DE2037888A1 - Elektrisch leitende hermetische Dichtung zwischen Keramik und Metall, insbesondere für Zündkerzen - Google Patents
Elektrisch leitende hermetische Dichtung zwischen Keramik und Metall, insbesondere für ZündkerzenInfo
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Description
t BERLIN 19 Bo!ivar*ree 9
Tel.3044285 W/Vh-2671
24.7.70 General Motors Corporation, Detroit, Mich., V.St.A.
Elektrisch leitende hermetische Dichtung
zwischen Keramik und Metall, insbesondere'für Zündkerzen
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrisch
leitende hermetische Dichtung zwischen Keramik und Metall,
M insbesondere für Zündkerzen, die Glas und Eisen enthält. ^
Es ist üblich, bei der Herstellung von Zündkerzen einen Teil der Mittelelektrode, der sich durch den keramischen
Isolator erstreckt, aus einer zusammengeschmolzenen Masse aus Glaa und leitendem Werkstoff zii bilden, der mit dem keramischen
Isolator, der Mittelelektrode und einer Anschlußschraube fest verbunden ist, um eine elektrisch leitende hermetische Dichtung
zu schaffen.
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E3 ist eine Zusammensetzung vorgeschlagen worden,
die in Gewichtsanteilen mindestens 50 Teile Eisen, 4 - 6 Teile
Kupfer und Aluminium mit mindestens 3 Teilen Aluminium und mindestens 1 Teil Kupfer und nicht weniger als 30 Teilen Glas
besteht. Dichtungen, die aus einer derartigen Mischung hergestellt werden, sind widerstandsfähig "bis zu Temperaturen von
955 0C und sind dabei verhältnismässig billig herzustellen.
Durch die Erfindung werden gleichwertige Dichtungen dadurch erzielt, dass sie in Gewichtsteilen 35-55
Teile Eisen, 1-4 Teile Kupfer, 3-5 Teile Aluminium, 30 - 50 Teile Glas und 5-15 Teile eines Füllstoffes wie
Mullit, Kyanit, Aluminiumoxid, beispielsweise tafelförmigem
Korund, und Siliziumdioxid enthält.
Eine bevorzugte Zusammensetzung enthält in Gewichtsteilen 45 Teile Eisen, 2 Teile Kupfer, 3 Teile Aluminium,
40 Teile Glas und 10 Teile Mullit.
Eine Zündkerze mit einer hermetischen Dichtung dieser Zusammensetzung kann bei Temperaturen bis zu 955 0G
gebildet werden und ist bis zu diesem Temperaturen während der Bildung für längere Zeit widerstandsfähig, ohne dass ihre
physikalischen oder elektrischen Eigenschaften beeinträchtigt v/erden. Es tritt kein Verlust an elektrischer Leitfähigkeit
durch Oxydatio^ der Metallpulver und auch kein Verlust an
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Fliessfähigkeit durch Eindicken des Glases infolge eines
Zusammenwirkens zwischen Metall und Glas ein.
Vorzugsweise hat der Füllstoff eine Korngrösse von 420 Mikron ( 40 Masehensieb) oder eine noch kleinere Korngrösse*-
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung enthält die Mischung zusätzlich einen Anteil an Kohlenstoff, der ausreicht,
um eine reduzierende Atmosphäre zu schaffen, die "bei W
der Erhitzung der Mischung auf 315 - 927 0C zur Bildung der
Dichtung eine Oxydation der Metalle verhindert.
Ferner ist es zweckmässig, wenn die Zusammensetzung 0,7-3 Gewichtsteile eines Flussmittels für das Glas enthält,
das vor dem Erhitzen der Zusammensetzung zur Bildung der
Dichtung zugefügt wird.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Eisen- und
Kupferanteil in Form eines vorlegierten Pulvers in der Zusammensetzung
enthalten ist. M
In der Zeichnung ist eine Zündkerze dargeBtellt, die mit einer elektrisch leitenden hermetischen Dichtung nach
der Erfindung versehen ist.
Die Zündkerze 10 "besteht aus einem Zündkerz-engehäuse
12 mit einer Masseelektrode 14 am unteren Ende, innerhalb des metallischen Zündkerzengehäuses 12 ist abgedichtet ·
ein keramischer Isolator 16 vorgesehen, der einen hohen Aluminiumoxidgehalt
aufweist. Der Isolator 16 ist mit einer Mittel·-
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■bohrung versehen, die aas einem unteren: Teil Ib und einem .
oberen Teil 20 grosseren Durchmessers besteht. In die Mittelbohrung
des Isolators 16 ist eine Mittelelektrode 22 eingesetzt,
die mit einem erweiterten Kopf 24 auf der Schulter 26
zwischen den beiden Bohrungsteilen des Isolators aufruht. Die
untere Spitze 23 der Mittelelektrode ragt aus dem Isolator 16
und bildet mit der Masseelektrode 14 die Funkenstrecke.
In dem oberen Teil 20 der Mittelbohrung des Isolators ist eir.e Ansceluischraube 32 eingesetzt, zwischen der
:j;ric c.er Mittelelektrode 22 eine elektrisch leitende Dichtung
vorgesehen ist. Diese ist geeignet, mit Keramik und Metall '.-lh'j ff.·;;te Verbindung zu bilden. Die Dichtung 3'J ifJt daher
mi ι, de:i Kopf 'c'A der Mittelelektrode 22, der Anachlußnchraube
y<L und der inneren Wandung der Mittelbohrung des kermatisehen
Isolators 16 verbunden, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen der Anschlußschraube 32 und der Mittelelektrode 22
unter hermetischer Abdichtung der I-littelbohrung des Isolators
geschaffen ist.
Die Dichtung 30 ist eine zusammengeschmolzene glasige im wesentlichen homogene Mischung, die aus Eisenpulver, Kupferr
pulver, Aluminiumpulver und Glas besteht und folgende Gewichts-, anteile aufweist: 35 - 55 Gewichtsteile Bisen, 1-4 Gewichts-",eile
Kupfer, 3-5 Gewichtsteile Aluminium, 30 - 50 Gewichtsceile
Glas und 5-15 Gewichtsteile Füllstoff, beispielsweise
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• a*« ·
Mullit. Andere Füllstoffe sind ebenfalls geeignet, wie Xyanit,
Aluminiumoxid, "beispielsweise tafelförmiger korund, und
Siliziumdioxid, wobei die Korngrösse des Füllstoffes 420
Mikron (40 Maschensieb) oder weniger beträgt.
Es wurde festgestellt, dass eine legierung zwischen dem Eisen und Aluminium bei Temperaturen zwischen
815 und 92? 0G sehr schnell erfolgt, also bei den Temperaturen,
bei denen die Dichtung zusammengeschmolzen wird, Es wird eine Dichtung grosser Festigkeit bei einem Durchlauf durch einen
Gier* während 15 bis 13 Minuten erzielt. Die erfindungsgemässe
Zusammensetzung hat eine Zerfalltemperatur, die etwa 28 bis
83 0C höher ist als die bisher üblich verwendeter Zusammensetzungen,
Die Zerfalltemperatur ist die Temperatur, bei der sich der Kopf der Mittelelektrode von der Schulter der Bohrung
des keramischen Isolators abhebt, da sich die Dichtung unter Erweichen ausdehnt. Bei der Prüfung und der Überwachung der
Produktion ist eine Zerfalltemperatur unter 76O0C ein Anzeichen
für die Ungeeignetheit der Dichtung, Es wurde festgestellt, dass erfindungsgemässe Zusammensetzungen eine Zerfalltemperatur
zwischen 315 und 870 C aufweisen, wobei die höchsten
Zerfallteniperaturen erreicht werden, wenn Metallpulver mit weniger als 6 p Mikron (200 Maschensieb) Korngrösse verwendet
werden.
-6-
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V/eitere Versuche haben gezeigt, dass die Wärme dehnung der erfindungsgemässen Zusammensetzung der Wärmedehnung
der aus Aluminiumoxid bestehenden Isolatoren wesentlich näher kommt als dies bei bekannten Dichtungszusammensetzungen der
Pail ist. Dieser Umstand begünstigt eine längere Lebenszeit
der Zündkerze über einen weiten Betriebstemperaturenbereich, dem die Zündkerze beim normalen Betrieb ausgesetzt ist. Die
erfindungsgernässe Zusammensetzung wird weiterhin nicht schädlich
beeinflusst, wenn sie in dem Ofen versehentlich bis zu 11/2 Stunden Temperaturen in der Höhe von 955 C ausgesetzt wird.
Ein derartiges Verweilen in dem Ofen kann durch Umstände in der Eerfcigun^slinie bedingt sein. Unter diesen Bedingungen
hat man festgestellt, dass die erfindungsgemässen Dichtungen
wahrend einer derartigen Verweilzeit nicht oxidieren und daher
ihre vorgegebene elektrische Leitfähigkeit beibehalten. Während dieser Zeit werden die Metallpulver auch nicht im wesentlichen
Umfange von dem Glas absorbiert, so dass die Zusammensetzung ihre Flies-sfähigkeit beibehält, die zur Erzielung einer einwandfreien
hermetischen Dichtung notwendig ist, damit eine ausreichende Bedeckung und Haftung an den Verzahnungen, die
üblicherweise am unteren Ende der Anschlußschraube 32 vorgesehen sind, eintritt.
Wenn auch Eisen und Kupfer in der Zusammensetzung als getrennte Pulver zugesetzt werden können, ist es vorteilhaft,
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ein vorlegiertes Pulver aus Eisen und Kupier zuverwenden,
wobei diese legierung zweckmässig 96 i° Eisen und 4 $ Kupfer
enthält. Derartige Ketallegierungspulver sind im Handel erhältlich und werden in pulvermetallurgischen Verfahren
verwendet.
Eine bevorzugte Zusammensetzung besteht erfindungsge:.iäss
aus 45 Gewichtsteilen Eisen, 2 Gewichtsteilen Kupier, 3 Gewichtoteilen Aluminium, 40 Teilen Glas und
IC Teilen Mu11it.
Entsprechend den Kenntnissen über bisherige Bauarten
wurde es als vorteilhaft erkannt, einen kleinen Anteil eines Flussmittels für das Glas zuzufügen, um die Fliessfähigku.'t
wührend der Bildung der Dichtung au verbessern. Ein bevorzugtes Flussmittel ist Lithiumkarbcnat, obwohl andere
Flussmittel wie Heipxid und sogar Bariumoxid verwendet werden
können. Die gewünschte Fliessfahigkeit kann durch Zufügen von
0,7 bis 3 Gewichtsteilen, vorzugsweise 2 Gewichtsteilen,
Lithiumkarbonat erreicht werden.
Ferner ist es vorteilhaft, einen kleinen Betrag Kohlenstoff der Mischung zuzufügen, um eine reduzierende Atmosphäre
bei der Bildung der Dichtung zu schaffen, die eine Oxydation der i-Ietalle unterbindet. Ein Gewichtsteil Kohlenstoff
in der Mischung reicht hierzu aus. Der Kohlenstoff kann in Form von Dextrin oder hydriertem Bauawollsamenöl zugeführt
■werden, wobei letzteres zu bevorzugen ist, da es zugleich als
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Binder in der Mischung wirkt. Um ein Rosten des Eisenpulvers
zu verhindern, wenn die Mischung in einer feuchten Atmosphäre
aufbewahrt wird, können vorteilhaft verschiedene Öl- und Wachsüberzüge zugefügt werden. Derartige Rostschutzmittel
sind Mineralöl, Glycezin, wasserlösliche Öle, Baumwollsainenöl,
Geträidesirup, Wachslösungen, Leinsamenöl und Silikonharze.
Eine lösung von Getreidesirup und Wasser im "Verhältnis 1:1
ist wirksam, wenn sie mit etwa 18 Gewichtsteilen der Pulver-Glasmischung
zugefügt wird.
Das Glas in der Zusammensetzung ist das übliche für Kraftfahrzeugzündkerzen verwendete Bor-Silikat-Glas.
Jedoch sind auch andere für Zündkerzen übliche Gl£isarten, wie
Bariumborat-Glas, geeignet. Das verwendete Glas hat zwecktnäosit:
eine Korngrösse von 44 Mikron (325 Maschenaieb).
Versuche haben gezeigt, dass bei Abweichen von der erfiadungsgemässen Zusammensetzung folgende Nachteile eintreten:
1) Ein zu grosser Anteil an Eisen fuhrt zu Kaltleckagen, d.h. dass die Dichtung bei Raumtemperatur bei Einwirken eines
Luftdruckes von 21 kg/cm undicht ist.
2) Ein zu grosser Anteil Glas führt zu einer Erhöhung des Widerstandes,
wenn eine Spannung von 18 KY für eine Kinute aufgedrückt
wird. Dies zeigt unstabile elektrische Bedingungen anä
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3) Ein zu hoher Anteil an Aluminium veranlasst Leckagen im kalten Zustand, während ein zu geringer Aluminiumanteil
zur Erhöhung des elektrischen Widerstandes führt.
4) Ein übermässiger Anteil an Plussmitteln für das Glas veranlasst
Leckagen im heissen und kalten Zustand, wobei das Prüfen der Leckagen in heissem Zustand mit heisser Luft von ' M
etwa 315 0O und einem Druck von 21 kg/cm erfolgt. Ein unzureichender Anteil von Plussmitteln zum Glas führt zu
Leckagen im kalten Zustand.
5) Ein übermässiger Anteil an Kupfer erniedrigt die Zerfalltetnperatur.
6) Mn Überschuss an Füllstoff macht die Mischung während
der Bildung der Dichtung steifer, so dass die erweichte Mischung nicht ausreichend fliessfähig ist, um im Bereich
der Anschlußschraube 2 eine den Forderungen gerecht werdende Dichtung zu bewirken. ^
Es muss jedoch darauf hingewiesen werden, dass eine geeignete Fliessfähigkeit der Glaspulvermischung auch ohne
Verwendung von Flussmitteln für das Glas erzielt werden kann, je nachdem welcher Hgrsteilungsvorang gewählt wird.
Ein Verfahren zur Bildung der Dichtung nach der Erfindung umfasst folgende Schritte:
1) Trockenes Mischen der Glas-Metall-Pulverbestandteile für etwa eine halbe Stunde.
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2) Zufügen eines Binders und Rostschutzmittels wie Getreidesirup in einer wässrigen Lösung im Verhältnis 1:1 und in
einer Menge von etwa 18 Gewichts^ der Pulvermischung.
Vermischen mit der Pulvermischung für eine weitere 1/2
Stunde.
3>) Granulieren des gemischten Materials durch ein 20 Maschensieb
jis40 Mikron) und Trocknen und Absieben durch ein 20
Haschensieb. Das auf einem 100 Maschensieb (149 Mikron) zurückbleibende Material wird zur Bildung der hermetischen
Dichtung in der Zündkerze verwendet.
4) Dieses Material wird in die Mittelbohrung auf die eingesetzte Mittelelektrode eingefüllt, darauf die Anscblussschraube
auf das eingefüllte Material gesetzt.
5) Der Isolator durchläuft dann einen Ofen bei einer Temperatur zwischen 315 bis 927 0C , in dem die Mischung zu der
Dichtung zusammengeschmolzen wird.
Die erfindungsgemässen Zusammensetzungen bewirken
bei der Verwendung als Dichtung der Mittelbohrung eines Zündkerzeni&olators
eine hermetische Abdichtung zwischen den Metallteilen und dem keramischen Isolator und ergeben zugleich
eine gute elektrische Leitung zwischen der Anschlußschraube und der Mittelelektrode. Zündkerzen mit derartigen Dichtungen
können dauernd hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt wer«3eat
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Sie sind verhält nismäs sig "billig, da der grosse Anteil an
j'Jiaen enthalten ist und der teurere Bestandteil Kupfer nur
in kleineren Anteilen enthalten ist.
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Claims (5)
1.!Elektrisch leitende hermetische
Dichtung; zwischen Keramik und Metall, insbesondere für Zündkerzen
mit einem Anteil von pulverisiertem-Glas und Eisen, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Mischung von
^5 - 55 Gewichtsteilen Eisen, 1-4 Gewichtsteilen Kupfer,
3,-5 G-e-f.ichtsteilen Aluminium, 30 - 50 Gewichtsteilen Glas
und 5-15 Gewichtsteilen eines Füllstoffes wie Mullit,
Kyaciit, Aluminiumoxid, tafelförmigem Corund oder Siliziumdio^ld
gebildet ist.
2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass sie 45 Gewichtsteile Eisen, 2 Gewichtsteile Kupfer, 3 Gewichtsteile Aluminium, 40 Teile Glas und
10 Teile liullit enthält.
3. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung zur Bildung der Dichtung einen Anteil von Kohlenstoff enthält, der die Bildung
einer reduzierenden Atmosphäre bei der Erwärmung der Mischung auf 315 - 9<
verhindert, bewirkt.
verhindert, bewirkt.
Mischung auf 315 - 927 0C, die eine Oxydation der Metalle
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BAD OAiSiNAL
4. Dichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch geketmzeichhet, dass die Mischung 0,7 - 3 G-ewichtsteile
eines Flussmittels für das Glas enthält, das der Mischung vor der Bildung der Dichtung zugefügt wird.
5. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, dass das Eisen und Kupfer in der
Mischung als vorlegiertes Pulver enthalten ist..
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| JPS5917201A (ja) * | 1982-07-21 | 1984-01-28 | 日本特殊陶業株式会社 | 抵抗入り点火栓用抵抗体組成物の製造方法 |
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-
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