HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Zündkerze mit einer
Mittelelektrode und einer Außenelektrode, von denen mindestens eine aus
einer Nickellegierungsumhüllung und einem wärmeleitenden
Kupferlegierungskern hergestellt ist, der in der
Nickellegierungsumhüllung eingebettet ist.
Beschreibung des Standes der Technik
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Bei einer Zündkerze zur Verwendung in einer
Verbrennungskraftmaschine ist eine Mittelelektrode aus einer Nickelumhüllung
und einem Kupferkern hergestellt, der in der Nickelumhüllung
eingebettet ist. Wenn der Motor wiederholt bei Vollgasstellung
und Leerlaufbetrieb läuft, ist die Verbundelektrode einer
Umgebung mit einem großen Temperaturunterschied ausgesetzt, so
daß die Nickelumhüllung aufgrund der Wärmebeanspruchung, die
von dem Wärmeausdehnungsunterschied zwischen der
Nickelumhüllung und dem Kupferkern bewirkt wird, bleibend verformt wird.
Die verstärkte Wärmebeanspruchung bewirkt, daß die
Mittelelektrode in nachteiliger Weise verformt wird. Der Grad der
Verformung hängt von dem Wachstum eines Hohlraums ab, der sich im
Kupferkern entwickelt. Die Beziehung zu dem Hohlraum ist
derart, daß der vollständig ausgewachsene Hohlraum die
Deformation der Nickelumhüllung der Mittelelektrode beschleunigt.
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Fig. 11a zeigt, wie die Mittelelektrode 110 in Abhängigkeit
von dem Hohlraum 130 verformt wird, der sich in dem Kupferkern
120c, der in der Nickelumhüllung 120n eingebettet ist,
aufgrund der wiederholten Wärmebeanspruchung entwickelt hat. Der
angewachsene Hohlraum 130 bewirkt, daß sich die
Mittelelektrode
110 ausgehend von der mit einer strichpunktierten Linie
dargestellten Lage bis zu der mit einer durchgehenden Linie
dargestellten Position radial ausdehnt und axial
zusammenzieht.
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Wenn der Motor in 6000 Zyklen abwechselnd eine Minute lang bei
5000 U/min. mit Vollgas und eine Minute lang im
Leerlaufbetrieb laufen gelassen wird, wird die Mittelelektrode 110
außerdem der wiederholten Wärmebeanspruchung ausgesetzt und dehnt
sich weiterhin radial aus, so daß sich letztendlich Risse 140c
in einem Isolator 140 bilden, wie in Fig. 11b gezeigt ist.
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Wenn die Verbundkonstruktion von Nickelumhüllung 160n und
Kupferkern 160c für eine Außenelektrode 150 verwendet wird,
entwickeln sich aufgrund des Wärmeausdehnungsunterschieds
zwischen der Nickelumhüllung 160n und dem Kupferkern 160c
Hohlräume 170 in einem Kupferkern 160c. Wie mit der
strichpunktierten Linie in Fig. 12 gezeigt ist, verformen die voll
entwickelten Hohlräume die Außenelektrode 150 weg von einem
vorderen Ende 151a einer Mittelelektrode 151.
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Wie aus der obigen Beschreibung deutlich wird, wird die
Deformation der beiden Elektroden 110, 150 von den Hohlräumen 130,
170 verursacht, die sich in dem Kupferkern 120c, 160c
entwickelt haben. Deshalb ist es notwendig, das Wachstum dieser
Hohlräume zu steuern, um die Verformung der Elektroden zu
verhindern.
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Aus diesem Grund sind verschiedene Arten von Legierungen auf
Kupferbasis untersucht worden, und eine Anzahl von
Patentanmeldungen sind eingereicht und unter den vorläufigen
Patentveröffentlichungen der Nummern 61-143971, 61-143972, 61-143973,
61-148788, 61-148789, 61-148790 und 4-065791 veröffentlicht
worden.
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Von diesen Patentanmeldungen wird die offengelegte
Patentanmeldung Nr. 61-143973 als den am nächsten kommenden Stand der
Technik darstellend betrachtet und offenbart einen
Kupferlegierungskern, der ein Element oder Elemente im Bereich von
0,03 bis 1,0 Gewichtsprozent enthält, der bzw. die aus der
Gruppe ausgewählt wird/werden, die aus Ti, Zr und Cr besteht.
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All diese Patentanmeldungen sind darauf ausgerichtet,
spezielle Elemente auszuwählen, um diese dem Kupferkern in einem
bestimmten Prozentsatz beizufügen, aber keine dieser
Patentanmeldungen offenbart, wie die ausgewählten Elemente für welchen
Zweck verwendet werden.
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Durch das Hinzufügen der speziellen Elemente zu dem Kupferkern
wird normalerweise dessen Wärmeleitfähigkeit rapide
verschlechtert. Wenn die Elemente dem Kupferkern hinzugefügt
werden, um einen Kupferlegierungskern herzustellen, um diesen
dann bei einer Mittelelektrode oder einer Außenelektrode zu
verwenden, wird die Wärmeleitfähigkeit der beiden Elektroden
herabgesetzt, und somit wird es unmöglich, die Entwicklung des
Hohlraumes zu steuern bzw. das Wachstum des Hohlraums zu
verhindern. Im allgemeinen verschlechtert der
Kupferlegierungskern eine Vorentflammungswiderstandseigenschaft, wenn dieser
für die Mittelelektrode verwendet wird. Der
Kupferlegierungskern bewirkt normalerweise, daß die Nickelumhüllung in einer
Umgebung mit einer hohen Temperatur prompt oxidiert, wodurch
eine Funkenerosionswiderstandseigenschaft verschlechtert wird,
wenn dieser für die Außenelektrode verwendet wird.
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Deshalb ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen
Kupferlegierungskern vorzusehen, der in der Lage ist, eine feine
Korngröße
bei hohen Temperaturen beizubehalten, um so zu
verhindern, daß sich ohne weiteres Hohlräume in der Korngrenze
bilden, und eine gute Wärmeleitfähigkeit sowie eine gute
physikalische Festigkeit bei hohen Temperaturen aufrechtzuerhalten.
Durch die Verwendung des Kupferlegierungskerns bei den
Mittelund Außenelektroden wird die
Vorentflammungswiderstandseigenschaft der Zündkerze verbessert, wodurch ein Beitrag zu deren
verlängerter Nutzungsdauer geleistet wird.
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In der US-A-4,808,135 ist eine Mittelelektrode für eine
Zündkerze offenbart, die eine Nickellegierungsumhüllung und einen
Kupferlegierungskern umfaßt, der 0,01-1,0 Gew.-% von einem
oder mehreren Elementen, die Zirkonium einschließen, umfassen
kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Zündkerze
vorgesehen, die eine Mittelelektrode und eine Außenelektrode umfaßt,
von denen mindestens eine eine Nickellegierungsumhüllung und
einen wärmeleitenden Kupferlegierungskern umfaßt, der in der
Nickellegierungsumhüllung eingebettet ist, und die dadurch
gekennzeichnet ist, daß der Kupferlegierungskern ein
Additivmetall umfaßt, das eine übersättigte feste Lösung mit einem
Kupfermetall bildet, in der das Additivmetall oder eine
intermetallische Verbindung aus der Kupferphase ausgefällt und im
wesentlichen gleichmäßig dispergiert wird, und die Größe der
Teilchen des aus der Kupferphase ausgefällten Additivmetalls
weniger als 10 um beträgt.
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Der Kupferlegierungskern ist derart, daß seine physikalische
Festigkeit bei hohen Temperaturen verbessert wird, wodurch die
Körner des Additivmetalls klein gehalten werden, indem die
feine Korngröße bei hohen Temperaturen gehalten wird, um so zu
verhindern, daß sich bereitwillig Hohlräume in der Korngrenze
bilden, wenn dieser aufgrund des großen Temperaturunterschieds
einer wiederholten Wärmebelastung ausgesetzt ist. Aus diesem
Grund ist es möglich, die nachteilige Deformierung der
Elektroden zu verhindern, wodurch ein Beitrag zu ihrer verlängerten
Nutzungsdauer geleistet wird.
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Aufgrund der Tatsache, daß das Additivmetall oder eine
intermetallische Verbindung aus der Kupferphase ausgefällt wird, ist
ein Betrag des Additivmetalls, das in der Kupferphase
geschmolzen ist, unbedeutend klein, so daß die dem Kupfer zueigene
Wärmeleitfähigkeit im wesentlichen aufrechterhalten wird. Der
Kupferlegierungskern verbessert die Vorentflammungs- bzw.
Frühzündungswiderstandseigenschaft beträchtlich, wenn dieser
auf der einen Seite für die Mittelelektrode verwendet wird.
Andererseits verhindert der Kupferlegierungskern, daß die
Nickelumhüllung in der Umgebung mit einer hoher Temperatur
ohne weiteres oxidiert, so daß die
Funkenerosionswiderstandseigenschaft verbessert wird, wenn dieser für die Außenelektrode
verwendet wird.
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Durch eine geringfügige Beigabe von Chrom (Cr) und Zirkonium
(Zr) werden die physikalische Festigkeit und die
Wärmeleitfähigkeit des Kupferlegierungskerns bei hohen Temperaturen
verbessert.
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Das Additivmetall in einer Menge von weniger als 0,5
Gewichtsprozent macht einen Betrag der übersättigten festen Lösung
klein, wodurch es schwierig wird, die physikalische Festigkeit
des Kupferlegierungskerns zu verbessern, so daß die Körner
grob werden und sich so der Hohlraum bilden kann und dessen
Wachstum ermöglicht wird.
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Das Additivmetall in einer Menge von mehr als 1,5
Gewichtsprozent
verschlechtert die Wärmeleitfähigkeit des
Kupferlegierungskerns beträchtlich.
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Wenn die Korngröße der übersättigten festen Lösung, die aus
der Kupferphase ausgefällt wird, 10 um übersteigt, ist es
schwierig, die physikalische Festigkeit des
Kupferlegierungskerns aufrechtzuerhalten. Um diese Schwierigkeit
auszugleichen, ist es notwendig, die übersättigte feste Lösung fein und
gleichmäßig in dem Kupferlegierungskern zu dispergieren.
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Da die Wärmeleitfähigkeit des Kupferlegierungskerns 200
Wm&supmin;¹K&supmin;¹ oder mehr beträgt, wenn diese bei Normaltemperatur mit
einem Laserblitzverfahren gemessen wird, wird die
Mittelelektrode bezüglich ihrer Hitzeleitfähigkeit verbessert, was zur
Verbesserung der Frühzündungswiderstandseigenschaft beiträgt.
Gleichzeitig trägt die Wärmeleitfähigkeit von 200 Wm&supmin;¹K&supmin;¹ oder
mehr dazu bei zu verhindern, daß die Nickelumhüllung in der
Umgebung einer hohen Temperatur leicht oxidiert, wodurch die
Funkenerosionswiderstandseigenschaft verbessert wird.
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Aus dem Grund heraus, daß bei der Zündkerze nach Anspruch 5
der Kupferlegierungskern ein Keramikpulver in dem Bereich von
0,2 bis 1,5 Gewichtsprozent umfaßt, das im wesentlichen
gleichmäßig in einem Kupfermetall dispergiert ist, wird der
Kupferlegierungskern in bezug auf seine mechanische Festigkeit
verbessert, ohne daß die gute, dem Kupfer zueigene
Wärmeleitfähigkeit verloren geht. Mit weniger als 0,2 Gewichtsprozentanteil
des Keramikpulvers ist es unmöglich, dem Kupferlegierungskern
die mechanische Festigkeit zu verleihen. Andererseits
verringert das Keramikpulver in einem Anteil von mehr als 1,5
Gewichtsprozent die Wärmeleitfähigkeit des Kupferlegierungskerns
beträchtlich.
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Wenn die Verbundkonstruktion aus Nickelumhüllung und
Kupferlegierungselektrode für mindestens eine der Mittel- und
Außenelektroden der Zündkerze verwendet wird, wird die
Vorentflammungswiderstandseigenschaft der Zündkerze verbessert, wodurch
ein Beitrag zu deren verlängerter Nutzungsdauer geleistet
wird.
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Diese und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden
unter Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung sowie die
zugehörigen Ansprüche und Zeichnungen deutlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine vergrößerte perspektivische Darstellung eines
Hauptteils einer Zündkerze gemäß einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
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Fig. 2 ist eine Draufsicht auf eine Mittelelektrode, wobei
aber ihre rechte Hälfte als Längsschnitt dargestellt ist;
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Fig. 3a, 3b und 3c sind mikroskopische Fotografien der Textur
gemäß einem Prüfstück H von Tabelle 1;
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Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die zeigt, wie sich
die Beziehung zwischen der Temperatur (Kº) und der
Wärmeleitfähigkeit (Wm&supmin;¹K&supmin;¹) in Abhängigkeit von einem Betrag an Chrom
(Cr) und Zirkonium (Zr), der dem Kupferlegierungskern
hinzugefügt wird, ändert;
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Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die zeigt, wie sich
die Beziehung zwischen der Temperatur (Kº) und der
Wärmeleitfähigkeit (Wm&supmin;¹K&supmin;¹) in Abhängigkeit von einem Betrag von
verschiedenen Arten von Metallen, die dem Kupferlegierungskern
hinzugefügt werden, ändert;
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Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung
zwischen der Wärmeleitfähigkeit (Wm&supmin;¹K&supmin;¹) und einem
Kurbelwellen-Zündverstellwinkel beim Auftreten von Frühzündung zeigt;
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Fig. 7a und 7b sind mikroskopische Fotografien der Textur der
Teststücke G und Q, die nach der Durchführung eines
Dauerversuchs erhalten worden sind, wobei die Zündkerze an dem Motor
angebracht ist, der bei Vollgas und bei
Hochgeschwindigkeitsbetrieb läuft;
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Fig. 8 ist eine Längsquerschnittsansicht einer Außenelektrode;
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Fig. 9 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung
zwischen einem Betrag an Funkenerosion und der
Wärmeleitfähigkeit (Wm&supmin;¹K&supmin;¹) zeigt, die man erhält, nachdem ein Dauerversuch
durchgeführt wird, bei dem die Zündkerze an dem Motor
angebracht ist;
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Fig. 10 ist eine Längsquerschnittsansicht eines vorderen Teils
einer Zündkerze der verlängerten Art gemäß einer Modifikation
der Erfindung;
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Fig. 11a und 11b sind Querschnittsansichten eines vorderen
Abschnitts einer Zündkerze nach dem Stand der Technik, die
zeigen, wie sich durch eine wiederholte Wärmebeanspruchung ein
Hohlraum bildet und eine Mittelelektrode in nachteiliger Weise
deformiert wird, und
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Fig. 12 ist eine Querschnittsansicht des vorderen Abschitts
der Zündkerze nach dem Stand der Technik, die zeigt, wie sich
durch die wiederholte Wärmebeanspruchung der Hohlraum bildet
und eine Außenelektrode in nachteiliger Weise verformt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Unter Bezugnahme auf Fig. 1, die einen Hauptteil einer
Zündkerze 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
weist die Zündkerze 100 ein Metallgehäuse 3 auf, in dem ein
rohrförmiger Isolator 1 gestützt angeordnet ist, wobei ein
Inneraum davon als eine axiale Bohrung 11 dient. In der
axialen Bohrung 11 ist eine Mittelelektrode 2 angeordnet, die ein
vorderes Ende 21 aufweist, das etwas über ein vorderes Ende 12
des Isolators 1 hinausragt. Eine L-förmige Außenelektrode 31
ist fest an einer vorderen Endfläche 30 des Metallgehäuses 3
angeschweißt und bildet einen Elektrodenabstand (Gp) mit einer
Zündspitze 23, wie im folgenden beschrieben wird. Diese beiden
Elektroden 2, 31 sind aus einer Verbundkonstruktion
hergestellt, die eine Nickellegierungsumhüllung 10n und einen
Kupferlegierungskern 10c umfaßt, der in der
Nickellegierungsumhüllung 10n eingebettet ist, wie in den Fig. 2 und 8 gezeigt ist.
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Die Nickellegierungsumhüllung 10n besteht aus Inconel
(Markenzeichen), das eine hervorragende Widerstandseigenschaft
gegenüber einer Oxidation bei einer hohen Temperatur aufweist. Der
Kupferlegierungskern 10c enthält ein Additivmetall bzw.
Additivmetalle in dem Bereich von 0,5 bis 1,5 Gewichtsprozent, die
aus der in Tabelle 1 aufgelisteten Gruppe ausgewählt sind,
aber der Kern 10c enthält immer mindestens eines aus der
Gruppe von Chrom (Cr) und Zirkonium (Zr). Diese Additivmetalle
bilden eine übersättigte feste Lösung mit einem Kupfermetall
und werden aus der Kupferphase ausgefällt und im wesentlichen
einheitlich in der übersättigten festen Lösung dispergiert.
Die in der Tabelle 1 aufgeführten Teststücke beziehen sich mit
Ausnahme der Teststücke A, C, L, P, Q und R auf das
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Figuren 3a bis 3c sind Texturfotografien (1000x) des
Teststücks H. In der analysierten Form mit leeren Feldern zeigt
Fig. 3b Zr in Fig. 3a an, während Fig. 3c Cr in Fig. 3a
anzeigt.
TABELLE 1
Additivmetall (Gew.-%)
Wärmeleitfähigkeit bei Normaltemperatur
Anzahl der Hitzezyklen, die für einen Kontakt auf 0,1 mm notwendig sind
Ausbildung eines Hohlraumes bei 1000 Hitzezyklen ?
Kupfermetall der ausscheidungsgehärteten Art
Teststück
reines Kupfer
ausgebildet
nicht
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Der Kupferlegierungskern 10c wird folgendermaßen hergestellt:
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(1) Die Additivmetalle werden einem reinen Kupfer gemäß den
Gewichtsprozenten, wie sie in Tabelle 1 aufgeführt sind,
zugesetzt und in einer nicht oxidierten Atmosphäre
geschmolzen.
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(2) Die geschmolzene Legierung wird in Form gegossen, um
einen zylinderförmigen Gußblock (etwa 200 mm
Durchmesser) zu bilden, und dieser Gußblock wird in geeignete
Abschnitte (etwa 400 - 500 mm) geschnitten, für den
Warmstrangpreßvorgang auf 900ºC erhitzt, und wird
extrudiert, um eine Rolle zu bilden.
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(3) Nach dem Erhitzen dieser Rollenlegierung auf 950 bis
960ºC wird die Rollenlegierung zwangsweise mit Wasser
abgekühlt, um die übersättigte feste Lösung auszufällen,
in der jedes der Additivmetalle gleichmäßig dispergiert
ist. In diesem Fall beträgt die Größe jedes ausgefällten
Teilchens der Additivmetalle weniger als 10 um.
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Ein anderer Herstellungsvorgang verläuft folgendermaßen. Nach
dem Einbau der Rollenlegierung in den Elektroden 2, 31 kann
die Mittelelektrode bei einem Glasschmelzvorgang auf 950 bis
960ºC erhitzt werden. Dann kann die Rollenlegierung der
Elektrode zwangsweise mit Hilfe von Wasser oder Argongas abgekühlt
werden.
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Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die zeigt, wie sich
eine Beziehung zwischen der Temperatur (Kº) und der
Wärmeleitfähigkeit (Wm&supmin;¹K&supmin;¹) ändert, wenn geringfügig CR, Zr (0,26 bis
0,9 Gew.-%) zu dem reinen Kupfer hinzugefügt werden. Man hat
herausgefunden, daß das Zusetzen von Cr, Zr zu dem reinen
Kupfer die Wärmeleitfähigkeit der Kupferlegierung mit
ansteigender Temperatur verbessert, obwohl die Wärmeleitfähigkeit
des reinen Kupfers an sich abnimmt, wenn die Temperatur
ansteigt.
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Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die zeigt, wie sich
eine Beziehung zwischen der Temperatur (Kº) und der
Wärmeleitfähigkeit (Wm-¹K-¹) ändert, wenn geringfügig Cr, Zr, Ni, Ti,
Be und Te allein oder in einer geeigneten Kombination dem
reinen Kupfer beigemengt werden. Man hat herausgefunden, daß
der Zusatz von Ni, Ti, Be, Ta und Cr zu dem reinen Kupfer
ebenfalls dahingehend wirkt, die Wärmeleitfähigkeit der
Kupferlegierung zu verbessern.
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Somit wird die Wärmeleitfähigkeit des Kupferlegierungskerns
10c verbessert, indem Cr, Zr ausgefällt und einheitlich in der
übersättigten festen Lösung dispergiert werden. Durch den
Einbau des Kupferlegierungskerns 10c in der Mittelelektrode 2
ist es möglich, zu verhindern, daß das vordere Ende der
Mittelelektrode 2 übermäßig erwärmt wird. Dadurch wird das Auftreten
einer Frühzündung verhindert, bei der sich ein Luft-Kraftstoff-
Gemischgas aufgrund des übermäßig erhitzten vorderen Endes der
Mittelelektrode vorzeitig entzündet.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein
Kern auf Kupferbasis dadurch hergestellt, daß ein
Keramikpulver wie z.B. Aluminiumoxid (Al&sub2;0&sub3;) oder Magnesiumoxid (MgO) in
dem reinen Kupfermetall einheitlich dispergiert wird. Die
Gewichtsprozentanteile des Keramikpulvers liegen in dem
Bereich von 0,2 bis 1,5, wie in Tabelle 2 gezeigt. In dem
Kupferbasiskern liegt das Keramikpulver in der Form von Teilchen
vor, wodurch es möglich wird, die mechanische Festigkeit bei
einer hohen Temperatur zu steigern, ohne daß die
Wärmeleitfähigkeit verloren geht. Aus diesem Grund eignet sich der
Kupferbasiskern für die Mittelelektrode 2.
Tabelle 2
Kern auf Kupferbasis
Wärmeleitfähigkeit bei normaler Temperatur
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Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, die eine Beziehung
zwischen der Wärmeleitfähigkeit (Wm&supmin;¹K&supmin;¹) und dem Kurbelwinkel
(CA) beim Autreten von Frühzündungen zeigt. Die graphische
Darstellung zeigt, daß das Auftreten von Frühzündungen
abnimmt, solange die Wärmeleitfähigkeit des
Kupferlegierungskerns 10c bei 200 Wm&supmin;¹K&supmin;¹ oder mehr liegt, wenn diese bei der
Normaltempertur (20ºC) mit Hilfe der Laserblitzmethode
gemessen wird. Die Wärmeleitfähigkeit der Teststücke in Tabelle 1
beträgt 200 Wm&supmin;¹K&supmin;¹ oder mehr, mit Ausnahme bei den
Teststücken E, K, und L.
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Bei den Teststücken B und D bis O der ausscheidungsgehärteten
Kupferart, die in Tabelle 1 aufgelistet sind, werden die
Additivmetalle aus der Kupferphase ausgefällt und gleichmäßig
einzeln in der Form eines einzelnen Metalls oder einer
intermetallischen Verbindung dispergiert. Aus diesem Grund wird der
Kupferlegierungskern 10c bezüglich seiner mechanischen
Festigkeit bei hohen Temperaturen verbessert, und die Metallkörner
werden klein gehalten und werden nicht grob. Es hat sich
gezeigt, daß sich dann, wenn diese Teststücke B und D bis O in
der Mittelelektrode 2 eingebaut sind, im wesentlichen kein
Hohlraum in dem Kupferlegierungskern 10c entwickelt hat,
nachdem ein Dauerversuch durchgeführt wurde, bei dem die Zündkerze
an einem Sechszylindermotor mit 2000 cm³ Hubraum angebracht
war, der über 1000 Zyklen lang abwechselnd eine Minute lang
bei 6000 U/Min. mit Vollgas und eine Minute lang im
Leerlaufbetrieb laufengelassen wird. Es werden 3500 bis 4000 Zyklen
benötigt, um die Mittelelektrode 2 um 0,1 mm axial
zusammenzuziehen, so daß es schwierig ist, die Mittelelektrode 2 zu
deformieren, wodurch ein Beitrag zu ihrer verlängerten
Nutzungsdauer geleistet wird.
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Die Teststücke B, D, F, G, H, I, J, M, N und O haben beste
Eigenschaften, bei denen kein Hohlraum in dem
Kupferlegierungskern 10c bemerkt wird, und ihre Wärmeleitfähigkeit beträgt 200
Wm&supmin;¹K&supmin;¹ oder mehr, wenn die Hitzezyklen, denen die Teststücke
unterworfen werden, 1000 übersteigen.
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Die Figuren 7a und 7b wiederum sind mikroskopische Fotografien
von Texturen der Teststücke Q und G, wenn der
Kuperlegierungskern bei der Außenelektrode 31 verwendet wird. Diese
Fotografien werden nach Durchführung eines Dauerversuchs erhalten,
bei dem die Zündkerze auf einem 6-Zylinder-Motor mit 2000 cm³
Hubraum angebracht ist, der bei 6000 U/min. mit Vollgas über
einen Zeitraum von 200 Stunden läuft. Man hat herausgefunden,
daß das Teststück G in ausreichender Weise verhindert, daß die
Metallkörner grob werden.
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Das Additivmetall in einem Anteil von weniger als 0,5
Gewichtsprozent macht es unmöglich, einen genügend großen Betrag an
Metallkörnern auszufällen, wodurch die Körner grob werden und
so die mechanische Festigkeit des Kupferlegierungskerns 10c
herabsetzen, wobei sich der Hohlraum in dem Kern 10c
ausgebildet hat.
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Wenn das Additivmetall 1,5 Gewichtsprozent übersteigt, bewirkt
dies eine Verringerung der Wärmeleitfähigkeit auf einen Wert,
der zu niedrig ist, als daß die Außenelektrode 31 in der
Praxis Anwendung finden kann.
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Bei der Außenelektrode 31, die in Fig. 8 gezeigt ist, enthält
die Nickellegierungsumhüllung 10N 95 Gewichtsprozent Ni und
umfaßt Cr, Si und Mn in einer angemessenen
Prozentanteilskombination. Der Kupferlegierungskern 10c enthält ein oder mehrere
Additivmetalle in dem Bereich von 0,5 bis 1,5 Gewichtsprozent,
die aus der in Tabelle 1 aufgelisteten Gruppe ausgewählt sind,
aber der Kern 10c enthält immer mindestens eines von Chrom
(Cr) oder Zirkonium (Zr), wie oben beschrieben worden ist.
Diese Additivmetalle bilden eine übersättigte feste Lösung mit
einem Kupfermetall und werden aus der Kupferphase ausgefällt
und im wesentlichen gleichmäßig dispergiert. Mit Ausnahme der
Teststücke A, C, L, P, Q und R beziehen sich die in Tabelle 3
aufgeführten Teststücke auf das Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
TABELLE 3
AUSSENELEKTRODE
Additivmetall (Gew.-%)
Anzahl der Hitzezyklen, die notwendig sind, um die Deformierung einzuleiten
ausbildung eines Hohlraums ?
Teststück
reines Kupfer
ausgebildet
nicht
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Bei den Teststücken B sowie D bis O der
ausscheidungsgehärteten Kupferart, die in Tabelle 3 aufgelistet sind, werden die
Additivmetalle aus der Kupferphase ausgefällt unnd gleichmäßig
einzeln in der Form eines einzigen Metalls oder einer
intermetallischen Verbindung dispergiert. Aus diesem Grund wird der
Kupferlegierungskern 10c bezüglich seiner mechanischen
Festigkeit verbessert, und die Strukturen behalten ihre feine
Korngröße. Man hat herausgefunden, daß sich dann, wenn die
Teststücke B und D bis O in der Außenelektrode 31 eingebaut
werden, kein Hohlraum in dem Kupferlegierungskern 331 ausbildet,
nachdem ein Dauerversuch durchgeführt worden ist, bei dem die
Zündkerze auf einem 6-Zylinder-Motor mit 2000 cm³ Hubraum
angebracht ist, der 1000 Zyklen lang abwechslend eine Minute
lang bei 6000 U/min. mit Vollgas und eine Minute lang im
Leerlaufbetrieb läuft. Es werden 2000 bis 2600 Zyklen benötigt, um
die Außenelektrode weg von dem vorderen Ende der
Mittelelektrode zu deformieren, wie dies mit der strichpunktierten Linie in
Fig. 12 gezeigt ist, wodurch es schwierig wird, die
Außenelektrode 31 zu deformieren, und ein Beitrag zu ihrer verlängerten
Nutzungsdauer geleistet wird.
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Fig. 9 ist eine graphische Darstellung, die eine Beziehung
zwischen der Funkenerosion (mm) und der Wärmeleitfähigkeit
(Wm&supmin;¹K&supmin;¹) zeigt. Die graphische Darstellung wird erhalten,
nachdem ein Dauerversuch durchgeführt wird, wobei die
Zündkerze auf einem 6-Zylinder-Motor mit 2000 cm³ Hubraum angebracht
ist, der bei 6000 U/min. mit Vollgas über einen Zeitraum von
200 Stunden läuft. Man hat herausgefunden, daß die
Funkenerosion der Außenelektrode 31 abnimmt, wenn die Wärmeleitfähigkeit
des Kerns 10c den Wert 200 Wm&supmin;¹K&supmin;¹ übersteigt, der bei
normaler Temperatur mit Hilfe des Laserblitzverfahrens erhalten
wird, wie mit den Teststücken A bis D, F bis J und M bis R in
Tabelle 3 veranschaulicht wird.
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Die Teststücke B, D, F, G, H, I, J, M, N, und O haben
hervorragende Eigenschaften, bei denen kein Hohlraum in dem
Kupferlegierungskern 10c entdeckt wird, und ihre Wärmeleitfähigkeit
beträgt 200 Wm&supmin;¹K&supmin;¹ der mehr, wenn die Teststücke einer
beträchtlich höheren Frequenz der wiederholten Hitzezyklen
unterworfen werden.
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Als eine Formvariante der Erfindung, in der ein vorderer
Abschnitt 420a einer Mittelelektrode 420 einer Zündkerze 400
verlängert in einen Brennraum (Ch) einer
Verbrennungskraftmaschine hineinragt, sind ein Kupferlegierungskern 420c und eine
Nickellegierungsumhüllung 420n in der Mittelelektrode 420
integriert, wie in Fig. 10 gezeigt ist. Im Gegensatz zu der
Vergleichszündkerze, bei der die Fortsatzlänge (h) in dem
Bereich von 3,0 bis 4,0 mm liegt, ragt der vordere Abschnitt
420a über ein vorderes Ende 411 eines Metallgehäuses 410 um
eine Länge (h) von 4,5 bis 10,0 mm heraus. Dieser verlängerte
Typ der Zündkerze macht es möglich, daß das
Luft-Kraftstoff-Gemischgas in der Mitte des Brennraums (Ch) gezündet werden
kann, wodurch vorteilhafterweise eine Entzündbarkeit in einem
Verbrennungssystem für ein mageres Gemisch verbessert wird.
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Mit zunehmender Fortsatzlänge (h) neigt der vordere Abschnitt
420 der Mittelelektrode 420 dazu, einem größeren Betrag an
Verbrennungshitze ausgesetzt zu sein. Ohne die Verwendung des
Kupferlegierungskerns 420c und der Nickellegierungsumhüllung
420 erhöht der größere Betrag an Verbrennungshitze die
Wärmebeanspruchung, die von dem Wärmeausdehnungsunterschied zwischen
dem Kupferkern und der Nickelumhüllung bewirkt wird, wie in
den Fig. 11a, 11b und 12 gezeigt ist.
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Durch die Verwendung des Kupferlegierungskerns 420c und der
Nickellegierungsumhüllung 420n wird das Additivmetall
gleichmäßig in der übersättigten festen Lösung dispergiert, das von
der Kupferphase ausgefällt wird, wodurch es möglich wird zu
verhindern, daß die Metallkörner grob werden, und wodurch
verhindert wird, daß sich Risse an den Korngrenzen bilden.
Dadurch wird es möglich, den Verlust der mechanischen
Festigkeit bei einer hohen Temperatur zu verhindern und die
Entstehung und das Wachstum des Hohlraums zu verhindern, um so eine
ungünstige Deformierung der Mittelelektrode 420 und der
Außenelektrode 430 zu verhindern.
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Die Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf die speziellen
Ausführungsbeispiele beschrieben worden, aber es ist
selbstverständlich, daß diese Beschreibung nicht in einem
einschränkenden Sinne aufgebaut ist, so daß verschiedene Abänderungen und
Hinzufügungen zu den speziellen Ausführungsbeispielen von den
Fachleuten auf diesem Gebiet vorgenommen werden können, ohne
daß von Rahmen der anhängenden Ansprüche abgewichen wird.