專利名稱：用于火花塞的貴金屬合金復合材料電極及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種火花塞點火電極材料，尤其涉及一種用于火花塞中心電極和側電極的貴金屬合金復合材料電極及其制造方法。
背景技術：
傳統的火花塞電極材料是鎳合金，為提高點火溫度、降低點火間隙，人們在鎳合金端面焊接了鉬、銥或者其合金等貴金屬材料，極大的提高了火花塞的點火性能。貴金屬合金作為火花塞電極可提高發動機的點火溫度、燃油經濟性、使用壽命及降低有害物質的排放，是汽油機點火系統中理想的火花塞電極材料。貴金屬合金的成分控制對高溫抗氧化蒸發性、機械性能的影響的相關研究已逐漸變得較為成熟，尤其在火花性能控制和提供火花侵蝕保護方面具有優良的性能。但在貴金屬部件(特別是銥合金)與電極基體相接合的焊接方法上具有眾所周知的局限性，火花塞在點火過程中始終處于高溫氧化環境和反復的加熱及加壓，電極頭的貴金屬和貴金屬合金與電極基座的鎳(Ni)、鎳合金以及其它金屬之間因熱膨脹系數不匹配，致使電極裂化、熱疲勞和其它影響時有發生，這會導致焊接故障，并最終導致火花塞本身的故障，故在制造貴金屬合金電極的工藝過程中，電極的焊接穩定性、耐久性指標對于火花塞的使用性能和制造成本也至關重要，但貴金屬合金成份和結構的變化對焊接性能影響的研究還沒有獲得相應的進展。貴金屬合金和鎳電極基座的焊接是貴金屬金電極制造的關鍵工藝環節，焊接工藝包括電阻焊接和激光焊接，高溫激光焊O 4000°C)熱影響區的焊接組織容易產生熱裂紋以及晶粒粒徑過大，形成組織缺陷或材料脆性；此外貴金屬合金硬度和熔點較高，而鎳基座硬度、熔點低，兩者熱膨脹系數相差懸殊，鎳合金中還存在Cr、Mn等容易產生擴散障的重金屬，因此貴金屬合金和鎳合金不易形成熱擴散組織，即所謂的冶金結合，但對于含有50%以上貴金屬的合金部件而言，電阻焊接不適用，因其不能將足夠的結合力施于基體元件，因而通常只能選用激光焊接，工序較多，加工成本高。授予Kanao的美國專利6，307，307BI提出了一種解決焊接牢固度的方法，該方法中一銥合金頭被激光焊接到由鎳基或鐵基合金制成的基體部件上，該基體部件進而與火花塞殼體相連接。盡管該方法將銥合金部件的連接界面從產生火花的高溫區域移開，但仍然需要其它連接界面的結合(例如在銥合金與基體部件以及基體部件與殼體之間)，這些額外的界面需要額外的材料和加工步驟，并且因此導致額外的加工成本，此外由于潛在的加工缺陷以及火花塞工作時的熱疲勞過程，這些也意味著額外的潛在故障產生點。因此，需要在保持貴金屬合金優良的高溫抗氧化蒸發性能、機械性能的情況下，提供一種與火花塞電極基體焊接性能好，能經受長時間點火仍結合良好的貴金屬合金復合材料，減少或消除潛在焊接缺陷，增加火花塞的耐磨損和耐侵蝕性能以及提高電極的可靠性，同時采用該貴金屬合金復合材料使其與電極基座的低成本焊接手段如電阻焊接變得可行，從而簡化工序，降低成本。發明內容
有鑒于此，本發明的目的是提供一種用于火花塞的貴金屬合金復合材料電極及其制造方法，通過對貴金屬合金電極基體進行表面改性，在保持貴金屬合金優良的高溫抗氧化蒸發性能、機械性能的情況下，提供一種與火花塞電極基體焊接性能好，能經受長時間點火仍結合良好的貴金屬合金復合材料電極，減少或消除潛在焊接缺陷，增加火花塞的耐磨損和耐侵蝕性能以及提高電極的可靠性，同時采用該貴金屬合金復合材料使其與電極基座的低成本焊接手段如電阻焊接變得可行，從而簡化工序，降低成本。
本發明的用于火花塞的貴金屬復合材料電極，包括用于焊接固定于火花塞中心電極和接地電極基座的貴金屬復合材料電極本體，所述貴金屬復合材料電極本體包括貴金屬合金電極基體和涂鍍于所述貴金屬合金電極基體表面且至少部分參與其焊接的復合層，所述復合層表層為基座主體材料X或者其合金。
進一步，所述復合層還包括介于其表層與貴金屬合金電極基體之間的過渡層，所述過渡層為Pt、Rh中的一種或者Pt、Rh中的一種或兩種與貴金屬合金主體材料Y形成的PtY、YRh 或 PtYRh 材料；
進一步，所述X為金屬Ni，基座為Ni或者其合金，所述Y為金屬Ir，貴金屬合金電極基體中Ir含量> 50wt.% ；
進一步，所述復合層的表層為金屬N1、鎳鉻錳硅合金NCr5-3-l.8、鎳鉻鐵合金線NC3020、鎳錳硅鉻合金NMn2-l.8-1.8、銅芯復合電極NCr2_l_0.5、鎳合金扁線NCr2Mn2S1、鎳猛娃合金NMn4-l、英康鎳合金Inconel600或鎳乾合金線NY ；
進一步，所述復合層的表層厚度為2 μ m 10 μ m ;
進一步,所述復合層的過渡層厚度為2 μ m 5 μ m ;
進一步，所述貴金屬復合材料電極本體為薄片，還可以是圓形截面或矩形截面的絲材；
進一步，所述復合層的表層和過渡層分別可采用包套固相復合、電鍍、噴涂、氣相沉積、刷鍍等方法制造；
進一步，所述復合層的表 層和過渡層均采用電鍍法制造，其中過渡層采用水溶液電積工藝，電鍍液組成及工藝條件=H2PtCl6.(H2O)=L 12g.υ\ Ir=L 12g.L-1, NaBF4=IO 200g.ΙΛ HBF4=I IOOg. Λ NH2SO3H ( 24g. Λ 溫度 50°C，PH=0.3 1.5，電流密度=60mA.cm2 ;表層在鍍金機中進行低應力鍍制，電鍍液組成及工藝條件:氨基磺酸鎳=450g.L—1，氯化鎳=IOg.L—1，硼酸=30g.ΙΛ ΡΗ=5.0，溫度 50°C，電流密度=5A.dm_2，電鍍時間=60 S。
本發明的有益效果是:本發明的用于火花塞的貴金屬合金復合材料電極及其制造方法，通過在貴金屬合金電極焊接面設置以基座主體材料或者其合金為表層的復合層，對貴金屬合金電極基體進行表面改性，使復合層位于不同的焊接材料之間參與合金化，因該合金層與電極基座具有同質性，能在焊接時形成一個連續漸變的固溶區組織，提高貴金屬合金焊接到鎳電極基座上的結合力，形成一種熱膨脹系數方面漸變的過渡，進而改善貴金屬合金的焊接性能，消除潛在焊接缺陷，能經受長時間點火并保持良好的結合，防止貴金屬合金和電極基座結合不好在點火中產生脫落，掉落到汽油機缸體中引發的嚴重事故，提高貴金屬合金電極的成品率和使用壽命，同時采用該貴金屬合金復合材料使其與電極基座的低成本焊接手段如電阻焊接變得可行，從而簡化工序，降低成本。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述:圖1為本發明的結構示意圖；圖2為表面未涂鍍以基座主體材料X的合金為表層的復合層的貴金屬合金電極基體與電極基座電阻壓焊后焊接縱剖面金相顯微鏡圖；圖3為表面涂鍍以基座主體材料X的合金為表層的復合層的貴金屬合金電極基體與電極基座電阻壓焊后焊接縱剖面金相顯微鏡圖；圖4為表面未涂鍍以基座主體材料X的合金為表層的復合層的貴金屬合金電極基體與電極基座激光繞焊后焊接縱剖面金相顯微鏡圖；圖5為表面涂鍍以基座主體材料X的合金為表層的復合層的貴金屬合金電極基體與電極基座激光繞焊后焊接縱剖面金相顯微鏡圖。
具體實施例方式圖1為本發明的結構示意圖，圖2為表面未涂鍍以基座主體材料X的合金為表層的復合層的貴金屬合金電極基體與電極基座電阻壓焊后焊接縱剖面金相顯微鏡圖，圖3為表面涂鍍以基座主體材料X的合金為表層的復合層的貴金屬合金電極基體與電極基座電阻壓焊后焊接縱剖面金相顯微鏡圖，圖4為表面未涂鍍以基座主體材料X的合金為表層的復合層的貴金屬合金電極基體與電極基座激光繞焊后焊接縱剖面金相顯微鏡圖，圖5為表面涂鍍以基座主體材料X的合金為表層的復合層的貴金屬合金電極基體與電極基座激光繞焊后焊接縱剖面金相顯微鏡圖，如圖所示:本發明的用于火花塞的貴金屬合金復合材料電極，包括用于焊接固定于火花塞中心電極和接地電極的基座4的貴金屬合金復合材料電極本體，所述貴金屬合金復合材料電極本體包括貴金屬合金電極基體I和涂鍍于所述貴金屬合金電極基體I表面且至少部分參與其焊接的復合層，所述復合層表層3為基座4主體材料X或者其合金，基座4主體材料即電極基座4材料中含量最高的一種金屬材料，火花塞電極焊接通常采用電阻焊或激光焊，焊接過程中會因高溫和壓焊使貴金屬合金電極基體I一端壓入基座4中，貴金屬合金電極基體I的壓入端端面中部因焊接的熱影響小很難產生金屬間的熱擴散，因此復合層涂鍍于貴金屬合金電極基體I外側面，復合層隨貴金屬合金電極基體I壓入基座4的部分參與焊接，此時貴金屬合金電極基體I點火面無復合層，點火性能好，同時沿貴金屬合金電極基體I外側面涂鍍的工藝成熟，例如將貴金屬合金的絲材整體涂鍍后即可連續切斷和焊接，有利于大批量連續性生產加工。本發明增加了以基座4主體材料X或者其合金為表層3的復合層,該復合層位于基座4和貴金屬合金電極基體I兩種不同的焊接材料之間參與合金化，因該表層3與電極基座4具有同質性，能在焊接時形成一個連續漸變的固溶區組織，提高貴金屬合金焊接到鎳電極基座4上的結合力，形成一種熱膨脹系數方面漸變的過渡，進而改善貴金屬合金的焊接性能，消除潛在焊接缺陷，復合層內層可以與表層3材料一致也可以是Pt、Rh中的一種或者Pt、Rh中的一種或兩種與貴金屬合金主體材料Y形成的PtY、YRh或PtYRh材料的過渡層2，設置過渡層2可進一步提高復合層在不同焊接材料之間參與合金化，形成穩定的連續漸變的固溶區組織，進一步提高貴金屬合金電極基體I焊接到鎳電極基座4上的結合力，以鎳為電極基座4主體材料、銥鉬合金為電極基體為例，貴金屬合金電極基體I焊面涂鍍以鎳合金為表層3的復合層和未涂鍍以鎳合金為表層3的復合層分別焊接于基座4后，經火花塞電阻耐久性跳火試驗數據如下:
權利要求
1.一種用于火花塞的貴金屬合金復合材料電極，其特征在于:包括用于焊接固定于火花塞中心電極和接地電極基座的貴金屬合金復合材料電極本體，所述貴金屬合金復合材料電極本體包括貴金屬合金電極基體和涂鍍于所述貴金屬合金電極基體表面且至少部分參與其焊接的復合層，所述復合層表層為基座主體材料X或者其合金。
2.根據權利要求1所述的用于火花塞的貴金屬合金復合材料電極，其特征在于:所述復合層還包括介于其表層與貴金屬合金電極基體之間的過渡層，所述過渡層為Pt、Rh中的一種或者Pt、Rh中的一種或兩種與貴金屬合金主體材料Y形成的PtY、YRh或PtYRh材料。
3.根據權利要求2所述的用于火花塞的貴金屬合金復合材料電極，其特征在于:所述X為金屬Ni，基座為Ni或者其合金，所述Y為金屬Ir，貴金屬合金電極基體中Ir含量^ 50wt.%。
4.根據權利要求3所述的用于火花塞的貴金屬合金復合材料電極，其特征在于:所述復合層的表層為金屬N1、鎳鉻錳硅合金NCr5-3-l.8、鎳鉻鐵合金線NC3020、鎳錳硅鉻合金NMn2-l.8-1.8、銅芯復合電極NCr2_l_0.5、鎳合金扁線NCr2Mn2S1、鎳錳硅合金NMn4_l、英康鎳合金Inconel600或鎳乾合金線NY。
5.根據權利要 求4所述的用于火花塞的貴金屬合金復合材料電極，其特征在于:所述復合層的表層厚度為2 μ m 10 μ m。
6.根據權利要求5所述的用于火花塞的貴金屬合金復合材料電極，其特征在于:所述復合層的過渡層厚度為2 μ m 5 μ m。
7.根據權利要求6所述的用于火花塞的貴金屬合金復合材料電極，其特征在于:所述貴金屬合金復合材料電極本體為薄片，還可以是圓形截面或矩形截面的絲材。
8.—種權利要求1到7任一權利要求所述的用于火花塞的貴金屬合金復合材料電極的制造方法，其特征在于:所述復合層的表層和過渡層分別可采用包套固相復合、電鍍、噴涂、氣相沉積、刷鍍等方法制造。
9.根據權利要求8所述的用于火花塞的貴金屬合金復合材料電極的制造方法，其特征在于:所述復合層的表層和過渡層均采用電鍍法制造，其中過渡層采用水溶液電積工藝，電鍍液組成及工藝條件=H2PtCl6.(H2O)=L 12g.ΙΛ Ir=L 12g. Λ NaBF4=IO 200g. ΛHBF4=I IOOg.ΙΛ NH2SO3H ( 24g. Λ 溫度 50。。，PH=0.3 1.5，電流密度=60mA.cm2 ；表層在鍍金機中進行低應力鍍制，電鍍液組成及工藝條件:氨基磺酸鎳=450g.L—1，氯化鎳=IOg.L—1，硼酸=30g.L-1，ΡΗ=5.0，溫度 50°C，電流密度=5A.dm_2，電鍍時間=60s。
全文摘要
本發明公開了一種用于火花塞的貴金屬合金復合材料電極，包括用于焊接固定于火花塞中心電極和接地電極基座的貴金屬合金復合材料電極本體，貴金屬合金復合材料電極本體包括貴金屬合金電極基體和涂鍍于所述貴金屬合金電極基體表面且至少部分參與其焊接的復合層，所述復合層表層為基座主體材料X的合金，通過在貴金屬合金電極焊接面設置以基座主體材料或者其合金為表層的復合層，對貴金屬合金電極基體進行表面改性，使復合層位于不同的焊接材料之間參與合金化，因該合金層與電極基座具有同質性，能在焊接時形成一個連續漸變的固溶區組織，提高貴金屬合金焊接到鎳電極基座上的結合力，可提高貴金屬合金電極的成品率和使用壽命。
文檔編號H01T13/39GK103138161SQ20121043046
公開日2013年6月5日 申請日期2012年11月1日 優先權日2012年11月1日
發明者李旸, 楊喜昆, 馬夢一, 陳楚清, 周川 申請人:昆明富爾諾林科技發展有限公司