DE10222263A1

DE10222263A1 - Legierung

Info

Publication number: DE10222263A1
Application number: DE2002122263
Authority: DE
Inventors: Klaus Hrastnik
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-05-18
Filing date: 2002-05-18
Publication date: 2003-11-27

Abstract

Es wird eine Legierung, insbesondere eine Nickellegierung, vorgeschlagen, die Partikel (32, 34) beinhaltet, die in eine Legierungsmatrix (30) eingebettet sind und die eine von der Legierungsmatrix (30) abweichende Zusammensetzung aufweisen.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf eine Legierung und deren Verwendung sowie auf ein Verfahren zu deren Herstellung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Legierungen insbesondere für Anwendungen im Bereich Zündkerzenelektroden sind extremen Anforderungen hinsichtlich Korrosions- und Temperaturbeständigkeit unterworfen. Dabei kommen vor allem hochschmelzende und schwer oxidierbare Metalllegierungen zum Einsatz. Die Legierungen verarmen jedoch im Dauereinsatz an denjenigen Legierungsbestandteilen, die die Elektroden besonders wirkungsvoll vor Korrosion schützen. Die Verarmung beruht insbesondere auf einer Oxidbildung von in der Legierung enthaltenem Aluminium und Silicium.

Aus der US 6,304,022 B1 sind Zündkerzenelektroden bekannt, die zur Verbesserung ihrer Dauerbeständigkeit Zonen aus Edelmetallegierungen aufweisen, die alternierend aus einer Hauptkomponente und einer Zusatzkomponente aufgebaut sind. Beide Komponenten können die Form von Plättchen, Netzen oder Fasern aufweisen. Nachteilig ist daran die relativ aufwendige Herstellung derartiger Elektroden.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Legierung bereitzustellen, die einfach herzustellen und dennoch im Dauerbetrieb korrosionsbeständig ist.

Vorteile der Erfindung

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch eine Legierung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Legierung weist Partikel auf, die in eine Legierungsmatrix eingebettet sind und durch ihre von der Legierungsmatrix abweichende Zusammensetzung quasi als Vorrat für diejenigen Bestandteile der Legierungsmatrix dienen, die durch Korrosion nach und nach verbraucht werden. Auf diese Weise wird wirkungsvoll eine allmähliche Verarmung der Oberfläche einer Zündkerzenelektrode an bestimmten Legierungsbestandteilen verhindert und die Dauerbeständigkeit der Elektrode erhöht.

Mit den in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Legierung möglich.

So enthält die Legierung vorteilhafterweise Partikel, die aus binären Legierungen des Nickels mit vor Korrosion schützenden Elementen wie Silicium und Aluminium bestehen. Dies bewirkt einen besonders wirkungsvollen Schutz vor Heißkorrosion.

Zusätzlich kann die Legierungsmatrix einen geringen Anteil an Yttrium enthalten, der die Korrosionsbeständigkeit der Legierung noch erhöht.

Die Legierung eignet sich insbesondere als Material für Elektroden, wie sie in Zündkerzen Verwendung finden. Dabei ermöglicht es die Legierung aufgrund ihrer hohen Beständigkeit, auf einen wärmeableitenden Kern im Zentrum der Elektrode zu verzichten.

Das Verfahren zur Herstellung der Legierung vermeidet in vorteilhafter Weise, dass die in der Legierungsmatrix eingelagerten Partikel die Umformung der Legierung und somit die Produktion entsprechender Elektroden durch ihre Sprödigkeit erschweren. Dazu werden die Legierungsbestandteile zunächst miteinander verschmolzen und dann so rasch abgekühlt, dass die Ausbildung von Partikeln verhindert wird. Die Partikelbildung setzt erst ein, wenn die Legierung einer erneuten Hitzebehandlung beispielsweise nach einer Kaltumformung zu Zündkerzenelektroden ausgesetzt wird.

Zeichnung

Eine Ausführung der Erfindung ist am Beispiel einer Zündkerze in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels dieser Zündkerze und Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Legierung.

Ausführungsbeispiel

Die Zündkerze 10 gemäß vorliegender Erfindung umfaßt ein rohrförmiges metallisches Gehäuse 13, in dem ein keramischer Isolator 24 angeordnet ist. Der Isolator 24 umhüllt an seinem brennraumseitigen Ende 27 eine Mittelelektrode 22 und isoliert sie elektrisch gegenüber dem Gehäuse 13. Er enthält weiterhin einen Kontaktstift 20, der der Übertragung der Spannung auf die Mittelelektrode 22 dient, und an seinem anschlußseitigen Ende 28 ein Anschlußmittel 11. Das Anschlußmittel 11 gewährleistet die elektrische Kontaktierung der Mittelelektrode 22 an eine externe, nicht dargestellte Spannungsversorgung. Es umfaßt im wesentlichen einen Anschlußbolzen 12, der zusätzlich an seinem anschlußseitigen Ende mit einem Gewinde und einer Anschlußmutter 19 versehen ist. Zwischen dem Anschlußmittel 11 und dem Kontaktstift 20 befindet sich ein Abbrandwiderstand 25, der aus einem elektrisch leitenden Glas besteht und der sowohl eine mechanische Verankerung der im Isolator 24 angeordneten Zündkerzenkomponenten bewirkt als auch einen gasdichten Abschluß gegenüber dem Verbrennungsdruck darstellt. Zwischen dem Isolator 24 und dem Gehäuse 13 befindet sich ein innerer Dichtsitz 17, der das Innere der Zündkerze 10 gegenüber dem Verbrennungsraum abdichtet.
Am Gehäuse 13 sind eine oder mehrere Masseelektroden 21 angeschweißt. Zwischen ihnen und der Mittelelektrode 22 wird der Zündfunke erzeugt.
Das Gehäuse 13 weist an seiner Außenseite einen Sechskant 14 auf, der das Einschrauben der Zündkerze in einen Motorblock ermöglicht. Des weiteren ist ein äußerer Dichtsitz 16 vorgesehen, der die Umgebungsatmosphäre gegenüber dem Verbrennungsraum abdichtet. Das auf dem Gehäuse 13 aufgeprägte Einschraubgewinde 18 dient der Verankerung der Zündkerze im Motorblock.
Mindestens eine der Elektroden 21, 22 ist aus einer Mehrstofflegierung ausgeführt. Der Aufbau einer derartigen Legierung ist schematisch in Fig. 2 verdeutlicht. Die Legierung weist eine Legierungsmatrix 30 vorzugsweise auf Nickelbasis auf, die Partikel 32, 34 umfasst. Unter Partikel werden Feststoffkörner oder materialgefüllte Einschlüsse unregelmäßiger Gestalt verstanden. Die Partikel 32, 34 weisen eine von der Legierungsmatrix 30 abweichende Zusammensetzung auf. Die Partikel 32, 34 enthalten dabei zwar nur Legierungsbestandteile, die auch in der Legierungsmatrix 30enthalten sind, es ist jedoch auch möglich, dass sie nur einen Teil der in der Legierungsmatrix 30 enthaltenen Elemente in vorzugsweise abweichender Konzentration aufweisen. Die Legierung kann Partikel 32 einer ersten Zusammensetzung enthalten und daneben Partikel 34 einer zweiten Zusammensetzung sowie Partikel weiterer Zusammensetzungen. Es kann aber auch nur eine Partikelsorte einheitlicher Zusammensetzung vorgesehen sein.
Die Partikel 32, 34 sind vorzugsweise aus binären Nickellegierungen ausgeführt, sie können jedoch auch ternäre oder höhere Legierungen aufweisen. Als binäre Nickellegierungen kommen insbesondere solche mit Silicium, wie beispielsweise Ni-Si-Legierungen mit Ni₃Si-Partikel, oder Aluminium, beispielsweise in Form von Ni-Al-Legierungen mit Ni₃Al-Partikel in Betracht.
Als Legierungsmatrix eignen sich insbesondere Nickellegierungen, die Silicium und/oder Aluminium aufweisen. Besonders vorteilhaft sind Legierungen, die sowohl Aluminium als auch Silicium enthalten. Zusätzlich ist ein vorzugsweise geringer Anteil von 0.01 bis 0.2 Gew.% an Yttrium oder Metallen der seltenen Erden zur Verbesserung der Deckschichtbeständigkeit vorgesehen. Weiterhin ist wahlweise ein Zusatz von Chrom oder Cobalt zur weiteren Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit möglich.
Im Dauerbetrieb besteht der Schutz vor Korrosion darin, dass die Zündkerzenelektroden 21, 22 durch Oxide insbesondere des Siliciums bzw. Aluminiums passiviert werden. Durch die entstehenden Zündfunken wird diese Passivierung durch Funkenerrosion entfernt und muss neu nachgebildet werden. Dabei verarmt insbesondere die Oberflächenschicht der Zündkerzenelektrode 21, 22 an den vor Korrosion schützenden Metallen Aluminium und Silicium. Um einem mangelnden Korrosionsschutz vorzubeugen, werden gezielt in der Legierungsmatrix 30Partikel 32, 34 erzeugt, die die vor Korrosion schützenden Elemente im Überschuss enthalten und somit die Versorgung der Legierungsmatrix 30 mit diesen Elementen sicherstellt.
Die Partikel 32, 34 haben andererseits jedoch den Nachteil, dass sie spröde sind und zu einer schlechten Verarbeitbarkeit führen. Durch Einbettung der Partikel 32, 34 in die duktile Legierungsmatrix 30 wird dieser Nachteil soweit kompensiert, dass eine ausreichende Verformbarkeit der Legierung für Produktionszwecke gegeben ist. Die Partikel 32, 34 werden generell erzeugt, indem einer Schmelze entsprechender Legierungsbestandteile die für die Partikel 32, 34 vorgesehenen Legierungsbestandteile in einer so großen Menge zugesetzt werden, dass sich beim Abkühlen ein Zwei- oder Mehrphasensystem bildet und die Partikel 32, 34 ausgeschieden und in die Legierungsmatrix 30 eingelagert werden. Als Partikel 32, 34 werden siliciumreiche bzw. aluminiumreiche Phasen bevorzugt, wobei mindestens 4 Gew.% Aluminium bzw. mindestens 5 Gew.% Silicium der Schmelze zugeschlagen werden. Dies gilt auch, wenn sowohl siliciumreiche als auch aluminiumreiche Partikel in derselben Legierung vorgesehen sind.
Die Produktion von Zündkerzenelektroden oder anderen Gegenständen aus der Legierung verbessert sich wesentlich, wenn die Bildung von Partikeln 32, 34 in der Legierung vor der Formgebung vermieden wird. Dazu wird die Schmelze so rasch abgekühlt bzw. abgeschreckt, dass eine Partikelbildung unterdrückt wird. Die Herstellung beispielsweise von Zündkerzenelektroden erfolgt dann vorzugsweise durch Kaltumformung der noch duktilen Legierung. Werden die Elektroden dann einer Hitzebehandlung ausgesetzt, die entweder als Verfahrensschritt bei der Herstellung vorgesehen sein kann oder aber bei Anwendung der Elektrode beispielsweise im Verbrennungsraum eines Kraftfahrzeugs auftritt, tritt die gewünschte Partikelbildung ein.
Die der Erfindung zugrundeliegende Legierung weist eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit auf. Der übliche Aufbau von Zündkerzenelektroden als Verbundelektrode mit wärmeableitendem Kern, der in der Regel aus Kupfer gefertigt ist, und einem Mantel, der üblicherweise eine Nickellegierung umfasst, kann zwar beibehalten werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Elektroden 21, 22 als Einstoffelektroden komplett aus der erfindungsgemäßen Legierung auszuführen. Die Elektroden 21, 22 können in beiden Fällen zusätzlich Edelmetallspitzen aufweisen, an denen der Zündfunke gebildet wird.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung ist nicht auf Zündkerzenelektroden beschränkt. Vielmehr kann die Legierung allgemein bei Heißgasanwendungen, beispielsweise bei Elektroden entsprechender Gassensoren Anwendung finden.

Claims

1. Legierung, insbesondere Nickellegierung, dadurch gekennzeichnet, dass sie Partikel (32, 34) beinhaltet, die in eine Legierungsmatrix (30) eingebettet sind und die eine von der Legierungsmatrix (30) abweichende Zusammensetzung aufweisen.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (32, 34) mindestens einen Bestandteil aufweisen, der bei einer Korrosion der Legierungsmatrix (30) verbraucht wird.

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel (32, 34) im wesentlichen aus einer binären Legierung bestehen.

4. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (32, 34) mindestens einen Legierungsbestandteil der Legierungsmatrix aufweisen.

5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (32, 34) im wesentlichen aus einer siliciumhaltigen Nickellegierung bestehen.

6. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (32, 34) im wesentlichen aus einer aluminiumhaltigen Nickellegierung bestehen.

7. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Partikel (32) im wesentlichen aus einer aluminiumhaltigen Nickellegierung besteht und ein Teil der Partikel (34) im wesentlichen aus einer siliciumhaltigen Nickellegierung.

8. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungsmatrix (30) die gleichen metallischen Bestandteile wie die Partikel (32, 34) enthält, jedoch in abweichenden Konzentrationen.

9. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungsmatrix (30) 0.01 bis 0.2 Gew.% Yttrium und/oder eines Metalls der Seltenen Erden enthält.

10. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungsmatrix (30) bis zu 10 Gew.% Eisen enthält.

11. Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungsmatrix (30) Chrom und/oder Cobalt enthält.

12. Elektrode, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist.

13. Elektrode nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Verbundelektrode mit einem wärmeableitenden Kern und einem Mantel ausgeführt ist, wobei der Mantel im wesentlichen aus der Legierung besteht.

14. Zündeinrichtung, insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen, mit einer Mittel- und einer Masseelektrode (21, 22), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Elektroden (21, 22) eine Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist.

15. Verfahren zur Herstellung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Metalle zunächst miteinander verschmolzen und dann abgeschreckt werden, so dass die Bildung von Partikeln vermieden wird und die Legierung bei einer Hitzebehandlung unter Ausbildung von Partikeln (32, 34) entsteht.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschrecken der Metallschmelze ein Gegenstand (21, 22) durch Kaltumformung erzeugt wird, der bei einer Hitzebehandlung unter Bildung von Partikeln (32, 34) zur Legierung reagiert.