JP4699816B2 - Manufacturing method of ceramic heater and glow plug - Google Patents
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本発明は、セラミックヒータの製造方法及びグロープラグに関する。更に詳しくは、本発明は、比較的低温で焼成した場合にも高い抗折強度をより確実に得ることを可能とするセラミックヒータの製造方法及びグロープラグに関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a ceramic heater and a glow plug. More specifically, the present invention relates to a method for manufacturing a ceramic heater and a glow plug that can more reliably obtain a high bending strength even when fired at a relatively low temperature.
窒化珪素と炭化タングステン等の導電性セラミック成分とを含有する焼結体は、抵抗の制御が容易であり、抗折強度も大きく、優れた耐久性等を有するため、従来より各種の発熱抵抗体として利用されている。その用途のなかでも、例えば、グロープラグのセラミックヒータ用発熱抵抗体として利用する場合等は、特に高い抗折強度を要するが、その抗折強度を安定して確実に得ることは容易ではない。
この発熱抵抗体を製造する際、Al2O3−Y2O3系焼結助剤、Er2O3−V2O5−WO3系焼結助剤等の比較的低温で液相が形成されるタイプの焼結助剤が用いられている。また、使用温度の高温化に伴い希土類酸化物と酸化珪素とを焼結助剤として用いる技術も知られている(下記特許文献1参照)。
A sintered body containing silicon nitride and a conductive ceramic component such as tungsten carbide is easy to control resistance, has high bending strength, and has excellent durability. It is used as. Among these uses, for example, when used as a heating resistor for a glow plug ceramic heater, a particularly high bending strength is required, but it is not easy to obtain the bending strength stably and reliably.
When manufacturing the heat generating resistor, Al 2 O 3 -Y 2 O 3 system sintering aid, a relatively low temperature in the liquid phase, such as Er 2 O 3 -V 2 O 5 -WO 3 based sintering aid is The type of sintering aid that is formed is used. Further, a technique using a rare earth oxide and silicon oxide as a sintering aid as the operating temperature is increased is also known (see
このうち、希土類酸化物と酸化珪素とを含む焼結助剤を用いた場合は、比較的低温焼成でもより高い抗折強度が得られ、そのばらつきも小さくできることが分かった。
しかし、近年のセラミックヒータに対する高温化、高負荷に伴い、更に低温において焼成でき、更にばらつきが抑制されて、安定的に十分な抗折強度のセラミックが得られる方法が求められている。
本発明は、低温で焼成した場合にも高い抗折強度をより確実に得ることを可能とするセラミックヒータの製造方法及びグロープラグを提供することを目的とする。
Of these, it was found that when a sintering aid containing a rare earth oxide and silicon oxide was used, higher bending strength was obtained even at relatively low temperature firing, and the variation could be reduced.
However, with the recent increase in temperature and load on ceramic heaters, there is a need for a method that can be fired at a lower temperature, further suppress variation, and stably obtain a ceramic having sufficient bending strength.
An object of this invention is to provide the manufacturing method of a ceramic heater and a glow plug which can obtain a high bending strength more reliably even when it is fired at a low temperature.
本発明は、以下に示す通りである。
(1)絶縁性基体と、該絶縁性基体に埋設された発熱抵抗体と、を備えるセラミックヒータの製造方法であって、
窒化珪素、導電性セラミック成分及び焼結助剤としてのRE2Si2O7(但し、「RE」は希土類元素である)を含有し且つ焼成されて上記発熱抵抗体となる未焼成発熱抵抗体を、焼成されて上記絶縁性基体となる未焼成絶縁性基体に埋設した状態で焼成する焼成工程を備えるセラミックヒータの製造方法であって、
上記REは、Er、Yb及びLuのうちの少なくとも1種であることを特徴とするセラミックヒータの製造方法。
(2)上記導電性セラミック成分の量は、上記窒化珪素と上記導電性セラミック成分と上記RE 2 Si 2 O 7 との合計を100mol%とした場合に、35〜65mol%であり、
上記RE 2 Si 2 O 7 の量は、上記窒化珪素と上記導電性セラミック成分と上記RE 2 Si 2 O 7 との合計を100mol%とした場合に、0.5〜5.0mol%である上記(1)に記載のセラミックヒータの製造方法。
(3)上記焼成工程における焼成温度は、1730〜1830℃である上記(1)又は(2)に記載のセラミックヒータの製造方法。
(4)主体金具と、該主体金具の一端側に嵌め込まれた固定筒と、該固定筒に嵌挿され、且つ先端部が該固定筒の端面から突出して配設されたセラミックヒータと、を備えるグロープラグであって、該セラミックヒータは上記(1)乃至(3)のいずれかに記載のセラミックヒータの製造方法により得られたセラミックヒータであることを特徴とするグロープラグ。
The present invention is as follows.
(1) A method of manufacturing a ceramic heater comprising an insulating substrate and a heating resistor embedded in the insulating substrate,
An unfired heating resistor containing silicon nitride, a conductive ceramic component, and RE 2 Si 2 O 7 as a sintering aid (where “RE” is a rare earth element) and fired to form the heating resistor. Is a method of manufacturing a ceramic heater comprising a firing step of firing in a state where it is fired and embedded in an unfired insulating substrate that becomes the insulating substrate,
The RE is at least one of Er, Yb, and Lu.
(2) the amount of the electrically conductive ceramic component, the sum of the silicon nitride and the above conductive ceramic component the RE 2 Si 2 O 7 in case of a 100 mol%, a 35~65Mol%,
The amount of the RE 2 Si 2 O 7 is a sum of the silicon nitride and the above conductive ceramic component the RE 2 Si 2 O 7 in case of a 100 mol%, is 0.5~5.0Mol% above The manufacturing method of the ceramic heater as described in (1).
( 3 ) The manufacturing method of the ceramic heater as described in said (1) or (2) whose baking temperature in the said baking process is 1730-1830 degreeC.
( 4 ) A metal shell, a fixed cylinder fitted into one end of the metal fitting, and a ceramic heater that is fitted into the fixed cylinder and has a tip projecting from the end surface of the fixed cylinder. A glow plug comprising a ceramic heater obtained by the method for producing a ceramic heater according to any one of (1) to (3) .
本発明のセラミックヒータの製造方法によれば、低温で焼成した場合にも高い抗折強度を備えるセラミックヒータをより確実に得ることができる。更に、このセラミックヒータをより低温域までの広い温度範囲の焼成により得ることができる。また、得られるセラミックヒータは、高い耐久性を発揮でき、更には、低抵抗で急速昇温させることができる。また、低温焼成でも優れた性能が発揮されるために、製造コストを効率的に削減できる。
REがEr、Yb及びLuのうちの少なくとも1種であるので、低温で焼成した場合にも高い抗折強度を確実に得ることができる。
焼成温度が1730〜1830℃である場合は、特に高い抗折強度を特に確実に得ることができ、更には、低抵抗をより確実に得ることができる。
本発明のグロープラグによれば、高い耐久性と高い信頼性を発揮させることができる。
According to the method for producing a ceramic heater of the present invention, a ceramic heater having a high bending strength can be obtained more reliably even when fired at a low temperature. Furthermore, this ceramic heater can be obtained by firing in a wide temperature range up to a lower temperature range. Moreover, the obtained ceramic heater can exhibit high durability, and can be rapidly heated with low resistance. In addition, since excellent performance is exhibited even at low temperature firing, the manufacturing cost can be efficiently reduced.
RE is Er, since at least one of Yb and Lu, it is possible to reliably obtain the bending strength higher when fired at a low temperature.
When the firing temperature is 1730 to 1830 ° C., particularly high bending strength can be obtained particularly reliably, and furthermore, low resistance can be obtained more reliably.
According to the glow plug of the present invention, high durability and high reliability can be exhibited.
[1]セラミックヒータ
本発明の製造方法により得られるセラミックヒータ1の一例について、図1を用いて説明する。図1は、セラミックヒータ1の縦断面図である。セラミックヒータ1は、先端部11aが半球状に形成された略円柱形状の絶縁性基体11を有している。そして絶縁性基体11の先端部11a内には、略U字形状の発熱抵抗体12が埋設されており、その発熱抵抗体12から後端側に向かって一対のリード線13a、13bが延びている。リード線13a、13bの他端部は、絶縁性基体11から露出している。
[1] Ceramic heater An example of the
絶縁性基体11は、通常、絶縁性セラミック成分により構成されている。この成分の種類は特に限定されないが、例えば、窒化珪素、サイアロン及び窒化アルミニウム等が挙げられ、これらのなかでも窒化珪素を用いることが好ましい。これらの絶縁性セラミック成分は1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。絶縁性基体11に含有される絶縁性セラミック成分の含有量は特に限定されないが、絶縁性基体11全体を100質量%とした場合に85質量%以上(より好ましくは90質量%以上、100質量%であってもよい)であることが好ましい。
The insulating
また、絶縁性基体11は、この絶縁性セラミック成分以外にも焼結助剤等を含有できる。例えば、RE2Si2O7(この希土類元素を含むダイシリケート系化合物を、以下、単に「ダイシリケート」ともいう)、RE2SiO5、酸素供給源となる酸化物、これらに含有される金属元素を2種以上含む複酸化物等が挙げられる。また更に、後述する発熱抵抗体12を構成する導電性セラミック成分が挙げられる。導電性セラミック成分の含有量は特に限定されないが、通常、絶縁性基体11全体を100質量%とした場合に5質量%以下である。この範囲であれば、発熱抵抗体との熱膨張係差を軽減することができる。その他、W、Ta、Nb、Ti、Mo、Zr、Hf、V及びCr等金属元素の硼化物等が含有されていてもよい。
In addition, the insulating
発熱抵抗体12は、窒化珪素と導電性セラミック成分とRE2Si2O7(但し、「RE」は希土類元素である)とを含有する。
発熱抵抗体12に含有される窒化珪素の量は特に限定されないが、窒化珪素と後述する導電性セラミック成分とダイシリケートとの合計を100mol%とした場合に、窒化珪素は34.5〜60mol%(より好ましくは39〜57.5mol%、更に好ましくは43.5〜53mol%)含有されることが好ましい。この範囲では、特に比抵抗が小さく且つ抗折強度の大きい窒化珪素質導電性セラミックが得られるからである。
The
The amount of silicon nitride contained in the
導電性セラミック成分としては、W、Ta、Nb、Ti、Mo、Zr、Hf、V及びCr等の金属元素のうちの1種又は2種以上を含む炭化物、これらの金属元素のうちの1種又は2種以上を含む珪化物、及び、これらの金属元素のうちの1種又は2種以上を含む窒化物等を用いることができる。上記炭化物としては、WC、W2C、TaC、Ta2C、NbC、TiC、MoC、Mo2C、ZrC、HfC、VC、V2C及びCr3C2等が挙げられる。また、上記珪化物としてはMoSi2、W2Si3、WSi2、WSi3、V2Si、VSi2、Cr3Si2、CrSi、Cr2Si及びCrSi2等が挙げられる。更に、上記窒化物としてはWN、TaN、NbN、TiN、MoN、ZrN、HfN、VN及びCrN等が挙げられる。これらの導電性セラミック成分は1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
Examples of the conductive ceramic component include carbides including one or more metal elements such as W, Ta, Nb, Ti, Mo, Zr, Hf, V, and Cr, and one of these metal elements. Alternatively, a silicide containing two or more kinds and a nitride containing one or more of these metal elements can be used. Examples of the carbide include WC, W 2 C, TaC, Ta 2 C, NbC, TiC, MoC, Mo 2 C, ZrC, HfC, VC, V 2 C, and Cr 3 C 2 . Further, as the silicide include MoSi 2, W 2 Si 3,
導電性セラミック成分の導電性は特に限定されないが、室温(25℃)での比抵抗値が5000μΩ・cm以下である材料が好ましい。
また、導電性セラミック成分は、窒化珪素との熱膨張率差が小さいことが好ましく、例えば、窒化珪素との熱膨張率差が5×10−6/℃以下(より好ましくは3×10−6/℃以下)である材料が好ましい。これにより、発熱抵抗体12は、短時間(例えば、1〜8秒)で1000℃以上の温度まで昇温させることができる優れた昇温特性を得ることができる。
更に、導電性セラミック成分は、高融点であることが好ましく、例えば、融点が1850℃以上(より好ましくは2000℃以上)であることが好ましい。これより、発熱抵抗体12として用いた場合に、高い温度耐久性を発揮させることができる。そして、これらの特性を併せ持つ最適な導電性セラミック成分として、炭化タングステンが挙げられる。
The conductivity of the conductive ceramic component is not particularly limited, but a material having a specific resistance value of 5000 μΩ · cm or less at room temperature (25 ° C.) is preferable.
In addition, the conductive ceramic component preferably has a small difference in thermal expansion coefficient from silicon nitride. For example, the difference in thermal expansion coefficient from silicon nitride is 5 × 10 −6 / ° C. or less (more preferably 3 × 10 −6. / ° C. or less) is preferred. Thereby, the
Furthermore, the conductive ceramic component preferably has a high melting point. For example, the melting point is preferably 1850 ° C. or higher (more preferably 2000 ° C. or higher). Accordingly, when used as the
発熱抵抗体12に含有される導電性セラミック成分の量は特に限定されないが、窒化珪素と導電性セラミック成分とダイシリケートとの合計を100mol%とした場合に、導電性セラミック成分は35〜65mol%(より好ましくは40〜60mol%、更に好ましくは45〜55mol%)含有されることが好ましい。この範囲であれば、特に発熱抵抗体として用いた場合に、短時間(例えば、1〜8秒)で1000℃以上の温度まで昇温させることができる優れた昇温特性を得ることができる。
The amount of the conductive ceramic component contained in the
ダイシリケートは、窒化珪素を含有するセラミック原料に対して焼結助剤となる成分である。このダイシリケートを構成する希土類元素であるREの種類は、Er、Yb及びLuのうちの少なくとも1種を用いる。
ダイシリケートは、1種の希土類元素RE1を含むRE1 2Si2O7のみを用いてもよく、1種の希土類元素RE1を含むRE1 2Si2O7と他の希土類元素RE2を含むRE2 2Si2O7との2種のダイシリケートを併用してもよく、同様に3種以上のダイシリケートを併用してもよい。更に、2種の希土類元素RE1とRE2とを同時に含むRE1RE2Si2O7を用いてもよい。
The disilicate is a component that becomes a sintering aid for the ceramic raw material containing silicon nitride. At least one of Er, Yb, and Lu is used as the kind of RE that is a rare earth element constituting the disilicate.
Disilicate can be used either as a single RE 1 2 Si 2 O 7, including one rare earth element RE 1, RE 1 2 Si 2 O 7 and other rare earth elements RE 2 comprising one rare earth element RE 1 Two kinds of disilicates with RE 2 2 Si 2 O 7 containing may be used together, and three or more kinds of disilicates may be used together. Further, RE 1 RE 2 Si 2 O 7 containing two kinds of rare earth elements RE 1 and RE 2 at the same time may be used.
発熱抵抗体12に含有されるダイシリケートの量は特に限定されないが、窒化珪素と導電性セラミック成分とダイシリケートとの合計を100mol%とした場合に、ダイシリケートは0.5〜5.0mol%(より好ましくは1.0〜2.5mol%、更に好ましくは1.5〜2.0mol%)含有されることが好ましい。この範囲であればダイシリケートが含有される効果を得ることができる。即ち、低温焼成した場合にも製品の抗折強度のばらつきを小さく抑えることができる。
The amount of disilicate contained in the
また、この発熱抵抗体12には、窒化珪素、導電性セラミック成分及びダイシリケート以外にも他の成分を含有してもいてもよい。他の成分を含有する場合、この他の成分としては、例えば、焼成時の酸素供給源となる酸化物が挙げられる。この酸素供給源となる酸化物としては、4族元素、5族元素及び6族元素の酸化物が挙げられる。即ち、例えば、V2O5、Nb2O3、Ta2O3、Cr2O3、MoO3及びWO3等である。これらは1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。その他、W、Ta、Nb、Ti、Mo、Zr、Hf、V及びCr等のうちの1種以上の金属元素を含む硼化物が挙げられる。これらの硼化物が含有される場合には、前記導電性セラミック成分と同様に窒化珪素との熱膨張率差が小さく、更には、高融点であることが好ましい。また、例えば、前記ダイシリケートを除く他の希土類酸化物(RE2O3等)、酸化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ等が含有されてもよい。これらは1種のみが含有されてもよく、2種以上が含有されてもよい。
In addition to the silicon nitride, the conductive ceramic component, and the disilicate, the
リード線13a、13bを構成する材料は導電性を有すればよく特に限定されないが、例えば、W、Re、Ta、Mo及びNb等が挙げられる。これらは1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらのなかでも高い耐熱性を有するためタングステンを用いることが好ましい。タングステンを用いる場合は、リード線13a、13b全体を100質量%とした場合にタングステンを90質量%以上(より好ましくは95%以上、特に好ましくはタングステンのみからなる)含有することが好ましい。また、このリード線13a、13bの線径も特に限定されないが0.05〜0.9mm(好ましくは0.1〜0.7mm、より好ましくは0.2〜0.5mm)とすることができる。
The material constituting the
リード線13a、13bと発熱抵抗体12との接続方法は特に限定されないが、通常、リード線13a、13bの一端部を発熱抵抗体12内に埋入させることにより接続される。また、埋入させることなく、外表面同士の接触のみにより、焼成後の電気的接続を確保することもできる。
一方、リード線13a、13bの他端部は、セラミックヒータ1の絶縁性基体11の後端部11bから露出している。
尚、リード線13a、13bの形状は特に限定されないが、例えば、図1に示すような屈曲部を有する直線から構成される形状とすることができる。
また、このリード線13a、13bは、通常、焼成工程の前後でほとんど変化しない高融点金属が用いられる。従って、未焼成セラミックヒータ1’内においても、リード線13a、13bとして配設される。但し、例えば、焼成前には導電性を有さず又は焼成後に比べて導電特性が異なり、焼成によりリード線13a、13bとして機能することができるものを用いてもよい。
The connection method between the
On the other hand, the other end portions of the
In addition, the shape of the
The
後述する本製造方法により得られるセラミックヒータ1は、抗折強度が1200MPa以上であり且つ抗折強度のばらつき(3σ)が300以下であるものとすることができる。
この抗折強度は、後述する実施例における抗折強度の測定方法によるものである。通常、セラミックヒータ1において最も高い抗折強度を要求される部位における抗折強度を1200MPa以上(更に1200〜1700MPa、特に1250〜1700MPa、より特に1300〜1700MPa)とすることができる。この範囲であればグロープラグ用セラミックヒータとして用いた場合にも優れた耐久性を発揮できる。
The
This bending strength is based on a method for measuring the bending strength in Examples described later. Usually, the bending strength of the
また、得られるセラミックヒータ1の抗折強度のばらつきを小さく抑えることができる。即ち、例えば、ばらつき(3σ)は300以下とすることができる。
また、特に焼成温度が低い場合であってもこれらの効果を得ることができる。即ち、例えば、焼成温度が1730〜1790℃の間において、抗折強度1250〜16901MPaであり、且つ、ばらつき(3σ)は150〜230に抑えることができる。更に、焼成温度が1730〜1775℃の間において、抗折強度1350〜1690MPaであり、且つ、ばらつき(3σ)は180〜230に抑えることができる。特に、焼成温度が1730〜1760℃の間において、抗折強度1390〜1690MPaであり、且つ、ばらつき(3σ)は180〜230に抑えることができる。
従って、優れた性能のセラミックヒータ1を確実且つ安定して製造できる。
Moreover, the variation in the bending strength of the
Moreover, even if the firing temperature is particularly low, these effects can be obtained. That is, for example, when the firing temperature is between 1730 and 1790 ° C., the bending strength is 1250 to 16901 MPa, and the variation (3σ) can be suppressed to 150 to 230. Furthermore, when the firing temperature is between 1730 and 1775 ° C., the bending strength is 1350 to 1690 MPa, and the variation (3σ) can be suppressed to 180 to 230. In particular, when the firing temperature is between 1730 and 1760 ° C., the bending strength is 1390 to 1690 MPa, and the variation (3σ) can be suppressed to 180 to 230.
Therefore, the
更に、セラミックヒータ1の抵抗値は、含有される導電性セラミック成分の種類及び含有量により変化させることができるが、例えば、焼成温度1730〜1790℃で、350〜600mΩの抵抗値のとすることができ、そのばらつき(3σ)は30〜90に抑えることができる。更に、焼成温度1730〜1775℃で、350〜550mΩの抵抗値のとすることができ、そのばらつき(3σ)は30〜40に抑えることができる。特に、焼成温度1730〜1760℃で、350〜500mΩの抵抗値のとすることができ、そのばらつき(3σ)は25〜30に抑えることができる。
従って、優れた性能のセラミックヒータ1を確実且つ安定して製造できる。
Furthermore, the resistance value of the
Therefore, the
[2]セラミックヒータの製造方法
次ぎに、セラミックヒータ1の製造方法について説明する。
本発明のセラミックヒータの製造方法は、窒化珪素、導電性セラミック成分及びRE2Si2O7を含有し且つ焼成されて発熱抵抗体12となる未焼成発熱抵抗体12’を、焼成されて絶縁性基体11となる未焼成絶縁性基体11’に埋設した状態で焼成する焼成工程を備えることを特徴とする。
[2] Manufacturing Method of Ceramic Heater Next, a manufacturing method of the
The method for manufacturing a ceramic heater according to the present invention is obtained by firing and insulating an
未焼成絶縁性基体11’は、焼成されて絶縁性基体11となるものである。この未焼成絶縁性基体11’は、前述した絶縁性基体11を構成する絶縁性セラミック成分を含有する。更に、上記焼結助剤成分及び発熱抵抗体12を構成する上記導電性セラミック成分等を含有できる。これらの各種成分は前記絶縁性基体11内における割合となるように未焼成絶縁性基体11’に配合する。
The unsintered
また、未焼成発熱抵抗体12’は、焼成されて発熱抵抗体12となるものである。この未焼成発熱抵抗体12’は、前述した発熱抵抗体12を構成する窒化珪素と導電性セラミック成分とダイシリケートとを含有する。特にダイシリケートが含有されることで、低温で焼成した場合にも得られる発熱抵抗体12の抗折強度のばらつきを小さく抑えることができる。
更に、この未焼成発熱抵抗体12’には、上記焼成時の酸素供給源となる酸化物、上記各種金属元素を含む硼化物、ダイシリケートを除く上記他の希土類酸化物、上記酸化珪素、上記窒化アルミニウム、上記アルミナ等を含有できる。これらの各種成分は前記発熱抵抗体12内における割合となるように未焼成発熱抵抗体12’に配合する。
Further, the
Further, the
焼成工程は、未焼成発熱抵抗体12’を未焼成絶縁性基体11’に埋設した状態で焼成する工程である。この焼成工程における焼成条件は特に限定されないが、通常、不活性雰囲気において加圧焼成する。
不活性雰囲気とは、窒化珪素、導電性セラミック成分及びダイシリケートに対して不活性な雰囲気である。即ち、例えば、窒素及び希ガス(アルゴン等)を主成分(通常、雰囲気全体の99.9体積%以上)とする雰囲気であり、通常、酸素が雰囲気全体の0.1%以下(好ましくは0.01%以下)である雰囲気である。
The firing step is a step of firing in a state where the
An inert atmosphere is an atmosphere inert to silicon nitride, conductive ceramic components and disilicate. That is, for example, an atmosphere mainly containing nitrogen and a rare gas (such as argon) (usually 99.9% by volume or more of the whole atmosphere), and oxygen is usually 0.1% or less (preferably 0% of the whole atmosphere). .01% or less).
加圧焼成とは、加圧しながら加熱する焼成方法である。この焼成の際の加圧圧力は特に限定されないが、通常、20MPa以上(好ましくは200〜500MPa、更に好ましくは200〜300MPa)である。また、焼成温度も特に限定されないが、通常、1700〜1850℃(好ましくは1720〜1830℃、より好ましくは1730〜1800℃)である。 Pressure firing is a firing method in which heating is performed while applying pressure. The pressure applied during firing is not particularly limited, but is usually 20 MPa or more (preferably 200 to 500 MPa, more preferably 200 to 300 MPa). Moreover, although baking temperature is not specifically limited, Usually, it is 1700-1850 degreeC (preferably 1720-1830 degreeC, More preferably, 1730-1800 degreeC).
これらの加圧圧力と焼成温度とは、各々の組み合わせとすることができる。即ち、例えば、加圧圧力200〜500MPa且つ焼成温度1700〜1850℃とすることができ、200〜300MPa且つ1730〜1800℃とすることが好ましい。 These pressurizing pressures and firing temperatures can be combined. That is, for example, the pressurizing pressure can be 200 to 500 MPa and the firing temperature can be 1700 to 1850 ° C., preferably 200 to 300 MPa and 1730 to 1800 ° C.
本発明のセラミックヒータの製造方法では、上記焼成工程以外にも他の工程を備えることができる。他の工程としては、原料調製工程(粉末調整工程、造粒工程等を含む)、成形工程(未焼成絶縁性基体成形工程、未焼成発熱抵抗体成形工程、一体化工程等を含む)、予備焼成工程(有機ビヒクル除去工程等を含む)などが挙げられる。 In the manufacturing method of the ceramic heater of this invention, other processes can be provided besides the said baking process. Other processes include a raw material preparation process (including a powder adjustment process, a granulation process, etc.), a molding process (including an unfired insulating base body forming process, an unfired heating resistor forming process, an integration process, etc.), a preliminary process Examples thereof include a firing step (including an organic vehicle removing step).
原料調製工程とは、各成分を含む原料を調製する工程等である。即ち、例えば、各成分の粉末を所定の粒径とする粉末調整工程や、未焼成絶縁性基体11’となる成形用原料を調製する工程、窒化珪素粉末と導電性セラミック成分粉末とダイシリケート等の焼結助剤粉末とを混合し、バインダ等の有機成分等を加えて未焼成発熱抵抗体12’となる成形用原料を調製する工程、成形用原料を造粒する造粒工程などが挙げられる。
The raw material preparation step is a step of preparing a raw material containing each component. That is, for example, a powder adjustment step in which each component powder has a predetermined particle size, a step of preparing a forming raw material to be an unfired insulating
また、原料調製工程においては、未焼成絶縁性基体11’となる成形用原料として、窒化珪素を含有する粉末等の他にバインダ及び溶剤等を用いることができる。同様に、未焼成発熱抵抗体12’となる成形用原料として、窒化珪素、導電性セラミック及び焼結助剤等を含有する粉末以外にバインダ及び溶剤等を用いることができる。
In the raw material preparation step, a binder, a solvent, and the like can be used in addition to a powder containing silicon nitride as a raw material for forming the unfired insulating
成形工程とは、原料調製工程で得られた原料を未焼成絶縁性基体11’及び未焼成発熱抵抗体12’等の所望の形状に成形する工程と、未焼成絶縁性基体11’、未焼成発熱抵抗体12’及びリード線13a、13bを一体化して未焼成セラミックヒータ1’を成形する一体化工程等を含む工程である。
The forming step is a step of forming the raw material obtained in the raw material preparation step into a desired shape such as an unfired insulating
未焼成絶縁性基体11’を成形する未焼成絶縁性基体成形工程は、どのような方法で行ってもよく、例えば、圧縮成形、射出成形、印刷成形等の方法により行うことができる。このうち、通常、圧縮成形を用いる。また、未焼成絶縁性基体11’は絶縁性基体用の原料粉末を圧粉した半割型として成形することができる。
The unsintered insulating substrate forming step for forming the unsintered insulating
一方、未焼成発熱抵抗体12’を成形する未焼成発熱抵抗体成形工程は、どのような方法で行ってもよく、例えば、射出成形、圧縮成形、印刷成形等の方法により行うことができる。このうち、通常、射出成形を用いる。即ち、例えば、リード線13a、13bを成形器内に予めセットし、未焼成発熱抵抗体用原料を成形器内に注入することで、リード線13a、13bが最適な態様で嵌合された未焼成発熱抵抗体12’を得ることができる。
On the other hand, the unfired heating resistor forming step for forming the unfired heating resistor 12 'may be performed by any method, for example, injection molding, compression molding, printing molding, or the like. Of these, injection molding is usually used. That is, for example, by setting the
一体化工程(未焼成発熱抵抗体12’の埋設工程)では、上記未焼成絶縁性基体11’の半割型2個の間に、リード線13a、13bが既に嵌合された未焼成発熱抵抗体12’を挟んだ後、プレスすることで、未焼成絶縁性基体11’、未焼成発熱抵抗体12’及びリード線13a、13bが一体化(埋設)された成形品を得ることができる。更に、その後、必要に応じて、一体化された成形品を5〜12MPaの圧力で加圧することができる。
In the integration step (embedding step of the unfired heating resistor 12 '), the unfired heating resistor in which the
予備焼成工程とは、成形工程で得られた成形品から予備焼成をすることにより、有機成分を除去し、上記未焼成セラミックヒータ1’を得る工程である。この予備焼成工程において、焼成雰囲気としては不活性雰囲気を用いることが好ましい。
これらのその他の工程は、1種のみを用いても、2種以上を併用してもよい。
The pre-baking step is a step of removing the organic components by pre-baking from the molded product obtained in the forming step to obtain the unfired
These other processes may use only 1 type, or may use 2 or more types together.
[3]グロープラグ
次ぎに、本発明のグロープラグ2の一例について図2を用いて説明する。図2は、グロープラグの縦断面図である。このグロープラグは、主として、主体金具22と、固定筒21と、セラミックヒータ1とを備えている。グロープラグ2には、発熱抵抗体12が先端側に配置されるように、セラミックヒータ1が配設されている。セラミックヒータ1は、金属製の固定筒21に貫装され、保持されている。同時に絶縁性基体11の表面に露出する一方のリード線13bはロー材により固定筒21に電気的に接続されている。一方、この固定筒21は主体金具22の先端側にロー付けにより固定されている。また、セラミックヒータ1の他方のリード線13aはロー付けによりリードコイル24と電気的に接続され、更には中軸25に接続されて端子金具26に接続されている。尚、主体金具22の外周には、グロープラグを内燃機関に取り付けるための取り付けねじ部23が螺刻され、さらに取り付ける際にインパクトレンチをあてがうための六角状の工具係合部27が形成されている。
[3] Glow Plug Next, an example of the
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
[1]セラミックヒータ1の製造
(1)混合粉末の調製
窒化珪素粉末と、炭化タングステン粉末(純度99%、平均粒径0.7μm)と、焼結助剤粉末と、を表1に示す割合で配合し、72時間湿式混合して、実施例1、比較例1及び比較例2の各混合粉末を得た。
窒化珪素粉末:純度99%以上、平均粒径1μm
導電性セラミック成分粉末
炭化タングステン:純度99%以上、平均粒径0.7μm
焼結助剤粉末
Er2Si2O7粉末
Er2O3粉末とSiO2粉末との混合粉末
Er2O3粉末とV2O5粉末とWO3粉末との混合粉末
Hereinafter, the present invention will be described specifically by way of examples.
[1] Manufacture of ceramic heater 1 (1) Preparation of mixed powder Ratio shown in Table 1 of silicon nitride powder, tungsten carbide powder (purity 99%, average particle size 0.7 μm), and sintering aid powder And mixed for 72 hours to obtain mixed powders of Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2.
Silicon nitride powder: purity 99% or more,
Conductive ceramic component powder Tungsten carbide: Purity 99% or more, average particle size 0.7μm
Sintering aid powder Er 2 Si 2 O 7 powder Er 2 O 3 powder and mixed powder of the mixed powder Er 2 O 3 powder and V 2 O 5 powder and WO 3 powder and SiO 2 powder
(2)未焼成発熱抵抗体12’の作製
得られた実施例1、比較例1及び比較例2の混合粉末と、この混合粉末を100質量%とした場合に、7質量%のワックス(有機バインダ)と、3質量%の可塑剤と、3質量%の溶剤と、を混練機に投入し、4時間混練した。その後、得られた混練物を裁断してペレット状とし、これをタングステン製のリード線13a、13bがセットされた射出成型機に投入して成形し、両端にリード線13a、13bが嵌合された略U字状の発熱抵抗体12となる未焼成発熱抵抗体12’を作製した。
(2) Production of
(3)未焼成絶縁性基体11’の作製
89質量%の窒化珪素粉末に、焼結助剤として8質量%のEr2O3粉末、1質量%のV2O5粉末及び2質量%のWO3粉末、溶剤として100質量%の水を配合し、40時間湿式混合したものをスプレードライヤー法によって造粒し、この造粒物を圧粉した2個の半割型からなる未焼成絶縁性基体11’を作製した。
(3) Production of unsintered insulating
(4)未焼成絶縁性基体11’への未焼成発熱抵抗体12’の埋設
得られた未焼成絶縁性基体11’の2個の半割型の間の凹部(未焼成発熱抵抗体12’が嵌る凹部)に、上記(1)で得られたリード線13a、13bを備える未焼成発熱抵抗体12’を載置した。その後、これらを一体に7MPaの圧力で加圧し、未焼成セラミックヒータとなる成形体を得た。
(4) Embedding of the unsintered heat generating resistor 12 'in the unsintered insulating substrate 11' A recess (unsintered heat generating resistor 12 'between the two halves of the unfired insulating substrate 11' thus obtained. The
(5)予備焼成工程及び焼成工程
得られた成形体(未焼成発熱抵抗体12’が未焼成絶縁性基体11’に埋設された状態の成形体)を、600℃で加熱(予備焼成)して有機成分等を除去して未焼成セラミックヒータ1’を得た。
次いで、得られた未焼成セラミックヒータ1’を、黒鉛製の加圧用ダイスにセットし、窒素雰囲気下において1725℃、1745℃、1765℃、1791℃、1805℃及び1825℃の各々の温度で、1.5時間、加圧圧力25MPaで焼成(本焼成)し、焼結体を得た。
そして、得られた各焼結体の外表面を研磨し、リード線13(13a及び13b)の各一端面を絶縁性基体の外表面に露出させて、図1に示すセラミックヒータ1を製造した。
(5) Pre-baking step and firing step The obtained molded body (molded body in which the unfired heating resistor 12 'is embedded in the unfired insulating base 11') is heated (pre-fired) at 600 ° C. Thus, organic components and the like were removed to obtain an unfired
Next, the obtained unfired
And the outer surface of each obtained sintered compact was grind | polished, and each end surface of the lead wire 13 (13a and 13b) was exposed to the outer surface of an insulating base | substrate, and the
[2]セラミックヒータ1の評価
(1)抗折強度の測定
実験例1の混合粉末を用いて得られた6本、比較例1の混合粉末を用いて得られた6本、及び、比較例2の混合粉末を用いて得られた6本、の各セラミックヒータ1の抗折強度をJIS R 1601に準じて3点曲げ強度に準じて測定した。この際のスパンは12mmとし、クロスヘッド速度は0.5mm/分とした。また、荷重点は、先端から7.5mmのヒータ部の点とした。この結果を図3〜5に示した。また、各焼成温度における抗折強度の最小値及び3σを表2に示し、更にこの表2をグラフ化して図9に示した。
[2] Evaluation of ceramic heater 1 (1) Measurement of flexural strength 6 pieces obtained using the mixed powder of Experimental Example 1, 6 pieces obtained using the mixed powder of Comparative Example 1, and Comparative Example The bending strength of each of the six
(2)抵抗値の測定
実験例1の混合粉末を用いて得られた6本、比較例1の混合粉末を用いて得られた6本、及び、比較例2の混合粉末を用いて得られた6本、の各セラミックヒータ1の抵抗値を測定した。測定に際しては、絶縁性基体11の外表面に露出されたリード線13a、13bの各一端面に、ミリオームメータの測定端子をあてて抵抗値を測定した。この結果を図6〜8に示した。
尚、各セラミックヒータ1は、抵抗値を測定した後、上記抗折強度の測定に供している。
(2) Measurement of resistance value 6 obtained using the mixed powder of Experimental Example 1, 6 obtained using the mixed powder of Comparative Example 1, and obtained using the mixed powder of Comparative Example 2 Further, the resistance values of the six
Each
図3〜5の結果より、比較例2(図5参照)の混合粉末を用いて得られたセラミックヒータ1では、ばらつきが大きく、確実に1200MPa以上の抗折強度を得ることができる焼成温度は1825℃と非常に高温である。これに対して、比較例1(図4参照)の混合粉末を用いて得られたセラミックヒータ1では、1785℃以上の焼成温度においては、ばらつきが小さく確実に1200MPa以上の抗折強度を確保できることが分かる。しかし、この焼成温度は比較的高めである。
From the result of FIGS. 3-5, in the
これらの比較例1及び2に対して、実施例1(図3参照)の混合粉末を用いて得られたセラミックヒータ1では、1725℃ではばらつきが大きく僅かに1200MPa未満のセラミックヒータ1が得られるものの、1745℃以上の温度においては、ばらつきが小さく確実に1200MPa以上の抗折強度を確保できることが分かる。特に比較例2では1200MPa未満のセラミックヒータも得られた1745℃及び1765℃の両温度においては、極めて優れた結果が得られている。即ち、これらの低温での焼成においても、実施例1では1300MPa以上と非常に高い抗折強度を確実に確保できている。とりわけ、1745℃における差異は比較例2に対して顕著であり、実施例1では1745℃という低温での焼成においても確実に1300MPa以上の抗折強度を確保できることが分かる。
In comparison with Comparative Examples 1 and 2, the
また、表2及び図9より、比較例1は焼成温度1785℃では抗折強度の最小値(図9の△)が大きく、抗折強度の3σ(図9の△)が小さく、共に優れた性能を発揮しているが、焼成温度1785℃以下では抗折強度の最小値(図9の△)は小さくなる傾向にあり、抗折強度の3σ(図9の△)は大きくなる傾向にある。
これに対して、実施例1は焼成温度1785℃では比較例1とほぼ同じ性能であるものの、比較例1に比べると焼成温度1785℃以下においては抗折強度の最小値(図9の△)は大きく、抗折強度の3σ(図9の△)も小さいことが分かる。
Further, from Table 2 and FIG. 9, Comparative Example 1 was excellent in that the minimum value of bending strength (Δ in FIG. 9) was large and the bending strength 3σ (Δ in FIG. 9) was small at a firing temperature of 1785 ° C. Although the performance is exhibited, the minimum bending strength (Δ in FIG. 9) tends to decrease at a firing temperature of 1785 ° C. or lower, and 3σ (Δ in FIG. 9) tends to increase. .
On the other hand, although Example 1 has almost the same performance as Comparative Example 1 at a firing temperature of 1785 ° C., the minimum bending strength (Δ in FIG. 9) is lower at a firing temperature of 1785 ° C. than that of Comparative Example 1. It can be seen that the bending strength 3σ (Δ in FIG. 9) is small.
即ち、実施例1と比較例1とは、焼結助剤として用いた成分を元素レベルで換算すると同じ元素を同量配合して製造したことになる。しかし、実施例1では予め所定の組成として配合することで比較例1に比べると1745〜1785℃の広い低温域で大きな抗折強度をばらつきが小さく安定して得られている。従って、低温域での他の要素を加味して、広い温度範囲で焼成温度を選択することが可能であることが分かる。特に1765℃以下の低温焼成においては著しい変化が認められている。即ち、抗折強度の向上及びばらつきの低下が大きい。従って、予め所定の組成とした焼結助剤を用いることで低温焼成でより優れた製品をより確実により広い温度域(特に低温域)で得られることが分かる。 That is, Example 1 and Comparative Example 1 were manufactured by blending the same amount of the same elements when the components used as the sintering aid were converted at the element level. However, in Example 1, a large bending strength is stably obtained with a small variation in a wide low temperature range of 1745 to 1785 ° C. as compared with Comparative Example 1 by blending in advance as a predetermined composition. Therefore, it can be seen that the firing temperature can be selected in a wide temperature range in consideration of other factors in the low temperature range. In particular, a remarkable change is observed in low-temperature firing at 1765 ° C. or lower. That is, the bending strength is greatly improved and the variation is greatly reduced. Therefore, it can be seen that by using a sintering aid having a predetermined composition in advance, a product superior in low temperature firing can be obtained more reliably in a wider temperature range (particularly in a low temperature range).
また、図6〜8より、セラミックヒータ1の抵抗値は、比較例2で大きくばらついていることが分かる。これに対して、比較例1では1725℃で焼成されたものを除いて、ほぼ安定した抵抗値が得られている。同様に、実施例1においても1725℃で焼成されたものを除いては、安定した抵抗値が得られていることが分かる。
Moreover, it can be seen from FIGS. 6 to 8 that the resistance value of the
尚、本発明においては、上記の実施例に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。例えば、導電性セラミックとして、WCではなく、MoSi2等であっても、WCの場合と同様に比抵抗が小さく、且つ抗折強度が大きい発熱抵抗体とすることができる。また、本発明のセラミックヒータ1は、グロープラグばかりでなく、暖房用等の各種ヒータにも使用することができる。
In the present invention, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the present invention depending on the purpose and application. For example, even if the conductive ceramic is not WC but MoSi 2 or the like, a heating resistor having a small specific resistance and a high bending strength can be formed as in the case of WC. The
本製造方法により得られるセラミックヒータの用途は特に限定されないが、例えば、各種着火源及び加熱源等として広く用いられる。着火源としては、ディーゼルエンジンの着火源であるグロープラグのセラミックヒータ(発熱抵抗体)、温熱器具(ストーブ等)の着火用セラミックヒータ等が挙げられる。また、加熱源としては、各種流体を加熱するためのヒータが挙げられる。即ち、例えば、ウォーターヒータ等が挙げられる。
更に、本発明のグロープラグは、ディーゼルエンジン用のグロープラグとして利用できる。
Although the application of the ceramic heater obtained by this manufacturing method is not specifically limited, For example, it is widely used as various ignition sources, a heating source, etc. Examples of the ignition source include a glow plug ceramic heater (heating resistor) which is an ignition source of a diesel engine, an ignition ceramic heater of a heating apparatus (such as a stove), and the like. Moreover, the heater for heating various fluids is mentioned as a heating source. That is, for example, a water heater or the like can be mentioned.
Furthermore, the glow plug of the present invention can be used as a glow plug for a diesel engine.
1;セラミックヒータ、11;絶縁性基体、12;発熱抵抗体、13a、13b;リード線、2;グロープラグ、21;主体金具、22;固定筒、23;取り付けねじ部、24;リードコイル、25;中軸、26;端子金具、27;工具係合部
DESCRIPTION OF
Claims (4)
窒化珪素、導電性セラミック成分及び焼結助剤としてのRE2Si2O7(但し、「RE」は希土類元素である)を含有し且つ焼成されて上記発熱抵抗体となる未焼成発熱抵抗体を、焼成されて上記絶縁性基体となる未焼成絶縁性基体に埋設した状態で焼成する焼成工程を備えるセラミックヒータの製造方法であって、
上記REは、Er、Yb及びLuのうちの少なくとも1種であることを特徴とするセラミックヒータの製造方法。 A ceramic heater manufacturing method comprising: an insulating substrate; and a heating resistor embedded in the insulating substrate,
An unfired heating resistor containing silicon nitride, a conductive ceramic component, and RE 2 Si 2 O 7 as a sintering aid (where “RE” is a rare earth element) and fired to form the heating resistor. Is a method of manufacturing a ceramic heater comprising a firing step of firing in a state where it is fired and embedded in an unfired insulating substrate that becomes the insulating substrate,
The RE is at least one of Er, Yb, and Lu.
上記RE Above RE 22 SiSi 22 OO 77 の量は、上記窒化珪素と上記導電性セラミック成分と上記REThe amount of the silicon nitride, the conductive ceramic component and the RE 22 SiSi 22 OO 77 との合計を100mol%とした場合に、0.5〜5.0mol%である請求項1に記載のセラミックヒータの製造方法。The method for producing a ceramic heater according to claim 1, wherein the total amount is 100 to 100 mol%.
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