WO2012139790A1 - Zündkerzenelektrodenmatenal und zündkerze, sowie verfahren zur herstellung des zündkerzenelektrodenmaterials und einer elektrode für die zündkerze - Google Patents

Zündkerzenelektrodenmatenal und zündkerze, sowie verfahren zur herstellung des zündkerzenelektrodenmaterials und einer elektrode für die zündkerze Download PDF

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WO2012139790A1
WO2012139790A1 PCT/EP2012/052561 EP2012052561W WO2012139790A1 WO 2012139790 A1 WO2012139790 A1 WO 2012139790A1 EP 2012052561 W EP2012052561 W EP 2012052561W WO 2012139790 A1 WO2012139790 A1 WO 2012139790A1
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spark plug
electrode material
plug electrode
less
electrode
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Juergen Oberle
Lars Menken
Jochen Boehm
Simone Baus
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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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel

Definitions

  • spark plug electrode material according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that it is on a
  • the electrode material is substantially free of aluminum and / or aluminum compounds and / or intermetallic phases.
  • Aluminum and its compounds reduce the electrical conductivity of the electrode material and the forming oxide layer and thus promote the spark erosive wear of the electrode material.
  • Metallic impurities include elements and compounds such as iron, titanium, chromium, manganese and the like.
  • these impurities reduce the thermal conductivity of the alloy.
  • Spark plug electrode material is less than 0.003 wt%, more preferably less than 0.002 wt%, because oxygen promotes oxidation not only of the nickel material but also of any impurities, which in turn contributes to increased wear of the electrode material. According to another preferred embodiment of the invention that is
  • Spark plug electrode material substantially, so apart from technical, unavoidable impurities, from 1 wt .-% silicon, 0.75 wt .-% copper and 0, 1 wt .-% yttrium, wherein the remaining material is formed from nickel and about 98, 15 wt .-% makes up. When used as intended, such an electrode material forms a stable, thin and
  • the spark plug electrode material thus has a reduced spark erosive wear and a significantly reduced
  • the spark plug electrode material consists essentially, so apart from technically related, unavoidable impurities, from 0.7 to 1, 3 wt .-%, in particular 1 wt .-% silicon, 0.5 to 1, 0 Wt .-%, in particular 0.75 wt .-% copper, 0.07 to 0.13 wt .-%, in particular 0, 1 wt .-% yttrium and contains less than 0.003 wt .-%, in particular less than 0.002 Wt .-% oxygen, 0.001 wt .-% sulfur and 0.003 wt .-% carbon, wherein the remaining material is formed from nickel, wherein the proportion of metallic
  • Electrode material has minimal spark erosive wear and minimal corrosion tendency.
  • the present invention relates to a method for producing the spark plug electrode material according to the invention, the method comprising the steps of producing a nickel-based alloy and adding other elements such as silicon, copper and optionally yttrium.
  • the present invention relates to a method for producing a spark plug electrode, comprising the steps:
  • T is the temperature in Kelvin
  • spark plug electrode material before formation of the oxide layer contains the following elements:
  • the inventive method is a spark plug of cost
  • Electrode material provided by an extremely high
  • the oxide layer by intended use of the
  • Spark plug electrode schbar This has the advantage that the spark plug electrode can be stored for any length of time before its use, without experiencing a qualitative reduction and only after commissioning by training the
  • Ground electrode can be used.
  • Figure 1 is a graph showing the wear of the spark plug electrode material of the present invention as compared to a conventional spark plug electrode material per spark
  • FIG. 2 shows a spark plug according to the invention comprising a
  • Center electrode is formed as a two-electrode and the ground electrode is formed as a single-electrode and
  • FIG. 3 shows a spark plug according to the invention comprising a
  • Center electrode as two-component electrode and the ground electrode is also designed as a two-component electrode.
  • Figure 1 is a graph showing the wear in ⁇ 3 / ⁇ spark, including standard deviation, of the spark plug electrode material A according to the invention in comparison with a conventional spark plug electrode material B, as described below, per spark.
  • the spark plug electrode material A of the present invention has the following
  • the conventional spark plug electrode material B has the following
  • Spark plug electrode material A with approx. 18 ⁇ m 3 / spark.
  • the significantly lower spark erosive wear of the electrode material A according to the invention is due to the formation of a homogeneous, relatively thin oxide layer with excellent thermal conductivity and low electrical resistance, ie high electrical conductivity.
  • Figure 2 shows a spark plug 1 according to the invention, with a center electrode 2 and a ground electrode 3, wherein both the center electrode 2 and the ground electrode 3 formed from the spark plug electrode material according to the invention.
  • the center electrode 2 is a two-electrode and the
  • Ground electrode 3 formed as a single-electrode
  • Figure 3 shows a spark plug 1 according to the invention, with a center electrode 2 and a ground electrode 3, wherein the center electrode 2 and also the ground electrode 3 as a two-electrode, comprising an electrode sheath 5 of the Zündkerzenelemtrodenmaterial invention and a
  • a spark plug electrode material for producing a spark plug electrode or a spark plug in general which is particularly useful due to the formation of an oxide film intended use, characterized by a low spark erosive wear and excellent corrosion resistance with minimal production costs and sufficient thermodynamic and mechanical stability.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zündkerzenelektrodenmatenal enthaltend a) 0,7 bis 1,3 Gew.-% Silizium, b) 0,5 bis 1,0 Gew.-% Kupfer und als c) Rest: Nickel.

Description

Beschreibung Titel
Zündkerzenelektrodenmatenal und Zündkerze, sowie Verfahren zur Herstellung des Zündkerzenelektrodenmaterials und einer Elektrode für die Zündkerze
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zündkerzenelektrodenmatenal, sowie eine Zündkerze umfassend eine Elektrode, die aus dem
Zündkerzenelektrodenmatenal gebildet ist und Verfahren zur Herstellung des Zündkerzenelektrodenmaterials sowie der Elektrode.
Zündkerzen sind im Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Zündkerzen erzeugen in Otto- Motoren zwischen ihren Elektroden Zündfunken für die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Die Zündkerzen weisen hierbei Masseelektroden und Mittelelektroden auf, wobei
Zündkerzenbauformen mit zwei bis fünf Elektroden bekannt sind. Die Elektroden werden hierbei entweder auf das Zündkerzengehäuse (Masseelektrode) oder als Mittelelektroden in einem Keramikisolator eingebracht. Die Lebensdauer einer Zündkerze wird durch die Korrosions- und Erosionsbeständigkeit des
Elektrodenmaterials beeinflusst. Herkömmliche Elektrodenmaterialien basieren auf Nickellegierungen mit Aluminiumanteilen. Diese haben jedoch das Problem, dass unter Betriebsbedingungen im Motorraum, also bei hohen Temperaturen und oxidierender Atmosphäre, ein Großteil der Nickeloberfläche sowie auch ein Teil des Nickels im Inneren des Elektrodenmaterials durch Reaktionen mit dem umgebenden Sauerstoff oxidiert. Dadurch wird eine Nickeloxidschicht gebildet, welche sowohl wärmeisolierende wie auch die elektrische Leitfähigkeit unterbindende Eigenschaften aufweist und schon nach einiger Zeit zu
Korrosionen bzw. zu funkenerosiver Erosion neigt. Hierdurch wird der
Elektrodenabstand vergrößert, was letztendlich zum Versagen der Zündkerze führt. Die Bildung einer Oxidschicht bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Zündkerze lässt sich allenfalls durch Verwendung von Elektrodenwerkstoffen aus reinem Edelmetall oder auf Edelmetallbasis, wie z.B. Platin oder
Platinlegierungen mit Iridium erreichen, die eine gesteigerte Beständigkeit hinsichtlich eines Verschleißes gegen funkenerosive Angriffe aufweisen.
Derartige Elektrodenmaterialien, insbesondere Platin, führen jedoch zu enormen
Kosten, welche bei derartigen Massebauteilen wie Zündkerzen, problematisch sind.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Zündkerzenelektrodenmaterial mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass es auf einer
Nickelbasislegierung basiert, was die Kosten des Elektrodenmaterials und damit der Zündkerze gering hält. Ferner weist dieses Zündkerzenelektrodenmaterial den Vorteil auf, dass sich bei bestimmungsgemäßem Gebrauch, also bei erhöhter Temperatur und Anwesenheit von Sauerstoff, mindestens auf einem Teil seiner Oberfläche innerhalb kürzester Zeit, meist schon nach wenigen Stunden, eine besonders homogene, relativ dünne Oxidschicht ausbildet. Diese Oxidschicht zeichnet sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit von mindestens 6 W/mK, insbesondere mindestens 8 W/mK oder sogar 10 W/mK und mehr, sowie eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit aus. Dadurch kann die anliegende Spannung und einwirkende Temperatur schnell gleichmäßig auf das gesamte Elektrodenmaterial verteilt werden, wodurch auf einen kleinen Bereich der Elektrodenoberfläche begrenzte, also lokale Temperaturmaxima und
Spannungsmaxima, verhindert werden, was die Korrosion und Erosion des
Elektrodenmaterials deutlich reduziert. Durch den gezielten Einsatz von Silizium und Kupfer wird neben der elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit auch die Oxidationsbeständigkeit der sich bildenden Oxidschicht und auch deren thermodynamische Stabilität verbessert, wodurch wiederum der funkenerosive Verschleiß des Elektrodenmaterials reduziert wird. Der Anteil an Silizium liegt dabei in einem Bereich von 0,7 bis 1 ,3 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrodenmaterials. Schon bei einem geringen Anteil an Silizium von 0,7 Gew.-% wird das Oxidationsverhalten des Elektrodenmaterials und der elektrische Wderstand, der sich auf dem Elektrodenmaterial bildenden
Oxidschicht positiv beeinflusst. Ab einem Anteil an Silizium von mehr als 1 ,3
Gew.-% tritt jedoch ein gegenläufiger Effekt ein. Durch Zugabe von Kupfer mit einem Anteil von 0,5 bis 1 ,0 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrodenmaterials wird der elektrische Widerstand des Elektrodenmaterials weiter verringert, da die Kupferionen in das Nickeloxidgitter eingelagert werden, wodurch die elektrische Leitfähigkeit der sich bildenden Oxidschicht erhöht wird. Dieser Effekt ist bereits bei einem geringen Kupferanteil von 0,5 Gew.-% messbar. Der Anteil an Kupfer sollte jedoch 1 Gew.-% nicht übersteigen, da ansonsten eine ausreichende mechanische Festigkeit des
Zündkerzenelektrodenmaterials nicht mehr ausreichend gewährleistet werden kann. Die Erfindung geht somit einen neuen Weg, da durch gezielte Wahl der Komponenten des Elektrodenmaterials, nämlich Nickel, Kupfer und Silizium, eine sich beim bestimmungsgemäßen Gebrauch bildende Oxidschicht optimiert wird, und nicht wie im Stand der Technik das Hauptaugenmerk auf eine möglichst hohe Korrosionsbeständigkeit gelegt wird.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Mengenangaben der einzelnen Elemente und Verbindungen beziehen sich im Folgenden, soweit nicht anders angegeben, jeweils auf das Gesamtgewicht des Zündkerzenelektrodenmaterials.
Besonders bevorzugt weist das Zündkerzenelektrodenmaterial einen Gehalt an Silizium von 0,9 bis 1 ,1 Gew.-% und insbesondere von 1 Gew.-% und/oder einen Gehalt an Kupfer von 0,6 bis 0,85 Gew.-%, insbesondere von 0,75 Gew.-%, auf, wobei der Gehalt an Nickel etwa 97,5 bis 98,5 Gew.-%, beträgt. In diesen Anteilen führen die beigefügten Elemente zu einer besonders hohen
Wärmeleitfähigkeit und elektrischen Leitfähigkeit der bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Zündkerze gebildeten Oxidschicht. Die sich bildende Oxidschicht ist ferner thermodynamisch und mechanisch ausreichend stabil, so dass auch der funkenerosive Verschleiß und die Korrosion des erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrodenmaterials wirksam reduziert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich das erfindungsgemäße Zündkerzenelektrodenmaterial dadurch aus, dass es ferner 0,07 bis 0, 13 Gew.-%, insbesondere 0,09 bis 0, 11 Gew.-% und insbesondere 0, 10 Gew.-% Yttrium enthält. Die Zugabe solch geringer Mengen an Yttrium verhindert ein abnormales Kornwachstum während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs einer Zündkerze, die das erfindungsgemäße Zündkerzenelektrodenmaterial aufweist. Der Yttriumgehalt kann beispielsweise durch einen niedrigen Sauerstoffgehalt der Legierung gezielt niedrig gehalten werden. Ab einem Anteil von Yttrium von mehr als 0, 13 Gew.-% wird das Oxidationsverhalten und damit auch der elektrische Widerstand der sich bildenden Oxidschicht negativ beeinflusst.
Besonders bevorzugt ist das Elektrodenmaterial im Wesentlichen frei von Aluminium und/oder Aluminiumverbindungen und/oder intermetallischen Phasen. Aluminium und dessen Verbindungen erniedrigen die elektrische Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials und der sich ausbildenden Oxidschicht und fördern somit den funkenerosiven Verschleiß des Elektrodenmaterials. Durch den Verzicht auf Aluminium wird das Oxidationsverhalten und insbesondre der elektrische Wderstand der sich ausbildenden Oxidschicht und damit das
Erosionsverhalten des Zündkerzenelektrodenmaterials deutlich verbessert (messbar verbessert). Zudem wird die Umformbarkeit des Materials deutlich verbessert. Einen ähnlichen Effekt hat auch der Verzicht auf intermetallische Phasen, denn intermetallische Phasen liegen als Ausscheidungen in der Nickelmatrix vor und führen zu thermomechanischen Spannungen und einer Verminderung der Wärmeleitfähigkeit, wodurch der funkenerosive Verschleiß und die Korrosion des Elektrodenmaterials erhöht werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich das Zündkerzenelektrodenmaterial durch einen Anteil an metallischen
Verunreinigungen aus, der in Summe weniger als 0, 15 Gew.-% beträgt.
Metallische Verunreinigungen umfassen dabei Elemente und Verbindungen wie beispielsweise Eisen, Titan, Chrom, Mangan und dergleichen. Solche
Verunreinigungen vermindern den Effekt der Erhöhung der elektrischen
Leitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit, wie er durch Beimengung von Silizium und Kupfer im angegebenen Bereich zu dem Nickelbasismaterial, erzielt wird.
Zudem wird durch diese Verunreinigungen die Wärmeleitfähigkeit der Legierung vermindert.
Besonders bevorzugt ist der Gehalt an Eisen und/oder Chrom und/oder Titan kleiner als 0,05 Gew.-%, insbesondere kleiner als 0,01 Gew.-%, da gerade diese Elemente die elektrische Leitfähigkeit der Oxidschicht nachteilig beeinflussen. Weiter bevorzugt ist der Gehalt an Schwefel und/oder Schwefelverbindungen und/oder Kohlenstoff und/oder Kohlenstoffverbindungen kleiner als 0,01 Gew.-%, insbesondere kleiner als 0,005 Gew.-% und insbesondere kleiner als 0,001 Gew.-%, da auch diese Elemente und Verbindungen sich negativ auf das
Oxidationsverhalten der Legierung auswirken, insbesondere können sie zu einer verstärkten Korrosion des Elektrodenmaterials führen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der Gehalt an Sauerstoff im
Zündkerzenelektrodenmaterial kleiner ist als 0,003 Gew.-%, insbesondere kleiner als 0,002 Gew.-%, da Sauerstoff die Oxidation nicht nur des Nickelmaterials, sondern auch etwaiger Verunreinigungen fördert, was wiederum zu einem erhöhten Verschleiß des Elektrodenmaterials beiträgt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht das
Zündkerzenelektrodenmaterial im Wesentlichen, also abgesehen von technisch bedingten, unvermeidbaren Verunreinigungen, aus 1 Gew.-% Silizium, 0,75 Gew.-% Kupfer und 0, 1 Gew.-% Yttrium, wobei das restliche Material aus Nickel gebildet ist und ca. 98, 15 Gew.-% ausmacht. Ein solches Elektrodenmaterial bildet bei bestimmungsgemäßem Gebrauch eine stabile, dünne und
gleichförmige Oxidschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit von mehr als 10 W/mK und einem geringen elektrischen Widerstand, also einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, aus. Das Zündkerzenelektrodenmaterial weist damit einen reduzierten funkenerosiven Verschleiß und eine deutlich verminderte
Korrosionsneigung auf und ist somit für den Dauergebrauch bei hohen
Temperaturen bestens geeignet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht das Zündkerzenelektrodenmaterial im Wesentlichen, also abgesehen von technisch bedingten, unvermeidbaren Verunreinigungen, aus 0,7 bis 1 ,3 Gew.-%, insbesondere 1 Gew.-% Silizium, 0,5 bis 1 ,0 Gew.-%, insbesondere 0,75 Gew.-% Kupfer, 0,07 bis 0,13 Gew.-%, insbesondere 0, 1 Gew.-% Yttrium und enthält weniger als 0,003 Gew.-%, insbesondere weniger als 0,002 Gew.-% Sauerstoff, 0,001 Gew.-% Schwefel und 0,003 Gew.-% Kohlenstoff, wobei das restliche Material aus Nickel gebildet ist, wobei der Anteil an metallischen
Verunreinigungen in Summe weniger als 0,1 Gew.-% beträgt. Dieses Elektrodenmaterial weist aufgrund seiner Zusammensetzung einen minimalen funkenerosiven Verschleiß und eine minimale Korrosionsneigung auf.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrodenmatenals, wobei das Verfahren die Schritte des Herstellens einer Nickelbasislegierung und Beimengens weiterer Elemente, wie Silizium, Kupfer und ggf. Yttrium, umfasst.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode, umfassend die Schritte:
Herstellen einer Nickelbasislegierung
Beimengen weiterer Elemente
Bilden einer Oxidschicht mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 6 W/mK, insbesondere von mindestens 8 W/mK und insbesondere von mindestens 10 W/mK und einem elektrischen Widerstand, der kleiner oder gleich ist als durch nachfolgende Gleichung definiert: logR = a+b * T/1000, wobei 0,6 < a < 0,8, insbesondere 0,7, ist,
wobei 3,1 < b < 3,3, insbesondere 3,2, ist und
wobei T die Temperatur in Kelvin, auf mindestens einem Teil der
Oberfläche der Zündkerzenelektrode ist, wobei das Zündkerzenelektrodenmaterial vor Bildung der Oxidschicht folgende Elemente enthält:
a) Nickel als Basismaterial
b) 0,7 bis 1 ,3 Gew.-% Silizium und
c) 0,5 bis 1 ,0 Gew.-% Kupfer.
Die nach diesem Verfahren hergestellte Zündkerzenelektrode kann sowohl als Ein-Stoff-Elektrode, wie auch als Zwei-Stoff-Elektrode hergestellt werden, wobei eine Zwei-Stoff-Elektrode im Vergleich zu einer Ein-Stoff-Elektrode das erfindungsgemäße Zündkerzenelektrodenmaterial lediglich als Mantelmaterial aufweist, wobei das Kernmaterial beispielsweise aus Kupfer gebildet ist. Das Kernmaterial ist vorzugsweise als Profildraht vorgesehen. Die Oxidschicht, die sich an der Oberfläche der erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode bildet, weist eine optimierte Struktur auf. Unter einer optimierten Struktur wird dabei verstanden, dass die Oxidschicht einen gleichmäßigen und stabilen Verbund aufweist und zudem relativ dünn und an der Oberfläche ebenmäßig ist im Vergleich zu sich auf herkömmlichen Elektroden bildenden Oxidschichten. Dies ermöglicht einen geringen elektrischen Widerstand der Oxidschicht an der Elektrodenoberfläche was eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit dieser Oxidschicht zur Folge hat. Zudem ist auch die Wärmeleitfähigkeit des Elektrodenmaterials erhöht. Durch das
erfindungsgemäße Verfahren wird eine Zündkerzenelektrode aus kostengünstigem
Elektrodenmaterial bereitgestellt, die sich durch eine extrem hohe
Temperaturbeständigkeit, einen deutlich reduzierten funkenerosiven Verschleiß, d.h. einen geringen Elektrodenabbrand, auszeichnet und eine hervorragende Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit aufweist. Die erfindungsgemäß hergestellte
Zündkerzenelektrode ist somit auch bei hohen Temperaturen unter den extremen
Bedingungen, wie sie im Brennraum eines Motors herrschen, stabil und
verschleißresistent.
Vorzugsweise ist die Oxidschicht durch bestimmungsgemäßen Gebrauch der
Zündkerzenelektrode bildbar. Dies hat den Vorteil, dass die Zündkerzenelektrode vor ihrem Gebrauch beliebig lange gelagert werden kann, ohne eine qualitative Minderung zu erfahren und erst nach Inbetriebnahme durch Ausbildung der
Oxidschicht„aktiviert" wird. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Elektrode aus dem vorstehend beschriebenen Zündkerzenelektrodenmaterial, wobei die Elektrode als
Mittelelektrode und/oder als Masseelektrode und diese sowohl mit als auch ohne Kern, vorzugsweise einem Kupferkern oder Silberkern in der Mittel- und/oder
Masseelektrode verwendet werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist: Figur 1 ein Diagramm, das den Verschleiß des erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrodenmaterials im Vergleich zu einem herkömmlichen Zündkerzenelektrodenmaterial pro Zündfunken zeigt
Figur 2 eine Zündkerze im Sinne der Erfindung umfassend eine
Masseelektrode und eine Mittelelektrode, wobei die
Mittelelektrode als Zweistoffelektrode und die Masseelektrode als Einstoffelektrode ausgebildet ist und
Figur 3 eine Zündkerze im Sinne der Erfindung umfassend eine
Masseelektrode und eine Mittelelektrode, wobei die
Mittelelektrode als Zweistoffelektrode und die Masseelektrode ebenfalls als Zweistoffelektrode ausgeführt ist.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 ist ein Diagramm, das den Verschleiß in μηι3/ρΓθ Funke, inklusive Standardabweichung, des erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrodenmaterials A im Vergleich zu einem herkömmlichen Zündkerzenelektrodenmaterial B, wie nachfolgend beschrieben, pro Zündfunken zeigt.
Das erfindungsgemäße Zündkerzenelektrodenmaterial A wies folgende
Zusammensetzung auf:
a) 1 Gew.-% Silizium,
b) 0,75 Gew.-% Kupfer
c) 0,1 Gew.-% Yttrium
d) 0,002 Gew.-% Sauerstoff
e) 0,001 Gew.-% Schwefel,
f) 0,003 Gew.-% Kohlenstoff, wobei der das restliche Material aus Nickel bestand und wobei der Anteil an metallischen Verunreinigungen in Summe weniger als 0, 1 Gew.-% betrug.
Das herkömmliche Zündkerzenelektrodenmaterial B wies folgende
Zusammensetzung auf: a) 1 Gew.-% Silizium,
b) 1 Gew.-% Aluminium
c) 0,2 Gew.-% Yttrium wobei das restliche Material aus Nickel bestand. Die jeweiligen Gehalte der Elemente der Zündkerzenelektrodenmaterialien wurden mittels ICP bestimmt.
Beide Materialien A und B wurden einem Funkenerosionstest bei einer
Elektrodentemperatur von 900 °C unter Luft, einem Druck von 7 bar und unter
Zuhilfenahme von Zündspulen mit einem Anfangsfunkenstrom von 90 mA, unterzogen. Das Diagramm zeigt deutlich den erhöhten Verschleiß pro
Zündfunke des herkömmlichen, Aluminium-haltigen Elektrodenmaterials B mit ca. 25 μm3/Funke, im Vergleich zu dem optimierten, erfindungsgemäßen
Zündkerzenelektrodenmaterial A mit ca. 18 μm3/Funke. Der deutlich geringere funkenerosive Verschleiß des erfindungsgemäßen Elektrodenmaterials A ist dabei auf die Bildung einer homogenen, relativ dünnen Oxidschicht mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit und geringem elektrischen Widerstand, also hoher elektrischer Leitfähigkeit, zurückzuführen.
Figur 2 zeigt eine Zündkerze 1 im Sinne der Erfindung, mit einer Mittelelektrode 2 und einer Masseelektrode 3, wobei sowohl die Mittelelektrode 2 als auch die Masseelektrode 3 aus dem erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrodenmaterial gebildet. Die Mittelelektrode 2 ist dabei als Zweistoffelektrode und die
Masseelektrode 3 als Einstoffelektrode ausgebildet
Figur 3 zeigt eine Zündkerze 1 im Sinne der Erfindung, mit einer Mittelelektrode 2 und einer Masseelektrode 3, wobei die Mittelelektrode 2 und ebenfalls die Masseelektrode 3 als Zweistoffelektrode, umfassend einen Elektrodenmantel 5 aus dem erfindungsgemäßen Zündkerzenelemtrodenmaterial und einen
Elektrodenkern 4 aus einem Kernmaterial, vorzugsweise aus Kupfer, ausgebildet sind.
Erfindungsgemäß wird somit ein Zündkerzenelektrodenmaterial zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode oder allgemein einer Zündkerze, bereitgestellt, das sich aufgrund der Bildung einer Oxidschicht insbesondere bei bestimmungsgemäßem Gebrauch, durch einen geringen funkenerosiven Verschleiß und eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit bei minimierten Herstellkosten und ausreichender thermodynamischer wie mechanischer Stabilität, auszeichnet.

Claims

Zündkerzenelektrodenmaterial enthaltend
a) 0,7 bis 1 ,3 Gew.-% Silizium,
b) 0,5 bis 1 ,0 Gew.-% Kupfer und als
c) Rest: Nickel.
Zündkerzenelektrodenmaterial nach Anspruch 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass der Gehalt an Silizium 0,9 bis 1 ,1 Gew.-%, insbesondere 1 Gew.-% und/oder der Gehalt an Kupfer 0,6 bis 0,85 Gew.-%, insbesondere 0,75 Gew.-%, und der Gehalt an Nickel etwa 97,5 bis 98,5 Gew.-%, beträgt.
Zündkerzenelektrodenmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner 0,07 bis 0, 13 Gew.-%, insbesondere 0,09 bis 0, 11 Gew.-% und insbesondere 0, 10 Gew.-% Yttrium enthält.
Zündkerzenelektrodenmaterial nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmaterial im Wesentlichen frei ist von Aluminium und/oder Aluminiumverbindungen und/oder intermetallischen Phasen.
Zündkerzenelektrodenmaterial nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an metallischen Verunreinigungen in Summe weniger als 0, 15 Gew.-% beträgt.
Zündkerzenelektrodenmaterial nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Eisen und/oder Chrom und/oder Titan kleiner als 0,05 Gew.-% und insbesondere kleiner als 0,01 Gew.-% ist. Zündkerzenelektrodenmaterial nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Schwefel und/oder Schwefelverbindungen und/oder Kohlenstoff und/oder
Kohlenstoffverbindungen kleiner als 0,01 Gew.-%, insbesondere kleiner als 0,005 Gew.-% und insbesondere kleiner als 0,001 Gew.-% ist.
8. Zündkerzenelektrodenmaterial nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Sauerstoff kleiner als 0,003 Gew.-%, insbesondere kleiner als 0,002 Gew.-% ist.
9. Zündkerzenelektrodenmaterial nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, im Wesentlichen bestehend aus:
a) 98, 15 Gew.-% Nickel
b) 1 Gew.-% Silizium,
c) 0,75 Gew.-% Kupfer und
d) 0,1 Gew.-% Yttrium.
10. Zündkerzenelektrodenmaterial nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, im Wesentlichen bestehend aus:
a) 0,7 bis 1 ,3 Gew.-%, insbesondere 1 Gew.-% Silizium,
b) 0,5 bis 1 ,0 Gew.-%, insbesondere 0,75 Gew.-% Kupfer c) 0,07 bis 0, 13 Gew.-%, insbesondere 0,1 Gew.-% Yttrium d) weniger als 0,003 Gew.-%, insbesondere weniger als 0,002 Gew.- % Sauerstoff
e) 0,001 Gew.-% Schwefel,
f) 0,003 Gew.-% Kohlenstoff,
g) Rest: Nickel
wobei der Anteil an metallischen Verunreinigungen in Summe weniger als 0,1 Gew.-% beträgt.
1 1. Verfahren zur Herstellung eines Zündkerzenelektrodenmatenals nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfassend die Schritte:
Herstellen einer Nickelbasislegierung
Beimengen weiterer Elemente.
12. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode umfassend die Schritte:
Herstellen einer Nickelbasislegierung
Beimengen weiterer Elemente
Bilden einer Oxidschicht mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 6 W/mK, insbesondere von mindestens 8 W/mK und insbesondere von mindestens 10 W/mK und einem elektrischen Widerstand, der kleiner oder gleich ist als durch nachfolgende Gleichung definiert: logR = a+b * T/1000, wobei 0,6 < a < 0,8, insbesondere 0,7, ist,
wobei 3,1 < b < 3,3, insbesondere 3,2, ist und
wobei T die Temperatur in Kelvin, auf mindestens einem Teil der
Oberfläche der Zündkerzenelektrode ist, wobei das Zündkerzenelektrodenmaterial vor Bildung der Oxidschicht folgende Elemente enthält:
a) Nickel als Basismaterial
b) 0,7 bis 1 ,3 Gew.-% Silizium und
c) 0,5 bis 1 ,0 Gew.-% Kupfer.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Oxidschicht durch bestimmungsgemäßen Gebrauch der
Zündkerzenelektrode bildbar ist.
14. Zündkerze umfassend eine Elektrode aus einem
Zündkerzenelektrodenmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
15. Zündkerze nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die
Elektrode eine Mittelelektrode und/oder eine Masseelektrode ist und diese sowohl mit als auch ohne Kern, insbesondere einem Kupferkern, in der Mittel- und/oder Masseelektrode verwendet werden kann.
PCT/EP2012/052561 2011-04-15 2012-02-15 Zündkerzenelektrodenmatenal und zündkerze, sowie verfahren zur herstellung des zündkerzenelektrodenmaterials und einer elektrode für die zündkerze WO2012139790A1 (de)

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