镍-铜-镍复合结构在发动机喷管件上的应用

镍-铜-镍复合结构在发动机喷管件上的应用

现代汽车发动机的设计要求，在保证燃烧混合天然气的同时，必须承受重大速度的热冲击、高爆发压力、高压和高温气候的作用。火花塞的侧电极伸入发动机气缸的燃烧室中,火花塞的侧电极必须具备良好的机械强度和导热性能,具备良好的抗氧化、耐电烧蚀以及化学腐蚀能力,传统上一般采用镍基合金制作而成。但镍基合金的导热性相对较差,于是考虑在镍基侧电极内部加铜,改善侧电极的导热能力。而内部加铜之后,侧电极的导热能力是提高了,但机械强度又降低了,于是镍-铜-镍复合侧电极的开发应用变成了重要的方法。1南宋-铜-铜结合电极的结构特征火花塞侧电极的典型结构有:镍合金侧电极、大铜芯侧电极、闭口大铜芯侧电极和镍-铜-镍三层复合侧电极。如图1所示。1.1排压板侧电极的结构特点1)镍合金侧电极优点:结构简单,加工工艺简单,成本低,机械强度高。缺点:导热性能差。2)大铜芯侧电极优点:结构相对简单,导热性能特别好。缺点:①与火花塞壳体的焊接性能差;②机械强度低,发动机爆震时侧电极容易折断。3)闭口大铜芯侧电极优点:比较好的焊接工艺,与镍合金侧电极相当。缺点:侧电极成型工艺性差;封闭段镍层影响侧电极的导热。4)镍-铜-镍三层复合侧电极优点:①内部镍芯,有较好的机械强度;②内部铜芯,有较好的导热性能;③外层用INCONEL600,抗氧化性特别好。缺点:侧电极成型工艺复杂。1.2截面积的影响普通型镍合金侧电极导热性能差,侧电极工作温度有时超过850℃以上,容易导致发动机早燃、电极烧蚀。如图2所示,对于大铜芯侧电极,对焊部位(B处)铜的截面积比较大,与壳体(低碳钢)端面焊接时难度比较大。侧电极A处铜所占截面积比较大,侧电极在发动机爆震压力作用下,A处容易断裂。如图3所示,对于焊接部位由镍合金封闭的大铜芯侧电极,焊接部位没有铜,较好地解决了焊接问题,但是铜与金属壳体的连接被镍层(D处)隔离了,影响了侧电极的导热能力,同时存在侧电极C处铜所占截面积比较大,侧电极在发动机爆震压力作用下,C处容易断裂。1.3镍合金材料的复合电极材料镍-铜-镍三层复合侧电极由镍基合金、铜芯、镍芯组成(图4),内部采用工业纯镍,具有良好的延展性、导热性和较好的机械强度。中间层采用无氧化铜,无氧铜有非常好的延伸性和导热性能。外层采用INCONEL600,具有很强的抗氧化性、耐热高温气体腐蚀和耐电火花烧蚀性。侧电极内部镍芯能增强侧电极整体强度,同时能提升焊接性,消除焊接不牢的问题。镍合金、无氧铜、纯镍3种材料复合后,相互取长补短,充分发挥了3种材料本身固有的性能特点,故可获得良好的机械强度、耐电烧蚀性能、抗氧化性能、焊接性能和导热性能。与大铜芯侧电极相比,用电阻焊进行焊接的瞬间,焊接区中的铜区域无法获得足够的焊接强度,不利于侧电极焊接的可靠性和牢固性。将铜芯中再加入纯镍,可减小焊接区域铜芯的面积,与壳体焊接时使其有效地焊接在一起,同时在预弯侧电极时能拥有较好的强度。1.4镍合金材料的开发全球著名的火花塞生产厂商有日本的NGK、DENSO,美国的CHAMPION、AUTOLITE,德国的BOSCH。为适应新型发动机的要求,近几年各生产厂商在开发新的镍合金材料方面做了不少的工作,如采用含钇的镍合金、INCONEL600合金等,也在逐步开发采用复合材料。BOSCH采用大铜芯的侧电极,CHAMPION采用闭口的大铜芯侧电极,NGK和DENSO采用镍-铜-镍三层复合的侧电极。株洲湘火炬火花塞有限责任公司是中国最大的火花塞生产厂,产销量全球排名居前5位,湘火炬早几年采用了闭口的大铜芯侧电极,目前在开发镍-铜-镍三层复合侧电极,为国内第1家开发使用的厂家。2南宋-铜-铜复合电极制造技术2.1铜包镍精制圆线的加工工艺制造三层复合电极时,先要加工铜-镍(铜包镍)复合线,我们的工艺是将工业纯镍圆线穿到无氧铜管材中,然后经过多次拉制和扩散退火,加工成铜包镍精制圆线,材料表面要光洁,镍铜互相渗透。图5为铜镍复合线的加工流程图。2.2镍-铜-镍复合侧电极的制备将铜-镍复合线切断,镦挤成T形头,将镍铬合金线挤压成杯形件,两者清洗后组装并压紧。组合件经1~2次拉伸和扩散退火,制成镍-铜-镍复合侧电极。图6为镍-铜-镍复合侧电极加工工艺流程。T形头与镍杯配合不能有间隙,特别是杯底部位,拉伸后需要剖开做金相检查。扩散退火要充分,如果退火不好,由于延伸率不一致、镍铜之间没有互相渗透,拉伸后杯底部位会产生孔洞。2.3焊接过程包括电极和氧化壳体的焊接工艺图7为复合电极与火花塞壳体焊接工艺流程。2.4镍杯、螺钉头清洗无氧化铜氧化含量控制在90PPM以内,镍合金管内壁和无氧铜表面必须清洁,如果达不到规定的要求,侧电极经热冲击后,内部会产生孔洞,影响电极的导热能力。铆钉头与镍杯组合时,镍杯必须用超声波清洗干净,否则将导致镍铜分离。扩散退火必须充分,镍铜互相渗透2μm以上。3内部镍芯的应用,解决了侧电极与电火花的热性能含有铜芯和镍芯的侧电极,因铜芯较快的传热冷却作用,故使得火花塞的导热性大为提高,相同工况下较普通镍合金侧电极低50~150℃。由侧电极过热而引起早燃的风险将减小,电极的烧蚀量也因温度的降低而减少,提高了火花塞的使用寿命。内部镍芯的应用,亦提高了