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Verfahren zur Herstellung einer
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Zündkerzenelektrode Die Erfindung bezieht sich auf Zündkerzen für
Brennkraftkraftmaschinen und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung
einer Elektrode einer Zündkerze.
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Es ist bekannt, die Mittelelektrode einer Zündkerze in Form eines
Kupferkerns herzustellen, der mit einem korrosionsbeständigen Außenmantel umhüllt
ist. Der Kupferkern hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem Außenmantel,
der im typischen Fall aus einer Nickellegierung besteht. Wenn der Kupferkern am
zündenden Ende der Elektrode freigelegt ist, dann erodiert er leicht, und es sind
daher bereits Versuche unternommen worden, das freie Ende des Kupferkerns abzuschließen.
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In der GB-PS 549 281 wird vorgeschlagen, das freie Ende dadurch abzuschließen,
daß auf dieses freie Ende des Kupferkerns eine feste Spitze aus einem Material aufgeschweißt
wird, das gegenüber Erosion und Korrosion beständig ist. Leider ist es aber äußerst
schwierig, eine zufriedenstellende Schweißung zwischen der Spitze und sowohl dem
äußeren Mantel als auch dem Kupferkern herzustellen. Dies kann dazu führen, daß
Luft oder andere Einschlüsse zwischen mindestens der Spitze und dem Kern festgehalten
werden, und es ist außerdem schwierig, einen guten Wärmeaustauschkontakt zwischen
dem Kern und der Spitze aufrechtzuerhalten. Ein weiteres Problem entsteht wegen
der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kern,
der
Spitze und dem Außenmantel. Wenn die Verbindung zwischen der Spitze und dem Kern
oder zwischen der Spitze und dem Außenmantel nicht zufriedenstellend ist, dann kann
die Elektrode vorzeitig versagen.
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In der US-PS 3 119 941 wird vorgeschlagen, eine einstückige Kerze
am zündenden Ende der Elektrode dadurch herzustellen, daß ein Teil des Kupferkerns
am Zündende der Elektrode weggenommen und der Hohlraum mit einem Hartlotmaterial
ausgefüllt wird.
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Die Elektrode wird dann erhitzt, um das Hartlotmaterial zu schmelzen,
und dem Hartlotmaterial wird dann die Möglichkeit gegeben, sich zu verfestigen.
Diese Technik leidet bis zu einem gewissen Ausmaß unter den bereits oben erwähnten
Problemen betreffend des Einschlusses von Luft oder anderen Einschlüssen, wie auch
unter dem Hartlotfluß an der Zwischenfläche zwischen dem Kupferkern und dem Stopfen
aus Hartlotmaterial. Auch ist es schwierig, bei einem Erwärmungsvorgang eine gute
Verbindung zwischen dem Kupferkern und dem Hartlotmaterial sowie zwischen diesem
und der äußeren Hülse zu arzielen. Darüber hinaus ist die Wärmeausdehnung der unterschiedlichen
Materialien so, daß, wenn die Verbindung zwischen dem Hartlotmaterial und der äußeren
Hülse nicht zufriedenstellend ist, sich der Kupferkern bei Gebrauch ausdehnt und
den verfestigten Stopfen aus Hartlotmaterial aus dem Ende des Außenmantels heraus
drückt.
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Ein weiterer Nachteil der Verwendung von Hartlotmaterialien besteht
darin, daß es unmöglich ist, eine Hartlotverbindung mit der äußeren Hülse herzustellen,
wenn letztere oder das Hartlotmaterial auf Temperaturen erhitzt werden muß, die
über dem Schmelzpunkt des Kupferkerns (1083°C) liegen, um das Hartlot herzustellen.
Materialien, wie beispielsweise Inconel 600 (Warenzeichen der Firma Henry Wiggin
8 Co. Ltd.) haben eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Erosion und Korrosion, sind
aber schwer hartzulöten bei Verwendung der i'n der US-PS 3 119 944 beschriebenen
Technik.
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Ein weiteres Verfahren zum Einkapseln des Kupferkerns in einen korrosionsbeständigen
Mantel ist in der GB-PS 1 425 126 beschrieben. Nach dieser Patentschrift wird ein
zusammengesetzter Stempel, der eine Masse aus Kernmaterial und eine Masse aus Mantelmaterial
aufweist, kalt extrudiert, um den Kern und das Mantelmaterial gleichzeitig strangzupressen.
Diese Technik kann aber nicht zum Ummanteln von Kernen mit Materialien angewandt
werden, die sich nicht kalt extrudieren lassen.
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Außerdem ist ein heißes Strangpressen nicht mit Materialien möglich,
die hohe Temperaturen erfordern, welche den Kupferkern schmelzen. Ein Beispiel für
ein Material, das nicht kalt extrudiert werden kann in der Weise, wie es in der
GB-PS 1 425 126 beschrieben ist, aber das kalt bearbeitet werden kann bis zu einem
viel geringeren Grade, ist Inconel 600.
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Erfindungsgemäß besteht ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode
für eine Zündkerze darin, daß ein rohrförmiger äußerer Metallmantel vorgesehen wird,
daß ein Kern aus wärmeleitfähigem Metall koaxial in die Bohrung des Mantels eingesetzt
wird, daß der Mantel bis auf den Metallkern heruntergearbeitet wird, daß der Kern
aus einem Bereich am einen Ende des Mantels weggenommen wird und daß der Mantel
an dem Ende, wo der Kern weggenommen ist, geschmolzen wird, damit dieser das Ende
des Kerns dicht abschließt.
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Vorzugsweise wird der Kern aus Kupfer oder einer Metalllegierung
auf Kupferbasis, z. B. aus Messing, oder aus einem anderen wärmeleitfähigen Metall
wie Aluminium oder einer Metalllegierung auf Aluminiumbasis hergestellt.
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Der Außenmantel wird vorzugsweise aus einer Legierung hergestellt,
die der britischen Legierungsnorm BS 3072/76 NA/14 (ASTM-Legierung B163 oder B166/168
DIN-Legierung 17742 NiCrl5Fe> Werkstoff-Legierung 2.4640 LN oder 2.4a161 US-Spezifizierung
qQ-W-390) entspricht. Ein Beispiel einer solchen Legierung ist
Inconel
600 (Warenzeichen von Henry Wiggin & Co. Ltd.), die eine Zusammensetzung in
Gewichtsprozenten von 0,05 % D, 75,0 % Ni, 15,5 % Cr, 8,0 % Fe hat. Alternativ kann
der Außenmantel aus Nickel, Nickellegierung, Molybdän, Wolfram, Edelstahl oder einem
anderen schwerschmelzbaren Metall hergestellt werden, das der korrosiven und erosiven
Umgebung innerhalb des Verbrennungszylinders einer Brennkraftmaschine widersteht.
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Der Bearbeitungsvorgang kann darin bestehen, daß der Außenmantel
auf den Kern unter Verwendung einer herkömmlichen Drückmaschine gedrückt wird. Alternativ
oder zusätzlich kann der Außenmantel auf den Kern dadurch heruntergezogen werden,
daß der Kern und der Außenmantel durch eine Drahtziehmatrize hindurchgezogen werden.
Während des Bearbeitungsvorganges kann der Durchmesser des Kerns gleichzeitig mit
dem Durchmesser des Mantels reduziert werden.
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Vorzugsweise wird das Schmelzen unter Verwendung eines Elektronenstrahles
durchgeführt, der auf das Ende des Mantels gerichtet wird, um dieses zu schmelzen.
Das Elektronenstrahlschmelzen wird vorzugsweise in einem Schutzgas oder Teilvakuum
durchgeführt.
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Andere Arten des Erhitzens als ein Elektronenstrahl könnten verwendet
werden, um den Mantel zu schmelzen, vorausgesetzt, daß sorgfältig sichergestellt
wird, daß die Zwischenfläche zwischen dem Kern und dem geschmolzenen Mantel durch
Einschluß von unerwünschten Stoffen oder durch Oxidation oder durch Lufteinschluß
so verunreinigt wird, daß ein guter Kontakt zwischen dem Kern und der aufgeschmolzenen
bzw. gegossenen Spitze aus Mantelmaterial verhindert oder vermindert wird. Andere
Formen des Erhitzens, die angewandt werden könnten, sind Laserstrahlen, die auf
das Ende des Mantels gebündelt werden, elektrische Induktionserhitzer, die um das
Ende des Mantels herum angeordnet werden, oder Lichtbogenöfen, die den Lichtbogen
auf das Ende des
Mantels richten. Diese alternativen Erhitzungstechniken
können in einem Schutzgas, in Luft oder in einem Teilvakuum ausgeführt werden.
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Ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Zündkerze
wird nunmehr anhand eines Beispiels beschrieben.
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Die Elektrode dient der Verwendung als isolierte Mittelelektrode
einer herkömmlichen Form von Zündkerze, bei der eine zweite Elektrode am Metallkörper
der Zündkerze befestigt ist oder einen Teil desselben bildet und an Masse liegt.
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Ein Kupferdraht mit einem Durchmesser von 1,65 mm und von jeder gewünschten
Länge wurde entfettet und dann in die Bohrung eines Nickelmantels eingeschoben,
der einen Innendurchmesser von 1,75 mm und einen Außendurchmesser von 3,17 mm hatte
(wobei der Mantel ebenfalls vorher entfettet wurde).
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Die Bauteilgruppe wurde dann durch eine Drückmaschine hindurch geführt,
und der Außenmantel wurde auf den Kupferkern heruntergearbeitet, so daß sich ein
Endprodukt mit einem Durchmesser von 3 mm ergab. Einzelne Längen von etwa 25 mm
wurden dann von dem ummantelten Kern abgetrennt,und der Kern wurde aus dem einen
Ende des Mantels über ein flaß von 1,5 mm herausgebohrt. Der Mantel wurde dann an
dem Ende, wo der Kern weggenommen wurde, umgeschmolzen, um den Mantel abzuschließen.
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Das geschmolzene Ende wurde dann gesäubert durch spanabhebende Bearbeitung
der Schmelzperle, um ein flaches Ende einer Dicke aus Inconel 600 am Ende des Kerns
von etwa 1 mm vorzusehen.
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Es wird vorgezogen, ein Elektronenstrahl-Erhitzungsverfahren anzuwenden,
um das offene Ende des Mantels zu schmelzen und zu verschweißen, obwohl auch andere
Arten von Erhitzungsverfahren angewandt werden können. Beim Elektronenstrahl-Erhitzungsverfahren
wird der ummantelte Kern vertikal in der Arbeitungskammer einer Hochvakuum-Elektronenstrahlkanone
(im
typischen Fall 10 10 Torr) angeordnet, und ein Elektronenstrahl
wird auf das vorstehende Ende des Mantels aus Inconel 600 gerichtet, um dieses zu
schmelzen und zum Zusammenfließen zu bringen. Der Elektronenstrahl kann ein Einzelschuß-Ringstrahl
oder ein Punktfokus-Strahl sein, der auf einer runden Bahn geführt wird. Durch Arbeiten
unter Vakuumbedingungen wird die Verunreinigung des freigelegten Kerns vor dem Ums
chwei ßen des Außenmantels reduziert, und ein guter Metall-Metall-Kontakt wird zwischen
dem Kupfer und der Schmelze aus Inconel 600 hergestellt, wenn dieses fest wird.
Die Verwendung eines Elektronenstrahls ergibt außerdem die Möglichkeit einer besseren
Kontrolle über den Verfahrensschritt des Verschweißens des Mantelendes. Andere Arten
von Elektronenstrahlkanonen oder Schmelzöfen können verwendet werden, z. B. eine
Vorrichtung nach Art einer Glimmentladung, wobei in diesem Falle der Elektronenstrahl,
der aus der Glimmentladung abgeleitet wird, zum Schmelzen des Außenmantels verwendet
wird.
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Die Elektrode nach der Erfindung wird in eine herkömmliche Zündkerze
dadurch eingebaut, daß sie in einen Keramikisolator eingesetzt wird. Bei Gebrauch
ragt das Ende der Elektrode, an welchem-der Mantel über den Kern geschweißt ist,
in die Brennkammer einer Brennkraftmaschine hinein und ist im Abstand von einer
zweiten Elektrode angeordnet, die mit dem Metallkörper der Zündkerze verbunden ist.
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Ein Vorteil der Elektrode der Zündkerze, wie sie gemäß der Erfindung
hergestellt ist, besteht darin, daß bei Gebrauch die Verbrennungswärme von der Spitze
der Elektrode über den wärmeleitfähigen Kern abgeführt wird. Auf diese Weise bleibt
die Elektrode kühler und lebt daher länger.Dies ist insbesondere in jenen Fällen
wichtig, bei denen, um die zu erwartenden Gesetze hinsichtlich Abgasemissionen von
Brennkraftmaschinen zu erfüllen und die Treibstoffausnutzung zu verbessern, Zündkerzen
mit einem Elektrodenabstand im Bereich von 1,5 bis 2 mm
hergestellt
werden. Bei solchen Zündkerzen läuft die Maschine nicht nur heißer, sondern auch
die Leistung, die durch die Zündkerze abgeführt oder zerstreut wird, ist größer
als bei herkömmlichen Zündkerzen mit viel kleinerem Elektrodenabstand.
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Obwohl eine herkömmliche Drückmaschine verwendet wurde, konnte man
eine Planetenkugeldrückmaschine verwenden, wie sie in der GB-PS 946 407 oder 1 093
661 beschrieben ist. Alternativ kann der Außenmantel auf den Kern dadurch heruntergezogen
werden, daß der Kern und der Mantel durch eine Drahtziehmatrize gezogen werden.
Während des Drückens oder Ziehens kann der Kern im Durchmesser gleichzeitig reduziert
werden, wenn der AuBenmantel durch die Wirkung der Drückwerkzeuge oder der Matrize
bearbeitet wird.
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Durch Verschmelzen des Endes des Mantels zur Bildung eines Stopfens,
der über dem Kern abdichtet, wird die Anwendung von zusätzlichen Hartlotmaterialien
oder Füllerstoffen vermieden, und die damit zusammenhängenden Probleme der Verwendung
von Hartlotmaterialien, die im allgemeinen Schmelzpunkte oberhalb des Schmelzpunktes
des Kupferkerns haben, werden ebenfalls beseitigt.