DE10025324C5 - Herstellungsverfahren für eine Zündkerze - Google Patents

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Abstract

Herstellungsverfahren für eine Zündkerze (7), mit den Schritten:Beschichten einer Oberfläche eines keramischen Isolators (1) mit einer bleifreien Glasurzusammensetzung, die mehr als 35 Gew.-% und höchstens 49 Gew.-% SiO, 20 - 35 Gew.-% BOund mehr als 5 Gew.-% und höchstens 8 Gew.-% AlOenthält, wobei das Gewichtsverhältnis aus SiO/(SiO+ BO) mehr als 58% und höchstens 70% beträgt; undErhitzen des beschichteten Isolators bei einer Temperatur von 900°C oder weniger, um aus der Glasurzusammensetzung eine Glasur zu brennen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren für eine Zündkerze.
  • Ein Zündkerzenisolator stellt ein Beispiel für einen mit einer Glasur beschichteten Isolator dar. Die Glasurzusammensetzung wird auf den Isolator aufgebracht, wonach der Isolator unter gleichzeitiger Einkapselung von Bauteilen in dem Loch in dem Isolator gebrannt wird.
  • Dabei ist es notwendig, dass die Bedingungen, unter denen die Bauteile in dem Loch dieses Isolators eingekapselt werden, derart sind, dass die Temperatur nicht mehr als 900°C beträgt, um eine Oxidation des Fußes zu verhindern.
  • In den letzten Jahren hat sich der Bedarf nach bleifreien Glasurzusammensetzungen ergeben, um Bedenken bezüglich des Umweltschutzes zu begegnen. Jedoch ist es schwierig, auf einen Isolator bei einer Temperatur von 900°C oder weniger eine bleifreie Glasurzusammensetzung aufzubrennen. Es war daher nicht mehr möglich, unter gleichzeitiger Einkapselung von Bauteilen in dem Loch des Isolators eine Brennung vorzunehmen.
  • Die DE 693 15 901 T2 (& EP 0 579 406 B1 ) offenbart eine bleifreie Glasurzusammensetzung für Keramikwaren wie Porzellane und Steingut, die aus einem Alkaliborosilikat mit 40 bis 69 Gew.-% SiO2, 10 bis 30 Gew.-% B2O3, 5 bis 25 Gew.-% Na2O und/oder K2O, 0,1 bis 2,0 Gew.-% Li2O, 0,5 bis 6 Gew.-% Al2O3 und 0,5 bis 6 Gew.-% CaO sowie einem Haupt-Zusatz von wenigstens zwei der Elemente Zr, Sn und Ti und einem möglichen Neben-Zusatz von Bi, Ba, Sr, Zn, La oder Mo besteht. Die Glasurzusammensetzung lässt sich bei demselben Temperaturbereich brennen wie die alten Systeme auf der Grundlage von Blei.
  • Die US 5 518 968 A schlägt schließlich eine bleifreie Glasurzusammensetzung für Keramikwaren wie Zündkerzenisolatoren vor, die auf das Gewicht bezogen aus zwischen etwa 27 and 35% SiO2, zwischen etwa 9 and 15% Al2O3, zwischen etwa 26 and 34% B2O3, zwischen etwa 4 and 9% BaO, bis etwa 2,5% CaO, zwischen etwa 3 and 8% SrO, zwischen etwa 6 and 12% ZnO, bis etwa 1% K2O, zwischen etwa 1 and 4% Li2O, zwischen etwa 1,5 and 3% Na2O sowie geringen Verunreinigungen besteht. Diese Glasurzusammensetzung kann bei 843°C bis 899°C gebrannt werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für eine Zündkerze zur Verfügung zu stellen, das ein Brennen einer bleifreien Glasurzusammensetzung bei niedrigen Temperaturen erlaubt und das zu einer Zündkerze mit einer wasserbeständigen und glatten Glasuroberfläche führt.
    <...>
  • Diese Aufgabe wird durch ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1, 2, 3, 5 und 8 gelöst. Die Unteransprüche geben Weiterbildungen dieses Hestellungsverfahrens an.
  • Infolge der oben genannten Zusammensetzung kann die bleifreie Glasurzusammensetzung selbst bei einer Temperatur von 900°C oder weniger auf den Isolator aufgebrannt werden. Da diese Glasurzusammensetzung kein Blei enthält, ist sie außerdem dem Umweltschutz zuträglich.
  • Da die bleifreie Glasurzusammensetzung bei einer niedrigen Temperatur von 900°C oder weniger gebrannt wird, kann eine Oxidation des in das Loch des Isolators eingesetzten Fußes verhindert werden. Folglich können das Brennen der aufgebrachten Glasurzusammensetzung und das Einkapseln von Bauteilen in dem Loch des Isolators gleichzeitig erfolgen.
  • Im Folgenden wird die Zusammensetzung der bleifreien Glasurzusammensetzung erläutert.
  • SiO2 und B2O3 sind die Hauptbestandteile von Borosilicatglas. Bezogen auf SiO2 und B2O3 hat der Schmelzpunkt einer Glasur die Tendenz, mit zunehmender Menge an SiO2 zuzunehmen. Falls das Verhältnis kleiner als 50% ist, nimmt die Wasserbeständigkeit der Glasur ab, was zu dem Risiko führt, dass der Glasbestandteil in Wasser eluiert wird und sich verschlechtert. Falls das Verhältnis 70% überschreitet, erhöht sich der Schmelzpunkt, was das Risiko mit sich bringt, dass die Glattheit der glasierten Oberfläche abnimmt. Bei der Erfindung beträgt das Verhältnis mehr als 58% und höchstens 70%.
  • Der Gehalt an SiO2 beträgt mehr als 35 Gew.-% und höchstens 49 Gew.-%. Falls der Gehalt an SiO2 weniger als 35 Gew.-% beträgt, nimmt die Wasserbeständigkeit der Glasur ab, was zu dem Risiko führt, das der Glasbestandteil in Wasser eluiert wird und sich verschlechtert. Falls der SiO2-Gehalt 49 Gew.-% überschreitet, steigt der Schmelzpunkt der Glasurzusammensetzung, was zu dem Risiko einer abnehmenden Glattheit der glasierten Oberfläche führt.
  • Der Gehalt an B2O3 beträgt 20-35 Gew.-%. Falls der Gehalt an B2O3 kleiner als 20 Gew.-% ist, erhöht sich der Schmelzpunkt der Glasurzusammensetzung, was zu dem Risiko einer abnehmenden Glattheit der glasierten Oberfläche führt. Falls der B2O3-Gehalt 35 Gew.-% überschreitet, besteht das Risiko einer abnehmenden Wasserbeständigkeit der Glasur.
  • Al2O3 zeigt die Wirkung, dass die Wasserbeständigkeit der Glasur verbessert wird, wenn es in kleinen Mengen hinzugegeben wird, wodurch verhindert wird, dass der Glasbestandteil in Wasser eluiert wird und sich verschlechtert. Falls Al2O3 10 Gew.-% überschreitet, nimmt die Viskosität während des Brennens zu, was zu dem Risiko einer abnehmenden Glattheit der glasierten Oberfläche führt. Bei weniger als 2 Gew.-% besteht das Risiko, dass die Wirkung, die Wasserbeständigkeit des Glases zu verbessern, abnimmt. Die Erfindung verwendet daher Al2O3.
  • ZnO stabilisiert das Glas, ohne die Viskosität während des Brennens zu erhöhen. Außerdem hat ZnO die Wirkung, eine Erhöhung des linearen Ausdehnungskoeffizienten der Glasur zu unterdrücken. Der Gehalt an ZnO beträgt 0-10 Gew.-%. Falls der ZnO-Gehalt 10 Gew.-% überschreitet, ist die Transparenz der glasierten Oberfläche schlecht.
  • Die oben genannte bleifreie Glasurzusammensetzung kann ferner vorzugsweise ein, zwei oder mehr Bestandteilstypen enthalten, die aus der aus CaO, BaO und MgO bestehenden Gruppe ausgewählt sind. Und zwar stabilisieren BaO, CaO und MgO das Glas, ohne während des Brennens die Viskosität zu erhöhen.
  • Die oben genannte bleifreie Glasurzusammensetzung enthält außerdem vorzugsweise ein, zwei oder mehr Bestandteilstypen, die aus der aus Bi2O3, ZrO2, TiO2, CeO und FeO bestehenden Gruppe ausgewählt sind.
  • Während Bi2O3 den Schmelzpunkt der Glasurzusammensetzung senkt, führt es, wenn es in großen Mengen hinzugegeben wird, zu dem Risiko, dass die glasierte Oberfläche ihre Glattheit verliert.
  • ZrO2 hat die Wirkung, das Glas zu stabilisieren und den linearen Ausdehnungskoeffizienten zu senken, während es außerdem die Keramikfestigkeit erhöht. Die Hinzugabe von großen Mengen ZrO2 führt andererseits jedoch zu einer Wolkenbildung.
  • Während TiO2, CeO und FeO die Wirkung haben, durch Erhöhung der Wetterbeständigkeit eine Entfärbung des Keramikmaterials zu verhindern, wird im Gegensatz dazu durch eine Hinzugabe von großen Mengen dieser Bestandteile die Glasur verfärbt.
  • Diese Bestandteile werden daher vorzugsweise derart eingemischt, dass der erforderliche lineare Ausdehnungskoeffizient erhalten bleibt. Infolgedessen lassen sich die Glasbestandteile in der Glasur stabilisieren, eine Verfärbung des Keramikmaterials verhindern und der Schmelzpunkt der Glasurzusammensetzung senken.
  • Darüber hinaus enthält die oben genannte bleifreie Glasurzusammensetzung vorzugsweise ein, zwei oder mehr Bestandteilstypen, die aus der aus LiO2, Na2O und K2O bestehenden Gruppe ausgewählt sind. LiO2, Na2O und K2O sind Alkalimetalloxide, die den Schmelzpunkt der Glasurzusammensetzung senken. Die Hinzugabe dieser Bestandteile verbessert die Glattheit der glasierten Oberfläche.
  • Die oben genannte bleifreie Glasurzusammensetzung enthält außerdem vorzugsweise BaO. BaO besitzt die starke Wirkung, eine Zunahme der Viskosität während des Brennens zu unterdrucken, und führt zu einer glatten glasierten Oberfläche, wenn es in einer Menge von 2 Gew.-% oder mehr hinzugegeben wird. Falls der BaO-Gehalt kleiner als 2 Gew.-% ist, besteht das Risiko, dass die Viskosität der Glasur zunimmt. Falls der BaO-Gehalt 30 Gew.-% überschreitet, besteht das Risiko einer Zunahme des linearen Ausdehnungskoeffizienten.
  • Darüber hinaus enthält die oben genannte bleifreie Glasurzusammensetzung vorzugsweise 1-10 Gew.-% ZrO2. ZrO2 stabilisiert das Glas in der Glasur und hat die Wirkung, den linearen Ausdehnungskoeffizienten zu senken. Folglich kann die Festigkeit des Keramikmaterials erhöht werden, wenn das Keramikmaterial mit einer ZrO2 enthaltenden Glasur beschichtet wird. Falls der ZrO2-Gehalt kleiner als 1 Gew.-% ist, besteht das Risiko einer Zunahme des linearen Ausdehnungskoeffizienten der Glasur, während bei einem ZrO2-Gehalt von mehr als 10 Gew.-% das Risiko besteht, dass die Glasur wolkig wird.
  • Die oben genannte bleifreie Glasurzusammensetzung enthält außerdem vorzugsweise 1-25 Gew.-% Bi2O3. Bi2O3 hat die Wirkung, den Schmelzpunkt der Glasur zu senken. Falls der Bi2O3-Gehalt kleiner als 1 Gew.-% ist, besteht das Risiko, dass sich die Wirkung der Senkung des Schmelzpunktes der Glasurzusammensetzung verringert. Falls der Bi2O3-Gehalt 25 Gew.-% überschreitet, besteht das Risiko, dass die glasierte Oberfläche ihre Glattheit verliert.
  • Die oben genannte bleifreie Glasurzusammensetzung enthält vorzugsweise die folgenden Bestandteile, wobei jedoch allein die Angaben in den Patentansprüchen maßgeblich sind:
    • SiO2: mehr als 35 Gew.-% und höchstens 49 Gew.-%
    • B2O3: 20-35 Gew.-%
    • Al2O3: 2-8 Gew.-%
    • ZnO: 0-10 Gew.-%
    • BaO: 2-25 Gew.-%
    • ZrO2: 1-10 Gew.-%
    • Bi2O3: 1-15 Gew.-% und
    mindestens einen der Bestandteilstypen LiO2, Na2O oder K2O: 0-10 Gew.-%.
  • Falls der Gehalt an BaO 25 Gew.-% überschreitet, besteht das Risiko einer Zunahme des linearen Ausdehnungskoeffizienten.
  • Falls der Gehalt an Bi2O3 15 Gew.-% überschreitet, besteht das Risiko, dass die glasierte Oberfläche ihre Glattheit verliert.
  • Falls der Gesamtgehalt des mindestens einen Bestandteilstyps LiO2, Na2O oder K2O 10 Gew.-% überschreitet, besteht das Risiko einer Zunahme des linearen Ausdehnungskoeffizienten der Glasurschicht oder einer Abnahme des Isolationswiderstands bei einer hohen Temperatur von beispielsweise 500°C.
  • Da bei der Zündkerze die bleifreie Glasurzusammensetzung bei niedrigen Temperaturen auf die Oberfläche des Isolators aufgebrannt wird, ist eine sichere Herstellung möglich. Darüber hinaus ist die sich aus dem Brennen ergebende glasierte Oberfläche glatt. Folglich lässt sich die Kerzenkappe leicht aufbringen. Außerdem kommt es kaum zu einer Anhaftung von Rückständen und lässt sich der Isolationswiderstand von Normaltemperatur bis 500°C sicherstellen.
  • Abgesehen davon kann die bleifreie Glasurzusammensetzung auch gebrannt werden, nachdem zu den Glasbestandteilen kleine Mengen an Tonbestandteil, wie etwa Kaolin oder Bentonit, oder organisches Bindemittel hinzugegeben wurden.
  • In diesem Fall ist die Zusammensetzung der bleifreien Glasur nach dem Brennen dieselbe wie die vorstehend genannte Zusammensetzung vor dem Brennen.
  • Falls der Isolator aus Aluminiumoxid besteht und die Glasurschicht einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von 50-80 × 107/°C hat, der dem von Aluminiumoxid nahe kommt, nimmt der lineare Ausdehnungskoeffizient des Glases, obwohl das Brennen ohne Rissbildung usw. durchgeführt werden kann, am Umwandlungspunkt rasch zu. Der lineare Ausdehnungskoeffizient der Glasur sollte daher bei 100-300°C vorzugsweise bei 50-75 × 107/°C liegen. Für den Fall, dass von diesem Bereich abgewichen wird, besteht das Risiko, dass in der Glasur Risse auftreten.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Zündkerze wird die oben genannte bleifreie Glasurzusammensetzung auf die Oberfläche eines Isolators aufgebracht und werden vorzugsweise in das Loch des Isolators ein Bauteil und ein Versiegelungsglas eingesetzt, und dann der Isolator und das Bauteil erhitzt, um gleichzeitig die bleifreie Glasurzusammensetzung zu brennen und das oben genannte Bauteil durch das Versiegelungsglas einzukapseln. Da bei diesem Herstellungsverfahren das Brennen der bleifreien Glasurzusammensetzung und das Einkapseln des Bauteils durch das Versiegelungsglas gleichzeitig erfolgen, lässt sich auf leichte Weise eine Zündkerze erhalten. Die Erhitzungstemperatur für den Isolator beträgt dabei 900°C oder weniger. Infolgedessen lässt sich auf leichte Weise sowie zu geringen Kosten eine Zündkerze herstellen.
  • Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.

Claims (10)

  1. Herstellungsverfahren für eine Zündkerze (7), mit den Schritten: Beschichten einer Oberfläche eines keramischen Isolators (1) mit einer bleifreien Glasurzusammensetzung, die mehr als 35 Gew.-% und höchstens 49 Gew.-% SiO2, 20 - 35 Gew.-% B2O3 und mehr als 5 Gew.-% und höchstens 8 Gew.-% Al2O3 enthält, wobei das Gewichtsverhältnis aus SiO2/(SiO2 + B2O3) mehr als 58% und höchstens 70% beträgt; und Erhitzen des beschichteten Isolators bei einer Temperatur von 900°C oder weniger, um aus der Glasurzusammensetzung eine Glasur zu brennen.
  2. Herstellungsverfahren für eine Zündkerze (7), mit den Schritten: Beschichten einer Oberfläche eines keramischen Isolators (1) mit einer bleifreien Glasurzusammensetzung, die mehr als 35 Gew.-% und höchstens 49 Gew.-% SiO2, 20 - 35 Gew.-% B2O3, 2 - 8 Gew.-% Al2O3 und bis zu 10 Gew.-% ZnO enthält, wobei das Gewichtsverhältnis aus SiO2/(SiO2 + B2O3) mehr als 58% und höchstens 70% beträgt; und Erhitzen des beschichteten Isolators bei einer Temperatur von 900°C oder weniger, um aus der Glasurzusammensetzung eine Glasur zu brennen.
  3. Herstellungsverfahren für eine Zündkerze (7), mit den Schritten: Beschichten einer Oberfläche eines keramischen Isolators (1) mit einer bleifreien Glasurzusammensetzung, die mehr als 35 Gew.-% und höchstens 49 Gew.-% SiO2, 20 - 35 Gew.-% B2O3, 2 - 8 Gew.-% Al2O3 und weniger als 10 Gew.-% BaO enthält, wobei das Gewichtsverhältnis aus SiO2/(SiO2 + B2O3) mehr als 58% und höchstens 70% beträgt; und Erhitzen des beschichteten Isolators bei einer Temperatur von 900°C oder weniger, um aus der Glasurzusammensetzung eine Glasur zu brennen.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Glasurzusammensetzung eingesetzt wird, die mindestens 2 Gew.-% BaO enthält.
  5. Herstellungsverfahren für eine Zündkerze (7), mit den Schritten: Beschichten einer Oberfläche eines keramischen Isolators (1) mit einer bleifreien Glasurzusammensetzung, die mehr als 35 Gew.-% und höchstens 49 Gew.-% SiO2, 20 - 35 Gew.-% B2O3, 2 - 8 Gew.-% Al2O3 und in einer Gesamtmenge von mehr als 5 Gew.-% mindestens einen Bestandteil enthält, der aus der aus CaO, MgO, Bi2O3, ZrO2, TiO2 und FeO bestehenden Gruppe ausgewählt ist, wobei das Gewichtsverhältnis aus SiO2/(SiO2 + B2O3) mehr als 58% und höchstens 70% beträgt; und Erhitzen des beschichteten Isolators bei einer Temperatur von 900°C oder weniger, um aus der Glasurzusammensetzung eine Glasur zu brennen.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Glasurzusammensetzung eingesetzt wird, die 1 - 10 Gew.-% ZrO2 enthält.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Glasurzusammensetzung eingesetzt wird, die 1 - 25 Gew.-%, vorzugsweise 1 - 15 Gew.-%, Bi2O3 enthält.
  8. Herstellungsverfahren für eine Zündkerze (7), mit den Schritten: Beschichten einer Oberfläche eines keramischen Isolators (1) mit einer bleifreien Glasurzusammensetzung, die mehr als 35 Gew.-% und höchstens 49 Gew.-% SiO2, 20 - 35 Gew.-% B2O3, 2 - 8 Gew.-% Al2O3 und CeO enthält, wobei das Gewichtsverhältnis aus SiO2/(SiO2 + B2O3) mehr als 58% und höchstens 70% beträgt; und Erhitzen des beschichteten Isolators bei einer Temperatur von 900°C oder weniger, um aus der Glasurzusammensetzung eine Glasur zu brennen.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Glasurzusammensetzung eingesetzt wird, die zusätzlich mindestens einen Bestandteil enthält, der aus der aus Li2O3, Na2O und K2O bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Erhitzen ein Bauteil (2) und ein Versiegelungsglas (3) in ein Loch (10) des Isolators (1) eingebracht werden und beim Erhitzen gleichzeitig die Glasur gebrannt wird und das gebrannte Bauteil (2) durch das Versiegelungsglas (3) eingekapselt wird.
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