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Stand der
Technik
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Die Erfindung geht aus von einer
Zündkerze nach
dem Oberbegriff der unabhängigen
Ansprüche.
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Eine derartige Zündkerze ist beispielsweise in
der
DE 100 15 642
A1 beschrieben. Die Zündkerze weist
eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode auf, zwischen denen
sich durch Anlegen einer Spannung eine Funkenstrecke ausbildet.
Die Elektroden weisen einen Elektrodengrundkörper auf, an dem ein Elektrodenabschnitt
festgelegt ist, der einen hochabbrandbeständigen Bereich bildet. Der
Elektrodengrundkörper
besteht im wesentlichen aus Nickel und kann einen wärmeleitfähigen Kern
aus Kupfer enthalten. Der Elektrodenabschnitt besteht aus einer
Legierung, die die Elemente Iridium und Nickel enthält. Der Elektrodenabschnitt
wird auf den Elektrodengrundkörper
mittels Laserschweißen,
Widerstandsschweißen
oder Löten
aufgebracht.
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Aus der
DE 44 31 143 A1 ist bekannt,
einen Elektrodenabschnitt aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt
und möglichst
hohem Produkt aus Wärmeleitfähigkeit,
spezifischer Wärme
und Dichte vorzusehen. Ein derartiger Elektrodenabschnitt enthält die Metalle
Cu, Ag, Au, W, Co, Mo, Ni, Cr oder eine Legierung dieser Metalle
enthält.
Der Elektrodenabschnitt ist von einer Edelmetallschicht aus Pt, Rh
oder Ir überzogen.
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Die Druckschrift
DE 30 36 223 C2 beschreibt eine
Masseelektrode mit vier Einsätzen
aus Iridium. Anstelle von Iridium kann auch Platin, Rhodium, Ruthenium
oder Osmium oder eine Legierung oder eine duktile Legierung der
genannten Metalle verwendet werden könne. Zur Erhöhung der
Duktilität
kann dem Einsatz eine Mischung aus Nickel und Kupfer zugesetzt werden.
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Aus der
DE 698 00 364 T2 ist ein
Elektrodenabschnitt bekannt, der Platin und Rhodium enthält.
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Die Druckschrift
DE 102 05 078 A1 beschreibt
ein Elektrodenabschnitt, der mindestens 50 Gewichtsprozent Pt und
zusätzlich
Rh, Ir, Os, Ni, W, Pd und/oder Ru enthält, oder der mindestens 50
Gewichtsprozent Ir und zusätzlich
Rh, Pt, Os, Ni, W, Pd und/oder Ru enthält.
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Der Druckschrift
DE 102 05 075 A1 ist eine Zündkerze
mit einem Elektrodenabschnitt zu entnehmen, der vor allem Pt mit
höchstens
50 Masseprozent Ir, höchstens
40 Masseprozent Ni, höchstens
50 Masseprozent Rh, höchstens
30 Masseprozent W, höchstens
40 Masseprozent Pd, höchstens
30 Masseprozent Ru und/oder höchstens
20 Masseprozent Os aufweist.
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Bei derartigen Zündkerzen ist nachteilig, dass
beim Aufbringen, insbesondere beim Verschweißen des Elektrodenabschnitts
auf den Elektrodengrundkörper
oder beim Einsatz im Motor zwischen dem Elektrodenabschnitt und
dem Elektrodengrundkörper
hohe thermomechanische Spannungen auftreten.
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Aufgabe der Erfindung ist, einen
auf einem Elektrodengrundkörper
angeordneten Elektrodenabschnitt bereitzustellen, wobei zwischen
Elektrodengrundkörper
und Elektrodenabschnitt nur geringe thermomechanische Spannungen
auftreten.
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Vorteile der
Erfindung
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Die erfindungsgemäße Zündkerze gemäß den unabhängigen Ansprüchen hat
den Vorteil, dass das Material des Elektrodenabschnitts so gewählt wurde,
dass nur geringe thermomechanische Spannungen zwischen Elektrodenabschnitt
und Elektrodengrundkörper
auftreten, und dass der Elektrodenabschnitt eine besonders hohe
Verschleißbeständigkeit
aufweist. Zudem kann durch die Verringerung des Edelmetallanteils
eine Kosteneinsparung erreicht werden.
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Besonders geringe thermomechanische Spannungen
ergeben sich, wenn der Elektrodenabschnitt Platin mit einem Anteil
von 60 bis 99 Masseprozent und Kupfer mit einem Anteil von 1 bis
40 Masseprozent aufweist, oder wenn der Elektrodenabschnitt Platin
mit einem Anteil von 30 bis 89 Masseprozent, Kupfer mit einem Anteil
von 1 bis 40 Masseprozent und Rhodium mit einem Anteil von 10 bis
30 Masseprozent aufweist, oder wenn der Elektrodenabschnitt Platin
mit einem Anteil von 30 bis 98 Masseprozent, Kupfer mit einem Anteil
von 1 bis 40 Masseprozent und Iridium mit einem Anteil von 1 bis 30
Masseprozent aufweist.
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Ebenfalls besonders geeignet ist
ein Elektrodenabschnitt, der Platin mit einem Anteil von 70 bis 95
Masseprozent und Rhodium mit einem Anteil von 5 bis 30 Masseprozent
aufweist, oder der Platin mit einem Anteil von 30 bis 94 Masseprozent,
Rhodium mit einem Anteil von 5 bis 30 Masseprozent und Nickel mit
einem Anteil von 1 bis 40 Masseprozent aufweist, oder der Platin
mit einem Anteil von 30 bis 94 Masseprozent, Rhodium mit einem Anteil
von 5 bis 30 Masseprozent und Iridium mit einem Anteil von 1 bis
40 Masseprozent aufweist.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der in den
unabhängigen
Ansprüchen
angegebenen Zündkerze
möglich.
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Thermomechanischen Spannungen können minimiert
werden, wenn die zu verbindenden Materialien ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten
und niedrige Elastizitäts-Moduln
aufweisen. Die in den Ansprüchen
aufgeführten
Zusammensetzungen ermöglichen
eine optimale Anpassung des Materials des Elektrodenabschnitts an
das Material des Elektrodengrundkörpers.
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Vorteilhaft enthält der Elektrodenabschnitt zusätzlich ein
Metall oder Oxid oder mehrere Metalle oder Oxide aus der Gruppe
Yttrium, Zirkon, Hafnium, Titan, Tantal, Wolfram, Osmium, Ruthenium,
Gold, Silber und Palladium, insbesondere mit einem Anteil von jeweils
bis zu einem Masseprozent. Durch diese Maßnahme wird die mechanische Festigkeit
der Legierung des Elektrodenabschnitts insbesondere bei hohen Temperaturen
erhöht.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigt 1a und 1b ein erstes und ein zweites
Ausführungsbeispiel
eines brennraumseitigen Abschnitts einer erfindungsgemäßen Zündkerze
in Seitenansicht, 2a bis 2d ein brennraumseitiges
Ende einer Mittelelektrode der erfindungsgemäßen Zündkerze im Querschnitt, 3a bis 3c ein brennraumseitiges Ende einer Masseelektrode
der erfindungsgemäßen Zündkerze
im Querschnitt, 4a bis 4c weitere Beispiele des
brennraumseitigen Endes einer Mittelelektrode der erfindungsgemäßen Zündkerze
im Querschnitt, 5a bis 5d weitere Beispiele des
brennraumseitigen Endes einer Masseelektrode der Zündkerze
im Querschnitt, und 6 ein
Diagramm, in dem das Verschleißvolumen
V einer Zündkerze
für zwei
Mittelelektroden mit unterschiedlicher Zusammensetzung als Funktion
der Betriebsdauer t aufgetragen ist.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Der prinzipielle Aufbau und die Funktionsweise
einer Zündkerze
ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und kann z.B.
aus der „Bosch-technischen
Unterrichtung – Zündkerzen", Robert Bosch GmbH
1985, entnommen werden. In 1a und 1b ist als erstes und zweites
Ausführungsbeispiel
der Erfindung das brennraumseitige Ende einer Zündkerze 10 schematisch
in einer Seitenansicht dargestellt. Die Zündkerze weist ein metallisches,
rohrförmiges
Gehäuse 23 auf,
das im wesentlichen radialsymmetrisch ist. In einer mittige Bohrung
entlang der Symmetrieachse des metallischen Gehäuses 23 ist ein koaxial
verlaufender Isolator 24 angeordnet. In einer mittigen,
entlang der Längsachse
des Isolators 24 verlaufenden Bohrung ist am brennraumseitigen
Ende eine Mittelelektrode 21 angeordnet, die in dem ersten
und zweiten Ausführungsbeispiel
am brennraumseitigen Ende des Isolators 24 aus der Bohrung
herausragt. In einem anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
kann die Mittelelektrode 21 auch derart angeordnet sein,
dass sie nicht aus der Bohrung des Isolators 24 herausragt.
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Am brennraumfernen Ende der Mittelelektrode 21 ist
in der Bohrung des Isolators 24 (nicht dargestellt) eine
elektrisch leitende Glasschmelze angeordnet, die die Mittelelektrode 21 mit
dem nicht dargestellten Anschlussbolzen, der ebenfalls in der mutigen
Bohrung des Isolators angeordnet ist, verbindet. Am brennraumseitigen
Ende des metallischen Gehäuses
ist mindestens weiterhin eine Masseelektrode 22, 122 angeordnet.
Die Masseelektrode 22, 122 erstreckt sich zunächst beginnend
vom Gehäuse 23 parallel
zur Symmetrieachse des Gehäuses 23 und
ist dann in Richtung der Symmetrieachse des Gehäuses 23 ungefähr im rechten
Winkel abgebogen. Die über
den Anschlussbolzen, die elektrisch leitende Glasschmelze und die
Mittelelektrode 21 zum brennraumseitigen Ende der Zündkerze 10 gelangende
elektrische Energie führt
nun dazu, dass entlang einer Funkenstrecke 25 ein Funken
zwischen der Mittelelektrode 21 und der Masseelektrode 22, 122 überschlägt, wobei
der Funke das im Brennraum befindliche Luft-Kraftstoff-Gemisch entzündet. Verschiedene
Ausführungsformen
der Mittelelektrode 21 sind detaillierter in 2a bis 2d und in 4a bis 4c dargestellt. Verschiedene
Ausführungsformen
der Masseelektrode 22, 122 sind detaillierter
in 3a bis 3c und in 4a bis 4d gezeigt.
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Das erste Ausführungsbeispiel gemäß 1a und das zweite Ausführungsbeispiel
gemäß 1b unterscheiden sich in
der Gestaltung der Masseelektrode 22, 122. Bei
dem ersten Ausführungsbeispiel
ist die Masseelektrode 22 als sogenannte Dachelektrode
ausgeführt,
die sich bis über die
Stirnfläche
der Mittelelektrode 21 erstreckt. Die Funkenstrecke 25 liegt
bei einer als Dachelektrode ausgeführten Masseelektrode 22 im
Bereich der Symmetrieachse des Gehäuses 23 und des Isolators 24 und
erstreckt sich zwischen der Stirnfläche der Mittelelektrode 21 und
dem Endabschnitt der Masseelektrode 22. Bei dem zweiten
Ausführungsbeispiel
erstreckt sich die Masseelektrode 122 nicht bis zum Symmetrieachse
des Gehäuses 23.
Der der Mittelelektrode 21 zugewandte Endabschnitt der
Masseelektrode 122 ist seitlich neben der Mittelelektrode 21 angeordnet
und zeigt auf die Mantelfläche
des Mittelelektrode 21. Die Masseelektrode 122 überragt somit
die Stirnfläche
der Mittelelektrode 21 nicht oder nur geringfügig. Die
Funkenstrecke des zweiten Ausführungsbeispiels
bildet sich dementsprechend zwischen der seitlichen Mantelfläche der
Mittelelektrode 21 und der Stirnfläche der Masseelektrode 122 aus.
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In den 2a bis 2d sind verschiedene Ausführungsformen
der brennraumseitigen Enden der Mittelelektrode 21 im Querschnitt
dargestellt. Diese Ausführungsformen
sind insbesondere für
eine Zündkerze
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel geeignet.
Die Mittelelektrode 21 weist einen Elektrodengrundkörper 32 auf,
an dessen brennraumseitigem Ende ein Elektrodenabschnitt 31 angeordnet
ist. Der Elektrodenabschnitt 31 zeichnet sich durch eine hohe
Resistenz gegenüber
Funkenerosion und Korrosion aus, sodass eine lange Funktionsdauer
der Zündkerze
gewährleistet
ist. Der Elektrodenabschnitt 31 bildet dabei eine Ende
der Funkenstrecke 25, sodass der Funke direkt im Bereich
des Elektrodenabschnitts 31 der Mittelelektrode 21 überschlägt.
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Die verschiedenen Ausführungsformen
der 2a bis 2d unterscheiden sich in
der Anordnung des Elektrodenabschnitts 31 auf dem Elektrodengrundkörper 32.
In 2a überdeckt
der Elektrodenabschnitt 31 die brennraumzugewandte Stirnfläche des
Elektrodengrundkörpers 32 vollständig, so
dass der Elektrodenabschnitt 31 und der Elektrodengrundkörper 32 zumindest
im Übergangsbereich
zwischen Elektrodenabschnitt 31 und Elektrodengrundkörper 32 denselben
Durchmesser aufweisen. In 2b ist der
zylinderförmige
Elektrodenabschnitt 31 mittig auf der Stirnfläche des
Elektrodengrundkörpers 32 aufgebracht,
wobei der Durchmesser des Elektrodenabschnitts 31 kleiner
als der Durchmesser des Elektrodengrundkörpers 32 ist. Bei
der Mittelelektrode 21 gemäß 2c ragt der Elektrodenbereich 31 über die
funkenstreckenseitige Stirnfläche
des Elektrodengrundkörpers 32 hinaus
und in den Elektrodengrundkörper 32 hinein.
Bei 2d ragt der Elektrodenabschnitt 31 in
den Elektrodengrundkörper 32 hinein,
wobei die der Funkenstrecke zugewandte Stirnfläche des Elektrodenabschnitts 31 und
des Elektrodengrundkörpers 32 in
einer Ebene liegen.
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Die 3a bis 3c zeigen verschiedene Ausführungsformen
der brennraumseitigen Endabschnitte der Masseelektrode 22,
die insbesondere für
das Ausführungsbeispiel
der Erfindung gemäß 1a geeignet sind. Die Massenelektrode 22 weist
einen Elektrodengrundkörper 42 auf,
an dessen der Mittelelektrode 21 zugewandten Seite ein
Elektrodenabschnitt 41 vorgesehen ist. Die Ausführungsformen gemäß 3a bis 3c unterscheiden sich in der Anordnung
des Elektrodenabschnitts 41 auf dem Elektrodengrundkörper 42.
Bei 3a ist der Elektrodenabschnitt 41 außen auf
dem Elektrodengrundkörper 42 vorgesehen,
während
bei 3c der Elektrodenabschnitt 41 in
einer Aussparung des Elektrodengrundkörpers 42 angeordnet
ist und nicht über
die Mantelfläche
des Elektrodengrundkörpers übersteht. In 3b ist der Elektrodenabschnitt 41 wie
in 3c in einer Aussparung
des Elektrodengrundkörpers
angeordnet, ragt aber (wie in 3a)
aus dem Elektrodengrundkörper 42 heraus.
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In den 4a bis 4c sind zwei weitere Ausführungsformen
der brennraumseitigen Enden der Mittelelektrode 21 im Querschnitt
dargestellt. Diese Ausführungsformen
sind insbesondere für
eine Zündkerze 10 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
geeignet. Die Mittelelektrode 21 weist einen Elektrodengrundkörper 52 auf,
auf dem ein Elektrodenabschnitt 51 angeordnet ist, der
eine hohe Resistenz gegenüber
Funkenerosion und Korrosion aufweist. Der Elektrodenabschnitt 51 weist
eine hohlzylindrische Form auf und ist in einer Aussparung des Elektrodengrundkörpers 52 eingelassen.
Der Elektrodenabschnitt 51 bildet somit einen Abschnitt
der Mantelfläche
der Mittelelektrode 21. Die beiden Ausführungsformen gemäß 4a und 4c unterscheiden sich darin, dass bei 4a der Elektrodenabschnitt 51 bis
zur Stirnfläche
der Mittelelektrode 21 reicht, während bei 4c die Aussparung in der Mittelelektrode 21,
in der der Elektrodenabschnitt 51 angeordnet ist, nicht
bis zur Stirnfläche
der Mittelelektrode 21 reicht. Weitere, nicht dargestellte
Ausführungsformen
der Erfindung unterscheiden sich von den Ausführungsformen gemäß 4a bis 4c darin, dass der Elektrodenabschnitt 51 aus
der Mantelfläche
des Elektrodengrundkörpers 52 herausragt,
so dass der Durchmesser des Elektrodenabschnitts 51 größer ist
als der Durchmesser des Elektrodengrundkörpers 52.
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Die 5a bis 5d zeigen weitere Ausführungsformen
der Masseelektrode 122, die insbesondere für das Ausführungsbeispiel
der Erfindung gemäß 1b geeignet ist. Die Masseelektrode 122 enthält wiederum
einen Elektrodengrundkörper 132, auf
dem ein Elektrodenabschnitt 131 angeordnet ist, der eine
hohe Resistenz gegenüber
Funkenerosion und Korrosion aufweist. Die Ausführungsformen gemäß 5a bis 5d entsprechen in der geometrischen Ausgestaltung
den Ausführungsformen
gemäß 2a bis 2d, so dass eine nähere Beschreibung nicht erforderlich
ist.
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Der Elektrodengrundkörper 32, 52 der
Mittelelektrode 21 sowie der Elektrodengrundkörper 42, 132 der
Masseelektrode 22, 122 besteht im wesentlichen
aus Nickel oder einer Nickellegierung und enthält zumeist einen Kupferkern,
durch den eine gute Wärmeleitung
gewährleistet
ist.
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Der Elektrodenabschnitt 31, 41, 51, 131 wird als
Plättchen,
als Stift oder als plattgedrückte
Kugel durch Laserschweißen
auf den Elektrodengrundkörper 32, 42, 52, 132 aufgebracht.
Ebenfalls geeignet zum Verbinden von Elektrodenabschnitt 31, 41, 51,
131 und
den Elektrodengrundkörper 32, 42, 52, 132 ist
Diffusionsschweißen
oder Widerstandsschweißen.
Beim Verschweißen
des Elektrodenabschnitts 31, 41, 51, 131 mit
dem Elektrodengrundkörper 32, 42, 52, 132 treten
hohe Temperaturen aus, die zu hohen thermomechanischen Spannungen
in den Werkstoffen führen.
Auch bei der Anwendung im Motor treten hohe Temperaturen bis 1000
Grad Celsius auf, die kurzzeitig bis auf 400 Grad Celsius abkühlen können. Dies
führt zu
thermomechanischen Spannungen, die proportional zu der Differenz
der Wärmeausdehnungskoeffizienten
und zu dem Absolutwert der Elastizitätsmoduln (E-Moduln) der Materialien
des Elektrodenabschnitts 31, 41, 51, 131 und
des Elektrodengrundkörpers 32, 42, 52, 132 sind.
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Bei den folgenden Ausführungsformen
für die
Materialien des Elektrodenabschnitts 31, 41, 51, 131 ist
die Materialzusammensetzung so gewählt, dass nur geringe thermomechanische
Spannungen auftreten.
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Erste Ausführung des Materials des Elektrodenabschnitts 31, 41, 51, 131:
Platin:
96 Masseprozent
Kupfer: 4 Masseprozent
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Zweite Ausführung des Materials des Elektrodenabschnitts 31, 41, 51, 131:
Platin:
80 Masseprozent
Kupfer: 10 Masseprozent
Rhodium: 10 Masseprozent
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Dritte Ausführung des Materials des Elektrodenabschnitts 31, 41, 51, 131:
Platin:
70 Masseprozent
Kupfer: 10 Masseprozent
Iridium: 20 Masseprozent
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Vierte Ausführung des Materials des Elektrodenabschnitts 31, 41, 51, 131:
Platin:
85 Masseprozent
Rhodium: 15 Masseprozent
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Fünfte
Ausführung
des Materials des Elektrodenabschnitts 31, 41, 51, 131:
Platin:
65 Masseprozent
Rhodium: 15 Masseprozent
Iridium: 20 Masseprozent
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Sechste Ausführung des Materials des Elektrodenabschnitts 31, 41, 51, 131:
Platin:
65 Masseprozent
Rhodium: 15 Masseprozent
Nickel: 20 Masseprozent
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In 1 ist
für ein
Elektrodenabschnitt 31, 41, 51, 131 auf
Platin (Pt) und für
ein Elektrodenabschnitt 31, 41, 51, 131 aus
Platin mit einem Anteil von 96 Masseprozent und aus Kupfer mit einem
Anteil von 4 Masseprozent (Pt + Cu) das Verschleißvolumen
V in mm3 als Funktion der Betriebsdauer
t in Stunden aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass der Elektrodenabschnitt 31, 41, 51, 131 mit
der Zusammensetzung der ersten Ausführungsform (Pt + Cu) einen
deutlich geringeren Verschleiß zeigt
als ein Elektrodenabschnitt 31, 41, 51, 131,
der aus reinem Platin besteht.
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Der Elektrodenabschnitt 31, 41, 51, 131 kann zusätzlich zu
den angegebenen Materialien ein Metall oder ein Oxid oder mehrere
Metalle oder Oxide aus der Gruppe Yttrium, Zirkon, Hafnium, Titan,
Tantal, Wolfram, Osmium, Ruthenium, Gold, Silber und Palladium,
jeweils mit einem Anteil von bis zu einem Masseprozent, enthalten.