一种NiAlIr合金的制备方法与流程

本发明涉及汽车火花塞领域，具体说，是涉及一种合金的制备方法，尤其是一种具有良好的热性能、电性能和耐腐蚀性能的NiAlIr合金的制备方法。

背景技术：

汽油发动机上都有火花塞，一缸一个，个别的高速汽油发动机每缸还装有2个火花塞。火花塞虽小，但它却影响着发动机的起动能力、油耗量和废气排放水平。

火花塞的作用是把点火线圈产生的高压电(1万伏以上)引入发动机气缸，在火花塞电极的间隙之间产生火花点燃空气-燃油混合气。其中，作为放电部件的火花塞电极工作环境极为恶劣。例如，在进气冲程时温度为60～90℃，压力约98Kpa；而在点火燃烧时，温度会瞬间上升至2000～3000℃，压力达到3920～6860Kpa。此外，汽油蒸汽和燃烧气体以及汽油和润滑油的腐蚀性残渣对火花塞电极的表面都具有化学腐蚀性。因此，为了保证发动机的正常工作，火花塞电极材料必须具有良好的热性能、电性能和耐腐蚀性能。

目前，火花塞电极用材料有镍基高温合金，也有用贵金属制作火花塞的，比如用银、铂金、铱金等。其中，铂金、铱金火花塞具有二大优点而成为高品质火花塞电极的材料。

1、点火可靠性高

一般火花塞的中心电极直径为2.5mm，而贵金属铂、铱火花塞的中心电极发火端直径最小可为0.80mm。这样加热中心电极所耗热量少，消焰作用(火花生成的焰核的热量被温度较低的电极所吸收，焰核向周围扩散的作用)变小，火焰核易于扩散。因此，在同样的低点火电流强度的条件下，气缸内的可燃混合气能够得到更多一些的点火能量，混合气燃烧得更加充分，降低废气排放。另外，根据尖端放电的原理，电极尖更容易积聚较多的电能，电火花更容易跳过两极之间的间隙。这使得在冷机至正常工作转速运转时，有着良好的点火性能。

2、优良的耐久性

火花塞寿命往往用电极的消耗来衡量。火花塞的寿命定义为“直到电极不能跳正常的火花为止”，可见电极的消耗对火花塞寿命的影响之大。电极的消耗是由烧蚀(由电点火引起的烧损)和腐蚀(化学、热学作用)而引起的。实际测试表明，温度到580℃以上电极就开 始腐蚀。而且随温度上升腐蚀相应地增加。到890～1000℃附近就开始氧化。如果产生侵(烧)蚀，电极的棱角就变成弧状，电极间隙变大，这样就会提高电极间跳火所必须的放电电压。一般随着发动机的运行或汽车行驶距离的增加，电极间隙所必须的放电电压也在不断地上升，会越来越接近点火线圈所提供的电压极限，于是点火越来越困难，最终发生断火。火花塞的使用寿命也就终结于此。铂金、铱金的熔点高(铂金熔化温度为1769℃，铱金熔化温度可达到2447℃)，且铂金、铱金电极耐氧化性及耐烧蚀性良好，能较好的承受燃气和残渣的化学腐蚀，并能长时间保持原始的火花间隙，从而延长火花塞的使用寿命。

相比铂金，铱金具有更高的硬度和熔点，且电阻更低等特点，高硬度和熔点意味着可以将电极做的非常细，产生更集中，能量更强，路线更稳定的火花，提高混合气燃烧效率和燃烧速度。另外，铱金的价格低于铂金价格，有利于降低火花塞的价格，提高产品的竞争力。故铱金相对于铂金来说，更适合作为生产火花塞的原料。

目前，铱合金作为火花塞电极材料主要存在成本高的问题，铱作为白金族合金元素，市场价格高，的铱合金的价格可达2.4～3.0元/g，使得火花塞的成本无法降低。因此，既充分发挥铱合金硬度、熔点高，电阻低的特性，又减少铱合金的用量，对火花塞的发展具有重大的意义。

由于金属间化合物NiAl具有熔点高、密度低、导热和导电性能好、抗氧化和耐腐蚀性能优异等特性，是极具潜力的高温结构材料。故目前NiAl作为涂层材料广泛应用于各种高温结构部件。相对于现有的铱合金或铂合金制作的火花塞电极片，可以使用上述金属间化合物NiAl替代一定量的贵金属，结合金属间化合物NiAl与铱金的优点制备的火花塞电极材料既具有良好的热性能、电性能和耐腐蚀性能，可大幅度降低制作高级火花塞的成本。但由于NiAlIr合金由B2型晶体结构的NiAl相和IrAl相组成，这种晶体结构的NiAlIr合金呈现非常严重的脆性，导致其很难通过塑性加工制成φ1mm左右的金属丝，故目前还无法推广应用。因此，如何制备成φ1mm左右的NiAlIr合金丝是制备高等级火花塞的技术难题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种NiAlIr合金的制备方法，生产出的NiAlIr合金的最小直径可达0.8mm，以满足现有技术对火花塞在不影响其质量的情况下生产成本更低的需求。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种NiAlIr合金的制备方法，是在真空下对原材料熔炼后进行压力铸造得到得到镍铝 铱合金的方法，以得到φ1mm左右的NiAlIr合金。

优选地，所述NiAlIr合金中各组分(原子百分比)为镍10～20％，铱30～40％，以及余量的铝。

优选地，上述方法包括如下步骤：

步骤a)取高纯铝、高纯镍和高纯铱置于真空下；

步骤b)加热金属获得合金液；

步骤c)将步骤b所得合金液进行压力铸造。

优选地，真空下进行压力铸造可采用现有技术中任一真空压力铸造设备，如真空电弧炉，在此不做赘述。

优选地，上述方法在步骤a之前还可包括一步骤a0：制备模具，置于真空压力铸造设备中。

更优选地，步骤a0的具体操作为：制备石墨型模具作为NiAlIr合金的成型模具，将石墨型模具装配在真空电弧炉中的负压吸铸系统中。

进一步，为了匹配现有技术中高级火花塞对电极片材质的要求，石墨型模具模腔直径为0.8～1.5mm、长度为5～10mm，即为0.8～1.5mm×5～10mm。

优选地，步骤a的具体操作为：将真空电弧炉开机，将高纯铝、高纯镍和高纯铱放入真空电弧炉的坩埚中。

优选地，步骤b的具体操作为：在真空电弧炉内抽真空，冲入氩气，通电引弧加热，至金属熔融，保温时进行磁力搅拌，换言之，为了使金属液成分均匀，应当在保温过程中进行磁力搅拌。

更优选地，步骤b中抽真空至真空度为1.0～1.5×10^-3MPa。

更优选地，步骤b中冲入氩气至真空度为0.7～0.85MPa。

更优选地，步骤b中加热至温度为2500～2700℃，优选为2550～2600℃。

更优选地，步骤b中保温0～5min，优选为0.5～1min。

更优选地，步骤b中磁力搅拌输出电流为20～30A。

作为一种优选实施方案，为了保证真空电弧炉内的反应顺利进行，步骤b中在真空电弧炉内通电之前，可将抽真空并冲入氩气进行两次，即在第一次抽真空并冲入氩气后，再次进行抽真空并冲入氩气，此后再进行通电以熔化金属，从而进一步减少炉内的残留空气。

优选地，步骤c的具体操作为：打开内浇道后，将步骤b所得合金液在压力下吸铸进石墨型模具中，凝固。

更优选地，步骤c中压力为0.5～1MPa，优选为0.7～0.85MPa。

本发明提供的NiAlIr合金的制备方法，是按NiAlIr合金的设计尺寸制备石墨型模具作为NiAlIr合金的成型模具，将石墨型模具装配在真空电弧炉中的负压吸铸系统中；抽真空后充入氩气达到一定压力，熔炼金属液后进行磁力搅拌，打开内浇道后金属液在压力下注入石墨型模具中，待金属液凝固后取下石墨型模具，得到所需尺寸和形状的NiAlIr合金丝。与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1、本发明提供的NiAlIr合金的制备方法，采用压力铸造，可使制备的NiAlIr合金丝达到φ＝0.8～1.5mm×5～10mm，满足多种火花塞电极的需要。

2、本发明提供的NiAlIr合金的制备方法，采用压力铸造，使得NiAlIr合金的表面质量好、内部致密。

3、本发明提供的NiAlIr合金的制备方法，可制备出使用Ni Al替代火花塞电极片材料中(质量百分比)30％左右的铱金的NiAlIr合金丝，制作出的火花塞在不影响其性能的情况下极大的降低了成本。

综上，本发明提供的NiAlIr合金的制备方法，制备出的NiAlIr合金完全由B2晶体结构的NiAl相和IrAl相组成，组织分布均匀，且制备所得NiAlIr合金丝最小直径可达0.8mm，解决了现有技术中无法制备可用于火花塞的电极片所用NiAlIr合金材料的难题。

附图说明

图1为采用本发明制备的NiAlIr合金的SEM组织形貌图；

图2为采用本发明制备的NiAlIr合金的X衍射图谱。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细、完整地说明。实施例中出现的试剂或仪器在具体实施方式中无如特殊说明，均为市售，且按照其说明书进行操作，在此不作赘述。

一、实验材料

高纯Ni，原子百分比>99.9％；

高纯Al，原子百分比>99.9％；

高纯Ir，原子百分比>99.9％；

纯氩气，纯度>99.9％。

二、实验仪器

真空电弧炉，真空度为0～1.0×10^-3MPa，购自沈阳好智多新材料制备技术有限公司。

实施例1

以制备组分含量(原子百分比)为镍20％，铝50％，铱30％的NiAlIr合金为例，包括以下步骤：

(1)装模具：将模腔直径为0.8mm、长度为5mm的石墨型模具装配在真空电弧炉中的负压吸铸系统中；

(2)装样品：将真空电弧炉开机，将名义成分为50Al-20Ni-30Ir的高纯Ni、Al和Ir(>99.9wt.％)放入真空电弧炉的坩埚中；

(3)抽真空：打开真空阀，抽真空至真空度为1.0×10^-3MPa，再将真空阀拧紧；

(4)充气：对真空电弧炉样品室冲入氩气至真空度为0.7MPa；

(5)重复步骤3至步骤4；

(6)真空电弧炉通电引弧熔化Ni、Al和Ir，持续加热至金属熔化后继续加热直至2550℃；

(7)对步骤6所得的液态金属进行，保温0.5min，同时进行磁力搅拌，磁力搅拌输出电流为20A；

(8)打开内浇道，液态金属在0.7MPa的压力下注入的石墨型模具中，同时，迅速降低电流，然后关闭电源，使合金凝固。

所得NiAlIr合金丝尺寸和形状准确。

对上述的NiAlIr合金丝进行组织和相分析，所得SEM组织形貌图和X衍射图谱见图1和图2，由图1和图2可知，所得NiAlIr合金丝完全由B2晶体结构的NiAl相和IrAl相组成，组织分布均匀。

实施例2

本实施例与实施例1的差别仅在于NiAlIr合金的组分(原子百分比)为镍10％，铝50％，铱40％，步骤3中抽真空度至1.5×10^-3MPa，吸铸成的NiAlIr合金丝，步骤6中加热温度为2600℃，步骤7中保温1min，磁力搅拌输出电流为30A，由于NiAlIr合金丝的直径和长度大，步骤8中充入氩气至真空度为0.85MPa，以增加合金丝的铸造压力。

本实施例制备的NiAlIr合金所得的组织和相分析与实施例1的结果存在一致性，在此不做赘述。

实施例3

本实施例与实施例1的差别仅在于NiAlIr合金的组分(原子百分比)为镍15％，铝50％，铱35％，步骤3中抽真空度至1.2×10^-3MPa，吸铸成的NiAlIr合金丝，步骤6中加热温度为2580℃，步骤7中保温0.8min，磁力搅拌输出电流为25A，由于合金丝的直径和长度居中，步骤8中充入氩气至真空度为0.80MPa。

本实施例制备的NiAlIr合金所得的组织和相分析与实施例1的结果存在一致性，在此不做赘述。

综上，采用本发明制备的NiAlIr合金丝成分均匀、微观结构致密，尺寸和形状规则，减小了火花塞电极片中贵金属铱的加入量，降低制作成本。

最后有必要在此说明的是：上面对本发明实施方式进行了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。