CN103459628B - 火花塞电极材料和火花塞,以及制造火花塞电极材料和用于火花塞的电极的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及火花塞电极材料，包括a）0.7-1.3重量%的硅，b）0.5-1.0重量%的铜和c）余量的镍。
Description
现有技术
本发明涉及火花塞电极材料，以及包含电极的火花塞，该电极由火花塞电极材料形成，和涉及用于制造火花塞电极材料和电极的方法。
火花塞在现有技术中在不同的实施方案中是已知的。火花塞在快燃发动机中它们的电极之间产生触发火花用于点燃燃料－空气－混合物。所述火花塞在此具有接地电极和中间电极，其中具有二到五个电极的火花塞构造形式是已知的。这些电极在此置于火花塞外壳（接地电极）上或者作为中间电极置于陶瓷绝缘体中。火花塞的使用寿命受到电极材料的耐腐蚀性和耐侵蚀性所影响。传统的电极材料基于含有铝成分的镍合金。然而，它们的问题在于，在发动机室中的工作条件下，即在高温和氧化气氛的情况下，镍表面的大部分以及在电极材料内部的部分镍通过与周围的氧反应而氧化。由此形成了氧化镍层，该层具有热绝缘性以及导电抑制性并且在较短时间之后已经易于被腐蚀或者被火花侵蚀。因此，增大了电极间距，这最终导致火花塞的失灵。在按照规定使用火花塞时，氧化层的形成最多可以通过使用由纯贵金属构成的或基于贵金属的电极材料来实现，比如铂或者带有铱的铂合金，该电极材料具有增强的抗火花侵蚀攻击的耐磨性。但是，这样的电极材料，特别是铂，产生巨大的成本，这对于此类大量生产的部件如火花塞是成问题的。
发明内容
与此相反，根据本发明的具有权利要求1的特征的火花塞电极材料具有优点，即它是基于镍基合金，其使得电极材料的成本和从而火花塞的成本低廉。此外，这种火花塞电极材料具有优点，即在按照规定的使用中，就是说在升高的温度中和氧的存在下，至少在其表面的一部分上在最短的时间内，通常在几小时后已经形成尤其均质的、相对薄的氧化层。该氧化层的特点是具有至少6 W/mK，特别是至少8 W/mK或者甚至10 W/mK和更大的高的热导率，以及特别高的电导率。由此，位于其上的电压和作用温度可以迅速均匀地分布到整个电极材料上，由此防止局限于电极表面的小区域上的，即局部的温度最大值和电压最大值，这样显著地减少电极材料的腐蚀和侵蚀。通过有针对性地加入硅和铜，除了电导率和热导率之外，还提高了形成的氧化层的耐氧化性，以及它们的热力学稳定性，由此再次减少了电极材料的火花侵蚀磨损。硅的含量为0.7到1.3重量%，基于电极材料的总重量计。在低份额的0.7重量%的硅的情况下，已经积极地影响电极材料的氧化行为和在电极材料上形成的氧化层的电阻。然而，从硅的份额超过1.3重量%起就出现相反的效果。通过添加0.5到1.0重量%份额的铜（基于电极材料的总重量计），电极材料的电阻进一步降低，因为铜离子嵌入到氧化镍晶格中，由此提高所形成的氧化层的电导率。这种效果在低的0.5重量%的铜份额时已经可以测量到。然而， 铜的份额应该不超过1重量%，因为否则无法充分地保证火花塞电极材料足够的机械强度。本发明所以选择一种新的方式，因为通过有针对性地选择电极材料成分，即镍、铜和硅，优化了在按照规定的使用中所形成的氧化层，并不同于现有技术中将主要注意力置于尽可能高的耐腐蚀性。
从属权利要求中说明了本发明的优选的扩展实施方式。
各个元素和化合物的数量值，除非另有说明，分别基于火花塞电极材料的总重量计。
尤其优选地，火花塞电极材料具有硅的含量为0.9到1.1重量%和尤其是1重量%，和/或铜的含量为0.6到0.85重量%，尤其是0.75重量%，其中镍的含量因此为约97.5至98.5重量%。在这些份额中，附加的元素导致在按照规定使用形成火花塞的氧化层具有尤其高的热导氯和电导率。此外，所形成的氧化层是在热力学和机械方面足够稳定的，从而有效地减少了根据本发明的火花塞电极材料的火花侵蚀磨损以及腐蚀。
根据本发明的另一优选的实施方式，本发明的火花塞电极材料的特征在于，该材料包括0.07到0.13重量%，尤其是0.09到0.11重量%以及尤其是0.10重量%的钇。添加这样少量的钇防止在按照规定使用具有本发明的火花塞电极材料的火花塞期间的异常晶粒生长，钇含量可以有针对性地保持在低水平，例如通过合金的低氧含量。从钇的份额超过0.13重量%起，负面地影响氧化行为以及由此所形成的氧化层的电阻。
尤其优选地，该电极材料基本上没有铝和/或铝化合物和/或金属间相。铝及其化合物降低电极材料和所产生的氧化层的电导率，从而促进电极材料的火花侵蚀磨损。通过放弃使用铝明显改善所产生的氧化层的氧化行为和尤其电阻以及因此火花塞电极材料的侵蚀行为（可测量到地改善）。此外，明显改善材料的可塑性。放弃使用金属间相也有相似的效果，因为金属间相以在镍基质中的沉淀物的形式存在，并导致热机械张力以及减小热导率，由此增加了电极材料的火花侵蚀磨损和腐蚀。
根据本发明的另一优选的实施方式，所述火花塞电极材料的特征在于，金属杂质的份额合计少于0.15重量%。其中金属杂质包含元素和化合物，例如铁、钛、铬、锰等。这些杂质降低电导率和热导率升高的效果，如同通过在给定的范围内将硅和铜掺入镍基材料中所达到的效果。此外，通过这些杂质而降低了合金的热导率。
尤其优选的是，铁和／或铬和／或钛的含量小于0.05重量%和尤其是小于0.01重量%，因为正是这些元素不利地影响氧化层的电导率。进一步优选地，硫和／或硫化合物和／或碳和／或碳化合物的含量小于0.01重量%，尤其是小于0.005重量%以及尤其是小于0.001重量%，因为这些元素和化合物也对合金的氧化行为起到负面作用，尤其是其可以导致电极材料受到更强的腐蚀。
尤其优选地，火花塞电极材料中氧的含量小于0.003重量%，尤其是小于0.002重量%，因为氧不仅促进镍材料和而且也促进某些杂质的氧化，这再次导致了电极材料更多的磨损。
根据本发明的另一优选的实施方式，火花塞电极材料基本上, 即不考虑由于技术条件而无法避免的杂质，由1重量%的硅，0.75重量%的铜和0.1重量%的钇组成，其中余下的材料由镍组成并合计为约98.15重量%。在按照规定的使用中这样的电极材料形成坚固的、薄的且均匀的氧化层，具有大于10 W/mK的高热导率和低的电阻，即高的电导率。因此，所述的火花塞电极材料具有减少的火花侵蚀磨损和明显降低的腐蚀倾向，并因此特别好地适用于在高温下的长期使用。
根据本发明的另一优选的实施方式，火花塞电极材料基本上,即不考虑由于技术条件而无法避免的杂质，由0.7到1.3重量%，尤其1重量%的硅；0.5到1.0重量%，尤其0.75重量%的铜；0.07到0.13重量%，尤其0.1重量%的钇组成，以及含有少于0.003重量%，尤其少于0.002重量%的氧；0.001重量%的硫和0.003重量%的碳，其中余下的材料是镍，其中金属杂质的份额合计少于0.1重量%。该电极材料基于其组成具有最小的火花侵蚀磨损和最小的腐蚀倾向。
本发明还涉及用于制备本发明的火花塞电极材料的方法，其中该方法包括制造镍基合金的步骤以及掺入其它元素如硅、铜和任选地钇的步骤。
本发明还涉及用于制备本发明的火花塞电极的方法，其中该方法包括以下步骤：
-制造镍基合金
-掺入其它元素
-在火花塞电极表面的至少一部分上形成氧化层，该氧化层具有至少6 W/mK，特别是至少8 W/mK或者尤其至少10 W/mK的热导率和小于或等于通过下列方程式定义的电阻：
LogR=a+b*T/1000,
其中0.6≤a≤0.8，尤其为0.7，和3.1≤b≤3.3，尤其为3.2，而且其中T是单位为开的温度，
其中所述火花塞电极材料在形成氧化层之前含有如下元素：
a）镍作为基础材料
b）0.7-1.3重量%的硅和
c）0.5-1.0重量%的铜。
根据该方法制造的火花塞电极既可以制成为单组分电极也可以制成为双组分电极，其中与单组分电极相比，双组分电极具有只是作为包裹材料的本发明的火花塞电极材料，其中芯体材料例如由铜制成。该芯体材料优选设计成异形丝。
在本发明的火花塞电极表面上形成的氧化层具有经优化的结构。经优化的结构是指，氧化层具有均匀且坚固结合，而且与在传统电极上形成的氧化层相比它还相对薄以及在表面上是匀称的。这可以实现电极表面上氧化层的低电阻，这样使得该氧化层具有改善的电导率。此外，也提高了电极材料的热导率。因此，通过本发明的方法提供由低成本电极材料形成的火花塞电极，其特征在于极高的耐温性以及明显减少的火花侵蚀磨损，即低的电极烧损，并具有突出的抗氧化性和耐腐蚀性。因此，按照本发明制造的火花塞电极在高温中在极端条件下，如在发动机的燃烧室内所处的条件，也是坚固并耐磨损的。
优选地，所述氧化层可以通过根据规定使用火花塞电极而形成。这样的优点是所述火花塞电极在其使用前可以存放任意长时间，而不会引起质量降低，并在操作之后材通过形成氧化层而“活化”。
本发明还涉及由上述的火花塞电极材料形成的电极，其中该电极可以应用于作为中间电极和/或接地电极，以及在中间电极和／或接地电极中能够在带有或没有芯体优选地铜芯或银芯时应用。
附图说明
下面对发明的具体实施方式参照附图进行详细描述。在附图中显示：
图1是显示了本发明的火花塞电极材料与传统的火花塞电极材料相比每次触发点火时磨损的图表。
图2本发明范围的火花塞，包括接地电极和中间电极，其中中间电极构造成双组分电极，而接地电极构造成单组分电极，和
图3本发明范围的火花塞，包括接地电极和中间电极，其中接地电极构造成双组分电极，而中间电极同样构造成双组分电极。
发明的具体实施方式
图1是显示了如下所述本发明的火花塞电极材料A与传统的火花塞电极材料B相比每次触发点火时磨损（以μm3/点火计，包括标准偏差在内）的图表。
本发明的火花塞电极材料A具有如下组成：
a）1重量%的硅
b）0.75重量%的铜
c）0.1重量%的钇
d）0.002重量%的氧
e）0.001重量%的硫和
f）0.003重量%的碳，
其中余下的材料由镍组成和其中金属杂质的份额合计为少于0.1重量%。
传统的火花塞电极材料B具有如下组成：
a）1重量%的硅
b）1重量%的铝
c）0.2重量%的钇，
其中余下的材料由镍组成。火花塞电极材料各元素的含量是借助于ICP测定的。
两种材料A和Ｂ在900℃的电极温度和在空气下、7bar的压力和借助于具有90mA的起始触发电流的点火线圈下进行火花侵蚀试验。图表清楚地表明与优化的本发明的火花塞电极材料A的磨损（为约18μm3/点火）相比，传统的含铝的火花塞电极材料B每次触发点火的磨损（约为25μm3/点火）升高。本发明的火花塞电极材料A明显较低的火花侵蚀磨损是由于形成了均匀的相对薄的氧化层，具有突出的导热率和较低的电阻，即高导电率。
图2显示了本发明范围的火花塞1，包括中间电极2和接地电极3，其中中间电极2和接地电极3都是由火花塞电极材料组成的。中间电极2构造成双组分电极，而接地电极3构造成单组分电极，和
图3 显示了本发明范围的火花塞1，包括中间电极2和接地电极3，其中接地电极2和中间电极3同样构造成双组分电极，其中所述双组分电极包括由本发明的火花塞电极材料构成的电极外套5和由芯体材料优选由铜构成的电极芯4。
因此，根据本发明提供了用于制造火花塞电极或者通常的火花塞的火花塞电极材料，该材料尤其在按照规定的使用中由于氧化层的形成并且在最小化的制造费用和足够的热力学如机械稳定性的情况下而显示出低的火花侵蚀磨损和突出的耐腐蚀性的特点。
Claims (15)
1.火花塞电极材料，包括
a）0.7-1.3重量%的硅,
b）0.5-1.0重量%的铜和
c）余量的镍。
2.根据权利要求1所述的火花塞电极材料，其特征在于，硅的含量为0.9到1.1重量%，和/或铜的含量为0.6到0.85重量%，和镍的含量为97.5至98.5重量%。
3.根据权利要求1或者2所述的火花塞电极材料，其特征在于，所述电极材料还包括0.07到0.13重量%的钇。
4.根据权利要求1或者2所述的火花塞电极材料，其特征在于，所述电极材料没有铝和/或铝化合物和/或金属间相。
5.根据权利要求1或者2所述的火花塞电极材料，其特征在于，金属杂质的份额合计为少于0.15重量%。
6.根据权利要求1或者2所述的火花塞电极材料，其特征在于，铁和／或铬和／或钛的含量小于0.05重量%。
7.根据权利要求1或者2所述的火花塞电极材料，其特征在于，硫和／或硫化合物和／或碳和／或碳化合物的含量小于0.01重量%。
8.根据权利要求1或者2所述的火花塞电极材料，其特征在于，氧的含量小于0.003重量%。
9.根据权利要求1或者2所述的火花塞电极材料，由下列成分组成：
a) 98.15 重量%的镍，
b) 1重量%的硅，
c) 0.75 重量%的铜和
d) 0.1 重量%的钇。
10.根据权利要求1或者2所述的火花塞电极材料，由以下成分组成：
a）0.7到1.3重量%的硅，
b）0.5到1.0重量%的铜，
c）0.07到0.13重量%的钇，
d）少于0.003重量%的氧，
e）0.001重量%的硫，
f）0.003重量%的碳，
g）余量的镍，
其中金属杂质的份额合计少于0.1重量%。
11.用于制造根据权利要求1到10中任一项所述的火花塞电极材料的方法，包含下列步骤：
-制造镍基合金，
-掺入其它元素。
12.用于制造火花塞电极材料的方法，包含下列步骤：
-制造镍基合金，
-掺入其它元素，
-在火花塞电极表面的至少一部分上形成氧化层，该氧化层具有至少6 W/mK的热导率和小于或等于通过下列方程式定义的电阻：
LogR=a+b*T/1000,
其中0.6≤a≤0.8，和3.1≤b≤3.3，而且其中T是单位为开的温度，
其中所述火花塞电极材料在形成氧化层之前含有如下元素：
a）镍作为基础材料
b）0.7-1.3重量%的硅和
c）0.5-1.0重量%的铜。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于所述氧化层能够通过按照规定使用所述火花塞电极形成。
14.火花塞，包含由根据权利要求1到10中任一项所述的火花塞电极材料形成的电极。
15.根据权利要求14所述的火花塞，其特征在于，所述电极是中间电极和／或接地电极，以及其在中间电极和／或接地电极中能够在带有或没有芯体时应用。
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