DE3735392C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mittelelektrode, die eine oxidations- und wärmebeständige Hülle und ein elektrisch leitendes Kernteil hat, das in der Hülle eingeschlossen ist, und insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer Weiterentwicklung einer Mittelelektrode in der Weise, daß zweckmäßi­ gerweise eine Deformation der Mittelelektrode infolge von Wärme­ ausdehnungsdifferenzen zwischen diesen Teilen bei hoher Um­ gebungstemperatur vermieden wird.

Bei einer Zündkerze für eine Brennkraftmaschine ist das zündseitige Ende einer Mittelelektrode einer Brennkammer zugewandt, so daß dieses einer starken Wärme und einer Oxidation über längere Zeiträume hinweg ausgesetzt ist.

Um dieser ungünstigen Wärme- und Oxidationsumgebung stand­ zuhalten, besteht eine Mittelelektrode aus einem Kern auf Kupferbasis und einer Hülle aus Platin oder einer Legierung auf Nickelbasis, welche durch Extrusion ein Ver­ bundteil bilden, um gleichzeitig ein gutes elektrisches Leitvermögen und eine Oxidations- und Wärmebeständigkeit zu gewährleisten.

Aus der DE-OS 36 07 243 ist ein Verfahren für eine Mit­ telelektrode bekannt, wodurch eine Mittelelektrode mit einem thermisch hochleitfähigen Kern und einem korrosionsfesten Mantel erzeugt wird. In der DE-OS 34 33 031 wird ein Ver­ fahren offenbart, bei dem eine Mittelelektrode mit einem Kern aus Kupfer und einer äußeren Hülle aus einer Nickel­ legierung erzeugt wird. Die DE-AS 10 80 374 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung einer Mittelelektrode, wobei ein Kupferkörper in eine Nickelhülse gepreßt und dann diff­ sionsgeglüht wird.

In der JP-AS 46-20 614 (1971) ist ein Ver­ fahren beschrieben, bei dem eine Hülle aus Platin zuvor gerei­ nigt und eine Stunde lang bei 650°C wärmebehandelt wird und bei dem zugleich der Kern ebenfalls gereinigt und ab­ gebeizt wird. Der so abgebeizte Kern wird mittels Preß­ sitz in die Umschließung unter Bildung eines luftdichten Abschlusses eingebracht, und in einer Inertgasatmosphäre wird die Anordnung bei einer Temperatur von 930°C 1,5 Stun­ den lang belassen, um eine Diffusion zwischen dem Kern und der Hülle zu erreichen. Die so hergestellte Mittelelektrode führt jedoch zu einer Verteuerung der Hülle, obgleich man eine gute Haltbarkeit und Bearbeitbarkeit erhält.

Ein Nachteil der Mittelelektrode im Stand der Technik ist, daß sie einer Deformation infolge von Wärmeausdehnungs­ unterschieden zwischen dem Kern und der Hülle ausgesetzt sind, was zu einer Abweichung von einer üblichen Entladespaltbreite führt, so daß nur kurzzeitig ein guter und stabiler Elektro­ denabstand vorhanden ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Mittelelektrode bereitzustellen, die eine Wärmeausdehnungs­ differenz zwischen einem Kern und einer Hülle unschädlich machen kann und einen Schutz vor einer nachteiligen Verformung bietet, um eine gute und stabile Funkenerzeugung über einen längeren Zeitraum hinweg bei relativ geringen Kosten zu gewährleisten.

Nach der Erfindung ist für eine Zündkerze, die einen rohrförmigen Iso­ lator aufweist, dessen Innenseite eine stufenförmig abge­ setzte Schulter hat, um eine im Durchmesser reduzierte Bohrung darin zu bilden, eine Mittelelektrode vorgesehen, die einen Flansch hat und die konzentrisch in dem Isola­ tor angeordnet ist, wobei der Flansch in Eingriff mit der Schulter ist und ein axial durch die Bohrung gehen­ des Ende an der Außenseite des Isolators freiliegt. Die Mittelelektrode hat ein elektrisch leitendes Kernteil aus Kupfer oder einer Legierung auf Kupferbasis, das in einer Hülle eingeschlossen ist, die aus einer oxidations- und wärmebeständigen Legierung auf Nickelbasis besteht, und das Kernteil ist mit einer Anzahl von Brüchen in seiner Kornstruktur versehen, so daß Verformungen infolge der Wärmeausdehnungsdifferenz zwischen dem Kern und der Hülle absorbiert werden können.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines be­ vorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer Zündkerze nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Längsschnittansicht einer Mittelelektrode, jedoch in vergrößertem Maßstab im Vergleich zu Fig. 1, und

Fig. 3 eine Längsschnittansicht einer Mittelelektrode bei der Herstellung in einem Extruder.

Unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung wird eine bevorzugte Ausbildungsform nach der Erfindung nachstehend näher erläutert.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist mit 1 eine Gesamtkon­ struktion einer Zündkerze nach der Erfindung dargestellt. Ein rohrförmiger Isolator 2, der aus Keramik, wie Alumi­ niumoxid und dergleichen hergestellt ist, hat eine stufen­ förmig abgesetzte Schulter 12, um eine im Durchmesser re­ duzierte obere Bohrung 13 zu bilden, die in Verbindung mit einer Axialbohrung 3 steht. In dem Isolator 2 ist eine Mittelelektrode 5 angeordnet, die einen Flansch 14 hat, der in Eingriff mit der Schulter 12 ist. Das zündseitige Ende der Mittelelektrode 5 steht über das Ende des Isola­ tors 2 hinaus und liegt zur Außenseite, z. B. einer Brennkammer zugewandt, frei, wenn die Zündkerze in einer Brennkraftmaschine angebracht ist. Am anschlußseitigen Ende der Mit­ telelektrode 5 sind eine elektrisch leitende Glasdichtung 6, ein elektrischer Widerstand 7 und ein Anschluß 8 ther­ misch dicht bei einer Temperatur von 800 bis 1100°C einge­ schlossen, wie dies an sich auf diesem Gebiet bekannt ist.

Ferner ist mit 15 ein Metallgehäuse bezeichnet, das ein Gewinde 15a hat, mittels dem die Zündkerze an der Brennkraftmaschine angebracht ist. Mit dem Metallgehäuse 15 ist ein Isolator 2 durch Verstemmen fest verbunden. Mit 16 ist eine Masseelektrode bezeichnet, die vorgesehen ist, um einen Elektrodenabstand zu dem zündseitigen Ende der Mittelelektrode 5 zu bilden.

Die Mittelelektrode 5, die abschließend mittels Extrusion gebildet wird, hat ein etwas längliches Kernteil 9, das mittels Preßsitz in einer Hülle 11 vorgesehen ist, die als ein Verbundteil wirkt, wie dies aus Fig. 3 zu ersehen ist. (Die Extrusion erfolgt in einer äußeren Form 17 mittels eines Dorns 18.) Das Kernteil 9 ist aus Kupfer oder einer Legierung auf Kupferbasis hergestellt, so daß dieses ein elek­ trisches Leitvermögen besitzt, während die Hülle 11 aus einer wärme- und oxidationsbeständigen Legierung auf Nickelbasis hergestellt ist. Die Legierung auf Kupferbasis ist vorzugsweise mit 0,01 bis 1,0 Gew.% von einem oder mehr als zwei Elementen gemischt, die aus Aluminium, Sili­ cium, Mangan, Titan, Zirkon oder Magnesium ausgewählt sind.

Die Legierung auf Nickelbasis kann vorzugsweise noch zu­ sätzliche Elemente, wie Silicium, Chrom, Magnesium, Alu­ minium, Eisenmetalle oder Äquivalente haben.

Die Mittelelektrode 5 wird mit dem Kernteil 9 auf die nachstehend beschriebene Weise behandelt.

Bei einer ersten Verfahrensweise wird eine Legierung auf Kupferbasis mit gering­ fügigen Zugaben von beispielsweise Magnesium (Mg), Mangan (Mn), Silicium (Si) oder Aluminium (Al) versehen, um das Kernteil 9 zu bilden. Nachdem das Kernteil 9 in die­ Hülle 11 eingeschlossen ist und zur Bildung der Mittelelektrode 5 extrudiert ist, erfolgt eine Wärme­ behandlung in neutraler oder Vakuum-Atmosphäre bei einer solchen Temperatur, daß eine Ausscheidung von Magnesium (Mg) eine Herabsetzung des Schmelzpunktes der Korngrenzen des Korngefüges des Kerns bewirkt, so daß eine Mehrzahl von Brüchen 9a in dem Kernteil 9 gebildet wird.

Bei einer zweiten Verfahrensweise wird wasserstoff-ver­ sprödetes Material, wie Elektrokupfer, für das Kernteil 9 verwendet. Nachdem das Kernteil 9 in die Hülle 11 eingeschlossen und extrudiert ist, wird das Kern­ teil 9 zusammen mit der Hülle 11 unter Wasser­ stoffatmosphärenbedingungen bei einer Temperatur von 700 bis 800°C behandelt, um die Brüche 9a an der Korngrenze zu erzeugen.

Bei einer dritten Verfahrensweise wird eine Legierung auf Kupferbasis für das Kernteil 9 und eine Legierung aus Nickel, Chrom und eisenhaltigen Metallen (Inconel) für die Hülle 11 verwendet. Nach­ dem das Kernteil 9 die Hülle eingeschlossen und extrudiert ist, wird die so gebildete Mittelelektrode 5 unter neutraler oder Vakuumumgebungsbedingung oder unter Schutzgas auf eine Temperatur von mehr als 900°C erwärmt, bevor der Isolator 2 eingebracht wird, und dann erfolgt eine schnelle Abkühlung. Dies führt dazu, daß im Kernteil 9 Brüche 9a an den Korngrenzen auftreten, da die thermi­ sche Ausdehnung der Hülle 11 kleiner als jene des Kernteils 9 ist.

Bei einem solchen wie vorstehend beschriebenen Aufbau ist das zündseitige Ende der Mittelelektrode 5 der Brennkammer ausgesetzt, die eine hohe Temperatur und einer stark korrosiven Umgebung während des Laufs der Brennkraftma­ schine aufweist. Hierbei verformen sich das Kernteil 9 und die Hülle 11 gesondert in Abhän­ gigkeit von der zwischen ihnen vorhandenen Wärmeausdehnungs­ differenz.

Die Hohlräume der Brüche 9a absorbieren die zwischen dem Kern 9 und der Hülle 11 auftretende Wärmeausdehnungsdifferenz und ermöglichen, daß sich die Mittelelektrode 5 nicht ver­ formt, was dazu führt, daß der erforderliche Elektroden­ abstand gleichbleibend auch über eine längere Zeit der Gebrauchsdauer hinweg aufrechterhalten werden kann.

Nachstehend ist eine Tabelle angegeben, die, in Abhängigkeit davon, ob der Kern 9 zur Bildung von Brüchen 9a wärmebehandelt ist oder nicht, die Länge der Zeitdauer verdeutlicht, während der die Mittelelek­ trode einer aggressiven Umgebung in einer Brennkammer standhalten kann.

In dieser Tabelle zeigt eine horizontale Spalte das Material des Kerns und der Hülle sowie die Betriebsstunden, nach denen eine Verformung der Mittelelektrode auftritt, während eine vertikale Spalte Beispiele (1) bis (6) wieder­ gibt. Unter diesen Beispielen zählen die Fälle (2), (3), (5) und (6) zur Erfindung. Die Fälle (1) und (4) bezie­ hen sich auf übliche Teststücke.

Beim Vergleich der Beispiele (2), (3), (5) und (6) mit den Beispielen (1) und (4) ist deutlich zu erkennen, daß die Beispiele nach der Erfindung im Betriebszustand über eine längere Zeitdauer hinweg, z. B. von 650 bis zu 1000 h, ohne eine abnormale Deformation arbeiten.

Tabelle

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, wird vermieden, daß sich die Mittelelektrode 5 in abnormer Weise in einem solchen Ausmaß verformt, daß sich der Elek­ trodenabstand aufgrund der Wärmeausdehnungsdifferenz zwischen dem Kern 9 und der Hülle 11 ändert, da diese vorzugsweise durch den Hohlraum der Brü­ che 9a absorbiert wird. Hierdurch erhält man eine verlängerte Standzeit einer solchen Zündkerze.

Obgleich die Wärmebehandlung die Erzeugung von Brüchen in dem Korngefüge bewirkt, ist natürlich der Hohlraum eines Bruches äußerst klein, so daß immer ein gutes elektrisches Leitvermögen und insgesamt eine hohe Steifigkeit gewährleistet ist.

Claims (6)

1. Mittelelektrode für eine Zündkerze, bestehend aus einem Verbundkörper mit einem elektrisch leitenden Kern (9) aus Kupfer oder einer Legierung auf Kupferbasis und einer den Kern dicht umschließenden Hülle (11) aus einer oxidations- und wärmebeständigen Legierung auf Nickelbasis, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (9) in seinem Korngefüge eine Anzahl von Brüchen (9a) aufweist, um infolge unterschiedlicher Wärme­ ausdehnung entstandene Wärmespannungen auszugleichen.

2. Mittelelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl von Brüchen (9a) des Kerns (9) durch eine Wärmebehandlung erzeugt wurden.

3. Mittelelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kern (9) die Brüche (9a) an den Korngrenzen seines Korngefüges aufweist.

4. Mittelelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidations- und wärmebeständige Legierung der Hülle (11) aus Nickel, Chrom und Eisenmetallen besteht.

5. Mittelelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (11) an ihrem oberen Teil einen Flansch (14) aufweist, der mit einer gestuften Schulter (12) in Eingriff ist, die an einer Innenwand einer axialen Boh­ rung (3) eines Isolators (2) angeordnet ist.

6. Verfahren zur Herstellung einer Mittelelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brüche (9a) im Korngefüge des Kerns (9) durch eine Wärmebehandlung erzeugt werden.