DE68905734T2 - Verfahren zum formen keramischer isolatoren fuer die verwendung in zuendkerzen. - Google Patents
Verfahren zum formen keramischer isolatoren fuer die verwendung in zuendkerzen.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen keramischer Isolatoren für Zündkerzen zur Verwendung in Verbrennungsmotoren, und insbesondere betrifft sie eine verbesserte Presse zum Formen von granulat- oder pulverförmigen Materialien durch Verdichten.
- Bei einem Formverfahren für einen keramischen Isolator 100 nach dem Stand der Technik werden einem keramischen Pulver ein Bindemittel und ein Zusatzsintermittel beigefügt, um ein Sprühpulver 110 zu bilden, wie in Fig. 9 zu sehen ist. Das so gebildete Sprühpulver 110 wird durch Pressen zu einer patronenförmigen Konfiguration 120 verdichtet. Die verdichtete Keramik wird dann durch Honen und Sintern in Form gebracht.
- Aber der Stand der Technik weist folgende Nachteile auf:
- (A) Die äußere Schicht des keramischen Isolators, die eine hohe Dichte aufweist, wird durch die Formgestaltung entfernt, wodurch das granulatförmige Spray verschlechtert und die Verringerung der Anzahl an Durchflußbohrungen verhindert wird, und was in einer niedrigeren Perforationsspannung resultiert.
- (B) Durch die Formgebung ensteht eine große Menge an nicht wiederverwertbaren Isolatorstückchen, was teuer ist.
- (C) Das Verfahren erlaubt nur rotationssymmetrische Formen, so daß die Alternativen für den Formgestalter beschränkt sind.
- Deshalb ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Formen eines keramischen Isolators für eine Zündkerze vorzusehen, mit dem ein Isolator mit einer relativ hohen Perforationsspannung bei geringen Kosten und mit minimalen Formgestaltungsbeschränkungen erhalten werden kann.
- Nach der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Isolators zur Verwendung in einem Zündkerzenaufbau vorgesehen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Herstellen eines Pulvergemischs aus einem Keramikpulver, einem organischen Bindemittel und einem Zusatzsintermittel, Hineindrücken des Pulvers in eine Form und Pressen der Form, wodurch das Pulver verdichtet und geformt wird, und Sintern des verpreßten Keramikmaterials.
- Durch die vorliegende Erfindung ist die spanabhebende Bearbeitung des Isolators bei der Formgebung nicht länger notwendig. Dies ermöglicht die Bewahrung der äußeren Schicht des keramischen Isolators, was die Anzahl an Gußblasen herabsetzt, so daß ein hochdichter Isolator mit einer hohen Perforationsspannung hergestellt wird.
- Es werden keine Abfallspanstückchen hergestellt. Dies reduziert die Anzahl an Fertigungsprozessen und trägt zur Kostenreduzierung bei.
- Mit dem Formverfahren nach der vorliegenden Erfindung können sowohl nicht rotationssymmetrische Körper als auch symmetrische Körper hergestellt werden, was dem Designer mehr Freiheit läßt.
- Vorzugsweise wird das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung dazu verwendet, die vordere Hälfte eines keramischen Isolators aus Aluminiumnitrid (AlN) und die hintere Hälfte aus Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) herzustellen, und die beiden Stücke werden an ihren jeweiligen Enden mittels eines Steckers und einer Steckbuchse verbunden.
- Dazu wird die kleinste Menge an teurem Aluminiumnitrid (AlN) benötigt, was Kosten spart und wodurch man einen Widerstand gegen Wärmeschocks erhält.
- Durch die Verbindungsstelle ist es möglich, die Verbindung zwischen den vorderen und den hinteren Hälften durch Kompressionskraft und Beanspruchung in Querrichtung zu stärken, wenn der keramische Isolator eine hohe Temperatur erreicht.
- Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen und die beigefügten Zeichnungen genauer erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1 eine schematische Ansicht des Herstellungsprinzips einer Zündkerze durch Preßformen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- Fig. 2 eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines mit Hilfe eines Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Isolators,
- Fig. 3 eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer Zündkerze mit einem durch ein Verfahren nach der Erfindung gebildeten Isolator,
- Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer vorderen Hälfte eines Isolators, der gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiels nach der Erfindung ausgebildet ist,
- Fig. 5 eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines nach einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gebildeten Isolators,
- Fig. 6 eine seitliche Querschnittsansicht einer bei dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendeten Preßform,
- Fig. 7
- und 8 Querschnittsansichten der Seiten einer bei dem dritten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung benutzten Preßform, und
- Fig. 9 eine Ansicht eines Isolators nach dem Stand der Technik aus einer Zündkerze, die dessen Herstellungsverfahren veranschaulicht.
- Wie in Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, weist eine Zündkerze (A) nach der vorliegenden Erfindung einen zylinderförmigen Metallmantel 1 und einen röhrenförmigen Isolator 2a auf, der aus einer vorderen Hälfte 2 und einer hinteren Hälfte 3 besteht.
- Die vordere Hälfte 2 weist an dem hinteren Ende einen Vorsprung 21 auf, und die hintere Hälfte 3 weist eine Aussparung 31 auf. Die vorderen und hinteren Hälften 2, 3 werden durch Zusammenfügen des Vorsprungs 21 und der Aussparung 31 mit Hilfe einer Glasdichtungsmasse 32 mit einem hohen Schmelzpunkt in der Art einer Steckverbindung miteinander verbunden. In den Isolator 2a wird eine Mittelelektrode 4 konzentrisch eingegeben, die mit einer Masseelektrode 11, die von einem Metallmantel 1 herunterhängt, der aus einem weichen Karbidstahl hergestellt ist, einen Elektrodenabstand bildet. Die hintere Hälfte 3 ist aus einem gesinterten Aluminiumoxid-(Al&sub2;O&sub3;)-Körper hergestellt. Der Steckverbindungsabschnitt befindet sich an der Trommel 12 der Metallummantelung 1. Die Mittelelektrode 4 wird in axiale Bohrungen 22, 33 eingegeben, die jeweils mit einem Isolator 2a versehen sind, und eine Zündungsspitze 41 und eine Endspitze 42 sind durch einen Widerstand 44 und ein elektrisch leitendes Glas 43 einstückig abgedichtet.
- Die vordere Hälfte 2 des Isolators 2a wird folgendermaßen hergestellt:
- (a) Ein niedrig polymerisiertes Bindemittel auf Polyvinylalkoholbasis und Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;) werden einem Aluminiumnitrid- (AlN)-Pulver beigemengt, das einen sphärischen Durchmesser von 0,6 bis 0,7 Mikrometer hat, um Sekundärteilchen mit einem durchschnittlichen sphärischen Durchmesser von 50 bis 70 Mikrometer zu bilden (darauf wird im folgenden als Sprühpulver 5 Bezug genommen).
- (b) Das Sprühpulver 5 wird in eine Gummiform 6 gegeben, die gemäß einer Form der vorderen Hälfte 2 hergestellt worden ist, und wird mit Hilfe eines Öldrucks F 10 bis 20 Sekunden lang mit einem Druck von 2,1 Tonnen/cm² bei einer normalen Temperatur verpreßt, um einen Verdichtungskörper 7 zu bilden (siehe Fig. 1). Es sei angemerkt, daß ein Stab 8 verwendet wird, um die Bohrung 22 vorzusehen. Die Gummiform 6 hat im leeren Zustand eine Kapazität von im allgemeinen 120% des Volumens des Sprühpulvers 5.
- (c) Der Verdichtungskörper 7 wird durch elastisches Verformen der Gummiform 6 aus der Form 6 herausgenommen und zur Bildung des keramischen Isolators 2a bei einer Temperatur von 1600 bis 2000ºC unter einer Stickstoffgasatmosphäre gesintert.
- Unterdessen wird die hintere Hälfte 3 in einer Art und Weise hergestellt, die der bei der vorderen Hälfte 2 verwendeten ähnlich ist, aber das Sintern kann an der Luft und/oder bei Luftdruck ausgeführt werden, und dann werden die vorderen und hinteren Hälften 2, 3 in der gleichen Art und Weise wie oben beschrieben miteinander verbunden.
- Es wurden Experimente durchgeführt, bei denen die Zündkerze (A) und ein Gegenstück aus dem Stand der Technik verwendet wurden, die an einem 1000cm³-Abgasturbolader-Motor angebracht wurden.
- Man hat festgestellt, daß die Zündkerze (A) nach der Erfindung eine um 10 bis 20% größere Perforationsspannung aufweist.
- Man hat außerdem festgestellt, daß diese Prozesse im Vergleich zu dem Stand der Technik, bei dem eine Anzahl von nicht wiederverwertbaren Abfallspänen produziert wurden, zur Kostenersparnis und zur Reduzierung der Herstellungsprozesse beitragen.
- Mit Bezug auf Fig. 4 wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung beschrieben.
- Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Vorsprung 21 der vorderen Hälfte 2 polygonal, was die Steckverbindung verstärkt.
- Mit Bezug auf Fig. 5 wird im folgenden ein drittes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung beschrieben.
- Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein eine mit einer oberen Riffelung 91 versehene, hintere Hälfte umfassender Isolator 9 aus Aluminiumnitrid (AlN), Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) oder Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) hergestellt.
- Als Abänderung kann eine Preßmaschine zur Durchführung von Preßverdichtungen eine metallischen Einrichtung (D) aufweisen, wie dies in Fig. 7 und 8 dargestellt ist. Anstelle des Öldrucks kann auch ein hydraulischer Druck W verwendet werden.
- Bei der Erfindung kann Aluminiumnitrid-(AlN)-Pulver mit Teilchen mit einem sphärischen Durchmesser von 0,2 bis 10 Mikrometer verwendet werden, dem Elemente wie Fe, Si, O und dergleichen hinzugefügt werden. Der Massenanteil dieser Elemente sollte auf weniger als 1% begrenzt sein, da das Vorhandensein dieser Elemente die Tendenz mit sich bringt, die Wärmeleitfähigkeit auf unter 60 W/mk herabzusetzen.
- Als Sintermittel kann jegliche geeignete Kombination aus den folgenden hinzugefügt werden:
- (i) Oxide von Erdalkalimetallen, wie z.B. CaO, BaO, SrO oder dergleichen.
- (ii) Nitrate wie z.B. Ca(NO&sub3;)&sub2;), oder Karbonate wie z.B. CaCO&sub3;, BaCO&sub3; und SrCO&sub3; oder dergleichen.
- (iii) Seltene Erdmetalle wie z.B. Y&sub2;O&sub3;, La&sub2;O&sub3;, CeO&sub2;, PrO&sub2;, Nd&sub2;O&sub3;, Sm&sub2;O&sub3;, Gd&sub2;O&sub3;, Dy&sub2;O&sub3; oder dergleichen.
- (iv) Seltene Erdfluoride wie z.B. YF&sub3; oder dergleichen.
- Ein Test bezüglich des Widerstands gegen die Vorentflammung wird mit einem 1600cm³/4-Zylinder-Doppelnockenwellenmotor durchgeführt, der mit 5500 U/min x 4/4 läuft, wobei der Zündwinkel variierbar eingestellt wird. Das Ergebnis ist in der Tabelle 1 dargestellt, aus der klar hervorgeht, daß der Vorentflammungswiderstand verbessert worden ist, wobei die Bezeichnung (l) die Längsabmessung anzeigt, die der entspricht, um die der Isolator ausgehend von einem vorderen Ende des Metallmantels vorsteht.
- Ein Test bezüglich des Widerstands gegen Verschmutzung wird unter Verwendung eines 1600cm³/4-Zylinder-Doppelnockenwellenmotors durchgeführt. Jeder Takt wird durch einen zyklischen Verlauf von Leerlauf (90 Sek.) - niedrige Geschwindigkeit (35 km/h 120s) bei einer Temperatur von -10ºC bestimmt. Das Ergebnis ist in Tabelle 2 zu sehen, die zeigt, daß der Verschmutzungswiderstand mit steigender Länge (1) größer wird.
- Ein Dauerversuch wird mit einem 2000 cm³/6-Zylinder-Motor durchgeführt, der 100 Stunden lang mit Vollgas verwendet wird (entsprechend der Entfernung von 20.000 km).
- Die Umwandlung von (AlN) in Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) wird nur in einer äußeren Schicht (10 bis 20 Mikrometer) festgestellt, wobei keine Verschlechterung der Hitzebeständigkeit auftritt. Tabelle 1 LÄNGE (l) ZÜNDEINSTELLUNG (BTDC) VORLIEGENDE ERFINDUNG AlN (120HmK) GEGENSTÜCK Al&sub2;O&sub3; 20H/mK BPR4EY GEGENSTÜCK Al&sub2;O&sub3; 20H/mK BPR4EY Tabelle 2 ISOLIERWIDERSTAND VORLIEGENDE ERFINDUNG AlN(l-20.0) BPR4EY (l=20.0) BPR6EY (l=14.0) ANZAHL DER ZYKLEN
Claims (9)
1. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Isolators
zur Verwendung in einem Zündkerzenaufbau, wobei das
Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Herstellen
eines Pulvergemischs aus einem Keramikpulver, einem
organischen Bindemittel und einem Zusatzsintermittel,
Hineindrücken des Pulvers in eine Form und Pressen der
Form, wodurch das Pulver verdichtet und geformt wird,
und Sintern des verpreßten Keramikmaterials.
2. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Isolators
zur Verwendung in einem Zündkerzenaufbau, mit einer
Metallummantelung, wobei der keramische Isolator in
diese Ummantelung eingebracht ist, und mit einer
Mittelelektrode, die in dem keramischen Isolator untergebracht
ist, wobei der keramische Isolator eine
Wärmeleitfähigkeit von mehr als 60W/mK aufweist, und wobei das
Verfahren die folgenden Schritte umfaßt Herstellen eines
Pulvergemisches aus einem Keramikpulver, einem
organischen Bindemittel und einem Zusatzsintermittel,
Hineindrücken des Pulvergemisches in eine Form und Pressen der
Form, wodurch das Pulver verdichtet und geformt wird,
und Sintern des verpreßten Keramikmaterials.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der
durchschnittliche Durchmesser der Pulverteilchen zwischen 20
und 100 um (Mikrometer) liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem der Schritt
des Sinterns des verpreßten Keramikmaterials unter
Normaldruck und bei einer Temperatur von 1600 bis 2000ºC
durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei dem das
Keramikpulver zumindest eines von AlN, Si&sub3;N&sub4; oder Al&sub2;O&sub3;
ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das
Keramikpulver Teilchen aus Aluminiumnitrid (AlN) mit
einem durchschnittlichen sphärischen Durchmesser von 0,2
bis 10 um (Mikrometer) umfaßt, zu denen zumindest eines
von den Oxiden, Nitraten, Karbonaten und Fluoriden von
Erdalkalien, Alkalimetallen und seltenen Erden
hinzugefügt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
dem die Form flexibel ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das
Pulvergemisch durch Beaufschlagen mit Druck über ein
Fluid oder einen Stempel verpreßt wird.
9. Zündkerze mit einem keramischen Isolator, dessen vordere
Hälfte aus Aluminiumnitrid (AlN) nach dem Verfahren
gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt
ist, und dessen hintere Hälfte aus Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;)
hergestellt ist, wobei die beiden Teile an ihren
jeweiligen Enden durch eine Verbindung der Steckverbindungsart
miteinander verbunden sind.
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