DE10005559A1 - Metallegierung mit Ruthenium und Zündkerze mit dieser Legierung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Metallegierung, insbesondere zur Verwendung als funkenerosionsbeständiger Elektrodenwerkstoff, mit Ruthenium als Hauptbestandteil und mindestens einem Metall, ausgewählt aus der Gruppe Rhodium, Iridium, Platin, Palladium und Rhenium als Nebenbestandteil vorgeschlagen. Diese Metallegierung eignet sich besonders zum Einsatz in einer Zündkerze (10) mit mindestens einer Elektrode (13, 14), die zumindest bereichsweise mindestens einen Elektrodenbereich (31, 32) aufweist, der zumindest weitgehend aus der Metallegierung besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine rutheniumhaltige Metallegierung, die insbesondere zur Verwendung als funkenerosionsbeständi­ ger Elektrodenwerkstoff geeignet ist, sowie eine Zündkerze mit dieser Legierung nach der Gattung der unabhängigen An­ sprüche.

Stand der Technik

Für Longlife- und Lifetime-Zündkerzen werden Elektroden aus funkenerosionsbeständigen Werkstoffen benötigt. Vorausset­ zung für eine hohe Funkenerosionsbeständigkeit ist dabei ei­ ne hohe Elektronenaustrittsarbeit, eine hohe Schmelz- und Verdampfungstemperatur, sowie eine gute Oxidationsbeständig­ keit des jeweiligen Materials. So wird insbesondere bei Werkstoffen mit hoher Elektronenaustrittsarbeit, die in Zündkerzen eingesetzt werden, bei der Nachentladung des Zündfunkens der Anteil der stark funkenerosiv wirkenden Bo­ genentladung zugunsten des Anteils der für die Funkenerosion günstigeren Glimmentladung verringert.

Aus EP 866 530 A1 ist ein Elektrodenwerkstoff in Form einer Metallegierung bekannt, der sich besonders zur Verwendung in Zündkerzen eignet. Dieser Werkstoff ist eine Metallegierung mit Iridium als Hauptbestandteil und weiteren Edelmetallen wie Rhodium, Ruthenium oder Rhenium als Nebenbestandteile.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Metallegierung und die erfindungsgemäße Zündkerze mit dieser Metallegierung hat gegenüber Seriene­ lektroden auf Nickel-Basis den Vorteil einer deutlich höhe­ ren Funkenerosionsbeständigkeit.

Daneben zeigt die erfindungsgemäße Metallegierung eine an Elektrodenwerkstoffe bzw. Legierungen auf Basis von Platin oder Iridium angenähert gute Funkenerosionsbeständigkeit bei gleichzeitig hohen Kostenvorteilen. So ist insbesondere Rut­ henium derzeit ca. 60 bis 70% billiger als Iridium oder Platin.

Die erfindungsgemäße Metallegierung mit Ruthenium als Haupt­ bestandteil und einem weiteren Edelmetall zeigt zudem eine gegenüber reinem Ruthenium deutlich verbesserte Oxidations­ beständigkeit.

Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Metallegierung als Elektrodenmaterial in einer Zündkerze, insbesondere im Be­ reich der Funkenstrecke, ergeben sich somit erhebliche Ko­ stenvorteile und Qualitätsvorteile hinsichtlich Langlebig­ keit und Zündverhalten.

Weiter hat die erfindungsgemäße Zündkerze gegenüber üblichen Zündkerzen den Vorteil, daß der Anteil der stark funkenero­ siv wirkenden Bogenentladung zugunsten des Anteils der gün­ stigeren Glimmentladung deutlich verringert ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So hat sich herausgestellt, daß die Oxidationsbeständigkeit der Metallegierung dann besonders hoch ist, wenn diese aus 68 bis 92 Massenprozent Ruthenium und 8 bis 32 Massenprozent Rhodium besteht. Anstelle von Rhodium kann die Oxidationsbe­ ständigkeit jedoch auch durch die Zugabe von Rhenium, Iridi­ um, Platin oder Palladium verbessert werden.

Daneben ergibt sich bei Zugabe des derzeit ca. 20-fach teu­ reren Rhodiums gegenüber Ruthenium immer noch ein Kostenvor­ teil von 60 bis 70% gegenüber den aus EP 866 530 A1 bekann­ ten Elektrodenwerkstoffen. Beispielsweise liegen die Materi­ alkosten für eine Ru90Rh10-Legierung um 70% unter der be­ kannten Ir90Rh10-Legierung.

Im Fall der Legierung Ru84Rh16 ist besonders vorteilhaft, daß diese schon bei einem hohem Funkenstrom, d. h. in einer frühen Phase der Bachentladung, einen Übergang von der Bo­ gen- zur Glimmentladung zeigt.

Dieser positive Effekt des frühen Übergangs von der Bogen- zur Glimmentladung, der sich insbesondere aufgrund der hohen Elektronenaustrittsarbeit der Legierungspartner der erfin­ dungsgemäßen Metallegierung ergibt, kann weiter durch kon­ struktive Maßnahmen, beispielsweise die Vergrößerung der Ka­ thoden- bzw. Elektrodenoberflächen im Bereich der Funken­ strecke, weiter verbessert werden.

Da im motorischen Betrieb die Zündkerzenelektroden unver­ meidbar stets einen bestimmten Anteil der Funkenenergie auf­ nehmen, tritt in Zündkerzen je nach Betrag der aufgenommenen Funkenenergie und den Schmelz- und Verdampfungstemperaturen der eingesetzten Elektrodenwerkstoffe stets ein funkenerosi­ ver Materialabtrag auf, indem die Elektroden in der Umgebung der Funkenstrecken teilweise aufgeschmolzen und/oder ver­ dampft werden. Auch von diesem Standpunkt weist das Edelmetall Ruthenium mit einem hohen Schmelzpunkt von ca. 2310°C günstige Voraussetzungen für eine Funkenerosionsbeständig­ keit auf. Der Schmelzpunkt von Platin liegt lediglich bei 1772°C, der von Nickel bei 1450°C.

Weiterhin ist vorteilhaft, daß die starke Oxidationsneigung von reinem Ruthenium, die an Luft bereits bei Temperaturen oberhalb 600°C zur Bildung flüchtiger Oxide führt, durch das Legieren mit den genannten Nebenbestandteilen erheblich re­ duziert wird, so daß sich eine für die Praxis ausreichende Oxidationsbeständigkeit ergibt.

Die vorgeschlagenen Metallegierungen können im übrigen vor­ teilhaft sowohl schmelzmetallurgisch als auch pulvermetall­ urgisch hergestellt werden. Im Fall des Einsatzes von schmelzmetallurgischen Verfahren wird die Legierung bei­ spielsweise aus Elementstücken oder Pulvermischungen, die als Haufwerk oder Preßkörper vorliegen, erschmolzen. Das Aufschmelzen erfolgt dabei vorteilhaft im Licht-, Indukti­ ons- oder Elektronenstrahlofen.

Wird ein pulvermetallurgisches Verfahren zum Herstellen der Metallegierung eingesetzt, erfolgt dies vorteilhaft mittels Herstellung von zunächst gepreßten, dann gesinterten und schließlich ggf. nachverdichteten Formkörpern.

Schließlich bieten sich zum Aufbringen der Metallegierung auf eine oder mehrere Elektroden der Zündkerze verschiedene, jeweils an sich bekannte und technisch gut beherrschbare Verbindungstechniken an. So kann die Metallegierung in Form eines Drahtes auf die Elektroden der Zündkerze, insbesondere im Bereich bzw. der Umgebung der Funkenstrecken, aufgebracht werden. Dies erfolgt beispielsweise durch Schweißen, insbe­ sondere Laserschweißen oder Widerstandsschweißen, oder Lö­ ten.

Sofern die Metallegierung als Pulver, beispielsweise durch Mahlen aus schmelz- oder pulvermetallurgisch hergestellten Legierungen oder durch Verdüsen einer Schmelze der Legie­ rung, vorliegt, können die Elektroden beispielsweise unter Einsatz eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls mit der erfindungsgemäßen Metallegierung beschichtet werden, oder es erfolgt eine Aufbringung des Metallegierungspulvers durch Flamm- oder Plasmaspritzen. Schließlich stehen auch vielfältige Möglichkeiten zur physikalischen oder chemischen Abscheidung aus der Gasphase, beispielsweise mittels PVD oder CVD, zur Verfügung.

Insgesamt zeigen die hergestellten Zündkerzen auf Basis des rutheniumhaltigen Werkstoffes eine deutliche Verbesserung der Elektrodenstandzeit gegenüber Serienmaterialien auf Nic­ kelbasis, sowie eine Annäherung an die Standzeiten von Elek­ troden auf Platinbasis. Gleichzeitig haben sie demgegenüber deutliche Kostenvorteile.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfol­ genden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigt Fig. 1 einen Schnitt durch den elektrodenseitigen Abschnitt einer Zündkerze und Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1 im Bereich der Funkenstrecke der Zündkerze.

Ausführungsbeispiele

Es wird zunächst eine Metallegierung mit Ruthenium als Hauptbestandteil und Rhodium als Nebenbestandteil aus Ele­ mentstücken erschmolzen. Anstelle von Rhodium als Nebenbestandteil kann jedoch auch Iridium, Platin, Palladium, Rhe­ nium oder eine Mischung aus diesen Elementen eingesetzt wer­ den. Der Anteil an Ruthenium beträgt mindestens 50 Massen­ prozent in der Legierung. Weiter ist mindestens eines der obengenannten Metalle als Nebenbestandteil in einem Anteil von mehr als 5 Massenprozent zugesetzt.

Als besonders geeignet hat sich eine Metallegierung heraus­ gestellt, die 8 bis 32 Massenprozent Rhodium und 68 bis 92 Massenprozent Ruthenium aufweist. Besonders bevorzugt ist hinsichtlich der Funkenerosionsbeständigkeit die Legierung Ru84Rh16. Diese Legierung zeigt einen Übergang von der Bo­ gen- zur Glimmentladung schon bei besonders hohem Funken­ strom.

Neben der genannten Legierung Ru84Rh16 hat sich auch die Le­ gierung Ru91Rh8Ir1 als vorteilhaft erwiesen. Günstige Eigen­ schaften werden zudem bei der Legierung Ru75Rh24Ir1 oder Ru92Rh8 sowie Ru76Rh24 und Ru83Rh16Ir1 beobachtet.

Eine Zündkerze mit einer der vorstehend beschriebenen Metal­ legierungen auf Basis von Ruthenium als Hauptbestandteil wird mit Hilfe der Fig. 1 erläutert. Dabei sei betont, daß eine derartige Zündkerze, abgesehen von der speziellen Me­ tallegierung als Elektrodenwerkstoff, prinzipiell beispiels­ weise bereits aus EP 0 866 530 A1 bekannt ist. Daher soll auf eine detaillierte Erläuterung hier verzichtet werden. Details sind der genannten Schrift zu entnehmen.

Im einzelnen ist in Fig. 1 eine Zündkerze 10 dargestellt, die eine Metallhülle 11, einen innerhalb der Metallhülle 11 konzentrisch geführten Isolator 12, und eine innerhalb des Isolators 12 angeordnete Mittelelektrode 13 aufweist. Die Mittelelektrode 13 ist dazu innerhalb des Isolators 12 von diesem bevorzugt über einen Hohlraum 16 beabstandet. Die Metallhülle 11 steht in ansich bekannter Weise mit einer Mas­ senelektrode 14 elektrisch leitend in Verbindung.

Die Mittelelektrode 13 ist weiter im Bereich ihrer der Mas­ senelektrode 14 zugewandten Seite in Form einer Spitze 13' ausgebildet, an deren Ende sich ein erster Elektrodenbereich 31 befindet. Darüberhinaus ist vorgesehen, daß sich gegen­ über dem ersten Elektrodenbereich 31 ein mit der Massenelek­ trode 14 verschweißter zweiter Elektrodenbereich 32 befin­ det. Der erste Elektrodenbereich 31 und der zweite Elektro­ denbereich 32 sind im erläuterten Beispiel durch ein Laser­ schweißverfahren mit der Massenelektrode 14 bzw. der Mitte­ lelektrode 13 verschweißt worden. Sie bestehen aus der Me­ tallegierung Ru84Rh16. Neben Ru84Rh16 eignen sich jedoch auch die übrigen, vorstehend erläuterten erfindungsgemäßen Metallegierungen zur Verwendung in dem Elektrodenbereich 31 bzw. 32.

Die Elektrodenbereiche 31 bzw. 32 sind im übrigen in an sich bekannter Weise elektrisch isoliert beabstandet voneinander ausgeführt und definieren eine Funkenstrecke 40, über der sich eine Funkenentladung einstellen kann.

In Fig. 1 ist weiter dargestellt, daß die Metallhülle 11 mit einem Gewinde 17 versehen ist, und daß der Isolator 12 im unteren, d. h. dem Elektrodenbereich 31 zugewandten Be­ reich 21 gegenüber der Mittelelektrode 13 rückgesetzt ist, so daß die Mittelelektrode 13 aus dem Isolator 12 heraus­ ragt.

Die Fig. 2 zeigt eine Ausschnittvergrößerung aus Fig. 1 im Bereich der Funkenstrecke 40 im Schnitt. Dabei ist darge­ stellt, wie die Massenelektrode 14 mit dem zweiten Elektro­ denbereich 32 aus der Metallegierung Ru84Rh16 verschweißt ist. Diese Verschweißung erfolgte in den Schweißbereichen 50. Außerdem ist dargestellt, wie die Mittelelektrode 13 im Bereich ihrer Spitze 13' mit dem ersten Elektrodenbereich 31 aus der Metallegierung Ru84Rh16 durch Verschweißen in dem Schweißbereich 50 verbunden ist.

Claims (9)

1. Metallegierung, insbesondere zur Verwendung als fun­ kenerosionsbeständiger Elektrodenwerkstoff, mit Ruthenium als Hauptbestandteil und mindestens einem Metall, ausgewählt aus der Gruppe Rhodium, Iridium, Platin, Palladium und Rhe­ nium als Nebenbestandteil.

2. Metallegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Anteil an Ruthenium mindestens 50 Massenprozent beträgt.

3. Metallegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß mindestens ein Metall der Nebenbestandteile in ei­ nem Anteil von mehr als 5 Massenprozent zugesetzt ist.

4. Metallegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Legierung aus 8 bis 32 Massenprozent Rhodium und 68 bis 92 Massenprozent Ruthenium besteht.

5. Metallegierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Legierung aus 8 bis 18 Massenprozent Rhodium, insbesondere 16 Massenprozent Rhodium, und 82 bis 92 Massen­ prozent Ruthenium, insbesondere 84 Massenprozent Ruthenium, besteht.

6. Metallegierung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß weiter mindestens ein Metall, insbesondere ein Metall ausgewählt aus der Gruppe Iridium, Platin, Palla­ dium oder Rhenium, in einem Anteil von insgesamt bis zu 8 Massenprozent zugesetzt ist.

7. Zündkerze mit mindestens einer Elektrode (13, 14), die zumindest bereichsweise mindestens einen Elektrodenbe­ reich (31, 32) aufweist, der zumindest weitgehend aus der Metallegierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 besteht.

8. Zündkerze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallegierung bereichsweise zumindest im Bereich einer Spitze (13') einer Elektrode, insbesondere einer Mit­ telelektrode (13), vorgesehen ist.

9. Zündkerze nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens zwei, elektrisch isoliert beabstan­ det, insbesondere gegenüber voneinander angeordnete Elektro­ denbereiche (31, 32) vorgesehen sind, die eine Funkenstrecke (40) bilden.