KR20130018924A

KR20130018924A - 스파크 플러그

Info

Publication number: KR20130018924A
Application number: KR1020127032387A
Authority: KR
Inventors: 노리히데 가치카와
Original assignee: 니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
Priority date: 2010-05-13
Filing date: 2011-05-06
Publication date: 2013-02-25
Also published as: JPWO2011142106A1; CN102893470A; EP2571118B1; US20130069517A1; KR101397895B1; EP2571118A1; JP5144818B2; US9252568B2; WO2011142106A1; CN102893470B; EP2571118A4

Abstract

(과제) 스파크 플러그가 소경화된 경우에서도 접지전극과 금속쉘의 접합강도를 확보한다.
(해결방법) 스파크 플러그(100)는 중심전극(20)과, 니켈의 함유율이 95질량% 이상인 금속재료로 이루어지는 접지전극(30)과, 접지전극(30)의 일단이 선단면(57)에 용접된 대략 통형상의 금속쉘(50)을 구비하고 있다. 스파크 플러그(100)는 금속쉘(50)의 선단면에서부터 금속쉘(50)의 내부로 접지전극(30)이 매몰된 가장 깊은 부분의 깊이(BD)가 "O.15㎜≤BD≤O.40㎜"의 조건을 만족하고, 또한 접지전극(30)의 용접에 의해서 변형된 부분에 가장 가까운 부위의 폭(EWl)과 용접에 의해서 변형된 부분의 금속쉘(50)의 선단면(57) 상에 있어서의 폭(EW2)이 "(EW2-EWl)/EWl≥O.1"의 조건을 만족한다.

Description

스파크 플러그{SPARK PLUG}

본 발명은 내연기관에 장착되는 스파크 플러그에 관한 것이다.

최근에는 내연기관의 고출력화를 위해서 인테이크 밸브나 이그저스트 밸브의 밸브 직경을 확대하는 것이 필요하게 되고 있다. 또, 고출력화된 내연기관을 효율 좋게 냉각하기 위해서 더 큰 워터 재킷을 구비하는 것이 필요하게 되고 있다. 그러나, 이러한 것들의 대책을 실현하려고 하면, 내연기관에 장착되는 스파크 플러그의 설치공간이 작아지게 되기 때문에 스파크 플러그의 소경화(小徑化)가 필요하게 된다.

최근의 내연기관은 저배출화(low emissions)가 강하게 요구되고 있기 때문에, 스파크 플러그에는 높은 착화성능이 요구된다. 따라서, 스파크 플러그의 금속쉘을 소 경화하더라도 금속쉘에 용접되는 접지전극의 치수는 가능한 크게 하는 것이 바람직하다. 그러나, 접지전극을 크게 하려고 하면, 그 두께가 소경화된 금속쉘의 두께와 점차 같아지게 되기 때문에(특허문헌 1 참조), 양자를 접합하는 용융부의 크기가 작아지게 되어 접지전극과 금속쉘의 접합강도가 저하될 우려가 있었다.

특허문헌 1 : 일본국 특허공개 2003-223968호 공보 특허문헌 2 : 일본국 특허공개 2003-59617호 공보 특허문헌 3 : 일본국 특허공개 2009-16278호 공보 특허문헌 4 : 일본국 특허공개 2005-339864호 공보

이와 같은 문제를 고려하여, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 스파크 플러그가 소경화된 경우에서도 접지전극과 금속쉘의 접합강도를 확보하는 것에 있다.

본 발명은 상기한 과제 중 적어도 일부를 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 이하의 형태 또는 적용예로서 실현하는 것이 가능하다.

≪적용예 1≫

축선방향으로 연장되는 중심전극과, 니켈의 함유율이 95질량% 이상인 금속재료로 이루어지는 접지전극과, 선단면에 상기 접지전극의 일단이 용접된 대략 통형상의 금속쉘을 구비하는 스파크 플러그로서, 상기 접지전극과 상기 금속쉘의 용접에 의해서, 상기 금속쉘의 선단면에서부터 상기 금속쉘의 내부로 상기 접지전극이 가장 깊게 매몰된 부분의 깊이인 매몰량(BD)이 "O.15㎜≤BD≤O.40㎜"의 조건을 만족하고, 또한 상기 접지전극의 상기 용접에 의해서 변형된 부분에 가장 가까운 부위에 있어서의 폭인 원래 폭(EWl)과, 상기 용접에 의해서 변형된 부분의 상기 금속쉘의 선단면 상에 있어서의 폭인 변형 폭(EW2)이 "(EW2-EWl)/EWl≥O.1"의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.

이와 같은 구성의 스파크 플러그라면, 접지전극에 함유되는 니켈의 함유율이 95질량% 이상으로 매우 높기 때문에, 접지전극의 열전도성을 높일 수 있다. 따라서, 금속쉘 내에 접지전극의 일부가 매몰되도록 용접할 수 있다. 그리고, 상기 매몰의 깊이{매몰량(BD)}를 상기한 바와 같은 조건(0.15㎜≤BD≤O.40㎜)을 만족하도록 하고, 접지전극의 원래 폭(EWl)과 변형 폭(EW2)을 상기한 바와 같은 조건{(EW2-EWl)/EWl≥O.1}을 만족하도록 함으로써, 스파크 플러그가 소경화된 경우에서도 접지전극과 금속쉘의 접합강도를 확보하는 것이 가능하게 된다.

≪적용예 2≫

적용예 1에 기재된 스파크 플러그에 있어서, 상기 원래 폭(EWl)과 상기 변형 폭(EW2)이 "(EW2-EWl)/EWl≥O.16"의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.

접지전극의 원래 폭(EWl)과 변형 폭(EW2)이 이와 같은 조건을 만족하면, 접지전극과 금속쉘의 접합강도를 보다 확실하게 확보하는 것이 가능하게 된다.

≪적용예 3≫

적용예 1 또는 적용예 2에 기재된 스파크 플러그에 있어서, 상기 접지전극과 상기 금속쉘의 용접에 의해서 상기 접지전극의 두께방향으로 생긴 융기부의 적어도 일부가 상기 축선방향을 따라서 제거됨에 의해서 형성된 제거면을 더 구비하고 있으며, 상기 제거면의 면적인 제거면적(CS)과, 상기 접지전극의 상기 용접에 의해서 변형된 부분에 가장 가까운 부위에 있어서 상기 축선방향과 직교하는 단면의 면적인 접지전극 단면적(ES)이 "CS/ES≥1.2"의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.

제거면적(CS)과 접지전극 단면적(ES)이 이와 같은 조건을 만족하면, 접지전극과 금속쉘의 접합강도를 보다 확실하게 확보하는 것이 가능하게 된다.

≪적용예 4≫

적용예 3에 기재된 스파크 플러그에 있어서, 상기 제거면적(CS)과 상기 접지전극 단면적(ES)이 "CS/ES≤1.6"의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.

≪적용예 5≫

적용예 1 내지 적용예 4 중 어느 한 적용예에 기재된 스파크 플러그에 있어서, 상기 접지전극은 희토류 원소를 함유하고, 상기 접지전극이 상기 금속쉘에 매몰된 가장 깊은 부분에 상기 희토류 원소를 함유하는 결정의 입경이 20㎛ 이하가 되는 용융층을 구비하고, 상기 용융층의 상기 축선방향을 따르는 두께인 용융층 두께(MH)가 "10㎛≤MH≤200㎛"의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.

이와 같은 구성이면, 접지전극에 희토류 원소가 함유되어 있기 때문에, 접지전극의 열전도율은 금속쉘에 대해서 낮아지게 된다. 따라서, 금속쉘 측이 용융되기 쉬워지게 되어, 금속쉘 내에 접지전극의 일부를 양호하게 매몰시킬 수 있다. 또, 일반적으로 접지전극과 금속쉘의 사이에 형성되는 용융층의 두께가 크면, 그 부분을 기점으로 하여 접지전극(3O)이 부러지기 쉬워지게 된다. 그러나, 용융층 두께(MH)를 상기한 바와 같은 범위에 두면, 용융층을 비교적 얇게 할 수 있기 때문에, 접지전극과 금속쉘의 접합강도를 확보하는 것이 가능하게 된다.

≪적용예 6≫

적용예 5에 기재된 스파크 플러그에 있어서, 상기 결정은 희토류 화합물이고, 상기 희토류 화합물은 상기 희토류 원소를 함유하는 과포화 고용체인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.

이와 같이 용융층 내에 과포화 고용체가 함유되어 있으면, 이물질의 혼입을 억제할 수 있기 때문에, 조직 간의 결합강도가 높아지게 진다. 따라서, 접지전극과 금속쉘의 접합강도를 보다 확실하게 확보하는 것이 가능하게 된다.

≪적용예 7≫

적용예 5에 기재된 스파크 플러그에 있어서, 상기 결정은 희토류 화합물이고, 상기 희토류 화합물은 상기 희토류 원소를 함유하는 입경 5㎛ 이하의 금속간 화합물인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.

이와 같이 용융층 내에 입경 5㎛ 이하라는 비교적 작은 금속간 화합물이 함유되어 있으면, 응력이 분산되기 쉬워지기 때문에, 접지전극과 금속쉘의 접합강도를 보다 확실하게 확보하는 것이 가능하게 된다.

≪적용예 8≫

적용예 5 내지 적용예 7 중 어느 한 적용예에 기재된 스파크 플러그에 있어서, 상기 용융층 내의 상기 희토류 원소를 함유하는 결정의 입경이, 상기 접지전극의 상기 용접에 의해서 변형되지 않은 부분 내의 상기 희토류 원소를 함유하는 결정의 입경보다도 작은 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.

이와 같은 구성이면, 접지전극과 금속쉘의 접합강도를 보다 확실하게 확보하는 것이 가능하게 된다.

≪적용예 9≫

적용예 5 내지 적용예 8 중 어느 한 적용예에 기재된 스파크 플러그에 있어서, 상기 희토류 원소로서 네오디뮴, 이트륨, 세륨 중 적어도 1종류를 함유하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.

이와 같은 희토류 원소가 접지전극에 함유되어 있으면, 접지전극의 단부를 금속쉘 내에 양호하게 매몰시키는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 발명은 상기한 스파크 플러그로서의 구성 외에 스파크 플러그의 제조방법으로서도 구성하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시형태로서의 스파크 플러그의 부분 단면도이다.
도 2는 희토류 원소가 첨가된 접지전극과 금속쉘의 접합방법을 나타내는 설명도이다.
도 3은 접지전극과 금속쉘의 접합부분을 나타내는 확대도이다.
도 4는 파단실험의 방법을 나타내는 설명도이다.
도 5는 전자 현미경에 의해서 얻어진 용융층 부근의 단면 화상을 나타내는 도면이다.
도 6은 용융층의 단면의 결정구조를 전자 현미경으로 관찰한 상태를 나타내는 도면이다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태와 실시예에 대해서 설명한다.

A. 실시형태 :

도 1은 본 발명의 실시형태로서의 스파크 플러그(100)의 부분 단면도이다. 이하에서는 도 1 중의 축선(O)을 따르는 상측을 스파크 플러그(100)의 선단측으로 하고, 하측을 스프크 플러그(100)의 후단측으로 하여 설명한다.

스파크 플러그(100)는 절연애자(10)와 중심전극(20)과 접지전극(3O)과 금속단자(40)와 금속쉘(50)을 구비한다.

중심전극(20)은 절연애자(10)의 선단에서 돌출되는 봉형상의 전극이며, 절연애자(10)의 내부를 통해서 절연애자(10)의 후단에 설치된 금속단자(40)에 전기적으로 접속되어 있다. 중심전극(20)의 외주는 절연애자(10)에 의해서 유지되어 있고, 절연애자(10)의 외주는 금속단자(40)로부터 떨어진 위치에서 금속쉘(50)에 의해서 유지되어 있다.

절연애자(10)는 중심전극(20) 및 금속단자(40)를 수용하는 축구멍(12)이 중심에 형성된 통형상의 절연체이며, 알루미나를 비롯한 세라믹스 재료를 소성하여 형성되어 있다. 절연애자(10)의 축방향 중앙에는 외경을 크게 한 중앙 몸통부(19)가 형성되어 있다. 중앙 몸통부(19)보다도 후단측에는 금속단자(40)와 금속쉘(50)의 사이를 절연하는 후단측 몸통부(18)가 형성되어 있다. 중앙 몸통부(19)보다도 선단측에는 후단측 몸통부(18)보다도 외경이 작은 선단측 몸통부(17)가 형성되어 있고, 선단측 몸통부(17)의 더 선단측에는 선단측 몸통부(17)보다도 작은 외경이면서 중심전극(20) 측으로 향하여 갈 수록 외경이 작아지게 되는 긴 다리부(13)가 형성되어 있다.

금속쉘(50)은 절연애자(10)의 후단측 몸통부(18)의 일부에서부터 다리부(13)에 걸친 부위를 포위하여 유지하는 원통형상의 쉘(shell)이며, 본 실시형태에서는 저탄소강으로 이루어진다. 금속쉘(50)은 공구 걸어맞춤부(51)와 부착 나사부(52)와 밀봉부(54)를 구비한다. 금속쉘(50)의 공구 걸어맞춤부(51)는 스파크 플러그(100)를 엔진 헤드(도시생략)에 부착하기 위한 공구가 걸어맞춰지는 부위이다. 금속쉘(50)의 부착 나사부(52)는 엔진 헤드의 부착 나사구멍에 나사결합되는 나사산을 가진다. 금속쉘(50)의 밀봉부(54)는 부착 나사부(52)의 기단부에 플랜지 형상으로 형성되며, 밀봉부(54)와 엔진 헤드의 사이에는 판체를 구부려서 형성한 환형상의 개스킷(5)이 끼워진다. 금속쉘(50)의 선단면(57)은 중공의 원형상이며, 그 중앙에는 절연애자(10)의 다리부(13)와 중심전극(20)이 돌출된다.

중심전극(20)은 폐관 형상으로 형성된 전극 모재(21)의 내부에, 전극 모재(21)보다도 열전도성이 우수한 심재(25)를 매설한 봉형상의 부재이다. 본 실시형태에서는 전극 모재(21)가 니켈을 주성분으로 하는 니켈 합금으로 이루어지고, 심재(25)가 구리 또는 구리를 주성분으로 하는 합금으로 이루어진다. 중심전극(20)은 전극 모재(21)의 선단이 절연애자(10)의 축구멍(12)에서 돌출된 상태가 되도록 절연애자(10)의 축구멍(12)에 삽입되며, 세라믹 저항(3) 및 밀봉체(4)를 통해서 금속단자(40)에 전기적으로 연결된다.

접지전극(30)은 그 일단이 금속쉘(50)의 선단면(57)에 접합되고, 타단이 중심전극(2O)의 선단부와 대향하도록 굴곡되어 있다. 본 실시형태의 접지전극(30)은 니켈(Ni)을 95질량% 이상 함유한 니켈 합금에 의해서 형성되어 있으며, 또한 희토류 원소인 네오디뮴(Nd)이 0.05~1.0질량% 첨가되어 있다. 희토류 원소로서는 네오디뮴 외에도 이트륨(Y) 이나 세륨(Ce)을 이용하는 것도 가능하다. 또한, 접지전극(30)은 니켈이나 희토류 원소 이외에도 크롬(Cr)을 함유하고 있어도 좋다. 접지전극(30)은 예를 들면, 니켈과 네오디뮴을 상기 비율로 함유하는 원재료를 진공 용해로를 이용하여 용해ㆍ주조하여 주괴를 얻고, 이 주괴를 열간 가공 및 와이어 드로잉 가공을 실시함에 의해서 제조할 수 있다.

도 2는 희토류 원소가 첨가된 접지전극(30)과 금속쉘(50)의 접합방법을 나타내는 설명도이다. 본 실시형태에서는 도 2(a)에 나타내는 바와 같이, 우선 접지전극(30)을 상전극(71)으로 유지하고, 금속쉘(50)을 하전극(72)으로 유지한다. 이때 금속쉘(50)의 선단면(57)에서부터 상전극(71)의 하면까지에는 O.5~2.O㎜의 간격을 두고, 금속쉘(50)의 선단면(57)에서부터 하전극(72)의 상면까지에는 5.0~3O.O㎜의 간격을 둔다. 그리고, 이 상태에서 2개의 전극(71,72)을 이용하여 상하방향에서 각각 400~800N의 힘으로 가압을 한다. 또한, 상전극(71) 및 하전극(72)은 크롬 구리, 황동, 베릴륨 구리, 구리 텅스텐, 은 텅스텐, 하이스 등의 재질로 형성되어 있다.

계속해서, 상전극(71) 및 하전극(72)에 의해서 가압을 함과 동시에 교류 인버터 전원(73)에 의해서 이들 전극(71,72) 간에 통전을 실시하여 저항 용접을 한다. 통전시에는 접지전극(30)과 금속쉘(50)의 용융에 의해서 상전극(71) 및 하전극(72)으로부터의 가압력은 각각 50~200N 정도 저하된다. 그리고, 통전 후에는 상전극(71)과 하전극(72)에 의해서 접지전극(30)과 금속쉘(50)을 그대로의 상태로 50~200밀리초 간 유지한다. 또한, 본 실시형태에서는 교류 인버터 전원(73)에 의해서 통전을 하였으나, 트랜지스터 전원이나 콘덴서 전원 등의 단시간·대전류 방식의 다른 전원을 이용하는 것도 가능하다.

이상과 같이 접지전극(30)과 금속쉘(50)을 용접하면, 도 2(b)에 나타내는 바와 같이 접지전극(30)의 하단이 금속쉘(50) 내에 매몰되도록 접지전극(30)과 금속쉘(50)이 접합된다. 접지전극(30)의 하단이 금속쉘(50) 내에 매몰되는 것은, 본 실시형태에서는 접지전극(30)의 니켈의 함유율이 95질량% 이상으로 매우 높기 때문에, 접지전극의 열전도성이 높아 금속쉘(50)로 열이 전도되기 쉽기 때문이다. 또, 본 실시형태에서는 접지전극(30)에 희토류 원소가 첨가되어 있기 때문에, 접지전극(30)의 열전도율이 금속쉘(5O)에 대해서 낮아지게 되어, 금속쉘(50) 측이 접지전극(30)보다도 용융되기 쉽기 때문이다.

접지전극(30)과 금속쉘(50)이 접합되면, 도 2(b)에 나타내는 바와 같이 금속쉘(5O)의 상단부에는 접지전극(30)의 두께방향으로 용접 버(burr)(80)(융기부)가 생긴다. 그래서, 이 용접 버(80)를, 축선(O)을 따르도록 금속쉘(50)의 외면 및 내면에 대해서 전단 가공이나 절단 가공 등의 주지의 기계 가공에 의해서 각각 제거한다. 이와 같이 함으로써, 도 2(c)에 나타내는 바와 같이 용접 버(80)가 제거된 접지전극(30)이 부착된 금속쉘(50)이 제작된다. 이상 설명한 접합방법에 의해서 접지전극(30)과 금속쉘(50)이 접합되면, 그 후 금속쉘(50) 내에 절연애자(10)나 중심전극(20)을 조립함으로써 스파크 플러그(100)가 완성된다.

도 3은 접지전극(30)과 금속쉘(50)의 접합부분의 확대도이다. 도 3(a)에는 접지전극(30)의 폭방향에 있어서의 확대도를 나타낸다. 이하의 설명에서는 접지전극(30)과 금속쉘(50)의 용접에 의해서 변형된 부분에 가장 가까운 부위에 있어서의 접지전극(30)의 폭을 "원래 폭(EW1)"이라 한다. 또, 접지전극(30)과 금속쉘(50)의 용접에 의해서 변형된 부분의 금속쉘(50)의 선단면(57) 상에 있어서의 접지전극(30)의 폭을 "변형 폭(EW2)"이라 한다. 또, 용접 버(80)(도 2 참조)가 제거된 부분의 면적을 "제거면적(CS)"이라 한다. 제거면적(CS)은 접지전극(30) 및 금속쉘(50)의 내면 및 외면의 제거면적을 각각 서로 더한 면적이다.

도 3(b)에는 접지전극(30)의 두께방향에 있어서의 확대도를 나타낸다. 이하의 설명에서는 접지전극(30)과 금속쉘(50)의 용접에 의해서 변형된 부분에 가장 가까운 부위에 있어서의 접지전극(30)의 두께를 "원래 두께(ET1)"라 하고, 접지전극(30)과 금속쉘(50)의 용접에 의해서 변형된 부분의 금속쉘(50)의 선단면(57) 상에 있어서의 접지전극(30)의 두께{용접 버(80)를 제거한 후의 두께}를 "변형 두께(ET2)"라 한다. 또, 이하의 설명에서는 접지전극(30)과 금속쉘(50)의 용접에 의해서 변형된 부분에 가장 가까운 부위에 있어서 접지전극(30)을 축선(O)과 직교하는 평면에 의해서 절단한 단면의 면적을 "접지전극 단면적(ES)"이라 한다. 이 접지전극 단면적(ES)은 원래 폭(EW1)과 원래 두께(ET1)의 곱에 의해서 나타낸다.

도 3(c)에는 접지전극(30)의 폭방향에 대한 단면도를 나타낸다. 도 3(c)에 나타내는 바와 같이 접지전극(30)과 금속쉘(50)이 도 2에 나타낸 방법에 의해서 용접되면, 금속쉘(50)의 선단면(57)보다도 낮은 위치(후단측의 위치)에 있어서, 접지전극(30)과 금속쉘(50)의 경계에 용융층(ML)이 형성된다. 본 실시형태에서는, 접지전극(30)과 금속쉘(50)의 경계에 있어서 희토류 원소를 함유하는 결정의 입경이 20㎛ 이하가 되는 범위를 용융층(ML)이라 한다. 이하의 설명에서는, 금속쉘(50)의 선단면(57)에서부터 금속쉘(50)의 내부로 접지전극(30){용융층(ML)을 포함한다}이 가장 깊게 매몰된 부분의 깊이를 "매몰량(BD)"이라 한다. 또, 금속쉘(50)의 선단면(57)에서부터 금속쉘(50)의 내부로 접지전극(30)이 매몰된 가장 깊은 부분의 용융층(ML)의 두께를 "용융층 두께(MH)"라 한다.

본 실시형태의 스파크 플러그(100)는 도 3에 나타낸 여러 가지 파라미터가 이하의 조건 1~4를 만족하도록 제작되어 있다. 조건 1은 매몰량(BD)에 대한 조건이고, 조건 2는 접지전극(30)의 폭방향의 변형비율(이하 "폭방향 변형비율"이라 한다)에 대한 조건이다. 또, 조건 3은 접지전극 단면적(ES)에 대한 제거면적(CS)의 비율(이하 "제거면적비율"이라 한다)에 대한 조건이고, 조건 4는 용융층 두께(MH)에 대한 조건이다.

ㆍ조건 1 : O.15㎜≤BD≤O.40㎜

·조건 2 : (EW2-EW1)/EW1≥O.1

·조건 3 : 1.2≤CS/ES≤1.6

·조건 4 : 10㎛≤MH≤200㎛

또한, 본 실시형태의 스파크 플러그(100)는 용융층(ML)의 결정구조가 이하의 조건 5를 만족하도록 제작되어 있다.

·조건 5 : 용융층(ML)에 함유되는 희토류 화합물의 결정이 희토류 원소를 함유하는 과포화 고용체, 희토류 원소를 함유하는 입경 5㎛ 이하의 금속간 화합물 중 적어도 어느 한쪽이다.

본 실시형태의 스파크 플러그(100)는 상기한 여러 가지 조건을 만족함으로써 접지전극과 금속쉘의 접합강도를 확보하는 것이 가능하게 되었다. 이하, 상기한 각 조건의 근거를 실험결과에 의거하여 설명한다.

B. 실시예 :

본 실시예에서는 원래 두께(ET1) 및 원래 폭(EW1)이 다른(즉, 단면적이 다른) 복수 종류의 접지전극(30)을 준비하고, 각각의 종류마다 접지전극(30)과 금속쉘(50)을 저항 용접할 때에 전극(71,72) 간에 흐르는 전류값을 1.5㎄~3.O㎄의 범위에서 변동시킴으로써, 상기한 조건 1~4에 관한 파라미터가 여러 가지 값을 채택하는 복수 종류의 접지전극(30)이 부착된 금속쉘(50)(이하, "샘플"이라 한다)을 제작하였다. 그리고, 이와 같이 하여 제작된 샘플의 접지전극(30)을 복수회 구부리되, 2.5회 이상 구부려도 접지전극(30)이 파단되지 않은 것을 합격(◎)으로 하고, 굽힘회수가 2.5회 미만에서 파단된 것을 불합격(×)으로 하는 파단실험을 실시하였다. 굽힘회수가 2.5회라는 것은 10만㎞의 통상 주행에 견디는 것이 가능한 접지전극(30)의 강도를 나타낸다.

도 4는 파단실험의 방법을 나타내는 설명도이다. 도시한 바와 같이, 이 파단실험에서는 접지전극(30)이 금속쉘(50)의 선단면(57)에 수직으로 접합된 상태에서{도 4(a)}, 금속쉘(50)의 선단면(57)에 접지전극(30)이 평행하게 될 때까지 내측으로 굽히고{도 4(b)}, 또한 굽혀진 접지전극(30)을 다시 금속쉘(50)의 선단면(57)에 수직으로 펴는 작업을 실시한다{도 4(c)}. 굽힘회수는 도 4(a)의 상태에서 도 4(b)의 상태로 접지전극(30)을 굽히는 공정을 O.5회로 하여 카운트하고, 도 4(b)의 상태에서 도 4(c)의 상태로 다시 접지전극(30)을 펴는 공정을 다음의 O.5회로 하여 카운트한다.

상기한 파단실험의 결과를 표 1에 나타낸다. 표 1에 나타내는 바와 같이, 이 실험에서는 접지전극(3O)의 원래 두께(ET1) 및 원래 폭(EW1)의 조합이 각각 1.1㎜ 및 2.2㎜인 샘플(샘플 No.1~4 )과, 1.3㎜ 및 2.7㎜인 샘플(샘플 No.5~9)과, 1.6㎜ 및 2.8㎜인 샘플(샘플 No.10~13)에 대해서 상기한 파단실험을 실시하였다.

샘플 No.	두께방향			폭방향		매몰량	용융층	굽힘 회수	판정 결과
		조건3			조건2	조건1	조건4
	ET1 (㎜)	CS/ES	ET2-ET1 (㎜)	EW1 (㎜)	(EW2-EW1)/EW1	BD (㎜)	MH (㎛)
1	1.1	1.17	0.03	2.2	0.07	0.03	2	1.5	×
2	1.1	1.20	0.10	2.2	0.10	0.15	10	2.5	◎
3	1.1	1.32	0.14	2.2	0.16	0.21	35	2.5	◎
4	1.1	1.40	0.20	2.2	0.23	0.36	80	3.5	◎
5	1.3	1.09	0.04	2.7	0.09	0.05	5	0.5	×
6	1.3	1.16	0.08	2.7	0.16	0.11	9	1.5	×
7	1.3	1.30	0.14	2.7	0.30	0.33	40	3.0	◎
8	1.3	1.52	0.25	2.7	0.47	0.37	130	4.5	◎
9	1.3	1.60	0.30	2.7	0.50	0.40	185	5.0	◎
10	1.6	1.07	0.07	2.8	0.02	0.07	7	1.5	×
11	1.6	1.32	0.25	2.8	0.19	0.27	110	4.5	◎
12	1.6	1.53	0.40	2.8	0.44	0.39	160	4.0	◎
13	1.6	1.70	0.55	2.8	0.68	0.70	270	0.5	×
14	1.6	1.60	0.43	2.8	0.52	0.40	200	5.0	◎

표 1에 나타내는 바와 같이, 상기한 파단실험에 의해서 굽힘회수를 2.5회 이상 확보할 수 있었던 것(판정결과가 ◎인 것)은 샘플 No.2, 3, 4, 7, 8, 9, 11, 12, 14의 샘플이었다. 그래서, 판정결과가 ◎로 된 상기한 샘플에 의거하여 상기한 각 조건에 관한 파라미터의 범위를 다음과 같이 검증한다.

우선, 조건 1에 대해서, 굽힘회수를 2.5회 이상 확보할 수 있었던 샘플의 매몰량(BD)의 최저값은 O.15㎜이고 최대값은 O.40㎜이었다. 매몰량(BD)이 상기 범위를 벗어나는 샘플은 모두 굽힘회수가 2.5회 미만이었다. 이 결과로부터, 매몰량(BD)을 O.15㎜ 이상 O.40㎜ 이하로 함으로써 접지전극(30)과 금속쉘(5O)의 접합강도를 확보할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

또, 조건 2에 대해서, 굽힘회수를 2.5회 이상 확보할 수 있었던 샘플의 폭방향 변형비율{=(EW2-EW1)/EW1}은 최소값이 O.10(=10%)이고 최대값이 O.52(=52%)이었다. 따라서, 굽힘회수를 2.5회 이상 확보하기 위해서는 폭방향 변형비율이 적어도 O.10(바람직하게는 O.16 이상) 필요하게 되는 것을 확인할 수 있었다.

또, 조건 3에 대해서, 굽힘회수를 2.5회 이상 확보할 수 있었던 샘플의 제거면적비율(=CS/ES)은 최소값이 1.2(=120%)이고 최대값이 1.6(=160%)이었다. 제거면적비율이 상기 범위를 벗어나는 샘플은 모두 굽힘회수가 2.5회 미만이었다. 이 결과로부터, 제거면적비율을 1.2 이상 1.6 이하로 함으로써 접지전극(30)과 금속쉘(50)의 접합강도를 확보할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

또, 조건 4에 대해서, 굽힘회수를 2.5회 이상 확보할 수 있었던 샘플의 용융층 두께(MH)는 최소값이 10㎛이고 최대값이 200㎛이었다. 용융층 두께(MH)가 상기 범위를 벗어나는 샘플은 모두 굽힘회수가 2.5회 미만이었다. 이 결과로부터, 용융층 두께(MH)를 10㎛ 이상 200㎛ 이하로 함으로써 접지전극(30)과 금속쉘(50)의 접합강도를 확보할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 일반적으로, 접지전극(30)과 금속쉘(5O)의 사이에 형성되는 용융층(ML)의 두께가 크면, 그 부분을 기점으로 하여 접지전극(30)이 구부러지기 쉬워지게 된다. 예를 들면, 샘플 No.13에서는 용융층 두께(MH)가 270㎛로서 다른 샘플보다 두껍게 형성되어 있으나, 굽힘회수는 O.5회밖에 확보되어 있지 않다. 그러나, 용융층 두께(MH)가 상기한 바와 같은 범위에 들어가면, 용융층(ML)을 비교적 얇게 할 수 있기 때문에, 접지전극(30)과 금속쉘(50)의 접합강도를 확보하는 것이 가능하게 된다.

도 5는 전자 현미경에 의해서 얻어진 용융층(ML) 부근의 단면 화상을 나타내는 도면이다. 도 5(a)는 용융층 두께(MH)가 상기 조건 4(10㎛≤MH≤200㎛)를 만족하는 단면을 나타내고, 도 5(b)는 용융층 두께(MH)가 상기 조건 4를 만족하지 않는 단면을 나타내고 있다. 조건 4에 관한 용융층 두께(MH)는 도 5에 나타내는 바와 같은 단면 화상에서 결정 입경이 20㎛ 이하가 되는 부분을 육안 혹은 컴퓨터에 의해서 판별하고, 이 부분의 두께를 단면 화상 상에서 측정함으로써 계측하고 있다. 이 측정방법에 의하면, 용융층(ML) 내의 결정의 입경은 접지전극(30)의 용융층(ML)을 제외한 부분의 결정의 입경보다도 작은 것을 확인할 수 있었다.

계속해서, 상기한 조건 5에 대해서 검증한다. 우선 표 1에 나타낸 샘플 중에서 판정결과가 합격(◎)으로 된 대표적인 샘플 4개(샘플 No.2, 8, 12, 14)와, 불합격(×)으로 된 대표적인 샘플 2개(샘플 No.1, 13)를 선택하고, 이들 샘플에 대해서 용융층(ML)의 단면의 결정구조를 전자 현미경으로 관찰하였다. 그리고, 전자 현미경에 의해서 얻어진 확대 화상에서, 용융층(ML) 내에 희토류 원소를 함유하는 희토류 화합물로서 과포화 고용체가 있는지 없는지, 결정 입경 5㎛ 이하의 금속간 화합물이 있는지 없는지, 결정 입경이 5~20㎛의 금속간 화합물이 있는지 없는지를 확인하였다. 표 2에 확인결과를 나타낸다. 도 6에는 용융층(ML)의 단면의 결정구조를 전자 현미경으로 관찰한 상태를 나타낸다.

샘플No.	판정결과	용융층두께(MH) (㎛)	과포화고용체	금속간 화합물
샘플No.	판정결과	용융층두께(MH) (㎛)	과포화고용체	결정입경 5㎛이하	결정입경 5~20㎛
1	×	2	없음	없음	있음
2	◎	10	없음	있음	없음
8	◎	80	있음	있음	없음
12	◎	160	있음	없음	없음
13	×	270	없음	없음	있음
14	◎	200	있음	없음	없음

표 2에 나타내는 바와 같이, 판정결과가 합격(◎)으로 된 샘플(샘플 No.2, 8, 12, 14)에 대해서는, 용융층(ML) 내에 과포화 고용체나 결정 입경이 5㎛ 이하로 되는 금속간 화합물이 관찰되었다. 도 6(a)는 과포화 고용체가 관찰된 상태를 나타내고, 도 6(b)는 결정 입경이 5㎛ 이하인 금속간 화합물이 관찰된 상태를 나타내고 있다. 구체적으로는, 용융층 두께(MH)가 비교적 작은 샘플 No.2{용융층 두께(MH)=10㎛}에 대해서는 결정 입경이 5㎛ 이하인 금속간 화합물이 확인되었고, 용융층 두께가 비교적 두꺼운 샘플 No.12{용융층 두께(MH)=160㎛} 및 샘플 No.14{용융층 두께(MH)=200㎛}에 대해서는 과포화 고용체가 확인되었다. 또, 이것들의 중간의 용융층 두께(MH)를 가지는 샘플 No.8{용융층 두께(MH)=80㎛}에 대해서는 과포화 고용체와 결정 입경이 5㎛ 이하인 금속간 화합물이 모두 확인되었다.

한편, 판정결과가 불합격(×)으로 된 샘플(샘플 No.1, 13)에 대해서는, 어느 것이나, 그 용융층(ML) 내에는 결정 입경이 비교적 큰 5㎛~20㎛가 되는 금속간 화합물이 관찰되었다. 도 6(c)는 결정 입경이 5~20㎛가 되는 금속간 화합물이 관찰된 상태를 나타내고 있다.

이와 같이, 표 2에 나타낸 확인 결과에 의하면, 용융층(ML) 내에 희토류 원소를 함유하는 과포화 고용체나 결정 입경이 5㎛ 이하가 되는 희토류 원소를 함유하는 금속간 화합물 중 적어도 어느 한쪽이 함유되어 있으면, 접지전극(30)과 금속쉘(50)의 접합강도를 확보할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 용융층(ML) 내에 과포화 고용체가 함유되어 있으면, 이물질의 혼입을 억제할 수 있기 때문에 조직 간의 결합강도가 높아지게 되는 것이라 생각되고, 또 용융층 내에 입경 5㎛ 이하라는 비교적 작은 금속간 화합물이 함유되어 있으면, 응력이 분산되기 쉬워지게 되는 것이라 생각되기 때문이다. 또한, 과포화 고용체는 그 화학적 성질로 인해 결정의 입경을 관찰할 수 없으나, 과포화 고용체는 1300~1400℃로 가열한 후, 급격하게 냉각하였을 때에 희토류가 고용되는 성질을 가진다. 따라서, 이와 같은 처리를 용융층(ML)에 대해서 실시하면, 과포화 고용체의 유무를 정확하게 판단할 수 있다.

이상, 표 1이나 표 2에 나타내는 실험 결과로부터, 스파크 플러그(100)는 예를 들면 그 직경이 M12, M10, M8 혹은 그 이하로 소경화된 경우에 있어서도 상기한 조건 1~5(적어도 조건 1 및 2)를 만족하고 있으면, 접지전극(30)과 금속쉘(50)의 접합강도를 확보하는 것이 가능하게 되는 것을 확인할 수 있었다.

이상, 본 발명의 실시형태 및 실시예에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 실시형태 및 실시예에 한정되지 않고 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 구성을 채택하는 것이 가능하다. 예를 들면, 금속쉘(50)에 접합된 접지전극(30)은 1개에 한하지 않고 복수개이어도 좋다

100 - 스파크 플러그 3 - 세라믹 저항
4 - 밀봉체 10 - 절연애자
12 - 축구멍 13 - 다리부
17 - 선단측 몸통부 18 - 후단측 몸통부
19 - 중앙 몸통부 20 - 중심전극
21 - 전극 모재 25 - 심재
30 - 접지전극 40 - 금속단자
50 - 금속쉘 51 - 공구 걸어맞춤부
52 - 부착 나사부 54 - 밀봉부
57 - 선단면 71 - 상전극
72 - 하전극 73 - 교류 인버터 전원
80 - 용접 버

Claims

축선방향으로 연장되는 중심전극과,
니켈의 함유율이 95질량% 이상인 금속재료로 이루어지는 접지전극과,
선단면에 상기 접지전극의 일단이 용접된 대략 통형상의 금속쉘을 구비하는 스파크 플러그로서,
상기 접지전극과 상기 금속쉘의 용접에 의해서, 상기 금속쉘의 선단면에서부터 상기 금속쉘의 내부로 상기 접지전극이 가장 깊게 매몰된 부분의 깊이인 매몰량(BD)이
O.15㎜≤BD≤O.40㎜
의 조건을 만족하고,
또한 상기 접지전극의 상기 용접에 의해서 변형된 부분에 가장 가까운 부위에 있어서의 폭인 원래 폭(EWl)과, 상기 용접에 의해서 변형된 부분의 상기 금속쉘의 선단면 상에 있어서의 폭인 변형 폭(EW2)이
(EW2-EWl)/EWl≥O.1
의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1에 있어서,
상기 원래 폭(EWl)과 상기 변형 폭(EW2)이
(EW2-EWl)/EWl≥O.16
의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 접지전극과 상기 금속쉘의 용접에 의해서 상기 접지전극의 두께방향으로 생긴 융기부의 적어도 일부가 상기 축선방향을 따라서 제거됨에 의해서 형성된 제거면을 더 구비하고 있으며,
상기 제거면의 면적인 제거면적(CS)과, 상기 접지전극의 상기 용접에 의해서 변형된 부분에 가장 가까운 부위에 있어서 상기 축선방향과 직교하는 단면의 면적인 접지전극 단면적(ES)이
CS/ES≥1.2
의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 3에 있어서,
상기 제거면적(CS)과 상기 접지전극 단면적(ES)이
CS/ES≤1.6
의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 접지전극은 희토류 원소를 함유하고,
상기 접지전극이 상기 금속쉘에 매몰된 가장 깊은 부분에, 상기 희토류 원소를 함유하는 결정의 입경이 20㎛ 이하가 되는 용융층을 구비하고,
상기 용융층의 상기 축선방향을 따르는 두께인 용융층 두께(MH)가
10㎛≤MH≤200㎛
의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 5에 있어서,
상기 결정은 희토류 화합물이고, 상기 희토류 화합물은 상기 희토류 원소를 함유하는 과포화 고용체인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 5에 있어서,
상기 결정은 희토류 화합물이고, 상기 희토류 화합물은 상기 희토류 원소를 함유하는 입경 5㎛ 이하의 금속간 화합물인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용융층 내의 상기 희토류 원소를 함유하는 결정의 입경이, 상기 접지전극의 상기 용접에 의해서 변형되지 않은 부분 내의 상기 희토류 원소를 함유하는 결정의 입경보다도 작은 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 5 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 희토류 원소로서 네오디뮴, 이트륨, 세륨 중 적어도 어느 1종류를 함유하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.