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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Elektrodenmaterial aus einer auf
Ni basierenden Legierung, welches geeignet ist zum Gebrauch als das
Elektrodenmaterial für eine Zündkerze, die in Motoren mit innerer Verbrennung
benutzt werden soll und welches sowohl in der Hochtemperaturfestigkeit als
auch dem Abnutzungswiderstand gegen Funken bemerkenswert verbessert
ist.
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Im allgemeinen muß das Elektrodenmaterial einer Zündkerze für den Gebrauch
in Motoren mit innerer Verbrennung gleichzeitig die Anforderungen an hohe
Hochtemperaturfestigkeit bzw. -beständigkeit und an großem
Abnutzungswiderstand gegen Funken genüge tun. Um solch einer Anforderung zu
genügen, wurden auf Ni basierende Legierungen als Elektrodenmaterialien benutzt,
welche diesen Anforderungen gleichzeitig genüge tun, z.B. eine in dem
offengelegten japanischen Patent Nr. 2-34735 offenbarte auf Ni basierende
Legierung mit einer Zusammensetzung, welche, nach Gewicht, von 3,1 bis
5% Al, von 0,5 bis 1,5% Si, von 0,1 bis 0,65% Mn und möglicherweise von
0,1 bis 2% Cr beinhaltet, wobei der Rest bzw. Ausgleich im wesentlichen Ni
und unvermeindliche Verunreinigungen umfaßt.
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In den letzten Jahren wurden bemerkenswerte Verbesserungen sowohl in der
Leistung bzw. Leistungsfähigkeit bzw. Lebensdauer als auch in der
Ausgangsleistung von Motoren mit innerer Verbrennung z.B. Fahrzeugmotoren erreicht.
Demzufolge müssen Zündkerzen-Elektroden viel strengere bzw. schwierigere
Betriebszustände bzw. -bedingungen als bisher aushalten. Die meisten
bekannten Zündkerzen-Elektrodenmaterialien aus auf Ni basierender Legierung,
welche auch das oben genannte Material beinhalten, konnten
unglücklicherweise dem Gebrauch bei solchen strengen Bedingungen nicht standhalten,
und zwar weil die Hochtemperaturfestigkeit und der Abnutzungswiderstand
gegen Funken unzureichend sind. Daher erlöschen die Lebensdauern von
bekannten Zündkerzen in vergleichsweise kurzen Perioden.
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Die Erfinder haben herausgefunden, daß eine weitere Verbesserung der
Hochtemperaturfestigkeit und des Abnutzungswiderstandes gegen Funken
erzielt wird, wenn die Anteile, nach Gewicht, von Al, Si und Mn, welche
Komponenten des bekannten Zündkerzen-Elektrodenmaterials aus auf Ni
basierender Legierung sind, sowie möglicherweise von Cr, jeweils bestimmt sind
als Al: von 3,1 bis 4,3%, Si: von 0,5 bis 1,5%, Mn: von 0,45 bis 0,65%,
und, wenn möglicherweise Cr: von 1 bis 2%, mit dem Zusatz von C: von
0,002 bis 0,01 Gew% und wenigstens Mg oder Ca: von 0,005 bis 0,05% als
Legierungskomponenten.
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Daher ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Elektrodenmaterial aus einer
auf Ni basierender Legierung für eine Zündkerze zum Gebrauch in Motoren mit
innerer Verbrennung, welches aus einer auf Ni basierenden Legierung gebildet
ist, und eine Zusammensetzung, nach Gewicht, von 3,1 bis 4,3% Al, von 0,5
bis 1,5% Si, von 0,45 bis 0,65% Mn, von 0,002 bis 0,01% C, von 0,005
bis 0,05% von wenigstens Mg oder Ca, und in einer alternativen
Ausführungsform von 1 bis 2% Cr aufweist, wobei der Ausgleich aus im
wesentlichen Ni und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.
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Eine Beschreibung der Gründe für die Grenzwerte der Inhalte bzw.
Bestandteile des Elektrodenmaterials aus auf Ni basierenden Legierungen der
vorliegenden Erfindung wird jetzt gegeben. Die Bestandteile sind in
Gewichtsprozenten (Gew%) angegeben.
a) Al
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Al ist ein Element, welches effektiv die Hochtemperaturfestigkeit bzw.
-beständigkeit verbessert. Der durch Al erzeugte verstärkende Effekt ist
jedoch nicht feststellbar, wenn der Bestandteil von Al unter 3,1%
beträgt. Ein Hinzufügen von Al über 4,3 Gew% erschwert bzw.
beeinträchtigt jedoch unerwünscht die Bearbeitbarkeit der Legierung. Der Al-
Bestandteil ist deshalb zwischen 3,1 bis 4,3% festgelegt.
b) Si
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Si verbessert den Widerstand bzw. die Festigkeit gegen Abnutzung
durch Funken effektiv. Dieser Effekt ist jedoch nicht ausreichend, wenn
der Si-Bestandteil unter 0,5% beträgt. Zur selben Zeit ist der Effekt,
den Abnutzungswiderstand durch Funken zu verbessern, saturiert bzw.
gesättigt und eher verschlechtert bzw. beeinträchtigt, wenn der
Si-Bestandteil 1,5% übersteigt. Der Si-Bestandteil ist deshalb auf den
Bereich von 0,5 bis 1,5% begrenzt.
c) Mn
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Mn fördert die Deoxydation und und die Ab- bzw. Entschwefelung, und
trägt somit zur Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit bei. Dieser
Effekt ist nicht ausreichend, wenn der Mn-Bestandteil unter 0,45%
beträgt. Andererseits ist der Abnutzungswiderstand gegen Funken
verschlechtert, wenn der Mn-Bestandteil über 0,65% erhöht wird. Der
Mn-Bestandteil ist daher auf zwischen 0,45 bis 0,65% festgelegt.
d) C
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C dient dazu, die Hochtemperaturwiderstandsfähigkeit in Mitwirkung
mit Al und Mn zu verbessern. Der verstärkende Effekt ist jedoch nicht
erfaßbar, wenn der C-Bestandteil unter 0,002% liegt. Gleichzeitig
verschlechtert ein C-Bestandteil, welcher 0,02% überschreitet, die
Verschweißbarkeit des Elektrodenmaterials an bzw. mit dem Hauptteil der
Zündkerze. Der C-Bestandteil ist daher zwischen 0,002 bis 0,02%
festgelegt.
e) Mg und/oder Ca
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Mg und/oder Ca tragen zur Verbesserung des Abnutzungswiderstandes
gegen Funken bzw. Zündfunken bei, besonders bei Vorhandensein von
Si. Dieser Effekt ist jedoch nicht bemerkbar, wenn der Bestandteil von
Mg und/oder Ca weniger als 0,005% ist. Gleichzeitig neigt der Effekt
dazu abzunehmen, wenn der Bestandteil 0,05% übersteigt. Aus diesen
Gründen ist der Bestandteil von Mg und/oder Ca auf den Bereich von
0,005 bis 0,05% festgelegt.
f) Cr
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Cr erzeugt einen Effekt, um weiterhin die Hochtemperaturfestigkeit zu
erhöhen und wird daher im erforderlichen Maße zugefügt. Der
erwünschte verstärkende Effekt kann nicht erhalten werden, wenn der
Cr-Bestandteil weniger als 1% ist, während ein 2%-übersteigender Cr-
Bestandteil die Bearbeitbarkeit verschlechtert. Der Cr-Bestandteil ist
daher zwischen 1 bis 2% festgelegt.
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Eine Beschreibung von Beispielen des Zündkerzen-Elektrodenmaterials aus
auf Ni basierender Legierung der vorliegenden Erfindung wird jetzt gegeben
werden. In der folgenden Beschreibung sind die Komponentenbestandteile
bzw. Bestandteilstoffe in Gewichtsprozent (Gew%) angegeben. Auf Ni
basierende Legierungen mit Zusammensetzungen, wie in den Tabellen 1 und 2
dargestellt, wurden in einem bekannten Vakuumschmelzofen schmelzerzeugt.
Um C, Mg und Ca als Legierungskomponenten zuzufügen, wurden SiC, Ni-
Mg-Legierung (Mg: 20%) und Ni-Ca-Legierung (Ca: 15%) als die Materialien
benutzt. Ingotte bzw. Barren bzw. Gußblöcke wurden aus auf Ni basierenden
Legierungen durch Vakuumgießen gebildet, und Stangen mit einem
kreisförmigen Querschnitt von 10 mm Durchmesser wurden von den Barren durch
Heißschmieden gebildet. Versuchsstücke für Hochtemperatur - Zugproben
bzw. - Zerreißproben bzw. - Zugversuche mit einem Querschnitt von 6 mm in
Länge und 2 mm in Breite wurden von den Barren durch Schneiden erhalten.
Diese Barren wurden auch einem Heiß-Drahtziehverfahren unterworfen, um
Drähte mit 2,5 mm Durchmesser zu erhalten, wobei die Beispiele Nr. 1 bis 15
des Zündkerzen-Elektrodenmaterials der Erfindung sowie auch die
Vergleichbeispiele Nr. 1 bis 5 (bekannte Elektrodenmaterialien) erhalten wurden.
Tabelle 1
Zusammensetzung der auf Ni basierenden Legierung
Typen
Ni + Verunreinigung
Hochtemperatur-Festigkeit (kg/mm²)
Elektroden Abstand-Zunahme (mm)
ZÜNDKERZEN-ELEKTRODENMATERIAL DER ERFINDUNG
Ausgleich
Tabelle 2
Zusammensetzung der auf Ni basierenden Legierung
Typen
Ni + Verunreinigung
Hochtemperatur-Festigkeit (kg/mm²)
Elektroden Abstand-Zunahme (mm)
ZÜNDKERZEN-ELEKTRODENMATERIAL DER ERFINDUNG
BEKANNTES ZÜNDKERZEN-ELEKTRODENMATERIAL
Ausgleich
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Die oben genannten Versuchsteile wurden einem bei 850º C durchgeführten
Zugversuch unterzogen, um die Zugfestigkeit bei hoher Temperatur
auswerten zu können. Inzwischen wurden die von Zündkerzen-Elektrodenmaterialien
der oben genannten Beispiele und Vergleichsbeispiele einem Versuch
unterzogen, um den Abnutzungswiderstand gegen Funken auswerten zu können.
Zu diesem Zweck wurden eine Mittelelektrode und eine geerdete Elektrode
aus jedem der Beispiele und Vergleichsbeispiele ausgeschnitten und an einen
Zündkerzenkörper mit einem Anfangselektrodenabstand von 0,8 mm
geschweißt bzw. angeschweißt. Jede der so erhaltenen Zündkerzen wurde in
einem echten turbogeladenen funkengezündeten Motor mit einem Hubraum
von 2.500 cc bei 6.000 Upm getestet. Nach 200 Stunden Laufdauer des
Motors wurde der Elektrodenabstand der Kerzen wieder gemessen, welche
wegen der Abnutzung erhöht war. Tabellen 1 und 2 zeigen die
Elektrodenabstandszunahmen, d.h. die Unterschiede der Abstandswerte vor und nach
dem Versuch.
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Aus den in Tabellen 1 und 2 vorangehend dargestellten Testergebnissen ist
es klar ersichtlich, daß die Beispiele Nr. 1 bis 15 des
Zündkerzen-Elektrodenmaterials der Erfindung eine weiter verbesserte Hochtemperaturfestigkeit und
einen weiter erhöhten Abnutzungswiderstand gegen Funken im Vergleich zu
den Vergleichsbeispielen Nr. 1 bis 5 aufweisen, welche aus bekannten
Materialien hergestellt sind, und zwar wegen der Zufügung von C und Mg und/oder
Ca als Legierungskomponenten.
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Wie aus der vorangehenden Beschreibung verstanden werden wird, weist das
Zündkerzen-Elektrodenmaterial aus auf Ni basierender Legierung der
vorliegenden Erfindung über eine bemerkenswert ausgedehnte Zeitperiode eine
verbesserte Hochtemperaturfestigkeit und Abnutzungswiderstand gegen
Funken in beständiger Weise auf, wodurch den Anforderungen an höhere
Ausgangsleistungen und höhere Betriebsdrehzahlen für verschiedene Motoren
mit innerer Verbrennung nachgekommen werden kann.