DE1206209B

DE1206209B - Method of making spark plugs

Info

Publication number: DE1206209B
Application number: DEB77161A
Authority: DE
Inventors: Dr Fritz Esper; Dr Rer Nat Karl-Herm Dipl-Phys
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1964-06-09
Filing date: 1964-06-09
Publication date: 1965-12-02
Also published as: GB1046920A; US3360676A

Description

Verfahren zum Herstellen von Zündkerzen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Zündkerzen mit einem in deren Isolatorlängsbohrung festsitzenden, elektrisch leitfähigen und die einander zugewendeten Endabschnitte zweier Mittelelektrodenteile gasdicht umschließenden Schmelzflußpfropfen, der nach dem Einsetzen des mit einem kopfartigen Endabschnitt versehenen zündseitigen Elektrodenteiles gegen eine Innenringschulter in der Isolatorlängsbohrung hineingefüllt und dann im Einfüllraum unter Preßdruck des auf die Pulverfüllung aufgesetzten anschlußseitigen Elektrodenteils erhitzt und dadurch, die einander zugehendeten Endabschnitte beider Elektrodenteile umfließend, spaltfrei eingeschmolzen wird.Method of making spark plugs The invention relates to a Process for the production of spark plugs with one in the longitudinal insulator bore fixed, electrically conductive and facing end sections two central electrode parts gas-tight enclosing melt flow plug, after inserting the ignition-side electrode part provided with a head-like end section against an inner ring shoulder in the longitudinal insulator bore and then in the filling chamber under the pressure of the connection side placed on the powder filling Electrode part heated and thereby, the facing end portions of both Flowing around the electrode parts, it is melted without gaps.

Bei den bisher bekannten Verfahren dieser Art verwendet man als leitfähigen Stoff Kupferpulver, das zwar leicht oxydiert und deshalb beispielsweise durch reduzierende Zusätze behandelt werden muß, jedoch in seiner metallischen Form eine sehr gute Leitfähigkeit des Schmelzflußpfropfens im Verhältnis zur verwendeten Kupfermenge ergibt. Auch Silber wurde bereits mit Erfolg verwendet, jedoch ist dieses Metall nur wenig leitfähiger als Kupfer und sogar weniger oxydationsanfällig als jenes, aber andererseits auch wesentlich teurer, so daß sich die Verwendung von Silber als leitfähiger Stoffzusatz in der Schmelzflußmasse normaler Zündkerzen nicht durchsetzen konnte. Außerdem haben beide Metalle einen verhältnismäßig großen Wärmedehnungskoeffizienten, der denjenigen der keramischen Isolatormasse und denjenigen des Glaspulvers weit übersteigt, wodurch sich nach einer entsprechenden Ausdehnung infolge thermischer Belastung einer Zündkerze als Folge der bei der nachträglichen Abkühlung entstehenden Schrumpfung des Schmelzflußpfropfens undichte Stellen ergeben können, die die Lebensdauer einer Zündkerze vorzeitig beenden.In the previously known methods of this type, one uses as a conductive one Substance copper powder, which is easily oxidized and therefore, for example, by reducing Additives must be treated, but in its metallic form a very good one Conductivity of the melt flow plug in relation to the amount of copper used results. Silver has also been used with success, but this is a metal only slightly more conductive than copper and even less susceptible to oxidation than that, but on the other hand also much more expensive, so that the use of silver as a conductive additive in the molten mass of normal spark plugs could. In addition, both metals have a relatively large coefficient of thermal expansion, that of the ceramic insulator compound and that of the glass powder exceeds, whereby after a corresponding expansion due to thermal Load on a spark plug as a result of the subsequent cooling Shrinkage of the melt flow plug can result in leaks that affect its life end prematurely with a spark plug.

Man hat deshalb früher auch schon Graphit als leitfähige Beimengung zu Glaspulververdichtmassen für Zündkerzenmittelelektroden verwendet. Die geringere Leitfähigkeit des Graphits im Vergleich zu Metallen erfordert entsprechend größere Mengenanteile zur Erzielung vergleichbarer Leitfähigkeiten, so daß den Vorteilen geringer Wärmedehnung und oxydfreier Masse, infolge des in Gasform als CO oder C02 entweichenden Kohlenstoffoxydes, der erhebliche Nachteil geringerer Festigkeit eines mit Graphit leitfähig gemachten Schmelzflußpfropfens gegenübersteht und Zündkerzen mit solchen Schmelzflußmassen bei hohen Betriebstemperaturen keine befriedigende Festigkeit des Mittelelektrodenanschlußteiles mehr aufweisen. Alle bisherigen Versuche, im Hinblick auf die vorstehend genannten Schwierigkeiten und Nachteile andere Metalle als leitfähige Komponenten eines Zündkerzenglasflusses zu verwenden, haben nicht zum Erfolg geführt, weil die niedrigschmelzenden Metalle von vornherein aus thermischen Gründen und die hochschmelzenden, meist Edelmetalle, aus preislichen Gründen ausscheiden. Aluminium hat sich als zu oxydationsanfällig herausgestellt und wirkt in oxydiertem Zustand wie ein Isolierstoff. Die für Zündkerzentemperaturen brauchbaren und auch preislich günstigen Metalle, wie Eisen oder Nickel, sind offenbar wesentlich spröder als Kupfer und Silber, weil sich mit diesen Eisenmetallen auch bei Auswahl verschiedener Glassorten und Anwendung größter Fertigungssorgfalt ein dichtsitzender Schmelzflußpfropfen nicht herstellen läßt.For this reason, graphite was also used as a conductive admixture in the past used to make glass powder sealants for spark plug center electrodes. The lesser one The conductivity of graphite compared to metals requires correspondingly greater Quantities to achieve comparable conductivities, so that the advantages low thermal expansion and oxide-free mass, due to the in gaseous form as CO or C02 escaping carbon oxide, the significant disadvantage of lower strength of a with graphite made conductive melt flow plug faces and spark plugs with such melt flow masses at high operating temperatures not a satisfactory one Have the strength of the center electrode terminal part more. All previous attempts other metals in view of the above difficulties and disadvantages to use as conductive components of a spark plug glass flow do not have led to success because the low-melting metals from the outset are thermal Reasons and the high melting point, mostly precious metals, for reasons of price. Aluminum has proven to be too susceptible to oxidation and works in an oxidized one Condition like an insulating material. The ones useful for spark plug temperatures and also Inexpensive metals such as iron or nickel are apparently much more brittle than copper and silver, because these ferrous metals also deal with different ones Glass types and application of the greatest care when manufacturing a tight-fitting melt flow plug can not be produced.

Aus den vorstehend genannten Gründen wird also im allgemeinen nur Kupfer als leitfähiges Zusatzmetall für Schmelzpfropfen von Zündkerzen verwendet, wobei aus Gründen der notwendigen Festigkeit und Abdichtung die im Schmelzfluß eingebetteten Endabschnitte der Elektroden mit Rillen, Spreizköpfen oder flügelähnlichen Ansätzen versehen werden, die sich im Schmelzfluß gut verankern können. Diese Formgebung der einzubettenden Elektrodenabschnitte hat jedoch dann keinen Erfolg, wenn es sich um Silberelektroden handelt, die nicht den anschlußseitigen, sondern den thermisch viel höher belasteten zündseitigen Teil der Mittelelektrode, insbesondere bei Zündkerzen für Zweitaktmotoren, bilden und eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit haben, weil nämlich das Kupfer wegen seiner Oxydationsfreudigkeit für diesen Zweck ausscheidet.For the reasons mentioned above, so in general only Copper used as a conductive filler metal for melting plugs of spark plugs, for reasons of the necessary strength and sealing, those embedded in the melt flow End sections of the electrodes with grooves, expanding heads or wing-like approaches which can anchor themselves well in the melt flow. This shaping however, the electrode sections to be embedded will not be successful if it is It is a matter of silver electrodes, which are not the connection-side but the thermal Much more heavily loaded part of the center electrode on the ignition side, especially in the case of spark plugs for two-stroke engines, form and have a very good thermal conductivity, because namely copper is eliminated for this purpose because of its ability to oxidize.

Silberelektroden haben sich nämlich in Verbindung mit Kupferschmelzflußpfropfen nicht bewährt, weil meist schon beim Einschmelzen der Glasflußmasse das Silber mit den benachbarten Kupferteilen eine niedrigschmelzende eutektische Legierung eingeht und die Silberelektrode als solche ihre scharfkantige Form verliert, so daß sie nicht mehr fest im Schmelzflußpfropfen verankert ist und sich mit zunehmender Betriebszeit lockert. Zur Abhilfe dieses Nachteiles sind verschiedene Wege eingeschlagen worden, wie die Verwendung mehrerer übereinandergeschichteter Glassorten, von denen die zündseitigste ohne jeden Metallzusatz als Befestigung und Dichtung dient und erst oberhalb eines solchen Dichtpfropfens eine andere und elektrisch leitfähig gemachte Glassorte die elektrisch leitende Verbindung der Mittelelektrodenteile übernimmt. Es ist auch bekannt, Silberelektroden mit einer gegenüber dem Kupferanteil des Schmelzflußpfropfens inerten Metallkappe zu versehen, beispielsweise aus Nickel, oder auch nur den Kopf einer Silberelektrode dünnschichtig zu vernickeln. Alle derartigen Maßnahmen stellen jedoch einen erheblichen Mehraufwand dar, zumal sich dabei naturgemäß auch noch die Ausschußziffer erhöht.Namely, silver electrodes have been found in connection with copper melt flow plugs not proven, because usually already when the glass flux is melted the Silver is a low-melting eutectic alloy with the neighboring copper parts enters and the silver electrode as such loses its sharp-edged shape, so that it is no longer firmly anchored in the melt flow plug and with increasing Operating time loosens. Various approaches have been taken to remedy this disadvantage such as the use of several types of glass stacked one on top of the other, of which the one on the ignition side serves as a fastening and seal without any addition of metal and only above such a sealing plug is another and electrically conductive one The type of glass made the electrically conductive connection of the center electrode parts takes over. It is also known to use silver electrodes with a copper content of the melt flow plug to be provided with an inert metal cap, for example made of nickel, or just thin-layer nickel plating on the head of a silver electrode. All such Measures, however, represent a considerable additional effort, especially since they naturally arise also increased the number of rejects.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Auswahl geeigneter leitfähiger Stoffkomponenten eine Pulvermischung zu schaffen, die ohne Verwendung legierungsschädlicher Kupferanteile eine für Silberelektroden geeignete elektrisch leitfähige Schmelzflußmasse ergibt. Erfindungsgemäß wird für ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art vorgeschlagen, daß als Pulvergemisch ein Glaspulver möglichst gleichmäßiger Korngröße verwendet wird, dem als leitfähiger Stoff im wesentlichen Metalle der Eisengruppe und zusätzlich noch Graphit beigemengt wird. Zum Erzielen eines besonders leitfähigen Schmelzflußgefüges wird die Korngröße der leitfähigen Pulverkomponenten im Durchschnitt mindestens dreimal kleiner gewählt als die mittlere Größe der Glaskörner. Auch ist es sehr vorteilhaft, beim Anmischen der Pulvermassen einen Klebstoff zuzusetzen, damit das leitfähige Pulver jeweils als Hüllschicht an den Glaskörnern haftet und dann im eingeschmolzenen Zustand ein den Schmelzflußpfropfen durchsetzendes räumliches Wabengebilde aus leitfähigem Stoff ergibt.The invention is based on the object by selecting suitable ones conductive material components to create a powder mixture that is without use Alloy-damaging copper components an electrically suitable one for silver electrodes results in conductive melt flux. According to the invention for a method of the initially described type proposed that a glass powder as possible as a powder mixture uniform grain size is used, which is essentially the conductive material Metals of the iron group and additionally graphite is added. To achieve of a particularly conductive melt flow structure is the grain size of the conductive Powder components selected on average at least three times smaller than the middle one Size of the glass grains. It is also very advantageous when mixing the powder masses to add an adhesive so that the conductive powder is used as a coating layer adheres to the glass grains and then in the melted state into the melt flow plug penetrating spatial honeycomb structure made of conductive material results.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in seinen wesentlichen Einzelheiten an Hand einer in der Zeichnung dargestellten Zündkerze näher erläutert, wobei die Herstellung von für Zündkerzen bestimmten Schmelzflußmassen als bekannt vorausgesetzt wird. Es zeigt im einzelnen F i g. 1 die Zündkerze im Schnitt, F i g. 2 den Ausschnitt aus F i g. 1 in vergrößerter Darstellung, F i g. 3 ein stark vergrößertes Gefügebild der Pulvermischung vor dem Schmelzvorgang und F i g. 4 das entsprechende Gefügebild nach dem Schmelzvorgang.An embodiment of the method according to the invention is in his essential details on the basis of a spark plug shown in the drawing explained in more detail, the production of melt flow masses intended for spark plugs is assumed to be known. It shows in detail FIG. 1 the spark plug in Section, F i g. 2 shows the excerpt from FIG. 1 in an enlarged view, FIG. 3 shows a greatly enlarged structure of the powder mixture before the melting process and F i g. 4 the corresponding microstructure after the melting process.

Die Zündkerze 1 nach F i g. 1 umfaßt die üblichen Teile, den im metallischen Kerzengehäuse 2 gasdicht eingespannten Isolator 3 und in dessen Längsbohrung 4 die mit einem Gewindeendabschnitt 5 versehene anschlußseitige Mittelelektrode 6, eine aus Silber bestehende zündseitige Mittelelektrode 7 sowie die Masseelektrode 14. Im mittleren Abschnitt der Isdlatorbohrung 4 sitzt ein Schmelzflußpfropfen 8' aus 70% Volumenanteilen Glas, 1'7% Volumenanteilen Eisen und 12,5% Volumenanteilen Graphit sowie etwa 0,5% Dextrin, das als organischer Klebstoff bei Anmischen der Pulvermasse eine gute Bedeckung der Glaskörner 12 mit dem leitfähigen Eisen-Graphit-Pulver 13 nach F i g. 3 ergibt. Das Herstellungsverfahren, das zur Zündkerze 1 führt, wird mit den vorgefertigten Einzelteilen in vier Stufen durchgeführt: Zuerst wird die Silberelektrode 7 von oben her in die Längsbohrung 4 des Kerzenisolators - hineingesteckt, durch den sie hindurchfällt, bis sie sich mit ihrem abgeschrägten kopfartigen Endabschnitt 9 gegen eine Innenringschulter 10 in der Isolatorlängsbohrung 4 anlegt.The spark plug 1 according to FIG. 1 comprises the usual parts, the insulator 3 clamped gas-tight in the metallic plug housing 2 and in its longitudinal bore 4 the connection-side center electrode 6 provided with a threaded end section 5, an ignition-side center electrode 7 made of silver and the ground electrode 14 Melt flow plug 8 'made of 70% by volume of glass, 17% by volume of iron and 12.5% by volume of graphite and about 0.5% dextrin, which as an organic adhesive when the powder mass is mixed, a good coverage of the glass grains 12 with the conductive iron-graphite Powder 13 according to FIG. 3 results. The manufacturing process that leads to the spark plug 1 is carried out with the prefabricated individual parts in four stages: First, the silver electrode 7 is inserted from above into the longitudinal bore 4 of the plug insulator - through which it falls until it meets with its beveled head-like end section 9 against an inner ring shoulder 10 in the longitudinal insulator bore 4.

Dann wird die gut durchgemischte Pulvermasse 8 der obengenannten Zusammensetzung aus Glas, Eisen und auch Eisenoxydbestandteilen, Graphit und Dextrin nach dem in F i g. 3 gezeigten Gefügebild in die Isolatorlängsbohrung eingefüllt. Daß dabei unbeabsichtigt auch Eisenoxydteile vorhanden sind, spielt keine Rolle, weil sowohl das Graphit als auch vor allem das Dextrin die vorteilhafte Eigenschaft haben, in der nachfolgenden Verfahrensstufe als Reduktionsmittel zu wirken, so daß die Eisenoxydbestandteile ebenfalls in metallisches Eisen verwandelt werden.Then the well mixed powder mass 8 of the above-mentioned composition of glass, iron and also iron oxide components, graphite and dextrin according to the method shown in FIG. 3 is filled into the longitudinal insulator bore. The fact that iron oxide parts are inadvertently also present is irrelevant because both the graphite and, above all, the dextrin have the advantageous property of acting as a reducing agent in the subsequent process stage, so that the iron oxide components are also converted into metallic iron.

Sodann wird die Zündkerze 1 zusammen mit einer Serie gleichartiger Kerzen im gleichen Fertigungszustand in einem Heizofen erhitzt, wobei eine entsprechende Anzahl von anschlußseitigen Mittelelektroden 6 maschinell in die betreffenden Isolatorbohrungen eingeführt, auf die dort eingefüllten Pulvermassen aufgesetzt und unter Preßdruck gehalten wird, bis die erhitzte Pulvermischung nachgibt und dann jeweils die einander zugekehrten Endabschnitte beider Elektrodenteile jeder Kerze umfließt und unter Entweichen der vorhandenen Lufteinschlüsse in ihrem Einfüllraum spaltfrei einschmilzt.Then the spark plug 1 becomes more similar together with a series Candles in the same manufacturing state are heated in a heating furnace, with a corresponding Number of connection-side center electrodes 6 mechanically in the relevant insulator bores introduced, placed on the powder masses filled there and under pressure is held until the heated powder mixture gives way and then each other facing end sections of both electrode parts of each candle flows around and under Escape of the existing air inclusions melts in their filling space without gaps.

Schließlich werden die Zündkerzen unter Aufrechthalten des Prcßdrückes abgekühlt, bis die Einschrnelzmasse erstarrt und einen die Mittelelektrodenteile gasdicht umschließenden Schmelzflußpfropfen 8' bildet, dessen Strukturbild im Ausschnitt F i g. 4 zeigt: Die einzelnen Glaskörner 12 haben sich durch den Schmelzvorgang zu einem dichten Glasgerüst 12' zusammengeschlossen, das eine aus den leitfähigen Pulverhüllen 13 nach F i g. 3 entstandene, in sich zusammenhängende, leitfähige Struktur 13' in Form unregelmäßiger räumlicher Waben durchsetzt.Finally, the spark plugs are pressed while maintaining the pressing pressure cooled until the constricting mass solidifies and one of the center electrode parts Gas-tight enclosing melt flow plug 8 'forms, the structure of which in the cutout F i g. 4 shows: The individual glass grains 12 have changed due to the melting process joined together to form a tight glass framework 12 ', one of the conductive Powder shells 13 according to FIG. 3 resulting, coherent, conductive Structure 13 'interspersed in the form of irregular spatial honeycombs.

Zur sicheren Verankerung der zündseitigen und thermisch besonders belasteten Silberelektrode 7 hat deren Kopf 9 einen mit sich gegenseitig kreuzenden Rippen versehenen Ansatz 11, der im Schnittbild nach F i g. 2 teilweise frei liegt, weil deren Zeichnungsebene etwas oberhalb der Kerzenachse liegt, wie auch der teilweise geschnittene Endabschnitt 5 der anschlußseitigen Mittelelektrode 6 in F i g. 2 erkennen läßt. Die elektrische Leitfähigkeit der aus den Teilen 6 und 7 bestehenden Mittelelektrode der Kerze 1 ist unerwartet hoch. Als gesamter Durchgangswiderstand ergeben sich mit nur geringen Streuwerten von ±20% etwa 10 Milliohm, also fast die gleichen Werte, die bei Schmelzflußpfropfen aus Glas und dem theoretisch viel besser leitfähigen Kupferpulver gemessen werden. Die Ursache dafür ist nicht ganz geklärt, es kann jedoch angenommen werden, daß die härteren Eisenteilchen bezüglich ihres gegenseitigen Kontaktdruckes den entsprechenden Kupferteilchen überlegen sind, während das Graphit wohl im wesentlichen, außer den schon genannten Reduktionseigenschaften zur Verhütung von Eisenoxydbildung, als Dichtmittel zwischen den Eisen- und Glaskomponenten eingebettet ist und vielleicht wegen seiner geringen Härte die Ursache dafür ist, daß sich die erfindungsgemäß hergestellten Schmelzflußpfropfen auch bezüglich ihrer Rißbeständigkeit gegenüber thermischen Belastungen den bisher bekannten Schmelzflußmassen überlegen gezeigt haben. Schließlich mag die geringere Wärmedehnung des Eisens sowie des in gleicher Weise verwendbaren Nickels dazu beitragen, daß sich bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch dieser unerwartete Vorteil herausgestellt hat. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren generell für die Zündkerzenherstellung, und zwar sogar für die Mehrzahl derjenigen Zündkerzen, die an sich auch mit einem Glaskupferschmelzfluß haltbar hergestellt werden können, vorzüglich geeignet.For secure anchoring of the ignition-side and especially thermally loaded silver electrode 7 has its head 9 with a mutually crossing Ribbed approach 11, which in the sectional view according to F i g. 2 is partially exposed, because their drawing plane is slightly above the candle axis, as is the partial cut end section 5 of the connection-side center electrode 6 in FIG. 2 recognize leaves. The electrical conductivity of the center electrode consisting of parts 6 and 7 candle 1 is unexpectedly high. The total volume resistance results with only small scatter values of ± 20% about 10 milliohms, i.e. almost the same values, those of glass melt flow plugs and those that are theoretically much better conductive Copper powder can be measured. The reason for this is not entirely clear, it can however, it is assumed that the harder iron particles with respect to one another Contact pressure are superior to the corresponding copper particles, while the graphite probably essentially, apart from the already mentioned reducing properties for prevention of iron oxide formation, embedded as a sealant between the iron and glass components is and perhaps because of its low hardness is the reason that the Melt flow plugs produced according to the invention also with regard to their crack resistance superior to the previously known melt flow masses in relation to thermal loads have shown. Finally, the lower thermal expansion of the iron and the in in the same way usable nickel contribute to the fact that when carrying out the method according to the invention has also shown this unexpected advantage. Thus, the method according to the invention is generally applicable to spark plug production, and even for the majority of those spark plugs that also come with a Glass copper melt flow can be made durable, eminently suitable.

Claims

Claims: 1. A method for producing spark plugs with an electrically conductive melt flow plug which is stuck in the longitudinal insulator bore and encloses the facing end sections of two central electrode parts in a gas-tight manner as a mixture of glass particles with conductive powder in the insulator bore and then heated in the filling space under pressure of the connection-side electrode part placed on the powder filling and, flowing around the facing end sections of both electrode parts, is melted without gaps, characterized in that a powder mixture (8) Glass powder of as uniform a grain size as possible (12) is used, the conductive substance (13) being essentially metals of the iron group and additionally graphite be mixed.

2. The method according to claim 1, characterized in that to achieve a particularly conductive melt flow structure (8 ') the grain size of the conductive powder components (13) is selected on average at least three times smaller than the mean size of the glass grains (12).

3. Procedure according to Claim 2, characterized in that when the filling powder is mixed, a Adhesive such as dextrin is added so that the conductive powder acts as a coating layer adheres to the glass grains.

4. The method according to claims 1 to 3, characterized in that that iron or iron oxide is used as conductive powder.

5. Process according to claims 1 to 4, characterized in that nickel, optionally also alloyed with other metals, is used as the conductive powder. Considered publications: German utility model No. 1789 426, 1867697.