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Die
Erfindung betrifft eine Elektrode für elektrische Entladungen,
insbesondere eine Mittelelektrode einer Zündkerze, mit einem Kern aus
einem ersten elektrisch leitfähigen
Material und mit einem den Kern umgebenden Mantel aus einem zweiten
elektrisch leitfähigen
Material sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
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Aus
der Praxis bekannte Zündkerzen
weisen in der Regel eine Mittelelektrode und wenigstens eine mit
dem elektrischen Potential eines Chassis eines Kraftfahrzeuges verbundene
Massenelektrode auf, wobei bei einer Zündung ein Zündfunke von der Mittelelektrode
kommend über
eine zwischen den Elektrodenspitzen frei gelassene Funkenstrecke
auf die Masseelektrode trifft. Die Erfindung bezieht sich vorzugsweise
auf eine solche Mittelelektrode, jedoch kann sie prinzipiell auch
bei anderen Elektroden Anwendung finden.
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In
der
DE 44 24 789 A1 ist
eine fließgepresste,
als Verbundkörper
ausgebildete Elektrode beschrieben, welche einen Kern aus Kupfer
und einen diesen umgebenden Mantel aus einem zweiten elektrisch
leitfähigen
Material, vorzugsweise Nickel, aufweist. Zur Herstellung der Elektrode
werden eine Kupfer-Ronde und eine Nickel-Ronde miteinander zu einer
Platine verschweißt.
Anschließend
wird mit Hilfe einer entsprechenden Fließpressmatrize aus den Ronden
die Elektrode als Verbundkörper
fließgepresst,
wobei sich das Kupfer-Kernmaterial ausgehend von einem Kopf der
Elektrode verjüngend
in Richtung eines freien Endes der Elektrode erstreckt. Nach dem
Fließpressen
wird die so hergestellte Elektrode weich geglüht und dann weiterverarbeitet,
indem der Kopf der Elektrode abgeschert wird, durch Stauchen ein
Ringbund im Kopfbereich der Elektrode ausgebildet wird und hieran
Flügel
durch Stauchen ausgebildet werden, welche beim Einsetzen in ein
so genanntes leitendes Glas der Elektrode als Verdrehsicherung und
zur elektrischen Kontaktierung dienen.
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Eine
solche Elektrode hat sich in der Praxis bewährt. Im Hinblick auf eine optimierte
Dauerstandfestigkeit der Elektrode ist jedoch eine noch bessere Wärmeabfuhr
und somit die Ausbildung einer möglichst „kalten" Zündkerze
wünschenswert.
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Des
Weiteren ist aus der
DE
196 31 985 A1 eine Elektrode, insbesondere eine Zündkerzenelektrode,
mit einem Elektrodengrundkörper
aus Metall bekannt, wobei auf den Elektrodengrundkörper eine Verschleißschutzschicht
mittels eines thermischen Spritzverfahrens unter Verwendung pulverförmigen Beschichtungsmaterials
aufgetragen wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Eine
Elektrode für
elektrische Entladungen der eingangs genannten Art, welche derart
ausgebildet ist, dass den Mantel eine aus einem Ausgangskörper umgeformte
Hülse bildet,
in die ein den Kern bildendes Kernmaterial eingeführt ist,
wobei eine formschlüssige
Verbindung zwischen dem Kernmaterial und der Hülse durch Schmelzen des Kernmaterials
hergestellt ist, hat den Vorteil, dass die Hülse jede durch Umformung herstellbare
Außenkontur aufweisen
kann und der Kern bis zu einem freien Ende der Elektrode mit gleichmäßigem Durchmesser ausgebildet
sein kann.
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Zur
Herstellung der Hülse
kann das für
die geometrische Formgebung am besten geeignete Umformverfahren
Anwendung finden. So können
bei einer erfindungsgemäßen Elektrode
beispielsweise durch Tiefziehen auch Abstufungen und Hinterschneidungen
an der Außenkontur
des Mantels, welche bei bekannten, durch Fließpressen hergestellten Elektroden
nur schwierig realisierbar sind, problemlos ausgebildet werden.
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Durch
die separate Fertigung der Hülse
und das Einschmelzen des Kernmaterials und somit vollständige Ausfüllen eines
Hohlraumes der Hülse
kann das Querschnittsprofil des Kernmaterials über die Länge der Elektrode beliebig
festgelegt werden, wobei im Unterschied zu fließgepressten Verbundelektroden
ein über
die gesamte Länge
der Elektrode gleich bleibender Kerndurchmesser bei einer dünnen Wandstärke des
Mantels realisierbar ist. Damit kann eine vergleichsweise große Menge
an Kernmaterial in die Hülse
eingebracht werden, welche bei entsprechend höherer Wärmeleitfähigkeit des Kernmaterials gegenüber dem
Hülsen-
bzw. Mantelmaterial eine große
Wärmeabfuhr
und somit die Ausbildung einer „kälteren" Zündkerze
ermöglicht.
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Eine
solche Zündkerze
mit hoher Wärmeabfuhr
zeichnet sich durch eine hohe Standzeit im Betrieb aus. Des Weiteren
ergibt sich durch einen höheren
Materialeinsatz an Kernmaterial, welches vorzugsweise Kupfer ist
oder im Wesentlichen enthält, und
einen geringeren Materialeinsatz an Mantelmaterial, welches vorzugsweise
kostenintensiveres, verschleißfestes
Material wie Nickel ist, eine Kostenersparnis bei der Herstellung
der Elektrode.
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Die
Hülse stellt
bei einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ein Tiefziehbauteil
dar, jedoch kann sie hiervon abweichend auch durch Streckziehen
oder gegebenenfalls durch Biegeumformen z. B. durch Rundkneten gebildet
sein.
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Zur
Optimierung der Wärmeableitung
ist es zweckmäßig, wenn
das Kernmaterial eine deutlich höhere
elektrische und thermische Leitfähigkeit
als die Hülse
aufweist, wobei die Hülse
vorzugsweise aus verschleißbeständigem,
insbesondere korrosions- und abbrandbeständigem Material gebildet ist. Es
hat sich bewährt,
für das
Kernmaterial wenigstens im Wesentlichen Kupfer zu wählen und
die Hülse
aus Nickel oder einer Nickellegierung zu fertigen.
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Die
Hülse kann
zusätzlich
eine Beschichtung aus Edelmetall, insbesondere Silber, aufweisen.
Silber weist eine besonders hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit
auf und ist darüber
hinaus chemisch außerordentlich
beständig.
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Das
Kernmaterial kann grundsätzlich
in beliebiger Ausgangsform in die Hülse eingeführt werden, da es in der Hülse geschmolzen
wird. Eine optimale Füllung
eines länglichen
Hohlraumes der Hülse mit
z. B. kreisförmigem
Querschnitt ist mit einem korrespondierend geformten Ausgangskörper des
Kernmaterials möglich.
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Bei
einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung kann das Kernmaterial
als Ronde in die Hülse eingesetzt
sein. Eine solche Ronde stellt beispielsweise ein von einem längeren Kupferdraht
abgeschertes Teil dar, welches beispielsweise über einen Rüttler einer Hülse zugeführt werden
kann.
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Je
nach Gestaltung der Innengeometrie der Hülse kann es vorteilhaft sein,
für den
Draht und die Ronde des Kernmaterials ein kreisrundes, ellipsenförmiges oder
rechteckförmiges
Querschnittsprofil zu wählen.
Auch ist es möglich,
eine Ronde durch Stauchung mit einem verdickten Querschnittsbereich bzw.
einem Kopf auszubilden, welcher von einem erweiterten Innendurchmesserbereich
der Hülse
aufgenommen wird.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Elektrode
kann die Hülse
im Bereich ihres eine Einführöffnung für das Kernmaterial aufweisenden
Endes eine flügelartige
Verdrehsicherung aufweisen, wobei die Flügel der Verdrehsicherung ein
Kreuz oder einen Stern bilden können.
Mit einer solchen Verdrehsicherung kann die Elektrode beispielsweise
als Mittelelektrode mit einer elektrisch leitenden Glasschmelze
in einen Isolator der Zündkerze
gasdicht eingeschmolzen werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung einer solchen Elektrode sieht das Erstellen der
Hülse durch
Umformen aus einem blechartigen Ausgangskörper, die Ausbildung des Kernmaterials als
Ronde, das Einführen
der Ronde in die Hülse
und eine Wärmebehandlung
mit einer Temperatur größer der
Schmelztemperatur des Kernmaterials vor.
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Ein
solches Verfahren ist nicht nur vorteilhaft bezüglich günstigerer Geometrien und einer
verbesserten Wärmeabführung der
Elektrode, sondern ermöglicht
darüber
hinaus die Herstellung der Elektrode mit wenigen Schritten auf kostengünstige Weise, da
hierzu weniger Arbeitsgänge
als beispielsweise bei einer fließgepressten Verbundelektrode
nötig sind.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach
der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäß ausgestalteten
Elektrode und Verfahrensschritte zu deren Herstellung sind in der
Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Dabei zeigen:
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1 ausschnittsweise
eine Zündkerze
mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten
Mittelelektrode; und
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2 einen
schematischen Produktionsablaufplan zur Herstellung einer Elektrode
gemäß der Erfindung.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
ausschnittsweise eine Zündkerze 1 gezeigt,
welche in an sich bekannter Art und Weise einen Anschlussbolzen,
einen Isolator 2 aus Al2O3-Keramik, ein Gehäuse 3 zum Befestigen
der Zündkerze 1 in
einem Zylinderkopf sowie eine Mittelelektrode 4 und eine
beabstandet hierzu angeordnete Masseelektrode 5 aufweist.
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Die
Mittelelektrode 4, welche hier erfindungsgemäß ausgestaltet
ist, ist im Wesentlichen zylinderförmig, wobei an dem der Masseelektrode 5 abgewandten
Ende der Mittelelektrode 4 ein Kopf 6 verbreiterten
Durchmessers und eine Verdrehsicherung 7 ausgebildet sind,
mit denen die Mittelelektrode 4 in eine elektrisch leitende
Glasschmelze 8 eingeschmolzen ist.
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Wie
mit strichlierter Linie in 1 angedeutet
ist, weist die Mittelelektrode 4 einen im Wesentlichen
zylindrischen Kern 9 mit Kupfer als Kernmaterial auf, welcher
in einer einen Mantel bildenden Hülse 10 aufgenommen
ist. Die Hülse 10 stellt
dabei ein Tiefziehbauteil dar.
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Wie
der 2 zu entnehmen ist, wird zur Herstellung der Hülse 10 in
einem ersten Schritt S1 ein gegebenenfalls mit einer Silberschicht
oder einer anderen Edelmetallschicht versehenes Nickel- Materialband 11 einer
Tiefziehmaschine zugeführt,
mittels der in einem zweiten Schritt S2 aus dem Nickel-Materialband 11 als
Ausgangskörper
durch Umformen die Hülse 10 gebildet
wird.
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Bei
einem solchen üblicherweise
mehrstufigen Tiefziehprozess können
zahlreiche Hülsen
aus einem zugeführten
Materialband gebildet und anschließend vereinzelt werden, oder
es können
zunächst
rondenartige Ausgangskörper
von dem Materialband separiert werden, aus denen anschließend jeweils
eine Hülse
gebildet wird.
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Des
Weiteren kann es bei dem zweiten Schritt S2 des mehrstufigen Tiefziehprozesses
auch vorgesehen sein, dass mit dem Tiefziehen der Hülse 10 gleichzeitig
auch die in 1 ersichtliche Verdrehsicherung 7 am
offenen Ende der Hülse 10 ausgebildet
wird.
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Unabhängig von
der Fertigung der Hülse 10 erfolgt
in einem weiteren Schritt S3 die Bereitstellung des den Kern 9 der
Mittelelektrode 4 bildenden Kernmaterials in Form von einer
Ronde 12, welche ein durch Abscherung von einem Kupferdraht
gebildeter zylindrischer Körper
ist.
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In
einem auf die Fertigung der Hülse 10 und der
Ronde 12 des Kernmaterials folgenden Schritt S4 wird die
Kupfer-Ronde 12 beispielsweise über einen Rüttler der Hülse 10 zugeführt und
in eine Einführöffnung an
deren offenem Ende eingesetzt, wobei die Ronde 12 hinsichtlich
ihres Außendurchmessers
so dimensioniert ist, dass sie einfach in die Hülse 10 einsetzbar
ist, hier jedoch weitgehend das Hohlvolumen der Hülse 10 ausfüllt.
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Zur
Verfestigung der Ronde 12 in der Hülse 10 kann es je
nach Anwendungsfall eventuell vorgesehen sein, dass ein Kalibrierschlag
auf das freie Ende der Ronde 12 ausgeübt wird oder eine Verpressung
der Ronde 12 in dem Hohlraum der Hülse 10 erfolgt.
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Nachdem
die Kupfer-Ronde 12 in die Hülse 10 eingesetzt
ist, folgt in einem weiteren Schritt S5 eine Wärmebehandlung, bei der die
Hülse 10 mit
der eingesetzten Ronde 12 auf eine Temperatur erwärmt wird,
welche höher
als die Schmelztemperatur der Ronde 12, jedoch niedriger
als die der Hülse 10 ist. Im
vorliegenden Fall beträgt
die Schmelztemperatur des Kupfer-Kernmaterials 1083 °C.
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Mit
dem Schmelzen der Ronde 12 erfolgt ein Formschluss zwischen
dem Kernmaterial und der Hülse 10 unter
Entweichen von Luft, so dass im Ergebnis die Hülseninnengeometrie mit dem
Kupfer-Kernmaterial ausgefüllt
ist. Dieses Urformen des Kerns 9 der Elektrode 4 in
der Hülse 10 kann
bei einer Temperatur von vorliegend größer als 1083 °C in einem
Durchlaufofen ohne Zwischenglühen
erfolgen.
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Nach
der Wärmebehandlung
liegt somit eine Mittelelektrode 4 mit einer gleichmäßigen Wanddicke des
Mantels bzw. der Hülse 10 vor,
wobei die Wanddicke des Mantels um ein vielfaches geringer ist als der
Querschnitt des Kupfer-Kerns 9, welcher sich zylindrisch
in Richtung des der Masseelektrode 5 zugewandten Endes
der Mittelelektrode 4 erstreckt und zur Abführung einer
großen
Wärmemenge
geeignet ist.
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Der
gesamte Herstellungsprozess der Mittelelektrode 4 erfordert
nur eine Arbeitsstation, an der die Ausbildung der Hülse 10 und
das Einsetzen der Ronde 12 erfolgt, sowie einen Ofen zur
Wärmebehandlung.
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Eine
Verfeinerung der Gestaltung der Außenfläche der Mittelelektrode 4,
wie beispielsweise die Ausbildung der Verdrehsicherung 7,
kann jedoch gegebenenfalls auch im Anschluss an die Wärmebehandlung
erfolgen.