CN103229372A - 用于与火花塞一起使用的电极材料 - Google Patents

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Abstract

一种用于内燃发动机的火花塞(10)，具有中心电极(12)、接地电极(18)或两者，其包括为Pt基合金的电极材料。电极材料可包括：铂(Pt)；类似铝(Al)或硅(Si)的至少一种活性元素；以及至少一种高熔点元素，诸如：钌(Ru)、铱(Ir)、钨(W)、钼(Mo)、铼(Re)、钽(Ta)、铌(Nb)或铬(Cr)、或其组合。在所公开的合金的至少一些中，铝(Al)和/或硅(Si)有助于薄保护性氧化物层在电极材料的表面上的形成。

Description

用于与火花塞一起使用的电极材料
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年7月29日提交的美国临时申请序号No.61/368,860的权益，该申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明大体上涉及用于内燃发动机的火花塞以及其它点火装置，并且具体地涉及用于火花塞的电极材料。
背景技术
火花塞可用于引起在内燃发动机中的燃烧。火花塞通常通过产生横跨在两个或更多个电极之间所限定的火花隙的火花来点燃在发动机气缸或燃烧室中的诸如空气/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负责。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，这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。
为了减少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，诸如由铂制成的那些。然而，这些材料可能是昂贵的。因此，火花塞制造商有时尝试通过仅在电极的点火尖端或火花部分处(其中，火花跳跃横跨火花隙)使用这类材料来最小化与电极一起使用的贵金属的量。
发明内容
根据一个实施例，提供了包括金属壳体、绝缘体、中心电极和接地电极的火花塞。中心电极、接地电极、或两者包括电极材料，该电极材料具有：铂(Pt)，从约50at%至约99.9at%，包括端点；至少一种活性元素，从约0.01at%至约30at%，所述至少一种活性元素从由铝(Al)或硅(Si)组成的组中选择；至少一种高熔点元素，从约0.01at%至约30at%，包括端点，所述至少一种高熔点元素选自由以下组成的组：钌(Ru)、铱(Ir)、钨(W)、钼(Mo)、铼(Re)、钽(Ta)、铌(Nb)或铬(Cr)；以及在火花塞已经被暴露于在燃烧室中的充分的热量之后形成在电极表面上或靠近电极表面的薄氧化层。薄氧化层最小化球化或桥接现象，该球化或桥接现象否则可能由于电极材料的某些组分的过度蒸发和再沉淀而发生。
根据另一个实施例，提供了用于与火花塞一起使用的电极材料，其中电极材料类似于上文所述的电极材料。
附图说明
在下文中将结合附图描述本发明的优选示例性实施例，其中相似的标识指示相似的元件，并且其中：
图1是可使用下述电极材料的示例性火花塞的截面图；
图2是来自图1的示例性火花塞的点火端的放大图，其中中心电极具有以多件式铆钉的形式的点火尖端并且接地电极具有以平垫形式的点火尖端；
图3是可使用下述电极材料的另一个示例性火花塞的点火端的放大图，其中中心电极具有以单件式铆钉的形式的点火尖端，并且接地电极具有以圆柱形尖端形式的点火尖端；
图4是可使用下述电极材料的另一个示例性火花塞的点火端的放大图，其中中心电极具有以位于凹部中的圆柱形尖端的形式的点火尖端，并且接地电极不具有点火尖端；
图5是可使用下述电极材料的另一个示例性火花塞的点火端的放大图，其中中心电极具有以圆柱形尖端的形式的点火尖端，并且接地电极具有以从接地电极的轴向端延伸的圆柱形尖端的形式的点火尖端；
图6是在未使用下述电极材料的示例性火花塞的电极处的所谓的球化和桥接现象的示意图；
图7是图6的球化和桥接现象的放大的示意图；以及
图8是图7的球化和桥接现象的截面示意图。
具体实施方式
本文中描述的电极材料可在火花塞和包括工业插塞、航空点火器、预热塞或用来点燃在发动机中的空气/燃料混合物的任何其它装置的其它点火装置中使用。这包括但不必限于图1至图5中示出并且在下文中描述的示例性火花塞。此外，应理解，电极材料可使用在附接到中心和/或接地电极的点火尖端中，或它可在实际中心和/或接地电极本身中使用，例证几种可能性。电极材料的其它实施例和应用也是可能的。
参照图1和图2，示出包括中心电极12、绝缘体14、金属壳体16、以及接地电极18的示例性火花塞10。中心电极或基电极构件12被布置在绝缘体14的轴向孔内并且包括伸出越过绝缘体14的自由端22的点火尖端20。点火尖端20为多件式铆钉件，其包括：第一部件32，由类似下述电极材料的防腐和/或耐蚀材料制成；以及第二部件34，由类似高铬镍合金的中间材料制成。在该具体实施例中，第一部件32具有圆柱形状，并且第二部件34具有包括直径扩大的头部分和直接缩小的杆部分的阶状。第一部件和第二部件可经由激光焊接、电阻焊接、或一些其它适当的焊接或非焊接接头而附接到彼此。绝缘体14被布置在金属壳体16的轴向孔内并且由足以将中心电极12与金属壳体16充分电绝缘的材料诸如陶瓷材料构造。绝缘体14的自由端22可以伸出越过金属壳体16的自由端24，如所示出的，或其可被缩回在金属壳体16内。接地电极或基电极构件18可根据附图中所示的常规L形状结构或根据一些其它布置构造，并且附接到金属壳体16的自由端24。根据该具体实施例，接地电极18包括与中心电极的点火尖端20相对的侧表面26并且具有附接到其的点火尖端30。点火尖端30是以平垫的形式并且与中心电极点火尖端20限定火花隙G，使得它们为电子横跨火花隙的发射和接收提供发火表面。
在该具体实施例中，中心电极点火尖端20和/或接地电极点火尖端30的第一部件32可由本文中描述的电极材料制成；然而，电极材料并不只是这些应用。举例来说，如图3中所示，示例性中心电极点火尖端40和/或接地电极点火尖端42也可由电极材料制成。在这种情况下，中心电极点火尖端40是单件式铆钉，并且接地电极点火尖端42是延伸远离接地电极的侧表面26相当大的距离的圆柱形尖端。电极材料也可被用来形成在图4中所示出的示例性中心电极点火尖端50和/或接地电极18。在该示例中，中心电极点火尖端50是位于形成在中心电极12的轴向端中的凹部或盲孔52中的圆柱形组件。火花隙G被形成在中心电极点火尖端50的发火表面与接地电极18的侧表面26之间，该侧表面26也充当发火表面。图5示出对于电极材料的另一个可能的应用，其中圆柱形点火尖端60附接到中心电极12的轴向端，并且圆柱形点火尖端62附接到接地电极18的轴向端。接地电极点火尖端62与中心电极点火尖端60的侧表面形成火花隙G，并且因此是与附图中所示的其它示例性火花塞稍微不同的点火端结构。
再次，应理解，上文描述的非限制性火花塞实施例只是电极材料的潜在用途中的一些的示例，因为它可使用或利用在任何点火尖端、电极、火花表面或使用在发动机中的空气/燃料混合物的点火中的其它点火端部件中。举例来说，由电极材料可形成下列部件：中心电极和/或接地电极；形状为铆钉、圆柱、杆、柱、丝、球、堆、锥、平垫、盘、环、套筒等的中心电极和/或接地电极点火尖端；直接附接到电极或经由一个或多个中间、介入的或应力释放层间接地附接到电极的中心电极和/或接地电极点火尖端；位于电极的凹部内、嵌入到电极的表面、或位于电极的外部诸如套筒或其它环状部件上的中心电极和/或接地电极点火尖端；或具有多个接地电极、多个火花间隙或半蠕变型火花间隙的火花塞。这些只是电极材料的可能应用的少数示例，其它示例也存在。如本文所使用，术语“电极”，不论属于中心电极、接地电极、火花塞电极等，均可包括基电极构件本身、点火尖端本身、或基电极构件和附接到其的一个或多个点火尖端的组合，列出一些可能性。
贵金属合金，类似铂(Pt)基合金，已被用于火花塞电极。虽然Pt基合金可展现出在一些应用中期望的一定程度的抗氧化、耐腐蚀和/或耐侵蚀性，但它们也具有一些缺点。参照图6至图8，例如，已发现，某些Pt基合金，类似Pt4W合金，有时经历所谓的球化或桥接现象，其中材料的局部过度氧化和再沉淀在其表面处产生Pt球B。该球化或桥接现象可在内燃发动机中高温运行期间发生，并且随着时间Pt球B可聚集并且形成横跨火花隙G的桥。当被形成时，Pt球B可负面影响火花塞的火花性能，包括造成不发火等。已经发现，下述的电极材料可以限制或完全防止这种球化和/或桥接现象，同时维持适当的特性诸如延展性以便形成不同的火花塞电极形状。电极材料可以由诸如本文中描述的Pt基合金的高温性能合金构成。
根据示例性实施例，电极材料是Pt基合金并且包括铂(Pt)，一种或多种活性元素，以及一种或多种高熔点元素，其中电极材料具有在高温运行期间在材料表面上形成的薄保护氧化层。如本文中使用的，术语“Pt基合金”，广义地包括铂(Pt)是在原子%基础上的单个最大组分的任何合金或其它电极材料。这可包括具有大于50%铂的材料，以及具有小于50%铂的材料，只要铂是单个最大组分。熟练的技工将意识到铂具有比类似铱(Ir)的一些贵金属更低的熔化温度(1768˚c)，并且这可能降低电极材料的耐腐蚀性。为了弥补这，本文中描述的电极材料可包括一种或多种高熔点元素，诸如：钌(Ru)、铱(Ir)、钨(W)、钼(Mo)、铼(Re)、钽(Ta)、铌(Nb)、铬(Cr)、或其组合。此外，铂基合金有时经受上文描述的球化或桥接现象。本文中描述的电极材料可通过包括一种或多种活性元素类似铝(Al)、硅(Si)或其组合来解决这种潜在挑战。活性元素可有助于在电极材料的表面上形成薄氧化层，这可阻止或制止电极材料形成如图6至图8中所示的球B。铂(Pt)与比较的金属相比具有相当的延展性并且因此较好地适合于将材料变成各种电极形状的金属成型技术。因此，本电极材料或Pt基合金可以享有期望的耐侵蚀、耐腐蚀和/或耐氧化性，避免球化和桥接效应，还保持其期望的延展性。
在一个实施例中，电极材料包括从约50at%至约99.9at%(包括端点)的铂(Pt)、从约0.01at%至约30at%(包括端点)的至少一种活性元素、以及从约0.01at%至约30at%(包括端点)的至少一种高熔点元素，其中铂(Pt)在at%基础上是电极材料的单个最大组分。铝(Al)和/或硅(Si)可为上面所提及的活性元素，并且钌(Ru)、铱(Ir)、钨(W)、钼(Mo)、铼(Re)、钽(Ta)、铌(Nb)和/或铬(Cr)可为高熔点元素。属于该示例性实施例的适当的电极材料组合物的示例包括具有铂(Pt)加上从铝(Al)和硅(Si)的组中选择的一种活性元素、加上从下列的组中选择的一种或多种高熔点元素：钌(Ru)、铱(Ir)、钨(W)、钼(Mo)、铼(Re)、钽(Ta)、铌(Nb)和/或铬(Cr)的那些组合物，诸如Pt-Al-Ru、Pt-Si-Ru、Pt-Al-Cr、Pt-Si-Cr、Pt-Al-Ir、Pt-Si-Ir、Pt-Al-W、Pt-Si-W、Pt-Al-Mo、Pt-Si-Mo、Pt-Al-Re、Pt-Si-Re、Pt-Al-Ta、Pt-Si-Ta、Pt-Al-Nb、Pt-Si-Nb等。这些组合物可具有其它组分并且可包括下列非限制性示例：Pt-7Al-4Ru、Pt-7Si-4Ru、Pt-7Al-4Cr、Pt-7Si-4Cr、Pt-7Al-4Ru-4Cr、Pt-7Si-4Ru-4Cr、Pt-7Al-10Ru、Pt-7Si-10Ru、Pt-8Al-6Cr-5Ru和Pt-8Si-6Cr-5Ru；其它示例当然是可能的。在一个具体实施例中，电极材料为包括从约75at%至约95at%(包括端点)的铂(Pt)、从约5at%至约10at%(包括端点)的铝(Al)以及从约0.1at%至约10at%(包括端点)的钌(Ru)和/或铬(Cr)的铂基合金。本文列出的所有百分比和重量是依据原子量，其通过某一元素的每单位体积的原子数量除以整个电极材料的每单位体积的原子数量来确定。
取决于具体实施例，电极材料可包括从约50at%至约99.9at%(包括端点)的铂(Pt)、大于55.0at%的量的Pt、大于65.0at%的量的Pt、大于79.0at%的量的Pt、小于95at%的量的Pt、小于94at%的量的Pt、或小于84at%的量的Pt，列出一些可能的示例。
如本文中使用的，术语“活性元素”包括元素铝(Al)和硅(Si)。电极材料优选地包括足以影响电极材料的氧化性能的量的Al、Si或两者。优选地，通过协助薄氧化表面层类似由Al2O3或SiO2形成的那些的形成，这些活性元素以足够的数量存在以提高电极材料的耐氧化性，从而防止铂(Pt) 从电极材料的在火花塞在燃烧室中的使用期间的过度蒸发。取决于具体实施例，电极材料可包括：从约0.01at%至约30at%(包括端点)的铝(Al)或硅(Si)；从约5.0at%至约10at%(包括端点) 的铝(Al)或硅(Si)；大于5.0at%的量的Al；大于6.2at%的量的Al；大于7.5at%的量的Al；小于10.0at%的量的Al；小于8.2at%的量的Al；或小于6.1at%的量的Al，大于5.0at%的量的Si；大于6.1at%的量的Si；大于8.5at%的量的Si；小于10.0at%的量的Si；小于8.6at%的量的Si；或小于7.2at%的量的Si，列出一些可能的原子百分比。一些初始测试已经表明，为电极材料提供小于10at%(例如，近似7at%)的量的Al或Si可为期望的，因为相对低Al含量最小化电极材料中的一些沉淀，这进而提高合金的延展性和/或可塑性。例如，这提高了电极材料的可成形性并且甚至可以使得材料冷挤压成型至约0.4-0.7mm的线直径。然后，可将细线切割或剪切成点火尖端并且附接到中心电极和/或接地电极。此外，相对低的Al含量可以提高电极材料的耐腐蚀性。
在一些实例中，电极材料包括以大于5.0at%和小于10at%(包括端点)的组合量的Al和Si两者的组合，如果活性元素的组合量太小，则在火花塞运行期间会不能形成充分的保护氧化层以保护铂(Pt )基质；如果活性元素的组合量太高，则它可能使得氧化速度太快并且降低电极的耐氧化性。也存在有关调整活性元素数量的其它因素。包括Al和Si两者的电极材料的一些示例性实施例包括大于1.0at%的量的Al和大于4.4at%的量的Si；大于5.1at%的量的Al和大于1.2at%的量的Si；大于2.5at%的量的Al和大于2.5at%的量的Si；小于8.0at%的量的Al和小于4.0at%的量的Si；小于6.3at%的量的Al和小于3.3at%的量的Si；以及小于2.1at%的量的Al和小于9.1at%的量的Si，列出一些可能性。熟练的技工将意识到，无论活性元素是铝(Al)、硅(Si)或两者，活性元素的精确量可被调节以满足电极材料被使用的应用的具体需要。可通过化学分析或通过观察材料的能量分散光谱(E.D.S.)来对电极材料中的Al和Si的存在和数量进行检测。E.D.S.可由电子扫描显微镜(S.E.M.)仪器产生，如本领域的技术人员所理解的。
在电极材料中的活性元素的数量或量可影响或改变材料的氧化性能。例如，在电极或点火尖端20和/或30的外表面上形成的薄氧化层的存在和厚度可受到电极材料中的活性元素的量的影响。如果电极材料仅包括铝(Al)作为活性元素，则薄氧化层将可能包括氧化铝或矾土(Al2O3)，并且如果电极材料仅包括硅(Si)作为活性元素，则薄氧化层将可能具有二氧化硅或硅土(SiO2)。当电极材料或Pt基合金包括Al和Si的组合时，氧化物层可包括Al和Si氧化物的组合，诸如Al2O3和SiO2的组合。以上文公开的百分比为电极材料提供Al或Si可促使适当的薄氧化层在电极表面处以预定厚度形成，这进而可在诸如内燃发动机中至少约500℃的温度下的运行期间提供足够的放电电压以及每火花的烧蚀体积。该预定厚度可随着电极材料的特定组分和燃烧室内的状况而变化。例如，薄氧化层的预定厚度可为约0.10μm至约10.0μm。薄氧化层的存在可通过将电极加热到至少约500℃的温度并且在电极上进行化学分析或通过利用S.E.M.仪器产生并观察能量分散光谱(E.D.S.)来检测，如由本领域的技术人员所理解的。
如上所述，当诸如在内燃发动机中使用火花塞10期间温度为至少约500℃时，薄氧化层或氧化物层通常形成于电极的外表面处。换言之，当电极材料被加热到500℃或以上的温度时，梯度结构可形成，其中电极材料的内部的大部分包括：数量为5.0at%至约10.0at%的活性元素(Al、Si或两者)；以及电极的外表面(例如，点火尖端20、30的外表面)，其包括具有较高比例的活性元素的薄氧化层。一旦薄氧化层沿着电极的外表面形成，薄氧化层就将大体以各种温度保持在外表面处。在电极材料被加热到至少500℃的温度之前，电极通常不会表现出梯度结构，其中，类似Al和Si的活性元素沿着电极的外表面聚集或集中在薄氧化层中。
薄氧化层可沿着火花塞电极或点火尖端20、30的整个外表面存在或仅在暴露于火花隙G的发火表面处存在。当发火表面包括平坦表面时，氧化物层大体沿着平坦表面延伸，但这不是必要的。薄氧化物层可为稠密的、稳定的，并且具有低形成自由能量。当材料暴露于火花以及燃烧室的其它极端条件时，氧化物层还可限制在电极材料中的铂(Pt)的蒸发。薄氧化层还可提供改进的耐氧化性，该改进的耐氧化性保护类似点火尖端20、30的电极的发火表面免受侵蚀。薄氧化层还可有助于防止球化和桥接现象，这通常在缺乏本文所教授的活性元素的一些Pt基合金的发火表面处发生，如上文结合图6至图8所解释的。
如上所述，电极材料或Pt基合金还可包括数量足以影响或改变电极材料的熔点的一种或多种高熔点元素。潜在地适当的高熔点元素的一些示例包括：钌(Ru)、铱(Ir)、钨(W)、钼(Mo)、铼(Re)、钽(Ta)、铌(Nb)、铬(Cr)、或其组合。每种高熔点元素优选地具有至少1700摄氏度(℃)的熔化温度，其当与铂(Pt)和一种或多种活性元素结合时会提高整个电极材料的熔化温度。高熔点元素还可加强电极材料。高熔点元素中的每一种可以从约0.01at%至约30at%(包括端点)的量存在于电极材料中。
在一个实施例中，电极材料包括具有近似2310℃的熔点的钌(Ru)形式的高熔点元素。这并不是说，也不能添加其它高熔点元素，只是可包括从约0.01at%至约20at%(包括端点)的量的Ru。电极材料可包括大于0.1at%的量的Ru；大于5.0at%的量的Ru；大于14.6at%的量的Ru；小于20.0at%的量的Ru；或小于5.3at%的量的Ru。一些初始测试已经表明，为电极材料提供具有从约4at%至约10at%的量的Ru可为期望的。电极材料还可包括一种或多种其它高熔点元素，包括Ir、W、Mo、Re、Ta、Nb、Cr、或其组合，使得组合的高熔点元素以从约0.01at%至约30at%(包括端点)的总量存在。
在不同的实施例中，电极材料包括以铱(Ir )形式的高熔点元素，其具有近似2410℃的熔点并且以从约0.01at %至约30at%（包括端点）的量存在于电极材料中。电极材料可包括：大于0.01at%的量的Ir；大于7.2at%的量的Ir；大于20.2at%的量的Ir；小于30.0at%的量的Ir；小于27.6at %的量的Ir；或小于12.4at%的量的Ir。电极材料还可包括一种或多种其它高熔点元素，包括Ru、W、Mo、Re、Ta、Nb、Cr、或其组合，使得组合的高熔点元素以从约0.01at%至约30at%(包括端点)的总量存在。
电极材料还可包括以钨(W)形式的高熔点元素，其具有近似3407℃的熔化温度并且可以从约0.01at%至约10at%(包括端点)的量存在在电极材料中。取决于具体实施例，电极材料可包括：大于0.01at%的量的W；大于4.1at%的量的W；大于7.3at%的量的W；小于10.0at%的量的W；小于7.5at%的量的W；或小于4.8at%的量的W, 列出一些定量可能性。电极材料还可包括一种或多种其它高熔点元素，其包括Ru、Ir、Mo、Re、Ta、Nb、Cr、或其组合，使得组合的高熔点元素以从约0.01at%至约30at%(包括端点)的总量存在。
在又一实施例中，电极材料包括以铼(Re)形式的高熔点元素，其具有近似3180℃的熔点并且以从约0.01at %至约10at%(包括端点)的量存在于电极材料中。电极材料可包括：大于0.01at%的量的Re；大于2.2at%的量的Re；大于7.5at%的量的Re；小于10.0at%的量的Re；小于6.1at %的量的Re；或小于4.3at%的量的Re。电极材料还可包括一种或多种其它高熔点元素，包括Ru、Ir、Mo、W、Ta、Nb、Cr、或其组合，使得组合的高熔点元素以从约0.01at%至约30at%(包括端点)的总量存在。
还可以的是电极材料包括以钼(Mo)形式的高熔点元素，其具有近似2617˚C的熔点并且以从约0.01at%至约30at%(包括端点)的量存在于电极材料中。电极材料可包括：大于0.01at%的量的Mo；大于7.2at%的量的Mo；大于20.2at%的量的Mo；小于30.0at%的量的Mo；小于27.6at %的量的Mo；或小于12.4at%的量的Mo。电极材料还可包括一种或多种其它高熔点元素，包括Ru、Ir、Re、W、Ta、Nb、Cr、或其组合，使得组合的高熔点元素以从约0.01at%至约30at%(包括端点)的总量存在。
在不同的实施例中，电极材料包括以钽(Ta)形式的高熔点元素，其具有近似2996℃的熔点并且以从约0.01at%至约10at%（包括端点）的量存在于电极材料中。电极材料可包括：大于3.4at%的量的Ta；大于8.3at%的量的Ta；小于10.0at%的量的Ta；小于7.8at%的量的Ta；或小于3.3at%的量的Ta。电极材料还可包括一种或多种其它高熔点元素，包括Ru、Ir、Re、W、Mo、Nb、Cr、或其组合，使得组合的高熔点元素以从约0.01at%至约30at%(包括端点)的总量存在。
电极材料还可包括以铌(Nb)形式的高熔点元素，其具有近似3407℃的熔点并且以从约0.01at%至约10at%(包括端点)的量存在在电极材料中。取决于具体实施例，电极材料可包括：大于0.01at%的量的Nb；大于3.7at%的量的Nb；大于7.4at%的量的Nb；小于10.0at%的量的Nb；小于5.8at %的量的Nb；或小于2.3at%的量的Nb。电极材料还可包括一种或多种其它高熔点元素，包括Ru、Ir、Re、W、Mo、Ta、Cr、或其组合，使得组合的高熔点元素以从约0.01at%至约30at%(包括端点)的总量存在。
根据另一个实施例，电极材料包括以铬(Cr)形式的高熔点元素，其具有近似1857℃的熔点并且以从约0.01at%至约10at%（包括端点）的量存在于电极材料中。电极材料可包括：大于0.01at%的量的Cr；大于1.2at%的量的Cr；大于5.3at%的量的Cr；小于10.0at%的量的Cr；小于5.8at %的量的Cr；或小于3.1at%的量的Cr。电极材料还可包括一种或多种其它高熔点元素，包括Ru、Ir、Re、W、Mo、Ta、Nb、或其组合，使得组合的高熔点元素以从约0.01at%至约30at%(包括端点)的总量存在。
如上文几次提及的，电极材料或Pt基合金具有多于一种的高熔点元素是可能的。例如，电极材料可包括从约0.01at%至20.0at%的量Ru和从约0.01at%至10.0at%的Cr的Ru和Cr两者。Ru和Cr组分可具有下列量，例如：大于0.01at %的量的Ru和Cr；大于5.0at%的量的Ru和大于0.03at%的量的Cr；大于0.05at%的量的Ru和大于6.5at%的量的Cr；小于20.0at%的量的Ru和小于10.0at%的量的Cr；小于15.4at%的量的Ru和小于3.2at%的量的Cr；小于5.6at%的量的Ru和小于9.5at%的量的Cr。电极材料还可包括一种或多种其它高熔点元素，包括Ir、Re、W、Mo、Ta、Nb、或其组合，使得组合的高熔点元素以从约0.01at%至约30at%(包括端点)的总量存在。也可构思具有三种、四种、五种或更多高熔点元素的电极材料实施例。
电极材料或Pt基合金可以进一步包括一定量的添加剂或杂质，使得薄氧化物层被形成在电极或点火尖端20、30的外表面处并且提供具有改进的侵蚀速率的火花塞。电极材料可为具有单均质相的固溶体。电极材料可具有延展性，这允许材料容易被冷挤压成型并且形成不同的形状供在火花塞电极中使用以及与火花塞电极一起使用。在一些实施例中，电极材料没有金属间相或第二相。
下面的表I包括电极材料或Pt基合金的多个示例性实施例；其它实施例和组合物当然也是可能的。
表I
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。
在表2中列出了多个示例性电极的侵蚀速率，其中一些利用上文描述的电极材料形成，另一些利用其它电极材料形成。这提供在本发明电极材料或Pt基合金(Pt-7Al-4Ru和Pt-7Al-4Cr)的两个示例与其它竞争性材料(Ir-2Rh、Pt-4W、Pt-10Ni、Pt-30Ni、Ni125、Haynes214、Inconel600)之间的在侵蚀速率方面的比较。如先前所提及的，除了显示可接受的耐腐蚀性之外，本文中描述的电极材料大体上具有比其它材料中的一些更加期望的延展性属性，并且最小化有时经历的球化或桥接效应。
在表II中的前两项是本发明电极材料(Pt-7Al-4Ru和Pt-7Al-4Cr)的示例并且分别具有1797℃和1769℃的熔化温度以及0.4µm3/火花和0.6µm3/火花的侵蚀速率。在表II中的接下来的七项是也可在火花塞电极的形成中使用的比较的合金和材料(Ir2Rh、Pt20Ni、Pt10Ni、Pt4W、Inconel60、Haynes、以及Ni125)。还提供了它们各自的熔点和侵蚀速率。
表II
Figure DEST_PATH_IMAGE003
。
由本发明电极材料制成的火花塞电极以及由比较的合金制成的火花塞电极在类似于内燃发动机的条件下经受测试。通过在710℃处的热发火连同20KV的火花电压持续300小时对侵蚀速率进行测试。电极的温度被维持在近似710℃，该温度是火花塞10的电极在整个300小时内的典型的运行温度。发火频率是158Hz。侵蚀率等于每次火花施加到样品时所磨损的样品的材料的量，并且其以µm3/火花来测量。样品的侵蚀率包括由于发火引起的侵蚀速率和由氧化引起的侵蚀速率。在表II中也示出了由本文中描述的电极材料或Pt基合金形成的电极的侵蚀速率以及由比较的合金制成的电极的侵蚀速率。
试验结果表明，本发明电极材料连同其薄氧化物层呈现出增强的耐腐蚀性并且防止在诸如点火尖端20、30的电极的发火表面处球化和桥接。氧化物层在侵蚀速度测试期间由本发明电极材料形成的电极的外表面处更具体地当材料被加热到约710℃的温度时形成。这些电极在电极的外表面处没有经受显著的球化和桥接。参考表Ⅱ，可以看到，本发明电极材料的两个示例(Pt-7Al-4Ru和Pt-7Al-4Cr)呈现出比大多数的比较的合金更小的火花侵蚀速率，并且显著地小于Pt30Ni、Pt10Ni、Inconcel®600、Haynes214和NiSiAlY的火花腐蚀速率。对有利的耐腐蚀性的一个可能性解释是如上所述的薄氧化层在电极材料的表面上的形成。还应指出的是，因为本发明电极材料是Pt基合金，所以它与其它合金中的一些尤其是类似Ir2Rh的Ir基合金相比可以表现出优良的延展性以及金属成形性质。

Claims (20)

1. 一种火花塞(10)，包括：
具有轴向孔的金属壳体(16)；
绝缘体(14)，其具有轴向孔并且至少部分地布置在所述金属壳体(16)的所述轴向孔内；
中心电极(12)，其至少部分地布置在所述绝缘体(14)的所述轴向孔内；以及
附接到所述金属壳体(16)的自由端(24)的接地电极(18)，其中所述中心电极(12)、所述接地电极(18)、或两者包括电极材料，所述电极材料具有：
铂(Pt)，从约50at%至约99.9at%，包括端点；
至少一种活性元素，从约0.01at%至约30at%，所述至少一种活性元素选自由铝(Al)或硅(Si)组成的组；
至少一种高熔点元素，从约0.01at%至约30at%，包括端点，所述至少一种高熔点元素选自由以下组成的组：钌(Ru)、铱(Ir)、钨(W)、钼(Mo)、铼(Re)、钽(Ta)、铌(Nb)或铬(Cr)；以及
薄氧化层，其在所述火花塞(10)已经被暴露于燃烧室中的充分的热之后形成在电极表面上或接近电极表面，并且所述薄氧化层最小化否则能够由于所述电极材料的某些组分的过度蒸发和再沉淀而引起的球化或桥接现象。
2. 根据权利要求1所述的火花塞(10)，其中所述至少一种活性元素是铝(Al)并且以从约5at%至约10at%且包括端点存在于所述电极材料中。
3. 根据权利要求2所述的火花塞(10)，其中所述至少一种活性元素是铝(Al)并且以约7at%存在于所述电极材料中。
4. 根据权利要求1所述的火花塞(10)，其中所述至少一种高熔点元素是钌(Ru)并且以约0.1at%至约20at%且包括端点存在于所述电极材料中。
5. 根据权利要求4所述的火花塞(10)，其中所述至少一种高熔点元素是钌(Ru)并且以约4at%存在于所述电极材料中。
6. 根据权利要求4所述的火花塞(10)，其中所述至少一种高熔点元素是钌(Ru)并且以约10at%存在于所述电极材料中。
7. 根据权利要求1所述的火花塞(10)，其中所述至少一种高熔点元素是铬(Cr)并且以从约0.1at%至约10at%且包括端点存在于所述电极材料中。
8. 根据权利要求7所述的火花塞(10)，其中所述至少一种高熔点元素是铬(Cr)并且以约4at%存在于所述电极材料中。
9. 根据权利要求1所述的火花塞(10)，其中所述至少一种高熔点元素包括钌(Ru )和铬(Cr )，并且Ru和Cr在所述电极材料中的组合量是从约0.1at%至约30at%，包括端点。
10. 根据权利要求1所述的火花塞(10)，其中所述薄氧化层是在高于约500°C的温度下形成的氧化铝(Al2O3)层，并且所述氧化铝层形成在所述中心电极(12)、所述接地电极(18)、或两者的外表面上。
11. 根据权利要求10所述的火花塞(10)，其中所述氧化铝(Al2O3)层具有约0.10微米至10.0微米(μm)的厚度。
12. 根据权利要求10所述的火花塞(10)，其中所述中心电极(12)、接地电极(18)或两者包括梯度结构，在所述梯度结构中，所述电极的内部包括以约5.0at%至约10.0at%的量的所述活性元素铝(Al)，并且所述电极的外表面包括所述氧化铝(Al2O3)层。
13. 根据权利要求1所述的火花塞(10)，其中所述电极材料包括具有单均质相的固溶体。
14. 根据权利要求1所述的火花塞(10)，其中所述铂(Pt)以从约75at%至约95at%且包括端点存在于所述电极材料中，所述至少一种活性元素是铝(Al)并且以从约5at%至约10at%且包括端点存在于所述电极材料中，并且所述至少一种高熔点元素是钌(Ru)并且以从约0.1at%至约10at%且包括端点存在于所述电极材料中。
15. 根据权利要求14所述的火花塞(10)，其中所述铝(Al)为约7at%，并且所述钌(Ru )为约4at%。
16. 根据权利要求14所述的火花塞(10)，其中所述铝(Al)为约7at%，并且钌(Ru)为约10at%。
17. 根据权利要求1所述的火花塞(10)，其中所述中心电极(12)、接地电极(18)、或两者包括至少部分地由所述电极材料制成的附接的点火尖端(20、30)。
18. 根据权利要求17所述的火花塞(10)，其中所述点火尖端(20、3)为多件式铆钉件，其包括：附接到所述中心电极(12)或所述接地电极(18)的第二部件(34)；以及附接到所述第二部件(34)并且至少部分地由所述电极材料制成的第一部件(32)。
19. 根据权利要求1所述的火花塞(10)，其中所述中心电极(12)、所述接地电极(18)、或两者至少部分地由所述电极材料制成并且不包括附接的点火尖端。
20. 一种用于与火花塞(10)一起使用的电极材料，包括：
铂(Pt)，从约50at%至约99.9at%且包括端点；
至少一种活性元素，从约0.01at%至约30at%，所述至少一种活性元素选自由铝(Al)或硅(Si)组成的组；
至少一种高熔点元素，从约0.01at%至约30at%，包括端点，所述至少一种高熔点元素选自由以下组成的组：钌(Ru)、铱(Ir)、钨(W)、钼(Mo)、铼(Re)、钽(Ta)、铌(Nb)或铬(Cr)；以及
薄氧化层，其在所述火花塞(10)已经被暴露于燃烧室中的充分的热之后形成在电极表面上或接近电极表面，并且所述薄氧化层最小化否则能够由于所述电极材料的某些组分的过度蒸发和再沉淀而引起的球化或桥接现象。
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