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QUERVERWEIS
AUF EINE VERWANDETE ANMELDUNG
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Diese Anmeldung basiert auf und beansprucht
die Priorität
von der japanischen Patentanmeldung Nr. Hei-9-115310, eingereicht
am 16. April 1997, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen
wird.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Zündkerze
für eine
Brennkraftmaschine, welche ein Edelmetallstück enthält, verbunden entweder mit einer
Spitze einer Mittelelektrode oder einer Masseelektrode.
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2. Beschreibung des verwandten
Stands der Technik
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Um die Beständigkeit und Leistung einer Zündkerze
einer Brennkraftmaschine zu verbessern, wurde eine Zündkerze,
welche eine Platin- (Pt-) Legierung entweder als eine Mittel- oder
Masseelektrode verwendet, vorgeschlagen und ist in Verwendung. Vor
kurzem gab es eine Entwicklung, dass sowohl Mittel- als auch Masseelektroden
im Durchmesser verkleinert und verlängert werden, um die Funkenbildungsleistung
und Zündempfindlichkeit
unter Berücksichtigung
eines saubereren Abgas und einer mageren Verbrennung zu verbessern.
Falls die Pt-Legierungselektrode
verwendet wird, z. B. in der Form einer dünnen und verlängerten
Mittelelektrode, neigt die Funkenstrecke dazu vergrößert zu
sein, und eine Funkenbildungsfehlfunktion trifft oftmals aufgrund
der Dissipation der Elektrode auf.
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Als eine Gegenmaßnahme für dieses Problem wurde vorgeschlagen,
ein Edelmetallstück
entweder mit der Mittel- oder der Masseelektrode zu verbinden. Das
Edelmetallstück
kann mit der Elektrode durch Widerstands-Bolzenschweißen verbunden werden. Falls
jedoch das Edelmetallstück
mit der Elektrode durch Widerstands-Bolzenschweißen verbunden wird, kann der
geschweißte
Abschnitt aufgrund der thermischen Belastung, verursacht durch den
Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Edelmetalls und der Elektrode, beschädigt werden.
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Das Edelmetallstück kann durch Laserschweißen verbunden
werden. Siehe zum Beispiel US-A-5 578 895 und US-A-5 461 210. Beim
Laserschweißen
wird ein Laserstrahl mit einer hohen Energiedichte auf einen Übergang
des Edelmetallstücks und
der Elektrode gebündelt.
Sowohl das Edelmetall als auch ein metallisches Material der Elektrode
werden durch den hochdichten Laserstrahl geschmolzen und bilden
an dem Übergang
eine Schmelzverbindung. Jedoch hängt
der Anteil des Edelmetalls, welcher in das Elektrodenmaterial der
Schmelzverbindung einschmilzt, sehr stark von der Energie des Laserstrahl
ab, und demgemäß wird die
Beständigkeit einer
Zündkerze
in Abhängigkeit
von der Energie des Laserstrahls schwanken. Wenn z. B. das Edelmetallstück aus Iridium
(Ir) hergestellt wird, und die Elektrode, mit der das Edelmetallstück verbunden
wird, aus Nickel (Ni) hergestellt wird, ist ein Verhältnis von
Ir zu Ni in der Schmelzverbindung sehr klein, da der Schmelzpunkt
von Ir viel höher
als der von Ni ist (Ir: 2.450°C;
Ni: 1.450°C).
Falls das Ir-Verhältnis
in der Schmelzverbindung sehr gering ist, wird die thermische Belastung
an dem Übergang
nicht abgeschwächt.
Wenn die Laserenergie erhöht
wird, um das Ir in einem höheren
Verhältnis
zu schmelzen, verdampft das Ni und bildet Fehlstellen in der Schmelzverbindung
und eine große
Vertiefung wird an der Peripherie der Schmelzverbindung gebildet, da
der Schmelzpunkt von Ir und der Siedepunkt von Ni nicht weit voneinander
liegen (der Siedepunkt von Ni: 2700°C).
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde in
Anbetracht der vorher erwähnten
Probleme gemacht, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist
eine haltbare Zündkerze
für eine
Brennkraftmaschine zur Verfügung
zu stellen, mit einer Elektrode mit der ein Edelmetallstück fest
verbunden ist, und insbesondere eine Schmelzverbindung zur Verfügung zu
stellen mit einer hohen Bindungsstärke zwischen der Elektrode
und dem Edelmetallstück
durch Laserschweißen.
Die thermische Belastung in der Schmelzverbindung wird stark gesenkt,
zur gleichen Zeit wird eine hohe Beständigkeit verwirklicht.
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Die vorherige Aufgabe wird durch
eine Zündkerze
nach Anspruch 1 oder 2 gelöst.
Gemäß der in Anspruch
1 definierten vorliegenden Erfindung wird ein Edelmetallstück aus einem
Material wie einer Iridiumlegierung mit der Spitze der Mittelelektrode
aus einem Material, wie etwa Nickel, durch Laserstrahlschweißen verbunden.
Das Iridiumstück
enthält
ein weiteres Edelmetall, wie etwa Rhodium, welches einen niedrigeren
Schmelzpunkt als Iridium hat. Der Laserstrahl wird auf dem Übergang
der Mittelelektrode und des Edelmetallstücks gestrahlt, um eine Schmelzverbindung
am Übergang
zu bilden. Das in dem Edelmetallstück enthaltene Rhodium schmilzt
in die Schmelzverbindung, und bildet eine Legierung, welche drei
Materialien enthält,
das heißt
Nickel, Rhodium und Iridium.
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Alternativ dazu wird, wie in Anspruch
2 definiert, das in die Schmelzverbindung zu schmelzende Edelmetall
wie etwa Rhodium in der Form einer getrennten Metallplatte zur Verfügung gestellt,
welche zwischen der Mittelelektrode und dem Edelmetallstück angeordnet
ist, wenn der Laserstrahl abgestrahlt wird.
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Um die Schmelzverbindung mit einer
ausreichend hohen Bindungsstärke
und einer ausreichend geringen thermischen Belastung zu erhalten,
muss das in die Schmelzverbindung zu schmelzende Edelmetall, wie
etwa Rhodium, ein Material mit einem Schmelzpunkt von etwa 1.500
bis 2.100°C
und einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 8 bis 11 × 10–6/°C sein. Ebenfalls
müssen
mehr als 1 Gew.-% des Edelmetalls in die Schmelzverbindung geschmolzen
werden, und bevorzugt ist die Stärke
der Schmelzverbindung, welche mehr als 1 Gew.-% des Edelmetalls
enthält,
mehr als 0,2 mm. Ferner hat die Edelmetallstücklegierung, wie etwa eine
Iridiumlegierung, ein Material mit einem Schmelzpunkt höher als 2.200°C zu sein,
um die Dissipation der Elektrode im Betrieb zu vermindern.
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Das Edelmetallstück kann mit der Masseelektrode
anstelle der Mittelelektrode oder mit beiden verbunden sein.
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Andere Aufgaben und Merkmale der
vorliegenden Erfindung werden aus einem besseren Verständnis der
bevorzugten Ausführungsbeispiele leicht
offensichtlich, im Folgenden beschrieben mit Bezug auf die folgenden
Zeichnungen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die 1A bis 1C zeigen ein Verfahren zur Herstellung
einer Schmelzverbindung zwischen einem Edelmetallstück und einer
Mittelelektrode durch Laserschweißen;
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die 1D ist
eine fragmentarische Ansicht, welche eine verbundene Mittelelektrode
als ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
zeigt;
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die 2 ist
eine Halbquerschnittsansicht, welche eine Zündkerze für eine Brennkraftmaschine zeigt,
an welche die vorliegende Erfindung angewendet ist;
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die 3 ist
eine fragmentarische Ansicht, welche die verbundene Mittelelektrode
der Zündkerze
zeigt;
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die 4 ist
eine Grafik, welche die Beziehung der Laserenergie und der Bindungsstärke vor und
nach Belastungsuntersuchungen zeigt;
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die 5 ist
eine Grafik, welche die Beziehung zwischen der Menge an Rh, enthalten
in einer Ir-Legierung, und der Stärke der durch eine Laserenergie
von 5 Joule gebildeten Schmelzverbindung zeigt;
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die 6 ist
eine fragmentarische Ansicht, welche eine mit einer Laserenergie
von 5 Joule verbundene Mittelelektrode zeigt;
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die 7 ist
eine fragmentarische Ansicht, welche eine mit einer Laserenergie
von 7,5 Joule verbundene Mittelelektrode zeigt;
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die 8 ist
eine fragmentarische Ansicht, welche eine mit einer Laserenergie
von 10 Joule verbundene Mittelelektrode zeigt;
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die 9A und 9B zeigen ein weiteres Verfahren zur Herstellung
einer Schmelzverbindung zwischen einem Edelmetallstück und einer
Mittelelektrode durch Laserschweißen;
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die 9C ist
eine fragmentarische Ansicht, welche ein verbundene Mittelelektrode
als ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
zeigt;
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die 10 ist
eine Grafik, welche die Beziehung zwischen der in einer Schmelzverbindung
enthaltenen Menge von Rh und der Bindungsstärke zeigt;
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die 11 ist
eine fragmentarische Ansicht, welche eine Mittelelektrode als ein
Drittes Ausführungsbeispiel
zeigt, welche eine Schmelzverbindung hat, die einen ungeschmolzenen
Abschnitt enthält;
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die 12 ist
eine fragmentarische Ansicht, welche eine Mittelelektrode als eine
Variation der dritten Ausführungsform
zeigt;
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die 13 ist
eine Grafik, die das Verhältnis zwischen
Laserenergie und Bindungsstärke
einer Schmelzverbindung einer Mittelelektrode als ein Vergleichsbeispiel
zeigt;
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die 14 bis 16 sind fragmentarische Ansichten,
welche eine Schmelzverbindung in dem Vergleichsbeispiel zeigen.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Mit Bezug auf die 1 bis 8 wird ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
beschrieben. Die 2 zeigt
eine Zündkerze 9 für eine Brennkraftmaschine,
an welche die vorliegende Erfindung angewendet ist, und die 3 zeigt ein Teil einer Zündkerze
einschließlich
einer Mittelelektrode 2, an welche das Edelmetallstück 1 geschweißt ist. Mit
Bezug auf 2, besteht
die Zündkerze 9 aus
einem Isolator 92 mit einem Durchgangsloch 920 darin, einer
Mittelelektrode 2, angeordnet an einem unteren Ende des
Durchgangslochs 920, einem Metallgehäuse 91, welches den
Isolator 92 darin hält,
einer Masseelektrode 3, verbunden mit dem Metallgehäuse 91, welches
den Isolator 92 darin hält,
wobei die Masseelektrode 3 an das Metallgehäuse 91 angeheftet
und gegenüber
der Mittelelektrode 2 angeordnet ist, und einer Polklemme 93 zur
Verbindung der Zündkerze an
eine Hochspannungsquelle. Die Mittelelektrode 2 und die
Masseelektrode 3 bilden die Funkstrecke 27. Mit
der Spitze der Mittelelektrode 2 ist das Edelmetallstück 1 durch
Laserschweißen
verbunden.
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Mit Bezugnahme auf die 1D, wird ein Edelmetallstück 1,
hergestellt aus einer Ir- (Iridium-) Legierung mit einem Schmelzpunkt
höher als 2.200°C, an eine
Mittelelektrode 2 mit einer dazwischen befindlichen Schmelzverbindung 11 geschweißt. Ein
Edelmetallstück
mit einem Schmelzpunkt von 1.500 bis 2.100°C und einem linearen Ausdehnungskoeffizienten
von 8 bis 11 × 10–6/°C ist in der
Schmelzverbindung 11 in einem Verhältnis von höher als ein Gewichtsprozent
(Gew.-%) enthalten. Obwohl das Edelmetallstück in diesem Ausführungsbeispiel
mit der Mittelelektrode verbunden ist, kann es auf die gleiche Art
und Weise mit der Masselelektrode verbunden sein, wie hiernach beschrieben wird.
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Mit Bezugnahme auf die 1A bis 1C,
wird ein Verfahren zum Schweißen
eines Edelmetallstücks 1 an
die Mittelelektrode 2 beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel
ist das Edelmetallstück 1 aus
einer Ir-Legierung hergestellt, welche Rhodium (Rh) enthält, wobei
die Menge davon schwankt, wie später
erklärt
wird. Wie in den 1A und 1B gezeigt, wird das Edelmetallstück 1 auf
der Endoberfläche 211 der
Spitze 21 der Mittelelektrode angeordnet und vorläufig mit
der Endoberfläche
durch Widerstands-Bolzenschweißen
verbunden. Dann wird der Laserstrahl 9 abgestrahlt und
auf einen Übergang zwischen
dem Edelmetallstück 1 und
der Mittelelektrode 2 gebündelt, wie in der 1C gezeigt. Bei Bestrahlung mit Laserstrahl 4 rotiert
die Mittelelektrode 2, so dass eine gesamte Peripherie
des Übergangs dem
Laserstrahl ausgesetzt wird. Der Übergang des Edelmetallstücks 1 und
der Mittelelektrode 2 wird durch den Laserstrahl geschmolzen,
bildet die Metallverbindung 11 und das Edelmetallstück 1 wird
an die Mittelelektrode 2 geschweißt.
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In diesem spezifischen Ausführungsbeispiel, besteht
das Edelmetallstück 1 aus
einer Ir-Rh-Legierung (Gehalt an Rh wird variiert), und der Durchmesser
des Stücks
ist 0,7 mm und seine Stärke 1,0
mm. Als der Laser wir ein YAG-Laser verwendet. Die Mittelelektrode 2 besteht
aus einer Nickel- (Ni-) Legierung, welche 15,5 Gew.-% Chrom (Cr)
und 8,0 Gew.-% Eisen (Fe) enthält.
Die Energie des YAG-Lasers
wird in drei Schritten variiert, 5,0 Joule (J), 7,5 J und 10,0 J.
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Die wie vorher beschrieben hergestellten Zündkerzen 9 wurden
Beständigkeitsuntersuchungen
unterzogen. Die Zündkerzen
werden in eine Sechszylinder-Brennkraftmaschine
mit 2000 ccm eingebaut, und die Maschine wurde für 100 Stunden durch Wiederholung
eines Zyklus bestehend aus 1 Minute Lehrlauf und 1 Minute Vollgasbetrieb
bei 6000 U/min betrieben. Die Belastungsuntersuchungsergebnisse
sind in der 4 gezeigt,
in welcher die Laserenergie, verwendet zur Erzeugung der Schmelzverbindung 11 zwischen
dem Edelmetallstück 1 und der
Mittelelektrode 2, auf der Abszisse aufgetragen ist, und
die Bindungsstärke
der Schmelzverbindung in Newton (N) auf der Ordinate aufgetragen
ist. Die Bindungsstärke
(N) stellt eine Bindungsstärke
der Schmelzverbindung 11 dar. Je höher die Bindungsstärke ist,
um so höher
wird die Bindungsfähigkeit
sichergestellt und je kleiner wird die thermische Belastung in der
Schmelzverbindung 11, resultierend in einer längeren Lebenszeit
der Zündkerze.
Das Edelmetallstück 1,
der in den Beständigkeitsuntersuchungen
verwendeten Zündkerze
besteht aus einer Ir-Legierung, welche 5 Gew.-% Rh enthält. Wie
aus dem Grafen der 4 ersichtlich,
wird ohne Abhängigkeit vom
Grad der Laserenergie eine stabile Bindungsstärke sichergestellt.
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Die 5 zeigt
die Ergebnisse einer weiteren Beständigkeitsuntersuchung, welche
mit Zündkerzen
mit dem Edelmetallstück 1 durchgeführt wurde,
welches aus einer Ir-Legierung mit variablen Mengen an Rh hergestellt
wurde. Die zur Bildung der Schmelzverbindung 11 verwendete
Laserenergie wird auf 5 Joule (J) festgesetzt. Die Bedingungen der Beständigkeitsuntersuchung
sind die gleichen wie vorher erwähnt.
In der 5 wird die Bindungsstärke auf
der Ordinate, und die in dem Edelmetallstück 1 enthaltene Menge
an Rh auf der Abszisse aufgetragen. Wie aus der grafischen Darstellung
ersichtlich, steigt die Bindungsstärke proportional zu der Menge an
Rh bis zu 3 Gew.-% an, und wird dann stabil. Es ist ersichtlich,
dass die Bindungsstärke
gut über
100 N sicher gestellt wird, falls mehr als 2 Gew.-% Rh in dem Edelmetallstück 1 enthalten
ist. Falls 2 Gew.-% Rh in dem Edelmetallstück 1 enthalten sind,
war die Stärke
der Schmelzverbindung 11, wo mehr als 1 Gew.-% Rh enthalten
ist, etwa 0,2 mm.
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Die Gestalt jeder Schmelzverbindung 11, welche
mit dem Laserstrahl mit einer Energie von 5,0 J, 7,5 J und bzw.
10,0 J gebildet wird, wird untersucht und in den 6, 7 und 8 gezeigt. Die in der 6 gezeigte, mit 5,0 J Laserenergie
gebildete Schmelzverbindung ist relativ klein, aber das in der Schmelzverbindung
enthaltene Rh ist höher
als das einer später
erwähnten
Vergleichsprobe (in welcher das Edelmetallstück aus reinem Ir hergestellt
wurde, welches kein Rh enthält).
Die in der 7 gezeigte,
mit 7,5 J Laserenergie gebildete Schmelzverbindung, ist groß, und Rh
und Ni sind gut in die Schmelzverbindung eingeschmolzen. Die in
der 8 gezeigte, mit
10,0 J Laserenergie gebildete Schmelzverbindung ist ausreichend
groß,
und keine Fehlstelle wird in der Schmelzverbindung beobachtet, obwohl
eine Vertiefung 111 um die Peripherie der Schmelzverbindung herum
gebildet wird.
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Ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
wird mit Bezugnahme auf die 9A, 9B, 9C und 10 erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel
wird das Edelmetallstück 10,
hergestellt aus Ir, welches kein Rh enthält, verwendet, und ein Rhodium-
(Rh-) Stück 15 wird
zwischen dem Edelmetallstück 10 und
der Mittelelektrode 2 angeordnet, so dass Rh in die Schmelzverbindung 150 durch
Laserschweißen
eingeschmolzen wird. Wie in der 9A gezeigt,
wird das Rh-Stück 15 auf
der Endoberfläche 211 der
Mittelelektrode 2 angeordnet und vorläufig damit durch Widerstands-Bolzenschweißen verbunden.
Dann wird, wie in der 9B gezeigt,
das Edelmetallstück 10 auf
dem Rh-Stück 15 angeordnet
und vorläufig
damit durch Widerstands-Bolzenschweißen verbunden. Der Laserstrahl
mit einer Energie von 7,5 J wird abgestrahlt und auf die Peripherie
des Rh-Stücks 15 gebündelt, um
eine Schmelzverbindung 150 in der gleichen Art und Weise
wie in dem ersten Ausführungsbeispiels
zu bilden. Das Edelmetallstück 10 und
die Mittelelektrode 2 werden, wie in der 9C gezeigt,
zusammen mit der dazwischen liegenden Schmelzverbindung 150 verbunden.
Die Schmelzverbindung 150 ist eine Legierung, welche Rh,
Ir (Material des Edelmetallstücks 10)
und Ni (Material der Mittelelektrode 2) enthält. Es wurden
einige Proben erzeugt, in welchen die Stärke des Rh-Stücks 15 variiert
wird, so dass der Gehalt an Rh in der Schmelzverbindung ebenfalls
variiert wird. Diese Proben wurden der Beständigkeitsuntersuchung unter
den gleichen Bedingungen wie in dem ersten Ausführungsbeispiel unterzogen.
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Die Beständigkeitsuntersuchungsergebnisse
sind in der 10 gezeigt,
in welchem die in der Schmelzverbindung enthaltene Menge an Rh auf
der Abszisse und die Bindungsstärke
auf der Ordinate aufgetragen ist. Es ist aus der grafischen Darstellung ersichtlich,
dass eine ausreichende Bindungsstärke erhalten wird, falls mehr
als 1 Gew.-% Rh in der Schmelzverbindung enthalten ist. Anstelle
des Rh-Stücks 15 wurde
ein Platin- (Pt-) Stück
und ein Palladium- (Pd-) Stück
ebenfalls untersucht und die Ergebnisse waren die gleichen wie die
des Rh-Stücks.
In diesem spezifischen Ausführungsbeispiel
wird ein Rh-Stück 15 mit
einem Durchmesser von 0,7 mm verwendet. Jedoch können ebenfalls auch andere
Größen des
Rh-Stücks 15,
z. B. welche mit einem Durchmesser von 0,4 bis 1,5 mm, verwendet
werden.
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Ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
wird in den 11 und 12 gezeigt, in welchem die
Schmelzverbindung 11 einen ungeschmolzenen Abschnitt 116 in
ihrer Mitte enthält.
In diesem Ausführungsbeispiel
wird der Übergang
des Edelmetallstücks 1 und
der Mittelelektrode 2 durch den Laserstrahl nur an seiner
Peripherie zusammengeschweißt
und lassen einen ungeschmolzenen Abschnitt 116 in seiner
Mitte zurück,
wie in der 11 gezeigt.
Wenn die Stärke T,
in welcher mehr als 1 Gew.-% Rh in der Schmelzverbindung 11 enthalten ist,
stärker
als 0,2 mm ist, werden Edelmetallstück 1 und Mittelelektrode 2 sicher
verbunden, wobei die thermische Belastung in der Schmelzverbindung ausreichend
gering ist. Die Stärke T wird,
wie in der 11 gezeigt,
an einer Position von der Mittellinie P im Abstand S gemessen,
welche die Hälfte
des Radius R des Edelmetallstücks 1 ist. In einem
in der 12 gezeigten
Beispiel, wird das Rh-Stück 15 zwischen
dem Edelmetallstück 10 und
der Mittelelektrode 2 wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel
angeordnet, und ein Teil des Rh-Stücks 15 bleibt ungeschmolzen,
während
sein peripherer Teil geschmolzen wird, um die Schmelzverbindung 11 zu
bilden. Auch in diesem Fall ist, wenn die Stärke T stärker als 0,2
mm ist, die Bindungsstärke
ausreichend hoch. In den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen, in welchen
die Schmelzverbindung hergestellt wird ohne einen ungeschmolzenen
Teil darin zu belassen, ist es ebenfalls bevorzugt, die Stärke T stärker als
0,2 mm zu erzeugen.
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Für
einen Vergleichszweck wurden Proben erzeugt, in welche ein aus Ir
hergestelltes Edelmetallstück 8,
welches kein Rh darin enthält,
direkt an die Mittelelektrode 2 angeschweißt ist.
Das Laserschweißen
wurde mit einer Laserenergie von 5,0 J, 7,5 J bzw. 10,0 J durchgeführt. Dann
wurden die Vergleichsproben der gleichen Beständigkeitsuntersuchungen unterzogen,
wobei die Ergebnisse davon in der 13 gezeigt
werden. Wie aus der grafischen Darstellung ersichtlich, ist die
Bindungsstärke
einer Probe, in welcher die Schmelzverbindung mit 5 Joule Laserenergie
gebildet wird, nach dem Beständigkeitstest
stark reduziert, während
andere, mit höherer
Energie geschweißte
Proben eine geringere Änderung vor
und nach der Untersuchung zeigen (vergleiche mit den in der 4 gezeigten Untersuchungsergebnissen).
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Dies bedeutet, dass die Bindungsstärke der Vergleichsproben
stark von der Laserstrahlenergie abhängt. Dies ist deshalb so, da
die Schmelzverbindungen der Vergleichsproben kein darin eingeschmolzenes
Rh enthalten. Die 14 bis 16 zeigen die Form der Schmelzverbindungen,
welche mit einer Laserenergie von 5,0 J, 7,5 J bzw. 10,0 J erzeugt wurden.
In dem Fall einer Laserenergie von 5,0 J (14), ist die Schmelzverbindung 81 klein
und das Edelmetallstück 8 ist
nicht viel in die Schmelzverbindung eingeschmolzen (vergleiche mit 6). In dem Fall einer Laserenergie
von 7,5 J (15), ist
die Schmelzverbindung 81 ein wenig kleiner als die in der 7 gezeigte. In dem Fall
einer Laserenergie von 10,0 J (16)
hat die Schmelzverbindung 81 eine große Vertiefung 811 in
ihrer Peripherie und enthält
Fehlstellen 83 darin (vergleiche mit 8).
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Zum Zweck eines weiteren Vergleichs
wurden andere Vergleichsproben erzeugt, in welchen das aus Ir erzeugte
Edelmetallstück,
welches 5 Gew.-% Eisen (Fe), Vanadium (V), Bor (B) oder Titan (Ti)
enthält,
verwendet wird. Der Grund, warum diese Metalle ausgewählt werden
ist der, dass ihr linearer Ausdehnungskoeffizient zwischen denen
von Nickel (Ni) und Iridium (Ir) liegt. Die Vergleichsproben werden
den gleichen Beständigkeitsuntersuchungen
unterzogen. Die Bindungsstärke
jeder Probe ist um 5 bis 20% niedriger als die der Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung, welche Rh in der Schmelzverbindung enthalten.
Bei der Betrachtung der Form der Schmelzverbindungen nach der Beständigkeitsuntersuchung
wurden kleine Risse in der Schmelzverbindung gefunden. Der Grund
dafür mag darin
liegen, dass die Metalle Fe, V, B und Ti leichter als Rh oxidiert
werden, und demgemäß einige
Oxide in der Schmelzverbindung während
der Beständigkeitsuntersuchung
gebildet werden. Ebenfalls schmelzen diese Metalle nicht mit ihrem
gesamten Volumen in die Schmelzverbindung und bilden Metallverbindungen,
wie etwa Ir3Ti, welche eine diskontinuierlichen
linearen Ausdehnungskoeffizienten haben, und demgemäß kann die
thermische Belastung in der Schmelzverbindung nicht ausreichend
abgegeben werden.
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In den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung, wird eine Ir-Legierung mit einem Schmelzpunkt
höher als
2.200°C
als ein mit der Spitze der Mittelelektrode zu verbindendes Edelmetallstück verwendet.
Wenn der Schmelzpunkt niedriger ist, wird während die Zündkerze verwendet wird die
Funkenstrecke übermäßig geweitet, und
die geweitete Funkenstrecke erfordert eine höhere funkenbildende Spannung.
Es ist bevorzugt, eine derartige Ir-Legierung zu verwenden, die
einen Schmelzpunkt von niedriger als 2.600°C hat, um einen Spielraum von
100°C unterhalb
des Siedepunktes 2.700°C
von Nickel (Ni) zu haben, welches das Material der Mittelelektrode
ist. Die Ir-Legierung kann eine der Legierungen sein, welche wenigstens
eines der folgenden Metallen enthält: Platin (Pt), Palladium (Pd),
Rhodium (Rh), Gold (Au), Nickel (Ni) und Ruthenium (Ru).
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Ebenfalls kann die Ir-Legierung Yttriumoxid (Y2O3) oder Zirkoniumoxid
(ZrO2) enthalten.
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Die Schmelzverbindung wird als eine
Legierung gebildet, welche Materialien des Edelmetallstücks wie
etwa Ir enthält,
die Mittelelektrode Materialien wie etwa Ni, und andere Edelmetalle
wie etwa Rh werden zu dem Edelmetallstück zugegeben oder auf der Mittelelektrode
angeordnet. Mehr als 1 Gew.-% des zugegebenen oder angeordneten
Edelmetalls mit einem Schmelzpunkt von 1.500 bis 2.100°C und einem
linearen Ausdehnungskoeffizienten von 8 bis 11 × 1–6/°C ist in
der Schmelzverbindung enthalten. Wenn der Schmelzpunkt niedriger
als 1.500°C
ist, wird eine große
Vertiefung um die Schmelzverbindung herum gebildet, falls die Laserenergie
hoch ist, da der Schmelzpunkt nahe zu dem von Nickel wird, welcher
1.450°C
ist. Auf der anderen Seite, wenn der Schmelzpunkt höher als
2.100°C
ist, wird falls die Laserenergie niedrig ist, nur das Ni geschmolzen
ohne das Edelmetall zu schmelzen, da beide Schmelzpunkte von Ni
und des Edelmetalls zu weit auseinander sind, was darin resultiert,
dass die thermische Belastung in der Schmelzverbindung nicht abgeben
wird. Die untere Grenze des linearen Ausdehnungskoeffizienten des
zugegebenen Edelmetalls (8 × 10–6/°C) ist nahe
zu der des Edelmetallstücks,
und die obere Grenze (11 × 10–6/°C) ist nahe zu
jenem der Mittelelektrode. Wenn der lineare Ausdehnungskoeffizient
des zugegebenen Edelmetalls unterhalb der unteren Grenze oder oberhalb
der oberen Grenze ist, kann die thermische Belastung nicht ausreichend
in der Schmelzverbindung abgegeben werden. Die Menge des in der
Schmelzverbindung enthaltenen Edelmetalls ist bevorzugt in einem
Bereich von 1 Gew.-% bis 10 Gew.-%. Wenn sie niedriger als 1 Gew.-%
ist, wird die Bindungsstärke
während
eines Langzeitbetriebs in einem Wärmezyklus bei hohen und niedrigen
Temperaturen gesenkt. Ein höherer
Gehalt des Edelmetalls, welcher 10 Gew.-% übersteigt, macht die Zündkerze
zu teuer.
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Beim Verfahren des Laserschweißens bilden das
Mittelelektrodenmaterial, wie etwa Ni, und das zugegebene Edelmetall,
wie etwa Rh, eine Legierung, wie etwa Ni-Rh, und dann bildet diese
Legierung und das Edelmetallstück
wie etwa Ir eine Endlegierung wie etwa Ni-Rh-Ir, welche die Schmelzverbindung
bildet. Aufgrund der Anwesenheit des Rh zwischen Ir und Ni, wird
es einfacher für
Ir in die Schmelzverbindung einzuschmelzen, selbst falls die Laserenergie
niedrig ist. Dies ist deshalb so, da der Schmelzpunkt von Ir-Rh
niedriger als der von Ir ist, und Ir schmilzt in die Schmelzverbindung
in der Form von Ir-Rh
ein. Rh hat derartige Eigenschaften, dass es in Ir mit seinem gesamten
Volumen einschmilzt. Auf der anderen Seite, falls die Laserenergie
hoch ist, wir das Verdampfen von Ni durch die Anwesenheit von Rh
unterdrückt.
Dies ist deshalb so, da der Schmelzpunkt von Ni-Rh höher ist
als der von Ni. Daher ist die Bildung einer Vertiefung um die Schmelzverbindung
herum und die Bildung von Fehlstellen in der Schmelzverbindung unterdrückt. Im
Ergebnis kann das Edelmetallstück
und die Mittelelektrode fest durch Laserschweißen verbunden werden, ohne stark
von der Laserenergie abzuhängen.
Ebenfalls wird die thermische Belastung an dem Übergang durch die Schmelzverbindung
stark erleichtert. Demgemäß wird eine
höhere
Beständigkeit
der Zündkerze
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwirklicht.
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Es ist bevorzugt, Metalle wie etwa
Pt, Pd oder Rh als die zugegebenen oder angeordneten Edelmetalle
zu verwenden. Es ist ebenfalls bevorzugt eine Ni-Legierung, welche
Fe und Cr enthält,
als das Mittelelektrodenmaterial zu verwenden, um die Oxidation
der Mittelelektrodenoberfläche
zu vermeiden. Bevorzugt ist die Stärke T der Schmelzverbindung,
in welcher mehr als 1 Gew.-% des hinzugegebenen oder angeordneten
Edelmetalls enthalten ist, größer als
0,2 mm. Dies stellt sicher, dass die Bindung perfekt ist, und die
thermische Belastung in der Schmelzverbindung ausreichend niedrig
ist.
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Während
die vorliegende Erfindung gezeigt und mit Bezug auf die vorhergehenden
bevorzugten Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist es für Fachleute
offensichtlich, dass Änderungen
in Form und Einzelheiten darin gemacht werden können ohne von dem Umfang der
Erfindung, wie in den beigefügten
Ansprüchen
definiert, abzuweichen.
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In einer Zündkerze für eine Brennkraftmaschine wird
ein Edelmetallstück
(1), wie etwa ein Iridiumlegierungsstück, mit der Spitze einer Mittelelektrode
(2), hergestellt aus einem Material wie etwa Nickel, durch
Laserstrahlschweißen
verbunden. Das Edelmetallstück
(1) enthält
ein weiteres Edelmetall, wie etwa Rhodium, mit einem Schmelzpunkt
niedriger als der des Edelmetallstücks. Durch Laserschweißen wird
eine Schmelzverbindung (11), welche das darin eingeschmolzene
Edelmetall aus dem Edelmetallstück
(1) enthält,
an dem Übergang
des Edelmetallstücks
(1) und der Mittelelektrode (2) gebildet. Alternativ
kann das in die Schmelzverbindung (11) einzuschmelzende
Edelmetall durch eine gesonderte Edelmetallplatte zugeführt werden.
Die so erzeugte Schmelzverbindung hat eine hohe Bindungsstärke und
eine geringe thermische Belastung, und dadurch wird die Beständigkeit
der Zündkerze
verbessert.