专利名称：用于火花塞电极的电极材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及用以制备内燃机的火花塞电极的电极材料。
背景技术：
由于最近防止全球变暖加剧和化石燃料消耗增加的趋势，用于机动车的内燃机排放出的废气中含有的化学品、颗粒物或生物材料污染控制标准法和法规逐年趋于严格。为了实现这一目标，由于机动车等的内燃机的燃烧温度更倾向于增加，所以火花塞更需要具有优良的耐用性和长的可持续使用时间。由于抗氧化性、耐火花磨损(spark wear)性、升温下的高强度等,各种类型的镍基合金(Ni base alloy)广泛用作将用于制备火花塞电极的电极材料。最近，除了仅具有镍基合金电极的上述火花塞外，已经生产和使用各类火花塞，以更好地防御高温环境。例如，最近的火花塞具有由底部和顶部组成的双层结构的电极。所述底部由镍基合金制成。为了提高其使用寿命，产生火花的所述顶部由贵金属制成。另一个最近的火花塞具有由镍基合金和例如Ag和Cu的高导电金属作为电极的核芯材料制成的电极。例如，有人提出，为了获得易加工性、高抗氧化性和高温强度，这种镍基合金作为火花塞(比如暴露于内燃机燃烧室内部的火花塞)的电极材料含有大约3质量％的Cr。有人也提出使用含有添加剂元素的镍基合金以进一步提高抗氧化性。具体来说，下列常规专利文献I至5公开了火花塞的各种电极，其中将一种或多种元素如Si、Mn和Al或者Y和稀土元素加入镍基合金中。为了获得抗氧化性，所述镍基合金中加入低浓度的Cr。专利文献I :公开号为S63-18033的日本专利；专利文献2 :公开号为H02-34734的日本专利；专利文献3 :公开号为H02-34735的日本专利；专利文献4 :公开号为H04-45239的日本专利；以及专利文献5 :公开号为H09-235637的日本专利。由于可加工性，由含有相对低浓度Cr的镍基合金制成的电极材料是极好的材料。然而，由于作为所述电极材料的合金需要添加剂元素如Si、Mn和Al (具有优良的抗氧化性)而不是减量的Cr(具有有效的抗氧化性)，并且由于镍基合金中含有的元素总量因此增加，所以镍基合金的电极材料倾于降低热导率及其熔点。也就是说，为了提高抗氧化能力，所述添加剂元素的量增加得越多，由于其低的热导率越难以降低所述火花塞电极的温度，并且越易于降低用于形成火花塞电极的所述电极材料的熔点以及在所述火花塞工作时引起所述火花塞电极的火花磨损。根据最近内燃机的提高性能、燃烧效率以及工作负荷的趋势，所述火花塞的使用环境变得更加严格。对于由含有低浓度Cr和添加剂元素的镍基合金制成的常规电极材料，难以显示足够的特性。因此，该专利的发明人采用了专利文献6 (公开号为2006-316344的日本专利)中公开的另一项常规技术。专利文献6中公开的所述常规技术提供了含有添加剂如少量的Si、减量的Mn和Al以及小量的一种或多种稀土元素或Y的火花塞，以具有高热导率、高熔点、好的抗氧化性和高耐火花磨损性。然而，对于将用于制备常规专利文献6中公开的火花塞电极的所述电极材料的抗氧化性、可加工性和生产成本，仍有改善的需要或空间
发明内容
因此，提供用于制备火花塞电极的新型电极材料是令人期望的，所述新型电极材料具有各种优良性能例如好的耐火花磨损性、好的抗氧化性、易加工性和低生产成本。为了达到上述目的，本发明的示例性实施方案公开了用于制备火花塞电极的电极材料。所述电极材料基本上由下列成分组成0. 3至3. O质量％的Si、0. 01至O. 3质量％的选自Y和稀土元素的一种或多种元素、不超过O. 5质量％的Ti、不超过I. 2质量％的？0、以及选自不超过O. 20质量％的Ca和不超过O. 08质量％的Mg中的一种或两种。所述电极材料还含有C、Mn、Cr、Al、N和S。在所述电极材料的C、Mn、Cr、A1、N和S中，C不超过O. I质量Mn少于O. 5质量Cr少于O. 5质量Al不超过O. 3质量N不超过O. 05质量％，并且S不超过O. 03质量％。所述电极材料还含有作为剩余物主要组分的Ni，和附带的不可避免的杂质。
参考附图通过举例描述本发明的优选非限制性实施方案，其中图I显示具有中心电极和由根据本发明第一个示例性实施方案的电极材料制成的接地电极的火花塞整个结构的局部横截面的视图；图2显示图I所示的具有由所述电极材料制成的所述接地电极和所述中心电极的所述火花塞前部横截面的放大视图；图3显示图2所示的沿线A-A的所述火花塞中所述接地电极前部横截面的放大视图；图4显示具有所述中心电极和由根据本发明第一个示例性实施方案的电极材料制备的接地电极的所述火花塞前部横截面的放大视图，所述中心电极具有小直径部分，所述接地电极由所述电极材料制成；图5显示根据本发明第一个示例性实施方案的所述火花塞前部另一个结构的横截面的放大视图，其中所述中心电极具有小直径部分和在所述小直径部分上形成的贵金属合金棒；图6显示根据本发明第一个示例性实施方案的所述火花塞前部另一个结构的横截面的放大视图，其中所述中心电极具有小直径部分和在所述小直径部分上形成的薄贵金
属合金层；图7显示具有所述接地电极和所述中心电极的所述火花塞前部的横截面的放大视图，其中根据本发明的第二个示例性实施方案，经耐久性试验后，所述接地电极的厚度减少。具体实施方案下文中，参考附图描述了本发明的各个实施方案。在各个实施方案的以下描述中，几张图表中相似的参考字符或数字指定为相似或相同的组成部件。第一个示例性实施方案参考图I至图6描述了根据本发明第一个示例性实施方案的用于电极例如火花塞接地电极的电极材料。
根据第一个示例性实施方案用于火花塞电极的电极材料由以下成分组成0. 3至3. O质量％的Si、0. 01至O. 3质量％选自Y和稀土元素的一种或多种元素、不超过O. 5质量％的Ti、不超过I. 2质量％的Fe、以及选自不超过O. 20质量％的Ca和不超过O. 08质量％的Mg中的一种或两种。此外，根据第一个不例性实施方案的所述电极材料含有C、Mn、Cr、Al、N和S。所述电极材料的C、Mn、Cr、Al、N和S中，C不超过O. I质量％，Mn少于O. 5质量Cr少于O. 5质量％,A1不超过O. 3质量N不超过O. 05质量％并且S不超过O. 03质量％。根据第一个示例性实施方案的所述剩余电极材料由Ni组成。也就是说，Ni是剩余物的主要元素。对于根据第一个示例性实施方案的所述电极材料，含有不可避免的杂质(或附带杂质)也是可以接受的。所述火花塞的电极材料优选具有含量为O. 031至O. 5质量％的Ti。此外，所述火花塞的电极材料优选具有不少于40W/m -K的热导率和不低于1420°C的熔点。现在参考图I至图6描述具有中心电极30和接地电极40的所述火花塞100。具体地，所述接地电极40由根据第一个示例性实施方案的所述电极材料制成。图I显示具有所述中心电极30和由根据第一个示例性实施方案所述新型电极材料制成的所述接地电极40的所述火花塞100整个结构的局部横截面的视图。图2显示图I所示的所述火花塞100前部横截面的放大视图。所述火花塞100插入并固定于发动机缸体(未显示)中形成的螺纹孔中。所述发动机缸体形成内燃机的燃烧室。所述火花塞100具有由导电钢(例如低碳钢)制成的圆柱形安装支架10。所述安装支架10具有安装螺钉部件11，利用所述安装螺钉部件11将所述火花塞100旋入并固定于所述发动机缸体。绝缘体20固定于所述安装支架10里面。例如，所述绝缘体20由氧化铝陶瓷(Al2O3)制成。所述绝缘体20的前部21从所述安装支架10暴露于外部。此外,所述中心电极30固定于所述绝缘体20的轴向孔(axial hole)。所述中心电极30被支撑并与所述安装支架10电绝缘。所述中心电极30是圆柱形，并由镍合金制成。如图2所示，所述中心电极30的前表面从所述绝缘体20的前部21暴露于外界空气。如图2所示，所述接地电极40通过焊接固定于所述安装支架10的一端部。所述接地电极40的一部分弯曲成字符“L”形，这样所述中心电极30的前表面31面对所述接地电极40前端部的一个侧表面41。如图2所示，在所述接地电极40前端部的侧表面41和所述中心电极30的前端部之间形成火花放电间隙50。如上所述，所述火花塞100的接地电极40由根据第一个示例性实施方案的所述电极材料制成。所述火花塞100的接地电极40具有用于机动车的普通火花塞中的普通尺寸的接地电极。图3显示图2所示的所述火花塞100中所述接地电极40前端部沿线A-A的横截面的放大视图。如图3所示，所述接地电极40的横截面大致具有矩形形状。也就是说，所述接地电极40的横截面是矩形平面。所述横截面表面垂直于所述接地电极40前端部的延伸方向，其中在所述前端部，所述接地电 极40的侧表面41面对所述中心电极30的前表面。如图3所示，所述接地电极40前端部的横截面形状为矩形。具体地，所述接地电极40前端部的横截面一侧的长度C2长于所述接地电极40前端部的横截面另一侧的长度Cl。在所述接地电极40前端部具有长度C2的侧表面41面对所述中心电极30的前表面31。具体地，另一侧的长度Cl为I. 6謹,一侧的长度C2为2. 8謹(Cl = I. 6謹，C2 = 2. 8謹)。图4显示所述火花塞100的中心电极其它结构的横截面的放大视图。图4显示具有所述中心电极和所述接地电极的所述火花塞前部横截面的放大视图，所述中心电极具有小直径部分，所述接地电极由根据本发明第一个示例性实施方案所述电极材料制成。如图4所示，所述火花塞100可以具有不同结构的中心电极30-1。所述中心电极30-1的前部33具有与所述中心电极30-1的基部直径不同的直径。例如，如图4所述，所述中心电极30-1可以具有锥形基部300和小直径的所述前部33。所述前部33具有圆柱形。图5显示所述火花塞100前部另一个结构的横截面的放大视图。所述中心电极30-2具有小直径部分32。图6显示所述火花塞前部另一个结构的横截面的放大视图。所述中心电极30-3具有小直径部分33和在所述小直径部分33上形成的薄贵金属合金层32。所述火花塞100的中心电极可以具有由合金制成的前部32，所述合金例如贵金属合金(铱合金、钼合金)，具有优良的耐用和耐磨性。也就是说，如图5所示，可以将由贵金属合金制成的所述前部32连接到所述锥形基部300，以形成所述中心电极30-2。此外，如图6所述，也可以将所述小直径前部33连接到所述锥形基部300，并且进一步连接由贵金属合金制成的薄的部分32。由贵金属合金制成的所述薄的部分32的厚度在O. Imm至O. 5mm范围内。(第一个实验)现在描述该实验，以评价根据第一个示例性实施方案的用于火花塞的电极材料的各种性能。在所述实验中，形成所述接地电极的电极材料具有不同的化学成分。所述实验使用根据第一个例示性实施方案的所述火花塞的样本I至12和对比样本21至27。所述样本I至12和所述对比样本21至27由具有如表I所示的不同化学成分的材料制成。首先，通过真空熔融制备IOkg合金锭，各个合金锭具有不同的化学成分。在对合金锭执行均匀的退火过程后，进行热加工以制备30mmX 30mm横截面的棒。在制备样本的过程中，实验结果表明，在具有第一个示例性实施方案公开范围内的化学成分的所述样本I至12中无裂纹产生。通过冷加工可以容易地处理所述样本I至12。具有第一个示例性实施方案公开范围内的化学成分的所述样本I至12可以具有优良的可加工性。表I显示了所述样本I至12和所述对比样本21至27的各种化学成分。表I省略了化学成分Ni和不可避免的杂质(或附带杂质)。
可以加入作为稀土元素混合物的稀土金属(REM)。在所述实验中，La和Ce作为添加剂元素加入。具体地，表I中符号“<n(其中η是数值)”表示可视为未添加的小于“η”的含量。表3也使用相同的表达。表I
样本号 CSi Mn Cr Al Ti Y REM Fe Mg Ca S N 10.003 1.01 0.04 0.04 0.035 0.015 0.15 <0.01 0.05 0.0083 0.0001 0.0004 0.0005
20.008 1.02 0.05 0.07 0.038 0.031 0.14 <0.01 0.03 0.0073 0.0002 0.0003 0.0006
30.006 1.01 0.05 0.05 0.027 0.053 0.1 <0.01 0.03 0.0066 0.0001 0.0002 0.0007
40.009 1.04 0.07 0.03 0.045 0.083 0.13 <0.01 0.04 0.0064 0.0001 0.0002 0.0004
50.007 0.97 0.06 0.06 0.059 0.104 0.11 <0.01 0.03 0.0073 0.0001 0.0002 0.0006
60.005 1.08 0.05 0.04 0.041 0.23 0.16 <0.01 0.03 0.0055 0.0002 0.0002 0.0006
70.005 0.96 0.04 0.08 0.044 0.50.14 <0.01 0.04 0.0056 0.0001 0.0003 0.0005
80.002 1.03 0.08 0.07 0.029 0.041 <0.001 0.07 0.05 0.0061 0.0001 0.0004 0.0006
90.003 2.14 0.09 0.06 0.041 0.064 0.09 <0.01 0.04 0.0058 0.0002 0.0005 0.0008
100.004 1.29 0.05 0.04 0.016 0.073 0.06 0.06 0.03 0.0074 0.0001 0.0003 0.0005
110.05
1.05 0.07 0.04 0.043 0.231 0.158 <0.01 0.31 0.08 0.151 0.0004 0.0431
120.062 1.05 0.05 0.04 0.037 0.234 0.321 <0.01 1.08 0.072 0.002 0.0003 0.0007
210.006 1.17 0,09 0.08 0.048 1.16 0.11 <0,01 0.03 0.0067 0.0002 0.0003 0.0007
220.004 1.31 1.76 1.53 0.06 <0.001 <0.001 0.01 0.31 0.007 0.0001 0.0008 0.0008
230.004 1.97 0.94 3.43 0.04 0.51 <000 丨 <0.01 0.06 0.0056 0.0002 0.0006 0.0009
240.03 0.84 0.07 0.08 0.21 0.03 <0.001 <0.01 <0.01 <0.0001 <0.0001 <0.0001 <0,0001
250.005 1.04 0.08 0.06 0.053 0.035 0.098 <0.01 0.82 0.0088 0.002 0.0003 0.1187
260.009 1.03 0.06 0.08 0.033 0.041 0.514 <0.01 0.47 0.079 0.003 0.0002 0.0082
270.078 1.04 0.07 0.5 0.038 0.033 0.088 <0.01 1.52 0.065 0.001 0.0002 0.0007表I所示的各个样本I至12使用的合金是用于生产根据第一个示例性实施方案的所述火花塞的电极材料。另一方面，各个对比样本21至27使用的合金是常规电极材料。在800°C下退火所述样本I至12和所述对比样本21至27 —个小时。此过程后，测试所述样本I至12和所述对比样本21至27。表2显示了各个样本I至12和对比样本21至27的各种性能硬度(HV)；热导率W/m · K ；熔点(°C)；环境空气中的氧化增重(mg/cm2) (800°C，100个小时);环境空气中的碎屑(spalledscale) (mg/cm2) (800°C，100 个小时)；环境空气中的氧化增重(mg/cm2) (900°C，100个小时);环境空气中的碎屑(mg/cm2) (90(TC，100个小时)；环境空气中的氧化增重(mg/cm2) (1000°C，100个小时);以及环境空气中的碎屑(mg/cm2) (100(TC，100个小时)
本文中，“环境空气”意指在Iatm压力下。如表2所示，在三种条件下进行抗氧化性试验800°C和100个小时、900°C和100个小时、以及1000。。和100个小时。表2中，在25°C和900°C下测量了各个样本I至12和对比样本21至27的热导率。表权利要求
1.用于火花塞电极的电极材料，其基本上由下列成分组成 0.3至3. O质量％的Si、0. 01至0. 3质量％的选自Y和稀土元素的ー种或多种元素、不超过0. 5质量％的Ti、不超过I. 2质量％的Fe、以及选自不超过0. 20质量％的Ca和不超过0. 08质量％的Mg中的ー种或两种，并且所述电极材料还含有C、Mn、Cr、Al、N和S，且在C、Mn、Cr、Al、N和S中，C不超过0. I质量％，Mn少于0. 5质量％，Cr少于0. 5质量％，Al不超过0. 3质量％,N不超过0. 05质量％以及S不超过0. 03质量％,并且所述电极材料还含有作为剩余物主要组分的Ni，以及附帯的不可避免的杂质。
2.根据权利要求I所述的电极材料，其中Ti的含量在0.031至0. 5质量％范围内。
3.根据权利要求I所述的电极材料，其中室温下所述电极材料的热导率不小于40W/(m K) o
4.根据权利要求2所述的电极材料，其中室温下所述电极材料的热导率不小于40W/(m K) o
5.根据权利要求I所述的电极材料，其中所述电极材料的熔点不低于1420°C。
6.根据权利要求2所述的电极材料，其中所述电极材料的熔点不低于1420°C。
7.根据权利要求3所述的电极材料，其中所述电极材料的熔点不低于1420°C。
全文摘要
本发明涉及用于火花塞电极的电极材料，所述用于制备火花塞接地电极的电极材料的化学组成为0.3至3.0质量％的Si、0.01至0.3质量％的选自Y和稀土元素的一种或多种元素、不超过0.5质量％的Ti、不超过1.2质量％的Fe、以及选自不超过0.20质量％的Ca和不超过0.08质量％的Mg中的一种或两种。所述电极材料还含有C、Mn、Cr、Al、N、S、剩余物Ni和附带的不可避免的杂质。在C、Mn、Cr、Al、N和S中，C不超过0.1质量％，Mn少于0.5质量％，Cr少于0.5质量％，Al不超过0.3质量％，N不超过0.05质量％以及S不超过0.03质量％。
文档编号H01T13/39GK102651538SQ201210048720
公开日2012年8月29日 申请日期2012年2月27日 优先权日2011年2月25日
发明者上原利弘, 横山泰二 申请人:日立金属株式会社, 株式会社电装