DE102017205520A1

DE102017205520A1 - Zündkerzenelektrode, Zündkerze und Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode

Info

Publication number: DE102017205520A1
Application number: DE102017205520.0A
Authority: DE
Inventors: Benedikt Reinsch; Torsten Trossmann; Tina Hirte; Juergen Oberle; Sabrina Rathgeber; Ney Moreira; Stefan Nufer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2018-10-04
Also published as: WO2018177705A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerzenelektrode (2, 3), die einen Elektrodenkern (8) und eine den Elektrodenkern (8) mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig umgebende, mindestens eine Lage (10) umfassende Oberflächenschicht (9), umfasst, wobei der Elektrodenkern (8) aus Nickel oder einer Nickelbasislegierung mit Nickel als Hauptbestandteil in Masse% besteht und wobei die Oberflächenschicht (9) mindestens ein Oxid, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Al₂O₃, SiO₂ und Cr₂O₃ und/oder mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Al, Cr, Si, Co, Nb, Mn und Ta und/oder mindestens eine intermetallische Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: AlNi, Al₃Ni, Al₃Ni₂, AlNi₃ und Ti₃Al und/oder mindestens eine feste Lösung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Pd, Ni-Ru, Al-Ti und Al-Ti-Si und/oder mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Cu, Cr, Pd, Ru und Al enthält.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerzenelektrode sowie eine Zündkerze mit reduziertem korrosivem Verschleiß unter Einwirkung hoher Temperaturen und daher mit einer hohen Leistungsdichte und langer Laufzeit. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode mit den vorstehend genannten Eigenschaften.
Aufgrund ihrer guten Temperaturstabilität und der Verfügbarkeit zu moderaten Preisen, werden Zündkerzenelektroden von herkömmlichen Zündkerzen meist aus Nickel oder niedriglegierten Nickellegierungen gebildet. Nachteilig hieran ist, dass nickelbasierte Zündkerzenelektroden zu Metallstaubkorrosion (metal dusting corrosion) neigen, insbesondere in kohlenstoffübersättigter Atmosphäre bei geringen Sauerstoffpartialdrücken. Hierbei werden unter hohen Temperaturen CO oder Kohlenwasserstoffverbindungen zersetzt und freier Kohlenstoff gebildet, der an der nickelhaltigen Oberfläche adsorbiert wird und sodann in die Nickel-Kristallstruktur eindiffundiert. Anschließend wächst Graphit epitaxial zwischen den Ni-111-Kristallebenen auf, was zum Abplatzen von Nickelpartikeln von der Elektrodenoberfläche durch Aufkohlung führt. Um den korrosiven Verschleiß zu reduzieren, werden dem Nickel hohe Chromanteile zugesetzt. Hierdurch wird jedoch die thermische Leitfähigkeit der Zündkerzenelektrode reduziert und es kommt dennoch auch hier zu erhöhtem Elektrodenverschleiß.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode mit den Merkmalen des Anspruches 1 zeichnet sich demgegenüber durch eine hohe thermische Leitfähigkeit bei gleichzeitig sehr geringem korrosionsinduzierten Materialabtrag aus. Die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode weist eine hohe Korrosionsbeständigkeit bei hoher Leistungsdichte und langer Laufzeit aus.
Erfindungswesentlich ist hierbei dass die Zündkerzenelektrode einen Elektrodenkern und eine den Elektrodenkern mindestens teilweise und vorzugsweise vollständig umgebende Oberflächenschicht umfasst. Insbesondere sind diejenigen Bereiche des Elektrodenkerns, die unter Betriebsbedingungen hohen Temperaturen von etwa 400 bis 900 °C ausgesetzt sind, mit einer Oberflächenschicht bedeckt. Um die Herstellung der Zündkerzenelektrode zu vereinfachen, ist vorteilhaft der gesamte Elektrodenkern, der beim Verbau in einer Zündkerze in einen Brennraum derselben ragt, mit der Oberflächenschicht bedeckt.
Aufgrund der sehr guten thermischen Leitfähigkeit und guten Stabilität, ist der Elektrodenkern aus Nickel oder einer Nickelbasislegierung mit Nickel als Hauptbestandteil in Masse% gebildet. Im Inneren des Elektrodenkerns kann ferner ein Metallelement, insbesondere ein Kupferdraht, zur Verbesserung der thermischen Anbindung der Zündkerzenelektrode vorgesehen sein. Die Oberflächenschicht ist aus mindestens einer Lage gebildet, die auf den Elektrodenkern aufgebracht oder darauf ausgebildet ist. Die bedeutet, dass die Oberflächenschicht aus einer oder aus mehreren Lagen gleichen oder unterschiedlichen Materials gebildet sein kann.
Ferner erfindungswesentlich ist, dass die Oberflächenschicht aus spezifischen Elementen oder Verbindungen gebildet ist.
Die Oberflächenschicht enthält somit mindestens ein Oxid, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Al₂O₃, SiO₂ und Cr₂O₃ und/oder mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminium (Al), Chrom (Cr), Silizium (Si), Kobalt (Co), Niob (Nb), Mangan (Mn) und Tantal (Ta) und/oder mindestens eine intermetallische Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: AlNi, Al₃Ni, Al₃Ni₂, AlNi₃ und Ti₃Al und/oder mindestens eine feste Lösung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Pd, Ni-Ru, Al-Ti und Al-Ti-Si und/oder mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Kupfer (Cu), Chrom (Cr), Palladium (Pd), Ruthenium (Ru) und Aluminium (Al).
Den vorstehend genannten Elementen und Verbindungen ist gemein, dass sie einen Schutz gegen korrosive Angriffe bieten, ohne die thermische Leitfähigkeit der Zündkerzenelektrode zu beeinträchtigen, so dass die Laufzeit der erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode gegenüber herkömmlichen Zündkerzenelektroden verbessert ist. Die erfindungsgemäße Oberflächenschicht wirkt somit effektiv als Korrosionsschutzschicht, die die Lebensdauer der Zündkerzenelektrode selbst unter harschen Umgebungsbedingungen, wie z.B. Aufkohlungsbedingungen, deutlich erhöht.
Die Oxide Al₂O₃, SiO₂ und Cr₂O₃ oder Elemente, die aus der Gruppe bestehend aus: Aluminium (Al), Chrom (Cr), Silizium (Si), Kobalt (Co), Niob (Nb), Mangan (Mn) und Tantal (Ta) ausgewählt sind, die intermetallischen Verbindung, die aus der Gruppe bestehend aus: AlNi, Al₃Ni, Al₃Ni₂, AlNi₃ und Ti₃Al ausgewählt sind bzw. die festen Lösungen, die aus der Gruppe bestehend aus: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Pd, Ni-Ru, Al-Ti und Al-Ti-Si ausgewählt sind, verhindern die Korrosion, indem sie Diffusionsbarrieren bzw. Umgebungsbarrieren schaffen. Die vorstehend genannten Elemente und Verbindungen reduzieren auf der einen Seite die katalytische Aktivität des Nickels, indem sie die aktiven Seiten des Nickels besetzen und begrenzen auf der anderen Seite die Eindiffusion von am nickelhaltigen Elektrodenkern adsorbiertem Kohlenstoff.
Auch die Elemente Cu, Cr, Pd, Ru und Al wirken einer Korrosion der Zündkerzenelektrode entgegen, indem sie als Strukturmodifikator wirken, die Legierungen, feste Lösungen und/oder intermetallische Phasen mit Nickel bilden. Hierdurch wird die Kristallstruktur der Zündkerzenelektrode in Oberflächennähe verändert, wodurch ein epitaxiales Aufwachsen von Ni-Graphit verhindert und somit eine Abspaltung von Nickelpartikeln unterdrückt wird.
Eine gewünschte Oberflächenschicht lässt sich durch eine kontrollierten, insbesondere durch einen sehr gut temperaturgesteuerten Prozess, erzielen, durch den eine diffusionsbasierte Beschichtung gefördert wird. Dies gilt insbesondere für NiAl-Oberflächenbeschichtungen und andere intermetallische Oberflächenschichten, wie z.B. TiAl und CuAl. Alternativ hierzu können die unterschiedlichen Elemente oder Verbindungen der Oberflächenschichten separat aufgebracht werden, wobei dann ggf. unter Betriebsbedingungen der Zündkerzenelektrode eine entsprechende Temperaturbehandlung erfolgt.
Alle vorstehend genannten Elemente und Verbindungen greifen somit direkt in den Korrosionsmechanismus ein, der durch die Bildung von freien Kohlenstoffatomen induziert wird. Ihre Anwesenheit in der Oberflächenschicht kann insbesondere anhand von metallografischen Querschnitten durch Elektronenspektroskopie/Energiedispersiver Röntgenspektroskopie (SEM/EDX) oder alternativ mittels Glimmentladungsspektroskopie (GDOES) oder Röntgenphotoelektronenspektroskopie (ESCA-Spektroskopie) oder Flugzeitsekundärionenmassenspektrometrie (TOF-SIMS) nachgewiesen werden. Die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode weist damit eine sehr gute Materialbeständigkeit gegenüber Korrosion bei gleichzeitig sehr guter thermischer Leitfähigkeit auf und ist, aufgrund der moderaten Rohstoffpreise für das Metall Nickel und die Elemente und Verbindungen der Oberflächenschicht, ferner durch eine günstige Kostenstruktur gekennzeichnet.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht mindestens eine intermetallische Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: AlNi, Al₃Ni, Al₃Ni₂, AlNi₃ und Ti₃Al und/oder mindestens eine feste Lösung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Pd, Ni-Ru, Al-Ti und Al-Ti-Si und/oder mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Cu, Cr, Pd, Ru und Al, enthält. Diese Elemente und Verbindungen haben sich als besonders effizient in der Verhinderung der Korrosion unter Aufkohlungsbedingungen herausgestellt. Als besonders vorteilhaft haben sich Oberflächenschichten aus Cu und Al (CuAl) und anderen intermetallischen Verbindungen, sowie aus Cr herausgestellt.
Hierbei beträgt eine Schichtdicke der Oberflächenschicht dieser Elemente und Verbindungen insbesondere 3 bis 250 µm und insbesondere 5 bis 200 µm. Unter der Schichtdicke wird im Sinne der Erfindung eine durchschnittliche Schichtdicke verstanden, die beispielsweise anhand von mikroskopischen Aufnahmen ermittelt werden kann und senkrecht zu einer Oberfläche des Elektrodenkerns ermittelt wird. Je nach zu verwendendem Element bzw. zu verwendender Verbindung kann eine entsprechende Schichtdicke ausgewählt werden.
Weiter vorteilhaft ist die Oberflächenschicht zweilagig oder dreilagig ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass dieselben oder unterschiedliche Elemente und Verbindungen beliebig miteinander kombiniert werden können, um den bestmöglichen Effekt im Hinblick auf eine Verminderung der Korrosion der Zündkerzenelektrode zu erzielen, wobei das Aufbringen oder Anordnen von zwei oder drei Lagen eines Elements oder einer Verbindung noch durch einen relativ geringen verfahrenstechnischen Aufwand ausführbar ist.
Insbesondere vorteilhaft ist die Oberflächenschicht dreilagig ausgebildet und weist eine Lagenanordnung Al/Cu/Al auf. Alternativ dazu ist die Oberflächenschicht insbesondere zweilagig ausgebildet und durch eine Lagenanordnung Al/Ti gekennzeichnet. Hierbei ist es ferner von Vorteil, wenn die Al-Lage dem Elektrodenkern zugewandt ist. In diesen Ausführungsformen wird eine besonders geringe Korrosion in kohlenstoffreicher Atmosphäre erzielt.
Um hierbei noch zusätzlich die Kosten für die Zündkerzenelektrode zu minimieren, beträgt eine Lagendicke der Al-Lagen in der dreilagigen Oberflächenschicht vorteilhafterweise 0,4 bis 0,6 µm und insbesondere vorteilhaft 0,5 µm. Ferner vorteilhaft beträgt eine Lagendicke der Cu-Lage in der dreilagigen Oberflächenschicht im Lichte einer Reduktion der Materialkosten 2,0 µm bis 3 µm und insbesondere 2,5 µm. Die Lagendicke wird dabei, analog der Schichtdicke der Oberflächenschicht, senkrecht zu einer Oberfläche des Elektrodenkerns, ermittelt.
Aus vorstehend genanntem Grund ist ferner vorteilhaft vorgesehen, dass eine Lagendicke der Al-Lage in der zweilagigen Oberflächenschicht 0,5 bis 1,5 µm und insbesondere 1 µm, und eine Lagendicke der Ti-Lage in der zweilagigen Oberflächenschicht 2 bis 4 µm und insbesondere 3 µm, beträgt. Die Lagendicke wird wiederum senkrecht zu einer Oberfläche des Elektrodenkerns ermittelt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Zündkerzenelektrode als Masseelektrode ausgebildet ist. Diese weist in der vorliegenden Ausführungsform eine Krümmung auf, die dazu vorgesehen ist, in einer Zündkerzenelektrode eine Spitze der Masseelektrode über eine Spitze der Mittelelektrode zu bringen, und damit einen optimale Anordnung zur Erzielung eines Zündfunkens zu erhalten. In dem Bereich der Krümmung, die der Mittelelektrode zugewandt ist, kommt es häufig zu Metallstaubkorrosion, so dass es von Vorteil ist, wenn mindestens im Bereich der Krümmung die Oberflächenschicht ausgebildet ist, da somit sehr effizient bei geringem Materialaufwand Korrosionen unter Aufkohlungsbedingungen an der Masseelektrode minimiert werden können.
Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch eine Zündkerze beschrieben. Die erfindungsgemäße Zündkerze weist eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode auf, wobei mindestens eine der Elektroden und insbesondere beide Elektroden, in Form der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode ausgebildet sind. Die erfindungsgemäße Zündkerze zeichnet sich durch die Verwendung der spezifisch, im Sinne der Erfindung ausgebildeten, Zündkerzenelektrode(n) durch eine sehr gute Korrosionsstabilität, selbst unter harschen, aufkohlenden Bedingungen aus und weist dadurch eine lange Lebensdauer bei sehr guter und stabiler Zündfunkenbildung auf.
Ferner erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode beschrieben. Das Verfahren eignet sich insbesondere auch zur Herstellung der vorstehend beschriebenen Zündkerzenelektrode und umfasst die Schritte i) Bereitstellen eines Elektrodenkerns aus Nickel oder einer Nickelbasislegierung mit Nickel als Hauptbestandteil in Masse% und ii) Aufbringen oder Ausbilden einer den Elektrodenkern mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig umgebenden, mindestens eine Lage umfassenden Oberflächenschicht. Die Oberflächenschicht enthält hierbei mindestens ein Oxid, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Al₂O₃, SiO₂ und Cr₂O₃ und/oder mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Al, Cr, Si, Co, Nb, Mn und Ta und/oder mindestens eine intermetallische Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: AlNi, Al₃Ni, Al₃Ni₂, AlNi₃ und Ti₃Al und/oder mindestens eine feste Lösung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Pd, Ni-Ru, Al-Ti und Al-Ti-Si und/oder mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Cu, Cr, Pd, Ru und Al. Das Verfahren ist einfach, ohne hohen technischen Aufwand kostengünstig umsetzbar und ermöglicht die Herstellung einer korrosionsstabilen Zündkerzenelektrode mit langer Laufzeit und guten Zündfunkenbildungseigenschaften.
Sehr stabile Oberflächenschichten mit variabel einstellbarer Schichtdicke lassen sich insbesondere dadurch erhalten, dass die Oberflächenschicht mittels thermischem Sprühen, Plasmasprühen, Laserschweißen, physikalischer Abscheidung aus der Dampfphase, Elektronenstrahl PVD, chemischer Abscheidung aus der Dampfphase, Pack-Beschichten, Siebdruck, Sprühdrucken und/oder Tauchlackieren aufgebracht oder ausgebildet wird. Hieran kann sich eine thermische Behandlung anschließen.
Die für die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode beschriebenen Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf die erfindungsgemäße Zündkerze und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Zündkerze,
2 eine vergrößerte schematische Schnittansicht einer Zündkerzenelektrode gemäß einer ersten Ausführungsform,
3 eine vergrößerte schematische Schnittansicht einer Zündkerzenelektrode gemäß einer zweiten Ausführungsform,
4 eine vergrößerte schematische Schnittansicht einer Zündkerzenelektrode gemäß einer dritten Ausführungsform,
5 eine schematisiert dargestellte Abbildung einer mikroskopischen Aufnahme einer Zündkerzenelektrode gemäß dem Stand der Technik nach Lagerung,
6 eine schematisiert dargestellte Abbildung einer mikroskopischen Aufnahme einer Zündkerzenelektrode gemäß einer vierten Ausführungsform nach Lagerung und
7 eine schematisiert dargestellte Abbildung einer mikroskopischen Aufnahme einer Zündkerzenelektrode gemäß einer fünften Ausführungsform nach Lagerung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind nur die hier interessierenden Elemente der erfindungsgemäßen Zündkerzenelektroden bzw. der erfindungsgemäßen Zündkerze dargestellt. Alle übrigen Elemente sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Ferner stehen gleiche Bezugszeichen für gleiche Bauteile.
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die erfindungsgemäße Zündkerze 1 eine Masseelektrode 2, eine Mittelelektrode 3 und einen Isolator 4. Ein Gehäuse 5 umgibt den Isolator 4 zumindest teilweise. Am Gehäuse 5 ist ein Gewinde 6 angeordnet, welches für eine Befestigung der Zündkerze 1 in einem Zylinderkopf 7 ausgelegt ist.
Beispielsweise kann die Masseelektrode 2 oder die Mittelelektrode 3 oder auch beide Elektroden 2, 3 als Zündkerzenelektrode(n) mit einem Elektrodenkern und einer den Elektrodenkern mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig umgebenden, mindestens eine Lage umfassenden Oberflächenschicht ausgebildet sein.
2 ist eine vergrößerte schematische Darstellung einer Zündkerzenelektrode gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung im Schnitt. Die Zündkerzenelektrode ist hier beispielhaft als Mittelelektrode 3 dargestellt. Entsprechende Ausführungen finden aber auch Anwendung auf eine Masseelektrode.
Die Zündkerzenelektrode umfasst einen Elektrodenkern 8 und eine Oberflächenschicht 9. Der Elektrodenkern ist im Einzelnen nicht beschränkt, ist jedoch entweder aus Nickel oder einer Nickelbasislegierung mit Nickel als Hauptbestandteil in Masse%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrodenkerns 8, ausgebildet.
Die Oberflächenschicht 9 ist einlagig ausgebildet und bedeckt den Elektrodenkern teilweise. Somit bedeckt die Oberflächenschicht 9 denjenigen Oberflächenbereich des Elektrodenkerns 8, der in einer Zündkerze einer Masseelektrode zugewandt ist. Mit anderen Worten bedeckt die Oberflächenschicht 8 insbesondere den Teil des Elektrodenkerns 8, der für die Befunkung zwischen den Zündkerzenelektroden 2, 3 zur Verfügung steht. Der durch die Oberflächenschicht 9 bedeckte Bereich des Elektrodenkerns 8 unterliegt bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Mittelelektrode 3 hohen Temperaturen von über 400 °C, unter denen eine Korrosion unter Einbeziehung von Kohlenstoff voranschreiten kann.
Die Oberflächenschicht 9 enthält mindestens ein Oxid, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Al₂O₃, SiO₂ und Cr₂O₃ und/oder mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Al, Cr, Si, Co, Nb, Mn und Ta und/oder mindestens eine intermetallische Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: AlNi, Al₃Ni, Al₃Ni₂, AlNi₃ und Ti₃Al und/oder mindestens eine feste Lösung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Pd, Ni-Ru, Al-Ti und Al-Ti-Si und/oder mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Cu, Cr, Pd, Ru und Al.
Durch die Oberflächenschicht 9 wird eine Korrosion der Zündkerzenelektrode, insbesondere unter Aufkohlungsbedingungen, also in Anwesenheit von kohlenstoffhaltigen Verbindungen, effektiv verhindert, da die Oberflächenschicht 9 ausgebildet ist, entweder die katalytische Aktivität des Nickels im Elektrodenkern 8 herabzusetzen und/oder eine Adsorption bzw. ein epitaxiales Aufwachsen von Graphit im Nickel-Kristallgitter effektiv zu verhindern. Ferner wird die thermische Leitfähigkeit der Mittelelektrode 3 im Wesentlichen nicht beeinträchtigt. Die Mittelelektrode 3 zeichnet sich damit, bei sehr guten antikorrosiven Eigenschaften, durch eine hohe Laufleistung bei guter Funkenerzeugung aus.
Die Oberflächenschicht 9 ist insbesondere mittels thermischem Sprühen, Plasmasprühen, Laserschweißen, physikalischer Abscheidung aus der Dampfphase, Elektronenstrahl PVD, chemischer Abscheidung aus der Dampfphase, Pack-Beschichten, Siebdruck, Sprühdrucken und/oder Tauchlackieren aufgebracht oder ausgebildet. Hieran kann sich eine thermische Behandlung anschließen.
Die Zündkerzenelektrode gemäß 3, die wiederum beispielhaft als Mittelelektrode 3 ausgebildet ist, zeichnet sich im Gegensatz zu der Mittelelektrode 3 aus 2 dadurch aus, dass die Oberflächenschicht 9 zweilagig ausgebildet ist und eine erste Lage 10 und eine zweite Lage 11 umfasst, die auf dem Elektrodenkern 8 angeordnet sind. Hierbei ist die erste Lage 10 direkt auf dem Elektrodenkern 8 angeordnet und bedeckt diesen weitgehend vollständig. Die zweite Lage 11 ist auf der ersten Lage 10 angeordnet und bedeckt die erste Lage 10 vollständig. Die zweilagige Oberflächenschicht 9 wird beispielsweise durch Übereinanderapplizieren der ersten Lage 10 und der zweiten Lage 11 gebildet.
Die erste Lage 10 und die zweite Lage 11 können materialidentisch ausgebildet sein. Vorteilhafterweise weisen die erste Lage 10 und die zweite Lage 11 jedoch unterschiedliche Zusammensetzungen auf, wodurch die antikorrosiven Eigenschaften der Mittelelektrode 3 optimiert werden können.
Insbesondere enthalten die erste Lage 10 und die zweite Lage 11 mindestens eine intermetallische Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: AlNi, Al₃Ni, Al₃Ni₂, AlNi₃ und Ti₃Al und/oder mindestens eine feste Lösung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Pd, Ni-Ru, Al-Ti und Al-Ti-Si und/oder mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Cu, Cr, Pd, Ru und Al, wobei ferner eine Schichtdicke D der zweilagigen Oberflächenschicht 9 insbesondere 3 bis 250 µm beträgt. Die Schichtdicke D wird dabei senkrecht zu einer Oberfläche des Elektrodenkerns 8 ermittelt.
Besonders vorteilhaft ist die Oberflächenschicht 9 so ausgebildet, dass die erste Lage 10 aus Al und die zweite Lage 11 aus Ti besteht, wobei die Lagendicke L_Al2 der Al-Lage insbesondere 0,5 bis 1,5 µm und die Lagendicke L_Ti der Ti-Lage 2 bis 4 µm beträgt. Die Lagendicke L wird dabei jeweils senkrecht zu einer Oberfläche des Elektrodenkerns 8 ermittelt.
Die Zündkerzenelektrode gemäß 4 ist in Form einer Masseelektrode 2 ausgebildet und zeichnet sich durch eine Krümmung 12 aus, durch die eine Spitze 13 der Masseelektrode 2 einer Mittelelektrode 3 zugewendet werden kann. Im Bereich der Krümmung 12, die bei bestimmungsgemäßem Gebrauch einer Mittelelektrode zugewandt ist, entstehen hohe Temperaturen, die eine Korrosion des Elektrodenmaterials der Masseelektrode 2 begünstigen. Um dem vorzubeugen, ist in dem Bereich der Krümmung 12, der in Richtung einer Mittelelektrode ausgerichtet wird, eine Oberflächenschicht 9 aufgebracht, die wie die Oberflächenschicht aus 2 oder auch mehrlagig ausgebildet sein kann. Hierdurch werden die temperatursensiblen Bereiche der Masseelektrode 2 effektiv vor Korrosion geschützt, ohne die thermische Leitfähigkeit der Masseelektrode 2 zu beeinträchtigen.
5 zeigt eine schematisiert dargestellte Abbildung einer mikroskopischen Aufnahme einer Zündkerzenelektrode gemäß dem Stand der Technik nach Lagerung. Hierzu wurde die Zündkerzenelektrode, die aus einer Nickellegierung bestand, jedoch keine Oberflächenschicht besaß, für 400 Stunden in kohlenstoffreicher Atmosphäre bei einer Temperatur von 750 °C gelagert. Zur Anwendung kam ein Xerion Thermo-Zyklus Ofen, der insgesamt für 400 Stunden und davon jeweils für 30 Stunden auf 750 °C aufgeheizt und anschließend jeweils für 30 Stunden auf Raumtemperatur (25 °C) abgekühlt wurde. Folgende Gase wurden mit einer Flussrate vom 1 L/min durch den Ofen geleitet: SO₂ (Konzentration: 60 ppm), CH₄ (Konzentration: 5400 ppm), CO (Konzentration: 2040 ppm), CO₂ (Konzentration: 13 Vol%), H₂O (Konzentration: 30 Vol%) und N₂ (zum Ausgleich auf 100 Vol%).
Unter denselben Bedingungen wurde eine Zündkerzenelektrode gemäß einer vierten und einer fünften Ausführungsform gelagert, deren schematisiert dargestellte mikroskopischen Aufnahmen in 6 (Zündkerze gemäße einer vierten Ausführungsform) und in 7 (Zündkerze gemäße einer fünften Ausführungsform) dargestellt sind.
Die Zündkerzenelektrode gemäß der vierten Ausführungsform wies einen Elektrodenkern aus einer Nickelbasislegierung auf, wie er für die Zündkerzenelektrode aus 5 verwendet wurde, jedoch war der Elektrodenkern allseitig von einer Oberflächenschicht umgeben. Die Oberflächenschicht war dreilagig ausgebildet und hatte eine Lagenanordnung Al/Cu/Al, wobei die Al-Lagen eine Lagendicke L_Al1 von je 0,5 µm und die Cu-Lage eine Lagendicke L_Cu von 2,5 µm aufwies.
Die Zündkerzenelektrode gemäß der fünften Ausführungsform wies einen Elektrodenkern aus einer Nickelbasislegierung auf, wie er für die Zündkerzenelektroden aus 5 und 6 verwendet wurde, jedoch war der Elektrodenkern allseitig von einer Oberflächenschicht umgeben. Die Oberflächenschicht war zweilagig ausgebildet und hatte eine Lagenanordnung Al/Ti, wobei die Al-Lage direkt auf den Elektrodenkern und die Ti-Lage auf der Al-Lage ausgebildet war. Die Lagendicke der Al-Lage L_Al2 betrug 1 µm und die Lagendicke der Ti-Lage L_Ti betrugt 3 µm.
Ein Vergleich der 5 mit den 6 und 7 zeigt, dass die erfindungsgemäßen Zündkerzenelektroden (6 und 7) deutlich weniger Rissbildungen 14 aufweisen, was auf eine reduzierte Adsorption und ein reduziertes Aufwachsen von Graphit im Nickel-Kristallgitter zurückzuführen ist. Damit zeichneten sich die Zündkerzenelektroden gemäß der vierten und fünften Ausführungsform aufgrund einer verringerten Korrosionsneigung durch eine erhöhte Lebensdauer aus.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.

Claims

Zündkerzenelektrode (2, 3) umfassend - einen Elektrodenkern (8) und - eine, den Elektrodenkern (8) mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig umgebende, mindestens eine Lage (10) umfassende Oberflächenschicht (9), wobei der Elektrodenkern (8) aus Nickel oder einer Nickelbasislegierung mit Nickel als Hauptbestandteil in Masse% besteht und wobei die Oberflächenschicht (9) a) mindestens ein Oxid, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Al₂O₃, SiO₂ und Cr₂O₃ und/oder b) mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Al, Cr, Si, Co, Nb, Mn und Ta und/oder c) mindestens eine intermetallische Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: AlNi, Al₃Ni, Al₃Ni₂, AlNi₃ und Ti₃Al und/oder d) mindestens eine feste Lösung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Pd, Ni-Ru, Al-Ti und Al-Ti-Si und/oder e) mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Cu, Cr, Pd, Ru und Al enthält.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (9) c) mindestens eine intermetallische Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: AlNi, Al₃Ni, Al₃Ni₂, AlNi₃ und Ti₃Al und/oder d) mindestens eine feste Lösung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Pd, Ni-Ru, Al-Ti und Al-Ti-Si und/oder e) mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Cu, Cr, Pd, Ru und Al enthält.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke (D) der Oberflächenschicht (9) 3 bis 250 µm, insbesondere 5 bis 200 µm beträgt.
Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (9) zweilagig oder dreilagig ausgebildet ist.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (9) dreilagig mit einer Lagenanordnung Al/Cu/Al oder zweilagig mit einer Lagenanordnung Al/Ti ausgebildet ist.
Zündkerzenelektrode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lagendicke (L_Al1) der Al-Lagen in der dreilagigen Oberflächenschicht (9) 0,4 bis 0,6 µm, insbesondere 0,5 µm, und eine Lagendicke (L_Cu) der Cu-Lage in der dreilagigen Oberflächenschicht 2,0 µm bis 3 µm, insbesondere 2,5 µm, beträgt oder dass eine Lagendicke (L_Al2) der Al-Lage in der zweilagigen Oberflächenschicht (9) 0,5 bis 1,5 µm, insbesondere 1 µm, und eine Lagendicke (L_Ti) der Ti-Lage in der zweilagigen Oberflächenschicht (9) 2 bis 4 µm, insbesondere 3 µm, beträgt.
Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ausgebildet als Masseelektrode (2), die eine Krümmung (12) aufweist, wobei die Oberflächenschicht (9) mindestens im Bereich der Krümmung (12) ausgebildet ist.
Zündkerze mit einer Mittelelektrode (3) und einer Masseelektrode (2), wobei mindestens eine der Elektroden (2, 3), insbesondere beide Elektroden (2, 3), Zündkerzenelektroden nach einem der Ansprüche 1 bis 7 sind.
Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode (2, 3), umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Elektrodenkerns (8) und - Aufbringen oder Ausbilden einer den Elektrodenkern (8) mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig umgebenden, mindestens eine Lage (10) umfassenden Oberflächenschicht (9), wobei der Elektrodenkern (8) aus Nickel oder einer Nickelbasislegierung mit Nickel als Hauptbestandteil in Masse% besteht und wobei die Oberflächenschicht (9), a) mindestens ein Oxid, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Al₂O₃, SiO₂ und Cr₂O₃ und/oder b) mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Al, Cr, Si, Co, Nb, Mn und Ta und/oder c) mindestens eine intermetallische Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: AlNi, Al₃Ni, Al₃Ni₂, AlNi₃ und Ti₃Al und/oder d) mindestens eine feste Lösung, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Pd, Ni-Ru, Al-Ti und Al-Ti-Si und/oder e) mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Cu, Cr, Pd, Ru und Al enthält.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (9) mittels thermischem Sprühen, Plasmasprühen, Laserschweißen, physikalischer Abscheidung aus der Dampfphase, Elektronenstrahl PVD, chemischer Abscheidung aus der Dampfphase, Pack-Beschichten, Siebdruck, Sprühdrucken und/oder Tauchlackieren aufgebracht oder ausgebildet wird.