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Stand der
Technik
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Die Erfindung geht aus von einer
Zündkerze für eine Brennkraftmaschine
nach der Gattung des unabhängigen
Patentanspruchs. In der
DE
196 23 989 A1 wird eine Zündkerze beschrieben, bei der
in den Isolator am brennraumseitigen Ende in eine zylinderförmige, mittige
Bohrung eine Mittelelektrode eingesetzt ist. Dahinter in Richtung
des brennraumfernen Endes des Isolators ist in der Bohrung ein metallischer
Kontaktstift angeordnet, der mit einer Schicht aus Nickel oder einer
Nickel-Silber-Legierung
versehen ist. Dieser Kontaktstift befindet sich in elektrischem
Kontakt mit der Mittelelektrode.
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Aus der
DE 196 31 985 A1 ist bekannt,
eine Zündkerzenelektrode,
die als Ausgangs- oder
Endpunkt für
elektrische Entladungen dient, mit Verschleißschutzschichten aus hochschmelzenden
Metallen, Legierungen, Metallkeramiken und anderen Verbindungen
wie beispielsweise Aluminiden zu versehen. Durch die Verschleißschutzschichten
wird der Verschleiß aufgrund
der Funkenerzeugung zwischen dieser Elektrode und einer weiteren
Elektrode der Zündkerze
vermindert. Der zuständige
Fachmann würde
bei gemeinsamer Betrachtung der Lehre der
DE 196 23 989 A1 und der
DE 196 31 985 A1 zu
einer Zündkerze
kommen, deren Elektrode mit einer Verschleißschutzschicht versehen ist.
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In der
EP 0 660 475 A1 wird eine Zündkerzenelektrode
beschrieben, deren Dauerhaltbarkeit erhöht wird, indem eine Spitze
oder eine Schicht aus einer hochschmelzenden, zähen, korrosions- und thermowechselbeständigen intermetallischen
Verbindung an der Elektrode vorgeschlagen wird.
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Aus der
DE 38 73 436 T2 ist ein
thermisches Sprühbeschichtungsverfahren
beispielsweise zum Beschichten von Brennerstäben und Turbinenschaufeln bekannt,
durch das eine verbesserte Haftung der Beschichtung auf dem Substrat,
eine geringe Restspannung und eine verbesserte Beständigkeit
gegen Absplitterungen erreicht wird.
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Aus der
US 4,713,574 ist schließlich bekannt,
eine Zündkerze
mit einer Aluminiumoxidschicht zu versehen, um eine Erosion des
Elektrodenmaterials zu verhindern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
Orts- und Formstabilität
der Mittelelektrode zu gewährleisten.
Der Fachmann erhält
aus den genannten Druckschriften weder einzeln noch in Kombination
eine Anregung in Richtung der vorliegenden Erfindung. Insbesondere
erhält
der Fachmann aus der
DE 196
31 985 A1 keine Anregung, zur Lösung der genannten Aufgabe
einen Korrosionsschutz für
den Kontaktstift vorzusehen.
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Vorteile der
Erfindung
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Die Zündkerze mit den Merkmalen des Hauptanspruchs
hat demgegenüber
den Vorteil, daß die
Korrosionsbeständigkeit
des Kontaktstifts wirksam und mit einfachen Mitteln verbessert wird.
Die Betriebssicherheit der Zündkerze
wird somit verbessert. Weiterhin wird eine Orts- und Formstabilität der Mittelelektrode
gewährleistet,
so daß ein
erhöhter Zündspannungsbedarf
vermieden wird.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch
angegebenen Zündkerze
möglich.
So ist es fertigungstechnisch günstig,
die gesamte Oberfläche
des Kontaktstifts zu beschichten. Es ist weiterhin fertigungstechnisch
vorteilhaft, die Beschichtung durch thermisches Spritzen oder durch
Abscheidung aus der Gasphase, insbesondere durch Alitieren vorzunehmen, was
eine Fertigung der erfindungsgemäßen Zündkerze
in großen
Stückzahlen
erlaubt. Als vorteilhaft erweist sich weiterhin, daß vor Einbau
des Kontaktstifts eine Voroxidation des beschichteten Kontaktstifts
durchgeführt
wird, da so eine Al2O3-Schutzschicht
ausgebildet wird. Vorteilhaft ist eine Ausbildung des Kontaktstifts
aus einer Fe-Co-Ni-Legierung, da dieser dem mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Isolators angepaßt
ist. Es ist außerdem
vorteilhaft, die Form des Kontaktstifts zylinderförmig mit
einem größeren Durchmesser
am brennraumfernen Ende insbesondere stufenförmig oder kegelförmig abgesetzt
zu gestalten, da die Kontaktstifte in der Fertigung so vorteilhaft
transportiert werden können.
Ebenso von Vorteil ist eine Fertigung des Kontaktstifts in einer
einfachen zylindrischen oder kegelförmigen Form, da Fertigungsschritte
eingespart werden können.
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Eine brennraumseitige, kegelförmig zulaufende
Spitze des Kontaktstifts ist vorteilhaft, da eine höhere Druckbeaufschlagung
des brennraumseitigen Endes des Kontaktstifts bei der Fertigung
erreicht werden kann.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
schematischen Längsschnitt durch
eine erfindungsgemäße Zündkerze,
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2 einen
schematischen Längsschnitt durch
einen erfindungsgemäßen Kontaktstift,
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3 einen
schematischen Längsschnitt durch
einen erfindungsgemäßen Kontaktstift
und eine Edelmetall-Elektrode,
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4 einen
schematischen Längsschnitt durch
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Kontaktstifts,
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5 bis 8 jeweils weitere Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Kontaktstift-Formen
in schematischen Längsschnitten,
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9 eine
brennraumseitige Spitze eines erfindungsgemäßen Kontaktstifts in einem
schematischen Längsschnitt,
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10 ein
Diagramm, bei dem die Durchmesserzunahme eines unbeschichteten,
eines vernickelten und eines erfindungsgemäßen, alitierten Kontaktstifts
bei Auslagerung bei 900°C
an Luft über der
Zeit aufgetragen ist.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
einen schematischen Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Zündkerze 1. In
einem metallischen, rohrförmigen
Gehäuse 5 ist ein
keramischer Isolator 10 angeordnet, dessen brennraumseitiges
Ende mit verringertem Außendurchmesser
den sogenannten Isolatorfuß 12 bildet. Die Rotationssymmetrie-Achsen
von Kerzengehäuse 5 und
Isolator 10 liegen deckungsgleich. Ebenfalls deckungsgleich
liegt die Achse eines in die zylinderförmige Öffnung am brennraumfernen Ende
des Isolators 10 eingebetteten Anschlußbolzens 15. Ebenfalls
in der zylinderförmigen Öffnung des
Isolators sind hinter dem Anschlußbolzen 15 in Richtung Brennraum
in dieser Reihenfolge ein oder mehrere Panatpakete 17,
ein Kontaktstift 20 und eine Edelmetall-Elektrode 25 angeordnet. Die
Edelmetall-Elektrode 25 wird in der Regel als Mittelelektrode
bezeichnet. Die Rotationssymmetrie-Achsen von Mittelelektrode 25 und
Kontaktstift 20 sind deckungsgleich mit der Achse des Isolatorfußes 12.
Am Kerzengehäuse ist
die Masseelektrode 30 angebracht, die in Richtung Mittelelektrode
abgebogen ist. Der Freiraum zwischen Mittelelektrode und Masseelektrode
wird als Funkenstrecke 35 bezeichnet.
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Die Edelmetall-Mittelelektrode 25 befindet sich über den
Kontaktstift 20 und ein oder mehrere Panatpakete 17 in
elektrischem Kontakt mit dem Anschlußbolzen 15, wobei
ein Panatpaket 17 ein von dünnen Metallschichten durchzogenes
Glasmaterial-Paket darstellt, das einen bestimmten elektrischen Widerstand
beinhaltet und gleichzeitig die Fixierung des Anschlußbolzens 15 und
des Kontaktstifts 20 in der Isolatoröffnung gewährleistet. Der Isolator 10 besteht
aus einem keramischen Material, welches elektrisch isolierend wirkt
und das Innere von Umwelt- und Motorraumeinflüssen abschirmt.
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Der Kontaktstift 20 besteht
aus einem Metall, vorzugsweise aus einer Eisen-Basis-Legierung,
beispielsweise aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-(Fe-Ni-Co-)Legierung.
Die Korrosionsbeständigkeit
dieser Legierung ist jedoch gering. Der Kontaktstift 20 hat
die Aufgabe, eine räumliche
Trennung zwischen Mittelelektrode 25 und Panatpaket(en) 17 zu
gewährleisten,
da das Panatpaket oder die Panatpakete 17 wegen ihrer geringen
Temperaturbeständigkeit
(nur bis ca. 600°C)
nicht den hohen Temperaturen an der Spitze des Isolators ausgesetzt
werden dürfen.
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Die Zündkerze dient dazu, elektrische
Energie zum Zünden
des Kraftstoff-Luft-Gemischs im nicht dargestellten Brennraum der
Brennkraftmaschine bereitzustellen. Dazu wird eine Hochspannung über den
Anschlußbolzen 15,
das Panat 17, den Kontaktstift 20 zur Mittelelektrode 25 geleitet,
die dann einen Funkenüberschlag
zwischen der Mittelelektrode 25 und der Masseelektrode 30 bewirkt.
Durch die im Funken enthaltene Energie wird das im Brennraum enthaltene
Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet,
wodurch durch verschiedene Reaktionen hochreaktive Gase entstehen.
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Ein Problem für den Betrieb der Zündkerzen ist
die Korrosion des Kontaktstifts 20, die durch die entlang
eines kleinen Spalts zwischen Isolator und Mittelelektrode eindringenden
hochreaktiven Gase verursacht wird. Der Spalt zwischen Mittelelektrode und
Isolator entsteht, da das Isolatormaterial und das Elektrodenmaterial
unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen und
starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Erfindungsgemäß wird zur
Verringerung der Korrosion eine Schicht aus einem oder mehreren
Metall-Aluminiden auf der Oberfläche
des Kontaktstifts 20 aufgebracht. Vorzugsweise weist die
Metall-Aluminid-Schicht
eine Dicke von bis zu 100 um auf, vorteilhaft kann jedoch auch eine
größere Dicke
der Metall- Aluminid-Schicht sein.
Es kann somit ein durch die Korrosion verursachter erhöhter Zündspannungsbedarf
wirksam verhindert werden. Der Energiebedarf wird gesenkt und die
Zündsicherheit
wird verbessert.
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In 2 ist
ein erfindungsgemäßer Kontaktstift
separat in einem Längsschnitt
dargestellt. Der Kontaktstift 20 besitzt eine zylindrische
Form, wobei der Durchmesser des brennraumfernen Endes des Kontaktstifts 20 größer ist
und kegelförmig
von dem Bereich mit dem kleineren Durchmesser abgesetzt ist. Das
brennraumseitige Ende des Kontaktstifts 20 besitzt eine
kegelförmig
zulaufende Spitze, die kreisförmig
abgeplattet ist, wodurch die brennraumseitige Deckfläche 37 gebildet
wird. Durch Abscheidung von Aluminium aus der Gasphase wird an der
Oberfläche des
Kontaktstifts 20 eine Schicht aus einem oder mehreren Metall-Alumiden
gebildet, die in der 2 durch
eine breite Linie veranschaulicht wurde. Metall-Aluminide sind intermetallische
Verbindungen, die aus einem Metall und Aluminium bestehen. Bei der
vorzugsweisen Verwendung eines Kontaktstifts 20 aus einer
Fe-Ni-Co-Legierung bildet sich entsprechend ein oder mehrere Fe-Ni-Co-Aluminide.
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Vorzugsweise werden Schichtdicken
zwischen 20 und 70 um angestrebt. Die Metall-Aluminid-Schicht 40 wird
mindestens an der brennraumseitigen Deckfläche 37 des Kontaktstifts 20 und
mindestens über
eine Länge
von 1 mm gemessen von der brennraumseitigen Deckfläche des
Kontaktstifts gebildet.
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Die Metall-Aluminid-Schicht erhöht die Korrosionsbeständigkeit
des Kontaktstifts 20 deutlich. Die Schutzwirkung der durch
die Diffusion des elementaren Aluminiums in den Kontaktstift gebildeten Metall-Aluminid- Schicht 40 beruht
auf einer an der äußeren Oberfläche gebildeten,
geschlossenen, fest haftenden, sehr dünnen Al2O3-Schicht, die aufgrund ihres sehr langsamen
Wachstums sowohl das darunterliegende Aluminid als auch das Grundmaterial
vor einem korrosiven Angriff schützt.
Bei Auftreten einer lokalen Zerstörung der Al2O3-Schicht, z.B. durch Abplatzen, bildet sich
aufgrund des im Aluminid vorhandenen Aluminiums eine neue Al2O3-Schicht aus.
Somit ist eine selbstausheilende Passivierung der beschichteten
Oberfläche
des Kontaktstifts 20 gewährleistet.
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In 3 ist
der erfindungsgemäße Kontaktstift 20 aus 2 noch einmal in einem schematischen
Längsschnitt
zusammen mit der Mittelelektrode 25 dargestellt. Da der
Kontaktstift an der brennraumseitigen Deckfläche 37 mit der Metall-Aluminid-Schicht 40 überzogen
ist, bildet sich unter Betriebsbedingungen, d.h. bei Temperaturen
von bis zu 1000°C,
beim Kontakt mit der Edelmetall-Mittelelektrode 25 an dieser
der Mittelelektrode 25 zugewandten Deckfläche 37 des
Kontaktstifts 20 eine oder mehrere Edelmetall-Aluminium-Verbindungen, die spröde sind.
Vorzugsweise besteht die Mittelelektrode 25 aus Platin
bzw. einer Platin-Legierung, demzufolge bildet sich an dieser Kontaktstift-Deckfläche 37 eine
oder mehrere spröde
Platin-Aluminium-Verbindungen aus. Die Bildung von spröden Verbindungen an
der Deckfläche
des Kontaktstifts 37 ist vorteilhaft, da bei zu starken
Längenänderungen
durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Mittelelektrode 25 und Kontaktstift 20, die
bei thermischer Zyklierung auftreten, im Übergangsbereich zwischen Mittelelektrode 25 und
Kontaktstift 20 eine Spaltbildung ermöglicht wird. Ein derartiger
Spalt ist in 3 mit dem
Bezugszeichen 42 versehen. Ein Kraftschluß zwischen
Mittelelektrode 25 und Kontaktstift 20 wird durch
den Spalt 42 verhindert. Es kann so eine Orts- und Formstabilität der Mittelelektrode gewährleistet
werden, wodurch ein erhöhter
Zündspannungsbedarf
vermieden wird. Besonders ausgeprägt ist die Spaltbildung dann,
wenn die Dicke der Metall-Aluminid-Schicht, von der ausgehend sich die Edelmetall-Aluminium-Verbindung bildet,
eine Dicke von mehr als 100 um aufweist. Ein elektrischer Kontakt
zwischen der Mittelelektrode 25 und dem Kontaktstift 20 ist
bei bestimmungsgemäß in der
Zündkerze
auftretenden Spannungen stets vorhanden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 4 dargestellt. Es ist analog
zu 2 der schematische Längsschnitt
eines Kontaktstifts 20 mit analoger Form gezeigt, wobei
nun die gesamte Oberfläche
des Kontaktstifts 20 mit der Metall-Aluminid-Schicht 40 überzogen
ist. Analog zu 2 kennzeichnet
die breite Linie die Metall-Aluminid-Schicht 40. Mit der Bezugszahl 37 ist
wiederum die brennraumseitige Deckfläche des Kontaktstifts bezeichnet.
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Ein erfindungsgemäßer Kontaktstift kann in Gleitfunkenzündkerzen,
in Luftfunkenzündkerzen und
in Luft-Gleitfunkenzündkerzen
verwendet werden. Dabei kann ein erfindungsgemäßer Kontaktstift auch eine
andere als die in 2 und 4 dargestellte Form aufweisen.
Beispielsweise können
die beiden Durchmesser des Kontaktstifts in 2 und 4 beliebig
gewählt
werden. Auch die Länge
der beiden Bereiche und die Länge
des kegelförmigen Übergangs zwischen
beiden Bereichen ist nicht festgelegt. Auch die Länge der
kegelförmig
zulaufenden brennraumseitigen Spitze des Kontaktstifts kann beliebig
gewählt
werden. Ebenso ist der Durchmesser der brennraumseitigen Deckfläche 37 beliebig
wählbar. Der
Kontaktstift läßt sich
demnach optimal der Dimensionierung der Zündkerze und den Gegebenheiten
der Fertigung anpassen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiele ist in 5 dargestellt. Der in einem
Längsschnitt
dargestellte Kontaktstift 20 weist gegenüber dem
Ausführungsbeispiel
der 2 keine kegelförmig zulaufende
Spitze und eine Deckfläche 37 auf,
die keinen verringerten Durchmesser gegenüber dem brennraumseitigen zylinderförmigen Bereich
besitzt. Somit weist die brennraumseitige Deckfläche 37 den gleichen Durchmesser
wie der zylinderförmige
brennraumseitige Bereich auf. Denkbar wäre auch ein Ausführungsbeispiel,
wie es in 6 dargestellt
ist. Hier ist der Übergang
zwischen dem brennraumseitigen zylinderförmigen Bereich und dem brennraumfernen zylinderförmigen Bereich
mit dem größeren Durchmesser
stufenförmig
gestaltet. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel tritt, wie in 7 dargestellt, eine Durchmesseränderung
entlang des Kontaktstifts nicht auf.
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Ebenso könnte eine kegelstumpfförmige Ausführung des
Kontaktstifts möglich
sein, die in 8 gezeigt
wird. Die Ausführungsformen
in den 6 bis 8 können auch eine Gestaltung der
brennraumseitigen Spitze aufweisen, wie sie in 2 beschrieben und in 9 noch einmal separat in einem Längsschnitt
dargestellt wurde. Entsprechend der 9 kann
die brennraumseitige Spitze des Kontaktstifts 20 kegelförmig zulaufen
und eine brennraumseitige Deckfläche
aufweisen, die einen geringeren Durchmesser aufweist, als der sich
daran anschließende
Bereich.
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Die Abscheidung des für die Aluminium-haltige
Oberflächenbeschichtung,
das Metall-Aluminid, des Kontaktstifts 20 notwendigen Aluminiums
kann mittels thermischer Spritzverfahren, einer physikalischen (Physical
Vapor Deposition, PVD) oder einer chemischen (Chemical Vapor Deposition,
CVD) Abscheidung aus der Gasphase erfolgen. Vorzugsweise erfolgt
die Aluminium-Abscheidung über
ein CVD-Verfahren,
insbesondere durch eine Alitierung.
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Als Alitieren wird ein Verfahren
bezeichnet, bei dem die Randschicht eines Werkstücks mit Aluminium durch eine
thermochemische Behandlung angereichert wird. Dabei wird das Werkstück beispielsweise
in ein Pulverbett eingebettet, das aus einem hohen Anteil von Al2O3, einer Aluminium-haltigen
Donorlegierung und einem halogenhaltigen Aktivator zusammengesetzt
ist. Die Abscheidung von elementarem Aluminium erfolgt über eine
chemische Reaktion aus mehreren Schritten in einer Wasserstoff-haltigen
Atmosphäre
bei einem Druck zwischen 0,01 und 10 MPa und Temperaturen von 900°C bis 1100°C über eine
Zeit von bis zu 10 Stunden. In das Pulverbett kann eine große Anzahl
von Kontaktstiften eingebettet werden, deshalb läßt sich die Alitierung kostengünstig gestalten.
Das Alitieren kann jedoch auch ohne Pulverbett durchgeführt werden,
indem eine transportfähige,
gasförmige
Aluminium-Verbindung, ein Aluminium-Halogenid, an einem anderen Ort
bezogen auf den Ort, an dem die Beschichtung der Kontaktstifte erfolgt,
erzeugt wird und mittels einer Wasserstoffgas-haltigen Strömung an
den Beschichtungsort transportiert wird. Die transportfähige Aluminium-Verbindung
wird aus einer Aluminium-haltigen Donorlegierung und einem halogenhaltigen
Aktivator gebildet.
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Dabei ist es möglich, den Ort der Entstehung der
transportfähigen
Aluminium-Verbindung und den Ort der Beschichtung der Kontaktstifte
so zu trennen, daß sie
in unterschiedlichen Behältern
angeordnet sind. Sie können
sich jedoch auch in dem gleichen Behälter befinden.
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Vor dem Einbau des Kontaktstifts
kann zusätzliche
ein Oxidationsschritt des beschichteten Kontaktstifts vorgenommen
werden. Diese Voroxidation führt
schon vor Einbau des Kontaktstifts zu einer Bildung der oben beschriebenen
passivierenden Al2O3-Schicht.
Die Oxidation erfolgt bei Temperaturen zwischen 500°C und 1200°C über einen
Zeitraum von bis zu 100 Stunden in Sauerstoff-haltiger Atmosphäre.
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In der 10 wird
anhand eines Diagramms die oben beschriebene Wirkung der Metall-Aluminid-Schicht 40 gezeigt.
In dem Diagramm ist die Durchmesserzunahme eines Kontaktstifts gezeigt, wenn
der Kontaktstift einer Temperatur von 900°C an Luft ausgesetzt ist. Es
ist die Durchmesserzunahme der untersuchten Kontaktstifte in um über der
Auslagerungsdauer in Stunden aufgetragen. Dabei bedeuten die runden
Symbole die Meßwerte
für einen
unbeschichteten Fe-Ni-Co-Kontaktstift, die Quadrate die Meßwerte für einen
mit einer 20-30 um dicken Nickel-Schicht versehenen Fe-Ni-Co-Kontaktstift und die
Rhomben für
einen mit einer durch Alitierung erzeugten und 25-60 um dicken Fe-Ni-Co-Aluminid-Schicht versehenen
Fe-Ni-Co-Kontaktstift. Die Beschichtung ist jeweils auf der gesamten
Oberfläche
des Kontaktstifts aufgetragen. Deutlich zu erkennen ist eine beträchtliche
Durchmesserzunahme für den
unbeschichteten und den vernickelten Kontaktschicht, während die
Durchmesserzunahme des alitierten Kontaktstifts gering ist. Desweiteren
ist beim alitierten Kontaktstift nach einer Zeit von etwa 300 Stunden
keine weitere Durchmesserzunahme zu beobachten. Die Durchmesserzunahme
wird jeweils durch Korrosion des Kontaktstifts verursacht. Bei dem
alitierten Kontaktstift erfolgt die geringfügige Durchmesserzunahme durch
die Bildung der Al2O3-Schicht.
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In Zündkerzen mit einem erfindungsgemäßen Kontaktstift
konnte eine Verringerung der Korrosion und eine Orts- und Formstabilität der Mittelelektrode
beobachtet werden.