DE69400986T2

DE69400986T2 - Zündkerze zur Anwendung in einem Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE69400986T2
Application number: DE69400986T
Authority: DE
Inventors: Takafumi Oshima
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1993-07-23
Filing date: 1994-06-30
Publication date: 1997-03-27
Anticipated expiration: 2014-07-01
Also published as: EP0635920B1; BR9402296A; EP0635920A1; JPH0737677A; US5461275A; JP3265067B2; DE69400986D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze mit einer Elektrode, deren vorderes Ende eine funkenerosionsbeständige Spitze hat, die z.B. aus einem Metall auf Ruthenium- oder Iridiumbasis besteht, in dem ein Oxid eines Seltenerdmetalls dispergiert ist.
Eine Zündkerzenelektrode kann eine Elektrodenspitze aufweisen, die aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt wie Ruthenium oder Iridium oder dgl. besteht. In dem Metall ist ein Oxid (z.B. Yttriumoxid) eines Seltenerdmetalls dispergiert, um die widerstandsfähigkeit gegen Funkenerosion zu erhöhen, wie dies in der Japanischen Patentschrift Nr. 52-118137 offenbart ist.
Bei der in der Japanischen Patentschrift Nr. 2-49388 offenbarten Zündkerze ist eine Zündspitze durch Laser- oder Elektronenstrahlschweißen am vorderen Ende eine Elektrode auf Nickelbasis befestigt. Die Zündspitze besteht aus einem Metall auf Iridiumbasis mit einem Gehalt von weniger als 50 Gew.-% Platin.
Des weiteren offenbart die JP-A-5054953 eine Zündkerze gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Beim Laser- oder Elektronenstrahlschweißen für die Einwirkung von Wärmeenergie an der Zündspitze und dem vorderen Ende der Elektrode dazu, daß dazwischen eine feste Legierungsschicht entsteht. In diesem Fall tendiert das Oxid des Seltenerdmetalls zur Aussonderung oder Seigerung in der erstarrten Legierungsschicht, wodurch Lunkerstellen entstehen. Diese Tendenz steigt mit dem Anteil des Oxids in der Zündspitze.
Thermisch bedingte Spannungen um diese Lunkerstellen verursachen Risse in der erstarrten Legierungsschicht aufgrund der Erwärmungs- und Abkühlungszyklen, wenn die Zündkerze in einem Verbrennungsmotor eingesetzt wird. Im schlimmsten Fall können die Risse schließlich dazu führen, daß die Zündspitze abblättert oder vom vorderen Ende der Elektrode abfällt, wodurch die Lebensdauer der Zündkerze deutlich verkürzt wird.
Um das Abblättern der Zündspitze zu vermeiden, wäre es möglich, die Menge des Oxids des Seltenerdmetalls zu verringern. Eine Verringerung der Menge des Oxids hat jedoch zur Folge, daß die Widerstandsfähigkeit der Zündspitze gegen Funkenerosion zurückgeht.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine Zündkerze bereitgestellt mit einer Elektrode aus einem ersten Metall, deren vorderes Ende eine Zündspitze aus einem zweiten, hochschmelzenden Metall aufweist, in dem ein Oxid eines Seltenerdmetalls dispergiert ist; wobei
die Zündspitze durch eine erstarrte Legierungsschicht mit einer Komponente aus der Elektrode und einer Komponente aus der Zündspitze mit der Elektrode verschweißt ist; und
dadurch gekennzeichnet ist, daß die Zündspitze V Vol.-% des Oxids des Seltenerdmetalls enthält, wobei V eine Zahl im Bereich von etwa 5 bis 15 ist, daß die mittlere Korngröße des Oxids D µm ist, wobei D eine Zahl im Bereich von etwa 0,05 bis 3,0 ist, und daß D ≤ -0,34 × V + 5,1 ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze durch Anschweißen einer Zündspitze an eine Elektrode aus einem ersten Metall bereitgestellt, wobei die Zündspitze aus einem zweiten hochschmelzenden Metall besteht, in dem ein Oxid eines Seltenerdmetalls dispergiert ist; wobei die Zündspitze mittels einer erstarrten Legierungsschicht mit einer Komponente aus der Elektrode und einer Komponente aus der Zündspitze an die Elektrode angeschweißt ist; und
dadurch gekennzeichnet ist, daß die Zündspitze V Vol.-% des Oxids des Seltenerdmetalls enthält, wobei V eine Zahl im Bereich von etwa 5 bis 15 ist, und daß die mittlere Korngröße des Oxids D µm ist, wobei D eine Zahl im Bereich von etwa 0,05 bis 3,0 ist, und das Verhältnis D zu V durch D ≤ -0,34 × V + 5,1 gegeben ist.
Die Elektrode ist vorzugsweise auf Nickelbasis hergestellt.
Zusätzlich oder wahlweise ist die Zündspitze aus einem Metall auf Ruthenium- oder Iridiumbasis hergestellt.
Auf Basis wiederholter experimenteller Untersuchungen hat sich gezeigt, daß obwohl das Oxid des Seltenerdmetalls in der erstarrten Legierungsschicht zu Koagulation oder Segregation tendiert, so daß Lunker auftreten, wenn das Oxid in der Zündspitze zunimmt, die Tendenz ausgeprägter wird, wenn die Menge des Oxids des Seltenerdmetalls einen Volumenanteil von 15% überschreitet.
Es hat sich ebenfalls gezeigt, daß die Bildung von Lunkern wirksam begrenzt wird, wenn eine mittlere Korngröße des Oxids des Seltenerdmetalls in einem Bereich von 0,05 bis 3,0 µm liegt, obwohl die Lunker dazu tendieren, sich in der erstarrten Legierungsschicht zu bilden, wenn die mittlere Korngröße des Oxids größer wird.
Mit der Reduzierung der Entladungsspannung der Zündkerze wird es erforderlich, daß die Zündspitze eine Oxidmenge mit einem Volumenanteil von mehr als 5% enthält, und es ist erforderlich, die Oxidmenge in einem Bereich von 5 bis 20 Vol.-% festzulegen, um eine gute widerstandsfähigkeit gegen Funkenerosion aufrechtzuerhalten.
Die Zündkerze gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei verringerter Entladungsspannung arbeiten, wobei das Auftreten von Lunkern und Rissen in einer erstarrten Legierungsschicht zwischen der Zündspitze und dem vorderen Ende der Elektrode verhindert wird, ohne daß die Widerstandsfähigkeit gegen Funkenerosion abnimmt.
Auf diese Weise kann das Auftreten von Lunkern in der Legierungsschicht wirksam vermieden werden, wodurch verhindert wird, daß die thermischen Spannungen aufgrund der Erwärmungs- und Abkühlungszyklen zur Bildung von Rissen in der erstarrten Legierungsschicht führen, wenn die Zündkerze in einem Verbrennungsmotor eingesetzt wird, während gleichzeitig die Funkenentladungsspannung reduziert werden kann, ohne daß die Widerstandsfähigkeit der Zündspitze gegen Funkenerosion abnimmt.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden beispielhaften Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich; es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht eines Unterteils einer Zündkerze gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei die linke Hälfte geschnitten dargestellt ist;
Fig. 2 einen Längsschnitt des vorderen Abschnitts einer Mittelelektrode der Zündkerze;
Fig. 3a - 3c aufeinanderfolgende Ansichten der Herstellung der Mittelelektrode;
Fig. 4 eine schematische Ansicht des Auftretens von Rissen in einer erstarrten Legierungsschicht zwischen einer Zündspitze und einem vorderen Ende der Mittelelektrode;
Fig. 5 eine graphische Darstellung eines Zusammenhangs zwischen dem Auftreten (%) von Lunkern und einer Menge (Vol.-%) des Oxids eines Seltenerdmetalls;
Fig. 6 eine graphische Darstellung eines Zusammenhangs zwischen der Korngröße (µm) des Oxids und der Menge (Vol.-%) des Oxids eines Seltenerdmetalls;
Fig. 7a - 7c mikroskopische Aufnahmen der Metallstruktur der Zündspitze;
Fig. 8 eine graphische Darstellung eines Zusammenhangs zwischen einer Funkenentladungsspannung (kV) und der Menge (Vol.-%) des Oxids eines Seltenerdmetalls;
Fig. 9 eine graphische Darstellung eines Zusammenhangs zwischen dem Volumen der Funkenerosion für einen Einzelfunken und der Menge (Vol.-%) des Oxids eines Seltenerdmetalls.
In Fig. 1, die einen unteren Abschnitt einer Zündkerze 1 für einen Verbrennungsmotor zeigt, hat die Zündkerze ein metallisches Gehäuse 3, in das ein rohrförmiger Isolator 2 eingesetzt ist. An einem unteren Ende des metallischen Gehäuses 3 ist eine L-förmige Masseelektrode 4 mittels elektrischer Widerstandsschweißung o. dgl. angebracht, um eine Funkenstrecke G mit einem vorderen Ende einer Mittelelektrode 5 zu bilden. Der Isolator 2 besteht aus einem Keramikkörper, der aus Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid als Hauptkomponente gesintert ist. Der Isolator 2 hat einen Innenraum, der eine axiale Bohrung 6 bildet, in die die Mittelelektrode 5 konzentrisch eingesetzt wird.
Das metallische Gehäuse 3 ist zylindrisch ausgeführt und besteht aus unlegiertem Stahl o. dgl., um eine Fassung für die Zündkerze 1 zu bilden. Auf einer Außenfläche des metallischen Gehäuses 3 ist ein Außengewindeabschnitt 7 bereitgestellt, mit dem die Zündkerze 1 in einen Zylinderblock (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors eingeschraubt wird.
Ein vorderes Ende 4a der Masseelektrode 4 reicht in einen Brennraum (Ch) des Verbrennungsmotors und hat eine Edelmetallspitze 8, die so angeordnet ist, daß sie dem vorderen Ende der Mittelelektrode 5 gegenübersteht. Beispielsweise kann die Edelmetallspitze 8 aus einer Legierung auf Platin- Iridium- oder Platin-Nickelbasis bestehen und am vorderen Ende 4a der Masseelektrode 4 mittels Laser-, Elektronenstrahl- oder elektrischer Widerstandsschweißung befestigt sein.
Wie Fig. 2 zeigt, umfaßt die Mittelelektrode 5 einen Metallstift 9, der eine metallische Außenhülle 12 auf Nickelbasis und einen gut wärmeleitenden Kern 13 aus Silber, Kupfer o. dgl. besitzt. Eine scheibenförmige Zündspitze 10 ist an einer vorderen Endfläche 14 des Hüllmetalls 12 angebracht, wobei eine erstarrte Legierungsschicht 11 zwischen der Zündspitze 10 und der vorderen Endfläche 14 des Hüllmetalls 12 wie nachstehend detailliert beschrieben ausgebildet wird.
Der Metallstift 9 der Mittelelektrode 5 ist in der axialen Bohrung 6 des Isolators 2 mit Hilfe bekannter Glaskittmassen aufgenommen, wobei das vordere Ende des Metallstifts 9 etwas über den Isolator 2 hervorsteht. Das Hüllmetall 12 des Metallstifts 9 besteht aus wärme- und erosionsbeständiger Si- Mn-Ci-Ni-Legierung oder Cr-Fe-Ni-Legierung (Inconel). In das Hüllmetall 12 ist der Metallkern 13 konzentrisch eingebettet, der aus gut wärmeleitendem Kupfer, Silber oder aus einer Kupferlegierung bzw. Silberlegierung besteht.
Die Zündspitze 10 ist ein Keramkikkörper, der durch Sintern eines hochschmelzenden Metalls wie Iridium (Ir) oder Ruthenium (Ru) hergestellt ist, in dem ein Oxid eines Seltenerdmetalls gleichförmig dispergiert ist. Das Oxid des Seltenerdmetalls kann beispielsweise Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;), Lanthanoxid (La&sub2;O&sub3;) o. dgl. sein. Die Zündspitze 10 ist an der vorderen Endfläche 14 des Hüllmetalls 12 mittels Laser- oder Elektronenstrahlschweißung befestigt. Diese Schweißverfahren verursachen die Bildung einer erstarrten Legierungsschicht 11 zwischen der Zündspitze 10 und der vorderen Endfläche 14 des Hüllmetalls 12. Die erstarrte Legierungsschicht 11 hat eine Komponente des Hüllmetalls 12 und eine Komponente der Zündspitze 10, so daß eine Legierung aus dem Metall auf Nickelbasis, dem hochschmelzenden Metall und dem Oxid des Seltenerdmetalls entsteht.
Die erstarrte Legierungsschicht 11 wird folgendermaßen bereitgestellt:
(1) Ein im Durchmesser reduzierter Hals 16 wird, wie in Fig. 3a dargestellt, auf einem Hüllmetallabschnitt, der über den Isolator 2 hervorsteht, durch plastische Verformung oder spangebende Bearbeitung bereitgestellt. Der im Durchmesser reduzierte Hals 16, der z.B. einen Durchmesser von 0,85 mm und eine Höhe von 0,25 mm hat, ist im Durchmesser kleiner als der stiftförmige Abschnitt 15 des Hüllmetalls 12. Ein konischer Abschnitt 17 ist zwischen dem durchmesserreduzierten Hals 16 und dem stiftförmigen Abschnitt 15 des Hüllmetalls 12 durch plastische Verformung oder spangebende Bearbeitung ausgebildet.
(ii) Was die Zündspitze 10 betrifft, die durch Sintern von Iridium (Ir) oder Ruthenium (Ru) hergestellt wird, in dem Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;), Lanthanoxid (La&sub2;O&sub3;) o. dgl. gleichförmig dispergiert ist, so wird die Zündspitze 10 wie in Fig. 3b gezeigt auf die vordere Endfläche 14 des durchmesserreduzierten Halses 16 des Hüllmetalls 12 aufgesetzt.
In diesem Beispiel enthält die Zündspitze 10 das Oxid des Seltenerdmetalls in einem Bereich von 5 - 15 Vol.-% (V) bei einer mittleren Korngröße (D) des Oxids in einem Bereich von 0,05 - 3 µm und einem quantitativen Verhältnis D ≤ -0,34V + 5,1.
(iii) Nach Ausführung der Laserschweißung werden YAG- Laserstrahlen (Lb) intermittierend aufgebracht, wobei diese allgemein parallel zu einem Zwischenbereich zwischen der Zündspitze 10 und der vorderen Endfläche 14 des durchmesserreduzierten Halses 15 des Hüllmetalls 12 gerichtet werden, während die Zündspitze 10 mittels einer Einspannvorrichtung 19 wie in Fig. 3c gezeigt gegen die vordere Endfläche 14 des durchmesserreduzierten Halses 16 gepreßt wird. In diesem Beispiel wird der Metallstift 9 um seine Achse gedreht, während die Laserstrahlen (Lb) mehrfach am Umfang aufgebracht werden, so daß sich benachbarte Schweißpunkte 18 bei einem Schuß von 2,0 J teilweise überlappen.
Dadurch wird es möglich, die erstarrte Legierungsschicht 11 zwischen der Zündspitze 10 und der vorderen Endfläche 14 des durchmesserreduzierten Halses 16 des Hüllmetalls 12 im wesentlichen über die gesamte Umfangserstreckung bereitzustellen, nachdem die geschmolzene Komponente der Zündspitze 10 und des Hüllmetalls 12 langsam abgekühlt wurde. Das bedeutet, daß die erstarrte Legierungsschicht 11 einen metallurgischen Komplex aus Nickel, dem hochschmelzenden Metall (Ir, Ru) und dem Oxid des Seltenerdmetalls (Y&sub2;O&sub3;, La&sub2;O&sub3;) bildet.
Es hat sich gezeigt, daß die erstarrte Legierungsschicht 11 dazu tendiert, Sauerstoff und Stickstoff rasch zu absorbieren, so daß eine gasförmige Komponente entsteht, während sich das Oxid des Seltenerdmetalls aufgrund der beträchtlichen Temperatur bei der thermischen Aufschmelzung der Zündspitze 10 und des Hüllmetalls 12 beim Laserschweißen zersetzt. Wie in Fig. 4 gezeigt, ist die innerhalb der erstarrten Legierungsschicht 11 erzeugte gasförmige Komponente für die Bildung von Lunkern verantwortlich, wenn das Oxid des Seltenerdmetalls koaguliert oder seigert, obwohl die gasförmige Komponente in der geschmolzenen Legierung mit einem Rückgang der Umgebungstemperatur abnimmt.
Um die obigen Nachteile zu vermeiden, wurden verschiedene experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um das Auftreten der Lunker, die Funkenentladespannung und die Widerstandsfähigkeit gegen Funkenerosion zu untersuchen, wobei die Menge und die mittlere Korngröße des Oxids des Seltenerdmetalls verändert wurden.
Für die Durchführung dieser experimentellen Untersuchungen wurden vier Typen von Proben aus Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;) vorbereitet, deren mittlere Korngrößen bei 5 µm, 3 µm, 1 µm und 0,5 µm für das Oxid des Seltenerdmetalls lagen. Jede dieser Proben wurde in einer Menge von 0 - 20 Vol.-% einem Pulver des hochschmelzenden Metalls (Ir) beigegeben. Die Mischungen der verschiedenen Proben mit dem Iridlumpulver wurden gepreßt und unter vorbestimmten Bedingungen metallurgisch gesintert, um die jeweiligen Zündspitzen herzustellen. Jede der Zündspitzen wird mittels Laserschweißung mit der vorderen Endfläche des Hüllmetalls des Metallstifts verbunden. Dann wird das Auftreten von Lunkern durch Strukturuntersuchungen an Schnittflächen der erstarrten Legierungsschicht anhand von jeweils zwanzig Proben geprüft. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen sind in Fig. 5 aufgetragen, die zeigt, daß das Auftreten von Lunkern mit der Zunahme von Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;) häufiger wird, unabhängig davon, ob die Korngröße 5 µm, 3 µm, 1 µm oder 0,5 µm beträgt. Das Auftreten von Lunkern nimmt mit der Korngröße des Yttriumoxids (Y&sub2;O&sub3;) zu. Insbesondere nimmt das Auftreten von Lunkern deutlich zu, wenn die Zugabe von Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;) einen Anteil von 15 Vol.-% überschreitet.
Umgekehrt wurde festgestellt, daß das Auftreten von Lunkern wirksam reduziert wird, wenn die Zugabe von Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;) bei einer Korngröße im Bereich von 0,5 bis 3,0 µm geringer ist als 15 Vol.-%. Es kann festgestellt werden, daß das Auftreten von Lunkern völlig vermieden wird, wenn die Zugabe von Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;) geringer ist als 7 Vol.-% bei einer Korngröße von weniger als 1 µm.
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Korngröße (D µm) und einer zugegebenen Menge (V %) des Oxids des Seltenerdmetalls. Ein Bereich für gute Laserschweißungen ist in Fig. 6 schraffiert dargestellt, in dem das Auftreten von Lunkern geringer ist als 10 %. Um den schraffierten Bereich in Fig. 6 anzugeben, wurde die Ungleichung D ≤ -0,34 V + 5,1 formuliert.
Das Auftreten der Lunker hängt nämlich von der mittleren Korngröße des Oxids des Seltenerdmetalls ab, obwohl das Auftreten der Lunker allgemein zunimmt, wenn das Oxid (Y&sub2;O&sub3;) dem hochschmelzenden Metall (Ir) beigegeben wird. Wenn die mittlere Korngröße des Oxids des Seltenerdmetalls größer ist, tendieren die Körner des Oxids zur Koagulation, wodurch die Bildung von Lunkern in der erstarrten Legierungsschicht 11 begünstigt wird. Wenn die mittlere Korngröße des Oxids des Seltenerdmetalls kleiner ist, ist es möglich, die Koagulation der Körner des Oxids wirksam zu verhindern, so daß die Lunker in der erstarrten Legierungsschicht 11 bei einer erhöhten Zugabe des Oxids des Seltenerdmetalls günstig beeinflußt werden können.
Das verringerte Auftreten von Lunkern macht es möglich, die thermischen Spannungen wirksam zu vermeiden, die zu Rissen in der erstarrten Legierungsschicht 11 aufgrund der Erwärmungs- und Abkühlungszyklen führen können, wenn die Zündkerze 1 für einen Verbrennungsmotor verwendet wird. Als Ergebnis ist es möglich, das Abblättern oder Ablösen der Zündspitze 10 von dem Metallstift 9 sicher genug zu vermeiden, um so die Lebensdauer der Zündkerze 1 zu verlängern.
Fig. 7a ist eine mikroskopische Aufnahme, die eine Metallstruktur eines Oberflächenschnittes der Legierung auf Iridiumbasis zeigt, die Yttriumoxid mit einem Anteil von 5 Vol.-% und einer mittleren Korngröße von 1 µm enthält.
Fig. 7b ist eine mikroskopische Aufnahme, die eine Metallstruktur eines Oberflächenschnittes der Legierung auf Iridiumbasis zeigt, die Yttriumoxid mit einem Anteil von 7,5 Vol.- % und einer mittleren Korngröße von 1 µm enthält.
Fig. 7c ist eine mikroskopische Aufnahme, die eine Metallstruktur eines Oberflächenschnittes der Legierung auf Iridiumbasis zeigt, die Yttriumoxid mit einem Anteil von 10 Vol.-% und einer mittleren Korngröße von 3 µm enthält.
Es ist anzumerken, daß die mikroskopischen Aufnahmen der Fig. 7a, 7b und 7c eine 1000fache Vergrößerung aufweisen, wobei dunkle Punkte das Vorliegen von Yttriumoxid kennzeichnen.
Anschließend wurde eine experimentelle Untersuchung durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen der Funkenentladungsspannung (kV) und einer Zugabemenge (Vol.-%) des Oxids des Seltenerdmetalls zu bestimmen. Eine Probe einer Zündspitze für die experimentellen Untersuchungen wurde durch Zugabe von bis 50 Vol.-% Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;) zu dem hochschmelzenden Metall (Ir) hergestellt. Die Zündspitze 10 wurde mittels Laserschweißung mit der vorderen Endfläche 14 des Hüllmetalls 12 des Metallstifts 9 verbunden, um die Mittelelektrode 5 der Zündkerze 1 zu bilden. Zur Untersuchung der Funkenentladungsspannung (kV) wurde die Zündkerze 1 in einen Verbrennungsmotor für Erdgas als Brennstoff eingebaut. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen sind in Fig. 8 dargestellt, die die Funkenentladungsspannung (kV) beim Betrieb des Verbrennungsmotors (2200 U/min) unter einer vorbestimmten Last mit einem zu BTDC15ºCA gemessenen Kurbelwinkel für die Frühzündung zeigt. BTDC15ºCA ist ein Akronym für "Before Top Dead Center 15 degrees in Crank Angle" (15 Grad Kurbelwinkel vor oberem Totpunkt).
Wie aus Fig. 8 hervorgeht, wird durch Zugabe des Oxids (Y&sub2;O&sub3;) mit einem Volumenanteil von mehr als 5% die Funkenentladungsspannung auf weniger als 19,5 kV reduziert. Dies liegt daran, daß mit erhöhter Zugabe des Oxids des Seltenerdmetalls ein elektrisches Feld lokal verstärkt wird. Durch Erhöhung der Zugabe des Oxids (Y&sub2;O&sub3;) über einen Volumenanteil von 5% hinaus ist es möglich, die Funkenentladungsspannung der Zündkerze 1 ausreichend zu reduzieren.
Eine weitere experimentelle Untersuchung wurde durchgeführt, um einen Zusammenhang zwischen der Funkenerosion und einer zugegebenen Menge (Vol.-%) des Oxids des Seltenerdmetalls zu bestimmen. Eine Probe einer Zündspitze für die experimentelle Untersuchung wurde durch Zugabe von 5 bis 50 Vol.-% Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;) oder Lanthanoxid (La&sub2;O&sub3;) zu dem hochschmelzenden Metall (Ir) hergestellt. Zur Untersuchung der Funkenerosion wurde die Zündspitze einer Induktionsenergie von 60 mJ ausgesetzt, die durch eine Zündstromquelle (nicht dargestellt) erzeugt wurde. Die Resultate der experimentellen Untersuchung sind in Fig. 9 dargestellt, in der die Verwendung von Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;) durch Dreiecke und die Verwendung von Lanthanoxid (La&sub2;O&sub3;) durch Kreise gekennzeichnet ist.
Aus Fig. 9 wird klar, daß die Funkenerosion durch Zugabe des Oxids des Seltenerdmetalls in einer Größenordnung von 10 Vol.-% unabhängig von der Verwendung von Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;) oder Lanthanoxid (La&sub2;O&sub3;) deutlich begrenzt werden kann. Dagegen wird keine merkliche Reduktion der Funkenerosion erzielt, wenn die zugegebene Menge des Oxids auf unter 5 Vol.-% zurückgeht. Dies liegt daran, daß Iridium (Ir) eine dominierende Rolle hinsichtlich der Erleichterung einer oxidationsbedingten Verdampfung in der heißen Umgebung bei einer Abnahme der Zugabe des Oxids des Seltenerdmetalls zu spielen scheint. Dies trifft ebenso zu, wenn die zugegebene Menge des Oxids einen Anteil von 20 Vol.-% übersteigt. Dies liegt daran, daß die erhöhte Menge des Oxids von einer iridiumdominierten Struktur zu einer oxiddominierten Struktur wechselt, in der das Oxid eine wichtige Rolle bei der Beeinflussung der Funkenerosion spielt.
Wie aus der vorangehenden Beschreibung hervorgeht, werden gemäß der vorliegenden Erfindung Korngröße und Zugabe des Oxids des Seltenerdmetalls im jeweils angegebenen Bereich festgelegt, um das Auftreten von Lunkern in der erstarrten Legierungsschicht zu verringern. Das verringerte Auftreten von Lunkern macht es möglich, die thermischen Spannungen wirksam zu vermeiden, die zu Rissen in der erstarrten Legierungsschicht 11 aufgrund der Erwärrnungs- und Abkühlungszyklen führen können, wenn die Zündkerze 1 für einen Verbrennungsmotor verwendet wird. Als ein Ergebnis ist es möglich, das Abblättern oder Ablösen der Zündspitze von dem Metallstift sicher genug zu vermeiden, um so die Lebensdauer der Zündkerze 1 zu verlängern und Schäden am Zylinder des Verbrennungsmotors zu verhindern. Mit der angegebenen Zugabe des Oxids zu dem hochschmelzenden Metall ist es möglich, den Anstieg der Funkenentladungsspannung wirksam zu kontrollieren, ohne eine Zunahme der Funkenerosion herbeizuführen.
Es ist anzumerken, daß die Zündspitze nicht nur für die Mittelelektrode, sondern ebenso für die Masseelektrode verwendet werden kann.
Es ist weiter anzumerken, daß anstelle der Verwendung eines durchmesserreduzierten Halses 16, der im Durchmesser kleiner ist als der zylindrische Abschnitt 15 des Metallstifts 9, der Durchmesser des Halses 16 im wesentlichen gleich dem zylindrischen Abschnitt 15 sein kann.
Es versteht sich, daß der wärmeleitende Kern 13 des Metallstifts 9 entfallen kann.
Es wurde festgestellt, daß die Zündspitze für eine Zündkerze des ungepolten Typs verwendet werden kann, bei der eine Funkenstrecke zwischen einer Masseelektrode und einer Außenfläche eines Metallstifts einer Mittelelektrode bereitgestellt ist. In diesem Fall wird die Zündspitze mittels Laser- oder Elektronenstrahlschweißung an der Außenfläche des Metallstifts befestigt. Nach dem Schweißvorgang kann die Zündspitze thermisch mit der Außenfläche des Metallstifts verschmolzen werden.
Es ist auch anzumerken, daß die Zündspitze stiftähnlich ausgebildet werden kann, wobei ein Ende der Zündspitze fest in eine Ausnehmung eingesetzt wird, die an der vorderen Endfläche 14 des Hüllmetalls 12 in dein Metallstift 9 bereitgestellt ist, während das andere Ende der Zündspitze aus der Ausnehmung herausragt.
Des weiteren versteht es sich, daß die geometrische Konfiguration der Zündspitze 10 und des Metallstifts 9 nach Bedarf abgeändert werden kann.

Claims

1. Zündkerze (1) mit einer Elektrode (5) aus einem ersten Metall, deren vorderes Ende eine Zündspitze (10) aus einem zweiten Metall mit hohem Schmelzpunkt aufweist, in dem ein Oxid eines Seltenerdmetalls dispergiert ist; wobei

die Zündspitze (10) durch eine erstarrte Legierungsschicht (11) mit einer Komponente aus der Elektrode (5) und einer Komponente aus der Zündspitze (10) mit der Elektrode verschweißt ist; und

dadurch gekennzeichnet, daß die Zündspitze (10) V Vol.-% des Oxids des Seltenerdmetalls enthält, wobei V eine Zahl im Bereich von etwa 5 bis 15 ist, daß die durchschnittliche Korngröße des Oxids Dµm ist, wobei D eine Zahl im Bereich von etwa 0,05 bis 3,0 ist, und daß D ≤ -0,34 x V + 5,1 ist.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, bei der die Elektrode aus einem Material auf Nickelbasis besteht.

3. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei der die Zündspitze aus einem Metall auf Ruthenium- oder Iridiumbasis besteht.

4. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Oxid Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;) oder Lanthan(III)-oxid (La&sub2;O&sub3;) ist.

5. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der V in der Größenordnung von 10 liegt.

6. Zündkerze nach Anspruch 4, bei der das Oxid Yttriumoxid ist, V etwa 7 oder weniger und D etwa 1,0 ist.

7. Zündkerze nach Anspruch 4, bei der das Oxid Yttriumoxid ist, V kleiner als 7 und D kleiner als 1,0 ist.

8. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze (1) durch Schweißen einer Zündspitze (10) an eine Elektrode (5) aus einem ersten Metall, wobei die Zündspitze (10) aus einem zweiten Metall mit hohem Schmelzpunkt besteht, in dem ein Oxid eines Seltenerdmetalls dispergiert ist;

wobei die Zündspitze (10) über eine erstarrte Legierungsschicht (11) mit einer Komponente aus der Elektrode (5) und einer Komponente aus der Zündspitze (10) mit der Elektrode verschweißt ist; und

dadurch gekennzeichnet, daß die Zündspitze (10) V Vol.-% des Oxids des Seltenerdmetalls enthält, wobei V eine Zahl im Bereich von etwa 5 bis 15 ist, und daß die durchschnittliche Korngröße des Oxids Dµm beträgt, wobei D eine Zahl im Bereich von etwa 0,05 bis 3,0 ist und D zu V die Beziehung D ≤ -0,34 x V + 5,1 besitzt.