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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer 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, bei dem ein Iridiumbauteil, welches mehr als 95 Gew.-% Iridium enthält, auf einer der Elektroden aufgeschweißt wird.
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Die Erfindung betrifft ferner eine mit dem Verfahren hergestellte Zündkerze und ein Iridiumbauteil dafür.
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Ein Verfahren der eingangs genannten Art, sowie eine Zündkerze und ein Iridiumbauteil sind aus der
EP 1 576 707 B1 bekannt. Das Iridiumbauteil wird pulvermetallurgisch hergestellt, indem die gewünschte Iridiumlegierung pulverisiert und anschließend isostatisch gepresst wird. Anschließend werden weitere Schritte zur Formgebung des Iridiumbauteils ausgeführt, um es in seine endgültige Form zu bringen. Das Iridiumbauteil kann anschließend auf eine der Elektroden der Zündkerze aufgeschweißt werden, beispielsweise durch Laserschweißen.
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Für das Iridiumbauteil wird eine Iridiumlegierung mit sehr hohem Iridium-Anteil beschrieben, die aus Iridium gebildet wird, welche 1 bis 3 Gew.-% Rhodium, 0,1 bis 0,5 Gew.-% Wolfram und 0,05 bis 0,01 Gew.-% Zirkonium mit nicht mehr als minimalen Mengen anderer Stoffe enthält.
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Eine Iridiumlegierung mit derart hohem Iridiumanteil hat den Vorteil, dass das Iridiumbauteil bzw. die damit armierten Elektroden der Zündkerzen sehr verschleißfest sind. Derartige Zündkerzen weisen eine sehr hohe Lebensdauer auf. Zudem benötigen Sie nur relativ geringe Zündspannungen.
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Eine pulvermetallurgische Herstellung der Iridiumbauteile mit anschließender Nachbearbeitung ist jedoch sehr aufwendig und kostenintensiv.
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Aus der
DE 197 19 937 A1 ist ein anderes Herstellverfahren für ein Iridiumbauteil bekannt. Dort wird das Iridiumbauteil durch einen Drahtabschnitt von 0,5 mm bis 2,0 mm Länge gebildet. Als Halbzeug wird ein Iridiumdraht mit 70 bis 100 Gew.-% Iridiumanteil verwendet, der auf die gewünschte Länge geschnitten wird. Das Schneiden geschieht durch einen Schleifvorgang, z. B. Abschleifen des Drahts mit einem Schleifmittel. Der Draht kann einen kreisförmigen oder einen polygonalen Querschnitt aufweisen. Das beschriebene „Schleifschneiden” verwendet Diamantschleifmittelkörner. Des Weiteren ist beschrieben, dass Iridiumbauteile aus einem Drahtabschnitt mit einer Länge von weniger als 0,5 mm nachteilig sind. Das Abtrennen der Iridiumbauteile von dem drahtförmigen Halbzeug durch Schleifvorgänge ist ebenfalls sehr aufwendig und zeitintensiv.
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Aus der
EP 1 416 599 A2 ist ein nietförmiges Iridiumbauteil bekannt, das mit Hilfe eines zusätzlichen Bauteils als Zwischenlage auf der Zündkerzenelektrode befestigt ist. Das nietförmige Iridiumbauteil weist eine relativ große Dicke von 0,7 mm auf, so dass es sehr weit über der Elektrodenoberfläche neben dem Iridiumbauteil vorsteht. Hierdurch wird relativ viel Werkstoff für das Iridiumbauteil benötigt. Die Herstellung des Iridiumsbauteils in der nietförmigen Form ist sehr aufwendig. Beides zusammen führt zu hohen Herstellkosten. Die Zwischenlage besteht aus einer Iridiumlegierung mit einem wesentlich kleineren Iridiumanteil, beispielsweise enthält die Zwischenlage 40 Gew.-% Nickel. Die Zwischenlage wird eingesetzt, um die Verbindbarkeit des Iridiumbauteils mit dem Grundwerkstoff der Elektrode zu verbessern. Da hier bei der Herstellung neben dem Iridiumbauteil auch noch die Zwischenlage gehandhabt und befestigt werden muss, ist dieses Vorgehen ebenfalls aufwendig.
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Der Erfindung liegt ausgehend von der
EP 1 576 707 B1 die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art zu vereinfachen und die dadurch hergestellte Zündkerze zu verbessern.
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Die Aufgabe wir dadurch gelöst, dass ein aus einem Iridiumblech ausgestanztes Iridiumbauteil verwendet wird, dessen Dicke kleiner als sein Durchmesser ist.
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Die Verwendung eines Iridiumblechs als Halbzeug und ein Ausstanzen des Iridiumbauteils aus dem Iridiumblech haben den Vorteil, dass die Herstellung des Iridiumbauteils dadurch stark vereinfacht wird. Ausstanzen ist ein Vorgang, der sich gut zur Herstellung von großen Stückzahlen von Iridiumbauteilen eignet, wie sie für die Serienfertigung von Zündkerzen benötigt werden. Trotz der hohen Sprödigkeit und Härte von Iridium ist es überraschenderweise möglich, Iridiumbauteile aus dünnen Iridiumblechen auszustanzen. Die Iridiumbauteile können ohne weitere Nachbearbeitung verwendet und auf die Zündkerzenelektrode aufgeschweißt werden. Ein Ausstanzen ist insbesondere dann sehr gut möglich, wenn die Dicke des Iridiumbauteils kleiner als sein Durchmesser ist. Die Dicke des Iridiumblechs bzw. des Iridiumbauteils sollte höchstens 0,4 mm betragen.
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Das Ausstanzen eines Iridiumbauteils, dessen Dicke kleiner als ein Durchmesser ist, hat einen weiteren Vorteil, da das Iridiumbauteil dadurch trotz seiner geringen Größe gut handhabbar ist und sich vor dem Aufschweißen auch gut auf der Elektrode positionieren lässt. Aufgrund seiner Abmessungen bleibt ein solches Iridiumbauteil nicht auf seiner parallel zur Dickenrichtung verlaufenden Schmalseite stehen, sondern legt sich praktisch immer von selbst so auf eine Auflagefläche, dass die Dickenrichtung des Iridiumbauteils senkrecht zu der Auflagefläche verläuft. Es ist möglich, Iridiumbauteile in einem separaten Verfahrensschritt durch Ausstanzen vorzufertigen, beispielsweise durch einen Zulieferer, und als Schüttware anliefern zu lassen. Die Iridiumbauteile lassen sich aufgrund ihrer vorgenannten Eigenschaft in einfacher Weise in einem automatisierten Fertigungsprozess wieder vereinzeln und in einer vordefinierten Ausrichtung auf einer Elektrode positionieren und dort aufschweißen. Eine solche Eigenschaft fehlt den bekannten, aus einem drahtförmigen Halbzeug hergestellten Iridiumbauteilen genauso wie den nietförmigen Iridiumbauteilen. Bei den bekannten Iridiumbauteilen ist es nur mit einem vergleichsweise großen Aufwand möglich, ein Iridiumbauteil aus einer als Schüttware angelieferten Menge zu vereinzeln und in der zum Aufschweißen erforderlichen Orientierung zu positionieren.
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Eine Zündkerze mit einem derartigen Iridiumbauteil an wenigstens einer ihrer Elektroden hat den Vorteil, dass sie eine gute Entflammung des Gemisches auch mit relativ geringen Zündspannungen gewährleistet. Die Größe des Iridiumbauteils ist ausreichend, um eine gute Armierung der Elektrode zu gewährleisten und sie vor Verschleiß zu schützen. Die Zündkerze weist eine lange Standzeit und eine hohe Lebensdauer auf. Zugleich ist das Iridiumbauteil relativ klein, so dass nur eine geringe Menge des teuren Edelmetalls Iridium für eine Zündkerze benötigt wird.
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Es hat sich überraschend gezeigt, dass sich ein guter Kompromiss zwischen den sich widersprechenden Anforderungen erreicht werden kann, wenn das Iridiumbauteil ein Verhältnis von Durchmesser zu Dicke aufweist, welches im Bereich von 4 bis 7 liegt. Besonders vorteilhaft liegt das Verhältnis von Durchmesser zur Dicke im Bereich von 5 bis 6. Ein derartiges Iridiumbauteil weist einerseits einen genügend großen Durchmesser im Verhältnis zu seiner Dicke auf, dass die oben beschriebenen Vorteile bei der Handhabung und Positionierung während der Herstellung gut erreicht werden. Andererseits weist das Iridiumbauteil gleichzeitig eine genügend große Dicke im Verhältnis zum Durchmesser auf, so dass es absatzförmig über der Elektrodenoberfläche neben dem Iridiumbauteil vorsteht und die Elektrode vor Verschleiß schützt. Um den Materialbedarf gering zu halten, ist es vorteilhaft, dass das Iridiumbauteil eine Dicke im Bereich von 0,2 mm bis 0,4 mm, insbesondere im Bereich von 0,23 mm bis 0,27 mm aufweist. Mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen Verhältnis von Durchmesser zu Dicke ergibt sich ein bevorzugter Durchmesser im Bereich von 1,0 mm bis 3,0 mm, insbesondere im Bereich von 1,2 mm bis 1,5 mm.
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Bei der Herstellung kann das vorgefertigte Iridiumbauteil auf einer der Elektroden positioniert und dann mit der Elektrode durch Widerstandsschweißen verbunden werden. Zur endgültigen Fixierung des Iridiumbauteils auf der Elektrode wird bevorzugt ein Laser- oder Elektronenstrahlschweißen vorgesehen. Dabei wird das Iridiumbauteil insbesondere entlang seines gesamten Umfangs mit der Elektrode verschweißt.
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Aufgrund der vorherbeschriebenen Eignung des Iridiumbauteils für ein separates Vorfertigen bei einem Zulieferer, soll das erfindungsgemäße Iridiumbauteil separat unter Schutz gestellt werden. Das erfindungsgemäße Iridiumbauteil ist besonders gut für ein Aufschweißen auf der Masseelektrode geeignet. Die Zündkerze weist somit zumindest an der Masseelektrode ein erfindungsgemäßes Iridiumbauteil auf. Bevorzugt wird die Masseelektrode nach dem Aufschweißen des Iridiumbauteils derart gebogen, dass das Iridiumbauteil mit der Mittelelektrode einen Zündspalt bildet. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Mittelelektrode mit einem herkömmlichen Edelmetallbauteil, beispielsweise aus einer Platin- und/oder Iridiumlegierung, versehen ist. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, ein erfindungsgemäßes Iridiumbauteil auch an der Mittelelektrode aufzuschweißen.
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Der Werkstoff des Iridiumbauteils enthält mehr als 95 Gew.-% Iridium. Vorteilhaft enthält sein Werkstoff 2 bis 3 Gew.-% Rhodium. Als weiterer Legierungsbestandteil ist Zirkonium vorteilhaft. Der Anteil an Zirkonium liegt bevorzugt bei etwa 50 bis 200 ppm, insbesondere bei 90 bis 110 ppm. Besonders vorteilhaft ist eine Legierung, die aus technisch reinem Iridium mit 2,5 Gew.-% Rhodium und 50 bis 200 ppm Zirkonium, insbesondere circa 100 ppm Zirkonium, besteht. Eine solche Legierung weist eine hohe Oxidationsbeständigkeit auf, wobei das Rhodium eine schützende Oxidschicht bildet, die jedoch das Zündverhalten nicht stört.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den Zeichnungen.
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Es zeigen:
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1 eine vergrößert und teilweise geschnittene Darstellung einer Zündkerze gemäß der Erfindung,
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2 das Ausstanzen erfindungsgemäßer Iridiumbauteile in stark vergrößerter, schematischer Darstellung, und
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3 eine Draufsicht auf drei erfindungsgemäße Iridiumbauteile gemäß 2 mit unterschiedlichen Außenkonturen.
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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 1 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 Edelmetallbauteil 8 befestigt, welches aus einer herkömmlichen Platin- und/oder Iridiumlegierung bestehen kann. Das Edelmetallbauteil 8 kann jedoch auch ein Iridiumbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung sein.
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Die Masseelektrode 7 ist dachelektrodenförmig über der Mittelelektrode 6 angeordnet. Auf der Masseelektrode 7 ist ein zuvor ausgestanztes Iridiumbauteil 9 aufgeschweißt. Masseelektrode 7 und Iridiumbauteil 9 sind so angeordnet, dass sich das Edelmetallbauteil 8 und das Iridiumbauteil 9 gegenüberliegen und einen Zündspalt 10 bilden.
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Die Zündkerze 1 kann in an sich bekannter Weise mit ihrem Gewinde 5 in einen 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.
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Bei der Herstellung der Zündkerze 1 wird die Masseelektrode 7 mit dem Iridiumbauteil 9 bestückt. Die Masseelektrode 7 ist bereits am Zündkerzenkörper 4 befestigt, weist jedoch noch nicht ihre in 1 dargestellte Form auf. Die Masseelektrode 7 kann sich parallel zur Mittellängsachse der Zündkerze 1 erstrecken. Das durch Austanzen vorgefertigte Iridiumbauteil 9 wird auf der Masseelektrode 7 positioniert und dann mit der Masseelektrode 7 durch Widerstandsschweißen verbunden. Anschließend wird das Iridiumbauteil 9 am gesamten Umfang durch Laserschweißen auf der Masseelektrode 7 fixiert. Beim Laserschweißen bildet sich zwischen dem Iridiumbauteil 9 und der bevorzugt aus einer hochwärmebeständigen Nickelbasislegierung bestehenden Masseelektrode 7 eine Legierungszone, die das Iridiumbauteil 9 dauerhaft auf der Masseelektrode 7 fixiert. Anschließend wird die Masseelektrode 7 in ihre in 1 dargestellte Form gebogen und ausgerichtet, so dass das Iridiumbauteil 9 mit der Mittelelektrode 6 bzw. den Edelmetallbauteil 8 den Zündspalt 10 mit einem definierten Abstand zwischen den Bauteilen 8 und 9 bildet.
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Das Ausstanzen des Iridiumbauteils 9 wird mit Hilfe der 2 und 3 beschrieben, wobei dort drei unterschiedliche Ausgestaltungen des Iridiumbauteils 9 beispielhaft dargestellt sind. Die drei Ausgestaltungen des Iridiumbauteils 9 sind mit den Bezugszeichen 91, 92 und 93 bezeichnet.
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In 2 ist ein Iridiumblech 110 im Schnitt senkrecht zur Blechoberfläche dargestellt. Das Iridiumblech 110 weist eine Dicke A von 0,25 mm auf. Ein Iridiumbauteil 91 wird durch ein schematisch angedeutetes Werkzeug 111 aus dem Iridiumblech 110 ausgestanzt. Das Iridiumbauteil 91 weist somit dieselbe Dicke A wie das Iridiumblech 110 auf. Das Iridiumbauteil 91 hat in der Draufsicht eine kreisförmige Außenkontur, vergleiche 3, mit einem Durchmesser D. Der Durchmesser D ist größer als die Dicke A.
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Neben dem Iridiumbauteil 91 sind zwei weitere Iridiumbauteile 92 und 93 dargestellt, die eine von der Kreisform abweichende Außenkontur aufweisen. Eine von der Kreisform abweichende Außenkontur des Iridiumbauteils 9 kann die Zündwirkung der Zündkerze 1 verbessern. Das Iridiumbauteil 92 weist eine sechseckige und das Iridiumbauteil 93 eine quadratische Außenkontur auf. Bei nicht kreisförmigen Iridiumbauteilen 92, 93 wird als Durchmesser D der Durchmesser des die Außenkontur umschließenden Kreises verstanden, siehe 3. Die Werkzeuge 112, 113 zum Ausstanzen der Iridiumbauteile 92 bzw. 93 weisen eine an die Außenkontur der Iridiumbauteile angepasste Form auf.
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Der Durchmesser D liegt zwischen 1,2 mm und 1,5 mm, so dass das Iridiumbauteil 9 ein Verhältnis von Durchmesser D zu Dicke A zwischen 5 und 6 aufweist. Dieses Verhältnis von Durchmesser D zu Dicke A hat den Vorteil, dass sich die Iridiumbauteile 91, 92, 93 auch bei der Handhabung als Schüttware immer wieder von selbst so auf einer Auflagefläche ablegen, dass ihre Dickenrichtung senkrecht zur Auflagefläche orientiert ist. Die Iridiumbauteile 91, 92, 93 bleiben nicht auf einer ihrer Schmalseiten stehen. Ihre Lage ist somit immer definiert und entspricht derjenigen, in der sie auf die Masseelektrode 7 aufgeschweißt werden. Das Aufschweißen erfolgt so, dass das Iridiumbauteil mit seiner Dicke A über der Elektrodenoberfläche neben dem Iridiumbauteil 9 absatzförmig vorsteht, vergleiche 1. Durch das spezielle Verhältnis von Durchmesser D zu Dicke A ist die Dicke A einerseits genügend groß, dass der absatzförmige Überstand genügend hoch über der Elektrodenoberfläche neben dem Iridiumbauteil vorsteht, um eine ausreichende Verringerung der Zündspannung zu erreichen und einen ausreichenden Verschleißschutz der Masseelektrode 7 zu gewährleisten. Andererseits ist das Iridiumbauteil 9 klein genug, dass nur eine geringe Menge Edelmetall pro Zündkerze benötigt wird.
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Ein den Ausführungsbeispielen 91, 92, 93 ähnliches Iridiumbauteil 9 lässt sich auch als Edelmetallbauteil 8 auf der Mittelelektrode 6 verwenden. Die vorstehenden Ausführungen gelten hierfür analog.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zündkerze
- 2
- Innenleiter
- 3
- Isolator
- 4
- Zündkerzenkörper
- 5
- Gewinde
- 6
- Mittelelektrode
- 7
- Masseelektrode
- 8
- Edelmetallbauteil
- 9
- Iridiumbauteil
- 10
- Zündspalt
- 91
- Rundes Iridiumbauteil
- 92
- Sechseckiges Iridiumbauteil
- 93
- Quadratisches Iridiumbauteil
- 110
- Iridiumblech
- 111
- Stanzwerkzeug für Iridiumbauteil 91
- 112
- Stanzwerkzeug für Iridiumbauteil 92
- 113
- Stanzwerkzeug für Iridiumbauteil 93
- A
- Dicke
- D
- Durchmesser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1576707 B1 [0003, 0009]
- DE 19719937 A1 [0007]
- EP 1416599 A2 [0008]
