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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerzenelektrode und eine Zündkerze mit reduziertem funkenerosiven Verschleiß sowie mit erhöhter Laufzeit und ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode.
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Aufgrund der steten Weiterentwicklung von Kraftfahrzeugmotoren und deren Komponenten zur Steigerung der Leistungsfähigkeit und Motorkraft, werden auch an die Materialien der Motorbauteile, und insbesondere an die Zündkerzen, die besonders hohen Belastungen ausgesetzt sind, und damit einem hohen Verschleiß unterliegen, hohe Anforderungen gestellt. Die Lebensdauer einer Zündkerze wird heutzutage überwiegend durch den Verschleiß ihrer Elektroden bedingt, der sich in einem Materialabtrag an den Zündkerzenelektroden, insbesondere in dem Bereich, in dem das Zündfunkenplasma erzeugt wird, äußert. Zur Erhöhung der Laufzeit einer Zündkerze werden Zündkerzenelektroden aus Edelmetallen, wie zum Beispiel Platin oder Legierungen auf Edelmetallbasis, verwendet, die zwar eine höhere Resistenz gegenüber Funkenerosion aufweisen, jedoch im Hinblick auf die hohen Kosten der Edelmetalle, aus betriebswirtschaftlichen Gründen keine geeigneten Zündkerzenelektroden für Standardmotoren darstellen und daher fast ausschließlich in Hochleistungsmotoren eingesetzt werden.
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Aus der
US 2007/0 236 123 A1 und der
JP 2004-152 682 A sind Zündkerzenelektroden mit einem Ir- und Rh-haltigen Elektrodenkern und einer Ni-haltigen Oberflächenbeschichtung bekannt.
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Die
JP 2005-268 115 A offenbart eine Zündkerzenelektrode mit einer Oberflächenbeschichtung sowie Verfahren zur Beschichtung der Elektrodenoberfläche.
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Die
DE 10 2011 007 525 A1 offenbart eine Zündkerzenelektrode, die eine Rh-haltigen Elektrodenkern und eine Ni-haltige Oberflächenbeschichtung hat.
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Die
DE 24 21 585 A1 offenbart eine Zündkerze mit einer Edelmetall-haltige Mittelelektrode.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode mit den Merkmalen des Anspruches 1 zeichnet sich demgegenüber durch einen niedrigen funkenerosiven Verschleiß und einen besonders niedrigen funkeninduzierten Materialabtrag, eine gute Korrosionsbeständigkeit und reduzierte Materialkosten aus. Erfindungswesentlich ist hierbei, dass die Zündkerzenelektrode einen Elektrodenkern umfasst, der mindestens ein erstes Edelmetall und Rhodium (Rh) mit einem Anteil von 0,5 bis 49,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrodenkerns, enthält und die Zündkerzenelektrode ferner eine mindestens teilweise, vorzugsweise vollständige, Oberflächenbeschichtung mit einem Ni-Anteil von 5 bis kleiner 100 Gew.-%.-% und einen Rh-Anteil von weniger als 0,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Oberflächenbeschichtung, aufweist. Es wurde zum einen gefunden, dass das durch die Beschichtung auf der Elektrodenoberfläche befindliche Nickel bevorzugt vom Funkenplasma abgetragen wird, wodurch die Verschleißrate an erstem Edelmetall minimiert wird, das somit vollständig für die Erzeugung des Zündfunkens zur Verfügung steht und eine hohe Leistung der Zündkerzenelektrode bedingt. Zum anderen zeigte sich ein weiteres Phänomen, nämlich eine Wiederanlagerung von bereits abgetragenem Nickel aus der Gasphase bzw. aus dem Funkenplasma zurück auf der Elektrodenoberfläche und damit eine erneute Anreicherung von Nickel auf der Elektrodenoberfläche unter Ausbildung einer quasi-stationären nickelreichen Oberflächenschicht. Ohne an die Theorie gebunden zu sein wird angenommen, dass diese erneute Anlagerung und Anreicherung von durch Befunkung der Elektrodenoberfläche bereits erodiertem Nickel, auf die Anwesenheit von Rhodium zurückzuführen ist, das mit dem Nickel Verbindungen, wie beispielsweise Rhodium-Nickel-Spinelle, wie NiRh2O4, formt. Hierdurch wird ein Kreislauf der Nickelabtragung und Nickelwiederanlagerung von und an die Elektrodenoberfläche ausgebildet, was zu einer quasi-stationären nickelreichen Elektrodenoberfläche und in Summe damit zu einem deutlich reduzierten Gesamtabtrag an Material der erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode führt. Zur Ausbildung dieses Kreislaufs aus Nickelabtrag und Nickelwiederanlagerung, ist ein Anteil an Rhodium von 0,5 bis 49,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Zündkerzenelektrodenmaterials, erforderlich. Bereits ab einem Gehalt an Rhodium von 0,5 Gew.-% und vorzugsweise ab 5 Gew.-% oder sogar ab 7 Gew.-%, liegt ein ausreichender Teil davon an der Elektrodenoberfläche vor und kann die Wiederanlagerung von Nickel aus dem Funkenplasma fördern. Sehr hohe Gehalte an Rhodium von mehr als 15 Gew.-%, insbesondere von mehr als 30 Gew.-% oder sogar von mehr als 49,5 Gew.-%, führen hingegen zu einer Verminderung der Stabilität der Gefügestruktur der Zündkerzenelektrode und zudem zu deutlich erhöhten Kosten derselben. Durch die Nickel-Beschichtung, die die Oberfläche der Zündkerzenelektrode mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig, bedeckt, steht eine ausreichende Menge an Nickel für den funkeninduzierten Materialabtrag zur Verfügung, wodurch das im Elektrodenkern befindliche Edelmetall geschützt wird. Der Nickelanteil beträgt mindestens 5 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 20 Gew.-% und weiter vorzugsweise maximal 80 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Oberflächenbeschichtung.
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Daneben kann die Oberflächenbeschichtung weitere Elemente, wie beispielsweise Rhodium enthalten. Aufgrund des Wiederanlagerungsprozesses, der durch die hohe Affinität des Nickels zu dem im Elektrodenkern enthaltenen Rhodium induziert wird, findet im Wesentlichen kein Abtrag von Material der Zündkerzenelektrode statt. Dadurch bleibt die Nickelbeschichtung über eine sehr lange Einsatzzeit der Zündkerze als Schutzschicht der Elektrode erhalten. Somit wird wiederum das Edelmetall effektiv und dauerhaft vor funkenerosivem Verschleiß geschützt, was sich in einer hohen Leistungsdichte der erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode, einer guten Korrosionsstabilität und einer hohen Laufleistung derselben äußert. Aufgrund des gegenüber herkömmlichen Edelmetall-basierten Zündkerzenelektroden reduzierten Gehaltes an Edelmetall, ist die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode zudem kostengünstig.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode sieht vor, dass das erstes Edelmetall, ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Platin (Pt), Palladium (Pd), Iridium (Ir), Gold (Au), Silber (Ag), Osmium (Os), Rhenium (Re) und Ruthenium (Ru). Diese Edelmetalle zeichnen sich durch eine hohe Verfügbarkeit und sehr gute Leistungsdichte aus.
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Weiter vorteilhaft beträgt der Anteil an erstem Edelmetall weniger als 95 Gew.-% und vorzugsweise weniger als 90 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrodenkerns. Ein Anteil an erstem Edelmetall von weniger als 90 Gew.-% ist ausreichend um eine Grundstabilität der Zündkerzenelektrode gegenüber funkenerosivem Verschleiß und damit eine Zündkerzenelektrode mit hoher Leistungsdichte, bereitzustellen. Je geringer der Gehalt an erstem Edelmetall, desto niedriger liegen zudem die Materialkosten für die Zündkerzenelektrode. Vorteilhafterweise bildet das erste Edelmetall in Gew.-% den Hauptbestandteil des Elektrodenkerns, was die Stabilität der Zündkerzenelektrode gegenüber Funkenerosion fördert und somit deren Leistungsdichte dauerhaft erhöht.
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Ferner vorteilhaft enthält der Elektrodenkern mindestens ein zweites Edelmetall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Pt, Ir, Pd, Au, Ag, Os, Re und Ru, wobei der Gesamtanteil an zweitem Edelmetall weniger als 10 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 8 Gew.-% und besonders bevorzugt weniger als 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrodenkerns, beträgt. Das zweite Edelmetall ist nicht mit dem ersten Edelmetall identisch und dient der Verarbeitbarkeit des Materials der Zündkerzenelektrode, der Erhöhung der Korrosionsresistenz und Steigerung der Leistungsfähigkeit der Zündkerzenelektrode. Hierzu sind bereits geringe Gehalte von weniger als 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Zündkerzenelektrodenmaterials geeignet. Ab höheren Gehalten, also ab 8 Gew.-% und insbesondere ab 10 Gew.-%, wird das Legierungsgefüge destabilisiert, was sich in einer verminderten Leistungsdichte, sowie einer erhöhten Verschleißrate widerspiegelt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Oberflächenbeschichtung an einer zu einer Gegenelektrode gerichteten Stirnseite der Zündkerzenelektrode angeordnet. Bevorzugt ist die gesamte, einer Gegenelektrode zugewandte Fläche der ersten Zündkerzenelektrode, mit der nickelhaltigen Oberflächenbeschichtung beschichtet. Durch diese Anordnung ist gewährleistet, dass im Funkenplasma nahezu ausschließlich das Nickel der Oberflächenbeschichtung erodiert wird. Dadurch wird das Edelmetall besser vor Verschleiß geschützt, das somit hauptsächlich zur Erzeugung des Zündfunkens bereitsteht. Hierdurch werden die Leistungsdichte und Laufleistung der Zündkerzenelektrode erhöht.
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Weiter vorteilhaft enthält die Oberflächenbeschichtung Rh mit einem Anteil von weniger als 0,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Oberflächenbeschichtung. Dies fördert die Wiederanreicherung des durch Funkenerosion abgetragenen Nickels und trägt ebenfalls zur Erhöhung der Leistungsdichte der Zündkerzenelektrode und deren Laufleistung bei und fördert zudem die Korrosionsstabilität der erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Oberflächenbeschichtung eine durchschnittliche Schichtdicke von 0,5 μm bis 15 μm, vorzugsweise von 1 μm bis 10 μm, auf. Diese Schichtdicke hat sich als besonders geeignet im Hinblick auf eine Reduzierung des funkenerosiven Verschleißes und funkenerosiven Materialabtrags erwiesen.
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Ebenfalls erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode beschrieben, das die nachfolgenden Schritte umfasst:
- – Herstellen eines Elektrodenkerns, enthaltend:
• mindestens ein erstes Edelmetall und
• Rh mit einem Anteil von 0,5 bis 49,5 Gew.-%, vorzugsweise von 5 bis 30 Gew.-% und besonders bevorzugt von 7 bis 15 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrodenkerns und
- – mindestens teilweises, vorzugsweise vollständiges, Beschichten des Elektrodenkerns mit einer Oberflächenbeschichtung, die 5 bis 100 Gew.-% Ni, bezogen auf das Gesamtgewicht der Oberflächenbeschichtung, enthält
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Die Herstellung des Elektrodenkerns kann auf herkömmliche Weise, beispielsweise durch Vermengen und Erschmelzen der vorgesehenen Elemente oder Verbindungen daraus, erfolgen, so dass ein stabiles und homogenes Legierungsgefüge gebildet wird. Die Oberflächenbeschichtung kann z. B. mittels CVD oder PVD auf vorgesehene Bereiche der Elektrodenoberfläche und in einer oder mehreren Lagen, aufgebracht werden. Alternativ dazu kann die Oberflächenbeschichtung auch durch Tauchen des Elektrodenkerns in ein Tauchbad erfolgen, wobei das Tauchbad beispielsweise eine Lösung der Komponenten der Oberflächenbeschichtung enthält.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird auf einfache und kostengünstige Weise, ohne hohen technischen Aufwand eine hoch effiziente Zündkerzenelektrode erhalten, die sich durch eine sehr gute Erosionsstabilität im Funkenplasma, eine hohe Korrosionsstabilität und damit durch eine sehr gute Leistungsdichte und hohe Laufleistung auszeichnet.
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Die vorstehend für die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode beschriebenen Weiterbildungen, Vorteile und Effekte, finden auch Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode. Ferner sei ausgeführt, dass sich das hierin beschriebene Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen Zündkerzenelektrode eignet.
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Aus den vorstehend für die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode beschrieben Gründen, ist das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass:
- – das erste Edelmetall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Pt, Pd, Ir, Au, Ag, Os, Re und Ru und/oder
- – der Anteil an erstem Edelmetall weniger als 95 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 90 Gew.-% und besonders bevorzugt weniger als 85 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrodenkerns, beträgt und/oder
- – der Elektrodenkern ferner mindestens ein zweites Edelmetall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Pt, Ir, Pd, Au, Ag, Os, Re und Ru, enthält, wobei der Gesamtanteil an zweitem Edelmetall weniger als 10 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 8 Gew.-% und besonders bevorzugt weniger als 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrodenkerns, beträgt und/oder
- – die Oberflächenbeschichtung an einer zu einer Gegenelektrode gerichteten Stirnseite der Zündkerzenelektrode angeordnet ist; und/oder dass
- – die Oberflächenbeschichtung Rh mit einem Anteil von weniger als 0,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Oberflächenbeschichtung, enthält.
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Ferner erfindungsgemäß wird auch eine Zündkerze beschrieben, die eine erste Zündkerzenelektrode und eine zweite Zündkerzenelektrode umfasst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die erste Zündkerzenelektrode eine Zündkerzenelektrode wie vorstehend beschrieben ist und die zweite Zündkerzenelektrode im Wesentlichen, also bis auf technisch unvermeidbare Mengen, frei ist von Rhodium. Durch diese Ausgestaltung wird eine hoch leistungsfähige Zündkerze erhalten, die sich durch eine besonders hohe Funkenerosionsstabilität, sehr gute Korrosionsstabilität und damit durch eine hohe Laufleistung auszeichnet. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die zweite Zündkerzenelektrode im Wesentlichen aus Ni besteht. Hierdurch wird eine Zündkerze mit stark reduziertem funkenerosivem Verschleiß bereitgestellt, die ferner eine minimierte Korrosionsrate aufweist und zudem kostengünstig ist.
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Alternativ kann anstelle der Rhodium-freien zweiten Zündkerzenelektrode auch eine Zündkerzenelektrode analog zur ersten Zündkerzenelektrode verwendet werden. Vorzugsweise weisen die jeweiligen Oberflächenbeschichtungen der ersten und zweiten Zündkerzenelektrode sodann die gleiche Form und Schichtdicke auf, so dass die jeweiligen entgegengesetzten Elektrodenflächen gleich sind. Hierdurch werden die vorteilhaften Effekte der erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode in der Zündkerze potenziert.
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Die vorstehend für die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode beschriebenen Weiterbildungen, Vorteile und Effekte, finden auch Anwendung auf die erfindungsgemäßen Zündkerzen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Zündkerze,
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2 eine schematische vergrößerte Darstellung der Zündkerze von 1 und
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3 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode.
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Ausführungsform der Erfindung
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Zündkerze 1 eine Masseelektrode 2, eine Mittelelektrode 3 und einen Isolator 4. Ein Gehäuse 5 umgibt zumindest teilweise einen Isolator 4. Am Gehäuse 5 ist ein Gewinde 6 angeordnet, welches für eine Befestigung der Zündkerze 1 in einem Zylinderkopf 10 ausgelegt ist.
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2 ist eine schematische vergrößerte Darstellung der Zündkerze 1. Die Mittelelektrode 3 umfasst einen Elektrodenkern 8 und eine Oberflächenbeschichtung 7 aus Nickel. Der Elektrodenkern 8 enthält mindestens ein erstes Edelmetall sowie Rhodium mit einem Anteil von 0,5 bis 49,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrodenkerns 8.
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Der Elektrodenkern 8 kann vorzugsweise noch ein zweites Edelmetall enthalten.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, bedeckt die Oberflächenbeschichtung 7 die Elektrodenoberfläche der Mittelelektrode 3, teilweise. In diesem Ausführungsbeispiel bedeckt die Oberflächenbeschichtung eine Stirnseite der Mittelelektrode 3, die der Masseelektrode 2 zugewandt ist, vollständig. Mit anderen Worten ist die gesamte, zur Masseelektrode 2 gerichtete Fläche der Mittelelektrode 3 mit einer nickelhaltigen Oberflächenbeschichtung 7 beschichtet. Alternativ dazu kann die nickelhaltige Oberflächenbeschichtung die Stirnseite der Mittelelektrode auch nur teilweise bedecken und beispielsweise eine netzartige Struktur aufweisen.
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Die Oberflächenbeschichtung 7 ist hier beispielhaft als flache Schicht dargestellt, kann aber auch andere vorteilhafte Formen annehmen und damit in ihrer Schichtdicke unterschiedlich ausgebildet sein oder mehrere Lagen umfassen.
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Geeignete Verfahren zur Ausbildung einer Ni-Schicht mit einem Ni-Anteil von 5 bis 100 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Oberflächenbeschichtung 7, umfassen CVD und PVD.
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Die Masseelektrode 2 ist in 2 als Vollmaterial, z. B. als Nickelvollmaterial oder Edelmetallvollmaterial, dargestellt, kann aber ebenfalls einen Elektrodenkern und eine teilweise oder vollständige Oberflächenbeschichtung, wie z. B. eine Nickel-Oberflächenbeschichtung, aufweisen. Dies erhöht die Funkenerosionsstabilität der Zündkerze 1.
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Bei Befunkung wird Nickel aus der Oberflächenbeschichtung 7 erodiert und geht in die Gasphase über. Durch den Rhodiumanteil im Elektrodenkern 8 der Mittelelektrode 3 und/oder auch durch einen Rhodiumanteil in der Oberflächenbeschichtung 7, wird das gasförmige Nickel aus dem Funkenplasma abgezogen und erneut auf der Elektrodenoberfläche angelagert. Dadurch bleiben die Form und das Volumen der Oberflächenbeschichtung 7 im Wesentlichen unverändert. Ein deutlicher Materialabtrag des Elektrodenmaterials findet selbst nach lang andauernder Befunkung nicht statt. Die Verschleißrate der Zündkerze 1 ist damit gering und die Leistungsdichte und Laufleistung derselben hoch.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode, die wiederum als Mittelelektrode 3 ausgebildet ist. Im Unterschied zu der Mittelelektrode 3 aus 2 ist die Oberflächenbeschichtung 7 in Form einer Kappe ausgebildet, die den oberen Bereich des Elektrodenkerns 8 allseitig umschließt. Dies zeigt an, dass die Oberflächenbeschichtung 7 durch Tauchen des Elektrodenkerns 8 in ein Tauchbad, das eine Lösung der Komponenten der Oberflächenbeschichtung enthält. Das Tauchverfahren zum Applizieren der Oberflächenbeschichtung 7 ist ein technisch sehr einfach umsetzbares Verfahren.
