KR20170141232A

KR20170141232A - 스파크 플러그

Info

Publication number: KR20170141232A
Application number: KR1020177034209A
Authority: KR
Inventors: 다이스케 스모야마; 다쿠토 나카다
Original assignee: 니뽄 도쿠슈 도교 가부시키가이샤
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2016-05-16
Publication date: 2017-12-22
Also published as: EP3306762A1; EP3306762B1; CN107615605B; US20180166863A1; JP5978348B1; JP2016225053A; CN107615605A; WO2016189826A1; EP3306762A4; US10153621B2

Abstract

본 발명은, 고온 환경하에서, 또한, 엄격한 냉열 사이클 환경하에서 사용하는 경우에 있어서, 장시간에 걸쳐서 팁의 이상 소모를 억제함으로써, 내구성이 우수한 스파크 플러그를 제공하는 것을 과제로 한다. 중심 전극 및 접지 전극의 적어도 일방에 형성된 팁을 구비하고, 상기 팁은 본체부와 피복층과 고비저항층을 포함하고, 상기 본체부는 Ir 을 가장 많이 함유하며, 또한, Rh 또는 Pt 를 2 질량％ 이상 함유하고, Ir, Rh, 및 Pt 의 실온에서의 결정 구조와는 상이한 결정 구조를 갖는 금속 원소를 A 군 원소로 하였을 때, 상기 A 군 원소를 함유하지 않거나, 혹은, 상기 A 군 원소의 합계 함유율이 24 질량％ 이하, 또한, Ru 를 제외한 A 군 원소의 합계 함유율이 7 질량％ 미만이고, 상기 고비저항층은 상기 본체부의 측주면에 형성되고, Ni 의 함유율이 상기 본체부의 Ni 함유율보다 많고, 50 질량％ 미만이며, 자체적인 두께가 2 ㎛ 이상 45 ㎛ 이하이고, 상기 피복층은 상기 고비저항층의 측주면에 형성되고, Ni 를 50 질량％ 이상 함유하며, 자체적인 두께가 3 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하이고, 상기 팁의 실온에 있어서의 비저항이 20 × 10^-8 Ωm 이하인 스파크 플러그.

Description

스파크 플러그{SPARKPLUG}

본 발명은, 스파크 플러그에 관한 것이다. 본 발명은, 특히, 중심 전극 및 접지 전극의 적어도 일방에 팁이 형성된 스파크 플러그에 관한 것이다.

자동차 엔진 등의 내연 기관에 있어서, 중심 전극 및 접지 전극을 형성하는 재료로는, Ni 합금 등이 일반적으로 사용된다. Ni 합금은, 내산화성 및 내소모성에 관하여 Pt 및 Ir 등의 귀금속을 주성분으로 한 귀금속 합금에 비하면 다소 열등하다. 그러나, 귀금속에 비해 저렴하기 때문에 접지 전극 및 중심 전극을 형성하는 재료로서 바람직하게 사용된다.

최근, 연소실 내의 온도가 고온화되는 경향이 있다. 그 때문에, Ni 합금 등에 의해 형성된, 접지 전극의 선단부와 중심 전극의 선단부 사이에서 불꽃 방전이 발생하면, 접지 전극 및 중심 전극과의 대향하는 각각의 선단부가 불꽃 소모를 발생시키기 쉬워지는 경우가 있다. 그래서, 접지 전극과 중심 전극에 대향하는 각각의 선단부에 팁을 형성하고, 이 팁에서 불꽃 방전이 발생하도록 함으로써 접지 전극 및 중심 전극의 내소모성을 향상시키는 방법이 개발되고 있다.

이 팁을 형성하는 재료로는, 내산화성 및 내불꽃 소모성이 우수한 귀금속을 주성분으로 하는 재료가 사용되는 경우가 많다. 그러한 재료로서, Ir, Ir 합금, Pt 합금 등이 있다. Ir 을 주성분으로 하는 팁은, 내불꽃 소모성이 우수한 것이 알려져 있지만, 팁의 방전면이 아닌 외주면이 원호상으로 패이는 것과 같은 형태로 이상 소모가 발생하는 경우가 있는 것을 알아, 이와 같은 이상 소모를 억제할 목적에서, 주성분으로서 Ir 을 함유하는 본체부의 표면에 Ni 를 함유하는 피막층을 형성한 팁이 제안되어 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 및 특허문헌 2).

일본 공개특허공보 2004-127681호 일본 공개특허공보 2004-31300호

그런데, 최근, 스파크 플러그에 있어서는, 추가로 엔진의 고출력화나 연비 향상을 도모하기 위해서, 연소실 내의 온도가 높아지는 경향이 있다. 또, 아이들링 스톱 등의 기술이 도입되면, 엔진의 ON/OFF 의 횟수가 증가하기 때문에, 냉열 사이클의 횟수가 많아지고, 또, 연소실 내의 온도차가 커지는 등 스파크 플러그가 엄격한 냉열 사이클 환경에 노출된다. 또, 엔진의 착화성 향상이나 내전압성 향상을 위해서, 접지 전극 및 중심 전극보다 가늘게 형성한 팁을 구비한 스파크 플러그가 사용되도록 되어 오고 있기 때문에, 엔진 환경이 변화되지 않아도, 종래와 같이 스로틀 전개 (全開) 로부터 아이들링 상태를 반복하는 것만으로도, 종래의 스파크 플러그와 비교하여 엄격한 냉열 사이클 환경하에 노출되게 되며, 또한, 고온하에서의 내구성이 필요시되기 시작되고 있다.

이와 같은 고온 환경하에서, 또한, 엄격한 냉열 사이클 환경하에서 사용되는 스파크 플러그가, 메인터넌스 인터벌을 길게 하기 위해서 장시간 사용되게 되면, 특허문헌 1 및 특허문헌 2 에 나타내어지는 팁을 구비한 스파크 플러그를 사용해도, 이상 소모를 억제하지 못할 우려가 있음을 알 수 있었다. 즉, 상기 서술한 엄격한 환경하에서 스파크 플러그를 사용하는 경우, 소정 시간 경과되면 팁의 내이상 소모성이 저하될 우려가 있음을 알 수 있었다.

본 발명은, 중심 전극 및 접지 전극의 적어도 일방에 팁이 형성된 스파크 플러그를, 고온 환경하에서, 또한, 엄격한 냉열 사이클 환경하에서 사용하는 경우에 있어서, 장시간에 걸쳐서 팁의 이상 소모를 억제함으로써, 내구성이 우수한 스파크 플러그를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단은,［1］중심 전극, 상기 중심 전극과의 사이에 간극을 형성하여 배치된 접지 전극, 및 상기 중심 전극과 상기 접지 전극에 대향하는 각각의 선단부의 적어도 일방에 형성된 축선 방향으로 연장되는 팁을 구비하는 스파크 플러그로서, 상기 팁은, 본체부와 피복층과 고비저항층을 포함하고, 상기 본체부는, Ir 을 가장 많이 함유하며, 또한, Rh 또는 Pt 를 2 질량％ 이상 함유하고, Ir, Rh, 및 Pt 의 실온에서의 결정 구조와는 상이한 결정 구조를 갖는 금속 원소를 A 군 원소로 하였을 때, 상기 A 군 원소의 어느 금속 원소도 함유하지 않거나, 혹은, 상기 A 군 원소의 합계 함유율이 24 질량％ 이하, 또한, Ru 를 제외한 A 군 원소의 합계 함유율이 7 질량％ 미만이고, 상기 고비저항층은, 상기 본체부의 측주면 (側周面) 에 형성되고, Ni 의 함유율이 상기 본체부의 Ni 함유율보다 많고, 50 질량％ 미만이며, 자체적인 두께가 2 ㎛ 이상 45 ㎛ 이하이고, 상기 피복층은, 상기 고비저항층의 측주면에 형성되고, Ni 를 50 질량％ 이상 함유하며, 자체적인 두께가 3 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하이고, 상기 팁의 실온에 있어서의 비저항이 20 × 10^-8 Ωm 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그이다.

상기［1］의 바람직한 양태는, 이하와 같다. ［2］상기 팁은, 실온에 있어서의 비저항이 10.5 × 10^-8 Ωm 이상이다. ［3］상기［1］또는［2］에 기재된 스파크 플러그에 있어서, 상기 고비저항층은, 자체적인 두께가 2 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하이다. ［4］상기［1］내지［3］중 어느 한 항에 기재된 스파크 플러그에 있어서, 상기 피복층은, Ni 를 70 질량％ 이상 함유하는 고 Ni 층을 포함하고, 상기 고 Ni 층의 두께 Tn 과 상기 피복층의 두께 Th 의 비 (Tn/Th) 가 0.5 이상이다. ［5］상기［1］내지［4］중 어느 한 항에 기재된 스파크 플러그에 있어서, 상기 본체부는, Ni 를 0.6 질량％ 이상 3 질량％ 이하 함유한다. ［6］상기［1］내지［5］중 어느 한 항에 기재된 스파크 플러그에 있어서, 상기 본체부는, 상기 축선 방향으로 연장된 형상을 갖는 결정립의 집합체이고, 상기 결정립의 애스펙트비가 2 이상이다. ［7］상기［1］내지［6］중 어느 한 항에 기재된 스파크 플러그에 있어서, 상기 본체부는, Ir, Rh, Ru, Re, 및 W 중 적어도 Ir 과 Rh 와 Ru 를 함유하고, Ir 을 60 질량％ 이상, Rh 를 6 질량％ 이상 32 질량％ 이하, 및, Ru 를 4 질량％ 이상 함유하고, Ir, Ru, Re, 및 W 의 합계 함유율이 93 질량％ 이하이다.

본 발명에 의하면, 중심 전극과 접지 전극의 적어도 일방에 형성된 팁이, 상기 조성을 갖는 본체부와, 상기 본체부의 측주면에 형성되고, 상기 조성 및 상기 두께를 갖는 고비저항층과, 상기 고비저항층의 측주면에 형성되고, 상기 조성 및 상기 두께를 갖는 피복층을 포함하고, 상기 팁의 실온에 있어서의 비저항이 특정 범위에 있으므로, 스파크 플러그가 고온 환경하에서 사용됨과 함께, 아이들링 스톱의 도입에 의해 냉열 사이클 횟수의 증가 및 연소실 내의 온도차의 증대 등의 엄격한 냉열 사이클 환경하에서 사용되는 경우에 있어서도, 장시간에 걸쳐서 팁의 측주면에 있어서의 이상 소모를 억제함으로써, 내구성이 우수한 스파크 플러그를 제공할 수 있다.

특히, 본 발명에 있어서의 팁의 본체부는, Ir 을 가장 많이 함유하며, 또한, Rh 또는 Pt 를 2 질량％ 이상 함유하므로, 팁은 내산화성 및 내불꽃 소모성이 우수하다.

또, Ir 을 주성분으로 하는 본체부가, Ir 과는 결정 구조가 상이한 A 군 원소의 합계 함유율이 많아질수록 열 전도율이 낮아지는 경향이 있으므로, A 군 원소의 합계 함유율이 24 질량％ 를 초과하면, 팁이 고온화되어 고비저항층의 영역이 커지고, 그로 인해 더욱 고온화되기 쉬워짐으로써 내이상 소모성이 저하되기 쉬워진다. 한편, 본 발명에 있어서의 팁의 본체부는, A 군 원소의 어느 금속 원소도 함유하지 않거나, 혹은, A 군 원소의 합계 함유율이 24 질량％ 이하이므로, 열 전도율을 원하는 값으로 유지하기 쉽고, 이상 소모를 억제할 수 있다. 또, Ru 는 잘 산화되지 않지만, Ru 를 제외한 A 군 원소는 산화되기 쉽기 때문에, Ru 를 제외한 A 군 원소를 7 질량％ 이상 함유하면 본체부와 피복층 사이에서의 산화가 진행되어, 피복층이 박리되기 쉬워지고, 그 결과로서 이상 소모에 이르러 버린다. 한편, 본 발명에 있어서의 팁의 본체부는, Ru 를 제외한 A 군 원소의 합계 함유율이 7 질량％ 미만이므로, 본체부와 피복층 사이에서의 산화를 억제함으로써 피복층의 박리를 억제하고, 그 결과로서 이상 소모를 억제할 수 있다.

본 발명에 있어서의 고비저항층은, Ni 의 함유율이 상기 본체부의 Ni 함유율보다 많고, 50 질량％ 미만이며, 자체적인 두께가 2 ㎛ 이상 45 ㎛ 이하이므로, 이상 소모를 억제할 수 있다. 고비저항층은 비저항이 크기 때문에, 고비저항층의 두께가 클수록 팁이 고온화되기 쉽고, 팁이 고온화될수록 원소 확산이 진행되어 고비저항층의 두께가 더욱 커지고, 팁이 더욱 고온화된다는 악순환에 이른다. 그러나, 본 발명에 있어서의 고비저항층의 두께는 45 ㎛ 이하이므로, 사용 초기 단계에서 고온화되기 어렵기 때문에, 원소 확산이 잘 진행되지 않아, 상기와 같은 악순환이 잘 발생하지 않는다. 그 결과로서 장시간에 걸쳐서 이상 소모를 억제할 수 있다. 고비저항층의 두께가 지나치게 작으면, 본체부와 피복층 사이의 열 팽창 계수의 차를 다 흡수하지 못하여, 피복층이 박리되기 쉬워진다.

본 발명에 있어서의 피복층은, Ni 를 50 질량％ 이상 함유하며, 자체적인 두께가 3 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하이므로, 이상 소모를 억제할 수 있다. 피복층의 두께가 20 ㎛ 를 초과하면, 피복층이 본체부로부터 박리되기 쉬워지고, 그 결과로서 이상 소모에 이르러 버린다.

팁의 실온에 있어서의 비저항이 20 × 10^-8 Ωm 를 초과하면, 팁으로부터 접지 전극 및 중심 전극에 대한 열의 이동이 방해되므로, 본체부와 피복층 사이의 원소 확산이 가속되어, 고비저항층의 영역이 커지고, 그로 인해 팁이 고온화되어 내이상 소모성이 저하되어 버린다. 한편, 본 발명에 있어서의 팁은, 실온에 있어서의 비저항이 20 × 10^-8 Ωm 이하이므로, 이상 소모를 억제할 수 있다.

도 1 은, 본 발명에 관련된 스파크 플러그의 일 실시예인 스파크 플러그의 일부 단면 전체 설명도이다.
도 2 는, 도 1 에 있어서의 스파크 플러그에 있어서의 팁의 단면을 확대하여 나타낸 주요부 단면 설명도이다.
도 3 은, 팁의 조성을 측정하는 위치를 나타내는 설명도이다. 도 3(a) 는, 팁을 측면으로부터 보았을 때의 개략 설명도이다. 도 3(b) 는, 도 3(a) 의 팁을 축선 A 에 직교하는 평면에서 절단하여 얻어진 절단면에 있어서의 분석점을 나타내는 개략 단면 설명도이다.
도 4 는, 팁의 표면으로부터 중앙부에 대한 거리와 Ni 의 함유율의 관계를 나타내는 설명도이다.
도 5 는, 본 발명에 관련된 스파크 플러그의 다른 일 실시예인 스파크 플러그의 일부 단면 주요부 설명도이다.

본 발명에 관련된 스파크 플러그의 일 실시예인 스파크 플러그를 도 1 에 나타낸다. 도 1 은 본 발명에 관련된 스파크 플러그의 일 실시예인 스파크 플러그 (1) 의 일부 단면 전체 설명도이다. 또한, 도 1 에서는 지면 (紙面) 하방 즉 후술하는 접지 전극이 배치되어 있는 측을 축선 (O) 의 선단 방향, 지면 상방을 축선 (O) 의 후단 방향으로 하여 설명한다.

이 스파크 플러그 (1) 는, 도 1 에 나타내어지는 바와 같이, 축선 (O) 방향으로 연장되는 축 구멍 (2) 을 갖는 대략 원통 형상의 절연체 (3) 와, 상기 축 구멍 (2) 내의 선단측에 배치된 대략 봉상의 중심 전극 (4) 과, 상기 축 구멍 (2) 내의 후단측에 배치된 단자 금구 (5) 와, 상기 중심 전극 (4) 과 상기 단자 금구 (5) 를 상기 축 구멍 (2) 내에서 전기적으로 접속시키는 접속부 (6) 와, 상기 절연체 (3) 를 유지하는 대략 원통 형상의 주체 금구 (7) 와, 일단부가 상기 주체 금구 (7) 의 선단부에 접합됨과 함께 타단부가 상기 중심 전극 (4) 과 간극 (G) 을 개재하여 대향하도록 배치된 접지 전극 (8) 을 구비하고, 상기 접지 전극 (8) 에는 그 선단부의 측면에 팁 (9) 이 형성되어 있다.

상기 절연체 (3) 는, 축선 (O) 방향으로 연장되는 축 구멍 (2) 을 갖고, 대략 원통 형상을 가지고 있다. 절연체 (3) 는, 후단측 몸통부 (11) 와, 대경부 (大徑部) (12) 와, 선단측 몸통부 (13), 각장부 (脚長部) (14) 를 구비하고 있다. 후단측 몸통부 (11) 는, 단자 금구 (5) 를 수용하고, 단자 금구 (5) 와 주체 금구 (7) 를 절연한다. 대경부 (12) 는, 그 후단측 몸통부보다 선단측에 있어서 직경 방향 외향으로 돌출되어 있다. 선단측 몸통부 (13) 는, 그 대경부 (12) 의 선단측에 있어서 접속부 (6) 를 수용하고, 대경부 (12) 보다 작은 외경을 갖는다. 각장부 (14) 는, 그 선단측 몸통부 (13) 의 선단측에 있어서 중심 전극 (4) 을 수용하고, 선단측 몸통부 (13) 보다 작은 외경 및 내경을 갖는다. 선단측 몸통부 (13) 와 각장부 (14) 의 내주면은 선반부 (15) 를 개재하여 접속되어 있다. 이 선반부 (15) 에 후술하는 중심 전극 (4) 의 플랜지부 (16) 가 맞닿도록 배치되고, 중심 전극 (4) 이 축 구멍 (2) 내에 고정되어 있다. 선단측 몸통부 (13) 와 각장부 (14) 의 외주면은 단부 (段部) (17) 를 개재하여 접속된다. 이 단부 (17) 에 후술하는 주체 금구 (7) 의 테이퍼부 (18) 가 판 패킹 (19) 을 개재하여 맞닿고, 절연체 (3) 가 주체 금구 (7) 에 대해 고정되어 있다. 절연체 (3) 는, 절연체 (3) 에 있어서의 선단 방향의 단부 (端部) 가 주체 금구 (7) 의 선단면으로부터 돌출된 상태에서, 주체 금구 (7) 에 고정되어 있다. 절연체 (3) 는, 기계적 강도, 열적 강도, 전기적 강도를 갖는 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같은 재료로서, 예를 들어, 알루미나를 주체로 하는 세라믹 소결체를 들 수 있다.

상기 절연체 (3) 의 축 구멍 (2) 내에는, 그 선단측에 중심 전극 (4), 후단 측에 단자 금구 (5), 중심 전극 (4) 과 단자 금구 (5) 사이에는 접속부 (6) 가 형성되어 있다. 접속부 (6) 는, 중심 전극 (4) 및 단자 금구 (5) 를 축 구멍 (2) 내에 고정시킴과 함께 이것들을 전기적으로 접속시킨다. 상기 접속부 (6) 는, 저항체 (21) 와, 제 1 시일체 (22) 와, 제 2 시일체 (23) 에 의해 형성되어 있다. 저항체 (21) 는, 전파 잡음을 저감시키기 위해서 배치되어 있다. 제 1 시일체 (22) 는, 그 저항체 (21) 와 중심 전극 (4) 사이에 형성되어 있다. 제 2 시일체 (23) 는, 그 저항체 (21) 와 단자 금구 (5) 사이에 형성되어 있다. 저항체 (21) 는, 유리 분말, 비금속 도전성 분말 및 금속 분말 등을 함유하는 조성물을 소결하여 형성되고, 그 저항값은 통상적으로 100 Ω 이상이다. 제 1 시일체 (22) 및 제 2 시일체 (23) 는, 유리 분말 및 금속 분말 등을 함유하는 조성물을 소결하여 형성되고, 그 저항값은 통상적으로 100 mΩ 이하이다. 이 실시양태에 있어서의 접속부 (6) 는, 저항체 (21) 와 제 1 시일체 (22) 와 제 2 시일체 (23) 에 의해 형성되어 있지만, 저항체 (21) 와 제 1 시일체 (22) 와 제 2 시일체 (23) 의 적어도 1 개에 의해 형성되어 있어도 된다.

상기 주체 금구 (7) 는, 대략 원통 형상을 가지고 있고, 절연체 (3) 를 내장함으로써 절연체 (3) 를 유지하도록 형성되어 있다. 주체 금구 (7) 에 있어서의 선단 방향의 외주면에는 나사부 (24) 가 형성되어 있다. 이 나사부 (24) 를 이용하여 도시되지 않은 내연 기관의 실린더 헤드에 스파크 플러그 (1) 가 장착된다. 상기 주체 금구 (7) 는, 나사부 (24) 의 후단측에 플랜지상의 가스 시일부 (25) 를 갖고, 가스 시일부 (25) 의 후단측에 스패너나 렌치 등의 공구를 걸어맞춤시키기 위한 공구 걸어맞춤부 (26), 공구 걸어맞춤부 (26) 의 후단측에 코킹부 (27) 를 갖는다. 코킹부 (27) 및 공구 걸어맞춤부 (26) 의 내주면과 절연체 (3) 의 외주면 사이에 형성되는 환상의 공간에는 링상의 패킹 (28, 29) 및 활석 (30) 이 배치되고, 절연체 (3) 가 주체 금구 (7) 에 대해 고정되어 있다. 나사부 (24) 의 내주면에 있어서의 선단측은, 각장부 (14) 에 대해 공간을 갖도록 배치되어 있다. 그리고, 직경 방향 내향으로 돌출되는 돌기부 (32) 에 있어서의 후단측의 테이퍼상으로 확경되는 테이퍼부 (18) 와 절연체 (3) 의 단부 (17) 가 환상의 판 패킹 (19) 을 개재하여 맞닿아 있다. 주체 금구 (7) 는, 도전성의 철강 재료, 예를 들어, 저탄소강에 의해 형성될 수 있다.

단자 금구 (5) 는, 중심 전극 (4) 과 접지 전극 (8) 사이에서 불꽃 방전을 실시하기 위한 전압을 외부로부터 중심 전극 (4) 에 인가하기 위한 단자이다. 단자 금구 (5) 는, 절연체 (3) 의 후단측으로부터 그 일부가 노출된 상태에서 축 구멍 (2) 내에 삽입되어 제 2 시일체 (23) 에 의해 고정되어 있다. 단자 금구 (5) 는, 저탄소강 등의 금속 재료에 의해 형성될 수 있다.

상기 중심 전극 (4) 은, 상기 접속부 (6) 에 접하는 후단부 (34) 와, 상기 후단부 (34) 로부터 선단측으로 연장되는 봉상부 (35) 를 갖는다. 후단부 (34) 는, 직경 방향 외향으로 돌출되는 플랜지부 (16) 를 갖는다. 그 플랜지부 (16) 가 절연체 (3) 의 선반부 (15) 에 맞닿도록 배치되고, 축 구멍 (2) 내주면과 후단부 (34) 의 외주면 사이에 제 1 시일체 (22) 가 충전되어 있음으로써, 중심 전극 (4) 은, 그 선단이 절연체 (3) 의 선단면으로부터 돌출된 상태에서 절연체 (3) 의 축 구멍 (2) 내에 고정되고, 주체 금구 (7) 에 대해 절연 유지되어 있다. 중심 전극 (4) 에 있어서의 후단부 (34) 와 봉상부 (35) 는, Ni 합금 등의 중심 전극 (4) 에 사용되는 공지된 재료로 형성될 수 있다. 중심 전극 (4) 은, Ni 합금 등에 의해 형성되는 외층과, Ni 합금보다 열 전도율이 높은 재료에 의해 형성되며, 그 외층의 내부의 축심부에 동심으로 매립되도록 형성되어 이루어지는 심부에 의해 형성되어도 된다. 심부를 형성하는 재료로는, 예를 들어, Cu, Cu 합금, Ag, Ag 합금, 순 Ni 등을 들 수 있다.

상기 접지 전극 (8) 은, 예를 들어, 대략 각주 (角柱) 형상으로 형성되고, 일단부가 주체 금구 (7) 의 선단부에 접합되고, 도중에서 대략 L 자상으로 굴곡되며, 타단부가 중심 전극 (4) 의 선단부와의 사이에 간극 (G) 을 개재하여 대향하도록 형성되어 있다. 상기 접지 전극 (8) 은, Ni 합금 등의 접지 전극 (8) 에 사용되는 공지된 재료로 형성될 수 있다. 또, 중심 전극 (4) 과 마찬가지로 접지 전극의 축심부에 Ni 합금보다 열 전도율이 높은 재료에 의해 형성되는 심부가 형성되어 있어도 된다.

상기 팁 (9) 은, 이 실시형태에 있어서는 원주상이고, 중심 전극 (4) 에만 형성되어 있다. 상기 팁 (9) 은, 그 형상은 특별히 한정되지 않고, 접지 전극 (8) 에만 형성되어 있어도 되고, 중심 전극 (4) 과 접지 전극 (8) 의 양방에 형성되어 있어도 된다. 또, 중심 전극 (4) 및 접지 전극 (8) 에 형성된 팁 중 적어도 일방의 팁이, 후술하는 특성을 갖는 재료에 의해 형성된 팁에 의해 형성되어 있으면 되고, 타방의 팁은 팁으로서 사용되는 공지된 재료로 형성되어도 된다. 상기 팁 (9) 은, 레이저 용접 및 저항 용접 등의 적절한 방법에 의해 중심 전극 (4) 의 선단에 접합되어 있다. 이 실시형태의 스파크 플러그 (1) 에 있어서의 간극 (G) 은, 중심지 전극 (4) 에 형성된 팁 (9) 과 접지 전극 (8) 사이의 최단 거리이다. 이 간극 (G) 은, 통상적으로 0.3 ∼ 1.5 mm 로 설정된다. 도 5 에 나타내는 바와 같이, 접지 전극 (108, 208) 에 형성된 팁 (109, 209) 의 선단면과, 중심 전극 (104) 에 형성된 팁 (309) 의 측면이 대향하도록 형성되어 있는 스파크 플러그 (101) 의 경우에는, 접지 전극 (108) 의 선단부에 형성된 팁 (109) 과 중심 전극 (104) 에 형성된 팁 (309) 의 대향하는 각각의 대향면 사이의 최단 거리가 간극 (G') 이 되고, 이 간극 (G') 에서 불꽃 방전이 발생한다.

본 발명의 특징 부분인 팁에 대하여, 이하에 상세하게 설명한다.

도 2 에 나타내는 바와 같이, 이 실시형태의 팁 (9) 은, 본체부 (41) 와, 이 본체부 (41) 의 측주면 즉 본체부 (41) 의 중심으로부터 간극 (G) 을 향하는 방향으로 연장되는 축선 A 의 직경 방향 외주면에 형성된 고비저항층 (42) 과, 이 고비저항층 (42) 의 측주면 즉 축선 A 의 직경 방향 외주면에 형성된 피복층 (43) 을 갖는다.

상기 본체부 (41) 는, 질량％ 로 Ir 을 가장 많이 함유하며, 또한, Rh 또는 Pt 를 2 질량％ 이상 함유한다. 상기 본체부 (41) 는, Ir 을 가장 많이 함유하며, 또한, Rh 또는 Pt 를 5 질량％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 상기 본체부 (41) 가, Ir 과 Rh 또는 Pt 를 상기 범위에서 함유하면, 내불꽃 소모성 및 내산화성이 우수하기는 하지만, 이 본체부 (41) 의 전체 표면이 노출되어 있는 경우에는 후술하는 이상 소모가 발생하기 쉬워진다. 그러나, 이 팁 (9) 은, 본체부 (41) 의 표면 중 이상 소모가 발생하기 쉬운 면, 즉 본체부 (41) 의 측주면에, 후술하는 고비저항층 (42) 과 피복층 (43) 을 가지므로, 이상 소모의 발생을 억제할 수 있다.

팁 (9) 에 발생하는 이상 소모에 대하여, 먼저 설명한다. Ir 을 주성분으로 하여 Rh 또는 Pt 를 소정량 함유하는 팁은, 불꽃 소모성 및 내산화성이 우수하다. 그러나, 스파크 플러그가 고온의 연소실 내에서 장시간 가동되면, 팁에 있어서의 측주면에 원호상으로 도려내는 것과 같은 형태로 이상 소모가 발생하는 경우가 있다. 이 이상 소모는, 팁의 측주면의 일정 방향으로부터만 진행되는 점에서, 연소실 내에 있어서의 유체의 흐름이 요인의 하나인 것으로 생각된다. 어쨌든, 이 이상 소모는, 불꽃 방전에 의해 팁 (9) 의 방전면이 소실되는 불꽃 소모와는 상이하다. 또, 팁이 산화됨으로써 팁의 전체 표면의 일부가 소실되는 단순한 산화 소모와도 상이하다. 따라서, 불꽃 소모와도 산화 소모와도 상이한 이와 같은 팁 (9) 의 특정 부위가 소실되는 현상을 「이상 소모」라고 칭한다.

이와 같은 이상 소모를 억제하는 수단으로서, 예를 들어, 특허문헌 1 및 특허문헌 2 에는, 주성분으로서 Ir 을 함유하는 팁 본체부의 직경 방향 외주면에 Ni 를 함유하는 피복층이 형성된 팁이 개시되어 있다. 종래에는 이들 팁에 의해 이상 소모가 억제되고 있었다. 그러나, 예를 들어, 1000 ℃ 에 도달하는 고온 환경하에서, 또한, 엄격한 냉열 사이클 환경하에서 사용되는 스파크 플러그가, 메인터넌스 인터벌을 길게 하기 위해서 장시간 사용되게 되면, 특허문헌 1 및 특허문헌 2 에 나타내어지는 팁을 사용해도, 이상 소모를 억제하지 못할 우려가 있음을 알 수 있었다.

이 원인에 대해 발명자들이 검토한 결과, 이하의 것을 알 수 있었다. 즉, 주성분으로서 Ir 을 함유하는 팁 본체부와 Ni 를 함유하는 피복층의 접합성을 향상시키기 위해서, 열 처리를 실시함으로써 Ir 과 Ni 를 함유하는 확산층이 형성되어 있는 팁을 구비한 스파크 플러그가, 고온 환경하에서, 또한, 엄격한 냉열 사이클 환경하에서 사용되면, 시간의 경과와 함께 본체부와 피복층 사이에서 서로 원소 확산이 진행됨으로써 더욱 확산층의 영역이 커지고, 확산층의 영역이 커지면 더욱더 원소 확산이 진행되기 쉬워지는 것을 알 수 있었다. 발명자들은, 사용시간의 경과와 함께 가속적으로 확산층의 영역이 커지는 것이 내이상 소모성의 저하의 원인의 하나라고 생각하였다.

확산층의 영역이 확대됨으로써 내이상 소모성이 저하되는 이유로는, 다음의 2 가지가 생각된다. 첫째는, 확산층의 영역이 확대되면, 상대적으로 팁의 최표면에 형성되어 있는 피복층에 있어서의 Ni 의 함유량이 저하되는 것이다. 피복층에 있어서의 Ni 의 함유량은 내이상 소모성에 큰 영향을 주므로, 피복층에 있어서의 Ni 의 함유량의 저하가 내이상 소모성을 저하시키는 것으로 생각된다. 둘째는, 피복층에 주성분으로서 함유되는 Ni 와, 본체부에 주성분으로서 함유되는 Ir 은, 각각 원자 반경이 크게 상이하므로, 형성된 확산층은, 비저항이 높아지기 쉽고, 그 때문에 열 전도율도 작아지기 쉬워지는 것이다. 사용 시간의 경과와 함께 비저항이 높은 확산층이 형성되고, 그 영역이 커질수록 팁이 고온화되기 쉬워지고, 그로 인해 내이상 소모성이 저하되기 쉬워지는 것으로 생각된다. 이와 같이, 발명자들은, 엄격한 환경하에 있어서도 장시간에 걸쳐서 팁의 이상 소모를 억제하기 위한 수단의 하나로서, 사용 시간의 경과와 함께 확산층이 확대되는 것을 억제하는 것이 유효하다고 생각하였다. 또, 발명자들은, 이 외에도 팁의 실온에 있어서의 비저항 등 팁의 이상 소모에 영향을 주는 여러 가지 요소를 고려하여 본 발명을 완성시켰다. 또한, Ir 과 Ni 가 서로 확산됨으로써 형성된 확산층은 비저항이 다른 부분에 비해 높기 때문에, 본 발명에 있어서는 고비저항층이라고 칭한다.

본체부 (41) 는, Ir, Rh, 및 Pt 의 실온에서의 결정 구조와는 상이한 결정 구조를 갖는 금속 원소를 A 군 원소로 하였을 때, A 군 원소의 어느 금속 원소도 함유하지 않거나, 혹은, A 군 원소의 합계 함유율이 24 질량％ 이하, 또한, Ru 를 제외한 A 군 원소의 합계 함유율이 7 질량％ 미만이다. 본체부 (41) 는, A 군 원소를 함유할수록 열 전도율이 낮아지는 경향이 있으므로, A 군 원소의 합계 함유율이 24 질량％ 를 초과하면 팁 (9) 이 고온화되어 고비저항층 (42) 의 영역이 커지고, 그로 인해 더욱 고온화되기 쉬워짐으로써 내이상 소모성이 저하되기 쉬워진다. 한편, 본체부 (41) 는, A 군 원소의 어느 금속 원소도 함유하지 않거나, 혹은, A 군 원소의 합계 함유율이 24 질량％ 이하에 있으므로, 열 전도율을 원하는 값으로 유지하기 쉽고, 이상 소모를 억제할 수 있다. 또, Ru 는 잘 산화되지 않지만, Ru 를 제외한 A 군 원소는 산화되기 쉽기 때문에, Ru 를 제외한 A 군 원소를 7 질량％ 이상 함유하면 본체부 (41) 와 피복층 (43) 사이에서의 산화가 진행되어, 피복층 (43) 이 박리되기 쉬워지고, 그 결과로서 이상 소모에 이르러 버린다. 한편, 본체부 (41) 는, Ru 를 제외한 A 군 원소의 합계 함유율이 7 질량％ 미만이므로, 본체부 (41) 와 피복층 (43) 사이에서의 산화를 억제함으로써 피복층 (43) 의 박리를 억제하고, 그 결과로서 이상 소모를 억제할 수 있다.

Ir, Rh, 및 Pt 의 실온에서의 결정 구조는, 면심 입방 격자 구조이다. A 군 원소의 실온에서의 결정 구조는, 면심 입방 격자 구조 이외의 결정 구조이며, 예를 들어, 세밀 육방 격자 구조, 체심 입방 격자 구조이다. A 군 원소로는, 예를 들어, Re, Ru, W, Nb, Mo, 및 Zr 등을 들 수 있다. 본체부 (41) 는, A 군 원소의 어느 금속 원소도 함유하지 않거나, 혹은, A 군 원소 중 적어도 하나를 상기 범위 내에서 함유한다.

본체부 (41) 는, Ir, Rh 또는 Pt, 및 A 군 원소를 상기 범위 내에서 함유하며, 추가로 Ir, Rh, Ru, Re, 및 W 중 적어도 Ir 과 Rh 와 Ru 를 함유하고, Ir 을 60 질량％ 이상, Rh 를 6 질량％ 이상 32 질량％ 이하, 및, Ru 를 4 질량％ 이상 함유하고, Ir, Ru, Re, 및 W 의 합계 함유율이 93 질량％ 이하인 것이 바람직하다. 팁 (9) 이 노출되는 온도가 높아질수록, 본체부 (41) 와 피복층 (43) 사이의 확산은 보다 더 발생하기 쉬워진다. 또, 본체부 (41) 와 피복층 (43) 사이에 있어서의 산화, 본체부 (41) 및 피복층 (43) 의 재결정화 및 입 (粒) 성장에 의한 피복층 (43) 의 균열도 발생하기 쉬워진다. 그 결과, 이상 소모가 발생하기 쉬워진다. 또, 팁 (9) 이 노출되는 온도가 높아질수록, 본체부 (41) 와 피복층 (43) 사이의 열 팽창 계수의 차의 영향이 커지고, 이로 인한 재료의 취성에 의해 이상 소모가 발생하기 쉬워진다. 본체부 (41) 에 있어서의 Rh 의 함유율이 6 질량％ 미만이면, 더욱 고온의 환경하에서 사용된 경우에, 본체부 (41) 와 피복층 (43) 사이에서 산화가 진행되기 쉬워져, 피복층 (43) 이 박리될 우려가 있다. 본체부 (41) 에 있어서의 Rh 의 함유율이 32 질량％ 를 초과하면, 본체부 (41) 와 피복층 (43) 의 상호 확산 계수가 높아져, 내이상 소모성이 저하될 우려가 있다. 본체부 (41) 에 있어서의 Ru 의 함유율이 4 질량％ 미만이면, 재결정 온도가 낮아지는 경향이 있고, 사용 중에 재결정화가 발생하기 쉬워져, 내이상 소모성이 저하될 우려가 있다. 본체부 (41) 가 Ir, Rh, Ru, Re, 및 W 중 적어도 Ir 과 Rh 와 Ru 를 함유하고, Ir, Ru, Re, 및 W 의 합계 함유율이 93 질량％ 를 초과하면, 본체부 (41) 와 피복층 (43) 사이의 열 팽창 계수의 차가 커지는 경향이 있고, 피복층 (43) 이 박리되기 쉬워지기 때문에, 내이상 소모성이 저하될 우려가 있다. 본체부 (41) 에 있어서의 Ir 의 함유율이 60 질량％ 미만이면, 본체부 (41) 또는 사용에 수반하여 형성되는 고비저항층 (42) 이 취약해지는 경향이 있음과 함께, 본체부 (41) 와 피복층 (43) 사이의 열 팽창 계수의 차가 커지는 경향이 있고, 피복층 (43) 이 박리되기 쉬워지기 때문에, 내이상 소모성이 저하될 우려가 있다. 따라서, 본체부 (41) 가 전술한 조성을 가지면, 예를 들어 1000 ℃ 를 초과하는 고온 환경하에서 스파크 플러그가 사용되어도, 장시간에 걸쳐서 팁 (9) 의 이상 소모를 억제할 수 있다.

본체부 (41) 는, Ir, Rh 또는 Pt, 및 A 군 원소를 상기 범위 내에서 함유하고, 추가로 Ni 를 0.6 질량％ 이상 3 질량％ 이하 함유하는 것이 바람직하다. 본체부 (41) 가 Ni 를 0.6 질량％ 이상 함유하면, 피복층 (43) 과 본체부 (41) 사이에 있어서의 Ni 농도 구배가 작아지므로, 피복층 (43) 으로부터 본체부 (41) 에 대한 Ni 의 확산이 억제되기 쉬워진다. 그 때문에, 피복층 (43) 에 Ni 의 확산에 의한 결함이 잘 발생하지 않고, 피복층 (43) 에 핀 홀 등의 결함이 존재하고 있는 경우에도 그 영향을 최소한으로 억제할 수 있어, 이상 소모를 억제할 수 있다. 본체부 (41) 가 Ni 를 3 질량％ 를 초과하여 함유하면, 본체부 (41) 의 융점이 저하됨으로써, 상호 확산 계수가 커져, Ni 를 함유시키는 것에 의한 확산 억제의 효과가 저하된다.

본체부 (41) 는, 축선 A 방향으로 연장된 형상을 갖는 결정립의 집합체이며, 상기 결정립의 애스펙트비가 2 이상인 것이 바람직하다. 본체부 (41) 는, 섬유상의 조직인 것이 보다 바람직하다. 본체부 (41) 를 구성하는 결정립의 애스펙트비가 2 보다 작은 경우에는, 본체부 (41) 와 피복층 (43) 의 계면 부근에 있어서의 입계의 수가, 애스펙트비가 2 이상인 경우에 비해 많아져, 본체부 (41) 의 입계에 피복층 (43) 중의 Ni 가 확산되기 쉬워진다. 입계에 Ni 가 확산되면, 열 응력에 의해 입계로부터 균열되기 쉬워지고, 그로 인해 피복층 (43) 의 균열도 야기되기 쉬워진다. 한편, 본체부 (41) 를 구성하는 결정립의 애스펙트비가 2 이상이면, 본체부 (41) 및 피복층 (43) 이 잘 균열되지 않게 되고, 그 결과, 이상 소모를 억제할 수 있다.

본체부 (41) 를 구성하는 결정립의 애스펙트비는, 다음과 같이 하여 구할 수 있다. 먼저, 축선 A 를 포함하는 면에서 팁 (9) 을 절단하고, 절단면을 연마하여 연마면을 얻는다. 이 연마면을 FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) 으로 관찰하고, 축선 A 에 평행한 직선과 결정립계가 교차하는 2 점 간의 최대 거리 L 과, 축선 A 에 수직인 직선과 결정립계가 교차하는 2 점 간의 최대 거리 M 을 측정한다. 복수 개의 결정립에 대하여, 동일하게 최대 거리 L 과 최대 거리 M 을 측정하여, L/M 을 각각 산출하고, 산출한 값의 평균값을 결정립의 애스펙트비로 한다. 본체부 (41) 에 있어서의 결정립의 애스펙트비는, 본체부 (41) 가 되는 심재를 제작할 때의 가공 방법 (가공 온도, 가공률 등) 이나 본체부 (41) 와 피복층 (43) 사이에 확산층 (고비저항층 (42)) 을 형성시키기 위해서 실시하는 열 처리의 온도나 시간 등의 변경에 의해 조정할 수 있다.

고비저항층 (42) 은, Ni 의 함유율이 본체부 (41) 의 Ni 함유율보다 많고, 50 질량％ 미만의 영역이다. 고비저항층 (42) 은, 후술하는 확산 처리 공정에 의해 본체부 (41) 및 피복층 (43) 에 함유되는 원소가 서로 확산됨으로써 형성된다. 고비저항층 (42) 의 두께는, 2 ㎛ 이상 45 ㎛ 이하이며, 2 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 종래에는, 특허문헌 2 에 나타내어져 있는 바와 같이, 본체부와 피복층을 갖는 팁에 확산 처리를 실시하여 확산층을 미리 형성한 팁은, 확산 처리를 실시하지 않은 팁과 비교하여 피복층이 잘 박리되지 않고, 확산층의 영역이 커질수록, 내박리성을 개선하면서 이상 소모를 억제할 수 있는 것으로 생각되어 왔다. 내박리성을 유지하기 위해서 확산층은 필요하다고 생각하지만, 상기 서술한 바와 같이, 최근, 고온 환경하에서, 또한, 엄격한 냉열 사이클 환경하에서 장시간에 걸쳐서 스파크 플러그가 사용되도록 되고 있다. 이와 같은 조건하에서는, 시간의 경과와 함께 본체부와 피복층 사이의 원소 확산이 진행되어, 본체부와 피복층 사이에 미리 형성되어 있는 확산층의 영역이 커지고, 확산층의 영역이 커질수록 노드하임의 법칙에 의해 확산층의 비저항이 커지므로, 팁이 고온화된다. 즉, 미리 확산층의 영역이 크게 형성되어 있으면, 사용 초기부터 팁이 고온화됨으로써 더욱 비저항이 큰 확산층이 커진다는 확산과 고온화의 악순환에 이르러, 내이상 소모성이 저하될 우려가 있음을 알 수 있었다. 한편, 이 팁 (9) 은, 비저항이 큰 고비저항층 (42) 의 두께가 45 ㎛ 이하이며, 바람직하게는 15 ㎛ 이하이므로, 사용 초기 단계에서 팁 (9) 이 고온화되기 어렵기 때문에, 원소 확산이 잘 진행되지 않아, 상기와 같은 악순환이 잘 발생하지 않는다. 그 결과로서 내이상 소모성의 저하를 억제할 수 있다. 고비저항층 (42) 의 두께가 지나치게 작으면, 본체부 (41) 와 피복층 (43) 사이의 열 팽창 계수의 차를 다 흡수하지 못하여, 피복층 (43) 이 박리되기 쉬워진다. 한편, 이 팁 (9) 은, 고비저항층 (42) 의 두께가 상기 범위에 있으므로, 피복층 (43) 의 박리를 억제하면서 팁 (9) 의 고온화를 억제함으로써, 이상 소모를 억제할 수 있다.

피복층 (43) 은, Ni 를 50 질량％ 이상 함유하고, 그 두께가 3 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하이다. 피복층 (43) 의 두께가 3 ㎛ 미만이면, 팁 (9) 의 이상 소모를 억제하는 효과가 얻어지지 않는다. 또, 피복층 (43) 의 두께가 20 ㎛ 를 초과하면, 피복층 (43) 이 본체부 (41) 로부터 박리되기 쉬워지고, 그 결과로서 이상 소모에 이르러 버린다. 한편, 이 팁 (9) 은, 피복층 (43) 이 Ni 를 50 질량％ 이상 함유하고, 그 두께가 3 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하이므로, 내이상 소모성의 저하를 억제할 수 있다.

피복층 (43) 은, Ni 를 70 질량％ 이상 함유하는 고 Ni 층 (45) 을 포함하고, 고 Ni 층 (45) 의 두께 Tn 과 피복층 (43) 의 두께 Th 의 비 (Tn/Th) 가 0.5 이상인 것이 바람직하다. Ni 의 함유율이 높을수록 비저항이 작아지므로, 고 Ni 층 (45) 의 비율이 클수록 팁 (9) 의 고온화를 억제할 수 있다. 또, 고 Ni 층 (45) 의 비율이 클수록, 내이상 소모성이 우수한 Ni 를 팁 (9) 의 표층 부분에 함유시킬 수 있으므로, 본체부 (41) 와 피복층 (43) 사이에 있어서의 원소 확산이 진행되어도, 고 Ni 층 (45) 에 있어서의 Ni 농도의 저하를 억제할 수 있어, 결과적으로 이상 소모를 억제할 수 있다.

팁 (9) 은, 실온에 있어서의 비저항이 20 × 10^-8 Ωm 이하이며, 10.5 × 10^-8 Ωm 이상인 것이 바람직하다. 팁 (9) 이 전술한 조성 및 두께를 갖는 본체부 (41), 고비저항층 (42), 및 피복층 (43) 을 가지고 있어도 팁 (9) 의 실온에 있어서의 비저항이 높으면, 팁 (9) 으로부터 중심 전극 (4) 에 대한 열의 이동이 방해되므로, 본체부 (41) 와 피복층 (43) 사이의 원소 확산이 가속되어, 고비저항층 (42) 의 영역이 커지고, 그로 인해 팁 (9) 이 고온화되어 내이상 소모성이 저하되어 버린다. 한편, 이 팁 (9) 은, 실온에 있어서의 비저항이 20 × 10^-8 Ωm 이하이므로, 팁 (9) 으로부터 중심 전극 (4) 으로 열이 이동하기 쉬워, 이상 소모를 억제할 수 있다. 팁 (9) 의 실온에 있어서의 비저항이 지나치게 낮은 경우, 팁 (9) 을 중심 전극 (4) 에 용접할 때에, 충분한 용접 강도를 확보하기 위해서 높은 열량을 부여할 필요가 생긴다. 그 때문에, 팁 (9) 의 실온에 있어서의 비저항이 지나치게 낮으면, 용접시에 저융점의 Ni 를 함유하는 피복층 (43) 의 일부가 용융될 우려가 있으므로, 균일한 두께 및 조성을 갖는 피복층 (43) 을 형성하는 것이 어려워질 우려가 있다.

팁 (9) 의 실온에 있어서의 비저항은, 본체부, 고비저항층, 및 피복층 각각의 조성, 두께, 가공 방법 등에 의해 조정할 수 있다. 또, 본체부 (41) 가 소결법에 의해 제조되는 경우나, 피복층 (43) 등이 용사법 등에 의해 제조되는 경우에 있어서는, 소결 밀도 (실제의 밀도를 이론 밀도로 나누어 산출) 또는 기공률에 의해서도 조정할 수 있다. 팁 (9) 의 실온에 있어서의 비저항은, 다음과 같이 구할 수 있다. 먼저, 팁 (9) 을 중심 전극 (4) 에 접합시킬 때에 형성된 용융부 (44) 를 제외하고, 스파크 플러그 (1) 로부터 팁 (9) 을 팁 (9) 의 방전면에 대해 평행하게 잘라낸다. 잘라낸 팁 (9) 의 방전면과 절단면 사이의 비저항을, 전기 저항 측정 장치를 사용하여, 4 단자 측정법에 의해 구할 수 있다. 스파크 플러그 (1) 에 팁 (9) 을 접합시키기 전후에서, 팁 (9) 의 조직에 변화가 없는 경우에 있어서는, 용접 전의 팁 (9) 을 사용하여 비저항을 측정해도 된다.

본 발명에 있어서의 팁 (9) 은, 본체부 (41) 와 고비저항층 (42) 과 피복층 (43) 이, 각각 5 질량％ 보다 작은 함유율로 불가피 불순물을 함유하고 있어도 된다. 본체부 (41) 에 있어서의 불가피 불순물로는, 예를 들어, Al, Si, Fe, Cu 등을 들 수 있다. 피복층 (43) 에 있어서의 불가피 불순물로는, 예를 들어, Al, Si, Mn, P 등을 들 수 있다. 고비저항층 (42) 에 있어서의 불가피 불순물로는, 본체부 (41) 및 피복층 (43) 에 함유되는 불가피 불순물과 동일한 것을 들 수 있다. 이들 불가피 불순물의 함유율은 적은 편이 바람직하지만, 본 발명의 과제를 달성할 수 있는 범위 내에서 함유하고 있어도 되고, 전술한 성분의 합계 질량을 100 질량부로 하였을 때에, 전술한 1 종류의 불가피 불순물의 비율은 0.1 질량부 이하, 함유되는 전체 종류의 불가피 불순물의 합계 비율은 0.2 질량부 이하인 것이 좋다.

본체부 (41), 고비저항층 (42), 및, 피복층 (43) 에 있어서의 각 성분의 함유율 및 두께는, FE-EPMA 에 부속된 WDS (Wavelength Dispersive X-ray Spectrometer) 로 점 분석을 실시함으로써, 이하와 같이 구할 수 있다.

먼저, 도 3(a) 에 나타내는 바와 같이, 팁의 선단면으로부터 축선 A 방향의 용융부 (44) 의 단부 (端部) 까지의 높이 H 의 절반의 위치에서, 축선 A 에 직교하는 평면에서 절단하여 절단면을 노출시킨다. 이 실시형태의 팁 (9) 은 원주체이므로, 도 3(b) 에 나타내는 바와 같이, 원형의 절단면이 얻어진다. 본체부 (41) 의 조성은, 상기 절단면에 있어서의 중앙부 (C) 에 있어서 스포트 직경 100 ㎛ 로 점 분석함으로써 구한다. 본체부 (41) 의 측주면에 형성된 피복층 (43) 등의 조성 및 두께에 대해서는, 먼저, 원형의 절단면에 있어서 중앙부 (C) 를 통과하는 2 개의 직교하는 라인 L₁, L₂ 상을, 4 개의 단부 (端部) 로부터 중앙부 (C) 를 향해 4 방향으로부터 점 분석을 실시한다. 이 때, 점 분석은 스포트 직경 1 ㎛ 로 1 ㎛ 간격으로 실시한다. Ni 의 함유율이 50 질량％ 이상인 영역을 피복층 (43) 으로 하고, 이 영역의 길이를 측정한다. 또, Ni 의 함유율이 50 질량％ 미만이며, 또한, 본체부 (41) 의 Ni 의 함유율보다 1 질량％ 이상 큰 영역을 고비저항층 (42) 으로 하고, 이 영역의 길이를 측정한다. 4 개의 라인에서 구한 피복층 (43) 및 고비저항층 (42) 각각의 영역의 길이의 평균값을, 각각 피복층 (43) 및 고비저항층 (42) 의 두께로 한다. 또한, Ni 의 함유율이 70 질량％ 이상인 영역이 있는 경우에는, 이 영역을 고 Ni 층 (45) 으로 하고, 이 영역의 길이를 측정하고, 4 개의 라인에서 구한 영역의 길이의 평균값을 고 Ni 층 (45) 의 두께로 한다. 또, 고비저항층 (42) 은, 후술하는 확산 처리 공정에 의해 본체부 (41) 와 피복층 (43) 의 상호의 원소 확산에 의해 형성되어 있으므로, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 통상적으로, 고 Ni 층 (45), 피복층 (43), 고비저항층 (42) 각각의 Ni 의 함유율은, 팁 (9) 의 표면으로부터 중앙부 (C) 를 향해 감소하고, 각각 경사 조성을 가지고 있다.

피복층 (43) 은, 본체부 (41) 의 전체 표면 중 이상 소모가 발생하기 쉬운 면에 형성되어 있으면 되고, 예를 들어, 측주면에 적어도 형성되어 있으면 된다. 피복층 (43) 은, 본체부 (41) 의 전체 표면에 형성되어 있어도 되지만, 간극 (G) 에 면하는 방전면 및 중심 전극 (4) 에 접합되는 바닥면에 형성되어 있지 않는 것이 바람직하다. 즉, 팁 (9) 에 있어서의 본체부 (41) 가 노출되어 있는 바닥면을 중심 전극 (4) 에 접촉시켜, 저항 용접, 레이저 용접, 또는 저항 용접을 실시한 후에 레이저 용접을 실시하여 결합시키는 것이 바람직하다. 팁 (9) 에 있어서의 중심 전극 (4) 에 접합되는 바닥면에 이상 소모는 발생하지 않기 때문에, 피복층 (43) 을 형성해도 본원 발명의 효과가 얻어지지 않는다. 또, 팁 (9) 에 있어서의 중심 전극 (4) 에 접합되는 바닥면에 피복층 (43) 이 형성되어 있으면, 후술하는 바와 같이, 팁 (9) 을 중심 전극 (4) 에 저항 용접, 레이저 용접, 또는 그 양방에 의해 접합시킬 때에, 팁 (9) 및 중심 전극 (4) 이 용융되어, 용융된 입자가 접합부의 주변으로 비산되어 부착될 우려가 있고, 그로 인해 스파크 플러그 (1) 의 품질을 유지하지 못해 제조 불량이 될 우려가 있다. 따라서, 팁 (9) 에 있어서의 중심 전극 (4) 에 접합되는 바닥면은, 그 중의 적어도 일부가 본체부 (41) 에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하고, 그 전체 면이 본체부 (41) 만에 의해 형성되어 있는 것이 특히 바람직하다. 또, 팁 (9) 에 있어서의 방전면에도 이상 소모는 발생하지 않기 때문에, 피복층 (43) 을 형성해도 본원 발명의 효과가 얻어지지 않는다.

팁 (9) 의 형상은, 이 실시양태에 있어서는 원주상이지만, 특별히 한정되지 않고, 원주상 이외에, 타원주상, 각주상, 및 판상 등의 적절한 형상을 채용할 수 있다. 팁 (9) 이 가늘게 형성되어, 축선 A 에 직교하는 방향의 단면적이 작을수록, 엔진의 착화성 및 내전압성이 향상되는 한편, 팁 (9) 이 고온화되기 쉬워, 이상 소모가 발생하기 쉬워지는 경향이 있다. 그러나, 이 팁 (9) 은 전술한 특성을 가지므로, 팁 (9) 이 가늘게 형성되어도 종래의 팁에 비해 이상 소모를 억제할 수 있다.

상기 스파크 플러그 (1) 는, 예를 들어 다음과 같이 하여 제조된다. 팁 (9) 의 제조 방법은, 본체부 (41) 가 되는 심재를 제조하는 공정과, 이 심재의 표면에 피복층 (43) 이 되는 Ni 함유층을 형성하여 표면 Ni 부재를 얻는 공정과, 상기 표면 Ni 부재에 확산 처리를 실시하는 공정을 갖는다.

본체부 (41) 가 되는 심재를 제조하는 공정에서는, 먼저, 각 성분의 함유율이 전술한 범위가 되는 금속 성분을 배합하고, 원료 분말을 준비한다. 이것을 아크 용해하여 잉곳을 형성하고, 이 잉곳을 열간 단조하여, 봉재로 한다. 다음으로, 이 봉재를 복수 회 홈 롤 압연하고, 필요에 따라 스웨이징을 실시하고, 다이스 드로잉으로 신선 (伸線) 가공을 실시함으로써, 단면 원 형상의 환봉재로 하고, 이것을 심재로 한다.

이어서, 심재의 표면에 피복층 (43) 이 되는 Ni 함유층을 형성하고, 이 Ni 함유층이 형성된 환봉재를 원하는 길이로 절단함으로써, 심재의 표면에 Ni 함유층이 형성된 표면 Ni 부재를 제조한다. 또한, 심재를 소정 길이로 절단한 후에 피복층 (43) 이 되는 Ni 함유층을 형성함으로써 표면 Ni 부재를 제조해도 된다. 또, 본체부 (41) 가 되는 심재의 형상은 원주상에 한정되지 않고, 예를 들어 사각형 다이스를 사용하여 상기 잉곳의 신선 가공을 실시하여, 각재 (角材) 로 가공해도 된다.

상기 심재의 표면에 Ni 함유층을 형성하는 방법으로는, 특별히 한정되지 않지만, 전해 도금 처리, 무전해 도금 처리, 화학 증착법, 물리 증착법, 및 심재에 원통의 재료를 접착시켜 가공하는 이종재 (異種材) 의 접합 (클래드재) 등을 들 수 있다.

전해 도금 처리, 혹은 무전해 도금 처리에 의해 심재의 표면에 Ni 함유층을 형성하는 경우에는, 전술한 조성을 갖는 Ni 함유층이 형성되도록, 도금욕의 조성이나 전류값, 전압값이나 열 처리 조건 등을 제어하여 도금 처리함으로써 형성된다. 심재의 표면에 상이한 조성의 도금을 연속해서 형성시켜 복층 구조로 해도 된다. 화학 증착법 (CVD) 으로는, MOCVD, PECVD, LPCVD, 상압 CVD, CCVD 등을 들 수 있다. 물리 증착법 (PVD) 으로는, 진공 증착법, DC 스퍼터링, 고주파 스퍼터링 등의 각종 스퍼터링법, 고주파 이온 플레이팅 등의 각종 이온 플레이팅법, 분자선 에피택시법, 레이저 어블레이션법, 이온화 클러스터 빔 증착법, 이온 빔 증착법, 각종 용사법 등을 들 수 있다. 상기의 방법을 조합하여 실시해도 되고, 동일한 방법을 반복해서 실시해도 된다. 또, 각 처리 동안에 후술하는 확산 처리를 실시해도 된다.

심재의 전체 표면 중 일부에 Ni 함유층을 형성하고, 본체부 (41) 의 일부가 노출되는 팁 (9) 을 제조하는 방법으로는, 심재의 전체 표면에 Ni 함유층을 형성한 후에, Ni 함유층을 구비한 심재를 그 심재의 축선에 수직으로 절단함으로써, 본체부의 일부가 노출된 팁을 제조하는 방법, 및 심재의 전체 표면에 Ni 함유층을 형성한 후에 일부의 Ni 함유층을 절삭 및 절단하거나 하여 제거함으로써 팁에 있어서의 임의의 부위에 본체부가 노출된 팁을 제조하는 방법 등을 들 수 있다.

이어서, 표면 Ni 부재에 확산 처리를 실시한다. 이로써 본체부 (41) 가 되는 심재와 피복층 (43) 이 되는 Ni 함유층에 함유되는 원소가 서로 확산되어, 고비저항층 (42) 이 형성된다. 확산 처리 공정은, 표면 Ni 부재를, 예를 들어, 600 ∼ 1300 ℃ 의 온도에 0 ∼ 10 시간 유지함으로써 실시된다. 0 시간 유지란, 승온시키고 바로 강온시키는 것을 나타낸다. 가열 방법은, 특별히 한정되지 않고, 전기로를 사용하여 분위기 제어하여 가열해도 되고, 버너에 의해 가열해도 된다. 또, 상기 열 처리 공정을 복수 회 실시해도 된다.

중심 전극 (4) 에 팁이 접합되는 경우에는, 접지 전극 (8) 에 접합되는 팁 (9) 과 동일한 방법에 의해 팁을 제조해도 되고, 종래 공지된 방법에 의해 팁을 제조해도 된다.

중심 전극 (4) 및 접지 전극 (8) 은, 예를 들어, 진공 용해로를 사용하여, 원하는 조성을 갖는 합금의 용탕을 조제하고, 선인 (線引) 가공하거나 하여, 소정 형상 및 소정 치수로 적절히 조정하여 제작할 수 있다. 중심 전극 (4) 이, 외층과 이 외층의 축심부에 매립되도록 형성된 심부에 의해 형성되어 있는 경우에는, 중심 전극 (4) 은 컵 형상으로 형성한 Ni 합금 등으로 이루어지는 외재에, 외재보다 열 전도율이 높은 Cu 합금 등으로 이루어지는 내재를 삽입하고, 압출 가공 등의 소성 가공으로, 외층의 내부에 심부를 갖는 중심 전극 (4) 을 형성한다. 접지 전극 (8) 도 또한 중심 전극 (4) 과 마찬가지로 외층과 심부에 의해 형성되어도 되고, 이 경우에는 중심 전극 (4) 과 동일하게 하여 컵 형상으로 형성한 외재에 내재를 삽입하고, 압출 가공 등의 소성 가공한 후, 대략 각주상으로 소성 가공한 것을, 접지 전극 (8) 으로 할 수 있다.

이어서, 소정 형상으로 소성 가공 등에 의해 형성한 주체 금구 (7) 의 단면에, 접지 전극 (8) 의 일단부를 전기 저항 용접 또는 레이저 용접 등에 의해 접합시킨다. 이어서, 접지 전극 (8) 이 접합된 주체 금구 (7) 에 Zn 도금 또는 Ni 도금을 실시한다. Zn 도금 또는 Ni 도금 후에 3 가 크로메이트 처리를 실시해도 된다. 또, 접지 전극에 실시된 도금은 박리해도 된다.

이어서, 상기 서술한 바와 같이 제작한 팁 (9) 을 중심 전극 (4) 에 저항 용접 및/또는 레이저 용접 등에 의해 용융 고착시킨다. 저항 용접으로 팁 (9) 을 중심 전극 (4) 에 접합시키는 경우에는, 예를 들어, 팁 (9) 을 중심 전극 (4) 의 소정 위치에 설치하여 가압하면서 저항 용접을 실시한다. 레이저 용접으로 팁 (9) 을 중심 전극 (4) 에 접합시키는 경우에는, 예를 들어, 팁 (9) 을 중심 전극 (4) 의 소정 위치에 설치하고, 팁 (9) 과 중심 전극 (4) 의 접촉면과 평행 방향으로부터 팁 (9) 과 중심 전극 (4) 의 접촉 부분을 부분적으로 또는 전체 둘레에 걸쳐 레이저 빔을 조사한다. 저항 용접을 한 후에 레이저 용접을 실시해도 된다. 본체부 (41) 의 전체 표면에 피복층 (43) 이 형성된 팁 (9) 을 중심 전극 (4) 에 접합시키는 경우에는, 팁 (9) 및 중심 전극 (4) 이 용융되어, 용융된 입자가 접합부의 주변으로 비산되어 부착될 우려가 있고, 그로 인해 스파크 플러그의 품질을 유지하지 못하여 제조 불량이 될 우려가 있다. 한편, 팁 (9) 에 있어서의 중심 전극 (4) 에 접합되는 면에 피복층 (43) 이 형성되어 있지 않아, 본체부 (41) 가 노출되어 있는 팁 (9) 이면, 팁 (9) 을 중심 전극 (4) 에 접합시킬 때에, 팁 (9) 및 중심 전극 (4) 의 용융된 입자가 비산되는 것을 방지할 수 있어, 제조 불량이 되는 스파크 플러그의 수를 저감시킬 수 있다. 따라서, 제조 불량이 되는 스파크 플러그의 수를 저감시킬 수 있는 점에서, 팁 (9) 은, 팁 (9) 에 있어서의 중심 전극 (4) 에 접합되는 면에 있어서, 본체부가 노출되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 접지 전극 (8) 에 팁을 접합시키는 경우에는, 중심 전극 (4) 에 팁 (9) 을 접합시키는 방법과 동일하게 하여 접합시킬 수 있다.

한편, 세라믹 등을 소정 형상으로 소성함으로써 절연체 (3) 를 제작하고, 이 절연체 (3) 의 축 구멍 (2) 내에 중심 전극 (4) 을 삽입 형성하여, 제 1 시일체 (22) 를 형성하는 조성물, 저항체 (21) 를 형성하는 조성물, 제 2 시일체 (23) 를 형성하는 조성물을 이 순서로 상기 축 구멍 (2) 내에 예비 압축하면서 충전한다. 이어서 상기 축 구멍 (2) 내의 단부 (端部) 로부터 단자 금구 (5) 를 압입하면서 상기 조성물을 압축 가열한다. 이렇게 하여 상기 조성물이 소결되어 저항체 (21), 제 1 시일체 (22) 및 제 2 시일체 (23) 가 형성된다. 이어서 접지 전극 (8) 이 접합된 주체 금구 (7) 에 이 중심 전극 (4) 등이 고정된 절연체 (3) 를 장착한다. 마지막으로 접지 전극 (8) 의 선단부를 중심 전극 (4) 측으로 절곡하여, 접지 전극 (8) 의 일단이 중심 전극 (4) 의 선단부와 대향하도록 하여, 스파크 플러그 (1) 가 제조된다.

본 발명에 관련된 스파크 플러그 (1) 는, 자동차용의 내연 기관 예를 들어 가솔린 엔진 등의 점화전으로서 사용되고, 내연 기관의 연소실을 구획 형성하는 헤드 (도시 생략) 에 형성된 나사 구멍에 상기 나사부 (24) 가 나사 결합되어, 소정 위치에 고정된다. 본 발명에 관련된 스파크 플러그 (1) 는, 어떠한 내연 기관에도 사용할 수 있다. 본 발명에 관련된 스파크 플러그 (1) 는, 고온 환경하에서, 또한, 엄격한 냉열 사이클 환경하에서 사용해도, 팁의 측면에 있어서의 이상 소모의 발생을 장시간에 걸쳐서 억제할 수 있기 때문에, 스파크 플러그가 전술한 엄격한 환경에 노출되는 것과 같은 내연 기관에 특히 바람직하다.

본 발명에 관련된 스파크 플러그 (1) 는, 전술한 실시예에 한정되는 경우는 없고, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위에 있어서, 여러 가지의 변경이 가능하다. 예를 들어, 상기 스파크 플러그 (1) 는, 중심 전극 (4) 에 형성된 팁 (9) 의 선단면과 접지 전극 (8) 의 선단부 측면이, 축선 (O) 방향에서, 간극 (G) 을 개재하여 대향하도록 배치되어 있지만, 본 발명에 있어서, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 중심 전극 (104) 에 형성된 팁 (309) 의 측면과 접지 전극 (108, 208) 에 형성된 팁 (109, 209) 의 선단면이, 중심 전극의 반경 방향에서, 간극 (G') 을 개재하여 대향하도록 배치되어 있어도 된다. 이 경우에, 중심 전극에 형성된 팁 (309) 의 측면에 대향하는 접지 전극은, 단수가 형성되어도 되고, 복수가 형성되어도 된다.

실시예

1. 내이상 소모성의 평가 시험 I ＜스파크 플러그 시험체의 제작＞ 팁은, 본체부가 되는 심재를 제조하고, 전해 도금 처리 또는 이종 재료의 접착 (클래드) 에 의하여, 이 심재의 표면에 Ni 함유층 (시험 번호 14 는 Au 함유층) 을 형성하여 표면 Ni 부재를 얻고, 이 표면 Ni 부재에 확산 처리를 실시함으로써 제조하였다. 또한, 피복층에 함유되는 Ni 이외의 원소는, 불가피 불순물을 제외하고, 본체부에 함유되는 원소만이 되도록 제작하였다.

전해 도금 처리에 의해 Ni 함유층을 형성하는 경우, 심재는, 소정 조성을 갖는 원료 분말을 배합하고, 아크 용해하여 잉곳을 형성하고, 이 잉곳을 열간 단조, 열간 압연 및 열간 스웨이징하고, 추가로 신선 가공을 실시함으로써, 소정 길이의 환봉재로 하고, 이 환봉재의 주측면 (周側面) 에, 전해 도금 처리에 의해 소정 조성을 갖는 Ni 함유층을 형성하고, 그 후 소정 길이로 절단함으로써, 직경 0.6 mm, 높이 0.7 mm 의 원주상의 표면 Ni 부재를 얻었다.

이종 재료의 접착 (클래드) 에 의해 Ni 함유층을 형성하는 경우, 심재는, 소정 조성을 갖는 원료 분말을 배합하고, 아크 용해하여 잉곳을 형성하고, 이 잉곳을 열간 단조, 열간 압연 및 열간 스웨이징하고, 추가로 신선 가공을 실시함으로써, 소정 길이의 환봉재로 하고, 이 환봉재의 주측면에, 소정 조성을 갖는 Ni 함유층에 상당하는 원통의 재료를 접착시켜 신선 가공을 실시하고, 소정 길이로 절단함으로써, 직경 0.6 mm, 높이 0.7 mm 의 원주상의 표면 Ni 부재를 얻었다.

이어서, 확산 처리 공정으로서, 표면 Ni 부재를 전기로에 넣고, 전기로 중의 온도를 600 ∼ 1300 ℃ 의 범위 내에 있어서의 소정 온도에서, 0 ∼ 10 시간의 범위 내에 있어서의 소정 시간 유지하였다. 이 확산 처리에 의해, 심재와 Ni 함유층 사이에서 원소의 상호 확산이 발생되어, 고비저항층을 형성하였다. 이와 같이 하여, 본체부와 고비저항층과 피복층을 갖는 팁을 형성하였다. 또, 전해 도금 처리를 실시한 샘플에 관해서는, 원하는 구성으로 할 목적에서, 샘플에 따라서는, 전해 도금 처리 후에 확산 처리를 실시하고, 그 후 다시 전해 도금 처리를 실시하여, 상기 원주상의 표면 Ni 부재를 얻은 후, 확산 처리를 실시하고 있다. 또, 확산 처리 후의 본체부에 있어서의 결정립의 애스펙트비를 2 이상으로 하는 경우에는, 본체부가 재결정화되지 않도록 열 처리의 온도 및 시간 등의 조정을 실시하였다.

얻어진 팁을 인코넬 600 에 의해 형성되고, 플랜지부보다 선단측의 봉상부의 직경이 1.9 mm 인 중심 전극에 저항 용접한 후, 레이저 용접에 의해 접합시켜, 도 1 에 나타내는 구조를 갖는 스파크 플러그 시험체를 제조하였다.

＜팁의 조성 및 피복층 등의 두께의 측정 방법＞ 팁의 조성은, FE-EPMA (니혼 전자 주식회사 제조 JXA-8500F) 의 WDS 분석을 실시함으로써, 질량 조성을 측정하였다. 본체부의 조성에 대해서는, 전술한 바와 같이, 축선 A 에 직교하는 평면에서 절단하고, 이 절단면의 중앙부 (C) 에서 점 분석을 실시하였다 (가속 전압：20 kV, 스포트 직경：100 ㎛). 피복층 등의 조성 및 두께에 대해서는, 전술한 바와 같이, 상기 절단면에 있어서 중앙부 (C) 를 통과하는 2 개의 직교하는 라인 L₁, L₂ 상을, 각 단부 (端部) 로부터 1 ㎛ 내측의 위치를 기점으로 하여, 중앙부 (C) 를 향해 4 방향으로부터 점 분석을 실시하여 (가속 전압：20 kV, 스포트 직경：1 ㎛, 1 ㎛ 간격), 도 4 에 나타내는 바와 같이, Ni 의 함유율이 70 질량％ 이상인 영역을 고 Ni 층, Ni 의 함유율이 50 질량％ 이상인 영역을 피복층, Ni 의 함유율이 50 질량％ 미만이며, 또한, 본체부의 Ni 의 함유율보다 1 질량％ 이상 큰 영역을 고비저항층으로 하고, 4 개의 라인에서 구한 고 Ni 층, 피복층, 및 고비저항층 각각의 영역의 길이의 평균값을, 고 Ni 층, 피복층, 및 고비저항층 각각의 두께로 하였다. 또, 고 Ni 층의 두께 Tn 과 피복층의 두께 Th 의 비 (Tn/Th) 를 산출하고, 비 (Tn/Th) 가 0.5 이상인 경우를 「○」로 하여, 표 1 에 나타냈다.

＜비저항의 측정 방법＞ 팁의 실온에 있어서의 비저항은, 전기 저항 측정 장치 「HIOKI 제조 3541 RESISTANCE HiTESTER」를 사용하여, 4 단자 측정법에 의해 10 회의 측정값의 평균값을 비저항으로서 구하였다.

＜결정립의 애스펙트비의 측정 방법＞ 본체부를 구성하는 결정립의 애스펙트비는, 다음과 같이 측정하였다. 먼저, 축선 A 를 포함하는 평면에서 팁을 절단하고, 절단면을 연마하여 연마면을 얻었다. 이 연마면을 크로스 섹션 폴리셔 가공 (니혼 전자 주식회사 제조 SM-09010) 혹은 이온 밀링 가공 (주식회사 히타치 테크놀로지스 제조 IM-4000) 을 실시한 단면을 FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) (니혼 전자 주식회사 제조 JSM-6330F) 에 의하여, 조성 이미지를 관찰하고, 축선 A 에 평행한 직선과 결정립계가 교차하는 2 점 간의 최대 거리 L 과, 축선 A 에 수직인 직선과 결정립계가 교차하는 2 점 간의 최대 거리 M 을 측정하였다. 5 개 이상의 결정립에 대하여, 동일하게 최대 거리 L 과 최대 거리 M 을 측정하여, L/M 을 각각 산출하고, 산출한 값의 평균값을 결정립의 애스펙트비로 하였다. 애스펙트비가 2 이상인 경우를 「대」, 애스펙트비가 2 보다 작은 경우를 「소」로 하여, 표 1 에 나타냈다.

＜내이상 소모성의 평가 시험의 방법＞ 제조한 스파크 플러그 시험체를, 시험용의 엔진에 장착하고, 스로틀 전개, 엔진 회전수 6000 rpm 으로, 중심 전극의 선단으로부터 0.5 mm 의 위치의 온도를 열전쌍으로 측정하였을 때의 온도가 1000 ℃ 가 되도록 하고, 10 분간의 스로틀 전개 후, 2 분간 엔진 정지를 1 사이클로 하여, 스로틀 전개 시간의 합계 시간이 200 시간이 될 때까지 반복해서 실시하는 내구 시험 A 를 실시하였다.

내구 시험 A 에 있어서, CT 스캐너 (토시바 주식회사 제조 TOSCANER-32250μhd) 에 의하여, 축선 A 에 직교하는 방향에 있어서 팁의 단면 관찰을 실시하고, 팁의 측면으로부터 내부를 향해 패여 있는 부분이 관찰되고, 그 패여 있는 부분의 팁의 직경 방향의 최대 길이가 0.02 mm 가 되었을 때, 이상 소모가 발생한 것으로 판단하고, 이상 소모의 발생 개시 시간 X 를 측정하였다. 이 이상 소모의 발생 개시 시간 X 에 의해 팁의 내이상 소모성을 이하와 같이 평가하였다. 결과를 표 1 에 나타낸다. × ：시간 X 가 50 시간 ○：시간 X 가 100 시간 ◎：시간 X 가 110 시간 ☆：시간 X 가 120 시간 ★：시간 X 가 130 시간 ☆☆：시간 X 가 160 시간 ★☆：시간 X 가 180 시간 ★★：시간 X 가 200 시간

표 1 에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 범위 외에 있는 시험 번호 1 ∼ 15 의 팁은, 이상 소모의 발생 개시 시간이 짧고, 내이상 소모성이 열등한 데에 반해, 본 발명의 범위 내에 있는 시험 번호 16 ∼ 58 의 팁은, 이것들에 비해 이상 소모의 발생 개시 시간이 길고, 내이상 소모성이 양호하였다. 표 1 의 시험 결과에 대하여, 이하에 구체적으로 설명한다.

시험 번호 11 ∼ 13 과 시험 번호 16, 17 을 비교하면, 본체부에 있어서의 Rh 및 Pt 의 함유율이 2 질량％ 미만인 시험 번호 11 ∼ 13 의 팁에 비해, Rh 및 Pt 의 함유율이 각각 2 질량％, 3 질량％ 인 시험 번호 16, 17 의 팁은, 이상 소모의 발생 개시 시간이 길고, 내이상 소모성이 양호하였다.

시험 번호 6 ∼ 8 과 시험 번호 34 ∼ 36 을 비교하면, 본체부에 있어서의 A 군 원소의 합계 함유율이 24 질량％ 를 초과하는 시험 번호 6 ∼ 8 의 팁에 비해, A 군 원소의 합계 함유율이 24 질량％ 인 시험 번호 34 ∼ 36 의 팁은, 이상 소모의 발생 개시 시간이 길고, 내이상 소모성이 양호하였다. 시험 번호 5 와 시험 번호 40 을 비교하면, 본체부에 있어서의 Ru 를 제외한 A 군 원소의 합계 함유율이 7 질량％ 이상인 시험 번호 5 의 팁에 비해, Ru 를 제외한 A 군 원소의 합계 함유율이 7 질량％ 인 시험 번호 40 의 팁은, 이상 소모의 발생 개시 시간이 길고, 내이상 소모성이 양호하였다.

시험 번호 9, 15 와 시험 번호 17, 20, 24 를 비교하면, 고비저항층의 두께가 45 ㎛ 를 초과하는 시험 번호 9 및 고비저항층의 두께가 2 ㎛ 미만인 시험 번호 15 의 팁에 비해, 고비저항층의 두께가 각각 20 ㎛, 45 ㎛, 2 ㎛ 인 시험 번호 17, 20, 24 의 팁은, 이상 소모의 발생 개시 시간이 길고, 내이상 소모성이 양호하였다.

시험 번호 1, 10 과 시험 번호 16, 50 을 비교하면, 피복층의 두께가 3 ㎛ 미만인 시험 번호 1 및 피복층의 두께가 20 ㎛ 를 초과하는 시험 번호 10 의 팁에 비해, 피복층의 두께가 각각 3 ㎛, 20 ㎛ 인 시험 번호 16, 50 의 팁은, 이상 소모의 발생 개시 시간이 길고, 내이상 소모성이 양호하였다.

시험 번호 2 ∼ 4 와 시험 번호 39, 40 을 비교하면, 팁의 실온에 있어서의 비저항이 20 × 10^-8 Ωm 를 초과하는 시험 번호 2 ∼ 4 의 팁에 비해, 팁의 실온에 있어서의 비저항이 각각 20 × 10^-8 Ωm, 19.3 × 10^-8 Ωm 인 시험 번호 39, 40 의 팁은, 이상 소모의 발생 개시 시간이 길고, 내이상 소모성이 양호하였다.

시험 번호 18 과 19, 시험 번호 22 와 23, 시험 번호 43 과 44 를 각각 비교 하면, 팁의 실온에 있어서의 비저항이 10.5 × 10^-8 Ωm 미만인 시험 번호 18, 23, 44 의 팁에 비해, 팁의 실온에 있어서의 비저항이 10.5 × 10^-8 Ωm 이상인 시험 번호 19, 22, 43 의 팁은, 이상 소모의 발생 개시 시간이 길고, 내이상 소모성이 양호하였다.

시험 번호 15, 19, 20 과 21, 시험 번호 18 과 24, 시험 번호 25 와 26, 시험 번호 27 과 28, 시험 번호 54 및 55 와 57 및 58 을 비교하면, 고비저항층의 두께가 2 ㎛ 미만 또는 15 ㎛ 를 초과하는 시험 번호 15, 18 ∼ 20, 25, 27, 54, 55 의 팁에 비해, 고비저항층의 두께가 2 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 시험 번호 21, 24, 26, 28, 57, 58 의 팁은, 이상 소모의 발생 개시 시간이 길고, 내이상 소모성이 양호하였다.

시험 번호 29 와 30 및 31, 시험 번호 32 와 33, 시험 번호 51 ∼ 53 과 56 ∼ 58 을 비교하면, 고 Ni 층의 두께 Tn 과 피복층의 두께 Th 의 비 (Tn/Th) 가 0.5 미만인 시험 번호 29, 32, 51 ∼ 53 의 팁에 비해, 비 (Tn/Th) 가 0.5 이상인 시험 번호 30, 31, 33, 56 ∼ 58 의 팁은, 이상 소모의 발생 개시 시간이 길고, 내이상 소모성이 양호하였다.

시험 번호 34 와 35, 시험 번호 38 과 39, 시험 번호 42 ∼ 44, 시험 번호 47 과 48 의 팁을 비교하면, 본체부에 있어서의 Ni 의 함유율이 0.6 질량％ 미만 또는 3 질량％ 를 초과하는 시험 번호 34, 39, 42, 47 의 팁에 비해, Ni 의 함유율이 0.6 질량％ 이상 3 질량％ 이하인 시험 번호 35, 38, 43, 44, 48 의 팁은, 이상 소모의 발생 개시 시간이 길고, 내이상 소모성이 양호하였다.

시험 번호 17 과 18 을 비교하면, 본체부의 결정립의 애스펙트비가 2 미만인 시험 번호 17 의 팁에 비해, 애스펙트비가 2 이상인 시험 번호 18 의 팁은, 이상 소모의 발생 개시 시간이 길고, 내이상 소모성이 양호하였다.

2. 내이상 소모성의 평가 시험 II ＜스파크 플러그 시험체의 제작＞ 피복층의 두께를 3 ㎛ 로 하고, 피복층은 Ni 를 70 질량％ 이상 함유하는 고 Ni 층을 갖지 않으며, 고비저항층의 두께를 2 ∼ 5 ㎛ 의 범위 내로 한 것 이외에는 시험 번호 1 ∼ 58 과 동일하게 하여 스파크 플러그 시험체를 제조하였다.

팁의 조성, 피복층 등의 두께, 및 비저항의 측정은, 내이상 소모성의 평가 시험 I 과 동일하게 하여 실시하였다.

＜내이상 소모성의 평가 시험의 방법＞ 제조한 스파크 플러그 시험체를, 시험용의 엔진에 장착하고, 스로틀 전개, 엔진 회전수 5000 rpm 으로, 중심 전극의 선단으로부터 0.5 mm 의 위치의 온도를 열전쌍으로 측정하였을 때의 온도가 1000 ℃ 가 되도록 하고, 내구 시험 A 와 동일하게 스로틀 전개와 엔진 정지를 반복해서 실시하는 내구 시험 B 를 실시하였다. 중심 전극의 선단으로부터 0.5 mm 의 위치의 온도를 열전쌍으로 측정하였을 때의 온도가 1030 ℃ 가 되도록 한 것 이외에는 내구 시험 B 와 동일하게 하여, 내구 시험 C 를 실시하였다.

내구 시험 B 및 내구 시험 C 에 있어서, 내구 시험 A 와 동일하게 하여, 이상 소모의 발생 개시 시간 Y, Z 를 각각 측정하고, 이하의 기준에 따라 내이상 소모성의 평가를 실시하였다. 결과를 표 2 에 나타낸다. －：Y － Z ＞ 20 시간 ○：Y － Z ≤ 20 시간

표 2 에 나타내는 바와 같이, 시험 번호 60, 64 와 66, 시험 번호 78 과 75 를 비교하면, 본체부에 있어서의 Rh 의 함유율이 6 질량％ 미만 또는 32 질량％ 를 초과하는 시험 번호 60, 64, 78 의 팁에 비해, Rh 의 함유율이 각각 6 질량％, 32 질량％ 인 시험 번호 66, 75 의 팁은, 더욱 고온 환경하에서 사용하였을 때에 이상 소모의 발생 개시 시간이 상대적으로 짧아지지 않고, 내이상 소모성의 저하의 정도가 작았다.

시험 번호 59, 82 와 74 를 비교하면, 본체부에 있어서의 Ru 의 함유율이 4 질량％ 미만인 시험 번호 59, 82 의 팁에 비해, Ru 의 함유율이 4 질량％ 인 시험 번호 74 의 팁은, 더욱 고온 환경하에서 사용하였을 때에 이상 소모의 발생 개시 시간이 상대적으로 짧아지지 않고, 내이상 소모성의 저하의 정도가 작았다.

시험 번호 60 ∼ 63 과 65 의 팁을 비교하면, 본체부에 있어서의 Ir, Ru, Re, 및 W 의 합계 함유율이 93 질량％ 를 초과하는 시험 번호 60 ∼ 63 의 팁에 비해, Ir, Ru, Re, 및 W 의 합계 함유율이 93 질량％ 인 시험 번호 65 의 팁은, 더욱 고온 환경하에서 사용하였을 때에 이상 소모의 발생 개시 시간이 상대적으로 짧아지지 않고, 내이상 소모성의 저하의 정도가 작았다.

시험 번호 77, 79 ∼ 81 과 69 ∼ 72 를 비교하면, 본체부에 있어서의 Ir 의 함유율이 60 질량％ 미만인 시험 번호 77, 79 ∼ 81 의 팁에 비해, Ir 의 함유율이 60 질량％ 이상인 시험 번호 69 ∼ 72 의 팁은, 더욱 고온 환경하에서 사용하였을 때에 이상 소모의 발생 개시 시간이 상대적으로 짧아지지 않고, 내이상 소모성의 저하의 정도가 작았다.

1, 101 : 스파크 플러그
2 : 축 구멍
3 : 절연체
4, 104 : 중심 전극
5 : 단자 금구
6 : 접속부
7 : 주체 금구
8, 108, 208 : 접지 전극
9, 109, 209, 309 : 팁
11 : 후단측 몸통부
12 : 대경부
13 : 선단측 몸통부
14 : 각장부
15 : 선반부
16 : 플랜지부
17 : 단부
18 : 테이퍼부
19 : 판 패킹
21 : 저항체
22 : 제 1 시일체
23 : 제 2 시일체
24 : 나사부
25 : 가스 시일부
26 : 공구 걸어맞춤부
27 : 코킹부
28, 29 : 패킹
30 : 활석
32 : 돌기부
34 : 후단부
35 : 봉상부
41 : 본체부
42 : 고비저항층
43 : 피복부
44 : 용융부
45 : 고 Ni 층
G, G' : 불꽃 방전 간극

Claims

중심 전극, 상기 중심 전극과의 사이에 간극을 형성하여 배치된 접지 전극, 및 상기 중심 전극과 상기 접지 전극에 대향하는 각각의 선단부의 적어도 일방에 형성된 축선 방향으로 연장되는 팁을 구비하는 스파크 플러그로서,
상기 팁은, 본체부와 피복층과 고비저항층을 포함하고,
상기 본체부는, Ir 을 가장 많이 함유하며, 또한, Rh 또는 Pt 를 2 질량％ 이상 함유하고, Ir, Rh, 및 Pt 의 실온에서의 결정 구조와는 상이한 결정 구조를 갖는 금속 원소를 A 군 원소로 하였을 때, 상기 A 군 원소의 어느 금속 원소도 함유하지 않거나, 혹은, 상기 A 군 원소의 합계 함유율이 24 질량％ 이하, 또한, Ru 를 제외한 A 군 원소의 합계 함유율이 7 질량％ 미만이고,
상기 고비저항층은, 상기 본체부의 측주면에 형성되고, Ni 의 함유율이 상기 본체부의 Ni 함유율보다 많고, 50 질량％ 미만이며, 자체적인 두께가 2 ㎛ 이상 45 ㎛ 이하이고, 상기 피복층은, 상기 고비저항층의 측주면에 형성되고, Ni 를 50 질량％ 이상 함유하며, 자체적인 두께가 3 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하이고,
상기 팁의 실온에 있어서의 비저항이 20 × 10^-8 Ωm 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 1 항에 있어서,
상기 팁은, 실온에 있어서의 비저항이 10.5 × 10^-8 Ωm 이상인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 고비저항층은, 자체적인 두께가 2 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피복층은, Ni 를 70 질량％ 이상 함유하는 고 Ni 층을 포함하고,
상기 고 Ni 층의 두께 Tn 과 상기 피복층의 두께 Th 의 비 (Tn/Th) 가 0.5 이상인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 본체부는, Ni 를 0.6 질량％ 이상 3 질량％ 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 본체부는, 상기 축선 방향으로 연장된 형상을 갖는 결정립의 집합체이고, 상기 결정립의 애스펙트비가 2 이상인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 본체부는, Ir, Rh, Ru, Re, 및 W 중 적어도 Ir 과 Rh 와 Ru 를 함유하고, Ir 을 60 질량％ 이상, Rh 를 6 질량％ 이상 32 질량％ 이하, 및, Ru 를 4 질량％ 이상 함유하고, Ir, Ru, Re, 및 W 의 합계 함유율이 93 질량％ 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.