EP0561812B1 - Elektrode und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

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EP0561812B1
EP0561812B1 EP91920001A EP91920001A EP0561812B1 EP 0561812 B1 EP0561812 B1 EP 0561812B1 EP 91920001 A EP91920001 A EP 91920001A EP 91920001 A EP91920001 A EP 91920001A EP 0561812 B1 EP0561812 B1 EP 0561812B1
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EP
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electrode
electrode body
main electrode
intermetallic phase
metal
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Karl-Hermann Friese
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/39—Selection of materials for electrodes

Definitions

  • the invention relates to an electrode for electrical discharges, in particular spark plug electrodes, with an electrode base made of metal and a method for their production.
  • Common spark plugs generally have a center electrode and a ground electrode, the tips of the two electrodes being arranged with respect to one another in such a way that a spark gap is left free. Due to the constant generation of sparks between the two electrodes, the tips are subject to considerable wear. This problem places high demands on the temperature resistance, corrosion resistance and thermal expansion characteristics of the electrode tip. Spark erosion and oxidation phenomena also lead to considerable stress.
  • the present invention takes advantage of the known IP materials (intermetallic phases) made of nickel aluminides.
  • Intermetallic phases are compounds of metals with ordered atomic distributions. These intermetallic phases are high even Temperatures are stronger than metal alloys, more resistant to oxidation than non-precious metal alloys and more malleable than ceramics. This means that their properties lie between metal and ceramic.
  • Intermetallic phases are, for example, titanium aluminides and nickel aluminides.
  • the electrode can consist entirely of the IP material or can have a tip made of IP material on an electrode body made of otherwise customary electrode material.
  • an IP material i.e. an intermetallic phase itself
  • an IP material i.e. an intermetallic phase itself
  • nickel aluminides such as NiAl3, Ni2Al3 or the like.
  • the connection to the electrode base body is then carried out by known methods, such as welding or high-temperature soldering.
  • Another advantageous possibility is, however, to apply a material to the electrode base body to form an intermetallic phase and then to produce a high-melting, oxidation-resistant intermetallic phase there.
  • Aluminum or an aluminum alloy, for example, are suitable as materials.
  • the material is preferably joined by alloying.
  • This alloying takes place, for example, using the known laser technology.
  • aluminum or aluminum alloys or aluminum-containing intermetallic phases such as NiAl3, Ni2Al3 or the like.
  • Ni4b5, Inconel or similar alloys or also applied to two-substance electrodes with appropriate cladding materials the specified goal in any case is the production of NiAl, if necessary.
  • additional alloying elements such as chromium, manganese, silicon, molybdenum or the like ..
  • Alloy formation or alloying can also take place using the aluminothermic effect, the heat of reaction being used in the oxidation of aluminum to form the alloy. In this case, a cermet material with connections of corundum particles is created.
  • the intermetallic phase should also contain alloy additives. It is possible, for example, to reduce the electron work function by adding alkaline earth metals.
  • alloy additives can be added to the material before alloying, which make this material ductile or deformable. This can also be done by appropriate pretreatment. This includes, for example, the addition of boron, with boron preferably evaporating during the alloying. If, for example, chrome is added, the corrosion resistance of the electrode can be improved.
  • the material is placed as a plate, cap or the like on the electrode base body and then, for example, alloyed on. This manufacturing process is simple and inexpensive.
  • the invention is also intended to include, for example, the use of an intermetallic phase in the manufacture of electrodes, in particular spark plug electrodes.

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Abstract

Bei einer Elektrode für elektrische Entladungen, insbesondere einer Zündkerzenelektrode, mit einem Elektrodengrundkörper aus Metall soll der Elektrodengrundkörper, insbesondere zumindest seine Spitze, mit einer intermetallischen Phase versehen sein.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Elektrode für elektrische Entladungen, insbesondere Zündkerzenelektroden, mit einem Elektrodengrundkörper aus Metall sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
  • Gängige Zündkerzen besitzen in der Regel eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode, wobei die Spitzen beider Elektroden so zueinander angeordnet sind, daß eine Funkenstrecke freigelassen ist. Durch die dauernde Funkenerzeugung zwischen beiden Elektroden unterliegen die Spitzen einem erheblichen Verschleiß. Dieses Problem stellt hohe Anforderungen an die Temperaturfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Wärmeausdehnungscharakteristik der Elektrodenspitze. Funkenerosion und Oxidationserscheinungen führen ebenfalls zu einer erheblichen Beanspruchung.
  • Zwecks Verbesserung insbesondere der Elektrodenspitze wird deshalb beispielsweise in der US-PS 4 540 910 vorgeschlagen, daß zwischen der aus einer Nickellegierung bestehenden Metallelektrode und einer Metallauflage hoher Verschleißfestigkeit aus einer platinhaltigen Legierung eine Zwischenschicht angeordnet ist, die zum Ausgleich des stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhaltens von Elektroden und Metallauflage dient. Diese Zwischenschicht besteht aus einer Legierung, welche sich aus einer Platinlegierung und Nickel zusammensetzt. Zum Aufbringen der verschleißfesten Metallauflage auf die Metallelektrode wird zunächst die verschleißfeste Metallauflage mit der Zwischenschicht mechanisch zusammenplattiert und dann die mit der Metallauflage versehene Zwischenschicht mit der Metallelektrode durch Widerstandsschweißen verbunden. Der hierfür erforderliche Herstellungsaufwand und vor allem die hohen Stoffkosten sind erheblich, ferner wird lediglich das Wärmeausdehnungsverhalten verbessert.
  • Aus der DE-PS 31 32 814 ist ferner bekannt, daß auf der freien Stirnfläche einer Mittelelektrode einer Zündkerze ein Plättchen aus Edelmetall, wie z.B. Platin, durch Widerstandsschweißen aufgebracht wird. Bei dieser Mittelelektrode tritt jedoch dann das Problem auf, daß sich das Edelmetall-Plättchen aufgrund von Spannungen in der Verbindungszone bei höheren thermischen und korrosiven Belastungen von der Mittelelektrode löst. Auch hier sind bereits die Materialkosten erheblich.
  • Aus GB-A-2 005 649 ist bereits ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für elektrische Entladungen mit einem Elektrodengrundkörper aus Metall bekannt, wobei ein Werkstoff aus einer intermetallischen Phase (IP-Werkstoff) auf den Elektrodengrundkörper aufgebracht wird.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung gemäß dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 macht sich die Vorteile der bekannten IP-Werkstoffe (intermetallische Phasen) aus Nickelaluminiden zunutze. Unter intermetallischen Phasen versteht man Verbindungen von Metallen mit geordneten Atomverteilungen. Diese intermetallischen Phasen sind auch bei hohen Temperaturen fester als Metall- Legierungen, oxidationsbeständiger als Nichtedelmetall-Legierungen und verformbarer als Keramik. Damit liegen sie in ihren Eigenschaften zwischen Metall und Keramik.
  • Zur näheren Erläuterung der intermetallischen Phasen wird auf "Magazin Neue Werkstoffe 1/89", Seite 15 ff. sowie auf den Artikel "Advances in Intermetallics" aus Advanced Material & Processes 2/89 verwiesen. Intermetallische Phasen sind beispielsweise Titanaluminide und Nickelaluminide.
  • Die Elektrode kann vollständig aus dem IP-Werkstoff bestehen oder eine Spitze aus IP-Werkstoff auf einem Elektrodenkörper aus sonst üblichem Elektrodenmaterial tragen.
  • Bezüglich des Aufbringens der Elektrodenspitze aus IP-Werkstoff gibt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung zwei Möglichkeiten. Zum einen kann ein IP-Werkstoff, d.h. eine intermetallische Phase selbst, auf den Elektrodengrundkörper aufgebracht werden. Dabei bieten sich vor allem Nickelaluminide, wie beispielsweise NiAl₃, Ni₂Al₃ od. dgl., an. Die Verbindung mit dem Elektrodengrundkörper erfolgt dann durch bekannte Verfahren, wie Schweißen oder Hochtemperaturlöten.
  • Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit ist aber, auf den Elektrodengrundkörper einen Werkstoff zur Bildung einer intermetallischen Phase aufzubringen und dann eine hochschmelzende, oxidationsbeständige intermetallische Phase dort zu erzeugen. Als Werkstoff bietet sich hier beispielsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung an.
  • Verbunden wird der Werkstoff in beiden Fällen bevorzugt durch Auflegieren. Dieses Auflegieren erfolgt dabei beispielsweise durch die bekannte Lasertechnik. Werden beispielsweise Aluminium oder Aluminiumlegierungen bzw. aluminiumhaltige intermetallische Phasen, wie NiAl₃, Ni₂Al₃ od. dgl. auf Elektrodengrundkörper aus z.B. Ni4b5-, Inconel- oder ähnliche Legierungen oder auch auf Zwei-Stoff-Elektroden mit entsprechenden Mantelwerkstoffen aufgebracht, so ist in jedem Fall das vorgegebene Ziel die Erzeugung von NiAl ggfs. mit zusätzlichen Legierungselementen wie etwa Chrom, Mangan, Silizium, Molybdän od. dgl..
  • Die Legierungsbildung bzw. das Auflegieren kann auch unter Ausnutzung des aluminothermischen Effektes erfolgen, wobei die Reaktionswärme bei der Oxidation von Aluminium zur Legierungsbildung ausgenützt wird. In diesem Fall entsteht also ein Cermet-Werkstoff mit Anschlüssen von Korundpartikeln.
  • Bei allen Verfahren entsteht ein Überzug auf dem Elektrodengrundkörper, welcher eine hohe Funkenerosionsfestigkeit sowie hohe Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit aufweist. Ferner findet sich ein erhöhter elektrischer Widerstand unmittelbar am Funkengrund in der Elektrodenoberfläche, was zu einer zusätzlichen Entstörwirkung führt. Das Verfahren selbst ist rationell, die Werkstoffkosten geringer als im Vergleich zu Platinkerzen.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel soll die intermetallische Phase noch Legierungszusätze beinhalten. Dabei ist beispielsweise möglich, durch Zusatz von Erdalkalimetallen eine Senkung der Elektronenaustrittsarbeit zu erzielen.
  • Ferner können dem Werkstoff vor dem Auflegieren weitere Legierungszusätze zugegeben werden, welche diesen Werkstoff duktil bzw. verformbar machen. Dies kann auch durch entsprechende Vorbehandlung erfolgen. Hierzu zählt beispielsweise die Zugabe von Bor, wobei Bor bevorzugt beim Auflegieren verdampft. Wird beispielsweise Chrom hinzugegeben, so kann hierdurch die Korrosionsbeständigkeit der Elektrode verbessert werden.
  • Im Rahmen der Erfindung liegt, daß der Werkstoff als Plättchen, Kappe od. dgl. auf den Elektrodengrundkörper aufgesetzt und dann beispielsweise auflegiert wird. Dieses Herstellungsverfahren ist einfach und kostengünstig.
  • Von der Erfindung soll beispielsweise auch die Verwendung einer intermetallischen Phase bei der Herstellung von Elektroden, insbesondere Zündkerzenelektroden, umfaßt sein.

Claims (5)

  1. Elektrode für elektrische Entladungen, insbesondere Zündkerzenelektrode, mit einem Elektrodengrundkörper aus Metall, wobei der Elektrodengrundkörper, insbesondere seine Spitze, mit einer intermetallischen Phase versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die intermetallische Phase aus Nickelaluminiden besteht.
  2. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrodengrundkörper ein Nickel oder eine Nickellegierung enthaltender Werkstoff eingesetzt wird, und daß auf dem Elektrodengrundkörper eine intermetallische Phase aus Nickelaluminiden erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der intermetallischen Phase Aluminium oder eine Aluminiumlegierung auf den Elektrodengrundkörper aufgebracht wird, wobei sich die intermetallische Phase am Elektrodengrundkörper ausbildet.
  4. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß das Auflegieren mittels Laser erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der IP-Werkstoff bzw. der Werkstoff, der mit dem Elektrodengrundkörper die intermetallische Phase bildet, nur auf die Spitze des Elektrodengrundkörpers aufgebracht wird.
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