DE102005052425A1 - A spark plug electrode and method of making a spark plug electrode - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Zündkerzenelektrode (7, 8), bestehend aus einem ersten Bereich (10, 10') und einem damit fest verbundenen zweiten Bereich (11, 11') sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Zündkerzenelektrode (7, 8) vorgeschlagen. Die Verbindung zwischen dem ersten Bereich (10, 10') und dem zweiten Bereich (11, 11') wird durch Aufbringen einer plastischen Verformung in den einander zugewandten Kontaktflächen des ersten Bereiches (10, 10') und des zweiten Bereiches (11, 11') bewirkenden Druckkraft hergestellt. Der erste Bereich (10, 10') ist aus einer Ni-Basislegierung und der zweite Bereich (11, 11') ist aus reinem Pt, Rh, Ir, Au oder aus einer wenigstens eines dieser Elemente aufweisenden Legierung hergestellt. Die Druckkraft wird derart aufgebracht, dass der erste Bereich (10, 10') und der zweite Bereich (11, 11') im Kontaktbereich derartige Oberflächenvergrößerungen aufweisen, dass diese durch Kaltverschweißen verbunden werden (Figur 1).The invention relates to a spark plug electrode (7, 8), consisting of a first region (10, 10 ') and a second region (11, 11') firmly connected to it, and a method for producing a spark plug electrode (7, 8). The connection between the first area (10, 10 ') and the second area (11, 11') is achieved by applying a plastic deformation in the mutually facing contact surfaces of the first area (10, 10 ') and the second area (11, 11 ') producing compressive force. The first area (10, 10 ') is made of a Ni-based alloy and the second area (11, 11') is made of pure Pt, Rh, Ir, Au or an alloy comprising at least one of these elements. The compressive force is applied in such a way that the first region (10, 10 ') and the second region (11, 11') in the contact region have surface enlargements such that they are connected by cold welding (FIG. 1).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft eine Zündkerzenelektrode und ein Verfahren zum Herstellen einer Zündkerzenelektrode gemäß der im Oberbegriff des Patenanspruches 1 bzw. des Patentanspruches 12 näher definierten Art.The The invention relates to a spark plug electrode and a method of manufacturing a spark plug electrode according to the method of Preamble of claim 1 and patent claim 12 defined in more detail Art.
Aus der WO 2004/084367 A1 ist eine Zündkerze und ein Verfahren zum Herstellen der Zündkerze für eine Brennkraftmaschine bekannt, welche wenigstens zwei Zündkerzenelektroden aufweist. Die Zündkerzenelektroden umfassen einen ersten Bereich bestehend aus einem Substratmaterial und einen Oberflächenbereich bzw. einen zweiten Bereich, der beständiger als das Substratmaterial ist. Der zweite Bereich der Zündkerzenelektroden ist mit dem ersten Bereich über einen Zwischenbereich verbunden, wobei der Zwischenbereich und der Oberflächenbereich durch Explosionsschweißen miteinander verbunden sind. Durch das Explosionsschweißen (explosion welding) wird der Zwischenbereich mit dem Oberflächenbereich ohne Erzeugen einer Schmelzzone im Verbindungsbereich verbunden. Damit wird eine Vermischung des Oberflächenbereichs mit dem Substrat, die mit einer Abreicherung des Edelmetallgehaltes der Oberflächenschicht im Verbindungsbereich mit dem Substratmaterial einhergeht, auf einfache Art und Weise vermieden. Mit dieser Vorgehensweise können Zündker zenelektroden mit Oberflächenschichten mit Schichtdicken von 0,05 mm bis 2 mm hergestellt werden.Out WO 2004/084367 A1 is a spark plug and a method of manufacturing the spark plug for an internal combustion engine, which at least two spark plug electrodes having. The spark plug electrodes comprise a first region consisting of a substrate material and a surface area or a second region that is more durable than the substrate material is. The second area of the spark plug electrodes is over with the first area an intermediate area connected, wherein the intermediate area and the surface area by explosion welding connected to each other. By explosion welding (explosion welding) becomes the intermediate area with the surface area without producing a fusion zone connected in the connection area. This is a mixture of surface area with the substrate, with a depletion of precious metal content the surface layer in the connection region with the substrate material, to simple Way avoided. With this procedure Zündker zenelektroden with surface layers be prepared with layer thicknesses of 0.05 mm to 2 mm.
Der Oberflächenbereich der Zündkerzenelektroden wird zunächst durch Anordnen einer dünnen Schicht auf einen aus hitzebeständigem Stahl oder einer Superlegierung, wie einer Ni-Basis-Superlegierung, bestehenden Bereich und anschließendem Explosionsschweißen mit dem Zwischenbereich ohne Schmelzzone fest verbunden. Anschließend wird der Zwischenbereich mit dem ersten Bereich durch ein herkömmliches Schweißverfahren verschweißt.Of the surface area the spark plug electrodes will be first by placing a thin one Layer on a heat resistant Steel or a superalloy, such as a Ni-base superalloy, existing Area and then explosive welding firmly connected to the intermediate area without melting zone. Subsequently, will the intermediate region with the first region by a conventional welding processes welded.
Nachteilig dabei ist jedoch, dass Explosionsschweißen im Allgemeinen durch einen hohen apparativen Aufwand gekennzeichnet ist und daher die Herstellkosten einer mit diesem Verfahren hergestellten Zündkerze hoch sind. Des Weiteren sind die jeweils mit Schichtdicken von 0,05 mm bis 2 mm auf einem Elektrodengrundkörper herzustellenden Oberflächenschichten aus Platin oder dergleichen durch die beim Explosionsschweißen erzeugte Beschleunigung hohen Beanspruchungen ausgesetzt. Das Wertstoffgefüge der Oberflächenschicht wird aufgrund der geringen Schichtdicke und der daraus resultierenden niedrigen Festigkeit nachteilhafterweise während des Fügeprozesses mit dem Zwischenbereich derart beansprucht, dass die Oberflächenschicht unter Umständen nach dem Explosionsschweißen Risse oder andere Oberflächendefekte aufweist und die Zündkerzenelektrode im befunkten Bereich nicht die für die gewünschte Lebensdauer einer Zündkerze erforderliche Beständigkeit hat.adversely However, it is that explosion welding generally by a high equipment cost is characterized and therefore the production costs a spark plug produced by this method are high. Furthermore are each with layer thicknesses of 0.05 mm to 2 mm on one Electrode body to be produced surface layers of platinum or the like produced by the explosion welding Acceleration exposed to high loads. The valuable structure of the surface layer is due to the small layer thickness and the resulting low strength disadvantageously during the joining process with the intermediate area claimed so that the surface layer under circumstances the explosion welding Has cracks or other surface defects and the spark plug electrode in the area of radioactivity not for the desired Service life of a spark plug required durability Has.
Zusätzlich sind Zündkerzenelektroden von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, aufgrund hoher Temperaturschwankungen zwischen dem Stillstand und dem Betrieb der Brennkraftmaschine hoch beansprucht. Diese Temperaturbeanspruchungen, die besonders nach der Inbetriebnahme einer Brennkraftmaschine durch steile Temperaturgradienten gekennzeichnet sind, stellen auch in Verbindung mit korrosiven Angriffen derart widrige Betriebsbedingungen dar, dass Verbindungen zwischen Schichten einer Zündkerzenelektrode, die aus Ni-Basislegierungen und beispielsweise aus Platin bestehen sowie durch Explosionsschweißen miteinander verbunden sind, leicht aufbrechen. Dies resultiert aus der Tatsache, dass die vorgenannten Verbindungen eine geringe Thermoschockbeständigkeit aufweisen, so dass die Dauerhaltbarkeit einer Zündkerze unter Umständen in unerwünschtem Umfang herabgesetzt ist.In addition are spark plug electrodes of internal combustion engines used in motor vehicles due to high temperature fluctuations between standstill and the operation of the internal combustion engine highly stressed. These temperature stresses, especially after commissioning of an internal combustion engine by steep Temperature gradients also communicate with corrosive attacks such adverse operating conditions, that connections between layers of a spark plug, the Ni-based alloys and, for example, made of platinum and by explosion welding are interconnected, break up easily. This results from the fact that the aforementioned compounds have a low thermal shock resistance so that the durability of a spark plug may be in undesirable Circumference is reduced.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Zündkerzenelektrode mit einer hohen Lebensdauer zu Verfügung zu stellen, die auf einfache und kostengünstige Art und Weise herstellbar ist.Of the The present invention is therefore based on the object, a spark plug electrode to provide with a long service life that is easy on and cost-effective Way is producible.
Vorteile der ErfindungAdvantages of invention
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Zündkerzenelektrode gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 und einem Verfahren zum Herstellen einer Zündkerzenelektrode mit den Merkmalen des Patentanspruches 12 gelöst.According to the invention this Task with a spark plug electrode according to the characteristics of claim 1 and a method for producing a spark plug electrode solved with the features of claim 12.
Die Zündkerzenelektrode nach der Erfindung besteht aus einem ersten Bereich und einem damit fest verbundenen zweiten Bereich, wobei die Verbindung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich durch Aufbringen einer plastische Verformungen in den einander zugewandten Kontaktflächen des ersten Bereiches und des zweiten Bereiches bewirkenden Druckkraft hergestellt ist. Der erste Bereich besteht aus einer Ni-Basislegierung und der zweite Bereich ist aus reinem Pt, Rh, Ir, Au oder aus einer wenigstens eines dieser Elemente aufweisenden Legierung hergestellt.The spark plug electrode According to the invention consists of a first area and one fixed connected second area, wherein the connection between the first Area and the second area by applying a plastic Deformations in the mutually facing contact surfaces of first area and the second area causing compressive force is made. The first area consists of a Ni-base alloy and the second region is made of pure Pt, Rh, Ir, Au or one at least one of these elements having produced alloy.
Erfindungsgemäß sind der erste Bereich und der zweite Bereich durch Kaltverschweißen miteinander verbunden, so dass der erste Bereich und der zweite Bereich einen fest miteinander verbundenen Materialverbund ausbilden. Während des Fügeprozesses der beiden Bereiche wird auf diese eine derartige Druckkraft bzw. Fügekraft aufgebracht, dass sowohl der erste Bereich als auch der zweite Bereich im vorgesehenen Verbindungsbereich Oberflächenvergrößerungen erfahren. Aufgrund der Oberflächenvergrößerungen werden jeweils unter den oxidierten bzw. durch den Kontakt mit der Umgebung verunreinigten Oberflächenbereichen angeordnete Materialbereiche des ersten Bereiches und des zweiten Bereiches miteinander in Kontakt gebracht, die im Bereich der Kornspitzen Verschmelzungsbereiche ausbilden. Diese verleihen der Verbindung zwischen den beiden Bereichen der Zündkerzenelektrode die gewünschte und für eine hohe Lebensdauer der Zündkerze erforderliche Festigkeit.According to the invention, the first region and the second region are joined by cold welding the connected, so that the first region and the second region form a firmly interconnected composite material. During the joining process of the two areas, such a compressive force or joining force is applied to them that both the first area and the second area experience surface enlargements in the intended connection area. As a result of the surface enlargements, material regions of the first region and of the second region which are arranged under the oxidized or surface regions contaminated by the contact with the environment are brought into contact with one another, which form fusion regions in the region of the grain tips. These give the connection between the two regions of the spark plug electrode the desired and required for a long service life of the spark plug strength.
Dabei wird jedoch die Bildung einer sich im Wesentlichen über den gesamten Kontaktbereich der beiden Bereiche erstreckende und mit einer gewissen Schichtdicke vorliegende Legierungszone, wie bei einer Schweißverbindung, die eine Abreicherung des beständigen und aus Edelmetall bestehenden zweiten Bereichs der Zündkerzenelektrode und einen erhöhten Materialeinsatz an Edelmetall zum Erhalt einer guten Funkenbeständigkeit einer Zündkerzenelektrode zur Folge hat, auf einfache und kostengünstige Art und Weise vermieden.there However, the formation of a substantially over the entire contact area of the two areas extending and with a certain layer thickness alloying zone, as in a welded joint, the one depletion of the constant and second noble metal region of the spark plug electrode and an elevated one Material use of precious metal to obtain a good spark resistance a spark plug electrode The result is avoided in a simple and cost-effective manner.
Aufgrund der durch Kaltverschweißen fest miteinander verbundenen Bereiche der erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode besteht auf einfache Art und Weise die Möglichkeit, den zweiten Bereich mit Schichtdicken von vorzugsweise zwischen 0,1 mm bis 0,5 mm ohne Beeinträchtigung des Materialgefüges wie beim herkömmlichen Schmelzschweißen oder wie beim Explosionsschweißen auf dem ersten Bereich aufzubringen. Damit weist eine erfindungsgemäße Zündkerze mindestens die Lebensdauer herkömmlich ausgebildeter Zündkerzen, die mit wesentlich höherem Edelmetalleinsatz hergestellt sind, bei erheblich niedrigeren Herstellkosten auf.by virtue of by cold welding firmly interconnected areas of the spark plug electrode according to the invention There is an easy way to use the second section Layer thicknesses of preferably between 0.1 mm to 0.5 mm without impairment of the material structure as with the conventional one fusion welding or as in explosion welding to apply on the first area. This has a spark plug according to the invention at least the lifetime conventional trained spark plugs, those with much higher Precious metal are produced, at significantly lower production costs on.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Zündkerzenelektrode mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 12 wird die Druckkraft derart aufgebracht, dass der erste Bereich und der zweite Bereich im Kontaktbereich derartige Oberflächenvergrößerungen aufweisen, dass diese durch Kaltverschweißen verbunden werden.at the method according to the invention for producing a spark plug electrode with the features of the preamble of claim 12 is the pressing force applied such that the first area and the second area in the contact area such surface enlargements have to be connected by cold welding.
Bei einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zweite Bereich auf einem eben ausgeführten ersten Bereich aufgelegt und die zur Verbindung der beiden Bereiche erforderliche Druckkraft durch materialschonendes und prozesstechnisch einfach handhabbares Walzen bzw. Walzplattieren aufgebracht. Nach dem Walzplattieren werden die Zündkerzenelektroden durch Vereinzeln, wie Ausstanzen oder dergl., aus dem durch Kaltverschweißen gebildeten Materialverbund hergestellt.at an advantageous variant of the method according to the invention is the second Area on a newly executed first area launched and connecting the two areas required compressive force due to material-saving and process-related easy to handle rolls or roll cladding applied. To roll plating becomes the spark plug electrodes by dicing, such as punching or the like, from the formed by cold welding Material composite produced.
Bei einer weiteren hierzu alternativen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der erste Bereich oder der zweite Bereich im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und wird in den wenigstens annähernd hohlzylindrisch ausgeführten zweiten Bereich oder ersten Bereich eingeführt. Anschließend werden die vorzugsweise koaxial zueinander angeordneten Bereiche im gefügten Zustand durch eine Ziehblende bzw. einen Ziehstein gezogen. Dabei wird die zur Verbindung der Bereiche erforderliche Druckkraft in die beiden Bereiche eingeleitet, wobei die einzelnen Zündkerzenelektroden nach dem Ziehen durch Ablängen aus dem plastisch verformten und durch Kaltverschweißen gebildeten drahtförmigen Materialverbund hergestellt werden.at a further alternative embodiment of the method according to the invention the first region or the second region is essentially cylindrical and is at least approximately hollow cylindrical running second area or first area introduced. Then be the preferably coaxially arranged areas in the joined state pulled through a pull-tab or a die. Here is the to connect the areas required compressive force in the two Areas initiated, wherein the individual spark plug electrodes after the Pull by cutting to length from the plastically deformed and formed by cold welding wire-shaped composite material getting produced.
Sowohl der Walzplattierungsprozess als auch der Ziehprozess stellen prozesstechnisch einfach handhabbare Herstellprozesse für Zündkerzenelektroden dar, mittels welchen grundsätzlich durch hohe Materialkosten gekennzeichnete Edelmetallschichten auf aus kostengünstigeren Ni-Basislegierungen hergestellten Elektrodengrundkörpern mit kostengünstigen Schichtdicken ohne Verringerung der Lebensdauer einer Zündkerze im Vergleich zu herkömmlich ausgeführten Zündkerzen aufbringbar sind.Either The Walzplattierungsprozess as well as the drawing process process easy to handle manufacturing processes for spark plug electrodes, by means of which basically precious metal layers characterized by high material costs from cheaper Ni-base alloys produced electrode main bodies with cost-effective Layer thickness without reducing the life of a spark plug compared to conventional executed spark can be applied.
Insbesondere ist die während des Verbindungsprozesses des ersten Bereiches und des zweiten Bereiches einer Zündkerzenelektrode aufzubringende Druckkraft während dem Walzplattieren oder dem Ziehen derart in die beiden miteinander zu verbindenden Bereiche einleitbar, dass die vorzugsweise mit Schichtdicken zwischen 0,1 mm bis 0,5 mm herzustellende Edelmetallschicht beim Fügeprozess nicht verletzt bzw. zerstört wird und mit einem für eine hohe Lebensdauer einer Zündkerze erforderlichen Materialgefüge nach dem Verbindungsprozess vorliegt.Especially is the while the connection process of the first area and the second area a spark plug electrode applied pressure force during roll cladding or drawing in the two together areas to be connected introduced that preferably with layer thicknesses between 0.1 mm to 0.5 mm to be produced noble metal layer Joining process not injured or destroyed will and with a for a long service life of a spark plug required material structure exists after the connection process.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.Further Advantages and advantageous embodiments of the subject to The invention are the description, the drawings and the claims removed.
Zeichnungdrawing
In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäß ausgeführter Zündkerzenelektroden schematisch vereinfacht dargestellt, die in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden. Es zeigenIn the drawing, three embodiments of the invention embodied spark plug electrodes are shown schematically simplified, which explains in more detail in the following description become. Show it
Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription the embodiments
Bezug
nehmend auf
Die
in an sich bekannter Art und Weise ausgebildete Zündkerze
Die
Mittelelektrode
Die Anforderungen können je nach Betriebsbedingungen und Anwendungsfall unterschiedliche Elektrodenformen und Elektrodenwerkstoffe erforderlich machen.The Requirements can depending on operating conditions and application different electrode shapes and electrode materials required.
Grundsätzlich leiten reine Metalle die Wärme besser als Metalllegierungen. Andererseits reagieren reine Metalle, wie beispielsweise Nickel, auf chemische Angriffe von Verbrennungsgasen und festen Verbrennungsrückständen empfindlicher als Legierungen.Basically guide Pure metals better the heat as metal alloys. On the other hand, pure metals react, like For example, nickel, on chemical attacks of combustion gases and solid combustion residues more sensitive as alloys.
Aus diesem Grund werden aus der Praxis bekannte Elektroden von Zündkerzen beispielsweise aus Nickel hergestellt, dem u. a. Chrom, Mangan und Silizium zulegiert ist. Die hinzulegierten Metalle haben Sonderaufgaben zu erfüllen. So erhöhen beispielsweise Mangan- und Siliziumzusätze die chemische Beständigkeit vor allem gegen das sehr aggressive Schwefeldioxid. Nickel-Basis-Legierungen mit Zusätzen aus Silizium, Aluminium und Yttrium verbessern darüber hinaus die Zunder- und Oxidationsbeständigkeit.Out For this reason, known from practice electrodes of spark plugs For example, made of nickel, the u. a. Chromium, manganese and silicon is zulegiert. The metals to be added have special duties too fulfill. So increase for example, manganese and silicon additives the chemical resistance especially against the very aggressive sulfur dioxide. Nickel-based alloys with additives made of silicon, aluminum and yttrium improve beyond that the scale and oxidation resistance.
Zusätzlich werden auch Platin bzw. Platinbasislegierungen für die Herstellung von Elektroden verwendet, da diese eine sehr gute Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit sowie eine hohe Abbrandfestigkeit aufweisen.In addition will be also uses platinum or platinum-based alloys for the production of electrodes, because these are very good corrosion and oxidation resistance and have a high erosion resistance.
In
Zusätzlich ist
ein weiterer ebener, plattenartiger zweiter Bereich
Nach
dem Auflegen des zweiten Bereiches
Dabei
weist der zweite Bereich
Der
erste Bereich
Nach
dem Walzplattieren werden mehrere Zündkerzenmittelelektroden
Durch die Verwendung der Walzplattierung als Verbindungstechnik wird im Vergleich zu Schweißverbindungsverfahren erreicht, dass Zündkerzenelektroden im befunkten Bereich auch mit sehr dünnen Edelmetallschichten im Dickenbereich von unter 200 μm herstellbar sind, die im Vergleich zu mittels CVD- oder PVD-Verfahren, Sputtertechniken oder Explosionsschweißen jeweils mit höheren Haft kräften am Elektrodengrundkörper bzw. an einem Trägermaterial befestigt werden. Damit sind Zündkerzen kostengünstig und mit hoher Lebensdauer herstellbar.By The use of roll cladding as a joining technique is described in Compared to welding connection method achieved that spark plug electrodes in the radio range also with very thin noble metal layers in the Thickness range of less than 200 microns can be produced compared to by CVD or PVD method, Sputtering or explosion welding each with higher adhesive forces on Electrode body or on a carrier material be attached. These are spark plugs economical and can be produced with a long service life.
Des
Weiteren besteht durch die Walzplattierung die Möglichkeit, zwei unterschiedliche
Trägermaterialien
für den
zweiten Bereich
Neben
der vorbeschriebenen Herstellung von Zündkerzenmittelelektroden besteht
selbstverständlich
auch die Möglichkeit,
Zündkerzenmasseelektroden
Dabei
ist in
Dabei
werden aus dem in
Bei
dem in
In
Die
Zündkerzenmittelelektrode
Zur
Herstellung der Zündkerzenmittelelektrode
Anschließend werden
der vorzugsweise koaxial zum Mantel angeordnete Draht und der Mantel im
ineinander geschobenen Zustand durch eine nicht näher dargestellte
Ziehblende gezogen und plastisch verformt, wobei dabei die zur Verbindung
der Bereiche
Nach
dem Kaltverschweißen
weist der hohlzylindrisch ausgeführte
zweite Bereich
Der
hohlzylindrisch ausgeführte
erste Bereich
Vor
dem Kaltverschweißen
bzw. vor dem Ziehprozess weist der hohlzylindrisch ausgeführte erste
Bereich
Nach
dem Ablängen
sind die Zündkerzenmittelelektroden
Damit
wird bei der Zündkerzenmittelelektrode
Bei
der Zündkerzenmittelelektrode
Um
eine Standfestigkeit bzw. Dauerhaltbarkeit der Zündkerzenelektroden
Durch
den Diffusionsglühprozess
werden eine bessere Durchmischung der beiden Materialien und eine
Reduzierung des mechanischen Spannungsgradienten im Verbindungsbereich
erreicht, womit die Standzeit einer Zündkerze auf einfache Art und
Weise weiter verbessert werden kann. Dabei kann der Glühprozess
jeweils vor oder nach dem Vereinzeln der Zündkerzenelektroden
Claims (21)
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