DE112012002699B4

DE112012002699B4 - Zündkerze und Verfahren zum Herstellen einer Elektrode einer Zündkerze

Info

Publication number: DE112012002699B4
Application number: DE112012002699.3T
Authority: DE
Inventors: Shuwei Ma
Original assignee: Federal Mogul Ignition Co
Current assignee: Federal Mogul Ignition LLC
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2018-12-13
Anticipated expiration: 2032-06-27
Also published as: DE112012002699T5; US20130002121A1; US8766519B2; WO2013003325A2; WO2013003325A3

Abstract

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 angeordnet ist;einer Mittelelektrode (12), die wenigstens teilweise innerhalb der Axialbohrung des Isolators angeordnet ist; undeiner Masseelektrode (18), die an einem freien Ende der Metallhülle angebracht ist;wobei die Mittelelektrode, die Masseelektrode oder beide ein Elektrodenmaterial aufweisen, das Ruthenium (Ru), wenigstens ein anderes Edelmetall außer Ruthenium (Ru) und wenigstens ein Metalloxid aufweist, wobei Ruthenium (Ru) der größte einzelne Bestandteil des Elektrodenmaterials auf einer Basis von Gew.-% ist,wobei das Elektrodenmaterial ein mehrphasiges Material ist, das eine Matrixphase und eine dispergierte Phase beinhaltet, wobei die Matrixphase Ruthenium (Ru) und das wenigstens eine Edelmetall aufweist und wobei die dispergierte Phase das wenigstens eine Metalloxid aufweist, undwobei die dispergierte Phase Metalloxid-Fasern aufweist, die innerhalb der Matrixphase dispergiert sind und eine mittlere Länge in einem Bereich von etwa 50 µm bis 500 µm und einem mittleren Durchmesser besitzen, der kleiner ist als etwa 10 µm.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft Zündkerzen für Verbrennungsmotoren und insbesondere Elektrodenmaterialien hierfür, sowie ein Herstellungsverfahren für ein Elektrodenmaterial.
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 einem Funkenabschnitt der Elektroden verwendet werden, also dort, wo ein Funken über eine Funkenstrecke springt.
Das Dokument US 2011 / 0 127 900 A1 offenbart ein Elektrodenmaterial für eine Zündkerze, welches Elektrodenmaterial Ruthenium als feuerfestes Material aufweist, wobei das Ruthenium der größte einzelne Bestandteil des Elektrodenmaterials auf einer Basis von Gew.-% ist.
Das Dokument DE 10 2004 063 077 A1 offenbart einen Elektrodenwerkstoff mit mindestens zwei der Elemente Platin, Palladium, Iridium, Rhenium, Rhodium oder Ruthenium und mit zusätzlich mindestens einem Oxid der Elemente Zirconium, Hafnium, Yttrium oder Magnesium.
Ferner ist es aus dem Dokument DE 10 2005 038 772 A1 bekannt, einen Draht aus einer Oxiddispersions-gehärteten Legierung auf Basis von Platin oder Palladium oder eine Mischung hiervon bereitzustellen, wobei der Drahtquerschnitt eine Randzone aufweist, in der mindestens ein relativ leicht flüchtiger Oxidbildner um mindestens 25 % ausgedünnt ist.
Schließlich offenbart das Dokument DE 103 48 778 B3 eine Elektrode für eine Zündkerze, wobei ein Grundwerkstoff und ein Zusatzwerkstoff in Pulverform miteinander vermischt, zusammengepresst und anschließend gesintert werden.
Es ist vor diesem Hintergrund eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Zündkerze sowie ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Elektrode für eine Zündkerze anzugeben.
Die obige Aufgabe wird gelöst durch eine Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode einer Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 14.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht.
Die erfindungsgemäße Zündkerze weist auf: eine Metallhülle, einen Isolator, eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode. Die Mittelelektrode, die Masseelektrode oder beiden weisen ein Elektrodenmaterial auf, das Ruthenium (Ru), wenigstens ein anderes Edelmetall als Ruthenium (Ru) und wenigstens ein Metalloxid aufweist, wobei Ruthenium (Ru) der größte einzelne Bestandteil des Elektrodenmaterials auf einer Basis von Gew.-% ist, wobei das Elektrodenmaterial ein mehrphasiges Material ist, das eine Matrixphase und eine dispergierte Phase beinhaltet, wobei die Matrixphase Ruthenium (Ru) und das wenigstens eine Edelmetall aufweist und wobei die dispergierte Phase das wenigstens eine Metalloxid aufweist und wobei die dispergierte Phase Metalloxid-Fasern aufweist, die innerhalb der Matrixphasen dispergiert sind und eine mittlere Länge in einem Bereich von etwa 50 µm bis 500 µm und einen mittleren Durchmesser besitzen, der kleiner ist als etwa 10 µm.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die Schritte auf: (a) Bereitstellen von Ruthenium (Ru) und wenigstens einem Edelmetall in Pulverform, und Bereitstellen eines Metalloxids entweder in Partikelform oder in Faserform; (b) Hinzugeben des Rutheniums (Ru), des wenigstens einen Edelmetalls und des Metalloxids zueinander, so dass eine Pulvermischung gebildet wird; (c) Sintern der Pulvermischung, um ein Elektrodenmaterial zu bilden, wobei Ruthenium (Ru) der größte einzelne Bestandteil des Elektrodenmaterials auf einer Basis von Gew.-% ist; und (d) Formen bzw. Bilden des Elektrodenmaterials in eine Elektrode einer Zündkerze.
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 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 schematische Darstellung eines sogenannten Zusammenballungs- und Überbrückungs-Phänomens („balling and bridging phenomenon“) an den Elektroden einer beispielhaften Zündkerze ist, die das nachstehend beschriebene Elektrodenmaterial nicht verwendet;
7 eine vergrößerte schematische Darstellung des Zusammenballungs- und Überbrückungs-Phänomens der 6 ist;
8 eine schematische Querschnittsdarstellung des Zusammenballungs- und Überbrückungs-Phänomens der 6 ist;
9 ein Bild einer Mikrostruktur einer beispielhaften Elektrodenmaterial-Zusammensetzung aus Ru-5Rh-1Re-1Y₂O₃ (Gew.-%) ist, und zwar aufgenommen nach einem Sinterschritt jedoch vor einer Extrusion; und
10 ein Flussdiagramm ist, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden einer Elektrode einer Zündkerze darstellt.

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, 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. Sämtliche vorliegend angegebenen Prozentsätze beziehen sich auf Gewichtsprozent (Gew.-%), es sei denn, es ist anders angegeben.
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 korrosionsresistenten Material hergestellt ist, wie das nachstehend beschriebene Elektrodenmaterial, und eine zweite Komponente 34 aufweist, die aus einem Zwischenmaterial bzw. Vermittlungsmaterial („intermediary material“) hergestellt ist, wie eine Nickellegierung mit hohem Chromanteil („high-chromium Nickel alloy“). Bei dieser besonderen Ausführungsform weist die erste Komponente 32 eine zylindrische Form auf, und die zweite Komponente 34 weist eine gestufte Form auf, die einen im Durchmesser vergrößerten Kopfabschnitt und einem 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, so dass diese Zündspitzen jeweils Funkenbildungsflächen 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 der 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 Sackloch 52 angeordnet ist, die bzw. das in dem axialen Ende der Mittelelektrode 12 ausgebildet ist. Die Funkenstrecke G ist zwischen einer Funkenbildungsfläche der Zündspitze 50 der Mittelelektrode und einer Seitenfläche 26 der Masseelektrode 18 gebildet, wobei die Seitenfläche 26 auch als Funkenbildungsfläche 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 einer 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 eine 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“). Dieses sind lediglich einige Beispiele von möglichen Anwendungen des Elektrodenmaterials, wobei weitere Anwendungen existieren. Vorliegend kann der Begriff „Elektrode“ - unabhängig davon, ob er sich bezieht auf eine Mittelelektrode, eine Masseelektrode, eine Zündkerzen-Elektrode, etc. - 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.
Das vorliegend beschriebene Elektrodenmaterial ist eine Zusammensetzung einer Legierung, die auf Ruthenium (Ru) basiert, und aus einem Metalloxid. Ruthenium-basierte Legierungen weisen ein Maß an Oxidations-, Korrosions- und Erosions-Widerstandsverhalten auf, das in gewissen Anwendungen wünschenswert ist, einschließlich einer Anwendung in Verbrennungsmotoren. Nicht alle Ru-basierten Legierungen sind jedoch so wirksam, wie es gewünscht ist. Es ist beispielsweise unter Bezugnahme auf die 6 bis 8 herausgefunden worden, dass einige Ru-basierte Legierungen ein sogenanntes Zusammenballungs- und Überbrückungs-Phänomen („balling and bridging phenomenon“) erfahren, bei dem eine lokale Oxidation und eine Rück-Abscheidung („re-deposition“) von Material an einer Oberfläche hiervon Ru-Kugeln B („Ru balls“) erzeugt. Dies kann während Betriebsvorgängen mit hoher Temperatur in einem Verbrennungsmotor stattfinden, und die Ru-Kugeln B können sich mit der Zeit sammeln und eine Brücke über die Funkenstrecke G bilden. Wenn sie gebildet werden, tragen die Ru-Kugeln B zu einer Erosion (d.h. einem Massenverlust und Abnutzung) und einer Korrosion der Elektroden der Zündkerze bei und beeinträchtigen in negativer Weise das Funkenverhalten („spark performance“) der Zündkerze. Es ist herausgefunden worden, dass die nachstehend beschriebenen Elektrodenmaterialien dieses Zusammenballung- bzw. Kugelbildungs- und Überbrückungs-Phänomen beschränken oder insgesamt verhindern. Ohne dass erwünscht ist, dass eine Beschränkung auf eine bestimmte Theorie der Betriebsweise erfolgt, wird derzeit angenommen, dass, neben anderen Faktoren, eine relativ erhöhte Oberflächenspannung oder erhöhte Oberflächenenergie, die sich mit den nachstehend beschriebenen Elektrodenmaterialien zeigt, zu einer Beschränkung oder Verhinderung des Zusammenballungs- und Überbrückungs-Phänomens und zu einer Beschränkung oder Verhinderung von Erosion beiträgt.
Der Begriff „Ruthenium-basiertes Material“ oder der Begriff „Ruthenium-basierte Legierung“, wie vorliegend verwendet, beinhaltet jedes Material, bei dem Ruthenium der größte einzelne Bestandteil auf einer Basis von Gew.-% ist. Dies kann Materialien beinhalten, die mehr als 50% Ruthenium aufweisen, als auch solche, die weniger als 50% Ruthenium aufweisen, solange Ruthenium der größte einzelne Bestandteil ist. Fachleute erkennen, dass Ruthenium eine ziemlich hohe Schmelztemperatur (2334°C) im Vergleich zu einigen Edelmetallen aufweist, was das Erosions-Widerstandsverhalten des Elektrodenmaterials verbessern kann. Ruthenium kann jedoch gegenüber einer Oxidation empfänglicher sein als einige Edelmetalle, was das Korrosions-Widerstandsverhalten des Elektrodenmaterials verringern kann. Demzufolge kann das Elektrodenmaterial Ruthenium zzgl. von einem oder mehreren zusätzlichen Bestandteilen wie Edelmetallen, hochschmelzenden Metallen, aktiven Elementen, Metalloxiden oder einer Kombination hiervon beinhalten, von denen jeder ausgewählt ist, um dem Elektrodenmaterial gewisse Eigenschaften oder Attributen zu erteilen.
Das Edelmetall stellt das Elektrodenmaterial mit einer Vielzahl von wünschenswerten Attributen bereit, einschließlich eines hohen Widerstandsverhaltens gegenüber Oxidation, Korrosion oder beiden. Das Edelmetall, das dem vorliegenden Elektrodenmaterial hinzugegeben wird, kann irgendeines der Metalle der Platingruppe oder irgendein anderes geeignetes Edelmetall aufweisen, das sich in den Gruppen 8, 9, 10 oder 11 des beigefügten Periodensystems finden lässt. Das Periodensystem (nachstehend das „beigefügte Periodensystem“) wird von der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) publiziert und ist in Verbindung mit der vorliegenden Anmeldung zu verwenden. Einige nicht einschränkende Beispiele von Edelmetallen, die zum Gebrauch in dem Elektrodenmaterial geeignet sind, neben Ruthenium (Ru), beinhalten Rhodium (Rh), Platin (Pt), Palladium (Pd) und Iridium (Ir).
In einigen Fällen kann das Edelmetall bzw. können die Edelmetalle das Abnutzungs-Widerstandsverhalten des Elektrodenmaterials verbessern, indem stabile schützende Oxide gebildet werden, wie Rhodiumoxid (RhO₂). Die stabile schützende Oberflächenschicht kann die Wirkung haben, eine weitere Oxidation des Elektrodenmaterials zu verhindern oder zu verzögern, und kann folglich einen Massenverlust bei hohen Temperaturen verhindern. Die schützende Oberflächenschicht ist typischerweise dicht, stabil und weist einen hohen partiellen Dampfdruck und folglich eine geringe Verdampfungsrate auf. Derartige Attribute können zu den Korrosions- und/oder Erosions-Widerstandscharakteristika des Elektrodenmaterials beitragen, die schützende Oberflächenschicht ist jedoch sicherlich nicht notwendig. In einer Ausführungsform hat die stabile schützende Oberflächenschicht eine Dicke von etwa 1 bis 12 Mikrometer (µm), beinhaltet Rhodiumoxid (RhO₂) und wird bei einer Temperatur von wenigstens 500°C gebildet.
Auch das hochschmelzende Metall stellt das Elektrodenmaterial mit einer beliebigen Anzahl von gewünschten Attributen bereit, einschließlich einer hohen Schmelztemperatur und einem entsprechend hohen Widerstandsverhalten gegenüber Funkenerosion, als auch einschließlich einer verbesserten Duktilität während der Herstellung. Das hochschmelzende Metall, das dem vorliegenden Elektrodenmaterial hinzugegeben wird, kann ein beliebiges hochschmelzendes Metall oder ein beliebiges anderes geeignetes Übergangsmetall („transition metal“) aufweisen, das sich in den Gruppen 5, 6 und 7 des beigefügten Periodensystems finden lässt. In einigen Beispielen weist das ausgewählte hochschmelzende Metall eine Schmelztemperatur auf, die größer ist als etwa 1700°C. 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). Das hinzugefügte hochschmelzende Metall, das Edelmetall oder eine Kombination von beiden können mit dem Ruthenium in dem Elektrodenmaterial so kooperieren, dass das Elektrodenmaterial ein hohes Abnutzungs-Widerstandsverhalten aufweist, einschließlich eines signifikanten Widerstandsverhaltens gegenüber Funkenerosion, chemischer Korrosion, Oxidation oder einer Kombination hiervon, um Beispiele zu nennen. Die relativ hohen Schmelzpunkte der hochschmelzenden Metalle und des Rutheniums können das Elektrodenmaterial mit einem hohen Widerstandsverhalten gegenüber Funkenerosion oder Abnutzung bereitstellen, wohingegen die Edelmetalle das Elektrodenmaterial mit einem hohen Widerstandsverhalten gegenüber chemischer Korrosion, Oxidation oder beiden bereitstellen können.
Wenn Rhenium als das hochschmelzende Metall in dem Elektrodenmaterial verwendet wird, ist das Elektrodenmaterial duktiler als einige vergleichbare Ruthenium-basierte Materialien und andere Edelmetall-basierte Materialien, behält jedoch weiterhin ein akzeptables Niveau an Erosions- und Korrosions-Widerstandsverhalten bei. Die Duktilität des Elektrodenmaterials mit Rhenium macht dieses leichter bearbeitbar, so dass es sich leichter in ein brauchbares Teil wandeln bzw. umformen lässt. Hinsichtlich des oben diskutierten Designs mit mehrschichtigem Niet (MLR-Design „multi-layer rivet“), das in den 1 und 2 gezeigt ist, lässt sich eine Zündspitzen-Komponente 32, die aus diesen duktileren Elektrodenmaterialien hergestellt ist, leichter von einem Draht während der Herstellung abscheren, und dies kann in manchen Fällen erfolgen ohne die Verwendung einer Diamantsäge oder einer ähnlichen Vorrichtung. In einigen Ausführungsformen ist die Verbesserung hinsichtlich der Duktilität des Elektrodenmaterials wenigstens teilweise der Zugabe von Rhenium und den bestimmten involvierten Herstellungstechniken zuzuschreiben, wie das nachstehend beschriebene pulvermetallurgische Sintern und der Extrusionsprozess nach dem Sintern; andere Faktoren können zu der Verbesserung der Duktilität beitragen.
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

Hochschmelzende Metalle Schmelztemperatur (°C)

Wolfram (W) 3422

Molybdän (Mo) 2623

Niob (Nb) 2468

Tantal (Ta) 2996

Rhenium (Re) 3186
Einige aktive Elemente, einschließlich von Seltenerdelementen, können dem Ruthenium-basierten Elektrodenmaterial hinzugegeben werden. Das Dotieren („doping“) von aktiven Elementen in das Elektrodenmaterial kann die Duktilität des Materials bei Raumtemperatur verbessern, was die Herstellungskosten dieser Legierungen verringern kann. Die hinzugegebenen aktiven Elemente können mit Verunreinigungen in dem Elektrodenmaterial reagieren oder kombinieren und können dispergierte feine Partikel in Körnern („grains“) bilden, was zu klareren Korngrenzen führt. Diese Art von Korngrenzen-Interaktion kann die Duktilität von Ruthenium-basierten Legierungen verbessern. Einige geeignete Beispiele von aktiven Elementen, die dem Elektrodenmaterial hinzugegeben werden können, beinhalten Aluminium (AI), Titan (Ti), Zirconium (Zr), Scandium (Sc) als auch Seltenerdelemente wie Yttrium (Y) und Hafnium (Hf), Lanthanoide (wie La) und Actinoide (wie Actinium, Ac). Die gesamte Menge an aktiven Elementen in dem Ruthenium-basierten Material kann in dem Bereich von 10ppm bis zu 0,5 Gew.-% liegen, und sie können mit jeder geeigneten Kombination von anderen Bestandteilen wie Edelmetallen, hochschmelzenden Metallen, Metalloxiden, etc. hinzugegeben werden.
Die Hinzugabe des Metalloxids in dem Elektrodenmaterial kann eine beliebige Anzahl von gewünschten Attributen bereitstellen, einschließlich einer Beschränkung oder Verhinderung des Zusammenballungs- und Überbrückungs-Phänomens, das oben unter Bezugnahme auf die 6 bis 8 beschrieben wurde. Auf diese Art oder auf andere Art und Weise kann das Metalloxid eine Erosion wie einen Massenverlust und eine Abnutzung des Elektrodenmaterials beschränken, wenn das Elektrodenmaterial in einer Zündkerzen-Anwendung verwendet wird. Das Metalloxid kann die Gesamtschmelztemperatur des Elektrodenmaterials erhöhen, was auch dessen Fähigkeit steigern kann, einer Erosion zu widerstehen. In einigen Beispielen ist das Metalloxid in dem Elektrodenmaterial in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5,0 Gew.-%, jeweils einschließlich, vorhanden, oder etwa 1,0 Gew.-%. Die Partikelgröße der Metalloxide kann in einer anfänglichen Phase der Herstellung, wie nachstehend beschrieben, in einem Bereich von etwa 1 nm bis etwa 20 µm liegen. Einige nicht einschränkende Beispiele von Metalloxiden, die zur Verwendung in dem Elektrodenmaterial geeignet sind, beinhalten Al₂O₃, ZrO₂, MgO, SnO₂, CaO, Cr₂O₃, CeO₂, HfO, Y₂O₃, SiC und La₂O₃; unter diesen können Y₂O₃, ZrO₂, CaO und MgO eine geeignete negative freie Gibbs-Energie zeigen.
Das Metalloxid kann in das Elektrodenmaterial in der Form von dispergierten bzw. verteilten Partikeln bzw. Fasern eingeführt werden, derart, dass ein mehrphasiges Material erzeugt wird, das sowohl eine Matrixphase als auch eine dispergierte Phase aufweist. Dies kann eine Wirkung auf die Oberflächenspannung des Materials haben, bei der es sich generell um eine Eigenschaft einer Oberfläche einer Flüssigkeit handelt, die es zulässt, dass es einer externen Kraft widersteht, und die durch die Kohäsion von Molekülen hervorgerufen wird. Ferner verringern sich durch das Einführen von kostengünstigen Metalloxidelementen in das Elektrodenmaterial, sei es in Partikel- oder in Faserform, die Gesamtkosten des Materials, da diese Elemente typischerweise weniger kosten als Edelmetalle und/oder andere Materialbestandteile.
Gemäß einer Ausführungsform, bei der das Metalloxid in der Form von dispergierten Partikeln vorliegt, weist das Elektrodenmaterial eine Ruthenium-basierte Matrix (z.B. eine Matrix, die Ruthenium und eines oder mehrere Edelmetalle, hochschmelzende Metalle und/oder aktive Elemente beinhaltet, wie oben beschrieben) und Metalloxidpartikel auf, die innerhalb der Matrix dispergiert bzw. verteilt sind. Die Ruthenium-basierte Matrix kann eine Mikrostruktur in der Form einer Ruthenium-basierten Legierung in Form einer festen Lösung („solid solution“) mit Körnern aufweisen, die von einem Niveau mit Nano-Größe bis zu einem Niveau mit Mikro-Größe (z.B. von 1 µm bis etwa 10 µm) reichen, wohingegen die einzelnen Metalloxidpartikel eine mittlere Partikelgröße von etwa 1 nm bis etwa 20 µm haben können. Das relative Volumen der Metalloxidpartikel in der Ruthenium-basierten Matrix kann etwa 0,1 Vol.-% bis etwa 2 Vol.-% des Gesamtmaterials sein.
Gemäß einer unterschiedlichen Ausführungsform, bei der das Metalloxid in der Form von dispergierten Fasern oder Fäden bzw. Fadenkristallen („whiskers“) vorliegt, beinhaltet das Elektrodenmaterial eine Ruthenium-basierte Matrix (z.B. gleiche Matrix wie bei der Partikel-Ausführungsform) und Metalloxid-Fasern oder -Fadenkristalle, die innerhalb der Matrix dispergiert sind. Die Fasern oder Fadenkristalle können beginnen in einer dünnen und länglichen Form und können eine mittlere oder gemittelte Länge zwischen etwa 50 µm und 500 µm und einen mittleren Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als etwa 10 µm. Wenn die Fasern oder Fadenkristalle dem Elektrodenmaterial hinzugegeben werden - jedoch vor den nachstehend beschriebenen pulvermetallurgischen Herstellungsprozessen -, können sie zufällig bzw. regellos innerhalb der Ruthenium-basierten Matrix orientiert sein. Nach einem oder mehreren Ziehvorgängen („drawing“), Extrudiervorgängen oder anderen Arten von Metallbearbeitungsschritten werden die Metalloxidfasern jedoch typischerweise in der Längsrichtung des gezogenen Stabes oder Drahtes orientiert oder ausgerichtet, und können länglicher werden, so dass ihre mittlere Länge zwischen etwa 1 mm bis 10 mm liegt (z.B. 3 mm bis etwa 6 mm). Einer der potentiell vorteilhaften Aspekte der Verwendung von Metalloxid- oder Keramikfasern, wie solche, die aus Al₂O₃ hergestellt sind, ist ihr relativ hoher Schmelzpunkt, der 2000°C oder mehr überschreiten kann. Einige Metalloxid-Zusammensetzungen, die in gewissen Zündkerzen-Anwendungen besonders brauchbar sein können, weisen Al₂O₃, ZrO₂ und SiC auf.
Einige nicht-einschränkende Beispiele von potentiellen Elektrodenmaterialien sind nachstehend angegeben. Sämtliche Zusammensetzungen sind in Gew.-% angegeben, wobei Ruthenium den Rest („balance“) des Materials bildet und wobei die angegebenen Bereiche die Grenzen beinhalten; d.h., die Bereiche sind „einschließlich“. In jeder der nachstehend aufgelisteten beispielhaften Materialzusammensetzungen könnten das Ruthenium, die Edelmetalle, die hochschmelzenden Metalle und/oder die aktiven Elemente Teil der Matrixphase sein, wohingegen die Metalloxide Teil der dispergierten Phase sein können, die innerhalb der Matrixphase diffundiert ist (ein mehrphasiges Material). Alternativ hierzu ist es für sämtliche Bestandteile möglich, dass diese Teil eines generell homogenen oder einheitlichen Materials sind (ein Einphasenmaterial), obgleich dies nicht die bevorzugte Ausführungsform ist.
Beispiele von Ruthenium-basierten Legierungen, die Ruthenium (Ru) in einem Bereich von etwa 80 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, ein Edelmetall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% und ein Metalloxid in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% aufweisen, beinhalten: Ru-Rh-Metalloxid, Ru-Pt-Metalloxid, Ru-Ir-Metalloxid und Ru-Pd-Metalloxid. Genauere Beispiele derartiger Zusammensetzungen beinhalten: Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-5)Y₂O₃; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-5)CaO; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-5)MgO; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-5)Y₂O₃; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-5)CaO; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-5)MgO; Ru-(0,.1-20)Ir-(0,1-5)Y₂O₃; Ru-(0,1-20)Ir-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0,1-20)Ir-(0,1-5)CaO; Ru-(0,1-20)Ir-(0,1-5)MgO; Ru-(0,1-20)Pd-(0,1-5)Y₂O₃; Ru-(0,1-20)Pd-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0,1-20)Pd-(0,1-5)CaO und Ru-(0,1-20)Pd-(0,1-5) MgO.
Beispiele von Ruthenium-basierten Legierungen, die Ruthenium (Ru) in einem Bereich von etwa 80 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, ein erstes und ein zweites Edelmetall mit einem kombinierten Gewicht in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% und ein Metalloxid in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% aufweisen, beinhalten: Ru-Rh-Pt-Metalloxid, Ru-Rh-Pd-Metalloxid, Ru-Rh-Ir-Metalloxid, Ru-Pt-Rh-Metalloxid, Ru-Pt-Pd-Metalloxid, Ru-Pt-Ir-Metalloxid, Ru-Pd-Rh-Metalloxid, Ru-Pd-Pt-Metalloxid, Ru-Pd-Ir-Metalloxid, Ru-Ir-Rh-Metalloxid, Ru-Ir-Pt-Metalloxid und Ru-Ir-Pd-Metalloxid. Genauere Beispiele derartiger Zusammensetzungen beinhalten: Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Pt-(0,1 -5)Y₂O₃; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Pt-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Pt-(0,1-5)CaO; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Pt-(0,1-5)MgO; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Pd-(0,1-5)Y₂O₃; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Pd-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Pd-(0,1-5)CaO; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Pd-(0,1-5)MgO; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Ir-(0,1-5)Y₂O₃; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Ir-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Ir-(0,1-5)CaO; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Ir-(0,1-5)MgO; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-20)Pd-(0,1-5)Y₂O₃; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-20)Pd-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-20)Pd-(0,1-5)CaO; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-20)Pd-(0,1-5)MgO; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-20)Ir-(0,1-5)Y₂O₃; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-20)Ir-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-20)Ir-(0,1-5)CaO; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-20)Ir-(0,1-5)MgO; Ru-(0,1-20)Pd-(0,1-20)ir-(0,1-5)Y₂O₃; Ru-(0,1-20)Pd-(0,1-20)Ir-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0,1-20)Pd-(0,1-20)Ir-(0,1-5)CaO und Ru-(0,1-20)Pd-(0,1-20)Ir-(0,1-5)MgO. In anderen Ausführungsformen weist das Elektrodenmaterial drei oder mehr Edelmetalle auf.
Beispiele von Ruthenium-basierten Legierungen, die Ruthenium (Ru) in einem Bereich von etwa 80 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, ein Edelmetall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-%, ein hochschmelzendes Metall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% und ein Metalloxid in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% aufweisen, beinhalten: Ru-Edelmetall(e)-W-Metalloxid, Ru-Edelmetall(e)-Re-Metalloxid, Ru-Edelmetall(e)-Ta-Metalloxid, Ru-Edelmetall(e)-Mo-Metalloxid und Ru-Edelmetall(e)-Nb-Metalloxid. Genauere Beispiele derartiger Zusammensetzungen beinhalten: Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-5)W-(0,1-5)Y₂O₃; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-5)W-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-5)W-(0,1-5)CaO; Ru-(0, 1-20)Rh-(0,1-5)W-(0,1-5)MgO; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-5)Re-(0,1-5)Y₂O₃; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-5)Re-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-5)Re-(0,1-5)CaO; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-5)Re-(0,1-5)MgO; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-5)Ta-(0,1-5)Y₂O₃; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-5)Ta-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-5)Ta-(0,1-5)CaO; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-5)Ta-(0,1-5)MgO; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-5)Mo-(0,1-5)Y₂O₃; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-5)Mo-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-5)Mo-(0,1-5)CaO; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-5)Mo-(0,1-5)MgO; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-5)Nb-(0,1-5)Y₂O₃; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-5)Nb-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-5)Nb-(0,1-5)CaO; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-5)Nb-(0,1-5)MgO; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-5)W-(0,1-5)Y₂O₃; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-5)W-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-5)W-(0, 1-5)CaO; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-5)W-(0.1-5)MgO; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-5)Re-(0,1-5)Y₂O₃; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-5)Re-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-5)Re-(0,1-5)CaO; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-5)Re-(0,1-5)Mg0; Ru-(0, 1-20)Pt-(0,1 -5)Ta-(0,1 -5)Y₂O₃; Ru-(0, 1-20)Pt-(0,1-5)Ta-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0, 1-20)Pt-(0,1-5)Ta-(0,1-5)CaO; Ru-(0, 1-20)Pt-(0,1-5)Ta-(0,1 - 5)MgO; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-5)Mo-(0,1-5)Y₂O₃; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-5)Mo-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-5)Mo-(0,1-5)CaO; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-5)Mo-(0,1-5)MgO; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-5)Nb-(0,1-5)Y₂O₃; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-5)Nb-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-5)Nb-(0,1-5)CaO; Ru-(0,1-20)Pt-(0,1-5)Nb-(0,1-5)MgO; Ru-(0,1-20)Ir-(0,1-5)Re-(0,1-5)Y₂O₃; Ru-(0,1-20)Ir-(0,1-5)Re-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0,1-20)Ir-(0,1-5)Re-(0,1-5)CaO; Ru-(0,1-20)Ir-(0,1-5)Re-(0,1-5)MgO; Ru-(0,1-20)Ir-(0,1-5)Re-(0,1-5)La₂O₃; Ru-(0,1-20)Ir-(0,1-5)Re-(0,1-5)A1₂O₃; Ru-(0,1-20)Ir-(0,1-5)Re-(0,1-5)SnO₂; Ru-(0,1-20)Ir-(0,1-5)Re-(0,1-5)Cr₂O₃; Ru-(0,1-20)Ir-(0, 1-5)Re-(0,1-5)CeO₂ und Ru-(0,1-20)Ir-(0,1-5)Re-(0,1-5)HfO.
Beispiele von Ruthenium-basierten Legierungen, die Ruthenium (Ru) in einem Bereich von etwa 80 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-% und, ein erstes und ein zweites Edelmetall mit einem kombinierten Gewicht in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-%, ein hochschmelzendes Metall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% und ein Metalloxid in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% aufweisen, beinhalten: Ru-Rh-Pt-Re-Metalloxid, Ru-Rh-Pt-W-Metalloxid, Ru-Rh-Pt-Ta-Metalloxid, Ru-Rh-Pt-Mo-Metalloxid, Ru-Rh-Pt-Nb-Metalloxid, Ru-Rh-Ir-W-Metalloxid, Ru-Rh-Ir-Re-Metalloxid, Ru-Rh-Ir-Ta-Metalloxid, Ru-Rh-Ir-Mo-Metalloxid, Ru-Rh-Ir-Nb-Metaloxid, Ru-Rh-Pd-W-Metalloxid, Ru-Rh-Pd-Re-Metalloxid, Ru-Rh-Pd-Ta-Metalloxid, Ru-Rh-Pd-Mo-Metalloxid und Ru-Rh-Pd-Nb-Metalloxid. Genauere Beispiele derartiger Zusammensetzungen beinhalten: Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Pt-(0,1-5)Re-(0,1-5)Y₂O₃; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1 -20)Pt-(0,1-5)Re-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0, 1-20)Rh-(0,1-20)Pt-(0,1-5)Re-(0,1-5)CaO; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Pt-(0,1-5)Re-(0,1-5)MgO; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Pt-(0,1-5)Re-(0,1-5)La₂O₃; Ru-(0,1 -20)Rh-(0,1 -20)Pt-(0,1-5)Re-(0,1-5)A1₂O₃; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Pt-(0,1-5)Re-(0,1-5)SnO₂; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Pt-(0,1-5)Re-(0,1 -5)Cr₂O₃; Ru-(0,1-20)Rh-(0, 1-20)Pt-(0,1 -5)Re-(0, 1-5)CeO₂ und Ru-(0, 1-20)Rh-(0,1-20)Pt-(0,1 -5)Re-(0,1 - 5)HfO; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Pt-(0,1-5)W-(0,1-5)Y₂O₃; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Pt-(0,1-5)W-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Pt-(0,1-5)W-(0,1 -5)CaO; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Pt-(0,1-5)W-(0,1-5)MgO; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Pt-(0,1-5)W-(0,1-5)La₂O₃; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Pt-(0,1-5)W-(0,1-5)A1₂O₃; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Pt-(0,1-5)W-(0,1-5)SnO₂; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Pt-(0,1-5)W-(0,1-5)Cr₂O₃; Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Pt-(0,1-5)W-(0,1-5)CeO₂ und Ru-(0,1-20)Rh-(0,1-20)Pt-(0,1-5)W-(0,1-5)HfO.
Weitere Ruthenium-basierten Legierungen sind sicherlich möglich, einschließlich, von solchen, die Ruthenium (Ru) in einem Bereich von etwa 80 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, ein erstes, ein zweites und ein drittes Edelmetall mit einem kombinierten Gewicht in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-%, ein hochschmelzendes Metall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, und einem Metalloxid in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-% beinhalten. Einige nicht-einschränkende Beispiele derartiger Materialien beinhalten: Ru-(0,1-20)(Pt+Rh+Ir)-(0,1-5)Re+(0,1-1)Y₂O₃; Ru-(0,1-20)(Pt+Rh+Ir)-(0,1-5)Re-(0,1-5)ZrO₂; Ru-(0,1-20)(Pt+Rh+Ir)-(0,1-5)Re-(0,1-5)CaO; Ru-(0,1-20)(Pt+Rh+Ir)-(0,1-5)Re-(0,1-5)MgO; Ru-(0,1-20) (Pt+Rh+Ir)-(0,1-5)Re-(0,1-5)La₂O₃; Ru-(0,1-20)(Pt+Rh+Ir)-(0,1-5)Re-(0,1-5)A1₂O₃; Ru-(0,1-20) (Pt+Rh+Ir)-(0,1-5)Re-(0,1-5)SnO₂; Ru-(0,1-20)(Pt+Rh+Ir)-(0,1-5)Re-(0,1-5) Cr₂O₃; Ru-(0,1-20)(Pt+Rh+Ir)-(0,1-5)Re-(0,1-5)CeO₂; und Ru-(0,1-20)(Pt+Rh+Ir)-(0,1-5) Re-(0,1-5)HfO.
In Abhängigkeit von der bestimmten Ausführungsform und den bestimmten Eigenschaften, die gewünscht sind, kann die Menge an Ruthenium (Ru) in dem Ruthenium-basierten Material sein: größer gleich 80 Gew.-%, 85 Gew.-%, 90 Gew.-% oder 95 Gew.-%; kleiner gleich 99,9 Gew.-%, 95 Gew.-%, 90 Gew.-% oder 85 Gew.-% oder 80 Gew.-%; oder zwischen 80-99,9 Gew.-%, 85-99,9 Gew.-%, 90-99,9 Gew.-% oder 95-99,9 Gew.-%. In gleicher Weise kann die Menge von jeden beliebigen einzelnen Edelmetall in dem Ruthenium-basierten Material sein: größer gleich 0,1 Gew.-%, 1 Gew.-%, 2 Gew.-%, 10 Gew.-% oder 20 Gew.-%; kleiner gleich 20 Gew.-%, 15 Gew.-%, 10 Gew.-% oder 5 Gew.-%; oder zwischen 0,1-20 Gew.-%, 0,1-15 Gew.-%, 0,1-10 Gew.-%, 0,1-5 Gew.-% oder 0,1-2 Gew.-%. Die Gesamtmenge an Edelmetallen in dem Ruthenium-basierten Material kann sein: größer gleich 0,1 Gew.-%, 1 Gew.-%, 5 Gew.-%, 10 Gew.-% oder 20 Gew.-%; kleiner gleich 20 Gew.-%, 15 Gew.-%, 10 Gew.-%, 5 Gew.-% oder 1 Gew.-%; oder zwischen 1-20 Gew.-%, 1-15 Gew.-%, 1-10 Gew.-% oder 1-5 Gew.-%. Die Menge an hochschmelzendem Metall - d.h. ein hochschmelzendes Metall außer Ruthenium (Ru) - in dem Ruthenium-basierten Material kann sein: größer gleich 0,1 Gew.-%, 1 Gew.-%, 2 Gew.-%; kleiner gleich 5 Gew.-%, 2 Gew.-% oder 1 Gew.-%; oder zwischen 0,1-5 Gew.-%, 0,1-2 Gew.-% oder 0,1-1 Gew.-%.
Es ist anzumerken, dass die vorstehenden Beispiele von Elektrodenmaterial lediglich einige mögliche Zusammensetzungen darstellen. Andere Ruthenium-basierte binäre, ternäre, quaternäre und andere Legierungen können gleichfalls existieren. Einige Beispiele von Elektrodenmaterial-Zusammensetzungen, die für gewisse Zündkerzen-Anwendungen besonders brauchbar sind, beinhalten: Ru-Rh-Metalloxid, wobei das Rh zwischen 0,1-20 Gew.-% liegt; Ru-Rh-Ir-Metalloxid, wobei das Rh zwischen 0,1-20 Gew.-% liegt und wobei das Ir zwischen 0,1-10 Gew.-% liegt; Ru-Rh-Re-Metalloxid, wobei das Rh zwischen 0,1-20 Gew.-% liegt und wobei das Re zwischen 0,1-5 Gew.-% liegt; Ru-Pd-Re-Metalloxid, wobei das Pd zwischen 0,1-20 Gew.-% liegt und das Re zwischen 0,1-5 Gew.-% liegt; und Ru-Rh-Ir-Re-Metalloxid, wobei das Rh zwischen 0,1-20 Gew.-% liegt, das Ir zwischen 0,1-10 Gew.-% liegt und das Re zwischen 0,1-5 Gew.-% liegt. In manchen der vorstehenden beispielhaften Systeme wird das Rhenium (Re) hinzugegeben, um die Gesamtduktilität des Elektrodenmaterials zu verbessern, so dass dieses leichter hergestellt werden kann.
Nunmehr wir Bezug genommen auf 10, wobei das hier beschriebene Elektrodenmaterial hergestellt werden kann unter Verwendung einer Vielzahl von Herstellungsprozessen, wie pulvermetallurgischen Verfahren. Beispielsweise kann ein Prozess 200 verwendet werden, der die Schritte aufweist: Bereitstellen von jedem der Bestandteile in Pulverform, wobei diese jeweils eine gewisse Pulver-, Partikel- oder Fasergröße besitzen, Schritt 210; Mischen der Bestandteile zusammen, 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 Formen des Elektrodenmaterials in eine gewünschte Form, Schritt 240. Das beispielhafte Elektrodenmaterial, auf das in der nachstehenden Beschreibung Bezug genommen wird, ist ein mehrphasiges Material, das eine Matrixphase mit Ruthenium, einem oder mehreren Edelmetallen und einem oder mehreren hochschmelzenden Metallen sowie eine dispergierte Phase mit Metalloxid-Partikeln aufweist. Es ist jedoch anzumerken, dass dieses Verfahren auch dazu verwendet werden kann, um andere geeignete Elektrodenmaterialien zu erzeugen (z.B. solche mit einer dispergierten Phase, die aus dünnen Fasern oder Fadenkristallen bzw. Fäden („whiskers“) hergestellt ist, im Gegensatz zu Partikeln).
Im Schritt 210 werden das Ruthenium, eines oder mehrere Edelmetalle, eines oder mehrere hochschmelzende Metalle und das Metalloxid in Pulverform bereitgestellt, wobei jeder dieser Bestandteile eine bestimmte Pulver- oder Partikelgröße aufweist, die von einer Anzahl von Faktoren abhängig sein kann. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform liegt die Partikelgröße von Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh) Platin (Pt) und Rhenium (Re) in Pulverform im Bereich von etwa 0,1 µm bis etwa 200 µm, jeweils einschließlich, und die Partikelgröße des Metalloxides liegt, wenn dieses in einer Pulverform vorliegt, in einem Bereich von etwa 1 nm und etwa 20 µm, jeweils einschließlich. Ferner kann der Gewichtsprozentanteil des Metalloxides, wenn dieses in einer Pulverform vorliegt, in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5,0 Gew.-% liegen, jeweils einschließlich, und zwar bezogen auf die Gesamtpulvermischung, und der Volumenanteil des Metalloxides kann, wenn dieses in Pulverform vorliegt, in einem Bereich von etwa 0,1 Vol.-% bis etwa 2 Vol.-% liegen, jeweils einschließlich.
Im nächsten Schritt 220 werden die Pulver aus Ruthenium, den Edelmetallen, den hochschmelzenden Metallen und dem Metalloxid miteinander vermischt, so dass eine Pulvermischung gebildet wird. Dieser Mischschritt kann mit oder ohne die Hinzugabe von Wärme erfolgen. In einer Ausführungsform kann Metalloxid in Pulverform mit einem vor-legierten Basislegierungspulver vermischt oder gemischt werden. Einige nicht-einschränkende Beispiele eines derartigen vor-legierten Basislegierungspulvers beinhalten (sämtliche Mengen auf Gew.-%-Basis, es sei denn, es ist anders angegeben) Pulver, die hergestellt sind aus: Ru-(0,1-1)Re; Ru-2Rh-(0,1-1)Re; Ru-5Rh-(0,1-1)Re; Ru-10Rh-(0,1-1)Re; Ru-20Rh-(0,1-1)Re; und Ru-10Pt-10Rh-(0,1-1)Re, um einige Möglichkeiten zu nennen.
Der Sinterschritt 230 kann gemäß einer Anzahl unterschiedlicher metallurgischer Ausführungsformen durchgeführt werden. Beispielsweise kann die sich ergebende Pulvermischung in einem Vakuum oder in einer gewissen Art von geschützter Umgebung gesintert werden, und zwar bei einer Sintertemperatur von etwa 0,5-0,8T_schmelz der Basislegierung wie Ruthenium oder der vor-legierten Basislegierung. Anders gesagt kann die Sintertemperatur auf etwa 50-80% der Schmelztemperatur der Basislegierung eingestellt werden, was in den beispielhaften Fällen etwa 1350°C-1600°C ist. Es ist in dem Sinterschritt 230 auch möglich, Druck anzuwenden, um eine gewisse Art von Porositätssteuerung des Elektrodenmaterials einzuführen. Wie es sich für Fachleute erkennen lässt, kann die Größe des aufgebrachten Druckes von der genauen Zusammensetzung der resultierenden Pulvermischung und den gewünschten Eigenschaften des Elektrodenmaterials abhängen.
Als Nächstes kann das Elektrodenmaterial im Schritt 240 extrudiert, gezogen oder auf eine andere Art und Weise in eine gewünschte Form geformt werden. Wenn ein länglicher Draht gewünscht ist, kann das Elektrodenmaterial kalt extrudiert werden, um einen feinen Draht von etwa 0,3 mm bis etwa 1,5 mm, jeweils einschließlich, zu bilden, der wiederum in individuelle Elektrodenspitzen oder dergleichen geschnitten oder quer profiliert werden kann. Natürlich könnten im Schritt 240 andere Metallformtechniken verwendet werden, um das Elektrodenmaterial in Teile mit unterschiedlichen Formen zu bilden. Beispielsweise könnte das Elektrodenmaterial gesenkgeschmiedet („swaged“), geschmiedet („forged“), gegossen („cast“) oder auf eine andere Art und Weise in Barren, Stäbe, Niete, Spitzen, etc. geformt werden.
Die oben beschriebenen Prozesse können dazu verwendet werden, um das Elektrodenmaterial in verschiedene Formen (wie Stäbe, Drähte, Lagen, etc.) zu formen, die für weitere Prozesse zum Herstellen einer Zündkerzen-Elektrode und/oder -Zündspitze geeignet sind. Andere bekannte Techniken wie das Schmelzen und Vermischen der gewünschten Mengen von jedem Bestandteil können zusätzlich oder anstelle der oben beschriebenen Schritte verwendet werden. Das Elektrodenmaterial kann ferner unter Verwendung herkömmlicher Schneid- bzw. Spanabhebungs- und Schleiftechniken verarbeitet werden, die mit anderen bekannten Erosions-resistenten Elektrodenmaterialien manchmal schwierig zu verwenden sind.
In einem besonderen beispielhaften Herstellungsprozess beginnt die Herstellung eines Ruthenium-basierten Elektrodenmaterials der Zusammensetzung Ru-5Rh-1Re-1Y₂O₃ mit dem Mischen von Pulvern von 93 Gew.-% Ru, 5 Gew.-% Rh, 1 Gew.-% Re und 1 Gew.-% Y₂O₃. Der darauffolgende Sinterschritt kann gefördert werden durch Verwenden von Partikeln kleiner Größe, beispielsweise auf dem Niveau einer Mikrogröße. Auch bei diesem Beispiel hat ein Metalloxid-Pulver eine Partikelgröße in einem Bereich von etwa 1 nm bis etwa 1 µm, jeweils einschließlich. Die resultierende Pulvermischung kann dann bei etwa 1450°C für etwa 4-10 Stunden und unter einem Druck von etwa 20 MPa gesintert werden.
In 9 ist eine Mikrostruktur einer beispielhaften Elektrodenmaterial-Zusammensetzung von Ru-5Rh-1 Re-1Y₂O₃ gezeigt, und zwar nach dem Sintern jedoch vor einer Extrusion. In diesem Beispiel hat das Elektrodenmaterial eine Mikrostruktur mit einer Rutheniumphase in Festlösung und im Wesentlichen homogen dispergierten Metalloxid-Partikeln. Das Elektrodenmaterial hat eine mittlere Dichte von etwa 12,17 g/cm³ und hat eine Härte von etwa 489 HK. Das Elektrodenmaterial hat bei diesem Beispiel eine Korngröße, die kleiner ist als etwa 10 µm. Die in dieser Beschreibung genannten Korngrößen können unter Verwendung eines geeigneten Messverfahrens bestimmt werden, wie das Planimetrische Verfahren, das in ASTM E112 dargestellt ist.
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 offenbarten bestimmten Ausführungsformen bzw. die hier offenbarte bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern ausschließlich durch die nachstehenden Ansprüche definiert. Ferner beziehen sich die in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen Aussagen auf bestimmten 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 bspw.“, 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

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 angeordnet ist; einer Mittelelektrode (12), die wenigstens teilweise innerhalb der Axialbohrung des Isolators angeordnet ist; und einer Masseelektrode (18), die an einem freien Ende der Metallhülle angebracht ist; wobei die Mittelelektrode, die Masseelektrode oder beide ein Elektrodenmaterial aufweisen, das Ruthenium (Ru), wenigstens ein anderes Edelmetall außer Ruthenium (Ru) und wenigstens ein Metalloxid aufweist, wobei Ruthenium (Ru) der größte einzelne Bestandteil des Elektrodenmaterials auf einer Basis von Gew.-% ist, wobei das Elektrodenmaterial ein mehrphasiges Material ist, das eine Matrixphase und eine dispergierte Phase beinhaltet, wobei die Matrixphase Ruthenium (Ru) und das wenigstens eine Edelmetall aufweist und wobei die dispergierte Phase das wenigstens eine Metalloxid aufweist, und wobei die dispergierte Phase Metalloxid-Fasern aufweist, die innerhalb der Matrixphase dispergiert sind und eine mittlere Länge in einem Bereich von etwa 50 µm bis 500 µm und einem mittleren Durchmesser besitzen, der kleiner ist als etwa 10 µm.
Zündkerze (10) nach Anspruch 1, wobei das Elektrodenmaterial Ruthenium (Ru) in einem Bereich von etwa 80 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-% aufweist.
Zündkerze (10) nach Anspruch 1, wobei das Elektrodenmaterial wenigstens ein Element aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Rhodium (Rh), Platin (Pt), Iridium oder Palladium (Pd) besteht.
Zündkerze (10) nach Anspruch 3, wobei das Elektrodenmaterial Edelmetall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% aufweist.
Zündkerze (10) nach Anspruch 4, wobei das Elektrodenmaterial ein erstes Edelmetall und ein zweites Edelmetall mit einem kombinierten Gewicht in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 20,0 Gew.-% aufweist.
Zündkerze (10) nach Anspruch 1, wobei das Elektrodenmaterial wenigstens ein Metalloxid aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Al₂O₃, ZrO₂, MgO, SnO₂, CaO, Cr₂O₃, CeO₂, HfO, Y₂O₃, SiC, oder La₂O₃ besteht.
Zündkerze (10) nach Anspruch 6, wobei das Elektrodenmaterial das Metalloxid Al₂O₃ oder Y₂O₃ aufweist.
Zündkerze (10) nach Anspruch 6, wobei das Elektrodenmaterial das Metalloxid in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5,0 Gew.-% aufweist.
Zündkerze (10) nach Anspruch 1, wobei das Elektrodenmaterial ferner wenigstens ein hochschmelzendes Metall aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wolfram (W), Rhenium (Re), Tantal (Ta), Molybden (Mo) oder Niob (Nb) besteht.
Zündkerze (10) nach Anspruch 9, wobei das Elektrodenmaterial das hochschmelzende Metall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5,0 Gew.-% aufweist.
Zündkerze (10) nach Anspruch 1, wobei das Elektrodenmaterial ferner wenigstens ein aktives Element aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium (AI), Titan (Ti), Zirconium (Zr), Scandium (Sc), Yttrium (Y), Hafnium (Hf), Lanthan (La) oder Actinium (Ac) besteht.
Zündkerze (10) nach Anspruch 11, wobei das Elektrodenmaterial das aktive Element in einem Bereich von etwa 10 ppm bis 0,5 Gew.-% aufweist.
Zündkerze (10) nach Anspruch 1, wobei die dispergierte Phase Metalloxid-Partikel aufweist, die innerhalb der Matrixphase dispergiert sind und eine mittlere Partikelgröße in einem Bereich von etwa 1 nm bis etwa 20 µm aufweisen.
Verfahren zum Herstellen einer Elektrode (12, 18, 30, 32) für eine Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit den Schritten: (a) Bereitstellen von Ruthenium (Ru) und wenigstens einem Edelmetall in Pulverform, und Bereitstellen eines Metalloxids in Form von Metalloxid-Fasern, die eine mittlere Länge in einem Bereich von etwa 50 µm bis 500 µm und einen mittleren Durchmesser besitzen, der kleiner ist als etwa 10 µm: (b) Zusammengeben des Rutheniums (Ru), des wenigstens einen Edelmetalls und des Metalloxids, so dass eine Pulvermischung gebildet wird; (c) Sintern der Pulvermischung, um ein Elektrodenmaterial zu bilden, wobei Ruthenium (Ru) der größte einzelne Bestandteil des Elektrodenmaterials auf einer Basis von Gew.-% ist; und (d) Formen des Elektrodenmaterials in eine Zündkerzen-Elektrode.