DE19631985A1

DE19631985A1 - Elektrode mit verschleißfester Beschichtung, Zündkerze und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE19631985A1
Application number: DE19631985A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr Niegel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-08-08
Filing date: 1996-08-08
Publication date: 1998-02-19
Also published as: HUP9901495A2; HUP9901495A3; EP0860043A1; BR9706642A; WO1998007220A1; JPH11514145A; CN1198848A; DE59709228D1; EP0860043B1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Elektrode für elektrische Entladungen, insbesondere Zündkerzenelektroden, mit einem Elektrodengrundkörper aus Metall, Zündkerze, sowie einem Verfahren zu ihrer Herstellung nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Gängige Zündkerzen besitzen in der Regel eine Mittenelektrode und eine Massenelektrode, wobei die Spitzen beider Elektroden so zueinander angeordnet sind, daß eine Funkenstrecke frei gelassen ist. Durch die dauernde Funkenerzeugung zwischen beiden Elektroden unterliegen die Spitzen einem erheblichen Verschleiß. Dieses Problem stellt hohe Anforderung an die Temperaturfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Wärmeausdehnungscharakteristik der Elektrodenspitze dar. Funkenerosion und Oxidationserscheinungen führen ebenfalls zu erheblichen Beanspruchungen. Aus der DE 40 39 778 ist ein Verfahren zur Beschichtung der Elektrodenspitzen mit korrosionsfesten Materialien bekannt. Nach dieser Druckschrift werden Elektrodengrundkörper oder auch nur die Elektrodenspitzen mit einer intermetallischen Phase versehen. Diese Herstellung der intermetallischen Phase kann für die Produktion aufwendig sein. Darüber hinaus zeigen die intermetallischen Phasen ein sehr sprödes Verhalten. Im Falle des Legierens von intermetallischen Phasen wird die Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit erheblich herabgesetzt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Elektrode bzw. Zündkerze mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Verschleißschicht mit thermischen Beschichtungsverfahren aufgebracht wird, dessen Einsatz in der Produktion erheblich einfacher ist und den Verbund chemisch unterschiedlicher Werkstoffe mit geringer gegenseitiger Aufmischung erlaubt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Elektrode und des Verfahrens zur Herstellung der Elektrode möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, daß mit Pulverspritzverfahren unterschiedlichste Materialien als Korrosionsschutz für die Elektrodenspitze aufgebracht werden können. Dabei sind mit Materialien wie Metalle, Legierungen von Metallen, Metallkeramiken, oder Oxide usw. denkbar.

Besonders einfach und vorteilhaft ist die Herstellung einer erfindungsgemäßen Elektrode mit der korrosionsfesten Beschichtung mithilfe der thermischen Pulverbeschichtungsverfahren.

Dabei ist besonders das Laser-Beschichtungsverfahren vorteilhaft, da damit streng begrenzte und punktgenaue Beschichtungen aufgebracht werden können.

Vorteilhafterweise werden Zündkerzen mit Elektroden, von denen mindestens einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtet ist, ausgestattet.

Dabei werden Teilbereiche der Elektroden beschichtet, wie Elektrodenspitzen, Elektrodenmantelbereiche, Elektrodenflächen mit Einkerbungen oder kegelförmigen Aussparungen.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 den schematischen Produktionsablauf zur Herstellung einer Elektrode mit einer korrosionsfesten Beschichtung, Fig. 2 und Fig. 3 zwei Beispiele für beschichtete Elektrodenkörper.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Erfindung verwendet ein modernes Beschichtungsverfahren zur Herstellung von Verschleißschutzschichten z. B. für Zündkerzenelektroden. Das thermische Spritzen als moderne Oberflächentechnologie bietet dabei vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Damit lassen sich Bauteile aus verschiedensten Grundstoffen im erfindungsgemäßen Fall aus Metall, mit Schichten aus hochschmelzenden Metallen, Oxiden und Metallkeramiken zum Schutz vor Verschleiß und Korrosion versehen. Es können nahezu alle Beschichtungswerkstoffe, die in Pulverform herstellbar sind, verarbeitet werden. Der Spritzzusatz wird einer energiereichen Wärmequelle zugeführt und aufgeschmolzen. Die schmelzflüssigen Partikel des Beschichtungsstoffes werden in Richtung eines Substrats beschleunigt und treffen mit meist hoher Geschwindigkeit auf, um eine Schicht zu bilden. Das Substrat unterliegt während des Prozesses in der Regel einer nur geringen thermischen Belastung. Der Spritzstrahl ist bei allen Verfahren räumlich stark begrenzt, dennoch liegen die Spritzverluste bei 20 bis 40%. Eine Ausnahme bildet da das Laserspritzen, wo der Beschichtungswerkstoff mit Hilfe eines Trägergases langsam in den Fokusbereich eines Laserstrahls geblasen wird. Gleichzeitig wird durch den Laserstrahl das Substrat aufgeschmolzen, so daß in der Schmelze eine Verbindung zwischen Substrat und Beschichtungswerkstoff entsteht. Das Laserspritzen zeichnet sich dadurch aus, daß es sich um ein echtes Einstufenverfahren handelt. Bisher wurde eine Werkstückoberfläche zunächst beschichtet und anschließend in einem zweiten Arbeitsgang mit Hilfe eines Laserstrahls nachbehandelt. Bei diesem Verfahren werden beide Schritte kombiniert. Das Laserspritzen wird zumeist mit CO₂-Laser mit Nettoleistungen von einigen Kilowatt eingesetzt.

Thermisch gespritzte Schichten zeichnen sich durch Schichtdicken im Bereich von 100 µm bis zu einigen mm aus, wobei der Bindungsmechanismus entweder auf mechanischer Verklammerung, Adhäsion, Diffusion, chemischer Bindung oder elektrostatischen Kräften beruht. Mit den thermischen Spritzverfahren, wobei das Laserspritzen dem Plasmaspritzen, Lichtbogenspritzen oder Flammspritzen vorzuziehen ist, können Elektroden aus verschiedenen Grundwerkstoffen mit Verschleißschutzschichten aus hochschmelzenden Metallen, Legierungen, Metallkeramiken und anderen Verbindungen (Silizide, Oxide, Aluminide, Boride, Nitride, Carbide) gegen Funkenerrosionsverschleiß und Korrosionsverschleiß versehen werden. Besonders geeignet für die Beschichtung und besonders verschleißfest haben sich die Legierungen NiCr₃₁Al₁₁Y_0,5 und RuAl₁₁ erwiesen. Diese Materialien weisen nach Thermoschockprüfung und Laufzeituntersuchungen eine deutlich verbesserte Standfestigkeit im Vergleich zu bisher verwendeten Verschleißschutzschichten auf.

Fig. 1 zeigt den schematischen Fertigungsablauf zur Fertigung von Zündkerzenelektroden aus einem Verbunddraht. In der Station S1 wird der nickelummantelte Kupferdraht von einer Rolle abgezogen und kalibriert. Station S2 stellt die maßgenauen Drahtabschnitte 1 her, die in Station S3 angestaucht werden, um den Elektrodensitz 8 herzustellen. In Station S4 wird z. B. mit einem Laser die verschleißfeste Schicht aufgebracht, nachdem der Elektrodengrundkörper konfektioniert wurde. In einer letzten Station S5 wird die Elektrode, die nun fertig beschichtet vorliegt, nachbehandelt, und Grate z. B. durch Abschleifen entfernt. Die Elektrode wird nach ihrer Fertigstellung in den Keramikkörper verbaut.

Fig. 2 zeigt eine Mittelelektrode 1, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus Fig. 1 beschichtet wurde. Man erkennt, daß mit diesem Verfahren sehr präzise auch dünne Schichten aufgebracht werden können. Dabei spielt auch die Geometrie der Werkstücke keine Rolle. Die Beschichtung erfolgt vor dem Einbau der Elektrode in den Keramikkörper. An der Übergangsstelle 5 zwischen Mantelbeschichtung 4 und Elektrodenkörper 1 gibt es gut getrennte Phasen zwischen Elektrodenkörper und Beschichtung, die beispielsweise einen Dicke von 0,5 mm aufweist. Der Elektrodengrundkörper muß im Bereich der Beschichtung für die Beschichtung konfiguriert werden. Im Beispiel der Fig. 2 wird der nickelummantelte Kupferdraht spanend oder nichtspanend auf einen reduzierten Durchmesser gebracht. Dabei muß darauf geachtet werden, daß der Kupferkern nicht bloßgelegt wird, da es sonst zu Korrosionserscheinungen kommt. Soll, wie in Fig. 2, die Stirnfläche nicht beschichtet werden, muß ein thermisches Verfahren mit einer starken Bündelung des Strahles eingesetzt werden, d. h. Laser- oder Elektronenstrahlspitzverfahren. Ein Plasmastrahl ergäbe einen zu breiten thermischen Bereich.

Für viele Anwendungen ist aber auch eine Beschichtung der Stirnflächen der Elektroden tolerierbar oder sogar erwünscht.

Wie in Fig. 3 zu sehen, kann auch die Gegenelektrode 3, die im Kerzengehäuse 2 installiert ist, mit einer Beschichtung, die in diesem Beispiel in einer kegelförmigen Vertiefung 7 aufgebracht wird, versehen werden. Hier kann die Beschichtung vorgenommen werden, nachdem die Elektrode im Gehäuse verbaut ist, wenn man ein Laserspritzverfahren einsetzt.

Über die Beschichtungsverfahren für Mittelelektroden hinaus, können auch andere Elektroden mit Verschleißschutzschichten versehen werden. Hierbei ist die Beschichtung fast jeder geometrischen Form möglich. Es können Stirn- oder Mantelflächenbeschichtungen von fließgepreßten Mittelelektroden, Beschichtungen von Profildrähten für Masseelektroden, oder Beschichtungen von Elektrodenronden- oder -platinen vorgenommen werden.

Claims

1. Elektrode für elektrische Entladungen, insbesondere Zündkerzenelektrode, mit einem Elektrodengrundkörper aus Metall, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode eine Verschleißschutzschicht, die mit einem thermischen Spritzverfahren unter Verwendung pulverförmigen Beschichtungsmaterials aufgetragen wurde, zumindest auf einem Teilbereich der Elektrodenoberfläche aufweist.

2. Elektrode für elektrische Entladungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht aus Metallen oder aus Legierungen von Metallen, vorzugsweise aus Nickellegierungen oder Edelmetallverbindungen besteht.

3. Elektrode für elektrische Entladungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht aus Metallkeramiken besteht.

4. Elektrode für elektrische Entladungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht aus Metallverbindungen bestehen.

5. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für elektrische Entladungen nach Anspruch 1 bis 4, insbesondere Zündkerzenelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Verfahrensschritte ablaufen:

a) Kalibrieren des Grunddrahtes
b) Abscheren der Abschnitte
c) Anstauchen der Elektrodensitze und Konfektionieren der zu beschichtenden Fläche
d) Aufbringen der Verschleißschutzschicht mit thermischen Spritzverfahren
e) Nachbehandlung.

6. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für elektrische Entladungen nach Anspruch 5, insbesondere Zündkerzenelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß für das Beschichten der Elektrode ein Laser als thermische Quelle eingesetzt wird.

7. Zündkerze für eine Brennkraftmaschine mit einem rohrförmigen Gehäuse, einem darin eingebetteten Isolator und einer vom Isolator umschlossenen Mittelelektrode, die in den Brennraum hineinragt, und mit mindestens einer Massenelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden eine Verschleißschutzschicht, die mit einem thermischen Spritzverfahren unter Verwendung pulverförmigen Beschichtungsmaterials aufgetragen wurde, zumindest auf einem Teilbereich der Elektrodenoberfläche aufweist.

8. Zündkerze für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche und/oder die Mantelfläche an der Spitze der Mittelelektrode mit einer Verschleißschutzschicht versehen ist.

9. Zündkerze für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine angephasten Fläche an der Spitze und/oder die Stirnfläche der Massenelektrode mit einer Verschleißschutzschicht versehen ist.

10. Zündkerze für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine kegelförmig vertiefte Fläche an der Spitze der Massenelektrode mit einer Verschleißschutzschicht versehen ist.