EP3771050A1 - Zündkerzenkontaktelement und zündkerze - Google Patents

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EP3771050A1
EP3771050A1 EP20184480.0A EP20184480A EP3771050A1 EP 3771050 A1 EP3771050 A1 EP 3771050A1 EP 20184480 A EP20184480 A EP 20184480A EP 3771050 A1 EP3771050 A1 EP 3771050A1
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EP
European Patent Office
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contact element
spark plug
base body
layer
corrosion protection
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Pending
Application number
EP20184480.0A
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English (en)
French (fr)
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Tina HIRTE
Moritz Wenk
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • 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
    • 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
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    • H01T21/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture or maintenance of spark gaps or sparking plugs
    • H01T21/02—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture or maintenance of spark gaps or sparking plugs of sparking plugs

Definitions

  • the present invention relates to a spark plug contact element with improved resistance to the formation of scale layers and a spark plug which comprises this spark plug contact element.
  • a contact element is used inside an insulator of the spark plug, which is usually connected to the insulator under the action of high temperatures. Due to the very good electrical conductivity, ferrous alloys are used as the basic material of the contact elements, which are also coated with a galvanic nickel coating in order to prevent corrosion. Electroplated nickel coatings can be produced inexpensively, but the layer thickness of the nickel coating that is formed is not homogeneous due to the different strengths of the field and shows significant differences. Diffusion processes occur in the contact element due to high thermal loads, such as when connecting to an insulator when manufacturing a spark plug.
  • Detaching scale particles can be deposited in a glaze layer to be applied to the insulator and thus visually impair the spark plug to be produced and also reduce its dielectric strength.
  • the spark plug contact element according to the invention effectively prevents the formation of layers of scale.
  • the spark plug contact element has high electrical conductivity not only has very good corrosion resistance but also high mechanical and thermal resistance.
  • the spark plug contact element comprises a contact element base body, a corrosion protection layer arranged at least in sections on a surface of the contact element base body and at least one barrier layer arranged between the contact element base body and the corrosion protection layer.
  • the contact element base body contains iron due to its very good electrical conductivity and the corrosion protection layer contains nickel due to its very good resistance to corrosion.
  • the barrier layer used according to the invention is distinguished by a structure with high density, is also inert and thermally stable. As a result, a diffusion of iron from the contact element base body to the surface of the corrosion protection layer facing into the environment can be prevented. The formation of a scale layer is thus suppressed and the contact element is characterized by high chemical and mechanical resistance even at high temperatures.
  • the contact element base body comprises ferrous steel in the light of a particularly high thermal and mechanical resistance with very good electrical conductivity.
  • the contact element base body comprises iron as well as carbon and is in particular an iron-containing and carbon-containing steel.
  • the barrier layer comprises chemically deposited nickel.
  • chemically deposited nickel can be deposited with a constant layer thickness on the contact element base body. Layer thickness inhomogeneities are avoided.
  • Evidence that the Barrier layer comprising chemically deposited nickel can be carried out by means of scanning electron microscopy (SEM), an EDX detector being used. This detection method can also be used to distinguish a chemically deposited nickel layer as a barrier layer from a chemically deposited nickel layer as a corrosion protection layer.
  • the density of the barrier layer and also the thermal resistance can be further advantageously improved in that the chemically deposited nickel comprises tungsten.
  • the barrier layer comprises electrodeposited palladium, which is also characterized by a high density and very good thermal and mechanical resistance.
  • the barrier layer has a layer thickness in a range from 1 to 1000 nm. This is the average layer thickness, which is determined in accordance with DIN EN ISO 3497: 2000.
  • the corrosion protection layer advantageously comprises chemically or galvanically deposited nickel. Since the diffusion of iron is efficiently prevented by the provision of the barrier layer, the corrosion protection layer can also be deposited by an inexpensive galvanic process.
  • the corrosion protection layer has a thickness of 1 to 30 ⁇ m.
  • the layer thickness is determined as indicated above for the layer thickness of the barrier layer.
  • a spark plug which comprises a spark plug contact element as disclosed above. Due to the use of the spark plug contact element according to the invention, the spark plug according to the invention is distinguished by an attractive appearance, high thermal and mechanical resistance and very high Dielectric strength. The spark plug according to the invention therefore has a particularly long service life.
  • the spark plug 1 comprises a ground electrode 2, a center electrode 3 and an insulator 4.
  • a housing 5 at least partially surrounds the insulator 4 is.
  • the center electrode 3 is connected to an electrical connection 8 via a contact element 9.
  • a further conductive element 15 can be arranged between the contact element 9 and the center electrode 3.
  • the contact element 9 is connected to the insulator 4 by thermal action.
  • the contact element comprises a contact element base body 10. On a surface 11 of the contact element base body 10 is at least in sections, as shown here A corrosion protection layer 12 is arranged along the entire circumference of the contact element base body 10. In addition, a barrier layer 13 is arranged between the contact element base body 10 and the corrosion protection layer 12. The barrier layer 13 completely covers the surface 11 of the contact element base body 10 at its periphery and is in turn completely covered by the corrosion protection layer 12.
  • the contact element base body 10 is ferrous and consists in particular of ferrous and carbon-containing steel.
  • the anti-corrosion layer 12 contains nickel and consists in particular of chemically or galvanically deposited nickel.
  • FIG Figure 2 Details of the spark plug contact element 9 are shown in FIG Figure 2 shown.
  • the barrier layer 13 consists of chemically deposited nickel, which has a proportion of tungsten 14.
  • the barrier layer 13 can also comprise galvanically deposited palladium or, in particular, consist of galvanically deposited palladium.
  • the barrier layer 13 has a layer thickness S 1 in a range from 1 to 1000 nm.
  • the corrosion protection layer 11 which advantageously comprises electrodeposited nickel or consists of electrodeposited nickel, in particular has a layer thickness S 2 in a range from 1 to 30 ⁇ m.
  • the spark plug contact element 9 is distinguished by high thermal and mechanical resistance. Scale layer formations that result from the diffusion processes of iron from the spark plug element base body 10 to the surface of the corrosion protection layer 11 are avoided. In this way, a glaze layer arranged on the insulator can be formed in a particle-free manner, so that the spark plug comes off Figure 1 Not only characterized by a long service life due to improved dielectric strength, but also by an attractive appearance.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zündkerzenkontaktelement (9), das einen Kontaktelementgrundkörper (10), eine mindestens abschnittsweise auf einer Oberfläche (11) des Kontaktelementgrundkörpers (10) angeordnete Korrosionsschutzschicht (12) und mindestens eine zwischen dem Kontaktelementgrundkörper (10) und der Korrosionsschutzschicht (12) angeordnete Barriereschicht (13) umfasst, wobei der Kontaktelementgrundkörper (10) eisenhaltig ist und wobei die Korrosionsschutzschicht (12) nickelhaltig ist.

Description

    Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zündkerzenkontaktelement mit verbesserter Beständigkeit gegenüber einer Bildung von Zunderschichten sowie eine Zündkerze, die dieses Zündkerzenkontaktelement umfasst.
  • Um in Zündkerzen eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Zündkerzenelektroden und dem elektrischen Anschluss der Zündkerze herzustellen, wird im Inneren eines Isolators der Zündkerze ein Kontaktelement eingesetzt, das üblicherweise unter Einwirkung hoher Temperaturen mit dem Isolator verbunden wird. Aufgrund der sehr guten elektrischen Leitfähigkeit werden eisenhaltige Legierungen als Grundmaterial der Kontaktelemente eingesetzt, die, um einer Korrosion vorzubeugen, zudem mit einer galvanischen Nickelbeschichtung überzogen werden. Galvanische Nickelbeschichtungen sind kostengünstig herstellbar, jedoch ist die Schichtdicke der gebildeten Nickelbeschichtung aufgrund der unterschiedlich stark einwirkenden Feldstärken nicht homogen und weist gravierende Unterschiede auf. Durch hohe thermische Belastung, wie beispielsweise bei der Verbindung mit einem Isolator bei der Herstellung einer Zündkerze, kommt es im Kontaktelement zu Diffusionsvorgängen. Eisen diffundiert dabei aus dem Grundmaterial durch die galvanische Nickelschicht an die Oberfläche des Kontaktelements und bildet dort Zunderschichten, die spröde sind und sich beim Verbinden des Kontaktelements mit dem Isolator ablösen. Sich ablösende Zunderpartikel können sich in einer auf dem Isolator anzubringenden Glasurschicht ablegen und somit die herzustellende Zündkerze optisch beeinträchtigen und auch deren Durchschlagfestigkeit reduzieren.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Durch das erfindungsgemäße Zündkerzenkontaktelement wird die Bildung von Zunderschichten effektiv verhindert. Das Zündkerzenkontaktelement weist bei hoher elektrischer Leitfähigkeit nicht nur eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit sondern auch eine hohe mechanische und thermische Beständigkeit auf.
  • Dies wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass das Zündkerzenkontaktelement einen Kontaktelementgrundkörper, eine mindestens abschnittsweise auf einer Oberfläche des Kontaktelementgrundkörpers angeordnete Korrosionsschutzschicht und mindestens eine zwischen dem Kontaktelementgrundkörper und der Korrosionsschutzschicht angeordnete Barriereschicht umfasst. Hierbei ist der Kontaktelementgrundkörper aufgrund der sehr guten elektrischen Leitfähigkeit eisenhaltig und die Korrosionsschutzschicht ist aufgrund der sehr guten Beständigkeit gegenüber Korrosion nickelhaltig.
  • Die erfindungsgemäß eingesetzte Barriereschicht zeichnet sich durch eine Struktur mit hoher Dichte aus, ist zudem reaktionsträge und thermisch beständig. Dadurch kann eine Diffusion von Eisen aus dem Kontaktelementgrundkörper an die in die Umgebung gerichtete Oberfläche der Korrosionsschutzschicht verhindert werden. Die Bildung einer Zunderschicht wird somit unterdrückt und das Kontaktelement zeichnet sich durch eine hohe chemische und mechanische Beständigkeit selbst bei hohen Temperaturen aus.
  • Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Kontaktelementgrundkörper im Lichte einer besonders hohen thermischen und mechanischen Beständigkeit bei sehr guter elektrischer Leitfähigkeit eisenhaltigen Stahl.
  • Zur weiteren Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit umfasst der Kontaktelementgrundkörper neben Eisen auch Kohlenstoff und ist insbesondere ein eisenhaltiger und kohlenstoffhaltiger Stahl.
  • Aufgrund der sehr hohen Dichte und der damit verbundenen sehr guten Diffusionsbarriereeigenschaften umfasst die Barriereschicht chemisch abgeschiedenes Nickel. Zudem ist chemisch abgeschiedenes Nickel mit konstanter Schichtdicke auf dem Kontaktelementgrundkörper abscheidbar. Schichtdickeninhomogenitäten werden vermieden. Der Nachweis, dass die Barriereschicht chemisch abgeschiedenes Nickel umfasst, kann mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) erfolgen, wobei ein EDX-Detektor verwendet wird. Durch dieses Nachweisverfahren kann auch eine chemisch abgeschiedene Nickelschicht als Barriereschicht von einer chemisch abgeschiedenen Nickelschicht als Korrosionsschutzschicht unterschieden werden.
  • Die Dichte der Barriereschicht und zudem auch die thermische Beständigkeit lassen sich weiter vorteilhaft dadurch verbessern, dass das chemisch abgeschiedene Nickel Wolfram umfasst.
  • Gemäß einer alternativen vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Barriereschicht galvanisch abgeschiedenes Palladium, das sich ebenfalls durch eine hohe Dichte und sehr gute thermische und mechanische Beständigkeit auszeichnet.
  • Besonders gut diffusionshemmende bzw. diffusionsunterbindende Eigenschaften werden durch die vorteilhafte Weiterbildung erhalten, in der die Barriereschicht eine Schichtdicke in einem Bereich von 1 bis 1000 nm aufweist. Hierbei handelt es sich um die durchschnittliche Schichtdicke, die gemäß DIN EN ISO 3497:2000 bestimmt wird.
  • Aufgrund der sehr guten Beständigkeit gegenüber Oxidation, umfasst die Korrosionsschutzschicht vorteilhafterweise chemisch oder galvanisch abgeschiedenes Nickel. Da die Diffusion von Eisen effizient durch das Vorsehen der Barriereschicht verhindert wird, kann die Korrosionsschutzschicht auch durch ein kostengünstiges galvanisches Verfahren abgeschieden werden.
  • Um eine besonders hohe Korrosionsbeständigkeit bereitzustellen, beträgt eine Schichtdicke der Korrosionsschutzschicht 1 bis 30 µm. Hierbei wird die Schichtdicke wie vorstehend für die Schichtdicke der Barriereschicht angegeben bestimmt.
  • Des Weiteren erfindungsgemäß wird auch eine Zündkerze beschrieben, die ein wie vorstehend offenbartes Zündkerzenkontaktelement umfasst. Aufgrund der Verwendung des erfindungsgemäßen Zündkerzenkontaktelements zeichnet sich die erfindungsgemäße Zündkerze durch eine ansprechende Optik, eine hohe thermische und mechanische Beständigkeit sowie eine sehr hohe Durchschlagfestigkeit aus. Die erfindungsgemäße Zündkerze hat hierdurch eine besonders hohe Lebensdauer.
  • Die für das erfindungsgemäße Zündkerzenkontaktelement beschriebenen Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf die erfindungsgemäße Zündkerze.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
    • Figur 1
    eine teilgeschnittene Ansicht einer Zündkerze gemäß einer ersten Ausführungsform und
    Figur 2
    eine geschnittene Ansicht eines Zündkerzenkontaktelements gemäß einer zweiten Ausführungsform.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • In den Figuren sind nur die erfindungswesentlichen Details dargestellt. Alle übrigen Details sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Zudem beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Bauteile.
  • Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst die Zündkerze 1 eine Masseelektrode 2, eine Mittelelektrode 3 und einen Isolator 4. Ein Gehäuse 5 umgibt zumindest teilweise den Isolator 4. Am Gehäuse 5 ist ein Gewinde 6 angeordnet, welches für eine Befestigung der Zündkerze 1 in einem Zylinderkopf 7 ausgelegt ist. Zum Erzeugen eines Zündfunkens ist die Mittelelektrode 3 über ein Kontaktelement 9 mit einem elektrischen Anschluss 8 verbunden. Zudem kann zwischen dem Kontaktelement 9 und der Mittelelektrode 3 ein weiteres leitfähiges Element 15 angeordnet sein. Das Kontaktelement 9 ist mit dem Isolator 4 durch thermische Einwirkung verbunden.
  • In der Zündkerze 1 aus Figur 1 umfasst das Kontaktelement einen Kontaktelementgrundkörper 10. Auf einer Oberfläche 11 des Kontaktelementgrundkörpers 10 ist mindestens abschnittsweise, wie hier gezeigt entlang des gesamten Umfangs des Kontaktelementgrundkörpers 10, eine Korrosionsschutzschicht 12 angeordnet. Zwischen dem Kontaktelementgrundkörper 10 und der Korrosionsschutzschicht 12 ist zudem eine Barriereschicht 13 angeordnet. Die Barriereschicht 13 bedeckt die Oberfläche 11 des Kontaktelementgrundkörpers 10 an deren Umfang vollständig und wird ihrerseits vollständig von der Korrosionsschutzschicht 12 abgedeckt.
  • Der Kontaktelementgrundkörper 10 ist eisenhaltig und besteht insbesondere aus einem eisenhaltigen und kohlenstoffhaltigen Stahl. Die Korrosionsschutzschicht 12 ist nickelhaltig und besteht insbesondere aus chemisch oder galvanisch abgeschiedenem Nickel.
  • Einzelheiten des Zündkerzenkontaktelements 9 sind in Figur 2 dargestellt. Insbesondere zeigt Figur 2, dass die Barriereschicht 13 aus chemisch abgeschiedenem Nickel besteht, das einen Anteil an Wolfram 14 aufweist. Alternativ dazu kann die Barriereschicht 13 auch galvanisch abgeschiedenes Palladium umfassen bzw. insbesondere aus galvanisch abgeschiedenem Palladium bestehen.
  • Die Barriereschicht 13 weist dabei eine Schichtdicke S1 in einem Bereich von 1 bis 1000 nm auf.
  • Die Korrosionsschutzschicht 11, die vorteilhafterweise galvanisch abgeschiedenes Nickel umfasst bzw. aus galvanisch abgeschiedenem Nickel besteht, weist insbesondere eine Schichtdicke S2 in einem Bereich von 1 bis 30 µm auf.
  • Aufgrund der vorgesehenen Barriereschicht 13 zeichnet sich das Zündkerzenkontaktelement 9 durch eine hohe thermische und mechanische Beständigkeit aus. Zunderschichtbildungen, die aus Diffusionsvorgängen von Eisen aus dem Zündkerzenelementgrundkörper 10 an die Oberfläche der Korrosionsschutzschicht 11 resultieren, werden vermieden. Damit kann eine auf dem Isolator angeordnete Glasurschicht partikelfrei ausgebildet werden, so dass sich die Zündkerze aus Figur 1 nicht nur durch eine hohe Lebensdauer aufgrund verbesserter Durchschlagfestigkeiten, sondern auch durch eine ansprechende Optik auszeichnet.

Claims (10)

  1. Zündkerzenkontaktelement umfassend
    - einen Kontaktelementgrundkörper (10),
    - eine mindestens abschnittsweise auf einer Oberfläche (11) des Kontaktelementgrundkörpers (10) angeordnete Korrosionsschutzschicht (12) und
    - mindestens eine zwischen dem Kontaktelementgrundkörper (10) und der Korrosionsschutzschicht (12) angeordnete Barriereschicht (13),
    wobei der Kontaktelementgrundkörper (10) eisenhaltig ist und wobei die Korrosionsschutzschicht (12) nickelhaltig ist.
  2. Zündkerzenkontaktelement nach Anspruch 1, wobei der Kontaktelementgrundkörper (10) eisenhaltigen Stahl umfasst.
  3. Zündkerzenkontaktelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kontaktelementgrundkörper (10) eisenhaltigen und kohlenstoffhaltigen Stahl umfasst.
  4. Zündkerzenkontaktelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Barriereschicht (13) chemisch abgeschiedenes Nickel umfasst.
  5. Zündkerzenkontaktelement nach Anspruch 4, wobei das chemisch abgeschiedene Nickel Wolfram (14) umfasst.
  6. Zündkerzenkontaktelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Barriereschicht (13) galvanisch abgeschiedenes Palladium umfasst.
  7. Zündkerzenkontaktelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Barriereschicht (13) eine Schichtdicke (S1) in einem Bereich von 1 bis 1000 nm aufweist.
  8. Zündkerzenkontaktelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Korrosionsschutzschicht (12) chemisch oder galvanisch abgeschiedenes Nickel umfasst.
  9. Zündkerzenkontaktelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Korrosionsschutzschicht (12) eine Schichtdicke (S2) in einem Bereich von 1 bis 30 µm aufweist.
  10. Zündkerze umfassend ein Zündkerzenkontaktelement (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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