專利名稱：具有體積穩(wěn)定的電極材料的火花塞的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大體而言涉及火花塞，和用于內燃機的其它點燃裝置，且特定而言涉及用于火花塞的電極材料。
背景技術：
火花塞能用于起始內燃機中的燃燒過程?；鸹ㄈǔＴ诎l(fā)動機氣缸或燃燒腔室中通過產(chǎn)生橫穿在兩個或兩個以上的電極之間限定的火花間隙的火花而點燃氣體，諸如空氣/燃料混合物。火花點燃氣體造成負責發(fā)動機動力沖程的發(fā)動機氣缸中的燃燒反應。高溫、高電壓，燃燒反應的快速重復和在燃燒氣體中腐蝕性材料的存在能造成苛刻的環(huán)境，而火花塞必須在這樣的環(huán)境中起作用。這種苛刻的環(huán)境會促進電極的侵蝕和腐蝕，而電極的侵蝕和腐蝕會隨著時間不利地影響火花塞性能，可能導致不發(fā)火或某些其它不需要的狀況。
舉例而言，鎳(Ni)和Ni基合金，包括鎳-鐵-鉻合金，如在根據(jù)UNS N06600規(guī)定并以商標名稱Inconel 600 >Nicrofer 7615 和Ferrochronin 600 銷售的那些,被廣泛地用作火花塞電極材料。但是，這些材料易于出現(xiàn)高溫氧化和其它降解現(xiàn)象，其能導致電極的侵蝕和腐蝕，從而增加了在中心電極與接地電極之間的火花間隙。在電極之間增加的火花間隙可能最終引起火花塞的不發(fā)火。為了減輕火花塞電極的侵蝕和腐蝕，已經(jīng)使用了各種類型的貴金屬及其合金，諸如由鉬和銥制成的那些。但這些材料較為昂貴。因此，火花塞制造商有時試圖通過僅在電極的點火頂端或在火花在該處橫穿火花間隙跳躍的火花部使用這樣的材料來最小化電極所用的貴金屬量。

發(fā)明內容
根據(jù)ー實施例，提供ー種火花塞，其可包括金屬殼體，其具有軸向內孔；絕緣體，其具有軸向內孔且至少部分地安置于金屬殼體的軸向內孔內；中心電極，其至少部分地安置于絕緣體的軸向內孔內；以及，接地電極，其附連到金屬殼體的自由端。中心電極、接地電極或二者包括鎳基體積穩(wěn)定合金，包括鎳(Ni)、招(Al)和預先成形的Ni3Al相。根據(jù)另ー實施例，提供ー種制造用于火花塞的中心電極或接地電極的方法，包括下步驟(a)提供Ni基合金，其包括鎳(Ni)和鋁(Al) ； (b)加熱Ni基合金且使得Ni3Al相形成于Ni基合金中；以及(c)用Ni基合金形成中心電極或接地電極的至少一部分。在中心電極或接地電極暴露于內燃機的燃燒腔室的高溫環(huán)境之前Ni3Al相形成于Ni基合金中。


將在下文中結合附圖來描述本發(fā)明的優(yōu)選示范性實施例，其中相同的附圖標記相似元件且在附圖中
圖I為可使用下文所述的電極材料的示范性火花塞的截面 圖2為自圖I的示范性火花塞的點火端的放大視圖，其中，中心電極具有呈單件鉚釘形式的點火頂端且接地電極具有呈平墊形式的點火頂端；
圖3為可使用下文所述的電極材料的另ー示范性火花塞的點火端的放大視圖，其中，中心電極具有呈單件鉚釘形式的點火頂端且接地電極具有呈圓柱形頂端形式的點火頂端;
圖4為可使用下文所述的電極材料的另ー示范性火花塞的點火端的放大視圖，其中，中心電極具有位于凹口中呈圓柱形頂端形式的點火頂端且接地電極無點火頂端；
圖5為可使用下文所述的電極材料的另ー示范性火花塞的點火端的放大視圖，其中，中心電極具有呈圓柱形頂端形式的點火頂端且接地電極具有從接地電極的軸向端延伸的呈圓柱形頂端形式的點火頂端；
圖6為比較貴金屬合金的侵蝕率與示范性體積穩(wěn)定的合金的侵蝕率的條形 圖7為分散于Ni基質中的Ni3Al沉淀物的示意表示，沉淀物具有球形區(qū)域；以及 圖8為分散于Ni基質中的Ni3Al沉淀物的示意表示，沉淀物具有立方體形區(qū)域。
具體實施例方式本文所述的電極材料可用于火花塞中和其它點燃裝置中，包括エ業(yè)塞，航空點燃器、電熱塞或用于點燃發(fā)動機中的空氣/燃料混合物的任何其它裝置。這包括但明確地并不限于在附圖中所示和在下文中所述的示范性火花塞。而且，應了解電極材料可用于點火頂端中，點火頂端附連到中心電極和/或接地電極或者電極材料可用于實際的中心電極和/或接地電極本身中，僅舉出幾種可能性。電極材料的其它實施例和應用也是可能的。參看圖I和圖2,示出了示范性火花塞10,其包括中心電極12、絕緣體14、金屬殼體16和接地電極18。中心電極或基電極構件12安置于絕緣體14的軸向內孔內且包括點火頂端20,點火頂端20突伸超過絕緣體14的自由端22。點火頂端20為單件鉚釘,其包括火花表面32且由耐侵蝕和/或耐腐蝕材料制成，類似于下文所述的電極材料。在此特定實施例中，單件鉚釘具有臺階形狀，其包括直徑擴大的頭部段和直徑縮小的圓柱形桿部段。點火頂端20可焊接，結合或以其他方式牢固地附連到中心電極12上。絕緣體14安置于金屬殼體16的軸向內孔內且由諸如陶瓷材料的材料構造成，其足以使得中心電極12與金屬殼體16電絕緣。絕緣體14的自由端22可突伸超過金屬殼體16的自由端24，如圖所示的那樣，或者其可縮回到金屬殼體16內。接地電極或基電極構件18可根據(jù)附圖所示的常規(guī)L形配置構造或者根據(jù)某些其它布置構造，且附連到金屬殼體16的自由端24。根據(jù)此特定實施例，接地電極18包括側表面26，側表面26與中心電極的點火頂端20相對且具有附連于其上的點火頂端30。點火頂端30呈平墊的形式且包括火花表面34，其與中心電極點火頂端20限定火花間隙G使得它們提供火花表面32、34，用于發(fā)射和接收橫穿火花間隙的電子。中心電極12和接地電極18通?？捎蒒i或固體Ni合金構成。電極12、18中的任一個或ニ者可包括由具有高導熱率的材料構成的芯36，諸如銅，以幫助將熱傳導遠離點火頂端部位。在此特定實施例中，中心電極點火頂端20和/或接地電極點火頂端30可由本文所述的電極材料制成，但其并非電極材料僅有的應用。舉例而言，如圖3所示的那樣，示范性的中心電極點火頂端40和/或接地電極點火頂端42也可由電極材料制成。在此情況下，中心電極點火頂端40為單件鉚釘且接地電極點火頂端42為圓柱形頂端，其遠離接地電極的側表面26延伸一段顯著距離。電極材料也可用于形成在圖4中示出的示范性中心電極點火頂端50和/或接地電極18。在此實例中，中心電極點火頂端50為位于凹ロ或盲孔52中的圓柱形部件，凹ロ或盲孔52形成于中心電極12的軸向端?；鸹ㄩg隙G形成于中心電極點火頂端50的火花表面與接地電極18的側表面26之間，接地電極18的側表面26也充當火花表面。圖5示出電極材料的又一可能應用，其中圓柱形點火頂端60附連到中心電極12的軸向端且圓柱形點火頂端62附連到接地電極18的軸向端。接地電極點火頂端62與中心電極點火頂端60的側表面形成火花間隙G，且因此是略微不同于附圖所示的其它示范性火花塞的點火端配置。同樣，應了解上文所述的非限制性火花塞實施例僅為電極材料的可能用途中的某 些實例，因為其可在任何點火頂端、電極、火花表面或用于點燃發(fā)動機中的空氣/燃料混合物的其它點火端部件中使用或采用。舉例而言，下面的部件可由該電極材料形成中心電極和/或接地電極；中心電極點火頂端和/或接地電極點火頂端，其呈鉚釘、圓筒、桿、柱、絲、球、丘狀物、圓錐、平墊、圓盤、環(huán)、套筒等形狀；中心電極點火頂端和/或接地電極點火頂端，其直接附連到電極上或經(jīng)由ー個或多個中間、居間或應カ釋放層而間接地附連到電極上；中心電極點火頂端和/或接地電極點火頂端，其位于電極的凹口內、嵌入于電極表面內、或位于電極外側，諸如套筒或其它環(huán)形構件；或者，火花塞，其具有多個接地電極，多個火花間隙或半蠕變型火花間隙。這些只是電極材料的可能應用的幾個實例，但也可存在其它實例。如本文所用的術語“電極”，無論是關于中心電極，接地電極，火花塞電極等，可包括基電極構件本身，點火頂端本身或基電極構件和附連到其上的ー個或多個點火頂端的組合，僅舉出幾種可能性。在火花塞電極中可使用高溫性能合金，也被稱作超合金，包括諸如下列的元素鎳(Ni)、鈷(Co)、鉻(Cr)、鐵(Fe)和鋁(Al)。這樣的合金具有高的耐氧化和耐腐蝕性，其是火花塞電極的理想材料。但是，迄今，對于火花塞電極和/或點火頂端而言，這樣的高溫性能合金的使用是有限的，因為這些類型的合金在火花塞在內燃機的高溫環(huán)境中操作期間會經(jīng)歷體積減小。這樣的體積減小會造成在火花表面之間的火花間隙隨著時間增加，而這會妨礙火花塞的性能。如下文所述的那樣，本文所公開的主題的發(fā)明者發(fā)現(xiàn)了體積減小的原因且研發(fā)了制造體積穩(wěn)定的特定Ni基合金的技術，以及制造使用這樣的體積穩(wěn)定合金的火花塞以在高溫環(huán)境操作期間減輕火花間隙生長的技木。這樣的合金可提供高的耐侵蝕性和腐蝕性而無需依靠成本較高的貴金屬合金。舉例而言，如圖6所示的那樣，示出了示范性Ni-Cr-Al-Fe合金每個火花循環(huán)的體積侵蝕以與更昂貴的貴金屬合金(諸如圖6的鉬-鎳合金)每個火花循環(huán)的體積侵蝕相比較。下文所述的體積穩(wěn)定的合金為Ni基合金，使它們與先前所描述的典型火花塞材料兼容。更特定而言，它們?yōu)楹X的Ni合金，其包括Ni3Al沉淀物作為Y’-相。此外，Cr和/或Fe可與其它可選的成分一起包括于體積穩(wěn)定合金中，如將在下文中描述的那樣。舉例而言，Co可包括于體積穩(wěn)定的合金中，可能替換Ni的一部分。體積穩(wěn)定的合金包括Ni或者Ni與Co的組合以在體積穩(wěn)定的合金中提供Ni或Ni-Co基質(Y) ο在一實施例中，體積穩(wěn)定的合金包括(以該合金的重量百分比(wt%) )Ni或者Ni和Co的組合，以至少大約65. 0wt%的量；Cr,以大約12. O wt%至大約20. O wt%的量；Fe,以大約I. 5 wt%至大約wt15. 0%的量；A1，以大約4. O wt%至大約8. O wt%的量。體積穩(wěn)定的合金包括至少兩相，包括固溶Ni相和Ni3Al沉淀物。組分的重量百分比(wt%)定義為組分在體積穩(wěn)定的合金中的濃度。舉例而言，如果體積穩(wěn)定的合金包括I. 5 wt%量的Fe,那么該總的體積穩(wěn)定的合金的I. 5%由Fe組成，而總的體積穩(wěn)定的合金的其余98. 5%由其它成分組成。體積穩(wěn)定的合金的Ni、Co、Cr、Fe、Al和其它元素、組分、沉淀物和特征的存在和量可通過化學分析或者通過觀察點火頂端材料的能量色散譜(E. D. S.)來檢測?？捎蓲呙桦娮语@微檢查(S. E. M.)儀器來生成E. D. S.。可在中心電極和接地電極中每一個中使用的純Ni或Ni合金的導熱率優(yōu)選地大于大約20. O W/m-K。表I列出了與本發(fā)明所公開的體積穩(wěn)定的合金的一實施例相比，純Ni和其它Ni合金的組成和導熱率。表I
材料笮溫F的導熱寧
純SS
Nil 25《合金 A}36.8
Ni 522《合金 B)26.3
體枳穩(wěn)定的合金< Ni-Cr-Al-Fc) 12Λ如表I所示的那樣，體積穩(wěn)定的合金的導熱率與純Ni和稀釋Ni合金A和B相比較低。而且，在體積穩(wěn)定合金的制造過程中的總可加工性可能并不像純Ni或稀釋Ni合金那樣好。作為高度合金化的材料，體積穩(wěn)定的合金在其經(jīng)受引起纏結錯位的各種處理過程時可能經(jīng)歷加工硬化，使得之后的加工更為困難，這歸因于脆性和/或該材料接近其應變極限?；谏鲜隹紤]，諸如示范性合金A或B的純Ni或稀釋Ni合金可優(yōu)選地用于電極中。由于其較高的導熱率，使用純Ni或稀釋Ni合金作為電極材料也幫助降低火花塞電極的操作溫度。取決于操作條件和電極的其它要求，導電芯可包括于一個或兩個電極中以進一步降低其操作溫度。但是，導電芯并非必需的。體積穩(wěn)定的合金包括足以影響合金強度的量的鎳(Ni)。Ni可為體積穩(wěn)定合金的主要成分且為常用于火花塞電極的材料，如先前所提到的那樣，由于其抗氧化、耐腐蝕和侵蝕性，同時由于與諸如貴金屬的材料相比相對廉價。在一實施例中，體積穩(wěn)定的合金包括至少大約65. O wt%量的Ni。在優(yōu)選組成中，Ni可以大約75%wt%的量存在。在另一實施例中，體積穩(wěn)定的合金包括至少大約68. O wt%量的Ni。在另一實施例中，體積穩(wěn)定的合金包括至少大約75. O wt%量的Ni。在又一實施例中，體積穩(wěn)定的合金包括至少大約80. O wt%量的Ni。在另一實施例中，體積穩(wěn)定的合金包括少于大約82. 6 wt%量的Ni。在又一實施例中，體積穩(wěn)定的合金包括少于大約79. O wt%量的Ni。在另一實施例中，體積穩(wěn)定的合金包括少于大約76. O wt%量的Ni。通常，在確定了其它合金成分量之后用鎳來補足該組成的余量來確定在體積穩(wěn)定的合金中的鎳的確切量，其中主要包括其它合金成分以為該合金提供與純Ni相比某些增強的性質。鈷(Co)可部分地替換體積穩(wěn)定合金的高達大約20. O wt%的Ni含量，使得Ni和Co的總量少于大約82. 6 wt%。鈷可提供與Ni相同類型的所需性質，除了鈷通常為更昂貴的材料。在Ni的開采過程中，存在Co雜質也并不鮮見，因此，可得到包括Co作為成分的某些不太純的Ni形式。在一實施例中，體積穩(wěn)定的合金包括至少大約O. 5 wt%量的Co。在另一實施例中，體積穩(wěn)定的合金包括至少大約4. O wt%量的Co。在又一實施例中，體積穩(wěn)定的合金包括至少大約6. O wt%量的Co。在另一實施例中，體積穩(wěn)定的合金包括至少大約10.0wt%量的Co。在另一實施例中，該合金包括少于大約19. 5 wt%的量的Co。在又一實施例中，該合金包括少于大約20. O wt%的量的Co。在另一實施例中，該合金包括少于大約
15.O wt%的量的Co。舉例而言，體積穩(wěn)定的合金可包括大約70. O wt%量的Ni和大約9. Owt%量的Co使得Ni和Co的總量為大約79. O wt%0鈷并非體積穩(wěn)定的合金的必需成分，但當包括鈷時，優(yōu)選量可為大約1.0 wt%。體積穩(wěn)定的合金包括足以影響到體積穩(wěn)定合金的強度的量的鉻(Cr)。由于Cr能形成彈性氧化物層，彈性氧化物層能保護下面的層避免進一步氧化，在該合金中可包括Cr。在一實施例中，該合金包括大約12.0 wt%至大約20. O wt%,或優(yōu)選地,大約15.0 wt%至大約16.0 wt%的量的Cr。在另一實施例中，該合金包括至少大約12.0 wt%量的Cr。在另一實施例中，該合金包括至少大約13. O wt%量的Cr。在又一實施例中，該合金包括至少大約
16.0wt%量的Cr。在另一實施例中，該合金包括少于大約20.0 wt%的量的Cr。在又一實施例中，該合金包括少于大約19. O wt%的量的Cr。在另一實施例中，該合金包括少于大約
16.O wt%的量的Cr。值得注意的是，Ni基合金可在不包括Cr作為成分的情況下為體積穩(wěn)定的合金。該體積穩(wěn)定的合金包括足以影響該合金的氧化性能的量的鋁(Al)。舉例而言，如將在下文中進一步描述，Al可在火花塞的點火頂端上形成Al2O3氧化物層，其能幫助屏蔽下面的合金以避免進一步氧化。如先前所提到且下文進一步描述的那樣，Al也形成Ni3Al沉淀物作為Y ’ -相，在合金用于制造火花塞電極或點火頂端之前，當在生產(chǎn)該合金期間可控制地形成作為Y ’ -相的Ni3Al沉淀物時,該合金被賦予體積穩(wěn)定性。在一實施例中，該合金包括大約4. O wt%至大約8. O wt%量的Al。在優(yōu)選組成中,Al可以大約4. 5 wt%的量存在。在另一實施例中，該合金包括至少大約4. O wt%量的Al。在另一實施例中，該合金包括至少大約4. 6 wt%量的Al。在又一實施例中，該合金包括至少大約5. 9 wt%量的Al。在另一實施例中，該合金包括少于大約8. O wt%量的Al。在又一實施例中，該合金包括少于大約7.7 wt%量的Al。在另一實施例中，該合金包括少于大約5. O wt%量的Al。該體積穩(wěn)定的合金包括足以影響到體積穩(wěn)定的合金的強度的量的鐵(Fe)。與諸如貴金屬的材料相比，且甚至與Ni相比，F(xiàn)e為相對廉價的材料，且能用于幫助穩(wěn)定合金中可能存在的各種相。在一實施例中，該合金包括大約I. 5 wt%至大約wt 15. 0%量，優(yōu)選地大約3. O wt%至大約5. O wt%量的Fe。在優(yōu)選組成中,Fe可以大約3. O wt%的量存在。在另一實施例中，該合金包括至少大約2. 7 wt%量的Fe。在另一實施例中，該合金包括至少大約5.5 wt%量的Fe。在又一實施例中，該合金包括至少大約8. O wt%量的Fe。在另一實施例中，體積穩(wěn)定的合金包括少于大約15. 0%量的Fe。在又一實施例中，該合金包括少于大約12. O wt%量的Fe。在另一實施例中，該合金包括少于大約6. O wt%量的Fe。體積穩(wěn)定的合金還包括Ni3Al沉淀物。該合金可為高度飽和的，其能使得合金包括Ni3Al相U ’)。Ni3Al相U ’)在至少大約600°C的溫度從含鋁的Ni基合金的Ni基質(Y)沉淀出來。在Ni3Al沉淀物形成期間合金的體積減小。根據(jù)下文所概述的示范性方法，可在諸如內燃機的高溫應用中使用合金之前在合金中形成Ni3Al沉淀物，從而在使用火花塞期間限制或幫助防止形成Ni3Al沉淀物和相關聯(lián)的體積減小和火花間隙增加。具體而言，在火花塞在高溫應用中使用期間限制或防止的體積減小量通常大約等于在Ni3Al沉淀物預先形成期間出現(xiàn)的體積減小。換言之，該合金具有穩(wěn)定的體積，在火花塞用于內燃機期、間包括很少變化或無變化。在形成Ni3Al沉淀物期間，大部分Ni基質U )可轉換為Ni3Al沉淀物U ’)。由于Ni3Al沉淀物(Y ’)比Ni基質(Y )更致密且具有更小的晶格參數(shù)而發(fā)生體積減小。在該合金中Ni3Al沉淀物(Y ’)和Ni基質(Y )的晶格失配從大約-O. I到大約-O. 5%。在該合金中的Ni3Al沉淀物(Y ’)的體積分數(shù)可在大約20%至大約70. 0%的范圍。舉例而言，在包括超過大約6. O wt%的量的Al的合金中，Y’-相的體積分數(shù)可為大約60-70%。在包括少于大約4. O wt%的量的Al的合金中，Y ’ -相的體積分數(shù)可為大約20-30%。因此，形成Ni3Al沉淀物(Y ’)増加了合金的密度，這減小了合金的體積。Ni基質(Y )在火花塞應用于高溫應用之前轉換為Ni3Al沉淀物(Y’)避免了在火花塞用于高溫應用期間的體積收縮和増加火花間隙。參看圖7和圖8，γ’ -相70可分散于Ni或Ni-Co基質72中。取決于Y’-相的 體積分數(shù)，其也可以不同的形態(tài)存在。舉例而言，如圖7所示的那樣，在諸如20-30%的較低體積分數(shù)，該合金的r相區(qū)域呈現(xiàn)球狀或具有大體上圓形的結構。如圖8所示的那樣，在諸如60-70%的較高體積分數(shù)，該合金的r相區(qū)域呈現(xiàn)立方體狀或具有大體上尖銳邊緣的結構。也可存在兩種形態(tài)的混合。也就是說該合金的某些Y’相區(qū)域可為球形，而其它區(qū)域可為立方體形，其中Ni3Al沉淀物相的體積分數(shù)在30%與60%之間。平均而言，Ni3Al相的各個粒子或區(qū)域可在大約O. 2 μπι至大約4μπι的范圍。圖7和圖8僅為示意描繪，出于解釋說明目的而簡化且并未按照比例繪制或意味表示任何具體的體積分數(shù)或相對相的大小或分布。該體積穩(wěn)定的合金還可包括少于大約1.0 wt%量的猛(Mn);少于大約1.0 wt%量的硅(Si);少于大約O. I wt%量的碳(C);少于大約0.03 wt%量的硼⑶；以及，少于大約O. 5 wt%量的鋯(Zr)。但是，Mn、Si、C、B和Zr并非必需的成分。該體積穩(wěn)定的合金還可包括銥⑴、鑭(La)或鉿(Hf)，其量足以顯著地影響在火花表面處形成的Al2O3層到點火頂端的相鄰部分或本體的附著度。在一實施例中，該合金包括少于大約I. O wt%量的Y。在另ー實施例中，該合金包括大于大約O. 001 wt%量的Y。在又一實施例中，該合金包括少于大約I. O wt%量的La。在另ー實施例中，該合金包括大于大約O. 001 wt%量的La。在另ー實施例中，該合金包括少于大約I. O wt%量的Hf。在又ー實施例中，該合金包括大于大約O. 001 wt%量的Hf。在高溫下，包括體積穩(wěn)定的合金的每個電極或點火頂端通常在其外表面，例如包括點火頂端的火花表面處形成氧化鋁(Al2O3)層。當體積穩(wěn)定的合金加熱到大于大約600°C的溫度時通常會形成Al2O3層，諸如在火花塞用于內燃機中吋。當火花表面包括平面表面吋，Al2O3層通常沿著平面表面延伸。因此，點火頂端可包括梯度材料組成，其中火花表面包括Al2O3層且點火頂端的相鄰部分或本體包括另ー組成,包括例如Ni、Cr、Fe和Al。在體積穩(wěn)定的合金經(jīng)受高溫之前，Al2O3層并不存在，且點火頂端通常包括均勻的材料組成。在Al2O3形成于外表面或火花表面之后，其通常在所有溫度都保持在那里。這樣的Al2O3層為致密的、穩(wěn)定的且具有低形成自由能。因此，Al2O3層可提供改進的抗氧化性來在火花塞電極經(jīng)受燃燒腔室的火花和極端條件時保護點火頂端避免腐蝕和侵蝕。如此描述的包括體積穩(wěn)定合金的點火頂端或電極可提供優(yōu)良的抗氧化性和抗侵蝕性且在內燃機的高溫和苛刻條件下良好運作。在優(yōu)選組成中，體積穩(wěn)定的合金可包括下列Ni (75. O wt%), Cr (16. O wt%)，A1 (4· 5 wt%)，F(xiàn)e (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預先形成的Y ’ -相Ni3Al沉淀物中。也可描述制造火花塞的方法，諸如圖I中所描繪的火花塞，其包括體積穩(wěn)定的合金，其中火花塞包括具有體積穩(wěn)定合金的至少ー個電極。該方法包括下步驟提供合金，其包括Ni，或者Ni與Co、Cr、Fe和Al的組合；將該合金加熱到大約1000°C至大約1350°C的第一溫度；將該合金淬火；將該合金加熱到大約550°C至大約950°C的第二溫度；以及維持該合金在該第二溫度直到Ni 3A1沉淀物在該合金中形成。在將火花塞用于諸如內燃機的高溫應用中之前，執(zhí)行制造火花塞的方法，包括加熱和冷卻。體積穩(wěn)定的合金通常通過下述而提供 通過混合Ni或者Ni和Co組合，以至少大約65. O wt%的量；Cr,以大約12. O wt%至大約20. O wt%的量；A1,以大約4. O wt%至大約8. O wt%的量；以及,Fe,以大約I. 5 wt%至大約15. O wt%的量，以形成Ni基混合物。用于形成體積穩(wěn)定合金的Ni、Co、Cr、Fe、Al和其它組分可呈粉末金屬形式或其它固態(tài)形式。提供合金的步驟可包括燒結鎳基粉末金屬混合物。并未規(guī)定燒結溫度，但其為能將Ni基粉末金屬混合物燒結形成合金的溫度?？墒褂闷渌苯馥ㄋ?，諸如各種熔化工藝，之后進行鑄造和擠壓エ藝，來形成合金，而不是燒結。使用感應熱或其它類型的熱源來熔化粉末或其它固態(tài)形式的成分的熔融エ藝可被用來完成提供合金的步驟。如上文所述的那樣，該方法包括加熱該合金到大約1000°C至大約1350°C且優(yōu)選地大約1200°C至1300°C的第一溫度。第一溫度取決于合金的組成。該方法還包括將合金維持在第一溫度，直到Co、Cr、Fe、Al和其它合金元素溶解于合金的Ni基質中。這種加熱步驟可被稱作固溶處理。在固溶處理之后，該方法包括冷卻合金以形成過飽和的Ni固溶體。合金的溫度通常降低到大約周圍溫度或室溫，例如大約10°C至大約40°C。冷卻步驟可被稱作淬火。淬火介質可為在冷卻期間繞合金循環(huán)的10-40°C的空氣或水。冷卻步驟可在較短時間進行，諸如大約I分鐘或更短，但該時間可取決于第一溫度、冷卻基質的溫度和正被冷卻的合金的質量而不同，僅舉出幾種因素。優(yōu)選地，合金在從1200°C低至大約800°C的范圍盡可能快地冷卻，之后，可減緩冷卻速率。在冷卻步驟之后，該方法還包括再次加熱該合金到大約550°C至大約950°C的第ニ溫度且維持該合金在第二溫度直到在合金的Ni或Ni-Co (y)基質內的Ni3Al相(Y’)沉淀物，以提供包括Ni3Al沉淀物的體積穩(wěn)定的合金。此加熱步驟可被稱作是老化處理。通常，在Ni3Al相(Y’)沉淀之前，合金維持在第二溫度持續(xù)大約30分鐘至大約180分鐘。但是，時間量取決于合金的組成和飽和水平。在任何情況下，老化處理的目的是為了使得合金的預先形成的Ni3Al含量最大化，使得一旦用于火花塞電極中和高溫環(huán)境中，不再形成Ni3Al沉淀物，從而在使用期間防止任何額外的體積減小和相關聯(lián)的火花間隙增加。在合金用于內燃機中的火花塞中之前，固溶處理,淬火,和老化處理預先形成的Ni3Al沉淀物且造成合金的體積減小或者密度増加。換言之，如上文所述的那樣，形成Ni3Al沉淀物允許在包括體積穩(wěn)定合金的火花塞的高溫使用期間合金維持穩(wěn)定體積，包括較少變化或無變化。應了解前文的描述為本發(fā)明的一個或多個優(yōu)選實施例的描述。本發(fā)明并不限于本文所公開的特定實施例，而是僅由下文的所附權利要求限定。而且，在前文的描述中包含的陳述涉及特定實施例且不應理解為限制本發(fā)明的范圍或者在權利要求中所用的術語的定義，除非術語或短語在上文中明確地定義。各種其它實施例和對所公開的實施例做出的各種變化和修改將對于本領域技術人員顯而易見。所有這樣的其它實施例、變化和修改預期在所附權利要求的范圍內。在本說明書和權利要求中所用的術語，“例如”，“舉例而言”，“諸如”和“如”和動詞“包括”、“包含”和“具有”和其另外的動詞形式，當結合一個或多個構件或其它項清單使用時，每ー個應被理解是開放式的，表示該清單不應認為排除其它額外的構件或項目。其它術語認為使用其最廣泛的合理的意義，除非它們用于需要不同解釋的上下 文中。
權利要求
1.一種火花塞,包括 金屬殼體，其具有軸向內孔； 絕緣體，其具有軸向內孔且至少部分地安置于所述金屬殼體的軸向內孔內； 中心電極，其至少部分地安置于所述絕緣體的軸向內孔內；以及 接地電極，其附連到所述金屬殼體的自由端； 其中所述中心電極、所述接地電極或二者包括鎳基體積穩(wěn)定的合金，該合金包括鎳(Ni)、鋁(Al)和預先成形的Ni3Al相。
2.根據(jù)權利要求I所述的火花塞，其中，鎳(Ni)以至少大約65.0 丨％的量存在于所述體積穩(wěn)定的合金中。
3.根據(jù)權利要求I所述的火花塞,其中，鋁(Al)以大約4.0wt%至大約8. 0 wt%的量存在于所述體積穩(wěn)定的合金中。
4.根據(jù)權利要求I所述的火花塞，其中，所述體積穩(wěn)定的合金還包括大約12.0被％至大約20. 0 wt%的鉻(Cr)。
5.根據(jù)權利要求I所述的火花塞，其中，所述體積穩(wěn)定的合金還包括大約I.5 wt%至大約 15. 0 wt% 的鐵(Fe)。
6.根據(jù)權利要求I所述的火花塞，其中，所述體積穩(wěn)定的合金還包括至多大約20wt%的鉆(Co)。
7.根據(jù)權利要求6所述的火花塞,其中,存在于所述體積穩(wěn)定的合金中的鈷(Co)和鎳(Ni)的組合量為至少大約65. 0 wt%。
8.根據(jù)權利要求I所述的火花塞，其中，所述預先形成的Ni3Al相以所述合金總體積的大約20%至大約70%存在于所述體積穩(wěn)定的合金中。
9.根據(jù)權利要求I所述的火花塞，其中，所述預先形成的Ni3Al相包括作為Y’_相的Ni3Al沉淀物，其分散于Ni基的基質內且包括大小為大約0. 2 ii m至大約4 y m的粒子。
10.根據(jù)權利要求I所述的火花塞，其中，所述體積穩(wěn)定的合金包括至少65.0wt%的鎳(Ni)，4. 0-8. 0 wt% 鋁(Al)，12-20 wt% 鉻(Cr)和 I. 5-15. 0 wt% 鐵(Fe)。
11.根據(jù)權利要求10所述的火花塞，其中，所述體積穩(wěn)定的合金還包括至多大約1.0wt%的選自下列的至少一種元素釔(Y)、鑭(La)或鉿(Hf)。
12.根據(jù)權利要求10所述的火花塞，其中，所述體積穩(wěn)定的合金還包括至多大約0.01wt%量的宇乙(Y) o
13.根據(jù)權利要求10所述的火花塞，其中，所述體積穩(wěn)定的合金還包括選自下列的至少一種元素少于大約I. 0 wt%量的錳(Mn);少于大約I. 0 wt%量的硅(Si);少于大約0. Iwt%量的碳(C);少于大約0. 03 wt%量的硼⑶；或者，少于大約0. 5 wt%量的錯(Zr)。
14.根據(jù)權利要求I所述的火花塞，其中，包括所述體積穩(wěn)定的合金的電極在所述電極暴露于內燃機的燃燒腔室的高溫環(huán)境時并不經(jīng)歷任何顯著的體積減小。
15.根據(jù)權利要求I所述的火花塞，其中，當包括所述體積穩(wěn)定的合金的所述電極暴露于內燃機中的燃燒腔室的高溫環(huán)境時，所述體積穩(wěn)定的合金中的Ni3Al總量實質上不會增加超過在所述預先形成的Ni3Al相中Ni3Al的量。
16.根據(jù)權利要求I所述的火花塞，其中，所述中心電極，所述接地電極或二者包括由所述體積穩(wěn)定的合金制成的附連的點火頂端。
17.—種制造用于火花塞的中心電極或接地電極的方法，包括下步驟 (a)提供Ni基合金，其包括鎳(Ni)和鋁(Al)； (b)加熱所述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電極或接地電極的至少一部分，其中在所述中心電極或所述接地電極暴露于內燃機的燃燒腔室的高溫環(huán)境之前所述Ni3Al相形成于所述Ni基合金中。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中所述Ni基合金包括鎳(Ni)、鋁(Al)、鉻(Cr)和鐵(Fe)。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中所述Ni基合金包括至少65.O wt%的鎳(Ni)，4.0-8. 0 wt% 鋁(Al)，12-20 wt% 鉻(Cr)和 I. 5-15. 0 wt% 鐵(Fe)。
20.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中步驟(b)還包括維持所述Ni基合金處于或高于一溫度直到所述Ni基合金中的Ni3Al相的量不再增加。
21.根據(jù)權利要求20所述的方法，其中步驟(b)還包括維持所述Ni基合金在大約550°C至大約950°C持續(xù)大約30分鐘至大約180分鐘直到在所述Ni基合金中的Ni3Al相的量不再增加。
22.根據(jù)權利要求17所述的方法，還包括下步驟 加熱所述Ni基合金到大約1000°C至大約1350°C的溫度范圍；以及 在加熱所述Ni基合金之后將所述Ni基合金淬火，其中所述加熱和淬火步驟在步驟(b)之前發(fā)生。
23.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中步驟(a)還包括燒結金屬粉末的混合物以提供所述Ni基合金。
24.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中步驟(a)還包括通過感應加熱使得固態(tài)金屬的混合物熔化來提供所述Ni基合金。
25.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中步驟(c)還包括用所述Ni基合金形成點火頂端。
26.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中所述中心電極或所述接地電極在步驟(b)和(c)之后為體積穩(wěn)定的，使得其在所述電極暴露于內燃機中的燃燒腔室中的高溫環(huán)境時并不經(jīng)歷任何顯著的體積減小。
全文摘要
火花塞具有一個或多個至少部分地由含鋁的Ni基合金制成的電極。該合金為體積穩(wěn)定的合金，其包括在Ni基質γ相中分布的γ'-相Ni3A1沉淀物。該沉淀物在合金用于制造電極之前形成于合金中且因此一旦用于高溫環(huán)境中防止額外的Ni3Al沉淀物形成于合金中。這會防止合金的體積減小，合金體積減小可能會導致增加的火花間隙和火花塞故障。體積穩(wěn)定的合金可通過Ni-Cr-Al-Fe合金的固溶處理、淬火和熱老化而制成。
文檔編號H01T13/39GK102668283SQ201080053198
公開日2012年9月12日 申請日期2010年11月24日 優(yōu)先權日2009年11月24日
發(fā)明者馬書偉 申請人:美國輝門(菲德爾莫古)點火系統(tǒng)有限公司