CN102027649A - 用于火花点火装置的电极的火花表面的合金 - Google Patents

Abstract

一种用于包括火花塞在内的火花点火装置的电极，包括一种合金，该合金以重量百分比计包含：至少15％的Ni和实质为Pt的余量，更特别地，15-45％的Ni和实质为Pt的余量；5-35％的W和实质为Pd的余量；5-15％的Ni、5-15％的Pt、少于10％的Ir和实质为Pd的余量。

Description

用于火花点火装置的电极的火花表面的合金

技术领域

本发明一般涉及用于火花塞电极的材料，特别涉及用于火花塞电极的点火表面的材料。

背景技术

镍和镍基合金——包括如在UNS N06600下规定并冠以商品名Inconel

Nicrofer和

销售的镍-铁-铬合金——被广泛用作火花塞电极材料。这些材料易受高温氧化和导致磨蚀与腐蚀(特别是点火表面)的其他劣化现象的影响。

已有多种贵金属合金被建议用来提高火花塞电极的高温性能，特别是以各式各样的、被敷于火花塞电极从而形成其点火表面的点火尖端或点火垫的形式。目前用于火花塞电极的贵金属增强的火花表面的材料主要是高铂或高铱合金(重量一般大于90％)。其例子包括纯铱和纯铂，以及一些铂和铱合金，包括具有如下重量百分比组成的铂和铱合金：具有至多10％的Ni的Pt，具有至多4％的W的Pt，具有至多20％的Ir的Pt，以及可包括W或Zr之一或两者作为合金组分的具有至多10％的Rh的Ir。这些材料一般具有高昂的材料成本或高昂的材料处理成本或两者皆备。此外，这些材料的成本持续浮动，这就使得若不把浮动成本考虑进去，就难以设计和规定该成本，其本身也涉及额外成本。

因此，需要鉴别出可用作火花塞电极的点火表面的其他合金材料。

发明内容

概括地，本发明提供替代的中心电极和接地电极点火尖端材料，以相对目前材料在实质减小的材料和处理成本下提供相似或增强的性能。当本发明材料的组分的市场价格(考虑到各组分的相对含量)低于目前材料的组分的市场价格(考虑到各组分的相对含量)时，本发明的材料可替代目前的材料。主要的性能准则是：抗电蚀性；对由氧化、硫化和其他燃烧组分或反应产物所致的高温腐蚀的抵抗力；变为线、垫、球、铆钉和用于电极或点火尖端的其他形状的可成型性；以及焊接至基电极材料(包括镍基和铁基电极合金)的可焊接性。

一方面，火花点火装置的电极可包括一种合金组合物，该合金组合物以重量百分比计，基本包括15-45％的Ni和实质为Pt的余量，更特别地，可包括一种合金组合物，该合金组合物以重量百分比计，基本包括30％的Ni和实质为Pt的余量。

另一方面，火花点火装置的电极可包括一种合金组合物，该合金组合物以重量百分比计，基本包括5-35％的W和实质为Pd的余量，更特别地，可包括一种合金组合物，该合金组合物以重量百分比计，基本包括20％的W和实质为Pd的余量。

再一方面，火花点火装置的具有所述组合物的电极还可包括选自由钇、铪、镧、铈、锆、钽和钕组成的组的至少一种活性元素，更特别地，可包括一种合金组合物，该合金组合物以重量百分比计，包括约0.01-0.2％的活性元素，特别是约0.1-0.2％的活性元素。该活性元素还可包括任意组合的多种所述活性元素。

再一方面，本发明包括具有由所述合金组合物制成的电极的火花塞，该火花塞具有：一大致环状的陶瓷绝缘体；围绕该陶瓷绝缘体的至少一部分的一导电外壳；布置在该陶瓷绝缘体内、具有接线端和带有中心电极点火表面的点火端的一中心电极；操作地附着至该外壳、具有与中心电极点火表面相邻的接地电极点火表面的一接地电极，该中心电极点火表面和接地电极点火表面在其之间确定一火花间隙；其中，该中心电极点火表面或接地电极点火表面中的至少一个包括本发明的合金。

从对一个优选实施例的详细说明，本发明的这些和其他特点和优点对于本领域技术人员将变得更为明白。下面描述伴随该详细说明的附图。

附图说明

结合下面的详细说明和附图，本发明的这些和其他特点和优点将得以更好地理解，其中相似的数字在这几个视图中用来表示相似的元件：

图1是一个典型的火花塞的部分剖视图，该火花塞包括具有高温点火尖端的接地电极和中心电极，该点火尖端包括根据本发明的合金；

图2是图1的区域2的剖视图；

图3是图1的区域3的剖视图，示出了图1所示的接地电极和中心电极配置的具有导热芯的替代配置；

图4是对本发明的合金和几个对比例作加速寿命测试之后的间隙增长率图；

图5是对本发明的合金和几个对比例作加速寿命测试之后的放大的间隙增长率图；

图6是Pt-Ni二元相图的复制图和存在于其中的某代表性相的图；

图7A是已制造状态下的本发明的Pt-30Ni合金的铆钉照片；

图7B是300小时的加速寿命测试之后的本发明的Pt-30Ni合金的铆钉照片；

图7C是已制造状态下的本发明的Pt-10Ni合金的铆钉照片；

图7D是300小时的加速寿命测试之后的本发明的Pt-10Ni合金的铆钉照片；

图8是Pt-10Ni的作为测试周数/小时数的函数的火花间隙增长图；

图9是经Pt-10Ni的成本归一化的几个现有技术合金和纯贵金属的成本图；

图10是经Pt-10Ni的成本归一化的本发明的合金和几个对比例合金的成本图。

具体实施方式

参考图1-3，示出了用于引燃燃料/空气混合物的一个代表性火花点火装置。本发明考虑的火花点火装置包括——但不限于——各种配置的火花塞、电热塞、火花点火器及类似物，但特别适于用于各种火花塞电极配置。例如火花塞的点火装置的电极对该装置的功能至关重要。在例如火花塞的火花点火装置中，用于电极的合金被暴露于该装置所经受的极端的温度、压强、化学腐蚀和物理磨蚀条件下。这些包括电极合金暴露于与燃烧过程有关的众多高温化学反应物，这些反应物促进氧化、硫化和其他腐蚀过程，以及暴露于与火花内核和火焰前锋有关的等离子体反应，这些等离子体反应促进电极的点火表面的磨蚀。电极还易受与循环暴露于极端温度有关的热机械应力的影响，特别是以至于腐蚀过程在电极表面上形成具有与该电极合金不同的物理和机械属性(例如热膨胀系数)的腐蚀产物。此外，一旦贵金属火花尖端作为点火表面被机械变形、焊接或以其他方式附着至电极末端，存在与该贵金属尖端和该电极材料的热膨胀系数不匹配有关的额外的循环热机械应力，该应力会导致各种高温蠕变变形、裂化和断裂现象，从而引起该贵金属尖端和该电极的故障。所有这些说明了可降低电极性能的过程，特别是它们会引起火花间隙的变化，进而引起火花形成、位置、形状、持续时间和其他特征的变化，这反过来影响燃料/空气混合物的燃烧特征和发动机的性能特征。

本发明考虑的点火装置包括具有点火表面或点火尖端的电极，该点火表面或点火尖端由具有相比于现有已知点火尖端材料对上述劣化问题可比的且在一些情况下改进的抵抗力的合金制成，现有已知点火尖端材料例如纯铱和纯铂，以及一些铂和铱合金，包括具有如下重量百分比组成的铂和铱合金：具有至多10％的Ni的Pt，具有至多4％的W的Pt，具有至多20％的Ir的Pt，以及可包括W或Zr之一或两者作为合金组分的具有至多10％的Rh的Ir。

仍然参考图1-3，一个代表性的火花塞装置10包括一环状陶瓷绝缘体，总体示于12，该绝缘体可由氧化铝或适于用作火花塞绝缘体、具有适当的介电强度、高机械强度、高热导率和优良的耐热冲击性的其他电绝缘材料制成，这对火花塞制造领域的普通技术人员是熟知的。

绝缘体12可压模自生坯状态的陶瓷粉末，然后在足以使该陶瓷粉末致密化和玻璃化的高温下被烧结。绝缘体12具有一外表面，该外表面可包括一个部分暴露的上部杆部14，橡胶或其他绝缘火花塞套(图未示)围绕并紧握其上，以将该火花塞的接线端20与点火线和系统(图未示)的电连接电隔离。该暴露的杆部14可包括一系列肋16或其他表面抛光或零件，以提供对抗火花或二次电压放电的额外保护，并改进杆部与火花塞套的紧握作用。绝缘体12具有大致管状或环状的构造，包括在上部接线端20与下部芯孔端22之间纵向延伸的中心通道18。该中心通道18总体上具有变化的剖面面积，大致在或邻近接线端20处最大，在或邻近芯孔端22处最小。

一导电金属外壳总体示于24。金属外壳24可由任何适合的金属制成，包括各种涂敷和未涂敷的钢合金(包括具有镍基合金涂层的钢合金)。外壳24具有大致环状的内表面，该内表面围绕绝缘体12的中部和下部的外表面，并适于与该外表面密封接合，外壳24包括至少一个附着的、保持在地电位的接地电极26。尽管接地电极26被描绘为具有通常采用的单一的L形风格，应当理解，根据火花塞10的预期应用，可以用直的、弯的、环状的、摆线的及其他形状的多种接地电极替代，包括两个、三个和四个电极形状，电极由环状环连接在一起的电极形状，以及用来获得特别的点火表面形状的其他结构。接地电极26在点火端17具有一个或多个接地电极点火表面15，该点火端17邻近并部分地界定位于接地电极26与中心电极48之间的火花间隙54，中心电极48也具有一个相关的中心电极点火表面51。根据电极、它们的相应点火端和点火表面的相对朝向，火花间隙54可形成端间隙，侧间隙或表面间隙，或者它们的组合。接地电极点火表面15和中心电极点火表面51可各具有任何适合的剖面形状，包括圆形、矩形、正方形和其他形状，并且这些形状对于相应的点火表面可以是不同的。

外壳24在其主体部为大致管状或环状，并包括一个内部下部补强凸缘28(compression flange)，该下部补强凸缘28适于与绝缘体12的小的配合的下部肩部11受压地接触。外壳24一般还包括一个上部补强凸缘30，该上部补强凸缘30是在装配操作期间被卷边或成形，以压在绝缘体12的大的上部肩部13上。外壳也可包括一可变形区32，该可变形区32被设计并调整为响应于可变形区32的加热以及在上部补强凸缘30的变形期间或随之之后相关地施加一压倒性的轴向压力而轴向且径向向内塌缩，以将外壳24相对绝缘体12保持在一个固定的轴向位置，并在绝缘体12与外壳24之间形成气密径向密封。垫圈、粘结剂或其他密封化合物也可被置于绝缘体12与外壳24之间，以完善气密密封并改善装配后的火花塞10的结构完整性。

为了在燃烧室开口中移除或安装该火花塞，可为外壳24提供一个可施加工具的六角体34或其他零件。该零件尺寸优选与用于有关应用的此类工业标准工具的尺寸一致。当然，一些应用可能需要六角体以外的可施加工具的界面，例如施加开脚扳手的插槽，或已知用于赛车火花塞或其他应用的其他零件。在金属外壳24的下部形成一个带螺纹部36，紧邻密封座38之下。密封座38可配以一垫圈(图未示)，以提供火花塞10座落其上的适合的界面，并提供在外壳24的外表面与燃烧室开口内的带螺纹孔之间的空间的热气密封。或者，密封座38可被设计为沿外壳24的下部布置的锥形座(图未示)，以提供紧容差和在汽缸盖中的自密封安装，该汽缸盖也被设计为具有与这种火花塞座配合的锥形。

一导电的接线螺柱40被部分布置在绝缘体12的中心通道18内，并从暴露的顶柱39纵向延伸至向下嵌入中心通道18一段距离的底端41。顶柱连接至一点火线(图未示)，该点火线典型地如此处描述的那样被嵌入一电绝缘套，并接收通过在火花间隙54生成火花而点燃火花塞10所需的高压电的定时释放。

接线螺柱40的底端41嵌入导电玻璃密封42之内，形成复合的三层抑制器-密封组合件43的顶层。导电玻璃密封42用来密封接线螺柱40的底端，并将其电连接至电阻层44。组成该三层抑制器-密封组合件的中心层的该电阻层44可由已知降低电磁干扰(EMI)的任何适合的组合物制成。根据采用的点火系统的推荐安装和类型，此等电阻层44可被设计为用作一个更传统的电阻-抑制器，或者在替代例中，用作一个电感-抑制器，或者它们的组合。紧邻电阻层44之下，另一个导电玻璃密封46建立该抑制器-密封组合件43的底层或下层，并将接线螺柱40和抑制器-密封组合件43电连接至中心电极48。顶层42和底层46可由相同的或不同的导电材料制成。玻璃、其他密封和EMI抑制器的许多其他配置是众所周知的，并也可根据本发明被采用。因此，从点火系统而来的电荷通过接线螺柱40的底端到达顶层导电玻璃密封42，通过电阻层44并进入下部导电玻璃密封层46。

导电中心电极48被部分布置于中心通道18内，并从中心电极的嵌于下部玻璃密封层46之内的头部49纵向延伸至中心电极的邻近接地电极26的点火端50。中心电极点火表面51位于点火端50上，并且与接地电极点火表面15相对，从而在它们之间的空间形成火花间隙54。抑制器-密封组合件将接线螺柱40和中心电极48电互连，同时密封中心通道18以免燃烧气体泄漏，还抑制在火花塞10工作期间来自火花塞10的射频噪声辐射。如图所示，中心电极48优选为在其头部与点火端50之间连续且不间断地延伸的单件结构。容易理解，并且在本发明的范围之内，在火花塞10的工作期间，中心电极48的极性既可是正极，也可是负极，使得中心电极48具有高于或低于地电位的电位。

这是火花塞10的一个代表性构造，但是容易理解，根据本发明，采用绝缘体12、外壳24和电极26、48的其他火花塞10或点火装置构造也是可能的。

根据本发明，中心电极48和接地电极26中的一个或两个将在其相应的点火表面51、15上结合如下文所描述的高温贵金属合金。这可通过以该贵金属合金形成中心电极48和接地电极26中的一个或两个的整体而实现，或者，例如通过以一种适合的非贵金属形成电极的一部分，并结合在如上文描述的点火端上使用贵金属点火尖端而实现。如果电极之一或两者包括非贵金属部分，中心电极48和接地电极26中的一个或两个可由任何适合的导电的、非贵金属材料制成，包括许多高熔点金属，例如各种镍基和铁基合金。这些例子包括各种稀释镍合金和镍基超级合金，例如固溶强化的、包括铬和铁的镍基超级合金，其已被包含在用于金属和合金的统一编号系统(the UnifiedNumbering System for Metals and Alloys，UNS)的规范N06600中，该规范包括冠以商标Inconel

Nicrofer和Ferrochronin

销售的合金。上述电极合金材料组合物还可包括至少一种活性元素作为合金添加剂，以改善高温强度和耐氧化性。特别地，活性元素可包括选自由钇、铪、镧、铈、锆、钽和钕组成的组的至少一种元素。但是，活性元素合金添加剂的任何组合均被考虑在本发明的范围之内。该活性元素也可包括任意组合的多种活性元素。更具体地，所有活性元素合金添加剂的组成范围是合金重量的约0.01-0.2％，特别是约0.1-0.2％。

如图3所示，在一个替代电极配置中，接地电极26和中心电极48之一或两者可分别具有由高导热率材料制成的导热芯27、49(例如铜或银，或者它们之一的各种合金)。高导热芯用作热沉并帮助将热量从火花间隙54的区域带走，从而在该区域降低电极的工作温度，并进一步改善它们的性能和对所述劣化过程的抵抗力。

如图1-3所示，根据本发明，火花塞10也可在接地电极26和中心电极48之一或两者的点火端上分别结合一个贵金属点燃尖端或点火尖端62、52，其由高温贵金属合金材料制成，该材料具有改进的火花性能或对所述劣化过程的抵抗力，或两者兼备。中心电极48的点燃尖端52位于该电极的点火端50上，并具有点火表面51。接地电极26的点燃尖端62位于该电极的点火端17上，并具有点火表面15。点燃尖端52、62包括用于跨越火花间隙54发射电子的相应的点火表面51、15。用于中心电极48的点燃尖端52和用于接地电极26的点燃尖端62可根据一些已知技术中的任何一个制造、连接，包括通过电阻焊、激光焊或其各种结合成形并附着(或相反)各种垫状、线状或铆钉状点燃尖端。点燃尖端52、62可具有任何适合的尺寸和剖面形状或三维形式，包括各种圆柱体、正方形或矩形条、部分球体、半球体、圆锥体、角锥和其他形式。贵金属点燃尖端52、62还可包括复合或多层结构，该结构包括非贵金属部分，例如可分别附着至中心电极48或接地电极26，以及贵金属部分，该贵金属部分包括相应的点火表面51、15。

根据本发明，中心电极48或接地电极26之一或两者，或者它们相应的点燃尖端52、62，可由根据本发明的各种贵金属合金制成。相比于目前使用的贵金属合金，本发明的贵金属合金一般采用更高浓度的较低成本的材料，例如镍和钯，而不损害性能，并且在一些情况下带来性能的改进。这是本发明的合金的一个优势方面。取决于市场条件，由于结合了使用的组分元素的量、组分材料成本以及更低的材料处理成本，可以以更低的总成本获得本发明的材料。本发明的合金具有进一步的优势，即这些合金可适于用于与所述性能准则有关的生产中，然后当市场条件使得替代目前的贵金属电极材料较有利时，就替代之。这些合金包括一些铂基和钯基合金，这些元素在其中是主要组分。特别有效的是，将业已商业化的本发明的合金使用于其他产业和其他应用，例如医疗器械、集成电路和珠宝的互连和金属化层，因为这些合金被足量制造，以便容易获得并易于进行总额折扣和其他商业互利，而不需要与低量或专用有关的布置费(set-up)和其他收费。

本发明的合金组合物的一个例子是一种铂基合金，以重量百分比计，基本包括15-45％的Ni和实质为Pt的余量，更特别地，一种铂基合金，基本包括30％的Ni和实质为Pt的余量。“实质”意味着余量基本为Pt，但也可包括痕量的其他元素。这些痕量元素可为附带的杂质元素。典型地，附带的杂质与制造贵金属合金组分材料的工艺或形成该贵金属合金的工艺有关。但是，如果其他电极组分的纯度和制造工艺是受控的，这些痕量元素不一定会附带，并且它们的存在或不存在以及相对含量可以受到控制。该合金被用于两个点火尖端，并被连接——例如通过焊接——至各相应的电极，而不使用中间的、含贵金属的粘合层。换言之，由这一合金制成的尖端被直接连接至基电极，而不需要贵金属合金材料的任何介入层。该合金还基本无铱。

本发明的合金组合物的第二个例子是一种铂基合金，以重量百分比计，基本包括20-45％的Pd、2-18％的Ir、少于5％的W和实质为Pt的余量，其中Pt的量大于50％。更特别地，本发明包括一种铂基合金，以重量百分比计，具有25％的Pd、15％的Ir、2％的W和实质为Pt的余量。

本发明的合金组合物的第三个例子是一种钯基合金，以重量百分比计，基本包括5-35％的W和实质为Pd的余量。更特别地，本发明包括一种钯基合金，以重量百分比计，基本包括20％的W和实质为Pd的余量。

本发明的合金组合物的第四个例子是一种钯基合金，以重量百分比计，基本包括5-15％的Ni、5-15％的Pt、少于10％的Ir和实质为Pd的余量。更特别地，本发明包括一种钯基合金，以重量百分比计，基本包括10％的Ni、10％的Pt、5％的Ir和实质为Pd的余量。

点燃尖端52、62也可由在上面的例子中描述的合金制成。在用于点燃尖端52、62的本发明的合金中使用的额外的合金元素可包括活性元素，该活性元素包括钇、铪、镧、铈、锆、钽和钕。若使用，这些活性元素一般以约0.01-0.2％的量(重量)添加，更特别地，约0.1-0.2％(重量)。

一般地，使用更高浓度的较低成本材料(包括镍和钯)而不损害性能并在一些情况下带来性能的改进，这是本发明的合金的一个优势方面。取决于市场条件，由于结合了使用的组分元素的量、组分材料成本以及更低的材料处理成本，可以以更低的总成本获得本发明的材料。例如，以下事实可降低处理成本，即本方面的贵金属合金可被用来通过冷成型形成有头铆钉或类似形状，相比于冷成型，典型地采用热顶锻、磨光或电极放电加工(EDM)来形成其他贵金属合金，特别是许多铱合金。此外，本发明的合金典型地具有比许多铱合金或高铂量合金更低的熔解温度。进一步地，当本发明的合金被牵拉为具有用作中心电极或接地电极、或其点燃尖端的足够尺寸的线、杆、条或其他坯料时，一般需要更少的退火周数。更进一步地，由于相比于需要钻石切割的许多铱合金，本发明的合金具有增强的延展性，它们一般可被剪切。本发明的合金具有进一步的优势，即它们可适于用于与所述性能准则有关的生产中，然后当市场条件使得替代目前的贵金属电极材料较有利时，就替代之。

例子

相比于几个目前的点火尖端合金，本发明的几个示范性合金材料被作为点火表面评估，并且发现，它们具有至少实质相似、在一些情况下更好的如下性能，抗电蚀性、对由氧化、硫化和其他燃烧组分或反应产物所致的高温腐蚀的抵抗力，以在加速寿命测试中作为时间的函数的火花间隙的间隙增长和间隙增长率衡量。它们还表现出实质相似的变为线、垫、球、铆钉和用于电极或点火尖端的其他形状的可成型性，焊接至基电极材料(包括镍基和铁基电极合金)的可焊接性，以及其他因子，使得它们可容易地被制造和结合为点火尖端，作为目前贵金属点火尖端材料的替代。进行的加速寿命测试和对比例的结果提供如下。

进行加速寿命测试时，采用了具有等同配置的火花塞，包括点火尖端，采用了此处描述的本发明的不同的点火合金组合物，以及被包括作为对比例的几个目前的合金组合物。

这些火花塞具有相同的总体配置，包括外壳、绝缘体、接线螺柱、玻璃密封、中心电极和接地电极。中心电极和接地电极包括导热铜合金芯，如图3所示。每一情况中的接地电极包括通过电阻焊接附着的1.2mm直径、0.2mm厚的Pt-10Ni(重量百分比)垫。被测的具有各种点火尖端合金的中心电极包括0.7mm有头铆钉形式的点火尖端，如图7A-7D所示，该点火尖端通过电阻焊接被附着，以获得对于各被测合金材料实质相似的焊点。火花间隙为1.25mm，中心电极点火尖端被实质轴向居中于接地电极垫的中心之上。本发明的点火尖端合金是Pt-30Ni和Pt-20W，以重量百分比计。此外，还测试了几个目前的点火尖端合金以作对比，包括Pt-10Ni、Ir-2Rh-0.3W-0.02Zr和Ni-20Cr，以重量百分比计。Ni-20Cr合金不是贵金属合金，并且由于对于通常使用的商业火花塞电极合金组合物是有代表性的，因而被包括进来。已知Ni-20Cr合金的火花间隙增长性能非常类似于其他一些通常使用的电极合金，包括各种Ni-Cr-Fe合金，例如UNS N06600(冠以商品名Inconel 600而被知晓)，纯镍和不包括贵金属合金组分的许多镍基合金，例如一些稀释镍合金，例如Ni-Cr-Mn和Ni-Al-Si-Y合金。稀释镍合金是高镍合金，具有一般占合金重量大于90％的镍含量，伴有少量的合金元素，例如硅、铝、钇、铬、钛、钴、钨、钼、铌、钒、铜、钙、锰及类似物，以改进相对纯镍的高温特性，包括对高温氧化、硫化和相关的腐蚀磨损，以及与这些装置的运行所导致的循环热机械应力有关的变形、裂化和断裂的增强的抵抗力。

包含了由各所述点火尖端合金制成的点火尖端的一些火花塞在等同的6缸3.3升V-6汽车发动机中接受加速磨损测试。该发动机经历一小时的时间表，在这时间表中，该发动机在从空转到峰值扭矩和峰值功率、再返回空转之间反复循环。该一小时时间表反复总计500小时，以实现加速寿命测试。该500小时测试先前已经被表明和发动机在典型的驾驶/运行条件下运行约100,000英里相关。一般地，间隙的尺寸在暴露于运行环境后增大。间隙增长率具有巨大的商业重要性，因为特定点火尖端合金的间隙增长率间接涉及火花塞的可使用寿命(即，具有更高增长率的那些合金具有更短的工作寿命)。如果必须获得一个特定的工作寿命(例如100,000英里)，可致力于最大允许的间隙增长率。通过此处所描述的加速寿命测试，可确定对于特定合金的间隙增长率。

在这些加速磨损测试中，测试发动机如所描述的那样被循环，以获得在约400-800℃之间的发动机/火花塞工作温度下的变化性。由于这些合金和相关电极材料的热膨胀系数之间的不匹配，这一热循环在火花塞——特别是点火尖端中引入了循环热应力。此外，由工作温度的变化所致的尺寸变化、热膨胀系数不匹配和发动机的速度变化，以及点火系统的电压输出，也会因为点火系统工作电压发生的变化和火花间隙的尺寸变化而引起电应力变化。一般地，通过在约5-30kV之间改变点火电压，测试将变化性引入电应力，特别是与点火电压有关的变化性。火花间隙的变化在100小时间隔处测量。间隙信息转换为间隙增长和间隙增长率。本发明的点火尖端合金和对比合金的间隙增长率示于图4和5。图7A和7B是本发明的Pt-30Ni合金在已制造状态下(图7A)和在300小时的加速寿命测试之后(图7B)的照片。为了对比起见，图7C和7D是Pt-10Ni合金在已制造状态下(图7C)和在300小时的加速寿命测试之后(图7D)的照片。

如图4和5所示，本发明的所有合金均展现了与贵金属对比例(即Pt-10Ni、Ir-2Rh-0.3W-0.02Zr)实质相似的间隙增长率。关于“实质相似”，参考非贵金属对比例Ni-20Cr (图4)。换言之，本发明的贵金属合金与对比例贵金属合金之间的最大区别是Pd-20W具有的间隙增长率约为Ir-2Rh-0.3W-0.02Zr的197％、Pt-10Ni的仅108％。甚至该197％的更大的增长率也是一个改进，并且在Ir-2Rh-0.3W-0.02Zr与Ni-20Cr的增长率性能之间(其中该增长率约大2174％)、以及Pt-10Ni与Ni-20Cr的增长率性能之间(其中该增长率约大1178％)的对比的背景下是实质相似的。进一步地，除了Pt-20W之外的所有合金相比于Pt-10Ni合金具有更好的性能，而且Pt-20W的增长率仅为Pt-10Ni合金的约110％。因而，确信本发明的所有合金相对于Pt-10Ni、Ir-2Rh-0.3W-0.02Zr和其他已知Pt和Ir合金具有商业的有用改进，因为它们以实质更低的成本提供实质相似的间隙增长率性能，如图9和10所示。

也如图4和5所示，还测试了一种Pd-Re合金Pd-14Re，但它未像本发明的合金那样展现可接受的性能，因为它未展现与Pt-10Ni实质相似的间隙增长和间隙增长率性能。

Pt-30Ni的性能需要特别注意。该合金的间隙增长率低于Pt-10Ni合金。由于伴随着与增大量的镍有关的铂的渐进稀释，看上去没有稳定增大的间隙增长率(线性的或其他的)，鉴于获得的Ni-20Cr的数据(如上所指出的，该数据已知类似于其他非贵金属火花塞电极合金，包括镍基合金，例如此处指出的那些)，这是预想不到的，因为Pt-30Ni的性能实际上优于Pt-10Ni。Pt-30Ni形成了在约400-500℃之间的均势NiPt相，在约500-600℃之间的均势NiPt相和Ni₃Pt相的混合物，以及高于约600℃时的Ni和Pt的固溶体(见图6)。Pt-30Ni的基础间隙和间隙增长数据示于图8和9。参考图6，Ni-Pt相图表明该Pt-30Ni合金的镍和铂在400-800℃的工作温度范围的上端(即在约600-800℃之间)作为固溶体存在，这一事实暗示对于更高浓度的Ni(也许50％的Ni或更多)，也可能取得相似的间隙增长率性能，因为Pt和Ni在整个工作温度范围，在约65％的Ni以上，具有完全的固溶性，在约525-800℃的部分工作范围，在约30-65％的Ni之间，具有完全的固溶性。

上述发明根据相关法律标准描述，因此本说明书本质上是示例性的而非限制性的。对本领域技术人员来说，对所披露的实施例作变型和修正可能变得显而易见，并落入本发明的范围。因此，本发明所担负的法律保护范围仅可通过研究所附权利要求书而得以确定。

Claims (17)

1.一种火花点火装置，具有由非贵金属基合金制造的一中心电极和一接地电极，且各电极包括连接至相应的电极的一贵金属基点燃尖端，以提供所述点燃尖端的相应的点火表面，所述点火表面在所述点火表面之间的空间确定一火花间隙，所述点燃尖端由以重量百分比计包括至少15％的Ni和实质为Pt的余量的合金制造，所述点燃尖端被直接连接至所述中心电极和接地电极，而不使用中间的、含贵金属的粘合材料，且基本无铱。

2.如权利要求1所述的火花点火装置，其特征在于，所述合金以重量百分比计包括15-45％的Ni和实质为Pt的余量。

3.如权利要求1所述的火花点火装置，其特征在于，所述合金以重量百分比计包括30％的Ni和实质为Pt的余量。

4.如权利要求1所述的火花点火装置，其特征在于，所述合金进一步包括选自由钇、铪、镧、铈、锆、钽和钕组成的组的至少一种活性元素。

5.如权利要求4所述的火花点火装置，其特征在于，所述活性元素以占重量0.01-0.2％的量存在。

6.一种火花点火装置，具有一中心电极和一接地电极，且各电极包括连接至相应的电极的一贵金属基点燃尖端，以提供所述点燃尖端的相应的点火表面，所述点火表面在所述点火表面之间的空间确定一火花间隙，所述点燃尖端由以重量百分比计包括20-45％的Pd、2-18％的Ir、少于5％的W和实质为Pt的余量的合金制造，所述Pt的量大于50％。

7.如权利要求6所述的火花点火装置，其特征在于，所述合金以重量百分比计包括25％的Pd、15％的Ir、2％的W和实质为Pt的余量。

8.如权利要求6所述的火花点火装置，其特征在于，所述合金进一步包括选自由钇、铪、镧、铈、锆、钽和钕组成的组的至少一种活性元素。

9.如权利要求8所述的火花点火装置，其特征在于，所述活性元素以占重量0.01-0.2％的量存在。

10.一种火花点火装置，具有一中心电极和一接地电极，且各电极包括连接至相应的电极的一贵金属基点燃尖端，以提供所述点燃尖端的相应的点火表面，所述点火表面在所述点火表面之间的空间确定一火花间隙，所述点燃尖端由以重量百分比计包括5-35％的W和实质为Pd的余量的合金制成，且实质无Ir。

11.如权利要求10所述的火花点火装置，其特征在于，所述合金以重量百分比计包括20％的W和实质为Pd的余量。

12.如权利要求10所述的火花点火装置，其特征在于，所述合金进一步包括选自由钇、铪、镧、铈和钕组成的组的至少一种活性元素。

13.如权利要求12所述的火花点火装置，其特征在于，所述活性元素以占重量0.01-0.2％的量存在。

14.一种火花点火装置，具有一中心电极和一接地电极，且各电极包括连接至相应的电极的一贵金属基点燃尖端，以提供所述点燃尖端的相应的点火表面，所述点火表面在所述点火表面之间的空间确定一火花间隙，所述点燃尖端由以重量百分比计包括5-15％的Ni、5-15％的Pt、少于10％的Ir和实质为Pd的余量的合金制成。

15.如权利要求14所述的火花点火装置，其特征在于，所述合金以重量百分比计包括10％的Ni、10％的Pt、5％的Ir和实质为Pd的余量。

16.如权利要求14所述的火花点火装置，其特征在于，所述合金进一步包括选自由钇、铪、镧、铈和钕组成的组的至少一种活性元素。

17.如权利要求16所述的火花点火装置，其特征在于，所述活性元素以占重量0.01-0.2％的量存在。

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