CN103138161B

CN103138161B - 用于火花塞的贵金属合金复合材料电极及其制造方法

Info

Publication number: CN103138161B
Application number: CN201210430467.0A
Authority: CN
Inventors: 李旸; 杨喜昆; 马梦; 马梦一; 陈楚清; 周川
Original assignee: KUNMING FULLROLLING TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: KUNMING FULLROLLING TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2012-11-01
Filing date: 2012-11-01
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2032-11-01
Also published as: CN103138161A

Abstract

本发明公开了一种用于火花塞的贵金属合金复合材料电极，包括用于焊接固定于火花塞中心电极和接地电极基座的贵金属合金复合材料电极本体，贵金属合金复合材料电极本体包括贵金属合金电极基体和涂镀于所述贵金属合金电极基体表面且至少部分参与其焊接的复合层，所述复合层表层为基座主体材料X的合金，通过在贵金属合金电极焊接面设置以基座主体材料或者其合金为表层的复合层，对贵金属合金电极基体进行表面改性，使复合层位于不同的焊接材料之间参与合金化，因该合金层与电极基座具有同质性，能在焊接时形成一个连续渐变的固溶区组织，提高贵金属合金焊接到镍电极基座上的结合力，可提高贵金属合金电极的成品率和使用寿命。

Description

用于火花塞的贵金属合金复合材料电极及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种火花塞点火电极材料，尤其涉及一种用于火花塞中心电极和侧电极的贵金属合金复合材料电极及其制造方法。

背景技术

传统的火花塞电极材料是镍合金，为提高点火温度、降低点火间隙，人们在镍合金端面焊接了铂、铱或者其合金等贵金属材料，极大的提高了火花塞的点火性能。贵金属合金作为火花塞电极可提高发动机的点火温度、燃油经济性、使用寿命及降低有害物质的排放，是汽油机点火系统中理想的火花塞电极材料。

贵金属合金的成分控制对高温抗氧化蒸发性、机械性能的影响的相关研究已逐渐变得较为成熟，尤其在火花性能控制和提供火花侵蚀保护方面具有优良的性能。但在贵金属部件(特别是铱合金)与电极基体相接合的焊接方法上具有众所周知的局限性，火花塞在点火过程中始终处于高温氧化环境和反复的加热及加压，电极头的贵金属和贵金属合金与电极基座的镍(Ni)、镍合金以及其它金属之间因热膨胀系数不匹配，致使电极裂化、热疲劳和其它影响时有发生，这会导致焊接故障，并最终导致火花塞本身的故障，故在制造贵金属合金电极的工艺过程中，电极的焊接稳定性、耐久性指标对于火花塞的使用性能和制造成本也至关重要，但贵金属合金成份和结构的变化对焊接性能影响的研究还没有获得相应的进展。贵金属合金和镍电极基座的焊接是贵金属金电极制造的关键工艺环节，焊接工艺包括电阻焊接和激光焊接，高温激光焊(≥4000℃)热影响区的焊接组织容易产生热裂纹以及晶粒粒径过大，形成组织缺陷或材料脆性；此外贵金属合金硬度和熔点较高，而镍基座硬度、熔点低，两者热膨胀系数相差悬殊，镍合金中还存在Cr、Mn等容易产生扩散障的重金属，因此贵金属合金和镍合金不易形成热扩散组织，即所谓的冶金结合，但对于含有50％以上贵金属的合金部件而言，电阻焊接不适用，因其不能将足够的结合力施于基体元件，因而通常只能选用激光焊接，工序较多，加工成本高。

授予Kanao的美国专利6,307,307BI提出了一种解决焊接牢固度的方法，该方法中一铱合金头被激光焊接到由镍基或铁基合金制成的基体部件上，该基体部件进而与火花塞壳体相连接。尽管该方法将铱合金部件的连接界面从产生火花的高温区域移开，但仍然需要其它连接界面的结合(例如在铱合金与基体部件以及基体部件与壳体之间)，这些额外的界面需要额外的材料和加工步骤，并且因此导致额外的加工成本，此外由于潜在的加工缺陷以及火花塞工作时的热疲劳过程，这些也意味着额外的潜在故障产生点。

因此，需要在保持贵金属合金优良的高温抗氧化蒸发性能、机械性能的情况下，提供一种与火花塞电极基体焊接性能好，能经受长时间点火仍结合良好的贵金属合金复合材料，减少或消除潜在焊接缺陷，增加火花塞的耐磨损和耐侵蚀性能以及提高电极的可靠性，同时采用该贵金属合金复合材料使其与电极基座的低成本焊接手段如电阻焊接变得可行，从而简化工序，降低成本。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于火花塞的贵金属合金复合材料电极及其制造方法，通过对贵金属合金电极基体进行表面改性，在保持贵金属合金优良的高温抗氧化蒸发性能、机械性能的情况下，提供一种与火花塞电极基体焊接性能好，能经受长时间点火仍结合良好的贵金属合金复合材料电极，减少或消除潜在焊接缺陷，增加火花塞的耐磨损和耐侵蚀性能以及提高电极的可靠性，同时采用该贵金属合金复合材料使其与电极基座的低成本焊接手段如电阻焊接变得可行，从而简化工序，降低成本。

本发明的用于火花塞的贵金属复合材料电极，包括用于焊接固定于火花塞中心电极和接地电极基座的贵金属复合材料电极本体，所述贵金属复合材料电极本体包括贵金属合金电极基体和涂镀于所述贵金属合金电极基体表面且至少部分参与其焊接的复合层，所述复合层表层为基座主体材料X或者其合金。

进一步，所述复合层还包括介于其表层与贵金属合金电极基体之间的过渡层，所述过渡层为Pt、Rh中的一种或者Pt、Rh中的一种或两种与贵金属合金主体材料Y形成的PtY、YRh或PtYRh材料；

进一步，所述X为金属Ni，基座为Ni或者其合金，所述Y为金属Ir，贵金属合金电极基体中Ir含量≥50wt.％；

进一步，所述复合层的表层为金属Ni、镍铬锰硅合金NCr5-3-1.8、镍铬铁合金线NC3020、镍锰硅铬合金NMn2-1.8-1.8、铜芯复合电极NCr2-1-0.5、镍合金扁线NCr2Mn2Si、镍锰硅合金NMn4-1、英康镍合金Inconel600或镍钇合金线NY；

进一步，所述复合层的表层厚度为2μm～10μm；

进一步，所述复合层的过渡层厚度为2μm～5μm；

进一步，所述贵金属复合材料电极本体为薄片，还可以是圆形截面或矩形截面的丝材；

进一步，所述复合层的表层和过渡层分别可采用包套固相复合、电镀、喷涂、气相沉积、刷镀等方法制造；

进一步，所述复合层的表层和过渡层均采用电镀法制造，其中过渡层采用水溶液电积工艺,电镀液组成及工艺条件：H₂PtCl₆·(H₂O)＝1.12g·L^-1，Ir＝1.12g·L^-1，NaBF₄＝10～200g·L^-1，HBF₄＝1～100g·L^-1，NH₂SO₃H≤24g·L^-1，温度50℃，PH＝0.3～1.5，电流密度＝60mA·cm²；表层在镀金机中进行低应力镀制，电镀液组成及工艺条件：氨基磺酸镍＝450g·L^-1，氯化镍＝10g·L^-1，硼酸＝30g·L^-1，PH＝5.0，温度50℃，电流密度＝5A·dm^-2，电镀时间＝60s。

本发明的有益效果是：本发明的用于火花塞的贵金属合金复合材料电极及其制造方法，通过在贵金属合金电极焊接面设置以基座主体材料或者其合金为表层的复合层，对贵金属合金电极基体进行表面改性，使复合层位于不同的焊接材料之间参与合金化，因该合金层与电极基座具有同质性，能在焊接时形成一个连续渐变的固溶区组织，提高贵金属合金焊接到镍电极基座上的结合力，形成一种热膨胀系数方面渐变的过渡，进而改善贵金属合金的焊接性能，消除潜在焊接缺陷，能经受长时间点火并保持良好的结合，防止贵金属合金和电极基座结合不好在点火中产生脱落，掉落到汽油机缸体中引发的严重事故，提高贵金属合金电极的成品率和使用寿命，同时采用该贵金属合金复合材料使其与电极基座的低成本焊接手段如电阻焊接变得可行，从而简化工序，降低成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图；

图2为表面未涂镀以基座主体材料X的合金为表层的复合层的贵金属合金电极基体与电极基座电阻压焊后焊接纵剖面金相显微镜图；

图3为表面涂镀以基座主体材料X的合金为表层的复合层的贵金属合金电极基体与电极基座电阻压焊后焊接纵剖面金相显微镜图；

图4为表面未涂镀以基座主体材料X的合金为表层的复合层的贵金属合金电极基体与电极基座激光绕焊后焊接纵剖面金相显微镜图；

图5为表面涂镀以基座主体材料X的合金为表层的复合层的贵金属合金电极基体与电极基座激光绕焊后焊接纵剖面金相显微镜图。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图，图2为表面未涂镀以基座主体材料X的合金为表层的复合层的贵金属合金电极基体与电极基座电阻压焊后焊接纵剖面金相显微镜图，图3为表面涂镀以基座主体材料X的合金为表层的复合层的贵金属合金电极基体与电极基座电阻压焊后焊接纵剖面金相显微镜图，图4为表面未涂镀以基座主体材料X的合金为表层的复合层的贵金属合金电极基体与电极基座激光绕焊后焊接纵剖面金相显微镜图，图5为表面涂镀以基座主体材料X的合金为表层的复合层的贵金属合金电极基体与电极基座激光绕焊后焊接纵剖面金相显微镜图，如图所示：本发明的用于火花塞的贵金属合金复合材料电极，包括用于焊接固定于火花塞中心电极和接地电极的基座4的贵金属合金复合材料电极本体，所述贵金属合金复合材料电极本体包括贵金属合金电极基体1和涂镀于所述贵金属合金电极基体1表面且至少部分参与其焊接的复合层，所述复合层表层3为基座4主体材料X或者其合金，基座4主体材料即电极基座4材料中含量最高的一种金属材料，火花塞电极焊接通常采用电阻焊或激光焊，焊接过程中会因高温和压焊使贵金属合金电极基体1一端压入基座4中，贵金属合金电极基体1的压入端端面中部因焊接的热影响小很难产生金属间的热扩散，因此复合层涂镀于贵金属合金电极基体1外侧面，复合层随贵金属合金电极基体1压入基座4的部分参与焊接，此时贵金属合金电极基体1点火面无复合层，点火性能好，同时沿贵金属合金电极基体1外侧面涂镀的工艺成熟，例如将贵金属合金的丝材整体涂镀后即可连续切断和焊接，有利于大批量连续性生产加工。本发明增加了以基座4主体材料X或者其合金为表层3的复合层，该复合层位于基座4和贵金属合金电极基体1两种不同的焊接材料之间参与合金化，因该表层3与电极基座4具有同质性，能在焊接时形成一个连续渐变的固溶区组织，提高贵金属合金焊接到镍电极基座4上的结合力，形成一种热膨胀系数方面渐变的过渡，进而改善贵金属合金的焊接性能，消除潜在焊接缺陷，复合层内层可以与表层3材料一致也可以是Pt、Rh中的一种或者Pt、Rh中的一种或两种与贵金属合金主体材料Y形成的PtY、YRh或PtYRh材料的过渡层2，设置过渡层2可进一步提高复合层在不同焊接材料之间参与合金化，形成稳定的连续渐变的固溶区组织，进一步提高贵金属合金电极基体1焊接到镍电极基座4上的结合力，以镍为电极基座4主体材料、铱铂合金为电极基体为例，贵金属合金电极基体1焊面涂镀以镍合金为表层3的复合层和未涂镀以镍合金为表层3的复合层分别焊接于基座4后，经火花塞电阻耐久性跳火试验数据如下：

实验表明表面涂镀以镍合金为表层3的复合层的铱铂合金电极电阻变化率优于未镀镍的铱铂合金电极。

本实施例中，所述复合层还包括介于其表层3与贵金属合金电极基体1之间的过渡层2，所述过渡层2为Pt、Rh中的一种或者Pt、Rh中的一种或两种与贵金属合金主体材料Y形成的PtY、YRh或PtYRh材料，可进一步提高复合层在不同焊接材料之间参与合金化，形成稳定的连续渐变的固溶区组织，进一步提高贵金属合金焊接到镍电极基座4上的结合力。

本实施例中，所述X为金属Ni，基座4为Ni或者其合金，所述Y为金属Ir，贵金属合金电极基体1中Ir含量≥50wt.％，本实施例中贵金属合金为铱铂合金，具有高熔点、高化学稳定性和好的热强性等优良特性，可增加火花塞的耐磨损和耐侵蚀性能，提高电极的可靠性。

本实施例中，所述复合层的表层3为金属Ni、镍铬锰硅合金NCr5-3-1.8、镍铬铁合金线NC3020、镍锰硅铬合金NMn2-1.8-1.8、铜芯复合电极NCr2-1-0.5、镍合金扁线NCr2Mn2Si、镍锰硅合金NMn4-1、英康镍合金Inconel600或镍钇合金线NY。

本实施例中，所述复合层的表层3厚度为2μm～10μm。

本实施例中，所述复合层的过渡层2厚度为2μm～5μm。

本实施例中，所述贵金属合金复合材料电极本体为薄片，还可以是圆形截面或矩形截面的丝材或其他常见的形状。

本实施例中，所述复合层的表层3和过渡层2分别可采用包套固相复合、电镀、喷涂、气相沉积、刷镀等方法制造。

本实施例中，所述复合层的表层3和过渡层2均采用电镀法制造，其中过渡层2采用水溶液电积工艺,电镀液组成及工艺条件：H₂PtCl₆·(H₂O)＝1.12g·L^-1，Ir＝1.12g·L^-1，NaBF₄＝10～200g·L^-1，HBF₄＝1～100g·L^-1，NH₂SO₃H≤24g·L^-1，温度50℃，PH＝0.3～1.5，电流密度＝60mA·cm²；表层3在镀金机中进行低应力镀制，电镀液组成及工艺条件：氨基磺酸镍＝450g·L^-1，氯化镍＝10g·L^-1，硼酸＝30g·L^-1，PH＝5.0，温度50℃，电流密度＝5A·dm^-2，电镀时间＝60s，表层3还可采用包套固相复合方法制造，用镍合金管包套铱合金棒，在1150℃～800℃温度范围下反复进行热拉拨，道次变形率5％～10％，拉制成丝材，使用钨钢作为拉拨模具，并用石墨乳液润滑。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种用于火花塞的贵金属合金复合材料电极，其特征在于：包括用于焊接固定于火花塞中心电极和接地电极基座的贵金属合金复合材料电极本体，所述贵金属合金复合材料电极本体包括贵金属合金电极基体和涂镀于所述贵金属合金电极基体表面且至少部分参与其焊接的复合层，所述复合层表层为基座主体材料X或者其合金；所述复合层还包括介于其表层与贵金属合金电极基体之间的过渡层，所述过渡层为Pt、Rh中的一种或者Pt、Rh中的一种或两种与贵金属合金主体材料Y形成的PtY、YRh或PtYRh材料；所述X为金属Ni，基座为Ni或者其合金，所述Y为金属Ir，贵金属合金电极基体中Ir含量≥50wt.％；所述复合层的表层和过渡层均采用电镀法制造，其中过渡层采用水溶液电积工艺，电镀液组成及工艺条件：H₂PtCl₆·(H₂O)＝1.12g·L^-1，Ir＝1.12g·L^-1，NaBF₄＝10～200g·L^-1，HBF₄＝1～100g·L^-1，NH₂SO₃H≤24g·L^-1，温度50℃，PH＝0.3～1.5，电流密度＝60mA·cm²；表层在镀金机中进行低应力镀制，电镀液组成及工艺条件：氨基磺酸镍＝450g·L^-1，氯化镍＝10g·L^-1，硼酸＝30g·L^-1，PH＝5.0，温度50℃，电流密度＝5A·dm^-2，电镀时间＝60s；所述复合层的表层厚度为2μm～10μm；所述复合层的过渡层厚度为2μm～5μm。

2.根据权利要求1所述的用于火花塞的贵金属合金复合材料电极，其特征在于：所述复合层的表层为金属Ni、镍铬锰硅合金NCr5-3-1.8、镍铬铁合金线NC3020、镍锰硅铬合金NMn2-1.8-1.8、铜芯复合电极NCr2-1-0.5、镍合金扁线NCr2Mn2Si、镍锰硅合金NMn4-1、英康镍合金Inconel600或镍钇合金线NY。

3.根据权利要求2所述的用于火花塞的贵金属合金复合材料电极，其特征在于：所述贵金属合金复合材料电极本体为薄片，还可以是圆形截面或矩形截面的丝材。

4.一种权利要求1到3任一权利要求所述的用于火花塞的贵金属合金复合材料电极的制造方法，其特征在于：所述复合层的表层和过渡层均采用电镀法制造，其中过渡层采用水溶液电积工艺，电镀液组成及工艺条件：H₂PtCl₆·(H₂O)＝1.12g·L^-1，Ir＝1.12g·L^-1，NaBF₄＝10～200g·L^-1，HBF₄＝1～100g·L^-1，NH₂SO₃H≤24g·L^-1，温度50℃，PH＝0.3～1.5，电流密度＝60mA·cm²；表层在镀金机中进行低应力镀制，电镀液组成及工艺条件：氨基磺酸镍＝450g·L^-1，氯化镍＝10g·L^-1，硼酸＝30g·L^-1，PH＝5.0，温度50℃，电流密度＝5A·dm^-2，电镀时间＝60s。