專利名稱：具有低膨脹率、高耐腐蝕性電極的火花塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及用于火花塞電極的材料，尤其涉及電極的材料。
背景技術(shù)：
火花塞廣泛運(yùn)用于在內(nèi)燃機(jī)中點(diǎn)火?；鸹ㄈ饕ㄌ沾山^緣體、環(huán)繞陶瓷絕緣體的導(dǎo)電殼、安置在陶瓷絕緣體中的中心電極和有效連接到導(dǎo)電殼的接地電極。兩個(gè)電極各具有一個(gè)彼此靠近的點(diǎn)火端，點(diǎn)火端之間形成火花隙?；鸹ㄈㄟ^發(fā)出跳過中心電極與接地電極之間的火花隙的電火花來點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中的氣體，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)產(chǎn)生動(dòng)力沖程。由于內(nèi)燃機(jī)的特性，火花塞工作在高溫和各種腐蝕性燃燒氣體的極端環(huán)境中，因此應(yīng)該由合適的材料構(gòu)成。當(dāng)電極不是由合適材料構(gòu)成時(shí)，極端的工作環(huán)境可能逐漸增大中心電極與接地電極之間的火花隙的寬度，還可能引起火花塞不點(diǎn)火并導(dǎo)致后面發(fā)動(dòng)機(jī)功率和性能的損耗。由于銅和鎳的高溫性能，火花塞電極通常包括由銅(Cu)構(gòu)成的芯和由鎳(Ni)合金構(gòu)成的鍍層。鎳合金耐侵蝕且耐腐蝕，銅提供高導(dǎo)熱系數(shù)從而提供電極的可控工作溫度?，F(xiàn)有電極的實(shí)例包括由100wt%的銅構(gòu)成的芯和由鎳合金構(gòu)成的鍍層，該鎳合金包括 14. 5-15. 5wt% 的鉻、7. 0-8. Owt % 的鐵、0. 2-0. 5wt% 的錳、0. 2-0. 5wt% 的硅和剩余量的
ο當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在全速和空轉(zhuǎn)之間運(yùn)行時(shí)，包括銅芯和鎳合金鍍層的現(xiàn)有電極將承受很大的溫度差。銅芯和鎳鍍層的熱膨脹存在明顯的不同，會(huì)造成不合需要的膨脹和熱機(jī)械應(yīng)力。該膨脹可能意外地增大火花隙的寬度。例如在500°C以上的高溫下，由于銅的熱膨脹系數(shù)比鎳的高，銅芯中將產(chǎn)生軸向壓縮熱應(yīng)力。銅在軸向壓縮應(yīng)力下經(jīng)受依賴時(shí)間的蠕變變形。銅芯軸向收縮并徑向擴(kuò)張，擠壓到鎳鍍層。鎳鍍層具有沿方位角方向的拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力可能導(dǎo)致鎳鍍層和絕緣體開裂。圖5和圖6示出了由于熱應(yīng)力和蠕變而產(chǎn)生并可能妨礙火花塞性能的電極變形及裂紋。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一方面提供一種包括中心電極和接地電極的火花塞，至少一個(gè)電極包括由銅(Cu)合金構(gòu)成的芯和覆蓋在芯上的由鎳(Ni)合金構(gòu)成的鍍層。按銅合金的重量百分比， 該銅合金包括至少95. 0%重量的銅及總量足以影響該銅合金強(qiáng)度的鋯與鉻中的至少一種。 按鎳合金的重量百分比，該鍍層的鎳合金包括至少90. 0%重量的鎳及總量足以影響鎳合金強(qiáng)度的3族元素、4族元素、13族元素、鉻(Cr)、硅(Si)和錳(Mn)中的至少一種。本發(fā)明另一方面提供一種用于火花塞的電極，該電極包括由銅(Cu)合金構(gòu)成的芯和覆蓋在芯上的由鎳(Ni)合金構(gòu)成的鍍層。按銅合金的重量百分比，該銅合金包括至少95.0重量％的銅及總量足以影響該銅合金強(qiáng)度的鋯與鉻中的至少一種。按鎳合金的重量百分比，該鍍層的鎳合金包括至少90. 0%重量的鎳及總量足以影響鎳合金強(qiáng)度的3族元素、4 族元素、13族元素、鉻(Cr)、硅(Si)和錳(Mn)中的至少一種。本發(fā)明又一方面提供一種具有至少一個(gè)電極的火花塞的構(gòu)造方法，包括以下步驟提供包括鋯和鉻中的至少一種以及銅的第一粉末金屬材料；加熱該第一粉末金屬材料以提供銅合金，按銅合金的重量百分比，該銅合金包括至少98. 5%重量的銅及總量足以影響該銅合金強(qiáng)度的鋯與鉻中的至少一種；將該銅合金構(gòu)造成芯。該方法還包括提供包括 3族元素、4族元素、13族元素、鉻(Cr)、硅(Si)和錳(Mn)中的至少一種以及鎳的第二粉末金屬材料；加熱該第二粉末金屬材料以提供鎳合金，按鎳合金的重量百分比，該鎳合金包括至少90. 0%重量的鎳和總量足以影響該鎳合金強(qiáng)度的3族元素、4族元素、13族元素、鉻 (Cr)、硅(Si)和錳(Mn)中的至少一種；將該鎳合金構(gòu)造成覆蓋在芯上的鍍層。與現(xiàn)有技術(shù)的電極和火花塞相比，本發(fā)明的電極和火花塞的銅合金與鎳合金相結(jié)合，既提供了高導(dǎo)熱系數(shù)又提供了降低的膨脹率。與現(xiàn)有技術(shù)的電極和火花塞相比，本發(fā)明的電極和火花塞提供了抗氧化性、耐侵蝕性和耐腐蝕性；適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟?；改善的抗蠕變性及裂紋的減少。因此，與現(xiàn)有技術(shù)的火花塞相比，本發(fā)明的包括銅合金與鎳合金的火花塞提供了改善的性能。


結(jié)合下列具體描述以及附圖進(jìn)行考慮，本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)將會(huì)更加容易理解，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的火花塞的縱向剖視圖；圖2是圖1的火花塞的局部縱向剖視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的中心電極的縱向剖視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例的接地電極的縱向剖視5是現(xiàn)有技術(shù)的火花塞的局部剖視圖，示出了中心電極的熱應(yīng)力引起的膨脹機(jī)制；圖6是現(xiàn)有技術(shù)的中心電極的橫向剖視圖，示出了中心電極的蠕變引起的鎳鍍層的裂紋；圖7是示出本發(fā)明幾個(gè)實(shí)施例與對比實(shí)施例的火花隙寬度增長的圖；圖8是示出本發(fā)明幾個(gè)實(shí)施例與對比實(shí)施例的膨脹百分比的圖；圖9示出了發(fā)動(dòng)機(jī)測試前測量的電極長度。
具體實(shí)施例參閱附圖1和2，示出了包括接地電極22和中心電極M的火花塞20。如圖2所示，電極22J4各包括由銅合金構(gòu)成的芯沈及覆蓋在芯沈上的由鎳合金構(gòu)成的鍍層28。 該銅合金的成分提供了高導(dǎo)熱系數(shù)，從而提供了電極22、24的耐侵蝕性、抗氧化性和適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟取Ｅc現(xiàn)有技術(shù)的電極22、24的銅合金相比，該銅合金還提供了改善的抗蠕變性， 減小的膨脹和減少的裂紋。該鎳合金的成分也提供了高導(dǎo)熱系數(shù)，從而提供了耐侵蝕性、抗氧化性和適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟?。銅合金構(gòu)成的芯沈與鎳合金構(gòu)成的鍍層28的相結(jié)合，為電極22J4提供了高耐侵蝕性及減少的膨脹和裂紋。與現(xiàn)有技術(shù)的火花塞相比，電極22J4使火花塞20在內(nèi)燃機(jī)中工作的期間提供了改善的性能。如上所述，電極22、24的芯沈由銅合金構(gòu)成。該銅合金包括總量足以影響該銅合金的導(dǎo)熱系數(shù)的銅。在一個(gè)實(shí)施例中，該銅合金具有至少320W/mK的導(dǎo)熱系數(shù)。在另一個(gè)實(shí)施例中，該銅合金具有至少330W/mK的導(dǎo)熱系數(shù)。在又一個(gè)實(shí)施例中，該銅合金具有320W/ mK-360ff/mK的導(dǎo)熱系數(shù)。該銅合金具有高導(dǎo)熱系數(shù)，從而提供了低工作溫度，使火花塞20 在500°C以上的溫度下保持良好的性能。該銅合金還包括總量足以影響銅合金強(qiáng)度的鋯和鉻中的至少一種。鋯與鉻在銅中的溶解度低。因此，相對少量的鋯和鉻就可以在銅中形成飽和或者過飽和溶液。通過加熱， 鋯和鉻從銅中析出來并使銅合金增強(qiáng)。換句話說，銅合金包括銅基體和分散在銅基體中的鋯和鉻的析出物。鋯和鉻的析出物使銅合金增強(qiáng)。銅合金的高強(qiáng)度將改善火花塞20工作期間的銅合金的抗蠕變性并減小銅合金的膨脹。表1示出了在19. 85°C的室溫下鋯和鉻在銅元素中的溶解度，在此以銅合金的重量百分比形式表示。像鋯或鉻這樣的元素的溶解度表示溶解在銅基體中形成飽和或者過飽和溶液的該元素的量，在此以銅合金的重量百分比形式表示。表 權(quán)利要求
1.一種火花塞(20)，其特征在于，包括 中心電極04)和接地電極02)，所述電極(22、24)中的至少一個(gè)包括由銅合金構(gòu)成的芯06)和覆蓋在所述芯06)上的由鎳合金構(gòu)成的鍍層08)，按所述銅合金的重量百分比，所述銅合金包括至少98. 5%重量的銅和總量足以影響該銅合金強(qiáng)度的鋯與鉻中的至少一種，以及按所述鎳合金的重量百分比，所述鎳合金包括至少90. 0%重量的鎳和總量足以影響所述鎳合金強(qiáng)度的3族元素、4族元素、13族元素、鉻(Cr)、硅(Si)和錳(Mn)中的至少一種。
2.如權(quán)利要求1所述的火花塞(20)，其特征在于，按所述銅合金的重量百分比，所述銅合金包括總量至少0. 05%重量的所述鋯與鉻中的至少一種。
3.如權(quán)利要求1所述的火花塞(20)，其特征在于，所述銅合金包括所述銅的基體和分散在所述銅基體中的所述鋯與鉻中的至少一種的析出物。
4.如權(quán)利要求1所述的火花塞(20)，其特征在于，所述銅合金包括至多99.95%重量的銅。
5.如權(quán)利要求1所述的火花塞(20)，其特征在于，所述銅合金包括至多1.5%重量的鋯與鉻中的至少一種。
6.如權(quán)利要求1所述的火花塞(20)，其特征在于，所述銅合金包括總量至多1.45%重量的碲(Te)、硒( )、鐵(Fe), Ig (Ag)、硼(B)、鈹(Be)、磷(P)、鈦(Ti)和硫(S)中的至少一種。
7.如權(quán)利要求1所述的火花塞(20)，其特征在于，所述銅合金包括總量至少為0.01% 重量的碲(Te)、硒( )、鐵(Fe), Ig (Ag)、硼(B)、鈹(Be)、磷(P)、鈦(Ti)和硫(S)中的至少一種。
8.如權(quán)利要求6所述的火花塞(20)，其特征在于，所述銅合金的所述銅為基體，所述碲 (Te)、硒( )、鐵(Fe), Ig (Ag)、硼(B)、鈹(Be)、磷(P)、鈦(Ti)和硫(S)中的至少一種為分散在所述銅基體中的析出物。
9.如權(quán)利要求1所述的火花塞(20)，其特征在于，所述銅合金包括98.81%-99.05% 重量的銅和0. 05% -0. 15%重量的鋯。
10.如權(quán)利要求1所述的火花塞(20)，其特征在于，所述銅合金包括99.81% -99. 95% 重量的銅、0. 05% -0. 09%重量的鋯和0. 9% -1. 10%重量的鉻。
11.如權(quán)利要求1所述的火花塞(20)，其特征在于，所述鎳合金包括至多97.9%重量的ο
12.如權(quán)利要求1所述的火花塞(20)，其特征在于，所述鎳合金包括總量至多10.0%重量的3族元素、4族元素、13族元素、鉻(Cr)、硅(Si)和錳(Mn)中的至少一種。
13.如權(quán)利要求1所述的火花塞(20)，其特征在于，所述鎳合金包括總量至少為1.0% 重量的3族元素、4族元素、13族元素、鉻(Cr)、硅(Si)和錳(Mn)中的至少一種。
14.如權(quán)利要求1所述的火花塞(20)，其特征在于，所述鎳合金包0.01% -0. 2%重量的所述至少一種3族元素。
15.如權(quán)利要求1述的火花塞(20)，其特征在于，所述鎳合金包0.01%-0.5%重量的所述至少一種4族元素。
16.如權(quán)利要求1述的火花塞(20)，其特征在于，所述至少一種13族元素包括鋁。
17.如權(quán)利要求1述的火花塞(20)，其特征在于，所述鎳合金包括硅、鉻、錳和鋯中的至少一種。
18.如權(quán)利要求1所述的火花塞(20)，其特征在于，所述鎳合金包括96.8% -97. 9%重量的鎳、1. 0% -1. 5%重量的鋁、1. 0% -1. 5%重量的硅和0. 01% -0. 2%重量的釔。
19.如權(quán)利要求1所述的火花塞(20)，其特征在于，所述鎳合金包括94.85% -95. 9% 重量的鎳、1.65% -1.9%重量的鉻、1.8% -2. 重量的錳、0. 35 % -0. 55%重量的硅、 0. 2% -0. 4%重量的鈦和0. 1% -0. 2%重量的鋯。
20.如權(quán)利要求1所述的火花塞(20)，其特征在于，所述鎳合金包括91.30% -99. 69% 重量的鎳、0. 1 % -2. 0 %重量的鋁、0. 1 % -2. 0 %重量的硅、0. 1 % -2. 0 %重量的鉻和0. -2.0%重量的錳，以及0.01% -0. 重量的釔、0.01% -0.2%重量的鋯和 0. 05% -0. 4%重量的鈦中的至少一種。
21.一種用于火花塞00)的電極02、對)，其特征在于，包括由銅合金構(gòu)成的芯06)，覆蓋在所述芯06)上的由鎳合金構(gòu)成的鍍層08)，按所述銅合金的重量百分比，所述銅合金包括至少98. 5%重量的銅和總量足以影響該銅合金強(qiáng)度的鋯與鉻中的至少一種，以及按所述鎳合金的重量百分比，所述鎳合金包括至少90. 0%重量的鎳和總量足以影響所述鎳合金強(qiáng)度的3族元素、4族元素、13族元素、鉻(Cr)、硅(Si)和錳(Mn)中的至少一種。
22.—種具有至少一個(gè)電極的火花塞00)的構(gòu)造方法，其特征在于，包括以下步驟提供包括鋯和鉻中的至少一種以及銅的第一粉末金屬材料，加熱第一粉末金屬材料以提供銅合金，按銅合金的重量百分比，該銅合金包括至少 98. 50%重量的銅及至少0. 05%重量的鋯和鉻中的至少一種，將銅合金構(gòu)造成芯06)；提供包括3族元素、4族元素、13族元素、鉻(Cr)、硅(Si)和錳(Mn)中的至少一種以及鎳的第二粉末金屬材料，加熱第二粉末金屬材料以提供鎳合金，按鎳合金的重量百分比，該鎳合金包括至少 90.0%重量的鎳及總量足以影響該鎳合金強(qiáng)度的3族元素、4族元素、13族元素、鉻(Cr)、硅 (Si)和錳(Mn)中的至少一種，以及將鎳合金構(gòu)造成覆蓋在芯06)上的鍍層08)。
全文摘要
一種火花塞(20)，包括中心電極(24)和接地電極(22)。電極(22、24)包括由銅(Cu)合金構(gòu)成的芯(26)及包裹著芯(26)的由鎳(Ni)合金構(gòu)成的鍍層(28)。該銅合金包括至少98.5％重量的銅，以及至少0.05％重量的鋯和鉻中的至少一種。該銅合金包括銅基體和分散在銅基體中的鋯和鉻的析出物。鍍層(28)的鎳合金包括至少90.0％重量的鎳。鎳合金還包括總量足以影響鎳合金強(qiáng)度的3族元素、4族元素、3族元素、鉻(Cr)、硅(Si)和錳(Mn)中的至少一種。
文檔編號H01T13/20GK102576983SQ201080045494
公開日2012年7月11日 申請日期2010年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月12日
發(fā)明者淑偉·馬, 詹姆斯·D·呂科瓦基 申請人:費(fèi)德羅-莫格爾點(diǎn)火公司