DE112012000600B4

DE112012000600B4 - Zündkerzenelektrode für eine Zündkerze, Zündkerze und Verfahren zum Herstellen einer Zündkerzenelektrode

Info

Publication number: DE112012000600B4
Application number: DE112012000600.3T
Authority: DE
Inventors: Shuwei Ma
Original assignee: Federal Mogul Ignition Co
Current assignee: Federal Mogul Ignition LLC
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2018-12-13
Anticipated expiration: 2032-01-24
Also published as: DE112012000600T5; US20120194056A1; US8575830B2; WO2012102994A3; WO2012102994A2

Abstract

Zündkerzenelektrode für eine Zündkerze (10), mit:
einem Elektrodenmaterial, das eine Partikelkomponente (104) aufweist, die innerhalb einer Matrixkomponente (102) eingebettet ist, und zwar in der Form eines Metallverbundwerkstoffes (100);
wobei die Partikelkomponente (104) ein Rhutenium-basiertes Material aufweist, das zusätzlich zu dem Ruthenium (Ru) wenigstens ein Edelmetall aufweist, wobei Ruthenium (Ru) der größte Bestandteil der Partikelkomponente auf einer Basis von Gew.-% ist; und
wobei die Matrixkomponente (102) ein Edelmetall aufweist, wobei das Edelmetall ein Platin-basiertes Material ist, und wobei Platin der größte Bestandteil der Matrixkomponente auf einer Basis von Gew.-% ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft generell eine Zündkerzenelektrode für eine Zündkerze, eine Zündkerze sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Zündkerzenelektrode.
HINTERGRUND
Zündkerzen können dazu verwendet werden, um eine Verbrennung in Verbrennungsmotoren einzuleiten. Zündkerzen zünden typischerweise ein Gas, wie ein Luft-/Brennstoffgemisch, und zwar in einem Motorzylinder oder in einer Verbrennungskammer, indem ein Funken quer über eine Funkenstrecke erzeugt wird, die zwischen zwei oder mehr Elektroden gebildet ist. Das Zünden des Gases mittels des Funkens ruft eine Verbrennungsreaktion in dem Motorzylinder hervor, die für den Leistungshub des Motors verantwortlich ist. Die hohen Temperaturen, die hohen elektrischen Spannungen, die schnelle Wiederholung von Verbrennungsreaktionen und das Vorhandensein von korrosiven Materialien in den Verbrennungsgasen können eine raue Umgebung erzeugen, innerhalb der die Zündkerze funktionieren muss. Die raue Umgebung kann zu einer Erosion und Korrosion der Elektroden beitragen, die die Leistung („performance“) der Zündkerze über der Zeit negativ beeinträchtigen, was potentiell zu Fehlzündungen oder anderen unerwünschten Zuständen führen kann.
Zur Verringerung von Erosion und Korrosion der Elektroden der Zündkerze sind verschiedene Arten von Edelmetallen und deren Legierungen verwendet worden, einschließlich solcher aus Platin und Iridium. Diese Materialien können jedoch teuer sein. Demzufolge versuchen die Hersteller von Zündkerzen von Zeit zu Zeit, die Menge der in einer Elektrode verwendeten Edelmetalle zu minimieren, indem derartige Materialien lediglich an einer Zündspitze oder an einem Funkenabschnitt der Elektroden verwendet werden, also dort, wo ein Funken über eine Funkenstrecke springt.
Das Dokument DE 30 30 847 A1 betrifft einen gegen Bogenerosion beständigen Kompositwerkstoff, der gekennzeichnet ist durch einen Kern aus einem gegen Bogenerosion beständigen Material aus Ruthenium oder Iridium oder Rutheniumlegierungen oder Iridiumlegierungen oder Legierungen aus Ruthenium und Iridium oder aus Mischungen der vorgenannten, wobei dieses gegen Bogenerosion beständige Material in ein Matrixmaterial dispergiert ist, das aus Silber oder Kupfer oder Gold oder Palladium oder Nickel oder Legierungen bzw. Mischungen der vorgenannten besteht, und durch eine diesen Kern umgebende Umhüllung, deren Material aus Nickel oder Nickellegierungen besteht, wobei der Kern etwa 2 bis 95 Gew.-% des Matrixmaterials ausmacht.
Das Dokument DE 10 2006 015 167 B3 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Drahtes oder Bandes, insbesondere für die Verwendung als Elektrode oder Elektrodenspitze in Zündkerzen, bei dem die folgenden Schritte ausgeführt werden: a) Erzeugen einer intermetallischen Verbindung mit einem Schmelzpunkt über 1700 °C, b) Aufmahlen der intermetallischen Verbindung, c) Mischen der intermetallischen Verbindung mit Metallpulver, d) Einführen der unter c) erhaltenen Mischung in ein Rohr aus duktilem Material, e) Umformen des nach d) befüllten Rohres zu einem Draht oder Band.
Das Dokument DE 10 2005 010 048 A1 betrifft eine Zündkerze mit einer Mittenelektrode, einem Isolator, einer metallischen Hülle, einer Masseelektrode und einem zylindrischen Edelmetallchip. Der Edelmetallschip ist aus Iridium oder einer Legierung gefertigt, die Iridium in einer Menge von 70 Gew.-% oder mehr enthält.
Aus dem Dokument DE 103 48 778 B3 ist eine Elektrode für eine Zündkerze bekannt geworden, die aus einem Grundwerkstoff und wenigstens einem in dem Grundwerkstoff dispers verteilt angeordneten Zusatzwerkstoff gebildet ist. Der Zusatzwerkstoff ist in dem Grundwerkstoff eingelagert und erhöht aufgrund seiner Verteilung, seiner Materialeigenschaften und der Wechselwirkung mit dem Grundwerkstoff eine Verschleißbeständigkeit des Grundwerkstoffes. Der Grundwerkstoff ist ein Ag-, ein Ni- oder ein Pt-Basiswerkstoff oder ist reines Ag, Ni oder Pt.
ZUSAMMENFASSUNG
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Zündkerzenelektrode, eine verbesserte Zündkerze und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Zündkerzenelektrode anzugeben.
Die obige Aufgabe wird gelöst durch eine Zündkerzenelektrode für eine Zündkerze gemäß Anspruch 1, durch eine Zündkerze gemäß Anspruch 14, durch eine Zündkerze gemäß Anspruch 15, durch ein Verfahren zum Herstellen einer Zündkerzenelektrode gemäß Anspruch 17 sowie durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrodenmaterials als ein Material zur Bildung einer Zündspitze.
Figurenliste
Bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente angeben, und wobei:

1 eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Zündkerze ist, die das nachstehend beschriebene Elektrodenmaterial verwenden kann;
2 eine vergrößerte Ansicht des Zündendes der beispielhaften Zündkerze der 1 ist, wobei eine Mittelelektrode eine Zündspitze in der Form eines mehrteiligen Niets aufweist und wobei eine Masseelektrode eine Zündspitze in der Form eines flachen Plättchens („pad“) aufweist.
3 eine vergrößerte Ansicht eines Zündendes einer weiteren beispielhaften Zündkerze ist, die das nachstehend beschriebene Elektrodenmaterial verwenden kann, wobei die Mittelelektrode eine Zündspitze in der Form eines einstückigen Niets aufweist und wobei die Masseelektrode eine Zündspitze in der Form einer zylindrischen Spitze aufweist;
4 eine vergrößerte Ansicht eines Zündendes einer weiteren beispielhaften Zündkerze ist, die das nachstehend beschriebene Elektrodenmaterial verwenden kann, wobei die Mittelelektrode eine Zündspitze in der Form einer zylindrischen Spitze aufweist, die in einer Ausnehmung angeordnet ist, und wobei die Masseelektrode keine Zündspitze aufweist;
5 eine vergrößerte Ansicht eines Zündendes einer weiteren beispielhaften Zündkerze ist, die das nachstehend beschriebene Elektrodenmaterial verwenden kann, wobei die Mittelelektrode eine Zündspitze in der Form einer zylindrischen Spitze aufweist und wobei die Masseelektrode eine Zündspitze in der Form einer zylindrischen Spitze aufweist, die sich von einem axialen Ende der Masseelektrode erstreckt;
6 eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Elektrodenmaterials ist, wobei das Elektrodenmaterial in der Form eines Verbundmaterials vorliegt und eine Matrixkomponente und eine Partikelkomponente beinhaltet.
7 ein Flussdiagramm ist, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Elektrode einer Zündkerze darstellt.
8 eine Querschnittsansicht des beispielhaften Elektrodenmaterials der 6 ist, wobei das Elektrodenmaterial ferner eine Umhüllungsstruktur („cladding structure“) aufweist; und
9 eine Querschnittsansicht des beispielhaften Elektrodenmaterials der 8 ist, wobei die Umhüllungsstruktur anschließend mittels eines chemischen Ätzprozesses oder eines anderen Prozesses entfernt wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Das vorliegend beschriebene Elektrodenmaterial kann in Zündkerzen und anderen Zündvorrichtungen verwendet werden, einschließlich industrieller Kerzen bzw. Stecker, Zündvorrichtungen für die Luft- und Raumfahrt, Glühzündkerzen, und anderer Vorrichtungen, die dazu verwendet werden, um ein Luft-/Brennstoffgemisch in einem Motor zu zünden. Dies beinhaltet, ist jedoch definitiv nicht hierauf beschränkt, beispielhafte Zündkerzen, die in der Zeichnung dargestellt und nachstehend beschrieben sind. Ferner ist anzumerken, dass das Elektrodenmaterial in einer Zündspitze verwendet werden kann, die an einer Mittel- und/oder an einer Masseelektrode angebracht ist, und/oder dass es in der tatsächlichen Mittelelektrode und/oder in der tatsächlichen Masseelektrode selbst verwendet werden kann, um einige Möglichkeiten zu nennen. Weitere Ausführungsformen und Anwendungen des Elektrodenmaterials sind ebenfalls möglich.
Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beinhaltet eine dort gezeigte beispielhafte Zündkerze 10 eine Mittelelektrode 12, einen Isolator 14, eine Metallhülle 16 und eine Masseelektrode 18. Die Mittelelektrode bzw. das Basiselektrodenelement 12 ist innerhalb einer Axialbohrung des Isolators 14 angeordnet und beinhaltet eine Zündspitze 20, die gegenüber einem freien Ende 22 des Isolators 14 vorsteht. Die Zündspitze 20 ist ein mehrteiliger Niet („multi-piece rivet“), der eine erste Komponente 32 aufweist, die aus einem erosions- und/oder korrosionsresistenen Material hergestellt ist, wie das nachstehend beschriebene Elektrodenmaterial, und eine zweite Komponente 34 aufweist, die aus einem Zwischenmaterial bzw. Vermittlungsmaterial („intermediary material“) hergestellt ist, die eine Nickellegierung mit hohem Chromanteil („high-chromium nickel alloy“) aufweist. Bei dieser besonderen Ausführungsform weist die erste Komponente eine zylindrische Form auf, und die zweite Komponente 34 weist eine gestufte Form auf, die einen im Durchmesser vergrößerten Kopfabschnitt und einen im Durchmesser reduzierten Schaftabschnitt aufweist. Die erste und die zweite Komponente können aneinander angebracht werden mittels einer Laserschweißverbindung, einer Widerstandsschweißverbindung oder einer anderen geeigneten geschweißten oder nicht geschweißten Verbindung. Der Isolator 14 ist innerhalb einer Axialbohrung der Metallhülle 16 angeordnet und ist aus einem Material, wie einem Keramikmaterial, hergestellt, das hinreichend ist, um die Mittelelektrode 12 gegenüber der Metallhülle 16 elektrisch zu isolieren. Das freie Ende 22 des Isolators 14 kann gegenüber einem freien Ende 24 der Metallhülle 16 vorstehen, wie gezeigt, oder kann innerhalb der Metallhülle 16 zurückgezogen sein. Die Masseelektrode oder das Basiselektrodenelement 18 kann gemäß der herkömmlichen L-förmigen Konfiguration konstruiert sein, die in der Zeichnung dargestellt ist, oder gemäß einer anderen Anordnung, und ist an dem freien Ende 24 der Metallhülle 16 angebracht. Gemäß dieser besonderen Ausführungsform beinhaltet die Masseelektrode 18 eine Seitenfläche 26, die der Zündspitze 20 der Mittelelektrode gegenüberliegt und an der eine Zündspitze 30 angebracht ist. Die Zündspitze 30 ist in der Form eines flachen Plättchens ausgebildet und definiert mit der Zündspitze 20 der Mittelelektrode eine Funkenstrecke („spark gap“) G, wobei diese Zündspitzen jeweils Zündflächen für die Emission und die Rezeption von Elektronen bereitstellen, die die Funkenstrecke queren.
Bei dieser bestimmten Ausführungsform kann bzw. können die erste Komponente 32 der Zündspitze 20 der Mittelelektrode und/oder die Zündspitze 30 der Masseelektrode aus dem vorliegend beschriebenen Elektrodenmaterial hergestellt sein; dies sind jedoch nicht die einzigen Anwendungen für das Elektrodenmaterial. Wie es beispielhaft in 3 gezeigt ist, kann bzw. können die beispielhafte Zündspitze 40 der Mittelelektrode und/oder die beispielhafte Zündspitze 42 der Masseelektrode ebenfalls aus dem Elektrodenmaterial hergestellt sein. In diesem Fall ist die Zündspitze 40 der Mittelelektrode ein einstückiger Niet, und die Zündspitze 42 der Masseelektrode ist eine zylindrische Spitze, die sich von einer Seitenfläche 26 der Masseelektrode weg erstreckt, und zwar um eine beträchtliche Distanz. Das Elektrodenmaterial kann auch zur Bildung der Zündspitze 50 der beispielhaften Mittelelektrode und/oder der Masseelektrode 18 verwendet werden, die in 4 gezeigt sind. Bei diesem Beispiel ist die Zündspitze 50 der Mittelelektrode eine zylindrische Komponente, die in einer Ausnehmung oder einem Sackloch 52 angeordnet ist, die bzw. das in dem axialen Ende der Mittelelektrode 12 ausgebildet ist. Die Funkenstrecke G ist zwischen einer Funkenfläche der Zündspitze 50 der Mittelelektrode und einer Seitenfläche 26 der Masseelektrode 18 gebildet, wobei die Seitenfläche 26 auch als Funkenfläche wirkt. 5 zeigt eine weitere mögliche Anwendung für das Elektrodenmaterial, wobei eine zylindrische Zündspitze 60 an einem axialen Ende der Mittelelektrode 12 angebracht ist, und wobei eine zylindrische Zündspitze 62 an einem axialen Ende der Masseelektrode 18 angebracht ist. Die Zündspitze 62 der Masseelektrode bildet mit einer Seitenfläche der Zündspitze 60 der Mittelelektrode eine Funkenstrecke G, und stellt folglich eine etwas andere Zündend-Konfiguration dar als die anderen beispielhaften Zündkerzen, die in der Zeichnung dargestellt sind.
Es ist nochmals anzumerken, dass die oben beschriebenen, nicht einschränkenden Zündkerzen-Ausführungsformen lediglich Beispiele von einigen potentiellen Verwendungen für das Elektrodenmaterial darstellen, da dieses in jeder Zündspitze, Elektrode, Funkenfläche oder anderen Zündend-Komponente verwendbar oder einsetzbar ist, die bei der Verbrennung eines Luft-/Brennstoffgemisches in einem Motor verwendet wird. Beispielsweise können die folgenden Komponenten aus dem Elektrodenmaterial hergestellt bzw. gebildet sein: Mittelelektrode und/oder Masseelektrode; Zündspitze der Mittelelektrode und/oder Zündspitze der Masseelektrode, wobei die Zündspitzen in der Form von Nieten, Zylindern, Stangen, Säulen, Drähten, Kugeln, Hügeln, Kegeln, flachen Plättchen, Scheiben, Ringen, Hülsen etc. vorliegen können; Zündspitzen von Mittelelektrode und/oder Masseelektrode, die direkt an einer Elektrode angebracht sind, oder indirekt an einer Elektrode über eine oder mehrere dazwischen liegende, dazwischen wirkende oder Spannungs-lösende Schichten an einer Elektrode angebracht sind; Zündspitzen von Mittelelektrode und/oder Masseelektrode, die innerhalb einer Ausnehmung einer Elektrode angeordnet sind, in einer Oberfläche einer Elektrode eingebettet sind, oder an einer Außenseite einer Elektrode angeordnet sind, wie eine Hülse oder eine andere ringförmige Komponente; oder Zündkerzen mit mehrfachen Masseelektroden, mehrfachen Funkenstrecken oder Funkenstrecken vom halb-kriechenden Typ („semi-creeping type“). Dies sind lediglich einige Beispiele von möglichen Anwendungen des Elektrodenmaterials, wobei weitere Anwendungen existieren. Vorliegend kann der Begriff „Elektrode“ - unabhängig davon, ob er sich auf eine Mittelelektrode, eine Masseelektrode, eine ZündkerzenElektrode etc. bezieht - ein Basiselektrodenelement selber beinhalten, eine Zündspitze selber beinhalten, oder eine Kombination aus einem Basiselektrodenelement und einer oder mehrerer Zündspitzen beinhalten, die daran angebracht sind, um einige Möglichkeiten zu nennen.
Unter Bezugnahme auf die in 6 dargestellte beispielhafte Ausführungsform ist das Elektrodenmaterial dort ein Metallverbundwerkstoff („metal composite“) 100 und beinhaltet eine Partikelkomponente 104, die in einer Matrixkomponente 102 eingebettet oder verteilt ist. Folglich hat der Metallverbundwerkstoff 100 eine mehrphasige Mikrostruktur, bei der sich in einem Makromaßstab die Matrixkomponente 102 hinsichtlich Zusammensetzung und/oder Form von der Partikelkomponente 104 unterscheidet. Die einzelnen Komponenten oder Phasen des beispielhaften Metallverbundwerkstoffes 100 lösen sich nicht ineinander oder gehen nicht ineinander über, obgleich sie miteinander interagieren können, und folglich kann zwischen ihnen eine Grenze oder ein Übergang vorhanden sein. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel beinhaltet ein Metallverbundwerkstoff 100 eine Matrixkomponente 102, die etwa 2 Gew.-% bis 20 Gew.-% des Gesamtverbundwerkstoffes ausmacht, und eine Partikelkomponente 104, die etwa 80 Gew.-% bis 98 Gew.-% des Gesamtverbundwerkstoffes ausmacht, wobei die Matrixkomponente reines Platin beinhaltet und wobei die Partikelkomponente eine Ruthenium-basierte Legierung aus Ru-5Rh beinhaltet. Weitere Zusammensetzungen sind natürlich möglich, wie nachstehend beschrieben wird.
Die Matrixkomponente 102 - die auch als eine Matrixphase oder als ein Matrixbinder bezeichnet wird - ist jener Bestandteil des Elektrodenmaterials, in dem die Partikelkomponente 104 eingebettet oder verteilt ist. Die Matrixkomponente 102 kann eines oder mehrere Edelmetalle beinhalten, wie Platin (Pt), Palladium (Pd), Gold (Au) und/oder Silber (Ag), enthält jedoch gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ein Platin-basiertes Material. Der Begriff „Platin-basiertes Material“, wie er vorliegend verwendet wird, soll im breiten Sinne sämtliche Materialien beinhalten, bei denen Platin (Pt) der größte bzw. der größte einzelne Bestandteil auf einer Basis von Gew.-% ist. Dies kann Materialien beinhalten, die mehr als 50 % Platin beinhalten, als auch solche, die weniger als 50 % Platin beinhalten, solange Platin der größte Bestandteil ist. In Bezug auf die Matrixkomponente ist es möglich, dass diese ein reines Edelmetall (z.B. reines Platin (Pt) oder reines Palladium (Pd)), eine binäre Legierung, eine ternäre Legierung oder eine quaternäre Legierung enthält, wobei diese Legierungen eines oder mehrere Edelmetalle beinhalten, oder ein anderes geeignetes Material. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform macht die Matrixkomponente 102 etwa 2 Gew.-% bis 80 Gew.-% des gesamten Metallverbundwerkstoffes 100 aus und beinhaltet ein Material aus reinem Platin (Pt), und zwar mit Körnern, die eine Korngröße aufweisen, die in einem Bereich von etwa 1 µm bis 20 µm liegt, jeweils einschließlich, (d.h., nachdem das Elektrodenmaterial extrudiert worden ist). Die Größe der Körner lässt sich durch Verwendung eines geeigneten Messverfahrens bestimmen, wie das planimetrische Verfahren, das in ASTM E112 angegeben ist. Dies ist natürlich für die Matrixkomponente nur eine Möglichkeit, da auch andere Ausführungsformen gewiss möglich sind. Beispielsweise kann das Matrixmaterial eines oder mehrere Edelmetalle, hochschmelzende Metalle („refractory metals“) und/oder Seltenerdmetalle beinhalten, die jeweils dazu ausgewählt sein können, um dem Elektrodenmaterial gewisse Eigenschaften oder Attribute zu erteilen. Ein Periodensystem, das von der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) veröffentlicht ist, ist als Addendum A bereitgestellt (nachstehend das „beigefügte Periodensystem“), und ist im Zusammenhang der vorliegenden Anmeldung zu verwenden.
Die Partikelkomponente 104 - die auch als eine Partikelphase oder als eine Verstärkung („reinforcement“) bezeichnet wird - ist jener Bestandteil des Elektrodenmaterials, der in die Matrixkomponente 102 eingebettet oder verteilt ist. Die Partikelkomponente 104 kann ein Ruthenium-basiertes Material aufweisen, das eines oder mehrere Edelmetalle beinhaltet, wie Rhodium (Rh), Platin (Pt), Iridium (Ir), oder Kombinationen hiervon. Der Begriff „Ruthenium-basiertes Material“, wie er vorliegend verwendet wird, beinhaltet im weitesten Sinne jedes Material, bei dem Ruthenium (Ru) der größte Bestandteil auf einer Basis von Gew.-% ist Dies kann Materialien beinhalten, die mehr als 50 % Ruthenium aufweisen, als auch solche Materialien, die weniger als 50 % Ruthenium aufweisen, solange das Ruthenium der größte Bestandteil ist. Fachleute werden bemerken, dass Ruthenium eine relativ hohe Schmelztemperatur (2334 °C) im Vergleich zu einigen Edelmetallen aufweist, was die Widerstandsfestigkeit des Elektrodenmaterials gegenüber Erosion verbessern kann. Das Ruthenium kann jedoch gegenüber Oxidation empfindlicher sein als einige Edelmetalle, was das Widerstandsverhalten des Elektrodenmaterials gegenüber Korrosion verringern kann. Demzufolge kann die hier offenbarte Partikelkomponente 104 Ruthenium sowie einen oder mehrere zusätzliche Bestandteile wie Edelmetalle und/oder hochschmelzende Metalle und/oder Seltenerdmetalle beinhalten, von denen jedes dazu ausgewählt ist, um dem Elektrodenmaterial gewisse Eigenschaften oder Attribute zu erteilen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform macht die Partikelkomponente 104 etwa 20 Gew.-% bis 98 Gew.-% des gesamten Metallverbundwerkstoffes 100 aus, wobei die Partikelkomponente harte und spröde Partikel bzw. Teilchen aufweist, die ein Ruthenium-basiertes Material beinhalten, das Rhodium (Rh), Platin (Pt), Iridium (Ir) oder Kombinationen hiervon beinhaltet (d.h. eine Legierung aus Ru-Rh, Ru-Pt, Ru-Ir, Ru-Rh-Pt, Ru-Rh-Ir, Ru-Pt-Rh, Ru-Pt-Ir, Ru-Ir-Rh oder Ru-Ir-Pt), und wobei die Partikelkomponente Korngrößen aufweist, die in einem Größenbereich liegen, der von etwa 1 µm bis 20 µm reicht, jeweils einschließlich, und zwar nach einer Extrusion. Eine beispielhafte Zusammensetzung aus einem Ruthenium-basierten Material, das besonders brauchbar sein kann, ist Ru-Rh, wobei Rhodium (Rh) in einem Anteil von etwa 0,1 Gew.-% bis 15 Gew.-% vorhanden ist und wobei das Ruthenium (Ru) die Balance bzw. den Rest („balance“) bildet. Dies ist natürlich nur eine Möglichkeit für die Ausgestaltung der Partikelkomponente, da andere Ausführungsformen gewiss auch möglich sind. Es ist ferner auch möglich, dass die Partikelkomponente 104 eines oder mehrere hochschmelzende Metalle und/oder Seltenerdmetalle aufweist, oder dass das Partikelmaterial aus reinem Ruthenium (Ru) hergestellt ist.
Das Edelmetall kann das Elektrodenmaterial mit einer Vielzahl gewünschter Attribute ausstatten, einschließlich eines hohen Widerstandswertes gegenüber Oxidation und/oder Korrosion. Einige nicht einschränkende Beispiele von Edelmetallen, die zur Verwendung in der Matrixkomponente 102 geeignet sind, beinhalten Platin (Pt), Palladium (Pd), Gold (Au) und/oder Silber (Ag), wohingegen nicht-begrenzende Beispiele von geeigneten Edelmetallen für die Partikelkomponente 104 Rhodium (Rh), Platin (Pt), Palladium (Pd), Iridium (Ir) und/oder Gold (Au) beinhalten. In einer beispielhaften Ausführungsform der Matrixkomponente 102 beinhaltet die Matrixkomponente ein reines Edelmetall, wie reines Platin (Pt) oder reines Palladium (Pd). In einer beispielhaften Ausführungsform der Partikelkomponente 104 ist ein Edelmetall der zweitgrößte oder zweitstärkste Bestandteil der Partikelkomponente auf einer Basis von Gew.-%, und zwar nach Ruthenium (Ru), und ist in der Partikelkomponente in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 49,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, vorhanden. Beispiele eines derartigen Partikelmaterials beinhalten binäre Legierungen wie Ru-Rh, Ru-Pt und Ru-Ir. Es ist auch möglich, dass die Partikelkomponente 104 mehr als ein Edelmetall beinhaltet, und in wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet die Partikelkomponente Ruthenium (Ru) plus ein erstes und ein zweites Edelmetall. Jedes Edelmetall von erstem und zweitem Edelmetall kann in der Partikelkomponente 104 in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 49,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, vorhanden sein, und die zusammengenommene kombinierte Menge des ersten und des zweiten Edelmetalls ist kleiner gleich etwa 65 Gew.-%, einschließlich. Einige Beispiele von einem derartigen Partikelmaterial beinhalten die folgenden ternären und quaternären Legierungen: Ru-Rh-Pt, Ru-Pt-Rh, Ru-Rh-Ir, Ru-Pt-Ir, Ru-Rh-Pd, Ru-Pt-Pd, Ru-Rh-Au, Ru-Pt-Au, Ru-Rh-Pt-Ir, Ru-Rh-Pt-Pd und Ru-Rh-Pt-Au. Bei jeder dieser Ausführungsformen ist Ruthenium (Ru) nach wie vor vorzugsweise der größte einzelne Bestandteil. Eines oder mehrere zusätzliche Elemente, Verbindungen und/oder andere Bestandteile können der Matrix und/oder dem Partikelmaterial, wie oben beschrieben, hinzugefügt werden, einschließlich von hochschmelzenden Metallen und/oder Seltenerdmetallen.
Das hochschmelzende Metall kann das Elektrodenmaterial mit einer beliebigen Anzahl von gewünschten Attributen versehen, einschließlich einer hohen Schmelztemperatur und einem entsprechend hohen Widerstandswert gegenüber Funkenerosion, als auch einer verbesserten Duktilität während der Herstellung. Einige nicht-einschränkende Beispiele von hochschmelzenden Metallen, die zur Verwendung in dem Elektrodenmaterial geeignet sind, beinhalten Wolfram (W), Rhenium (Re), Tantal (Ta), Molybdän (Mo) und Niob (Nb); Nickel (Ni) kann dem Elektrodenmaterial ebenfalls hinzugefügt werden. In einer beispielhaften Ausführungsform ist ein hochschmelzendes Metall ein Bestandteil der Partikelkomponente und kann Ruthenium (Ru) und eines oder mehrere Edelmetalle verbinden, und ist in der Partikelkomponente 104 in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, jeweils einschließlich, vorhanden. Das hochschmelzende Metall und das oder die Edelmetalle können mit dem Ruthenium (Ru) in dem Partikelmaterial derart zusammenwirken, dass die Elektrode ein hohes Widerstandsverhalten gegenüber Abnutzung aufweist, einschließlich eines signifikanten Widerstandsverhaltens gegenüber Funkenerosion, chemischer Korrosion und/oder Oxidation, um Beispiele zu nennen. Die relativ hohen Schmelzpunkte der hochschmelzenden Metalle und des Rutheniums können das Elektrodenmaterial mit einem hohen Widerstandsverhalten bzw. hohen Widerstandswert gegenüber Funkenerosion oder Abnutzung ausstatten, wohingegen die Edelmetalle das Elektrodenmaterial mit einem hohen Widerstandsverhalten gegenüber chemischer Korrosion und/oder Oxidation ausstatten können. Eine Tabelle, die einige beispielhafte Edelmetalle und hochschmelzende Metalle auflistet, als auch ihre jeweiligen Schmelztemperaturen, ist nachstehend angegeben (TABELLE I). TABELLE I Schmelztemperaturen von beispielhaften Metallen

Edelmetalle Schmelztemperatur (°C)

Rhodium (Rh) 1964

Platin (Pt) 1768

Palladium (Pd) 1555

Iridium (Ir) 2446

Gold (Au) 1064

Silber (Ag) 961

Hochschmelzende Metalle Schmelztemperatur (°C)

Wolfram (W) 3422

Molybdän (Mo) 2623

Niob (Nb) 2468

Tantal (Ta) 2996

Rhenium (Re) 3186
Das Seltenerdmetall kann das Elektrodenmaterial mit einer beliebigen Anzahl von gewünschten Attributen ausstatten, einschließlich eines verbesserten Widerstandsverhaltens gegenüber Erosion und/oder Korrosion. Einige nicht-beschränkende Beispiele von Seltenerdmetallen, die zum Gebrauch in dem Elektrodenmaterial geeignet sind, beinhalten Yttrium (Y), Hafnium (Hf), Scandium (Sc), Zirconium (Zr) und Lanthan (La). In einer beispielhaften Ausführungsform ist ein Seltenerdmetall ein Bestandteil der Partikelkomponente, und zwar gemeinsam mit Ruthenium (Ru), einem oder mehreren Edelmetallen sowie einem oder mehreren hochschmelzenden Metallen, und ist in der Partikelkomponente 104 in einem Bereich von etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 0,1 Gew.-%, jeweils einschließlich, vorhanden. Die Seltenerdmetalle können in dem Elektrodenmaterial eine schützende Oxidschicht (z.B. Y₂O₃, ZrO₂, etc.) bilden, die hinsichtlich des Materialverhaltens vorteilhaft ist.
In einer beispielhaften Ausführungsform der Matrixkomponente 102 beinhaltet die Matrixkomponente reines Platin (Pt), reines Palladium (Pd) oder ein beliebiges anderes reines Edelmetall. In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet die Matrixkomponente 102 ein Platin-basiertes Material, das Platin (Pt) in einem Bereich von etwa 50 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, aufweist, sowie ein weiteres Edelmetall, ein hochschmelzendes Metall oder ein Seltenerdmetall, und zwar in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 49,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, wobei das Platin (Pt) der größte einzelne Bestandteil des Matrixmaterials auf einer Basis von Gew.-% ist.
In einer beispielhaften Ausführungsform der Partikelkomponente 104 beinhaltet die Partikelkomponente ein Ruthenium-basiertes Material mit Ruthenium (Ru) in einem Bereich von etwa 50 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, sowie ein einzelnes Edelmetall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 49,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, wobei das Ruthenium (Ru) der größte einzelne Bestandteil des Partikelmaterials auf einer Basis von Gew.-% ist. Das oben genannte Edelmetall kann beispielsweise Rhodium (Rh), Platin (Pt) oder Iridium (Ir) sein. Beispiele von geeigneten Zusammensetzungen des Partikelmaterials, die in diese beispielhafte Ausführungsform fallen, beinhalten jene Zusammensetzungen, die Ruthenium (Ru) sowie ein Edelmetall aufweisen, das aus der Gruppe von Rhodium (Rh), Platin (Pt) oder Iridium (Ir) ausgewählt ist, wie Ru-Rh, Ru-Pt oder RU-Ir. Derartige Zusammensetzungen können die folgenden, nicht einschränkenden Beispiele beinhalten: Ru-45Rh, Ru-40Rh, Ru-35Rh, Ru-30Rh, Ru-25Rh, Ru-20Rh, Ru-15Rh, Ru-10Rh, Ru-5Rh, Ru-2Rh, Ru-1Rh, Ru-0,5 Rh, Ru-0,1Rh, Ru-45Pt, Ru-40Pt, Ru-35-Pt, Ru-30Pt, Ru-25 Pt, Ru-20Pt, Ru-15Pt, Ru-10Pt, Ru-5 Pt, Ru-2Pt, Ru-1Pt, Ru-0,5Pt, Ru-0,1 Pt, Ru-45Ir, Ru-40Ir, Ru-35Ir, Ru-30Ir, Ru-25Ir, Ru-20Ir, Ru-15Ir, Ru-10Ir, Ru-5Ir, Ru-2Ir, Ru-1Ir, Ru-0.5Ir, Ru-0.1Ir, wobei andere Beispiele sicherlich möglich sind. Die folgenden Partikelzusammensetzungen können in einem Metallverbundmaterial verwendet werden, wobei etwa 20 Gew.-% des Metallverbundwerkstoffes eine Pt-Matrix ist: Ru-5Rh; Ru-2Rh; Ru-1Re und reines Ru. Die folgenden Partikelzusammensetzungen können in einem Metallverbundmaterial verwendet werden, bei dem etwa 10 Gew.-% des Metallverbundmaterials eine Pt-Matrix ist: Ru-5Rh; Ru-2Rh; Ru-1Re sowie reines Ru. Die folgenden Partikelzusammensetzungen können in einem Metallverbundmaterial verwendet werden, wobei etwa 5 Gew.-% des Metallverbundmaterials eine Pt-Matrix ist: Ru-5Rh; Ru-2Rh; Ru-2Rh; Ru-1Re und reines Ru. In einer besonderen Ausführungsform beinhaltet die Partikelkomponente 104 ein Ruthenium-basiertes Material, das Ruthenium (Ru) in einem Bereich von etwa 85 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, sowie Rhodium (Rh) in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% beinhaltet.
In einer weiteren Ausführungsform der Partikelkomponente 104 beinhaltet die Partikelkomponente ein Ruthenium-basiertes Material mit Ruthenium (Ru) in einem Bereich von etwa 35 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, ein erstes Edelmetall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 49,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, sowie ein zweites Edelmetall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 49,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, wobei das Ruthenium (Ru) der größte einzelne Bestandteil des Partikelmaterials ist. Ruthenium-basierte Materialien, die Rhodium (Rh) und Platin (Pt) beinhalten, wobei die kombinierte Menge von Rhodium (Rh) und Platin (Pt) im Bereich zwischen 1 % und 65 %, jeweils einschließlich, vorliegt, können für gewisse Zündkerzenanwendungen besonders brauchbar sein. Beispiele von geeigneten Zusammensetzungen von Partikelmaterial, die in diese beispielhafte Kategorie fallen, beinhalten Zusammensetzungen mit Ruthenium (Ru) sowie mit zwei oder mehr Edelmetallen, die ausgewählt sind aus der Gruppe von Rhodium (Rh), Platin (Pt), Palladium (Pd), Iridium (Ir) und/oder Gold (Au), wie Ru-Rh-Pt, Ru-Rh-Pd, Ru-Rh-Ir, Ru-Rh-Au, Ru-Pt-Rh, Ru-Pt-Pd, Ru-Pt-Ir, Ru-Pt-Au, Ru-Pd-Rh, Ru-Pd-Pt, Ru-Pd-Ir, Ru-Pd-Au, Ru-Ir-Rh, Ru-Ir-Pt, Ru-Ir-Pd, Ru-Ir-Au, Ru-Au-Rh, Ru-Au-Pt, Ru-Au-Pd, Ru-Au-Ir, Ru-Rh-Pt-Ir, Ru-Rh-Pt-Pd, Ru-Rh-Pt-Au, Ru-Pt-Rh-Ir, Ru-Pt-Rh-Pd, Ru-Pt-Rh-Au, etc. Solche Zusammensetzungen können die folgenden nicht-einschränkenden Beispiele beinhalten: Ru-30Rh-30Pt, Ru-35Rh-25Pt, Ru-35Pt-25Rh, Ru-25Rh-25Pt; Ru-30Rh-20Pt, Ru-30Pt-20Rh, Ru-20Rh-20Pt, Ru-25Rh-15Pt, Ru-25Pt-15Rh, Ru-15Rh-15Pt, Ru-20Rh-10Pt, Ru-20Pt-10Rh, Ru-10Rh-10Pt, Ru-15Rh-5Pt, Ru-15Pt-5Rh, Ru-5Rh-5Pt, Ru-10Rh-1Pt, Ru-10Pt-1Rh, Ru-2Rh-2Pt, Ru-1Rh-1Pt, Ru-30Rh-20Ir, Ru-30Pt-20Ir, Ru-30Ir-20Rh, Ru-30Ir-20Pt, Ru-40Rh-10Pt, Ru-40Rh-10Ir, Ru-40Pt-10Rh, Ru-40Pt-10Ir, Ru-40Ir-10Rh und Ru-40Ir-10Pt; andere Beispiele sind sicherlich möglich. Die folgenden Partikelzusammensetzungen können in einem Metallverbundmaterial verwendet werden, bei dem etwa 20 Gew.-% des Metallverbundmaterials eine Pt-Matrix ist: Ru-5Rh-1Re und Ru-2Rh-1Re. Die folgenden Partikelzusammensetzungen können in einem Metallverbundmaterial verwendet werden, bei dem etwa 10 Gew.-% des Metallverbundmaterials eine Pt-Matrix ist: Ru-5Rh-1Re; Ru-2Rh-1Re; Ru-5Rh-1Ir-1R bzw. Ru-5Rh-1Ir-1Re und Ru-5Rh-1W-1R bzw. Ru-5Rh-1W-1Re. Die folgenden Partikelzusammensetzungen können in einem Metallverbundmaterial verwendet werden, bei dem etwa 5 Gew.-% des Metallverbundmaterials eine Pt-Matrix ist: Ru-5Rh-1Ir-1Re; Ru-5Rh-1W-1Re; Ru-5Rh-1Re und Ru-2Rh-1 Re.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Partikelkomponente 104 beinhaltet die Partikelkomponente ein Ruthenium-basiertes Material, das Ruthenium (Ru) in einem Bereich von etwa 35 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, eines oder mehrere Edelmetalle in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 49,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, sowie ein hochschmelzendes Metall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, jeweils einschließlich, aufweist, wobei das Ruthenium (Ru) der größte Bestandteil des Elektrodenmaterials ist. Ein geeignetes hochschmelzendes Metall für das Partikelmaterial kann beispielsweise Wolfram (W), Rhenium (Re), Tantal (Ta), Molybdän (Mo) und/oder Niob (Nb) sein. Hochschmelzende Metalle können dazu verwendet werden, um das Elektrodenmaterial auf die eine oder andere Art und Weise zu verstärken bzw. zu festigen, oder um die Gesamtkosten zu verringern, um Beispiele zu nennen. In einer Ausführungsform bildet ein hochschmelzendes Metall den größten Bestandteil in der Partikelkomponente 104, und zwar nach Ruthenium (Ru) und einem oder mehreren Edelmetallen, und ist in einer Menge vorhanden, die größer gleich 0,1 Gew.-% ist und kleiner gleich 10 Gew.-%. Beispiele von geeigneten Partikelmaterialzusammensetzungen, die in diese beispielhafte Ausführungsform fallen, beinhalten Ru-Rh-W, Ru-Rh-Mo, Ru-Rh-Nb, Ru-Rh-Ta, Ru-Rh-Re, Ru-Pt-W, Ru-Pt-Mo, Ru-Pt-Nb, Ru-Pt-Ta, Ru-Pt-Re, Ru-Rh-Pt-W, Ru-Rh-Pt-Mo, Ru-Rh-Pt-Nb, Ru-Rh-Pt-Ta, Ru-Rh-Pt-Re, Ru-Pt-Rh-W, Ru-Pt-Rh-Mo, Ru-Pt-Rh-Nb, Ru-Pt-Rh-Ta, Ru-Pt-Rh-Re, etc. Eine Vielzahl von Kombinationen von Zusammensetzungen dieser Ausführungsform ist möglich. Darüber hinaus können Nickel (Ni) und/oder ein Seltenerdmetall zusätzlich oder anstelle der oben aufgelisteten beispielhaften hochschmelzenden Metalle verwendet werden. Beispiele einer Zusammensetzung eines Partikelmaterials, die Nickel (Ni) enthält, beinhalten Ru-Rh-Ni, Ru-Pt-Ni, Ru-Rh-Pt-Ni, Ru-Pt-Rh-Ni, etc. Die folgenden Partikelzusammensetzungen können in einem Metallverbundmaterial verwendet werden, bei dem etwa 20 Gew.-% des Metallverbundmaterials eine Pt-Matrix ist: Ru-5Rh-1Ir-1 Re und Ru-5Rh-1W-1Re.
In Abhängigkeit von den bestimmten Eigenschaften, die gewünscht sind, kann die Menge des Rutheniums (Ru) in dem Ruthenium-basierten Material der Partikelkomponente 104 sein: größer gleich 35 Gew.-%, größer gleich 50 Gew.-%, größer gleich 65 Gew.-% oder größer gleich 80 Gew.-%; kleiner gleich 99,9 Gew.-%, kleiner gleich 95 Gew.-%, kleiner gleich 90 Gew.-% oder kleiner gleich 85 Gew.-%; oder zwischen 35-99,9 Gew.-%, 50-99,9 Gew.-%, 65-99,9 Gew.-% oder 80-99,9 Gew.-%, um einige Beispiele zu nennen. In gleicher Weise kann die Menge von Rhodium (Rh) und/oder Platin (Pt) in dem Ruthenium-basierten Material der Partikelkomponente 104 sein: größer gleich 0,1 Gew.-%, größer gleich 2 Gew.-%, größer gleich 10 Gew.-% oder größer gleich 20 Gew.-%; kleiner gleich 49,9 Gew.-%, kleiner gleich 40 Gew.-%, kleiner gleich 20 Gew.-% oder kleiner gleich 10 Gew.-%; oder zwischen 0,1-49,9 Gew.-%, 0,1-40 Gew.-%, 0,1-20 Gew.-% oder 0,1-10 Gew.-%. Die Menge von Rhodium (Rh) und Platin (Pt) kann in dem Ruthenium-basierten Material der Partikelkomponente 104 kombiniert oder zusammengenommen sein: größer gleich 1 Gew.-%, größer gleich 5 Gew.-%, größer gleich 10 Gew.-% oder größer gleich 20 Gew.-%; kleiner gleich 65 Gew.-%, kleiner gleich 50 Gew.-%, kleiner gleich 35 Gew.-% oder kleiner gleich 20 Gew.-%; oder zwischen 1-65 Gew.-%, 1-50 Gew.-%, 1-35 Gew.-% oder 1-20 Gew.-%. Die Menge des hochschmelzenden Metalls - d.h. ein hochschmelzendes Metall außer Ruthenium (Ru) - kann in dem Ruthenium-basierten Material der Partikelkomponente 104 sein: größer gleich 0,1 Gew.-%, größer gleich 1 Gew.-%, größer gleich 2 Gew.-% oder größer gleich 5 Gew.-%; kleiner gleich 10 Gew.-%, kleiner gleich 8 Gew.-% oder kleiner gleich 5 Gew.-%; oder zwischen 0,1-10 Gew.-%, 0,1-8 Gew.-% oder 0,1-5 Gew.-%. Die gleichen beispielhaften Prozentbereiche sind auf Nickel (Ni) anwendbar. Die Menge von einem Seltenerdmetall in dem Ruthenium-basierten Material der Partikelkomponente 104 kann sein: größer gleich 0,01 Gew.-% oder größer gleich 0,05 Gew.-%; kleiner gleich 0,1 Gew.-% oder kleiner gleich 0,08 Gew.-%; oder zwischen 0,01-0,1 Gew.-%. Die vorstehenden Mengen, Prozentsätze, Grenzen, Bereiche etc. sind lediglich als Beispiele für einige der unterschiedlichen Materialzusammensetzungn vorgesehen, die möglich sind, und sollen den Schutzbereich des Elektrodenmaterials, der Partikelkomponente und/oder der Matrixkomponente nicht beschränken.
Es versteht sich, dass die vorstehenden Materialbeispiele lediglich einige der möglichen Zusammensetzungen darstellen. Beispielsweise können für die Matrixkomponente 102 andere Edelmetall-basierte Materialien verwendet werden, und für die Partikelkomponente können andere Ruthenium-basierte Materialien verwendet werden. Wie oben erwähnt, können etwa 2 Gew.-% bis 80 Gew.-%, und noch bevorzugter 2 Gew.-% bis 20 Gew.-% des Metallverbundwerkstoffes 100 in der Form der Matrixkomponente 102 vorliegen, und etwa 20 Gew.-% bis 98 Gew.-% oder noch bevorzugter 80 Gew.-% bis 98 Gew.-% des Metallverbundwerkstoffes 100 können in der Form der Partikelkomponente 104 vorliegen. In Abhängigkeit von der genauen Zusammensetzung kann der Metallverbundwerkstoff 100 einen mittleren Partikelkomponenten-Abstand in einem Bereich von etwa 1 µm bis 20 µm, jeweils einschließlich, aufweisen; anders gesagt kann der mittlere Abstand bzw. die mittlere Distanz zwischen Partikeln oder der mittlere Partikel-Partikel-Abstand in der Matrix etwa 1 µm bis 20 µm, jeweils einschließlich, betragen. Es ist ebenfalls möglich, dass der Metallverbundwerkstoff 100 eine mittlere Dichte aufweist, die kleiner gleich 14,0 g/cm³ ist, wenn die Matrixkomponente etwa 2 Gew.-% bis 20 Gew.-% und die Partikelkomponente etwa 80 Gew.-% bis 98 Gew.-% des gesamten Metallverbundwerkstoffes ausmacht, und es ist ebenfalls möglich, dass der Metallverbundwerkstoff 100 eine mittlere Dichte aufweist, die kleiner gleich 16,8 g/cm³ ist, wenn die Matrixkomponente etwa 50 Gew.-% und die Partikelkomponente etwa 50 Gew.-% des gesamten Metallverbundwerkstoffes ausmachen. Die Dichte der Partikelkomponente 104 ist vorzugsweise geringer als jene der Matrixkomponente 102, was die Kosten verringern und den Preis des Materials signifikant reduzieren kann.
Die Gesamtzusammensetzung des Metallverbundwerkstoffes 100, der Anteil der Matrixkomponente im Vergleich zur Partikelkomponente, der Zwischenpartikel-Abstand zwischen Partikeln der Partikelkomponente 104 in der Matrixkomponente 102 sowie die Dichte-Charakteristika des Metallverbundwerkstoffes 100 können das Elektrodenmaterial mit gewissen Eigenschaften und/oder Kosten-Charakteristika ausstatten. Es kann bei den oben gelisteten Charakteristika beispielsweise möglich sein, ein Elektrodenmaterial bereitzustellen, das eine angemessene Duktilität aufweist, so dass es in unterschiedliche Zündkerzenkomponenten geformt werden kann, und dennoch ein hinreichendes Widerstandsverhalten gegenüber Erosion und/oder Korrosion zeigt. Ferner kann eine geringe Dichte das Elektrodenmaterial kostengünstig machen, wenn dieses nach Gewicht oder Masse eingepreist wird. Sobald der Metallverbundwerkstoff 100 extrudiert oder einem ähnlichen Prozess unterzogen worden ist, kann die Mikrostruktur des Verbundmaterials geändert werden, so dass die Körner der Matrixkomponente 102 länglicher oder faserartiger sind als jene der Partikelkomponente 104. In einigen der vorstehenden beispielhaften Systeme kann Rhenium (Re) hinzugefügt werden, um die Gesamtduktilität des Elektrodenmaterials zu verbessern, so dass dieses leichter hergestellt werden kann.
Unter Bezugnahme auf 7 kann das Elektrodenmaterial unter Verwendung einer Vielzahl von Herstellungsprozessen hergestellt werden, wie pulvermetallurgische Verfahren. Beispielsweise kann ein Prozess 200 verwendet werden, der die Schritte aufweist: Bereitstellen von jedem der Bestandteile in Pulverform, wobei diese eine gewisse Pulver- oder Partikelgröße aufweisen, Schritt 210; Mischen der Pulver, um eine Pulvermischung zu bilden, Schritt 220; Sintern der Pulvermischung, um das Elektrodenmaterial zu bilden, Schritt 230; und Extrudieren, Ziehen oder auf andere Art und Weise Bilden bzw. Formen des Elektrodenmaterials in eine gewünschte Form, Schritt 240. Der Prozess kann ferner einen oder mehrere optionale Schritte beinhalten, die eine Umhüllung oder einen Mantel um das Elektrodenmaterial bereitstellen, wie noch erläutert werden wird.
Im Schritt 210 werden die Matrixkomponente 102 und die Partikelkomponente 104 in Pulverform bereitgestellt und haben eine bestimmte Pulver- oder Partikelgröße, die von einer Anzahl von Faktoren abhängig sein kann. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist die Partikelgröße der Matrixkomponente 102, wenn diese in einer Pulverform vorliegt, in einem Bereich von etwa 1 µ bis 50 µ, jeweils einschließlich, und die Partikelgröße der Partikelkomponente 104, wenn diese in einer Pulverform vorliegt, liegt in einem Bereich von etwa 1 µ bis 200 µ, jeweils einschließlich.
Im folgenden Schritt 220 werden die Pulver der Matrixkomponente 102 und der Partikelkomponente 104 zusammengemischt, so dass eine Pulvermischung gebildet wird. In einer Ausführungsform bildet das Matrixpulver etwa 2 Gew.-% bis 20 Gew.-% der Gesamtpulvermischung, wohingegen das Partikelpulver etwa 80 Gew.-% bis 90 Gew.-% der Gesamtpulvermischung bildet. Dieser Mischschritt kann mit oder ohne Zugabe von Wärme durchgeführt werden.
Der Sinterschritt 230 kann gemäß einer Anzahl von unterschiedlichen metallurgischen Ausführungsformen durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Pulvermischung (die sowohl die Matrix- als auch die Partikelkomponente 102, 104 beinhaltet) in einem Vakuum oder in einer Art von geschützter Umgebung gesintert werden, und zwar bei einer Sintertemperatur von etwa 0,8 T_schmelz _(„melt“) der Matrixkomponente 102, um das Elektrodenmaterial in die Form eines Metallverbundwerkstoffes zu bilden. Anders gesagt kann die Sintertemperatur auf einen Wert von etwa 0,8 der Schmelztemperatur des Matrixmaterials eingestellt werden, die in dem Falle einer Matrixkomponente aus reinem Pt etwa 1380 °C bis 1450 °C beträgt. Es ist auch möglich, dass in dem Sinterschritt 230 Druck ausgeübt wird, um eine gewisse Art von Porositätssteuerung für das Elektrodenmaterial einzuführen. Die Größe bzw. der Betrag des aufgewendeten Druckes kann von der genauen Zusammensetzung der Pulvermischung und den gewünschten Attributen des Elektrodenmaterials abhängen. Derzeit ist es bevorzugt, wenn das Elektrodenmaterial ein Metallverbundwerkstoff 100 ist und eine mehrphasige Mikrostruktur aufweist, wobei die Matrixkomponente 102 getrennt oder unterscheidbar bzw. abgrenzbar gegenüber der Partikelkomponente 104 ist. Der Metallverbundwerkstoff kann einen mittleren Partikelkomponenten-Abstand in einem Bereich von etwa 1 µm bis 20 µm, jeweils einschließlich, aufweisen, und eine mittlere Dichte, die kleiner gleich 14,0 g/cm³ ist.
Im folgenden Schritt 240 kann das Elektrodenmaterial extrudiert, gezogen oder auf andere Art und Weise in eine gewünschte Form geformt werden. Wenn ein länglicher Draht gewünscht ist, kann das Elektrodenmaterial dann kalt extrudiert werden, um einen feinen Draht von etwa 0,3 mm bis etwa 1,5 mm, jeweils einschließlich, zu bilden bzw. zu formen, der anschließend in individuelle Elektrodenspitzen oder dergleichen geschnitten oder quer-getrennt werden kann. In dem Schritt 240 könnten natürlich andere Metallformtechniken verwendet werden, um das Elektrodenmaterial in Teile zu formen, die unterschiedliche Formgestaltungen besitzen. Beispielsweise könnte das Elektrodenmaterial gesenkgeschmiedet, geschmiedet, gegossen oder auf andere Art und Weise in Barren, Stangen, Niete, Spitzen etc. geformt werden. Es wird ein Kaltbearbeitungsprozess oder ein Warmbearbeitungsprozess ausgewählt, und zwar auf der Grundlage des Gewichtsprozentsatzes der Partikelkomponente 104 in dem gesamten Metallverbundwerkstoff, neben anderen potentiellen Faktoren. Für einen Metallverbundwerkstoff mit einem hohen Prozentsatz an Partikelkomponente (beispielsweise 90 Gew.-% oder höher) kann ein Heißbearbeitungsprozess eine gute Option sein, und zwar aufgrund der potentiellen Sprödigkeit der Ruthenium-basierten Legierung. Für einen Metallverbundwerkstoff mit einem geringen Prozentsatz an Partikelkomponente (beispielsweise 20 Gew.-%) kann ein Kaltbearbeitungsprozess eine bessere Option sein.
Es ist bei dem Verfahren 200 wie oben erwähnt auch möglich, einen optionalen Schritt aufzunehmen, bei dem das Elektrodenmaterial mit einer Umhüllung oder einem Mantel ausgebildet wird, der aus einem unterschiedlichen Material hergestellt ist, so dass die Kombination aus Elektrodenmaterial und Umhüllung ko-extrudiert werden kann, und zwar während des Schrittes 240. In einer Ausführungsform ist ein zusätzlicher Schritt 232 vorgesehen, bei dem das bereits gesinterte Elektrodenmaterial aus dem Schritt 230 in eine rohrartige Umhüllungsstruktur 106 eingeführt oder eingefüllt wird, wie es in 8 dargestellt ist. Die Umhüllungsstruktur 106 kann Edelmetall-basiert, Kupfer-basiert, Zinkbasiert oder Nickel-basiert sein, um Beispiele zu nennen. Für den Fall, dass die Umhüllungsstruktur 106 Edelmetall-basiert ist, kann die Umhüllung oder der Mantel reines Platin (Pt), reines Palladium (Pd), reines Gold (Au), reines Silber (Ag) oder eine gewisse Legierung hiervon aufweisen. Für den Fall einer Kupfer-basierten Umhüllungsstruktur ist sauerstofffreies Kupfer (Cu) eine akzeptable Wahl. Zink-basierte Umhüllungsstrukturen können in Fällen verwendet werden, wo es wünschenswert ist, während des Extrusionsprozesses einen hohen Grad an Schmierung zu haben. Andere Umhüllungsmaterialien sind ebenfalls möglich. Eine Umhüllungsstruktur 106 mit einem Außendurchmesser von etwa 0,3 mm bis 1,5 mm und einer Umhüllungswanddicke von weniger als etwa 150 µm kann verwendet werden.
Bei den oben erwähnten Beispielen einer Kupfer-basierten, einer Zink-basierten und einer Nickel-basierten Umhüllung kann die Umhüllungsstruktur 106 nach dem KoExtrudieren des Elektroden- und des Umhüllungsmaterials entfernt werden, und zwar durch eine chemische Ätztechnik oder eine andere geeignete Technik, optionaler Schritt 242. Dieser Prozess ist in 9 dargestellt. Bei diesen Beispielen wird die Umhüllungsstruktur verwendet, um den Extrusionsprozess zu erleichtern, die Umhüllungsstruktur wird jedoch hiernach entfernt, so dass das resultierende Elektrodenmaterial ohne jegliche Umhüllung in eine Elektrode einer Zündkerze gebildet bzw. geformt werden kann. Bei den obigen Edelmetall-basierten Beispielen kann die Umhüllung nach dem Ko-Extrusionsprozess intakt belassen werden; das heißt, die Umhüllung kann an der Elektrode verbleiben und kann als eine dünne äußere Schutzschicht wirken.
Die oben beschriebenen Prozesse können dazu verwendet werden, um das Elektrodenmaterial in verschiedene Formen (wie Stäbe, Drähte, Bleche bzw. Lagen, etc.) zu formen, die für weitere bzw. folgende Herstellungsprozesse zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode und/oder einer Zündspitze geeignet sind. Andere bekannte Techniken wie ein Schmelzen und Mischen der gewünschten Mengen von jedem Bestandteil können zusätzlich oder anstelle der oben genannten Schritte verwendet werden. Das Elektrodenmaterial kann weiterverarbeitet werden, und zwar unter Verwendung herkömmlicher schneidender bzw. spanender und schleifender Techniken, die mit anderen bekannten Erosions-resistenten Elektrodenmaterialien manchmal schwierig zu verwenden sind.
Es versteht sich, dass das Vorstehende eine Beschreibung von einer oder mehreren bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ist. Die Erfindung ist nicht auf die hier offenbarte bestimmte Ausführungsform bzw. die hier offenbarten bestimmten Ausführungsformen beschränkt, sondern ausschließlich durch die nachstehenden Ansprüche definiert. Ferner beziehen sich die in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen Aussagen auf bestimmte Ausführungsformen und sollen nicht als Beschränkungen des Schutzbereiches der Erfindung oder hinsichtlich der Definition von in den Ansprüchen verwendeten Begriffen verstanden werden.
In der vorliegenden Spezifikation und in den Ansprüchen sind die Begriffe „zum Beispiel“, „z.B.“, „beispielsweise“, „wie“ und „wie beispielsweise“, sowie die Verben „aufweisen“, „haben“, „enthalten“ und deren andere Verbformen, wenn in Verbindung mit einer Auflistung von einem oder mehreren Bestandteilen oder anderen Einzelteilen verwendet, jeweils als nicht endend bzw. offen zu verstehen, was bedeutet, dass die Auflistung nicht so zu verstehen ist, dass andere, zusätzliche Bestandteile oder Einzelteile auszuschließen wären. Andere Begriffe sind unter Verwendung ihrer breitesten vernünftigen Bedeutung zu verstehen, es sei denn, sie werden in einem Kontext verwendet, der eine unterschiedliche Interpretation erfordert.

Claims

Zündkerzenelektrode für eine Zündkerze (10), mit: einem Elektrodenmaterial, das eine Partikelkomponente (104) aufweist, die innerhalb einer Matrixkomponente (102) eingebettet ist, und zwar in der Form eines Metallverbundwerkstoffes (100); wobei die Partikelkomponente (104) ein Rhutenium-basiertes Material aufweist, das zusätzlich zu dem Ruthenium (Ru) wenigstens ein Edelmetall aufweist, wobei Ruthenium (Ru) der größte Bestandteil der Partikelkomponente auf einer Basis von Gew.-% ist; und wobei die Matrixkomponente (102) ein Edelmetall aufweist, wobei das Edelmetall ein Platin-basiertes Material ist, und wobei Platin der größte Bestandteil der Matrixkomponente auf einer Basis von Gew.-% ist.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei das Edelmetall der Partikelkomponente (104) der zweitgrößte Bestandteil der Partikelkomponente auf einer Basis von Gew.-% ist, und wobei das Edelmetall in der Partikelkomponente in einem Bereich von 0,1 Gew.-% bis 49,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, vorhanden ist.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 2, wobei das Edelmetall der Partikelkomponente aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Rhodium (Rh), Platin (Pt), Palladium (Pd), Iridium (Ir) oder Gold (Au) besteht.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 2, wobei die Partikelkomponente (104) Rhodium (Rh) in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% aufweist und Ruthenium (Ru) als Balance aufweist.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei die Partikelkomponente (104) ferner wenigstens ein hochschmelzendes Metall aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wolfram (W), Rhenium (Re), Tantal (Ta), Molybdän (Mo) oder Niob (Nb) besteht.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei die Partikelkomponente (104) ferner wenigstens ein Seltenerdmetall aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Yttrium (Y), Halfnium (Hf), Scandium (Sc), Zirconium (Zr) oder Lanthan (LA) besteht.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei das Platin-basierte Material aus reinem Platin (Pt) hergestellt ist.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei etwa 2 Gew.-% bis 20 Gew.-% des Metallverbundwerkstoffes (100) in der Form der Matrixkomponente (102) ausgebildet sind und wobei etwa 80 Gew.-% bis 98 Gew.-% des Metallverbundwerkstoffes (100) in der Form der Partikelkomponente (104) ausgebildet sind.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei der Metallverbundwerkstoff (100) einen mittleren Partikelkomponentenabstand im Bereich von 1 µm bis 20 µm, jeweils einschließlich, aufweist.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei der Metallverbundwerkstoff eine mittlere Dichte aufweist, die kleiner gleich 14,0 g/cm³ ist.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei der Metallverbundwerkstoff (100) nach einer Extrusion eine Mikrostruktur mit Körnern der Matrixkomponente (102) aufweist, die länglicher oder faserartiger sind als Körner der Partikelkomponente (104).
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei die Matrixkomponente (102) etwa 2 Gew. % bis 20 Gew.-% des gesamten Metallverbundwerkstoffes (100) ausmacht und ein Platin-basiertes Material aufweist, das aus reinem Platin (Pt) hergestellt ist, und wobei die Partikelkomponente (104) etwa 80 Gew.-% bis 98 Gew.-% des gesamten Metallverbundwerkstoffes (100) ausmacht und eine Ruthenium-basierte Legierung mit Rhodium (Rh) im Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis 5 Gew.-% und Ruthenium (Ru) als Balance bzw. Rest beinhaltet.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, wobei der Metallverbundwerkstoff (100) wenigstens teilweise von einem dünnen Umhüllungsmaterial (106) umgeben ist, das Platin (Pt) aufweist.
Zündkerze (10), mit: einer Metallhülle (16), die eine Axialbohrung aufweist; einem Isolator (14), der eine Axialbohrung aufweist und der wenigstens teilweise innerhalb der Axialbohrung der Metallhülle (16) angeordnet ist; einer Mittelelektrode (12), die wenigstens teilweise innerhalb der Axialbohrung des Isolators (14) angeordnet ist; und einer Masseelektrode (18), die an einem freien Ende (24) der Metallhülle (16) angebracht ist, wobei eine Mittelelektrode (12), eine Masseelektrode (18) oder beide wenigstens teilweise aus dem Zündkerzenelektrodenmaterial gemäß einem der Ansprüche 1-13 hergestellt ist bzw. sind und keine daran angebrachte Zündspitze aufweist bzw. aufweisen.
Zündkerze (10), mit: einer Metallhülle (16), die eine Axialbohrung aufweist; einem Isolator (14), der eine Axialbohrung aufweist und der wenigstens teilweise innerhalb der Axialbohrung der Metallhülle (16) angeordnet ist; einer Mittelelektrode (12), die wenigstens teilweise innerhalb der Axialbohrung des Isolators (14) angeordnet ist; und einer Masseelektrode (18), die an einem freien Ende (24) der Metallhülle (16) angebracht ist; wobei die Mittelelektrode (12), die Masseelektrode (18) oder beide eine daran angebrachte Zündspitze (20; 30) aufweist bzw. aufweisen, die wenigstens teilweise aus einem Zündkerzenelektrodenmaterial gemäß einem der Ansprüche 1-13 hergestellt ist.
Zündkerze (10) nach Anspruch 15, wobei die Zündspitze (20) ein mehrteiliger Niet ist, der eine zweite Komponente (34) aufweist, die an der Mittelelektrode (12) oder der Masseelektrode (18) angebracht ist, und eine erste Komponente (32) aufweist, die an der zweiten Komponente (34) angebracht ist und die wenigstens teilweise aus dem Elektrodenmaterial hergestellt ist.
Verfahren zum Herstellen einer Zündkerzenelektrode gemäß einem der Ansprüche 1-13, mit den Schritten: (a) Bereitstellen einer Matrixkomponente (102) und einer Partikelkomponente (104), und zwar in Pulverform, wobei die Matrixkomponente ein Platin-basiertes Material aufweist und wobei die Partikelkomponente Ruthenium (Ru) und ein zusätzliches Edelmetall aufweist; (b) Mischen der Pulver von Matrixkomponente (102) und Partikelkomponente (104), um eine Pulvermischung zu bilden; (c) Sintern der Pulvermischung, um ein Elektrodenmaterial zu bilden, wobei das Elektrodenmaterial in der Form eines Metallverbundwerkstoffes (100) vorliegt, wobei die Partikelkomponente (104) in der Matrixkomponente (102) eingebettet oder verteilt ist; und (d) Ausbilden des Elektrodenmaterials in eine Elektrode einer Zündkerze.
Verfahren nach Anspruch 17, mit dem weiteren Schritt: Einführen des Elektrodenmaterials aus dem Schritt (c) in eine Umhüllungsstruktur (106), und Co-Extrudieren des Elektrodenmaterials und der Umhüllungsstruktur.
Verwendung eines Zündkerzenelektrodenmaterials gemäß einem der Ansprüche 1-13 als wenigstens ein Material zur Bildung einer Zündspitze (20; 30).