一种Pt-Ru-Ir合金火花塞电极材料及其制备方法和应用的火花塞技术

本发明专利技术公开了一种Pt‑Ru‑Ir合金火花塞电极材料及其制备方法和应用的火花塞，火花塞电极材料按质量百分比包括：Ru 1～20％，Ir 1～10％，金属元素A 0.05‑5％，稀土元素B 0.05‑1.5％，余量为Pt和不可避免的杂质，所述金属元素A选自Re、Al、W、Nb、Th、Ti、Zr、Cr中的一种或多种。本发明专利技术可减少了贵金属的用量，降低了成本，增强了合金组织中晶界的结合力，改善合金材料的韧性和强度，提高了合金材料的抗高温烧蚀性能；细化了合金晶粒，抑制等轴晶的长大，提高了合金的高温持久强度和导电性。同时，本发明专利技术在制备过程中采用电脉冲处理和快冷吸铸技术，减少了制备合金过程中成分偏析，降低了电阻率，提高抗电侵蚀能力。

【技术实现步骤摘要】
一种Pt-Ru-Ir合金火花塞电极材料及其制备方法和应用的火花塞
本专利技术涉及一种高温合金材料，具体是一种Pt-Ru-Ir基高温合金电极材料和制备方法以及应用该材料制备得到的火花塞。
技术介绍
火花塞用于引起在内燃发动机中的燃烧，通常通过产生横跨在两个或更多个电极之间间隙的火花来点燃在发动机气缸或燃烧室中的空气/燃料混合物的气体。气体由火花的点燃引起发动机气缸中的燃烧反应，该燃烧反应对发动机的动力冲程做功。高温、高电压、燃烧反应的快速重复以及腐蚀性物质在燃烧气体中的存在会形成火花塞必须在其中起作用的恶劣环境。该恶劣环境可促使电极的侵蚀和腐蚀，随时间对火花塞的性能产生负面影响，潜在地引起不点火或一些其它不期望状况。现代工业和高新
中，耐高温耐腐蚀功能材料具有重要的应用。虽然铁(Fe)基、镍(Ni)基、钛(Ti)基、钴(Co)基、钼(Mo)基合金及其金属间化合物等非贵金属材料得到了很大发展及广泛应用，但贵金属材料如：铂(Pt)、铱(Ir)、铑(Rh)、钌(Ru)及其合金更能经受高温、高压及强电化学腐蚀等激烈和复杂的环境考验。Pt熔点高，化学性质稳定，是一种理想的高温材料。但Pt的高温强度较低，抗蠕变性能差。为提高Pt的高温性能，需进行合金化处理。目前，主要是将Pt与铱(Ir)和铑(Rh)等高熔点铂族金属元素合金化来提高Pt合金的高温强度、耐高温腐蚀性能和抗电弧侵蚀性能等。Pt-Ir和Pt-Rh合金具有熔点高、耐高温腐蚀性能好和抗电弧侵蚀性能强等优点，在航空工业电器接触点、工业电镀的电极、热电偶、火箭发动机零件及玻璃制造等方面有广泛的应用，特别是作为汽车的火花塞电极，可提高发动机的点火性能、燃油经济性、使用寿命及降低有害物质的排放。但铑资源极其稀有，价值十分昂贵，因此火花塞制造商尝试通过仅在电极的点火尖端或火花部分处使用这类材料来最小化与电极一起使用的贵金属的量，同时也寻找其他合金元素来替代贵金属元素，通过掺杂和组分设计来达到更好的耐高温耐腐蚀性能。铱(Ir)在铂族金属中具有最高的耐蚀性，当Ir以合金元素的方式加入Pt后，形成的Pt-Ir合金不仅具备了超高的化学稳定性，其机械性能相比如纯Ir及纯Pt均得到了显著优化。Pt-Ir合金由于具有高熔点、高硬度、高化学稳定及低的接触电阻，被广泛使用于条件要求高的弱电接触材料中。然而铂依合金在熔炼时，铱极易挥发，引起材料成分难以精确控制，其铸锭凝固时易于产生分偏析导致组织不均匀，因此其熔铸难度较大，另一方面，铂铱合金，特别是较高铱含量的铂铱合金，硬度较高而塑性较差，导致其加工较为困难。人们通过研究先进的熔炼工艺、掺杂工艺及微细化工艺等对铂铱合金的制备技术及改性技术等进行突破。重材院李国纲(航空发动机触点材料，PtIr25工艺研究[D]，重庆大学2008)等针对Pt-25Ir合金成分偏析、加工性能及电性能不稳定等问题，详细研究了Pt-25Ir合金的高、中频二次感应熔炼工艺，改善了合金的成分均匀性，并采用热轧以及时效强化工艺提高了机械性能，最终制备的Pt-Ir电接触材料具有比纯Pt电极更强的抗电弧侵蚀能力。为了进一步拓展Pt基高温合金材料的应用和降低成本，改变目前铂族金属高温合金材料大都使用价格较高的Pt-Ir和Pt-Rh合金材料的现状，开发价格相对较低的新型Pt-Ru基高温合金材料引起了广泛关注。钌(Ru)也是铂族金属元素之一，具有熔点高、比重小和抗腐蚀性强等优点，其价格比Ir和Rh便宜得多。Ru可以与Pt在富Pt和富Ru端形成广阔的合金固溶体，且Ru具有最高的固溶强化和显微结构强化效应。然而，由于Pt-Ru合金存在诸如：加工困难、Ru高温氧化挥发速率高以及合金晶界断裂倾向大等问题，单独采用Pt-Ru合金作为高温功能材料的应用少见报道。周川等(CN104674048A)针对上述Pt-Ru合金存在的问题，在Pt-Ru合金中加入特定适量的金属元素减轻或抑制Pt-Ru合金中Ru的高温氧化挥发速率，提高合金的高温延展性，改善合金的高温强度性质；同时，在Pt-Ru合金中加入少量或微量的稀土元素提高Pt-Ru合金的高温持久强度。邓忠民等(Pt-Ir-Ru合金的性能及显微结构[J]，贵金属，2001,22(2):1-4)研究了Pt-Ir-Ru合金的性能，结果表明：Ru和Ir对Pt-Ir和Pt-Ru合金的力学性能、电阻率和晶粒尺寸有大的影响。Ru的加入能够提高Pt-Ir合金的力学性能，但电阻率增大。此外，在熔炼时，Pt-Ir-Ru合金易产生成分偏析、加工性能差。由此，Pt-Ru-Ir基高温合金火花塞电极材料已经取得了一定的发展，但随着人们对高性能产品的需求以及空间探测活动的推进，天宫空间站的组建、天和核心舱的发射、天问一号的着陆等，特别是以后发展可重复利用的运载火箭等，都对应用于航空工业电器接触点、热电偶、火箭发动机零件以及汽车的火花塞、燃气轮点火电极材料及油气点火材料提出了更高的要求。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的缺点和不足，提供一种Pt-Ru-Ir合金火花塞电极材料及其制备方法，通过对合金成分和含量的调整，再结合先进的熔炼生产工艺，得到了成分均匀、电阻率小、耐高温耐腐蚀的电极材料。本专利技术首先提供一种Pt-Ru-Ir合金火花塞电极材料，按质量百分比包括：Ru1～20％，Ir1～10％，余量为Pt和不可避免的杂质。进一步地，所述Pt-Ru-Ir合金火花塞电极材料中还包括金属元素A，质量百分含量为0.05-5％，优选0.5-2.5％。优选地，所述金属元素A选自Re、Al、W、Nb、Th、Ti、Zr、Cr中的一种或多种；进一步优选地，所述金属元素A为W、Al、Zr。进一步地，所述Pt-Ru-Ir合金火花塞电极材料中还包括稀土元素B，质量百分含量为0.05-1.5％，优选0.1-0.5％。优选地，所述稀土元素B选自La、Ce、Pr、Nd、Y、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Th中的一种或多种；进一步优选地，所述稀土元素B为La、Ce、Nd。进一步地，所述Pt-Ru-Ir合金火花塞电极材料中Ru元素的含量于Ir元素。本专利技术提供一种Pt-Ru-Ir合金火花塞电极材料的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：(1)按质量百分比称取合金组分对应的单质金属粉末，混合均匀后置于坩埚中；(2)在吸铸装置中充氩气保护的条件下，将步骤(1)制得的混合物进行加热熔炼，获得合金熔体并保温；(3)用两根钼棒作为电极，对合金熔体通入脉冲电流；(4)电脉冲施加一定时间后不断开，直接用水冷铜模进行吸铸，得到合金铸锭；(5)将步骤(4)制得的合金铸锭进行退火处理，得到Pt-Ru-Ir合金火花塞电极材料。进一步地，所述电脉冲的电压为220-500V，频率为4-10Hz，电容300-600μF，处理时间为30-60s。优选地，所述电脉冲的电压为500V，频率为4Hz，电容300μF，处理时间为45s。进一步地，所述退火处理的温度为1150-1400本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Pt-Ru-Ir合金火花塞电极材料，其特征在于，按质量百分比包括：Ru 1～20％，Ir 1～10％，金属元素A 0.05-5％，稀土元素B 0.05-1.5％，余量为Pt和不可避免的杂质，所述金属元素A选自Re、Al、W、Nb、Th、Ti、Zr、Cr中的一种或多种。/n

【技术特征摘要】
1.一种Pt-Ru-Ir合金火花塞电极材料，其特征在于，按质量百分比包括：Ru1～20％，Ir1～10％，金属元素A0.05-5％，稀土元素B0.05-1.5％，余量为Pt和不可避免的杂质，所述金属元素A选自Re、Al、W、Nb、Th、Ti、Zr、Cr中的一种或多种。


2.根据权利要求1所述的一种Pt-Ru-Ir合金火花塞电极材料，其特征在于，所述Pt-Ru-Ir合金火花塞电极材料中金属元素A的质量百分含量优选0.5-2.5％。


3.根据权利要求2所述的一种Pt-Ru-Ir合金火花塞电极材料，其特征在于，所述金属元素A优选W、Al、Zr。


4.根据权利要求1-3任一项所述的一种Pt-Ru-Ir合金火花塞电极材料，其特征在于，所述Pt-Ru-Ir合金火花塞电极材料中稀土元素B的质量百分含量优选0.1-0.5％。


5.根据权利要求4所述的一种Pt-Ru-Ir合金火花塞电极材料，所述稀土元素B选自La、Ce、Pr、Nd、Y、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Th中的一种或多种；进一步优选地，所述稀土元素B为La、Ce、Nd。


6.根据权利要求1-5任一项所述所述的一种Pt-Ru-Ir合金火花塞电极材料，其特征在于，所述Pt-Ru-Ir合金火花塞电极材料中Ru元素的含量大于Ir元素。
<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李旸，周川，
申请(专利权)人：昆明富尔诺林科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：云南;53