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Schnellvorglühkerze für einen Dieselmotor
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schnellvorglühkerze für einen
Dieselmotor, mit einer verbesserten Dauerhaftigkeit bzw. Lebensdauer.
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Mehr detailliert bezieht sich die Erfindung auf eine verbesserte Schnellvorglühkerze
für Dieselmotoren, die mit einer Heizschlange versehen ist. Die Heizschlange besteht
aus einem metallischen Nickelmaterial, welches durch gleichmäßiges Verteilen der
spezifizierten, wärmewiderstandsfähigen Metalloxidpulver in metallischem Nickel
hergestellt ist.
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Bei Dieselmotoren ist es zur Verkürzung der für das Kaltstarten des
Motors erforderlichen Zeit notwendig, eine Schnellvorglühkerze zu verwenden, welche
dazu bestimmt ist, den
Temperaturanstieg in der Heizschlange dadurch
zu beschleunigen, daß ein hoher elektrischer Strom der Heizschlange zugeleitet wird.
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Die Heizeinheit für die Schnellvorglühkerze ist erforderlich, um den
großen Koeffizienten der Widerstands temperatur zu haben (mehr als das Dreifache
desjenigen bei der Raumtemperatur) und um eine geringere Vergröberung der kristallinen
Körner bei hoher Temperatur und ebenso eine geringere Verschlechterung infolge der
Expansion während des Erwärmens oder der Kontraktion beim Kühlen zu erzielen. Dadurch
kann der Temperaturanstieg beschleunigt und ein Schmelztrennen infolge einer Überhitzung
der Heizschlange verhindert werden. Wenn das Heizschlangenmaterial einen großen
Koeffizienten der Widerstandstemperatur hat, und zwar bei dem verwendeten Temperaturbereich
der Heizschlange von 800cm bis 1000°C, wird das metallische Nickel einer herkömmlichen
Güte verwendet,-welches weniger als 0,5 Gew.-% an Mn, Si und Co und ebenso weniger
als 0,1 Gew.-% an Verunreinigungen in der Zusammensetzung enthält.
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Wenn jedoch das metallische Nickel als Heizeinheit verwendet wird,
werden die Sauerstoffmoleküle und die Feuchtigkeit in der Luft dissoziiert, um atomaren
Sauerstoff zu bilden und werden auf der Oberfläche des metallischen Nickels, enthaltend
im Heizschlangenmaterial, diffundiert, wodurch aus der Oberfläche des metallischen
Nickels Nickeloxid gebildet wird. Das Nickeloxidkristall wird entlang der Korngröße
des Kristalls ausgebildet, wodurch das Heizschlangenmaterial brüchig wird. Dies
senkt die Dauerhaftigkeit und somit die Lebensdauer der Heizschlange.
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Beim Stand der Technik wurde zur Vermeidung der vorgenannten Nachteile
eine Nickellegierung verwendet, welche durch Hinzufügung von Seltene Erde I -len,wie
Y, Zr, Ru, etc. zu metallischem Nickel mittels eines Auflösungsverfahren hergestellt
wurde.
Obwohl die Zugabe von Seltene Erde ?Ilctall zu metallischem Nickel nützlich ist,
die Brüchigkeit der Heizschlange zu verhindern, ist jedoch dieses Seltene Erde Metall
sehr teuer und außerdem schwierig zu erhalten.
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Die vorliegende Erfindung zeigt jedoch, daß bei Annahme des pulvermetallurgischen
Verfahrens die Art des Zugabemetalls zu metallischem Nickel soweit erstreckt werden
kann, daß Metalloxide spezifischer Metalle mit eingeschlossen sind.
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Mehr im einzelnen ausgedrückt bedeutet dies, daß es möglich wird,
zu metallischem Nickel Metalloxide zuzugeben, die bei dem üblichen Auflösungsverfahren
dem metallischen Nickel unmöglich zugegeben werden konnten. Durch das erfindungsgemäße
Verfahren wird es möglich, bei höheren verwendeten Temperaturen als dem Schmelzpunkt
des metallischen Nikkels einen hohen Temperaturwiderstand zu haben. Diese Metalloxide
sind preiswert und leicht zu erhalten und ermöglichen die Herstellung des Heizschlangenmaterials
mit geringer Brüchigkeit und verbesserter Dauerhaftigkeit, indem dem herkömmlichen
metallischen Nickel mittels eines pulvermetallurgischen Verfahrens Metalloxide zugesetzt
werden.
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Aus diesen Vorteilen resultiert auch die Aufgabe der Erfindung, welche
darin besteht, eine Heizschlange einer Glühkerze zu schaffen, die einen hohen Temperaturwiderstand
und eine hohe Lebensdauer nicht zuletzt deswegen hat, weil das Material der Glühkerze
während des Betriebes oder während der längeren Benutzung nicht brüchig oder spröde
wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die spezifische
Heizschlange der Glühkerze aus einem metallischen Nickelmaterial besteht, welches
mittels eines pulvermetallurgischen Verfahrens dadurch hergestellt wird, daß dem
herkömmlichen metallischen Nickelpulver zumindest eines der Metalloxidpulver der
Gruppe von Metallen zug ;etzt wird, die zu den Gruppen II A, III A, B und IV A,
B des Periodensystems
der Elemente gehört. Diese Metalle haben die
Eigenschaft, mit dem metallischen Nickel keine feste Lösung einzugehen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Darstellungen wiedergegebenen
Schnittbilder der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele. Es zeigt: Fig. 1 eine
mikroskopische Fotografie (100-fache Vergrößerung) mit der Querschnittsdarstellung
der Struktur der Heizschlange des Beispiels 1 nach einem Haltbarkeitstest, Fig.
2 eine mikroskopische Fotografie (100-fache Vergrößerung) mit der Querschnittsdarstellung
der Struktur einer Heizschlange des Beispiels 1 vor dem Test und Fig. 3 eine mikroskopische
Fotografie (100-fache Vergrößerung) mit der Querschnittsdarstellung der Struktur
der aus herkömmlichem metallischem Nickel bestehenden Heizschlange nach dem Test.
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Nickelmetallpulver, welche für die vorliegende Erfindung verwendbar
sind, sind auf dem Markt befindliche metallische Nickelpulver und enthalten gewöhnlich
weniger als 0,5 Gew.-% Mn, Si und Co und weniger als 0,1 Gew.-* von Verunreinigungen
auf der Gewichtsbasis des metallischen Nickels.
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Zusätzliche Metallpulver sind Metalloxidpulver, die aus der Metallgruppe
ausgewählt sind, die sich auf II A, III A, B und IV A, B, d.h. die Gruppe des Perioden-Systems
der Elemente, bezieht. Die Metalle dieser Gruppe haben die Eigenschaft, mit dem
metallischen Nickelkeine feste Lösung (solid solution)
zu bilden.
Bevorzugte zusätzliche Metallpulver umfassen MgO, Al203, SiO2, ThO2, TiO2, BeO und
ZrO2. Insbesondere sind MgO und Al203 besonders für die Verwendung bevorzugt.
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Die Zusatzmenge an Metalloxidpulvern zum metallischen Nickelpulver
beträgt 5 Vol.-% auf der Volumenbasis der metallischen Nickelpulver bei dessen maximalem
Betrag.
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Wenn mehr als 5 Vol.-% des Metalloxidpulvers dem metallischen Nickelpulver
zugegeben wird, wird es schwierig, den Nickeldraht für die Heizschlange herzustellen,
während die minimale Zusatzmenge des Metalloxidpulvers des metallischen Nickelpulvers
0,05 Vol.-% auf der Volumenbasis des metallischen Nickelpulvers ist.
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Wenn weniger als 0,05 Vol.% des Metalloxidpulvers dem metallischen
Nickelpulver zugegeben wird, werden die Wirkungen zur Verhinderung der Sprödigkeit
der Heizschlange und zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit der Glühkerze nicht erzielt.
Die meist bevorzugte Zusatzmenge des Metalloxidpulvers beträgt 0,1 bis 2 Vol.-%
auf der Volumenbasis des metallischen Nickelpulvers. Der Partikelgrößenbereich des
zusätzlichen Metalloxidpulvers und des metallischen Nickelpulvers, die die Hauptkomponenten
der Heizschlange sind, beträgt 0,1 bis 8 Mikron. Die Partikelgröße wurde üblicherweise
beim pulvermetallurgischen Verfahren verwendet.
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Die Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele
beschrieben, ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.
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Beispiel Eine Nickellegierung wurde durch Zusammenfügen von metallischem
Nickelpulver mit der mittleren Partikelgröße von 0,1 bis 8 Mikron, von Magnesiumoxidpulver
mit der mittleren Partikelgröße von 0,1 bis 8 Mikron in der Menge von 0,5 Vol.-%
(Beispiel
1) und 2,0 Vol.-% (Beispiel 2) jeweils auf der Volumenbasis metallischen Nickelpulvers
durch das pulvermetallurgische Verfahren hergestellt. Dann wurde diese Zusammensetzung
in einen Draht umgeformt, welcher einen runden Querschnitt von 0,2 mm hat und für
die Heizschlange der Glühkerze verwendet wird.
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Der besondere elektrische Widerstand des Drahtes entsprechend Beispiel
1 und 2 wurde bei der verwendeten Temperatur von jeweils 9000C im Vergleich mit
dem spezifischen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur von 200C gemessen. Die
Testresultate sind in der folgenden Tabelle 1 dargestellt.
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Tabelle 1 Spez. elektrischer Widerstand (uns* Test Beispiel Beispiel
Metall Temp. (OC) Nr. 1 Nr. 2 Nickel 20 0,073 0,073 0,105 900 0,45 0,45 0,45 * Der
Wert des spez. elektrischen Widerstandes ist der der Glühkerze.
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Anhand des Testresultates wurde herausgefunden, daß der spezifische
elektrische Widerstand des metallischen Nickels bei der hohen Temperatur von 9000C
ungefähr das 4,5-fache des spezifischen elektrischen Widerstandes bei Raumtemperatur
von 200C beträgt, während der spez. elektrische Widerstand der Heizschlange der
Beispiele Nr. 1 und Nr. 2 bei der hohen Temperatur von 9000C ungefähr das 6,4-fache
des spez. elektrischen Widerstandes bei Raumtemperatur ist.
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Aufgrund dieser Testresultate wurde herausgefunden, daß die aus Metalloxidpulver
und metallischem Nickelpulver hergestellte Heizschlange hinsichtlich des spezifischen
elektrischen Widerstandes größer ist als die Heizschlange des metallischen Nickels.
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Die Heizeinheit der Kerze gemäß der Erfindung zeigte den großen Widerstandstemperaturkoeffizient
bei der hohen Temperatur, wodurch es möglich wurde, die Temperatur der Heizschlange
rapide zu steigern und dabei das Schmelztrennen infolge einer Uberhitzung zu vermeiden.
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Fig. 1 zeigt die mikroskopische Fotografie (100-fache Vergrößerung)
der Struktur der Heizschlange des Beispiels 1 nach dem Test im Querschnitt. Bei
dem Test wurden 5000 Betriebszyklen durchgeführt. Unter einem Betriebszyklus versteht
man den Betrieb des Heizens der Heizschlange enthaltend 0,5 Vol.-8 MgO in herkömmlichem
Metallnickel auf eine Maximaltemperatur von 11000C durch einen elektrischen Strom
für 10 s und dann Abkühlen derselben für 1 min. Dieser Test wurde mit dem Ziel der
Prüfung der Dauerhaftigkeit vorgenommen.
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Fig. 2 zeigt die mikroskopische Fotografie (100-fache Vergrößerung)
der Struktur der Heizschlange gemäß Beispiel 1 vor dem Test der Heizschlange auf
Dauerhaftigkeit im Querschnitt.
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Fig. 3 zeigt die mikroskopische Fotografie (100-fache Vergrößerung)
der Strkutur der Heizschlange im Querschnitt, welche aus metallischem Nickel besteht,
nach dem Test der Heizschlange auf Dauerhaftigkeit.
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Aus den mikroskopischen Fotografien gemäß Fig. 1 bis 3 wurde beobachtet,
daß das metallische Nickel, welches nicht das Metalloxid enthält, eine Diffusionsschicht
um die Metallstruktur der Heizschlange bildet, nachdem der Dauerhaftigkeitstest
durchgeführt worden ist. Außerdem wurden die
Kristallkörner im
Metallgefüge (Gefüge = Struktur) bemerkenswert vergröbert. Im Metallgefüge wurden
darüber hinaus Mikrolunker ausgebildet.
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Es wurde beobachtet, daß das Heizschlangenmaterial der vorliegenden
Erfindung den üblichen Heizschlangen überlegen ist, die aus metallischem Nickel
bestehen. Diese Überlegenheit bezieht sich auf die Dauerhaftigkeit und auf die geringere
Sprödigkeit nach dem Test auf Dauerhaftigkeit.
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Obwohl bei der vorliegenden Erfindung die spezifische Eigenschaft
der Heizschlange, enthaltend Magnesiumoxid als zusätzliches Metalloxid, geprüft
wurde, so wurde das gleiche Resultat mit einer Heizschlange erzielt, welche zusätzliche
Metalloxide, und zwar andere als dieses Magnesiumoxid, enthielten.