KR20120098789A - 백금계 전극 재료로 이루어진 스파크 플러그 - Google Patents

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KR20120098789A
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슈웨이 마
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페더럴-모굴 이그니션 컴퍼니
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/39—Selection of materials for electrodes

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Abstract

내연 기관용 스파크 플러그는 백금(Pt)계 합금의 전극 재료를 가진 하나 이상의 전극을 가지고 있다. 합금은 알루미늄(Al)을 구비하고, 니켈(Ni), 레늄(Re), 루테늄(Ru), 탄탈룸(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 텅스턴(W)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 내화 금속을 포함한다. 적어도 일부의 개시된 합금에서, 알루미늄은 전극 재료의 표면에서 산화 알루미늄(Al2O3)층의 형성에 기여한다.

Description

백금계 전극 재료로 이루어진 스파크 플러그{SPARK PLUG WITH PLATINUM-BASED ELECTRODE MATERIAL}
본 발명은 일반적으로 스파크 플러그 및 내연기관용 다른 점화장치에 관한 것이고, 더욱 상세히는, 스파크 플러그용 전극 재료에 관한 것이다.
스파크 플러그는 내연기관에서 연소를 시작하는데 사용될 수 있다. 스파크 플러그는 전형적으로 2개 이상의 전극 사이에서 형성된 스파크 갭을 가로지르는 스파크를 생성함으로써 엔진 실린더 또는 연소 챔버에서 공기/연료 혼합물과 같은, 가스를 점화한다. 스파크에 의한 가스의 점화는 엔진의 동력 행정을 책임지는 엔진 실린더에서의 연소 반응을 야기한다. 연소 반응의 고온, 고전압 및 신속한 반복 그리고 연소 가스에서의 부식성 물질의 존재는 스파크 플러그가 기능해야 하는 가혹한 환경을 만들 수 있다. 이러한 가혹한 환경은 시간이 경과함에 따라 스파크 플러그의 성능에 부정적인 영향을 줄 수 있는 전극의 침식 및 부식을 야기하고 잠재적으로 실화 또는 다른 바람직스럽지못한 상태로 유도된다.
스파크 플러그 전극의 침식 및 부식을 감소시키기 위해서, 백금과 같은 여러 가지 타입의 귀금속 및 이들의 합금이 사용된다. 하지만, 이들 재료는 고가일 수 있다. 따라서, 스파크 플러그 제조회사는, 스파크가 스파크 갭을 가로질러 점프하는 전극의 스파크 부분 또는 점화 팁에서만 이러한 재료를 사용함으로써 전극으로 사용되는 귀금속의 양을 최소화하려는 시도를 하기도 한다.
하나의 실시예에 따라서, 금속 쉘, 절연체, 중심 전극 및 접지 전극을 포함하는 스파크 플러그가 제공된다. 중심 전극, 접지 전극, 또는 양자는 약 50 내지 99 원자%의 백금(Pt), 약 5 내지 20 원자%의 알루미늄(Al) 그리고 니켈(Ni), 레늄(Re), 루테늄(Ru), 탄탈룸(Ta), 텅스턴(W) 및 몰리브덴(Mo) 또는 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 약 30 원자% 미만의 내화 금속을 가진 전극 재료를 포함한다.
다른 실시예에 따라서, 약 50 내지 99 원자%의 백금(Pt), 약 5 내지 20 원자%의 알루미늄(Al) 그리고 니켈(Ni), 레늄(Re), 루테늄(Ru), 탄탈룸(Ta), 텅스턴(W) 및 몰리브덴(Mo) 또는 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 약 30 원자% 미만의 내화 금속을 가진 전극 재료를 포함하는 스파크 플러그 전극을 제공한다.
본 발명에 따르면, 스파크 플러그 전극의 침식 및 부식을 감소시킬 수 있고, 그리고 전극으로 사용되는 귀금속의 양을 최소화할 수 있다.
본 발명의 바람직한 예시적인 실시예가 첨부된 도면과 함께 이하 설명되는데, 유사한 부재는 유사한 참조부호를 사용하였다.
도 1은 아래에서 설명하는 전극 재료를 사용할 수 있는 예시적인 스파크 플러그의 단면도이다.
도 2는 도 1로부터의 예시적인 스파크 플러그의 점화 단부의 확대도로서, 여기서 중심 전극은 멀티-피스의 리벳의 형태로 된 점화 팁을 가지고 있고 접지 전극은 플랫 패드의 형태로 된 점화 팁을 가지고 있다.
도 3은 아래에서 설명하는 전극 재료를 사용할 수 있는 다른 예시적인 스파크 플러그의 점화 단부의 확대도로서, 중심 전극은 단일-피스의 리벳의 형태로 된 점화 팁을 가지고 있고 접지 전극은 원통형 팁의 형태로 된 점화 팁을 가지고 있다.
도 4는 아래에서 설명하는 전극 재료를 사용할 수 있는 다른 예시적인 스파크 플러그의 점화 단부의 확대도로서, 중심 전극은 오목부에 위치한 원통형 팁의 형태의 점화 팁을 가지고 있고 그리고 접지 전극은 점화 팁을 가지고 있지않다.
도 5는 아래에서 설명하는 전극 재료를 사용할 수 있는 다른 예시적인 스파크 플러그의 점화 단부의 확대도로서, 중심 전극은 원통형 팁의 형태의 점화 팁을 가지고 있고 접지 전극은 접지 전극의 축방향 단부로부터 뻗어있는 원통형 팁의 형태의 점화 팁을 가지고 있다.
도 6은 아래에서 설명하는 전극 재료를 사용하지않는 예시적인 스파크 플러그의 전극에서 소위 볼링 및 브리징 현상의 개략적인 도면이다.
도 7은 도 6의 볼링 및 브리징 현상의 확대된 개략도이다.
도 8은 도 7의 볼링 및 브리징 현상의 단면 개략도이다.
본문에 설명된 전극 재료는 스파크 플러그 및, 산업 플러그, 항공 플러그, 예열 플러그 또는 엔진에서 공기/연료 혼합물을 점화하는데 사용되는 다른 임의의 장치를 포함하는 다른 점화장치에 사용될 수 있다. 이것은 아래에서 설명되고 도 1 내지 도 5에 도시되는 예시적인 스파크 플러그를 포함하지만, 분명히 이에 한정되는 것은 아니다. 더욱이, 전극 재료는 여러 가지 기능을 보여주는 중심 및/또는 접지 전극에 부착되는 점화 팁에 사용될 수 있고 또는 전극 재료는 실제로 중심 및/또는 접지 전극 자체에서 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 전극 재료의 다른 실시예 및 적용예 역시 가능하다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 중심 전극(12), 절연체(14), 금속 쉘(16) 및 접지 전극(18)을 포함하는 예시적인 스파크 플러그(10)가 도시되어 있다. 중심 전극 또는 베이스 전극 부재(12)는 절연체(14)의 축방향 보어 내에 배치되고 절연체(14)의 자유단(22)을 넘어 돌출하는 점화 팁(20)을 포함하고 있다. 점화 팁(20)은 멀티-피스 리벳인데, 이것은 아래에서 설명하는 전극 재료와 같은 내침식 및/또는 내부식 재료로 만든 제 1 부품(32) 그리고 하이-크롬 니켈 합금과 같은 중간 재료로 만든 제 2 부품(34)을 포함한다. 이러한 특정 실시예에서, 제 1 부품(32)은 원통형이고 그리고 제 2 부품(34)은 직경방향으로 확대된 헤드 섹션과 직경방향으로 감소된 스템 섹션을 포함하는 스테핑된 형상을 가지고 있다. 제 1 및 제 2 부품은 레이저 용접, 저항 용접, 또는 다른 적절한 용접 또는 비용접 조인트를 통해서 서로 부착될 수 있다. 절연체(14)는 금속 쉘(16)의 축방향 보어내에 배치되고 금속 쉘(16)로부터 중심 전극(12)을 전기적으로 절연하기에 충분한 세라믹 재료와 같은 재료로 구성된다. 절연체(14)의 자유단(22)은 도시된 바와 같이, 금속 쉘(16)의 자유단(24)을 벗어나 돌출할 수 있고 또는 금속 쉘(16) 내로 오므려질(retracted) 수 있다. 접지 전극 또는 베이스 전극 부재(18)는 도면에 도시된 바와 같이 종래의 L자형 구성에 따라 또는 임의의 다른 구성에 따라서 구성될 수 있고, 금속 쉘(16)의 자유단(24)에 부착된다. 이러한 특정 실시예에 따라서, 접지 전극(18)은 중심 전극의 점화 팁(20)에 대향하는 측표면(26)을 포함하고 그에 부착된 점화 팁(30)을 가지고 있다. 점화 팁(30)은 플랫 패드의 형태이고 중심 전극 점화 팁(20)으로 스파크 갭(G)을 형성하여 이들은 스파크 갭을 가로질러 전자의 방출과 수용을 위한 스파킹 표면을 제공한다.
이러한 특정의 실시예에서, 중심 전극 점화 팁(20) 및/또는 접지 전극 점화 팁(30)의 제 1 부품(32)은 본문에서 설명하는 전극 재료로부터 만들 수 있지만, 이들은 단지 전극 재료에만 적용되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이, 예시적인 중심 전극 점화 팁(40) 및/또는 접지 전극 점화 팁(42)은 또한 전극 재료로부터 만들어질 수 있다. 이러한 경우에, 중심 전극 점화 팁(40)은 단일-피스 리벳이고 접지 전극 점화 팁(42)은 상당한 간격으로 접지 전극의 측표면(26)으로부터 멀어지는 방향으로 뻗어 있는 원통형 팁이다. 전극 재료는 또한 도 4에 도시되어 있는 예시적인 중심 전극 점화 팁(50) 및/또는 접지 전극(18)을 형성하도록 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 중심 전극 점화 팁(50)은 오목부 또는 블라인드 홀(52)에 위치되는 원통형 부품인데, 이는 중심 전극(12)의 축방향 단부에 형성되어 있다. 스파크 갭(G)은 중심 전극 점화 팁(50)의 스파킹 표면과 접지 전극(18)의 측표면(26) 사이에 형성되는데, 이는 또한 스파킹 표면으로서 작용한다. 도 5는 전극 재료를 위한 다른 가능한 적용을 도시하는데, 여기서 원통형 점화 팁(60)은 중심 전극(12)의 축방향 단부에 부착되고, 원통형 점화 팁(62)이 접지 전극(18)의 축방향 단부에 부착되어 있다. 접지 전극 점화 팁(62)은 중심 전극 점화 팁(60)의 측표면과 스파크 갭(G)을 형성하고 도면에 도시된 다른 예시적인 스파크 플러그와 다소 다른 점화 구성이다.
다시, 상기한 비제한적인 스파크 플러그 실시예는 전극 재료를 위한 잠재적인 사용의 예시일 뿐이고, 엔진에서 공기/연료 혼합물의 점화에 사용되는 임의의 점화 팁, 스파크 표면 또는 다른 점화 단부 구성품에 사용되거나 채용될 수 있다. 예를 들면, 다음의 구성품이 전극 재료로부터 형성될 수 있는데; 이는 중심 및/또는 접지 전극; 리벳, 원통, 바, 컬럼, 와이어, 볼, 마운드, 콘, 플랫 패드, 디스크, 링, 슬리브, 등의 형태인 중심 및/또는 접지 전극 점화 팁; 직접 전극에 부착된 또는 하나 이상의 중간의 개재된 또는 스트레스-해제 층을 통해서 전극에 간접적으로 부착된 중심 및/또는 접지 전극 점화 팁; 전극의 오목부내에 위치되는 전극의 표면 내에 새겨진, 또는 슬리브 또는 다른 환형 부품과 같은 전극의 외부에 위치되는 중심 및/또는 접지 전극 점화 팁; 또는 다중 접지 전극, 다중 스파크 갭 또는 세미-크리핑 타입 스파크 갭을 가진 스파크 플러그이다. 이들은 단지 전극 재료의 가능한 적용의 일부 예시일 뿐이고 다른 것도 또한 가능하다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 용어 "전극"은, 그것이 중심 전극, 접지 전극, 스파크 플러그 등에 연관되건 아니건, 여러 가지 가능성을 보여주는, 베이스 전극 부재 자체, 점화 팁 자체, 또는 베이스 전극 부재와 그에 부착된 하나 이상의 점화 팁의 조합을 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이, 백금(Pt)계 합금과 같은 귀금속 합금이 스파크 플러그 전극을 위해 사용되어 왔다. 백금계 합금은 내연 기관에 사용되는 것을 포함하는 일정한 응용에서 바람직한 어느 정도의 내산화, 내부식 및 내침식을 나타낸다. 하지만, 모든 Pt계 합금이 원하는 만큼의 효과적이지않다. 예를 들면, 도 6 내지 도 8을 참조하면, Pt4W와 같은 Pt 합금은 소위 볼링(balling) 및 브리징(bridging) 현상이라 불리는 현상을 경험하는데, 여기서 재료의 국지적인 과도한 산화 및 재 퇴적이 그 표면에서 Pt 볼(B)을 생성한다. 이것이 발생하면, 내연 기관에서 고온 작동 동안에 그리고 Pt 볼(B)이 모여서 스파크 갭(G)을 가로질러 브리지를 형성하는 시간 동안에 이루어진다. 형성되면, Pt 볼(B)은 스파크 플러그 전극의 침식 및 부식에 기여하고 스파크 플러그의 스파크 성능에 악영향을 미친다. 아래에서 설명하는 전극 재료는 이러한 볼링 및 브리징 현상을 제한하거나 또는 함께 방지하는 한편, 상이한 형상의 스파크 플러그 전극를 형성하기 위해 연성과 같은 적절한 특성을 유지한다. 전극 재료는 여기에서 설명하는 Pt계 합금과 같은 고온 성능 합금으로 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 전극 재료 또는 Pt계 합금은 알루미늄(Al), 일정한 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 내화 금속, 및 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 또는 Ti 및 Cr 양자의 조합을 포함할 수 있다.
거명하자면, Pt계 합금은 Pt의 실제 밸런스를 포함한다. Pt의 양은 그의 내산화, 내침식 및 내부식을 포함하여 합금의 강도에 영향을 미친다. 하나의 실시예에서, 합금은 적어도 약 50.0 원자%, 또는 약 50 내지 99 원자% 양의 Pt를 포함하고 있다. Pt의 원자%는 전체적인 Pt계 합금의 단위 체적당 Pt 원자의 수를 전체적인 Pt계 합금의 단위 체적당 전체적인 Pt계 합금의 원자의 수로 나눔으로써 결정된다. 다른 실시예에서, 합금은 적어도 약 55.0 원자%의 양에서 Pt를 포함한다. 다른 실시예에서, 합금은 적어도 약 65.0 원자%의 양에서 Pt를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 합금은 적어도 약 79.0 원자%의 양으로 Pt를 포함한다. 다른 실시예에서, 합금은 약 50% 내지 95.0 원자%의 양으로 Pt를 포함한다. 다른 실시예에서, 합금은 약 95.0 원자% 미만의 양으로 Pt를 포함한다. 다른 실시예에서, 합금은 약 94.0 원자% 미만의 양으로 Pt를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 합금은 약 84.0 원자% 미만의 양으로 Pt를 포함한다. Pt의 존재 및 양은 전극 재료의 섹션 또는 표면에서 화학 분석을 실시함으로써 검출될 수 있고 또는 주사 현미경(S.E.M.) 기기로 전극 재료의 표면 또는 섹션의 E.D.S.(Energy-Dispersive Spectroscopy)를 생성하고 관찰함으로써 검출될 수 있다.
Pt계 합금은 합금의 내산화성에 영향을 주는 양의 Al을 포함하고 있다. 예를 들면, 아래에서 설명하는 바와 같이, Al은 스파크 플러그의 전극에 산화 알루미늄(Al2O3)층의 형성에 기여하는데 이것은 과도한 그리고 원하지않는 산화로부터 아래층의 합금을 차폐하고 보호하는데 도움을 준다. 일정한 양의 Al은 또한 그의 내침식 및 내부식의 관점에서 합금을 강화할 수 있다. 하나의 실시예에서, Pt계 합금은 약 5.0 원자% 내지 약 20.0 원자%의 양으로 Al을 포함한다. Al의 원자%는 전체적인 Pt계 합금의 단위 체적당 Al 원자의 수를 전체적인 Pt계 합금의 단위 체적당 전체적인 Pt계 합금의 원자의 수로 나눔으로써 결정된다. 다른 실시예에서, Pt계 합금은 적어도 약 5.0 원자% 양의 Al을 포함한다. 다른 실시예에서, Pt계 합금은 적어도 약 10.0 원자% 양의 Al을 포함한다. 또 다른 실시예에서, Pt계 합금은 적어도 약 16.0% 양의 Al을 포함한다. 다른 실시예에서, Pt계 합금은 약 20.0 원자% 미만의 양의 Al을 포함한다. 또 다른 실시예에서, Pt계 합금은 약 14.0 원자% 미만의 양의 Al을 포함한다. 다른 실시예에서, Pt계 합금은 약 10.0 원자% 미만의 양의 Al을 포함한다. 또 다른 실시예에서, Pt계 합금은 약 6.0 원자% 미만의 양의 Al을 포함한다. Pt계 합금에서 Al의 존재 및 양은 화학 분석 또는 전극 재료의 E.D.S.를 봄으로써 검출될 수 있다. E.D.S.는 S.E.M. 기구에 의해서 생성될 수 있다.
고온에서, Al을 가진 Pt계 합금을 구성하는 각각의 전극 또는 점화 팁은 그 외면에서 산화 알루미늄(Al2O3)층을 형성하는데, 예를 들면, 점화 팁의 스파킹 표면을 포함한다. Al2O3층은 전형적으로 내연기관에서 스파크 플러그의 사용동안과같이, 약 500 내지 600℃ 이상의 온도로 Pt계 합금이 가열될 때 형성된다. 스파킹 표면이 평편한 표면을 구성할 때, Al2O3층은 일반적으로 그 평편한 표면을 따라 뻗어 있다. 그러므로, 전극 또는 점화 팁은 그래디언트 재료 성분을 포함할 수 있고, 여기서 스파킹 표면은 Al2O3층을 포함하고, 점화 팁의 벌크 또는 인접한 부분은 예를 들면, Al 및 Pt를 포함하는 다른 성분을 구비한다. Pt계 합금을 고온에 노출시키기 전에, Al2O3층은 존재하지않고 점화 팁은 전형적으로 달리 산화 알루미늄(Al2O3) 재료를 포함하지않는 균일한 재료 성분을 구비한다. Al2O3층이 외표면 또는 스파킹 표면에 형성되면, 그것은 전형적으로 모든 온도에서 유지된다. 이러한 Al2O3층은 밀도가 높고 안정적이고 그리고 저형성(low formation) 자유 에너지를 가지고 있다. 그러므로 Al2O3층은 개선된 내산화성을 제공할 수 있어서 스파크 플러그 전극이 연소 챔버의 스파크 및 극도의 상태에 노출될 때 부식 및 침식으로부터 점화 팁을 보호하고 상기한 볼링 및 브리징 현상을 제한 또는 방지하는 것을 돕는다.
Al의 양은 형성되는 Al2O3층의 두께 및 존재를 부분적으로 지시함으로써 Pt계 합금의 산화성능에 영향을 줄 수 있다. 예를 들면, Pt계 합금은 적어도 약 5.0 원자%의 Al을 가질 수 있어서 Al2O3층을 형성하고; 다른 예에서, Al2O3층은 5.0 원자% 미만의 Al로 형성될 수 있다. 그리고, Al이 약 5.0 원자% 내지 약 20.0 원자%의 양으로 존재할 때, 스파킹 표면에 형성된 Al2O3층은 정확한 퍼센티지에 따라 소정의 두께를 가지는데, 이것은 일부의 경우에, 내연기관에서 스파크 플러그의 사용 동안에 스파크당 제거 체적 및 충분한 방전 전압을 제공한다. 소정의 두께는 Pt계 합금의 특정 성분 및 연소 챔버의 상태에 따라 변할 수 있다. 하나의 예에서, 소정의 두께는 약 0.10 미크론(㎛) 내지 약 10.0 미크론(㎛)이다. 하나의 예에서, Pt계 합금이 약 20.0 원자% 이상의 Al을 가지고 있으면, Al2O3층은 과도한 두께를 가지는데, 이것은 내연기관에서 스파크 플러그의 작동 동안에, 스파크 당 제거 체적 및 증가된 그리고 일부 경우에 원하지않는 방전 전압을 증가시킬 수 있고; 다른 예에서, 20.0 원자% 이상의 Al을 가질 수 있고 그리고 설명한 바와 같이, 스파크 플러그에 바람직스럽지못한 영향을 미친다. Al2O3층의 존재 및 두께는 약 500 또는 600℃ 이상의 온도까지 스파킹 표면을 가열하고 그리고 스파킹 표면에 화학 분석을 실시함으로써 검출될 수 있고 또는 S.E.M. 기기로 스파킹 표면의 E.D.S.를 생성 및 관찰함으로써 검출될 수 있다.
Al 퍼센트 및 전극 재료의 온도에 따라, Pt계 합금은 원소 Pt 및 Al 대 온도의 바이너리 위상 다이어그램에서 표시된 바와 같이, Pt3Al 위상 및 그에 연관된 Pt3Al 침전물을 포함할 수 있다. 예를 들면, Pt계 합금이 합금의 약 10.0 원자% 미만의 양의 Al을 포함할 때, 마이크로구조는 모든 온도에서 단일-위상 Pt 고용체로 구성될 수 있고 Pt3Al 위상을 포함하지않을 수 있다. 하지만, Pt계 합금이 10.0 원자% 이상의 양의 Al을 포함하는 다른 예에서, 합금은 Pt3Al 위상을 가진 멀티 또는 2-위상 마이크로구조를 포함할 수 있다. 제 1 위상은 Pt 고용체 위상이고 그리고 제 2 위상은 비교적 더 높은 강도의 결정 구조를 가진 Pt3Al 위상이다. 합금의 Pt3Al 위상은 소결, 아크 용융, 또는 합금을 형성하도록 사용되는 다른 고온 야금 공정 동안과 같은 고온에서 합금의 Pt 매트릭스에서 용해된다. 하지만, 스파크 플러그가 사용되지않는 때와 같은 저온에서, Pt3Al 위상은 합금의 Pt 매트릭스로부터 침전되고 그리고 Pt3Al 침전물로 전이된다. Pt3Al 위상이 침전되는 온도는 다른 팩터 중에서, 합금의 특정 성분에 따를 수 있다. Pt3Al 침전물은 500 또는 600℃의 상승된 작동 온도에서 스파크 플러그가 내연기관에 사용될 때와 같이, 합금의 온도가 자신의 비사용 온도를 더 높은 온도로 증가시킬 때, 합금 내로 다시 용해된다. Pt3Al 침전물 및 위상의 존재와 양은 전극 재료의 표면 또는 섹션에서 화학 분석을 실시함으로써 또는 S.E.M. 기기로 전극 재료의 표면 또는 섹션의 E.D.S.를 생성하고 관찰함으로써 검출될 수 있다.
Pt계 합금은 또한 합금의 강도에 영향을 미치는 양으로, 특정 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 내화 금속 또는 원소를 포함할 수 있다. 예를 들면, 내화 금속의 비교적 높은 용융 온도는, 필요하지 않더라도, 스파크 침식 또는 마모에 높은 저항성을 Pt계 합금을 제공할 수 있다. 내화 금속은 또한 전극 재료에서 존재하는 정도까지 Pt 고용체 위상에 강도를 추가할 수 있다. 내화 금속의 특정 그룹은 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 레늄(Re), 탄탈럼(Ta), 몰리브덴(Mo), 및 텅스텐(W)중에서 하나 이상을 포함한다. 다시 말해서, Pt계 합금은 단지 하나의 내화 금속 또는 하나 이상의 내화 금속의 조합을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 단일 또는 조합으로 제공되는 내화금속은 합금의 약 30.0 원자% 미만의 양으로 제공되고; 즉, 단일의 내화 금속이 30.0 원자%까지 추가되거나 또는 제 1 내화 금속을 15 원자%에서 그리고 제 2 내화 금속을 15 원자%에서 함께 30.0 원자%까지 추가될 수 있다. 내화 금속의 원자%는 전체적인 Pt계 합금의 단위 체적당 내화 금속의 원자의 수를 전체적인 Pt계 합금의 단위 체적당 전체적인 Pt계 합금의 원자의 수로 나눔으로써 결정된다.
추가될 때, 내화 금속은 Pt 또는 Al의 일부 또는 그 이상을 대체할 수 있는데, 이것은 Pt계 합금의 전체적인 비용을 감소시킨다. 일부의 실시예에서, 내화 금속의 총량은 특정 Pt계 합금에서 취성이 있는 합금의(intermetallic) 위상의 석출 및 전이를 방지하기 위해서, 약 30.0 원자% 이하로 유지될 수 있는데, 이것은 합금에 유해하거나 또는 그렇지않으면 합금의 성능에 방해가 될 수 있고; 물론, 다른 실시예에서, 이것은 덜 중요하고 내화 금속은 30.0 원자% 이상의 양으로 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, Pt계 합금은 약 20.0 원자% 미만의 양의 내화 금속을 포함한다. 다른 실시예에서, Pt계 합금은 14.0 원자% 미만의 양의 내화 금속을 포함한다. 또 다른 실시예에서, Pt계 합금은 약 10.0 원자% 미만의 양의 내화 금속을 포함한다. 다른 실시예에서, Pt계 합금은 약 4.0 원자% 미만의 양의 내화 금속을 포함한다. 다른 실시예에서, Pt계 합금은 적어도 약 0.01 원자% 양의 내화 금속을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 적어도 약 0.1 원자%의 양의 내화 금속을 포함한다. 또 다른 실시예에서, Pt계 합금은 적어도 약 3.0%의 양의 내화 금속을 포함한다. 또 다른 실시예에서, Pt계 합금은 적어도 약 10.0 원자%의 양의 내화 금속을 포함한다. 내화 금속의 존재 및 양은 전극 재료의 표면 또는 섹션에서 화학 분석을 실시함으로써 또는 S.E.M. 기기로 전극 재료의 표면 또는 섹션의 E.D.S.를 생성하고 그리고 관찰함으로써 검출될 수 있다.
Pt계 합금은 또한 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 또는 양 Ti 및 Cr의 조합을 상기한 Pt3Al와 같은 일정한 화학적 위상의 안정화 및/또는 합금의 내산화성에 영향을 주는 양만큼 포함할 수 있다. 예를 들면, 제공될 때, Ti 및/또는 Cr 원소는 Pt계 합금의 내산화성을 증가시키고 고온에서 Pt3Al 위상의 안정화를 개선하여 Pt계 합금의 마이크로구조를 개선할 수 있다. 합금에서 정확한 양의 Ti 및/또는 Cr은 Al의 양에 의해 지시될 수 있다. 예를 들면, Al이 약 20.0 원자%의 양으로 제공될 때, 단지 5.0 원자% Al이 제공되는 합금에 비해서 더 많은 양의 Ti 및/또는 Cr를 포함하는 것이 유리할 수 있다. Ti 및/또는 Cr의 원자%는 전체적인 Pt계 합금의 단위 체적당 Ti 및/또는 Cr 원자의 수를 전체적인 Pt계 합금의 단위 체적당 전체적인 Pt 계 합금의 원자의 수로 나눔으로써 결정된다.
하나의 실시예에서, Pt계 합금은 약 10.0 원자% 미만의 양의 Ti 및/또는 Cr을 포함한다. 다른 실시예에서, Pt계 합금은 약 5.5 원자% 미만의 양의 Ti 및/또는 Cr을 포함한다. 또 다른 실시예에서, Pt계 합금은 약 2.0 원자% 미만의 양의 Ti 및/또는 Cr을 포함한다. 다른 실시예에서, Pt계 합금은 적어도 약 0.01 원자%의 양의 Ti 및/또는 Cr을 포함한다. 또 다른 실시예에서, Pt계 합금은 적어도 약 0.1 원자%의 양의 Ti 및/또는 Cr을 포함한다. 다른 실시예에서, Pt계 합금은 적어도 약 1.5 원자%의 양의 Ti 및/또는 Cr을 포함한다. Ti 및/또는 Cr의 존재 및 양은 전극 재료의 표면 또는 섹션에서 화학 분석을 실시함으로써 또는 S.E.M. 기기로 전극 재료의 표면 또는 섹션의 E.D.S.를 생성하고 그리고 관찰함으로써 검출될 수 있다.
적절한 Pt계 합금 및 전극 재료 성분의 예는 10 원자% 알루미늄(Al) 및 니켈((Ni), 레늄(Re), 루테늄(Ru), 탄탈룸(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 텅스턴(W)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 내화 금속의 4 원자%를 가진 조성을 포함한다. 이들 조성은 하기의 제한적이지 않은 예들: Pt-10Al-4Ru 및 Pt-10Al-4W를 포함할 수 있고, 다른 예도 분명히 가능한다.
전극 재료는 하나 이상의 금속의 분말 사이즈를 선택하고, 분말 혼합물을 형성하기 위해서 분말을 혼합하고, 원하는 모양으로 높은 등압 및/또는 높은 온도하에서 분말 혼합물을 압축하고, 및 전극 재료를 형성하도록 압축된 분말을 소결하는 단계를 포함하는 알려진 분말야금 공정을 사용하여 만들 수 있다. 이러한 공정은 스파크 플러그 전극 및/또는 점화 팁 제조 공정에 적합한 모양(로드, 와이어, 시트, 등과 같은)으로 재료를 형성하는데 사용될 수 있다. 각각의 성분의 원하는 양의 아크 용융, 소결, 및/또는 혼합등과 같은 다른 알려진 기술이 사용될 수 있다. 추가적으로, 유도 가열 또는 다른 타입의 열원을 사용하는 용융은 하나 이상의 전극 재료 원소의 다른 고체 형태의 분말을 용융하는데 사용될 수 있다. 일부의 경우에, 전극 재료는 다른 공지된 내침식성 전극 재료에는 사용하기 힘든 종래의 절단, 연삭, 및 압출 기술을 사용하여 더 가공될 수 있다.
상기 설명은 본 발명의 하나 이상의 바람직한 예시적인 실시예의 설명이라는 것은 이해될 것이다. 본 발명은 여기에 개시된 특정 실시예에 한정되는 것이 아니고 첨부된 청구범위에 의해서만 한정된다. 더욱이, 상기 설명에 포함된 기술은 특정 실시예에 관한 것이고 그리고 용어 또는 문장이 상기에서 명시적으로 정의된 것을 제외하고는 청구범위에서 사용된 용어의 정의 또는 본 발명의 범위에서 제한으로서 구성되는 것은 아니다. 여러 가지 다른 실시예 및 개시된 실시예(들)에 대한 여러 가지 변화 및 수정은 당업자라면 자명할 것이다. 모든 이러한 다른 실시예, 변화 및 수정은 첨부된 청구범위의 범위 내에 있는 것이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용되는 바와 같이, 용어, "예를 들면", "예로써", "예를 들어", "~와 같이", "등" 그리고 동사 "구성된다", "가진다", "포함한다" 및 이들의 다른 동사 형태는 각각 하나 이상의 성분 또는 다른 아이템의 리스팅과 함께 사용될 때, 이 리스팅이 다른, 추가적인 성분 또는 아이템으로서 고려되지 않는 개방적인 의미를 구성한다. 다른 용어들은 이들이 달리 해석이 필요하게되는 문맥에서 사용되지않으면, 가장 넓은 합리적인 의미를 사용하는 것으로 이해된다.

Claims (20)

  1. 스파크 플러그에 있어서,
    축방향 보어를 가진 금속 쉘;
    축방향 보어를 가지고 있고 상기 금속 쉘의 상기 축방향 보어내에 적어도 부분적으로 배치된 절연체;
    상기 절연체의 상기 축방향 보어내에 적어도 부분적으로 배치된 중심 전극; 및
    상기 금속 쉘의 자유단에 부착된 접지 전극;
    을 포함하고,
    상기 중심 전극, 상기 접지 전극, 또는 그 모두는 약 50 내지 99 원자%를 포함하는 백금(Pt), 약 5 내지 20 원자%를 포함하는 알루미늄(Al), 및 니켈(Ni), 레늄(Re), 루테늄(Ru), 탄탈룸(Ta), 텅스턴(W) 및 몰리브덴(Mo) 또는 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 약 30 원자% 미만의 내화 금속을 구비하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 재료는 약 500℃ 이상의 온도에서 산화 알루미늄(Al2O3)층을 형성하고 상기 산화 알루미늄층은 상기 중심 전극, 상기 접지 전극 또는 그 모두의 외면에 형성되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 산화 알루미늄층은 약 0.10 내지 10.0 미크론(㎛)의 두께를 가진 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 재료는 약 5 내지 10 원자%의 알루미늄(Al)을 가지고 있고 상기 전극 재료는 단일-위상 백금(Pt) 고용체인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 재료는 약 10 내지 20 원자%의 알루미늄(Al)을 가지고 있고 상기 전극 재료는 Pt3Al 침전물을 가진 멀티-위상 백금계 합금인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 전극 재료는 약 10 원자% 미만의 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 또는 그의 조합을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 재료는 약 10 원자%의 알루미늄(Al)을 구비하고, 니켈(Ni), 레늄(Re), 루테늄(Ru), 탄탈룸(Ta), 텅스턴(W) 및 몰리브덴(Mo) 또는 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 약 4 원자%의 내화 금속을 구비하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 재료는 약 10 원자%의 알루미늄(Al)을 구비하고, 약 4 원자%의 내화 금속 루테늄(Ru)을 구비하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 재료는 약 10 원자%의 알루미늄(Al)을 구비하고, 약 4 원자%의 내화 금속 텅스턴(W)을 구비하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 중심 전극, 상기 접지 전극 또는 그 모두는 적어도 부분적으로 상기 전극 재료로 만들어진 부착된 점화 팁을 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 점화 팁은 상기 중심 전극 또는 상기 접지 전극에 부착된 제 2 부품, 및 상기 제 2 부품에 부착되고 적어도 부분적으로 상기 전극 재료로 만들어진 제 1 부품을 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 중심 전극, 상기 접지 전극 또는 그 모두는 적어도 부분적으로 상기 전극 재료로 만들어지고 부착된 점화 팁을 포함하지않는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  13. 스파크 플러그 전극에 있어서,
    약 50 내지 99 원자%의 백금(Pt), 약 5 내지 20 원자%의 알루미늄(Al)을 구비하고, 니켈(Ni), 레늄(Re), 루테늄(Ru), 탄탈룸(Ta), 텅스턴(W) 및 몰리브덴(Mo) 또는 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 약 30 원자% 미만의 내화 금속을 구비하는 전극 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 전극.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 전극 재료는 약 500℃ 이상의 온도에서 산화 알루미늄(Al2O3)층을 형성하고 상기 산화 알루미늄층은 상기 중심 전극, 상기 접지 전극 또는 그 모두의 외면에 형성되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 전극.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 전극 재료는 약 5 내지 10 원자%의 알루미늄(Al)을 구비하고, 상기 전극 재료는 단일-위상 백금(Pt) 고용체인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 전극.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 전극 재료는 약 10 내지 20 원자%의 알루미늄(Al)을 구비하고, 상기 전극 재료는 Pt3Al 침전물을 가진 멀티-위상 백금계 합금인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 전극.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 전극 재료는 약 10 원자% 미만의 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 또는 그 조합을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 전극.
  18. 제 13 항에 있어서, 상기 전극 재료는 약 10 원자%의 알루미늄(Al)을 구비하고, 니켈(Ni), 레늄(Re), 루테늄(Ru), 탄탈룸(Ta), 텅스턴(W) 및 몰리브덴(Mo) 또는 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 약 4 원자%의 내화 금속을 구비하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 전극.
  19. 제 13 항에 있어서, 상기 전극 재료는 약 10 원자%의 알루미늄(Al)을 구비하고, 약 4 원자%의 내화 금속 루테늄(Ru)을 구비하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 전극.
  20. 제 13 항에 있어서, 전극 재료는 약 10 원자%의 알루미늄(Al)을 구비하고, 약 4 원자%의 내화 금속 텅스턴(W)을 구비하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그 전극.
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