기 접지 전극과 상기 귀금속 칩 사이에서 강화된 결합 성능을 발휘하는 스파크 플러그를 제공하기 위하여, 귀금속 칩과 접지 전극이 융합되는 용접 금속 영역의 형상 및 상기 귀금속 칩의 치수 및 성분을 명시한다.
특허문헌 3은, 강화된 내구성의 점화부를 갖는 스파크 플러그를 제공하기 위하여, 귀금속 칩 내로 그리고 칩 장착 표면 영역 내로 연장되는 완전(full-circle) 레이저 용접 영역의 치수를 명시한다.
한편, 접지 전극은 중앙 전극보다 연소실 내에 더욱 깊숙히 배치된다. 그러므로, 접지 전극은 중앙 전극보다 온도가 더 높게 된다; 즉, 접지 전극은 큰 온도 변화를 수반하는 가혹 환경에 배치된다. 그러므로, 접지 전극으로부터 귀금속 칩이 분리 또는 박리됨을 방지하기 위한 조치가 더욱 크게 요구되고 있다.
특허문헌 1 : 일본국 특허 제3121309호 특허문헌 2 : 일본국 특허 제3702838호 특허문헌 3 : 일본국 특허공개공보 제2002-237370호
본 발명의 목적은 귀금속 칩을 접지 전극에 결합함을 통하여 형성되는 접지 전극의 점화부가 높은 내구성을 갖는 스파크 플러그, 및 상기 스파크 플러그의 제조방법을 제공하는 것이며, 특히, 귀금속 칩과 접지 전극의 전극 베이스 금속 사이에서 양호한 결합 성능을 발휘하는 스파크 플러그, 및 상기 스파크 플러그의 제조방법을 제공하는 것이다.
청구항 1은:
중앙 전극;
중앙 전극의 둘레에 제공되는 절연체;
상기 절연체를 지지하는 금속쉘; 및
접지 전극의 전극 베이스 금속의 일단은 금속쉘의 일단부에 결합되고, 귀금속 칩은 상기 전극 베이스 금속의 타단에 결합되며, 그리고 상기 귀금속 칩의 팁 단부 표면 및 상기중앙 전극의 선단 표면 또는 측표면이 스파크 방전갭을 통하여 서로 대향되도록 하는 구조로 된 접지 전극;으로 이루어지고,
상기 귀금속 칩은 가공 경화를 통하여 이에 부여되는 Hv200 ~ Hv650(모두 포함)의 평균 경도를 가지며;
상기 전극 베이스 금속은 15질량% ~ 30질량%(모두 포함)의 양으로 Cr 및 1.5질량% ~ 4질량%(모두 포함)의 양으로 Al을 포함하는 Ni 합금으로 형성되고;
상기 귀금속 칩과 상기 전극 베이스 금속 사이에 제공되는 용접 영역 내에 포함되는 Ni, Cr, Al, Si, 및 Fe의 전체 질량은 상기 용접 금속 영역의 전체 질량에 기초하여 45질량% ~ 95질량%(모두 포함)이며;
상기 귀금속 칩의 평균 경도는 상기 용접 금속 영역의 평균 경도보다 높고, 상기 용접 금속 영역의 평균 경도는 상기 전극 베이스 금속의 평균 경도보다 높으며; 그리고
상기 용접 금속 영역의 평균 경도는 Hv140 ~ Hv245(모두 포함)임을 특징으로 하는 스파크 플러그를 청구한다.
청구항 2는, 상기 용접 영역 내에 포함되는 Cr, Al, Si, 및 Fe의 전체 질량이 상기 용접 영역의 전체 질량에 대하여 10질량% ~ 45질량%(모두 포함)으로 됨을 특징으로 하는 청구항 1에 의한 스파크 플러그를 청구한다.
청구항 3은, 상기 용접 영역 내에 포함되는 Cr, Al, 및 Si의 전체 질량이 상기 용접 영역의 전체 질량에 대하여 10질량% ~ 30질량%(모두 포함)으로 됨을 특징으로 하는 청구항 1 또는 청구항 2에 의한 스파크 플러그를 청구한다.
청구항 4는, 상기 용접 영역이 상기 귀금속 칩을 레이저 용접에 의하여 상기 전극 베이스 금속에 결합함을 통하여 형성되며, 상기 레이저 용접이 3 밀리세컨드 이상의 레이저 펄스를 다수회 조사함으로써 수행됨을 특징으로 하는 청구항 1 ~ 청구항 3 중 어느 한 항에 의한 스파크 플러그를 청구한다.
청구항 5는:
중앙 전극;
중앙 전극의 둘레에 제공되는 절연체;
상기 절연체를 지지하는 금속쉘; 및
15질량% ~ 30질량%(모두 포함)의 양으로 Cr 및 1.5질량% ~ 4질량%(모두 포함)의 양으로 Al을 포함하는 Ni 합금으로 형성되는 그의 전극 베이스 금속의 일단은 상기 금속쉘의 일단부에 결합되고, 가공 경화를 통하여 이에 부여되는 Hv200 ~ Hv650(모두 포함)의 평균 경도를 갖는 상기 귀금속 칩은 상기 전극 베이스 금속의 타단에 결합되며, 그리고 상기 귀금속 칩의 팁 단부 표면 및 상기 중앙 전극의 선단 표면 또는 측표면이 스파크 방전갭을 통하여 서로 대향되도록 하는 구조로 된 접지 전극;으로 이루어지고,
상기 귀금속 칩은 3 밀리세컨드 이상의 레이저 펄스를 다수회 조사하는 레이저 용접에 의하여, 상기 금속쉘에 결합된 상기 전극 베이스 금속의 일단부와 대향되는 전극 베이스 금속의 일단부에 결합됨을 특징으로 하는 스파크 플러그의 제조방법을 청구한다.
청구항 6은:
15질량% ~ 30질량%(모두 포함)의 양으로 Cr 및 1.5질량% ~ 4질량%(모두 포함)의 양으로 Al을 포함하는 Ni 합금으로 형성되는 전극 베이스 금속의 일단를 금속쉘의 일단부에 결합하고;
중앙 전극 및 절연체를 금속쉘 내에 조립하며; 그리고
가공 경화를 통하여 이에 부여되는 Hv200 ~ Hv650(모두 포함)의 평균 경도를 갖는 귀금속 칩을, 상기 금속쉘에 결합된 상기 전극 베이스 금속 단부와 대향되는 상기 전극 베이스 금속의 일단부에, 3 밀리세컨드 이상의 레이저 펄스를 다수회 조사하는 레이저 용접에 의하여 결합하는 단계로 이루어지는 스파크 플러그의 제조방법을 청구한다.
본 발명에 의한 상기 스파크 플러그의 접지 전극의 전극 베이스 금속은 15질량% ~ 30질량%(모두 포함)의 양으로 Cr 및 1.5질량% ~ 4질량%(모두 포함)의 양으로 Al을 포함하는 Ni 합금으로 형성되므로, 상기 전극 베이스 금속의 산화를 방지하는 것이 가능하다. 따라서, 상기 전극 베이스 금속의 표면 위로, 상기 전극 베이스 금속의 표면으로부터 돌출되는 방식으로, 상기 전극 베이스 금속에 결합되는 귀금속 칩이 높이에 있어서 상대적으로 증가됨을 방지할 수 있으며, 그렇지 않으면, 이러한 상대적인 증가는 상기 전극 베이스 금속의 산화에 의하여 유발되는 상기 전극 베이스 금속의 두께 감소로부터 초래될 수 있는 것이다. 그러므로, 상기 전극 베이스 금속으로부터의 귀금속 칩의 분리 또는 박리를 방지할 수 있고, 이는 그렇지 않으면, 열 사이클 및 점화와 관련한 충격에 대한 노출로부터 이러한 분리 또는 박리가 초래될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 스파크 플러그에서, 상기 귀금속 칩과 상기 전극 베이스 금속 사이에 제공되는 용접 영역 내에 포함되는 Ni, Cr, Al, Si, 및 Fe의 전체 질량이 상기 용접 금속 영역의 전체 질량에 대하여 45질량% ~ 95질량%(모두 포함)로 된다. 그러므로, 내연 엔진 내에서 심한 열 사이클에 노출되더라도, 상기 용접 영역의 부식을 억제하는 것이 가능하며, 이는 그렇지 않으면 상기 용접 영역의 산화로부터 이러한 부식이 초래될 수 있다. 상기 용접 영역의 평균 경도가 Hv140 ~ Hv245(모두 포함)이므로, 상기 귀금속 칩과 상기 용접 영역 사이의 열팽창 계수의 차이 및 상기 용접 영역과 상기 전극 베이스 금속 사이의 열팽창 계수의 차이에 의하여 유발되는 열응력이 완화될 수 있다. 그 결과, 상기 용접 영역 내 균열의 발생 및 보호막의 박리를 방지하는 것이 가능하다. 따라서, 상기 용접 영역은 산화되기 쉽지 않게 되고, 상기 용접 영역의 부식 억제가 가능하다.
또한, 상기 귀금속 칩이 경화를 통하여 이에 부여되는 Hv200 ~ Hv650(모두 포함)의 평균 경도를 가지므로, 상기 귀금속 칩 내 균열의 발생을 방지하는 것이 가능하며, 이는 그렇지 않으면 열 사이클의 영향에 의하여 상기 귀금속 칩의 측표면에 발생되는 인장 응력으로 인하여 이러한 균열이 초래될 수 있다.
상기 귀금속 칩은 상기 용접 영역보다 평균 경도가 높고, 이는 상기 전극 베이스 금속보다 평균 경도가 높으므로, 부식의 발생을 방지하는 것이 가능하다.
그러므로, 본 발명에 의하면, 귀금속 칩의 돌출량의 증가 억제가 가능하며, 상기 용접 금속 영역의 부식 또한 억제가능하다. 그러므로, 상기 전극 베이스 금속으로부터의 귀금속 칩의 분리 또는 박리를 방지할 수 있다. 그 결과, 상기 전극 베이스 금속과 상기 귀금속 칩 사이의 양호한 결합 성능 및 높은 내구성을 갖는 스파크 플러그를 제공하는 것이 가능하다.
본 발명에 의한 스파크 플러그의 제조방법은 상술한 바의 효과를 내는 스파크 플러그를 용이하게 제조할 수 있다.
도 1(a)는 부분적인 단면도로서 본 발명의 일 실시예에 의한 스파크 플러그를 전반적으로 나타내는 설명도
도 1(b)는 단면도로서 상기 본 발명의 일 실시예에 의한 스파크 플러그의 요부를 나타내는 설명도
도 2(a)는 절반의 확대 단면도로서 열 사이클에 노출되기 이전에 살펴본 바의 귀금속 칩과 전극 베이스 금속을 나타내는 설명도
도 2(b)는 절반의 확대 단면도로서 열 사이클에 노출된 이후에 살펴본 바의 상기 귀금속 칩과 상기 전극 베이스 금속을 나타내는 설명도
도 3은 확대 단면도로서 내연 엔진 내에서 열 사이클에 노출되기 전후의 용접 영역을 나타내는 설명도
도 4(a)는 절반 단면도로서 상기 전극 베이스 금속을 형성하는 데에 사용하는 Ni 합금의 융해량이 작은 경우의 상기 귀금속 칩 및 상기 전극 베이스 금속을 나타내는 설명도
도 4(b)는 절반 단면도로서 상기 전극 베이스 금속을 형성하는 데에 사용하는 Ni 합금의 융해량이 클 경우의 상기 귀금속 칩 및 상기 전극 베이스 금속을 나타내는 설명도
도 5(a)는 부분적인 단면도로서 본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 스파크 플러그를 전반적으로 나타내는 설명도
도 5(b)는 단면도로서 상기 본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 스파크 플러그의 주요부를 나타내는 설명도
도 6은 단면도로서 본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 스파크 플러그의 주요부를 나타내는 설명도
도 7(a)은 단면도로서 상기 전극 베이스 금속, 상기 용접 영역, 및 상기 귀금속 칩에 대한 경도 측정 지점을 나타내는 설명도
도 7(b)는 도 7(a)의 (P1)에서 절단한 단면 상의 경도 측정 지점을 나타내는 설명도
도 7(c)는 도 7(a)의 (P2)에서 절단한 단면 상의 경도 측정 지점을 나타내는 설명도
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 스파크 플러그를 나타낸다. 도 1(a)는 부분적인 단면도로서, 상기 본 실시예에 의한 스파크 플러그를 전반적으로 나타내는 설명도이고, 도 1(b)는 단면도로서, 상기 본 실시예에 의한 스파크 플러그의 요부를 나타내는 설명도이다. 도 1(a)를 참조한 다음의 설명에서, 도 1(a)를 나타내는 지면상의 하방 방향은 축을 따라서 전방 방향으로 칭하며, 지면상의 상방 방향은 축을 따라서 후방 방향을 칭한다. 또한, 도 1(b)를 참조한 다음의 설명에서, 도 1(b)를 나타내는 지면상의 상방 방향은 축을 따라서 전방 방향을 칭하며, 지면상의 하방 방향은 축을 따라서 후방 방향을 칭한다. 도 1(a) 및 도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 스파크 플러그(1)는 실질적으로 로드형인 중앙 전극(2); 상기 중앙 전극(2)의 둘레 주위에 제공되는 실질적으로 원통형인 절연체(3); 상기 절연체(3)를 지지하는 원통형 금속쉘(4); 및 전극 베이스 금속(10)의 일단은 금속쉘(4)의 일단부에 결합되고, 귀금속 칩(5)은 상기 전극 베이스 금속(10)의 타단에 결합되며, 상기 귀금속 칩(5)의 팁 단부 표면 및 상기 중앙 전극(2)의 선단 표면은 스파크 방전갭(G)을 통하여 서로 대향되는 구조로 된 접지 전극(6)을 포함한다.
상기 금속쉘(4)은 원통형 형상을 가지며 그 내부에 삽입되는 상기 절연체(3)를 지지하도록 형성된다. 상기 금속쉘(4)은 스파크 플러그(1)의 선단부에 상응하는 부분의 외주표면에 형성되는 나사산부(40)를 갖는다. 상기 나사산부(40)를 이용함으로써, 상기 스파크 플러그(1)는 내연 엔진의 도시 생략한 실린더 헤드에 장착된다.
상기 금속쉘(4)은, 저탄소강과 같이, 전기적으로 도전성인 강재로 형성될 수 있다.
상기 절연체(3)는 활석, 패킹, 등을 통하여 상기 금속쉘(4)의 내주부에 의하여 지지되며, 그의 축을 따라 연장되며 내부에 상기 중앙 전극(2)을 지지하는 축공(axial bore)을 갖는다. 상기 절연체(3)는 그의 선단부가 상기 금속쉘(4)의 선단 표면으로부터 돌출되는 방식으로 상기 금속쉘(4) 내에 고정된다.
상기 절연체(3)는 열전도율이 취약한 물질로 형성될 수 있다. 이러한 물질의 일 예로는 주로 알루미나를 포함하는 세라믹 소결체가 있다.
상기 중앙 전극(2)은 외부재(7), 상기 외부재(7)의 축부 내에 동심원으로 매설되는 내부재(8), 및 상기 외부재(7)의 선단 표면에 결합되는 귀금속 칩(9)으로 구성된다. 상기 중앙 전극(2)은 원형 컬럼형 몸체이며, 그의 선단부가 상기 절연체(3)의 선단 표면으로부터 돌출되는 방식으로 상기 절연체(3)의 축공 내에 고정되어, 상기 금속쉘(4)로부터 전기적으로 절연되면서 제 위치에 지지된다. 상기 중앙 전극(2)의 선단부는 직경이 전방으로 감소되는 원뿔대부를 갖는다. 원형 컬럼 형상을 갖는 상기 귀금속 칩(9)은 레이저 용접 또는 전기 저항 용접과 같은 적절한 용접 수단에 의하여 상기 외부재(7)의 원뿔대부의 선단 표면에 용접된다. 상기 귀금속 칩(9)은 상기 원뿔대부보다 작은 직경을 갖는다. 바람직하게는, 상기 중앙 전극(2)의 귀금속 칩(9)은 원형 컬럼 형상을 가지며, 직경이 0.3mm ~ 1.5㎜이고, 높이가 0.4㎜ ~ 2.5㎜이다.
상기 외부재(7)는 Ni 합금과 같이 우수한 열저항 및 부식 저항을 갖는 금속재이다. 상기 내부재(8)는 구리(Cu) 또는 은(Ag)과 같이 우수한 열전도율을 갖는 금속재이다.
상기 접지 전극(6)은, 예를 들면, 직사각형 컬럼형 몸체의 형태로 된다. 상기 접지 전극(6)은 일단이 금속쉘(4)의 일단부에 결합되며 문자(L)과 유사한 형상을 가지도록 중간 위치에서 구부러져있는 전극 베이스 금속(10), 및 상기 전극 베이스 금속(10)의 타단의 측표면에 결합된 원형 컬럼형 귀금속 칩(5)으로 구성된다. 상기 접지 전극(6)의 형상 및 구조는 상기 귀금속 칩(5)의 팁 단부 표면 및 상기 중앙 전극(2)의 선단 표면이 스파크 방전갭(G)을 통하여 서로 대향되도록 설계된다. 도 1(a) 및 도 1(b)는 상기 접지 전극의 일예를 나타낸다.
상기 스파크 방전갭(G)은 상기 중앙 전극(2)의 귀금속 칩(9)의 팁 단부 표면과 상기 접지 전극(6)의 귀금속 칩(5)의 팁 단부 표면 사이의 갭이다. 상기 스파크 방전갭(G)은 일반적으로 0.3㎜ ~ 1.5㎜로 설정된다. 상기 중앙 전극(2)이 상기 귀금속 칩(9)을 갖지 않는 경우, 상기 스파크 방전갭(G)은 상기 중앙 전극(2)의 선단 표면과 상기 접지 전극(6)의 귀금속 칩(5)의 팁 단부 표면 사이의 갭이며, 일반적으로 0.3㎜ ~ 1.5㎜로 설정된다.
상기 전극 베이스 금속(10)은 주성분으로서의 Ni뿐만 아니라 Cr, Al, Si, 및 Fe를 포함하는 Ni 합금으로 형성된다. 상기 Ni 합금은 15질량% ~ 30질량%(모두 포함)의 양으로 Cr 및 1.5질량% ~ 4질량%(모두 포함)의 양으로 Al을 포함한다. 바람직하게는, 상기 Ni 합금은 20질량% ~ 25질량%(모두 포함)의 양으로 Cr 및 2질량% ~ 3질량% 미만의 양으로 Al을 포함한다. Cr 함량이 15질량% 이상인 덕분에, 상기 전극 베이스 금속(10)의 형성에 사용되는 Ni 합금은 산화 분위기에서 Cr2O3 보호막(이하, 단순히 보호막으로 칭할 수 있음)을 발생하며, 이에 산화 저항을 강화할 수 있다. 상기 Cr2O3 보호막은 전극 베이스 금속(10)의 표면 상에 그리고 용접 영역(11)의 표면 상에 형성된다. 상기 표면들은 상기 전극 베이스 금속(10)과 상기 용접 영역(11) 사이의 접촉 표면이 아니며, 산화 분위기에 노출되는 외부 표면이다. Al 함량이 1.5질량% 이상인 덕분에, 상기 전극 베이스 금속(10)의 형성에 사용되는 Ni 합금은 상기 Cr2O3 보호막의 접착력 강화 및 상기 Cr2O3 보호막 아래의 Al2O3 형성을 통한 산화 저항의 강화가 가능하다. 한편, 상기 전극 베이스 금속(10)의 형성에 사용되는 Ni 합금이 15질량% 미만의 양으로 Cr 또는 1.5질량% 미만의 양으로 Al을 포함하는 경우, 상기 전극 베이스 금속(10)의 표면은 산화되기 쉽다. 상기 전극 베이스 금속(10)의 형성에 사용되는 Ni 합금이 30질량%를 초과하는 양으로 Cr을 포함하는 경우, Ni-Cr 금속간 화합물이 발생되며, 이에 내부 산화가 가속화된다. 상기 전극 베이스 금속(10)의 형성에 사용되는 Ni 합금이 4질량%를 초과하는 양으로 Al을 포함하는 경우, 상기 Cr2O3 보호막에 앞서 상기 전극 베이스 금속(10)의 표면에 Al2O3가 산재된다. 그러므로, 상기 전극 베이스 금속(10)의 표면상에 균일한 Cr2O3 보호막을 형성하는 데에 실패하게 되며, 이에 산화가 가속화된다. 상술한 바와 같이, 상기 전극 베이스 금속(10)의 형성에 사용되는 Ni 합금의 Cr 함량 또는 Al 함량이 상술한 바의 범위를 벗어날 때에는, 상기 전극 베이스 금속(10)이 산화되기 쉽고; 결과적으로, 상기 전극 베이스 금속의 부피가 감소된다; 즉, 상기 귀금속 칩 주위에서 상기 전극 베이스 금속의 두께가 감소될 수 있다.
도 2(a) 및 도 2(b)는 절반의 확대 단면도로서, 내연 엔진 내에서 열 사이클에 노출되기 전후에 살펴본 상기 귀금속 칩과 상기 전극 베이스 금속 사이의 결합 상태를 나타내는 설명도이다. 도 2(a)에 나타낸 바의 열 사이클에 노출되기 이전의 전극 베이스 금속(210a)과 도2 (b)에 나타낸 바의 열 사이클에 노출된 이후의 전극 베이스 금속(210b)의 비교에 있어서, 열 사이클에 노출된 이후의 전극 베이스 금속(210b)이 두께(B)만큼 더욱 얇다. 상기 전극 베이스 금속(210a(210b))의 두께의 감소는 전극 베이스 금속(210a(210b))의 산화로부터 기인한다. 원형 컬럼형 귀금속 칩(25a(25b))은 상기 전극 베이스 금속(210a(210b))의 표면으로부터 돌출되도록 상기 전극 베이스 금속(210a(210b))에 결합된다. 도 2(a) 및 도 2(b)에 나타낸 바와 같이, 상기 전극 베이스 금속(210b)의 두께가 열 사이클에 대한 노출의 결과로 두께(B)만큼 감소될 때, 상기 귀금속 칩(25b)의 돌출량은 두께(B)만큼 증가된다. 그러므로, 용접 영역(211b)이 상기 귀금속 칩(25b) 상에 외부의 힘이 부가됨에 관련하여 취약 지점을 가질 때; 예를 들면, 상기 용접 영역(211b)이 상기 귀금속 칩(25b)보다 직경이 작은 부분을 가질 때 (이하, 이러한 부분을 부식으로 칭할 수 있음), 소성과 관련한 열 사이클 및 충격은 상기 귀금속 칩(25b)으로 하여금 부서지기 쉽게 되게 하므로, 상기 귀금속 칩(25b)이 상기 전극 베이스 금속(210b)으로부터 이탈되기 쉽게 된다. 또한, 상기 전극 베이스 금속(210a(210b))의 형성에 사용되는 Ni 합금이 30질량%을 초과하는 Cr 및 4질량%을 초과하는 Al을 포함할 때, 상기 Ni 합금은 용액 경화되어, 신선(wire-drawing) 및 구부림에 어려움을 유발한다. 그러므로, 이러한 조성은 문자(L)와 유사한 형상을 갖는 상기 전극 베이스 금속(210a(210b))의 형성에 바람직하지 못하다. 상기 전극 베이스 금속(210a(210b))의 형성에 사용되는 Ni 합금은 불가피한 불순물로서 Si를 포함할 수 있다.
내연 엔진 내에서 열 사이클에 대한 노출로부터 기인하는 전극 베이스 금속의 두께 감소는 아래와 같이 구할 수 있다. 열 사이클에 노출되기 이전의 상기 전극 베이스 금속의 두께 및 열 사이클에 노출된 이후의 상기 전극 베이스 금속의 두께를 측정한다. 이들 측정 두께 사이의 차이를 계산하여, 열 사이클에 노출되기 이전의 상기 전극 베이스 금속과 열 사이클에 노출된 이후의 상기 전극 베이스 금속 사이의 두께 차이(B)를 산출한다.
상기 전극 베이스 금속(10)의 평균 경도는 바람직하게는 Hv130 ~ Hv220(모두 포함)이고, 특히 바람직하게는 Hv140 ~ Hv220(모두 포함)이다. 상기 전극 베이스 금속(10)의 평균 경도가 상술한 바의 범위 이내로 될 때, 상기 전극 베이스 금속(10)의 파손을 방지하는 것이 가능하며, 그렇지 않으면 엔진 내에서 열 및 진동에 노출됨으로부터 이러한 파손이 초래될 수 있다. 또한, 상기 전극 베이스 금속(10)의 진동이 높은 강성 덕분으로 제한되며, 이에 상기 귀금속 칩(5)의 박리를 제한하는 것이 가능하고, 그렇지 않으면 이는 용접 영역(11)의 부식으로 인하여 이러한 박리가 초래될 수 있다. 또한, 상기 전극 베이스 금속의 경도가 상술한 바의 범위 이내로 될 때, 다음의 특별한 효과가 발휘된다: 문자(L)와 유사한 형상 또는 완만한 반원형 만곡 형상을 갖는 상기 전극 베이스 금속이 구부림에 부서지기 쉽지 않다.
상기 전극 베이스 금속의 평균 경도는 다음과 같이 측정가능하다. 상기 전극 베이스 금속의 길이 방향을 따라 연장되는 중심축에 직교되는 평면에 의하여 절단된 상기 전극 베이스 금속의 일단면 상의 임의의 영역에서,임의의 개수만큼 측정 지점을 선택하여 이러한 측정 지점에서 경도를 측정한다. 임의의 개수로 된 상기 측정치들의 평균을 계산하여, 평균 경도를 산출한다. 상기 전극 베이스 금속의 경도, 상기 용접 영역의 경도, 및 상기 중앙 전극의 평균 경도를 효과적으로 측정하기 위하여, 상기 용접 영역을 사이에 개재하여 상기 귀금속 칩이 용접된 상기 전극 베이스 금속의 일단부를 상기 귀금속 칩 및 상기 용접 영역과 함께 절단하는데, 그 결과로서의 절단면이 상기 귀금속 칩의 중심축을 포함하도록 절단한다. 그 결과로서의 상기 전극 베이스 금속의 단면에서, 임의의 개수만큼 경도 측정 지점을 선택한다. 상기 경도 측정 지점에서 0.5N의 부하 하에 미세 비커스 경도기(micro Vickers hardness meter)를 사용하여 JIS Z 2244에 따라 상기 전극 베이스 금속의 경도를 측정한다. 임의의 개수로 된 상기 측정 경도들의 평균을 계산하여, 전극 베이스 금속의 평균 경도를 산출한다. 경도 측정 지점의 개수는 4 ~ 6이다. 일반적으로, 3열 3행에 등간격으로 배열되는 9개의 지점이 바람직하다.
도 1(a) 및 도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 상기 접지 전극(6)의 귀금속 칩(5)은 일반적으로 원형 컬럼 형상을 가지며, 바람직하게는 직경이 0.5㎜ ~ 2.0㎜이고 높이가 0.4㎜ ~ 1.5㎜이다. 상기 귀금속 칩(5)의 크기는 바람직하게는 점화 성능, 열방사 성능, 및 결합 성능을 고려하여 상술한 바의 범위 이내로 되며, 이에 상기 스파크 플러그(1)에 우수한 내구성을 부여할 수 있다.
상기 중앙 전극(2)에 결합된 상기 귀금속 칩(9), 및 상기 전극 베이스 금속(10)에 결합된 상기 귀금속 칩(5)은 Pt, Pt 합금, Ir, 또는 Ir 합금과 같은 귀금속으로 형성된다. 이러한 귀금속 칩의 예에는 주성분으로서의 Pt과, Ir, Rh, Nb, W, Pd, Re, Ru, 및 Os 중 적어도 한 가지를 포함하는 Pt 합금 칩, 및 주성분으로서의 Ir과, Pt, Rh, Nb, W, Pd, Re, Ru, 및 Os 중 적어도 한 가지를 포함하는 Ir 합금 칩이 포함된다. 주성분 Pt 또는 Ir의 경우, 또 하나의 또는 기타의 성분은 바람직하게는 5질량% ~ 50질량%의 범위 이내로 추가된다.
상기 전극 베이스 금속(10)에 결합된 상기 귀금속 칩(5)은 상기 중앙 전극(2)에 결합된 상기 귀금속 칩(9)이 놓이는 환경에서보다 온도 변화에 있어서 보다 가혹한 환경에 놓인다. 그러므로, 후술되는 바와 같이, 상기 귀금속 칩(5)의 특성 명시를 통하여, 귀금속 칩(5)의 내구성을 강화할 수 있다.
상기 전극 베이스 금속(10)에 결합된 상기 귀금속 칩(5)은 200 ~ 650(모두 포함), 바람직하게는 200 ~ 550(모두 포함)의 평균 경도를 갖는다. 상기 귀금속 칩(5)이 상기 전극 베이스 금속(10)에 용접될 때, 일반적으로 외부 부하가 상기 귀금속 칩에 부가된다. 이러한 외부 부하의 예에는 취급과 관련하여 발생되는 응력, 용접 중의 열충격, 및 상기 스파크 플러그(1)의 제조 과정 중에 지그 또는 드롭(drop)과의 접촉과 같은 돌발적인 충격이 포함된다. 상기 귀금속 칩의 평균 경도가 200 이하일 때, 취급과 관련하여 발생되는 응력 또는 돌발적인 충돌로부터 발생되는 기계적 응력 등은 상기 귀금속 칩(5)의 변형을 유발할 수 있다. 상기 귀금속 칩의 평균 경도가 650 이상일 때, 상기 기계적 응력은 상기 귀금속 칩의 치핑(chipping)을 유발할 수 있고, 용접 중의 열충격은 귀금속 칩의 변형을 유발할 수 있다.
상기 귀금속 칩의 평균 경도는 다음과 같이 측정가능하다. 단면이 상기 귀금속 칩의 길이 방향을 따라 연장되는 중심축을 포함하도록 절단된 상기 귀금속 칩의 일단면 상의 임의의 영역에서, 임의의 개수만큼 측정 지점을 선택하여, 이러한 측정 지점에서 경도를 측정한다. 임의의 개수로 된 상기 측정치들의 평균을 계산하여, 평균 경도를 산출한다. 상기 전극 베이스 금속의 경도, 상기 용접 영역의 경도, 및 상기 중앙 전극의 평균 경도를 효율적으로 측정하기 위하여, 상기 용접 영역을 사이에 개재하여 상기 귀금속 칩이 용접된 상기 전극 베이스 금속의 일단부를 상기 귀금속 칩 및 상기 용접 영역과 함께 절단하는데, 그 결과로서의 절단면이 상기 귀금속 칩의 중심축을 포함하도록 한다. 그 결과로서의 상기 귀금속 칩의 단면에서, 임의의 개수만큼 경도 측정 지점을 선택한다. 상기 경도 측정 지점에서 0.5N의 부하 하에 미세 비커스 경도기를 사용하여 JIS Z 2244에 따라 상기 귀금속 칩의 경도를 측정한다. 임의의 개수로 된 상기 측정 경도들의 평균을 계산하여, 귀금속 칩의 평균 경도를 산출한다. 경도 측정 지점의 개수는 4 ~ 16이다. 일반적으로, 3열 3행에 등간격으로 배열되는 9개의 지점이 바람직하다.
상기 귀금속 칩이 상기 전극 베이스 금속에 결합되지 않은 경우에는, 다음과 같이 경도를 측정할 수 있다. 결과로서의 단면이 상기 귀금속 칩의 중심축을 포함하도록 상기 귀금속 칩을 절단하고, 상기 귀금속 칩의 단면에서 경도를 측정한다.
상기 귀금속 칩의 제조방법을 아래에 설명한다. 상기 귀금속 칩의 제조에 있어서, 귀금속재의 잉곳(ingot)을 열간 또는 냉간 단조, 압연, 스웨이징, 블랭킹(blanking), 및 신선으로부터 선택된 가공에 취한다. 이러한 가공에 관련하여 발생되는 수직변형(strain)은 상기 귀금속 칩의 경도를 증가시키며, 이를 가공 경화라 한다. 바람직하게는, 상기 귀금속 칩은 소결 방법보다는 다음의 방법에 의하여 제조된다: 아크 용해로(arc melting furnace) 등을 이용하는 용융법에 의하여 잉곳을 주조한다; 그리고나서, 가공 경화를 수반하는 상술한 바의 가공에 의하여 상기 잉곳으로부터 귀금속 칩을 제작한다. 소결 방법에 의하면, 필요한 조성을 갖는 귀금속 분말을 요구되는 형상의 그린 귀금속 칩으로 콤팩트화하여 소성한다. 상기 소결 방법은 상기 귀금속 칩의 조성을 균질화하는 데에 어려움이 있다. 또한, 상기 소결 방법에 의하여 제조되는 귀금속 칩은 부서지기 쉽고, 따라서 치핑되기 쉽다; 그러므로, 취약한 내구성의 단점이 수반된다. 한편, 상기 용융법 및 상술한 바의 가공에 의하여 귀금속 칩을 제조하고 가공 경화를 통하여 상기 귀금속 칩에 상술한 바의 범위 이내로 평균 경도를 부여할 때, 상기 귀금속 칩은 내부 수직 변형을 갖는다. 상기 귀금속 칩이 엔진 작동으로 인한 고온에 노출될 때, 상기 수직 변형은 제거되며, 상기 귀금속 칩의 물질이 재결정화되어, 구조를 개선하게 된다. 개선된 구조는 입자 경계의 손실을 억제할 수 있고, 이는 그렇지 않으면 열 사이클에 대한 노출로 인하여 이러한 손실이 초래될 수 있다. 그러므로, 열 사이클 환경에서 상기 귀금속 칩의 내구성 강화가 가능하다.
바람직하게는, 상기 귀금속 칩의 제조 과정에 있어서, 열간 또는 냉간 단조, 압연, 스웨이징 이후에, 블랭킹 또는 신선을 통하여 가공 경화가 이루어진다. 신선을 통하여 형성되는 와이어는 신선의 방향; 즉, 길이 방향을 따라 섬유 구조를 보여준다. 그러므로, 바람직하게는, 상기 와이어를 필요한 길이를 갖는 조각들로 절단하고, 이들 조각을 절단 표면이 전극 베이스 금속(10)의 측표면에 접촉되는 상태로 상기 전극 베이스 금속(10)에 용접한다. 이는 다음과 같은 이유 때문이다. 상기 귀금속 칩 및 상기 전극 베이스 금속이 용접될 때, 일반적으로, 잔류 열응력이 발생된다. 본 실시예에서는, 상기 귀금속 칩이 상기 전극 베이스 금속보다 열팽창 계수가 낮기때문에, 주로 상기 귀금속 칩의 측표면 상에 인장 응력이 발생된다. 그 결과, 상기 귀금속 칩은 균열에 약하다. 그러나, 신선 방향으로의 와이어 인발 및 연장을 통하여 생기는 상기 섬유 구조가 상기 전극 베이스 금속과 상기 귀금속 칩 사이의 접촉 표면에 대하여 수직이 되도록 상기 귀금속 칩을 상기 전극 베이스 금속에 용접할 때에는, 상기 귀금속 칩의 변형을 방지할 수 있고, 이는 그렇지 않으면 상기 인장 응력으로부터 이러한 변형이 초래될 수 있다. 일반적으로, 상기 귀금속 칩이 더욱 두꺼울수록(더욱 길수록), 상기 귀금속 칩의 제조를 위하여 와이어 인발 공정이 더욱 바람직하다. 또한, 길이 방향 및 방사 방향에 대한 우수한 치수 정확성으로 인하여 상기 와이어 인발 공정이 바람직하다. 한편, 얇은 귀금속 칩의 제조에 있어서, 연마석을 이용한 절단은 연마석의 저항으로 인하여 상기 귀금속 칩의 변형을 유발할 가능성이 매우 높다; 그러므로, 얇은 귀금속 칩의 제조에는 블랭킹이 바람직하다. 블랭킹 공정에 있어서, 얇은 금속 칩은 다이(die)를 이용함으로써 상술한 바의 단조 또는 압연을 통하여 형성한 시트(sheet)로부터 블랭킹된다. 얇은 금속 칩의 경우, 상술한 바의 잔류 열응력은 용접 표면에 평행한 방향을 따라 인장 응력을 형성한다. 블랭킹을 통하여 얻어진 귀금속 칩은 용접 표면에 평행하게 배향된 금속 조직(metallographic) 구조를 갖는다. 그러므로, 그렇지 않으면 상기 잔류 응력으로 인하여 초래될 수도 있는 귀금속 칩의 균열을 방지하는 것이 가능하다.
상기 귀금속 칩(5)은 레이저 용접 또는 전기 저항 용접에 의하여 상기 전극 베이스 금속(10)에 용접되므로, 상기 용접 영역(11)은 상기 귀금속 칩(5)과 상기 전극 베이스 금속(10)의 융합을 통하여 상기 귀금속 칩(5)과 상기 전극 베이스 금속(10) 사이의 경계에 형성된다.
상기 용접 영역(11)은 상기 전극 베이스 금속(10) 및 상기 귀금속 칩(5) 상에 상술한 바의 용접을 수행한 결과로 형성된다. 따라서, 상기 용접 금속 영역(11)은 상기 전극 베이스 금속을 형성하는 데에 사용한 물질 및 상기 귀금속 칩을 형성하는 데에 사용한 물질 모두로부터 추출되는 물질로 형성된다.
이렇게 형성된 용접 영역(11)의 조성은 용접 영역의 전체 질량에 대하여 Ni, Cr, Al, Si, 및 Fe의 전체 질량이 45질량% ~ 95질량%(모두 포함), 바람직하게는 50질량% ~ 85질량%(모두 포함)로 되도록 한다.
또한, 상기 용접 금속 영역(11)의 조성은 용접 영역의 전체 질량에 대하여 Cr, Al, Si, 및 Fe의 전체 질량이 바람직하게는 10질량% ~ 45질량%(모두 포함), 더욱 바람직하게는 14질량% ~ 40질량%(모두 포함)로 되도록 한다.
또한, 상기 용접 금속 영역(11)의 조성은 용접 영역의 전체 질량에 대하여 Cr, Al, 및 Si의 전체 질량이 바람직하게는 10질량% ~ 30질량%(모두 포함), 더욱 바람직하게는 13질량% ~ 23질량%(모두 포함)로 되도록 한다.
상기 용접 금속 영역(11)의 조성이 상술한 바의 범위를 만족시킬 때에는, 내연 엔진 내에서 심한 열 사이클에 노출되는 경우에도, 용접 영역(11)의 부식을 억제하는 것이 가능하며, 이는 그렇지 않으면 용접 영역(11)의 산화로 인하여 이러한 부식이 초래될 수 있다. 따라서, 상기 전극 베이스 금속(10)로부터의 상기 귀금속 칩(5)의 분리 또는 박리를 방지하는 것이 가능하며, 이는 그렇지 않으면 용접 영역(11)의 부식으로 인하여 상기 귀금속 칩(5)과 상기 전극 베이스 금속(10) 사이의 약화된 결합으로부터 이러한 분리 또는 박리가 초래될 수 있다. 그 결과, 상기 전극 베이스 금속과 상기 귀금속 칩 사이에 양호한 결합 성능을 갖는 스파크 플러그를 제공하는 것이 가능하다. 도 3은 확대 단면도로서, 내연 엔진 내에서 열 사이클에 노출되기 전후의 상기 용접 영역을 나타내는 설명도이다. 도 3에서, 점선은 열 사이클에 노출되기 이전의 상기 용접 영역을 나타내며, 실선은 열 사이클에 노출된 이후의 상기 용접 영역을 나타낸다. 본 발명에 의하면, 열 사이클에 노출된 이후의 상기 용접 영역에서, 열 사이클에 노출되기 이전의 상기 용접 영역으로부터 손실된 부분을 부식으로 칭한다. 도 3에서, 상기 점선 및 실선에 의하여 구획되는 상기 용접 영역의 일 부분은 부식(312)이다.
상기 용접 영역 내 부식의 발생 원인은 상기 귀금속 칩 및 상기 전극 베이스 금속에 앞서 상기 용접 영역이 산화되기 때문이다. 또한, 상기 용접 영역은 내연 엔진 내에서 심한 열 사이클에 노출된다. 그러므로, 상기 용접 영역의 표면상에 보호막을 형성하더라도, 산화의 가속화로 인하여, 상기 보호막이 균열되거나 또는 박리된다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 전극 베이스 금속을 형성하는 데에 사용한 Ni 합금은 산화 저항에 우수한 조성을 갖는다. 그러므로, 대량의 Ni 합금 성분을 포함하는 상술한 바의 조성을 상기 용접 영역에 부여함으로써, 우선적인 용접 영역의 산화를 방지하는 것이 가능하다. 즉, 본 발명에 의한 상기 스파크 플러그(1)의 용접 영역은 용접 영역의 전체 질량에 대하여 Ni, Cr, Al, Si, 및 Fe의 전체 질량이 45질량% ~ 95질량%(모두 포함)인 조성을 가지므로, 상기 용접 영역의 표면상에 보호막이 형성되고, 이에 용접 영역의 부식을 억제하는 것이 가능하다.
열 사이클에 대한 노출의 결과로 상기 형성된 보호막이 균열되거나 또는 박리될 때에도, 상기 용접 영역의 조성이 상술한 바의 범위를 만족한다면 상기 보호막은 재생이 가능하다. 특히, 용접 영역의 전체 질량에 대하여 Cr, Al, Si, 및 Fe의 전체 질량이 10질량% ~ 45질량%으로 되도록 상기 용접 영역의 조성이 이루어질 때, 상기 보호막은 즉각적으로 재생 가능하다. 그러므로, 산화 저항을 더욱 강화할 수 있고, 용접 영역의 부식 또한 억제할 수 있다.
상기 용접 영역의 조성은 다음과 같이 결정가능하다. 상기 용접 영역 상에 다수개의 지점을 임의로 선택한다. EPMA, WDS (파장 분산형 X선 분광기)의 활용을 통하여 상기 지점에서의 질량 조성을 측정하기 위하여 분석을 수행한다. 상기 다수개의 지점에서 측정한 질량 조성의 평균을 구한다. 구한 평균 질량 조성을 상기 용접 영역의 조성으로서 취한다.
상기 용접 영역의 평균 경도는 Hv140 ~ Hv245(모두 포함), 바람직하게는 Hv155 ~ Hv210(모두 포함)이다. 상기 용접 영역의 평균 경도가 Hv245를 초과할 때에는, 상기 용접 영역은 부서지기 쉽게 된다. 따라서, 상기 용접 영역이 열 사이클에 대한 노출의 결과로 열응력을 받을 때, 상기 용접 영역은 상기 열응력을 따르지 못한다. 결과적으로, 상기 용접 영역에 피로로 인한 균열이 발생되기 쉽다. 상기 균열의 발생은 상기 보호막의 파손 및 박리를 유발하므로, 상기 용접 영역은 산화되기 쉽게 되고, 부식의 증가가 초래된다. 상기 용접 영역의 평균 경도가 Hv140미만일 때에는, 상기 용접 영역이 열 사이클에 대한 노출의 결과로 변형되기 쉽다. 따라서, 상기 보호막이 파손 및 박리되기 쉽고, 부식의 증가가 초래된다. 반대로, 상기 용접 영역의 평균 경도가 상술한 바의 범위 이내로 될 때에는, 상기 귀금속 칩과 상기 용접 영역 사이, 상기 용접 영역과 상기 전극 베이스 금속 사이, 및 상기 용접 영역과 상기 보호막 사이에서 열팽창 계수의 차이로 인하여 유발된 열응력이 완화될 수 있다. 그러므로, 상기 용접 영역의 균열 및 상기 보호막의 박리를 방지하는 것이 가능하다. 그 결과, 상기 용접 영역은 산화가 쉽지 않게 되고, 부식이 적어진다. 그러므로, 상기 전극 베이스 금속으로부터 상기 귀금속이 분리 또는 박리됨을 방지하는 것이 가능하다. 결과적으로, 상기 전극 베이스 금속과 상기 귀금속 칩 사이에 양호한 결합 성능을 갖는 스파크 플러그를 제공하는 것이 가능하다.
내연 엔진 내에서 열 사이클에 노출됨으로 인한 상기 용접 영역의 부피 감소는 다음의 식(1)에 의하여 계산되는 부식의 양으로부터 평가 가능하다. 상기 부식의 양은 다음과 같이 구할 수 있다. 상기 용접 영역에서 가장 부식된 부분의 직경(Lb); 즉, 열 사이클에 대한 노출 이후에 측방향으로 취한 상기 접지 전극의 금속 현미경 사진(metallurgical microscope)으로부터 상기 용접 영역의 최소 직경을 측정한다. 열 사이클에 대한 노출 이전에 측정된 바의 상기 귀금속 칩의 직경(La) 및 상기 용접 영역의 부식 부분의 직경(Lb)으로부터 다음의 식(1)에 의하여 부식의 양을 구할 수 있다.
부식의 양(%) = (La - Lb)/La × 100 (1)
상기 용접 영역의 평균 경도는 다음과 같이 측정가능하다. 상기 용접 영역을 사이에 개재하여 상기 귀금속 칩이 용접된 상기 전극 베이스 금속의 일단부를 상기 귀금속 칩 및 상기 용접 영역과 함께 절단하는데, 그 결과로서의 절단면이 상기 귀금속 칩의 중심축을 포함하도록 절단한다. 그 결과로서의 상기 용접 영역의 단면에서, 임의의 개수만큼 경도 측정 지점을 선택한다. 상기 경도 측정 지점에서 0.5N의 부하 하에 미세 비커스 경도기를 사용하여 JIS Z 2244에 따라 상기 용접 금속 영역의 경도를 측정한다. 임의의 개수로 된 상기 측정 경도들의 평균을 계산하여, 상기 용접 영역의 평균 경도를 산출한다. 경도 측정 지점의 개수는 10 ~ 40이다. 일반적으로, 30개의 지점이 바람직하다. 상기 용접 영역을 위한 측정 지점의 개수는 열로 인한 경도 변화를 이유로 상기 전극 베이스 금속 또는 상기 귀금속 칩을 위한 것보다 더 크다.
상기 귀금속 칩과 상기 전극 베이스 금속의 결합에 있어서, 상기 귀금속 칩은 레이저 용접 또는 전기 저항 용접과 같은 적절한 용접 수단에 의하여 상기 전극 베이스 금속에 용접가능하다. 특히, 레이저 용접은, 예를 들면, 상기 전극 베이스 금속의 표면 조도 및 상기 전극 베이스 금속 표면 상의 산소의 존재로부터 영향을 받지 않고 매우 신뢰성있는 용접 강도를 달성할 수 있으므로, 레이저 용접이 바람직하다. 상기 귀금속 칩과 상기 전극 베이스 금속은 다음과 같이 함께 결합된다. 상기 귀금속 칩을 상기 전극 베이스 금속 상의 소정 위치에 위치시킨다. 상기 귀금속 칩의 비스듬한 상방 방향으로부터 부분적으로 또는 전체 원주를 따라, 상기 귀금속 칩과 상기 전극 베이스 금속 사이의 접촉 부분에 레이저 빔을 조사한다. 바람직하게는, 상기 귀금속 칩과 상기 전극 베이스 물질의 강한 결합을 위하여, 매회 레이저 빔이 조사되는 용접 금속 영역이 서로 중첩되고 실질적으로 등간격으로 배열되도록 전체 원주를 따라 레이저 빔을 조사한다.
바람직하게는, 레이저 조사는 2J/펄스 ~ 8J/펄스의 레이저 에너지 및 단위 레이저 조사 시간; 즉, 3 밀리세컨드 이상, 특히 5 밀리세컨드 이상의 펄스폭을 갖는 레이저 빔을 이용한다. 레이저 에너지 및 펄스폭이 상술한 바의 범위 이내로 될 때, 상기 용접 영역의 평균 경도는 상술한 바의 범위 이내로 되도록 조정이 가능하다.
상기 용접 영역의 조성은 다음과 같이 조정가능하다: 레이저가 조사되는 상기 귀금속 칩의 원주 표면 상의 위치를 고정된 축방향 높이로 유지함으로써, 상기 귀금속 칩을 형성하는 데에 사용하는 귀금속의 융해량을 일정하게 유지하면서, 상기 전극 베이스 금속을 형성하는 데에 사용하는 Ni 합금의 융해량을 증가 또는 감소시킨다. 도 4(a)는 절반 단면도로서, 상기 전극 베이스 금속을 형성하는 데에 사용하는 Ni 합금의 융해량이 작을 경우의 상기 귀금속 칩 및 상기 전극 베이스 금속을 나타내는 설명도이다. 도 4(b)는 절반 단면도로서, 상기 전극 베이스 금속을 형성하는 데에 사용하는 Ni 합금의 융해량이 클 경우의 상기 귀금속 칩 및 상기 전극 베이스 금속을 나타내는 설명도이다. 도 4(a) 및 도 4(b)에 나타낸 바와 같이, 귀금속 칩(45a(45b))과 전극 베이스 금속(410a(410b)) 사이의 접촉 표면으로부터, 상기 귀금속 칩(45a(45b))과 용접 영역(411a(411b)) 사이의 계면 상에 위치되고 귀금속칩 측을 향하여 가장 편향된 위치(414a(414b))의 거리(H)는 고정된다. 상기 전극 베이스 금속(410a)을 형성하는 데에 사용되는 Ni 합금의 융해량을 감소시키기 위해서는, 도 4(a)에 나타낸 바와 같이, 상기 귀금속 칩(45a)과 상기 전극 베이스 금속(410a) 사이의 접촉 표면으로부터, 상기 용접 영역(411a)과 전극 베이스 금속(410a) 사이의 계면 상에 위치되고 전극 베이스 금속(410a) 측을 향하여 가장 편향된 위치(415a)의 거리(ha)를 감소시킨다. 상기 전극 베이스 금속(410b)을 형성하는 데에 사용되는 Ni 합금의 융해량을 증가시키기 위해서는, 도 4(b)에 나타낸 바와 같이, 상기 귀금속 칩(45b)과 상기 전극 베이스 금속(410b) 사이의 접촉 표면으로부터, 상기 용접 영역(411b)과 전극 베이스 금속(410b) 사이의 계면 상에 위치되고 전극 베이스 금속(410b) 측을 향하여 가장 편향된 위치(415b)의 거리(ha)를 증가시킨다. 상기 거리(ha), (hb)는 레이저 조사 직경 및 레이저 조사 에너지를 조정함으로써 증가 또는 감소시킬 수 있다.
상기 용접 영역은 상기 귀금속 칩과 상기 전극 베이스 금속이 필요한 강도로 함께 결합되도록 형성가능하다. 상기 원형 컬럼형 귀금속 칩이 상기 접지 전극 상에 배치되는 경우, 상기 용접 영역은 상기 귀금속 칩과 상기 접지 전극 사이의 원형 접촉 표면의 둘레를 따라, 또는 상기 둘레의 일 부분에 형성될 수 있다. 또한, 상기 용접 영역은 도 3에 나타낸 바와 같이 귀금속 칩(35)과 전극 베이스 금속(310) 사이의 전체 접촉 표면(313)을 따라, 또는 상기 접촉 표면(313)의 일 부분을 따라 형성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 귀금속 칩(35)과 상기 전극 베이스 금속(310) 사이에 강한 결합이 형성되므로, 용접 영역(311)은 상기 귀금속 칩(35)과 상기 전극 베이스 금속(310) 사이의 전체 접촉 표면(313)을 따라 형성된다.
바람직하게는, 상기 귀금속 칩(35)과 상기 전극 베이스 금속(310) 사이의 접촉 표면(313)으로부터, 상기 귀금속 칩(35)과 상기 용접 영역(311) 사이의 계면 상에 위치되고 귀금속칩(35) 측을 향하여 가장 편향된 위치(314)의 거리(H)는 0.3㎜ ~ 0.7㎜이다. 상기 거리(H)가 상술된 바의 범위 이내로 될 때에, 상기 귀금속 칩(35)과 상기 전극 베이스 금속(310) 사이에는 강한 결합이 형성될 수 있고, 요구되는 점화 성능을 유지하는 것이 가능하다.
전술한 바와 같이, 바람직하게는, 상기 귀금속 칩(5)의 평균 경도는 200 ~ 650(모두 포함)이고; 상기 용접 영역(11)의 평균 경도는 Hv140 ~ Hv245(모두 포함)이며; 그리고, 상기 전극 베이스 금속(10)의 평균 경도는 Hv130 ~ Hv220(모두 포함)이다. 또한, 상술한 바의 범위의 평균 경도가 만족될 때, 상기 귀금속 칩(5)의 평균 경도는 상기 용접 영역(11)에서보다 높고, 상기 용접 영역(11)의 평균 경도는 상기 전극 베이스 금속(10)에서보다 높다. 상기 귀금속 칩(5)이 상기 용접 영역(11)에서보다 평균 경도가 높아서, 상기 전극 베이스 금속(10)에서보다 또한 평균 경도가 높을 때, 상기 전극 베이스 금속(10)의 파손 방지가 가능하며, 이는 그렇지 않으면 엔진 내에서 열 및 진동에 대한 노출로부터 이러한 파손이 초래될 수 있다. 또한, 강성이 높기 때문에, 진동 억제가 가능하다. 그러므로, 귀금속 전극의 박리 억제가 가능하며, 이는 그렇지 않으면 용접 영역(11)의 부식으로부터 이러한 박리가 초래될 수 있다.
상기 스파크 플러그(1)는, 예를 들면, 다음과 같이 제조된다. 상술한 바의 조성을 갖는 Ni 합금을 소정의 형상으로 형성하고, 이에 상기 전극 베이스 금속(10)을 제작한다. 다음으로, 상기 전극 베이스 금속(10)의 일단부를, 레이저 용접 또는 전기 저항 용접에 의하여, 소성 가공에 의하여 부여된 소정의 형상을 갖는 금속쉘(4)의 일단부에 결합한다.
상술한 바의 공정에 관련하여, Ni 합금과 같은 전극 물질을 소정의 형상으로 형성하며, 이에 상기 중앙 전극(2)을 제작한다. 상기 중앙 전극(2)을 소정 형상 및 소정 치수를 갖는 상기 절연체(3)에 주지의 방법으로 조립한다. 상기 귀금속 칩(9)은 레이저 용접에 의하여 상기 중앙 전극(2)의 단부 표면에 용접가능하다.
다음으로, 상기 중앙 전극(2)이 조립된 상기 절연체(3)를 상기 전극 베이스 금속(10)이 결합된 상기 금속쉘(4)에 조립한다.
다음으로, 가공 경화를 통하여 제작한 상기 귀금속 칩(5)을 상기 금속쉘(4)에 결합된 상기 전극 베이스 금속(10)의 단부와 대향되는 전극 베이스 금속(10)의 일단부에 레이저 용접에 의하여 용접한다. 그리고나서, 상기 전극 베이스 금속(10)이 문자(L)와 유사한 형상이 되도록 그리고 상기 귀금속 칩(5)이 스파크 방전갭을 통하여 중앙 전극(2)의 선단 표면 또는 측표면에 대향되도록 상기 전극 베이스 금속(10)을 구부린다.
상기 금속쉘(4)에 결합되기 이전에, 문자(L)와 유사한 형상이 되도록 상기 전극 베이스 금속(10)을 구부릴 수도 있다. 또한, 상기 금속쉘(4)에 결합된 상기 전극 베이스 금속(10)이 문자(L)와 유사한 형상이 되도록 상기 전극 베이스 금속(10)을 구부린 후에 전극 베이스 금속(10)의 일단부에 상기 귀금속 칩(5)을 결합할 수도 있다.
본 발명의 스파크 플러그는 상술한 바의 실시예에 제한되지 않으며, 본 발명 목적이 달성 가능한 한, 기타의 다양한 형태로 수정가능하다. 예를 들면, 도 1(b)에 나타낸 상기 스파크 플러그(1)의 접지 전극(6)은 금속쉘(4)의 일단부에 결합된다. 그러나, 상기 접지 전극(6)을 상기 금속쉘의 외주표면에 결합할 수도 있다.
또한, 상기 중앙 전극(2)에 결합된 귀금속 칩(9)은 요구되는 성능에 따라 불필요하게 될도 있다. 상기 귀금속 칩(9)이 상기 중앙 전극(2)에 결합되는 경우, 상기 전극 베이스 금속(10) 및 상기 귀금속 칩(5)을 함께 결합하는 상술한 바의 경우에서와 유사한 방식으로, 상기 귀금속 칩(9)을 상기 중앙 전극(2)에 결합할 수도 있다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 스파크 플러그를 도시한다. 도 5(a)는 부분적인 단면도로서, 상기 또 다른 일 실시예에 의한 스파크 플러그를 전반적으로 나타내는 설명도이다. 도 5(b)는 단면도로서, 상기 또 다른 일 실시예에 의한 스파크 플러그의 주요부를 나타내는 설명도이다. 도 5(a) 및 도 5(b)에 나타낸 바와 같이, 스파크 플러그(51)는 중앙 전극(52); 상기 중앙 전극(2)의 둘레 주위에 제공되는 실질적으로 원통형인 절연체(53); 상기 절연체(53)를 지지하는 금속쉘(54); 및 접지 전극(56)으로서, 상기 접지 전극(56)의 일단은 금속쉘(54)의 일단부에 결합되고, 귀금속 칩(55)은 상기 접지 전극(56)의 타단에 결합되며, 상기 귀금속 칩(55)의 팁 단부 표면 및 상기 중앙 전극(52)의 측표면이 스파크 방전갭(G2)을 통하여 서로 대향되는 구조로 된 접지 전극(56)을 포함한다.
상기 스파크 플러그(51)는, 상기 금속 쉘(54)에 결합된 상기 접지 전극(56)의 단부 표면과 대향되는 상기 접지 전극(56)의 단부 표면에 결합된 상기 귀금속 팁(55)이 상기 중앙 전극(52)의 귀금속 칩(59)의 측표면에 대향됨을 제외하고는, 도 1(a) 및 도 1(b)에 나타낸 상기 스파크 플러그(1)와 유사하게 형성 가능하다.
도 5(a) 및 도 5(b)에 나타낸 바와 같이, 단일의 접지 전극이 제공될 수도 있고, 또는 도 6에 나타낸 바와 같이 2개의 접지 전극 (66), (66)이 금속쉘(64)의 일단부에 결합될 수도 있다. 또한, 비록 도시하지는 않았으나, 다음의 구조를 채택할 수도 있다: 3개 이상의 접지 전극은 금속쉘의 단부 표면에 결합되고, 상기 금속 쉘에 결합된 상기 접지 전극의 단부 표면과 대향되는 상기 접지 전극의 각각의 단부 표면에 결합된 상기 귀금속 팁은 상기 중앙 전극의 귀금속 칩의 측표면에 대향된다.
본 발명에 의한 스파크 플러그는 자동차 엔진용 점화 플러그로서 사용되며, 엔진의 연소실이 구획되는 엔진 헤드(도시 생략) 내에 제공되는 나사산 홀 내로 삽입 고정되는 방식으로 사용된다.
실시예
<스파크 플러그의 제조>
도 1(a) 및 도 1(b)에 나타낸 바와 유사한 형상을 갖는 각각의 상기 스파크 플러그(1)는 다음과 같이 개별적으로 제조된다. 우선, 후술되는 바의 조성을 갖는 Ni 합금을 직사각형 컬럼 형상으로 형성하였고, 이에 상기 전극 베이스 금속(10)을 제조하였다. 다음으로, 전극 베이스 금속(10)의 일단부를 금속쉘(4)의 일단부에 결합하였다. 그 결과적인 금속쉘(4)에, 상기 중앙 전극(2) 및 상기 절연체(3)를 조립하였다. 이 조립체와 관련하여, Pt-20질량% Rh 잉곳을 열간 단조하였고, 이어서 신선하였다. 상기 신선 방향이 상기 원형 컬럼 조각의 높이 방향에 일치되도록, 원형 컬럼 조각을 형성하기 위하여 그 결과적인 와이어를 절단하여, 이에 원형 컬럼 형상을 가지며, 직경이 0.7㎜이고, 높이가 1.0㎜인 상기 귀금속 칩(5)을 제조하였다. 다음으로, 상기 금속 쉘(4)에 결합된 상기 전극 베이스 금속(10)의 단부와 대향되는 상기 전극 베이스 금속(10)의 일단부의 측표면 상에 상기 귀금속 칩(5)을 고정하였다. 상기 전극 베이스 금속(10) 및 상기 귀금속 칩(5)에 레이저 빔을 조사함으로써 함께 용접하였다. 상기 전극 베이스 금속(10)이 문자(L)와 유사한 형상으로 되도록 그리고 상기 귀금속 칩(5) 및 상기 중앙 전극(2)의 선단 표면이 스파크 방전갭을 통하여 서로 대향되도록 상기 전극 베이스 금속(10)을 구부렸다. 상기 레이저 빔은 4J/펄스의 레이저 에너지를 가졌고; 단위 레이저 조사 시간; 즉, 펄스폭은 4 밀리세컨드였으며; 전체 원주를 따라 등간격으로 배열된 8개의 지점에 레이저를 조사하였다.
상기 전극 베이스 금속은 상기 귀금속 칩의 중심축을 따라 절단된 바, 1.3㎜ (상기 귀금속 칩의 중심축을 따라서의 폭) × 2.7㎜ (상기 귀금속 칩의 중심축에 직교하는 폭)로 측정되는 직사각형 단면을 가졌으며, 다음의 조성을 갖는 Ni 합금으로 형성되었다: Ni: 잔량(balance); Cr: 15질량% ~ 17질량%; Si: 0.1질량% ~ 0.3질량%; Al: 1.5질량% ~ 3.0질량%; 및 Fe: 0질량% ~ 9.0질량%.
상기 용접 영역의 조성을 다음과 같이 조정하였다. 도 4(a) 및 도 4(b)에 나타낸 바와 같이, 레이저로 조사되는 상기 귀금속 칩의 원주 표면 상의 위치를 고정된 축방향 높이로 유지함으로써, 상기 귀금속 칩을 형성하는 데에 사용하는 귀금속의 융해량을 일정하게 유지하면서, 상기 전극 베이스 금속을 형성하는 데에 사용하는 Ni 합금의 융해량을 증가 또는 감소시켰다. 상기 Ni 합금의 융해량은 레이저 조사 직경의 조정을 통하여 조절하였다.
(열 사이클 테스트)
제조된 스파크 플러그 테스트 표본들을 2,000cc 엔진 상에 장착하여 다음의 조건 하에서 열 사이클 테스트를 수행하였다: 5,000rpm에서의 1분 작동 및 1분 아이들링(idling)으로 구성되는 작동 사이클을 100 시간 동안 반복하였다.
(평가 방법)
귀금속 칩의 절반 단면을 관찰할 수 있도록 상기 열 사이클 테스트를 거친 상기 스파크 플러그(1)를 상기 접지 전극의 길이 방향에 대하여 수직으로 절단하였다. 상기 단면을 미러 연마(mirror polish)하였다. 표 1은 다음의 평가 항목에 대한 측정 결과를 나타낸다.
1. 조성
상기 스파크 플러그(1)의 용접 영역(11)의 조성을 다음과 같이 측정하였다. 상기 용접 영역(11) 상에서 임의의 10개의 지점을 선택하였다. EPMA를 활용하여 WDS 분석을 수행함으로써 선택한 지점에서의 조성을 측정하였다. 상기 10개 지점에서 측정된 조성의 평균을 구하였다. 이렇게 구한 평균 조성을 상기 스파크 플러그(1)의 용접 영역(11)의 조성으로서 취하였다. 측정 영역이 상기 용접 영역(11) 내에 놓이도록 하고 직경이 50㎛ ~ 100㎛인 빔으로 분석을 수행하였다.
2. 경도
상기 스파크 플러그(1)의 용접 영역(11)의 평균 경도를 다음과 같이 측정하였다. 우선, 도 7(a)에 나타낸 바와 같이 상기 용접 영역(11)을 사이에 개재하여 상기 전극 베이스 금속(10)에 결합된 상기 귀금속 칩(5)의 중심축(P1)을 포함하는 평면에 의하여, 상기 전극 베이스 금속(10), 상기 용접 영역(11), 및 상기 귀금속 칩(5)을 절단하였다. 그 결과로서의 단면 상에서(도 7(b) 참조), 도 7(b)에 나타낸 바와 같이 30개의 임의의 지점을 선택하였다. 선택한 지점에서 0.5N의 부하 하에 미세 비커스 경도기를 사용하여 JIS Z 2244에 따라 미세 비커스 경도를 측정하였다. 상기 30개의 지점에서 측정한 경도의 평균을 계산하였다. 그 결과로서의 평균 경도를 스파크 플러그 테스트 표본의 용접 영역의 평균 경도로서 취하였다.
상기 귀금속 칩(5)의 평균 경도를 다음과 같이 측정하였다. 도 7(b)에 나타낸 바와 같이, 측정 영역 및 상기 용접 영역(11)이 서로 중첩되지 않도록 조심하면서, 상기 귀금속 칩(5)의 단면 상에서 R × L1로 측정되는 영역에서, 3열 3행에 등간격으로 배열된 9개의 지점을 선택하였다. 상기 9개의 지점에서 0.5N의 부하 하에 미세 비커스 경도기를 사용하여 JIS Z 2244에 따라 상기 귀금속 칩(5)의 경도를 측정하였다. 다음으로, 상기 9개의 지점에서 측정한 경도의 평균을 계산하였다. 그 결과로서의 평균 경도를 상기 귀금속 칩(5)의 평균 경도로서 취하였다.
상기 전극 베이스 금속(10)의 평균 경도를 다음과 같이 측정하였다. 도 7(b)에 나타낸 바와 같이, 측정 영역 및 상기 용접 영역(11)이 서로 중첩되지 않도록 조심하면서, 상기 전극 베이스 금속(10)의 단면 상에서 R × L2로 측정되는 영역에서, 3열 3행에 등간격으로 배열된 9개의 지점을 선택하였다. 상기 9개의 지점에서 0.5N의 부하 하에 미세 비커스 경도기를 사용하여 JIS Z 2244에 따라 상기 전극 베이스 금속(10)의 경도를 측정하였다. 다음으로, 상기 9개의 지점에서 측정한 경도의 평균을 계산하였다. 그 결과로서의 평균 경도를 상기 전극 베이스 금속(10)의 평균 경도로서 취하였다. 상기 전극 베이스 금속의 평균 경도는 도 7(a)에서 (P2)로 지칭한 구부러짐부의 단면(도 7(c) 참조) 상에서 측정할 수도 있다.
3. 부식의 양
도 3에 나타낸 바와 같이, 측방향으로 취한 상기 접지 전극의 금속 현미경 사진으로부터 상기 열 사이클 테스트를 거친 상기 스파크 플러그(1)의 용접 영역의 외곽선(실선으로 표시)을 구하였다. 상기 현미경 사진에서, 상기 용접 영역에서 가장 부식된 부분의 직경; 즉, 상기 용접 영역의 최소 직경을 측정하여 (Lb)로서 취하였다. 상기 열 사이클 테스트에 대한 노출 이전에 측정된 바의 상기 귀금속 칩의 직경(La)에 대한 상기 용접 영역의 직경 감소의 비율을 부식의 양으로서 정의하였다. 상기 부식의 양으로부터 상기 용접 영역의 부피 감소를 평가하였다. 다음의 식(1)에 의하여 상기 부식의 양을 계산하였다.
부식의 양(%) = (La - Lb)/La × 100 (1)
Ni,Cr,Al,
Si,Fe
농도(질량%)		 Cr,Al,Si,
Fe농도(%)		 Cr,Al,Si
농도(%)		 용접 영역
경도(Hv)		 귀금속 칩
경도(Hv)		 전극 베이스
금속 경도(Hv)		 부식의 양(%)
비교예 1 42.3 7.3 4.2 249 197 127 44.8
비교예 2 44.5 9.0 5.9 247 655 223 41.3
실시예 1 45.1 9.4 6.3 254 547 218 40.0
실시예 2 45.6 10.2 8.4 237 531 209 34.2
실시예 3 50.7 13.7 10.1 223 506 207 30.5
실시예 4 54.2 16.3 12.3 211 462 205 24.6
실시예 5 58.1 20.8 14.8 203 437 200 18.0
실시예 6 61.9 22.9 16.6 198 296 197 11.5
실시예 7 66.5 26.8 18.3 185 267 181 9.6
실시예 8 70.7 28.7 20.6 176 220 167 10.9
실시예 9 74.9 32.5 22.1 164 204 154 14.7
실시예 10 77.9 35.4 24.5 157 327 144 20.5
실시예 11 82.6 37.7 25.9 153 395 133 25.3
실시예 12 86.5 40.9 28.0 150 489 134 31.2
실시예 13 89.8 44.7 29.8 147 564 134 33.9
실시예 14 94.9 46.0 32.1 141 649 132 39.6
비교예 3 95.4 47.1 33.0 137 655 189 40.9
비교예 4 97.1 49.3 35.9 134 197 127 42.4
상기 열 사이클 테스트를 거친 모든 스파크 플러그(1)에서는 용접 영역(11)에 부식의 존재가 나타났다.
<접지 전극의 제조>
Cr 및 Al 함량을 변경하면서, 아크 용해로를 이용하여 Ni 합금을 제조하였다. 이렇게 제작한 Ni 합금에 신선을 수행하여, 이에 각각 1.3㎜ × 2.7㎜로 측정되는 직사각형 단면을 갖는 상기 전극 베이스 금속(10)을 제조하였다. 상기 스파크 플러그(1)의 상술한 바의 제조와 유사하게, 각각 Pt-20질량% Rh 합금으로 형성되며 직경이 0.7㎜이고 높이가 1.0㎜인 상기 귀금속 칩(5)을 레이저 조사에 의하여 각각의 상기 전극 베이스 금속(10)에 결합하였고, 이에 상기 귀금속 칩(5)이 결합된 상기 접지 전극(6)을 제조하였다.
(열 사이클 테스트)
이렇게 제조된 접지 전극(6)에 대하여 다음의 조건 하에서 열 사이클 테스트를 수행하였다: 상기 접지 전극(6)을 1,200 ℃의 분위기에 30분 동안 두고 상기 접지 전극(6)을 상온 분위기에 30분 동안 두는 것으로 구성되는 열 사이클을 100회 반복하였다.
(평가 방법)
1. 두께의 산화 유발 감소
귀금속 칩(5)의 절반 단면을 관찰할 수 있도록 상기 열 사이클 테스트를 거친 상기 접지 전극(6)을 절단하였다. 상기 열 사이클 테스트 이후에, 상술한 방식으로 절단된 상기 접지 전극(6)으로부터, 금속 현미경 사진을 이용하여, 상기 전극 베이스 금속의 두께(10)를 측정하였다. 도 2(a) 및 도 2(b)에 나타낸 바와 같이, 상기 열 사이클 테스트 이전에 측정된 바의 상기 전극 베이스 금속(10)의 두께 (1.3㎜)와 상기 열 사이클 테스트 이후에 측정된 바의 상기 전극 베이스 금속의 두께 사이의 차이(B)를 계산하였다. 이렇게 계산된 차이(B)를 두께의 산화 유발 감소로서 취하였다. 표 2는 상기 계산의 결과를 나타낸다.
Ni 함량 Cr 함량(질량%) Al 함량(질량%) 두께의 산화 유발된 감소(㎜)
비교예 5 잔량 9.0 1.3 0.33
비교예 6 잔량 12.0 1.5 0.29
비교예 7 잔량 14.5 1.5 0.22
비교예 8 잔량 15.0 1.4 0.22
실시예 15 잔량 15.0 1.5 0.19
실시예 16 잔량 21.0 2.0 0.10
실시예 17 잔량 27.0 3.0 0.16
실시예 18 잔량 30.0 4.0 0.18
비교예 9 잔량 30.0 4.2 0.20
비교예 10 잔량 30.5 1.5 0.31
비교예 11 잔량 33.0 4.0 0.38
1, 51, 61 - 스파크 플러그 2, 52, 62 - 중앙 전극
3, 53, 63 - 절연체 4, 54, 64 - 금속쉘
40 - 나사산부
5, 9, 25a, 25b, 35, 45a, 45b, 55, 59, 65, 69 - 귀금속 칩
6, 56, 66 - 접지 전극 7, 57, 67 - 외부재
8, 58, 68 - 내부재
10, 210a, 210b, 310, 410a, 410b, 510, 610 - 전극 베이스 금속
11, 211a, 211b, 311, 411a, 411b, 511, 611 - 용접 영역
216a, 216b - 측표면 312 - 부식
313, 413a, 413b - 접촉 표면
314, 414a, 414b - 귀금속 칩과 용접 영역 사이의 계면에 위치되고 귀금속칩 측을 향하여 가장 편향된 위치
415a, 415b - 용접 영역과 전극 베이스 금속 사이의 계면에 위치되고 전극 베이스 금속 측을 향하여 가장 편향된 위치
G - 스파크 방전갭

Claims (6)

  1. 중앙 전극;
    중앙 전극의 둘레에 제공되는 절연체;
    상기 절연체를 지지하는 금속쉘; 및
    접지 전극의 전극 베이스 금속의 일단은 금속쉘의 일단부에 결합되고, 귀금속 칩은 상기 전극 베이스 금속의 타단에 결합되며, 그리고 상기 귀금속 칩의 팁 단부 표면 및 상기 중앙 전극의 선단 표면 또는 측표면이 스파크 방전갭을 통하여 서로 대향되도록 하는 구조로 된 접지 전극;으로 이루어지고,
    상기 귀금속 칩은 가공 경화를 통하여 이에 부여되는 Hv200 ~ Hv650(모두 포함)의 평균 경도를 가지며;
    상기 전극 베이스 금속은 15질량% ~ 30질량%(모두 포함)의 양으로 Cr 및 1.5질량% ~ 4질량%(모두 포함)의 양으로 Al을 포함하는 Ni 합금으로 형성되고;
    상기 귀금속 칩과 상기 전극 베이스 금속 사이에 제공되는 용접 영역 내에 포함되는 Ni, Cr, Al, Si, 및 Fe의 전체 질량은 상기 용접 금속 영역의 전체 질량에 기초하여 45질량% ~ 95질량%(모두 포함)이며;
    상기 귀금속 칩의 평균 경도는 상기 용접 금속 영역의 평균 경도보다 높고, 상기 용접 금속 영역의 평균 경도는 상기 전극 베이스 금속의 평균 경도보다 높으며; 그리고
    상기 용접 금속 영역의 평균 경도는 Hv140 ~ Hv245(모두 포함)임을 특징중앙 전극;
    중앙 전극의 둘레에 제공되는 절연체;
    상기 절연체를 지지하는 금속쉘; 및
    접지 전극의 전극 베이스 금속의 일단은 금속쉘의 일단부에 결합되고, 귀금속 칩은 상기 전극 베이스 금속의 타단에 결합되며, 그리고 상기 귀금속 칩의 팁 단부 표면 및 상기 중앙 전극의 선단 표면 또는 측표면이 스파크 방전갭을 통하여 서로 대향되도록 하는 구조로 된 접지 전극;으로 이루어지고,
    상기 귀금속 칩은 가공 경화를 통하여 이에 부여되는 Hv200 ~ Hv650(모두 포함)의 평균 경도를 가지며;
    상기 전극 베이스 금속은 15질량% ~ 30질량%(모두 포함)의 양으로 Cr 및 1.5질량% ~ 4질량%(모두 포함)의 양으로 Al을 포함하는 Ni 합금으로 형성되고;
    상기 귀금속 칩과 상기 전극 베이스 금속 사이에 제공되는 용접 영역 내에 포함되는 Ni, Cr, Al, Si, 및 Fe의 전체 질량은 상기 용접 금속 영역의 전체 질량에 기초하여 45질량% ~ 95질량%(모두 포함)이며;
    상기 귀금속 칩의 평균 경도는 상기 용접 금속 영역의 평균 경도보다 높고, 상기 용접 금속 영역의 평균 경도는 상기 전극 베이스 금속의 평균 경도보다 높으며; 그리고
    상기 용접 금속 영역의 평균 경도는 Hv140 ~ Hv245(모두 포함)임을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 용접 영역 내에 포함되는 Cr, Al, Si, 및 Fe의 전체 질량이 상기 용접 영역의 전체 질량에 대하여 10질량% ~ 45질량%(모두 포함)으로 됨을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 용접 영역 내에 포함되는 Cr, Al, 및 Si의 전체 질량이 상기 용접 영역의 전체 질량에 대하여 10질량% ~ 30질량%(모두 포함)으로 됨을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용접 영역이 상기 귀금속 칩을 레이저 용접에 의하여 상기 전극 베이스 금속에 결합함을 통하여 형성되며, 상기 레이저 용접이 3 밀리세컨드 이상의 레이저 펄스를 다수회 조사함으로써 수행됨을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  5. 중앙 전극;
    중앙 전극의 둘레에 제공되는 절연체;
    상기 절연체를 지지하는 금속쉘; 및
    15질량% ~ 30질량%(모두 포함)의 양으로 Cr 및 1.5질량% ~ 4질량%(모두 포함)의 양으로 Al을 포함하는 Ni 합금으로 형성되는 그의 전극 베이스 금속의 일단은 상기 금속쉘의 일단부에 결합되고, 가공 경화를 통하여 이에 부여되는 Hv200 ~ Hv650(모두 포함)의 평균 경도를 갖는 상기 귀금속 칩은 전극 베이스 금속의 타단에 결합되며, 그리고 상기 귀금속 칩의 팁 단부 표면 및 상기 중앙 전극의 선단 표면 또는 측표면이 스파크 방전갭을 통하여 서로 대향되도록 하는 구조로 된 접지 전극;으로 이루어지고,
    상기 귀금속 칩은 3 밀리세컨드 이상의 레이저 펄스를 다수회 조사하는 레이저 용접에 의하여, 상기 금속쉘에 결합된 상기 전극 베이스 금속의 일단부와 대향되는 전극 베이스 금속의 일단부에 결합됨을 특징으로 하는 스파크 플러그의 제조방법.
  6. 15질량% ~ 30질량%(모두 포함)의 양으로 Cr 및 1.5질량% ~ 4질량%(모두 포함)의 양으로 Al을 포함하는 Ni 합금으로 형성되는 전극 베이스 금속의 일단를 금속쉘의 일단부에 결합하고;
    중앙 전극 및 절연체를 금속쉘 내에 조립하며; 그리고
    가공 경화를 통하여 이에 부여되는 Hv200 ~ Hv650(모두 포함)의 평균 경도를 갖는 귀금속 칩을, 상기 금속쉘에 결합된 상기 전극 베이스 금속 단부와 대향되는 상기 전극 베이스 금속의 일단부에, 3 밀리세컨드 이상의 레이저 펄스를 다수회 조사하는 레이저 용접에 의하여 결합하는 단계로 이루어지는 스파크 플러그의 제조방법.
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