陶瓷加热装置及其生产方法以及插入加热装置的火花塞

本发明涉及一种陶瓷电阻器被埋入烧结氮化硅体中的陶瓷加热器及其生产 方法，更具体地说，涉及用于内燃机如柴油机的辅助点火电极的火花塞和用于 其它加热或烹调装置的陶瓷加热器。

在各种导电陶瓷中，已经提供了含有选自适合于电流通过能够发热的电阻 器的元素W、Ta、Nb、Ti、Mo、Zr、Hf、V和Cr的硅化物、碳 酸盐和氮化物，因为这些化合物具有高熔点同时具有10-5-10-10Ω ·cm的低电阻率。由于这些原因，已经用上述硅化物、碳酸盐和氮化物作为 主要组份生产出高温下使用的发热电阻器。而且，正如日本专利公开申请号 63-37587和1-313362所述，发热电阻器通常被插入陶瓷绝缘 体中例如氮化硅基陶瓷而形成强度高和抗氧化性好的陶瓷加热器。

在陶瓷电阻器仅用碳化钨(WC)制成并埋入高强和高抗氧化性的陶瓷绝 缘体的陶瓷加热器中，陶瓷电阻器很可能由于电阻器和陶瓷绝缘体之间的热膨 胀不同而开裂。在重复快速的热循环下，这可能引起电阻器断路而缩短陶瓷加 热器的使用寿命。

由于这些原因，现有技术中已经介绍了一种陶瓷电热器，其中通过把导电 陶瓷颗粒与绝缘或十分绝缘的陶瓷颗粒(例如氮化硅)混合使陶瓷电阻器回火 以及埋入高强和高抗氧化性的陶瓷绝缘体中并且如日本专利公开申请号60- 60983、60-216484、60-254586、63-96883、 64-61356和2-229765说明的那样共同烧制。

然而，在陶瓷绝缘体(或十分绝缘的)粒料驻留在导电陶瓷颗粒间缝隙的 情况下，陶瓷绝缘体颗粒和颗粒界面相在加热操作下由于导电陶瓷颗粒间的晶 粒间的电势而引起电解，以致于陶瓷电阻器本身的电阻增加时出现不利的腐蚀。

所以，本发明的目的是提供一种用于火花塞的陶瓷加热器及其生产方法， 该加热器能够保持长时间的良好功能、高强和高抗氧化性以及提供高的可靠性 例如电阻的稳定性等等。

按照本发明，提供的烧结陶瓷加热器包括：发热电阻器、和用来包裹所说 电阻器的陶瓷绝缘体：其中所说的电阻器基本上是由导电陶瓷颗粒、二级陶瓷 颗粒和颗粒周围的颗粒相组成，其通式为2E2O3·Si2-xAlxN2-xO1+x，其中E表示至少一种稀土金属元素和0＜x＜2。

由于陶瓷加热的陶瓷电阻器包括导电陶瓷颗粒、二级绝缘陶瓷颗粒和颗粒 界面晶相，所以它们可减小陶瓷电阻器和陶瓷绝缘体之间的热膨胀差别，由此 有效地避免了电阻器由于热应力产生的裂缝，从而有助地延长陶瓷加热器的使 用寿命，而且还可以阻止陶瓷电阻器在高温操作下电阻率的降低。

按照本发明的另一方面，导电陶瓷颗粒包含至少一种选自WC、 MoSi2和Mo5Si3的组份。

按照本发明的其它一方面，二级陶瓷颗粒包含一种具有膨胀β相氮化硅晶 格和具有通式Si6-zAlzN8-zOz，其中0＜Z≤5的化合物。

按照本发明的又一方面，陶瓷电阻器的电阻率大于10-4Ω·cm。

当陶瓷电阻器仅由WC(碳化钨)颗粒制成时，陶瓷电阻器的电阻率小于 10-4Ω·cm。这使得增大陶瓷电阻器的截面面积很难。也就是说，例如 在把钨导线(直径：0.2-0.3mm)连接到发热电阻器上时，本发明可把 导线的前端(例如长度3-4mm)埋入电阻器中，然后共同烧制电阻器和导 线，因此增强了它们之间的电联接。

还有，当陶瓷电阻器仅由WC颗粒制成时，由于绝缘陶瓷材料和埋入绝缘 陶瓷材料中的电阻器之间的热膨胀不同，陶瓷加热器会发生断路。因为在WC颗粒中有赛纶陶瓷颗粒和颗粒界面相存在，可消除陶瓷电阻器的热应力，从而 有效地避免了包裹绝缘体的断路或者陶瓷加热器的破裂。

本发明根据对内部结构的分析发现它们具有膨胀β相氮化硅晶格的二级颗 粒，具有的通式为Si6-zAlzN8-zOz，其中0＜z≤5，和具有 颗粒界面相，其通式为2E2O3Si2-xAlxN2-xO1+x，其中 E代表至少一种稀土金属元素且0＜x＜2。

由于发明者发现的内部结构，尽管在电阻两端之间即WC颗粒之间施加了 电势，也可避免包含碳化钨的陶瓷电阻器的电解，因此由于其电阻没有任何明 显的增加而不会引起陶瓷电阻器的损坏。

按照本发明的其它方面，电阻器的电阻率大于10-4Ω·cm而小于 1000Ω·cm。

按照本发明的另一方面，在烧结陶瓷电阻器中每种导电陶瓷颗粒和二级陶 瓷颗粒具有平均粒径为2-5微米。

实际上，我们发现导电陶瓷颗粒和二级陶瓷颗粒烧结后的平均颗粒大小约 为3微米。这是因为晶粒的生长在烧结工序后比烧结前的大。

按照本发明的又一方面，陶瓷绝缘体基本上是由氮化硅陶瓷材料组成，而 电阻器包含赛纶颗粒。在这种情况下，最好使外部陶瓷绝缘体的热膨胀系数实 质上与陶瓷电阻器中的二级颗粒的相同。

外部陶瓷绝缘体基本上由硅铝氧氮化物陶瓷材料制成，该陶瓷材料主要由 膨胀β相氮化硅晶格(通式为Si6-zAlzN8-zOz，其中0＜z≤ 5)和包含至少一种稀土金属的二级相组成。现在，硅铝氧氮化物通常被称之 为赛纶例如已经由德国专利号1600602公开。

按照本发明的其它方面，在发热电阻器中稀土金属之一最好优选自铒、镱 和钇以形成(2E2O3·Si2-xAlxN2-xO1+x)。 2E2O3·Si2-xAlxN2-xO1+x代表晶相。因此直到烧结制得这种 晶相为止，才可使用满足本发明要求的任何其它稀土金属或它的氧化物。

按照本发明的其它方面，所提供的烧结陶瓷加热器包括：发热电阻器；一 对连接到电阻器的金属导线，以及用来包裹陶瓷电阻器和金属导线的陶瓷绝缘 体，其中陶瓷电阻器基本上是由导电陶瓷颗粒、二级陶瓷颗粒和具有通式为 2E2O3Si2-xAlxN2-xO1+x(其中E代表至少一种稀土金 属元素且0＜x＜2)颗粒界面相组成。

在这种情况下，该对金属导线能按照实施例的方法由钨制成。

按照本发明的其它方面，生产陶瓷加热器的方法包含下述步骤：把导电陶 瓷颗粒、绝缘陶瓷颗粒和稀土金属氧化物混合形成混合物；把混合物预制成一 种未烧结陶瓷体，一对金属导线连接在该陶瓷体上；将其它的陶瓷粉覆盖在未 烧陶瓷体和所说的金属导线上，从而形成未烧陶瓷加热器；和在非氧化气氛中 共同烧制未烧陶瓷加热器。

按照本发明的其它方面，在步骤(1)中导电陶瓷颗粒基本上包含40- 80％重量的优先选自WC、MoSi2、Mo5Si2及其混合物中的至少 一种组份。

按照本发明的其它方面，在步骤(1)中的绝缘陶瓷颗粒基本上是由18 .9-58.9％重量的氮化硅、0.5-5％重量的氮化铝、0.1-3％重量 的氧化铝和0.5-4.5％重量的至少一种稀土金属氧化物组成。

按照本发明的其它方面，稀土金属氧化物选自Y2O3、Yb2O3、 Er2O3及其混合物。

按照本发明的其它方面，将陶瓷加热器插入火花塞中。

按照本发明的其它方面，由陶瓷加热器金属导线两端测定的电阻值大于 500mΩ。

按照本发明的其它方面，由陶瓷加热器的金属导线两端测定的电阻值是在 500-900mΩ的范围。

图1是本发明实施方案中陶瓷加热器的纵向截面图；带有其它金属套，

图2是发热陶瓷电阻器的放大透视图；

图3是用于内燃机，其中插入了本发明陶瓷加热器的火花塞的纵向截面图；

图3a是预制发热电阻器的未烧陶瓷体的示意图；

图3b是发热电阻器的未烧陶瓷体的放大图；

图3c是当用模压印制法分两排制备陶瓷电阻器时所示的另一种陶瓷电阻 器的横截面图；

图4是用各种陶瓷组份制造发热电阻器样品的物理特性表：

图4a是本发明陶瓷加热器主要部分的放大横截面图；

图4b是由图4a圈(P)指示的陶瓷加热器部分的放大图；

图5是由X射线分析得到的数据图解表示；和

图6是表示发热陶瓷电阻器的电阻率(Ω·cm)和在制备电阻器混合物 时WC/Si3N4(重量)比之间关系的图解表示。

参照图1，图中表示出了插入图3中火花塞1的陶瓷加热器。火花塞1装 有圆柱形金属壳2，它被安装在内燃机(未表示)上。陶瓷加热器3被置于金 属壳2内，以便加热器3的前端伸出金属壳2之外。金属套5用来牢固地卡住 陶瓷加热器3在适当的位置。装有一对金属导线4、6，其中的一根连接到金 属壳2上用于接地，另一根连接到金属壳内的中轴7上。中轴7连接到末端电 极8上，电极8借助于用螺母10卡住防止移动的绝缘体9支承在金属壳2内。

把具有外螺纹部分2a和六角形螺母部分2b的金属壳2固定在内燃机的 汽缸头上时接地。

正如下文将详细描述的陶瓷加热器3一般形成棒形结构，U形陶瓷电阻器 12被埋在以氮化硅为主要组份的烧结陶瓷体11(图2)中。

陶瓷电阻器12是由烧结碳化钨、氮化硅、氮化铝、氧化铝和一些烧结助 剂形成的。陶瓷电阻器12构成为碳化钨的导电颗粒、具有由通式 Si6-zAlzN8-zOz(0＜z≤5)(塞纶)表示的膨胀β相氮化硅(β’) 的二级颗粒和具有2E2O3·Si2-xAlxN2-xO1+x)(0＜ x＜2)的颗粒界面相。陶瓷电阻器12的电阻值小于1000Ω·cm，但 大于10-4Ω·cm、把一对金属导线4、6连接到陶瓷电阻器12的两 端，并把它们埋入陶瓷加热器3低热部分的烧结陶瓷体11中。金属导线6的 另一端暴露在与陶瓷电阻器12相对的陶瓷加热器3后端的外部。金属导线4 的另一端暴露在烧结陶瓷体11中间的外部。

金属套5被放置在金属壳2的前端内，同时，把陶瓷加热器3卡在烧结陶 瓷体11的中间。金属套5还有一个作用是通过金属壳2把金属导线4、6接 地。

与末端电极8连接的中轴7被放置在金属壳2的电绝缘介质中。中轴7的 较低的一端有一个覆盖烧结陶瓷体11后端的倒置的杯形帽盖7a，以便使金 属导线6和末端电极8电连通。

末端电极8有一个连接螺母8a固定接线柱(未示出)，以便末端电极8 与外部电源线路(未示出)通电。

把陶瓷绝缘体9做成筒形结构，并置于金属壳2的后端部分，通过螺母 10牢固支承末端电极8。

参照图4的表，以下描述陶瓷加热器的制造方法：

在这种情况下，在图4中加入的组份是以重量百分比计，百分比和组份只 是用来举例说明，并不是对它们的限制。 第一步：

(1)由选自碳化物、硅化物和氮化物(例如WC、MoSi2、Mo5Si3 、TaN)的材料制备例如30-80％重量的导电陶瓷粉，其中包含 W、Ta、Nb、Ti、Mo、Zr、Hf、V和Cr的一种金属。所制成的 颗粒大小为0.5μm。加到导电陶瓷粉中形成生的料混合物是氮化硅(例如 18.9-58.9％重量)、氮化铝(例如0.5-5.0％重量)和氧化铝( 例如0.1-3.0％重量)的陶瓷粉，外加稀土金属氧化物(例如0.5-4. 5％重量)如Yb2O3、Y2O3和Er2O3。然后，把生料混合物粉碎 并湿处理混捏约72小时。在这种情况下，加入的粉状组份的平均颗粒大小最 优选地是在0.2-1.0μm的范围内，但是优选在0.2-5.0μm的范围 内。

最优选的稀土金属选自铒、镱和钇，以便表示在发热陶瓷电阻器12中颗 粒界面发现的通式(2E2O3·Si2-xAlxN2-xO1+x)中的 E、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、钕(Nd)、镝(Dy)、镨( Pr)、铒(Er)、镱(Yb)等的氧化物优选作为界面相的原料。在通式 的稀土金属Er、Yb和Y中，特别是Er和Yb适用于制备火花塞，因为它 们使陶瓷电阻器12具有良好的煅烧条件以及烧结后具有良好的力学强度。

在这种情况下，平均颗粒大小为2-5μm的导电陶瓷颗粒和二级陶瓷颗 粒如下文所述是用烧结陶瓷电阻器后晶粒生长来表示的。优选的是包裹发热电 阻器12的外部陶瓷绝缘体11的热膨胀系数与在电阻器12中的二级陶瓷颗 粒的相同。换言之，组成陶瓷绝缘体11的未烧陶瓷体的陶瓷颗粒最好与绝缘 陶瓷粉使用相同的材料，加入绝缘陶瓷粉末，形成发热陶瓷加热器12的未烧 陶瓷加热器坯体。 第二步：

(2)把按照第一步处理的生料混合物放入容器中，干燥12小时成为陶瓷粉 状混合物。 第三步：

(3)将陶瓷粉状混合物与有机粘结剂混合3小时。按照实施例的方法，粘结 剂的用量为30-70％重量，它是由聚乙烯或聚乙烯与蜡和乙烯基乙酸酯的 混合物组成。 第四步：

(4)由于使用造粒机，把用粘结剂处理过的粉状混合物粒化成平均粒径约为 1mm的颗粒。 第五步：

(5)如图2所示，用注射机(未表示)把成粒的颗粒混合物预制成U形结构， 成为未烧陶瓷电阻器。在这种情况下，当把混合物预制成图3a、3b示意图 所示的U形结构时同时把金属导线4、6的每一端连接到未烧陶瓷电阻器的每 一端上。

当然金属导线4、6的连接也可在把成粒混合物预制成U形结构后进行。 第六步：

(6)把90％重量的氮化硅、5％重量的Al2O3和5％重量的 Al2O3粉(平均颗粒大小为：0.7μm)和外加粘结剂进行湿处理混合，通过 喷射干燥过程得到用于绝缘体11的绝缘粉状混合物。 第七步：

(7)把第五步中的未烧陶瓷电阻器埋入绝缘粉状混合物中并将它们一起压制 成棒形结构。为了获得烧结陶瓷加热器，把未烧陶瓷电阻器和包裹它的绝缘粉 状混合物在氮气(N2)气氛中，在300kg/cm2的压力下于1750℃ 时共同烧制(同时烧结)约3小时。

在这一步骤中，可以用氢气H2或惰性气体(例如Ar)代替氮气。

第六步中的粉状混合物可以被压制成两个扁平的半片。在这种情况下，把 由第三步获得的粉状混合物调成浆糊状的料浆，该料浆是沿着发热电阻器模式 印制在每一个扁平半片上。然后，使扁平半片与陶瓷绝缘材料连接在一起，随 后共同烧制。共同烧制这些扁平半片，整体烧结成烧结陶瓷加热器坯体后，将 两个陶瓷加热器12如图3c所示按气密地埋成两排。适当地抛光烧结陶瓷体， 生产如图3c所示火花塞的横截面是圆形的圆柱形陶瓷加热器3A。 第八步： (8)把烧结加热器坯体研制成测量直径为3.5mm延长部分，使陶瓷加热 器3与暴露在外部的金属导线4、6形成回路。在完成这些步骤后，陶瓷加热 器3已被制成，其中在烧结硅陶瓷坯体11中埋入了陶瓷电阻器12和金属导 线4、6。

制成陶瓷加热器3之后，图4a陶瓷电阻器12的主要部分在显微镜下分 析研究如图4b所示。如图4b的放大图所示，发现陶瓷电阻器12具有以下 描述的二级陶瓷颗粒(硅铝氧氮化物)、导电陶瓷颗粒和颗粒界面相。由德国 专利号1600602可知，将二级陶瓷颗粒的硅铝氧氮化物缩写为“塞纶”， 用通式Si6-zAlzN8-zOz(0＜z≤5)表示，具有膨胀β-氮 化硅晶格(称之为β’-硅)。在形成在陶瓷电阻器12的塞纶和具有通式 2E2O3·Si2-xAlxN2-xO1+x颗粒界面相的原料中，氮化 铝是必需的。本发明的这个通式防止了陶瓷电阻器在800-1300℃高 温下在存在的电势下的损坏。

试验测试结果。

根据制造陶瓷加热器3的方法，按照图4的表生产出样品号为A1-A7 和B1-B8的试样。

在本发明试样B1-B8中，根据图5所示的X-射线分析数据分别表明 β’-赛纶(sialon)和2E2O3·Si2-xAlxN2-xO1+x(0＜x＜2)为二级陶瓷颗粒(β’)和颗粒界面相(A)。β’ -塞纶和2E2O3·Si2-xAlxN2-xO1+x(E为稀土金属) 具有再结晶的晶粒和晶体界面相，它们分别出现在陶瓷电阻器12中。

在这种情况下，二级陶瓷颗粒包含具有膨胀β相氮化硅晶格(硅铝氧氮化 物)和具有通式Si6-zAlzN8-zOz(0＜z≤5)的化合物。

在一组A1-A7试样中，2E2O3·Si2-xAlxN2-xO1+x(0＜x＜2)的外观没有被确定。在图4的表中，符号β代表 β-Si3N4、符号β’代表β’-塞纶以及符号A代表 2E2O3·Si2-xAlxN2-xO1+x(0＜x＜2)。符号B表示 Si3N4·Y2O3，和符号C表示非结晶相(玻璃相)。

在测量电阻变化时，将每个试样B1-B8和A1-A7循环通电5分钟， 然后在1300℃的极限温度下冷却1分钟，测量其电阻的变化。陶瓷电阻 器的电阻变化如图4表中所示，其中双圈表示没有损坏，单圈表示轻微损坏， △表示有些损坏以及表示最大程度的损坏。对每个试样重复试验测定5次保证 高测定度。

图6表示在电阻器中陶瓷电阻器12的电阻率(Ω·cm)和WC/Si3N4重量比率之间的关系。电阻率能够随着导电颗粒平均颗粒大小与二级陶瓷 颗粒的平均颗粒大小的有效比的变化而变化。比率增加，电阻率降低，而且电 阻率随着有效比的降低而增加。在图6中，根据含有平均颗粒大小为1μm的 导电颗粒和具有平均颗粒大小为1μm的二级陶瓷颗粒(Si3N4)的原材 料，测量陶瓷电阻的电阻率。在绘制图6的图解时，每次通过改变WC/ Si3N4重量比率制备烧结陶瓷坯体，以便测量陶瓷电阻器的电阻率。

按照本发明，陶瓷电阻器12是由导电陶瓷(WC)、氮化硅、氮化铝、 氧化铝和外加的稀土金属氧化物的烧结助剂如Y2O3和Er2O3制成的。 这些组份可以保证高的烧结率，以使未烧陶瓷电阻器充分地烧结，从而使陶瓷 电阻器12共同烧制，并埋入烧结陶瓷坯11中。这个工序使陶瓷加热器3具 有致密的凝结结构，以增强陶瓷电热器3在循环加热和快速冷却的环境中的耐 久性。

另外，在将烧结陶瓷加热器12用于火花塞1时，陶瓷电阻器12是由导 电陶瓷颗粒、二级陶瓷颗粒和结晶界面相制成的，以使之可消除陶瓷电阻器1 2和烧结陶瓷体11之间的热膨胀差别。这减小了由于电阻器12和包裹电阻 器12的氮化硅基烧结陶瓷体11之间的热膨胀不同，甚至在重复的快速冷热 循环下使陶瓷电阻器12承受的热应力较大。它也能防止电阻器12被无意中 损坏，以及有助于延长陶瓷电阻器3的使用寿命。

也就是说，大体上可使陶瓷加热器保持恒定的电阻，同时，保证了具有高 强和长久的稳定性的预期性能，这是柴油机的火花塞所需要的。

由于本发明的二级陶瓷颗粒和颗粒界面相保持在陶瓷电阻器12的导电陶 瓷颗粒的晶格间缝隙处，当在导电陶瓷颗粒的两端施加电势时，可防止导电陶 瓷颗粒周围颗粒之间组成的电解。

甚至在800-1300℃的高温环境下，在导线4、6的两端施加了 电势后，也能防止界面相本身的电解，因此明显地抑制了陶瓷加热器的电阻值 异常的增加，使得甚至在极其广泛使用陶瓷加热器3的情况下，最终保持具有 高稳定性的火花塞1的使用寿命延长。

如果陶瓷电阻器12仅由导电陶瓷颗粒(例如WC)制成，那么因为它的 电阻率最多能降到10-4Ωcm，所以难以控制陶瓷电阻器的电阻率。它与 图1中钨导线4、6(直径为0.2-0.3mm)部分埋入陶瓷电阻器12来 通电的本方案相反，使得扩大陶瓷电阻器的横截面面积变得困难。

然而，在本发明的方案中，电阻器12是由导电陶瓷颗粒和外加陶瓷绝缘 颗粒制成，则可容易扩大陶瓷电阻器12的横截面面积，以便通过使如图6所 示的导电陶瓷颗粒和陶瓷绝缘颗粒的重量比率达到最佳来调节电阻率，使之达 到10-4-1000Ω·cm。通过共同烧制陶瓷电阻器12、陶瓷绝缘体 11和埋入陶瓷绝缘体11中的金属导线4、6，可增强金属导线4、6和陶 瓷电阻器12之间的电连通。

就适当地应用到火花塞上的陶瓷电阻器12而言，由金属导线外露端两端 测定的电阻值优选为大于500mΩ，然而当考虑温度升高和耐久性时最理想 的电阻值为500mΩ-1Ω。按照本发明配有火花塞时，由金属导线4、6 的外露端的两端测定的电阻值大约为700mΩ。

应注意的是除了将陶瓷加热器应用到火花塞上外，还可以把陶瓷加热器应 用到室内取暖装置、电子烹调炉、在工业安装中的局部加热装置和其它类型的 加热装置中。

还应该清楚，陶瓷加热器可以用耐热金属套支撑来进一步提高力学强度或 耐氧化性等等。

参照具体的实施方案描述本发明，但是应清楚这种描述不是对本发明的限 制，对于熟练技术人员来说，对具体实施方案所做的各种改进和补充没有脱离 本发明的范围。