DE1209301B

DE1209301B - The use of an iron alloy as a material for spark plug electrodes

Info

Publication number: DE1209301B
Application number: DED33818A
Authority: DE
Inventors: Dr Horst Ringpfeil; Werner Schuffenhauer
Original assignee: Akademie der Wissenschaften der DDR
Current assignee: Akademie der Wissenschaften der DDR
Priority date: 1960-07-20
Filing date: 1960-07-20
Publication date: 1966-01-20

Description

Die Verwendung einer Eisenlegierung als Werkstoff für Zündkerzenelektroden Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Eisenlegierung als Werkstoff für Zündkerzenelektroden mit guten Kaltstarteigenschaften und hoher Lebensdauer.The use of an iron alloy as a material for spark plug electrodes The invention relates to the use of an iron alloy as a material for spark plug electrodes with good cold start properties and a long service life.

Während in betriebswarmen Brennkraftmaschinen für die Bildung des Zündfunkens im allgemeinen günstigere Bedingungen vorliegen, ist der einwandfreie Ablauf des Zündvorganges beim Start des Motors im kalten Zustand wesentlich erschwert. Zur Steigerung der spezifischen Leistung von Kraftfahrzeugmotoren besteht die Tendenz, das Kraftstoff-Luft-Gemisch, möglichst hoch zu verdichten.While in warm internal combustion engines for the formation of the If the ignition spark generally has more favorable conditions, it is flawless Sequence of the ignition process when starting the engine in a cold state is made much more difficult. To increase the specific power of motor vehicle engines, there is a tendency to compress the fuel-air mixture as high as possible.

Wegen der Abhängigkeit der für die Bildung des Zündfunkens erforderlichen Spannung vom Verdichtungsdruck werden infolge der erwähnten Entwicklungstendenz die Bedingungen für eine einwandfreie Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches immer ungünstiger. Dazu kommt, daß zur Erhöhung der Klopffestigkeit des Kraftstoffes, die durch die Steigerung des Verdichtungsgrades erforderlich wird, diesem meist bleihaltige Antiklopfmittel zugesetzt werden, die aber die Korrosion der Elektroden verstärken und durch Bildung von Krusten auf den Elektrodenspitzen die Zündwilligkeit bzw. die für das Überspringen des Zündfunkens erforderliche Zündspannung auch bei Betriebstemperatur nachteilig beeinflussen.Because of the dependence of the required for the formation of the ignition spark Tension from compression pressure will be due to the mentioned development tendency the conditions for perfect ignition of the fuel-air mixture less favorable. In addition, to increase the knock resistance of the fuel, which is necessary due to the increase in the degree of compression, this mostly lead-containing anti-knock agents are added, which, however, reduce the corrosion of the electrodes and through the formation of crusts on the electrode tips, the ignitability or the ignition voltage required to skip the ignition spark also at Adversely affect operating temperature.

Wegen der relativ hohen thermischen Belastung der in den Verbrennungsraum ragenden metallischen Teile der Zündkerze, insbesondere der in keramische Isolierstoffe eingebetteten Mittelelektroden, und der gleichzeitigen Anwesenheit oxydierender Gase wurden die Werkstoffe für Zündkerzenelektroden vorwiegend nach ilire;n korrosiven Verhalten ausgewählt. So sind zur Verwendung für Zündkerzenelektroden Legierungen des Nickels mit. Zusätzen, insbesondere von Mangan, Silizium oder Chrom, bekannt. Zur Verininderun g der die Lebensdauer der Zündkerzen stark herabsetzenden @orrosionserscheinrni@gen sind als Legiei-ungszusatzel;@rnente auch Molybdän, Wolfram, Tantal, Zirkonium, Titan, Aluminium u. a. oder sogar der Einsatz von Elektroden aus Edelmetallers, z. B. Silber und Platin, bzw. aus höchstschmelzenden Metallen, z. B. Wolfram, vorgeschlagen worden.Because of the relatively high thermal load in the combustion chamber protruding metallic parts of the spark plug, especially those made of ceramic insulating materials embedded center electrodes, and the simultaneous presence of oxidizing Gases became the materials for spark plug electrodes predominantly according to ilire; n corrosive Behavior selected. For example, alloys are used for spark plug electrodes of nickel with. Additions, in particular of manganese, silicon or chromium, are known. To reduce the signs of corrosion, which severely reduce the service life of the spark plugs are as alloy additives; @rnente also molybdenum, tungsten, tantalum, zirconium, Titanium, aluminum and others or even the use of electrodes made of precious metals, z. B. silver and platinum, or from extremely melting metals, z. B. tungsten suggested been.

Die vorzugsweise bisher für Zündkerzenelektroden verwendeten Nickellegierungen mit ? bis 4°/o Mangan beanspruchen bei den heute für Kraftfahrzeugmotoren gestellten Anforderungen die Zündaggregate bis an die äußerste Grenze ihrer Leistungsfähigkeit und zeigen d@ii°i'ibci- hinaus keine genügende Abbrandfestigl:eit. Hieraus ergaa sich weiterhin, daß auch eine Verbesserung der Zündwilligkeit der Elektrodenwerkstoffe bei gleichzeitiger hon,--i- Abbrandfestigkeit und Gewährlcistun- der fül° lcol@e Lebensdauer der Züiidkvrzei, geforderten Eigenschaften bisher noch nicht erzielt werden konnte.The nickel alloys previously used for spark plug electrodes with ? up to 4 ° / o of manganese is claimed in those used today for motor vehicle engines Demands the ignition units to the extreme limit of their performance and do not show sufficient burn resistance. From this result furthermore, that there is also an improvement in the ignitability of the electrode materials with simultaneous hon, - i- erosion resistance and guarantee period fül ° lcol @ e Service life of the Züiidkvrzei, required properties not yet achieved could be.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zündwilligkeit des Elektrodenwerkstoffes bei gleichzeitig hoher Abbrandfestigkeit zu verbessern und weitere in der Praxis auftretende Erfordernisse zu berücksichtigen.The invention is based on the problem of the ignitability of the electrode material with high erosion resistance at the same time and more in practice to take into account any requirements.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Eisenlegierung mit 20 bis 3001, Chrom, 1. bis 20/, Silizium, 0,1 bis 0,5010 Kobalt, bis zu 5111, vorzugsweise 1,5 °/o Thorium, Rest Eisen, wobei Thorium durch ein anderes Element der Gruppe der Uranmetalle ersetzt sein kann.This object is achieved by an iron alloy with 20 to 3001, chromium, 1. to 20 /, silicon, 0.1 to 0.5010 cobalt, up to 5111, preferably 1.5% thorium, the remainder being iron, with thorium through another element of the group of uranium metals can be replaced.

Die Herstellung dieser Legierung erfolgt vorzugsweise unier einem Vakuum von 10-2 bis 10-3 Torr, wobei die Zugabe des Thoriums oder eines anderen Elementes der Gruppe der Uranmetalle erst nach vollständiger Desoxydation des Schmelzbades erfolgt.The production of this alloy is preferably carried out in one Vacuum from 10-2 to 10-3 Torr, with the addition of the thorium or another Element of the group of uranium metals only after complete deoxidation of the melt pool he follows.

Es wurde gefunden, daß durch die natürliche Radioaktivität des erfindungsgemäßen Zusatzes von Thorium bzw. anderer Elemente der Uranmetallgruppe die zur Bildung des Zündfunkens erforderliche elektrische Spannung durch Ionisation des Gases in der Funkenstrecke gegenüber den bekannten Legierungen für Zündkerzenelektroden wesentlich Herabgesetzt wird, ohne daß durch die Radioaktivität irgendwelche nachteilige Folgen auftreten oder Schutzmaßnahmen gegen Strahlenschädigung erforderlich sind.It has been found that the natural radioactivity of the invention Addition of thorium or other elements of the uranium metal group to form electrical voltage required for ignition spark by ionization of the gas in the spark gap compared to the known alloys for spark plug electrodes Is reduced without any adverse consequences from the radioactivity occur or protective measures against radiation damage are required.

Bei Verwendung der vorgeschlagenen Legierung mit 1,501, Thorium wurde bei einem Verdichtungsdruck von 8 atü und Kaltstartbedingungen die erforderliche Zündspannung gegenüber der gleichen Legierung ohne Thoriumzusatz um 21 % und gegenüber der bekannten Zündkerzenlegierung NiMri 4 um 25 °/4 erniedrigt.When using the proposed alloy with 1.501 thorium, the required ignition voltage was reduced by 21% compared to the same alloy without the addition of thorium and by 25 ° / 4 compared to the known NiMri 4 spark plug alloy at a compression pressure of 8 atmospheres and cold start conditions.

Darüber hinaus zeigt die vorgeschlagene Legierung eine wesentlich bessere Korrosions- und Zunderbeständigkeit als die für Zündkerzeiielektroden bekannten Legierungen auf Nickelbasis. Es ist bereits vorgeschlagen worden, Eisenlegierungen durch einen Zusatz von Thorium gegen chemischen Angriff widerstandsfähiger zu machen. Es wurde jedoch die Meinung vertreten, daß hierzu Mengen von mindestens 20/, Thorium erforderlich sind und daß in der Eisenlegierung der Zusatz von Chrom bzw. von Chrom in Kombination mit Silizium 200/, nicht übersteigen darf. Solche Werkstoffe sind aber der vorgeschlagenen Legierung mit vorzugsweise 25 bis 30 °/o Chrom und 1 bis 2 °/o Silizium hinsichtlich ihres Zunderverhaltens wesentlich unterlegen und gewährleisten nicht die von Zündkerzen geforderte Lebensdauer. Das wesentliche Merkmal der Legierung besteht jedoch in der Verbesserung der Zündwilligkeit, die die Legierung in Verbindung mit ihrer höhen Zunderbeständigkeit zur Verwendung als Elektrodenwerkstoff für Zündkerzen hervorragend geeignet macht.In addition, the proposed alloy exhibits an essential feature better corrosion and scaling resistance than those known for spark plug electrodes Nickel based alloys. It has already been suggested Iron alloys are more resistant to chemical attack through the addition of thorium close. However, it was believed that quantities of at least 20 /, Thorium are required and that in the iron alloy the addition of chromium or of chromium in combination with silicon 200 /, must not exceed. Such However, materials are the proposed alloy with preferably 25 to 30% Chromium and 1 to 2% silicon are significantly inferior in terms of their scaling behavior and do not guarantee the service life required of spark plugs. The essentials However, the characteristic of the alloy is the improvement in ignitability, which the alloy in connection with its high scaling resistance for use as Makes electrode material ideal for spark plugs.

Da Eisen-Chrom-Legierungen insbesondere gegenüber den Nickelwerkstoffen bei Raumtemperatur eine wesentlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit besitzen, wurden bisher solche Legierungen für Zündkerzenelektroden für ungeeignet gehalten. Messungen der Leitfähigkeit erfindungsgemäß hergestellter Elektrodenwerkstoffe ergaben demgegenüber, daß sich die Wärmeleitfähigkeit dieser Legierungen bei den Temperaturen, wie sie sich während des Betriebes der Brennkraftmaschine nach kurzer Zeit einstellen, derjenigen der bisher gebräuchlichen Elektroden aus Nickellegierungen sehr rasch angleicht. Außerdem kann durch eine zweckentsprechende konstruktive Gestaltung des Isolatorkörpers der Zündkerze der im mittleren Temperaturbereich etwas geringeren Wärmeleitfähigkeit des vorgeschlagenen Elektrodenwerkstoffes Rechnung getragen werden, so daß deren bedeutend bessere Abbrandfestigkeit gegenüber den Nickellegierungen als ein entscheidender Vorteil voll ausgenutzt werden kann.Because iron-chromium alloys especially compared to nickel materials have a significantly poorer thermal conductivity at room temperature hitherto such alloys have been considered unsuitable for spark plug electrodes. Measurements the conductivity of electrode materials produced according to the invention, on the other hand, showed that the thermal conductivity of these alloys at temperatures as they adjust themselves after a short time during the operation of the internal combustion engine, those of the electrodes made of nickel alloys that have been used up to now very quickly. In addition, an appropriate structural design of the insulator body the spark plug has slightly lower thermal conductivity in the medium temperature range of the proposed electrode material are taken into account, so that their Significantly better erosion resistance compared to the nickel alloys than a decisive one Advantage can be fully exploited.

Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Legierung für die Verwendung als Zündkerzenmittelelektrode besteht darin, daß der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient um 200/, niedriger liegt als bei den bisher verwendeten Elektrodenwerkstoffen auf Nickelbasis. Dadurch wird die Gefahr, daß der Isolierkörper, in welchen die Elektroden gasdicht eingekittet werden, bei einsetzender Betriebserwärmung aufgesprengt oder gasundicht wird, wesentlich verringert. Bei den bisher verwendeten Zündkerzenwerkstoffen ist diese Erscheinung eine häufige Ursache des völligen Unbrauchbarwerdens der Zündkerze oder sogar schwerwiegender Beschädigungen der Motorteile durch abgesprengte Keramikteile der Zündkerze.Another advantage of the proposed alloy for use as a spark plug center electrode is that the linear thermal expansion coefficient is around 200 /, lower than with the previously used electrode materials Nickel base. This increases the risk that the insulating body in which the electrodes be puttied in a gas-tight manner, blown open when the system warms up or gas leak is significantly reduced. With the previously used spark plug materials this phenomenon is a common cause of the spark plug becoming completely unusable or even serious damage to the engine parts from blown ceramic parts the spark plug.

Außer den bereits erwähnten korrosionsfördernden Stoffen, die im Kraftstoff enthalten sind, wird der Korrosionsangriff auf die Elektrodenwerkstoffe noch wesentlich durch die bei der Verbrennung erfolgte Bildung von Ozon, Stickoxyd und salpetriger Säure verstärkt. Die Lebensdauer der Zündkerze ist deshalb auch sehr entscheidend von der chemischen Korrosionsbeständigkeit des Elektrodenwerkstoffes abhängig. Diese wird wesentlich gesteigert, wenn nach dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren der Werkstoff im Vakuum geschmolzen und gegossen wird. Es kommt dabei besonders darauf an, daß die im Einsatzmaterial noch vorhandenen Verunreinigungen, insbesondere Oxyde, vor der Zugabe des für die Erhöhung der Zündwilligkeit vorgeschlagenen Zusatzes von Thorium aus dem Schmelzbad entfernt werden.Except for the already mentioned corrosive substances in the fuel are contained, the corrosion attack on the electrode materials is still significant due to the formation of ozone, nitrogen oxide and nitrous oxide during combustion Acid strengthens. The lifespan of the spark plug is therefore very important depends on the chemical corrosion resistance of the electrode material. These is significantly increased if according to the method proposed according to the invention the material is melted and poured in a vacuum. It is special on that the impurities still present in the feed, in particular Oxides, before the addition of the additive suggested to increase the ignitability of thorium from the weld pool.

Die Schmelzen werden hierbei in an sich bekannter Weise in einem Tiegel, vorzugsweise mit einer Mg0-Auskleidung, hergestellt, wobei zuerst das Eisen und das Kobalt unter Vakuum niedergeschmolzen und dann mit etwa 0,3 °/o Mangan desoxydiert wird. Danach wird das Chrom zugesetzt. Nach vollständiger Auflösung des Chroms im Eisenbad wird Silizium in einer solchen Menge zugegeben, wie die Endzusammensetzung aufweisen soll, jedoch mit einer zusätzlichen Menge, je nach Oxydgehalt der Schmelze, zur weiteren Desoxydation des Schmelzbades. Nach vollständiger Beruhigung des Schmelzbades, die die Beendigung des Desoxydationsvorganges anzeigt, wird das Thorium zugesetzt und nach Erreichung der Gießtemperatur unter Vakuum abgegossen.The melts are here in a known manner in a crucible, preferably with a Mg0 lining, made first, the iron and the cobalt melted under vacuum and then deoxidized with about 0.3% manganese will. Then the chromium is added. After complete dissolution of the chromium in the To the iron bath, silicon is added in such an amount as the final composition should have, but with an additional amount, depending on the oxide content of the melt, for further deoxidation of the weld pool. After the melt pool has completely settled, which indicates the end of the deoxidation process, the thorium is added and after reaching the casting temperature it is poured off under vacuum.

Diese Legierung eignet sich auch für Anwendungszwecke, bei denen bei hohen Temperaturen gute Korrosions- und Zunderbeständigkeit verlangt wird, wie dies z. B. bei Heizleitern und im chemischen Apparatebau der Fall ist.This alloy is also suitable for applications in which good corrosion and scaling resistance is required at high temperatures, such as this z. B. is the case with heating conductors and in chemical apparatus engineering.

Claims

Claims: 1. Use of an alloy with 20 to 300 %, chromium, 1 to 2% silicon, 0.1 to 0.5% cobalt, up to 5010, preferably 1.501,) thorium, the remainder being iron as a material for spark plug electrolyte 'trot.

2. Use of an alloy according to claim 1, wherein the thorium is represented by other elements the uranium metal group is replaced in the content range specified in claim 1, for the purpose of claim 1.

3. A method for producing the in claim 1 or 2 mentioned and for the purpose indicated there to be used alloy, thereby characterized in that the alloy melted at preferably 10-Z to 10-3 Torr and the addition of thorium or one or more elements from the group of uranium metals takes place only after complete deoxidation of the weld pool. Considered References: British Patent No. 437,739.