CN102656760A - 用于火花塞的电极材料 - Google Patents

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Abstract

火花塞电极材料，其可用于火花塞及其它点火装置包括工业插头、航空点火器、电热塞，或用于在发动机中点燃空气/燃料混合物的任何其它装置。根据示例性实施方案，电极材料包括难熔金属(例如钨(W)、钼(Mo)、铼(Re)、钌(Ru)和/或铬(Cr))和贵金属(例如铑(Rh)、铂(Pt)、钯(Pd)和/或铱(Ir))，其中难熔金属以大于贵金属的量存在。这包括，但是当然不限于，包括钨基合金比如W-Rh和钌基合金比如Ru-Rh的电极材料。其它组合和实施方案也是可能的。

Description

用于火花塞的电极材料
技术领域
本发明主要涉及火花塞及用于内燃机的其它点火装置，并且特别是涉及用于火花塞的电极材料。
背景
火花塞可用于在内燃机中引起燃烧。火花塞通常通过跨在两个或更多个电极之间限定的火花隙产生火花，在发动机汽缸或燃烧室中点燃气体，比如空气/燃料混合物。经火花点燃气体在发动机汽缸中引起燃烧反应，其为发动机的动力冲程的原因。燃烧反应的高温、高电压、快速重复和燃烧气体中腐蚀性物质的存在可产生火花塞必须在其中运行的恶劣环境。该恶劣环境可助于侵蚀和腐蚀电极，这可随着时间推移负面影响火花塞的性能，潜在地导致不点火或一些其它不合需要的状况。
为了减少火花塞电极的侵蚀和腐蚀，已经使用了各种类型的贵金属及其合金，比如由铂和铱制造的那些。然而，这些材料可为昂贵的。因此，火花塞制造商有时试图通过仅在其中跨火花隙发火花的电极的点火尖端或火花部分使用这样的材料，将用于电极的贵金属量减至最小。
概述
根据一个实施方案，提供了包含金属外壳、绝缘体、中心电极和接地电极的火花塞。中心电极、接地电极或两者包括具有难熔金属和贵金属的电极材料，并且难熔金属为电极材料基于重量%的单个最大组分。
根据另一个实施方案，提供了火花塞电极，其包含具有难熔金属和贵金属的电极材料。难熔金属具有大于贵金属的熔化温度，并且难熔金属为电极材料基于重量%的单个最大组分。
根据另一个实施方案，提供了火花塞电极，其包含具有钨(W)、铑(Rh)和至少一种其它组分的电极材料。钨(W)为电极材料的单个最大组分。
附图简述
本发明的优选示例性实施方案将在下文结合附图得到描述，其中同样的名称意指同样的元件，并且其中：
图1为可使用以下所描述电极材料的示例性火花塞的横截面视图；
图2为来自图1的示例性火花塞的燃烧端的放大视图，其中中心电极具有以多件式铆钉形式存在的点火尖端，接地电极具有以平垫形式存在的点火尖端；
图3为可使用以下所描述电极材料的另一种示例性火花塞的燃烧端的放大视图，其中中心电极具有以单件式铆钉形式存在的点火尖端，接地电极具有以圆柱形尖端形式存在的点火尖端；
图4为可使用以下所描述电极材料的另一种示例性火花塞的燃烧端的放大视图，其中中心电极具有以位于凹处的圆柱形尖端形式存在的点火尖端，接地电极没有点火尖端；和
图5为可使用以下所描述电极材料的另一种示例性火花塞的燃烧端的放大视图，其中中心电极具有以圆柱形尖端形式存在的点火尖端，接地电极具有以从接地电极的轴向端延伸的圆柱形尖端形式存在的点火尖端。
优选实施方案详述
本文所描述的电极材料可用于火花塞和其它点火装置，包括工业插头(plug)、航空点火器、电热塞，或用于在发动机中点燃空气/燃料混合物的任何其它装置。这包括(但当然不限于)在附图中显示和在以下描述的示例性火花塞。另外，应理解电极材料可用于连接于中心和/或接地电极的点火尖端，或者它可用于实际的中心和/或接地电极本身，以列举几种可能性。电极材料的其它实施方案和应用也是可能的。
参照图1和2，显示了示例性的火花塞10，其包括中心电极12、绝缘体14、金属外壳16和接地电极18。中心电极或基电极构件12布置于绝缘体14的轴向孔中，并且包括点火尖端20，点火尖端20伸出超过绝缘体14的自由端22。点火尖端20为多件式铆钉，其包括由抗侵蚀和/或抗腐蚀材料(象以下所描述的电极材料)制成的第一组件32和由中间材料(象高铬镍合金)制成的第二组件34。在该具体实施方案中，第一组件32具有圆柱形形状，第二组件34具有阶梯形形状，该阶梯形形状包括直径扩大的头部分和直径减小的干部分。第一和第二组件可经激光焊接、电阻焊接或一些其它合适的焊接或非焊接接合处而相互连接。绝缘体14布置于金属外壳16的轴向孔中，并由足以使中心电极12与金属外壳16电绝缘的材料(比如陶瓷材料)构成。绝缘体14的自由端22可如所显示的那样伸出超过金属外壳16的自由端24，或者它可缩在金属外壳16内。接地电极或基电极构件18可根据图中显示的常规L-型构型或根据一些其它排列而构成，并且连接于金属外壳16的自由端24。根据该具体实施方案，接地电极18包括侧面26，其与中心电极的点火尖端20相对，并具有连接于其的点火尖端30。点火尖端30以平垫形式存在，并与中心电极点火尖端20限定火花隙G，以致于它们提供用于跨该火花隙发射和接收电子的发火花表面。
在该具体实施方案中，中心电极点火尖端20的第一组件32和/或接地电极点火尖端30可由本文所描述的电极材料制成；然而，这些不是该电极材料的仅有用途。例如，如在图3中显示的那样，示例性中心电极点火尖端40和/或接地电极点火尖端42也可由该电极材料制成。在该情况中，中心电极点火尖端40为单件式铆钉，接地电极点火尖端42为从接地电极的侧面26朝外延伸相当远距离的圆柱形尖端。电极材料也可用于形成在图4中显示的示例性中心电极点火尖端50和/或接地电极18。在该实例中，中心电极点火尖端50为位于凹处或盲孔52中的圆柱形组件，凹处或盲孔52在中心电极12的轴向端中形成。在中心电极点火尖端50的点火表面与也起点火表面作用的接地电极18的侧面26之间，形成火花隙G。图5显示电极材料的又一种可能应用，其中圆柱形点火尖端60连接于中心电极12的轴向端，圆柱形点火尖端62连接于接地电极18的轴向端。接地电极点火尖端62与中心电极点火尖端60的侧面形成火花隙G，并且因此为与在附图中显示的其它示例性火花塞有些不同的燃烧端构型。
而且，应理解以上所描述的非限定性火花塞实施方案仅为电极材料一些潜在用途的实例，因为它可利用于或使用于任何点火尖端、电极、火花表面或用于在发动机中点燃空气/燃料混合物的其它燃烧端组件。例如，以下组件可由该电极材料形成：中心和/或接地电极；以铆钉、圆柱、棒、柱、丝、球、丘、锥形、平垫、圆盘、环、套筒等形状存在的中心和/或接地电极点火尖端；直接连接于电极或经一个或更多个中间、介入或应力释放层而间接连接于电极的中心和/或接地电极点火尖端；位于电极凹处内、嵌入电极表面内、或位于电极外面(比如套筒或其它环形组件)的中心和/或接地电极点火尖端；或者具有多个接地电极、多个火花隙或半潜动(self-creeping)型火花隙的火花塞。这些仅为电极材料可能的应用的少许实例，还存在其它的。本文使用的术语“电极”，不论关于中心电极、接地电极、火花塞电极等，可包括单独的基电极构件、单独的点火尖端、或基电极构件与一个或更多个连接于其的点火尖端的组合，以列举几种可能性。
根据示例性实施方案，电极材料包括难熔金属和贵金属，其中难熔金属具有大于贵金属的熔化温度，并且难熔金属以大于贵金属的量存在于电极材料中。因为在不同周期表之间存在一些差异，在要与本申请一起使用的附录A (下文“附加元素周期表”)中，提供由国际纯粹与应用化学联盟(IUPAC)出版的周期表。本文使用的“难熔金属”广泛包括选自附加元素周期表的5-8族并具有超过约1700℃熔化温度的所有过渡金属。难熔金属可给电极材料提供任何数目的合乎需要的属性，包括高熔化温度和相应的高抗火花侵蚀性。适合用于电极材料的难熔金属的一些非限定性实例包括钨(W)、钼(Mo)、铼(Re)、钌(Ru)和铬(Cr)。在一些实施方案中，难熔金属为电极材料的单个最大(greatest或largest)组分，即使其少于整体电极材料的50重量%；在其它实施方案中，难熔金属为电极材料的单个最大组分，并且以大于或等于50重量%且少于或等于99重量%的量存在。
本文使用的“贵金属”广泛包括选自附加元素周期表9或10族的所有铂族金属。贵金属可给电极材料提供多种合乎需要的属性，包括高抗氧化性和/或抗腐蚀性。适合用于电极材料的贵金属的一些非限定性实例包括铑(Rh)、铂(Pt)、钯(Pd)和铱(Ir)。在示例性的实施方案中，贵金属为电极材料的第二大组分，并且以大于或等于1重量%且少于或等于50重量%的量存在。对于电极材料可能包括一种或更多种贵金属，并且在一个实施方案中，电极材料包括第一和第二贵金属，其中第一和第二贵金属中各自以大于或等于1重量%且少于或等于50重量%的量存在，并且其中第一和第二贵金属一起的量仍然少于电极材料中难熔金属的量。
难熔金属和贵金属可在电极材料中协作，使得电极具有高耐磨性，包括对例如火花侵蚀、化学腐蚀和/或氧化的显著抗性。难熔金属相对高的熔点可给电极材料提供对火花侵蚀或磨损的高抗性，而贵金属可给电极材料提供对化学腐蚀和/或氧化的高抗性。以下(表I)提供了列出一些示例性难熔金属和贵金属及其相应熔化温度的表格。对于贵金属，尽管可以，但完全不必防止氧化物形成。在一些情况中，贵金属可通过形成氧化物比如氧化铑(Rh2O3)改善电极材料的耐磨性，氧化铑(Rh2O3)可比难熔金属的氧化物(像氧化钨)更加稳定。在包括一种或更多种难熔金属和一种或更多种贵金属的电极材料的氧化期间，难熔金属可有利地从电极材料的表面挥发或蒸发，而贵金属可在表面形成稳定的氧化物。结果可为包含贵金属氧化物的防护表层与富含贵金属的次层。稳定的防护表层可起作用以防止或延迟电极材料进一步氧化，并且可为有益的，但是当然不是必需的。在一个实施方案中，稳定的防护表层具有约1-12微米(μm)的厚度。
表I. 示例性金属的熔化温度
(按照由美国化学会出版的)
Figure 2010800543737100002DEST_PATH_IMAGE002
。
直到现在，在电极材料中钨的使用由于其相对低的抗腐蚀性和/或抗氧化性已经受到限制。通过将钨与本文描述的一种或更多种贵金属合金化处理，可产生对用于火花塞电极具有足够抗氧化性的钨基材料，同时限制对于更加昂贵的贵金属的需要。例如，电极材料可包括至高达约99重量%的钨(W)，其余部分包括一种或更多种贵金属以及其它材料。当然，其它难熔金属可替代钨使用。
在一个实施方案中，电极材料为包括钨(W)和至少一种另外组分的钨基材料，其中钨(W)为该电极材料的单一最大组分。属于该示例性实施方案的合适电极材料组成的实例包括具有钨(W)加上选自铂(Pt)、铱(Ir)、铑(Rh)和/或钯(Pd)的贵金属的那些组成，比如W-Pt、W-Ir、W-Rh、W-Pd等。这样的组成可包括以下非限定性实例：51W49Pt、51W49Ir、51W49Rh、80W20Pt、80W20Ir、80W20Rh、90W10Pt、90W10Ir和90W10Rh；其它实例当然是可能的。
在另一个实施方案中，电极材料为包括以下组分的钨基材料：以大于或等于50重量%且少于或等于99重量%的量存在的钨、以大于或等于1重量%且少于或等于50重量%的量存在的第一贵金属、和以大于或等于1重量%且少于或等于50重量%的量存在的第二贵金属，其中第一和第二贵金属一起的量少于或等于钨(W)的量。属于该示例性实施方案的合适电极材料组成的实例包括具有铂(Pt)、铱(Ir)、铑(Rh)和/或钯(Pd)的某种组合和钨(W)的那些组成，比如W-Pt-Rh, W-Ir-Rh, W-Pt-Ir, W-Rh-Pd等。这样的组成可包括以下非限定性实例：50W40Pt10Rh、50W40Ir10Rh、50W40Pt10Ir、80W10Pt10Rh、80W10Ir10Rh、80W15Pt5Ir、90W5Pt5Rh、90W5Ir5Rh和90W8Pt2Ir；其它实例当然是可能的。在一些实施方案中，铑(Rh)为优选的贵金属，并且以比其它贵金属组分更高的重量%存在。刚刚所描述的示例性钨基材料可用于直接连接于阳极(例如接地电极)的点火尖端，它们可用于实际的阳极本身，或者它们可用于一些其它应用。
在另一个实施方案中，电极材料为包括钌(Ru)和至少一种另外组分的钌基材料，其中钌(Ru)为电极材料的单一最大组分。属于该示例性实施方案的合适电极材料组成的实例包括具有钌(Ru)加上选自铂(Pt)、铱(Ir)、铑(Rh)和/或钯(Pd)的贵金属的那些组成，比如Ru-Pt、Ru-Ir、Ru-Rh、Ru-Pd等。这样的组成可包括以下非限定性实例：51Ru49Pt、51Ru49Ir、51Ru49Rh、51Ru49Pd、80Ru20Pt、80Ru20Ir、80Ru20Rh、80Ru20Pd、90Ru10Pt、90Ru10Ir、90Ru10Rh和90Ru10Pd；其它实例当然是可能的。
在另一个实施方案中，电极材料为包括以下组分的钌基材料：以大于或等于50重量%且少于或等于99重量%的量存在的钌、以大于或等于1重量%且少于或等于50重量%的量存在的第一贵金属、和以大于或等于1重量%且少于或等于50重量%的量存在的第二贵金属，其中第一和第二贵金属一起的量少于或等于钌(Ru)的量。属于该示例性实施方案的合适电极材料组成的实例包括具有铂(Pt)、铱(Ir)、铑(Rh)和/或钯(Pd)的某种组合和钌(Ru)的那些组成，比如Ru-Pt-Rh、Ru-Ir-Rh、Ru-Pt-Ir、Ru-Rh-Pd等。这样的组成可包括以下非限定性实例：50Ru30Pt20Rh、50Ru30Ir20Rh、50Ru30Pt20Ir、50Ru40Pt10Rh、50Ru40Ir10Rh、50Ru40Pt10Ir、80Ru10Pt10Rh、80Ru10Ir10Rh、80Ru15Pt5Ir、90Ru5Pt5Rh、90Ru5Ir5Rh和90Ru8Pt2Ir；其它实例当然是可能的。在一些实施方案中，铑(Rh)为优选的贵金属，并且以比其它贵金属组分更高的重量%存在。刚刚所描述的示例性钌基材料可用于直接连接于阴极(例如中心电极)和/或阳极(例如接地电极)的点火尖端，它们可用于经中间组件或层(例如Ni-基组件)间接连接于阴极和/或阳极的点火尖端，或者它们可用于一些其它应用。
对于电极材料也有可能进一步包括晶粒稳定剂比如钇(Y)、铌(Nb)、钽(Ta)和铪(Hf)，尽管当然不必需。本文使用的“晶粒稳定剂”广泛包括将电极材料中一种或更多种晶粒的晶粒大小减至最小的任何组分。合金中的单个晶粒具有采取较大尺寸以减少高能量晶粒边界总表面积的自然趋势，尤其是在升高的温度下。晶粒稳定剂，可通过它在晶粒边界的存在，其可限制晶粒在边界的运动，从而抑制较小晶粒以免结合为较大晶粒。在一个实施方案中，晶粒稳定剂构成电极材料中的第三大组分，并且以大于或等于0.5重量%且少于或等于5重量%的量存在。在一些优选的实施方案中，晶粒稳定剂总含量为少于或等于2重量%。属于该示例性实施方案的合适电极材料组成的实例包括W-Rh-Pt-Y合金，比如90W5Rh4Pt1Y。两种贵金属之一可被省略，以形成例如W-Rh-Y或W-Pt-Y合金。
电极材料可使用已知的粉末金属工艺制成，包括对每一种金属选定粉末大小、混合粉末形成粉末混合物、在高等静压力和/或高温下压制粉末混合物为要求的形状，并烧结该压制的粉末形成电极材料。该方法可用于将材料成型为适合于其它火花塞电极和/或点火尖端制造工艺的形状(比如棒、丝、片等)。也可使用其它已知技术，比如熔化和混合所要求量的每一种组分。由于相对低的贵金属含量，可使用有时难以用于其它已知的抗侵蚀电极材料的常规切削和研磨技术，进一步加工该电极材料。
应该理解上述为本发明一个或更多个优选示例性实施方案的描述。本发明不限于本文所公开的具体实施方案，而是仅通过所附权利要求限定。另外，在上述描述中所包含的陈述涉及具体实施方案，并且不应解释为对本发明范围或对权利要求中所使用术语定义的限制，除了当术语或短语在以上得到明确定义时。各种其它实施方案和对所公开实施方案的各种变化和改进对本领域技术人员将变得显而易见。所有这样的其它实施方案、变化和改进旨在处于所附权利要求的范围内。
在本说明书和权利要求中所使用的术语“例如”、“如”、“例如”、“比如”和“象”及动词“包含”、“具有”、“包括”及它们的其它动词形式，当结合一种或更多种组分或其它项目的列表使用时，每一个均解释为开放式的，这意指该列表不应认为是排除其它的另外组分或项目。其它项目应使用其最广泛的合理含义来解释，除非它们在需要不同诠释的上下文中使用。

Claims (21)

1. 火花塞，其包含：
具有轴向孔的金属外壳；
绝缘体，其具有轴向孔并至少部分地布置于金属外壳的轴向孔中；
中心电极，其至少部分地布置于绝缘体的轴向孔中；和
连接于金属外壳自由端的接地电极；
其中中心电极、接地电极或两者包括电极材料，所述电极材料具有难熔金属和贵金属，其中难熔金属为电极材料基于重量%的单个最大组分。
2. 权利要求1的火花塞，其中难熔金属以约50重量%-约99重量%存在于电极材料中，该范围包括端点在内。
3. 权利要求1的火花塞，其中难熔金属包括至少一种选自以下的元素：钨(W)、钼(Mo)、铼(Re)、钌(Ru)或铬(Cr)。
4. 权利要求1的火花塞，其中贵金属为电极材料基于重量%的第二大组分，并且贵金属以约1重量%-约50重量%存在于电极材料中，该范围包括端点在内。
5. 权利要求1的火花塞，其中贵金属包括至少一种选自以下的元素：铑(Rh)、铂(Pt)、钯(Pd)或铱(Ir)。
6. 权利要求1的火花塞，其中电极材料包括难熔金属、第一贵金属和第二贵金属，并且第一和第二贵金属各自以约1重量%-约50重量%存在于电极材料中，该范围包括端点在内。
7. 权利要求1的火花塞，其中中心电极、接地电极或两者包括防护表层，其中难熔金属已经挥发或蒸发，并且贵金属已经形成稳定氧化物。
8. 权利要求7的火花塞，其中防护表层具有约1-12微米(μm)的厚度并且包括氧化铑(Rh2O3)。
9. 权利要求1的火花塞，其中电极材料包括约50重量%-约99重量%的钨(W)和约1重量%-约50重量%的铑(Rh)，两个范围均包括端点在内。
10. 权利要求9的火花塞，其中电极材料包括钨(W)、铑(Rh)和至少一种选自以下的其它贵金属：铂(Pt)、钯(Pd)或铱(Ir)。
11. 权利要求1的火花塞，其中电极材料包括约50重量%-约99重量%的钌(Ru)和约1重量%-约50重量%的铑(Rh)，两个范围均包括端点在内。
12. 权利要求11的火花塞，其中电极材料包括钌(Ru)、铑(Rh)和至少一种选自以下的其它贵金属：铂(Pt)、钯(Pd)或铱(Ir)。
13. 权利要求1的火花塞，其中电极材料进一步包括至少一种选自以下的晶粒稳定剂：钇(Y)、铌(Nb)、钽(Ta)或铪(Hf)。
14. 权利要求13的火花塞，其中晶粒稳定剂以约0.5重量%-约5重量%存在于电极材料中，该范围包括端点在内。
15. 权利要求1的火花塞，其中中心电极、接地电极或两者包括连接的点火尖端，所述点火尖端至少部分地由所述电极材料制造。
16. 权利要求15的火花塞，其中点火尖端为多件式铆钉，其包括连接于中心电极或接地电极的第二组件，和连接于第二组件并且至少部分地由所述电极材料制造的第一组件。
17. 权利要求1的火花塞，其中中心电极、接地电极或两者至少部分地由所述电极材料制造，并且不包括连接的点火尖端。
18. 火花塞电极，其包含：
具有难熔金属和贵金属的电极材料，其中难熔金属具有大于贵金属的熔化温度，且难熔金属为电极材料基于重量%的单个最大组分。
19. 权利要求18的火花塞电极，其中难熔金属为钨(W)，贵金属选自：铑(Rh)、铂(Pt)、钯(Pd)或铱(Ir)。
20. 权利要求18的火花塞电极，其中难熔金属为钌(Ru)，贵金属选自：铑(Rh)、铂(Pt)、钯(Pd)或铱(Ir)。
21. 火花塞电极，其包含：
具有钨(W)、铑(Rh)和至少一种其它组分的电极材料，其中钨(W)为电极材料的单个最大组分。
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