JPH10300086A - セラミックヒータ及びセラミックグロープラグ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温強度、耐酸化性、及び耐蝕性に優れたセ
ラミックヒータの提供。 【解決手段】 セラミックヒータ３は、主成分のＳｉ₃
Ｎ₄ と、希土類酸化物と、ＳｉＣと、Ｃｒ₂ Ｏ₃ 換算で
０．１重量％〜１０重量％のＣｒ化合物とを混合した混
合粉末に、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、
Ｖ、及びＣｒの中から選ばれる１種類以上の珪化物、炭
化物、又は窒化物を主体とする発熱抵抗体３２を埋設
し、ホットプレス焼成して製造したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼルエンジ
ンに配設するセラミックグロープラグに好適なセラミッ
クヒータに関する。

【０００２】

【従来の技術】発熱体を埋設する形式のセラミックヒー
タのセラミックとして、従来より、Ａｌ₂ Ｏ₃ - Ｙ₂ Ｏ
₃ 焼結助剤を使用した窒化珪素質セラミック（従来技術
１）や、希土類酸化物の焼結助剤を使用した窒化珪素質
セラミック（従来技術２）が知られている｛特開平５-
１８１７号公報、特開平５- １７４９４８号公報、特開
平５- ２３４６６５号公報等｝。

【０００３】窒化珪素は、熱膨張係数が３．０〜３．２
×１０^-6程度であり、発熱体の熱膨張係数（３．９×１
０^-6以上）に比べ差が大きく、通電耐久性に劣る。この
改善策として、Ａｌ₂ Ｏ₃ - Ｙ₂ Ｏ₃ 焼結助剤や希土類
酸化物の焼結助剤の熱膨張係数を発熱体の熱膨張係数に
近づける為に、母材より熱膨張係数が大きい、金属の炭
化物、珪化物、窒化物、硼化物より選ばれる材料（例え
ば、ＭｏＳｉ₂ 等）を添加する方法が試みられている
｛従来技術３；特開昭６４- ６１３５６号公報、特開平
６- ２５１８６２号公報｝。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のセラミックヒー
タを試作して試験した結果、以下の不具合があることを
発明者は見出した。Ａｌ₂ Ｏ₃ - Ｙ₂ Ｏ₃ 焼結助剤を使
用した窒化珪素質セラミック（従来技術１のもの）は、
高温強度や耐酸化性が劣る。希土類酸化物の焼結助剤を
使用した窒化珪素質セラミック（従来技術２のもの）
は、エンジン中（特にＯ₂ 、Ｓ、Ｃａ雰囲気）での耐蝕
性に劣る。

【０００５】母材より熱膨張係数が大きい材料（ＭｏＳ
ｉ₂ 等）を添加したもの（従来技術３のもの）は、高温
での耐酸化性に劣る。特に、ＭｏＳｉ₂ を添加したもの
は、５００℃〜１０００℃での耐酸化性に劣り、エンジ
ンに装着し４００℃から９００℃でのサイクル運転の耐
久試験では、ＭｏＳｉ₂ の酸化膨張力が原因の割れが発
生する。

【０００６】本発明の第１の目的は、高温強度、耐酸化
性、及び耐蝕性に優れたセラミックヒータの提供にあ
る。本発明の第２の目的は、高温強度、耐酸化性、及び
耐蝕性に優れたセラミックグロープラグの提供にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する為、
本発明は、以下の構成を採用した。 （１）窒化珪素質のセラミック中に、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、
Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、及びＣｒの中から選ばれ
る１種類以上の珪化物、炭化物、又は窒化物を主体とす
る発熱体を埋設したセラミックヒータにおいて、前記セ
ラミックは、窒化珪素を主成分とし、残部が、希土類酸
化物、ＳｉＣ、及びＣｒ化合物からなる、窒化珪素- 炭
化珪素複合焼結体である。

【０００８】（２）セラミックヒータは、主成分のＳｉ
₃ Ｎ₄ と、希土類酸化物と、ＳｉＣと、Ｃｒ化合物とを
混合した混合粉末に、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚ
ｒ、Ｈｆ、Ｖ、及びＣｒの中から選ばれる１種類以上の
珪化物、炭化物、又は窒化物を主体とする発熱体を埋設
し、ホットプレス焼成して製造した。

【０００９】（３）上記(2) の構成を有し、前記混合粉
末に占める前記Ｃｒ化合物は、Ｃｒ₂Ｏ₃ 換算で０．１
重量％〜１０重量％である。 （４）セラミックグロープラグは、上記(1) 〜(3) の何
れかのセラミックヒータを使用した。

【００１０】

【作用および発明の効果】

〔請求項１、２について〕ＳｉＣの存在によりセラミッ
クヒータの高温強度が向上し、耐酸化性及び通電耐久性
を向上させることができる。ＳｉＣは熱膨張係数が大き
い（４．６×１０^-6程度）。この為、熱膨張係数が大き
いが高温での耐酸化性に劣る様になるＭｏＳｉ₂ 等の材
料を使用することなく、窒化珪素質焼結体（セラミック
ヒータ）の熱膨張係数を発熱体の熱膨張係数に近づける
ことができる。Ｃｒ化合物の存在により、エンジン中
（主にＯ₂ 、Ｃａ雰囲気）における耐蝕性及び耐酸化性
が向上する。

【００１１】〔請求項３について〕混合粉末に占めるＣ
ｒ化合物の割合が、Ｃｒ₂ Ｏ₃ の換算で０．１重量％〜
１０重量％であるので、エンジン中（主にＯ₂ 、Ｃａ雰
囲気）における耐蝕性及び耐酸化性が向上する。混合粉
末に占めるＣｒ化合物の割合がＣｒ₂ Ｏ₃ の換算で１０
重量％を越えると、焼結性が悪化し強度が極端に低下す
る。又、０．１重量％未満であると、エンジン中（主に
Ｏ₂ 、Ｃａ雰囲気）における耐蝕性及び耐酸化性の向上
が見られなくなる。

【００１２】〔請求項４について〕セラミックグロープ
ラグは、耐酸化性、通電耐久性、及び耐蝕性に優れた焼
結体（セラミックヒータ）を使用しているので、エンジ
ンに装着した場合に耐久性が優れる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施例（請求項１〜４に
対応）を図に基づいて説明する。図１に示すグロープラ
グＡは、金属外筒１と、該金属外筒１の後部１１を保持
する筒状主体金具２と、金属外筒１内に嵌挿されるセラ
ミックヒータ３と、筒状主体金具２に絶縁状態に配設さ
れる端子電極４とを備える。

【００１４】金属外筒１（肉厚０．６ｍｍ）は、耐熱金
属で形成され、後部１１が筒状主体金具２の先端内周２
０に銀ろう付けされている。筒状主体金具２（炭素鋼
製）は、レンチ嵌合用の六角部２２を後端に形成し、デ
ィーゼルエンジンの燃焼室に螺着するためのねじ２３を
先端外周に形成している。

【００１５】セラミックヒータ３は、後述する方法で製
造され、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 質のセラミック３１中に取出しリー
ド線３３、３４及びＵ字状の発熱抵抗体３２を埋設して
いる｛取出しリード線３３、３４間の抵抗値（設計値）
は７５０ｍΩ｝。発熱抵抗体３２は、セラミック３１中
に埋設（埋設深さは０．３ｍｍ以上）され、通電発熱時
には最高１４００℃に昇温する。

【００１６】取出しリード線３３、３４は、直径０．３
ｍｍのＷ（タングステン製）線であり、一端３３１、３
４１を発熱抵抗体３２の端部３２１、３２２に連結し、
他端３３２、３４２をセラミック３１の中間及び後部で
セラミック表面に露出させている。

【００１７】取出しリード線３３の他端３３２は、金属
筒５１→金属外筒１を介して筒状主体金具２に電気接続
されている。また、取出しリード線３４の他端３４２
は、金属金具５２を介して端子電極４に電気接続されて
いる。

【００１８】ねじ４１が形成される端子電極４は、イン
シュレータ６１及びナット６２により筒状主体金具２に
絶縁して固定される。また、６３は給電金具（図示せ
ず）を端子電極４に固定するためのナットである。

【００１９】つぎに、セラミックヒータ３（比較品のセ
ラミックヒータも同様）の製造方法を説明する。 ｛１｝平均粒径０．５μｍのＷＣ（炭化タングステン）
に、平均粒径０．７μｍの窒化珪素を４０重量％、Ｙｂ
₂ Ｏ₃ を５重量％添加し、５０Ｈｒ湿式混合し、泥漿を
製造する。尚、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、
Ｖ、及びＣｒより選ばれる１種類以上の珪化物、炭化
物、又は窒化物であればＷＣ（炭化タングステン）以外
でも良い｛例えばＭｏＳｉ（二硫化モリブデン）｝。

【００２０】｛２｝泥漿を１５０℃で１２Ｈｒ乾燥さ
せ、粉末にする。 ｛３｝この粉末に、数種のバインダーを３０〜７０体積
％添加し、混練ニーダー中で３Ｈｒ混練する。尚、数種
のバインダーには、例えば、ポリエチレン或いはワック
スと、酢酸ビニルと、ポリエチレンとを混合したもの
（合成樹脂系のバインダー）を使用する。

【００２１】｛４｝この混練物をペレタイザーにて約３
ｍｍ粒に造粒する。 ｛５｝取出しリード線３３、３４をセットした射出成形
機に造粒物を入れ、図３に示す、立体Ｕ字状の未焼成発
熱抵抗体が完成する。

【００２２】｛６｝平均粒径０．７μｍの窒化珪素と、
平均粒径０．８μｍ〜３μｍの希土類酸化物｛表１に示
すＹｂ₂ Ｏ₃ 、Ｅｒ₂ Ｏ₃ ｝と、平均粒径０．３μｍの
ＳｉＣ粉末と、平均粒径１μｍ〜３μｍのＣｒ化合物
｛表１に示す、Ｃｒ₂ Ｏ₃ 、Ｃｒ ₂ Ｎ、Ｃｒ₃ Ｃ₂ 、Ｃ
ｒＳｉ₂ 、Ｃｒ｝とを表１に示す割合で秤量し、ボール
ミル中で湿式混合し、バインダーを加えた後、スプレー
ドライにより混合粉末を得る。尚、ＳｉＣを０重量％と
し、焼結体の熱膨張差を発熱体に近づけるためにＭｏＳ
ｉ₂ を添加したものを、比較例中の(12)、(13)に示す
｛表１参照｝。

【００２３】

【表１】

【００２４】｛７｝先に製造した未焼成の発熱抵抗体
（図３に示す）を上記混合粉末中に埋設し、プレス成形
後にホットプレス法で、Ｎ₂ ガス雰囲気、１７５０℃×
６０分、３００ｋｇｆ／ｃｍ² にて焼成し、焼結体を得
る。

【００２５】｛８｝この焼結体をφ３．５の略円筒状に
研摩（研摩により他端３３２、３４２が露出）し、金属
筒５１、金属金具５２をロウ付けし、図２に示すセラミ
ックヒータ３が完成する。

【００２６】尚、以下の工程を行うとグロープラグＡが
完成する。取出しリード線３３、３４の他端３３２、３
４２（露出面）に、金属筒５１、金属金具５２をロウ付
けして金属外筒１に嵌め込み、金属外筒１の後部１１を
筒状主体金具２の先端内周２０に銀ろう付けする。更
に、インシュレータ６１及びナット６２によって端子電
極４を筒状主体金具２に固定する。

【００２７】セラミックヒータ３｛(1) 〜(7) 、及び比
較品のセラミックヒータ｛(8) 〜(13)｝に対して以下の
試験を実施した。尚、結果を表１に示す。セラミックヒ
ータ３及び比較品の機械的強度（常温／高温）を調べる
為、常温及び高温（１４００℃）での三点曲げ強度（Ｍ
Ｐａ）を測定した。

【００２８】セラミックヒータ３及び比較品の耐酸化性
を評価する為、９００℃及び１４００℃の炉内に１００
時間放置し、酸化増量（ｍｇ／ｃｍ² ）を測定した。エ
ンジン内の雰囲気は、主にＯ₂ 、Ｓ、Ｃａである。そこ
で、セラミックヒータ３及び比較品を１１００℃のＣａ
ＳＯ₄ 雰囲気に２０Ｈｒ放置してやせ量（ｍｍ）を測定
し、耐蝕性を評価した。

【００２９】セラミックヒータ３及び比較品の耐久性を
調べるため、セラミックヒータ３｛(1) 〜(7) ｝及び比
較品のセラミックヒータ｛(8) 〜(13)｝をグロープラグ
として組み付けた後にエンジンに装着し、エンジン耐久
テスト（４００℃〜９００℃に晒されるサイクル運転）
を非通電状態で１００００サイクル繰り返し、やせ量
（ｍｍ）を測定した。

【００３０】グロープラグＡ及び比較品のグロープラグ
の通電耐久性を調べる為、セラミックヒータ３｛(1) 〜
(7) ｝及び比較品のセラミックヒータ｛(8) 〜(13)｝を
グロープラグとして組み付けた後、通電１分間｛１４０
０℃（飽和温度）に昇温｝-通電断１分間を１サイクル
とし、最大１００００の通電耐久試験を行った。

【００３１】表１から明らかな様に、セラミックヒータ
３｛(1) 〜(7) ｝は、機械的強度（常温、高温）、耐酸
化性、ＣａＳＯ₄ 耐蝕性、エンジン装着耐久試験、及び
通電耐久試験の全てにおいて優れた試験結果が得られ
た。

【００３２】これに対し、比較品のセラミックヒータ
は、機械的強度（常温、高温）、耐酸化性、ＣａＳＯ₄
耐蝕性、エンジン装着耐久試験、及び通電耐久試験の全
てにおいて、セラミックヒータ３｛(1) 〜(7) ｝より劣
る試験結果が得られた。特に、熱膨張差を合わせる為
に、ＭｏＳｉ₂ を添加した比較品｛(12)、(13)｝は、エ
ンジン装着耐久試験において、ＭｏＳｉ₂ の酸化膨張力
が原因のセラミック割れが発生した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るセラミックヒータを使用したグロ
ープラグの断面図である。

【図２】本発明に係るセラミックヒータの断面図であ
る。

【図３】未焼成の発熱抵抗体の斜視図である。

【符号の説明】

Ａ グロープラグ（セラミックグロープラグ） ３ セラミックヒータ ３２ 発熱抵抗体（発熱体）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化珪素質のセラミック中に、 Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、及びＣ
   ｒの中から選ばれる１種類以上の珪化物、炭化物、又は
   窒化物を主体とする発熱体を埋設したセラミックヒータ
   において、 前記セラミックは、窒化珪素を主成分とし、残部が、希
   土類酸化物、ＳｉＣ、及びＣｒ化合物からなる、窒化珪
   素- 炭化珪素複合焼結体であることを特徴とするセラミ
   ックヒータ。
2. 【請求項２】 主成分のＳｉ₃ Ｎ₄ と、希土類酸化物
   と、ＳｉＣと、Ｃｒ化合物とを混合した混合粉末に、 Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、及びＣ
   ｒの中から選ばれる１種類以上の珪化物、炭化物、又は
   窒化物を主体とする発熱体を埋設し、 ホットプレス焼成して製造したセラミックヒータ。
3. 【請求項３】 前記混合粉末に占める前記Ｃｒ化合物
   は、Ｃｒ₂ Ｏ₃ 換算で０．１重量％〜１０重量％である
   請求項２記載のセラミックヒータ。
4. 【請求項４】 請求項１乃至請求項３の何れかのセラミ
   ックヒータを使用したセラミックグロープラグ。