DE102014103053A1

DE102014103053A1 - Verfahren zum Herstellen eines Zündkerzen-Elektrodenmaterials

Info

Publication number: DE102014103053A1
Application number: DE102014103053.2A
Authority: DE
Inventors: Shuwei Ma
Original assignee: Federal Mogul Ignition Co
Current assignee: Federal Mogul Ignition LLC
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2034-03-08
Also published as: DE102014103053B4

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenmaterials zur Verwendung in Zündkerzen und anderen Zündvorrichtungen. Das Elektrodenmaterial kann durch Warmverformen einer Schichtstruktur in eine gewünschte Form hergestellt werden, wobei die Schichtstruktur einen Ruthenium-basierten Materialkern, eine Iridium-basierte Zwischenschicht, die über einer äußeren Oberfläche des Kerns aus dem Ruthenium-basierten Material angeordnet ist, und eine Nickel-basierte Ummantelung beinhaltet, die über einer äußeren Oberfläche der Zwischenschicht aus dem Iridium-basierten Material angeordnet ist. Der durch das Warmverformen erzeugte längliche Schichtdraht wird dann von seiner Nickel-basierten Ummantellung befreit, um einen länglichen Draht aus Elektrodenmaterial zu erhalten bzw. abzuleiten, der den in dem Iridium-basierten Material umschlossenen Kern aus dem Ruthenium-basierten Material aufweist. Der längliche Draht aus dem Elektrodenmaterial kann dazu verwendet werden, um viele unterschiedliche Zündkerzen-/Zündvorrichtungs-Komponenten herzustellen.

Description

Die Anmeldung beansprucht die Vorteile der provisorischen US-Anmeldung mit der Seriennummer 61/780,254, die am 13. März 2013 eingereicht wurde und deren gesamter Inhalt vorliegend durch Bezugnahme enthalten ist bzw. sein soll.
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft generell Zündkerzen und andere Zündvorrichtungen für Verbrennungsmotoren und betrifft insbesondere Verfahren zum Herstellen von Elektrodenmaterialien für Zündkerzen, wobei die Elektrodenmaterialien Ruthenium (Ru) beinhalten.
HINTERGRUND
Zündkerzen können dazu verwendet werden, um in Verbrennungsmaschinen bzw. -motoren eine Verbrennung einzuleiten. Zündkerzen zünden typischerweise ein Gas, wie ein Luft/Brennstoff-Gemisch, in einem Motorzylinder oder einer Verbrennungskammer, indem ein Funken quer über einer Funkenstrecke erzeugt wird, die zwischen zwei oder mehr Elektroden definiert 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. Diese raue Umgebung kann zu einer Erosion und Korrosion der Elektroden beitragen, was die Leistungsfähigkeit der Zündkerze über der Zeit negativ beeinträchtigen kann, was potenziell zu Fehlzündungen oder anderen unerwünschten Zuständen führen kann.
Um die Erosion und Korrosion von Elektroden von Zündkerzen zu reduzieren, sind verschiedene Arten von Edelmetallen und deren Legierungen – wie jene, die aus Platin und Iridium hergestellt sind – verwendet worden. Diese Materialien können jedoch teuer sein. Demzufolge versuchen die Hersteller von Zündkerzen von Zeit zu Zeit, die Menge der mit einer Elektrode verwendeten Edelmetalle zu minimieren, indem solche Materialien nur an einer Zündspitze oder einem Funkenabschnitt der Elektroden verwenden werden, also dort, wo ein Funken über eine Funkenstrecke springt.
ÜBERSICHT
Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenmaterials für eine Zündkerze in eine gewünschte Form offenbart. In einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Bilden bzw. Formen eines Kerns aus einem Ruthenium-basierten Material, wobei der Kern eine Längenabmessung und eine Querschnittsfläche aufweist, die senkrecht zu der Längenabmessung orientiert ist. Anschließend wird über einer äußeren Oberfläche des Kerns aus Ruthenium-basierten Material eine Zwischenschicht aus einem Iridium-basierten Material angeordnet bzw. aufgelegt, und über einer äußeren Oberfläche der Zwischenschicht aus dem Iridium-basierten Material wird eine Nickel-basierte Ummantelung bzw. Umhüllung (”cladding”) angeordnet, um auf diese Weise eine Schichtstruktur zu bilden. Diese Schichtstruktur wird warmverformt, um die Querschnittsfläche des Kerns aus Ruthenium-basiertem Material zu reduzieren, um einen länglichen Schichtdraht zu bilden. Die Nickel-basierte Ummantelung wird schließlich von dem länglichen Schichtdraht entfernt, um einen länglichen Draht aus Elektrodenmaterial hieraus abzuleiten bzw. herzuleiten, wobei der Draht den Kern aus dem Ruthenium-basierten Material, eingeschlossen bzw. umschlossen in dem Iridium-basierten Material, beinhaltet. Aus diesem länglichen Draht aus Elektrodenmaterial können Elektrodensegmente erhalten werden und in eine Zündkerze auf verschiedene Art und Weise eingebaut bzw. einbezogen werden.
In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Bereitstellen einer Schichtstruktur, die Folgendes aufweist: (1) einen Kern aus einem Ruthenium-basierten Material, (2) eine Zwischenschicht aus einem Iridium-basierten Material, die über einer äußeren Oberfläche des Kerns aus dem Ruthenium-basierten Material angeordnet ist, und (3) eine Nickel-basierte Ummantelung über einer äußeren Oberfläche der Iridium-basierten Zwischenschicht. Das Verfahren verlangt ferner ein Warmziehen (”hotdrawing”) und ein Glühen bzw. Anlassen (”annealing”) der Schichtstruktur, und das wenigstens einmalige Wiederholen dieser Schritte, um einen länglichen Schichtdraht zu bilden. Die Nickel-basierte Ummantelung wird schließlich von dem länglichen Schichtdraht entfernt, um einen länglichen Elektrodenmaterial-Draht zu erlangen bzw. hieraus abzuleiten, wobei der Draht den Kern aus Ruthenium-basierten Material, eingeschlossen in dem Iridium-basierten Material, beinhaltet. Und wie zuvor können aus diesem länglichen Draht aus Elektrodenmaterial Elektrodensegmente erhalten werden und in eine Zündkerze auf verschiedene Art und Weise eingebaut werden.
Ferner ist ein Elektrodensegment zur Verwendung in einer Zündkerze offenbart, wobei das Elektrodensegment durch ein beliebiges der hier offenbarten Verfahren hergestellt werden kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen 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 der 1 ist, wobei eine Mittelelektrode eine Zündspitze in der Form eines mehrteiligen Niets (”multi-piece rivet”) aufweist und wobei eine Masseelektrode eine Zündspitze in der Form eines flachen Plättchens 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 einteiligen 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, angeordnet in einer Ausnehmung, aufweist und wobei 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 eine Zündspitze in der Form einer zylindrischen Spitze aufweist, die sich von einem axialen Ende der Masseelektrode erstreckt;
6 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Drahtes ist, und zwar nach einem Warmziehen auf einen Durchmesser von etwas 3 mm, wobei der Draht einen Kern aus einem Ruthenium-basierten Material, eine Ummantelung aus einer Ni-Cr-Al-Legierung, wobei die Ummantelung den Kern umschließt bzw. ummantelt, und eine Al-reiche Zwischenmetallphase (”intermetallic phase”) aufweist, die gegenüber Brüchen empfindlich ist und die benachbart zu der Schnittstelle zwischen dem Kern und der Umhüllung gebildet ist;
7 ein Flussdiagramm ist, das ein beispielhaftes Verfahren zum Bilden eines länglichen Drahtes aus Elektrodenmaterial darstellt, wobei der Draht einen Kern aus einem Ruthenium-basierten Material enthält, eingeschlossen in einem Iridium-basierten Material;
8 eine Darstellung ist, die in allgemeiner Form die Bildung des länglichen Drahtes aus Elektrodenmaterial gemäß dem in 7 gezeigten Verfahren darstellt:
9 eine verallgemeinerte Darstellung einer Ausführungsform des Kerns aus dem Ruthenium-basierten Material, wobei der Kern während des Umformschrittes der 7 gebildet sein kann;
10 eine Querschnittsansicht des in 9 gezeigten Kerns aus Ruthenium-basierten Material ist;
11 ein Flussdiagramm ist, das eine beispielhafte Ausführungsform zum Durchführen des Umformschrittes der 7 darstellt;
12 ein Flussdiagramm ist, das eine beispielhafte Ausführungsform zum Durchführen des Warmverformungsschrittes der 7 darstellt;
13 eine verallgemeinerte Teildarstellung eines Kerns aus einem Ruthenium-basierten Material ist, wobei der Kern eine ”fibröse” bzw. ”faserige” (”fibrous”) Kornstruktur enthält;
14 eine Grafik ist, die eine Extrusionsachsen-inverse Polfigur für einen Kern aus Ruthenium-basiertem Material zeigt, der die ”fibröse” Kornstruktur enthält, die in 13 dargestellt ist; und
15 eine verallgemeinerte Darstellung eines Elektrodensegmentes ist, und zwar nachdem es von dem länglichen Draht aus Elektrodenmaterial abgeschnitten worden ist, wobei das Elektrodensegment die ”fibröse” Kornstruktur beinhaltet, die in 13 dargestellt ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Das vorliegend beschriebene Elektrodenmaterial kann in Zündkerzen und anderen Zündvorrichtungen verwenden werden, einschließlich von industriellen Kerzen bzw. Steckern, Zündvorrichtungen für die Luft- und Raumfahrt, Glühzündkerzen und anderen Vorrichtungen, die dazu verwendet werden, um in einem Motor ein Luft/Brennstoff-Gemisch zu zünden. Dies beinhaltet, ist jedoch definitiv nicht hierauf beschränkt, die beispielhaften Zündkerzen, die in der Zeichnung gezeigt sind und die nachstehend beschrieben sind. Ferner versteht sich, dass das Elektrodenmaterial in einem Elektrodensegment verwendet werden kann, bei welchem es sich um einen Teil einer Zündspitze handelt, die an einer Mittelelektrode und/oder einer Masseelektrode angebracht ist, oder dass das Elektrodenmaterial in der tatsächlichen Mittelelektrode und/oder Masseelektrode selbst verwenden werden kann, um einige Möglichkeiten zu nennen. Weitere Ausführungsformen und Anwendungen des Elektrodenmaterials sind gleichfalls möglich. Sämtliche Prozentsätze, die hier angegeben sind, beziehen sich auf Angaben in Gewichtsprozent (Gew.-%).
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 oder das Basiselektrodenelement 12 ist innerhalb einer Axialbohrung des Isolators 14 angeordnet und beinhaltet eine Zündspitze 20, die gegenüber einem freien Ende 22 des Isolators vorsteht. Die Zündspitze 20 ist ein mehrteiliger Niet, 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 Zwischen- bzw. intermediären Material hergestellt ist, wie eine Nickellegierung mit hohem Chromanteil (”high-chromium nickel alloy”). Bei dieser besonderen Ausführungsform weist die erste Komponente 32 eine zylindrische Form auf, und die zweite Komponente 34 weist eine gestufte Form auf, die einen vom Durchmesser her vergrößerten Kopfabschnitt und einen vom Durchmesser her reduzierten Schaftabschnitt aufweist. Die erste und die zweite Komponente können aneinander über eine Laserschweißverbindung, eine Widerstandsschweißverbindung oder eine beliebige andere geeignete geschweißte oder nicht geschweißte Verbindung bzw. Fügung angebracht sein. Der Isolator 14 ist innerhalb einer axialen Bohrung 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 aufgebaut sein, die in der Zeichnung dargestellt ist, oder gemäß einer beliebigen anderen Anordnung, und die Masseelektrode 18 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 gegenüber liegt und an der eine Zündspitze 30 angebracht ist. Die Zündspitze 30 ist in der Form eines flachen Plättchens und definiert mit der Zündspitze 20 der Mittelelektrode eine Funkenstrecke G, derart, dass diese Zündspitzen Funkenbildungsflächen für die Emission und die Rezeption von Elektronen bereitstellen, die die Funkenstrecke queren.
Bei dieser besonderen 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 in 3 gezeigt ist, kann bzw. können die beispielhafte Zündspitze 40 der Mittelelektrode und/oder die Zündspitze 42 der Masseelektrode ebenfalls aus dem Elektrodenmaterial hergestellt sein. In diesem Fall ist die Zündspitze 40 der Mittelelektrode ein einteiliger bzw. einstöckiger Niet, und die Zündspitze 42 der Masseelektrode ist eine zylindrische Spitze, die sich von einer Seitenfläche 26 der Masseelektrode weg erstreckt, und zwar um eine beträchtliche Distanz. Das Elektrodenmaterial kann auch dazu verwendet werden, um die beispielhafte Zündspitze 50 der Mittelelektrode und/oder die Masseelektrode 18 zu bilden, die in 4 gezeigt sind. Bei diesem Beispiel ist die Zündspitze 50 der Mittelelektrode eine zylindrische Komponente, die in einer Ausnehmung oder einem Sackloch 52 angeordnet ist, das in dem axialen Ende der Mittelelektrode 12 gebildet ist. Die Funkenstrecke G ist zwischen einer Funkenbildungsfläche der Zündspitze 50 der Mittelelektrode und einer Seitenfläche 26 der Masseelektrode 18 gebildet, die auch als eine Funkenbildungsfläche wirkt. 5 zeigt noch 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 eine Funkenstrecke G mit einer Seitenfläche der Zündspitze 60 der Mittelelektrode, und stellt somit 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 Ausführungsformen von Zündkerzen lediglich Beispiele für einige der möglichen Verwendungen für das Elektrodenmaterial darstellen. Beispielsweise können die folgenden Komponenten aus dem Elektrodenmaterial gebildet sein: Mittel- und/oder Masseelektrode; Zündspitze(n) von Mittel- und/oder Masseelektrode, wobei die Zündspitze(n) in der Form von Nieten, Zylindern, Stangen, Säulen, Drähten, Kugeln, Hügeln, Kegeln, flachen Plättchen, Scheiben, Ringen, Hülsen etc. vorliegt bzw. vorliegen; Zündspitze(n) von Mittel- und/oder Masseelektrode, wobei die Zündspitze(n) direkt an einer Elektrode angebracht ist bzw. sind oder indirekt an einer Elektrode angebracht ist bzw. sind, und zwar über eine oder mehrere dazwischen liegende, dazwischen wirkende oder spannungslösende Schichten; Zündspitze(n) von Mittel- und/oder Masseelektrode, die innerhalb einer Ausnehmung einer Elektrode angeordnet ist bzw. sind, die in einer Fläche einer Elektrode eingebettet ist bzw. sind, oder die an einer Außenseite einer Elektrode angeordnet ist bzw. 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 der möglichen Anwendungen des Elektrodenmaterials, da auch andere natürlich existieren.
Das Elektrodenmaterial ist ein Kern aus einem Ruthenium-basierten Material, eingeschlossen bzw. ummantelt in einer Schicht aus Iridium oder einer Iridiumlegierung. Der Begriff” Ruthenium-basiertes Material”, so wie er vorliegend verwendet wird, beinhaltet im weitesten Sinne jedes Material, bei dem Ruthenium (Ru) der größte einzelne Bestandteil auf einer Basis von Gewichtsprozent (Gew.-%) ist. Dies kann Materialien beinhalten, die mehr als 50 Gewichtsprozent (Gew.-%) Ruthenium beinhalten, als auch solche die weniger als 50 Gewichtsprozent (Gew.-%) Ruthenium beinhalten, solange das Ruthenium der größte einzelne Bestandteil ist. Im Ruthenium-basierten Material können auch ein oder mehrere zusätzliche Edelmetalle enthalten sein (Ruthenium wird ebenfalls als ein Edelmetall angesehen). Einige Beispiele von geeigneten zusätzlichen Edelmetallen sind Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Platin (Pt), Palladium (Pd), Gold (Au), sowie Kombinationen hiervon. Weitere mögliche Bestandteile des Ruthenium-basierten Materials können ein oder mehrere hochschmelzende Metalle sein. Einige geeignete hochschmelzende Metalle, die in dem Ruthenium-basierten Material enthalten sein können, sind Rhenium (Re), Wolfram (W), sowie eine Kombination von Rhenium und Wolfram und zwar unter anderen. Es ist gleichfalls möglich, dass das Rhutenium-basierte Material eines oder mehrere Seltenerdmetalle oder aktive Elemente wie Yttrium (Y), Hafnium (Hf), Scandium (Sc), Zirconium (Zr), Lanthan (La), Cerium (Ce), und/oder andere Bestandteile beinhaltet. Neben Ruthenium muss das Ruthenium-basierte Material nicht notwendigerweise irgendeines oder sämtliche der gerade genannten Arten von Metallen beinhalten (bspw. sind die zusätzlichen Edelmetalle, die hochschmelzenden Metalle und die Seltenerdmetalle optional); es kann lediglich eines dieser Arten von Metallen beinhalten, eine Kombination von zwei oder mehr von jenen Arten von Metallen, sämtliche jener Arten von Metallen oder keine jener Arten von Metallen, wie es sich für Fachleute ergibt.
Die nachstehenden Ausführungsformen sind Beispiele von unterschiedlichen Ruthenium-basierten Materialien, aus denen die in den 1 bis 5 gezeigten Elektroden oder Elektrodenkomponenten, als auch andere, nicht speziell gezeigte, gebildet sein bzw. enthalten sein können. Diese beispielhaften Ruthenium-basierten Materialien sollen nicht als abschließende bzw. erschöpfende Liste sämtlicher derartiger Ausführungsformen angesehen werden, da im Gegenteil andere Ausführungsformen natürlich möglich sind. Es versteht sich, dass jede beliebige Anzahl von weiteren Bestandteilen zu den folgenden Ausführungsformen hinzugegeben werden kann. Ein Periodensystem, das von der ”International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC)” publiziert ist, ist als Addendum A beigefügt (nachstehend als das ”beigefügte Periodensystem” bezeichnet), und ist in Verbindung mit der vorliegenden Anmeldung zu verwenden.
Das Ruthenium-basierte Material kann Ruthenium und ein zusätzliches Edelmetall aufweisen, wie z. B. wenigstens eines von Rhodium, Iridium, Platin, Palladium, Gold, oder eine Kombination hiervon. Jedes der folgenden Legierungssysteme kann geeignet sein: Ru-Rh, Ru-Ir, Ru-Pt, Ru-Pd, Ru-Au, Ru-Rh-Ir, Ru-Rh-Pt, Ru-Rh-Pd, Ru-Rh-Au, Ru-Ir-Pt, Ru-Ir-Pd und Ru-Ir-Au. Einige spezielle nicht einschränkenden Beispiele von potenziellen Zusammensetzungen für das Ruthenium-basierte Material beinhalten: Ru-(1-45)Rh; Ru-(1-45)Ir; Ru-(1-45)Pt; Ru-(1-45)Pd; Ru-(1-45)Au; Ru-(1-20)Rh-(1-20)Ir; Ru-(1-20)Rh-(1-20)Pt; Ru-(1-20)Rh-(1-20)Pd; Ru-(1-20)Rh-(1-20)Au; Ru-(1-20)Ir-(1-20)Pt; Ru-(1-20)Ir-(1-20)Pd; Ru-(1-20)Ir-(1-20)Au; Ru-(1-20)Pt-(1-20)Pd; Ru-(1-20)Pt-(1-20)Au und Ru-(1-20)Pd-(1-20)Au. Bei dem obigen Zusammensetzungsformat, wie auch bei den nachstehend verwendeten ähnlichen Formaten, sind die numerischen Bereiche in Gewichtsprozent ausgedrückt, und Ru bildet den Rest (”balance”).
In einer weiteren Ausführungsform kann das Ruthenium-basierte Material Ruthenium und wenigstens ein hochschmelzendes Metall wie Rhenium, Wolfram, oder eine Kombination von Rhenium und Wolfram aufweisen. Rhenium und Wolfram haben Schmelzpunkte, die merklich höher sind als jener von Ruthenium; demzufolge kann das Hinzugeben von einem oder beiden dieser Materialien zu dem Ruthenium-basierte Material die Gesamtschmelztemperatur des Materials erhöhen. Der Schmelzpunkt von Rhenium liegt bei etwa 3180°C und jener von Wolfram bei 3410°C. Wie es Fachleute erkennen, sind Elektrodenmaterialien mit höheren Schmelztemperaturen generell resistenter gegenüber elektrischer Erosion in Zündkerzen, Zündvorrichtungen und anderen Anwendungen, die Umgebungen mit ähnlich hohen Temperaturen ausgesetzt sind. In dem Ruthenium-basierten Material ist vorzugsweise Rhenium in einem Bereich irgendwo von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% enthalten, Wolfram irgendwo in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, oder Rhenium und Wolfram kombiniert in einem Bereich irgendwo von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, wenn beide Materialien vorhanden sind.
Die Aufnahme von Rhenium und Wolfram kann das Ruthenium-basierte Material auch mit weiteren wünschenswerten Attributen ausstatten – wie eine erhöhte Duktilität und eine größere bzw. bessere Steuerung des Kornwachstums, und zwar aufgrund einer erhöhten Rekristallisierungstemperatur. Die Aufnahme von Rhenium und/oder Wolfram kann die Duktilität des Ruthenium-basierten Materials verbessern, indem die Löslichkeit (”solubility”) von einigen Zwischengitterkomponenten (”interstitial components”) in Bezug auf Ruthenium erhöht wird (Zwischengitteratome wie Stickstoff (N), Kohlenstoff (C), Sauerstoff (O), Schwefel (S), Phosphor (P), etc.). Das Beeinflussen der Lösbarkeit der Zwischengitteratome auf diese Art und Weise kann dazu beitragen, die Zwischengitteratome davon abzuhalten, sich an Niedrigenergie-Korngrenzen anzusammeln, was wiederum das Ruthenium-basierte Material duktiler und bearbeitbarer machen kann – insbesondere während Metallbearbeitungsprozessen bei hoher Temperatur –, und kann das Material weniger empfindlich gegenüber Erosion aufgrund von Kornspaltung (”grain cleavage”) machen. Obgleich Ruthenium-basierte Materialien erzeugt werden könnten, die einen Werkstoff von Rhenium oder Wolfram, nicht jedoch beide, beinhalten, kann das gemeinsame Hinzugeben von Rhenium und Wolfram in das Ruthenium-basierte Material eine synergistische Wirkung haben, die zu einer Verbesserung der Duktilität beiträgt.
Das Vorhandensein von Rhenium und Wolfram kann die Rekristallisierungstemperatur des Ruthenium-basierten Materials um 50°C–100°C erhöhen, und zwar aufgrund der relativ hohen Schmelzpunkte dieser zwei Metalle. Ein Erhören der Rekristallisierungstemperatur kann dazu nutzbringend sein, das Kornwachstum während gewisser Warmbearbeitungsprozesse, wie Sintern, Glühen bzw. Anlassen, Warmgesenkschmieden (”hot swaging”), Warmextrudieren, Warmziehen zu steuern, und zwar selbst während des Gebrauchs in einer Zündkerze bei hohen Temperaturen. Bspw. lässt sich die Rekristallisierungstemperatur des Ruthenium-basierten Materials für den Fall, dass wenigstens ein Material von Rhenium oder Wolfram hinzugefügt ist, in einem Bereich oberhalb von 1400°C finden. Eine derartige Erhöhung der Rekristallisierungstemperatur stellt ein größeres Temperaturfenster bereit, innerhalb dessen Metall-Warmumformungsprozesse (”hot metal forming processes”) praktiziert werden können – bspw. zur Herstellung eines Drahtes, aus dem sich eine beliebige der in den 1 bis 5 gezeigten Zündspitzen ableiten lässt –, ohne ein Kornwachstum in der Kornstruktur des Ruthenium-basierten Materials zu induzieren. Die Fähigkeit, das Ruthenium-basierte Material warm zu verformen, ohne ein Kornwachstum zu erfahren, kann aus verschiedenen Gründen hilfreich sein, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, des Erhaltes der gewünschten Kornstruktur und der Linderung bzw. Verringerung von Brucheinleitung und -ausbreitung. Der Begriff ”Kornwachstum”, so, wie er vorliegend verwendet wird, bezieht sich auf das Wachstum hinsichtlich des Volumens des Korns während einer gewissen Art von Metallbearbeitungsprozess bei hohen Temperaturen. Erhöhte Dimensionsänderungen an dem Korn, wie während eines Warmziehprozesses des Ruthenium-basierten Materials, bei dem die Körner entlang der Längungsachse länglicher werden, werden nicht als ”Kornwachstum” angesehen, wenn das Gesamtvolumen des Korns relativ konstant bleibt.
Einige Ausführungsformen eines Ruthenium-basierten Materials, die wenigstens ein hochschmelzendes Metall beinhalten, weisen Ruthenium in einem Bereich von etwa 40 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-% und Rhenium in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, Wolfram in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, oder eine gewisse Kombination von Rhenium und Wolfram in einem Bereich 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% auf. Eine beispielhafte Legierungszusammensetzung, die in dem Elektrodenmaterial besonders brauchbar sein kann, ist Ru-(0,1-5)Re(0,1-5)W, wie z. B. Ru-1Re-1W, andere Zusammensetzungen sind jedoch möglich. In einer Anzahl der gerade erwähnten beispielhaften Ruthenium-basierten Materialien, als auch bei solchen, die nachstehend noch beschrieben werden, ist das Verhältnis von Rhenium zu Wolfram 1:1. Dieses Verhältnis ist jedoch nicht erforderlich. Andere Verhältnisse können tatsächlich genauso verwendet werden.
Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform kann das Ruthenium-basierte Material Ruthenium, ein zusätzliches Edelmetall und wenigstens ein hochschmelzendes Metall aufweisen. Das Ruthenium-basierte Material kann Ruthenium in einem Bereich von etwa 40 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, ein zusätzliches Edelmetall – außer Ruthenium – in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% und wenigstens ein hochschmelzendes Metall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% aufweisen, vorausgesetzt, dass Ruthenium der größte einzelne Bestandteil ist. Einige beispielhafte Legierungszusammensetzungen, die in dem Elektrodenmaterial besonders brauchbar sein können, sind Ru(0,5-5)Rh-(0,1-5)Re, wie z. B. Ru-5Rh-1Re, Ru-(0,5-5)Rh-(0,1-5)W, wie z. B. Ru-5Rh-1W, sowie Ru-(0,5-5)Rh-(0,1-5)Re/W, wie z. B. Ru-5Rh-1Re-1W. Das Symbol Re/W, so wie es vorliegend verwendet wird, bezieht sich auf eine Kombination von Rhenium und Wolfram. Folglich liegt der kombinierte Gewichtsprozentsatz von Rhenium und Wolfram in der beispielhaften Legierung ”Ru-(0,5-5)Rh(0,1-5)Re/W” in einem Bereich von 0,1 bis 5.
Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform kann das Ruthenium-basierte Material Ruthenium, ein erstes zusätzliches Edelmetall, ein zweites zusätzliches Edelmetall sowie wenigstens ein hochschmelzendes Metall aufweisen. Das Ruthenium-basierte Material kann Ruthenium in einem Bereich von etwa 40 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, ein erstes zusätzliches Edelmetall – außer Ruthenium – in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-%, ein zweites zusätzliches Edelmetall – außer Ruthenium und dem ersten zusätzlichen Edelmetall – in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% sowie ein hochschmelzendes Metall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% aufweisen, vorausgesetzt, dass Ruthenium der größte einzelne Bestandteil ist. Einige beispielhafte Zusammensetzungen, die in dem Elektrodenmaterial besonders brauchbar sein können, sind Ru-(0,5-5)Rh-(0,1-5)Ir-(0,5-5)Re, Ru-(0,5-5)Rh-(0,1-5)Ir-(0,5-5)W, Ru-(0,5-5)Rh-(0,1-5)Ir-(0,5-5)Re/W, und Ru-(1-10)Rh-(1-10)Ir-(0,5-5)Re-(0,5-5)W.
In Abhängigkeit von den besonderen Eigenschaften, die gewünscht sind, kann, wie es oben demonstriert ist, die Menge an Ruthenium in dem Ruthenium-basierten Material sein: größer gleich 40 Gew.-%, 50 Gew.-%, 65 Gew.-% oder 80 Gew.-%; kleiner gleich 99,9 Gew.-%, 95 Gew.-%, 90 Gew.-%, oder 85 Gew.-%; oder zwischen 40–99,9 Gew.-%, 50–99,9 Gew.-%, 65–99,9 Gew.-% oder 80–99,9 Gew.-%, um einige Beispiele zu nennen. Die Menge an jedem zusätzlichen Edelmetall (z. B. das erste, das zweite und ein drittes zusätzliches Edelmetall) kann darüber hinaus, solange Ruthenium der größte einzelne Bestandteil ist, sein: größer gleich 0,1 Gew.-%, 0,5 Gew.-%, 1 Gew.-% oder 2 Gew.-%; kleiner gleich 40 Gew.-%, 20 Gew.-%, 10 Gew.-% oder 5 Gew.-%; oder in einem Bereich zwischen 0,1–40 Gew.-%, 0,1–10 Gew.-%, 0,5–10 Gew.-% oder 1–5 Gew.-%. Gleichermaßen kann die Menge an jedem hochschmelzenden Metall, solange Ruthenium der größte einzelne Bestandteil ist und solange der gesamte Gewichtsprozentanteil von jeglicher Zusammensetzung von hochschmelzenden Metallen 10 Gew.-% nicht überschreitet, sein: größer gleich 0,1 Gew.-%, 0,5 Gew.-%, 1 Gew.-% oder 2 Gew.-%; kleiner gleich 10 Gew.-%, 8 Gew.-%, 6 Gew.-% oder 5 Gew.-%; oder in einem Bereich zwischen 0,1–10 Gew.-%, 0,5–9 Gew.-%, 0,5–8 Gew.-% oder 0,5–5 Gew.-%. Die vorstehenden Mengen, Prozentsätze, Grenzen, Bereiche etc. sind lediglich Beispiele der großen Vielzahl an Ruthenium-basierten Materialzusammensetzungen, die möglich sind; sie sollen den Schutzbereich des Ruthenium-basierten Materials nicht begrenzen.
Zu jedem der verschiedenen, oben beschriebenen Ruthenium-basierten Materialien kann eines oder mehrere Seltenerdmetalle hinzugegeben werden. Das verwendete Seltenerdmetall bzw. die verwendeten Seltenerdmetalle können eines der folgenden Elemente sein, oder eine gewisse Kombination der folgenden Elemente: Yttrium (Y), Hafnium (H), Scandium (Sc), Zirconium (Zr), Lanthan (La) oder Cerium (Ce), um einige zu nennen. Fachleute werden erkennen, dass derartige Metalle Zwischengitterkomponenten auf dieselbe Art und Weise wie hochschmelzende Metalle einfangen bzw. abscheiden (”trap”) können. Diese Einfang- bzw. Haftfähigkeit (”trapping capability”) trägt dazu bei, die Zwischengitterkomponenten und andere Verunreinigungen davon abzuhalten, sich – aufgrund ihrer gelingen Löslichkeit in Ruthenium – als feine Ausfällungen an den Kerngrenzen des Ruthenium-basierten Materials zu sammeln. Ferner wird angenommen, dass ein Reduzieren der Menge an Zwischengitterkomponenten an den Kerngrenzen die Duktilität des Ruthenium-basierten Materials erhöht, und zwar aufgrund von einigen Mechanismen, die höchst bemerkenswerterweise eine Haftvermittlung bzw. ein Haften (”pinning”) der Korngrenzen und ein Kornwachstumshemmen während Warmverformungsprozessen beinhalten. Der Gehalt dieser Seltenerdmetalle in dem Ruthenium-basierten Material liegt vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1 ppm bis etwa 0,3 Gew.-%.
Die mehreren Ausführungsformen des Ruthenium-basierten Materials, die oben beschrieben sind, zeigen ein günstiges Widerstandsverhalten gegenüber Oxidation, Korrosion und Erosion, was in gewissen Zündanwendungen wünschenswert ist, einschließlich von bspw. Zündkerzen, die für einen Verbrennungsmotor konstruiert sind. Die relativ hohe Schmelztemperatur (2334°C) von Ruthenium ist angenommenermaßen wenigstens teilweise für einige dieser physikalischen und chemischen Eigenschaften verantwortlich. Diese Ausführungsformen haben jedoch auch eine Tendenz dazu, dass sie eine Duktilität bei Raumtemperatur haben, die weniger als wünschenswert ist, was beeinflusst, wie leicht sie sich in ein brauchbares Teil herstellen oder fabrizieren lassen. Aus diesem Grund kann es notwendig sein, das Ruthenium-basierte Material mit einem duktileren Material zu umhüllen bzw. zu ummanteln, um eine Herstellung zu erleichtern bzw. zu ermöglich, und zwar nach Wunsch, und zwar mittels einer großen Vielfalt an Metall-Warmverformungsprozessen und zur Vermeidung von thermischen Schocks.
Mit anderen Arten von Edelmetall-basierten Materialien (z. B. Ir- und Pt-basierten) ist zuvor eine Umhüllung bzw. Ummantelung verwendet worden, bei der es sich um ein Nickel-basiertes Material handelt, wie eine Nickel-Chrom-Aluminium-Legierung (Ni-Cr-Al-Legierung) oder eine Nickel-Eisen-Aluminium-Legierung (Ni-Fe-Al-Legierung). Während das Einschließen bzw. Ummanteln eines Kerns des Ruthenium-basierten Materials mit einer Nickel-basierten Umhüllung und das anschließende Warm verformen dieser Struktur dazu beitragen kann, das Ruthenium-basierte Material mit größerer Einfachheit herzustellen, kann dies auch strukturelle Defekte an der Oberfläche des Kerns aus dem Ruthenium-basierten Material unterstützen, die für Anwendungen in Zündkerzen generell nicht erwünscht sind. Oberflächenbrüche des Kerns aus dem Ruthenium-basierten Material bis in eine Tiefe von etwa 25 μm sind ein besonderer struktureller Defekt, der beobachtet worden ist. Derartige Oberflächenbrüche werden angenommenermaßen durch die Diffusion von gewissen Legierungsbestandteilen mit niedrigem Schmelzpunkt – nämlich Aluminium – aus der Nickel-basierten Umhüllung in den Kern aus dem Ruthenium-basierten Material bei erhöhten Temperaturen hervorgerufen. Genauer gesagt wird angenommen, dass verteilte bzw. diffundierte (”diffused”) Legierungsbestandteile mit dem Ruthenium-basierten Material reagieren, so dass eine intermetallische Phase erzeugt wird, die innerhalb des Kerns aus dem Ruthenium-basierten Material benachbart zu der Schnittstelle zwischen dem Kern und der Umhüllung vorhanden ist. Diese intermetallische Phase ist relativ spröde und folglich anfällig gegenüber Brüchen, wenn die Arten von Belastungen bzw. Spannungen (”stresses”) aufgewendet bzw. aufgebracht werden, die mit Warmverformungsschritten normalerweise einhergehen. Bspw. zeigt 6 ein Querschnittsbild eines Drahtes 70, der einen Kern 72 aus einem Ruthenium-basierten Material beinhaltet, wobei das Ruthenium-basierte Material Ru-5Rh-1Ir-1Re ist, eingeschlossen von einer Umhüllung 74 aus einer Ni-Cr-Al-Legierung. Das Querschnittsbild wurde aufgenommen, nachdem der Draht 70 auf einen Außendurchmesser von etwa 3 mm warmgezogen war. Wie es zu erkennen ist, hat sich eine intermetallische Phase 76 – vermutlich eine intermetallische Ru-Al-Phase – an oder in der Nähe der Schnittstelle zwischen dem Kern 72 und der Umhüllung 74 gebildet, die gegenüber Brüchen anfälliger zu sein scheint.
Ein Verfahren zum Herstellen des Elektrodenmaterials in eine gewünschte Form, die dazu geeignet ist, um daraus eine Zündspitze, eine Zündkerzenelektrode und/oder eine sonstige Zündend-Komponente abzuleiten, ist in den 7–12 graphisch und schematisch dargestellt. Das Verfahren ist in 7 mit dem Bezugszeichen 200 angegeben und beinhaltet wenigstens die folgenden Schritte, und zwar unter Bezugnahme auf die 7 und 8: Bilden bzw. Formen eines Kerns 80 aus einem Ruthenium-basierten Material mit einer Länge L und einer Querschnittsfläche CA, die sich senkrecht zu der Längenabmessung L erstreckt, Schritt 210; Anordnen einer Zwischenschicht 82 aus einem Iridium-basierten Material über einer äußeren Fläche 84 des Kerns 80 aus dem Ruthenium-basierten Material, Schritt 220; Anordnen einer Umhüllung 86 aus einem Nickel-basierten Material über einer äußeren Fläche 88 der Iridium-basierten Zwischenschicht 82 um eine Schichtstruktur 90 zu bilden, Schritt 230; Warmverformen der Schichtstruktur 90, um die Querschnittsfläche CA des Kerns 80 aus dem Ruthenium-basierten Material zu reduzieren und um einen länglichen Schichtdraht 92 zu bilden bzw. zu formen, Schritt 240; und Entfernen der Nickel-basierten Umhüllung 86, um einen länglichen Draht 94 aus Elektrodenmaterial zu erlangen, der den Kern 80 aus dem Ruthenium-basierten Material, eingeschlossen bzw. umhüllt in der Iridium-basierten Zwischenschicht, aufweist, Schritt 250. Zusätzliche Schritte, die auch ausgeübt werden können, beinhalten: Schneiden des länglichen Drahtes 94 aus dem Elektrodenmaterial in einzelne Stücke, um Elektrodensegmente 96 zu bilden, Schritt 260; und Einbauen der Elektrodensegmente 96 in Zündkerzen in Form von einer oder mehrerer Zündspitzen, Schritt 270.
Das offenbarte Verfahren trägt dazu bei, die Diffusion von Legierungsbestandteilen mit niedrigem Schmelzpunkt in den Kern 80 aus dem Ruthenium-basierten Material hinein zu verhindern bzw. zu vermeiden, und zwar während des Warmverfomens, und es kann zusätzlich auf eine Arte und Weise ausgeübt werden, die das Widerstandsverhalten des resultierenden länglichen Drahtes 94 aus Elektrodenmaterial gegenüber Hochtemperaturerosion verbessert, und zwar durch Erzeugen einer faserigen bzw. ”fibrösen” Kornstruktur in dem Kern 80 aus dem Ruthenium-basierten Material, wie es nachstehend noch erläutert wird. Der Begriff ”Iridium-basiertes Material”, so wie er vorliegend verwendet wird, beinhaltet im weitesten Sinne jegliches Material, bei dem Iridium (Ir) der größte einzelne Bestandteil auf einer Basis von Gewichtsprozenten (Gew.-%) ist. Dies kann Materialien beinhalten, die mehr als 50 Gew.-% Iridium aufweisen, als auch solche, die weniger al 50 Gew.-% Iridium beinhalten, solange Iridium der größte einzelne Bestandteil ist. Auf ähnliche Art und Weise beinhaltet der Begriff ”Nickel-basiertes Material”, so wie er vorliegend verwendet wird, im breitesten Sinne jegliches Material, bei dem Nickel (Ni) der größte einzelne Bestandteil auf einer Basis von Gewichtsprozent (Gew.-%) ist. Es kann Materialien beinhalten, die mehr als 50 Gew.-% Nickel beinhalten, als auch solche, die weniger als 50 Gew.-% Nickel aufweisen, solange Nickel der größte einzelne Bestandteil ist.
Der Bildungs- bzw. Ur- bzw. Umformungsschritt 210 wird vorzugsweise mittels eines pulvermetallurgischen Prozesses ausgeführt, wie es graphisch in 11 dargestellt ist, wobei der Prozess beinhaltet, die Bestandteile des Ruthenium-basierten Materials in Pulverform bereitzustellen, Schritt 212; die Pulverbestandteile zusammenzumischen, um eine Pulvermischung zu bilden, Schritt 214; und die Pulvermischung zu sintern, um den Kern 80 aus dem Ruthenium-basierten Material zu bilden, Schritt 216. Die unterschiedlichen Bestandteile des Ruthenium-basierten Materials können in Pulverform bereitgestellt werden, und zwar mit einer bestimmten Pulver- oder Partikelgröße auf eine beliebige bekannte Art und Weise. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform werden Ruthenium, eines oder mehrere Edelmetalle (z. B. Rhodium, Iridium, Platin, etc.) und eines oder mehrere hochschmelzende Metalle (Rhenium, Wolfram, etc.) individuell in Pulverform bereitgestellt, wobei jeder der Bestandteile eine Partikelgröße in einem Bereich von etwa 0,1 μm bis etwa 200 μm besitzt. In einer weiteren Ausführungsform werden das Ruthenium und einer oder mehrere der Bestandteile zunächst vor-legiert und werden dann in ein Basislegierungs-Pulver gebildet, bevor dieses mit den anderen Pulverbestandteilen gemischt wird. Die nicht-vor-legierende Ausführungsform kann für einfachere Systeme (z. B. Ru-Re-W) anwendbar sein, wohingegen die vor-legierte Ausführungsform für komplexere Systeme besser geeignet sein kann (z. B. Ru-Rh-Ir-Re, Ru-Rh-Ir-W, Ru-Rh-Ir-Re/W, etc.). Das Vor-Legieren des Rutheniums und anderer Legierungsbestandteile – ausschließlich des hochschmelzenden Metalls bzw. der hochschmelzenden Metalle (z. B. Re und W) – in eine Basislegierung und das anschließende Mischen eines Pulvers der Basislegierung mit einem Pulver jenes hochschmelzenden Metalls bzw. jener hochschmelzender Metalle, kann auch zu einer Korngrenzenanreicherung mit dem hochschmelzenden Metallbestandteil führen bzw. kann diese Anreicherung unterstützen.
Im nächsten Schritt 214 werden die Pulver miteinander vermischt, um eine Pulvermischung zu bilden. In einer Ausführungsform beinhaltet die Pulvermischung bspw. Ruthenium in einem Bereich von etwa 40 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, Rhodium in einem Bereich von etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, Iridium in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, sowie Rhenium und/oder Wolfram in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, und zwar unabhängig davon, ob ein vorlegiertes Basispulver gebildet wurde oder nicht. Dieser Mischschritt kann mit oder ohne Hinzugabe von Wärme durchgeführt werden.
Der Sinterschritt 216 transformiert die Pulvermischung in den Kern 80 aus dem Ruthenium-basierten Material, und zwar über die Anwendung von Wärme. Der Sinterschritt 216 kann gemäß einer Anzahl von unterschiedlichen metallurgischen Ausführungsformen durchgeführt werden. Bspw. kann die Pulvermischung für bis zu einige Stunden bei einer geeigneten Sintertemperatur in einem Vakuum, in einer Reduktionsatmosphäre wie in einer Wasserstoff-enthaltenden Umgebung oder in einer gewissen Art von geschützter Umgebung gesintert werden. Häufig liegt eine geeignete Sintertemperatur irgendwo in dem Bereich von etwa 1350°C bis etwa 1650°C und zwar für die Ruthenium-basierte Pulvermischung. Es ist auch möglich, dass bei dem Sinterschritt 216 ein Druck ausgeübt wird, um eine gewisse Art von Porositätssteuerung einzuführen. Die Menge bzw. die Größe des Druckes kann von der genauen Zusammensetzung der Pulvermischung und der gewünschten Attribute des Kerns 80 aus dem Ruthenium-basierten Material abhängen.
Der Kern 80 aus dem Ruthenium-basierten Material, der sich nach dem Sinterschritt 216 ergibt, ist vorzugsweise als ein Stab (”bar”) oder eine andere längliche Struktur geformt. Die Länge L des Stabes stellt die longitudinale – und längste – Abmessung des Stabes dar, und die Querschnittsfläche CA ist der ebene Oberflächenbereich eines Endes 98 des Stabes, wenn dieser senkrecht zu der Abmessung der Länge L abgeschnitten bzw. sektioniert wird, wie es generell in den 9–10 dargestellt ist. Der Sinterschritt 216 wird darüber hinaus vorzugsweise auf eine Art und Weise praktiziert, die zu einem zylindrischen Stab mit einem Durchmesser D führt. Generell akzeptabel ist ein Stab – sei er zylindrisch oder nicht-zylindrisch – aus dem Ruthenium-basierten Material, bei dem die Querschnittsfläche CA in einem Bereich von etwa 79 mm² (etwa 10 mm Durchmesser, wenn zylindrisch) bis etwa 707 mm² (etwa 30 mm Durchmesser, wenn zylindrisch) liegt, bspw. bei etwa 314 mm² (etwa 20 mm Durchmesser, wenn zylindrisch) und bei dem die Länge L in einem Bereich von etwa 0,5 m bis etwa 2 m liegt, bspw. etwa 1 m. Derartige bevorzugte geometrische Abmessungen sind jedoch keinesfalls ausschließlich.
Der Bildungs- bzw. Formschritt 210 kann neben der Pulvermetallurgie unter Verwendung von anderen Form- bzw. Bildungs- bzw. Urformprozeduren ausgeübt werden, wenn dies gewünscht ist. Beispielsweise kann der Kern 80 aus dem Ruthenium-basierten Material durch Sprüh-Formen gebildet werden. Sprüh-Formen bezieht sich im weitesten Sinne auf eine große Vielzahl an metallurgischen Prozeduren, bei denen eine Legierungsflüssigkeit aus dem Ruthenium-basierten Material auf ein geformtes Substrat gesprüht wird, um den Kern 80 aus dem Ruthenium-basierten Material zu bilden. Andere Prozeduren, die Fachleuten bekannt sind, können ebenfalls dazu verwendet werden, um den Kern 80 aus dem Ruthenium-basierten Material zu bilden, selbst wenn sie vorliegend nicht in größerer Genauigkeit beschrieben sind.
Die äußere Fläche 84 des Kerns 80 aus dem Ruthenium-basierten Material kann nun vorbereitet werden, wenn dies gewünscht ist, um die Zwischenschicht 82 aufzunehmen, wie es durch den optionalen Schritt 280 angedeutet ist. Eine derartige Vorbereitung zielt generell auf das Reinigen und das Glätten der äußeren Oberfläche 84 ab, so dass an der Schnittstelle der Zwischenschicht 82 und des Kerns 80 eine hohe Haltefähigkeit (”retention capacity”) realisiert werden kann. Die äußere Oberfläche 84 des Kerns 84 aus dem Ruthenium-basierten Material kann poliert, geschmirgelt, geschliffen, Säure-gewaschen oder jeder beliebigen anderen Oberflächenbehandlung ausgesetzt werden, die Fett und andere unerwünschten Oberflächenverunreinigungen der äußeren Oberfläche 84 entfernen kann.
Nach dem Formschritt 210 (und dem Vorbereitungsschritt 280, wenn dieser ausgeübt wird) wird die Iridium-basierte Zwischenschicht 82 über der äußeren Fläche 84 des Kerns 80 aus dem Ruthenium-basierten Material angeordnet, und zwar vorzugsweise in direktem Kontakt damit, wie es graphisch durch den Schritt 220 angedeutet ist. Die Iridium-basierte Zwischenschicht 82 kann vollständig (100 Gew.-%) aus Iridium bestehen oder kann eine Iridium-Legierung sein, die mehr als etwa 50 Gew.-%, mehr als etwa 74 Gew.-% oder mehr als etwa 90 Gew.-% Iridium beinhaltet. Einige bevorzugte Zusammensetzungen der Iridium-basierten Zwischenschicht 82 sind Iridium zu etwa 100 Gew.-%, eine Iridium-Legierung, die Rhodium (Rh) beinhaltet, wie Ir-(1-10)Rh, eine Iridium-Legierung, die Platin (Pt) beinhaltet, wie Ir-(2-20)Pt, eine Iridium-Legierung, die Palladium (Pd) beinhaltet, wie Ir-(5-20)Pd, eine Iridium-Legierung, die Ruthenium (Ru) beinhaltet, wie Ir-(0,5-10)Ru, sowie eine Ir-Pt-Rh-Ru-Pd-Legierung, bei der Iridium das größte Element bzw. der größte Bestandteil auf einer Basis von Gewichtsprozent ist. Wie zuvor sind die oben angegebenen numerischen Bereiche in den Kompositionsformaten in Gewichtsprozent ausgedrückt, wobei Ir den Rest bildet.
Die Iridium-basierte Zwischenschicht 82 hat eine Dicke T1, die typischerweise in einem Bereich von etwa 50 μm bis etwa 2 mm liegt, bevorzugter in einem Bereich von etwa 50 μm bis etwa 500 μm, und zwar dann, wenn sie ursprünglich aufgebracht wird. Das Anordnen der Iridium-basierten Zwischenschicht 82 über der äußeren Fläche 84 des Kerns 80 aus dem Ruthenium-basierten Material mit dieser Dicke etabliert eine Diffusionsbarriere bzw. -sperre, die Elemente (z. B. Aluminium) mit niedrigem Schmelzpunkt, die in der Nickel-basierten Umhüllung 88 vorhanden sein können, davon abhält, in den Kern 80 aus Ruthenium-basiertem Material hineinzudiffundieren. Die Zwischenschicht 82 kann als eine Diffusionsbarriere funktionieren, da das Iridium-basierte Material – das einen relativ hohen Schmelzpunkt hat – die Zwischenschicht resistent gegenüber Wärme, Abnutzung und chemischen Einflüssen macht, und zwar bei den typischen Temperaturen, die während des Warmverformungsschrittes 240 auftreten. Als solche sind Legierungsbestandteile mit niedrigem Schmelzpunkt, die während der Warmverformung aus der Nickel-basierten Umhüllung 86 diffundieren können, nicht dazu in der Lage die Zwischenschicht 82 zu infiltrieren und in den Kern 80 aus dem Ruthenium-basierten Material hineinzudiffundieren, und zwar in Mengen, die hinreichend wären, um eine spröde intermetallische Phase zu erzeugen. Möglicherweise gleichermaßen bemerkenswert ist die Tatsache, dass die Iridium-basierte Zwischenschicht nicht dazu führt, dass der darunter liegende Kern 80 aus dem Ruthenium-basierten Material übermäßig schwierig warm zu verformen wäre. Die Dicke T1 der Zwischenschicht ist, obgleich sie hinreichend ist, um als eine Diffusionsbarriere zu dienen, moderat genug, so dass ein Warmverformen der Schichtstruktur 90 nicht übermäßig schwierig wird.
Jede geeignete Prozedur kann dazu verwendet werden, um die Iridium-basierte Zwischenschicht 82 über der äußeren Fläche des Kerns 80 aus dem Ruthenium-basierten Material anzuordnen. Einige verfügbare Prozeduren, die verwendet werden können, beinhalten eine Co-Extrusion, eine Laserumhüllung bzw. -ummantelung, ein Elektroplatieren, ein elektroloses Platieren, eine physikalische Dampfabscheidung mit Plasmasprühen, ein Magnetron-Sputtern, eine mikrowellenunterstützte chemische Dampfabscheidung, eine Plasma-verstärkte chemische Dampfabscheidung, ein mechanisches Einführen des Kerns 80 in eine vorab geformte hohle Zwischenschicht 82, oder jede andere Art von Extrusion, Elektroabscheidung, physikalischer Dampfabscheidung, chemischer Dampfabscheidung, oder einer anderen Prozedur, die dazu in der Lage ist, die Zwischenschicht 82 über den Kern 80 anzuordnen.
Die Nickel-basierte Umhüllung 86 wird über der äußeren Fläche 88 der Iridium-basierten Zwischenschicht 82 angeordnet, und zwar vorzugsweise in direktem Kontakt damit, um die Schichtstruktur 90 zu bilden, wie es graphisch im Schritt 230 gezeigt ist. Die Nickel-basierte Umhüllung 86 kann eine Nickel-Chrom-Aluminium-Legierung (Ni-Cr-Al-Legierung) oder eine Nickel-Eisen-Aluminium-Legierung (Ni-Fe-Al-Legierung) sein. Jede geeignete Prozedur kann dazu verwendet werden, um die Nickel-basierte Umhüllung 86 über der äußeren Fläche 88 der Zwischenschicht 82 anzuordnen. Bspw. kann die Nickel-basierte Umhüllung 86 in ein hohles Rohr extrudiert oder auf eine sonstige Art und Weise hergestellt werden, und die kombinierte Struktur aus Kern 80 und Zwischenschicht 82 kann in das hohle Rohr eingeführt werden, so dass eine enge Passung bzw. Presspassung (”tight fit”) erzielt wird, wodurch die Schichtstruktur 90 erzeugt wird, die in 8 gezeigt ist. Die oben in Verbindung mit der Zwischenschicht 82 erwähnten Prozeduren können gleichermaßen ausgeübt werden. Die genaue Dicke der Nickel-basierten Umhüllung 86, die durch ein beliebiges dieser Verfahren aufgebracht wird, hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab. Generell hat die Nickel-basierte Umhüllung 86 jedoch eine Dicke T2, die größer gleich der Dicke T1 der Zwischenschicht 82 ist. Für die Dicke T2 der Nickel-basierten Umhüllung 86 ist vor dem Warmverformungsschritt 240 eine Wert irgendwo in einem Bereich von etwa 1 mm bis etwa 5 mm gewöhnlich hinreichend. Abweichungen nach oben oder nach unten sind dennoch zulässig, wenn dies berechtigt ist.
Die Schichtstruktur 90 wird dann warmverformt, wie es graphisch durch den Schritt 240 dargestellt ist, um die Querschnittsfläche CA des Kerns 80 aus dem Ruthenium-basierten Material zu reduzieren – und, damit einhergehend, dessen Länge L zu erhöhen – um den länglichen Schichtdraht 92 zu bilden. Die Querschnittsfläche CA des Kerns 80 aus dem Ruthenium-basierten Material kann um wenigstens 60%, um wenigstens 80% oder um wenigstens 95% reduziert werden, wobei Reduktionen der Querschnittsfläche von mehr als 99% nicht ungewöhnlich sind. Der Warmverformungsschritt 240, der nachstehend beschrieben werden wird, beinhaltet vorzugsweise einen Warmschmiedeschritt bzw. Warm-Gesenkschmiedeschritt 242, wenigstens einen Warmziehschritt 244 und wenigstens einen Glüh- bzw. Anlassschritt 246, wie es graphisch in 12 dargestellt ist. Wie bei dem Formungsschritt 210 werden Fachleute jedoch erkennen, dass andere Prozesse zusätzlich oder an Stelle des Warm-Gesenkschmiedens und des Warmziehens durchgeführt werden können, wie Warmwalzen und ein Warmextrudieren, wobei nach wie vor die gleichen Aufgaben gelöst werden. Solche anderen Schritte sollen durch den Begriff ”Warmverformen” und dessen grammatikalischen Ableitungen (z. B. ”Warmform”, ”warmverformt”, etc.) beinhaltet sein. In der nachstehenden Erläuterung ist eine Schichtstruktur 90, bei der der Kern 80 aus dem Ruthenium-basierten Material eine zylindrische Stange mit einer Querschnittsfläche von etwa 314 mm² (etwa 20 mm Durchmesser) und einer Länge von etwa 1 m ist, ausgewählt worden, und zwar zum Demonstrieren der Wirkungen des Warmverformungsschrittes 240 auf die Querschnittsfläche des Kerns 80, wenn die Schichtstruktur 90 in den länglichen Schichtdraht 92 transformiert wird. Die Auswahl dieser besonderen geometrischen Abmessungen soll in keiner Weise beschränkend sein; vielmehr soll ihre Auswahl lediglich demonstrativen Zwecken dienen.
Der Warmgesenkschmiede- bzw. Warmgesenkformschritt 242 beinhaltet ein radiales Hämmern oder Schmieden der Schichtstruktur 90 bei einer Temperatur oberhalb der Versprödungstemperatur (”ductile-brittle transition temperature”) des Ruthenium-basierten Materials. Eine Temperatur, die in dem Bereich von etwa 900°C bis etwa 1500°C liegt, ist für diesen Zweck gewöhnlich hinreichend. Das kompressive Metallbearbeiten unter Wärmeeinfluss, das während des Warmgesenkformens auftritt, reduziert die Querschnittfläche CA des Kerns 80 aus dem Ruthenium-basierten Material und bewirkt folglich eine Kaltverfestigung (”work-hardening”) der gesamten Schichtstruktur 90. Die Querschnittsfläche CA des Kerns 80 aus dem Ruthenium-basierten Material kann um etwa 30% bis etwa 80% reduziert werden. Bspw. kann die beispielhafte Ruthenium-basierte zylindrische Stange, die vorzugsweise als der Kern 80 mittels des pulvermetallurgischen Prozesses (Schritte 212, 216) geformt worden ist, nach einer 75%-igen Reduktion der Querschnittsfläche durch Warmgesenkformen eine Querschnittsfläche CA von etwa 79 mm² (etwa 10 mm Durchmesser) und eine Länge von etwa 4 m haben.
Der Warmziehschritt 244 beinhaltet das Ziehen der Schichtstruktur 90 – nach dem Warmgesenkformen – und zwar durch eine Öffnung, die in einer erwärmten Ziehplatte bzw. einem erwärmten Ziehstein definiert ist. Die Öffnung der Ziehplatte ist von der Größe her geeignet eingestellt, um die Querschnittsfläche CA des Kerns 80 aus dem Ruthenium-basierten Material weiter zu reduzieren. Die Temperatur der Ziehplatte kann auf einer Temperatur aufrechterhalten werden, die das Ruthenium-basierte Material auf einen Wert oberhalb von dessen Versprödungstemperatur erwärmt. Ein Erwärmen der Ziehplatte derart, dass die Temperatur des Kerns 80 aus dem Ruthenium-basierten Material in einem Bereich von etwa 900°C bis etwa 1300°C liegt, ist typischerweise hinreichend, um das Warmziehen der Schichtstruktur 90 durchzuführen. Der Warmziehschritt 244 kann die Querschnittsfläche des Kerns 90 aus dem Ruthenium-basierten Material weiter um bis zu etwa 75%, vorzugsweise von etwa 20% bis etwa 50%, reduzieren, und zwar mit jedem Durchgang durch die Ziehplatte hindurch. Bspw. kann der beispielhafte Ruthenium-basierte zylindrische Stab, der vorzugsweise durch den pulvermetallurgischen Prozess (Schritte 212–216) und den Warmgesenkformprozess (Schritt 242) gebildet worden ist, nach einer weiteren 75%igen Reduktion der Querschnittsfläche mittels eines einzelnen Warzmziehdurchganges, eine Querschnittsfläche von etwa 20 mm² (etwa 5 mm Durchmesser) und eine Länge von etwa 16 m haben.
Der Warmziehschritt 244 kann generell eine faserige bzw. ”fibröse” Kornstruktur in dem Kern 80 aus dem Ruthenium-basierten Material erzeugen, und zwar entlang von dessen Längsabmessung L (d. h. die Längungsachse der Schichtstruktur 90), wenn die Schichtstruktur 90 durch die erwärmte Öffnung der Formplatte bzw. Ziehplatte gezogen wird. Ein Beispiel der ”fibrösen” Kornstruktur (oder länglichen Kornstruktur) ist generell und schematisch in 13 gezeigt und durch das Bezugszeichen 130 identifiziert. Die ”fibröse” Kornstruktur weist längliche Körner 132 auf, die durch Korngrenzen 134 definiert sind. Jedes dieser Körner 132 weist eine axiale Abmessung 132A, die von der Richtung her mit der Längenabmessung L des Kerns 80 ausgerichtet ist, sowie eine radiale Abmessung 132R auf, die von der Richtung her quer zu der Längenabmessung L ausgerichtet ist. Die axiale Abmessung 132A der Körner 132 ist generell größer als die radiale Abmessung 132R, und zwar um ein mehrfaches von zwei oder mehr, und typischerweise 6 oder mehr (z. B. 132A ≥ 6x132R). Die Körner 132 sind auch generell parallel zueinander orientiert; d. h., die axialen Abmessungen 132A der Körner 132 sind generell – jedoch nicht notwendigerweise exakt – parallel zueinander ausgerichtet. Um anzunehmen, dass die Körner 132 generell parallel sind, ist eine genaue Parallelität nicht erforderlich. Ein gewisser Spielraum wird toleriert, solange die Körner 132 als eine Gruppe hinsichtlich ihrer axialen Abmessung 132A sich in die gleiche generelle Richtung erstrecken. Darüber hinaus können, wie es in 14 gezeigt ist, die länglichen Körner 132 auch eine Kristallorientierung (manchmal auch als Textur bezeichnet) haben, bei der die dominanten Körner ihre [0001]-Hexagonalachse der Kristalle generell senkrecht zu den axialen Abmessungen 132A der Körner 132 ausgerichtet haben. Die Begriffe ”axiale Abmessung” und ”radiale Abmessung” beziehen sich, so wie sie vorliegend verwendet werden, in ihrem weitesten Sinne auf die Hauptabmessungen der Körner 132; sie sollen nicht suggerieren, dass die Körner 132 notwendigerweise eine zylindrische Form besitzen.
Die ”fibröse” Kornstruktur 130 kann die Duktilität bei Raumtemperatur und die Durabilität bzw. Haltbarkeit bei hohen Temperaturen des Ruthenium-basierten Materials verbessern, und zwar verglichen mit anderen Kornstrukturen. Die verbesserte Duktilität macht den Kern 80 aus Ruthenium-basiertem Material bearbeitbarer und folglich leicht in den länglichen Schichtdraht 94 herstellbar, wohingegen die verbesserte Haltbarkeit dazu beiträgt, eine Erosion zu verringern, wenn der Kern 80 aus dem Ruthenium-basierten Material Hochtemperaturumgebungen ausgesetzt wird, und zwar wenn als ein Teil einer Zündkerze verwendet. Die ”fibröse” Kornstruktur 130 verbessert angenommenermaßen die Duktilität und verringert den inter-granularen Kornverlust durch das Hemmen einer Bruchausbreitung quer zu der axialen Abmessung 132A der Körner 132. Dieses sog. ”Bruchabstumpfungs”-Phänomen (”crack-blunting phenomenon”) ist auch in 13 dargestellt. Dort lässt sich erkennen, dass sich ein von der Oberfläche ausgehender Bruch 136 nur um eine kleine Distanz in das Material ausbreiten kann, bevor er an einer benachbarten Schnittstellenregion 138 des benachbarten Innenkorns 132 abgestumpft bzw. hinsichtlich der Ausbreitung unterbrochen wird. Derartige ausgiebige Bruchabstumpfungsfähigkeiten sind durch andere Kornstrukturen nicht erreichbar, bei denen die Körner weniger länglich und mehr gleichachsig ausgebildet sind. Es wird angenommen, dass die ”fibröse” Kornstruktur 130 die Hochtemperatur-Haltbarkeit verbessert, da sie für eine Bruchausbreitung weniger anfällig ist – und zwar aus den gerade diskutierten Gründen. Diese strukturellen Charakteristika machen es schwieriger, die Körner 132 voneinander zu separieren und zu trennen.
Die während des Schrittes 242 des Warmgesenkformens und des Schrittes 244 des Warmziehens erreichten Reduktionen der Querschnittsfläche erfordern generell ein Glühen bzw. ein Anlassen der Schichtstruktur 90, wie es graphisch im Schritt 246 dargestellt ist, um ein weiteres Warmverformen zu gestatten. Das Glühen der Schichtstruktur 90 beinhaltet deren Erwärmung für eine Zeitspanne von einigen Sekunden bis einigen Minuten, um Materialspannungen abzubauen. Das Erwärmen der Schichtstruktur 90 auf eine Temperatur oberhalb von etwa 1000°C ist bspw. generell hinreichend. Die Schichtstruktur 90 kann wenigstens einmal für jede 75%ige Reduktion – und vorzugsweise wenigstens einmal für jede 50%ige Reduktion – der Querschnittsfläche CA des Kerns 80 aus dem Ruthenium-basierten Material geglüht werden. Dies bedeutet, dass die Schichtstruktur 90 jeweils nach dem Schritt 242 des Warmgesenkformens und dem Schritt 244 des Warmziehens geglüht wird, oder nur nach dem Schritt 244 des Warmziehens, und zwar in Abhängigkeit von der Reduktion der Querschnittsfläche, die während des Warmgesenkformens erreicht worden ist.
Die Schichtstruktur 90 wird vorzugsweise während des Warmverformens geglüht – insbesondere nach dem Warmziehschritt 244 – und zwar auf eine Art und Weise, die die ”fibröse” Kornstruktur 130 aufrechterhält. Dies kann ein Glühen der Schichtstruktur 90 bei einer Temperatur unterhalb der Rekristallisierungstemperatur des Ruthenium-basierten Materials beinhalten, aus dem der Kern 80 besteht. Eine Glühtemperatur zwischen etwa 1000°C bis etwa 1500°C ist generell hinreichend, um einen Verlust der ”fibrösen” Kornstruktur 130 zu verhindern. Der Einschluss des hochschmelzenden Metalls oder der hochschmelzenden Metalle (bspw. Re und/oder W) in dem Ruthenium-basierten Material führt darüber hinaus dazu, dass der Erhalt der ”fibrösen” Kornstruktur 130 sehr viel leichter ist und zwar wegen der Fähigkeit dieser Metalle, die Rekristallisierungstemperatur des Ruthenium-basierten Materials zu erhöhen. Jedes Glühen, das nach dem Warmgesenkformschritt 242 erforderlich ist, jedoch vor dem Warmziehschritt 244, kann auf eine Weise durchgeführt werden, bei der den Wirkungen der Rekristallisierung weniger Aufmerksamkeit geschenkt wird, da die ”fibröse” Kornstruktur 130, die zu erhalten angestrebt ist, zu diesem Zeitpunkt mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit nicht vorhanden ist.
Der Warmziehschritt 244 und der Glühschritt 246 können einmal oder mehrere Male wiederholte werden, um hieraus den länglichen Schichtdraht 92 abzuleiten. D. h., die Schichtstruktur 90 kann warmgezogen werden, dann geglüht werden, um innere Spannungen zu lösen, dann erneut warmgezogen werden, dann erneut geglüht werden, und so weiter, bis der längliche Schichtdraht 92 die gewünschte Größe erreicht hat, wobei das Glühen wenigstens einmal für jede 75%ige Reduktion der Querschnittsfläche CA des Kerns 80 aus dem Ruthenium-basierten Material durchgeführt wird. Da der Kern 80 aus dem Ruthenium-basierten Material möglicherweise nur dazu in der Lage ist, einem gewissen Maß bzw. einem gewissen Betrag einer Reduktion der Querschnittsfläche während eines einzelnen Durchganges zu widerstehen, ohne unerwünschte strukturelle Schäden davonzutragen, kann es notwendig sein, mehrfache Warmziehvorgänge – bei denen die Schichtstruktur 90 sukzessiv durch immer kleinere Öffnungen von erwärmten Ziehplatten gezogen wird – durchzuführen, und zwar in Verbindung mit zwischengeschalteten Glühschritten. Die Querschnittsfläche CA des Kerns 80 aus dem Ruthenium-basierten Material in dem länglichen Schichtdraht 92 kann in starkem Maße variieren. Bspw. kann die beispielhafte Ruthenium-basierte zylindrische Stange, die vorzugsweise geformt wird durch den pulvermetallurgischen Prozess (Schritte 212–216), den Warmgesenkformprozess (Schritt 242) und einen einzelnen Warmziehprozess (Schritt 244), gefolgt von einer weiteren 98%igen Reduktion der Querschnittsfläche mittels einiger Warmziehprozesse (Schritt 244), eine Querschnittsfläche von etwa 0,4 mm² (etwa 0,7 mm Durchmesser) und eine Länge von etwa 816 m besitzen, unter der Annahme, dass die Schichtstruktur 90 nicht auf dem Weg dahin in kleinere Abschnitte unterteilt worden ist.
Nachdem der längliche Schichtdraht 92 durch den Warmverformungsschritt 240 erzeugt worden ist, kann die Nickel-basierte Umhüllung 86 von der Iridium-basierten Zwischenschicht 82 und dem Kern 80 aus dem Ruthenium-basierten Material entfernt werden, was graphisch in Schritt 250 dargestellt ist, um folglich den länglichen Draht 94 aus Elektrodenmaterial hieraus abzuleiten. Jede geeignete physikalische und/oder chemische Prozedur kann dazu ausgeübt werden, um die Nickel-basierte Umhüllung 86 zu entfernen. Ein chemisches Ätzen ist eine besondere Maßnahme, mit der die Umhüllung 86 entfernt werden kann. Die Nickel-basierte Umhüllung 86 kann mit einer Säure geätzt werden. Einige Beispiele von Säuren, die verwendet werden können, sind HCl und HNO₃. Die Verwendung von bekannten mechanischen Maßnahmen zum Abtrennen und Abschälen einer darüber liegenden Nickel-basierten Umhüllung 86 weg von der Zwischenschicht 82 kann zusätzlich zu oder an Stelle des chemischen Ätzens praktiziert werden. Natürlich können andere Prozeduren praktiziert werden, die die Nickel-basierte Umhüllung 86 entfernen können, auch wenn diese hier nicht erwähnt werden.
Der längliche Draht 94 aus Elektrodenmaterial kann nun in eines oder mehrere Elektrodensegmente 96 geschnitten werden, wie es graphisch im Schritt 260 dargestellt ist. Das Elektrodensegment 96 – von dem viele von dem länglichen Draht 94 aus Elektrodenmaterial abgeschnitten werden können – kann von der Größe und der Form her zur Verwendung als eine beliebige der Elektroden- oder Zündspitzenkonfigurationen ausgeführt werden, die in den 1 bis 5 gezeigt oder hier beschrieben sind. Zum Schneiden des länglichen Drahtes 94 zum Zwecke des Erhaltens des Elektrodensegmentes 96 kann ein Abscherschritt, eine Diamantsäge oder ein beliebiger anderer geeigneter Ansatz verwendet werden.
Das von dem länglichen Draht 94 aus Elektrodenmaterial erhaltene Elektrodensegment 96 kann im Schritt 270 in die Zündkerze eingebaut bzw. darin inkorporiert werden. Nach dem Warmverformen (Schritt 240) und dem Entfernen der Nickel-basierten Umhüllung 86 (Schritt 250) kann der Kern 80 aus dem Ruthenium-basierten Material des länglichen Drahtes 94 aus dem Elektrodenmaterial bspw. eine Querschnittsfläche zwischen 0,031 mm² und 3,14 mm² (etwa 0,2 mm bzw. 2,0 mm Durchmesser, wenn zylindrisch), und zwar vorzugsweise 0,07 mm² (etwa 0,30 mm Durchmesser, wenn zylindrisch) bis etwa 0,95 mm² (etwa 1,1 mm Durchmesser, wenn zylindrisch) haben, wobei die Dicke T1 der Iridium-basierten Zwischenschicht 82 nunmehr in einem Bereich von etwa 1 μm bis etwa 200 μm liegt. Eine spezielle Ausführungsform des länglichen Drahtes 94 aus Elektrodenmaterial, die brauchbar sein kann, ist ein zylindrisch geformter Draht, der durch eine Querschnittsfläche des Kerns 80 aus dem Ruthenium-basierten Material von etwa 0,4 mm² (0,70 mm Durchmesser) charakterisiert ist. Ein individuelles Elektrodensegment 96 einer gewünschten Länge kann von dem Draht 94 dieser generellen Größe (0,07 mm² ≤ CA ≤ 0,95 mm²) abgeschnitten wird, wie es im Schritt 260 gezeigt ist, und kann dann direkt als eine Zündspitzenkomponente verwendet werden, die an einer Mittelelektrode, einer Masseelektrode, einer Zwischenkomponente etc. angebracht ist. Insbesondere kann das individuell abgeschnittene Elektrodensegment 96 als die Zündspitzenkomponente 32 verwendet werden, die an der Zwischenkomponente 34 an der Mittelelektrode 12 angebracht ist, wie es in 1–2 dargestellt ist. Der oben beschriebene Prozess 200 kann natürlich dazu praktiziert werden, um ein Elektrodensegment 96 zu bilden, das für andere Anwendungen von Zündkerzen, Elektroden und/oder Zündspitzen geeignet ist, die vorliegend nicht gesondert erwähnt sind.
Wenn der Kern 80 aus dem Ruthenium-basierten Material des länglichen Drahtes 94 aus Elektrodenmaterial die ”fibröse” Kornstruktur 130 beinhaltet, wie zuvor diskutiert, dann wird das Elektrodensegment 96 (das hier ohne die Iridium-basierte Materialumhüllung gezeigt ist) vorzugsweise in jeder bzw. irgendeiner der Zündkerzen verwendet, die in den 1–5 gezeigt ist, und zwar so, dass eine Fläche 150 des Segmentes 96, die senkrecht ist zu den axialen Abmessungen 132A der Körner 132 (nachstehend als ”senkrechte Fläche 150” aus Gründen einer kurzen Darstellung bezeichnet) ist, die Funkenbildungsfläche bildet, wie es in 15 dargestellt ist. Eine solche Orientierung des Elektrodensegmentes 96 innerhalb der Zündkerze 10 kann dazu führen, dass die axiale Abmessungen 132A der Körner 132 parallel zu einer Längsachse L_C der Mittelelektrode 12 (2) zu liegen, wenn das Elektrodensegment 96 an der Mittelelektrode 12 oder an der Masseelektrode 18 angebracht ist. Wenn bspw. das Elektrodensegment 96 als die Zündspitze 32 für die Konstruktion mit mehrteiligem Niet (”multi-layer rivet”)(MLR) verwendet wird, die in 1–2 gezeigt ist, liegt die senkrechte Fläche 150 vorzugsweise der Zündspitze 30 gegenüber, die an die Masseelektrode 18 angebracht ist. Hierbei liegen die axialen Abmessungen 132A der Körner 130 parallel zu der Längsachse L_C der Mittelelektrode 12 und senkrecht zu der Funkenbildungsfläche der Zündspitze 32. Das Elektrodensegment 96 wird ferner vorzugsweise auf die gleiche Art und Weise für die anderen Zündspitzenkomponenten 40, 50 verwendet, die in den 3–4 dargestellt sind. In gleicher Weise, und zwar im Rahmen eines weiteren Beispiels, liegt die senkrechte Fläche 150 dann, wenn das Elektrodensegment 96 als eine Zündspitze 30, 42 verwendet wird, die an der Masseelektrode 18 angebracht ist, und zwar bei den Konstruktionen, die in den 1–3 gezeigt sind, vorzugsweise der Zündspitze 32, 40 gegenüber, die an der Mittelektrode 12 angebracht ist. Bei diesen Ausführungsformen liegen die axialen Abmessungen 132A der Körner 130 parallel zu der Längsachse L der Mittelektrode 12, und zwar wie zuvor, und senkrecht zu der Funkenbildungsfläche der Zündspitze 32. Dennoch kann auch die Verwendung einer anderen Fläche des Elektrodensegmentes 96 – neben der senkrechten Fläche 150 – als die Funkenbildungsfläche praktiziert werden, auch wenn dies nicht bevorzugt ist. Wenn bspw. das Elektrodensegment 96 als die Zündspitze 60 für die in 5 gezeigte Konstruktion verwendet wird, kann es sein, dass die senkrechte Fläche 150 des Segmentes 96 der Zündspitze 62, die an der Masseelektrode 18 angebracht ist, nicht gegenüberliegt, sondern stattdessen kann eine Seitenfläche 152 der Zündspitze 62 gegenüberliegen und als die Funkenbildungsfläche wirken.
Die folgenden Sätze bzw. Klauseln definieren weitere Ausführungsformen der Erfindung, die mit den obigen Ausführungsformen kombiniert werden können.

Satz 1: Verfahren zum Herstellen eines Zündkerzen-Elektrodenmaterials, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellen einer Schichtstruktur, die aufweist (1) einen Kern aus einem dem Ruthenium-basierten Material, das Ruthenium als den größten einzelnen Bestandteil auf einer Basis von Gewichtsprozent beinhaltet, (2) eine Zwischenschicht aus einem Iridium-basierten Material, die über einer äußeren Fläche des Kerns aus Ruthenium-basiertem Material angeordnet ist, wobei die Zwischenschicht aus Iridium-basiertem Material Iridium als den größten einzelnen Bestandteil auf einer Basis von Gewichtsprozent aufweist und (3) eine Nickel-basierte Umhüllung über einer äußeren Fläche der Iridium-basierten Zwischenschicht, wobei die Nickel-basierte Umhüllung Nickel als den größten einzelnen Bestandteil auf einer Basis von Gewichtsprozent aufweist; Warmziehen der Schichtstruktur durch eine Öffnung, die in einer erwärmten Ziehplatte definiert ist; Glühen der Schichtstruktur bei einer Temperatur, die unterhalb der Rekristallisierungstemperatur des Kerns aus dem Ruthenium-basierten Material liegt; Wiederholen der Schritte des Warmziehens und des Glühens, und zwar wenigstens einmal, um einen länglichen Schichtdraht zu bilden; Entfernen der Nickel-basierten Umhüllung von dem länglichen Schichtdraht, um einen länglichen Draht aus Elektrodenmaterial hieraus abzuleiten, der den Kern aus dem Ruthenium-basierten Material, eingeschlossen in dem Iridium-basierten Material, beinhaltet.
Satz 2: Verfahren nach Satz 1, ferner mit: Warmgesenkformen der Schichtstruktur vor dem erstmaligen Warmziehen.
Satz 3: Verfahren nach Satz 1 oder 2, wobei der Warmziehschritt einen Kern aus Ruthenium-basiertem Material mit einer faserigen bzw. fibrösen Kornstruktur bereitstellt, die längliche Körner beinhaltet.
Satz 4: Verfahren nach Satz 3, ferner mit dem Schritt: Schneiden des länglichen Drahtes aus Elektrodenmaterial generell senkrecht zu den länglichen Körnern des Kerns aus Ruthenium-basiertem Material, um ein Elektrodensegment zu bilden; und Anbringen des Elektrodensegmentes an einer Mittelelektrode oder an einer Masseelektrode derart, dass eine Fläche des Elektrodensegmentes, die senkrecht zu den axialen Abmessungen der länglichen Körner ausgerichtet ist, eine Funkenbildungsfläche bildet.
Satz 5: Verfahren nach einem der Sätze 1–4, wobei die Zwischenschicht aus Iridium-basiertem Material die Außenfläche des Kerns aus Ruthenium-basiertem Material direkt kontaktiert.

Weitere Ausführungsformen lassen sich wie folgt zusammenfassen: Ein Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenmaterials zur Verwendung in Zündkerzen und anderen Zündvorrichtungen. Das Elektrodenmaterial kann in eine gewünschte Form durch Warmverformen einer Schichtstruktur hergestellt werden, die einen Kern aus einem Ruthenium-basierten Material, eine über einer äußeren Fläche des Kerns aus Ruthenium-basiertem Material angeordnete Iridium-basierte Zwischenschicht, sowie eine über einer äußeren Fläche der Zwischenschicht aus Iridium-basiertem Material angeordnete Nickel-basierte Umhüllung aufweist. Der durch das Warmverformen erzeugte längliche Schichtdraht wird dann von seiner Nickel-basierten Umhüllung befreit, um hieraus einen länglichen Draht aus Elektrodenmaterial abzuleiten, der den Kern aus Ruthenium-basiertem Material, eingeschlossen in dem Iridium-basierten Material, aufweist. Der längliche Draht aus Elektrodenmaterial kann dazu verwendet werden, um viele unterschiedliche Zündkerzen/Zündvorrichtungs-Komponenten herzustellen.
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 Ausführungsform(en) 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. Addendum A

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Zündkerzen-Elektrodenmaterials, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bilden eines Kerns aus einem Ruthenium-basierten Material, der eine Längenabmessung und eine Querschnittsfläche aufweist, die senkrecht zu der Längenabmessung ausgerichtet ist, wobei das Ruthenium-basierte Material Ruthenium (Ru) als den größten einzelnen Bestandteil auf einer Basis von Gew.-% aufweist; Anordnen einer Zwischenschicht aus einem Iridium-basierten Material über einer äußeren Fläche des Kerns aus Ruthenium-basiertem Material, wobei das Iridium-basierte Material Iridium (Ir) als den größten einzelnen Bestandteil auf einer Basis von Gew.-% aufweist; Anordnen einer Nickel-basierten Ummantelung über einer äußeren Fläche der Iridium-basierten Zwischenschicht, um eine Schichtstruktur zu bilden, wobei die Nickel-basierte Umhüllung Nickel (Ni) als den größten einzelnen Bestandteil auf einer Basis von Gew.-% aufweist; Warmverformen der Schichtstruktur, um die Querschnittsfläche des Kerns aus Ruthenium-basierten Material zu reduzieren, um einen länglichen Schichtdraht zu bilden; und Entfernen der Nickel-basierten Ummantelung bzw. Umhüllung von dem länglichen Schichtdraht, um einen länglichen Draht aus Elektrodenmaterial zu erhalten bzw. abzuleiten, der den in dem Iridium-basierten Material eingeschlossenen Kern aus dem Ruthenium-basierten Material aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit: Schneiden des länglichen Drahtes aus Elektrodenmaterial, um ein Elektrodensegment zu bilden; und Einbauen des Elektrodensegmentes in eine Zündkerze.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Warmverformen der Schichtstruktur in den länglichen Schichtdraht die Querschnittsfläche des Kerns aus dem Ruthenium-basierten Material um wenigstens 95% reduziert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Warmverformen der Schichtstruktur beinhaltet: Warmziehen der Schichtstruktur, und zwar wenigstens ein Mal, um die Querschnittsfläche des Kerns aus dem Ruthenium-basierten Material zu reduzieren; und Glühen der Schichtstruktur, und zwar wenigstens ein Mal, für jede 75%-ige Reduktion der Querschnittsfläche des Kerns aus dem Ruthenium-basierten Material.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Glühen bei einer Temperatur durchgeführt wird, die unterhalb der Rekristallisierungstemperatur des Kerns aus dem Ruthenium-basierten Material liegt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Warmverformen der Schichtstruktur ferner aufweist: Warmgesenkschmieden der Schichtstruktur vor dem Warmziehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Zwischenschicht aus dem Iridium-basierten Material eine Dicke aufweist, die vor dem Warmverformen in einem Bereich von etwa 50 μm bis etwa 2000 μm liegt, und wobei die Nickel-basierte Umhüllung eine Dicke aufweist, die vor dem Warmverformen größer gleich der Dicke der Zwischenschicht aus dem Iridium-basierten Material ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Warmverformen der Schichtstruktur durchgeführt wird, so dass der längliche Schichtdraht eine fibröse Kornstruktur aufweist, die längliche Körner mit axialen Abmessungen beinhaltet, die generell parallel zu der Längenabmessung des Kerns aus dem Ruthenium-basierten Material ausgerichtet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Warmverformen der Schichtstruktur so durchgeführt wird, dass der längliche Schichtdraht eine fibröse Kornstruktur aufweist, die längliche Körner mit axialen Abmessungen beinhaltet, die generell parallel zu der Längenabmessung des Kerns aus dem Ruthenium-basierten Material ausgerichtet sind, wobei das Schneiden des länglichen Drahtes aus dem Elektrodenmaterial generell senkrecht zu der Längenabmessung des Kerns aus dem Ruthenium-basierten Material durchgeführt wird, und wobei das Einbauen des Elektrodensegmentes in eine Zündkerze beinhaltet, das Elektrodensegment so zu verwenden, dass eine Oberfläche des Elektrodensegmentes, die senkrecht zu den axialen Abmessungen der länglichen Körner ausgerichtet ist, eine Funkenbildungsfläche bildet.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Einbauen des Elektrodensegmentes in eine Zündkerze beinhaltet, das Elektrodensegment an einer Mittelelektrode der Zündkerze anzubringen, und zwar mittels einer Zündspitzen-Zwischenkomponente, die aus einem unterschiedlichen Material hergestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Kern aus dem Ruthenium-basierten Material zusätzlich zu Ruthenium eines oder mehrere Edelmetalle aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Rhodium, Iridium, Platin, Palladium, Gold sowie Kombinationen hiervon besteht, und eines oder mehrere hochschmelzende Metalle aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Rhenium, Wolfram, und Kombinationen hiervon besteht.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Kern aus dem Ruthenium-basierten Material 0,1–40 Gew.-% des einen oder der mehreren Edelmetalle und 0,1–10 Gew.-% des einen oder der mehreren hochschmelzenden Metalle aufweist.
Elektrodensegment zur Verwendung in einer Zündkerze, wobei das Elektrodensegment durch ein Verfahren hergestellt ist, das die Schritte aufweist: Bilden eines Kerns aus einem Ruthenium-basierten Material, der eine Länge und eine Querschnittsfläche aufweist, wobei das Ruthenium-basierte Material Ruthenium (Ru) als den größten einzelnen Bestandteil auf einer Basis von Gew.-% aufweist; Anordnen einer Zwischenschicht aus einem Iridium-basierten Material über einer äußeren Oberfläche des Kerns aus dem Ruthenium-basierten Material, wobei das Iridium-basierte Material Iridium (Ir) als den größten einzelnen Bestandteil auf einer Basis von Gew.-% aufweist; Anordnen einer Ummantelung aus einem Nickel-basierten Material über einer äußeren Oberfläche der Iridium-basierten Zwischenschicht, um eine Schichtstruktur zu bilden, wobei das Nickel-basierte Material Nickel (Ni) als den größten einzelnen Bestandteil auf einer Basis von Gew.-% aufweist; Warmverformen der Schichtstruktur, um die Querschnittsfläche des Kerns aus dem Ruthenium-basierten Material zu reduzieren, um einen länglichen Schichtdraht zu bilden; Entfernen der Nickel-basierten Ummantelung von dem länglichen Schichtdraht, um einen länglichen Draht aus Elektrodenmaterial zu bilden, der den in dem Iridium-basierten Material eingeschlossenen Kern aus dem Ruthenium-basierten Material aufweist; und Schneiden des länglichen Drahtes aus Elektrodenmaterial, und zwar generell senkrecht zu der Längenabmessung des Kerns aus dem Ruthenium-basierten Material, um das Elektrodensegment zu bilden.
Elektrodensegment nach Anspruch 13, wobei das Elektrodensegment eine fibröse Kornstruktur aufweist, die längliche Körner mit axialen Abmessungen und radialen Abmessungen beinhaltet, wobei die axialen Abmessungen der länglichen Körner größer sind als die radialen Abmessungen, und zwar um ein Mehrfaches von wenigstens 2.
Elektrodensegment nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Elektrodensegment ein Ruthenium-basiertes Material aufweist, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Ru-(0,1-5)Re-(0,1-5)W, Ru-(0,5-5)Rh-(0,1-5)Re, Ru-(0,5-5)Rh-(0,1-5)W, Ru-(0,5-5)Rh(0,1-5)Re/W, Ru-(0,5-5)Rh-(0,1-5)Ir-(0,5-5)Re, Ru-(0,5-5)Rh-(0,1-5)Ir-(0,5-5)W, Ru-(0,5-5)Rh-(0,1-5)Ir-(0,5-5)Re/W und Ru-(1-10)Rh-(1-10)Ir-(0,5-5)Re-(0,5-5)W, besteht, wobei Re/W eine Kombination von Rhenium und Wolfram darstellt, und wobei sämtliche der gelisteten numerischen Werte in Gew.-% angegeben sind.