DE10255859B4

DE10255859B4 - Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze

Info

Publication number: DE10255859B4
Application number: DE10255859.0A
Authority: DE
Inventors: Shindo Watanabe; Masahiro Konishi; Katsuhisa Yabuta
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2015-07-23
Anticipated expiration: 2022-11-30
Also published as: DE10255859A1; US7020952B2; JP4092172B2; US20030126736A1; JP2003229236A

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze mit einer Metallhülse und einer keramischen Heizvorrichtung, die ein aus einer isolierenden Keramik gebildetes Substrat, einen in dem Substrat eingebetteten Heizwiderstand und ein Paar in dem Substrat eingebetteter Stromversorgungsleitungen beinhaltet, wobei ein erstes Ende einer jeweiligen Stromversorgungsleitung mit einem zugehörigen Ende des Heizwiderstands verbunden ist, und wobei die keramische Heizvorrichtung innerhalb der Metallhülse befestigt ist, weiterhin umfassend einen Schritt zur Bildung der Heizvorrichtung zum Brennen einer grünen keramischen Heizvorrichtung; einen Wärmebehandlungsschritt, in dem die aus dem Schritt zur Bildung der Heizvorrichtung erhaltene keramischen Heizvorrichtung einer Wärmebehandlung bei 900°C bis 1600°C unterzogen wird; und einen Hartlötschritt zum Befestigen der durch den Wärmebehandlungsschritt erhaltenen wärmebehandelten keramischen Heizvorrichtung innerhalb der Metallhülse durch Hartlöten, wobei die grüne keramische Heizvorrichtung beinhaltet: ein grünes Substrat, das aus einem isolierenden keramischen Pulver gebildet ist und das durch Brennen das Substrat bereitstellt; einen grünen Heizwiderstand, der in dem grünen Substrat eingebettet ist und der durch Brennen den Heizwiderstand bereitstellt; und ein Paar in dem grünen Substrat eingebetteter Stromversorgungsleitungen, wobei ein erstes Ende einer jeweiligen Stromversorgungsleitung mit einem zugehörigen Ende des grünen keramischen Heizwiderstands verbunden ist, wobei die keramische Heizvorrichtung eine Glasschicht auf einer äußeren Umfangsoberfläche aufweist und innerhalb der Metallhülse durch Hartlöten über die Glasschicht durch den Hartlötschritt befestigt ist, und wobei die Glasschicht auf der äußeren Umfangsoberfläche der keramischen Heizvorrichtung durch einen nach dem Wärmebehandlungsschritt ausgeführten Schritt zur Bildung der Glasschicht gebildet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze, die eine keramische Heizvorrichtung beinhaltet, welche eine hinreichende Biegefestigkeit aufweist und im Verlauf der Herstellung oder des Gebrauchs keinen Bruch oder ähnlichen Schaden erleidet. Die nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellte Glühkerze kann zum Starten von Dieselmotoren verwendet werden.
Bisher wurde eine keramische Heizvorrichtung, die ein isolierendes keramisches Substrat (im folgenden einfachheitshalber als " Substrat" bezeichnet) und einen in dem Substrat vergrabenen Heizwiderstand beinhaltet, zum Starten von Dieselmotoren oder zum schnellen Aktivieren verschiedener Sensoren verwendet. Die keramische Heizvorrichtung wird insbesondere in Glühkerzen oder ähnlichen Geräten verwendet, deren Temperaturen auf über 1200°C oder höher gebracht werden müssen. Viele keramische Heizvorrichtung weisen einen Aufbau auf, bei dem ein Heizwiderstand in einem isolierenden keramischen Substrat vergraben ist, wobei der Heizwiderstand eine elektrisch leitende, gesinterte Keramik, die WC oder MoSi₂ umfaßt, beinhaltet, und wobei das isolierende Keramiksubstrat aus gesinterter Siliziumnitrid-Keramik gebildet ist und eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen zeigt. Das isolierende Keramiksubstrat umfaßt ein Paar darin vergrabener Leitungen, die aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt, wie etwa W, gemacht sind, zur Stromversorgung des Heizwiderstands (im folgenden einfachheitshalber als Leitungen bezeichnet), wobei ein erstes Ende einer jeweiligen Zuleitung mit einem zugehörigen Ende des Heizwiderstands verbunden ist, und wobei ein zweites Ende auf der Oberfläche des Substrats freigelegt ist. Durch die Leitungen wird dem Heizwiderstand von außen Elektrizität zugeführt.
Eine bekannte Glühkerze, die eine solche keramische Heizvorrichtung beinhaltet, ist im allgemeinen so gestaltet, daß eine äußere Metallhülse die keramische Heizvorrichtung umgibt, und ein Metallmantel zum Befestigen der Glühkerze an einem Motor umgibt die äußere Metallhülse. Wenn eine Metallhülse an einer keramischen Heizvorrichtung, genauer gesagt an einem aus gesinterter Siliziumnitrid-Keramik gebildeten Substrat einer Heizvorrichtung, angebracht werden soll, beinhalten die anwendbaren Verfahren zum Anbringen der Metallhülse ein Verfahren, bei dem eine Verbindung zwischen Metall und Keramik durch die Verwendung eines aktiven Hartlots hergestellt wird. Jedoch neigt das vorhergehend beschriebene Verfahren zu Schwankungen in der Qualität der verbundenen Bereiche. Um dieses Problem zu lösen, wurde ein Verbindungsverfahren vorgeschlagen, das das Bilden einer Glasschicht auf der Heizvorrichtung durch Brennen beinhaltet, um die Bindung des Hartlots mit der Heizvorrichtung zu verbessern, wobei das Hartlot in einen Raum zwischen der Glasschicht und der inneren Wand der Metallhülse gefüllt wird.
Die oben erwähnte bekannte keramische Heizvorrichtung weist einen Kontaktbereich auf, in dem das Substrat, der Heizwiderstand und die Stromversorgungsleitungen, die sich in ihren physikalischen Eigenschaften (z.B. dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten) voneinander unterscheiden, miteinander in Kontakt sind. Daher erzeugt ein solcher Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten eine komplexe innere Beanspruchung im Kontaktbereich. Der Kontaktbereich ist der schwächste Bereich der keramischen Heizvorrichtung. Während der Herstellung und des Gebrauchs der keramischen Heizvorrichtung besteht eine Neigung, daß Brüche an einer bestimmten Stelle eines verbundenen Bereichs auftreten, an dem der Heizwiderstand mit den Stromversorgungsleitungen verbunden ist, d.h. in einem Anschlußbereich in Abhängigkeit des zur Bildung des Substrats und des Heizwiderstands verwendeten Materials (z.B. Keramik). Sogar wenn Brüche vermieden werden, treten problematische Risse oder eine Verminderung der mechanischen Festigkeit dieses Bereichs auf. Während des Verlaufs der Herstellung einer Glühkerze, die die keramische Heizvorrichtung beinhaltet, tritt eine große Beanspruchung an Kontaktbereichen, in denen das Substrat, der Heizwiderstand und die Stromversorgungsleitungen miteinander in Kontakt stehen, auf, wenn eine Metallhülse an der keramischen Heizvorrichtung mittels Hartlöten über eine auf der Heizvorrichtung ausgebildete Glasschicht befestigt wird. Daher können Risse im Kontaktbereich zwischen dem Heizwiderstand und den Stromversorgungsleitungen entstehen und im schlimmsten Fall zu einem Bruch der keramischen Heizvorrichtung führen.
Zur Lösung der oben genannten Probleme schlägt z. B. die japanische Offenlegungsschrift Nr. 7-282960 ein Verfahren vor, das eine Verminderung der Beanspruchungskonzentration beinhaltet; genauer gesagt wird das Abrunden der Spitzen einer jeweiligen Leitung, die mit einem Ende des Heizwiderstands verbunden ist, vorgeschlagen. Obwohl das vorstehende Verfahren die Struktur der keramischen Heizvorrichtung verbessert, kann die Erzeugung von komplexer Beanspruchung nicht vollständig verhindert werden, wobei die Beanspruchung von Unterschieden im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Substrat, dem Heizwiderstand und den Leitungen herrührt. Zusätzlich werden Brüche oder ähnliche Schäden der keramischen Heizvorrichtung nicht vollständig vermieden. Weiterhin kann das Auftreten von Problemen, wie etwa einem Bruch der keramischen Heizvorrichtung, nicht immer vermieden werden, wenn die keramische Heizvorrichtung mit einer Metallhülse montiert wird.
Aus der US 5 750 958 A ist ein keramisches Heizelement für eine Gleichspannungsquelle bekannt. Zur Herstellung des Heizelements werden eine leitfähige Paste auf eine ungebrannte Keramik gedruckt und Anschlussdrähte aufgebracht. Die ungebrannte Keramik wird dann gebrannt.
Die US 5 773 158 A beschreibt ebenfalls ein keramisches Heizelement.
Die US 5 998 765 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Heizelements für eine Glühkerze. Ein ungebrannter keramischer Rohling wird geformt, in welcher ein Widerstandsheizelement mit Anschlussdrähten ausgebildet ist. Der Rohling wird gebrannt und bereichsweise mit einer Glasschicht versehen.
Die vorliegende Erfindung beabsichtigt die vorstehend benannten Probleme im Stand der Technik zu lösen. Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Heizvorrichtung mit hinreichender Biegefestigkeit anzugeben, die im Verlauf der Herstellung oder des Gebrauchs keinen Buch erleidet, der ansonsten z.B. durch einen thermischen Schock verursacht werden könnte. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze anzugeben, das das Auftreten von Problemen wie dem Bruch der keramischen Heizvorrichtung, wenn die keramische Heizvorrichtung während der Herstellung der Glühkerze an der Metallhülse angebracht wird, verhindern kann.
Das Verfahren zur Herstellung einer keramischen Heizvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß es das Brennen einer grünen keramischen Heizvorrichtung, beinhaltend ein grünes Substrat, das aus einem isolierenden keramischen Pulver ausgebildet ist, einen grünen Heizwiderstand, der in dem grünen Substrat vergraben bzw. eingebettet ist, und ein Paar Stromversorgungsleitungen, die in dem grünen Substrat vergraben bzw. eingebettet sind, umfaßt, wobei eine jeweilige Stromversorgungsleitung ein erstes Ende aufweist, das mit einem zugehörigen Ende des grünen Heizwiderstands verbunden ist; und wobei darauffolgend die sich ergebende keramische Heizvorrichtung einer Wärmebehandlung bei 900°C bis 1600°C ausgesetzt wird.
Das Verfahren zur Herstellung einer keramischen Heizvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann weiterhin das Polieren der gebrannten keramischen Heizvorrichtung nach dem Brennen umfassen, um dabei ein zweites Ende einer jeweiligen Stromversorgungsleitung auf einer durch das Brennen des grünen Substrats erhaltenen Oberfläche eines Substrats freizulegen, wobei darauffolgend die Wärmebehandlung in einer inerten Atmosphäre ausgeführt wird.
In dem Verfahren zur Herstellung einer keramischen Heizvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Wärmebehandlung für zehn Minuten bis zu vier Stunden durchgeführt werden.
In dem Verfahren zur Herstellung einer keramischen Heizvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das erste Ende einer jeweiligen Stromversorgungsleitung in einem Heizwiderstand, der durch das Brennen des grünen Heizwiderstands erhalten wird, vergraben sein, wobei die keramische Heizvorrichtung nach der Wärmebehandlung eine um 5 bis 35% erhöhte Drei-Punkt-Biegefestigkeit (Sa) im Vergleich zu der Drei-Punkt-Biegefestigkeit (Sn) vor der Wärmebehandlung aufweist, wobei die Drei-Punkt-Biegefestigkeit (im weiteren auch als “Biegefestigkeit” bezeichnet) durch ein Meßverfahren festgelegt ist.
Das Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zur Herstellung einer Glühkerze mit einer Metallhülse und einer keramischen Heizvorrichtung, die ein aus einer isolierenden Keramik gebildetes Substrat, einen in dem Substrat vergrabenen Heizwiderstand und ein Paar in dem Substrat vergrabener Stromversorgungsleitungen beinhaltet, wobei ein erstes Ende einer jeweiligen Stromversorgungsleitung mit einem zugehörigen Ende des Heizwiderstands verbunden ist, und wobei die keramische Heizvorrichtung innerhalb der Metallhülse befestigt ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin einen Schritt zur Bildung der Heizvorrichtung zum Brennen einer grünen keramischen Heizvorrichtung, einen Wärmebehandlungsschritt, in dem die aus dem Schritt zur Bildung der Heizvorrichtung erhaltene keramische Heizvorrichtung einer Wärmebehandlung bei 900°C bis 1600°C unterzogen wird, und einen Hartlötschritt zum Befestigen der durch den Wärmebehandlungsschritt erhaltenen wärmebehandelten keramischen Heizvorrichtung innerhalb der Metallhülse durch Hartlöten umfaßt, wobei die grüne keramische Heizvorrichtung ein grünes Substrat, das aus einem isolierenden keramischen Pulver gebildet ist und das durch Brennen das Substrat bereitstellt, einen grünen Heizwiderstand, der in dem grünen Substrat vergraben ist und der durch Brennen den Heizwiderstand bereitstellt, und ein Paar in dem grünen Substrat vergrabener Stromversorgungsleitungen beinhaltet, wobei ein erstes Ende einer jeweiligen Stromversorgungsleitung mit einem zugehörigen Ende des grünen keramischen Heizwiderstands verbunden ist.
Das Verfahren zum Herstellen einer Glühkerze gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann weiterhin einen nach dem Schritt zur Bildung der Heizvorrichtung ausgeführten Polierschritt zum Polieren der gebrannten keramischen Heizvorrichtung nach dem Brennen umfassen, um dabei ein zweites Ende einer jeweiligen Stromversorgungsleitung auf Oberfläche des Substrats freizulegen, wobei der nach dem Polierschritt ausgeführte Wärmebehandlungsschritt, bei dem die keramische Heizvorrichtung einer Wärmebehandlung unterzogen wird, in einer inerten Atmosphäre ausgeführt wird.
Die Wärmebehandlung kann dabei zwischen 10 Minuten und 4 Stunden dauern.
In dem Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze gemäß der vorliegenden Erfindung kann die keramische Heizvorrichtung eine Glasschicht auf einer äußeren Umfangsoberfläche aufweisen und innerhalb der Metallhülse durch Hartlöten über die Glasschicht durch den Hartlötschritt befestigt werden, wobei die Glasschicht auf der äußeren Umfangsoberfläche der keramischen Heizvorrichtung durch einen nach dem Wärmebehandlungsschritt ausgeführten Schritt zur Bildung der Glasschicht gebildet wird. Bevorzugt wird die höchste Temperatur während des Wärmebehandlungsschritts auf eine Temperatur festgesetzt, die größer oder gleich der höchsten Temperatur während des Schritts zur Bildung der Glasschicht ist.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung einer keramischen Heizvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können innere Beanspruchungen verringert werden, die in einem Kontaktbereich, in dem das Substrat, der Heizwiderstand und die Stromzuführungsleitungen, die sich in ihren physikalischen Eigenschaften wie z.B. dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterscheiden, in Kontakt sind, auftreten, wenn die durch das Brennen einer grünen keramischen Heizvorrichtung erhaltene keramische Heizvorrichtung bei 900°C bis 1600°C wärmebehandelt wird. Als Ergebnis kann die Biegefestigkeit in der Nähe eines Bereichs, in dem der Heizwiderstand mit den Stromversorgungsleitungen verbunden ist, erhöht werden. Daher können Probleme, wie etwa der Bruch der keramischen Heizvorrichtung oder die Erzeugung von Rissen in der Nähe des vorhergehend beschriebenen Bereichs, während der Herstellung oder des Gebrauchs der Heizvorrichtung vermieden werden.
Im Falle, daß ein zweites Ende einer jeweiligen Stromversorgungsleitung auf einer Oberfläche der kermischen Heizvorrichtung (Substrat) freigelegt ist, kann die Biegefestigkeit der Heizvorrichtung durch eine Wärmebehandlung der keramischen Heizvorrichtung in einer inerten Atmosphäre erhöht werden. Gleichzeitig kann eine Oxidation der aus Wolfram (W) oder einer Wolfram-Rhenium-Legierung (W-Re) hergestellten Stromversorgungsleitung verhindert und die Zuverlässigkeit der Stromversorgungsleitung gewährleistet werden. Wenn die keramische Heizvorrichtung einer solchen Wärmebehandlung unterzogen wird, kann die durch ein spezielles Verfahren bestimmbare Biegefestigkeit im Vergleich zu dem Fall, daß die Heizvorrichtung nicht der oben beschriebenen Wärmebehandlung unterzogen wird, hinreichend verbessert werden.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, kann die Wärmebehandlung bei 900°C bis 1600°C der keramischen Heizvorrichtung, die zwar schon den Schritt zur Bildung der Heizvorrichtung durchlaufen hat aber bislang noch nicht mittels eines Hartlots im Inneren der Metallhülse befestigt worden ist, internen Streß vermindern, der in einem Kontaktbereich, in dem das Substrat, der Heizwiderstand und die Stromversorgungsleitungen, die sich in ihren physikalischen Eigenschaften wie z.B. dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterscheiden, in Kontakt sind, erzeugt wird. Daher können Probleme, wie das Brechen der keramischen Heizvorrichtung und das Entstehen von Rissen in der Nähe des vorher beschriebenen Kontaktbereichs, während der Herstellung der keramischen Heizvorrichtung und der Herstellung von Glühkerzen, z.B. der Montage der keramischen Heizvorrichtung mit einer Metallhülse, d.h. dem Hartlötschritt, vermieden werden, wodurch eine Glühkerze hoher Zuverlässigkeit bereitgestellt wird.
Wenn das Verfahren vor dem Wärmebehandlungsschritt einen Polierschritt zum Freilegen eines zweiten Endes einer jeweiligen Stromversorgungsleitung auf einer Oberfläche der gebrannten keramischen Heizvorrichtung (Substrat) beinhaltet, kann die Biegefestigkeit der Heizvorrichtung durch eine Wärmebehandlung der polierten keramischen Heizvorrichtung in einer inerten Atmosphäre erhöht werden. Dabei wird eine Oxidation der z.B. aus W oder einer W-Re-Legierung hergestellten Stromversorgungsleitungen vermieden und die Zuverlässigkeit der Stromversorgungsleitungen erhalten.
Das Verfahren der vorher beschriebenen “Wärmebehandlung” unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, und unter dem Gesichtspunkt der Einfachheit der Vorrichtung und des Verfahren wird ein Verfahren bevorzugt, bei dem die gebrannte Heizvorrichtung statisch in einem Heizofen eingebracht wird. Die Wärmebehandlung wird bei 900°C bis 1600°C ausgeführt, bevorzugt bei 1000°C bis 1500°C, besonders bevorzugt bei 1100°C bis 1500°C und am meisten bevorzugt bei 1150°C bis 1450°C. Wenn die Temperatur der Wärmbehandlung unter 900°C liegt, kann die Biegefestigkeit nicht hinreichend erhöht werden, während andererseits bei einer Temperatur über 1600°C eine kristalline Phase, die z.B. aus einem in dem isolierenden Keramiksubstrat umfaßten Seltene-Erden-Oxid mit hohem Schmelzpunkt gebildet ist, weich werden oder schmelzen kann, was möglicherweise die Biegefestigkeit erniedrigt.
Die Dauer der Wärmebehandlung unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, und die Wärmebehandlung kann zwischen zehn Minuten und vier Stunden, bevorzugt zwischen zehn Minuten und drei Stunden, durchgeführt werden. Wenn die Dauer der Wärmebehandlung kürzer als zehn Minuten ist, kann die Biegefestigkeit nicht hinreichend erhöht werden. Im allgemeinen kann eine Wärmebehandlung mit einer Dauer von ungefähr einer bis drei Stunden die Biegefestigkeit hinreichend erhöhen. Eine Wärmbehandlung mit einer Dauer über vier Stunden verursacht keine ernsthaften Probleme, jedoch ist eine solch lange Wärmbehandlung nicht bevorzugt, da eine der Verlängerung angemessene Erhöhung der Biegefestigkeit nicht erzielt werden kann. Obwohl die Wärmebehandlung unter Umgebungsdruck durchgeführt werden kann, kann die Behandlung ebenso unter erhöhtem oder erniedrigtem Druck durchgeführt werden. Bei einer Wärmebehandlung eines gesinterten Preßkörpers wird der Preßkörper für eine vorbestimmte Dauer auf einer beliebigen Temperatur aus dem vorher beschriebenen Temperaturbereich gehalten. Alternativ dazu kann die Behandlung ebenso für eine vorbestimmte Dauer durchgeführt werden, während die Temperatur gemäß eines in den vorher beschriebenen Temperaturbereich fallenden Heizprofils verändert wird.
Die während der Wärmebehandlung verwendete Atmosphäre unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, und die Wärmebehandlung kann in Luft durchgeführt werden. Wenn die Wärmebehandlung allerdings ausgeführt wird nachdem die gebrannte keramische Heizvorrichtung poliert worden ist, um ein zweites Ende einer jeweiligen Stromversorgungsleitung auf einer Oberfläche des Substrats freizulegen, so wird die Wärmebehandlung bevorzugt in einer inerten Atmosphäre, wie etwa einer Stickstoff- oder Argon-Atmosphäre, ausgeführt, um eine Oxidation eines Metalls wie z.B. W oder einer W-Re-Legierung, wie es oft für Leitungen verwendet wird, zu verhindern. Ein Oxid oder eine ähnliche Substanz, die als Sinterhilfe verwendet wird, kann reduziert werden, wenn die Wärmebehandlung bei einer Temperatur über 1500°C und in einer reduzierenden Atmosphäre ausgeführt wird. Sogar wenn ein zweites Ende einer jeweiligen Stromversorgungsleitung nicht auf einer Oberfläche des Substrats freigelegt wird, wird die Oxidation des isolierenden Keramiksubstrats, insbesondere bei einer Siliziumnitrid-Keramik, in einer oxidierenden Atmosphäre befördert. Im vorstehenden Fall wird daher die Wärmebehandlung auch bevorzugt in einer inerten Atmosphäre durchgeführt.
Weiterhin kann das Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vor dem Hartlötschritt einen Schritt zur Bildung einer Glasschicht auf der äußeren Umfangsoberfläche einer keramischen Heizvorrichtung beinhalten, um die Adhäsion zwischen der keramischen Heizvorrichtung und dem Hartlot (der Hartlötschicht) während des Hartlötschritts zum Befestigen der Metallhülse an der keramischen Heizvorrichtung zu vergrößern. Wenn das Verfahren den Schritt zur Bildung einer Glasschicht beinhaltet, so ist es entscheidend, daß der Wärmebehandlungsschritt vor dem Schritt zur Bildung einer Glasschicht ausgeführt wird.
Im allgemeinen beinhaltet der Schritt zur Bildung einer Glasschicht das Aufbringen einer Glaskomponente auf einen gewünschten Bereich der äußeren Umfangsoberfläche der keramischen Heizvorrichtung und weiterhin das Durchlaufen der beschichteten keramischen Heizvorrichtung durch einen Brennofen, in dem die Temperatur auf z.B. 1200°C gesteuert wird. Nur auf den ersten Blick scheint der Schritt zur Bildung einer Glasschicht auch als Wärmebehandlungsschritt zur Erhöhung der Biegefestigkeit der keramischen Heizvorrichtung dienen zu können. Jedoch wird die Glasschicht selber verschlechtert, nämlich z.B. geschmolzen, wenn die Temperatur und die Dauer der Wärmebehandlung des Schritts zur Bildung der Glasschicht so eingestellt werden, daß der volle Effekt der Wärmebehandlung der keramischen Heizvorrichtung erzielt wird. Dadurch wird aber eine Absicht bei der Bildung einer geeigneten Glasschicht nicht erreicht. Ein anderer möglicher Ansatz ist die Ausführung der Wärmebehandlung nach der Bildung einer Glasschicht auf einer äußeren Umfangsoberfläche der keramischen Heizvorrichtung. Wenn jedoch dieser Ansatz verwendet wird, so müssen die Bedingungen der Wärmebehandlung, wie etwa Temperatur und Dauer der Wärmebehandlung, eingeschränkt werden, um den Wärmebehandlungsschritt auszuführen und die Glasschicht gleichzeitig in einem geeigneten Zustand zu erhalten, was möglicherweise dazu führt, daß der Wärmebehandlungsschritt zur Erhöhung der Biegefestigkeit der keramischen Heizvorrichtung nicht vollständig ausgeführt wird.
Daher beinhaltet das Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vor dem Schritt zur Bildung einer Glasschicht einen eigenständigen Wärmebehandlungsschritt zur Erhöhung der Biegefestigkeit der keramischen Heizvorrichtung. Durch diesen Wärmebehandlungsschritt kann die keramische Heizvorrichtung unabhängig von den Bedingungen der Glasschicht unter beliebigen Bedingungen wärmebehandelt werden. Weiterhin kann ein darauffolgender Hartlötschritt an der keramischen Heizvorrichtung ausgeführt werden, welche auf ihrer äußeren Umfangsoberfläche eine in geeigneter Weise ausgebildete Glasschicht aufweist. Wie oben erwähnt unterliegen weiterhin die Bedingungen der im Wärmebehandlungsschritt, der vor dem Schritt zur Bildung einer Glasschicht bereitgestellt wird, ausgeführten Wärmebehandlung keinen besonderen Einschränkungen. Auf diese Weise kann die Wärmebehandlung bei hinreichend hohen Temperaturen ausgeführt werden, wobei die höchste Temperatur während der Behandlung vorzugsweise höher als die höchste im Schritt zur Bildung einer Glasschicht verwendete Temperatur ist. Dadurch wird eine mit hervorragender Biegefestigkeit ausgestattete keramische Heizvorrichtung bei einer vergleichsweise kurzen Prozeßdauer effizient bereitgestellt.
Die Wärmebehandlung kann die durch das vorher beschriebene Verfahren gemessene Drei-Punkt-Biegefestigkeit (Sa) der gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellten keramischen Heizvorrichtung um 5% bis 35%, bevorzugt 7% bis 35%, noch mehr bevorzugt 10% bis 35%, im Vergleich zur Drei-Punkt-Biegefestigkeit (Sn) einer keramischen Heizvorrichtung, die nicht dieser Wärmebehandlung unterzogen wurde, erhöhen. Insbesondere kann die Drei-Punkt-Biegefestigkeit um 25% bis 35% im Vergleich zur der einer Heizvorrichtung, die nicht dieser Wärmebehandlung unterzogen wurde, stark erhöht werden, wenn die Temperatur der Wärmebehandlung zwischen 1150°C und 1450°C liegt. Dabei werden Schäden der Heizvorrichtung, wie etwa Brüche, vermieden. Sa und Sn bezeichnen gemittelte Werte der Drei-Punkt-Biegefestigkeit, die durch die Messung von fünf bis zehn Proben keramischer Heizvorrichtungen erhalten werden, wobei die Proben aus denselben Materialien und durch ähnliche Prozesse hergestellt werden.
Zusätzlich kann eine keramische Heizvorrichtung, die nach dem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, eine Drei-Punkt-Biegefestigkeit in Absolutwerten von 500 bis 1000 MPa, bevorzugt 700 bis 1000 MPa, noch mehr bevorzugt 750 bis 1000 MPa, erreichen. Da die keramische Heizvorrichtung eine derartig hohe Biegefestigkeit aufweist, widersteht die keramische Heizvorrichtung, etwa bei Verwendung in einer Glühkerze, zufriedenstellend äußeren Einflüssen, wie etwa dem Verbrennungsdruck, und bricht nicht während des Gebrauchs. Zusätzlich kann ein Bruch der keramischen Heizvorrichtung und eine Rißbildung in einem Bereich in der Nähe eines Verbindungsbereichs zwischen dem Heizwiderstand und den Stromversorgungsleitungen während der Herstellung einer Glühkerze, wie z.B. einem Hartlötschritt zur Befestigung einer keramischen Heizvorrichtung im Inneren einer äußeren Metallhülse durch Hartlöten, vermieden werden.
Das vorher beschriebene “grüne Substrat” kann aus einer Anzahl isolierende Keramiken umfassender Pulver gebildet werden, wobei die Pulver gemäß dem Verwendungszweck ausgewählt werden. Ein typisches Beispiel ist ein grünes Substrat, das vorwiegend Siliziumnitrid umfaßt und das durch Brennen gesintertes Siliziumnitrid bereitstellt. Der Siliziumnitridanteil beträgt vorzugsweise 80 Massen-%, und mehr bevorzugt mindestens 90 Massen-%, gemessen an der Gesamtheit des grünen Substrats, das 100% der Masse ausmacht. Das gesinterte Siliziumnitrid kann Siliziumnitridtpartikel und eine Korngrenzen-Glasphase umfassen. Zusätzlich kann eine kristalline Phase, z.B. eine Disilikatphase, innerhalb der Korngrenzen ausgefällt werden. Das gesinterte Siliziumnitrid kann weiterhin Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid und Sialon umfassen, und das isolierende keramische Pulver wird in Übereinstimmung mit der Zusammensetzung des gesinterten Siliziumnitrids bereitet.
Der vorher beschriebene “grüne Heizwiderstand” beinhaltet eine elektrisch leitende Keramik und eine isolierende Keramik. Beispiele für elektrisch leitende Keramiken sind Silizide, Karbide, Nitride und Boride zumindest eines Metalls aus der Menge W, Ta, Nb, Ti, Mo, Zr, Hf, V, Cr. Im allgemeinen ist die isolierende Keramik Siliziumnitrid. Insbesondere weist die elektrisch leitende Keramik vorzugsweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der nahezu gleich dem der isolierenden Keramik, z.B. Siliziumnitrid, oder dem eines Materials, aus dem ein Substrat gebildet wird, z.B. Siliziumnitrid, ist. Wenn die elektrisch leitende Keramik bezüglich der isolierenden Keramik nur einen kleinen Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, kann das Auftreten von Rissen in einem Bereich in der Nähe einer Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem Heizwiderstand während des Gebrauchs der gebrannten Heizvorrichtung vermieden werden. Beispiele für solche elektrisch leitenden Keramiken sind WC, MoSi₂, TiN und WSi₂. Bevorzugt ist die elektrisch leitende Keramik mit einer hohen Hitzebeständigkeit ausgestattet, d.h. ihr Schmelzpunkt liegt über der Gebrauchstemperatur der keramischen Heizvorrichtung. Wenn der Schmelzpunkt der elektrisch leitenden Keramik hoch ist, erhöht sich die Beständigkeit der Heizvorrichtung in dem Temperaturbereich ihres Gebrauchs.
Das Verhältnis der Menge elektrisch leitender Keramik zu der Menge isolierender Keramik unterliegt keinen wesentlichen Einschränkungen. Allerdings beträgt die Menge an elektrisch leitender Keramik bevorzugt 15 bis 40 Volumenanteile, vorzugsweise 20 bis 30 Volumenanteile, wenn die Gesamtheit des grünen Heizwiderstands 100 Volumenanteile darstellt. Der grüne Heizwiderstand wird gebrannt, um so einen Heizwiderstand zu bilden, der durch das Anlegen von Strom Wärme erzeugt.
Die vorher beschriebenen “Stromversorgungsleitungen” können aus einem Metall ausgebildet sein, das aus der folgenden Menge ausgewählt ist: W, Re, Ta, Mo, Nb, usw. und Legierungen, die vorwiegend diese Metalle enthalten. Insbesondere wird W oft verwendet. Die äußere Form und die Querschnittsform der Stromversorgungsleitungen unterliegt keinen besonderen Einschränkungen.
1 zeigt die Abhängigkeit der Drei-Punkt-Biegefestigkeit von der Temperatur der Wärmebehandlung.
2 zeigt einen Querschnitt einer keramischen Heizvorrichtung.
3 zeigt einen Querschnitt einer Glühkerze, die in ihrer Spitze eine keramische Heizvorrichtung aufweist.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun anhand eines in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiels erläutert. 3 zeigt den inneren Aufbau einer Glühkerze, die eine keramische Heizvorrichtung verwendet. Die Glühkerze 2 beinhaltet eine keramische Heizvorrichtung 1 in einem vorderen Endbereich, der als ein Wärmeerzeugungsbereich dient. Die keramische Heizvorrichtung 1 ist innerhalb einer aus eisenhaltigem Metall, wie etwa rostfreiem Stahl, gefertigten Metallhülse 21 so angeordnet, daß ein vorderer Endbereich der keramischen Heizvorrichtung 1 aus der Metallhülse 21 hervorsteht. Die Metallhülse 21 wird an einem vorderen Endbereich eines Metallmantels 22 gehalten, der einen mit einem Gewinde versehenen Bereich zur Befestigung der Glühkerze an einem Motor aufweist. Ein Endbereich einer Leitungsspule 15 ist auf einen rückwärtigen Endbereich der keramischen Heizvorrichtung 1 aufgepaßt, während der andere Endbereich der Leitungsspule 15 auf einen Endbereich eines metallischen Mittelstabs 16, der in den Metallmantel 22 eingesetzt ist, aufgepaßt ist. Der andere Endbereich des Mittelstabs 16 verläuft zum Äußeren des Metallmantels 22 und die äußere Umfangsoberfläche des anderen Endbereichs ist mit einer Nut 17 schraubbar verbunden. Der Mittelstab 16 ist an dem Metallmantel 22 durch Festmachen der Nut 17 an dem Metallmantel 22 befestigt. Weiterhin ist eine isolierende Buchse 19 zwischen der Nut 17 und dem Metallmantel 22 eingepaßt.
Wie in 2 gezeigt, beinhaltet die keramischen Heizvorrichtung 1 ein Substrat 11, einen Heizwiderstand 12 und Stromversorgungsleitungen 13a und 13b. 2 zeigt einen Längsschnitt der keramischen Heizvorrichtung 1. Das Substrat 11 ist aus gesintertem Siliziumnitrid gebildet und schützt den Heizwiderstand 12 und die Stromversorgungsleitungen 13a und 13b, die darin vergraben sind. Der Heizwiderstand 12 ist aus einer leitenden und einer isolierenden Keramik gebildet und ist im wesentlichen U-förmig mit einem von einem Ende her verlaufenden Bereich, einem richtungsändernden Bereich und einem auf das andere Ende zulaufenden Bereich. Elektrische Leistung, die der keramischen Heizvorrichtung 1 von außen zugeführt wird, wird dem Heizwiderstand 12 über die beispielsweise aus W hergestellten Stromversorgungsleitungen 13a und 13b zugeführt. Um die Versorgung des Heizwiderstands 12 mit elektrischer Leistung zu ermöglichen, sind erste Enden der Stromversorgungsleitungen 13a und 13b mit den beiden Endbereichen des Heizwiderstands 12 verbunden, um so Verbindungsbereiche 14 (Anschlußbereiche) zwischen den Stromversorgungsleitungen 13a und 13b und dem Heizwiderstand 12 auszubilden. Die Stromversorgungsleitungen 13a und 13b verlaufen in einer Richtung weg vom Heizwiderstand 12 innerhalb des Substrats 11, wobei sichtbare Bereiche 13c und 13d ausgebildet sind.
Das folgende bezieht sich wieder auf 3. Mittels eines vorbestimmten Verfahrens, wie etwa Beschichtung oder Dampfphasenabscheidung, wird ein metallischer Dünnfilm (nicht gezeigt) aus z.B. Nickel auf der Umfangsoberfläche des Substrats 11 in einem Bereich ausgebildet, der den sichtbaren Bereich einer der Stromversorgungsleitungen 13a und 13b beinhaltet, beispielsweise den sichtbaren Bereich 13d der Stromversorgungsleitung 13b. Das Substrat 11 ist mit der Metallhülse 21 über den metallischen Dünnfilm mittels Hartlöten verbunden, und die Stromversorgungsleitung 13b steht über den sichtbaren Bereich 13d in elektrischem Kontakt der Metallhülse 21. Gleichemaßen wird ein anderer metallischer Dünnfilm (nicht gezeigt) auf der Umfangsoberfläche des Substrats 11 in einem Bereich ausgebildet, der den sichtbaren Bereich 13c der anderen Stromversorgungsleitung 13a beinhaltet, wobei die Leitungsspule 15 damit verlötet ist. Mit Hilfe des oben beschriebenen Aufbaus wird der Heizwiderstand 12 über den Mittelstab 16, die Leitungsspule 15 und die Stromversorgungsleitung 13a mit Strom von einer nicht gezeigten Stromquelle versorgt. Der Heizwiderstand 12 ist über die Stromversorgungsleitung 13b, die Metallhülse 21, den Metallmantel 22 und einen nicht gezeigten Motorblock geerdet. Aufgrund der Stromversorgung erzeugt der Heizwiderstand Wärme.
Die Metallhülse 21 und der Metallmantel 22 sind miteinander durch Hartlöten verbunden. Weiterhin ist die Metallhülse 21 mit der keramischen Heizvorrichtung 1 über eine Glasschicht 18, die mit der Umfangsoberfläche der keramischen Heizvorrichtung 1 (des Substrats 11) in Kontakt ist, und eine Hartlotschicht, die zwischen der äußeren Umfangsoberfläche der Glasschicht 18 und der inneren Umfangsoberfläche der Metallhülse 21 angeordnet ist, verbunden. Die Glasschicht 18 wird in den sichtbaren Bereichen 13c und 13d der den Stromversorgungsleitungen 13a und 13b zugehörigen Bereichen entfernt. Die Glasschicht 18 ist aus einer Glasmatrix und darin verteilten Teilchen von Zuschlagsstoffen, wie etwa Aluminiumoxid, ausgebildet. Eine solche Glasmatrix wird aus Borsilikat-Glas gebildet, das Si, mit 70 bis 90 Gew.-% bezogen auf SiO₂, und B, mit 10 bis 30 Gew.-% bezogen auf B₂O₃, enthält. Der Anteil der Teilchen der Zuschlagsstoffe wird in einem Bereich von 10% bis 40% bezüglich eines von einer Oberfläche der Glasschicht aus gesehenen prozentualen Flächeninhalts der Zuschlagsstoffe eingestellt. Die Hartlotschicht ist aus einem Hartlot gebildet, das eine Liquidustemperatur von 700°C und höher bis weniger als 1200°C, wie beispielsweise ein Ag enthaltendes Hartlot wie etwa ein Ag-Cu-Hartlot, aufweist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die keramische Heizvorrichtung gemäß dem folgenden Verfahren hergestellt werden. Elektrisch leitfähiges keramisches Pulver, isolierendes keramisches Pulver, insbesondere keramisches Pulver, das Siliziumnitrid als vorwiegenden Bestandteil enthält, und eine Sinterhilfe werden verwendet, um ein Material zum Bilden eines grünen Heizwiderstands bereitzustellen. Obwohl Pulver aus Seltene-Erden-Oxiden häufig als Sinterhilfe verwendet werden, kann auch Pulver eines anderen Oxids wie etwa Al₂O₃ oder SiO₂, das im allgemeinen beim Brennen von Siliziumnitrid verwendet wird, verwendet werden. Obwohl solche Sinterhilfen einzeln verwendet werden können, werden im allgemeinen zwei oder mehr Arten von Sinterhilfen in Kombination verwendet, wie z.B. Pulver eines Seltene-Erden-Oxids und Pulver aus Al₂O₃ oder Pulver eines Seltene-Erden-Oxids und Pulver aus SiO₂. In besonderem Maße ist die Verwendung von Y₂O₃, Er₂O₃ oder Yb₂O₃ als Seltene-Erden-Oxid bevorzugt, da eine sich ergebende Korngrenzen-Phase (kristalline Phase) die Hitzebeständigkeit erhöht.
Das elektrisch leitende keramische Pulver, das isolierende keramische Pulver und das Pulver der Sinterhilfe werden in vorbestimmten Verhältnissen gemischt, um so ein Mischpulver zu bereiten. Das Mischen kann mittels eines gewöhnlichen Prozesses, etwa eines Naßverfahrens, erfolgen.
Wenn die Gesamtmenge des elektrisch leitenden keramischen Pulvers, des isolierenden keramischen Pulvers und des Pulvers der Sinterhilfe als 100 Volumenanteile definiert sind, so wird der Anteil des elektrisch leitenden keramischen Pulvers vorzugsweise auf 15 bis 40 Volumenanteile, bevorzugt 20 bis 30 Volumenanteile, festgesetzt, während der Anteil des isolierenden keramischen Pulvers und des Pulvers der Sinterhilfe vorzugsweise auf 85 bis 60 Volumenanteile, vorzugsweise 80 bis 70 Volumenanteile festgesetzt wird.
Nach dem Zusetzen eines angemessenen Anteils eines Bindemittels und anderer notwendiger Stoffe zu dem so bereiteten Mischpulver wird das sich ergebende Mischpulver durch Formen, wie etwa Spritzgießen, zu einem im wesentlichen U-förmigen grünen Heizwiderstand ausgebildet. Erste Enden gepaarter Stromversorgungsleitungen, die aus einem Metall wie etwa W ausgebildet sind, werden an den jeweiligen Enden des im wesentlichen U-förmigen grünen Heizwiderstand auf solche Weise fest angebracht, daß die ersten Enden in den zugehörigen Enden eingebettet sind.
Darauffolgend wird der im wesentlichen U-förmige grüne Heizwiderstand mit den gepaarten, mit ihm verbundenen Stromversorgungsleitungen im Pulver des Substratmaterials, das sowohl als vorwiegenden Bestandteil Pulver einer isolierenden Keramik als auch Pulver einer elektrisch leitenden Keramik und Pulver einer Sinterhilfe enthält, vergraben. Genauer gesagt werden durch Pressen des Substratmaterialpulvers zwei hälftige grüne Preßkörper vorbereitet, wobei ein jeweiliger hälftiger grüner Preßkörper eine Vertiefung zur Aufnahme des grünen Heizwiderstands und der Stromversorgungsleitungen aufweist. Der grüne Heizwiderstand mit den Stromversorgungsleitungen wird zwischen den hälftigen grünen Preßkörpern angeordnet, und diese Elements werden daraufhin preßgeformt. Darauffolgend wird ein Druck von ungefähr 5 bis 12 MPa auf diese Elemente zusammen ausgeübt, um so eine grüne keramische Heizvorrichtung zu erhalten, die einen Aufbau aufweist, bei dem der grüne Heizwiderstand und die Stromversorgungsleitungen in einem Pulverpreßkörper eingebettet sind, der die Form des Substrats annimmt. Nach dem Abbinden wird die grüne keramische Heizvorrichtung in einem Werkzeug für Hochdruckanwendungen aus z.B. Graphit angeordnet, die dann in einem Brennofen eingebracht wird. Im Ofen wird die grüne keramische Heizvorrichtung für eine gewünschte Dauer bei einer vorbestimmten Temperatur in einer inerten Atmosphäre einem Heißpreß-Brennen unterzogen, wodurch ein gesinterter Körper (eine keramische Heizvorrichtung) erhalten wird. Obwohl Brenntemperatur- und dauer keinen besonderen Einschränkungen unterliegen, wird die Brenntemperatur im allgemeinen auf 1650°C bis 1850°C, bevorzugt 1700°C bis 1800°C, und die Brenndauer im allgemeinen auf 30 bis 150 Minuten, bevorzugt 60 bis 90 Minuten, festgesetzt.
Die durch den oben beschriebenen Schritt zu Bildung einer keramischen Heizvorrichtung erhaltene keramische Heizvorrichtung wird in einem anschließenden Polierschritt poliert. Genauer gesagt wird die äußere Umfangsoberfläche des Substrats (der keramischen Heizvorrichtung) um einen vorbestimmten Betrag poliert, um so die zweiten Enden der Stromversorgungsleitungen auf der äußeren Umfangsoberfläche des Substrats freizulegen. Die polierte keramische Heizvorrichtung wird in einen Heizofen eingebracht und einer Wärmebehandlung unterzogen (Wärmebehandlungsschritt), wodurch eine keramische Heizvorrichtung mit verbesserter Biegefestigkeit hergestellt wird. Im Wärmebehandlungsschritt wird eine Wärmebehandlung für zehn Minuten bis zu vier Stunden bei 900°C bis 1600°C in einer inerten Atmosphäre, insbesondere einer Stickstoffatmosphäre, ausgeführt. Die höchste Temperatur während des Wärmebehandlungsschrittes wird bevorzugt auf eine Temperatur größer oder gleich der höchsten Temperatur während des Schritts zur Bildung einer Glasschicht, der später beschrieben wird, festgelegt, um den Effekt einer erhöhten Biegefestigkeit durch Wärmebehandlung innerhalb einer kurzen Zeitdauer zu erreichen. Beispielsweise wird die höchste Temperatur im Wärmebehandlungsschritt auf 1400°C und die höchste Temperatur im Schritt zur Bildung einer Glasschicht auf 1200°C festgesetzt.
Als nächstes wird ein Beispielverfahren zur Herstellung der in 3 gezeigten Glühkerze 2 beschrieben. Ein Glaspulver wird aus einem von einer Si-Quelle, einer B-Quelle, etc. stammenden Pulver, bereitet, um ein Borsilikat-Glas zu bilden. Als Zusatzstoffe dienendes Aluminiumoxidpulver, Tonminerale und ein organisches Bindemittel werden dem Glaspulver in angemessenen Anteilen zugemischt, weiterhin wird Wasser dazugegeben, gefolgt von Mischen, um einen Glaspulverbrei zu erhalten. Im Schritt zur Bildung der Glasschicht wird der Glaspulverbrei auf die äußere Umfangsoberfläche der keramischen Heizvorrichtung 1, die durch den oben beschriebenen Schritt zur Bildung einer Heizvorrichtung, den Polierschritt und den Wärmebehandlungsschritt erzeugt wurde, aufgetragen, um so eine Schicht aus Glaspulver zu bilden, die dann getrocknet wird. Die die getrocknete Glaspulverschicht tragende keramische Heizvorrichtung 1 wird in einen Heizofen eingebracht und auf eine vorbestimmte Temperatur, z.B. 1200°C, erhitzt, wobei die Glaspulverschicht gebrannt wird, um so die Glasschicht 18 auf der äußeren Umfangsoberfläche der keramischen Heizvorrichtung 1 zu bilden.
Nach dem Schritt zur Bildung einer Glasschicht wird ein Hartlötschritt ausgeführt. Zuerst wird die Metallhülse 21 koaxial mit der keramischen Heizvorrichtung 1 angeordnet, um die Glasschicht 18 auf der keramischen Heizvorrichtung 1 in einer solchen Weise zu umgeben, daß sich zwischen der inneren Umfangsoberfläche der Metallhülse 21 und der äußeren Umfangsoberfläche der Glasschicht 18 ein Spiel von 0,05 bis 0,15 mm ergibt. Anschließend wird ein Aufbau hergestellt, bei dem ein Hartlot zwischen der inneren Umfangsoberfläche der Metallhülse 21 und der äußeren Umfangsoberfläche der Glasschicht 18 angeordnet ist, wobei der Aufbau anschließend in einen Heizofen eingebracht wird. Im Heizofen wird der Aufbau zum Hartlöten in einem vorbestimmten Temperaturbereich in der Atmosphäre wärmebehandelt. Als Ergebnis wird das Hartlot geschmolzen und füllt den Raum zwischen der Metallhülse 21 und der Glasschicht 18. Darauffolgend wird der Aufbau im Ofen oder an der Luft abgekühlt, um dabei das geschmolzene Hartlot zu verfestigen, um so eine Hartlotschicht auszubilden. Darauffolgend werden mittels eines bekannten Verfahrens die Leitungsspule 15, der Mittelstab 16, der Metallmantel 22, etc. mit der mit der Metallhülse 21 verbundenen keramischen Heizvorrichtung 1 montiert, um die Glühkerze 2 zu erhalten.
Eine Reihe von Proben keramischer Heizvorrichtungen wurden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wie unten beschrieben hergestellt und ausgewertet.
Als Sinterhilfen dienende Pulver aus Yb₂O₃ (10% Massenanteil) und SiO₂ (4% Massenanteil) wurden in ein Si₃N₄-Pulver (86% Massenanteil) eingebracht, um somit einen isolierenden Ausgangsstoff zu erhalten. Vierzig Massenanteile (im folgenden einfachheitshalber als Teile bezeichnet) des erhaltenen Materials wurden mit 60 Teilen eines elektrisch leitenden WC-Pulvers gemischt, um so einen Ausgangsstoff zur Bildung eines grünen Heizwiderstands zu erhalten. Der Ausgangsstoff wurde 72 Stunden lang naßgemischt, und dann getrocknet, um so ein Mischpulver zu erhalten. Darauffolgend wurde das entstandene Pulver und ein Bindemittel einem Kneter zugeführt und das Gemisch wurde vier Stunden lang geknetet. Das geknetete Erzeugnis wurde in Kügelchen geschnitten. Ein Paar Wolframdrähte wurden an vorbestimmten Orten einer Spritzgußform angeordnet und das geknetete Erzeugnis in Kugelform wurde mittels einer Spritzgußvorrichtung spritzgegossen, um somit einen im wesentlichen U-förmigen grünen Heizwiderstand zu erhalten, dessen Enden mit einem der Enden eines jeweiligen Drahts verbunden sind.
In Pulverform vorliegendes Si₃N₄ (86% Massenanteil), Yb₂O₃ (11% Massenanteil), SiO₂ (3% Massenanteil) und MoSi₂ (5% Massenanteil) wurden für 40 Stunden naßgemischt, durch Sprühtrocknung granuliert und verdichtet, um so zwei grüne Preßkörperhälften zu erhalten, wobei eine jeweilige Hälfte eine Höhlung zur Aufnahme des grünen Heizwiderstands und der Stromversorgungsleitungen aufwies. Darauffolgend wurde der grüne Heizwiderstand zwischen den beiden grünen Preßkörperhälften angeordnet, gefolgt von einem Preßgießen bei einem Druck von 6,9 MPa zur Integration, um so eine grüne keramische Heizvorrichtung zu erhalten. Die so erhaltene grüne keramische Heizvorrichtung wurde bei 600°C zur Entfernung der Bindemittelbestandteile geglüht. Danach wurde das geglühte Erzeugnis in einem aus Graphit hergestellten Werkzeugsatz angeordnet, und einem Heißpreß-Brennen in einer Stickstoff-Atmosphäre bei 180°C für 1,5 Stunden unter einem Druck von 24 MPa unterzogen, um so ein gesintertes Erzeugnis zu gewinnen. Das gesinterte Erzeugnis wurde auf eine vorbestimmte Tiefe poliert, so daß ein Ende einer jeweiligen Stromversorgungsleitung auf der Außenseite der äußeren Umfangsoberfläche des Substrats freigelegt wurde. Auf diese Weise wurde eine keramische Heizvorrichtung mit einem runden Querschnitt (bezüglich eines in bezug auf den Schaft vertikalen Schnittes) mit einem Durchmesser von 3,5 mm erhalten.
Sechzig keramische Heizvorrichtungen (Prüfproben) wurden in der oben beschriebenen Weise hergestellt. Aus diesen sechzig Proben wurden zehn nicht der Wärmebehandlung unterzogen. Die verbleibenden fünfzig Proben wurden in fünf Gruppen unterteilt, wobei eine jeweilige Gruppe zehn Proben umfaßte. Die jeweiligen Gruppen wurden bei 1000°C, 1200°C, 1400°C, 1500°C und 1600°C wärmebehandelt. Dabei wurde die Wärmebehandlung wie folgt durchgeführt: Eine Gruppe aus zehn Heizvorrichtungen wurde in einen Heizofen eingebracht, der auf eine vorbestimmte Kammertemperatur eingestellt worden war. Die keramischen Heizvorrichtungen wurden in einer Stickstoffatmosphäre unter Umgebungsdruck für eine Stunde erhitzt. Nach Abschluß der Wärmebehandlung wurde die Stromzufuhr zum Heizofen unterbrochen und die erhitzten Erzeugnisse wurden zur Abkühlung eine Stunde bei Raumtemperatur stehen gelassen. Dann wurden die keramischen Heizvorrichtungen aus dem Ofen entfernt.
Die Drei-Punkt-Biegefestigkeit bezüglich der fünfzig keramischen Heizvorrichtungen, die der oben beschriebenen Wärmebehandlung unterzogen wurden und der zehn keramischen Heizvorrichtungen, die nicht wärmebehandelt wurden, wurde durch das folgende Verfahren gemessen. Eine Last wurde an die Oberfläche des Substrats einer jeweiligen zu testenden keramischen Heizvorrichtung in einem Bereich angelegt, der den in den Enden des Heizwiderstands vergrabenen Stromversorgungsleitungen entspricht. Dies erfolgte gemäß JIS R 1601 mit einer Spanne von 12 mm, einer Bewegungsrate des Querkopfes von 0.5 mm/min und bei einer Temperatur von 25°C. Genauer gesagt wurde eine Last an der Oberfläche eines jeweiligen Substrats in einer bezüglich der Axiallänge zwischen den Endflächen des Heizwiderstands und dem Ende eines vergrabenen Bereichs eines Drahts mittleren Position angelegt. 1 zeigt die Ergebnisse der Prüfung. In 1 bezeichnet “o” die Drei-Punkt-Biegefestigkeit bezüglich der fünf Gruppen wärmebehandelter keramischer Heizvorrichtungen, wobei eine jeweilige Gruppe aus zehn keramischen Heizvorrichtungen besteht, so daß die fünf Gruppen zusammen fünfzig keramischen Heizvorrichtungen entsprechen, und bezüglich der zehn nicht wärmebehandelten keramischen Heizvorrichtungen. Das “•” bezeichnet die gemittelte Drei-Punkt Biegefestigkeit von zehn keramischen Heizvorrichtungen einer jeweiligen Gruppe.
Gemäß der in 1 gezeigten Ergebnisse beträgt die mittlere Drei-Punkt Biegefestigkeit der zehn nicht wärmebehandelten keramischen Heizvorrichtungen 592 MPa, während die mittlere Drei-Punkt-Biegefestigkeit der zehn keramischen Heizvorrichtungen einer jeweiligen Gruppe 691 MPa (1000°C), 769 MPa (1200°C), 789 MPa (1400°C), 759 MPa (1500°C) und 648 MPa (1600°C) beträgt. Somit erhöht die Wärmebehandlung die mittlere Drei-Punkt-Biegefestigkeit um mindestens 9,5%. Genauer gesagt erhöht eine Wärmebehandlung bei 1200°C bis 1500°C die mittlere Drei-Punkt-Biegefestigkeit um 28,2% bis 33,3%. Darüberhinaus stellt selbst die geringste durch eine Wärmebehandlung bei 1200°C bis 1500°C erhaltene Drei-Punkt-Biegefestigkeit eine Erhöhung um 8,6% bis 12,7% dar. Die Prüfergebnisse implizieren, daß eine gebrannte keramische Heizvorrichtung, die einer speziellen Wärmebehandlung unterzogen wird, während ihres Herstellungsprozesses eine hinreichende Bruchfestigkeit aufweist, äußeren Beanspruchungen, wie etwa dem Verbrennungsdruck, widersteht und sogar dann eine hinreichende Bruchfestigkeit aufweist, wenn sie in einer Glühkerze verwendet wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze mit einer Metallhülse und einer keramischen Heizvorrichtung, die ein aus einer isolierenden Keramik gebildetes Substrat, einen in dem Substrat eingebetteten Heizwiderstand und ein Paar in dem Substrat eingebetteter Stromversorgungsleitungen beinhaltet, wobei ein erstes Ende einer jeweiligen Stromversorgungsleitung mit einem zugehörigen Ende des Heizwiderstands verbunden ist, und wobei die keramische Heizvorrichtung innerhalb der Metallhülse befestigt ist, weiterhin umfassend einen Schritt zur Bildung der Heizvorrichtung zum Brennen einer grünen keramischen Heizvorrichtung; einen Wärmebehandlungsschritt, in dem die aus dem Schritt zur Bildung der Heizvorrichtung erhaltene keramischen Heizvorrichtung einer Wärmebehandlung bei 900°C bis 1600°C unterzogen wird; und einen Hartlötschritt zum Befestigen der durch den Wärmebehandlungsschritt erhaltenen wärmebehandelten keramischen Heizvorrichtung innerhalb der Metallhülse durch Hartlöten, wobei die grüne keramische Heizvorrichtung beinhaltet: ein grünes Substrat, das aus einem isolierenden keramischen Pulver gebildet ist und das durch Brennen das Substrat bereitstellt; einen grünen Heizwiderstand, der in dem grünen Substrat eingebettet ist und der durch Brennen den Heizwiderstand bereitstellt; und ein Paar in dem grünen Substrat eingebetteter Stromversorgungsleitungen, wobei ein erstes Ende einer jeweiligen Stromversorgungsleitung mit einem zugehörigen Ende des grünen keramischen Heizwiderstands verbunden ist, wobei die keramische Heizvorrichtung eine Glasschicht auf einer äußeren Umfangsoberfläche aufweist und innerhalb der Metallhülse durch Hartlöten über die Glasschicht durch den Hartlötschritt befestigt ist, und wobei die Glasschicht auf der äußeren Umfangsoberfläche der keramischen Heizvorrichtung durch einen nach dem Wärmebehandlungsschritt ausgeführten Schritt zur Bildung der Glasschicht gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen nach dem Schritt zur Bildung der Heizvorrichtung ausgeführten Polierschritt zum Polieren der gebrannten keramischen Heizvorrichtung nach dem Brennen, um dabei ein zweites Ende einer jeweiligen Stromversorgungsleitung auf einer Oberfläche des Substrats freizulegen, und wobei nach dem Polierschritt der Wärmebehandlungsschritt, bei dem die keramische Heizvorrichtung einer Wärmebehandlung unterzogen wird, in einer inerten Atmosphäre ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die höchste Temperatur während des Wärmebehandlungsschritts eine Temperatur größer oder gleich der höchsten Temperatur während des Schritts zur Bildung einer Glasschicht ist.