DE1590215C3 - Process for the production of an electrically conductive surface on an insulator consisting essentially of aluminum oxide - Google Patents
Process for the production of an electrically conductive surface on an insulator consisting essentially of aluminum oxideInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Oberfläche auf einem im wesentlichen aus Aluminiumoxyd bestehenden Isolator, insbesondere für Strahltriebwerkzündvorrichtungen, bei dem auf dem gewünschten Oberflächenbereich ein kupferhaltiger überzug aufgebracht und dieser einer Temperaturbehandlung ausgesetzt wird. Es ist allgemein üblich, ein halbleitendes Material zwischen und in Berührung mit den Elektroden einer· Strahltriebwerkzündvorrichtung vorzusehen, um die Ansprech- oder Einsatzspannung herabzusetzen, die notwendig ist, um einen Funken zwischen den Elektroden zu induzieren. In einigen Fällen verwendete man eine Scheibe aus halbleitendem Material, die zwischen und im Anschlag mit den Elektroden eingesetzt war, während in wieder anderen Fällen ein dünner überzug, auch als Begußüberzug bezeichnet, auf einen elektrischen Isolatorkörper der Art verwendet wurde, daß eine dünne halbleitende Schicht des Überzugs auf den Spalt zwischen den Elektroden der Zündvorrichtung trifft und ihn überbrückt. Die im wesentlichen in allen Fällen verwendeten Isolatorkörper enthielten annähernd 85 bis 95% Aluminiumoxyd und wurden zu harten, erosionsbeständigen Körpern gebrannt, die jedoch einige Prozent Fehlstellen aufwiesen. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß hier und überall, wo von Prozenten bzw. Teilen gesprochen wird, Gewichtsprozente bzw. Gewichtsteile gemeint sind.The invention relates to a method for producing an electrically conductive surface on an im essential insulator made of aluminum oxide, especially for jet engine igniters where on the desired surface area a copper-containing coating is applied and this is subjected to a temperature treatment. It is common practice to place a semiconducting material between and in contact with the electrodes of a Provide jet engine ignition device to reduce the response or threshold voltage that is necessary to induce a spark between the electrodes. Used in some cases one is a disk of semiconducting material that is inserted between and in abutment with the electrodes was, while in still other cases a thin coating, also referred to as a cast coating, on one electrical insulator body of the type was used that a thin semiconducting layer of the coating meets the gap between the electrodes of the ignition device and bridges it. The essentially insulator bodies used in all cases contained approximately 85 to 95% aluminum oxide and were made Fired to hard, erosion-resistant bodies, which, however, had a few percent defects. In this In connection with this, it should be pointed out that here and everywhere where percentages or parts are spoken of is, percentages by weight or parts by weight are meant.
Die bisher verwendeten Begußüberzüge wiesen ein Oxyd entweder von Eisen oder Kupfer als elektrisch leitenden Bestandteil auf. Diese Bestandteile wurden gewöhnlich mit einem oder mehreren anderen Oxyden gemischt. Beispiele derartiger Begußüberzüge sind in dem USA.-Patent 2 294 756 beschrieben. Bei den bekannten Verfahren werden die Begußüberzüge in Anwesenheit eines oxydierenden Mediums innerhalb eines Temperaturbereiches von 1000 bis 15000C gesintert. Hierbei entsteht lediglich auf der Oberfläche des Isolatorkörpers in der Umgebung der ZündvorrichTung ein elektrisch leitender überzug. Dieser ist weich und orodiert schnell, so daß keine ausreichende Lebensdauer sichergestellt ist. Eines der häufigst verwendeten Materialien enthielt Kupferoxyde gemischt mit einem geringeren Prozentsatz entweder von Chromoxyd oder Eisenoxyd oder ein Gemisch von beiden. In einigen Fällen wurde Kupferpulver mit Chromoxyd oder Eisenoxyd gemischt und zu einer Aufschwemmung aufbereitet und als solche auf dem Isolatorkörper aufgebracht und in einer oxydierenden Atmosphäre gebrannt, um Kupferoxyd in situ zu erzeugen. The cast coatings previously used had an oxide of either iron or copper as an electrically conductive component. These ingredients have usually been mixed with one or more other oxides. Examples of such cast coatings are described in U.S. Patent 2,294,756. In the known method, the Begußüberzüge be sintered an oxidizing medium within a temperature range from 1000 to 1500 0 C in the presence of. This creates an electrically conductive coating only on the surface of the insulator body in the vicinity of the ignition device. This is soft and erodes quickly, so that a sufficient service life is not ensured. One of the most commonly used materials contained copper oxides mixed with a minor percentage of either chromium oxide or iron oxide or a mixture of both. In some cases copper powder was mixed with chromium oxide or iron oxide and processed into a suspension and applied as such to the insulator body and fired in an oxidizing atmosphere to produce copper oxide in situ.
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Verwendet man ein halbleitendes Material zur sich am Nasenende des Isolators 15 und ist mit demIf you use a semiconducting material at the nose end of the insulator 15 and is with the
überbrückung des Funkenspaltes auf einer Zündvor- Bezugszeichen 18 bezeichnet.Bridging the spark gap on an ignition pre-reference numeral 18 denotes.
richtung, dann erodiert dieses Material selbstverständ- Die elektrische Halbleiterschicht 18 liefert eine das lieh weg. Scheiben merklicher Dicke weisen so viel Nasenende 19 der Mittelelektrode 17 und eine Masse-Material auf, daß es vergleichsweise lange dauert, 5 elektrode 20 an der Hülse 12 verbindende elektrische bis sie aberodiert sind, jedoch hat sich gezeigt, daß Bahn. Wird eine vergleichsweise niedrige Spannung die für eine lange Betriebsdauer erforderliche Dicke aufweisende Ladung auf die Mittelelektrode der Zündder Scheiben den Elektrizitätsfluß nicht auf die Ober- vorrichtung 11 beispielsweise von einem Kondensafläche des Halbleiters beschränkt, so daß ein zu hoher tor aus aufgebracht, dann entsteht eine hochenerge-Stromfluß vor dem Zünden erforderlich ist. Es wurde 10 tische elektrische Entladung längs der Oberfläche der außerdem festgestellt, daß die bisher verwendeten Be- halbleitenden Schicht 18. Der elektrische Widerstand gußüberzüge weich zu werden beginnen, so daß sie der Schicht 18 hängt im allgemeinen von ihrer Dicke schneller aberodieren, ohne daß sich eine brauchbare sowie von dem Material ab, aus dem sie hergestellt ist. Betriebszeit ergibt. Der Widerstand nimmt ab, wenn die Schichtdicke zu-direction, then this material naturally erodes. The electrical semiconductor layer 18 provides a das borrowed away. Discs of noticeable thickness have so much nose end 19 of center electrode 17 and a ground material on that it takes a comparatively long time, 5 electrode 20 to the sleeve 12 connecting electrical until they are eroded, however, it has been shown that orbit. Will be a comparatively low voltage the thickness of the charge on the center electrode of the igniter, which is necessary for a long service life Do not disconnect the flow of electricity onto the upper device 11, for example from a condensation surface of the semiconductor is limited, so that too high a gate is applied, then a high-energy current flow occurs before ignition is required. There was 10 tables of electrical discharge along the surface of the also found that the previously used semiconducting layer 18. The electrical resistance Cast coatings begin to soften so that the layer 18 depends generally on its thickness erode faster without a usable one and the material from which it is made. Operating time results. The resistance decreases when the layer thickness increases.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein 15 nimmt. Die Dicke der Schicht 18 läßt sich durch dieThe invention is based on the task of a 15 takes. The thickness of the layer 18 can be determined by the
Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Art ihrer Herstellung steuern.Control methods of making an electrically conductive type of manufacture.
Oberfläche auf einem Isolator anzugeben, die gegen Nachfolgend wird ein geeignetes Verfahren zurThe following is a suitable method for specifying the surface on an insulator
Zünderosion möglichst widerstandsfähig ist. Herstellung dieser Schicht an Hand des folgendenIgnition erosion is as resistant as possible. Making this layer on the basis of the following
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- Beispieles näher erläutert,According to the invention, this object is explained in more detail by way of example,
löst, daß die Zeit sowie die Temperatur der Berührung 20 . .solves that the time as well as the temperature of the touch 20. .
zwischen dem überzug und der Oberfläche des Iso- Beispiel Ibetween the coating and the surface of the ISO Example I
lators derart geregelt werden, daß auch unter dessen Eine bevorzugte Ausführungsform einer Zündvor-lators are controlled in such a way that even under its A preferred embodiment of an ignition
Oberfläche eine elektrisch leitende Phase entsteht. richtung wurde unter Verwendung eines vorherge-Surface an electrically conductive phase is created. direction was determined using a previous
Dies ist der Fall, wenn die Temperatur etwa zwischen brannten keramischen Isolators 95 aus annäherndThis is the case when the temperature is roughly between burned ceramic insulator 95 from approximately
1315 und 1485° C liegt. In einer bevorzugten Ausfüh- 25 92% Al2O3 hergestellt, der auf annähernd 95% der1315 and 1485 ° C. In a preferred embodiment, 92% Al 2 O 3 made up to approximately 95% of the
rungsform der Erfindung wird die Oberfläche des theoretischen Dichte gebrannt worden war. EinApproximate form of the invention is the surface of the theoretical density had been fired. A
Aluminiumisolatorkörpers mit einem Schlamm über- überzug mit den folgenden Materialien wurde durchAluminum insulator body with a slurry coating with the following materials was made by
zogen, der einen kleineren Anteil an Aluminium und Mischen mit einer gleichen Menge Wasser hergestelltdrew that made a smaller proportion of aluminum and mixing it with an equal amount of water
einen größeren Anteil an einem Oxyd enthält, das ein und auf die untere Abschlußoberfläche des Isolators 15contains a larger proportion of an oxide which is a and on the lower end surface of the insulator 15
elektrisch leitendes Aluminat mit dem Aluminium 30 aufgepinselt,electrically conductive aluminate brushed with aluminum 30,
des Isolatorkörpers bildet. Der überzogene Körper „ f . „ , 7ft1t/ of the insulator body. The coated body “ f . ", 7ft1t /
wird sodann erhitzt, so daß sich in dem Isolator unter Kupfermetallpulver 70,2/0is then heated so that in the insulator under copper metal powder 70.2 / 0
seiner Oberfläche eine dichte elektrisch leitende Alu- cnromoxyd . /,» /0its surface is a dense, electrically conductive aluminum oxide. /, »/ 0
minatschicht bildet. Aluminiumoxyd 20,0%minate layer forms. Aluminum oxide 20.0%
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich 35 'Further refinements of the invention result from 35 '
aus den Unteransprüchen. Der Isolator mit dem überzug aus der obenfrom the subclaims. The insulator with the coating from the top
Die erfindungsgemäße Schicht ist wesentlich korn- beschriebenen Schicht wurde durch einen Ofen geführt,The layer according to the invention is essentially grain-described layer was passed through an oven,
pakter und beständiger als die bei den bekannten dessen Innentemperatur auf 137O0C in einer Weisemore compact and stable than the known ones whose internal temperature is 137O 0 C in a way
Verfahren gewonnene, außerhalb des Isolatorkörpers gehalten wurde, daß der Isolator in der Heißzone desThe method obtained, outside of the insulator body was kept that the insulator in the hot zone of the
liegende Schicht. 40 Ofens 10 Minuten lang gehalten werden konnte. Denlying layer. 40 oven could be held for 10 minutes. The
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich vorteil- überzogenen Isolator lies man anschließend aufThe method according to the invention can be advantageously coated insulator then left on
hafterweise auch bei der Herstellung von Zündkerzen Zimmertemperatur abkühlen, pinselte einen anderenIt was also liable to cool room temperature when making spark plugs, another brushed
für Motoren von Kraftfahrzeugen sowie für Strahl- überzug auf dem oben beschriebenen Material auffor engines of motor vehicles as well as for jet coating on the material described above
triebwerke für Flugzeuge anwenden. und brannte den erneut überzogenen Isolator für dieuse engines for aircraft. and burned the recoated insulator for the
Bei letzteren ist das elektrisch leitende Material 45 gleiche Zeit und bei der gleichen Temperatur. Den
schweren mechanischen und thermischen Schockbe- überzogenen Isolator lies man erneut auf Zimmeranspruchungen
sowie korrosiven Atmosphären und temperatur abkühlen und brachte einen dritten überabwechselnd
reduzierenden und oxydierenden Be- zug aus dieser Aufschwemmung auf. Auch dieser dritte
dingungen ausgesetzt. Zum besseren Verständnis überzug wurde in der gleichen Weise wie die beiden
der Erfindung soll diese zuerst im Zusammenhang mit 50 vorherbeschriebenen überzüge gebrannt,
einer Strahltriebwerkzündvorrichtung beschrieben In einem Entwicklungsprogramm wird eine große
werden, woran sich die Beschreibung einiger Abän- Anzahl von Prüflingen auf seine Zündfähigkeit gederungen
der Erfindung anschließt. prüft, wobei als Standardprüfling und eine Prüfan-In the latter, the electrically conductive material 45 is at the same time and at the same temperature. The heavy mechanical and thermal shock-coated insulator was allowed to cool down again to room demands as well as corrosive atmospheres and temperature, and a third alternating reducing and oxidizing reference was made from this suspension. Also exposed to these third conditions. For a better understanding, the coating was fired in the same way as the two of the invention, this is first fired in connection with the 50 previously described coatings,
a jet engine ignition device described In a development program will be a large one, followed by the description of some changes in the number of test items on its ignitability of the invention. tests, with the standard test item and a test
Die in der Zeichnung wiedergegebene Strahltrieb- Ordnung für die Zündprüfung jedes Isolatorkörpers werkzündvorrichtung ist mit dem Bezugszeichen 11 55 mit halbleitender Schicht vorhanden ist. Die verwendebezeichnet und weist eine dünne elektrisch halbleitende ten Prüflinge waren rohrförmige Körper mit einer Schicht auf, welche die beiden Elektroden überbrückt, Länge von 31,75 mm und einem Außendurchmesser um eine Bahn für die Entladung eines hochenergeti- von etwa 9 mm sowie einem Innendurchmesser von sehen Funkens zu liefern. Die Zündvorrichtung 11 ent- etwa 2,7 mm. Diese Isolatorkörper wurden aus dem hält eine Metallhülse 12 mit einem Schraubgewinde 13 60 gleichen Material hergestellt wie der Isolatorkörper 15 zum Einsetzen in die Verbrennungskammer, beispiels- und enthielten annähernd 92% Aluminiumoxyd. Es weise eines Strahltriebwerkes und mit einem Schraub- wurden Streifen verschiedenen Materials auf die ungewinde 14 zum Aufsetzen eines Zündkabels. Ein an tere Ringfläche der Prüfisolatoren aufgepinselt, die einem zweiten keramischen Isolator 16 befestigter man dann auf einer vorbestimmten Temperatur keramischer Isolator 15 ist in die Metallhülse 12 ein- 65 brannte. Jeder Isolator wurde auf Zimmertemperatur gedichtet, während in den Isolator 15 eine Mittelelek- abgekühlt, und man hat zweite und dritte Streifen auftrode 17 eingedichtet ist. Eine gemäß der Erfindung gebracht, wie oben beschrieben. Die Prüflinge mit hergestellte elektrisch halbleitende Schicht befindet den aufgebrachten und gebrannten Streifen wurdenThe jet drive order shown in the drawing for the ignition test of each insulator body Factory ignition device is provided with the reference number 11 55 with a semiconducting layer. The use denotes and has a thin electrically semiconducting th test specimens were tubular bodies with a Layer on which bridges the two electrodes, length of 31.75 mm and an outer diameter around a path for the discharge of a high energy of about 9 mm and an inner diameter of see spark deliver. The ignition device 11 is approximately 2.7 mm. These insulator bodies were made from the holds a metal sleeve 12 with a screw thread 13 60 made of the same material as the insulator body 15 for insertion into the combustion chamber, for example, and contained approximately 92% alumina. It In the manner of a jet engine and with a screw, strips of various materials were applied to the unthread 14 for attaching an ignition cable. An an tere ring surface of the test insulators brushed on, the a second ceramic insulator 16 was then attached at a predetermined temperature Ceramic insulator 15 is burned into metal sleeve 12. Each isolator was at room temperature sealed, while in the insulator 15 a central electrode cooled, and one has a second and third strip auftrode 17 is sealed. One brought according to the invention as described above. The test items with The electrically semiconducting layer produced is located on the applied and fired strips
dann in eine Zündkcrzenbefcstigung mit einer Miltclelektrode eingesetzt, deren Kopf unter Federspannung gegen das den gebrannten Streifen aufweisende Ende gedrückt wurde. Diese Anordnung wurde dann in ein Prüfgehäuse, mit einer Schulter: eingesetzt, die sich auf die Außenkante des gebrannten Streifens der Probe auflegte.. Es wurde ein Spalt von annähernd 1,2 mm zwischen dem Kopf der. Mittelelektiode, der Zündkerzenbefestigung und der Kante der Schulter des überzogenen Körpers hergestellt und die Versuchsproben wurden mit dem gebrannten überzogenen Ende nach oben weisend in eine Zündmaschine eingebaut. Man tropfte pro Minute JP4-Strahltriebwerkbrennstoff auf das Prüflingsende mit dem gebrannten Streifen und. erzeugte zwei Zündungen pro Sekunde über dieses Ende mit demgebrannten Streifen zwischen den Elektroden. Diese Zündungen wurden hergestellt durch Entladung eines 10 Mikrofaradkondensators, der mit 2000 Volt geladen war, so daß 20 Joules Energie während jeder Zündung verbraucht wurden.then into a spark plug holder with a dust electrode used, the head under spring tension against the end having the fired strip was pressed. This assembly was then inserted into a test case, with a shoulder: extending itself placed on the outer edge of the fired strip of the sample. There was a gap of approximately 1.2 mm between the head of the. Center electrode, the spark plug attachment and the edge of the shoulder of the coated body and the test samples were installed in a blasting machine with the burned coated end facing up. JP4 jet fuel was dripped every minute on the end of the test piece with the burned strip and. produced two ignitions per second over this end with the burned strip between the electrodes. These ignitions were made by discharging a 10 microfarad capacitor, which was charged with 2000 volts, so that 20 joules of energy were consumed during each ignition.
Fünf Prüflinge, die unter Verwendung des gleichen Streifens hergestellt und bei 1370°C gebrannt waren, ergaben eine durchschnittliche Lebenszeit von 57,7 Stunden. Das Brennen des obenerwähnten Streifens erfolgte in einer oxydierenden Atmosphäre, so daß sich das Kupfermetall in ein Kupferoxyd umwandelte, welches bei annähernd 10930C in erster Linie aus Kupferoxydul gebildet ist. Oberhalb dieser Brenntemperatur setzt sich Kupferoxydul offenbar mit dem Chromoxyd und dem Aluminiumoxyd unter Bildung von Aluminaten und Chromaten um. Eine Prüfung der Prüflinge nach dem Brennen zeigt, daß sehr wenig von dem Auftrag verbleibt und daß ein schwarzes Eindringband aus Kupferoxydul in den Aluminiumoxydisolatorkörper in unterschiedliche Tiefen eingedrungen ist, die in einigen Fällen bis zu 0,8 mm betragen. Es tritt ein geringes Anschwellen des Isolatorkörpers auf, und eine spektrographische Analyse zeigt, daß eine große Menge des Kupferoxyduls in der Oberflächenschicht des Isolators in einer mit Aluminiumoxyd und Chromsesquioxyd kombinierten Form vorliegt. Der elektrische Widerstand über die Elektroden bei dem Prüfling schwankt zwischen 30 und 40 000 Ohm, wie anfänglich erzeugt. Die Proben wurden in der oben beschriebenen Prüfmaschine für 7 Stunden lang bei Zimmertemperatur gezündet; die Proben wurden dann auf 5380C erhitzt, um die Kohlenstoffniederschläge zu entfernen. Dann wurden neue Elektroden auf diese Prüflinge aufgebracht, und es wurde die Ansprechspannung bestimmt. Wenn die zur Einleitung der Zündung erforderliche Ansprechspannung 1800VoIt bei einer Kapazität von 0,1 mF überschritt, wurde die Versuchsreihe abgebrochen und die fehlerhafte Probe ausgeschieden.Five specimens made using the same strip and fired at 1370 ° C gave an average life of 57.7 hours. The above-mentioned strip was burned in an oxidizing atmosphere, so that the copper metal was converted into a copper oxide which, at approximately 1093 ° C., is primarily formed from copper oxide. Above this firing temperature, copper oxide evidently reacts with chromium oxide and aluminum oxide to form aluminates and chromates. An examination of the test specimens after firing shows that very little remains of the application and that a black penetration tape made of copper oxide has penetrated the aluminum oxide insulator body to different depths, which in some cases are up to 0.8 mm. There is little swelling of the insulator body, and a spectrographic analysis shows that a large amount of the copper oxide is present in the surface layer of the insulator in a form combined with aluminum oxide and chromium sesquioxide. The electrical resistance across the electrodes on the device under test varies between 30 and 40,000 ohms, as initially generated. The samples were ignited in the test machine described above for 7 hours at room temperature; the samples were then heated to 538 ° C. in order to remove the carbon deposits. New electrodes were then applied to these specimens, and the response voltage was determined. If the response voltage required to initiate ignition exceeded 1800VoIt with a capacity of 0.1 mF, the test series was terminated and the defective sample was discarded.
Die Zeit und Temperatur, bei der ein mit einer überzugsmasse überzogener Isolatorkörper gebrannt wird, bestimmt die Tiefe,bis zu der das Kupferoxydul der Vergußmasse in den Isolator diffundiert, und bestimmt den Anteil des Aluminate, das relativ zum nichtleitenden Material gebildet wird, aus dem der Isolatorkörper hergestellt ist. Durch Regeln der Zeit und der Temperatur des Brennvorganges lassen sich deshalb Lagen verschiedenen Widerstandes erzeugen, und wenn der mit der Vergußmasse überzogene Isolatorkörper bei einer Temperatur unter annähernd 1316° C gebrannt wird, dann entsteht ein Begußüberzug auf dem Isolatorkörper ohne merkliche Diffusion des Kupferoxyduls in den Isolatorkörper. Für die meisten Zündvorrichtungsanwendungen ist es wünschenswert, wenn eine verhältnismäßig hohe Kupferoxydulkonzentration in einer dünnen dichten Schicht in der Nachbarschaft der Außenoberfläche des Isolators vorhanden ist, so daß die Oberfläche eine ziemlich hohe Leitfähigkeit aufweist und damit dicht und erosionsbeständig ist. Offenbar tritt eine merkliche Diffusion des Kupferoxyduls in den Isolatorkörper unter Bildung von Aluminaten und Chromaten unter annähernd 13160C nicht auf. Infolgedessen entsteht beim Brennen unterhalb dieser Temperatur ein Begußmassenüberzug auf der Oberfläche des Isolatorkörpers. Beim Brennen oberhalb dieser kritischen Temperatur ■ erfolgt eine Diffusion in dem Isolatorkörper mit einer Geschwindigkeit, die mit der Temperatur zunimmt. Eine zufriedenstellende Diffusionsgeschwindigkeit er- ' gibt sich bei etwa 1370° C, während eine zu hohe Diffusionsgeschwindigkeit oberhalb annähernd 148O0C entsteht. Wenn ein Begußmassenüberzug an Stelle einer Aluminat- oder Chromatschicht innerhalb der Oberfläche des Isolatorkörpers entsteht, dann resultiert daraus eine wesentliche verringerte Lebenszeit der Zündvorrichtung. Die Begußmassenüberzüge in der oben beschriebenen Form sind verhältnismäßig porös und weich und haben eine Lebensdauer, die nur ein Bruchteil derjenigen eines Isolatorkörpers mit ; einer guten dichten Schicht aus Aluminaten und Chromaten in der Nähe der Oberfläche des Isolatorkörpers aufweist. Dies zeigte sich durch folgendes Verfahren, welches zum Zwecke des Vergleiches und nicht in Übereinstimmung mit der Erfindung durchgeführt wurde.The time and temperature at which an insulator body coated with a coating compound is fired determines the depth to which the copper oxide of the potting compound diffuses into the insulator, and determines the proportion of aluminate that is formed relative to the non-conductive material from which the Isolator body is made. By regulating the time and temperature of the firing process, layers of different resistance can therefore be generated, and if the insulator body coated with the potting compound is fired at a temperature below approximately 1316 ° C, a cast coating is created on the insulator body without noticeable diffusion of the copper oxide into the Insulator body. For most igniter applications it is desirable to have a relatively high concentration of copper oxide in a thin, dense layer adjacent the outer surface of the insulator so that the surface has a fairly high conductivity and is therefore dense and erosion resistant. Apparently there is no noticeable diffusion of the copper oxide into the insulator body with formation of aluminates and chromates below approximately 1316 ° C. As a result, when firing below this temperature, a coating of casting compound is created on the surface of the insulator body. When burning above this critical temperature, diffusion takes place in the insulator body at a rate that increases with temperature. A satisfactory diffusion rate ER 'are at about 1370 ° C, while too high a diffusion rate is formed above approximately 148o C 0. If a casting compound coating instead of an aluminate or chromate layer arises within the surface of the insulator body, this results in a significantly reduced service life of the ignition device. The casting compound coatings in the form described above are relatively porous and soft and have a service life that is only a fraction of that of an insulator body ; a good dense layer of aluminates and chromates near the surface of the insulator body. This was evidenced by the following procedure, which was carried out for the purpose of comparison and not in accordance with the invention.
Eine Begußmasse, im folgenden als »Begußmasse Nr. 2« bezeichnet und aus 93% Kupfer, 5% Chromoxyd und 2% Kaolin bestehend, wurde auf einen Aluminiumoxydprüfisolator der oben näher beschriebenen Art aufgepinselt, der 92% Aluminiumoxyd enthielt.A casting compound, hereinafter referred to as "casting compound No. 2", made of 93% copper, 5% chromium oxide and 2% kaolin was tested on an alumina test insulator of the type described above Art brushed on that contained 92% alumina.
Der Isolator wurde mit dieser Begußmasse überzogen und anschließend bei 1150° C gebrannt. Dann wurde der Isolatorkörper abgekühlt und das Verfahren wiederholt, um zwei weitere zusätzliche Begußmassenüberzüge aufzubringen, die über eine Gesamtschichtdicke von annähernd 0,15 mm ergaben. Eine Prüfung mit dem Auge zeigte, daß der Isolator einen Begußmassenüberzug mit im wesentlichen keiner Diffusion des Materials, aus dem die Begußmasse bestand, in den Isolator aufwies. Dieser Isolatorkörper mit der so gebildeten Begußmasse wurde in der oben beschriebenen Weise geprüft und hatte eine Lebensdauer von nur annähernd 6 Stunden.The insulator was coated with this casting compound and then fired at 1150.degree. then the insulator body was cooled and the process repeated to add two additional coatings of casting compound to apply, which resulted in a total layer thickness of approximately 0.15 mm. An exam Visually indicated that the insulator had a grout coating with essentially no diffusion of the material from which the casting compound consisted in the insulator. This insulator body with the The casting compound thus formed was tested in the manner described above and had a service life of only approximately 6 hours.
Eine optimale Zündlebensdauer erhält man, wenn eine außerordentlich dichte Konzentration elektrisch leitender Kupferchromate, die in Aluminaten disper- j giert sind, in der Nähe der Oberfläche des Isolators j mit minimaler Diffusion des Isolatormaterials aus j der Oberfläche des Isolators erzeugt werden. Die oben angegebene Temperatur muß hoch genug sein, um Aluminate und Chromate zu erzeugen, und die Brennzeit muß so lange sein, damit das auf die Außenoberfläche des Isolatorkörpers aufgebrachte Oxyd durch so weite Diffusion in den Isolator erschöpft ist, daß ein poröser an Aluminaten und Chromaten armer Bereich verbleibt. Dies läßt sich durch folgende Versuche zeigen.An optimal ignition life is obtained when an extremely dense concentration electrical conductive copper chromates dispersed in aluminates near the surface of the insulator j can be generated with minimal diffusion of the insulator material from the surface of the insulator. the The temperature given above must be high enough to produce aluminates and chromates, and the Burning time must be long enough for the oxide applied to the outer surface of the insulator body is exhausted by so far diffusion into the insulator that a porous one is poorer in aluminates and chromates Area remains. This can be shown by the following experiments.
Zahlreiche Al2O3 Isolatoren der oben beschriebenen Art werden mit einer Begußmasse aus 88,3% Kupfer, 9,8% Chromoxyd und 1,9% Kaolin überzogen, dieNumerous Al 2 O 3 insulators of the type described above are coated with a casting compound of 88.3% copper, 9.8% chromium oxide and 1.9% kaolin, which
später als »Vergußmasse Nr. 3« bezeichnet werden soll. Die überzogenen Isolatoren werden für eine in Tabelle 1 wiedergegebene Zeit und auf die dort wiedergegebene Temperatur erhitzt. Dann wird jeder Isolator gekühlt. Es wird ein zweiter Begußmassenbelag aufgebracht, und der Isolator wird erneut bei der gleichen Temperatur für die gleiche Zeit wie beim Einbrennen des ersten Überzuges gebrannt. Dieses Verfahren wird ein drittes Mal wiederholt, und der fertigelater to be referred to as "potting compound no. 3". The coated insulators are used for an in Table 1 shown time and heated to the temperature shown there. Then everyone becomes an insulator chilled. A second casting compound coating is applied and the insulator is again used at the baked at the same temperature for the same time as when the first coating was baked. This method is repeated a third time, and the finished one
Isolatorkörper wird dann in der oben beschriebenen Weise geprüft. Obwohl sich ein beträchtlicher Unterschied in der Lebensdauer zwischen den bei einigen der höheren Temperaturen gebrannten Proben ergibt, zeigt ein Vergleich der durchschnittlichen Lebensdauer der bei den verschiedenen Zeiten und Temperaturen gebrannten Isolatoren, welche Lebenserwartung für einen Isolatorkörper bei einer bestimmten Temperatur und Zeit zu erwarten ist.The insulator body is then tested in the manner described above. Although there is a considerable difference results in the life between samples fired at some of the higher temperatures, shows a comparison of the average lifespan at different times and temperatures burned insulators, what life expectancy for an insulator body at a certain temperature and time is to be expected.
Dreifache Aufbringung und dreifaches Brennen
Stundenzündung bis zum Ausfall bei verschiedenen BrenntemperaturenTriple application and triple firing
Hour ignition until failure at different firing temperatures
Es hat sich gezeigt, daß die Konsistenz der Begußmasse die Ofenatmosphäre und andere Variablen die Lebensdauer für zu einer gegebenen Zeit produzierte Proben beeinflussen. Zur Durchführung genauer Vergleiche bei Herstellung einer Reihe von Prüflingen ist es deshalb notwendig, Kontrollprüflinge zu fahren, die bei vorher errechneten Zeiten und Temperaturen gebrannt wurden.It has been shown that the consistency of the casting compound affects the furnace atmosphere and other variables affect the service life for samples produced at a given time. To make more precise comparisons, see For the production of a number of test items, it is therefore necessary to run control test items that have been calculated in advance Times and temperatures were burned.
Tabellen zeigt die Ergebnisse anderer Reihen von Versuchen an Isolatorkörpern, die in der gleichen Weise wie oben im Zusammenhang mit den Prüflingen nach Tabelle I erwähnt hergestellt worden sind, jedoch für die Zeiten und Temperaturen nach Tabelle II gebrannt wurden. Tabelle II zeigt, daß man verbesserte Ergebnisse erhält, wenn die Isolatorkörper für nur annähernd 7 Minuten, jedoch bei einer Temperatur von 1482° C gebrannt wurden.Tables shows the results of other series of tests on insulator bodies carried out in the same manner as mentioned above in connection with the test items according to Table I, but for the Times and temperatures according to Table II were fired. Table II shows that one has improved results obtained when the insulator body is burned for only approximately 7 minutes, but at a temperature of 1482 ° C became.
■ LebensdauerAverage
■ Lifespan
2
31
2
3
14250C
1425°C1425 ° C
1425 0 C
1425 ° C
10 Min.
20 Min.6 min. + 40 sec.
10 min.
20 min.
5
55
5
5
29,6 Std.
25,0 Std.20.1 hours
29.6 hours
25.0 hours
5
64th
5
6th
1455°C
1455°C1455 ° C
1455 ° C
1455 ° C
10 Min.
20 Min.6 min. + 40 sec.
10 min.
20 min.
5
55
5
5
34,5 Std.
36,5 Std.23.9 hours
34.5 hours
36.5 hours
8
97th
8th
9
1482'C
1482'· C1482 '· C
1482'C
1482 '· C
10 Min.
20 Min.6 min. + 40 sec.
10 min.
20 min.
5
55
5
5
19,1 Std.
10,4 Std.
409 548/24948.2 hours
19.1 hours
10.4 hours
409 548/249
Andere Versuche haben gezeigt, daß ein einmaliges Aufbringen und Brennen einer Begußmasse zu einer Lebensdauer führt, die annähernd 2/3 der Lebensdauer beträgt, die man erreicht, wenn man eine dreifache Aufbringung und ein dreifaches Brennen der Begußmasse zur Erzeugung der Isolierkörper zur Anwendung bringt.Other experiments have shown that a single application and firing a Begußmasse leads to a life, is the approximately 2/3 of life, which can be achieved if one brings a threefold application and a triple firing the Begußmasse to produce the insulating body for use.
Bei einer Reihe anderer Versuche hat es sich als günstig herausgestellt, das gleiche Material, aus dem der Isolator besteht, in das kupferhaltige Material, das auf den Isolatorkörper aufgebracht wird, einzubauen. Kupferoxydul ist bei etwa 137O0C sehr flüssig, und die Viskosität des auf den Isolator aufgebrachten Materials nimmt beträchtlich durch Zusatz von Aluminiumoxyd zu. Der Zusatz von Aluminiumoxyd und Chromsesquioxyd trägt deshalb dazu bei, das Kupferoxyd zur Begünstigung eines gleichmäßigen Eindringens in den Isolatorkörper an seinem Platz zu halten. Außerdem vergrößert der Zusatz von Aluminiumoxydzuschlägen zu der Begußmasse die Dichte der Materialien, die auf der Oberfläche des Isolatorkörpers verbleiben, und damit ihre Widerstandsfähigkeit gegen Erosion.In a number of other attempts it has been found to be beneficial to incorporate the same material from which the insulator is made into the copper-containing material which is applied to the insulator body. Copper oxide is very liquid at about 137O 0 C, and the viscosity of the material applied to the insulator increases considerably with the addition of aluminum oxide. The addition of aluminum oxide and chromium sesquioxide therefore helps to hold the copper oxide in place to promote uniform penetration into the insulator body. In addition, the addition of aluminum oxide additives to the casting compound increases the density of the materials that remain on the surface of the insulator body, and thus their resistance to erosion.
Man hat Prüflinge durch Aufbringen von überzügen einer geeigneten Begußmasse auf Isolatorkörper in der oben beschriebenen Weise hergestellt, sie bei in Tabelle III angegebenen Temperaturen 10 Minuten lang gebrannt und die Überzugs- und Brennstufen insgesamt 3mal wiederholt. Die überzüge waren zusammengesetzt aus der »Begußmasse Nr. 3« und der »Begußmasse Nr 3 + « mit unterschiedlichen Mengen an Aluminiumoxyd. Die verwendeten Zusammensetzungen und die durchschnittliche Lebensdauer in Stunden sind in Tabelle III wiedergegeben.Test specimens are obtained by applying coatings of a suitable casting compound to the insulator body prepared in the manner described above, at the temperatures given in Table III for 10 minutes baked for a long time and repeated the coating and baking steps a total of 3 times. The covers were composed from "Casting Compound No. 3" and "Casting Compound No. 3 +" with different amounts of aluminum oxide. The compositions used and the average lifespan in Hours are given in Table III.
3535
4040
4545
temperaturBrenn
temperature
100 Teile + 5 Teile
Aluminiumoxyd Casting No. 2
100 parts + 5 parts
Aluminum oxide
100 Teile + 10 Teile
Aluminiumoxyd Casting No. 2
100 parts + 10 parts
Aluminum oxide
100 Teile+ 15 Teile
Aluminiumoxyd Casting No. 2
100 parts + 15 parts
Aluminum oxide
100 Teile + 20 Teile
Aluminiumoxyd Casting No. 2
100 parts + 20 parts
Aluminum oxide
5555
6060
Kupferoxydul ist in Luft bei Temperaturen bis annähernd 10260C stabil, bei welcher Temperatur es in den Kupferzustand dissoziiert. Kupferoxyd ist stabil oberhalb 1026°C und schmilzt bei 1235°C. Kupferoxydul vereinigt sich mit Al2O3 unter Bildung von Spinol, der unterhalb annähernd 9000C stabil ist.Cuprous oxide is stable in air at temperatures up to approximately 1026 0 C, at which temperature it dissociates into the copper state. Copper oxide is stable above 1026 ° C and melts at 1235 ° C. Cuprous oxide combines with Al 2 O 3 to form Spinol which is stable below approximately 900 0 C.
Oberhalb annähernd 9000C bildet sich ein Kupferaluminat mit der Formel CuAlO2. Es scheint daher, daß die Anwesenheit von Al2O3 die Temperatur senkt, bei der ein übergang von Kupferoxydul zum Kupferoxyd erfolgt.Above approximately 900 0 C, a copper aluminate constitutes the formula CuAlO. 2 It therefore appears that the presence of Al 2 O 3 lowers the temperature at which a transition from copper oxide to copper oxide takes place.
Bei Temperaturen oberhalb annähernd 1165° C bildet sich eine Flüssigkeit, die hauptsächlich aus Cu2O besteht. Diese Flüssigkeit kann in Gleichgewicht sein mit CuAlO2, und zwar abhängig von der Menge des Al2O3 im Gemisch. Oberhalb annähernd 12600C zerfällt CuAlO2 in Al2O3 und eine kupferoxydreiche Schmelze. Es scheint daher, daß Cu2O mit dem AIu-: miniumoxyd des Isolatorkörpers verfließt und rasch unter die Oberfläche des Isolatorkörpers wandert.At temperatures above approximately 1165 ° C, a liquid is formed that consists mainly of Cu 2 O. This liquid can be in equilibrium with CuAlO 2 , depending on the amount of Al 2 O 3 in the mixture. Above approximately 1260 0 C decomposes CuAlO 2 in Al 2 O 3 and a melt kupferoxydreiche. It therefore appears that Cu 2 O flows with the aluminum oxide of the insulator body and quickly migrates under the surface of the insulator body.
Es hat sich gezeigt, daß die Anwesenheit von Chrom-' sesquiocyd bei Zugabe zu dem auf den Isolatorkörper aufgebrachten Material die leitende Phase stabilisiert, die gebildet wird, so daß der Widerstand des so gebildeten Körpers sich nicht merklich bei Benutzung bei einer Temperatur von etwa 8700C ändert. Es scheint, daß Chromsesquioxyd eine starke Affinität zum Kupferoxydul vermutlich unter Bildung von CuCrO2 hat und daß die große Größe der Chromsesquioxydmoleküle das Chromsesquioxyd daran hindert, merklich in den Aluminiumoxydisolatorkörper zu diffundieren oder zu wandern, und daher das Kupferoxydul auf der Oberfläche und an seinem Platz hält. Es kann audh sein, daß das Chromsesquioxyd die Ubergangstemperatur von Kupferoxydul in Kupferoxyd heruntersetzt.It has been found that the presence of chromium sesquiocide, when added to the material applied to the insulator body, stabilizes the conductive phase that is formed, so that the resistance of the body so formed does not noticeably increase when used at a temperature of about 870 0 C changes. It appears that chromium sesquioxide has a strong affinity for copper oxide, presumably with the formation of CuCrO 2 , and that the large size of the chromium sesquioxide molecules prevents the chromium sesquioxide from noticeably diffusing or migrating into the alumina insulator body and therefore the copper oxide on the surface and in its place holds. It may also be that the chromium sesquioxide lowers the transition temperature from copper oxide to copper oxide.
In jedem Falle hat sich gezeigt, daß mehr als ein Begußüberzug gebildet wird, wenn man Kupfer oder eine Kupferverbindung, die ein Gleichgewicht. mit Sauerstoff bei erhöhten Temperaturen herstellt, auf einen Aluminiumoxydisolatorkörper aufbringt und bei Temperaturen zwischen annähernd 1370 und 1485° C in einer oxydierenden Atmosphäre für einen gesteuerten kurzen Zeitraum brennt, der die Kupferoxyddiffusion auf annähernd 0,25 mm der Isolatoroberfläche und vorzugsweise weniger als 0,125 mm dieser Oberfläche hält. Außerdem hat sich gezeigt, daß die Anwesenheit von Chromsesquioxyd merklich die Widerstandsänderungen der elektrisch leitenden Schichten bei Temperaturen oberhalb 8700C und sogar bei Temperaturen bis zu 11000C verhindert.In any case, it has been found that more than one cast coating is formed when using copper or a copper compound which is in equilibrium. with oxygen at elevated temperatures, applies to an aluminum oxide insulator body and burns at temperatures between approximately 1370 and 1485 ° C in an oxidizing atmosphere for a controlled short period of time, which the copper oxide diffusion on approximately 0.25 mm of the insulator surface and preferably less than 0.125 mm of this Surface lasts. In addition, it has been found that the presence of Chromsesquioxyd remarkably prevents the changes in resistance of the electrically conductive layers at temperatures above 870 0 C and even at temperatures up to 1100 0 C.
Zur Bestimmung der Wirkung von Chrom und Aluminium wurden 6 Prüflinge der oben beschriebenen Art aus den Zusammensetzungen nach Tabelle IV hergestellt. In jedem Falle wurden 2% Kaolin eingebaut, während die Prozentsätze an Cr2O3 oder Al2O3 denjenigen nach der Tabelle entsprachen und der Rest ein Kupferpulver war. Begußmassen aus diesen Zusammensetzungen wurden in einem Band auf die zylindrische Außenoberfläche der Aluminiumoxydisolatorkörper der oben beschriebenen Art aufgepinselt, und die überzogenen Körper wurden dann 10 Minuten lang bei der angegebenen Temperatur gebrannt. Dann wurde ein zweiter Uberzung aus der gleichen Begußmasse über das erste Band aufgebracht und der überzogene Körper erneut bei der angegebenen Temperatur gebrannt, worauf man einen dritten überzug aufbrachte und in der gleichen Weise brannte. Der Widerstand wurde gemessen durch Einklemmen der behandelten Oberfläche der Proben zwischen flache Platten und Messung des Widerstandes dazwischen mit einem 500 Volt-Ohm-Meßgerät. Der durchschnittlich für die 6 Prüflinge gemessene Widerstand ist in Tabelle IV wiedergegeben.To determine the effect of chromium and aluminum, 6 test specimens of the type described above were produced from the compositions according to Table IV. In each case 2% kaolin was incorporated, while the percentages of Cr 2 O 3 or Al 2 O 3 corresponded to those according to the table and the remainder was a copper powder. Molding compounds made from these compositions were brushed in a tape onto the cylindrical outer surface of the aluminum oxide insulator bodies of the type described above, and the coated bodies were then baked for 10 minutes at the specified temperature. Then a second coating of the same casting compound was applied over the first band and the coated body was fired again at the specified temperature, whereupon a third coating was applied and fired in the same way. Resistance was measured by sandwiching the treated surface of the samples between flat plates and measuring the resistance therebetween with a 500 volt ohm meter. The average resistance measured for the 6 specimens is shown in Table IV.
11 1211 12
Tabelle IV
Widerstand nach dreimalig gebranntem überzug (K-Ohm)Table IV
Resistance after three-time firing of the coating (K-Ohm)
*) Weniger als 6 Proben in diesem Durchschnittswert.*) Less than 6 samples in this average value.
Aus den oben angegebenen und anderen Versuchen ergab sich, daß Chromsesquioxyd zwischen 3 und 30% der Festkörper ausmachen sollte, die auf die Isolatoren aufgebracht werden, wobei die Werte vorzugsweise zwischen 5 und 20% und aus wirtschaftlichen Gründen vorzugsweise bei etwa 10% liegen sollten. Diese Versuche zeigen auch, daß Aluminiumoxydzusätze die Lebensdauer des fertigen Gegenstandes verbessern. Verbesserte Ergebnisse erzielt man auch, wenn das Aluminiumoxyd zwischen annähernd 10% und 50 Gewichtsprozent Festkörper enthält. Es zeigt sich jedoch, daß man keine Vorteile erhält, wenn man mehr als annähernd 30 Gewichtsprozent Aluminiumoxyd verwendet, und optimale Ergebnisse zeigen sich offenbar, wenn das Aluminiumoxyd annähernd 20% des Feststoffgemisches ausmacht. Geringere Prozentsätze anderer Materialien kann man verwenden, ohne das Cu2O-Al2O3- und Cu2O-Cr2O3-Phasenverhältnis nachteilig zu verschieben, außerdem können beträchtliche Mengen von Materialien, die die Phasenverhältnisse nicht verschieben, eingelagert werden, ohne daß der synergistische Effekt aufgehoben wird. Man erhielt die Bestätigung dadurch, daß man große Mengen von Aluminiumoxyd in den Festmaterialien verwenden kann, die man auf die Aluminiumoxydisolatorkörper aufbringt, ohne daß die Brauchbarkeit des gebrannten Isolators merklich reduziert wird. Obwohl Aluminiumoxyd nicht inert ist, ist es das gleiche Material, wie das Material, aus dem der Isolator hergestellt wird und wirkt unter anderem als Verdünnungsmittel.From the above and other experiments it was found that chromium sesquioxide should constitute between 3 and 30% of the solids which are applied to the insulators, the values preferably being between 5 and 20% and, for economic reasons, preferably around 10%. These experiments also show that alumina additions improve the life of the finished article. Improved results are also achieved when the aluminum oxide contains between approximately 10% and 50% by weight of solids. It appears, however, that there is no benefit to using more than approximately 30 percent by weight of alumina, and optimum results appear to be obtained when the alumina is approximately 20 percent of the solids mixture. Lower percentages of other materials can be used without adversely shifting the Cu 2 O-Al 2 O 3 and Cu 2 O-Cr 2 O 3 phase ratios, and considerable amounts of materials that do not shift the phase ratios can be incorporated, without the synergistic effect being canceled. It has been confirmed that large amounts of alumina can be used in the solid materials applied to the alumina insulator bodies without noticeably reducing the usefulness of the fired insulator. Although alumina is not inert, it is the same material as the material the insulator is made of and acts as a diluent, among other things.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
Claims (10)
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-
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 |