DE102020211897A1

DE102020211897A1 - Zündkerzenelektrode sowie Zündkerze mit der Zündkerzenelektrode und Herstellungsverfahren für die Zündkerzenelektrode

Info

Publication number: DE102020211897A1
Application number: DE102020211897.3A
Authority: DE
Inventors: Egor Kostyukovich; Lyubov Belyaeva
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-09-23
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2022-03-24
Also published as: US20240030688A1; EP4218107A1; CN116195150A; WO2022063660A1

Abstract

Elektrode für eine Zündkerze (1), aufweisend einen Grundkörper (8) aus einer Nickelbasislegierung und ein Verschleißteil (10) aus einer Iridiumbasislegierung, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschleißteil (10) mit dem Grundkörper (8) sowohl verschweißt als auch formschlüssig verbunden ist.

Description

Stand der Technik
Eine Elektrode für eine Zündkerze nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs ist beispielsweise aus der DE 10 2014 225 402 A1 bekannt. Des Weiteren ist aus diesem Stand der Technik ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt.
Die Herstellung der Elektrode und die Verbindung des Grundkörpers mit dem Verschleißteil gemäß dem Stand der Technik setzen den Einsatz von starken Laserstrahlen unter flachen Winkeln zu der Werkstückoberfläche voraus und sind somit vergleichsweise aufwändig.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Elektrode kann hingegen vergleichsweise einfach und robust mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.
Dadurch, dass dabei neben einer Verschweißung zwischen dem Grundkörper und dem Verschleißteil auch eine formschlüssige Verbindung zwischen Grundkörper und Verschleißteil resultiert, ist die Verbindung insgesamt gefestigt, bzw. die an die Schweißverbindung als solche zu stellenden Anforderungen sind entschärft, obwohl die Elektrode weiterhin allen im Betrieb und in Tests auftretenden Belastungen dauerhaft zuverlässig standzuhalten vermag.
Das Verschleißteil kann die Form eines Kegelstumpfes aufweisen, also die Form eines Körpers, der entsteht, wenn man alle Punkte einer ebenen Grundfläche geradlinig mit einer Spitze verbindet und nachfolgend den Bereich der Spitze durch einen Schnitt entlang einer Schnittebene, die parallel zur Grundfläche ist, entfernt. Die Grundfläche kann kreisförmig sein, dann handelt es sich um einen Kreiszylinderstumpf. Weiterhin kann die Verbindungslinie des Kreismittelpunkts der Grundfläche mit der Spitze senkrecht auf der Grundfläche stehen, dann handelt es sich um einen geraden Kreiszylinderstumpf, was im Rahmen der Erfindung insbesondere bevorzugt ist.
Der Grundkörper kann eine hinterschnittene Ausnehmung aufweisen, also eine Ausnehmung, die sich in Richtung von der Oberfläche in das Innere des Grundkörpers hin aufweitet.
Die formschlüssige Verbindung zwischen dem Verschleißteil und dem Grundkörper kann insbesondere daraus resultieren, dass in der hinterschnittenen Ausnehmung ein die Grundfläche des Kegelstupfes umfassender Teil des Verschleißteils angeordnet ist und ein die Schnittfläche des Kegelstupfes umfassender Teil des Kegelstumpfes hervorsteht, wobei der Kegelstumpf die hinterschnittene Ausnehmung vollständig ausfüllt.
In Weiterbildung hierzu kann der Grundkörper mit dem Verschleißteil an Teilen der Randfläche der Ausnehmung oder an der gesamten Randfläche der Ausnehmung verschweißt sein.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Kegelstumpf von einem geraden Kreiskegel ausgeht, sodass er eine Achse aufweist, die senkrecht auf der Grundfläche und der Schnittfläche des Kegelstumpfes steht, und einen Grundflächenradius rg aufweist und einen Schnittflächenradius rs aufweist und eine Höhe h aufweist. Es kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper seitlich neben der Ausnehmung eine plane Oberfläche aufweist, die parallel zu der Grundfläche und der Schnittfläche des Kegelstumpfes ist, und die Grundfläche in axialer Richtung um eine Einschmelzlänge lin von der Oberfläche beabstandet ist, also um die Einschmelzlänge lin unter dieser Oberfläche liegt. Das Verschleißteil ist dann insbesondere gleichsam in dem Grundkörper aufgenommen bzw. in dem Grundkörper eingeschmolzen.
Von den nachfolgenden Relationen:

a) h < rs, insbesondere h<1/2 rs,
b) rs < 0,9 rg, insbesondere rs<0,85 rg,
c) lin < 1/2 h, insbesondere lin<1/3 h,

Der halbe Kegelwinkel α (Öffnungswinkel) des dem Kegelstumpf zugrundeliegenden Kegels beträgt mit diesen Bezeichnungen α =arctan ((rg-rs)/h) und kann bevorzugt zwischen 10° und 40°, insbesondere zwischen 15° und 35° betragen.
Beispielsweise kann 3 mm ≥ rg ≥ 2mm gewählt sein.
Beispielsweise kann 1 mm ≥ h ≥ 0,2mm gewählt sein.
Es kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper zwischen der Ausnehmung und der planen Oberfläche einen umlaufenden Schweißwulst aufweist, der seitlich an der Mantelfläche des Verschleißteils anliegt, das erhöht die Anlagefläche zwischen Verschleißteil und Grundelektrode und verbessert so den Stoffschluss.
Die Nickelbasislegierung enthalt bezogen auf Gewichtsanteile überwiegend Nickel. Sie kann NiAIxSiy oder NiAlxSiyY sein, jeweils mit 4 ≥ x+y ≥ 1 sein, z.B. NiAl1Si1.
Die Iridiumbasislegierung enthalt bezogen auf Gewichtsanteile überwiegend Iridium. Sie kann zum beispielsweise vollständig aus Edelmetallen bestehen. Sie kann IrRhzReu mit 16 ≥ z+u ≥ 3 sein, z.B. IrRh8Re3.
Die Erfindung betrifft auch eine Zündkerze die mindestens eine derartige Elektrode aufweist. Es kann sich um eine Mittelelektrode und/oder eine Masseelektrode handeln. Ist. Bei der Masseelektrode kann es sich um eine Dachelektrode, Seitenelektrode und/oder Bügelelektrode handeln.
Derartige Elektroden bzw. Zündkerzen lassen sich mit folgenden Verfahrensschritten herstellen:

- Bereitstellen eines Vor-Grundkörpers mit einer planen Oberfläche aus einer Nickelbasislegierung;
- Bereitstellen eines kegelstumpfförmigen Vor-Verschleißteils aus einer Iridiumbasislegierung;
- Aufbringen der Grundseite des Vor-Kegelstumpfes auf die plane Oberfläche des Vor-Grundkörpers;
- Elektrisches Kontaktieren des Vor-Verschleißteils und des Vor-Grundkörpers;
- Einleiten eines elektrischen Stroms, der zwischen dem Vor-Verschleißteil und dem Vor-Grundkörper fließt, sodass der Vor- Grundkörper im Bereich der Auflage des Vor-Verschleißteils aufschmilzt; und zugleich Einleiten einer mechanischen Kraft, die zwischen dem Vor-Verschleißteil und dem Vor-Grundkörper wirkt, daraus resultierend:
- Eindringen des Vor-Verschleißteils in den Vor-Grundkörper, wobei sich das durch das Eindringen verdrängte Material des Vor-Grundkörpers zumindest teilweise an der Umfangsfläche des Vor-Verschleißkörpers anlagert,

Das Verfahren kann so durchgeführt werden, dass der elektrische Strom eine Erwärmung bewirkt, die stets niedriger ist als die Schmelztemperatur der Iridiumbasislegierung, beispielsweise stets niedriger als 1600°C. Dann geht die Form des Vor-Verschleißteils unverändert in die Form des Verschleißteils über und ein Formschluss zwischen Grundelektrode und Verschleißteil ist besonders ausgeprägt herstellbar.
Wird der Quotient aus der mechanischen Kraft und der Grundfläche des Vor-Grundkörpers so gewählt, dass er einem mechanischen Druck entspricht, der zwischen 40 und 300 N/mm2 beträgt, so dringt das Vor-Verschleißteil rasch in den Vor-Grundkörper ein und es kann das Fertigungsverfahren in kurzer Zeit durchgeführt werden.
Figurenliste

1 zeigt ein Beispiel für eine Zündkerze.
2 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Elektrode.
3 zeigt ein Beispiel für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Mittelelektrode.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Zündkerze 1. Die Zündkerze 1 weist ein metallisches Gehäuse 2 mit einem Gewinde 3 für die Montage der Zündkerze 1 in einem Motorblock auf. Innerhalb des Gehäuses 2 ist ein Isolator 4 angeordnet. Eine Mittelelektrode 5 und ein Anschlussbolzen 7 sind innerhalb des Isolators 4 angeordnet und über ein hier nicht gezeigtes Widerstandselement elektrisch verbunden. Die Mittelelektrode 5 überragt im Beispiel das brennraumseitige des Isolators 4.
Am brennraumseitigen Ende des Gehäuses 2 ist eine Masseelektrode 6 angeordnet. Die gemeinsam mit der Mittelelektrode 5 einen Zündspalt bildet. Die Masseelektrode 6 kann als Dachelektrode, Seitenelektrode oder Bügelelektrode ausgebildet sein. Die Bügelelektrode weist zwei Schenkel auf, die mit ihrem Bein 16 jeweils an das Gehäuse 2 angeschweißt sind. Die Schenkel weisen zueinander einen Winkel von 30° bis 180° auf. Die Bügelelektrode kann einstückig oder mehrteilig aufgebaut sein, wobei bei einem mehrteiligen Aufbau die einzelnen Teile durch eine stoffschlüssige Verbindung wie beispielsweise Schweißen miteinander verbunden sind.
In 2a ist eine perspektivische Ansicht und in der 2b ist eine Seitenansicht (links) bzw. ein Schnitt (rechts) einer erfindungsgemäßen Elektrode 5, 6 gezeigt. Die 2c zeigt separat eine Ansicht des Verschleißteils 10.
Die Elektrode 5, 6 weist einen Grundkörper 8 aus einer Nickelbasislegierung und ein Verschleißteil 10 aus einer Iridiumbasislegierung auf. Das Verschleißteil 10 ist so am Grundkörper 8 angeordnet ist, dass es zusammen mit der gegenüberliegenden Elektrode 6, 5 bzw. einem an der gegenüberliegenden Elektrode 6, 5 angeordneten zweiten Verschleißteil den Zündspalt ausbildet.
Im Beispiel hat das Verschleißteil 10 die Form eines geraden Kegelstumpfes der Höhe h. Der Radius der Grundfläche g beträgt rg und der Radius der Schnittfläche s beträgt rs.
Die Grundelektrode 8 weist eine hinterschnittene Ausnehmung 9 auf, d.h. die Ausnehmung 9 verjüngt sich in Richtung zu der Außenfläche 13 der Grundelektrode 8 (in der 2b nach oben). In der Ausnehmung 9 ist ein die Grundfläche g des Kegelstupfes umfassender Teil (Ti) des Verschleißteils 10 angeordnet und aus der Ausnehmung 9 steht ein die Schnittfläche s des Kegelstupfes umfassender Teil (Tv) des Kegelstumpfes (in der 2b nach außen/oben) hervor. Dabei füllt der Kegelstumpf die hinterschnittene Ausnehmung 9 vollständig aus und an der Randfläche der Ausnehmung 9 ist der Grundkörper 8 mit dem Verschleißteil 10 verschweißt.
Die Außenfläche 13 des Grundkörpers 8 ist seitlich neben der Ausnehmung 9 als eine plane Oberfläche ausgebildet, die parallel zu der Grundfläche g und der Schnittfläche s des Kegelstumpfes ist. Dabei ist die Grundfläche g in axialer Richtung um die Einschmelzlänge lin von der planen Oberfläche beabstandet.
Im Beispiel ist: rg=1,2mm; rs=1 mm, h=0,4 mm, lin=0,1 mm oder lin=0,05mm. Im Beispiel besteht der Grundkörper 8 aus dem Material NiAllSilY und der Verschleißkörper 10 besteht aus dem Material IrRh8Re3.
Aus der 2b ist ersichtlich, dass der Grundkörper 8 zwischen der Ausnehmung 9 und der planen Oberfläche 13 einen umlaufenden Schweißwulst 11 aufweist, der seitlich an der Mantelfläche m des Verschleißteils 10 anliegt. Bei dem Material des Schweißwulstes 11 handelt es sich im Beispiel um das Material des Grundkörpers 8, das bei der Herstellung der Elektrode 5, 6, bei der Entstehung der Ausnehmung 9 durch das Einschmelzen (englisch: „Inmelting“) des Verschleißteils 10 in den Grundkörper 8 verdrängt wurde.
Die in diesem Beispiel beschriebene Elektrode 5, 6 lässt sich beispielsweise folgendermaßen herstellen:

- Schritt V1: Bereitstellen eines Vor-Grundkörpers mit einer planen Oberfläche aus einer Nickelbasislegierung;
- Schritt V2: Bereitstellen eines kegelstumpfförmigen Vor-Verschleißteils aus einer Iridiumbasislegierung;
- Schritt V3: Aufbringen der Grundseite des Vor-Kegelstumpfes auf die plane Oberfläche des Vor-Grundkörpers (V3);
- Schritt V4: Elektrisches Kontaktieren des Vor-Verschleißteils und des Vor-Grundkörpers;
- Schritt V5: Einleiten eines elektrischen Stroms, der zwischen dem Vor-Verschleißteil und dem Vor-Grundkörper fließt, sodass sich der Vor- Grundkörper im Bereich der Auflage des Vor-Verschleißteils erhitzt (zum Beispiel maximal 1400°C), aufschmilzt; und zugleich
- Einleiten einer mechanischen Kraft, die zwischen dem Vor-Verschleißteil und dem Vor-Grundkörper wirkt (SchrittV6) zum Beispiel 500 Newton, daraus resultierend:
- Schritt V7: Eindringen des Vor-Verschleißteils in den Vor-Grundkörper, wobei sich das durch das Eindringen verdrängte Material des Vor-Grundkörpers zumindest teilweise an der Umfangsfläche des Vor-Verschleißkörpers als Schweißwulst anlagert,

Die Verfahrensschritt V1 bis V7 sind in der 3 dargestellt.
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 102014225402 A1 [0001]

Claims

Elektrode für eine Zündkerze (1), aufweisend einen Grundkörper (8) aus einer Nickelbasislegierung und ein Verschleißteil (10) aus einer Iridiumbasislegierung, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschleißteil (10) mit dem Grundkörper (8) sowohl verschweißt als auch formschlüssig verbunden ist.
Elektrode nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Verschleißteil (10) die Form eines Kegelstumpfes aufweist und der Grundkörper (8) eine hinterschnittene Ausnehmung (9) aufweist, in der ein die Grundfläche (g) des Kegelstumpfes umfassender Teil (Ti) des Verschleißteils (10) angeordnet ist und aus der ein die Schnittfläche (s) des Kegelstumpfes umfassender Teil (Tv) des Kegelstumpfes hervorsteht, wobei der Kegelstumpf die hinterschnittene Ausnehmung (9) vollständig ausfüllt und wobei an der Randfläche der Ausnehmung (9) der Grundkörper (8) mit dem Verschleißteil (10) verschweißt ist.
Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelstumpf von einem geraden Kreiskegel ausgeht, sodass er eine Achse (100) aufweist, die senkrecht auf der Grundfläche (g) und der Schnittfläche (a) des Kegelstumpfes steht, und einen Grundflächenradius (rg) aufweist und einen Schnittflächenradius (rs) aufweist und eine Höhe (h) aufweist, dass der Grundkörper (8) seitlich neben der Ausnehmung (9) eine plane Oberfläche (13) aufweist, die parallel zu der Grundfläche (g) und/oder der Schnittfläche (s) des Kegelstumpfes ist, und die Grundfläche (g) in axialer Richtung (100) um eine Einschmelzlänge (lin) von der Oberfläche (13) beabstandet ist.
Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine, mehrere oder alle der folgenden Beziehungen realisiert sind: a) h < rs, insbesondere h<1/2 rs b) rs < 0,9 rg, insbesondere rs<0,85 rg c) lin < 1/2 h, insbesondere lin<1/3 h; wobei h die Höhe (h) des Kegelstumpfes ist, rs der Radius (rs) der Schnittfläche (s) ist, rg der Radius (rg) der Grundfläche (g) ist und lin die Einschmelztiefe (lin) ist.
Elektrode nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (8) zwischen der Ausnehmung (9) und der planen Oberfläche (13) einen umlaufenden Schweißwulst (11) aufweist, der seitlich an der Mantelfläche (m) des Verschleißteils (10) anliegt.
Elektrode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelbasislegierung NiAIxSiy oder NiAlxSiyY ist, jeweils mit 4 ≥ x+y ≥ 1; und die Iridiumbasislegierung IrRhzReu ist mit 16 ≥ z+u ≥ 3.
Zündkerze, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (1) mindestens eine Elektrode (5, 6) nach einem der vorangehenden Ansprüche aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder einer Zündkerze nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte - Bereitstellen eines Vor-Grundkörpers mit einer planen Oberfläche aus einer Nickelbasislegierung (V1) - Bereitstellen eines kegelstumpfförmigen Vor-Verschleißteils aus einer Iridiumbasislegierung (V2) - Aufbringen der Grundseite des Vor-Kegelstumpfes auf die plane Oberfläche des Vor-Grundkörpers (V3) - Elektrisches Kontaktieren des Vor-Verschleißteils und des Vor-Grundkörpers (V4) - Einleiten eines elektrischen Stroms, der zwischen dem Vor-Verschleißteil und dem Vor-Grundkörper fließt (V5), sodass der Vor- Grundkörper im Bereich der Auflage des Vor-Verschleißteils aufschmilzt; und zugleich Einleiten einer mechanischen Kraft, die zwischen dem Vor-Verschleißteil und dem Vor-Grundkörper wirkt (V6), daraus resultierend: - Eindringen des Vor-Verschleißteils in den Vor-Grundkörper, wobei sich das durch das Eindringen verdrängte Material des Vor-Grundkörpers zumindest teilweise an der Umfangsfläche des Vor-Verschleißkörpers anlagert (V7), wobei nachfolgend das Vor-Verschleißteil das Verschleißteil (10) bildet und der Vor-Grundkörper den Grundkörper (8) bildet.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Strom eine Erwärmung bewirkt, die stets niedriger ist als die Schmelztemperatur der Iridiumbasislegierung, beispielsweise stets niedriger als 1600°C.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient aus der mechanischen Kraft und der Grundfläche des Vor-Grundkörpers einem mechanischen Druck entspricht, der zwischen 40 und 300 N/mm2 beträgt.