DE69500293T2

DE69500293T2 - Zündkerze für Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE69500293T2
Application number: DE69500293T
Authority: DE
Inventors: Kozo Amano; Wataru Matsutani
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1994-03-10
Filing date: 1995-03-10
Publication date: 1997-08-28
Anticipated expiration: 2015-03-11
Also published as: JPH07249471A; US5736809A; EP0671793B1; DE69500293D1; EP0671793A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze, bei der eine Edelmetalischicht an der Zündspitze einer Mittel- oder Masseelektrode durch Laserschweißen befestigt ist, um ihre Funkenerosionsbeständigkeit zu erhöhen.
Bei einer bisher verwendeten Zündkerze gibt es eine Mitteloder Masseelektrode, die ein hitzebeständiges Metall (Nickel oder dgl.) als Basismetall aufweist. Ein Edelmetall ist mit einer Außenseite der Elektrode verschweißt, um ihre Neigung zur Funkenerosion herabzusetzen. Wenn das Laserschweißen eingesetzt wird, um das Edelmetall mit der Elektrode zu verschweißen, und nicht das bisher üblicherweise eingesetzte elektrische Widerstandsschweißen, wird die Edelmetallschicht durch Wärmeeinwirkung so stark mit der Elektrode verbunden, daß die Grenzschicht dazwischen entfernt wird und auf diese Weise ihre Beständigkeit gegen Funkenerosion beachtlich erhöht wird. Eine Zündkerze mit einer Edelmetallschicht, die durch Laserschweißen an der Zündspitze einer Elektrode befestigt wurde, ist in JP-A-5082236 offenbart.
Wenn die Edelmetallschicht mittels Laserschweißen thermisch mit der Elektrode verbunden wird, führt der Schweißvorgang zu einem örtlichen Temperaturanstieg der Teile, auf die die Laserstrahlen gerichtet werden, so daß das Edelmetall und die Außenseite der Elektrode auf der Stelle schmelzen, während der übrige Teil der Elektrode kalt bleibt. Die wärmeziehende Wirkung der Elektrode führt dazu, daß das geschmolzene Edelmetall rasch abkühlt, so daß es innerhalb kurzer Zeit fest wird. Durch dieses rasche Abkühlen kommt es zu einer dendritischen Kristallisation in dem Bereich, in dem das Edelmetall und die Außenseite der Elektrode miteinander verschmolzen sind. Da die bei der dendritischen Kristallisation entstehenden Kristallkörner winzig klein sind, und die Korngrenzen relativ zerbrechlich sind und sich leicht aufspalten, besteht das Problem, daß in der Edelmetallschicht kleine Spalten entstehen können, die zu Rissen werden können, wenn die an einem Verbrennungsmotor angebrachte Zündkerze in Gebrauch ist.
Bei längerem Einsatz des Verbrennungsmotors kann Sauerstoffgas oder Verbrennungsgas in die Spalten oder Risse eindringen, so daß es zu einer Oxidationskorrosion des Basismetalls der Elektrode unter der Edelmetallschicht kommt. Wenn sich die Situation verschlimmert, kann die Oxidationskorrosion die Edelmetallschicht von der Außenseite der Elektrode ablösen, so daß sich deren Funkenerosionsbeständigkeit verschlechtert.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Zündkerze bereitzustellen, bei der die Edelmetallschicht gegen die Entstehung von Spalten und Rissen, in die korrodierende Stoffe eindringen können, geschützt ist, um das Abblättern der Edelmetallschicht von der Elektrode wirksam zu verhindern und auf diese Weise die Funkenerosionsbeständigkeit zu verbessern.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Zündkerze bereitgestellt, bei der eine Edelmetallschicht an einer Zündspitze einer Elektrode durch Laserschweißen befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Wärmebehandlung der Elektrode nach dem Schweißvorgang die Korngröße der Edelmetallschicht gesteigert worden ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine Zündkerze bereitgestellt, wonach eine Edelmetallschicht durch Laserschweißen an einer Zündspitze der Elektrode befestigt wird, gekennzeichnet durch den Schritt der Wärmebehandlung der Elektrode nach dem Schweißvorgang zur Steigerung der Korngröße der Edelmetallschicht.
Wenn die Edelmetallschicht durch Laserschweißen an der Elektrode befestigt ist, kühlt die Edelmetallschicht rasch ab, wodurch sich in der Edelmetallschicht eine winzige dendritische Struktur ausbildet, die eine Vielzahl von Spalten und Rissen aufweist. Mit Hilfe einer Wärmebehandlung (Glühen) der Edelmetallschicht ist es möglich, die dendritische Struktur zu rekristallisieren, so daß die Spalten und Risse zusammen mit dem interkristallinen Hohlraum verschwinden. Durch die Beseitigung der Spalten und Risse ist die Edelmetallschicht gegen das Eindringen von korrodierenden Stoffen in das darunterliegende Basismetall geschützt, so daß ein Abblättern der Edelmetallschicht von der Elektrode wirksam verhindert wird und eine längere Lebensdauer der Zündkerze sichergestellt wird.
Vorzugsweise besteht die Edelmetallschicht hauptsächlich aus Platin, Iridium, einer Platin-Iridium-Legierung oder einer Platin-Nickel-Legierung.
Vorzugsweise beträgt die durchschnittliche Korngröße der rekristallisierten dendritischen Struktur 10 µm oder mehr, wenn die Glühbehandlung abgeschlossen ist.
Wenn die Edelmetallschicht thermisch mit der Elektrode verbunden wird, wird die Wirksamkeit des Schweißvorgangs durch Einsatz des Impulslaserstrahlschweißens erhöht, während bei Einsatz des kontinuierlichen Laserstrahlschweißens die Elektrode zum Glühen gebracht wird und das Basismetall der Elektrode mehr mit der Edelmetallschicht verschmilzt, so daß die Funkenerosionsbeständigkeit verschlechtert wird.
Spezifische Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand eines Beispiels mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben; darin zeigen:
Fig. 1 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Endabschnitts einer Zündkerze gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2a - 2c eine Reihe von Ansichten, in denen dargestellt ist, wie eine Edelmetallschicht durch Laserschweißen an einem Randbereich einer Mittelelektrode gemäß einer Ausführungsform der Erfindung befestigt wird;
Fig. 3a - 3d vergrößerte Ansichten der Metallstruktur einer bekannten Edelmetallschicht, die thermisch mit einer Mittelelektrode verbunden ist;
Fig. 4a - 4c vergrößerte Ansichten der Metallstruktur der Edelmetallschicht, die mit der Mittelelektrode gemäß einer Ausführungsform der Erfindung thermisch verbunden ist; und
Fig. 5a - 5f perspektivische Ansichten des Endabschnitts von Zündkerzen gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung.
Mit Bezug auf Fig. 1, in der ein Endabschnitt einer zweipoligen Zündkerze 100 dargestellt ist, besitzt die Zündkerze 100 ein zylindrisches Metallgehäuse 1 und einen langgestreckten Isolator 2 in dem Metallgehäuse 1. Der Isolator 2 besitzt eine im Querschnitt kreisrunde axiale Bohrung 21, deren vorderes Ende 22 einen verjüngten Abschnitt aufweist. In die axiale Bohrung 21 des Isolators 2 ist eine säulenförmige Mittelelektrode 3 eingesetzt, deren vorderes Ende 31 etwas über das vordere Ende 22 des Isolators 2 hinausragt.
Auf einer Außenseite des Metallgehäuses 1 ist ein Außengewinde 11 vorgesehen, um die Zündkerze 100 an einem Verbrennungsmotor zu befestigen. Einander diametral gegenüberliegende Masseelektroden 4, 4 sind mit dem ringförmigen vorderen Ende 12 des Metallgehäuses 1 thermisch verbunden. Die Masseelektroden 4, 4 sind im Querschnitt rechteckig, und jede ist mit einem Ende mit dem ringförmigen vorderen Ende 12 des Metallgehäuses 1 verschweißt Ein Stützabschnitt 41 von jeder der Masseelektroden 4, 4 erstreckt sich etwas geneigt in Richtung zu der Mittelektrode 3. Das vordere Ende jedes Stützabschnitts 41 ist zu einem Zündabschnitt 42 gebogen, der dem vorderen Ende 31 der Mittelelektrode 3 gegenüberliegt Die vordere Stirnfläche 43 des Zündabschnitts 42 jeder Masseelektrode 4 ist konkav, so daß eine ungefähr konstante Funkenstrecke G1 zwischen der vorderen Stirnfläche 43 und der zylindrischen Außenfläche des vorderen Endes 31 der Mittelelektrode 3 entsteht.
Eine Edelmetallschicht 5 ist durch Laserschweißen an der zylindrischen Außenseite des vorderen Endes 31 der Mittelelektrode 3 befestigt.
Mit Bezug auf Fig. 2 wird die Edelmetallschicht 5 folgendermaßen hergestellt:
Zunächst wird ein Edelmetalldraht 50 bereitgestellt, der aus Platin, Iridium, einer Platin-Iridium-Legierung oder einer Platin-Nickel-Legierung besteht. Der Edelmetalldraht 50 wird um eine Nut 32 in dem vorderen Ende 31 des Elektrodenmetalls 30 der Mittelelektrode 3 gelegt, wie in Fig. 2a gezeigt. Dann werden vier Impulslaserstrahlen (R) mit einer Impulsrate von 12 Impulsen/Millisekunde in einem Stoß von 2 Millisekunden Dauer auf den Edelmetalldraht 50 geschossen, während das Elektrodenmetall 30 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit kontinuierlich gedreht wird. Durch diese Vorgehensweise kann das gesamte Stück Edelmetalldraht 50 und die Nut 32 des Elektrodenmetalls 30 geschmolzen werden, so daß die Edelmetallschicht 5 auf das vordere Ende 31 des Elektrodenmetalls 30 aufgeschweißt wird. Mit dem Abschießen der Laserstrahlen (R) werden der Edelmetalldraht 50 und das vordere Ende des Elektrodenmetalls 30 auf der Stelle zu einer Legierung verschmolzen, und die Edelmetallschicht 5 wird auf diese Weise durch Laserschweißen am vorderen Ende der Mittelelektrode 3 befestigt, wie in Fig. 2b gezeigt. In diesem Fall können die Laserstrahlen (R) intermittierend oder kontinuierlich auf das sich drehende Elektrodenmetall 30 gerichtet werden.
Nach Abschluß des Laserschweißens werden der Edelmetalldraht 50 und das vordere Ende des Elektrodenmetalls 30 durch die wärmeziehende Wirkung des kalt gebliebenen anderen Abschnitts des Elektrodenmetalls 30 rasch abgekühlt (abgeschreckt). Dadurch sinkt die Temperatur des geschmolzenen Metalls rasch unter den Erstarrungspunkt ab.
Die Legierung aus der Edelmetallschicht 5 und dem Elektrodenmetall 30 dringt tief in das Elektrodenmetall 30 ein und verbindet sich stark mit dem Elektrodenmetall 30, wenn das Laserschweißen eingesetzt wird. Dadurch kann in günstiger Weise verhindert werden, daß sich die Edelmetallschicht 5 zufällig von dem Elektrodenmetall 30 ablöst, im Gegensatz zu dem Fall, wo die Edelmetallschicht durch elektrisches Widerstandsschweißen, Kaltverformen oder Schutzgas-Lichtbogenschweißen hergestellt wird.
Beim Einsatz des Laserschweißens wird ein rascher örtlicher Temperaturanstieg in den Abschnitten des Elektrodenmetalls 30 und des Edelmetalldrahts 50 festgestellt, auf die die Laserstrahlen gerichtet werden, so daß sie sofort zu einer Legierung miteinander verschmolzen werden. Dann kommt es durch die wärmeziehende Wirkung des kalt gebliebenen anderen Abschnitts des Elektrodenmetalls 30 zu einem raschen Abkühlen und Erstarren. Durch dieses rasche Abkühlen kann der Schweißvorgang rasch beendet werden, was die Produktivität erhöht, während andererseits die Edelmetallschicht 5 eine dendritische Struktur bekommt, in der die Kristallkörner einen Durchmesser von ungefähr 1 µm und eine Länge von 10 µm besitzen, wie in Fig. 3a - 3d gezeigt. In der dendritischen Struktur ist die Ausrichtung, in der die Dendriten wachsen, nicht festgelegt und verläuft zum Teil in vertikaler Richtung und zum Teil in Querrichtung.
An der Grenze zwischen einer Reihe von quer verlaufenden Dendriten und einer Reihe von vertikal ausgebildeten Dendriten bilden sich im mittleren Abschnitt leicht winzige Spalten und Risse 51 (Fig. 2b), wenn die Edelmetallschicht 5 durch Laserschweißen befestigt wird, oder beim Gebrauch der Zündkerze 100, wie in Fig. 3a, die eine 3sfache Vergrößerung des vorderen Endes 31 der Mittelelektrode 3 zeigt. Fig. 3b zeigt eine 1000fache Vergrößerung der Edelmetallschicht 5. Fig. 3c zeigt eine Vergrößerung der Außenseite der Edelmetallschicht 5. Fig. 3d zeigt ein Photo des mittleren Abschnitts von Fig. 3b in einer 3500fachen Vergrößerung, und man kann erkennen, daß die Risse 51 tief eingedrungen sind.
Wieder mit Bezug auf Fig. 2c wird die Mittelelektrode 3 in einen Vakuumofen (A) gelegt, um die Elektrode 3 bei 800ºC bis 1000ºC für die Dauer von 1 bis 10 Stunden unter einem Druck zwischen 1,33 Pa und 1,33 x 10&supmin;&sup6; Pa (10&supmin;² bis 10&supmin;&sup8; Torr) zu glühen. Durch diese Wärmebehandlung entsteht die dendritische Struktur gemäß den Figuren 4a - 4c, die den Figuren 3a - 3c entsprechen. Aus Fig. 4a - 4c geht hervor, daß durch das Glühverfahren große rekristallisierte Körner entstehen, die im wesentlichen die winzigen Spalten und größeren Risse 51 verschwinden lassen, und somit die Grenze zwischen der Edelmetallschicht 5 und dem Elektrodenmetall 30 der Mittelelektrode 3 verdecken. In diesem Fall ist es möglich, die Glühdauer, die Temperatur und die umgebende Atmosphäre in Abhängigkeit von dem Material des Elektrodenmetalls 30 und der Dicke der Edelmetallschicht 5 zu wählen.
Es wurde eine zweipolige Zündkerze hergestellt, bei der eine Edelmetallschicht (aus Platin) durch Impulslaserschweißen mit dem Elektrodenmetall verbunden wurde, und gleichzeitig wurde der Typ von Zündkerze 100 hergestellt, bei dem die Edelmetallschicht 5 (aus Platin) zusätzlich geglüht wird. Ein Haltbarkeitstest, bei dem diese beiden Zündkerzentypen jeweils an einem 6-Zylinder-Benzinmotor befestigt werden, wurde anschließend durchgeführt. Nachdem der Motor 50000 km gelaufen war, wurde bei der ersten Zündkerze festgestellt, daß es zu einer 10%igen Oxidationskorrosion an dem Übergang zwischen der Edelmetallschicht und dem Elektrodenmetall gekommen war. Im Gegensatz dazu wurde bei der zweiten Zündkerze 100 nach der Untersuchung der Testergebnisse im wesentlichen keine Oxidationskorrosion festgestellt.
In Fig. 5a - 5f sind Zündkerzen mit einer Edelmetallschicht gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Eine Edelmetallschicht 5 kann durch Laserschweißen an einem in das vordere offene Ende des Isolators 2 ragenden Abschnitt 33 der Mittelelektrode befestigt sein, zusätzlich zu der bereits mit dem vorderen Ende des Elektrodenmetalls 30 verschweißten Edelmetallschicht 5, wie in Fig. 5a gezeigt. Diese Edelmetallschicht wird bei einer mehrpoligen Zündkerze wirksam verwendet, bei der mehr als zwei Masseelektroden vorgesehen sind.
Die Edelmetallschicht 5 muß nicht um den gesamten Umfang des vorderen Endes 31 des Elektrodenmetalls 30 herum vorgesehen sein, sondern kann nur mit einem Teil des Umfangs verschweißt sein, wie in Fig. 5b gezeigt.
Die Edelmetallschicht 5 kann durch Laserschweißen an einer vorderen Stirnfläche 34 der Mittelelektrode 3 befestigt sein, wie in Fig. 5c gezeigt.
Wie in Fig. 5d gezeigt, kann die Edelmetallschicht 5 durch Laserschweißen an der vorderen Stirnfläche 43 der bzw. jeder Masseelektrode 4 befestigt sein.
Fig. 5e zeigt eine halbkriechende Zündkerze, bei der die Edelmetallschicht durch Laserschweißen an dem in das vordere offene Ende des Isolators 2 ragenden Abschnitt 33 der Mittelelektrode befestigt ist.
Fig. 5f zeigt in einer ringförmigen Konfiguration eine weitere halbkriechende Zündkerze, bei der die Masseelektrode 4 mit dem vorderen Ende des Metallgehäuses 1 einstückig ausgebildet ist, und eine Edelmetallschicht 5 kann durch Laserschweißen an dem in das vordere offene Ende des Isolators 2 ragenden Abschnitt 33 der Mittelelektrode befestigt sein, zusätzlich zu der Edelmetallschicht 5, die bereits mit dem vorderen Ende des Elektrodenmetalls 30 verschweißt ist.
Es versteht sich, daß auch andere Zündkerzentypen verwendet werden können als die oben genannten, wo eine Edelmetallschicht 5 durch Laserschweißen an einer Elektrode befestigt ist.
Es sei angemerkt, daß ein CO&sub2;-Laser oder ein Excimer-Laser (excited dimer = angeregtes Dimer) sowie ein YAG-Laser verwendet werden kann.
Es versteht sich auch, daß die Edelmetallschicht in einer Inertgasatmosphare, einer Stickstoffatmosphäre, einer Wasserstoffatmosphäre oder dergleichen geglüht werden kann, wenn die Wärmebehandlung durchgeführt wird.

Claims

1. Zündkerze (100), bei der eine Edelmetallschicht (5) an einer Zündspitze (31, 33, 34, 42, 43) einer Elektrode (3, 4) durch Laserschweißen befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Wärmebehandlung der Elektrode nach dem Schweißvorgang die Korngröße der Edelmetallschicht (5) gesteigert worden ist.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, bei der die Edelmetallschicht (5) hauptsächlich aus Platin, Iridium, einer Platin-Iridium-Legierung oder einer Piatin-Nickel-Legierung besteht.

3. Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, bei der die rekristallisierte Korngröße der Edelmetallschicht (5) im Durchschnitt 10 µm oder mehr beträgt.

4. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (3, 4) für eine Zündkerze (100), indem eine Edelmetallschicht (5) durch Laserschweißen an einer Zündspitze (31, 33, 34, 42, 43) der Elektrode (3, 4) befestigt wird, gekennzeichnet durch den Schritt der Wärmebehandlung der Elektrode (3, 4) nach dem Schweißvorgang zur Steigerung der Korngröße der Edelmetallschicht (5).

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Edelmetallschicht (5) hauptsächlich aus Platin, Iridium, einer Platin-Iridium-Legierung oder einer Platin-Nickel-Legiemng besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die rekristallisierte korngröße der Edelmetallschicht (5) im Durchschnitt 10 µm oder mehr beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4-6, bei dem die Wärmebehandlung ein Glühen der Elektrode, die die Edelmetallschicht (5) aufweist, bei einer Temperatur zwischen 800ºC und 1000ºC umfaßt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4-7, bei dem die Wärmebehandlung ein Glühen der Elektrode, die die Edelmetallschicht (5) besitzt, über einen Zeitraum von 1 bis 10 Stunden umfaßt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4-8, bei dem ein Impulslaser zur Durchführung des Laserschweißens verwendet wird.

10. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze, bei dem eine Elektrode der Zündkerze durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 4-9 hergestellt wird.