CN110055440A - 一种用于火花塞的多元合金丝及其制备方法 - Google Patents

一种用于火花塞的多元合金丝及其制备方法 Download PDF

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    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/10—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of nickel or cobalt or alloys based thereon

Abstract

本发明公开了一种用于火花塞的多元合金丝及其制备方法，由Al、Si、B、Y、Nb及余量Ni和不可避免的杂质组成；制备时先采用真空中频感应熔炼炉将含上述组分的原料熔炼制得液态合金，并在金属模中浇铸成铸锭，随后在还原性气氛下将上述铸锭加热并进行轧制及盘条，最后将上述的盘条经多次拉拔后制得细丝，并将该细丝退火即可。本发明的多元合金丝不仅具有优越的拉伸强度和延伸率，且具有良好的抗耐高温性能、抗高温氧化性能、室温延伸性；同时制备时降低了合金中的杂质元素和非金属夹杂物，消除了合金丝材冷加工应力，优化了合金晶粒尺寸，进一步提高了合金丝的综合性能。

Description

一种用于火花塞的多元合金丝及其制备方法
技术领域
本发明属于多元合金细丝领域，尤其涉及一种用于发动机火花塞的多元合金丝及其制备方法。
背景技术
火花塞是将进入发动机的汽油和空气混合气体加以点燃的装置，工作于高温、高压的恶劣条件下，还要承受高爆发压力和高电压的放电火花侵蚀。火花塞的侧电极发动机气缸的燃烧室中，必须具备良好的机械强度、导热性能，具备良好的抗氧化、耐电烧蚀和耐化学腐蚀能力。
传统上火花塞的电极材料是NiCrMnSi材料，其成分为：Cr 1.4～1.8wt.％、Mn 1.3～1.8wt.％、Si 0.4～0.65wt.％、C≤0.05wt.％及余量Ni和不可避免的杂质。但该NiCrMnSi合金火花塞电极材料的延伸率和拉伸强度不高(延伸率为28％、拉伸强度为488MPa)，从而影响了材料的加工性能、使用过程中的抗变形能力，以及抗高温氧化及热腐蚀性能较差，其产品使用寿命相对较短。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种拉伸强度和延伸率高，且抗高温氧化性优的用于火花塞的多元合金丝；
本发明的第二目的是提供该多元合金丝的制备方法。
技术方案：本发明用于发动机火花塞的多元合金丝，按质量分数由如下组分组成：Al 0.5～1.5％、Si 0.5～1.5％、B 0.01～0.2％、Y 0.1～0.5％、Nb 0.05～0.7％及余量Ni和不可避免的杂质。
本发明通过将Al、Si、B、Y、Nb及Ni进行复配制备多元合金丝，进而使得该多元合金丝具有熔点高、密度低、导热和导电性能好、耐高温性能、抗高温氧化性及耐高温腐蚀性能等特性，且延伸率和拉伸强度高。其中，Al的加入能够和基体Ni形成镍铝金属间化合物，是镍基合金丝材的主要强化元素和高温相的稳定剂；添加Y能够显著改善合金的抗氧化性能，组织合金中Al2O3保护膜的连续生成，且Y与O有较大的亲和力，能与O形成难溶的金属陶瓷相，氧化钇对合金有沉淀强化作用；添加B能够防止或减轻室温环境脆化效应即氢致脆化、并提高晶界结合强度，提高合金的室温延性并改善热加工性，同时B与合金中的N气能形成氮化硼通过弥散析出对合金有强化作用；添加Si能够使合金具有良好的流动性，能减少疏松、缩孔，提高合金致密性和铸锭质量，同时Si与合金液中的氧结合生成氧化硅，具有固溶强化作用并能进一步抑制合金的氧化；此外，添加Nb能够细化合金晶粒、提高合金的耐热性，且Nb与合金中残留的N、O气体能形成氮化物和氧化物，通过固溶和弥散析出效应对合金进行强化。
进一步说，本发明的多元合金丝的直径可为Φ0.8～5.0mm。而杂质中C≤0.05wt.％、S≤0.005wt.％、Cu≤0.15wt.％、Fe≤0.2wt.％。
本发明制备上述用于火花塞的多元合金丝的方法，包括如下步骤：
(1)熔炼、浇铸：采用真空中频感应熔炼炉将含上述组分的原料在120～160KW条件下熔炼制得液态合金，并在金属模中浇铸成铸锭，对该铸锭进行合金组分分析和验证；
(2)轧制：在还原性气氛下将上述铸锭加热至1120～1220℃后，进行轧制及盘条；
(3)拉拔：将上述的盘条经多次拉拔后制得细丝，随后将该细丝在680～780℃温度条件下退火3～6h，制得多元合金细丝。
进一步说，步骤(1)中，浇铸的温度为1450～1500℃，浇铸的功率为90～100KW。
步骤(2)中，铸锭加热保温2～3h，制备的盘条的直径为6～12mm。
步骤(3)中，拉拔道次为6～8次，每道次平均变形量为7～10％。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：该多元合金丝不仅具有优越的拉伸强度和延伸率，且具有良好的抗耐高温性能、抗高温氧化性能、室温延伸性；而制备该多元合金丝时，首先，采用真空中频感应炉熔炼，进一步降低合金中的杂质元素和非金属夹杂物；其次，在轧制时先加热至1120～1220℃，促进了合金钢锭组织均匀化，明显减少了合金盘条缺陷；再次，拉拔后在680～780℃温度条件下退火3～6h，消除了合金丝材冷加工应力，优化了合金晶粒尺寸，进一步提高了合金丝的综合性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
实施例1
该实施例的多元合金丝的组分及含量如下表1所示。
表1实施例1的多元合金丝组分及含量(wt.％)
该多元合金细丝的制备方法包括如下步骤：
(1)以纯镍板、电解铝、金属硅、金属铌、硼和稀土钇为原料，采用150kg真空中频感应炉熔炼，在熔炼功率为140KW条件下熔炼制得液态合金；
(2)将上述制备的液态合金在温度1470℃、功率90KW条件下浇注到钢锭模中得到铸锭，并对其进行车光、取样，进行成分分析，验证是否合格；
(3)将上述验证合格的铸锭在还原性气氛加热炉中加热到1160℃、保温2h，在热轧机上进行轧制及制得直径为Φ6～12mm的盘条；
(4)将上述制备的盘条采用6～8次拉拔工艺拉成表面光滑的细丝，每道次平均变形量为7～10％，并在真空退火炉、730℃条件下退火5h，制得直径为Φ0.8～5.0mm的多元合金细丝。
性能检测
将上述制备的多元合金细丝分别进行机械性能、高温氧化性能测试，获得的结果如下表2所示。其中，高温氧化性能测试是将制备的多元合金细丝进行1000℃环境下、50h的高温氧化试验，测得氧化层增重。
表2实施例1制备的多元合金细丝的性能
性能 拉伸强度(MPa) 延伸率(％) 表面硬度(HV<sub>10</sub>) 1000℃、50h氧化增重(g/m<sup>2</sup>)
参数 590 40 132 21.0865
实施例2
该实施例的多元合金丝的组分及含量如下表3所示。
表3实施例2的多元合金丝组分及含量(wt.％)
该多元合金细丝的制备方法包括如下步骤：
(1)以纯镍板、电解铝、金属硅、金属铌、硼和稀土钇为原料，采用150kg真空中频感应炉熔炼，在熔炼功率为150KW条件下熔炼制得液态合金；
(2)将上述制备的液态合金在温度1500℃、功率100KW条件下浇注到钢锭模中得到铸锭，并对其进行车光、取样，进行成分分析，验证是否合格；
(3)将上述验证合格的铸锭在还原性气氛加热炉中加热到1200℃、保温2h，在热轧机上进行轧制及制得直径为Φ6～12mm的盘条；
(4)将上述制备的盘条采用6～8次拉拔工艺拉成表面光滑的细丝，每道次平均变形量为7～10％，并在真空退火炉、750℃条件下退火4h，制得直径为Φ0.8～5.0mm的多元合金细丝。
性能检测
将上述制备的多元合金细丝分别进行机械性能、高温氧化性能测试，获得的结果如下表4所示。其中，高温氧化性能测试是将制备的多元合金细丝进行1000℃环境下、50h的高温氧化试验，测得氧化层增重。
表4实施例2制备的多元合金细丝的性能
性能 拉伸强度(MPa) 延伸率(％) 表面硬度(HV<sub>10</sub>) 1000℃、50h氧化增重(g/m<sup>2</sup>)
参数 580 42 138 3.93×10<sup>-5</sup>
实施例3
该实施例的多元合金丝的组分及含量如下表5所示。
表5实施例3的多元合金丝组分及含量(wt.％)
该多元合金细丝的制备方法包括如下步骤：
(1)以纯镍板、电解铝、金属硅、金属铌、硼和稀土钇为原料，采用150kg真空中频感应炉熔炼，在熔炼功率为145KW条件下熔炼制得液态合金；
(2)上述制备的液态合金在温度1500℃、功率95KW条件下浇注到钢锭模中得到铸锭，并对其进行车光、取样，进行成分分析，验证是否合格；
(3)将上述验证合格的铸锭在还原性气氛加热炉中加热到1180℃、保温2h，在热轧机上进行轧制及制得直径为Φ6～12mm的盘条；
(4)将上述制备的盘条采用6～8次拉拔工艺拉成表面光滑的细丝，每道次平均变形量为7～10％，并在真空退火炉、740℃条件下退火5h，制得直径为Φ0.8～5.0mm的多元合金细丝。
性能检测
将上述制备的多元合金细丝分别进行机械性能、高温氧化性能测试，获得的结果如下表6所示。其中，高温氧化性能测试是将制备的多元合金细丝进行1000℃环境下、50h的高温氧化试验，测得氧化层增重。
表6实施例3制备的多元合金细丝的性能
性能 拉伸强度(MPa) 延伸率(％) 表面硬度(HV<sub>10</sub>) 1000℃、50h氧化增重(g/m<sup>2</sup>)
参数 530 43 130 4.12×10<sup>-5</sup>
通过上述实施例1-3可知，本发明的多元合金细丝丝的室温拉伸强度达530～600MPa，延伸率达40～43％，表面硬度达130～138HV10，且经过1000℃、50h的高温氧化试验，氧化层增重为19.1905～21.0865g/m2。由此可知，采用该多元合金细丝作电极材料，相对于现有的电极材料，具有更好抗拉强度、延伸率和高温抗氧化性能，能够极大地提高火花塞使用寿命。
实施例4
该实施例的多元合金丝的组分及含量如下表7所示。
表7实施例4的多元合金丝组分及含量(wt.％)
该多元合金细丝的制备方法包括如下步骤：
(1)以纯镍板、电解铝、金属硅、金属铌、硼和稀土钇为原料，采用150kg真空中频感应炉熔炼，在熔炼功率为120KW条件下熔炼制得液态合金；
(2)上述制备的液态合金在温度1450℃、功率95KW条件下浇注到钢锭模中得到铸锭，并对其进行车光、取样，进行成分分析，验证是否合格；
(3)将上述验证合格的铸锭在还原性气氛加热炉中加热到1120℃、保温3h，在热轧机上进行轧制及制得直径为Φ6～12mm的盘条；
(4)将上述制备的盘条采用6～8次拉拔工艺拉成表面光滑的细丝，每道次平均变形量为7～10％，并在真空退火炉、680℃条件下退火6h，制得直径为Φ0.8～5.0mm的多元合金细丝。
性能检测
将上述制备的多元合金细丝分别进行机械性能、高温氧化性能测试，获得的结果如下表8所示。其中，高温氧化性能测试是将制备的多元合金细丝进行1000℃环境下、50h的高温氧化试验，测得氧化层增重。
表8实施例4制备的多元合金细丝的性能
性能 拉伸强度(MPa) 延伸率(％) 表面硬度(HV<sub>10</sub>) 1000℃、50h氧化增重(g/mm<sup>2</sup>)
参数 550 39 135 3.98×10<sup>-5</sup>
实施例5
该实施例的多元合金丝的组分及含量如下表9所示。
表9实施例5的多元合金丝组分及含量(wt.％)
该多元合金细丝的制备方法包括如下步骤：
(1)以纯镍板、电解铝、金属硅、金属铌、硼和稀土钇为原料，采用150kg真空中频感应炉熔炼，在熔炼功率为160KW条件下熔炼制得液态合金；
(2)上述制备的液态合金在温度1480℃、功率90KW条件下浇注到钢锭模中得到铸锭，并对其进行车光、取样，进行成分分析，验证是否合格；
(3)将上述验证合格的铸锭在还原性气氛加热炉中加热到1220℃、保温2h，在热轧机上进行轧制及制得直径为Φ6～12mm的盘条；
(4)将上述制备的盘条采用6～8次拉拔工艺拉成表面光滑的细丝，每道次平均变形量为7～10％，并在真空退火炉、780℃条件下退火3h，制得直径为Φ0.8～5.0mm的多元合金细丝。
性能检测
将上述制备的多元合金细丝分别进行机械性能、高温氧化性能测试，获得的结果如下表10所示。其中，高温氧化性能测试是将制备的多元合金细丝进行1000℃环境下、50h的高温氧化试验，测得氧化层增重。
表10实施例5制备的多元合金细丝的性能
性能 拉伸强度(MPa) 延伸率(％) 表面硬度(HV<sub>10</sub>) 1000℃、50h氧化增重(g/m<sup>2</sup>)
参数 545 41 132 3.83×10<sup>-5</sup>
通过上述实施例4和5可知，本发明的多元合金细丝丝的室温拉伸强度达550MPa左右，延伸率达40％左右，表面硬度达130HV10左右，且经过1000℃、50h的高温氧化试验，氧化层增重为3.83×10-5g/m2左右。由此可知，采用该多元合金细丝作电极材料，相对于现有的电极材料，具有更好抗拉强度、延伸率和高温抗氧化性能，能够极大地提高火花塞使用寿命。

Claims (8)

1.一种用于火花塞的多元合金丝，其特征在于按质量分数由如下组分组成：Al 0.5～1.5％、Si 0.5～1.5％、B 0.01～0.2％、Y 0.1～0.5％、Nb 0.05～0.7％及余量Ni和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述用于火花塞的多元合金丝，其特征在于：所述杂质中C≤0.05wt.％、S≤0.005wt.％、Cu≤0.15wt.％、Fe≤0.2wt.％。
3.根据权利要求1所述用于火花塞的多元合金丝，其特征在于：所述多元合金丝的直径为Φ0.8～5.0mm。
4.一种制备权利要求1所述用于火花塞的多元合金丝的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)熔炼、浇铸：采用真空中频感应熔炼炉将含上述组分的原料在120～160KW条件下熔炼制得液态合金，并在金属模中浇铸成铸锭，对该铸锭进行合金组分分析和验证；
(2)轧制：在还原性气氛下将上述铸锭加热至1120～1220℃后，进行轧制及盘条；
(3)拉拔：将上述的盘条经多次拉拔后制得细丝，随后将该细丝在680～780℃温度条件下退火3～6h，制得多元合金细丝。
5.根据权利要求4所述制备用于火花塞的多元合金丝的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述浇铸的温度为1450～1500℃，浇铸的功率为90～100KW。
6.根据权利要求4所述制备用于火花塞的多元合金丝的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述铸锭加热后保温2～3h。
7.根据权利要求4所述制备用于火花塞的多元合金丝的方法，其特征在于：步骤(2)中，盘条的直径为6～12mm。
8.根据权利要求4所述制备用于火花塞的多元合金丝的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述拉拔道次为6～8次，每道次平均变形量为7～10％。
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