Драгоценные электроды. Материалы и сплавы, применяемые в современных свечах зажигания

Не секрет, что качество и надежность запчастей зависят от множества факторов, главные из которых — технологические особенности и решения и соответствие конечного изделия предъявляемым требованиям. Деталь разрабатывается с использованием передовых технологий, затем происходит ее адаптация для конкретного применения. Эти процессы весьма трудоемки и требуют колоссальных ресурсов и наличия исследовательской базы. Иногда необходимо соединять материалы и формы, которые изначально не слишком сочетаются, — производителям приходится искать компромисс. Но изобрести и выпустить изделие мало: нужно добиться его соответствия необходимым характеристикам в массовом производстве. Чтобы разобраться в вопросах качества, надежности и финансовой эффективности разработки современных свечей зажигания, а также в особенностях материалов, применяемых в электродах свечей, мы обратились к специалистам холдинга «Кордиант», на производственных мощностях которого в городе Энгельсе выпускаются свечи зажигания Cordiant (ранее производившиеся под торговой маркой Bosch) и ЭЗ.

Актуальные технологии касаются в основном дизайна и материалов электродов. С дизайном все не так сложно: тут важны геометрия и количество электродов. При этом подбираются эти параметры под конструкцию двигателя — в основном под особенности системы подачи топлива. Количество боковых электродов тоже влияет на эффективность работы свечи — главным образом на ресурс и надежность искрообразования. И если в моторах со впрыском топлива во впускной коллектор может использоваться до четырех боковых электродов, то для современных моторов и одного уже много.

Что касается материалов для изготовления центрального и боковых электродов — тут все сложнее. Это более технологичное и наукоемкое направление в развитии конструкции свечей зажигания. Состав сплавов для электродов с годами непрерывно развивается и позволяет решать все большое количество задач. Основная — ресурс свечи зажигания, а точнее — повышение стойкости материала к электро­эрозии при сохранении остальных свой­ств.

Различные сплавы электродов обеспечивают разные пре­имущества для каждого конкретного двигателя. В зависимости от основы используемого в электродах сплава свечи зажигания имеют различные обозначения. Наиболее часто запрашиваемые сегодня — платиновые (Pt) и иридиевые (Ir). Не забывают потребители и про традиционные, более доступные сплавы с никелем, который иногда легируют различными материалами.

Электроды из никелевых сплавов

Центральный электрод свечи зажигания изготавливается из износостойкого никелевого сплава с медным сердечником. Последний обладает высокой теплопроводностью, обеспечивая защиту от тепловой нагрузки. Подобная конструкция биметаллического электрода давно уже стала межотраслевым стандартом, так как делает свечу более гибкой в различных температурных режимах. Конструкция такого типа может встречаться и в центральном, и в боковых электродах.

Центральный электрод свечи зажигания изготавливается из износостойкого никелевого сплава с медным сердечником. Чистый никель является жаростойким (устойчивым к нагреву), но не выдерживает термошоки, поэтому применяются жаропрочные сплавы на основе никеля

Электроды с рабочей зоной из драгоценных металлов

Современные двигатели работают при высоких температурах в камере сгорания, что создает нагрузку на свечи зажигания и увеличивает износ электродов. В первую очередь это касается двигателей с технологией непосредственного впрыска и с установленным газобаллонным оборудованием. Для компенсации такого эффекта необходимо применять материалы с улучшенной устойчивостью к выгоранию вследствие электроэрозии. Для этого производители (в частности, Cordiant) используют сплавы на основе драгоценных металлов — таких как платина или иридий. В принципе можно использовать даже серебро.

Преимущества электродов из драгметаллов:

— Длительный срок службы электрода; искра зажигания с большей энергетикой.

— Высокая износостойкость, устойчивость к химическим воздействиям в камере сгорания.

— Повышенная эффективность свечи зажигания.

— Высокая устойчивость к эрозии материала.

— Идеальное рассеивание фронта пламени со всех сторон.

— Один из идеальных вариантов для работы на газе (за счет длительного срока службы).

Чаще всего за основу берут драгоценные металлы, но далеко не все из них, а так называемые платиноиды. Их не требуется много, но у них и без того очень высокая стоимость. Устанавливают их только в зонах, подверженных максимальному износу. При этом в зависимости от типа исполнения драгметаллы могут быть не только на центральном электроде, но и на боковом. Центральный электрод из-за особенности систем зажигания изнашивается быстрее всего, но в современных двигателях и боковые электроды испытывают колоссальные нагрузки. В частности, это относится к двигателям типа T-GDI (с турбонаддувом и непосредственным впрыском топлива), популярность которых с каждым годом лишь нарастает.

Именно этим обусловлен устойчивый тренд среди автопроизводителей на использование драгоценных металлов в свечах. Погоня за увеличением межсервисных интервалов в сочетании с усложнением конструкции двигателя и применения обедненных смесей поставила крест на так называемых традиционных свечах. Все больше современных моторов просто не смогут долго работать без свечей с драгоценными металлами.

Платина или иридий?

Еще 15–20 лет назад про иридиевые свечи зажигания почти ничего не было слышно. Зато везде просили продать (или поставить) свечи платиновые. Далеко не все знали, чем они отличаются от остальных, но свечи порой делились на «обычные» и «платиновые». Прошло время, и теперь именно иридиевые свечи считаются лучшими. По крайней мере о них чаще спрашивают потребители. Можно ли сказать, что свечи зажигания с иридием значительно превосходят все предыдущие по характеристикам? И в чем именно состоят преимущества использования иридиевого сплава в составе электродов?

На самом деле платина и иридий очень близки по своим характеристикам. Иридий входит в платиноидную группу. Туда же входят еще и рутений, родий, палладий и осмий. В природе они довольно часто встречаются в одних и тех же месторождениях. Металлы платиноидной группы очень хорошо подходят в качестве основы для производства электродов, так как обладают превосходными свой­ствами по стойкости к электроэрозии, а также отличной химической стойкостью, высокой температурой плавления и высокой плотностью. Да, не особо впечатляют показатели по электропровод­ности, но это если сравнивать с медью, серебром и алюминием. Однако разница в показателях не настолько критична, как показатели температуры плавления, а именно эта характеристика сильно влияет на ресурс свечи зажигания.

Для сравнения: медь плавится при температуре чуть более 1000 °C, алюминий — при 660 °C, никель — при 1455 °C. Очевидно, что этого совсем не достаточно. Медь используется только в качестве сердечника электрода, алюминий не используется совсем. А никель? Никель был и остается основным материалом для производства компонентов свечи зажигания. Для большинства двигателей, разработанных до 2000‑х годов, стойкости никелевого сплава хватало с запасом.

К тому же никель неплохо добывается, стоит не более полутора руб­лей за грамм, его плотность — около 8,9 г/куб. см и это прекрасный материал для основы свечи зажигания. В основе всех современных свечей зажигания используется сплав на основе никеля, но для современных двигателей, которые работают на обедненных смесях, температуры плавления материала электрода 1455 °C уже недостаточно. Именно при горении «бедных» смесей температура может достигать подобных значений.

Именно это побудило разработчиков искать иные металлы, которые смогут стабильно работать в столь тяжелых условиях. Кстати, одним из первых кандидатов была отнюдь не платина, а проверенный временем проводник с хорошим сроком службы из… лампочек накаливания! Речь, конечно, о вольфраме. Он относительно недорог, и при этом у него впечатляющие показатели по температуре плавления — 3422 °C (!) — при стоимости на уровне 5–6 руб­лей за грамм.

Но настоящими хитами в современных свечах стали именно материалы платиноидной группы. У них очень хорошие, сбалансированные показатели по всем параметрам. И достаточно высокие — по температуре плавления и плотности:

— Рутений (Ru 44): температура плавления 2500 °C, плотность — 12,2 г/куб. см.

— Родий (Rh 45): 1966 °C и 12,4 г/куб. см.

— Палладий (Pd 46): 1555 °C и 12 г/куб. см.

— Осмий (Os 76): 2700 °C и 22,6 г/ куб. см.

— Иридий (Ir 77): 2450 °C и 22,5 г/куб. см.

— Платина (Pt 78): 1774 °C и?21,5?? 21,5 г/куб. см.

На первый взгляд, лучший из этих металлов — осмий, но не все так просто. Если вспомнить, что сначала была популярна платина, то становится очевидным, что важны не только эти показатели. На самом деле осмий — это побочный продукт при добыче платины, которая много где востребована, помимо автомобильной промышленности. Поэтому платина наиболее доступна. И на рынке в качестве компонента для свечей зажигания она используется очень давно: серийно такие свечи производятся с конца 60‑х годов XX века.

За последние десятилетия технологии применения платины становились все доступнее. Инженеры и технологи научились правильно приваривать платину к никелевой основе и устранили многие недостатки в конструкции электродов. К 1990‑м годам платиновые свечи все чаще стали находить применение в двигателях серийных автомобилей. И именно популярность платины подтолкнула ко все более широкому применению свечей зажигания с иридием. Почему?

Да, показатели гораздо выше. Но дело было даже не в этом: главное — цена. В начале 2000‑х годов ажиотаж на приобретение платины в различных устройствах привел к росту цен на этот металл. И получилось так, что в какой‑то период платина была в 2–3 раза дороже иридия. Это как раз и ускорило внедрение иридия в свечи зажигания. Вдобавок электропроводность иридия лучше, чем других платиноидов (он уступает в этом только осмию).

Можно ли говорить, что иридий сегодня окончательно вытеснил другие материалы из свечей зажигания? Конечно нет! Начнем с того, что стоимость иридия весьма высока, и в последние годы она интенсивно растет из-за огромной популярности материа­ла, но его низкого содержания в природе. И, как мы понимаем, из драгоценных металлов делается только малая часть электрода: драгоценный металл приваривается только в зонах межэлектродного пространства — там, где нужна высокая стойкость к износу.

На фото — размер части драгоценного металла (примерно Ø 0,5 х 2,0 мм) по отношению к корпусу свечи

Это миниатюрные вставки, но с их монтажом и эксплуатацией возникает много трудностей. Мы пытаемся соединить материа­лы с различными свойствами, а значит, соединение должно быть однородным, без напряжений и микротрещин. В процессе эксплуатации металлы по-разному ведут себя в агрессивной среде. Незначительная ошибка — и отвалившийся кусочек электрода попадет в камеру сгорания. В некачес­твенных свечах зажигания такая ситуация встречается и сегодня.

Кстати, именно поэтому некоторые нечистые на руку производители идут на хитрость: используют не сам драгоценный металл, а имитируют его или делают из него лишь покрытие. Ведь очевидно, что свечи зажигания с благородными металлами не могут быть дешевыми.

Ориентировочная стоимость
различных металлов на рынке:

Никель

около 1,3 рубля за грамм.

Платина

5300 рублей за грамм.

Иридий

16 000 рублей за грамм.

Соблазн сделать свечу зажигания, похожую на свечу с драгоценными металлами, весьма велик! Но будем объективны: количество применяемых в свече драгоценных металлов невелико. Их можно увидеть как маленькую припайку на центральном электроде и как вставку — в боковом.

Проверка магнитом: работает или нет?

Среди автомобилистов весьма популярна проверка наличия драгоценных металлов в электродах при помощи магнита. Это очень простой способ: подносим магнит к свече зажигания, создаем магнитное поле в районе электродов и наблюдаем… Каждый наблюдает, как показывает практика, что‑то свое, однако подобным способом однозначно выявить наличие или отсутствие драгоценных металлов в конструкции электрода невозможно.

Ведь магнетизм у разных металлов различен, в том числе у драгоценных. Например, золото в чистом виде немагнитно, а вот никель обладает ферромагнитными свой­ствами. Но электроды — это в основном никелевые сплавы, а еще в биметаллические электроды интегрирована медь, которая тоже немагнитна. То есть электрод современной свечи зажигания — как сэндвич по своему составу. Каких материалов там больше, зависит лишь от конкретной спецификации, а значит, проверять магнитом наличие в электроде драгоценных металлов — бесполезное занятие.

Да и наличие драгметалла может быть различным — не только по объему, но и по составу. Технологии не стоят на месте, и мономатериал для производства электродов используется крайне редко: сегодня все чаще применяют сплавы, так как именно определенная комбинация позволяет улучшить некоторые характеристики и уменьшить количество проблем, в том числе — сделать производство более выгодным без потерь характеристик.

Поэтому, открывая подробную спецификацию по свече зажигания, мы можем встретить различные комбинации сплавов в наконечнике электрода. И если в центральном электроде содержание платины может быть 100%, то иридий обычно идет в составе сплава — например, Ir 92% / Rh 8%. И такую свечу назовут иридиевой. Бывают также сплавы платины и иридия в различном процентном соотношении, которые обладают интересными свой­ствами, но в названии будет фигурировать один материал. И покупатель даже не узнает, что за состав был использован в свече. Но надо ли это знать?

Вместо послесловия: есть ли «лучшие» материалы?

Альтернативы есть всегда. И развитие технологий не стоит на месте. Например, некоторые производители используют вольфрам: у него превосходные свой­ства, он недорогой. Но очень капризный — именно из-за этого он очень хрупкий и плохо поддается обработке. Так что полноценной альтернативой его назвать не получится. Тогда, может быть, рутений (Ru 44)? По температуре плавления он схож с иридием, но его плотность меньше почти в два раза.

На самом деле в дело вмешивается цена. Стоимость рутения в 4,5 раза меньше. А, как мы помним, в свое время именно разница в цене привела к смене основных материалов в электроде. И рутений нельзя однозначно назвать полноценным аналогом. Поэтому мы все чаще встречаем в конструкциях электродов сплавы, все показатели которых, в том числе по стоимости, сбалансированы. Так что пока не стоит ждать громких заявлений о полной замене популярных иридиевых свечей зажигания какими‑либо другими: эволюция в сфере материалов свечей совершается тихо и незаметно.