CN106575856A - 具有由至少三元的合金制成的密封部的火花塞 - Google Patents

Abstract

一种火花塞，该火花塞带有壳、布置在该壳中的绝缘体、布置在该绝缘体中的中心电极、布置在壳处的搭铁电极以及带有至少一个密封元件，其中，所述至少一个密封元件被布置在壳处，特别是绝缘体和壳之间，其特征在于，所述至少一个密封元件由至少三元的合金制成，其中，该合金含有铜（Cu）作为主要组成部分。

Description

具有由至少三元的合金制成的密封部的火花塞

背景技术

本发明基于按独立权利要求的前序部分所述的火花塞。

在目前的火花塞中，在火花塞的不同的部位上使用密封部或密封元件，因此安装在马达机体中或火花塞孔中的火花塞相对于处在燃烧室内的气体是气密的。

除了用于密封火花塞壳-火花塞孔过渡区的外部的密封部外，还存在至少一个内部的密封部，它也被称为内部的密封盘或内部的密封圈，它密封了在壳和绝缘体之间的间隙。

基于对火花塞密封部以及特别是对内部的密封部的特殊的要求，例如耐温性和可变形性，在火花塞中使用例如由钢或铜或铝制成的金属密封部。内部的密封部应当在火花塞所承受的约-40℃至约350℃的整个温度范围内都可靠地密封了在火花塞壳和火花塞绝缘体之间的间隙。

因此本发明所要解决的技术问题是，提供有更好的密封效果的火花塞。

发明优势

本发明基于这样的认识，即，对火花塞来说理想的密封元件，例如内部的密封部，由一种满足不同的要求、例如良好的可变形性、耐腐蚀性和耐温性的材料制成。

使用在火花塞中的密封元件总体上应当是耐压的，尤其耐受直至200 bar的压力，以便在马达运行中承受住燃烧室内支配的压力，以及应当优选气密地封闭在有待密封的部件之间的间隙，这就是说，在有待密封的部件之间的过渡区的泄漏速率理想地小于10^{- 7}mbar*l/s。

每种由现有技术公开的用于火花塞的密封元件，尤其是用于内部的密封部的材料，都具有有利的以及不那么有利的或不期望的材料特性。材料铜和铝的特征例如在于良好的可变形性和很高的导热率以及相比钢的特别好的耐腐蚀性。与此相反，钢通常具有比铜或铝更高的硬度。

如在大多数密封部中那样，在金属的密封元件中，密封效果也通过金属的密封元件在有待密封的部件之间的夹住达到。在此，密封元件必然变形。材料的可变形性在此取决于不同的材料特性，例如取决于断裂应变A或弹性模量E，以及取决于外部的条件，例如温度。在金属的密封元件中，典型地发生了在塑性变形的区域内的变形，其中，弹性变形的区域首先经历变形。断裂应变A在此是衡量材料在它破裂前能超过其弹性的变形区域变形到什么程度的量。弹性模量E是衡量材料对抗特别是弹性的变形或变形力的阻力的量。弹性模量越小，那么人们就可以更方便在第一近似中使材料变形。

概念耐温通常指的是，材料或部件不会与温度相关地改变或恶化自己的初始功能，例如在密封元件中的密封。耐温性可以针对不同的方面加以评判，例如针对形状稳定性或针对化学稳定性或耐腐蚀性。总体上被证实有利的是，适用于内部的密封部的材料对直至至少550℃的温度而言都是耐温的。

形状稳定性通常指的是，材料即使在温度变化时也保持其形状或几何特征。材料的硬度或材料的硬度的变化作为温度的函数是衡量形状稳定性的一个量。为了确定材料的硬度，存在不同的检验方法。在此说明的硬度值按维氏方法确定（DIN EN ISO 6507-1至6507-4）。

化学稳定性或耐腐蚀性（DIN EN ISO 8044：1999 腐蚀）通常指的是，材料即使在周边环境温度变化时相对于与其周边环境的物理化学的相互作用也是稳定的。其中，物理化学的相互作用可能导致材料的特性的改变，这种改变又可能导致材料的功能或由该材料制成的构件的功能受到巨大损害。

对按本发明的材料来说，这就是说，用于密封元件的材料在典型在火花塞的运行中出现的条件下应当是耐氧化的和/或耐腐蚀的和/或形状稳定的，特别是在直至200 bar的压力和直至400℃的温度下，因此所述密封材料在运行期间不会丢失其密封特性且火花塞具有更长的使用寿命。

材料的良好的导热率附加地正好在该材料被使用在火花塞内的内部的密封部的情况中是有利的。火花塞吸收来自燃烧室的热量，在此，通过布置在绝缘体和已冷却的壳之间的密封元件实现了初级的导热，以便冷却中心电极和火花塞的绝缘体。由一种具有很糟的导热率的材料制成的密封元件可能以不期望的方式改变火花塞的热性能。

带有独立权利要求的特征部分的特征的按本发明的火花塞相比现有技术具有这样的优势，即，火花塞的至少一个密封元件由一种材料制成，其中，该材料具有尽可能多的期望的材料特性。

通过使至少一个密封元件由至少三元的合金制成且该合金含有铜（Cu）作为主要组成部分，获得了这样的优势，即，合金具有铜的期望的材料特性，例如良好的可变形性、良好的导热率和/或热膨胀系数。在合金中，铜是主要组成部分，这就是说，铜是合金中有最大的单独份额的元素。

其它有利的设计方案是从属权利要求的主题。

业已被证实有利的是，合金具有不少于40%的重量百分比的Cu份额。Cu份额优选不少于47%的重量百分比。

在第一种有利的改型方案中可以规定，在合金中的Cu份额不大于70%的重量百分比。Cu份额尤其不大于64%的重量百分比。

可以附加或备选地有利地规定，合金含有镍（Ni）。合金中的Ni份额有利地不少于7%的重量百分比，特别是不少于10%的重量百分比。可以附加或备选地考虑，合金中的Ni份额不大于30%的重量百分比，尤其不大于26%的重量百分比或不大于25%的重量百分比。通过将镍掺杂到合金中，改善了合金的耐腐蚀性和强度或硬度。

总体上被证实有利的是，合金含有锌（Zn）。

合金的Zn份额有利地不少于10%的重量百分比和/或不大于50%的重量百分比。特别有利的是合金中Zn份额不小于15%的重量百分比和/或不大于42%的重量百分比。通过将锌掺杂到合金中，提高了合金的强度或硬度。同时通过Zn份额降低了合金的材料成本。

通过铜、镍和锌在合金中以所说明的量比的组合，获得了这样的技术效应，即，合金具有比钢更高的耐腐蚀性和更好的可变形性或更好的弹性以及具有比纯铜更高的强度或更高的硬度。特别是基于更高的耐腐蚀性而让合金适合使用在火花塞中，因为所述合金在火花塞运行期间抵挡住了燃烧室中很高的温度和侵略性的周边环境条件。

在上面提到的浓度范围中，镍和锌在铜中是完全可溶解的，这就是说，形成了一种均质的合金（α-混晶），其不具有或几乎不具有带有变化的元素浓度的区域，因而合金的材料特性在空间上是恒定不变的。

合金还可以含有其它的元素，例如铅（Pb）、铁（Fe）和/或锰（Mn）。铅在合金中的份额典型地为直至2.5%的重量百分比。铅改善了合金的可加工性，例如在车削、铣削、钻孔或其它对应DIN 8589-0至DIN 8589-17的加工技术中。通过将锰添加到合金中，减小了合金的退火脆性（Glühbrüchigkeit），这就是说，减小材料在高温下断裂的倾向。锰在合金中的份额例如为直至0.7%的重量百分比。

在第二种有利的改型方案中可以规定，合金中的Cu份额不小于75%的重量百分比。Cu份额尤其不小于98%的重量百分比。

可以附加或备选地有利地规定，合金含有铬（Cr），尤其其中，Cr在合金中的份额尤其不小于0.2%的重量百分比。也可以备选或附加地规定，合金中的Cr份额不大于1%的重量百分比，特别是不大于0.6%的重量百分比。

可以附加或备选地有利地规定，合金含有钛（Ti），其中尤其，Ti在合金中的份额尤其不小于0.05%的重量百分比。也可以附加或备选地规定，合金中的Ti份额不大于0.15%的重量百分比，特别是不大于0.1%的重量百分比。

可以附加或备选地有利地规定，合金含有硅（Si），其中尤其，Si在合金中的份额不小于0.01%的重量百分比或尤其不小于0.02%的重量百分比。也可以备选或附加地规定，合金中的Si份额不大于0.05%的重量百分比，特别是不大于0.03%的重量百分比。

合金还可以额外含有其它的元素，例如银（Ag）和/或铁（Fe）。在此，合金中的Ag份额优选不大于0.3%的重量百分比。合金中的Fe份额例如小于0.1%的重量百分比。

通过铬、钛和/或硅以所说明的量比与铜的掺和，获得了这样的技术效应，即，Cu合金具有比纯铜更高的硬度或强度。合金的形状稳定性优于纯铜的形状稳定性。

特别是按照第一或第二种改型方案的合金，也可以含有一定份额的杂质，例如其它的元素，或者氧化物。杂质或氧化物不是有针对性地被掺杂给合金，而是由于元素获得过程、合金的制造过程和/或仓储条件而无法避免或仅以极高的耗费才能避免或减少。少量杂质通常可以被忽略，因为它们对至少三元的合金的材料特性没有重大影响。

例如按照第一种和第二种改型方案的合金优选具有小于或等于150 Gpa的弹性模量E。

例如按第一种和第二种改型方案的合金的热膨胀系数α，不小于15*10^-6 1/K和/或不大于20*10^-6 1/K。热膨胀系数优选处在17*10^-6 1/K至18*10^-6 1/K的范围内。

例如按第一种和第二种改型方案的合金的导热率，应当不小于30 W/mK。例如按第二种改型方案的合金的导热率在理想情况下为至少300 W/mK。

例如按第一种和第二种改型方案的合金的硬度，典型地不小于80 HV和/或不大于260 HV，其中，执行按维氏硬度法的硬度检验。例如有利地规定，按第一种改型方案的合金的硬度处在85至250 HV的范围中，其中，边界属于该范围。按第二种改型方案的合金的硬度可以例如在120至190 HV的范围内。

有利地规定，例如按第一种和第二种改型方案，对于高达550°C的温度，合金的硬度减小不超过30%，其中，合金在室温下的硬度用作初始值以及合金最多30分钟就具有高达550℃的温度。尤其，硬度在上述的条件下减小最多22%。

由所述合金制成的密封元件是环形的。该密封元件可以具有圆形或多边形的横截面。在圆形的横截面中，横截面的直径不小于0.4 mm和/或不大于2.0 mm。横截面的直径优选不大于1.5 mm。在多边形的横截面中，密封元件例如具有不小于0.4 mm和/或不大于2.0mm的高度。横截面的宽度由密封元件的外直径和内直径的差的一半得出。宽度例如处在0.5mm至1 mm的范围内。

火花塞具有壳和布置在该壳中的绝缘体。在有利的实施方式中规定，由至少三元的合金制成的密封元件被布置在绝缘体和壳之间。特别有利的是，所述密封元件在火花塞的燃烧室侧的端部处被布置在绝缘体和壳之间。典型地，所述壳在其内侧上，尤其在壳的面朝燃烧室的区段中，具有肩部，这就是说，具有内半径的减小。在这个也被称为绝缘体座的肩部上平放着绝缘体。典型地，至少一个密封元件被布置在绝缘体和所述壳的绝缘体座之间。

外部的密封元件，也就是说，密封了在火花塞壳和火花塞孔或马达机体之间的过渡区的密封元件，也可以备选或附加地由所述至少三元的合金制成。外部的密封元件典型地被构造成折叠式密封部。

附图说明

图1示出了针对按本发明的火花塞的一个示例。

图2示出了内部的密封部的备选的横截面。

具体实施方式

图1示出了火花塞1的示意图，该火花塞包括壳3、布置在壳3中的绝缘体2、布置在绝缘体2中的中心电极8以及布置在壳3处的搭铁电极9。中心电极8和搭铁电极9被这样相互布置：使得在它们的燃烧室侧的端部之间形成了火花隙。搭铁电极9和/或中心电极8可以在它们的燃烧室侧的端部处具有若干由耐腐蚀的和/或耐侵蚀的金属制成的磨损面（该磨损面例如由贵金属，如Pt、Pd、Ir、Re和/或Rh制成）或由贵金属合金制成的磨损面。

此外，在绝缘体2中布置着接触销4，火花塞1通过该接触销与在此未示出的点火线圈接触。在接触销4和中心电极8之间的电接触通过一个也被称为粉末混合物（Panat）的电阻元件建立。如在这个实施例中示出的那样，该电阻元件可以逐层地例如由两种接触式粉末混合物5、7和一种电阻式粉末混合物6构成。三个层5、6、7在它们的材料组分上不同以及通过由材料组分造成的电阻进行区分。两种接触式粉末混合物 5、7可以由不同的或相同的材料制成。除了接触销4和中心电极8的电电触接外，电阻元件5、6、7也将绝缘体-中心电极-接触销过渡区与燃烧室气体密封隔绝。

外部的密封部10，例如折叠式密封部，负责密封所述壳-火花塞孔-过渡区。壳3具有螺纹，其中，该螺纹比外部的密封部10布置得更为接近燃烧室。

壳3的配设有螺纹的部分被称为壳的燃烧室侧的端部。背对燃烧室的剩余的壳，则被称为壳的背对燃烧室的端部。

为了密封在绝缘体2和壳3之间的间隙，存在至少一个内部的密封部11、12。内部的第一密封部11被布置在壳的燃烧室侧的端部的区域中，特别是比外部的密封部10布置得更为靠近燃烧室。外部的密封部10布置得比内部的第二密封部12更为靠近燃烧室。内部的第二密封部12被布置在壳的背对燃烧室的端部的区域中，特别是用于安装火花塞的六边形的区域中。除了内部的第一密封部11和内部的第二密封部12外，例如还可以在绝缘体-壳过渡区中设其它的内部的密封部。

内部的第一密封部11被布置在在绝缘体2和壳3之间的火花塞1的燃烧室侧的端部的区域中，特别是在绝缘体的脚槽的区域中。在此，壳3可以例如在其燃烧室侧的端部的内侧上具有也被称为绝缘体座的肩部13，这就是说，具有壳内直径的局部的减小，该肩部用作用于内部的第一密封部11的支承面。肩部13在壳的内侧上同样形成在壳的燃烧室侧的端部的区域中，特别是比外部的密封部10布置得更为靠近燃烧室。

如图1中所示，环形的内部的密封部11可以具有圆形的横截面。内部的密封部11的横截面的直径在此处在0.4至2 mm的范围内。

备选地如在图2中所示那样，环形的内部的密封部11也具有多边形的、例如四边形的横截面。内部的密封部11的横截面在此具有在0.4至2 mm范围内的高度h和/或从0.5至1mm的宽度b。

当设有多个内部的密封部11、12时，这些内部的密封部11、12具有相同的或不同的横截面。

内部的密封部11、12中的至少一个和/或外部的密封部10由至少三元的合金制成，其中，合金含有Cu作为主要组成部分。

合金按照第一种改型方案例如可以含有47-64%的重量百分比的铜，10-25%的重量百分比的镍，15-42%的重量百分比的锌和高达5%的重量百分比的铅、铁和/或锰。

第一种改型方案的示例合金A的三种主要组成部分是18%的重量百分比的镍、20%的重量百分比的锌和铜作为剩余部分。这种示例合金的硬度在85-230 HV的范围内。该合金的硬度在高达550℃的温度下在高达30分钟的时间内下降了最大15%。弹性模量为135 GPa，而断裂应变A的下限则处在3%至27%的范围内。示例合金B的热膨胀系数为17.7*10^-6 1/K以及导热率为33 W/mK。

第一种改型方案的示例合金A的三种主要组成部分是18%的重量百分比的镍、27%的重量百分比的锌和铜作为剩余部分。这种示例合金的硬度在90-250 HV的范围内。该合金的硬度在高达550℃的温度下在高达30分钟的时间内下降了最大21%。弹性模量为135 GPa，断裂应变A的下限则至少处在1%至30%的范围内。示例合金B的热膨胀系数为17.7*10^-6 1/K以及导热率为32 W/mK。

按第二种改型方案的合金含有至少95%的重量百分比的铜和至少两种从由铬、钛、硅、银和铁构成的组中选出的元素，其中，来自上述组的元素在合金中不具有比0.6%的重量百分比更高的单独份额。

第二种改型方案的示例合金C由0.5%的重量百分比的铬、0.2%的重量百分比的银、0.08%的重量百分比的铁、0.06%的重量百分比的钛、0.03%的重量百分比的硅和铜作为剩余部分构成。这种示例合金的硬度在140-190 HV的范围内。该合金的硬度在高达550℃的温度下在高达30分钟的时间内下降了最大15%。弹性模量为140 GPa，断裂应变A的下限则至少处在2%至7%的范围内。示例合金C的热膨胀系数为17.6*10^-6 1/K以及导热率为320 W/mK。

所述第二改型方案的示例合金D由0.3%的重量百分比的铬、0.1%的重量百分比的钛、0.02%的重量百分比的硅和铜作为剩余部分构成。这种示例合金的硬度在120-190 HV的范围内。该合金的硬度在高达550℃的温度下在高达30分钟的时间内下降了最大20%。弹性模量为138 GPa，断裂应变A的下限则至少处在2%至8%的范围内。示例合金D的热膨胀系数为18.0*10^-6 1/K以及导热率为310 W/mK。

上面列举的示例合金也可以含有某种且可忽略的份额的杂质，如其它的元素，或氧化物。杂质或氧化物不是有针对性地被掺入合金，而是例如由于元素获取过程、合金的制造过程和/或仓储条件而无法避免。

Claims (13)

1.一种火花塞（1），该火花塞具有壳（3）、布置在该壳（3）中的绝缘体（2）、布置在该绝缘体（2）中的中心电极（8）、布置在所述壳（3）处的搭铁电极（9）以及具有至少一个密封元件（11），其中，所述至少一个密封元件（11）被布置在壳（3）处，特别是布置在所述绝缘体（2）和壳（3）之间，其特征在于，所述至少一个密封元件（11）由至少三元的合金制成，其中，该合金含有铜（Cu）作为主要组成部分。

2.按照权利要求1所述的火花塞（1），其特征在于，Cu在所述合金中的份额不小于40%的重量百分比，尤其不小于47%的重量百分比。

3.按照权利要求1或2所述的火花塞（1），其特征在于，所述合金含有镍（Ni），其中尤其，Ni在该合金中的份额尤其不小于7%的重量百分比，特别是不小于10%的重量百分比和/或不大于30%的重量百分比，特别是不大于25%的重量百分比。

4.按照前述权利要求任一项所述的火花塞（1），其特征在于，所述合金含有锌（Zn），其中，Zn在该合金中的份额尤其不小于10%的重量百分比，特别是不小于15%的重量百分比，和/或不大于50%的重量百分比，特别是不大于42%的重量百分比。

5.按照权利要求3至4任一项所述的火花塞（1），其特征在于，所述合金含有铅（Pb），特别是含有高达2.5%的重量百分比的铅。

6.按照权利要求3至5任一项所述的火花塞（1），其特征在于，所述合金含有锰（Mn）和/或铁（Fe）。

7.按照权利要求1或2所述的火花塞（1），其特征在于，所述合金含有铬（Cr），其中尤其，该合金中Cr的份额尤其不小于0.2%的重量百分比和/或不大于1%的重量百分比，特别是不大于0.6%的重量百分比。

8.按照权利要求1、2或7任一项所述的火花塞（1），其特征在于，所述合金含有钛（Ti），其中尤其，该合金中Ti的份额尤其不小于0.05%的重量百分比和/或不大于0.15%的重量百分比，特别是不大于0.1%的重量百分比。

9.按照权利要求1、2、7或8任一项所述的火花塞（1），其特征在于，所述合金含有硅（Si），其中尤其，该合金中Si的份额尤其不小于0.01%的重量百分比，特别是不小于0.02%的重量百分比，和/或不大于0.05%的重量百分比，特别是不大于0.03%的重量百分比。

10.按照权利要求7至9任一项所述的火花塞（1），其特征在于，所述合金含有银（Ag）和/或铁（Fe）。

11.按照前述权利要求任一项所述的火花塞（1），其特征在于，所述合金具有不小于80HV和/或不大于260 HV的硬度，特别是不小于90 HV和/或不大于230 HV的硬度。

12.按照前述权利要求任一项所述的火花塞（1），其特征在于，所述合金具有这样的硬度：其中，该硬度在高达550℃的温度的情况中关于在室温的情况中的该硬度最多减小30%。

13.按照前述权利要求任一项所述的火花塞（1），其特征在于，所述密封元件（11）的横截面具有在0.4至2 mm范围内的高度（h）和/或在0.5至1 mm范围内的宽度（b）或0.4至2 mm的直径。