DE102015207042A1

DE102015207042A1 - Zündkerzenelektrode sowie Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102015207042A1
Application number: DE102015207042.5A
Authority: DE
Inventors: Detlef Hartmann; Andreas Benz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2016-10-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zündkerzenelektrode, umfassend einen Basiskörper (10), der ein Elektrodenbasismaterial umfassend Nickel aufweist; einen Elektrodenpin (11), umfassend wenigstens ein Edelmetallmaterial; und einen Lotverbindungsbereich (12), welcher zwischen dem Basiskörper (10) und dem Elektrodenpin (11) angeordnet ist, wobei zwischen dem Basiskörper (10) und einem Lot (13) des Lotverbindungsbereichs (12) eine erste stoffschlüssige Verbindung (14) ausgebildet ist; und wobei zwischen dem Elektrodenpin (11) und dem Lot des Lotverbindungsbereichs (12) eine zweite stoffschlüssige Verbindung (15) ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Zündkerze sowie ein Verfahren zur Herstellung der Zündkerzenelektrode.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine kostengünstige Zündkerzenelektrode, eine Zündkerze mit einer entsprechenden Zündkerzenelektrode sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode.
Im Betrieb treten an den Elektroden einer Zündkerze Verschleißerscheinungen auf. Zur Reduzierung des Elektrodenverschleißes werden dabei Stifte oder Plättchen aus Edelmetall-Legierungen auf eine Basiselektrode, üblicherweise enthaltend Nickel, aufgebracht. Die Edelmetalllegierungen umfassen dabei üblicherweise Platin, so dass als Verbindungsverfahren für die Edelmetalllegierung mit der Basiselektrode beispielsweise Laserschweißen oder Widerstandsschweißen möglich ist. Eine Alternative zu Platinlegierungen sind Iridiumlegierungen. Diese können bisher nur mittels Laserschweißen auf den Basiselektroden fixiert werden, wobei die Basiselektrode partiell aufgeschmolzen wird. In dieser Schmelzzone wird dann der Elektrodenwerkstoff legiert, so dass eine Widerstandsfähigkeit der Schmelzzone nach Erhärten reduziert ist. Für die Verbindung zwischen der Basiselektrode und der Edelmetalllegierung aus Iridium muss ein bestimmtes Edelmetall-Bauteilvolumen vorgesehen werden, welches in der Schmelzzone aufgelöst wird und somit nicht mehr für den Verschleiß zur Verfügung steht. Weiterhin ist aus der DE 3036223 A1 ein Funkenzünder für Luftfahrt-Strahltriebwerke bekannt, bei dem Einsätze aus Edelmetall, beispielsweise Iridium, in einem Masseelektrodenring vorgesehen sind, wobei die Einsätze in Schlitzen eingelötet werden können. Diese Anwendung bei Funkenzündern ist jedoch bei Zündkerzen für Kraftfahrzeuge nicht anwendbar und aufgrund der Komplexizität viel zu teuer in der Herstellung. Auch tritt ein erhöhter Verschleiß an den Bereichen neben den Einsätzen auf, so dass eine Lebensdauer nicht signifikant verbessert werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine reduzierte Menge an Edelmetall verwendet werden kann, um eine gleiche Standzeit wie bei herkömmlichen Zündkerzenelektroden aufzuweisen. Dabei kann die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode zudem noch einfach und kostengünstig hergestellt werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Zündkerzenelektrode einen Basiskörper und einen Elektrodenpin aufweist, zwischen welchen ein Lotverbindungsbereich ausgebildet ist. Erfindungsgemäß wird somit der Elektrodenpin an den Basiskörper angelötet. Dabei ist zwischen dem Lot und dem Basiskörper eine erste stoffschlüssige Verbindung ausgebildet und zwischen dem Elektrodenpin und dem Lot eine zweite stoffschlüssige Verbindung ausgebildet. Der Basiskörper ist aus einem Elektrodenbasismaterial, umfassend Nickel, hergestellt und der Elektrodenpin ist aus einem Edelmetallmaterial hergestellt. Durch den erfindungsgemäßen Lötverbindungsbereich zwischen dem Elektrodenpin und dem Basiskörper kann somit eine Fixierung des Elektrodenpins auf dem Basiskörper ermöglicht werden, ohne dass hierbei teures Edelmetall des Elektrodenpins als Material zur Bereitstellung der Verbindung zwischen Elektrodenpin und Basiskörper verwendet werden muss. Somit kann das gesamte Edelmetallmaterial des Elektrodenpins zur Befunkung und als Verschleißmaterial verwendet, im Gegensatz zu dem bisher im Stand der Technik verwendeten Fixiermethoden des Laserschweißens, bei denen ein gewisser Anteil an Edelmetall für die Verbindung zum Basiskörper aufgeschmolzen wird und nicht mehr als Verschleißschutz bereitsteht.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Besonders bevorzugt umfasst das Edelmaterial des Elektrodenpins Iridium. Erfindungsgemäß ist es auf überraschende Weise zum ersten Mal möglich, dass ein Elektrodenpin, umfassend Iridium, auf einem Nickel umfassenden Basiskörper ohne Verlust an Edelmetallmaterial fixiert wird. Das Elektrodenbasismaterial des Basiskörpers ist vorzugsweise eine übliche Nickel-Basis-Legierung.
Vorzugsweise ist ein Anteil von Iridium im Edelmetallmaterial des Elektrodenpins größer als 50 Gew.-%, insbesondere als 80 Gew.-% und besonders bevorzugt größer als 90 Gew.-%. Das Iridium ist vorzugsweise in verschiedensten Legierungen vorgesehen.
Weiter bevorzugt umfasst das Edelmetallmaterial des Elektrodenpins Rhodium in einem Bereich von ungefähr 10 Gew.-%, vorzugsweise ungefähr 8 Gew.-%, bevorzugt in einem Bereich zwischen 8 und 10 Gew.-%.
Insbesondere werden niedriglegierte Nickellegierungen oder vorzugsweise hochlegierte Nickellegierungen, insbesondere mit einem Chromanteil von 15 bis 30 Gew.-%, insbesondere 20 bis 28 Gew.-%, und weiter insbesondere 25 Gew.-%, verwendet.
Die Erfindung ist dann besonders bevorzugt und vorteilhaft, wenn insbesondere eine Schmelztemperatur des Edelmetallmaterials mehr als 1000 K über einer Schmelztemperatur des Elektrodenbasismaterials liegt.
Weiter bevorzugt ist das Lot für den Lotverbindungsbereich derart vorgesehen, dass das Lot Nickel und/oder Eisen und/oder Palladium und/oder Kobalt umfasst.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Zündkerze, umfassend eine erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode. Die Zündkerzenelektrode kann dabei eine Masseelektrode und/oder eine Mittelelektrode der Zündkerze sein.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte des Bereitstellens eines Basiskörpers aus einem Elektrodenbasismaterial, umfassend Nickel, und des Bereitstellens eines Edelmetallpins aus einem Edelmetallmaterial. Anschließend wird der Edelmetallpin mittels eines Lötvorgangs an den Elektrodenbasiskörper unter Verwendung eines Lots derart angelötet, dass zwischen dem Basiskörper und dem Elektrodenpin ein Lotverbindungsbereich gebildet wird. Dabei ergibt sich eine erste stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Lot und dem Basiskörper sowie eine zweite stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Lot und dem Edelmetallpin. Hierbei werden für die Verbindung somit das Lot und insbesondere nicht das Edelmetallmaterial aufgeschmolzen, so dass das Edelmetallmaterial für den Elektrodenpin entsprechend auf das erforderliche Verschleißvolumen begrenzt werden kann. Dadurch ergibt sich ein großer Kostenvorteil, insbesondere, da die Edelmetallpins sehr teuer sind und eine Verwendung in Massenbauteilen, wie Zündkerzen, erfolgt.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren derart durchgeführt, dass das Lot als Lotplättchen oder als Suspension oder als Pulver an der Fügestelle zwischen dem Basiskörper und dem Elektrodenpin vorgesehen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird weiter bevorzugt derart durchgeführt, dass das Lot mittels Widerstandsschweißen oder Induktion oder Laser oder in einem Ofen geschmolzen wird.
Vorzugsweise umfasst das Edelmetallmaterial des Elektrodenpins Iridium, insbesondere mit einem Anteil von größer 50 Gew.-%, insbesondere größer 80 Gew.-% und besonders bevorzugt größer 90 Gew.-%.
Weiter bevorzugt wird gemäß einer weiteren Alternative das Lot als Lotplättchen schon an eine Stirnseite des Elektrodenpins befestigt, so dass eine Unterbaugruppe, umfassend das Lot und den Elektrodenpin, vorgesehen werden kann, welche lediglich auf den Basiskörper aufgelegt werden muss. Dadurch kann eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung ermöglicht werden.
Zeichnung
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung sind gleiche bzw. funktional gleiche Teile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist:
1 eine schematische, teilweise geschnittene Schnittansicht einer Zündkerze gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine schematische, vergrößerte, perspektivische Ansicht einer Masseelektrode der Zündkerze von 1,
3 eine schematische Schnittansicht der Masseelektrode von 2,
4 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung einer Herstellung der Masseelektrode gemäß den 2 und 3, und
5 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung einer Herstellung einer Masseelektrode gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 eine Zündkerze 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
Die Zündkerze 1 weist in bekannter Weise einen keramischen Isolator 2 und ein metallisches Gehäuse 3 auf. Ferner umfasst die Zündkerze 1 eine Mittelelektrode 4 und eine Masseelektrode 5. Im Folgenden wird beispielhaft die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode am Beispiel einer Ausführung als Masseelektrode 5 näher beschrieben. Eine Ausführung als Mittelelektrode 4 ist für die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode auch möglich.
Die Masseelektrode 5 ist im Detail in den 2 und 3 gezeigt. Die Masseelektrode 5 umfasst einen Basiskörper 10 aus einer Nickelbasislegierung. Auf dem Basiskörper 10 ist ein Elektrodenpin 11 mittels eines Lots 13 fixiert.
Die 2 und 3 zeigen dabei den fixierten Zustand des Elektrodenpins 11 und die 4 zeigt das Verfahren zur Herstellung. Das Lot 13 ist in Form eines Plättchens vorgesehen, welches zwischen dem Elektrodenpin 11 und dem Basiskörper 10 gelegt wird. Hierbei wird nun mittels Löten eine Lotverbindung zwischen dem Elektrodenpin 11 und dem Basiskörper 10 hergestellt. Dabei ergibt sich ein Lotverbindungsbereich 12, welcher im Detail aus 3 ersichtlich ist. Der Lotverbindungsbereich 12 umfasst eine erste stoffschlüssige Verbindung 14 zwischen dem Basiskörper 10 und dem Lot 13 sowie eine zweite stoffschlüssige Verbindung 15 zwischen dem Lot 13 und dem Elektrodenpin 11.
Das Lot 13 kann dabei während des Lötvorgangs vollständig aufschmelzen oder der Lötvorgang wird so ausgeführt, dass lediglich die oberen und unteren Bereiches des Lotes aufschmelzen, um die stoffschlüssige Verbindung zwischen Elektrodenpin und Lot sowie zwischen Basiskörper und Lot bereitzustellen, wie in 3 gezeigt.
Die Erwärmung dieses Verbundes kann dabei beispielsweise mittels Widerstandsschweißen erreicht werden, indem der Verbund zwischen Schweißelektroden gespannt wird und durch Stromfluss bis zum Aufschmelzen des Lotes 13 erwärmt wird.
Der Elektrodenpin 11 umfasst ein Edelmetallmaterial, insbesondere Iridium. Besonders bevorzugt wird dabei eine Legierung aus Iridium und Rhodium, insbesondere IrRh₁₀ oder IrRh₈Re₃ (eine Legierung aus Iridium, Rhodium und Rhenium), verwendet.
Es sei angemerkt, dass alternativ die erste und zweite stoffschlüssige Verbindung 14, 15 auch unmittelbar ineinander übergehen können, so dass kein reines Lot 13 mehr zwischen dem Elektrodenpin 11 und dem Basiskörper 10 vorhanden ist.
Das Lot 13 ist in Form eines Plättchens vorgesehen, und kann eine rechteckige oder eine runde oder eine andere beliebige Form aufweisen. Eine Dicke des Lotplättchens ist dabei vorzugsweise in einem Bereich von maximal 1/5 einer Dicke des Elektrodenpins 11.
Das Lot 13 ist vorzugsweise ein Hochtemperaturlot mit Basisbestandteilen Nickel oder Eisen oder Palladium oder Kobalt. Das Lot kann auch als Supension oder als Pulver auf dem Basiskörper 10 aufgebracht werden.
5 zeigt ein alternatives Verfahren, wobei das Lot 13 schon am Elektrodenpin 11 fixiert ist. Das Lot 13 kann dabei beispielsweise mittels plattieren oder dgl. am Elektropin 11 fixiert werden. Beispielsweise kann auch ein Bandmaterial aus Edelmetall aus dem Material des Elektrodenpins und ein Bandmaterial des Lotes vorgesehen werden, welche dann als Verbundbauteil z.B. mittels plattieren miteinander verbunden und anschließend durch ein Ausstanzen oder dgl. getrennt werden können.
Somit wird beim zweiten Ausführungsbeispiel eine Unterbaugruppe, umfassend den Elektrodenpin 11 und das Lot 13, bereitgestellt, welche dann einfacher handhabbar ist und auf dem Basiskörper 10 angeordnet wird und anschließend mittels Löten auf dem Basiskörper fixiert wird.
Zu den beschriebenen Ausführungsbeispielen sei angemerkt, dass es nicht mehr notwendig ist, einen Iridium enthaltenden Elektrodenpin mittels Laserschweißen am Basiskörper 10 zu fixieren, sondern dies mittels Löten durchgeführt werden kann. Hierdurch kann eine Größe des Edelmetall enthaltenden Elektrodenpins 11 reduziert werden, da kein Edelmetall für eine Verbindung zum Basiskörper 10 verbraucht wird. Erfindungsgemäß können somit insbesondere Iridium umfassende Elektrodenpins einfach und schnell und kostengünstig am Basiskörper 10 fixiert werden. Durch die höhere Verschleißbeständigkeit von Iridiumlegierungen gegenüber beispielsweise Platinlegierungen, kann somit eine Dicke des Elektrodenpins 11 weiter reduziert werden. Dadurch kann die Menge an Edelmetall für den Elektrodenpin 11 auf überraschende Weise signifikant reduziert werden, was zu einer erheblichen Kosteneinsparung führt, insbesondere da Zündkerzen Massenbauteile sind und schon geringste Einsparungen an Edelmetallmaterial große Kostenvorteile bringen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3036223 A1 [0002]

Claims

Zündkerzenelektrode, umfassend: – einen Basiskörper (10), der ein Elektrodenbasismaterial umfassend Nickel aufweist; – einen Elektrodenpin (11), umfassend wenigstens ein Edelmetallmaterial; und – einen Lotverbindungsbereich (12), welcher zwischen dem Basiskörper (10) und dem Elektrodenpin (11) angeordnet ist, – wobei zwischen dem Basiskörper (10) und einem Lot (13) des Lotverbindungsbereichs (12) eine erste stoffschlüssige Verbindung (14) ausgebildet ist; und – wobei zwischen dem Elektrodenpin (11) und dem Lot des Lotverbindungsbereichs (12) eine zweite stoffschlüssige Verbindung (15) ausgebildet ist.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Edelmetallmaterial des Elektrodenpins (11) Iridium umfasst.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewichtsanteil des Iridiums am Gesamtgewicht des Elektrodenpins (11) größer als 50 Gew.-% ist, insbesondere größer als 80 Gew.-% ist und weiter insbesondere größer als 90 Gew.-% ist.
Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schmelztemperatur des Edelmetallmaterials des Elektrodenpins (11) mehr als 1000 K über einer Schmelztemperatur des Elektrodenbasismaterial des Basiskörpers (10) liegt.
Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenbasismaterial Chrom in einem Bereich von 15 bis 30 Gew.-% aufweist und insbesondere ungefähr 25 Gew.-% Chrom aufweist.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenpin Rhodium in einem Bereich zwischen 8 bis 10 Gew.-% und insbesondere ungefähr 10 Gew.-% umfasst.
Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot (13) Nickel und/oder Eisen und/oder Palladium und/oder Kobalt umfasst.
Zündkerze, umfassend eine Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode, umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Basiskörpers (10) aus einem Elektrodenbasismaterial umfassend Nickel; – Bereitstellen eines Edelmetallpins (11) aus einem Edelmetallmaterial; und – Anlöten des Edelmetallpins (11) an den Basiskörper (10) mittels Lot (13) derart, dass zwischen dem Basiskörper und dem Elektrodenpin (11) ein Lotverbindungsbereich (12) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot (13) als Lotplättchen oder als Suspension oder als Pulver auf die Fügestelle zwischen Basiskörper (10) und Elektrodenpin (11) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot (13) mittels Widerstandsschweißen oder Induktion oder Laser oder in einem Ofen aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenpin (11) als Edelmetall Iridium mit einem Anteil von größer 50 Gew.-%, insbesondere größer 80 Gew.-% und weiter insbesondere 90 Gew.-% umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenpin Rhodium in einem Bereich zwischen 8 bis 10 Gew.-% und insbesondere ungefähr 10 Gew.-% umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt eine Baugruppe (6), umfassend den Elektrodenpin (11) und das Lot (13) hergestellt wird und anschließend die Baugruppe am Basiskörper (10) mittels Löten fixiert wird.