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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
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Zündkerzen sind im Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Zündkerzen erzeugen in Otto-Motoren und beim Anlassen von Gasturbinen, etc., die für die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches nötigen Zündfunken zwischen den Elektroden. Die Zündkerzen weisen hierbei Masseelektroden und Mittelelektroden auf, wobei Zündkerzenbauformen mit zwei bis vier Elektroden bekannt sind. Die Elektroden werden hierbei entweder auf das Zündkerzengehäuse (Masseelektrode) oder auf Anschlussstifte (Pins) aufgebracht. Dies kann beispielsweise mittels Schweißen, insbesondere Widerstands-Schweißen, realisiert werden. Hierbei ist ein wichtiger Faktor für die Qualität der Schweißnaht eine schnelle Wärmeeinleitung in den Kontaktbereich zwischen der Elektrode und dem anderen Bauteil. Insbesondere sollte die Prozesstemperatur an der Schweißstelle möglichst schnell erreicht werden, ohne dass es zuvor zu einer Erwärmung des umgebenden Materials kommt. Ein weiterer Problemkreis bei Zündkerzen betrifft die Korrosionsbeständigkeit des Elektrodenmaterials. Diese sollte möglichst hoch sein, um eine möglichst lange Lebensdauer der Zündkerze sicherzustellen. Zwar zeigen Elektrodenwerkstoffe aus reinem Edelmetall oder auf Edelmetallbasis, wie z. B. Platin oder Platinlegierungen mit Irridium, eine gesteigerte Beständigkeit hinsichtlich eines Verschleißes gegen funkenerosive Angriffe. Derartige Elektrodenmaterialien, insbesondere Platin, führen jedoch zu enormen Kosten, welche bei derartigen Massebauteilen wie Zündkerzen problematisch sind. Herkömmliche Elektrodenmaterialien, basierend auf Nickellegierungen mit Aluminiumanteilen, haben jedoch das Problem, dass unter Betriebsbedingungen im Motor ein Großteil der Nickeloberfläche sowie auch ein Teil des Nickels im Inneren des Elektrodenmaterials durch Reaktionen mit dem umgebenden Sauerstoff oxidiert. Dadurch wird eine Nickeloxid-Schicht gebildet, welche sowohl wärmeisolierende wie auch die elektrische Leitfähigkeit unterbindende Eigenschaften aufweist und schon nach einiger Zeit zu Korrosionen bzw. zu funkenerosiver Erosion neigt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass neben einem vereinfachten Aufschweißen der Elektrode auf ein Basisbauteil eine verbesserte Wärmeabfuhr an der Elektrode auf das Basisbauteil beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der Zündkerze möglich ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Elektrode und dass Basisbauteil mittels einer Schweißverbindung miteinander verbunden sind, wobei die Elektrode und das Basisbauteil ein Peltier-Element bilden. Die Elektrode ist aus einem Elektrodenmaterial hergestellt, welches Nickel und Silizium enthält. Bei einem Stromdurchfluss durch die Elektrode und das Basisbauteil, beispielsweise während eines Erzeugen eines Zündfunkens, wird eine Temperaturdifferenz erzeugt. Dabei ist die Auswahl eines Materials für die Elektrode und des Basisbauteils derart, dass während des Stromflusses Wärme von der Elektrode auf das Basisbauteil übertragen wird, um die Elektrode zu kühlen. Somit kann erfindungsgemäß gezielt die Elektrode zumindest an der Schweißverbindung zum Basisbauteil gekühlt werden, woraus im bestimmungsgemäßen Gebrauch der Zündkerze eine reduzierte Temperatur der Elektrode resultiert.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt weist das Peltier-Element bei Anlegen eines Stroms in Höhe von ungefähr 2000 A eine Temperaturdifferenz zwischen der Elektrode und dem Basisbauteil von 50 K bis 120 K, vorzugsweise ungefähr 100 K auf.
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Besonders bevorzugt ist das Material des Basisbauteils aus Stahl, insbesondere aus einem unlegierten Qualitätsstahl, z. B. C10C.
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Bezüglich der nachfolgend genannten Gew.-%-Anteile beziehen sich diese jeweils auf das Gesamtgewicht des für die Elektrode verwendeten Elektrodenmaterials.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Basisbauteil ein Zündkerzengehäuse oder ein Stift, insbesondere ein Edelmetallstift, vorzugsweise aus Platin. Besonders bevorzugt ist ein Nickelanteil der Elektrode zwischen 97 und 99 Gew.-%, insbesondere 97,5 bis 98,5 Gew.-% und insbesondere ca. 98 Gew.-%. Bevorzugt ist der Siliziumanteil zwischen 0,7 bis 1,3 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,9 bis 1,10 Gew.-%, und vorzugsweise ungefähr 1 Gew.-%. Bevorzugt ist das Elektrodenmaterial ferner im Wesentlichen aluminiumfrei und/oder im Wesentlichen frei von Aluminiumverbindungen und/oder im Wesentlichen chromfrei und/oder im Wesentlichen frei von Chromverbindungen und/oder im Wesentlichen eisenfrei und/oder im Wesentlichen frei von Eisenverbindungen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung enthält das Elektrodenmaterial Kupfer, insbesondere zwischen 0,5 bis 1,25 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,60 bis 0,85 Gew.-% und besonders bevorzugt ungefähr 0,75 Gew.-%. Weiter bevorzugt enthält das Elektrodenmaterial Yttrium, insbesondere 0,07 bis 0,13 Gew.-%, ferner insbesondere 0,09 bis 0,11 Gew.-% und insbesondere 0,10 Gew.-%.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht das Elektrodenmaterial im Wesentlichen aus 98,15 Gew.-% Nickel, 1 Gew.-% Silizium, 0,75 Gew.-% Kuper und 0,1 Gew.-% Yttrium, wobei gegebenenfalls noch kleinere Verunreinigungen vorhanden sind, welche für das erfindungsgemäße Elektrodenmaterial jedoch vernachlässigbar sind.
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Weiter bevorzugt ist das Elektrodenmaterial im Wesentlichen frei von intermetallischen Phasen.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze, wobei das Verfahren die Schritte des Bereitstellens einer Elektrode und eines Basisbauteils und des Fixierens der Elektrode auf das Basisbauteil mittels elektrischem Widerstandsschweißen umfasst. Die Elektrode ist dabei aus einem Nickel und Silizium enthaltenden Elektrodenmaterial hergestellt. Die Gew.-Anteile von Nickel und Silizium liegen dabei vorzugsweise, bezogen auf das Gesamtgewicht der Elektrode, im Bereich von 98,15 Gew.-% für Nickel und 1 Gew.-% für Silizium. Ferner ist beim elektrischen Widerstandsschweißen eine Stromrichtung während des Widerstandsschweißvorgangs derart gewählt, dass aufgrund des Peltier-Effekts während des Schweißvorgangs eine Temperaturänderung, insbesondere eine zusätzliche Erwärmung an der Kontaktfläche zwischen Elektrode und Basisbauteil auftritt. Somit kann erfindungsgemäß durch Wahl der Stromrichtung während des Elektroschweißens ein verbessertes Schweißergebnis an der Schweißverbindung zwischen Elektrode und Basisbauteil erhalten werden.
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Vorzugsweise erfolgt durch den Peltier-Effekt zwischen der Elektrode und dem Basisbauteil während des Schweißvorgangs ein zusätzlicher Wärmeeintrag, welcher zu einer Temperaturerhöhung von ca. 50 K bis 120 K, bevorzugt ca. 100 K, führt. Insbesondere bei Verwendung des bevorzugten Nickel-Silizium-Elektrodenmaterials kann so eine sehr kurze Herstellzeit für die Befestigung der Elektrode auf dem Basisbauteil, insbesondere einem Stahl, z. B. C10C, erhalten werden.
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Weiter bevorzugt beträgt während des Schritts des elektrischen Widerstandsschweißens eine Stromhöhe ungefähr 2000 A. Weiter bevorzugt wird der Widerstandsschweißvorgang derart ausgeführt, dass keine plastische Verformung an dem Basisbauteil und/oder der Elektrode auftritt.
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Zeichnung
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Darstellung eines Teils einer Zündkerze, hier insbesondere die Verbindung zwischen einer Elektrode und einem Basisbauteil,
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2 eine schematische Darstellung der Zündkerze,
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3 eine schematische Darstellung einer Temperaturverteilung am bzw. nahe am Kontaktbereich zwischen dem Basisbauteil und der Elektrode, und
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4 ein Diagramm, welches eine Thermospannung U über der Temperatur T am Übergang zwischen der Elektrode und dem Basisbauteil beschreibt.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 eine Zündkerze 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie insbesondere aus den 1 und 2 ersichtlich ist, umfasst die Zündkerze 1 eine Elektrode 2 und ein Basisbauteil 3, wobei die Elektrode 2 mittels einer Schweißverbindung 4 am Basisbauteil 3 befestigt ist. Das Basisbauteil 3 ist ein Stift und die Elektrode ist eine Mittelelektrode. Alternativ ist das Basisbauteil ein Zündkerzengehäuse, so dass die Elektrode dann eine Masseelektrode ist.
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Die Elektrode ist vorzugsweise aus einem Elektrodenmaterial, umfassend Nickel und Silizium, hergestellt. Genauer umfasst das Elektrodenmaterial als Bestandteile, bezogen auf die Gesamtmasse des Elektrodenmaterials, 98,15 Gew.-% Nickel, 0,75 Gew.-% Kupfer, 1 Gew.-% Silizium, 0,10 Gew.-% Yttrium. Somit ist das Elektrodenmaterial dieses Ausführungsbeispiels im Wesentlichen aluminiumfrei, im Wesentlichen eisenfrei und im Wesentlichen chromfrei und im Wesentlichen frei von Verbindungen dieser drei Elemente. Für dieses Elektrodenmaterial ist in 3 schematisch eine Kurve der Temperatur über die Schweißverbindung 4 zwischen dem Basisbauteil aus C10C und der Elektrode sowie in 4 eine Thermospannung U in V über der Temperatur T in °C dargestellt. Wie aus 3 ersichtlich ist, wird dadurch, dass während des elektrischen Widerstandsschweißens ein Strom durch das Basisbauteil 3 und die Elektrode 2 geführt wird, eine zusätzliche Temperaturdifferenz ΔT an der Schweißverbindung 4 aufgebracht. Die mittlere, durchgezogene Linie C zeigt dabei den Temperaturverlauf für das erfindungsgemäße Material mit 98,15 Gew.-% Nickel, 0,75 Gew.-% Kupfer, 1 Gew.-% Silizium, 0,10 Gew.-% Yttrium ohne Bereitstellung einers Peltier-Effekts an. Die obere, gestrichelt eingezeichnete Linie A deutet dabei den Kurvenverlauf bei einer optimalen Polarität an und die punktiert gezeichnete Kurve B zeigt den Kurvenverlauf bei einer ungünstigen Polarität an.
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Somit kann erfindungsgemäß durch Festlegung der Stromrichtung während des elektrischen Widerstandsschweißvorgangs die Temperatur der Elektrode 2 im Bereich der Schweißverbindung 4 gezielt erhöht werden. Hierdurch kann gezielt der Schweißvorgang unterstützt werden, so dass die Prozesszeit verringert und die Qualität der Schweißnaht verbessert wird.
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4 zeigt das erfindungsgemäße Nickel-Silizium-Kupfer-Yttrium-Elektrodenmaterial im Vergleich mit einem herkömmlichen NiCr15Fe8-Elektrodenmaterial. 4 zeigt dabei einen Vergleich der Betriebszustände der Zündkerzen, d. h., wenn ein elektrischer Stromdurchfluss durch die Elektrode 2 und das Basisbauteil 3 vorliegt. Abhängig von der Temperatur T ist bei dem erfindungsgemäßen Nickel-Silizium-Kupfer-Yttrium-Elektrodenmaterial eine Thermospannung U (Kurve D) deutlich geringer als bei dem NiCr15Fe8-Elektrodenmaterial des Standes der Technik (Kurve E). Hierbei nimmt die Thermospannung ungefähr linear ab und ist bei ungefähr 700°C um –7 mV geringer als bei 0°. Im Unterschied dazu steigt die Thermospannung U des Materials des Standes der Technik und liegt bei 700° ca. +3 mV höher als bei 0°C.
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Erfindungsgemäß wird somit durch die Verbindung der Nickel und Silizium umfassenden Elektrode und dem Material des Basisbauteils ein Peltier-Element bereitgestellt, so dass bei einem Stromfluss durch das Peltier-Element z. B. im Zeitpunkt einer Zündung der Zündkerze sich eine Wärmesenke ausbildet. Somit kann erfindungsgemäß die Elektrode 2 besser gekühlt werden.
