DE3833362A1

DE3833362A1 - Nickelbasis-legierung fuer zuendkerzenelektroden

Info

Publication number: DE3833362A1
Application number: DE3833362A
Authority: DE
Inventors: Kensho Sahira; Hideo Kitamura; Akira Mimura; Nobuyoshi Kurauchi
Original assignee: Mitsubishi Metal Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1987-09-29
Filing date: 1988-09-29
Publication date: 1989-04-06
Anticipated expiration: 2008-09-30
Also published as: GB8822647D0; GB2211515A; DE3833362C2; GB2211515B; JPS6487738A; KR910005760B1; KR890005939A; US4906438A

Description

Die Erfindung betrifft eine Nickelbasis-Legierung zur Verwendung bei Zündkerzenelektroden für Verbrennungsmaschinen.

Zündkerzenelektroden für Verbrennungsmaschinen, zum Beispiel Automobilmotoren, werden üblicherweise aus einer Nickellegierung gefertigt, wie sie beispielsweise in der japanischen Patentveröffentlichung No. 43 897/85 beschrieben ist und die im wesentlichen (auf das Gewicht bezogen) aus 0,2 bis 3% Si, weniger als 0,5% Mn, einer oder mehreren aus der Gruppe bestehend aus 0,2 bis 3% Cr, 0,2 bis 3% Al und 0,01 bis 1% Y ausgewählten Komponente (n) und dem Rest aus Ni und zufälligen Verunreinigungen besteht.

Kürzlich wurden Versuche durchgeführt, Automobilmotoren mit hohem Wirkungsgrad durch Verwendung von Superladern wie Turboladern und eines obenliegenden Nockenwellen-Dualsystems herzustellen. Bei derartigen Motoren wird die Temperatur in den Verbrennungskammern auf bisher nicht erreichte Werte angehoben und bei diesen Betriebsbedingungen werden die Zündkerzenelektroden und die umgebenden Materialien in äußerstem Maße beansprucht. Herkömmliche Nickellegierungen besitzen trotz ihrer ausgezeichneten Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit und -Oxidationsbeständigkeit eine geringe Widerstandsfähigkeit gegen Schmelzverluste, und daher können Zündkerzenelektroden aus diesen bekannten Nickellegierungen diesen belastenden Betriebsbedingungen nicht über längere Zeit widerstehen und die Lebensdauer dieser Elektroden ist demgemäß ziemlich kurz.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Nickelbasis-Legierung zu schaffen, die eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber Schmelzverlusten besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Zusammensetzung. Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Legierung ergibt sich aus Anspruch 2.

Die erfindungsgemäße Legierung besteht im wesentlichen aus (auf das Gewicht bezogen) 0,5 bis 1,5% Si, 0,7 bis 2,8% Mn, 0,25 bis 4,5% Al, wahlweise 0,005 bis 1% von einem oder mehreren Elementen, die aus der Y und Seltenen Erden bestehenden Gruppe ausgewählt wurden, und dem Rest Ni und zufälligen Verunreinigungen.

Es wurde bei Versuchen mit dem Ziel, die Widerstandsfähigkeit bekannter Nickellegierungen gegen Schmelzverluste zu erhöhen, gefunden, daß, wenn Mangan der herkömmlichen Nickelbasis-Legierung in einer Menge von 0,7 bis 2,8% zugesetzt wird, die sich ergebende Legierung eine größere Widerstandsfähigkeit gegen Schmelzverluste und auch andere für die Verwendung bei Zündkerzenelektroden günstige physikalische Eigenschaften besitzt, ohne daß die Hochtemperatur- Korrosionsbeständigkeit und -Oxidationsbeständigkeit Schaden nehmen.

Die Erfindung basiert auf diesen Feststellungen und sie betrifft eine neue Legierung auf Nickelbasis, die geeignet ist für die Verwendung in Zündkerzenelektroden für Verbrennungsmaschinen und im wesentlichen aus (auf das Gewicht bezogen) 0,5 bis 1,5% Si, 0,7 bis 2,8% Mn, 0,25 bis 4,5% Al, wahlweise 0,005 bis 1% von einem oder mehreren Elementen, die aus der Y und Seltenen Erden bestehenden Gruppe ausgewählt wurden, und dem Rest Ni und zufälligen Verunreinigungen besteht.

Die vorgenannten Legierungselemente werden aus folgenden technischen Gründen in den jeweiligen Mengenbereichen zugesetzt:

(a) Si:

Das der Nickelbasis-Legierung zugesetzte Si verbessert die Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit in bedeutendem Maße. Wenn der Si-Gehalt geringer als 0,5% ist, wird die gewünschte Verbesserung der Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit nicht erhalten. Wenn andererseits der Si-Gehalt 1,5% übersteigt, nimmt die Widerstandsfähigkeit der Legierung gegen Schmelzverluste abrupt ab. Demgemäß liegt der Si-Gehalt vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 1,5%.

(b) Mn:

Das Mangan zeigt eine Deoxidations- und Entschwefelungswirkung, wenn es der geschmolzenen Nickelbasis-Legierung hinzugefügt wird und verbessert nach der Einbindung in die Legierung die Widerstandsfähigkeit gegen Schmelzverluste in bemerkenswerter Weise. Wenn der Mn-Gehalt geringer ist als 0,7%, kann der gewünschte Wert der Widerstandsfähigkeit gegen Schmelzverluste nicht erreicht werden, während andererseits bei einem Mn-Gehalt von mehr als 2,8% die Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit scharf absinkt. Daher liegt der Mn-Gehalt vorteilhaft im Bereich von 0,7 bis 2,8%.

(c) Al:

Das der Ni-Legierung zugesetzte Al erhöht die Hochtemperatur-Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit. Wenn der Gehalt des Al 0,25% unterschreitet, kann jedoch die gewünschte Hochtemperatur-Korrosions- und -Oxidationsbeständigkeit nicht erzielt werden. Wenn andererseits der Al-Gehalt 4,5% übersteigt, nimmt die Verarbeitbarkeit der resultierenden Legierung ab. Demgemäß liegt Al-Gehalt zweckmäßig im Bereich von 0,25 bis 4,5%.

(d) Y und Elemente der Seltenen Erden:

Diese Elemente werden der Nickelbasis-Legierung wahlweise zugefügt, da sie sowohl die Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit als auch die Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit erhöhen. Wenn der Gehalt eines oder mehrerer dieser Elemente geringer als 0,005% ist, dann zeigt die Legierung die geforderten Hochtemperatur-Eigenschaften nicht in dem gewünschten Maße. Wenn andererseits der Gehalt eines oder mehrerer dieser Elemente 1% überschreitet, kann eine weitere Verbesserung der Hochtemperatur-Eigenschaften nicht erhalten werden. Der Gehalt von Y und der Elemente der Seltenen Erden liegt daher aus Gründen der Wirtschaftlichkeit vorzugsweise im Bereich von 0,005 bis 1%.

Einige Beispiele von Nickelbasis-Legierungen gemäß der Erfindung werden im folgenden näher erläutert.

Eine Reihe von Nickelbasis-Legierungen nach der Erfindung (Proben Nr. 1 bis 13) und eine andere Gruppe von Vergleichslegierungen auf Nickelbasis (Proben Nr. 1 bis 5) wurden in einem gewöhnlichen Vakuumschmelzofen geschmolzen und dann unter Vakuum zu Barren gegossen. Die Zusammensetzung jeder dieser Legierungen ist in Tabelle 1 angegeben. Jeder der erhaltenen Barren wurde zu einem Stab mit einem Durchmesser von 10 mm heißgeschmiedet und dann zu einem Draht mit einem Durchmesser von 3 mm gezogen. Der erhaltene Draht wurde in kurze Stücke von jeweils 10 mm Länge und lange Stücke von jeweils 100 mm Länge geschnitten.

Diese beiden Arten von Drahtstücken wurden als Prüflinge für den Hochtemperatur-Korrosionstest bzw. -Oxidationstest verwendet.

Als nächstes wurde der Stab von 10 mm Durchmesser in einen feineren Draht von 1 mm Durchmesser gezogen, der in kleine Stücke geschnitten wurde für die Verwendung als Mittelelektrode von Zündkerzen; ein weiterer Stab von 10 mm Durchmesser wurde ebenfalls zu einem Draht gezogen, der einen rechteckigen Querschnitt von 2,5 mm×1,4 mm besaß und als Masseelektrode von Zündkerzen verwendet wurde. Diese Elektrodenprüflinge wurden in eine tatsächlich laufende Maschine eingesetzt und es wurden ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften in bezug auf die laufende Maschine in einem Kraftfahrzeug ermittelt.

Ein Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeitstest wurde wie folgt durchgeführt: jeder der Prüflinge mit 3 mm Durchmesser und 100 mm Länge wurde in einen Aluminiumoxid-Tiegel eingebracht, der selbst in einen mit einer Verbrennungsgasatmosphäre gefüllten Apparat eingesetzt wurde. Eine zur Bildung von PbO als Verbrennungsprodukt fähige Bleiverbindung wurde der Verbrennungsgasatmosphäre mit konstanter Geschwindigkeit kontinuierlich zugeführt. Jeder der Prüflinge wurde erwärmt und für 50 Stunden bei 800°C in dem Apparat gehalten. Anschließend wurde der auf den Prüflingen gebildete Zunder mit einer Drahtbürste entfernt. Der dem Korrosionstest unterworfene entzunderte Prüfling wurde in bezug auf sein Gewicht mit einem Prüfling verglichen, der nicht dem Korrosionstest ausgesetzt war, um den Gewichtsverlust festzustellen.

Der Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeitstest wurde wie folgt durchgeführt: jeder der Prüflinge mit 3 mm Durchmesser und 10 mm Länge wurde in ein Aluminiumoxid-Schiffchen gelegt, das in einen Elektroofen eingebracht wurde. Jeder der Prüflinge wurde erwärmt und für 100 Stunden bei 800°C in der Umgebungsluft gehalten; dann wurde die Gewichtszunahme (Oxidationszunahme) gemessen.

Der Lauftest wurde durchgeführt, indem eine Masseelektrode und eine Mittelelektrode, die beide aus der erfindungsgemäßen Nickellegierung hergestellt wurden, in die Zündkerze eines Kraftfahrzeuges eingesetzt wurden, und die Elektrode wurde in einem solchen Maß verwendet, wie es der Fahrstrecke eines Kraftfahrzeuges von 2 Millionen km bei einer mittleren Geschwindigkeit von 60 km/h entspricht. Dann wurde der Betriebsverlust oder die Abnutzung der Masseelektrode durch die Funkeneinwirkung gemessen, um die Widerstandsfähigkeit gegen Schmelzverluste festzustellen.

Alle Testergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1

Die Testergebnisse in Tabelle 1 machen deutlich, daß die Nickelbasis-Legierungen gemäß der Erfindung, d. h., der Prüflinge der Proben Nr. 1 bis 13 sowohl hinsichtlich der Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und -Korrosionsbeständigkeit als auch hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit gegen Schmelzverluste ausgezeichnete Eigenschaften besitzen, während die Vergleichsprüflinge der Proben Nr. 1 bis 5, welche in bezug auf den mit einem Sternchen markierten Gehalt eines Legierungselements von dem erfindungsgemäßen Bereich abweichen, den Prüflingen aus der erfindungsgemäßen Legierung zumindest in bezug auf eine der drei genannten Eigenschaften unterlegen sind. Insbesondere, wenn die Prüflinge Nr. 1 bis 13 gemäß der Erfindung mit dem Vergleichsprüfling Nr. 3, der dem anfänglich genannten Stand der Technik entspricht, verglichen werden, zeigt sich die deutliche Überlegenheit der erfindungsgemäßen Legierung. Diese Überlegenheit betrifft im wesentlichen die verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Schmelzverluste.

Da somit die Nickelbasis-Legierungen gemäß der Erfindung in bezug auf die Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit und -Oxidationsbeständigkeit sowie auch die Widerstandsfähigkeit gegen Schmelzverluste hervorragende Eigenschaften besitzen, kann die hohe Leistungsfähigkeit von aus diesen Legierungen hergestellten Zündkerzenelektroden für Verbrennungsmaschinen für sehr große Zeitspannen aufrechterhalten werden, auch wenn die Beanspruchungen im Betrieb sehr groß sind.

Claims

1. Nickelbasis-Legierung zur Verwendung bei Zündkerzenelektroden für Verbrennungsmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen besteht aus (auf das Gewicht bezogen): 0,5 bis 1,5% Si,
0,7 bis 2,8% Mn,
0,25 bis 4,5% Al, und
Rest Ni und zufällige Verunreinigungen.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin 0,005 bis 1 Gew.-% eines oder mehrerer Elemente enthält, die aus der Gruppe bestehend aus Y und den Elementen der Seltenen Erden ausgewählt sind.