DE2936312C2

DE2936312C2 - Verwendung einer Nickel-Legierung zur Herstellung von Zündkerzenelektroden

Info

Publication number: DE2936312C2
Application number: DE2936312A
Authority: DE
Inventors: Tsuneo Ito; Junichi Nagoya Aichi Kagawa
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1978-09-07
Filing date: 1979-09-07
Publication date: 1986-05-07
Also published as: JPS6043897B2; DE2936312A1; JPS5544502A; US4329174A; GB2031950B; GB2031950A

Description

für die Herstellung von Zündkerzen-Elektroden.

2. Verwendung einer Nickel-Legierung nach Anspruch 1 mit einem Mangangehalt größer als 0 bis 0,5% für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Nickel-Legierung nach Anspruch 1, in der die Elemente Chrom, Aluminium und Yttrium in den angegebenen Gehaltsbereichen zwingend enthalten sind, für den Zweck nach Anspruch 1.

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Nickel-Legierung, die nicht mehr als etwa 0,5 Gew.-% Mn als Desoxidierungsmittel enthält, für die Herstellung von Zündkerzenelektroden mit guten Eigenschaften.

Eine für die Verwendung in Zündkerzenelektroden geeignete Nickel-Legierung muß beständig sein gegenüber 1. oxidativer Abnützung, 2. Funkenabnützung und 3. Korrosion durch innere Verbrennungsrückstände, wie PbO. Zusätzlich muß eine Nickelelektrode mit einem Kupferkern, die kürzlich entwickelt worden ist, um die Verwendbarkeit (Wärmebereich) von Zündkerzen zu erweitern, eine hohe plastische Verarbeitbarkeit aufweisen. Demzufolge kann diese neue Art Nickelelektrode nur bis zu etwa 3 Gew.-% Zusätze umfassen, und die Verwendung von Elementen, die nicht zur Verbesserung der Eigenschaften der Legierung beitragen, muß auf ein Minimum reduziert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Ni-Si-Mn-Legierung zur Verwendung in Zündkerzenelektroden zur Verfügung zu stellen, die verbesserte oxidative Abnützungs- und Funkenabnützungseigenschaften und eine verbesserte Beständigkeit gegenüber PbO-Korrosion aufweist.

Es ist insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ni-Si-Mn-Legierung zur Verwendung in Zündkerzenelektroden zur Verfügung zu stellen, in der der Mn-Gehalt auf den geringsten möglichen Wert beschränkt ist, um die Desoxidierung und Entschwefelung während des Gießens zu gewährleisten und die die obenerwähnten Eigenschaften aufweist.

Als Ergebnis von Untersuchungen an Nickel-Legierungen, die Al, Cr, Si, Ti, Mn und Y als Elemente zur Veränderung der Eigenschaften der Legierung enthalten, als Material für Zündkerzenelektroden wurde im Gegensatz zu herkömmlichen Beobachtungen festgestellt, daß die Zugabe von Ti und Mn eine ernsthafte Verschlechterung des Elektrodenmaterials mit sich bringt. Ti und Mn wirken mit anderen Elementen in der Legierung zusammen und machen diese schlechter verarbeitbar.

Die bislang zu dem genannten Zweck verwendeten Nickel-Legierungen, die Mn enthielten, wiesen einen wesentlich höheren Gehalt an Mn auf als die erfindungsgemäßen Legierungen. Die veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. 25 996/69 offenbart eine Ni-Al-Y-Legierung sowie eine durch eine Kombination von Mn und Si modifizierte derartige Legierung. Diese Ni-Al-Y-Legierung hat jedoch bei hohen Temperaturen eine geringe Oxidationsbeständigkeit, während die Ni-Al-Mn-Si-Y-Legierung nicht nur eine geringe Oxidationsbeständigkeit, sondern auch eine

ίο geringe Funkenabnützungsbeständigkeit und eine schlechte Verarbeitbarkeit aufweist, was auf den hohen Gehalt an Mn zurückzuführen ist In ähnlicher Weise ist in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 7837/69 eine Ni-Y-Cr-Legierung offenbart, die eine geringe Oxidationsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit aufweist und die mit einer Kombination von Mn und Si modifiziert ist Wegen des hohen Mn-Gehaltes hat diese modifizierte Legierung jedoch eine geringe Funkenabnützungsbeständigkeit, eine schlechte Verarbeitbarkeil

2(i und eine geringe Oxidationsbeständigkeit. In der US-PS 20 71645 ist eine Ni-Al-Mn-Legierung und eine Ni-Al-Ci -Legierung offenbart. Die Mn enthaltende Legierung hat jedoch eine geringe Oxidationsbeständigkeit und eine schlechte Verarbeitbarkeit, während die Cr enthaltende Legierung ebenfalls eine schlechte Verarbeitbarkeit aufweist.

Aus der US-PS 21 03 267 ist eine Nickel-Legierung der genannten Zusammensetzung bekannt Dieser Druckschrift ist jedoch zur Lösung der obengenannten

jo Aufgabe nichts zu entnehmen, insbesondere ist die Verwendung der bekannten Legierungen für Zündkerzenelektroden nicht nahegelegt. Aus der GB-PS 4 59 848 ist bekannt, daß Yttrium einen günstigen Einfluß auf die Erhöhung der Lebensdauer von warmfesten Nickel-Legierungen ausübt Jedoch werden Zündkerzenelektroden weder genannt noch nahegelegt.

Als Ergebnis ausgedehnter Untersuchungen ist es nun

gelungen, die Eigenschaften von herkömmlichen Ni-Si-Mn-Legierungen als Material für die Verwendung in Zündkerzenelektroden wesentlich zu verbessern, indem man Cr-Al, Cr-Al-Y, Al-Y oder Cr-Y in die Legierung einarbeitet und den Mn-Gehalt in der Ni-Si-Mn-Legierung auf weniger als 0,5 Gew.-% einschränkt, was den minimalen Wert für die Gewährleistung der Desoxidierung und Entschwefelung beim Gießen (Abgießen oder Kokillenguß) , und es wurde festgestellt, daß die Verwendung größerer Mengen an Mn nur zu einer Verschlechterung der Eigenschaften der Zündkerzenelektroden führt.

so In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 einen Vergleich der charakteristischen Kurven für die oxidative Abnutzung in einer Luftatmosphäre bei der erfindungsgemäßen Verwendung einer Nickel-Legierung und der Verwendung einer für diesen Zweck üblicherweise verwendeten Legierung,

F i g. 2 einen Vergleich der charakteristischen Kurven für die Funkenabnützung in einer Luftatmosphäre.

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung einer Nickel-Legierung aus

0,2 bis 3 Gew.-% Silizium,
0 bis 0,5 Gew.-% Mangan,

zumindest zwei der nachstehend genannten Elemente

0,2 bis 3 Gew.-% Chrom,
0,2 bis 3 Gew.-% Aluminium,
0,01 bis 1 Gew.-% Yttrium und
Nickel als Rest

für die Herstellung von Zündkerzenelektroden.

Das Mangan ist wirksam hinsichtlich der Desoxidierung und der Entschwefelung beim Gießen, es verbessert jedoch nicht die Eigenschaften bzw. Charakteristiken einer Zündkerzenelektrode. Es verschlechtert erheblich die Oxidationsbeständigkeit und die Funkenabnützungsbeständigkeit. Deshalb liegt der Mn-Gehalt in den erfindungsgemäßen Nickel-Legierungen nicht oberhalb etwa 0,5 Gew.-%, was den minimalen Gehalt hinsichtlich des Erfordernisses für die Desoxidierung darstellt

Das Silizium ist äußerst wirksam, um die Nickel-Legierung oxidationsbeständig zu machen bei Temperaturen in einem Bereich von etwa 600° C bis zu höheren Temperaturen (normale Betriebstemperatur einer Zündkerze). Es verringert in beträchtlichem Umfang die Funkenabnützung, jedoch verringert die Verwendung von mehr als 3 Gew.-% Si die Verarboitbarkeit der Legierung, während wenigstens 0,2 Gew.-% Si notwendig sind, um die gewünschte Antioxidationswirkung zu gewährleisten. Der Gehalt an Silizium beträgt vorzugsweise 0,5 bis 2,5 Gew.-%.

Das Aluminium verbessert in wirksamer Weise die Oxidationsbeständigkeit der Nickel-Legierung bei Temperaturen zwischen etwa Normaltemperatur und 1000° C. Das Aluminium ist neben Si wirksam hinsichtlich der Funkenabnützungsbeständigkeit. Die Verwendung von mehr als 3 Gew.-% Al führt zu einer außergewöhnlich schlechten Verarbeitbarkeit. Die Verwendung von weniger a!s 0,2 Gew.-% Al führt zu einer Verschlechterung der Antioxidationseigenschaften der Legierung bei höheren Temperaturen, zu einer Verschlechterung der Funkenabnützungsbeständigkeit und ebenso zu einer geringeren Beständigkeit gegenüber Pb-Korrosion. Der Gehalt an Aluminium beträgt vorzugsweise 0,5 bis 2,5 Gew.-%.

Das Chrom ist hinsichtlich der Oxidationsbeständigkeit und der Funkenabnützungsbeständigkeit der Nickel-Legierung nicht besonders wirksam, es zeigt sich jedoch als äußerst wirksam gegenüber der Korrosion durch Pb-Verbindungen. Ein Cr-Gehalt von wenigstens 0,2 Gew.-% ist ausreichend, um die Nickel-Legierung gegenüber Pb-Korrosion beständig zu machen, während mehr als 3 Gew.-% Cr zu einer schlechten Verarbeitbarkeit führen. Der Gehalt an Chrom beträgt vorzugsweise 0,5 bis 2,5 Gew.-%.

Das Yttrium ist gleichfalls nicht besonders wirkungsvoll hinsichtlich der Funkenabnützungsbeständigkeit

Tabelle

der Nickel-Legierung, es ist jedoch sehr wirksam hinsichtlich der Oxidationsbeständigkeit und gegenüber der Pb-Korrosion. Die Verwendung von mehr als 1 Gew.-°/o Y verursacht eine schlechte Verarbeitbarkeit, wänrend die Verwendung von weniger als 0,01 Gew.-% Y zu einer Verschlechterung der Antioxidationseigenschaften, der FunkenabnützuDgsbestäJidigkeit und der Pb-Korrosionsbeständigkeit führt Der Gehalt an Y beträgt vorzugsweise 0,1 bis 0,5 Gew.-°/o.

ίο Hinsichtlich der jeweiligen Eigenschaften bzw. Charakteristiken einer Zündkerzenelektrode hat, wie oben beschrieben, jedes einzelne Element als Legierungszusatz Vor- und Nachteile. Der optimale Gehalt und die Kombination dieser Zusätze müssen daher in

ι -, Abhängigkeit verschiedener Faktoren, wie zum Beispiel Verwendung von bleihaltigem oder nicht bleihaltigem Kraftstoff, Betriebstemperatur und Atmosphäre, bestimmt werden. Zahlreiche Untersuchungen haben ergeben, daß eine Zündkerzenelektrode mit verbesser-

2(i ten Eigenschaften erhalten werden kann, wenn der Nickel-Legierung ein genau begrenzter Gehalt an Mn zugesetzt wird, der notwendig ist, um die Desoxidierung zu gewährleisten, und indem wenigstens zwei Elemente, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al, Cr und Y, eingearbeitet werden.

Für die Herstellung von Zündkerzenelektroden werden daher Nickel-Legierungen der obengenannten Art bevorzugt, die Mangan enthalten. Insbesondere sind solche Nickel-Legier jngen bevorzugt, in denen sämtli-

jo ehe drei Wahlkomponenten, nämlich 0,2 bis 3% Chrom, 0,2 bis 3% Aluminium und 0,01 bis 1% Yttrium, zwingend vorhanden sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels näher erläutert, wobei die Erfindung nicht auf dieses Beispiel beschränkt ist.

Beispiel

Fünf Nickel-Legierungen für Zündkerzenelektroden mit den in der nachfolgenden Tabelle aufgeführten

4n Zusammensetzungen, wobei vier davon (Nr. 1 bis 4) für die erfindungsgemäße Verwendung vorgeschlagene Legierungen darstellen und andere Legierung eine herkömmliche Zündkerzen-Legierung darstellt (Nr. 5), wurden durch Schmelzen im Vakuum hergestellt und in

4-, Drähte mit einem Durchmesser von 4 mm geformt, die dann hinsichtlich der oxidativen Abnützung, der Funkenabnützung und der Korrosion durch PbO untersucht wurden.

Beispiel	Zusammensetzung	Mn	(Gew.-%)	Al	Y	Ni
Nr.	Si	0,2	Cr	2,0	_	Rest auf 100,0
1	2,0	0,2	1,0	2,0	0,5	desgl.
2	2,0	0,2	-	-	0,5	desgl.
3	2,0	0,2	1,0	2,0	0,5	desgl.
4	2,0	3,0	1,0	-	-	desgl.
5	3,0	-

Untersuchungsverfahren Oxidative Abnützung

Nach zehnstündiger Aufoewahrung im elektrischen Ofen bei erhöhten atmosphärischen Temperaturen von 800° C, 1000⁰C und 1200° C wird die oxidative Abnützung als das Gewicht des oxidierten Films, der von der Oberfläche abgelöst wird, ermittelt. Die Ergebnisse sind in F i g. 1 dargestellt.

Funkenabnützung

Bei einer Funkenstrecke von 2,0 mm in Atmosphäre wurde unter Verwendung eines Neontransformators kontinuierlich eine Spannung von 15 kV an die koaxialen Elektroden angelegt. Die Abnützung wurde alle zwei Stunden ermittelt. Die Ergebnisse sind in F i g. 2 dargestellt.

PbO-Korrosion

Die Proben Nr. 4 und 5 wurden in PbO-Pulver eingebettet und 10 Stunden auf 85O⁰C erhitzt. Anschließend wurde das Pulver entfernt, und zur Ermittlung des Ausmaßes der Korrosion wurde überschüssiges PbO mit Essigsäure entfernt. Die Probe Nr. 4 zeigte praktisch keine Korrosion, während die Probe Nr. 5, die herkömmliche Nickel-Legierung für Zündkerzenelektroden, bis zur Hälfte ihrer ursprünglichen Abmessungen oder noch stärker korrodiert war.

Das Erfordernis, daß der Mn-Gehalt erfindungsgemäß nicht oberhalb 0,5 Gew.-°/o liegen darf, wird anhand der nachfolgenden Tabelle erläutert, in welcher die Ergebnisse hinsichtlich der Oxidationsabnützung, der Funkenabnützung und der PbO-Korrosion einer Ni-3,0-Gew.-°/o-Si-Legierung zusammengestellt sind, im Vergleich zu den entsprechenden Abnützungsarten, die sich bei der bekannten Nickel-Legierung (Ni-3,0 Gew.-% Si-3,0 Gew.-% Mn) zeigten, und die auf 100% normiert wurden.

Oxidative Abnützung

800 C 1000 Γ 1200 C

Funken- PbO-

abnützung Korrosion

50%

64,5% 68%

90,9%

75,2%

Die obige Tabelle zeigt, daß das Mangan die υ Eigenschaften einer Zündkerzenelektrode eher verschlechtert als verbessert. Der Mn-Gehalt der erfindungsgemäßen Nickel-Legierungen sollte nicht oberhalb 0,5 Gew.-% liegen, da das für das Vakuumschmelzverfahren benötigte Vakuum bei einem Herstellungs- >n verfahren im industriellen Maßstab dazu neigt abzufallen, und es werden daher etwa 0,2 Gew.-% des Desoxidierungsmittels benötigt. Bei möglichen Veränderungen der Betriebsbedingungen kann die benötigte Menge des Mittels bis zu etwa 0,5 Gew.-% erhöht 2") werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer Nickel-Legierung aus

0,2 bis 3% Silizium,

0 bis 0,5% Mangan,

zumindest zwei der nachstehend genannten Elemente

0,2 bis 3% Chrom,

0,2 bis 3% Aluminium,

0,01 bis 1 % Yttrium und

Nickel als Rest