DE102015115746A1

DE102015115746A1 - Verfahren zum Herstellen einer Zündelektrode für Zündkerzen und damit hergestellte Zündkerze

Info

Publication number: DE102015115746A1
Application number: DE102015115746.2A
Authority: DE
Inventors: Werner Niessner; Matthias Blankmeister
Original assignee: Federal Mogul Ignition GmbH
Current assignee: Federal Mogul Ignition GmbH
Priority date: 2015-09-17
Filing date: 2015-09-17
Publication date: 2017-03-23
Anticipated expiration: 2035-09-18
Also published as: US20170085061A1; US9831640B2; US20170264083A1; US9698576B2; DE102015115746B4

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Zündelektrode für Zündkerzen für Verbrennungsmotoren, welche einen Abschnitt aus einem unedlen Metall oder aus einer unedlen Metalllegierung hat, welcher an einem Ende mit einem Edelmetall oder mit einer Edelmetalllegierung bestückt ist. Durch pulvermetallurgisches Herstellen eines das unedle Metall oder die unedle Metalllegierung enthaltenden Grünlings oder Braunlings, Beschichten eines Teils der Oberfläche des Grünlings oder Braunlings mit einer Mischung, welche das Edelmetall oder die Edelmetalllegierung als Pulver und ein Bindemittel enthält, Entfernen des Bindemittels aus der durch das Beschichten gebildeten Schicht, welche das Edelmetall oder die Edelmetalllegierung enthält, und durch Sintern des beschichteten Grünlings bzw. Braunlings wird ein Verbundteil hergestellt und dieses wird als Endstück auf das eine Ende des unedlen Abschnitts der Zündelektrode geschweißt.

Description

Die Erfindung geht von einem Verfahren mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen aus. Ein solches Verfahren und eine damit hergestellte Zündkerze sind aus der EP 1 576 707 B1 bekannt. Bei der bekannten Zündkerze werden die Mittelelektrode und die Masseelektrode jeweils mit einem Endstück versehen, in der EP 1 576 707 B1 als Zündspitze bezeichnet, welches aus einer Edelmetalllegierung besteht, die hauptsächlich Iridium enthält. Diese Endstücke werden durch Laserschweißen mit der Mittelelektrode und mit der Masseelektrode verbunden. Die Bestückung der Elektroden mit Endstücken aus einer Iridiumlegierung bezweckt eine Verlängerung der Lebensdauer der Zündkerze, wozu Iridium und Legierungen des Iridiums gut geeignet sind. Iridium ist jedoch ein teures Edelmetall.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Zündkerzen zu verbilligen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Zündelektroden für Zündkerzen, welche einen Abschnitt aus einem unedlen Metall oder aus einer unedlen Metalllegierung haben, welcher an einem Ende mit einem Edelmetall oder mit einer Edelmetalllegierung bestückt ist, werden erfindungsgemäß dadurch hergestellt, dass zunächst ein das unedle Metall oder die unedle Metalllegierung enthaltender Grünling oder Braunling pulvermetallurgisch hergestellt wird. Unter einem Grünling wird hier ein pulvermetallurgisch aus einem Pulver oder aus einer Pulvermischung durch Pressen hergestellter Körper verstanden, welcher außer dem Metallpulver noch ein Bindemittel enthalten kann. Unter einem Braunling wird hier ein pulvermetallurgisch durch Pressen hergestellter Körper verstanden, welcher von einem ursprünglich darin enthaltenen Bindemittel befreit worden ist. Das Entfernen des Bindemittels aus dem gepressten Körper wird auch als Entbindern bezeichnet. Sowohl der Grünling als auch der Braunling sind noch nicht gesintert.
Erfindungsgemäß wird ein Teil der Oberfläche des Grünlings oder Braunlings mit einer Mischung beschichtet, welche das Edelmetall oder die Edelmetalllegierung in Form eines Pulvers und ein Bindemittel enthält. Anschließend wird das Bindemittel aus der Schicht, welche das Edelmetall oder die Edelmetalllegierung enthält, entfernt (entbindert). Anschließend wird der beschichtete und entbinderte Grünling bzw. Braunling gesintert. Dadurch entsteht ein Verbundteil, welches überwiegend aus dem unedlen Metall bzw. aus der unedlen Metalllegierung besteht, wobei ein Teil der Oberfläche des Verbundteils eine durch den Sintervorgang fest haftende Schicht aufweist, welche das Edelmetall oder die Edelmetalllegierung enthält. Das so gebildete Verbundteil wird dann mit einer von dem Edelmetall bzw. der Edelmetalllegierung abgewandten Seite auf das eine Ende des unedlen Abschnitts der Zündelektrode geschweißt.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass das Verbundteil, welches als Endstück auf das eine Ende des unedlen Abschnitts der Zündelektrode geschweißt wird, nicht massiv aus dem Edelmetall bzw. aus der Edelmetalllegierung besteht, sondern zum Teil, vorzugsweise überwiegend, aus dem unedlen Metall bzw. aus der unedlen Metalllegierung besteht. Auf diese Weise kann ohne Einbuße an Lebensdauer beim Bestücken der Zündelektroden mit Edelmetall – verglichen mit dem Stand der Technik – die Menge des dafür benötigten teuren Edelmetalls verringert werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Verwendung des erfindungsgemäß erzeugten Verbundteils als Endstück das Aufschweißen des Endstücks auf das eine Ende des unedlen Abschnitts des Zündelektrode völlig problemlos ist, weil die beiden miteinander zu verschweißenden Oberflächen überwiegend aus demselben unedlen Metall bzw. überwiegend aus derselben unedlen Metalllegierung bestehen können. Probleme, die sich im Stand der Technik aus dem Aufschweißen eines aus einem Edelmetall oder aus einer Edelmetalllegierung bestehenden Endstücks auf den unedlen Abschnitt der Zündelektrode z. B. wegen unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten ergeben haben, werden bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens vermieden oder weniger bedeutsam. Das könnte daran liegen, dass sich durch die erfindungsgemäße Herstellung zwischen der das Edelmetall oder die Edelmetalllegierung enthaltenden Schicht und dem darunter liegenden Unedelmetall bzw. Unedelmetalllegierung eine Verzahnung ergibt. In der Verbindungszone können als Folge des Sintervorgangs intermetallische Verbindungen gebildet werden, welche in Kombination mit der Verzahnung der das Edelmetall bzw. die Edelmetalllegierung enthaltenden Schicht mit dem darunter liegenden Unedelmetall bzw. Unedelmetalllegierung die Bindungswirkung noch erhöhen.
Geeignete Bindemittel und Verfahren zum Entfernen des Bindemittels aus dem Grünling (Entbinderung) sind dem Fachmann aus der Technik des Metallpulverspritzgießens bekannt. Als Bindemittel kann z. B. ein thermoplastischer Kunststoff verwendet werden, der sich z. B. durch Ausheizen oder Pyrolyse wieder entfernen lässt.
Der unedle Abschnitt der Zündelektrode und das Verbundteil können zylindrisch sein. Sie eignen sich dann besonders für die Herstellung einer Mittelelektrode einer Zündkerze.
Das unedle Metall bzw. die unedle Metalllegierung kann eine für Zündkerzen üblicherweise verwendete Zusammensetzung haben. Bekannt und geeignet ist die Verwendung von Nickel und von Nickellegierungen, insbesondere von Inconel 600.
Die zur Bestückung der Zündelektroden verwendeten Edelmetalle oder Edelmetalllegierungen können ebenfalls dieselben sein, welche zur Verwendung in Zündkerzen bereits bekannt sind, insbesondere Iridium und Legierungen des Iridiums, insbesondere eine Legierung aus Platin und Iridium. Die Edelmetalllegierung darf aber auch kleinere Mengen eines oder mehrerer Unedelmetalle enthalten, z. B. Wolfram und/oder Zirkon.
Vorzugsweise wird das Verbundteil durch Metallpulverspritzgießen (MIM) hergestellt. Dieses Verfahren eignet sich besonders für das Herstellen kleiner Körper, wie sie für das Bestücken von Zündelektroden benötigt werden.
Zur Erzeugung des Verbundteils kann man zunächst den unedlen Grünling herstellen und durch Entbindern in einen Braunling überführen. Danach kann man den Braunling mit der Mischung des Pulvers aus dem Edelmetall oder aus der Edelmetalllegierung und dem Bindemittel beschichten, die so gebildete Schicht entbindern und den beschichteten Braunling sintern. Den unedlen Grünling zu entbindern, bevor er beschichtet wird, ist günstiger als ihn erst nach dem Beschichten mit dem Edelmetall oder der Edelmetalllegierung zu entbindern. Die aus dem Edelmetall oder aus der Edelmetalllegierung gebildete Schicht kann verglichen mit der Dicke bzw. dem Durchmesser des unedlen Grünlings oder Braunlings dünn sein. Sie muss deshalb nicht vor dem Sintern in einem gesonderten Verfahrensschritt entbindert werden sondern kann – je nach Art der verwendeten Materialien – auch durch den Sintervorgang selbst entbindert werden.
Mit Vorteil kann der Grünling bzw. Braunling mit der das Edelmetall oder die Edelmetalllegierung und das Bindemittel enthaltenden Mischung beschichtet werden, indem er als Kern in eine Spritzgießform eingesetzt und darin auf dem dafür vorgesehenen Teil der Oberfläche mit der Mischung umspritzt wird. Das eignet sich insbesondere für die Mittelelektrode von Zündkerzen, in denen eine ringförmige Masseelektrode die Mittelelektrode umgibt oder in denen eine oder mehrere Masseelektroden eine der Mantelfläche der Mittelektrode zugewandte Endfläche haben. In diesem Fall kann der Grünling bzw. Braunling so in der Spritzgießform positioniert werden, dass nur die Mantelfläche des Grünlings bzw. Braunlings umspritzt wird, die beiden Endflächen jedoch frei bleiben. Nach dem Sintern kann das auf diese Weise hergestellte Verbundteil mit der einen Endfläche auf das eine Ende des unedlen Abschnitts der Zündelektrode geschweißt werden, während die andere Endfläche des Verbundteils frei bleibt, soweit sie nicht dem Mantel angehört, und frei bleiben kann, weil ihr keine Masseelektrode gegenüber liegt.
Auch eine ringförmige Masseelektrode kann ohne Schwierigkeiten als Kern in eine Spritzgießform so eingesetzt werden, dass nur ein ringförmiger Formenhohlraum frei bleibt, dessen äußere Umfangsfläche durch die innere Umfangsfläche des Braunlings bzw. Grünlings begrenzt wird, so dass die eingespritzte Mischung, welche das Edelmetall oder die Edelmetalllegierung als Pulver und das Bindemittel enthält, die innere Umfangsfläche des Braunlings bzw. Grünlings bedeckt und auf ihr anschließend durch Sintern verankert wird.
In entsprechender Weise kann auch ein Kranz von Masseelektroden, welche der Umfangsfläche der Mittelelektrode zugewandt sein sollen, als Kern in eine Spritzgießform eingesetzt werden, so dass mehrere kleinere Formenhohlräume gebildet werden, in welche die Mischung, welche die Edelmetalllegierung oder das Edelmetall in Pulverform und das Bindemittel enthält, eingespritzt werden kann, so dass diese Mischung lediglich die radial einwärts gerichteten Endflächen der einen Kranz bildenden Masseelektroden bedeckt.
Eine andere Möglichkeit, den Grünling bzw. Braunling mit einer das Edelmetall oder die Edelmetalllegierung und ein Bindemittel enthaltenen Mischung zu beschichten, besteht darin, den Grünling bzw. Braunling auf dem zu beschichtenden Teil seiner Oberfläche zu „panieren” und danach zu sintern. Dazu wird die das Edelmetall oder die Edelmetalllegierung enthaltende Pulvermischung mit einem oder mehreren Bindemitteln versetzt, die zusammen mit den Edelmetallpulvern eine streichfähige Paste bilden, welche bis zum Sintern den nötigen Zusammenhalt der auf dem Grünling bzw. Braunling aufgetragenen Paste und deren Haftung auf dem Grünling bzw. Braunling sichert. Diese Zubereitung aus dem oder den Edelmetallpulvern und dem oder den Bindemitteln wird hier auch als „Panate” bezeichnet. Diese Vorgehensweise eignet sich besonders für Anwendungsfälle, die sich nicht oder nicht so gut für die Anwendung des Metallpulverspritzgießens oder der Koextrusion (siehe den folgenden Absatz) eignen.
Mittels eines Koextrusionsverfahrens kann man erfindungsgemäß das Verbundteil erzeugen, indem mit der Mischung eines Pulvers aus dem unedlen Metall oder aus der unedlen Metalllegierung und einem Bindemittel sowie mit der Mischung eines Pulvers aus dem Edelmetall oder aus der Edelmetalllegierung und einem Bindemittel (welches das gleiche Bindemittel wie das in der Mischung eines Pulvers aus dem unedlen Metall oder aus der unedlen Metalllegierung und einem Bindemittel sein kann, aber nicht sein muss) durch Koextrusion ein Verbundstrang gebildet wird, welcher das unedle Metall bzw. die unedle Metalllegierung und das Bindemittel als Kern und das Edelmetall bzw. die Edelmetalllegierung und das Bindemittel als Mantel aufweist. Der Verbundstrang wird entbindert, gesintert und danach durch Querteilen in eine Anzahl von Verbundteilen geteilt, die dann, wie weiter vorne schon beschrieben, auf das eine Ende des unedlen Abschnitts der Zündelektrode geschweißt werden können. Dieses Verfahren kann dahingehend abgewandelt werden, dass der extrudierte Verbundstrang bereits vor dem Sintern in eine Anzahl von Abschnitten geteilt wird, was sich leichter durchführen lässt als das Teilen nach dem Sintern. Dabei kann das Entbindern vor oder nach dem Querteilen erfolgen.
Eine weitere Variante der Erfindung besteht darin, das Verbundteil zu erzeugen, indem der Grünling, welcher die Mischung aus dem Unedelmetall oder der Unedelmetalllegierung und einem Bindemittel enthält, mit der Mischung, welche das Edelmetall oder die Edelmetalllegierung und ein Bindemittel enthält, bedruckt, entbindert und anschließend gesintert wird. Dieses Verfahren eignet sich besonders dafür, eine Endfläche einer Zündelektrode, bei der es sich um eine Mittelelektrode oder um eine Masseelektrode oder um eine von vier Seitenflächen einer im Querschnitt rechteckigen Masseelektrode handeln kann, mit Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung zu bestücken. Das Bedrucken kann automatisiert mittels eines 3D-Druckers oder, wenn die zu bedruckende Fläche eine ebene Fläche ist, mittels eines 2D-Druckers erfolgen.
In einer Abwandlung dieses Verfahrens kann das Verbundteil erzeugt werden, indem nicht der Grünling, sondern erst der Braunling, welcher das unedle Metallpulver oder das unedle Metalllegierungspulver enthält, mit der Mischung aus dem Edelmetall oder der Edelmetalllegierung und einem Bindemittel bedruckt und anschließend gesintert wird. In diesem Fall kann das Bindemittel aus der aufgedruckten Schicht, welche das Edelmetall oder die Edelmetalllegierung enthält, durch den Sintervorgang entbindert, z. B. zersetzt und ausgetrieben werden.
Die erfindungsgemäß gebildete Schicht, welche das Edelmetall oder die Edelmetalllegierung enthält, kann dünn sein. Sie muss nicht unbedingt die gesamte Oberfläche, welche in der Zündkerze von Zündfunken beaufschlagt werden kann, bedecken. Das Edelmetall bzw. die Edelmetalllegierung kann auf der den Zündspalt der Zündkerze begrenzenden Fläche z. B. Inseln bilden, zwischen denen das unedle Metall bzw. die unedle Metalllegierung an die Oberfläche tritt. Wegen der Spitzenwirkung werden die Zündfunken trotzdem in den meisten Fällen von einer solchen Edelmetallinsel ausgehen und an der gegenüber liegenden Zündelektrode auf eine gegenüberliegende Edelmetallinsel auftreffen. In Fällen, in welchen ein Zündfunke einen Fußpunkt zwischen Edelmetallinseln auf einem Bereich des unedlen Metalls hat und/oder auf der gegenüber liegenden Zündelektrode auf eine Stelle trifft, die durch das unedle Metall oder die unedle Metalllegierung gebildet ist, kann das dort zwar eine stärkere Erosion als auf dem Edelmetall bewirken. Das führt aber letztlich dazu, dass die das Edelmetall oder die Edelmetalllegierung enthaltenden Inseln umso weiter über die durch das unedle Metall bzw. durch die unedle Metalllegierung gebildete Basis vorstehen, wodurch die Spitzenwirkung verstärkt und die Wahrscheinlichkeit erhöht wird, dass die Zündfunken von einer Edelmetallinsel zu einer anderen Edelmetallinsel überspringen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1576707 B1 [0001]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Zündelektrode für Zündkerzen für Verbrennungsmotoren, welche einen Abschnitt aus einem unedlen Metall oder aus einer unedlen Metalllegierung hat, welcher an einem Ende mit einem Edelmetall oder mit einer Edelmetalllegierung bestückt ist, gekennzeichnet durch Erzeugen eines Verbundteils durch pulvermetallurgisches Herstellen eines das unedle Metall oder die unedle Metalllegierung enthaltenden Grünlings oder Braunlings, Beschichten eines Teils der Oberfläche des Grünlings oder Braunlings mit einer Mischung, welche das Edelmetall oder die Edelmetalllegierung als Pulver und ein Bindemittel enthält, Entfernen des Bindemittels aus der durch das Beschichten gebildeten Schicht, welche das Edelmetall oder die Edelmetalllegierung enthält, Sintern des beschichteten Grünlings bzw. Braunlings und Aufschweißen des so erzeugten Verbundteils als Endstück auf das eine Ende des unedlen Abschnitts der Zündelektrode.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Bindemittel ein thermoplastischer Kunststoff verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der unedle Abschnitt der Zündelektrode und das Verbundteil zylindrisch sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als das unedle Metall Nickel bzw. als die unedle Metalllegierung eine Nickellegierung verwendet wird, insbesondere Inconel 600.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als das Edelmetall Iridium bzw. als die Edelmetalllegierung eine Iridiumlegierung verwendet wird, z. B. eine Legierung aus Platin und Iridium.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundteil durch Metallpulverspritzgießen, auch als metal injection molding (MIM) bezeichnet, hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Verbundteils zunächst der unedle Grünling durch Entbindern in einen Braunling überführt wird, dass der Braunling mit der Mischung, welche das Pulver aus dem Edelmetall oder aus der Edelmetalllegierung und das Bindemittel enthält, beschichtet wird, dass die so gebildete Schicht entbindert und der beschichtete Braunling gesintert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grünling bzw. Braunling mit der das Edelmetall oder die Edelmetalllegierung und das Bindemittel enthaltenden Mischung beschichtet wird, indem er als Kern in eine Spritzgießform eingesetzt und darin mit der Mischung teilweise umspritzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grünling bzw. Braunling mit der das Edelmetall oder die Edelmetalllegierung und das Bindemittel enthaltende Mischung beschichtet wird, indem er mit der Mischung paniert und danach gesintert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundteil erzeugt wird, indem mit der Mischung, welche das Pulver aus dem unedlen Metall oder aus der unedlen Metalllegierung und das Bindemittel enthält, sowie mit der Mischung, welche das Pulver aus dem Edelmetall oder aus der Edelmetalllegierung und das gleiche oder ein anderes Bindemittel enthält, durch Koextrusion ein Verbundstrang gebildet wird, welcher das unedle Metall bzw. die unedle Metalllegierung und das Bindemittel als Kern und das Edelmetall bzw. die Edelmetalllegierung und das gleiche oder andere Bindemittel als Mantel aufweist; der Verbundstrang wird entbindert, gesintert und durch Querteilen in eine Anzahl von Verbundteilen geteilt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundteil erzeugt wird, indem mit der Mischung, welche das Pulver aus dem unedlen Metall oder aus der unedlen Metalllegierung und das Bindemittel enthält, sowie mit der Mischung, welche das Pulver aus dem Edelmetall oder aus der Edelmetalllegierung und das gleiche oder ein anderes Bindemittel enthält, durch Koextrusion ein Verbundstrang gebildet wird, welcher das unedle Metall bzw. die unedle Metalllegierung und das Bindemittel als Kern und das Edelmetall bzw. die Edelmetalllegierung und das gleiche oder andere Bindemittel als Mantel aufweist; der Verbundstrang wird entbindert, durch Querteilen in eine Anzahl von Abschnitten geteilt und diese werden danach gesintert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundteil erzeugt wird, indem der Grünling mit der Mischung, welche das Edelmetall oder die Edelmetalllegierung und das Bindemittel enthält, bedruckt, entbindert und anschließend gesintert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundteil erzeugt wird, indem der Braunling mit der Mischung, welche das Edelmetall oder die Edelmetalllegierung und das Bindemittel enthält, bedruckt und anschließend gesintert wird.
Zündkerze für Verbrennungsmotoren mit wenigstens einer Zündelektrode, welche durch ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche hergestellt ist.