DE102015112014B4

DE102015112014B4 - Aluminiumoxid-Sinterkörper und Zündkerze

Info

Publication number: DE102015112014B4
Application number: DE102015112014.3A
Authority: DE
Inventors: Shota IMADA
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2015-07-23
Publication date: 2017-11-23
Anticipated expiration: 2035-07-24
Also published as: US20160023953A1; JP2016023122A; DE102015112014A1; JP6052249B2; US9302942B2

Abstract

Aluminiumoxid-Sinterkörper (1), der Folgendes aufweist: eine Hauptphase, (2), die aus Aluminiumoxid-Kristall besteht; und kristalline Phasen (3), die in der Hauptphase (2) dispergiert sind, wobei die kristallinen Phasen (3) aus wenigstens einem bestehen, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus MgAl2O4, 2MgO·2Al2O3·5SiO2, 2MgO·SiO2 und MgO· SiO2, die durchschnittliche Korngröße der kristallinen Phasen (3) 0,4 μm bis 5,3 μm auf einer beliebigen Fläche mit einer Größe von 100 μm × 100 μm in einem Querschnitt des Aluminiumoxid-Sinterkörper (1) ist, und die Anzahl der kristallinen Phasen (3) mit Korngrößen von 1 μm bis 5 μm auf der Fläche 8 bis 412 ist.

Description

HINTERGRUND
[Technisches Gebiet]
Diese Offenbarung bezieht sich auf einen Aluminiumoxid-Sinterkörper, welcher eine Hauptphase aufweist, welche aus Aluminiumoxid besteht, und kristalline Phasen, welche in der Hauptphase gelöst sind.
[Verwandte Technik]
Aluminiumoxid-Sinterkörper haben eine hervorragende Wärmewiderstandsfähigkeit und Durchschlagsfestigkeit, und werden demzufolge in Isolatoren wie beispielsweise für Fahrzeugteile verwendet. In jüngster Zeit benötigen Zündkerzen für Fahrzeuge eine Verkleinerung, und es ist angestrebt, dass die Dicke der Isolatoren kleiner wird. Ebenso ist es erstrebt, dass die Zündkerzen eine höhere Spannung verwenden. Demzufolge benötigen die Aluminiumoxid-Sinterkörper für Isolatoren der Zündkerzen eine höhere Durchschlagsfestigkeit.
Herkömmlicherweise ist ein Isolationsmaterial, das Aluminiumoxid als einen Hauptbestandteil enthält, vorgeschlagen worden, mit einem ersten Additivbestandteil bzw. Additivbeimengung, die aus Si, Ca, Mg, Ba, B und dergleichen besteht, und einer zweiten Additivbeimengung, die aus Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn oder dergleichen besteht ( JP 2000-247 729 A ). In dem Isoliermaterial wird durch Zugabe sowohl von einer Mn-Beimengung als auch einer Cr-Beimengung eine zusammengesetzte Oxid-Phase, die einen hohen Schmelzpunkt hat, gebildet. Dies erhöht die Durchschlagsfestigkeit des isolierenden Materials.
In dem herkömmlichen isolierenden Material jedoch werden die kristallinen Phasen nach dem Zufallsprinzip in dem Aluminiumoxid-Sinterkörper ausgebildet, und dementsprechend ist es wahrscheinlich, dass eine Variation der Durchschlagsfestigkeit in dem Aluminiumoxid-Sinterkörper auftritt. Als Ergebnis könnte der gesamte Sinterkörper in der Durchschlagsfestigkeit unzureichend sein.
KURZFASSUNG
Zum Lösen der Probleme hat diese Offenbarung die Aufgabe, einen Aluminiumoxid-Sinterkörper vorzusehen, welcher eine hohe Durchschlagfestigkeit hat, und eine Zündkerze, welche den Aluminiumoxid-Sinterkörper verwendet.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Aluminiumoxid-Sinterkörper (1), der eine Hauptphase (2), die aus Aluminiumoxid-Kristall besteht, und kristalline Phasen (3), die in der Hauptphase dispergiert bzw. verteilt sind, aufweist. Die kristallinen Phasen (3) bestehen aus wenigstens einem, ausgewählt aus einer Gruppe, die aus MgAl₂O₄ (Spinell), 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂ (Cordierit), 2MgO·SiO₂ (Forsterit) und MgO·SiO₂ (Steatit) besteht. Die durchschnittliche Korngröße der kristallinen Phasen (3) beträgt 0,4 μm bis 5,3 μm. Ferner ist in einem beliebigen Bereich, der eine Größe von 100 μm × 100 μm in einem Querschnitt des Aluminiumoxid-Sinterkörper (1) hat, die Anzahl der kristallinen Phasen (3), die eine Korngröße von 1 μm bis 5 μm haben, 8 bis 412.
Ein zweiter Aspekt dieser Offenbarung ist eine Zündkerze, die einen Isolator, der aus dem Aluminiumoxid-Sinterkörper gemäß dem ersten Aspekt hergestellt ist, hat.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den beigefügten Zeichnungen:
1 ist ein Bild, das das Analyseergebnis der Aluminiumoxid-Sinterkörper durch einen Elektronenstrahlmikroanalysator (EPMA = electron probe microanalyser = Elektronenstrahlmikroanalysator) in Beispiel 1 zeigt;
2 ist ein Diagramm, das das Röntgenbeugungsmuster des Aluminiumoxid-Sinterkörper in Beispiel 1 zeigt;
3 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der durchschnittlichen Korngröße der kristallinen Phasen und der Spannungsfestigkeit für die Probe in Beispiel 1 zeigt;
4 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Anzahl von kristallinen Phasen, die Korngrößen von 1 bis 5 μm haben, und der Spannungsfestigkeit für die Probe in Beispiel 1 zeigt;
5 ist ein Dreiecksdiagramm, das bevorzugte Formulierungsverhältnisse der Additivbeimengungen in Beispiel 1 zeigt; und
6 ist eine teilweise Querschnittsansicht, die die Zündkerze in Beispiel 3 zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wird nun eine bevorzugte Ausführungsform eines Aluminiumoxid-Sinterkörpers beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass ”bis”, das einen Anzahlbereich anzeigt, bedeutet, dass der Anzahlbereich die Grenzzahl aufweist, das heißt inklusive.
In dem Aluminiumoxid-Sinterkörper ist ein Hauptphasengehalt beispielsweise 95 Massen-% oder mehr, wobei die Hauptphase aus Aluminiumoxid-Kristall besteht. In dem Aluminiumoxid-Sinterkörper ist der kristalline Phasengehalt beispielsweise 5 Massen-% oder weniger. Es wird bevorzugt, dass der Hauptphasengehalt 99 Massen-% oder weniger ist, und dass der kristalline Phasengehalt 1 Massen-% oder mehr ist. Die obige Zusammensetzung der Hauptphase und der kristallinen Phasen kann die Spannungsfestigkeit des Aluminiumoxid-Sinterkörpers erhöhen.
In dem Aluminiumoxid-Sinterkörper sind die kristallinen Phasen in der Hauptphase verteilt bzw. dispergiert. Die kristalline Phase kann in einem Kristallkorn aus Aluminiumoxidkristall sein, das die Hauptphase aufbaut, oder in einer Korngrenze des Aluminiumoxidkristalls.
Zur Bereitstellung des Aluminiumoxid-Sinterkörpers können als Rohmaterialien bzw. Ausgangsmaterialien, α-Aluminiumoxid, SiO₂, MgO, aktiviertes Aluminiumoxid (γ-Al₂O₃) und dergleichen verwendet werden. Der Aluminiumoxid-Sinterkörper kann durch ein Durchführen, beispielsweise eines ersten Mischschritts, eines zweiten Mischschritts, eines Granulationsschritts, einem Verdichtungsschritts und einen Sinterschritts, wie folgt, unter Verwendung dieser Rohmaterialien erhalten werden.
Im ersten Mischschritt der Rohmaterialien, werden wenigstens zwei oder mehr, ausgewählt aus SiO₂, MgO und γ-Al₂O₃ in einer Flüssigkeit wie Wasser gemischt. Im zweiten Mischschritt werden α-Aluminiumoxid und der Rest der Rohmaterialien, die nicht in dem ersten Mischschritt vermischt wurden, hinzugefügt und in die nach dem ersten Mischschritt erhaltene Mischung gemischt. Das Mischungsverhältnis eines jeden Rohmaterials bei dem ersten Mischschritt und dem zweiten Mischungsschritt kann angemessen reguliert werden, abhängig von Typen der Verbindung der kristallinen Phase, dem Gehalt der Hauptphase und der kristallinen Phasen und dergleichen. In dem ersten und zweiten Mischschritt kann, je nach Bedarf, ein Dispergiermittel oder ein Bindemittel verwendet werden. Wie obenstehend beschrieben ist, wird aktiviertes Aluminiumoxid zusätzlich zu α-Aluminiumoxid in den Rohmaterialien verwendet, das Mischverfahren ist in wenigstens zwei Schritte unterteilt, und mindestens zwei der Additive bzw. Zusatzstoffe, bestehend aus SiO₂, MgO und γ-Al₂O₃ werden vermischt, bevor das Hauptkeramikmaterial, das aus α-Aluminiumoxid besteht, eingemischt wird. Dies kann die Reaktivität zwischen den Additiven erhöhen. Als Ergebnis kann, wie obenstehend beschrieben ist, die durchschnittliche Korngröße der kristallinen Phasen in dem Aluminiumoxid-Sinterkörper innerhalb des vorbestimmten Bereichs reguliert werden, und die Anzahl der kristallinen Phasen, die Korngrößen von 1 bis 5 μm haben, kann innerhalb des vorbestimmten Bereichs reguliert werden. Ferner kann eine erhöhte Reaktivität zwischen den Additiven die Porosität des Aluminiumoxid-Sinterkörpers kleiner machen. Die Porosität des Aluminiumoxid-Sinterkörpers ist bevorzugt 0,5% oder weniger.
In dem Granuliationsschritt wird die Schlammmischung, die nach dem zweiten Mischschritt erhalten wird, durch Sprühtrocknen getrocknet. Somit können granulierte Pulver erhalten werden.
In dem Verdichtungsschritt wird ein Formteil bzw. Pressling durch Verdichten der granulierten Pulver in eine gewünschte Form erhalten.
In dem Sinterschritt wird das Formteil gesintert. Dadurch kann der Aluminiumoxid-Sinterkörper erhalten werden. Die Sintertemperatur beträgt beispielsweise 1450 bis 1650°C.
Der Aluminiumoxid-Sinterkörper kann als ein elektrisch isolierendes Material verwendet werden. Vor allem kann eine Anwendung des Aluminiumoxid-Sinterkörpers auf Zündkerzen für Fahrzeuge vollen Gebrauch von der ausgezeichneten Durchschlagfestigkeit des Aluminiumoxid-Sinterkörpers machen. Das heißt, es ist in Fahrzeugmotoren in jüngster Zeit erwünscht, dass Kraftstoff unter einer mageren Bedingung gezündet wird, was eine Erhöhung in der an die Zündkerzen angelegten Spannung benötigt. Demzufolge müssen Isolatoren in Zündkerzen eine hohe Durchschlagfestigkeit aufweisen.
[Beispiel 1]
In diesem Beispiel wurde eine Mehrzahl von Aluminiumoxid-Sinterkörpern (Proben X1 bis X25), unterschiedlich zueinander in der Korngröße und dem Dispersions-Status der kristallinen Phasen, bereitgestellt, und ihre Spannungsfestigkeit wurde verglichen.
Der Aluminiumoxid-Sinterkörper 1 jeder Probe enthält die Hauptphase 2, die aus Aluminiumoxid und den kristallinen Phasen 3, die in der Hauptphase 2 verteilt bzw. dispergiert sind (siehe 1), besteht. Die kristalline Phase 3 besteht aus mindestens einem, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus MgAl₂O₄ (Spinell), 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂ (Cordierit), 2MgO·SiO₂ (Forsterit) und MgO·SiO₂ (Steatit). Zuerst wurde jede Aluminiumoxid-Sinterkörper jeder Probe wie folgt bereitgestellt. In dieser Ausführungsform wurden die Aluminiumoxid-Sinterkörper, die eine Form eines Isolators für eine Zündkerze eines Fahrzeugs haben, das nachstehend in Beispiel 3 beschrieben ist, bereitgestellt.
Insbesondere wurden zunächst Pulver aus α-Aluminiumoxid-Körnern, die eine Reinheit von 99,9 Massen-% oder mehr und eine durchschnittliche Korngröße von 0,4 bis 3,0 μm haben, hergestellt. Die durchschnittliche Korngröße des α-Aluminiumoxids bedeutet eine Korngröße bei einem integrierten Volumen von 50% in der Korngrößenverteilung, die durch ein Beugungs-/Streuungsverfahren gemessen wird. Als Additivewurden Pulver von jeder Verbindung, SiO₂ (Siliziumoxid), MgO (Magnesiumoxid) und γ-Al2O₃ (aktiviertem Aluminiumoxid), bereitgestellt. Die Pulver jeder Verbindung haben eine Reinheit von 97 Masse-% oder mehr.
Anschließend wurde Wasser in einen Mischbehälter mit Mischimpellern hinzugefügt, und die Additive (SiO₂, MgO und γ-Al₂O₃) wurden in den Mischtank hinzugefügt. Diese wurden von den Mischimpellern gemischt, um die Additive in dem Wasser zu verteilen bzw. zu dispergieren. Als nächstes wurden das Hauptkeramikmaterial (α-Al₂O₃) und eine geeignete Menge an Bindemittel in den Mischtank hinzugefügt, gefolgt von einem Mischen mit den Mischimpellern. Somit wurde eine Schlammmischung des Hauptkeramikmaterials und der Additive erhalten. In Bezug auf das Formulierungsverhältnis des Hauptkeramikmaterials und der Additive in der Schlammmischung, war das Hauptkeramikmaterial 95 bis 99 Massen-%, und die Additive waren 1 bis 5 Massen-% in der Gesamtmasse des Hauptkeramikmaterials und der Additive von 100%. Das Formulierungsverhältnis jeder Zusammensetzung (SiO₂, MgO, γ-Al₂O₃) im Additiv kann korrekt in Abhängigkeit von Arten von Verbindungen (Spinell, Cordierit, Forsterit, Steatit) von der kristallinen Phase reguliert werden.
Nachfolgend wurde die Schlammmischung, die wie obenstehend erhalten wurde, sprühgetrocknet und granuliert, wodurch granulierte Pulver erhalten wurden. Die granulierten Pulver wurden in die Isolatorform verdichtet, um ein Formteil zu erhalten. Als nächstes wurde das Formteil gesintert, um den Aluminiumoxid-Sinterkörper mit der Isolatorform zu erhalten. Die Sintertemperatur betrug 1450 bis 1650°C und die Sinterzeit betrug 1 bis 3 Stunden. In diesem Beispiel wurden 25 Typen (Proben X1 bis X25) von Aluminiumoxid-Sinterkörpern, unterschiedlich voneinander im Typ der kristallinen Phasen, der durchschnittlichen Korngröße und dem Dispersionszustand (die Anzahl der kristallinen Phasen mit einer Korngröße von 1 bis 5 μm erhalten, wie in Tabelle 1 untenstehend gezeigt ist, durch ein Ändern der Formulierungsverhältnisse jedes Additivzusammensetzung.
Die durchschnittliche Korngröße und die Anzahl der kristallinen Phasen in dem Aluminiumoxid-Sinterkörper jeder Probe wurden unter Verwendung eines Elektronenstrahl-Mikroanalysator (EPMA = electron probe microanalyser = Elektronenstrahl-Mikroanalysator) gemessen. Als EPMA wurde eine EPMA-1610, das von Shimadzu hergestellt wurde verwendet. Insbesondere wurde ein beliebiger Querschnitt (spiegelpolierten Oberfläche) jeder Probe unter Verwendung des EPMA analysiert. Die Vergrößerung des EPMA war zum Beispiel 10000. Als ein typisches Beispiel wurde das Analyseergebnis der Probe X6 durch den EPMA in 1 gezeigt. 1 zeigt einen Bereich bzw. eine Fläche, die eine Größe von 20 μm × 20 μm hat. Wie aus 1 gesehen werden kann, enthält der Aluminiumoxid-Sinterkörper 1 gemäß diesem Beispiel die Hauptphase 2 und die kristallinen Phasen 3 dispergiert in der Hauptphase 2. Die kristallinen Phasen 3 der Probe X6 bestanden aus MgAl₂O₄ (Spinell). In 1, ist der schwarze Teil die Hauptphase 2 und die weißen oder grauen Teile waren die kristallinen Phasen.
Auf Basis der Analyseergebnisse wurde die durchschnittliche Korngröße der kristallinen Phasen 3 auf einem beliebigen Bereich bzw. einer beliebigen Fläche mit einer Größe von 100 μm × 100 μm in einem Querschnitt des Aluminiumoxid-Sinterkörpers 1 gemessen (siehe ). Jede Korngröße der kristallinen Phasen 3 wurde auf Basis jedes Äquivalenzkreisdurchmessers der kristallinen Phasen 3 aus den Analyseergebnissen der EPA berechnet. Das heißt, der Durchmesser des Kreises mit der gleichen Fläche wie die Fläche jeder kristallinen Phase 3 wurde als die Korngröße der kristallinen Phase 3 definiert, und der arithmetische Mittelwert der Korngrößen der kristallinen Phasen 3 wurde berechnet, wodurch die durchschnittliche Korngröße erhalten wurde. Tabelle 1 zeigt untenstehend die durchschnittliche Korngröße der kristallinen Phasen 3 auf einem beliebigen Bereich von 100 μm × 100 μm von einem Querschnitt jeder Probe.
Die Anzahl der kristallinen Phasen 3 mit einer Korngröße von 1 μm bis 5 μm in der beliebigen Fläche mit einer Größe von 100 μm × 100 μm wurde gezählt. Die Anzahl der kristallinen Phasen 3, die die vorbestimmte Korngröße hat, kann auch unter Verwendung des EPMA gemessen werden. Das heißt, die Anzahl der kristallinen Phasen 3, die eine vorbestimmte Korngröße auf einer beliebigen Fläche mit einer Größe von 100 μm × 100 μm in einem Querschnitt jeder Probe haben, wurde gezählt. Das Ergebnis ist in Tabelle 1 untenstehend gezeigt.
Die Kristallstruktur der kristallinen Phase jeder Probe wurde unter Verwendung eines Röntgendiffraktometers (RINT2100, hergestellt von Rigaku) untersucht. Insbesondere wurde die Messung unter der Bedingung eines Messbereichs von 20,0° bis 60,0°, einer Abtastbreite von 0.02°, einer Beschleunigungsspannung von 40 kV und einem elektrischen Strom von 20 mA durchgeführt. 2 zeigt das Ergebnis der Probe 6 als ein Beispiel der XRD-Muster. In 2 wurde, zusätzlich zu Peaks, die von Aluminiumoxid stammten, und mit den Pfeilen A angezeigt sind, ein Peak, der von Spinell (MgAl₂O₄) stammte, der mit dem Pfeil B angezeigt ist, beobachtet. Obwohl eine Darstellung ausgelassen ist, können kristalline Phasen von Cordierit, Forsterit und Steatit auch durch Röntgenbeugungsanalyse bzw. XRD-Analyse untersucht werden. Die Struktur der kristallinen Phase jeder Probe ist in Tabelle 1 gezeigt.

Als nächstes wurde unter Verwendung eines Spannungsfestigkeits-Messsystems die Spannungsfestigkeit der Aluminiumoxid-Sinterkörper jeder Probe gemessen. Insbesondere wurde eine innere Elektrode des Spannungsfestigkeits-Messsystems in den Aluminiumoxidverbindungs-Sinterkörper (Aluminiumoxid-Sinterkörper) mit der Isolatorform eingeführt. Eine äußere Elektrode, die eine Kreisringform hat, wurde um den Außenumfang des Aluminiumoxid-Sinterkörpers angebracht, und derart angeordnet, dass die Abstände zwischen der inneren und äußeren Elektrode an den Messpunkten immer innerhalb eines Bereichs von 1,0 mm (was die Dicke des Aluminiumoxid-Sinterkörpers war) ±0,05 mm war. Danach wurde eine Hochspannung von einer Konstantspannungsquelle, die durch einen Oszillator und eine Spule erzeugt wurde, zwischen der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode angelegt. Zu dieser Zeit wurde die Spannung um 1 kV/sec bei einer Frequenz von 30 Zyklen/sec erhöht, wobei die Spannung mittels eines Oszilloskops überwacht wurde. Die Spannung, wenn ein dielektrischer Durchschlag in dem Aluminiumoxid-Sinterkörper auftrat, wurde als die Spannungsfestigkeit gemessen. 1 zeigt das Ergebnis. Auf der Basis der Ergebnisse von Tabelle 1 wurde die Beziehung zwischen der durchschnittlichen Korngröße der kristallinen Phase und der Spannungsfestigkeit in 3 gezeigt, und die Beziehung zwischen der Anzahl von kristallinen Phasen, die eine Korngröße von 1 bis 5 μm haben, und der Spannungsfestigkeit wurde in 4 gezeigt. [Tabelle 1]

Probe Nr.	kristalline Phase	durchschnittliche Korngröße (μm)	Anzahl von kristallinen Phasen mit einer Korngröße von 1 bis 5 μm	Spannungsfestigkeit (kV)
X1	Spinell	0,2	554	19
X2	Spinell	0,3	467	20
X3	Spinell	0,4	412	31
X4	Spinell	0,7	356	35
X5	Spinell	1,4	299	35
X6	Spinell	2,3	218	34
X7	Spinell	3,6	112	35
X8	Spinell	4,7	38	33
X9	Spinell	5,3	8	33
X10	Spinell	6,1	5	23
X11	Spinell	9,5	3	21
X12	Cordierit	0,3	433	19
X13	Cordierit	1,6	305	33
X14	Cordierit	4,1	55	32
X15	Cordierit	6,2	6	25
X16	Cordierit	7,2	5	20
X17	Forsterit	0,3	512	23
X18	Forsterit	2,3	244	32
X19	Forsterit	4,9	82	31
X20	Forsterit	6,3	15	24
X21	Steatit	0,2	578	25
X22	Steatit	0,3	401	26
X23	Steatit	1,4	243	31
X24	Steatit	5,2	17	30
X25	Steatit	7,1	7	20

Wie aus Tabelle 1 gesehen werden kann, waren die Proben X1 bis X11 die Aluminiumoxid-Sinterkörper, die die kristallinen Phasen enthalten, die aus Spinell bestehen. Die Proben X12 bis X16 waren die Aluminiumoxid-Sinterkörper, die die kristallinen Phasen enthalten, die aus Cordierit bestehen. Die Proben X17 bis X20 waren die Sinterkörper, die die kristallinen Phasen enthalten, die aus Forsterit bestehen. Die Proben X21 bis X25 waren die Sinterkörper, die die kristallinen Phasen enthalten, die aus Steatit bestehen.
Von diesen zeigten die Aluminiumoxid-Sinterkörper (Proben X3 bis X9, X13, X14, X18, X19, X23 und X24) eine hohe Spannungsfestigkeit von 30 kV oder mehr (siehe Tabelle 1, 3 und 4), wobei die durchschnittlichen Korngrößen der kristallinen Phasen auf beliebigen Flächen mit einer Größe von 100 μm × 100 μm in den Querschnitten der Aluminiumoxid-Sinterkörper 0,4 μm bis 5,3 μm sind, wobei die Anzahl der kristallinen Phasen, die Korngrößen von 1 bis 5 μm in den Bereichen hat, 8 bis 412 ist. Es sei angemerkt, dass 3 mit dem Pfeil den Bereich zeigt, in dem die durchschnittliche Korngröße 0,4 μm bis 5,3 μm beträgt, und dass 4 mit dem Pfeil den Bereich zeigt, in dem die Anzahl der kristallinen Phasen, die Korngrößen von 1 bis 5 μm hat, 8 bis 412 ist. Im Vergleich dazu waren, in Bezug auf die Aluminiumoxid-Sinterkörper (Proben X1, X2, X10 bis X12, X15 bis X17, X20 bis X22 und X25), die klein oder groß in der durchschnittlichen Korngröße der kristallinen Phasen oder in der Anzahl der kristallinen Phasen, die die vorbestimmte Korngröße haben, sind, die Spannungsfestigkeiten gering (siehe Tabelle 1, 3 und 4). Es sei angemerkt, dass der Bereich, in dem die durchschnittliche Korngröße 0,4 μm bis 5,3 μm ist, mit einem Pfeil in 3 angezeigt ist, und dass der Bereich, in dem die Anzahl der kristallinen Phasen, die Korngrößen von 1 bis 5 μm haben, 8 bis 412 ist, mit einem Pfeil in 4 angezeigt ist. Es sei angemerkt, dass die Anzahl der kristallinen Phasen nicht auf die Anzahl von Typen bzw. Arten von kristallinen Phasen ist, sondern die Anzahl der kristallinen Domänen, die in der Hauptphase dispergiert sind.
Andererseits zeigten die Aluminiumoxid-Sinterkörper (Probe X1, X2, X10 bis X12, X15 bis X17, X20 bis X22 und X25), in denen die durchschnittliche Korngröße der kristallinen Phasen zu klein oder zu groß war oder in denen die Zahl der kristallinen Phasen mit der vorbestimmten Korngröße zu klein oder zu groß war, eine geringe Spannungsfestigkeit (siehe Tabelle 1, 3 und 4).
Wie aus Tabelle 1, 3 und 4 gesehen werden kann, war, wenn die kristalline Phase MgAl₂O₄ war, die Spannungsfestigkeit besonders signifikant verbessert. Dementsprechend ist es bevorzugt, dass die kristallinen Phasen des Aluminiumoxid-Sinterkörpers aus mindestens MgAl₂O₄ bestehen.
Bei der Bereitstellung des Aluminiumoxid-Sinterkörpers dieses Beispiels wird als Rohmaterial aktiviertes Aluminiumoxid zusätzlich zu α-Aluminiumoxid wie vorstehend beschrieben verwendet. Ferner wird der Mischvorgang in mindestens zwei Schritte unterteilt, und wenigstens zwei von Additiven, bestehend aus SiO₂, MgO und γ-Al₂O₃ werden vorbereitend zusammengemischt, bevor das Hauptkeramikmaterial eingemischt wird. Dies kann die Reaktivität zwischen den Additiven zu erhöhen. Als Ergebnis kann durch Regulieren des Formulierungsverhältnisses der Rohmaterialien wie in diesem Beispiel die durchschnittliche Korngröße der kristallinen Phasen innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegen, und die Anzahl der kristallinen Phasen mit einer Korngröße von 1 μm bis 5 μm kann innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegen. Als Ergebnis kann ein Aluminiumoxid-Sinterkörper mit hoher Durchschlagsfestigkeit hergestellt werden.
Bei der Herstellung von Proben X3 bis X9, X13, X14, X18, X19, X23 und X24, wurde das Formulierungsverhältnis bzw. Rezepturverhältnis jeder Additivkomponente (SiO₂, MgO und γ-Al₂O₃) innerhalb des Bereichs (schraffierter Bereich mit Punkt) geregelt, der in 5 gezeigt ist. Das heißt, wenn das Zusammensetzungsverhältnis jeder Additivkomponente SiO₂: MgO: γ-Al₂O₃ = a:b:c (a + b + c = 100 Massen-%) ist, ist die Formulierung bzw. Rezeptur (Punkt (a, b, c)) der Additivzusammensetzungen reguliert, um innerhalb eines Bereichs zu sein, der von drei Punkten umgeben ist, A (10, 85, 5), B (85, 10, 5) und C (10, 10, 80). Eine Formulierung der Additivzusammensetzung innerhalb des oben beschriebenen Bereichs kann die durchschnittliche Korngröße der kristallinen Phasen und der Anzahl der kristallinen Phasen mit einer vorbestimmten Korngröße regulieren, um innerhalb des vorgenannten gewünschten Bereich zu sein. Das heißt, dass in dem Aluminiumoxid-Sinterkörper die kristallinen Phasen mit der spezifizierten Korngröße im spezifizierten Verhältnis dispergiert sind. Als Ergebnis gibt es eine geringe Variation der Spannungsfestigkeit in dem Aluminiumoxid-Sinterkörper, und der Aluminiumoxid-Sinterkörper mit hoher Durchschlagfestigkeit wie obenstehend beschrieben hergestellt werden.
Andererseits wird außerhalb des Bereichs, der durch die drei Punkte umgeben ist, in dem Bereich, in dem der MgO-Gehalt groß ist, und der γ-Al₂O₃-Gehalt klein ist, oder in dem Bereich, in dem MgO-Gehalt klein ist, und SiO₂ groß ist, eine Glasphase erzeugt. Das heißt, die kristalline Phase, die aus wenigstens einer Verbindung besteht, die aus der Gruppe bestehend aus MgAl₂O₄, 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂, 2MgO·SiO₂ und MgO·SiO₂ ausgewählt ist, kann nicht ausreichend erzeugt werden. In dem Bereich, in dem der SiO₂-Gehalt klein ist, und der γ-Al₂O₃-Gehalt groß ist, außerhalb des Bereichs, der von den drei Punkten umgeben ist, kann das Sintern nicht ausreichend vorangetrieben werden, was die Erzeugung des gewünschten Mischoxids verhindert.
[Beispiel 2]
In diesem Beispiel wurden Aluminiumoxid-Sinterkörper, die die gleiche Zusammensetzung wie die Proben X4 bis X6 in Beispiel 1 haben, durch ein Verfahren unterschiedlich zu Beispiel 1 bereitgestellt, und die durchschnittliche Korngröße der kristallinen Phasen, die Anzahl der kristallinen Phasen und die Spannungsfestigkeit wurden untersucht . In diesem Beispiel sind hierin nachstehend drei Typen von Aluminiumoxid-Sinterkörpern (Proben X26 bis X28) beschrieben, die mit der gleichen Zusammensetzung wie Probe 4 bereitgestellt wurden, drei Typen von Aluminiumoxid-Sinterkörpern (Proben X29 bis X31), die mit der gleichen Zusammensetzung wie Probe 5 bereitgestellt wurden, und drei Typen von Aluminiumoxid-Sinterkörpern (Proben X32 bis X34), die mit der gleichen Zusammensetzung wie Probe 6 bereitgestellt wurden.
Die Proben X26, X29 und X32 waren die Aluminiumoxid-Sinterkörper, die in einer ähnlichen Art und Weise zu Beispiel 1 bereitgestellt wurden, außer dass kein aktiviertes Aluminiumoxid verwendet wurde. Die Proben X26, X29 und X32 wurden durch eine Erhöhung der Menge an α-Aluminiumoxid anstelle von aktiviertem Aluminiumoxid, ein Mischen des Rohmaterials mit der gleichen Zusammensetzung wie die Proben X4, X5 und X6 in einer ähnlichen Art und Weise zu Beispiel 1 und unter Verwendung eines ähnlichen Verfahrens wie in Beispiel 1 in anderen Punkten bereitgestellt.
Die Proben X27, X30 und X33 waren Aluminiumoxid-Sinterkörper, die in einer ähnlichen Weise zu Beispiel 1 bereitgestellt wurden, außer dass das Hauptkeramikmaterial und die Additive nicht getrennt gemischt wurden, sondern dass das Hauptkeramikmaterial und das Additiv in einen Mischbehälter gleichzeitig hinzugegeben wurden.
Die Proben X28, X31 und X34 waren Aluminiumoxid-Sinterkörper, die in einer ähnlichen Weise zu Beispiel 1 bereitgestellt wurden, außer dass kein aktiviertes Aluminiumoxid verwendet wurde, und das Hauptkeramikmaterial und das Additiv in einen Mischbehälter gleichzeitig hinzugegeben wurden.

Hinsichtlich dieser Proben X26 bis X34 wurden auch die durchschnittliche Korngröße der kristallinen Phasen, die Anzahl der kristallinen Phasen mit Korngrößen von 1 bis 5 μm, und die Spannungsfestigkeit in einem ähnlichen Verfahren zu Beispiel 1 untersucht. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse. In Tabelle 2 bedeutet nicht erfassbar, dass eine amorphe Glasphase gebildet wurde. In Tabelle 2 sind die Ergebnisse der Proben X4 bis X6, die in Beispiel 1 bereitgestellt wurden, zusammen zum Vergleich gezeigt. [Tabelle 2]

Probe Nr.	Getrennter Misch-Schritt des Hauptkeramikmaterials und Additivs	Verwendung von aktiviertem Aluminiumoxid	kristalline Phase	durchschnittliche Korngröße (μm)	Anzahl von kristallinen Phasen einer Korngröße von 1 bis 5 μm	Spannungsfestigkeit (kV)
X4	Ja	Ja	Spinell	0,7	356	35
X26	Ja	Nein	amorph (Glas)	nicht erfassbar	0	21
X27	Nein	Ja	amorph (Glas)	nicht erfassbar	0	22
X28	Nein	Nein	amorph (Glas)	nicht erfassbar	0	18
X5	Ja	Ja	Spinell	1,4	299	35
X29	Ja	Nein	Spinell	0,3	15	25
X30	Nein	Ja	amorph (Glas)	nicht erfassbar	0	24
X31	Nein	Nein	amorph (Glas)	nicht erfassbar	0	20
X6	Ja	Ja	Spinell	2,3	218	34
X32	Ja	Nein	Spinell	0,3	11	27
X33	Nein	Ja	Spinell	0,3	13	27
X34	Nein	Nein	amorph (Glas)	nicht erfassbar	0	22

Wie aus Tabelle 2 und Tabelle 1 des Beispiels 1 gesehen werden kann, kann die durchschnittliche Korngröße der kristallinen Phasen und die Anzahl der kristallinen Phasen mit Korngrößen von 1 μm bis 5 μm innerhalb des vorbestimmten Bereichs unter Verwendung von aktiviertem Aluminiumoxid, Mischen von wenigstens zwei, ausgewählt aus SiO₂, MgO und γ-Al₂O₃, die in einer Flüssigkeit, wie Wasser, dispergiert sind, und danach Einmischen des Rests der Rohmaterialien wie α-Aluminiumoxid reguliert werden. Das heißt, in diesem Fall kann der Aluminiumoxid-Sinterkörper, in dem die durchschnittliche Korngröße der kristallinen Phasen 0,4 μm bis 5,3 μm ist und die Anzahl der kristallinen Phasen mit Korngrößen von 1 μm bis 5 μm 8 bis 412 ist, hergestellt werden (siehe Proben X4, X5 und X6 der Tabelle 2 und Tabelle 1 von Beispiel 1). Andererseits ist es, wenn aktiviertes Aluminiumoxid nicht verwendet wird, oder wenn das Hauptkeramikmaterial und das Additiv gleichzeitig gemischt werden, schwierig, die durchschnittliche Korngröße und die Anzahl der kristallinen Phasen mit einer bestimmten Korngröße zu regulieren, um innerhalb des obigen Bereichs (Proben X26 bis X34) zu sein. Als ein Ergebnis kann ein Aluminiumoxid-Sinterkörper mit einer ausgezeichneten Durchschlagfestigkeit nicht erhalten werden.
[Beispiel 3]
Dieses Beispiel ist ein Beispiel einer Zündkerze, die den Isolator hat, der aus dem Aluminiumoxid-Sinterkörper des Beispiels 1 besteht. Wie in 6 gezeigt ist, wird die Zündkerze 4 als eine Zündvorrichtung von Maschinen für Fahrzeuge verwendet. Die Zündkerze 4 wird eingeführt in und befestigt an einer Gewindebohrung, die in einem Maschinenkopf vorgesehen ist. Der Maschinenkopf bildet eine Brennkammer der Maschine. Die Zündkerze 4 hat eine zylindrischen Befestigungsarmatur 41, die aus einem elektrisch leitenden Material, wie Eisen oder Stahl, gefertigt ist, und kann einen Kohlenstoff-armen Stahl oder dergleichen aufweisen. Eine Befestigungsschraubenabschnitt 415 zum Anbringen der Zündkerze 4 an einem Maschinenblock (nicht dargestellt) ist an einer äußeren Umfangsoberfläche der Befestigungsarmatur 41 vorgesehen. In diesem Beispiel ist der Nenndurchmesser des Befestigungsschraubenabschnitts 415 10 mm oder weniger, und der Befestigungsschraubenabschnitt 415 ist eine Schraube der Größe M10, definiert in JIS (Japan Industrial Standard) oder weniger.
Der Isolator 42 ist im Innern der Befestigungsarmatur 41 angeordnet und befestigt. Der Isolator 42 ist aus dem Aluminiumoxid-Sinterkörper der Probe X5 aus Beispiel 1 gefertigt. Eine Spitze 421 der axialen Richtung des Isolators 42 steht von einer Spitze 411 der axialen Richtung der Befestigungsarmatur 41 hervor. Eine Mittelelektrode 43 ist an einem axialen Loch 425 des Isolators 42 befestigt, und die Mittelelektrode 43 wird gehalten durch und isoliert von der Befestigungsarmatur 41. Die Mittelelektrode 43 ist beispielsweise ein säulenförmiger Körper mit einem inneren Abschnitt und einen äußeren Abschnitt, wobei der innere Abschnitt aus einem metallischen Material mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer, hergestellt ist, wobei der äußere Abschnitt aus einem metallischen Material mit einer ausgezeichneten Hitzebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit, wie beispielsweise einer Nickel-basierten Legierung gefertigt ist.
Wie in gezeigt. 6 gezeigt ist, ist die Mittelelektrode 43 derart vorgesehen, dass eine Spitze 431 der axialen Richtung von der Spitze 421 des Isolators 42 hervorsteht. Demnach ist die Mittelelektrode 43 innerhalb der Befestigungsarmatur 41 in einem Zustand angeordnet, in dem die Spitze 431 aus der Befestigungsarmatur 41 hervorsteht.
Andererseits hat eine Masseelektrode 44 eine säulenförmige Form, gefertigt aus einer Nickel-basierten Legierung, die Nickel als Hauptbestandteil enthält. Die Masseelektrode 44 dieses Beispiels hat eine polygonale Säulenform, und ein axiales Ende davon ist an der Spitze 411 der Befestigungsarmatur 41 zum Beispiel durch Schweißen befestigt. Ein Mittelabschnitt der axialen Richtung der Masseelektrode 44 ist in einer L-Form gebogen. Eine Seitenoberfläche 441 von dem anderen axialen Ende der Masseelektrode 44 ist der Spitze 431 der Mittelelektrode 43 über einen Funkenentladungsspalt bzw. eine Funkenentladungsstrecke 40 zugewandt.
Eine Edelmetallspitze 45 ist vorgesehen, um von der Spitze 431 der Mittelelektrode 43 hervorzustehen. Eine Edelmetallspitze 46 ist an der Seitenoberfläche 441 der Masseelektrode 44 vorgesehen, um von der Seitenoberfläche 441 hervorzustehen. Die Edelmetallspitze 45 und 46 ist aus einer Ir(Iridium)-Legierung, Pt(Platin)-Legierung oder dergleichen gefertigt, und auf ein Basismetall der Elektroden 43 und 44 durch Laserschweißen, Widerstandsschweißen oder dergleichen gebondet bzw. befestigt.
Der Funkenentladungsspalt 40 ist ein Spalt zwischen Spitzenoberflächen der Edelmetallspitzen 45 und 46. Die Größe des Funkenentladungsspalts 40 kann beispielsweise etwa 1 mm sein.
Ein Schaft 47 zum Entfernen der Mittelelektrode 43 ist an einem Abschnitt gegenüber der Spitze 421 des Isolators 42 in dem axialen Loch 425 des Isolators 42 vorgesehen. Der Schaft 47 ist ein Stab, hat eine elektrische Leitfähigkeit, und ist elektrisch mit der Mittelelektrode 43 durch eine elektrisch leitende Glas-Dichtung 48 innerhalb des axialen Lochs 425 des Isolators 42 verbunden.
Die Zündkerze 1 hat den Isolator 42, der aus dem Aluminiumoxid-Sinterkörper der Probe X5 von Beispiel 1 gefertigt ist. Demzufolge zeigt der Isolator 42 eine hohe Spannungsfestigkeit. Dies kann die Dicke des Isolators der Zündkerze verringern, was eine Verkleinerung der Zündkerze 1 und eine Anwendung von Hochspannung auf die Zündkerze 1 ermöglicht. Obwohl dieses Beispiel den Aluminiumoxid-Sinterkörper von Probe X5 von Beispiel 1 verwendet, können auch die Aluminiumoxid-Sinterkörper der Proben X3, X4, X6 bis X9, X13, X14, X18, X19, X23 und X24, die eine hohe Durchschlagsfestigkeit in Beispiel 1 zeigten, verwendet werden. Das heißt, der gleiche Effekt wie dieses Beispiel kann erhalten werden durch ein Verwenden des Isolators, der aus dem Aluminiumoxid-Sinterkörper gefertigt ist, in dem die durchschnittliche Korngröße der kristallinen Phasen auf einem beliebigen Bereich bzw. einer beliebigen Fläche mit einer Größe von 100 μm × 100 μm in einem Querschnitt 0,4 μm bis 5,3 μm ist, und die Anzahl der kristallinen Phasen mit Korngrößen von 1 bis 5 μm 8 bis 412 ist.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf die speziellen bevorzugten Beispiele beschrieben wurde, werden viele Variationen und Modifikationen beim Lesen der vorliegenden Anmeldung für den Fachmann offensichtlich werden. Es ist daher beabsichtigt, dass die Ansprüche so breit wie möglich im Hinblick auf den Stand der Technik interpretiert werden, um alle derartigen Variationen und Modifikationen zu umfassen.

Claims

Aluminiumoxid-Sinterkörper (1), der Folgendes aufweist: eine Hauptphase, (2), die aus Aluminiumoxid-Kristall besteht; und kristalline Phasen (3), die in der Hauptphase (2) dispergiert sind, wobei die kristallinen Phasen (3) aus wenigstens einem bestehen, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus MgAl₂O₄, 2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂, 2MgO·SiO₂ und MgO· SiO₂, die durchschnittliche Korngröße der kristallinen Phasen (3) 0,4 μm bis 5,3 μm auf einer beliebigen Fläche mit einer Größe von 100 μm × 100 μm in einem Querschnitt des Aluminiumoxid-Sinterkörper (1) ist, und die Anzahl der kristallinen Phasen (3) mit Korngrößen von 1 μm bis 5 μm auf der Fläche 8 bis 412 ist.
Aluminiumoxid-Sinterkörper (1) nach Anspruch 1, wobei wenigstens einer der kristallinen Phasen (3) aus MgAl₂O₄ besteht.
Zündkerze (4), die einen Isolator (42) aufweist, der aus dem Aluminiumoxid-Sinterkörper (1) nach Anspruch 1 oder 2 gefertigt ist.