DE10101976A1

DE10101976A1 - Zündkerze

Info

Publication number: DE10101976A1
Application number: DE10101976A
Authority: DE
Inventors: Keiji Kanao; Seiki Nakagawa
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-01-18
Filing date: 2001-01-17
Publication date: 2001-08-09
Also published as: US6621198B2; US20010013746A1; JP2001273966A

Abstract

Zündkerze, bei der eine Spitze aus einer im Wesentlichen aus Iridium bestehenden Iridiumlegierung über eine Entlastungsschicht mit einem Vorderende einer aus einer Eisenbasislegierung bestehenden Mittelelektrode und einem Stirnabschnitt einer Masseelektrode widerstandsverschweißt ist und bei der das Material der Entlastungsschicht einen linearen Ausdehnungskoeffizienten, der zwischen dem der Iridiumlegierung und dem der Eisenbasislegierung liegt, und einen Elastizitätsmodul aufweist, der kleiner als der der beiden Legierungen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze für das Innere einer Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors, wobei die Erfindung insbesondere eine Verbesserung der Bindung einer im Wesentlichen aus Iridium bestehenden Ir-Legierungsspitze bei einer Zündkerze betrifft, die an ihrer Masseelektrode oder ihrer Mittelelektrode mit einer solchen Spitze versehen ist.

Um die Kerzenlebensdauer zu verlängern und das Leistungs vermögen zu verbessern, wurde in den letzten Jahren zum Beispiel eine Zündkerze vorgeschlagen, wie sie in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 11-329668 beschrieben ist, die am Funkenspalt eine Iridiumspitze aus einer Iridlumlegierung umfasst, die als ein Funkenentladungs elektrodenelement mit einer Mittelelektrode und/oder Masse elektrode aus einer im Wesentlichen aus Nickel bestehenden Nickelbasislegierung widerstandsverschweißt ist.

Die japanische Offenlegungsschrift Nr. 11-329668 schlägt vor, zwischen der aus der Nickelbasislegierung bestehenden Mittelelektrode und/oder Masseelektrode und der Iridium spitze eine Entlastungsschicht aus einem Material anzuordnen, das einen linearen Ausdehnungskoeffizienten, der im Bereich zwischen dem der Iridiumspitze und dem der Nickelbasislegierung liegt, und einen Elastizitätsmodul aufweist, der kleiner als der der Spitze aus der Iridium legierung und der der Nickelbasislegierung ist.

Das von der Erfindung zu lösende Problem besteht darin, dass auch die japanische Offenlegungsschrift Nr. 11-329668 keine ausreichende Bindung zwischen dem Spitzenbindungs abschnitt der Mittelelektrode und/oder Masseelektrode und der Iridiumspitze gewährleisten kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Zündkerze zur Verfügung zu stellen, die eine ausreichende Bindungskraft zwischen dem Spitzenbindungsabschnitt einer Mittelelektrode und/oder Masseelektrode und einer aus einer Iridiumlegierung bestehenden Spitze aufweist.

Erfindungsgemäß ist eine Zündkerze vorgesehen, die versehen ist mit einer Mittelelektrode, einem die Mittelelektrode haltenden Isolatormantel, einer an dem Isolatormantel angebrachten und der Mittelelektrode über einen Funkenspalt zugewandten Masseelektrode, einer Spitze aus einer im Wesentlichen aus Iridium bestehenden Iridiumlegierung, die mit der Mittelelektrode und/oder Masseelektrode an Stirn abschnitten der Elektroden verbunden ist, und einer Spannungsentlastungsschicht, die zwischen der Spitze und einem Spitzenbindungsabschnitt der Mittelelektrode und/oder Masseelektrode, mit dem die Spitze verbunden ist, angeordnet ist, wobei der Spitzenbindungsabschnitt aus einer Eisenbasislegierung besteht und die Entlastungs schicht aus einer platinhaltigen Legierung besteht, die einen linearen Ausdehnungskoeffizienten, der zwischen dem der Iridlumlegierung und der Eisenbasislegierung liegt, und einen Elastizitätsmodul aufweist, der kleiner als der der Iridiumlegierung und der Eisenbasislegierung ist.

Der Spitzenbindungsabschnitt besteht vorzugsweise aus einer Eisenbasislegierung, die mindestens 50 Gew.-% Eisen enthält, und besser noch aus einer Eisenbasislegierung, die mindestens 50 Gew.-% Eisen und als Saldo Chrom und/oder Aluminium enthält.

Der lineare Ausdehnungskoeffizient der Entlastungsschicht beträgt bei 900°C vorzugsweise 9,2 × 10^-6 bis 11,7 × 10^-6/°C.

Darüber hinaus enthält die Entlastungsschicht vorzugsweise mindestens 60 Gew.-% Platin.

Des weiteren sollte der Elastizitätsmodul der Entlastungs schicht bei 900°C nicht mehr als 15 × 10⁴ MPa und ferner mindestens 5 × 10⁴MPa betragen.

Die Dicke der Entlastungsschicht sollte mindestens 0,2 mm und ferner nicht mehr als 0,6 mm betragen.

Die Spitze enthält vorzugsweise mindestens 50 Gew.-% Iridium und besser noch mindestens 50 Gew.-% Iridium und zusätzlich zu dem Iridium Rhodium, Platin, Ruthenium, Palladium und/oder Wolfram.

Die Entlastungsschicht besteht vorzugsweise aus einer auf der Seite der Spitze angeordneten ersten Entlastungsschicht und einer an dem Spitzenbindungsabschnitt angeordneten zweiten Entlastungsschicht, wobei der lineare Ausdehnungs koeffizient der ersten Entlastungsschicht zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten der Spitze und dem linearen Ausdehnungskoeffizienten der zweiten Entlastungs schicht liegt und der lineare Ausdehnungskoeffizient der zweiten Entlastungsschicht zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten der ersten Entlastungsschicht und dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Spitzenbindungs abschnitts liegt.

Die Spitze hat vorzugsweise einen größeren Außenumfang als die Entlastungsschicht.

Diese und weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine vergrößerte Teilansicht einer Masseelektrode nach dem Stand der Technik;

Fig. 2A eine schematische Ansicht und Fig. 2B eine erläuternde Ansicht des anfänglichen Bindungsgrenzflächen zustands;

Fig. 3A eine schematische Ansicht und Fig. 3B eine erläuternde Ansicht des Bindungsgrenzflächenzustands nach einem Zeitstandversuch;

Fig. 4 im Halbschnitt eine Ansicht des Gesamtaufbaus einer Zündkerze gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht einander zugewandter Abschnitte einer Mittelelektrode und einer Masseelektrode in Fig. 4;

Fig. 6 eine Schnittansicht eines Spitzenbindungsabschnitts in Fig. 5;

Fig. 7 eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Zahl der Zyklen und der Ablöserate beim Stand der Technik und bei der Erfindung;

Fig. 8 eine erläuternde Darstellung zur Ablöserate;

Fig. 9A und Fig. 9B Teilschnittansichten weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung;

Fig. 10 eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten und der Ablöserate der Entlastungsschicht an der Grenzfläche; und

Fig. 11 eine vergrößerte Teilansicht einer Zündkerze, mit deren Hilfe der Zusammenhang aus Fig. 10 ermittelt wurde.

Die Erfinder führten umfangreiche Untersuchungen durch, um die Gründe herauszufinden, warum es bei der Elektroden spitze mit dem in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 11-329668 offenbarten Aufbau immer noch nicht möglich war, eine ausreichende Bindungsfestigkeit zu erzielen.

Die Erfinder untersuchten an einem Spitzenbindungsabschnitt einer Masseelektrode der Zündkerze mit dem in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 11-329668 offenbarten Aufbau den Ablösezustand der Iridiumspitze. Die dabei verwendete Zündkerze, die in Fig. 1 gezeigt ist, setzte sich aus einer Masseelektrode 100 aus einer aus Ni - 15 Gew.-% Cr - 7 Gew.-% Fe bestehenden Nickelbasislegierung und einer mit dieser über eine Entlastungsschicht 110 aus Pt - 20 Gew.-% Ir - 2 Gew.-% Ni widerstandsverschweißten Iridiumlegierungsspitze 120 aus Ir - 10 Gew.-% Rh zusammen.

Als Zeitstandversuch wurde von einem zyklischen Aufwärm- Abkühlversuch mit elektrischem Ofen Verwendung gemacht. Ein Zyklus bestand aus einem einminütigen Aussetzen in einer Umgebung von 900°C, gefolgt von einem einminütigen Aussetzen in einer Umgebung von 20°C, der 400-mal beziehungsweise unter Bedingungen wiederholt wurde, die einer Ziellebensdauer (100000 km) bei einem Motorlangzeit test entsprechen.

Auf eine Ablösung wurde dann entschieden, wenn der Ablöse grad des Anteils, der sich an einer Gesamtgrenzfläche zwischen der Masseelektrode 100 und der Entlastungsschicht 110 ablöst, und des Anteils, der sich an der Gesamtgrenz fläche zwischen der Entlastungsschicht 110 und der Iridium spitze 120 ablöst, mindestens 25% erreichte.

Insgesamt wurden 100 Proben dem Zeitstandversuch unterzogen. Es stellte sich heraus, dass bei 26 Proben an der Bindungsstelle eine Ablösung auftrat. Die Anzahl der Proben, die unter einer Ablösung litten, ist in Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1

Bindungsstelle
Anzahl an Ablösungen
Zwischen Iridiumspitze und Entlastungsschicht	0
Zwischen Entlastungsschicht und Masseelektrode	26

Wie in Tabelle 1 angegeben ist, trat bei keiner einzigen Probe eine Ablösung zwischen der Iridiumspitze 120 und der Entlastungsschicht 110 auf, während bei 26 Proben eine Ablösung zwischen der Entlastungsschicht 110 und der Masse elektrode 100 auftrat.

Die Erfinder stellten also fest, dass der Hauptgrund für die Ablösung die Verminderung der Bindungsfestigkeit zwischen der Entlastungsschicht 110 und der Masseelektrode 100 war. Die Erfinder konzentrierten sich daher auf die Grenzfläche zwischen der Entlastungsschicht 110 und der Masseelektrode 100 und untersuchten die näheren Umstände für die Ablösung. Dabei kamen die Erfinder zu der Einsicht, dass es regelmäßig zu einer Ablösung an der Grenzfläche zwischen der Entlastungsschicht 110 und der Masseelektrode 100 kommen kann.

Die Gründe dafür werden ausführlich unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben.

Wie oben erwähnt wurde, zeigt Fig. 1 eine Masseelektrode 100 aus einer Nickelbasislegierung, mit deren Spitzen bindungsabschnitt über eine Entlastungsschicht 110 aus Pt - 20 Gew.-% Ir - 2 Gew.-% Ni eine Iridiumlegierungsspitze 120 aus Ir - 10 Gew.-% Rh widerstandsverschweißt ist.

Dadurch, dass die Zusammensetzung der Entlastungsschicht 110 wie oben angesprochen eingestellt ist, liegt der lineare Ausdehnungskoeffizient der Entlastungsschicht 110 in einem Bereich zwischen dem der Iridiumspitze 120 und dem des Spitzenbindungsabschnitts 100 und ist der Elastizitäts modul der Entlastungsschicht 110 kleiner als der der Spitze 120 aus der Iridiumlegierung und der des Spitzenbindungs abschnitts 100.

Fig. 2A zeigt eine schematische Ansicht und Fig. 2B eine erläuternde Ansicht des anfänglichen Bindungsgrenzflächen zustands. Fig. 3A zeigt eine schematische Ansicht und Fig. 3B eine erläuternde Ansicht des Bindungsgrenzflächen zustands nach einem Zeitstandversuch.

Wie in Fig. 2A gezeigt ist, ist im Ausgangszustand, in dem die Entlastungsschicht 110 mit der Masseelektrode 100 widerstandsverschweißt ist, an der Grenzfläche zwischen der Entlastungsschicht 110 und der Masseelektrode 100 eine mehrere Mikrometer dicke Diffusionsschicht 115 ausgebildet. Wie in Fig. 2B gezeigt ist, ändert sich daher vor dem Zeitstandversuch die Zusammensetzung in der Dickenrichtung der Diffusionsschicht 115 bezüglich des Platin- und Nickelanteils abrupt, sodass im Großen und Ganzen keine Diffusionsschicht 115 erkennbar ist.

Nach dem Zeitstandversuch ist die Dicke der Diffusions schicht jedoch größer. Nach dem Zeitstandversuch, d. h. nachdem die Zündkerze gemäß Fig. 1 mit der Masseelektrode 100 fünf Stunden lang bei 900°C in einem elektrischen Ofen gelassen worden ist, hat der Diffusionsschichtabschnitt 115 in Dickenrichtung die in Fig. 3B gezeigte Zusammensetzung.

Wie in Fig. 3A gezeigt ist, hat sich nach dem Zeitstand versuch an der Grenzfläche zwischen der Entlastungsschicht 110 und der Masseelektrode 100 eine etwa 100 µm dicke Diffusionsschicht 115 gebildet. Die Zusammensetzung in der Dickenrichtung unterliegt, wie in Fig. 3B gezeigt ist, einer allmählichen Änderung. In der Diffusionsschicht 115 kommt es daher nach und nach zu einer Legierungsbildung zwischen der in der Entlastungsschicht 110 enthaltenen Platinkomponente und der in der Masseelektrode enthaltenen Nickelkomponente, wobei die Nickelkomponente und die Platinkomponente zwei Arten intermetallischer Verbindungen bilden.

Die zwei Arten intermetallischer Verbindungen sind 23 Gew.-% Ni - 76 Gew.-% Pt und 47,5 Gew.-% Ni - 52,5 Gew.-% Pt. Diese intermetallischen Verbindungen haben einen linearen Ausdehnungskoeffizienten und einen Elastizitäts modul, das nicht ihren Zusammensetzungen entspricht. Und zwar wird davon ausgegangen, dass der Wert des linearen Ausdehnungskoeffizienten der intermetallischen Verbindungen etwa halb so groß wie der der Iridiumkomponente ist. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass der Elastizitätsmodul der intermetallischen Verbindungen etwa doppelt so groß wie der der Iridiumkomponente ist.

Wegen des kleinen linearen Ausdehnungskoeffizienten und des großen Elastizitätsmoduls der intermetallischen Verbindungen zwischen der Entlastungsschicht 110 und der Masseelektrode 100 kommt es daher letztlich selbst bei einer dazwischen angeordneten Entlastungsschicht 110 regel mäßig zu einem Ablösen zwischen der Entlastungsschicht 110 und der Masseelektrode 100.

Die Erfinder berücksichtigten die obigen Faktoren bei der Erfindung und wählten eine Zusammensetzung aus, bei der sich zwischen der Entlastungsschicht und der Masseelektrode keine ungewünschten intermetallischen Verbindungen ausbilden würden.

Sie verwendeten als Zusammensetzung für den Spitzen bindungsabschnitt schließlich eine Eisenbasislegierung, die etwa den gleichen linearen Ausdehnungskoeffizienten und den gleichen Elastizitätsmodul wie eine Nickelbasislegierung hat und die nicht ohne Weiteres mit einer Platinkomponente eine intermetallische Verbindung bildet.

Genauer gesagt verwendeten sie gemäß der in Patentanspruch 1 angegebenen ersten Ausgestaltung der Erfindung eine Eisenbasislegierung als Zusammensetzung für den Spitzen bindungsabschnitt und sahen eine Entlastungsschicht (61, 61) aus einer platinhaltigen Legierung vor, die einen linearen Ausdehnungskoeffizienten, der in einem Bereich zwischen dem der Iridiumlegierung und dem des die Eisen basislegierung des Spitzenbindungsabschnitt (3a, 4a) umfassenden Materials (nachstehend als "Elektrodenmaterial" bezeichnet) liegt, und einen Elastizitätsmodul aufweist, der kleiner als der der beiden Legierungen zwischen der Spitze (51, 52) aus der im Wesentlichen aus Iridium bestehenden Iridiumlegierung und dem Spitzenbindungs abschnitt (3a, 4a) ist.

Indem für die Zusammensetzung des Spitzenbindungsabschnitts anstelle der herkömmlichen Nickelbasislegierung erfindungs gemäß eine Eisenbasislegierung verwendet wird, bildet sich in der zwischen der Entlastungsschicht (61, 62) und dem Spitzenbindungsabschnitt ausgebildeten Diffusionsschicht lediglich eine Art an intermetallischer Verbindung (22,24 Gew.-% Fe - 77,76 Gew.-% Pt). Verglichen mit dem Stand der Technik kann daher eine Ablösung zwischen der Entlastungs schicht und dem Spitzenbindungsabschnitt unterdrückt werden.

Darüber hinaus hat die den Spitzenbindungsabschnitt bildende Eisenbasislegierung verglichen mit einer den herkömmlichen Spitzenbindungsabschnitt umfassenden Nickel basislegierung einen linearen Ausdehnungskoeffizienten, der noch dichter an dem einer Iridiumlegierung liegt. Dadurch, dass für das den Spitzenbindungsabschnitt umfassende Material eine Eisenbasislegierung gewählt wird, lässt sich die Bindungszuverlässigkeit der Iridiumlegierungsspitze weiter verbessern.

Darüber hinaus ist eine Eisenbasislegierung einer Nickel basislegierung im Hinblick auf die Wärmebeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit überlegen, sodass sie im Motor betrieb sogar unter äußerst harter Wärmebelastung eingesetzt werden kann.

Da das die Entlastungsschicht (61, 62) umfassende Material einen linearen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der zwischen dem der beiden Legierungen liegt, lässt sich bei der Erfindung gegenüber Wärmespannungen sogar eine Entlastungswirkung gewährleisten, die im Vergleich zur bisherigen zumindest ebenbürtig ist. Da das Material einen Elastizitätsmodul aufweist, der kleiner als der der beiden Legierungen ist, ist die Entlastungsschicht (61, 62) zudem weicher und können Wärmespannungen des Bindungsabschnitts wirksamer absorbiert werden. Aufgrund dieser zwei Wirkungen ergibt sich eine bessere Entlastung der Wärmespannungen als bisher und lässt sich die Bindung der Spitze verbessern.

Wie in Patentanspruch 2 angegeben ist, ist der Spitzen bindungsabschnitt (3a, 4a) vorzugsweise eine Eisenbasis legierung, die mindestens 50 Gew.-% Eisen enthält.

Indem der Eisengehalt auf mindestens 50 Gew.-% eingestellt wird, kann der lineare Ausdehnungskoeffizient des Spitzen bindungsabschnitts näher an den linearen Ausdehnungs koeffizienten der Iridiumspitze gebracht werden und lässt sich die Ablösung der Iridiumspitze von dem Spitzen bindungsabschnitt unterdrücken.

Außerdem ist es möglich, die Bildung einer Vielzahl von intermetallischen Verbindungen zu unterdrücken.

Wie in Patentanspruch 3 angegeben ist, besteht der Spitzen bindungsabschnitt (3a, 4a) vorzugsweise aus einer Eisen basislegierung, die mindestens 50 Gew.-% Eisen und als Saldo Chrom und/oder Aluminium enthält.

Chrom und Aluminium sind als Oxide äußerst stabil und bilden auf der Oberfläche des Elektrodenmaterials in einer Hochtemperaturatmosphäre während des Motorbetriebs dichte Chrom- und Aluminiumoxidfilme aus, die ein Fortschreiten der Oxidation nach innen verhindern, sodass die Oxidations beständigkeit an dem Spitzenbindungsabschnitt verbessert werden kann.

Wie in Patentanspruch 4 angegeben ist, beträgt der lineare Ausdehnungskoeffizient der Entlastungsschicht (61, 62) bei 900°C vorzugsweise 9,2 × 10^-6 bis 11,7 × 10^-6/°C, wenn für den Spitzenbindungsabschnitt eine Eisenbasislegierung verwendet wird.

Der Grund dafür ist, dass bei einem linearen Ausdehnungs koeffizienten von weniger als 9,2 × 10^-6/°C leicht eine Ablösung an der Grenzfläche zwischen der Iridiumspitze und der Entlastungsschicht auftritt, während bei einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von mehr als 11,7 × 10^-6/°C leicht eine Ablösung an der Grenzfläche zwischen dem Spitzen bindungsabschnitt und der Entlastungsschicht auftritt.

Wie in Patentanspruch 5 angegeben ist, enthält die Entlastungsschicht (61, 62) vorzugsweise mindestens 60 Gew.-% Platin.

Durch Hinzugabe von mindestens 60 Gew.-% Platin zu der Entlastungsschicht (61, 62) lassen sich der lineare Ausdehnungskoeffizient und der Elastizitätsmodul der Iridiumspitze in einen bevorzugten Bereich bringen.

Wie in Patentanspruch 6 angegeben ist, beträgt der Elastizitätsmodul der Entlastungsschicht (61, 62) bei 900°C vorzugsweise nicht mehr als 15 × 10⁴ MPa, wenn für den Spitzenbindungsabschnitt eine Eisenbasislegierung verwendet wird.

Wie zudem im Patentanspruch 7 angegeben ist, beträgt der Elastizitätsmodul der Entlastungsschicht (61, 62) bei 900°C vorzugsweise mindestens 5 × 10⁴ MPa.

Bei einem Elastizitätsmodul der Entlastungsschicht von mehr als 15 × 10⁴ MPa bei 900°C wird nämlich die Entlastungs schicht selbst zu hart und es ist daher nicht länger möglich, die Wärmespannungen an dem Bindungsabschnitt mit der Iridiumspitze oder dem Spitzenbindungsabschnitt ausreichend zu absorbieren. Bei einem Elastizitätsmodul der Entlastungsschicht von weniger 5 × 10⁴ MPa bei 900°C wird das die Entlastungsschicht bildende Material zu weich und bilden sich anstatt in der Bindungsgrenzfläche leicht Risse in der Entlastungsschicht selbst.

Wie in Patentanspruch 8 angegeben ist, beträgt die Dicke (t) der Entlastungsschicht (61, 62) vorzugsweise mindestens 0,2 mm.

Wie zudem im Patentanspruch 9 angegeben ist, beträgt die Dicke (t) der Entlastungsschicht (61, 62) vorzugsweise nicht mehr als 0,6 mm.

Im Laufe eines Zeitstandsversuchs treten nämlich bei einer Dicke der Entlastungsschicht von weniger als 0,2 mm leicht Risse in der Entlastungsschicht selbst auf. Je dicker die Entlastungsschicht ist, umso größer ist die Wirkung der Entlastungsschicht, wobei die Wirkung der Entlastungs schicht jedoch letztlich bei einer Dicke von mehr als 0,6 mm maximal wird und bei einer Dicke von mehr als 0,6 mm nur noch die Materialkosten zunehmen.

Wie in den Ausgestaltungen der Erfindung in Patentanspruch 10 oder Patentanspruch 11 angegeben ist, sollte die im Wesentlichen aus Iridium bestehenden Iridiumlegierungs spitze (51, 52) mindestens 50 Gew.-% Iridium oder mindestens 50 Gew.-% Iridium und zusätzlich zu dem Iridium Rhodium, Platin, Ruthenium, Palladium und/oder Wolfram enthalten.

Wie darüber hinaus in Patentanspruch 12 angegeben ist, besteht die Entlastungsschicht (61, 62) vorzugsweise aus einer auf der Seite der Spitze (51, 52) angeordneten ersten Entlastungsschicht (61a, 62a) und einer auf der Seite des Spitzenbindungsabschnitts (3a, 4a) angeordneten zweiten Entlastungsschicht (61b, 62b), wobei der lineare Ausdehnungskoeffizient der ersten Entlastungsschicht (61a, 62a) zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten der Spitze (51, 52) und dem linearen Ausdehnungskoeffizienten der zweiten Entlastungsschicht (61b, 62b) liegt und der lineare Ausdehnungskoeffizient der zweiten Entlastungs schicht (61b, 62b) zwischen dem linearen Ausdehnungs koeffizienten der ersten Entlastungsschicht (61a, 62a) und dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Spitzenbindungs abschnitts (3a, 4a) liegt.

Durch diese Gestaltung lässt sich der lineare Ausdehnungs koeffizient zwischen der Iridiumspitze und dem Spitzen bindungsabschnitt in Schritten ändern und ist es daher möglich, die Wärmespannung in Schritten abzubauen. Dies ist daher insbesondere bei einem großen Durchmesser der Spitze wirksam. Bei der Ausgestaltung der Erfindung gemäß Patentanspruch 11 wird für die erste und zweite Entlastungsschicht dabei vorzugsweise von einer Platin- Iridium-Legierung, einer Platin-Nickel-Legierung usw. Verwendung gemacht.

Wie darüber hinaus in Patentanspruch 13 angegeben ist, weist die Spitze (51, 52) an dem Schweißabschnitt der Spitze (51, 52) und der Entlastungsschicht (61, 62) vorzugsweise einen größeren Außenumfang als die Entlastungsschicht (61, 62) auf. Durch diese Gestaltung lässt sich die Bindung verbessern, da die auf die Spitze (51, 52) aufgebrachten Wärmespannungen stärker als in dem Fall gesenkt werden können, in dem eine Entlastungsschicht mit der gesamten Oberfläche der Spitze in dem Schweiß abschnitt verschweißt ist.

Es ist zu beachten, dass die oben in Klammern angegebenen Bezugszahlen lediglich dazu dienen, den Vergleich mit den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen zu erleichtern. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf eingeschränkt.

Es folgt nun eine Erläuterung von Ausführungsbeispielen, die zur Veranschaulichung der Erfindung dienen. Bei diesen Ausführungsbeispielen werden die Zündkerzen in einem Verbrennungsmotor verwendet. Fig. 4 zeigt eine Teilschnitt ansicht des Gesamtaufbaus einer Zündkerze gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Zündkerze hat einen zylinderförmigen Mantel 1. Dieser Mantel 1 ist mit einem Gewindeabschnitt 1a zur Anbringung an einen nicht gezeigten Motorblock versehen. Innerhalb des Isolatormantels 1 ist ein aus einer Aluminiumoxidkeramik (Al₂O₃) usw. bestehender Isolator 2 befestigt. Das Vorder ende 2a des Isolators 2 ragt aus dem Mantel 1 vor.

Die Mittelelektrode 3 ist in einem Axialloch 2b des Isolators 2 befestigt und wird mittels des Isolators 2 in Bezug auf den Mantel 1 isoliert gehalten. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist das Vorderende 3a der Mittelelektrode 3 so angeordnet, dass es aus dem Vorderende 2a des Isolators 2 vorragt. Die Mittelelektrode 3 ist ein zylinderförmiges Element, das sich innen aus Kupfer oder einem anderen Metallwerkstoff mit überragender Wärmeleitfähigkeit und außen aus einer Eisenbasislegierung oder einem anderen Metallwerkstoff mit überragender Wärmebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit zusammensetzt.

Die Masseelektrode 4 ist mit einem Ende des Mantels 1 verschweißt und in der Mitte im Wesentlichen zu einer L- Form gebogen und ist an dem Spitzenbindungsabschnitt, der dem Schweißabschnitt gegenüberliegt, d. h. an dem Stirn abschnitt 4a, dem Vorderende 3a der Mittelelektrode 3 über einen Funkenspalt 6 hinweg zugewandt. Die Masseelektrode 4 besteht aus einem Metallwerkstoff mit überragender Wärme beständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Fig. 5 zeigt hierzu eine vergrößerte Ansicht der Stirnabschnitte der beiden Elektroden 3 und 4 in Fig. 4.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, ist mit dem der Mittelelektrode 3 zugewandten Abschnitt 4a der Masseelektrode 4 über eine Entlastungsschicht 61 eine Iridiumspitze (Entladungs schicht) 51 widerstandsverschweißt, die aus einer Iridium legierung (in diesem Beispiel 90 Gew.-% Ir - 10 Gew.-% Rh) besteht. Fig. 6 zeigt hierzu eine Schnittansicht des Bindungsabschnitts der Spitze 51.

Die Spitze 51 ist als eine Scheibe geformt, die beispiels weise einen Durchmesser von 1,0 mm und eine Dicke von 0,3 mm hat. Von dem (beispielsweise etwa 1 mm großen) Zwischen raum zwischen der Mittelelektrode 3 und der Spitze 51 wird ein Funkenspalt 6 gebildet. Die Entlastungsschicht 61 ist eine scheibenförmige Schicht mit einem Durchmesser wie die Spitze 51 (von beispielsweise 1,0 mm) und einer Dicke von 0,4 mm. Der Spitzenbindungsabschnitt, d. h. der Stirn abschnitt 4a besteht dabei aus einer Eisenbasislegierung. In diesem Beispiel ist es eine Legierung aus Fe - 15 Gew.-% Cr - 4 Gew.-% Al.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das die Entlastungs schicht 61 umfassende Material außerdem so eingestellt, dass es einen linearen Ausdehnungskoeffizienten α, der in einem Bereich zwischen dem der Iridiumlegierung des die Spitze 51 umfassenden Materials und dem der Eisenbasis legierung des den Stirnabschnitt 4a umfassenden Elektroden materials liegt, und einen Elastizitätsmodul E aufweist, der kleiner als der der Iridiumlegierung und der Eisen basislegierung ist. Im Hinblick auf das die Entlastungs schicht 61 umfassende Material wurden verschiedene Experimente und Untersuchungen durchgeführt. Die Erfindung geht auf diese Ergebnisse zurück.

Die einzelnen Werte sind in Tabelle 2 gezeigt.

Tabelle 2

In Fig. 7 sind darüber hinaus für eine Zündkerze 1 mit dem obigen Aufbau und eine Zündkerze mit einem dem Stand der Technik entsprechenden Aufbau, d. h. für eine Zündkerze, bei der eine Iridiumspitze aus Ir - 10 Gew.-% Rh über eine Entlastungsschicht aus Pt - 20 Gew.-% Ir - 2 Gew.-% Ni mit einer Masseelektrode aus einer aus Inconel (eingetragenes Markenzeichen) bestehenden Nickelbasislegierung wider standsverschweißt ist, die Ergebnisse des Ablösungsgrads der Masseelektrode und der Entlastungsschicht infolge eines Zeitstandsversuchs angegeben.

Dabei bezeichnet A eine Zündkerze, die für den Stirn abschnitt 4a eine diesem Beispiel entsprechende Eisenbasis legierung verwendet, und B eine Zündkerze, die eine dem Stand der Technik entsprechende Nickelbasislegierung verwendet.

Als Beurteilungsstandard wurde bei dem Zeitstandversuch, wie in Fig. 8 gezeigt ist, die Ablöserate ((D-A)/D × 100) an der Grenzfläche zwischen der Masseelektrode 4 und der Entlastungsschicht 61 ermittelt, wobei die Länge in Durchmesserrichtung der Entlastungsschicht 61 mit D und die Länge, die in Durchmesserrichtung entlang der Länge der Entlastungsschicht D eine zuverlässig Bindung zeigt, mit A bezeichnet ist. Während des Motorbetriebs nimmt infolge des Verbrennungsdrucks, infolge von Schwingungen und anderer Arbeitsspannungen die Wahrscheinlichkeit einer Ablösung und Abtrennung zu, wobei die Probe als fehlerhaft beurteilt wurde, wenn die Ablösungsrate mehr als 25% betrug.

Als Zeitstandversuch wurde von einem zyklischen Aufwärm- Abkühlversuch mit elektrischem Ofen Verwendung gemacht. Ein Zyklus bestand aus einem einminütigen Aussetzen in einer Umgebung von 900°C und einem einminütigen Aussetzen in einer Umgebung von 20°C. Der Zusammenhang zwischen der Anzahl der Zyklen und der Ablöserate ist in Fig. 7 angegeben.

Wie ohne weiteres aus Fig. 7 hervorgeht, ist eine Zündkerze gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, die eine aus einer Eisenbasislegierung bestehende Masseelektrode aufweist, gegenüber einer Ablösung weitaus beständiger als im Stand der Technik.

Wie insgesamt zu erkennen ist, lässt sich insofern eine einzigartige Wirkung zu erzielen, als die Eisenbasis legierung im Vergleich mit einer Kombination aus einer Nickelbasislegierung und Platin selbst dann die Erzeugung einer intermetallischen Verbindung unterdrückt, wenn die an der Bindungsgrenzfläche zwischen dem Stirnabschnitt 4a der Masseelektrode 4 und der Entlastungsschicht 61 ausgebildete Diffusionsschicht nach dem Zeitstandversuch dicker ist. Dadurch, dass durch den Einsatz einer Eisenbasislegierung die Bindungszuverlässigkeit verbessert wird, ist eine erhebliche Verlängerung der Kerzenaustauschzeit möglich und lässt sich die Lebensdauer der Kerze ausdehnen. Darüber hinaus kann die Bindung mittels kostengünstigen Wider standsschweißens erfolgen und lässt sich zu geringen Kosten und mit hoher Zuverlässigkeit eine Zündkerze mit Iridium legierungsspitze erzielen. Darüber hinaus kann dieses Ausführungsbeispiel bei einer Zündkerze Verwendung finden, die in einer noch anspruchsvolleren Wärmebelastungsumgebung eingesetzt wird.

Bei dem obigen Ausführungsbeispiel erfolgte das Wider standsschweißen zweimal, d. h. es erfolgten eine Wider standsschweißung der Entlastungsschicht 61 mit dem Spitzen bindungsabschnitt 4a und eine Widerstandsschweißung der Spitze 51. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es jedoch auch möglich, nur eine Widerstandsschweißung durch zuführen, indem eine Überzugsspitze verwendet wird, die aus einer Spitze 51 und einer Entlastungsschicht 61 besteht, die zuvor miteinander verbunden wurden.

Wenn der Spitzendurchmesser groß ist, d. h. wenn die Fläche der Grenzfläche zwischen der Spitze und der Entlastungs schicht und der Fläche der Grenzfläche der Entlastungs schicht und des Spitzenbindungsabschnitts größer werden, ist auch die anliegende Wärmespannung größer.

In den Fig. 9A und 9B ist daher ein Aufbau gezeigt, mit dem der Erhöhung des Spitzendurchmessers begegnet wird. In Fig. 9A besteht die Entlastungsschicht 61 aus einem zwei lagigen Aufbau mit einer auf der Seite der Spitze 51 angeordneten ersten Entlastungsschicht 61a und einer zwischen der ersten Entlastungsschicht 61a und dem Spitzen bindungsabschnitt 4a angeordneten zweiten Entlastungs schicht 61b.

In diesem Fall lässt sich der lineare Ausdehnungs koeffizient zwischen der Spitze 51 und dem Spitzenbindungs abschnitt 4a im Vergleich zu dem Fall einer einzigen Entlastungsschicht 61 in Schritten ändern und lässt sich aufgrund dessen auch die Wärmespannung in Schritten abbauen. Der Aufbau gemäß Fig. 9A ist daher bei einem großen Durchmesser (von beispielsweise mindestens 1,5 mm) der Spitze wirksam. Für die erste Entlastungsschicht kann zum Beispiel eine Platin-Iridium-Legierung und für die zweite Entlastungsschicht eine Platin-Eisen-Legierung verwendet werden.

Falls bei der Bindungsfläche 71 in Fig. 9B eine Spitze 51 mit einem größeren Außenumfang als die Entlastungsschicht 61, d. h. eine Spitze 51 größer als die Entlastungsschicht 61, in Verbindung gebracht wird, ergibt sich eine sichere Bindung und kann die Abnutzungsbeständigkeit stark verbessert werden. Indem der Durchmesser der Entlastungs schicht 61 kleiner als der Spitzendurchmesser eingestellt wird, kann auch bei einem großen Spitzendurchmesser die an der Grenzfläche anliegende Wärmespannung verringert werden.

Es ist zu beachten, dass das Entladungsschichtelement, d. h. die Spitze 51, und die Entlastungsschicht 61 nicht nur scheibenförmig, sondern auch stab- oder rechteckförmig gestaltet werden können.

Bei dem obigen Ausführungsbeispiel erfolgte die Erläuterung im. Hinblick auf einen Aufbau, bei dem die Masseelektrode aus einer Eisenbasislegierung besteht und die Iridiumspitze mit der aus dieser Eisenbasislegierung bestehenden Masse elektrode widerstandsverschweißt ist. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf die Masseelektrode. Auch bei der aus der Eisenbasislegierung bestehenden Mittel elektrode ist es möglich, die Iridiumspitze durch den obigen Aufbau mit dem der Masseelektrode zugewandten Abschnitt der Mittelelektrode widerstandszuverschweißen.

Für den Fall, dass für den Spitzenbindungsabschnitt erfindungsgemäß eine Eisenbasislegierung verwendet wird, sind bezüglich eines zu bevorzugenden linearen Ausdehnungs koeffizienten der Entlastungsschicht folgende Überlegungen anzustellen.

Fig. 10 zeigt die Ablöserate der Grenzfläche A zwischen der Iridiumspitze 51 und der Entlastungsschicht 200 und die Ablöserate der Grenzfläche B zwischen dem Stirnabschnitt 4a des Spitzenbindungsabschnitts der Masseelektrode und der Entlastungsschicht 200 im Fall einer Änderung der linearen Ausdehnung der Entlastungsschicht 200.

Für den Stirnabschnitt 4a der Masseelektrode 4 und die Iridiumspitze 51 wurde dabei das gleiche Material wie im ersten Ausführungsbeispiel verwendet. Der lineare Ausdehnungskoeffizient der Entlastungsschicht 200 wurde durch Änderung des Platingehalts auf mindestens 60 Gew.-%, des Iridiums auf 10 bis 40 Gew.-%, des Nickels auf 0 bis 5 Gew.-% und des Eisens auf 10 bis 20 Gew.-% geändert.

Für die Bedingung der Ablöserate wurde die gleiche Bedingung wie im Fall von Fig. 7 eingehalten, und für die Fehlerrate wurden mindestens 25% eingehalten. Um die Ablöserate zu ermitteln, wurde die in Fig. 11 gezeigte Methode verwendet.

Wie aus Fig. 10 hervorgeht, beträgt die Ablöserate an der Grenzfläche B zwischen dem Stirnabschnitt 4a des Spitzen bindungsabschnitts der Masseelektrode 4 und der Entlastungsschicht 200 bei einem linearen Ausdehnungs koeffizienten der Entlastungsschicht 200 von nicht mehr als 9,2 × 10^-6/°C mindestens 25%. Die Ablöserate der Grenz fläche A zwischen der Iridiumspitze 51 und der Entlastungs schicht 200 beträgt bei einem linearen Ausdehnungs koeffizienten von mehr als 11,7 × 10^-6/°C mindestens 25%.

Der Grund dafür ist der, dass bei einem linearen Ausdehnungskoeffizienten der Entlastungsschicht 200 von nicht mehr als 9,2 × 10^-6/°C letztlich die lineare Ausdehnung zwischen der Entlastungsschicht 200 und dem Stirnabschnitt 4a groß wird, sodass schließlich ohne Weiteres eine Ablösung auftritt. Ferner wird bei einem linearen Ausdehnungskoeffizienten der Entlastungsschicht 200 von mehr als 11,7 × 10^-6/°C letztlich die lineare Ausdehnung zwischen der Entlastungsschicht 200 und der Iridiumspitze 51 groß, sodass schließlich ohne Weiteres eine Ablösung auftritt.

Es konnte bestätigt werden, dass der zu bevorzugende Elastizitätsmodul und die Dicke der Entlastungsschicht nicht von der Zusammensetzung des Spitzenbindungsabschnitts abhängig sind.

Auch wenn die Beschreibung der Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf bestimmte zu Darstellungszwecken gewählte Ausführungsbeispiele erfolgte, wird der Fachmann verschiedene Abwandlungen erkennen, die dem Grundkonzept und dem Schutzumfang der Erfindung entsprechen.

Claims

1. Zündkerze, versehen mit:
einer Mittelelektrode (3);
einem die Mittelelektrode (3) haltenden Isolatormantel (1);
einer an dem Isolatormantel (1) angebrachten und der Mittelelektrode (3) über einen Funkenspalt zugewandten Masseelektrode (4);
einer Spitze (51, 52) aus einer im Wesentlichen aus Iridium bestehenden Iridiumlegierung, die mit der Mittel elektrode (3) und/oder Masseelektrode (4) an Stirn abschnitten der Elektroden (3, 4) verbunden ist; und
einer Spannungsentlastungsschicht (61, 62), die zwischen der Spitze und einem Spitzenbindungsabschnitt (3a, 4a) der Mittelelektrode (3) und/oder Masseelektrode (3) mit dem die Spitze (51, 52) verbunden ist, angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Spitzenbindungsabschnitt (3a, 4a) aus einer Eisen basislegierung besteht; und
die Entlastungsschicht (61, 62) aus einer platin haltigen Legierung besteht, die einen linearen Ausdehnungs koeffizienten, der zwischen dem der Iridiumlegierung und der Eisenbasislegierung liegt, und einen Elastizitätsmodul aufweist, der kleiner als der der Iridiumlegierung und der Eisenbasislegierung ist.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, wobei der Spitzenbindungs abschnitt (3a, 4a) aus einer Eisenbasislegierung besteht, die mindestens 50 Gew.-% Eisen enthält.

3. Zündkerze nach Anspruch 2, wobei der Spitzenbindungs abschnitt (3a, 4a) aus einer Eisenbasislegierung besteht, die mindestens 50 Gew.-% Eisen und als Saldo Chrom und/oder Aluminium enthält.

4. Zündkerze nach Anspruch 1, wobei der lineare Ausdehnungskoeffizient der Entlastungsschicht (61, 62) bei 900°C 9,2 × 10^-6 bis 11,7 × 10^-6/°C beträgt.

5. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Entlastungsschicht (61, 62) mindestens 60 Gew.-% Platin enthält.

6. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Elastizitätsmodul der Entlastungsschicht (61, 62) bei 900°C nicht mehr als 15 × 10⁴ MPa beträgt.

7. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Elastizitätsmodul der Entlastungsschicht (61, 62) bei 900°C mindestens 5 × 10⁴ MPa beträgt.

8. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Dicke (t) der Entlastungsschicht (61, 62) mindestens 0,2 mm beträgt.

9. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Dicke (t) der Entlastungsschicht (61, 62) nicht mehr als 0,6 mm beträgt.

10. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei Spitze (51, 52) mindestens 50 Gew.-% Iridium enthält.

11. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei Spitze (51, 52) mindestens 50 Gew.-% Iridium und zusätzlich zu dem Iridium Rhodium, Platin, Ruthenium, Palladium und/oder Wolfram enthält.

12. Zündkerze nach Anspruch 1, wobei die Entlastungs schicht (61, 62) aus einer auf der Seite der Spitze (51, 52) angeordneten ersten Entlastungsschicht (61a, 62a) und einer an dem Spitzenbindungsabschnitt (3a, 4a) angeordneten zweiten Entlastungsschicht (61b, 62b) besteht, wobei der lineare Ausdehnungskoeffizient der ersten Entlastungs schicht (61a, 62a) zwischen dem linearen Ausdehnungs koeffizienten der Spitze (51, 52) und dem linearen Ausdehnungskoeffizienten der zweiten Entlastungsschicht (61b, 62b) liegt und der lineare Ausdehnungskoeffizient der zweiten Entlastungsschicht (61b, 62b) zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten der ersten Entlastungsschicht (61a, 62a) und dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Spitzenbindungsabschnitts (3a, 4a) liegt.

13. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei Spitze (51, 52) einen größeren Außenumfang als die Entlastungsschicht (61, 62) hat.