DE2037908A1 - Elektrisch leitende hermetische Dichtung zwischen Keramik und Metall, insbesondere für Zündkerzen - Google Patents

Description

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Dlph-hg. K. Welther 1 BERLIN 1Ö Boiivarallee 9 ToI. £044285 V/Vh-2668

24.7.70

General Motors Corporation, Detroit, Mich., V.St.A»

Elektrisch leitende hermetische Sichtung !zwischen Keramik und Metall, insbesondere für Zündkerzen

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrisch leitende hermetische Dichtung zwischen Keramik und Metall, insbesondere für Zündkerzen, mit einem Anteil von Eisen, die Temperaturen bis zu 955⁰C gewachsen ist.

Es ist üblich, bei der Herstellung von Zündkerzen einen !Teil der Mittelelektrode, der sich durch den keramischen Isolator erstreckt, aus einer zusammengeschmolzenen Masse aus Glas und leitendem Werkstoff zu 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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Erfindungsgemäss enthält eine derartige Dichtung . 35 - .65 Gewichtsteile Eisenpulver, 4-6 Gewichtsteile Kupferpulver mit Aluminiumpulver, wobei weniger als 3 Teile Aluminiumpulver enthalten sind, und nicht weniger als 30 G-ewichtsteile Glas.

Eine bevorzugte Zusammensetzung enthält 50-65 ßewichtsteile Eisen, 1-4 G-ewicbtsteile Kupfer, 3-5 Gewichtsteile Aluminium und 30 - 45 Gewichtsteile Glas. Eine Zündkerze mit einer hermetisch en Dichtung dieser Zusammensetzung kann bei Temperaturen bis zu 955 ⁰C gebildet werden und ist bis ; zu diesen Temperaturen während der Bildung für längere Zedit widerstandsfähig, ohne dass ihre physikalischen oder elektrischen Eigenschaften beeinträchtigt werden. Es tritt kein Verlust an elektrischer Leitfähigkeit durch Oxydation der Metall- ; pulver und auch kein Verlust an Eliessfähigkeit durch Eindicken des Glases infolge eines Zusammenwirkens zwischen Metall und < Glas ein.

Nach einem weiteren Merkmal <äer Erfindung enthält die Mischung 56 Gewichtsteile Eisea_s 2 G-ewichtsteile Kupfer,

3 Gewichtsteile Aluminium, 39 Gewichtstsile Glas und einen ' Anteil an Kohlenstoff, der ausreicht₉ ti» eine reduzierende Atmosphäre zu schaffen, die bei der Es*itsung der Mischung zur Bildung der Dichtung eine Oxydation der Metalle verhindert.

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Ferner ist es zweckmässig, wenn die Zusammensetzung 0,7 - 3 Gewicbtsteile eines Plussmittels für das Glas enthält.

In der Zeichnung ist eine Zündkerze dargestellt, die mit einer elektrisch leitenden hermetischen Dichtung nach der Erfindung versehen ist.

Die Zündkerze 10 "besteht aus einem Zündkerzengehäuse 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 Mittelbohrung rersehen, die aus einem unteren Teil 18 und einem oberen Teil 20 grösseren 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 28 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 eine Anschlußschraube 32 eingesetzt, zwischen der und der Mittelelektrode eine elektrisch leitende Dichtung 30 vorgesehen ist. Diese ist geeignet, mit Keramik und Metall eine feste Verbindung zu bilden. Die Dichtung 30 ist daher mit dem Kopf 24 der Mittelektrode 22, der Anschlußschraube 32 und der inneren Wandung der Mittelbohrung des keramischen

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Isolators 16 verbunden, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen der Anscblußschraube 32 und der Mittelelektrode 22 unter hermetischer Abdichtung der Mittelbohrung des Isolators geschaffen ist. Die Dichtung 30 ist eine zusammengeschmoleene glasige im wesentlichen homogene Mischung, die aus Eisenpulver, Kupferpulver, Aluminiumpulver und Glas besteht und folgende Gewichtsanteile aufweist: 50 - 65 Gewichtsteile Eisen, 1-4 Gewichtsteile Kupfer, 3-5 Gewichtsteile Aluminium und 30 - 4-5 Gewichtsteile Glas. Es wurde festgestellt, dass eine Legierung zwischen dem Eisen und Aluminium bei Temperaturen zwischen 815 und 927 ⁰C sehr schnell erfolgt, also bei den Temperaturen, bei denen die Dichtung zusammengeschmolzen wird. Es wird eine Dichtung grosser Festigkeit bei einem Durchlauf durch einen Ofen während 15 bis 18 Minuten erzielt. Die erfindungsgemässe ZusöMMensetzung 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 760 ⁰G ein Anzeichen für die TJngeeignetheit der Dichtung. Es wurde festgestellt, dass erfindungsgemässe Zusammensetzungen eine Zerfalltemperatur zwischen 815 und 870 ⁰C aufweisen,

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wobei die höchsten Zerfalltemperaturen erreicht werden, wenn Metallpulver mit weniger als 63 Mikron (200 Maschensieb) Korngrösse verwendet werden.

Weitere Versuche haben gezeigt, dass die Wärmedehnung der erfindutfggemässen Zusammensetzung der Wärmedehnung der aus Aluminiumoxid bestehenden Isolatoren wesentlich näher kommt; als dies bei bekannten Dichtungszusammensetzungen der Fall ist. Dieser Umstand begünstigt eine längere Lebenszeit der Zündkerze über einen weiten Betriebstemperaturenbereich, dem die Zündkerze beim normalen Betrieb ausgesetzt ist. Die erfindungsgemässe Zusammensetzung wird weiterhin nicht schädlich beeinflusst, wenn sie in dem Ofen versehentlich bis zu 1 1/2 Stunden !Temperaturen in der Höhe von 955 ⁰C ausgesetzt wird. Ein derartigen· V_erweilen in dem Ofen kann durch Umstände in der Fertigungslinie bedingt sein. Unter diesen Bedingungen hat man festgestellt, dass die erfindungsgemässen Didtungen während einer derartigen Verweilzeit nicht oxidieren und daher ihre vorgegebene elektrisch Leitfähigkeit beibehalten. Während dieser Zeit werden die Metallpulver auch nicht von dem Glas absorbiert, so dass die Zusammensetzung ihre Fliessfähigkeit 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.

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Eine bevorzugte Zusammensetzung besteht erfindungsgemftss aus 55,7 Gewichtsteilen Eisen, 2,3 Gewichtateilen.
Kupfer, 3 Gewichtsteilen Aluminium und 39 Gewichtsteilen Glas.
Entsprechend den Kenntnissen über bisherige Bauarten wurde
es als vorteilhaft erkannt, einen kleinen Anteil eines
Flussmittels für das Glas zuzufügen, um die Fliessfähigkeit
während der Bildung der Sichtung zu verbessern. Ein bevorzugtes: Plussmittel ist Lithiumkarbonat, obwohl andere Plussmittel
wie Bleioxid und sogar Bariumoxid verwendet werden können. j Die gewünschte Fliessfähigkeit kann durch Zufügen von 0,7 i bis 3 Gewichtsteilen, vorzugsweise 2 Gewichtsteilen, Lithium- : karbonat erreicht werden.

Ferner ist es vorteilhaft, einen kleinen Betrag i Kohlenstoff der Mischung zuzufügen, um eine reduzierende i Atmosphäre bei der Bildung der Sichtung zu schaffen, die eine <■ Oxydation der Metalle unterbindet. Ein Gewichtsteil Kohlen- ■ stoff in der Mischung reicht hierzu aus· Der Kohlenstoff kann
in Form von Dextrin oder hydriertem Baumwoll^-isamenöl zugeführt werden, wobei letzteres zu bevorzugen ist, da es zu- I gleich als Binder in der Mischung wirkt=, Um ein Hosten des · Eisenpulvers zu verhindern, wenn- die Mischung in einer feuchten! Atmosphäre aufbewahrt wird, können vorteilhaft verschiedene ^: öl- und Wachsüberzüge zugefügt werden. Serartige Rostschutzmittel sind Mineralöl, Glycerin, wasserlösliche öle, Baumwoll-

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samenöl, Getreidesyrup, Wachslösungen, leinsamenöl und Silikonharze. Eine lösung von Getreidesirup und Wasser im Verhältnis 1:1 ist wirksam, wenn sie mit etwa 18 Gewichtsteilen der P_alver-Glasmisehung zugefügt wird.

Das Glas in der Zusammensetzung ist das Abliebe für Kraftfahrzeugzündkerzen verwendete Bor-Silikat-Glas. Jedoch sind ajich andere für Zündkerzen übliche Glasarten,wie Bariumborat-Glas, geeignet. Das verwendete Glas hat zweck- " massig eine Korngrösse von 44 Mikron ( 325 Mascheneieb).

Versuche haben gezeigt, dass bei Abweichen von der erfindungsgemässen Zusammensetzung folgende Nachteile eintreten:

1) Ein zu grosser Anteil an Eisen führt zu Kaltleckagen, d.h. dass die Dichtung bei Raumtemperatur bei Einwirken eines Luftdiruckes von 21 kg/cm undicht ist.

2) Ein zu grosser Anteil Glas führt zu einer Erhöhung des Widerstandes, wenn eine .Spannung von 18 KV für eine Minute | aufgedrückt wird. Dies zeigt unstabile elektrische Bedingungen an.

3' Ein zu hoher Anteil an Aluminium veranlasst leckageη im kalten Zustand, während ein zu geringer Aluminiumanteil zur Erhöhung des elektrischen Widerstandes führt.

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4) Ein übermässiger Anteil an Flussmitteln für das Glas veranlasst Leckagen im heissen und kalten Zustand, wobei das Prüfen der Leckagen in heissen Zustand mit heisser Luft von etwa 315 ⁰C und einem Druck von 21 kg/cm erfolgt. Ein unzureichender Anteil von flussmitteln zum Glas führt zu Leckagen im kalten Zustand.

Es muss jedoch darauf hingewiesen werden, dass eine geeignete Eliessfähigkeit der Glaspulvermischung auch ohne Verwendung von Flussmitteln für das Glas erzielt werden kann, je nachdem welcher Herstellungsvorgang 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.

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 gemischen Materials durch ein 20 Maschensieb (840 Mikron) und Trocknen und Absieben durch ein 20 Maschensieb. Das auf einem 100 Maschensieb (149 Mikron) zurückbleibende Material wird zur Bildung der hermetischen Dichtung in der Zündkerze verwendet.

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4) Dieses Material wird in die Mittelbobrung auf die eingesetzte Mittelelektrode eingefüllt, darauf die Anschlussschraube auf das eingefüllte Material gesetzt.

5) Der Isolator durchläuft dann einen Ofen bei einer Temperatur zwischen 815 - 927 ⁰C, in dem die Mischung zu der Dichtung

•zusammengeschmolzen wird.

Die erfindungsgemässen Zusammensetzungen bewirken bei der Verwendung als Dichtung der Mittelbohrung eines Zündkerzenisolators 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
werden. Sie sind verbältnismässig billig, da der grosse Anteil an Eisen enthalten ist und der teurere Bestandteil Kupfer
nur in kleineren Anteilen enthalten ist.

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Claims (4)

1. Patentansprüche ;

   /lJElektrisch leitende hermetische Dichtung zwischen Keramik und Metall, insbesondere für Zündkerzen, mit einem Anteil von Eisen, die Temperaturen "bis zu 955⁰C gewachsen ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Mischung von 35 - 65 Gewiehtsteilen Eisenpulver, 4-6 Gewichts teilen Kupfer- mit Aluminiumpulver, jedoch nicht weniger als 3 Gewiehtsteilen Aluminiumpulver und nicht weniger als 30 Gewiehtsteilen Glas gebildet ist.
2. 2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie 50 - 65 Gewichtsteile Eisen, 1-4 Gewichtsteile Kupfer, 3-5 Gewichtsteile Aluminium und 30 - 45 Gewichtsteile Glas enthält.
3. 3. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie 56 Gewichtsteile Eisen, 2 Gewichtsteile Kupfer, 3 Gewichtsteile Aluminium, 39 Gewichtsteile Glas und einen Anteil von Kohlensotff enthält, der die Bildung einer reduzierenden Atmosphäre bei der BiIdQEg der Dichtung gewährleistet, die eine Oxydation der Metalle verhindert.

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4. 4. Dichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung 0,7-3 Gewichtsteile eines Flussmittels für das Glas enthält.

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