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Dokumentenidentifikation DE69904943T2 02.10.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 1099285
Titel VERSCHLEISSBESTÄNDIGER ZÜNDKERZENELEKTRODETIP MIT PLATINUM LEGIERUNGEN, ZÜNDKERZE MIT DIESEM VERSCHLEISSBESTÄNDIGEN TIP UND SEIN HERSTELLUNGSVERFAHREN
Anmelder AlliedSignal Inc., Morristown, N.J., US
Erfinder CHANG, Chin-Fong, Morris Plains, US;
TAYLOR, Dale, Richard, Findlay, US;
FRANZ, Randall, Lee, Findlay, US;
LEONE, Arnold, Edgar, Randolph, US;
KOZLOV, Segeevich, Alexandre, Wharton, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69904943
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 13.07.1999
EP-Aktenzeichen 999339484
WO-Anmeldetag 13.07.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/US99/15770
WO-Veröffentlichungsnummer 0000003463
WO-Veröffentlichungsdatum 20.01.2000
EP-Offenlegungsdatum 16.05.2001
EP date of grant 15.01.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.10.2003
IPC-Hauptklasse H01T 13/39
IPC-Nebenklasse H01T 21/02   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung 1. Feld der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Zündkerzen, die in Verbrennungskraftmaschinen verwendet werden. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf verschleißfeste Elektrodenspitzen für Zündkerzen und auf Zündkerzen, die solche verschleißfeste Spitzen enthalten.

2. Beschreibung des bisherigen Stands der Technik

Zündkerzen werden in großem Umfang verwendet, um Treibstoff in Verbrennungskraftmaschinen zu zünden. Dabei sind die Elektroden von Zündkerzen einer intensiven Hitze und einer hochgradig korrodierenden Umgebung ausgesetzt, die durch das explodierende Gemisch aus Luft und Treibstoff erzeugt wird. Um die Haltbarkeit und die Abbrandfestigkeit zu verbessern, müssen Zündkerzenelektrodenspitzen in der Lage sein, der hohen Temperatur und der korrodierenden Umgebung standzuhalten, die aus den chemischen Reaktionsprodukten zwischen Luft, Treibstoff und Treibstoffzusätzen innerhalb einer Verbrennungskammer resultiert.

SAEJ312 beschreibt die Spezifikation für Kraftfahrzeugbenzin, das in den Vereinigten Staaten als ein Treibstoff verwendet wird. Das Benzin besteht aus Gemischen von Kohlenwasserstoffen, die Erdölderivate sind: 50-80 Prozent gesättigte Kohlenwasserstoffe, 0-15 Prozent Olefine und 15-40 Prozent aromatische Kohlenwasserstoffe. Verbleites Benzin enthält ungefähr 0,026 g Pb/Liter (0,10 Gramm Blei pro Gallone Treibstoff) und 0,15 Prozent Schwefel. In unverbleitem Benzin sind ungefähr 0,013 g Pb/l (0,05 Gramm Blei pro Gallone), 0,1 Prozent Schwefel und 0,0013 g P/Liter (0,005 g Phosphor pro Gallone) enthalten.

Darüber hinaus gibt es eine Reihe von Zusätzen, die aus verschiedenen Gründen dem Benzin beigemischt werden. Zum Beispiel werden Tetramethylblei (TML) und Tetraethylblei (TEL) als Antiklopfmittel hinzugefügt. Karbonsäureverbindungen wie beispielsweise Essigsäure werden als Bleistreckungsmittel hinzugefügt. Aromatische Amine und Phenole werden als Antioxidantien hinzugefügt. Organische Brom- und/oder Chlorverbindungen werden als Spülmittel und Modifikationsmittel für Abscheidungen hinzugefügt. Phosphore und Bor enthaltende Verbindungen werden hinzugefügt, um die Glühzündung und die Vorzündung zu reduzieren, sowie als Motorspülmittel. Metalldeaktivierungsmittel werden hinzugefügt, um die o-xidative Verschlechterung des Treibstoffs durch Metalle wie beispielsweise Cu, Co, V, Mn, Fe, Cr und Pb zu reduzieren. Weiterhin werden Karbonsäuren, Alkohole, Amine, Sulfonate und Phosphorsäuresalze von Aminen als rostverhindernde Zusätze verwendet.

Die Herstellung von Elektroden aus Kupfer (Cu) und Nickel (Ni) für Zündkerzen ist eine bewährte Technik und wird in verschiedenen Weisen durchgeführt. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent 3,803,892 eine Methode zur Herstellung von extrudierten Kupfer- und Nickelelektroden aus einer ebenen Platte der zwei Materialien. Das US-Patent 3,548,472 offenbart ein Verfahren der Kaltumformung einer äußeren, tassen- förmigen Hülse aus Nickel in mehreren Schritten, wobei ein Stück Kupferdraht in die Tasse eingeführt und die zwei Materialen dann leicht zusammengepresst werden. Das US-Patent 3,857,145 offenbart einen Prozess zur Fertigung einer Zündkerzen-Mittelelektrode, bei dem ein zentraler Kupferkern in ein Nickelelement eingeführt und an diesem durch ein Kragenteil befestigt wird, um sicherzustellen, dass ein Pfad für den Elektrizitätsfluss hergestellt wird.

US-A-3548239, welches den am nächsten liegenden Stand der vorherigen Technik repräsentieren dürfte, offenbart eine Zündkerze mit einer Konfiguration, die so ausgelegt ist, dass sie die Befestigung einer Elektrodenspitze, welche aus Iridium, Platin, Wolfram, Molybdän, Ruthenium, Rhodium oder aus einer Legierung dieser Metalle gebildet ist, an einer Elektrode verbessert. Die Zündkerze umfasst einen Isolierkörper, in dem eine zentrale Elektrode montiert ist, und verwendet eine Kappe aus einem korrosionsbeständigen Material, um die Zündkerzenspitze an dem Körper der Elektrode zu befestigen.

Eine (thorhaltige) Legierung aus Platin und 4% Wolfram wurde ursprünglich von der INCO in den Jahren 1939-1940 für Zündkerzenelektroden in Flugzeugmotoren entwickelt, um Platin-Iridium-Legierungen zu ersetzen, da eine weltweite Knappheit an Iridium herrschte.

Die Verwendung bestimmter Typen von aufgeschweißten Zündkerzenelektrodenspitzen, die verschleißfester als der Körper der Elektrode sind, ist ebenfalls bekannt. Einige dieser bekannten, aufgeschweißten Zündkerzenelektrodenspitzen werden zum Beispiel in den US- Patenten Nr. 4,810,220, 4,840,594 und 5,456,624 offenbart.

Obwohl die Verwendung von verschleißfesten Zündkerzenelektrodenspitzen bekannt ist, besteht in der Technik dennoch ein Bedarf an einer Zündkerzenelektrodenspitze, die aus einer verbesserten Zusammensetzung mit qualitativ höheren Eigenschaften bezüglich der Verschleißfestigkeit besteht.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung liefert eine verbesserte, verschleißfeste Elektrodenspitze nach Anspruch 10 für eine Zündkerze und eine Zündkerze, in der die verschleißfeste Spitze nach Anspruch 9 eingefügt ist, sowie ein Verfahren, um diese Zündkerze nach Anspruch 10, herzustellen. Die verbesserte Spitze gemäß der Erfindung besteht aus einer Legierung aus Platin, Iridium und Wolfram. Überraschenderweise wird durch die Zugabe einer kleinen Menge von Wolfram (z. B. 0,5%-5%) zu der Platin-Iridium-Legierung die Leistung einer resultierenden Zündkerze mit einer Elektrodenspitze, die aus dieser Dreistofflegierung hergestellt wird, in Verbrennungskraftmaschinen, die entweder verbleiten oder unverbleiten Treibstoff verbrennen, sehr stark gegenüber den vorher bekannten Zündkerzen verbessert. Die Legierungen, die in der vorliegenden Spezifikation offenbart werden, zeichnen sich durch eine hervorragende Bearbeitbarkeit und Schweißbarkeit aus und können in derzeitigen Fertigungsprozessen verwendet werden.

Die Zündkerzenelektrodenspitze gemäß der Erfindung umfasst entweder ein kugelförmiges oder ein nietförmiges Element.

Während der Herstellung wird die Zündkerzenelektrodenspitze in einem Temperofen bei einer Temperatur innerhalb eines Bereichs zwischen 900 und 1.400ºC getempert. Der Temperofen wird vorzugsweise entweder mit einem Inertgas wie beispielsweise Argon oder Stickstoff beschickt oder einem Vakuum ausgesetzt. Die Zündkerzenelektrodenspitze bleibt während eines Zeitraums, der innerhalb des Bereichs von 5 bis 15 Minuten liegt, in dem Ofen. Dadurch wird eine Elektrodenspitze mit einer feinkörnigen Mikrostruktur erzeugt.

Die Elektrodenspitze der Erfindung wird wahlweise zusätzlich außen mit Platin oder einer verträglichen Haftmetalllegierung überzogen, wobei der Überzug eine Dicke von 8 Mikrometer bis 15 Mikrometer und am bevorzugtesten 10-12 Mikrometer hat, bevor sie an der Elektrode befestigt wird. Dieser Überzug kann durch eine chemische Tauchabscheidung aufgebracht werden. In der bevorzugtesten Ausführungsform der Erfindung wird der Überzug in drei Schritten aufgebracht, von denen jeder mit einem Temperschritt abwechselt.

Nach dem Tempern und gegebenenfalls dem Aufbringen des äußeren Überzugs lässt man die Zündkerzenelektrodenspitze auf oder nahe an die Zimmertemperatur abkühlen und platziert sie dann in eine Schweißhalterung. Die Spitze wird dann in Bezug auf eine Zündkerzenelektrode ausgerichtet und durch Widerstandsschweißen auf dieser befestigt. Ähnliche Prozeduren werden vorzugsweise sowohl für die Mittelelektrode als auch für die Seiten- bzw. Masseelektrode der Zündkerze durchgeführt.

Die getemperten Zündkerzenelektrodenspitzen, welche die neuartigen Legierungen gemäß der Erfindung verwenden, haben eine hohe Festigkeit gegenüber Angriffen durch Blei und andere korrodierende Elemente, die in der Regel in den Verbrennungskammern von Verbrennungskraftmaschinen vorhanden sind.

Eine Zündkerze, welche die Elektrodenspitze gemäß der Erfindung enthält, hat eine lange Lebensdauer von bis zu 278.000 km (150.000 Meilen), oder mehr. Der Zündkerzenspalt, der zwischen den zwei Elektroden der Zündkerze gebildet wird, bleibt während der Lebensdauer der Zündkerze im Wesentlichen konstant, weil die verschleißfesten Teile der Spitze bei jeder der Elektroden, zwischen denen der Zündfunke verläuft, durch die Gase, die in den Verbrennungskammern von Verbrennungskraftmaschinen produziert werden, im Wesentlichen unbeeinträchtigt bleiben.

Dementsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Zündkerzenelektrodenspitze bereitzustellen, die sich durch eine verbesserte Verschleißfestigkeit im Vergleich zu vorher bekannten Elektrodenspitzen auszeichnet.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verschleißfeste Zündkerze bereitzustellen, in der die Elektrodenspitze gemäß der Erfindung enthalten ist.

Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verschleißfeste Zündkerze bereitzustellen, die für eine längere Periode von bis zu 180.000 km (100.000 Meilen) und mehr in einem Fahrzeug verwendbar ist.

Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer verschleißfesten Zündkerze bereitzustellen.

Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung wird der Leser auf den folgenden Abschnitt mit der ausführlichen Beschreibung hingewiesen, der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden sollte. In der gesamten, vorliegenden Spezifikation und in den Ansprüchen sind alle Verweise auf Prozente so beabsichtigt, dass sie Gewichtsprozente bedeuten sollen, sofern nichts anderes angegeben ist. In der gesamten ausführlichen Beschreibung, die nun folgt, und in den Zeichnungen verweisen gleiche Nummern auf gleiche Teile.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Abb. 1 ist eine Seitenansicht einer Zündkerze in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, die ein getempertes Spitzenelement jeweils an der Mittelelektrode und an der Seitenelektrode gemäß der Erfindung enthält;

Abb. 2 ist eine Seitenansicht einer aus einer Platinlegierung bestehenden Kugel, bevor diese auf eine Elektrode der Zündkerze geschweißt wird;

Abb. 3 ist eine Seitenansicht eines aus einer Platinlegierung bestehenden Niets in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bevor dieser auf eine Elektrode der Zündkerze geschweißt wird;

Abb. 4 ist ein Flussdiagramm der Schritte, die durchlaufen werden, um auf dem Spitzenelement einen Überzug aufzubringen, dieses einer Wärmebehandlung zu unterziehen und es auf einer Elektrode einer Zündkerze zu befestigen;

Abb. 5 ist eine vereinfachte Zeichnung eines Schweißwerkzeugs, das verwendet wird, um das Spitzenelement durch Widerstandsschweißen auf die Mittelelektrode der Zündkerze zu schweißen, wobei das Spitzenelement aus einem Niet besteht und die Zündkerzenelektrode im Querschnitt dargestellt ist;

Abb. 6 ist eine vereinfachte Seitenansicht teilweise im Querschnitt - eines Schweißwerkzeugs, das verwendet wird, um das Spitzenelement durch Widerstandsschweißen auf die Mittelelektrode der Zündkerze zu schweißen, wobei das Spitzenelement aus einer Kugel besteht; und

Abb. 7 ist eine vergleichende, graphische Darstellung der Längenänderung von Musterzündkerzenelektroden, die aus unterschiedlichen Legierungen gefertigt sind, in einem Testmotor über einen Zeitraum von 300 Stunden von standardisierten Tests auf dem Prüfstand.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Unter Bezugnahme auf die Abb. 1 ist jetzt eine Zündkerze 10 einschließlich eines ringförmigen Metallkörpers 12, auf dem Gewindegänge 14 ausgebildet sind, dargestellt, weiterhin eine Mittelelektrode 16 mit einem hinzugefügten Spitzenelement 18, ein Isolierkörper 20 und eine Seiten- bzw. Masseelektrode 22. Die Mittelelektrode 16 ist innerhalb des Isolierkörpers 20 angeordnet, der wiederum innerhalb des Metallkörpers 12 angeordnet ist. Wie wohl bekannt ist, ist es wünschenswert, den Abstand zwischen dem Spitzenelement 18 und der Seitenelektrode 22, der im Folgenden als Spalt 24 bezeichnet wird, während der Lebensdauer der Zündkerze 10 konstant zu halten.

Das Spitzenelement 18 ist bisher aus Platin (Pt) gefertigt worden, von dem sich herausgestellt hat, dass es in Abhängigkeit von der Zeit eine gute Abbrandfestigkeit in der Gegenwart von Verbrennungsprodukten in einer Verbrennungskammer einer Verbrennungskraftmaschine liefert. Nichtsdestoweniger ist das aus Platin bestehende Spitzenelement 18, das in der Abb. 1 in der Form einer Kugel dargestellt ist, gegenüber Angriffen durch Blei anfällig, das in einigen Treibstoffen, die immer noch in Verbindung mit Verbrennungskraftmaschinen verwendet werden, vorhanden ist. Der Abbrand und die Verschlechterung des Spitzenelements 18 können dazu führen, dass der Spalt 24 sich allmählich erweitert und damit den Zündfunken, den die Zündkerze 10 erzeugt, abschwächt.

Es hat sich herausgestellt, dass Iridium (Ir), das mit Platin in einer Legierung kombiniert wird, dessen Verschleißfestigkeitseigenschaften erhöht.

Überraschenderweise hat man herausgefunden, dass durch die Zugabe einer kleinen Menge von Wolfram (0,5%-5%) zu einer Platin-Iridium-Legierung die Leistung einer resultierenden Zündkerze mit einer Elektrodenspitze, die aus dieser Dreistofflegierung hergestellt wird, in Verbrennungskraftmaschinen, die entweder verbleiten oder unverbleiten Treibstoff verbrennen, sehr stark gegenüber den vorher bekannten Zündkerzen verbessert wird. Insbesondere wird die Verschleißfestigkeit dieser Dreistofflegierung signifikant verbessert.

In den verbesserten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Spitzenelement aus einem der folgenden Legierungen bestehen:

(a) von 75 Prozent bis 86 Prozent Platin, von 12 Prozent bis 20 Prozent Iridium und von 1/2 Prozent bis 5 Prozent Wolfram; oder

(b) von 76 Prozent bis 85 Prozent Platin, von 14 Prozent bis 20 Prozent Iridium und von 1/2 Prozent bis 4 Prozent Wolfram; oder

(c) von 80 Prozent bis 84 Prozent Platin, von 16 Prozent bis 20 Prozent Iridium und von 1/2 Prozent bis 2 Prozent Wolfram; oder

(d) ungefähr 81 Prozent Pt, ungefähr 18 Prozent Ir und ungefähr 1 Prozent W; oder

(e) ungefähr 81 Prozent Pt, ungefähr 15 Prozent Ir und ungefähr 4 Prozent W.

Es sei ebenfalls darauf hingewiesen, dass die Menge des Iridiums, des Platins und des Wolframs erheblich variieren kann und dass die hierin angegebenen Prozentsätze, wenn dies gewünscht ist, variiert werden könnten.

Unter Bezugnahme auf die Abb. 2 und 3 sind jetzt zwei Ausführungsformen der Elektrodenspitze 18 gemäß der Erfindung dargestellt. Abb. 2 zeigt die Elektrodenspitze in der Form einer Kugel 18a, die einen äußeren Überzug 26 aus einem Haftmetall hat, welches vorzugsweise Platin ist. Der Durchmesser der Kugel 18a kann beträchtlich variieren, liegt aber vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 381 Mikrometer bis 1,14 mm (0,015-0,045 Zoll) und noch bevorzugter bei ungefähr 760 Mikrometer (0,030 Zoll).

Abb. 3 zeigt das Bauelement der Elektrodenspitze in der Form eines Niets 18b. Der Niet 18b umfasst einen Kopf 28 mit einer kontinuierlich verlaufenden, halbkugelförmigen äußeren Oberfläche 30 und ein ebenes Teilstück 32. Ein im Allgemeinen zylindrischer Schaft 33 erstreckt sich von dem ebenen Teilstück 32 und hat eine, im Allgemeinen abgeflachte Basis 34.

Unter Bezugnahme auf die Abb. 4 zeigt ein Flussdiagramm 38 jetzt die Schritte, die bei der Wärmebehandlung und dem Schweißen des Spitzenelements 18 an die Elektrode 16 durchgeführt werden. Zu Anfang fertigt man ein aus Platin, Iridium und Wolfram bestehendes Spitzenelement 18, wie in Schritt 40 angegeben ist. Das Spitzenelement kann die Form einer Kugel oder eines Niets haben. Das Spitzenelement 18 kann kalt aus vorgefertigtem Draht, der kommerziell von Unternehmen wie beispielsweise der Engelhard Corporation aus Iselin, N. J., Johnson Matthey aus London, England und der Sigmund Cohn Corporation aus Mount Vernon, N. Y. erhältlich ist, umgeformt werden.

Sobald die Kugeln oder Nieten geformt worden sind, wird es bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung bevorzugt, aber nicht gefordert, dass diese mit einer Schicht aus einem Haftmetall, das vorzugsweise Platin ist, überzogen werden. Der Überzug kann reines Platin oder eine Platinlegierung sein, die sich von der Legierung, aus dem das Spitzenelement 18 besteht, unterscheidet. Das Material, das für die Haftschicht ausgewählt wird, wird aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften und insbesondere wegen seines Ausdehnungskoeffizienten gewählt.

Der Überzug, der auf jedes Spitzenelement aufgebracht wird, trägt dazu bei, die Festigkeit gegenüber Schweißrissen zu erhöhen, die anderenfalls zwischen der Elektrode und dem Spitzenelement wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der auf Nickel basierenden Elektrode und den aus Platin, Iridium und Wolfram bestehenden Spitzenelementen auftreten können.

Der Überzug wird gegebenenfalls in einer Dicke von ungefähr 5-15 Mikrometern und am bevorzugtesten von ungefähr 10 Mikrometern aufgebracht. Der aus einem Haftmetall bestehende Überzug kann gegebenenfalls durch eine chemische Tauchabscheidung aufgebracht werden, eine Technik, bei der das zu überziehende Objekt in eine chemische Lösung, die Metallsalze enthält, in der Gegenwart eines chemischen. Reduktionsmittels eingetaucht wird, ohne dass dabei elektrischer Strom verwendet wird. Weitere Einzelheiten über den Prozess der chemischen Tauchabscheidung lassen sich in der Offenlegung der Patentanmeldung EP-A-1095 434 finden.

In einem besonders bevorzugten Verfahren zur Herstellung der Spitzenelemente 18 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden diese zuerst gereinigt, wie in Schritt 41 dargestellt ist, wobei dies bewerkstelligt werden kann, indem man die Spitzenelemente 18 mit einem organischen Lösungsmittel wie beispielsweise Aceton in Berührung bringt. Danach können die Spitzenelemente 18 einen ersten Überzug erhalten, der wie in Schritt 42 in einer Dicke, die in einem Bereich von 1 bis 4 Mikrometern liegt, aufgebracht wird. Anschließend wird in diesem bevorzugten Verfahren ein erster Temperarbeitsgang bei niedriger Temperatur in einem Temperofen in einem Vakuum oder in der Gegenwart eines im Wesentlichen inerten Gases wie beispielsweise Argon oder Stickstoff bei einer Temperatur von 400 bis 700ºC während eines Zeitraums von 5 bis 30 Minuten durchgeführt. Dieser erste Temperarbeitsgang ist als Schritt 43 in der Abb. 4 dargestellt.

Ein zweiter Überzug aus Haftmaterial wird dann auf dem Spitzenelement 18 in einer Dicke, die von 2 bis 6 Mikrometer reicht und vorzugsweise ungefähr 4 Mikrometer beträgt, aufgebracht. Der zweite Überzug ist der Schritt 44. Diesem zweiten Überzug folgt ein zweiter Temperarbeitsgang bei niedriger Temperatur in einem Temperofen in einem Vakuum oder in der Gegenwart eines, im Wesentlichen inerten Gases wie beispielsweise Argon und Stickstoff bei einer Temperatur von 400 bis 700ºC während eines Zeitraums von 5 bis 30 Minuten. Dieser zweite Temperarbeitsgang ist als Schritt 45 in der Abb. 4 dargestellt.

Nach dem zweiten Tempern wird ein dritter Überzug aus Haftmaterial auf dem Spitzenelement 18 in einer Dicke aufgebracht, die von 2-8 Mikrometer reicht und vorzugsweise 4-6 Mikrometer beträgt. Der dritte Überzug ist als Schritt 46 in der Abb. 4 dargestellt. Diesem dritten Überzug folgt ein endgültiger Temperarbeitsgang bei einer höheren Temperatur. Der dritte Temperarbeitsgang ist als Schritt 47 in der Abb. 4 dargestellt.

Wahlweise kann der Überzug aus Haftmaterial in einem einzigen Schritt aufgebracht werden, und es ist möglich, nur einen einzelnen Temperschritt unter den Bedingungen, die hierin für den endgültigen Temperarbeitsgang beschrieben sind, durchzuführen.

In dem endgültigen Temperarbeitsgang werden die Spitzenelemente 18 bei Temperaturen, die von 900ºC bis 1.400ºC reichen, in Vakuum oder in einer inerten, Schutzatmosphäre wie beispielsweise Argon und Stickstoff 5 bis 15 Minuten lang getempert, wie in Schritt 47 angegeben ist, um eine feinkörnige Mikrostruktur von ungefähr 40 Mikrometern zu erhalten. Nach dem Abschluss des Temperns wird das getemperte Spitzenelement 18 aus dem Temperofen entnommen, und man lässt es auf Zimmertemperatur abkühlen. Das getemperte Spitzenelement 18 zeigt eine wesentlich höhere Korrosions- und Abbrandfestigkeit im Vergleich zu einem Spitzenelement, das nicht getempert worden ist.

Unter Bezugnahme auf die Abb. 4 und 5, in denen der Niettyp des Spitzenelements verwendet wird, wird das Spitzenelement 18b jetzt in eine Schweißhalterung platziert, wie in dem Schritt 48 angegeben ist. In der Abb. 5 hat die Schweißhalterung 54 eine Vertiefung 56, die so geformt ist, dass sie entweder ein kugelförmiges oder ein nietförmiges Spitzenelement 18 auf einem ebenen, oberen Oberflächenbereich 58 hält. Die Mittelelektrode 16 kann ein äußeres Teilstück 16a, das aus Nickel gefertigt ist, und einen Kupferkern 16b enthalten. Eine untere, ebene Oberfläche. 16c ist so positioniert, dass sie der halbkugelförmigen Oberfläche des nietförmigen Spitzenelements 18b gegenüber liegt.

In Schritt 49 in der Abb. 4 wird die Zündkerzenelektrode 16 in Bezug auf das Spitzenelement 18b ausgerichtet. Eine Schweißelektrode 60 wird dann über der Zündkerzenmittelelektrode 16 ausgerichtet. Das Spitzenelement 18b wird anschließend durch Widerstandsschweißen auf die Zündkerzenelektrode geschweißt, wie in Schritt S0 angegeben ist.

Abb. 6 stellt eine Schweißhalterung 54a dar, die geeignet ist, um das kugelförmige Spitzenelement 18a zu halten. Die Abb. 6 zeigt die Schritte 46-50 für das kugelförmige Spitzenelement 18a, welches auf der Masse- bzw. Seitenelektrode 22 des Zündkerzenkörpers 12 befestigt wird.

Das Spaltwachstum einer Zündkerze mit einer feinkörnigen Spitze aus 80% Pt und 20% Ir ist nach 300 Stunden des standardmäßigen Test zur beschleunigten Haltbarkeitsprüfung von Zündkerzenelektroden auf dem Prüfstand ungefähr dreimal so groß wie das einer Zündkerze mit einer feinkörnigen Spitze aus 81% Pt, 18% Ir und 1% W. Das Spaltwachstum einer Zündkerze mit einer Spitze aus 92%. Pt und 8% W ist ebenfalls ungefähr dreimal so groß wie das Spaltwachstum einer Zündkerze mit einer Spitze aus 81% Pt, 18% Ir und 1% W, wie aus dem Graphen von Abb. 7 ersichtlich ist. Dieser Graph vergleicht die Längenänderung einer Elektrode nach 300 Teststunden des Prüfstandstests an einem mit Doppelzündung ausgerüsteten Motors des Typs Ford 2,3 l, der unverbleiten Treibstoff verbrennt. Es ist klar ersichtlich, dass die geringste Änderung in dem Vergleich von Abb. 7 bei der Legierung aus Pt, Ir und W auftritt, die während des über 300 Stunden umfassenden Tests nur um etwa 0,00075 Zoll schrumpfte. Dies zeigt, dass die Zündkerzenelektrodenspitze gemäß der Erfindung den anderen Zündkerzenelektrodenspitzen in überraschender Weise überlegen ist.

Das Herstellungsverfahren, das hierin beschrieben ist, macht es möglich Spitzenelemente 18 aus einer Platinlegierung zu fertigen, die erheblich abbrandfester als früher entwickelte Spitzenelemente sind. Der Temperarbeitsgang, der an den Spitzenelementen in den bevorzugten Temperaturbereichen und während der bevorzugten Zeitspannen, die hierin beschrieben sind, durchgeführt wird, führt zu einer beträchtlichen Verfeinerung der Kornstruktur, welche den Abbrand und die Korrosion an den Korngrenzen minimiert und die Festigkeit gegenüber Funkenerosion in der Gegenwart von Blei und anderen korrodierenden Elementen erheblich steigert. Als Folge davon wird der Spalt während der gesamten Lebensdauer der Zündkerze, die in einem Fahrzeug 180.000 bis 278.000 km (100.000 bis 150.000 Meilen) betragen kann, im Wesentlichen beibehalten und ermöglicht es, in einigen Fällen einen einzigen Satz von Zündkerzen während der Nutzungsdauer des Fahrzeugs zu verwenden.

Das Spitzenelement, die verschleißfeste Zündkerze und das Verfahren zu deren. Herstellung, das hierin beschrieben ist, erhöhen die Kosten für die Herstellung der Zündkerze auch nicht in merklicher Weise und erfordern nicht die Verwendung von Materialien, die nicht bereits weithin kommerziell verfügbar sind. Demzufolge kann die Zündkerze 10 der vorliegenden Erfindung noch kostengünstig und ohne erhebliche Mehrausgaben hergestellt werden.

Obwohl die vorliegende Erfindung hierin mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden ist, ist beabsichtigt, dass die vorstehende Beschreibung einen erläuternden und keinen einschränkenden Charakter hat. Die mit dem Fachgebiet vertrauten Personen werden erkennen, dass viele Modifikationen der bevorzugten Ausführungsform vorgenommen werden könnten, die betriebsfähig sind. Alle derartigen Modifikationen, die innerhalb des Bereichs der Ansprüche liegen, sollen auch innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung liegen.


Anspruch[de]

1. Verschleißfeste Zündkerzenelektrodenspitze (18) zur Befestigung an die Elektrode einer Zündkerzenelektrode (16), umfassend eine Legierung aus Platin, Iridium und Wolfram.

2. Zündkerzenelektrodenspitze nach Anspruch 1, umfassend 75 Prozent bis 86 Prozent Platin, 12 Prozent bis 20 Prozent Iridium und 1/2 Prozent bis 5 Prozent Wolfram.

3. Zündkerzenelektrodenspitze nach Anspruch 1, umfassend 76 Prozent bis 85 Prozent Platin, 14 Prozent bis 20 Prozent Iridium und 1/2. Prozent bis 4 Prozent Wolfram.

4. Zündkerzenelektrodenspitze nach Anspruch 1, umfassend 80 Prozent bis 84 Prozent Platin, 16 Prozent bis 20 Prozent Iridium und 1/2 Prozent bis 2 Prozent Wolfram.

5. Zündkerzenelektrodenspitze nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die Zünderkerzenelektrodenspitze im Wesentlichen kugelförmig ist.

6. Zündkerzenelektrodenspitze nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die Spitze der Elektrode für die Zündkerze im Wesentlichen, nietförmig ist.

7. Zündkerzenelektrodenspitze nach einem der Ansprüche 1-6, die weiterhin eine Haftbrücke aus Platin aufweist.

8. Zündkerzenelektrodenspitze nach Anspruch 7, wobei die Haftbrücke eine Dicke im Bereich von 5 Mikrometer bis 15 Mikrometer aufweist.

9. Zündkerze (10) mit einer Mittenelektrode (16) und einer Masseelektrode (22), dadurch gekennzeichnet, dass eine dieser zwei Elektroden oder beide Elektroden, d. h. Mittenelektrode und Masseelektrode, eine nach einem der Ansprüche 1-8 definierte Elektrodenspitze (18) aufweist, die auf die Elektrode geschweißt ist.

10. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze (10), die eine Elektrode (16) mit einer verschleißfesten Spitze (18) aufweist, umfassend die folgenden Schritte:

a) Bereitstellung einer nach einem der Ansprüche 1-8 definierte Zündkerzenelektrodenspitze;

b) Tempern der Spitze in einem Temperofen bei 700-1.400ºC für eine Zeitspanne in einem Bereich von 5 bis 30 Minuten;

c) Platzierung der Spitze in eine Schweißhalterung;

d) Ausrichtung einer Elektrode einer Zündkerze in Bezug auf die Spitze; und

e) Schweißen der Spitze an die Zünderkerzenelektrode.







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