DE102010027463A1

DE102010027463A1 - Zündkerze und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102010027463A1
Application number: DE102010027463A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kohl Wolfgang
Original assignee: BorgWarner Beru Systems GmbH
Current assignee: Federal Mogul Ignition GmbH
Priority date: 2010-07-17
Filing date: 2010-07-17
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2030-07-18
Also published as: DE102010027463B4; US20120025690A1; US8610342B2; CN102394474A

Abstract

Beschrieben wird eine Zündkerze (1), die einen Innenleiter (2), einen den Innenleiter (2) umgebenden Isolator (3), einen den Isolator (3) umgebenden Zündkerzenkörper (4) und zwei einen Zündspalt (10) bildende Elektroden (6, 7) enthält. Die erste Elektrode (6) ist eine elektrisch leitend mit dem Innenleiter (2) verbundene Mittelelektrode (6) und die zweite Elektrode (7) eine elektrisch leitend mit dem Zündkerzenkörper (4) verbundene Masseelektrode (7). Wenigstens eine der Elektroden (6; 7) weist einen Edelmetallbereich (8; 9) auf, der an den Zündspalt (10) angrenzt und der überwiegend aus Platin, Iridium oder einer Legierung der beiden besteht und zusätzlich mindestens ein sprödes Metall enthält. Der Edelmetallbereich (8; 9) besteht aus einem überwiegend Platin und/oder Iridium enthaltenden Grundwerkstoff, der eine Beschichtung mit einem spröden Metall, welches spröder ist als der Grundwerkstoff, aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze, die einen Innenleiter, einen den Innenleiter umgebenden Isolator, einen den Isolator umgebenden Zündkerzenkörper und zwei einen Zündspalt bildende Elektroden enthält, wobei die erste Elektrode eine elektrisch leitend mit dem Innenleiter verbundene Mittelelektrode und die zweite Elektrode eine elektrisch leitend mit dem Zündkerzenkörper verbundene Masseelektrode ist, und wobei wenigstens eine der Elektroden einen Edelmetallbereich aufweist, der an den Zündspalt angrenzt und der überwiegend aus Platin, Iridium oder einer Legierung der beiden besteht und zusätzlich mindestens ein sprödes Metall enthält.
Eine Zündkerze dieser Art ist aus der EP 2 012 397 A2 bekannt. Bei der bekannten Zündkerze wird der Edelmetallbereich durch ein Formteil gebildet. Das Formteil ist auf eine unedle Masseelektrode aufgeschweißt. Als Edelmetallwerkstoffe für das Formteil werden insbesondere Platin, Iridium und deren Basislegierungen vorgeschlagen. Es werden zahlreiche vorteilhafte Legierungsbestandteile erwähnt, wobei der überwiegende Teil der genannten Legierungsbestandteile spröde Metalle, insbesondere Rhodium, Iridium, Osmium, Ruthenium und Wolfram sind.
Zündkerzenelektroden, die mit derartigen Edelmetallbereichen armiert sind, weisen eine gute Abbrandfestigkeit auf. Dadurch lassen sich lange Standzeiten der Zündkerzen erreichen.
Durch die Verwendung der spröden Metalle als Legierungsbestandteile wird der Werkstoff des Edelmetallbereichs ebenfalls spröde und lässt sich nur noch schwer verarbeiten. Insbesondere Umformungsvorgänge bei der Herstellung von Formteilen sind sehr schwierig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zündkerze zu schaffen, die sich einfacher herstellen lässt.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Edelmetallbereich aus einem überwiegend Platin und/oder Iridium enthaltenden Grundwerkstoff besteht, der eine Beschichtung mit einem spröden Metall, welches spröder ist als der Grundwerkstoff, aufweist.
Die erfindungsgemäße Zündkerze lässt sich einfacher herstellen. Für den Grundwerkstoff des Edelmetallbereichs kann ein relativ duktiler Werkstoff verwendet werden, der sich bei der Herstellung noch relativ gut umformen und bearbeiten lässt. Nachdem der Edelmetallbereich in seine endgültige Form gebracht wurde, wird er mit einer spröden Beschichtung versehen. Die Beschichtung besteht überwiegend aus einem spröden Metall, bevorzugt überwiegend aus Rhodium, Iridium, Osmium, Ruthenium oder Wolfram, oder einer Kombination daraus. Diese Metalle sind sehr spröde und lassen sich umformtechnisch kaum bearbeiten. Bei einer Auftragung als Beschichtung ist die Verarbeitung einfacher. Die Sprödigkeit beeinträchtigt das Beschichtungsverfahren nicht.
Besonders vorteilhaft ist, wenn der Grundwerkstoff des Edelmetallbereichs überwiegend aus Platin und die Beschichtung überwiegend aus Rhodium besteht. Sehr günstig ist, wenn an der Oberfläche des Edelmetallbereichs eine Schicht vorhanden ist, die einen Rhodiumanteil von über 20% enthält.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass sich mit erfindungsgemäßen Zündkerzen höhere Standzeiten bei Betrieb erreichen lassen. Eine erfindungsgemäße Zündkerze weist unerwartet eine sehr gute Abbrandfestigkeit auf. Insbesondere gegenüber den bekannten Zündkerzen, die mit schmelzmetallurgisch hergestellten Edelmetallbereichen armiert waren, sind die Standzeiten erhöht. Dies ist neben der einfacheren Herstellung ein wichtiger Vorteil.
In Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Beschichtung ein Seltenerdmetall, insbesondere Yttrium, Lanthan und/oder Cer, enthält. Seltenerdmetalle können die Abbrandfestigkeit weiter verbessern.
Es ist vorteilhaft, wenn die Beschichtung eine galvanische Beschichtung ist. Die spröden Metalle, insbesondere das Rhodium, lassen sich galvanisch leicht abscheiden. Insbesondere wird das bekannte „Tamponverfahren” eingesetzt, bei dem die Beschichtung mit Hilfe eines Stempels aufgebracht wird, der an einem Ende ein schwammartiges Material aufweist, das eine Elektrolytlösung enthält, aus der die Beschichtung auf die Oberfläche des Edelmetallbereiches abgeschieden wird. Das galvanische Beschichten lässt sich dadurch leicht automatisieren und in einer Massenproduktion kostengünstig umsetzen. Die Schichtdicke der Beschichtung beträgt vorteilhafterweise 0,1 µm bis 1 µm und liegt insbesondere zwischen 0,1 µm und 0,5 µm.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Zündkerze der eingangsgenannten Art. Dabei wird aus einem Grundwerkstoff, der überwiegend aus Platin, Iridium oder einer Legierung der beiden besteht, ein Edelmetallbereich hergestellt. Der Edelmetallbereich wird in seine endgültige Form gebracht. Anschließend wird der Edelmetallbereich mit einem spröden Metall beschichtet.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass der Grundwerkstoff des Edelmetallbereichs bei der Herstellung, also bei der Bearbeitung und Umformung, noch relativ duktil ist und sich daher leicht verarbeiten lässt. Das spröde Metall braucht in dem Grundwerkstoff noch nicht enthalten zu sein. Erst nachdem der Edelmetallbereich in seine endgültige Form gebracht ist, wird das spröde Metall in Form der Beschichtung auf die Oberfläche des Grundwerkstoffs aufgebracht. Die spröde Beschichtung wird also erst dann aufgebracht, wenn keine weitere Umformung des Edelmetallbereiches mehr notwendig ist.
Bei einer Ausgestaltung kann es vorteilhaft sein, dass der in seine endgültige Form gebrachte Edelmetallbereich beschichtet wird und anschließend auf die Elektrode aufgesetzt und mit ihr verbunden wird. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Edelmetallbereich vor der Verbindung mit der Elektrode vollständig fertig ist.
Bei einer weiteren Ausgestaltung ist es vorteilhaft, wenn der Edelmetallbereich vor dem Beschichten auf die Elektrode aufgesetzt und mit ihr verbunden wird. Die Elektrode mit dem daran befestigten Edelmetallbereich wird anschließend beschichtet. Dabei wird zumindest der Edelmetallbereich mit einem spröden Metall beschichtet. Es kann vorgesehen sein, dass auch Bereiche um den Edelmetallbereich herum noch mit einer Beschichtung versehen werden. Hierdurch ist sichergestellt, dass auch der Verbindungsbereich, insbesondere die Legierungszone, zwischen Elektrode und Edelmetallbereich mit einer Beschichtung versehen ist. Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn der aus dem Grundwerkstoff hergestellte Edelmetallbereich auf die Elektrode aufgesetzt und mit ihr verbunden wird, dann zumindest der Edelmetallbereich in seine endgültige Form gebracht wird und anschließend mindestens der Edelmetallbereich beschichtet wird. Diese Vorgehensweise ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Edelmetallbereich nach der Befestigung auf der Elektrode noch umgeformt werden soll.
Zum Verbinden des Edelmetallbereichs mit der Elektrode ist ein Laser- oder Elektronenstrahlschweißverfahren besonders gut geeignet. Beim Aufsetzen des Edelmetallbereichs auf die Elektrode kann ein Widerstandsschweißen vorteilhaft sein, um den Edelmetallbereich für den nachfolgenden Laser- oder Elektronenstrahlschweißvorgang auf der Elektrode zu fixieren.
Ein beschichteter Edelmetallbereich lässt sich sowohl zur Bestückung einer Masseelektrode als auch zur Bestückung einer Mittelelektrode einsetzen. Selbstverständlich kann die Zündkerze auch an beiden Elektroden einen entsprechend ausgebildeten Edelmetallbereich aufweisen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
Es zeigt:
1 eine teilweise dargestellte Zündkerze gemäß der Erfindung, in vergrößerter und teilweise geschnittener Darstellung.
Die in 1 dargestellte Zündkerze 1 enthält einen Innenleiter 2, der von einem Isolator 3 umgeben ist. Es ist ein Zündkerzenkörper 4 vorgesehen, der den Isolator 3 umgibt und ihn aufnimmt. Der Zündkerzenkörper 4 ist an seiner Außenfläche mit einem Gewinde 5 versehen. Die Zündkerze enthält zwei Elektroden 6 und 7. Die erste Elektrode 6 ist eine Mittelelektrode, die elektrisch leitend mit dem Innenleiter 2 verbunden ist. Die zweite Elektrode 7 ist eine Masseelektrode, die elektrisch leitend mit dem Zündkerzenkörper 4 verbunden ist. Es ist an der Mittelelektrode 6 ein Edelmetallbereich 8 und an der Masseelektrode 7 ein Edelmetallbereich 9 befestigt. Die Masselektrode 7 ist dachelektrodenförmig über der Mittelelektrode 6 angeordnet, so dass sich die Edelmetallbereiche 8 und 9 mit einem Abstand A gegenüberliegen und einen Zündspalt 10 bilden.
Die Zündkerze 1 kann in an sich bekannter Weise mit ihrem Gewinde 5 in einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden. Der Bereich der Zündkerze 1 mit den Elektroden 6 und 7 ragt dabei in einen Brennraum des Verbrennungsmotors und kann dort ein Kraftstoff-Luft-Gemisch entzünden.
Die Erfindung wird im Folgenden am Beispiel der Masseelektrode 7 und des Edelmetallbereichs 9 beschrieben. Die Ausführungen gelten in analoger Weise für die Mittelelektrode 6 und den Edelmetallbereich 8. Auf eine separate Beschreibung wird zur Vermeidung von Wiederholungen verzichtet.
Für die Masseelektrode 7 ist eine hochwärmebeständige Nickelbasislegierung besonders geeignet, zum Beispiel Inconelwerkstoffe, insbesondere Inconel 600. Andere gut geeignete Legierungen sind Nickelbasislegierungen, welche 1,5 bis 2,5 Gew.-% Silizium, 1,5 bis 3 Gew.-% Aluminium, bis zu 0,5 Gew.-% Mangan und 0,05 bis 0,2 Gew.-% Titan in Kombination mit 0,1 bis 0,3 Gew.-% Zirkon enthalten und zum Rest aus Nickel bestehen, wobei das Zirkon ganz oder teilsweise durch die doppelte Masse Hafnium ersetzt sein kann. Eine andere gut geeignete Nickelbasislegierung enthält 1,5 bis 2,5 Gew.-% Silizium, 1,5 bis 3 Gew.-% Aluminium, bis zu 0,5 Gew.-% Mangan und 0,005 bis 0,2 Gew.-% Yttrium in Kombination mit 0,05 bis 0,3 Gew.-% Lanthan und als Rest Nickel.
Der Edelmetallbereich 9 ist aus einem Grundwerkstoff hergestellt, der bevorzugt überwiegend aus Platin oder einer Platinbasislegierung bestehen kann. Platin ist sehr duktil und lässt sich leicht bearbeiten und umformen. Als Legierungsbestandteile werden vorwiegend ebenfalls duktile Metalle, wie beispielsweise Palladium und/oder Rhenium eingesetzt. Des Weiteren können auch spröde Metalle als Legierungsbestandteile, insbesondere Iridium, in solchen Mengen verwendet werden, dass die gute Verarbeitbarkeit nicht unzulässig stark beeinträchtigt wird.
Bei der Herstellung der Zündkerze 1 wird die Masseelektrode 7 mit dem Edelmetallbereich 9 versehen. Für den Edelmetallbereich 9 wird ein aus dem Grundwerkstoff separat vorgefertigtes Bauteil verwendet. Das separat vorgefertigte Bauteil des Edelmetallbereichs 9 wird auf die Masseelektrode 7 aufgesetzt und mit ihr verbunden. Nach dem Aufsetzen wird der Edelmetallbereich 9 durch Widerstandsschweißen an der Masseelektrode 7 fixiert. Anschließend wird der Edelmetallbereich 9 mit der Masseelektrode 7 durch einen Laser- oder Elektronenstrahl verschweißt. Dabei entsteht zwischen dem Edelmetallbereich 9 und der Masseelektrode 7 eine Legierungszone 11.
Anschließend wird auf die Oberfläche 12 des Edelmetallbereichs 9 eine Beschichtung aus einem spröden Metall aufgetragen. Die Beschichtung besteht bevorzugt überwiegend aus Rhodium. Es ist vorteilhaft, wenn die Beschichtung weitere Bestandteile enthält, die einen sehr hohen Schmelzpunkt aufweisen, beispielsweise Seltenerdmetalle. Die Beschichtung wird mit Hilfe eines nicht dargestellten Stempels aufgebracht. Der Stempel weist ein Ende auf, an dem ein schwammartiges Material vorgesehen ist. In dem schwammartigen Material ist eine Elektrolytlösung enthalten, die das als Beschichtung aufzutragende Metall enthält. Der Stempel wird mit dem schwammartigen Material auf die Oberfläche 12 aufgesetzt, und durch ein Anlegen einer Spannung an den Stempel und an die Masseelektrode 7 wird die Beschichtung auf die Oberfläche 12 abgeschieden. Dabei kann vorgesehen sein, dass auch die Legierungszone 11 mit beschichtet wird. Die Schichtdicke der Beschichtung beträgt 0,1 µm bis 0,5 µm.
Je nach ursprünglicher Ausgestaltung des für den Edelmetallbereich 9 verwendeten Bauteils kann es vorteilhaft sein, die Oberfläche 12 des über die Masseelektrode 7 vorstehenden Edelmetallbereichs 9 vor dem Beschichten, insbesondere nach dem Widerstandsschweißen und vor dem Laserschweißen, in seine endgültige Form zu bringen. Der Edelmetallbereich kann beispielsweise durch einen Formprägevorgang in seine endgültige Form gebracht werden.
Bezugszeichenliste

1: Zündkerze
2: Innenleiter
3: Isolator
4: Zündkerzenkörper
5: Gewinde
6: Mittelelektrode
7: Masseelektrode
8: Edelmetallbereich der Mittelelektrode
9: Edelmetallbereich der Masseelektrode
10: Zündspalt
11: Legierungszone
12: Oberfläche
A: Abstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2012397 A2 [0002]

Claims

Zündkerze (1), die einen Innenleiter (2), einen den Innenleiter (2) umgebenden Isolator (3), einen den Isolator (3) umgebenden Zündkerzenkörper (4) und zwei einen Zündspalt (10) bildende Elektroden (6, 7) enthält, wobei die erste Elektrode (6) eine elektrisch leitend mit dem Innenleiter (2) verbundene Mittelelektrode (6) und die zweite Elektrode (7) eine elektrisch leitend mit dem Zündkerzenkörper (4) verbundene Masseelektrode (7) ist, und wobei wenigstens eine der Elektroden (6; 7) einen Edelmetallbereich (8; 9) aufweist, der an den Zündspalt (10) angrenzt und der überwiegend aus Platin, Iridium oder einer Legierung der beiden besteht und zusätzlich mindestens ein sprödes Metall enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Edelmetallbereich (8; 9) aus einem überwiegend Platin und/oder Iridium enthaltenden Grundwerkstoff besteht, der eine Beschichtung mit einem spröden Metall, welches spröder ist als der Grundwerkstoff, aufweist.
Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine galvanische Beschichtung ist.
Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung überwiegend aus Rhodium, Iridium, Osmium, Ruthenium oder Wolfram, oder einer Kombination daraus, besteht.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung ein Seltenerdmetall, insbesondere Yttrium, Lanthan und/oder Cer, enthält.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Beschichtung 0,1 µm bis 1 µm, insbesondere 0,1 µm bis 0,5 µm, beträgt.
Verfahren zum Herstellen einer Zündkerze (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem überwiegend aus Platin und/oder Iridium bestehenden Grundwerkstoff ein Edelmetallbereich (8; 9) hergestellt wird, der Edelmetallbereich (8; 9) in seine endgültige Form gebracht wird, und anschließend der Edelmetallbereich (8; 9) mit einem spröden Metall beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der in seine endgültige Form gebrachte Edelmetallbereich (8; 9) beschichtet wird und anschließend auf die Elektrode (6; 7) aufgesetzt und mit ihr verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Edelmetallbereich (8; 9) vor dem Beschichten auf die Elektrode (6; 7) aufgesetzt und mit ihr verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Grundwerkstoff hergestellte Edelmetallbereich (8; 9) auf die Elektrode (6; 7) aufgesetzt und mit ihr verbunden wird, dann zumindest der Edelmetallbereich (8; 9) in seine endgültige Form gebracht wird und anschließend mindestens der Edelmetallbereich (8; 9) beschichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb der Zündkerze (1) die Beschichtung und der darunterliegende Grundwerkstoff des Edelmetallbereichs (8; 9) durch den Zündfunken partiell aufgeschmolzen wird und sich eine Mischung aus dem Werkstoff der Beschichtung und dem Grundwerkstoff bildet, die nach Erlöschen des Zündfunkens wieder erstarrt.