具有体积稳定的电极材料的火花塞的制作方法

专利名称：具有体积稳定的电极材料的火花塞的制作方法
技术领域：
本发明大体而言涉及火花塞，和用于内燃机的其它点燃装置，且特定而言涉及用于火花塞的电极材料。
背景技术：
火花塞能用于起始内燃机中的燃烧过程。火花塞通常在发动机气缸或燃烧腔室中通过产生横穿在两个或两个以上的电极之间限定的火花间隙的火花而点燃气体，诸如空气/燃料混合物。火花点燃气体造成负责发动机动力冲程的发动机气缸中的燃烧反应。高温、高电压，燃烧反应的快速重复和在燃烧气体中腐蚀性材料的存在能造成苛刻的环境，而火花塞必须在这样的环境中起作用。这种苛刻的环境会促进电极的侵蚀和腐蚀，而电极的侵蚀和腐蚀会随着时间不利地影响火花塞性能，可能导致不发火或某些其它不需要的状況。
举例而言，镍(Ni)和Ni基合金，包括镍-铁-铬合金，如在根据UNS N06600规定并以商标名称Inconel 600 >Nicrofer 7615 和Ferrochronin 600 销售的那些,被广泛地用作火花塞电极材料。但是，这些材料易于出现高温氧化和其它降解现象，其能导致电极的侵蚀和腐蚀，从而增加了在中心电极与接地电极之间的火花间隙。在电极之间增加的火花间隙可能最終引起火花塞的不发火。为了减轻火花塞电极的侵蚀和腐蚀，已经使用了各种类型的贵金属及其合金，诸如由钼和铱制成的那些。但这些材料较为昂贵。因此，火花塞制造商有时试图通过仅在电极的点火顶端或在火花在该处横穿火花间隙跳跃的火花部使用这样的材料来最小化电极所用的贵金属量。

发明内容
根据ー实施例，提供ー种火花塞，其可包括金属壳体，其具有轴向内孔；绝缘体，其具有轴向内孔且至少部分地安置于金属壳体的轴向内孔内；中心电极，其至少部分地安置于绝缘体的轴向内孔内；以及，接地电极，其附连到金属壳体的自由端。中心电极、接地电极或二者包括镍基体积稳定合金，包括镍(Ni)、招(Al)和预先成形的Ni3Al相。根据另ー实施例，提供ー种制造用于火花塞的中心电极或接地电极的方法，包括下步骤(a)提供Ni基合金，其包括镍(Ni)和铝(Al) ； (b)加热Ni基合金且使得Ni3Al相形成于Ni基合金中；以及(c)用Ni基合金形成中心电极或接地电极的至少一部分。在中心电极或接地电极暴露于内燃机的燃烧腔室的高温环境之前Ni3Al相形成于Ni基合金中。


将在下文中结合附图来描述本发明的优选示范性实施例，其中相同的附图标记相似元件且在附图中
图I为可使用下文所述的电极材料的示范性火花塞的截面 图2为自图I的示范性火花塞的点火端的放大视图，其中，中心电极具有呈单件铆钉形式的点火顶端且接地电极具有呈平垫形式的点火顶端；
图3为可使用下文所述的电极材料的另ー示范性火花塞的点火端的放大视图，其中，中心电极具有呈单件铆钉形式的点火顶端且接地电极具有呈圆柱形顶端形式的点火顶端;
图4为可使用下文所述的电极材料的另ー示范性火花塞的点火端的放大视图，其中，中心电极具有位于凹口中呈圆柱形顶端形式的点火顶端且接地电极无点火顶端；
图5为可使用下文所述的电极材料的另ー示范性火花塞的点火端的放大视图，其中，中心电极具有呈圆柱形顶端形式的点火顶端且接地电极具有从接地电极的轴向端延伸的呈圆柱形顶端形式的点火顶端；
图6为比较贵金属合金的侵蚀率与示范性体积稳定的合金的侵蚀率的条形 图7为分散于Ni基质中的Ni3Al沉淀物的示意表示，沉淀物具有球形区域；以及 图8为分散于Ni基质中的Ni3Al沉淀物的示意表示，沉淀物具有立方体形区域。
具体实施例方式本文所述的电极材料可用于火花塞中和其它点燃装置中，包括エ业塞，航空点燃器、电热塞或用于点燃发动机中的空气/燃料混合物的任何其它装置。这包括但明确地并不限于在附图中所示和在下文中所述的示范性火花塞。而且，应了解电极材料可用于点火顶端中，点火顶端附连到中心电极和/或接地电极或者电极材料可用于实际的中心电极和/或接地电极本身中，仅举出几种可能性。电极材料的其它实施例和应用也是可能的。參看图I和图2,示出了示范性火花塞10,其包括中心电极12、绝缘体14、金属壳体16和接地电极18。中心电极或基电极构件12安置于绝缘体14的轴向内孔内且包括点火顶端20,点火顶端20突伸超过绝缘体14的自由端22。点火顶端20为单件铆钉,其包括火花表面32且由耐侵蚀和/或耐腐蚀材料制成，类似于下文所述的电极材料。在此特定实施例中，单件铆钉具有台阶形状，其包括直径扩大的头部段和直径縮小的圆柱形杆部段。点火顶端20可焊接，结合或以其他方式牢固地附连到中心电极12上。绝缘体14安置于金属壳体16的轴向内孔内且由诸如陶瓷材料的材料构造成，其足以使得中心电极12与金属壳体16电绝缘。绝缘体14的自由端22可突伸超过金属壳体16的自由端24，如图所示的那样，或者其可缩回到金属壳体16内。接地电极或基电极构件18可根据附图所示的常规L形配置构造或者根据某些其它布置构造，且附连到金属壳体16的自由端24。根据此特定实施例，接地电极18包括侧表面26，侧表面26与中心电极的点火顶端20相对且具有附连于其上的点火顶端30。点火顶端30呈平垫的形式且包括火花表面34，其与中心电极点火顶端20限定火花间隙G使得它们提供火花表面32、34，用于发射和接收横穿火花间隙的电子。中心电极12和接地电极18通常可由Ni或固体Ni合金构成。电极12、18中的任一个或ニ者可包括由具有高导热率的材料构成的芯36，诸如铜，以帮助将热传导远离点火顶端部位。在此特定实施例中，中心电极点火顶端20和/或接地电极点火顶端30可由本文所述的电极材料制成，但其并非电极材料仅有的应用。举例而言，如图3所示的那样，示范性的中心电极点火顶端40和/或接地电极点火顶端42也可由电极材料制成。在此情况下，中心电极点火顶端40为单件铆钉且接地电极点火顶端42为圆柱形顶端，其远离接地电极的侧表面26延伸一段显著距离。电极材料也可用于形成在图4中示出的示范性中心电极点火顶端50和/或接地电极18。在此实例中，中心电极点火顶端50为位于凹ロ或盲孔52中的圆柱形部件，凹ロ或盲孔52形成于中心电极12的轴向端。火花间隙G形成于中心电极点火顶端50的火花表面与接地电极18的侧表面26之间，接地电极18的侧表面26也充当火花表面。图5示出电极材料的又一可能应用，其中圆柱形点火顶端60附连到中心电极12的轴向端且圆柱形点火顶端62附连到接地电极18的轴向端。接地电极点火顶端62与中心电极点火顶端60的侧表面形成火花间隙G，且因此是略微不同于附图所示的其它示范性火花塞的点火端配置。同样，应了解上文所述的非限制性火花塞实施例仅为电极材料的可能用途中的某 些实例，因为其可在任何点火顶端、电极、火花表面或用于点燃发动机中的空气/燃料混合物的其它点火端部件中使用或采用。举例而言，下面的部件可由该电极材料形成中心电极和/或接地电极；中心电极点火顶端和/或接地电极点火顶端，其呈铆钉、圆筒、杆、柱、丝、球、丘状物、圆锥、平垫、圆盘、环、套筒等形状；中心电极点火顶端和/或接地电极点火顶端，其直接附连到电极上或经由ー个或多个中间、居间或应カ释放层而间接地附连到电极上；中心电极点火顶端和/或接地电极点火顶端，其位于电极的凹口内、嵌入于电极表面内、或位于电极外側，诸如套筒或其它环形构件；或者，火花塞，其具有多个接地电极，多个火花间隙或半蠕变型火花间隙。这些只是电极材料的可能应用的几个实例，但也可存在其它实例。如本文所用的术语“电极”，无论是关于中心电极，接地电极，火花塞电极等，可包括基电极构件本身，点火顶端本身或基电极构件和附连到其上的ー个或多个点火顶端的组合，仅举出几种可能性。在火花塞电极中可使用高温性能合金，也被称作超合金，包括诸如下列的元素镍(Ni)、钴(Co)、铬(Cr)、铁(Fe)和铝(Al)。这样的合金具有高的耐氧化和耐腐蚀性，其是火花塞电极的理想材料。但是，迄今，对于火花塞电极和/或点火顶端而言，这样的高温性能合金的使用是有限的，因为这些类型的合金在火花塞在内燃机的高温环境中操作期间会经历体积减小。这样的体积减小会造成在火花表面之间的火花间隙随着时间增加，而这会妨碍火花塞的性能。如下文所述的那样，本文所公开的主题的发明者发现了体积减小的原因且研发了制造体积稳定的特定Ni基合金的技术，以及制造使用这样的体积稳定合金的火花塞以在高温环境操作期间减轻火花间隙生长的技木。这样的合金可提供高的耐侵蚀性和腐蚀性而无需依靠成本较高的贵金属合金。举例而言，如图6所示的那样，示出了示范性Ni-Cr-Al-Fe合金每个火花循环的体积侵蚀以与更昂贵的贵金属合金(诸如图6的钼-镍合金)每个火花循环的体积侵蚀相比较。下文所述的体积稳定的合金为Ni基合金，使它们与先前所描述的典型火花塞材料兼容。更特定而言，它们为含铝的Ni合金，其包括Ni3Al沉淀物作为Y’-相。此外，Cr和/或Fe可与其它可选的成分一起包括于体积稳定合金中，如将在下文中描述的那样。举例而言，Co可包括于体积稳定的合金中，可能替换Ni的一部分。体积稳定的合金包括Ni或者Ni与Co的组合以在体积稳定的合金中提供Ni或Ni-Co基质(Y) ο在一实施例中，体积稳定的合金包括(以该合金的重量百分比(wt%) )Ni或者Ni和Co的组合，以至少大约65. 0wt%的量；Cr,以大约12. O wt%至大约20. O wt%的量；Fe,以大约I. 5 wt%至大约wt15. 0%的量；A1，以大约4. O wt%至大约8. O wt%的量。体积稳定的合金包括至少两相，包括固溶Ni相和Ni3Al沉淀物。组分的重量百分比(wt%)定义为组分在体积稳定的合金中的浓度。举例而言，如果体积稳定的合金包括I. 5 wt%量的Fe,那么该总的体积稳定的合金的I. 5%由Fe组成，而总的体积稳定的合金的其余98. 5%由其它成分组成。体积稳定的合金的Ni、Co、Cr、Fe、Al和其它元素、组分、沉淀物和特征的存在和量可通过化学分析或者通过观察点火顶端材料的能量色散谱(E. D. S.)来检测。可由扫描电子显微检查(S. E. M.)仪器来生成E. D. S.。可在中心电极和接地电极中每一个中使用的纯Ni或Ni合金的导热率优选地大于大约20. O W/m-K。表I列出了与本发明所公开的体积稳定的合金的一实施例相比，纯Ni和其它Ni合金的组成和导热率。表I
材料笮温F的导热寧
纯SS
Nil 25《合金 A}36.8
Ni 522《合金 B)26.3
体枳稳定的合金< Ni-Cr-Al-Fc) 12Λ如表I所示的那样，体积稳定的合金的导热率与纯Ni和稀释Ni合金A和B相比较低。而且，在体积稳定合金的制造过程中的总可加工性可能并不像纯Ni或稀释Ni合金那样好。作为高度合金化的材料，体积稳定的合金在其经受引起缠结错位的各种处理过程时可能经历加工硬化，使得之后的加工更为困难，这归因于脆性和/或该材料接近其应变极限。基于上述考虑，诸如示范性合金A或B的纯Ni或稀释Ni合金可优选地用于电极中。由于其较高的导热率，使用纯Ni或稀释Ni合金作为电极材料也帮助降低火花塞电极的操作温度。取决于操作条件和电极的其它要求，导电芯可包括于一个或两个电极中以进一步降低其操作温度。但是，导电芯并非必需的。体积稳定的合金包括足以影响合金强度的量的镍(Ni)。Ni可为体积稳定合金的主要成分且为常用于火花塞电极的材料，如先前所提到的那样，由于其抗氧化、耐腐蚀和侵蚀性，同时由于与诸如贵金属的材料相比相对廉价。在一实施例中，体积稳定的合金包括至少大约65. O wt%量的Ni。在优选组成中，Ni可以大约75%wt%的量存在。在另一实施例中，体积稳定的合金包括至少大约68. O wt%量的Ni。在另一实施例中，体积稳定的合金包括至少大约75. O wt%量的Ni。在又一实施例中，体积稳定的合金包括至少大约80. O wt%量的Ni。在另一实施例中，体积稳定的合金包括少于大约82. 6 wt%量的Ni。在又一实施例中，体积稳定的合金包括少于大约79. O wt%量的Ni。在另一实施例中，体积稳定的合金包括少于大约76. O wt%量的Ni。通常，在确定了其它合金成分量之后用镍来补足该组成的余量来确定在体积稳定的合金中的镍的确切量，其中主要包括其它合金成分以为该合金提供与纯Ni相比某些增强的性质。钴(Co)可部分地替换体积稳定合金的高达大约20. O wt%的Ni含量，使得Ni和Co的总量少于大约82. 6 wt%。钴可提供与Ni相同类型的所需性质，除了钴通常为更昂贵的材料。在Ni的开采过程中，存在Co杂质也并不鲜见，因此，可得到包括Co作为成分的某些不太纯的Ni形式。在一实施例中，体积稳定的合金包括至少大约O. 5 wt%量的Co。在另一实施例中，体积稳定的合金包括至少大约4. O wt%量的Co。在又一实施例中，体积稳定的合金包括至少大约6. O wt%量的Co。在另一实施例中，体积稳定的合金包括至少大约10.0wt%量的Co。在另一实施例中，该合金包括少于大约19. 5 wt%的量的Co。在又一实施例中，该合金包括少于大约20. O wt%的量的Co。在另一实施例中，该合金包括少于大约
15.O wt%的量的Co。举例而言，体积稳定的合金可包括大约70. O wt%量的Ni和大约9. Owt%量的Co使得Ni和Co的总量为大约79. O wt%0钴并非体积稳定的合金的必需成分，但当包括钴时，优选量可为大约1.0 wt%。体积稳定的合金包括足以影响到体积稳定合金的强度的量的铬(Cr)。由于Cr能形成弹性氧化物层，弹性氧化物层能保护下面的层避免进一步氧化，在该合金中可包括Cr。在一实施例中，该合金包括大约12.0 wt%至大约20. O wt%,或优选地,大约15.0 wt%至大约16.0 wt%的量的Cr。在另一实施例中，该合金包括至少大约12.0 wt%量的Cr。在另一实施例中，该合金包括至少大约13. O wt%量的Cr。在又一实施例中，该合金包括至少大约
16.0wt%量的Cr。在另一实施例中，该合金包括少于大约20.0 wt%的量的Cr。在又一实施例中，该合金包括少于大约19. O wt%的量的Cr。在另一实施例中，该合金包括少于大约
16.O wt%的量的Cr。值得注意的是，Ni基合金可在不包括Cr作为成分的情况下为体积稳定的合金。该体积稳定的合金包括足以影响该合金的氧化性能的量的铝(Al)。举例而言，如将在下文中进一步描述，Al可在火花塞的点火顶端上形成Al2O3氧化物层，其能帮助屏蔽下面的合金以避免进一步氧化。如先前所提到且下文进一步描述的那样，Al也形成Ni3Al沉淀物作为Y ’ -相，在合金用于制造火花塞电极或点火顶端之前，当在生产该合金期间可控制地形成作为Y ’ -相的Ni3Al沉淀物时,该合金被赋予体积稳定性。在一实施例中，该合金包括大约4. O wt%至大约8. O wt%量的Al。在优选组成中,Al可以大约4. 5 wt%的量存在。在另一实施例中，该合金包括至少大约4. O wt%量的Al。在另一实施例中，该合金包括至少大约4. 6 wt%量的Al。在又一实施例中，该合金包括至少大约5. 9 wt%量的Al。在另一实施例中，该合金包括少于大约8. O wt%量的Al。在又一实施例中，该合金包括少于大约7.7 wt%量的Al。在另一实施例中，该合金包括少于大约5. O wt%量的Al。该体积稳定的合金包括足以影响到体积稳定的合金的强度的量的铁(Fe)。与诸如贵金属的材料相比，且甚至与Ni相比，Fe为相对廉价的材料，且能用于帮助稳定合金中可能存在的各种相。在一实施例中，该合金包括大约I. 5 wt%至大约wt 15. 0%量，优选地大约3. O wt%至大约5. O wt%量的Fe。在优选组成中,Fe可以大约3. O wt%的量存在。在另一实施例中，该合金包括至少大约2. 7 wt%量的Fe。在另一实施例中，该合金包括至少大约5.5 wt%量的Fe。在又一实施例中，该合金包括至少大约8. O wt%量的Fe。在另一实施例中，体积稳定的合金包括少于大约15. 0%量的Fe。在又一实施例中，该合金包括少于大约12. O wt%量的Fe。在另一实施例中，该合金包括少于大约6. O wt%量的Fe。体积稳定的合金还包括Ni3Al沉淀物。该合金可为高度饱和的，其能使得合金包括Ni3Al相U ’)。Ni3Al相U ’)在至少大约600°C的温度从含铝的Ni基合金的Ni基质(Y)沉淀出来。在Ni3Al沉淀物形成期间合金的体积减小。根据下文所概述的示范性方法，可在诸如内燃机的高温应用中使用合金之前在合金中形成Ni3Al沉淀物，从而在使用火花塞期间限制或帮助防止形成Ni3Al沉淀物和相关联的体积减小和火花间隙增加。具体而言，在火花塞在高温应用中使用期间限制或防止的体积减小量通常大约等于在Ni3Al沉淀物预先形成期间出现的体积减小。换言之，该合金具有稳定的体积，在火花塞用于内燃机期、间包括很少变化或无变化。在形成Ni3Al沉淀物期间，大部分Ni基质U )可转换为Ni3Al沉淀物U ’)。由于Ni3Al沉淀物(Y ’)比Ni基质(Y )更致密且具有更小的晶格參数而发生体积减小。在该合金中Ni3Al沉淀物(Y ’)和Ni基质(Y )的晶格失配从大约-O. I到大约-O. 5%。在该合金中的Ni3Al沉淀物(Y ’)的体积分数可在大约20%至大约70. 0%的范围。举例而言，在包括超过大约6. O wt%的量的Al的合金中，Y’-相的体积分数可为大约60-70%。在包括少于大约4. O wt%的量的Al的合金中，Y ’ -相的体积分数可为大约20-30%。因此，形成Ni3Al沉淀物(Y ’)増加了合金的密度，这减小了合金的体积。Ni基质(Y )在火花塞应用于高温应用之前转换为Ni3Al沉淀物(Y’)避免了在火花塞用于高温应用期间的体积收缩和増加火花间隙。參看图7和图8，γ’ -相70可分散于Ni或Ni-Co基质72中。取决于Y’-相的 体积分数，其也可以不同的形态存在。举例而言，如图7所示的那样，在诸如20-30%的较低体积分数，该合金的r相区域呈现球状或具有大体上圆形的结构。如图8所示的那样，在诸如60-70%的较高体积分数，该合金的r相区域呈现立方体状或具有大体上尖锐边缘的结构。也可存在两种形态的混合。也就是说该合金的某些Y’相区域可为球形，而其它区域可为立方体形，其中Ni3Al沉淀物相的体积分数在30%与60%之间。平均而言，Ni3Al相的各个粒子或区域可在大约O. 2 μπι至大约4μπι的范围。图7和图8仅为示意描绘，出于解释说明目的而简化且并未按照比例绘制或意味表示任何具体的体积分数或相对相的大小或分布。该体积稳定的合金还可包括少于大约1.0 wt%量的猛(Mn);少于大约1.0 wt%量的硅(Si);少于大约O. I wt%量的碳(C);少于大约0.03 wt%量的硼⑶；以及，少于大约O. 5 wt%量的锆(Zr)。但是，Mn、Si、C、B和Zr并非必需的成分。该体积稳定的合金还可包括铱⑴、镧(La)或铪(Hf)，其量足以显著地影响在火花表面处形成的Al2O3层到点火顶端的相邻部分或本体的附着度。在一实施例中，该合金包括少于大约I. O wt%量的Y。在另ー实施例中，该合金包括大于大约O. 001 wt%量的Y。在又一实施例中，该合金包括少于大约I. O wt%量的La。在另ー实施例中，该合金包括大于大约O. 001 wt%量的La。在另ー实施例中，该合金包括少于大约I. O wt%量的Hf。在又ー实施例中，该合金包括大于大约O. 001 wt%量的Hf。在高温下，包括体积稳定的合金的每个电极或点火顶端通常在其外表面，例如包括点火顶端的火花表面处形成氧化铝(Al2O3)层。当体积稳定的合金加热到大于大约600°C的温度时通常会形成Al2O3层，诸如在火花塞用于内燃机中吋。当火花表面包括平面表面吋，Al2O3层通常沿着平面表面延伸。因此，点火顶端可包括梯度材料组成，其中火花表面包括Al2O3层且点火顶端的相邻部分或本体包括另ー组成,包括例如Ni、Cr、Fe和Al。在体积稳定的合金经受高温之前，Al2O3层并不存在，且点火顶端通常包括均匀的材料組成。在Al2O3形成于外表面或火花表面之后，其通常在所有温度都保持在那里。这样的Al2O3层为致密的、稳定的且具有低形成自由能。因此，Al2O3层可提供改进的抗氧化性来在火花塞电极经受燃烧腔室的火花和极端条件时保护点火顶端避免腐蚀和侵蚀。如此描述的包括体积稳定合金的点火顶端或电极可提供优良的抗氧化性和抗侵蚀性且在内燃机的高温和苛刻条件下良好运作。在优选组成中，体积稳定的合金可包括下列Ni (75. O wt%), Cr (16. O wt%)，A1 (4· 5 wt%)，Fe (3. O wt%) ,Mn (0. 5 wt% 或更少)和Si (0. 2 wt%或更少)，其中，Ni和Al中的至少某些存在于预先形成的Y ’ -相Ni3Al沉淀物中。也可描述制造火花塞的方法，诸如图I中所描绘的火花塞，其包括体积稳定的合金，其中火花塞包括具有体积稳定合金的至少ー个电极。该方法包括下步骤提供合金，其包括Ni，或者Ni与Co、Cr、Fe和Al的组合；将该合金加热到大约1000°C至大约1350°C的第一温度；将该合金淬火；将该合金加热到大约550°C至大约950°C的第二温度；以及维持该合金在该第二温度直到Ni 3A1沉淀物在该合金中形成。在将火花塞用于诸如内燃机的高温应用中之前，执行制造火花塞的方法，包括加热和冷却。体积稳定的合金通常通过下述而提供 通过混合Ni或者Ni和Co组合，以至少大约65. O wt%的量；Cr,以大约12. O wt%至大约20. O wt%的量；A1,以大约4. O wt%至大约8. O wt%的量；以及,Fe,以大约I. 5 wt%至大约15. O wt%的量，以形成Ni基混合物。用于形成体积稳定合金的Ni、Co、Cr、Fe、Al和其它组分可呈粉末金属形式或其它固态形式。提供合金的步骤可包括烧结镍基粉末金属混合物。并未规定烧结温度，但其为能将Ni基粉末金属混合物烧结形成合金的温度。可使用其它冶金エ艺，诸如各种熔化工艺，之后进行铸造和挤压エ艺，来形成合金，而不是烧结。使用感应热或其它类型的热源来熔化粉末或其它固态形式的成分的熔融エ艺可被用来完成提供合金的步骤。如上文所述的那样，该方法包括加热该合金到大约1000°C至大约1350°C且优选地大约1200°C至1300°C的第一温度。第一温度取决于合金的组成。该方法还包括将合金維持在第一温度，直到Co、Cr、Fe、Al和其它合金元素溶解于合金的Ni基质中。这种加热步骤可被称作固溶处理。在固溶处理之后，该方法包括冷却合金以形成过饱和的Ni固溶体。合金的温度通常降低到大约周围温度或室温，例如大约10°C至大约40°C。冷却步骤可被称作淬火。淬火介质可为在冷却期间绕合金循环的10-40°C的空气或水。冷却步骤可在较短时间进行，诸如大约I分钟或更短，但该时间可取决于第一温度、冷却基质的温度和正被冷却的合金的质量而不同，仅举出几种因素。优选地，合金在从1200°C低至大约800°C的范围尽可能快地冷却，之后，可减缓冷却速率。在冷却步骤之后，该方法还包括再次加热该合金到大约550°C至大约950°C的第ニ温度且维持该合金在第二温度直到在合金的Ni或Ni-Co (y)基质内的Ni3Al相(Y’)沉淀物，以提供包括Ni3Al沉淀物的体积稳定的合金。此加热步骤可被称作是老化处理。通常，在Ni3Al相(Y’)沉淀之前，合金維持在第二温度持续大约30分钟至大约180分钟。但是，时间量取决于合金的组成和饱和水平。在任何情况下，老化处理的目的是为了使得合金的预先形成的Ni3Al含量最大化，使得一旦用于火花塞电极中和高温环境中，不再形成Ni3Al沉淀物，从而在使用期间防止任何额外的体积减小和相关联的火花间隙增加。在合金用于内燃机中的火花塞中之前，固溶处理,淬火,和老化处理预先形成的Ni3Al沉淀物且造成合金的体积减小或者密度増加。換言之，如上文所述的那样，形成Ni3Al沉淀物允许在包括体积稳定合金的火花塞的高温使用期间合金维持稳定体积，包括较少变化或无变化。应了解前文的描述为本发明的一个或多个优选实施例的描述。本发明并不限于本文所公开的特定实施例，而是仅由下文的所附权利要求限定。而且，在前文的描述中包含的陈述涉及特定实施例且不应理解为限制本发明的范围或者在权利要求中所用的术语的定义，除非术语或短语在上文中明确地定义。各种其它实施例和对所公开的实施例做出的各种变化和修改将对于本领域技术人员显而易见。所有这样的其它实施例、变化和修改预期在所附权利要求的范围内。在本说明书和权利要求中所用的术语，“例如”，“举例而言”，“诸如”和“如”和动词“包括”、“包含”和“具有”和其另外的动词形式，当结合一个或多个构件或其它项清单使用时，每ー个应被理解是开放式的，表示该清单不应认为排除其它额外的构件或项目。其它术语认为使用其最广泛的合理的意义，除非它们用于需要不同解释的上下 文中。
权利要求
1.一种火花塞,包括 金属壳体，其具有轴向内孔； 绝缘体，其具有轴向内孔且至少部分地安置于所述金属壳体的轴向内孔内； 中心电极，其至少部分地安置于所述绝缘体的轴向内孔内；以及 接地电极，其附连到所述金属壳体的自由端； 其中所述中心电极、所述接地电极或二者包括镍基体积稳定的合金，该合金包括镍(Ni)、铝(Al)和预先成形的Ni3Al相。
2.根据权利要求I所述的火花塞，其中，镍(Ni)以至少大约65.0 丨％的量存在于所述体积稳定的合金中。
3.根据权利要求I所述的火花塞,其中，铝(Al)以大约4.0wt%至大约8. 0 wt%的量存在于所述体积稳定的合金中。
4.根据权利要求I所述的火花塞，其中，所述体积稳定的合金还包括大约12.0被％至大约20. 0 wt%的铬(Cr)。
5.根据权利要求I所述的火花塞，其中，所述体积稳定的合金还包括大约I.5 wt%至大约 15. 0 wt% 的铁(Fe)。
6.根据权利要求I所述的火花塞，其中，所述体积稳定的合金还包括至多大约20wt%的钻(Co)。
7.根据权利要求6所述的火花塞,其中,存在于所述体积稳定的合金中的钴(Co)和镍(Ni)的组合量为至少大约65. 0 wt%。
8.根据权利要求I所述的火花塞，其中，所述预先形成的Ni3Al相以所述合金总体积的大约20%至大约70%存在于所述体积稳定的合金中。
9.根据权利要求I所述的火花塞，其中，所述预先形成的Ni3Al相包括作为Y’_相的Ni3Al沉淀物，其分散于Ni基的基质内且包括大小为大约0. 2 ii m至大约4 y m的粒子。
10.根据权利要求I所述的火花塞，其中，所述体积稳定的合金包括至少65.0wt%的镍(Ni)，4. 0-8. 0 wt% 铝(Al)，12-20 wt% 铬(Cr)和 I. 5-15. 0 wt% 铁(Fe)。
11.根据权利要求10所述的火花塞，其中，所述体积稳定的合金还包括至多大约1.0wt%的选自下列的至少一种元素钇(Y)、镧(La)或铪(Hf)。
12.根据权利要求10所述的火花塞，其中，所述体积稳定的合金还包括至多大约0.01wt%量的宇乙(Y) o
13.根据权利要求10所述的火花塞，其中，所述体积稳定的合金还包括选自下列的至少一种元素少于大约I. 0 wt%量的锰(Mn);少于大约I. 0 wt%量的硅(Si);少于大约0. Iwt%量的碳(C);少于大约0. 03 wt%量的硼⑶；或者，少于大约0. 5 wt%量的错(Zr)。
14.根据权利要求I所述的火花塞，其中，包括所述体积稳定的合金的电极在所述电极暴露于内燃机的燃烧腔室的高温环境时并不经历任何显著的体积减小。
15.根据权利要求I所述的火花塞，其中，当包括所述体积稳定的合金的所述电极暴露于内燃机中的燃烧腔室的高温环境时，所述体积稳定的合金中的Ni3Al总量实质上不会增加超过在所述预先形成的Ni3Al相中Ni3Al的量。
16.根据权利要求I所述的火花塞，其中，所述中心电极，所述接地电极或二者包括由所述体积稳定的合金制成的附连的点火顶端。
17.—种制造用于火花塞的中心电极或接地电极的方法，包括下步骤 (a)提供Ni基合金，其包括镍(Ni)和铝(Al)； (b)加热所述Ni基合金且使得Ni3Al相形成于所述Ni基合金中；以及 (c)用所述Ni基合金形成所述中心电极或接地电极的至少一部分，其中在所述中心电极或所述接地电极暴露于内燃机的燃烧腔室的高温环境之前所述Ni3Al相形成于所述Ni基合金中。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述Ni基合金包括镍(Ni)、铝(Al)、铬(Cr)和铁(Fe)。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述Ni基合金包括至少65.O wt%的镍(Ni)，4.0-8. 0 wt% 铝(Al)，12-20 wt% 铬(Cr)和 I. 5-15. 0 wt% 铁(Fe)。
20.根据权利要求17所述的方法，其中步骤(b)还包括维持所述Ni基合金处于或高于一温度直到所述Ni基合金中的Ni3Al相的量不再增加。
21.根据权利要求20所述的方法，其中步骤(b)还包括维持所述Ni基合金在大约550°C至大约950°C持续大约30分钟至大约180分钟直到在所述Ni基合金中的Ni3Al相的量不再增加。
22.根据权利要求17所述的方法，还包括下步骤 加热所述Ni基合金到大约1000°C至大约1350°C的温度范围；以及 在加热所述Ni基合金之后将所述Ni基合金淬火，其中所述加热和淬火步骤在步骤(b)之前发生。
23.根据权利要求17所述的方法，其中步骤(a)还包括烧结金属粉末的混合物以提供所述Ni基合金。
24.根据权利要求17所述的方法，其中步骤(a)还包括通过感应加热使得固态金属的混合物熔化来提供所述Ni基合金。
25.根据权利要求17所述的方法，其中步骤(c)还包括用所述Ni基合金形成点火顶端。
26.根据权利要求17所述的方法，其中所述中心电极或所述接地电极在步骤(b)和(c)之后为体积稳定的，使得其在所述电极暴露于内燃机中的燃烧腔室中的高温环境时并不经历任何显著的体积减小。
全文摘要
火花塞具有一个或多个至少部分地由含铝的Ni基合金制成的电极。该合金为体积稳定的合金，其包括在Ni基质γ相中分布的γ'-相Ni3A1沉淀物。该沉淀物在合金用于制造电极之前形成于合金中且因此一旦用于高温环境中防止额外的Ni3Al沉淀物形成于合金中。这会防止合金的体积减小，合金体积减小可能会导致增加的火花间隙和火花塞故障。体积稳定的合金可通过Ni-Cr-Al-Fe合金的固溶处理、淬火和热老化而制成。
文档编号H01T13/39GK102668283SQ201080053198
公开日2012年9月12日 申请日期2010年11月24日 优先权日2009年11月24日
发明者马书伟 申请人:美国辉门(菲德尔莫古)点火系统有限公司