CN107937801A - 一种铱铁合金及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铱铁合金及其制备方法与应用。制备方法包括以下步骤：铱铁合金采用真空感应炉熔炼或者真空电弧炉熔炼，水冷铜坩埚浇注；均匀化处理；均匀化处理的铸锭或者拉拔成形的铱铁合金作为中间层焊接材料。本发明制备的铱铁合金作为中间层焊接材料，可以实现与铱、铱铑合金与Inconel 600合金的焊接，节约了40~70%的贵金属材料，解决了贵金属与镍基合金由于热膨胀系数差别大而导致的焊接质量不稳定的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种合金制备方法，具体说，是涉及一种铱铁合金及其制备方法与应用。
背景技术
凡是汽油发动机上都有火花塞，一缸一个，个别的高速汽油发动机每缸还装有2个火花塞。火花塞虽小，但它却影响着发动机的起动能力、油耗量和废气排放水平。如果说发动机是汽车的心脏，那么火花塞便是“心脏”的“起搏器”。
火花塞的工作环境极为恶劣。以一台普通四冲程汽油机的火花塞为例，在进气冲程时温度为60~90℃，压力约98 Kpa；而在点火燃烧时，温度会瞬间上升至2000~3000℃，压力达到3920~6860 Kpa。这种温度急冷急热，压力急高急低的交替每分钟可达数百次至数千次。此外，汽油蒸汽和燃烧气体以及汽油和润滑油的腐蚀性残渣对火花塞电极的表面都具有化学腐蚀性。因此，为了保证发动机的正常工作，火花塞电极材料必须具有较好的机械性能、热性能、电性能和耐腐蚀性能。目前，国内外火花塞电极用材料主要有镍基高温合金，也有用贵金属制作火花塞的，比如用银、铂金、铱金等。其中，铂金、铱金火花塞因为具有点火可靠性高和优良的耐久性而成为高品质火花塞电极的材料。
相比铂金，铱金具有更高的硬度和熔点，且电阻更低等特点，经过添加铑元素合金化可以更高的抗氧化性。高硬度和熔点意味着可以将电极做的非常细，产生更集中，能量更强，路线更稳定的火花，提高混合气燃烧效率和燃烧速度。另外，铱金的价格低于铂金价格，有利于降低火花塞的价格，提高产品的竞争力。
综上所述，铱以及铱铑合金具有良好的机械性能、热性能、电性能和耐腐蚀性能，是制备火花塞电极的首选材料。
然而，铱以及铱铑合金的热膨胀系数小，镍基合金的热膨胀系数大，焊接之后，使用过程中的冷热交替作用易导致铱以及铱铑合金脱落失效，特别是较大尺寸的铱以及铱铑合金更易脱落。另外，铱以及铱铑合金的价格很高，也限制了铱以及铱铑合金作为火花塞电极材料的应用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明是提供一种一种铱铁合金及其制备方法与应用。本发明可安全有效制备形状规则的火花塞铱金电极，且降低了铱以及铱铑合金电极的成本。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种铱铁合金的制备方法与应用，是在真空下对原材料熔炼后，浇注到铜模中得到铱铁合金，均匀化处理，均匀化处理的铸锭或者拉拔成形后的铱铁合金作为中间层焊接材料，既可以实现铱、铱铑10、铱铑25、铱铑40等金属与铱铁合金的良好焊接，也可以实现铱铁合金与Inconel 600的良好焊接，最终解决了铱、铱铑10、铱铑25、铱铑40等金属与Inconel600的焊接难题。
一种铱铁合金：按质量百分比，所述铱铁合金的组成为：铱30~60%，铁40~70%。
一种铱铁合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤a）将高纯铁和高纯铱置于真空熔炼炉中；
步骤b）加热真空熔炼炉获得铱铁合金溶液；
步骤c）将步骤b所得铱铁合金溶液浇入铜模中进行铸造得到合金铸锭；
步骤d）将步骤c所得合金铸锭均匀化处理得到铱铁合金。
上述铱铁合金的制备方法中，在步骤a之前还包括一步骤a0：制备铜模具作为铱镍铁合金的成型模具，铜模具模腔直径为30~50mm、长度为25~70 mm。，将铜模具装配在真空熔炼炉中。
上述铱铁合金的制备方法中，所述步骤b的具体操作为：在真空炉内抽真空至真空度为3.0~6.0×10-3MPa，冲入氩气至真空度为0.6~0.85 MPa，重复抽真空并冲入氩气的过程2~4次，通电加热至金属融化，继续加热至温度为2100~2300℃，保温0.4~0.8min，保温时进行磁力搅拌，磁力搅拌输出电流为10~30A。
上述铱铁合金的制备方法中，在步骤d之前还包括一步骤d0：将铱铑合金铸锭放入真空或者氢气保护气氛的真空熔炼炉内。
上述铱铁合金的制备方法中，步骤d中抽真空至真空度为1.5~2.5×10-2MPa；或者抽真空至真空度为1.5~3.0×10-1MPa，冲入氢气至真空度为0.6~0.85 Mpa；加热至950~1300℃保温30~100min。
一种铱铁合金用于制备火花塞的铱金电极，步骤为：
步骤1）将铱铁合金与铱或铱铑合金焊接；
步骤2）将铱铁合金与Inconel 600合金焊接。
上述铱铁合金用于制备火花塞的铱金电极中，所述步骤1）中焊接时间1.0~1.5s，电流密度60~100A/mm2，压力15~30MPa。
上述铱铁合金用于制备火花塞的铱金电极中，所述步骤2）中焊接时间0.5~1.5s，电流密度50~80A/mm2，压力8~20MPa。
与现有技术相比，本发明的技术效果在于：
1、本发明用于火花塞电极制备，节约贵金属40~70%；解决了贵金属与镍基合金由于热膨胀系数差别大而导致的焊接质量不稳定的问题；解决了大尺寸贵金属与镍基合金焊接质量差的难题。
2、本发明的铱铁合金既可以与铱、铱铑10、铱铑25、铱铑40等金属的良好焊接，也可以与Inconel 600的良好焊接，室温~900℃冷热疲劳100~200次，焊缝裂纹小于焊缝横截面尺寸的1/4，最终解决了铱、铱铑10、铱铑25、铱铑40等金属与Inconel 600的焊接难题。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细、完整地说明。实施例中出现的材料或仪器在具体实施方式中无如特殊说明，均为市售，且按照其说明书进行操作，在此不作赘述。
实施例1 铱30~60%，铁40~70%。
以制备组分含量为铁70%、铱30%的铱铁合金为例，包括以下步骤：
（1）装模具：将模腔直径为30 mm、长度为70 mm的铜模具装配在真空电弧炉中；
（2）装样品：将真空电弧炉开机，将30g高纯铱(>99.9 wt. %)和70g高纯铁(>99.9 wt.%)放入真空电弧炉的坩埚中；
（3）抽真空：打开真空阀，抽真空至真空度为3.0×10-3MPa，再将真空阀拧紧；
（4）充气：对真空电弧炉样品室冲入氩气至真空度为0.60MPa；
（5）重复步骤2至步骤3；
（6）真空电弧炉通电引弧熔化铁和铱，持续加热至金属熔化后继续加热直至2100℃；
（7）对步骤6所得的液态金属进行，保温0.8min，同时进行磁力搅拌，磁力搅拌输出电流为30A；
（8）液态金属注入铜模中，成φ30mm的铱铁合金圆柱体；
（9）铱铁合金圆柱体放入管式炉内，抽真空至1.5×10-1MPa，充氢气至0.85MPa，升温至950℃，保温100min。
（9）铱铁合金与φ0.5mm铱铑10合金电阻焊接，焊接时间1.0s，电流密度60A/mm2，压力15MPa。
（10）铱铁合金与Inconel 600合金电阻焊接，焊接时间0.5s，电流密度50A/mm2，压力8MPa。
所得铱铑合金电极经室温~900℃冷热疲劳100次，焊缝裂纹小于焊缝横截面尺寸的1/4。
实施例2
本实施例与实施例1的差别仅在于铱铁合金的组分（原子百分比）为铁40%，铱60%，步骤3中抽真空度至6.0×10-3MPa，冲入氩气至真空度为0.85MPa，金属熔化后继续加热直至2300℃，保温0.4min，磁力搅拌输出电流为15A；铱铁合金圆柱体放入管式炉内，抽真空至3.0×10-1MPa，充氢气至0.60MPa，升温至1300℃，保温30min，铱铁合金与φ0.8mm铱铑10电阻焊接，焊接时间1.0s，电流密度70A/mm2，压力15MPa。
所得铱铑合金电极经室温~900℃冷热疲劳100次，焊缝裂纹小于焊缝横截面尺寸的1/5。
实施例3
本实施例与实施例1的差别仅在于铱铁合金中组分含量为铁50%、铱50%，抽真空度至4.0×10-3MPa，冲入氩气至真空度为0.7MPa，金属熔化后继续加热直至2200℃，保温0.7min，磁力搅拌输出电流为25A；铱铁合金圆柱体放入管式炉内，抽真空至2.5×10-1MPa，充氢气至0.75MPa，升温至1100℃，保温60min，铱铁合金与φ3.8mm铱金电阻焊接，焊接时间1.5s，电流密度100A/mm2，压力20MPa。
所得铱铑合金电极经室温~900℃冷热疲劳160次，焊缝裂纹小于焊缝横截面尺寸的1/4。
性能试验
将上述实施例所得铱铑合金电极与常规激光焊接电极进行冷热疲劳实验，冷热疲劳性能提高20%~40%。
综上，采用本发明的一种铱铁合金的应用技术，应用于高级火花塞的铱金电极具有重要的实际应用价值；节约贵金属40~70%；解决了贵金属与镍基合金由于热膨胀系数差别大而导致的焊接质量不稳定的问题；解决了大尺寸贵金属与镍基合金焊接质量差的难题；室温~900℃冷热疲劳100~200次，焊缝裂纹小于焊缝横截面尺寸的1/4。
最后有必要在此说明的是：上面对本发明实施方式进行了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (9)
1.一种铱铁合金，其特征在于：按质量百分比，所述铱铁合金的组成为：铱30~60%，铁40~70%。
2.如权利要求1所述的铱铁合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤a）将高纯铁和高纯铱置于真空熔炼炉中；
步骤b）加热真空熔炼炉获得铱铁合金溶液；
步骤c）将步骤b所得铱铁合金溶液浇入铜模中进行铸造得到合金铸锭；
步骤d）将步骤c所得合金铸锭均匀化处理得到铱铁合金。
3.如权利要求2所述的铱铁合金的制备方法，其特征在于：在步骤a之前还包括一步骤a0：制备铜模具作为铱镍铁合金的成型模具，铜模具模腔直径为30~50mm、长度为25~70 mm，将铜模具装配在真空熔炼炉中。
4.如权利要求2所述的铱铁合金的制备方法，其特征在于：所述步骤b的具体操作为：在真空炉内抽真空至真空度为3.0~6.0×10-3MPa，冲入氩气至真空度为0.6~0.85 MPa，重复抽真空并冲入氩气的过程2~4次，通电加热至金属融化，继续加热至温度为2100~2300℃，保温0.4~0.8min，保温时进行磁力搅拌，磁力搅拌输出电流为10~30A。
5.如权利要求2所述的铱铁合金的制备方法，其特征在于：在步骤d之前还包括一步骤d0：将铱铑合金铸锭放入真空或者氢气保护气氛的真空熔炼炉内。
6.如权利要求2所述的铱铁合金的制备方法，其特征在于：步骤d中抽真空至真空度为1.5~2.5×10-2MPa；或者抽真空至真空度为1.5~3.0×10-1MPa，冲入氢气至真空度为0.6~0.85 Mpa；加热至950~1300℃保温30~100min。
7.一种如权利要求1所述的铱铁合金的应用，其特征在于：所述铱铁合金用于制备火花塞的铱金电极，步骤为：
步骤1）将铱铁合金与铱或铱铑合金焊接；
步骤2）将铱铁合金与Inconel 600合金焊接。
8.如权利要求7所述的铱铁合金的应用，其特征在于：所述步骤1）中焊接时间1.0~1.5s，电流密度60~100A/mm2，压力15~30MPa。
9.如权利要求7所述的铱铁合金的应用，其特征在于：所述步骤2）中焊接时间0.5~1.5s，电流密度50~80A/mm2，压力8~20MPa。
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