DE2755120A1 - Verfahren zur herstellung einer zuendkerzenelektrode - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer zuendkerzenelektrode

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DE2755120A1
DE2755120A1 DE19772755120 DE2755120A DE2755120A1 DE 2755120 A1 DE2755120 A1 DE 2755120A1 DE 19772755120 DE19772755120 DE 19772755120 DE 2755120 A DE2755120 A DE 2755120A DE 2755120 A1 DE2755120 A1 DE 2755120A1
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DE19772755120
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Michael John Davies
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UK Atomic Energy Authority
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01TSPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T21/00Apparatus or processes specially adapted for the manufacture or maintenance of spark gaps or sparking plugs
    • H01T21/02Apparatus or processes specially adapted for the manufacture or maintenance of spark gaps or sparking plugs of sparking plugs

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Spark Plugs (AREA)

Description

  • Verfahren zur Herstellung einer
  • Zündkerzenelektrode Die Erfindung bezieht sich auf Zündkerzen für Brennkraftkraftmaschinen und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode einer Zündkerze.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Zündkerze wird nunmehr anhand eines Beispiels beschrieben.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (11)

  1. Patentansprüche .Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode mit einem Kern aus wärmeleitfähigem Metall, der in einem rohrförmigen äußeren Metallmantel sitzt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stab aus dem Kernmaterial in die Bohrung des Außenmantels eingeführt wird, daß der Außenmantel bis auf den Kern herabgearbeitet und der Kern aus einem Bereich am einen Ende des Mantels weggenommen wird und daß der Mantel an dem Ende, an dem der Kern weggenommen ist, geschmolzen wird, um das Ende des Kerns dicht abzuschließen.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus Kupfer oder einer Metallegierung auf Kupferbasis hergestellt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel aus einem Metall oder einer Metallegierung hergestellt wird, die aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Nickel, Nickellegierungen, Molybdän, Edelstahl, einem schwerschmelzbaren Metall oder einer schwerschmelzbaren Metallegierung, aus einer Legierung, die der Werkstofflegierung 2.4640 LN oder 2.4816 oder der DIN-Legierung 17742 NiCr15Fe oder Inconel 600 (Warenzeichen der Firma Henry Wiggin and Co. Ltd.) entspricht, besteht.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel auf den Kern durch Drücken heruntergearbeitet wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern und der Außenmantel durch eine Drahtziehmatrize gezogen werden.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Mantels in einem Schutzgas geschmolzen wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Mantels in Luft geschmolzen wird.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daR das Ende des Mantels in einem Teilvakuum geschmolzen wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Mantels dadurch geschmolzen wird, da8 auf dieses ein Elektronenstrahl von ausreichender Energie und für eine ausreichende Zeitdauer gerichtet wird.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Mantels dadurch geschmolzen wird, daß auf dieses ein Laserstrahl von ausreichender Energie und für eine ausreichende Zeitdauer gerichtet wird.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR2483694A1 (fr) * 1980-05-30 1981-12-04 Champion Spark Plug Co Procede de production d'une electrode centrale composite pour bougie d'allumage
EP0054374A2 (de) * 1980-12-10 1982-06-23 Floform Limited Zündkerzenelektrode und Verfahren zu ihrer Herstellung

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