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Dokumentenidentifikation DE102004018933A1 17.11.2005
Titel Verfahren zur Herstellung einer Mittelelektrode einer Zündkerze
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Menken, Lars, 73072 Donzdorf, DE;
Reinsch, Bernd, 71642 Ludwigsburg, DE;
Hrastnik, Klaus, 70180 Stuttgart, DE;
Czerwinski, Klaus, 73574 Iggingen, DE;
Kaiser, Thomas, 70192 Stuttgart, DE
DE-Anmeldedatum 20.04.2004
DE-Aktenzeichen 102004018933
Offenlegungstag 17.11.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.11.2005
IPC-Hauptklasse H01T 13/52
IPC-Nebenklasse H01T 13/54   H01T 13/20   H01T 13/39   
Zusammenfassung Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Mittelelektrode einer Zündkerze vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird ein im Wesentlichen zylinderischer Grundkörper (11) hergestellt, auf den eine lokale Schutzschicht (20) aus einer auf Rutheniumbasis hergestellten Legierung aufgebracht wird. Erfindungsgemäß wird die Legierung in From eines Schlickers auf den Grundkörper (11) aufgebracht und nach einem Umschmelzprozess mit dem Grundkörper (11) verbunden (Figur).

Beschreibung[de]

Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Herstellung einer Mittelelektrode einer Zündkerze mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 aus.

Elektroden von Zündkerzen tauchen in Einbaulage in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ein und sind dann Funkenerosion, Oxidation und Korrosion und damit einem starken Verschleiß ausgesetzt. In Abhängigkeit von der mittels der im Betrieb der Zündkerze resultierenden Funken auf die Elektroden übertragene Energie wird der Werkstoff der Elektroden aufgeschmolzen, verdampft und/oder oxidiert.

Zur Verlängerung der Lebensdauer von Zündkerzen können sowohl konstruktive als auch werkstofftechnische Maßnahmen ergriffen werden. Zur Fertigung der Zündkerzenelektroden werden in der Regel Werkstoffe eingesetzt, die einen hohen Schmelz- und einen hohen Siedepunkt aufweisen, wobei die Werkstoffauswahl so erfolgt, dass die Bogenanteile einer im Betrieb der Zündkerze auftretenden Nachentladung zugunsten einer hinsichtlich der Funkenerosion günstigeren Glimmentladung verringert werden. Insbesondere werden für Zündkerzenelektroden Werkstoffe eingesetzt, die eine geringe Oxidationsneigung, eine geringe Korrosionsneigung und/oder eine hohe Verschleißbeständigkeit gegen funkenerosive Angriffe haben.

Insbesondere ein Werkstoff auf Nickelbasis bildet ein weit verbreitetes Material zur Fertigung von Elektroden von Zündkerzen. Zur Herstellung besonders langlebiger Zündkerzenelektroden können auch Werkstoffe auf Platinbasis oder auch auf Iridiumbasis eingesetzt werden. Auch ist es bekannt, eine Zündkerze mit einer Mittelelektrode herzustellen, die aus einem Grundkörper aus einem auf Nickelbasis hergestellten Werkstoff und einer lokalen Verstärkung aus Platin besteht. Die Verwendung von Platin als Elektrodenwerkstoff macht Zündkerzen aber sehr teuer.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 660 475 A1 ist eine Zündkerze bekannt, die eine Masseelektrode sowie eine Mittelelektrode aufweist, welche aus einem Grundkörper und einem Insert bzw. einem Ansatz aus einer Ruthenium/Aluminium-Legierung besteht. Zur Herstellung der Mittelelektrode wird zunächst der Grundkörper geformt und anschließend an der der Masseelektrode zugewandten Stirnseite des Grundkörpers das eine lokale Schutzschicht darstellende Insert aufgebracht.

Das aus der EP 0 660 475 A1 bekannte Insert lässt sich aber nicht bei einer als so genannte Gleitfunkenkerze ausgebildete Zündkerze einsetzen, die eine Mittelelektrode aufweist, die über ihren Umfang mit mehreren Masseelektroden zusammenwirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Mittelelektrode einer Zündkerze vorzuschlagen, nach dem eine über ihren Umfang mit mindestens einer Masseelektrode zusammenwirkende Mittelelektrode einer Zündkerze mit einer hohen Funkenerosions- und/oder Oxidationsbeständigkeit gefertigt werden kann.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Mittelelektrode einer Zündkerze, bei dem ein Grundkörper hergestellt wird, auf den eine lokale Schutzschicht aus einer auf Rutheniumbasis hergestellten Legierung aufgebracht wird, wobei die Legierung zur Ausbildung der Schutzschicht in Form eines Schlickers aufgebracht und nach einem Umschmelzprozess mit dem Grundkörper verbunden wird, hat den Vorteil, dass damit eine Mittelelektrode an einer beliebigen Stelle, d. h. auch an ihrem Umfang mit einer verschleißbeständigen, d. h. funkenerosions- und oxidationsbeständigen Schutzschicht versehen werden kann, die aufgrund ihrer spröden Beschaffenheit einer umformtechnischen Formgebung nicht zugänglich ist. Die Schutzschicht wird insbesondere lokal im Bereich des Funkenangriffs auf den im Wesentlichen zylindrischen Grundkörper aufgebracht.

Die erfindungsgemäß hergestellte Mittelelektrode ist insbesondere eine Mittelelektrode, die über ihren Umfang mit mindesten einer Masseelektrode zusammenwirkt. Der Schlicker wird dann zweckmäßigerweise am Umfang des Grundkörpers aufgebracht. Beispielsweise handelt es sich in diesem Falle um die Mittelelektrode einer so genannten Gleitfunkenkerze.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Mittelelektrode einer Zündkerze herstellbar, deren Verschleißbeständigkeit zwar geringer ist als eine mit Platin verstärkte Mittelelektrode, aber höher ist als diejenige des Grundkörpers, der beispielsweise aus einer Legierung auf Nickelbasis hergestellt ist. Ferner ergibt sich bei einer erfindungsgemäß hergestellten Mittelelektrode gegenüber einer Mittelelektrode mit einer Platinverstärkung ein erheblicher Kostenvorteil.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung sind zur Herstellung der Schutzschicht nur geringe Mengen an Legierung erforderlich, so dass für die Schutzschicht nun geringe Werkstoffkosten anfallen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung wird eine Legierung eingesetzt, die neben Ruthenium die Elemente Nickel, Aluminium und/oder Chrom umfasst, wobei der Nickelanteil der Legierung vorzugsweise etwa 30 Vol.-% bis 40 Vol.-% und der Anteil der Legierung an Aluminium und Chrom etwa 10 Vol.-% bis 30 Vol.-% beträgt. In Abhängigkeit vom Anteil der jeweiligen Legierungselemente Nickel, Aluminium und Chrom können so für den jeweiligen Anwendungsfall ausreichend hohe Schmelzpunkte eingestellt werden, die eine hohe Verschleißbeständigkeit der Mittelelektrode gewährleisten. Der Aluminium- und Chromanteil der Legierung gewährleistet des Weiteren, dass sich in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine, in dem eine oxidative Atmosphäre herrscht und in den die Mittelelektrode im Betrieb eintaucht, stabile und schnell wachsende Aluminiumoxid- und Chromoxidschichten auf der Mittelelektrode ausbilden. Diese Schichten verhindern eine starke Oxidation der Mittelelektrode. Auch im Falle eines Abplatzens der Oxidschichten aufgrund eines Thermoschocks oder aufgrund einer Befunkung wachsen Oxidschichten nach, so dass die das Elektrodenmaterial schützende Wirkung bestehen bleibt. Es ist in diesem Falle aber zweckmäßig, zur Herstellung des Grundkörpers einen Werkstoff einzusetzen, der hinreichende Mengen an Aluminium und Chrom zur Nachspeisung der Oxidschichten enthält.

Der Schlicker, der zweckmäßigerweise nur im Bereich des im Betrieb der Zündkerze erfolgenden Funkenangriffs auf den Grundkörper aufgebracht wird, besteht bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung aus einem Binder, der vorzugsweise einen Anteil zwischen 5 Vol.-% und 9 vol.-% hat, einem Lösungsmittel, das vorzugsweise einen Anteil zwischen 31 Vol.-% und 45 Vol.-% hat, und der Legierung, die vorzugsweise einen Anteil zwischen 50 Vol.-% und 60 Vol.-% hat. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Schlickers können unterschiedliche Schichtdicken der Legierung mit guter Qualität realisiert werden.

Als Binder des Schlickers kann beispielsweise Ethylcellulose eingesetzt werden, das bei dem Umschmelzprozess auf einfache Weise verdampft werden kann.

Als Lösungsmittel des Schlickers eignen sich insbesondere ein organisches Lösungsmittel, das beispielsweise ein Gemisch aus Benzylalkohol und Ethanol darstellen kann. Das gewählte Mischungsverhältnis der Bestandteile des Lösungsmittels ist zweckmäßigerweise abhängig von der herzustellenden Schichtdicke der Schutzschicht. So hat Ethanol beispielsweise einen niedrigeren Siedepunkt als Benzylalkohol. Daher wird bei der Herstellung größerer Schichtdicken, bei denen zum Austreiben des Lösungsmittels mehr Zeit erforderlich ist, eine Lösungsmittelmischung gewählt, die einen höheren Benzylalkoholanteil aufweist. Ein zu hoher Ethanolanteil könnte aufgrund des schnellen Verdampfungsprozesses zu einer Hohlraumbildung in der Schutzschicht führen.

Um die Mittelelektrode auf einfache Weise mit einer im Wesentlichen zylindrischen Umfangsfläche herstellen zu können, wird der Schlicker vorzugsweise in eine Ringnut der Grundelektrode eingebracht.

Zum Aufbringen des Schlickers auf die Mittelelektrode eignet sich insbesondere ein vorzugsweise luftdruckgesteuertes Mikrodosiergerät, das eine Aufbringnadel mit einem Innendurchmesser von vorzugsweise 1,1 mm bis 1,3 mm hat und mit einem Luftdruck von etwa 2 bar bis 3 bar beaufschlagt ist. Der Innendurchmesser der Aufbringnadel und der Luftdruck können in Abhängigkeit von der Viskosität des Schlickers und der Korngröße des zur Herstellung des Schlickers eingesetzten Legierungspulvers gewählt werden. Die mittlere Korngröße der Legierung beträgt beispielsweise 22 &mgr;m. Das Mikrodosiergerät kann ein Standardlaborgerät mit einem Vorratsbehälter und einer vorzugsweise konischen Aufbringnadel sein, die beispielsweise aus Polyethylen besteht.

Zur Durchführung des Umschmelzprozesses wird vorzugsweise ein Laser eingesetzt, der als Diodenlaser oder auch als YAG-Laser ausgeführt sein kann. Dabei wird zur Erreichung einer hohen Verschleißbeständigkeit der Mischungsgrad der Legierung mit dem Werkstoff des Grundkörpers auf maximal 35 % eingestellt. Ein höherer Durchmischungsgrad könnte gegenüber einer schutzschichtfreien Mittelelektrode sogar zu einer Minderung der Verschleißbeständigkeit führen. Der Durchmischungsgrad ist abhängig von der Prozessführung des Laser-Umschmelzprozesses. Zur Optimierung des Umschmelzprozesses können beispielsweise die Leistung des Lasers, die Zeit für einen Umlauf des Lasers um den Umfang des Grundkörpers und die Anzahl der Umläufe verändert werden. Auch ist der Grad der Durchmischung abhängig von der Wärmekapazität des Grundkörpers, die wiederum abhängig ist von der Geometrie bzw. den Abmessungen des Grundkörpers sowie von dem Absorptionsvermögen des für den Schlicker eingesetzten Legierungspulvers hinsichtlich der von dem Laser abgegebenen Strahlung.

Um eine gleichmäßig umgeschmolzene Schutzschicht zu fertigen, die im Wesentlichen keine den Anfangs- bzw. Endpunkt des Umschmelzprozesses markierende Stelle aufweist, ist es vorteilhaft, wenn das auf den Grundkörper aufgebrachte Material zweimal nacheinander umgeschmolzen wird. Dies kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass bei einem stationären Laserstrahl der Grundkörper während des Umschmelzprozesses zweimal um seine eigene Achse gedreht wird.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Mittelelektrode einer als Gleitfunkenkerze ausgebildete Zündkerze bei der Fertigung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Zeichnung ist eine Mittelelektrode 10 einer ansonsten in üblicher Weise ausgebildeten Gleitfunkenkerze zum Einbau in einen Motorblock einer Kraftfahrzeugbrennkraftmaschine während der Herstellung dargestellt.

Die Mittelelektrode 10 umfasst einen im Wesentlichen zylindrischen Grundkörper aus einer NiAlSiY-Legierung, der zur Erhöhung seiner Wärmeleitfähigkeit einen Kupferkern 12 aufweist. Der Grundkörper 11 wird mit einer am Umfang ausgebildeten Nut 13 gefertigt und dann auf ein rotierendes Werkzeug gesetzt.

Anschließend wird die Nut 13 mittels eines Mikrodosiergeräts 15, welches einen Vorratsbehälter 16 für Schlicker und eine aus Polyethylen gefertigte, konische Nadel 17 mit einem Innendurchmesser von 1,19 mm umfasst, mit einem Schlicker ausgefüllt, der aus 5 Vol.-% Ethylcellulose, 45 Vol.-% Lösungsmittel, das aus Benzylalkohol und Ethanol gebildet ist, und 50 Vol.-% einer Legierung besteht, die auf Rutheniumbasis hergestellt ist und 50 Vol.-% Ruthenium, 30 vol.-% Nickel und 20 Vol.-% Chrom und Aluminium umfasst. Das Mikrodosiergerät 15 ist zeit- und luftdruckgesteuert. Während der Befüllung der Nut 13 wird der Grundkörper 11 gemäß einem Pfeil X gedreht.

Anschließend wird der in die Nut 13 eingebrachte Schlicker bei Raumtemperatur getrocknet, so dass das Lösungsmittel ausgetrieben und eine aus der Legierung und dem Bindemittel bestehende Vorbeschichtung 18 entsteht.

Nach dem Trocknen erfolgt mittels eines Diodenlasers 19 ein Laserumschmelzprozess, so dass in der Nut 13 eine intermetallische Schicht 20 entsteht, die aus der Legierung des Schlickers und dem Werkstoff des Grundkörpers 11 besteht. Die Durchmischung der Legierung des Schlickers mit dem Werkstoff des Grundkörpers 11 beträgt dabei maximal 35 %. Um dies zu erreichen, ist der Diodenlaser 19 so eingestellt, dass er einen Faserdurchmesser von 600 &mgr;m, eine Brennweite von 200 mm, eine Drehzahl von 80 U/min und eine Fokuslage von -10 mm hat. Die Leistung des Lasers wird auf maximal 800 Watt eingestellt.

Während des Umschmelzprozesses, bei dem der Binder des Schlickers verdampft wird, wird der Grundkörper 11 zweimal um seine Achse gedreht.

Schließlich ist die Mittelelektrode 10 am Ort des im Betrieb der Zündkerze erfolgenden Funkenangriffs mit einer ringförmigen Beschichtung bzw. Schutzschicht versehen. Es lässt sich so eine Lebensdauerverlängerung einer Zündkerze um bis zu 50 % erreichen.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Herstellung einer Mittelelektrode einer Zündkerze, umfassend folgende Schritte:

    – Herstellen eines im Wesentlichen zylindrischen Grundkörpers (11);

    – Aufbringen einer lokalen Schutzschicht (20) aus einer auf Rutheniumbasis hergestellten Legierung auf den Grundkörper (11),

    dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zur Ausbildung der Schutzschicht (20) in Form eines Schlickers auf den Grundkörper (11) aufgebracht und nach einem Umschmelzprozess mit dem Grundkörper (11) verbunden wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung Nickel, Aluminium und/oder Chrom umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Nickelanteil der Legierung etwa 30 Vol.-% bis 40 Vol.-% und der Anteil der Legierung an Aluminium und Chrom etwa 10 Vol.-% bis 30 Vol.-% beträgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlicker aus einem Binder, der vorzugsweise einen Anteil zwischen 5 Vol.-% und 9 Vol. % hat, einem Lösungsmittel, das vorzugsweise eine Anteil zwischen 31 Vol.-% und 45 Vol.-% hat, und der Legierung besteht, die vorzugsweise einen Anteil zwischen 50 Vol.-% und 60 Vol.-% hat.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder Ethylcellulose umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel Benzylalkohol und/oder Ethanol umfasst.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlicker in eine Ringnut (13) des Grundkörpers (11) eingebracht wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlicker mittels eines vorzugsweise luftdruckgesteuerten Mikrodosiergeräts (15) aufgebracht wird, das eine Aufbringnadel mit einem Innendurchmesser zwischen vorzugsweise 1,1 mm und 1,3 mm hat.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschmelzprozess mittels eines Lasers (19) erfolgt, wobei vorzugsweise ein Durchmischungsgrad der Legierung mit dem Werkstoff des Grundkörpers von maximal 35 % eingestellt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper während des Umschmelzprozesses mindestens zweimal um seine Achse gedreht wird.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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