JPH03197368A - 高熱伝導性点火プラグ用絶縁碍子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、内燃機関に使用される点火プラグ用絶縁碍
子に関する。更に詳しくは、高熱伝導性を有する窒化ア
ルミニウム質の点火プラグ用絶縁碍子に関する。

［従来の技術］ 内燃機関に使用される点火プラグの絶縁碍子としては、
一般にアルミナ質のものが使われて来た。

プラグには、市山地などの低速走行に適したホットタイ
プのものと、高速走行や登り坂走行に適し・た放熱性の
良いコールドタイプのものがある。

アルミナ質絶＆ｔｉＷ子を用いた場合、この両者のタイ
プは通常、碍子脚部の受熱面積の調整等で造り分けられ
ている。

低速から高速までムラなく確実に火花を飛ばすには、熱
範囲の広いワイドレンジタイプのプラグが必要となる。

プラグをワイドレンジ化する一つの方法として絶ｍ碍子
の熱伝導率を向上させる方法がある。この絶縁碍子の熱
伝導率を向上させる手段として、アルミナ質に代わる高
熱伝導性の絶縁プラグに変更する方法がある。

この高熱伝導性の絶縁碍子の材質として、窒化アルミニ
ウムの使用が検討されている。

［発明が解決しようとする課題］ 窒化アルミニウムは、熱伝導性、電気絶縁性の良い材料
として、近年電子材料等への使用が拡大している。

プラグの実使用温度（４００〜１０００℃）では、窒化
アルミニウムセラミックスは半導体的特性を示すことが
多く、点火プラグ用絶縁碍子としては、高温での電気絶
縁性に問題があった。

また、点火プラグでは、火花放電電圧が２０〜３０ｋＶ
にも達するので、点火プラグ用絶縁碍子には、実用温度
での耐電圧が要求されるが、窒化アルミニウムセラミッ
クスでは前記電気絶縁性と同様、高温においては耐電圧
が下がる傾向が見られ、高熱伝導性ではあるが点火プラ
グ用紙！を碍子としては実用化されるに至っていなかっ
た。

そこで、本発明は窒化アルミニウムセラミックスの高温
での電気絶縁性、耐電圧の向上を図ろうとするものであ
る。

［課題を解決するための手段］ 発明者らは、６００〜１０００℃の高温において、高熱
伝導性、高電気絶縁性、高耐電圧性を有する窒化アルミ
ニウム焼結体について種々検討した結果、酸素含有量０
．０７％以下、陽イオン不純物含有量０．１５％以下の
窒化アルミニウム焼結体が前記全ての特性が良いことを
見出した。

この窒化アルミニウム焼結体は、窒化アルミニウム粉末
に焼結助剤としてＩＩａ族化合物および／またはＩＩａ
族化合物を添加混合成形し焼結した後、粒界相を除去す
ることにより得られる。

製造法について述べる。本発明に用いる窒化アルミニウ
ム粉末は、酸素含有量については、０．５〜３．０％と
広い範囲のものが使用可能である。酸素濃度０．５％以
下では焼結が難しくなり、好ましくなく、３．０％を越
えると焼結性の問題はないが、粒界相に酸素をトラップ
するための焼結助剤量が増し、経済的に好ましくないば
かりでなく、これらの粒界相の量が増え粒界相除去によ
る焼結体の収縮が大きく、応力が発生し焼結体に亀裂が
生じやすく、製品歩留りが低下するので好ましくない。

窒化アルミニウム粉中の陽イオン不純物量は少ない方が
好ましい。窒化アルミニウム粉中の陽イオン不純物量が
増えると、焼結体中の陽イオン不純物量が増え、電気絶
縁性が低下する等の問題がある。原料窒化アルミニウム
粉中の陽イオン不純物量としては０．０３％以下のもの
が好ましい。

焼結助剤としては、ＩＩａ族化合物および／またはＩＩ
ａ族化合物が用いられるが、Ｃａｂ、ＣａＣｏ３ｔ　Ｃ
ａ（ＮＯ３）２等のＣａ系とＹ　２０３＋　　Ｙ　Ｆ　
３＋Ｙ　（Ｎ　Ｏ３）３等のＹ系助剤を単独、または混
合して用いるのが好ましい。これは、Ｃａ系、Ｙ系助剤
は焼結性が良好な事と、Ｃａ系助剤でできるアルミン酸
カルシウム、Ｙ系助剤で生成するアルミン酸イツトリウ
ムの粒界相の除去が比較的容易に実施できるためである
。窒化アルミニウムと焼結助剤の混合粉体は成形する前
に一般的には、スプレードライヤーにより造粒される。

スプレードライヤーにより造粒された原料をプラグ形状
に成形する。成形法としては、ラバープレス、プレス成
形等が実施される。成形したグリーンはそのまま焼成炉
で焼結しても良いが、−数的には焼結の前に脱脂を行な
う。脱脂は成形時に使用したバインダー等の分解、燃焼
を行なうものであり、窒素雰囲気、空気雰囲気等で実施
される。

高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体の焼成方法としては
、例えば■特開昭６３−２７７５６８、窒化アルミニウ
ムを主成分とし、これに１）アルカリ土類金属化合物及
び／または希土類化合物、２）アルミニウム酸化物を添
加し、高温で焼成する方法、■特開昭６３−２７７５６
９、不純物酸素量７重量％以下の窒化アルミニウムにア
ルカリ土類化合物を添加した成形体または焼結体を高温
で焼成する方法、■特開昭６３−２７７５７０、窒化ア
ルミニウムにアルカリ土金属化合物及び希土類化合物を
添加して高温で焼成する方法、■特開昭６３−２７７５
７３、不純物酸素量が７重量％以下の窒化アルミニウム
粉末に希土類および／またはアルカリ土類化合物を添加
した成形体を高温２段焼成する方法、■特開昭６３−３
０３８６３、不純物酸素量が７重量％以下の窒化アルミ
ニウム粉末に希土類化合物を添加した成形体またζよ焼
結体を高温焼成する方法などが挙げられる。

本発明においては、焼結は次の方法により行われる。ま
ず、成形体を窒化ホウ素容器中、窒化アルミニウム容器
中等の密閉容器中に入れ、窒素ガス等不活性雰囲気中で
１７００〜１９００℃の温度で焼結を行なう。

ここで、焼結した焼結体をカーボン容器中等カーボン雰
囲気中に移し、１８５０〜２０００℃で数時間から数十
時間再焼成する。

この２段階に亘る焼結操作により、１段目では焼結助剤
による窒化アルミニウム中の酸素トラップによる粒界相
の生成が起り、２段目では粒界相の除去が起る。この焼
成法は２段焼成となり、熱経済的には余り好ましくない
が、焼成雰囲気等の管理上操作等は簡単である。この焼
結ステップを１回の焼成操作で実施することは可能であ
り、この場合、初めからカーボン容器中で焼結する方法
をとる。

この様にして得た焼結体は酸素濃度も低く、陽イオン不
純物も少なく、高温での熱伝導性、電気絶縁性、耐電圧
性も良好である。

［作用］ 本発明においては、窒化アルミニウム中の酸素不純物を
焼結助剤によりトラップし粒界に出し、この粒界を除去
することにより、非常に高純度な窒化アルミニウム焼結
体が得られる。

この高純度な窒化アルミニウム焼結体は高温における電
気絶縁性、耐電圧が良好である。

［発明の効果］ 本発明により、耐熱性に優れ、高温における島熱伝導性
、高電気絶縁性及び高耐電圧を有する点火プラグ用紙１
８ＷＳ子が得られる。これにより、ワイドレンジタイプ
の点火プラグの製造が可能となり、内燃機関用として非
常に有用である。

［実施例］ 以下に、実施例、比較例により本発明を更に具体的に説
明する。

実施例　ｌ 窒化アルミニウム粉末（商品名口軽サーマルトップＥ　
Ｓ　６．　日本軽金属（株）製）（酸素含有Ｉｌｌ。

６％、平均粒径０．８μｍ）１００重量部に対して、焼
結助剤としてイツトリア粉末５重量部、ステアリンｒＩ
！ｉ１重量部、ポリビニルブチラール３重量部をｎ−ブ
チルアルコールを溶媒としてナイロンボール、ナイロン
ポットを使って２４時間ボールミル混合した。混合した
スラリーを乾燥させて塊状物とした。これを粉砕して粒
度２００〜４００μｍの粉末とした。この混合粉末を８
００　ｋｇ／ｃＩ１１２の成形圧力で一軸加圧成形して
３０ａ＋ｗφ、厚さ４ｍｍの成形体とした。このグリー
ン成形体を空気中５００℃で３時間保持して脱脂した。

炉内寸法３００ＬＸ３００”Ｘ２５０’のｌ鉛ｔニー９
−炉で、脱脂成形体をＤＮ容器に入れ、窒素雰囲気中で
１８００℃２時間焼結した。

次に、この焼結体を板状窒化アルミニウム焼結体上に置
き、前記黒鉛ヒーター炉で１９００℃で５０時間窒素中
で焼成した。熱処理が終了した焼結体は大気中に放置し
て表面に生成した窒化イツトリウムを加水分解させて除
去した。

調製したテストピースについて諸特性を調査した。両面
研削によって１＋＋ｍ厚にしたテストピースを７００℃
、１５気圧の窒素ガス中で１１０００ＶΩ計により絶縁
抵抗を測定した。

また、同じ測定条件で交流電源により昇圧速度１　ｋＶ
／　ｓｅｃで耐電圧を求めた。測定結果を表１に示す。

他の焼結体を１０■−φ、：３＋ｓ＋厚に加工し、レー
ザーフラッシュ法（熱定数測定装置真空理工（株）製、
ＴＣ−３０００ＨＮＣ型）で熱伝導率を２５℃と７００
℃で測定した。また焼結体中の酸素、鉄、ケイ素、イツ
トリウムの分析を行なった。結果を表１に示す。

比較例　ｌ 実施例１で調製した混合粉末を用い、実施例１と同様に
成形、脱脂し、ＢＮ容器中で窒素雰囲気中１８００℃で
２時間焼結した。これを実施例１と同様に加工し、諸特
性を調査した。結果を表１に示す。

実施例１に比較し、熱伝導率は低く、また、７００℃で
の耐電圧は点火プラグ用絶縁碍子としては使用できない
低さであった。

実施例　２ 窒化アルミニラ１１粉末を（商品名口軽サーマルトップ
ＳＴ、日本軽金属（株）製）（酸素含有量０゜８％、平
均粒径２．５μｍ）に変えた以外は、実施例１と全く同
様に混合、成形、脱脂し、二段焼結した。

このテストピースを同様に加工し、諸特性を調査した。

結果を表１に示す。

実施例　３ 窒化アルミニウム粉末を（商品名口軽サーマルトップｌ
ＩＤ９日本軽金属（株）＊）　　Ｃｒｊｔｉ素含有量１
゜０％、平均粒径２．４μｍ）に変えた以外は、実施例
１と全く同様にして得た焼結体を加工し、諸特性を調査
した。結果を表１に示す。

比較例　２〜３ 実施例２．実施例３で調製した粉末を用い、実施例１と
同様に成形、脱脂し、ＢＮ容器中で窒素ガス雰囲気で１
８００℃で２時閉焼結した。このテストピースについて
、実施例１と同様に加工し、諸特性を調査した。結果を
表１に示す。

実施例　４〜６ 実施例１，２．３で調製した粉末を用い、実施例１と同
様に成形、脱脂したグリーン成形体をカーボン容器中に
入れ、黒鉛ヒーター炉で１９００℃で３０時間窒素ガス
雰囲気中で焼成した。熱処理が終了した焼結体は大気中
に放置して表面に生成したＹＮを加水分解させて除去し
た。テストピースを加工し、諸特性を調査した。結果を
表１に示す。

比較例　４〜６ 黒鉛ヒーター炉での焼結条件を１９００℃で２時間と短
くした以外は、実施例４〜６と同様にしてテストピース
を得た。このテストピースを加工し、諸特性を調査した
。結果を表１に示す。

以下余白 実施例　７ 窒化アルミニラｌ、粉末（商品名日経サーマルトップＳ
Ｔ、　　日本軽金属（株）！り　　（酸素含有量０゜８
％、平均粒径２．５μｍ）１００重量部に対して、焼結
助剤としてイツトリア粉末４重量部、ステアリン酸　１
重量部、フタル酸ジブチル　１重量部、ポリビニルブチ
ラール　１重量部をエタノールを溶媒としてナイロンボ
ール、ナイロンポットを使用して２４時閘室−ルミル混
合した。さらにエタノールを加えてスラリーの粘度を約
１００センチボイスに調整し、窒素ガス循環型スプレー
ドライヤーて造粒した。造粒物の粒度は５０〜７０μｍ
で流動性の良い整った球状の造粒物であった。

窒化アルミニウム造粒物をラバープレスを使用して、成
形圧力ｌｔ／ｃｌＩ２で成形し、プラグ用碍子の形状に
加工した。空気中５００℃で５時間保持して脱脂を行な
った。炉内寸法３００ＬＸ３００ｗＸ２５０’の黒鉛ヒ
ーター炉内の窒化ホウ素容器内に成形体を入れ、窒素雰
囲気中で１８００℃２時間焼結した。焼結体のカサ密度
は理論値の９９％以上で、変形やクラック等の欠陥のな
い良好な焼結体であった。

このプラグ用碍子形状の窒化アルミニウム焼結体を板状
窒化アルミニウム焼結体上に置き、黒鉛ヒーター炉で１
９００℃で５０時閘室素ガス雰囲気中で焼成した。熱処
理した焼結体は大気中に放置して表面に生成した窒化イ
ツトリウムを加水分解させて除去した。窒化イツトリウ
ムを除去した焼結体を用いてスパークプラグ完成状態に
組み立てた。

製造した窒化アルミニウム質スパークプラグを直列６気
筒、４サイクル２０００ｃｃエンジンに実装し、性能試
験を行なった。

エンジン回転数４５０　Ｏｒｐｍ＋、吸気管負圧９０＋
ｕ１１８で２００時間運転を行ない、プラグを脱着して
外観検査を行なった。この操作を１サイクルとして５サ
イクル繰り返して試験を行なった。プラグ絶縁体部分の
外観検査では絶縁不足による貫通跡。

ブレイグニションによる溶解、熱衝撃によるクラック等
は全く発生しなかった。

また、低速運転試験時には炭素の絶縁部分への付着によ
る失火も全く起こらなかった。

本窒化アルミニウム質プラグはターボ装着エンジン、Ｄ
ＯＨＣエンジン、ロータリーエンジン等の高速回転、高
出力エンジン用として最適であり、熱範囲が広いために
低速域から高速域まで安定した着火性能を発揮するもの
である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．酸素含有量０．０７％以下、陽イオン不純物含有量
   ０．１５％以下で、主成分が窒化アルミニウムである高
   熱伝導性点火プラグ用絶縁碍子。
2. ２．窒化アルミニウム粉末に焼結助剤としてIIａ族化合
   物および／またはIIIａ族化合物を添加混合成形し焼結
   した後、粒界相を除去することを特徴とする高熱伝導性
   点火プラグ用絶縁碍子の製造方法。