用於火花點火裝置的電極的火花表面的合金的製作方法

2023-06-14 09:05:31 5

專利名稱：用於火花點火裝置的電極的火花表面的合金的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及用於火花塞電極的材料，特別涉及用於火花塞電極的點火表面 的材料。
背景技術：
鎳和鎳基合金——包括如在UNS N06600下規定並冠以商品名Inconel 600 、 Nicrofer 7615 和Ferroehronin 銷售的鎳-鐵-鉻合金——被廣泛用作火花塞電極材 料。這些材料易受高溫氧化和導致磨蝕與腐蝕(特別是點火表面)的其他劣化現象的影 響。已有多種貴金屬合金被建議用來提高火花塞電極的高溫性能，特別是以各式各 樣的、被敷於火花塞電極從而形成其點火表面的點火尖端或點火墊的形式。目前用於火 花塞電極的貴金屬增強的火花表面的材料主要是高鉬或高銥合金(重量一般大於90% )。 其例子包括純銥和純鉬，以及一些鉬和銥合金，包括具有如下重量百分比組成的鉬和銥 合金具有至多10%的Ni的Pt，具有至多4%的W的Pt，具有至多20%的Ir的Pt，以 及可包括W或&之一或兩者作為合金組分的具有至多10%的Rh的Ir。這些材料一般 具有高昂的材料成本或高昂的材料處理成本或兩者皆備。此外，這些材料的成本持續浮 動，這就使得若不把浮動成本考慮進去，就難以設計和規定該成本，其本身也涉及額外 成本。因此，需要鑑別出可用作火花塞電極的點火表面的其他合金材料。

發明內容
概括地，本發明提供替代的中心電極和接地電極點火尖端材料，以相對目前材 料在實質減小的材料和處理成本下提供相似或增強的性能。當本發明材料的組分的市場 價格(考慮到各組分的相對含量)低於目前材料的組分的市場價格(考慮到各組分的相 對含量)時，本發明的材料可替代目前的材料。主要的性能準則是抗電蝕性；對由氧 化、硫化和其他燃燒組分或反應產物所致的高溫腐蝕的抵抗力；變為線、墊、球、鉚釘 和用於電極或點火尖端的其他形狀的可成型性；以及焊接至基電極材料(包括鎳基和鐵 基電極合金)的可焊接性。一方面，火花點火裝置的電極可包括一種合金組合物，該合金組合物以重量百 分比計，基本包括15-45%的Ni和實質為Pt的餘量，更特別地，可包括一種合金組合 物，該合金組合物以重量百分比計，基本包括30%的Ni和實質為Pt的餘量。另一方面，火花點火裝置的電極可包括一種合金組合物，該合金組合物以重量 百分比計，基本包括5-35%的W和實質為Pd的餘量，更特別地，可包括一種合金組合 物，該合金組合物以重量百分比計，基本包括20%的W和實質為Pd的餘量。再一方面，火花點火裝置的具有所述組合物的電極還可包括選自由釔、鉿、 鑭、鈰、鋯、鉭和釹組成的組的至少一種活性元素，更特別地，可包括一種合金組合物，該合金組合物以重量百分比計，包括約0.01-0.2%的活性元素，特別是約0.1-0.2% 的活性元素。該活性元素還可包括任意組合的多種所述活性元素。再一方面，本發明包括具有由所述合金組合物製成的電極的火花塞，該火花塞 具有一大致環狀的陶瓷絕緣體；圍繞該陶瓷絕緣體的至少一部分的一導電外殼；布置 在該陶瓷絕緣體內、具有接線端和帶有中心電極點火表面的點火端的一中心電極；操作 地附著至該外殼、具有與中心電極點火表面相鄰的接地電極點火表面的一接地電極，該 中心電極點火表面和接地電極點火表面在其之間確定一火花間隙；其中，該中心電極點 火表面或接地電極點火表面中的至少一個包括本發明的合金。從對一個優選實施例的詳細說明，本發明的這些和其他特點和優點對於本領域 技術人員將變得更為明白。下面描述伴隨該詳細說明的附圖。


結合下面的詳細說明和附圖，本發明的這些和其他特點和優點將得以更好地理 解，其中相似的數字在這幾個視圖中用來表示相似的元件圖1是一個典型的火花塞的部分剖視圖，該火花塞包括具有高溫點火尖端的接 地電極和中心電極，該點火尖端包括根據本發明的合金；圖2是圖1的區域2的剖視圖；圖3是圖1的區域3的剖視圖，示出了圖1所示的接地電極和中心電極配置的具 有導熱芯的替代配置；圖4是對本發明的合金和幾個對比例作加速壽命測試之後的間隙增長率圖；圖5是對本發明的合金和幾個對比例作加速壽命測試之後的放大的間隙增長率 圖；圖6是Pt-Ni 二元相圖的複製圖和存在於其中的某代表性相的圖；圖7A是已製造狀態下的本發明的Pt_30Ni合金的鉚釘照片；圖7B是300小時的加速壽命測試之後的本發明的Pt_30Ni合金的鉚釘照片；圖7C是已製造狀態下的本發明的Pt-IONi合金的鉚釘照片；圖7D是300小時的加速壽命測試之後的本發明的Pt-IONi合金的鉚釘照片；圖8是Pt-IONi的作為測試周數/小時數的函數的火花間隙增長圖；圖9是經Pt-IONi的成本歸一化的幾個現有技術合金和純貴金屬的成本圖；圖10是經Pt-IONi的成本歸一化的本發明的合金和幾個對比例合金的成本圖。
具體實施例方式參考圖1-3，示出了用於引燃燃料/空氣混合物的一個代表性火花點火裝置。本 發明考慮的火花點火裝置包括——但不限於——各種配置的火花塞、電熱塞、火花點火 器及類似物，但特別適於用於各種火花塞電極配置。例如火花塞的點火裝置的電極對該 裝置的功能至關重要。在例如火花塞的火花點火裝置中，用於電極的合金被暴露於該裝 置所經受的極端的溫度、壓強、化學腐蝕和物理磨蝕條件下。這些包括電極合金暴露於 與燃燒過程有關的眾多高溫化學反應物，這些反應物促進氧化、硫化和其他腐蝕過程， 以及暴露於與火花內核和火焰前鋒有關的等離子體反應，這些等離子體反應促進電極的點火表面的磨蝕。電極還易受與循環暴露於極端溫度有關的熱機械應力的影響，特別是 以至於腐蝕過程在電極表面上形成具有與該電極合金不同的物理和機械屬性(例如熱膨 脹係數)的腐蝕產物。此外，一旦貴金屬火花尖端作為點火表面被機械變形、焊接或以 其他方式附著至電極末端，存在與該貴金屬尖端和該電極材料的熱膨脹係數不匹配有關 的額外的循環熱機械應力，該應力會導致各種高溫蠕變變形、裂化和斷裂現象，從而引 起該貴金屬尖端和該電極的故障。所有這些說明了可降低電極性能的過程，特別是它 們會引起火花間隙的變化，進而引起火花 形成、位置、形狀、持續時間和其他特徵的變 化，這反過來影響燃料/空氣混合物的燃燒特徵和發動機的性能特徵。本發明考慮的點火裝置包括具有點火表面或點火尖端的電極，該點火表面或點 火尖端由具有相比於現有已知點火尖端材料對上述劣化問題可比的且在一些情況下改進 的抵抗力的合金製成，現有已知點火尖端材料例如純銥和純鉬，以及一些鉬和銥合金， 包括具有如下重量百分比組成的鉬和銥合金具有至多10%的Ni的Pt，具有至多4%的 W的Pt，具有至多20%的Ir的Pt，以及可包括W或Zr之一或兩者作為合金組分的具有 至多10%的Rh的Ir。仍然參考圖1-3，一個代表性的火花塞裝置10包括一環狀陶瓷絕緣體，總體示 於12，該絕緣體可由氧化鋁或適於用作火花塞絕緣體、具有適當的介電強度、高機械強 度、高熱導率和優良的耐熱衝擊性的其他電絕緣材料製成，這對火花塞製造領域的普通 技術人員是熟知的。絕緣體12可壓模自生坯狀態的陶瓷粉末，然後在足以使該陶瓷粉末緻密化和玻 璃化的高溫下被燒結。絕緣體12具有一外表面，該外表面可包括一個部分暴露的上部杆 部14，橡膠或其他絕緣火花塞套(圖未示)圍繞並緊握其上，以將該火花塞的接線端20 與點火線和系統(圖未示)的電連接電隔離。該暴露的杆部14可包括一系列肋16或其 他表面拋光或零件，以提供對抗火花或二次電壓放電的額外保護，並改進杆部與火花塞 套的緊握作用。絕緣體12具有大致管狀或環狀的構造，包括在上部接線端20與下部芯 孔端22之間縱向延伸的中心通道18。該中心通道18總體上具有變化的剖面面積，大致 在或鄰近接線端20處最大，在或鄰近芯孔端22處最小。一導電金屬外殼總體示於24。金屬外殼24可由任何適合的金屬製成，包括各 種塗敷和未塗敷的鋼合金(包括具有鎳基合金塗層的鋼合金)。外殼24具有大致環狀的 內表面，該內表面圍繞絕緣體12的中部和下部的外表面，並適於與該外表面密封接合， 外殼24包括至少一個附著的、保持在地電位的接地電極26。儘管接地電極26被描繪為 具有通常採用的單一的L形風格，應當理解，根據火花塞10的預期應用，可以用直的、 彎的、環狀的、擺線的及其他形狀的多種接地電極替代，包括兩個、三個和四個電極形 狀，電極由環狀環連接在一起的電極形狀，以及用來獲得特別的點火表面形狀的其他結 構。接地電極26在點火端17具有一個或多個接地電極點火表面15，該點火端17鄰近並 部分地界定位於接地電極26與中心電極48之間的火花間隙54，中心電極48也具有一個 相關的中心電極點火表面51。根據電極、它們的相應點火端和點火表面的相對朝向，火 花間隙54可形成端間隙，側間隙或表面間隙，或者它們的組合。接地電極點火表面15 和中心電極點火表面51可各具有任何適合的剖面形狀，包括圓形、矩形、正方形和其他 形狀，並且這些形狀對於相應的點火表面可以是不同的。
外殼24在其主體部為大致管狀或環狀，並包括一個內部下部補強凸緣 28 (compression flange)，該下部補強凸緣28適於與絕緣體12的小的配合的下部肩部11受 壓地接觸。外殼24 —般還包括一個上部補強凸緣30，該上部補強凸緣30是在裝配操作 期間被卷邊或成形，以壓在絕緣體12的大的上部肩部13上。外殼也可包括一可變形區 32，該可變形區32被設計並調整為響應於可變形區32的加熱以及在上部補強凸緣30的 變形期間或隨之之後相關地施加一壓倒性的軸向壓力而軸向且徑向向內塌縮，以將外殼 24相對絕緣體12保持在一個固定的軸向位置，並在絕緣體12與外殼24之間形成氣密徑 向密封。墊圈、粘結劑或其他密封化合物也可被置於絕緣體12與外殼24之間，以完善 氣密密封並改善裝配後的火花塞10的結構完整性。 為了在燃燒室開口中移除或安裝該火花塞，可為外殼24提供一個可施加工具的 六角體34或其他零件。該零件尺寸優選與用於有關應用的此類工業標準工具的尺寸一 致。當然，一些應用可能需要六角體以外的可施加工具的界面，例如施加開腳扳手的插 槽，或已知用於賽車火花塞或其他應用的其他零件。在金屬外殼24的下部形成一個帶螺 紋部36，緊鄰密封座38之下。密封座38可配以一墊圈(圖未示)，以提供火花塞10座 落其上的適合的界面，並提供在外殼24的外表面與燃燒室開口內的帶螺紋孔之間的空間 的熱氣密封。或者，密封座38可被設計為沿外殼24的下部布置的錐形座(圖未示)，以 提供緊容差和在汽缸蓋中的自密封安裝，該汽缸蓋也被設計為具有與這種火花塞座配合 的錐形。一導電的接線螺柱40被部分布置在絕緣體12的中心通道18內，並從暴露的頂 柱39縱向延伸至向下嵌入中心通道18 —段距離的底端41。頂柱連接至一點火線(圖未 示)，該點火線典型地如此處描述的那樣被嵌入一電絕緣套，並接收通過在火花間隙54 生成火花而點燃火花塞10所需的高壓電的定時釋放。接線螺柱40的底端41嵌入導電玻璃密封42之內，形成複合的三層抑制器-密 封組合件43的頂層。導電玻璃密封42用來密封接線螺柱40的底端，並將其電連接至電 阻層44。組成該三層抑制器-密封組合件的中心層的該電阻層44可由已知降低電磁幹擾 (EMI)的任何適合的組合物製成。根據採用的點火系統的推薦安裝和類型，此等電阻層 44可被設計為用作一個更傳統的電阻-抑制器，或者在替代例中，用作一個電感-抑制 器，或者它們的組合。緊鄰電阻層44之下，另一個導電玻璃密封46建立該抑制器-密 封組合件43的底層或下層，並將接線螺柱40和抑制器-密封組合件43電連接至中心電 極48。頂層42和底層46可由相同的或不同的導電材料製成。玻璃、其他密封和EMI 抑制器的許多其他配置是眾所周知的，並也可根據本發明被採用。因此，從點火系統而 來的電荷通過接線螺柱40的底端到達頂層導電玻璃密封42，通過電阻層44並進入下部導 電玻璃密封層46。導電中心電極48被部分布置於中心通道18內，並從中心電極的嵌於下部玻璃密 封層46之內的頭部49縱向延伸至中心電極的鄰近接地電極26的點火端50。中心電極 點火表面51位於點火端50上，並且與接地電極點火表面15相對，從而在它們之間的空 間形成火花間隙54。抑制器-密封組合件將接線螺柱40和中心電極48電互連，同時密 封中心通道18以免燃燒氣體洩漏，還抑制在火花塞10工作期間來自火花塞10的射頻噪 聲輻射。如圖所示，中心電極48優選為在其頭部與點火端50之間連續且不間斷地延伸的單件結構。容易理解，並且在本發明的範圍之內，在火花塞10的工作期間，中心電極 48的極性既可是正極，也可是負極，使得中心電極48具有高於或低於地電位的電位。這是火花塞10的一個代表性構造，但是容易理解，根據本發明，採用絕緣體12、外殼24和電極26、48的其他火花塞10或點火裝置構造也是可能的。根據本發明，中心電極48和接地電極26中的一個或兩個將在其相應的點火表 面51、15上結合如下文所描述的高溫貴金屬合金。這可通過以該貴金屬合金形成中心電 極48和接地電極26中的一個或兩個的整體而實現，或者，例如通過以一種適合的非貴金 屬形成電極的一部分，並結合在如上文描述的點火端上使用貴金屬點火尖端而實現。如 果電極之一或兩者包括非貴金屬部分，中心電極48和接地電極26中的一個或兩個可由 任何適合的導電的、非貴金屬材料製成，包括許多高熔點金屬，例如各種鎳基和鐵基合 金。這些例子包括各種稀釋鎳合金和鎳基超級合金，例如固溶強化的、包括鉻和鐵的鎳 基超級合金，其已被包含在用於金屬和合金的統一編號系統(the UnifiedNumbering System for Metals and Alloys, UNS)的規範 N06600 中，該規範包括冠以商標 Inconel 600 > Nicrofer 7615 和Ferrochronin 600 銷售的合金。上述電極合金材料組合物還可包括至少 一種活性元素作為合金添加劑，以改善高溫強度和耐氧化性。特別地，活性元素可包括 選自由釔、鉿、鑭、鈰、鋯、鉭和釹組成的組的至少一種元素。但是，活性元素合金添 加劑的任何組合均被考慮在本發明的範圍之內。該活性元素也可包括任意組合的多種活 性元素。更具體地，所有活性元素合金添加劑的組成範圍是合金重量的約0.01-0.2%，特 別是約0.1-0.2%。如圖3所示，在一個替代電極配置中，接地電極26和中心電極48之一或兩者 可分別具有由高導熱率材料製成的導熱芯27、49(例如銅或銀，或者它們之一的各種合 金)。高導熱芯用作熱沉並幫助將熱量從火花間隙54的區域帶走，從而在該區域降低電 極的工作溫度，並進一步改善它們的性能和對所述劣化過程的抵抗力。如圖1-3所示，根據本發明，火花塞10也可在接地電極26和中心電極48之一 或兩者的點火端上分別結合一個貴金屬點燃尖端或點火尖端62、52，其由高溫貴金屬合 金材料製成，該材料具有改進的火花性能或對所述劣化過程的抵抗力，或兩者兼備。中 心電極48的點燃尖端52位於該電極的點火端50上，並具有點火表面51。接地電極26 的點燃尖端62位於該電極的點火端17上，並具有點火表面15。點燃尖端52、62包括 用於跨越火花間隙54發射電子的相應的點火表面51、15。用於中心電極48的點燃尖端 52和用於接地電極26的點燃尖端62可根據一些已知技術中的任何一個製造、連接，包括 通過電阻焊、雷射焊或其各種結合成形並附著(或相反)各種墊狀、線狀或鉚釘狀點燃尖 端。點燃尖端52、62可具有任何適合的尺寸和剖面形狀或三維形式，包括各種圓柱體、 正方形或矩形條、部分球體、半球體、圓錐體、角錐和其他形式。貴金屬點燃尖端52、 62還可包括複合或多層結構，該結構包括非貴金屬部分，例如可分別附著至中心電極48 或接地電極26，以及貴金屬部分，該貴金屬部分包括相應的點火表面51、15。根據本發明，中心電極48或接地電極26之一或兩者，或者它們相應的點燃尖 端52、62，可由根據本發明的各種貴金屬合金製成。相比於目前使用的貴金屬合金，本 發明的貴金屬合金一般採用更高濃度的較低成本的材料，例如鎳和鈀，而不損害性能， 並且在一些情況下帶來性能的改進。這是本發明的合金的一個優勢方面。取決於市場條件，由於結合了使用的組分元素的量、組分材料成本以及更低的材料處理成本，可以以 更低的總成本獲得本發明的材料。本發明的合金具有進一步的優勢，即這些合金可適於 用於與所述性能準則有關的生產中，然後當市場條件使得替代目前的貴金屬電極材料較 有利時，就替代之。這些合金包括一些鉬基和鈀基合金，這些元素在其中是主要組分。 特別有效的是，將業已商業化的本發明的合金使用於其他產業和其他應用，例如醫療器 械、集成電路和珠寶的互連和金屬化層，因為這些合金被足量製造，以便容易獲得並易 於進行總額折扣和其他商業互利，而不需要與低量或專用有關的布置費(set-up)和其他 收費。 本發明的合金組合物的一個例子是一種鉬基合金，以重量百分比計，基本包括 15-45%的Ni和實質為Pt的餘量，更特別地，一種鉬基合金，基本包括30%的Ni和實質 為Pt的餘量。「實質」意味著餘量基本為Pt，但也可包括痕量的其他元素。這些痕量 元素可為附帶的雜質元素。典型地，附帶的雜質與製造貴金屬合金組分材料的工藝或形 成該貴金屬合金的工藝有關。但是，如果其他電極組分的純度和製造工藝是受控的，這 些痕量元素不一定會附帶，並且它們的存在或不存在以及相對含量可以受到控制。該合 金被用於兩個點火尖端，並被連接——例如通過焊接——至各相應的電極，而不使用中 間的、含貴金屬的粘合層。換言之，由這一合金製成的尖端被直接連接至基電極，而不 需要貴金屬合金材料的任何介入層。該合金還基本無銥。本發明的合金組合物的第二個例子是一種鉬基合金，以重量百分比計，基本包 括20-45%的Pd、2-18%的Ir、少於5%的W和實質為Pt的餘量，其中Pt的量大於50%。 更特別地，本發明包括一種鉬基合金，以重量百分比計，具有25%的Pd、15%的Ir、2% 的W和實質為Pt的餘量。本發明的合金組合物的第三個例子是一種鈀基合金，以重量百分比計，基本包 括5-35%的W和實質為Pd的餘量。更特別地，本發明包括一種鈀基合金，以重量百分 比計，基本包括20%的W和實質為Pd的餘量。本發明的合金組合物的第四個例子是一種鈀基合金，以重量百分比計，基本包 括5-15%的Ni、5-15%的Pt、少於10%的Ir和實質為Pd的餘量。更特別地，本發明包 括一種鈀基合金，以重量百分比計，基本包括10%的Ni、10%的Pt、5%的Ir和實質為 Pd的餘量。點燃尖端52、62也可由在上面的例子中描述的合金製成。在用於點燃尖端52、 62的本發明的合金中使用的額外的合金元素可包括活性元素，該活性元素包括釔、鉿、 鑭、鈰、鋯、鉭和釹。若使用，這些活性元素一般以約0.01-0.2%的量(重量)添加，更 特別地，約0.1-0.2% (重量)。一般地，使用更高濃度的較低成本材料(包括鎳和鈀)而不損害性能並在一些情 況下帶來性能的改進，這是本發明的合金的一個優勢方面。取決於市場條件，由於結合 了使用的組分元素的量、組分材料成本以及更低的材料處理成本，可以以更低的總成本 獲得本發明的材料。例如，以下事實可降低處理成本，即本方面的貴金屬合金可被用來 通過冷成型形成有頭鉚釘或類似形狀，相比於冷成型，典型地採用熱頂鍛、磨光或電極 放電加工(EDM)來形成其他貴金屬合金，特別是許多銥合金。此外，本發明的合金典 型地具有比許多銥合金或高鉬量合金更低的熔解溫度。進一步地，當本發明的合金被牽拉為具有用作中心電極或接地電極、或其點燃尖端的足夠尺寸的線、杆、條或其他坯料 時，一般需要更少的退火周數。更進一步地，由於相比於需要鑽石切割的許多銥合金， 本發明的合金具有增強的延展性，它們一般可被剪切。本發明的合金具有進一步的優 勢，即它們可適於用於與所述性能準則有關的生產中，然後當市場條件使得替代目前的 貴金屬電極材料較有利時，就替代之。例子 相比於幾個目前的點火尖端合金，本發明的幾個示範性合金材料被作為點火表 面評估，並且發現，它們具有至少實質相似、在一些情況下更好的如下性能，抗電蝕 性、對由氧化、硫化和其他燃燒組分或反應產物所致的高溫腐蝕的抵抗力，以在加速壽 命測試中作為時間的函數的火花間隙的間隙增長和間隙增長率衡量。它們還表現出實質 相似的變為線、墊、球、鉚釘和用於電極或點火尖端的其他形狀的可成型性，焊接至基 電極材料(包括鎳基和鐵基電極合金)的可焊接性，以及其他因子，使得它們可容易地被 製造和結合為點火尖端，作為目前貴金屬點火尖端材料的替代。進行的加速壽命測試和 對比例的結果提供如下。進行加速壽命測試時，採用了具有等同配置的火花塞，包括點火尖端，採用了 此處描述的本發明的不同的點火合金組合物，以及被包括作為對比例的幾個目前的合金 組合物。這些火花塞具有相同的總體配置，包括外殼、絕緣體、接線螺柱、玻璃密封、 中心電極和接地電極。中心電極和接地電極包括導熱銅合金芯，如圖3所示。每一情況 中的接地電極包括通過電阻焊接附著的1.2mm直徑、0.2mm厚的Pt-IONi(重量百分比) 墊。被測的具有各種點火尖端合金的中心電極包括0.7mm有頭鉚釘形式的點火尖端，如 圖7A-7D所示，該點火尖端通過電阻焊接被附著，以獲得對於各被測合金材料實質相似 的焊點。火花間隙為1.25mm，中心電極點火尖端被實質軸向居中於接地電極墊的中心之 上。本發明的點火尖端合金是Pt_30Ni和Pt_20W，以重量百分比計。此外，還測試了 幾個目前的點火尖端合金以作對比，包括Pt-10Ni、Ir-2Rh-0.3W_0.02Zr和Ni_20Cr，以 重量百分比計。M-20Q 合金不是貴金屬合金，並且由於對於通常使用的商業火花塞電極 合金組合物是有代表性的，因而被包括進來。已知Ni-20Cr合金的火花間隙增長性能非 常類似於其他一些通常使用的電極合金，包括各種Ni-Cr-Fe合金，例如UNS N06600 (冠 以商品名Inconel 600而被知曉)，純鎳和不包括貴金屬合金組分的許多鎳基合金，例如 一些稀釋鎳合金，例如Ni-Cr-Mn和Ni-Al-Si-Y合金。稀釋鎳合金是高鎳合金，具有 一般佔合金重量大於90%的鎳含量，伴有少量的合金元素，例如矽、鋁、釔、鉻、鈦、 鈷、鎢、鉬、鈮、釩、銅、鈣、錳及類似物，以改進相對純鎳的高溫特性，包括對高溫 氧化、硫化和相關的腐蝕磨損，以及與這些裝置的運行所導致的循環熱機械應力有關的 變形、裂化和斷裂的增強的抵抗力。包含了由各所述點火尖端合金製成的點火尖端的一些火花塞在等同的6缸3.3升 V-6汽車發動機中接受加速磨損測試。該發動機經歷一小時的時間表，在這時間表中， 該發動機在從空轉到峰值扭矩和峰值功率、再返回空轉之間反覆循環。該一小時時間表 反覆總計500小時，以實現加速壽命測試。該500小時測試先前已經被表明和發動機在 典型的駕駛/運行條件下運行約100,000英裡相關。一般地，間隙的尺寸在暴露於運行環境後增大。間隙增長率具有巨大的商業重要性，因為特定點火尖端合金的間隙增長率間接涉及火花塞的可使用壽命(即，具有更高增長率的那些合金具有更短的工作壽命)。 如果必須獲得一個特定的工作壽命(例如100,000英裡)，可致力於最大允許的間隙增長 率。通過此處所描述的加速壽命測試，可確定對於特定合金的間隙增長率。在這些加速磨損測試中，測試發動機如所描述的那樣被循環，以獲得在約 400-800°C之間的發動機/火花塞工作溫度下的變化性。由於這些合金和相關電極材料 的熱膨脹係數之間的不匹配，這一熱循環在火花塞——特別是點火尖端中引入了循環熱 應力。此外，由工作溫度的變化所致的尺寸變化、熱膨脹係數不匹配和發動機的速度變 化，以及點火系統的電壓輸出，也會因為點火系統工作電壓發生的變化和火花間隙的尺 寸變化而引起電應力變化。一般地，通過在約5-30kV之間改變點火電壓，測試將變化 性引入電應力，特別是與點火電壓有關的變化性。火花間隙的變化在100小時間隔處測 量。間隙信息轉換為間隙增長和間隙增長率。本發明的點火尖端合金和對比合金的間隙 增長率示於圖4和5。圖7A和7B是本發明的Pt_30Ni合金在已製造狀態下(圖7A)和 在300小時的加速壽命測試之後(圖7B)的照片。為了對比起見，圖7C和7D是Pt-IONi 合金在已製造狀態下(圖7C)和在300小時的加速壽命測試之後(圖7D)的照片。如圖4和5所示，本發明的所有合金均展現了與貴金屬對比例(即Pt-10Ni、 Ir-2Rh-0.3W-0.02Zr)實質相似的間隙增長率。關於「實質相似」，參考非貴金屬對比 例Ni-20Cr (圖4)。換言之，本發明的貴金屬合金與對比例貴金屬合金之間的最大區別 是Pd_20W具有的間隙增長率約為Ir-2Rh-0.3W_0.02Zr的197%、Pt-IONi的僅108%。 甚至該197%的更大的增長率也是一個改進，並且在Ir-2Rh-0.3W_0.02Zr與Ni_20Cr的增 長率性能之間(其中該增長率約大2174% )、以及Pt-IONi與Ni-20Cr的增長率性能之間 (其中該增長率約大1178%)的對比的背景下是實質相似的。進一步地，除了 Pt_20W之 外的所有合金相比於Pt-IONi合金具有更好的性能，而且Pt_20W的增長率僅為Pt-IONi 合金的約110%。因而，確信本發明的所有合金相對於Pt-10Ni、Ir-2Rh-0.3W_0.02Zr和 其他已知Pt和Ir合金具有商業的有用改進，因為它們以實質更低的成本提供實質相似的 間隙增長率性能，如圖9和10所示。也如圖4和5所示，還測試了一種Pd-Re合金Pd_14Re，但它未像本發明的合 金那樣展現可接受的性能，因為它未展現與Pt-IONi實質相似的間隙增長和間隙增長率性 能。Pt_30Ni的性能需要特別注意。該合金的間隙增長率低於Pt-IONi合金。由於 伴隨著與增大量的鎳有關的鉬的漸進稀釋，看上去沒有穩定增大的間隙增長率(線性的 或其他的)，鑑於獲得的Ni-20Cr的數據(如上所指出的，該數據已知類似於其他非貴 金屬火花塞電極合金，包括鎳基合金，例如此處指出的那些)，這是預想不到的，因為 Pt-30Ni的性能實際上優於Pt-10Ni。Pt_30Ni形成了在約400-500°C之間的均勢NiPt相， 在約500-6000C之間的均勢NiPt相和Ni3Pt相的混合物，以及高於約600°C時的Ni和Pt的 固溶體(見圖6)。Pt_30Ni的基礎間隙和間隙增長數據示於圖8和9。參考圖6，NHPt 相圖表明該Pt_30Ni合金的鎳和鉬在400-800°C的工作溫度範圍的上端(即在約600-800°C 之間)作為固溶體存在，這一事實暗示對於更高濃度的Ni (也許50%的Ni或更多)，也 可能取得相似的間隙增長率性能，因為Pt和Ni在整個工作溫度範圍，在約65%的Ni以上，具有完全的固溶性，在約525-800°C的部分工作範圍，在約30-65%的Ni之間，具有 完全的固溶性。 上述發明根據相關法律標準 描述，因此本說明書本質上是示例性的而非限制性 的。對本領域技術人員來說，對所披露的實施例作變型和修正可能變得顯而易見，並落 入本發明的範圍。因此，本發明所擔負的法律保護範圍僅可通過研究所附權利要求書而
得以確定。
權利要求
1.一種火花點火裝置，具有由非貴金屬基合金製造的一中心電極和一接地電極，且 各電極包括連接至相應的電極的一貴金屬基點燃尖端，以提供所述點燃尖端的相應的點 火表面，所述點火表面在所述點火表面之間的空間確定一火花間隙，所述點燃尖端由以 重量百分比計包括至少15%的Ni和實質為Pt的餘量的合金製造，所述點燃尖端被直接連 接至所述中心電極和接地電極，而不使用中間的、含貴金屬的粘合材料，且基本無銥。
2.如權利要求1所述的火花點火裝置，其特徵在於，所述合金以重量百分比計包括 15-45%的Ni和實質為Pt的餘量。
3.如權利要求1所述的火花點火裝置，其特徵在於，所述合金以重量百分比計包括 30%的Ni和實質為Pt的餘量。
4.如權利要求1所述的火花點火裝置，其特徵在於，所述合金進一步包括選自由釔、 鉿、鑭、鈰、鋯、鉭和釹組成的組的至少一種活性元素。
5.如權利要求4所述的火花點火裝置，其特徵在於，所述活性元素以佔重量 0.01-0.2%的量存在。
6.—種火花點火裝置，具有一中心電極和一接地電極，且各電極包括連接至相應的 電極的一貴金屬基點燃尖端，以提供所述點燃尖端的相應的點火表面，所述點火表面在 所述點火表面之間的空間確定一火花間隙，所述點燃尖端由以重量百分比計包括20-45% 的Pd、2-18%的Ir、少於5%的W和實質為Pt的餘量的合金製造，所述Pt的量大於 50%。
7.如權利要求6所述的火花點火裝置，其特徵在於，所述合金以重量百分比計包括 25%的Pd、15%的Ir、2%的W和實質為Pt的餘量。
8.如權利要求6所述的火花點火裝置，其特徵在於，所述合金進一步包括選自由釔、 鉿、鑭、鈰、鋯、鉭和釹組成的組的至少一種活性元素。
9.如權利要求8所述的火花點火裝置，其特徵在於，所述活性元素以佔重量 0.01-0.2%的量存在。
10.—種火花點火裝置，具有一中心電極和一接地電極，且各電極包括連接至相應的 電極的一貴金屬基點燃尖端，以提供所述點燃尖端的相應的點火表面，所述點火表面在 所述點火表面之間的空間確定一火花間隙，所述點燃尖端由以重量百分比計包括5-35% 的W和實質為Pd的餘量的合金製成，且實質無Ir。
11.如權利要求10所述的火花點火裝置，其特徵在於，所述合金以重量百分比計包括 20%的W和實質為Pd的餘量。
12.如權利要求10所述的火花點火裝置，其特徵在於，所述合金進一步包括選自由 釔、鉿、鑭、鈰和釹組成的組的至少一種活性元素。
13.如權利要求12所述的火花點火裝置，其特徵在於，所述活性元素以佔重量 0.01-0.2%的量存在。
14.一種火花點火裝置，具有一中心電極和一接地電極，且各電極包括連接至相應的 電極的一貴金屬基點燃尖端，以提供所述點燃尖端的相應的點火表面，所述點火表面在 所述點火表面之間的空間確定一火花間隙，所述點燃尖端由以重量百分比計包括5-15% 的Ni、5-15%的Pt、少於10%的Ir和實質為Pd的餘量的合金製成。
15.如權利要求14所述的火花點火裝置，其特徵在於，所述合金以重量百分比計包括10%的Ni、10%的Pt、5%的Ir和實質為Pd的餘量。
16.如權利要求14所述的火花點火裝置，其特徵在於，所述合金進一步包括選自由 釔、鉿、鑭、鈰和釹組成的組的至少一種活性元素。
17.如權利要求16所述的火花點火裝置，其特徵在於，所述活性元素以佔重量 0.01-0.2%的量存在。
全文摘要
一種用於包括火花塞在內的火花點火裝置的電極，包括一種合金，該合金以重量百分比計包含至少15％的Ni和實質為Pt的餘量，更特別地，15-45％的Ni和實質為Pt的餘量；5-35％的W和實質為Pd的餘量；5-15％的Ni、5-15％的Pt、少於10％的Ir和實質為Pd的餘量。
文檔編號H01T13/20GK102027649SQ200980116588
公開日2011年4月20日 申請日期2009年3月6日 優先權日2008年3月7日
發明者詹姆斯·D·呂科瓦基 申請人:費德羅-莫格爾點火公司