KR20170054510A - 점화 플러그용 전극을 제조하기 위한 클래드 구조를 갖는 테이프재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 점화 플러그의 전극 베이스재로 설정된 접합 영역 위에, 비금속층과 귀금속층이 클래드된 전극 칩을 형성하기 위한 부재이며, 상기 접합 영역에 접촉하는 비금속층에, 상기 비금속층에 접촉하는 귀금속층을 클래드한 긴 테이프 형상의 형태를 갖고, 상기 비금속층의 폭은, 상기 접합 영역의 세로, 가로, 또는 직경의 어느 하나에 대략 동등한 폭을 갖는 점화 플러그 전극 제조용 테이프재에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 귀금속 칩과 기재의 접합을 확실하게 유지할 수 있고, 점화 플러그의 장수명화를 도모할 수 있다. 이에 의해 귀금속을 효율적으로 이용할 수 있으므로, 자원 절약화를 도모할 수 있다.

Description

점화 플러그용 전극을 제조하기 위한 클래드 구조를 갖는 테이프재{TAPE MATERIAL HAVING CLAD STRUCTURE FOR MANUFACTURING IGNITION PLUG ELECTRODE}

본 발명은 점화 플러그 전극(중심 전극, 접지 전극)을 형성하기 위한 부재로서 사용되고, 클래드 구조를 갖는 테이프재에 관한 것이다. 상세하게는, 귀금속층과 비금속층을 포함하고, 비금속층을 점화 플러그에 접합하여 귀금속층을 전극면으로 하는 클래드 테이프재에 관한 것이다.

내연 기관 등에 사용되는 점화 플러그용 전극(중심 전극, 접지 전극)에, Pt, Pt 합금, Ir, Ir 합금 등의 귀금속 및 그의 합금이 사용되고 있다. 종래, 이 귀금속 재료를 전극으로서 사용할 때에는, 점화 플러그측의 Ni 합금 등의 내열 재료를 포함하는 베이스재에, 칩상의 귀금속 재료를 접합하는 것이 일반적이었다. 이 귀금속 칩의 접합 방법으로는, 레이저 용접이 알려져 있다. 이 레이저 용접은, 귀금속 칩과 베이스재가 접촉하는 부분의 외주 표면에 레이저를 조사함으로써, 그 조사 개소를 용해하여, 귀금속 칩과 베이스재를 접합하는 것이다.

레이저 용접은, 귀금속 칩과 베이스재의 접합부의 외주 표면을 용해시키는 것이지만, 접합면의 내측 부분은 미용해될 가능성이 있다. 이 경우, 접합 계면에 공극이 잔류할 우려가 있고, 사용 시에 고온이 되었을 때에 공극 내부의 가스 팽창에 의해 크랙이 발생되어 귀금속 칩이 베이스재로부터 박리되는 경향이 있다.

또한, 레이저 용접에서는 접합부의 외주 표면에 용융대가 생긴다. 용융대는, 재료의 용융ㆍ응고에 의해 형성되는 영역이지만, 그 재료 조성, 조직은 귀금속 모재와 상위하여, 무르고 또한 전기적 성질에도 떨어진다. 즉, 용융대는 플러그 재료로서 유효한 부위가 아니다. 그로 인해, 귀금속 칩의 길이를 여분으로 취할 필요가 있고, 귀금속 사용량에 따라 비용면 또는 자원 절약화의 관점에서 바람직한 것이 아니었다.

따라서, 본 발명자들은, 종래의 귀금속을 포함하는 귀금속 칩을 대신해, 귀금속층과 기재로부터 형성되는 클래드 구조를 갖는 전극 칩의 적용을 권장하고 있다. 이 플러그 전극용 전극 칩은, 접합 조건이 관리된 확산 접합에 의해 얇은 귀금속층을 Ni, Ni 합금 등을 포함하는 기재에 접합하여 형성된 것이다. 이 전극 칩은, 미리 최적의 접합 조건을 설정해 귀금속층과 기재가 접합되어 있고, 전극 특성이나 수명을 확보하면서도 귀금속층의 두께를 최소한으로 할 수 있으므로, 귀금속 사용량의 저감에 도움이 되게 하는 것이다. 또한, 기재로서 플러그 전극의 베이스재와 같은 Ni 합금 등을 사용하고 있으므로, 칩 설치의 접합도 용이한 것으로 할 수 있다.

일본 특허 공개 제2004-134209호 공보 국제 공개 제2013/015262호 팸플릿

본 발명자들에 의한 전극 칩을 이용한 플러그용 전극의 형성은, 상기 이점을 갖는 것이지만, 더 한층 개량이 요구되고 있다. 특히, 전극 칩의 취급성에 관한 제조 효율의 향상이 지적된다. 플러그 제조에 있어서는, 고정된 플러그 본체의 베이스재 표면에 전극 칩을 위치 결정하여 적재한 후에 접합함으로써 전극 부분이 형성된다. 이 작업은, 전극 칩을 하나하나 취급하는 작업으로 번거롭고 복잡하다. 이 개선 요구에 대해서는, 종래의 귀금속 칩에 대해서도 지적되는 부분이지만, 효율적인 것이라고 말하기는 어렵다.

따라서, 본 발명에서는, 박형의 귀금속층과 기재를 조합한 클래드 구조의 형식을 이용하면서, 이 구성에 의한 플러그 전극을 효율적으로 형성할 수 있는 부재 및 가공 프로세스를 제공한다.

상기 과제를 해결하는 본 발명은 점화 플러그 전극 베이스재에 설정된 접합 영역 위에, 비금속층과 귀금속층이 클래드된 전극 칩을 형성하기 위한 부재이며, 상기 접합 영역에 접촉하는 비금속층에, 상기 비금속층에 접촉하는 귀금속층을 클래드한 긴 테이프 형상의 형태를 가지며, 상기 비금속층의 폭은, 상기 접합 영역의 세로, 가로, 또는 직경 중 어느 하나에 대략 동등한 폭을 갖는 점화 플러그 전극 제조용 테이프재이다.

상기 종래 기술에서는, 전극 칩을 개별로 제조하고, 개별적으로 플러그의 베이스재에 접합되어 있었다. 이에 대해 본 발명은 상기 전극 칩과 동일한 구성을 갖고, 칩이 연속적으로 연결된 클래드 형상의 테이프재를 이용하는 것이다. 플러그 전극의 제조에 있어서의, 이 클래드 테이프를 포함하는 부재의 이용 형태는, 플러그 전극 베이스재에 테이프재를 반송하고, 저항 용접 등에 의해 접합하여, 테이프재를 절단함으로써 전극 칩을 형성할 수 있다(도 1). 이 일련의 조작은, 미소한 전극 칩을 하나 하나 취급하는 것보다도 효율적이고, 설비 비용도 저렴한 것으로 할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 플러그 전극 제조용 부재에 대해 설명한다. 본 발명은 플러그 전극의 베이스재에 접합되는 비금속층과, 비금속층에 접촉하는 귀금속층이 클래드된 테이프 형상의 부재이다.

귀금속층은, 플러그 전극으로서 통전ㆍ방전하는 금속이며, Pt 또는 Pt 합금, 혹은, Ir 또는 Ir 합금이 바람직하다. Pt 합금의 구체예로서는, Pt-Rh 합금, Pt-Ir 합금, Pt-Ni 합금, Pt-Cu 합금 등을 들 수 있다. 이 경우의 Pt 농도는 60질량％ 이상 97질량％ 이하의 것이 바람직하다. 또한, Ir 합금의 구체예로서는, Ir-Rh 합금, Ir-Fe 합금, Ir-FeNi 합금, Ir-Cr 합금 등을 들 수 있다. Ir 합금의 Ir 농도는 50질량％ 이상 99질량％ 이하가 바람직하다. 또한, Ir과 Pt의 합금 Ir-Pt 합금(Pt 농도가 3질량％ 이상 40질량％ 이하인 것)도 적용할 수 있다.

비금속층은, Ni 또는 Ni 합금, 혹은, Cu 또는 Cu 합금을 포함하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, Ni-Cr 합금, Ni-Fe-Al 합금, Ni-Fe-Co 합금, Ni-Pt 합금, Ni-Pd 합금, Ni-Ir 합금, Cu-Cr 합금, Cu-Ni 합금, Cu-W 합금, Cu-Pt 합금, Cu-Ir 합금, Cu-Pd 합금 등을 들 수 있다. 대표적인 Ni 합금으로서 인코넬 합금과 같은 내열성 Ni기 합금을 바람직하게 사용할 수 있다.

테이프재의 폭은, 전극의 베이스재와 접합되는 비금속층의 폭이 베이스재의 접합 영역과 대략 동등하면 된다. 여기서, 접합 영역이란, 베이스재의 표면 위에 정해지는 직사각형 또는 원형의 영역이며, 베이스재 위에 형성되는 전극 칩의 저면을 규정하는 영역이다. 접합 영역의 세로 폭, 가로 폭, 또는 직경은, 당연히 베이스재의 세로 폭, 가로 폭보다도 좁은 치수가 된다. 테이프재의 비금속층의 폭을 접합 영역과 대략 동등한 것으로 함으로써, 접합 후의 절단 개소를 1개소만으로 할 수 있고, 효율적인 전극 칩의 형성이 가능해진다. 또한, 테이프재의 비금속층의 폭에 대해, 접합 영역의 세로 폭과 가로 폭의 어느 것과 동등하게 할지는, 베이스재에 대한 테이프재의 반송 방향에 의해 정해진다(도 2 참조). 또한, 귀금속층의 폭에 대해서는, 비금속층과 동일해도 되지만, 비금속층보다 협폭이어도 된다.

또한, 귀금속층, 비금속층의 두께로서는, 특별히 한정되는 것은 아니다. 귀금속층은 통전ㆍ방전의 부가를 받는 소모부이며, 그 두께는 전극 수명이나 전기 특성을 고려하여 적절하게 설정된다. 이에 반해 비금속층에 대해서는, 귀금속층에 대해 1.5배 이상 5배 이하의 두께로 하는 것이 바람직하다.

또한, 귀금속층ㆍ비금속층의 방향(적층 방향)은, 세로ㆍ가로의 어느 것이어도 된다. 일반적인 플러그 전극에 대한 적용에 대해서는, 귀금속층과 비금속층이 상하(수직 방향)로 적층된 형태(오버레이)를 갖는다. 단, 최근 들어 접지 전극의 형상으로서, 귀금속 부분을 돌출 형상으로 한 플러그도 개발되어 있고, 그 용도에 대해 비금속층과 귀금속층이 가로(수평 방향)로 적층된 형태(에지레이)여도 된다(도 3).

그리고, 본 발명에 따른 클래드 구조의 테이프재에서는, 귀금속층과 비금속층 사이에 중간층이 형성되어 있어도 된다. 이 중간층은, Ni와 귀금속의 합금 또는 Cu와 귀금속의 합금을 포함한다. 이 중간층은, 테이프재의 제조 과정에서, 귀금속층과 비금속층을 접합할 때의 열 이력에 의해 형성되는 확산층이다. 중간층은, 경사적인 조성(귀금속 농도)을 갖는 합금층이다. 중간층이 있음으로써 귀금속층과 비금속층의 접합 강도는 향상된다. 이 확산층의 두께는, 5㎛ 이상 150㎛ 이하인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 테이프 형상의 부재인 플러그 전극의 이용 형태로서는, 이미 설명한 바와 같이, 테이프재를 플러그의 전극 베이스재에 공급하여 접합 및 절단함으로써 전극 칩을 전극 베이스재 위에 형성한다. 여기서, 테이프재의 전극 베이스재의 접합은, 저항 용접의 적용이 바람직하다. 저항 용접은, 미소 영역에 대해 단시간에 효율적인 접합이 가능하여, 플러그 전극의 형성에 바람직하다.

여기서, 저항 용접에 의한 접합부의 품질이나 접합 작업의 효율화를 고려하여, 본 발명에서는 그 단면 형상에 있어서, 비금속층의 접합 영역측의 표면에 하나 이상의 돌기(프로젝션)가 형성된 것이 바람직하다. 프로젝션을 형성함으로써, 저항 용접시에 저항 발열을 집중시켜 효율적인 용접이 가능해진다. 도 4에서 예시한 바와 같이 프로젝션은, 한개이어도 되고 복수개 형성되어 있어도 된다. 또한, 본 발명은 테이프 형상의 부재이므로, 형성되는 프로젝션의 실제 형상은 선상의 형태를 갖는다.

본 발명에 따른 플러그 전극용 테이프재의 제조는, 기본적으로는 통상의 클래드 구조의 테이프재의 제조 공정에 준한다. 즉, 귀금속층과 비금속층의 각 층의 테이프재를 가공한 후, 양쪽 테이프재를 겹쳐서 압연함으로써 클래드 구조의 테이프재를 제조할 수 있다. 비금속층의 접합 영역측의 면에 프로젝션을 형성하는 경우, 비금속층의 테이프재를 제조할 때에, 적절한 형 구비의 압연롤을 사용함으로써, 테이프재의 가공과 프로젝션의 형성을 동시에 행할 수 있다.

귀금속층의 테이프재와 비금속층의 테이프재를 클래드화한 후에는, 열처리를 실시하는 것이 바람직하다. 귀금속층과 비금속층의 계면에 중간층(확산층)을 형성해 접합 강도를 높이기 위해서이다. 이 열 처리는, 비산화성 분위기(진공 분위기, 불활성 가스 분위기 등)에서 800℃ 이상 1200℃ 이하로 가열하는 것이 바람직하다.

또한, 귀금속층의 테이프재와 비금속층의 테이프재를 클래드화할 때, 비금속층의 접합면에 대해 Ni 또는 Cu를 도금함으로써 양층의 접합 강도를 더 향상시킬 수 있다. 특히, 비금속층에 인코넬 등의 Ni 합금이나 Cu 합금을 사용할 때에 유용하다. 이 Ni 도금 또는 Cu 도금의 두께는, 0.5㎛ 이상 20㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.

이상 설명한 본 발명에 따른 플러그 전극용 테이프재는, 점화 플러그용 전극 칩의 제조에 바람직하다. 이 전극 칩은, 본 발명에 따른 테이프재를 임의의 길이로 절단함으로써 형성된다. 그리고, 이 전극 칩을 베이스재 위에 구비하는 점화 플러그는, 제조 효율이 우수한 것이라고 할 수 있다.

전극 칩 및 점화 플러그 제조 방법의 구체적 공정으로서는, 본 발명에 따른 테이프재를, 점화 플러그의 전극 베이스재에 공급하고, 위치 결정 후, 저항 용접 등에 의해 테이프재의 비금속층을 전극 베이스재에 접합하고, 그 후, 테이프재를 절단하는 공정을 포함하는 것이다. 테이프재는 전극 칩으로서 접합된 상태가 된다. 또한, 접합 후 적절하게 금형에 의한 성형 가공을 행해도 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 귀금속층과 비금속층을 포함하는 전극 칩에 관련하여, 종래는 개별적으로 분리 독립되어 있던 것을, 테이프 형상으로 한 부재이다. 본 발명에 따르면, 취급성이 개선된 부재를 사용함으로써 전극 칩을 효율적으로 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 플러그 전극 제조용 부재를 사용한 전극 칩의 제조 공정을 설명하는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 클래드 테이프의 폭과 접합 영역의 폭의 관계를 설명하는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 클래드 테이프에 있어서의 귀금속층, 비금속층의 적층 방향에 대해 설명하는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 클래드 테이프에 대해, 바람직한 형태인 프로젝션의 형성에 대해 설명하는 도면.
도 5는 본 실시 형태에서 제조한 테이프재의 단면 조직을 나타내는 사진.
도 6은 본 실시 형태에서 제조한 테이프재의 접합 계면에 관한 EPMA 분석 결과를 나타내는 도면.
도 7은 본 실시 형태에서 제조한 테이프재에 관한 열 사이클 시험 후의 단면 상태를 나타내는 사진.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 본 실시 형태에서는, Pt 합금을 포함하는 귀금속층과 Ni 합금을 포함하는 비금속층이 클래드된 테이프재를 제조했다.

Pt 합금(Pt-20wt％Ir)을 포함하는 와이어(선 직경 1.0㎜, 전체 길이 100㎜)와, Ni 합금(인코넬 600)을 포함하는 와이어(선 직경 1.0㎜, 전체 길이 100㎜)를 준비하고, 모두 직경 0.86㎜까지 신선 가공했다. 가공 후의 Pt 합금 와이어 및 Ni 합금 와이어를 각각 압연 가공하고, 모두 두께 0.2㎜의 테이프재로 가공했다. 또한, Ni 합금 와이어의 테이프 가공 시에는 일면측에 대해 홈부 압연롤을 사용하고, 프로젝션을 형성했다.

이어서, Ni 합금의 접합면에 대해, 1㎛의 Ni 도금을 행했다. 그 후, Pt 합금 테이프와 Ni 합금 테이프를 압연롤로 클래드화했다. 클래드화한 후, 또한, 테이프재를 질소로에 보내 1000℃에서 1시간 열 처리했다. 그 후, 마무리 성형 가공하여 단면 사다리꼴 클래드 구조의 테이프재를 제조했다.

제조된 테이프재에 대해, 그 단면을 관찰했다. 도 5는, 단면 조직을 나타내는 사진이지만, 귀금속층과 비금속층의 계면에 있어서도 박리나 이상 변형이 없는 양호한 접합부를 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 이 접합 계면에 대해, EPMA에 의한 원소 분포를 분석한 바, 도 6과 같은 결과가 얻어졌다. 귀금속층과 비금속층의 접합 계면에는, 중간층으로서, 귀금속(Pt, Ir)과 Ni 합금의 성분(Ni, Cr, Fe)으로 구성되는 확산층이 존재하는 것을 알 수 있다. 이 확산층은 약 20㎛이었다.

다음에, 제조한 클래드 테이프에 대해, 열 사이클 부하 하에서의 접합 강도를 평가했다. 열 사이클 시험은, 테이프재를 절단한 시료를, 전기로에 넣어, 900℃의 가열 온도와 70℃의 냉각 온도로 각각 360초 유지하는 조작을 1사이클로 하고, 이것을 200사이클 행한 후에 로에서 취출하여, 외관 및 접합 계면을 관찰했다.

열 사이클 시험 결과에 대해, 도 7에 나타낸다. 열 사이클을 받은 결과, 접합 계면의 단부 부근에서는 산화가 발생하고 있지만, 계면에 있어서의 박리는 발생되지 않고 양호한 상태를 유지할 수 있었다. 플러그 전극으로 사용한 경우에 있어서도, 귀금속 부분의 탈락의 우려가 적은 양호한 상태에 있다고 추정된다.

<산업상 이용 가능성>

본 발명에 따르면, 귀금속 칩과 기재의 접합을 확실하게 유지할 수 있고, 점화 플러그의 장수명화를 도모할 수 있기 때문에, 귀금속의 효율적인 이용을 할 수 있고, 자원 절약화를 도모할 수 있다.

Claims (4)

1. 점화 플러그의 전극 베이스재에 설정된 접합 영역 위에, 비금속층과 귀금속층이 클래드된 전극 칩을 형성하기 위하여 이용되는, 상기 전극 칩이 연속적으로 연결된 테이프재이며,
   상기 테이프재는, 상기 접합 영역에 접촉하는 비금속층에, 상기 비금속층에 접촉하는 귀금속층을 클래드한 긴 테이프 형상의 형태를 갖고,
   상기 테이프재의 상기 비금속층의 폭은, 상기 접합 영역의 세로, 가로, 또는 직경 중 어느 하나에 대략 동등한 폭을 가지며,
   또한, 상기 테이프재의 단면 형상에 있어서, 비금속층의 접합 영역측의 면에 하나 이상의 프로젝션이 형성되어 있고, 상기 프로젝션은 선상의 형태인, 점화 플러그 전극 제조용 테이프재.
2. 제1항에 있어서, 비금속층은, Ni 또는 Ni 합금, 혹은, Cu 또는 Cu 합금을 포함하는, 점화 플러그 전극 제조용 테이프재.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 귀금속층은, Pt 또는 Pt 합금, 혹은, Ir 또는 Ir 합금 중 어느 하나로 이루어지는, 점화 플러그 전극 제조용 테이프재.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 점화 플러그 전극 제조용 테이프재를 사용하여, 점화 플러그의 전극 베이스재 위에 전극 칩을 접합하는 공정을 포함하는 점화 플러그의 제조 방법이며,
   상기 테이프재를 상기 점화 플러그의 전극 베이스재에 공급하고, 상기 테이프재를 위치 결정하고, 저항 용접에 의해 테이프재의 비금속층을 상기 전극 베이스재에 접합한 후, 테이프재를 절단하는 공정을 포함하는, 점화 플러그의 제조 방법.
   

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