CN102899614A - 一种高温稳定性火花塞电极涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温稳定性电极涂层，尤其是涉及汽车行业火花塞电极涂层材料的制备方法。该方法特征在于电极涂层由铂族金属及其合金组成，涂层为铱基材料，其中合金元素为锆、铪、钽、钇、铝、钨中的一种或多种组成。涂层中的合金以单质形式存在或与铂形成金属间化合物；铱基涂层中含有少量的氧元素，构成铱-锆/铪/钽/钇/铝/钨-氧复合涂层，其中铱含量为75at.％～98at.％，合金元素含量为1.5at.％～15at.％，氧元素含量为0.5at.％～10at.％。高温稳定性电极涂层由纳米级或微米级晶粒组成，涂层的厚度为10-100um。

Description

一种高温稳定性火花塞电极涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高温稳定性电极涂层，尤其是涉及汽车行业火花塞电极涂层的的制备方法。

背景技术

汽车工业是一个具有高度关联度的产业，它所酝酿的发展前景和巨大潜力有目共睹。中国汽车的需求呈“井喷式”增长，汽车工业也实现了持续、快速、稳健发展。汽车火花塞在汽车行业加速发展的同时，带动了零部件行业的发展。汽车业无国界的全球化发展模式，以及并购重组加剧了对零部件行业的整合。作为汽车发动机的关键零部件——火花塞行业也加速地发展，并形成了自己的特色。火花塞企业之间加剧分化，并逐渐融入全球采购体系，而且在模块化供货方面能力大幅提高。

火花塞电极是汽车发动机的重要零件，要求耐热高温气体腐蚀和耐点火花烧蚀，并有良好导热性、适当的强度和硬度，易于加工成型。普通的汽车火花塞电极材料是由镍锰、镍锰硅、镍锰硅铬、镍铬铁、镍钇合金制成，一般在行驶两万里或一年后都要进行检查或跟换。当汽车内的火花塞顶端有疤痕或是破坏、电极出现熔化、烧蚀现象时，都表明火花塞已经毁坏，此时就应该更换火花塞。然而，铂金火花塞可实现三至五万公里内免检查更换，近年来出现的铱金属材质的火花塞使用寿命已超越了普通火花塞和与铂金火花塞。由于铱具有具有一系列优异性能：高强度、高熔点、好的化学稳定性、优异的抗氧化性和在低于2280℃的温度下不和碳反应，和碳之间有化学兼容性而且能有效的阻碍碳扩散，这些都符合高温和氧化环境的极端条件下保护电极材料的选择标准。在2200℃的温度下，铱具有较低的氧渗透率和低的氧化物挥发速率，是目前1800℃以上最理想的抗氧化涂层候选材料。从氧的扩散率角度来看，在温度1800℃时，1μm厚的铱涂层相当于1mm厚的氧化硅、氧化铝涂层。然而，在高于1100℃时铱被氧化生成挥发的氧化物，这影响了火花塞电极使用寿命。另外，铂金、铱金火花塞的销售价格比较昂贵，一般只有高档轿车或部分品牌的中级轿车上配用铱金或铂金火花塞。随着请汽车行业的迅速增长，火花塞电极材料显得越来越重要，使用昂贵的铱铑合金、铱金火花塞材料或寻求低成本性能优良的新材料显得尤其重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高温稳定性火花塞电极涂层及其制备方法，该方法能克服现有技术中使用寿命短、成本价格高等缺点，其特征在于电极涂层由铂族金属及其合金组成。

所述电极涂层厚度为10-100μm。

所述电极涂层为铱基材料，其中合金元素为锆、铪、钽、钇、铝、钨中的一种或多种组成。

所述电极涂层中的合金以单质形式存在或与铂形成金属间化合物。

所述电极涂层中含有少量的氧元素，构成铱-锆/铪/钽/钇/铝/钨-氧复合涂层。

所述电极涂层由纳米级或微米级晶粒组成。

所述电极涂层中铱含量为75at.％～98at.％，合金元素含量为1.5at.％～15at.％，氧元素含量为0.5at.％～10at.％。

本发明提供的是一种高温稳定性电极涂层及其制备方法，其特征在于包括下属顺序的步骤：

(1)电极基体表面预先用机械抛光，再碱洗除油、酸洗，之后烘干。

(2)调节合金靶材与电极基体之间的距离10～20mm；

(3)真空炉内极限真空10^-3Pa以下，然后打开冷却水循环系统；

(4)通入氩气或氧气，炉内工作气压0.1～5Pa，氧气流量5sccm～20sccm；

(5)气压稳定后，开启电源，缓慢增加基材电位-100V～-300V；

(6)基材电压保持30min后，缓慢增加靶材电位-500V～-800V，开始涂层的制备；

(7)保持工艺参数1-5h后，关闭电源系统和真空系统，冷却至室温，关闭冷却水循环系统，打开炉罩，取出电极基材。

应用效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)保证电极性能和使用寿命，同时降低成本；

(2)沉积速度快，涂层厚度容易控制；

(3)对曲面形状的电极基体也可以制备涂层；

(4)可获平整、光洁、致密连续的涂层；

(5)涂层具有较好的高温稳定性。

附图说明

图1是一种利用平板靶材在较多电极表面镀铱基涂层的制备方法。

图2是一种利用碗状靶材在较多异形结构电极表面镀铱基涂层的制备方法。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。

实施例1

参照图1，一种高温稳定性火花塞电极涂层及其制备方法包括：靶材电源电位10、平板合金靶材20、合金涂层30、火花塞电极基体40、导电衬底50、基体电源电位60。

使用镍基合金棒(尺寸：

)作为火花塞电极基体，铱锆合金板作为平板合金靶材。将基材表面用金相砂纸处理、抛光并分别用丙酮超声清洗，之后烘干。在炉体内装置好，调节极间距，抽真空至极限真空后通入氩气。衬底上放置十根镍基合金棒。基材的沉积工艺参数：调节工作气压至5Pa，靶材电位为-800V，基材电位为-250V，极间距为15mm。经过3h沉积，可获得十几微米厚的铱锆合金涂层，经过能谱分析涂层中铱含量为90at％±1.5at％，锆含量为10at％±1.5at％，涂层是由微米级柱状晶粒组成，成分分布相对均匀。经高温1500℃氧化10h，结果发现涂覆涂层处的镍基合金棒保持较好，然而未被涂覆涂层处氧非常严重，表明铱锆合金涂层表现较好的高温稳定性。

实施例2

参照图2，一种高温稳定性火花塞电极涂层及其制备方法包括：靶材电源电位10、碗状合金靶材20、合金涂层30、异形结构火花塞电极基体40、导电衬底50、基体电源电位60。

使用镍基合金棒(尺寸：

)和异形结构的镍基合金棒作为基材，铱铪合金碗状干锅作为靶材。将基材表面用金相砂纸处理、抛光并分别用丙酮超声清洗，之后烘干。在炉体内装置好，调节极间距，抽真空至极限真空后通入氩气。衬底上放置十五根镍基合金棒。基材的沉积工艺参数：调节工作气压至1Pa，极限真空度10-5Pa，靶材电位为-500V，基材电位为-100V，极间距为15mm。经过5h沉积，可获得几微米厚的铱铪合金涂层，经过能谱分析涂层中铱含量为95at％±1.5at％，铪含量为5at％±1.5at％，涂层是由纳米级晶粒组成，其成分分布相对均匀。经高温1300℃氧化20h，结果发现涂覆涂层处的镍基合金棒保持较好，然而未被涂覆涂层处氧非常严重，表明纳米级铱铪合金涂层表现较好的高温稳定性。

上述仅为本发明的单个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种温稳定性火花塞电极涂层，其特征在于该涂层由铂族金属及其合金组成。

2.依据权利要求书1所述的涂层，其特征在于涂层厚度为10-100μm。

3.依据权利要求书1所述的涂层，其特征在于涂层为铱基材料。

4.依据权利要求书1所述的涂层，其特征在于涂层中的合金元素为锆、铪、钽、钇、铝、钨中的一种或多种。

5.依据权利要求书1所述的涂层，其特征在于涂层中的合金以单质形式存在或与铱形成金属间化合物。

6.依据权利要求书1所述的涂层，其特征在于涂层中含有少量的氧元素，构成铱-锆/铪/钽/钇/铝/钨-氧复合涂层。

7.根据权利要求书1所述的涂层，其特征在于涂层由纳米级或微米级晶粒组成。

8.依据权利要求书1所述的涂层，其特征在于涂层中铱含量为75at.％～98at.％，合金元素含量为1.5at.％～15at.％，氧元素含量为0.5at.％～10at.％。

9.一种高温稳定性火花塞电极涂层的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：

(1)电极基体表面预先用机械抛光，再碱洗除油、酸洗，之后烘干。

(2)调节合金靶材与电极基体之间的距离10～20mm；

(3)真空炉内极限真空10^-3Pa以下，然后打开冷却水循环系统；

(4)通入氩气或氧气，炉内工作气压0.1～5Pa，氧气流量5sccm～20sccm；

(5)气压稳定后，开启电源，缓慢增加基材电位-100V～-300V；

(6)基材电压保持30min后，缓慢增加靶材电位-500V～-800V，开始涂层的制备；

(7)保持工艺参数1-5h后，关闭电源系统和真空系统，冷却至室温，关闭冷却水循环系统，打开炉罩，取出电极基材。

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