DE102016207502A1

DE102016207502A1 - Verfahren zum Herstellen einer Dichtung für ein Sensorelement eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum

Info

Publication number: DE102016207502A1
Application number: DE102016207502.0A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Wild; Peter Dettling; Juergen Moratz; Hasan Sert; Marc Rosenland; Siegfried Nees; Christine Faerber; Christian Jaeger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-05-02
Filing date: 2016-05-02
Publication date: 2017-11-02
Also published as: KR20170124468A; CN107389769A; KR102363997B1; CN107389769B

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer Dichtung (42, 46) für ein Sensorelement (30) eines Sensors (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines keramischen Materials, das zumindest Bornitrid und Bortrioxid aufweist, wobei ein Anteil des Bortrioxids bezogen auf das keramische Material entweder von 2,0 Gew.-% bis 6,0 Gew.-% ist oder mehr als 6,0 Gew.-% und nicht mehr als 10,0 Gew.-% ist. – formende Verpressung des keramischen Materials zu einer Dichtung (42, 46) und – Steigerung der Festigkeit des Dichtungskörpers durch Temperaturbehandlung (42, 46).

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar, wie beispielsweise die Temperatur.
Beispielsweise können derartige Sensorelemente als so genannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160–165, bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
Aus dem Stand der Technik sind insbesondere Sensoren mit keramischen Sensorelementen bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf Ionen leitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrO₂), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Siliziumoxid (SiO₂) enthalten können.
Derartige Sensoren weisen üblicherweise eine Dichtung auf. Die Dichtung ist aus einem Material hergestellt, das eine Mischung aus Bornitrid und einer oxidkeramischen Komponente, wie beispielsweise Steatit umfasst. Ein derartiger Sensor ist beispielsweise in der DE 100 09 597 A1 , DE 195 32 090 A1 und DE 197 14 203 A1 beschrieben. Ebenfalls ist bekannt, einige Dichtungen aus Bornitrid und andere Dichtungen aus Steatit herzustellen. Diese werden dann in alternierender Reihenfolge in den Sensor eingesetzt. Die Dichtungen sind scheibenförmig ausgebildet. Die dort beschriebenen Materialien sorgen für eine gute Dichtwirkung, insbesondere gegenüber Kraftstoff, und eine hohe Temperaturbeständigkeit. Die dort beschriebenen Dichtungen sind aus hexagonalem Bornitrid hergestellt und werden aus isostatisch heißgepressten Sinterkörpern spanend herausgearbeitet. Bei den aus Steatit hergestellten Dichtungen handelt es sich um ungesinterten formgepressten Steatitrohstoff.
Die DE 197 50 107 C1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer Dichtung aus hexagonalem Bornitridpulver, das zu einem Dichtungskörper verpresst wird. Weiter ist beschrieben, dass dem Bornitridpulver freies Bortrioxid durch Auswaschen entzogen und ein Bindemittel zugesetzt wird.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Herstellverfahren beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So ist die Herstellung der durch spanende Bearbeitung hergestellten Dichtungen sehr teuer. Die Herstellung mittels Verpressen unter Einsatz von Bindemittel ist aufgrund der Vielzahl von Verfahrensschritten aufwändig und somit ebenfalls zu teuer. Des Weiteren ist die Dichtwirkung nicht optimal. Außerdem haben die gesinterten Dichtungen einen herstellungsbedingten Dichteunterschied, der zu unterschiedlichen Qualitäten führt. Dies ist wiederum bei den nachgeschalteten Fertigungsprozessen zur Einstellung eines konstanten Feuchtegehalts problematisch.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Verfahren zum Herstellen einer Dichtung für ein Sensorelement eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, das die oben beschriebenen Nachteile bekannter Herstellverfahren zumindest weitgehend vermeidet, deutlich kostengünstiger ist und Dichtungen herzustellen erlaubt, die eine verbesserte Dichtwirkung gegen Abgas und Feuchtigkeit aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Dichtung für ein Sensorelement eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge:

– Bereitstellen eines keramischen Materials, das zumindest Bornitrid und Bortrioxid aufweist, wobei ein Anteil des Bortrioxids bezogen auf das keramische Material von 2,0 Gew.-% bis 10,0 Gew.-% ist, vorzugsweise 2,0 Gew.-% bis 6,0 Gew.-%, alternativ mehr als 6,0 Gew.-% und nicht mehr als 10,0 Gew.-%
– formende Verpressung des keramischen Materials zu einer Dichtung und
– Steigerung der Festigkeit des Dichtungskörpers durch thermische Behandlung.

Die formende Verpressung kann trocken durchgeführt werden. Die thermische Behandlung kann in einem Temperaturbereich 200°C bis 600 °C (vorzugsweise 300–500°C) erfolgen.
Die thermische Behandlung kann insbesondere bei einer Temperatur durchgeführt werden, die oberhalb der Schmelztemperatur von Bortrioxid, aber unterhalb einer Sintertemperatur von Steatit ist. Das keramische Material kann als Pulver bzw. Granulat bereitgestellt werden. Das Pulver kann aus einem Brechkorn oder einem Sprühkorn hergestellt werden. Das Brechkorn kann durch Aufmahlen von kompaktiertem hexagonalem Bornitridpulver mit niedrigem Graphitisierungsindex [<< 2] oder durch Aufmahlen von heißgepressten Sinterkörpern hergestellt werden. Das Sprühkorn kann aus lösemittelbasiertem Versatz hergestellt werden. Das keramische Material kann feuchtekonditioniert werden. Bevorzugt erfolgt die Feuchtekonditionierung gezielt und homogen. Die Feuchtekonditionierung trägt zum verbesserten Transport des Bortrioxids in Form von Borsäure an die Grenzflächen der Dichtung zu den Dichtungen, die aus Steatit hergestellt sind, dem Sensorelement sowie dem Gehäuse bei. Alternativ kann das keramische Material nach dem Verpressen feuchtekonditioniert werden. Aufgrund der Porosität kann die Feuchte besser in die Dichtung eingetragen werden. Die Dichtung kann als verformbarer Körper ausgebildet werden. Die Dichtung kann so ausgebildet werden, dass die Dichtung in eine Längsbohrung eines Gehäuses des Sensors einsetzbar ist. Die thermische Behandlung kann nach einem Einsetzen der Dichtung in die Längsbohrung des Gehäuses des Sensors durchgeführt werden.
Ein Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, der eine derartige Dichtung aufweisen kann, umfasst ein Sensorelement und ein Gehäuse. Das Gehäuse weist eine Längsbohrung auf, in der das Sensorelement angeordnet ist. Der Sensor weist weiter mindestens eine Dichtung gemäß den obigen Ausführungen auf. Die Dichtung kann so in der Längsbohrung eingesetzt und eingepresst sein, dass die Dichtung verformt ist und sich an das Sensorelement und das Gehäuse anpresst.
Das Sensorelement kann ein keramisches Sensorelement sein. Beispielsweise umfasst das Sensorelement mindestens einen Festelektrolyten. Der Festelektrolyt kann aus mehreren Festelektrolytschichten aufgebaut sein. Unter einem Festelektrolyten oder einer Festelektrolytschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit Ionen leitenden Eigenschaften zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrO₂), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Siliziumoxid (SiO₂) enthalten können. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Braunling, der erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sein.
Das Sensorelement kann mindestens eine Elektrode aufweisen. Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrecht erhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode oder auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialen sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
Unter ungesintertem Steatitrohmaterial ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein keramischer Werkstoff auf der Basis natürlicher Rohstoffe zu verstehen, der aus der Hauptkomponente Speckstein (Mg(Si₄O₁₀)(OH)₂), einem natürlichen Magnesiumsilikat und aus Zusätzen von Ton und Feldspat oder Bariumcarbonat besteht. Das Steatitrohmaterial fungiert als Matrix und das Bortrioxid als amorphe Bindephase. Die Steatit-Bortrioxid-Mischung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter thermischer Einwirkung abgedichtet indem die amorphe Bindephase die Poren schließt. Die Temperatur liegt dabei oberhalb der Schmelztemperatur von Bortrioxid und unterhalb der Sintertemperatur von Steatit.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, die Dichtung aus hexagonalem Bornitiridpulver, in dem freies Bortrioxid in einer Konzentration von 2 Gew.-% bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 2 Gew.-% bis 6 Gew.-%, alternativ alternativ mehr als 6,0 Gew.-% und nicht mehr als 10,0 Gew.-% enthalten ist, zu einem Dichtungskörper trocken zu verpressen.
Es ist inzwischen bekannt, dass die Dichtwirkung der spanend aus heißgepressten Blöcken herausgearbeiteten Dichtungen hauptsächlich durch das freie Bortrioxid erzielt wird. Bortrioxid ist stark hygroskopisch und geht unter Wasseraufnahme leicht in ortho-Borsäure H₃BO₃ über. Die Borsäure tritt bei Temperatureinwirkung aus, wobei die Temperatur hierbei insbesondere oberhalb der Schmelztemperatur von Bortrioxid und unterhalb der Sintertemperatur von Steatit liegen sollte, und bildet zusammen dem angrenzenden Steatitrohstoff Borosilikatglas. Das Bortrioxid fungiert dabei als amorphe Bindephase, der Steatitrohstoff als Matrix. Die Borglasphase kann durch weitere Zuschlagstoffe wie z.B. Calcium, Barium, Magnesium, Strontium mit einem Anteil von jeweils oder zusammen 0,1–10 Gew.-%, vorzugsweise 2–6 Gew.-% stabilisiert werden. Des Weiteren werden Fügespalte sowie durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten bedingte Spalte bei höheren Temperaturen zum Gehäuse und Sensorelement besser geschlossen und kompensiert, als dies durch eine amorphe Bornitriddichtung möglich ist.
Der Boroxidanteil kann auf verschiedene Arten in das BN-Pulver oder den BN-Formkörper eingebracht werden; bei dem BN-Pulver kann es sich dabei insbesondere um hexagonales BN-Pulver (hBN) handeln:

– Trockenmischung der Pulver
– Dispergierung von BN-Pulver, insbesondere in einer Bortrioxidsuspension, basierend auf Wasser oder organischen Lösungsmitteln
– Dispergierung von BN-Pulver in Borsäurelösung, basierend auf Wasser oder organischen Lösungsmitteln
– Imprägnierung des BN Formkörpers mit Borsäurelösung oder Beschichtung mit Bortrioxidsuspension
– Thermische Behandlung des hBN-Pulvers oder BN-Formkörpers bei T = 800–1000°C, vorzugsweise T = 900–950 °C, mit partieller Oxidation des BN-Pulvers an der Oberfläche zu Bortrioxid

Eine als Formpresskörper hergestellte Bornitiriddichtung, die 2–6 Gew.-% oder mehr als 6,0 Gew.-% und nicht mehr als 10,0 Gew.-% freies Bortrioxid enthält, hat den Vorteil, dass das H₃BO₃ beim Erhitzen des Abgassensors aufgrund der größeren Porosität und der dadurch bedingt größeren Oberfläche besser austreten kann und Kapillaren besser verfüllt. Außerdem verformt sich eine als (Pulver-)Presskörper ausgeführte Bornitriddichtung bei der Montage, d. h. beim Verpressen der Dichtpackung (Steatitelement/Bornitriddichtung/Steatitelement) deutlich besser als die kompakte, spanend aus heißgepressten Blöcken herausgearbeitete Bornitriddichtung, die eine deutlich höhere Festigkeit besitzt. Weiterhin wird dadurch ein Steifigkeitssprung im System aus Dichtpackung und Sensorelement vermieden.
Eine zusätzliche Dichtwirkung ergibt sich durch eine Textur, die sich bei der Herstellung der trockengepressten Formkörper und bei der Montage insbesondere einstellt. Die hexagonalen Bornitridplättchen richten sich dabei senkrecht zur Richtung der Presskraft bei der Herstellung und der Montagekraft aus. Dieser geometrische Dichteffekt wird zusätzlich dadurch unterstützt, dass die Glasphase die BN Plättchen vorzugsweise an der Umfangsseite (Stirnseite) benetzt.
Die Pulveraufbereitung bietet weiterhin den Vorteil dass herstellungsbedingte Dichteunterschiede der Sinterblöcke hier vermieden werden, da eine homogene Bornitridqualität der Rohpulvermasse durch Blenden verschiedener Bornitridrohmassen eingestellt werden kann.
Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, das Pressgranulat bei der Herstellung der formgepressten Bornitriddichtung gezielt und homogen feuchtezukonditionieren. Die Feuchtekonditionierung trägt zum verbesserten Transport des in Form von Borsäure vorliegenden Bortrioxids an die Grenzflächen zu Steatit, Sensorelement und Gehäuse bei. Die Feuchtekonditionierung kann alternativ am Formpresskörper erfolgen und bringt auch hier den Vorteil, dass die Feuchte aufgrund der Porosität besser in die Bornitriddichtung eingetragen werden kann. Die relative Dichte der formgepressten Bornitriddichtung beträgt im Verhältnis zu der durch Zerspanung hergestellten Bornitriddichtung ca. 80 %. Bei der zerspanten Bornitriddichtung kann die Feuchtigkeit dagegen nur in die Randschichten eindringen. Ein weiterer Vorteil der formgepressten Bornitriddichtung ist die Freiheit in der Formgebung. So können Kennzeichnungen, z. B. zur Unterscheidbarkeit, mit geringem Zusatzaufwand eingebracht werden.
Das im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Pressgranulat für die Dichtung kann vorzugsweise aus einem Brechkorn oder alternativ aus einem Sprühkorn hergestellt werden. Das Brechkorn kann durch Aufmahlen von kompaktierten hexagonalen BN-B₂O₃-Pulver oder durch Aufmahlen von heißgepressten Sinterkörpern hergestellt werden. Das Sprühkorn kann aus lösungsmittelbasiertem Versatz hergestellt werden. Die Korngrößenverteilung hängt dabei von den jeweiligen Einsatzerfordernissen des Endproduktes ab und kann von einem Fachmann einsatzabhängig bestimmt werden. Ein zusätzlicher Binder ist nicht notwendig, da das Bortrioxid als Bindephase fungiert. Die Grünlingsfestigkeit der trockengepressten Bornitriddichtung kann, falls diese noch nicht ausreichend ist, über eine Wärmebehandlung erhöht werden. Die Grünlingsfestigkeit ist ein Faktor, der für den Transport und die Handhabung bei der Montage von wesentlicher Bedeutung ist. Temperatur und Dauer der Wärmebehandlung hängen von den jeweiligen Erfordernissen des Endprodukts ab und können vom Fachmann fallbezogen bestimmt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in der Figur schematisch dargestellt sind.
Es zeigt:
1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensors.
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensors 10. Der Sensor 10 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Messgases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Gaskomponenten erfassbar, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasrum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann und bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas.
Der Sensor 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das aus Metall hergestellt sein kann und ein Gewinde 14 als Befestigungsmittel für den Einbau in ein nicht dargestelltes Messgasrohr aufweist. Das Gehäuse 12 hat eine Längsbohrung 16 mit einer schulterförmigen Ringfläche 18. Auf der schulterförmigen Ringfläche 18 befindet sich beispielsweise ein metallischer Dichtring 20, auf dem ein messgasseitiges Keramikformteil 22 aufliegt. Das messgasseitige Keramikformteil 22 hat in Richtung der Längsbohrung 16 verlaufend einen durchgehenden messgasseitigen Durchbruch 24. Beabstandet vom messgasseitigen Keramikformteil 22 ist in der Längsbohrung 16 weiter ein anschlussseitiges Keramikformteil 26 angeordnet. Das anschlussseitige Keramikformteil 26 hat ebenfalls in Richtung der Längsbohrung 16 verlaufend einen zentral angeordneten und durchgehenden anschlussseitigen Durchbruch 28. Der messgasseitige Durchbruch 24 des messgasseitigen Keramikformteils 22 und der anschlussseitige Durchbruch 28 des anschlussseitigen Keramikformteils 26 verlaufen fluchtend zueinander. In den Durchbrüchen 24, 28 befindet sich ein plättchenförmiges Sensorelement 30 mit einem messgasseitigen Endabschnitt 32 und einem anschlussseitigen Endabschnitt 34.
Der messgasseitige Endabschnitt 32 des Sensorelements 30 ragt aus dem Gehäuse 12 heraus und ist von einem Schutzrohr 36 umgeben, das am Gehäuse 12 festgelegt ist. Das Schutzrohr 36 weist Ein- und Austrittsöffnungen 38 für das zu messende Gas auf. Der anschlussseitige Endabschnitt 32 besitzt Anschlusskontakte 40, die ebenfalls aus dem Gehäuse 12 herausragen. Die Anschlusskontakte 40 werden mit einem nicht dargestellten, mit Anschlusskabeln versehenen Kontaktstecker kontaktiert. Der aus dem Gehäuse 12 herausragende anschlussseitige Endabschnitt 34 ist von einer nicht dargestellten Umkapselung umgeben, die den anschlussseitigen Endabschnitt 34 vor Umgebungseinflüssen schützt.
Zwischen dem messgasseitigen Keramikformteil 22 und dem anschlussseitigen Keramikformteil 26 befindet sich eine Dichtungsanordnung 42. Die Dichtungsanordnung 42 umfasst mindestens eine Dichtung 44. Lediglich beispielhaft und ohne Einschränkung besteht die Dichtungsanordnung 42 bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer ersten Dichtung 44, einer zweiten Dichtung 46 und einer dritten Dichtung 48. Es versteht sich, dass je nach Anwendung mehr oder weniger Dichtungen vorgesehen sein können. Es ist beispielsweise eine weitere, nicht näher dargestellte Ausführungsform der Erfindung denkbar, in der die Dichtungsanordnung 42 nur aus einem einzigen Dichtelement besteht, das die Eigenschaften der bei 1 beschriebenen ersten Dichtungen 44 aufweist.
Die erste Dichtung 44 sitzt auf dem messgasseitigen Keramikformteil 22 auf. Daran schließt sich die zweite Dichtung 46 an. Über der zweiten Dichtung 46 befindet sich die dritte Dichtung 48, auf die das anschlussseitige Keramikformteil 26 drückt. Die Anpresskraft des anschlussseitigen Keramikformteils 26 wird von einer Metallhülse 50 aufgebracht. Die Metallhülse 50 hat beispielsweise mehrere nach hinten weisende Krallen 52, die in am Gehäuse 12 eingeformte Einkerbungen 54 eingreifen. Es ist aber auch denkbar, die Metallhülse 50 mit dem Gehäuse 12 zu verschweißen.
Die erste Dichtung 44 und die dritte Dichtung 48 können aus einem oxidkeramischen Material hergestellt sein. Das oxidkeramische Material kann mehrere oxidkeramische Verbindungen aufweisen, die üblicherweise Steatit aufweisen. Die zweite Dichtung 46 ist aus einem keramischen Material hergestellt, das zumindest Bornitrid aufweist. Die erste Dichtung 44 und die dritte Dichtung 48 können alternativ aus dem gleichen Material wie die zweite Dichtung 46 hergestellt sein. Ein besonderer, aber nicht ausschließlicher Fokus der vorliegenden Erfindung liegt auf der zweiten Dichtung 46 und ihrer Herstellung. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen der zweiten Dichtung 46 wird nachstehend ausführlicher beschrieben.
Die zweite Dichtung 46 kann insbesondere wie folgt hergestellt werden. Zunächst wird ein keramisches Material bereitgestellt, das zumindest Bornitrid und Bortrioxid aufweist. Ein Anteil des Bortrioxids bezogen auf das keramische Material ist von 2,0 Gew.-% bis 6,0 Gew.-% und bevorzugt 3,0 Gew.-% bis 5 Gew.-%, beispielsweise 4 Gew.-%. Alternativ sind auch mehr als 6,0 Gew.-% und nicht mehr als 10,0 Gew.-%, beispielsweise 8 Gew-% möglich. Das keramische Material wird insbesondere als Pulver bzw. Granulat bereitgestellt.
Das Pulver kann aus einem Brech- oder einem Sprühkorn hergestellt werden. Das Brechkorn kann durch Aufmahlen von kompaktiertem Bortroxidpulver oder durch Aufmahlen von heißgepressten Sinterkörpern hergestellt werden. Das Sprühkorn kann aus lösungsmittelbasiertem Versatz hergestellt werden. Ein zusätzlicher Binder ist nicht erforderlich, da das Bortrioxid als Bindephase fungiert. Das Pulver kann feuchtekonditioniert und dann mittels formender Verpressung zu einer Dichtung geformt werden. Alternativ kann das keramische Material mittels formender Verpressung zu einer Dichtung 42 geformt werden, wobei die formende Verpressung trocken durchgeführt wird und anschließend das keramische Material nach dem Verpressen feuchtekonditioniert wird. Bevorzugt wird eine gezielte homogene Feuchtekonditionierung durchgeführt.
Die Dichtung 42 wird auf diese Weise als verformbarer Körper ausgebildet werden. Entsprechend liegt die Dichtung 42 zunächst als Grünling vor. Über eine thermische Vorbehandlung kann die Grünlingsfestigkeit erhöht werden und somit die Robustheit der Dichtung 42 während Transport und Weiterverarbeitung verbessert werden. Die Dichtung 42 wird so ausgebildet, dass die Dichtung 42 in die Längsbohrung 16 des Gehäuses 12 des Sensors 10 einsetzbar ist.
Schließlich wird die Dichtung 42 in die Längsbohrung 16 des Gehäuses 12 des Sensors 10 eingesetzt. Die so gebildete zweite Dichtung 46 wird zusammen mit der ersten Dichtung 44 und der dritten Dichtung 48 werden in die das Sensorelement 30 bereits enthaltende Längsbohrung 16 eingesetzt. Über der so gebildeten Dichtungsanordnung 42 wird dann das anschlussseitige Keramikformteil 26 angeordnet. Danach wird auf das anschlussseitige Keramikformteil 26 die Metallhülse 50 aufgesetzt. Anschließend wird mittels eines Stempels eine Kraft auf die Metallhülse 50 ausgeübt, die über das anschlussseitige Keramikformteil 26 auf die Dichtungen 44, 46, 48 der Dichtungsanordnung 42 einwirkt. Dabei werden die vorgefertigten Ringe der Dichtungen 44, 46, 48 derart verformt, dass sich das Material der Dichtungen 44, 46, 48 an das Sensorelement 30 und das Gehäuse 12 anpresst. Vor und/oder nach dem Verbau kann beispielsweise durch Induktionserwärmung Restwasser aus den Dichtungen 44, 46, 48 ausgetrieben werden.
Vor dem Einsetzen der zweiten Dichtung 46 kann die zweite Dichtung 46 thermisch behandelt werden. Die thermische Behandlung wird bei einer Temperatur von 200 °C bis 600 °C durchgeführt, beispielsweise 500 °C. Alternativ und bevorzugt wird die thermische Behandlung nach dem Einsetzen der zweiten Dichtung 46 in die Längsbohrung 16 des Gehäuses 12 des Sensors 10 durchgeführt. Die zuvor genannte Temperatur ist so gewählt, dass die thermische Behandlung bei einer Temperatur durchgeführt wird, die oberhalb der Schmelztemperatur von Bortrioxid, aber unterhalb einer Sintertemperatur von Steatit ist, aus dem die erste Dichtung 44 und die dritte Dichtung 48 hergestellt sind.
Letztere Alternative macht sich bestimmte Eigenschaften von Bortrioxid zu Nutze, wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist. Bortrioxid ist stark hygroskopisch und geht unter Wasseraufnahme leicht in ortho-Borsäure H₃BO₃ über. Die Borsäure tritt bei der zuvor beschriebenen thermischen Behandlung aus, da die Temperatur hierbei oberhalb der Schmelztemperatur von Bortrioxid und unterhalb der Sintertemperatur von Steatit liegt, und bildet zusammen dem angrenzenden Steatitrohstoff der ersten Dichtung 44 und der dritten Dichtung 48 Borosilikatglas. Das Bortrioxid fungiert dabei als amorphe Bindephase, der Steatitrohstoff der ersten Dichtung 44 und der dritten Dichtung 48 als Matrix. Des Weiteren werden Fügespalte sowie durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten bedingte Spalte bei höheren Temperaturen zum Gehäuse 12 und Sensorelement 30 besser geschlossen und kompensiert, als dies durch eine amorphe aus Bornitrid hergestellte Dichtung möglich ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10009597 A1 [0004]
DE 19532090 A1 [0004]
DE 19714203 A1 [0004]
DE 19750107 C1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160–165 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Dichtung (42, 46) für ein Sensorelement (30) eines Sensors (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines keramischen Materials, das zumindest Bornitrid und Bortrioxid aufweist, wobei ein Anteil des Bortrioxids bezogen auf das keramische Material entweder von 2,0 Gew.-% bis 6,0 Gew.-% ist oder mehr als 6,0 Gew.-% und nicht mehr als 10,0 Gew.-% ist. – formende Verpressung des keramischen Materials zu einer Dichtung (42, 46) und – Steigerung der Festigkeit des Dichtungskörpers durch Temperaturbehandlung (42, 46).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die formende Verpressung trocken durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermische Behandlung bei einer Temperatur von 200 °C bis 600 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das keramische Material als Pulver bereitgestellt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Pulver aus einem Brechkorn oder einem Sprühkorn hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das keramische Material feuchtekonditioniert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das keramische Material nach dem Verpressen feuchtekonditioniert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dichtung (42, 46) als verformbarer Körper ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dichtung (42, 46) so ausgebildet wird, dass die Dichtung in eine Längsbohrung (16) eines Gehäuses (12) des Sensors (10) einsetzbar ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die thermische Behandlung nach einem Einsetzen der Dichtung (42, 46) in die Längsbohrung (16) des Gehäuses (12) des Sensors (10) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Borglasphase weitere Zuschlagstoffe wie z.B. Calcium, Barium, Magnesium und/oder Strontium mit einem Anteil von jeweils oder zusammen 0,1–10 Gew.-%, vorzugsweise 2–6 Gew.-% aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich bei oder nach der Herstellung der Dichtung, insbesondere bei einem Trockenpressen und/oder bei einer Montage, eine Textur einstellt, bei der hexagonale Bornitridplättchen senkrecht zur Richtung einer Presskraft ausgerichtet sind.