CN107988509A - 一种铱钴合金、制备方法及应用 - Google Patents

一种铱钴合金、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种铱钴合金、制备方法及应用，铱钴合金包含组分铱45~65wt%，钴35~55 wt%。其制备方法，包括如下步骤：1）按质量百分比称取钴和铱，并将称取钴和铱置于真空环境下；2）加热钴和铱的混合物，获得合金液；3）将步骤2)所得合金液浇入冶炼模具中进行铸造;4）将步骤3)所得合金铸锭均匀化处理。本发明可以实现铱和铱铑合金与Inconel 600合金的焊接，焊接性能优异，应用于高级火花塞的铱金电极具有重要的实际应用价值。本发明制备火花塞电极节约贵金属35~55%；解决了铱金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；解决了大尺寸铱金与镍基合金焊接质量差的难题。

Description

一种铱钴合金、制备方法及应用
技术领域
本发明属于火花塞电极的制备领域，具体说是涉及一种铱钴合金、制备方法及应用。
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一些的点火能量，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℃，铂金熔化温度可达到2447℃），铂金、铱金电极耐氧化性及耐烧蚀性良好，能较好的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，铱金具有更高的硬度和熔点，且电阻更低等特点，经过添加铑元素合金化可以更高的抗氧化性。高硬度和熔点意味着可以将电极做的非常细，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，本发明提供一种能够解决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；且能够解决大尺寸贵金属与镍基合金焊接质量差的难题的铱钴合金、制备方法及应用，而且，其用于火花塞电极制备，能够节约贵金属35~55%，提高了火花塞电极的性能。
本发明采用的技术方案如下：
一种铱钴合金，由如下组分组成：铱45~65wt%，钴35~55 wt %。
一种上述的铱钴合金的制备方法，包括如下步骤：
1）按质量百分比称取钴和铱，并将称取钴和铱置于真空环境下；
2）加热钴和铱的混合物，获得合金液；
3）将步骤2)所得合金液浇入冶炼模具中进行铸造;
4）将步骤3)所得合金铸锭均匀化处理。
上述的铱钴合金的制备方法中，步骤1)中的真空环境采用真空铸造设备实现。
上述的铱钴合金的制备方法中，步骤1）中具体操作如下：真空铸造设备采用的是真空炉，制备冶炼模具，将冶炼模具置于真空炉中；并将钴和铱置于真空炉的坩埚中。
上述的铱钴合金的制备方法中，步骤1）中的冶炼模具采用铜制备；冶炼模具的模腔直径为20~45mm、长度为20~60 mm。
上述的铱钴合金的制备方法中，步骤2)的具体操作如下：将真空炉内抽真空，并充入氩气，将真空炉通电加热，至金属熔融，保温，保温时进行磁力搅拌。
上述的铱钴合金的制备方法中，步骤2)中将真空炉抽真空至真空度为1.5~4.0×10-3MPa；然后向真空炉内充入氩气至真空度为0.55~0.75MPa；将真空炉加热至温度为2200~2450℃；保温时间为:0.6~1.2min；磁力搅拌时输出电流为30~50A。
上述的铱钴合金的制备方法中，步骤2)中在真空炉内通电之前，重复对真空炉抽真空和向真空炉内充入氩气操作2~4次。
上述的铱钴合金的制备方法中，在步骤4)的具体操组如下：将铱钴合金放入管式炉内，将管式炉抽真空至0.8~1.5×10-1MPa，然后向管式炉内充氢气至0.55~0.75MPa，升温至1100~1450℃，保温30~140min。
上述的铱钴合金的制备方法所得产品在火花塞电极中的应用，具体操作如下：
1) 将铱钴合金加工成φ0.5~φ4mm的圆柱体,
2)将步骤1)中制备的铱钴合金圆柱体的一端与直径为0.5-4mm的铱、铱铑合金或Inconel 600合金的棒体一端焊接，获得火花塞电极。
上述的铱钴合金在火花塞电极中的应用，步骤2）中，焊接方式采用的是电阻焊接；与铱或铱铑合金棒体焊接时：焊接时间2.0~3.0s，电流密度100~140A/mm2，压力30~50MPa；与Inconel 600合金棒体焊接时：焊接时间0.6~2.0s，电流密度60~100A/mm2，压力10~30MPa。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明用于火花塞电极制备，能够节约贵金属35~55%；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、本发明的铱钴合金铱钴合金与铱、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；焊接可靠，解决了铱、铱铑10、铱铑25、铱铑40等金属与Inconel 600的焊接难题，提高了火花塞电极的性能，冷热疲劳性能提高30%~50%。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细、完整地说明。实施例中出现的材料或仪器在具体实施方式中无如特殊说明，均为市售，且按照其说明书进行操作，在此不作赘述。
实施例1
以包含组分为钴55wt%、铱45wt%的铱钴合金为例，其制备方法包括以下步骤：
（1）装模具：将模腔直径为20 mm、长度为60 mm的铜制冶炼模具装配在真空电弧炉中；
（2）装样品：将真空电弧炉开机，将45g高纯铱(>99.9 wt%)和55g高纯钴(>99.9 wt %)放入真空电弧炉的坩埚中；
（3）抽真空：打开真空电弧炉的真空阀，抽真空至真空度为1.5×10-3MPa，再将真空阀拧紧；
（4）充气：对真空电弧炉样品室内充入氩气至真空度为0.55MPa；
（5）重复步骤（2）至步骤（3）；
（6）真空电弧炉通电引弧熔化Co和Ir，持续加热至金属熔化后继续加热直至2200℃；
（7）对步骤（6）所得的液态金属保温1.2min，同时进行磁力搅拌，磁力搅拌输出电流为50A；
（8）液态金属注入冶炼模具中，成φ20mm的铱钴合金棒体；
（9）均匀化处理：将步骤（8）所得的铱钴合金棒体放入管式炉内，将管式炉抽真空至1.5×10-1MPa，然后向管式炉内充氢气至0.75MPa，升温至1100℃，保温140min，制备出含有钴55wt%、铱45wt%的铱钴合金。
上述的铱钴合金在火花塞电极中的应用，包括如下步骤：1) 将制备的φ20mm的铱钴合金棒体切割成φ0.55~0.6mm的圆柱体,
2)将φ0.55~0.6mm的圆柱体铱钴合金一端与φ0.5mm的铱铑10合金棒体采用电阻焊接的方式焊接，焊接时间2.0s，电流密度100A/mm2，压力30MPa，焊接后获得火花塞电极。所得火花塞电极经室温~900℃冷热疲劳100次，焊缝没有裂纹。
或将φ0.55~0.6mm的圆柱体铱钴合金一端与任意尺寸的Inconel 600合金棒体采用电阻焊接的方式焊接，焊接时间0.6s，电流密度60A/mm2，压力10MPa，焊接后获得火花塞电极。所得火花塞电极经室温~900℃冷热疲劳100次，焊缝裂纹小于焊缝横截面尺寸的1/6。
实施例2
以包含组分为钴35wt%、铱65wt%的铱钴合金为例，其制备方法包括以下步骤：
（1）装模具：将模腔直径为30 mm、长度为50 mm的铜制冶炼模具装配在真空电弧炉中；
（2）装样品：将真空电弧炉开机，将35g高纯铱(>99.9 wt %)和65g高纯钴(>99.9 wt%)放入真空电弧炉的坩埚中；
（3）抽真空：打开真空电弧炉的真空阀，抽真空至真空度为4.0×10-3MPa，再将真空阀拧紧；
（4）充气：对真空电弧炉样品室内充入氩气至真空度为0.55MPa；
（5）重复步骤（2）至步骤（3）两次；
（6）真空电弧炉通电引弧熔化Co和Ir，持续加热至金属熔化后继续加热直至2450℃；
（7）对步骤（6）所得的液态金属保温0.6min，同时进行磁力搅拌，磁力搅拌输出电流为30A；
（8）液态金属注入冶炼模具中，成φ30mm的铱钴合金棒体；
（9）均匀化处理：将步骤（8）所得的铱钴合金棒体放入管式炉内，将管式炉抽真空至0.8×10-1MPa，然后向管式炉内充氢气至0.55MPa，升温至1450℃，保温30min，制备出含有钴35wt%、铱65wt%的铱钴合金。
上述的铱钴合金在火花塞电极中的应用，包括如下步骤：1) 将制备的φ30mm的铱钴合金棒体切割成φ0.85~0.90mm的圆柱体，
2)将φ0.85~0.90mm的圆柱体铱钴合金的一端与φ0.8mm的铱铑10合金棒体采用电阻焊接的方式焊接，焊接时间2.5s，电流密度120A/mm2，压力35MPa，焊接后获得火花塞电极。所得火花塞电极经室温~900℃冷热疲劳100次，焊缝没有裂纹。
或将φ0.85~0.90mm的圆柱体铱钴合金一端与任意尺寸的Inconel 600合金棒体采用电阻焊接的方式焊接，焊接时间1.2s，电流密度80A/mm2，压力20MPa，焊接后获得火花塞电极。所得火花塞电极经室温~900℃冷热疲劳100次，焊缝裂纹小于焊缝横截面尺寸的1/6。
实施例3
以包含组分为钴50wt%、铱50wt%的铱钴合金为例，其制备方法包括以下步骤：
（1）装模具：将模腔直径为45mm、长度为30mm的铜制冶炼模具装配在真空电弧炉中；
（2）装样品：将真空电弧炉开机，将50g高纯铱(>99.9 wt %)和50g高纯钴(>99.9 wt%)放入真空电弧炉的坩埚中；
（3）抽真空：打开真空电弧炉的真空阀，抽真空至真空度为3.8×10-3MPa，再将真空阀拧紧；
（4）充气：对真空电弧炉样品室内充入氩气至真空度为0.6MPa；
（5）重复步骤（2）至步骤（3）；
（6）真空电弧炉通电引弧熔化Co和Ir，持续加热至金属熔化后继续加热直至2350℃；
（7）对步骤（6）所得的液态金属保温0.75min，同时进行磁力搅拌，磁力搅拌输出电流为40A；
（8）液态金属注入冶炼模具中，成φ45mm的铱钴合金棒体；
（9）均匀化处理：将步骤（8）所得的铱钴合金棒体放入管式炉内，将管式炉抽真空至1.5×10-1MPa，然后向管式炉内充氢气至0.6MPa，升温至1250℃，保温70min，制备出含有钴50wt%、铱50wt%的铱钴合金。
上述的铱钴合金在火花塞电极中的应用，包括如下步骤：1)将制备的φ45mm的铱钴合金棒体切割成φ3.85~3.90mm的圆柱体，
2)将φ3.85~3.90mm的圆柱体铱钴合金一端与φ3.8mm的铱棒体采用电阻焊接的方式焊接，焊接时间3.0s，电流密度140A/mm2，压力50MPa，焊接后获得火花塞电极。所得火花塞电极经室温~900℃冷热疲劳180次，焊缝没有裂纹。
或将φ3.85~3.90mm的圆柱体铱钴合金一端与任意尺寸的Inconel 600合金棒体采用电阻焊接的方式焊接，焊接时间1.8s，电流密度100A/mm2，压力30MPa，焊接后获得火花塞电极。所得火花塞电极经室温~900℃冷热疲劳200次，焊缝裂纹小于焊缝横截面尺寸的1/6。
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30%~50%。
综上，本发明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30~60%；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 (11)

1.一种铱钴合金，其特征是：由如下组分组成：铱45~65wt%，钴35~55 wt %。
2.一种权利要求1所述的铱钴合金的制备方法，包括如下步骤：
1）按质量百分比称取钴和铱，并将称取钴和铱置于真空环境下；
2）加热钴和铱的混合物，获得合金液；
3）将步骤2)所得合金液浇入冶炼模具中进行铸造;
4）将步骤3)所得合金铸锭均匀化处理。
3.根据权利要求2所述的铱钴合金的制备方法，步骤1)中的真空环境采用真空铸造设备实现。
4.根据权利要求3所述的铱钴合金的制备方法，步骤1）中具体操作如下：真空铸造设备采用的是真空炉，制备冶炼模具，将冶炼模具置于真空炉中；并将钴和铱置于真空炉的坩埚中。
5.根据权利要求4所述的铱钴合金的制备方法，步骤1）中的冶炼模具采用铜制备；冶炼模具的模腔直径为20~45mm、长度为20~60 mm。
6.根据权利要求4所述的铱钴合金的制备方法，步骤2)的具体操作如下：将真空炉内抽真空，并充入氩气，将真空炉通电加热，至金属熔融，保温，保温时进行磁力搅拌。
7.根据权利要求6所述的铱钴合金的制备方法，步骤2)中将真空炉抽真空至真空度为1.5~4.0×10-3MPa；然后向真空炉内充入氩气至真空度为0.55~0.75MPa；将真空炉加热至温度为2200~2450℃；保温时间为:0.6~1.2min；磁力搅拌时输出电流为30~50A。
8.根据权利要求6所述的铱钴合金的制备方法，步骤2)中在真空炉内通电之前，重复对真空炉抽真空和相真空炉内充入氩气操作2~4次。
9.根据权利要求2所述的铱钴合金的制备方法，在步骤4)的具体操组如下：将铱钴合金放入管式炉内，将管式炉抽真空至0.8~1.5×10-1MPa，然后向管式炉内充氢气至0.55~0.75MPa，升温至1100~1450℃，保温30~140min。
10.权利要求1中铱钴合金在火花塞电极中的应用，包括如下步骤：
1) 将铱钴合金加工成φ0.5~φ4mm的圆柱体,
2)将步骤1)中制备的铱钴合金圆柱体的一端与直径为0.5-4mm的铱、铱铑合金或Inconel 600合金的棒体一端焊接，获得火花塞电极。
11.根据权利要求10所述的铱钴合金在火花塞电极中的应用，步骤2）中，焊接方式采用的是电阻焊接；与铱或铱铑合金棒体焊接时：焊接时间2.0~3.0s，电流密度100~140A/mm2，压力30~50MPa；与Inconel 600合金棒体焊接时：焊接时间0.6~2.0s，电流密度60~100A/mm2，压力10~30MPa。
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