EP1116308B1 - Zündkerze für eine brennkraftmaschine - Google Patents

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EP1116308B1
EP1116308B1 EP00960308A EP00960308A EP1116308B1 EP 1116308 B1 EP1116308 B1 EP 1116308B1 EP 00960308 A EP00960308 A EP 00960308A EP 00960308 A EP00960308 A EP 00960308A EP 1116308 B1 EP1116308 B1 EP 1116308B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
contact pin
spark plug
plug according
combustion chamber
precious
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP00960308A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1116308A1 (de
Inventor
Lars Menken
Bernd Reinsch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19939319A external-priority patent/DE19939319B4/de
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1116308A1 publication Critical patent/EP1116308A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1116308B1 publication Critical patent/EP1116308B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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 a spark plug for a Internal combustion engine according to the genre of the independent Claims.
  • DE-OS 196 23 989 a spark plug described in the insulator on the combustion chamber side End in a cylindrical, central bore Center electrode is inserted. Behind it towards the End of the insulator remote from the combustion chamber is in the bore Metallic contact pin arranged with a layer is made of nickel or a nickel-silver alloy. This contact pin is in electrical contact with the center electrode.
  • the spark plug with the features of the main claim has in contrast the advantage that the corrosion resistance of the contact pin effectively and with simple means is improved. The operational safety of the spark plug will thus improved. Furthermore, a local and Dimensional stability of the center electrode ensures that a increased ignition voltage requirement is avoided.
  • the measures listed in the subclaims allow advantageous developments and improvements of the spark plug specified in the main claim.
  • it is therefore favorable to coat the entire surface of the contact pin.
  • It is also advantageous in terms of production technology to carry out the coating by thermal spraying or by deposition from the gas phase, in particular by alitizing, which allows the spark plug according to the invention to be produced in large numbers.
  • It has also proven to be advantageous to pre-oxidize the coated contact pin before installing the contact pin, since an Al 2 O 3 protective layer is formed in this way.
  • the shape of the contact pin in the form of a cylinder with a larger diameter at the end remote from the combustion chamber, in particular step-like or conical, since the contact pins can be transported in this way in an advantageous manner during production. It is also advantageous to manufacture the contact pin in a simple cylindrical or conical shape, since manufacturing steps can be saved. A tapered tip of the contact pin on the combustion chamber side is advantageous since a higher pressurization of the end of the contact pin on the combustion chamber side can be achieved during manufacture.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a Spark plug according to the invention 1.
  • a metallic, tubular housing 5 is a ceramic insulator 10 arranged, the combustion chamber end with reduced Outside diameter forms the so-called insulator base 12.
  • the Rotational symmetry axes of candle housing 5 and insulator 10 are congruent.
  • The is also congruent Axis of one in the cylindrical opening on end of the insulator 10 embedded in the combustion chamber Connection bolt 15.
  • Also in the cylindrical Opening of the insulator are behind the connecting bolt 15 in One or more towards the combustion chamber in this order Panat packages 17, a contact pin 20 and a noble metal electrode 25 arranged.
  • the noble metal electrode 25 is in usually referred to as the center electrode.
  • the Rotation symmetry axes of center electrode 25 and Contact pin 20 are congruent with the axis of the Insulator base 12.
  • the ground electrode 30 is on the candle housing attached, which is bent towards the center electrode.
  • the space between the center electrode and the ground electrode is referred to as spark gap 35.
  • the noble metal center electrode 25 is located above the Contact pin 20 and one or more panat packages 17 in electrical contact with the connecting bolt 15, a Panatvers 17 a crossed by thin layers of metal Glass material package that represents a particular includes electrical resistance and at the same time the Fixing the connecting bolt 15 and the contact pin 20 in the insulator opening.
  • the insulator 10 is made made of a ceramic material which is electrical has an insulating effect and the interior of environmental and Shields engine compartment influences.
  • the contact pin 20 is made of a metal, preferably made of an iron-based alloy, for example one Iron-nickel-cobalt (Fe-Ni-Co) alloy. The However, the corrosion resistance of this alloy is low.
  • the contact pin 20 has the task of spatial separation between center electrode 25 and Panatpers (s) 17 to ensure that the Panat Package or Panat Packages 17 due to their low temperature resistance (only up to approx. 600 ° C) not the high temperatures at the top of the Isolators may be exposed.
  • the spark plug is used to ignite the electrical energy Fuel-air mixture in the combustion chamber, not shown to provide the internal combustion engine. This will be a High voltage via the connecting bolt 15, the Panat 17, the Contact pin 20 passed to the center electrode 25, which then a sparkover between the center electrode 25 and the ground electrode 30 causes. Through the spark contained energy becomes that contained in the combustion chamber Fuel-air mixture ignited, causing various Reactions of highly reactive gases arise.
  • Corrosion is a problem for the operation of the spark plugs of the contact pin 20 by the along a small Penetrating gap between insulator and center electrode highly reactive gases is caused.
  • the gap between Center electrode and insulator are created because the Insulator material and the electrode material different have thermal expansion coefficients and strong Are exposed to temperature fluctuations.
  • According to the invention to reduce corrosion a layer of one or several metal aluminides on the surface of the Contact pin 20 applied.
  • the metal aluminide layer preferably has a thickness of up to 100 ⁇ m, However, a greater thickness of the metal-aluminide layer can also be advantageous his. It can be caused by corrosion increased ignition voltage requirement caused effectively prevented become. The energy requirement is reduced and the Ignition safety is improved.
  • a contact pin according to the invention is shown separately in a longitudinal section.
  • the contact pin 20 has a cylindrical shape, the diameter of the end of the contact pin 20 remote from the combustion chamber being larger and being conically offset from the region with the smaller diameter.
  • the combustion chamber end of the contact pin 20 has a conically tapering tip which is flattened in a circle, whereby the top surface 37 on the combustion chamber side is formed.
  • a layer of one or more metal aluminides is formed on the surface of the contact pin 20, which layer was illustrated by a broad line in FIG.
  • Metal aluminides are intermetallic compounds that consist of a metal and aluminum.
  • a contact pin 20 made of an Fe-Ni-Co alloy is preferably used, one or more Fe-Ni-Co aluminides are formed accordingly. Layer thicknesses between 20 and 70 ⁇ m are preferred.
  • the metal aluminide layer 40 is formed at least on the top surface 37 of the contact pin 20 on the combustion chamber side and measured over a length of 1 mm from the top surface of the contact pin on the combustion chamber side.
  • the metal aluminide layer significantly increases the corrosion resistance of the contact pin 20.
  • the protective effect of the metal aluminide layer 40 formed by the diffusion of the elemental aluminum into the contact pin is based on a closed, firmly adhering, very thin Al 2 O 3 layer formed on the outer surface, which due to its very slow growth achieves both that underlying aluminide as well as the base material protects against a corrosive attack. If local destruction of the Al 2 O 3 layer occurs, for example due to chipping, a new Al 2 O 3 layer forms due to the aluminum present in the aluminide. A self-healing passivation of the coated surface of the contact pin 20 is thus ensured.
  • the contact pin 20 is off Figure 2 again in a schematic longitudinal section shown together with the center electrode 25. Since the Contact pin on the combustion chamber side cover surface 37 with the Metal aluminide layer 40 is coated, forms under Operating conditions, i.e. at temperatures up to 1000 ° C when in contact with the noble metal center electrode 25 on this top surface 37 facing the center electrode 25 the contact pin 20 one or more precious metal-aluminum connections, that are brittle. Preferably there is Center electrode 25 made of platinum or a platinum alloy, consequently, this contact pin cover surface 37 is formed one or more brittle platinum-aluminum compounds.
  • the formation of brittle connections on the top surface of the Contact pin 37 is advantageous because too strong Length changes due to different Coefficient of thermal expansion of central electrode 25 and Contact pin 20, which occur during thermal cycling, in the transition area between center electrode 25 and Contact pin 20 gap formation is made possible.
  • On such a gap is shown in FIG. 3 with the reference symbol 42 Mistake.
  • a frictional connection between the center electrode 25 and Contact pin 20 is prevented by the gap 42. It can such a spatial and dimensional stability of the center electrode be guaranteed, thereby increasing Ignition voltage requirement is avoided. Is particularly pronounced the gap formation when the thickness of the metal aluminide layer, from which the precious metal-aluminum connection is based forms, has a thickness of more than 100 microns.
  • An electrical contact between the center electrode 25 and the contact pin 20 is in the intended Spark plug voltages always present.
  • FIG 4. Another embodiment is shown in Figure 4. It is analogous to Figure 2, the schematic longitudinal section of a Contact pin 20 shown with an analog shape, now the entire surface of the contact pin 20 with the metal-aluminide layer 40 is coated. Analogous to Figure 2 the broad line identifies the metal-aluminide layer 40. The reference number 37 in turn is the combustion chamber side Designated top surface of the contact pin.
  • a contact pin according to the invention can in Sliding spark plugs, in air spark plugs and in air sliding spark plugs be used.
  • a can contact pin according to the invention also a different one than in Figures 2 and 4 have the shape shown.
  • the two diameters of the contact pin in Figure 2 and 4 can be chosen arbitrarily. Even the length of the two Areas and the length of the tapered transition between neither area is specified. Also the length of the tapered tip of the combustion chamber Contact pins can be chosen freely. The same is true Any diameter of the top surface 37 on the combustion chamber side selectable.
  • the contact pin can therefore be optimal Dimensioning of the spark plug and the conditions of the Adjust manufacturing.
  • FIG. 5 Another exemplary embodiment is shown in FIG. 5 shown.
  • the one shown in a longitudinal section Contact pin 20 has compared to the embodiment of FIG Figure 2 no tapered tip and one Cover surface 37, which has no reduced diameter compared to the cylindrical area on the combustion chamber side has.
  • the top surface 37 on the combustion chamber side has the same diameter as the cylindrical one area on the combustion chamber.
  • Figure 6 is the transition between the combustion chamber side cylindrical area and the combustion chamber distant cylindrical area with the larger diameter stepped.
  • Another Embodiment occurs, as shown in Figure 7 Change in diameter along the contact pin does not occur.
  • FIGS. 6 to 8 A frustoconical design of the Contact pin may be possible, which is shown in Figure 8.
  • the Embodiments in FIGS. 6 to 8 can also be a Have design of the tip on the combustion chamber as they described in Figure 2 and again separately in Figure 9 in was shown a longitudinal section. According to the figure 9 can the combustion chamber side tip of the contact pin 20th taper conically and a top surface on the combustion chamber side have a smaller diameter than the adjoining area.
  • the separation of the aluminum-containing Surface coating, the metal aluminide, the Contact pins 20 necessary aluminum can by means thermal spray process, a physical (Physical Vapor Deposition, PVD) or a chemical (Chemical Vapor Deposition, CVD) separation from the gas phase.
  • the aluminum is preferably deposited using a CVD process, especially through an alitation.
  • Alitation is a process in which the surface layer of a workpiece is enriched with aluminum through a thermochemical treatment.
  • the workpiece is embedded in a powder bed, for example, which is composed of a high proportion of Al 2 O 3 , an aluminum-containing donor alloy and a halogen-containing activator.
  • Elemental aluminum is deposited by a chemical reaction consisting of several steps in a hydrogen-containing atmosphere at a pressure between 0.01 and 10 MPa and temperatures of 900 ° C to 1100 ° C over a period of up to 10 hours.
  • a large number of contact pins can be embedded in the powder bed, so the alitation can be designed inexpensively.
  • the alitation can also be carried out without a powder bed by producing a transportable, gaseous aluminum compound, an aluminum halide, at a different location in relation to the location at which the contact pins are coated and by means of a flow containing hydrogen gas is transported to the coating site.
  • the transportable aluminum compound is formed from an aluminum-containing donor alloy and a halogen-containing activator.
  • an additional oxidation step of the coated contact pin can be carried out. This pre-oxidation leads to the formation of the passivating Al 2 O 3 layer described above even before the contact pin is installed.
  • the oxidation takes place at temperatures between 500 ° C and 1200 ° C over a period of up to 100 hours in an oxygen-containing atmosphere.
  • FIG. 10 shows the effect of the metal aluminide layer 40 described above using a diagram.
  • the diagram shows the diameter increase of a contact pin when the contact pin is exposed to a temperature of 900 ° C in air.
  • the diameter increase of the examined contact pins is plotted in ⁇ m over the aging period in hours.
  • the round symbols mean the measured values for an uncoated Fe-Ni-Co contact pin, the squares the measured values for an Fe-Ni-Co contact pin provided with a 20-30 ⁇ m thick nickel layer and the rhombuses for one with a through Alitation generated and 25-60 ⁇ m thick Fe-Ni-Co aluminide layer provided Fe-Ni-Co contact pin.
  • the coating is applied to the entire surface of the contact pin.
  • a considerable increase in diameter can be clearly seen for the uncoated and the nickel-plated contact layer, while the increase in diameter of the aluminum contact pin is small. Furthermore, no further increase in diameter can be observed after about 300 hours in the case of the alitated contact pin. The increase in diameter is caused by corrosion of the contact pin. In the case of the alitated contact pin, the slight increase in diameter occurs due to the formation of the Al 2 O 3 layer.
  • spark plugs with a contact pin according to the invention could reduce corrosion and local and Dimensional stability of the center electrode can be observed.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Zündkerze für eine Brennkraftmaschine nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche. In der DE-OS 196 23 989 wird eine Zündkerze beschrieben, bei der in den Isolator am brennraumseitigen Ende in eine zylinderförmige, mittige Bohrung eine Mittelelektrode eingesetzt ist. Dahinter in Richtung des brennraumfernen Endes des Isolators ist in der Bohrung ein metallischer Kontaktstift angeordnet, der mit einer Schicht aus Nickel oder einer Nickel-Silber-Legierung versehen ist. Dieser Kontaktstift befindet sich in elektrischem Kontakt mit der Mittelelektrode.
Vorteile der Erfindung
Die Zündkerze mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Korrosionsbeständigkeit des Kontaktstifts wirksam und mit einfachen Mitteln verbessert wird. Die Betriebssicherheit der Zündkerze wird somit verbessert. Weiterhin wird eine Orts- und Formstabilität der Mittelelektrode gewährleistet, so daß ein erhöhter Zündspannungsbedarf vermieden wird.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Zündkerze möglich. So ist es fertigungstechnisch günstig, die gesamte Oberfläche des Kontaktstifts zu beschichten. Es ist weiterhin fertigungstechnisch vorteilhaft, die Beschichtung durch thermisches Spritzen oder durch Abscheidung aus der Gasphase, insbesondere durch Alitieren vorzunehmen, was eine Fertigung der erfindungsgemäßen Zündkerze in großen Stückzahlen erlaubt. Als vorteilhaft erweist sich weiterhin, daß vor Einbau des Kontaktstifts eine Voroxidation des beschichteten Kontaktstifts durchgeführt wird, da so eine Al2O3-Schutzschicht ausgebildet wird. Vorteilhaft ist eine Ausbildung des Kontaktstifts aus einer Fe-Co-Ni-Legierung, da dieser dem mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten des Isolators angepaßt ist. Es ist außerdem vorteilhaft, die Form des Kontaktstifts zylinderförmig mit einem größeren Durchmesser am brennraumfernen Ende insbesondere stufenförmig oder kegelförmig abgesetzt zu gestalten, da die Kontaktstifte in der Fertigung so vorteilhaft transportiert werden können. Ebenso von Vorteil ist eine Fertigung des Kontaktstifts in einer einfachen zylindrischen oder kegelförmigen Form, da Fertigungsschritte eingespart werden können.
Eine brennraumseitige, kegelförmig zulaufende Spitze des Kontaktstifts ist vorteilhaft, da eine höhere Druckbeaufschlagung des brennraumseitigen Endes des Kontaktstifts bei der Fertigung erreicht werden kann.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Zündkerze,
  • Figur 2 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kontaktstift,
  • Figur 3 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kontaktstift und eine Edelmetall-Elektrode,
  • Figur 4 einen schematischen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kontaktstifts,
  • Figur 5 bis Figur 8 jeweils weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Kontaktstift-Formen in schematischen Längsschnitten,
  • Figur 9 eine brennraumseitige Spitze eines erfindungsgemäßen Kontaktstifts in einem schematischen Längsschnitt,
  • Figur 10 ein Diagramm, bei dem die Durchmesserzunahme eines unbeschichteten, eines vernickelten und eines erfindungsgemäßen, alitierten Kontaktstifts bei Auslagerung bei 900°C an Luft über der Zeit aufgetragen ist.
    • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
    Figur 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Zündkerze 1. In einem metallischen, rohrförmigen Gehäuse 5 ist ein keramischer Isolator 10 angeordnet, dessen brennraumseitiges Ende mit verringertem Außendurchmesser den sogenannten Isolatorfuß 12 bildet. Die Rotationssymmetrie-Achsen von Kerzengehäuse 5 und Isolator 10 liegen deckungsgleich. Ebenfalls deckungsgleich liegt die Achse eines in die zylinderförmige Öffnung am brennraumfernen Ende des Isolators 10 eingebetteten Anschlußbolzens 15. Ebenfalls in der zylinderförmigen Öffnung des Isolators sind hinter dem Anschlußbolzen 15 in Richtung Brennraum in dieser Reihenfolge ein oder mehrere Panatpakete 17, ein Kontaktstift 20 und eine Edelmetall-Elektrode 25 angeordnet. Die Edelmetall-Elektrode 25 wird in der Regel als Mittelelektrode bezeichnet. Die Rotationssymmetrie-Achsen von Mittelelektrode 25 und Kontaktstift 20 sind deckungsgleich mit der Achse des Isolatorfußes 12. Am Kerzengehäuse ist die Masseelektrode 30 angebracht, die in Richtung Mittelelektrode abgebogen ist. Der Freiraum zwischen Mittelelektrode und Masseelektrode wird als Funkenstrecke 35 bezeichnet.
    Die Edelmetall-Mittelelektrode 25 befindet sich über den Kontaktstift 20 und ein oder mehrere Panatpakete 17 in elektrischem Kontakt mit dem Anschlußbolzen 15, wobei ein Panatpaket 17 ein von dünnen Metallschichten durchzogenes Glasmaterial-Paket darstellt, das einen bestimmten elektrischen Widerstand beinhaltet und gleichzeitig die Fixierung des Anschlußbolzens 15 und des Kontaktstifts 20 in der Isolatoröffnung gewährleistet. Der Isolator 10 besteht aus einem keramischen Material, welches elektrisch isolierend wirkt und das Innere von Umwelt- und Motorraumeinflüssen abschirmt.
    Der Kontaktstift 20 besteht aus einem Metall, vorzugsweise aus einer Eisen-Basis-Legierung, beispielsweise aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-(Fe-Ni-Co-)Legierung. Die Korrosionsbeständigkeit dieser Legierung ist jedoch gering. Der Kontaktstift 20 hat die Aufgabe, eine räumliche Trennung zwischen Mittelelektrode 25 und Panatpaket(en) 17 zu gewährleisten, da das Panatpaket oder die Panatpakete 17 wegen ihrer geringen Temperaturbeständigkeit (nur bis ca. 600°C) nicht den hohen Temperaturen an der Spitze des Isolators ausgesetzt werden dürfen.
    Die Zündkerze dient dazu, elektrische Energie zum Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemischs im nicht dargestellten Brennraum der Brennkraftmaschine bereitzustellen. Dazu wird eine Hochspannung über den Anschlußbolzen 15, das Panat 17, den Kontaktstift 20 zur Mittelelektrode 25 geleitet, die dann einen Funkenüberschlag zwischen der Mittelelektrode 25 und der Masseelektrode 30 bewirkt. Durch die im Funken enthaltene Energie wird das im Brennraum enthaltene Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet, wodurch durch verschiedene Reaktionen hochreaktive Gase entstehen.
    Ein Problem für den Betrieb der Zündkerzen ist die Korrosion des Kontaktstifts 20, die durch die entlang eines kleinen Spalts zwischen Isolator und Mittelelektrode eindringenden hochreaktiven Gase verursacht wird. Der Spalt zwischen Mittelelektrode und Isolator entsteht, da das Isolatormaterial und das Elektrodenmaterial unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen und starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Erfindungsgemäß wird zur Verringerung der Korrosion eine Schicht aus einem oder mehreren Metall-Aluminiden auf der Oberfläche des Kontaktstifts 20 aufgebracht. Vorzugsweise weist die Metall-Aluminid-Schicht eine Dicke von bis zu 100 µm auf, vorteilhaft kann jedoch auch eine größere Dicke der Metall-Aluminid-Schicht sein. Es kann somit ein durch die Korrosion verursachter erhöhter Zündspannungsbedarf wirksam verhindert werden. Der Energiebedarf wird gesenkt und die Zündsicherheit wird verbessert.
    In Figur 2 ist ein erfindungsgemäßer Kontaktstift separat in einem Längsschnitt dargestellt. Der Kontaktstift 20 besitzt eine zylindrische Form, wobei der Durchmesser des brennraumfernen Endes des Kontaktstifts 20 größer ist und kegelförmig von dem Bereich mit dem kleineren Durchmesser abgesetzt ist. Das brennraumseitige Ende des Kontaktstifts 20 besitzt eine kegelförmig zulaufende Spitze, die kreisförmig abgeplattet ist, wodurch die brennraumseitige Deckfläche 37 gebildet wird. Durch Abscheidung von Aluminium aus der Gasphase wird an der Oberfläche des Kontaktstifts 20 eine Schicht aus einem oder mehreren Metall-Aluminiden gebildet, die in der Figur 2 durch eine breite Linie veranschaulicht wurde. Metall-Aluminide sind intermetallische Verbindungen, die aus einem Metall und Aluminium bestehen. Bei der vorzugsweisen Verwendung eines Kontaktstifts 20 aus einer Fe-Ni-Co-Legierung bildet sich entsprechend ein oder mehrere Fe-Ni-Co-Aluminide.
    Vorzugsweise werden Schichtdicken zwischen 20 und 70 µm angestrebt. Die Metall-Aluminid-Schicht 40 wird mindestens an der brennraumseitigen Deckfläche 37 des Kontaktstifts 20 und mindestens über eine Länge von 1 mm gemessen von der brennraumseitigen Deckfläche des Kontaktstifts gebildet.
    Die Metall-Aluminid-Schicht erhöht die Korrosionsbeständigkeit des Kontaktstifts 20 deutlich. Die Schutzwirkung der durch die Diffusion des elementaren Aluminiums in den Kontaktstift gebildeten Metall-Aluminid-Schicht 40 beruht auf einer an der äußeren Oberfläche gebildeten, geschlossenen, fest haftenden, sehr dünnen Al2O3-Schicht, die aufgrund ihres sehr langsamen Wachstums sowohl das darunterliegende Aluminid als auch das Grundmaterial vor einem korrosiven Angriff schützt. Bei Auftreten einer lokalen Zerstörung der Al2O3-Schicht, z.B. durch Abplatzen, bildet sich aufgrund des im Aluminid vorhandenen Aluminiums eine neue Al2O3-Schicht aus. Somit ist eine selbstausheilende Passivierung der beschichteten Oberfläche des Kontaktstifts 20 gewährleistet.
    In Figur 3 ist der erfindungsgemäße Kontaktstift 20 aus Figur 2 noch einmal in einem schematischen Längsschnitt zusammen mit der Mittelelektrode 25 dargestellt. Da der Kontaktstift an der brennraumseitigen Deckfläche 37 mit der Metall-Aluminid-Schicht 40 überzogen ist, bildet sich unter Betriebsbedingungen, d.h. bei Temperaturen von bis zu 1000°C, beim Kontakt mit der Edelmetall-Mittelelektrode 25 an dieser der Mittelelektrode 25 zugewandten Deckfläche 37 des Kontaktstifts 20 eine oder mehrere Edelmetall-Aluminium-Verbindungen, die spröde sind. Vorzugsweise besteht die Mittelelektrode 25 aus Platin bzw. einer Platin-Legierung, demzufolge bildet sich an dieser Kontaktstift-Deckfläche 37 eine oder mehrere spröde Platin-Aluminium-Verbindungen aus. Die Bildung von spröden Verbindungen an der Deckfläche des Kontaktstifts 37 ist vorteilhaft, da bei zu starken Längenänderungen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von Mittelelektrode 25 und Kontaktstift 20, die bei thermischer Zyklierung auftreten, im Übergangsbereich zwischen Mittelelektrode 25 und Kontaktstift 20 eine Spaltbildung ermöglicht wird. Ein derartiger Spalt ist in Figur 3 mit dem Bezugszeichen 42 versehen. Ein Kraftschluß zwischen Mittelelektrode 25 und Kontaktstift 20 wird durch den Spalt 42 verhindert. Es kann so eine Orts- und Formstabilität der Mittelelektrode gewährleistet werden, wodurch ein erhöhter Zündspannungsbedarf vermieden wird. Besonders ausgeprägt ist die Spaltbildung dann, wenn die Dicke der Metall-Aluminid-Schicht, von der ausgehend sich die Edelmetall-Aluminium-Verbindung bildet, eine Dicke von mehr als 100 µm aufweist. Ein elektrischer Kontakt zwischen der Mittelelektrode 25 und dem Kontaktstift 20 ist bei bestimmungsgemäß in der Zündkerze auftretenden Spannungen stets vorhanden.
    Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Figur 4 dargestellt. Es ist analog zu Figur 2 der schematische Längsschnitt eines Kontaktstifts 20 mit analoger Form gezeigt, wobei nun die gesamte Oberfläche des Kontaktstifts 20 mit der Metall-Aluminid-Schicht 40 überzogen ist. Analog zu Figur 2 kennzeichnet die breite Linie die Metall-Aluminid-Schicht 40. Mit der Bezugszahl 37 ist wiederum die brennraumseitige Deckfläche des Kontaktstifts bezeichnet.
    Ein erfindungsgemäßer Kontaktstift kann in Gleitfunkenzündkerzen, in Luftfunkenzündkerzen und in Luft-Gleitfunkenzündkerzen verwendet werden. Dabei kann ein erfindungsgemäßer Kontaktstift auch eine andere als die in Figur 2 und 4 dargestellte Form aufweisen. Beispielsweise können die beiden Durchmesser des Kontaktstifts in Figur 2 und 4 beliebig gewählt werden. Auch die Länge der beiden Bereiche und die Länge des kegelförmigen Übergangs zwischen beiden Bereichen ist nicht festgelegt. Auch die Länge der kegelförmig zulaufenden brennraumseitigen Spitze des Kontaktstifts kann beliebig gewählt werden. Ebenso ist der Durchmesser der brennraumseitigen Deckfläche 37 beliebig wählbar. Der Kontaktstift läßt sich demnach optimal der Dimensionierung der Zündkerze und den Gegebenheiten der Fertigung anpassen.
    Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Figur 5 dargestellt. Der in einem Längsschnitt dargestellte Kontaktstift 20 weist gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 keine kegelförmig zulaufende Spitze und eine Deckfläche 37 auf, die keinen verringerten Durchmesser gegenüber dem brennraumseitigen zylinderförmigen Bereich besitzt. Somit weist die brennraumseitige Deckfläche 37 den gleichen Durchmesser wie der zylinderförmige brennraumseitige Bereich auf. Denkbar wäre auch ein Ausführungsbeispiel, wie es in Figur 6 dargestellt ist. Hier ist der Übergang zwischen dem brennraumseitigen zylinderförmigen Bereich und dem brennraumfernen zylinderförmigen Bereich mit dem größeren Durchmesser stufenförmig gestaltet. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel tritt, wie in Figur 7 dargestellt, eine Durchmesseränderung entlang des Kontaktstifts nicht auf.
    Ebenso könnte eine kegelstumpfförmige Ausführung des Kontaktstifts möglich sein, die in Figur 8 gezeigt wird. Die Ausführungsformen in den Figuren 6 bis 8 können auch eine Gestaltung der brennraumseitigen Spitze aufweisen, wie sie in Figur 2 beschrieben und in Figur 9 noch einmal separat in einem Längsschnitt dargestellt wurde. Entsprechend der Figur 9 kann die brennraumseitige Spitze des Kontaktstifts 20 kegelförmig zulaufen und eine brennraumseitige Deckfläche aufweisen, die einen geringeren Durchmesser aufweist, als der sich daran anschließende Bereich.
    Die Abscheidung des für die Aluminium-haltige Oberflächenbeschichtung, das Metall-Aluminid, des Kontaktstifts 20 notwendigen Aluminiums kann mittels thermischer Spritzverfahren, einer physikalischen (Physical Vapor Deposition, PVD) oder einer chemischen (Chemical Vapor Deposition, CVD) Abscheidung aus der Gasphase erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Aluminium-Abscheidung über ein CVD-Verfahren, insbesondere durch eine Alitierung.
    Als Alitieren wird ein Verfahren bezeichnet, bei dem die Randschicht eines Werkstücks mit Aluminium durch eine thermochemische Behandlung angereichert wird. Dabei wird das Werkstück beispielsweise in ein Pulverbett eingebettet, das aus einem hohen Anteil von Al2O3, einer Aluminium-haltigen Donorlegierung und einem halogenhaltigen Aktivator zusammengesetzt ist. Die Abscheidung von elementarem Aluminium erfolgt über eine chemische Reaktion aus mehreren Schritten in einer Wasserstoff-haltigen Atmosphäre bei einem Druck zwischen 0,01 und 10 MPa und Temperaturen von 900°C bis 1100°C über eine Zeit von bis zu 10 Stunden. In das Pulverbett kann eine große Anzahl von Kontaktstiften eingebettet werden, deshalb läßt sich die Alitierung kostengünstig gestalten. Das Alitieren kann jedoch auch ohne Pulverbett durchgeführt werden, indem eine transportfähige, gasförmige Aluminium-Verbindung, ein Aluminium-Halogenid, an einem anderen Ort bezogen auf den Ort, an dem die Beschichtung der Kontaktstifte erfolgt, erzeugt wird und mittels einer Wasserstoffgas-haltigen Strömung an den Beschichtungsort transportiert wird. Die transportfähige Aluminium-Verbindung wird aus einer Aluminium-haltigen Donorlegierung und einem halogenhaltigen Aktivator gebildet.
    Dabei ist es möglich, den Ort der Entstehung der transportfähigen Aluminium-Verbindung und den Ort der Beschichtung der Kontaktstifte so zu trennen, daß sie in unterschiedlichen Behältern angeordnet sind. Sie können sich jedoch auch in dem gleichen Behälter befinden.
    Vor dem Einbau des Kontaktstifts kann zusätzlich ein Oxidationsschritt des beschichteten Kontaktstifts vorgenommen werden. Diese Voroxidation führt schon vor Einbau des Kontaktstifts zu einer Bildung der oben beschriebenen passivierenden Al2O3-Schicht. Die Oxidation erfolgt bei Temperaturen zwischen 500°C und 1200°C über einen Zeitraum von bis zu 100 Stunden in Sauerstoff-haltiger Atmosphäre.
    In der Figur 10 wird anhand eines Diagramms die oben beschriebene Wirkung der Metall-Aluminid-Schicht 40 gezeigt. In dem Diagramm ist die Durchmesserzunahme eines Kontaktstifts gezeigt, wenn der Kontaktstift einer Temperatur von 900°C an Luft ausgesetzt ist. Es ist die Durchmesserzunahme der untersuchten Kontaktstifte in µm über der Auslagerungsdauer in Stunden aufgetragen. Dabei bedeuten die runden Symbole die Meßwerte für einen unbeschichteten Fe-Ni-Co-Kontaktstift, die Quadrate die Meßwerte für einen mit einer 20-30 µm dicken Nickel-Schicht versehenen Fe-Ni-Co-Kontaktstift und die Rhomben für einen mit einer durch Alitierung erzeugten und 25-60 µm dicken Fe-Ni-Co-Aluminid-Schicht versehenen Fe-Ni-Co-Kontaktstift. Die Beschichtung ist jeweils auf der gesamten Oberfläche des Kontaktstifts aufgetragen. Deutlich zu erkennen ist eine beträchtliche Durchmesserzunahme für den unbeschichteten und den vernickelten Kontaktschicht, während die Durchmesserzunahme des alitierten Kontaktstifts gering ist. Desweiteren ist beim alitierten Kontaktstift nach einer Zeit von etwa 300 Stunden keine weitere Durchmesserzunahme zu beobachten. Die Durchmesserzunahme wird jeweils durch Korrosion des Kontaktstifts verursacht. Bei dem alitierten Kontaktstift erfolgt die geringfügige Durchmesserzunahme durch die Bildung der Al2O3-Schicht.
    In Zündkerzen mit einem erfindungsgemäßen Kontaktstift konnte eine Verringerung der Korrosion und eine Orts- und Formstabilität der Mittelelektrode beobachtet werden.

    Claims (15)

    1. Zündkerze mit einem Isolator (10) mit einer zylinderförmigen Öffnung, in der eine Edelmetall-Elektrode (25) und ein metallischer Kontaktstift (20) angeordnet sind, wobei die Edelmetall-Elektrode (25) bei bestimmungsgemäßem Betrieb in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine hineinragt, wobei der Kontaktstift (20) an das brennraumferne Ende der Edelmetall-Elektrode anschließend angeordnet ist und einen elektrischen Kontakt ausbildet, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der Oberfläche des Kontaktstiftes (20) eine Schicht aus einem oder mehreren Metall-Aluminiden (40) befindet.
    2. Zündkerze nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß sich bei thermischer Zyklierung ein Spalt (42) zwischen Kontaktstift (20) und Edelmetall-Elektrode (25) ausbildet.
    3. Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktstift (20) auf seiner gesamten Oberfläche die Metall-Aluminid-Schicht (40) aufweist.
    4. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktstift (20) aus einer Fe-Ni-Co-Legierung und die Metall-Aluminid-Schicht aus einem oder mehreren (Fe, Ni, Co)-Aluminiden besteht.
    5. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß sich im Übergangsbereich zwischen Kontaktstift (20) und Edelmetall-Elektrode (25) eine oder mehrere Edelmetall-Aluminium-Verbindungen ausbilden.
    6. Zündkerze nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß sich im Übergangsbereich zwischen Kontaktstift (20) und Edelmetall-Elektrode (25) eine oder mehrere Platin-Aluminium-Verbindungen ausbilden.
    7. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminium-Beschichtung des Kontaktstifts (20) durch thermisches Spritzen oder durch physikalische oder chemische Abscheidung aus der Gasphase erfolgt.
    8. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminium-Beschichtung eine Aluminium-Anreicherung in der Randschicht des Kontaktstifts (20) mittels einer thermochemischen Behandlung (Alitieren) darstellt.
    9. Zündkerze nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Alitieren im Pulverbett erfolgt.
    10. Zündkerze nach einem der Ansprüche 7 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß der beschichtete Kontaktstift (20) vor Einbau in die Zündkerze einem Oxidationsschritt unterzogen wird.
    11. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktstift (20) eine zylindrische Form besitzt.
    12. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktstift 20 eine zylindrische Form besitzt, die zwei kegelförmig ineinander übergehende Bereiche mit unterschiedlichem Durchmesser aufweist, wobei der Bereich mit dem kleineren Durchmesser das brennraumseitige Ende des Kontaktstifts bildet.
    13. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktstift 20 eine zylindrische Form besitzt, die zwei Bereiche mit unterschiedlichem Durchmesser aufweist, die stufenförmig voneinander abgesetzt sind, wobei der Bereich mit dem kleineren Durchmesser das brennraumseitige Ende des Kontaktstifts bildet.
    14. Zündkerze nach einem der Ansprüche 11 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktstift 20 eine kegelförmig zulaufende Spitze besitzt, wobei das brennraumseitige Ende eine kreisförmige Deckfläche bildet, die einen geringeren Durchmesser als der brennraumseitige zylindrische Bereich aufweist.
    15. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktstift (20) eine kegelstumpfartige Form besitzt.
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