DE102004063077A1

DE102004063077A1 - Elektrodenwerkstoff, Zündeinrichtung diesen enthaltend und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102004063077A1
Application number: DE102004063077A
Authority: DE
Inventors: Lars Menken; Thomas Kaiser; Jochen Boehm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2024-12-29
Also published as: US7449823B2; DE102004063077B4; US20060158082A1

Abstract

Es wird ein Elektrodenwerkstoff auf der Basis einer Legierung oder Mischverbindung vorgeschlagen, wobei die Legierung bzw. Mischverbindung mindestens zwei der Elemente Platin, Palladium, Iridium, Rhenium, Rhodium oder Ruthenium umfasst und zusätzlich mindestens ein Oxid der Elemente Zirconium, Hafnium, Yttrium oder Magnesium enthalten ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektrodenwerkstoff eine diesen enthaltende Zündeinrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Elektrodenwerkstoffe insbesondere für Anwendungen im Bereich Zündkerzenelektroden sind extremen Anforderungen hinsichtlich Korrosions- und Temperaturbeständigkeit unterworfen. Dabei kommen vor allem hochschmelzende und schwer oxidierbare Metalllegierungen zum Einsatz. Als Basislegierung für Mittel- und Masseelektroden von Zündkerzen werden daher unter anderem Nickellegierungen verwendet. Da insbesondere diejenigen Bereiche von Zündkerzenelektroden, an denen die eigentliche Funkenbildung abläuft, zusätzlich eine hohe Funkenerosionsbeständigkeit aufweisen müssen, werden Zündkerzenelektroden zunehmend mit Edelmetallinlays oder -plättchen bestückt, da diese eine bessere Dauerbetriebsbeständigkeit der Zündkerze gewährleisten.

So sind beispielsweise aus der US 4,743,739 Zündkerzen bekannt, deren Mittel- bzw. Massenelektrode in ihrem funkenbildenden Bereich mit einem edelmetallhaltigen Material versehen sind. Dabei weist die Mittelelektrode eine oder mehrere Aussparungen auf, die mit einem edelmetallhaltigen Pulver gefüllt sind. Das edelmetallhaltige Pulver wird dabei aus einem Metallpulver bspw. auf der Basis von Zirconium gebildet, das mit einer oder mehreren Edelmetallschichten überzogen ist. Die Kosten eines derartigen edelmetallhaltigen Materials sind zwar verhältnismäßig gering, dessen Funkenerosionsbeständigkeit ist jedoch begrenzt.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Elektrodenwerkstoff bereitzustellen, der kostengünstig ist und dennoch eine hohe Funkenerosionsbeständigkeit aufweist.

Vorteile der Erfindung

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch einen Elektrodenwerkstoff mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dieser Elektrodenwerkstoff weist einen Edelmetallanteil auf der dessen Funkenerosionsbeständigkeit deutlich verbessert. Gleichzeitig ist der Edelmetallanteil jedoch so begrenzt, dass der Elektrodenwerkstoff kostengünstig hergestellt werden kann. Um dessen Hochtemperaturbeständigkeit zu gewährleisten, wurde auf den Zusatz von bei höheren Temperaturen flüchtigen Legierungszusätzen verzichtet. Auf diese Weise wird ein Elektrodenwerkstoff bereitgestellt, der zur Ausbildung von Elektroden geeignet ist, die anwendungsbedingt eine hohe Funkenerosionsbeständigkeit aufweisen müssen.

Mit den in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Elektrodenwerkstoffs möglich.

So ist von Vorteil, wenn der Elektrodenwerkstoff neben einer Legierung oder Mischverbindung, die mindestens zwei der Elemente Platin, Palladium, Iridium, Rhenium, Rhodium oder Ruthenium umfasst, zusätzlich mindestens ein Oxid der Elemente Zirconium, Hafnium, Yttrium oder Magnesium enthält, wobei der Gehalt an Oxid im Elektrodenwerkstoff vorteilhafterweise 0,01 bis 5 Gew.% beträgt. Dieser merkliche Oxidgehalt steigert die thermische Beständigkeit des Elektrodenwerkstoffs, ohne dessen Verschleißanfälligkeit zu erhöhen.

Weiterhin ist von Vorteil, wenn der Elektrodenwerkstoff als Legierungspartner Rhodium oder Iridium mit einem Anteil von 10 bis 30 Gew.% enthält. Auf diese Weise ist eine hohe Funkenerosionsbeständigkeit gewährleistet.

Aufgrund der hohen Temperaturbeständigkeit des Elektrodenwerkstoffs kann bei dessen Verwendung in Zündeinrichtungen wie bspw. Zündkerzen ein besonders einfaches Herstellungsverfahren angewandt werden. Dabei wird zunächst eine den Elektrodenwerkstoff enthaltende Elektrode zumindest teilweise in eine Aussparung eines keramischen Grünkörpers der zu erzeugenden Zündeinrichtung eingeführt und der Grünkörper anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen. Dabei wird die Elektrode durch Schwindung des Grünkörpermaterials kraftschlüssig in der Aussparung fixiert, ohne dass ein separater aufwendiger Fixierungsschritt wie beispielsweise ein Laser- oder Widerstandsschweißen nötig wäre.

Zeichnung

Eine Ausführung der Erfindung ist am Beispiel einer Zündkerze in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figur zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels dieser Zündkerze.

In 1 ist eine Zündkerze abgebildet, die einen Elektrodenwerkstoff gemäß vorliegender Erfindung aufweist. Die Zündkerze 10 umfasst ein rohrförmiges metallisches Gehäuse 13, in dem ein keramischer Isolator 24 angeordnet ist. Der Isolator 24 umhüllt an seinem brennraumseitigen Ende 27 eine Mittelelektrode 22 und isoliert sie elektrisch gegenüber dem Gehäuse 13. Er enthält weiterhin einen Kontaktstift 20, der der Übertragung der Spannung auf die Mittelelektrode 22 dient, und an seinem anschlussseitigen Ende 28 ein Anschlussmittel 11. Das Anschlussmittel 11 gewährleistet die elektrische Kontaktierung der Mittelelektrode 22 an eine externe, nicht dargestellte Spannungsversorgung. Es umfasst im wesentlichen einen Anschlussbolzen 12, der zusätzlich an seinem anschlussseitigen Ende mit einem Gewinde und einer Anschlussmutter 19 versehen ist. Zwischen dem Anschlussmittel 11 und dem Kontaktstift 20 befindet sich ein Abbrandwiderstand 25, der aus einem elektrisch leitenden Glas besteht und der sowohl eine mechanische Verankerung der im Isolator 24 angeordneten Zündkerzenkomponenten bewirkt als auch einen gasdichten Abschluss gegenüber dem Verbrennungsdruck darstellt. Zwischen dem Isolator 24 und dem Gehäuse 13 befindet sich ein innerer Dichtsitz 17, der das Innere der Zündkerze 10 gegenüber dem Verbrennungsraum abdichtet.
Am Gehäuse 13 sind eine oder mehrere Masseelektroden 21 angeschweißt. Zwischen ihnen und der Mittelelektrode 22 wird der Zündfunke erzeugt.
Das Gehäuse 13 weist an seiner Außenseite einen Sechskant 14 auf, der das Einschrauben der Zündkerze in einen Motorblock ermöglicht. Des weiteren ist ein äußerer Dichtsitz 16 vorgesehen, der die Umgebungsatmosphäre gegenüber dem Verbrennungsraum abdichtet. Das auf dem Gehäuse 13 aufgeprägte Einschraubgewinde 18 dient der Verankerung der Zündkerze im Motorblock.
Mindestens eine der Elektroden 21, 22 ist zumindest teilweise auf der Basis eines edelmetallhaltigen Elektrodenwerkstoffs ausgeführt. Dieser ist vorzugsweise als Legierung oder Mischverbindung ausgeführt, die mindestens zwei der Elemente Platin, Palladium, Iridium, Rhenium, Rhodium oder Ruthenium und zusätzlich mindestens ein Oxid oder Mischoxid der Elemente Zirconium, Hafnium, Yttrium oder Magnesium umfasst. Dabei kann es sich somit um ternäre, quarternäre oder höhere Legierungen bzw. Mischverbindungen handeln.
Der Hauptbestandteil der Legierung bzw. Mischverbindung, vorzugsweise Platin, ist im Elektrodenwerkstoff beispielsweise in einer Konzentration von > 70 Gew.% und < 90 Gew.% enthalten. Der zweite metallische Legierungs- oder Mischverbindungsbestandteil, insbesondere Rhodium oder Iridium, ist vorzugsweise in einer Konzentration von 10 bis 30 Gew.%, insbesondere 16 bis 22 Gew.% enthalten. Der Anteil des Oxids bzw. Mischoxids der Elemente Zirconium, Hafnium, Yttrium oder Magnesium an der Legierung bzw. Mischverbindung ist vorzugsweise nicht höher als 5 Vol% und beträgt beispielsweise 0,01 bis 5 Gew.%, insbesondere 0,1 bis 2 Gew.%. Diese Ausführung des Elektrodenwerkstoffs gewährleistet eine gute Heißkorrosionsbeständigkeit und Abbrandfestigkeit der Elektroden 21 bzw. 22.
Der Elektrodenwerkstoff kann neben den genannten Bestandteilen weitere, insbesondere metallische Komponenten enthalten.
Zur Herstellung der Zündkerze 10 wird insbesondere die Mittelelektrode 22 vorzugsweise vollständig aus dem beschriebenen Elektrodenwerkstoff erzeugt. Diese wird beispielsweise als Stift mit einem verbreiterten Kopf ausgeführt, wobei der Stift eine Gesamtlänge von ca. 1 mm und einen Durchmesser von ca. 0,8 mm aufweist und der Kopfbereich des Stifts, der die eigentliche funkenerzeugende Zone der Mittelelektrode 22 bildet, mit einem Durchmesser von 0,08 mm und einer Höhe von 0,05 mm ausgebildet ist.
Die Mittelelektrode 22 wird dann in das brennraumseitige Ende 27 eines Grünkörpers des Isolators 24 eingesetzt, sodass der Stift in einer Aussparung bzw. Bohrung des Grünkörpers vorzugsweise bis zum Kopfbereich des Stiftes eingeführt ist. Dann erfolgt ein Sintern des Grünkörpers, wobei es durch Schwindungsprozesse der Isolatorkeramik zu einer kraftschlüssigen Fixierung des Stiftbereichs der Mittelelektrode 22 in der Aussparung des Isolators 24 kommt. Der Sintervorgang erfolgt insbesondere bei einer Temperatur von ca. 1650°C über einen Zeitraum von ungefähr 2 Stunden.
Neben der Mittelelektrode kann auch die Massenelektrode zumindest bereichsweise aus dem Elektrodenwerkstoff ausgeführt sein. Dabei kann der Elektrodenwerkstoff auch in Form eines plättchenförmigen Inlays in das Basismaterial der Masseelektrode eingefügt werden.
Die Verwendung des erfindungsgemäßen Elektrodenwerkstoffs ist nicht auf Zündkerzenelektroden beschränkt. Vielmehr kann der Elektrodenwerkstoff allgemein bei Heißgasanwendungen, beispielsweise bei Elektroden in entsprechenden Gassensoren Anwendung finden.

Claims

Elektrodenwerkstoff, insbesondere zur Ausbildung einer abbrandbeständigen Elektrode, auf der Basis einer Legierung oder Mischverbindung, die mindestens zwei der Elemente Platin, Palladium, Iridium, Rhenium, Rhodium oder Ruthenium umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich mindestens ein Oxid der Elemente Zirconium, Hafnium, Yttrium oder Magnesium enthalten ist.
Elektrodenwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxid mit einem Anteil von 0,01 bis 5 Gew.% enthalten ist.
Elektrodenwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung oder Mischverbindung Rhodium oder Iridium mit einem Anteil von 10 bis 30 Gew.% enthält.
Zündeinrichtung, insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen, mit einer Mittel- und einer Masseelektrode (21, 22), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Elektroden (21, 22) einen Elektrodenwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3 aufweist.
Zündeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel- oder Masseelektrode (21, 22) im wesentlichen stift- oder plättchenförmig ausgeführt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Zündeinrichtung mit einer abbrandbeständigen Elektrode aus einem Elektrodenwerkstoff auf der Basis einer Legierung oder Mischverbindung, die mindestens zwei der Elemente Platin, Palladium, Iridium, Rhenium, Rhodium oder Ruthenium umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (22) zumindest teilweise in eine Aussparung eines keramischen Grünkörpers (24) eingeführt wird und der Grünkörper (24) anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen wird, derart, dass die abbrandbeständige Elektrode (22) durch Schwindung des Grünkörpermaterials kraftschlüssig in der Aussparung fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündeinrichtung eine Zündeinrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 und 5 ist.