Mittelelektrode für Zündkerzen von Brennkraftmaschinen

Abstract

 Eine Mittelelektrode für Zündkerzen von Brennkraftma­schinen, welche einen Kern (7) aus einem gut wärmelei­tenden unedlen metallischen Werkstoff aufweist, der im Bereich der Zündspitze (6) mit einer Edelmetallumman­telung (8) versehen ist, welche aus Silber bzw. aus ei­ner Silberlegierung mit überwiegendem Silberanteil be­steht, soll in der Richtung verbessert werden, daß an der Grenzfläche zwischen Kernmaterial und Ummantelung keine Oxide bzw. niedrigschmelzende eutektische Legie­rungen auftreten. Das Kennzeichnende der Erfindung ist darin zu sehen, daß an der Grenzfläche zwischen Kernma­terial (7) und Ummantelung (8) mindestens eine sauerstoff­undurchlässige und/oder die Bildung eines Eutektikums zwischen Kernmaterial und dem Material der Ummantelung verhindernde Trennschicht (9) vorgesehen ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Mittelelektrode für Zünd­kerzen von Brennkraftmaschinen, welche einen Kern aus einem gut wärmeleitendem unedlen metallischen Werk­stoff aufweist, der im Bereich der Zündspitze mit ei­ner Edelmetallummantelung versehen ist, welche aus Silber bzw. aus einer Silberlegierung mit überwiegen­dem Silberanteil besteht.

[0002] An eine Zündkerzenmittelelektrode zur Verwendung in Brennkraftmaschinen werden folgende wesentliche Forde­rungen gestellt:

a) gute thermische und elektrische Leitfähigkeit,

b) hohe Korrosionsbeständigkeit,

c) thermische Beständigkeit bei Temperaturen ober­ halb von 800°C,

d) geringer Abbrand im Zündlichtbogen.

[0003] Diese Mehrzahl an Forderungen lassen sich am besten mit massiven Elektroden erfüllen, welche im Bereich der Zünd­spitze aus Edelmetallen bzw. deren Legierungen bestehen.

[0004] Eine Ausführung, bei der in einen Kupfermantel eine Zünd­spitze aus Platin oder einem anderen Edelmetall einge­setzt ist, beschreibt u.a. die US-PS 2 783 409. Wegen des hohen Preises der Edelmetalle war bisher ein wirtschaft­licher Einsatz in der Massenfertigung von Mittelelektroden nicht möglich, und die Anwendung wurde auf Sonderfälle be­schränkt.

[0005] In der Reihe der Edelmetalle erscheint Silber besonders brauchbar, weil es in dem geforderten Temperaturbereich oxidationsbeständig ist und relativ kostengünstig einge­setzt werden kann. Eine Zündspitze aus Silber konnte bisher nicht in zufriedenstellender Weise mit einem gut wärmeleiten­dem unedlen metallischen Kernwerkstoff insbesondere mit Kupfer kombiniert werden. Die Ursache hierfür liegt darin, daß Silber bei höheren Temperaturen eine hohe Sauerstoff­löslichkeit aufweist. Die hohe Sauerstofflöslichkeit bewirkt, daß bereits nach kurzen Betriebszeiten der Elektro­de der Sauerstoff durch das Silber hindurchdiffundiert und auf den unter dem Silber liegenden unedlen Kern trifft, wo­durch dieser an der Grenzfläche oxidiert wird. Eine solche Oxidationsschicht zerstört jedoch die gut wärmeleitende me­tallische Verbindung zwischen Silber und Kernwerkstoff und setzt den Wärmeübergang wesentlich herab. Außerdem besteht die Gefahr, daß die durch die Oxidation bewirkte Volumen­vergrößerung des Kernmaterials zu einer Ausdehnung des um­hüllenden Silbermantels und zu einer damit verbundenen Riß­bildung des keramischen Isolierkörpers führt.

[0006] Ein weiterer Grund dafür, die an sich naheliegende Kombi­nation Silbermantel/Kupferkern bisher nicht einzusetzen, liegt darin, daß an der Grenzfläche ein relativ niedrig schmelzendes Ag/Cu-Eutektikum entsteht. Die Schmelzpunkte von Silber mit 961°C und Kupfer mit 1083°C liegen zwar hoch genug um eine Zerstörung durch Aufschmelzen auszuschließen. In der Grenzschicht bildet sich jedoch das Ag/Cu-Eutektikum, welches aus 72% Silber und 28% Kupfer besteht, und dessen Schmelzpunkt nur bei 780°C liegt. Damit können bei Betriebs­temperaturen der Mittelelektrode Aufschmelzungen im Bereich der Grenzschicht auftreten, welche eine baldige Zerstörung der Elektrode herbeiführen.

[0007] Aus den genannten Gründen sind bisher als Mittelelektroden für Zündkerzen lediglich massive Elektroden aus reinem Sil­ber bzw. aus dispersionsgehärtetem Silber eingesetzt worden, bei denen die Verbindungszone mit dem Mittelelektrodenteil außerhalb des Bereiches hoher Wärmebelastung liegt. Die Vor­teile der Silberelektroden bestehen vor allem in der hervor­ragenden Abbrandfestigkeit und Resistenz gegen che­mische Angriffe, so daß eine hohe Lebensdauer erzielt werden kann. Außerdem lassen sich gute Breitbandeigenschaften hin­sichtlich des Wärmewertspektrums und damit des Einsatzbe­reiches der Zündkerze erreichen.

[0008] Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine Mit­telelektrode für Zündkerzen von Brennkraftmaschinen zu schaffen, bei der die günstigen Eigenschaften der Silberum­mantelung eines Kerns aus einem gut wärmeleitendem unedlen metallenen Werkstoff voll ausgenutzt werden können, ohne daß im Bereich der Grenzschicht eine Oxidbildung bzw. die Bildung eines Eutektikums auftritt.

[0009] Das Kennzeichnende der Erfindung ist darin zu sehen, daß an der Grenzfläche zwischen Kernmaterial und Ummantelung mindestens eine sauerstoffundurchlässige und/oder die Bil­dung eines Eutektikums zwischen Kernmaterial und dem Ma­terial der Ummantelung verhindernde Trennschicht vorgesehen ist.

[0010] Obwohl bei manchen Werkstoffkombinationen die Bildung des Eutektikums gegenüber der Oxidbildung geringere Bedeutung besitzt und umgekehrt, so daß die Wirkung der Trennschicht auf die Vermeidung der Bildung eines Eutektikums bzw. auf die Unterbindung des Sauerstoffdurchtritts beschränkt werden kann, erscheint es in den meisten Fällen praktischer Anwen­dung erforderlich, sowohl die Oxidbildung im Bereich der Grenzschicht, als auch die Bildung eines Eutektikums durch eine gemeinsame oder mehrere kombinierte Trennschichten zu vermeiden. Die Trennschicht bzw.-Schichten, deren Dicke vor­zugsweise unterhalb von 50 µm liegen kann, läßt sich dabei sowohl als Überzug des Kernmaterials, als auch als Auflage an der Innenseite der Ummantelung oder in beiderseitiger An­bringung vorsehen.

[0011] Durch diese Ausbildung einer oder mehrerer Trennschichten wird die Herstellung einer Kupfer-Silberverbundelektrode ermöglicht, wodurch gegenüber der bisher bekannten massiven Silbermittelelektrode eine Reduzierung des Edelmetallein­satzes um wenigstens 50 % erreichbar ist.

[0012] Bevorzugt wird dabei als Kernmaterial Kupfer und als Material der Ummantelung Silber verwendet. Es sind jedoch gegebe­ nenfalls auch andere Kombinationen zwischen gut wärme­leitenden unedlen metallischen Werkstoffen bzw. Legie­rungen als Kernmaterial und Silber oder Silberlegierungen mit überwiegendem Silberanteil vorteilhaft verwendbar.

[0013] Zweckmäßig erscheint eine Ausbildung, bei der eine sauer­stoffundurchlässige Trennschicht mit einer weiteren zweck­mäßig unmittelbar auf die Kernoberfläche aufgebrachten Trennschicht zur Verhinderung der Bildung eines Eutektikums kombiniert ist.

[0014] Die Silberummantelung der Elektrode kann gegebenenfalls vorteilhaft Legierungszusätze, z.B. aus Zinn oder Aluminium, enthalten, welche die Sauerstoffdurchlässigkeit des Silbers herabsetzen. Bei genügender Wirksamkeit kann gegebenenfalls auf die Ausbildung einer speziellen Trennschicht, welche den Sauerstoffdurchtritt verhindert, verzichtet werden. Allerdings ergeben die meisten Silberlegierungen mit verminderter Sauer­stofflöslichkeit auch eine verminderte Wärmeleitfähigkeit, wo­durch der Einsatzbereich für den angegebenen Zweck einge­schränkt wird. Besonders vorteilhaft erscheint der Einsatz sauerstoffundurchlässiger Silberlegierungen mit hoher Wär­meleitfähigkeit, vorzugsweise von AgSi-Legierungen mit einem Siliziumgehalt von 0,05 bis 0,3 Gew.%. Die Trennschicht zur Verhinderung der Bildung eines Eutektikums kann vorteilhaft aus Tantal, Eisen, Nickel bzw. Legierungen dieser Werkstoffe oder aus einer AgSn-Legierung bestehen.

[0015] Eine zweckmäßige Ausführung kann vorsehen, daß an der Grenz­fläche zwischen Kernmaterial und Ummantelung nur eine einzi­ge sauerstoffundurchlässige und die Interdiffusion von Kern­material und Material der Ummantelung verhindernde Schicht angeordnet ist. Hierfür eignet sich vorzugsweise Platin.

[0016] Überraschend hat es sich gezeigt, daß auch AuNi-Legie­rungen als einzige Trennschicht zur Verhinderung des Sauerstoffdurchtritts und der Interdiffusion zwischen Kernmaterial und Ummantelung vorteilhaft eingesetzt wer­den können.

[0017] Durch die Anwendung der Merkmale der Erfindung wird eine Mittelelektrode für Zündkerzen geschaffen, in der eine die Zündspitze bildende Edelmetallummantelung aus Silber oder einer Legierung mit überwiegendem Silberanteil dauer­haft mit einem Kern aus unedlem Metall verbunden werden kann, ohne daß die Gefahr der Zerstörung im Bereich der Grenzschicht eintritt.

[0018] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungs­beispielen erläutert, aus denen sich weitere Erfindungsmerkmale ergeben; es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Zündkerze,

Fig. 2 einen vergrößerten Längsschnitt durch die Zündspitze bei der Zündkerze nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt wie in Fig. 2 bei einer alter­nativen Ausführungsform.

[0019] In der Darstellung von Fig. 1 erkennt man eine Zündkerze, bei der in einen Isolierkörper 1 eine Mittelelektrode 2 ein­gesetzt ist. Der Isolierkörper 1 steht mit einem metallischen Einschraubteil 3 in Verbindung, welcher am vorderen Ende eines Gewindeabschnitts 4 eine Masseelektrode 5 aufweist.

[0020] Im Bereich der Zündspitze 6 der Mittelelektrode ist ein Kern 7 aus Kupfer, wie in Fig. 2 erkennbar, mit einer Edel­ metallummantelung 8 aus Silber, umkleidet. An der Grenz­fläche zwischen dem Kupferkern 7 und der Silberummante­lung 8 befindet sich als Trennschicht eine Platinschicht 9 von etwa 20 µm Dicke, die sowohl den Sauerstoffdurchtritt von der Silberummantelung nach dem Kernmaterial, als auch die Bildung eines Eutektikums zwischen dem Kernmaterial und dem Material der Ummantelung verhindert.

[0021] Die Ummantelung des Kernmaterials kann in verschiedenen bekannten Bearbeitungsverfahren, beispielsweise durch Tief­ziehen und gemeinsame Fließpreßumformung durchgeführt wer­den. Dabei können sich verschiedene Formgestaltungen an der Grenzfläche zwischen Kern und der Silberummantelung ergeben.

[0022] Eine vorteilhafte Ausbildung, bei der sich die Silberumman­telung von der Zündspitze aufwärts verjüngt, ist in Fig. 3 dargestellt. Diese Formgestaltung ergibt eine zusätzliche Einsparung des Edelmetalls.

[0023] Anstelle der gezeigten einen Trennschicht 9 können auch mehrere Trennschichten unterschiedlicher Zusammensetzung angewendet werden.

Ansprüche

1. Mittelelektrode für Zündkerzen von Brennkraftma­schinen, welche einen Kern aus einem gut wärme­leitendem unedlen metallischen Werkstoff aufweist, der im Bereich der Zündspitze mit einer Edelmetall­ummantelung versehen ist, welche aus Silber bzw. aus einer Silberlegierung mit überwiegendem Silber­anteil besteht, dadurch gekenn­zeichnet, daß an der Grenzfläche zwischen Kernmaterial (7) und Ummantelung (8) mindestens eine sauerstoffundurchlässige und/oder die Bildung eines Eutektikums zwischen Kernmaterial und dem Material der Ummantelung verhindernde Trennschicht (9) vorgesehen ist.

2. Mittelelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine sauer­stoffundurchlässige Trennschicht mit mindestens einer weiteren Trennschicht zur Verhinderung der Bildung eines Eutektikums kombiniert ist.

3. Mittelelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung Legierungszusätze enthält, welche die Sauerstoff­löslichkeit des Silbers aufheben bzw. herabsetzen.

4. Mittelelektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung aus einer AgSi-Legierung mit einem Silizium-Gehalt von 0,05 - 0,3 Gew.% besteht.

5. Mittelelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht zur Verhinderung der Bildung eines Eutektikums aus Tantal besteht.

6. Mittelelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht zur Verhinderung der Bildung eines Eutektikums aus Eisen besteht.

7. Mittelelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht zur Verhinderung der Bildung eines Eutektikums aus Nickel besteht.

8. Mittelelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht zur Verhinderung der Bildung eines Eutektikums aus einer AgSn-Legierung besteht.

9. Mittelelektrode nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß als Trennschicht (9) eine einzige sauerstoffundurchlässige und die Interdiffusion von Kernmaterial (7) und Material der Ummantelung (8) verhindernde Schicht (9) vorgesehen ist.

10. Mittelelektrode nach Anspruch 9, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Trennschicht (9) aus Platin besteht.

11. Mittelelektrode nach Anspruch 9, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Trennschicht (9) aus einer AuNi-Legierung besteht.

12. Mittelelektrode nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Dicke der einzelnen Trennschicht (9) unterhalb von 50 µm liegt.

13. Mittelelektrode nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß sich der Querschnitt der Silberummantelung mit zunehmendem Abstand von der Zünd­spitze verringert.

14. Mittelelektrode nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß das Kernmaterial aus Kupfer besteht.

Zeichnung