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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft Herstellungsverfahren für Zündkerzen-Elektroden und für Zündkerzen und betrifft generell Zündkerzen und andere Zündvorrichtungen für Verbrennungskraftmaschinen.
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HINTERGRUND
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Zündkerzen können in Verbrennungskraftmaschinen dazu verwendet werden, um eine Verbrennung einzuleiten. Zündkerzen zünden typischerweise ein Gas, wie ein Luft/Brennstoff-Gemisch, in einem Motor- bzw. Maschinenzylinder oder in einer Verbrennungskammer, indem ein Funken über einer Funkenstrecke (”spark gap”) erzeugt wird, die zwischen zwei oder mehr Elektroden gebildet bzw. definiert 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 (z. B. 800°C), 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 Leistungsfähigkeit (”performance”) der Zündkerze über der Zeit negativ beeinträchtigen können, was potentiell zu Fehlzündungen oder anderen unerwünschten Zuständen führen kann.
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Zur Verringerung von Erosion und Korrosion der Elektroden von Zündkerzen 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.
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Aus dem Dokument
JP 2002-359 052 A ist ein Kompositmaterial zur Verwendung als Elektrode mit einer Zündkerze offenbart, wobei ein stangenförmiges Kernmaterial aus Iridium oder einer Legierung reich an Iridium in ein Mantelmaterial aus einer Platinlegierung gepresst wird und anschließend mittels Drahtziehen durch Warmverformen zu einem Draht gezogen wird.
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Aus dem Dokument
DE 10 2004 018 113 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Entladungschips aus Edelmetall und ein Verfahren zur Herstellung von Zündkerzen unter Verwendung der Entladungschips aus Edelmetall bekannt, wobei ein Grobdraht, der Iridium als Hauptbestandteil und ferner Nickel und mindestens einen von Platin, Rhodium und Ruthenium enthält, mittels Drahtziehen bearbeitet wird. Hierbei wird das bearbeitende Material in einem Erwärmungsbereich vor einer Werkstückeinsetzfläche eines Ziehsteins kontinuierlich zum Rotglühen und/oder Weißglühen gebracht, wobei die Drahtziehgeschwindigkeit auf 300 bis 1.600 mm pro Minuten eingestellt wird.
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Aus dem Dokument
DE 30 30 847 A1 ist ein Kompositwerkstoff bekannt, mit einem Kern aus Ruthenium oder Iridium oder Rutheniumlegierungen oder Iridiumlegierungen oder Legierungen aus Ruthenium und Iridium oder aus Mischen der Vorgenannten, wobei dieses Material in ein Matrixmetall dispergiert ist, welches aus Silber oder Kupfer oder Gold oder Palladium oder Nickel oder Legierungen bzw. Mischungen der Vorgenannten besteht. Der Kompositwerkstoff weist ferner eine diesen Kern umgebende Umhüllung auf, deren Material aus Nickel oder Nickellegierungen besteht, wobei der Kern etwa 2 bis 95 Gew.-% des Matrixmetalls ausmacht. Zu dem weiteren Stand der Technik wird noch auf die Dokumente
EP 2 013 953 B1 ,
JP H03-101 086 A ,
DE 17 52 717 A und
US 3 362 799 A verwiesen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Anmeldung stellt sich die Aufgabe eine verbesserte Zündkerze und ein verbesserstes Zündkerzen-Herstellungsverfahren anzugeben.
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Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode einer Zündkerze einige Schritte. Ein Schritt beinhaltet das Bereitstellen eines inneren Kerns aus einer Ruthenium-basierten (Ru-basierten) Legierung. Der innere Kern wird über einen pulvermetallurgischen Prozess bereitgestellt, wobei der pulvermetallurgische Prozess ein Sintern einer Pulvermischung in einem Bereich zwischen 1.350°C und 1.600°C beinhaltet. Ein weiterer Schritt beinhaltet das Bereitstellen einer äußeren Haut bzw. eines äußeren Mantels über einen Abschnitt oder mehr als einen Abschnitt des inneren Kerns, um eine Kern- und Mantel-Anordnung zu erzeugen. Der äußere Mantel kann Platin (Pt), Gold (Au), Silber (Ag) oder Nickel (Ni) aufweisen, oder kann eine Legierung aus Pt, eine Legierung aus Au, eine Legierung aus Ag oder eine Legierung aus Ni aufweisen. Ein noch weiterer Schritt beinhaltet das Erhöhen der Temperatur der Kern- und Mantel-Anordnung auf eine Temperatur, die größer ist als etwa 1.000°C. Und noch ein weiterer Schritt beinhaltet das Warmverformen (”hot forming”) der Kern- und Mantel-Anordnung bei der erhöhten Temperatur in einen länglichen Draht (”elongated wire”). Sowohl der innere Kern als auch der äußere Mantel werden während des Warmverformungsprozesses gelängt (”elongated”).
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen einer Zündkerze einige Schritte. Ein Schritt beinhaltet das Bereitstellen einer Mittelelektrode, eines Isolators, der die Mittelelektrode teilweise oder mehr als teilweise umgibt, einer Hülle, die den Isolator teilweise oder mehr als teilweise umgibt, und einer Masseelektrode, die an der Hülle angebracht ist. Ein weiterer Schritt beinhaltet das Bereitstellen eines inneren Kerns mittels eines pulvermetallurgischen Prozesses. Der innere Kern wird über einen pulvermetallurgischen Prozess bereitgestellt, wobei der pulvermetallurgische Prozess ein Sintern einer Pulvermischung in einem Bereich zwischen 1.350°C und 1.600°C beinhaltet. Der innere Kern kann eine Ruthenium-basierte (Ru-basierte) Legierung sein bzw. aufweisen. Noch ein weiterer Schritt beinhaltet das Bereitstellen eines äußeren Mantels mittels eines Extrusionsprozesses, um ein hohles Teil zu erzeugen. Der äußere Mantel kann Platin (Pt), Gold (Au), Silber (Ag) oder Nickel (Ni) aufweisen oder kann eine Legierung aus Pt, eine Legierung aus Au, eine Legierung aus Ag oder eine Legierung aus Ni aufweisen. Und noch ein weiterer Schritt beinhaltet es, den inneren Kern und das hohle Teil zusammenzubringen, um eine Kern- und Mantel-Anordnung zu erzeugen. Ein weiterer Schritt beinhaltet das Erhöhen der Temperatur der Kern- und Mantel-Anordnung auf eine Temperatur, die größer ist als 1000°C. Ein weiterer Schritt beinhaltet das Warmverformen der Kern- und Mantel-Anordnung bei der erhöhten Temperatur in einen länglichen Draht. Sowohl der innere Kern als auch der äußere Mantel werden während des Warmverformungsprozesses gelängt. Ein weiterer Schritt beinhaltet das Schneiden des länglichen Drahtes in eine oder mehrere Elektroden für Zündkerzen. Und ein weiterer Schritt beinhaltet das Anbringen der Zündkerzen-Elektrode an der Mittelelektrode oder an der Masseelektrode oder das Anbringen einer ersten Zündkerzen-Elektrode an der Mittelelektrode und einer zweiten Zündkerzen-Elektrode an der Masseelektrode.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente angeben, wobei Ausführungsformen mit inneren Kernen aus Ir-basierten Legierungen nicht Bestandteil der Erfindung sind und wobei:
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1 eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Zündkerze ist, die die nachstehend beschriebene Zündkerzen-Elektrode verwenden kann;
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2 eine vergrößerte Ansicht eines Zündendes der 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;
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3 eine vergrößerte Ansicht eines Zündendes einer weiteren beispielhaften Zündkerze ist, die die nachstehend beschriebene Zündkerzen-Elektrode verwenden kann, wobei eine Mittelelektrode eine Zündspitze in der Form eines einstückigen bzw. einteiligen Niets aufweist und wobei eine Masseelektrode eine Zündspitze in der Form einer zylindrischen Spitze aufweist;
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4 eine vergrößerte Ansicht eines Zündendes einer weiteren beispielhaften Zündkerze ist, die eine nachstehend beschriebene Zündkerzen-Elektrode 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;
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5 eine vergrößerte Ansicht eines Zündendes einer weiteren beispielhaften Zündkerze ist, die eine nachstehend beschriebene Zündkerzen-Elektrode verwenden kann, wobei eine Mittelelektrode eine Zündspitze in der Form einer zylindrischen Spitze aufweist und wobei eine Masseelektrode eine Zündspitze in der Form einer zylindrischen Spitze aufweist, die sich von einem axialen Ende der Masseelektrode erstreckt;
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6 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Zündkerzen-Elektrode ist, die in den Zündkerzen der 1 bis 5 verwendet werden kann; und
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7a–7f Schnittansichten von unterschiedlichen Ausführungsformen der Zündkerzen-Elektrode der 6 sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die vorliegend beschriebene Zündkerzen-Elektrode kann in Zündkerzen und anderen Zündvorrichtungen verwendet werden, einschließlich industrieller Kerzen bzw. Stecker, Zündvorrichtungen für die Luft- und Raumfahrt, Glühzündkerzen bzw. Glühkerzen, oder jeglicher anderer Vorrichtung, die dazu verwendet wird, um ein Luft-/Brennstoffgemisch in einem Motor zu zünden. Dies beinhaltet, ist jedoch definitiv nicht hierauf beschränkt, die beispielhaften Zündkerzen, die in der Zeichnung dargestellt und nachstehend beschrieben sind. Ferner ist anzumerken, dass die Zündkerzen-Elektrode als eine Zündspitze verwendet werden kann, die an einer Mittel- und/oder an einer Masseelektrode angebracht ist. Weitere Ausführungsformen und Anwendungen der Zündkerzen-Elektrode sind ebenfalls möglich. Sämtliche vorliegend bereitgestellten Prozentsätze beziehen sich auf Angaben in Gewichtsprozent (Gew.-%), es sei denn, es ist anders angegeben. Und die Begriffe axial, radial und umfänglich beschreiben, so wie sie hier verwendet werden, Richtungen in Bezug auf die generell längs ausgerichtete zylindrische Form der Zündkerze der 1, es sei denn, es ist anders angegeben.
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Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beinhaltet eine dort bezeigte 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 bzw. einen ersten Bestandteil 32 aufweist, der aus einem erosions- und/oder korrosionsresistenten Material hergestellt ist, und eine zweite Komponente bzw. einen zweiten Bestandteil 34 aufweist, der aus einem Zwischenmaterial bzw. Vermittlungsmaterial (”intermediary material”) hergestellt ist, wie eine Nickellegierung mit hohem Chromanteil (”high-chromium nickel alloy”). Der erste Bestandteil 32 kann die nachstehend beschriebene Zündkerzen-Elektrode sein. Bei dieser besonderen Ausführungsform weist der erste Bestandteil 32 eine zylindrische Form auf, und der zweite Bestandteil 34 weist eine gestufte und nietartige Form auf, die einen im Durchmesser vergrößerten Kopfabschnitt und einen im Durchmesser verringerten Schaftabschnitt aufweist. Der erste und der zweite Bestandteil 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 über ein freies Ende 24 der Metallhülle 16 vorstehen, wie dargestellt, oder kann innerhalb der Metallhülle 16 zurückgezogen sein. Die Masseelektrode bzw. 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, derart, dass diese Zündspitzen jeweils Funkenbildungsflächen für die Emission und die Rezeption von Elektronen bereitstellen, die die Funkenstrecke queren. Die Zündspitze 30 kann aus einem Erosions- und/oder Korrosionsresistenten Material hergestellt sein.
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Bei dieser bestimmten Ausführungsform kann bzw. können der erste Bestandteil 32 der Zündspitze 20 der Mittelelektrode und/oder der Zündspitze 30 der Masseelektrode die vorliegend beschriebene Zündkerzen-Elektrode sein; dies sind jedoch nicht die einzigen Anwendungen für die vorliegend beschriebene Zündkerzen-Elektrode. 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 die hier beschriebene Zündkerzen-Elektrode bilden. In diesem Fall ist die Zündspitze 40 der Mittelelektrode ein einstückiger Niet, und die Zündspitze 42 der Masseelektrode ist ein einteiliger Zylinder, der sich von der Seitenfläche 26 der Masseelektrode weg erstreckt, und zwar um eine verglichen mit dem flachen Plättchen der 2 relativ vergrößerte Distanz. Die Zündkerzen-Elektrode der vorliegenden Offenbarung kann auch als beispielhafte Zündspitze 50 der Mittelelektrode verwendet werden, die in 4 gezeigt ist. 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 Funkenbildungsfläche der Zündspitze 50 der Mittelelektrode und der Seitenfläche 26 der Masseelektrode 18 gebildet, die auch als eine Zünd- bzw. Funkenbildungsfläche wirkt. 5 zeigt eine weitere mögliche Anwendung für die hier beschriebene Zündkerzen-Elektrode, wobei eine zylindrische Zündspitze 60 an einem axialen Ende der Mittelelektrode 12 angebracht ist, und wobei eine zylindrische Zündspitze 62 an einem axialen Ende in Bezug auf die Masseelektrode 18 oder an einem distalen Ende der Masseelektrode angebracht ist. Eine der beiden zylindrischen Zündspitzen 60, 62 oder beide zylindrischen Zündspitzen 60, 62 können die vorliegend beschriebene Zündkerzen-Elektrode bilden. 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.
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Es ist nochmals anzumerken, dass die oben beschriebenen, nicht einschränkenden Zündkerzen-Ausführungsformen lediglich Beispiele von einigen potentiellen Verwendungen für die hier beschriebene Zündkerzen-Elektrode darstellen, da diese in jeder Zündspitze oder anderen Zündend-Komponente verwendbar oder einsetzbar ist, die bei der Zündung eines Luft-/Brennstoffgemisches in einem Motor verwendet wird. Beispielsweise können die folgenden Komponenten die hier beschriebene Zündkerzen-Elektrode verwenden: Zündspitze der Mittelelektrode und/oder Zündspitze der Masseelektrode, wobei die Zündspitzen in der Form von Nieten, Zylindern, Stangen, Säulen, Drähten, flachen Plättchen, Scheiben, Ringen, Hülsen etc. vorliegen können; Zündspitzen von Mittelelektrode und/oder Masseelektrode, die direkt an einer Elektrode angebracht sind oder indirekt über eine oder mehrere dazwischenliegende, dazwischen wirkende oder spannungslösende Schichten an einer Elektrode angebracht sind; Zündspitzen von Mittelektrode und/oder Masseelektrode, die innerhalb einer Ausnehmung einer Elektrode angeordnet sind oder in eine Oberfläche einer Elektrode eingebettet sind; oder Zündkerzen mit mehrfachen Masseelektroden, mehrfachen Funkenstrecken oder Funkenstrecken vom halb-kriechenden Typ (”semi-creeping type”). Dieses sind lediglich einige Beispiele von möglichen Anwendungen der Zündkerzen-Elektrode, wobei weitere Anwendungen existieren.
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Unter Bezugnahme nunmehr auf die 6 und 7a ist eine Elektrode 70 einer Zündkerze aus zwei unterschiedlichen Abschnitten aufgebaut, die aus unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt sind – einem inneren Kern 72 und einer äußeren Hülle bzw. einer äußeren Haut bzw. einem äußeren Mantel 74. Der innere Kern 72 kann aus einer Legierung aus Ruthenium (Ru) oder aus einer Legierung aus Iridium (Ir) hergestellt sein. Obgleich diese Materialien gewisse wünschenswerte Attribute während des Gebrauchs und der Leistungsdarstellung zeigen, können sie während der Bildungs- bzw. Formungs- und Herstellungsprozesse, also dann, wenn eine Zündkerzen-Elektrode hergestellt wird, einige unerwünschte Attribute zeigen. Wenn sie beispielsweise verformt werden, beispielsweise durch Extrudieren, und zwar bei erhöhten Temperaturen für sich genommen und ohne den äußeren Mantel, können die Ruthenium- und Iridium-Materialien eine exzessive Oxidation erfahren, was zu Gewichtsverlust führt, und können brechen und reißen (”break and fracture”). In einigen Fällen liegt dies an der relativ spröden Eigenschaft des Materials und hemmt bzw. behindert die Möglichkeit, das Material metallisch in ein brauchbares Endprodukt für Zündkerzen zu bearbeiten (”metal work”). Der äußere Mantel 74 andererseits kann aus einem Material mit einer vergleichsweise größeren Duktilität hergestellt sein. Der äußere Mantel 74 kann aus Platin (Pt), Gold (Au), Silber (Ag) oder Nickel (Ni) hergestellt sein, oder kann aus einer Legierung aus Platin, einer Legierung aus Gold, einer Legierung aus Silber oder einer Legierung aus Nickel hergestellt sein. Wenn sie zusammengesetzt sind, schützt und schirmt der äußere Mantel 74 den inneren Kern 72 während des Formungs- und Herstellungsprozesses bei erhöhter Temperatur, und kann eine exzessive Oxidation und ein Brechen oder Reißen des inneren Kerns beschränken oder insgesamt bzw. vollkommen verhindern. Ferner kann der äußere Mantel 74 in Abhängigkeit von den genauen verwendeten Materialien und dem Anbringungsverfahren die Anbringung der Zündkerzen-Elektrode 70 an der Mittelelektrode 12 oder an der Masseelektrode 18 erleichtern, indem ein Material bereitgestellt wird, das zum Schweißen an die Mittel- und Masseelektrode chemisch und materialmäßig gesehen kompatibler ist als das Material des inneren Kerns 72. Ferner kann der äußere Mantel 74 während des Gebrauchs der Zündkerzen-Elektrode 70 in einem Motor das Widerstandsverhalten der Elektrode der Zündkerze gegenüber Oxidation, Korrosion und Erosion verbessern, da eine kleinere Oberfläche des inneren Kerns 72 während der Funkenbildungswirkung freiliegt, und der äußere Mantel 74 kann die thermische Leitfähigkeit der Elektrode der Zündkerze verbessern.
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Der innere Kern 72 ist aus einer Ruthenium-basierten Legierung oder einer Iridium-basierten Legierung zusammengesetzt bzw. hergestellt. Der Begriff ”Ruthenium-basiert”, wie er vorliegend verwendet wird, beinhaltet im weitesten Sinne ein Material, bei dem Ruthenium der größte einzelne Bestandteil auf einer Basis von Gewichtsprozent ist; und in ähnlicher Weise beinhaltet der Begriff ”Iridium-basiert”, so wie er vorliegend verwendet wird, im weitesten Sinne ein Material, bei dem Iridium der größte einzelne Bestandteil auf einer Basis von Gewichtsprozent ist. In einem Ruthenium-basierten Material kann dies Materialien beinhalten, die mehr als 50% Ruthenium aufweisen, als auch Materialien, die weniger als 50% Ruthenium aufweisen, solange Ruthenium der größte einzelne bzw. einzelne größte Bestandteil ist. In einem Iridium-basierten Material beinhaltet dies in gleicher Weise Materialien, die mehr als 50% Iridium aufweisen, als auch Materialien, die weniger als 50% Iridium aufweisen, solange Iridium der größte einzelne Bestandteil ist. Ruthenium-basierte Legierungen haben einen relativ hohen Schmelzpunkt (etwa 2.334°C) verglichen mit einigen anderen Edelmetallen, was das Widerstandsverhalten des inneren Kerns 72 während des Gebrauchs in einem Motor gegenüber Erosion und Abnutzung verbessern kann. Ruthenium-basierte Legierungen zeigen auch zu einem Maß, das in einigen Anwendungen wünschenswert ist, einschließlich von Motoren, ein Widerstandsverhalten gegenüber Oxidation.
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Einige nicht einschränkende Beispiele von potentiellen Zusammensetzungen für die Ruthenium-basierten Legierungen des inneren Kerns 72 beinhalten (die folgenden Zusammensetzungen sind in Gewichtsprozent angegeben, wobei Ru den Rest bzw. die Balance darstellt): Ru-45Rh; Ru-40Rh; Ru-35Rh; Ru-30Rh; Ru-25Rh; Ru-20Rh; Ru-15Rh; Ru-10Rh; Ru-5Rh; Ru-2Rh; Ru-1Rh; Ru-45Pt; Ru-40Pt; Ru-35Pt; Ru-30Pt; Ru-25Pt; Ru-20Pt; Ru-15Pt; Ru-10Pt; Ru-5Pt; Ru-2Pt; Ru-1Pt; Ru-25Pt-25Rh; Ru-20Pt-20Rh; Ru-15Pt-15Rh; Ru-10Pt-10Rh; Ru-5Pt-5Rh und Ru-2Pt-2Rh. Ferner können die Ruthenium-basierten Legierungen des inneren Kerns 72 die folgenden Legierungssysteme aufweisen: Ru-Rh-Ir; Ru-Rh-Pd; Ru-Rh-Pt; Ru-Pt-Rh; Ru-Rh-Au; Ru-Pt-Ir; Ru-Pt-Pd; Ru-Pt-Au; Ru-Pd-Rh; Ru-Pd-Pt; Ru-Pd-Ir; Ru-Ir-Rh; Ru-Ir-Pt; Ru-Ir-Pd; Ru-Rh-Pt-Ir; Ru-Rh-Pt-Pd; Ru-Rh-Pt-Au; Ru-Pt-Rh-Ir und Ru-Pt-Rh-Pd. In ähnlicher Weise beinhalten einige nicht einschränkende Beispiele von potentiellen Zusammensetzungen für die Iridium-basierten Legierungen des inneren Kerns 72 (die folgenden Zusammensetzungen sind in Gewichtsprozent angegeben, und Ir bildet die Balance bzw. den Rest): Ir-45Rh; Ir-40Rh; Ir-30Rh; Ir-20Rh; Ir-10Rh; Ir-5Rh; Ir-2Rh; Ir-45Pt; Ir-40Pt; Ir-30Pt; Ir-20Pt; Ir-10Pt; Ir-5Pt; Ir-2Pt; Ir-25Pt-25Rh; Ir-20Pt-20Rh; Ir-15Pt-15Rh; Ir-10Pt-10Rh; Ir-5Pt-5Rh und Ir-2Pt-2Rh. Ferner können die Iridium-basierten Legierungen des inneren Kerns auch die folgenden Legierungssysteme beinhalten: Ir-Rh-Ru; Ir-Rh-Pd; Ir-Rh-Au; Ir-Pt-Ru; Ir-Pt-Pd; Ir-Pt-Au; Ir-Rh-Pt-Ru; Ir-Rh-Pt-Pd und Ir-Rh-Pt-Au.
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Die Ruthenium-basierte Legierung oder die Iridium-basierte Legierung des inneren Kerns 72 kann Rhenium (Re) in einem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 10 Gew.-% aufweisen. Diese Materialien sind duktiler als andere Ruthenium- und Iridium-basierte Materialien ohne Rhenium, behalten jedoch nach wie vor ein akzeptables Niveau an Widerstandsverhalten gegenüber Erosion und Korrosion für die meisten Anwendungen bei. Die Verbesserung hinsichtlich der Duktilität ist wenigstens teilweise der Hinzugabe von Rhenium zuzuschreiben, und dem besonderen verwendeten Herstellungsprozess wie das pulvermetallurgische Sintern und die Extrusionsprozesse nach dem Sintern, wie nachstehend beschrieben. In einer Ausführungsform beinhaltet die Ruthenium-basierte Legierung des inneren Kerns 72 Rhenium in den obigen Gewichtsprozentsätzen zuzüglich von einem oder mehreren Edelmetallen, die ausgewählt werden können aus Rhodium (Rh), Platin, Iridium, Palladium (Pd), Gold sowie Kombinationen hiervon. Bei dieser Ausführungsform kann die Ruthenium-basierte Legierung des inneren Kerns 72 ferner eines oder mehrere hochschmelzende Metalle (”refractory metals”), Seltenerdmetalle, andere Bestandteile und Kombinationen hiervon beinhalten. In einer Ausführungsform weist die Iridium-basierte Legierung des inneren Kerns 72 Rhenium in den obigen Gewichtsprozentsätzen auf, zuzüglich von einem oder mehreren Edelmetallen, die aus Rhodium, Platin, Ruthenium, Palladium, Gold und Kombinationen hiervon ausgewählt sein können. Bei dieser Ausführungsform kann die Iridium-basierte Legierung des inneren Kerns 72 ferner eines oder mehrere hochschmelzende Metalle, Seltenerdmetalle, andere Bestandteile und Kombinationen hiervon beinhalten. Die hochschmelzenden Metalle der Ausführungsformen von Ruthenium-basierter Legierung und Iridium-basierter Legierung können ausgewählt werden aus Wolfram (W), Rhenium (bereits oben genannt), Tantal (Ta), Molybdän (Mo), Niob (Nb) sowie Kombinationen hiervon. Die Seltenerdmetalle der Ausführungsformen der Ruthenium-basierten Legierung und der Iridium-basierten Legierung können ausgewählt werden aus Yttrium (Y), Hafnium (Hf), Scandium (Sc), Zirconium (Zr) und Lanthan (La). Ein Periodensystem, das von der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) veröffentlicht worden ist, ist als Addendum A beigefügt (nachstehend das ”beigefügte Periodensystem”) und dient als Referenz für die vorliegende Patentanmeldung.
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Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet die Legierung entweder Iridium oder Ruthenium in einem Bereich von etwa 90 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-% sowie Rhenium in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%. Einige nicht einschränkende Beispiele von potentiellen Zusammensetzungen für derartige Legierungen beinhalten (in den folgenden Zusammensetzungen bildet Ir oder Ru den Rest): Ir-10Re; Ir-5Re; Ir-2Re; Ir-1Re; Ir-0,5Re; Ir-0,1Re; Ru-10Re; Ru-5Re; Ru-2Re; Ru-1Re; Ru-0,5Re und Ru-0,1Re. Einige beispielhafte Zusammensetzungen aus binären Legierungen, die insbesondere brauchbar in Verbindung mit Elektroden für Zündkerzen sein können, beinhalten Ir-(0,1-5)Re und Ru-(0,1-5)Re.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet die Legierung entweder Iridium oder Ruthenium in einem Bereich von etwa 50 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, ein einzelnes Edelmetall (ein anderes als das eben erwähnte Ir oder Ru) in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 49,9 Gew.-% und Rhenium in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%. Einige Beispiele von geeigneten Legierungssystemen, die lediglich ein Edelmetall aufweisen, das der Iridium- oder der Ruthenium-basierten Legierung hinzugegeben ist, beinhalten: Legierungen mit Ir-Rh-Re; Ir-Pt-Re; Ir-Ru-Re; Ir-Pd-Re; Ir-Au-Re; Ru-Rh-Re; Ru-Pt-Re; Ru-Ir-Re; Ru-Pd-Re und Ru-Au-Re, wobei Iridium oder Ruthenium nach wie vor der größte einzelne Bestandteil ist. Einige nicht einschränkende Beispiele von potentiellen Zusammensetzungen für derartige Legierungen beinhalten (in den folgenden Zusammensetzungen liegt der Gehalt von Re in einem Bereich zwischen 0,1 Gew.-% und 5 Gew.-%, wobei Ir oder Ru den Rest bildet): Ir-45Rh-Re; Ir-40Rh-Re; Ir-35Rh-Re; Ir-30Rh-Re; Ir-25Rh-Re; Ir-20Rh-Re; Ir-15Rh-Re; Ir-10Rh-Re; Ir-5Rh-Re; Ir-2Rh-Re; Ir-1Rh-Re; Ir-0,5Rh-Re; Ir-0,1Rh-Re; Ir-45Pt-Re; Ir-40Pt-Re; Ir-35Pt-Re; Ir-30Pt-Re; Ir-25Pt-Re; Ir-20Pt-Re; Ir-15Pt-Re; Ir-10Pt-Re; Ir-5Pt-Re; Ir-2Pt-Re; Ir-1Pt-Re; Ir-0,5Pt-Re; Ir-0,1Pt-Re; Ir-45Ru-Re; Ir-40Ru-Re; Ir-35Ru-Re; Ir-30Ru-Re; Ir-25Ru-Re; Ir-20Ru-Re; Ir-15Ru-Re; Ir-10Ru-Re; Ir-5Ru-Re; Ir-2Ru-Re; Ir-1Ru-Re; Ir-0,5Ru-Re; Ir-0,1Ru-Re; Ir-45Pd-Re; Ir-40Pd-Re; Ir-35Pd-Re; Ir-30Pd-Re; Ir-25Pd-Re; Ir-20Pd-Re; Ir-15Pd-Re; Ir-10Pd-Re; Ir-5Pd-Re; Ir-2Pd-Re; Ir-1Pd-Re; Ir-0,5Pd-Re; Ir-0,1Pd-Re; Ir-45Au-Re; Ir-40Au-Re; Ir-35Ru-Re; Ir-30Au-Re; Ir-25Ru-Re; Ir-20Au-Re; Ir-15Au-Re; Ir-10Au-Re; Ir-5Au-Re; Ir-2Au-Re; Ir-1Au-Re; Ir-0,5Au-Re; Ir-0,1Au-Re; Ru-45Rh-Re; Ru-40Rh-Re; Ru-35Rh-Re; Ru-30Rh-Re; Ru-25Rh-Re; Ru-20Rh-Re; Ru-15Rh-Re; Ru-10Rh-Re; Ru-5Rh-Re; Ru-2Rh-Re; Ru-1Rh-Re; Ru-0,5Rh-Re; Ru-0,1Rh-Re; Ru-45Pt-Re; Ru-40Pt-Re; Ru-35Pt-Re; Ru-30Pt-Re; Ru-25Pt-Re; Ru-20Pt-Re; Ru-15Pt-Re; Ru-10Pt-Re; Ru-5Pt-Re; Ru-2Pt-Re; Ru-1Pt-Re; Ru-0,5Pt-Re; Ru-0,1Pt-Re; Ru-45Ir-Re; Ru-40Ir-Re; Ru-35Ir-Re; Ru-30Ir-Re; Ru-25Ir-Re; Ru-20Ir-Re; Ru-15Ir-Re; Ru-10Ir-Re; Ru-5Ir-Re; Ru-2Ir-Re; Ru-1Ir-Re; Ru-0,5Ir-Re; Ru-0,1Ir-Re; Ru-45Pd-Re; Ru-40Pd-Re; Ru-35Pd-Re; Ru-30Pd-Re; Ru-25Pd-Re; Ru-20Pd-Re; Ru-15Pd-Re; Ru-10Pd-Re; Ru-5Pd-Re; Ru-2Pd-Re; Ru1Pd-Re; Ru-0,5Pd-Re; Ru-0,1Pd-Re; Ru-45Au-Re; Ru-40Au-Re; Ru-35Au-Re; Ru-30Au-Re; Ru-25Au-Re; Ru-20Au-Re; Ru-15Au-Re; Ru-10Au-Re; Ru-5Au-Re; Ru-2Au-Re; Ru-1Au-Re; Ru-0,5Au-Re und Ru-0,1Au-Re. Einige beispielhafte ternäre Legierungszusammensetzungen, die insbesondere brauchbar für den inneren Kern 72 sein können, beinhalten Ir-(1-10)Rh-(0,1-2)Re und Ru-(1-10)Rh-(0,1-2)Re.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet die Legierung Iridium oder Ruthenium in einem Bereich von etwa 35 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, ein erstes Edelmetall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 49,9 Gew.-%, ein zweites Edelmetall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 49,9 Gew.-%, und Rhenium in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%. Einige Beispiele von geeigneten Legierungssystemen, die zwei Edelmetalle aufweisen, die der Iridium- oder der Ruthenium-basierten Legierung hinzugegeben sind, beinhalten: Legierungen von Ir-Rh-Pt-Re; Ir-Rh-Ru-Re; Ir-Rh-Pd-Re; Ir-Rh-Au-Re; Ir-Pt-Rh-Re; Ir-Pt-Ru-Re; Ir-Pt-Pd-Re; Ir-Pt-Au-Re; Ir-Ru-Rh-Re; Ir-Ru-Pt-Re; Ir-Ru-Pd-Re; Ir-Ru-Au-Re; Ir-Au-Rh-Re; Ir-Au-Pt-Re; Ir-Au-Ru-Re; Ir-Au-Pd-Re; Ru-Rh-Pt-Re; Ru-Rh-Ir-Re; Ru-Rh-Pd-Re; Ru-Rh-Au-Re; Ru-Pt-Rh-Re; Ru-Pt-Ir-Re; Ru-Pt-Pd-Re; Ru-Pt-Au-Re; Ru-Ir-Rh-Re; Ru-Ir-Pt-Re; Ru-Ir-Pd-Re; Ru-Ir-Au-Re; Ru-Au-Rh-Re; Ru-Au-Pt-Re; Ru-Au-Ir-Re; and Ru-Au-Pd-Re, wobei das Iridium oder das Ruthenium nach wie vor der größte einzelne Bestandteil ist. Einige nicht einschränkende Beispiele von potentiellen Zusammensetzungen für derartige Legierungen beinhalten (in den folgenden Zusammensetzungen ist der Gehalt von Re in einem Bereich zwischen etwa 0,1 Gew.-% und etwa 5 Gew.-%, und das Ir oder das Ru bildet den Rest): Ir-30Rh-30Pt-Re; Ir-25Rh-25Pt-Re; Ir-20Rh-20Pt-Re; Ir-15Rh-15Pt-Re; Ir-10Rh-10Pt-Re; Ir-5Rh-5Pt-Re; Ir-2Rh-2Pt-Re; Ru-30Rh-30Pt-Re; Ru-25Rh-25Pt-Re; Ru-20Rh-20Pt-Re; Ru-15Rh-15Pt-Re; Ru-10Rh-10Pt-Re; Ru-5Rh-5Pt-Re und Ru-2Rh-2Pt-Re. Einige beispielhafte Zusammensetzungen, die insbesondere brauchbar für den inneren Kern 72 sein können, beinhalten Ir-Rh-Ru-Re und Ru-Rh-Re, wobei der Gehalt von Rhodium in einem Bereich von etwa 1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% liegt, wobei der Gehalt an Rhenium in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 2 Gew.-% liegt, und wobei Iridium/Ruthenium den Rest bildet. Einige beispielhafte quaternäre Legierungszusammensetzungen, die insbesondere brauchbar sein können für den inneren Kern 72, beinhalten Ir-(1-10)Rh-(0,5-5)Ru-(0,1-2)Re und Ru-(1-10)Rh-(0,5-5)Ir-(0,1-2)Re.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet die Legierung Iridium oder Ruthenium in einem Bereich von etwa 35 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, ein erstes Edelmetall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 49,9 Gew.-%, ein zweites Edelmetall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 49,9 Gew.-%, ein drittes Edelmetall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 49,9 Gew.-% und Rhenium in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%. Einige Beispiele von geeigneten Materialien, die drei Edelmetalle aufweisen, die der Iridium- oder Ruthenium-basierten Legierung hinzugegeben sind, beinhalten: Legierungen von: Ir-Rh-Pt-Ru-Re; Ir-Rh-Pt-Pd-Re; Ir-Rh-Pt-Au-Re; Ru-Rh-Pt-Ir-Re; Ru-Rh-Pt-Pd-Re und Ru-Rh-Pt-Au-Re, wobei das Iridium oder Ruthenium nach wie vor der größte einzelne Bestandteil ist. Eine beispielhate Zusammensetzung der Legierung, die für inneren Kern 72 insbesondere brauchbar sein kann, ist das Ruthemium-basierte Material Ru-(1-10)Rh-(0,5-5)Ir-(0,1-2)Re-(0,05-0,1)Y.
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Bei noch einer weiteren Ausführungsform beinhaltet die Ruthenium-basierte Legierung Ruthenium 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, und ein zweites Edelmetall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 49,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, wobei Ruthenium der größte einzelne Bestandteil der Legierung ist. Ruthenium-basierte Legierungen, die Rhodium und Platin enthalten, wobei die kombinierte Menge von Rhodium und Platin in einem Bereich zwischen 1% und 65%, jeweils einschließlich, liegt, können für gewisse Zündkerzenanwendungen besonders brauchbar sein. Beispiele von geeigneten Legierungszusammensetzungen, die in diese Ausführungsform fallen, beinhalten jene Zusammensetzungen, die Ruthenium sowie zwei oder mehr Edelmetalle aufweisen, die aus der Gruppe von Rhodium, Platin, Palladium und/oder Iridium ausgewählt sind. Derartige Zusammensetzungen beinhalten die folgenden nicht einschränkenden Beispiele: 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 natürlich möglich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform beinhaltet die Ruthenium-basierte Legierung Ruthenium in einem Bereich von etwa 35 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, eines oder mehrerer Edelmetalle in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 49,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, und ein hochschmelzendes Metall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, jeweils einschließlich, wobei das Ruthenium der größte einzelne Bestandteil des Elektrodenmaterials ist. Wolfram, Molybdän, Niob, Tantal und/oder Rhenium können beispielsweise ein geeignetes hochschmelzendes Metall für die Legierung sein. Es ist herausgefunden worden, dass Partikel von hochschmelzenden Metallen an den Korngrenzen des Materials einen Hafteffekt (”pinning effect”) zeigen und dazu beitragen können, ein potentielles Kornwachstum in Ruthenium-basierten Legierungen zu verhindern, die pulvermetallurgischen Prozessen ausgesetzt sind; dies kann Warmverformungsprozesse wie eine Heiß- bzw. Warmextrusion erleichtern. Ferner können hochschmelzende Metalle dazu beitragen, die Gesamtkosten der Komponente zu verringern. In einer Ausführungsform bildet ein hochschmelzendes Metall den größten Bestandteil in dem Elektrodenmaterial nach dem Ruthenium und einem oder mehreren Edelmetallen, und ist in einer Menge vorhanden, die größer gleich 0,1 Gew.-% ist und kleiner gleich 5 Gew.-%. Beispiele von geeigneten Legierungszusammensetzungen, die in diese 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. Bei dieser Ausführungsform ist eine Vielzahl von Zusammensetzungskombinationen möglich.
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In Abhängigkeit von der besonderen Ausführungsform und den besonderen Eigenschaften, die erwünscht sind, kann die Menge an Ruthenium in der Ruthenium-basierten Legierung sein: größer gleich 35 Gew.-%, 50 Gew.-%, 65 Gew.-% oder 80 Gew.-%; kleiner gleich 99,9 Gew.-%, 95 Gew.-%, 90 Gew.-% oder 85 Gew.-%; oder im Bereich von 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 an Rhodium in der Ruthenium-basierten Legierung sein: größer gleich 0,1 Gew.-%, 2 Gew.-%, 10 Gew.-% oder 20 Gew.-%; kleiner gleich 49,9 Gew.-%, 40 Gew.-%, 20 Gew.-% oder 10 Gew.-%; oder im Bereich von 0,1–49,9 Gew.-%, 0,1–40 Gew.-%, 0,1–20 Gew.-% oder 0,1–10 Gew.-%. Die Menge an Platin in der Ruthenium-basierten Legierung kann sein: größer gleich 0,0 Gew.-%, 2 Gew.-%, 10 Gew.-% oder 20 Gew.-%; kleiner gleich 49,9 Gew.-%, 40 Gew.-%, 20 Gew.-% oder 10 Gew.-%; oder im Bereich von 0,1–49,9 Gew.-%, 0,1–40 Gew.-%, 0,1–20 Gew.-% oder 0,1–10 Gew.-%. Die Menge an Rhodium und Platin kann, zusammengenommen oder kombiniert, in der Ruthenium-basierten Legierung sein: größer gleich 1 Gew.-%, 5 Gew.-%, 10 Gew.-% oder 20 Gew.-%; kleiner gleich 65 Gew.-%, 50 Gew.-%, 35 Gew.-% oder 20 Gew.-%; oder im Bereich von 1–65 Gew.-%, 1–10 Gew.-%, 1–35 Gew.-% oder 1–20 Gew.-%. Die Menge eines hochschmelzenden Metalls – das heißt ein hochschmelzendes Metall außer Ruthenium – kann in der Ruthenium-basierten Legierung sein: größer gleich 0,1 Gew.-%, 1 Gew.-%, 2 Gew.-% oder 5 Gew.-%; kleiner gleich 5 Gew.-%; oder im Bereich von 0,1–5 Gew.-%. Die gleichen Prozentsatzbereiche sind auf Hafnium, Nickel und/oder Gold anwendbar, wie nachstehend angeführt. Die vorstehenden Mengen, Prozentsätze, Grenzen, Bereiche, werden lediglich als Beispiele von einigen der unterschiedlichen Legierungsausführungsformen bereitgestellt, die möglich sind, und sollen den Schutzbereich der Legierung nicht beschränken.
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Andere Bestandteile wie Hafnium, Nickel und/oder Gold können der Ruthenium-basierten Legierung ebenfalls hinzugesetzt werden. In einem Fall beinhaltet eine geeignete Legierungszusammensetzung eine gewisse Kombination von Ruthenium, Rhodium, Platin und Hafnium, Nickel und/oder Gold, wie Ru-Rh-Hf; Ru-Rh-Ni; Ru-Rh-Au; Ru-Pt-Hf; Ru-Pt-Ni; Ru-Pt-Au; Ru-Rh-Pt-Hf; Ru-Rh-Pt-Ni; Ru-Rh-Pt-Au; Ru-Pt-Rh-Hf; Ru-Pt-Rh-Ni; Ru-Pt-Rh-Au; Ru-Rh-Pt-Hf-Ni; Ru-Pt-Rh-Hf-Ni; Ru-Rh-Pt-Ni-Hf; Ru-Pt-Rh-Ni-Hf; etc.
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In einigen Ausführungsformen kann der innere Kern 72, obgleich er nach wie vor aus einer Ruthenium-basierten Legierung oder einer Iridium-basierten Legierung zusammengesetzt ist, aus einem Legierungsmaterial sein, das eine Metallverbundstruktur (”metal composite”) ist und eine partikelförmige Komponente beinhaltet, die in eine Matrixkomponente eingebettet oder darin verteilt bzw. dispergiert ist. Demgemäß weist die Metallverbundstruktur eine mehrphasige Mikrostruktur auf, bei der, in einer Makro-Skala, die Matrixkomponente sich hinsichtlich Zusammensetzung und/oder Form von der partikelförmigen Komponente unterscheidet. Die einzelnen Komponenten oder Phasen der beispielhaften Metallverbundstruktur lösen sich oder vermengen sich nicht vollständig ineinander, obgleich sie miteinander reagieren können, und zeigen daher eine Grenze oder Verbindung dazwischen.
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Die Matrixkomponente – die auch als eine Matrixphase oder -binder bezeichnet wird – ist jener Abschnitt des Legierungsmaterials, in den die partikelförmige Komponente eingebettet oder verteilt ist. Die Matrixkomponente kann eines oder mehrere Edelmetalle beinhalten, wie Platin, Palladium, Gold und/oder Silber, ist jedoch gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ein Platin-basiertes Material. Der Begriff ”Platin-basiertes Material”, so wie er vorliegend verwendet wird, beinhaltet im weitesten Sinne jedes Material, bei dem Platin der größte einzelne Bestandteil auf einer Basis von Gewichtsprozent ist. Dies kann Materialien beinhalten, die mehr als 50% Platin beinhalten, als auch solche, die weniger als 50% Platin beinhalten, solange Platin der größte einzelne Bestandteil ist. Es ist hinsichtlich der Matrixkomponente möglich, dass diese ein reines Edelmetall beinhaltet (z. B. reines Platin oder reines Palladium), oder eine binäre, eine ternäre oder eine quaternäre Legierung mit einem oder mehreren Edelmetallen oder einem anderen geeigneten Material aufweist. Gemäß einer Ausführungsform macht die Matrixkomponente bis zu etwa 2 bis 20 Gew.-% der gesamten Metallverbundstruktur aus und beinhaltet reines Platinmaterial mit Körnern, die eine Korngröße haben, die in einem Bereich von etwa 1 μm bis 20 μm, jeweils einschließlich, liegt (d. h., nachdem das Legierungsmaterial extrudiert worden ist). Die Größe der Körner kann unter Verwendung eines geeigneten Messverfahrens bestimmt werden, wie das planimetrische Verfahren, das in ASTM E112 angegeben ist. Dies ist natürlich nur eine Möglichkeit für die Matrixverbundstruktur, und andere Ausführungsformen sind natürlich möglich. Beispielsweise kann das Matrixmaterial eines oder mehrere Edelmetalle, hochschmelzende Metalle und/oder Seltenerdmetalle beinhalten, von denen jedes ausgewählt ist, um dem Legierungsmaterial gewisse Eigenschaften oder Attribute zu erteilen.
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Die partikelförmige Komponente – auch als partikelförmige Phase oder Verstärkung bezeichnet – ist jener Abschnitt des Legierungsmaterials, der in die Matrixkomponente eingebettet oder darin verteilt bzw. dispergiert ist. Die partikelförmige Komponente kann ein Ruthenium-basiertes Material beinhalten, das eines oder mehrere Edelmetalle wie Rhodium, Platin, Iridium oder Kombinationen hiervon beinhaltet. Die hier offenbarte partikelförmige Komponente kann Ruthenium zuzüglich von einem oder mehreren zusätzlichen Bestandteilen wie Edelmetallen, hochschmelzenden Metallen und/oder Seltenerdmetallen beinhalten. Gemäß einer Ausführungsform macht die partikelförmige Komponente etwa 80–98 Gew.-% der gesamten Metallverbundstruktur aus, ist ein hartes und sprödes Partikelmaterial, das ein Ruthenium-basiertes Material mit Rhodium, Platin, Iridium oder Kombinationen hiervon beinhaltet (d. h. eine Legierung 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 weist Körner auf, deren Größe in einem Bereich von etwa 1 μm bis etwa 20 μm liegt, jeweils einschließlich. Eine Ruthenium-basierte Materialzusammensetzung, die besonders brauchbar sein kann, ist Ru-Rh, wobei das Rhodium in einem Bereich von etwa 0,1 bis 15 Gew.-% vorhanden ist und wobei das Ruthenium den Rest (”balance”) bildet. Dies ist natürlich nur eine Möglichkeit für die partikelförmige Komponente, da auch andere Ausführungsformen sicherlich möglich sind. Es ist ferner möglich, dass die partikelförmige Komponente eines oder mehrerer hochschmelzende Metalle und/oder Seltenerdmetalle beinhaltet, oder dass das partikelförmige Material aus reinem Ruthenium hergestellt ist.
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Bei der Ausführungsform des inneren Kerns 72 mit einer Metallverbundstruktur beinhalten einige nicht einschränkende Beispiele von Edelmetallen, die zur Verwendung in der Matrixkomponente geeignet sind, Platin, Palladium, Gold und/oder Silber, wohingegen einige nicht einschränkende Beispiele von geeigneten Edelmetallen für die partikelförmige Komponente Rhodium, Platin, Palladium, Iridium und/oder Gold beinhalten. In einer Ausführungsform der Matrixkomponente beinhaltet die Matrixkomponente ein reines Edelmetall, wie reines Platin oder reines Palladium. In einer Ausführungsform der partikelförmigen Komponente ist ein Edelmetall der zweitgrößte oder zweitstärkste Bestandteil der partikelförmigen Komponente auf einer Basis von Gewichtsprozent, und zwar nach Ruthenium, und ist in der partikelförmigen Komponente in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 49,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, vorhanden. Einige Beispiele eines derartigen partikelförmigen Materials beinhalten binäre Legierungen wie Ru-Rh; Ru-Pt und Ru-Ir. Es ist ferner möglich, dass die partikelförmige Komponente mehr als ein Edelmetall beinhaltet, und in einer Ausführungsform weist die partikelförmige Komponente Ruthenium sowie ein erstes und ein zweites Edelmetall auf. Das erste wie auch das zweite Edelmetall kann in der partikelförmigen Komponente in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 49,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, vorhanden sein, und die kombinierte Menge an zusammengenommenem erstem und zweitem Edelmetall ist kleiner gleich etwa 65 Gew.-%, und zwar einschließlich. Einige Beispiele eines derartigen partikelförmigen Materials beinhalten die folgenden ternären und quaternären Legierungen: Legierungen aus 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. In jeder dieser Ausführungsformen ist Ruthenium nach wie vor vorzugsweise der größte einzelne Bestandteil. Eines oder mehrere zusätzliche Elemente, Stoffe und/oder Bestandteile können der Matrix und/oder dem partikelförmigen Material, die oben beschrieben sind, hinzugegeben werden, einschließlich von hochschmelzenden Metallen und/oder Seltenerdmetallen.
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Bei der Ausführungsform des inneren Kerns 72 mit einer Metallverbundstruktur beinhalten einige nicht einschränkende Beispiele von hochschmelzenden Metallen, die zur Verwendung in dem Legierungsmaterial geeignet sind, Wolfram, Rhenium, Tantal, Molybdän und Niob; Nickel kann dem Legierungsmaterial auch hinzugegeben werden. In einer Ausführungsform ist ein hochschmelzendes Metall der dritt- oder viertgrößte oder -stärkste Bestandteil der partikelförmigen Komponente auf einer Basis von Gew.-%, und zwar nach Ruthenium und einem oder mehreren Edelmetallen, und ist in der partikelförmigen Komponente in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%, jeweils einschließlich, vorhanden.
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In der Ausführungsform des inneren Kerns 72 mit Metallverbundstruktur beinhalten einige nicht einschränkende Beispiele von Seltenerdmetallen, die zur Verwendung in dem Legierungsmaterial geeignet sind, Yttriumn, Hafnium, Scandium, Zirconium und Lanthan. In einer Ausführungsform ist ein Seltenerdmetall der viert- oder fünftgrößte oder -stärkste Bestandteil der partikelförmigen Komponente auf einer Basis von Gewichtsprozent – nach Ruthenium, einem oder mehreren Edelmetallen und einem oder mehreren hochschmelzenden Metallen – und ist in der partikelförmigen Komponente in einem Bereich von etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 0,1 Gew.-%, jeweils einschließlich, vorhanden. Die Seltenerdmetalle können eine schützende Oxidschicht (z. B. Y2O3, ZrO2, etc.) in dem Legierungsmaterial bilden, die hinsichtlich der Leistungsfähigkeit des Materials vorteilhaft ist.
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In einer Ausführungsform der Matrixkomponente beinhaltet die Matrixkomponente reines Platin, reines Palladium oder ein gewisses anderes reines Edelmetall. In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet die Matrixkomponente ein Platin-basiertes Material, das Platin in einem Bereich von etwa 50 Gew.-%, bis etwa 99,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, ein weiteres Edelmetall, ein hochschmelzendes Metall oder ein Seltenerdmetall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 49,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, aufweist, wobei Platin der größte einzelne Bestandteil des Matrixmaterials auf einer Basis von Gew.-% ist.
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In einer Ausführungsform der partikelförmigen Komponente beinhaltet die partikelförmige Komponente ein Ruthenium-basiertes Material mit Ruthenium in einem Bereich von etwa 50 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, und ein einzelnes Edelmetall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 49,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, wobei Ruthenium der größte einzelne Bestandteil des partikelförmigen Materials auf einer Basis von Gewichtsprozent ist. Das oben genannte Edelmetall kann Rhodium, Platin oder Iridium sein, um Beispiele zu nennen. Beispiele von geeigneten partikelförmigem Materialzusammensetzungen, die in diese Ausführungsform fallen, beinhalten solche Zusammensetzungen, die Ruthenium sowie zuzüglich ein Edelmetall aufweisen, das aus der Gruppe von Rhodium, Platin oder Iridium 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-0,5Rh; Ru-0,1Rh; Ru-45Pt; Ru-40Pt; Ru-35Pt; Ru-30Pt; Ru-25Pt; Ru-20Pt; Ru-15Pt; Ru-10Pt; Ru-5Pt; Ru-2Pt; Ru-1Pt; Ru-0,5Pt; Ru-0,1Pt; 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; weitere Beispiele sind sicherlich möglich. In einer speziellen Ausführungsform beinhaltet die partikelförmige Komponente ein Ruthenium-basiertes Material, das Ruthenium in einem Bereich von etwa 85 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, sowie Rhodium in einem Bereich von 0,1 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% aufweist.
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In einer weiteren Ausführungsform der partikelförmigen Komponente weist die partikelförmige Komponente ein Ruthenium-basiertes Material mit Ruthenium in einem Bereich von etwa 35 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, mit einem ersten Edelmetall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 49,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, und mit einem zweiten Edelmetall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 49,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, auf, wobei das Ruthenium der größte einzelne Bestandteil des partikelförmigen Materials ist. Ruthenium-basierte Materialien, die Rhodium und Platin beinhalten, wobei die kombinierte Menge von Rhodium und Platin in einem Bereich von 1% und 65%, jeweils einschließlich, liegt, können für gewisse Zündkerzenanwendungen besonders brauchbar sein. Beispiele von geeigneten partikelförmigen Materialzusammensetzungen, die in diese beispielhafte Kategorie fallen, beinhalten solche Zusammensetzungen, die Ruthenium zuzüglich von zwei oder mehr Edelmetallen aufweisen, die ausgewählt sind aus der Gruppe von Rhodium, Platin, Palladium, Iridium und/oder Gold, 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. Derartige 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; and Ru-40Ir-10Pt; andere Beispiele sind natürlich möglich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der partikelförmigen Komponente beinhaltet die partikelförmige Komponente ein Ruthenium-basiertes Material, das Ruthenium in einem Bereich von etwa 35 Gew.-% bis etwa 99,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, eines oder mehrerer Edelmetalle in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 49,9 Gew.-%, jeweils einschließlich, und ein hochschmelzendes Metall in einem Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 5 Gew.-%, jeweils einschließlich, beinhaltet, wobei das Ruthenium der größte einzelne Bestandteil des Legierungsmaterials ist. Ein geeignetes hochschmelzendes Metall für das partikelförmige Material kann beispielsweise Wolfram, Rhenium, Tantal, Molybdän und/oder Niob sein. In einer Ausführungsform bildet ein hochschmelzendes Metall den größten Bestandteil in der partikelförmigen Komponente nach dem Ruthenium und nach einem oder mehreren Edelmetallen, und ist in einer Menge vorhanden, die größer gleich etwa 0,1 Gew.-% ist und kleiner gleich etwa 5 Gew.-%. Beispiele von geeigneten partikelförmigen Materialzusammensetzungen, die in diese 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. Es ist eine Vielzahl von Kombinationen von Zusammensetzungen bei dieser Ausführungsform möglich. Darüber hinaus können Nickel und/oder ein Seltenerdmetall zusätzlich oder anstelle der oben aufgelisteten beispielhaften hochschmelzenden Metalle verwendet werden. Beispiele einer partikelförmigen Materialzusammensetzung, die Nickel beinhaltet, weisen Ru-Rh-Ni; Ru-Pt-Ni; Ru-Rh-Pt-Ni; Ru-Pt-Rh-Ni etc. auf.
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In Abhängigkeit von den bestimmten Eigenschaften, die gewünscht sind, kann die Menge von Ruthenium in dem Ruthenium-basierten Material der partikelförmigen Komponente sein: größer gleich 35 Gew.-%, 50 Gew.-%, 65 Gew.-% or 80 Gew.-%; kleiner gleich 99,9 Gew.-%, 95 Gew.-%, 90 Gew.-% oder 85 Gew.-%; oder im Bereich von 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 an Rhodium und/oder Platin in dem Ruthenium-basierten Material der partikelförmigen Komponente sein: größer gleich 0,1 Gew.-%, 2 Gew.-%, 10 Gew.-% oder 20 Gew.-%; kleiner gleich 49,9 Gew.-%, 40 Gew.-%, 20 Gew.-% oder 10 Gew.-%; oder im Bereich von 0,1–49,9 Gew.-%, 0,1–40 Gew.-%, 0,1–20 Gew.-% oder 0,1–10 Gew.-%. Die Menge an Rhodium und Platin kann, kombiniert oder zusammengenommen, in dem Ruthenium-basierten Material der partikelförmigen Komponente sein: größer gleich 1 Gew.-%, 5 Gew.-%, 10 Gew.-% oder 20 Gew.-%; kleiner gleich 65 Gew.-%, 50 Gew.-%, 35 Gew.-% oder 20 Gew.-%; oder im Bereich von 1–65 Gew.-%, 1–50 Gew.-%, 1–35 Gew.-% oder 1–20 Gew.-%. Die Menge eines hochschmelzenden Metalls (d. h. eines hochschmelzenden Metalls außer Ruthenium) in dem Ruthenium-basierten Material der partikelförmigen Komponente kann sein: größer gleich 0,1 Gew.-%, 1 Gew.-%, 2 Gew.-% oder 5 Gew.-%; kleiner gleich 5 Gew.-%; oder im Bereich von 0,1–5 Gew.-%. Die gleichen beispielhaften Prozentbereiche sind auf Nickel anwendbar. Die Menge an einem Seltenerdmetall in dem Ruthenium-basierten Material der partikelförmigen Komponente kann sein: größer gleich 0,01 Gew.-% oder 0,05 Gew.-%; kleiner gleich 0,1 Gew.-% oder 0,08 Gew.-%; oder im Bereich von 0,01–0,1 Gew.-%. Die vorstehenden Mengen, Prozentsätze, Grenzen, Bereiche etc. werden lediglich als Beispiele von einigen der möglichen unterschiedlichen Materialzusammensetzungen bereitgestellt, und sollen den Schutzbereich des Legierungsmaterials, der partikelförmigen Komponente und/oder der Matrixkomponente nicht beschränken.
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Weiterhin kann in einigen Ausführungsformen der innere Kern 72 aus einer Ruthenium-basierten Legierung hergestellt sein, mit etwa 50 Gew.-% bis etwa 98 Gew.-% Ruthenium; wenigstens einem legierenden Element in einem Bereich von etwa 2 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-%, ausgewählt aus der Gruppe von Rhodium, Iridium, Palladium, Gold und Platin; und mit wenigstens einem dotierenden Element (”doping element”) in einem Bereich von etwa 10 ppm bis etwa 0,5 Gew.-%, und zwar ausgewählt aus der Gruppe von Aluminium (Al), Titan (Ti), Zirconium, Vanadium (V), Niob, Scandium, Yttrium, Hafnium, Lanthan und Actinium (Ac). Elemente der Gruppe von dotierenden Elementen sind als solche gebildet, wenn sie bereitgestellt werden in einem Bereich von etwa 10 ppm bis etwa 0,5 Gew.-%. Es ist herausgefunden worden, dass das dotierende Element, wenn verwendet, sich mit schädlichen Elementen wie Kohlenstoff (C), Stickstoff (N), Phosphor (P), Schwefel (S), Sauerstoff (O) oder einer Kombination hiervon kombinieren kann, die sich an Korngrenzen ansammeln (”aggregate”) können, und in manchen Fällen eine Sprödigkeit (”brittleness”) der Ruthenium-basierten Legierung hervorrufen können. Demgemäß kann das dotierende Element die Duktilität der Ruthenium-basierten Legierung verbessern, was für die Formungs- und Herstellungsprozesse gewünscht und brauchbar sein kann. Einige nicht einschränkende Beispiele von potentiellen Zusammensetzungen für die Ruthenium-basierte Legierung beinhalten bei diesen Ausführungsformen (Angaben in Gewichtsprozent): Ru-55Rh; Ru-50Rh; Ru-45Rh; Ru-40Rh; Ru-35Rh; Ru-30Rh; Ru-25Rh; Ru-20Rh; Ru-15Rh; Ru-10Rh; Ru-5Rh; Ru-2Rh; Ru-55Pt; Ru-50Pt; Ru-45Pt; Ru-40Pt; Ru-35Pt; Ru-30Pt; Ru-25Pt; Ru-20Pt; Ru-15Pt; Ru-10Pt; Ru-5Pt; Ru-2Pt; Ru-30Pt-30Rh; Ru-25Pt-25Rh; Ru-20Pt-20Rh; Ru-15Pt-15Rh; Ru-10Pt-10Rh; Ru-5Pt-5Rh; and Ru-2Pt-2Rh. Ferner kann die Ruthenium-basierte Legierung bei diesen Ausführungsformen die folgenden Legierungssysteme beinhalten: Ru-Rh-Ir; Ru-Rh-Pd; Ru-Rh-Au; Ru-Pt-Ir; Ru-Pt-Pd; Ru-Pt-Au; Ru-Rh-Pt-Ir; Ru-Rh-Pt-Pd und Ru-Rh-Pt-Au.
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Wie oben erwähnt, ist der äußere Mantel 74 aus einem Material hergestellt, das eine geeignete Duktilität für die Formung und Herstellung zeigt, einschließlich von Platin und Legierungen von Platin, Gold und Legierungen von Gold, von Silber und Legierungen von Silber sowie von Nickel und Legierungen von Nickel. Nicht einschränkende Beispiele von Legierungssystemen für den äußeren Mantel 74 beinhalten Pt-Ni, Pt-W, Pt-Pd, Pt-Ir und Pt-Ru. Legierungssysteme, die Platin beinhalten, können insbesondere ein geeignetes Widerstandsverhalten gegenüber Oxidation und Korrosion für Motor- und Zündanwendungen bereitstellen, wobei sie auch eine geeignete Duktilität bereitstellen; natürlich könnten die anderen erwähnten Legierungen auch ein geeignetes Widerstandsverhalten gegen Oxidation und Korrosion bereitstellen. Wenn ein geeignetes Widerstandsverhalten gegenüber Oxidation und Korrosion für den äußeren Mantel 74 bereitgestellt ist, muss der äußere Mantel nicht von der Zündkerzen-Elektrode 70 entfernt werden, wie einige zuvor bekannte äußere Materialien, und stattdessen verbleibt der äußere Mantel und kann als Funkenbildungsflächen für Motor- und Zündanwendungen verwendet werden.
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Ein Beispiel eines kombinierten inneren Kerns 72 und eines äußeren Mantels 74, obgleich dies sicherlich nicht einschränkend ist, ist ein innerer Kern aus Ru-(0,1-5)Rh-(0,1-2)(Re+W) in Gewichtsprozent und ein äußerer Mantel aus Pt-10Ni. Andere beispielhafte Kombinationen sind natürlich möglich.
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Die Zündkerzen-Elektrode 70 kann auf verschiedene Art und Weise hergestellt werden. Der genaue Herstellungsprozess, der für die Zündkerzen-Elektrode 70 und deren Komponenten – den inneren Kern 72 und den äußeren Mantel 74 – verwendet wird, kann zum Teil von den Materialien abhängen, die für die Komponenten ausgewählt sind, und von der endgültigen Form, die für die Zündkerzen-Elektrode gewünscht ist. In einer Ausführungsform wird das Legierungsmaterial des inneren Kerns 72 durch einen pulvermetallurgischen Prozess hergestellt. Ein beispielhafter pulvermetallurgischer Prozess beinhaltet die Schritte: Bereitstellen von jedem der Materialbestandteile in Pulverform, wobei diese jeweils eine gewisse Pulver- oder Partikelgröße besitzen; Zusammenmischen der Pulver, um eine Pulvermischung zu bilden; und Sintern der Pulvermischung, um das Legierungsmaterial zu bilden. In weiteren Beispielen könnten mehr oder weniger Schritte vorgesehen werden, oder es könnten unterschiedliche Schritte vorgesehen werden.
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In einem ersten Schritt werden die Bestandteile des inneren Kernmaterials in Pulverform bereitgestellt und weisen eine bestimmte Pulver- oder Partikelgröße auf, die von einer Anzahl von Faktoren abhängen kann, einschließlich der ausgewählten Materialien. Gemäß einer Ausführungsform, wenn ausgewählt, kann die Partikelgröße von Ruthenium, Rhodium, Platin und Ruthenium, wenn in einer Pulverform vorliegend, in einem Bereich zwischen etwa 0,1 μm bis 200 μm liegen. In einer Ausführungsform einer Ruthenium-basierten Legierung können das Ruthenium und eines oder mehrere Edelmetalle vorlegiert (”pre-alloyed”) und zuerst in ein Basislegierungspulver gebildet werden, bevor es mit Rhenium gemischt wird. Einige besondere Beispiele von vor-legierten Zusammensetzungen beinhalten, sind jedoch nicht beschränkt auf Ru-2Rh; Ru-5Rh; Ru-10Rh; Ru-20Rh; Ru-10Pt-10Rh; reines Ir; Ir+2Rh; Ir+5Rh und Ir+10Rh.
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In einem zweiten Schritt werden die Pulver des inneren Kernmaterials zusammengebracht oder miteinander vermischt, so dass eine Pulvermischung erzeugt wird. Der Mischschritt kann mit oder ohne die Hinzugabe von Wärme erfolgen.
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Ein dritter Schritt ist ein Sinterschritt. Dieser Schritt kann auf unterschiedliche Art und Weise durchgeführt werden, in Abhängigkeit zum Teil von, neben anderen Faktoren, den gesinterten Materialien des inneren Kerns. Beispielsweise kann die resultierende Pulvermischung in einem Vakuum oder in einer gewissen Art von geschützter Umgebung bei einer Sintertemperatur von etwa 0,5–0,8Tmelt der Basislegierung gesintert werden. Mit anderen Worten kann die zum Durchführen des Sinterns verwendete Temperatur auf etwa 50–80% der Schmelztemperatur der Basislegierung eingestellt werden, was in den Fällen von Ruthenium-Legierungen und vor-legierten Basislegierungen in einem Bereich zwischen etwa 1.350°C und etwa 1.600°C liegen kann; andere Sintertemperaturen sind möglich. Der Sinterschritt kann auch die Anwendung eines Druckes auf die sich ergebende Pulvermischung beinhalten, um eine gewisse Form von Porositätskontrolle bzw. -steuerung für das Legierungsmaterial einzuführen. Das genaue Maß bzw. der genaue Betrag des aufgebrachten Druckes kann von der genauen Zusammensetzung der resultierenden Pulvermischung und den gewünschten Endattributen des fertiggestellten Legierungsmaterials abhängen.
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In einem weiteren Schritt der Herstellung der Zündkerzen-Elektrode 70 kann der äußere Mantel 74 in eine rohrartige oder hohle zylindrische Struktur und in ein Teil extrudiert oder auf eine andere Art und Weise metallbearbeitet werden. In Abhängigkeit von den ausgewählten Materialien muss eine Extrusion des äußeren Mantels 74 nicht notwendigerweise bei erhöhten Temperaturen durchgeführt werden. Der gesinterte innere Kern 72 kann dann durch Krafteinwirkung oder Eindrückwirkung (”stuffed”) in das Teil des äußeren Mantels 74 eingeführt werden, und zwar über einen geeigneten Metallbearbeitungsprozess, um ein unvollendetes zweistückiges Montageteil zu bilden. Hierzu kann der gesinterte innere Kern 72 eine solide zylindrische Form haben, die in dem durch das Teil des äußeren Mantels 74 definierten hohlen Raum aufgenommen wird; andere Formen und Strukturen sind für den Kern und den Mantel möglich. Die zweiteilige Anordnung des inneren Kerns und des äußeren Mantels wird dann warm umgeformt oder -bearbeitet, und zwar in einen länglichen Draht bei einer erhöhten und angehobenen Temperatur, und zwar in einem weiteren Schritt der Herstellung der Zündkerzen-Elektrode 70. Der Begriff ”warmumgeformt/Warmformen”, so, wie er vorliegend verwendet wird, bezieht sich auf eine gleichzeitige Längung von sowohl Abschnitten des inneren Kerns als auch des äußeren Mantels der zweistückigen Anordnung bei erhöhten Temperaturen deutlich oberhalb von Raumtemperaturen, wie den nachstehend angegebenen Temperaturen. Beispiele von Warmverformungsprozessen beinhalten Warmextrusionsprozesse, Warmschmiedeprozesse, Warmroll- bzw. Wälzprozesse und Warmziehprozesse (”hot extrusion processes, hot swaging processes, hot rolling processes und hot drawing processes”). Die erhöhte Temperatur, bei der der Warmverformungsprozess stattfindet, kann von den Materialien abhängen, die für den inneren Kern 72 und den äußeren Mantel 74 verwendet werden, und in einigen Fällen kann die Temperatur dazu ausgewählt sein, um die Formung und Herstellung des inneren Kerns in die endgültige Form zu ermöglichen und zu erleichtern, die für die Zündkerzen-Elektrode 70 gewünscht ist. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann die erhöhte Temperatur etwa 1.000°C betragen oder größer, kann in einem Bereich liegen, der etwa zwischen 1.000°C und etwa 1.500°C liegt, oder kann in einem Bereich liegen, der etwa zwischen 1.000°C und 1.300°C liegt. In einem Beispiel wird die Temperatur der zweistückigen Anordnung als ein integraler Schritt in dem Warmverformungsprozess erhöht; das heißt, das Erhöhen der Temperatur und das Formen bzw. Umformen sind nicht notwendigerweise separate und unterschiedliche Schritte. In einem weiteren Beispiel wird die Temperatur der zweistückigen Anordnung jedoch in einem separaten und unterschiedlichen Schritt und direkt vor dem Umformschritt erhöht. In beiden Fällen werden die kombinierten Materialien der zweistückigen Anordnung bei der erhöhten Temperatur gleichzeitig verformt.
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In einem speziellen Beispiel, und zwar mit dem inneren Kern 72 aus Ru-5Rh-1Re und dem äußeren Mantel 74 aus reinem Pt, kann ein Warmschmiedeprozess (”hot swaging process”) bei einem Temperaturbereich von etwa 1.100 bis 1.400°C durchgeführt werden. Der Prozess kann aus mehrfachen Durchgängen oder Schritten bestehen, und zwar zum Zwecke einer graduellen Durchmesserreduktion bei jedem Durchgang (”pass”). Bei diesem Beispiel kann eine Rate der Reduzierung des Durchmessers der zweistückigen Anordnung in einem Bereich zwischen etwa 8 bis 18% von dem anfänglichen Gesamtdurchmesser auf den darauffolgenden reduzierten Gesamtdurchmesser liegen. Während des Warmschmiedeprozesses findet benachbart zu einer Fläche/Fläche-Schnittstelle zwischen dem inneren Kern 72 und dem äußeren Mantel 74 eine Atomdiffusion statt, um eine Pt-Ru-Legierungsschicht (legierende Schnittstellenschicht) an der Schnittstelle zu erzeugen. Nach dem Warmschmiedeprozess entsteht und existiert daher eine wirksame metallurgische Bindung zwischen dem inneren Kern 72 und dem äußeren Mantel 74, und zwar an der Schnittstelle. Diese Diffusion und die resultierende metallurgische Bindung wird auch bei den anderen Warmverformungsprozessen auftreten und existieren.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der Zündkerzen-Elektrode 70 werden die Ruthenium- und die Iridium-basierten Legierungsmaterialien des inneren Kerns 72 bei erhöhten Temperaturen geeignet in die endgültige Form geformt und hergestellt. Temperaturen zur metallischen Kaltumformung, wie Raumtemperaturen, sind im Gegensatz hierzu für die Formen und Materialeigenschaften als nicht geeignet herausgefunden worden, die gewünscht und durch die Anwendung manchmal erforderlich sind, und zwar für die Zündkerzen-Elektrode 70. Ein Nachteil der Ruthenium- und der Iridium-basierten Legierungen, der eine metallische Kaltbearbeitung verhindern kann, ist deren relativ niedrige Duktilität. Demgemäß werden die Ruthenium- und die Iridium-basierten Legierungen des inneren Kerns 72 für die hier beschriebenen Ausführungsformen bei erhöhten Temperaturen geformt. Einige Nachteile der Formung von Ruthenium- und Iridium-basierten Legierungen bei erhöhten Temperaturen besteht darin, dass sie eine exzessive Oxidation erfahren können, was zu Gewichtsverlust führen kann und Brüche und Risse (”breaking and fracture) hervorrufen kann. Dies kann insbesondere für die relativ kleinen Abmessungen problematisch sein, wie sie für die endgültige Form der Zündkerzen-Elektrode 70 gewünscht sind – beispielsweise ein endgültiger Durchmesser von etwa 0,7 mm –, da die relativ kleinen Abmessungen für die Nachteile und die sich hieraus ergebende Verschlechterung der Leistungsfähigkeit empfänglicher und anfälliger sind. Der äußere Mantel 74 wird daher dazu verwendet, um den inneren Kern 72 zu schützen und ihn während des Warmumformungsprozesses bei erhöhten Temperaturen zu isolieren, wobei er dazu beiträgt, eine exzessive Oxidation und Brüche und Risse zu vermeiden.
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Unter Bezugnahme auf 6 kann der äußere Mantel 74 nach der Warmumformung eine Dicke T aufweisen, die in einem Bereich zwischen etwa 1 μm und etwa 200 μm liegt, oder in einem Bereich zwischen etwa 10 μm bis etwa 50 μm liegt, wobei der Gesamtdurchmesser D des äußeren Mantels und des inneren Kerns 72 in einem Bereich zwischen etwa 0,2 mm bis etwa 2 mm liegen kann, oder 0,7 mm betragen kann; andere Abmessungen sind möglich. Wie es in den 7a–7f gezeigt ist, kann der längliche Draht der Anordnung aus co-extrudiertem äußeren Mantel 74 und innerem Kern 72 unterschiedliche Querschnittsprofile besitzen: ein kreisförmiges Profil, wie es in 7a gezeigt ist, ein ovales Profil, wie es in 7b gezeigt ist, ein quadratisches Profil, wie es in 7c gezeigt ist, ein rechteckiges Profil, wie es in 7d gezeigt ist, ein dreieckiges Profil, wie es in 7e gezeigt ist, und ein Sternprofil, wie es in 7f gezeigt ist. Der längliche Draht kann dann geschnitten oder auf andere Art und Weise quergetrennt werden, und zwar in einzelne Zündkerzen-Elektroden 70, die nachfolgend in der Zündkerze 10 angebracht und verwendet werden.
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Die in der vorliegenden Beschreibung genannten Korngrößen können unter Verwendung eines geeigneten Messverfahrens bestimmt werden, wie das Planimetrische Verfahren, das in der Norm ASTM E112 beschrieben ist.
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Es versteht sich, dass das Vorstehende eine Beschreibung von einer oder mehreren bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ist. Die Erfindung ist nicht auf die bestimmte Ausführungsform bzw. die bestimmten Ausführungsformen beschränkt, die vorliegend offenbart sind, sondern ist allein durch die nachstehend angegebenen Ansprüche definiert. Ferner beziehen sich in der vorstehenden Beschreibung enthaltene Aussagen auf bestimmte Ausführungsformen und sind nicht als Beschränkungen des Schutzbereiches der Erfindung oder der Definition der in den Ansprüchen verwendeten Begriffe zu verstehen bzw. auszulegen.
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In der vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen sind die Begriffe ”zum Beispiel”, ”z. B.”, ”beispielhaft”, ”wie” und ”entsprechend” sowie die Verben ”aufweisen”, ”haben”, enthalten” und ihre anderen Verbformen für den Fall ihrer Verwendung in Verbindung mit einer Auflistung von einer oder mehreren Komponenten oder anderen Einzelheiten jeweils als offen auszulegen, was bedeutet, dass die Liste andere zusätzliche Komponenten oder Bestandteile nicht ausschließen soll. Addendum A
