Title:
Verfahren zur Herstellung von elektrischen Entladungschips aus Edelmetall und Verfahren zur Herstellung von Zündkerzen unter Verwendung der Entladungschips aus Edelmetall
Kind Code:
B4


Abstract:

Verfahren zur Herstellung von elektrischen Entladungschips (51, 52) aus Edelmetall für eine Zündkerze (100), wobei die Zündkerze (100) Folgendes umfasst:
eine Mittelelektrode (3),
einen Isolator (2), der einen Umfang der Mittelelektrode (3) bedeckt, wobei ein freier Endabschnitt (3a) der Mittelelektrode (3) freiliegt, und
eine Masseelektrode (4), die an einem Hauptelement aus Metall (1) befestigt ist und einen gegenüberliegenden Abschnitt (4a) hat, der eine Entladungsstrecke g zwischen der Masseelektrode (4) und dem freien Endabschnitt (3a) der Mittelelektrode (3) bildet,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Bilden eines Vorblocks aus einer Iridiumlegierung, die nicht weniger als 0,5 Masse% und nicht mehr als 35 Masse% einer anderen Metallkomponente als Iridium enthält,
Warmschmieden des Vorblocks zu einem Stangenmaterial,
Walzen des Stangenmaterials,
Drahtziehen des resultierenden Stangenmaterials (102) mit einem Ziehstein (101), um einen im Querschnitt kreisrunden Grobdraht mit einer Querschnittsfläche nicht kleiner als 0,05 mm2 und nicht größer als 1,2 mm2 zu bilden, wobei beim Drahtziehen das resultierende Stangenmaterial (102) in einem Abschnitt desselben in einem Erwärmungsbereich (103) kontinuierlich zum Rotglühen und/oder Weißglühen gebracht wird, wobei sich der Erwärmungsbereich (103) bis zu 60 mm von einer Werkstückeinsetzfläche (101a) bzw. der Oberfläche des für das Drahtziehverfahren verwendeten Ziehsteins (101) entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des resultierenden Stangenmaterials (102) erstreckt, wobei an einer Temperaturmessposition (105), die sich im Abstand von 20 mm von der Werkstückeinsetzfläche (101a) entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des resultierenden Stangenmaterials (102) befindet, das resultierende Stangenmaterial (102) auf eine Temperatur nicht niedriger als 1000°C und nicht höher als 1150°C ...




Inventors:
Matsutani, Wataru (Aichi, Nagoya, JP)
Yoshimoto, Osamu (Aichi, Nagoya, JP)
Matsubara, Yoshihiro (Aichi, Nagoya, JP)
Application Number:
DE102004018113A
Publication Date:
05/11/2017
Filing Date:
04/14/2004
Assignee:
NGK Spark Plug Co., Ltd. (Aichi-ken, Nagoya-shi, JP)
Domestic Patent References:
DE60102748T2N/A2004-08-19
DE19719937A1N/A1997-11-20
DE19623795A1N/A1996-12-19



Foreign References:
EP12463302002-10-02
Attorney, Agent or Firm:
Lorenz Seidler Gossel Rechtsanwälte Patentanwälte Partnerschaft mbB, 80538, München, DE
Claims:
1. Verfahren zur Herstellung von elektrischen Entladungschips (51, 52) aus Edelmetall für eine Zündkerze (100), wobei die Zündkerze (100) Folgendes umfasst:
eine Mittelelektrode (3),
einen Isolator (2), der einen Umfang der Mittelelektrode (3) bedeckt, wobei ein freier Endabschnitt (3a) der Mittelelektrode (3) freiliegt, und
eine Masseelektrode (4), die an einem Hauptelement aus Metall (1) befestigt ist und einen gegenüberliegenden Abschnitt (4a) hat, der eine Entladungsstrecke g zwischen der Masseelektrode (4) und dem freien Endabschnitt (3a) der Mittelelektrode (3) bildet,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Bilden eines Vorblocks aus einer Iridiumlegierung, die nicht weniger als 0,5 Masse% und nicht mehr als 35 Masse% einer anderen Metallkomponente als Iridium enthält,
Warmschmieden des Vorblocks zu einem Stangenmaterial,
Walzen des Stangenmaterials,
Drahtziehen des resultierenden Stangenmaterials (102) mit einem Ziehstein (101), um einen im Querschnitt kreisrunden Grobdraht mit einer Querschnittsfläche nicht kleiner als 0,05 mm2 und nicht größer als 1,2 mm2 zu bilden, wobei beim Drahtziehen das resultierende Stangenmaterial (102) in einem Abschnitt desselben in einem Erwärmungsbereich (103) kontinuierlich zum Rotglühen und/oder Weißglühen gebracht wird, wobei sich der Erwärmungsbereich (103) bis zu 60 mm von einer Werkstückeinsetzfläche (101a) bzw. der Oberfläche des für das Drahtziehverfahren verwendeten Ziehsteins (101) entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des resultierenden Stangenmaterials (102) erstreckt, wobei an einer Temperaturmessposition (105), die sich im Abstand von 20 mm von der Werkstückeinsetzfläche (101a) entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des resultierenden Stangenmaterials (102) befindet, das resultierende Stangenmaterial (102) auf eine Temperatur nicht niedriger als 1000°C und nicht höher als 1150°C erwärmt ist, wobei die Temperatur in dem sich von der Temperaturmessposition (105) zur Werkstückeinsetzfläche (101a) erstreckenden Bereich (106) auf nicht niedriger als 1000°C eingestellt ist, und wobei die Drahtziehgeschwindigkeit auf nicht niedriger als 1300 mm/min und nicht höher als 1600 mm/min reguliert ist,
Zuschneiden des Grobdrahtes auf eine vorbestimmte Länge, um einen elektrischen Entladungschip (51, 52) aus Edelmetall zur Befestigung an dem freien Endabschnitt (3a) der Mittelelektrode (3) und/oder dem gegenüberliegenden Abschnitt (4a) der Masseelektrode (4) herzustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die von Iridium verschiedene Metallkomponente Nickel umfasst.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Iridiumlegierung außerhalb des sich von einer Werkstückeinsetzfläche (101a) des Ziehsteins (101) zu einer Position in einer vorbestimmten Entfernung entgegengesetzt zur Drahtziehrichtung erstreckenden Erwärmungsbereichs (103) nicht erwärmt wird.

4. Verfahren zur Herstellung von Zündkerzen unter Verwendung von elektrischen Entladungschips (51, 52) aus Edelmetall, wobei die Zündkerze (100) Folgendes umfasst:
eine Mittelelektrode (3),
einen Isolator (2), der einen Umfang der Mittelelektrode (3) bedeckt, wobei ein freier Endabschnitt (3a) der Mittelelektrode (3) freiliegt, und
eine Masseelektrode (4), die an einem Hauptelement aus Metall (1) befestigt ist und einen gegenüberliegenden Abschnitt (4a) hat, der eine Entladungsstrecke g zwischen der Masseelektrode (4) und dem freien Endabschnitt (3a) der Mittelelektrode (3) bildet,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Bilden eines Vorblocks aus einer Iridiumlegierung, die nicht weniger als 0,5 Masse% und nicht mehr als 35 Masse% einer anderen Metallkomponente als Iridium enthält,
Warmschmieden des Vorblocks zu einem Stangenmaterial,
Walzen des Stangenmaterials,
Drahtziehen des resultierenden Stangenmaterials (102) mit einem Ziehstein (101), um einen im Querschnitt kreisrunden Grobdraht mit einer Querschnittsfläche nicht kleiner als 0,05 mm2 und nicht größer als 1,2 mm2 zu bilden, wobei beim Drahtziehen das resultierende Stangenmaterial (102) in einem Abschnitt desselben in einem Erwärmungsbereich (103) kontinuierlich zum Rotglühen und/oder Weißglühen gebracht wird, wobei sich der Erwärmungsbereich (103) bis zu 60 mm von einer Werkstückeinsetzfläche (101a) bzw. der Oberfläche des für das Drahtziehverfahren verwendeten Ziehsteins (101) entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des resultierenden Stangenmaterials (102) erstreckt, wobei an einer Temperaturmessposition (105), die sich im Abstand von 20 mm von der Werkstückeinsetzfläche (101a) entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des resultierenden Stangenmaterials (102) befindet, das resultierende Stangenmaterial (102) auf eine Temperatur nicht niedriger als 1000°C und nicht höher als 1150°C erwärmt ist, wobei die Temperatur in dem sich von der Temperaturmessposition (105) zur Werkstückeinsetzfläche (101a) erstreckenden Bereich (106) auf nicht niedriger als 1000°C eingestellt ist, und wobei die Drahtziehgeschwindigkeit auf nicht niedriger als 1300 mm/min und nicht höher als 1600 mm/min reguliert ist,
Zuschneiden des Grobdrahtes auf eine vorbestimmte Länge, um einen elektrischen Entladungschip (51, 52) aus Edelmetall zur Befestigung an dem freien Endabschnitt (3a) der Mittelelektrode (3) und/oder dem gegenüberliegenden Abschnitt (4a) der Masseelektrode (4) herzustellen, und
Anschweißen des elektrischen Entladungschip (51, 52) aus Edelmetall an den freien Endabschnitt (3a) der Mittelelektrode (3) und/oder den gegenüberliegenden Abschnitt (4a) der Masseelektrode (4) angeschweißt wird.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Entladungschips aus Edelmetall, die sich zur Verwendung bei Langzeitzündkerzen eignen, und ein Verfahren zur Herstellung der Zündkerzen.

Um die von einer Zündkerze geforderte Funkenverschleißbeständigkeit sicherzustellen, wurde eine Iridiumlegierung mit hohem Schmelzpunkt als Material für die elektrischen Entladungschips aus Edelmetall verwendet. Eine Iridiumlegierung, die Iridium als Hauptbestandteil und andere Metalle als Iridium in einer Menge von nicht mehr als 35 Masse% enthält, ist sehr schwer plastisch zu verformen. Es gibt ein Verfahren (siehe zum Beispiel die hierin als Patentveröffentlichung 1 genannte JP H10-32 076 A und die hierin als Patentveröffentlichung 2 genannte JP 2000-331 770 A) zur Bildung von elektrischen Entladungschips aus Edelmetall mit einer kleinen Querschnittsfläche, indem ein Vorblock aus einer solchen Legierung, die Iridium als Hauptbestandteil enthält, einer Heißverarbeitung unterzogen wird.

Wenn jedoch eine Iridiumlegierung einer Heißverarbeitung gemäß den Patentveröffentlichungen 1 und 2 unterzogen wird, kann das Auftreten von Rissen und das Reißen und Umbiegen von Abschnitten während des Drahtziehvorgangs nicht hinreichend verhindert werden. Infolgedessen ist es schwierig, den Ertrag bei der Fertigung von Entladungschips ausreichend zu verbessern.

DE 197 19 937 A1 betrifft eine Zündkerze, welche eine verbesserte Lebensdauer aufweist und zweckmäßig bei einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine verwendet wird, sowie ein Verfahren zum Herstellen der Zündkerze ohne komplizierte Verfahrensschritte. Das Verfahren umfaßt die Schritte von dem Mischen von Ir und dem Metall um eine Mischung auszubilden, dem Schmelzen der Mischung um eine Schmelze auszubilden, dem Gießen der Schmelze um einen Block auszubilden, dem Warmumformen des Blocks um eine umgeformte Stange auszubilden, dem Warmumformen des Blocks um eine umgeformte Stange auszubilden, dem Warmwalzen der umgeformten Stange, dem Warmdrahtziehen der warmgewalzten Stange zu einem Draht sowie dem Schneiden des Drahts zu einer ausgewählten Länge.

DE 196 23 795 A1 betrifft eine Zündkerze für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung auf, die einen verbesserten Abschmelzwiderstand sowie eine verbesserte Lebensdauer aufweist. Die Zündkerze weist eine Mittelelektrode und eine Erdungselektrode auf, von denen wenigstens eine ein Edelmetallplättchen hat, das mit einer Entladestelle ihrer Stirnseite verbunden ist, wobei das aus einer Ir-Rh-Legierung bestehende Edelmetallplättchen einen Rh-Anteil von 1 Gew.% bis 60 Gew.% enthält.

EP 1 246 330 A2 betrifft eine Zündkerze für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, die eine verbesserte Lebensdauer aufweist. Ihr Entladungschip weist einen Durchmesser von 0,3 bis 0,8 mm und eine Dicke von 0,4 bis 2 mm auf. Der Entladungschip besteht überwiegend aus Ir und zu 0,5 bis 8 Gew.% aus Ni.

Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der oben genannten Probleme des Standes der Technik getätigt, und es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Edelmetallchips und Zündkerzen mit den elektrischen Entladungschips aus Edelmetall bereitzustellen, das in der Lage ist, den Ertrag an elektrischen Entladungschips aus Edelmetall zu verbessern, die aus einer Iridiumlegierung gebildet sind, die sich schwer plastisch verformen lässt.

Die obige Aufgabe der vorliegenden Erfindung wurde gelöst durch Bereitstellen einer Zündkerze mit einer Mittelelektrode, einem Isolator, der eine Außenseite der Mittelelektrode bedeckt, wobei ein freier Endabschnitt der Mittelelektrode freiliegt, einem den Isolator festhaltenden Hauptelement aus Metall und einer Masseelektrode, die an dem Hauptelement aus Metall befestigt ist und einen gegenüberliegenden Abschnitt aufweist, der eine Entladungsstrecke zwischen der Masseelektrode und dem freien Endabschnitt der Mittelelektrode bildet, wobei entweder der freie Endabschnitt der Mittelelektrode oder der gegenüberliegende Abschnitt der Masseelektrode oder beide dadurch hergestellt wurde(n), dass ein Vorblock aus einer Iridiumlegierung, die nicht weniger als 0,5 Masse% und nicht mehr als 35 Masse% eines anderen Metalls als Iridium enthält, dem Drahtziehen unterzogen wurde, wobei ein Grobdraht mit einer Querschnittsfläche von nicht weniger als 0,05 mm2 und nicht mehr als 1,2 mm2 durch Walzen gebildet wird, und dass der Grobdraht auf eine vorbestimmte Länge zugeschnitten wird.

Das charakteristische Merkmal dieses Drahtziehverfahrens besteht darin, dass ein Abschnitt des bearbeiteten Materials in einem sich von einer Werkstückeinsetzfläche (d. h. der Oberfläche eines zum Drahtziehen verwendeten Ziehsteins, in den das bearbeitete Material eingesetzt wird) bis zu einer Position in einer vorbestimmten Entfernung entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des Werkstücks (d. h. der Drahtziehrichtung) erstreckenden Erwärmungsbereich des bearbeiteten Materials kontinuierlich zum Rot- oder Weißglühen gebracht wird. Das bearbeitete Material wird an einer Temperaturmessposition, die 20 mm von der Werkstückeinsetzfläche in der zur Bewegungsrichtung des Werkstücks entgegengesetzten Richtung entfernt ist, auf einer Temperatur nicht niedriger als 1000° und nicht höher als 1150°C gehalten. Die Temperatur in einem sich von der Temperaturmessposition zu der Werkstückeinsetzfläche des Ziehsteins erstreckenden Bereich ist auf nicht niedriger als 1000°C eingestellt, und die Metallziehgeschwindigkeit beträgt nicht weniger als 1300 mm/min und nicht mehr als 1600 mm/min.

Nickel wird als Beispiel für die von Iridium verschiedene Metallkomponente genannt. So erhaltene Edelmetallchips werden am freien Endabschnitt der Mittelelektrode oder am gegenüberliegenden Abschnitt der Masseelektrode oder an beiden bereitgestellt.

Nach diesem Verfahren zur Herstellung elektrischer Entladungschips aus Edelmetall kann der Ertrag der aus einer sehr schwer plastisch zu verformenden Iridiumlegierung gebildeten elektrischen Entladungschips aus Edelmetall stark verbessert werden. Der Mechanismus, der eine solche Verbesserung im Ertrag möglich macht, wird nachfolgend beschrieben.

Die aus einer Iridiumlegierung hergestellten elektrischen Entladungschips aus Edelmetall werden gebildet durch Ziehen eines heißen Drahtes gemäß der Offenbarung in den oben genannten Patentveröffentlichungen. Bei diesem Heißdrahtziehverfahren wird die das bearbeitete Material bildende Iridiumlegierung zum Rotglühen und dann zum Weißglühen gebracht, um ihre Rekristallisationstemperatur nicht zu senken. Die aus der Verarbeitung im vorhergehenden Schritt resultierenden Spannungen werden dadurch ausgeschaltet, und auch die Härte des Materials wird gesenkt, damit die plastische Verformung des Materials leicht möglich ist. Das resultierende Material wird in diesem Zustand durch den Ziehstein geführt, so dass die Querschnittsfläche des Werkstücks abnimmt. Wenn jedoch die Zeit, in der die Temperatur auf einen Wert nicht unter der Rekristallisationstemperatur erhöht wird, lang ist, wachsen die Kristallkörnchen des Werkstücks. Dadurch werden die Korngrenzen weniger, und wenn Risse entstehen, dehnen sich die Risse leicht aus. Unvermeidliche Verunreinigungen sammeln sich dagegen in der Korngrenze an, und die Korngrenzen, die zahlenmäßig weniger geworden sind, können zerbrechlicher werden. Infolgedessen kann das Werkstück der Zugbelastung nicht mehr standhalten, die auftritt, wenn das Werkstück durch den Ziehstein geführt wird, und es entstehen leicht Risse. Es wird erwartet, dass sich solche Risse entwickeln und in manchen Fällen zum Reißen des Grobdrahtes führen. Kurz gesagt, um das Drahtziehverfahren durchzuführen, muss die Härte des Werkstücks verringert werden, da die bei der Verarbeitung auftretenden Spannungen ausgeschaltet werden, so dass die Temperatur auf den höchstmöglichen Wert erhöht werden muss. Dies verlängert zwangsläufig die Haltezeit bei einer Temperatur nicht unter der Rekristallisationstemperatur. Es ist daher denkbar, dass es zum Wachstum der Kristallkörnchen kommt, was zur Ansammlung von Verunreinigungen an der Korngrenze führt, so dass das bearbeitete Material zerbrechlich wird. Wenn darüber hinaus das bearbeitete Material nicht gleichmäßig erwärmt wird und es vereinzelt zur Verringerung der Härte der Außenseite des bearbeiteten Materials in Umfangsrichtung kommt, entstehen Abschnitte, die schwer plastisch zu verformen sind, und Abschnitte, die leicht plastisch zu verformen sind. Wenn das bearbeitete Material in diesem Zustand durch den Ziehstein gezogen wird, entgehen die Abschnitte, die schwer plastisch zu verformen sind, einer Verformung, indem sie die Abschnitte bedecken, die leicht plastisch zu verformen sind. Dies führt vermutlich zu einem Umbiegen an der Oberfläche des bearbeiteten Materials. Es wurde festgestellt, dass solche Probleme leicht auftreten, wenn die Zeit zum Erwärmen des Werkstücks kurz ist und die Drahtziehgeschwindigkeit während der Ausführung eines Drahtziehvorgangs hoch ist.

Die hier auftretenden Erfinder haben die oben genannten Probleme eingehend studiert und entdeckt, dass zwar die Temperatur des Werkstücks auf einen Wert nicht unter der Rekristallisationstemperatur erhöht wird, die Zeit aber, in der diese Temperatur beibehalten wird, zwangsläufig verringert wird. Die Drahtziehgeschwindigkeit ist ebenfalls auf einen Wert eingestellt, bei dem das Werkstück mit einer geeigneten Zugbelastung beaufschlagt werden kann. Die vorliegende Erfindung wurde daher dadurch vervollständigt, dass die Temperatur, die Zeit der Beibehaltung der Temperatur und die Drahtziehgeschwindigkeit auf die oben genannten Bereiche eingestellt wurden. Die Temperatur in dem Bereich zwischen der Temperaturmessposition und der Werkstückeinsetzfläche des Ziehsteins ergibt sich aus Messungen der Durchschnittstemperatur, die an der Temperaturmessposition durchgeführt wurden. Die Temperaturmessungen werden außerdem mit einem Strahlungsthermometer für das bearbeitete Material im Abstand von 5 mm von der Werkstückeinsetzfläche in einer Richtung entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des Werkstücks durchgeführt. Wenngleich die Temperatur mit einem Strahlungsthermometer gemessen werden kann, fällt die Temperatur vorübergehend außerhalb den in dieser Erfindung vorgegebenen Bereich. Vor allem liegt die Temperatur mindestens während 95% der Temperaturmessperiode zwangsläufig in dem hierin vorgegebenen Temperaturbereich.

Der Effekt der vorliegenden Erfindung wird deutlicher, wenn die elektrischen Entladungschips aus Edelmetall mindestens ein weiteres Edelmetall zusätzlich zu Iridium enthalten. Die elektrischen Entladungschips aus Edelmetall enthalten wünschenswerterweise überhaupt kein unedles Metall, wenngleich die Entladungschips ein unedles Metall als Verunreinigung enthalten können. Wenn in den elektrischen Entladungschips aus Edelmetall ein unedles Metall enthalten ist, sollte sein Anteil nicht mehr als 5 Masse% betragen. Wenn nämlich ein elektrischer Entladungschip aus Edelmetall gebildet wird, der ein weiteres Edelmetall zusätzlich zu Iridium enthält und kein unedles Metall außer als Verunreinigung bzw. in einer Menge von nicht mehr als 5 Masse% enthält, wird der Effekt der vorliegenden Erfindung noch ausgeprägter. Die Edelmetalle können Platin, Rhodium, Palladium und Ruthenium umfassen, und die unedlen Metalle umfassen Nickel, Rhenium, Niobium, Chrom und Wolfram. Die oben genannten anderen Edelmetalle als Iridium unterdrücken die Oxidationsvolatilität, so dass die Haltbarkeit einer Zündkerze, bei der Entladungschips aus Edelmetall verwendet werden, die diese Metalle enthalten, verbessert werden kann.

Wenn dagegen das Rohmaterial ein anderes Edelmetall als Iridium enthält, wird es im Vergleich zu Iridium allein schwieriger, eine solche Legierung plastisch zu verarbeiten. Wenn daher eine Zusammensetzung verwendet wird, die schwer plastisch zu verarbeiten ist, wird der Effekt der vorliegenden Erfindung deutlicher. Wenn jedoch ein bestimmtes Metall (zum Beispiel Rhodium und Wolfram) verwendet wird, wird die plastische Verarbeitbarkeit des Werkstücks in manchen Fällen mehr verbessert als die eines Werkstücks, das Iridium allein enthält. Die vorliegende Erfindung schließt die Aufnahme von Metallen, die die plastische Verarbeitbarkeit des Werkstücks verbessern, nicht aus, und gemäß der vorliegenden Erfindung dienen solche Metalle vielmehr dazu, einen verbesserten Effekt zu erhalten. Wenn dem Werkstück Nickel zugesetzt wird, kann die abnormale Korrosion der Iridiumlegierung unterdrückt werden. Weil jedoch die Schmiedbarkeit der Iridiumlegierung abnimmt, wird die elastische Verarbeitung des Werkstücks schwieriger. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung elektrischer Entladungschips aus Edelmetall ist daher ein sehr effektives Verfahren zum Verbessern des Ertrags elektrischer Entladungschips aus nickelhaltigem Edelmetall. Im Inneren der nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellten elektrischen Entladungschips aus Edelmetall gibt es wenig feine Fehlstellen. Wenn diese Chips an einer Zündkerze befestigt werden, kann der Ertrag der Entladungschips aufgrund dieses Befestigungsvorgangs ebenfalls verbessert werden.

1 ist eine Längsschnittansicht einer mittleren Zündkerze gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Hauptabschnitts der in 1 gezeigten Zündkerze;

3 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines elektrischen Entladungschips aus Edelmetall; und

4 zeigt Erwärmungs- und Temperaturmessverfahren bei einem Drahtziehschritt.

Bezugszeichenliste

1
Hauptelement aus Metall
2
Isolator
3
Mittelelektrode
3a
Spitze
4
Masseelektrode
45a
gegenüberliegender Abschnitt
51, 52
elektrischer Entladungschip aus Edelmetall
g
Entladungsstrecke
101
Ziehstein
101a
Werkstückeinsetzfläche
102
bearbeitetes Material
103
Erwärmungsbereich
104
Brenner
105
Temperaturmessposition
106
Bereich von der Temperaturmessposition bis zu der Werkstückeinsetzfläche

Die vorliegende Erfindung wird als Nächstes anhand der Zeichnungen näher erläutert. Die vorliegende Erfindung sollte jedoch nicht als darauf beschränkt verstanden werden.

Eine Zündkerze 100 mit elektrischen Entladungschips 51, 52 aus Edelmetall, die nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden und an dem freien Endabschnitt 3a einer Mittelelektrode 3 oder an dem gegenüberliegenden Abschnitt 4a einer Masseelektrode 4 oder an beiden befestigt sind, wird nun beschrieben.

Gemäß 1 hat die Zündkerze ein zylindrisches Hauptelement 1 aus Metall, das mit einem Gewindeabschnitt 1a zum Befestigen der Zündkerze an einem Motorblock (nicht dargestellt) versehen ist. In einem inneren Abschnitt des Hauptelements 1 aus Metall ist ein Isolator 2 aus Aluminiumoxidkeramik (Al2O3) oder dergleichen befestigt, und die Mittelelektrode 3 ist in einer axialen Bohrung 2a dieses Isolators 2 befestigt. Der Isolator 2 ist so vorgesehen, dass sein freier Endabschnitt zur Außenseite des Hauptelements 1 aus Metall hin freiliegt.

Die Mittelelektrode 3 ist ein zylindrisches Element aus einem metallischen Material von hoher Wärmeleitfähigkeit, zum Beispiel aus Kupfer in seinem inneren Abschnitt, und aus einem metallischen Material von hoher Wärmebeständigkeit und hoher Korrosionsbeständigkeit, wie zum Beispiel einer INCONEL 600 umfassenden Legierung der Nickelgruppe, die einen äußeren Abschnitt des ersten metallischen Materials bedeckt. Gemäß 2 ist die Mittelelektrode so vorgesehen, dass ihr freier Endabschnitt 3a zur Außenseite der Spitze 2b des Isolators 2 hin freiliegt. An einem Ende des Hauptelements 1 aus Metall ist eine Masseelektrode 4 angeschweißt. Diese besteht aus einem metallischen Material wie zum Beispiel der aus INCONEL 600 hergestellten Legierung der Nickelgruppe, und eine Entladungsstrecke g ist zwischen dem freien Endabschnitt 3a der Mittelelektrode 3 und dem dem ersteren gegenüberliegenden Abschnitt der Masseelektrode 4 gebildet.

Die Mittelelektrode 3 ist an ihrem vorderen Endabschnitt 3a mit einem elektrischen Entladungschip 51 aus Edelmetall versehen, der aus einer Iridiumlegierung mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung besteht. Dieser elektrische Entladungschip 51 aus Edelmetall ist in einer im Querschnitt kreisrunden Form ausgebildet. Der Durchmesser des elektrischen Entladungschips 51 aus Edelmetall ist zum Beispiel auf 0,6 mm eingestellt und seine Länge auf 0,8 mm, um die Wärmeabfuhr des Entladungschips 51 und eine Flammenabschreckwirkung der Masseelektrode 4 zu ermöglichen.

Gemäß 2 ist der freie Endabschnitt 3a der Mittelelektrode 3 mit einem Abschnitt 3c mit kleinerem Durchmesser versehen. Auf einer freien Stirnfläche dieses Abschnitts 3c mit kleinerem Durchmesser ist ferner ein gerader Abschnitt ausgebildet. Der elektrische Entladungschip 51 aus Edelmetall wird auf der freien Stirnfläche dieses geraden Abschnitts angebracht und kann dann durch Laserschweißen daran befestigt werden. Der Außendurchmesser dieses geraden Abschnitts ist etwas größer eingestellt als der des Edelmetallchips 51. Das Laserschweißen kann an zehn Punkten in Abständen von 35° in Umfangsrichtung des elektrischen Entladungschips 51 aus Edelmetall erfolgen.

Der elektrische Entladungschip 52 aus Edelmetall kann durch Widerstandsschweißen an dem gegenüberliegenden Abschnitt 4a der Masseelektrode 4 befestigt werden, der die Entladungsstrecke g zwischen dem gegenüberliegenden Abschnitt selbst und dem freien Endabschnitt 3a der Mittelelektrode 3 bildet. Der elektrische Entladungschip 52 aus Edelmetall ist ebenfalls im Querschnitt kreisrund und zum Beispiel aus 80 Masse% Platin und 20 Masse% Nickel gebildet. Der Durchmesser des elektrischen Entladungschips aus Edelmetall ist zum Beispiel auf 0,9 mm eingestellt (die Querschnittsfläche beträgt etwa 0,64 mm2) und seine Länge auf 0,3 mm. Im Allgemeinen kommt es bei dem elektrischen Entladungschip 51 aus Edelmetall auf der Seite der Mittelelektrode 3 zu einem stärkeren Abbrand infolge der Funkenentladung als bei dem elektrischen Entladungschip 52 aus Edelmetall auf der Seite der Masseelektrode 4. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist daher nur der elektrische Entladungschip 51 aus Edelmetall aus einer Iridiumlegierung gebildet, und der elektrische Entladungschip 52 aus Edelmetall kann der gleiche sein wie der bei einer Zündkerze einer verwandten Technik verwendete. Wenn der elektrische Entladungschip aus Edelmetall beständig sein soll gegen Abbrand, kann ein nach dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung produzierter elektrischer Entladungschip 52 aus Edelmetall bei der Masseelektrode 4 verwendet werden, wie nachfolgend beschrieben.

Ein konkretes Verfahren zur Herstellung des elektrischen Entladungschips 51 aus Edelmetall wird nun anhand von 3 und 4 beschrieben. Zunächst werden Iridium und eine andere Metallkomponente als Iridium im Lichtbogen geschmolzen (S1 in 3), so dass der Anteil der von Iridium verschiedenen Metallkomponente nicht höher wird als 35 Masse%, um einen Vorblock zu bilden (S2 in 3). Dieser Vorblock wird zu einem Stangenmaterial mit einem feinen faserigen Gewebe warmgeschmiedet (S3 in 3). Dieses Stangenmaterial wird zum Beispiel auf 1400 bis 1450°C erwärmt, und dann wird das Stangenmaterial gemäß nachfolgender Beschreibung dem Heißwalzen unter Verwendung von Profilrollen und dem Gesenkschmieden unterzogen. Diese Stange wird dann mehrmals unter Verwendung von Profilrollen gewalzt (S4 in 3), um ein im Querschnitt sechseckiges Stangenmaterial mit kleiner Querschnittsfläche zu bilden. Das Walzen des Stangenmaterials unter Verwendung von Profilrollen erfolgt mit einer Geschwindigkeit von 800 bis 1400 mm/min.

Das Stangenmaterial wird danach dem Gesenkschmieden unterzogen (S5 in 3), um ein kreisrundes stangenartiges Material zu bilden. Das resultierende Produkt wird mehrmals dem Drahtziehen unterzogen (S6 in 3), um einen im Querschnitt kreisrunden Grobdraht mit einer Querschnittsfläche nicht kleiner als 0,05 mm2 und nicht größer als 1,2 mm2 zu bilden, und dieser Grobdraht wird auf eine vorbestimmte Länge zugeschnitten (S7 in 3), um einen elektrischen Entladungschip 51 aus Edelmetall zu bilden. Um dieses Drahtziehen durchzuführen, wird gemäß 4 ein Erwärmungsbereich verwendet. Der Erwärmungsbereich 103, der sich 60 mm von einer Werkstückeinsetzfläche 101a (d. h. der Oberfläche des für das Drahtziehverfahren verwendeten Ziehsteins 101, in den das Werkstück 102 eingesetzt wird) entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des Werkstückstücks 102 erstreckt, ist den Flammen der Brenner 104 ausgesetzt. An der Temperaturmessposition 105, die sich im Abstand von 20 mm von der Werkstückeinsetzfläche 101a entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des Werkstücks befindet, ist das Werkstück 102 auf eine Temperatur nicht niedriger als 1000°C und nicht höher als 1150°C erwärmt, und die Temperatur in dem sich von der Temperaturmessposition 105 zur Werkstückeinsetzfläche 101a erstreckenden Bereich 106 ist auf nicht niedriger als 1000°C eingestellt. Die Drahtziehgeschwindigkeit ist auf nicht niedriger als 1300 mm/min und nicht höher als 1600 mm/min reguliert. Gemäß 4 sollte der Ziehstein 101 oder ein Gesenkblock (nicht dargestellt), auf und an dem der Ziehstein 101 gehalten und befestigt wird, ebenfalls mit einem Brenner 104 erwärmt werden. Die Drahtziehgeschwindigkeit stellt eine Drahtziehgeschwindigkeit auf der Seite des bearbeiteten Materials 102 gegenüber dem Ziehstein dar, der erwärmt wird, und die Drahtziehgeschwindigkeit wird reguliert durch Einstellen der Drehzahl einer Aufwickeltrommel (nicht dargestellt) zum Aufwickeln des Werkstücks.

Ein im Querschnitt kreisrunder Grobdraht mit einer Querschnittsfläche von nicht weniger als 0,05 mm2 und nicht mehr als 1,2 mm2 sollte vorzugsweise poliert und mit einer Drahtsäge und dergleichen auf eine vorbestimmte Länge zugeschnitten werden. Deshalb gibt es keine Grate, Risse, feinen Vorsprünge und Vertiefungen und dergleichen. Ein Betrag der Verminderung der Querschnittsfläche eines Grobdrahtes gemäß der vorliegenden Erfindung, der dem Walzen mit Profilrollen, dem Gesenkschmieden und dem Drahtziehen unterzogen wird, in Bezug auf seinen Durchmesser ist auf nicht mehr als 5% eingestellt. Der Betrag der Verminderung der Querschnittsfläche ist jedoch nicht auf diesen Bereich beschränkt. Ein geeigneter Betrag der Verminderung der Querschnittsfläche kann zum Beispiel aufgrund der Ergebnisse von Experimenten eingestellt werden. Der Betrag der Verminderung der Querschnittsfläche bedeutet einen gemäß dem Ausdruck [(AO – A)/AO] × 100 berechneten Prozentsatz, wobei AO die Querschnittsfläche eines Werkstücks darstellt, das noch nicht einem mit einem Ziehstein arbeitenden Verfahren unterzogen wurde; und A stellt die Querschnittsfläche des Werkstücks dar, das dem mit einem Ziehstein arbeitenden Verfahren unterzogen wurde.

Die Länge des elektrischen Entladungschips 51 aus Edelmetall ist vorzugsweise nicht kleiner als 0,5 mm und nicht größer als 2,0 mm. Die Gründe dafür sind folgende: Wenn die Querschnittsfläche des elektrischen Entladungschips 51 aus Edelmetall kleiner ist als 0,05 mm2, wobei seine Länge größer ist als 2,0 mm, dann wird während des Gebrauchs der Zündkerze die Wärmeabfuhr von dem elektrischen Entladungschip 51 auf der Seite der Entladungsstrecke g zu der Mittelelektrode 3 verringert. Außerdem wird die Temperatur des auf der Seite der Entladungsstrecke g liegenden Abschnitts des elektrischen Entladungschips 51 aus Edelmetall ungewöhnlich hoch, so dass der Abbrand des elektrischen Entladungschips 51 aus Edelmetall zunimmt. In einem solchen Fall können die Anforderungen einer Langzeitzündkerze nicht erfüllt werden.

Wenn die Querschnittsfläche des elektrischen Entladungschips 51 aus Edelmetall größer wird als 1,2 mm2, nimmt der Grad der Konzentration des elektrischen Feldes auf der Seite der Entladungsstrecke g des elektrischen Entladungschips aus Edelmetall ab und die Entladungsspannung der Zündkerze kann ansteigen. Die Flammen werden auf der auf der Seite der Entladungsstrecke g liegenden Oberfläche des elektrischen Entladungschips 51 aus Edelmetall gebildet. Wenn die Länge des elektrischen Entladungschips 51 aus Edelmetall kleiner ist als 0,5 mm, nimmt der Abstand zwischen den Flammen und der Mittelelektrode 3 ab, und die Flammen werden durch die Mittelelektrode 3 abgekühlt (nachfolgend auch bezeichnet als Abschreckwirkung). Dies kann dazu führen, dass die Zündwirkung der Zündkerze abnimmt.

Die beste Art der praktischen Anwendung der vorliegenden Erfindung wird nun anhand von Versuchsbeispielen näher beschrieben. Die Ergebnisse der Messung der Erträge von elektrischen Entladungschips aus Edelmetall, die aus Iridium und den oben genannten verschiedenen anderen Metallkomponenten hergestellt sind und einen Durchmesser von 0,6 mm und eine Länge von 0,8 mm haben und hergestellt wurden durch Drahtziehen eines bearbeiteten Materials bei verschiedenen Temperaturen, für verschiedene Zeitdauern und mit verschiedenen Drahtziehgeschwindigkeiten, sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt. Die Experimente wurden mit einem Betrag der Verminderung der Querschnittsfläche des Grobdrahtdurchmessers jeweils in einer Höhe von 3 bis 5% durchgeführt. Der Ertrag wurde jeweils ermittelt durch Feststellen des Reißens des Grobdrahtes, des Auftretens des Umbiegens während eines Drahtziehvorgangs unter Verwendung eines Ziehsteins, und des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins von Rissen einer Größe von über 0,03 mm laut Untersuchung mit einem zur Rissprüfung verwendeten Kriechmittel nach Abschluss des Drahtziehens mit einem Ziehstein. Um ein Drahtziehverfahren mit einem Ziehstein durchzuführen, wird das freie Ende des bearbeiteten Materials im Allgemeinen zwangsläufig so dünn gemacht, dass das Werkstück problemlos durch den Ziehstein passt, und das bearbeitete Material wird mit einem Spannfutter an dem Ziehstein befestigt. Da der auf diese Weise im Voraus dünner gemachte Abschnitt nicht als Produkt verwendet werden kann, kann der Ertrag nicht 100% betragen. Die anderen Verfahren werden nach den oben genannten Methoden durchgeführt. Die Tabelle zeigt die Zusammensetzung der bearbeiteten Materialien, d. h. das Verhältnis von Iridium und den oben genannten von Iridium verschiedenen Metallkomponenten und die Ziehbedingungen für den Grobdraht jeder Zusammensetzung in Bezug auf die Experimente Nr. 1 bis 31. Die mit einem Sternchen (*) gekennzeichneten Proben liegen außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung.

Das Erwärmen von Werkstück und Ziehstein 101 erfolgte mit Hilfe der Brenner 104, und die Temperaturmessung an der Temperaturmessposition 105 wurde mit einem Strahlungsthermometer 110 mit einem Messpunktdurchmesser ∅3 durchgeführt. Das Messverfahren unter Verwendung dieses Strahlungsthermometers 110 wurde folgendermaßen durchgeführt. Ein Grobdraht mit der gleichen Zusammensetzung und dem gleichen Durchmesser wie das Werkstück wird in einen Elektroofen gelegt. Eine Emissionsrate in Bezug auf den Durchmesser des Grobdrahtes wird im voraus eingestellt, so dass die gemessene Ofentemperatur und der angezeigte Wert eines mit diesem Grobdraht verbundenen Thermoelements sowie der Wert, der auf dem Strahlungsthermometer 100 angezeigt wird, wenn die Temperatur dieses Grobdrahtes damit gemessen wird, miteinander übereinstimmen. Wenn das Werkstück dem Drahtziehen unterzogen wird, wird die Messung bei einer dem Durchmesser des Grobdrahtes entsprechenden Emissionsrate durchgeführt. Die Temperatur in dem sich von der Temperaturmessposition 105 zu der Werkstückeinsetzfläche 101a des Ziehsteins 101 erstreckenden Bereich 106 wird durch einen Mittelwert dargestellt. Dieser Mittelwert ist ein Ergebnis von Temperaturmessungen, die an der Temperaturmessposition 105 durchgeführt werden, und von Temperaturmessungen unter Verwendung des Strahlungsthermometers, die an Positionen bis zu einer Entfernung von 5 mm von der Werkstückeinsetzfläche 101a in der zur Bewegungsrichtung des Werkstücks entgegengesetzten Richtung durchgeführt werden. Es wird dabei berücksichtigt, dass die Temperatur des Werkstücks in dem Moment, wo das Werkstück 102 den Ziehstein 101 berührt, leicht abgesenkt wird. Da die Messung nach einem solchen Verfahren durchgeführt wird, ist die vorgegebene Temperatur in dem sich von der Temperaturmessposition 105 zu der Werkstückeinsetzfläche 101a erstreckenden Bereich 106 nicht niedriger als 1000°C.

Die Rohmaterialien von Experiment Nr. 10 bis 19 enthielten 5 Masse% Platin als die von Iridium verschiedene Metallkomponente, ausgedrückt durch die Zusammensetzung Ir-5Pt. Wie aus den Ergebnissen in der Tabelle hervorgeht, war die Erwärmungszeit bei Experiment Nr. 10 lang (wobei sich der Erwärmungsbereich 103, bei dem die Brenner 104 verwendet wurden, von der Werkstückeinsetzfläche 101a bis in eine Entfernung von mehr als 60 mm (nämlich 120 mm) in einer zur Werkstückeinsetzfläche 101a entgegengesetzten Richtung erstreckte), und der so erhaltene Ertrag war niedrig. Der Ertrag war dagegen stark verbessert in Experiment Nr. 13, bei dem der Erwärmungsbereich 103 innerhalb von 60 mm (nämlich 50 mm) zurück von der Werkstückeinsetzfläche 101a eingestellt war.

Der Ertrag war ebenfalls stark verbessert bei Experiment Nr. 1 bis 9. Darin waren die anderen Metallkomponenten als Iridium 0,9 Masse% Rhodium und 1,0 Masse% Nickel, ausgedrückt als Ir-0,9Rh-1Ni, wobei diese Komponenten schwieriger zu verarbeiten sind als Ir-5Pt. Die hier auftretenden Erfinder haben außerdem festgestellt, dass sich der Ertrag verbessert, wenn Ir-0,9Rh, Ir-20Rh, Ir-11Ru-8Rh-1Ni oder Ir-5Pt-0,9Rh-1Ni verwendet wird. Rhodium ist ein Edelmetall, das eine leichtere plastische Verarbeitbarkeit ermöglicht als Iridium allein. Die Ergebnisse von Experiment Nr. 22 bis 26 zeigen, dass bei Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung der Ertrag weiter verbessert werden kann.

Die Testergebnisse zeigen außerdem, dass der Ertrag niedrig ist bei den folgenden Experimenten, wo Materialien derselben Zusammensetzung verwendet werden, die aber außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.

  • 1. Die Experimente Nr. 7, 9, 17, 19, 24 und 30, bei denen das Werkstück 102 an der Temperaturmessposition 105 auf eine Temperatur außerhalb des Bereichs von nicht niedriger als 1000°C und nicht höher als 1150°C erwärmt wurde.
  • 2. Die Experimente Nr. 7, 8, 18 und 25, bei denen die Temperatur in dem sich von der Temperaturmessposition zu der Werkstückeinsetzfläche 101a erstreckenden Bereich 106 niedriger war als 1000°C.
  • 3. Die Experimente Nr. 1, 6, 11, 16 und 26, bei denen die Drahtziehgeschwindigkeit außerhalb des Bereichs von nicht niedriger als 1300 mm/min und nicht höher als 1600 mm/min lag.

Platin, Rhodium und Ruthenium unterdrücken die Oxidationssublimation von Iridium und verbessern seine Oxidationsbeständigkeit. Dies verbessert die Leistung und verlängert die Betriebslebensdauer der elektrischen Entladungschips aus Edelmetall und der diese enthaltenden Zündkerze.

Diese Ausführungsform ist ein Beispiel für die beste Art der praktischen Anwendung der vorliegenden Erfindung, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung im Rahmen der vorgegebenen Bereiche auf verschiedene Weise praktiziert werden, ohne von ihrem Kern abzuweichen. Zum Beispiel kann die Erwärmung des Ziehsteins 101 und des Werkstücks 102 mit geeigneten Verfahren erreicht werden, beispielsweise mit einem Hochfrequenzerwärmungsverfahren, einem Erwärmungsverfahren unter Stromzufuhr und einem Verfahren, bei dem ein Elektroofen verwendet wird, anstelle des bei dieser Ausführungsform verwendeten Erwärmungsverfahrens mit Brennern. Bei dieser Ausführungsform ist der elektrische Entladungschip 51 aus Edelmetall an die Mittelelektrode 3 angeschweißt. Der Entladungschip kann jedoch auch mit der Masseelektrode 4 verbunden sein.