DE102013007316A1

DE102013007316A1 - Elektrodenmaterial für eine Zündkerze

Info

Publication number: DE102013007316A1
Application number: DE201310007316
Authority: DE
Inventors: Shuwei Ma
Original assignee: Federal Mogul Ignition Co
Current assignee: Federal Mogul Ignition LLC
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2013-04-29
Publication date: 2013-10-31
Anticipated expiration: 2033-04-30
Also published as: DE102013007316B4

Abstract

Die Vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrodenmaterial, das in Zündkerzen und anderen Zündvorrichtungen verwendet werden kann, einschließlich industrieller Kerzen bzw. Stecker, Zündvorrichtungen für die Luft- und Raumfahrt, Glühzündkerzen, und andere Vorrichtungen, die dazu verwendet werden, um ein Luft-/Brennstoffgemisch in einem Motor zu zünden. In einer Ausführungsform ist das Elektrodenmaterial ein Rutheniumbasiertes Material, das Ruthenium (Ru) als größten Bestandteil auf der Basis von Gew.-% beinhaltet und wenigstens eines von von Rhenium (Re) oder Wolfram (W). Das Elektrodenmaterial kann ferner ein oder mehrere Edelmetalle und/oder Seltenerdmetalle beinhalten. Das Elektrodenmaterial kann verwendet werden, um die Mittelelektrode, die Masseelektrode, Zündspitzen oder andere Zündspitzenkomponenten zu bilden.

Description

BEZUGNAHME AUF VERBUNDENE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung nimmt die Priorität der U. S. Provisional Nr. 61/639,174, eingereicht am 27. April 2012 in Anspruch, wobei dessen gesamter Inhalt durch Bezugnahme in diese eingebunden ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft generell Zündkerzen und andere Zündvorrichtungen für Verbrennungsmotoren und betrifft insbesondere Elektrodenmaterialien für Zündkerzen.
HINTERGRUND
Zündkerzen können dazu verwendet werden, um eine Verbrennung in Verbrennungsmotoren einzuleiten. Zündkerzen zünden typischerweise ein Gas, wie ein Luft-/Brennstoffgemisch, und zwar in einem Motorzylinder oder in einer Verbrennungskammer, indem ein Funken quer über eine Funkenstrecke erzeugt wird, die zwischen zwei oder mehr Elektroden gebildet ist. Das Zünden des Gases mittels des Funkens ruft eine Verbrennungsreaktion in dem Motorzylinder hervor, die für den Leistungshub des Motors verantwortlich ist. Die hohen Temperaturen, die hohen elektrischen Spannungen, die schnelle Wiederholung von Verbrennungsreaktionen und das Vorhandensein von korrosiven Materialien in den Verbrennungsgasen können eine raue Umgebung erzeugen, innerhalb der die Zündkerze funktionieren muss. Die raue Umgebung kann zu einer Erosion und Korrosion der Elektroden beitragen, die die Leistung (”performance”) der Zündkerze über der Zeit negativ beeinträchtigen, was potentiell zu Fehlzündungen oder anderen unerwünschten Zuständen führen kann.
Zur Verringerung von Erosion und Korrosion der Elektroden der Zündkerze sind verschiedene Arten von Edelmetallen und deren Legierungen verwendet worden, einschließlich solcher aus Platin und Iridium. Diese Materialien können jedoch teuer sein. Demzufolge versuchen die Hersteller von Zündkerzen von Zeit zu Zeit, die Menge der in einer Elektrode verwendeten Edelmetalle zu minimieren, indem derartige Materialien lediglich an einer Zündspitze oder an einem Funkenabschnitt der Elektroden verwendet werden, also dort, wo ein Funken über eine Funkenstrecke springt.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einem Aspekt wird eine Zündkerze bereitgestellt, mit einer Metallhülle, die eine Axialbohrung aufweist; einem Isolator, der eine Axialbohrung aufweist und der wenigstens teilweise innerhalb der Axialbohrung der Metallhülle angeordnet ist; einer Mittelelektrode, die wenigstens teilweise innerhalb der Axialbohrung des Isolators angeordnet ist; und einer Masseelektrode, die an der Metallhülle angebracht ist. Die Mittelelektrode, die Masseelektrode oder beide, die Mittel- und die Masseelektrode beinhalten ein Ruthenium-basiertes Elektrodenmaterial, das Ruthenium (Ru), Rhenium (Re) und Wolfram (W) aufweist, wobei das Ruthenium (Ru) der größte Bestandteil des Elektrodenmaterials auf der Basis von Gewichtsprozent (Gew.-%) ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Zündkerze bereitgestellt, mit einer Metallhülle, die eine Axialbohrung aufweist; einem Isolator, der eine Axialbohrung aufweist und der wenigstens teilweise innerhalb der Axialbohrung der Metallhülle angeordnet ist; einer Mittelelektrode, die wenigstens teilweise innerhalb der Axialbohrung des Isolators angeordnet ist; und einer Masseelektrode, die an der Metallhülle angebracht ist. Die Mittelelektrode, die Masseelektrode oder beide, die Mittel- und die Masseelektrode beinhalten ein Ruthenium-basiertes Elektrodenmaterial mit Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), und wenigstens eines von Rhenium (Re) oder Wolfram (W), wobei das Ruthenium (Ru) der größte Bestandteil des Elektrodenmaterials auf der Basis von Gew.-% ist und das Rhodium (Rh) der zweitgrößte Bestandteil des Elektrodenmaterials auf der Basis von Gew.-% ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Elektrode für eine Zündkerze bereitgestellt, mit: einem Ruthenium-basierten Elektrodenmaterial, das Ruthenium (Ru), Rhenium (Re) und Wolfram (W) aufweist, wobei das Ruthenium (Ru) der größte Bestandteil des Elektrodenmaterials auf der Basis von Gew.-% ist. Das Elektrodenmaterial beinhaltet ein Korngefüge, das Rhenium-reiche und Wolfram-reiche Korngrenzen aufweist, die dazu ausgebildet sind, ein Ruthenium(Ru)-Kornwachstum während eines oder mehrerer Warmumformungsprozessen zu hemmen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen der Offenbarung werden nachstehend in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente angeben, und wobei:
1 eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Zündkerze ist, die das nachstehend beschriebene Elektrodenmaterial verwenden kann;
2 eine vergrößerte Ansicht des Zündendes der beispielhaften Zündkerze aus 1 ist, wobei eine Mittelelektrode eine Zündspitze in der Form eines mehrteiligen Niets aufweist und wobei eine Masseelektrode eine Zündspitze in Form eines flachen Plättchens (”pad”) aufweist;
3 eine vergrößerte Ansicht eines Zündendes einer weiteren beispielhaften Zündkerze ist, die das nachstehend beschriebene Elektrodenmaterial verwenden kann, wobei die Mittelelektrode eine Zündspitze in der Form eines einstückigen Niets aufweist und wobei die Masseelektrode eine Zündspitze in der Form einer zylindrischen Spitze aufweist;
4 eine vergrößerte Ansicht eines Zündendes einer weiteren beispielhaften Zündkerze ist, die das nachstehend beschriebene Elektrodenmaterial verwenden kann, wobei die Mittelelektrode eine Zündspitze in der Form einer zylindrischen Spitze aufweist, die in einer Ausnehmung angeordnet ist und die Masseelektrode keine Zündspitze aufweist;
5 eine vergrößerte Ansicht eines Zündendes einer weiteren beispielhaften Zündkerze ist, die das nachstehend beschriebene Elektrodenmaterial verwenden kann, wobei die Mittelelektrode eine Zündspitze in der Form einer zylindrischen Spitze aufweist und wobei die Masseelektrode einen Zündspitze in der Form einer zylindrischen Spitze aufweist, die sich von einem axialen Ende der Masseelektrode erstreckt;
6 ein vergrößertes Gefügebild des Gefüges des nachstehend beschriebenen Elektrodenmaterials nach Sintern und vor dem Extrudieren bzw. Strangpressen, wobei die hier gezeigte beispielhafte Elektrodenmaterialzusammensetzung Ru-5Rh-1Re-1W ist;
7 ein weiteres vergrößertes Gefügebild eines Gefüges des nachstehend beschriebenen Elektrodenmaterials nach einem Warmverformungsprozess ist, wobei die hier gezeigte exemplarische Elektrodenmaterialzusammensetzung wiederum Ru-5Rh-1Re-1W ist;
8 ein Flussdiagramm ist, das ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen einer Zündkerzenelektrode, die aus dem nachstehend beschriebenen Elektrodenmaterial hergestellt ist, darstellt; und
9 ist ein Plan, der eine inverse Polfigur einer Texturachse des nachstehend beschriebenen Elektrodenmaterials nach einem Ziehprozess zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Das vorliegend beschriebene Elektrodenmaterial kann in Zündkerzen und anderen Zündvorrichtungen verwendet werden, einschließlich industrieller Kerzen bzw. Stecker, Zündvorrichtungen für die Luft- und Raumfahrt, Glühzündkerzen, und anderer Vorrichtungen, die dazu verwendet werden, um ein Luft-/Brennstoffgemisch in einem Motor zu zünden. Dies beinhaltet, ist jedoch definitiv nicht hierauf beschränkt, beispielhafte Zündkerzen, die in der Zeichnung dargestellt und nachstehend beschrieben sind. Ferner ist anzumerken, dass das Elektrodenmaterial in einer Zündspitze verwendet werden kann, die an einer Mittel- und/oder an einer Masseelektrode angebracht ist, und/oder dass es in der tatsächlichen Mittelelektrode und/oder in der tatsächlichen Masseelektrode selbst verwendet werden kann, um einige Möglichkeiten zu nennen. Weitere Ausführungsformen und Anwendungen des Elektrodenmaterials sind ebenfalls möglich. Alle hier angegebenen Prozentangaben sind in Gewichtsprozent (Gew.-%) angegeben.
Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beinhaltet eine dort gezeigte beispielhafte Zündkerze 10 eine Mittelelektrode 12, einen Isolator 14, eine Metallhülle 16 und eine Masseelektrode 18. Die Mittelelektrode bzw. das Basiselektrodenelement 12 ist innerhalb einer Axialbohrung des Isolators 14 angeordnet und beinhaltet eine Zündspitze 20, die gegenüber einem freien Ende 22 des Isolators 14 vorsteht. Die Zündspitze 20 ist ein mehrteiliger Niet (”multi-piece rivet”), der eine erste Komponente 32 aufweist, die aus einem erosions- und/oder korrosionsresistenten Material hergestellt ist, wie das nachstehend beschriebene Elektrodenmaterial, und eine zweite Komponente 34 aufweist, die aus einem Zwischenmaterial bzw. Vermittlungsmaterial (”intermediary material”) hergestellt ist, die eine Nickellegierung mit hohem Chromanteil (”high-chromium nickel alloy”) aufweist. Bei dieser besonderen Ausführungsform weist die erste Komponente eine zylindrische Form auf, und die zweite Komponente 34 weist eine gestufte Form auf, die einen im Durchmesser vergrößerten Kopfabschnitt und einen im Durchmesser reduzierten Schaftabschnitt aufweist. Die erste und die zweite Komponente können aneinander angebracht werden mittels einer Laserschweißverbindung, einer Widerstandsschweißverbindung oder einer anderen geeigneten geschweißten oder nicht geschweißten Verbindung. Der Isolator 14 ist innerhalb einer Axialbohrung der Metallhülle 16 angeordnet und ist aus einem Material, wie einem Keramikmaterial, hergestellt, das hinreichend ist, um die Mittelelektrode 12 gegenüber der Metallhülle 16 elektrisch zu isolieren. Das freie Ende 22 des Isolators 14 kann gegenüber einem freien Ende 24 der Metallhülle 16 vorstehen, wie gezeigt, oder kann innerhalb der Metallhülle 16 zurückgezogen sein. Die Masseelektrode oder das Basiselektrodenelement 18 kann gemäß der herkömmlichen L-förmigen Konfiguration konstruiert sein, die in der Zeichnung dargestellt ist, oder gemäß einer anderen Anordnung, und ist an dem freien Ende 24 der Metallhülle 16 angebracht. Gemäß dieser besonderen Ausführungsform beinhaltet die Masseelektrode 18 eine Seitenfläche 26, die der Zündspitze 20 der Mittelelektrode gegenüberliegt und an der eine Zündspitze 30 angebracht ist. Die Zündspitze 30 ist in der Form eines flachen Plättchens ausgebildet und definiert mit der Zündspitze 20 der Mittelelektrode eine Funkenstrecke (”spark gap”) G, wobei diese Zündspitzen jeweils Zündflächen für die Emission und die Rezeption von Elektronen bereitstellen, die die Funkenstrecke queren.
Bei dieser bestimmten Ausführungsform kann bzw. können die erste Komponente 32 der Zündspitze 20 der Mittelelektrode und/oder die Zündspitze 30 der Masseelektrode aus dem vorliegend beschriebenen Elektrodenmaterial hergestellt sein; dies sind jedoch nicht die einzigen Anwendungen für das Elektrodenmaterial. Wie es beispielhaft in 3 gezeigt ist, kann bzw. können die beispielhafte Zündspitze 40 der Mittelelektrode und/oder die beispielhafte Zündspitze 42 der Masseelektrode ebenfalls aus dem Elektrodenmaterial hergestellt sein. In diesem Fall ist die Zündspitze 40 der Mittelelektrode ein einstückiger Niet, und die Zündspitze 42 der Masse-elektrode ist eine zylindrische Spitze, die sich von einer Seitenfläche 26 der Masseelektrode weg erstreckt, und zwar um eine beträchtliche Distanz. Das Elektrodenmaterial kann auch zur Bildung der Zündspitze 50 der beispielhaften Mittelelektrode und/oder der Masseelektrode 18 verwendet werden, die in 4 gezeigt sind. Bei diesem Beispiel ist die Zündspitze 50 der Mittel-elektrode eine zylindrische Komponente, die in einer Ausnehmung oder einem Sackloch 52 angeordnet ist, die bzw. das in dem axialen Ende der Mittelelektrode 12 ausgebildet ist. Die Funkenstrecke G ist zwischen einer Funkenfläche der Zündspitze 50 der Mittelelektrode und einer Seitenfläche 26 der Masseelektrode 18 gebildet, wobei die Seitenfläche 26 auch als Funkenfläche wirkt. 5 zeigt eine weitere mögliche Anwendung für das Elektrodenmaterial, wobei eine zylindrische Zündspitze 60 an einem axialen Ende der Mittelelektrode 12 angebracht ist, und wobei eine zylindrische Zündspitze 62 an einem axialen Ende der Masseelektrode 18 angebracht ist. Die Zündspitze 62 der Masseelektrode bildet mit einer Seitenfläche der Zündspitze 60 der Mittelelektrode eine Funkenstrecke G, und stellt folglich eine etwas andere Zündend-Konfiguration dar als die anderen beispielhaften Zündkerzen, die in der Zeichnung dargestellt sind.
Es ist nochmals anzumerken, dass die oben beschriebenen, nicht einschränkenden Zündkerzen-Ausführungsformen lediglich Beispiele von einigen potentiellen Verwendungen für das Elektrodenmaterial darstellen, da dieses in jeder Zündspitze, Elektrode, Funkenfläche oder anderen Zündend-Komponente verwendbar oder einsetzbar ist, die bei der Verbrennung eines Luft-/Brennstoffgemisches in einem Motor verwendet wird. Beispielsweise können die folgenden Komponenten aus dem Elektrodenmaterial hergestellt bzw. gebildet sein: Mittelelektrode und/oder Masseelektrode; Zündspitze der Mittelelektrode und/oder Zündspitze der Masseelektrode, wobei die Zündspitzen in der Form von Nieten, Zylindern, Stangen, Säulen, Drähten, Kugeln, Hügeln, Kegeln, flachen Plättchen, Scheiben, Ringen, Hülsen etc. vorliegen können; Zündspitzen von Mittelelektrode und/oder Masseelektrode, die direkt an einer Elektrode angebracht sind, oder indirekt an einer Elektrode über eine oder mehrere dazwischen liegende, dazwischen wirkende oder spannungslösende Schichten an einer Elektrode angebracht sind; Zündspitzen von Mittelelektrode und/oder Masseelektrode, die innerhalb einer Ausnehmung einer Elektrode angeordnet sind, in einer Oberfläche einer Elektrode eingebettet sind, oder an einer Außenseite einer Elektrode angeordnet sind, wie eine Hülse oder eine andere ringförmige Komponente; oder Zündkerzen mit mehrfachen Masseelektroden, mehrfachen Funkenstrecken oder Funkenstrecken vom halb-kriechenden Typ (”semi-creeping type”). Dies sind lediglich einige Beispiele von möglichen Anwendungen des Elektrodenmaterials, wobei weitere Anwendungen existieren. Vorliegend kann der Begriff ”Elektrode” – unabhängig davon, ob er sich auf eine Mittel-elektrode, eine Masseelektrode, eine Zündkerzen-Elektrode etc. bezieht – ein Basiselektrodenelement selber beinhalten, eine Zündspitze selber beinhalten, oder eine Kombination aus einem Basiselektrodenelement und einer oder mehrerer Zündspitzen beinhalten, die daran angebracht sind, um einige Möglichkeiten zu nennen.
Das hier beschriebene Elektrodenmaterial ist ein Ruthenium-basiertes Material, das ebenso wenigstens eines der Elemente Rhenium (Re) oder Wolfram (W) beinhaltet. Das Elektrodenmaterial ist verformbarer als einige vergleichbare Ruthenium-basierte Materialien und bewahrt dabei ein akzeptables Niveau an Erosions- und Korrosionsresistenz. Die Verformbarkeit dieser Elektrodenmaterialien verbessert ihre Bearbeitbarkeit, so dass diese einfacher in ein verwendbares Teil umgewandelt werden können. Zum Beispiel für eine mehrschichtige Nietkonstruktion (MLR) wie oben beschrieben und in 1–2 gezeigt, kann eine Zündspitzenkomponente 32, die aus diesen verformbareren Elektrodenmaterialien gefertigt ist, während der Herstellung von einem Draht abgeschert werden und die Verwendung einer Diamantsäge oder ähnlicher Vorrichtungen kann vermieden werden. In einigen Ausführungsformen wird die Verbesserung der Verformbarkeit in dem Elektrodenmaterial wenigstens teilweise dem Zusatz von Rhenium (Re) und insbesondere den beteiligten Fertigungstechniken zugeschrieben, wie zum Beispiel dem Pulvermetallurgiesintern und anderen im Folgenden beschriebene Prozesse.
Der hier verwendete Begriff ”Ruthenium-basiertes Material” beinhaltet im weitesten jedes Material, in dem Ruthenium (Ru) der größte Bestandteil auf der Basis von Gewichtsprozent (%) ist. Dies kann Materialien beinhalten, die mehr als 50% Ruthenium aufweisen, sowie solche, die weniger als 50% Ruthenium aufweisen, solange das Ruthenium der größte Bestandteil ist. Fachleuten ist bekannt, dass Ruthenium eine ziemlich hohe Schmelztemperatur (2334°C) verglichen mit einigen Edelmetallen aufweist, das die Erosionsresistenz eines Elektrodenmaterials, das Ruthenium beinhaltet, verbessern kann. Jedoch kann Ruthenium anfälliger für Oxidation sein als einige Edelmetalle, das die Korrosionsresistenz des Elektrodenmaterials reduzieren kann. Daher kann das Ruthenium-basierte Material wenigstens eines von Rhenium (Re) oder Wolfram (W) und zusätzlich eines oder mehrere Edelmetalle und/oder andere Metalle beinhalten. Einige Beispiele geeigneter Edelmetalle, die verwendet werden können, beinhalten Rhodium (Rh), Platin (Pt), Iridium (Ir) und Kombinationen dessen. Ebenso ist es möglich, dass das Ruthenium-basierte Material ein oder mehrere Seltenerdmetalle wie Yttrium (Y), Hafnium (Hf), Skandium (Sc), Zirkonium (Zr), Lanthan (La), Cer (Ce) und/oder andere Komponenten beinhaltet. Der Anteil dieser Seltenerdmetalle oder aktiven Elemente in dem Elektrodenmaterial kann in einem Bereich von etwa einigen ppm bis etwa 0,3 Gew.-% sein.
Eine Anzahl der beispielhaften Elektrodenmaterialien, die im Folgenden beschrieben sind, beinhalten Ruthenium (Ru), Rhenium (Re) und Wolfram (W), wobei das bevorzugte Verhältnis von Rhenium zu Wolfram 1:1 ist, was jedoch nicht erforderlich ist, da stattdessen andere Verhältnisse verwendet werden können. Die folgenden Ausführungsformen sind Beispiele von unterschiedlichen Elektrodenmaterialien, die verwendet werden können, aber sie sind nicht als eine ausschließliche Liste aller derartigen Ausführungsformen zu verstehen, da auch andere möglich sind. Es sei darauf hingewiesen, dass jede Anzahl von anderen Bestandteilen zu den folgenden Ausführungsformen hinzugefügt werden können. Eine periodische Tabelle, die von der Internationalen Union für Reine und Angewandte Chemie (IUPAC) veröffentlicht wurde, ist im Anhang A (im Folgenden die ”beigefügte periodische Tabelle”) bereitgestellt und soll mit der vorliegenden Anmeldung verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Elektrodenmaterial Ruthenium (Ru) von etwa 50 Gew.-% bis etwa 99 Gew.-%, Rhenium (Re) von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% und Wolfram (W) von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%. Einige nicht einschränkende Beispiele möglicher Zusammensetzungen derartiger Legierungen beinhalten (bei den folgenden Zusammensetzungen bildet Ru den Rest): Ru-10Re-10W, Ru-5Re-5W, Ru-2Re-2W, Ru-1Re-1W, Ru-0,5Re-0,5W und Ru-0,1Re-0,1W. Ein Beispiel für eine ternäre Legierungszusammensetzung, die insbesondere für Zündkerzenelektroden verwendbar ist, ist Ru-(0,5-5)Re-(0,5-5)W, sowie Ru-1Re-1W, wobei allerdings auch andere möglich sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Elektrodenmaterial Ruthenium (Ru) von etwa 50 Gew.-% bis etwa 99 Gew.-%, Rhenium (Re) von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, Wolfram (W) von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% und ein Edelmetall (wie bereits erwähnt ein anderes als Ru) von etwa 1 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-%. Einige Beispiele geeigneter Elektrodenmaterialien, die nur ein Edelmetall zu dem Ruthenium-basierten Material aufweisen und beinhalten: Ru-Rh-Re-W, Ru-Pt-Re-W, Ru-Ir-Re-W, Ru-Pd-Re-W und Ru-Au-Re-W-Legierungen, wobei das Ruthenium (Ru) weiterhin der größte Bestandteil ist. Einige nicht-einschränkende Beispiele möglicher Zusammensetzungen für derartige Legierungen beinhalten (in den folgenden Zusammensetzungen sind die Re- und W-Bestandteile zwischen etwa 0,1 Gew.-% und etwa 10 Gew.-% und der Ru-Bestandteil der Rest): Ru-40Rh-Re-W, Ru-30Rh-Re-W, Ru-20Rh-Re-W, Ru-15Rh-Re-W, Ru-10Rh-Re-W, Ru-8Rh-Re-W, Ru-5Rh-Re-W, Ru-2Rh-Re-W, Ru-1Rh-Re-W, Ru-40Pt-Re-W, Ru-30Pt-Re-W, Ru-20Pt-Re-W, Ru-15Pt-Re-W, Ru-10Pt-Re-W, Ru-5Pt-Re-W, Ru-2Pt-Re-W, Ru-1Pt-Re-W, Ru-40Ir-Re-W, Ru-30Ir-Re-W, Ru-20Ir-Re-W, Ru-15Ir-Re-W, Ru-10Ir-Re-W, Ru-5Ir-Re-W, Ru-2Ir-Re-W, Ru-1Ir-Re-W, Ru-40Pd-Re-W, Ru-30Pd-Re-W, Ru-20Pd-Re-W, Ru-15Pd-Re-W, Ru-10Pd-Re-W, Ru-5Pd-Re-W, Ru-2Pd-Re-W, Ru-1Pd-Re-W, Ru-40Au-Re-W, Ru-30Au-Re-W, Ru-20Au-Re-W, Ru-15Au-Re-W, Ru-10Au-Re-W, Ru-5Au-Re-W, Ru-2Au-Re-W und Ru-1Au-Re-W und Ru-1Au-Re-W. Eine beispielhafte quaternäre Legierungszusammensetzung, die insbesondere für Zündkerzenelektroden verwendbar ist, ist Ru-(1-8)Rh-(0,05-5)Re-(0,5-5)W, wie zum Beispiel Ru-5Rh-1Re-1W, wobei die Menge des Edelmetalls größer ist als wenigstens eins von den Rhenium (Re) oder dem Wolfram (W).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Elektrodenmaterial Ruthenium (Ru) von etwa 50 Gew.-% bis etwa 99 Gew.-%, Rhenium (Re) von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, Wolfram (W) von ungefähr 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, ein erstes Edelmetall von etwa 1 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-%, und ein zweites Edelmetall von etwa 1 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-%, wobei sich das erste und das zweite Edelmetall von dem oben erwähnten Ruthenium (Ru) unterscheiden. Einige Beispiele geeigneter Elektrodenmaterialien mit zwei Edelmetallen zusätzlich zu dem Rutheniumbasierten Material beinhalten: Ru-Rh-Pt-Re-W, Ru-Rh-Ir-Re-W, Ru-Rh-Pd-Re-W, Ru-Rh-Au-Re-W, Ru-Pt-Ir-Re-W, Ru-Pt-Pd-Re-W, Ru-Pt-Au-Re-W, Ru-Ir-Pd-Re-W, Ru-Ir-Au-Re-W und Ru-Au-Pd-Re-W-Legierungen, wobei das Ruthenium (Ru) weiterhin der größte Einzelbestandteil in den entsprechenden Legierungen ist. Einige nicht einschränkende Beispiele von möglichen Zusammensetzungen für derartige Legierungen beinhalten (in den folgenden Zusammensetzungen sind die Re- und W-Bestandteile zwischen etwa 0,1 Gew.-% und etwa 10 Gew.-% und das Ru bilden den Rest): Ru-30Rh-30Pt-Re-W, Ru-20Rh-20Pt-Re-W, Ru-10Rh-10Pt-Re-W, Ru-8Rh-8Pt-Re-W, Ru-5Rh-5Pt-Re-W, Ru-2Rh-2Pt-Re-W, Ru-30Rh-30Ir-Re-W, Ru-20Rh-20Ir-Re-W, Ru-10Rh-10Ir-Re-W, Ru-8Rh-8Ir-Re-W, Ru-5Rh-5Ir-Re-W und Ru-2Rh-2Ir-Re-W, um einige Möglichkeiten anzugeben. Es ist ebenso möglich in dem Elektrodenmaterial drei oder mehr Edelmetalle einzuschließen, wie z. B. Ru-Rh-Pt-Ir-Re-W, Ru-Rh-Pt-Pd oder Ru-Rh-Pt-Au-Re-W. Eine beispielhafte Zusammensetzung, die insbesondere für Zündkerzenelektroden geeignet sein kann, ist Ru-(1–10)Rh-(1–10)Pt-(0,5–5)Re-(0,5–5)W, wie zum Beispiel Ru-5Rh-5Pt-1Re-1W, wobei allerdings auch andere Legierungszusammensetzungen ebenso möglich sind.
In Abhängigkeit von den besonderen gewünschten Eigenschaften kann die Menge an Ruthenium (Ru) in dem Elektrodenmaterial größer als oder gleich 50 Gew.-%, 65 Gew.-% oder 80 Gew.-%; weniger als oder gleich 99 Gew.-%, 95 Gew.-%, 90 Gew.-% oder 85 Gew.-%; oder zwischen 50–99%, 65–99 Gew.-% oder 80–99 Gew.-%, sein, um einige Beispiele anzuführen. Ebenso kann die Menge von entweder dem Rhenium (Re) oder dem Wolfram (W) in dem Elektrodenmaterial größer als oder gleich 0,1 Gew.-%, 0,5 Gew.-% oder 1 Gew.-%; weniger als oder gleich 10 Gew.-%, 5 Gew.-% oder 2 Gew.-%; oder zwischen 0,1–10 Gew.-%, 0,5–5 Gew.-%, oder 0,5–2 Gew.-% sein. Die Menge an Rhenium (Re) und Wolfram (W) kombiniert oder zusammen in dem Elektrodenmaterial kann größer als oder gleich 0,5 Gew.-%, 1 Gew.-%, 1,5 Gew.-% oder 2 Gew.-%; weniger als oder gleich 10 Gew.-%, 5 Gew.-% oder 2 Gew.-%; oder zwischen 0,5–10 Gew.-%, 1–5 Gew.-% oder 1–3 Gew.-% sein. Die Menge des Edelmetalls, wie zum Beispiel Rhodium (Rh) in dem Elektrodenmaterial kann größer als oder gleich 1 Gew.-%; weniger als oder gleich 40 Gew.-%, 8 Gew.-%, 5 Gew.-%, 3 Gew.-% oder 2 Gew.-%; oder zwischen 1–40 Gew.-%, 1–8 Gew.-%, 1–5 Gew.-%, 1–3 Gew.-% oder 1–2 Gew.-% sein. Die zuvor genannten Mengen, Prozente, Grenzen, Bereiche, etc. sind lediglich als Beispiel angeführt für einige der möglichen unterschiedlichen Materialzusammensetzungen und sind nicht als Begrenzung des Schutzbereichs des Elektrodenmaterials zu verstehen.
Ein oder mehrere Seltenerdmetalle können zu den oben beschriebenen verschiedenen Elektrodenmaterialzusammensetzungen hinzugefügt werden, wie Yttrium (Y), Hafnium (Hf), Skandium (Sc), Zirkonium (Zr), Lanthan (La) oder Cer (Ce). Fachleuten ist es bekannt, dass derartige Metalle nicht nur einige Verunreinigungen einfangen können, sondern auch helfen feine Rhenium-reiche Anlagerungen zu bilden durch die geringe Löslichkeit in dem Ruthenium-basierten Elektrodenmaterial. Die Reduzierung der Verunreinigungen in der Grundmasse des Elektrodenmaterials kann die Verformbarkeit (”ductility”) des Rhenium-basierten Elektrodenmaterials erhöhen. Die feinen Anlagerungen können eine große Rolle beim Festhalten (”pinning”) der Korngrenzen haben und können Kornwachstum während bestimmter Prozesse und Anwendungen verhindern oder kontrollieren.
Das Rhenium (Re) und das Wolfram (W) in dem Ruthenium-basierten Elektrodenmaterial kann dem Elektrodenmaterial besonders wünschenswerte Eigenschaften verleihen, wie z. B. eine erhöhte Verformbarkeit (”ductility”), eine höhere Funkenerosionsresistenz durch höhere Schmelztemperaturen, und eine größere Kontrolle des Kornwachstums wegen erhöhten Rekristallisationstemperaturen, wie oben erwähnt. Genauer gesagt ist es für das Rhenium (Re) und/oder das Wolfram (W) möglich, die Verformbarkeit (”ductility”) des Elektrodenmaterials zu verbessern durch Erhöhen der Löslichkeit oder Auflösbarkeit (”dissolvability”) einiger Zwischengitteratombestandteile – Zwischengitteratome wie Stickstoff (N), Kohlenstoff (C), Sauerstoff (O), Schwefel (S), Phosphor (P), etc. können niederenergetische Positionen an Korngrenzen aufnehmen (”conjugate”) oder sammeln (”gather”) und dadurch die Korngrenzenbruchstärke des Elektrodenmaterials schwächen – so dass die Zwischengitteratome an den Korngrenzen in die Grundmasse (”matrix”) oder die Substanz (”body”) der Ru-Phase gelöst werden. Dieser Mechanismus kann die Verunreinigungen an den Korngrenzen reduzieren und dadurch das Elektrodenmaterial verformbarer und bearbeitbarer machen, insbesondere während Hochtemperaturprozessen. Ebenso kann das vorliegende Elektrodenmaterial in einer Weise produziert werden, dass es nur Re oder W beinhaltet, jedoch nicht beide, der Zusatz von Re und W in einer Ruthenium-basierten Legierung hat einen Synergieeffekt gezeigt, dass die Verformbarkeit und Formbarkeit verbessert wird. Einige Eingangsuntersuchungen haben gezeigt, dass wenn Ruthenium-basierte Materialien beides Re und W beinhalten und Prozessen wie z. B. Gesenkschmieden (”hot swaging”) unterzogen werden, dass die resultierenden Drähte eine geringere Anzahl von Rissen bildeten und andere Oberflächenstörstellen als andere Rhenium-basierte Materialien aufwiesen, die die synergetische Aufnahme von beiden Re und W nicht zeigten.
Der Zusatz von Rhenium (Re) und Wolfram (W) zu dem Elektrodenmaterial kann dazu führen, dass die Korngrenzen ”Rhenium-reich” und ”Wolfram-reich” werden während bestimmten Prozessschritten des Elektrodenmaterials. Zum Beispiel haben Rhenium- und Wolfram-reiche Korngrenzen höhere Konzentrationen von Rhenium (Re) und Wolfram (W) als typischerweise in dem Elektrodenmaterialgitter oder der Grundmasse gefunden wird; dies kann insbesondere der Fall sein während Vorsinterschritten des Materials. Zum Beispiel kann das Rhenium (Re) und das Wolfram (W) während Vorsinterschritten 50% höhere oder mehr Konzentrationen an den Korngrenzen aufweisen als innerhalb des Gitters oder Grundmasse des Elektrodenmaterials. Sintern veranlasst Teile des Rheniums (Re) und des Wolframs (W) in das Elektrodenmaterialgitter oder die Grundmasse zu dispergieren oder zu diffundieren, so dass während Nachsinterschritten ein Konzentrationsgradient ausgebildet wird, wobei die Rhenium(Re)- und Wolfram(W)-Bestandteile weiterhin an den Korngrenzregionen die höchsten sind und weiter innerhalb des Gitters oder der Grundmasse abfallen. Die Kennzeichen des Konzentrationsgradienten kann durch die Sintertemperatur und -zeit beeinflusst werden. Höhere Konzentrationen von Rhenium (Re) und Wolfram (W) nahe der Korngrenzen kann die Löslichkeit von bestimmten Verunreinigung erhöhen und dadurch diese Verunreinigungen dazu veranlassen, sich in der Ruthenium(Ru)-Grundmasse aufzulösen, wie oben dargelegt.
Rhenium (Re) und Wolfram (W) haben ziemlich hohe Schmelzpunkte, wodurch ihr Zusatz zu dem Ruthenium-basierten Elektrodenmaterial die Gesamtschmelztemperatur des Materials erhöhen kann. Der Schmelzpunkt von Rhenium (Re) ist etwa 3180°C und der von Wolfram (W) ist um 3410°C. Fachleuten ist bekannt, dass Elektrodenmaterialien, die eine hohe Schmelztemperatur aufweisen, im Allgemeinen widerstandfähiger sind gegen Elektroerosion in Zündkerzen, Anzündern und anderen Anwendungen, die ähnlich hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt sind.
Die hohen Schmelzpunkte von dem zugesetzten Rhenium (Re) und Wolfram (W) kann die Rekristallisationstemperatur des gesamten Elektrodenmaterials um 50°C bis 180°C erhöhen und dadurch kann Rhenium (Re) und Wolfram (W), ebenso dazu verwendet werden, Kornwachstum des Elektrodenmaterials während bestimmter Hochtemperaturprozesse wie Sintern, Glühen, Gesenkformen, Strangpressen und sogar während der Verwendung oder Anwendung bei hohen Temperaturen kontrolliert werden. Die Rekristallisationstemperatur des Ruthenium-basierten Elektrodenmaterials mit den zugesetzten angemessenen Mengen von Rhenium (Re) und Wolfram (W) (z. B. Ru-(0,1–5)Rh-(0,1–2)Re-(0,1–2)W), ist typischerweise oberhalb von 1400°C; daher leiten heiße Verformungsprozesse unter dieser Temperatur kein ungewöhnliches Kornwachstum ein. Untersuchungen zeigen, dass ungewöhnliches Kornwachstum der Ruthenium-basierten Legierungen während heißer Verformungsprozesse Rissbildungen und Ausfälle hervorrufen kann. Ein Gefügebild eines beispielhaften Korngefüges 100 des Elektrodenmaterials ist in 6 gezeigt, wobei sichtbar ist, dass die durchschnittlichen Korndimensionen generell zwischen etwa 0–20 μm oder, in besonderen Fällen, weniger als oder gleich etwa 10 μm sind. In diesem besonderen Beispiel ist das besondere Elektrodenmaterial Ru-5Rh-1Re-1W und das Korngefüge ist gezeigt nachdem das Material gesintert wurde, jedoch bevor es extrudiert wurde. 7 ist ebenfalls ein Gefügebild, das ein Korngefüge 120 desselben Elektrodenmaterials zeigt nach einem Heißverformungsprozess wie z. B. Gesenkformen (”hot swaging”) und zeigt, dass kein signifikantes Kornwachstum nach der Heißverformung (in einigen Fällen von abnormalem Kornwachstum kann die Durchschnittskorngröße wachsen und z. B. 100 μm–200 μm erreichen). Der hier verwendete Begriff ”Kornwachstum” bezieht sich auf ein Wachstum der durchschnittlichen Größe der Körner (d. h. der durchschnittliche Oberflächenbereich der Körner) während einiger Arten von Hochtemperatur oder Heißverformungsprozessen. Während eines Extrudierprozesses, mit einem Ruthenium-basierten Elektrodenmaterial können die Körner etwas langgestreckt werden, so dass einige der Dimensionen der Körner vergrößert sind in der Richtung des Extrudierens, jedoch tritt im Allgemeinen kein signifikanter Zuwachs der gesamten Durchschnittsgröße der Körner auf, in Bezug auf das, was oben beschrieben ist.
Unter Bezugnahme auf 8 kann das Elektrodenmaterial unter Verwendung einer Vielzahl von Herstellungsprozessen hergestellt werden wie pulvermetallurgische Verfahren. Beispielsweise kann ein Prozess 200 verwendet werden, der die Schritte aufweist: Bereitstellen von jedem der Bestandteile in Pulverform, wobei diese eine gewisse Pulver- oder Partikelgröße aufweisen, Schritt 210; Mischen der Pulver, um eine Pulvermischung zu bilden, Schritt 220; Sintern der Pulvermischung, um das Elektrodenmaterial zu bilden, Schritt 230; und Extrudieren, Ziehen oder auf andere Weise Formen des Elektrodenmaterials in eine gewünschte Form, Schritt 240. Der Prozess kann ferner eine oder mehrere optionale Schritte beinhalten, die eine Umhüllung oder einen Mantel um das Elektrodenmaterial bereitstellen.
In Schritt 210 können die unterschiedlichen Bestandteile des Elektrodenmaterials in Pulverform bereitgestellt werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform werden Ruthenium (Ru), ein oder mehrere Edelmetalle (z. B. Rhodium (Rh), Platin (Pt), Iridium (Ir), etc.), Rhenium (Re) und Wolfram (W) individuell in einer Pulverform bereitgestellt, wobei jedes der Bestandteile eine Partikelgröße aufweist, die etwa 0,1 μm bis etwa 200 μm, jeweils einschließlich, aufweist. In einer anderen Ausführungsform wird das Ruthenium (Ru) und ein oder mehrere der Bestandteile vorlegiert (”pre-alloyed”) und zunächst in ein Grundlegierungspulver umgeformt, bevor es mit anderen Pulverbestandteilen gemischt wird. Die nicht vorlegierten Bestandteile können auf einfachere Systeme (z. B. Ru-Re-W) angewendet werden, wohingegen die vorlegierten Ausführungsformen für komplexe Systeme (z. B. Ru-Rh-Re-W, Ru-Rh-Pt-Re-W und Ru-Rh-Ir-Re-W) geeignet sein.
Im folgenden Schritt 220 werden die Pulver zusammengemischt, so dass eine Pulvermischung gebildet wird. In einer Ausführungsform beinhaltet die Pulvermischung von etwa 50 Gew.-% bis etwa 99 Gew.-% Ruthenium (Ru), von etwa 1 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% Rhodium (Rh), von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% Rhenium (Re) und von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% Wolfram (W). Dieser Mischungsschritt kann mit oder ohne Zugabe von Wärme durchgeführt werden.
Der Sinterschritt 230 kann gemäß einer Anzahl von unterschiedlichen metallurgischen Ausführungsformen durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Pulvermischung in einem Vakuum, in einer Reduktionsatmosphäre wie z. B. in einer Wasserstoff-aufweisenden Umgebung oder in einer Art von geschützter Umgebung bei einer Sintertemperatur von etwa 0,5–0,8 T_Schmelz der Grundlegierung gesintert werden, um das Elektrodenmaterial zu bilden. Der hier verwendete Begriff ”Basislegierung” bezieht sich im Allgemeinen auf die Legierung, die aus allen Bestandteilen mit Ausnahme von Rhenium (Re) und Wolfram (W) gebildet werden. In dem Fall der Ru-Rh-Re-W-Legierung des obigen Beispiels ist die Basislegierung Ru-Rh und die Sintertemperatur kann zwischen 1350°C und 1650°C liegen. Es ist ebenso möglich, als Sinterschritt 230 Druck auszuüben, um eine Art von Porositätssteuerung in das Elektrodenmaterial einzubringen. Die Größe des angewendeten Drucks kann abhängig von bestimmten Zusammensetzungen der Pulvermischungen und den gewünschten Eigenschaften des Elektrodenmaterials sein. Fachleuten ist es bekannt, dass während des Sinterprozesses die Mischung und Verteilung von unterschiedlichen Bestandteilen innerhalb des Materials abhängig sein kann von ihrer gegenseitigen Diffusion, so dass ein Konzentrationsgradient von den Korngrenzregionen zu dem Gitter oder der Grundmasse ausgebildet wird. Wie oben erläutert, ist 6 ein Gefügebild eines beispielhaften Korngefüges für das Elektrodenmaterial nach Sintern, jedoch vor einem Heißverformungsprozess, wie z. B. Heißpressen. Im Allgemeinen liegt in 6 einphasiges Mischkristall Ruthenium (Ru) vor mit einer Durchschnittskorngröße, die geringer als oder gleich etwa 10 μm ist.
Im Folgenden kann das Elektrodenmaterial als Draht geformt (z. B. extrudiert, gezogen oder geschmiedet) werden, es kann in ein Blech geformt (z. B. gerollt) werden oder es kann in eine gewünschte Form gebracht werden unter Verwendung anderer geeigneter Prozesse, Schritt 240. Sofern eine Scheibe, ein Klotz oder ein Barren gewünscht ist, kann das Elektrodenmaterial einer Blechumformung unterzogen werden. Wenn ein länglicher Draht gewünscht ist, kann das Elektrodenmaterial warm oder heiß extrudiert werden, um einen feinen Draht von etwa 0,3 mm bis etwa 1,5 mm, jeweils einschließlich, zu bilden bzw. zu formen, der anschließend in individuelle Elektrodenspitzen oder dergleichen geschnitten oder quer-getrennt werden kann. Das Elektrodenmaterial ist so ausgebildet, dass es eine höhere Raumtemperaturverformbarkeit aufweist, die hilfreich sein kann, sofern eine niedrigere Extrusionstemperatur erwünscht ist. Es versteht sich, dass andere Verformungstechniken in Schritt 240 verwendet werden können, um das Elektrodenmaterial in Teile zu formen, die unterschiedliche Formen aufweisen. Zum Beispiel kann das Elektrodenmaterial tiefgezogen, geschmiedet, gegossen oder auf andere Weise in Gussblöcke, Bleche, Barren, Niete, Spitzen, etc. geformt werden.
Das Extrudieren oder das Drahtziehen kann nach dem Sinterprozess wichtig sein. Dies kann insbesondere gelten für Ruthenium-basierte Legierungen, die eine hexagonaldichte Packung (hcp) Kristallstruktur und geringe Verformbarkeit aufweisen. Ruthenium-basierte Legierungen mit einer hcp-Kristallstruktur können mechanische Eigenschaften aufweisen (z. B. Härte und Verformbarkeit), die stark kristallorientierungsabhängig sind. Wegen des Extrusions- oder Drahtziehprozesses können Ruthenium-basierte Legierungsdrähte ein stark texturiertes Gefüge aufweisen, in dem die hexagonale Kristallachse der Ruthenium(Ru)-Phase etwa 60°–90° in der Drahtrichtung ist. Der Grad der Textur kann stark von der gesamten Deformation während des Drahtziehprozesses sein. Gemäß einigen Ausführungsformen sollte die Deformation wenigstens 50% Verringerung der Querschnittsfläche während des Drahtziehens oder des Gesenkschmiedens erzielen, um eine ausreichende Verformbarkeit zu erhalten. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die bevorzugte Flächenverringerung 90% nach dem Drahtziehprozess sein. Der Verringerungsprozentsatz der Fläche ist definiert als R% = (D₀ ² – D_f ²)/D₀ ², wobei D₀ der Ausgangsdrahtdurchmesser vor dem Ziehen und D_f der abschließende Drahtdurchmesser nach dem Ziehen ist. Ein typischer Extrusions- oder Drahtziehprozess kann Heißziehen des gesinterten Barrens bei etwa der Sintertemperatur beinhalten. Der Heißziehprozess kann viele Arbeitsgänge in Anspruch nehmen, wobei der Drahtdurchmesser stufenweise nach jedem Arbeitsschritt reduziert wird. Der abschließende Draht kann dann bei etwa der Sintertemperatur geglüht werden.
In einigen Beispielen weist das Elektrodenmaterial (z. B. als feiner Draht, wie z. B. 0,7 mm Durchmesserdraht) eine Biegeverformbarkeit bei Raumtemperatur auf, die größer oder gleich etwa 25% ist. Biegeverformbarkeit ist im Allgemeinen definiert als der Biegewinkel bis zum Bruch bei einem Testdraht von 10 mm Radius, wie es bei Fachleuten bekannt ist. Die Biegeverformbarkeit kann für das Elektrodenmaterial erreicht werden durch Verwendung der oben beschriebenen beispielhaften Schritte – die das pulvermetallurgische Sintern mit Rhenium (Re) und Wolfram (W) beinhalten, um die Korngrenzen zu reinigen und Drahtziehen, um eine Texturstruktur zu bilden. Die Texturanalyse kann zum Beispiel mittels Röntgenbeugung oder Elektronenrückstreubeugung (EBSD) in Verbindung mit Rasterelektronenmikroskopie (REM) durchgeführt werden. 9 zeigt eine inverse Polfigur einer Extrusionsachse einer pulvermetallurgisch gesinterten Rutheniumlegierung nach einem beispielhaften Drahtziehschritt, und zeigt, dass die dominant [101^–0] orientierten Körner nach dem Ziehen parallel zu der Extrusionsachse nach dem Ziehen verlaufen. Dieses Diagramm weist ebenfalls darauf hin, dass die dominanten Körner ihre [0001] hexagonale Kristallachse in eine Richtung senkrecht zu der Extrusionsachse geändert haben.
Zusätzlich kann der beispielhafte Extrusionsprozess hilfreich sein, ein stark langgestrecktes oder ”Faser”-Korngefüge für das Elektrodenmaterial zu erzielen. Ein stark langgestrecktes oder ”Faser”-Korngefüge für das Elektrodenmaterial kann das Absorbieren von Rissspitzenenergie (”crack tip energy”) und Rissabstumpfungsspitzen (”blunting crack tip”) unterstützen und dadurch helfen, die Härte oder die allgemeine Verformbarkeit des Elektrodenmaterials zu erhöhen. Dies kann insbesondere der Fall sein, da das Elektrodenmaterial eine Ruthenium-basierte Legierung ist.
Um eine bestimmte Texturstruktur zu erreichen, kann ein Heißdrahtziehprozess verwendet werden. Das abschließende gezogene Produkt, zum Beispiel ein 0,7 mm Durchmesserdraht, der aus dem vorliegenden Elektrodenmaterial hergestellt ist, kann in Stücke zerhackt oder zerschnitten werden, die dann direkt als Zündspitzenkomponente verwendet werden und an einer Mittelelektrode, Masseelektrode, Zwischenkomponente, etc. angebracht werden. In einem Beispiel werden die geschnittenen Stücke als Zündspitzenkomponente 32 verwendet und sind an der Zwischenkomponente 34 angebracht. Das abschließende Elektrodenmaterial kann eine spezifische Textur aufweisen, in der die dominanten Körner ihre [0001]-hexagonale Kristallachse senkrecht zu der Längsachse der Elektrode haben. Es versteht sich, dass andere Prozesse wie z. B. Walzen verwendet werden können, um eine spezifische Textur zu erzielen. Nach einem beispielhaften Heißwalzprozess, kann die [0001]-Achse der Körner senkrecht zu der Walzoberfläche oder Blechoberfläche verlaufen. Zündkerzenelektrodenkomponenten können hergestellt werden durch Schneiden eines Blechs in einer korrekten Richtung, so dass die dominanten Körner ihre [0001]-hexagonale Kristallachse senkrecht zu der Längsachse der Elektrode haben.
Nach dem beispielhaften Sintern und Extrusionsprozess, kann das Elektrodenmaterial bei Raumtemperatur eine Biegeverformbarkeit haben, die größer oder gleich etwa 25% ist wie zuvor diskutiert. Durch Bereitstellen eines Ruthenium-basierten Materials mit derartigen Eigenschaften ist das Material fähig, die Erosion- und/oder Korrosionsresistenz des Rutheniums (Ru) zu begünstigen und dennoch ein wenig verformbar und daher bearbeitbar ist, so dass das Elektrodenmaterial leichter in ein verwendbares Teil umgeformt werden kann. Dies wiederum kann die allgemeinen Bearbeitungsprozesse weniger teuer und weniger komplex werden lassen. Andere Vorteile und/oder Eigenschaften des verformbaren Elektrodenmaterials zeigen sich ebenso selbst.
Wie oben erwähnt, ist es ebenso möglich, bei dem Verfahren 200 einen optionalen Schritt einzufügen, bei dem das Elektrodenmaterial mit einer Hülle oder einem Mantel gebildet ist, der aus einem anderen Material hergestellt ist, so dass das kombinierte Elektrodenmaterial und die Hülle während Schritt 240 gebildet werden können. In einer Ausführungsform wird ein zusätzlicher Schritt 232 bereitgestellt, bei dem das bereits gesinterte Elektrodenmaterial aus Schritt 230 eingeführt oder gepackt wird in eine röhrenartige Hüllenstruktur. Die Hüllenstruktur kann zum Beispiel Edelmetall-basiert, Nickel-basiert, Nickeleisen-basiert, Kupfer-basiert oder Zink-basiert sein. In dem Fall, dass die Hüllenstruktur Edelmetall-basiert ist, kann die Hülle oder der Mantel pures Platin (Pt), pures Palladium (Pd), pures Gold (Au), pures Silber (Ag), oder einige Legierungen davon, aufweisen. Andere Hüllenmaterialien sind ebenso möglich. Eine Hüllenstruktur mit einem äußeren Durchmesser von etwa 0,2 mm–2,0 mm und einer Hüllenwanddicke von weniger als etwa 150 μm können verwendet werden.
Die oben beschriebenen Prozesse können dazu verwendet werden, um das Elektrodenmaterial in verschiedene Formen (wie Stäbe, Drähte, Bleche bzw. Lagen, etc.) zu formen, die für weitere bzw. folgende Herstellungsprozesse zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode und/oder einer Zündspitze geeignet sind. Andere bekannte Techniken wie ein Schmelzen und Mischen der gewünschten Mengen von jedem Bestandteil können zusätzlich oder anstelle der oben genannten Schritte verwendet werden. Das Elektrodenmaterial kann weiterverarbeitet werden, und zwar unter Verwendung herkömmlicher schneidender bzw. spanender und schleifender Techniken, die mit anderen bekannten Erosions-resistenten Elektrodenmaterialien manchmal schwierig zu verwenden sind.
Ein Elektrodenmaterial ist offenbart, das in Zündkerzen und anderen Zündbauteilen verwendet werden kann inklusive Industriesteckern, Zündvorrichtungen für Luft- und Raumfahrt, Glühkerzen, oder jeglichen anderen Bauteilen, die verwendet werden, um ein Luft/Brennstoffgemisch in einem Motor zu entzünden. In einer Ausführungsform ist das Elektrodenmaterial ein Ruthenium-basiertes Material, das Ruthenium (Ru) als den größten Einzelbestandteil auf der Basis von Gew.-% und wenigstens eines von Rhenium (Re) oder Wolfram (W) beinhaltet. Das Elektrodenmaterial kann ferner eines oder mehrere Edelmetalle und/oder Seltenerdenmetalle beinhalten. Das Elektrodenmaterial kann verwendet werden, um die Mittelelektrode, die Masseelektrode, Zündspitzen oder andere Zündspitzenkomponenten zu bilden.
Es versteht sich, dass das Vorstehende eine Beschreibung von einer oder mehreren bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ist. Die Erfindung ist nicht auf die hier offenbarte bestimmte Ausführungsform bzw. die hier offenbarten bestimmten Ausführungsformen beschränkt, sondern ausschließlich durch die nachstehenden Ansprüche definiert. Ferner beziehen sich die in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen Aussagen auf bestimmte Ausführungsformen und sollen nicht als Beschränkungen des Schutzbereiches der Erfindung oder hinsichtlich der Definition von in den Ansprüchen verwendeten Begriffen verstanden werden, ausgenommen dort, wo ein Begriff oder eine Phrase ausdrücklich oben definiert ist. Verschiedene andere Ausführungsformen und verschiedene Änderungen und Modifikationen der offenbarten Ausführungsformen) ergeben sich für den Fachmann. Sämtliche derartigen Ausführungsformen, Änderungen und Modifikationen sollen in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche fallen.
In der vorliegenden Spezifikation und in den Ansprüchen sind die Begriffe ”zum Beispiel”, ”z. B.”, ”beispielsweise”, ”wie” und ”wie beispielsweise”, sowie die Verben ”aufweisen”, ”haben”, ”enthalten” und deren andere Verbformen, wenn in Verbindung mit einer Auflistung von einem oder mehreren Bestandteilen oder anderen Einzelteilen verwendet, jeweils als nicht endend bzw. offen zu verstehen, was bedeutet, dass die Auflistung nicht so zu verstehen ist, dass andere, zusätzliche Bestandteile oder Einzelteile auszuschließen wären. Andere Begriffe sind unter Verwendung ihrer breitesten vernünftigen Bedeutung zu verstehen, es sei denn, sie werden in einem Kontext verwendet, der eine unterschiedliche Interpretation erfordert.

Claims

Zündkerze (10), mit: einer Metallhülle (16), die eine Axialbohrung aufweist; einem Isolator (14), der eine Axialbohrung aufweist und der wenigstens teilweise innerhalb der Axialbohrung der Metallhülle (16) angeordnet ist; einer Mittelelektrode (12), die wenigstens teilweise innerhalb der Axialbohrung des Isolators (14) angeordnet ist; und einer Masseelektrode (18), die an der Metallhülle (16) angebracht ist; wobei die Mittelelektrode (12), die Masseelektrode (18) oder beide, die Mittel- und die Masseelektrode (18) ein Ruthenium-basiertes Elektrodenmaterial aufweisen mit Ruthenium (Ru), Rhenium (Re) und Wolfram (W), wobei das Ruthenium der größte Bestandteil des Elektrodenmaterials auf einer Basis von Gew.-% ist.
Zündkerze nach Anspruch 1, wobei das Elektrodenmaterial Rhenium (Re) in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, jeweils einschließlich, und Wolfram (W) in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, jeweils einschließlich, beinhaltet.
Zündkerze nach Anspruch 1, wobei das Elektrodenmaterial Rhenium (Re) in einem Bereich von etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, jeweils einschließlich, und Wolfram (W) in einem Bereich von etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, jeweils einschließlich, beinhaltet.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Elektrodenmaterial ferner wenigstens ein Edelmetall, das sich von Ruthenium (Ru) unterscheidet, in einem Bereich von etwa 1 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-%, jeweils einschließlich, beinhaltet.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Elektrodenmaterial wenigstens ein Edelmetall beinhaltet, das aus einer Gruppe bestehend aus Rhodium (Rh), Platin (Pt), Palladium (Pd), Iridium (Ir) oder Gold (Au) ausgewählt ist.
Zündkerze nach Anspruch 5, wobei das Elektrodenmaterial Rhodium (Rh) in einem Bereich von etwa 1 Gew.-% bis etwa 8 Gew.-%, jeweils einschließlich, beinhaltet.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Ruthenium (Ru) der größte Bestandteil des Elektrodenmaterials auf einer Basis von Gew.-% ist, das wenigstens eine Edelmetall der zweitgrößte Bestandteil des Elektrodenmaterials auf der Basis von Gew.-% ist und wenigstens eines von Rhenium (Re) oder Wolfram (W) der drittgrößte Bestandteil des Elektrodenmaterials auf einer Basis von Gew.-% ist.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei das Elektrodenmaterial ferner ein zweites Edelmetall beinhaltet, das aus der Gruppe bestehend aus Rhodium (Rh), Platin (Pt), Palladium (Pd), Iridium (Ir) oder Gold (Au) ausgewählt ist.
Zündkerze (10), mit: einer Metallhülle (16), die eine Axialbohrung aufweist; einem Isolator (14), der eine Axialbohrung aufweist und der wenigstens teilweise innerhalb der Axialbohrung der Metallhülle (16) angeordnet ist; einer Mittelelektrode (12), die wenigstens teilweise innerhalb der Axialbohrung des Isolators (14) angeordnet ist; und einer Masseelektrode (18), die an der Metallhülle (16) angebracht ist; wobei die Mittelelektrode (12), die Masseelektrode (18), oder beide, die Mittel- und die Masseelektrode (18) ein Ruthenium-basiertes Elektrodenmaterial beinhalten, das Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh) und wenigstens eines von Rhenium (Re) oder Wolfram (W) beinhaltet, wobei das Ruthenium (Ru) der größte Bestandteil des Elektrodenmaterials auf der Basis von Gew.-% ist und das Rhodium (Rh) der zweitgrößte Bestandteil des Elektrodenmaterials auf einer Basis von Gew.-% ist.
Zündkerze nach Anspruch 9, wobei das Elektrodenmaterial Rhodium (Rh) in einem Bereich von etwa 1 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-%, jeweils einschließlich, Rhenium (Re) in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, jeweils einschließlich und Wolfram in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, jeweils einschließlich, beinhaltet.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Elektrodenmaterial ferner wenigstens ein Seltenerdenmetall beinhaltet, das aus einer Gruppe bestehend aus Yttrium (Y), Hafnium (Hf), Skandium (Sc), Zirkonium (Zr), Lanthan (La) oder Cer (Ce).
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Elektrodenmaterial bevor es einem Sinterprozess unterzogen wird, ein Korngefüge aufweist mit einer Rhenium-reichen Korngrenze, in der die Konzentration von Rhenium (Re) höher ist als in einer Elektrodenmaterialgrundmasse und mit einer Wolfram-reichen Korngrenze, in der die Konzentration von Wolfram höher ist als in der Elektrodenmaterialgrundmasse.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Elektrodenmaterial, nachdem es einem Warmumformungsverfahren unterzogen wird, ein Korngefüge (120) aufweist, das kein signifikantes Kornwachstum einer Durchschnittskorngröße zeigt verglichen mit demselben Korngefüge (100) vor dem Warmumformungsprozess.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Elektrodenmaterial eine Biegbarkeit aufweist, die bei Raumtemperatur größer oder gleich etwa 25% ist.