CN107779719B - 一种铱镍铁合金及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铱镍铁合金及其制备方法，制备方法包括以下步骤：取铁、镍和铱并置于真空条件下；在真空状态下加热金属获得合金液；将所得合金液浇入铜模中进行铸造，得到合金铸锭；将所得合金铸锭均匀化处理，得到铱镍铁合金，所得到的铱镍铁合金按质量百分比计，包括30~65%的铱，30~60%的镍，5~10%的铁。本发明提供的制备方法中，首先采用真空炉熔炼，然后水冷铜坩埚浇注，再均匀化处理，产生的铱镍铁合金作为中间层焊接材料，实现与铱、铱铑合金与Inconel 600合金的焊接，节约了30~65%的贵金属材料，解决了贵金属与镍基合金由于热膨胀系数差别大而导致的焊接质量不稳定的问题。

Description

一种铱镍铁合金及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，特别涉及一种铱镍铁合金及其制备方法与应用。

背景技术

凡是汽油发动机上都有火花塞，一缸一个，个别的高速汽油发动机每缸还装有2个火花塞。火花塞虽小，但它却影响着发动机的起动能力、油耗量和废气排放水平。如果说发动机是汽车的心脏，那么火花塞便是“心脏”的“起搏器”。

火花塞的作用是把点火线圈产生的高压电（1万V以上）引入发动机气缸，在火花塞电极的间隙之间产生火花点燃空气-燃油混合气。其中，作为放电部件的火花塞电极工作环境极为恶劣，以一台普通四冲程汽油机的火花塞为例，在进气冲程时温度为60~90℃，压力约98 Kpa；而在点火燃烧时，温度会瞬间上升至2000~3000℃，压力达到3920~6860 Kpa。这种温度急冷急热、压力急高急低的交替每分钟可达数百次至数千次。此外，汽油蒸汽和燃烧气体以及汽油和润滑油的腐蚀性残渣对火花塞电极的表面都具有化学腐蚀性。因此，为了保证发动机的正常工作，火花塞电极材料必须具有较好的机械性能、热性能、电性能和耐腐蚀性能。

目前，国内外火花塞电极用材料有镍基高温合金，也有用贵金属制作火花塞的，比如用银、铂金、铱金等。其中，铂金、铱金火花塞具有二大优点而成为高品质火花塞电极的材料。

1、点火可靠性高。一般火花塞的中心电极直径为2.5 mm，而贵金属铂、铱火花塞的中心电极发火端直径最小可为0.60mm。这样加热中心电极所耗热量少，消焰作用（火花生成的焰核的热量被温度较低的电极所吸收，焰核向周围扩散的作用）变小，火焰核易于扩散。因此，在同样的低点火电流强度的条件下，气缸内的可燃混合气能够得到更多的点火能量，混合气燃烧得更加充分，降低废气排放。另外，根据尖端放电的原理，电极尖更容易积聚较多的电能，电火花更容易跳过两极之间的间隙。这使得在冷机至正常工作转速运转时，有着良好的点火性能。

2、优良的耐久性。火花塞寿命往往用电极的消耗来衡量。火花塞的寿命定义为“直到电极不能跳正常的火花为止”，可见电极的消耗对火花塞寿命的影响之大。电极的消耗是由烧蚀（由电点火引起的烧损）和腐蚀（化学、热学作用）而引起的。实际测试表明，温度到580℃以上电极就开始腐蚀。而且随温度上升腐蚀相应地增加，到890~1000℃附近就开始氧化。如果产生侵（烧）蚀，电极的棱角就变成弧状，电极间隙变大，这样就会提高电极间跳火所必须的放电电压。一般随着发动机的运行或汽车行驶距离的增加，电极间隙所必须的放电电压也在不断地上升，会越来越接近点火线圈所提供的电压极限，于是点火越来越困难，最终发生断火，火花塞的使用寿命也就终结于此。铂金、铱金的熔点高（铂金熔化温度为1769℃，铱金熔化温度可达到2447℃），铂金、铱金电极耐氧化性及耐烧蚀性良好，能较好地承受燃气和残渣的化学腐蚀，并能长时间保持原始的火花间隙，从而延长了火花塞的使用寿命。

相比铂金，铱金具有硬度和熔点更高，且电阻更低等特点，经过添加铑元素合金化可以得到更高的抗氧化性。高硬度和熔点意味着可以将电极做得非常细，产生更集中、能量更强、路线更稳定的火花，提高混合气燃烧效率和燃烧速度。另外，铱金的价格低于铂金价格，有利于降低火花塞的价格，提高产品的竞争力。

综上所述，铱以及铱铑合金具有良好的机械性能、热性能、电性能和耐腐蚀性能，是制备火花塞电极的首选材料。

然而，铱以及铱铑合金的热膨胀系数小，镍基合金的热膨胀系数大，焊接之后，使用过程中的冷热交替作用易导致铱以及铱铑合金脱落失效，特别是较大尺寸的铱以及铱铑合金更易脱落。另外，铱以及铱铑合金的价格很高，也限制了铱以及铱铑合金作为火花塞电极材料的应用。因此，需要找到一种价格便宜，且能够安全有效地制备形状规则的铱以及铱铑合金的方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种制作成本低、焊接重量稳定的铱镍铁合金，并提供其制备方法与应用。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种铱镍铁合金，按质量百分比计，包括30~65%的铱，30~60%的镍，5~10%的铁。

一种铱镍铁合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤a）取铁、镍和铱并置于真空条件下；

步骤b）在真空状态下加热金属获得合金液；

步骤c）将所得合金液浇入铜模中进行铸造，得到合金铸锭；

步骤d）将所得合金铸锭均匀化处理，得到铱镍铁合金。

上述铱镍铁合金的制备方法，所述步骤a的具体操作为：将真空炉开机，按配比称取重量百分比大于99.9%的铁、铱与镍并放入真空炉的坩埚中。

上述铱镍铁合金的制备方法，在步骤a之前还包括一步骤a0：制备铜模具作为铱镍铁合金的成型模具，铜模具模腔直径为25~50mm、长度为25~65 mm，将铜模具装配在真空炉中。

上述铱镍铁合金的制备方法，所述步骤b的具体操作为：在真空炉内抽真空至真空度为2.5~5.5×10^-3MPa，冲入氩气至真空度为0.55~0.8 MPa，重复抽真空并冲入氩气的过程2~4次，通电加热至金属融化，继续加热至温度为2150~2300℃，保温0.45~0.9min，保温时进行磁力搅拌，磁力搅拌输出电流为20~35A。

上述铱镍铁合金的制备方法，在步骤d之前还包括一步骤d0：将铱镍铁合金铸锭放入真空或者氢气保护气氛的加热炉内。

上述铱镍铁合金的制备方法，所述步骤d中抽真空至真空度为1.2~2.2×10^-2MPa；或者抽真空至真空度为1.2~2.2×10^-1MPa，冲入氢气至真空度为0.55~0.8 MPa，然后加热至980~1350℃，保温25~110min。

上述铱镍铁合金的制备方法，所述步骤e中，焊接时间为1.2~1.8s，电流密度为70~110A/mm²，压力为20~35MPa。

上述铱镍铁合金的制备方法，所述步骤f中，焊接时间为0.55~1.8s，电流密度为55~90A/mm²，压力为9~25MPa。

一种铱镍铁合金的应用，所述铱镍铁合金用于制备火花塞的铱金电极，步骤为：将铱镍铁合金与铱、铱铑合金或Inconel 600合金焊接。

上述铱镍铁合金的应用，将铱镍铁合金与铱、铱铑合金焊接时，焊接时间为1.2~1.8s，电流密度为70~110A/mm²，压力为20~35MPa。

上述铱镍铁合金的应用，将铱镍铁合金与Inconel 600合金焊接时，焊接时间为0.55~1.8s，电流密度为55~90A/mm²，压力为9~25MPa。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的制备方法中，首先采用真空感应炉熔炼或者真空电弧炉熔炼，然后水冷铜坩埚浇注，最后均匀化处理的铸锭或者拉拔成形的铱镍铁合金作为中间层焊接材料，实现与铱、铱铑合金与Inconel 600合金的焊接，与现有的贵金属与镍基合金直接激光焊接技术相比，节约了30~65%的贵金属材料，解决了贵金属与镍基合金由于热膨胀系数差别大而导致的焊接质量不稳定的问题；解决了大尺寸贵金属与镍基合金焊接质量差的难题。

2、本发明提供的铱镍铁合金，将铱镍铁合金与铱、铱铑合金以及Inconel 600合金焊接，室温~900℃冷热疲劳100~200次，焊缝裂纹小于焊缝横截面尺寸的1/6。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

以制备组分含量为镍60%、铱30%和铁10%的铱镍铁合金为例，包括以下步骤：

（1）制装模具：制备铜模具作为铱镍铁合金的成型模具，铜模具模腔直径为25mm、长度为65 mm，将铜模具装配在真空电弧炉中；

（2）装样品：将真空电弧炉开机，将30g高纯铱(>99.9 wt. %)、65g高纯镍(>99.9wt. %)以及5g高纯铁(>99.9 wt. %)放入真空电弧炉的坩埚中；

（3）抽真空：打开真空阀，抽真空至真空度为2.5×10^-3MPa，再将真空阀拧紧；

（4）充气：对真空电弧炉样品室冲入氩气至真空度为0.55MPa；

（5）重复步骤2至步骤4的操作4次；

（6）真空电弧炉通电引弧熔化Fe、Ni和Ir，持续加热至金属熔化后继续加热直至2150℃；

（7）对步骤6所得的液态金属进行，保温0.9min，保温同时进行磁力搅拌，磁力搅拌输出电流为35A；

（8）液态金属注入铜模中，形成φ25mm的铱镍铁合金圆柱体；

（9）铱镍铁合金圆柱体放入管式炉内，抽真空至2.2×10^-1MPa，充氢气至0.80MPa，升温至980℃，保温110min，得到铱镍铁合金。

将铱镍铁合金用于制备火花塞的铱金电极，铱镍铁合金与φ0.5mm铱铑10合金电阻焊接，焊接时间1.2s，电流密度70A/mm²，压力20MPa。铱镍铁合金与Inconel 600合金电阻焊接，焊接时间0.55s，电流密度55A/mm²，压力9MPa。

所得铱铑合金电极经室温~900℃冷热疲劳200次，焊缝裂纹小于焊缝横截面尺寸的1/6。

实施例2

本实施例与实施例1的差别仅在于铱镍铁合金的组分（质量百分比）为镍30%，铱65%，铁5%，步骤3中抽真空度至5.5×10^-3MPa，冲入氩气至真空度为0.8MPa，重复步骤2至步骤4的操作2次，金属熔化后继续加热直至2300℃，保温0.45min，磁力搅拌输出电流为20A，金属液浇入直径为50mm、长度为25 mm的铜模具中；铱镍铁合金圆柱体放入管式炉内，抽真空至1.2×10^-1MPa，充氢气至0.55MPa，升温至1350℃，保温25min，铱镍铁合金与φ0.8mm铱铑10电阻焊接，焊接时间1.5s，电流密度90A/mm²，压力35MPa。铱镍铁合金与Inconel 600合金电阻焊接，焊接时间1.8s，电流密度90A/mm²，压力25MPa。

所得铱铑合金电极经室温~900℃冷热疲劳140次，焊缝裂纹小于焊缝横截面尺寸的1/6。

实施例3

本实施例与实施例1的差别仅在于铱镍铁合金中组分含量为镍50%、铱40%，铁10%，抽真空度至4.0×10^-3MPa，冲入氩气至真空度为0.70MPa，金属熔化后继续加热直至2200℃，保温0.85min，磁力搅拌输出电流为30A；铱镍铁合金圆柱体放入管式炉内，抽真空至1.5×10^-1MPa，充氢气至0.60MPa，升温至1250℃，保温50min，铱镍铁合金与φ3.8mm铱金电阻焊接，焊接时间1.8s，电流密度110A/mm²，压力35MPa。

所得铱铑合金电极经室温~900℃冷热疲劳100次，焊缝裂纹小于焊缝横截面尺寸的1/6。

性能试验

将上述实施例所得铱铑合金电极与常规激光焊接电极进行冷热疲劳实验，冷热疲劳性能提高25%~35%。

综上，本发明的铱镍铁合金应用于高级火花塞的铱金电极具有重要的实际应用价值；节约贵金属30~65%；解决了贵金属与镍基合金由于热膨胀系数差别大而导致的焊接质量不稳定的问题；解决了大尺寸贵金属与镍基合金焊接质量差的难题；室温~900℃冷热疲劳100~200次，焊缝裂纹小于焊缝横截面尺寸的1/6。

Claims (1)

1.一种铱镍铁合金的应用，其特征在于：所述铱镍铁合金用于制备火花塞的铱金电极中间层焊接材料，实现与铱、铱铑合金与Inconel 600合金的焊接，步骤为：将铱镍铁合金与铱、铱铑合金或Inconel 600合金焊接；

将铱镍铁合金与铱、铱铑合金焊接时，焊接时间为1.2~1.8s，电流密度为70~110A/mm²，压力为20~35MPa；

将铱镍铁合金与Inconel 600合金焊接时，焊接时间为0.55~1.8s，电流密度为55~90A/mm²，压力为9~25MPa；

所述铱镍铁合金按质量百分比计，由30~65%的铱，30~60%的镍，5~10%的铁组成；

所述的铱镍铁合金的制备方法，包括以下步骤：

步骤a）取铁、镍和铱并置于真空条件下；

所述步骤a的具体操作为：将真空炉开机，按配比称取重量百分比大于99.9%的铁、铱与镍并放入真空炉的坩埚中；在步骤a之前还包括一步骤a0：制备铜模具作为铱镍铁合金的成型模具，铜模具模腔直径为25~50mm、长度为25~65 mm，将铜模具装配在真空炉中；

步骤b）在真空状态下加热金属获得合金液；

所述步骤b的具体操作为：在真空炉内抽真空至真空度为2.5~5.5×10^-3MPa，冲入氩气至真空度为0.55~0.8 MPa，重复抽真空并冲入氩气的过程2~4次，通电加热至金属融化，继续加热至温度为2150~2300 ℃，保温0.45~0.9min，保温时进行磁力搅拌，磁力搅拌输出电流为20~35A；

步骤c）将所得合金液浇入铜模中进行铸造，得到合金铸锭；

步骤d）将所得合金铸锭均匀化处理，得到铱镍铁合金；

所述步骤d中将铱镍铁合金铸锭放入真空或者氢气保护气氛的加热炉内，抽真空至真空度为1.2~2.2×10^-2MPa；或者抽真空至真空度为1.2~2.2×10^-1MPa，冲入氢气至真空度为0.55~0.8 MPa，然后加热至980~1350℃，保温25~110min。