鎳-銅-鎳復合結(jié)構(gòu)在發(fā)動機噴管件上的應(yīng)用

現(xiàn)代汽車發(fā)動機的設(shè)計要求，在保證燃燒混合天然氣的同時，必須承受重大速度的熱沖擊、高爆發(fā)壓力、高壓和高溫氣候的作用?；鸹ㄈ膫?cè)電極伸入發(fā)動機氣缸的燃燒室中,火花塞的側(cè)電極必須具備良好的機械強度和導熱性能,具備良好的抗氧化、耐電燒蝕以及化學腐蝕能力,傳統(tǒng)上一般采用鎳基合金制作而成。但鎳基合金的導熱性相對較差,于是考慮在鎳基側(cè)電極內(nèi)部加銅,改善側(cè)電極的導熱能力。而內(nèi)部加銅之后,側(cè)電極的導熱能力是提高了,但機械強度又降低了,于是鎳-銅-鎳復合側(cè)電極的開發(fā)應(yīng)用變成了重要的方法。1南宋-銅-銅結(jié)合電極的結(jié)構(gòu)特征火花塞側(cè)電極的典型結(jié)構(gòu)有:鎳合金側(cè)電極、大銅芯側(cè)電極、閉口大銅芯側(cè)電極和鎳-銅-鎳三層復合側(cè)電極。如圖1所示。1.1排壓板側(cè)電極的結(jié)構(gòu)特點1)鎳合金側(cè)電極優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單,加工工藝簡單,成本低,機械強度高。缺點:導熱性能差。2)大銅芯側(cè)電極優(yōu)點:結(jié)構(gòu)相對簡單,導熱性能特別好。缺點:①與火花塞殼體的焊接性能差;②機械強度低,發(fā)動機爆震時側(cè)電極容易折斷。3)閉口大銅芯側(cè)電極優(yōu)點:比較好的焊接工藝,與鎳合金側(cè)電極相當。缺點:側(cè)電極成型工藝性差;封閉段鎳層影響側(cè)電極的導熱。4)鎳-銅-鎳三層復合側(cè)電極優(yōu)點:①內(nèi)部鎳芯,有較好的機械強度;②內(nèi)部銅芯,有較好的導熱性能;③外層用INCONEL600,抗氧化性特別好。缺點:側(cè)電極成型工藝復雜。1.2截面積的影響普通型鎳合金側(cè)電極導熱性能差,側(cè)電極工作溫度有時超過850℃以上,容易導致發(fā)動機早燃、電極燒蝕。如圖2所示,對于大銅芯側(cè)電極,對焊部位(B處)銅的截面積比較大,與殼體(低碳鋼)端面焊接時難度比較大。側(cè)電極A處銅所占截面積比較大,側(cè)電極在發(fā)動機爆震壓力作用下,A處容易斷裂。如圖3所示,對于焊接部位由鎳合金封閉的大銅芯側(cè)電極,焊接部位沒有銅,較好地解決了焊接問題,但是銅與金屬殼體的連接被鎳層(D處)隔離了,影響了側(cè)電極的導熱能力,同時存在側(cè)電極C處銅所占截面積比較大,側(cè)電極在發(fā)動機爆震壓力作用下,C處容易斷裂。1.3鎳合金材料的復合電極材料鎳-銅-鎳三層復合側(cè)電極由鎳基合金、銅芯、鎳芯組成(圖4),內(nèi)部采用工業(yè)純鎳,具有良好的延展性、導熱性和較好的機械強度。中間層采用無氧化銅,無氧銅有非常好的延伸性和導熱性能。外層采用INCONEL600,具有很強的抗氧化性、耐熱高溫氣體腐蝕和耐電火花燒蝕性。側(cè)電極內(nèi)部鎳芯能增強側(cè)電極整體強度,同時能提升焊接性,消除焊接不牢的問題。鎳合金、無氧銅、純鎳3種材料復合后,相互取長補短,充分發(fā)揮了3種材料本身固有的性能特點,故可獲得良好的機械強度、耐電燒蝕性能、抗氧化性能、焊接性能和導熱性能。與大銅芯側(cè)電極相比,用電阻焊進行焊接的瞬間,焊接區(qū)中的銅區(qū)域無法獲得足夠的焊接強度,不利于側(cè)電極焊接的可靠性和牢固性。將銅芯中再加入純鎳,可減小焊接區(qū)域銅芯的面積,與殼體焊接時使其有效地焊接在一起,同時在預(yù)彎側(cè)電極時能擁有較好的強度。1.4鎳合金材料的開發(fā)全球著名的火花塞生產(chǎn)廠商有日本的NGK、DENSO,美國的CHAMPION、AUTOLITE,德國的BOSCH。為適應(yīng)新型發(fā)動機的要求,近幾年各生產(chǎn)廠商在開發(fā)新的鎳合金材料方面做了不少的工作,如采用含釔的鎳合金、INCONEL600合金等,也在逐步開發(fā)采用復合材料。BOSCH采用大銅芯的側(cè)電極,CHAMPION采用閉口的大銅芯側(cè)電極,NGK和DENSO采用鎳-銅-鎳三層復合的側(cè)電極。株洲湘火炬火花塞有限責任公司是中國最大的火花塞生產(chǎn)廠,產(chǎn)銷量全球排名居前5位,湘火炬早幾年采用了閉口的大銅芯側(cè)電極,目前在開發(fā)鎳-銅-鎳三層復合側(cè)電極,為國內(nèi)第1家開發(fā)使用的廠家。2南宋-銅-銅復合電極制造技術(shù)2.1銅包鎳精制圓線的加工工藝制造三層復合電極時,先要加工銅-鎳(銅包鎳)復合線,我們的工藝是將工業(yè)純鎳圓線穿到無氧銅管材中,然后經(jīng)過多次拉制和擴散退火,加工成銅包鎳精制圓線,材料表面要光潔,鎳銅互相滲透。圖5為銅鎳復合線的加工流程圖。2.2鎳-銅-鎳復合側(cè)電極的制備將銅-鎳復合線切斷,鐓擠成T形頭,將鎳鉻合金線擠壓成杯形件,兩者清洗后組裝并壓緊。組合件經(jīng)1~2次拉伸和擴散退火,制成鎳-銅-鎳復合側(cè)電極。圖6為鎳-銅-鎳復合側(cè)電極加工工藝流程。T形頭與鎳杯配合不能有間隙,特別是杯底部位,拉伸后需要剖開做金相檢查。擴散退火要充分,如果退火不好,由于延伸率不一致、鎳銅之間沒有互相滲透,拉伸后杯底部位會產(chǎn)生孔洞。2.3焊接過程包括電極和氧化殼體的焊接工藝圖7為復合電極與火花塞殼體焊接工藝流程。2.4鎳杯、螺釘頭清洗無氧化銅氧化含量控制在90PPM以內(nèi),鎳合金管內(nèi)壁和無氧銅表面必須清潔,如果達不到規(guī)定的要求,側(cè)電極經(jīng)熱沖擊后,內(nèi)部會產(chǎn)生孔洞,影響電極的導熱能力。鉚釘頭與鎳杯組合時,鎳杯必須用超聲波清洗干凈,否則將導致鎳銅分離。擴散退火必須充分,鎳銅互相滲透2μm以上。3內(nèi)部鎳芯的應(yīng)用,解決了側(cè)電極與電火花的熱性能含有銅芯和鎳芯的側(cè)電極,因銅芯較快的傳熱冷卻作用,故使得火花塞的導熱性大為提高,相同工況下較普通鎳合金側(cè)電極低50~150℃。由側(cè)電極過熱而引起早燃的風險將減小,電極的燒蝕量也因溫度的降低而減少,提高了火花塞的使用壽命。內(nèi)部鎳芯的應(yīng)用,亦提高了