CN1038628C - 用于火花塞的导电性密封接合物 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于火花塞接触芯的导电性密封接合物，所述密封接合物位于中心电极的末端部分和火花端部分之间，所述密封接合物主要含有易熔的玻璃组分和粉末状的导电组分。密封接合物的导电组分只由石墨组成，以密封接合物的粉末组分的量计，石墨用量为10-30%(体积)。

Description

用于火花塞的导电性密封接合物
本发明涉及一种用于火花塞接触芯的密封接合物。
密封接合物用于位于火花塞绝缘体内的中心电极的防泄漏密封以及用于抑制无线电干扰。所述的密封也指密封阻抗(resistance seal)。在这种情况下，所述密封阻抗包括分别位于中心电极的末端部分和火花端部分、具有良好导电性能的接触芯，以及位于两者之间的阻抗芯。
德国专利2245403公开了一种接触芯密封接合物，其含有作为易熔组分的硼硅玻璃以及作为导电组分的石墨和碳黑。另外，该专利还指出仅含有石墨作为导电组分的密封接合物是不合适的，因为所需石墨以体积计占很高比例并且由此会引起加工中出现困难，而且不透气性能也不合适。
已经观察到接触芯的密封接合物具有公知组分的火花塞在热负荷高时会发生失效，因为中心电极上的接触芯中所含的碳黑发生燃烧。用金属粉末代替碳黑也因为其在高电负荷下不好的稳定性而证明其不能令人满意。
所述阻抗芯由下述材料组成，即玻璃、作为填充物的其它无机添加剂，其在所使用的密封温度下不熔化，以及也作为导电组分的碳。在这种情况下，碳的加入是以碳黑和/或形成碳的有机粘合剂的方式加入。德国专利3226340特别地公开了使用羧甲基纤维素(CMC)作为有机粘合剂。
本发明的目的在于提供一种用于火花塞接触芯的导电密封接合物，其以石墨作为导电组分，其易于加工并且高电负荷下具有特别好的稳定性。
已经发现作为密封阻抗的密封芯和接触芯所需的石墨比例不需要定得很高以至于产生如德国专利2245403中所述的缺点。与此相反，本发明的用于接触芯的密封接合物主要含有易熔的玻璃组分和粉末状的导电组分，其中导电组分含有石墨，本发明的密封接合物具有以下优点，即用于生产接触芯的密封接合物的可加工性明显优于用于生产接触芯的含细碳黑的接合物的可加工性，后者易于结块。
本发明的导电密封接合物中，以密封接合物中所含的粉末状组分的量计，石墨的用量为10-30％(体积)，这一数值的限定使本发明的密封阻抗的进一步开发变得可能。由于细颗粒石墨有很高的氧化倾向，所以特别有利的是颗粒尺寸低于5μm的石墨的量尽可能的少。所述颗粒尺寸的上限由石墨颗粒间的接触点的数目限制，所述数目随颗粒尺寸的增加而变少。特别有利的是颗粒尺寸的分布范围尽可能地窄，平均颗粒尺寸约为20-50μm，优选为30-40μm，同时低于10μm的颗粒的比例应低于5％而高于96μm的颗粒的比例应低于10％。为降低石墨的氧化，所述的接触芯可以含有多达4％(体积)的作为还原剂的细颗粒铝粉。若在密封接合物已被密封后，在中心电极的末端部分的接触芯比在中心电极的火花端部分的接触芯厚，则可获得高电负荷下特别好的稳定性。
附图简要说明：
附图示出了本发明的一个较佳实施方式，其将在下文中详细描述。唯一的附图示出了火花塞的剖面图。
较佳实施方式
附图示出的火花塞包括绝缘体11，其以气密的方式嵌入金属火花塞套管10中，在其绝缘体腔12(insulator bore)  中插入了中心电极末端13和中心电极火花端14。插入绝缘体腔12的中心部位的是密封阻抗15、16、17，通过它们使末端中心电极13与中心电极火花端14之间实现电连接。在本最佳实施方式中，所述密封阻抗包括与末端中心电极13邻接的第一接触芯15，与中心电极火花端相接的第二接触芯16以及位于两个接触芯15、16之间的阻抗芯17。接触芯15、16以及阻抗芯17的组成由下文详述。火花塞的接地电极示为18。
在密封状态，中心电极火花端14与阻抗芯17间的最小高度为0.5mm，阻抗芯17与中心电极末端13间的最小高度为2mm。有如此要求的原因在于密封过程中对于进入的氧气，接触芯15、16所起的密封功能。若氧气穿透进入阻抗芯17，一些碳被氧化，由此部分增加了电阻值。当火花塞在高电负荷下操作时，随着电阻值的增大，更多的能量在此转化。此点的温度升高，由此火花塞失效。
密封阻抗接合物或导电性密封接合物分别地用于两个接触芯15、16以及阻抗芯17。在本实施方式中，接触芯15、16和阻抗芯17的密封接合物均含有具有下述重量百分比组成的锂钙硼硅玻璃：
二氧化硅  (SiO2)            51
三氧化二铝(Al2O3)           1
氧化钙    (CaO)          7
三氧化二硼(B2O3)      37
氧化锂(Li2O)            4
用来生产接触芯15、16的导电性密封接合物具有如下体积百分比的组成：玻璃(颗粒尺寸为63-400μm)            64.2碳化硅(颗粒尺寸为150-210μm)         15.0铝粉(颗粒尺寸为8μm)                  0.8石墨(颗粒尺寸为5-80μm)              20.0
玻璃、碳化硅和铝粉于干燥状态混合。随后用糊精水溶液作粘合剂使玻璃、碳化硅颗粒和铝颗粒上涂覆石墨，糊精的比例约为1％，而后干燥所述混合物，粉碎粗组分或用筛分离除去粗组分。
为生产密封阻抗接合物，需先生产出初始阻抗混合物。具有6千欧姆电阻的初始阻抗混合物含有以下重量百分比的组成：
热解碳黑(Thermal black)        3.7
氧化锆                         81.0
玻璃(颗粒尺寸＜63μm)          15.3
所述初始阻抗混合物最后进一步与玻璃和熔融金刚砂以下列体积百分比的组成混合：玻璃(颗粒尺寸为63-400μm)            59.0熔融金刚砂(颗粒尺寸为120-250μm)     25.0初始阻抗混合物                       16.0
上述玻璃和熔融金刚砂在干燥状态混合，然后用纯化的羧甲基纤维素钙水溶液在粗的玻璃颗粒和金刚砂颗粒上涂覆预研磨过的初始阻抗混合物。CMC在最终的阻抗接合物中的比例为0.1-1.0％(重量)，优选为0.2％(重量)。最后干燥上述混合物并粉碎或过筛除去粗组分。阻抗芯17的电阻值可通过改变碳黑组分、初始阻抗混合物以及CMC的含量而加以调整。
为生产密封阻抗，随着中心电极火花端14的插入，在绝缘体11的绝缘体腔12内首先导入火花塞接触芯16的导电性密封接合物，其次导入阻抗芯17的阻抗接合物，最后导入接触芯15的导电性密封接合物，用压实器(ram)预压实。中心电极末端13置于上面的接触芯15上并压下。将以如此方式预安装的绝缘体11加热到850-900℃，在这种温度下，末端中心电极13被压入软化了的接触芯15的接触接合物中。
选择被导入的导电性密封接合物和阻抗接合物的含量以便使它们被导入以及预压实后中心电极末端13能突出绝缘体11的末端表面约6-8mm，以及在加热及压入中心电极13后能获得下述芯高度：
火花端接触芯        0.5-2mm
阻抗芯                5-8mm
末端接触芯          大于2mm
在高热负荷下在一发动机中使用含有本发明的电阻密封的火花塞，与在接触芯中用碳黑和石墨作为导电相的火花塞进行比较。含有碳黑接触芯的火花塞，在约200操作小时后其仍产生高达大于20兆欧的阻抗增加。在这种火花塞中，在中心电极头部的周围可观察到明显的多孔条纹，该条纹的产生是由于在发动机运作期间的高热负载使碳黑燃烧而造成。含有根据本发明以及所述的较佳实施方式的密封阻抗的火花塞甚至在500操作小时后仅显示轻微的阻抗变化，并且在中心电极头部周围未观察到意味着石墨发生氧化的气孔(porosity)。
下表示出了具有不同组分和高度的接触芯的测试结果。接触芯中    中心电极火花端/    失效*百分比的导电组分  中心电极末端的接    (小时后)
        触芯的高度铁+石墨    1.0/3.5               25％100小时石墨       2.0/4.5               0％ 200小时石墨       1.5/1.7               18％ 90小时* 失效：阻抗增加＞30％。

Claims (10)

1、在火花塞的中心电极的末端部分和火花端部分之间的导电密封接合物，所述密封接合物主要含有易熔的玻璃组分和粉末状的导电组分，所述导电组分仅含有石墨，其特征在于，以密封接合物中所含的粉末状组分的量计，石墨的用量为10-30％(体积)。
2、如权利要求1所述的密封接合物，其特征在于以密封接合物中所含的粉末状组分的量计，石墨的用量为18-22％(体积)。
3、如权利要求1或2所述的密封接合物，其特征在于，石墨的平均颗粒尺寸为20-50μm。
4、如权利要求3所述的密封接合物，其特征在于，石墨的颗粒尺寸为30-40μm，以及平均颗粒尺寸低于10μm的比例为小于5％，颗粒尺寸高于96μm的比例为小于10％。
5、如权利要求1或2所述的密封接合物，其特征在于，在每一种情况中，密封接合物用于中心电极末端13和中心电极火花端14，并且密封后中心电极末端13上的密封接合物厚于中心电极火花端14的密封接合物。
6、如权利要求3所述的密封接合物，其特征在于，在每一种情况中，密封接合物用于中心电极末端13和中心电极火花端14，并且密封后中心电极末端13上的密封接合物厚于中心电极火花端14的密封接合物。
7、如权利要求4所述的密封接合物，其特征在于，在每一种情况中，密封接合物用于中心电极末端13和中心电极火花端14，并且密封后中心电极末端13上的密封接合物厚于中心电极火花端14的密封接合物。
8、如权利要求5所述的密封接合物，其特征在于，阻抗接合物17位于中心电极末端13的密封接合物和中心电极火花端14的密封接合物之间；并且，位于密封接合物一端的中心电极火花端14的末端表面和阻抗接合物17间的距离为至少0.5mm，位于密封接合物一端的中心电极末端13的末端表面和阻抗接合物17间的距离为至少2mm。
9、如权利要求6所述的密封接合物，其特征在于，阻抗接合物17位于中心电极末端13的密封接合物和中心电极火花端14的密封接合物之间；并且，位于密封接合物一端的中心电极火花端14的末端表面和阻抗接合物17间的距离为至少0.5mm，位于密封接合物一端的中心电极末端13的末端表面和阻抗接合物17间的距离为至少2mm。
10、如权利要求7所述的密封接合物，其特征在于，阻抗接合物17位于中心电极末端13的密封接合物和中心电极火花端14的密封接合物之间；并且，位于密封接合物一端的中心电极火花端14的末端表面和阻抗接合物17间的距离为至少0.5mm，位于密封接合物一端的中心电极末端13的末端表面和阻抗接合物17间的距离为至少2mm。
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