[0001] Die Erfindung betrifft eine rutheniumhaltige Metallegierung, die insbesondere zur
Verwendung als funkenerosionsbeständiger Elektrodenwerkstoff geeignet ist, sowie eine
Zündkerze mit dieser Legierung nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
[0002] Für Longlife- und Lifetime-Zündkerzen werden Elektroden aus funkenerosionsbeständigen
Werkstoffen benötigt. Voraussetzung für eine hohe Funkenerosionsbeständigkeit ist
dabei eine hohe Elektronenaustrittsarbeit, eine hohe Schmelz- und Verdampfungstemperatur,
sowie eine gute Oxidationsbeständigkeit des jeweiligen Materials. So wird insbesondere
bei Werkstoffen mit hoher Elektronenaustrittsarbeit, die in Zündkerzen eingesetzt
werden, bei der Nachentladung des Zündfunkens der Anteil der stark funkenerosiv wirkenden
Bogenentladung zugunsten des Anteils der für die Funkenerosion günstigeren Glimmentladung
verringert.
[0003] Aus EP 866 530 A1 ist ein Elektrodenwerkstoff in Form einer Metallegierung bekannt,
der sich besonders zur Verwendung in Zündkerzen eignet. Dieser Werkstoff ist eine
Metallegierung mit Iridium als Hauptbestandteil und weiteren Edelmetallen wie Rhodium,
Ruthenium oder Rhenium als Nebenbestandteile.
Vorteile der Erfindung
[0004] Die erfindungsgemäße Metallegierung und die erfindungsgemäße Zündkerze mit dieser
Metallegierung hat gegenüber Serienelektroden auf Nickel-Basis den Vorteil einer deutlich
höheren Funkenerosionsbeständigkeit.
[0005] Daneben zeigt die erfindungsgemäße Metallegierung eine an Elektrodenwerkstoffe bzw.
Legierungen auf Basis von Platin oder Iridium angenähert gute Funkenerosionsbeständigkeit
bei gleichzeitig hohen Kostenvorteilen. So ist insbesondere Ruthenium derzeit ca.
60 bis 70 % billiger als Iridium oder Platin.
[0006] Die erfindungsgemäße Metallegierung mit Ruthenium als Hauptbestandteil und einem
weiteren Edelmetall zeigt zudem eine gegenüber reinem Ruthenium deutlich verbesserte
Oxidationsbeständigkeit.
[0007] Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Metallegierung als Elektrodenmaterial in
einer Zündkerze, insbesondere im Bereich der Funkenstrecke, ergeben sich somit erhebliche
Kostenvorteile und Qualitätsvorteile hinsichtlich Langlebigkeit und Zündverhalten.
[0008] Weiter hat die erfindungsgemäße Zündkerze gegenüber üblichen Zündkerzen den Vorteil,
daß der Anteil der stark funkenerosiv wirkenden Bogenentladung zugunsten des Anteils
der günstigeren Glimmentladung deutlich verringert ist.
[0009] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen
genannten Maßnahmen.
[0010] So hat sich herausgestellt, daß die Oxidationsbeständigkeit der Metallegierung dann
besonders hoch ist, wenn diese aus 68 bis 92 Massenprozent Ruthenium und 8 bis 32
Massenprozent Rhodium besteht. Anstelle von Rhodium kann die Oxidationsbeständigkeit
jedoch auch durch die Zugabe von Rhenium, Iridium, Platin oder Palladium verbessert
werden.
[0011] Daneben ergibt sich bei Zugabe des derzeit ca. 20-fach teureren Rhodiums gegenüber
Ruthenium immer noch ein Kostenvorteil von 60 bis 70 % gegenüber den aus EP 866 530
Al bekannten Elektrodenwerkstoffen. Beispielsweise liegen die Materialkosten für eine
Ru90Rh10-Legierung um 70 % unter der bekannten Ir90Rh10-Legierung.
[0012] Im Fall der Legierung Ru84Rh16 ist besonders vorteilhaft, daß diese schon bei einem
hohem Funkenstrom, d.h. in einer frühen Phase der Nachentladung, einen Übergang von
der Bogen- zur Glimmentladung zeigt.
[0013] Dieser positive Effekt des frühen Übergangs von der Bogenzur Glimmentladung, der
sich insbesondere aufgrund der hohen Elektronenaustrittsarbeit der Legierungspartner
der erfindungsgemäßen Metallegierung ergibt, kann weiter durch konstruktive Maßnahmen,
beispielsweise die Vergrößerung der Kathoden- bzw. Elektrodenoberflächen im Bereich
der Funkenstrecke, weiter verbessert werden.
[0014] Da im motorischen Betrieb die Zündkerzenelektroden unvermeidbar stets einen bestimmten
Anteil der Funkenenergie aufnehmen, tritt in Zündkerzen je nach Betrag der aufgenommenen
Funkenenergie und den Schmelz- und Verdampfungstemperaturen der eingesetzten Elektrodenwerkstoffe
stets ein funkenerosiver Materialabtrag auf, indem die Elektroden in der Umgebung
der Funkenstrecken teilweise aufgeschmolzen und/oder verdampft werden. Auch von diesem
Standpunkt weist das Edelmetall Ruthenium mit einem hohen Schmelzpunkt von ca. 2310°C
günstige Voraussetzungen für eine Funkenerosionsbeständigkeit auf. Der Schmelzpunkt
von Platin liegt lediglich bei 1772°C, der von Nickel bei 1450°C.
[0015] Weiterhin ist vorteilhaft, daß die starke Oxidationsneigung von reinem Ruthenium,
die an Luft bereits bei Temperaturen oberhalb 600°C zur Bildung flüchtiger Oxide führt,
durch das Legieren mit den genannten Nebenbestandteilen erheblich reduziert wird,
so daß sich eine für die Praxis ausreichende Oxidationsbeständigkeit ergibt.
[0016] Die vorgeschlagenen Metallegierungen können im übrigen vorteilhaft sowohl schmelzmetallurgisch
als auch pulvermetallurgisch hergestellt werden. Im Fall des Einsatzes von schmelzmetallurgischen
Verfahren wird die Legierung beispielsweise aus Elementstücken oder Pulvermischungen,
die als Haufwerk oder Preßkörper vorliegen, erschmolzen. Das Aufschmelzen erfolgt
dabei vorteilhaft im Licht-, Induktions- oder Elektronenstrahlofen.
[0017] Wird ein pulvermetallurgisches Verfahren zum Herstellen der Metallegierung eingesetzt,
erfolgt dies vorteilhaft mittels Herstellung von zunächst gepreßten, dann gesinterten
und schließlich ggf. nachverdichteten Formkörpern.
[0018] Schließlich bieten sich zum Aufbringen der Metallegierung auf eine oder mehrere Elektroden
der Zündkerze verschiedene, jeweils an sich bekannte und technisch gut beherrschbare
Verbindungstechniken an. So kann die Metallegierung in Form eines Drahtes auf die
Elektroden der Zündkerze, insbesondere im Bereich bzw. der Umgebung der Funkenstrecken,
aufgebracht werden. Dies erfolgt beispielsweise durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen
oder Widerstandsschweißen, oder Löten.
[0019] Sofern die Metallegierung als Pulver, beispielsweise durch Mahlen aus schmelz- oder
pulvermetallurgisch hergestellten Legierungen oder durch Verdüsen einer Schmelze der
Legierung, vorliegt, können die Elektroden beispielsweise unter Einsatz eines Laserstrahls
oder eines Elektronenstrahls mit der erfindungsgemäßen Metallegierung beschichtet
werden, oder es erfolgt eine Aufbringung des Metallegierungspulvers durch Flamm- oder
Plasmaspritzen. Schließlich stehen auch vielfältige Möglichkeiten zur physikalischen
oder chemischen Abscheidung aus der Gasphase, beispielsweise mittels PVD oder CVD,
zur Verfügung.
[0020] Insgesamt zeigen die hergestellten Zündkerzen auf Basis des rutheniumhaltigen Werkstoffes
eine deutliche Verbesserung der Elektrodenstandzeit gegenüber Serienmaterialien auf
Nikkelbasis, sowie eine Annäherung an die Standzeiten von Elektroden auf Platinbasis.
Gleichzeitig haben sie demgegenüber deutliche Kostenvorteile.
Zeichnungen
[0021] Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
[0022] Es zeigt Figur 1 einen Schnitt durch den elektrodenseitigen Abschnitt einer Zündkerze
und Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 1 im Bereich der Funkenstrecke
der Zündkerze.
Ausführungsbeispiele
[0023] Es wird zunächst eine Metallegierung mit Ruthenium als Hauptbestandteil und Rhodium
als Nebenbestandteil aus Elementstücken erschmolzen. Anstelle von Rhodium als Nebenbestandteil
kann jedoch auch Iridium, Platin, Palladium, Rhenium oder eine Mischung aus diesen
Elementen eingesetzt werden. Der Anteil an Ruthenium beträgt mindestens 50 Massenprozent
in der Legierung. Weiter ist mindestens eines der obengenannten Metalle als Nebenbestandteil
in einem Anteil von mehr als 5 Massenprozent zugesetzt.
[0024] Als besonders geeignet hat sich eine Metallegierung herausgestellt, die 8 bis 32
Massenprozent Rhodium und 68 bis 92 Massenprozent Ruthenium aufweist. Besonders bevorzugt
ist hinsichtlich der Funkenerosionsbeständigkeit die Legierung Ru84Rhl6. Diese Legierung
zeigt einen Übergang von der Bogen- zur Glimmentladung schon bei besonders hohem Funkenstrom.
[0025] Neben der genannten Legierung Ru84Rh16 hat sich auch die Legierung Ru91Rh8Ir1 als
vorteilhaft erwiesen. Günstige Eigenschaften werden zudem bei der Legierung Ru75Rh24Ir1
oder Ru92Rh8 sowie Ru76Rh24 und Ru83Rh16Ir1 beobachtet.
[0026] Eine Zündkerze mit einer der vorstehend beschriebenen Metallegierungen auf Basis
von Ruthenium als Hauptbestandteil wird mit Hilfe der Figur 1 erläutert. Dabei sei
betont, daß eine derartige Zündkerze, abgesehen von der speziellen Metallegierung
als Elektrodenwerkstoff, prinzipiell beispielsweise bereits aus EP 0 866 530 A1 bekannt
ist. Daher soll auf eine detaillierte Erläuterung hier verzichtet werden. Details
sind der genannten Schrift zu entnehmen.
[0027] Im einzelnen ist in Figur 1 eine Zündkerze 10 dargestellt, die eine Metallhülle 11,
einen innerhalb der Metallhülle 11 konzentrisch geführten Isolator 12, und eine innerhalb
des Isolators 12 angeordnete Mittelelektrode 13 aufweist. Die Mittelelektrode 13 ist
dazu innerhalb des Isolators 12 von diesem bevorzugt über einen Hohlraum 16 beabstandet.
Die Metallhülle 11 steht in an sich bekannter Weise mit einer Massenelektrode 14 elektrisch
leitend in Verbindung.
[0028] Die Mittelelektrode 13 ist weiter im Bereich ihrer der Massenelektrode 14 zugewandten
Seite in Form einer Spitze 13' ausgebildet, an deren Ende sich ein erster Elektrodenbereich
31 befindet. Darüberhinaus ist vorgesehen, daß sich gegenüber dem ersten Elektrodenbereich
31 ein mit der Massenelektrode 14 verschweißter zweiter Elektrodenbereich 32 befindet.
Der erste Elektrodenbereich 31 und der zweite Elektrodenbereich 32 sind im erläuterten
Beispiel durch ein Laserschweißverfahren mit der Massenelektrode 14 bzw. der Mittelelektrode
13 verschweißt worden. Sie bestehen aus der Metallegierung Ru84Rh16. Neben Ru84Rh16
eignen sich jedoch auch die übrigen, vorstehend erläuterten erfindungsgemäßen Metallegierungen
zur Verwendung in dem Elektrodenbereich 31 bzw. 32.
[0029] Die Elektrodenbereiche 31 bzw. 32 sind im übrigen in an sich bekannter Weise elektrisch
isoliert beabstandet voneinander ausgeführt und definieren eine Funkenstrecke 40,
über der sich eine Funkenentladung einstellen kann.
[0030] In Figur 1 ist weiter dargestellt, daß die Metallhülle 11 mit einem Gewinde 17 versehen
ist, und daß der Isolator 12 im unteren, d.h. dem Elektrodenbereich 31 zugewandten
Bereich 21 gegenüber der Mittelelektrode 13 rückgesetzt ist, so daß die Mittelelektrode
13 aus dem Isolator 12 herausragt.
[0031] Die Figur 2 zeigt eine Ausschnittvergrößerung aus Figur 1 im Bereich der Funkenstrecke
40 im Schnitt. Dabei ist dargestellt, wie die Massenelektrode 14 mit dem zweiten Elektrodenbereich
32 aus der Metallegierung Ru84Rh16 verschweißt ist. Diese Verschweißung erfolgte in
den Schweißbereichen 50. Außerdem ist dargestellt, wie die Mittelelektrode 13 im Bereich
ihrer Spitze 13' mit dem ersten Elektrodenbereich 31 aus der Metallegierung Ru84Rh16
durch Verschweißen in dem Schweißbereich 50 verbunden ist.
1. Metallegierung, insbesondere zur Verwendung als funkenerosionsbeständiger Elektrodenwerkstoff,
mit Ruthenium als Hauptbestandteil und mindestens einem Metall, ausgewählt aus der
Gruppe Rhodium, Iridium, Platin, Palladium und Rhenium als Nebenbestandteil.
2. Metallegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Ruthenium
mindestens 50 Massenprozent beträgt.
3. Metallegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Metall
der Nebenbestandteile in einem Anteil von mehr als 5 Massenprozent zugesetzt ist.
4. Metallegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus 8 bis
32 Massenprozent Rhodium und 68 bis 92 Massenprozent Ruthenium besteht.
5. Metallegierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus 8 bis
18 Massenprozent Rhodium, insbesondere 16 Massenprozent Rhodium, und 82 bis 92 Massenprozent
Ruthenium, insbesondere 84 Massenprozent Ruthenium, besteht.
6. Metallegierung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß weiter mindestens
ein Metall, insbesondere ein Metall ausgewählt aus der Gruppe Iridium, Platin, Palladium
oder Rhenium, in einem Anteil von insgesamt bis zu 8 Massenprozent zugesetzt ist.
7. Zündkerze mit mindestens einer Elektrode (13, 14), die zumindest bereichsweise mindestens
einen Elektrodenbereich (31, 32) aufweist, der zumindest weitgehend aus der Metallegierung
nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 besteht.
8. Zündkerze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallegierung bereichsweise
zumindest im Bereich einer Spitze (13') einer Elektrode, insbesondere einer Mittelelektrode
(13), vorgesehen ist.
9. Zündkerze nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei, elektrisch
isoliert beabstandet, insbesondere gegenüber voneinander angeordnete Elektrodenbereiche
(31, 32) vorgesehen sind, die eine Funkenstrecke (40) bilden.