專利名稱：用于火花塞電極的電極材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用以制備內(nèi)燃機(jī)的火花塞電極的電極材料。
背景技術(shù)：
由于最近防止全球變暖加劇和化石燃料消耗增加的趨勢(shì)，用于機(jī)動(dòng)車的內(nèi)燃機(jī)排放出的廢氣中含有的化學(xué)品、顆粒物或生物材料污染控制標(biāo)準(zhǔn)法和法規(guī)逐年趨于嚴(yán)格。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，由于機(jī)動(dòng)車等的內(nèi)燃機(jī)的燃燒溫度更傾向于增加，所以火花塞更需要具有優(yōu)良的耐用性和長的可持續(xù)使用時(shí)間。由于抗氧化性、耐火花磨損(spark wear)性、升溫下的高強(qiáng)度等,各種類型的鎳基合金(Ni base alloy)廣泛用作將用于制備火花塞電極的電極材料。最近，除了僅具有鎳基合金電極的上述火花塞外，已經(jīng)生產(chǎn)和使用各類火花塞，以更好地防御高溫環(huán)境。例如，最近的火花塞具有由底部和頂部組成的雙層結(jié)構(gòu)的電極。所述底部由鎳基合金制成。為了提高其使用壽命，產(chǎn)生火花的所述頂部由貴金屬制成。另一個(gè)最近的火花塞具有由鎳基合金和例如Ag和Cu的高導(dǎo)電金屬作為電極的核芯材料制成的電極。例如，有人提出，為了獲得易加工性、高抗氧化性和高溫強(qiáng)度，這種鎳基合金作為火花塞(比如暴露于內(nèi)燃機(jī)燃燒室內(nèi)部的火花塞)的電極材料含有大約3質(zhì)量％的Cr。有人也提出使用含有添加劑元素的鎳基合金以進(jìn)一步提高抗氧化性。具體來說，下列常規(guī)專利文獻(xiàn)I至5公開了火花塞的各種電極，其中將一種或多種元素如Si、Mn和Al或者Y和稀土元素加入鎳基合金中。為了獲得抗氧化性，所述鎳基合金中加入低濃度的Cr。專利文獻(xiàn)I :公開號(hào)為S63-18033的日本專利；專利文獻(xiàn)2 :公開號(hào)為H02-34734的日本專利；專利文獻(xiàn)3 :公開號(hào)為H02-34735的日本專利；專利文獻(xiàn)4 :公開號(hào)為H04-45239的日本專利；以及專利文獻(xiàn)5 :公開號(hào)為H09-235637的日本專利。由于可加工性，由含有相對(duì)低濃度Cr的鎳基合金制成的電極材料是極好的材料。然而，由于作為所述電極材料的合金需要添加劑元素如Si、Mn和Al (具有優(yōu)良的抗氧化性)而不是減量的Cr(具有有效的抗氧化性)，并且由于鎳基合金中含有的元素總量因此增加，所以鎳基合金的電極材料傾于降低熱導(dǎo)率及其熔點(diǎn)。也就是說，為了提高抗氧化能力，所述添加劑元素的量增加得越多，由于其低的熱導(dǎo)率越難以降低所述火花塞電極的溫度，并且越易于降低用于形成火花塞電極的所述電極材料的熔點(diǎn)以及在所述火花塞工作時(shí)引起所述火花塞電極的火花磨損。根據(jù)最近內(nèi)燃機(jī)的提高性能、燃燒效率以及工作負(fù)荷的趨勢(shì)，所述火花塞的使用環(huán)境變得更加嚴(yán)格。對(duì)于由含有低濃度Cr和添加劑元素的鎳基合金制成的常規(guī)電極材料，難以顯示足夠的特性。因此，該專利的發(fā)明人采用了專利文獻(xiàn)6 (公開號(hào)為2006-316344的日本專利)中公開的另一項(xiàng)常規(guī)技術(shù)。專利文獻(xiàn)6中公開的所述常規(guī)技術(shù)提供了含有添加劑如少量的Si、減量的Mn和Al以及小量的一種或多種稀土元素或Y的火花塞，以具有高熱導(dǎo)率、高熔點(diǎn)、好的抗氧化性和高耐火花磨損性。然而，對(duì)于將用于制備常規(guī)專利文獻(xiàn)6中公開的火花塞電極的所述電極材料的抗氧化性、可加工性和生產(chǎn)成本，仍有改善的需要或空間
發(fā)明內(nèi)容
因此，提供用于制備火花塞電極的新型電極材料是令人期望的，所述新型電極材料具有各種優(yōu)良性能例如好的耐火花磨損性、好的抗氧化性、易加工性和低生產(chǎn)成本。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的示例性實(shí)施方案公開了用于制備火花塞電極的電極材料。所述電極材料基本上由下列成分組成0. 3至3. O質(zhì)量％的Si、0. 01至O. 3質(zhì)量％的選自Y和稀土元素的一種或多種元素、不超過O. 5質(zhì)量％的Ti、不超過I. 2質(zhì)量％的？0、以及選自不超過O. 20質(zhì)量％的Ca和不超過O. 08質(zhì)量％的Mg中的一種或兩種。所述電極材料還含有C、Mn、Cr、Al、N和S。在所述電極材料的C、Mn、Cr、A1、N和S中，C不超過O. I質(zhì)量Mn少于O. 5質(zhì)量Cr少于O. 5質(zhì)量Al不超過O. 3質(zhì)量N不超過O. 05質(zhì)量％，并且S不超過O. 03質(zhì)量％。所述電極材料還含有作為剩余物主要組分的Ni，和附帶的不可避免的雜質(zhì)。


參考附圖通過舉例描述本發(fā)明的優(yōu)選非限制性實(shí)施方案，其中圖I顯示具有中心電極和由根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)示例性實(shí)施方案的電極材料制成的接地電極的火花塞整個(gè)結(jié)構(gòu)的局部橫截面的視圖；圖2顯示圖I所示的具有由所述電極材料制成的所述接地電極和所述中心電極的所述火花塞前部橫截面的放大視圖；圖3顯示圖2所示的沿線A-A的所述火花塞中所述接地電極前部橫截面的放大視圖；圖4顯示具有所述中心電極和由根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)示例性實(shí)施方案的電極材料制備的接地電極的所述火花塞前部橫截面的放大視圖，所述中心電極具有小直徑部分，所述接地電極由所述電極材料制成；圖5顯示根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)示例性實(shí)施方案的所述火花塞前部另一個(gè)結(jié)構(gòu)的橫截面的放大視圖，其中所述中心電極具有小直徑部分和在所述小直徑部分上形成的貴金屬合金棒；圖6顯示根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)示例性實(shí)施方案的所述火花塞前部另一個(gè)結(jié)構(gòu)的橫截面的放大視圖，其中所述中心電極具有小直徑部分和在所述小直徑部分上形成的薄貴金
屬合金層；圖7顯示具有所述接地電極和所述中心電極的所述火花塞前部的橫截面的放大視圖，其中根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)示例性實(shí)施方案，經(jīng)耐久性試驗(yàn)后，所述接地電極的厚度減少。具體實(shí)施方案下文中，參考附圖描述了本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施方案。在各個(gè)實(shí)施方案的以下描述中，幾張圖表中相似的參考字符或數(shù)字指定為相似或相同的組成部件。第一個(gè)示例性實(shí)施方案參考圖I至圖6描述了根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)示例性實(shí)施方案的用于電極例如火花塞接地電極的電極材料。
根據(jù)第一個(gè)示例性實(shí)施方案用于火花塞電極的電極材料由以下成分組成0. 3至3. O質(zhì)量％的Si、0. 01至O. 3質(zhì)量％選自Y和稀土元素的一種或多種元素、不超過O. 5質(zhì)量％的Ti、不超過I. 2質(zhì)量％的Fe、以及選自不超過O. 20質(zhì)量％的Ca和不超過O. 08質(zhì)量％的Mg中的一種或兩種。此外，根據(jù)第一個(gè)不例性實(shí)施方案的所述電極材料含有C、Mn、Cr、Al、N和S。所述電極材料的C、Mn、Cr、Al、N和S中，C不超過O. I質(zhì)量％，Mn少于O. 5質(zhì)量Cr少于O. 5質(zhì)量％,A1不超過O. 3質(zhì)量N不超過O. 05質(zhì)量％并且S不超過O. 03質(zhì)量％。根據(jù)第一個(gè)示例性實(shí)施方案的所述剩余電極材料由Ni組成。也就是說，Ni是剩余物的主要元素。對(duì)于根據(jù)第一個(gè)示例性實(shí)施方案的所述電極材料，含有不可避免的雜質(zhì)(或附帶雜質(zhì))也是可以接受的。所述火花塞的電極材料優(yōu)選具有含量為O. 031至O. 5質(zhì)量％的Ti。此外，所述火花塞的電極材料優(yōu)選具有不少于40W/m -K的熱導(dǎo)率和不低于1420°C的熔點(diǎn)。現(xiàn)在參考圖I至圖6描述具有中心電極30和接地電極40的所述火花塞100。具體地，所述接地電極40由根據(jù)第一個(gè)示例性實(shí)施方案的所述電極材料制成。圖I顯示具有所述中心電極30和由根據(jù)第一個(gè)示例性實(shí)施方案所述新型電極材料制成的所述接地電極40的所述火花塞100整個(gè)結(jié)構(gòu)的局部橫截面的視圖。圖2顯示圖I所示的所述火花塞100前部橫截面的放大視圖。所述火花塞100插入并固定于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體(未顯示)中形成的螺紋孔中。所述發(fā)動(dòng)機(jī)缸體形成內(nèi)燃機(jī)的燃燒室。所述火花塞100具有由導(dǎo)電鋼(例如低碳鋼)制成的圓柱形安裝支架10。所述安裝支架10具有安裝螺釘部件11，利用所述安裝螺釘部件11將所述火花塞100旋入并固定于所述發(fā)動(dòng)機(jī)缸體。絕緣體20固定于所述安裝支架10里面。例如，所述絕緣體20由氧化鋁陶瓷(Al2O3)制成。所述絕緣體20的前部21從所述安裝支架10暴露于外部。此外,所述中心電極30固定于所述絕緣體20的軸向孔(axial hole)。所述中心電極30被支撐并與所述安裝支架10電絕緣。所述中心電極30是圓柱形，并由鎳合金制成。如圖2所示，所述中心電極30的前表面從所述絕緣體20的前部21暴露于外界空氣。如圖2所示，所述接地電極40通過焊接固定于所述安裝支架10的一端部。所述接地電極40的一部分彎曲成字符“L”形，這樣所述中心電極30的前表面31面對(duì)所述接地電極40前端部的一個(gè)側(cè)表面41。如圖2所示，在所述接地電極40前端部的側(cè)表面41和所述中心電極30的前端部之間形成火花放電間隙50。如上所述，所述火花塞100的接地電極40由根據(jù)第一個(gè)示例性實(shí)施方案的所述電極材料制成。所述火花塞100的接地電極40具有用于機(jī)動(dòng)車的普通火花塞中的普通尺寸的接地電極。圖3顯示圖2所示的所述火花塞100中所述接地電極40前端部沿線A-A的橫截面的放大視圖。如圖3所示，所述接地電極40的橫截面大致具有矩形形狀。也就是說，所述接地電極40的橫截面是矩形平面。所述橫截面表面垂直于所述接地電極40前端部的延伸方向，其中在所述前端部，所述接地電 極40的側(cè)表面41面對(duì)所述中心電極30的前表面。如圖3所示，所述接地電極40前端部的橫截面形狀為矩形。具體地，所述接地電極40前端部的橫截面一側(cè)的長度C2長于所述接地電極40前端部的橫截面另一側(cè)的長度Cl。在所述接地電極40前端部具有長度C2的側(cè)表面41面對(duì)所述中心電極30的前表面31。具體地，另一側(cè)的長度Cl為I. 6謹(jǐn),一側(cè)的長度C2為2. 8謹(jǐn)(Cl = I. 6謹(jǐn)，C2 = 2. 8謹(jǐn))。圖4顯示所述火花塞100的中心電極其它結(jié)構(gòu)的橫截面的放大視圖。圖4顯示具有所述中心電極和所述接地電極的所述火花塞前部橫截面的放大視圖，所述中心電極具有小直徑部分，所述接地電極由根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)示例性實(shí)施方案所述電極材料制成。如圖4所示，所述火花塞100可以具有不同結(jié)構(gòu)的中心電極30-1。所述中心電極30-1的前部33具有與所述中心電極30-1的基部直徑不同的直徑。例如，如圖4所述，所述中心電極30-1可以具有錐形基部300和小直徑的所述前部33。所述前部33具有圓柱形。圖5顯示所述火花塞100前部另一個(gè)結(jié)構(gòu)的橫截面的放大視圖。所述中心電極30-2具有小直徑部分32。圖6顯示所述火花塞前部另一個(gè)結(jié)構(gòu)的橫截面的放大視圖。所述中心電極30-3具有小直徑部分33和在所述小直徑部分33上形成的薄貴金屬合金層32。所述火花塞100的中心電極可以具有由合金制成的前部32，所述合金例如貴金屬合金(銥合金、鉬合金)，具有優(yōu)良的耐用和耐磨性。也就是說，如圖5所示，可以將由貴金屬合金制成的所述前部32連接到所述錐形基部300，以形成所述中心電極30-2。此外，如圖6所述，也可以將所述小直徑前部33連接到所述錐形基部300，并且進(jìn)一步連接由貴金屬合金制成的薄的部分32。由貴金屬合金制成的所述薄的部分32的厚度在O. Imm至O. 5mm范圍內(nèi)。(第一個(gè)實(shí)驗(yàn))現(xiàn)在描述該實(shí)驗(yàn)，以評(píng)價(jià)根據(jù)第一個(gè)示例性實(shí)施方案的用于火花塞的電極材料的各種性能。在所述實(shí)驗(yàn)中，形成所述接地電極的電極材料具有不同的化學(xué)成分。所述實(shí)驗(yàn)使用根據(jù)第一個(gè)例示性實(shí)施方案的所述火花塞的樣本I至12和對(duì)比樣本21至27。所述樣本I至12和所述對(duì)比樣本21至27由具有如表I所示的不同化學(xué)成分的材料制成。首先，通過真空熔融制備IOkg合金錠，各個(gè)合金錠具有不同的化學(xué)成分。在對(duì)合金錠執(zhí)行均勻的退火過程后，進(jìn)行熱加工以制備30mmX 30mm橫截面的棒。在制備樣本的過程中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在具有第一個(gè)示例性實(shí)施方案公開范圍內(nèi)的化學(xué)成分的所述樣本I至12中無裂紋產(chǎn)生。通過冷加工可以容易地處理所述樣本I至12。具有第一個(gè)示例性實(shí)施方案公開范圍內(nèi)的化學(xué)成分的所述樣本I至12可以具有優(yōu)良的可加工性。表I顯示了所述樣本I至12和所述對(duì)比樣本21至27的各種化學(xué)成分。表I省略了化學(xué)成分Ni和不可避免的雜質(zhì)(或附帶雜質(zhì))。
可以加入作為稀土元素混合物的稀土金屬(REM)。在所述實(shí)驗(yàn)中，La和Ce作為添加劑元素加入。具體地，表I中符號(hào)“<n(其中η是數(shù)值)”表示可視為未添加的小于“η”的含量。表3也使用相同的表達(dá)。表I
樣本號(hào) CSi Mn Cr Al Ti Y REM Fe Mg Ca S N 10.003 1.01 0.04 0.04 0.035 0.015 0.15 <0.01 0.05 0.0083 0.0001 0.0004 0.0005
20.008 1.02 0.05 0.07 0.038 0.031 0.14 <0.01 0.03 0.0073 0.0002 0.0003 0.0006
30.006 1.01 0.05 0.05 0.027 0.053 0.1 <0.01 0.03 0.0066 0.0001 0.0002 0.0007
40.009 1.04 0.07 0.03 0.045 0.083 0.13 <0.01 0.04 0.0064 0.0001 0.0002 0.0004
50.007 0.97 0.06 0.06 0.059 0.104 0.11 <0.01 0.03 0.0073 0.0001 0.0002 0.0006
60.005 1.08 0.05 0.04 0.041 0.23 0.16 <0.01 0.03 0.0055 0.0002 0.0002 0.0006
70.005 0.96 0.04 0.08 0.044 0.50.14 <0.01 0.04 0.0056 0.0001 0.0003 0.0005
80.002 1.03 0.08 0.07 0.029 0.041 <0.001 0.07 0.05 0.0061 0.0001 0.0004 0.0006
90.003 2.14 0.09 0.06 0.041 0.064 0.09 <0.01 0.04 0.0058 0.0002 0.0005 0.0008
100.004 1.29 0.05 0.04 0.016 0.073 0.06 0.06 0.03 0.0074 0.0001 0.0003 0.0005
110.05
1.05 0.07 0.04 0.043 0.231 0.158 <0.01 0.31 0.08 0.151 0.0004 0.0431
120.062 1.05 0.05 0.04 0.037 0.234 0.321 <0.01 1.08 0.072 0.002 0.0003 0.0007
210.006 1.17 0,09 0.08 0.048 1.16 0.11 <0,01 0.03 0.0067 0.0002 0.0003 0.0007
220.004 1.31 1.76 1.53 0.06 <0.001 <0.001 0.01 0.31 0.007 0.0001 0.0008 0.0008
230.004 1.97 0.94 3.43 0.04 0.51 <000 丨 <0.01 0.06 0.0056 0.0002 0.0006 0.0009
240.03 0.84 0.07 0.08 0.21 0.03 <0.001 <0.01 <0.01 <0.0001 <0.0001 <0.0001 <0,0001
250.005 1.04 0.08 0.06 0.053 0.035 0.098 <0.01 0.82 0.0088 0.002 0.0003 0.1187
260.009 1.03 0.06 0.08 0.033 0.041 0.514 <0.01 0.47 0.079 0.003 0.0002 0.0082
270.078 1.04 0.07 0.5 0.038 0.033 0.088 <0.01 1.52 0.065 0.001 0.0002 0.0007表I所示的各個(gè)樣本I至12使用的合金是用于生產(chǎn)根據(jù)第一個(gè)示例性實(shí)施方案的所述火花塞的電極材料。另一方面，各個(gè)對(duì)比樣本21至27使用的合金是常規(guī)電極材料。在800°C下退火所述樣本I至12和所述對(duì)比樣本21至27 —個(gè)小時(shí)。此過程后，測(cè)試所述樣本I至12和所述對(duì)比樣本21至27。表2顯示了各個(gè)樣本I至12和對(duì)比樣本21至27的各種性能硬度(HV)；熱導(dǎo)率W/m · K ；熔點(diǎn)(°C)；環(huán)境空氣中的氧化增重(mg/cm2) (800°C，100個(gè)小時(shí));環(huán)境空氣中的碎屑(spalledscale) (mg/cm2) (800°C，100 個(gè)小時(shí))；環(huán)境空氣中的氧化增重(mg/cm2) (900°C，100個(gè)小時(shí));環(huán)境空氣中的碎屑(mg/cm2) (90(TC，100個(gè)小時(shí))；環(huán)境空氣中的氧化增重(mg/cm2) (1000°C，100個(gè)小時(shí));以及環(huán)境空氣中的碎屑(mg/cm2) (100(TC，100個(gè)小時(shí))
本文中，“環(huán)境空氣”意指在Iatm壓力下。如表2所示，在三種條件下進(jìn)行抗氧化性試驗(yàn)800°C和100個(gè)小時(shí)、900°C和100個(gè)小時(shí)、以及1000。。和100個(gè)小時(shí)。表2中，在25°C和900°C下測(cè)量了各個(gè)樣本I至12和對(duì)比樣本21至27的熱導(dǎo)率。表權(quán)利要求
1.用于火花塞電極的電極材料，其基本上由下列成分組成 0.3至3. O質(zhì)量％的Si、0. 01至0. 3質(zhì)量％的選自Y和稀土元素的ー種或多種元素、不超過0. 5質(zhì)量％的Ti、不超過I. 2質(zhì)量％的Fe、以及選自不超過0. 20質(zhì)量％的Ca和不超過0. 08質(zhì)量％的Mg中的ー種或兩種，并且所述電極材料還含有C、Mn、Cr、Al、N和S，且在C、Mn、Cr、Al、N和S中，C不超過0. I質(zhì)量％，Mn少于0. 5質(zhì)量％，Cr少于0. 5質(zhì)量％，Al不超過0. 3質(zhì)量％,N不超過0. 05質(zhì)量％以及S不超過0. 03質(zhì)量％,并且所述電極材料還含有作為剩余物主要組分的Ni，以及附帯的不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電極材料，其中Ti的含量在0.031至0. 5質(zhì)量％范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電極材料，其中室溫下所述電極材料的熱導(dǎo)率不小于40W/(m K) o
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電極材料，其中室溫下所述電極材料的熱導(dǎo)率不小于40W/(m K) o
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電極材料，其中所述電極材料的熔點(diǎn)不低于1420°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電極材料，其中所述電極材料的熔點(diǎn)不低于1420°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電極材料，其中所述電極材料的熔點(diǎn)不低于1420°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于火花塞電極的電極材料，所述用于制備火花塞接地電極的電極材料的化學(xué)組成為0.3至3.0質(zhì)量％的Si、0.01至0.3質(zhì)量％的選自Y和稀土元素的一種或多種元素、不超過0.5質(zhì)量％的Ti、不超過1.2質(zhì)量％的Fe、以及選自不超過0.20質(zhì)量％的Ca和不超過0.08質(zhì)量％的Mg中的一種或兩種。所述電極材料還含有C、Mn、Cr、Al、N、S、剩余物Ni和附帶的不可避免的雜質(zhì)。在C、Mn、Cr、Al、N和S中，C不超過0.1質(zhì)量％，Mn少于0.5質(zhì)量％，Cr少于0.5質(zhì)量％，Al不超過0.3質(zhì)量％，N不超過0.05質(zhì)量％以及S不超過0.03質(zhì)量％。
文檔編號(hào)H01T13/39GK102651538SQ201210048720
公開日2012年8月29日 申請(qǐng)日期2012年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月25日
發(fā)明者上原利弘, 橫山泰二 申請(qǐng)人:日立金屬株式會(huì)社, 株式會(huì)社電裝