Stand der Technik
-
Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Anbringung einer
Edelmetallspitze auf einer Elektrode, von einer Elektrode
und von einer Zündkerze nach der Gattung der unabhängigen
Ansprüche aus.
-
Aus der WO 91/02393 ist es bereits bekannt, eine
Edelmetallspitze auf eine Elektrode zu schweißen. Bei der
Elektrode kann es sich dabei um eine Masse- oder
Mittelelektrode einer Zündkerze handeln.
Vorteile der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Anbringung einer
Edelmetallspitze auf einer Elektrode, die erfindungsgemäße
Elektrode und die erfindungsgemäße Zündkerze mit den
Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den
Vorteil, dass die Edelmetallspitze in einem ersten Bereich
und die Elektrode in einem zweiten Bereich, der dem ersten
Bereich benachbart ist, aufgeschmolzen wird, um in diesen
Bereichen eine Mischlegierung zu bilden, wobei der erste
Bereich so gewählt wird, das er etwa ringförmig vollständig
vom Material der Edelmetallspitze ummantelt ist. Durch die
Mischlegierung wird die Verbindung zwischen der
Edelmetallspitze und der Elektrode dauerhaltbar. Aufgrund
der etwa ringförmigen vollständigen Ummantelung des ersten
Bereichs vom Material der Edelmetallspitze bleibt die
Edelmetallspitze und die Verbindung zwischen der
Edelmetallspitze und der Elektrode verschleißfest und
unanfällig gegenüber Korrosion und Erosion.
-
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des
Verfahrens und der Elektrode gemäß den unabhängigen
Ansprüchen möglich.
-
Besonders vorteilhaft ist es, dass die beiden Bereiche
mittels Laserenergie aufgeschmolzen werden. Auf diese Weise
lassen sich die beiden Bereiche für die Bildung der
Mischlegierung definiert vorgeben und mit hoher örtlicher
Präzision aufschmelzen, sodass ein Aufschmelzen der
Edelmetallspitze oder der Elektrode außerhalb der beiden
Bereiche verhindert werden kann. Außerdem läßt sich der
Aufschmelzvorgang in den beiden Bereichen zur Bildung der
Mischlegierung durch Verwendung der Laserenergie bei
entsprechender Laserleistung besonders schnell realisieren.
-
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Laserenergie
von einem Laserelement mittels eines Laserpulses aufgebracht
wird. Auf diese Weise läßt sich die zum Aufschmelzen der
beiden Bereiche erforderliche Energie durch Wahl von
Leistung und Zeit des Laserpulses präzise und in definierter
und vorgegebener Weise zur Verfügung stellen.
Zeichnung
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen ersten Schritt, Fig. 2
einen zweiten Schritt, Fig. 3 einen dritten Schritt und
Fig. 4 einen vierten Schritt des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Bildung einer erfindungsgemäßen Elektrode,
beispielsweise für eine Zündkerze.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
-
Die Anforderungen an Zündkerzen hinsichtlich ihrer
Dauerhaltbarkeit sind in den vergangenen Jahren stetig
gestiegen. Derzeit werden bereits Wechselintervalle für die
Zündkerzen von 60.000,00 km bis 100.000,00 km von
verschiedenen Automobilherstellern vorgegeben. Der Trend
geht somit zu sogenannten Lifetime-Zündkerzen, deren
Haltbarkeitsdauer möglichst nahe an die Haltbarkeitsdauer
des Fahrzeugs herankommen soll.
-
Derartige Lebensdauer sind zumindest für Zündkerzen mit
einer als Dachelektrode ausgebildeten Masseelektrode nur
durch den Einsatz von Edelmetalllegierungen an der
Mittelelektrode und der gegenüberliegenden Masseelektrode
erreichbar. Diese Edelemetalllegierungen können
beispielsweise durch Fliesspressen, Plattieren,
Widerstandsschweissen und Laserschweissen oder Laserlegieren
auf den jeweiligen Elektroden der Zündkerze befestigt
werden. Diese Elektroden bestehen beispielsweise aus Nickel-
Legierungen.
-
An die Verfahrenstechnik zur Herstellung der Verbindung
zwischen der Edelmetalllegierung und einer solchen Elektrode
werden hohe Anforderungen gestellt, weil sich die
Eigenschaften der Edelmetalllegierungen im Vergleich zu
Nickellegierungen hinsichtlich Schmelz- und Siedepunkt sowie
Wärmeausdehnungskoeffizient stark unterscheiden. Ein
kostengünstiges Verbindungsverfahren ist das
Widerstandsschweissen. Wird die Edelmetalllegierung mit der
Nickellegierung durch Wiederstandsschweissen verbunden, so
kann es bei Erwärmung dieser Verbindung aufgrund der
unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und der
geringen Diffusionszonendicken im Grenzbereich zwischen der
Edelmetalllegierung und der Nickellegierung, also der
geringen gegenseitigen Durchmischung der Edelmetalllegierung
und der Nickellegierung in dem Bereich ihres
Aneinandergrenzens zum Aufreissen der Verbindung kommen. In
dem so entstandenen Spalt tritt Korrosion auf, vor allem
dann, wenn die Elektrode als Masse- oder Mittelelektrode in
den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingeführt ist und
von den dortigen Gasgemischen umgeben ist. Somit wird die
Lebensdauer derartiger Verbindungen begrenzt.
-
Eine Methode, die zu einer stabileren Verbindung zwischen
der Edelmetalllegierung und der Nickellegierung führt,
besteht im Anbringen einer Schweißnaht zwischen der
Edelmetalllegierung und der Nickellegierung unter Verwendung
eines Laserschweissverfahrens. Das Anbringen solcher
Schweißnähte ist jedoch vergleichsweise aufwendig und
bedingt einen vergleichsweise hohen Materialaufwand für die
Edelmetalllegierung.
-
Eine demgegenüber einfachere Methode stellt das sogenannte
Laserlegieren dar, bei dem die Edelmetalllegierung und die
Nickellegierung in einander benachbarten Bereichen
vollständig aufgeschmolzen und dabei vermischt, das heißt
legiert werden. Die dabei entstehende Edelmetall-Nickel-
Legierung ist jedoch hinsichtlich Erosion und Korrosion
weniger resistent als reine Edelmetalllegierungen.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sollen nun die genannten
Nachteile, die sich bei der Verbindung der
Edelmetalllegierung mit der Nickellegierung durch
Widerstandsschweissen, Laserschweissen oder Laserlegieren
ergeben, weitgehend vermieden werden. Dabei sollen
dauerhaltbare, verschleißfeste Elektroden hergestellt
werden, wobei die Verbindung zwischen einem Edelmetall oder
einer Edelmetalllegierung mit der Elektrode mit geringem
Aufwand realisierbar sein soll.
-
In Fig. 1 kennzeichnet 5 eine Elektrode, die beispielsweise
die Mittelelektrode einer Zündkerze sein kann. Die Elektrode
5 umfaßt eine Spitze 20 die gemäß Fig. 1 eine Vertiefung
bilden kann, aber nicht muß. Die Elektrode 5 ist metallisch
ausgebildet und kann beispielsweise zumindest teilweise aus
Nickel gebildet sein. Im folgenden soll beispielhaft
angenommen werden, dass die Elektrode 5 aus einer
Nickellegierung gebildet ist.
-
In Fig. 1 ist weiterhin eine Edelmetallspitze 1
dargestellt, die aus einem reinen Edelmetall oder aus einer
Edelmetalllegierung gebildet sein kann. Als reine
Edelmetalle können dabei beispielsweise Gold, Platin oder
Iridium Verwendung finden. Bei Verwendung von
Edelmetalllegierungen kann dies ebenfalls unter Verwendung
von Gold, Platin oder Iridium erfolgen. Unter
Edelmetalllegierungen sind dabei Legierungen zu verstehen,
die lediglich Edelmetalle enthalten. In diesem Beispiel soll
die Edelmetallspitze 1 als Edelmetalllegierung ausgebildet
sein und einen Anteil Platin enthalten. Gemäß Fig. 1 ist
die Edelmetallspitze 1 an ihrer Unterseite 35 derart
geformt, dass sie möglichst passgenau von der Spitze 20 der
Elektrode 5 aufgenommen werden kann. Gemäß Fig. 1 weist die
Edelmetallspitze 1 an ihrer Unterseite 35 eine Hervorhebung
auf, die mit der Vertiefung an der Spitze 20 der Elektrode 5
korrespondiert. Der Durchmesser der Edelmetallspitze 1 ist
dabei etwa genauso groß gewählt wie der Durchmesser der
Elektrode 5 im Bereich ihrer Spitze 20. Er könnte aber auch
größer oder kleiner gewählt werden.
-
Gemäß Fig. 1 wird nun in einem ersten Verfahrensschritt die
Edelmetallspitze 1 passgenau auf die Spitze 20 der Elektrode
5 gesetzt, wie durch den Pfeil in Fig. 1 angedeutet ist.
-
Anschließend wird in einem zweiten Verfahrensschritt gemäß
Fig. 2 die Edelmetallspitze 1 mit der Elektrode 5 in dem
Bereich, in dem die Edelmetallspitze 1 an die Elektrode 5
grenzt, miteinander verschweißt, beispielsweise durch ein
Widerstandsschweißverfahren. Dieser Bereich ist in Fig. 2
mit dem Bezugszeichen 40 gekennzeichnet. Er wird im
folgenden auch als Schweißbereich bezeichnet.
-
Die Dicke der sich dabei ergebenden Diffusionszone im
Schweißbereich 40 beträgt in der Regel wenige µm und ist
damit anfällig hinsichtlich von Wärmespannungsrissen
aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Edelmetallspitze 1 und der nickelhaltigen Elektrode 5.
-
In einem dritten Verfahrensschritt wird die Edelmetallspitze
1 in einem ersten Bereich 10 und die Elektrode 5 in einem
zweiten Bereich 15, der dem ersten Bereich 10 benachbart
ist, aufgeschmolzen, um in diesen Bereichen 10, 15 eine
Mischlegierung aus dem Material der Edelmetallspitze 1 und
dem Material der Elektrode 5 zu bilden, also eine
Mischlegierung aus der Edelmetalllegierung der
Edelmetallspitze 1 und der Nickellegierung der Elektrode 5
gemäß dem hier gewählten Beispiel. Dabei wird der erste
Bereich 10 so bestimmt, dass er etwa ringförmig vollständig
vom Material der Edelmetallspitze 1 ummantelt ist, wie in
Fig. 3 erkennbar ist. In sämtlichen Figuren kennzeichnen
dabei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente. Der
Schweißbereich 40 ist im Bereich eines Grenzbereichs 25 des
ersten Bereichs 10 zum zweiten Bereich 15 in Fig. 3 zur
Veranschaulichung durch Schraffur hervorgehoben und durch
das Bezugszeichen 45 gekennzeichnet. Er wird im folgenden
auch als Grenzschweißbereich bezeichnet. Beim Aufschmelzen
des ersten Bereichs 10 und des zweiten Bereichs 15 wird auch
der Grenzschweißbereich 45 aufgeschmolzen, der nach dem
zweiten Verfahrensschritt gemäß Fig. 2 als Teil des
Schweißbereichs 40 die beschriebene Diffusionszone zwischen
der Edelmetallspitze 1 und der Elektrode 5 ergab. Im ersten
Bereich 10, im zweiten Bereich 15 und im Grenzschweißbereich
45 ergibt sich beim dritten Verfahrensschritt gemäß Fig. 3
eine möglichst vollständige Durchmischung des Materials der
Edelmetallspitze 1 und des Materials der Elektrode 5. Es
ergibt sich somit nach dem dritten Verfahrensschritt gemäß
Fig. 3 im ersten Bereich 10, im zweiten Bereich 15 und im
Grenzschweißbereich 45 eine annähernd homogene Edelmetall-
Nickel-Legierung, die gemäß Fig. 3 im Bereich der
Edelmetallspitze 1 etwa ringförmig vollständig vom Material
der Edelmetallspitze 1, im Bereich der Elektrode 5
vollständig vom Material der Elektrode 5 und im Bereich des
Schweißbereichs 40 vollständig von der Diffusionszone
umgeben ist. Entscheidend ist dabei vor allem, dass der
erste Bereich 10 etwa ringförmig vollständig vom Material
der Edelmetallspitze 1 ummantelt ist.
-
Auf diese Weise ist die Mischlegierung im Bereich der
Edelmetallspitze 1 bis auf ihre brennraumseitige Stirnfläche
vollständig von der die Edelmetallspitze 1 umgebenden
Atmosphäre getrennt und somit vor Umwelteinflüssen geschützt
und nicht der Erosion und Korrosion besonders im Brennraum
einer Brennkraftmaschine ausgesetzt. Gemäß Fig. 3 ist die
sich im ersten Bereich 10, im zweiten Bereich 15 und im
Grenzschweißbereich 45 bildende Mischlegierung vollständig
im Bereich der Elektrode 5 von der umgebenden Atmosphäre
getrennt, da auch der zweite Bereich 15 mit Ausnahme seines
Grenzbereichs 50 zum Grenzschweißbereich 45 bzw. zum ersten
Bereich 10 vollständig vom Material der Elektrode 5 umgeben
ist.
-
Durch die Mischlegierung wird die Verbindung zwischen der
Edelmetallspitze 1 und der Elektrode 5 besonders stabil und
dauerhaft gemacht und unterliegt nicht mehr der Gefahr einer
Rissbildung im Bereich der Diffusionszone zwischen
Edelmetallspitze 1 und Elektrode 5. Durch die im Bereich der
Edelmetallspitze 1 etwa ringförmige Abschirmung der sich
ergebenden Mischlegierung aus Edelmetallanteilen und
Nickelanteilen vor der umgebenden Atmosphäre wird besonders
im Bereich der Verbindung zwischen der Edelmetallspitze 1
und der Elektrode 5 verhindert, dass die erosions- und
korrosionsanfällige Mischlegierung schädlichen
Umwelteinflüssen ausgesetzt wird, sodass die Verbindung
zwischen der Edelmetallspitze 1 und der Elektrode 5
besonders dauerhaltbar wird.
-
Das Aufschmelzen des ersten Bereichs 10, des
Grenzschweißbereichs 45 und des zweiten Bereichs 15 kann
beispielsweise mittels Laserenergie realisiert werden. Dazu
kann beispielsweise von einem Laserelement 30 wie in Fig. 3
dargestellt die Laserenergie aufgebracht werden. In Fig. 3
kennzeichnet das Bezugszeichen 55 einen Laserstrahl. Der
Laserstrahl ist dabei auf den ersten Bereich 10, den
Grenzschweißbereich 45 und den zweiten Bereich 15 fokussiert
und sorgt für eine örtlich präzise Aufschmelzung dieser
Bereiche und damit zur Bildung einer möglichst konstanten
homogenen Mischlegierung in diesen Bereichen. Die
Laserenergie kann dabei beispielsweise mittels eines
Laserpulses auf eine, im Falle einer Zündkerze
brennraumseitige, Stirnfläche der Edelmetallspitze 1
aufgebracht werden. Dabei wird die Laserenergie nicht auf
die gesamte Stirnfläche der Edelmetallspitze 1 aufgebracht,
sondern auf einen etwa kreisförmigen Bereich, der von einem
etwa kreisringförmigen Bereich der Stirnfläche umgeben ist.
Nur im kreisförmigen Bereich der Stirnfläche und darunter
wird die Edelmetallspitze 1 somit aufgeschmolzen, um den
ersten Bereich 10 zu ergeben, der etwa ringförmig
vollständig vom Material der Edelmetallspitze 1 ummantelt
ist. Die Verwendung eines Laserpulses ermöglicht eine
gezielte und definierte Zurverfügungstellung der für das
Aufschmelzen des ersten Bereiches 10, des zweiten Bereichs
15 und des Grenzschweißbereichs 45 erforderlichen Energie.
Der Laserpuls kann beispielsweise eine Leistung von etwa 1
kW für eine Zeit von etwa 10 ms aufweisen.
-
Somit ergibt sich gemäß Fig. 4 nach dem dritten
Verfahrensschritt zwischen der Edelmetallspitze 1 und der
Elektrode 5 die mit dem Bezugszeichen 60 gekennzeichnete
Mischlegierung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der
zwischen dem der Edelmetalllegierung der Edelmetallspitze 1
und dem der Nickellegierung der Elektrode 5 liegt. Risse
aufgrund von Wärmespannungen werden dadurch vor allem im
Bereich der Mischlegierung 60 vermieden. Die Verbindung
zwischen der Edelmetallspitze 1 und der Elektrode 5 ist
somit dauerhaltbar. Dies um so mehr, je größer der
Querschnitt der Mischlegierung 60 im Bereich des
Schweißbereichs 40, also der Diffusionszone, ist. Lediglich
eine brennraumseitige Stirnfläche 100 der Mischlegierung 60
ist nicht vom nicht aufgeschmolzenenen Material der
Edelmetallspitze 1 umgeben und somit direkt dem Brennraum
ausgesetzt. Da gemäß Fig. 3 der erste Bereich 10 etwa
ringförmig vollständig von nicht aufgeschmolzenem Material
der Edelmetallspitze 1 ummantelt ist, ist die Mischlegierung
60 gemäß Fig. 4 im Bereich der Edelmetallspitze 1
weitgehend von Umwelteinflüssen abgeschirmt. Somit liegen
mit Ausnahme der brennraumseitigen Stirnfläche 100 der
Mischlegierung 60 an der Oberfläche der Edelmetallspitze 1
vor allem in dem dem Brennraum zugewandten Teil des
Schweißbereichs 40 die sehr guten Erosions- und
Korrosionseigenschaften der verwendeten Edelmetalllegierung
weiterhin vor. Somit wird vor allem im Schweißbereich 40
eine Korrosion und Erosion verhindert und die
Dauerhaltbarkeit der Verbindung zwischen der
Edelmetallspitze 1 und der Elektrode 5 erhöht.
-
Die gebildete Elektrode 5 mit der Edelmetallspitze 1 ist
somit bei minimalem Edelmetalleinsatz unter
Brennraumbedingungen dauerhaltbar sowie erosions- und
korrosionsfest. Der zweite Verfahrensschritt der
Schweißverbindung und der dritte Verfahrensschritt der
Laserlegierung lassen sich in kurzer Taktzeit und
gleichzeitig durchführen. Somit wird die Herstellungszeit im
Vergleich zu einer reinen Schweißverbindung oder
Laserlegierung nicht erhöht.
-
Die Elektrode 5 ist hier beispielhaft als Mittelelektrode
einer Zündkerze ausgebildet. In entsprechender Weise kann
eine Edelmetallspitze auch an einer Masseelektrode,
beispielsweise einer Dachelektrode oder einer
Seitenelektrode angebracht werden. Somit kann eine Zündkerze
geschaffen werden, bei der sowohl die Mittelelektrode als
auch eine oder mehrere Masseelektroden jeweils eine
Edelmetallspitze aufweisen, wobei die Edelmetallspitze der
Mittelelektrode der Edelmetallspitze einer Masseelektrode
zur Ausbildung der Funkenstrecke gegenüberliegt, um den
Elektrodenverschleiß zu minimieren und die Lebensdauer der
Zündkerze zu verlängern. Die Zündkerze wird in sämtlichen
Figuren durch das Bezugszeichen 65 referenziert und ist
übersichtlichkeitshalber nur anhand eines Ausschnitts der
Elektrode 5, die in diesem Beispiel als Mittelelektrode der
Zündkerze 65 fungiert, dargestellt.
-
In sämtlichen Figuren kennzeichnen gleiche Bezugszeichen
gleiche Elemente und ist die Elektrode 5 und die
Edelmetallspitze 1 in einem Längsschnitt dargestellt.