DE102006053917B4

DE102006053917B4 - Für Verbrennungsmotoren benutzte Zündkerze

Info

Publication number: DE102006053917B4
Application number: DE102006053917.6A
Authority: DE
Inventors: Osamu Yoshimoto; Wataru Matsutani
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2005-11-16
Filing date: 2006-11-15
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2026-11-16
Also published as: US7859177B2; DE102006053917A1; US20070159046A1

Abstract

Zündkerze (100), umfassend:
eine Zentralelektrode (3); und
eine Masseelektrode (4), welche so angeordnet ist, dass eine elektrische Entladungslücke (33) zwischen der Zentralelektrode (3) und der Masseelektrode (4) ausgebildet ist,
wobei mindestens entweder die Zentralelektrode (3) oder die Masseelektrode (4) zumindest teilweise aus einer Nickellegierung gemacht ist, welche enthält:
Nickel als eine Hauptkomponente;
Chrom in einem Bereich von 20 bis 30 Gewichtsprozent;
Eisen in einem Bereich von 7 bis 20 Gewichtsprozent;
Aluminium in einem Bereich von 1 bis 5 Gewichtsprozent, und
zumindest ein Element einer spezifischen Elementgruppe, welches aus Zirkonium, Yttrium, Neodym, Cerium, Lanthan, und Samarium ausgewählt ist,
wobei ein Gesamtgehalt der spezifischen Elementgruppe 5 % oder mehr des Aluminium-Gehalts ist, und wobei
die Nickellegierung weiterhin zumindest eines der folgenden Elemente enthält:
Mangan nicht mehr als 0,5 Gewichtsprozent, oder
Silizium nicht mehr als 0,5 Gewichtsprozent.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze zur Benutzung in einem Verbrennungsmotor.
Hintergrund der Erfindung
Ein Material, welches für eine Zentralelektrode und eine Masseelektrode einer Zündkerze, welche für Verbrennungsmotoren, wie z. B. einen Automotor, benutzt wird, ist nachgefragt gewesen, eine günstige Oxidationsresistenz in Hochtemperaturumgebung, weniger Funkenerosion, günstige thermische Leitfähigkeit, hohe Haltbarkeit bei hoher Temperatur, günstige Bearbeitbarkeit oder dergleichen zu haben. Insbesondere ist die Masseelektrode für ihre günstige Schweißbarkeit nachgefragt. Als ein Material, welches diese Ansprüche erfüllt, wird im Allgemeinen eine wärmeresistente Nickel- (Ni) -Legierung eingesetzt.
Es ist offenbart worden (z. B. Patentdokument 1, das ist die offengelegte japanische Patentanmeldung (kokai) JP 2002 - 235 138 A ), dass die oben erwähnte wärmeresistente Nickellegierung herkömmlicherweise enthält: Chrom (Cr) in einem Bereich von 10 bis 25 Gewichtsprozent; Eisen (Fe) in einem Bereich von 0,5 bis 10 Gewichtsprozent; Aluminium (Al) in einem Bereich von 0,3 bis 3,2 Gewichtsprozent; Silizium (Si) in einem Bereich von 0,2 bis 2,2 Gewichtsprozent; Mangan (Mn) in einem Bereich von 0,1 bis 0,8 Gewichtsprozent; Magnesium (Mg) weniger als 0,001 Gewichtsprozent; Schwefel (S) weniger als 0,002 Gewichtsprozent; und weiterhin Nickel (Ni) und unumgängliche Verunreinigungen als den Rest enthält. Durch Benutzung eines solchen Nickellegierungsmaterials, welches einen hohen Cr-Anteil enthält, wird die Oxidationsresistenz, welche einem Cr-Oxidfilm zugeordnet ist, welcher an einer Oberfläche einer Elektrode gebildet ist, verbessert.
Die Druckschrift DE 102 22 262 A1 offenbart eine Nickellegierung für eine Zündkerze, die 10 bis 20 Gew.-% Chrom sowie 1 bis 4 Gew.-% Aluminium und/oder 1 bis 4 Gew.-% Silicium enthält.
Die Druckschrift DE 195 24 234 C1 offenbart eine hochtemperaturbeständige Nickellegierung mit 0,2 bis 0,4 % C, 25 bis 30,0 % Cr, 8 bis 11,0 % Fe, mehr als 2,4 bis 3,0 % Al und mit einer Menge an ausscheidungsfähigem Kohlenstoff von 0,083 bis 0,3 %.
Die Druckschrift US 2002 / 0 158 559 A1 offenbart eine Zündkerze mit einer Masseelektrode mit einer Zusammensetzung von 58 Gew.-% bis 71 Gew.-% Ni, 21 Gew.-% bis 25 Gew.-% Cr, 7 Gew.-% bis 20 Gew.-% Fe und 1 Gew.-% bis 2 Gew.-% Al und einer Vickers-Härte von 140 Hv bis 220 Hv.
Beschreibung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Die oben erwähnte Verbesserung der Oxidationsresistenz trägt zu einer Verstärkung einer Zündkerze bei. Obwohl die Verbesserung der Oxidationsresistenz erreicht ist, kann jedoch z. B. eine Möglichkeit eines Brechens der Masseelektrode aufgrund einer ungenügenden Ermüdungsfestigkeit bei hoher Temperatur auftreten. Wenn insbesondere die Zündkerze für eine lange Periode benutzt wird, gibt es eine Möglichkeit, dass sich, aufgrund des Eindringens von Stickstoff unter den Cr-Oxidfilm, Aluminiumnitrid in einer Korngrenze bildet, welche sich unter einem Oxidfilm befindet. Als ein Resultat ist es wahrscheinlich, dass sich eine Ermüdungsfestigkeit wegen des so gebildeten Aluminiumnitrids verschlechtert.
Die vorliegende Erfindung ist angesichts der oben bemerkten Probleme erlangt worden, und ein Ziel der Erfindung ist es, eine Zündkerze bereitzustellen, welche eine exzellente Oxidationsresistenz hat, und besonders eine verbesserte Haltbarkeit einer Zentralelektrode und einer Masseelektrode dadurch anzubieten, dass ein Material eingesetzt wird, welches die Langzeit-Benutzung erträgt und eine ausreichende Ermüdungsfestigkeit bei hoher Temperatur hat. Als ein Resultat ist die lange Dienstzeit einer Zündkerze verwirklicht.
Mittel zum Lösen des Problems
Das obige Ziel der Erfindung ist durch Bereitstellen einer Zündkerze erreicht worden, die gemäß dieser Zusammensetzung für einen Verbrennungsmotor benutzt wird, wobei die Zündkerze gemäß Anspruch 1 gebildet ist. Die Bezeichnung „Ni als eine Hauptkomponente“ bedeutet hier, dass die Menge an Nickel, welche in der Nickellegierung enthalten ist, vorherrschend ist.
Gemäß der Erfindung ist mindestens entweder die Zentralelektrode oder die Masseelektrode zumindest teilweise aus einem Nickellegierungsmaterial gefertigt, welches einen hohen Cr-Gehalt zusätzlich zu Fe und Al umfasst. Mit einem vergleichsweise hohen Cr-Gehalt wird eine wesentliche Verbesserung in einer Oxidationsresistenz erreicht.
Mit anderen Worten, wenn ein Cr-Gehalt weniger als 20 Gewichtsprozent ist, wird ein sicherer Cr-Oxidfilm auf der Oberfläche der Elektroden nicht gebildet, und es ist wahrscheinlich, dass eine Oxidationsresistenz ungenügend ist. Auf der anderen Seite, wenn ein Cr-Gehalt 30 Gewichtsprozent übersteigt, ist es wahrscheinlich, dass eine Verschlechterung in einer Bearbeitbarkeit sowie eine Verschlechterung in einem Zünderosionswiderstand aufgrund einer schlechten thermischen Leitfähigkeit auftritt. Gemäß der Erfindung ist jedoch, weil ein Cr-Gehalt in einem Bereich von 20 bis 30 Gewichtsprozent ist, der sichere Cr-Oxidfilm gebildet und die geeignete Oxidationsresistenz kann erhalten werden. Daher verschlechtert sich weder eine Bearbeitbarkeit noch ein Zünderosionswiderstand.
Weiterhin wird mit einem Al-Gehalt von mehr als einem Gewichtsprozent ein Aluminiumoxid direkt unter dem Cr-Oxidfilm gebildet, wodurch die Oxidationsresistenz weiter verbessert wird. Auf der anderen Seite, wenn ein Al-Gehalt 5 Gewichtsprozent übersteigt, verschlechtern sich eine Bearbeitbarkeit und die Schweißbarkeit eines Edelmetall-Chips. Gemäß der Zusammensetzung 1, da ein Al-Gehalt in einem Bereich von 1 bis 5 Gewichtsprozent ist, sind eine genügende Oxidationsresistenz, eine Bearbeitbarkeit und Schweißbarkeit sichergestellt. Vorzugsweise ist ein Al-Gehalt in einem Bereich von 1 bis 3 Gewichtsprozent.
Ein Fe-Gehalt weniger als 7 Gewichtsprozent führt zu einer schlechten Bearbeitbarkeit. Auf der anderen Seite, wenn ein Fe-Gehalt 20 Gewichtsprozent übersteigt, verschlechtert sich eine Ermüdungsfestigkeit bei hoher Temperatur. Gemäß der Erfindung ist, da der Fe-Gehalt in einem Bereich von 7 bis 20 Gewichtsprozent ist, eine genügende Bearbeitbarkeit und Ermüdungsfestigkeit bei hoher Temperatur sichergestellt.
Gemäß der Erfindung erhöhen der sichere Cr-Oxidfilm und das Al-Oxid, welches direkt unter dem Cr-Oxidfilm gebildet ist, eine Oxidationsresistenz und verlängern das Dienstleben einer Zündkerze, verglichen zu der herkömmlichen Zündkerze. Weiterhin, um ein Brechen der Elektrode zu vermeiden, was durch ein Fehlen von Ermüdungsfestigkeit bei hoher Temperatur hervorgerufen ist, enthält gemäß der Erfindung das Nickellegierungsmaterial zusätzlich zu dem oben erwähnten Material mindestens ein Element einer Gruppe spezifischer Elemente, welche aus Zr, Y, Nd, Ce, La, und Sm ausgewählt sind. Diese Gruppe spezifischer Elemente lagert sich in der Korngrenze ab und verhindert ein Bilden von Aluminiumnitrid. Wenn jedoch der Gesamtgehalt der Gruppe spezifischer Elemente kleiner als 5 % eines Al-Gehalts ist, ist es wahrscheinlich, dass die Wirkung ungenügend ist. Gemäß der Erfindung ist der Gesamtgehalt der Gruppe spezifischer Elemente 5 % oder mehr eines Al-Gehalts, wodurch das Bilden von Aluminiumnitrid genügend verhindert wird. Somit kann eine Ermüdungsfestigkeit bei hoher Temperatur sichergestellt werden, und eine Haltbarkeit der Zentralelektrode und der Masseelektrode kann sich verbessern. Als ein Resultat ist das lange Dienstleben einer Zündkerze verwirklicht.
Gemäß der Erfindung ist besonders eine Schweißbarkeit eines Entladungsabschnitts, welcher aus Edelmetall gefertigt ist, zu der Zentralelektrode oder der Masseelektrode verbessert, verglichen mit der herkömmlichen Zündkerze. Die obige Nickellegierung kann für das Ganze der Zentralelektrode oder Masseelektrode benutzt werden oder für die Oberflächenschicht einer von ihnen, während ein innerer Kern der Elektrode aus einem wärmeleitenden Material, wie z. B. Kupfer, gefertigt ist.
Vorzugsweise ist in der Zündkerze der Erfindung ein Gesamtgehalt der Gruppe spezifischer Elemente 1 Gewichtsprozent oder weniger.
Wenn der Gesamtgehalt der Gruppe spezifischer Elemente 1 Gewichtsprozent übersteigt, ist es wahrscheinlich, dass sich eine Bearbeitbarkeit des Materials verschlechtert. Durch Begrenzen des Gesamtgehalts der Gruppe spezifischer Elemente auf 1 oder weniger Gewichtsprozent, wird eine genügende Bearbeitbarkeit sichergestellt.
Vorzugsweise enthält in der Zündkerze der Erfindung die Ni-Legierung weiterhin Titan (Ti) in einem Bereich von 0,05 bis 0,5 Gewichtsprozent.
Ti bildet eine Verbindung mit Nitrid in dem Material, und bildet Carbid, wenn C enthalten ist, wodurch ein Kristallkorn vom Wachsen abgehalten ist. Ein großes Kristallkorn kann zu einem Brechen der Masseelektrode führen. Auf der anderen Seite, wenn ein Ti-Gehalt 0,5 Gewichtsprozent übersteigt, wird eine Schweißbarkeit schlecht, und eine interne Oxidation wird beschleunigt, was zu einer Verschlechterung in einer Oxidationsresistenz resultiert. Wenn ein Ti-Gehalt in einem Bereich von 0,05 bis 0,5 Gewichtsprozent ist, kann ein Kristallkorn-Wachstum kontrolliert werden, während genügende Schweißbarkeit und Oxidationsresistenz beibehalten sind.
Die Ni-Legierung in der Zündkerze der Erfindung enthält weiterhin mindestens ein Element, welches aus Mn ausgewählt ist, nicht höher als 0,5 Gewichtsprozent, oder Si nicht höher als 0,5 Gewichtsprozent.
Mn und Si wirken als ein Ent-Oxidationsmaterial in dem Prozess des Produzierens des Materials. Das Ent-Oxidationsmaterial entfernt Sauerstoff von dem Material, wobei dadurch eine Antioxidation erleichtert ist. Weiterhin verbessert sich eine Oxidationsresistenz dadurch, dass eine kleine Menge von Mn und Si enthalten ist. Wenn jedoch eine übermäßige Menge (das ist, ein Mn- und Si-Gehalt übersteigen 0,1 Gewichtsprozent, oder ein C-Gehalt übersteigt 0,5 Gewichtsprozent) enthalten ist, verschlechtert sich eine Bearbeitbarkeit. Gemäß der Zusammensetzung 4, da die Nickellegierung Mn bzw. Si nicht höher als 0,5 Gewichtsprozent enthält, kann eine genügende Oxidationsresistenz erhalten werden, während eine genügende Bearbeitbarkeit erhalten ist. Vorzugsweise enthält die Nickellegierung zumindest ein Element ausgewählt von Mn in einem Bereich von 0,05 bis 0,5 Gewichtsprozent (bevorzugter, in einem Bereich von 0,05 bis 0,1 Gewichtsprozent) bzw. Si in einem Bereich von 0,05 bis 0,5 Gewichtsprozent (bevorzugter, in einem Bereich von 0,05 bis 0,1 Gewichtsprozent). Vorzugsweise enthält in der Zündkerze der Erfindung die Nickellegierung weiterhin Kohlenstoff in einem Bereich von 0,12 bis 0,5 Gewichtsprozent. Ein Zusatz von Kohlenstoff erhöht eine Festigkeit der Nickellegierung und verbessert dadurch eine Festigkeit unter einer hohen Temperatur. Weiterhin hat Kohlenstoff eine Wirkung, ein Kristallkornwachstum zu verhindern, sodass ein Brechen der Elektrode verhindert werden kann. Wenn jedoch der Gehalt an Kohlenstoff 0,5 Gewichtsprozent übersteigt, ist es wahrscheinlich, dass sich eine Bearbeitbarkeit verschlechtert. Der Kohlenstoffgehalt von 0,12 bis 0,5 Gewichtsprozent weist eine genügende Wirkung eines Verhinderns von Kornwachstum auf und erhöht eine Festigkeit unter einer hohen Temperatur, während eine genügende Bearbeitbarkeit sichergestellt ist. Vorzugsweise enthält die Nickellegierung in der Zündkerze der Erfindung nicht mehr als 70 Gewichtsprozent Nickel. Eine Ni-Komponente von 70 Gewichtsprozent oder weniger erhöht eine Zündkorrosionshaltbarkeit der Nickellegierung. Dies ist, weil unter den drei Hauptkomponenten Ni, Fe und Cr, Ni einen niedrigeren Schmelzpunkt als die anderen hat. Bevorzugter enthält die Nickellegierung Nickel in einem Bereich von 55 bis 65 Gewichtsprozent. Vorzugsweise enthält die Nickellegierung in der Zündkerze der Erfindung mindestens Yttrium und Zirkonium innerhalb der Gruppe spezifischer Elemente. Als ein synergistischer Effekt von Yttrium und Zirkonium kann eine Nitridierung von einer Al-Komponente wirkungsvoll unterdrückt werden. Daher kann eine genügende Ermüdungsfestigkeit aufrechterhalten werden, so dass eine Lebenszeit der Zündkerze verlängert werden kann. Bevorzugter ist ein Verhältnis von Yttrium zu Zirkonium von 0,5 bis 2, um so die oben erwähnte synergistische Wirkung sicherzustellen. Vorzugsweise ist in der Zündkerze der Erfindung die Masseelektrode zumindest teilweise aus der Nickellegierung gefertigt. Da eine Masseelektrode normalerweise schlanker und länger ausbildet ist, und dadurch höheren Temperaturen als eine Zentralelektrode ausgesetzt ist, ist eine höhere Festigkeit unter einer höheren Temperatur für die Masseelektrode erforderlich. Daher ist die Nickellegierung für die Masseelektrode geeignet. Auf der anderen Seite ist eine Festigkeit unter einer hohen Temperatur, welche für die Zentralelektrode erfordert ist, nicht so hoch wie die für die Masseelektrode. Weiterhin ist eine Bearbeitbarkeit, welche für eine Zentralelektrode erfordert ist, normalerweise höher als die für eine Masseelektrode, weil die Zentralelektrode normalerweise eine komplexere Form als die Masseelektrode hat. Daher ist, abhängig von einer Benutzung einer Zündkerze ein Gesamtgehalt der Gruppe spezifischer Elemente in der Zentralelektrode vorzugsweise kleiner als ein Gesamtgehalt der Gruppe spezifischer Elemente in der Masseelektrode oder kann 0 sein.
Es wird bemerkt, dass eine Bewertung, ob das Material der Elektrode innerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung ist oder nicht, zum Beispiel durch Elektronenstrahlmikroanalyse (EPMA) bestimmt werden kann.
Bester Modus, um die Erfindung auszuführen
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf Zeichnungen beschrieben werden. Wie in 1 gezeigt, ist eine Zündkerze 100 dieser Ausführungsform umfasst von einer metallischen Schale 1, einem Isolator 2, einer Zentralelektrode 3 und einer Masseelektrode 4. Die metallische Schale 1 nimmt eine zylindrische Form an, wobei der Isolator 2 darin aufgenommen ist. Ein vorderer Endabschnitt 21 des Isolators 2 steht von der metallischen Schale 1 hervor. Weiterhin ist die Zentralelektrode 3 innerhalb des Isolators 2 aufgenommen, so dass ein Entladungsabschnitt 31 davon von dem Isolator 2 hervorstehen kann. Weiterhin ist die Masseelektrode 4 derart angeordnet, dass ein hinterer Endabschnitt davon an die metallische Schale 1 geschweißt werden kann, die vordere Endseite davon zu der Zentralelektrode 3 hingebogen werden kann und die Seitenfläche davon einem vorderen Endabschnitt der Zentralelektrode 3 gegenüberstehen kann. Die Masseelektrode 4 ist mit einem Entladungsabschnitt 32 gegenüber dem Entladungsabschnitt 31 ausgebildet. Eine Lücke, die zwischen dem Entladungsabschnitt 31 und dem Entladungsabschnitt 32 ausgebildet ist, dient als ein Zündentladungsspalt 33.
Der Isolator 2 ist aus gesinterter Keramik, wie z. B. Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid oder dergleichen gefertigt. Zum Zusammenpassen mit der Zentralelektrode 3 in einer axialen Richtung des Isolators 2, bildet der Isolator darin ein Durchgangsloch 6. Die metallische Schale 1 ist von einer zylindrischen Form, und ist aus Metall, wie z. B. Niedrigkohlenstoff-Stahl, gefertigt. Weiterhin bildet die metallische Schale 1 ein Gehäuse der Zündkerze 100 und hat eine externe Peripherie, welche einen Schraubenabschnitt 7 zum Montieren der Zündkerze 100 auf einem Zylinderkopf eines Motors (nicht gezeigt) bildet.
Wie in 2 gezeigt, sind ein Hauptkörper 3a der Zentralelektrode 3 und ein Hauptkörper 4a der Masseelektrode 4 umfasst von einer Nickellegierung als einem Ganzen. Die Zentralelektrode 3 umfasst weiterhin einen Kernstab 3b, welcher in den Hauptkörper 3a eingebettet ist. Der Kernstab 3b ist aus einem hoch wärmeleitenden Material, wie z. B. Kupfer, gefertigt. Die Masseelektrode 4 kann auch solch einen Kernstab, der in den Hauptkörper 4a eingebettet ist, einsetzen. In dieser Ausführungsform hat eine Zusammensetzung der Legierung, welche den Hauptkörper 4a der Masseelektrode 4 bildet, besondere Eigenschaften, welche später in vollem Detail beschrieben werden. Auf der anderen Seite sind der Entladungsabschnitt 31 und der Entladungsabschnitt 32, welcher dem Entladungsabschnitt 31 gegenübersteht, aus einer Iridium- (Ir) -Legierung oder einer Platin- (Pt) -Legierung gefertigt.
Der Hauptkörper 3a der Zentralelektrode 3 hat eine konische vordere Endseite und eine flache vordere Endfläche. Ein Scheiben-ähnlicher Chip, welcher aus einer Legierungszusammensetzung gefertigt ist, welche den Entladungsabschnitt 31 bildet, ist an der vorderen Endfläche platziert. Weiterhin ist der Entladungsabschnitt 31 in solch einer Weise ausgebildet, dass eine äußere Umfangskante einer Verbindungsoberfläche durch Laser-Schweißen, Elektronenstrahl-Schweißen, Widerstands-Schweißen oder dergleichen geschweißt ist, um einen geschweißten Abschnitt B1 zu bilden, so dass der Scheiben-ähnliche Chip an der vorderen Endfläche fixiert ist. Weiterhin ist der Entladungsabschnitt 32, welcher dem Entladungsabschnitt 31 gegenübersteht, in solch einer Weise ausgebildet, dass ein Chip an einer vorbestimmten Stelle der Masseelektrode 4 platziert ist, und eine äußere Umfangskante einer Verbindungsoberfläche geschweißt ist, um einen geschweißten Abschnitt B2 so auszubilden, dass der Chip an der Masseelektrode 4 fixiert ist. Zusätzlich kann die Konstruktion angenommen werden, dass entweder der Entladungsabschnitt 31 oder der Entladungsabschnitt 32, welcher dem Entladungsabschnitt 31 gegenübergestellt ist, weggelassen ist. In diesem Fall ist ein Zündentladungsspalt 33 entweder zwischen dem Entladungsabschnitt 31 und der Masseelektrode 4, oder zwischen dem Entladungsabschnitt 32, der dem Entladungsabschnitt 31 gegenübergestellt ist, und der Zentralelektrode 3 ausgebildet.
In dieser Ausführungsform setzt insbesondere der Hauptkörper 4a der Masseelektrode 4 die Auflösungs-Legierung ein, welche durch Mischen und Auflösen jedes Legierungsinhalts erhalten ist und welche durch Kabelformziehen (wire drawing dies) oder dergleichen ausbildet ist. Die Legierung, welche den Hauptkörper 4a der Masseelektrode 4 bildet, ist umfasst von: Ni als eine Hauptkomponente (55 bis 70 Gewichtsprozent); Cr 20 bis 30 Gewichtsprozent; Fe 7 bis 20 Gewichtsprozent; Al 1 bis 5 Gewichtsprozent Ti 0,05 bis 0,5 Gewichtsprozent; Mn nicht höher als 0,5 Gewichtsprozent; Si nicht höher als 0,5 Gewichtsprozent; C 0,12 bis 0,5 Gewichtsprozent; und mindestens eins der Gruppe spezifischer Elemente ausgewählt von Zr, Y, Nd, Ce, La, und Sm. Der Gesamtgehalt der Gruppe spezifischer Elemente ist 5 % oder mehr eines Al-Gehalts und 1 Gewichtsprozent oder weniger.
In der Kombination eines jeden Legierungsgehalts wird in der Masseelektrode 4, wenn ein Cr-Gehalt kleiner als 20 Gewichtsprozent ist, ein sicherer Cr-Oxidfilm nicht gebildet, wodurch resultiert, dass die Oxidationsresistenz ungenügend ist. Auf der anderen Seite, wenn der Gehalt von Cr 30 Gewichtsprozent übersteigt, verschlechtert sich eine Bearbeitbarkeit, was zu einer Verschlechterung in einem Zünderosionswiderstand aufgrund einer schlechten thermischen Leitfähigkeit beiträgt. In der Zündkerze 100 gemäß dieser Ausführungsform, da das Material, welches den Hauptkörper 4a der Masseelektrode 4 bildet, Cr in einem Bereich von 20 bis 30 Gewichtsprozent enthält, wird jedoch ein sicherer Cr-Oxidfilm auf der Oberfläche des Hauptkörpers 4a gebildet, wodurch eine genügende Oxidationsresistenz erhalten ist. Weiterhin verschlechtert sich eine Bearbeitbarkeit oder Zünderosionswiderstand des Hauptkörpers 4a nicht.
Wenn ein Al-Gehalt weniger als 1 Gewichtsprozent ist, ist es unwahrscheinlich, dass ein Oxid direkt unter dem Cr-Oxidfilm ausgebildet wird, wodurch eine Verschlechterung in der Oxidationsresistenz bewirkt wird. Im Gegensatz dazu, wenn ein Al-Gehalt 30 Gewichtsprozent übersteigt, fällt eine Bearbeitbarkeit und Schweißbarkeit eines Edelmetall-Chips ab. In der Zündkerze 100 gemäß dieser Ausführungsform kann, weil ein Al-Gehalt in einem Bereich von 1 bis 3 Gewichtsprozent ist, die Oxidationsresistenz des Hauptkörpers 4a der Masseelektrode 4 verbessert werden, und die schlechte Bearbeitbarkeit und Schweißbarkeit können verhindert werden.
Weiterhin verschlechtert sich eine Bearbeitbarkeit, wenn ein Fe-Gehalt weniger als 7 Gewichtsprozent ist. Auf der anderen Seite wenn ein Fe-Gehalt 20 Gewichtsprozent übersteigt, verschlechtert sich eine Haltbarkeit bei hoher Temperatur. In der Zündkerze 100 gemäß dieser Ausführungsform ist, da ein Fe-Gehalt in einem Bereich von 7 bis 20 Gewichtsprozent ist, eine genügende Bearbeitbarkeit des Hauptkörpers 4a der Masseelektrode 4 sichergestellt, wodurch eine Verschlechterung in einer Haltbarkeit bei hoher Temperatur verhindert ist.
Weiterhin bildet Ti eine Verbindung mit Nitrid in dem Material, und bildet Carbid, wenn C enthalten ist, wodurch ein Kristallkorn vom Wachsen abgehalten ist. Ein großes Kristallkorn kann zu einem Brechen der Masseelektrode 4 führen. Auf der anderen Seite wird, wenn ein Ti-Gehalt 0,5 Gewichtsprozent übersteigt, eine Schweißbarkeit schlecht, und eine interne Oxidation wird beschleunigt, was in einer Verschlechterung in einer Oxidationsresistenz resultiert. In der Zündkerze 100 gemäß dieser Ausführungsform kann, da ein Ti-Gehalt in einem Bereich von 0,05 bis 0,5 Gewichtsprozent ist, ein großes Kristallkorn in dem Hauptkörper 4a der Masseelektrode 4 kontrolliert werden, und weiterhin ist eine schlechte Schweißbarkeit verhindert und eine interne Oxidation ist nicht beschleunigt. Daher ist eine Oxidationsresistenz des Hauptkörpers 4a verbessert, was zu einem langen Dienstleben der Zündkerze 100 beiträgt.
Mn und Si wirken als ein Ent-Oxidationsmaterial in dem Prozess des Produzierens des Materials. Das Ent-Oxidationsmaterial entfernt Sauerstoff von dem Material, wodurch eine Antioxidation erleichtert ist. Weiterhin verbessert sich eine Oxidationsresistenz dadurch, dass eine kleine Menge an Mn und Si enthalten ist. Wenn jedoch eine übermäßige Menge (das heißt, ein Mn- und Si-Gehalt übersteigt 0,1 Gewichtsprozent) enthalten ist, verschlechtert sich eine Bearbeitbarkeit. Da die Zündkerze 100 gemäß dieser Ausführungsform Mn bzw. Si nicht höher als 0,5 Gewichtsprozent enthält, können Wirkungen wie z. B. Verhindern von Oxidation und Verbesserung einer Oxidationsresistenz erreicht werden, ohne eine Bearbeitbarkeit zu verschlechtern. Vorzugsweise ist ein Mn-Gehalt 0,05 Gewichtsprozent oder mehr, bevorzugter 0,1 Gewichtsprozent oder weniger. Vorzugsweise ist ein Si-Gehalt 0,05 Gewichtsprozent oder mehr, bevorzugter 0,1 Gewichtsprozent oder weniger. Weiterhin erhöht ein Zusatz von Kohlenstoff in einem Bereich von 0,12 bis 0,5 Gewichtsprozent eine Festigkeit unter einer hohen Temperatur und eine Kornverlaufskontrolle, ohne eine Bearbeitbarkeit zu verschlechtern. Weiterhin weist, da ein Ni-Gehalt 70 Gewichtsprozent oder weniger in dieser Ausführungsform ist, die Nickellegierung eine genügende Zündkorrosionsfestigkeit auf. Bevorzugter ist der Ni-Gehalt 55 bis 65 Gewichtsprozent.
Gemäß dieser Ausführungsform, wie oben beschrieben, tragen der sichere Cr-Oxidfilm und das Oxid mit Al, welches direkt unter einem Cr-Oxidfilm gebildet ist, zu einer Verbesserung in einer Oxidationsresistenz und dem längeren Dienstleben der Zündkerze bei, verglichen zu der herkömmlichen Zündkerze. Obwohl jedoch nur eine Oxidationsresistenz verbessert ist, ist es zum Beispiel noch wahrscheinlich, dass ein Brechen der Masseelektrode wegen eines Fehlens an Ermüdungsfestigkeit bei hoher Temperatur auftritt.
Somit enthält in dieser Ausführungsform der Hauptkörper 4a der Masseelektrode 4 mindestens eines oder mehrere Elementtypen ausgewählt von Zr, Y, Nd, Ce, La und Sm als eine Gruppe spezifischer Elemente. Diese Gruppe spezifischer Elemente lagert sich an der Korngrenze ab und kann ein Bilden von Aluminiumnitrid verhindern. Wenn jedoch der Gesamtgehalt der Gruppe spezifischer Elemente kleiner als 5 % eines Al-Gehalts ist, kann das Bilden von Aluminiumnitrid nicht geeignet verhindert werden. Wenn der Gesamtgehalt der Gruppe spezifischer Elemente 1 Gewichtsprozent übersteigt, tendiert eine Bearbeitbarkeit dazu, sich zu verschlechtern.
Gemäß dieser Ausführungsform kann, da der Gesamtgehalt der Gruppe spezifischer Elemente 5 % oder mehr eines Al-Gehalts ist, das Bilden von Aluminiumnitrid vollständig verhindert werden. Daher kann die Verschlechterung in einer Ermüdungsfestigkeit des Hauptkörpers 4a der Masseelektrode 4 bei hoher Temperatur verhindert werden, wodurch die Haltbarkeit des Hauptkörpers 4a verbessert ist. Als ein Resultat ist das lange Dienstleben der Zündkerze 100 für Verbrennungsmotoren verwirklicht. Da weiterhin der Gesamtgehalt der Gruppe spezifischer Elemente nicht höher als 1 Gewichtsprozent ist, verschlechtert sich nicht die Bearbeitbarkeit des Hauptkörpers 4a. Weiterhin wurde, verglichen mit der herkömmlichen Zündkerze, ein Resultat erhalten, welches eine Verbesserung in einer Schweißbarkeit zwischen dem Scheiben-ähnlichen Chip, welcher den Entladungsabschnitt 32 bildet, und dem Hauptkörper 4a der Masseelektrode 4, zeigt, wenn das Material der oben erwähnten Zusammensetzung eingesetzt wurde. In dieser Ausführungsform ist der Hauptkörper 3a der Zentralelektrode 3 durch Mischen und Schmelzen der Komponenten, und Formziehen (die drawing) der resultierenden Legierung ausgebildet. Der Hauptkörper 3a der Zentralelektrode 3 ist aus einer Nickellegierung gefertigt, welche Nickel als eine Hauptkomponente enthält, Chrom in einem Bereich von 20 bis 30 Gewichtsprozent; Eisen in einem Bereich von 7 bis 20 Gewichtsprozent und Aluminium in einem Bereich von ein bis fünf Gewichtsprozent, ohne irgendwelche Elemente der Gruppe spezifischer Elemente, das sind Zr, Y, Nd, Ce, La und Sm, zu enthalten.

Diese Ausführungsform hat ein technisches Merkmal durch ein Enthalten der Gruppe spezifischer Elemente. Das Folgende zeigt ein Resultat eines Experiments, wobei die Menge des spezifischen Elementgehalts, welche dem Material hinzugefügt ist, geändert wird. Das Material enthielt Cr: 25,0 Gewichtsprozent, Al: 2,5 Gewichtsprozent, Fe: 10,0 Gewichtsprozent, Si: 0,1 Gewichtsprozent, Mn: 0,08 Gewichtsprozent, C: 0,17 Gewichtsprozent, Ti: 0,1 Gewichtsprozent und Ni: den Rest, und die Gruppe spezifischer Elemente wurde dort hinzugefügt. Ermüdungsfestigkeit bei hoher Temperatur und Bearbeitbarkeit des Materials wurden ausgewertet. Tabelle 1

No.	Komponenten (Gewichtsprozent)														Ermüdungsfestigkeit bei hoher Temperatur	Bearbeitbarkeit
No.	Ni	Cr	Al	Fe	Si	Mn	C	Ti	Y	Zr	Nd	Ce	La	Sm	Ermüdungsfestigkeit bei hoher Temperatur	Bearbeitbarkeit
1 *	62, 05	25.00	2,50	10,00	0,10	0,08	0,17	0,10							X	○
2	61,05	25.00	2,50	10,00	0,10	0,08	0,17	0,10	1,00						○	○
3	61,05	25.00	2,50	10,00	0,10	0,08	0.17	0,10		1,00					○	○
4	61,05	25.00	2,50	10,00	0,10	0,08	0,17	0,10			1.00				○	○
5	61,05	25.00	2,50	10,00	0,10	0,08	0,17	0,10				1.00			○	○
6	61,05	25.00	2,50	10,00	0,10	0,08	0,17	0, 10					1.00		○	○
7	61.05	25,00	2,50	10,00	0,10	0,08	0,17	0.10						1.00	○	○
8*	60,85	25,00	2.50	10,00	0,10	0,08	0,17	0,10	1,20						○	X
9 *	60,85	25.00	2,50	10,00	0,10	0,08	0,17	0, 10		1,20					○	X
10	61,89	25,00	2, 50	10,00	0,10	0,08	0,17	0,10	0.0B	0,08					○	○
11	61,89	25,00	2,50	10,00	0,10	0,08	0,17	0, 10		0,08		0,08			○	○
12	61,89	25, 00	2,50	10,00	0,10	0,08	0,17	0, 10			0,08		0, 08		○	○
13	61,89	25.00	2, 50	10,00	0,10	0,08	0.17	0,10	0,055	0,07					○	○
14 *	61,95	25,00	2,50	10,00	0,10	0,08	0.17	0,10	0,05	0,05					X	○
15	61.89	25,00	2,50	10,00	0,10	0,08	0,17	0,10	0.06	0,21					○	○
16	61,89	25,00	2,50	10,00	0,10	0,08	0.17	0, 10	0,09	0,18					○	○
17	61,89	25,00	2.50	10,00	0,10	0,08	0,17	0,10	0,13	0,14					○	○
18	61,89	25,00	2,50	10,00	0,10	0,08	0,17	0,10	0,18	0,09					○	○
19	61,89	25,00	2,50	10,00	0,10	0,08	0,17	0, 10	0,20	0,07					○	○
=vergleichendes Beispiel

In der Auswertung nach Ermüdungsfestigkeit bei hoher Temperatur in Tabelle 1, wurde eine Probe der produzierten Masseelektrode einem Rotations-Biege-Ermüdungstest (rotating bending fatigue test) gemäß JIS Z2274 unterworfen. Basierend auf einem Achsgewicht-Ermüdungstest (axle weight fatigue test) wurde eine Testmaschine wie folgt eingestellt. Temperatur: 700°C, Belastungsamplitudebedingungen: Ziehen/Komprimieren bei 120 Mpa, Wiederholungsgeschwindigkeit: 3000 rpm, Zahl der Wiederholungen: 10⁸ Zyklen. Dann wurde die Masseelektrode ohne ein Brechen nach dem Test mit „O“ bezeichnet und die Masseelektrode mit irgendeinem Brechen, was nach dem Test beobachtet wurde, wurde mit „X“ bezeichnet.
Auf der anderen Seite wurde, in der Auswertung einer Bearbeitbarkeit, ein kreisförmiger Stab mit einem Durchmesser von 15 mm zu einer Dimension von 1,5 mm x 2,8 m im Querschnitt durch eine Kalt-Arbeit (cold work) prozessiert und es wurde ausgewertet, ob dies möglich war oder nicht. „O“ kennzeichnet, dass die Kalt-Arbeit implementiert war und „X“ kennzeichnet, dass die Kalt-Arbeit nicht implementiert werden konnte oder ein Riss in dem Stab erzeugt wurde.
Probe Nr. 1 enthielt keine Gruppe spezifischer Elemente (das ist äquivalent zum Stand der Technik). In diesem Fall war eine Ermüdungsfestigkeit bei hoher Temperatur „X“ und eine Bearbeitbarkeit war „O“. Wie oben erwähnt, wurde dieses Resultat einem Aluminiumnitrid zugeschrieben, welches in der Korngrenze gebildet ist.
Proben Nr. 2 bis 7 enthielten jede einen verschiedenen Typ eines spezifischen Elements mit Anteil von 1 Gewichtsprozent. Probe Nr. 2 enthielt Y und Probe Nr. 3 enthielt Zr. Ähnlich enthielt Probe Nr. 4 Nd, Probe Nr. 5 enthielt Ce, Probe Nr. 6 enthielt La und Probe Nr. 7 enthielt Sm. Das Resultat zeigt „O“ für Bearbeitbarkeit und Ermüdungsfestigkeit bei hoher Temperatur. Dadurch, dass des spezifischen Elements zu einer oberen Grenze (1 Gewichtsprozent) enthalten ist, ist es offensichtlich, dass das Bilden von Aluminiumnitrid vollständig verhindert wurde.
Auf der anderen Seite enthielt Probe Nr. 8 Y mit 1,2 Gewichtsprozent und Probe Nr. 9 enthielt Zr mit 1,2 Gewichtsprozent. Das Resultat zeigt „X“ für eine Bearbeitbarkeit. Somit ist es offensichtlich, dass sich eine Bearbeitbarkeit verschlechtert, wenn der Gehalt des spezifischen Elements die obere Grenze (1 Gewichtsprozent) übersteigt.
Proben Nr. 10 bis 12 enthielten jeweils zwei Typen von spezifischen Elementen. Jede Probe enthält jedes Element mit 0,08 Gewichtsprozent. Probe Nr. 10 enthielt Y und Zr. Probe Nr. 11 enthielt Zr und Ce. Probe Nr. 12 enthielt Nd und La. Das Resultat zeigt, dass eine Ermüdungsfestigkeit bei hoher Temperatur und eine Bearbeitbarkeit beide „O“ waren. Der Gesamtgehalt von zwei Typen von spezifischen Elementen war 0,16 Gewichtsprozent, was als 0,125 Gewichtsprozent oder mehr angesehen wurde, was gleich 5 % eines Al-Gehalts von 2,5 Gewichtsprozent war. Daher wurde durch Enthalten solch einer Menge der Gruppe spezifischer Elemente das Bilden von Aluminiumnitrid vollständig verhindert. Weiterhin war eine Verformung der Probe Nr. 10 während des rotierenden Biege-Ermüdungstests die niedrigste unter den Probe Nummern 10 bis 12.
Probe Nr. 13 enthielt Y zu 0,055 Gewichtsprozent und Zr zu 0,07 Gewichtsprozent. Der Gesamtgehalt der Gruppe spezifischer Elemente war 0,125 Gewichtsprozent, was genau 5 % eines Al-Gehalts von 2,5 Gewichtsprozent war. Das Resultat zeigt auch „O“ für eine Bearbeitbarkeit und eine Ermüdungsfestigkeit bei hoher Temperatur. Auf der anderen Seite enthielt Probe Nr. 14 zu 0,05 Gewichtsprozent Y und zu 0,05 Gewichtsprozent Zr. Somit war der Gesamtgehalt der Gruppe spezifischer Elemente 0,1 Gewichtsprozent, was als weniger als 0,125 Gewichtsprozent angesehen wurde, was gleich 5 % eines Al-Gehalts von 2,5 Gewichtsprozent war. Das Resultat einer Ermüdungsfestigkeit bei hoher Temperatur war „X“. Als ein Resultat wurde, wenn der Gesamtgehalt der Gruppe spezifischer Elemente kleiner als 5 % eines Al-Gehalts ist, dass Bilden von Aluminiumnitrid nicht vollständig verhindert und eine Ermüdungsfestigkeit bei hoher Temperatur verschlechterte sich.
Proben Nr. 15 bis 19 enthielten Yttrium (Y) und Zirkonium (Zr) zu 0,27 Gewichtsprozent im Ganzen, während die Prozentsätze von Y 0,06 Gewichtsprozent, 0,09 Gewichtsprozent, 0,13 Gewichtsprozent, 0,18 Gewichtsprozent und 0,2 Gewichtsprozent sind. Somit ist das Verhältnis von Y zu Zr 0,29 (Probe Nr. 15), 0,5 (Probe Nr. 16), 0,93 (Probe Nr. 17), 2,0 (Probe Nr. 18) und 2,9 (Probe Nr. 19). Das Resultat einer Ermüdungsfestigkeit bei hoher Temperatur und einer Bearbeitbarkeit war „O“ in jeder Probe. Weiterhin in Hinsicht auf eine Verformung der Probennummern 15 bis 19 während des Rotations-Biege-Ermüdungstests, war eine Verformung von Probennummern 16 bis 18 kleiner als Probenummern 15 und 19.
Zusätzlich ist die Erfindung insbesondere nicht auf die Ausführungsform beschränkt, welche oben beschrieben wurde, sondern kann wie folgt geändert oder abwandelt werden.

(a) in dem oben erwähnten Experiment der Ausführungsform können, obwohl ein oder zwei Typen eines spezifischen Elements in dem Material des Hauptkörpers 4a enthalten waren, drei oder mehr Typen eines spezifischen Elements enthalten sein. In diesem Fall sollte jedes spezifische Element, was enthalten ist, in einem fast gleichen Prozentsatz vorhanden sein.
(b) in der oben erwähnten Ausführungsform wurde das Material mit der oben erwähnten Zusammensetzung als ein Material eingesetzt, welches die Masseelektrode 4 (den Hauptkörper 4a) bildet. Zusätzlich dazu kann das Material mit der oben erwähnten Zusammensetzung auch als ein Material eingesetzt werden, welches die Zentralelektrode 3 (den Hauptkörper 3a) bildet.
(c) der Hauptkörper der Zentralelektrode kann aus einer Nickellegierung gefertigt sein, welche die Gruppe spezifischer Elemente in einer kleineren Menge enthält als der Hauptkörper der Masseelektrode. Zum Beispiel kann Probenummer 14 für den Hauptkörper der Zentralelektrode benutzt werden, während Probe 10 oder dergleichen für den Hauptkörper der Masseelektrode benutzt wird.

Figurenliste

1 ist eine erläuternde Ansicht, welche eine Konstruktion einer Zündkerze zeigt.
2 ist eine erläuternde Ansicht, welche ein Bilden eines Entladungsabschnitts zeigt, welcher in jedem Hauptkörper der Zentralelektrode und Masseelektrode bereitgestellt ist.

Bezugszeichenliste

1: metallische Schale,
2: Isolator,
3: Zentralelektrode,
4: Masseelektrode,
3a, 4a: Hauptkörper,
6: Durchgangsloch,
7: Schraubenabschnitt,
21: vorderer Endabschnitt,
31, 32: Entladungsabschnitt,
33: Zündentladungsspalt,
100: Zündkerze,
B1, B2: geschweißter Abschnitt.

Claims

Zündkerze (100), umfassend: eine Zentralelektrode (3); und eine Masseelektrode (4), welche so angeordnet ist, dass eine elektrische Entladungslücke (33) zwischen der Zentralelektrode (3) und der Masseelektrode (4) ausgebildet ist, wobei mindestens entweder die Zentralelektrode (3) oder die Masseelektrode (4) zumindest teilweise aus einer Nickellegierung gemacht ist, welche enthält: Nickel als eine Hauptkomponente; Chrom in einem Bereich von 20 bis 30 Gewichtsprozent; Eisen in einem Bereich von 7 bis 20 Gewichtsprozent; Aluminium in einem Bereich von 1 bis 5 Gewichtsprozent, und zumindest ein Element einer spezifischen Elementgruppe, welches aus Zirkonium, Yttrium, Neodym, Cerium, Lanthan, und Samarium ausgewählt ist, wobei ein Gesamtgehalt der spezifischen Elementgruppe 5 % oder mehr des Aluminium-Gehalts ist, und wobei die Nickellegierung weiterhin zumindest eines der folgenden Elemente enthält: Mangan nicht mehr als 0,5 Gewichtsprozent, oder Silizium nicht mehr als 0,5 Gewichtsprozent.
Zündkerze (100) gemäß Anspruch 1, wobei ein Gesamtgehalt der spezifischen Elementgruppe ein Gewichtsprozent oder weniger ist.
Zündkerze (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Nickellegierung weiterhin Titan in einem Bereich von 0,05 bis 0,5 Gewichtsprozent enthält.
Zündkerze (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Nickellegierung weiterhin Kohlenstoff in einem Bereich von 0,12 bis 0,5 Gewichtsprozent enthält.
Zündkerze (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Nickellegierung nicht mehr als 70 Gewichtsprozent Nickel enthält.
Zündkerze (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Nickellegierung mindestens Yttrium und Zirkonium enthält.
Zündkerze (100) gemäß Anspruch 6, wobei ein Verhältnis von Yttrium zu Zirkonium zwischen 0,5 und 2 ist.
Zündkerze (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Masseelektrode (4) zumindest teilweise aus der Nickellegierung gemacht ist.
Zündkerze (100) gemäß Anspruch 8, wobei die Zentralelektrode (3) zumindest teilweise aus einer Nickellegierung gemacht ist, welche enthält: Nickel als eine Hauptkomponente; Chrom in einem Bereich von 20 bis 30 Gewichtsprozent; Eisen in einem Bereich von 7 bis 20 Gewichtsprozent, und Aluminium in einem Bereich von 1 bis 5 Gewichtsprozent, aber kein Element der spezifischen Elementgruppe enthält, welches aus Zirkonium, Yttrium, Neodym, Cerium, Lanthan, und Samarium ausgewählt ist.
Zündkerze (100) gemäß Anspruch 8, wobei die Zentralelektrode (3) zumindest teilweise aus einer Nickellegierung gemacht ist, welche umfasst: Nickel als eine Hauptkomponente; Chrom in einem Bereich von 20 bis 30 Gewichtsprozent; Eisen in einem Bereich von 7 bis 20 Gewichtsprozent, Aluminium in einem Bereich von 1 bis 5 Gewichtsprozent, und zumindest ein Element der spezifischen Elementgruppe, welches aus Zirkonium, Yttrium, Neodym, Cerium, Lanthan, und Samarium ausgewählt ist, und wobei ein Gesamtgehalt der spezifischen Elementgruppe in der Zentralelektrode (3) kleiner als der Gesamtgehalt der spezifischen Elementgruppe in der Masseelektrode (4) ist.