Titel

Verfahren und Werkzeug zur Herstellung eines hohlzylindrischen

Keramikbauteils

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein

Keramikspritzgusswerkzeug zur Herstellung eines hohlzylindrischen

Keramikbauteils, insbesondere eines Kerzensteins für eine Zündkerze.

Zündkerzen umfassen einen Isolator (Kerzenstein), welcher üblicherweise aus Aluminiumoxidkeramik (Al ₂ 0 ₃ ) hergestellt ist. Nach dem heutigen Stand der Technik wird der Kerzenstein durch Pressen des AI ₂ 0 ₃ -Rohstoffs und einem anschließenden Schleifverfahren in seine typische Form gebracht. Anschließend erfolgt eine Sinterung, bei der der Pressling bei hoher Temperatur verfestigt wird. Ein Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, dass während des Schritts des Pulverpressens innerhalb des Materials unterschiedliche Porengrößen und unterschiedliche Porenformen ausgebildet werden können. Die Porengrößen und Porenformen beeinflussen jedoch eine Durchschlagfestigkeit des

Isolatormaterials in starker Weise, so dass die Durchschlagfestigkeit

herkömmlich hergestellter Kerzensteine auf maximal 50 kV/mm begrenzt ist. In jüngster Zeit werden jedoch verstärkt hoch aufgeladene Brennkraftmaschinen verwendet, was zu höheren Zündspannungen aufgrund der Druckerhöhung im Brennraum führt. Von daher besteht die Notwendigkeit, dass eine

Durchschlagfestigkeit der Isolatoren auf 75 kV/mm oder mehr gesteigert werden muss, um einen bedenkenlosen Einsatz auch in aufgeladenen

Brennkraftmaschinen sicherzustellen.

Offenbarung der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines hohlzylindrischen Keramikbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein Keramikbauteil mit einer möglichst gleichmäßigen

Porengröße und mit möglichst gleichmäßigen Porenformen hergestellt werden kann. Insbesondere weist das erfindungsgemäß hergestellte Keramikbauteil eine deutlich gesteigerte Durchschlagfestigkeit von bis zu 75 kV/mm und mehr auf. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein Spritzwerkzeug eine Kernanordnung mit einem ersten und zweiten Kern aufweist, welche in

Axialrichtung verschiebbar sind. Der erste Kern ist dabei zumindest teilweise im zweiten, als Hohlkern ausgebildeten Kern angeordnet. Hierbei ist der erste Kern derart im Spritzwerkzeug angeordnet, dass an einer Angussseite des Werkzeugs ein ringförmiger Angussquerschnitt gebildet wird. Insbesondere diese Maßnahme stellt sicher, dass eine eingespritzte Keramikmasse in eine kontrollierte, rotationssymmetrische und strömungsteilungsfreie Blockscherströmung gezwungen wird. Hierdurch können insbesondere Freistrahlausbildungen und

Strömungsnähte, welche zu einer erheblichen Fehlerbildung im Keramikbauteil führen, vermieden werden. Insbesondere um derartige Fehlstellen ergibt sich eine reduzierte Durchschlagsfestigkeit. Weiterhin ermöglicht die konzentrisch angeordnete Kernanordnung das Herstellen von Keramikbauteilen mit höchster rotationssymmetrischer Präzision und absolut gleichmäßigen Wanddicken über den gesamten Querschnitt. Nachdem die Keramikmasse in die Kavität des Werkzeugs eingespritzt wurde, wird der ringförmige Angussquerschnitt mittels des ersten Kerns verschlossen, so dass die Kavität durch die Werkzeugwände sowie den ersten und zweiten Kern abgeschlossen ist. Anschließend erfolgt ein Verschieben des zweiten Kerns in Axialrichtung gegen die Keramikmasse, um

Druck auf die eingespritzte Keramikmasse auszuüben und diese zu verdichten. Somit erfolgt erfindungsgemäß eine Nachverdichtung noch innerhalb des Spritzwerkzeugs, um eine Gefügeverdichtung in der Kavität zu erreichen.

Hierdurch kann eine gleichmäßige Verdichtung des eingespritzten

Keramikmaterials von der Gegenseite des Angusses ermöglicht werden. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass durch das Verschieben des ersten Kerns und das Schließen des ringförmigen

Angussquerschnitts auch eine Abtrennung der eingespritzten Keramikmasse von Angussbereichen des Werkzeugs erfolgt. Hierdurch kann insbesondere vermieden werden, dass, wie bisher im Stand der Technik nach dem Abschluss der Formgebung, der Formling aus dem Werkzeug entnommen wird und vom sogenannten Anguss abgerissen wird. Dies führt nämlich zu einem

ausgefransten Rand, welcher sich auch sehr kritisch auf die

Durchschlagsfestigkeit und die mechanische Festigkeit des Keramikbauteils auswirkt. Ein derartig ausgefranster Rand muss dann aufwändig mittels

Schleifprozessen geglättet werden, was bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch alles entfallen kann.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Vorzugsweise ist der erste Kern an einem Ende an der Angussseite sich verjüngend zulaufend ausgebildet, insbesondere konisch zulaufend ausgebildet. Hierdurch wird ein laminares Einströmen in den Ringquerschnitt weiter gefördert und eine Homogenität des Formlings weiter gesteigert.

Besonders bevorzugt wird die Keramikmasse durch einen Heißkanal der Angussvorrichtung zugeführt. Hierdurch wird ein zu schnelles Erkalten und Erstarren vermieden, so dass nach dem vollständigen Einspritzen der

Keramikmasse und dem Schließen des Angussquerschnitts direkt im Werkzeug noch der Prägevorgang vorgenommen werden kann.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist an der Angussseite ein plattenformiges Bauteil mit einer Düse, insbesondere aus einem wärmeisolierenden Material, vorgesehen. Das plattenförmige Bauteil ist vorzugsweise aus einer Keramik, insbesondere aus Zr0 ₂ , hergestellt. Hierdurch kann insbesondere ein zu schnelles Auskühlen der Keramikmasse im

Angussbereich verhindert werden und weiterhin auch ein zu schnelles Erstarren der Keramikmasse bei dünnen Wandstärken vermieden werden.

Um eine möglichst kurze Prozesszeit zu erreichen, werden vorzugsweise der erste und zweite Kern gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig in

Axialrichtung verschoben. Hierbei ist lediglich zu beachten, dass der zweite Kern für den Prägevorgang noch verschiebbar bleibt, sobald der erste Kern den Angussquerschnitt verschlossen hat.

Die Erfindung betrifft ferner ein Keramikspritzgusswerkzeug zur Herstellung eines hohlzylindrischen Keramikbauteils, insbesondere eines Kerzensteins für eine Zündkerze, mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Das

Keramikspritzgusswerkzeug umfasst ein erstes und ein zweites Werkzeugteil, welche das Werkzeug in Radialrichtung teilen, so dass eine Längsnaht am späteren Keramikbauteil vermieden wird. Ferner ist eine Angussvorrichtung mit einer Zufuhröffnung zum Zuführen eines Keramikwerkstoffs und eine

Kernanordnung, umfassend einen ersten und zweiten Kern, vorgesehen. Die Kerne sind in Axialrichtung beweglich, wobei der erste Kern zumindest teilweise im zweiten Kern angeordnet ist. Der erste Kern ist dabei in eine erste Position bringbar, in welcher ein ringförmiger Ausgussquerschnitt zwischen dem ersten Kern und der Ausgussvorrichtung gebildet ist, um eine laminare Einströmung einer Keramikmasse zu ermöglichen. Weiterhin ist der erste Kern in eine zweite Position bringbar, in welcher der erste Kern den Ausgussquerschnitt verschließt. Hierdurch ist es möglich, dass der zweite Kern dann in Axialrichtung bewegt wird und Druck auf die eingespritzte Keramikmasse von der anderen Seite der Kavität her ausübt.

Vorzugsweise entspricht ein Außendurchmesser des ersten Kerns einem

Durchmesser einer Zufuhröffnung der Angussvorrichtung. Hierdurch kann ein sicheres Schließen des Zufuhrquerschnitts durch den ersten Kern erreicht werden.

Weiter bevorzugt umfasst das Keramikspritzgusswerkzeug eine

Bewegungsvorrichtung, welche den ersten und zweiten Kern unabhängig voneinander bewegt. Um während des Spritzvorgangs eine möglichst laminare Strömung der eingespritzten Keramikmasse zu erreichen, weist der erste Kern vorzugsweise ein sich verjüngendes Ende auf. Besonders bevorzugt ist das verjüngende Ende als Kugelabschnitt oder kegelförmig ausgebildet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ferner ein plattenförmiges Bauteil mit einer Düse vorgesehen, welches zwischen einem Werkzeugteil und der Angussvorrichtung angeordnet ist. Das

plattenförmige Bauteil verhindert insbesondere ein zu schnelles Abkühlen der eingespritzten Keramikmasse. Das plattenförmige Bauteil ist vorzugsweise aus einem gut isolierenden Material, vorzugsweise einer Keramik oder einem anderen gehärteten Material, hergestellt. Ein Durchmesser der Düse entspricht dabei bevorzugt einem Durchmesser des ersten Kerns, so dass der erste Kern die eingespritzte Masse im Bereich der Düse abscheren kann und die Düse verschließen kann. Die Verwendung des plattenförmigen Bauteils stellt ferner eine schnelle Umrüstbarkeit des Werkzeugs sicher, indem einfach der erste Kern und das plattenförmige Bauteil ausgetauscht werden und gegen entsprechend andere Bauteile mit anderen Abmessungen (beispielsweise anderen

Durchmessern) ausgetauscht werden können. Hierdurch können Kerzensteine mit unterschiedlichen Innendurchmessern hergestellt werden.

Besonders bevorzugt ist dabei ein Durchmesser der Düse des plattenförmigen Bauteils gleich einem Außendurchmesser des ersten Kerns.

Weiter bevorzugt ist der erste Kern zweiteilig mit einem ersten, mittigen zylindrischen Kernteil und einem zweiten, das erste Kernteil umgebenden Hohlkern, ausgebildet. Der Hohlkern ist dann vom zweiten Kern umgeben. Die Verwendung eines zweiteiligen ersten Kerns ermöglicht dabei insbesondere auch die Ausbildung eines Absatzes im Inneren des Keramikbauteils, so dass insbesondere bei Herstellung eines Isolators für eine Zündkerze eine im

Wesentlichen stufenförmig ausgebildete Mittelelektrode an einem Ringabsatz im Inneren des Hohlraums anliegen kann.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Isolator für eine Zündkerze, welcher nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Der Isolator weist vorzugsweise eine Durchschlagfestigkeit von größer oder gleich 75 kV/mm auf.

Zeichnung

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind in den Ausführungsbeispielen mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines

Keramikspritzgusswerkzeugs gemäß einem ersten

Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Einspritzzustand, Figur 2 eine Schnittansicht von Figur 1 im Prägezustand,

Figur 3 eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Spritzgusswerkzeugs von Figur 1 ,

Figur 4 eine schematische Schnittansicht einer durch das

erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Zündkerze und

Figur 5 eine zweigeteilte Schnittansicht eines

Keramikspritzgusswerkzeugs gemäß einem zweiten

Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 ein

Keramikspritzgusswerkzeug 1 gemäß einem ersten bevorzugten

Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.

Figur 4 zeigt ein Beispiel für eine Verwendung eines mittels des

erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Keramikbauteils. In Figur 4 ist eine

Zündkerze 20 dargestellt, wobei ein Kerzenstein (Isolator) 21 der Zündkerze durch das erfindungsgemäße Verfahren herstellbar ist. Die Zündkerze umfasst ferner in bekannter Weise eine Mittelelektrode 22, eine oder mehrere

Masseelektroden 23, eine Widerstandseinschmelzung 24, einen

Anschlussbolzen 25 und ein Gehäuse 26. Der Kerzenstein 21 ist aus einem isolierenden Material hergestellt und weist eine hohlzylindrische Hauptform auf.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen ein Keramikspritzgusswerkzeug 1 zur Herstellung z.B. des Kerzensteins 21. Das Keramikspritzgusswerkzeug 1 umfasst ein erstes Werkzeugteil 2 und ein zweites Werkzeugteil 3, welche im zusammengesetzten

Zustand eine Kavität 4 definieren. Dabei bilden das erste und zweite

Werkzeugteil 2, 3 das Keramikspritzgusswerkzeug 1 derart, dass dieses in radialer Richtung R zu einer Längsachse X-X geteilt ist. Das

Keramikspritzgusswerkzeug 1 umfasst ferner eine Kernanordnung 6 mit einem ersten Kern 7 und einem zweiten Kern 8. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ist der erste Kern 7 teilweise im hohlen, zylindrischen zweiten Kern 8 aufgenommen. Die Form des ersten Kerns 7 ist ebenfalls zylindrisch, wobei der erste Kern 7 an seinem freien Ende eine sich verjüngende Spitze 70 aufweist. In diesem

Ausführungsbeispiel ist die sich verjüngende Spitze 70 eine Halbkugel. Hierbei sind die beiden Kerne, wie in Figur 2 durch die Pfeile A, B angedeutet, in

Richtung der Längsachse X-X im Keramikspritzgusswerkzeug 1 verschiebbar angeordnet. Hierbei kann der erste Kern 7 unabhängig vom zweiten Kern 8 und umgekehrt verschoben werden.

Weiter umfasst das Keramikspritzgusswerkzeug 1 eine Angussvorrichtung 5 mit einem Zuführkanal 50. Die Angussvorrichtung 5 ist beheizt und eine

Keramikmasse (pulverförmige Keramik und Binder) wird in Richtung des Pfeils C durch die Angussvorrichtung 5 in die Kavität 4 zugeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren läuft dabei wie folgt ab. Ausgehend von dem in Figur 1 gezeigten Zustand, in welchem der erste Kern 7 und der zweite Kern 8 in ihren zurückgezogenen Positionen im Keramikspritzgusswerkzeug angeordnet sind, ist an der Angussseite der Kavität 4 ein ringförmiger Angussquerschnitt 9 zwischen der Wand des ersten Werkzeugteils 2 und dem ersten Kern 7 vorhanden. Wenn nun Keramikmasse, wie durch den Pfeil C angedeutet, über die Angussvorrichtung 5 in das erste Werkzeugteil 2 einströmt, wird diese im

Bereich des ringförmigen Angussquerschnitts 9 zugeführt, was in Figur 3 durch die Pfeile D angedeutet ist. Hierdurch ergibt sich ein laminares und damit fehlerfreies, ringförmiges Einströmen der Keramikmasse in die Kavität. Die in der Kavität 4 befindliche Luft wird durch einen Entlüftungskanal (nicht dargestellt) oder Anlegen eines Volumens an der Kavität vor dem Einspritzen entlüftet. Aus diesem ringförmigen Keramikmassestrom resultiert somit eine gleichmäßige Füllfront in axialer Richtung des Keramikspritzgusswerkzeugs in Richtung auf den zweiten Kern 8 zu. Wenn die gesamte Kavität 4 mit Keramikmasse gefüllt ist, wird der erste Kern 7 in axialer Richtung X-X in Richtung zur Angussseite vorgefahren, bis der erste Kern 7 an einem Wandbereich 12 mit reduziertem Durchmesser anliegt.

Hierdurch ist die in der Kavität 4 befindliche Keramikmasse eingeschlossen, d.h., die Verbindung zum Zuführkanal 50 ist unterbrochen, so dass keine weitere Keramikmasse mehr nachströmen kann. Hierbei sei angemerkt, dass dieser

Schritt noch im plastischen Zustand der Keramikmasse erfolgen muss. Somit ist die in der Kavität 4 befindliche Keramikmasse von der sich noch in der

Angussvorrichtung 5 befindlichen Masse sauber abgetrennt. Im nächsten Schritt wird der zweite Kern 8 in Richtung des Pfeils B (Figur 2) bewegt und übt somit einen Druck auf die in der Kavität 4 befindliche Keramikmasse aus. Hierdurch erfolgt eine Verdichtung der Keramikmasse in der Kavität 4 (Prägeprozess), wodurch eine Porosität verringert wird, Porengrößen reduziert werden und möglichst gleichmäßige Porenformen erhalten werden. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, kann somit schon praktisch der fertige Kerzenstein unter Druck gesetzt werden, ohne dass hier eine weitere Nachbearbeitung des Kerzensteins notwendig ist.

Nach dem Verdichtungsprozess erfolgt eine Abkühlung und Aushärtung des Formlings und anschließend wird dieser aus dem Keramikspritzgusswerkzeug 1 entnommen. In einem letzten Schritt zur Herstellung des Kerzensteins wird der Formling dann gesintert.

Es sei angemerkt, dass vorzugsweise während der Abkühlung der

Keramikmasse in dem Spritzgusswerkzeug der Druck durch den zweiten Kern aufrechterhalten bleibt.

Figur 5 zeigt ein Keramikspritzgusswerkzeug 1 gemäß einem zweiten

Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Figur 5 sind dabei zwei Zustände des Verfahrens verdeutlicht, wobei im oberhalb der Längsachse X-X gezeigten Zustand die beiden Kerne 7 und 8 im zurückgezogenen Zustand positioniert sind und im unterhalb der Längsachse X-X dargestellten Zustand die beiden Kerne 7,

8 im ausgefahrenen Zustand dargestellt sind. Weiterhin umfasst das

Keramikspritzgusswerkzeug 1 ein plattenförmiges Bauteil 15 mit einer Düse 16. Ein Innendurchmesser der Düse 16 entspricht dabei einem Außendurchmesser des ersten Kerns 7. Dabei ist ein angussseitiges Ende des ersten Kerns 7 in Kegelform, insbesondere als Spritzkegel, ausgeführt. Somit kann wiederum während des Einströmvorgangs ein ringförmiger Querschnitt 9 zwischen dem ersten Kern 7 und der Werkzeugwand bereitgestellt werden, um eine laminare, möglichst wirbelfreie Einströmung in das Werkzeug zu erreichen. Wenn die Druckphase beginnen soll, wird wiederum der erste Kern 7 vorgeschoben, wobei aufgrund der gleichen Durchmesser zwischen Kern und Düse 16 der erste Kern

7 die Düse 16 vollständig verschließt und gegebenenfalls auch weiter in die Angussvorrichtung 5 eingeschoben werden kann. Dann erfolgt, wie im ersten Ausführungsbeispiel, ein Vorschieben des zweiten Kerns 8, um die in der Kavität 4 befindliche abgeschlossene Keramikmasse unter Druck zu setzen. Zu den beschriebenen Ausführungsbeispielen sei angemerkt, dass der erste

Kern 7 auch zweiteilig ausgebildet sein kann. Weiter bevorzugt ist der erste Kern zweiteilig und mit einem ersten, mittigen zylindrischen Kernteil und einem zweiten, das erste Kernteil umgebenden Hohlkern, ausgebildet. Der Hohlkern ist dann vom zweiten Kern umgeben. Die Verwendung eines zweiteiligen ersten Kerns ermöglicht dabei insbesondere auch die Ausbildung eines Absatzes im

Inneren des Keramikbauteils, so dass insbesondere bei Herstellung eines Isolators für eine Zündkerze eine im Wesentlichen lageartig ausgebildete Mittelelektrode an einem Ringabsatz im Inneren des Hohlraums anliegen kann.