DE69006317T2 - Glühkerze für Dieselmotoren und Verfahren zum Herstellen derselben. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Glühzündkerzen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Bei den besagten Glühkerzen ist die Basismatrixphase sowohl der leitenden als auch der isolierenden Elemente aus einem gleichen Keramikmaterial hergestellt, wobei die elektrische Leitfähigkeit der leitenden Elemente durch in der besagten Matrixphase verteilte Teilchen aus einem oder mehr pulverisierten leitenden Stoffen bereitgestellt wird. Die Glühzündkerzen dieser Erfindung sind als schnell ansprechende Zündkerzen in hochverdichtenden Verbrennungsmotoren, z.B. Dieselmotoren verwendbar. Die Erfindung befaßt sich auch mit einem Verfahren zur Herstellung von keramischen Glühzündkerzen.
• Um hochverdichtende Motoren in kaltem Zustand zu starten, verwendet man elektrische Glühzündkerzen, welche die Betriebstemperatur (1000ºC oder mehr) erreichen müssen, bevor der Anlassermotor eingeschaltet wird. Die zum Vorheizen von Glühkerzen erforderliche Zeit kann nun je nach Außentemperatur von wenigen Sekunden bis hin zu mehreren zehn Sekunden dauern, weil das Heizelement der Kerze einen beträchtlichen Grad an thermischer Trägheit aufweist; man hat daher versucht, die Verzögerung so weit wie möglich zu verringern, indem man sehr große Heizströme sowie automatisierte Systeme zur Steuerung dieses Stroms beim Erreichen der gewünschten Temperatur verwendet, wobei dies dazu dient, vorzeitige Qualitätseinbußen der Kerze zu vermeiden. Wenn eine Glühkerze normalerweise unter den zuvor genannten Bedingungen arbeitet, unterliegt sie großen Spannungen und Wärmeschocks, welche die Gefahr bergen, ihre Betriebslebensdauer frühzeitig zu verkürzen.
• Wenn sich der Motor im Normalbetrieb befindet, tragen außerdem die Wirkungen der Kraftstoffverbrennung in den Zylindern gefolgt von der schnellen Abkühlung infolge des Ausströmens von Abgasen zusammen mit der von der Glühkerze erzeugten Wärme auch dazu bei, thermische Schwingungen zu erzeugen, die eine Rißbildung, ein Springen und ein vorzeitiges Versagen der Kerzenkomponenten zur Folge haben, insbesondere falls sich die thermischen Ausdehnungsfaktoren (Wärmedehnungskoeffizienten) der isolierenden und leitenden Komponenten deutlich voneinander unterscheiden.
• Diese Schwierigkeiten sind in den Dokumenten DE-A-38 17 843 und US-A-4,742,209 (JIDOSHA-HITACHI) erwähnt, in welchen vorgeschlagen wird, eine keramische Matrix zu verwenden, um sowohl die elektrisch leitenden als auch die isolierenden Teile der Glühkerze herzustellen. Dieses Konzept wird umgesetzt, indem ein elektrisch leitendes Keramikmaterial verwendet wird, um den Heizungsteil der Kerze herzustellen, während der isolierende Teil aus isolierendem Keramikmaterial hergestellt ist. Um dieses Ziel praktisch zu erreichen, empfehlen die vorgenannten Dokumente insbesondere ein SiALON- artiges Keramikmaterial. Dieses Keramikmaterial ist ohne Zusätze gewöhnlich isolierend; mit Hinzufügen eines Anteils an Titaniumnitrid wird es leitend. Bei einer Ausführungsform dieser Errungenschaft werden SiALON und Titaniumnitrid unter Verwendung von Sinterhilfen, wie beispielsweise Y&sub2;O&sub3;, AIN und Al&sub2;O&sub3; zur thermischen Verdichtung zusammengesintert.
• Das Dokument US-A-4,742,209 schlägt weiter andere Arten von Keramikmaterialien vor, die sich zum Herstellen von Glühkerzen eignen, unter anderem Keramikmaterialien, die Temperaturen von 1200ºC aushalten können. Diese Keramikmaterialien schließen leitfähige Arten wie Karbide, Boride und Nitride, insbesondere SiC, sowie isolierende Arten, wie beispielsweise Si&sub3;N&sub4;, AlN und Al&sub2;O&sub3; ein.
• Auch das Dokument US-A-4,486,651 (NIPPON SOKEN) offenbart einen Heizkörper, der eine leitende Mischung von MoSi&sub2; und Si&sub3;N&sub4; umfaßt, die mit einem isolierenden Substrat aus Si&sub3;N&sub4; oder Al&sub2;O&sub3; verbunden ist. Bei einer Ausführungsform liegt der Heizkörper in Form einer Glühzündkerze vor.
• Das Dokument EP-A-335 382 (NIPPON DENSO) offenbart Glühzündkerzen, von denen eine Ausführungsform ein Si&sub3;N&sub4;- Isolatorsubstrat und eine Heizkomponente umfaßt, bestehend aus einer Mischung von Si&sub3;N&sub4; in Teilchen von 10 um und Mo&sub5;Si&sub3;C in Teilchen von 1 um. Bei einer besonderen Variante dieser Ausführungsform enthält das Isolatorsubstrat auch einen Anteil an teilchenförmigem leitendem MoSi&sub2;, jedoch ist die Teilchengröße des Si&sub3;N&sub4; (1 um) viel kleiner als diejenige der Si&sub3;N&sub4;-Teilchen (10 um) des Leiterelements; somit berühren die vielen MoSi&sub2;-Teilchen einander nicht, und das Material ist nicht elektrisch leitend. Dennoch bewirkt das Vorhandensein der beiden Materialien, des isolierenden und des elektrisch leitfähigen Materials, sowohl in der leitenden als auch in der isolierenden Komponente der Kerze (obwohl der Anteil in jedem verschieden ist), daß die thermischen Ausdehnungsfaktoren in beiden Komponenten sehr ähnlich sind, was innere Spannungen bei Temperaturänderungen stark verringert.
• Auch die DE-A-35 12 483 (NIPPON SOKEN) offenbart gesinterte Keramikglühkerzen. Bei einer Ausführungsform umfaßt die Heizkomponente eine gesinterte Mischung von Si&sub3;N&sub4;-Pulver und MoSi&sub2;-Pulver, wobei die Teilchengröße des ersteren kleiner als die Teilchengröße des letzteren ist. Die isolierende Komponente umf aßt Si&sub3;N&sub4;- und Al&sub2;O&sub3;-Pulver in gesinterter Mischung. Aus der Lehre dieses Dokuments geht klar hervor, daß für ein gegebenes feststehendes Gewichtsverhältnis von leitenden (MoSi&sub2;) und isolierenden Teilchen (Si&sub2;N&sub4;) im leitenden Element der Glühkerze die wirksame Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Größe des Verhältnisses der Teilchengrößen des Si&sub3;N&sub4; und des MoSi&sub2; zunimmt.
• Der Hauptvorteil der Glühkerzen des zuvor erörterten Standes der Technik ist die Beständigkeit gegen Wärmeschock infolge anerkanntermaßen kleiner Unterschiede der thermischen Ausdehnungsfaktoren der keramischen Matrizes, die beim Herstellen der leitenden und isolierenden Elemente beteiligt sind. Wie zuvor erwähnt, ist dieser kleine Unterschied darauf zurückzuführen, daß zum Beispiel eine gleiche keramische Basismatrix für sowohl die leitende als auch die isolierende Komponente verwendet wird, wobei die leitende Komponente (der Heizkörper der Kerze) einfach in Mischung mit dem keramischen Basismaterial ein leitendes Keramikmaterial in ausreichender Menge umfaßt, um eine elektrische Leitfähigkeit und daraus folgende elektrische Heizeigenschaften durch den Joule-Effekt zu gewährleisten.
• Jedoch sind Keramikmaterialien der im vorgenannten Stand der Technik verwendeten Arten unter dem Gesichtspunkt der Kosten sowohl von Rohstoffen als auch von Sinterverfahren ziemlich teuer. Die Rohstoffe, z.B. Si&sub3;N&sub4; und MoSi&sub2; sind teuer im Einkauf und bei der Mahlung auf die gewünschte Teilchengröße, und das Sintern kann drastische Bedingungen erfordern, wie beispielsweise hohe Temperaturen und Drücke (Heißpressen). Die jetzigen Erfinder haben überraschenderweise herausgefunden, daß diese wirtschaftlichen Schwierigkeiten durch Verwendung von preiswerten Standard-Basiskeramikmaterialien für die gemeinsame Matrix (d.h. für sich genommen bildet das Basiskeramikmaterial das isolierende Element der Kerze), sowie von dem Basiskeramikmaterial beigemischten herkömmlichen metallischen Pulvern, die das leitende Element der Kerze bilden, gemildert werden können. Diese Erkenntnisse waren besonders überraschend, weil es nicht besonders naheliegend oder einfach war, daß man erwünschte Komponentenparameter würde zustande bringen können, die man benötigt, um die Metallen und Keramikmaterialien innewohnenden Eigenschaftsunterschiede auszugleichen. Mit anderen Worten steht die Erfindung unmittelbar mit dem Herausfinden von Bedingungen in Beziehung, unter denen aus reinen isolierenden Keramikmaterialien hergestellte Komponenten und Komponenten aus Keramikmaterialien mit beigemischten Metallteilchen (Cermets) innig miteinander verbunden werden können, ohne bei Temperaturänderungen untragbare innere mechanische Spannungen und Belastungen zu erzeugen. Dies ist mit den in den beigefügten Patentansprüchen definierten Glühkerzen erfolgreich erreicht worden.
• Kurz zusammengefaßt waren die Schwierigkeiten gelöst, nachdem festgestellt wurde, daß beständige Glühkerzen verwirklicht werden können, indem man für das einen Teil der Heizung bildende Material der Heizkomponente von Keramikglühzündkerzen Mischungen verwendet, die eine keramische Phase umfassen, deren Natur mit derjenigen der Isolatorkomponenten der Kerze identisch ist, sowie als homogene Dispersion darin eine teilchenförmige metallische leitende Phase, deren Teilchen klein genug sind, um die inneren Spannungen infolge der Unterschiede der thermischen Ausdehnungsfaktoren des Keramikmaterials und der Metallteilchen unter einem Grenzwert zu halten, bei dem die keramische Phase springen oder brechen kann. Man hat tatsächlich festgestellt, daß je kleiner die in der keramischen Phase eingebetteten Metallteilchen sind, desto schwächer die Kräfte sind, die sie auf die einbettende keramische Phase ausüben, wenn die Kerze während des Betriebs einer abwechselnden Aufheizung und Abkühlung unterworfen ist.
• Wenn man keramische und metallische Phasen verwendet, deren thermische Ausdehnungsfaktoren verschieden sind, bei denen jedoch der Wert von einem dieser Faktoren das 3 bis 4-fache des Wertes des anderen nicht übersteigt, kann man außer in speziellen Fällen unter einem praktischen Gesichtspunkt metallische Teilchen mit einer Größe von 50 um oder weniger wählen. Da jedoch Teilchen von weniger als 0,1 um schwierig herzustellen und teuer sind, werden bevorzugt Teilchengrößen über 0,1 um verwendet. Im allgemeinen verwendet man pulverförmige metallische und keramische Phasen mit thermischen Ausdehnungsfaktoren mit einem Verhältnis von etwa 1:1 bis 3:1, vorzugsweise von 0,5:1 bis 1,5:1, mit metallischen Teilchen in Bereichen, die außer in besonderen Fällen 50 um nicht übersteigen. Teilchen im Bereich von 0,1 bis 10 um sind besonders bevorzugte Teilchen.
• Bei den bei der vorliegenden Erfindung zu verwendenden keramischen Phasen sind die bevorzugten Aluminiumoxid, Cordierit, Mullit, Zirkon, Si&sub3;N&sub4; und AlN. Bei den leitenden teilchenförmigen Phasen kann man Cr, Mo, Ni, Co und W nennen, da diese Metalle hohe Sintertemperaturen in der Größe von 1200 bis 1600ºC aushalten. Ein Vorteil von Cermets gegenüber leitenden Keramikmaterialien des Standes der Technik liegt darin, daß sie bei Temperaturen gesintert werden können, die niedriger als diejenigen sind, die für die leitenden Keramikmaterialien benötigt werden, und im allgemeinen ist ein Heißpressen nicht erforderlich, um die gesinterten Glühkerzenkomponenten zu formen.
• Die folgende Tabelle liefert Daten über die physikalischen Eigenschaften von mehreren, bei der Erfindung verwendbaren Materialien, das heißt, die Daten schließen den thermischen Ausdehnungsfaktor (Exp.), die Schmelztemperatur der in fein verteilter Form zu verwendenden Metalle (ºC) und die maximale Temperatur ein, auf welche die Keramikmaterialien während des Betriebs der Glühkerzen erhitzt werden können. Die Wärmeleitfähigkeit in W/M/ºK dieser Materialien ist ebenfalls angegeben. Materialien Keramikglas
• Man bemerkt aus den vorangehenden Daten, daß die thermische Ausdehnung von ZrO&sub2;- und Al&sub2;O&sub3;-Keramikmaterialien sehr nahe bei derjenigen von Metallen wie beispielsweise Mo, Ni und Cr liegt. In den besonderen Fällen, wo Cermets verwendet werden, die Paarungen dieser Keramikmaterialien und Metalle umfassen, sind die thermisch induzierten Spannungen aufgrund von aufeinanderfolgenden abwechselnden Aufheiz- und Abkühlstößen selbst dann verhältnismäßig klein, wenn die Metallteilchen eine relativ große Größe, z.B. bis zu 500 um aufweisen.
• Um für die Cermets eine elektrische Leitfähigkeit in einem Bereich sicherzustellen, der ausreicht, um schnell ansprechende Glühkerzen-Heizelemente herzustellen, liegt im allgemeinen der Gewichtsanteil der Metallpulver im Cermet in der Größenordnung von 20 bis 40 %. Jedoch sind Konzentrationen jenseits dieses Bereichs ebenfalls möglich, wenn man in Betracht zieht, daß die Leitfähigkeit für ein gegebenes feststehendes Gewichtsverhältnis von Metallteilchen zu Keramikmaterial um so besser ist, je kleiner die Metallteilchen sind. Somit kann bei sehr kleinen Teilchen, z.B. zwischen 0,1 und 1 um, die Konzentration im Keramikmaterial unter 20 Gewichts-% liegen, sagen wir in der Größe von 10 bis 20%.
• Vorzugsweise verwendet man metallische und keramische Phasen mit thermischen Ausdehnungsfaktoren in einem Verhältnis zwischen etwa 0,5 und 1,5, nämlich Aluminiumoxid als das isolierende Keramikmaterial und Chrompulver mit Teilchen im Bereich von 0,5 bis 10 um als die leitende Phase; in diesem Fall kann der Anteil von Chrom im Aluminiumoxid zwischen etwa 10 und 40 Gewichts-% betragen. In diesem Fall beträgt der thermische Ausdehnungsfaktor von Chrom etwa 6 x 10&supmin;&sup6;/ºC und derjenige von Aluminiumoxid beträgt 8 bis 8,5 x 10&supmin;&sup6;/ºC. Das Verhältnis beider Ausdehnungsfaktoren ist daher etwa 0,7, was verhältnismäßig niedrig ist; somit sind die Anforderungen, daß die Chromteilchen klein sein müssen, in diesem Fall weniger streng, und Teilchen im mittleren Bereich von 10 bis 50 um sind völlig zufriedenstellend.
• Es sollte angemerkt werden, daß die bei der vorliegenden Glühkerze verwendete Keramikmatrix nicht notwendigerweise ein reines Keramikmaterial von nur einer Art ist. Mischungen von zwei oder mehr Keramikmaterialien sind möglich, und auch Mischungen von Keramikmaterialien und leitenden Teilchen, welche voneinander isoliert sind. Der Grund für eine Aufnahme eines Anteils an leitenden metallischen Teilchen im Keramikmaterial der Isolatorkomponenten der Glühkerze liegt darin, diese mit einem veränderten Ausdehnungskoeffizienten zu versehen, so daß sich die thermischen Ausdehnungsfaktoren sowohl der leitenden als auch der isolierenden Komponenten der Glühkerze einander so nahe wie möglich kommen.
• Um leitende Teilchen aus pulverförmigem Material voneinander zu isolieren, wobei die besagten Teilchen in der keramischen Phase einer Isolatorkomponente dispergiert sind, kann man sie entweder ausreichend weit auseinander anordnen, um eine gegenseitige Berührung zu vermeiden, oder man kann sie mit einem Isolierfilm (oder einem Film mit niedriger Leitfähigkeit) überziehen, zum Beispiel einem Film aus Metalloxid. Um zu verhindern, daß metallische Teilchen einander berühren, wenn man sie in einer isolierenden Keramikphase dispergiert, indem man sie ausreichend weit auseinander anordnet, kann man ihre Konzentration unter einen Grenzwert verringern, oder man kann die Teilchengröße erhöhen.
• Tatsächlich ist hier bereits zuvor erwähnt worden, daß bei einem gegebenen Gewicht an homogen in einer Trägerphase dispergierten Teilchen je größer die Teilchen sind, diese um so weiter voneinander entfernt bleiben, und um so kleiner ist die Möglichkeit, gegenseitig in Berührung zu treten und einen elektrischen Stromkreis zu bilden. Unter praktischen Gesichtspunkten hat man bei den vorliegenden Glühkerzen Versuche unternommen, daß falls ein Volumenanteil von 25 % oder weniger an Chrompulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 500 um in Aluminiumoxid dispergiert ist, das resultierende Cermet ein elektrischer Isolator bleibt. Jedoch ergibt derselbe Anteil bei 5 um-Teilchen ein elektrisch leitendes Cermet. Es sollte angemerkt werden, daß dagegen die thermischen Eigenschaften beider Cermets sehr ähnlich sind; folglich haben unter Verwendung der vorgenannten Cermet-Mischungen (d.h. große Chromteilchen für die Isolatorkomponenten und kleine Chromteilchen für die Leiterkomponenten) hergestellte Glühkerzen nicht nur sehr ähnliche thermische Ausdehnungsfaktoren, sondern auch eine sehr ähnliche Wärmeleitfähigkeit (das heißt, beim Erwärmen steigt ihre Temperatur im wesentlichen parallel an), was ein großer Vorzug zum Gewährleisten einer langen Betriebslebensdauer ist.
• Um die thermischen Eigenschaften der isolierenden Keramikmatrix zu verbessern, werden bei der vorliegenden Erfindung allgemein gesagt bevorzugt Metallteilchen verwendet, die durch Vorhandensein eines Isolierfilms, oder eines Films, dessen Leitfähigkeit mindestens mehrere Größenordnungen unter derjenigen des Teilchenkern selbst liegt, oberflächlich isoliert sind. Unter diesen Bedingungen ist die Teilchengröße von sehr viel geringerer Bedeutung. Um diesen Aspekt der Erfindung umzusetzen, kann man im allgemeinen dieselben Metalle verwenden, wie diejenigen, die eine elektrische Leitfähigkeit für die Heizelemente der Kerze sicherstellen, nämlich oxidierbare Metalle, wie beispielsweise Co, Cr, Mo, Ni und W. Wenn derartige Metalle in Pulverform verwendet werden, um die thermischen Eigenschaften der isolierenden Keramikphase zu verändern, werden so die Teilchen zuvor mittels üblicher Einrichtungen mit einem isolierenden Oxidfilm überzogen, zum BeisPiel durch Erhitzen in einem Sauerstoff-Wirbelbett.
• Andere Metalle mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit, die jedoch weniger beständig gegen hohe Temperaturen sind, wie beispielsweise Cu oder Ag (die Wärmeleitfähigkeitsfaktoren dieser Metalle betragen 393 bzw. 417) können ebenfalls für den zuvor genannten Zweck verwendet werden. Dies allerdings unter der Bedingung, daß die Cu oder Ag enthaltenden Keramikkomponenten im Betrieb nicht sehr hohen Temperaturen unterworfen sind. Im Hinblick auf die Isolatorkomponente von Glühkerzen kann dies so sein, jedoch nur ausnahmsweise bei der Leiterkomponente, deren Temperatur im allgemeinen 1000ºC übersteigt.
• Die Erfindung wird durch Ausführungsformen von Glühkerzen veranschaulicht, die in der beigefügten Zeichnung dargestellt sind.
• Figur 1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Glühkerze gemäß der Erfindung.
• Figur 2 ist ein radialer Querschnitt entlang der Linie II-II der Figur 1.
• Figur 3 ist ein schematischer Querschnitt einer Variante des Heizelements der Kerze der Figur 1.
• Figur 4 ist ein schematischer Querschnitt einer anderen Variante eines Heizelements.
• Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Glühkerze besteht im wesentlichem aus einem Heizsubstrat oder -körper, umfassend ein Leiterelement 1 und ein Isolatorelement 2, wobei beide Elemente aus einer keramischen Basimatrix von gleicher Art, z.B. aus Aluminiumoxid hergestellt sind. Das Leiterelement ist aus einem Cermet aus Aluminiumoxid und Chrompulver einer Teilchenkornklasse von 1 bis 5 um hergestellt, die im Keramikmaterial in einem Volumenanteil von 20 bis 40 % enthalten ist. Der Heizkörper ist mit einem Anschlußdraht 3 versehen und ist sicher in einem mit einem Gewinde 5 versehenen röhrenförmigen Gehäuse oder einer Buchse 4 abgedichtet, die auch einen axial mit einem Gewinde versehenen Stab 6 enthält, der mittels einer ringfömigen Dichtung 7 aus isolierendem Material abgedichtet ist. Der Draht 3 ist am Stab 6 angeschweißt, der zudem außerhalb des Gehäuses 4 mit einer isolierenden Scheibe 8, einer Mutter 9 und einer Sicherungsmutter 10 versehen ist.
• Die Betriebsabläufe zum Herstellen dieser Kerze sind relativ einfach. Das Element 1 aus elektrisch leitendem Cermet wird als erstes durch Extrusion einer Cermetpaste als weicher Stab hergestellt, der um 180º gebogen und in eine rohe Aluminiumoxidmatrix eingesetzt wird, die den Isolator 2 bildet; dann wird der gesamte Cermet/Keramikverbund entsprechend üblichen Keramikherstellungsbedingungen erhitzt, um ein Zusammensintern beider Elemente 1 und 2 zu bewirken.
• Der gesinterte Heizkörper wird dann in das Gehäuse 4 eingesetzt und mittels üblicher Abdichtmittel (Bördelung) derart darin befestigt, daß die äußere Oberfläche des Elements 1 in sicherem elektrischem Kontakt mit der Innenseitenoberfläche der Buchse 4 steht. Dann werden die restlichen Elemente der Glühkerze installiert und entsprechend herkömmlicher Praxis zusammengebaut.
• Natürlich kann das Keramikmaterial des Isolatorelements 2 dieser Ausführungsform in dispergierter Form auch einen wärmeleitenden Zusatz enthalten, der diesem eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit verleiht und die Unterschiede der thermischen Ausdehnung zwischen dem Leiter- und Isolatorelement 1 und 2 verringert; dieser Zusatz kann ein Anteil an Chrompulver sein, dessen Teilchen mit einer Isolierschicht aus Chromoxid versehen sind.
• Figur 3 ist ein schematischer Querschnitt einer anderen Ausführungsform eines Heizkörpers, der bei einer Glühkerze gemäß der Erfindung verwendet werden soll. Dieser Heizkörper enthält ein Cermet-Glühelement 11 und ein Keramikisolierelement 12. Dieser Heizkörper oder dieses Substrat kann geschaffen werden, indem man zuerst den axialen Teil des Elements 11 extrudiert, indem man seine Umfangszone mit einer durch Tauchbeschichtung abgelagerten Keramikschicht überzieht, und schließlich durch Auftragen (auch noch durch Tauchbeschichtung) einer leitenden Cermetschicht auf dem gesamten Verbund einschließlich der axialen Fläche, um so die in Figur 3 schematisch dargestellte Vorrichtung zu schaffen. Dann werden das zusammengebaute Keramik- und Cermetelement wie zuvor zusammengesintert, und der abschließende Zusammenbau der übrigen Kerzenelemente wird wie zuvor angegeben herbeigeführt.
• Figur 4 veranschaulicht schematisch eine andere Ausführungsform eines Heizkörpers einer Glühkerze.
• Dieser Heizkörper umfaßt einen Keramikzylinder 22, dessen eines Ende mit einem Cermetstopfen 21a verschlossen ist, der sich im Kontakt mit einer durch Tauchbeschichtung auf der inneren und äußeren Wand des Zylinders 2 abgelagerten Glühelementschicht 21 befindet. Um diesen Heizkörper herzustellen, treibt man einen Stopfen 21a aus Cermet-Paste in einen Keramikzylinder 22, der danach mit einem Cermet-Schlamm tauchbeschichtet wird, um die Glühschicht 21 zu schaffen.
• Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung.
Beispiel 1
• In diesem Beispiel wird auf Figur 3 der Zeichnung Bezug genommen.
• In einem geschlossenen 2-Liter-Polyethylenbehälter wurden die folgenden Bestandteile 24 Stunden lang mit 1300 g Zirkoniumsilikatkugeln gemahlen:
• Aluminiumoxidpulver (Kornklasse etwa 1 um) 810 g
• pulverförmige Glasphase, enthaltend 80 Gewichts-% SiO&sub2;, wobei der Rest eine Mischung aus MgO, CaO und Na&sub2;O ist 90 g
• Chrompulver (mit weniger als 1 Gewichts-% Sauerstoff) 674 g
• Mischung (1:1) aus tert. BuOH (Butylalkohol) und Leichtbenz in 500 g
• Fischöl (Dispersionsmittel) 22 g
• Nach dem Mahlen wurden die ZrO&sub2;-Perlen vom Schlamm getrennt und der letztere wurde zu einem Pulver getrocknet. Zu 500 g dieses in einem Mischer (DRAIS-IK3) eingebrachten trockenen Pulvers wurden 150 g Wasser und 25 g Methylzellulose (Methocell , Dow Chemicals) hinzugefügt, und die Bestandteile wurden unter Unterdruck (120 Torr) gerührt, bis ein homogener teigiger Schlamm gebildet war (60 min).
• Der Teig wurde unter 3 T/cm² zusammengepreßt, um eine Verdichtung zu bewirken und Luftblasen zu entfernen; dann wurde er in einer Presse extrudiert, so daß ein extrudierter Zylinder von 3 mm Durchmesser gebildet wurde. Dieser Zylinder wurde an der Luft bei 120ºC 24 h lang getrocknet.
• Andererseits wurde ein Schlamm durch Mischen von 7 g H&sub2;O, 5 g Methocell , 90 g pulverförmigem Al&sub2;O&sub3; (Kornklasse etwa 1 um), 10 g pulverförmiger Glasphase (dieselbe Phase wurde verwendet, um den oben offenbarten Cermet-Schlamm herzustellen) und 75,4 g an isoliertem oder schlecht leitendem Chrompulver hergestellt. Die Teilchen (10 um oder mehr) dieses Chrompulvers waren entweder durch eine in einem heißen Sauerstoff-Wirbelbett erhaltene Oxidschicht oder durch Einbetten mit Al&sub2;O&sub3; isoliert.
• Die trockene extrudierte Form wurde in die Suspension getaucht, so daß darauf eine etwa 500 um dicke Schicht aus isolierendem Material abgelagert wurde. Nach einem Trocknen der Schicht wurden die axialen Stirnenden der Form geschliffen, um die Isolierung zu entfernen, woraufhin die Form erneut mit einem Schlamm aus Cermet-Material tauchbeschichtet wurde (eine Schicht von 100 bis 200 um), wobei dieser Schlamm 90 g Al&sub2;O-Pulver, 10 g der Glasphase (oben beschrieben), 75,4 g an leitendem Chrompulver (weniger als 1 Gewichts-% Sauerstoff), 70 g Wasser und 5 g Methocell enthielt.
• Die beschichtete Form wurde getrocknet und eine der Endflächen wurde geschliffen und bearbeitet, um eine untere Kontaktfahne bereitzustellen (vgl. Figur 3); dann wurde sie auf 300ºC (10ºC/h) erhitzt, um die organischen Bindemittel zu verdampfen. Schließlich wurde sie bei 1550ºC unter Normaldruck von Argon, Klasse 48 gesintert.
• Der verdichtete Heizkörper wurde danach, wie zuvor angegeben, unter Abdichtung in eine Buchse eingesetzt, und weitere metallische Teile wurden damit zusammengebaut, um eine Glühkerze zu schaffen, die entsprechend der üblichen Praxis in einem Motor unter Gebrauchs-Testbedingungen geprüft wurde.
• Diese Glühkerze ergab ausgezeichnete Ergebnisse hinsichtlich einer geringen thermischen Trägheit (die Arbeitstemperatur wurde in einigen Sekunden erreicht) und einer Nutzlebensdauer.
Beispiel 2
• Es wurde vorgegangen wie in Beispiel 1, mit dem Unterschied, daß das Chrompulver mit isolierten Teilchen, das zum Herstellen der Isolatorkomponente 12 verwendet wurde, eine sehr viel gröbere Sieb-Kornklasse (100 um oder mehr) als das entsprechende Pulver aus Beispiel 1 aufwies. Das leitende Cr- Pulver der Komponente 11 war dasselbe wie in Beispiel 1. Die unter diesen Bedingungen hergestellte Glühkerze war einfacher und preiswerter herzustellen als die Ausführungsform aus Beispiel 1; nichtsdestoweniger waren ihre Betriebseigenschaften ganz zufriedenstellend.
Beispiel 3
• In diesem Beispiel wird auf Figur 4 Bezug genommen.
• Eine dicke extrudierbare Paste wurde hergestellt, wie in Beispiel 1 offenbart, jedoch wurde das bei der Zubereitung verwendete elektrisch leitende Chrompulver durch ein Chrompulver mit hohem Sauerstoffgehalt (5 bis 10 Gewichts-%) ersetzt.
• Die Paste wurde unter Druck extrudiert, um einen extrudierten Hohlzylinder 22 bereitzustellen, dessen Außen- und Innendurchmesser 8 bzw. 6 mm betrug (die Länge des Zylinders betrug etwa 25 bis 30 mm). Nach einem Trocknen wurde der Zylinder in einem Cermet-Schlamm (vgl. die in Beispiel 1 offenbarte Zubereitung des Cermet-Schlamms) tauchbeschichtet, um eine etwa 200 bis 300 um dicke (in trockenem Zustand gemessen) elektrisch leitende Schicht 21 aufzubauen; dann wurde ein Stopfen 21a aus Cermet-Paste in eines der Stirnenden des Zylinders getrieben, und schließlich wurde dieses Stirnende mit einer Schleifmaschine bearbeitet, um die entsprechende ringförmige Zone des isolierenden Zylinders 22 zu säubern und an der Rückseite des Stopfens 21a eine Kontaktfahne bereitzustellen, um das Heizelement anschließend mit dem axialen Verbinder der Glühkerze zu verbinden. Nach einer vollständigen Trocknung wurde der rohe Keramik/Cermet- Verbund gebrannt und unter den in Beispiel 1 offenbarten Bedingungen gesintert. Dann wurde der gesinterte Verbund in einem mit einem Gewinde versehenem Metallgehäuse montiert und abgedichtet, und die restlichen Glühkerzenelemente wurden wie zuvor angegeben zusammengebaut.
• Diese Glühkerze tat unter wirklichkeitsnahen Prüfbedingungen ausgezeichnet ihren Dienst.

Claims (9)

1. Glühzündkerze für hochkomprimierte Verbrennungsmotoren zB. Dieselmotoren, mit einem länglichen Heizkörper, der in eine Verbrennungskammer des Motors hineinragt und dessen wesentliche Komponenten in erster Linie sind:

a) ein elektrisch leitendes Element aus einer gesinterten Mischung eines Keramikmaterials und einer darin homogen dispergierten leitenden Phase besteht, das zwei Enden hat, von denen eines innen mit einem axialen Pol der Zündkerze zur Zufuhr des Zündstromes verbunden ist und mit einem zweiten Ende des leitenden Elementes, das mit einem äußeren Metallgehäuse der in den Motor einzuschraubenden Glühkerze verbunden ist und

b) andererseits ein, eine Isolierung tragendes Element aus einem isolierenden Keramikmaterial, das mit dem leitenden Element einstückig ist und im Metallgehäuse versiegelt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Elemente (a) aus einem Cermet- Material hergestellt ist, dessen keramische Basismatrix von der gleichen Natur ist wie die Keramik des Isolierelementes (b) und die leitende Phase gleichmäßig und homogen darin verteilt ist und eine teilchenförmige Metallphase ist, deren thermischer Ausdehnungsfaktor um nicht mehr als das Vierfache des thermischen Ausdehnungsfaktor der keramischen Basismatrix unterscheidet, in dem die teilchenförmige metallische Phase dispergiert ist, und deren Teilchen eine Größe haben, die gering genug ist, um die inneren Spannungskräfte, die sich aus den thermischen Änderungen während des Betriebes der Zündkerzen, unterhalb der Grenzen zu halten, wo ein Springen des Keramikmaterials auftreten könnte.

2. Glühzündkerze nach Anspruch 1, bei der das Verhältnis der thermischen Ausdehnungsfaktoren der leitenden metallischen Phase und der keramischen Matrix zwischen 1:1 bis 3:1 liegt und die Teilchengröße von 0,1 bis 50 um ist.

3. Glühkerze nach Anspruch 1, bei der das Verhältnis der thermischen Ausdehnungsfaktoren der metallischen Phase und des Keramikmaterials von 0,5:1 bis 1,5:1 ist und die Größe der Teilchen 50 um nicht überschreitet.

4. Glühkerze nach Anspruch 3, bei der die metallische Phase Chrompulver und die Keramikmatrix Aluminiumoxid ist.

5. Glühkerze nach Anspruch 2, bei der die metallische Phase aus pulverförmigen Cr, Mo, Ni, W und Co ausgewählt wird und die keramische Matrix aus Al&sub2;O&sub3;, Cordierit, Mullit, Zirkon, Si&sub3;N4&sub4; AlN und SiC gewählt wird.

6. Glühkerze nach Anspruch 1, bei der die die Isolierung tragende Komponente (b) homogen dispergiert, Zusätze aufweist, die eine hohe thermische Leitfähigkeit haben, um so die thermische Leitfähigkeit dieser Komponente (b) auf einen Wert nahe jenem der elektrisch leitenden Heizkomponente (a) zu erhöhen.

7. Glühkerze nach Anspruch 6, bei der dieser Zusätze ausgewählt werden, aus den Pulvern von Co, Cr, Mo, Ni und W, wobei diese Pulver Teilchen aufweisen, die mit einem Film einer Isolierung mit geringen elektrischen Leitungseigenschaften beschichtet sind.

8. Verfahren zur Herstellung von Glühkerzen mit einem Heizkörper, der aus einer zusammengesetzten, eine Isolierung tragenden keramischen Komponente (b) verbunden mit einer elektrisch leitenden Cermet- Komponente (a) besteht, die aus einem Metallpulver hergestellt ist, das in einer Keramikphase der gleichen Art, wie jener der isolierenden Komponente dispergiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß

(I) die pastenförmige Cermet-Zusammensetzung in die Form der leitenden Komponente (a) extrudiert wird, wobei die Zusammensetzung aus Keramik und Metallpulvern unter Zumischung von Lösungsmitteln, Bindemitteln und gegebenenfalls Sinterhilfen hergestellt ist;

(II) die isolierende Keramikkomponente (b) aus einer Paste oder einem Schlamm von Keramikpulver unter Zumischung von Lösungsmitteln, Bindemitteln und gegebenenfalls Sinterhilfen hergestellt wird und die Bestandteile (b) und (a) in einem zusammengesetzten Rohling kombiniert werden;

(III) die Zusammensetzung aus (a) und (b) in den Heizkörper zusammengesintert werden und

(IV) der Heizkörper mit den übrigen üblichen Metallteilen der Endglühkerze zusammengesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem Elemente (a) und/oder (b) wenigstens teilweise durch Tauchbeschichtung unter Verwendung keramischer und Cermet-Schlämmen hergestellt werden.