DE19631985A1

DE19631985A1 - Electrode with a wear-resistant coating, spark plug and process for its manufacture

Info

Publication number: DE19631985A1
Application number: DE19631985A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr Niegel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-08-08
Filing date: 1996-08-08
Publication date: 1998-02-19
Also published as: WO1998007220A1; BR9706642A; CN1198848A; HUP9901495A3; EP0860043A1; JPH11514145A; HUP9901495A2; DE59709228D1; EP0860043B1

Abstract

A spark plug for internal combustion engines is disclosed. At least one of the electrodes of the spark plug is protected, in particular wear-protected, by an anti-wear layer applied by laser powder coating.

Description

State of the art

Die Erfindung geht aus von einer Elektrode für elektrische Entladungen, insbesondere Zündkerzenelektroden, mit einem Elektrodengrundkörper aus Metall, Zündkerze, sowie einem Verfahren zu ihrer Herstellung nach der Gattung des Hauptanspruchs.The invention is based on an electrode for electrical Discharges, especially spark plug electrodes, with a Electrode base made of metal, spark plug, and one Process for their preparation according to the genus of Main claim.

Gängige Zündkerzen besitzen in der Regel eine Mittenelektrode und eine Massenelektrode, wobei die Spitzen beider Elektroden so zueinander angeordnet sind, daß eine Funkenstrecke frei gelassen ist. Durch die dauernde Funkenerzeugung zwischen beiden Elektroden unterliegen die Spitzen einem erheblichen Verschleiß. Dieses Problem stellt hohe Anforderung an die Temperaturfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Wärmeausdehnungscharakteristik der Elektrodenspitze dar. Funkenerosion und Oxidationserscheinungen führen ebenfalls zu erheblichen Beanspruchungen. Aus der DE 40 39 778 ist ein Verfahren zur Beschichtung der Elektrodenspitzen mit korrosionsfesten Materialien bekannt. Nach dieser Druckschrift werden Elektrodengrundkörper oder auch nur die Elektrodenspitzen mit einer intermetallischen Phase versehen. Diese Herstellung der intermetallischen Phase kann für die Produktion aufwendig sein. Darüber hinaus zeigen die intermetallischen Phasen ein sehr sprödes Verhalten. Im Falle des Legierens von intermetallischen Phasen wird die Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit erheblich herabgesetzt.Common spark plugs usually have one Center electrode and a ground electrode, with the tips both electrodes are arranged so that one another Spark gap is left free. Because of the permanent Spark generation between the two electrodes is subject to Tips of significant wear. This poses a problem high demands on temperature resistance, Corrosion resistance and thermal expansion characteristics of the electrode tip. Spark erosion and Oxidation phenomena also lead to considerable Stresses. DE 40 39 778 describes a method for Coating the electrode tips with corrosion-resistant Known materials. According to this publication Electrode body or just the electrode tips provided with an intermetallic phase. This Production of the intermetallic phase can be done for the Production can be complex. In addition, the intermetallic phases a very brittle behavior. in the In the case of alloying intermetallic phases, the Resistance to corrosion and oxidation considerably reduced.

Advantages of the invention

Die erfindungsgemäße Elektrode bzw. Zündkerze mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Verschleißschicht mit thermischen Beschichtungsverfahren aufgebracht wird, dessen Einsatz in der Produktion erheblich einfacher ist und den Verbund chemisch unterschiedlicher Werkstoffe mit geringer gegenseitiger Aufmischung erlaubt.The electrode or spark plug according to the invention with the has characteristic features of the main claim in contrast, the advantage that the wear layer with thermal coating process is applied, the Use in production is much easier and the Compound of chemically different materials with less mutual mixing allowed.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Elektrode und des Verfahrens zur Herstellung der Elektrode möglich.By the measures listed in the subclaims advantageous developments and improvements in Main claim specified electrode and the method for Manufacture of the electrode possible.

Besonders vorteilhaft ist es, daß mit Pulverspritzverfahren unterschiedlichste Materialien als Korrosionsschutz für die Elektrodenspitze aufgebracht werden können. Dabei sind mit Materialien wie Metalle, Legierungen von Metallen, Metallkeramiken, oder Oxide usw. denkbar.It is particularly advantageous that with powder spraying different materials as corrosion protection for the Electrode tip can be applied. Are with Materials such as metals, alloys of metals, Metal ceramics, or oxides, etc. are conceivable.

Besonders einfach und vorteilhaft ist die Herstellung einer erfindungsgemäßen Elektrode mit der korrosionsfesten Beschichtung mithilfe der thermischen Pulverbeschichtungsverfahren.The production of a is particularly simple and advantageous inventive electrode with the corrosion-resistant Coating using thermal Powder coating process.

Dabei ist besonders das Laser-Beschichtungsverfahren vorteilhaft, da damit streng begrenzte und punktgenaue Beschichtungen aufgebracht werden können.The laser coating process is particularly important advantageous because it is strictly limited and precise Coatings can be applied.

Vorteilhafterweise werden Zündkerzen mit Elektroden, von denen mindestens einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtet ist, ausgestattet. Advantageously, spark plugs with electrodes from which at least one according to the inventive method is coated.

Dabei werden Teilbereiche der Elektroden beschichtet, wie Elektrodenspitzen, Elektrodenmantelbereiche, Elektrodenflächen mit Einkerbungen oder kegelförmigen Aussparungen.Partial areas of the electrodes are coated, such as Electrode tips, electrode jacket areas, Electrode surfaces with notches or conical Recesses.

drawing

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 den schematischen Produktionsablauf zur Herstellung einer Elektrode mit einer korrosionsfesten Beschichtung, Fig. 2 und Fig. 3 zwei Beispiele für beschichtete Elektrodenkörper.Embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description. It shows Fig. 1 shows the schematic production process for producing an electrode having a corrosion-resistant coating, Fig. 2 and Fig. 3 two examples for coated electrode body.

Description of the embodiment

Die Erfindung verwendet ein modernes Beschichtungsverfahren zur Herstellung von Verschleißschutzschichten z. B. für Zündkerzenelektroden. Das thermische Spritzen als moderne Oberflächentechnologie bietet dabei vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Damit lassen sich Bauteile aus verschiedensten Grundstoffen im erfindungsgemäßen Fall aus Metall, mit Schichten aus hochschmelzenden Metallen, Oxiden und Metallkeramiken zum Schutz vor Verschleiß und Korrosion versehen. Es können nahezu alle Beschichtungswerkstoffe, die in Pulverform herstellbar sind, verarbeitet werden. Der Spritzzusatz wird einer energiereichen Wärmequelle zugeführt und aufgeschmolzen. Die schmelzflüssigen Partikel des Beschichtungsstoffes werden in Richtung eines Substrats beschleunigt und treffen mit meist hoher Geschwindigkeit auf, um eine Schicht zu bilden. Das Substrat unterliegt während des Prozesses in der Regel einer nur geringen thermischen Belastung. Der Spritzstrahl ist bei allen Verfahren räumlich stark begrenzt, dennoch liegen die Spritzverluste bei 20 bis 40%. Eine Ausnahme bildet da das Laserspritzen, wo der Beschichtungswerkstoff mit Hilfe eines Trägergases langsam in den Fokusbereich eines Laserstrahls geblasen wird. Gleichzeitig wird durch den Laserstrahl das Substrat aufgeschmolzen, so daß in der Schmelze eine Verbindung zwischen Substrat und Beschichtungswerkstoff entsteht. Das Laserspritzen zeichnet sich dadurch aus, daß es sich um ein echtes Einstufenverfahren handelt. Bisher wurde eine Werkstückoberfläche zunächst beschichtet und anschließend in einem zweiten Arbeitsgang mit Hilfe eines Laserstrahls nachbehandelt. Bei diesem Verfahren werden beide Schritte kombiniert. Das Laserspritzen wird zumeist mit CO₂-Laser mit Nettoleistungen von einigen Kilowatt eingesetzt.The invention uses a modern coating process for the production of wear protection layers z. B. for Spark plug electrodes. Thermal spraying as modern Surface technology offers diverse Possible uses. This allows components to be removed various basic materials in the case according to the invention Metal, with layers of refractory metals, oxides and metal ceramics to protect against wear and corrosion Mistake. Almost all coating materials can be used can be produced in powder form, processed. Of the Spray additive is fed to an energy-rich heat source and melted. The molten particles of the Coating material is directed towards a substrate accelerates and hits at mostly high speed to form a layer. The substrate is subject to during the process usually only a minor one thermal load. The spray jet is with everyone Procedures are very limited in space, yet the Spray losses at 20 to 40%. This is an exception Laser spraying, where the coating material with the help of a Carrier gas slowly into the focus area of a laser beam is blown. At the same time, the Molten substrate, so that in the melt Connection between substrate and coating material arises. Laser spraying is characterized in that it is a real one-step process. So far a workpiece surface was first coated and then in a second step using a Aftertreated by laser beam. In this procedure both steps combined. Laser spraying is mostly used with CO₂ laser with a net output of a few kilowatts used.

Thermisch gespritzte Schichten zeichnen sich durch Schichtdicken im Bereich von 100 µm bis zu einigen mm aus, wobei der Bindungsmechanismus entweder auf mechanischer Verklammerung, Adhäsion, Diffusion, chemischer Bindung oder elektrostatischen Kräften beruht. Mit den thermischen Spritzverfahren, wobei das Laserspritzen dem Plasmaspritzen, Lichtbogenspritzen oder Flammspritzen vorzuziehen ist, können Elektroden aus verschiedenen Grundwerkstoffen mit Verschleißschutzschichten aus hochschmelzenden Metallen, Legierungen, Metallkeramiken und anderen Verbindungen (Silizide, Oxide, Aluminide, Boride, Nitride, Carbide) gegen Funkenerrosionsverschleiß und Korrosionsverschleiß versehen werden. Besonders geeignet für die Beschichtung und besonders verschleißfest haben sich die Legierungen NiCr₃₁Al₁₁Y_0,5 und RuAl₁₁ erwiesen. Diese Materialien weisen nach Thermoschockprüfung und Laufzeituntersuchungen eine deutlich verbesserte Standfestigkeit im Vergleich zu bisher verwendeten Verschleißschutzschichten auf. Thermally sprayed layers are characterized by layer thicknesses in the range from 100 µm to a few mm, whereby the binding mechanism is based either on mechanical clamping, adhesion, diffusion, chemical bonding or electrostatic forces. With thermal spray processes, whereby laser spraying is preferable to plasma spraying, arc spraying or flame spraying, electrodes made of different base materials with wear protection layers made of refractory metals, alloys, metal ceramics and other compounds (silicides, oxides, aluminides, borides, nitrides, carbides) against spark erosion wear and Corrosion wear can be provided. The alloys NiCr₃₁Al₁₁Y _0.5 and RuAl₁₁ have proven particularly suitable for the coating and particularly wear-resistant. After thermal shock testing and runtime tests, these materials have a significantly improved stability compared to previously used wear protection layers.

Fig. 1 zeigt den schematischen Fertigungsablauf zur Fertigung von Zündkerzenelektroden aus einem Verbunddraht. In der Station S1 wird der nickelummantelte Kupferdraht von einer Rolle abgezogen und kalibriert. Station S2 stellt die maßgenauen Drahtabschnitte 1 her, die in Station S3 angestaucht werden, um den Elektrodensitz 8 herzustellen. In Station S4 wird z. B. mit einem Laser die verschleißfeste Schicht aufgebracht, nachdem der Elektrodengrundkörper konfektioniert wurde. In einer letzten Station S5 wird die Elektrode, die nun fertig beschichtet vorliegt, nachbehandelt, und Grate z. B. durch Abschleifen entfernt. Die Elektrode wird nach ihrer Fertigstellung in den Keramikkörper verbaut. Fig. 1 shows the schematic manufacturing process for the manufacture of spark plug electrodes from a composite wire. In station S1, the nickel-coated copper wire is pulled off a roll and calibrated. Station S2 produces the dimensionally accurate wire sections 1 which are upset in station S3 in order to produce the electrode seat 8 . In station S4 z. B. applied the wear-resistant layer with a laser after the electrode base has been assembled. In a last station S5, the electrode, which is now fully coated, is post-treated, and burrs, e.g. B. removed by grinding. The electrode is installed in the ceramic body after its completion.

Fig. 2 zeigt eine Mittelelektrode 1, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus Fig. 1 beschichtet wurde. Man erkennt, daß mit diesem Verfahren sehr präzise auch dünne Schichten aufgebracht werden können. Dabei spielt auch die Geometrie der Werkstücke keine Rolle. Die Beschichtung erfolgt vor dem Einbau der Elektrode in den Keramikkörper. An der Übergangsstelle 5 zwischen Mantelbeschichtung 4 und Elektrodenkörper 1 gibt es gut getrennte Phasen zwischen Elektrodenkörper und Beschichtung, die beispielsweise einen Dicke von 0,5 mm aufweist. Der Elektrodengrundkörper muß im Bereich der Beschichtung für die Beschichtung konfiguriert werden. Im Beispiel der Fig. 2 wird der nickelummantelte Kupferdraht spanend oder nichtspanend auf einen reduzierten Durchmesser gebracht. Dabei muß darauf geachtet werden, daß der Kupferkern nicht bloßgelegt wird, da es sonst zu Korrosionserscheinungen kommt. Soll, wie in Fig. 2, die Stirnfläche nicht beschichtet werden, muß ein thermisches Verfahren mit einer starken Bündelung des Strahles eingesetzt werden, d. h. Laser- oder Elektronenstrahlspitzverfahren. Ein Plasmastrahl ergäbe einen zu breiten thermischen Bereich. FIG. 2 shows a center electrode 1 which has been coated by the method according to the invention from FIG. 1. It can be seen that even thin layers can be applied very precisely with this method. The geometry of the workpieces is also irrelevant. The coating takes place before the electrode is installed in the ceramic body. At the transition point 5 between the jacket coating 4 and the electrode body 1, there are well-separated phases between the electrode body and the coating, which for example have a thickness of 0.5 mm. The electrode base body must be configured for the coating in the area of the coating. In the example of FIG. 2, the nickel-coated copper wire is cut or reduced to a reduced diameter. Care must be taken to ensure that the copper core is not exposed, otherwise there will be signs of corrosion. If, as in FIG. 2, the end face is not to be coated, a thermal process with strong beam bundling must be used, ie laser or electron beam pointed process. A plasma jet would result in a too wide thermal range.

Für viele Anwendungen ist aber auch eine Beschichtung der Stirnflächen der Elektroden tolerierbar oder sogar erwünscht.For many applications, however, a coating of End faces of the electrodes tolerable or even he wishes.

Wie in Fig. 3 zu sehen, kann auch die Gegenelektrode 3, die im Kerzengehäuse 2 installiert ist, mit einer Beschichtung, die in diesem Beispiel in einer kegelförmigen Vertiefung 7 aufgebracht wird, versehen werden. Hier kann die Beschichtung vorgenommen werden, nachdem die Elektrode im Gehäuse verbaut ist, wenn man ein Laserspritzverfahren einsetzt.As can be seen in FIG. 3, the counter electrode 3 , which is installed in the candle housing 2 , can also be provided with a coating, which in this example is applied in a conical depression 7 . Here the coating can be carried out after the electrode has been installed in the housing, if a laser spraying process is used.

Über die Beschichtungsverfahren für Mittelelektroden hinaus, können auch andere Elektroden mit Verschleißschutzschichten versehen werden. Hierbei ist die Beschichtung fast jeder geometrischen Form möglich. Es können Stirn- oder Mantelflächenbeschichtungen von fließgepreßten Mittelelektroden, Beschichtungen von Profildrähten für Masseelektroden, oder Beschichtungen von Elektrodenronden- oder -platinen vorgenommen werden.Beyond the coating processes for central electrodes, can also use other electrodes with wear protection layers be provided. Here, the coating is almost everyone geometric shape possible. It can be forehead or Shell surface coatings of extruded Center electrodes, coatings for profile wires for Ground electrodes, or coatings of electrode blank or boards are made.

Claims

1. Electrode for electrical discharges, in particular spark plug electrode, with an electrode base made of metal, characterized in that the electrode has a wear protection layer, which was applied with a thermal spraying process using powdered coating material, at least on a partial area of the electrode surface.

2. Electrode for electrical discharges according to claim 1, characterized in that the wear protection layer Metals or alloys of metals, preferably of Nickel alloys or precious metal compounds exist.

3. electrode for electrical discharges according to claim 1, characterized in that the wear protection layer There is metal ceramics.

4. electrode for electrical discharges according to claim 1, characterized in that the wear protection layer Metal connections exist.

5. A method for producing an electrode for electrical discharges according to claim 1 to 4, in particular spark plug electrode, characterized in that the following method steps take place:

a) Calibrate the base wire
b) shear the sections
c) upsetting the electrode seats and assembling the surface to be coated
d) Applying the wear protection layer using thermal spray processes
e) post-treatment.

6. Method of making an electrode for electrical Discharges according to claim 5, in particular Spark plug electrode, characterized in that for the Coating the electrode using a laser as a thermal source is used.

7. Spark plug for an internal combustion engine with one tubular housing, an insulator embedded therein and a center electrode enclosed by the insulator, which in the Combustion chamber protrudes, and with at least one Ground electrode, characterized in that at least one the electrodes a wear protection layer, which with a thermal spraying process using powdered Coating material was applied, at least on has a partial area of the electrode surface.

8. spark plug for an internal combustion engine according to claim 7, characterized in that the end face and / or the Shell surface at the tip of the center electrode with a Wear protection layer is provided.

9. Spark plug for an internal combustion engine according to claim 7 or 8, characterized in that a chamfered surface at the tip and / or the end face of the ground electrode is provided with a wear protection layer.

10. Spark plug for an internal combustion engine according to claim 7 to 9, characterized in that a conical recessed area at the tip of the ground electrode with a Wear protection layer is provided.