EP0561812A1 - Elektrode und verfahren zu ihrer herstellung. - Google Patents

Elektrode und verfahren zu ihrer herstellung.

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EP0561812A1
EP0561812A1 EP91920001A EP91920001A EP0561812A1 EP 0561812 A1 EP0561812 A1 EP 0561812A1 EP 91920001 A EP91920001 A EP 91920001A EP 91920001 A EP91920001 A EP 91920001A EP 0561812 A1 EP0561812 A1 EP 0561812A1
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EP
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electrode
intermetallic phase
electrode base
metal
alloying
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Karl-Hermann Friese
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/39—Selection of materials for electrodes

Definitions

  • the invention relates to an electrode for electrical discharges, in particular spark plug electrodes, with an electrode base made of metal and a method for their production.
  • Common spark plugs generally have a central electrode and a ground electrode, the tips of the two electrodes being arranged relative to one another in such a way that a spark gap is left free. Due to the constant generation of sparks between the two electrodes, the tips are subject to considerable wear. This problem places high demands on the temperature resistance, corrosion resistance and thermal expansion characteristics of the electrode tip. Spark erosion and oxidation phenomena also lead to considerable stress.
  • Intermetallic phases are compounds of metals with ordered atomic distributions. These intermetallic phases are high even Temperatures are stronger than metal alloys, more resistant to oxidation than non-precious metal alloys and more malleable than ceramics. This means that their properties lie between metal and ceramic.
  • Intermetallic phases are, for example, titanium aluminides and nickel aluminides.
  • the electrode can consist entirely of the IP material or can have a tip made of IP material on an electrode body made of otherwise customary electrode material.
  • IP material i.e. an intermetallic phase itself
  • Nickel aluminides such as NiAl, Ni-Al. Or the like, are particularly suitable.
  • the connection to the electrode base body then takes place by known methods, such as welding or high-temperature soldering.
  • a further advantageous possibility is, however, to apply a material to the electrode base body to form an intermetallic phase and then to produce a high-melting, oxidation-resistant intermetallic phase there.
  • Aluminum or an aluminum alloy for example, are suitable as materials. In both cases, the material is preferably connected by alloying. This alloying takes place, for example, using the known laser technology.
  • the given goal is the production of NiAl with additional alloying elements such as chromium, manganese, silicon, molybdenum or the like.
  • Alloy formation or alloying can also take place using the aluminothermic effect, the heat of reaction being used in the oxidation of aluminum to form the alloy. In this case, a cermet material with connections of corundum particles is created.
  • the intermetallic phase should also contain alloy additives. It is possible, for example, to reduce the electron work function by adding alkaline earth metals. Furthermore, further alloy additives can be added to the material before alloying, which make this material ductile or deformable. This can also be done by appropriate pretreatment. This includes, for example, the addition of boron, with boron preferably evaporating when alloying. If, for example, chromium is added, the corrosion resistance of the electrode can be improved as a result.
  • the material is placed as a plate, cap or the like on the electrode base body and then, for example, alloyed on. This manufacturing process is simple and inexpensive.
  • the invention is also intended, for example, to include the use of an intermetallic phase in the manufacture of electrodes, in particular spark plug electrodes.

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  • Spark Plugs (AREA)

Description

Elektrode und Verfahren zu ihrer Herstellung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Elektrode für elektrische Entladungen, insbesondere Zündkerzenelektroden, mit einem Elektrodengrundkörper aus Metall sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Gängige Zündkerzen besitzen in der Regel eine Mittel¬ elektrode und eine Masseelektrode, wobei die Spitzen beider Elektroden so zueinander angeordnet sind, daß eine Funkenstrecke freigelassen ist. Durch die dauernde Funkenerzeugung zwischen beiden Elektroden unterliegen die Spitzen einem erheblichen Verschleiß. Dieses Problem stellt hohe Anforderungen an die Tempe¬ raturfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Wärme¬ ausdehnungscharakteristik der Elektrodenspitze. Funken¬ erosion und Oxidationserscheinungen führen ebenfalls zu einer erheblichen Beanspruchung.
Zwecks Verbesserung insbesondere der Elektrodenspitze wird deshalb beispielsweise in der ÜS-PS 4 540 910 vorgeschlagen, daß zwischen der aus einer Nickel- legierung bestehenden Metallelektrode und einer Metal1- aufläge hoher Verschleißfestigkeit aus einer platin- haltigen Legierung eine Zwischenschicht angeordnet ist, die zum Ausgleich des stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhaltens von Elektroden und Metall¬ auflage dient. Diese Zwischenschicht besteht aus einer Legierung, welche sich aus einer Platinlegierung und Nickel zusammensetzt. Zum Aufbringen der verschlei߬ festen Metallauflage auf die Metallelektrode wird zunächst die verschleißfeste Metallauflage mit der Zwischenschicht mechanisch zusammenplattiert und dann die mit der Metallauflage versehene Zwischenschicht mit der Metallelektrode durch Widerstandsschweißen verbunden. Der hierfür erforderliche Herstellungs¬ aufwand und vor allem die hohen Stoffkosten sind erheblich, ferner wird lediglich das Wärmeausdeh- nungsverhalten verbessert.
Aus der DE-PS 31 32 814 ist ferner bekannt, daß auf der freien Stirnfläche einer Mittelelektrode einer Zündkerze ein .Plättchen aus Edelmetall, wie z.B. Platin, durch Widerstandsschweißen aufgebracht wird. Bei dieser Mittelelektrode tritt jedoch dann das Problem auf, daß sich das Edelmetall-Plättchen aufgrund von Spannungen in der Verbindungszone bei höheren thermischen und korrosiven Belastungen von der Mittel- elektrode löst. Auch hier sind bereits die Materialkosten erheblich.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung gemäß dem kennzeichnenden
Teil von Anspruch 1 macht sich die Vorteile der bekann¬ ten IP-Werkstoffe (intermetallische Phasen) zunutze. Unter intermetallischen Phasen versteht man Verbindun¬ gen von Metallen mit geordneten Atomverteilungen. Diese intermetallischen Phasen sind auch bei hohen Temperaturen fester als Metall- Legierungen, oxida- tionsbeständiger als Nichtedelmetall-Legierungen und verformbarer als Keramik. Damit liegen sie in ihren Eigenschaften zwischen Metall und Keramik.
Zur näheren Erläuterung der intermetallischen Phasen wird auf "Magazin Neue Werkstoffe 1/89", Seite 15 ff. sowie auf den Artikel "Advances in Intermetallics" aus Advanced Material & Processes 2/89 verwiesen. Intermetallische Phasen sind beispielsweise Titan- aluminide und Nickelaluminide.
Die Elektrode kann vollständig aus dem IP-Werkstoff bestehen oder eine Spitze aus IP-Werkstoff auf einem Elektrodenkörper aus sonst üblichem Elektrodenmaterial tragen.
Bezüglich des Aufbringens der Elektrodenspitze aus IP-Werkstoff gibt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung zwei Möglichkeiten. Zum einen kann ein
IP-Werkstoff, d.h. eine intermetallische Phase selbst, auf den Elektrodengrundkörper aufgebracht werden. Dabei bieten sich vor allem Nickelaluminide, wie beispielsweise NiAl,, Ni-Al., od. dgl., an. Die Ver- bindung mit dem Elektrodengrundkörper erfolgt dann durch bekannte Verfahren, wie Schweißen oder Hochtem- peraturlδten.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit ist aber, auf den Elektrodengrundkörper einen Werkstoff zur Bildung einer intermetallischen Phase aufzubringen und dann eine hochschmelzende, oxidationsbeständige inter¬ metallische Phase dort zu erzeugen. Als Werkstoff bietet sich hier beispielsweise Aluminium oder eine AΪuminiumlegierung an. Verbunden wird der Werkstoff in beiden Fällen bevor¬ zugt durch Auflegieren. Dieses Auflegieren erfolgt dabei beispielsweise durch die bekannte Lasertechnik. Werden beispielsweise Aluminium oder Aluminiumlegie- rungen bzw. aluminiumhaltige intermetallische Phasen, wie NiAl-, Ni-Al- od. dgl. auf Elektrodengrundkörper aus z.B. Ni4b5-, Inconel- oder ähnliche Legierungen oder auch auf Zwei-Stoff-Elektroden mit entsprechenden Mantelwerkstoffen aufgebracht, so ist in jedem Fall das vorgegebene Ziel die Erzeugung von NiAl ggfs. mit zusätzlichen Legierungselementen wie etwa Chrom, Mangan, Silizium, Molybdän od. dgl..
Die Legierungsbildung bzw. das Auflegieren kann auch unter Ausnutzung des aluminothermischen Effektes erfolgen, wobei die Reaktionswärme bei der Oxidation von Aluminium zur Legierungsbildung ausgenützt wird. In diesem Fall entsteht also ein Cermet-WerkStoff mit Anschlüssen von Korundpartikeln.
Bei allen Verfahren entsteht ein Überzug auf dem Elektrodengrundkörper, welcher eine hohe Funkenero¬ sionsfestigkeit sowie hohe Korrosions- und Oxida- tionsbeständigkeit aufweist. Ferner findet sich ein erhöhter elektrischer Widerstand unmittelbar am Funken¬ grund in der Elektrodenoberfläche, was zu einer zu¬ satzlichen Entstδrwirkung führt. Das Verfahren selbst ist rationell-, die Werkstoffkosten geringer als im Vergleich zu Platinkerzen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel soll die intermetallische Phase noch Legierungszusätze bein¬ halten. Dabei ist beispielsweise möglich, durch Zusatz von Erdalkalimetallen eine Senkung der Elektronen- austrittsarbeit zu erzielen. Ferner können dem Werkstoff vor dem Auflegieren weitere Legierungszusätze zugegeben werden, welche diesen Werkstoff duktil bzw. verformbar machen. Dies kann auch durch entsprechende Vorbehandlung erfolgen. Hierzu zählt beispielsweise die Zugabe von Bor, wobei Bor bevorzugt beim Auflegieren verdampft. Wird bei¬ spielsweise Chrom hinzugegeben, so kann hierdurch die Korrosionsbeständigkeit der Elektrode verbessert werden.
Im Rahmen der Erfindung liegt, daß der Werkstoff als Plättchen, Kappe od. dgl. auf den Elektroden¬ grundkörper aufgesetzt und dann beispielsweise auf¬ legiert wird. Dieses Herstellungsverfahren ist einfach und kostengünstig.
Von der Erfindung soll beispielsweise auch die Ver¬ wendung einer intermetallischen Phase bei der Her¬ stellung von Elektroden, insbesondere Zündkerzen- elektroden, umfaßt sein.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrode für elektrische Entladungen, insbeson- dere Zündkerzenelektrode, mit einem Elektrodengrund¬ körper aus Metall, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodengrundkörper, insbesondere zumindest seine Spitze, mit einer intermetallischen Phase versehen ist.
2. Verfahren zum Herstellen einer Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werk¬ stoff aus einer intermetallischen Phase (IP-Werk¬ stoff), wie beispielsweise NiAl-, Ni-Al,,, auf den Elektrodengrundkörper aufgebracht ist.
Verfahren zum Herstellen einer Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werk¬ stoff zur Bildung einer intermetallischen Phase, beispielsweise Aluminium oder eine Aluminiumle¬ gierung, auf den Elektrodengrundkörper aufgebracht und dann eine hochschmelzende, oxidationsbeständige intermetallische Phase erzeugt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Werkstoff auf den Elektroden¬ grundkörper auflegiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Auflegieren mittels Laser erfolgt.
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