火花塞電極材料和火花塞，以及制造火花塞電極材料和用于火花塞的電極的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及火花塞電極材料，包括a）0.7-1.3重量%的硅，b）0.5-1.0重量%的銅和c）余量的鎳。
【專利說明】火花塞電極材料和火花塞，以及制造火花塞電極材料和用于火花塞的電極的方法
現(xiàn)有技術(shù)
[0001]本發(fā)明涉及火花塞電極材料，以及包含電極的火花塞，該電極由火花塞電極材料形成，和涉及用于制造火花塞電極材料和電極的方法。
[0002]火花塞在現(xiàn)有技術(shù)中在不同的實施方案中是已知的?；鸹ㄈ诳烊及l(fā)動機中它們的電極之間產(chǎn)生觸發(fā)火花用于點燃燃料一空氣一混合物。所述火花塞在此具有接地電極和中間電極，其中具有二到五個電極的火花塞構(gòu)造形式是已知的。這些電極在此置于火花塞外殼(接地電極)上或者作為中間電極置于陶瓷絕緣體中?；鸹ㄈ氖褂脡勖艿诫姌O材料的耐腐蝕性和耐侵蝕性所影響。傳統(tǒng)的電極材料基于含有鋁成分的鎳合金。然而，它們的問題在于，在發(fā)動機室中的工作條件下，即在高溫和氧化氣氛的情況下，鎳表面的大部分以及在電極材料內(nèi)部的部分鎳通過與周圍的氧反應(yīng)而氧化。由此形成了氧化鎳層，該層具有熱絕緣性以及導(dǎo)電抑制性并且在較短時間之后已經(jīng)易于被腐蝕或者被火花侵蝕。因此，增大了電極間距，這最終導(dǎo)致火花塞的失靈。在按照規(guī)定使用火花塞時，氧化層的形成最多可以通過使用由純貴金屬構(gòu)成的或基于貴金屬的電極材料來實現(xiàn)，比如鉬或者帶有銥的鉬合金，該電極材料具有增強的抗火花侵蝕攻擊的耐磨性。但是，這樣的電極材料，特別是鉬，產(chǎn)生巨大的成本，這對于此類大量生產(chǎn)的部件如火花塞是成問題的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]與此相反，根據(jù)本發(fā)明的具有權(quán)利要求1的特征的火花塞電極材料具有優(yōu)點，即它是基于鎳基合金，其使得電極材料的成本和從而火花塞的成本低廉。此外，這種火花塞電極材料具有優(yōu)點，即在按照規(guī)定的使用中，就是說在升高的溫度中和氧的存在下，至少在其表面的一部分上在最短的時間內(nèi)，通常在幾小時后已經(jīng)形成尤其均質(zhì)的、相對薄的氧化層。該氧化層的特點是具有至少6 W/mK，特別是至少8 W/mK或者甚至10 W/mK和更大的高的熱導(dǎo)率，以及特別高的電導(dǎo)率。由此`，位于其上的電壓和作用溫度可以迅速均勻地分布到整個電極材料上，由此防止局限于電極表面的小區(qū)域上的，即局部的溫度最大值和電壓最大值，這樣顯著地減少電極材料的腐蝕和侵蝕。通過有針對性地加入硅和銅，除了電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率之外，還提高了形成的氧化層的耐氧化性，以及它們的熱力學(xué)穩(wěn)定性，由此再次減少了電極材料的火花侵蝕磨損。硅的含量為0.7到1.3重量％，基于電極材料的總重量計。在低份額的0.7重量％的硅的情況下，已經(jīng)積極地影響電極材料的氧化行為和在電極材料上形成的氧化層的電阻。然而，從硅的份額超過1.3重量％起就出現(xiàn)相反的效果。通過添加0.5到
1.0重量％份額的銅(基于電極材料的總重量計)，電極材料的電阻進(jìn)一步降低，因為銅離子嵌入到氧化鎳晶格中，由此提高所形成的氧化層的電導(dǎo)率。這種效果在低的0.5重量％的銅份額時已經(jīng)可以測量到。然而，銅的份額應(yīng)該不超過I重量％，因為否則無法充分地保證火花塞電極材料足夠的機械強度。本發(fā)明所以選擇一種新的方式，因為通過有針對性地選擇電極材料成分，即鎳、銅和硅，優(yōu)化了在按照規(guī)定的使用中所形成的氧化層，并不同于現(xiàn)有技術(shù)中將主要注意力置于盡可能高的耐腐蝕性。[0004]從屬權(quán)利要求中說明了本發(fā)明的優(yōu)選的擴(kuò)展實施方式。
[0005]各個元素和化合物的數(shù)量值，除非另有說明，分別基于火花塞電極材料的總重量計。
[0006]尤其優(yōu)選地，火花塞電極材料具有硅的含量為0.9到1.1重量％和尤其是I重量％，和/或銅的含量為0.6到0.85重量％，尤其是0.75重量％，其中鎳的含量因此為約97.5至98.5重量％。在這些份額中，附加的元素導(dǎo)致在按照規(guī)定使用形成火花塞的氧化層具有尤其高的熱導(dǎo)氯和電導(dǎo)率。此外，所形成的氧化層是在熱力學(xué)和機械方面足夠穩(wěn)定的，從而有效地減少了根據(jù)本發(fā)明的火花塞電極材料的火花侵蝕磨損以及腐蝕。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選的實施方式，本發(fā)明的火花塞電極材料的特征在于，該材料包括0.07到0.13重量％，尤其是0.09到0.11重量％以及尤其是0.10重量％的釔。添加這樣少量的釔防止在按照規(guī)定使用具有本發(fā)明的火花塞電極材料的火花塞期間的異常晶粒生長，釔含量可以有針對性地保持在低水平，例如通過合金的低氧含量。從釔的份額超過0.13重量％起，負(fù)面地影響氧化行為以及由此所形成的氧化層的電阻。
[0008]尤其優(yōu)選地，該電極材料基本上沒有鋁和/或鋁化合物和/或金屬間相。鋁及其化合物降低電極材料和所產(chǎn)生的氧化層的電導(dǎo)率，從而促進(jìn)電極材料的火花侵蝕磨損。通過放棄使用鋁明顯改善所產(chǎn)生的氧化層的氧化行為和尤其電阻以及因此火花塞電極材料的侵蝕行為(可測量到地改善)。此外，`明顯改善材料的可塑性。放棄使用金屬間相也有相似的效果，因為金屬間相以在鎳基質(zhì)中的沉淀物的形式存在，并導(dǎo)致熱機械張力以及減小熱導(dǎo)率，由此增加了電極材料的火花侵蝕磨損和腐蝕。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選的實施方式，所述火花塞電極材料的特征在于，金屬雜質(zhì)的份額合計少于0.15重量％。其中金屬雜質(zhì)包含元素和化合物，例如鐵、鈦、鉻、錳等。這些雜質(zhì)降低電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率升高的效果，如同通過在給定的范圍內(nèi)將硅和銅摻入鎳基材料中所達(dá)到的效果。此外，通過這些雜質(zhì)而降低了合金的熱導(dǎo)率。
[0010]尤其優(yōu)選的是，鐵和/或鉻和/或鈦的含量小于0.05重量％和尤其是小于0.01重量％，因為正是這些元素不利地影響氧化層的電導(dǎo)率。進(jìn)一步優(yōu)選地，硫和/或硫化合物和/或碳和/或碳化合物的含量小于0.01重量％,尤其是小于0.005重量％以及尤其是小于0.001重量％，因為這些元素和化合物也對合金的氧化行為起到負(fù)面作用，尤其是其可以導(dǎo)致電極材料受到更強的腐蝕。
[0011]尤其優(yōu)選地，火花塞電極材料中氧的含量小于0.003重量％，尤其是小于0.002重量％，因為氧不僅促進(jìn)鎳材料和而且也促進(jìn)某些雜質(zhì)的氧化，這再次導(dǎo)致了電極材料更多的磨損。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選的實施方式，火花塞電極材料基本上，即不考慮由于技術(shù)條件而無法避免的雜質(zhì)，由I重量％的硅,0.75重量％的銅和0.1重量％的釔組成，其中余下的材料由鎳組成并合計為約98.15重量％。在按照規(guī)定的使用中這樣的電極材料形成堅固的、薄的且均勻的氧化層，具有大于10 W/mK的高熱導(dǎo)率和低的電阻，即高的電導(dǎo)率。因此，所述的火花塞電極材料具有減少的火花侵蝕磨損和明顯降低的腐蝕傾向，并因此特別好地適用于在高溫下的長期使用。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選的實施方式，火花塞電極材料基本上，即不考慮由于技術(shù)條件而無法避免的雜質(zhì)，由0.7到1.3重量％，尤其I重量％的硅；0.5到1.0重量％，尤其0.75重量％的銅；0.07到0.13重量％，尤其0.1重量％的釔組成，以及含有少于0.003重量％，尤其少于0.002重量％的氧；0.001重量％的硫和0.003重量％的碳，其中余下的材料是鎳，其中金屬雜質(zhì)的份額合計少于0.1重量％。該電極材料基于其組成具有最小的火花侵蝕磨損和最小的腐蝕傾向。
[0014]本發(fā)明還涉及用于制備本發(fā)明的火花塞電極材料的方法，其中該方法包括制造鎳基合金的步驟以及摻入其它元素如硅、銅和任選地釔的步驟。
[0015]本發(fā)明還涉及用于制備本發(fā)明的火花塞電極的方法，其中該方法包括以下步驟:
-制造鎳基合金
-摻入其它元素
-在火花塞電極表面的至少一部分上形成氧化層，該氧化層具有至少6 W/mK，特別是至少8 W/mK或者尤其至少10 W/mK的熱導(dǎo)率和小于或等于通過下列方程式定義的電阻:LogR=a+b*T/1000,
其中0.6≤a≤0.8，尤其為0.7，和3.1≤b≤3.3，尤其為3.2，而且其中T是單位為開的溫度，
其中所述火花塞電極材料在形成氧化層之前含有如下元素:
a)鎳作為基礎(chǔ)材料
b)0.7-1.3重量％的硅和
c)0.5-1.0重量％的銅。
[0016]根據(jù)該方法制造的火花塞電極既可以制成為單組分電極也可以制成為雙組分電極，其中與單組分電極相比，雙組分電極具有只是作為包裹材料的本發(fā)明的火花塞電極材料，其中芯體材料例如由銅制成。該芯體材料優(yōu)選設(shè)計成異形絲。
[0017]在本發(fā)明的火花塞電極表面上形成的氧化層具有經(jīng)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。經(jīng)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)是指，氧化層具有均勻且堅固結(jié)合，而且與在傳統(tǒng)電極上形成的氧化層相比它還相對薄以及在表面上是勻稱的。這可以實現(xiàn)電極表面上氧化層的低電阻，這樣使得該氧化層具有改善的電導(dǎo)率。此外，也提高了電極材料的熱導(dǎo)率。因此，通過本發(fā)明的方法提供由低成本電極材料形成的火花塞電極，其特征在于極高的耐溫性以及明顯減少的火花侵蝕磨損，即低的電極燒損，并具有突出的抗氧化性和耐腐蝕性。因此，按照本發(fā)明制造的火花塞電極在高溫中在極端條件下，如在發(fā)動機的燃燒室內(nèi)所處的條件，也是堅固并耐磨損的。
[0018]優(yōu)選地，所述氧化層可以通過根據(jù)規(guī)定使用火花塞電極而形成。這樣的優(yōu)點是所述火花塞電極在其使用前可以存放任意長時間，而不會引起質(zhì)量降低，并在操作之后材通過形成氧化層而“活化”。
[0019]本發(fā)明還涉及由上述的火花塞電極材料形成的電極，其中該電極可以應(yīng)用于作為中間電極和/或接地電極，以及在中間電極和/或接地電極中能夠在帶有或沒有芯體優(yōu)選地銅芯或銀芯時應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]下面對發(fā)明的【具體實施方式】參照附圖進(jìn)行詳細(xì)描述。在附圖中顯示:
圖1是顯示了本發(fā)明的火花塞電極材料與傳統(tǒng)的火花塞電極材料相比每次觸發(fā)點火時磨損的圖表。[0021]圖2本發(fā)明范圍的火花塞，包括接地電極和中間電極，其中中間電極構(gòu)造成雙組分電極，而接地電極構(gòu)造成單組分電極，和
圖3本發(fā)明范圍的火花塞，包括接地電極和中間電極，其中接地電極構(gòu)造成雙組分電極，而中間電極同樣構(gòu)造成雙組分電極。
[0022]發(fā)明的【具體實施方式】
圖1是顯示了如下所述本發(fā)明的火花塞電極材料A與傳統(tǒng)的火花塞電極材料B相比每次觸發(fā)點火時磨損(以Mm3/點火計，包括標(biāo)準(zhǔn)偏差在內(nèi))的圖表。
[0023]本發(fā)明的火花塞電極材料A具有如下組成:
a)I重量％的硅
b)0.75重量％的銅
c)0.1重量％的宇乙
d)0.002重量%的氧
e)0.001重量%的硫和
f)0.003重量％的碳，
其中余下的材料由鎳組成和其中金屬雜質(zhì)的份額合計為少于0.1重量％。
[0024]傳統(tǒng)的火花塞電極材料B具有如下組成:
a)I重量％的硅
b)I重量％的招
c)0.2重量％的釔，
其中余下的材料由鎳組成?；鸹ㄈ姌O材料各元素的含量是借助于ICP測定的。
[0025]兩種材料A和B在900°C的電極溫度和在空氣下、7bar的壓力和借助于具有90mA的起始觸發(fā)電流的點火線圈下進(jìn)行火花侵蝕試驗。圖表清楚地表明與優(yōu)化的本發(fā)明的火花塞電極材料A的磨損(為約18Mm3/點火)相比，傳統(tǒng)的含鋁的火花塞電極材料B每次觸發(fā)點火的磨損(約為25Mm3/點火)升高。本發(fā)明的火花塞電極材料A明顯較低的火花侵蝕磨損是由于形成了均勻的相對薄的氧化層，具有突出的導(dǎo)熱率和較低的電阻，即高導(dǎo)電率。
[0026]圖2顯示了本發(fā)明范圍的火花塞1，包括中間電極2和接地電極3，其中中間電極2和接地電極3都是由火花塞電極材料組成的。中間電極2構(gòu)造成雙組分電極，而接地電極3構(gòu)造成單組分電極，和
圖3顯示了本發(fā)明范圍的火花塞I,包括中間電極2和接地電極3，其中接地電極2和中間電極3同樣構(gòu)造成雙組分電極，其中所述雙組分電極包括由本發(fā)明的火花塞電極材料構(gòu)成的電極外套5和由芯體材料優(yōu)選由銅構(gòu)成的電極芯4。
[0027]因此，根據(jù)本發(fā)明提供了用于制造火花塞電極或者通常的火花塞的火花塞電極材料，該材料尤其在按照規(guī)定的使用中由于氧化層的形成并且在最小化的制造費用和足夠的熱力學(xué)如機械穩(wěn)定性的情況下而顯示出低的火花侵蝕磨損和突出的耐腐蝕性的特點。
【權(quán)利要求】
1.火花塞電極材料，包括 a)0.7-1.3重量％的硅， b)0.5-1.0重量％的銅和 c)余量的鎳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的火花塞電極材料，其特征在于，硅的含量為0.9到1.1重量％，尤其是I重量％，和/或銅的含量為0.6到0.85重量％，尤其是0.75重量％，和/或鎳的含量為約97.5至98.5重量％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的火花塞電極材料，其特征在于，所述電極材料還包括0.07到0.13重量％，尤其是0.09到0.11重量％以及尤其是0.10重量％的釔。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的火花塞電極材料，其特征在于，所述電極材料基本上沒有鋁和/或鋁化合物和/或金屬間相。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的火花塞電極材料，其特征在于，金屬雜質(zhì)的份額合計為少于0.15重量％。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的火花塞電極材料，其特征在于，鐵和/或鉻和/或鈦的含量小于0.05重量％和尤其是小于0.01重量％。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的火花塞電極材料，其特征在于，硫和/或硫化合物和/或碳和/或碳化合物的含量小于0.01重量％，尤其是小于0.005重量％以及尤其是小于0.001重量％。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中 任一項所述的火花塞電極材料，其特征在于，氧的含量小于0.003重量％，尤其是小于0.002重量％。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的火花塞電極材料，基本上由下列成分形成: a)約98.15重量％的鎳， b)I重量%的硅， c)0.75重量%的銅和 d)0.1重量％的宇乙。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的火花塞電極材料，基本上由以下成分組成: a)0.7到1.3重量％，尤其I重量％的硅， b)0.5到1.0重量％，尤其0.75重量%的銅， c)0.07到0.13重量％，尤其0.1重量%的釔， d)少于0.003重量％，尤其少于0.002重量％的氧， e)0.001重量％的硫， f)0.003重量％的碳， g)余量的鎳， 其中金屬雜質(zhì)的份額合計少于0.1重量％。
11.用于制造根據(jù)權(quán)利要求1到10中任一項所述的火花塞電極材料的方法，包含下列步驟: -制造鎳基合金， -摻入其它元素。
12.用于制造火花塞電極材料的方法，包含下列步驟:-制造鎳基合金， -摻入其它元素， -在火花塞電極表面的至少一部分上形成氧化層，該氧化層具有至少6 W/mK，特別是至少8 W/mK或者尤其至少10 W/mK的熱導(dǎo)率和小于或等于通過下列方程式定義的電阻:LogR=a+b*T/1000, 其中0.6≤a≤0.8，尤其為0.7，和3.1≤b≤3.3，尤其為3.2，而且其中T是單位為開的溫度， 其中所述火花塞電極材料在形成氧化層之前含有如下元素: a)鎳作為基礎(chǔ)材料 b)0.7-1.3重量％的硅和 c)0.5-1.0重量％的銅。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述氧化層能夠通過按照規(guī)定使用所述火花塞電極形成。
14.火花塞,包含由根據(jù)權(quán)利要求1到10中任一項所述的火花塞電極材料形成的電極。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的火花塞，其特征在于，所述電極是中間電極和/或接地電極，以及其在中間電極和/或接地電極中能夠在帶有或沒有芯體，尤其是銅芯時應(yīng)用。
【文檔編號】C22C19/00GK103459628SQ201280018330
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年2月15日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月15日
【發(fā)明者】J.奧貝勒, L.門肯, J.貝姆, S.鮑斯 申請人:羅伯特·博世有限公司