CN112553487A - 一种具有良好高温耐久烧蚀性能的铱镍合金火花塞中心电极材料及其制备方法 - Google Patents

一种具有良好高温耐久烧蚀性能的铱镍合金火花塞中心电极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种具有良好高温耐久烧蚀性能的铱镍合金中心电极材料的制备方法，属于火花塞电极材料技术领域。本发明所述方法是：首先，按质量百分比称取Ni和Ir，加入锆、铝、钨，混合均匀后置于真空环境下；然后，对混合物进行加热，获得合金液，并合金液浇入冶炼模具中进行铸造；最后所得合金铸锭进行均匀化处理，制备出中心电极材料。该材料可作为火花塞电极材料的中心电极；本发明不仅大量使用价格相对廉价的Ni作为原料，而且还有制备工艺简单以及对设备要求不高等优点，使其制备成本低适合于规模化生产；所制备的IrNi合金火花塞中心电极材料，不仅具有加工性能好和抗氧化性能强等特点，而且还有具有良好的高温耐久烧蚀性能。

Description

一种具有良好高温耐久烧蚀性能的铱镍合金火花塞中心电极 材料及其制备方法
【技术领域】
发明属于火花塞电极材料技术领域，具体涉及一种具有良好高温耐久烧蚀性能的铱镍合金中心电极材料及其制备方法。
【背景技术】
火花塞是汽油机点火系统的重要元件，它可将高压电引入燃烧室，并使其跳过电极间隙而产生火花，从而点燃气缸中的可燃混合气。图1为火花塞的电极示意图，它主要由中心电极(～1mm)焊接到基座上组成，其中中心电极是火花塞的关键元件。良好的中心电极材料不仅要求材料具有良好的加工性能、抗氧化性能以及较低的制造成本，还要求材料具有良好的高温耐久烧蚀性能以满足中心电极苛刻的工作环境。
目前，中心电极材料都是以贵金属为主要成分。其中，铱具有高熔点、高强度、高导电性和抗腐蚀性强等优点，使用铱或者铱合金作为火花塞中心电极材料可提高发动机的点火性能、燃油经济性、延长发动机的使用寿命及降低有害物质的排放。因此，铱是火花塞电极的理想源材料。常见的铱或者铱合金火花塞中心电极材料主要有铱(Ir)、铱铑合金(IrRh10)、铱铑钨锆(IrRhWZr，其中Rh，2.5％wt；W，0.3％wt；Zr，50-600ppm)以及铱铑钌镍(IrRhRuNi，其中Rh，3％wt；Ru，6％wt；Ni，1％wt)等。然而，这些中心电极材料需要使用大量的Ir，甚至还要使用一定量的Rh，Ir和Rh是希贵金属，它们的价格分别为43万元/千克和210-300万元/千克。这使得使用铱或者铱合金作为中心电极的火花塞的价格高居不下。因此，在保证铱合金中心电极性能衰减的同时增加廉价金属的含量，对降低火花塞的价格具有重要意义。
高Ni含量的IrNi合金(Ni含量20-80％wt)具有加工性能、成本低以及抗氧化性能好等特点，但是它的高温耐久烧蚀性能差限制了它作为火花塞中心电极材料。由于中心电极在高温点火时，其工作环境是高温、高压的酸碱环境中，因而中心电极的高温耐久烧蚀性能主要体现在材料的两个性能上：(1)该材料应具有耐高温烧蚀性能以及(2)在高温下具有耐酸碱腐蚀性能。因此，提高高Ni含量的IrNi合金的高温耐久烧蚀性能对于降低中心电极材料成本具有重要意义。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术的不足，在高Ni含量的IrNi合金材料中加入一定量的Al、Zr、W，制备一种加工性能好、抗高温氧化、成本低以及具有良好的高温耐久烧蚀性能的新型铱合金中心电极材料及其制备方法。
本发明采用以下技术方案：
一种具有良好高温耐久烧蚀性能的铱镍(IrNi)合金中心电极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)按质量百分比称取Ni、Ir、Zr、Al、W，混合均匀后置于坩埚内放入真空炉中，制得混合物；
(2)对步骤(1)制得的混合物进行加热熔炼，获得合金液；
(3)将步骤(2)中所得合金液浇入冶炼模具中进行铸造，制得合金铸锭；
(4)对步骤(3)所得合金铸锭进行均匀化处理；
(5)将步骤(4)中处理后的合金制作成火花塞的中心电极。
进一步地，步骤(1)中所述Ni、Ir、Zr、Al、W的质量百分比为39-74∶25-60∶0.2-0.4∶0.3-0.6∶0.1-0.2。
进一步地，步骤(1)中真空炉真空抽至真空度为3.0×10-3MPa。
进一步地，向真空炉内充入保护气体。
进一步地，所述保护气体为氩气。
进一步地，向真空炉内充入保护气体至真空度为0.5MPa。
进一步地，向真空炉内充入保护气体至真空度为0.5MPa，反复抽真空和充气体3次，制得混合物。
进一步地，步骤(2)中混合物进行加至温度为2300-2350℃热熔炼。
进一步地，熔炼后在转速为500r/min下，保温10min。
本发明的有益效果：
(1)本发明中由于铝(Al)和锆(Zr)的密度低，容易在材料表面富集，形成氧化铝(Al2O3)和氧化锆(ZrO2)钝化膜。这些钝化膜能够较好的保护材料，提高其耐腐蚀性，从而提高使用该材料制备中心电极。例如，虽然Zr的熔点为1600℃，然而在火花塞点火后中心电极上的Zr很容易被氧化后形成熔点为2600℃的ZrO2表面钝化膜，从而保护中心电极不被腐蚀，此外，实验表明，低含量的钨(W)加入材料中，也可以提高材料的耐腐蚀性，因此，在高Ni含量的IrNi合金中心电极材料中加入一定量的Al、Zr、W可以协同提高其高温耐久烧蚀性能。
(2)本发明在高Ni含量的IrNi合金材料中加入一定量的Al、Zr、W，制备一种新型铱合金材料，与现有技术相比，所制备出的中心电极材料具有成本低、加工性能好以及抗高温氧化等优点。
(3)由于本发明的材料具有良好的高温耐久烧蚀性能的，本发明的高Ni含量的IrNi合金材料可作为火花塞电极材料。
(4)本发明所述方法工艺简单、对设备要求低、成本低、具有很好的工业应用前景。
【附图说明】
图1为火花塞电极示意图；
图2为本发明实施例1制备的IrNi合金中心电极材料的阴极点火测试后的效果图；
图3为本发明实施例1制备的IrNi合金中心电极材料的阳极点火测试后的效果图；
图4为本发明实施例1制备的IrNi合金中心电极材料的热火花腐蚀率(阴极)；
图5为本发明实施例1制备的IrNi合金中心电极材料的热火花腐蚀率(阳极)；
图6为本发明实施例1-8制备的IrNi合金中心电极材料的等温试验50小时后的质量损失百分比图；
图7为本发明实施例1-8制备的IrNi合金中心电极材料的100小时、500小时以及1000小时后的热火花腐蚀率(阴极)对比图(图中样品1至8号分别表示实施例1-8制备的IrNi合金中心电极材料)；
图8为本发明实施例1-8制备的IrNi合金中心电极材料的100小时、500小时以及1000小时后的热火花腐蚀率(阳极)对比图(图中样品1至8号分别表示实施例1-8制备的IrNi合金中心电极材料)。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种具有良好高温耐久烧蚀性能的铱镍(Ir25Ni74Zr0.4Al0.4W0.2)合金中心电极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)按质量百分比称取74g Ni和25g Ir，加入0.4g锆(Zr)、0.4g铝(Al)、0.2g钨(W)，混合均匀后置于坩埚内并放入真空炉中，将真空炉真空抽至真空度为3.0×10-3MPa，然后向真空炉内充入氩气保护气体至真空度为0.5MPa，反复抽真空和充气体3次；
(2)将真空炉加热至温度为2300℃，待金属融化后开始计时，并搅拌转速为500r/min，保温10min；
(3)将步骤(2)中所得合金液浇入冶炼模具中进行铸造；
(4)对步骤(3)所得合金铸锭进行均匀化处理；
(5)将步骤(4)中处理后的合金制作成火花塞的中心电极，并将该中心电极进行点火实验，结果表明该电极具有良好的高温耐久烧蚀性能，如图2-8所示。
实施例2
一种具有良好高温耐久烧蚀性能的铱镍(Ir30Ni69Zr0.4Al0.4W0.2)合金中心电极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)按质量百分比称取69g Ni和30g Ir，加入0.4g锆(Zr)、0.4g铝(Al)、0.2g钨(W)，混合均匀后置于坩埚内并放入真空炉中，将真空炉真空抽至真空度为2.0×10-3MPa，然后向真空炉内充入氩气保护气体至真空度为1MPa，反复抽真空和充气体5次；
(2)将真空炉加热至温度为2350℃，待金属融化后开始计时，并搅拌转速为400r/min，保温15min；
(3)将步骤(2)中所得合金液浇入冶炼模具中进行铸造；
(4)对步骤(3)所得合金铸锭进行均匀化处理；
(5)将步骤(4)中处理后的合金制作成火花塞的中心电极，并将该中心电极进行点火实验，结果表明该电极具有良好的高温耐久烧蚀性能，如图6-8所示。
实施例3
一种具有良好高温耐久烧蚀性能的铱镍(Ir30Ni67Zr1.3AI1.3W0.4)合金中心电极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)按质量百分比称取67g Ni和30g Ir，加入1.3g锆(Zr)、1.3g铝(Al)、0.4g钨(W)，混合均匀后置于坩埚内并放入真空炉中，将真空炉真空抽至真空度为2.5×10-3MPa，然后向真空炉内充入氩气保护气体至真空度为0.8MPa，反复抽真空和充气体5次；
(2)将真空炉加热至温度为2350℃，待金属融化后开始计时，并搅拌转速为500r/min，保温20min；
(3)将步骤(2)中所得合金液浇入冶炼模具中进行铸造；
(4)对步骤(3)所得合金铸锭进行均匀化处理；
(5)将步骤(4)中处理后的合金制作成火花塞的中心电极，并将该中心电极进行点火实验，结果表明该电极具有良好的高温耐久烧蚀性能，如图6-8所示。
实施例4
一种具有良好高温耐久烧蚀性能的铱镍(Ir35Ni64Zr0.4Al0.4W0.2)合金中心电极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)按质量百分比称取64g Ni和35g Ir，加入0.4g锆(Zr)、0.4g铝(Al)、0.2g钨(W)，混合均匀后置于坩埚内并放入真空炉中。将真空炉真空抽至真空度为2.0×10-3MPa，然后向真空炉内充入氩气保护气体至真空度为1MPa。反复抽真空和充气体5次；
(2)将真空炉加热至温度为2350℃，待金属融化后开始计时，并搅拌转速为400r/min，保温15min；
(3)将步骤(2)中所得合金液浇入冶炼模具中进行铸造；
(4)对步骤(3)所得合金铸锭进行均匀化处理；
(5)将步骤(4)中处理后的合金制作成火花塞的中心电极，并将该中心电极进行点火实验，结果表明该电极具有良好的高温耐久烧蚀性能，如图6-8所示。
实施例5
一种具有良好高温耐久烧蚀性能的铱镍(Ir40Ni59Zr0.4Al0.4W0.2)合金中心电极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)按质量百分比称取59g Ni和40g Ir，加入0.4g锆(Zr)、0.4g铝(Al)、0.2g钨(W)，混合均匀后置于坩埚内并放入真空炉中，将真空炉真空抽至真空度为2.0×10-3MPa，然后向真空炉内充入氩气保护气体至真空度为1MPa，反复抽真空和充气体5次；
(2)将真空炉加热至温度为2350℃，待金属融化后开始计时，并搅拌转速为400r/min，保温15min；
(3)将步骤(2)中所得合金液浇入冶炼模具中进行铸造；
(4)对步骤(3)所得合金铸锭进行均匀化处理；
(5)将步骤(4)中处理后的合金制作成火花塞的中心电极，并将该中心电极进行点火实验，结果表明该电极具有良好的高温耐久烧蚀性能，如图6-8所示。
实施例6
一种具有良好高温耐久烧蚀性能的铱镍(Ir50Ni49Zr0.4Al0.4W0.2)合金中心电极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)按质量百分比称取49g Ni和50g Ir，加入0.4g锆(Zr)、0.4g铝(Al)、0.2g钨(W)，混合均匀后置于坩埚内并放入真空炉中，将真空炉真空抽至真空度为2.0×10-3MPa，然后向真空炉内充入氩气保护气体至真空度为1MPa，反复抽真空和充气体5次；
(2)将真空炉加热至温度为2350℃，待金属融化后开始计时，并搅拌转速为400r/min，保温15min；
(3)将步骤(2)中所得合金液浇入冶炼模具中进行铸造；
(4)对步骤(3)所得合金铸锭进行均匀化处理；
(5)将步骤(4)中处理后的合金制作成火花塞的中心电极，并将该中心电极进行点火实验，结果表明该电极具有良好的高温耐久烧蚀性能，如图6-8所示。
实施例7
一种具有良好高温耐久烧蚀性能的铱镍(Ir60Ni39Zr0.4Al0.4W0.2)合金中心电极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)按质量百分比称取39g Ni和60g Ir，加入0.4g锆(Zr)、0.4g铝(Al)、0.2g钨(W)，混合均匀后置于坩埚内并放入真空炉中，将真空炉真空抽至真空度为2.0×10-3MPa，然后向真空炉内充入氩气保护气体至真空度为1MPa，反复抽真空和充气体5次；
(2)将真空炉加热至温度为2350℃，待金属融化后开始计时，并搅拌转速为400r/min，保温15min；
(3)将步骤(2)中所得合金液浇入冶炼模具中进行铸造；
(4)对步骤(3)所得合金铸锭进行均匀化处理；
(5)将步骤(4)中处理后的合金制作成火花塞的中心电极，并将该中心电极进行点火实验，结果表明该电极具有良好的高温耐久烧蚀性能，如图6-8所示。
实施例8
一种具有良好高温耐久烧蚀性能的铱镍(Ir70Ni29Zr0.4Al0.4W0.2)合金中心电极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)按质量百分比称取70g Ni和29g Ir，加入0.4g锆(Zr)、0.4g铝(Al)、0.2g钨(W)，混合均匀后置于坩埚内并放入真空炉中，将真空炉真空抽至真空度为2.0×10-3MPa，然后向真空炉内充入氩气保护气体至真空度为1MPa，反复抽真空和充气体5次；
(2)将真空炉加热至温度为2350℃，待金属融化后开始计时，并搅拌转速为400r/min，保温15min；
(3)将步骤(2)中所得合金液浇入冶炼模具中进行铸造；
(4)对步骤(3)所得合金铸锭进行均匀化处理；
(5)将步骤(4)中处理后的合金制作成火花塞的中心电极，并将该中心电极进行点火实验，结果表明该电极具有良好的高温耐久烧蚀性能，如图6-8所示。
对比例1
与实施例7的中心电极材料制备方法基本相同，唯有不同的是制备原料中缺少锆(Zr)、铝(Al)、钨(W)。
对比例2
与实施例7的中心电极材料制备方法基本相同，唯有不同的是制备原料中缺少锆(Zr)。
对比例3
与实施例7的中心电极材料制备方法基本相同，唯有不同的是制备原料中缺少铝(Al)。
对比例4
与实施例7的中心电极材料制备方法基本相同，唯有不同的是制备原料中缺少钨(W)。
将对比例1-4制得的中心电极进行点火实验，结果表明对比例1-4制得的中心电极均不具有良好的高温耐久烧蚀性能，而实施例7制得的中心电极材料电极具有良好的高温耐久烧蚀性能，这是因为本发明中由于铝(Al)和锆(Zr)的密度低，容易在材料表面富集，形成氧化铝(Al2O3)和氧化锆(ZrO2)钝化膜。这些钝化膜能够较好的保护材料，提高其耐腐蚀性，从而提高使用该材料制备中心电极。例如，虽然Zr的熔点为1600℃，然而在火花塞点火后中心电极上的Zr很容易被氧化后形成熔点为2600℃的ZrO2表面钝化膜，从而保护中心电极不被腐蚀，此外，低含量的钨(W)加入材料中，也可以提高材料的耐腐蚀性，因此，在高Ni含量的IrNi合金中心电极材料中加入一定量的Al、Zr、W可以协同提高其高温耐久烧蚀性能。
以上内容不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本构思前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种具有良好高温耐久烧蚀性能的铱镍(IrNi)合金中心电极材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)按质量百分比称取Ni、Ir、Zr、Al、W，混合均匀后置于坩埚内放入真空炉中，制得混合物；
(2)对步骤(1)制得的混合物进行加热熔炼，获得合金液；
(3)将步骤(2)中所得合金液浇入冶炼模具中进行铸造，制得合金铸锭；
(4)对步骤(3)所得合金铸锭进行均匀化处理；
(5)将步骤(4)中处理后的合金制作成火花塞的中心电极；
其中，步骤(1)中所述Ni、Ir、Zr、Al、W的质量百分比为39-74∶25-60∶0.2-0.4∶0.3-0.6∶0.1-0.2；
其中，步骤(1)中真空炉真空抽至真空度为3.0×10-3MPa。
2.根据权利要求1所述的一种具有良好高温耐久烧蚀性能的铱镍合金中心电极材料的制备方法，其特征在于，向真空炉内充入保护气体。
3.根据权利要求2所述的一种具有良好高温耐久烧蚀性能的铱镍合金中心电极材料的制备方法，其特征在于，所述保护气体为氩气。
4.根据权利要求2所述的一种具有良好高温耐久烧蚀性能的铱镍合金中心电极材料的制备方法，其特征在于，向真空炉内充入保护气体至真空度为0.5MPa。
5.根据权利要求4所述的一种具有良好高温耐久烧蚀性能的铱镍合金中心电极材料的制备方法，其特征在于，向真空炉内充入保护气体至真空度为0.5MPa，反复抽真空和充气体3次，制得混合物。
6.根据权利要求1所述的一种具有良好高温耐久烧蚀性能的铱镍合金中心电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中混合物进行加至温度为2300-2350℃热熔炼。
7.根据权利要求6所述的一种具有良好高温耐久烧蚀性能的铱镍合金中心电极材料的制备方法，其特征在于，熔炼后在转速为500r/min下，保温10min。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述的方法制备的具有良好高温耐久烧蚀性能的铱镍合金中心电极材料。
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