專利名稱：用于火花塞的絕緣子和包含絕緣子的火花塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用作內(nèi)燃機中混合氣體點火源的火花塞和包含在該火花塞中的絕緣子。
構(gòu)成在諸如汽車引擎的內(nèi)燃機中使用的火花塞的火花塞用的絕緣子(以下叫做絕緣子)通常是用燒結(jié)以三氧化二鋁(Al2O3)為基的絕緣材料制成的以三氧化二鋁為基的燒結(jié)體構(gòu)成的。這是因為氧化鋁陶瓷具有優(yōu)良的耐熱性，優(yōu)良的機械強度和優(yōu)良的介電強度等特性。特別是，火花塞用的絕緣子可以曝露在內(nèi)燃機的燃燒室內(nèi)由火花放電點燒的氣體燃燒(約2000℃到3000℃)所產(chǎn)生的500℃至200℃的高溫下。因此，用于火花塞的絕緣子在從室溫到上述高溫范圍內(nèi)具有良好的介電強度是很重要的。迄今為止，所構(gòu)成的這種絕緣子(以氧化鋁為基的燒結(jié)體)是用例如含氧化硅(SiO2)，氧化鈣(CaO)和氧化鎂(MgO)的三元系(統(tǒng))作燒結(jié)輔助劑，以降低燒結(jié)溫度并提高燒結(jié)性。
但是，只用所述三元系(統(tǒng))燒結(jié)輔助劑所制成的絕緣子的缺點是，三元系(統(tǒng))燒結(jié)輔助劑(主要用硅元素構(gòu)成)中在氧化鋁晶粒的界面上燒結(jié)后有低熔點玻璃相存在。因此，當絕緣子露在約700℃的高溫下時，由于熱作用而使低熔點玻璃相軟化，會使絕緣材料的介電強度變壞。因此，為了降低低熔點玻璃相出現(xiàn)，就要減少絕緣子制造中所加的燒結(jié)輔助劑的添加量。但是這就出現(xiàn)了不能對絕緣子進行致密化處理的缺點。即使從外表上看起來絕緣子是致密的，但是在氧化鋁晶粒的界面中仍存在大量的孔隙，這就有可能損壞絕緣子的介電強度。
為了使絕緣子致密，日本專利申請公開JP-A-62-100474提出，將含氧化鋁粉和所述三元系(統(tǒng))燒結(jié)輔助劑的原材料粉造粒制成的有預(yù)定顆粒直徑的原材料組合物與未造粒的同樣的原材料組份混合，以減少存在于氧化鋁為基的燒結(jié)體的界面上的殘留孔隙量。JP-A-62-143866提出，燒結(jié)含兩種顆粒直徑不同的氧化鋁粉和所述三元系燒結(jié)輔助劑的原材料粉，在減少存在于氧化鋁為基的燒結(jié)體界面上的殘留孔隙量。
為了提高存在于氧化鋁晶粒界面上的玻璃相的介電強度，日本特許公報JP-B-7-17436提出，用Y2O3,La2O3，和ZrO2作燒結(jié)輔助劑制造以氧化鋁為基的燒結(jié)體，以減少剩余孔隙量和提高存在于氧化鋁晶粒界面上的玻璃相的熔點。而且，日本專利2564842還提出，用鋁化合物與有機金屬化合物混合的以氧化鋁粉為主要成分制成的原材料粉，在三元晶界處Y4Al2O9相均勻地分布在均勻的氧化鋁晶粒中，由此，能提高所制成的氧化鋁為基的燒結(jié)體的介電強度。
近年來，為提高內(nèi)燃機的輸出并減小引擎的尺寸，進氣閥和排氣閥在燃燒室內(nèi)占據(jù)的空間越來越大，火花塞的尺寸已減小。因此，要求構(gòu)成火花塞的絕緣子應(yīng)更薄且介電強度更高。但是，按這種情況，即使按所述的各個專利所述的用以氧化鋁為基的燒結(jié)體制成的絕緣子也不能滿足在高達700℃的高溫下有足夠的介電強度的要求。而且，這種絕緣子會被介電擊穿。
本發(fā)明的目的是，提供一種包含以氧化鋁為主要成分的絕緣子的火花塞，以減少由于用絕緣材料制成的以氧化鋁為基的燒結(jié)體界面上存在的剩余孔隙作用造成的介電擊穿，與常規(guī)材料和這種火花塞中用的絕緣子相比，具有在700℃的高溫下更高的介電強度。
為克服所述缺陷，已制成的按本發(fā)明用于火花塞的絕緣子包含以Al2O3(氧化鋁)為主要成分和至少一種選自(Ca)鈣)、Sr(鍶)、和Ba(鋇)的組分的氧化鋁為基的燒結(jié)體。氧化鋁為基的燒結(jié)體，至少部分顆粒包括含組分E和Al的化合物，Al和E的摩爾按其氧化物計算為4.5至6.7，相對密度為90％以上。
本發(fā)明最重要的一點是，氧化鋁為基的燒結(jié)體包含氧化鋁為主要成分，并且，至少部分顆粒是含E組分和Al組分，E和Al按其氧化物計算的摩爾比(Al2O3/E.O)是4.5至6.7。
因此，可以認為，包含按特定摩爾比的特定組分的所述化合物是高熔點化合物，與含氧化鋁為主要成份的常規(guī)絕緣子比，用有這種化合物制成的顆粒的氧化鋁為基的燒結(jié)體構(gòu)成的用于火花塞的絕緣子在700℃的高溫下具有極其優(yōu)良的介電強度。摩爾比(Al2O3/E.O)為4.5至6.7的所述化合物的實例包括，BaAl9.2O14.8(摩爾比是4.6，組分E是Ba)，和BaAl13.2O20.8(摩爾比是6.6；組分E是Ba)。或者，也可用除六鋁酸鹽及其類似物之外的化合物。
這里所用的術(shù)語“顆粒”指在切割絕緣子而得到的切割面上看到的除氧化鋁顆粒之外的顆粒。鏡面拋光絕緣子的切割表面并用SEM觀察切割表面就能很容易地證實這些顆粒的存在。如果需要，可在TEM下觀察來證實這些顆粒存在。隨后，對這些顆粒進行EDS分析，以證實組分E和Al存在于此。
隨后，用各種測試方法證實包含在所述顆粒中的“化合物”存在。例如，將通過在SEM下觀察并經(jīng)EDS分析證實有含組分E和Al的顆粒存在的絕緣子粉碎成粉，之后經(jīng)X射線衍射看是否出現(xiàn)對應(yīng)有(Al2O3/E.O)摩爾比為4.5至6.7的化合物的光譜，如果出現(xiàn)了與這種化合物對應(yīng)的光譜，可以斷定有化合物存在。在該X射線衍射中，如果E組分是Ba，可能會出現(xiàn)關(guān)于BaAl9.2O14.8(摩爾比為4.6)和BaAl12O19(摩爾比是6.0)和BaAl13.2O20.8(摩爾比是6.6)的極其相似的光譜，因此，有時會無法判定有哪種化合物存在。但是，有所述的任何化合物存在處，只要所述的摩爾比(Al2O3/E.O)在4.5至6.7的范圍內(nèi)，就能提高在700℃的高溫上的介電強度。除了X射線衍射法之外，其它方法(例如EPM分析法也能證實所述化合物存在。要注意，就是對同樣的絕緣子不同的測試方法也能得出不同的摩爾比。但是，只要所述的摩爾比(Al2O3/E.O)是落入預(yù)定范圍內(nèi)，任何測試方法均有提高在700℃的高溫下的介電強度的作用。
對顆粒存在的位置無特殊限制。顆粒最好存在于絕緣子內(nèi)部。在顆粒與顆粒的界面上和/或在氧化鋁的三元界面點上更好。而且，這些顆粒不必均勻地存在于以氧化鋁為基的燒結(jié)體內(nèi)。為了提高介電強度，這些顆?？杉写嬖谟谒蟮慕殡姀姸鹊奈恢锰帯@些顆粒的形狀無特殊限定。
假設(shè)所述的摩爾比(Al2O3/E.O)低于4.5或高于6.7時，用這些特定的組分構(gòu)成的化合物會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷，因此，會損壞在700℃的高溫下的介電強度，盡管造成這種現(xiàn)象的原因還不清楚。
而且，按本發(fā)明，重要的是，絕緣子不僅包含有組分E和Al按其氧化物計算的(Al2O3/E.O)摩爾比在4.5至6.7的化合物形成的顆粒，而且其相對密度應(yīng)不小于90％。當絕緣子的相對密度低于90％時，絕緣子中會存在大量的剩余孔隙，而電場則會在這些孔隙中集中。這就對提高在700℃的高溫下的介電強度造成負面影響。這里用的術(shù)語“相對密度”是指用阿基米德法測到的燒結(jié)體密度與燒結(jié)體的理論密度的百分比。這里用的述語“理論密度”是指燒結(jié)體中含的各種元素量換算成氧化物基本量，之后按混合理論計算出結(jié)果，而得到的密度。相對密度越大，燒結(jié)體密度也越大，因此，剩余孔隙量越小，即，介電強度越高。
如上所述，與常規(guī)的火花塞相比，按本發(fā)明的絕緣子在700℃高溫下有優(yōu)良的介電強度。因此，當用于要求薄的絕緣子的小尺寸火花塞時，或用于燃燒室內(nèi)有高溫的高輸出的內(nèi)燃機用的火花塞時，按本發(fā)明的絕緣子能有效防止例如介電擊穿(即火花塞穿透)的麻煩。
按本發(fā)明的用于火花塞的絕緣子，判定是否形成了有助于提高介電強度的含組分E和Al的化合物顆粒，而且組分E和Al按其氧化物計算的摩爾比(Al2O3/E.O)是否在所述的預(yù)定范圍內(nèi)。因此對組分Al和E在氧化鋁為基的燒結(jié)體中的含量本身沒有特殊的限定。為了在700℃下有優(yōu)良的介電強度，按氧化鋁為基的燒結(jié)體的重量為100wt％計算，在氧化鋁為基的燒結(jié)體中包含的組分Al和E的量最好分別在80.0wt％至99.8wt％(在91.0wt％至99.7wt％更好)和0.2wt％至10wt％。
按本發(fā)明的用于火花塞的絕緣子，所述顆粒中包含的化合物最好是E.Al12O19相。當獲得與X射線衍射光譜的JCPDSL(粉末衍射標準聯(lián)合技術(shù)委員會)卡38-0470號，26-0976號和26-0135號相同的光譜圖時，就證實有E.Al12O19相存在。JPSD卡38-0470號，26-0976號和26-0135號分別指示CaAl12O19相、SrAl12O19相，和Ba Al12O19相。
為什么含E.Al12O19晶相的顆粒至少部分存在于氧化鋁為基的燒結(jié)體中時能提高絕緣子的介電強度的原因還不清楚。在所謂的六鋁酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中，該E.Al12O19晶相是理想的晶體結(jié)構(gòu)，因此，與有缺陷的其它晶體結(jié)構(gòu)相比，它具有高熔點，因此，估計可以提高在700℃的高溫下的介電強度。無論是否有其它晶體，只要在絕緣子中(以氧化鋁為基的燒結(jié)體中)至少局部存在由E.Al12O19相構(gòu)成的顆粒，就能提高介電強度。
按本發(fā)明的用于火花塞的絕緣子還可以包含組分硅(Si)。這種情況下，組分Si和所述E的含量按其氧化物計算的摩爾比最好SiO2/(SiO2+E.O)≤0.8的關(guān)系。
組分Si容易熔化，以在燒結(jié)過程中形成液相，起到促進絕緣子致密的燒結(jié)輔助劑作用。因此，包含組分Si可以有效地提高絕緣子的致密度。
所述組分Si起到促進致密的燒結(jié)輔助劑作用，并以低熔點玻璃相存在于氧化鋁晶體的顆粒與顆粒之間的界面上。按本發(fā)明，當絕緣子有含組分E和Al，而且按其氧化物計算的摩爾比(Al2O3/E.O)為4.5至6.7的顆粒時，具有能明顯提高介電強度的作用。因此，在氧化鋁為基的燒結(jié)體中顆粒與顆粒間的界面上存在有所述性能的顆粒，與單一的低熔點玻璃相比較，可以提高顆粒與顆粒間的界面的熔點。重要的是，要按所述關(guān)系調(diào)整Si組分的比例。這是因為，按所述關(guān)系調(diào)節(jié)Si組分的比例可以在燒結(jié)過程中有效地生成位于顆粒與顆粒之間的界面上的有所述性能的顆粒。結(jié)果，能有效地提高在700℃的高溫下的絕緣子的介電強度。
按本發(fā)明的火花塞包括軸向中心電極，在中心電極周圍按徑向設(shè)置的金屬外殼，在對著中心電極的一端固定到金屬外殼的接地電極，和用于火花塞的絕緣子，如上所示，它在中心電極與金屬外殼之間在中心電極周圍按徑向設(shè)置。按該設(shè)置結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)成有在700℃的高溫下具有優(yōu)良介電強度和不易介電擊穿(火花塞穿透)的絕緣子的火花塞。
圖1是按本發(fā)明的火花塞的一個實施例的總的正視圖；圖2A和2B火花塞用的絕緣材料的某些實施例的豎直剖視圖；圖3是用于測試在700℃的各個樣品的介電強度的儀器示意圖；以下將結(jié)合


按本發(fā)明的某些實施例。
圖1中所示的按本發(fā)明的火花塞的一個實施例的火花塞100包括軸向延伸的中心電極3，在中心電極3周圍按徑向設(shè)置的絕緣子2，和支撐絕緣子2的金屬外殼4。用例如碳素鋼(JIS-G3507)構(gòu)成金屬外殼4。接地電極5的一端5a焊到金屬外殼4的前端4a處。接地電極5的另一端朝中心電極前端3a延伸并彎成L形，以相對于中心電極3(在前端3a處)形成預(yù)定火花塞間隙g。
按本發(fā)明的火花塞的主要部件的絕緣子2有沿其中軸O形成的通孔6。終端引線柱7從通孔的一端進入通孔6中并固定。同樣，中心電極3進入通孔6的另一端并固定。通孔6在終端引線柱7與中心電極3之間設(shè)置電阻器8。電阻器8分別經(jīng)導(dǎo)電玻璃層9和10在各個端電連接到中心電極3和終端引線柱7。電阻器8是把玻璃粉和除玻璃粉之外的任何陶瓷粉和導(dǎo)電材料粉混合成電阻組合物，再把該組合物經(jīng)熱壓而制成的?；蛘?，采用包括中心電極3和終端引線柱7與單層的導(dǎo)電玻璃密封層構(gòu)成的一個整體結(jié)構(gòu)，也可省去電阻器8。
絕緣子2有通孔6，其中中心電極6沿其中心軸O固定。絕緣子2通常用本發(fā)明的絕緣材料構(gòu)成。這里用的絕緣材料主要由氧化鋁(Al2O3)和選自Ca,Sr和Ba中至少一種的組分E構(gòu)成的氧化鋁為基的燒結(jié)體構(gòu)成。
再看絕緣子2，如圖1所示，有在其長度的中間部分徑向凸出形成的法蘭盤狀的凸臺2e。絕緣子包括有朝中心電極3的前端臥置的前部的主體2b和比凸臺2e薄有凸臺2e的向后形成部分。另一方面，絕緣子2包括在凸后2e前面比凸臺2e薄的第1軸向部分2g和在第1軸向部分2g前面比第1軸向部分2g薄的第2軸向部分2i。主體2b有涂在主體2b四周上的玻璃釉2d和在其四周的朝后端上形成的波紋部分2c。第1軸向部分2g有基本上是圓柱形的周邊。第2軸向部分2i有朝其前端變窄的基本上是圓錐形的周邊。
絕緣子2中的通孔6有基本上是圓柱形的第1部分6a，中心電極3穿過它進入通孔6中，和基本上是圓柱形的在第1部分6a后面構(gòu)成的其直徑大于第1部分6a的直徑的(在圖上朝上看)第2部分6b。如圖1所示，終端引線柱7和電阻器8裝入第2部分6b中，中心電極3設(shè)置成穿過第1部分6a。中心電極3有用于固定電極徑向向外凸趣的凸出部分3b。通孔6的第1部分6a和第2部分6b在第1軸向部分中相互連接。在該連接位置形成逐漸變細的或曲線隆起的部分接收表面6c，用于接收中心電極3的電極固定隆起部分3b。
第1軸向部分2g和第2軸向部分2i相互連接的部分2k有臺階式周邊。臺階式周邊與隆起部分4c嚙令，形成的嚙合部分構(gòu)成金屬外殼4的內(nèi)表面上的金屬外殼的一部分，通過環(huán)形板封裝，以防止絕緣子2沿軸滑動。另一方面，在金屬外殼4的后開口的內(nèi)表面與絕緣子2的外表面之間設(shè)置環(huán)形封裝線12，與法盤狀的隆起部分2e嚙合。在封裝線12后面與粉狀云母13之間的位置設(shè)置環(huán)形封裝線14。由此，把絕緣子2朝金屬外殼4插入通孔中。之后，填堵向內(nèi)朝封裝線14的金屬外殼4的開口端，以構(gòu)成彎曲的表面。形成堵塞部分4b，以把金屬外殼4固定到絕緣子4上。
圖2A和2B展示出絕緣子2的一些實施例。這些實施例的各部分的尺寸是*總長L1:30至75mm；*第1軸向部分的長度L20至30mm(條件是，除去連接到隆起部分2e的部分2f，而包括連接到第2軸向部分2i的部分2k)。*第2軸向部分2i的長度L3:2至27mm。*主體2b的外徑D1:9至13mm。*隆起部分2e的外徑D2:11至16mm。*第1軸向部分2g的外徑D3:5至11mm。*在底邊上的第2軸向部分2i的外徑D4:3至8mm。*前端上的第2軸向部分2i的外徑D5(條件是，第2軸向部分在其前邊緣彎曲或成錐形時，外徑包括在包括中心軸O的部分上的彎曲表面或錐形表面的外徑)是:2.5至7mm。*通孔6的第2部分6b的內(nèi)徑D6:2至5mm。*通孔6的第1部分6a的內(nèi)徑D7:1至3.5mm。*第1軸向部分2g的厚度t1:0.5至4.5mm；*第2軸向部分2i的底部厚度t2(垂直于中心軸O)0.3至3.5mm。*第2軸向部分2i的的前端厚度t3(垂直于中心軸O，附帶條款是，第2軸向部分在其前邊緣彎曲或成錐形時，前端厚度是指在包括中心軸O的部分上的底端處的彎曲表面或錐形表面的厚度)0.2至3mm。*第2軸向部分2i的平均厚度tA[(t2+t3)/2]是0.25至3.25mm。
圖2A所示絕緣子2的所述各部分的尺寸如下例如L1是60mm；L2是10mm；L3是14mm；D1是11mm；D2是13mm；D3是7.3mm；D4是5.3mm；D5是4.3mm；D6是3.9mm；D7是2.6mm；t1是1.7mm；t2是1.3mm；t3是0.9mm；tA是1.1mm。
圖2B所示的絕緣子2有第1軸向部分2b，和第2軸向部分2i，兩部分的外徑均稍大于圖2A所示絕緣子的相應(yīng)部分的外徑。各部分的尺寸如下，例如L1是60mm；L2是10mm；L3是14mm；D1是11mm；D2是13mm；D3是9.2mm；D4是6.9mm；D5是5.1mm；D6是3.9mm；D7是2.7mm；t1是3.3mm；t2是2.1mm；t3是1.2mm；tA是1.65mm。
可用例如以下的方法制造絕緣子2。首先，氧化鋁(Al2O3)粉，硅(Si)粉和任選的鎂(Mg)組分和E組分混合成原材料粉。之后混合物中加入親水性粘接劑(例如，聚乙烯醇)和水作為溶劑。之后，攪拌混合物，制成可模塑的基漿。
用氧化鋁粉作為原材料粉的主組分時，其平均顆粒直徑為2.0μm以下。氧化鋁粉的平均顆粒直徑超過2.0μm時，燒結(jié)體本身不能進行充分的致密化處理。因此，會使絕緣子的介電強度損壞。構(gòu)成原材料粉的氧化鋁粉在以氧化鋁為基的燒結(jié)體中按其氧化物計算的含量最好是80.0wt％至99.7wt％。在91.0wt％至99.0wt％的范圍內(nèi)更好，以獲得高介電強度。
組分E、Si和Mg或按其氧化物形式或其組合氧化物形式使用，以及按其各種無機粉形式使用。例如，氫氧化物粉，碳酸鹽粉，氯化物粉，硫酸鹽粉，硝酸鹽粉和磷酸鹽粉。例如，用組分Ca或Ba作為組分E，那么，組分Si和Mg可分別按CaCO3粉或BaCO3粉，SiO2和MgO粉形式混合。這些無機粉在大氣中高溫燒結(jié)時都應(yīng)是能形成氧化物的形式。
要加入的無機粉中，組分E粉的平均顆粒直徑最好在1.0μm以下。組分E的平均顆粒直徑超過1.0μm時，組分E和Al不能充分反應(yīng)，因此，不可能制成包含組分E和Al，而且按其氧化物計算的摩爾比(Al2O3/E.O)在4.5至6.7的化合物顆粒。氧化鋁為基的燒結(jié)體中包含的按其氧化物計算的E組分量為0.2至10.0wt％，以獲得高的介電強度。
在要加入的無機粉中，要加入的組分Si的量應(yīng)是按組分Si和E的氧化物計算的摩爾比滿足SiO2/(SiO2+E.O)的關(guān)系。以所述組分E的氧化物算出的E含量為基礎(chǔ)計算出按Si氧化物計算的組分Si的量。可把組分Si和E要加入的量計入組分Al和E按其氧化物計算的總量中。包含在氧化鋁為基的燒結(jié)體中的組分Mg的含量應(yīng)是按其氧化物計算的5wt％以下，在3wt％以下更好，以獲得高介電強度。包括組分Si和Mg的這些無機粉的平均顆粒直徑最好在1μm以下。
對制備可模塑的基漿中用作溶劑的水無特殊限制。也可用制備常規(guī)絕緣材料中用的水。粘接劑可用親水性有機化合物。這里用的親水性有機化合物包括聚乙烯醇(PVA)，水溶性丙烯酸樹脂，阿拉伯樹膠，和糊精。這些親水性有機化合物中PVA最好。對制備可模塑基漿的方法無特殊限制?？捎萌魏位旌戏ò言牧戏郏辰觿┖退旌现瞥煽赡Ｋ艿幕鶟{。以原材料粉的重量為100份、可包含的粘接劑和水的重量分別為0.1至5份(0.5至3份重更好)，和40至120份重(50至100份重更好)。
之后，用噴干法或類似于制備球形顆粒的可模塑基礎(chǔ)造粒材料的方法來干燥可模塑的基漿。因此，制成的造粒材料的平均顆粒直徑應(yīng)是30μm至200μm，實際上是50μm至150μm更好。可模塑的基礎(chǔ)造粒材料然后經(jīng)橡膠模壓制成作為絕緣材料的初始材料的模壓制品。之后，這樣制成的模壓制品在熱固性樹脂輪上切去周邊，制成有相當于圖2A和2B所示形狀的外形的制品。之后，制成品在大氣中在1500℃至1700℃的溫度下燒結(jié)1至8小時。模塑制品經(jīng)上釉，之后，最終燒結(jié)成絕緣子2。模塑制品保持在所述燒結(jié)溫度范圍內(nèi)時，可在所述溫度范圍內(nèi)的任選溫度保持預(yù)定的時間周期，或在所述燒結(jié)溫度范圍內(nèi)溫度按預(yù)定的加熱計劃變化持續(xù)預(yù)定的時間周期。
以下將說明火花塞100的工作。詳細地說，火花塞100經(jīng)金屬外殼4上形成的螺紋部分4d安裝到引擎上，它可以用作點燃引入燃燒室的混合氣體的點火源。可用按本發(fā)明的在700℃高溫下有高介電強度的絕緣材料制成火花塞100用的絕緣子。即使用在其燃燒室有高溫的高輸出引擎中。這樣制成的火花塞100也不會被介電擊穿(即火花塞穿透)，因此，它具有高可靠性。
如圖2A和2B所示，假若在引擎隆起部分2e的前面構(gòu)成其直徑比引擎隆起部分2e的直徑小而薄的軸向部分(在這里，是第1軸向部分2g和第2軸向部分2i的的組合)，例如，第2軸向部分2i容易被介電擊穿(即火花塞穿透)。因此，按本發(fā)明的絕緣材料對這種絕緣子2完全適用。圖2A所示絕緣子中，規(guī)定第2軸向部分2i的平均厚度為1.1mm。但是，即使在中心電極3周圍構(gòu)成這種小厚度的按本發(fā)明的絕緣子，也能有效防止或抑制如介電擊穿的麻煩。
按本發(fā)明的火花塞的應(yīng)用不限于圖1所示的類型?；鸹ㄈ蓸?gòu)成為包括在諸如火花隙的前端處面對中心電極的側(cè)面設(shè)置的多個接地電極的形式。這種情況下，火花塞可以是包括插在中心電極的側(cè)面與接地電極的前表面之間的絕緣子的前端的半表面放電型。按該裝配方式，沿著絕緣子前端表面進行火花放電，與空氣放電型火花塞相比，它能增強抗煙霧能力。
以下的實例將證實本發(fā)明的作用。
從平均顆粒直徑為0.8μm，純度為99.9％的CaCO3粉；平均顆粒直徑為1.0μm，純度為99.9％的BaCO3粉；和平均顆粒直徑為0.8μm，純度為99.9％的SrCO3粉組成的材料組中選出任何一種作為組分E；和平均顆粒直徑為0.6μm，純度為99.9％的SiO2粉和/或平均顆粒直徑為0.3μm，純度為99.9％的MgO粉，按表1中規(guī)定的比例加入平均顆粒直徑為0.4μm，純度為99.8％以上的氧化鋁粉中，制成原材料粉。
以原材料粉的重總量為100份，給這樣制成的原材料粉中加入2份重的作為親水性粘接劑的PVA，和70份重的作為溶劑的水。之后，混合物在球磨機中用氧化鋁球進行濕磨攪拌，制成可模塑的基漿。之后，這樣制成的可模塑的基漿用噴干法干燥，制成球形顆粒的可模塑的基礎(chǔ)造粒材料。對造粒材料再粉碎成顆粒直徑為10μm至355μm的顆粒料。這樣制成的可模塑基礎(chǔ)造粒材料放入橡膠壓模中。之后，可模塑基礎(chǔ)造粒材料在100Mpa的壓力下，用用于模具通孔6的橡膠壓桿進行橡膠模壓。之后，這樣制成的模壓制品在熱固性樹脂滾輪上切去周邊制成有預(yù)定外形的絕緣材料模制品。之后，模制品保持在大氣下在表1中規(guī)定的燒結(jié)溫度中(最高的燒結(jié)保持溫度)72小時，進行燒結(jié)。經(jīng)燒結(jié)后的模制品徑上釉，之后，最后燒結(jié)成圖2A所示的絕緣子2。
之后，對這樣制成的絕緣子作以下評估。測試相對密度，用阿基米德法測試這些絕緣子的密度(相對密度)。之后，確定測試值與用混合理論得到的理論密度之比。結(jié)果列于表2中。
這些絕緣子還要對按氧化物計算的組分進行化學分析。之后，從組合物分析的結(jié)果計算出組分Si和E按其氧化物計算的在絕緣子中包含的摩爾比SiO2/(SiO2+E.O)，結(jié)果列于表2中。
之后，對在SEM下看到的存在于氧化鋁顆粒界面上的顆粒進行EDS分析，以證實在氧化鋁為基的燒結(jié)體(絕緣材料)中存在至少含組分Al和E的顆粒。結(jié)果列于表3中。為了在SEM下觀察，絕緣子要切割。之后，對切割面積進行鏡面拋光。用JEOL Ltd制造的JSM-840型掃描電子顯微鏡測試。
如果經(jīng)EDS分析后證實所述顆粒存在，之后，絕緣子要經(jīng)粉末X射線衍射，以證實在絕緣子中是否有包含組分Al和E，而且按Al和E的氧化物計算的摩爾比(Al2O3/E.O)是在4.5至6.7的化合物存在。證實結(jié)果列于表3中。粉末X射線衍射結(jié)果如果出現(xiàn)了E.Al12O19相的衍射峰，則斷定顆粒中包有所述摩爾比(Al2O3/E.O)為6.0，即，E.Al12O19=6(Al2O3)·(E.O)的化合物。如果顆粒尺寸夠大，這些顆粒要進行EPMA分析，以確定各種組分的量。為了計算摩爾比(Al2O3/E.O)，結(jié)果可還原成氧化物。本例中為了要進行粉末X射線衍射，絕緣子在氧化鋁研缽中研磨成能穿過300目篩子的小顆粒。之后，用RU-200T型X射線發(fā)生器和RigakuCorp生產(chǎn)的帶單色光儀的廣角測角儀測試這樣制成的粉，測試條件是管電流為100mA，管電壓為40kv，步進為0.01°；掃描速度為2°/分鐘。
之后，測試在700℃的介電強度。為了測試介電強度，用與上面所用的相同的可模塑的基礎(chǔ)造粒材料制成要測試介電強度的樣品。詳細的說，在100Mpa的壓力下模壓制成可模塑的基礎(chǔ)造粒材料，這樣制成的可模塑的基礎(chǔ)造粒材料在所述絕緣子相同的條件下燒結(jié)，制成直徑為25mm厚度為0.65mm的盤形樣品。如圖3所示，這些樣品夾在電極21a與21b之間，并用氧化鋁圓柱形絕緣子22a和22b和密封玻璃23固定。用電加熱器24把加熱盒25內(nèi)部加熱到700℃。在該條件下，當高壓電源(CDI功率源)26加到樣品上的電壓達到千伏范圍至樣品出現(xiàn)介電擊穿為止，之后測試樣品的初始絕緣電阻和介電強度。結(jié)果列于表3中。
圖1中示出用于構(gòu)成火花塞100的各種絕緣子。評估這些火花塞100作為實際產(chǎn)品的介電強度。本例中火花塞100的金屬外殼4的螺紋的直徑是12mm。之后，火花塞100安裝在四缸引擎上(位移2000CC)。之后，引擎以6000rpm的高速開足馬力連續(xù)轉(zhuǎn)動，最高的放電電壓固定到35kv和38kv，絕緣子前端(圖1中的下部)溫度要固定在700℃到730℃的范圍內(nèi)。運轉(zhuǎn)50小時后，在絕緣子上出現(xiàn)擊電介穿(即火花塞穿透)時評估測試樣品，在表3中用符號O表示經(jīng)50小時運行后絕緣子上沒有出現(xiàn)不正常狀態(tài)，而用X表示經(jīng)50小時運行中絕緣子上出現(xiàn)介電擊穿。
表1
注 *表示對比例表2
注 *表示對比樣品表3
注 *表示對比樣品從表2和3所示的結(jié)果表明樣品1至10號包含的絕緣材料中所含的氧化鋁為基的燒結(jié)體有含組分E和Al的并且按E和Al的氧化物計算的摩爾比(Al2O3/E.O)是4.5至6.7的化合物構(gòu)成的顆粒，燒結(jié)體的相對密度在90％以上，在700℃的高溫下的介電強度可達50kv/mm。同樣品1至10號的絕緣材料制成的火花塞在35kv至38kv的最高放電電壓下絕緣子沒出現(xiàn)介電擊穿，因此，具有優(yōu)良的火花塞性能。
檢測組合物時發(fā)現(xiàn)有些樣品在制備過程中沒加某些組分。這可以認為，這些組分已經(jīng)作為在各種原材料中最初包含的雜質(zhì)而被檢測出來。
反之，對比樣品11和12的絕緣材料中的氧化鋁為基的燒結(jié)體沒有至少含組份E和Al而且按其氧化物計算的摩爾比(Al2O3/E.O)在4.5至6.7的化合物制成的顆粒，而且在700℃的介電強度小于50kv/mm。樣品12在700℃的介電強度低到46kv/mm。證實即使絕緣材料氧化鋁為基的燒結(jié)體含組分Ba作為組分E，也不能有效地制出由具有所述摩爾比(Al2O3/E.O)為4.5至6.7的化合物構(gòu)成的顆粒。因為，按氧化物計算的摩爾比SiO2/(SiO2+E.O)超過0.8，這就使它在700℃不能具有足夠大的介電強度。
樣品13號中含的絕緣材料(氧化鋁為基的燒結(jié)體中有所述摩爾比(Al2O3/E.O)是4.5至6.7的化合物構(gòu)成的顆粒，但相對密度在90％以下，是本例的樣品中結(jié)果最差的樣品，即，在700℃的介電強度低到25kv/mm。這就證實，即使絕緣材料中有所述摩爾比(Al2O3/E.O)為4.5至6.7的化合物構(gòu)成的顆粒，如果絕緣材料的相對密度不在90％以上，也不能具有提高在700℃的高溫下的介電強度的作用。
本申請要求的外國優(yōu)先權(quán)的每個外國申請的全部公開內(nèi)容均引入本文作為參考。
權(quán)利要求
1．用于火花塞的絕緣子，包括氧化鋁為基的燒結(jié)體，包含Al2O3(氧化鋁)為主要成分；和選自Ca(鈣)、Sr(鍶)、和Ba(鋇)中的至少一種組分(以下叫做組分“E”)，其中，氧化鋁為基的燒結(jié)體中含有含組分E和Al而且按其氧化物計算的摩爾比(Al2O3/E.O)為4.5至6.7的化合物構(gòu)成的顆粒，而且具有的相對密度為90％以上。
2．按權(quán)利要求1的用于火花塞的絕緣子，其中，顆粒中包含的化合物是E.Al12O19相。
3．按權(quán)利要求1的用于火花塞的絕緣子，其中，氧化鋁為基的燒結(jié)體中還包含組分Si(硅)，Si和E按其氧化物計算的摩爾比要滿足以下關(guān)系SiO2/(SiO2+E.O)≤0.8，式中E.O代表E組分的氧化物。
4．按權(quán)利要求1的用于火花塞的絕緣子，其中，氧化鋁為基的燒結(jié)體中含的氧化鋁組分按其氧化物計算的含量為80wt％至99.7wt％。
5．按權(quán)利要求1的用于火花塞的絕緣子，其中，氧化鋁為基的燒結(jié)體中含的組分E按其氧化物計算的含量為0.2wt％至10.0wt％。
6．火花塞包括軸向中心電極；在中心電極周圍按徑向設(shè)置的金屬外殼；在面對著中心電極的一端處固定到金屬外殼的接地電極；和在中心電極與金屬外殼之間在中心電極周圍徑向設(shè)置的絕緣子；其中，絕緣子包括氧化鋁為基的燒結(jié)體，該燒結(jié)體包含Al2O3(氧化鋁)為主要成分；選自Ca、Sr和Ba中至少一種的組分(該組分在以下叫做組分“E”)，其中，氧化鋁為基的燒結(jié)體中含有含組分E和Al，而且按其氧化物計算的摩爾比(Al2O3/E.O)是4.5至6.7的化合物顆粒，其相對密度在90％以上。
全文摘要
用于火花塞的絕緣子,含Al
文檔編號F02P13/00GK1303151SQ0013716
公開日2001年7月11日 申請日期2000年11月29日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月29日
發(fā)明者伊藤博人, 布目健二, 杉本誠, 田中邦治, 松原桂, 山元禎廣, 伊藤正也 申請人:日本特殊陶業(yè)株式會社