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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Zündkerzenelektrode gemäß des Anspruchs 1, sowie ein Herstellungsverfahren für diese Zündkerzenelektrode gemäß Anspruch 7.
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Für die Anwendung in modernen Motoren werden für Zündkerzenelektroden Materialien mit einer hohen Oxidations- und Medienbeständigkeit verwendet. Ein häufig verwendetes Material für Zündkerzenelektroden sind Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen. Diese bilden unter hohen Temperaturen schützende Chrom- bzw. Aluminiumoxid-Schichten an der Oberfläche des Materials aus. Für eine hohe Wärmeleitfähigkeit, wird in die Elektrode ein Kupfer-Kern eingesetzt.
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Vorteil der Erfindung/ Offenbarung der Erfindung
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Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass im Betrieb der Zündkerze oder auch bei der Wärmebehandlung der Zündkerzenelektrode bei deren Herstellung sich zwischen Elektrodenkern und Elektrodenmantel eine Grenzschicht ausbildet. Die Grenzschicht entsteht durch Diffusion von Elementen des Elektrodenkerns in den Elektrodenmantel und von Elementen des Elektrodenmantels in den Elektrodenkern. Durch die Wärmebehandlung beim Herstellungsverfahren bzw. durch die im Betrieb der Zündkerze herrschenden Temperaturen wird der Diffusionsprozess zwischen Elektrodenkern und Elektrodenmantel begünstigt. Durch diese Diffusionsschicht gibt es eine gute Wärmeleitung vom Elektrodenmantel in den Elektrodenkern, über den die von der Zündkerzenelektrode aufgenommene Wärme im Betrieb abgeführt wird.
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Weiterführende Untersuchungen haben auch gezeigt, dass die Bildung der Diffusionsschicht durch eine Oxidschicht zwischen Elektrodenmantel und Elektrodenkern verhindert wird. Die Grenzfläche des Oxids zum Elektrodenkern stellt eine Quelle für Gitterdefekte dar. Aufgrund der Diffusion von Gitterdefekten und von Kupferatomen entlang der Grenzfläche entstehen Poren. Wenn in der Grenzschicht zwischen dem Elektrodenmantel und dem Elektrodenkern komplett eine Oxidschicht ausgebildet ist, dann weißt die Zündkerzenelektrode ein signifikantes Porenwachstum auf. Durch die Temperaturen von über 700°C im Betrieb der Zündkerze wird die Porenbildung begünstigt und die Poren vergrößern sich. Durch die Poren ist die Wärmeleitfähigkeit zwischen Elektrodenmantel und Elektrodenkern gestört, wodurch auf Dauer die Zündkerzenelektrode stärker verschleißt.
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Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Zündkerzenelektrode und deren Herstellungsverfahren bereit zu stellen, bei der die Bildung der Oxidschicht und der Poren an der Grenzschicht zwischen Elektrodenmantel und Elektrodenkern minimiert bzw. verhindert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Zündkerzenelektrode gelöst, die einen Elektrodenmantel und einen innerhalb des Elektrodenmantels angeordneten Elektrodenkern aufweist, wobei eine Grenzschicht zwischen Elektrodenmantel und dem Elektrodenkern mindestens teilweise eine Diffusionsschicht aufweist. Insbesondere setzt sich die Diffusionsschicht sich aus Elementen des Elektrodenmantels und aus Elementen des Elektrodenkerns zusammen. Vorzugsweise weist mindestens 50%, insbesondere mindestens 75% oder mindestens 90%, der Grenzschicht die Diffusionsschicht auf.
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Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass in den Bereichen, in denen die Grenzschicht die Diffusionsschicht aufweist, keine Oxidschicht ist, so dass sich an der Oxidschicht keine Poren bilden können. Dieser Vorteil verstärkt sich proportional zu einer Zunahme der Fläche der Grenzschicht, an der die Diffusionsschicht anstelle der Oxidschicht ausgebildet ist. Die Bildung der Diffusionsschicht ist auch bei einer hinreichend porösen Oxidschicht oder Oxidpartikel innerhalb der Grenzschicht möglich, so dass die Vorteile der Erfindung sich hier auch ergeben.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Diffusionsschicht gleich oder größer als 2 µm und kleiner als oder gleich 50 µm ist, insbesondere gleich oder größer als 10 µm und/oder kleiner als oder gleich 30 µm ist. Die Dicke der Diffusionsschicht wird senkrecht zur Grenzschicht zwischen dem Elektrodenmantel und dem Elektrodenkern an den Seitenflächen des Elektrodenkerns gemessen. An der Spitze des Elektrodenkerns kann die Dicke der Diffusionsschicht auch größer als 50 µm sein. Besonders vorteilhaft ist es natürlich, wenn die Dicke der Diffusionsschicht möglichst konstant ist und an keiner Stelle die Diffusionsschicht kleiner als 2 µm ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht der Elektrodenmantel aus einer Ni-Basis-Legierung. Beispielsweise besteht die Ni-Basis-Legierung aus
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- • 5-19 Gew. % Eisen,
- • 0-3 Gew. % Aluminium,
- • 0-1 Gew. % Mangan,
- • 0-1 Gew. % Cobalt,
- • 0-0,6 Gew. % Kupfer,
- • 0-0,6 Gew. % Titan,
- • 0-0,5 Gew. % Silizium,
- • 0-0,25 Gew. % Kohlenstoff,
- • 0-0,2 Gew. % Yttrium,
- • 0-0,2 Gew. % Zirkonium,
- • 0-0,05 Gew. % weitere Elementen, beispielsweise ungewollte Verunreinigungen,
- • und als Rest Nickel.
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Zusätzlich oder alternativ kann das Material des Elektrodenkerns aus Kupfer oder eine Kupfer-Legierung bestehen, wobei insbesondere die Kupfer-Legierung mindestens 98 Gew. % Kupfer enthält.
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Die Erfindung betrifft auch eine Zündkerze mit mindestens einer erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode. Die Zündkerzenelektrode kann eine Masseelektrode und/oder Mittelelektrode sein.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Herstellungsverfahren für eine Zündkerzenelektrode, aufweisend die folgenden Schritte:
- • Bereitstellen eines Rohlings für einen Elektrodenmantel, wobei der Rohling entlang seiner Längsachse eine Vertiefung hat,
- • Fügen eines Drahts als Elektrodenkern in die Vertiefung des Elektrodenmantel-Rohlings, so dass ein Elektroden-Rohling entsteht und
- • Glühen des Elektroden-Rohlings.
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Dadurch, dass erfindungsgemäß der Elektroden-Rohling, bestehend aus dem Elektrodenmantel-Rohling und den in den Elektrodenmantel-Rohling eingeführten Draht für den Elektrodenkern, erst nach dem Einfügen des Drahts für den Elektrodenkern in die Vertiefung des Elektrodenmantel-Rohling geglüht wird, ergibt sich der Vorteil, dass eine Oxidation der Oberfläche des Elektrodenmantel-Rohlings in der Vertiefung beim Glühen minimiert bis zu verhindert wird. Der Draht für den Elektrodenkern liegt in der Vertiefung an der Oberfläche des Elektrodenmantel-Rohlings an und deckt diese ab. Einerseits wird dadurch eine Oxidation der Oberfläche des Elektrodenmantel-Rohlings und der Oberfläche des Drahts für den Elektrodenkern verhindert und andererseits kann bei diesem Glühen sich die Diffusionsschicht zwischen dem Elektrodenmantel und dem Elektrodenkern ausbilden.
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Bei einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass nach der Ausbildung der Vertiefung im Elektrodenmantel-Rohling der Elektrodenmantel-Rohling erst geglüht wird, nachdem der Draht des Elektrodenkerns in die Vertiefung eingeführt wurde und in der Vertiefung die Oberfläche des Elektrodenmantels abdeckt, so dass die Oberfläche der Vertiefung beim Glühen nicht oxidieren kann. Dadurch wird der oben beschriebene Vorteil ganz besonders effektiv erzielt.
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Zusätzlich oder alternativ kann das Herstellungsverfahren noch den Schritt aufweisen, dass nach dem Glühen der Elektroden-Rohling in die gewünschte Zündkerzenelektroden-Form umgeformt wird.
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Vorteilhafterweise bildet sich beim Glühen des Elektroden-Rohlings eine Diffusionsschicht an mindestens einem Teil einer Grenzschicht zwischen dem Elektrodenmantel und dem Elektrodenkern aus. Vorzugsweise bildet sich an mindestens 50%, insbesondere mindestens 75% oder mindestens 90%, der Grenzschicht die Diffusionsschicht aus.
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Figurenliste
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- 1 zeigt im Vergleich beispielshaft eine Zündkerzenelektrode mit Oxidschicht und eine erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode mit Diffusionsschicht
- 2 zeigt einen beispielhaften Verlauf der Elementkonzentration C und die Dicke d für die Diffusionsschicht
- 3 zeigt ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren für eine erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 sind im Vergleich schematisch zwei Zündkerzenelektroden 1 im Querschnitt gezeigt. Beide Zündkerzenelektroden 1 weisen einen Elektrodenmantel 11 und einen Elektrodenkern 12 auf. An der Grenzschicht zwischen dem Elektrodenmantel 11 und dem Elektrodenkern 11 ist beispielhaft an einigen Abschnitten die Oxidschicht 13 (1a) und die Diffusionsschicht 14 (1b) eingezeichnet. Die Diffusionsschicht 14 kann Oxidpartikel enthalten und wird dann als poröse Diffusionsschicht bezeichnet. Des Weiteren sind die Poren 15 eingezeichnet.
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Die Zündkerzenelektrode in 1a) steht beispielhaft für eine Zündkerzenelektrode, bei der sich an der Grenzschicht eine Oxidschicht 13 ausgebildet hat. An der Oxidschicht 13 haben sich Poren 15 gebildet, die durch das Erwärmen beim Betrieb der Zündkerze sich weiter vergrößern und die Wärmeleitfähigkeit zwischen Elektrodenmantel 11 und Elektrodenkern 12 behindern, so dass die Zündkerzenelektrode zu heiß wird und schneller verschleißt.
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Die Zündkerzenelektrode 1 in 1b) steht beispielhaft für eine Zündkerzenelektrode, bei der sich an der Grenzschicht eine Diffusionsschicht 14 ausgebildet hat. Dadurch gibt es idealerweise keine Oxidschicht und somit auch keine Poren an der Grenzschicht. Die Poren 15 bilden sich im Inneren des Elektrodenkerns 12, wo sie die Wärmeableitung von dem Elektrodenmantel zum Elektrodenkern nicht behindern können. Beispielhaft ist die Diffusionsschicht 14 an zwei Stellen der Grenzschicht eingezeichnet. Natürlich ist es vorteilhaft, wenn sich die Diffusionsschicht 14 an möglich vielen Bereichen der Grenzschicht ausbildet und eine möglichst große zusammenhängende Schicht bildet. Punktweise vorhandenes Oxide im markierten Bereich 14 behindert die Bildung der Diffusionsschicht nicht. Im Herstellungsprozess kann die Bildung von Oxidpartikel an der Oberfläche der Materialen nicht komplett verhindert werden. Solange sich keine geschlossene Oxidschicht 13 ausbildet, kann sich die Diffusionsschicht 14 an der Grenzschicht zwischen dem Elektrodenmantel 11 und dem Elektrodenkern 12 ausbilden und bettet dabei die Oxidpartikel teilweise ein. Es entsteht eine poröse Diffusionsschicht 14, die ebenfalls die Vorteile der Erfindung aufweist.
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In 2 ist schematisch die relative Elementkonzentration C gegen die Position p in der Zündkerzenelektrode senkrecht zu der Grenzschicht dargestellt. Dabei wird die Elementkonzentration C von einer Position innerhalb des Elektrodenmantels 11 durch die Diffusionsschicht 14 bis zu einer Position innerhalb des Elektrodenkerns 12 dargestellt. Der Elektrodenkern 12 ist aus Kupfer. Der Elektrodenmantel 11 ist aus einer NiCrFe-Legierung. Die Dicke d der Diffusionsschicht ergibt sich aus dem Abstand der Positionen p1 und p2. Bei p1 hat das Element Kupfer eine relative Konzentration von 10%. Bei der Position p2 hat das Element Kupfer eine relative Konzentration von 90%.
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In 3 ist schematisch eine Ausführung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens 100 gezeigt. In einem ersten Schritt 101 wird ein Rohling für einen Elektrodenmantel 11 bereitgestellt, wobei der Rohling entlang seiner Längsachse eine Vertiefung hat. Der Elektrodenmantel-Rohling kann beispielsweise aus einem Draht hergestellt werden. Der Draht besteht aus dem gleichen Material wie der spätere Elektrodenmantel. Der Draht wird in passende Stücke geschnitten. In die Drahtstücke wird eine Vertiefung ausgebildet, beispielsweise durch Bohren oder umformen.
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In einem zweiten Schritt 102 wird ein Elektrodenkern in die Vertiefung eingefügt. Der Elektrodenkern ist beispielsweise auch ein Stückchen von einem Draht, der aus dem Material des Elektrodenkerns besteht. Fügen gemäß der DIN 8580 ist ein Oberbegriff für verschiedene Gruppen von Fertigungstechniken, wie beispielsweise Zusammensetzen (DIN 8593-1), Füllen (DIN 8593-2) oder An- und Einpressen (DIN 8593-3).
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In einem dritten Schritt 103 wird der Elektroden-Rohling geglüht. Der Elektroden-Rohling besteht aus dem Elektrodenmantel und dem eingefügten Elektrodenkern. Durch das Glühen entsteht die Diffusionsschicht an der Grenzschicht zwischen dem Elektrodenmantel und dem Elektrodenkern. Da wo an der Grenzschicht eine Diffusionsschicht sich ausbildet kann sich keine Oxidschicht an der Grenzschicht ausbilden und somit auch keine störenden Poren.
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In einem vierten Schritt 104 wird in diesem Beispiel der Elektroden-Rohling umgeformt, so dass die gewünschte Zündkerzenelektrode entsteht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 8580 [0023]
- DIN 8593-1 [0023]
- DIN 8593-2 [0023]
- DIN 8593-3 [0023]