JP6869839B2 - Ceramic heater and glow plug - Google Patents
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Description
本発明はセラミックヒータ、及びグロープラグに関する。 The present invention relates to ceramic heaters and glow plugs.
従来、グロープラグなどに用いられるセラミックヒータとして、導電性セラミックからなる発熱抵抗体が、絶縁性セラミックからなる基体中に埋設されて保持された構成が知られている。
このようなセラミックヒータは、一般的に、発熱抵抗体を構成する素材の方が、基体を構成する素材よりも熱膨張係数が大きい傾向にある。両者間における熱膨張係数の相違が大きい場合には、例えば高温状態から冷却状態に至る過程で熱収縮量が大きく相違することとなり、熱応力に起因して基体又は発熱抵抗体に亀裂が生じてしまう等のおそれがある。
そこで、特許文献1では、基体の熱膨張係数を発熱体の熱膨張係数に近づけるべく、基体を構成する素材に、より熱膨張係数の大きい金属珪化物を含ませることが検討されている。具体的には、WSi2等の金属珪化物を基体に含有させている。
Conventionally, as a ceramic heater used for glow plugs and the like, it is known that a heat generating resistor made of a conductive ceramic is embedded and held in a substrate made of an insulating ceramic.
In such a ceramic heater, in general, the material constituting the heat generation resistor tends to have a larger coefficient of thermal expansion than the material constituting the substrate. If the difference in the coefficient of thermal expansion between the two is large, for example, the amount of heat shrinkage will be significantly different in the process from the high temperature state to the cooling state, and the substrate or the heat generating resistor will crack due to the thermal stress. There is a risk that it will end up.
Therefore, in
しかしながら、基体の熱膨張係数と発熱体の熱膨張係数とは近づくものの、基体を構成する絶縁性セラミックの主成分である窒化珪素と、窒化珪素の粒界相に存在するWSi2等との熱膨張差が大きくなり、その結果、粒界を起点にして熱応力に起因して亀裂が生じてしまうことがあった。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、珪化物の種類及び量を調整してセラミックヒータの耐久性を向上させることを目的とするものであり、以下の形態として実現することが可能である。
However, although the coefficient of thermal expansion of the substrate and the coefficient of thermal expansion of the heating element are close to each other, the heat between silicon nitride, which is the main component of the insulating ceramic constituting the substrate, and WSi 2 and the like existing in the grain boundary phase of silicon nitride. The expansion difference becomes large, and as a result, cracks may occur due to thermal stress starting from the grain boundary.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to improve the durability of the ceramic heater by adjusting the type and amount of the silicified product, and it can be realized as the following form. It is possible.
(1)絶縁性セラミックの基体と、前記基体に埋設される導電性セラミックの発熱抵抗体とを有するセラミックヒータであって、
前記導電性セラミックは、炭化タングステンと窒化珪素とを主成分としており、
前記絶縁性セラミックは、窒化珪素の結晶を主相とするとともに、粒界相には、希土類元素化合物と、W5Si3又はMo5Si3で表される珪化物とを有し、
前記基体におけるX線回折チャートにおいて、前記窒化珪素の結晶の(101)面におけるピーク強度をピーク強度Xとし、前記W5Si3又はMo5Si3の結晶の(411)面におけるピーク強度をピーク強度Yとしたとき、ピーク強度の比率であるピーク強度Y/ピーク強度Xの値が0.05以上0.4以下であることを特徴とするセラミックヒータ。
(1) A ceramic heater having an insulating ceramic substrate and a conductive ceramic heating resistor embedded in the substrate.
The conductive ceramic contains tungsten carbide and silicon nitride as main components.
The insulating ceramic has a silicon nitride crystal as a main phase, and has a rare earth element compound and a silicified product represented by W 5 Si 3 or Mo 5 Si 3 in the grain boundary phase.
In the X-ray diffraction chart of the substrate, the peak intensity on the (101) plane of the silicon nitride crystal is defined as the peak intensity X, and the peak intensity on the (411) plane of the W 5 Si 3 or Mo 5 Si 3 crystal is peaked. A ceramic heater characterized in that the value of peak intensity Y / peak intensity X, which is the ratio of peak intensity, is 0.05 or more and 0.4 or less when the intensity is Y.
この構成のセラミックヒータでは、基体にW5Si3又はMo5Si3が所定の量含まれているから、基体と発熱抵抗体との熱膨張係数の相違が小さくなると共に、基体の主相を構成する窒化珪素との熱膨張差も小さくすることができ、セラミックヒータの耐久性が向上する。 In the ceramic heater having this configuration, since the substrate contains a predetermined amount of W 5 Si 3 or Mo 5 Si 3 , the difference in the coefficient of thermal expansion between the substrate and the heat generating resistor becomes small, and the main phase of the substrate is used. The difference in thermal expansion from the constituent silicon nitride can also be reduced, and the durability of the ceramic heater is improved.
(2)前記基体におけるX線回折チャートにおいて、WSi2又はMoSi2の結晶の(101)面におけるピーク強度をピーク強度Zとしたとき、前記ピーク強度Xと前記ピーク強度Zの比率であるピーク強度Z/ピーク強度Xが0.05以下であることを特徴とする(1)に記載のセラミックヒータ。 (2) In the X-ray diffraction chart of the substrate , when the peak intensity of the WSi 2 or MoSi 2 crystal on the (101) plane is the peak intensity Z, the peak intensity is the ratio of the peak intensity X to the peak intensity Z. The ceramic heater according to (1), wherein Z / peak intensity X is 0.05 or less.
この構成のセラミックヒータでは、基体中に含まれるWSi2又はMoSi2が少量となり、WSi2又はMoSi2によって粒界が過剰に押し広げられて破壊の起点となることが抑制される。よって、セラミックヒータの強度及び耐久性が向上する。 In the ceramic heater having this configuration, the amount of WSi 2 or MoSi 2 contained in the substrate is small, and it is suppressed that the grain boundaries are excessively expanded by WSi 2 or MoSi 2 and become the starting point of destruction. Therefore, the strength and durability of the ceramic heater are improved.
(3)前記絶縁性セラミックに含まれるW5Si3、WSi2、Mo5Si3、MoSi2からなる群より選択される1種以上の粒子、又は前記粒子の凝集体の平均円相当径が0.05μm以上0.90μm以下であることを特徴とする(1)に記載のセラミックヒータ。 (3) The average circle-equivalent diameter of one or more particles selected from the group consisting of W 5 Si 3 , WSi 2 , Mo 5 Si 3 , and MoSi 2 contained in the insulating ceramic, or aggregates of the particles. The ceramic heater according to (1), characterized in that it is 0.05 μm or more and 0.90 μm or less.
この構成のセラミックヒータでは、セラミックヒータの室温及び高温の機械的特性を維持しつつ、基体と発熱抵抗体との熱膨張係数の相違を小さくして、耐久性を向上することができる。 In the ceramic heater having this configuration, the difference in the coefficient of thermal expansion between the substrate and the heat generating resistor can be reduced while maintaining the mechanical properties of the ceramic heater at room temperature and high temperature, and the durability can be improved.
(4)前記粒界相に、さらにEr2Si2O7及び/又はYb2Si2O7の結晶が存在することを特徴とする(1)乃至(3)のいずれか1項に記載のセラミックヒータ。 (4) The item according to any one of (1) to (3), wherein crystals of Er 2 Si 2 O 7 and / or Yb 2 Si 2 O 7 are further present in the grain boundary phase. Ceramic heater.
この構成のセラミックヒータでは、粒界の耐熱性が向上して、高温におけるセラミックヒータの軟化が抑制され、高温下での強度向上が図られる。 In the ceramic heater having this configuration, the heat resistance of the grain boundaries is improved, the softening of the ceramic heater at high temperature is suppressed, and the strength at high temperature is improved.
(5)(1)乃至(4)のいずれか1項に記載のセラミックヒータと、前記セラミックヒータの後端部を内部に保持する筒状の主体金具と、を備えることを特徴とするグロープラグ。 (5) A glow plug comprising the ceramic heater according to any one of (1) to (4) and a tubular main metal fitting for holding the rear end portion of the ceramic heater inside. ..
この構成のグロープラグでは、用いられるセラミックヒータの基体に、W5Si3又はMo5Si3が所定の量含まれているから、基体と発熱抵抗体との熱膨張係数の相違が小さくなると共に、基体の主相を構成する窒化珪素との熱膨張差も小さくすることができ、グロープラグとしての耐久性が向上する。 In the glow plug having this configuration, since the base of the ceramic heater used contains a predetermined amount of W 5 Si 3 or Mo 5 Si 3 , the difference in the coefficient of thermal expansion between the base and the heat generating resistor becomes small. The difference in thermal expansion from the silicon nitride that constitutes the main phase of the substrate can also be reduced, and the durability as a glow plug is improved.
本発明によれば、強度及び耐久性が向上したセラミックヒータ又はグロープラグを実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a ceramic heater or glow plug having improved strength and durability.
A1.グロープラグの構成
図1は、第1実施形態のグロープラグの一例を示す概略図である。図2は、図1で示すグロープラグ1のうちのセラミックヒータ40を含む部分を示す拡大断面図である。図1、図2において図示されたラインCLは、グロープラグ1の中心軸を示している。図1、図2において図示された断面は、中心軸CLを含む断面である。
A1. Configuration of Glow Plugs FIG. 1 is a schematic view showing an example of glow plugs of the first embodiment. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a portion of the
以下、中心軸CLのことを「軸線CL」とも呼び、中心軸CLと平行な方向を「軸線方向」とも呼ぶ。中心軸CLを中心とする円の径方向を、単に「径方向」とも呼び、中心軸CLを中心とする円の円周方向を「周方向」とも呼ぶ。中心軸CLと平行な方向のうち、図1における下方向を第1方向D1と呼ぶ。第1方向D1は、後述する端子部材80からセラミックヒータ40に向かう方向である。図中の第2方向D2と第3方向D3とは、互いに垂直な方向であり、いずれも、第1方向D1と垂直な方向である。以下、第1方向D1を、先端方向D1とも呼び、第1方向D1の反対方向を、後端方向D1rとも呼ぶ。また、図1における先端方向D1側をグロープラグ1の先端側と呼び、図1における後端方向D1r側をグロープラグ1の後端側と呼ぶ。
Hereinafter, the central axis CL is also referred to as "axis CL", and the direction parallel to the central axis CL is also referred to as "axis direction". The radial direction of the circle centered on the central axis CL is also simply referred to as the "diameter direction", and the circumferential direction of the circle centered on the central axis CL is also referred to as the "circumferential direction". Of the directions parallel to the central axis CL, the downward direction in FIG. 1 is called the first direction D1. The first direction D1 is a direction from the
図1のように、グロープラグ1は、主体金具20と、中軸30と、セラミックヒータ40と、Oリング50と、絶縁部材60と、金属外筒70(以下、単に「外筒70」とも呼ぶ)と、端子部材80と、接続部材90と、を含む。
As shown in FIG. 1, the
主体金具20は、中心軸CLに沿って延びる貫通孔20Aを有する筒状の部材である。主体金具20は、後端方向D1r側の端部に形成された工具係合部28と、工具係合部28よりも先端方向D1側に設けられた雄ネジ部22と、を含む。工具係合部28は、グロープラグ1の脱着時に、図示しない工具と係合する部分である。雄ネジ部22は、図示しない内燃機関の取付孔に形成された雌ネジに螺合するためのネジ山を含んでいる。主体金具20は、導電性材料(例えば、炭素鋼等の金属)で形成されている。
The
主体金具20の貫通孔20Aには、中軸30が収容されている。中軸30は、丸棒状の部材である。中軸30は、導電性材料(例えば、ステンレス鋼)で形成されている。中軸30の後端方向D1r側の端部である後端部39は、主体金具20の後端方向D1r側の開口部20Bから後端方向D1rに向かって突出している。
The
開口部20Bの近傍において、中軸30の外面と、主体金具20の貫通孔20Aの内面と、の間には、Oリング50が設けられている。Oリング50は、弾性材料(例えば、ゴム)で形成されている。主体金具20の開口部20Bには、リング状の絶縁部材60が装着されている。絶縁部材60は、筒状部62と、筒状部62の後端方向D1r側に設けられたフランジ部68と、を含む。筒状部62は、中軸30の外面と、主体金具20の開口部20Bを形成する部分の内面と、の間に挟まれている。絶縁部材60は、例えば、樹脂によって形成されている。主体金具20は、これらOリング50及び絶縁部材60を介して、中軸30を支持している。
An O-
絶縁部材60の後端方向D1r側には、端子部材80が配置されている。端子部材80は、キャップ状の部材であり、導電性材料(例えば、ニッケル等の金属)で形成されている。端子部材80と主体金具20との間には、絶縁部材60のフランジ部68が挟まれている。端子部材80には、中軸30の後端部39が挿入されている。端子部材80が加締められることによって、端子部材80が後端部39に固定されている。このような構造により、端子部材80と中軸30とが電気的に接続されている。
The
主体金具20の先端方向D1側の開口部20Cには、外筒70が固定されている。外筒70は、例えば、圧入や溶接などによって開口部20Cに固定されている。外筒70は、中心軸CLに沿って延びる貫通孔70Aを有する筒状の部材である。外筒70は、導電性材料(例えば、ステンレス鋼)で形成されている。
The
外筒70の貫通孔70Aには、通電によって発熱するセラミックヒータ40が挿入されている。セラミックヒータ40は、中心軸CLに沿って延びるように配置された棒状の部材である。外筒70は、セラミックヒータ40の先端部41が露出した状態で、セラミックヒータ40の中央部分の外周面を、保持している。セラミックヒータ40の後端部49は、主体金具20の貫通孔20Aに収容されている。
A
セラミックヒータ40の後端部49には、接続部材90が固定されている。接続部材90は、中心軸CLに沿って延びる貫通孔を有する円筒状の部材であり、導電性材料(例えば、ステンレス鋼)で形成されている。接続部材90の先端方向D1側には、セラミックヒータ40の後端部49が圧入されている。接続部材90の後端方向D1r側には、中軸30の先端方向D1側の端部である先端部31が圧入されている。このような構造により、中軸30と接続部材90とが電気的に接続されている。
A connecting
A2.セラミックヒータ40の構成
次に、図2、図3などを参照し、セラミックヒータ40について説明する。図2、図3では、第1態様のセラミックヒータ40の詳細を説明する。図2は、外筒70、接続部材90、セラミックヒータ40などの、より詳細な断面図を示すものである。図3は、図2で示す断面図の一部を更に拡大した断面拡大図を示すものである。
A2. Configuration of
図2のように、セラミックヒータ40は、後端側から先端側へ軸線方向に沿って延びる丸棒状の基体110と、基体110の内部に埋設された略U字状の発熱抵抗体120(以下、単に「抵抗体120」と呼ぶ)とを含む。セラミックヒータ40は、材料を焼成することによって、形成される。
As shown in FIG. 2, the
基体110は、絶縁性セラミックで形成されている。絶縁性セラミックは、窒化珪素(Si3N4)の結晶を主相とするとともに、粒界相には、希土類元素化合物と、W5Si3又はMo5Si3で表される珪化物とを有している。
希土類元素化合物における希土類元素は、特に限定されないが、例えば、Yb(イッテルビウム)、Y(イットリウム)、Er(エルビウム)から選ばれ、好ましくは、Yb(イッテルビウム)、Er(エルビウム)が選ばれる。希土類元素は、焼結助剤としての酸化イッテルビウム(Yb2O3)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化エルビウム(Er2O3)等に由来している。なお、希土類元素化合物としては、例えば、Er2Si2O7、Yb2Si2O7、Y2Si2O7が挙げられ、Er2Si2O7及び/又はYb2Si2O7が特に好ましい。Er2Si2O7及び/又はYb2Si2O7を粒界相に有するセラミックヒータ40では、粒界の耐熱性が向上して、高温におけるセラミックヒータ40の軟化が抑制され、高温下での強度向上が図られる。
The
The rare earth element in the rare earth element compound is not particularly limited, but is selected from, for example, Yb (ytterbium), Y (yttrium), and Er (erbium), and preferably Yb (ytterbium) and Er (erbium). Rare earth elements are derived from ytterbium oxide (Yb 2 O 3 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), erbium oxide (Er 2 O 3 ), etc. as sintering aids. Examples of the rare earth element compound include Er 2 Si 2 O 7 , Yb 2 Si 2 O 7 , Y 2 Si 2 O 7 , and Er 2 Si 2 O 7 and / or Yb 2 Si 2 O 7. Especially preferable. In the ceramic heater 40 having Er 2 Si 2 O 7 and / or Yb 2 Si 2 O 7 in the grain boundary phase, the heat resistance of the grain boundaries is improved, the softening of the
基体110における希土類元素の成分割合は、特には限定されないが、基体全体を100質量%とした場合に、好ましくは5.5〜11.5質量%である。希土類元素の成分割合をこの範囲とすると、セラミックヒータ40の室温強度、高温強度、耐久性等の特性が良好となるからである。
基体110におけるW(タングステン)又はMo(モリブデン)の成分割合は、特には限定されないが、基体全体を100質量%とした場合に、好ましくは0.8〜7.5質量%である。W又はMoの成分割合をこの範囲とすると、セラミックヒータ40の室温強度、高温強度、耐久性等の特性が良好となるからである。W又はMoの成分は、焼結助剤としての酸化タングステン(WO3)、酸化モリブデン(MoO3)に由来している。
なお、各成分割合については、セラミックヒータ(焼結体)40を切断して、断面を表面研磨し、電子線プローブマイクロアナライザ(EPMA)を用いて、定量される金属換算値である。
The component ratio of the rare earth element in the
The component ratio of W (tungsten) or Mo (molybdenum) in the
The ratio of each component is a metal equivalent value that is quantified by cutting the ceramic heater (sintered body) 40, polishing the cross section, and using an electron probe microanalyzer (EPMA).
本実施形態では、基体110におけるX線回折チャートにおいて、窒化珪素の結晶の(101)面におけるピーク強度をピーク強度Xとし、W5Si3又はMo5Si3の結晶の(411)面におけるピーク強度をピーク強度Yとしたとき、ピーク強度の比率であるピーク強度Y/ピーク強度Xの値が0.05以上0.4以下である。ピーク強度Y/ピーク強度Xの値がこの範囲であると、基体110にW5Si3又はMo5Si3が所定の量含まれることになって、基体110と抵抗体120との熱膨張係数の相違が小さくなると共に、基体110の主相を構成する窒化珪素との熱膨張差も小さくすることができ、セラミックヒータ40の耐久性が向上する。
ここで、ピーク強度X、Yについて説明する。ピーク強度Xは、窒化珪素の結晶の(101)面におけるピーク強度である。具体的には、2θ=33.6°付近のピーク強度をピーク強度Xとしている。
一方、ピーク強度Yは、W5Si3又はMo5Si3の結晶の(411)面におけるピーク強度である。W5Si3又はMo5Si3の結晶の(411)面は、ともに2θ=42.7°付近でピークを有している。すなわち、W5Si3又はMo5Si3の結晶のいずれの(411)面も、共に同じ空間群I4/mcmであり、格子定数もほぼ変わらないため、ピークを分離できない。本実施形態では、この42.7°付近のピーク強度をピーク強度Yとしている。
なお、本実施形態における各ピークは、X線源をCuKα1とし、波長1.5460Åとした場合のピークを用いている。以下、同様である。
In the present embodiment, in the X-ray diffraction chart on the
Here, the peak intensities X and Y will be described. The peak intensity X is the peak intensity on the (101) plane of the silicon nitride crystal. Specifically, the peak intensity near 2θ = 33.6 ° is defined as the peak intensity X.
On the other hand, the peak intensity Y is the peak intensity on the (411) plane of the crystal of W 5 Si 3 or Mo 5 Si 3. Both the (411) planes of the W 5 Si 3 or Mo 5 Si 3 crystal have a peak near 2θ = 42.7 °. That is, since both (411) planes of the W 5 Si 3 or Mo 5 Si 3 crystal have the same space group I4 / mcm and the lattice constants are almost the same, the peaks cannot be separated. In the present embodiment, the peak intensity near 42.7 ° is defined as the peak intensity Y.
For each peak in this embodiment, the peak when the X-ray source is CuKα1 and the wavelength is 1.5460 Å is used. The same applies hereinafter.
本実施形態では、基体110におけるX線回折チャートにおいて、WSi2又はMoSi2の結晶の(101)面におけるピーク強度をピーク強度Zとしたとき、ピーク強度Xとピーク強度Zの比率であるピーク強度Z/ピーク強度Xは特に限定されないが、好ましくは0.05以下である。
ピーク強度Z/ピーク強度Xの値がこの範囲であると、基体110中に含まれるWSi2又はMoSi2が少量となり、WSi2又はMoSi2によって粒界が過剰に押し広げられて破壊の起点となることが抑制される。よって、セラミックヒータ40の強度及び耐久性が向上する。
ここで、ピーク強度Zについて説明する。WSi2又はMoSi2の結晶の(101)面は、ともに2θ=30.1°付近でピークを有している。すなわち、WSi2又はMoSi2の結晶のいずれの(101)面も、共に同じ空間群I4/mmmであり、格子定数もほぼ変わらないため、ピークを分離できない。本実施形態では、この30.1°付近のピーク強度をピーク強度Zとしている。
In the present embodiment, in the X-ray diffraction chart on the
When the value of peak intensity Z / peak intensity X is in this range, the amount of WSi 2 or MoSi 2 contained in the
Here, the peak intensity Z will be described. Both the (101) planes of the WSi 2 or MoSi 2 crystal have a peak near 2θ = 30.1 °. That is, since both (101) planes of the WSi 2 or MoSi 2 crystal have the same space group I4 / mmm and the lattice constants are almost the same, the peaks cannot be separated. In the present embodiment, the peak intensity near 30.1 ° is defined as the peak intensity Z.
本実施形態では、基体110に含まれるW5Si3、WSi2、Mo5Si3、MoSi2からなる群より選択される1種以上の粒子、又は前記粒子の凝集体の平均円相当径は、特に限定されないが、好ましくは0.05μm以上0.90μm以下である。粒子、又は凝集体の平均円相当径がこの範囲であると、セラミックヒータ40の室温及び高温の機械的特性を維持しつつ、基体110と抵抗体120との熱膨張係数の相違を小さくして、耐久性を向上することができる。
ここで、平均円相当径の測定方法について説明する。基体110中に含まれるW5Si3等の粒子、又は凝集体の平均円相当径を求めるにはセラミックヒータ40の任意の横断面において、断面に鏡面研磨処理を施し、FE−SEMにより10000倍で観察する。この観察によって得られた組織写真について、任意の異なる5カ所を単位面積(9μm×12μm)で切り出して、それぞれ組織写真を二階調化し、その後、画像解析ソフトウェアで解析して平均円相当径を求める。
In the present embodiment, the average circle-equivalent diameter of one or more particles selected from the group consisting of W 5 Si 3 , WSi 2 , Mo 5 Si 3 , and MoSi 2 contained in the substrate 110, or the aggregates of the particles is Although not particularly limited, it is preferably 0.05 μm or more and 0.90 μm or less. When the average circle-equivalent diameter of the particles or aggregates is in this range, the difference in the coefficient of thermal expansion between the
Here, a method for measuring the diameter equivalent to the average circle will be described. In order to obtain the average circle-equivalent diameter of particles such as W 5 Si 3 contained in the
抵抗体120は、導電性セラミックで形成されている。抵抗体120を形成する導電性セラミックは、炭化タングステン(WC)と窒化珪素とを主成分としている。抵抗体120は、炭化タングステンと窒化珪素以外にも、焼結助剤等を含有することができる。焼結助剤等の含有量は、例えば抵抗体120の全体を100質量%とした場合に10質量%以下が好ましい。また、炭化タングステンと窒化珪素とは、これらの合計量を100質量%とした場合に、炭化タングステンは好ましくは60〜85質量%であり、一方、窒化珪素は好ましくは15〜40質量%である。
The
基体110の先端部(すなわち、セラミックヒータ40の先端部41)は、先端側に向かって徐々に細くなっている。抵抗体120の電気伝導率は、基体110の電気伝導率よりも高い。抵抗体120は、通電がなされることによって発熱する。
The tip of the substrate 110 (that is, the
図2のように、抵抗体120は、2本のリード部として構成される第1導電部122、第2導電部123と、第1導電部122及び第2導電部123に接続された発熱部121と、電極取出部124、125と、を含んでいる。第1導電部122、第2導電部123は、基体110の後端110A側から先端110B側に向かって延びる一対の導電部である。第1導電部122、第2導電部123の各々は、セラミックヒータ40の後端部49から先端部41の近傍まで軸線CLと平行に延びている。第1導電部122と第2導電部123は、中心軸CLを挟んでおおよそ対称な位置に配置されている。第1導電部122から第2導電部123へ向かう方向が、第3方向D3である。
As shown in FIG. 2, the
発熱部121は、導電性セラミックからなり、セラミックヒータ40の先端部41において基体110に埋設される部分であり、第1導電部122の先端方向D1側の端部と第2導電部123の先端方向D1側の端部とを接続する構成をなす。発熱部121は、第1導電部122から先端側に延びる第1抵抗部121Aと、第2導電部123から先端側に延びる第2抵抗部121Bと、第1抵抗部121A及び第2抵抗部121Bの先端側を連結する連結部121Cと、を備える。発熱部121の形状は、折り返し形状であり、具体的にはセラミックヒータ40の先端部41の湾曲した外面形状に合わせて湾曲する略U字状となっている。
The
発熱部121は、一対の導電部である第1導電部122及び第2導電部123と同一の導電性セラミック材料によって構成されている。発熱部121の断面積は、第1導電部122及び第2導電部123のそれぞれの断面積よりも小さい。具体的には、発熱部121のいずれの位置においても、断面積が、第1導電部122及び第2導電部123のそれぞれにおけるいずれの位置の断面積よりも小さくなっている。従って、発熱部121の単位長さ当たりの電気抵抗は、第1導電部122及び第2導電部123の単位長さ当たりの電気抵抗よりも大きい。ゆえに、抵抗体120の通電時には、発熱部121の温度が、第1導電部122及び第2導電部123の温度と比べて急速に上昇する。なお、抵抗体120における「断面積」とは、導通経路の方向(電流が流れる方向)に対して垂直な断面の面積である。
The
第1導電部122の後端方向D1r側の部分には、第1電極取出部124が接続されている。第1電極取出部124は、径方向に沿って延びる部材であり、内側の端部は第1導電部122に接続され、外側の端部は、セラミックヒータ40の外面に露出する。第1電極取出部124の露出部分は、外筒70の内周面に接触している。このような構造により、外筒70と第1導電部122とが電気的に接続された状態となる。
The first
第2導電部123の後端方向D1r側の部分には、第2電極取出部125が接続されている。第2電極取出部125は、径方向に沿って延びる部材であり、第1電極取出部124よりも、後端方向D1r側に配置されている。第2電極取出部125の内側の端部は、第2導電部123に接続され、外側の端部は、セラミックヒータ40の外面に露出する。第2電極取出部125の露出部分は、接続部材90の内周面に接触している。このような構造により、接続部材90と第2導電部123とが電気的に接続された状態となる。
The second
A3.セラミックヒータの製造
次に、セラミックヒータ40の製造方法を説明する。
セラミックヒータ40の製造方法において、まず、抵抗体120の材料が生成される。具体的には、導電性化合物の粉末と、窒化珪素と、焼結助剤と、水と、を混合することによって、スラリーが生成される。生成されたスラリーから、スプレードライによって、粉末が生成される。生成された粉末とバインダとを混練機によって混練することによって、図2等で示す抵抗体120の材料として、混合物が生成される。導電性化合物としては、上述した種々の化合物を採用可能である。
A3. Manufacture of Ceramic Heater Next, a method of manufacturing the
In the method of manufacturing the
このように抵抗体120の材料を生成した後、生成された混合物を成形することによって、成形体が生成される。成形方法としては、例えば射出成形が採用される。以上により、未焼成の抵抗体(以下「未焼成抵抗体」と呼ぶ)が、成形される。なお、他の成形方法(例えば、プレス成形)を採用してもよい。
After producing the material of the
図4(A)には、後述する未焼成のセラミックヒータの分解斜視図が示されている。図中の部材120Zは、未焼成抵抗体を示している(以下「未焼成抵抗体120Z」と呼ぶ)。図示するように、未焼成抵抗体120Zは、未焼成の導電部122Z、123Zと、未焼成の発熱部121Zと、未焼成の電極取出部124Z、125Zと、を含んでいる。
FIG. 4A shows an exploded perspective view of an unfired ceramic heater, which will be described later. The member 120Z in the figure indicates an unfired resistor (hereinafter referred to as “unfired resistor 120Z”). As shown in the figure, the unfired resistor 120Z includes unfired
更に、基体110の材料が生成される。具体的には、絶縁性セラミック(窒化珪素)粉末と、焼結助剤と、水と、を混合することによって、スラリーが生成される。生成されたスラリーから、スプレードライによって、粉末が生成される。生成された粉末とバインダとを混練機によって混練することによって、基体110の材料として、混合物が生成される。
本実施形態においては、希土類元素を含んだ焼結助剤である酸化イッテルビウム(Yb2O3)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化エルビウム(Er2O3)等の少なくとも1種が用いられる。本実施形態においては、さらに、W又はMoを含んだ焼結助剤である酸化タングステン(WO3)、酸化モリブデン(MoO3)の少なくとも1種が用いられる。また、これらの焼結助剤の他に、例えば、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化アルミニウム(AlN)、酸化チタン(TiO2)、炭化珪素(SiC)、酸化マグネシウム(MgO)等を併用することができる。
焼結助剤の含有量は、特に限定されないが、例えば出発原料の総量(窒化珪素粉末と、焼結助剤の合計量100質量%)に対して5〜20質量%とすることができる。
Further, the material for the
In this embodiment, at least one of ytterbium oxide (Yb 2 O 3 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), erbium oxide (Er 2 O 3 ) and the like, which are sintering aids containing rare earth elements, is used. Be done. In the present embodiment, at least one of tungsten oxide (WO 3 ) and molybdenum oxide (MoO 3 ), which are sintering aids containing W or Mo, is further used. In addition to these sintering aids, for example, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), titanium oxide (TiO 2 ), silicon carbide (SiC), magnesium oxide (MgO), etc. are used in combination. can do.
The content of the sintering aid is not particularly limited, but can be, for example, 5 to 20% by mass with respect to the total amount of the starting material (total amount of silicon nitride powder and sintering aid 100% by mass).
このように基体110の材料を生成した後、生成された混合物を成形することによって、未焼成の成形体が成形される。図4(B)で示す部材40Zは、成形される成形体を示している(以下「成形体40Z」と呼ぶ)。図4(A)の分解斜視図は、図4(B)で示す成形体40Zの基体110に対応する部分を、中心軸CLを通る平面で2等分して得られる2つの部分110Y、110Zと、成形された未焼成抵抗体120Zとを示している。第1部分110Zは、未焼成抵抗体120Zの一部を収容するための第1凹部111Zを有している。図示を省略するが、第2部分110Yも、同様の凹部を有している。未焼成抵抗体120Zは、これらの部分110Y、110Zに挟まれている。
After producing the material of the
このような成形体40Zは、以下のように成形される。図示しない成形型の内の所定位置に、上述した方法で成形された未焼成抵抗体120Zを配置する。そして、混錬によって生成された基体の材料を、射出成形により未焼成抵抗体120Zを覆うように、成形する。以上により、図4(B)で示す成形体40Zが成形される。 Such a molded body 40Z is molded as follows. The unfired resistor 120Z molded by the method described above is placed at a predetermined position in a molding die (not shown). Then, the material of the substrate produced by kneading is molded by injection molding so as to cover the unfired resistor 120Z. As a result, the molded body 40Z shown in FIG. 4 (B) is molded.
なお、他の成形方法を採用してもよい。例えば、第1部分110Zをプレス成形する。そして、図示しない成形型の内の所定位置に第1部分110Zを配置する。次に、第1部分110Zの第1凹部111Zに、未焼成抵抗体120Zを嵌め込む。次に、成形型の内の第2部分110Yに対応する空間内に、上述した方法で生成された基体材料を充填し、プレス成形によって、成形体40Zを成形する。
In addition, another molding method may be adopted. For example, the
なお、基体の材料の生成は、成形体40Zの成形よりも前の任意のタイミングで実行可能である。例えば、抵抗体120の材料の生成の前や後であってもよく、未焼成抵抗体120Zの成形の前や後であってもよい。
It should be noted that the generation of the material of the substrate can be executed at an arbitrary timing prior to the molding of the molded body 40Z. For example, it may be before or after the production of the material of the
このように成形体40Zが成形された後、成形体40Zからバインダを除去するために、仮焼が行われる。仮焼は、例えば、摂氏400度以上、摂氏800度以下の温度で、行われる。仮焼の後、冷間等方圧プレス(CIP)を行っても良い。 After the molded body 40Z is molded in this way, calcining is performed in order to remove the binder from the molded body 40Z. The calcining is performed, for example, at a temperature of 400 degrees Celsius or higher and 800 degrees Celsius or lower. After calcining, a cold isotropic press (CIP) may be performed.
このように成形体40Zの仮焼が行われた後、成形体40Zが焼成される。これにより、焼結された部材(焼成体とも呼ぶ)が、生成される。焼成方法としては、例えば常圧焼成法が採用される。常圧焼成法を採用する場合、例えば、摂氏1500度以上、1800度以下の温度で、0.1MPa以上、1MPa以下の圧力の非酸化雰囲気下(好ましくは、窒素分圧が0.05MPa以上)で、焼成が行われる。常圧焼成法は、安価に大量の成形体40Zの焼成が可能である。 After the calcined body 40Z is calcined in this way, the molded body 40Z is fired. As a result, a sintered member (also referred to as a fired body) is generated. As the firing method, for example, a normal pressure firing method is adopted. When the normal pressure firing method is adopted, for example, at a temperature of 1500 ° C. or higher and 1800 ° C. or lower, in a non-oxidizing atmosphere with a pressure of 0.1 MPa or higher and 1 MPa or lower (preferably, the nitrogen partial pressure is 0.05 MPa or higher). Then, firing is performed. The normal pressure firing method can fire a large amount of molded body 40Z at low cost.
なお、本発明における「ピーク強度Y/ピーク強度X」「ピーク強度Z/ピーク強度X」は、焼結助剤の量、焼成の際の窒素分圧等を調整することによりコントロールすることができる。
具体的には、焼結助剤の量を増加させると「ピーク強度Y/ピーク強度X」、「ピーク強度Z/ピーク強度X」が増加し、焼結助剤の量を減少させると「ピーク強度Y/ピーク強度X」、「ピーク強度Z/ピーク強度X」が減少する。また、窒素分圧を相対的に低くすると、「ピーク強度Y/ピーク強度X」は減少しつつ「ピーク強度Z/ピーク強度X」は増加し、窒素分圧を相対的に高くすると、「ピーク強度Y/ピーク強度X」は増加しつつ「ピーク強度Z/ピーク強度X」は減少する。
The "peak intensity Y / peak intensity X" and "peak intensity Z / peak intensity X" in the present invention can be controlled by adjusting the amount of the sintering aid, the partial pressure of nitrogen at the time of firing, and the like. ..
Specifically, increasing the amount of the sintering aid increases "peak intensity Y / peak intensity X" and "peak intensity Z / peak intensity X", and decreasing the amount of the sintering aid increases "peak". "Intensity Y / Peak intensity X" and "Peak intensity Z / Peak intensity X" decrease. Further, when the nitrogen partial pressure is relatively low, the "peak intensity Y / peak intensity X" decreases while the "peak intensity Z / peak intensity X" increases, and when the nitrogen partial pressure is relatively high, the "peak""Intensity Y / Peak intensity X" increases while "Peak intensity Z / Peak intensity X" decreases.
なお、焼成方法としては、他の方法を採用してもよい。例えば、ガス圧焼成法、熱間等方圧加圧法(HIP)、ホットプレス法等を採用可能である。ガス圧焼成法を採用する場合、例えば、摂氏1500度以上、1950度以下の温度で、5MPa以上、12MPa以下の圧力の非酸化雰囲気下で、焼成が行われる。熱間等方圧加圧法(HIP)を採用する場合、例えば、常圧焼成法、又は、ガス圧焼成法で1次焼成が行われる。その後に、摂氏1450度以上、1900度以下の温度で、12MPa以上、200MPa以下の圧力の窒素雰囲気下で、焼成(2次焼成)が行われる。ホットプレス法を採用する場合、例えば、0.1MPa以上、1MPa以下の非酸化雰囲気下で、摂氏1450度以上、1900度以下の温度で、10MPa以上、50MPa以下の1軸加圧の下で、焼成が行われる。 As the firing method, another method may be adopted. For example, a gas pressure firing method, a hot isostatic pressing method (HIP), a hot press method, or the like can be adopted. When the gas pressure firing method is adopted, for example, firing is performed at a temperature of 1500 ° C. or higher and 1950 ° C. or lower in a non-oxidizing atmosphere at a pressure of 5 MPa or higher and 12 MPa or lower. When the hot isostatic pressing method (HIP) is adopted, for example, the primary firing is performed by the normal pressure firing method or the gas pressure firing method. After that, firing (secondary firing) is performed at a temperature of 1450 ° C. or higher and 1900 ° C. or lower in a nitrogen atmosphere at a pressure of 12 MPa or higher and 200 MPa or lower. When the hot press method is adopted, for example, in a non-oxidizing atmosphere of 0.1 MPa or more and 1 MPa or less, at a temperature of 1450 degrees Celsius or more and 1900 degrees Celsius or less, under uniaxial pressure of 10 MPa or more and 50 MPa or less. Firing is performed.
このように成形体40Zに対する焼成が行われた後、成形体40Zを焼成して得られる焼成体(図示せず)が、研磨加工される。これにより、焼成体の外形が、所定の形状に加工される。 After the molded body 40Z is fired in this way, the fired body (not shown) obtained by firing the molded body 40Z is polished. As a result, the outer shape of the fired body is processed into a predetermined shape.
実施例により本発明を更に具体的に説明する。 The present invention will be described in more detail with reference to Examples.
1.セラミックヒータの作製
抵抗体120の材料としての混合物を射出成形によって未焼成抵抗体120Zとした。未焼成抵抗体120Zを、成形型の内の所定位置に配置した。そして、混錬によって生成された基体110の材料を、未焼成抵抗体120Zを覆うように、プレス成形して成形体40Zを得た。成形体40Zを脱脂した後、仮焼した。仮焼の後、冷間等方圧プレス(CIP)を行った。その後、成形体40Zを常圧焼成し、研磨してセラミックヒータ40を得た。
なお、実施例及び比較例では、セラミックヒータ40の基体110における粒界相の希土類元素化合物が表1に記載の化合物となるように、基体110の焼結助剤の1種を酸化イッテルビウム、酸化イットリウム、酸化エルビウムから選択した。また、実施例及び比較例では、表1で、「W又はMo」の欄に「W」と記載されている場合は、焼結助剤として酸化タングステンを用い、「Mo」と記載されている場合は、焼結助剤として酸化モリブデンを用いた。
希土類元素、W、Moの量は、上述の焼結助剤の量を調整することによってコントロールした。なお、これらの元素成分の割合については、セラミックヒータ(焼結体)40を切断して、断面を表面研磨して、電子線プローブマイクロアナライザ(EPMA)を用いて、定量される金属換算値であり、製造時の含有量ではない。元素成分の割合は、15kV−φ20μmで分析エリアを緻密な均質固溶体と仮定分析し、標準試料強度に対して理論補正(ZAF法)を行い算出した。
1. 1. Fabrication of Ceramic Heater The mixture as the material of the
In Examples and Comparative Examples, one of the sintering aids of the
The amounts of rare earth elements, W and Mo were controlled by adjusting the amount of the above-mentioned sintering aid. Regarding the ratio of these elemental components, the ceramic heater (sintered body) 40 is cut, the cross section is surface-polished, and an electron probe microanalyzer (EPMA) is used to quantify the metal equivalent value. Yes, not the content at the time of manufacture. The ratio of the elemental components was calculated by assuming an analysis area of 15 kV−φ20 μm and assuming that the analysis area was a dense homogeneous solid solution, and theoretically correcting the standard sample intensity (ZAF method).
2.試験
2.1 ピーク強度Y/ピーク強度Xの値(表1では、「Y/X」と略す)
各ピークは、X線源をCuKα1とし、波長1.5460Åとした場合のピークを用いた。
ピーク強度Xは、窒化珪素の結晶の(101)面におけるピーク強度であるが、このピーク強度は、具体的には2θ=33.6°付近のピークを用いて測定した。
ピーク強度Yは、2θ=42.7°付近のピークを用いて測定した。
2. Test 2.1 Peak intensity Y / peak intensity X value (abbreviated as "Y / X" in Table 1)
For each peak, the peak when the X-ray source was CuKα1 and the wavelength was 1.5460 Å was used.
The peak intensity X is the peak intensity on the (101) plane of the silicon nitride crystal, and this peak intensity was specifically measured using a peak near 2θ = 33.6 °.
The peak intensity Y was measured using a peak near 2θ = 42.7 °.
2.2 ピーク強度Z/ピーク強度Xの値(表1では、「Z/X」と略す)
各ピークは、X線源をCuKα1とし、波長1.5460Åとした場合のピークを用いた。
ピーク強度Xは、上記と同様に、具体的には2θ=33.6°付近のピークを用いて測定した。
ピーク強度Zは、2θ=30.1°付近のピークを用いて測定した。
2.2 Value of peak intensity Z / peak intensity X (abbreviated as "Z / X" in Table 1)
For each peak, the peak when the X-ray source was CuKα1 and the wavelength was 1.5460 Å was used.
The peak intensity X was specifically measured using a peak near 2θ = 33.6 ° in the same manner as described above.
The peak intensity Z was measured using a peak near 2θ = 30.1 °.
2.3 平均円相当径
セラミックヒータ40の任意の横断面において、断面に鏡面研磨処理を施し、FE−SEMにより10000倍で観察した。この観察によって得られた組織写真について、任意の異なる5カ所を単位面積(9μm×12μm)で切り出して、それぞれ組織写真を二階調化し、その後、画像解析ソフトウェア(三谷商事株式会社製 WinROOF)で解析して平均円相当径を求めた。
平均円相当径は、基体110に含まれるW5Si3、WSi2、Mo5Si3、MoSi2からなる群より選択される1種以上の粒子、又は前記粒子の凝集体に係るものである。
2.3 Average circle equivalent diameter In any cross section of the
The average circle-equivalent diameter relates to one or more particles selected from the group consisting of W 5 Si 3 , WSi 2 , Mo 5 Si 3 , and MoSi 2 contained in the substrate 110, or an aggregate of the particles. ..
2.4 室温強度
セラミックヒータ40の室温強度の測定には、各実施例及び各比較例ごとに10個のセラミックヒータ40のサンプルを用いた。3点支持曲げ試験(支点間距離=12mm、クロスヘッド速度=0.5mm/分)を行い、折れた時の最大曲げ応力を算出した。10個のサンプルの曲げ応力の平均曲げ応力をセラミックヒータの室温強度として採用した。この試験は、JIS R 1601に準じて行われた。評価は次のようにした。
◎(極めて良好):750MPa以上
○(良好):700MPa以上750MPa未満
×(不良):700MPa未満
2.4 Room temperature strength In the measurement of the room temperature strength of the
◎ (Extremely good): 750 MPa or more ○ (Good): 700 MPa or more and less than 750 MPa × (Defective): Less than 700 MPa
2.5 高温強度
セラミックヒータ40の高温強度の測定には、各実施例及び各比較例ごとに5個のセラミックヒータ40のサンプルを用いた。1300℃の環境下において、4点支持曲げ試験(外部支点間距離=30mm、内部支点間距離=10mm、クロスヘッド速度=0.5mm/分)を行い、折れた時の最大曲げ応力を算出した。5個のサンプルの曲げ応力の平均曲げ応力をセラミックヒータの高温強度として採用した。この試験は、JIS R 1604に準じて行われた。評価は次のようにした。
◎(極めて良好):250MPa以上
○(良好):200MPa以上250MPa未満
×(不良):200MPa未満
2.5 High-temperature strength For the measurement of the high-temperature strength of the
◎ (Extremely good): 250 MPa or more ○ (Good): 200 MPa or more and less than 250 MPa × (Defective): Less than 200 MPa
2.6 ONOFF耐久性
次のように、グロープラグ1のON状態とOFF状態とを繰り返して耐久性を評価した。
[ON状態] グロープラグの最高発熱部が1secで1000℃となるように昇温し、その後、最高温度が1250℃に更に昇温して停止した。
[OFF状態] 30s風冷した。
評価は次のようにした。
◎(極めて良好):60000サイクルを超えて断線
○(良好):25000サイクルを越えて60000サイクル以下で断線
△(可):8000サイクルを越えて25000サイクル以下で断線
×(不可):8000サイクル以下で断線
2.6 ON / OFF durability The durability of the
[ON state] The temperature of the maximum heat generating portion of the glow plug was raised to 1000 ° C. in 1 sec, and then the maximum temperature was further raised to 1250 ° C. and stopped.
[OFF state] Air-cooled for 30s.
The evaluation was as follows.
◎ (Extremely good): Disconnection over 60,000 cycles ○ (Good): Disconnection over 25,000 cycles and below 60,000 cycles △ (Yes): Disconnection over 8,000 cycles and below 25,000 cycles × (No): 8000 cycles or less Disconnection
3.試験結果
試験結果を表1に併記する。
W5Si3又はMo5Si3で表される珪化物を有し、ピーク強度Y/ピーク強度Xの値が、0.05以上0.4以下の実施例1〜10は、室温強度、高温強度、ONOFF耐久性の全ての性能で評価が「○」以上(良好以上)であった。
これに対して、W5Si3又はMo5Si3で表される珪化物を有さない比較例1は、室温強度、高温強度、ONOFF耐久性の全ての性能での評価が「×」(不良)であった。
ピーク強度Y/ピーク強度Xの値が、0.05以上0.4以下の範囲を外れた比較例2〜3は、室温強度の評価が「×」以上(不良)であった。また、比較例2〜3は、ONOFF耐久性の評価が「△」(可)であった。
これらの結果から、W5Si3又はMo5Si3で表される珪化物を有し、ピーク強度Y/ピーク強度Xの値が、0.05以上0.4以下であると、室温強度、高温強度、ONOFF耐久性の全てが優れていることが確認された。
なお、比較例の特性が劣る理由については次のように推測される。
比較例1では、基体の材料に焼結助剤としての酸化タングステンが含まれないので、セラミックヒータの焼結性が低下し、その結果、室温強度が低くなったと推測される。また、比較例1では、基体にW5Si3で表される珪化物が含まれないので、熱膨張に対する効果がなく、ONOFF耐久性が低くなったと推測される。
比較例2では、基体の材料に焼結助剤としての酸化タングステンが過剰に含まれるため、珪化物の粒径が大きくなり、その結果、粗大粒の影響で室温強度が低くなったと推測される。また、基体においてW5Si3の割合が過剰になるため、ONOFF耐久性が低くなったと推測される。
比較例3では、基体の材料に焼結助剤としての酸化タングステンが少ないため、セラミックヒータの焼結性が低下し、その結果、室温強度が低くなったと推測される。また、生成する珪化物が少ないため、熱膨張に対する効果が少なく、ONOFF耐久性の評価が「△」(可)となったと推測される。
3. 3. Test results The test results are also shown in Table 1.
Examples 1 to 10 having a siliceate represented by W 5 Si 3 or Mo 5 Si 3 and having a peak intensity Y / peak intensity X value of 0.05 or more and 0.4 or less have room temperature intensity and high temperature. The evaluation was "○" or higher (good or higher) in all performances of strength and ONOFF durability.
On the other hand, in Comparative Example 1 which does not have the silicified product represented by W 5 Si 3 or Mo 5 Si 3 , the evaluation of all the performances of room temperature strength, high temperature strength, and ONOFF durability is "x" ( It was bad).
In Comparative Examples 2 and 3 in which the values of peak intensity Y / peak intensity X were out of the range of 0.05 or more and 0.4 or less, the evaluation of room temperature intensity was “x” or more (defective). Further, in Comparative Examples 2 and 3, the evaluation of ONOFF durability was "Δ" (possible).
From these results, when it has a silicified product represented by W 5 Si 3 or Mo 5 Si 3 and the value of peak intensity Y / peak intensity X is 0.05 or more and 0.4 or less, the room temperature intensity is determined. It was confirmed that all of the high temperature strength and ONOFF durability were excellent.
The reason why the characteristics of the comparative example are inferior is presumed as follows.
In Comparative Example 1, since the substrate material does not contain tungsten oxide as a sintering aid, it is presumed that the sinterability of the ceramic heater was lowered, and as a result, the room temperature strength was lowered. In Comparative Example 1, since no include silicide represented by W 5 Si 3 to the substrate, no effect on the thermal expansion, ONOFF durability is presumed to have become lower.
In Comparative Example 2, since the substrate material contained an excess of tungsten oxide as a sintering aid, the particle size of the silicified product was increased, and as a result, it is presumed that the room temperature strength was lowered due to the influence of the coarse particles. .. Further, it is presumed that the ON / OFF durability was lowered because the ratio of W 5 Si 3 was excessive in the substrate.
In Comparative Example 3, since the substrate material contains less tungsten oxide as a sintering aid, it is presumed that the sinterability of the ceramic heater is lowered, and as a result, the room temperature strength is lowered. Further, since the amount of silicified product produced is small, the effect on thermal expansion is small, and it is presumed that the evaluation of ONOFF durability is "Δ" (possible).
次にピーク強度Z/ピーク強度Xについて検討する。ピーク強度Z/ピーク強度Xが0.05以下である実施例1〜8、10は、この強度比が0.05よりも大きい実施例9に比べて、ONOFF耐久性が優れていることが確認された。
実施例9は、WSi2割合が大きく、熱膨張に対する効果が過剰となり、ONOFF耐久性の評価が「○」(良好)に止まったものと推測される。
Next, the peak intensity Z / peak intensity X will be examined. It was confirmed that Examples 1 to 8 and 10 in which the peak intensity Z / peak intensity X was 0.05 or less were superior in ON / OFF durability as compared with Example 9 in which the intensity ratio was larger than 0.05. Was done.
In Example 9, it is presumed that the WSi 2 ratio was large, the effect on thermal expansion was excessive, and the evaluation of ONOFF durability remained at “◯” (good).
次に基体110に含まれるW5Si3、WSi2、Mo5Si3、MoSi2からなる群より選択される1種以上の粒子、又は粒子の凝集体の平均円相当径について検討する。粒子、又は粒子の凝集体の平均円相当径が0.05μm以上0.90μm以下である実施例1〜8は、この値が0.90μmよりも大きい実施例10に比べて、室温強度が優れていることが確認された。
実施例10では、平均円相当径が大きく、実施例1〜8と比較して、珪化物が分散せずに凝集しているため室温での強度が低下し、室温強度の評価が「○」(良好)に止まったものと推測される。
Next, the average circle-equivalent diameter of one or more particles selected from the group consisting of W 5 Si 3 , WSi 2 , Mo 5 Si 3 , and MoSi 2 contained in the
In Example 10, the average circle-equivalent diameter is large, and as compared with Examples 1 to 8, the silicates are agglomerated without being dispersed, so that the strength at room temperature is lowered, and the evaluation of the room temperature strength is “◯”. It is presumed that it stopped at (good).
次に粒界相の希土類元素化合物について検討する。粒界相に、Yb2Si2O7の結晶が存在する実施例1〜6、9〜10は、高温強度の評価が「◎」(極めて良好)であった。粒界相に、Er2Si2O7の結晶が存在する実施例7は、高温強度の評価が「◎」(極めて良好)であった。
一方、粒界相に、Y2Si2O7の結晶が存在する実施例8は、高温強度の評価が「○」(良好)であった。
この結果から、粒界相に、Er2Si2O7及び/又はYb2Si2O7の結晶が存在すると、高温強度が極めて優れていることが確認された。このような結果となるのは、Er、Ybの希土類元素化合物の結晶が、Yの希土類元素化合物の結晶に比べて、耐熱性が高いためであると推測される。
Next, the rare earth element compounds of the grain boundary phase will be examined. In Examples 1 to 6 and 9 to 10 in which crystals of Yb 2 Si 2 O 7 were present in the grain boundary phase, the evaluation of high temperature strength was "⊚" (extremely good). In Example 7 in which crystals of Er 2 Si 2 O 7 were present in the grain boundary phase, the evaluation of high temperature strength was “⊚” (extremely good).
On the other hand, in Example 8 in which crystals of Y 2 Si 2 O 7 were present in the grain boundary phase, the evaluation of high temperature strength was “◯” (good).
From this result, it was confirmed that the high temperature strength was extremely excellent when crystals of Er 2 Si 2 O 7 and / or Yb 2 Si 2 O 7 were present in the grain boundary phase. It is presumed that such a result is obtained because the crystals of the rare earth element compounds of Er and Yb have higher heat resistance than the crystals of the rare earth element compounds of Y.
<他の実施形態(変形例)>
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
<Other Embodiments (Modified Examples)>
The present invention is not limited to the above examples and embodiments, and can be implemented in various embodiments without departing from the gist thereof.
1…グロープラグ
20…主体金具
20A…貫通孔
20B…開口部
20C…開口部
22…雄ネジ部
28…工具係合部
30…中軸
31…先端部
39…後端部
40…セラミックヒータ
40Z…成形体(部材)
41…先端部
49…後端部
50…Oリング
60…絶縁部材
62…筒状部
68…フランジ部
70…外筒
70…金属外筒
70A…貫通孔
80…端子部材
90…接続部材
110…基体
120…発熱抵抗体(抵抗体)
120Z…未焼成抵抗体(部材)
121…発熱部
121A…第1抵抗部
121B…第2抵抗部
121C…連結部
121Z…発熱部
122…第1導電部
123…第2導電部
CL…軸線
1 ...
41 ...
120Z ... Unfired resistor (member)
121 ...
Claims (5)
前記導電性セラミックは、炭化タングステンと窒化珪素とを主成分としており、
前記絶縁性セラミックは、窒化珪素の結晶を主相とするとともに、粒界相には、希土類元素化合物と、W5Si3又はMo5Si3で表される珪化物とを有し、
前記基体におけるX線回折チャートにおいて、前記窒化珪素の結晶の(101)面におけるピーク強度をピーク強度Xとし、前記W5Si3又はMo5Si3の結晶の(411)面におけるピーク強度をピーク強度Yとしたとき、ピーク強度の比率であるピーク強度Y/ピーク強度Xの値が0.05以上0.4以下であることを特徴とするセラミックヒータ。 A ceramic heater having an insulating ceramic substrate and a conductive ceramic heating resistor embedded in the substrate.
The conductive ceramic contains tungsten carbide and silicon nitride as main components.
The insulating ceramic has a silicon nitride crystal as a main phase, and has a rare earth element compound and a silicified product represented by W 5 Si 3 or Mo 5 Si 3 in the grain boundary phase.
In the X-ray diffraction chart of the substrate, the peak intensity on the (101) plane of the silicon nitride crystal is defined as the peak intensity X, and the peak intensity on the (411) plane of the W 5 Si 3 or Mo 5 Si 3 crystal is peaked. A ceramic heater characterized in that the value of peak intensity Y / peak intensity X, which is the ratio of peak intensity, is 0.05 or more and 0.4 or less when the intensity is Y.
前記セラミックヒータの後端部を内部に保持する筒状の主体金具と、を備えることを特徴とするグロープラグ。 The ceramic heater according to any one of claims 1 to 4,
A glow plug including a tubular main metal fitting that holds the rear end portion of the ceramic heater inside.
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