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Verfahren zum Herstellen von Zündkerzen Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zum Herstellen von Zündkerzen mit einem in deren Isolatorlängsbohrung
festsitzenden, elektrisch leitfähigen und die einander zugewendeten Endabschnitte
zweier Mittelelektrodenteile gasdicht umschließenden Schmelzflußpfropfen, der nach
dem Einsetzen des mit einem kopfartigen Endabschnitt versehenen zündseitigen Elektrodenteiles
gegen eine Innenringschulter in der Isolatorlängsbohrung hineingefüllt und dann
im Einfüllraum unter Preßdruck des auf die Pulverfüllung aufgesetzten anschlußseitigen
Elektrodenteils erhitzt und dadurch, die einander zugehendeten Endabschnitte beider
Elektrodenteile umfließend, spaltfrei eingeschmolzen wird.
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Bei den bisher bekannten Verfahren dieser Art verwendet man als leitfähigen
Stoff Kupferpulver, das zwar leicht oxydiert und deshalb beispielsweise durch reduzierende
Zusätze behandelt werden muß, jedoch in seiner metallischen Form eine sehr gute
Leitfähigkeit des Schmelzflußpfropfens im Verhältnis zur verwendeten Kupfermenge
ergibt. Auch Silber wurde bereits mit Erfolg verwendet, jedoch ist dieses Metall
nur wenig leitfähiger als Kupfer und sogar weniger oxydationsanfällig als jenes,
aber andererseits auch wesentlich teurer, so daß sich die Verwendung von Silber
als leitfähiger Stoffzusatz in der Schmelzflußmasse normaler Zündkerzen nicht durchsetzen
konnte. Außerdem haben beide Metalle einen verhältnismäßig großen Wärmedehnungskoeffizienten,
der denjenigen der keramischen Isolatormasse und denjenigen des Glaspulvers weit
übersteigt, wodurch sich nach einer entsprechenden Ausdehnung infolge thermischer
Belastung einer Zündkerze als Folge der bei der nachträglichen Abkühlung entstehenden
Schrumpfung des Schmelzflußpfropfens undichte Stellen ergeben können, die die Lebensdauer
einer Zündkerze vorzeitig beenden.
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Man hat deshalb früher auch schon Graphit als leitfähige Beimengung
zu Glaspulververdichtmassen für Zündkerzenmittelelektroden verwendet. Die geringere
Leitfähigkeit des Graphits im Vergleich zu Metallen erfordert entsprechend größere
Mengenanteile zur Erzielung vergleichbarer Leitfähigkeiten, so daß den Vorteilen
geringer Wärmedehnung und oxydfreier Masse, infolge des in Gasform als CO oder C02
entweichenden Kohlenstoffoxydes, der erhebliche Nachteil geringerer Festigkeit eines
mit Graphit leitfähig gemachten Schmelzflußpfropfens gegenübersteht und Zündkerzen
mit solchen Schmelzflußmassen bei hohen Betriebstemperaturen keine befriedigende
Festigkeit des Mittelelektrodenanschlußteiles mehr aufweisen. Alle bisherigen Versuche,
im Hinblick auf die vorstehend genannten Schwierigkeiten und Nachteile andere Metalle
als leitfähige Komponenten eines Zündkerzenglasflusses zu verwenden, haben nicht
zum Erfolg geführt, weil die niedrigschmelzenden Metalle von vornherein aus thermischen
Gründen und die hochschmelzenden, meist Edelmetalle, aus preislichen Gründen ausscheiden.
Aluminium hat sich als zu oxydationsanfällig herausgestellt und wirkt in oxydiertem
Zustand wie ein Isolierstoff. Die für Zündkerzentemperaturen brauchbaren und auch
preislich günstigen Metalle, wie Eisen oder Nickel, sind offenbar wesentlich spröder
als Kupfer und Silber, weil sich mit diesen Eisenmetallen auch bei Auswahl verschiedener
Glassorten und Anwendung größter Fertigungssorgfalt ein dichtsitzender Schmelzflußpfropfen
nicht herstellen läßt.
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Aus den vorstehend genannten Gründen wird also im allgemeinen nur
Kupfer als leitfähiges Zusatzmetall für Schmelzpfropfen von Zündkerzen verwendet,
wobei aus Gründen der notwendigen Festigkeit und Abdichtung die im Schmelzfluß eingebetteten
Endabschnitte der Elektroden mit Rillen, Spreizköpfen oder flügelähnlichen Ansätzen
versehen werden, die sich im Schmelzfluß gut verankern können. Diese Formgebung
der einzubettenden Elektrodenabschnitte hat jedoch dann keinen Erfolg, wenn es sich
um Silberelektroden handelt, die nicht den anschlußseitigen, sondern den thermisch
viel höher belasteten zündseitigen Teil der Mittelelektrode, insbesondere bei Zündkerzen
für Zweitaktmotoren, bilden und eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit haben, weil nämlich
das Kupfer wegen seiner Oxydationsfreudigkeit für diesen Zweck ausscheidet.
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Silberelektroden haben sich nämlich in Verbindung mit Kupferschmelzflußpfropfen
nicht bewährt, weil meist schon beim Einschmelzen der Glasflußmasse
das
Silber mit den benachbarten Kupferteilen eine niedrigschmelzende eutektische Legierung
eingeht und die Silberelektrode als solche ihre scharfkantige Form verliert, so
daß sie nicht mehr fest im Schmelzflußpfropfen verankert ist und sich mit zunehmender
Betriebszeit lockert. Zur Abhilfe dieses Nachteiles sind verschiedene Wege eingeschlagen
worden, wie die Verwendung mehrerer übereinandergeschichteter Glassorten, von denen
die zündseitigste ohne jeden Metallzusatz als Befestigung und Dichtung dient und
erst oberhalb eines solchen Dichtpfropfens eine andere und elektrisch leitfähig
gemachte Glassorte die elektrisch leitende Verbindung der Mittelelektrodenteile
übernimmt. Es ist auch bekannt, Silberelektroden mit einer gegenüber dem Kupferanteil
des Schmelzflußpfropfens inerten Metallkappe zu versehen, beispielsweise aus Nickel,
oder auch nur den Kopf einer Silberelektrode dünnschichtig zu vernickeln. Alle derartigen
Maßnahmen stellen jedoch einen erheblichen Mehraufwand dar, zumal sich dabei naturgemäß
auch noch die Ausschußziffer erhöht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Auswahl geeigneter
leitfähiger Stoffkomponenten eine Pulvermischung zu schaffen, die ohne Verwendung
legierungsschädlicher Kupferanteile eine für Silberelektroden geeignete elektrisch
leitfähige Schmelzflußmasse ergibt. Erfindungsgemäß wird für ein Verfahren der eingangs
beschriebenen Art vorgeschlagen, daß als Pulvergemisch ein Glaspulver möglichst
gleichmäßiger Korngröße verwendet wird, dem als leitfähiger Stoff im wesentlichen
Metalle der Eisengruppe und zusätzlich noch Graphit beigemengt wird. Zum Erzielen
eines besonders leitfähigen Schmelzflußgefüges wird die Korngröße der leitfähigen
Pulverkomponenten im Durchschnitt mindestens dreimal kleiner gewählt als die mittlere
Größe der Glaskörner. Auch ist es sehr vorteilhaft, beim Anmischen der Pulvermassen
einen Klebstoff zuzusetzen, damit das leitfähige Pulver jeweils als Hüllschicht
an den Glaskörnern haftet und dann im eingeschmolzenen Zustand ein den Schmelzflußpfropfen
durchsetzendes räumliches Wabengebilde aus leitfähigem Stoff ergibt.
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in seinen
wesentlichen Einzelheiten an Hand einer in der Zeichnung dargestellten Zündkerze
näher erläutert, wobei die Herstellung von für Zündkerzen bestimmten Schmelzflußmassen
als bekannt vorausgesetzt wird. Es zeigt im einzelnen F i g. 1 die Zündkerze im
Schnitt, F i g. 2 den Ausschnitt aus F i g. 1 in vergrößerter Darstellung, F i g.
3 ein stark vergrößertes Gefügebild der Pulvermischung vor dem Schmelzvorgang und
F i g. 4 das entsprechende Gefügebild nach dem Schmelzvorgang.
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Die Zündkerze 1 nach F i g. 1 umfaßt die üblichen Teile, den im metallischen
Kerzengehäuse 2 gasdicht eingespannten Isolator 3 und in dessen Längsbohrung
4 die mit einem Gewindeendabschnitt 5 versehene anschlußseitige Mittelelektrode
6, eine aus Silber bestehende zündseitige Mittelelektrode 7 sowie die Masseelektrode
14. Im mittleren Abschnitt der Isdlatorbohrung 4 sitzt ein Schmelzflußpfropfen 8'
aus 70% Volumenanteilen Glas, 1'7% Volumenanteilen Eisen und 12,5% Volumenanteilen
Graphit sowie etwa 0,5% Dextrin, das als organischer Klebstoff bei Anmischen der
Pulvermasse eine gute Bedeckung der Glaskörner 12 mit dem leitfähigen Eisen-Graphit-Pulver
13 nach F i g. 3 ergibt. Das Herstellungsverfahren, das zur Zündkerze
1 führt, wird mit den vorgefertigten Einzelteilen in vier Stufen durchgeführt:
Zuerst wird die Silberelektrode 7 von oben her in die Längsbohrung 4 des
Kerzenisolators - hineingesteckt, durch den sie hindurchfällt, bis sie sich mit
ihrem abgeschrägten kopfartigen Endabschnitt 9 gegen eine Innenringschulter 10 in
der Isolatorlängsbohrung 4 anlegt.
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Dann wird die gut durchgemischte Pulvermasse 8
der obengenannten
Zusammensetzung aus Glas, Eisen und auch Eisenoxydbestandteilen, Graphit und Dextrin
nach dem in F i g. 3 gezeigten Gefügebild in die Isolatorlängsbohrung eingefüllt.
Daß dabei unbeabsichtigt auch Eisenoxydteile vorhanden sind, spielt keine Rolle,
weil sowohl das Graphit als auch vor allem das Dextrin die vorteilhafte Eigenschaft
haben, in der nachfolgenden Verfahrensstufe als Reduktionsmittel zu wirken, so daß
die Eisenoxydbestandteile ebenfalls in metallisches Eisen verwandelt werden.
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Sodann wird die Zündkerze 1 zusammen mit einer Serie gleichartiger
Kerzen im gleichen Fertigungszustand in einem Heizofen erhitzt, wobei eine entsprechende
Anzahl von anschlußseitigen Mittelelektroden 6 maschinell in die betreffenden Isolatorbohrungen
eingeführt, auf die dort eingefüllten Pulvermassen aufgesetzt und unter Preßdruck
gehalten wird, bis die erhitzte Pulvermischung nachgibt und dann jeweils die einander
zugekehrten Endabschnitte beider Elektrodenteile jeder Kerze umfließt und unter
Entweichen der vorhandenen Lufteinschlüsse in ihrem Einfüllraum spaltfrei einschmilzt.
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Schließlich werden die Zündkerzen unter Aufrechthalten des Prcßdrückes
abgekühlt, bis die Einschrnelzmasse erstarrt und einen die Mittelelektrodenteile
gasdicht umschließenden Schmelzflußpfropfen 8' bildet, dessen Strukturbild im Ausschnitt
F i g. 4 zeigt: Die einzelnen Glaskörner 12 haben sich durch den Schmelzvorgang
zu einem dichten Glasgerüst 12' zusammengeschlossen, das eine aus den leitfähigen
Pulverhüllen 13 nach F i g. 3 entstandene, in sich zusammenhängende, leitfähige
Struktur 13' in Form unregelmäßiger räumlicher Waben durchsetzt.
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Zur sicheren Verankerung der zündseitigen und thermisch besonders
belasteten Silberelektrode 7 hat deren Kopf 9 einen mit sich gegenseitig kreuzenden
Rippen versehenen Ansatz 11, der im Schnittbild nach F i g. 2 teilweise frei liegt,
weil deren Zeichnungsebene etwas oberhalb der Kerzenachse liegt, wie auch der teilweise
geschnittene Endabschnitt 5 der anschlußseitigen Mittelelektrode 6 in F i g. 2 erkennen
läßt. Die elektrische Leitfähigkeit der aus den Teilen 6 und 7 bestehenden Mittelelektrode
der Kerze 1 ist unerwartet hoch. Als gesamter Durchgangswiderstand ergeben sich
mit nur geringen Streuwerten von ±20% etwa 10 Milliohm, also fast die gleichen Werte,
die bei Schmelzflußpfropfen aus Glas und dem theoretisch viel besser leitfähigen
Kupferpulver gemessen werden. Die Ursache dafür ist nicht ganz geklärt, es kann
jedoch angenommen werden, daß die härteren Eisenteilchen bezüglich ihres gegenseitigen
Kontaktdruckes den entsprechenden Kupferteilchen überlegen sind, während das
Graphit
wohl im wesentlichen, außer den schon genannten Reduktionseigenschaften zur Verhütung
von Eisenoxydbildung, als Dichtmittel zwischen den Eisen- und Glaskomponenten eingebettet
ist und vielleicht wegen seiner geringen Härte die Ursache dafür ist, daß sich die
erfindungsgemäß hergestellten Schmelzflußpfropfen auch bezüglich ihrer Rißbeständigkeit
gegenüber thermischen Belastungen den bisher bekannten Schmelzflußmassen überlegen
gezeigt haben. Schließlich mag die geringere Wärmedehnung des Eisens sowie des in
gleicher Weise verwendbaren Nickels dazu beitragen, daß sich bei Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens auch dieser unerwartete Vorteil herausgestellt hat.
Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren generell für die Zündkerzenherstellung,
und zwar sogar für die Mehrzahl derjenigen Zündkerzen, die an sich auch mit einem
Glaskupferschmelzfluß haltbar hergestellt werden können, vorzüglich geeignet.