CN111065482A - 通过冷金属过渡方法生产的点火装置部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过冷金属过渡(CMT)方法制作的含贵金属的部件，连同通过CMT制作此类部件的方法。更具体地讲，本发明提供了一种通过CMT制作含铂族金属或合金的点火装置部件的有利方法。

Description

通过冷金属过渡方法生产的点火装置部件
技术领域
本发明整体涉及通过冷金属过渡(CMT)方法制作的含贵金属的部件，连同通过CMT制作此类部件的方法。更具体地讲，本发明提供了一种通过CMT制作含铂族金属或合金的点火装置部件的有利方法。
背景技术
通常必需或期望将贵金属或含贵金属的合金附着到另一金属或合金以形成组件。另一金属或合金也可以是基于贵金属的，或者其可以为另一类型的金属或合金。贵金属由钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)和金(Au)组成。
在制造点火系统装置(诸如火花塞)时，金属或合金与另一金属或合金接合以形成组件也是必要的。此类装置包括诸如通常连接到点火系统的中心电极以及通过连接到点火装置的金属壳而接地的接地电极或侧电极之类的部件。在使用期间产生火花的点火装置部件的尖端(例如，中心电极或接地电极的尖端)通常(但并非总是)由贵金属或含贵金属的合金(例如，包含金、银、钌、铑、钯、锇、铱或铂的金属或合金)组成。其原因在于，电极的尖端必须能够在装置的操作期间承受高温和高压的非常苛刻的条件，因此必须由更具弹性并且通常更昂贵的材料制成。不经历此类苛刻条件的电极的其余部分通常由不同的、较便宜的金属或合金材料(例如Ni-Cr合金和/或铜)形成。
制造此类点火系统装置中的电极的常见方法是拉延贵金属(例如，铂族金属(PGM))和贱金属(通常为铬镍铁合金，一种Ni-Cr合金)丝。然后以使金属接触的方式进给这些丝，并进行激光或摩擦焊接。通常，一旦焊接好，随后便在两侧上切割贵金属和贱金属丝组件，从而形成焊接的小的材料短棒。通常，在已(分别)独立地制造每个基底之后，然后将该短棒的贱金属元素自身焊接到基底上以形成电极。用于该目的的常用基底基于具有铜芯的铬镍铁合金(一种Ni-Cr合金)。此类基底通过两种金属的共挤出预成形，并且为人们所熟知。
当前用于制造此类装置中的电极的另选的方法是在已经独立地制造每个基底之后，将一根或“段”分段铂丝激光焊接到基底上以形成电极尖端。
制造此类装置中的电极的一种常见方式是在已经独立地制造每个基底之后，将一根或“段”分段贵金属丝激光焊接到基底上以形成电极尖端。用于该目的的常用基底基于具有铜芯的铬镍铁合金(一种Ni-Cr合金)。此类基底通过两种金属的共挤出预成形，并且为人们所熟知。
这些现有制造方法具有的一些有益效果，在于：相对于使用完全基于贵金属的电极而言，所用的昂贵的贵金属的量被最小化。
然而，由于需要在上游过程中制作金属丝、将它们分段并执行必要的焊接步骤，以将每个丝段激光焊接到基底上以形成电极尖端或对两根丝进行摩擦焊接，因此这些方法复杂且昂贵。丝的切割会导致切口损失(当切割工具在分段过程中穿过丝时，不可避免地损失材料)。如果需要成型的电极尖端(诸如渐缩的尖端)，则必须通过机加工对段塞的端部进行成型，这不可避免地会造成进一步的材料损失。现有的方法也缺乏灵活性，因为必须使用特定长度的分段丝以便提供所需的对应长度的电极尖端。因此，可能有必要在方法的初始阶段准备并提供各种长度的分段丝，这是复杂的。对丝的段塞和其他小部分的处理很困难，并导致进一步的损失。
需要一种更简单、更具成本效益的方法来制造含贵金属的部件，更具体地讲制造用于点火装置的部件。
本文的任何子标题仅出于方便起见被包括，并且不应被理解为以任何方式限制本公开。
本文引用的所有参考文献的公开内容，因为其可被本领域的技术人员用于实施本发明，因此在此以交叉引用方式明确地并入本文。
发明内容
因此，本发明的第一方面为一种通过冷金属过渡来生产点火装置部件的方法，所述方法包括：
(i)提供金属或合金基底以及金属或合金馈丝，其中所述馈丝包含铂族金属或它们的合金；
(ii)在所述基底与所述馈丝之间点燃电弧；
(iii)减小所述基底的表面与所述馈丝之间的距离，直至所述馈丝接触所述基底，从而形成短路；以及
(iv)增加所述基底与所述馈丝之间的距离以断开所述短路并将金属或合金从所述馈丝沉积到所述基底的表面上，以在所述基底的表面上形成金属或合金附着物。
应当理解，在该上下文中，“铂族金属”是指元素钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、锇(Os)、铱(Ir)和铂(Pt)。
本发明的第二方面为一种点火装置部件，其通过根据第一方面所述的方法获得或能够通过根据第一方面所述的方法获得。
本发明的第三方面为一种点火装置，其包括根据第二方面所述的部件。
本发明的第四方面为一种发动机，其包括根据第三方面所述的点火装置。
第五方面为根据第二方面所述的点火装置部件在点火装置中的用途，优选地用作点火装置中的电极。
本发明人已发现，用于制造点火装置部件(诸如用于点火装置的电极)的冷金属过渡(CMT)方法提供了以最少的材料浪费生产部件的非常有效的方式。避免了用于制作分段丝及其随后附着到基底的附加的耗时且会产生损失的制造过程。此外，沉积的附着物的几何形状可以定制以适合特定的应用，并在基底与附着物之间形成牢固的粘结。
CMT方法是无损失的，因此比PGM丝的分段和激光焊接更可取得多。
本发明的CMT方法可用于直接生产成型附着物而不具有任何材料损失并且不需要单独的机加工步骤。还可以使用相同长度的馈丝并简单地通过选择合适的CMT工艺参数来定制所得的附着物长度，而不需要从早期分段过程中获得一定范围的分段丝长度。
本发明的第六方面为一种通过冷金属过渡制作含贵金属的部件的方法，所述方法包括：
(i)提供金属或合金基底以及馈丝，其中所述馈丝包含贵金属或含贵金属的合金；
(ii)在所述基底与所述馈丝之间点燃电弧；
(iii)减小所述基底的表面与所述馈丝之间的距离，直至所述馈丝接触所述基底，从而形成短路；以及
(iv)增加所述基底与所述馈丝之间的距离以断开所述短路并将金属或合金从所述馈丝沉积到所述基底的表面上，以在所述基底的表面上形成金属或合金附着物。
应当理解，在该上下文中，“贵金属”是指元素钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、锇(Os)、铱(Ir)、铂(Pt)和金(Au)。贵金属可以为铂族金属(PGM)，即选自元素钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、锇(Os)、铱(Ir)和铂(Pt)。优选地，贵金属选自元素钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、铱(Ir)和铂(Pt)。
发明详述
金属或合金馈丝
根据本发明的方法，通过CMT将金属或合金从馈丝沉积到基底上以在该基底上形成附着物。CMT在基底的表面与沉积的附着物之间的接合处有效地形成焊缝。因此，附着物不是简单地沉积到表面上，而是变成牢固地固定到基底。
优选地，通过CMT将金属从馈丝沉积到基底上以在该基底上形成附着物。
所述馈丝可由一种或多种金属构成，所述金属选自Co、Al、Ni、W、Fe、Zn、Mn、Sc、Ti、V、Cr、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、Re、Os、Ir、Pt和Au。优选地，所述馈丝包含选自Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt和Au的一种或多种金属或由其组成。更优选地，所述馈丝包含选自Au、Ag、Ru、Rh、Pd、Ir和Pt的一种或多种金属或由其组成。更优选地，所述馈丝包含选自Ru、Rh、Pd、Ir和Pt的一种或多种金属或由其组成。任选地，所述馈丝包含选自Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Au和Pt的两种或更多种金属或由其组成。在这种情况下，优选地，所述馈丝包含选自Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Au和Pt的两种或更多种金属或由其组成。更优选地，所述馈丝包含选自Ru、Rh、Pd、Ir和Pt的两种或更多种金属或由其组成。最优选地，所述馈丝包含选自Ru或Ir的一种或多种金属或由其组成。
优选地，通过CMT将合金从馈丝沉积到基底上以在该基底上形成附着物。
适当地，所述馈丝包含Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt和Au中的一种或多种与一种或多种其他元素(例如一种或多种其他金属)的合金或由其组成。合金中的一种或多种其他元素可选自Co、Al、Ni、W、Fe、Zn、Mn、Sc、Ti、V、Cr、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、Re、Os、Ir、Pt和Au。优选地，馈丝包含Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt和Au中的一种或多种与一种或多种其他元素(例如一种或多种其他金属)的合金或由其组成。更优选地，馈丝包含Ru、Rh、Pd、Ir和Pt中的一种或多种与一种或多种其他元素(例如一种或多种其他金属)的合金或由其组成。最优选地，所述合金包括Ru和Ir中的一种或多种与一种或多种其他金属的合金或由其组成，并且特别优选的是该合金包括含有作为主要组分的Ru或Ir与一种或多种其他金属的合金或由其组成，此类合金在点火装置中特别有用。
除此之外或另选地，所述合金包括Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt和Au中的两种或更多种的合金或由其组成。
任选地，所述合金包含选自Y(钇)、Zr(锆)和Sm(钐)中的一种或多种的附加组分。优选地，所述合金包含Zr。不受理论的束缚，据信包含这些元素可使合金具有延展性。还据信这些元素(具体地Zr)可阻碍通过晶界的位错运动(即，晶格之间的边界处于不同取向)，并因此限制或减缓晶粒生长。
除此之外或另选地，合金可包含其他非合金组分。例如，在一些实施方案中，合金还包含陶瓷氧化物组分。不受理论的束缚，据信此类陶瓷氧化物的存在可增加合金的晶粒稳定性并改善电火花腐蚀特性(这在点火装置部件中可能尤其有利)。此类陶瓷氧化物的非限制性示例为Y2O3、ZrO2和稀土氧化物。
适当地，沉积到基底上的金属或合金包含贵金属或它们的合金。更优选地，沉积到基底上的金属或合金包含PGM或它们的合金。
关于用于生产点火装置的部件的方法(本发明的第一方面)所描述的优选的特征同样适用于用于生产含贵金属的部件的方法(本发明的第六方面)，前提条件是含贵金属的部件的生产限于以下方法，所述方法包括：
(i)提供金属或合金基底以及馈丝，其中所述馈丝包含贵金属或含贵金属的合金；
然而，点火装置部件的生产限于以下方法，所述方法包括：
(i)提供金属或合金基底以及馈丝，其中所述馈丝包含铂族金属或含铂族金属的合金。
所用的馈丝的直径将取决于期望的附着物的直径。适当地，金属或合金馈丝具有至少0.3mm，例如至少0.4mm或至少0.5mm的直径。适当地，附着物具有至多2.5mm，例如至多2mm或至多1.5mm的直径。技术人员已知的任何合适的方法均可用于制造具有适当组成和尺寸的金属或合金馈丝。
金属或合金基底
在根据本发明的方法中，由CMT制造的附着物沉积在金属或合金基底的表面上并固定到金属或合金基底的表面。
基底可包含任何合适的金属或合金，或金属和/或合金的混合物。在一些实施方案中，基底为通过两种不同金属或合金的共挤出或技术人员已知的任何其他制造方法形成的主体。
在一些实施方案中，基底包含不同于通过CMT沉积在基底上的金属或合金的金属或合金。在一些实施方案中，基底不包含存在于馈丝中或沉积在基底上的材料中的任何金属或合金。在一些实施方案中，基底不包含任何PGM。
基底可优选地为点火装置的中心电极或接地电极的一部分。然后，附着物形成在使用期间可由此产生火花的电极的“尖端”。基底更优选地可以为点火装置的中心电极的一部分。应当理解，这是用于生产点火装置的方法的优选特征。
基底可包含导电金属或合金。优选地，基底包含选自Ag、Au、Cu、Al、Mo、Zn、W、Ni、Fe、Pd、Pt、Sn、Pb、Ti的一种或多种金属，或这些中的任一种与一种或多种其他元素(例如一种或多种其他金属)的合金。更优选地，基底包含选自Cu和Ni的一种或多种金属，或这些中的任一种与一种或多种其他元素(例如一种或多种其他金属)的合金，并且该特征在用于生产点火装置的方法中是特别优选的。
任选地，基底包括包含第一金属或合金的第一区域和包含不同于第一金属或合金的第二金属或合金的第二区域。优选地，第一区域为至少部分地被第二区域(壳)围绕的芯部区域(芯)。第一区域和第二区域可通过第一金属和第二金属或合金的共挤出而形成。在一些实施方案中，第一区域包含导电金属或由其组成。在一些实施方案中，第一区域包含过渡金属诸如Cu或由其组成。在一些实施方案中，第二区域包含导电金属或由其组成。在一些实施方案中，第二区域包含合金(诸如Ni合金)或由其组成。在一些实施方案中，第二区域包含铬镍铁合金或由其组成。优选地，基底包括包含Cu的芯，所述芯至少部分地被外部部分(壳)围绕，所述外部部分包含Ni或Ni的合金，诸如铬镍铁合金。
从上文关于基底的公开内容考虑，应当理解，在CMT期间丝沉积于其上的表面可包含Ni或Ni的合金，诸如铬镍铁合金，并且优选地所述表面可包含Ni或Ni的合金。在Ni的合金中，主要组分可以为Ni，并且Ni合金中的一种或多种其他元素可选自Cr、Fe、Mo、Nb、Co、Mn、Cu、Al、Ti、Si、C、S、P和B。任选地，合金中丰度最大的元素为Ni，合金中丰度第二大的元素为Cr，并且合金可包含选自Fe、Mo、Nb、Co、Mn、Cu、Al、Ti、Si、C、S、P和B中的一种或多种其他合金元素。在一些实施方案中，合金为铬镍铁合金。
用作点火装置电极的一部分的此类“芯-壳”型基底是技术人员所熟知的并且可商购获得。
基底的总体形状没有具体限制。技术人员将能够根据预期的点火装置(或部件)应用来选择合适的形状。
优选地，基底具有细长结构。此类基底具有的一个尺寸比其他两个尺寸长至少2倍，例如至少3倍，例如至少4倍。此类细长基底的横截面几何形状没有具体限制，但可选自圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、梯形、菱形、五边形、六边形或八边形。此类基底可包括基底表面上的特征部，诸如脊、凸台或凹陷部。
更优选地，基底为基本上圆柱形的。诸如火花塞之类的点火装置的中心电极通常具有圆柱形形状，电极的产生火花的“尖端”位于该圆柱体的一端处。因此，在一些实施方案中，通过CMT在其上沉积材料的圆柱形基底的表面是圆柱体的端面中的一个，其可以为基本上平坦的。
所谓“基本上圆柱形”是指基底将通常是具有圆形或接近圆形横截面的细长结构(例如，横截面的形状可以略呈椭圆形而不是正圆形)。此外，“基本上圆柱形”不排除在基底的表面上存在诸如脊、凸台或凹陷部的特征部。
基底的横截面的尺寸和形状可沿其长度是一致的，或者可变化，例如使得基底具有渐缩的外观。
基底的尺寸也没有具体限制，并且将取决于点火装置(或部件)的预期应用。如上所述，此类基底可商购获得，并且本文所述的方法可适于与任何此类基底一起使用。一般来讲，基底可具有0.5mm至80mm，例如10mm至20mm的长度，这取决于设计和预期用途。
在本发明的方法中，将一定量的金属或合金从馈丝沉积到金属或合金基底的表面上，并且通过在CMT方法中形成的焊缝将其机械结合到该基底。该结合比由仅将熔融金属沉积到表面上所形成的结合强得多。金属或合金的单一沉积物可由馈丝形成于基底上。一旦沉积，金属或合金就可覆盖基底的暴露表面的整个区域，但还设想了多次沉积，并且可通过重复本文所述方法的步骤来实现。另选地，可沉积金属或合金以仅覆盖基底的暴露表面的一部分。当基底为细长基底，例如如上所述的基本上圆柱形时，金属或合金可沉积到基底的端面中的一个上。
在本发明的第六方面，基底可以为点火装置部件，例如点火装置电极，例如火花塞电极。另选地，第六方面的基底可以为任何其他合适的金属或合金基底，例如传感器的引出线。
冷金属过渡制造方法
冷金属过渡(CMT)为由此在相对“冷”的条件下(与传统电弧焊接技术相比)，将材料从馈丝过渡到基底的方法。就用于焊接应用而言，已提出CMT作为电弧焊接的替代焊接方法，这是由于由CMT提供的自动化、减少的热输入和用于接合工件的更清洁焊接的形成。参见例如US2009/026188A1和US 2008/156781A1，其内容以引用方式并入本文。此类焊接方法可根据焊接系统的制造商由不同的术语已知。例如，术语ColdArc(由EWM使用)、RMD球形过渡(由Miller使用)、CBT(由Daihen使用)、ColdMIG(由Merkle使用)和STT(由Lincoln使用)均是已知的，并且全部均依赖于通过冷金属过渡进行焊接的相同原理。
用于本专利申请中的CMT方法不同于上述CMT焊接方法。代替通过CMT沉积焊接珠缘，本文所述的方法通过CMT将馈丝的一部分过渡到基底，从而在基底上形成基本上细长的附着物。此类方法由名称“CMT销”、“CMT-梭”、“CMT-球”、“CMT-锥”和“CMT-印刷”所熟知，并且在例如US 2011/0073579 A1中有所描述，其内容以引用方式并入本文。
本发明人已发现，CMT还提供以经济型方式生产用于点火装置的部件的可能性，同时保留期望的特性。
此外，本发明人已发现，更一般来讲，CMT提供以经济型方式生产含贵金属的部件的可能性，同时保留期望的特性。例如，此类方法可用于制造传感器附着物，诸如λ传感器附着物，以及其中需要将贵金属附着物附着到另一金属或合金基底上的各种其他用途，其中否则此类部件可使用上述较不经济的方法诸如激光焊接来制造。
在根据本发明的CMT方法中，在由CMT系统执行的单组步骤中将金属或合金附着物完全形成到基底上，并且需要很少或不需要后处理(诸如精加工或等静压)。
本发明的一般方法包括四个主要步骤：
(i)提供金属或合金基底以及金属或合金馈丝；
(ii)在所述基底与所述馈丝之间点燃电弧；
(iii)减小所述基底的表面与所述馈丝之间的距离，直至所述馈丝接触所述基底，从而导致短路；以及
(iv)增加所述基底与所述馈丝之间的距离以断开所述短路并将金属或合金从所述馈丝沉积到所述基底的表面上，以在所述基底的表面上形成金属或合金附着物。
在所述方法的步骤(i)中，提供了金属或合金基底以及金属或合金馈丝。这些物质的特性如上所述。适当地，丝被设置成基本上垂直于基底的表面，使得丝沿轴向方向的移动改变丝与基底之间的距离，并且丝沿轴向方向朝向基底的移动使丝的一端与基底接触。馈丝的移动可手动执行。然而，另选地，馈丝可在安装在机械臂上的自动馈丝器中提供。以这种方式，通过计算机程序精确地控制馈丝的移动。
基底可保持或固定在构造板上的适当位置，如下文更详细地讨论。
CMT方法和设备是技术人员所熟知的，并且可用于执行本发明的方法。
在所述方法的步骤(ii)中，在所述基底与所述馈丝之间点燃电弧。电弧有利于丝的尖端处的金属或合金的部分熔融，以及与丝相邻的基底的金属或合金的部分熔融，使得金属或合金从馈丝向基底的过渡可发生。实现这一点的方式是CMT方法的标准部分，并且是技术人员例如从US2011/0073579A1所熟知的。
在电弧已被点燃之后，在该方法的步骤(iii)中，基底的表面与馈丝之间的距离减小，直至馈丝接触基底。从而焊接馈丝和基底。可通过使馈丝朝向基底移动来减小距离。馈丝与基底之间的接触形成短路并且电弧被熄灭。
CMT方法的最终步骤(iv)包括增加所述基底与所述馈丝之间的距离以断开所述短路并将金属或合金从所述馈丝沉积到所述基底的表面上，以在所述基底的表面上形成金属或合金附着物。对焊接参数(诸如焊接电流和馈丝运动)的适当控制导致具有期望的几何形状的附着物。
如上所述，在步骤(iii)和(iv)中馈丝和基底的相对运动可通过使用安装在由计算机程序驱动的机械臂上的馈丝器来自动化。焊接电流也可由此类计算机程序控制。
通过改变CMT条件(诸如电弧的电压和/或电流，以及基底和丝的相对运动的定时)，可以产生多种附着物几何形状。
能够使用根据本发明的CMT方法实现的附着物几何形状的非限制性示例包括圆柱形(具有基本上平坦的端面)、球形、“蘑菇形”几何形状和梭形几何形状(渐缩成一个点的细长附着物)。这些附着物几何形状的示例在附图中示出。
可使用可商购获得的CMT系统(诸如得自Fronius的TransPulsSynergic系列或CMTAdvanced系统)来进行CMT方法。此类CMT系统是自动化的，并且包括馈丝器、数控MIG/MAG电源、用于冷却焊炬的冷却单元、有利于丝的平滑运动的丝缓冲器以及用于精确丝馈送和恒定接触压力的自动焊炬臂。
CMT方法优选地包括将保护气体施用于电弧放电周围的区域。这可通过CMT方法中，并且更一般来讲，焊接领域中所熟知的金属惰性气体(MIG)或金属活性气体(MAG)技术来实现。
在MIG方法中，将惰性气体或惰性气体混合物用作保护气体，并且在CMT方法中将其馈送到电弧周围的区域。在一些实施方案中，惰性气体选自Ar、He以及它们的混合物。
在MAG方法中，将活性气体或活性气体混合物用作CMT期间的保护气体。在一些实施方案中，活性气体混合物包含CO2或H2，或这些与一种或多种惰性气体的混合物。
MIG和MAG方法有时统称为GMAW(气体金属电弧焊接)。
优选地，活性气体混合物包含Ar和O2。活性气体混合物可包含至少1.5体积％O2，例如至少2体积％、至少2.5体积％或至少3体积％O2，并且余量为Ar。活性气体混合物可包含至多6体积％O2，例如至多5.5体积％、至多5体积％或至多4.5体积％O2，并且余量为Ar。
除此之外或另选地，活性气体混合物包含Ar和CO2。活性气体混合物可包含至少4体积％CO2，例如至少4.5体积％或至少5体积％CO2，并且余量为Ar。活性气体混合物可包含至多30体积％CO2，例如至多25体积％、至多20体积％或至多15体积％CO2，并且余量为Ar。
因此，活性气体混合物可包含Ar、O2和CO2。活性气体混合物可包含至少5体积％CO2、至少2体积％O2并且余量为Ar。活性气体混合物可包含至多15体积％CO2、至多10体积％O2并且余量为Ar。
另选地，活性气体混合物包含He、O2和CO2。活性气体混合物可包含至少5体积％CO2、至少2体积％O2并且余量为He。活性气体混合物可包含至多15体积％CO2、至多10体积％O2并且余量为He。
除此之外或另选地，所述气体混合物包含N2。根据待过渡的金属或合金的特性，这可被认为是活性的或惰性的。
技术人员应理解，保护气体的组成影响电弧的稳定性、金属过渡特性、溅射量和焊池的性能，诸如其渗透性和基底与附着物之间的焊缝的所得机械特性。
以这种方式(经由CMT方法)，将三维附着物沉积到基底的表面上。
任选地，所述方法包括使用CMT方法来生产点火装置的多个部件，其中多个基底以阵列布置在单个CMT单元内。更具体地讲，该方法可包括以下步骤：提供以阵列布置在单个CMT单元内的多个基底，使得本发明方法的每个步骤可相对于每个基底同时或顺序地执行。因此，所述方法可被认为是批量方法，在所述方法的每次“运行”中提供两个或更多个部件。
以这种方式，使用单次CMT运行，可在CMT单元的单个构造板上制造多个点火装置部件。这在时间和资源方面都是高度经济的。将馈丝从一个基底直接移动到下一个基底，对每个基底执行步骤(i)至(iv)以将金属或合金沉积到基底上并形成附着物。通过使每个基底的CMT工艺条件保持相同，可制造具有一致几何形状和特性的点火装置部件。
技术人员应当理解，术语“CMT单元”是指适于执行CMT方法的系统。此类系统是技术人员已知的并且可商购获得，如上所述。
通过在单个构造板上在单次CMT运行中制造多个部件，例如至少2个、至少5个、至少10个、至少15个、至少20个、至少50个、至少100个、至少500个、至少1000个、至少2000个或至少4000个，使得该过程更有效得多。
用于在基底上形成单个附着物的金属的整个冷金属过渡过程只需几分之一秒。因此，所述方法是高效的，并且可用于每秒制造多个点火装置部件，例如每秒至少5个、至少10个、至少15个、至少20个、至少25个或至少30个。
适当地，所述多个基底以二维阵列布置在所述构造板上。在一些实施方案中，所述多个基底以规则阵列(诸如，三角形、正方形或六边形阵列)布置在构造板上。优选地，将两个相邻基底之间的距离保持在最小值。这确保了CMT方法的最大效率。
优选地，在CMT方法期间将金属或合金基底保持在构造板上。基底可通过任何合适的方式在构造板内保持就位，或者可位于由构造板限定的合适的孔或凹陷部内。基底可以通过合适的手段(例如通过从基底表面伸出的突出部与从孔或凹陷部的内表面伸出的突出部之间的邻接)在所述孔或凹陷部内保持就位。从孔或凹陷部的内表面伸出的突出部可包括环形脊，使得提供了更稳定的在其上搁置基底的平台。以这种方式，不仅控制了基底的轴向位置，而且基底的横向位置也更加稳定。
另选地，基底可以位于构造板中的凹陷部的底板上。以这种方式，可以控制基底在孔或凹陷部内的轴向位置，例如以便确保基底和构造板的上表面共面。
因此，该方法可以在步骤(i)之前包括将一个或多个基底在构造板上布置就位的步骤。
任选地，本发明的方法包括在步骤(i)之前提供一种改良的构造板，该构造板包括适于在CMT方法期间保持金属或合金基底的孔或凹陷部，以及将构造板安装在CMT单元内。改良的构造板可包括多个孔或凹陷部，可在其中放置相同数量的多个基底。改良的构造板可包括以阵列(诸如三角形、正方形或六边形阵列)布置的多个孔或凹陷部。
当提供改性的构造板时，该方法还将包括将一个或多个基底插入构造板中的一个或多个孔或凹陷部中的步骤。
一般来讲，可以通过对常规的构造板进行钻孔来提供改良的构造板，以提供合适的凹陷部或孔。
当提供包括一个或多个凹陷部的改良的构造板时，基底位于凹陷部内，使得基底的上表面与构造板的上表面基本上齐平，或者在构建版的上表面上方突出小于或等于5mm的间隙。以这种方式，可确保(例如)在CMT方法期间，材料仅沉积在基底的上表面上。
适当地，将基底单独地(通过手动或通过自动方式)移动到CMT方法的适当位置，以使其与基底接触并沉积金属或合金附着物。
优选地，该方法结合了自动基底馈送步骤，其中将基底(例如，电极)分选并布置在CMT机内的正确位置和取向上。例如，该方法可涉及使用进料机，所述进料机能够提供预定数量的基底并确保基底以正确的取向提供。此类进料机包括技术人员已知的振动杯进料机。在一些实施方案中，使用振动杯进料机以将所有基底置于相同的期望取向并将其逐一分配。然后可使用操作机器人(所述操作机器人可一次夹持一个或多个基底)使处于由进料机提供的正确取向的基底移动到正确位置，并将其从进料机的输出线移动到CMT机器内的必要位置，以便可执行CMT方法。
因此，在根据本发明的第一方面的CMT方法中提供金属或合金基底的步骤(i)可包括以下步骤：
(ia)将未分选且未取向的多个基底提供给进料机；
(ib)使用所述进料机将所述基底取向成预定的期望取向；以及
(ic)将经取向的基底从所述进料机的输出线传送到CMT机内的预定期望位置。
在步骤(ia)中，进料机可以是振动杯进料机。多个基底将被馈送到进料机中，并且将通过机器的振动和传送装置的运动而被取向成相同的取向。基底可分批地供应给进料机，或可提供连续供应。所述多个基底可全部相同，或者可包括不相同的基底，例如各种尺寸和/或各种形状的基底的组。在后一种情况下，进料机也可基于基底的尺寸和/或形状将所述基底分选到不同的输出线中。
在步骤(ib)中，所述多个基底以期望的取向从进料机出现，准备好以供收集并传送到CMT机。
在步骤(ic)中，可手动地或优选地使用操作机器人传送基底。合适的操作机器人是技术人员已知的，并且能够抓握和传送多个主体，诸如本文所述的基底。
以这种方式，提供了一种自动化方法，其中以非常有效的方式将一定数量的未分选基底分选并布置在进行CMT所必需的正确位置和取向上，但不需要人工监测或干预。
金属或合金附着物
根据本发明的一个方面，CMT方法的产品为点火装置的部件，其为包括金属或合金基底以及熔合到基底的沉积的金属或合金附着物的组件。
根据本发明的一个另选的方面，CMT方法的产品为含贵金属的部件，所述部件包括金属或合金基底以及包含贵金属或其合金的CMT沉积的附着物，所述附着物熔合到基底。
上文关于金属或合金丝的特性的公开内容也适用于金属或合金附着物，所述附着物为通过将金属或合金从馈丝过渡到基底而形成的物体。
附着物可具有渐缩形状，使得其横截面积随着距其所附着的基底的距离而减小。
另选地，附着物可具有凸面形状，例如半球形状或者球形帽或穹顶形的形状。
优选地，附着物为用于点火装置中的电极的点火尖端。当附着物由PGM金属或合金形成时，这在附着物用作点火尖端时提供了特别期望的特性。例如，附着物具有高熔融温度并且较不容易电火花腐蚀，从而降低点火装置失火的风险。
附着物的尺寸当然将取决于基底的尺寸和预期应用，并且技术人员可调节CMT方法以便制造具有合适尺寸的附着物。
适当地，附着物具有至少0.1mm，例如至少0.2mm、至少0.25mm、至少0.3mm、至少0.35mm或至少0.4mm的长度。此外，适当地，附着物还具有至多10mm，例如至多5mm、至多4mm、至多3mm，例如至多2.5mm或至多2mm的长度。
适当地，附着物具有至少0.3mm，例如至少0.4mm或至少0.5mm的宽度(直径)。优选地，附着物可具有至多2.5mm，例如至多2mm或至多1.5mm的宽度(直径)。
一般来讲，丝的规格在附着物形成时被保留，因此所选择的丝规格决定在CMT期间形成的附着物的厚度。附着物的其他尺寸，诸如其从基底表面测量的高度，所形成的任何球形特征部的尺寸以及附着物的基部渗透深度通过CMT系统的电源程序来测定。
任选地，本发明的方法还包括选自对所述部件的至少一部分进行表面精加工和/或机械加工的步骤(v)。
表面精加工步骤可包括3D扫描过程以确定每个部件在构造板上的三维位置并将该信息馈送到CNC机加工系统中。CNC精加工的精度可取决于基底的定位精度。因此，在焊接之后对基底位置进行3D扫描确保表面精加工过程是准确的。
机械加工可包括技术人员已知用于改变CMT沉积结构的结构和/或密度的任何方法。可用于步骤(iv)中的机械加工技术的非限制性示例包括珠粒喷丸、机械喷丸、热轧或冷轧或压制，诸如等静压，例如热等静压和加层制造(ALM)。
机械加工可包括致密化过程。致密化是减小CMT制造的零件的内部孔隙度的一种手段。以这种方式，可以提供更致密的附着物。
机械加工用于引入受控水平的机械功，该机械功可以保留或可以与适度的局部加热结合使用，以在表面处或根据处理的严格程度和采用的热方案在更深处形成等轴晶粒结构。在一些情况下，可以在与基底的接合部处形成等轴结构，其中将外延生长的定向晶粒限制到附着物的表面。预期此类变化的结构将导致电极尖端在氧化/腐蚀方面的稳定性得到改善，但热循环和机械循环将更为显著。应当理解，这对于生产点火装置中的电极尖端可以是尤其有利的。
现在将结合以下非限制性附图和实施例对本发明进行进一步描述。本领域中的技术人员将鉴于这些想到本发明的其他实施方案。
附图
图1示出代表使用本发明的CMT方法可获得的附着物几何形状的各种示意性剖视图。
具体实施方式
图1示出了可使用根据本发明的CMT方法制造的一些可能的“销”几何形状。
图1(a)-(d)中的每一个示出不同的“销”几何形状。在每种情况下，附着物已通过CMT沉积到基底5上，所述基底可以为点火装置电极。
图1(a)示出了实施方案1，其中具有“蘑菇形”几何形状的附着物(“销”)11附着到基底5。附着物11具有球形末端部分12，该球形末端部分扩展至比附着物的主杆更大的直径。附着物11已通过CMT从金属或合金馈丝牢固地固定到基底5。基底5可以为铬镍铁合金，并且附着物11可以为贵金属或其合金。
图1(b)示出实施方案2，其中具有“平坦”几何形状的附着物(“销”)21附着到基底5。附着物21具有末端部分22，所述末端部分具有基本上平坦的端面，使得附着物的几何形状为基本上圆柱形。附着物21已通过CMT从金属或合金馈丝牢固地固定到基底5。基底5可以为铬镍铁合金，并且附着物21可以为贵金属或其合金。
图1(c)示出了实施方案3，其中具有“梭形”或“锥形”几何形状的附着物(“销”)31附着到基底5。附着物31具有渐缩末端部分32，所述渐缩末端部分为末端部分提供基本上锥形的几何形状。附着物31已通过CMT从金属或合金馈丝牢固地固定到基底5。基底5可以为铬镍铁合金，并且附着物31可以为贵金属或其合金。
图1(d)示出实施方案4，其中具有“球形”几何形状的附着物(“销”)41附着到基底5。附着物41具有类似于图1(a)所示的附着物11的末端部分的球形几何形状，然而附着物41缺乏存在于附着物11中的细长杆部分。附着物41已通过CMT从金属或合金馈丝牢固地固定到基底5。基底5可以为铬镍铁合金，并且附着物41可以为贵金属或其合金。
当存在于点火装置部件(诸如火花塞的电极)中时，图1所示的实施方案中的任一个均将提供本文所述的优点，并且可以以有效且经济的方式制造，其中材料的浪费最少。
图2为表示根据本发明的CMT方法的典型循环的示意性剖视图。图2的步骤(a)-(e)表示经过CMT方法的单个循环(单个附着物沉积)内的时间的步骤。
提供了基底51，其通常为过渡金属或其合金，诸如Ni-Cr合金。基底51可以为铬镍铁合金。
在图2的步骤(a)中，提供了邻近基底51的馈丝52，并且馈丝被取向成使得其轴线基本上垂直于基底51的表面。馈丝通常为贵金属或其合金，诸如Ru或Ir的合金。尽管附图中未示出，但馈丝52被保持在安装在机械臂上的馈丝器中，所述机械臂是CMT系统(诸如Fronius TransPulsSynergi系统)的一部分。
在图2的步骤(b)中，在馈丝52的尖端与基底54的邻近馈丝的表面部分之间点燃电弧55。电弧在馈丝52的尖端处的区53和基底51的表面处的区54中导致局部部分熔融。电弧的点火由CMT系统自动控制，电弧的电压和电流也是如此。
然后，例如通过使馈丝器(未示出)或丝朝向基底51移动来减小馈丝52与基底51之间的距离，直至如图2的步骤(c)所示，馈丝52和基底51接触，从而形成短路。这在馈丝52与基底51之间形成焊接56。
在图2的步骤(d)中，例如通过使馈丝器(未示出)或丝再次远离基底51移动来增加馈丝52与基底51之间的距离。这在馈丝中形成压紧部分57，所述压紧部分最终断裂以留下焊接到基底51的表面的附着物58。图2所示的附着物58的几何形状是“平坦的”，但确切的几何形状可通过调节焊接参数，诸如焊接电压、电流和馈丝运动而有所不同。
在步骤(e)之后，馈丝52可通过机械臂移动到另一位置(例如，邻近另一基底)，以相同的方式沉积另一附着物，或者以相同的方式但以另选的形状沉积另一附着物。

Claims (25)

1.一种通过冷金属过渡来生产点火装置部件的方法，所述方法包括：
(i)提供金属或合金基底以及金属或合金馈丝，其中所述馈丝包含铂族金属或含铂族金属的合金；
(ii)在所述基底与所述馈丝之间点燃电弧；
(iii)减小所述基底的表面与所述馈丝之间的距离，直至所述馈丝接触所述基底，从而形成短路；以及
(iv)增加所述基底与所述馈丝之间的距离以断开所述短路并将金属或合金从所述馈丝沉积到所述基底的表面上，以在所述基底的表面上形成金属或合金附着物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述基底包含镍或镍合金，任选地包含铜芯。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述基底包含铬镍铁合金。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，所述方法包括使用冷金属过渡方法来生产多个部件，其中多个基底以阵列布置在单个冷金属过渡单元内。
5.根据权利要求4所述的方法，所述方法包括同时或顺序地对所述阵列中的每个基底执行步骤(i)至(iv)。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中相邻基底上的中心点之间的间距在1mm至10mm，例如2mm至8mm的范围内。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述基底位于冷金属过渡单元的构造板中的凹陷部或孔内。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述基底位于所述凹陷部内，使得所述基底的上表面与所述构造板的上表面基本上齐平，或者以小于或等于5mm的间隙突出到所述构造板的所述上表面的上方。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中将所述基底在所述凹陷部或孔内保持就位。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述基底借助从所述基底的所述表面伸出的突出部与从所述孔的内表面伸出的突出部之间的邻接而保持就位。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中提供金属或合金基底的步骤(i)包括以下步骤：
(ia)将未分选且未取向的多个基底提供给进料机；
(ib)使用所述进料机将所述基底取向成预定的期望取向；以及
(ic)将经取向的基底从所述进料机的输出线传送到冷金属过渡单元内的预定期望位置中。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述进料机是振动杯进料机。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述基底使用操作机器人来传送，任选地其中所述操作机器人一次传送多个基底。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括选自对所述部件的至少一部分进行表面精加工和/或等静压的步骤(v)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法是用于生产火花塞的中心电极或接地电极的方法。
16.根据权利要求15所述的方法，所述方法是用于在代表所述中心电极的其余部分的基底上形成火花塞的中心电极的尖端的方法。
17.一种点火装置部件，所述点火装置部件通过根据权利要求1至16中任一项所述的方法获得或能够通过根据权利要求1至16中任一项所述的方法获得。
18.根据权利要求17所述的点火装置部件，所述点火装置部件为点火装置电极。
19.一种点火装置，所述点火装置包括根据权利要求17或18所述的部件。
20.根据权利要求19所述的点火装置，其中所述点火装置为火花塞。
21.一种发动机，所述发动机包括根据权利要求19或20所述的点火装置。
22.根据权利要求17或18所述的点火装置部件作为点火装置中的电极的用途。
23.一种通过冷金属过渡来生产含贵金属的部件的方法，所述方法包括：
(i)提供金属或合金基底以及馈丝，其中所述馈丝包含贵金属或含贵金属的合金；
(ii)在所述基底与所述馈丝之间点燃电弧；
(iii)减小所述基底的表面与所述馈丝之间的距离，直至所述馈丝接触所述基底，从而形成短路；以及
(iv)增加所述基底与所述馈丝之间的距离以断开所述短路并将金属或合金从所述馈丝沉积到所述基底的表面上，以在所述基底的表面上形成金属或合金附着物。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述馈丝包含金属或合金，所述金属或合金选自金属Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt和Au，以及它们的合金。
25.根据权利要求24或25所述的方法，所述方法是用于生产含PGM部件的方法，其中所述馈丝包含选自Ru、Rh、Pd、Ir和Pt的铂族金属或它们的合金。
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