專(zhuān)利名稱：用于火花塞的電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于火花塞的電極，該電極由一種基材和至少一 種分散分布地布置在該基材中的附加料制成，該附加料嵌入該基材 中。
背景技術(shù)：
由實(shí)踐公開(kāi)的外部點(diǎn)火的內(nèi)燃機(jī)將包含在燃料中的能量轉(zhuǎn)化成動(dòng) 能，其中噴入燃燒室的燃料混合物由在時(shí)間上進(jìn)行控制的外部點(diǎn)火裝 置進(jìn)行點(diǎn)火。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火用電實(shí)現(xiàn)，其中由發(fā)動(dòng)機(jī)控制的點(diǎn)火 裝置周期性地產(chǎn)生高電壓。該高電壓相應(yīng)地引起燃燒室中火花塞電極 之間的火花電弧。包含在火花中的能量點(diǎn)燃?jí)嚎s的空氣-燃料混合 物，其中火花塞必須在所有的運(yùn)行條件下將點(diǎn)火能量不泄漏地或者不 變熱地引入燃燒室。火花塞電極在運(yùn)行中通過(guò)點(diǎn)火火花以及化學(xué)-熱作用受到高栽 荷，該高載荷引起電極上的侵蝕以及腐蝕。為了能抵制在運(yùn)行中由火 花侵蝕以及腐蝕在燃燒室內(nèi)出現(xiàn)的電極磨損，火花塞電極由以微小的 氧化傾向和腐蝕傾向以及對(duì)于火花侵蝕作用有高的磨損抗性為特征的 材料制成。在此，由純貴金屬制成的材料或者貴金屬基的材料如鉑或 者鉑基合金和銥基合金顯示出了最好的特性。其它合適的電極材料是 鎳和銀以及鎳基合金和銀基合金。在火花的點(diǎn)火中出現(xiàn)的電弧在電極上造成火花侵蝕的磨損，其中 至今為止除了純氧化作用，熔化的金屬滴從電極噴出已經(jīng)被看作基本 的磨損機(jī)理。由DE 196 31 985 Al公開(kāi)了具有耐磨層的電極，該耐磨層借助于 熱涂層方法涂覆在電極的基體上。建議將粉末狀的涂層材料輸入能量 充足的熱源并且將其熔化。涂層材料的熔融的顆粒朝基底、也就是朝 電極基體的方向加速并且大多數(shù)以高速度擊中所述電極基體，從而形 成涂層。這類(lèi)熱噴注層的突出之處在于涂層厚度在100nm到幾個(gè)毫米 的范圍內(nèi)，其中連接機(jī)理不是以機(jī)械的夾緊、粘結(jié)、擴(kuò)散、化合為基 礎(chǔ)就是以靜電力為基礎(chǔ)。
然而在此不利的是，制造用于提高耐磨而涂覆的耐磨層要求高的 器材上的花費(fèi)并且在耐磨層損壞時(shí)，電極基體不受保護(hù)地受到運(yùn)行中 高腐蝕的以及火花侵蝕的載荷。由DE 100 15 642 Al說(shuō)明了用于內(nèi)燃機(jī)的火花塞，該火花塞的電 極具有高抗燒蝕的區(qū)域，該區(qū)域形成了電極的面對(duì)火花間隙的端面的 一部分。該高抗燒蝕的區(qū)域由至少具有合金成分銥和鎳的合金制成并 且與基極焊接。然而，該用于內(nèi)燃機(jī)的公開(kāi)的火花塞具有這樣的缺點(diǎn)，即該火花 塞的電極在基極和焊接在基極上的高抗燒蝕的區(qū)域之間沒(méi)有均勻的材 料結(jié)構(gòu)，由此影響電極的導(dǎo)熱能力，這在確定的運(yùn)行區(qū)域內(nèi)導(dǎo)致電極 的不希望的高溫度栽荷并且以此導(dǎo)致火花塞使用壽命的降低。由DE 30 38 649C2公開(kāi)了火花電極，該火花電極由金屬化合物和 包含貴金屬的導(dǎo)電的物質(zhì)組成的混合物制成。作為金屬化合物，建議用鈦化合物，如Ti02、 TiC和/或TiN或由 TK)2和TiC或者由TiN和TiC組成的混合物，反之作為貴金屬建議用 Pt、 Pt和Pd的混合物、Pt和元素Au、 Ru、 Ag和Rh中至少一種組成 的混合物或者由Pt、 Pd和元素Au、 Ru、 Ag和Rh中至少一種組成的 混合物。此外可以向上述由金屬化合物和貴金屬部分組成的混合物添 加作為基金屬、氧化物、碳化物、氮化物和/或硅化物的附加材料。此外，混合物中各個(gè)材料的份額為至少10到30重量百分比的鈦 化合物粉末、40到60重量百分比的柏粉末和20到30重量百分比的 鈀粉末，其中可以向每種由鈦化合物和貴金屬組成的混合物添加3重 量百分比以下的基金屬和總共10重量百分比以下的氧化物、碳化物、 氮化物和硅化物。由DE 30 38 649 C2公開(kāi)的由附加料也就是鈦化合物和至少是Pt 或Pt-Pd -混合物的基材組成的混合物制成的火花電極具有這樣的缺 點(diǎn)，即鈦化合物在燒結(jié)過(guò)程中有不可忽視的一部分分解并且游離的鈦 與基材的鉑形成新的化合物。在燒結(jié)過(guò)程中新構(gòu)成的Ti - Pt -化合物的缺點(diǎn)是非常難以加工， 因此火花電極在燒結(jié)過(guò)程之后非常難以繼續(xù)進(jìn)行加工。此外，沒(méi)有在 所希望的范圍內(nèi)達(dá)到通過(guò)向鉑或鉑-基材料添加鈦化合物要追求的目 的，即提高基于鉑或鉑-基材料的火花電極的熔化溫度并由此改善火
花電極的侵蝕抗性。這沒(méi)有導(dǎo)致火花塞使用壽命的提高。 發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種用于火花塞的電極，該電極制造 簡(jiǎn)單并且成本低廉而且具有高的使用壽命。按本發(fā)明，該任務(wù)用具有權(quán)利要求l、 8或者說(shuō)15所述特征的用 于火花塞的電極得到解決。按本發(fā)明構(gòu)造的具有權(quán)利要求1、 8或者說(shuō)15所述特征的用于火 花塞的電極相對(duì)于由現(xiàn)有技術(shù)公開(kāi)的火花塞電極具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即 以更低的制造成本實(shí)現(xiàn)微小的電極磨損。這一點(diǎn)由此實(shí)現(xiàn)，即在電極的基材中設(shè)置至少一種分散分布地布 置的并且構(gòu)造為金屬氧化物的附加料，該基材是金-基材料或銠_基 材料或者純金或純銠，附加料嵌入基材中并且其特征在于大于 800kJ/mol 02的負(fù)形成焓，其中附加料的份額在5體積百分比和50體 積百分比之間。上述的優(yōu)點(diǎn)也通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)，即在電極的基材中設(shè)置至少一 種分散分布地布置的并且構(gòu)造為金屬氧化物的附加料，該基材是鉑_ 基材料或純鉑，附加料嵌入基材中并且其特征在于大于800kJ/mol 02 的負(fù)形成焓，其中附加料的份額在21體積百分比和50體積百分比之 間并且附加料的平均直徑(D50)在5nm和20jim之間。作為其替代方案，也存在這樣的可能性，即向鉑-基材料或純鉑 添加稀土金屬氧化物組中的至少一種金屬氧化物和/或A1203、 Y203、 Sc203、 CaO、 SrO、 BaO組中的至少一種金屬氧化物和/或由至少一種堿土金屬氧化物、稀土金屬氧化物、A1203、 Yz03和/或SC203構(gòu)成的至少一種混合氧化物如尖晶石作為附加料，其中附加料具有大于 800kJ/mol02的負(fù)形成焓，并且其中附加料(l2)的份額在5體積百分 比和50體積百分比之間。用火花塞電極的按本發(fā)明的材料組成可以有利地減少電極的費(fèi)用 昂貴的貴金屬份額而不降低電極的火花侵蝕抗性，以此，以簡(jiǎn)單的方 式和方法相對(duì)于常規(guī)的火花塞在至少保持使用壽命相同的情況下降低 了火花塞的制造成本。通過(guò)添加構(gòu)造成具有大于800kJ/mol 02的負(fù)形成焓的金屬氧化物 的附加料，要考慮這樣的知識(shí)，即基材由貴金屬制成的電極的火花侵
蝕抗性在內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行中由于基材的氧化而變差，并且由此以不利的方 式減少了火花塞的使用壽命，基材氧化不僅由于存在于環(huán)境中的氧而 且還由于在火花塞運(yùn)行中通過(guò)存在于電極中的金屬氧化物的分解而游 離的氧而進(jìn)行。由此，通過(guò)例如在鉑-基材料電極或者基材由純柏制成的電極中 的氧化形成了逃逸的氣態(tài)的鉑氧化物，該鉑氧化物在火花塞運(yùn)行中以 不利的方式逃離了電極。因?yàn)榻饘傺趸镆呀?jīng)存在于最高的氧化階 段，所以防止這些氧化物進(jìn)一步氧化。為了避免金屬氧化物的氧在基 材上的火花的作用下排出并發(fā)生上述的氧化過(guò)程，向基材添加具有所 述負(fù)形成焓的金屬氧化物，該金屬氧化物在火花塞的使用條件下具有 足夠穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而金屬氧化物的氧不會(huì)被解離而且以此不用于基 材的氧化。在此，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)具有高的貴金屬份額的火花塞電極的火花侵蝕抗性通過(guò)添加金屬氧化物、如負(fù)形成焓大約在1200kJ/mol 02的 MgO，比實(shí)施為沒(méi)有金屬氧化物的或具有在800kJ/mol 02以下范圍內(nèi) 的負(fù)形成焓的金屬氧化物的電極的火花侵蝕抗性高。也就是說(shuō)，具有 更高的負(fù)形成焓的作為附加料的金屬氧化物的化合物的更高的穩(wěn)定性 導(dǎo)致電極的火花侵蝕抗性的改善。其它從屬權(quán)利要求的主題形成了本發(fā)明的優(yōu)選設(shè)計(jì)方案。 在具有權(quán)利要求1所述特征的電極上的附加料的份額在優(yōu)選的改 進(jìn)方案中優(yōu)選地在10體積百分比和30體積百分比之間，并且在具有 權(quán)利要求8所述特征的電極中，其份額在21體積百分比和30體積百 分比之間。在按權(quán)利要求1所述電極的另一種優(yōu)選設(shè)計(jì)方案中，附加料的平 均顆粒直徑(D50 )在0.5fim和20fim之間，優(yōu)選在ljun和7pm之間， 從而可以成本低廉地制造電極，因?yàn)檩^大的顆粒尺寸由于長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間 的氧化皮形成過(guò)程還導(dǎo)致明顯的且提高制造成本的處理時(shí)間。按本發(fā)明的主題的其它優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)選設(shè)計(jì)方案從說(shuō)明書(shū)、附圖和權(quán) 利要求中獲得。


在附圖中示意性簡(jiǎn)化地示出了按本發(fā)明的主題的實(shí)施例，并且在 下面的描述中更詳細(xì)地進(jìn)行解釋。附圖示出
圖l是火花塞的部分剖切示意圖；以及圖2是圖1中示出的火花塞的地電極的單獨(dú)的橫截面。
具體實(shí)施方式
關(guān)于圖1示出了可以布置在內(nèi)燃機(jī)氣缸頭中的火花塞1的部分剖 面圖，該火花塞可以以構(gòu)造在殼體2上的外螺紋3檸入氣缸頭的內(nèi)螺 紋中。以7>開(kāi)的方式和方法構(gòu)造的火花塞1在這里由金屬、陶資和玻璃 制成。這些材料具有不同的特性，這些特性通過(guò)火花塞1的適合材料 的構(gòu)造得到使用?；鸹ㄈ?的最重要的組件是連接螺栓5、絕緣體6、 殼體2、中心電極7以及地電極8，其中布置在絕緣體6中并且導(dǎo)電的 玻璃熔液9將中心電極7與連接螺栓5連接。中心電極7和地電極8在內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間承受高磨損，該磨損由 侵蝕和腐蝕引起。這兩個(gè)因素在其對(duì)磨損的作用中不能分開(kāi)討論。磨 損引起點(diǎn)火電壓的提高。此外，電極要求良好的散熱能力。極材料。原則上，純金屬導(dǎo)熱比金屬合金好。另一方面，純金屬例如鎳對(duì) 于燃燒氣體和固體燃燒殘?jiān)幕瘜W(xué)作用反應(yīng)比合金更敏感。出于這個(gè)原因，由實(shí)踐公開(kāi)的火花塞電極例如由鎳制成，此外向 鎳加入合金元素鉻、錳和硅。加入合金元素的金屬可以實(shí)現(xiàn)特別任務(wù)。 由此例如錳添加物和硅添加物首先提高了抵抗非常具有腐蝕性的二氧 化硫的化學(xué)抗性。此外，具有由硅、鋁和釔構(gòu)成的添加物的鎳-基-合金改善了氧化皮抗性和氧化抗性。此外，也使用銀作為電極材料。這是由這樣的實(shí)事導(dǎo)致的，即銀 在所有材料中具有最高的導(dǎo)電能力和導(dǎo)熱能力，并且此外只要使用無(wú) 鉛燃料，銀在化學(xué)上是極其穩(wěn)定的。通過(guò)銀基微粒復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了耐 熱性的顯著提高。銀的所提及的特性對(duì)于作為電極材料的使用是決定 性的。為了制造電極，附加地也使用鉑或者說(shuō)鉑基合金，因?yàn)槠渚哂泻?好的腐蝕抗性和氧化抗性以及高的抗燒蝕性。圖2單獨(dú)地示出了地電極8的橫截面視圖，地電極具有基本上成 矩形的橫截面并且根據(jù)本發(fā)明在下面進(jìn)行示例性的描述，因?yàn)橐部梢?按本發(fā)明實(shí)施火花塞的中心電極。地電極8由一種基材11和至少一種 最精細(xì)分布地布置在該基材11中的附加料12制成，該附加料嵌入基 材11中并且由于其分布、其材料特性以及與基材11的相互作用不影 響地電極8的磨損抗性，并且在相應(yīng)的材料選擇中甚至可能改善地電 極8的磨損抗性。地電極8的基材11可以涉及金-基材料或銠-基材料或者純金或 純銠。作為附加料設(shè)置至少一種具有大于800kJ/mol 02的負(fù)形成焓的 金屬氧化物，如尤其是堿土金屬氧化物、稀土金屬氧化物、A1203、 Y203、 Sc203、 ZK)2和其混合氧化物，如尖晶石，或者M(jìn)gO，該金屬 氧化物具有在0.5jim到20nm之間的、優(yōu)選在ljim和7nm之間的顆粒 尺寸或者說(shuō)平均直徑D50以及從5體積百分比到50體積百分比的、優(yōu) 選從IO體積百分比到30體積百分比的份額。作為其替代方案，地電極8的基材ll也可以涉及鉑-基材料或者 純鉑，向其添加至少一種具有大于800kJ/mol 02的負(fù)形成焓的金屬氧 化物作為附加料。作為附加料尤其設(shè)置具有在5nm到^nm之間的、 優(yōu)選在5jim和7fim之間的顆粒尺寸或者i兌平均直徑DSO的以及具有從 21體積百分比到50體積百分比的、優(yōu)選從21體積百分比到30體積百 分比的份額的堿土金屬氧化物、稀土金屬氧化物、A1203、 Y203、 Sc203、 Zr02和其混合氧化物，如尖晶石，或者M(jìn)gO。在另一種作為替代方案的解決方案中，設(shè)置地電極8的基材為鉑 -基材料或者純鉑，并且附加料是稀土金屬氧化物組中的至少一種金 屬氧化物和/或由A1203、 Y203、 Sc203、 CaO、 SrO、 BaO構(gòu)成的組中的至少 一種金屬氧化物和/或由至少一種堿土金屬氧化物、稀土金屬氧 化物、A1203、 Yz03和/或Sc203構(gòu)成的至少一種混合氧化物如尖晶石， 其中附加料具有大于800kJ/molO2的負(fù)形成焓，并且其中附加料(12) 的份額在5體積百分比和50體積百分比之間。在所有上述替代方案中，以小顆粒和細(xì)微分散的形式在基材ll中 布置附加料12。附加料12的顆粒和基材11的顆粒之間的潤(rùn)濕、附加 料的體積含量以及附加料的顆粒大小使得電極的使用壽命與由實(shí)踐公 開(kāi)的用于火花塞的電極的使用壽命或者由上述基材制成的電極的使用 壽命相比，在材料成本顯著更低的情況下是相等的或者是改善的，因 為通過(guò)成本更低的金屬氧化物的存在不會(huì)促進(jìn)基材的氧化，或者說(shuō)在 附加料的相應(yīng)的材料選擇中甚至改善了基材的氧化。通過(guò)附加料的高的負(fù)形成焓獲得了電極的抗氧化性的改善，因?yàn)?火花塞的點(diǎn)火火花的電弧的進(jìn)入電極的能量不足以使金屬氧化物的原 子鍵斷裂。以此，在添加物側(cè)只提供很少的或者根本不提供用于氧化 基材的氧。出于這個(gè)原因，按本發(fā)明實(shí)施的電極與由現(xiàn)有技術(shù)公開(kāi)的電極相 比具有相同的或者改善的火花侵蝕抗性。這不僅適用于金-合金和銠 -合金，而且還適用于柏-合金。在純柏-電極、純金-電極和純銠 -電極中，通過(guò)附加料的添加實(shí)現(xiàn)了在磨損抗性至少保持大致相同的 情況下降低制造成本。用按本發(fā)明實(shí)施的電極可以在性能相同的情況下在相同的或者更 長(zhǎng)的使用壽命中節(jié)省貴金屬成本，或者說(shuō)通過(guò)使用更高的材料體積可 以在材料成本相同的情況下實(shí)現(xiàn)火花塞的更長(zhǎng)的使用壽命。
權(quán)利要求
1.用于火花塞(1)的電極(8、9)，該電極由一種基材(11)和至少一種分散分布地布置在基材(11)中的附加料(12)制成，該附加料嵌入該基材(11)中，其特征在于，該基材(11)是金-基材料或銠-基材料或者純金或純銠，并且該附加料(12)是至少一種具有大于800kJ/mol O2的負(fù)形成焓的金屬氧化物，其中該附加料(12)的份額在5體積百分比和50體積百分比之間。
2. 按權(quán)利要求l所述的電極，其特征在于，所述附加料(12)的 份額在10體積百分比和30體積百分比之間。
3. 按權(quán)利要求1或2所述的電極，其特征在于，所述附加料U2) 的平均顆粒直徑(D50)在0.5nm和20fim之間，優(yōu)選在ljim和7fim 之間。
4. 按權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的電極，其特征在于，所述添加物是堿土金屬氧化物或者稀土金屬氧化物。
5. 按權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的電極，其特征在于，所述添 加物是Ah03、 Y203、 Zr02i^Sc203。
6. 按權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的電極，其特征在于，將MgO 嵌入所述基材中。
7. 按權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的電極，其特征在于，將由至 少一種堿土金屬氧化物、稀土金屬氧化物、A1203、 Y203、 Sc203、 Zr02 和/或MgO組成的混合氧化物如尖晶石嵌入所述基材中。8. 用于火花塞(1)的電極(8、 9)，該電極由一種基材(11) 和至少一種分散分布地布置在基材(11)中的附加料(12)制成，該 附加料嵌入基材(11)中，其特征在于，該基材(11)是鉑-基材料 或者純鉑，并且附加料(12)是至少一種具有大于800kJ/mol 02的負(fù) 形成焓的金屬氧化物，其中附加料(12)的份額在21體積百分比和50 體積百分比之間。9. 按權(quán)利要求8所述的電極，其特征在于，所述附加料(12)的 份額在21體積百分比和30體積百分比之間。10. 按權(quán)利要求8或9所述的電極，其特征在于，平均顆粒直徑 (D50 )在5阿和20拜之間，尤其在5,和7fim之間。11. 按權(quán)利要求8到10中任一項(xiàng)所述的電極，其特征在于，添加 物是堿土金屬氧化物或者稀土金屬氧化物。12. 按權(quán)利要求8到10中任一項(xiàng)所述的電極，其特征在于，所述 添加物是Ah03、 Y203、 Zr02或Sc203。13. 按權(quán)利要求8到10中任一項(xiàng)所述的電極，其特征在于，將 MgO嵌入所述基材中。14. 按權(quán)利要求8到10中任一項(xiàng)所述的電極，其特征在于，將由 至少一種堿土金屬氧化物、稀土金屬氧化物、A1203、 Y203、 Sc203、 ZrC)2和/或MgO組成的混合氧化物如尖晶石嵌入所述基材中。15. 用于火花塞(1)的電極(8、 9)，該電極由一種基材(11) 和至少一種分散分布地布置在基材(11)中的附加料(12)制成，該 附加料嵌入基材(11)中，其特征在于，該基材(11)是鉑-基材料 或者純鉑，并且附加料(12)是稀土金屬氧化物組中的至少一種金屬 氧化物和/或入1203、 Y203、 Sc203、 CaO、 SrO、 BaO組中的至少一種 金屬氧化物和/或由至少一種堿土金屬氧化物、稀土金屬氧化物、A1203、 Y203和/或SC203構(gòu)成的至少一種混合氧化物如尖晶石，其中附加料(12)具有大于800kJ/molO2的負(fù)形成焓，并且其中附加料(12) 的份額在5體積百分比和50體積百分比之間。16. 按權(quán)利要求15所述的電極，其特征在于，所述附加料(12) 的份額在10體積百分比和30體積百分比之間。17. 按權(quán)利要求15或16所述的電極，其特征在于，所述附加料 (12 )的平均顆粒直徑(D50)在0.5nm和20nm之間，優(yōu)選在ljun和7,之間。
全文摘要
描述了一種用于火花塞的電極(8、9)，該電極由一種基材(11)和至少一種分散分布地布置在基材(11)中的附加料(12)制成，該附加料嵌入基材(11)中，而且附加料是金屬氧化物并且其特征在于大于800kJ/molO₂的負(fù)形成焓?；?11)是金-基材料或銠-基材料或者純金或純銠，其中附加料(12)的份額在5體積百分比和50體積百分比之間。作為替代方案，設(shè)置鉑-基材料或者純鉑作為基材(11)，其中在附加料(12)的平均顆粒直徑(D50)在5μm和20μm之間時(shí)，附加料(12)的份額在21體積百分比和50體積百分比之間，或者附加料(12)是稀土金屬氧化物組中的至少一種金屬氧化物和/或Al₂O₃、Y₂O₃、Sc₂O₃、CaO、SrO、BaO組中的至少一種金屬氧化物和/或由至少一種堿土金屬氧化物、稀土金屬氧化物、Al₂O₃、Y₂O₃和/或Sc₂O₃組成的至少一種混合氧化物如尖晶石，其中附加料(12)的份額在5體積百分比和50體積百分比之間。
文檔編號(hào)H01T13/39GK101164210SQ200680013183
公開(kāi)日2008年4月16日 申請(qǐng)日期2006年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月21日
發(fā)明者A·弗萊格, J·博姆, J·拉杰, K·瑟溫斯基, L·門(mén)肯, T·凱瑟 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司