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 塞或类似装置中的陶瓷加热器，在其结构中，通过导电进行电阻加 热的加热件嵌在含有作为主要成分的Si3N4或AlN的绝缘陶瓷体 中。例如，加热件是由W、Mo等的硅酸盐、碳酸盐、硼化物或氮 化物构成的导电陶瓷形成的，或是由高熔点的W、W-Re、Mo等 金属丝制成的。
在上述陶瓷加热器中，由于构成陶瓷体的Si3N4或AlN的热膨 膨胀系数小于构成陶瓷加热件的导电陶瓷或金属丝的热膨胀系数， 因而当重复加热和冷却循环时，在陶瓷加热件中可产生以热膨胀系 数差为基础的应力集中，引起加热器耐用度问题。因此，有人曾试 图在陶瓷体中加入热膨胀系数大于Si3N4或AlN的陶瓷成分如金属 硅酸盐、金属碳酸盐、金属氮化物或金属硼化物等(下文称为“调 节陶瓷成分”)，以便减小上述热膨胀系数差，从而改善耐用度。
上述陶瓷加热器的缺点在于，当加入陶瓷体的调节陶瓷成分过 多时会引起下述问题：
(1)在金属硅酸盐、金属碳酸盐、金属氮化物和金属硼化物 中有些成分当在大约400℃至900℃的温度范围内重复加热和冷却 循环时会与大气中的氧气反应而变成氧化物。例如，MoSi2当在大 气中加热至大约400℃至大约500℃范围内的温度时容易变成氧化 物。由于这种氧化物在显著低于陶瓷加热器使用温度的温度下(例 如在700℃至800℃的范围内)升华或蒸发的性质，因而在陶瓷加 热器进行加热时，孔(空洞)会由于氧化物的升华或蒸发而生成。 这样当调节陶瓷成分含量过多时，上述孔会增多，从而引起加热器 耐用度降低的问题。
(2)为了加速烧结，必须向含有作为主要成分的Si3N4或AlN的陶瓷体加入作为助烧结剂的稀土或碱土金属氧化物等。当调节陶 瓷成分的加入量增加时，含有作为主要成分的Si3N4或AlN的陶瓷 的烧结性能降低。因此，为了补偿烧结性能的下降，必须增加助烧 结剂的加入量。但是，当助烧结剂的加入量增加时，陶瓷体的耐性 性能下降，因而在保证陶瓷加热器按照使用条件的耐用度方面存在 障碍。如果不增加助烧结剂量，则烧结体的密度不够，从而使陶瓷 加热器的机械强度不够。另外，助烧结剂的加入量必须按照调节陶 瓷成分的加入量而精心加以调节。
关于普通的陶瓷加热器，为了避免上述有害影响，调节陶瓷成 分的加入范围尚未作出充分的讨论。因此，会出现下述问题，即， 调节陶瓷成分的加入量会变得过多，使陶瓷加热器的耐用度得不到 改善或会下降等等。

本发明的目的是提供一种陶瓷加热器，其中，为了获得极好的 耐用度，为调节陶瓷体的热膨胀系数的添加成分的量被设定为一个 最佳值。
按照本发明，提供一种陶瓷加热器，包括：一个陶瓷体，它具有 烧结的基本陶瓷成分和调节陶瓷成分，所述调节陶瓷成分含有1wt％至 3wt％范围内的调节陶瓷成分，所述调节陶瓷成分包括从由热膨胀系数 大于所述基本陶瓷成分的金属硅酸盐、金属碳酸盐、金属硼化物和金属 氮化物构成的一组中选择的至少一种成分；以及一个嵌在所述陶瓷体中 的加热件，所述加热件包括导电陶瓷材料。
按照本发明，在陶瓷加热器中，为调节陶瓷体的热膨胀系数的 添加成分量被设定在一个最佳值，并具有极好的耐用度。因此，由 于烧结体的密度足够，因而可以获得具有足够机械强度的陶瓷加热 器而无需精心调节助烧结剂量。
附图说明
图1是表示使用按照本发明的陶瓷加热器的热线点火塞的一实 例的前局部剖视图；
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接续图3A和3B，用于说明生产陶瓷加热器的方 法；
图5A和5B接续图4A和4B，用于说明生产陶瓷加热器的方 法；
图6A至6D是表示按照本发明生产陶瓷加热器的方法中复合 模制件和烧结体截面形状变化的典形视图；
图7是表示按照本发明的陶瓷加热器另一实施例的剖视图；
图8A至8C是表示加热件是由金属丝构成的结构实例和生产 该结构实例的方法的示意图。

下面参阅附图详细描述本发明。
在按照本发明的陶瓷加热器中，一加热件嵌在陶瓷体中，该陶 瓷加热器为解决现有技术中的问题具有下述特征：陶瓷体是通过下 述方式制成的，即，作为调节陶瓷成分，向基本陶瓷成分中加入由 热膨胀系数比基本陶瓷成分大的金属硅酸盐、金属碳酸盐、金属硼 化物和金属氮化物中构成的一组中选择的至少一种，加入量占总重 量的1％至3％的范围内，并且焙烧加有所述至少一种的陶瓷成分。 顺便应提到，鉴于化学稳定性和热膨胀系数，金属硅酸盐、金属碳 酸盐、金属硼化物和金属氮化物最好是从由W、Ta、Nb、Ti、Mo、 Zr、Hf、V和Cr的硅酸盐、碳酸盐、硼化物和氮化物构成的一组 中选择的。另外，陶瓷体的基本陶瓷成分最好含有作为主要成分的 Si3N4或AlN。
在上述结构的陶瓷加热器中，所加入的调节陶瓷成分的量占陶 瓷体重量的1％至3％，从而获得足够的效果，以便减小陶瓷体和 电阻加热件之间的热膨胀系数差，从而避免应力集中。另外，还减 少了源于调节陶瓷成分的氧化物量。因此，无需担心由于上述的所 形成的孔而降低加热器的耐用度。据信，减少产生氧化物量的原因 是，这种减少不仅是因为调节陶瓷成分的绝对量少，而且也是因为 避免和抑制了调节陶瓷成分与氧气之间的接触，这是因为调节陶瓷 成分的颗粒被颗粒边界相所覆盖，上述颗粒边界相是因烧结而形成 的(例如，由粉末颗粒之间相至扩散而形成的相、由于在烧结时颗 粒边界附近产生的液态相因化而形成的相，等等)。另一方面，当 调节陶瓷成分在1wt％至3wt％范围内时，陶瓷体的烧结性能未被 显著损害，因此，不必增加助烧结剂的加入量，也不必精心地调节 助烧结剂的加入量。
如果助烧结剂的加入量小于1wt％，陶瓷体和电阻加热件之间 的热膨胀系数差就会变大，因而引起加热器耐用度的问题，这是因 为在加热件中出现了以热膨胀系数差为基础的应力集中。相反，如 果加入量大于3wt％，则源于调节陶瓷成分的氧化物产生量增加， 从而引起加热器耐用度的问题，这是因为氧化物升华或蒸发形大量 上述的孔。另外，因为陶瓷体的烧结性能下降，所以必须增加助烧 结剂的加入量，从而相应地显著降低了陶瓷体的耐性性能。如果助 烧结剂的加入量不加以精心调节，则会引起不能获得陶瓷体的良好 烧结状态的问题。因此，调节陶瓷成分的加入量最好选择在1wt ％至3wt％的范围内，更好的是选择在2wt％至3wt％的范围内。
接着可以用导电陶瓷材料制成加热件，因而可以延长加热件的 寿命。具体来说，导电陶瓷材料可以具有导电陶瓷相弥散在基体陶 瓷相中的结构。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，熔点应不低于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；及W、 Ta、Nb、Ti、Mo、Zr、Hf、V和Cr的氮化物构成的一组中 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。如果含量大于80wt％，则得不到良好的加热件，这是因为 烧结不充分的原因。因此加热件的导电相的含量应调节在30wt％ 至80wt％的范围内，最好调节在50wt％至70wt％的范围内。另 外，加热件也可以由如W、W-Re、Mo等高熔点金属丝制成。
顺便应提到，基本陶瓷成分可以含有预定的助烧结剂成分、不 可避免的杂质等、助烧结剂可以由稀土氧化物或碱土金属氧化物如 Y2O3、Er2O3、Yb2O3、CaO、MgO等构成，相对于基本陶瓷 成分，其加入量最好在3wt％至15wt％的范围内。如果加入量小 于3wt％，陶瓷体的烧结就变得不充分。相反，如果加入量大于 15wt％，陶瓷体的耐热性能就变得不够。
下面对照附图描述按照本发明的优选实施例。
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 分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。
陶瓷体13通过下述方法制成，在该方法中，向含有Si3N4作为 主要成分的基本陶瓷成分中加入从W、Ta、Nb、Ti、Mo、 Zr、Hf、V和Cr的碳酸盐、硅酸盐、硼化物和氮化物中选择的 至少一种(例如MoSi2)，作为调节陶瓷成分，加入量在1wt％至 3wt％的范围内，最好在2wt％到3wt％垢范围内，然后将这样得 到的陶瓷成分烧结。另外，将稀土氧化物或碱土金属氧化物如 Y2O3、Er2O3、Yb2O3、CaO、MgO等助烧结剂成分加入，加 入量为基本陶瓷成分的3wt％至15wt％，最好为6wt％至12wt ％。
另外，加热件10是通过下述方法制成的，在这种方法中，向 导电陶瓷如含有WC或Mo5Si3作为主要成分的粉末和含有Si3N4 作为主要成分的粉末中加入/混合与陶瓷体13中所用相同的助烧结 剂成分，加入量在0.8wt％至10.5wt％的范围内，然后将混合物烧 结。在烧结的结构中WC型颗粒弥散在Si3N4型基体陶瓷相中。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Mo5SiO3往往共存。顺便应提到，每 个电极部分11和12是W、W-Re、Mo、Pt、Nb、镍铬合 金、Ta等金属丝制成的。
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 如镍等的薄层(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。
此外，另一方面，通过下述方法事先制备如图4A所示分别作 为上、下部的分离压片36，37，在这种方法中，陶瓷粉末是通过 加压模制成陶瓷体13的。顺便应提到，可使用的陶瓷粉末是通过 下述方法制成的，在这种方法中，1wt％至3wt％范围的调节陶瓷 成分粉末、3wt％至15wt％范围的助烧结剂粉末和少量用于加压 模制的粘合剂加入作为主要成分的Si3N4粉末中混合。
每个上述分离的压片36，37在模对准面39a上有一凹部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，分离的压片36，37在模对准面39a中对准。然后，如图 5A所示，将上述状态下的分离压片36，37和整体模制件35放入 模具61的模腔61a中，用冲头62和63压紧/加压以形成复合模制 件39，在复合模制件中，整体模制件35和分离的压片相互结合， 如图5B和6A所示。这里，压紧的方向选择得基本垂直于分离压 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，在陶瓷加热器1中，加热件10可由W、W-Re、Mo、 Pt、Nb镍铬合金、ta等的金属丝制成，其一个具体实例及其制造 方法示于图8A至8c中。由于这个实例与加热件由陶瓷制成的情形 在大部分结构和生产方法上是共同的，因而将主要描述两者之间的 差别，共同部分将不再赘述。
将图8A所示形状象螺簧的上述高熔点金属丝材料60弯成图 8B所示的U形，将电极材料30插入金属丝材料60的两端中以形 成一个加热组件61。然后，在图5中，以加热组件61替代整体模 制件35，装入分离压片36、37的凹部38中，加压形成一体，制 成复合模制件。当复合模制件用热压法烧结时，得到陶瓷加热器1， 其中，作为加热件的金属丝材料60嵌在陶瓷体13中，如图8c所 示。
另外，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MoSi2作为调节陶瓷成分，Y2O3作为助烧结剂，按照上 述方法生产分别具有图2所示形状的各种陶瓷加热器。顺便应提 到，MoSi2的加入量调节在1wt％至10wt％的范围内(在各实例 中在1wt％至3wt％的范围内，在各对照例中在3.5wt％至10wt ％的范围内)。另外，在1750℃和300kg/cm2下进行热压焙烧30 分钟。这样制得的陶瓷加热器进行导电耐用度试验和冷却和加热循 环试验。导电耐用度试验按下述方法进行。一个循环定义为：向每 个陶瓷加热器加一个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。如果加热温度下降与第一次循环相比不小于150℃，则被判 定为劣，未观察到上述下降的其它情形则被判定为好。另一方面， 将陶瓷加热器放入电炉中，在程控下，在400℃和900℃之间，将 加热和冷却陶瓷加热器的循环进行5000次，这样进行冷却-加热 试验之后，切削并抛光陶瓷体部分，用光学显微镜观察其表面。结 果在表2中表示。
虽然在导电耐用度方面，实例和对照例的陶瓷加热器都不错， 但是，在冷却-加热试验中，由于氧化物的生成和升华对照例的陶 瓷加热器上形成相当多的孔。具体来说，在对照例1和2的加热器 中，由于MoSi2的加入量大，观察到裂缝。相反，在实例的陶瓷加 热器中，未观察到任何孔的产生。
                   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                 成分   导电耐用   度试验   冷却-加热   循环试验   Si3N4    Y2O3    MoSi2   实施例1   87.3    9.7     3.0  10000  循环  OK   无孔；良好   实施例2   87.39    9.71     2.9  10000  循环  OK  No pore；Good   实施例3   87.75    9.75     2.5  10000  循环  OK  No pore；Good   实施例4   88.2    9.8     2  10000  循环  OK  No pore；Good   实施例5   89.1    9.9     1  10000  循环  OK  No pore；Good   对照例1   81    9     10  10000  循环  OK   生成大量的   孔和裂缝   对照例2   82.8    9.2     8  10000  循环  OK   生成大量的   孔和裂缝   对照例3   85.5    9.5     5  10000  循环  OK   生成大量的   孔和裂缝   对照例4   85.4    9.6     4  10000  循环  OK   生成孔   对照例5   86.85    9.65     3.5  10000  循环  OK   生成孔