KR101508865B1 - 스파크 플러그 - Google Patents

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니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 과제는 접지전극(6)이 강고하게 전기저항 용접되어 이루어지는 스파크 플러그(1)를 제공하는 것이다.
통형상의 금속쉘(4)과, 상기 금속쉘(4)의 단부에 전기저항 용접된 접지전극(6)을 구비하여 이루어지는 스파크 플러그(1)로서, 상기 금속쉘(4)은 상기 단부에 비커스 경도가 3×102Hv 이상 5×102Hv 이하의 범위 내에 있는 고경도 영역(42)을 가지며, 또한 상기 고경도 영역(42)은 상기 스파크 플러그(1)의 축선과 상기 접지전극(6)의 축선을 포함하는 평면으로 절단한 단면에 있어서, 상기 접지전극(6) 측의 용접계면에서부터 상기 금속쉘(4) 측의 용접계면까지의 전기저항 용접시의 하중방향에 있어서의 길이(d)가 0.3㎜ 이상 0.8㎜ 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그(1).

Description

스파크 플러그{SPARK PLUG}
본 발명은 스파크 플러그에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 예를 들면 저항 용접에 의해서 접지전극이 금속쉘의 단부에 큰 용접강도로 결합되어 이루어지는 내연기관용의 스파크 플러그에 관한 것이다.
자동차 엔진 등의 내연기관에 사용되는 스파크 플러그는 통상 내연기관의 연소실에 배치되는 중심전극과, 이 중심전극과 불꽃방전간극을 통해서 대향하도록 배치되는 접지전극을 구비하고 있다. 이와 같은 스파크 플러그는 내연기관의 연소실 내에서 상기 불꽃방전간극에서 불꽃방전시킴으로써 연소실 내로 공급된 연료를 연소시킨다. 스파크 플러그의 각 전극은 고온에 이르는 연소실에 배치되어 있기 때문에, 통상 내열성 등이 우수한 Ni기 합금 등으로 형성되어 있다.
이와 같은 스파크 플러그는 통상 금속쉘의 단부에 접지전극이 전기저항 용접되어 이루어지는데, 접지전극을 금속쉘에 충분한 용접강도로 전기저항 용접할 수 없는 경우가 있어, 불꽃방전간극을 조정할 때 또는 스파크 플러그의 제조 후 혹은 사용 중에 접지전극과 금속쉘의 용접부가 파단·손상되는 경우가 있다. 예를 들면, 특허문헌 1의 식별번호 [0046]란에는 "비커스 경도가 220 이상인 것에서는 굽힘 가공성이 나쁘기 때문에, 굽힘 가공시에 용접계면에서 박리 또는 파단이 발생하였다. 이와 같이 접지전극의 내절손성과 굽힘 가공성을 양립시키는 것이 곤란하기 때문에, 종래의 접합방법에서는 고경도의 접지전극을 적절히 하우징에 접합할 수 없다."라고 기재되어 있다.
그 때문에, 금속쉘과 접지전극의 용접상태 및 용접방법 등이 몇몇 개 제안되어 있다. 예를 들면, 접지전극을 하우징에 접합하기 전에 미리 굽힘 가공을 하는 방법(특허문헌 1 참조), 접지전극을 하우징에 깊이 심어 용접면적을 증가시킴으로써 용접강도를 높인 스파크 플러그(특허문헌 2 참조), 금속쉘에 관한 치수 또는 접지전극의 부착 각도를 규정하여 용접강도를 확보한 스파크 플러그(특허문헌 3 참조) 등을 들 수 있다.
특허문헌 1 : 일본국 특허공개 2003-229231호 공보 특허문헌 2 : 일본국 특허공개 2005-251727호 공보 특허문헌 3 : 일본국 특허공개 2005-228562호 공보
그런데, 스파크 플러그는 불꽃방전간극에서 불꽃방전을 하기 때문에, 스파크 플러그의 각 전극에는 내열성과 더불어 내불꽃 소모성 등도 요구된다. 내불꽃 소모성을 향상시키는 재료로서 주목되는 것은, 예를 들면 Ni 함유율이 높은 Ni기 합금 등을 들 수 있다. 이러한 Ni기 합금으로 형성된 접지전극은 높은 내불꽃 소모성을 발휘할 수 있지만, 한편으로는 Ni 함유율이 그다지 높지 않은 Ni기 합금 등에 비하면 더욱더 용접하기 어렵기 때문에, 접지전극과 금속쉘을 전기저항 용접하기 위해서는 접지전극과 금속쉘에 대전류를 흘리는 등의 대책이 채용되는 일이 있다. 그러나, 이와 같은 대책을 채용하더라도 충분한 용접강도로 접지전극을 금속쉘에 전기저항 용접할 수 없는 경우가 있었다.
본 발명은 접지전극이 강고하게 전기저항 용접되어 이루어지는 스파크 플러그를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 광범위한 Ni 함유율을 가지는 각 Ni기 합금으로 형성된 접지전극과 금속쉘의 용접상태에 대해서 여러 가지 검토를 한 결과, 용접강도가 작은 것은, 전기저항 용접되는 접지전극 근방의 금속쉘에 전기저항 용접시의 열에 의해서 경도가 높아지게 되는 영역이 형성되는 것이 원인인 것을 밝혀내었다. 그 이유로서, 본 발명자들은, 이 경도가 높은 영역에는 고경도화에 의한 열 잔류 응력이 생기고 및/또는 전기저항 용접시에 고경도화에 의해서 체적이 팽창하여 접지전극과 금속쉘의 용접계면에 잔류 인장 응력 등의 잔류 응력이 생기기 때문이 아닌가라고 추측하였다. 또한, 잔류 응력에 금속 용존 수소가 응집하여 경도가 높은 영역이 취화되고, 또 경도가 높은 영역과 전기저항 용접하기 전의 경도가 변화하지 않는 영역과의 계면에도 잔류 응력이 생기기 때문이 아닌가라고도 추측하였다.
또한, 본 발명자들은 접지전극과 금속쉘을 전기저항 용접하면, 접지전극과 금속쉘에 대전류를 흘리기 때문에 금속쉘에 경도가 높은 영역이 필연적으로 형성되는데, 이 경도가 높은 영역을 작게 하면, 접지전극과 금속쉘을 충분한 용접강도로 전기저항 용접할 수 있는 것이라고 추측하였다.
본 발명자들은 상기한 발견 및 예상에 의거하여 상기 경도가 높은 영역에 대해서 더욱더 검토한 결과, 스파크 플러그에 있어서, 전기저항 용접시의 하중방향에 있어서의 길이가 소정의 범위 내가 되도록 상기 경도가 높은 영역이 금속쉘에 형성되어 있으면, 종래의 Ni기 합금뿐만 아니라, 예를 들면 Ni 함유율이 높은 Ni기 합금으로 접지전극이 형성되어 있더라도 접지전극과 금속쉘의 높은 용접강도가 발현되는 것을 찾아내었다. 특히, 본 발명자들은 비커스 경도가 3×102Hv 이상 5×102Hv 이하의 범위 내에 있는 고경도 영역의 상기 길이가 0.3㎜ 이상 0.8㎜ 이하의 범위 내에 있으면, 접지전극과 금속쉘의 높은 용접강도가 발현되는 것을 찾아내었다.
따라서, 상기 과제를 해결하기 위한 수단은,
(1) 통형상의 금속쉘과, 상기 금속쉘의 단부에 전기저항 용접된 접지전극을 구비하여 이루어지는 스파크 플러그로서,
상기 금속쉘은 상기 단부에 비커스 경도가 3×102Hv 이상 5×102Hv 이하의 범위 내에 있는 고경도 영역을 가지며, 또한
상기 고경도 영역은 상기 스파크 플러그의 축선과 상기 접지전극의 축선을 포함하는 평면으로 절단한 단면에 있어서, 상기 접지전극 측의 용접계면에서부터 상기 금속쉘 측의 용접계면까지의 전기저항 용접시의 하중방향에 있어서의 길이(d)가 0.3㎜ 이상 0.8㎜ 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그이다.
이 스파크 플러그에 있어서의 매우 적합한 태양으로서, 이하의 태양을 들 수 있다.
(2) 상기 (1)에 관한 스파크 플러그에 있어서, 상기 길이(d)가 0.4㎜ 이상 0.6㎜ 이하의 범위 내에 있다.
(3) 상기 (1) 또는 (2)에 관한 스파크 플러그에 있어서, 상기 고경도 영역이 침상(針狀)의 마텐자이트(martensite) 조직을 적어도 포함한다.
(4) 상기 (1)∼(3) 중 어느 하나에 관한 스파크 플러그에 있어서, 상기 접지전극은 1종류의 전극재료에 의해서 형성되는 단일 구조, 혹은 상기 전극재료에 의해서 형성되는 외층과, 상기 외층에 의해서 내포되며 또한 상기 외층보다도 열전도율이 높은 내층에 의해서 형성되는 층(層) 구조이다.
(5) 상기 (1)∼(4) 중 어느 하나에 관한 스파크 플러그 에 있어서, 상기 전극재료는 실온에 있어서의 비저항값이 7μΩ·㎝ 이상 20μΩ·㎝ 이하의 범위 내에 있다.
(6) 상기 (1)∼(5) 중 어느 하나에 관한 스파크 플러그에 있어서, 상기 전극재료는 1000℃에 있어서의 비저항값이 48μΩ·㎝ 이상 60μΩ·㎝ 이하의 범위 내에 있다.
(7) 상기 (1)∼(6) 중 어느 하나에 관한 스파크 플러그에 있어서, 상기 전극재료는 Ni을 96질량% 이상 함유하고, Y과 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 합계로 0.05질량% 이상 0.45질량% 이하, Mn을 0.05질량% 이상, 및 Ti과 V과 Nb으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 합계로 0.01질량% 이상 함유하고, 또한 Mn의 함유량(b)과 Ti, V 및 Nb의 합계 함유량(a)의 비율(a/b)이 0.02 이상 0.40 이하이다.
(8) 상기(1)∼(7) 중 어느 하나에 관한 스파크 플러그에 있어서, 상기 전극재료는 상기 Ni과 상기 Y 및 상기 희토류 원소의 적어도 1종의 금속간 화합물을 가진다.
본 발명은, 금속쉘의 단부에 비커스 경도가 3×102Hv 이상 5×102Hv 이하의 범위 내의 고경도 영역을 가지며, 또한 이 고경도 영역은 스파크 플러그의 축선과 접지전극의 축선을 포함하는 평면으로 절단한 단면에 있어서, 접지전극 측의 용접계면에서부터 금속쉘 측의 용접계면까지의 전기저항 용접시의 하중방향에 있어서의 길이(d)가 0.3㎜ 이상 0.8㎜ 이하, 특히 0.4㎜ 이상 0.6㎜ 이하의 범위에 있기 때문에, 접지전극이 금속쉘에 강고하게 전기저항 용접되어 이루어지는 스파크 플러그를 제공할 수 있다.
본 발명은, 상기 고경도 영역에 침상의 마텐자이트 조직이 포함되어 있으면, 접지전극과 금속쉘이 한층 더 큰 용접강도로 접합되게 되므로, 고장 등이 적은 스파크 플러그를 제공할 수 있다.
본 발명은, 접지전극을 형성하는 전극재료의 실온에 있어서의 비저항값이 7μΩ·㎝ 이상 20μΩ·㎝ 이하의 범위 내에 있으면, 접지전극과 금속쉘이 한층 더 큰 용접강도로 접합되게 되므로, 용접부분이 고강도로 된 스파크 플러그를 제공할 수 있다. 또한, 상기 비저항값이 너무 작으면, 전기저항 용접을 하기 어렵게 되어 접지전극과 금속쉘의 용접강도가 작아지게 되는 일이 있고, 한편 상기 비저항값이 너무 크면, 고경도 영역이 너무 커지게 되어 오히려 상기 용접강도가 저하되는 일이 있다.
본 발명은, 접지전극을 형성하는 전극재료의 1000℃에 있어서의 비저항값이 48μΩ·㎝ 이상 60μΩ·㎝ 이하의 범위 내에 있으면, 전기저항 용접에 있어서의 전극 자체의 소모가 적고, 용접 품질이 안정화되어 큰 용접강도로 접지전극과 금속쉘이 접합된 스파크 플러그를 제공할 수 있다.
본 발명에 있어서의 상기 접지전극으로서는, Ni기 합금 등 1종류의 전극재료에 의해서 형성되는 단일 구조의 접지전극뿐만 아니라, 상기 전극재료에 의해서 형성되는 외층과 이 외층에 의해서 내포되며 또한 이 외층보다도 열전도율이 높은 재료(즉, 비저항값이 낮은 재료)에 의해서 형성되는 내층으로 이루어지는 층 구조의 접지전극도 적용할 수 있다. 상기 층 구조로서는 2층에 한하지 않고, 내층에 의해서 내포되며 또한 이 내층과는 다른 재료에 의해서 형성되는 적어도 1개의 층 내지 심부가 더 형성됨으로써 3층 또는 4층 이상의 층 구조를 이루는 접지전극이어도 좋다.
본 발명에 있어서의 접지전극과 금속쉘의 용접은 전기저항 용접에 의해서 접합되는데, 접지전극의 전극부착은 그 외주를 처킹함에 의해서 이루어진다. 따라서, 용접시에 흐르는 전류는 접지전극의 외주부를 주로 흐르게 된다. 또, 내층을 형성하는 재료(이하, 심재(芯材)라고도 한다)로서는 Cu 혹은 Cu 합금이나 순Ni이 이용되는 것이 바람직한데, 외층보다 열전도율이 높기 때문에 용접(접합)의 구동력이 되는 접촉 저항 가열이 순식간에 방열되게 된다. 즉, 심재는 용접력에 기여하지 못하게 된다. 이상의 관점에서, 내부에 심재를 가지는 접지전극의 경우에는 내층보다 열전도율이 낮은 외층의 물성이 용접강도에 영향을 미친다. 이 물성 인자로서는, 상술한 인자와 같이 상기 접지전극의 외층의 실온에 있어서의 비저항값 및 1000℃에 있어서의 비저항값을 들 수 있다. 본 발명은, 상기 접지전극의 외층의 실온에 있어서의 비저항값이 7μΩ·㎝ 이상 20μΩ·㎝ 이하의 범위 내에 있는 것, 상기 접지전극의 외층의 1000℃에 있어서의 비저항값이 48μΩ·㎝ 이상 60μΩ·㎝ 이하의 범위 내에 있음으로써, 저항 용접에 있어서의 전극 자체의 소모가 적고, 용접 품질이 안정화되어 큰 용접강도로 접지전극과 금속쉘이 접합된 스파크 플러그를 제공할 수 있다.
본 발명은, 상기 전극재료가 Ni을 96질량% 이상 함유하고, Y과 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 합계로 0.05질량% 이상 0.45질량% 이하, Mn을 0.05질량% 이상, 및 Ti과 V과 Nb으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 합계로 0.01질량% 이상 함유하고, 또한 Mn의 함유량(b)과 Ti, V 및 Nb의 합계 함유량(a)의 비율(a/b)이 0.02 이상 0.40 이하인 것에 의해서, 고경도 영역의 범위를 나타내는 길이(d)를 0.3㎜ 이상 0.8㎜ 이하의 범위 내로 용이하게 조정할 수 있어, 용접강도가 큰 스파크 플러그를 제공할 수 있다.
본 발명은, 상기 전극재료가 상기 Ni과 상기 Y 및 상기 희토류 원소의 적어도 1종의 금속간 화합물을 가지고 있으면, 충분한 양의 금속간 화합물을 접지전극의 입계에 석출시킬 수 있기 때문에 입성장을 억제할 수 있고, 입성장의 억제는 접지전극의 강도, 나아가서는 금속쉘과의 용접강도를 한층 더 높일 수 있다. 결국, 본 발명에 의하면, 고온에 노출되더라도 접지전극과 금속쉘을 용접하여 이루어지는 용접부의 열화가 적어 용접강도가 큰 스파크 플러그를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 관한 스파크 플러그의 일 실시예인 스파크 플러그를 나타내는 설명도로서, 도 1(a)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 일 실시예인 스파크 플러그의 일부 단면 전체 설명도이고, 도 1(b)는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 일 실시예인 스파크 플러그의 주요 부분을 나타내는 단면 설명도이다.
도 2는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 일 실시예인 스파크 플러그를 그 축선과 접지전극의 축선을 포함하는 평면으로 절단한 단면을 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명에 관한 스파크 플러그의 다른 실시예인 스파크 플러그의 일부 단면 전체 설명도이다.
도 4는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 다른 실시예인 스파크 플러그를 그 축선과 접지전극의 축선을 포함하는 평면으로 절단한 단면을 나타내는 일부 확대 단면도이다.
도 5는 본 발명에 관한 스파크 플러그의 또 다른 실시예인 스파크 플러그를 그 축선과 접지전극의 축선을 포함하는 평면으로 절단한 단면을 나타내는 일부 확대 단면도이다.
본 발명에 관한 스파크 플러그는 통형상의 금속쉘과, 이 금속쉘의 단부에 전기저항 용접된 접지전극을 구비하여 이루어진다. 본 발명에 관한 스파크 플러그는, 이와 같은 구조를 가지는 스파크 플러그라면, 그 외의 구조는 특히 한정되지 않으며, 공지의 여러 가지 구조를 채용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예인 스파크 플러그를 도 1 및 도 2에 나타낸다. 이 스파크 플러그(1)는, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 대략 봉형상의 중심전극(2)과, 중심전극(2)의 외주에 설치된 대략 원통형상의 절연체(3)와, 절연체(3)를 유지하는 원통형상의 금속쉘(4)과, 일단이 금속쉘(4)의 단부에 설치됨과 아울러 타단이 중심전극(2)의 선단면과 불꽃방전간극(G)을 통해서 대향하도록 배치된 접지전극(6)을 구비하고 있다. 이 스파크 플러그(1)에 있어서, 편의상 금속쉘(4)에 있어서의 접지전극(6)이 설치되는 일측의 단부측(예를 들면, 도 1(a)에서의 하측)을 선단방향이라 하고, 타측의 단부측(예를 들면, 도 1(a)에서의 상측)을 후단방향이라 한다.
상기 금속쉘(4)은, 도 1에 나타낸 바와 같이 원통형상을 이루고 있으며, 절연체(3)를 내장함으로써 절연체(3)를 유지하도록 형성되어 있다. 금속쉘(4)에 있어서의 선단방향의 외주면에는 나사부(9)가 형성되어 있으며, 이 나사부(9)를 이용하여 도시하지 않은 내연기관의 실린더 헤드에 스파크 플러그(1)가 장착된다. 금속쉘(4)은 도전성의 철강 재료, 예를 들면 저탄소강에 의해서 형성될 수 있다.
상기 절연체(3)는, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 금속쉘(4)의 내주부에 예를 들면 활석(탈크)(10) 및 패킹(11)을 통해서 유지되어 있으며, 절연체(3)의 축선방향을 따라서 중심전극(2)을 유지하는 축구멍을 가지고 있다. 절연체(3)는 그 선단방향의 단부가 금속쉘(4)의 선단면에서 돌출된 상태로 금속쉘(4)에 고착되어 있다. 절연체(3)는 열을 전달하기 어려운 재료로 형성되어 있으면 되며, 이와 같은 재료로서는 예를 들면 알루미나를 주체로 하는 세라믹 소결체를 들 수 있다.
상기 중심전극(2)은, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 외측 부재(7)와 이 외측 부재(7)의 내부의 축심부에 동심적으로 매립되도록 형성되어 이루어지는 내측 부재(8)에 의해서 형성되어 있다. 중심전극(2)은 그 선단방향의 단부가 절연체(3)의 선단 개구부에서 돌출된 상태로 절연체(3)의 축구멍에 고정되어 있으며, 금속쉘(4)에 대해서 절연 유지되어 있다. 상기 선단방향의 단부는, 도 1(b) 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 절연체(3)의 선단 개구부에서부터 원뿔대의 둘레 측면과 같이 직경이 점차 축소되고, 그 후 원통체 형상으로 형성되어 있다. 이 중심전극(2)은 공지의 재료로 형성되어도 좋고, 접지전극(6)을 형성하는 전극재료로 형성되어도 좋다. 중심전극(2)이 공지의 재료로 형성되는 경우는, 예를 들면 외측 부재(7)가 공지의 Ni 합금 등으로 형성되고, 내측 부재(8)가 구리(Cu) 또는 은(Ag) 등의 열전도성이 우수한 금속재료에 의해서 형성된다.
상기 접지전극(6)은, 예를 들면 중간 부분을 구부림으로써 전체적으로 대략 L자로 형성된 각기둥체로 형성되어 이루어지며, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 일단이 금속쉘(4)의 선단면(41)에 전기저항 용접되고 타단이 중심전극(2)의 축선방향에 위치하도록 그 형상 및 구조가 설계되어 있다. 접지전극(6)이 이와 같이 설계됨으로써, 접지전극(6)의 타단이 중심전극(2)과 불꽃방전간극(G)을 통해서 대향하도록 배치되어 있다. 불꽃방전간극(G)은 중심전극(2)의 선단면과 접지전극(6)의 표면 사이의 간극이며, 이 불꽃방전간극(G)은 통상 0.3㎜ 이상 1.5㎜ 이하의 범위 내에서 설정된다.
또한, 도 1 및 도 2에 나타내는 접지전극(6)은 1종류의 전극재료에 의해서 형성되어 이루어지는 단일 구조를 가지지만, 도 5에 나타낸 바와 같이 외층(63)과 이 외층(63)에 의해서 내포되며 또한 이 외층(63)보다도 열전도율이 높은 내층(64)에 의해서 형성되는 2층 구조이어도 좋다. 또, 도시하지는 않았으나, 접지전극은 내층의 내부에 심부를 더 가지는 3층 구조이어도 좋고, 4층 이상의 층 구조이어도 좋다. 외층(63)은 공지의 재료에 의해서 형성되어도 좋지만, 상기한 바와 같이 외층(63)의 물성이 용접강도에 영향을 미치기 때문에, 후술하는 접지전극(6)을 형성하는 전극재료로 형성되는 것이 바람직하다. 내층(64)은 외층(63)보다도 열전도율이 높은 재료로 형성되며, 예를 들면 Cu, Cu 합금 등에 의해서 형성되면 좋다. 접지전극이 3층 구조인 경우에는, 내층의 내부에 있는 심부가 순Ni에 의해서 형성되면 좋다. 또, 도 5에 나타내는 접지전극(6")은, 내층(64)이 접지전극(6")의 기단부에서부터 선단 부근까지 연이어 존재하되 그 직경이 선단측으로 갈수록 점차 축소되도록 되어 있으나, 내층(64)이 존재하는 영역은 요구되는 성능에 따라서 적절히 설정된다.
금속쉘(4)은, 도 2에 나타낸 바와 같이 접지전극(6)이 전기저항 용접된 단부에 고경도 영역(42)을 가지고 있다. 이 고경도 영역(42)은 전기저항 용접시에 접지전극(6)과 금속쉘(4)에 흐르는 전류에 의해 발열된 열에 의해서 금속쉘(4)의 상기 단부 근방이 가열됨으로써, 금속쉘(4)이 고상변태(高相變態)하여 경도가 높아지게 된 영역이다. 고경도 영역(42)은 통상 전기저항 용접하면 용접부 근방에 형성된다.
이 스파크 플러그(1)는, 상기한 바와 같이 금속쉘(4)의 축선방향으로 하중을 걸은 상태에서 접지전극(6)이 금속쉘(4)의 단면(41)에 전기저항 용접되어 있기 때문에, 고경도 영역(42)은 도 2에 나타낸 바와 같이 전기저항 용접할 때에 발생하는 열의 확산방향, 예를 들면 금속쉘(4)의 축선방향으로 연장되도록 형성된다. 또한, 도 2에 나타내는 접지전극(6)은 금속쉘(4)의 단면에 전기저항 용접되어 이루어지는데, 본 발명에 있어서는, 도 4에 나타낸 바와 같이 금속쉘의 단부에 있어서의 외주면에 접지전극이 전기저항 용접에 의해서 접합되어 있어도 좋다. 이 경우, 금속쉘의 단부에 있어서의 외주면 및 단면에 개구됨과 아울러 금속쉘의 중심축선에 평행하게 형성된 긴 홈형상의 절결부에 접지전극을 장착하고, 이 접지전극에 대해서 금속쉘의 중심축선에 직교하는 방향으로 향하는 가압력을 가하면서 전기저항 용접을 함으로써, 금속쉘의 단부에 있어서의 외주면에 접지전극을 장착할 수 있다.
금속쉘의 단면 또는 단부에 있어서의 외주면 중 어느 곳에 접지전극이 형성되더라도, 금속쉘에 있어서의 고경도 영역은, 접지전극과 금속쉘의 용접계면(즉, 접지전극 측의 용접계면) 및 고경도 영역과 전기저항 용접에 의해서도 경도가 변화하지 않는 영역의 계면{즉, 금속쉘의 내부에 형성되어 있는 용접계면(이하, '금속쉘 측의 용접계면'이라 한다)}에 의해서 둘러싸이는 영역으로서 나타난다.
도 2에 나타내는 스파크 플러그(1)에 있어서는, 스파크 플러그(1)의 축선(1c)과 접지전극(6)의 축선(6c)을 포함하는 평면으로 절단한 단면에 있어서의 고경도 영역(42)은, 접지전극(6) 측의 용접계면(61)과 금속쉘(4) 측의 용접계면(43)으로 둘러싸이는 영역으로서 나타나 있다.
이 용접계면(61)과 용접계면(43)은, 접지전극(6)과 금속쉘(4)의 용접부의 단면을 에칭 처리하고서 그 단면을 금속 현미경으로 관찰함으로써 분별할 수 있다.
이 고경도 영역(42)은 3×102Hv 이상 5×102Hv 이하의 범위 내에 있는 비커스 경도를 가진다. 비커스 경도는 JIS Z2244에 규정된 미소 비커스 경도 시험방법에 준거하여, 측정 대상부에 대면각 α=136°의 정사각뿔의 압자(壓子)를 490mN의 하중으로 압입하여 측정하였을 때의 값이다.
고경도 영역(42)은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 스파크 플러그(1)의 축선(1c)과 접지전극(6)의 축선(6c)을 포함하는 평면으로 절단한 단면에 있어서, 접지전극(6) 측의 용접계면(61)에서부터 금속쉘(4) 측의 용접계면(43)까지의 전기저항 용접시의 하중방향(D)을 따르는 길이(d)가 0.3㎜ 이상 0.8㎜ 이하의 범위에 있다. 환언하면, 스파크 플러그(1)는 그 축선(1c)과 접지전극(6)의 축선(6c)을 포함하는 평면으로 절단한 단면에 있어서, 접지전극(6) 측의 용접계면(61)에서부터 금속쉘(4) 측의 용접계면(43)까지의 전기저항 용접시의 하중방향(D)에 있어서의 길이(d)가 0.3㎜ 이상 0.8㎜ 이하의 범위가 되는 고경도 영역(42)을 금속쉘(4)의 단부에 가지고 있다. 상기 길이(d)가 0.3㎜ 미만이면, 애초부터 접지전극(6)이 금속쉘(4)에 전기저항 용접되지 않는 일이 있고, 0.8㎜를 넘으면, 접지전극(6)이 금속쉘(4)에 전기저항 용접되더라도 그 용접강도가 작은 일이 있다. 고경도 영역의 존재를 나타내는 상기 길이(d)는, 접지전극(6)과 금속쉘(4)의 한층 더 강고한 용접강도를 발현할 수 있는 점에서 0.35㎜ 이상 0.65㎜ 이하의 범위가 바람직하고, 0.4㎜ 이상 0.6㎜ 이하의 범위가 보다 바람직하고, 0.45㎜ 이상 0.55㎜ 이하의 범위가 특히 바람직하다. 여기서, 상기 길이(d)는 전기저항 용접시의 하중방향(D)을 따르는 최대 길이이고, 스파크 플러그(1)에 있어서는 상기 축선(6c){전기저항 용접시의 하중방향(D)과 일치한다}의 연장선상의 길이로 되어 있다.
상기 길이(d)는 예를 들면 다음과 같이 하여 측정된다. 스파크 플러그(1)의 축선(1c)과 접지전극(6)의 축선(6c)을 포함하는 평면으로 스파크 플러그(1)를 절단하여 이루어지는 단면(도 2 참조)을, 예를 들면 에칭 처리하고서 그 단면을 금속 현미경으로 관찰하여 촬영한다. 촬영한 단면 사진에 있어서, 접지전극(6)이 전기저항 용접되었을 때의 하중방향(D)을 결정한다. 그리고, 이 단면 사진에 있어서, 특정된 접지전극(6) 측의 상기 용접계면(61)에서부터 금속쉘(4) 측의 상기 용접계면(43)까지의 접지전극에 있어서의 축선상의 길이를 계측하고, 그 길이를 상기 길이(d)로 한다.
고경도 영역(42)은 침상의 마텐자이트 조직을 함유하고 있는 것이 바람직하다. 이 마텐자이트 조직이 존재하더라도, 상기 고경도 영역의 범위를 나타내는 길이(d)가 0.8㎜를 넘으면, 접지전극과 금속쉘의 용접부에 있어서의 용접강도가 저하되는 일이 있다. 또, 마텐자이트 조직이 존재하더라도, 상기 고경도 영역의 범위를 나타내는 길이(d)가 0.3㎜ 미만이면, 접지전극과 금속쉘의 용접부에 있어서의 용접강도가 저하되는 일이 있다. 상기 고경도 영역의 범위를 나타내는 길이(d)가 0.3㎜ 이상 0.8㎜ 이하, 바람직하게는 0.4㎜ 이상 0.6㎜ 이하이고, 또한 마텐자이트 조직이 이 영역에 존재하면, 한층 더 용접강도가 향상된다.
마텐자이트 조직은 예를 들면 침상, 구상(球狀) 등의 형태를 취할 수 있지만, 한층 더 높은 용접강도가 발현되는 점에서 침상인 것이 바람직하다. 고경도 영역(42)에 침상의 마텐자이트 조직이 존재하는지 아닌지는, 예를 들면 고경도 영역(42)의 단면을 에칭 처리하고서 그 단면을 금속 현미경으로 관찰함으로써 확인할 수 있다.
이 접지전극(6)의 치수는 특히 한정되지 않으며, 스파크 플러그에 요구되는 호칭직경에 적합하고, 상기 금속쉘(4)에 전기저항 용접 가능한 치수를 가지고 있으면 좋다.
금속쉘(4)의 단부에 접지전극(6)을 전기저항 용접할 경우에는, 금속쉘(4)의 단부에 접지전극(6)을 꽉 눌러 붙인 상태(즉, 하중부하상태)로 하면서 접지전극(6)과 금속쉘(4)에 통전한다. 본 발명에 관한 스파크 플러그의 제조방법에 있어서의 제조 조건 하에서는, 단일 구조의 접지전극을 형성하는 전극재료 및 층 구조의 접지전극의 외층을 형성하는 전극재료는, 실온에 있어서의 비저항값이 7μΩ·㎝ 이상 20μΩ·㎝ 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하고, 특히 8μΩ·㎝ 이상 17μΩ·㎝ 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
상기 전극재료의 실온에 있어서의 비저항값이 상기 범위 내에 있으면, 접지전극과 금속쉘의 용접부에 있어서의 고경도 영역의 범위를 나타내는 길이(d)가 0.3㎜ 이상 0.8㎜ 이하인 경우에는, 큰 용접강도의 용접부가 형성된다.
용접강도를 크게 할 수 있는 상기 고경도 영역을 본 발명에서 규정하는 범위, 즉 접지전극 측의 용접계면에서부터 금속쉘 측의 용접계면까지의 길이(d)를 0.3㎜ 이상 0.8㎜ 이하로 하기 위해서는 1000℃에 있어서의 비저항값이 48μΩ·㎝ 이상 60μΩ·㎝ 이하, 특히 49μΩ·㎝ 이상 54μΩ·㎝ 이하인 소재로 접지전극을 형성하는 것이 바람직하다.
상기 전극재료는 7μΩ·㎝ 이상 20μΩ·㎝ 이하의 실온에 있어서의 비저항값 및 48μΩ·㎝ 이상 60μΩ·㎝ 이하의 1000℃에 있어서의 비저항값을 모두 가지고 있는 것이 특히 좋다.
상기 실온에 있어서의 비저항값 및 상기 1000℃에 있어서의 비저항값은, 접지전극을 실온으로 또는 1000℃로 조정 또는 가열하고, 이 온도를 유지한 채로 휘트스톤 브리지법에 의해서 측정할 수 있다. 또한, 접지전극이 외층과 내층에 의해 형성되는 경우에는, 내층을 제외한 외층만에 대해서 실온에 있어서의 비저항값 및 1000℃에 있어서의 비저항값을 상기한 바와 같이 측정한다.
상기 전극재료는 Ni 단독으로 형성되어 있어도 좋다. 이 경우, 접지전극은 미량의 불가피적인 불순물을 함유하고 있어도 되는 것은 말할 필요도 없다.
접지전극이 Ni을 96질량% 이상 함유하는 전극재료에 의해서 형성되는 경우에, Y과 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 합계로 0.05질량% 이상 0.45질량% 이하의 비율로, Mn을 0.05질량% 이상의 비율로, 특히 0.05질량% 이상 3질량% 이하의 비율로, 및 Ti과 V과 Nb으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 합계로 0.01질량% 이상, 특히 0.01질량% 이상 0.1질량% 이하의 비율로 함유하고, 또한 Mn의 함유량(b)과 Ti, V 및 Nb의 합계 함유량(a)의 비율(a/b)이 0.02 이상 0.40 이하이면, 이 접지전극은 금속쉘과의 용접강도와 더불어 내산화성 등을 동시에 향상시킬 수 있어 바람직하다. 상기 희토류 원소로서는, 예를 들면 Nd, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu 등을 들 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서의 전극재료는, 상기한 성분 외에 Si, Al 및 Cr으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속 성분을 함유하여도 좋다. 이들 금속 성분의 함유량은 Ni과, Y 및 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종과, Mn과, Ti과 V과 Nb으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 합계를 100에서 뺀 질량%가 되며, 바람직하게는, Si에 대해서는 0.15질량% 이상 1.5질량% 이하의 범위 중에서 선택되고, Al에 대해서는 0.01질량% 이상 0.1질량% 이하의 범위 중에서 선택되고, Cr에 대해서는 0.05질량% 이상 0.5질량% 이하의 범위 중에서 전체의 합계가 100질량%가 되도록 그 함유량이 결정된다.
전극재료에 Si, Al 및/또는 Cr 중 적어도 1종이 포함되어 있으면, Mn의 산화피막이 더 강고하게 된다. 따라서, 전극재료가 Si, Al 및/또는 Cr을 함유하면, 내산화성이 향상됨과 아울러, 보다 효과적으로 부식형태의 신생이물(新生異物)의 발생을 억제할 수 있다.
또, 이 전극재료는 C를 포함하고 있어도 좋다. C를 포함하는 전극재료로 형성된 접지전극은, 고온 환경 하에서의 전극재료의 기계적 강도를 확보할 수 있기 때문에, 전극의 절손 및 변형을 방지할 수 있다. 전극이 고온 환경 하에 노출되거나, 전극의 열전도가 나빠서 전극 온도가 상승하더라도, 전극의 기계적 강도를 확보할 수 있는 점에서, C의 함유율은 0.005질량% 이상, 더 바람직하게는 0.01질량% 이상 0.05질량% 이하인 것이 좋다.
전극재료가 Y 및 희토류 원소를 함유하는 경우에는, Y 및 희토류 원소의 합계 함유율은 접지전극의 질량 전체에 대해서 0.05질량% 이상 0.45질량% 이하이다. Y 및 희토류 원소의 합계 함유율이 상기 범위 내에 있으면, 충분한 양의 금속간 화합물이 입계에 석출됨에 의해서 입성장을 억제하여 재료 강도가 향상되기 때문에, 금속쉘과의 용접강도를 한층 더 높일 수 있다.
매우 적합한 전극재료는 적어도 입계에 Ni과, Y 및 희토류 원소의 적어도 1종의 금속간 화합물을 가지고서 이루어진다. 고온 하에서 실시되는 불꽃 방전에 수반되는 부하가 걸릴 정도로 가혹한 환경에 있어서, 전극재료를 구성하는 결정립이 2차 재결정에 의해서 조대화(粗大化), 즉 입성장하는 경우가 있는데, 적어도 입계에 상기 금속간 화합물이 존재하면 결정립의 입성장이 억제된다. 입성장을 억제할 수 있으면 결정립의 입경은 작은 상태로 유지되며, 이것에 의해서 입계의 구조를 복잡한 상태인 채로 유지할 수 있기 때문에, 또 Y 및 희토류 원소의 산화물이 전극재료의 입계에 형성됨으로써, 입계를 따라서 외부로부터 산소 등이 침입하더라도 그 침입의 심도가 깊게 되는 일이 없어 내부 산화를 충분히 억제할 수 있다. 따라서, 상기 금속간 화합물이 전극재료의 적어도 입계에 존재하면, 높은 내산화성 및 내불꽃 소모성을 발휘한다.
상기 금속간 화합물은 스파크 플러그의 전극이 노출되는 고온 하에서도 분해되는 일이 없는 안정한 화합물이며, Ni 및 Y을 포함하는 금속간 화합물이어도, Ni 및 희토류 원소를 포함하는 금속간 화합물이어도, 또 Ni, Y 및 희토류 원소를 포함하는 금속간 화합물이어도 상기한 바와 같은 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 상기 금속간 화합물은 Ni과, Y 및/또는 희토류 원소를 포함하는 금속간 화합물이라면, 다른 성분을 포함하고 있어도 좋다.
상기 금속간 화합물은, 접지전극의 내산화성 및 내불꽃 소모성을 향상시키기 위해서는 적어도 전극의 입계에 석출 또는 존재하고 있으면 좋고, 입계에만 존재하고 있어도, 입계 및 입자 내에 존재하고 있어도 좋다. 이들 금속간 화합물의 존재는, 예를 들면 접지전극의 표면 또는 임의의 단면에 있어서의 Ni, Y 및 희토류 화합물의 각 원소의 분산 상태(농도 분포)를 전자탐침 미소분석(EPMA)에 의해서 확인할 수 있다.
이 전극재료는 Ni, Y과 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종, Mn, 및 Ti과 V과 Nb으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종과, 소망에 따라서 Si, Al, Cr 및/또는 C를 실질적으로 함유한다. 이것들의 각 성분은, 상기한 각 성분의 함유율의 범위 내에서 이것들의 각 성분과 불가피 불순물의 합계가 100질량%가 되도록 함유된다. 상기한 성분 이외의 성분, 예를 들면 S, P, Fe, Cu, B, Zr, Mg, 및/또는 Ca이 미량의 불가피 불순물로서 함유되는 일이 있다. 이 불가피 불순물의 함유량은 적은 쪽이 바람직하지만, 본원 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 함유하고 있어도 좋고, 상기한 성분의 합계 질량을 100질량부로 하였을 때에, 상기한 1종류의 불가피 불순물의 비율은 0.1질량부 이하, 함유되는 모두 종류의 불가피 불순물의 합계 비율은 0.2질량부 이하인 것이 좋다.
이 전극재료에 포함되는 각 성분의 함유율은 다음과 같이 하여 측정할 수 있다. 즉, 단일 구조의 접지전극 또는 층 구조의 접지전극에 있어서의 외층을 이 전극재료에 의해서 형성하였을 경우에, 이 접지전극과 금속쉘 및/또는 귀금속 팁 등의 다른 부재, 혹은 외층과 금속쉘, 내층, 및/또는 귀금속 팁 등의 다른 부재를 용융 접착할 때에 형성되는 용융부를 제외하는 부분에서 시료를 채취하고(탄소 유황 분석은 0.3g 이상, ICP 발광 분석은 0.2g 이상이 바람직하다), C의 함유량은 탄소 유황 분석에 의해서, 그 외 성분은 ICP 발광 분석(inductively coupled plasma emission spectrometry)에 의해서 분석한다. Ni에 대해서는 상기 분석 측정값의 잔부로서 산출한다. 탄소 유황 분석에서는 채취한 시료를 연소로에서 열분해하고, 비분산 적외선 검출을 함으로써 C의 함유량을 정량한다(탄소 유황 분석 장치로서, 예를 들면 호리바 제작소제품 EMIA-920V). ICP 발광 분석에서는 시료를 산분해법(예를 들면, 초산)에 의해서 용액화하고, 정성(定性) 분석 후, 검출 원소 및 지정 원소에 대해서 정량을 실시한다(ICP 발광 분석 장치로서, 예를 들면 서모 피셔 제품 iCAP-6500). 어느 분석이든 3회의 측정값의 평균값을 산출하고, 그 평균값을 전극재료에 있어서의 각 성분의 함유율로 한다.
이 전극재료는 소정의 원료를 소정의 배합 비율로 배합하여 이하에 나타낸 바와 같이 제조된다. 제조된 전극재료의 조성은 원료의 조성과 거의 일치한다. 따라서, 이 전극재료에 함유되는 각 성분의 함유율은, 간이적인 방법으로서 원료의 배합비율로부터도 산출할 수 있다.
전극재료는 예를 들면 다음과 같이 하여 제조할 수 있다. 우선, 각 성분의 함유율이 상기한 범위가 되는 전극재료를, Ni을 96질량% 이상, Y과 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 합계로 0.05질량% 이상 0.45질량% 이하, Mn을 0.05질량% 이상 3질량% 이하, 및 Ti과 V과 Nb으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 합계로 0.01질량% 이상 0.1질량% 이하의 비율이 되도록, 또 소망에 따라서 Si를 0.15질량% 이상 1.5질량% 이하, Al을 0.01질량% 이상 0.1질량% 이하, Cr을 0.05질량% 이상 0.5질량% 이하, 및 C를 0.005질량% 이상을 용해하여 조제한다. 또한, 전극재료에 있어서의 Mn의 함유량(b)과 Ti, V 및 Nb의 합계 함유량(a)의 비율(a/b)이 0.02 이상 0.4 이하가 되도록 조제한다.
이와 같이 하여 조제한 전극재료를 소정의 형상으로 가공하여 중심전극(2) 및/또는 접지전극(6)을 제작한다.
이 스파크 플러그(1)는, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 접지전극(6)의 일단이 금속쉘(4)의 축선방향{스파크 플러그(1)의 축선(1c)과 일치하는 방향}으로 하중을 건 상태에서 금속쉘(4)의 단부에 있어서의 단면(41)에 전기저항 용접되어 이루어진다. 즉, 접지전극(6)과 금속쉘(4)은, 접지전극(6)의 일단에 있어서의 단면이 금속쉘(4)의 축선방향으로 하중을 건 상태에서 상기 단면(41)에 맞닿게 되며, 전기저항 용접되어 있다.
본 발명에 관한 스파크 플러그의 다른 실시예인 스파크 플러그를 도 3 및 도 4에 나타낸다. 이 스파크 플러그(1')는, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 금속쉘(4')의 외주면에 형성된 절결부(44)에 접지전극(6)의 일단이 전기저항 용접에 의해서 접합되어 이루어진다.
상기 절결부(44)는 금속쉘(4')의 단부에 있어서의 외주면 및 단면에 개구되되, 상기 접지전극(6)을 삽입할 수 있도록 형성된다.
더 상세하게 말하면, 스파크 플러그(1')는 대략 봉형상의 중심전극(2)과, 중심전극(2)의 외주에 설치된 대략 원통형상의 절연체(3)와, 절연체(3)를 내부에 유지하는 원통형상의 금속쉘(4')과, 일단이 금속쉘(4)의 단부에 설치됨과 아울러 타단이 중심전극(2)의 선단면과 불꽃방전간극(G)을 통해서 대향하도록 배치된 접지전극(6)을 구비하고 있다. 이 스파크 플러그(1')에 있어서, 편의상 금속쉘(4')에 있어서의 접지전극(6)이 설치되는 일측의 단부측(예를 들면, 도 3에서의 하측)을 선단방향이라 하고, 타측의 단부측(예를 들면, 도 3에서의 상측)을 후단방향이라 한다.
스파크 플러그(1')에 있어서의 금속쉘(4')은, 도 4에 명확하게 나타낸 바와 같이, 금속쉘(4')의 단부에 있어서의 외주면에 금속쉘(4')의 축선방향을 따라서 연장되는 긴 홈형상의 절결부(44)가 형성되어 있다. 이 절결부(44)는, 접지전극(6)을 전기저항 용접할 때에 접지전극(6)이 끼워지는 오목부이며, 접지전극(6)의 치수보다도 약간 작은 치수로 조정되어 있다. 절결부(44)는, 접지전극(6)이 끼워져서 그 용접 위치를 고정할 수 있으면, 그 치수 및 형상은 특히 한정되지 않는다. 이 예에 있어서, 절결부(44)는 금속쉘(4')의 축선방향에 직교하는 단면 형상 및 치수가 상기 축선방향의 어느 위치에 있더라도 동일하게 되어 있다.
스파크 플러그(1')에 있어서의 절연체(3) 및 중심전극(2)은 스파크 플러그(1)에 있어서의 절연체(3) 및 중심전극(2)과 기본적으로 같고, 스파크 플러그(1')에 있어서의 접지전극(6)은 그 축선방향의 길이가 절결부(44)에 끼워지는 부분만큼 길게 되어 있는 것 이외에는 스파크 플러그(1)에 있어서의 접지전극(6)과 기본적으로 같다.
이 스파크 플러그(1')는, 상기한 바와 같이 접지전극(6)의 일단이 금속쉘(4')의 절결부(44)에 끼워지되, 금속쉘(4')의 반경방향에 있어서 스파크 플러그(1')의 축선(1'c)으로 향하는 방향{하중방향(D)}으로 하중을 걸은 상태에서 금속쉘(4')의 상기 절결부(44)에 전기저항 용접되어 이루어진다.
접지전극(6)이 전기저항 용접된 금속쉘(4')은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 접지전극(6)이 전기저항 용접된 단부에 고경도 영역(45)을 가지고 있다. 이 고경도 영역(45)은, 스파크 플러그(1)의 고경도 영역과 마찬가지로, 전기저항 용접시에 접지전극(6)과 금속쉘(4')에 흐르는 대전류에 의해 발열된 열에 의해서 고상변태하여 경도가 높아지게 되는 영역이다. 따라서, 스파크 플러그(1')에 있어서의 고경도 영역(45)은 스파크 플러그(1)에 있어서의 고경도 영역(42)과 기본적으로 같다.
스파크 플러그(1')는, 상기한 바와 같이 금속쉘(4')의 반경방향{하중방향(D)}으로 하중을 걸은 상태에서 접지전극(6)이 금속쉘(4')의 절결부(44)에 전기저항 용접되어 있기 때문에, 고경도 영역(45)은 도 4에 나타낸 바와 같이 전기저항 용접할 때에 발생하는 열의 확산방향, 예를 들면 금속쉘(4')의 반경방향에 있어서 스파크 플러그(1')의 축선(1'c)으로 향하는 방향{하중방향(D)}으로 연장되도록 형성된다.
따라서, 고경도 영역(45)은 접지전극(6)과 금속쉘(4')의 용접계면{즉, 접지전극(6) 측의 용접계면(62)} 및 고경도 영역(45)과 전기저항 용접에 의해서 경도가 변화하지 않는 영역의 계면{즉, 금속쉘(4') 측의 용접계면(46)}에 의해서 둘러싸이는 영역이다. 스파크 플러그(1')의 축선(1'c)과 접지전극(6)의 축선(6c)을 포함하는 평면으로 절단한 단면에 있어서의 고경도 영역(45)은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 접지전극(6) 측의 용접계면(62)과 금속쉘(4') 측의 용접계면(46)으로 둘러싸이는 영역이다. 접지전극(6) 측의 용접계면(62) 및 금속쉘(4') 측의 용접계면(46)은, 스파크 플러그(1)에 있어서의 접지전극(6) 측의 용접계면(61) 및 금속쉘(4) 측의 용접계면(43)과 기본적으로 같다.
고경도 영역(45)은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 스파크 플러그(1')의 축선(1'c)과 접지전극(6)의 축선(6c)을 포함하는 평면으로 절단한 단면에 있어서, 접지전극(6) 측의 용접계면(62)에서부터 금속쉘(4') 측의 용접계면(46)까지의 전기저항 용접시의 하중방향(D)에 있어서의 길이(d)가 0.3㎜ 이상 0.8㎜ 이하의 범위에 있다. 환언하면, 스파크 플러그(1')는 그 축선(1'c)과 접지전극(6)의 축선(6c)을 포함하는 평면으로 절단한 단면에 있어서, 접지전극(6) 측의 용접계면(62)에서부터 금속쉘(4') 측의 용접계면(46)까지의 전기저항 용접시의 하중방향(D)에 있어서의 길이(d)가 0.3㎜ 이상 0.8㎜ 이하의 범위가 되는 고경도 영역(45)을 금속쉘(4')의 단부에 가지고 있다. 상기 길이(d)가 0.3㎜ 미만이면, 애초부터 접지전극(6)이 금속쉘(4')에 전기저항 용접되지 않는 일이 있고, 0.8㎜를 넘으면, 접지전극(6)이 금속쉘(4')에 전기저항 용접되더라도 그 용접강도가 작은 일이 있다. 상기 길이(d)는, 접지전극(6)과 금속쉘(4')의 한층 더 강고한 용접강도를 발현할 수 있는 점에서 0.35㎜ 이상 0.65㎜ 이하의 범위가 바람직하고, 0.4㎜ 이상 0.6㎜ 이하의 범위가 보다 바람직하고, 0.45㎜ 이상 0.55 이하의 범위인 것이 특히 바람직하다. 여기서, 상기 길이(d)는 전기저항 용접시의 하중방향(D)을 따르는 최대 길이이고, 스파크 플러그(1')에 있어서는 절결부(44)에 있어서의 축선(6c)방향의 길이의 중앙부의 하중방향(D)에 있어서의 길이로 되어 있다.
상기 길이(d)는, 스파크 플러그(1)의 상기 길이(d)와 기본적으로 같게 하여 측정된다. 즉, 스파크 플러그(1)와 마찬가지로, 스파크 플러그(1')의 축선(1'c)과 접지전극(6)의 축선(6c)을 포함하는 평면으로 절단하여 이루어지는 단면(도 4 참조)을 촬영한 단면 사진에 있어서, 상기 하중방향(D), 상기 용접계면(62) 및 상기 용접계면(46)을 특정하고, 특정된 하중방향(D)에 있어서의 상기 용접계면(62)에서부터 상기 용접계면(46)까지의 길이를 계측하고, 그 최대 길이를 상기 길이(d)로 한다.
본 발명에 관한 스파크 플러그의 제조방법의 일례를 이하에 설명한다. 우선, 접지전극의 제조방법에 대해서 설명한다.
접지전극(6)은, 본 발명에 관한 스파크 플러그에 있어서의 접지전극을 제조할 수 있는 소재로부터 합금 재료를 조정하고, 이 합금 재료를 주조, 어닐링하여 소정의 치수 및 형상으로 성형한 선재 혹은 봉재 등으로서 제작된다.
또한, 접지전극(6)은 상기 합금 재료에 의해 연속해서 제작할 수도 있다. 예를 들면, 접지전극은 진공 용해로를 이용하여 상기 조성을 가지는 합금의 용탕을 조제하고, 진공 주조 등에 의해서 각 용탕으로부터 주괴를 조제한 후, 이 주괴를 열간 가공, 와이어 드로잉 가공 등을 실시하여 소정의 형상 및 소정의 치수를 가지는 봉형상체로 적절하게 조정하여 제작할 수 있다. 또한, 상기 합금 재료의 주조 또는 어닐링을 진공 중에서 실시하면, 금속간 화합물을 적어도 입계에 가지는 접지전극을 제작할 수 있다.
외층(63)의 내부에 내층(64)을 가지는 접지전극(6")은 다음과 같이 제작한다. 상기 합금 재료를 주조한 후에 환봉으로 신선(伸線) 가공을 실시하고, 이 환봉을 컵형상으로 형성하여 외층이 되는 컵체를 제작한다. 한편, 외층이 되는 합금 재료보다도 열전도율이 높은 Cu 또는 Cu 합금 등의 재료를 주조에 의해 환봉으로 하고, 이 환봉을 열간 가공 및 와이어 드로잉 가공 등을 실시하여 내층이 되는 봉형상체를 제작한다. 이 봉형상체를 상기 컵체에 삽입하고, 압출 가공 등의 소성 가공 후에 와이어 드로잉 가공을 실시하여 외층의 내부에 내층을 가지는 접지전극을 제작한다. 이와 같이 하여 제작된 접지전극은 가공에 의해서 경도가 높게 되어 있기 때문에, 불활성 분위기 중 600∼980℃로 1시간 가열 유지하여 어닐링을 실시한다.
또한, 접지전극(6,6")은 미리 중간 부분을 대략 L자로 구부리고서 금속쉘에 전기저항 용접하여도 좋고, 상기한 바와 같이 하여 제작된 봉형상의 접지전극용 금속 봉재를 금속쉘에 전기저항 용접한 후에 구부려서 중심전극(2)의 선단면과 불꽃방전간극(G)을 통해서 대향하도록 하여도 좋다.
이상과 같이 하여 얻어진 본 발명에 관한 스파크 플러그에 사용되는 접지전극(6,6")을 형성하는 전극재료는, 실온에서 7μΩ·㎝ 이상 20μΩ·㎝ 이하의 비저항값을 가지고 있는 것이 바람직하다. 상기 비저항값이 너무 작으면, 전기저항 용접을 하기 어렵게 되어 접지전극과 금속쉘의 용접강도가 작아지게 되는 일이 있고, 한편 상기 비저항값이 너무 크면, 고경도 영역이 너무 커지게 되어 오히려 상기 용접강도가 저하되는 일이 있다. 실온에 있어서의 비저항값이 비교적 작더라도 상기 범위 내에 있으면, 접지전극과 금속쉘의 전기저항 용접에 의해서 생기는 고경도 영역의 상기 길이(d)가 상기 범위 내가 되어, 접지전극을 금속쉘에 강고하게 전기저항 용접할 수 있다. 접지전극의 상기 비저항값은 8μΩ·㎝ 이상 17μΩ·㎝ 이하의 범위 내에 있는 것이 보다 바람직하고, 9μΩ·㎝ 이상 11μΩ·㎝ 이하의 범위 내에 있는 것이 특히 바람직하다.
또, 상기 전극재료는 48μΩ·㎝ 이상 60μΩ·㎝ 이하의 범위 내의 1000℃에 있어서의 비저항값을 가지고 있는 것도 바람직하다. 상기 실온에 있어서의 비저항값과 마찬가지로, 1000℃에 있어서의 비저항값이 비교적 작더라도 상기 범위 내에 있으면, 접지전극을 금속쉘에 강고하게 전기저항 용접할 수 있다. 상기 전극재료의 상기 비저항값은 49μΩ·㎝ 이상 54μΩ·㎝ 이하의 범위 내에 있는 것이 보다 바람직하고, 50μΩ·㎝ 이상 52μΩ·㎝ 이하의 범위 내에 있는 것이 특히 바람직하다.
상기 전극재료는 상기 실온에 있어서의 비저항값 및 1000℃에 있어서의 비저항값이 모두 상기 범위에 있는 것이 특히 바람직하다. 상기 실온에 있어서의 비저항값 및 상기 1000℃에 있어서의 비저항값은 상기한 측정방법에 따라서 측정할 수 있다.
그리고, 소정의 형상으로 소성 가공 등에 의해서 형성한 금속쉘의 단부에 접지전극의 일단을 전기저항 용접에 의해서 접합하여 금속쉘의 단부에 접지전극을 형성한다. 접지전극과 금속쉘의 전기저항 용접은 접지전극을 소정 방향으로 하중을 걸은 상태에서 금속쉘의 단부에 전기저항 용접한다.
구체적으로는, 도 1에 나타낸 바와 같은 스파크 플러그(1)의 경우는, 금속쉘(4)의 후단부에 금속제 지지부재를 받쳐놓음과 아울러, 도 2에 나타낸 바와 같이, 금속쉘(4)의 단면(41)에 접지전극(6)의 일단을 금속쉘(4)의 축선방향으로 하중을 걸은 상태에서 맞닿게 하고, 전기저항 용접기의 전극을 접지전극(6)에 대고서 전기저항 용접한다.
도 4에 나타낸 바와 같은 스파크 플러그(1')의 경우는, 도 4에 나타낸 바와 같은 절결부(44)에 접지전극(6)의 일단을 끼우되 절결부(44)의 저면에 접지전극(6)의 측면을 맞닿게 하고, 금속쉘(4')의 반경방향에 있어서 스파크 플러그(1')의 축선(1'c)으로 향하는 방향{하중방향(D)}으로 하중을 걸은 상태에서 전기저항 용접한다. 이 경우에는, 상기 절결부(44)는 예를 들면 밀링머신을 이용하는 절삭 가공에 의해서 접지전극(6)의 일단보다도 약간 작은 치수로 형성된다. 접지전극(6)을 상기 하중방향(D)으로 하중을 걸면, 금속쉘(4')의 단부가 변형되는 일도 있기 때문에, 바람직하게는 전기적으로 접지된 금속제 지지부재를 금속쉘(4')에 삽입하고, 저항 용접기의 전극을 접지전극(6)에 대고서 전기저항 용접한다.
금속쉘(4)과 접지전극(6)의 전기저항 용접은, 예를 들면 접지전극(6)의 일단을 금속쉘(4)의 단부에 압접한 상태에서 실시할 수 있다.
이와 같이 하중을 걸면서 전기저항 용접을 하면, 상기 비저항값을 가지는 비교적 전기저항 용접하기 어려운 합금 재료로 접지전극(6)이 형성되어 있더라도, 금속쉘(4)에 형성되는 고경도 영역을 작게 하여 상기 길이(d)를 상기 범위 내로 할 수 있어, 접지전극(6)을 금속쉘(4)에 강고한 용접강도로 전기저항 용접할 수 있다.
접지전극과 금속쉘에 흘리는 전류는, 단위 접촉 면적당 0.8㎄ 이상 3.0㎄ 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 접지전극과 금속쉘에 전류를 흘리는 시간은, 통전시간 6사이클 이상 50사이클 이내(1사이클=1/60초)인 것이 바람직하다. 상기 전류값 및 전류 통전시간 중 어느 것인가가 상기 범위 내이면, 상기 비저항값을 가지는 비교적 전기저항 용접하기 어려운 합금 재료로 접지전극이 형성되어 있더라도, 한층 더 강고한 용접강도로 접지전극을 금속쉘에 전기저항 용접할 수 있다.
이와 같이 금속쉘에 접지전극을 설치한 후, 중심전극을 상기한 재료로 컵형상으로 형성한 외측 부재에 상기한 재료로 성형한 내측 부재를 삽입하고서 압출 가공 등의 소성 가공에 의해서 제작하고, 세라믹 등을 소정의 형상으로 소성함에 의해서 절연체를 제작한다.
이와 같이 하여 제작된 중심전극을 절연체에 공지의 수법에 따라 조립하고, 접지전극이 설치된 금속쉘에 상기 절연체를 조립한다. 이와 같이 하여 스파크 플러그를 제조할 수 있다.
본 발명에 관한 스파크 플러그는, 비교적 전기저항 용접하기 어려운 합금 재료로 접지전극이 형성되어 있더라도 높은 용접강도로 접지전극을 강고하게 금속쉘에 전기저항 용접함에 의해서 제조될 수 있기 때문에, 생산성 높게 제조된 스파크 플러그라고 말할 수 있다.
본 발명에 관한 스파크 플러그는, 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본원 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위에 있어서 여러 가지 변경이 가능하다. 예를 들면, 상기 스파크 플러그(1,1',1")는, 중심전극(2)의 선단면과 접지전극(6 또는 6")에 있어서의 타단의 표면이 중심전극(2)의 축선방향으로 불꽃방전간극(G)을 통해서 대향하도록 배치되어 있으나, 본 발명에 있어서, 중심전극의 측면과 접지전극에 있어서의 타단의 선단면이 중심전극의 반경방향으로 불꽃방전간극을 통해서 대향하도록 배치되어 있어도 좋다. 이 경우에, 중심전극의 측면에 대향하는 접지전극은 1개이어도 되고 복수개이어도 좋다.
또, 도 1, 도 3 및 도 5에 나타내는 상기 스파크 플러그(1,1',1")는, 중심전극(2) 및 접지전극(6 또는 6")을 구비하고 있는데, 본 발명에 있어서는 중심전극의 선단부 및/또는 접지전극의 표면에 귀금속 팁을 구비하고 있어도 좋다.
도 3 및 도 4에 나타내는 상기 스파크 플러그(1')에는 금속쉘(4')에 절결부(44)가 형성되어 있으나, 본 발명에 있어서는 접지전극을 금속쉘의 측면에 맞닿게 할 수 있는 오목부 또는 모따기부라면, 절결부에 한정하지 않고, 금속쉘의 외주면을 잘라내어 형성되는 모따기부이어도 좋다.
《실시예》
〈제 1 예〉
Ni을 98.505질량% 함유하는 전극재료에 의해서 형성하되, Y을 0.10질량%, Mn을 0.14질량%, 및 Ti을 0.02질량% 함유하고, 또한 Mn의 함유량(b)과 Ti의 함유량(a)의 비율(a/b)이 0.14이고, 길이 16㎜, 폭 2.8㎜, 두께 1.5㎜인 접지전극(이하, 후술하는 외층과 내층을 가지는 접지전극과 구별하기 위해서 "내층 없는 접지전극"이라고도 한다)을 상술한 바와 같이 제작하였다. 상기 전자탐침 미소분석법에 의해서, 상기한 바와 같이 하여 제작된 내층 없는 접지전극의 입계에는 Ni과 Y을 함유하는 금속간 화합물 및 Ni과 희토류 원소를 함유하는 금속간 화합물이 존재하고 있는 것이 확인·동정(同定)되었다.
한편, 상술한 바와 같이 외층과 내층을 가지는 접지전극(이하, "내층 있는 접지전극"이라고도 한다)을 제작하였다. 내층 있는 접지전극의 치수는 길이 16㎜, 폭 2.8㎜, 두께 1.5㎜이었다. 외층의 조성은 내층 없는 접지전극과 같으며, 내층은 Cu에 의해서 형성하였다. 상기 전자탐침 미소분석법에 의해서, 상기한 바와 같이 하여 제작된 내층 있는 접지전극에 있어서의 외층의 입계에는 Ni과 Y을 함유하는 금속간 화합물 및 Ni과 희토류 원소를 함유하는 금속간 화합물이 존재하고 있는 것이 확인·동정되었다. 또한, 내층 있는 접지전극은 내층보다도 내측에 순Ni로 이루어지는 심부를 가지고 있어도 좋으며, 이와 같이 내층의 내부에 심부를 가지는 접지전극도 이하의 실험에서 내층 있는 접지전극의 경우와 같은 결과가 얻어졌다.
그리고, 소성 가공에 의해서 저탄소강으로 소정의 형상 및 치수로 형성한 금속쉘(4)의 후단부에 Cu제 지지부재를 받쳐놓고, 이 금속쉘(4)의 단면(41)에 금속쉘(4)의 축선방향{축선(6c)과 평행한 방향}으로 하중을 걸은 상태로 내층 없는 접지전극의 단면을 맞닿게 하였다. 이 상태를 유지하면서, 저항 용접기의 전극을 내층 없는 접지전극에 대고서 전기저항 용접을 실시하였다. 이 때, 내층 없는 접지전극에 통전한 전류는 2.0㎄이고, 통전시간은 10사이클(1사이클=1/60초)이었다. 내층 있는 접지전극에 대해서도 상기한 바와 같이 하여 금속쉘(4)에 전기저항 용접을 실시하였다.
그리고, 도 1에 나타낸 바와 같이, 구리로 이루어지는 원기둥형상의 내측 부재(8)와 Ni 합금으로 컵형상으로 성형한 외측 부재(7)를 각각 제작하였다. 이와 같이 하여 제작된 내측 부재(8)를 외측 부재(7)에 삽입하고, 압출 가공 등의 소성 가공에 의해서 내측 부재(8)와 외측 부재(7)로 이루어지는 직경 2.5㎜의 중심전극(2)을 제작하였다.
그리고, 알루미나를 주성분으로 하는 세라믹을 소정의 형상으로 소성함에 의해서 절연체(3)를 제작하고, 이 절연체(3)에 상기 중심전극(2)을 조립하고, 또한 내층 없는 접지전극 또는 내층 있는 접지전극이 설치된 금속쉘(4)에 상기 절연체(3)를 조립하였다. 이와 같이 하여 도 1 및 도 5에 나타내는 복수개의 스파크 플러그를 제조하였다.
한편, 상기 금속쉘의 단부에 접지전극을 전기저항 용접하여 이루어지는 일체물을 스파크 플러그를 제조하는 공정에서 구분하여 추려내고, 이 일체물을 스파크 플러그의 축선과 접지전극의 축선을 포함하는 평면으로 절단하였다. 이 절단면에 있어서의 비커스 경도를 측정하여 고경도 영역의 존재를 확인하고, 비커스 경도가 3×102Hv 미만 또는 5×102Hv 초과로 된 경계인 금속쉘 측의 용접계면을 특정하였다. 또, 상기 절단면을 에칭 처리하고서 그 단면을 금속 현미경으로 촬영한 단면 사진에 있어서, 접지전극 측의 상기 용접계면을 상기한 바와 같이 하여 특정하고, 전기저항 용접시의 하중방향(D)(축선과 평행한 방향)에 있어서의 접지전극 측의 상기 용접계면에서부터 금속쉘 측의 상기 용접계면까지의 길이를 계측하고, 그 최대 길이를 상기 길이(d)로 하였다. 이 길이(d)가 고경도 영역의 범위를 나타내고 있다.
상기 고경도 영역에 있어서의 용접강도를 인장강도로 평가하였다. 인장강도는 인장시험기 "오토그래프 AG-5000B"(상품명, 주식회사 시마즈 제작소 제품)을 이용하여 측정하였다.
이 인장강도의 측정결과를 표 1에 기호로 나타내었다. 표 1에 있어서의 내층 없는 접지전극의 기호와 그 의미를 이하에 나타낸다. 또한, 내층 있는 접지전극에 대해서는, 접지전극의 온도가 저감되기 때문에, 이하에 나타내는 내층 없는 접지전극에 있어서의 기호에 대응하는 인장강도의 역치보다 100N/㎟ 낮은 값이다.
○○○ : 인장강도가 550N/㎟ 이상이다. 용접강도가 극히 높다고 평가할 수 있다.
○○ : 인장강도가 450N/㎟ 이상 550N/㎟ 미만이다. 용접강도가 높다고 평가할 수 있다.
○ : 인장강도가 350N/㎟ 이상 450N/㎟ 미만이다. 실용상 필요한 용접강도를 가지고 있다고 평가할 수 있다.
× : 인장강도가 350N/㎟ 미만이다. 실용상 필요한 용접강도를 가지고 있지 않다고 평가할 수 있다.
- : 접지전극과 금속쉘(4)을 전기저항 용접할 수 없었다.
고경도 영역의 범위를 나타내는 길이(d)(㎜)
용접부에 있어서의 경도 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
내층 없는
접지전극
300∼500Hv
-
-
○
○○
○○○
○○
○
○
×
×
내층 있는
접지전극
300∼500Hv
-
-
○
○○
○○○
○○
○
○
×
×
표 1에 나타내는 결과로부터, 비커스 경도가 300∼500Hv인 고경도 영역의 범위를 나타내는 길이(d)가 0.3∼0.8㎜의 범위에 형성되어 있으면, 실용상 문제가 없을 정도로 용접강도가 큰 것이 분명하다.
〈제 2 예〉
제 1 예와 같은 조성을 가지며, 게다가 표 2에 나타내는 바와 같은 실온(25℃)에 있어서의 비저항값을 가지는 내층 없는 접지전극을 제 1 예와 마찬가지로 금속쉘의 단면에 전기저항 용접하여, 용접부에 있어서의 비커스 경도가 300∼500Hv로 되어 있는 고경도 영역을 가지는 접지전극과 금속쉘의 일체물을 형성하였다. 상기한 바와 마찬가지로, 제 1 예와 같은 조성을 가지며, 게다가 표 2에 나타내는 바와 같은 실온(25℃)에 있어서의 비저항값을 가지는 내층 있는 접지전극과 금속쉘의 일체물을 형성하였다.
이 고경도 영역의 범위를 나타내는 길이(d)와 용접강도의 관계를 표 2에 나타내었다. 표 2에 있어서의 용접강도를 나타내는 기호의 의미는 제 1 예의 것과 같다.
접지전극의
비저항값
(μΩ·㎝)		 내층 없는 접지전극 내층 있는 접지전극
고경도 영역의 범위를 나타내는 길이(d)
용접강도		 고경도 영역의 범위를 나타내는 길이(d)
용접강도
7 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○ 0.3∼0.8mm ○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
8 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○○ 0.3∼0.8mm ○○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
9 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○○○ 0.3∼0.8mm ○○○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
10 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○○○ 0.3∼0.8mm ○○○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
11 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○○○ 0.3∼0.8mm ○○○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
12 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○○ 0.3∼0.8mm ○○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
13 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○○ 0.3∼0.8mm ○○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
14 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○○ 0.3∼0.8mm ○○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
15 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○○ 0.3∼0.8mm ○○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
16 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○○ 0.3∼0.8mm ○○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
17 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○○ 0.3∼0.8mm ○○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
18 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○ 0.3∼0.8mm ○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
19 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○ 0.3∼0.8mm ○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
20 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○ 0.3∼0.8mm ○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
표 2에 나타낸 바와 같이, 실온에 있어서의 비저항값이 7∼20μΩ·㎝의 범위 내에 있는 내층 없는 접지전극, 혹은 실온에 있어서의 비저항값이 7∼20μΩ·㎝의 범위 내에 있는 내층 있는 접지전극을 금속쉘의 단면에 전기저항 용접하여 이루어지는 일체물에 있어서의 그 용접부에 있어서의 비커스 경도가 300∼500Hv인 고경도 영역의 범위를 나타내는 길이(d)가 0.3∼0.8㎜의 범위 내에 있으면, 용접강도가 큰 것이 분명하다.
〈제 3 예〉
제 1 예와 같은 조성을 가지며, 게다가 표 3에 나타내는 바와 같은 1000℃에 있어서의 비저항값을 가지는 내층 없는 접지전극을 제 1 예와 마찬가지로 금속쉘의 단면에 전기저항 용접하여, 용접부에 있어서의 비커스 경도가 300∼500Hv로 되어 있는 고경도 영역을 가지는 접지전극과 금속쉘의 일체물을 형성하였다. 상기한 바와 마찬가지로, 제 1 예와 같은 조성을 가지며, 게다가 표 3에 나타내는 바와 같은 1000℃에 있어서의 비저항값을 가지는 내층 있는 접지전극과 금속쉘의 일체물을 형성하였다.
이 고경도 영역의 범위를 나타내는 길이(d)와 용접강도의 관계를 표 3에 나타내었다. 표 2에 있어서의 용접강도를 나타내는 기호의 의미는 제 1 예의 것과 같다.
접지전극의
비저항값
(μΩ·㎝)		 내층 없는 접지전극 내층 있는 접지전극
고경도 영역의 범위를 나타내는 길이(d)
용접강도		 고경도 영역의 범위를 나타내는 길이(d)
용접강도
48 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○ 0.3∼0.8mm ○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
49 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○○ 0.3∼0.8mm ○○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
50 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○○○ 0.3∼0.8mm ○○○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
51 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○○○ 0.3∼0.8mm ○○○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
52 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○○○ 0.3∼0.8mm ○○○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
53 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○○ 0.3∼0.8mm ○○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
54 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○○ 0.3∼0.8mm ○○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
55 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○ 0.3∼0.8mm ○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
56 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○ 0.3∼0.8mm ○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
57 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○ 0.3∼0.8mm ○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
58 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○ 0.3∼0.8mm ○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
59 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○ 0.3∼0.8mm ○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×

20		 0.3mm 미만 - 0.3mm 미만 -
0.3∼0.8mm ○ 0.3∼0.8mm ○
0.8mm보다 큼 × 0.8mm보다 큼 ×
표 3에 나타낸 바와 같이, 1000℃에 있어서의 비저항값이 48∼60μΩ·㎝의 범위 내에 있는 내층 없는 접지전극, 혹은 1000℃에 있어서의 비저항값이 48∼60μΩ·㎝의 범위 내에 있는 내층 있는 접지전극을 금속쉘의 단면에 전기저항 용접하여 이루어지는 일체물에 있어서의 그 용접부에 있어서의 비커스 경도가 300∼500Hv인 고경도 영역의 범위를 나타내는 길이(d)가 0.3∼0.8㎜의 범위 내에 있으면, 용접강도가 큰 것이 분명하다.
또, 내층 없는 접지전극과 금속쉘의 일체물에 있어서의 용접부에 있어서의 고경도 영역의 존재를 제 1 예와 마찬가지로 하여 확인하고, 고경도 영역인 용접부에 있어서의 인장강도를 제 1 예와 마찬가지로 하여 측정하였다. 또, 용접부의 단면을 에칭 처리하고서 그 단면을 금속 현미경으로 관찰함에 의해서 용접부에 있어서의 마텐자이트 조직을 확인하였다. 고경도 영역에 있어서의 마텐자이트 조직의 유무와 용접강도를 반영하는 인장강도의 관계를 표 4에 나타내었다.

고경도 영역의 범위를 나타내는 길이(d)(㎜)
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
용접부에 있어서의 강도 - - ○ ○○ ○○○ ○○ ○ ○ × ×
마텐자이트 무 무 유 유 유 유 유 유 유 유
표 4에 있어서의 용접강도에 관한 기호와 그 평가는 상기한 제 1 예의 것과 같다. 표 4에 있어서의 "유"는 마텐자이트 조직의 존재가 인정된 것을 나타내고, "무"는 마텐자이트 조직의 존재가 인정되지 않은 것을 나타낸다.
표 4에 나타낸 바와 같이, 마텐자이트 조직이 0.3∼0.8㎜의 영역에 있는 고경도 영역에 존재하면, 접지전극과 금속쉘의 일체물은 용접강도가 큰 것이 분명하다. 즉, 고경도 영역의 범위를 나타내는 길이(d)가 0.8㎜를 넘으면, 마텐자이트 조직이 존재하더라도 용접강도가 저하되고, 한편 고경도 영역의 범위를 나타내는 길이(d)가 0.3㎜ 미만이면, 접지전극과 금속쉘을 전기저항 용접할 수 없고, 마텐자이트 조직도 존재하지 않았다. 또한, 내층 있는 접지전극을 이용한 경우도 내층 없는 접지전극의 결과와 같은 평가가 얻어졌다.
〈제 4 예∼제 18 예〉
표 5에 나타내는 조성의 전극재료로 제 1 예의 것과 마찬가지로 길이 16㎜, 폭 2.8㎜, 두께 1.5㎜의 내층 없는 접지전극과 내층 있는 접지전극을 제작하였다. 이 접지전극을 이용하여 제 1 예와 마찬가지로 본 발명에 관한 스파크 플러그를 제작하였다. 이 스파크 플러그의 부품인 금속쉘의 고경도 영역에 있어서의 용접강도를 제 1 예와 마찬가지로 인장강도로 평가하였다. 평가결과를 표 5에 나타내었다.
조성(질량%) 내층 없는
접지전극		 내층 있는
접지전극
예 Ni Si Cr Mn Al Ti Y C 계 Ti/Mn 용접강도 d 용접강도 d
4 97.705 1.1 0.1 1 0.03 0.06 - 0.005 100.000 0.06 ○○ 0.6 ○○ 0.6
5 97.655 1.1 0.1 1 0.03 0.06 0.05 0.005 100.000 0.06 ○○○ 0.5 ○○○ 0.5
6 97.255 1.1 0.1 1 0.03 0.06 0.45 0.005 100.000 0.06 ○○○ 0.5 ○○○ 0.5
7 97.105 1.1 0.1 1 0.03 0.06 0.6 0.005 100.000 0.06 ○○ 0.6 ○○ 0.6
8 98.565 1.1 0.1 0.1 0.03 - 0.1 0.005 100.000 - ○○ 0.4 ○○ 0.4
9 98.635 1.1 0.1 0.01 0.03 0.02 0.1 0.005 100.000 2.00 ○○ 0.4 ○○ 0.4
10 98.615 1.1 0.1 0.03 0.03 0.02 0.1 0.005 100.000 0.67 ○○ 0.4 ○○ 0.4
11 98.605 1.1 0.1 0.04 0.03 0.02 0.1 0.005 100.000 0.50 ○○ 0.4 ○○ 0.4
12 98.601 1.1 0.1 0.044 0.03 0.02 0.1 0.005 100.000 0.45 ○○ 0.4 ○○ 0.4
13 98.595 1.1 0.1 0.05 0.03 0.02 0.1 0.005 100.000 0.40 ○○○ 0.5 ○○○ 0.5
14 98.575 1.1 0.1 0.07 0.03 0.02 0.1 0.005 100.000 0.29 ○○○ 0.5 ○○○ 0.5
15 98.505 1.1 0.1 0.14 0.03 0.02 0.1 0.005 100.000 0.14 ○○○ 0.5 ○○○ 0.5
16 97.605 1.1 0.1 1 0.03 0.06 0.1 0.005 100.000 0.06 ○○○ 0.5 ○○○ 0.5
17 96.105 1.1 0.1 2.5 0.03 0.06 0.1 0.005 100.000 0.02 ○○○ 0.5 ○○○ 0.5
18 96.645 1.1 0.1 2 0.03 0.02 0.1 0.005 100.000 0.01 ○○ 0.6 ○○ 0.6
표 5에 나타낸 바와 같이, 상기 단부에 비커스 경도가 3×102Hv 이상 5×102Hv 이하의 범위 내에 있는 고경도 영역을 가지며, 또한 상기 고경도 영역은 상기 스파크 플러그의 축선과 상기 접지전극의 축선을 포함하는 평면으로 절단한 단면에 있어서, 상기 접지전극 측의 용접계면에서부터 상기 금속쉘 측의 용접계면까지의 전기저항 용접시의 하중방향에 있어서의 길이(d)가 0.3㎜ 이상 0.8㎜ 이하의 범위 내에 있는 금속쉘을 가지는 스파크 플러그는 모두 용접강도가 "○○" 또는 "○○○"로 평가되었다.
또, Ni을 96질량% 이상 함유하는 전극재료에 의해서 형성하되, Y을 합계로 0.05질량% 이상 0.45질량% 이하, Mn을 0.05질량% 이상, 및 Ti을 0.01질량% 이상 함유하고, 또한 Mn의 함유량(b)과 Ti의 함유량(a)의 비율(a/b)이 0.02 이상 0.40 이하인 접지전극을 가지는 스파크 플러그는 용접강도가 "○○○"로 평가되었다.
1,1',1" - 스파크 플러그 2 - 중심전극
4 - 금속쉘 41 - 단면
42,45 - 고경도 영역 43,46 - 용접계면
44 - 절결부 6,6" - 접지전극
61,62 - 용접계면 63 - 외층
64 - 내층

Claims (8)

  1. 통형상의 금속쉘과, 상기 금속쉘의 단부에 전기저항 용접된 접지전극을 구비하여 이루어지는 스파크 플러그로서,
    상기 금속쉘은 상기 단부에 비커스 경도가 3×102Hv 이상 5×102Hv 이하의 범위 내에 있는 고경도 영역을 가지며, 또한
    상기 고경도 영역은, 상기 스파크 플러그의 축선과 상기 접지전극의 축선을 포함하는 평면으로 절단한 단면에 있어서, 상기 접지전극 측의 용접계면에서부터 상기 금속쉘 측의 용접계면까지의 전기저항 용접시의 하중방향에 있어서의 길이(d)가 0.3㎜ 이상 0.8㎜ 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 길이(d)가 0.4㎜ 이상 0.6㎜ 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 고경도 영역은 침상의 마텐자이트 조직을 적어도 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 접지전극은 1종류의 전극재료에 의해서 형성되는 단일 구조, 혹은 상기 전극재료에 의해서 형성되는 외층과, 상기 외층에 의해서 내포되며 또한 상기 외층보다도 열전도율이 높은 내층에 의해서 형성되는 층(層) 구조인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전극재료는 실온에 있어서의 비저항값이 7μΩㆍ㎝ 이상 20μΩ·㎝ 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 전극재료는 1000℃에 있어서의 비저항값이 48μΩ·㎝ 이상 60μΩ·㎝ 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 전극재료는 Ni을 96질량% 이상 함유하고,
    Y과 희토류 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 합계로 0.05질량% 이상 0.45질량% 이하, Mn을 0.05질량% 이상, 및 Ti과 V과 Nb으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 합계로 0.01질량% 이상 함유하고, 또한 Mn의 함유량(b)과 Ti, V 및 Nb의 합계 함유량(a)의 비율(a/b)이 0.02 이상 0.40 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 전극재료는 상기 Ni과 상기 Y 및 상기 희토류 원소의 적어도 1종의 금속간 화합물을 가지고 이루어지는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
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