陳件明，陳小雙，易　華（株洲湘火炬火花塞有限責(zé)任公司，湖南 株洲　412001）

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火花塞用鎳-銅-鎳復(fù)合側(cè)電極制造工藝的開發(fā)與應(yīng)用

陳件明，陳小雙，易華
（株洲湘火炬火花塞有限責(zé)任公司，湖南 株洲412001）

摘要：采用渦輪增壓和缸內(nèi)直噴技術(shù)來實(shí)現(xiàn)小排量、大功率、低油耗，是發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的方向，并且符合節(jié)能環(huán)保的要求。這些措施帶給火花塞的挑戰(zhàn)是熱負(fù)荷高、爆震壓力大。特別是對(duì)火花塞側(cè)電極的導(dǎo)熱性能、機(jī)械強(qiáng)度提出了更高的要求。為了改善側(cè)電極的導(dǎo)熱能力，增加側(cè)電極抗折強(qiáng)度，同時(shí)消除焊接中出現(xiàn)的問題，故采用鎳-銅-鎳三層復(fù)合結(jié)構(gòu)。本文重點(diǎn)闡述此種復(fù)合側(cè)電極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、制造工藝及控制要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：火花塞；銅芯側(cè)電極；鎳-銅-鎳復(fù)合側(cè)電極；制造工藝

現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，要求火花塞在保證點(diǎn)燃混合燃?xì)獾耐瑫r(shí)，應(yīng)能承受急劇的熱沖擊、高爆發(fā)壓力、高電壓和高溫作用?；鸹ㄈ膫?cè)電極伸入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的燃燒室中，火花塞的側(cè)電極必須具備良好的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能，具備良好的抗氧化、耐電燒蝕以及化學(xué)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(dǎo)熱性相對(duì)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(dǎo)熱能力。而內(nèi)部加銅之后，側(cè)電極的導(dǎo)熱能力是提高了，但機(jī)械強(qiáng)度又降低了，于是鎳-銅-鎳復(fù)合側(cè)電極的開發(fā)應(yīng)用變成了重要的方法。

1　鎳-銅-鎳復(fù)合側(cè)電極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

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(fù)合側(cè)電極。如圖1所示。

圖1　火花塞側(cè)電極的典型結(jié)構(gòu)

1.1不同側(cè)電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

1）鎳合金側(cè)電極優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工工藝簡(jiǎn)單，成本低，機(jī)械強(qiáng)度高。缺點(diǎn)：導(dǎo)熱性能差。

2）大銅芯側(cè)電極優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，導(dǎo)熱性能特別好。缺點(diǎn)：①與火花塞殼體的焊接性能差；②機(jī)械強(qiáng)度低，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震時(shí)側(cè)電極容易折斷。

3）閉口大銅芯側(cè)電極優(yōu)點(diǎn)：比較好的焊接工藝，與鎳合金側(cè)電極相當(dāng)。缺點(diǎn)：側(cè)電極成型工藝性差；封閉段鎳層影響側(cè)電極的導(dǎo)熱。

4）鎳-銅-鎳三層復(fù)合側(cè)電極優(yōu)點(diǎn)：①內(nèi)部鎳

芯，有較好的機(jī)械強(qiáng)度；②內(nèi)部銅芯，有較好的導(dǎo)熱性能；③外層用INCONEL 600，抗氧化性特別好。缺點(diǎn)：側(cè)電極成型工藝復(fù)雜。

1.2目前所用側(cè)電極所存在的問題及開發(fā)三層復(fù)合電極的必要性

普通型鎳合金側(cè)電極導(dǎo)熱性能差，側(cè)電極工作溫度有時(shí)超過850℃以上，容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)早燃、電極燒蝕。如圖2所示，對(duì)于大銅芯側(cè)電極，對(duì)焊部位 （B處）銅的截面積比較大，與殼體 （低碳鋼）端面焊接時(shí)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(dòng)機(jī)爆震壓力作用下，A處容易斷裂。

如圖3所示，對(duì)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(dǎo)熱能力，同時(shí)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(dòng)機(jī)爆震壓力作用下，C處容易斷裂。

1.3鎳-銅-鎳三層復(fù)合側(cè)電極結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

鎳-銅-鎳三層復(fù)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(dǎo)熱性和較好的機(jī)械強(qiáng)度。中間層采用無氧化銅，無氧銅有非常好的延伸性和導(dǎo)熱性能。外層采用INCONEL 600，具有很強(qiáng)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(qiáng)側(cè)電極整體強(qiáng)度，同時(shí)能提升焊接性，消除焊接不牢的問題。

圖2　大銅芯缺陷部位

圖3　閉口大銅芯側(cè)電極缺陷部位

圖4　三層復(fù)合側(cè)電極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鎳合金、無氧銅、純鎳3種材料復(fù)合后，相互取長補(bǔ)短，充分發(fā)揮了3種材料本身固有的性能特點(diǎn)，故可獲得良好的機(jī)械強(qiáng)度、耐電燒蝕性能、抗氧化性能、焊接性能和導(dǎo)熱性能。

與大銅芯側(cè)電極相比，用電阻焊進(jìn)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(qiáng)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(shí)使其有效地焊接在一起，同時(shí)在預(yù)彎側(cè)電極時(shí)能擁有較好的強(qiáng)度。

1.4國內(nèi)外鎳-銅-鎳復(fù)合側(cè)電極制造工藝的發(fā)展現(xiàn)狀與動(dòng)向

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(dòng)機(jī)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、INCONEL 600合金等，也在逐步開發(fā)采用復(fù)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(fù)合的側(cè)電極。株洲湘火炬火花塞有限責(zé)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(fù)合側(cè)電極，為國內(nèi)第1家開發(fā)使用的廠家。

2　鎳-銅-鎳復(fù)合側(cè)電極制造工藝

2.1銅-鎳復(fù)合圓線制造工藝流程

制造三層復(fù)合電極時(shí)，先要加工銅-鎳 （銅包鎳）復(fù)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(kuò)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(fù)合線的加工流程圖。

圖5　銅-鎳復(fù)合線的加工流程圖

2.2銅-鎳-銅復(fù)合側(cè)電極生產(chǎn)工藝流程

將銅-鎳復(fù)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(kuò)散退火，制成鎳-銅-鎳復(fù)合側(cè)電極。圖6為鎳-銅-鎳復(fù)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(kuò)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(huì)產(chǎn)生孔洞。

2.3復(fù)合電極與火花塞殼體的焊接工藝流程

圖7為復(fù)合電極與火花塞殼體焊接工藝流程。

圖6　鎳-銅-鎳復(fù)合側(cè)電極加工流程圖

圖7　復(fù)合電極與火花塞殼體焊接工藝流程

2.4鎳-銅-鎳三層復(fù)合電極生產(chǎn)控制要點(diǎn)

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(dá)不到規(guī)定的要求，側(cè)電極經(jīng)熱沖擊后，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生孔洞，影響電極的導(dǎo)熱能力。鉚釘頭與鎳杯組合時(shí)，鎳杯必須用超聲波清洗干凈，否則將導(dǎo)致鎳銅分離。擴(kuò)散退火必須充分，鎳銅互相滲透2μm以上。

3　鎳-銅-鎳復(fù)合側(cè)電極應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

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(dǎo)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(fēng)險(xiǎn)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，亦提高了側(cè)電極的強(qiáng)度，降低了側(cè)電極在發(fā)動(dòng)機(jī)爆震時(shí)產(chǎn)生疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)解決了側(cè)電極與火花塞殼體焊接的問題。特別對(duì)于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)、缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)用火花塞，火花塞側(cè)電極工作溫度比較高，承受的沖擊力比較大，復(fù)合電極的應(yīng)用能夠較好地解決這些問題。

（編輯楊景）

中圖分類號(hào)：U463.643

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1003－8639（2016）05－0053－02

收稿日期：2016-03-12；修回日期：2016-03-25

作者簡(jiǎn)介：陳件明 （1966-），男，湖南茶陵人，高級(jí)工程師，主要研究方向:火花塞的設(shè)計(jì)與制造，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)。

Development and Application of Manufacturing Technique of Ni-Cu-Ni Composite Ground Electrode on Spark Plug

CHEN Jian-ming，CHEN Xiao-shuang，YI Hua
（Zhuzhou Torch Spark Plug Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001，China）

Abstract：Using turbocharging and gasoline direct injection to achieve low emission，high power and low fuelconsumption is the direction of engine development，and fits eco-friendly requirements.Those methods brings challenges like high heat load and denotation pressure to the spark plug，especially put forward even higher requirements on thermal conductivity and mechanical strength of spark plug ground electrode.To improve thermal conductivity and bending strength of the ground electrode，and solve welding problems，Ni-Cu-Ni three-layer composite structure is adopted.This paper mainly demonstrates the structure features，manufacturing technique and control tips on this composite ground electrode.

Key words：spark plug；copper core ground electrode；Ni-Cu-Ni composite ground electrode；manufacturing technique