火花塞用镍-铜-镍复合侧电极制造工艺的开发与应用

陈件明，陈小双，易　华（株洲湘火炬火花塞有限责任公司，湖南 株洲　412001）



火花塞用镍-铜-镍复合侧电极制造工艺的开发与应用

陈件明，陈小双，易华
（株洲湘火炬火花塞有限责任公司，湖南 株洲412001）

摘要：采用涡轮增压和缸内直喷技术来实现小排量、大功率、低油耗，是发动机技术发展的方向，并且符合节能环保的要求。这些措施带给火花塞的挑战是热负荷高、爆震压力大。特别是对火花塞侧电极的导热性能、机械强度提出了更高的要求。为了改善侧电极的导热能力，增加侧电极抗折强度，同时消除焊接中出现的问题，故采用镍-铜-镍三层复合结构。本文重点阐述此种复合侧电极的结构特点、制造工艺及控制要点。

关键词：火花塞；铜芯侧电极；镍-铜-镍复合侧电极；制造工艺

现代汽车发动机的设计，要求火花塞在保证点燃混合燃气的同时，应能承受急剧的热冲击、高爆发压力、高电压和高温作用。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　镍-铜-镍复合侧电极的结构特点

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。

图1　火花塞侧电极的典型结构

1.1不同侧电极结构的优点和缺点

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INCONEL 600，抗氧化性特别好。缺点：侧电极成型工艺复杂。

1.2目前所用侧电极所存在的问题及开发三层复合电极的必要性

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-铜-镍三层复合侧电极结构及特点

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INCONEL 600，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。

图2　大铜芯缺陷部位

图3　闭口大铜芯侧电极缺陷部位

图4　三层复合侧电极的结构特点

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国内外镍-铜-镍复合侧电极制造工艺的发展现状与动向

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、INCONEL 600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　镍-铜-镍复合侧电极制造工艺

2.1铜-镍复合圆线制造工艺流程

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。

图5　铜-镍复合线的加工流程图

2.2铜-镍-铜复合侧电极生产工艺流程

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复合电极与火花塞壳体的焊接工艺流程

图7为复合电极与火花塞壳体焊接工艺流程。

图6　镍-铜-镍复合侧电极加工流程图

图7　复合电极与火花塞壳体焊接工艺流程

2.4镍-铜-镍三层复合电极生产控制要点

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　镍-铜-镍复合侧电极应用的技术优势

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，亦提高了侧电极的强度，降低了侧电极在发动机爆震时产生疲劳断裂的风险，同时解决了侧电极与火花塞壳体焊接的问题。特别对于增压发动机、缸内直喷发动机用火花塞，火花塞侧电极工作温度比较高，承受的冲击力比较大，复合电极的应用能够较好地解决这些问题。

（编辑杨景）

中图分类号：U463.643

文献标识码：B

文章编号：1003－8639（2016）05－0053－02

收稿日期：2016-03-12；修回日期：2016-03-25

作者简介：陈件明 （1966-），男，湖南茶陵人，高级工程师，主要研究方向:火花塞的设计与制造，发动机点火系统。

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