CN1110022A - 火花塞或点火器电极以及使用该电极的火花塞或点火器 - Google Patents

Abstract

提供一种火花塞或其它点火器，其中至少的一 个、二个或全部电极的工作部位由这样的材料制成， 即它包括具有1400℃以上熔点的金属间化合物，并 选择这样的化合物呈现出充分的韧性、对热冲击的耐 力，和导电率。该金属间化合物可形成多金相材料的 一相。这里作为优选的金属间化合物公开的是铝化 钌。

Description

本发明涉及火花塞或点火器电极，该电极包括正负电极。这样电极的端头或嵌入件，和使用该电极的火花塞和点火器。自然，一般火花塞被用在内燃发动机上，用来点火，点火器是用于透平发动机的一般类型。

在现代高性能发动机上的趋势是要求具有更加精确的性能。

存在朝向长寿命火花塞的一种趋势，更进一步讲，无铅燃料的推广使火花塞制造商使用不同的和新的材料成为可能。

因此，火花塞，特别是其电极的寿命鉴于对其所增加的要求变得更加重要。

本发明的目的是提供用于火花塞电极的嵌入件或端头，使用上述部件的火花塞电极和火花塞，其中这些电极是直立的，具有精确的使用价值。

根据本发明，提供一种火花塞或点火电极，其特征在于该电极，或安在电极上或装入该电极的端头或嵌入件，它至少由一种或多种金属间化合物制成，该金属间化合物具有1400℃以上的熔点，可对其中的一种或多种金属间化合物进行选择，使其具有足够的韧度，耐热冲击性和导电率。

应知道的是，在该说明书中，术语“端头”被解释成包括固定到一个电极上的衬垫、层或其它分离元件。最好把这样的一个端头结合到象镍成镍合金电极部分上，利用扩散焊接或类似方式。

本发明的进一步特征是提供从这样一些组成小组中所选的金属间化合物成多个金属间化合物，这些小组包括：钌和铝（在此之后称为铝化钌）;钌、铝和镍;铂和铝;钌和钛;镍和铝;钛和铝、钌和锆;钌和钽;铁和铝;铌和铝;钼和硅;铱和铌;铱和铪;铱和钛;铱和钽;以及提供用以构成二或多金相材料从而在一或多个其它金相上有选择地被扩散的金属间材料。

金属间化合物在合金系中是固态的金属间金相，一般在化学性质不类似的金属间形成。它们经常具有相对简单的化学计量比例，并且经常具有均一的窄的组成范围（或者甚至一种固定的组成），原子结合特性是从金属粒子到离子变化的，经常相信它们具有象导电性差这样的基本非金属特性（S.H.Avner，物理冶金学导论，McGraw-Hill第二版，P149）。众所周知它们具有高熔点和良好的抗氧化作用。但是，它们表现出的差延展性和其它“非金属”性能的现象已经阻碍金属间化合物作为一种工程材料被广泛使用。目前已成功地研究出一些金属间化合物，并且已经发现许多用途，-但是，它们仍不能在设想的范围，尤其是在高温的气体透平机中使用。因此人们关心的是选择适用于实现本发明的金属间化合物或多种金属间化合物。

铝化钌（目前指金属间化合物）和另外一些金属间化合物的特殊优点是在室温呈现明显的韧性：有高熔点，良好的抗氧化性;以及突出的耐腐蚀性。这些材料在升高温和在腐蚀性介质中呈现的热力学上的稳定性是最优的。也已证明，这些化合物呈现出足够的导电率和导热率，以及对热疲劳的足够耐性。

特别是，嵌入件是二或多金相材料，它由铝化钌，过量的钌;特别是含有80和99重量百分比的Ru;最好是约90重量百分比的Ru所组成。

但是，象铝化钌这样的一些金属间化合物用象熔化和铸造这样的常规技术，考虑到其很高的熔点（对于铝化钌近约2050℃）;在熔化状态中耐熔物质上铝化钌和其它金属间化合物的腐蚀侵害;以及在随后高温下铝的挥发等的观点上看，制造是困难的。

然而，申请人已经发明许多用于这样金属间化合物制造的工艺，和这样的一种工艺构成申请人的南非专利94/3636号的主题，上述专利题为“有序金属间化合物的制造”。

在那个专利中，我们描述了一种用于金属间贵金属化合物的生产，其中，把粉末形式的所要求的金属紧密地与要求相当量的粉末铝相混合，上述粉末铝是基本的至少在金属间化合物产品中占有粉末金属和铝的化学配比的原子比例上大的成分。把紧密混合后的粉末成形到一定形体中，这使用象排气、尤其是用钽或钼箔和钛容器中封装。这样的任何必要优选步骤，随后，用在压力下加热来进行反应热等压（reactive  hot  isostatic  pressing）随后在升高的温度上实现任何所要求的均一化。

在铝化钌情况下，作为进一步试验所选的材料，铝化钌颗粒尺寸的范围在22和72μm之间，贵金属的范围平均从13到58μm。优选的粉末尺寸在铝的情况下为22μm，在贵金属情况下为13μm。压缩压力最好从415和750MPa之间的范围选择，最好进行约500°温度的预热和制备，在约1600℃温度上烧结约12小时。

能使用许多其它的制造方式，而不脱离本发明的范围。这包括，但不局限于，多种熔化工艺、成形工艺，以及多种象烧结和金属扩散工艺这样的粉末冶金工艺。也可用上述工艺的任何组合来生产材料，而不脱离本发明的范围。

本发明还提供一种实现如上述所确定的一个或多个电极的火花塞或其它点火器。根据本发明通常制成二个或所有这样的电极，也可仅是一个，例如中心电极使用金属间化合物。该火花塞可被利用在以有铅或无铅燃料运行的发动机中。虽然，具有近50原子百分比的Ru的铝化钌受到有铅燃料的侵蚀，但富钌的铝化钌可用在以含铅燃料运行的发动机中。

为了更加全面地了解本发明，下面给出其详细的说明，在该说明中参照以下相应的附图。

附图如下：

图1是应用本发明的火花塞试品的正视图;

图2是具有改进后的中心电极的该火花塞试品的电极端的放大的正视图，该中心电极被装入金属间材料的嵌入件中，以及

图3是与图2类似的视图，但表示中心电极的标准形状。

人们已经发现，某些金属间化合物呈现出相当高的电及热的传导性。例如，如表1所指出的，铝化钌的电阻率与商用火花塞电极，即铂和金-50重量%-钯电极中的已有金属的电阻率相比具有明显的可比性。除Pt和Au-Pd合金的电阻率外，测量了三种铝化钌材料的电阻率，即52原子百分比的Ru和48原子百分比的Al（80，23重量%Ru）（Ru52Al48）;48原子百分比的Ru和52原子百分比的Al（77.5）重量%Ru）（Ru48Al52）;以及，70原子百分比的Ru和30原子百分比的Al（90重量%Ru）（Ru₇₀Al₃₀）的电阻率。Pt的电阻率值也可从已有文献中查到。

同样已报告出NiAl的热传导率比镍基超耐热合金高。已知的是，在金属材料的热传导率

表1

做为温度的函数的已有金属以及铝化钌化合化的电阻率

（电阻率以欧姆-cm给出）

和电传导率之间存在一种相互关系。

因此，显然某些金属间化合物，特别是铝化钌的导电率和导热率足以允许这些材料被用作火花塞或点火器电极，这种金属间化合物的熔点超过1400℃。

实验

对火花塞电极中所用的金属间化合物的功能性试验如下：

用两种方法之一制备试验材料，即：

（1）用电弧熔化，和

（2）用上述以及我们所述的南非专利NO94/3636及以上概述的构成元素的反应热等压（reactive  hot  isostatic  pressing）。

制造出许多不同组分的试验铝化钌材料，并在许多试验中检验。

在每一种情况中，从相应的试验材料中把1mm直径的火花塞3的中心电极（负电极）2的试验电极嵌入物1做成所要求的几何形状。电极嵌入件被加到标准的火花塞构形中仅作为中心电极，借此，每个试验电极嵌入件被固定在镍插口中，并用冷变形与镍接合。

试验包括，以下内容：

（1）火花密度的测定

在点火系统测试床上安装火花塞，如同在火花点火发动机中使用的普通点火系统一样，通过施加电压引起打火。观测打火情况，并与标准火花塞相比较。

与标准火花塞比较，试验用火花塞的火花密度是相似的。由于试验电极材料产生的火花变换以及去掉包绕的镍套的火花变换，证明铝化钌具有足够的导电性。

（ⅱ）利用含铅燃料的性能测定

下面的试验铝化钌合金用电弧熔化来制造：

1.略多一些的铝

2.基于50∶50的原子比，化学计量钌和铝

3.略多一些的钌

铝化钌电极嵌入件的长度出于可比目的略微变化。

把火花塞固定在一个标准的六缸内燃发动机上，与一个能以一恒定速率保持内燃机的测功计相连，具有象扭转、功率、发动机冷却温度和可直接测量的燃料消耗。在全轴和部分轴负载下，在高到每分钟5000转的速度上逐个确定性能。该测试采用与93辛烷值比一致的含铅燃料进行。

通过工作端的显微分析进一步测定电极的性能，借助于Mitutoyo  Scanpak-3  V2.10上的计算机化的断层扫描监视损耗特性。

就具有50∶50原子比的铝化钌而论，这些实验产生如下观测结果：

1.试验材料产生在各个操作条件下与标准火花塞可比较的燃料消耗、扭矩、和功率。结果显示在试品和标准火花塞（参考镍电极）之间有少于2%的性能变化。

2.在试验火花塞的热或冷起动期间未遇到点火困难。

3.试验火花塞不会产生任何不均平或不规则的发动机运行或爆声。

4.在高速运行下已关闭发动机后，试验火花塞不会导致“连续运行”。

5.该试验火花塞证明对于所遇的热冲击和机械振动有高的阻力，在试验中没有电极脱落。

6.通过改变其它因素的其中之一，如电极长度，火花塞构形的设计能改善试验电极的损耗特性。

7.在试验电极嵌入件和镍护套之间可采用固态焊接，证明该试验材料能成功地被结合到镍上。

8.该特殊成份的铝化钌耐受了含铅燃料中四乙铅的化学侵袭。

（ⅲ）利用含铅燃料和富Ru铝化钌材料的电极腐蚀测定，其中富Ru铝化钌材料由电弧熔化制成。

如在现在技术中所公知的，钌抵抗燃料中四乙铅成份的侵袭，以下列富钌双相铝化钌制造中心电极;

1.60.2原子百分比的Ru和39.8原子百分比的Al，

2.70.61原子百分比的Ru和29.39原子百分比的Al，

3.80.53原子百分比的Ru和16.47原子百分比的Al，

含有这些电极嵌入件的火花塞被放在装有计功计的发动机上测试，该发动机以升到5000转/分钟的发动机速度，在全开节流阀和满负载上以含铅燃料运行。

该实验产生下列结果：

1.火花塞的性能和最后发动机的性能完全和由利用标准商业火花塞所获得的结果相对一致（基准的镍电极）。

2.中心电极的腐蚀率小于商业镍电极所期望的腐蚀率。这表明，富Ru铝化钌可用作火花塞电极材料，它用于有高铅含量的燃料。

3.对应含铅燃料，存在对于在80到95重量百分比之间的亚共晶区域中耐腐蚀的最优组份。

4.在试验电极嵌入件和镍护套之间实现固态焊接，证明试验材料能成功地与镍结合。

（ⅳ）相对商业上的钯金电极的腐蚀，利用不含铅燃料和由热等压制造的材料，测定电极腐蚀。

如上所述的中心电极嵌入件由下述铝化钌材料制成，这些材料由热等压制造：

表2

电极构形类似于标准商业火花塞，这种商业火花塞具有钯金电极端。

对含有试验铝化钌中心电极的火花塞作两个实验（分别40和48小时）来比较腐蚀率。这些实验在满负载和在3500到5500转/分钟的发动机速度之间来实施。

这些实验表明：

1.在无铝燃料中铝化钌材料的腐蚀率类似和在某些情况下好于钯金材料。

2.具有53原子百分比的钌的合金呈现比具有50原子百分比的钌的合金低的腐蚀率。

3.增添硼不能改进实验用火花塞的耐腐蚀性。

4.火花塞的性能和最后的发动机性能完全与由利用标准商业火花塞所获结果对应一致。

5.在实验电极嵌入件和镍护套之间已经实现固态焊接，证明试验材料能成功地结合到镍上。

6.对于实验火花塞的电压要求和火花持续时间与商业的含镍或钯金中心电极的火花塞相比具有明显的可比性。

（ⅴ）利用富Ru铝化钌（由电弧熔化制造）和无铅燃料的电极腐蚀测定

将含85，90和95重量百分比钌的电弧熔化合金的中心电极嵌入件在发动机中进行8小时的试验，在以35000转/分钟和满负载下以无铝燃料运行。具有钯金中心电极的标准商业火花塞被用作为该实验中的基准来比较腐蚀结果。

获得以下结果：

1.在铝化钌嵌入件上出现的腐蚀比钯金嵌入件上的少。（对于含85重量%Ru的合金2.3μm对应钯金嵌入件30.1μm）。

2.在80和95重量百分比钌之间，对应无铅燃料存在钌和铝的耐腐蚀最优组份。

（ⅵ）在无铅燃料中利用富钌铝化钌（用热等压制造）的电极腐蚀测定

以下列铝化钌材料制造1.0mm直径的中心电极嵌入件：

表3

含有这些嵌入件的火花塞在一台发动机中进行测试，该发动机以满载在达到峰值扭矩的电机速度上以无铅燃料运行，作为基准装配具有直径2.52mm的镍基中心电极的标准火花塞。把RuAl电极的端面0.79mm²与基准镍电极的端面4.99mm²相比较。所以基准镍电极的火花表面比铝化钌电极嵌入件大6倍。

72小时之后，测量电极损耗。加硼不会改善耐腐蚀性。

整个基准镍电极的端面的平均腐蚀率为每小时0.8μm，在中心它是每小时0.35μm。

结果表明，在或接近70.61原子百分比Ru的共晶组份上存在最优Ru成份。

以这样的发动机速度又继续试验144小时，该速度是达到峰值扭矩的速度并伴有宽开的节流阀。具有每个下列组份的电极的两个火花塞被装设进行试验：

1.63原子百分比的Ru和37原子百分比的Al[86.45重量%Ru]：在上述72小时试验中，一个火花塞还未使用，一个在72小时试验中已使用。

2.68原子百分比的Ru和32原子百分比的Al[88.84重量%Ru]：一个火花塞在上述72小时之中尚未使用，一个在72小时试验中已使用。

3.标准镍基;一个在以前未使用的火花塞和一个在上述72小时之中使用的。

在144和216积累试验时间之后，再一次测量电极腐蚀。在基准火花塞的端面测量腐蚀情况不理想，

表4

在增添144小时耐久试验之后的腐蚀率

因为火花也从面向正电极的中心电极侧边处出现。这导致在中心电极和基准火花塞的电极端面上测得低的腐蚀率。

在72、144和216小时之后，在基准镍合金电极的端面上的平均腐蚀率是相近的。明显的是，有限的火花量从支撑嵌入件的镍基杆上出现，而在基准电极的对应边缘上测出严重的腐蚀。表4表示所获得的结果。

不考虑这样的事实，即基准镍电极具有比实验铝化钌电极大6倍的起火花表面，铝化钌合金的耐腐蚀性可与基准镍合金电极相比。

在144和216小时试验之后，基准镍合金电极在中心电极端的起火花表面上表现出很稳定的腐蚀情况。63原子百分比的Ru的合金在72小时实验之后明显表示出腐蚀加剧。这个观察结果仅基于一个试品，68原子百分比的钌的合金与一些6倍尺寸（有效面积）的基准镍合金电极严格地加以比较。

为了得到有关镍合金电极和同一直径的铝化钌电极的腐蚀结果，含有68原子%的Ru，1mm直径的铝化钌嵌入件和制成1mm直径的商业镍合金电极被同时测试60小时，在上述同一六缸发动机中，以无铅燃料，满载，在达到峰值扭矩的发动机速度上进行试验。腐蚀结果如下：

表5

在何处所测腐蚀	腐蚀率（μm/h)
			Ni	Ru-Al
	电极中心整个电极端面面向正电极的电极的侧面	0.631.000.28			0.120.400.23
平均值			0.64	0.25

这也证明前面用铝化钌嵌入件所得的结果是可再现的。

（ⅶ）含镍、钌和铝的合金

除了对RuAl基材料增添钌，可以想象的是，能以这样的一种方法把镍增添到RuAl金属相上，即用较便宜的镍替换部分钌，而不含有损RuAl基金相的所要求的性能。因为Ru和Ni二者构成带有铝的B₂[体集中立方体（body centred cubic）]铝化合物，这种类型的替换是可能考虑的。以及原子半径和Ru及Ni的负电性充分接近，允许在RuAl的晶体晶格上相互替换。（Ru的金属原子半径是0.133nm，而Ni是0.124nm，电负性分别是2.2和1.8）。

通过电弧熔化制备一系列在表6中给出的成份的合金来做这些试验。这些合金可被理解成有这样的结构Ni_xRu_1-xAl。

表6试品成份，原子%

然后，用金相、X射线衍射和硬度测试来检查这些合金。发现添加Ni给RuAl，或添加Ru给NiAl大大提高材料的硬度。

测试表明，在Ni-Al-Ru三位一体的体系中，具有总化学式Ri_XRul-XAl的化合物具有同样的B₂结构，Ni至少可部分地替换Ru。Ni也能在Ru-Al金相体系中另一段中，如在富Ru段上替换Ru，试验证明了电极嵌入件的耐久性。Ni-Al-Ru合金适合用于火花塞电极，它具有42或更多原子百分比的Ru+Ni成份。

Ni原子能替换Ru原子的事实解释了在发动机工作期间所发生的，被观察到的扩散结合。扩散结合及象电阻焊（但不局制于此）的其它焊接技术能作为生产技术，特别是结合端头来利用，上述端头含有加到镍中的金属间化合物或镍合金电极的端头。

其它金属化合物，设计和处理工艺

将会理解的是，许多具有1400℃以上熔点的二元和三元金属间化合物以及包含这样化合物的材料可被用来构成火花塞电极或端头或不离开其范围的用于电极的嵌入件。许多其它二元金属间化合物被用来形成电极，这样的化合物基本是由以下元素组成的材料：

-镍和铝

-铂和铝（组份如我们的美国专利17/0/127中所描述的），

-钛和铝，

-钌和钽，

-铁和铝，

-铌和铝，

-铜和硅，

-铱和铌，

-钌和钛，

-铪和铱，

-钌和锆，

-铱和钛，

-铱和钽。

进一步理解的是，这些组份可偏离化学计量的金属间组分，因此可以包括多金相结构，而不脱离其范围。

根据本发明，在其它金属中具有1400℃以上熔点的金属间化合物可借助任何适当方式生产。例如，在可延金属金相中使用粉末或再分金属间化合物材料，产生实现良好耐腐蚀和良好加工特性的组合材料，具有1400℃以上熔点的金属间金相的分散外相现象也可被利用，来在升高的温度上限制多相或组合材料的延展金属相的晶粒生长。延展金属相包括象Ni、Pt、Au、Pd、Ag或其它合适的金属，或这样金属的任何化合。

将会理解的是，含有金属间化合物的正和负的火花塞电极的许多不同几何形状可被不脱离其范围地被设计。例如，可以把金属间材料烧结进陶瓷绝缘体中，从而构成一中心电极。

除了电弧熔化和反应热等压以外，可利用许多不同的工艺制造金属间材料。这包括多种粉末冶金工艺，多种金属喷涂工艺和许多熔化技术。

典型地，火花塞和点火器也包含象氧化铝绝缘体这样的陶瓷部件，对于制造汽车部件来讲陶瓷的利用率正在增长。根据本发明金属间化合物本身被带到与陶瓷材料协调一致的烧结工艺中。可能的是，根据本发明在一个生产步骤中烧结陶瓷部件和金属间化合物，在烧结中要求特殊的收缩，这将通过把准备与基本金属粉末起反应的特定量混合来达到。

Claims (14)

1、一种火花塞或点火器电极，其特征在于，该电极，或安装在或装入该电极的端头或嵌入件，至少由一种或多种金属间化合物制成，该金属间化合物具有1400℃以上的熔点，对其中的一种或多种金属间化合物进行选择，使其具有足够的韧度、耐热冲击性和导电率。

2、根据权利要求1的电极，其中从这样一些小组中选出金属间化合物或多个金属间化合物，这些小组包括：钌和铝（在此之后称为铝化钌）;钌、铝和镍;铂和铝;钌和钛;镍和铝;钛和铝;钌和锆;钌和钽;铁和铝;铌和铝;铜和硅;铱和铌;铱和铪，铱和钛;铱和钽。

3、根据权利要求2的电极，其中金属间化合物是或包括铝化钌。

4、根据前面任一权利要求的电极，其中金属间化合物表面为在双或多金相材料上的一相。

5、根据权利要求4的电极，其它相是镍或基本上取常规组份的镍合金。

6、根据权利要求4的电极，其中金属间化合物是有过量钌的铝化钌。

7、根据权利要求6的电极，其中双金相材料的钌成分占80和99重量百分比。

8、根据权利要求7的电极，其中钌的重量百分比约为90。

9、根据前面任一权利要求的电极，其中电极具有结合到上面的端头，其中端头由金属间化合物制造或包含金属间化合物。

10、根据权利要求9的电极，其中端头被结合到镍或镍合金电极件上。

11、根据权利要求1到8中任一个的电极，其中电极具有固定在上面的嵌入件，其中的嵌入件由金属间化合物制造或包含金属间化合物。

12、一种主要如说明书中所述和所实验的电极。

13、使用根据权利要求1到12中任一个的电极的火花塞或其它点火器。

14、根据权利要求11的火花塞，其中它的两个或全部电极是如权利要求1到12中任一个所要求的电极。