DE19803594A1 - Metallteil-Verbindungsstruktur, Metallteil-Verbindungsverfahren, keramische Heizvorrichtung und Herstellungsverfahren für keramische Heizvorrichtung - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbindungsstruktur für einen Teil aus hochschmelzendem Metall, der durch beispielsweise Schweißen schwer zu ver­ binden ist, ein Metallteil-Verbindungsverfahren, eine keramische Heizvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Heizvorrichtung.

Ein bekanntes Beispiel einer Glühkerze und dergleichen zur Zündung verschiedener Heizer und Brenner und zum Hilfs-Anlassen eines Dieselmotors verwendet eine ke­ ramische Heizvorrichtung, die aus einem keramischen Hochtemperaturheizungs-Sin­ terkörper hergestellt ist.

Beispielsweise offenbart die japanische Patentoffenlegung Nr. 55-126989 eine ke­ ramische Heizvorrichtung dieses Typs, in der ein hochschmelzendes Metall wie Wolfram (W) oder eine Wolfram-Rhenium-Legierung (W-Re) als Heizelement ver­ wendet und in einer isolierenden Siliciumnitrid-Keramik, die ausgezeichnete Oxidati­ onsbeständigkeit und Hitzeschockbeständigkeit aufweist, eingebettet wird.

In dieser herkömmlichen keramischen Heizvorrichtung muß ihr distaler End-Abschnitt als Hochtemperaturheizteil fungieren. Zu diesem Zweck wird ein als Heizelement dienender Metallteil am distalen Endabschnitt der Heizvorrichtung an­ gebracht. Ein Ende des Metallteils wird um ein Ende einer Leitung herumgewickelt oder ein gerader Teil eines Endes der Leitung wird in einen Spiralteil des Metallteils eingebracht. Der Metallteil und die Leitung werden in ein Keramikpulver gegeben und gesintert, um sie in den keramischen Sinterkörper einzubetten.

In der durch das obige Verfahren hergestellten keramischen Heizvorrichtung wird die elektrische Verbindung am Verbindungsstück zwischen dem Metallteil und der Leitung instabil, wenn beim Verbinden des als Heizelement dienenden Metallteils, der in dem keramischen Sinterkörper eingebettet werden soll, mit der Leitung, der Metallteil, der als Heizelement dient, um den geraden Teil der Leitung herumgewic­ kelt wird oder der gerade Teil der Leitung in den Spiralteil des Metallteils einge­ bracht wird. Der obige Wickel-Vorgang macht eine automatisches Montage des Metallteils und der Leitung schwierig. Dementsprechend werden sie von Hand zu­ sammengebaut, was zu hohen Kosten führt.

Bei der Verwendung eines hochschmelzenden Metalls kann ein Verbindungsverfah­ ren unter Verwendung eines anderen Bestandteils, wie Löten, nicht verwendet wer­ den. Das hochschmelzende Metall kann durch Schweißen, das darin besteht, daß nur ein Grundmaterial geschmolzen und das hochschmelzende Metall angefügt wird, nicht verbunden werden. Es gibt kein anderes Mittel zur Verbindung als das obige, so muß jegliche Maßnahme ergriffen werden.

Beispielsweise offenbart die japanische Patentoffenlegung Nr. 58-110919 eine ke­ ramische Heizvorrichtung in einer Dieselmotor-Glühkerze, in der ein Metallteil, der als ein Kontrollelement zur Kontrolle eines Versorgungsstroms zum Heizelement dient, mit einem Metallteil, der als Heizelement am distalen Endabschnitt der Heiz­ vorrichtung fungiert, hintereinandergeschaltet und in einem keramischen Sinterkör­ per eingebettet ist. Ferner ist auch eine andere keramische Heizvorrichtung be­ kannt, in der zwei Typen von Metallteilen, die wie das oben beschriebene als Kon­ trollelemente dienen, hintereinandergeschaltet sind, um den Versorgungsstrom zum Heizelement wirksamer zu kontrollieren.

In der keramischen Heizvorrichtung mit einer solchen Struktur wird jedoch das obige Problem in bezug auf das Verbinden des Metallteils ernster, da eine Vielzahl von Arten von Metallteilen, die als Heiz- und Kontrollelemente dienen, hintereinanderge­ schaltet und an Leitungen angeschlossen werden muß. Insbesondere ist, da die keramische Heizvorrichtung einen Teil aus hochschmelzendem Metall verwendet, ein stabiler Verbindungszustand des hochschmelzenden Metalls durch Schweißen schwierig zu erhalten.

Die oben beschriebene Verbindung von Metallteilen ist nicht nur in der keramischen Heizvorrichtung, sondern auch in verschiedenen elektrischen Vorrichtungen erfor­ derlich, und die obigen Probleme müssen berücksichtigt werden. Beispielsweise tritt beim Verbinden eines Drahtes aus hochschmelzendem Metall, wie des Fadens ei­ ner Glühbirne oder eines Elektronenmikroskops, mit einer Leitung das gleiche Pro­ blem wie bei der keramischen Heizvorrichtung ebenfalls auf, und jegliche Maßnah­ me muß ergriffen werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist deshalb das Hauptziel der vorliegenden Erfindung, eine Metallteil-Ver­ bindungsstruktur, die eine geringere Anzahl an Bestandteilen verwendet und stabile elektrische Kennwerte aufweist, ein Metallteil-Verbindungsverfahren, eine keramische Heizvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Heizvorrichtung zu schaffen.

Es ist weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Metallteil-Verbindungsstruktur, die zum Verbinden z. B. von Teilen aus hochschmelzendem Metall geeignet ist, ein Metallteil-Verbindungsverfahren, eine keramische Heizvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung keramischer Heizvorrichtungen zu schaffen.

Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Metallteil-Ver­ bindungsstruktur, bei der ein Metallteil durch ein einfaches Verfahren unter Ver­ wendung eines bekannten Mittels, ohne irgendeinen speziellen Einzelbestandteil zu verwenden, verbunden werden kann, und bei der die elektrischen Kennwerte der Verbindung stabil sind, ein Metallteil-Verbindungsverfahren, eine keramische Heiz­ vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung keramischer Heizvorrichtungen zu schaffen.

Um die obigen Ziele zu erreichen, wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung eine Metallteil-Verbindungsstruktur zum Verbinden von wenigstens zwei Me­ tallteilen geschaffen, die einen keramischen Sinterkörper mit einem Verbindungsteil umfaßt, in dem die beiden Metallteile in einer durch Sintern geschrumpften Verbin­ dungsbohrung angeordnet sind und in der wenigstens die distalen Enden der Me­ tallteile einander überlappen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Metallteil-Ver­ bindungsverfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Metallteilen in einer Verbindungsstruktur geschaffen, das die Schritte des Einbringens wenigstens der beiden Metallteile in eine in einem Keramikteil gebildete Verbindungsbohrung und Sintern der beiden Metallteile, während wenigstens die distalen Enden der Metall­ teile einander überlappen, umfaßt, wodurch ein Verbindungsteil zur Verbindung der überlappenden distalen Enden der Metallteile durch Schrumpfen des Keramikteils erhalten wird.

Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine kerami­ sche Heizvorrichtung mit wenigstens einem als Heizelement fungierenden Metallteil und Leitungs-Metallteilen geschaffen, die mit zwei Enden des Metallteils verbunden sind, die in einer isolierenden Keramik eingebettet sind, die einen keramischen Sin­ terkörper umfaßt, in dem ein Verbindungsteil in der isolierenden Keramik eingebettet ist, während der Metallteil und die Leitungsteile in durch Sintern geschrumpften Ver­ bindungsbohrungen angeordnet sind, und wenigstens die distalen Enden des Me­ tallteils und der Leitungsteile einander überlappen.

Gemäß einem noch anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Heizvorrichtung mit wenigstens einem Metallteil, der als Heizelement fungiert, und Leitungen, die mit zwei in einer isolierenden Ke­ ramik eingebetteten Enden des Metallteils verbunden sind, geschaffen, das die Schritte des Einbringens des Metallteils und der Leitungsteile in Durchgangs-Ver­ bindungsbohrungen eines Keramikteils und Einbetten des Metallteils und der Leitungsteile in einem Keramikpulver und Sintern des Metallteils und des Leitungs­ teils, während die distalen Enden des Metallteils und der Leitungsteile einander überlappen, umfaßt wodurch durch Schrumpfen des Keramikteils ein Ver­ bindungsteil zur Verbindung der überlappenden distalen Enden des Metallteils und der Leitungsteile erhalten wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die eine Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2A, 2B und 2C sind perspektivische Ansichten zur Erläuterung eines Metallteil-Verbindungsverfahrens gemäß der vorliegen­ den Erfindung;

Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die eine Abwandlung des Metall­ teil-Verbindungsverfahrens in Fig. 1 zeigt;

Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die eine Ausführungsform einer keramischen Heizvorrichtung und eines Herstellungsver­ fahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 4A ist eine Ansicht eines entlang der Linie 4A-4A in Fig. 4 ausgeführten Schnitts;

Fig. 5 ist eine Schnittansicht einer Dieselmotor-Glühkerze, die die keramische Heizvorrichtung in Fig. 4 verwendet;

Fig. 6A und 6B sind Schnittansichten der keramischen Heizvorrichtung in Fig. 4;

Fig. 7 ist eine Schnittansicht, die eine andere Ausführungsform einer keramischen Heizvorrichtung und eines Herstel­ lungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und

Fig. 8 ist eine Schnittansicht, die noch eine andere Ausfüh­ rungsform einer keramischen Heizvorrichtung und eines Herstellungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfin­ dung zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 1, 2A, 2B und 2C zeigen ein Metallteil-Verbindungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In den Fig. 1, 2A, 2B und 2C bezeich­ nen die Bezugszahlen 1 und 2 zwei Metallteile, die miteinander verbunden werden sollen. Beispiele für die Metallteile 1 und 2 sind ein Wolfram-Draht (W-Draht), ein Draht aus Wolfram-Rhenium-(3%)-Legierung (W-Re-Draht) und ein Molybdän-Draht (Mo-Draht), jeweils mit einem Schmelzpunkt von 2.000°C oder höher. Jeder Me­ tallteil ist nicht auf die Draht-Form beschränkt und kann eine Streifenform, eine Kombination aus einer Streifenform und einer Drahtform oder eine andere Form ha­ ben. Im einzelnen sind die Schmelztemperaturen dieser Metalle wie folgt.

Die Schmelztemperatur des W-Drahts beträgt etwa 3.400°C, die des W-Re-Drahts beträgt etwa 3.000°C, und die des Mo-Drahts beträgt etwa 2.620°C. Hochschmel­ zende Metalle mit einer solchen Schmelztemperatur sind Hafnium (etwa 2.230°C), Niob (2.450 °C) und Rhenium (etwa 3.180 °C). Die Drähte aus diesen hochschmel­ zenden Metallen können ebenfalls verwendet werden. Es ist zu beachten, daß diese Schmelztemperaturen lediglich Beispiele sind und sich selbstverständlich in Abhän­ gigkeit von ihren Legierungen und Zusammensetzungen ändern können.

Bezugszahl 3 bezeichnet einen Verbindungsteil, der zum Verbinden der Metallteile 1 und 2 verwendet wird und aus einer Rohkeramik (Keramik-Rohkörper) oder einer bis zu einem gewissen Grad gesinterten Keramik hergestellt ist. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird der Verbindungsteil 3 zu einem dünnen runden Stab geformt und weist in sei­ ner Mitte eine Verbindungsbohrung 3a auf. In diesem Fall ist die Form der Verbin­ dungsbohrung 3a beliebig, z. B. von kreisförmiger, elliptischer oder rechteckiger Ge­ stalt. Die Verbindungsbohrung 3a hat Abmessungen, die Überlappen der distalen Endabschnitte der beiden Metallteile erlauben.

Wie in Fig. 2A, 2B und 2C gezeigt, werden die Metallteile 1 und 2 in die Bohrung 3a des Verbindungsteils 3 so eingebracht, daß wenigstens ihre distalen Endabschnitte einander überlappen. Diese Metallteile können von der gleichen Seite aus, wie in Fig. 2A gezeigt, oder von verschiedenen Seiten aus, wie in Fig. 2B und 2C gezeigt, eingebracht werden. Wenn die Metallteile 1 und 2 von der gleichen Seite aus einge­ bracht werden, wie in Fig. 2A gezeigt, kann die Verbindungsbohrung 3a eine Durch­ gangsbohrung oder Blindbohrung sein. Fig. 2B zeigt den Zustand, bei dem nur die distalen Endabschnitte der beiden Metallteile 1 und 2 einander überlappen, und Fig. 2C zeigt den Zustand, bei dem die Metallteile einander über den gesamten Bereich in der Achsrichtung innerhalb der Verbindungsbohrung 3a überlappen.

Durch Sintern des keramischen Verbindungsteils 3 durch Gasdruck-Sintern oder Heißpreß-Sintern, während die Metallteile 1 und 2 in der Bohrung 3a eingelagert sind und einander wenigstens teilweise überlappen, wird der ganze Verbindungsteil 3 durch Sintern geschrumpft, und die sich verbindenden Enden 1a und 2a der Me­ tallteile 1 und 2 werden innerhalb der Verbindungsbohrung 3a, wie in Fig. 1 gezeigt, miteinander druckverschweißt. Dementsprechend sind die beiden Metallteile 1 und 2 elektrisch vollständig miteinander verbunden.

Fig. 1 zeigt, wie ein massiver Sinterkörper geformt wird, indem der Verbindungsteil 3, der die Metallteile 1 und 2 auf die obige Weise enthält, in ein Keramikpulver 4, das von einem Rahmen F umgeben ist, gegeben wird und die ganze Struktur gesintert wird.

Obwohl das keramische Pulver mit dem Rahmen F in Fig. 1 gesintert wird, kann der Rahmen F beim Sintern entfernt werden, sofern er das Keramikpulver formen kann. Dies ist der Fall, da das Keramikpulver während des Formens durch ein Bindemittel seine Form aufrechterhalten kann.

Das Volumenverhältnis der durch Sintern geschrumpften Keramik 3 zu der Keramik 3 vor dem Sintern wird durch Experimente als etwa 70% lineare Schrumpfung be­ stätigt, wenn der Keramikteil roh ist, und als etwa 90% lineare Schrumpfung, wenn er gesintert war. Demnach können, wenn in Fig. 1 die verwendete Keramik 3 roh ist, die beiden Metallteile durch Schrumpfung der Keramik elektrisch verbunden werden, indem der Durchmesser der in der Keramik 3 geformten Bohrung größer als die Ge­ samtdicke der beiden Metallteile 1 und 2 beim Überlagern und kleiner als das 1,4- fache der Gesamtdicke eingestellt wird. Wenn die Keramik 3 gesintert worden ist, können die beiden Metallteile durch Schrumpfen der Keramik elektrisch verbunden werden, indem der Bohrungsdurchmesser größer als die Gesamtdicke der beiden Metallteile beim Überlappen und kleiner als das 1,1-fache der Gesamtdicke einge­ stellt wird.

Selbstverständlich ist die Sintertemperatur des Verbindungsteils, der die Drähte aus hochschmelzendem Metall enthält, niedriger als die Schmelztemperatur des ver­ wendeten hochschmelzenden Metalls.

Diese Sintertemperatur fällt in einen Temperaturbereich, der zum Sintern verschie­ dener ausgewählter Keramikmaterialien geeignet ist. Beispielsweise werden, wenn zwei Metallteile aus einem Oxid wie Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid hergestellt werden bestehen, diese selbst durch Sintern bei Atmosphärendruck zufriedenstel­ lend miteinander verbunden, und es wird eine zufriedenstellende Festigkeit erhalten. Wenn sie aus Siliciumnitrid, Siliciumcarbid oder dergleichen hergestellt sind, erlaubt eine beim Schmelzen eines Sinterhilfsmittels oder dergleichen hergestellte Glas­ phase als eine flüssige Phase, die Bohrung 3a damit zu füllen, wodurch bei Anwen­ dung von Gasdruck-Sintern oder Heißpreß-Sintern wie oben beschrieben eine zu­ friedenstellende Festigkeit erhalten wird.

Es wird bestätigt, daß ein Teil des Keramikpulvers 4 ebenfalls vom offenen Ende der Verbindungsbohrung 3a aus in das Innere des Verbindungsteils 3 eintritt und die Metallteile zuverlässiger miteinander verbindet, wenn das Keramikpulver 4 den ke­ ramischen Verbindungsteil 3 bedeckt, wie in Fig. 1 gezeigt.

Selbst wenn sich die Metallteile 1 und 2 innerhalb der Verbindungsbohrung 3a des Verbindungsteils 3 nicht vollständig überlappen, wie in Fig. 1, 2A und 2B gezeigt, können die Metallteile 1 und 2 zuverlässig miteinander verbunden werden, da die Bohrung 3a beim Sintern zusammenbricht. Das Verhältnis zwischen dem Durch­ messer der Bohrung 3a und der Metallteile 1 und 2 muß nicht genau sein. Selbst in einer Bohrung, die beim Einlagern der beiden Drähte 1 und 2 eine kleine Lücke aufweist, können die Drähte 1 und 2 zufriedenstellend miteinander verbunden wer­ den.

Was die hochschmelzenden Metallteile 1 und 2 betrifft, so werden sie erwünschter­ maßen in einer oxidfreien Atmosphäre gesintert, um sie nicht zu oxidieren. Das heißt, dieses Sintern wird vorzugsweise in irgendeiner der Vakuum- Stickstoff-, Inert- und Reduktions-Atmosphären durchgeführt.

Obwohl der Fall des Verbindens der beiden Metallteile 1 und 2 beispielhaft erläutert wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Ein größere Anzahl Metallteile kann gleichzeitig eingebracht und vollständig miteinander verbunden werden. Beim aufeinanderfolgenden Verbinden vieler Metallteile kann in dem kera­ mischen Verbindungsteil 3 eine Vielzahl von Bohrungen gebildet werden, und die Metallteile können jeweils in die Bohrungen eingebracht und verbunden werden. Ferner wurde der Fall beschrieben, bei dem der Verbindungsteil 3 mit dem Kera­ mikpulver 4 bedeckt und gesintert wird, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Der Verbindungsteil 3, in den die Metallteile eingebracht sind, kann direkt gesintert werden.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des Verbindungsverfahrens in Fig. 1. Die äußeren En­ den der Metallteile 1 und 2 werden auf Oberflächen eines aus dem Keramikpulver 4 hergestellten Sinterkörpers ausgelegt, und leitfähige Schichten 5 und 6, wie eine Silberpaste, werden auf diesen äußeren Enden gebildet, um die Metallteile 1 und 2 extern elektrisch zu verbinden.

Fig. 4, 4A und 5 zeigen eine Anwendung der vorliegenden Erfindung, die oben mit Bezug auf Fig. 1 und 2A bis 2C beschrieben wurde, auf eine keramische Heizvor­ richtung 11 für eine Dieselmotor-Glühkerze 10 oder dergleichen.

Bei der Herstellung dieser keramischen Heizvorrichtung 11 werden ein Metallteil 13 aus einem hochschmelzenden Metall und als Leitungen dienende Metallteile 15 und 16, die jeweils in Bohrungen 12a und 12b eingebracht sind, die in einem kerami­ schen Stab 12 parallel gebildet wurden, in einem Keramikpulver 17 eingebettet und gesintert, um sie aufeinanderfolgend miteinander zu verbinden.

Der Metallteil 15, der als eine Leitung dient, wird in eine Bohrung 12a des Keramik­ körpers 12 von einem Ende des Keramikkörpers 12 aus eingebracht, um ein distales Ende 15a des Metallteils 15 in der Bohrung 12a zu lagern, während es ein Ende 13a des als Heizelement dienenden Metallteils 13, der von dem anderen Ende der Ke­ ramikkörpers 12 aus eingebracht wird, überlappt. In der anderen Bohrung 12b wird ein distales Ende 16a des Metallteils 16, der als die andere Leitung dient, von der gleichen Seite wie der Metallteil 15 eingebracht. In diesem Fall wird der Metallteil 16 in einen mittleren Teil der Bohrung 12b eingebracht, während er das andere Ende 13b des Metallteils 13 auf der gleichen Seite der Bohrung 12b überlappt. Dieser Zu­ stand ist in Fig. 4 ausführlich gezeigt. Fig. 4A zeigt einen Querschnitt (Querschnitt in der Richtung 4A-4A der Fig. 4) am distalen Ende des Keramikkörpers 12 und zeigt den Verbindungszustand der Metallteile 15 und 13 (insbesondere 13a). Wie oben beschrieben, überlappen die beiden Enden des Metallteils 13 jeweils die als Leitun­ gen dienenden Metallteile 15 und 16. Der mittlere Teil des Metallteils 13 wird um den Keramikkörper 12 herumgewickelt, und besteht aus einem als Heizelement die­ nenden dicht gewickelten Teil S1 am distalen Ende des Keramikkörpers 12 und ei­ nem als Kontrollelement dienenden weniger dicht gewickelten Teil S2 auf der Innen­ seite.

Die keramische Heizvorrichtung 11 wird in der in Fig. 5 gezeigten Glühkerze 10 ver­ wendet. In Fig. 5 bezeichnet die Bezugszahl 20 einen Gehäusehauptkörper, der als Anschlußstück für die Dieselmotor-Glühkerze 10 dient; 21 eine Hilfs-Metallröhre zum Halten der keramischen Heizvorrichtung 11, während sie sich über die kerami­ sche Heizvorrichtung 11 hinaus erstreckt, und die keramische Heizvorrichtung 11 mit dem distalen Endabschnitt des Gehäusehauptkörpers 20 verbindet; 22 einen terminalen Ring, der auf dem freiliegenden Teil des als eine Leitung dienenden Metallteils 15 am proximalen Ende der Heizvorrichtung angebracht und mit der Röh­ re 21 elektrisch verbunden ist; und 23 einen terminalen Teil, der an dem proximalen Endabschnitt der Heizvorrichtung 11 befestigt ist und mit dem freiliegenden Teil des Metallteils 16, der als die andere Leitung dient, verbunden ist.

Die Bezugszahl 24 bezeichnet ein externes Anschluß-Ende, das am proximalen Endabschnitt des Gehäusehauptkörpers 20 über eine Durchführungshülse 25 ge­ halten wird; und 26 einen Leitungsdraht zum Verbinden des externen An­ schluß-Endes 24 mit dem terminalen Teil 23. Die Struktur und Funktion der Glühkerze 10 sind üblicherweise weithin bekannt und eine Beschreibung deren wird unterlassen.

In dieser Struktur wird der Keramikkörper 12 mit den darin gebildeten Bohrungen 12a und 12b verwendet, und der Metallteil 13 wird spiralförmig um den Keramikkör­ per 12 herumgewickelt. Die Metallteile 15 und 16, die als Leitungen dienen, werden jeweils in die Bohrungen 12a und 12b eingebracht und in dem Keramikpulver 17 eingebettet. Dann wird diese Anordnung, ähnlich wie in der oben beschriebenen Ausführungsform, in irgendeiner (oxidfreien Atmosphäre) der Vakuum-, Stickstoff-, Inert- und Reduktions-Atmosphären gesintert, um die verbindenden Enden der not­ wendigen Abschnitte beim Schrumpfen der Keramik durch Sintern druckzuver­ schweißen und eine bezüglich Festigkeit und elektrischen Kennwerte zufriedenstel­ lende Verbindungsstruktur zu erhalten.

Insbesondere ist es sehr schwierig, den aus einem hochschmelzenden Metall be­ stehenden Metallteil 13, der als Heiz- und Kontrollelemente dient, mit den Metalltei­ len 15 und 16, die als Leitungen dienen, durch Schweißen zu verbinden, und sie zu sintern, während sie im Keramikpulver 17 eingebettet sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die keramische Heizvorrichtung 11 jedoch aufgebaut werden, indem notwendige Abschnitte mit einem einfachen Vorgang, ohne irgendeinen beschwerli­ chen Vorgang zu erfordern, leicht miteinander verbunden werden.

Fig. 6A und 6B zeigen ein anderes ausführliches Beispiel der keramischen Heizvor­ richtung in Fig. 4. Genauer erläutert Fig. 6A den Fall, bei dem die Bohrung 12a eine Durchgangsbohrung ist, die Bohrung 12b eine Blindbohrung ist, der Metallteil 15, der als eine Leitung dient, und ein Teil des Metallteils 13, der als Heizelement dient, so angeordnet sind, daß sie einander innerhalb der Durchgangsbohrung 12a des Keramikkörpers 12 vollständig überlappen, und der Metallteil 16, der als eine Lei­ tung dient, und ein Teil des Metallteils 13, der als ein Kontrollelement dient, in glei­ cher Länge eingebracht werden, so daß sie einander innerhalb der anderen Boh­ rung 12b, die als die Blindbohrung dient, überlappen.

Fig. 6B zeigt den Fall, bei dem die Metallteile 15 und 16 und die beiden Enden 13a und 13b des Metallteils 13 einander nur teilweise überlappen.

In Fig. 6A und 6B reicht es aus, daß der um den Keramikkörper 12 herumgewickelte Metallteil 13 in einem gewickelten Zustand ist, und er muß mit der äußeren Oberflä­ che des Keramikkörpers 12 nicht in Kontakt sein.

Fig. 7 und 8 zeigen jeweils andere Ausführungsformen der keramischen Heizvor­ richtung. Diese Ausführungsformen verwenden einen ersten Metallteil 13, der als Heizelement dient, und zusätzlich als Kontrollelemente dienende zweite Metallteile 14a und 14b oder einen zweiten Metallteil 14 aus einem Material mit einem größe­ ren positiven Widerstands-Temperaturkoeffizienten als der des ersten Metallteils 13.

In der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform werden an den Verbindungsteilen zwi­ schen dem ersten Metallteil 13 und den zweiten Metallteilen 14a und 14b verbin­ dende Keramikkörper 18 verwendet, wobei die zweiten Metallteile 14a und 14b und Metallteile 15 und 16 als Leitungen dienen, und sie werden in ein Keramikpulver 17 eingebettet und gesintert. Der erste Metallteil 13 und die zweiten Metallteile 14a und 14b können zu einer spiralförmigen Gestalt oder einer gewellten Gestalt geformt werden.

In der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform wird ein Keramikkörper 19 zum Verbin­ den des zweiten Metallteile 14 mit dem ersten Metallteil 13 und dem als Leitung die­ nenden Metallteil 16 verwendet, der von dem Keramikkörper 12 zum Verbinden des Erstmetallteils 13 verschieden ist, und sie werden in dem Keramikpulver 17 einge­ bettet und gesintert, wobei die keramische Heizvorrichtung 11 gebildet wird.

Die Verbindung der ersten und zweiten Metallteile 13 und 14 und der Metallteile 15 und 16, die als Leitungen dienen, ist nicht auf die Ausführungsform in Fig. 8 be­ schränkt und kann entweder durch Keramikkörper 12 oder 19 ausgeführt werden.

Durch Verwendung sowohl des ersten Metallteils 13, der als Heizelement dient, als auch der als Kontrollelemente dienenden zweiten Metallteile 14a und 14b oder Zweitmetallteil 14, wie in diesen Ausführungsformen, kann die Heizvorrichtung 11 eine Eigentemperatursättigungsfunktion zur schnellen Erzeugung von Rotglut am distalen Endabschnitt der Heizvorrichtung 11 haben, wobei die Heiztemperatur nach dem Ablauf einer vorher festgelegten Zeit gesättigt wird, und beim Starten des Mo­ tors eine Heiztemperatur erhalten wird, die niedriger ist als die Sättigungstempera­ tur, um ein sogenanntes Nachglühen durchzuführen.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in den obigen Ausführungsformen be­ schriebene Struktur beschränkt, und die Gestalt und Struktur jedes Teils kann in geeigneter Weise abgewandelt und verändert werden.

In den obigen Ausführungsformen wird die vorliegende Erfindung auf die in der Die­ selmotor-Glühkerze verwendete keramische Heizvorrichtung 11 angewendet. Die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt und kann auf verschiedene Vor­ richtungen und Geräte angewendet werden, in denen wenigstens zwei Metallteile miteinander verbunden werden müssen, indem ein Metallmaterial um den anderen Metallteil herumgewickelt wird, oder ein Draht in den spiralförmigen Teil des ande­ ren Drahts, wie den Faden einer Glühbirne oder eines Elektronenmikroskops, einge­ bracht wird.

Kurz, die vorliegende Erfindung kann auf verschiedene Vorrichtungen und Geräte angewendet werden, so lange in einem keramischen Rohkörper oder Sinterkörper (Keramikkörper) beim Verbinden von zwei oder mehreren Metallteilen Bohrungen gebildet werden, und die Metallteile in die Bohrungen eingebracht und durch Sintern miteinander verbunden werden.

[Beispiel 1]

Zwei Wolfram-Drähte mit jeweils einem Durchmesser von 0,1 mm wurden von der gleichen Seite aus in eine Bohrung mit einem Innendurchmesser (Bohr­ ungs-Durchmesser) von 0,22 mm, die in einem Aluminiumoxid-Rohkörper (extrudierter Körper) mit einem Außendurchmesser von 2 mm und einer Länge von 1 cm gebildet wurde, eingebracht. In diesem Fall wurden drei Anfertigungen hergestellt, bei denen in jeder zwei Wolframdrähte innerhalb einer Bohrung überlappten, wie in Fig. 2A gezeigt. Sie wurden jeweils im Vakuum, in einer Atmosphäre von Wasserstoff: Ar­ gon = 1 : 3 und einer Stickstoff-Atmosphäre bei einer Temperatur von 1.600°C 3 h lang gesintert.

Es wurde bestätigt, daß die Wolfram-Drähte in dem keramischen Rohkörper durch Schrumpfen der Keramik druckverschweißt waren, nicht von Hand herauszuziehen waren, und bezüglich der elektrischen Kennwerte zufriedenstellende Leitfähigkeit aufwiesen.

[Beispiel 2]

Wolfram- und Molybdän-Drähte mit jeweils einem Durchmesser von 0,2 mm wurden jeweils in einem aus Siliciumnitrid (das 8% Yttriumoxid als Sinterhilfsmittel enthielt) hergestellten Rohkörper (extrudierter Körper) mit einem Außendurchmesser von 2,45 mm, einem Innendurchmesser (Bohrungs-Durchmesser) von 0,42 mm und ei­ ner Länge von 1 mm eingebracht, so daß sie einander in dem Rohkörper vollständig überlappten, wie in Fig. 2C gezeigt. Diese Anfertigung wurde in einem Kohlenstoff- Tiegel, der ein Füllstoff-Pulver enthielt, eingebettet und in Stickstoff-Atmosphäre bei 0,93 MPa und einer Temperatur von 1.800°C gasdruckgesintert.

Es wurde bestätigt, daß die Wolfram- und Molybdän-Drähte in der Keramik verbun­ den waren, nicht von Hand herauszuziehen waren und bezüglich der elektrischen Kennwerte zufriedenstellende Leitfähigkeit aufwiesen.

[Beispiel 3]

Zwei Wolfram-Drähte mit jeweils einem Durchmesser von 0,2 mm wurden in einen Sinterkörper aus einer leitfähigen Keramik (30 Gew.-% Titannitrid - 64 Gew.-% Sili­ ciumnitrid - 6 Gew.-% Yttriumoxid) mit einem Außendurchmesser von 2,45 mm, ei­ nem Innendurchmesser (Bohrungs-Durchmesser) von 0,42 mm und einer Länge von 1 cm eingebracht, so daß sie einander in dem Sinterkörper vollständig über­ lappten. Diese Anfertigung wurde in einem Kohlenstoff-Tiegel, der ein Füll­ stoff-Pulver enthielt, eingebettet und in Stickstoff-Atmosphäre bei 0,93 MPa und einer Temperatur von 1.800°C gasdruckgesintert.

Es wurde bestätigt, daß die Wolfram-Drähte in der Keramik verbunden waren, nicht von Hand herauszuziehen waren und bezüglich der elektrischen Kennwerte zufrie­ denstellende Leitfähigkeit aufwiesen.

[Beispiel 4]

Zwei Wolfram-Drähte mit jeweils einem Durchmesser von 0,2 mm wurden in einen Sinterkörper aus Siliciumnitrid (das 5% Yttriumoxid und 4% Tantalnitrid enthielt) mit einem Außendurchmesser von 2,5 mm, einem Innendurchmesser (Bohr­ ungs-Durchmesser) von 0,43 mm und einer Länge von 5 mm eingebracht, so daß sie ein­ ander in dem Sinterkörper vollständig überlappten. Diese Anfertigung wurde in ei­ nem Keramikpulver mit derselben Zusammensetzung eingebettet und uniaxial druckgeformt. Der Formling wurde heißpreßgesintert. Das Heißpreß-Sintern wurde in Stickstoff-Atmosphäre bei einem Preßdruck von 340 MPa und einer Temperatur von 1.800°C 1 h lang durchgeführt. Der gesinterte Körper wurde geschnitten, um die Endabschnitte der Wolfram-Drähte nach außen freizulegen, wie in Fig. 3 gezeigt.

Nachdem eine Silberpaste auf die beiden Enden aufgetragen wurde, wurde die Leitfähigkeit bestätigt.

[Beispiel 5]

Ein säulenförmiger Sinterkörper aus Siliciumnitrid, der zwei in Längsrichtung gebil­ dete Durchgangsbohrungen mit einem Durchmesser von 0,63 mm aufwies, wurde hergestellt. Ein Wolfram-Draht mit einem Durchmesser von 0,2 mm wurde in einer Spiralform um den Sinterkörper herumgewickelt. Wolfram-Leitungen mit jeweils ei­ nem Durchmesser von 0,4 mm und die Enden des Wolfram-Drahts mit einem Durchmesser von 0,2 mm, der um den Sinterkörper herumgewickelt war, wurden in die beiden Durchgangsbohrungen des Sinterkörpers aus Siliciumnitrid eingebracht. Diese Anordnung wurde in einem Siliciumnitrid-Pulver mit der gleichen Zusammen­ setzung eingebettet und heißpreßgesintert, um eine keramische Glüh­ kerzen-Heizvorrichtung 11, wie die in Fig. 4 gezeigte, herzustellen.

Es wurde bestätigt, daß die nach außen freiliegenden Enden leitfähig waren.

Wie oben beschrieben wurde, werden gemäß der vorliegenden Erfindung minde­ stens zwei Teile aus hochschmelzendem Metall in Durchgangs- oder Blindbohrun­ gen, die in einem Verbindungsteil aus einer Roh- oder Sinterkeramik gebildet wur­ den, eingebracht und in einer oxidfreien Atmosphäre, wie der Vakuum-, Stickstoff-, Inert- oder Reduktions-Atmosphäre, gesintert. Als Ergebnis schrumpft die Keramik, die als der Verbindungsteil dient, während des Sinterns zusammen, wobei die in die Bohrungen eingebrachten Metallteile miteinander druckverschweißt werden. Dem­ entsprechend kann der verbundene Körper, der hinsichtlich der Festigkeit und elek­ trischen Verbindung zufriedenstellend ist, erhalten werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist kein beschwerlicher Arbeitsvorgang erforder­ lich, anders als bei einer herkömmlichen keramischen Heizvorrichtung, in der schwierig zu verschweißende Metallteile durch Aufwickeln oder Einschieben in einen Spiralteil verbunden werden, um sie elektrisch zu verbinden.

Gemäß der keramischen Heizvorrichtung und dem Herstellungsverfahren der vorlie­ genden Erfindung kann selbst bei der Herstellung einer keramischen Heizvorrich­ tung, in der ein spiralförmiger Metallteil eingebettet wird, das Verbinden von Metal­ len und Sintern einer Keramik gleichzeitig ausgeführt werden, ohne einen Leitungs­ teil in den spiralförmigen Teil des Metallteils einzuführen, was in niedrigen Kosten resultiert.

Genauer wird in einer herkömmlichen keramischen Heizvorrichtung, wenn Metall­ teile aufgewickelt oder in einen spiralförmigen Teil eingebracht und dann in einem Keramikpulver eingebettet und gesintert werden, der zusammengebaute Teil beim Einbetten des aufgewickelten oder eingebrachten Teils in das bewegliche Pulver leicht dezentriert. Wenn der Durchmesser des Sinterkörpers beim Sintern eingestellt wird, kann der eingebettete Heizdraht nach außen freigelegt werden. Im Gegensatz dazu werden gemäß der vorliegenden Erfindung Metallteile, die verbunden werden sollen, innerhalb von Bohrungen, die in einem keramischen Verbindungsteil gebildet wurden, durch mittels Sintern verursachtes Schrumpfen der Keramik gut festgehal­ ten. Aus diesem Grund wird der zusammengebaute Teil kaum dezentriert und wird leicht positioniert, ohne irgendein herkömmliches Problem aufzuwerfen.

In einer herkömmlichen keramischen Heizvorrichtung, in der z. B. ein hochschmel­ zendes Metall als Heizelement in einem keramischen Sinterkörper eingebettet wird, um den distalen Endabschnitt der Heizvorrichtung als einen Hochtemperaturheizteil zu verwenden, wird das hochschmelzende Metall durch Verstemmen eines Spi­ ralteils und eines Leitungsteils elektrisch verbunden, wodurch ein Heizelement ge­ bildet wird. Als ein Verfahren zur Herstellung dieses Heizelements wird, nachdem der Spiralteil gewickelt ist, ein bearbeiteter Leitungsteil in den Spiralteil eingebracht.

Jedoch wird der Widerstand an den gewickelten und eingebrachten Teilen leicht instabil. Außerdem ist die automatische Einführung des Leitungsteils schwer zu ver­ wirklichen, und die Kosten sind hoch. Im Gegensatz dazu können gemäß der vorlie­ genden Erfindung diese Probleme gelöst werden.

Claims (24)

1. Eine Metallteil-Verbindungsstruktur zur Verbindung von wenigstens zwei Me­ tallteilen (1, 2), dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:
einen keramischen Sinterkörper mit einem Verbindungsteil (3), in welchem be­ sagte zwei Metallteile in einer durch Sintern geschrumpften Verbindungsboh­ rung (3a) angeordnet sind und wenigstens distale Enden besagter Metallteile einander überlappen.

2. Struktur gemäß Anspruch 1, bei der jeder der besagten Metallteile aus einem hochschmelzenden Material mit einem Schmelzpunkt von nicht weniger als 2.000°C hergestellt ist.

3. Struktur gemäß Anspruch 1, bei der wenigstens ein Füllstoff teilweise in die Verbindungsbohrung besagten Verbindungsteils eingefüllt ist.

4. Struktur gemäß Anspruch 1, bei der die Verbindungsbohrung eine Durch­ gangsbohrung ist.

5. Struktur gemäß Anspruch 1, bei der die Verbindungsbohrung eine Blindboh­ rung ist.

6. Ein Metallteil-Verbindungsverfahren in einer Verbindungsstruktur zur Verbin­ dung von wenigstens zwei Metallteilen (1, 2), dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:
Einbringen von wenigstens besagten zwei Metallteilen in eine in einem Kera­ mikteil (3) gebildete Verbindungsbohrung (3a); und
Sintern der besagten zwei Metallteile, während wenigstens distale Enden be­ sagter Metallteile einander überlappen, wodurch ein Verbindungsteil (3) zur Verbindung besagter überlappender distalen Enden besagter Metallteile durch Schrumpfen besagten Keramikteils erhalten wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem jeder der besagten Metallteile aus ei­ nem hochschmelzenden Material mit einem Schmelzpunkt von nicht weniger als 2.000°C hergestellt wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem das Sintern besagten Keramikteils in einer oxidfreien Atmosphäre durchgeführt wird.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem die oxidfreie Atmosphäre eine Atmo­ sphäre ist, die aus der aus Vakuum, einer Stickstoff-Atmosphäre, einer Inert-Atmosphäre und einer Reduktions-Atmosphäre bestehenden Gruppe ausge­ wählt ist.

10. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem das Sintern besagten Keramikteils durch Heißpreß-Sintern durchgeführt wird.

11. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem das Sintern besagten Keramikteils durch Gasdruck-Sintern durchgeführt wird.

12. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem besagter Keramikteil ein keramischer Rohkörper ist.

13. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem besagter Keramikteil ein keramischer Sinterkörper ist.

14. Eine keramische Heizvorrichtung mit wenigstens einem Metallteil (13), das als Heizelement dient und Leitungs-Metallteilen (15, 16), die mit zwei Enden be­ sagten Metallteils, die in einer isolierenden Keramik eingebettet sind, verbun­ den sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:
einen keramischen Sinterkörper, in dem ein Verbindungsteil (12) in besagter isolierender Keramik eingebettet ist, während besagter Metallteil und besagte Leitungsteile in durch Sintern geschrumpften Verbindungsbohrungen (12a, 12b) angeordnet sind, und wenigstens distale Enden besagten Metallteils und besagter Leitungsteile einander überlappen.

15. Heizvorrichtung gemäß Anspruch 14, bei der besagter Metallteil aus einem dicht gewickelten Teil (S1), der als Heizelement dient, und einem weniger dicht gewickelten Teil (S2), der als Kontrollelement dient, hergestellt ist.

16. Heizvorrichtung gemäß Anspruch 14, bei der besagter Metallteil aus einem hochschmelzenden Material mit einem Schmelzpunkt von nicht weniger als 2.000°C hergestellt ist.

17. Ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Heizvorrichtung mit wenig­ stens einem Metallteil (13), der als Heizelement dient und Leitungen (15, 16), die mit zwei Enden besagten Metallteils, die in einer isolierenden Keramik ein­ gebettet sind, verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:
Einbringen von besagtem Metallteil und besagten Leitungsteilen in Durch­ gangsverbindungsbohrungen (12a, 12b) eines Keramikteils (12); und
Einbetten besagten Metallteils und besagter Leitungen in ein Keramikpulver (17) und Sintern besagten Metallteils und besagter Leitungsteile, während di­ stale Enden besagten Metallteils und besagter Leitungsteile einander überlap­ pen, um besagte überlappende distale Enden besagten Metallteils und be­ sagter Leitungsteile durch Schrumpfen besagten Keramikteils zu verbinden.

18. Ein Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem besagter Metallteil aus einem hochschmelzenden Material mit einem Schmelzpunkt von nicht weniger als 2.000°C hergestellt wird.

19. Ein Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem das Sintern besagten Keramikteils in einer oxidfreien Atmosphäre durchgeführt wird.

20. Ein Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem die oxidfreie Atmosphäre eine Atmosphäre ist, die aus der aus Vakuum, einer Stickstoff-Atmosphäre, einer inerten Atmosphäre und einer Reduktions-Atmosphäre bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

21. Ein Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem das Sintern besagten Keramikteils durch Heißpreß-Sintern durchgeführt wird.

22. Ein Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem das Sintern besagten Keramikteils durch Gasdruck-Sintern durchgeführt wird.

23. Ein Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem besagter Keramikteil ein kerami­ scher Rohkörper ist.

24. Ein Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem besagter Keramikteil ein kerami­ scher Sinterkörper ist.