KR20110063754A

KR20110063754A - 스파크 플러그

Info

Publication number: KR20110063754A
Application number: KR1020117005572A
Authority: KR
Inventors: 가즈요시 도리이; 도모오 다나카; 아키라 스즈키; 마모루 무사사; 나오미치 미야시타; 오사무 요시모토
Original assignee: 니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
Priority date: 2008-09-09
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2011-06-14
Also published as: EP2325960A1; CN102150333A; JP5141769B2; US8410673B2; WO2010029944A1; US20110163653A1; JPWO2010029944A1; CN102150333B; EP2325960B1; KR101243510B1; EP2325960A4

Abstract

레이저 용접에 의하여 귀금속 칩이 접합되는 접지 전극을 갖는 스파크 플러그에 있어서, 접지전극 주요 몸체부 및 상기 귀금속 칩의 접합부의 용융부에서 보링을 억제하기 위하여, 상기 접지전극 주요 몸체부의 고온 내산화성을 개선하기 위하여, 그리고 상기 귀금속 칩의 탈락을 방지하기 위하여, 본 발명에 의하면, 원통형 금속쉘; 상기 금속쉘 내에 지지되는 원통형 절연체; 상기 절연체 내에 지지되는 중심전극; 및 상기 금속쉘에 고정되게 접속되는 일단과 상기 중심전극에 대향되는 타단을 갖는 접지전극 주요 몸체부 및 상기 중심전극의 선단에 대향되는 위치에서 상기 접지전극 주요 몸체부에 접합되는 귀금속 칩으로 이루어지는 접지전극으로서, 상기 중심전극의 선단과 상기 귀금속 칩의 사이에는 스파크 방전갭이 형성되는 접지전극으로 이루어지며, 여기에서, 상기 귀금속 칩이 접합되는 상기 접지전극 주요 몸체부의 적어도 일부분은 12~35질량%의 Cr, 7질량% 이하의 Fe, 0.5~5질량%의 Al, 0.3~5질량%의 Si, 및 50질량% 이상의 나머지(balance)를 포함하는 Ni 합금으로 이루어지고, 그리고 여기에서, 상기 접합부 및 상기 귀금속 칩은 레이저 용접 또는 전자빔 용접에 의하여 접합됨을 특징으로 하는 스파크 플러그가 제공된다.

Description

스파크 플러그{SPARK PLUG}

본 발명은 스파크 플러그에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 스파크 방전 부재로서 귀금속 칩이 제공된 접지전극을 갖는 스파크 플러그에 관한 것이다.

일반적으로, 내연 엔진에 사용되는 스파크 플러그는 절연체를 통하여 원통형 금속쉘 내에 끼워맞춤되는 중심전극, 및 상기 금속쉘에 결합되는 일단와 상기 중심전극의 선단에 대향되는 타단을 갖는 접지전극으로 이루어진다. 또한, 점화성을 개선하기 위하여, 중심전극의 선단에 대향되면서, 볼록하게 마련된 귀금속 칩을 갖는 접지전극을 갖는 스파크 플러그를 사용하기도 한다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

특허문헌 1 : 일본국 특허공개 제2002-237365호 공보

레이저 용접에 의하여 귀금속 칩이 결합되는 접지전극을 갖는 스파크 플러그에 있어서, 접지전극 주요 몸체부를 구성하는 금속으로서는, 주성분으로서 Ni를 갖는 Ni 합금이 그의 우수한 부식 저항으로 인하여 매우 적당하다. 예를 들면, 인코넬(Inconel™) 600 또는 인코넬(Inconel™) 601과 같은 Ni 합금이 사용된다. 그러나, 상기 접지전극은 대부분 연소실 내로 돌출되어 부착되므로, 그의 온도가 1000℃ 정도에 달하게 되며, 때로는 1000℃를 넘기도 한다. 그러므로, 장시간 동안 접지전극을 사용할 때에는, 상기 접지전극의 결합부에서 접지전극 주요 몸체부와 귀금속칩이 서로 용융된 용융부가 열-열화되어, 상기 용융부의 둘레면 일부가 얇아질 수 있다(이하, 보링(boring)으로 칭함). 또한, 접지전극이 고온에 장시간 동안 노출되어, 접지전극 주요 몸체부가 산화될 수 있다. 경우에 따라서는, 귀금속 칩이 탈락될 수도 있다.

따라서, 레이저 용접으로 귀금속 칩을 접합한 접지전극을 갖는 스파크 플러그에 있어서, 본 발명의 목적은 접지전극 주요 몸체부 및 상기 귀금속 칩의 접합부가 용융되는 용융부의 보링을 억제하고, 상기 접지전극 주요 몸체부의 고온 내산화성을 개선함으로써, 상기 귀금속 칩이 탈락됨을 방지하는 것이다.

본 발명자들은 접지전극 주요 몸체부 및 상기 귀금속 칩의 접합부가 용융된 용융부를 분석하여, 산화철이 이러한 보링의 주원이이 되며, 상기 접지전극 주요 몸체부를 구성하는 Ni 합금이 Fe를 포함하고, Fe가 상기 용융부 내로 용융됨을 발견하였다. 또한, 본 발명자들은 상기 접지전극 주요 몸체부의 고온 내산화성을 개선하는 데에 Al 및 Si의 함량이 기여함을 발견하였다. 더욱이, 본 발명자들은 상기 Fe의 함량을 감소시키고 특정량의 Al 및 Si을 포함하는 것이 효과적임을 발견하였다. 본 발명은 이상의 지식에 기초한다.

달리 말하자면, 본 발명은 다음의 스파크 플러그를 제공한다.

〈1〉 원통형 금속쉘;

상기 금속쉘 내에 지지되는 원통형 절연체; 및

상기 금속쉘에 고정되게 접속되는 일단과 상기 중심전극에 대향되는 타단을 갖는 접지전극 주요 몸체부 및 상기 중심전극의 선단에 대향되는 위치에서 상기 접지전극 주요 몸체부에 접합되는 귀금속 칩으로 이루어지는 접지전극으로서, 상기 중심전극의 선단과 상기 귀금속 칩의 사이에는 스파크 방전갭이 형성되는 접지전극으로 이루어지며,

여기에서, 상기 귀금속 칩이 접합되는 상기 접지전극 주요 몸체부의 적어도 일부분은 12~35질량%의 Cr, 7질량% 이하의 Fe, 0.5~5질량%의 Al, 0.3~5질량%의 Si, 및 50질량% 이상의 나머지(balance)를 포함하는 Ni 합금으로 이루어지고, 그리고

여기에서, 상기 접합부 및 상기 귀금속 칩은 레이저 용접 또는 전자빔 용접에 의하여 접합됨을 특징으로 하는 스파크 플러그.

〈2〉〈1〉에 정의된 스파크 플러그에 있어서, Al의 함량은 0.7질량% 이상이며 Si의 함량은 0.7질량% 이상이다.

〈3〉〈1〉 또는 〈2〉에 정의된 스파크 플러그에 있어서, 상기 접합부를 구성하는 합금은 Y, Hf, Zr, La, Ce 및 Nd 중 적어도 하나를 0.01~0.4질량%만큼 포함한다.

〈4〉〈1〉 또는 〈3〉 중 하나에 정의된 스파크 플러그에 있어서, 상기 접합부를 구성하는 합금은 0.005~5질량%의 Mn를 포함한다.

〈5〉〈1〉 또는 〈4〉 중 하나에 정의된 스파크 플러그에 있어서, 상기 귀금속 칩은 Pt 합금으로 형성된다.

〈6〉〈5〉에 정의된 스파크 플러그에 있어서, 상기 Pt 합금은 Ir, Rh, Ru 및 Ni 중 적어도 하나를 포함한다.

〈7〉〈5〉 또는 〈6〉에 정의된 스파크 플러그에 있어서, 상기 접합부 및 상기 귀금속 칩이 서로 용융된 용융부는 3질량% 이하의 Fe, 10~60질량%의 Ni, 15~75질량%의 Pt, 4~35질량%의 Cr, 0.03~2질량%의 Al 및 0.03~2질량%의 Si를 포함한다.

〈8〉〈7〉에 정의된 스파크 플러그에 있어서, 상기 용융부는 0.1질량% 이상의 Al 및 0.1질량% 이상의 Si를 포함한다.

〈9〉〈7〉 또는 〈8〉에 정의된 스파크 플러그에 있어서, 상기 용융부는 Y, Hf, Zr, La, Ce 및 Nd 중 적어도 하나를 0.001~0.2질량% 만큼 포함한다.

〈10〉〈7〉 내지 〈9〉 중 하나에 정의된 스파크 플러그에 있어서, 상기 용융부는 0.0025~3질량%의 Mn를 포함한다.

〈11〉〈1〉 내지 〈10〉 중 하나에 정의된 스파크 플러그에 있어서, 금속쉘을 갖는 상기 접지전극 주요 몸체부의 접합 단부로부터 상기 귀금속 칩의 접합 위치까지 상기 접지전극 주요 몸체부의 길이방향 길이가 (L)이고 상기 길이방향에 수직인 상기 접지전극 주요 몸체부의 단면 영역이 (S)일 때, 29≤L²/S≤49의 관계가 만족되며 상기 접지전극 주요 몸체부의 열전도율은 상온에서 18W/(m·K) 이하이다.

〈12〉〈11〉에 정의된 스파크 플러그에 있어서, 상기 접지전극 주요 몸체부의 단면 영역(S)의 10% 이상은 Cu 또는 Cu 합금으로 형성되며 상기 접지전극 주요 몸체부의 길이방향 길이(L)의 1/2 이상의 범위 이내에서 35≤L²/S≤70의 관계식을 만족한다.

〈13〉〈1〉 내지 〈12〉 중 하나에 정의된 스파크 플러그에 있어서, 상기 접지전극 주요 몸체부는 상기 중심전극의 선단에 대향되는 위치에서 그의 표면에 고정되게 접속되는 받침대부를 가지며, 상기 받침대부는 상기 합금으로 이루어지고 상기 귀금속 칩은 상기 레이저 용접 또는 전자빔 용접에 의하여 상기 받침대에 접합된다.

본 발명의 스파크 플러그에 의하면, 상기 접지전극에 귀금속 칩이 제공되므로 가연성이 우수하며, 상기 접지전극 주요 몸체부의 접합부를 구성하는 Ni 합금의 Fe 함량이 소정값과 같거나 그보다 작기 때문에, 상기 접지전극 주요 몸체부와 상기 귀금속 칩의 접합부가 용융되는 용융부에 보링을 유발하는 산화철의 발생을 억제하는 것이 가능하다. 더욱이, 상기 접지전극 주요 몸체부의 접합부를 구성하는 Ni 합금이 소정량의 Al 및 Si를 포함하므로, 상기 접지전극 주요 몸체부의 고온 내산화성을 개선하는 것이 가능하다. 이로 인하여, 상기 귀금속 칩과 상기 접지전극 주요 몸체부의 용접 강도를 개선하는 것이 가능하여, 상기 귀금속 칩이 탈락됨을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 스파크 플러그의 단면도
도 2는 도 1에 나타낸 상기 플러그의 접지전극 부근에 대한 확대 단면도
도 3은 일실시예에 있어서 용융부의 샘플링부분을 도시하는 도면

이하, 본 발명의 일실시예에 의한 스파크 플러그를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 스파크 플러그의 단면도이며, 도 2는 도 1에 나타낸 상기 플러그의 접지전극 부근에 대한 확대 단면도이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 스파크 플러그(100)는 원통형 금속쉘(11), 상기 금속쉘(11) 내에 끼워맞춤되며 상기 금속쉘(11)의 선단(11a)으로부터 노출되는 선단(12a)을 갖는 원통형 절연체(12), 선단(13a)이 상기 절연체(12)의 선단(12a)으로부터 노출되도록 상기 절연체(12) 내에 배치되는 중심전극(13), 및 상기 금속쉘(11)의 선단(11a)에 접합되는 일단과 상기 중심전극(13)의 선단(13a)에 대향되는 타단을 갖는 접지전극(14)으로 이루어진다.

상기 금속쉘(11)은 탄소강 등으로 형성되며, 예를 들면, 내연 엔진의 실린더 헤드에 상기 스파크 플러그(100)를 부착하기 위한 나사부(15)가 그의 원주에 형성된다. 단자금속 맞춤구(17)는, 그의 선단(17a)이 노출되도록, 축방향으로 형성된 관통공(16)의 후방 단부(도 1의 상부)에 알루미나와 같은 소결 세라믹으로 형성된 절연체(12) 내에 삽입 및 고정되며, 상기 중심전극(13)은 상기 노출된 선단(13a)을 갖는 후방 단부(도 1의 하부)에서 그 내부로 삽입 및 고정된다.

더욱이, 상기 관통공(16)에서, 상기 단자금속 맞춤구(17)와 상기 중심전극(13) 사이의 중심부에는 저항부재(18)가 배열되며 상기 저항부재(18)의 축방향 양단부에는 도전성 유리 밀봉층(19,20)이 배치된다. 달리 말하자면, 상기 중심전극(13) 및 상기 단자금속 맞춤구(17)는 상기 저항부재(18) 및 상기 도전성 유리 밀봉층(19,20)을 통하여 서로 전기적으로 접속된다. 상기 도전성 유리 밀봉층(19,20) 및 상기 저항부재(18)는 도전성 접속층을 형성한다. 한편, 상기 저항부재(18)를 생략하고 단일의 도전성 유리 밀봉층에 상기 단자금속 맞춤구(17) 및 상기 중심전극(13)을 결합하는 것도 가능하다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 중심전극(13)은 우수한 열저항 및 부식저항을 갖는 Ni 합금에 의하여 원통형 형상으로 형성된다. 상기 중심전극(13)의 선단(13a)은 레이저 용접 등에 의하여 원통형 귀금속 칩(21)과 고정되게 접속되며, 이는 스파크 마모에 대한 우수한 저항력으로 인하여 Ir 합금을 주성분으로 하여 이루어진다. 상기 귀금속 칩(21)은 마모 저항성을 개선하기 위하여 Pt, Rh, Ru 및 Ni 중 적어도 한 가지를 포함하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 주성분은 포함된 모든 성분 중에서 가장 많이 포함된 성분을 의미한다.

상기 접지전극(14)은, 상기 귀금속 칩과 상기 접지전극 주요 몸체부 사이에 받침대(23)를 사이에 두면서, 상기 중심전극(13)에 대향되는 접지전극 주요 몸체부(14A)의 위치에 상기 귀금속 칩(22)이 제공되는 구조로 된다. 상기 접지전극 주요 몸체부(14A)는 우수한 열저항 및 부식저항을 갖는 Ni 합금으로 형성된 각기둥 부재이며, 용접에 의하여 상기 금속쉘(12)에 고정된 기부(14a), 그 중심부의 구부러짐부(14c) 및 상기 중심전극(13)에 대향되는 선단(14b)을 포함한다. 그 결과, 상기 접지전극 주요 몸체부는 대략 L-형상으로 구부러진다. 여기에서, 주성분으로서 Pt를 갖는 원통형 Pt 합금을 상기 귀금속 칩(22)으로서 사용할 수 있다. 상기 귀금속 칩(22)은 마모 저항성을 개선하기 위하여 Ir, Rh, Ru 및 Ni 중 적어도 한 가지를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 받침대(23)는 12~45질량%의 Cr, 7질량% 이하의 Fe, 0.5~5질량%의 Al, 0.3~5질량%의 Si 및 50질량% 이상의 나머지을 포함하는 Ni 합금으로 형성된다. Cr은 상기 받침대의 표면 상에 Cr₂O₃막을 형성함으로써, 고온산화를 억제한다. 그러나, Cr의 함량이 12질량% 미만일 때에는, 충분한 고온 내산화성을 얻는 것이 불가능하다. 한편, Cr의 함량이 증가됨에 따라 고온 내산화성은 개선되지만, Cr의 함량이 20질량%을 초과하면, γ'상(γ' phase)이 형성되어, 합금 실행이 어렵다. 상기 γ'상은 평형상태가 590℃ 이하일 때 형성된다. 상기 γ'상의 형성은 590℃ 이상에서 고용체 처리/담금질을 수행함으로써 억제할 수 있다. 그러나, Cr의 함량이 45질량% 이하일 때에는 상기 γ'상의 형성을 억제할 수 있다. 달리 말하자면, Cr의 함량이 45질량%을 초과할 때에는, 상기 γ'상 및 (Cr) Ni 상이 증가되어, 합금 실행이 불가능하게 된다. 한편, 작업성 및 고온 내산화성을 더욱 개선하기 위해서는 Cr의 함량이 18~30질량%인 것이 바람직하다.

상기 스파크 플러그는 엔진에서 고온 및 진동 하에 있게 되므로, 강도 또한 요구된다. 따라서, 상기 받침대용 재료를 강화하기 위한 고용체가 효과적이다. 이로 인하여, 상기 받침대용 재료에 첨가될 요소로서, 광범위한 고용체 한계를 가지며 Ni에 상응하는 산화물 형성 자유 에너지를 갖는 요소를 선택할 필요가 있다. 더욱이, 비용 또한 중요하다. Fe는 위의 조건들을 만족시키는 가장 적당한 요소이다. 그러나, Fe의 산화물 형성 자유 에너지는 Ni의 그것보다 낮으므로, Fe는 Ni보다 더욱 우선적으로 산화물을 형성한다. 따라서, Fe의 함량은 이론적으로 0%인 것이 바람직하지만, 강도를 고려하여, 합금은 하한선으로 0.00005질량%의 Fe을 포함할 수 있다. 그러나, Fe의 함량이 7질량%을 초과할 때에는, 상기 귀금속 칩(22)과 상기 받침대(23)의 용융부에서 보링 현상이 뚜렷하다.

상기 받침대 재료는 상기 고온 내산화성을 개선하기 위하여 Al 및 Si를 더욱 포함한다. Al은 Cr₂O₃의 막 바로 아래에 Al₂O₃의 막을 형성하며 따라서 상기 고온 내산화성을 개선하는 것으로 예상된다. 또한, Si는 SiO₂ 패시브 필름을 형성하며 역시 고온 내산화성을 개선하는 것으로 예상된다. 그러나, Al의 함량이 증가될 때에는, 작업성이 저하된다. 따라서, Al은 0.5~5질량%의 양으로 포함된다. 한편, 고온 내산화성을 더욱 개선하기 위해서는 Al 함량의 하한선이 0.7질량%인 것이 바람직하다. 또한, Si의 함량이 증가될 때에는, 귀금속 성분, 특히 Pt와 함께 용융점이 낮은 합금을 형성할 수 있으므로, 용접 강도를 저하시킬 수 있다. 따라서, Si는 0.3~5질량%의 양으로 포함된다. 한편, 고온 내산화성을 더욱 개선하기 위해서는 Si 함량의 하한선이 0.7질량%인 것이 바람직하다. 또한, Al 및 Si의 총 함량은 8질량% 이하인 것이 바람직하다.

위의 요소들을 제외한 상기 받침대용 재료의 나머지는 50질량% 이상의 Ni를 포함한다. 우수한 부식 저항력을 갖는 Ni를 50질량% 이상의 양으로 포함할 때에는, 조기점화의 발생을 효과적으로 억제하는 것이 가능하다. 한편, 나머지 중 Ni의 함량은 60질량% 이상인 것이 바람직하다.

또한, 고온 내산화성을 더욱 개선하기 위해서는 상기 받침대용 재료에 Mn를 포함하는 것이 바람직하다. Mn는 상기 Cr₂O₃ 막 및 상기 받침대용 합금의 기본 재료의의 접착 강도를 증가시키고, 상기 Cr₂O₃ 막 바로 아래에 MnO₂를 형성하는데, 이는 산소 게터(oxygen getter)로서 작용하며 또한 내부 산화를 억제하기 위하여 상기 받침대 내에서 산소의 부분적인 압력을 저하시킨다. 그러나, Mn을 과도하게 포함할 때에는, 연료 또는 엔진 오일의 연소로부터 기인하는 연소가스에 포함되는 황(sulfur)에 반응하여, 황화물을 형성함으로써 산화(부식)를 가속화하게 된다. 이로 인하여, 상기 받침대 재료 중 Mn의 함량은 0.005~5질량%인 것이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 받침대 재료는 Y, Hf, Zr, La, Ce 및 Nd 중 적어도 한 가지를 0.01질량% 이상 포함하여, 고온 내산화성을 더욱 개선하는 것이 가능하다. 그러나, 그의 함량이 너무 많을 때에는, 작업성이 저하된다. 따라서, 위의 요소의 함량은 0.4질량% 이하인 것이 바람직하다.

위의 성분을 제외한 성분들에는 제한이 없으며, 불가피한 불순물을 제외하고는 목적에 따라 이들을 적절히 선택 및 첨가할 수 있다.

상기 받침대(23) 및 상기 귀금속 칩(22)은 레이저 용접 또는 전자빔 용접에 의하여 접합된다. 용접에 의하여 형성되는 상기 용융부가 상기 받침대(23)용 재료와 상기 귀금속 칩(22)용 재료의 합금으로 이루어지더라도, 상기 받침대(23)용 재료의 Fe 함량은 7질량% 이하이므로, 상술한 바와 같이, 상기 용융부 내에서 Fe 함량 또한 거의 없게 되어, 보링의 주원인이 되는 산화철의 형성 또한 억제된다. 또한, 상기 받침대(23)용 재료는 Al 및 Si를 포함하고, 따라서 상기 용융부 또한 Al 및 Si을 포함하므로, 고온 내산화성이 더욱 개선된다. 더욱이, Mn이 포함될 때에는, 고온 내산화성이 더욱 개선된다.

보다 구체적으로 말하자면, 상기 귀금속 칩(22)이 Pt 합금으로 형성될 때, 상기 용융부는 3질량% 이하의 Fe, 10~60질량%의 Ni, 15~75질량%의 Pt, 4~35질량%의 Cr, 0.03~2질량%의 Al, 및 0.03~2질량%의 Si를 포함한다. 고온 내산화성을 개선하기 위해서는, Al 및 Si 모두의 함량이 각각 0.1질량% 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 받침대(23)용 재료가 Mn를 포함할 때에는, Mn의 함량이 0.0025~3질량%인 것이 바람직하다.

또한, 상기 받침대(23)가 Y, Hf, Zr, La, Ce 및 Nd 중 적어도 한 가지를 포함할 때, 상기 용융부 또한 해당 요소를 포함한다. 이때에, 그의 함량은 0.001~0.2질량%인 것이 바람직하다.

Cr은 상술한 바와 같이 고온산화를 억제하기 위하여 Cr₂O₃막을 형성하지만, 상기 용융부는 방전가공(spark erosion)에 민감하므로, 상기 Cr₂O₃막이 파손된다. 그 결과, 상기 용융부에 산소가 스며들어, 내부산화를 유발한다. 이러한 내부산화에 가장 큰 영향을 미치는 것은 Fe이다. 상기 용융부에서 Fe의 함량이 3질량% 이하로 낮아질 때에는, 상기 용융부에서 보링을 효과적으로 방지하는 것이 가능하다. 또한, 상기 용융부에서 Ni 또는 Pt의 함량이 너무 많거나 적을 때에는, 상기 용융부의 열팽창 계수가 상기 받침대 또는 귀금속 칩의 그것에 근접하게 되어, 상기 용융부와 상기 귀금속 칩 또는 받침대의 열팽창 계수 간에 차이가 증가된다. 냉각/가열 사이클이 이러한 상태에 놓일 때에는, 상기 용융부와 상기 귀금속 칩 또는 받침대 사이에 크랙이 발생되어, 상기 귀금속 칩이 상기 받침대로부터 탈락될 수 있다. 그로 인하여, Pt 및 Ni는 상술한 바의 양으로 포함된다. 또한, 상기 용융부에서 Al, Si 및 Mn이 상술한 바의 양으로 포함되므로, 고온 내산화성을 개선하는 것이 가능하다.

상기 받침대(23)는 상기 귀금속 칩(22)이 접합되는 그의 일측에 컬럼형 지지부를 형성하며 상기 접지전극 주요 몸체부(14A)에 접합되는 타측에 상기 지지부보다 큰 직경을 갖는 플랜지부를 형성한다. 상기 받침대(23)의 플랜지부는 상기 접지전극 주요 몸체부(14A)의 표면에 저항 용접에 의하여 접합된다. 상기 귀금속 칩(22)과 상기 중심전극(13)의 선단(13a) 사이에는 스파크 방전갭(g)이 형성된다. 상기 받침대(23) 및 상기 귀금속 칩(22)은 접합체를 형성하기 위하여 레이저 용접 또는 전자빔 용접에 의하여 서로 미리 접합되며, 그리고 나서 이는 저항 용접에 의하여 상기 접지전극 주요 몸체부(14A)에 접합된다.

또한, 바람직하게는, 상기 금속쉘(11)을 갖는 그의 접합부로부터 상기 귀금속 칩(22)의 접합 위치 중심(C)까지의 상기 접지전극 주요 몸체부의 길이방향 길이가 (L)이고 상기 길이방향에 수직인 상기 접지전극 주요 몸체부의 단면 영역이(S)일 때, 상기 접지전극 주요 몸체부(14A)는 29≤L²/S≤49의 관계식을 만족하며, 그의 열전도율은 상온에서 18W/(m·K) 이하이다. 상기 접지전극 주요 몸체부(14A)의 단면 영역(S)이 감소되고 길이(L)가 길어짐에 따라, 즉, (L²/S)이 29 이상일 때, 상기 용융부의 온도는 증가된다. 더욱이, 상기 접지전극 주요 몸체부(14A)의 열전도율이 18W/(m·K) 이하일 때에는, 상기 접지전극(14)에 가해지는 열이 상기 금속쉘(11)에로 탈피되기 곤란하므로, 상기 용융부의 온도가 증가되는 경향이 있다. 그러나, 상기 받침대(23)는 상술된 바의 합금으로 형성되므로, 상기 용융부에 보링이 발생되는 것을 효과적으로 방지하는 것이 가능하다. 한편, (L²/S)이 29 미만일 때, 상기 용융부의 온도는 그다지 증가되지 않으므로, 상기 용융부에 보링이 발생되지 않는다. 달리 말하자면, 본 발명의 효과를 달성하기 어렵다. 또한, (L²/S)이 49보다 클 때에는, 상기 선단(14b)의 온도가 과도하게 증가되므로, 조기점화가 발생되기 쉽다.

또한, 상기 접지전극 주요 몸체부(14A)는 Ni 합금으로 형성되지만, 10% 이상의 상기 단면 영역(S)은 상온에서 250W/(m·K)의 열전도율을 갖는 금속 또는 합금으로 형성되고 상기 접지전극 주요 몸체부의 길이방향 길이(L)의 1/2 이상의 범위 이내에서, 바람직하게는 그 전체 길이에 대하여, 35≤L²/S≤70의 관계식을 만족하는 것이 바람직하다. 상온에서 250W/(m·K)의 열전도율을 갖는 금속 또는 합금을 사용할 때에는, 상기 용융부의 온도가 증가되기 곤란하여, 보링이 효과적으로 억제되고 조기점화 또한 억제된다. 한편, 상온에서 250W/(m·K)의 열전도율을 갖는 금속으로서는, 저렴함 및 양호한 작업성으로 인하여 Cu 또는 Cu 합금이 바람직하다. 또한, 상기 접지전극 주요 몸체부(14A)는 그의 코어가 위의 금속으로 형성되며 상기 코어를 Ni 합금으로 에워싸는 구조로 된다.

본 발명은 다양하게 변경가능하다. 예를 들면, 상기 받침대(23)를 생략하고 상기 귀금속 칩(22)을 레이저 용접에 의하여 상기 접지전극 주요 몸체부(14A)에 직접 접합하는 것도 가능하다. 이때에, 상기 귀금속 칩(22)이 접합되는 상기 접지전극 주요 몸체부(14A)의 적어도 접합부(바람직하게는, 전체 접지전극 주요 몸체부)를 상술한 바의 합금으로 형성하는 것이 바람직하다.

실시예

이하, 실험예들을 참조하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

(실험 - 1)

높이 1.4㎜ 및 폭 2.5㎜의 단면 형태를 갖는 와이어 및 직경 0.8㎜의 지지부 및 플랜지부를 갖는 받침대를 표 1에 나타낸 재료로 된 작업 잉곳(ingot)에 의하여 제작하였다. Pt-10Rh(10질량%의 Rh를 포함하는 Pt)로 형성되고 0.74㎜의 직경을 갖는 컬럼형 몸체를 귀금속 칩으로서 제작하였다. 그리고나서, 상기 귀금속 칩 및 상기 받침대를 레이저 용접에 의하여 접합하였다. 한편, 표 1의 나머지는 불가피한 불순물이다. 여기에서, 상기 와이어 및 상기 받침대의 작업성을 평가하기 위하여, 제작 이후 상기 와이어 및 상기 받침대의 표면 및 내부에 흠 또는 크랙이 형성되었는지를 확인하였다. 흠이나 크랙이 없을 때에는 표 1에 “○”으로 나타내었고, 흠이나 크랙이 형성되었을 때에는 표 1에, “×”으로 나타내었다.

시험대 테스트로서, 상이한 조성의 상기 받침대 및 상기 귀금속 칩이 함께 용접된 접합체를 갖는 각각의 스파크 플러그를 1200℃의 냉각/가열 테스터에 장착하였고, 이후 1 사이클로서 가스버너에 의한 2분의 가열 및 1분의 냉각에 취하였다. 600 사이클 이후, 상기 용융부를 검사하였다. 상기 용융부에 수염-형 침전물이 전혀 없을 때에는, 표 1의 상기 시험대 테스트 평가에서 세로단에 “○”으로 나타내었으며, 이는 테스트에서 성공을 의미한다. 그리고, 상기 용융부에 수염-형 침전물이 있을 때에는, “×”으로 나타내었다. 한편, 상기 테스트 동안 상기 받침대로부터 상기 귀금속 칩이 탈락되었을 때에는, “탈락”으로 나타내었다.

또한, 실제 기계에 대한 내구시험으로서, 상기 시험대 테스트에서 사용한 바와 동일한 스파크 플러그를 2000cc 직렬 6기통 엔진에 장착하였고, 이를 1 사이클로서 1분 동안의 5500rpm(전개드로틀) 및 1분 동안의 750rpm(공전)에 취하였다. 매 50시간 마다 보링이 발생되었는지 및 상기 귀금속 칩이 탈락되었는지를 확인하였다. 보링 평가에 있어서, 상기 귀금속 칩의 받침대에서 상기 용융부의 최소 외경부가 상기 귀금속 칩의 원래 측부에 비하여 0.05㎜ 이상 내측으로 뚫어졌을 때(보링), 표 1의 실제 기계 평가에서 세로단에 “×”으로 나타내었으며, 상기 보링의 정도가 0.05㎜ 미만일 때에는 “○”으로 나타내었다. 또한, 상기 내구시험 동안 상기 귀금속 칩이 상기 받침대로부터 탈락되었을 때에는, “탈락”으로 나타내었다.

발명에 의한 조성을 갖는 받침대를 사용함으로써, 상기 받침대와 상기 귀금속 칩의 용융부에서 보링의 발생을 억제하고, 상기 용융부의 고온 내산화성을 개선하고, 상기 귀금속 칩의 탈락을 억제하는 것이 가능함을 표 1로부터 알 수 있다. 실제로는, 200시간 이상이 바람직하며, 본 발명에 의한 조성을 갖는 상기 받침대의 효과가 명백하다. 또한, 본 발명에 의한 조성을 갖는 상기 받침대가 우수한 작업성을 가진다는 것을 알 수 있다. 더욱이, 0.7질량% 이상의 양으로 Al을 포함하고 0.7질량% 이상의 양으로 Si를 포함하여, 상기 받침대의 고온 내산화성이 더욱 개선되고 상기 귀금속 칩의 탈락이 더욱 억제됨을 알 수 있다.

(실험 - 2)

실험-1에서 제작된 받침대 및 Pt-10Rh로 형성된 귀금속 칩을 레이저 용접에 의하여 접합하였다. 도 3에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 절반 단면도에서, 상기 용접부의 길이방향 최대 길이는 (a), 깊이방향 최대 길이는 (b)이었고, 각 길이를 4등분하는 3개의 가상선을 각 방향으로 그려 9개의 교차점을 샘플링하였고, 이에 대하여 SEM으로 조성 분석을 수행하였다. 분석 결과, Pt의 함량이 0~80질량%이었을 때, 상기 샘플링 위치는 상기 용융부 내에 있었고 그렇지 않은 경우에는 상기 샘플링 위치가 상기 받침대 또는 귀금속 칩 내에 있었음을 결정하였다. 이를 통하여, 상기 용융부에서 상기 샘플링 위치의 분석값의 평균을 구하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.

또한, 상이한 조성의 받침대 및 귀금속 칩이 함께 용접된 접합체를 갖는 각각의 스파크 플러그를 제작하여 실제 기계에 대한 내구 시험에 취하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

상기 받침대 및 상기 귀금속 칩의 용융부에서 Fe의 함량이 3질량% 이하일 때, 상기 용융부의 보링이 억제됨을 표 2로부터 알 수 있다. 또한, Cr의 함량이 4~35질량%이고, Al의 함량이 0.03~2질량%이며, Si의 함량은 0.03~2질량%일 때, 상기 용융부의 고온 내산화성이 개선되며, 상기 귀금속 칩의 탈락이 억제됨을 알 수 있다. 더욱이, Al의 함량이 0.2질량% 이상이고 Si의 함량이 0.2질량% 이상일 때, 상기 용융부의 고온 내산화성이 더욱 개선되며 상기 귀금속 칩의 탈락이 더욱 억제됨을 알 수 있다.

(실험 - 3)

상기 용융부의 합금 조성이 표 3에 나타낸 바와 같도록 상이한 조성의 받침대 및 Pt-10Rh로 형성된 귀금속 칩이 함께 용접된 접합체를 갖는 각각의 스파크 플러그를 제작하여 1000℃의 냉각/가열 테스터에 장착하였고, 이후 1 사이클로서 가스버너에 의한 2분의 가열 및 1분의 냉각에 취하였다. 1000 사이클 이후, 상기 용융부를 검사하였다. 상기 용융부의 산화 스케일이 50% 미만일 때에는 표 3에서 “○”으로 나타내었으며, 상기 용융부의 산화 스케일이 50% 이상일 때에는 “×”으로 나타내었다.

상기 용융부에서 Pt의 함량이 15~75질량%이고 Ni의 함량이 10~60질량%일 때, 산화 스케칠을 50% 미만으로 억제하고 상기 귀금속 칩과 상기 받침대 사이의 용접 강도를 보장하는 것이 가능함을 표 3으로부터 알 수 있다.

(실험 - 4)

표 4에 나타낸 재료로 형성되는 받침대 및 Pt-10Rh로 형성되는 귀금속 칩이 함께 용접된 접합체를 갖는 각각의 스파크 플러그를 제작하여 2000cc 직렬 6 기통 엔진에 장착하였고, 그리고나서 이를 1 사이클로서 1분 동안의 5500rpm(전개드로틀) 및 1분 동안의 750rpm(공전)에 취하였다. 실험-1에서처럼, 매 50시간 마다 보링이 발생되었는지 및 상기 귀금속 칩이 탈락되었는지를 확인하였다. 그 결과를 표 4에 나타낸다.

보링 평가에 있어서, 상기 귀금속 칩의 받침대에서 상기 용융부의 최소 외경부가 상기 귀금속 칩의 원래 측부에 비하여 0.05㎜ 이상 내측으로 뚫어졌을 때(보링), 표 1의 실제 기계 평가에서 세로단에 “×”으로 나타내었으며, 상기 보링의 정도가 0.05㎜ 미만일 때에는 “○”으로 나타내었다. 또한, 상기 내구시험 동안 상기 귀금속 칩이 상기 받침대로부터 탈락되었을 때에는,“탈락”으로 나타내었다. 상기 받침대가 0.005~5질량%의 Mn을 포함할 때에는, 많은 황(sulfur)을 포함하는 연료를 사용할 때에도, 상기 받침대의 고온 내산화성을 확보하고 상기 귀금속 칩의 탈락을 억제하는 것이 가능함을 표 4로부터 알 수 있다.

(실험 - 5)

상기 용융부의 합금 조성이 표 5에 나타낸 바와 같도록 상이한 조성의 받침대 및 Pt-10Rh로 형성되는 귀금속 칩이 함께 용접된 접합체를 갖는 각각의 스파크 플러그를 제작하여 실험-4에서와 동일한 평가에 취하였고, 매 50시간 마다 보링이 발생되었는지 및 상기 귀금속 칩이 탈락되었는지를 확인하였다.

상기 받침대가 0.0025~3질량%의 Mn을 포함할 때에는, 많은 황(sulfur)을 포함하는 연료를 사용할 때에도, 상기 용융부의 고온 내산화성을 확보하고 상기 귀금속 칩의 탈락을 억제하는 것이 가능함을 표 5로부터 알 수 있다.

(실험 - 6)

Ni 합금로 형성되고 14W/(m·K), 18W/(m·K) 또는 20W/(m·K)의 열전도율과 상이한 길이(L) 및 단면 영역(S)을 갖는 접지전극 주요 몸체부를 제작하였다. 상기 접지전극을 제작하기 위하여, 비교예 1 또는 실시예 10의 받침대와 Pt-10Rh로 형성된 귀금속 칩의 접합부를 갖는 접합체를 각각의 접지전극 주요 몸체부에 접합하였다. 각 접지전극을 갖는 상기 스파크 플러그를 2000cc 직렬 6기통 엔진에 장착하였고, 그리고나서 이를 1 사이클로서 1분 동안의 5500rpm(전개드로틀) 및 1분 동안의 750rpm(공전)에 취하였다. 실험-1에서처럼, 200시간 후에 보링이 발생되었는지를 확인하였다. 그 결과를 표 6 ~ 표 8에 나타낸다. 표에서, “-”는 비교예 1의 받침대 및 실시예 10의 받침대 모두에서 보링이 발생되지 않은 경우를 나타내며, “○”는 비교예 1의 받침대에서는 보링이 발생되고 실시예 10의 받침대에서는 보링이 발생되지 않은 경우를 나타내고, 이는 보링을 억제하는 효과가 있음을 의미한다. 그리고, “×”는 비교예 1의 받침대 및 실시예 10의 받침대 모두에서 보링이 발생된 경우를 나타낸다. 또한, “조기점화”는 조기점화가 발생되어 해당 스파크 플러그가 스파크 플러그로서 사용될 수 없었음을 나타낸다.

상기 접지전극 주요 몸체부가 18W/(m·K) 이하의 열전도율 및 상기 조건 29≤L²/S≤49을 만족하는 형상을 가질 때에는, 열소실이 양호하며 용융부에서 보링이 효과적으로 억제됨을 표 6 ~ 표 8로부터 알 수 있다.

(실험 - 7)

실험-6에서와 동일한 형태를 갖는 접지전극 주요 몸체부를 제작하기 위하여, 상기 접지전극 주요 몸체부의 단면 영역(S)에서 8%, 10% 또는 14%를 차지하는 상이한 두께의 구리 와이어로 형성되는 코어를 갖는 Ni 합금을 제작하였다. 상기 접지전극을 제작하기 위하여, 비교예 1 또는 실시예 10의 받침대와 Pt-10Rh로 형성된 귀금속 칩의 접합부를 갖는 접합체를 각각의 접지전극 주요 몸체부에 접합하였다.

각 접지전극을 갖는 상기 스파크 플러그를 상술한 바의 실제 기계 평가에 취하였다. 그 결과를 표 9 ~ 표 11에 나타낸다. 표에서, 결정 기준은 실험-6에서와 동일하다.

상기 접지전극 주요 몸체부에서 10% 이상의 상기 단면 영역(S)이 구리 와이어로 형성되고 35≤L²/S≤70의 조건을 만족하는 형태를 가질 때, 열소실이 양호하며 용융부에서 보링이 더욱 효과적으로 억제됨을 표 9 ~ 표 11로부터 알 수 있다. 또한, 코어가 제공되어, 전체 접지전극의 열소실 또한 개선된다.

본 발명은 그의 예를 참조하여 설명되었으나, 본 발명은 이들 예에 한정되지 않는다. 본 발명 내에서 형식 및 세부에 있어서 다양한 변경을 가할 수 있음은 당업자에게 자명하다.

본 출원은 2008년 9월 9일자로 출원된 일본국 특허출원 제2008-230540호의 우선권을 주장하며, 그 개시 내용은 이에 참증으로서 결부된다.

11 - 금속쉘 12 - 절연체
13 - 중심전극 14 - 접지전극
14A - 접지전극 주요 몸체부 22 - 귀금속 칩
23 - 받침대 100 - 스파크 플러그

Claims

원통형 금속쉘;
상기 금속쉘에 의하여 지지되는 원통형 절연체;
상기 절연체 내에 지지되는 중심전극; 및
상기 금속쉘에 고정되게 접속되는 일단과 상기 중심전극에 대향되는 타단을 갖는 접지전극 주요 몸체부 및 상기 중심전극의 선단에 대향되는 위치에서 상기 접지전극 주요 몸체부에 접합되는 귀금속 칩으로 이루어지는 접지전극으로서, 상기 중심전극의 선단과 상기 귀금속 칩의 사이에는 스파크 방전갭이 형성되는 접지전극으로 이루어지며,
여기에서, 상기 귀금속 칩이 접합되는 상기 접지전극 주요 몸체부의 적어도 일부분은 12~35질량%의 Cr, 7질량% 이하의 Fe, 0.5~5질량%의 Al, 0.3~5질량%의 Si, 및 50질량% 이상의 나머지(balance)를 포함하는 Ni 합금으로 이루어지고, 그리고
여기에서, 상기 접합부 및 상기 귀금속 칩은 레이저 용접 또는 전자빔 용접에 의하여 접합됨을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1에 있어서, Al의 함량은 0.7질량% 이상이며 Si의 함량은 0.7질량% 이상인 스파크 플러그.
청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 접합부를 구성하는 합금은 Y, Hf, Zr, La, Ce 및 Nd 중 적어도 한 가지를 0.01~0.4질량% 만큼 포함함을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접합부를 구성하는 합금은 0.005~5질량%의 Mn를 포함함을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 귀금속 칩은 Pt 합금으로 형성됨을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 5에 있어서, 상기 Pt 합금은 Ir, Rh, Ru 및 Ni 중 적어도 한 가지를 포함함을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 5 또는 6에 있어서, 상기 접합부 및 상기 귀금속 칩이 서로 용융된 용융부는 3질량% 이하의 Fe, 10~60질량%의 Ni, 15~75질량%의 Pt, 4~35질량%의 Cr, 0.03~2질량%의 Al, 및 0.03~2질량%의 Si를 포함함을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 7에 있어서, 상기 용융부는 0.1질량% 이상의 Al 및 0.1질량% 이상의 Si를 포함함을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 7 또는 8에 있어서, 상기 용융부는 Y, Hf, Zr, La, Ce 및 Nd 중 적어도 한 가지를 0.001~0.2질량% 만큼 포함함을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 7 내지 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용융부는 0.0025~3질량%의 Mn를 포함함을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서, 금속쉘을 갖는 상기 접지전극 주요 몸체부의 접합 단부로부터 상기 귀금속 칩의 접합 위치까지 상기 접지전극 주요 몸체부의 길이방향 길이가 (L)이고 상기 길이방향에 수직인 상기 접지전극 주요 몸체부의 단면 영역이 (S)일 때, 29≤L²/S≤49의 관계가 만족되며 상기 접지전극 주요 몸체부의 열전도율은 상온에서 18W/(m·K) 이하임을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 11에 있어서, 상기 접지전극 주요 몸체부의 단면 영역(S)의 10% 이상은 Cu 또는 Cu 합금으로 형성되며 상기 접지전극 주요 몸체부의 길이방향 길이(L)의 1/2 이상의 범위 이내에서 35≤L²/S≤70의 관계식을 만족함을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접지전극 주요 몸체부는 상기 중심전극의 선단에 대향되는 위치에서 그의 표면에 고정되게 접속되는 받침대부를 가지며, 상기 받침대부는 상기 합금으로 이루어지고, 상기 귀금속 칩은 상기 레이저 용접 또는 전자빔 용접에 의하여 상기 받침대에 접합됨을 특징으로 하는 스파크 플러그.