陶瓷加热器

本发明涉及陶瓷加热器，例如，用在陶瓷热线点火塞等中的陶 瓷加热器。

在现有技术中有一种公知的陶瓷加热器可用作陶瓷热线点火 塞中的陶瓷加热器，其中，含有作为主要成分的WC的陶瓷电阻加 热件嵌在含有作为主要成分的Si3N4或类似物质的绝缘陶瓷体中。

在上述陶瓷加热器中，由于构成陶瓷体的Si3N4的热膨胀系数 小于作为电阻加热件的主要成分的WC的热膨胀系数，因而在重复 加热和冷却循环时在电阻加热件中可能出现以热膨胀系数差为基 础的应力集中，使电阻加热件的耐用度出现问题。

本发明的目的在于提供一种陶瓷加热器，即使重复加热和冷却 循环也不会发生电阻加热件耐用度问题。

按照本发明的陶瓷加热器包括一个陶瓷体；以及一个嵌在陶瓷 体中含有导电陶瓷材料的电阻加热件，导电陶瓷材料含有陶瓷基体 相和弥散在陶瓷基体相中的30wt％至80wt％范围内的导电陶瓷 相颗粒；其中，当在导电陶瓷材料截面中画一个具有一定半径的虚 圆时，如果在虚圆中导电陶瓷相颗粒的面积百分比不小于60％， 那么，由虚圆包围的一个区域被定义为导电陶瓷相分布不匀部分， 这种分布不匀部分的最大半径设定为不大于5μm。

按照本发明可以提供一种陶瓷加热件，其中，即使在重复加热 和冷却循环的情形中也几乎不会发生电阻加热件耐用度问题。

附图简要说明如下：

图1是使用按照本发明的陶瓷加热器的热线点火塞的前局部剖 视图；

图2是陶瓷加热器的前剖视图；

图3A和3B用于说明生产陶瓷加热器的方法；

图4A和4B用于说明从图3A和3B继续的方法；

图5A和5B用于说明从图4A和4B继续的方法；

图6A至6D是表示在按照本发明的生产陶瓷加热器的方法中复 合模制件和烧结体的截面形状变化的典型视图；

图7是表示按照本发明的陶瓷加热器的变型实例的剖视图；

图8A和8B是表示在实例3的陶瓷加热器中电阻加热件的截面 结构的扫描式电子显微照片；

图9A和9B是表示对照例的陶瓷加热器中电阻加热件的截面结 构的扫描式电子显微照片。

下面参阅附图详细描述本发明。

本发明涉及陶瓷加热器，其中，一个由导电陶瓷材料构成的电 阻加热件嵌在陶瓷体中，为了解决现有技术中的问题，本发明具有 下述特征，即，导电陶瓷材料的结构中，导电陶瓷相的颗粒弥散在 基体陶瓷相中，所含的导电陶瓷相在30wt％至80wt％范围内。另 外，当在导电陶瓷材料的截面中画出一个具有一定半径的虚圆时， 如果在虚圆中导电陶瓷相颗粒的面积百分比不小于60％，那么， 由虚圆包围的区域就定义为导电陶瓷相颗粒分布不匀部分，这种分 布不匀部分的最大直径设定为不大于5μm。

本发明人已经发现，当反复对加热器进行加热和冷却循环时电 阻加热件的耐用度可通过下述方式显著改善，即，在导电陶瓷材料 构成的电阻加热件中，导电陶瓷相颗粒的上述分布不匀部分的最大 直径设定得不大于5μm。

因此，通过改变导电陶瓷相的含量可以容易地调节加热件的电 阻率。这里，在选择用作导电材料的材料时要考虑到热膨胀系数(× 10-6/℃)、电阻率(μΩcm)、温度电阻系数((在1000℃时 的电阻)/(室温时的电阻))和熔点(℃)。考虑到热膨胀系数 差，导电材料的热膨胀系数最好在陶瓷体的热膨胀系数加10(× 10-6/℃)的范围内，选择陶瓷体时要考虑到烧结程度，耐热/震动 性、抗弯强度等。考虑到温度增加特性，电阻率最好小于103。考 虑到自控功能，耐热系数在1至20之内。考虑到实际应用中的最 高温度，熔点不低于1500℃。因此，导电陶瓷相主要由至少从W、 Ta、Nb、Ti、Mo、Zr、Hf、V和Cr的硅化物；W、Ta、 Nb、Ti、Mo、Zr、Hf、V和Cr的碳化物；W、Ta、Nb、 Ti、Mo、Zr、Hf、V和Cr的硼化物；W、Ta、Nb、Ti、 Mo、Zr、Hf、V和Cr的氮化物构成的一组选择的化合物构成 的。表1表示这些化合物的实例。

具体来说，由于WC或Mo5Si3和陶瓷体间的热膨胀系数差较 小，因而WC或Mo5Si3制成的电阻加热件具有良好的耐用度。另 外，具有高于2000℃的极高熔点。虽然Mo5Si3的电阻温度系数稍 大，但是通过调节材料含量可使普通温度电阻不高。因此，由于在 接近普通温度的范围内的供应电流大，因而可以改善温度增加特 性。因此，WC、Mo5Si3和MoSi2最好用作电阻加热件的材料。 如果含量小于30wt％，则加热件的电阻率太高，不能得到充分的 加热。

考虑到烧结程度、电阻调节、耐热/震动性能等因素，陶瓷基体 相最好主要由Si3N4或AlN构成。

另一方面，根据上述原因陶瓷体最好主要由Si3N4或AlN构成。

据信上述陶瓷加热器中电阻加热件耐用度改善的原因在于，在 导电陶瓷材料中，导电陶瓷相的热膨胀系数一般不同于基体陶瓷相 的热膨胀系数，因此，在导电陶瓷相颗粒分布不匀部分和导电陶瓷 相颗粒的体积比低于上述分布不匀部分的周围部分(下文简称为 “周围部分”)之间引起平均热膨胀系数差，因此，在分布不匀部 分和周围部分之间的边界产生以热膨胀系数差为基础的应力。这种 应力倾向于随分布不匀部分的尺寸的增加而增加。当这种应力增加 到预定值或更高时，就易于发生以应力为基础的电阻加热件的破 坏。但是，据信将分布不匀部分的尺寸设定得不大于5μm时，可 使应力值小得足以防止上述破坏。    

这里，WC型颗粒的分布不匀部分的尺寸是在WC颗粒的粒度 和被聚集的WC型颗粒的数目为基础限定的。虽然从改善电阻加热 件耐用度的角度出发，分布不匀部分的尺寸在不大于5μm的范围 内最好尽可能地小，但是，如果分布不匀部分的尺寸设定得太小， 那么，所引起的问题在于，由于WC型颗粒的平均粒度必须设定得 相当小，因而WC原料粉末的制备成本就要增加。因此，分布不匀 部分的尺寸的下限最好在可以避免上述问题的范围内选择。

另一方面，如果导电陶瓷材料的WC含量大于80wt％，那么， 由于陶瓷材料的烧结性能下降，就得不到良好的电阻加热件。相 反，如果WC含量低于30wt％，那么，由于材料的电阻率太大， 电阻加热件的导电加热特性就会变得不足。因此，WC含量应调节 在30wt％至80wt％的范围内，最好在50wt％至70wt％的范围 内。

顺便应提到，将预定量的助烧结剂混入上述原料粉末中并烧结 混合原料可以制成电阻加热件。在这种情形中，可以使用稀土或碱 土金属氧化物如Y2O3、Er2O3、Yb2O3等作为助烧结剂。加入的 助烧结剂的比例最好调节在0.8wt％至10.5wt％的范围内。如果被 加入的助烧结剂的比例小于0.8wt％，烧结就会不充分，因而得不 到良好的电阻加热件。相反，如果被加入的助烧结剂的比例大于 10.5wt％，则电阻加热件的耐热性就会受损。

下面结合附图描述本发明的具体实施例。

图1表示使用按照本发明的陶瓷加热器的热线点火塞及其内部 结构。在图1中，热线点火塞50具有设在其一端侧的陶瓷加热器1、 一个用于覆盖陶瓷加热器1的外表面使陶瓷加热器1的一个前端部 2伸出的金属外圆筒3、一个用于进一步从外侧覆盖外圆筒3的圆 筒形金属壳体4等。陶瓷加热器1和外圆筒3通过钎焊连接，外圆 筒3和金属壳体4也通过钎焊连接。

连接件5两端都由金属线构成，形状象螺旋弹簧，其中一端从 外侧装配在陶瓷加热器1的后端，而其另一端装配在金属轴6的一 个相应端部上，金属轴6插在金属壳体4中。金属轴6的另一端伸 至金属壳体4之外，一螺母7旋在金属轴6的外圆周面上形成的螺 纹部分上，从而向金属壳体4拧紧螺母7可将金属轴6相对于金属 壳体4固定。另外，一绝缘套8装配在螺母7和金属壳体4之间。 另外，在金属壳体4的外圆周面上形成一个螺纹部分5a，用于将 热线点火塞50固定在发动机组(未画出)上。

如图2所示，陶瓷加热器1具有一个U形电阻加热件10，其 包括从其底端部分延伸并在其前端部分将其方向改为向着其另一 底端部分的方向改变部分10a，以及两个从方向改变部分10a的各 自的底端部分在同一方向延伸的直线部分10b。直线的即杆状电极 部分11的一端和直线的即杆状电极部分12的一端分别嵌在两直线 部分的端部中。电阻加热件10和电极部分11和12整体嵌在具有 圆形截面的杆状陶瓷体13中。电阻加热件10布置得使方向改变部 分10a位于陶瓷体13的端侧中。

向含有作为主要成分的Si3N4的陶瓷粉末中加入/混合4wt％至 15wt％范围的，最好为6wt％至12wt％范围的稀土或碱土金属氧 化物如Y2O3、Er2O3、Yb2O3等的助烧结剂，并烧结这样得到的 混合物粉末，从而制成陶瓷体13。

另外，向含有作为主要成分的WC粉末和作为主要成分的含有 Si3N4的粉末中加入/混合0.8wt％至10.5wt％与陶瓷体13中所使 用的相同的助烧结剂，并烧结这样得到的混合物粉末，从而制成电 阻加热件10。电阻加热件10的WC含量调节在30wt％至80wt ％范围内，最好在50wt％至70wt％范围内。另外，烧结物成分是 通过使WC型颗粒弥散在Si3N4型基体(基体陶瓷相)中的方式得 到的。顺便应提到，当使用主要含有MoSi2的粉末时，由于助烧结 剂的影响，一部分MoSi2可变成MO5Si3。在这种情形中，要考虑 到Mo5Si3的一部分Si成分与助烧结剂中含有的氧结合而沉积为 SiO2。因此，在加入MoSi2的情形中，MoSi2和Mo5Si3往往共存。 顺便应到，甚至在使用Mo5Si3的情况下，三种材料的含量也最好 与使用MoSi2的情况相同。在烧结物结构中以一定半径画出的虚圆 中WC型颗粒面积的百分比不小于60％的情形中，由虚圆包围的 区域定义为WC型颗粒分布不匀部分，该分布不匀部分的最大直径 调节得不大于5μm。另一方面，每个电极部分11和12是由高熔 点金属材料如钨、钨铼合金等构成的。

在图2中，在陶瓷体13的表面上并在包括电极12的露出部分 12a的区域中，通过预定的方法如电镀、气相成膜等方法形成金属 的镍等的薄层(未画出)。通过金属薄层，陶瓷体13和外圆筒3 借助钎焊相互接合，而且电极12通过接合部分电气连接于外圆筒 3。另外，在包括电极部分11的露出部分的区域内形成金属薄膜。 连接件5钎焊在该薄膜上。在上述结构中，使电流从电源(未画出) 通过金属轴6(图1)、连接件5和电极部分11在电阻加热件10 中流动并通过电极部分12、外圆筒3、金属壳体4(图1)和发 动机组(未画出)接地。

下面描述生产陶瓷加热器1的方法。首先，如图3A所示，将 电极材料30布置在具有相应于电阻加热件10的U形模腔32的模 具31中，使电极材料30的端部插入模腔32的端中。在这种状态 中，将含有导电陶瓷粉末、含作为主要成分的Si3N4的粉末、助烧 结剂粉末和粘合剂的复合物33注射形成一个整体模制件34，在模 制件中，电极材料30与导电陶瓷粉末模制部分相结合，如图3B所 示。顺便应提到，导电陶瓷粉末模制部分34形成得具有基本呈圆 形的横截面。

上述复合物33例如是按照下述方式制备的。首先混合WC原 料、Si3N4原料和助烧结剂。将混合物与溶剂和磨碎介质如陶瓷球 或类似物一起放入磨碎设备(如旋转式球磨机、高能碾磨机如磨盘 式磨粉机、振动磨碎机等)中混合并磨至预定的粒度。这里，在旋 转式球磨机的情形中碾磨条件如转速、碾磨时间、溶剂和碾磨介质 的量等的调节应使烧结物中WC型颗粒的分布不匀部分的尺寸不 大于5μm。例如，在碾磨前的混合原料中，Si3N4原料粉末的粒 度在0.3至2.0μm范围内，平均粒度为0.8μm，WC原料粉 末的粒度在0.5至14μm的范围内，平均粒度为1.8μm的情形 中，碾磨条件最好调节成，在碾磨后，不管WC原料粉末的含量如 何，要使混合物的粒度在0.1至1.5μm的范围内，平均粒度为0.7 μm。顺便应提到，粒度分布和平均粒度可使用激光分析法测定。

当碾磨完成时，使碾磨介质与原料浆分离，使浆中的溶剂蒸发， 从而得到导电陶瓷粉末。由蜡或树脂构成的粘合剂揉合在导电陶瓷 粉末中，揉合的混合物进一步形成一定粒度的小球以便得到注射成 形的复合物。

另一方面，将预定量的粘合剂加入陶瓷粉末中以形成陶瓷体 13，然后将混合物加压模制成分别作为上、下部分的拼合压片36， 37，如图4A所示。每个拼合压片36，37具有一个在模对准面39a 上形成的凹部38，其形状相应于上述整体模制件35。然后将整体 模制件35放入凹部38，将拼合压片36，37在模对准面39a对准。 然后，如图5A所示，将处于这种状态的拼合压片36，37和整体 模制件35放在模具61的模腔61a中并使用冲头62，63压紧/加压 以形成一个复合模制件39，其中，拼合压片和整体模制件35如图 5B和6A所示相互结合。这里，压紧方向要选择得基本垂直于拼合 压片36，37的模对准面39a。

为了除去粘合剂成分等，这样制成的复合模制件39首先在预 定的温度(如大约800℃)下焙烧，从而形成图6B所示的焙烧件 39’。然后，如图5B所示，将焙烧件39’放入由石墨或类似物形成 的热压模65，66的模腔65a，66a中。当在炉64中在两模65， 66之间加压时，焙烧件39’在预定的温度(如大约1800℃)下烧 结以形成如图6c所示的烧结体70。此时，如图4B所示的导电陶 瓷粉末模制部分34和拼合压片36，37分别用于构成电阻加热件 10和陶瓷体13。另外，电极材料30分别构成电极部分11和12。

这里，当焙烧件39’沿压片36，37的模对准面39a加压时形 成如图6B所示的烧结体70。然后，如图6c所示，导电陶瓷粉末 模制部分34的每个直线部分34b的圆形截面被变形，在上述加压 方向上受到挤压以形成具有椭圆截面的陶瓷加热件10的直线部分 10b。然后，如图6D所示，烧结体70的外圆周面经过抛光或类似 处理，使陶瓷体的截面形成圆形，从而制成陶瓷加热器1。

顺便应提到，如图7所示，加热件可以在陶瓷粉末体的模制件 上使用导电陶瓷粉末的浆进行花纹印刷，并可以烧结经花纹印刷的 加热件，从而形成电阻加热件10。

另外，按照本发明的陶瓷加热器不仅可以用于热线点火塞，而 且也可用于燃烧器的点火器或氧传感器等的加热件。

实例

使用上述方法制造分别具有图2所示形状的各个陶瓷加热器 1。顺便应提到，在电阻加热件10中所含的WC成分的含量被调 节在30wt％至80wt％的范围内(实例1-4)。另外，热压烧结 在1750℃和300kgf/cm2下进行30分钟。每种配方的陶瓷加热器 生产两件。这两件中，一个陶瓷加热器被切削，其电阻加热件部分 的截面被抛光。然后使用扫描电子显微镜(下文简称为“SEM”) 观察抛光表面上WC型颗粒的团聚状况，WC型颗粒所占面积比 (即体积比)为60％或更高在本发明中称为分布不匀部分。在实 例1至4的任一陶瓷加热器中，分布不匀部分最大尺寸不大于5μ m。另一方面，WC成分不大于30wt％的一个试件和WC成分大 于80wt％的一个试件(对照例1和2)用来进行对比。顺便应提 到，对照例的陶瓷加热器经调整，其WC型颗粒的分布不匀部分的 最大尺寸大于5μm，具体来说，在8至10μm的范围内。

使用下述方法检查陶瓷加热器的导电耐用度。一个循环定义为 下述步骤，在该步骤中，向每个陶瓷加热器加一预定电压以便在陶 瓷加热器中形成电流，在温度均衡在1400℃之后导电状态保持5 分钟，然后停止导电，且这种状态保持1分钟。对每个陶瓷加热器 重复上述步骤10,000个循环。与第一次循环中的导电情形相比， 如观察到加热温度下降不小于150℃的情况则被判断为劣，而未观 察到上述下降的情况则被判断为好。检查结果示于表2中。

也就是说，每一实例的陶瓷加热器表现了良好的导电耐用度， 而对照例1的陶瓷加热器表现出不充分的导电耐用度。据信，由于 对照例1的陶瓷加热器中WC含量太大，不能充分烧结，因而不仅 电阻加热件的强度不够，而且WC颗粒的分布不匀部分的尺寸大， 使得较大的应力在分布不匀部分和周围部分之间热膨胀系数差的 基础上产生，从而引起电阻加热件的损坏/断裂。相反，在对照例2 的陶瓷加热器中，WC含量小，电阻太高，不能得到充分的加热。

图8A和8B表示实例3的陶瓷加热器的电阻加热件部分的SEM 结构照片，在这种结构中，最白的部分被认为是相应于WC型颗粒 的部分，最黑的部分被认为是相应于Si3N4基体的部分。WC型颗 粒弥散得较为均匀，因而未观察到尺寸大于5μm的分布不匀部 分。另一方面，图9A和9B表示对照例1的陶瓷加热器的电阻加 热件部分的SEM结构照片。从图9可以看出，形成了尺寸相当大 (大约10μm)的WC型颗粒分布不匀部分。

表1                   材料特性值(文献值)  热膨胀系数 电阻率(μΩ     cm)   温度电阻系数 (R(1000℃)/R(25℃)  熔点(℃)   WC     4.9     19.2     1.495     2800   TaN     3.6     128     1.03     3360   TaC     6.29     42.1     2.07     3877   TiN     9.35     25.0     3.48     2900   MoSi2     8.3     21.6     7.48     2030   Mo5Si3     4.3     45.9     1.66     2100   WSi2     8.21     12.5     3.91     2150   ZrB2     4.5     16.6     --     3040   LaCrO3     9.7     106     --     2490   NbN     10.8     78.0     10.1     2050   Mo2C     6.15     71.0     --     2500   Si3N4     3.2     --     --     --

(来源：《高熔点化合物物理性质手册》Nisso Tsuushin sha 出版)

表2       电阻加热件成分(wt％)   WC颗粒的粒度 导电条件下的耐用度     WC    Si3N4    Y2O3   实例1     80     18     2     3μm或更小     OK   实例2     75     22.5     2.5     3μm或更小     OK   实例3     60     39.6     0.4     3μm或更小     OK   实例4     30     63     7.0     3μm或更小     OK   对照例1     85     13.5     1.5     6μm     NG   对照例2     25     67.5     7.5     5μm 由于电阻大发热不足