EP0554792B1 - Silber-Nickel-Verbundwerkstoff für elektrische Kontakte und Elektroden - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a silver-nickel composite material for electrical contacts and electrodes, in particular for spark plug electrodes.
- Such a silver-nickel composite material in the form of a silver-nickel fiber composite for electrodes and a method for its production are known from DE-OS 2 508 490 (see also DE-A-2361274).
- a manufacturing process for silver-nickel fiber composite materials can also be found in DE-OS 2 259 636.
- DE-OS 3 213 481 it is also known to have a composite material consisting of two spirally wound silver alloy layers to form by arranging the material in a tube after the spiral rolling up and extruding or pulling it into a wire.
- the object on which the invention is based is therefore to create a silver-nickel composite material of the type mentioned at the outset, which allows a longer service life for the electrical contacts and electrodes formed from it and for the devices equipped with these contacts and electrodes, for example spark plugs.
- the silver component made of an oxygen-impermeable silver alloy and the nickel component consists of nickel or a nickel alloy.
- the silver-nickel composite according to the invention oxygen attacks on the nickel component, in particular on nickel fibers in a silver matrix, are prevented, so that there is a higher chemical resistance and the silver-nickel composite according to the invention is suitable as an electrode material for contacts and electrodes with a long service life .
- EP-A-401 598 discloses a center electrode for spark plugs, which has a copper core which is provided in the area of the ignition tip with a coating made of a silver alloy with reduced oxygen permeability.
- the nickel component in particular can consist of nickel fibers with approximately 1,000 fibers per mm 2 cross section, which are embedded in a silver matrix.
- a high number of fibers per cross-sectional area unit is important, which are sufficiently thin so that the composite does not break apart due to the different thermal expansion.
- spark plugs consist of such a composite material
- very low response voltages result due to the peak effect and field distortion (silver non-magnetic, nickel magnetic), which facilitates cold starts.
- peak effect and field distortion silver non-magnetic, nickel magnetic
- the even burn-off across the cross-section, in comparison with electrodes that consist only of silver or only nickel and burn off at the edges, in conjunction with the chemical resistance of the electrodes enables a long service life of the spark plug.
- the oxygen-tight silver alloy from which the silver component is made according to the invention preferably contains silicon or tin additives or additives of materials with a similar effect, i.e. an effect which makes the silver alloy oxygen-tight, in particular 0.05 to 0.3% by weight of silicon, preferably 0.3% by weight of silicon, or more than 2% by weight of tin being added.
- the single figure shows a partial sectional view of a spark plug.
- the spark plug shown in the drawing usually consists of an insulator 1, a body part 2, a center electrode 3, a glass melt 4 and a body electrode 5. Between the body electrode 5 and the center electrode 3 there is the spark gap 6.
- the material for the center electrode 3 and the body electrode 5 is a silver-nickel composite e.g. from an oxygen-impermeable silver alloy matrix and embedded fibers from a nickel alloy, which is common for spark plugs, or from concentric rings or spirally wound sheets made of alternating oxygen-impermeable silver alloy and a conventional nickel alloy. Electrodes made from the silver-nickel composite material according to the invention can be used in combination with common counter-electrodes made from nickel, from a nickel jacket and copper core, from full silver, fitted with platinum or from a silver jacket, copper core and separating layer.
- the silver-nickel composite material according to the invention can consist of 20-80% Ni or Ni alloy and the oxygen-impermeable silver with 100 to 6,000 fibers of nickel (nickel alloy) per mm2.
- a preferred nickel alloy contains 0.3% by weight of Mg and 1-4% by weight of Si, with other alloys such as e.g. Inconel 601 or nickel with a chromium content etc. can be used.
- the silver-nickel composite material according to the invention can also be used to form electrical contacts, which can consist of the composite material according to the invention as a solid material or can be provided with welded-on disks made of the composite material according to the invention, in which case the carrier material can also be copper or steel , since it is not exposed to the conditions in the engine combustion chamber.
- nickel tubes filled with the response voltage-lowering substances are embedded in the silver matrix, metal oxides and semiconductors are used as fillers that withstand the combustion chamber conditions.
- a spark plug with a center electrode made of the composite material according to the invention was tested in continuous operation, it being shown that the response voltage remained almost the same over 300 hours of continuous operation (less than 10% change).
- the minimum erosion was more uniform over the entire spark-coated ignition area compared to other electrode materials, the edges were much more stable compared to the erosion.
- the silver-nickel composite material according to the invention is accessible for mass production, the glass melting of a central electrode made of this composite material is possible with commercially available long-life resistant resistance sealing glasses under atmospheric oxygen, the nickel fibers giving the necessary mechanical and thermal stability.
- the composite material according to the invention is only minimally attacked chemically, so that long service lives result.
- the low response voltage allows larger electrode distances.
- additives against sulfur attacks e.g. Add palladium
- the silver-nickel fiber composite material can also be attached only in or on conventional central and / or body electrodes as an attachment or insert at the ignition-side end.
Landscapes
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- Contacts (AREA)
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Description
- Die Erfindung betrifft einen Silber-Nickel-Verbundwerkstoff für elektrische Kontakte und Elektroden, insbesondere für Zündkerzenelektroden.
- Ein derartiger Silber-Nickel-Verbundwerkstoff in Form eines Silber-Nickel-Faserverbundes für Elektroden sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung sind aus der DE-OS 2 508 490 (vergl. auch DE-A-2361274) bekannt. Ein Fertigungsverfahren für Silber-Nickel-Faserverbundwerkstoffe ist weiterhin auch der DE-OS 2 259 636 zu entnehmen.
- Aus der DE-OS 3 213 481 ist es weiterhin bekannt, einen Verbundwerkstoff aus zwei spiralförmig aufgewickelten Silberlegierungsschichten zu bilden, indem nach dem spiralförmigen Aufrollen der Werkstoff in einem Rohr angeordnet und zu einem Draht stranggepreßt bzw. gezogen wird.
- Wenn derartige Verbundwerkstoffe für elektrische Kontakte und Elektroden, insbesondere Zündkerzenelektroden, verwandt werden, dann besteht aufgrund der Tatsache, daß Silber sauerstoffdurchlässig ist, die Gefahr, daß die von der Silberkomponente umgebene Nickelkomponente insbesondere in eine Silbermatrix eingebettete Nickelfasern chemischen Angriffen ausgesetzt sind. Das ist insbesondere bei der Verwendung derartiger Silber-Nickel-Verbundwerkstoffe zur Bildung von Zündkerzenelektroden der Fall, die chemischen Angriffen in den Brennräumen ausgesetzt sind. Das setzt die Lebens- oder Laufdauer der entsprechenden Zündkerzen herab.
- Da aufgrund der Zunahme der elektronischen Komponenten in Kraftfahrzeugen und den Auflagen für den Umweltschutz der Bauraum im Motorbereich immer stärker begrenzt ist und somit die Wartung im Motorbereich sehr aufwendig geworden ist, ist es erwünscht, möglichst selten einen Austausch der Zündkerzen oder Zündkontakte vornehmen zu müssen. Gleiches gilt auch für Bio- und Gasmotoren, deren Zündkerzen lange Laufzeiten bei sehr hohen Belastungen haben sollen, die in der Regel nur Platinzündkerzen bzw. mit Platinmetallen oder Platinlegierungen bestückte Elektroden haben können.
- Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, einen Silber-Nickel-Verbundwerkstoff der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine höhere Lebensdauer der aus ihm gebildeten elektrischen Kontakte und Elektroden und der mit diesen Kontakten und Elektroden bestückten Einrichtungen, beispielsweise Zündkerzen, erlaubt.
- Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Silberkomponente aus einer sauerstoffundurchlässigen Silberlegierung besteht und die Nickelkomponente aus Nickel oder einer Nickellegierung besteht.
- Bei dem erfindungsgemäßen Silber-Nickel-Verbundwerkstoff werden somit Sauerstoffangriffe auf die Nickelkomponente, insbesondere auf Nickelfasern in einer Silbermatrix verhindert, so daß sich eine höhere chemische Beständigkeit ergibt und der erfindungsgemäße Silber-Nickel-Verbundwerkstoff als Elektrodenmaterial für Kontakte und Elektroden mit hoher Lebensdauer geeignet ist.
- In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß aus der EP-A-401 598 eine Mittelelektrode für Zündkerzen bekannt ist, welche einen Kern aus Kupfer aufweist der im Bereich der Zündspitze mit einer Ummantelung aus einer Silberlegierung mit verminderter Sauerstoffdurchlässigkeit versehen ist.
- Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Silber-Nickel-Verbundwerkstoffes für Zündkerzenelektroden ergibt sich darüber hinaus ein gutes Abbrandverhalten, so daß Zündkerzen mit derartigen Elektroden eine lange Lebensdauer haben.
- Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Silber-Nickel-Verbundwerkstoffes sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 8.
- Bei dem erfindungsgemäßen Silber-Nickel-Verbundwerkstoff kann insbesondere die Nickelkomponente aus Nickelfasern mit ca. 1.000 Fasern pro mm² Querschnitt bestehen, die in eine Silbermatrix eingelagert sind. Grundsätzlich ist eine hohe Anzahl von Fasern pro Querschnittsflächeneinheit wichtig, die ausreichend dünn sind, damit sich der Verbund aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnung nicht auseinander sprengt.
- Es ist weiterhin möglich, wechselweise Silber- und Nickelbleche spiralförmig aufzurollen und anschließend zu runden Drähten mit dünnen Schichten zu reduzieren, so daß im Querschnitt Silber- und Nickelbereiche einander abwechseln. Weiterhin können abwechselnd Silber- und Nickelrohre ineinandergesteckt sein und zu einem festen Verbundwerkstoff mit dünnen Schichten reduziert werden. Es ist schließlich auch möglich, anstelle von Nickelfasern Nickelrohre zu verwenden, die in eine Silbermatrix eingebettet werden und mit den Elektronenaustritt begünstigenden Füllstoffen, d.h. mit Füllstoffen gefüllt sind, die die Austrittsarbeit absenken, und so nachbearbeitet werden, daß Nickel als dünne Faser vorliegt. Derartige Füllstoffe können Metalloxide oder Halbleitermaterialien sein. Der in dieser Weise gebildete Verbundwerkstoff kann durch mehrfaches spanloses Umarbeiten in eine gewünschte Drahtform als Ausgangsmaterial für die Mittel- oder Körperelektroden von Zündkerzen in Rund- oder Profilform gebracht werden.
- Wenn die Mittel- und/oder Körperelektroden von Zündkerzen aus einem derartigen Verbundwerkstoff bestehen, ergeben sich durch Spitzenwirkung und Feldverzerrung (Silber unmagnetisch, Nickel magnetisch) sehr niedrige Ansprechspannungen, was Kaltstarts erleichtert. Der gleichmäßige Abbrand über den Querschnitt, verglichen mit Elektroden, die nur aus Silber oder nur aus Nickel bestehen und an den Kanten abbrennen, ermöglicht in Verbindung mit der chemischen Beständigkeit der Elektroden eine lange Lebensdauer der Zündkerze.
- Die sauerstoffdichte Silberlegierung, aus der gemäß der Erfindung die Silberkomponente besteht, enthält vorzugsweise Silizium- oder Zinnzusätze oder Zusätze von Materialien mit ähnlicher Wirkung, d.h. einer Wirkung, die die Silberlegierung sauerstoffdicht macht, wobei insbesondere 0,05 bis 0,3 Gew.-% Silizium, vorzugsweise 0,3 Gew.-% Silizium, oder mehr als 2 Gew.-% Zinn zugesetzt sind.
- Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben.
- Die einzige Figur zeigt eine Teilschnittansicht einer Zündkerze.
- Die in der Zeichnung dargestellte Zündkerze besteht üblicherweise aus einem Isolator 1, einem Körperteil 2, einer Mittelelektrode 3, einer Glaseinschmelzung 4 und einer Körperelektrode 5. Zwischen der Körperelektrode 5 und der Mittelelektrode 3 besteht die Funkenstrecke 6.
- Der Werkstoff für die Mittelelektrode 3 und die Körperelektrode 5 ist ein Silber-Nickel-Verbundwerkstoff z.B. aus einer sauerstoffundurchlässigen Silberlegierungsmatrix und eingelagerten Fasern aus einer Nickellegierung, die bei Zündkerzen üblich ist, oder aus konzentrischen Ringen oder spiralig gewickelten Blechen aus abwechselnd einer sauerstoffundurchlässigen Silberlegierung und einer üblichen Nickellegierung. Elektroden aus dem erfindungsgemäßen Silber-Nickel-Verbundwerkstoff können in Kombination mit marktüblichen Gegenelektroden aus Nickel, aus einem Nickelmantel und Kupferkern, aus Vollsilber, mit Platin bestückt oder aus einem Silbermantel, Kupferkern und Trennschicht verwandt werden.
- Beispielsweise kann der erfindungsgemäße Silber-Nickel-Verbundwerkstoff aus 20-80 % Ni bzw. Ni-Legierung und dem sauerstoffundurchlässigen Silber bei 100 bis 6.000 Fasern aus Nickel (Nickellegierung) pro mm² bestehen. Eine bevorzugte Nickellegierung enthält 0,3 Gew.-% Mg und 1 - 4 Gew.-% Si, wobei auch andere Legierungen wie z.B. Inconel 601 oder Nickel mit einem Chromanteil usw. verwandt werden können.
- Der erfindungsgemäße Silber-Nickel-Verbundwerkstoff kann auch zur Bildung von elektrischen Kontakten verwandt werden, wobei diese aus dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff als Vollmaterial bestehen oder mit aufgeschweißten Scheiben aus dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial versehen sein können, wobei in diesem Fall der Trägerwerkstoff auch Kupfer oder Stahl sein kann, da er den Verhältnissen im Motorbrennraum nicht ausgesetzt ist.
- Wenn statt Nickelfasern mit die Ansprechspannung absenkenden Stoffen gefüllte Nickelrohre in die Silbermatrix eingebettet sind, so werden als Füllstoffe Metalloxide und Halbleiter verwandt, die den Brennraumbedingungen standhalten.
- Es wurde eine Zündkerze mit einer Mittelelektrode aus dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff im Dauerbetrieb geprüft, wobei sich zeigte, daß die Ansprechspannung über 300 Stunden Dauerlauf nahezu gleich geblieben ist (weniger als 10 % Änderung). Der minimale Abbrand war verglichen mit anderen Elektrodenmaterialien gleichmäßiger über die ganze von Funken bestrichene Zündfläche, die Kanten waren gegenüber dem Abbrand wesentlich stabiler.
- Der erfindungsgemäße Silber-Nickel-Verbundwerkstoff ist der Mengenfertigung zugänglich, die Glaseinschmelzung einer Mittelelektrode aus diesem Verbundwerkstoff ist mit marktüblichen langlebensdauerbeständigen Widerstands-Einschmelzgläsern unter Luftsauerstoff möglich, wobei die Nickelfasern die notwendige mechanische und thermische Stabilität geben.
- Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff wird nur minimal chemisch angegriffen, so daß sich lange Standzeiten ergeben. Die niedrige Ansprechspannung erlaubt größere Elektrodenabstände.
- Es ist darüber hinaus möglich, je nach Art der zu befürchtenden chemischen Angriffe, der Silberkomponente weitere Zusätze, beispielsweise Zusätze gegen Schwefelangriffe wie z.B. Palladium zuzugeben.
- Der Silber-Nickel-Faserverbundwerkstoff kann auch nur in oder an üblichen Mittel- und/oder Körperelektroden als An- oder Einsatz beim zündseitigen Ende angebracht werden.
Claims (8)
- Silber-Nickel-Verbundwerkstoff für elektrische Kontakte und Elektroden, insbesondere für Zündkerzenelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die Silberkomponente aus einer sauerstoffundurchlässigen Silberlegierung und die Nickelkomponente aus Nickel oder einer Nickellegierung besteht.
- Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Silberlegierung Silizium oder Zinn enthält.
- Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Silberlegierung 0,05 - 0,3 Gew.-% Silizium enthält.
- Verbundwerkstoff nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Silberlegierung mehr als 2 Gew.-% Zinn enthält.
- Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelkomponente aus 100 - 6.000 Nickelfasern pro mm² besteht, die in eine Matrix der Silberlegierung eingelagert sind.
- Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickelkomponente aus Nickel- oder Nickellegierungsrohren besteht, die mit einem die Austrittsarbeit senkenden Material gefüllt und in einer Silbermatrix eingelagert und so nachbearbeitet sind, daß Nickel als dünne Faser vorliegt.
- Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd Silber- und Nickelrohre ineinander angeordnet und durch Verformung auf dünne Schichten reduziert sind.
- Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Silber-Nickel-Blechverbund spiralförmig aufgewickelt und zu einem Verbund mit dünnen Schichten reduziert ist.
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