CN101483319B - 一种火花塞电极材料和制造方法以及使用该电极材料的火花塞 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火花塞电极材料，是由重量百分比为90～98％∶10～2％的铱、铂元素组成的合金，还公开了一种制造此火花塞电极材料的方法，以及一种中心电极和/或接地电极的点火尖端采用此种电极材料的火花塞。火花塞电极材料具有良好的抗腐蚀性和低的点火电压，并具有高熔点、高温强度硬度和优良的延展性，还能有效改善铱在高温下的抗氧化能力；所提供的制造方法能将此种具有优良延展性的火花塞电极材料制成极细的丝材，以制造更细的火花塞点火尖端，从而产生更集中，能量更强，路线更稳定的火花；采用所述铱铂合金作为火花塞的电极点火尖端，即使是在发动机极高转速时的高温、高压下，火花塞依然能提供准时、强劲的火花。

Description

一种火花塞电极材料和制造方法以及使用该电极材料的火花塞

技术领域

本发明涉及内燃机的火花塞，具体地说，本发明涉及一种火花塞电极材料和制造方法以及使用该电极材料的火花塞。

背景技术

火花塞是汽车及其它汽油机点火系统中的一个重要元件，它的产品性能在很大程度上取决于火花塞电极材料，所以火花塞在产品更新换代上以其所使用的点火电极材料为标志。

传统的火花塞电极材料是镍合金，近年来出现了铂合金、铱合金火花塞，对铱合金火花塞电极的研究主要集中于改进材料的熔点、电阻、强度、硬度等物理性能以及提高材料的加工性能等方面。

对于改进铱金火花塞电极材料的熔点、电阻、强度硬度等物理性能方面，尤以合金添加剂提高铱金火花塞点火电极的强度、硬度来提高材料的耐磨损、耐侵蚀性最具有代表性。例如，授予Kondo等人的美国专利No.4,540,910，该专利公开了一种由70-90wt％的铂和30-10wt％的铱制成的中心电极点火端，增加了合金的强度和稳定性；授予Katoh等人的美国专利No.5,990,602公开了一种包括0.01-2％氧化钇的铂-铱合金。一种已知的用于降低铱的氧化损耗的方法是以与铑组合的合金的形式使用铱，如Osamura等人的No.6,094,000美国专利和公布的英国专利申请GB 202,302,367公开了一种铱-铑合金，铑含量为1-60wt％。在No.5,998,913美国专利中，Matsutani公开了一种铱-铑-铼或钌合金，以降低合金中铑的含量，通过加入含量至多达17wt％铼或钌，铑含量可降到仅0.1wt％。

在提高材料的加工性能等方面，通过拉伸测试表明铱的延展性是有限的，许多添加了该二元铱基二元两相合金仍然是很脆。此外，即使加入Ni，W，Ta或Ni-Al能改变晶向从而改变其断裂模式，但是在压缩和延展性方面却没有明显的改进，因此需通过加入合适的元素来改变其高温性能和延展性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种火花塞电极材料和制造方法以及使用该电极材料的火花塞，该电极材料具有优良的高温强度特性和良好的延展性，并能有效改善铱在高温下的抗氧化能力。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案如下：

提供了一种火花塞电极材料，是由铱元素和铂元素组成的合金，其关键在于，所述铱元素和铂元素的重量百分比为90～98％∶10～2％。

作为优选，所述火花塞电极材料为片材或丝材。

作为优选，所述火花塞电极材料也可以是圆形截面或矩形截面的丝材。

本发明提供了一种火花塞电极材料的制造方法，包括以下步骤：

(1)采用纯度≥99.99wt％的铱、铂原料，将该铱和铂按照重量百分比为90～98∶10～2的比例，采用熔炼法或粉末冶金法制备成合金熔锭；

(2)在1773℃～2073℃温度下，对所述合金熔锭进行开坯加工；开坯时沿加工方向保持50％以上的变形率，直至形成组织均匀、晶粒较细小的锭坯；

(3)将步骤(2)中制得的坯料进行热轧，轧制温度为1373℃～1773℃；

(4)采用平辊在1273℃～1473℃温度下，将所述铱铂合金轧制成厚度≤0.5毫米的片材，再分条成0.8mm宽的丝材；或者是将步骤(2)中热轧后的加热锭坯进行多次热拉拨成圆形截面或矩形截面的丝材，道次变形率为5％～10％。

作为更优的实施方式，在所述步骤(2)中的开坯加工为锻造开坯或挤压开坯。

作为更优的实施方式，热轧时用钼片覆盖坯料表面。

作为更优的实施方式，在所述步骤(4)中，当所述铱铂合金被轧制成厚度≤0.5毫米的片材后，在室温下继续轧制成箔材，冷加工变形率≥80％，再将箔材分条成0.8mm宽的丝材。

作为更优的实施方式，所述合金熔锭进行开坯加工时，使用耐热钢作为模具材料。

作为更优的实施方式，在轧制和拉拨时，使用钨钢作为模具材料，并用石墨乳液润滑。

本发明还提供了一种火花塞，所述火花塞的中心电极和/或接地电极的点火尖端为铱元素和铂元素组成的合金，所述铱元素和铂元素的重量百分比为90～98％∶10～2％。

纯铱金属是面心立方结构，拉伸时容易沿晶界断裂，是一种加工到成品很困难的材料，其具有在900℃～1200℃(火花塞工作温度区间)温度下产生酸性腐蚀物质的特性，要改善纯铱的高温抗氧化损耗及提高延展性，主要因素取决于增加铱材料内部的共价键结，因此本发明在纯铱材料中加入铂做为合金添加剂，利用一定量的铂在铱的基体中的“钉扎”作用，获得更细小、等轴晶粒的显微组织，本发明所公开的铱铂火花塞电极材料，其中的铱、铂重量百分比为90～98％∶10～2％，这种构成的铱铂合金可以在不降低铱的熔点、高温强度硬度等物理性能的同时，获得良好的延展性，并且在900℃～1200℃具有较强的抗酸性腐蚀的能力，从而大大提高铱的高温抗氧化能力，有效改善氧化挥发。

本发明的有益效果是：火花塞电极材料具有良好的抗腐蚀性和低的点火电压，并具有高熔点、高温强度硬度和优良的延展性，还能有效改善铱在高温下的抗氧化能力；所提供的制造方法能将此种具有优良延展性的火花塞电极材料制成极细的丝材，以制造更细的火花塞点火尖端，从而产生更集中，能量更强，路线更稳定的火花；以本发明所公开的铱铂合金作为火花塞电极点火尖端，点火尖端具有高熔点、高硬度、低电阻和抗氧化性强等优点，即使是在发动机极高转速的高温、高压下，依然能提供准时、强劲的火花。

附图说明

图1为100wt％铱的圆形丝截面金相组织图(120X)；

图2为100wt％铱的圆形丝截面金相组织图(300X)；

图3为98wt％铱，2wt％铂的铱铂合金圆形丝截面的金相组织图(120X)；

图4为98wt％铱，2wt％铂的铱铂合金圆形丝截面的金相组织图(300X)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

实施例1：

本实施例的火花塞电极材料，是由铱元素和铂元素组成的合金，其中铱元素的重量百分比为90％，铂元素的重量百分比为10％，该火花塞电极材料是矩形截面的丝材。

制造此火花塞电极材料的方法，按如下步骤进行：

(1)采用纯度≥99.99wt％的铱、铂原料，将该铱和铂按照重量百分比为90∶10的比例，采用电子束熔炼法制备成杂质含量小、只有较少或根本没有内部孔隙的合金熔锭；

(2)在1773℃温度下，对合金熔锭进行锻造开坯，开坯时在加工方向即坯料的长度方向保持50％以上的变形率，直至形成组织均匀、晶粒较细小的锭坯，锻模材料为耐热钢；

(3)用钼片覆盖步骤(2)中制得的坯料表面，在1373℃～1473℃温度下进行热轧，为尽量减少在轧制时的冷却，在坯料表面覆盖钼片，以尽量减少轧制过程中开裂，轧制时，使用钨钢作为模具材料，并用石墨乳液润滑。

(4)采用平辊在1373℃温度下，将铱铂合金轧制成0.5毫米厚的片材，再分条成0.8mm宽的丝材，这样就获得了截面为0.5mm×0.8mm的丝材，丝材长度为0.8mm。

在本实施例的工艺条件下，获得的成品丝材硬度为120～140Hv(Φ0.5mm)，熔化温度为2843℃，电阻系数为0.066Ω·mm2/m，抗拉强度为210～230Kg/mm2，伸长率为20％。

一种火花塞，其中心电极和接地电极的点火尖端是按上述方法制得的丝材。

实施例2：

本实施例的火花塞电极材料，是由铱元素和铂元素组成的合金，其中铱元素的重量百分比为95％，铂元素的重量百分比为5％，该火花塞电极材料是矩形截面的丝材。

制造此火花塞电极材料的方法，按如下步骤进行：

(1)采用纯度≥99.99wt％的铱、铂原料，将该铱和铂按照重量百分比为95∶5的比例，采用电子束熔炼法制备成杂质含量小、只有较少或根本没有内部孔隙的合金熔锭；

(2)在1873℃温度下，对合金熔锭进行锻造开坯，开坯时在加工方向即坯料的长度方向保持50％以上的变形率，直至形成组织均匀、晶粒较细小的锭坯，锻模材料为耐热钢；

(3)用钼片覆盖步骤(2)中制得的坯料表面，在1473℃～1573℃温度下进行热轧，为尽量减少在轧制时的冷却，在坯料表面覆盖钼片，以尽量减少轧制过程中开裂，轧制时，使用钨钢作为模具材料，并用石墨乳液润滑。

(4)采用平辊在1473℃温度下，将铱铂合金轧制成0.5毫米厚的片材，再分条成0.8mm宽的丝材，这样就获得了截面为0.5mm×0.8mm的丝材，丝材长度为0.8mm。

在本实施例的工艺条件下，获得的成品丝材硬度为130～150Hv(Φ0.5mm)，熔化温度为2933℃，电阻系数为0.052Ω·mm2/m，抗拉强度为230～250Kg/mm2，伸长率为15％。

一种火花塞，其接地电极的点火尖端是按上述方法制得的丝材。

实施例3：

本实施例的火花塞电极材料，是由铱元素和铂元素组成的合金，其中铱元素的重量百分比为98％，铂元素的重量百分比为2％，该火花塞电极材料是矩形截面的丝材。

制造此火花塞电极材料的方法，按如下步骤进行：

(1)采用纯度≥99.99wt％的铱、铂原料，将该铱和铂按照重量百分比为98∶2的比例，采用电子束熔炼法制备成杂质含量小、只有较少或根本没有内部孔隙的合金熔锭；

(2)在1873℃温度下，对合金熔锭进行锻造开坯，开坯时在加工方向即坯料的长度方向保持50％以上的变形率，直至形成组织均匀、晶粒较细小的锭坯，锻模材料为耐热钢；

(3)用钼片覆盖步骤(2)中制得的坯料表面，在1573℃～1673℃温度下进行热轧，为尽量减少在轧制时的冷却，在坯料表面覆盖钼片，以尽量减少轧制过程中开裂，轧制时，使用钨钢作为模具材料，并用石墨乳液润滑。

(4)采用平辊在1373℃温度下，将铱铂合金轧制成0.5毫米厚的片材，然后在室温下继续轧制成0.2毫米厚的箔材，冷加工变形率≥80％，再将箔材分条成0.8mm宽的丝材，这样就获得了截面为0.2mm×0.8mm的丝材，丝材长度为0.8mm。

在本实施例的工艺条件下，获得的成品丝材硬度为150～160Hv(Φ0.5mm)，熔化温度为2973℃，电阻系数为0.048Ω·mm2/m，抗拉强度为250～260Kg/mm2，伸长率为10％。

一种火花塞，其中心电极的点火尖端是按上述方法制得的丝材。

实施例4：

本实施例的火花塞电极材料，是由铱元素和铂元素组成的合金，其中铱元素的重量百分比为98％，铂元素的重量百分比为2％，该火花塞电极材料是圆形截面的丝材。

制造此火花塞电极材料的方法，按如下步骤进行：

(1)采用纯度≥99.99wt％的铱、铂原料，将该铱和铂按照重量百分比为98∶2的比例，采用粉末冶金法制备成杂质含量小、只有较少或根本没有内部孔隙的合金熔锭；

(2)在2073℃温度下，对合金熔锭进行挤压开坯，开坯时在加工方向即坯料的长度方向，保持50％以上的变形率，直至形成组织均匀、晶粒较细小的锭坯，挤压模具材料为耐热钢；

(3)用钼片覆盖步骤(2)中制得的坯料表面，在1673℃～1773℃温度下进行热轧，为尽量减少在轧制时的冷却，在坯料表面覆盖钼片，以尽量减少轧制过程中开裂，轧制时，使用钨钢作为模具材料，并用石墨乳液润滑。

(4)使钨钢制成的圆形钢模，将热轧后的加热锭坯在1173℃～1323℃温度下，反复进行热拉拨，道次变形率可达5％～10％，拉制成Φ0.5×0.8mm的丝材，圆形钢模的材料为钨钢，拉拨时用石墨乳液润滑。

如图1和图2所示，100wt％铱的圆形丝截面(Φ0.5mm)的金相组织有明显的不规则裂纹，属于穿晶裂纹，表明了材料较脆；而在本实施中所获得的铱铂合金，如图3和图4所示，在添加了2wt％的铂后，98wt％铱2wt％铂合金圆形丝截面(Φ0.5mm)的金相组织，穿晶裂纹得到消除，组织致密。

在本实施例的工艺条件下，获得的成品丝材硬度为150～160Hv(Φ0.5mm)，熔化温度为2973℃，电阻系数为0.048Ω·mm2/m，抗拉强度为230～260Kg/mm2，伸长率为8％。

一种火花塞，其中心电极的点火尖端是按上述方法制得的丝材。

实施例5：

本实施例的火花塞电极材料，是由铱元素和铂元素组成的合金，其中铱元素的重量百分比为98％，铂元素的重量百分比为2％，该火花塞电极材料是矩形截面的丝材。

制造此电极材料的方法，按如下步骤进行：

(1)采用纯度≥99.99wt％的铱、铂原料，将该铱和铂按照重量百分比为98∶2的比例，采用电子束熔炼法制备成杂质含量小、只有较少或根本没有内部孔隙的合金熔锭；

(2)在1873℃温度下对熔锭进行锻造开坯，开坯时在加工方向即坯料的长度方向保持50％以上的变形率，直至形成组织均匀、晶粒较细小的锭坯，锻模材料为耐热钢；

(3)用钼片覆盖步骤(2)中制得的坯料表面，在1573℃～1773℃温度下进行热轧，为尽量减少在轧制时的冷却，在坯料表面覆盖钼片，以尽量减少轧制过程中开裂，轧制时，使用钨钢作为模具材料，并用石墨乳液润滑。

(4)使钨钢制成的矩形钢模，将热轧后的加热锭坯在1273℃～1473℃温度下，反复进行热拉拨，道次变形率可达5％～8％，拉制成截面尺寸为0.5×0.8mm，长度为0.8mm的丝材，拉拨时用石墨乳液润滑。

在本实施例的工艺条件下，获得的成品丝材硬度为150～160Hv(Φ0.5mm)，熔化温度为2973℃，电阻系数为0.048Ω·mm2/m，抗拉强度为250～260Kg/mm2，伸长率为8％。

一种火花塞，其中心电极和接地电极的点火尖端是按上述方法制得的丝材。

Claims (6)

1.一种火花塞电极材料的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)采用纯度≥99.99wt％的铱、铂原料，将该铱和铂按照重量百分比为90～98∶10～2的比例，采用熔炼法或粉末冶金法制备成合金熔锭；

(2)在1773℃～2073℃温度下，对所述合金熔锭进行开坯，开坯时沿加工方向保持50％以上的变形率，直至形成组织均匀、晶粒较细小的锭坯；

(3)将步骤(2)中制得的坯料进行热轧，轧制温度为1373℃～1773℃；

(4)采用平辊在1273℃～1473℃温度下，将所述铱铂合金轧制成厚度≤0.5毫米的片材，再分条成0.8mm宽的丝材；或者是将步骤(3)中热轧后的加热锭坯进行多次热拉拔成圆形截面或矩形截面的丝材，道次变形率为5％～10％。

2.根据权利要求1所述的火花塞电极材料的制造方法，其特征在于：所述步骤(2)中的开坯加工为锻造开坯或挤压开坯。

3.根据权利要求1所述的火花塞电极材料的制造方法，其特征在于：热轧时用钼片覆盖坯料表面。

4.根据权利要求1所述的火花塞电极材料的制造方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，当所述铱铂合金被轧制成厚度≤0.5毫米的片材后，在室温下继续轧制成箔材，冷加工变形率≥80％，再将箔材分条成0.8mm宽的丝材。

5.根据权利要求1所述的火花塞电极材料的制造方法，其特征在于：所述合金熔锭进行开坯加工时，使用耐热钢作为模具材料。

6.根据权利要求1所述的火花塞电极材料的制造方法，其特征在于：在轧制和拉拔时，使用钨钢作为模具材料，并用石墨乳液润滑。

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