EP2697404B1 - Zündkerzenelektrodenmatenal und zündkerze, sowie verfahren zur herstellung des zündkerzenelektrodenmaterials und einer elektrode für die zündkerze - Google Patents
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- EP2697404B1 EP2697404B1 EP12707052.2A EP12707052A EP2697404B1 EP 2697404 B1 EP2697404 B1 EP 2697404B1 EP 12707052 A EP12707052 A EP 12707052A EP 2697404 B1 EP2697404 B1 EP 2697404B1
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- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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- C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
Definitions
- the present invention relates to a spark plug electrode material, and a spark plug including an electrode formed of the spark plug electrode material and methods of manufacturing the spark plug electrode material and the electrode.
- Spark plugs are known in the prior art in various configurations. Spark plugs in spark ignition engines generate sparking between their electrodes to ignite the fuel-air mixture.
- the spark plugs have ground electrodes and center electrodes, with spark plug designs having two to five electrodes being known.
- the electrodes are introduced either onto the spark plug housing (ground electrode) or as center electrodes in a ceramic insulator.
- the life of a spark plug is affected by the corrosion and erosion resistance of the electrode material.
- Conventional electrode materials are based on nickel alloys containing aluminum. However, these have the problem that under operating conditions in the engine compartment, ie at high temperatures and oxidizing atmosphere, a large part of the nickel surface as well as a part of the nickel inside the electrode material oxidized by reactions with the surrounding oxygen.
- spark plug As a result, a nickel oxide layer is formed, which has both heat-insulating and also the electrical conductivity-inhibiting properties and already after some time tends to corrosion or spark erosive erosion. As a result, the electrode gap is increased, which ultimately leads to failure of the spark plug.
- the formation of an oxide layer under normal use of the At most, spark plug can be achieved by using pure noble metal or noble metal based electrode materials, such as platinum or platinum alloys with iridium, which have increased resistance to spark erosion attack.
- electrode materials, in particular platinum lead to enormous costs, which are problematic in such mass components as spark plugs. From the US 2008/0308057 A1 For example, a spark plug is known whose electrodes consist of a nickel alloy.
- the nickel alloy includes, among others, zirconium, boron and silicon. From the US 2,955,598 for example, a spark plug electrode material having a base of a nickel alloy is known.
- the spark plug electrode material includes, among others, 1.8% - 2.2% silicon and small amounts of manganese, copper and magnesium.
- the spark plug electrode material apart from technical, unavoidable impurities, from 0.7 to 1.3 wt .-%, in particular 1 wt .-% silicon, 0.5 to 1.0 wt .-%, in particular 0 , 75% by weight of copper and optionally 0.07 to 0.13% by weight, in particular 0.1% by weight of yttrium and contains less than 0.003% by weight, in particular less than 0.002% by weight, of oxygen, 0.001 wt .-% sulfur and 0.003 wt .-% carbon, wherein the remaining material is formed from nickel, wherein the proportion of metallic impurities in total is less than 0.1 wt .-%.
- this electrode material Due to its composition, this electrode material has minimal spark erosive wear and a minimal tendency to corrode.
- the spark plug electrode material according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that it is based on a nickel-based alloy, which keeps the cost of the electrode material and thus the spark plug low. Furthermore, this spark plug electrode material has the advantage that at normal use, ie at elevated temperature and presence of oxygen, at least on a part of its surface within a very short time, usually after just a few hours, forms a particularly homogeneous, relatively thin oxide layer.
- This oxide layer is characterized by a high thermal conductivity of at least 6 W / mK, in particular at least 8 W / mK or even 10 W / mK and more, and a particularly high electrical conductivity.
- the applied voltage and acting temperature can be quickly distributed evenly over the entire electrode material, which limited to a small area of the electrode surface, ie local temperature maxima and Voltage maxima are prevented, which significantly reduces the corrosion and erosion of the electrode material.
- the targeted use of silicon and copper is in addition to the electrical conductivity and thermal conductivity also the oxidation resistance of the forming oxide layer and also its thermodynamic stability improves, which in turn reduces the spark erosive wear of the electrode material.
- the proportion of silicon is in a range of 0.7 to 1.3 wt .-% based on the total weight of the electrode material.
- the spark plug electrode material has a content of silicon of 0.9 to 1.1 wt .-% and in particular of 1 wt .-% and / or a content of copper of 0.6 to 0.85 wt .-%, in particular of 0.75 wt%, wherein the content of nickel is about 97.5 to 98.5 wt%.
- the attached elements lead to a particularly high thermal conductivity and electrical conductivity of the oxide layer formed when the spark plug is used as intended.
- the forming oxide layer is also thermodynamically and mechanically sufficiently stable, so that the spark erosive wear and corrosion of the spark plug electrode material according to the invention are effectively reduced.
- the spark plug electrode material according to the invention is characterized in that it further 0.07 to 0.13 wt .-%, in particular 0.09 to 0.11 wt .-% and in particular 0.10 wt. Contains% yttrium.
- the addition of such small amounts of yttrium prevents abnormal grain growth during the process Proper use of a spark plug having the spark plug electrode material according to the invention.
- the yttrium content can be kept deliberately low, for example, by a low oxygen content of the alloy. From a proportion of yttrium of more than 0.13 wt .-%, the oxidation behavior and thus the electrical resistance of the forming oxide layer is adversely affected.
- the electrode material is substantially free of aluminum and / or aluminum compounds and / or intermetallic phases.
- Aluminum and its compounds reduce the electrical conductivity of the electrode material and the forming oxide layer and thus promote the spark erosive wear of the electrode material.
- the oxidation behavior and in particular the electrical resistance of the oxide layer which forms and thus the erosion behavior of the spark plug electrode material are significantly improved (measurably improved).
- the formability of the material is significantly improved.
- a similar effect is also the absence of intermetallic phases, because intermetallic phases exist as precipitates in the nickel matrix and lead to thermomechanical stresses and a reduction of the thermal conductivity, whereby the spark erosive wear and the corrosion of the electrode material are increased.
- the spark plug electrode material is characterized by a proportion of metallic impurities, which is less than 0.15 wt .-% in total.
- Metallic impurities include elements and compounds such as iron, titanium, chromium, manganese and the like. Such impurities reduce the effect of increasing the electrical conductivity and the thermal conductivity as obtained by adding silicon and copper in the specified range to the nickel base material. In addition, these impurities reduce the thermal conductivity of the alloy.
- the content of iron and / or chromium and / or titanium is particularly preferably less than 0.05% by weight, in particular less than 0.01% by weight, since precisely these elements adversely affect the electrical conductivity of the oxide layer.
- the content of sulfur and / or sulfur compounds and / or carbon and / or carbon compounds is less than 0.01 wt .-%, in particular less than 0.005 wt .-% and in particular less than 0.001 wt .-%, as well as these Elements and compounds have an adverse effect on the oxidation behavior of the alloy, in particular they can lead to increased corrosion of the electrode material. It is particularly preferred if the content of oxygen in the spark plug electrode material is less than 0.003 wt .-%, in particular less than 0.002 wt .-%, since oxygen promotes the oxidation of not only the nickel material, but also any impurities, which in turn increased to an Wear of the electrode material contributes.
- the spark plug electrode material consists essentially of, therefore, apart from technical, unavoidable impurities, from 1 wt .-% silicon, 0.75 wt .-% copper and 0.1 wt .-% yttrium, said remaining material is formed from nickel and constitutes about 98.15 wt .-%.
- such an electrode material forms a stable, thin and uniform oxide layer with a high thermal conductivity of more than 10 W / mK and a low electrical resistance, ie a high electrical conductivity.
- the spark plug electrode material thus has a reduced spark erosive wear and a significantly reduced tendency to corrode and is therefore ideally suited for long-term use at high temperatures.
- the oxide layer which forms on the surface of the spark plug electrode according to the invention has an optimized structure.
- an optimized structure is understood to mean that the oxide layer has a uniform and stable composite and, moreover, is relatively thin and even at the surface in comparison to oxide layers which form on conventional electrodes. This allows a low electrical resistance of the oxide layer on the electrode surface resulting in improved electrical conductivity of this oxide layer.
- the thermal conductivity of the electrode material is increased.
- the method of the present invention provides a spark plug electrode of inexpensive electrode material characterized by extremely high temperature resistance, significantly reduced spark erosive wear, i. a low electrode erosion, distinguished and has excellent resistance to oxidation and corrosion.
- the spark plug electrode produced according to the invention is therefore stable and resistant to wear even at high temperatures under the extreme conditions prevailing in the combustion chamber of an engine.
- the oxide layer can be formed by proper use of the spark plug electrode. This has the advantage that the spark plug electrode can be stored for any length of time before it is used, without experiencing a qualitative reduction and "activated" only after startup by forming the oxide layer.
- the present invention relates to an electrode made of the above-described spark plug electrode material, which electrode can be used as a center electrode and / or as a ground electrode and both with and without a core, preferably a copper core or silver core in the center and / or ground electrode.
- FIG. 1 is a graph showing the wear in ⁇ m 3 / per spark, including standard deviation, of the spark plug electrode material A according to the present invention as compared with a conventional spark plug electrode material B as described below per spark.
- Both materials A and B were subjected to a spark erosion test at an electrode temperature of 900 ° C under air, a pressure of 7 bar and with the aid of ignition coils with an initial spark current of 90 mA.
- the diagram clearly shows the increased wear per spark of the conventional, aluminum-containing electrode material B with about 25 microns 3 / spark, compared to the optimized, inventive spark plug electrode material A with about 18 microns 3 / spark.
- the significantly lower spark erosive wear of the electrode material A according to the invention is due to the formation of a homogeneous, relatively thin oxide layer with excellent thermal conductivity and low electrical resistance, ie high electrical conductivity.
- FIG. 2 shows a spark plug 1 according to the invention, with a center electrode 2 and a ground electrode 3, wherein both the center electrode 2 and the ground electrode 3 formed from the spark plug electrode material according to the invention.
- the center electrode 2 is designed as a two-component electrode and the ground electrode 3 as a single-material electrode
- FIG. 3 shows a spark plug 1 according to the invention, with a center electrode 2 and a ground electrode 3, wherein the center electrode 2 and also the ground electrode 3 as a two-electrode, comprising an electrode sheath 5 of the Zündkerzenelemtrodenmaterial invention and an electrode core 4 of a core material, preferably copper, are formed.
- a spark plug electrode material for producing a spark plug electrode or a spark plug in general which is particularly useful due to the formation of an oxide film intended use, characterized by a low spark erosive wear and excellent corrosion resistance with minimal production costs and sufficient thermodynamic and mechanical stability.
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zündkerzenelektrodenmaterial, sowie eine Zündkerze umfassend eine Elektrode, die aus dem Zündkerzenelektrodenmaterial gebildet ist und Verfahren zur Herstellung des Zündkerzenelektrodenmaterials sowie der Elektrode.
- Zündkerzen sind im Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Zündkerzen erzeugen in Otto-Motoren zwischen ihren Elektroden Zündfunken für die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Die Zündkerzen weisen hierbei Masseelektroden und Mittelelektroden auf, wobei Zündkerzenbauformen mit zwei bis fünf Elektroden bekannt sind. Die Elektroden werden hierbei entweder auf das Zündkerzengehäuse (Masseelektrode) oder als Mittelelektroden in einem Keramikisolator eingebracht. Die Lebensdauer einer Zündkerze wird durch die Korrosions- und Erosionsbeständigkeit des Elektrodenmaterials beeinflusst. Herkömmliche Elektrodenmaterialien basieren auf Nickellegierungen mit Aluminiumanteilen. Diese haben jedoch das Problem, dass unter Betriebsbedingungen im Motorraum, also bei hohen Temperaturen und oxidierender Atmosphäre, ein Großteil der Nickeloberfläche sowie auch ein Teil des Nickels im Inneren des Elektrodenmaterials durch Reaktionen mit dem umgebenden Sauerstoff oxidiert. Dadurch wird eine Nickeloxidschicht gebildet, welche sowohl wärmeisolierende wie auch die elektrische Leitfähigkeit unterbindende Eigenschaften aufweist und schon nach einiger Zeit zu Korrosionen bzw. zu funkenerosiver Erosion neigt. Hierdurch wird der Elektrodenabstand vergrößert, was letztendlich zum Versagen der Zündkerze führt. Die Bildung einer Oxidschicht bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Zündkerze lässt sich allenfalls durch Verwendung von Elektrodenwerkstoffen aus reinem Edelmetall oder auf Edelmetallbasis, wie z.B. Platin oder Platinlegierungen mit Iridium erreichen, die eine gesteigerte Beständigkeit hinsichtlich eines Verschleißes gegen funkenerosive Angriffe aufweisen. Derartige Elektrodenmaterialien, insbesondere Platin, führen jedoch zu enormen Kosten, welche bei derartigen Massebauteilen wie Zündkerzen, problematisch sind.
Aus derUS 2008/0308057 A1 ist beispielsweise eine Zündkerze bekannt, deren Elektroden aus einer Nickellegierung bestehen. Die Nickellegierung weist unter anderem Zirkonium, Bor und Silizium auf.
Aus derUS 2,958598 ist ein Zündkerzenelektrodenmaterial mit einer Basis aus einer Nickellegierung bekannt. Das Zündkerzenelektrodenmaterial weist unter anderem 1,8% - 2,2% Silizium und geringe Mengen von Mangan, Kupfer und Magnesium auf. - Gemäß Anspruch 1 besteht das Zündkerzenelektrodenmaterial, abgesehen von technisch bedingten, unvermeidbaren Verunreinigungen, aus 0,7 bis 1,3 Gew.-%, insbesondere 1 Gew.-% Silizium, 0,5 bis 1,0 Gew.-%, insbesondere 0,75 Gew.-% Kupfer und optional 0,07 bis 0,13 Gew.-%, insbesondere 0,1 Gew.-% Yttrium und enthält weniger als 0,003 Gew.-%, insbesondere weniger als 0,002 Gew.-% Sauerstoff, 0,001 Gew.-% Schwefel und 0,003 Gew.-% Kohlenstoff, wobei das restliche Material aus Nickel gebildet ist, wobei der Anteil an metallischen Verunreinigungen in Summe weniger als 0,1 Gew.-% beträgt. Dieses Elektrodenmaterial weist aufgrund seiner Zusammensetzung einen minimalen funkenerosiven Verschleiß und eine minimale Korrosionsneigung auf. Das erfindungsgemäße Zündkerzenelektrodenmaterial mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass es auf einer Nickelbasislegierung basiert, was die Kosten des Elektrodenmaterials und damit der Zündkerze gering hält. Ferner weist dieses Zündkerzenelektrodenmaterial den Vorteil auf, dass sich bei bestimmungsgemäßem Gebrauch, also bei erhöhter Temperatur und Anwesenheit von Sauerstoff, mindestens auf einem Teil seiner Oberfläche innerhalb kürzester Zeit, meist schon nach wenigen Stunden, eine besonders homogene, relativ dünne Oxidschicht ausbildet. Diese Oxidschicht zeichnet sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit von mindestens 6 W/mK, insbesondere mindestens 8 W/mK oder sogar 10 W/mK und mehr, sowie eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit aus. Dadurch kann die anliegende Spannung und einwirkende Temperatur schnell gleichmäßig auf das gesamte Elektrodenmaterial verteilt werden, wodurch auf einen kleinen Bereich der Elektrodenoberfläche begrenzte, also lokale Temperaturmaxima und Spannungsmaxima, verhindert werden, was die Korrosion und Erosion des Elektrodenmaterials deutlich reduziert. Durch den gezielten Einsatz von Silizium und Kupfer wird neben der elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit auch die Oxidationsbeständigkeit der sich bildenden Oxidschicht und auch deren thermodynamische Stabilität verbessert, wodurch wiederum der funkenerosive Verschleiß des Elektrodenmaterials reduziert wird. Der Anteil an Silizium liegt dabei in einem Bereich von 0,7 bis 1,3 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrodenmaterials. Schon bei einem geringen Anteil an Silizium von 0,7 Gew.-% wird das Oxidationsverhalten des Elektrodenmaterials und der elektrische Widerstand, der sich auf dem Elektrodenmaterial bildenden Oxidschicht positiv beeinflusst. Ab einem Anteil an Silizium von mehr als 1,3 Gew.-% tritt jedoch ein gegenläufiger Effekt ein. Durch Zugabe von Kupfer mit einem Anteil von 0,5 bis 1,0 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Elektrodenmaterials wird der elektrische Widerstand des Elektrodenmaterials weiter verringert, da die Kupferionen in das Nickeloxidgitter eingelagert werden, wodurch die elektrische Leitfähigkeit der sich bildenden Oxidschicht erhöht wird. Dieser Effekt ist bereits bei einem geringen Kupferanteil von 0,5 Gew.-% messbar. Der Anteil an Kupfer sollte jedoch 1 Gew.-% nicht übersteigen, da ansonsten eine ausreichende mechanische Festigkeit des Zündkerzenelektrodenmaterials nicht mehr ausreichend gewährleistet werden kann. Die Erfindung geht somit einen neuen Weg, da durch gezielte Wahl der Komponenten des Elektrodenmaterials, nämlich Nickel, Kupfer und Silizium, eine sich beim bestimmungsgemäßen Gebrauch bildende Oxidschicht optimiert wird, und nicht wie im Stand der Technik das Hauptaugenmerk auf eine möglichst hohe Korrosionsbeständigkeit gelegt wird.
- Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
- Mengenangaben der einzelnen Elemente und Verbindungen beziehen sich im Folgenden, soweit nicht anders angegeben, jeweils auf das Gesamtgewicht des Zündkerzenelektroden materials.
- Besonders bevorzugt weist das Zündkerzenelektrodenmaterial einen Gehalt an Silizium von 0,9 bis 1,1 Gew.-% und insbesondere von 1 Gew.-% und/oder einen Gehalt an Kupfer von 0,6 bis 0,85 Gew.-%, insbesondere von 0,75 Gew.-%, auf, wobei der Gehalt an Nickel etwa 97,5 bis 98,5 Gew.-%, beträgt. In diesen Anteilen führen die beigefügten Elemente zu einer besonders hohen Wärmeleitfähigkeit und elektrischen Leitfähigkeit der bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Zündkerze gebildeten Oxidschicht. Die sich bildende Oxidschicht ist ferner thermodynamisch und mechanisch ausreichend stabil, so dass auch der funkenerosive Verschleiß und die Korrosion des erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrodenmaterials wirksam reduziert werden.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich das erfindungsgemäße Zündkerzenelektrodenmaterial dadurch aus, dass es ferner 0,07 bis 0,13 Gew.-%, insbesondere 0,09 bis 0,11 Gew.-% und insbesondere 0,10 Gew.-% Yttrium enthält. Die Zugabe solch geringer Mengen an Yttrium verhindert ein abnormales Kornwachstum während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs einer Zündkerze, die das erfindungsgemäße Zündkerzenelektrodenmaterial aufweist. Der Yttriumgehalt kann beispielsweise durch einen niedrigen Sauerstoffgehalt der Legierung gezielt niedrig gehalten werden. Ab einem Anteil von Yttrium von mehr als 0,13 Gew.-% wird das Oxidationsverhalten und damit auch der elektrische Widerstand der sich bildenden Oxidschicht negativ beeinflusst.
- Besonders bevorzugt ist das Elektrodenmaterial im Wesentlichen frei von Aluminium und/oder Aluminiumverbindungen und/oder intermetallischen Phasen. Aluminium und dessen Verbindungen erniedrigen die elektrische Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials und der sich ausbildenden Oxidschicht und fördern somit den funkenerosiven Verschleiß des Elektrodenmaterials. Durch den Verzicht auf Aluminium wird das Oxidationsverhalten und insbesondre der elektrische Widerstand der sich ausbildenden Oxidschicht und damit das Erosionsverhalten des Zündkerzenelektrodenmaterials deutlich verbessert (messbar verbessert). Zudem wird die Umformbarkeit des Materials deutlich verbessert. Einen ähnlichen Effekt hat auch der Verzicht auf intermetallische Phasen, denn intermetallische Phasen liegen als Ausscheidungen in der Nickelmatrix vor und führen zu thermomechanischen Spannungen und einer Verminderung der Wärmeleitfähigkeit, wodurch der funkenerosive Verschleiß und die Korrosion des Elektrodenmaterials erhöht werden.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich das Zündkerzenelektrodenmaterial durch einen Anteil an metallischen Verunreinigungen aus, der in Summe weniger als 0,15 Gew.-% beträgt. Metallische Verunreinigungen umfassen dabei Elemente und Verbindungen wie beispielsweise Eisen, Titan, Chrom, Mangan und dergleichen. Solche Verunreinigungen vermindern den Effekt der Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit, wie er durch Beimengung von Silizium und Kupfer im angegebenen Bereich zu dem Nickelbasismaterial, erzielt wird. Zudem wird durch diese Verunreinigungen die Wärmeleitfähigkeit der Legierung vermindert.
- Besonders bevorzugt ist der Gehalt an Eisen und/oder Chrom und/oder Titan kleiner als 0,05 Gew.-%, insbesondere kleiner als 0,01 Gew.-%, da gerade diese Elemente die elektrische Leitfähigkeit der Oxidschicht nachteilig beeinflussen.
- Weiter bevorzugt ist der Gehalt an Schwefel und/oder Schwefelverbindungen und/oder Kohlenstoff und/oder Kohlenstoffverbindungen kleiner als 0,01 Gew.-%, insbesondere kleiner als 0,005 Gew.-% und insbesondere kleiner als 0,001 Gew.-%, da auch diese Elemente und Verbindungen sich negativ auf das Oxidationsverhalten der Legierung auswirken, insbesondere können sie zu einer verstärkten Korrosion des Elektrodenmaterials führen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der Gehalt an Sauerstoff im Zündkerzenelektrodenmaterial kleiner ist als 0,003 Gew.-%, insbesondere kleiner als 0,002 Gew.-%, da Sauerstoff die Oxidation nicht nur des Nickelmaterials, sondern auch etwaiger Verunreinigungen fördert, was wiederum zu einem erhöhten Verschleiß des Elektrodenmaterials beiträgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht das Zündkerzenelektrodenmaterial im Wesentlichen, also abgesehen von technisch bedingten, unvermeidbaren Verunreinigungen, aus 1 Gew.-% Silizium, 0,75 Gew.-% Kupfer und 0,1 Gew.-% Yttrium, wobei das restliche Material aus Nickel gebildet ist und ca. 98,15 Gew.-% ausmacht. Ein solches Elektrodenmaterial bildet bei bestimmungsgemäßem Gebrauch eine stabile, dünne und gleichförmige Oxidschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit von mehr als 10 W/mK und einem geringen elektrischen Widerstand, also einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, aus. Das Zündkerzenelektrodenmaterial weist damit einen reduzierten funkenerosiven Verschleiß und eine deutlich verminderte Korrosionsneigung auf und ist somit für den Dauergebrauch bei hohen Temperaturen bestens geeignet. - Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrodenmaterials, wobei das Verfahren die Schritte des Herstellens einer Nickelbasislegierung und Beimengens weiterer Elemente, wie Silizium, Kupfer und ggf. Yttrium, umfasst.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode, umfassend die Schritte: - Herstellen einer Nickelbasislegierung
- Beimengen weiterer Elemente
- Bilden einer Oxidschicht mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 6 W/mK, insbesondere von mindestens 8 W/mK und insbesondere von mindestens 10 W/mK und einem elektrischen Widerstand, der kleiner oder gleich ist als durch nachfolgende Gleichung definiert:
- wobei 0,6 ≤ a ≤ 0,8, insbesondere 0,7, ist,
- wobei 3,1 ≤ b ≤ 3,3, insbesondere 3,2, ist und
- wobei T die Temperatur in Kelvin, auf mindestens einem Teil der Oberfläche der Zündkerzenelektrode ist,
- Die Oxidschicht, die sich an der Oberfläche der erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode bildet, weist eine optimierte Struktur auf. Unter einer optimierten Struktur wird dabei verstanden, dass die Oxidschicht einen gleichmäßigen und stabilen Verbund aufweist und zudem relativ dünn und an der Oberfläche ebenmäßig ist im Vergleich zu sich auf herkömmlichen Elektroden bildenden Oxidschichten. Dies ermöglicht einen geringen elektrischen Widerstand der Oxidschicht an der Elektrodenoberfläche was eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit dieser Oxidschicht zur Folge hat. Zudem ist auch die Wärmeleitfähigkeit des Elektrodenmaterials erhöht. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Zündkerzenelektrode aus kostengünstigem Elektrodenmaterial bereitgestellt, die sich durch eine extrem hohe Temperaturbeständigkeit, einen deutlich reduzierten funkenerosiven Verschleiß, d.h. einen geringen Elektrodenabbrand, auszeichnet und eine hervorragende Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit aufweist. Die erfindungsgemäß hergestellte Zündkerzenelektrode ist somit auch bei hohen Temperaturen unter den extremen Bedingungen, wie sie im Brennraum eines Motors herrschen, stabil und verschleißresistent.
- Vorzugsweise ist die Oxidschicht durch bestimmungsgemäßen Gebrauch der Zündkerzenelektrode bildbar. Dies hat den Vorteil, dass die Zündkerzenelektrode vor ihrem Gebrauch beliebig lange gelagert werden kann, ohne eine qualitative Minderung zu erfahren und erst nach Inbetriebnahme durch Ausbildung der Oxidschicht "aktiviert" wird.
- Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Elektrode aus dem vorstehend beschriebenen Zündkerzenelektrodenmaterial, wobei die Elektrode als Mittelelektrode und/oder als Masseelektrode und diese sowohl mit als auch ohne Kern, vorzugsweise einem Kupferkern oder Silberkern in der Mittel- und/oder Masseelektrode verwendet werden kann.
- Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- Figur 1
- ein Diagramm, das den Verschleiß des erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrodenmaterials im Vergleich zu einem herkömmlichen Zündkerzenelektrodenmaterial pro Zündfunken zeigt
- Figur 2
- eine Zündkerze im Sinne der Erfindung umfassend eine Masseelektrode und eine Mittelelektrode, wobei die Mittelelektrode als Zweistoffelektrode und die Masseelektrode als Einstoffelektrode ausgebildet ist und
- Figur 3
- eine Zündkerze im Sinne der Erfindung umfassend eine Masseelektrode und eine Mittelelektrode, wobei die Mittelelektrode als Zweistoffelektrode und die Masseelektrode ebenfalls als Zweistoffelektrode ausgeführt ist.
-
Figur 1 ist ein Diagramm, das den Verschleiß in µm3/pro Funke, inklusive Standardabweichung, des erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrodenmaterials A im Vergleich zu einem herkömmlichen Zündkerzenelektrodenmaterial B, wie nachfolgend beschrieben, pro Zündfunken zeigt. - Das erfindungsgemäße Zündkerzenelektrodenmaterial A wies folgende Zusammensetzung auf:
- a) 1 Gew.-% Silizium,
- b) 0,75 Gew.-% Kupfer
- c) 0,1 Gew.-% Yttrium
- d) 0,002 Gew.-% Sauerstoff
- e) 0,001 Gew.-% Schwefel,
- f) 0,003 Gew.-% Kohlenstoff,
- Das herkömmliche Zündkerzenelektrodenmaterial B wies folgende Zusammensetzung auf:
- a) 1 Gew.-% Silizium,
- b) 1 Gew.-% Aluminium
- c) 0,2 Gew.-% Yttrium
- Beide Materialien A und B wurden einem Funkenerosionstest bei einer Elektrodentemperatur von 900 °C unter Luft, einem Druck von 7 bar und unter Zuhilfenahme von Zündspulen mit einem Anfangsfunkenstrom von 90 mA, unterzogen. Das Diagramm zeigt deutlich den erhöhten Verschleiß pro Zündfunke des herkömmlichen, Aluminium-haltigen Elektrodenmaterials B mit ca. 25 µm3/Funke, im Vergleich zu dem optimierten, erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrodenmaterial A mit ca. 18 µm3/Funke. Der deutlich geringere funkenerosive Verschleiß des erfindungsgemäßen Elektrodenmaterials A ist dabei auf die Bildung einer homogenen, relativ dünnen Oxidschicht mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit und geringem elektrischen Widerstand, also hoher elektrischer Leitfähigkeit, zurückzuführen.
-
Figur 2 zeigt eine Zündkerze 1 im Sinne der Erfindung, mit einer Mittelelektrode 2 und einer Masseelektrode 3, wobei sowohl die Mittelelektrode 2 als auch die Masseelektrode 3 aus dem erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrodenmaterial gebildet. Die Mittelelektrode 2 ist dabei als Zweistoffelektrode und die Masseelektrode 3 als Einstoffelektrode ausgebildet -
Figur 3 zeigt eine Zündkerze 1 im Sinne der Erfindung, mit einer Mittelelektrode 2 und einer Masseelektrode 3, wobei die Mittelelektrode 2 und ebenfalls die Masseelektrode 3 als Zweistoffelektrode, umfassend einen Elektrodenmantel 5 aus dem erfindungsgemäßen Zündkerzenelemtrodenmaterial und einen Elektrodenkern 4 aus einem Kernmaterial, vorzugsweise aus Kupfer, ausgebildet sind. - Erfindungsgemäß wird somit ein Zündkerzenelektrodenmaterial zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode oder allgemein einer Zündkerze, bereitgestellt, das sich aufgrund der Bildung einer Oxidschicht insbesondere bei bestimmungsgemäßem Gebrauch, durch einen geringen funkenerosiven Verschleiß und eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit bei minimierten Herstellkosten und ausreichender thermodynamischer wie mechanischer Stabilität, auszeichnet.
Claims (15)
- Zündkerzenelektrodenmaterial auf Basis einer Nickelbasislegierung bestehend aus0,7 bis 1,3 Gew.-% Silizium,0,5 bis 1,0 Gew.-% Kupfer und Rest Nickel und technisch bedingte, unvermeidbare Verunreinigungen, sowie optional:0,07 bis 0,13 Gew.-% Yttrium und/oderEisen und/oder Chrom und/oder Titan mit einem Gehalt kleiner als 0,05 Gew.-% und/oderSchwefel und/oder Schwefelverbindungen und/oder Kohlenstoff und/oder Kohlenstoffverbindungen mit einem Gehalt kleiner als 0,01 Gew.-% und/oderSauerstoff mit einem Gehalt kleiner als 0,003 Gew.-%.
- Zündkerzenelektrodenmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Silizium 0,9 bis 1,1 Gew.-%, insbesondere 1 Gew.-% und/oder der Gehalt an Kupfer 0,6 bis 0,85 Gew.-%, insbesondere 0,75 Gew.-%, und der Gehalt an Nickel 97,5 bis 98,5 Gew.-%, beträgt.
- Zündkerzenelektrodenmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner 0,09 bis 0,11 Gew.-% und insbesondere 0,10 Gew.-% Yttrium enthält.
- Zündkerzenelektrodenmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmaterial abgesehen von technisch bedingten, unvermeidbaren Verunreinigungen frei ist von Aluminium und/oder Aluminiumverbindungen und/oder intermetallischen Phasen.
- Zündkerzenelektrodenmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an metallischen Verunreinigungen in Summe weniger als 0,15 Gew.-% beträgt.
- Zündkerzenelektrodenmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Eisen und/oder Chrom und/oder Titan kleiner als 0,01 Gew.-% ist.
- Zündkerzenelektrodenmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Schwefel und/oder Schwefelverbindungen und/oder Kohlenstoff und/oder Kohlenstoffverbindungen kleiner als 0,005 Gew.-% und insbesondere kleiner als 0,001 Gew.-% ist.
- Zündkerzenelektrodenmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Sauerstoff kleiner als 0,002 Gew.-% ist.
- Zündkerzenelektrodenmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, abgesehen von technisch bedingten, unvermeidbaren Verunreinigungen bestehend aus:98,15 Gew.-% Nickel1 Gew.-% Silizium,0,75 Gew.-% Kupfer und0,1 Gew.-% Yttrium.
- Zündkerzenelektrodenmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, abgesehen von technisch bedingten, unvermeidbaren Verunreinigungen bestehend aus:0,7 bis 1,3 Gew.-%, insbesondere 1 Gew.-% Silizium,0,5 bis 1,0 Gew.-%, insbesondere 0,75 Gew.-% Kupfer0,07 bis 0,13 Gew.-%, insbesondere 0,1 Gew.-% Yttriumweniger als 0,003 Gew.-%, insbesondere weniger als 0,002 Gew.-% Sauerstoff0,001 Gew.-% Schwefel,0,003 Gew.-% Kohlenstoff,Rest: Nickelwobei der Anteil an metallischen Verunreinigungen in Summe weniger als 0,1 Gew.-% beträgt.
- Verfahren zur Herstellung eines Zündkerzenelektrodenmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfassend die Schritte:- Herstellen einer Nickelbasislegierung- Beimengen weiterer Elemente.
- Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode umfassend die Schritte:- Herstellen einer Nickelbasislegierung- Beimengen weiterer Elemente- Bilden einer Oxidschicht mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 6 W/mK, insbesondere von mindestens 8 W/mK und insbesondere von mindestens 10 W/mK und einem elektrischen Widerstand, der kleiner oder gleich ist als durch nachfolgende Gleichung definiert:wobei 0,6 ≤ a ≤ 0,8, insbesondere 0,7, ist,wobei 3,1 ≤ b ≤ 3,3, insbesondere 3,2, ist undwobei T die Temperatur in Kelvin, auf mindestens einem Teil der Oberfläche der Zündkerzenelektrode ist,wobei das Zündkerzenelektrodenmaterial vor Bildung der Oxidschicht aus dem Zündkerzenelektrodenmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 10 besteht.
- Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidschicht durch bestimmungsgemäßen Gebrauch der Zündkerzenelektrode bildbar ist.
- Zündkerze umfassend eine Elektrode aus einem Zündkerzenelektrodenmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
- Zündkerze nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode eine Mittelelektrode und/oder eine Masseelektrode ist und diese sowohl mit als auch ohne Kern, insbesondere einem Kupferkern, in der Mittel- und/oder Masseelektrode verwendet werden kann.
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