CN113661620A - 火花塞壳体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于火花塞(10)的金属壳体(16)由钢材料制成，所述钢材料具有增加的碳含量并且在一些实施例中还具有硼。所述钢材料因其延展性而非常适合挤压，同时保持必要的强度。火花塞壳体可以在压接的热锁区域(40)处具有减小的外径(ODHL)，诸如在壳体用于例如M8和M10插塞的较小直径的火花塞时的情况。根据非限制性示例，火花塞壳体钢材料包含0.20至0.55wt％的碳，包括端值。

Description

火花塞壳体及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年4月11日提交的美国临时申请号为62/832,557的专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及火花塞，并且更具体地，涉及用于火花塞的金属壳体。
背景技术
传统上低碳钢(例如C1005、C1008和C1010钢)被用作挤压出的火花塞壳体的材料。这些材料具有较低的强度和较高的延展性，使它们更适合深挤压。通常，这些低碳钢广泛用于M12火花塞(壳体外径为12毫米或0.485英寸)以及更大尺寸的火花塞。
随着发动机小型化要求，火花塞也相应小型化，诸如M8、M10等尺寸的火花塞使用频率更高。随着尺寸的减小，也有使用更厚的陶瓷绝缘体来提高火花塞的电压能力的趋势。这需要使用更薄但更坚固的壳体材料。为了满足这些要求，壳体需要更高强度的钢材料。然而，举一个例子，在诸如挤压等工艺中，更高强度的钢通常更难制造。
发明内容
根据一个示例，提供一种火花塞壳体，包括：钢材料的管状体，该管状体具有轴向孔，该轴向孔具有纵向轴线(LShell)，其中，钢材料包含0.20至0.55wt％(重量百分比)的碳，包括端值，并且包括具有多个晶粒的晶粒结构，该晶粒结构中的多个晶粒的每个晶粒包括沿晶粒的最长范围的纵向轴线(LG)，对于晶粒结构中的多个晶粒的大多数晶粒，晶粒的纵向轴线(LG)与壳体的轴向孔的纵向轴线(LShell)对准。
根据各种实施例，火花塞壳体还可以包括以下特征中的任一项或这些特征中的一些或全部的任何技术上可行的组合：
·钢材料包含0.45至0.50wt％的碳，包括端值；
·钢材料还包含硼；
·钢材料包含5至30ppm的硼，包括端值；
·钢材料还包含0.30至1.00wt％的锰，包括端值；
·钢材料还包括0.001至0.10wt％的钛，包括端值；
·所述钢材料还包含0.02至0.06wt％的铝(包括端值)或0.01至0.30wt％的硅(包括端值)中的至少一种；
·管状体包括末端、自由端以及位于末端与自由端之间的热锁区域，其中热锁区域的外径(ODHL)在0.40至0.50英寸之间，包括端值；
·管状体包括末端、自由端以及位于末端与自由端之间的螺纹区域，其中螺纹区域的外径(ODShell)在0.30至0.425英寸之间，包括端值；
·一种火花塞，包括：如权利要求1所述的火花塞壳体；绝缘体，该绝缘体具有轴向孔并且至少部分地设置在火花塞壳体的轴向孔内；中心电极，该中心电极至少部分地设置在绝缘体的轴向孔内；以及接地电极，该接地电极附接到火花塞壳体。
根据另一个示例，提供一种火花塞壳体，包括：钢材料的管状体，该管状体具有轴向孔，该轴向孔具有纵向轴线(LShell)，其中，钢材料包含余量的铁、0.45至0.50wt％的碳、5至30ppm的硼、0.30至1.00wt％的锰、0.001至0.10wt％的钛，并且包含0.02至0.06wt％的铝或0.01至0.30wt％的硅中的至少一种，其中每个wt％都包括端值。
根据各种实施例，火花塞壳体还可以包括以下特征中的任一项或这些特征中的一些或全部的任何技术上可行的组合：
·管状体包括末端、自由端以及位于末端与自由端之间的热锁区域，其中热锁区域的外径(ODHL)在0.40至0.50英寸之间，包括端值；
·管状体包括末端、自由端以及位于末端与自由端之间的螺纹区域，其中螺纹区域的外径(ODShell)在0.30至0.425英寸之间，包括端值；
·一种火花塞，包括：如权利要求11所述的火花塞壳体；绝缘体，该绝缘体具有轴向孔并且至少部分地设置在火花塞壳体的轴向孔内；中心电极，该中心电极至少部分地设置在绝缘体的轴向孔内；以及接地电极，该接地电极附接到火花塞壳体。
根据另一示例，提供一种制造火花塞壳体的方法，包括以下步骤：从钢材料挤压成管状体，其中钢材料包含0.20至0.55wt％的碳，包括端值，并且管状体包括具有纵向轴线(LShell)的轴向孔；以及一旦绝缘体已经插入轴向孔中，就在管状体中压接热锁区域，其中热锁区域的外径(ODHL)在0.40英寸与0.50英寸之间，包括端值。
附图说明
在下文中将结合附图描述优选的示例性实施例，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1是示出具有挤压出的火花塞壳体的示例火花塞的局部剖视图；
图2是沿图1的线2-2截取的、图1的火花塞的另一个截面图；
图3是沿图1的线3-3截取的、图1和图2的火花塞的另一个截面图；以及
图4示意性地示出了可以用于制造火花塞(诸如图1至图3所示的火花塞)的壳体的挤压工艺。
具体实施方式
本文中所述的火花塞包括由具有增加的碳含量并且有利地同时添加硼的钢材料制成的金属壳体。用于火花塞壳体的钢材料因其延展性而非常适合挤压，同时保持必要的强度。本文中所述的火花塞壳体在压接的热锁区域处具有减小的外径。与M12和M14插塞相反，在较小的火花塞中，诸如M8和M10插塞，特别是在热锁区域处的成比例的直径减小可能更加明显。当前描述的钢材料和挤压成的火花塞壳体可以有助于补偿在热锁区域处的这种直径减小。
在图1中示出火花塞的一个实施例，其中壳体由有利的、挤压成的钢材料组成。在该特定实施例中，火花塞10包括中心电极12、绝缘体14、金属壳体16和接地电极18。其他火花塞部件可以包括接线柱、内部电阻器、各种垫圈、内部密封件等，所有这些都是本领域技术人员已知的。中心电极12是导电部件并且通常设置在绝缘体14的轴向孔24内，并且中心电极12可以在火花塞10的点火端附近具有暴露在绝缘体的外部的端部。绝缘体14通常设置在壳体16的轴向孔26内，并且可以在火花塞10的点火端附近具有暴露在壳体的外部的端鼻部分。绝缘体14优选地由诸如陶瓷组合物等的绝缘材料制成，该绝缘材料将中心电极12与金属壳体16电隔离。根据期望的火花塞设计，点火尖端20、22可以分别附接到中心电极12和/或接地电极18，并且可以有助于形成火花隙，其中在发动机运行期间，火花启动燃烧过程。点火尖端20、22可以包括任何数量的合适的贵金属合金(例如，铱基、铂基、钌基等的合金)，点火尖端20、22可以是单件部件或多件部件，并且可以根据任何数量的合适形状(例如，平垫、圆盘、铆钉、柱状尖端、锥体等)而被布置。然而，由于火花隙可以由来自中心电极12、接地电极18或两者的火花表面限定，因此点火尖端20和/或22是可选的。电极12、18和它们相关的点火尖端20、22可以具有如图所示的公共J-间隙构造，或者它们可以具有一些其他构造，包括多个接地电极或环形电极和点火尖端，这里仅举几个示例。火花塞10甚至可以是预燃室型火花塞，其中火花隙被预燃室盖包围，该预燃室盖具有用于与发动机的燃烧室连通的开口。
中心电极12和/或接地电极18可以包括镍基外包层和铜基内导热芯。可以与中心电极12和/或接地电极18一起使用的镍基材料的一些非限制性示例包括由镍(Ni)、铬(Cr)、铁(Fe)、铝(Al)、锰(Mn)、硅(Si)组成的合金、以及任何合适的合金或它们的组合(例如，铬镍铁合金600、601)。内导热芯可以由纯铜、铜基合金或其他具有合适导热性的材料制成。当然，其他材料无疑是可能的，包括具有一个以上内导热芯或根本没有内导热芯的中心电极和/或接地电极。
火花塞壳体16为火花塞10提供外部结构。壳体16包括在自由端30与末端32之间轴向延伸的主要的管状体28。管状体28包括用于容纳绝缘体14的轴向孔26，该轴向孔可以包括各种台阶、座等，并且管状体28的纵向轴线LShell通常对应于火花塞的纵向轴线Lplug。在一个有利的实施例中，壳体16被挤压成具有各种特征，诸如台阶、螺纹等，被机加工到挤压体28中。然而，在一些实施例中，壳体16的本体28可以被完全机加工。壳体16还可以包括附图中未示出的其他特征，举几个示例，诸如镍基或锌基涂层或者包层。壳体16的管状体28在自由端30与末端32之间沿着壳体16的轴向范围包括多个区域：螺纹区域34、密封区域36、座区域38、热锁区域40、六角形区域42和压接区域44。
螺纹区域34被设计成安装到发动机中，使得点火端延伸到燃烧室中。螺纹区域34可以包括多个螺纹46(图1中仅标记了其中的几个)。螺纹46可以被拧入气缸盖中以提供火花塞的机械保持以及与发动机的电接地。螺纹区域34通常对应于火花塞壳体16的位于汽缸盖内的轴向部分。密封区域36可以包括垫圈48，或者在一些实施例中，可以具有锥形构造等，带有或不带有单独的垫圈。密封区域36接合发动机中的互补肩部或其他密封表面，并且根据图示的实施例，压缩其间的垫圈48以在火花塞与发动机之间形成密封。热锁区域40位于座区域38与六角形区域42之间并且在绝缘体14的外表面和壳体16的内表面之间形成密封。热锁区域40包括热锁槽50，该热锁槽50通常被限定在径向向内延伸的壁52、54之间。热锁区域40可以在热锁压接工艺中产生，该热锁压接工艺建立了结构合理的组件，用于以气密方式保持绝缘体14以有助于防止在使用期间燃烧气体的泄漏。
图2是沿图1中的线2-2截取的螺纹区域34的截面图，并且图3是沿图1中的线3-3截取的热锁区域40的截面图。在一个有利的实施例中，火花塞10是M10插塞、M8插塞，或者甚至是M6或更小的插塞。因此，在如图2所示的螺纹区域34处，壳体的外径ODShell约为0.405英寸(例如M10)或0.350英寸(例如M8)。它们比更标准M12插塞小得多，该M12插塞约为0.485英寸。对于较小的ODShell，绝缘体直径ODIns必须相应地更小。对于M12插塞，ODIns约为0.37英寸，但对于M10和M8插塞，ODIns分别约为0.296英寸和0.25英寸。为了保持必需的介电能力水平，可能需要减小壳体的厚度TShell以适应更大或更厚的绝缘体14。因此，对于M12插塞，TShell约为0.0575英寸，但对于M10和M8插塞，TShell分别约为0.0545英寸和0.05英寸。
图3和下表示出壳体16的直径减小的影响在热锁区域40比在螺纹区域34中更明显，如上所述。
表1
Figure BDA0003292573210000051
如所示，从M12到M8插塞，螺纹区域34处的ODShell从约0.485"减小到约0.350"。此外，从M12到M8插塞，螺纹区域34处的TShell也从大约0.0575"减小到大约0.0500"。在热锁区域40处，虽然厚度THL在各种插塞尺寸之间大致相同，但从M12到M8插塞，外径ODHL从0.557"减小到0.494"。有利地，对于M8和M10插塞，火花塞10具有大约0.30"与0.425"英寸之间(包括端值)的螺纹区域外径ODShell，以及大约0.40"与0.50"之间(包括端值)的热锁外径ODHL。随着插塞尺寸减小，对于施加到插塞10的给定弹起载荷或拧开扭矩载荷，ODHL的直径减小可以极大地增大局部应力水平。为了保持相同(或提高)拧开能力和/或弹起强度，要求钢材料强度提高20至30％左右。在一个实施例中，为了在上表中从M12尺寸过渡到M8尺寸，需要增大27％的钢强度。
壳体16的本体28中的钢材料和钢材料的晶粒结构有助于增大钢强度并提供更好的结构加强，特别是在成比例的直缩减小更加明显的热锁区域40中。在一些有利的实施例中，钢材料比通常用于火花塞壳体的其他钢具有更高比例的碳。在其他有利的实施例中，钢材料包括一定量的碳和硼的共同添加以提高延展性同时增大强度。此外，结合本文中所述的一个或更多个实施例，钢材料可以具有特定的晶粒结构以有助于赋予力耐受性。所描述的晶粒结构可以经由特定的制造工艺(诸如挤压)赋予，而这些制造工艺对于不具有必要延展性的某些钢类型来说是不可行的工艺。
一般来说，用于火花塞壳体16的钢材料包括铁(Fe)余量、0.20至0.55重量百分比的碳(C)含量、0.30至1.00重量百分比的锰(Mn)含量(所有此处描述的示例范围包括端值)。在更有利的实施例中，碳含量为0.45至0.50重量百分比，优选为0.45重量百分比以获得至少部分抵消热锁区域40的直径减小所需的机械强度。锰可以被添加到钢材料中以使钢熔体进行脱氧，并且可以有助于与硫形成硫化锰(MnS)以利于机加工，同时还有助于平衡来自硫的潜在脆性。在一些实施例中，用于壳体16的钢材料不包含或包含痕量的镍(Ni)、铬(Cr)、钒(V)和钼(Mo)。
有利地，在一些实施例中，钢材料包含硼(B)。添加硼可以通过淬透性提高强度。硼的量优选为百万分之5至30(ppm)。为了促进硼的机械强化效果，可以添加钛(Ti)以及铝(Al)或硅(Si)以固定钢中的氮和氧。
在一个特定实施例中，钢材料具有余量的铁、0.20至0.55重量百分比的碳含量、0.30至1.00重量百分比的锰含量、5至30ppm范围内的硼、0.001至0.10重量百分比的钛含量，以及0.02至0.06重量百分比的铝含量或0.01至0.30重量百分比的硅含量。在另一特定实施例中，钢材料具有余量的铁、0.25至0.55重量百分比的碳含量、0.60至0.90重量百分比的锰含量、5至30ppm范围内的硼、0.01至0.05重量百分比的钛含量、以及0.02至0.06重量百分比的铝含量。在又一实施例中，钢材料具有余量的铁、0.40至0.50重量百分比的碳含量、0.60至0.90重量百分比的锰含量、5至30ppm范围内的硼、0.01至0.10重量百分比的钛含量、以及0.02至0.06重量百分比的铝含量。在所有这些实施例中，碳含量可以有利地限制在0.45至0.50重量百分比，特别是在共添加5至30ppm硼的情况下，以有助于达到至少部分抵消热锁区域40的直径减小所需的机械强度。
以使用1008/1010钢的典型M12插塞为例，抗拉强度约为300至350MPa。以上公开的示例材料具有450至500MPa的抗拉强度，以向壳体16的直径减小的区域(诸如热锁区域40)提供更大的结构机械强度。另外，在一些实施例中，钢材料可以被退火。对于退火材料，抗拉强度约为450MPa，并且屈服强度约为280MPa。对于未退火钢，抗拉强度约为600至700MPa，并且屈服强度约为350至400MPa。如果壳体16将被机加工而不是使用深挤压工艺制造，则钢材料不需要退火以保持其较高的强度。如果使用挤压工艺，则可能需要对钢材料进行退火。
图4示意性地示出了可以用于制造火花塞壳体16的本体28的挤压工艺。本文中所描述的钢材料具有必要的强度以适应各种部分(诸如在螺纹区域34和热锁区域40处)的直径减小，同时仍具有适应挤压工艺的质量。从制造的角度以及从制造的壳体的所得细长晶粒结构的结构角度来看，挤压可能是有利的。
如图4中示意性示出，大块钢材料60包括晶粒结构62并且挤压钢材料64包括晶粒结构66。每个晶粒结构62、66分别包括多个预挤压晶粒68或后挤压晶粒70(为清楚起见，仅标记少数晶粒)。每个晶粒68、70包括沿着每个晶粒的最长范围的纵向轴线LG，其中一些在图4中示意性地示出。挤压模具72有助于产生细长的晶粒结构66，其中对于各晶粒70来说，大多数轴线LG与壳体16的轴向孔的纵向轴线(LShell)对准。如本文中所用，与壳体的轴向孔的纵向轴线LShell“对准”的晶粒的纵向轴线LG意味着晶粒轴线LG在与壳体轴向孔轴线LShell平行的+/-15°内。其细长晶粒结构66具有与壳体轴向孔轴线LShell对准的大多数晶粒轴线LG的挤压钢材料64可以用于形成火花塞10的金属壳体16。如图所示，在细长晶粒结构66中的晶粒70具有比大块钢材料60的晶粒结构62中的晶粒更高的纵横比(即，最长轴线除以最短轴线的比率)。细长晶粒结构66可以赋予结构益处，诸如在施加压接力F以形成热锁区域时。由于压接力F通常与大多数晶粒轴线LG正交，因此挤压钢材料64或挤压件可能不太容易受到应力或断裂。
应当理解，前述是对本发明的一个或更多个优选示例性实施例的描述，并且附图是不一定按比例绘制的示例。本发明不限于本文中所公开的特定实施例，而是仅由所附权利要求限定。此外，包含在前面描述中的陈述涉及特定实施例并且不应被解释为对本发明的范围或权利要求中使用的术语定义的限制，除非术语或短语在上文中被明确定义。对于本领域技术人员而言，各种其他实施例以及对所公开的实施例的各种改变和修改将变得显而易见。所有这样的其他实施例、改变和修改旨在落入所附权利要求的范围内。
如本说明书和权利要求中所使用的，术语“例如”、“举例”、“诸如”和“类似”以及动词“包括”、“具有”、“包含”以及它们的其他动词形式，当与一个或多个部件或其他项目的列表结合使用时，均应解释为开放式，这意味着该列表不应被视为排除其他、附加的部件或项目。除非在需要不同解释的上下文中使用其他术语，否则应使用其最广泛的合理含义来解释。

Claims (15)

1.一种火花塞壳体(16)，包括：
钢材料的管状体(28)，所述管状体具有轴向孔(26)，所述轴向孔(26)具有纵向轴线(LShell)，
其中，所述钢材料包含0.20至0.55wt％的碳，包括端值，并且包括具有多个晶粒(70)的晶粒结构(66)，所述晶粒结构中的所述多个晶粒的每个晶粒包括沿所述晶粒的最长范围的纵向轴线(LG)，对于所述晶粒结构中的所述多个晶粒的大多数晶粒，所述晶粒的纵向轴线(LG)与所述壳体的所述轴向孔的纵向轴线(LShell)对准。
2.如权利要求1所述的火花塞壳体(16)，其中，所述钢材料包含0.45至0.50wt％的碳，包括端值。
3.如权利要求1所述的火花塞壳体(16)，其中，所述钢材料还包含硼。
4.如权利要求3所述的火花塞壳体(16)，其中，所述钢材料包含5至30ppm的硼，包括端值。
5.如权利要求1所述的火花塞壳体(16)，其中，所述钢材料还包含0.30至1.00wt％的锰，包括端值。
6.如权利要求1所述的火花塞壳体(16)，其中，所述钢材料还包含0.001至0.10wt％的钛，包括端值。
7.如权利要求1所述的火花塞壳体(16)，其中，所述钢材料还包含0.02至0.06wt％的铝或0.01至0.30wt％的硅中的至少一种，其中每个数值范围都包括端值。
8.如权利要求1所述的火花塞壳体(16)，其中，所述管状体(28)包括末端(32)、自由端(30)以及位于所述末端与所述自由端之间的热锁区域(40)，其中所述热锁区域的外径(ODHL)在0.40至0.50英寸之间，包括端值。
9.如权利要求1所述的火花塞壳体(16)，其中，所述管状体(28)包括末端(32)、自由端(30)以及位于所述末端与所述自由端之间的螺纹区域(34)，其中所述螺纹区域的外径(ODShell)在0.30至0.425英寸之间，包括端值。
10.一种火花塞(10)，包括：
如权利要求1所述的火花塞壳体(16)；
绝缘体(14)，所述绝缘体具有轴向孔(24)并且至少部分地设置在所述火花塞壳体的所述轴向孔(26)内；
中心电极(12)，所述中心电极至少部分地设置在所述绝缘体的所述轴向孔内；以及
接地电极(18)，所述接地电极附接到所述火花塞壳体。
11.一种火花塞壳体(16)，包括：
钢材料的管状体(28)，所述管状体具有轴向孔(26)，所述轴向孔具有纵向轴线(LShell)，
其中，所述钢材料包含余量的铁、0.45至0.50wt％的碳、5至30ppm的硼、0.30至1.00wt％的锰、0.001至0.10wt％的钛，并且包含0.02至0.06wt％的铝或0.01至0.30wt％的硅中的至少一种，其中每个wt％都包括端值。
12.如权利要求11所述的火花塞壳体(16)，其中，所述管状体(28)包括末端(32)、自由端(30)以及位于所述末端与所述自由端之间的热锁区域(40)，其中所述热锁区域的外径(ODHL)在0.40至0.50英寸之间，包括端值。
13.如权利要求11所述的火花塞壳体(16)，其中，所述管状体(28)包括末端(32)、自由端(30)以及位于所述末端与所述自由端之间的螺纹区域(34)，其中所述螺纹区域的外径(ODShell)在0.30至0.425英寸之间，包括端值。
14.一种火花塞(10)，包括：
如权利要求11所述的火花塞壳体(16)；
绝缘体(14)，所述绝缘体具有轴向孔(24)并且至少部分地设置在所述火花塞壳体的所述轴向孔(26)内；
中心电极(12)，所述中心电极至少部分地设置在所述绝缘体的所述轴向孔内；以及
接地电极(18)，所述接地电极附接到所述火花塞壳体。
15.一种制造火花塞壳体(16)的方法，包括以下步骤：
从钢材料挤压成管状体(28)，其中所述钢材料包含0.20至0.55wt％的碳，包括端值，并且所述管状体包括具有纵向轴线(LShell)的轴向孔(26)；以及
一旦绝缘体(14)已经插入所述轴向孔中，就在所述管状体中压接热锁区域(40)，其中所述热锁区域的外径(ODHL)在0.40英寸与0.50英寸之间，包括端值。
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