DE10348778B3 - Sparking plug electrode has a primary material combined with 2-20 per cent secondary material in powder pure metal form - Google Patents

Abstract

An automotive sparking plug has a mass electrode made of a primary material (11) incorporated a dispersed embedded secondary material (12). The primary material is pure Ag, Ni or Pt or an alloy thereof. The secondary material is 2-20 vol.% SiC or a material selected from the group containing SnO2, ZnO, CdO, MgO and ZrO2. In a further embodiment, the secondary material is drawn from the group TiN, SiC or TiC with less then 5 vol.%. The presence of the secondary material increases the viscosity of the primary material. The secondary material is present as a pure metal particles of diameter between 0.01 mu m and 5 mu m. The sublimation temperature of the secondary material is about the same as the m.pt. of the primary material. An independent claim is given for a process used to manufacture the electrode material in which the primary and secondary materials are initially present in powder form admixture and are heated, pressed and sintered.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Zündker nach den Oberbegriffen des Ansprüch 1 und, die aus einem Grundwerkstoff und wenigstens einem Zusatzwerkstoff gebildet ist sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Elektrode.The The invention relates to an electrode for a spark plug according to the preambles of claims 1 and that of a base material and at least one filler material is formed and a method for producing such an electrode.

Bei aus der Praxis bekannten fremdgezündeten Verbrennungsmotoren, bei welchen die im Kraftstoff enthaltene Energie in Bewegungsenergie umgewandelt wird, wird ein in einen Brennraum eingespritztes Kraftstoffgemisch über eine zeitlich gesteuerte Fremdzündung entflammt. Die Zündung des Ottomotors erfolgt elektrisch, wobei eine vom Motor gesteuerte Zündanlage periodisch eine Hochspannung erzeugt. Diese Hochspannung bewirkt jeweils einen Funkenüberschlag zwischen den Elektroden der Zündkerzen im Verbrennungsraum.at known spark-ignition internal combustion engines, in which the energy contained in the fuel converted into kinetic energy is injected into a combustion chamber, a fuel mixture via a timed controlled spark ignition inflamed. The ignition The gasoline engine is electric, with one controlled by the engine Ignition periodically generates a high voltage. This high voltage causes each a sparkover between the electrodes of the spark plugs in the combustion chamber.

Die in dem Funken enthaltene Energie entzündet das verdichtete Luft-Kraftstoffgemisch, wobei die Zündkerze unter allen Betriebsbedingungen die Zündenergie in dem Brennraum einbringen muss, ohne undicht oder heiß zu werden.The energy contained in the spark ignites the compressed air-fuel mixture, the spark plug under all operating conditions, the ignition energy in the combustion chamber must be brought in without leaking or getting hot.

Im Betrieb sind die Elektroden einer Zündkerze hohen Belastungen durch den Zündfunken sowie durch chemisch-thermische Angriffe ausgesetzt, welche Erosion sowie Korrosion an den Elektroden hervorrufen. Um dem im Betrieb durch Funkenerosion sowie Korrosion im Brennraum auftretenden Elektrodenverschleiß entgegentreten zu können, werden die Zündkerzenelektroden aus Werkstoffen hergestellt, die durch eine geringe Oxidations- und Korrosionsneigung sowie eine hohe Verschleißbeständigkeit gegen funkenerosive Angriffe gekennzeichnet sind. Hierbei zeigen Werkstoffe aus reinen Edelmetallen oder auf Edelmetallbasis, wie Platin oder Platin- und Iridiumbasislegierungen, die besten Eigenschaften. Weitere geeignete Elektrodenwerkstoffe sind Nickel und Silber sowie Nickel- und Silberbasislegierungen.in the Operation, the electrodes of a spark plug are subject to high loads the spark as well as by chemical-thermal attacks exposed to erosion and cause corrosion on the electrodes. To the in operation by spark erosion and corrosion in the combustion chamber occurring wearer to be able to become the spark plug electrodes made of materials characterized by a low oxidation and corrosion tendency as well as a high wear resistance against spark erosive Attacks are marked. Here are materials from pure Precious metals or precious metals, such as platinum or platinum and iridium-based alloys, the best features. Other suitable electrode materials are nickel and silver as well as nickel and silver based alloys.

Der bei der Zündung des Funkens entstehende Lichtbogen verursacht an der Elektrode einen funkenerosiven Verschleiß, wobei neben dem reinen Oxidationsangriff das Wegspritzen geschmolzener Metalltröpfchen von der Elektrode als grundlegender Verschleißmechanismus angesehen wird, da ein Bereich der Elektrode unter dem Ionenbeschuss des Lichtbogens aufgeschmolzen wird, an dem gleichzeitig eine Kraft wirkt. Durch den schlagartigen Zusammenbruch des Entladungsstromes und dem damit verbundenen Erlöschen des Lichtbogens zwischen den Elektroden wirkt an dem aufgeschmolzenen Bereich der Elektrode eine Rückstoßkraft, die von der Oberfläche der Elektrode in Richtung des Elektrodenabstands weggerichtet ist. Eine Oberflächenspannungskraft des geschmolzenen Werkstoffes der Elektrode wirkt dieser Rückstoßkraft entgegen. Ist die Rückstoßkraft größer als die Oberflächenspannungskraft, werden kleine geschmolzene Tröpfchen aus dem aufgeschmolzenen Bereich der Elektrode emittiert.Of the at the ignition The spark produced by the spark causes a spark erosion at the electrode Wear, in addition to the pure oxidation attack the splashing molten metal droplets of the electrode is considered a basic wear mechanism, as a region of the electrode under the ion bombardment of the arc is melted, at the same time a force acts. By the sudden collapse of the discharge current and the associated go out of the arc between the electrodes acts on the reflowed Area of the electrode a recoil force, from the surface of the Electrode is directed away in the direction of the electrode gap. A Surface tension force the melted material of the electrode counteracts this recoil force. Is the recoil force greater than the surface tension force, become small molten droplets the molten area of the electrode emitted.

Aus der DE 196 31 985 A1 ist eine Elektrode mit einer verschleißfesten Beschichtung bekannt, die mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens auf einem Grundkörper der Elektrode aufgebracht ist. Es wird vorgeschlagen, den Beschichtungswerkstoff in Pulverform einer energiereichen Wärmequelle zuzuführen und aufzuschmelzen. Die schmelzflüssigen Partikeln des Beschichtungswerkstoffes werden in Richtung eines Substrats, d. h. dem Grundkörper der Elektrode, beschleunigt und treffen mit meist hoher Geschwindigkeit auf, um eine Schicht zu bilden. Derartig thermisch gespritzte Schichten zeichnen sich durch Schichtdicken im Bereich von 100 μm bis zu einigen Millimetern aus, wobei der Bindungsmechanismus entweder auf mechanischer Verklammerung, Adhäsion, Diffusion, chemischer Bindung oder elektrostatischen Kräften beruht.From the DE 196 31 985 A1 is an electrode with a wear-resistant coating known, which is applied by means of a thermal coating process on a main body of the electrode. It is proposed to supply the coating material in powder form to a high-energy heat source and to melt it. The molten particles of the coating material are accelerated in the direction of a substrate, ie the base body of the electrode, and strike at usually high speed in order to form a layer. Such thermally sprayed layers are characterized by layer thicknesses in the range of 100 microns to several millimeters, wherein the binding mechanism based either on mechanical interlocking, adhesion, diffusion, chemical bonding or electrostatic forces.

Nachteilig dabei ist jedoch, dass die Herstellung der zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit aufzubringenden Verschleißschicht einen hohen apparativen Aufwand erfordert und bei einer Beschädigung der Verschleißschicht der Grundkörper der Elektroden den hohen korrosiven sowie funkenerosiven Belastungen im Betrieb ungeschützt ausgeliefert ist.adversely However, it is that the production of the increase of Wear resistance applied wearing course requires a lot of equipment and damage to the wearing course the main body the electrodes the high corrosive and spark erosive loads unprotected during operation is delivered.

Aus der DE 100 15 642 A1 ist eine Zündkerze für eine Brennkraftmaschine bekannt, deren Elektrode mit einem hochabbrandbeständigen Bereich, der einen Teil der der Funkenstrecke zugewandten Stirnfläche der Elektrode bildet, ausgeführt ist. Der hochabbrandbeständige Bereich besteht aus einer Legierung, die mindestens die Legierungsbestandteile Iridium und Nickel aufweist, und ist mit der Grundelektrode verschweißt.From the DE 100 15 642 A1 is a spark plug for an internal combustion engine is known, the electrode with a high erosion resistant area, which forms part of the spark gap facing end face of the electrode is executed. The high erosion resistant area is made of an alloy comprising at least the alloying constituents iridium and nickel, and is welded to the base electrode.

Diese bekannte Zündkerze für eine Brennkraftmaschine weist jedoch den Nachteil auf, dass ihre Elektrode zwischen der Grundelektrode und dem daran angeschweißten hochabbrandbeständigen Bereich kein homogenes Werkstoffgefüge aufweist, wodurch eine Wärmeleitfähigkeit der Elektrode beeinträchtigt ist, was in bestimmten Betriebsbereichen zu unerwünscht hohen Temperaturbelastungen der Elektrode und damit zu einer Herabsetzung der Lebensdauer der Zündkerze führt.These known spark plug for one Internal combustion engine, however, has the disadvantage that its electrode between the base electrode and the high erosion resistant area welded thereto no homogeneous material structure which gives a thermal conductivity affected by the electrode is what is undesirably high in certain operating ranges Temperature stress of the electrode and thus to a reduction the life of the spark plug leads.

Aus der DE 30 38 649 C2 ist eine Funkenelektrode bekannt, welche aus einer Mischung aus einer Metallverbindung und einer ein Edelmetall enthaltenden elektrisch leitenden Substanz hergestellt ist.From the DE 30 38 649 C2 is known a spark electrode, which ent of a mixture of a metal compound and a noble metal ent holding electrically conductive substance is produced.

Als Metallverbindung wird eine Titanverbindung, wie TiO2, TiC und/oder TiN oder eine Mischung von TiO2 und TiC oder von TiN und TiC vorgeschlagen, wohingegen als Edelmetall Pt, eine Mischung aus Pt und Pd, eine Mischung aus Pt und zumindest einem der Elemente Au, Ru, Ag und Rh oder eine Mischung aus Pt, Pd und zumindest einem der Elemente Au, Ru, Ag und Rh vorgeschlagen wird. Des Weiteren können den vorgenannten Mischungen aus der Metallverbindung und dem Edelmetallanteil zusätzliche Stoffe als Basismetall, Oxid, Karbid, Nitrid und/oder als Silizid zugesetzt sein.When Metal compound becomes a titanium compound such as TiO 2, TiC and / or TiN or a mixture of TiO2 and TiC or of TiN and TiC proposed, whereas as noble metal Pt, a mixture of Pt and Pd, one Mixture of Pt and at least one of the elements Au, Ru, Ag and Rh or a mixture of Pt, Pd and at least one of the elements Au, Ru, Ag and Rh is proposed. Furthermore, the aforementioned mixtures of the metal compound and the noble metal content additional Substances as base metal, oxide, carbide, nitride and / or as silicide be added.

Die Anteile der einzelnen Stoffe an der Mischung sind unter anderem wenigstens 10 bis 30 Gew.-% Titanverbindungspulver, 40 bis 60 Gew.-% Platinpulver und 20 bis 30 Gew.-% Paladiumpulver, wobei jeder Mischung aus einer Titanverbindung und einem Edelmetall bis zu 3 Gew.-% Basismetall und insgesamt bis zu 10 Gew.-% Oxid, Karbid, Nitrid und Silizid zugesetzt sein können.The Shares of the individual substances in the mixture are among others at least 10 to 30% by weight of titanium compound powder, 40 to 60% by weight of platinum powder and from 20 to 30% by weight of palladium powder, each mixture of one Titanium compound and a noble metal up to 3 wt .-% base metal and in total up to 10% by weight of oxide, carbide, nitride and silicide may be added.

Die aus der DE 30 38 649 C2 bekannte Funkenelektrode, welche aus einer Mischung aus einem Zusatzwerkstoff, d. h. einer Titanverbindung, und aus einem Grundwerkstoff, der wenigstens Pt oder eine Pt-Pd-Mischung ist, hergestellt ist, weist den Nachteil auf, dass die Titanverbindungen während eines Sinterprozesses zu einem nicht unerheblichen Teil aufbrechen und das freiwerdende Titan mit dem Platin des Grundwerkstoffes neue Verbindungen eingeht.The from the DE 30 38 649 C2 known spark electrode, which is made of a mixture of a filler material, ie a titanium compound, and of a base material which is at least Pt or a Pt-Pd mixture, has the disadvantage that the titanium compounds during a sintering process to a considerable Part break up and the released titanium with the platinum of the base material enters new connections.

Diese während eines Sinterprozesses sich neu ausbildenden Ti-Pt-Verbindungen sind nachteilhafterweise sehr spröde, weshalb die Funkenelektrode nach dem Sinterprozess nur sehr schwer weiter verarbeitbar ist. Darüber hinaus wird das durch die Zugabe der Titanverbindungen zu Platin oder zu Pt-Basiswerkstoffen angestrebte Ziel, die Schmelztemperatur einer auf Platin oder einem Pt-Basiswerkstoff basierenden Funkenelektrode zu erhöhen und dadurch die Erosionsbeständigkeit der Funkenelektrode zu verbessern, nicht in dem erwünschten Umfang erreicht. Dies führt zu keiner Erhöhung der Lebensdauer einer Zündkerze.These while a sintering process are newly forming Ti-Pt compounds disadvantageously very brittle, which is why the spark electrode after the sintering process very difficult can be processed further. About that In addition, this is due to the addition of the titanium compounds to platinum or Pt-base materials target, the melting temperature a spark electrode based on platinum or a Pt base material to increase and thereby the erosion resistance to improve the spark electrode, not in the desired Scope reached. this leads to to no increase the life of a spark plug.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektrode für eine Zündkerze zur Verfügung zu stellen, die einfach und kostengünstig herzustellen ist und eine hohe Lebensdauer aufweist.Of the The present invention is therefore based on the object, an electrode for one spark plug to disposal to provide that is simple and inexpensive to manufacture and has a long life.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Elektrode für eine Zündkerze mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. des Patentanspruches 2 und einem Verfahren zur Herstellung einer Elektrode mit den Merkmalen des Patentanspruches 7 gelöst.According to the invention this Task with an electrode for a spark plug with the features of claim 1 and of claim 2 and a method of manufacturing an electrode having the features of claim 7.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Die erfindungsgemäße Elektrode für eine Zündkerze mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. des Patentanspruches 2 o.u., hergestellt nach dem Verfahren gem. Patentanspruch 7, gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Zündkerzenelektroden den Vorteil, dass ein Elektrodenverschleiß reduziert ist.The electrode according to the invention for a spark plug with the features of claim 1 and of the claim 2 o.u., prepared according to the method. Claim 7, compared to spark plug electrodes known from the prior art have the advantage that reduces electrode wear is.

Dies wird dadurch erreicht, dass in einem Grundwerkstoff der Elektrode ein dispers verteilt angeordneter Zusatzwerkstoff vorgesehen ist, der in dem Grundwerkstoff eingelagert ist und aufgrund seiner Verteilung, seiner Materialeigenschaften und der Wechselwirkung mit dem Grundwerkstoff eine Verschleißbeständigkeit des Grundwerkstoffes erhöht.This is achieved in that in a base material of the electrode a dispersively arranged additional filler material is provided, which is embedded in the base material and, due to its distribution, its material properties and the interaction with the base material a wear resistance of the base material increased.

Dabei ist der Grundwerkstoff gemäß Patentanspruch 1 ein Ag-, Ni- oder Pt-Basiswerkstoff oder reines Ag, Ni oder Pt und der Zusatzwerkstoff ist SiC oder wenigstens ein Werkstoff aus der Gruppe SnO₂, ZnO, CdO, MgO, ZrO₂, wobei der Anteil des Zusatzwerkstoffes zwischen 2 Vol.-% und 20 Vol.-% beträgt.Here, the base material according to claim 1 is an Ag, Ni or Pt base material or pure Ag, Ni or Pt and the filler material is SiC or at least one material from the group SnO ₂ , ZnO, CdO, MgO, ZrO ₂ , wherein the Proportion of the filler between 2 vol .-% and 20 vol .-% is.

Mit den erfindungsgemäßen Materialzusammensetzungen besteht in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, die Oberflächenspannung oder die Viskosität eines aufgeschmolzenen Bereiches der Elektrode im Gebiet der Funkenstrecke zu verbessern, was bei aus der Praxis bekannten Elektroden, die im Wesentlichen aus Metalllegierungen bestehen, nur in ungenügender Art und Weise durchführbar ist.With the material compositions of the invention Advantageously, there is the possibility of surface tension or the viscosity a melted area of the electrode in the area of the spark gap to improve what in practice known electrodes, the consist essentially of metal alloys, but in an inadequate manner and feasible is.

Des Weiteren besteht die Möglichkeit, einen hochbelasteten Bereich der Elektrode, d. h. den Bereich, in welchem der Zündfunke überspringt, durch eine Aggregatszustandsänderung des Zusatzwerkstoffes während des Funkenüberschlages über den Zusatzwerkstoff zu kühlen. Dabei wird der Effekt genutzt, dass bei einem Übergang des Zusatzwerkstoffes von seiner festen Phase in seine flüssige Phase oder in seine gasförmige Phase ein Teil des zündfunkenseitigen Energieeintrags in die Elektrode, der der Verdampfungs- oder Sublimationsenthalpie des Zusatzwerkstoffes entspricht, verwendet wird, um den Zusatzwerkstoff aufzuschmelzen oder zu verdampfen. Diese Energie wird dem den Zusatzwerkstoff umgegebenen Grundwerkstoff entzogen, wodurch ein Aufschmelzen des Grundwerkstoffes der Elektrode vorteilhafterweise reduziert wird. Dazu sollte die Werkstoffkombination aus dem Grundwerkstoff und dem Zusatzwerkstoff derart ausgewählt werden, dass eine Sublimationstemperatur oder eine Schmelztemperatur des Zusatzwerkstoffes im Bereich der Schmelztemperatur des Grundwerkstoffes liegt.Furthermore, there is the possibility of cooling a heavily loaded region of the electrode, ie the region in which the spark skips, by changing the state of aggregation of the filler material during the flashover over the filler material. In this case, the effect is utilized that when the filler material passes from its solid phase into its liquid phase or into its gaseous phase, part of the spark-side energy input into the electrode, which corresponds to the evaporation or sublimation enthalpy of the filler material, is used for the filler material melt or vaporize. This energy is removed from the base material surrounded by the filler material, which advantageously reduces melting of the base material of the electrode. For this purpose, the material combination of the base material and the filler material should be selected such that a sublimation or a melting temperature of the filler material in the range of the melting temperature of the base material lies.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die weiteren Gegenstände der Unteransprüche.advantageous Embodiments of the invention form the further objects of Dependent claims.

Der Zusatzwerkstoff wird bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Gegenstandes nach der Erfindung in Form von Feinstpartikeln bzw. Dispersoiden dem Grundwerkstoff zugegeben.Of the Additional material is in an advantageous development of the subject according to the invention in the form of ultrafine particles or dispersoids the Base material added.

Der Anteil des Zusatzwerkstoffes an der Elektrode ist vorzugsweise bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kleiner als 5 Vol.-%.Of the Proportion of the filler material to the electrode is preferably at an advantageous embodiment of the invention less than 5 vol .-%.

Eine Viskosität der Schmelze des Grundwerkstoffes wird durch den Einsatz von bevorzugten Partikelgrößen des Zusatzwerkstoffes sowie eine ausreichende Benetzung zwischen den Partikeln des Zusatzwerkstoffes und des Grundwerkstoffes erhöht. Dabei ist ein Partikeldurchmesser des Zusatzwerkstoffes zwischen 0,7 μm und 5 μm bevorzugt, um die Verschleißbeständigkeit der Elektrode zu erhöhen.A viscosity The melt of the base material is replaced by the use of preferred particle sizes of Additional material and a sufficient wetting between the Particles of the additional material and the base material increased. there if a particle diameter of the additional material between 0.7 μm and 5 μm is preferred, about the wear resistance to increase the electrode.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für eine Zündkerze ist ein Zusatzwerkstoff in Form von Feinstpartikeln in einer feinen Dispersion derart in einem Grundwerkstoff anordenbar bzw. einlagerbar, dass eine Verschleißbeständigkeit einer Elektrode im Vergleich zu herkömmlichen Elektroden verbesserbar ist oder dass eine Verschleißbeständigkeit kostenintensiver Elektroden aus reinem Platin mit geringeren Werkstoffkosten erreicht wird. Dazu werden der Grundwerkstoff der Elektrode und der Zusatzwerkstoff in Pulverform miteinander in der gewünschten dispersen Verteilung vermischt, zusammengepresst und anschließend gesintert.With the method according to the invention for producing an electrode for a spark plug is a filler material in the form of fine particles in a fine Dispersion can be arranged or embedded in a base material that a wear resistance an electrode in comparison to conventional electrodes can be improved or that is a wear resistance costly electrodes made of pure platinum with lower material costs is reached. For this purpose, the base material of the electrode and the filler material in powder form together in the desired mixed dispersion, compressed and then sintered.

Zeichnungdrawing

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes nach der Erfindung schematisch vereinfacht dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.In the drawing is an embodiment of the Subject of the invention shown schematically simplified and will be explained in more detail in the following description.

Es zeigtIt shows

1 eine schematische Darstellung einer Zündkerze in einer Teilschnittansicht; und 1 a schematic representation of a spark plug in a partial sectional view; and

2 eine Masseelektrode der in 1 dargestellten Zündkerze in einem Querschnitt in Alleinstellung. 2 a ground electrode of in 1 illustrated spark plug in a cross section in isolation.

Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription the embodiments

Bezug nehmend auf 1 ist eine Teilschnittansicht einer in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine anordenbaren Zündkerze 1, die mit einem an einem Gehäuse 2 ausge bildeten Außengewinde 3 in ein Innengewinde des Zylinderkopfes einschraubbar ist, dargestellt.Referring to 1 is a partial sectional view of a disposable in a cylinder head of an internal combustion engine spark plug 1 that with one on a housing 2 formed external thread 3 is screwed into an internal thread of the cylinder head, shown.

Die Zündkerze 1 besteht vorliegend aus Metall, Keramik und Glas. Diese Werkstoffe haben unterschiedliche Eigenschaften, die durch materialgerechte Konstruktion der Zündkerze 1 genutzt werden. Die wichtigsten Bestandteile der Zündkerze 1 sind ein Anschlussbolzen 5, ein Isolator 6, das Gehäuse 2, eine Mittelelektrode 7 sowie eine Masseelektrode 8, wobei eine in dem Isolator 6 angeordnete und elektrisch leitende Glasschmelze 9 die Mittelelektrode 7 mit dem Anschlussbolzen 5 verbindet.The spark plug 1 consists in the present case of metal, ceramics and glass. These materials have different properties due to material-appropriate design of the spark plug 1 be used. The main components of the spark plug 1 are a connecting bolt 5 , an insulator 6 , the case 2 , a center electrode 7 and a ground electrode 8th , one in the insulator 6 arranged and electrically conductive glass melt 9 the center electrode 7 with the connecting bolt 5 combines.

Der Anschlussbolzen 5 besteht aus Stahl und ist im Isolator 6 in der leitfähigen Glasschmelze 9 gasdicht eingeschmolzen. Des Weiteren hat der Anschlussbolzen 5 an dem aus dem Isolator 6 herausragenden Ende ein Gewinde, in das ein Anschlussstecker bzw. ein Kerzenstecker der Zündleitung einrastet.The connecting bolt 5 is made of steel and is in the insulator 6 in the conductive glass melt 9 gas-tight. Furthermore, the connection bolt 5 on the out of the insulator 6 outstanding end of a thread into which a connector or a spark plug of the ignition wire locks.

Der Isolator 6 besteht aus einer Spezialkeramik und hat die Aufgabe die Mittelelektrode 7 und deren Anschlussbolzen 5 vom Gehäuse 2 zu isolieren. Das dichte Gefüge der Spezialkeramik sorgt für eine hohe Sicherheit gegen elektrische Durchschläge. Die Oberfläche der Isolator-Anschlussseite ist glasiert. Auf der glatten Glasur haftet Feuchtigkeit und Schmutz weniger gut, wodurch Kriechströme weitgehend vermieden werden.The insulator 6 consists of a special ceramic and has the task of the center electrode 7 and its terminal bolt 5 from the housing 2 to isolate. The dense structure of the special ceramic ensures a high level of safety against electrical breakdowns. The surface of the insulator terminal side is glazed. Moisture and dirt are less well adhered to the smooth glaze, which largely avoids leakage currents.

Die Forderungen nach guter Wärmeleitfähigkeit bei hohem elektrischem Isoliervermögen stehen im starken Gegensatz zu den Eigenschaften der meisten Isolierstoffe. Der vorliegend für den Isolator 6 verwendete Werkstoff besteht aus Aluminiumoxid, dem in geringem Anteil andere Stoffe zugemischt sind. Nachdem diese Spezialkeramik gebrannt und glasiert ist, erfüllt sie die an den Zündkerzenisolator gestellten Forderungen nach hoher Isolierfähigkeit und guter Wärmeleitfähigkeit sowie nach mechanischer und chemischer Festigkeit.The demands for good thermal conductivity with high electrical insulation are in stark contrast to the properties of most insulating materials. The present for the insulator 6 The material used consists of aluminum oxide to which other substances are mixed in a small proportion. After this special ceramic is fired and glazed, it fulfills the demands placed on the spark plug insulator for high insulating ability and good thermal conductivity as well as for mechanical and chemical resistance.

Das Gehäuse 2 ist ebenfalls aus Stahl gefertigt. Es dient zur Befestigung der Zündkerze 1 im Zylinderkopf. Am oberen Teil des Gehäuses 2 befindet sich ein Zwölfkant 10 zum Ansetzen des Zündkerzenschlüssels und im unteren Teil das Außengewinde 3. Auf der Oberfläche des Gehäuse 2 ist galvanisch eine Nickelschicht aufgebracht, um Korrosion zu vermeiden, das Außengewinde 3 gleitfähig zu halten und um ein Festfressen, besonders in A luminiumzylinderköpfen, zu verhindern. Die Zündkerze 1 kann je nach Ausführungsform des Gehäuses 2 mit einem Dichtring bzw. einem Bördelring versehen sein. Nach dem Einsetzen des Isolators 6 in das Gehäuse 2 der Zündkerze 1 erfolgt ein Einbördeln und ein Einschrumpfen durch induktive Erwärmung unter hohem Druck in einem Arbeitsgang.The housing 2 is also made of steel. It is used to attach the spark plug 1 in the cylinder head. At the upper part of the housing 2 there is a twelve-edged 10 for attaching the spark plug wrench and in the lower part of the external thread 3 , On the surface of the case 2 is galvanically applied a nickel layer to avoid corrosion, the external thread 3 lubricious and to prevent seizure, especially in aluminum cylinder heads. The spark plug 1 can depending on the embodiment of the case 2 be provided with a sealing ring or a flared ring. After inserting the insulator 6 in the case 2 of the spark plug 1 a crimping and shrinking by inductive heating under high pressure in a single operation.

Die Mittelelektrode 7 und die Masseelektrode 8 sind während des Betriebs der Brennkraftmaschine einem hohen Verschleiß ausgesetzt, der aufgrund von Erosion und Korrosion hervorgerufen wird. Beide Faktoren können in ihrer Auswirkung auf den Verschleiß nicht getrennt behandelt werden. Der Verschleiß bewirkt eine Erhöhung der Zündspannung. Weiter wird ein gutes Wärmeableitvermögen von den Elektroden verlangt. Die Anforderungen können je nach Betriebsbedingungen und Anwendungsfall unterschiedliche Elektrodenformen und Elektrodenwerkstoffe erforderlich machen.The center electrode 7 and the ground electrode 8th are exposed to high wear during operation of the internal combustion engine, which is caused due to erosion and corrosion. Both factors can not be treated separately in their effect on wear. The wear causes an increase in the ignition voltage. Further, good heat dissipation from the electrodes is required. The requirements may require different electrode shapes and electrode materials depending on the operating conditions and application.

Grundsätzlich leiten reine Metalle die Wärme besser als Metalllegierungen. Andererseits reagieren reine Metalle, wie beispielsweise Nickel, auf chemische Angriffe von Verbrennungsgasen und festen Verbrennungsrückständen empfindlicher als Legierungen.Basically guide Pure metals better the heat as metal alloys. On the other hand, pure metals react, like For example, nickel, on chemical attacks of combustion gases and solid combustion residues more sensitive as alloys.

Aus diesem Grund werden aus der Praxis bekannte Elektroden von Zündkerzen beispielsweise aus Nickel hergestellt, dem u. a. Chrom, Mangan und Silizium zulegiert ist. Die hinzulegierten Metalle haben Sonderaufgaben zu erfüllen. So erhöhen beispielsweise Mangan- und Siliziumzusätze die chemische Beständigkeit vor allem gegen das sehr aggressive Schwefeldioxid. Nickel-Basis-Legierungen mit Zusätzen aus Silizium, Aluminium und Yttrium verbessern darüber hinaus die Zunder- und Oxidationsbeständigkeit.Out For this reason, known from practice electrodes of spark plugs For example, made of nickel, the u. a. Chromium, manganese and silicon is zulegiert. The metals to be added have special duties too fulfill. So increase for example, manganese and silicon additives the chemical resistance especially against the very aggressive sulfur dioxide. Nickel-based alloys with additives made of silicon, aluminum and yttrium improve beyond that the scale and oxidation resistance.

Darüber hinaus wird auch Silber als Elektrodenwerkstoff verwendet. Dies resultiert aus der Tatsache, dass Silber unter allen Werkstoffen die höchste elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweist und darüber hinaus chemisch außerordentlich beständig ist, sofern bleifreier Kraftstoff verwendet wird. Eine erhebliche Steigerung der Warmfestigkeit wird durch Teilchenverbundwerkstoffe auf Silberbasis erreicht. Die aufgeführten Eigenschaften von Silber sind maßgebend für die Verwendung als Elektrodenwerkstoff.Furthermore Silver is also used as electrode material. This results from the fact that silver is the highest electric of all materials and thermal conductivity and above also chemically extraordinary resistant is if lead-free fuel is used. A considerable one Increasing the heat resistance is due to particle composites reached on silver basis. The listed properties of silver are authoritative for the Use as electrode material.

Zusätzlich werden auch Platin bzw. Platinbasislegierungen für die Herstellung von Elektroden verwendet, da diese eine sehr gute Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit sowie eine hohe Abbrandfestigkeit aufweisen.In addition will be also uses platinum or platinum-based alloys for the production of electrodes, because these are very good corrosion and oxidation resistance and have a high erosion resistance.

2 zeigt die Masseelektrode 8 in einer Querschnittansicht in Alleinstellung, die einen im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt aufweist und anhand der die vorliegende Erfindung nachfolgend exemplarisch beschrieben wird, da auch Mittelelektroden von Zündkerzen erfindungsgemäß ausgeführt werden können. Die Masseelektrode 8 besteht aus einem Grundwerkstoff 11 und wenigstens einem in dem Grundwerkstoff 11 feinst verteilt angeordneten Zusatzwerkstoff 12, der in dem Grundwerkstoff 11 eingelagert ist und aufgrund seiner Verteilung, seiner Materialeigenschaften und der Wechselwirkung mit dem Grundwerkstoff 11 eine Verschleißbeständigkeit des Grundwerkstoffes 11 erhöht. 2 shows the ground electrode 8th in a cross-sectional view in isolation, which has a substantially rectangular cross-section and with reference to which the present invention is described below by way of example, as well as center electrodes of spark plugs can be carried out according to the invention. The ground electrode 8th consists of a base material 11 and at least one in the base material 11 finely distributed arranged filler material 12 which is in the parent material 11 is stored and due to its distribution, its material properties and the interaction with the base material 11 a wear resistance of the base material 11 elevated.

Bei dem Grundwerkstoff 11 der Masseelektrode 8 kann es sich um eine der vorbeschriebenen Elektrodenwerkstoffe sowie um jeden anderen aus der Praxis bekannten Elektrodenwerkstoff handeln. Als Zusatzwerkstoff können im Allgemeinen Metalloxide, insbesondere SnO₂, ZnO, CdO, MgO oder ZrO₂, mit Partikelgrößen zwischen 0,01 μm bis 5 μm und Anteilen von 2 Vol.-% bis 20 Vol.-% vorgesehen werden. Darüber hinaus kann der Zusatzwerkstoff 12 aber auch aus TiN, SiC oder TiC bestehen.At the base material 11 the earth electrode 8th it may be one of the above-described electrode materials as well as any other known from practice electrode material. In general metal oxides, in particular SnO ₂ , ZnO, CdO, MgO or ZrO ₂ , with particle sizes between 0.01 μm to 5 μm and proportions of 2% by volume to 20% by volume can be provided as filler material. In addition, the filler material 12 but also consist of TiN, SiC or TiC.

Der Zusatzwerkstoff 12 ist in dem Grundwerkstoff 11 in Form kleiner Partikeln und in einer feinen Dispersion angeordnet. Die Benetzung zwischen den Partikeln des Zusatzwerkstoffes 12 und des Grundwerkstoffes 11, der Volumengehalt des Zusatzwerkstoffes sowie die Korngröße der Partikeln des Zusatzwerkstoffes bewirken eine Erhöhung der Standzeit von Elektroden im Vergleich zu aus der Praxis bekannten Elektroden für Zündkerzen, da eine mechanische Beständigkeit durch die erfindungsgemäße Zugabe des Zusatzwerkstoffes 12 in Form von Feinstpartikeln, wie Oxid-Dispersoiden, durch eine Feinkornstabilisierung erhöht wird.The additional material 12 is in the base material 11 in the form of small particles and arranged in a fine dispersion. The wetting between the particles of the additional material 12 and the base material 11 , the volume content of the filler material and the particle size of the particles of the filler cause an increase in the service life of electrodes compared to known from practice electrodes for spark plugs, as a mechanical resistance by the inventive addition of the filler material 12 in the form of fines, such as oxide dispersoids, is increased by a fine grain stabilization.

Die Verbesserung der mechanischen Beständigkeit wird u. a. durch eine durch das Vorhandensein des Zusatzwerkstoffes bewirkte Erhöhung der Viskosität der Schmelze des Grundwerkstoffes 11 erreicht, da die Erhöhung der Viskosität der Schmelze des Grundwerkstoffes bei Aufschmelzungen einer Elektrode einer Zündkerze unter dem Lichtbogen des Zündfunkens der Zündkerze ein Wegspritzen von kleinen Teilen der Schmelze verringert wird. Aus diesem Grund weisen die erfindungsgemäß ausgeführten Elektroden im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Elektroden eine verbesserte Funkenerosionsbeständigkeit auf. Dies gilt sowohl für Silberlegierungen und Nickellegierungen sowie für Platinlegierungen. Bei reinen Platinelektroden wird durch die Zugabe des Zusatzwerkstoffes eine Reduzierung der Herstellkosten bei wenigstens annähernd gleichbleibender Verschleißbeständigkeit erreicht.The improvement of the mechanical resistance is inter alia by an increase in the viscosity of the melt of the base material caused by the presence of the filler material 11 achieved because the increase in the viscosity of the melt of the base material during melting of an electrode of a spark plug under the arc of the spark of the spark plug, a spattering of small parts of the melt is reduced. For this reason, the electrodes designed according to the invention have an improved spark erosion resistance compared to electrodes known from the prior art. This applies to both silver alloys and nickel alloys as well as platinum alloys. In the case of pure platinum electrodes, the addition of the filler material achieves a reduction in the production costs with at least approximately constant wear resistance.

Eine Erhöhung der Verschleißbeständigkeit wird auch dadurch erreicht, wenn dem jeweils vorliegenden Grundwerkstoff 11 ein Zusatzstoff beigemengt wird, dessen Sublimations- oder Verdampfungstemperatur im Bereich des Schmelzpunktes des Grundwerkstoffes liegt. Dadurch besteht auf einfache Art und Weise die Möglichkeit, den während der Zündfunkengenerierung in die Elektrode eingebrachten Wärmeeintrag für die Aggregatszustandänderung des Zusatzstoffes 12 zu verwenden und die dafür erforderliche Energie dem Grundwerkstoff 11 der Masseelektrode 8 zu entziehen, wodurch ein Kühleffekt erzielt wird.An increase in the wear resistance is also achieved if the present base material 11 an additive is added whose sublimation or evaporation temperature is in the range of the melting point of the base material. This insists on a Fache way the possibility of the introduced during the spark generation in the heat input for the aggregate state change of the additive 12 to use and the energy required for the base material 11 the earth electrode 8th to escape, whereby a cooling effect is achieved.

Eine vorteilhafte Materialpaarung einer erfindungsgemäß ausgeführten Elektrode einer Zündkerze, bei der eine zusatzwerkstoffseitige Kühlung des Grundwerkstoffes erreicht wird, liegt beispielsweise dann vor, wenn der Grundwerkstoff Platin und der Zusatzwerkstoff SnO₂ ist.An advantageous combination of materials of an inventively executed electrode of a spark plug, in which an additional material side cooling of the base material is achieved, for example, if the base material is platinum and the filler SnO ₂ .

Ist der Grundwerkstoff 11 der Masseelektrode 8 reines Platin, das in der vorbeschriebenen Art und Weise mit einem aus ZrO₂ gebildeten Zusatzwerkstoff 12 versehen ist, weist eine derartige Masseelektrode 8 beispielsweise geringere Verschleißraten als eine aus PtNi10 hergestellte Masseelektrode 8 auf.Is the base material 11 the earth electrode 8th pure platinum, in the manner described above with a filler material formed from ZrO ₂ 12 is provided has such a ground electrode 8th For example, lower wear rates than a ground electrode made of PtNi10 8th on.

Bei der Herstellung einer erfindungsgemäß ausgeführten Elektrode einer Zündkerze wird der Grundwerkstoff und der Zusatzwerkstoff in Pulverform miteinander vermischt, verpresst und gesintert, wobei die Prozessparameter während des Sinterprozesses derart eingestellt werden, dass der Grundwerkstoff und der Zusatzwerkstoff nach dem Sinterprozess jeweils an den Korngrenzen wenigstens bereichsweise eine derartige Anschmelzung aufweisen, dass ein fester Verbund zwischen dem Grundwerkstoff und dem Zusatzwerkstoff vorliegt.at the production of an electrode according to the invention of a spark plug becomes the base material and the filler in powder form with each other mixed, pressed and sintered, the process parameters during the Sintering be adjusted so that the base material and the filler after the sintering process at the grain boundaries, respectively have at least partially such a fusion, that a strong bond between the base material and the filler material is present.

Alternativ hierzu kann die Elektrode auch durch eine so genannte "Innere Oxidation" hergestellt werden, bei der dem Grundwerkstoff der Elektrode einer Zündkerze zunächst reines Metall als Zusatzwerkstoff zugegeben wird, das während des Sinterprozesses oxidiert wird. So wird beispielsweise reines Zr während des Sinterprozesses unter Beaufschlagung von in der Atmosphäre enthaltenem Sauerstoff zu ZrO₂ umgewandelt.Alternatively, the electrode can also be produced by a so-called "internal oxidation", in which pure metal is first added as filler material to the base material of the electrode of a spark plug, which is oxidized during the sintering process. For example, pure Zr is converted to ZrO ₂ during the sintering process by subjecting oxygen contained in the atmosphere.

Dieses Verfahren bietet sich bei Halbwerkzeugen mit derartigen Durchmessern an, bei welchen gewährleistet ist, dass der Sauerstoff den in reiner Metallform zugegebenen Zusatzwerkstoff erreicht und oxidiert. Der Grundwerkstoff der Elektrode und der Zusatzwerkstoff liegen nach dem Mischen und Pressen als ein derartiges Mischkristall vor, bei dem zwischen dem Grundwerkstoff und dem Zusatzwerkstoff keine chemische Verbindung vorliegt und oxidiert werden kann. Diese oxidierten dünnen Proben werden anschließend durch einen Umformprozess zu Plättchen oder Stiften umgearbeitet, die auf herkömmliche Masseelektroden aufgeschweißt werden, wobei die Anteile des Zusatzwerkstoffes im Grundwerkstoff bis zu 5 Vol.-% betragen.This Method offers itself with half tools with such diameters at which guaranteed is that the oxygen added to the filler metal in pure metal form reached and oxidized. The base material of the electrode and the Additive material are as such after mixing and pressing Mixed crystal ago, in which between the base material and the filler material no chemical compound is present and can be oxidized. These oxidized thin Samples will be added afterwards through a forming process to platelets or pins remodeled onto conventional ground electrodes, wherein the proportions of the filler material in the base material up to 5 vol .-% amount.

Claims (9)

Elektrode (8, 9) für eine Zündkerze (1), die aus einem Grundwerkstoff (11) und wenigstens einem in dem Grundwerkstoff (11) dispers verteilt angeordneten Zusatzwerkstoff (12) gebildet ist, der in dem Grundwerkstoff (11) eingelagert ist und aufgrund seiner Verteilung, seiner Materialeigenschaften und der Wechselwirkung mit dem Grundwerkstoff (11) eine Verschleißbeständigkeit des Grundwerkstoffes (11) erhöht, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff (11) ein Ag-, Ni- oder Pt-Basiswerkstoff oder reines Ag, Ni oder Pt ist und der Zusatzwerkstoff (12) SiC oder wenigstens ein Werkstoff aus der Gruppe SnO₂, ZnO, CdO, MgO, ZrO₂ ist, wobei der Anteil des Zusatzwerkstoffes (12) zwischen 2 Vol.-% und 20 Vol.-% beträgt.Electrode ( 8th . 9 ) for a spark plug ( 1 ) consisting of a base material ( 11 ) and at least one in the base material ( 11 ) dispersedly arranged filler material ( 12 ) formed in the base material ( 11 ) and due to its distribution, its material properties and the interaction with the base material ( 11 ) a wear resistance of the base material ( 11 ), characterized in that the base material ( 11 ) is an Ag, Ni or Pt base material or pure Ag, Ni or Pt and the filler material ( 12 ) SiC or at least one material from the group SnO ₂ , ZnO, CdO, MgO, ZrO ₂ , wherein the proportion of the filler material ( 12 ) is between 2% by volume and 20% by volume. Elektrode (8, 9) für eine Zündkerze (1), die aus einem Grundwerkstoff (11) und wenigstens einem in dem Grundwerkstoff (11) dispers verteilt angeordneten Zusatz werkstoff (12) gebildet ist, der in dem Grundwerkstoff (11) eingelagert ist und aufgrund seiner Verteilung, seiner Materialeigenschaften und der Wechselwirkung mit dem Grundwerkstoff (11) eine Verschleißbeständigkeit des Grundwerkstoffes (11) erhöht, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff (11) ein Ag- oder Ni-Basiswerkstoff oder reines Ag oder Ni ist und der Zusatzwerkstoff (12) wenigstens ein Werkstoff aus der Gruppe SnO₂, ZnO, CdO, MgO, ZrO₂ oder aus der Gruppe TiN, SiC oder TiC ist, wobei der Anteil des Zusatzwerkstoffes (12) zwischen 2 Vol.-% und 20 Vol.-% beträgt.Electrode ( 8th . 9 ) for a spark plug ( 1 ) consisting of a base material ( 11 ) and at least one in the base material ( 11 ) dispersed distributed arranged additional material ( 12 ) formed in the base material ( 11 ) and due to its distribution, its material properties and the interaction with the base material ( 11 ) a wear resistance of the base material ( 11 ), characterized in that the base material ( 11 ) is an Ag or Ni base material or pure Ag or Ni and the filler material ( 12 ) is at least one material from the group SnO ₂ , ZnO, CdO, MgO, ZrO ₂ or from the group TiN, SiC or TiC, wherein the proportion of the filler material ( 12 ) is between 2% by volume and 20% by volume. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Zusatzwerkstoffes (12) kleiner als 5 Vol.-% ist.Electrode according to Claim 1 or 2, characterized in that the proportion of the filler material ( 12 ) is less than 5% by volume. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff (12) mit einer derartigen Partikelgröße in dem Grundwerkstoff (11) angeordnet ist und eine derartige Benetzung zwischen den Partikeln des Zusatzwerkstoffes (12) und dem Grundwerkstoff (11) vorliegt, dass die Viskosität der Schmelze des Grundwerkstoffes (11) erhöht ist.Electrode according to one of claims 1 to 3, characterized in that the filler material ( 12 ) having such a particle size in the base material ( 11 ) and such wetting between the particles of the filler material ( 12 ) and the base material ( 11 ), that the viscosity of the melt of the base material ( 11 ) is increased. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikeldurchmesser des Zusatzwerkstoffes (12) zwischen 0,01 μm und 5 μm beträgt.Electrode according to one of claims 1 to 4, characterized in that the particle diameter of the filler material ( 12 ) is between 0.01 μm and 5 μm. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sublimationstemperatur oder die Schmelztemperatur des Zusatzwerkstoffes (12) im Be reich der Schmelztemperatur des Grundwerkstoffes (11) liegt.Electrode according to one of claims 1 to 5, characterized in that the sublimation temperature or the melting temperature of the filler material ( 12 ) in the range of the melting temperature of the base material ( 11 ) lies. Verfahren zum Herstellen einer Elektrode (8, 9) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff (11) und der Zusatzwerkstoff (12) in Pulverform miteinander vermischt, zusammengepresst und anschließend gesintert werden.Method for producing an electrode ( 8th . 9 ) according to one of claims 1 to 6, characterized ge indicates that the base material ( 11 ) and the filler material ( 12 ) are mixed together in powder form, pressed together and then sintered. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessparameter des Sinterprozesses derart eingestellt werden, dass der Grundwerkstoff (11) und der Zusatzwerkstoff (12) jeweils an den Korngrenzen wenigstens bereichsweise eine Anschmelzung aufweisen.A method according to claim 7, characterized in that the process parameters of the sintering process are adjusted such that the base material ( 11 ) and the filler material ( 12 ) at least partially have a melting at the grain boundaries. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff als reines Metall mit dem Grundwerkstoff vermischt und anschließend während des Sinterprozesses oxidiert wird.Method according to claim 8, characterized in that that the filler material as pure metal with the base material mixed and then during the Sintering process is oxidized.