KR101435734B1 - 스파크 플러그 - Google Patents

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KR101435734B1
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도모 다나카
다케히토 구노
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니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
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Abstract

전극의 내고온 산화성을 향상시킴과 아울러, 전극에 접합된 팁의 내불꽃 소모성, 내산화성 및 접합 신뢰성을 향상시킨 스파크 플러그를 제공한다. 스파크 플러그(1)는 발화부(31,41)가 부설되고, 발화부(31,41)의 무게는 1.5㎎ 이상임과 아울러, 중심전극(5) 및 접지전극(27)은 Ni을 주성분으로 하며, C를 0.005질량% 이상 0.10질량% 이하, Si를 1.05질량% 이상 3.0질량% 이하, Mn을 2.0질량% 이하, Cr을 20질량% 이상 32질량% 이하, Fe을 6질량% 이상 16질량% 이하 함유한다.

Description

스파크 플러그{SPARK PLUG}
본 발명은 내연기관 등에 사용되는 스파크 플러그에 관한 것으로서, 특히 전극의 선단부에 귀금속 팁을 구비한 것에 관한 것이다.
스파크 플러그는 자신의 축선을 따라서 배치된 중심전극과 상기 중심전극의 선단부에 간격을 두고서 배치된 접지전극을 구비하고, 양 전극 사이에서 불꽃방전을 일으킴으로써 내연기관(엔진) 등의 연소실 내부에 도입된 혼합기를 착화시키는 것이다. 스파크 플러그에 사용되는 전극은 불꽃방전에 의한 전극의 소모 뿐만 아니라, 연소가스에 노출됨에 기인하는 산화 등에 의한 전극의 소모가 우려되기 때문에, 종래부터 내구성이 우수한 전극재료의 개발이 행해지고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
한편, 불꽃방전에 의한 전극의 소모의 대책으로서, 불꽃방전이 일어나는 양 전극의 선단부에 귀금속 팁을 접합함에 의해서 내불꽃 소모성이 우수한 구성으로 한 스파크 플러그도 존재한다(예를 들면, 특허문헌 2 참조). 또한, 전극의 선단부에 귀금속 팁을 접합한 스파크 플러그에 있어서는 귀금속 팁의 크기를 비교적 작게 함에 의해서 착화성을 향상시킨 스파크 플러그도 존재한다(예를 들면, 특허문헌 3 참조).
그런데, 엔진의 고출력화 등에 수반하여 스파크 플러그가 사용되는 환경이 더욱더 가혹하게 되고 있어, 스파크 플러그의 전극에 대해서 한층 더 내구성의 향상이 요구되고 있다. 종래에는 이러한 요구에 대응하기 위해서, 전극재료로서 NCF 600이나 NCF 601 등이 사용되어 왔다.
특허문헌 1 : 일본국 특개 2002-260818 호 공보 특허문헌 2 : 일본국 특개 2003-197347 호 공보 특허문헌 3 : 일본국 특개 2002-313524 호 공보
INC0NEL(등록상표) 601과 같은 Al을 함유한 Ni기 합금은, 고온 분위기에 노출되면 표면에 Al산화물층을 형성함으로써 전극재료의 산화 소모를 억제하여 내고온 산화성을 확보하고 있다. 그런데, Al은 질소와의 반응성도 높기 때문에, Al과 질소가 반응하여 Al질화물이 석출되며, 또한 Al산화물층보다도 내측 영역에 괴상(塊狀)의 Al질화물이 형성된다는 것이 발견되었다. 이 Al질화물은 경질이므로, Al질화물이 산재된 영역을 취화(脆化)시키는 요인이 된다. 이러한 Al질화물은 온도가 높아 질수록, 또 고온 유지 온도가 길어 질수록 전극재료 내부에까지 석출되게 되며, 두께가 얇은 전극재료에서는 두께방향 전체에 걸쳐서 Al질화물이 석출되는 경우가 있다.
또, 귀금속 팁이 접합된 전극이 고온 분위기에 노출되면, 전극재료 성분의 일부가 귀금속 팁의 내부에 확산되어 귀금속 원소와 반응함으로써 저융점 화합물이 형성되는 것이 발견되었다. 저융점 화합물이 형성되면, 귀금속 팁의 내불꽃 소모성이나 내산화성이 저하되거나, 게다가 전극에 대한 귀금속 팁의 접합 신뢰성이 저하된다.
본 발명에서는 상기한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 적극적으로 Al을 함유시키는 일 없이 전극의 내고온 산화성을 향상시킴과 아울러, 전극에 접합된 귀금속 팁의 내불꽃 소모성, 내산화성 및 접합 신뢰성을 향상시킨 스파크 플러그를 제공하는 것을 목적으로 한다.
청구항 1에 관한 스파크 플러그는, 축선방향으로 연장되는 중심전극과, 상기 중심전극의 직경방향 주위를 둘러싸서 유지하는 절연애자와, 상기 절연애자의 직경방향 주위를 둘러싸서 상기 절연애자를 유지하는 금속 쉘과, 자신의 일단부가 상기 중심전극의 선단부와의 사이에서 간극을 형성하도록 굴곡됨과 아울러 자신의 타단부가 상기 금속 쉘에 접합되는 접지전극을 구비하고, 상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 적어도 일방에 있어서의 상기 간극에 면하는 위치에 귀금속을 주성분으로 하는 소편(小片)으로 이루어지는 발화부가 부설(附設)되어 이루어지는 스파크 플러그로서, 상기 발화부의 무게는 1.5mg 이상임과 아울러, 상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 상기 발화부가 부설된 전극은 Ni을 주성분으로 하며, C를 0.005질량% 이상 O.1질량% 이하, Si를 1.05질량% 이상 3질량% 이하, Mn을 2질량% 이하, Cr을 20질량% 이상 32질량% 이하, Fe을 6질량% 이상 16질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 한다.
이것에 의하면, 중심전극과 접지전극 중 귀금속을 주성분으로 하는 소편으로 이루어지는 발화부가 부설된 전극은 C를 O.005질량% 이상 O.1질량% 이하 함유하고 있다. C는 Cr 등과 결합하여 탄화물을 형성하며, 고용화 온도에 가까운 온도에 노출된 경우에 결정립의 조대화(粗大化)를 방지하여 내고온 산화성을 향상시키는 효과가 있다. 이 효과를 얻기 위해서는 C를 O.005질량% 이상 함유시킬 필요가 있다. 또, C를 함유시킴으로써 입계를 강화하는 효과도 있다. 한편, C의 함유량이 O.1질량%를 넘으면, 매트릭스 중의 Cr을 과잉 소비하여 내고온 산화성을 저하시키기 때문에, C의 함유량은 O.1질량% 이하로 하고 있다. 또, C의 함유량이 O.1질량%를 넘으면 가공성이 저하될 우려도 있다.
또한, 발화부가 부설된 전극은 Si를 1.05질량% 이상 3질량% 이하 함유하고 있다. 본 발명에서는 내고온 산화성을 향상시키기 위해서 Al 대신에 Si를 함유하고 있다. Si는 전극 표면에 Si산화물을 생성하여 내고온 산화성을 향상시키는 효과가 있다. 이 효과를 얻기 위해서는 Si를 1.05질량% 이상 함유시킬 필요가 있다. 내고온 산화성을 한층 더 향상시키기 위해서는 Si를 1.2질량% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 한편, Si산화물은 Ni을 주성분으로 하는 전극에 비해서 열팽창 계수가 매우 작기 때문에, Si산화물이 다량으로 생성된 상태로 냉열 사이클에 노출되면, Si산화물이 전극 표면에서 박리되어 내고온 산화성이 저하된다. 따라서, Si의 함량은 3질량% 이하로 하고 있다. 또, Si의 함유량이 3질량%를 넘으면 가공성이 저하될 우려도 있다.
또, Si는 전극의 주성분인 Ni 중에 있어서 비교적 확산 속도가 빠른 원소이므로, 발화부에 부설된 전극이 고온 분위기에 노출되면, 전극 중의 Si가 발화부에 확산되어 귀금속 원소와 Si의 저융점 화합물이 형성된다. 이 저융점 화합물이 다량으로 형성되면, 발화부의 내불꽃 소모성이나 내산화성이 저하되거나, 발화부의 박리가 발생하여 접합 신뢰성이 저하되기 때문에, Si의 함유량은 3질량% 이하로 할 필요가 있다.
또한, 발화부가 부설된 전극은 Mn을 2질량% 이하(0질량%를 포함한다) 함유하고 있다. Mn은 탈산 원소로서 유용되기 때문에, 전극재료를 형성할 때에 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, Mn이 다량으로 함유되어 있으면 내고온 산화성이 저하되기 때문에, Mn의 함유량은 2질량% 이하로 할 필요가 있다. 또, Mn의 함유량이 2질량%를 넘으면 가공성이 저하될 우려도 있다.
또한, 발화부가 부설된 전극은 Cr을 20질량% 이상 32질량% 이하 함유하고 있다. Cr은 고온 하에서 전극 표면에 Cr2O3을 형성하여 내고온 산화성을 부여하기 때문에 필수 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는 Cr을 20질량% 이상 함유시킬 필요가 있다. 한편, Cr의 함유량이 32질량%를 넘으면, γ'상의 생성이 현저하게 되어 내고온 산화성이 저하되기 때문에, Cr의 함유량은 32질량% 이하로 할 필요가 있다. 또, Cr의 함유량이 32질량%를 넘으면 가공성이나 인성이 저하될 우려도 있다. 내고온 산화성의 향상의 관점에서, Cr의 함유량은 20질량% 이상 27질량% 이하가 바람직하고, 22질량% 이상 27질량% 이하가 더욱 바람직하다.
또한, 발화부가 부설된 전극은 Fe을 6질량% 이상 16질량% 이하 함유하고 있다. Fe의 함유량을 6질량% 이상으로 함으로써 후술하는 시험결과에서 분명한 바와 같이 내고온 산화성이 향상된다. 또, Fe을 함유시킴으로써 고용화 열처리 후의 전극의 경도를 저하시키는 효과나 가공성을 향상시키는 효과도 있다. 한편, Fe을 과잉되게 함유시키면 내고온 산화성이 저하될 뿐만 아니라, 취화상(脆化相)인 σ상이 석출되기 쉬워지기 때문에, Fe의 함유량은 16질량% 이하로 할 필요가 있다.
또한, 발화부의 무게는 1.5mg 이상으로 하고 있다. 상기한 바와 같이 전극 중의 Si는 확산되기 쉬우므로, 발화부를 구성하는 귀금속 원소와 Si의 저융점 화합물이 형성된다. 이 저융점 화합물의 발화부 전체에 대한 형성 비율이 많아지게 되면, 발화부의 내불꽃 소모성 및 내산화성이 저하되거나, 발화부의 박리가 발생하여 접합 신뢰성이 저하된다. 그래서, 발화부의 무게를 1.5mg 이상으로 발화부를 비교적 크게 함으로써, Si가 확산되어 저융점 화합물이 형성되었다 하더라도 그 영향을 극히 작게 할 수 있다. 따라서, 발화부의 내불꽃 소모성, 내산화성 및 전극에 대한 접합 신뢰성을 높일 수 있다.
여기서, 본 발명에 있어서 "주성분"이란, 전극에 있어서 가장 질량비가 높은 성분을 의미한다.
또, 청구항 2에 관한 스파크 플러그는, 상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 상기 발화부가 부설된 전극은 상기 Si를 1.4질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 한다.
또, 청구항 3, 4에 관한 스파크 플러그는, 상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 상기 발화부가 부설된 전극은 Zr, Y, REM 중 적어도 어느 1종을 합계로 0.01질량% 이상 O.5질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 5∼8에 관한 스파크 플러그는, 상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 상기 발화부가 부설된 전극은 Al을 O.1질량% 이상 2질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 9에 관한 스파크 플러그는, 상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 상기 발화부가 부설된 전극은 Ti, Nb, Cu 중 적어도 어느 1종을 합계로 O.1질량% 이상 2질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 10에 관한 스파크 플러그는, 상기 접지전극의 상기 타단부는 상기 금속 쉘의 선단면에 접합되어 있고, 상기 접지전극의 상기 타단부에서 상기 일단부까지의 상기 접지전극의 연신(延伸)방향을 따르는 길이를 L이라 하고, 상기 접지전극의 연신방향에 수직한 단면적을 S라 할 때, 1.5≤L/S≤8.5를 만족하는 것을 특징으로 한다.
착화성을 향상시키기 위해서는 접지전극에 있어서의 단면적을 비교적 작게 하면서 길이를 비교적 길게 하는 것을 생각할 수 있으나, 엔진의 진동에 의한 접지전극의 내절손성이 저하될 수 있다. 또한, 접지전극에 발화부가 부설되어 있는 경우에는, 발화부는 그 무게가 무겁고 또한 접지전극의 일단부에 부설되기 때문에, 접지전극 전체의 중심위치가 금속 쉘과의 고정단이 되는 접지전극의 타단부로부터 멀어지게 된다. 따라서, 접지전극의 굴곡부에 있어서의 역학적 모멘트가 증대하여, 즉 접지전극의 굴곡부에 가해지는 부하가 커지게 되어 접지전극의 내절손성의 저하가 더욱 현저하게 된다. 또, 접지전극의 단면적이 작아지게 됨으로써, 접지전극이 받은 열을 금속 쉘로 전도하는 것이 어렵게 되어 접지전극이 더 고온으로 되기 쉬워지기 때문에, 내고온 산화성이 요구된다.
또한, 접지전극의 단면적(S)은 금속 쉘과의 용접성을 확보하기 위해서 2㎟ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 착화성을 확보하기 위해서 5㎟ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 접지전극의 타단부에서 일단부까지의 길이(L)는 접지전극의 굴곡 가공성을 확보하기 위해서 6㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 스파크 플러그를 내연기관에 부착하였을 때에 내연기관의 다른 구성부품과 간섭하는 것을 피하기 위해서 20㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 여기서, 접지전극의 연신방향의 위치에 따라서 단면적(S)이 다른 경우, 단면적(S)은 서로 다른 연신방향의 위치에 있어서의 단면적의 평균값(예를 들면, 접지전극을 연신방향으로 10등분 한 위치에 있어서의 각 단면적의 평균값)으로 한다. 또, 접지전극의 타단부에서 일단부까지의 길이(L)는, 접지전극 중 중심전극측에 면하여 있는 측면을 따라서 접지전극의 타단부에서 일단부에 이를 때까지의 길이(L1)와, 접지전극 중 중심전극측에 면하여 있는 측면과는 반대측의 측면을 따라서 접지전극의 타단부에서 일단부에 이를 때까지의 길이(L2)의 산술 평균값{(L1+L2)/2}으로 한다.
또, 청구항 11에 관한 스파크 플러그는, 상기 중심전극의 상기 선단부에는 원뿔대 형상의 원뿔대부가 형성되어 있고, 상기 발화부는 상기 중심전극의 상기 원뿔대부의 선단에 부설되어 있고, 상기 중심전극의 상기 원뿔대부의 체적은 0.2㎣ 이상 2.5㎣ 이하인 것을 특징으로 한다.
원뿔대부는 발화부가 받은 열을 중심전극으로 전도하는 부위이므로, 상기 원뿔대부의 체적이 클수록 발화부의 내불꽃 소모성이 향상된다. 한편, 원뿔대부의 체적이 너무 커지게 되면, 발화부와 원뿔대부의 열팽창 계수의 차이에 기인하는 열응력에 의해서 발화부와 원뿔대부의 접합 계면에서 크랙이 발생하여, 발화부의 열전도가 저하되어 발화부의 내불꽃 소모성이 저하될 우려가 있다.
청구항 1의 스파크 플러그에 의하면, 전극의 내고온 산화성을 향상시킴과 아울러, 전극에 부설된 발화부의 내불꽃 소모성, 내산화성 및 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다 .
청구항 2의 스파크 플러그에 의하면, 상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 발화부가 부설된 전극은 Si를 1.4질량% 이하 함유하고 있다. 이것에 의해서, 전극 중의 Si가 발화부에 확산되는 양을 저하시켜서 귀금속 원소와 Si의 저융점 화합물의 형성을 억제할 수 있다. 따라서, 발화부의 내불꽃 소모성를 더욱 높일 수 있다.
청구항 3, 4의 스파크 플러그에 의하면, 상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 발화부가 부설된 전극은 Zr, Y, REM 중 적어도 어느 1종을 합계로 O.01질량% 이상 O.5질량% 이하 함유하고 있다. Zr, Y, REM은 Si산화물의 박리를 억제하여 내고온 산화성을 향상시키는 효과가 있다. 이 효과를 얻기 위해서는 Zr, Y, REM 중 적어도 어느 1종을 합계로 O.01질량% 이상 함유시킬 필요가 있다. 또, Zr, Y, REM을 함유시킴으로써 가공성이 향상되고, 또한 입계를 강화하는 효과도 있다. 다만, Zr, Y, REM을 과잉되게 함유시키면 열간 가공성이 악화될 우려가 있다. 따라서, Zr, Y, REM 중 적어도 어느 1종의 함유량을 합계로 O.5질량% 이하로 하고 있다.
Al은 내고온 산화성 향상에 유효한 원소이지만, 상기한 바와 같이 Al질화물의 생성에 의해서 전극의 취화를 초래할 우려가 있다. 그런데, Al을 소정량의 Si와 함께 전극에 함유시킴으로써, Si에 의해서 Al질화물의 생성을 억제할 수 있고, Al에 의한 내고온 산화성의 향상 효과만을 발휘할 수 있는 것이 발견되었다. 다만, Al을 과잉되게 함유시키면, Si에 의한 Al질화물의 생성 억제 효과를 얻을 수 없다. 그래서, 청구항 5∼8의 스파크 플러그에서는, 전극재료가 Si를 소정량 함유하면서 Al을 O.1질량% 이상 2질량% 이하 더 함유함으로써, 내고온 산화성 및 내고온 질화성의 양립을 도모하는 것이 가능하게 된다.
청구항 9의 스파크 플러그에 의하면, 상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 발화부가 부설된 전극은 Ti, Nb, Cu 중 적어도 어느 1종을 합계로 0.1질량% 이상 2질량% 이하 함유하고 있다. Ti, Nb, Cu는 Si산화물의 박리를 억제하여 내고온 산화성을 향상시키는 효과가 있다. 이 효과를 얻기 위해서는 Ti, Nb, Cu 중 적어도 어느 1종을 합계로 O.1질량% 이상 함유시킬 필요가 있다. 한편, Ti, Nb, Cu를 과잉되게 함유시키면 가공성이 악화될 우려가 있다. 따라서, Ti, Nb, Cu 중 적어도 어느 1종의 함유량을 합계로 2질량% 이하로 하고 있다.
청구항 10의 스파크 플러그에서는, 전극이 상기한 각 성분을 함유한 전극재료로 구성되어 있기 때문에, 접지전극의 타단부에서 일단부까지의 접지전극의 연신방향을 따르는 길이를 L이라 하고, 접지전극의 연신방향에 수직한 단면적을 S라 할 때, 1.5≤L/S≤8.5를 만족하는 구성, 즉 접지전극이 비교적 가늘고 긴 구성이라 하더라도 내고온 산화성을 확보할 수 있기 때문에, 내절손성이 우수한 스파크 플러그로 하는 것이 가능하게 된다.
청구항 11의 스파크 플러그에서는, 중심전극의 원뿔대부의 체적을 2.5㎣ 이하로 하고 있다. 이것에 의해서, 발화부와 원뿔대부의 접합 계면에서 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있기 때문에, 발화부의 열전도성, 나아가서는 발화부의 내불꽃 소모성을 확보할 수 있다. 또, 중심전극이 상기한 각 성분을 함유한 전극재료로 구성되어 있기 때문에, 원뿔대부의 체적이 O.2㎣로 비교적 작더라도 원뿔대부의 내고온 산화성을 확보할 수 있어, 발화부의 열전도성, 나아가서는 발화부의 내불꽃 소모성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 실시형태의 스파크 플러그의 구성을 나타내는 일부 파단 정면도이다.
도 2는 스파크 플러그의 선단부의 구성을 나타내는 일부 파단 확대 정면도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은 스파크 플러그(1)를 나타내는 일부 파단 정면도이다. 또한, 도 1에서는 스파크 플러그(1)의 축선(CL1)방향을 도면에 있어서의 상하방향으로 하고, 하측을 스파크 플러그(1)의 선단측, 상측을 스파크 플러그(1)이 후단측으로 하여 설명한다.
스파크 플러그(1)는 통형상을 이루는 절연체로서의 절연애자(2), 이것을 유지하는 통형상의 금속 쉘(3) 등으로 구성되는 것이다.
절연애자(2)는 주지된 바와 같이 알루미나 등을 소성하여 형성되어 있으며, 그 외형부에 있어서, 후단측에 형성된 후단측 몸통부(10)와, 상기 후단측 몸통부(1O)보다도 선단측에서 직경방향 외측으로 향해서 돌출 형성된 대경부(大徑部)(11)와, 상기 대경부(11)보다도 선단측에서 이것보다도 작은 직경으로 형성된 중간 몸통부(12)와, 상기 중간 몸통부(12)보다도 선단측에서 이것보다도 작은 직경으로 형성된 긴 다리부(13)를 구비하고 있다. 또한, 절연애자(2)에 있어서의 대경부(11), 중간 몸통부(12) 및 대부분의 다리부(13)는 금속 쉘(3)의 내부에 수용되어 있다. 그리고, 다리부(13)와 중간 몸통부(12)의 연접부에는 테이퍼 형상의 단차부(14)가 형성되어 있으며, 상기 단차부(14)에 의해서 절연애자(2)가 금속 쉘(3)에 걸려 고정되어 있다
또한, 절연애자(2)에는 축선(CL1)을 따라서 축구멍(4)이 관통되게 형성되어 있으며, 상기 축구멍(4)의 선단측에는 중심전극(5)이 삽입되어 고정되어 있다. 상기 중심전극(5)은 전체적으로 봉(棒)형상(원기둥 형상)을 이루며, 절연애자(2)의 선단에서 돌출되어 있다. 또, 중심전극(5)은 후술하는 니켈(Ni)을 주성분으로 하는 Ni 합금으로 이루어지는 외층(5B)과, 상기 Ni 합금보다도 열전도성이 높은 구리, 구리 합금 또는 순 Ni로 이루어지는 내층(5A)을 구비하고 있다. 또한, 원기둥 형상을 이루는 상기 중심전극(5)은, 자신의 외경이 거의 일정한 본체부(34)와, 본체부(34)의 선단측에 당해 본체부(34)보다도 직경이 작고 선단측으로 향하여 갈수록 점차 가늘어지는 테이퍼 형상의 원뿔대부(32)를 구비하고 있다. 상기 원뿔대부(32)의 선단면에 귀금속 합금(예를 들면, 이리듐 합금)에 의해서 형성된 원기둥 형상의 귀금속부(발화부)(31)가 용융부를 통해서 접합되어 있다. 상기 귀금속부(31)의 무게는 1.5mg 이상으로 되어 있다. 또, 원뿔대부(32)의 체적은 0.2㎣ 이상 2.5㎣ 이하로 되어 있다. 여기서, 원뿔대부(32)의 체적은, 원뿔대부(32)의 후단{중심전극의 본체부(34)와 원뿔대부(32)의 경계부}에서부터 용융부{원뿔대부(32)와 귀금속부(31)가 서로 용해되어 형성된 부분}에 있어서의 가장 후단까지의 영역에 존재하는 부위의 체적으로 한다.
또, 축구멍(4)의 후단측에는 절연애자(2)의 후단에서 돌출된 상태로 단자전극(6)이 삽입되어 고정되어 있다.
또한, 축구멍(4) 내에 있어서의 중심전극(5)과 단자전극(6)의 사이에는 원기둥 형상의 저항체(7)가 배치되어 있다. 상기 저항체(7)의 양 단부는 전도성 유리밀봉층(8,9)을 통해서 중심전극(5)과 단자전극(6)에 각각 전기적으로 접속되어 있다.
또한, 금속 쉘(3)은 저탄소강 등의 금속에 의해서 통형상으로 형성되어 있으며, 그 외주면에는 스파크 플러그(1)를 내연기관이나 연료 전지 개질기 등의 연소장치에 부착하기 위한 나사부(수나사부)(15)가 형성되어 있다. 또, 나사부(15)의 후단측의 외주면에는 시트부(16)가 형성되고, 나사부(15)의 후단의 나사 목부(17)에는 링형상의 개스킷(18)이 끼워져 있다. 또한, 금속 쉘(3)의 후단측에는 스파크 플러그(1)를 연소장치에 부착할 때에 렌치 등의 공구를 걸어맞추기 위한 단면 육각형상의 공구 걸어맞춤부(19)가 형성됨과 아울러, 후단부에 있어서 절연애자(2)를 유지하기 위한 코킹부(20)가 형성되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는 스파크 플러그(1)의 소형화를 도모하기 위해서 금속 쉘(3)이 비교적 소경화(小徑化)되어 있으며, 그 결과 나사부(15)의 나사 직경도 비교적 소경화(예를 들면, M10 이하)된 것으로 되어 있다.
또, 금속 쉘(3)의 내주면에는 절연애자(2)를 걸어 고정하기 위한 테이퍼 형상의 단차부(21)가 형성되어 있다. 그리고, 절연애자(2)는 금속 쉘(3)의 후단측에서 선단측으로 향해서 삽입되되, 자신의 단차부(14)가 금속 쉘(3)의 단차부(21)에 걸려 고정된 상태에서 금속 쉘(3)의 후단측의 개구부를 직경방향 내측으로 코킹함으로써, 즉 상기 코킹부(20)를 형성함으로써 고정된다. 또한, 절연애자(2)의 단차부(14)와 금속 쉘(3)의 단차부(21) 사이에는 원환 형상의 시트 패킹(22)이 개재되어 있다. 이것에 의해서, 연소실 내의 기밀성이 유지되며, 연소실 내에 노출되는 절연애자(2)의 다리부(13)와 금속 쉘(3)의 내주면과의 사이의 공간으로 흘러 들어오는 연료 가스가 외부로 누설되지 않도록 되어 있다.
또한, 코킹에 의한 밀폐를 보다 완전하게 하기 위해서, 금속 쉘(3)의 후단측에 있어서는 금속 쉘(3)과 절연애자(2)의 사이에 환형상의 링부재(23,24)가 개재되고, 링부재(23,24) 사이에는 탤크(활석)(25)의 분말이 충전되어 있다. 즉, 금속 쉘(3)은 시트 패킹(22), 링부재(23,24) 및 탤크(25)를 개재하여 절연애자(2)를 유지하고 있다.
또, 금속 쉘(3)의 선단부(26)에는 대략 중간부분이 굴곡되어 그 선단측 측면이 중심전극(5)의 선단부와 대향하는 접지전극(27)이 접합되어 있다. 상기 접지전극(27)은 외층(27A)과 내층(27B)으로 이루어지는 2층 구조로 되어 있다. 본 실시형태에 있어서, 상기 외층(27A)은 후술하는 Ni 합금에 의해서 구성되어 있다. 한편, 상기 내층(27B)은 상기 Ni 합금보다도 열전도성이 높은 금속인 구리나 구리 합금, 순 Ni 등에 의해서 구성되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는 접지전극(27)이 외층(27A) 및 내층(27B)으로 이루어지는 2층 구조로 되어 있으나, 구리에 의해서 구성된 내층(27B)의 내부에 Ni에 의해서 구성된 심부를 더 매설한 3층 구조로 하여도 좋다. 또, 접지전극(27)은 금속 쉘(3)의 선단면에 접합된 기단부(타단부)에서 선단부(일단부)까지의 접지전극(27)의 연신(延伸)방향을 따르는 거리를 L(m)이라 하고, 접지전극(27)의 연신방향에 수직한 단면적을 S(㎟)라 하였을 때, L과 S의 비(L/S)가 1.5≤L/S≤8.5를 만족하고 있다.
또한, 접지전극(27) 중 귀금속부(31)의 선단면과 대향하는 부위에는 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 혹은 로듐(Rh), 또는 이것들 중 어느 1종을 주성분으로 하는 합금에 의해서 형성된 원기둥 형상의 귀금속 팁(발화부)(41)이 접합되어 있다. 더 상세하게는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 귀금속 팁(41)은 레이저 용접에 의해서 자신과 접지전극(27)이 서로 용융되어 형성된 용융부(35)가 자신의 기단부 주위에 형성됨으로써 접지전극(27)에 접합되어 있다. 상기 귀금속 팁(41)의 무게는 1.5mg 이상으로 되어 있다.
또, 상기 귀금속부(31)와 귀금속 팁(41)의 사이에는 간극으로서의 불꽃방전간극(33)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 불꽃방전간극(33)에 있어서 거의 축선(CL1)방향을 따르는 방향에서 불꽃방전이 이루어지도록 되어 있다. 또한, 축선(CL1)을 따르는 불꽃방전간극(33)의 크기(G)는 1.1㎜ 이하로 되어 있다.
여기서, 발화부{귀금속부(31), 귀금속 팁(41)}의 무게는 다음과 같이 하여 측정할 수 있다. 즉, 발화부{귀금속부(31), 귀금속 팁(41)}를 포함하도록 중심전극(5) 혹은 접지전극(27)을 절단한다. 그리고, 35% 염산 혹은 왕수에 침지하여 중심전극(5) 혹은 접지전극(27)만을 용해함에 의해서 발화부만을 추려내고, 그 무게를 측정함으로써 발화부의 무게를 측정할 있다.
이어서, 중심전극(5)의 외층(5B) 및 접지전극(27)의 외층(27A)을 구성하는 전극재료에 대해서 상세하게 설명한다.
중심전극(5)의 외층(5B) 및 접지전극(27)의 외층(27A)은 Ni을 주성분으로 하며, C를 0.005질량% 이상 O.1질량% 이하, Si를 1.05질량% 이상 3질량% 이하, Mn을 2질량% 이하, Cr을 20질량% 이상 32질량% 이하, Fe을 6질량% 이상 16질량% 이하 함유하고 있다.
또, 중심전극(5)의 외층(5B) 및 접지전극(27)의 외층(27A)은 Zr, Y, REM 중 적어도 어느 1종을 합계로 O.01질량% 이상 O.5질량% 이하 함유하는 것으로 하여도 좋다.
또한, 중심전극(5)의 외층(5B) 및 접지전극(27) 외층(27A)은 Al을 O.1질량% 이상 2질량% 이하 함유하는 것으로 하여도 좋다.
또, 중심전극(5)의 외층(5B) 및 접지전극(27)의 외층(27A)은 Ti, Nb, Cu 중 적어도 어느 1종을 합계로 O.1질량% 이상 2질량% 이하 함유하는 것으로 하여도 좋다.
이상 상세하게 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 중심전극(5) 및 접지전극(27)의 내고온 산화성을 향상시킴과 아울러, 중심전극(5) 및 접지전극(27)에 접합된 발화부{귀금속부(31), 귀금속 팁(41)}의 내불꽃 소모성, 내산화성 및 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이어서, 본 발명의 작용 효과를 확인하기 위해서 실시한 각 시험에 대해서 설명한다.
[평가시험 1]
표 1에 나타내는 각 성분을 혼합·조합(調合)한 원료분말을 진공 고주파 유도로로 용해하여 각 조성마다의 주괴(ingot) 100g을 얻었다. 또한, 표 1에 나타내는 조성은, 얻어진 주괴를 형광 X선 분석장치로 측정한 측정값이고, 각 성분의 합계가 100질량%가 되도록 나타낸 것이다. 그 다음, 얻어진 각 조성의 주괴를 직경 16㎜의 원기둥 봉재가 되도록 열간 단조한 후, 1100℃로 고용화 열처리를 하였다. 그 후, 각 조성의 봉재를 압연가공하여 폭 3㎜ 길이 25㎜ 두께 1.5㎜ 크기의 각 시험편을 제작하고, 980℃로 어닐링을 실시하였다. 어닐링 후의 각 시험편에 대해서 내고온 산화성 평가를 하였다.
내고온 산화성 평가의 개요는 다음과 같다. 즉, 대기 분위기의 전기로 내에서 상기한 각 시험편을 12O0℃에서 30분간 유지한 후, 전기로에서 꺼내어 실온까지 팬으로 급냉하는 사이클을 1사이클로 하는 냉열시험을 200사이클 실시하였다. 냉열시험 종료 후, 각 시험편의 단면을 관찰하여, 시험편의 두께방향에 있어서 산화되지 않은 개소의 최대 두께(이후 "잔존두께" 라고도 한다)를 측정하였다. 그리고, 냉열시험 전의 시험편의 두께에 대한 잔존두께의 비율(잔존율)을 산출하였다. 그 결과도 표 1에 나타낸다.
시료No. Ni C
(질량%)		 Si
(질량%)		 Mn
(질량%)		 Cr
(질량%)		 Fe
(질량%)		 내고온산화성
잔존율(%)		 판정
1 잔부 0.004 1.2 0.5 25 10 68.5 ×
2 잔부 0.005 1.2 0.5 25 10 70.2 ○
3 잔부 0.01 1.2 0.5 25 10 78.1 ○
4 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 79.8 ○
5 잔부 0.06 1.2 0.5 25 10 77.0 ○
6 잔부 0.09 1.2 0.5 25 10 71.8 ○
7 잔부 0.1 1.2 0.5 25 10 71.3 ○
8 잔부 0.105 1.2 0.5 25 10 69.1 ×
9 잔부 0.11 1.2 0.5 25 10 65.8 ×
10 잔부 0.03 0.9 0.5 25 10 65.1 ×
11 잔부 0.03 1 0.5 25 10 68.9 ×
12 잔부 0.03 1.05 0.5 25 10 72.3 ○
13 잔부 0.03 2 0.5 25 10 77.6 ○
14 잔부 0.03 2.5 0.5 25 10 73.7 ○
15 잔부 0.03 3 0.5 25 10 72.0 ○
16 잔부 0.03 3.5 0.5 25 10 67.9 ×
17 잔부 0.03 1.2 0 25 10 70.2 ○
18 잔부 0.03 1.2 0.05 25 10 70.6 ○
19 잔부 0.03 1.2 0.1 25 10 76.8 ○
20 잔부 0.03 1.2 1.3 25 10 73.1 ○
21 잔부 0.03 1.2 2 25 10 70.2 ○
22 잔부 0.03 1.2 2.5 25 10 68.9 ×
23 잔부 0.03 1.2 0.5 19.4 10 62.2 ×
24 잔부 0.03 1.2 0.5 20 10 70.6 ○
25 잔부 0.03 1.2 0.5 23 10 77.7 ○
26 잔부 0.03 1.2 0.5 28 10 76.4 ○
27 잔부 0.03 1.2 0.5 32 10 73.2 ○
28 잔부 0.03 1.2 0.5 32.5 10 69.3 ×
29 잔부 0.03 1.2 0.5 25 5.4 67.4 ×
30 잔부 0.03 1.2 0.5 25 6 74.7 ○
31 잔부 0.03 1.2 0.5 25 12 88.1 ○
32 잔부 0.03 1.2 0.5 25 16 75.1 ○
33 잔부 0.03 1.2 0.5 25 16.5 69.0 ×
표 1에서, 본 발명의 범위에 포함되는 시료 No. 2∼7, 12∼15, 17∼21, 24∼27, 30∼32는 내고온 산화성 평가에 있어서의 잔존율이 70% 이상으로서 우수한 내고온 산화성을 가지고 있는 것을 알 수 있었다. 한편, 시료 No. 1, 8∼11, 16, 22, 23, 28, 29, 33은 잔존율이 70% 미만으로서 내고온 산화성이 떨어지는 것을 알 수 있었다.
[평가시험 2]
평가시험 1과 마찬가지로, 표 2에 나타내는 각 조성의 봉재를 압연가공 및 980℃에서의 어닐링을 실시하여 폭 3㎜ 길이 25㎜ 두께 1.5㎜ 크기의 각 조성의 판재를 제작하였다. 그 다음, 각 판재에 대해서 무게를 여러 종류로 변경한 직경 0.7㎜의 Pt계 귀금속 팁(Pt-20질량%Ni)을 저항 용접에 의해 접합한 것, 및 무게를 여러 종류로 변경한 두께 O.55㎜의 Ir계 귀금속 팁(Ir-20질량%Rh)을 레이저 용접에 의해 접합한 것을 시험편으로 하였다. 또한, Pt계 귀금속 팁의 무게는 Pt계 귀금속 팁의 두께를 O.2㎜(무게 1.3mg), O.23㎜(무게 1.5mg), O.47㎜(무게 3.Omg)로 조정함에 의해서 변경하였다. 또, Ir계 귀금속 팁의 무게는 Ir계 귀금속 팁의 직경을 O.4㎜(무게 1.3mg), O.43㎜ (무게 1.5mg), O.6㎜(무게 3.Omg)로 조정함에 의해서 변경하였다. 그리고, 각 시험편에 대해서 접합 신뢰성 평가를 하였다.
접합 신뢰성 평가의 개요는 다음과 같다. 즉, 대기 중에서 버너로 시험편을 110O℃의 상태로 2분간 가열 유지한 후, 버너를 소화하고서 1분간 냉각하는 사이클을 1사이클로 하는 냉열시험을 20000사이클 실시하였다. 냉열시험 종료 후, 각 시험편의 용접부의 단면을 관찰하여, 용접 계면에 있어서 본래 접합되어 있는 부분의 길이에 대한 박리되어 있는 부분의 길이의 비율(박리율)을 산출하였다. 그 결과도 표 2에 나타낸다.
시
료
No.		 Ni C
(질량%)		 Si
(질량%)		 Mn
(질량%)		 Cr
(질량%)		 Fe
(질량%)		 박리율(%) 귀금속팁의 종류
귀금속 팁의 무게
1.3㎎ 1.5㎎ 3㎎
34 잔부 0.02 1.05 0.6 25.1 7.4 ×
32		 ○
22		 ○
2		 Ir-20Rh
35 잔부 0.03 1.2 0.8 25.0 7.4 ×
33		 ○
25		 ○
7		 Pt-20Ni
36 잔부 0.01 1.9 0.7 24.9 7.3 ×
40		 ○
26		 ○
11		 Ir-20Rh
37 잔부 0.02 2.4 0.8 25 7.5 ×
47		 ○
28		 ○
21		 Pt-20Ni
38 잔부 0.02 3 0.7 25.3 7.2 ×
50		 ○
30		 ○
27		 Pt-20Ni
39 잔부 0.03 3.2 0.8 25.4 7.2 ×
소실		 ×
35		 ×
32		 Ir-20Rh
40 잔부 0.02 3.7 0.6 25 7.3 ×
소실		 ×
소실		 ×
43		 Pt-20Ni
표 2에서, 판재의 조성이 본 발명의 범위에 포함되는 시료 No. 34∼38 중 귀금속 팁의 무게가 1.5mg 이상인 것은 박리율이 30% 이하로서 접합 신뢰성이 높은 것을 알 수 있었다. 한편, 판재의 조성이 본 발명의 범위에 포함되는 시료 No. 34∼38에 있어서도 귀금속 팁의 무게가 1.5mg 미만인 것은 박리율이 30%를 넘거나 혹은 귀금속 팁이 소실되어 접합 신뢰성이 떨어지는 것을 알 수 있었다. 즉, 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그에 있어서, 전극의 내고온 산화성 및 귀금속 팁의 접합 신뢰성을 확보하기 위해서는 전극의 조성 뿐만 아니라 귀금속 팁의 무게를 1.5mg 이상으로 할 필요가 있는 것을 알 수 있었다.
[평가시험 3]
평가시험 1과 마찬가지로, 표 3에 나타내는 각 조성의 봉재를 압연가공 및 980℃에서의 어닐링을 실시하여 직경 O.75㎜ 길이 50㎜의 둥근 봉재를 각 조성마다 2개씩 제작하였다. 그 다음, 각 조성의 2개의 둥근 봉재 중 어느 한쪽의 둥근 봉재의 단면에 직경 O.7㎜ 두께 O.6㎜의 Ir-20질량%Rh제 귀금속 팁을 레이저 용접한 것을 준비함과 아울러, 다른 한쪽의 둥근 봉재의 단면에 직경 O.7㎜ 두께 O.47㎜의 Pt-20질량%Ni제 귀금속 팁을 레이저 용접한 것을 준비하였다. 그 다음, 귀금속 팁이 접합된 각 조성의 둥근 봉재를 대기 중에서 버너로 110O℃의 상태로 2분간 가열 유지한 후, 버너를 소화하고서 1분간 냉각하는 사이클을 1사이클로 하는 냉열시험을 20000사이클 실시하였다. 냉열시험 종료 후, 각 조성의 둥근 봉재를 귀금속 팁끼리가 대향하도록 배치하고서 불꽃 소모성 평가를 실시하였다.
불꽃 소모성 평가의 개요는 다음과 같다. 즉, 0.7MPa의 질소분위기 중에 있어서 양 귀금속 팁의 간극이 O.9㎜가 되도록 배치된 동일 조성의 둥근 봉재에 대해서, 20kV의 전압을 주파수 60Hz의 조건으로 50시간 동안 인가하는 방전시험을 실시하였다. 또한, 방전시험은 Ir-20질량%Rh제 귀금속 팁이 접합된 둥근 봉재를 부극, Pt-20질량%Ni제 귀금속 팁이 접합된 둥근 봉재를 정극으로 하는 조건으로 실시하였다. 방전시험 종료 후, 양 귀금속 팁의 체적를 X선 CT장치로 측정하였다. 그리고, 방전시험 전후의 양 귀금속 팁의 체적 감소량의 합계(불꽃 소모량)를 산출하였다. 그 결과도 표 3에 나타낸다.
시료No. Ni C
(질량%)		 Si
(질량%)		 Mn
(질량%)		 Cr
(질량%)		 Fe
(질량%)		 불꽃소모량
(㎣)
41 잔부 0.02 1.05 0.6 25.1 7.4 ○
14
42 잔부 0.03 1.2 0.8 25 7.4 ○
17
43 잔부 0.03 1.4 0.8 25.2 7.3 ○
23
44 잔부 0.02 1.5 0.7 24.8 7.5 △
30
표 3에서, Si의 함유량이 1.4질량% 이하인 시료 No. 41∼43은 불꽃 소모량이 30㎣ 이하로서 내불꽃 소모성이 양호한 것을 알 수 있었다. 한편, 시료 No. 44는 불꽃 소모량이 30㎣를 넘고 있어 내불꽃 소모성이 떨어지는 것을 알 수 있었다.
[평가시험 4]
평가시험 1과 마찬가지로, 표 4에 나타내는 각 조성(Zr, Y, REM을 함유한 조성)의 봉재를 압연가공하여 폭 3㎜ 길이 25㎜ 두께 1.5㎜ 크기의 각 시험편을 제작하고, 980℃로 어닐링을 실시하였다. 그리고, 어닐링 후의 각 시험편에 대해서 평가시험 1과 같은 내고온 산화성 평가를 실시하였다. 또, 가공성 평가로서, 제작된 각 시험편의 표면을 관찰하여 크랙 발생의 유무를 확인하였다. 그 결과를 표 4에 나타낸다.
시료
No.		 Ni C
질량%		 Si
질량%		 Mn
질량%		 Cr
질량%		 Fe
질량%		 Zr
질량%		 Y
질량%		 REM
질량%		 내고온산화성
잔존률(%)		 가공성 판정
45 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.01 85.2 크랙없음 ○
46 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.01 85.4 크랙없음 ○
47 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.01(Ce) 80.3 크랙없음 ○
48 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.05 85.9 크랙없음 ○
49 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.1 86.1 크랙없음 ○
50 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.15 86.4 크랙없음 ○
51 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.2 87.6 크랙없음 ○
52 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.25(Nd) 81.0 크랙없음 ○
53 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.3 80.1 크랙없음 ○
54 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.45(Ce) 80.6 크랙없음 ○
55 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.5 80.9 크랙없음 ○
56 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.5 81.1 크랙없음 ○
57 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.5(Nd) 80.7 크랙없음 ○
58 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.51 80.0 크랙있음 △
59 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.01 0.01 0.01(Ce) 80.1 크랙없음 ○
60 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.1 0.2 0.05(Nd) 80.3 크랙없음 ○
표 4에서, Zr, Y, REM의 합계 함유량이 O.01질량% 이상 O.5질량% 이하인 시료 No. 45∼57, 59, 60은 내고온 산화성 평가의 잔존율이 80% 이상으로서 한층 더 우수한 내고온 산화성을 가지고 있음과 아울러 가공성이 양호하다는 것을 알 수 있었다. 한편, 시료 No. 58은 잔존율이 80% 이상이지만 가공성이 떨어지는 것을 알 수 있었다.
[평가시험 5]
평가시험 1과 마찬가지로, 표 5에 나타내는 각 조성(Al을 함유한 조성)의 봉재를 압연가공 및 980℃에서의 어닐링을 실시하여 폭 3㎜ 길이 25㎜ 두께 1.5㎜ 크기의 각 시험편을 제작하고, 각 시편에 대해서 평가시험 1과 같은 내고온 산화성 평가를 실시함과 아울러 내고온 질화성 평가를 실시하였다.
내고온 질화성 평가의 개요는 다음과 같다. 즉, 대기 중에서 버너로 시험편을 110O℃의 상태로 2분간 가열 유지한 후, 버너를 소화하고서 1분간 냉각하는 사이클을 1사이클로 하는 냉열시험을 20000사이클 실시하였다. 냉열시험 종료 후, 각 시험편의 단면을 관찰하여, 시험편의 두께방향에 있어서 산화 또는 질화되지 않은 개소의 최대 두께(이후 "잔존두께" 라고도 한다)를 측정하였다. 그리고, 냉열시험 전의 시험편의 두께에 대한 잔존두께의 비율(잔존율)을 산출하였다. 그 결과도 표 5에 나타낸다.
No. Ni C
질량%		 Si
질량%		 Mn
질량%		 Cr
질량%		 Fe
질량%		 Zr
질량%		 Y
질량%		 REM
질량%		 Al
질량%		 내고온산화성
잔존률
(%)		 내고온질화성
잔존률
(%)		 판정
61 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.1 83.5 89.9 ○
62 잔부 0.03 0.1 0.5 25 10 0.7 53.8 72.6 ×
63 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.7 85.2 92.4 ○
64 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.2 0.7 87.1 96.7 ○
65 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 1.2 86.0 93.1 ○
66 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.1 1.2 87.7 97.0 ○
67 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 1.6 84.1 93.3 ○
68 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 2 83.9 90.2 ○
69 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 2.1 81.0 88.9 △
표 5에서, 본 발명의 범위에 포함되고 또한 Al의 함유량이 O.1질량% 이상 2질량% 이하인 시료 No. 61, 63∼68은 내고온 산화성 평가에 있어서의 잔존율이 83% 이상임과 아울러 내고온 질화성 평가에 있어서의 잔존율이 90% 이상으로서 내고온 산화성 및 내고온 질화성이 우수한 것을 알 수 있었다. 이것에 대해서, 시료 No. 62는 Al을 함유하지만 그 이외의 조성이 본 발명의 범위에서 벗어나 있어 내고온 산화성 및 내고온 질화성이 떨어지는 것을 알 수 있었다. 또, 시료 No. 69는 내고온 질화성 평가에 있어서의 잔존율이 90% 미만으로서 내고온 질화성이 떨어지는 것을 알 수 있었다.
[평가시험 6]
평가시험 1과 마찬가지로, 표 6에 나타내는 각 조성(Ti, Nb, Cu를 함유한 조성)의 봉재를 압연가공 및 980℃에서의 어닐링을 실시하여 폭 3㎜ 길이 25㎜ 두께 1.5㎜ 크기의 각 시험편을 제작하고, 각 시험편에 대해서 평가시험 1과 같은 내고온 산화성 평가를 실시하였다. 또, 가공성 평가로서, 제작된 각 시험편의 표면을 관찰하여 균열 발생의 유무를 확인하였다. 그 결과를 표 6에 나타낸다.
시
료
No		 Ni C
질량
%		 Si
질량
%		 Mn
질량
%		 Cr
질량
%		 Fe
질량
%		 Zr
질량
%		 Y
질량
%		 REM
질량
%		 Al
질량
%		 Ti
질량
%		 Nb
질량
%		 Cu
질량
%		 내고온산화성
잔존률
(%)		 가공성 판
정
70 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.05 85.3 크랙없음 ○
71 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.1 86.5 크랙없음 ○
72 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.3 87.0 크랙없음 ○
73 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.7 0.3 88.6 크랙없음 ○
74 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.7 95.4 크랙없음 ○
75 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 1.1 85.0 크랙있음 △
76 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.7 85.4 크랙없음 ○
77 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.8 86.6 크랙없음 ○
78 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.7 0.8 87.9 크랙없음 ○
79 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 1.5 86.6 크랙없음 ○
80 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 2.1 86.0 크랙있음 △
81 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.1 86.9 크랙없음 ○
82 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.7 87.2 크랙없음 ○
83 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 0.7 0.7 88.5 크랙없음 ○
84 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 1.4 87.0 크랙없음 ○
85 잔부 0.03 1.2 0.5 25 10 2.1 86.3 크랙없음 ○
표 6에서, Ti, Nb, Cu의 합계 함유량이 O.1질량% 이상 2질량% 이하인 시료 No. 70∼74, 76∼79, 81∼85는 내고온 산화성 평가의 잔존율이 85% 이상으로서 한층 더 우수한 내고온 산화성을 가지고 있음과 아울러 가공성이 양호하다는 것을 알 수 있었다. 한편, 시료 No. 75, 80은 잔존율이 85% 이상이지만 가공성이 떨어지는 것을 알 수 있었다.
[평가시험 7]
평가시험 1과 마찬가지로, 표 7에 나타내는 각 조성의 봉재를 압연가공 및 980℃에서의 어닐링을 실시하여 접지전극을 제작하였다. 또한, 접지전극의 크기는 표 8에 나타내는 크기로 하였다. 그 다음, 각 접지전극을 금속 쉘의 선단면에 저항용접에 의해 접합한 시험체를 제작하였다. 그리고, 각 시험체의 접지전극에 대한 내절손성 평가를 실시하였다.
내절손성 평가의 개요는 다음과 같다. 즉, 대기 중에서 버너로 시험체를 2분간 가열 유지한 후, 버너를 소화하고서 1분간 냉각하는 사이클을 1사이클로 하는 냉열시험을 10000사이클 실시하였다. 또한, 가열 온도는 표 7에 있어서의 시료 No. 89에서의 L/S=4.6인 시험체의 접지전극 온도가 100O℃가 되도록 버너 화력을 조정하고, 그 외의 시험체에 대해서도 같은 버너 화력으로 가열하였다. 또, 금속 쉘의 과열을 방지하기 위해서 수냉(수온 40℃)의 Al제 홀더에 금속 쉘을 고정하고서 냉열시험을 실시하였다. 냉열시험 종료 후, 각 시험체의 금속 쉘을 고정함과 아울러 접지전극의 일단부를 잡고서 인장시험(크로스헤드 스피드 15㎜/min)을 실시하고, 파단면의 단면적을 측정하였다. 그리고, 냉열시험 전의 접지전극의 단면적에 대한 파단면의 단면적의 비율(단면적 비율)을 산출하였다. 그 결과도 표 7에 나타낸다.
시료
No		 Ni C
질량
%		 Si
질량
%		 Mn
질량
%		 Cr
질량
%		 Fe
질량
%		 Y
질량
%		 Al
질량
%		 단면적 비율(%)
L/S
1.4 1.5 2.5 3.7 4.6 5.7 6.5 7.5 8.5 8.7
86 잔부 0.02 1.2 0.7 25.2 7.4 ×
71		 ○
68		 ○
68		 ◎
58		 ◎
56		 ◎
58		 ○
63		 ○
66		 ○
69		 ×
77
87 잔부 0.01 2.4 0.8 25.1 7.5 ×
72		 ○
69		 ○
68		 ◎
58		 ◎
58		 ◎
60		 ○
65		 ○
68		 ○
69		 ×
80
88 잔부 0.02 1.2 0.3 26.5 10 0.15 0.8 ×
71		 ○
68		 ○
66		 ◎
55		 ◎
53		 ◎
56		 ○
61		 ○
66		 ○
66		 ×
71
89 잔부 0.01 2.4 0.2 26.4 9.9 0.14 0.7 ×
72		 ○
68		 ○
67		 ◎
56		 ◎
55		 ◎
58		 ○
63		 ○
67		 ○
68		 ×
74
90 잔부 0.03 0.21 0.3 22 14.6 1.5 ×
80		 ×
70		 ×
77		 ×
82		 ×
87		 ×
93		 ×
97		 ×
97		 - -
91 잔부 0.04 0.2 0.2 16 8.5 0.2 ×
86		 ×
84		 ×
83		 ×
88		 ×
92		 ×
97		 ×
97		 - - -
92 잔부 0.02 3.7 0.3 26.6 9.9 ×
82		 ×
81		 ×
82		 ×
82		 ×
84		 ×
90		 ×
95		 ×
98		 - -
93 잔부 0.01 3.7 0.2 26.5 9.8 0.17 0.7 ×
81		 ×
77		 ×
76		 ×
80		 ×
81		 ×
83		 ×
87		 ×
94		 × -
폭(㎜) 두께(㎜) 단면적(S)(㎜) 길이(L)(㎜) L/S
2.7 1.3 3.51 5 1.4
2.5 1.6 4 6 1.5
2.5 1.3 3.25 8 2.5
2.7 1.3 3.51 13 3.7
2.7 1.3 3.51 16 4.6
2.7 1.3 3.51 20 5.7
2 1 2 13 6.5
2 1 2 15 7.5
2 1 2 17 8.5
1.5 1 1.5 13 8.7
표 7에서, 전극의 조성이 본 발명의 범위에 포함됨과 아울러 L과 S의 비(L/S)가 1.5≤L/S≤8.5인 것은 단면적 비율이 69% 이하로서 내절손성이 우수한 것을 알 수 있었다. 또한, L과 S의 비율(L/S)이 3.7≤L/S≤5.7인 것은 단면적 비율이 60% 이하로서 한층 더 우수한 내절손성을 가지는 것을 알 수 있었다. 한편, L과 S의 비(L/S)가 1.5 미만인 것이나 8.5를 넘는 것은 단면적 비율이 69%를 넘어 내절손성이 떨어지는 것을 알 수 있었다.
[평가시험 8]
평가시험 1과 마찬가지로, 표 9에 나타내는 각 조성으로 이루어지는 중심전극을 제작하였다. 또한, 중심전극의 선단에는 원뿔대부가 형성되어 있으며, 원뿔대부의 선단면의 직경이 1.O㎜, 원뿔대부의 기단(원뿔대부와 본체부의 경계)의 직경이 2.O㎜로 되어 있다. 그리고, 표 9에 나타내는 바와 같이 원뿔대부의 체적을 여러 종류로 변경한 중심전극을 제작하였다. 또한, 원뿔대부의 체적은 원뿔대부에 있어서의 축선방향의 길이를 조정함에 의해서 변경하였다. 그 다음, 각 중심전극의 선단면에 직경 O.6㎜ 두께 O.8㎜의 Ir-10질량%Rh제 귀금속 팁(무게 4.4mg)을 레이저 용접에 의해 접합하였다. 그 후, 귀금속 팁이 접합된 각 중심전극을 절연체에 조립하는 등에 의해서 스파크 플러그를 제작하였다. 그리고, 제작된 각 스파크 플러그에 대하여 불꽃 소모성 평가를 실시하였다.
불꽃 소모성 평가의 개요는 다음과 같다. 즉, 6기통(배기량 2800cc) 엔진에 스파크 플러그를 부착하고, 스로틀 완전 개방상태에서 회전수 5500rpm의 상태로 1분간 유지한 후, 아이들링을 1분간 유지하는 사이클을 300시간에 걸쳐서 실시하는 실기시험을 실시하였다. 실기시험 종료 후, 각 스파크 플러그의 귀금속 팁의 체적를 측정하였다. 그리고, 실기시험 전의 귀금속 팁의 체적에 대한 실기시험 후의 귀금속 팁의 체적의 비율(감소율)을 산출하였다. 그 결과도 표 9에 나타낸다.
시료
No		 Ni C
질량
%		 Si
질량
%		 Mn
질량
%		 Cr
질량
%		 Fe
질량
%		 Y
질량
%		 Al
질량
%		 감소율(%)
원뿔대부 체적(㎣)
0.17 0.2 0.4 0.8 1.6 2.0 2.5 2.7
94 잔부 0.02 1.2 0.7 25.2 7.4 ×
74		 ○
59		 ○
51		 ○
45		 ○
52		 ○
56		 ○
61		 ×
75
95 잔부 0.01 2.4 0.8 25.1 7.5 ×
78		 ○
61		 ○
53		 ○
50		 ○
58		 ○
55		 ○
63		 ×
78
96 잔부 0.02 1.2 0.3 26.5 10 0.15 0.8 ×
72		 ○
57		 ○
49		 ○
43		 ○
50		 ○
52		 ○
58		 ×
69
97 잔부 0.01 2.4 0.2 26.4 9.9 0.14 0.7 ×
77		 ○
59		 ○
50		 ○
48		 ○
56		 ○
55		 ○
60		 ×
72
98 잔부 0.03 0.21 0.3 22 14.6 ×
소실		 ×
91		 ×
83		 ×
74		 ×
68		 ×
77		 ×
86		 ×
탈락
99 잔부 0.04 0.2 0.2 16 8.5 ×
소실		 ×
소실		 ×
89		 ×
78		 ×
75		 ×
81		 ×
89		 ×
탈락
100 잔부 0.02 3.7 0.3 26.6 9.9 ×
소실		 ×
95		 ×
87		 ×
77		 ×
71		 ×
80		 ×
90		 ×
탈락
101 잔부 0.01 3.7 0.2 26.5 9.8 0.17 0.7 ×
소실		 ×
93		 ×
84		 ×
76		 ×
70		 ×
79		 ×
88		 ×
탈락
표 9에서, 전극의 조성이 본 발명의 범위에 포함됨과 아울러 원뿔대부의 체적이 O.2㎣ 이상 2.5㎣ 이하인 것은 감소율이 65% 이하로서 내불꽃 소모성이 우수한 것을 알 구 있었다. 또한, 한편 원뿔대부의 체적이 O.2㎣ 미만인 것이나 2.5㎣를 넘는 것은 감소율이 65%를 넘어 내불꽃 소모성이 떨어지는 것을 알 수 있었다.
또한, 본 발명은 상기한 실시형태의 기재내용에 한정되는 것이 아니며, 예를 들면 다음과 같이 실시하여도 좋다. 물론 이하에서 예시하지 않은 다른 응용예, 변경예도 당연히 가능하다.
상기한 실시형태에서는 귀금속 팁(41)을 접지전극(27)에 대해서 레이저 용접에 의해 접합하고 있으나, 귀금속 팁(41)과 접지전극(27)을 저항 용접에 의해 접합하여도 좋다.
상기한 실시형태에서는 접지전극(27)에 접합되는 귀금속 팁으로서 원기둥 형상의 귀금속 팁(41)을 적용하고 있으나, 귀금속 팁(41)의 형상은 원기둥 형상에 한정되지 않고, 원판 형상이나 각주 형상의 귀금속 팁이어도 좋다.
상기한 실시형태에서는 접지전극(27)이 외층(27A)과 내층(27B)의 2층 구조로 되어 있으나, 내층(27B)을 생략한 구성, 즉 접지전극 전체를 Ni 합금으로 구성하여도 좋다.
1 - 스파크 플러그 2 - 절연애자(절연체)
3 - 금속 쉘 5 - 중심전극
15 - 나사부 27 - 접지전극
27B - 내층 31 - 귀금속부
33 - 불꽃방전간극(간극) 41 - 귀금속 팁

Claims (11)

  1. 축선방향으로 연장되는 중심전극; 상기 중심전극의 직경방향 주위를 둘러싸서 유지하는 절연애자; 상기 절연애자의 직경방향 주위를 둘러싸서 상기 절연애자를 유지하는 금속 쉘; 및 자신의 일단부가 상기 중심전극의 선단부와의 사이에서 간극을 형성하도록 굴곡됨과 아울러 자신의 타단부가 상기 금속 쉘에 접합되는 접지전극;을 구비하고,
    상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 적어도 일방에 있어서의 상기 간극에 면하는 위치에 귀금속을 주성분으로 하는 소편으로 이루어지는 발화부가 부설되어 이루어지는 스파크 플러그로서,
    상기 발화부의 무게는 1.5mg 이상임과 아울러,
    상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 상기 발화부가 부설된 전극은 Ni을 주성분으로 하며, C를 0.005질량% 이상 O.1질량% 이하, Si를 1.05질량% 이상 3질량% 이하, Mn을 2질량% 이하, Cr을 20질량% 이상 32질량% 이하, Fe을 6질량% 이상 16질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 상기 발화부가 부설된 전극은 상기 Si를 1.4질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 상기 발화부가 부설된 전극은 Zr, Y, REM 중 적어도 1종을 합계로 O.01질량% 이상 O.5질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 상기 발화부가 부설된 전극은 Zr, Y, REM 중 적어도 1종을 합계로 O.01질량% 이상 O.5질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 상기 발화부가 부설된 전극은 Al을 O.1질량% 이상 2질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 상기 발화부가 부설된 전극은 Al을 O.1질량% 이상 2질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 상기 발화부가 부설된 전극은 Al을 O.1질량% 이상 2질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 상기 발화부가 부설된 전극은 Al을 O.1질량% 이상 2질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중심전극 및 상기 접지전극 중 상기 발화부가 부설된 전극은 Ti, Nb, Cu 중 적어도 1종을 합계로 O.1질량% 이상 2질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  10. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접지전극의 상기 타단부는 상기 금속 쉘의 선단면에 접합되어 있고,
    상기 접지전극의 상기 타단부에서 상기 일단부까지의 상기 접지전극의 연신방향을 따르는 길이를 L이라 하고, 상기 접지전극의 연신방향에 수직한 단면적을 S라 하였을 때,
    1.5≤L/S≤8.5
    를 만족하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  11. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중심전극의 상기 선단부에는 원뿔대 형상의 원뿔대부가 형성되어 있고,
    상기 발화부는 상기 중심전극의 상기 원뿔대부의 선단에 부설되어 있고,
    상기 중심전극의 상기 원뿔대부의 체적은 0.2㎣ 이상 2.5㎣ 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
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