DE7719093U1 - Zuendkerzenelektroden aus nickellegierungen - Google Patents

Description

Anlage zur Gebrauchsmusteranmeldung BERU-Werk Albert Ruprecht, Ludwigsburg, Wernerstr. 35 Zündkerzenelektroden aus Nickellegierungen

Die Erfindung betrifft Mittelelektroden und Masseelektroden für Zündkerzen aus Nickellegierungen »'.it über 9o % Ni, welche Mangan, und Silizium als Legierungselemente enthalten.

Die verbreitetsten Legierungen dieser Art enthalten ca. Sk - 95,5 Ni, 2 - 3 % Mn, 1,5 - 2 % Si und übliche geringe Beimengungen bzw. Verunreinigungen, wie Eisen, Kupfer, Chrom, Kohlenstoff, Schwefel und sonstige Elemente in bekannten, zulässigen Mengen.

Der relativ hohe Anteil von Mangan dieser Legierungen sollte in erster Linie vor Schwefelangriffen schützen. Zs hat sich jedoch gezeigt, dass auch ein Mangangehalt von 3 % keinen wirklichen Schutz gegen Schwefelangriffe bietet, wenn der Motor mit KraftstoffÜberschuss betrieben wird, wogegen bei Luftüberschuss im Kraftstoff enthaltener Schwefel verbrannt wird und auch bei Legierungen mic geringem Mangananteil keine gravierenden Schäden an den Zündkerzenelektroden hervorruft.

Es sind auch ZündkerzeiJeg i erungen mit geringerem Si-Gehalt bekannt, bei denen das Silizium zum Teil durch Chrom ersetzt ist, z.B. gemäss der GB-PS 8oö, 17o mit einer bevorzugten Zusammensetzung von 1,8 - 2,1 % Mn, o,1 - o,2 % Zr, 1,65 - 1,9 % Cr, o,35 - o,55 % Si, mindestens 9^,5 % Ni, max. o,o5 % C, max. 0,5 % Fe und max. ο,25 % andere Unreinheiten. Legierungen die^or Art haben jedoch den Nachteil, dass die genannten Gehalte an Mangan und Chrom zu nachteilhaft starker Bildung wenig festhaftenden Zünders führen.

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Was das Zirkonium betrifft, so ist die verbessernde Wirkung geringer Zusätze dieses Elements auf die Lebensdauer von Heizleiterlegierungen bekannt und ausser der Legierung nach GB-PS 808 17o ist noch eine Zündkerzen legierung mit k,5 % Mn, 1 % Si, o,3 % Zr, Rest Ni auf dem Markt, aber auch diese Legierung leidet an zu starker Zünderbildung und geringer Oxydationsbeständigkeit.

In diesel.) Zusammenhang ist zu erwähnen, dass alle Zündkerzen legierungen mit einem wegen der gewünschten guten Wärmeleitfähigkeit auf Ober 9o % bemessenen Ni-Anteil nicht als Heizleiterlegierungen im eigentlichen Sinne gelten können, weil sie wegen der unzureichenden Quantität der zulegierten Elemente und ihrer zum Teil schlechten Eignung nicht imstande sind, genügend gut haftende, elastische, oxidische Deckschichten zu bilden mit geringer Diffusionsfähigkeit für Metal Honen und Sauerstoff. Die Verbesserung gut wärmeleitender Zündkerzen 1 egierungen, insbesondere im Sinne einer erfolgreichen Annäherung an die Eigenschaften von Heizleiterlegierungen, hängt daher in hohem Maße von der Auswahl und der quantitativen Bemessung ihrer Legierungselemente ab.

Dabei ist jedoch noch zu berücksichtigen, dass die Ansprüche, welche an die Mittelelektroden und welche an die Masseelektroden gestellt werden, nicht in allen Punkten gleich sind:

Um die im Vergleich zum keramischen Isolator grössere Wärmeleitfähigkeit der Mittelelektrode besser ausnützen zu können, strebt man zumeist ein möglichst kleines Spiel zwischen dem Isolator und der Mittelelektrode an. Ein kleines Spiel ist aber nur anwendbar, wenn die Mittelelektrode während der ganzen Lebensdauer der Zündkerze sich nicht infolge Verzünderung, Korrosion und aus dem Kraftstoff sich bildender Bleiablagerungen in solchem Masse verdickt, dass sie den keramischen fsolatorfuss auseinandersprengt.

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Bei der Masseelektrode besteht diese Gefahr nicht, dagegen ist bei ihr gute Schweissbarkeft eine unabdingbare Voraussetzung. Die Forderung nach guter Schweissbarkeit hat jedoch auf die Zusammensetzung der Legierung einen tiefgreifenden Einfluss, weil wichtige Legierungselemente, welche die Eigenschaften der Elektroden verbessern würden, nicht oder nur in geringer Menge zugesetzt werden können, weil sie die Schweissbarkeit verschlechtern oder sie ganz in Frage stellen. So hat z.B. bei Mittelelektroden die Zugabe von mindestens o,15 %t vorzugsweise von o,25 bis o,35 % Mg gemäss dem deutschen Patent 2o kl 2oo zu bisher mit 2 - 3 % Mn und 1,5 2 % Si ausgeführten Nickellegierungen eine erhebliche Verbesserung insbesondere gegen Bleiangriffe aber auch gegen Schwefelangriffe zurFolge. Eine Mg-Zugabe in dieser Grössenordnung würde aber bei Masseelektroden die Schweissbarkeit in untragbarer Weise verschlechtern, wie auch der Chromgehalt von 1,65 - 1,9 % gemMss GB-PS 808, 17o der Schweissbarkeit abträglich ist.

Da die Funktionstüchtigkeit einer Zündkerze infolge des an ihrer Mittelelektrode und an ihrer Masseelektrode stattfindenden Abbrandes einem kritischen, zu Zündaussetzern führenden Elektrodenabstand zusteuert, hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, für die Mittelelektrode und für die Masseelektrode im Sinne der oben erläuterten Gesichtspunkte und Erfordernisse kostengünstige Legierungen zu schaffen, die bei grösserer Lebensdauer ein besseres Ergebnis in Bezug auf den Gesamtabbrand zeitigen.

Unter dem Gesamtabbrand ist dabei die durch die Zündfunken verursachte Erosion in Verbindung mit der durch chemische Angriffe bewirkten Korrosion und die gegebenenfalls durch Herausfallen von Kristalliten aus dem Kornverband infolge interkristalliner Korrosion entstehenden Stoffverluste entlang den Flächen an der Funkenstrecke von Mittel- und Masseelektrode zu verstehen. Die zuletzt genannten Stoffverluste durch Herausfallen von Kristalliten infolge interkristalliner Korrosion treten erfahrungsgemä'ss erst nach längerer Betriebs-

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dauer der Zündkerze in Erscheinung, wenn jedoch geringer Abbrand bzw. grössere Lebensdauer erzielt werden sollen, kommt der Verhütung dieser Art von Stoffver1usten zunehmende Bedeutung zu.

Die Erfindung hat es sich daher auch zur Aufgabe gemacht, diese Stoffver1uste möglichst gering zu halten. Sie strebt ferner Masseelektroden mit grösserer Schwingungsfestigkeit an, um auch bei Motoren mit erhöhten dynamischen Beanspruchungen, bei denen bisher Brüche auftraten, zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen.

Ausgehend von bisher üblichen Legierungen mit ca. 9^ 96 % Ni, 2 - 3 % Mn und 1,5 - 2 % Si sowie einem dem Verwendungszweck angepassten Mg-Gehalt entsprechend dem erwähnten deutschen Patent 2o kl 2oo, wird gemäss der Erfindung zur Verminderung der Zünderbildung der Mangangehalt auf ein solches Mass verringert, wie es im wesentlichen nur mit Rücksicht auf Entschwefelung der Schmelze und auf gute Verarbeitbarkeit erforderlich ist und der Si1iζiumgeha?t zwecks Erhöiiung der Ziinderfest i gkei t und Korrosionsbeständigkeit auf ein solches Mass erhöht, dass sich die Legierung, in die gegebenenfalls gemäss weiterer Ausgestaltung der Erfindung noch ein geringer Zusatz von Zirkonium und/oder Aluminium einzubringen ist, noch ohne Schwierigkeiten zu Drahten und Zündkerzenelektroden verarbeiten lässt.

Der Zirkoniumzusatz dient dabei hauptsächlich der Kornfeinung und Verminderung des Kornwachstums und infolge besserer Verzahnung der kleineren Kristallite fallen bei interkristalliner Korrosion die Stoffver1uste kleiner aus.

Es wurde aber gefunden, dass das Zulegieren von Zirkonium in der von den obengenannten Zündkerzenlegierungen her bekannten Grössenordnung bei den für die erfindungsgemässen Elektroden verwendeten Legierungen mit verringertem Mn-Gehalt und vergrössertem Si-Gehalt und mit Magnesium die Warmvverarbeitung

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beeinträchtigt und auch sonst keine Vorteile bringt. Der Zr-Zusatz ist daher kleiner als o,1 % gehalten, zweckmässig o,o3 ~ 0,06 % und wird nach Desoxydation und Entschwefelung als Vorlegierung in die Schmelze eingebracht. Anstelle von Zirkonium oder in Ergänzung zu diesem, kann zur Desoxydation o,o2 % Aluminium eingesetzt werden, das feinverteilte A1₂O.-Partikelchen als Keimbildner für ein feinkorniges GeUqe liefert. Ein höherer Al-Anteil bringt keine nennenswerten Vorteile und würde bei Masseelektroden das Schweissen verschlechtern.

Im einzelnen sieht die Erfindung für die Mittelelektrode die Verwendung einer Legierung folgender Zusammensetzung (in Gew.-%) vor:

Ni » Sk - 97 % (zweckmässig 96 - 97 %) Si = 2,3 - 3 % (zweckmässig 2,k - 2,6 %) Mn = o,1 - 1 % (zweckmässig o,25 - 0,6 % ) Mg = o,15 - o,4 % (zweckmässig o,2 - o,3 %) Zr = ο - o,1 % (zweckmässig o,o3 - o,o5 %)

Al = ο - o,o2 %

Beimengungen bzw. Verunreinigungen wie Fe, Cu, Cr, C, S und

sonstige Elemente in bekannten, zulässigen Mengen.

Für die Masseelektrode lautet die Legierung wie folgt: Ni = Sk - 97,3 % (zweckmässig 95 - 97,2 %) Si = 2,5 - 3,5 % (zweckmässig 2,9 - 3,1 %) Mn = o,1 - 1 % (zweckmässig o,25 - 0,6 %) Mg = ο - o,l % (zweckmässig o,o4 - o,o7 %) Zr = ο - o,1 % (zweckmässig o,o3 - o,o5 %) Al = ο - o,o2 % und übliche Beimengungen bzw. Verunreinigungen

Zündkerzen mit Elektroden gemäss der Erfindung zeichnen sich gegenüber solchen mit bekannten Ni-Si-Mn-Mg-Legierungen durch

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geringere Zünderbildung, grössere Zünderfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie geringeren Abbrand aus, ohne dass eine Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit und Erniedrigung des Wärmewerts der Zündkerze in Kauf genommen werden muss. Bei Dauerläufen auf dem Prüfstand mit Laufzeiten von 298 Stunden, entsprechend einer Laufstrecke von ca. 37-OOO km traten ohne Nachstellen des Elektrodenabstandes keinerlei Störungen auf und die Elektroden waren noch gut erhalten. Es handelte sich dabei um einen Ottomotor, der besondere Ansprüche an die Schwingungsfestigkeit stellte und bei dem die Masseelektroden aus anderen Ni-Mn-Si-Legierungen abbrach_rer. Die Schweissbarkeit der Masseelektroden gemass der Erfindung ist gut, und sie lassen sich auch sonst in zufriedenstellender Weise verarbeiten, ebenso die Mittelelektroden.

In Fig. 1 ist als Beispiel eine Zündkerze üblicher Bauart dargestellt, für deren Mittelelektrode und deren an das Kerzengehäuse angeschweisste Masseelektrode Legierungen gemäss der Erfindung verwendet sind.

Es handelt sich dabei um eine Hochspannungszündkerze, bei welcher der Isolatorfuss 1a aus dem zündseitigen Ende des Kerzengehäuses 2 hervorsteht und die zwischen der Mittelelektrode 3 und der Masseelektrode k liegende Funkenstrecke in den (nicht gezeichneten) Verbrennungsraum hineinragt. Der keramische Kerzenisolatoriist mittels einer eingestampften Pulverdichtung 5, einem Dichtring 6 und einem Bördel 7 gasdicht in das Kerzengehäuse 2 eingebaut. In den Isolator 1 Ist eine elektrisch leitende Pulverdichtung 8 eingestampft, die auf einen Kopf 3a der Mittelelektrode 3 drückt. Der Anschluss der Kerze an das (nicht gezeichnete) Zündkabel erfolgt an einem Anschlussbolzen 9, der mit Kitt Io im Isolator 1 befestigt und mit einem zugespitzten Stift 11 in die elektrisch leitende Pulverdichtung 8 hineingepresst ist.

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Infolge der geringeren Verzünderung der Mittelelektrode 3 kann das Spiel 12 zwischen ihr und dem isolator 1 bzw. dem Isolatorfuss 1 a verringert werden. Die Mittelelektrode weist am zQndseitigen Abschnitt 3b eine übliche, durch Kaltverformung erzeugte Verjüngung auf. Infolge der Hitzeeinwirkung beim Motorbetrieb tritt eine Rekristallisation ein und diese führt im Zusammenhang mit der Legierungszusammensetzung zu einem sehr feinkörnigen Gefüge.

PAT/I/Ei

15.Juni 1977

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Claims (1)

1. Schutzansprüche f.

   1. Mittelelektrode für Zündkerzen aus Nickellegierungen mit über 9o % Ni, welche Mangan und Silizium als Legierungselemente enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass eine Legierung folgender Zusammensetzung (in Gew. %) verwendet -ek

   Ni = Sk - 97 % (zvieckmässig 96 - 97 X) Si = 2,3 - 3 % (zweckmässig 2,k - 2,6 %) Mn = o,1 - 1 % (zweckmässig o,25 - o,6 %) Mg = o,15 - o,k % (zweckmässig o,2 - o,3 %) Zr - ο - o,1 % (zweckmässig o,o3 ~ o,o5 %) Al = ο - o,o2 %

   Beimengungen bzw. Verunreinigungen wie Fe, Cu, Cr, C, S und sonstige Elemente in bekannten, zulässigen Mengen.

   2. Masseelektrode für Zündkerzen aus Nickellegierungen mit über 3o % Ni, welche Mangan und Silizium als Legierungselemente enthalten, dadrfach gekennzeichnet, dass eine Le-

   ist gierung folgender Zusammensetzung verwendet --:

   Ni = Sk - 97,3 % (zweckmässig 95 - 97,2 %)

   Si - 2,5 - 3,5 % (zweckmässig 2,9 - 3,1 %)

   Hn-O₁I-M (zweckmässig o,25 - o,6 %)

   Mg = ο - o,1 % (zweckmässig o,o4 - o,o7 %)

   Zr = ο - o,1 % (zweckmässig o,o3 - o,o5 %)

   Al ss ο - o,o2 % und übliche Beimengungen bzw. Verunreinigungen

   PAT/I/EJ

   15.Juni 1977

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