DE69935887T2

DE69935887T2 - Zündkerze, isolator aus alumina für zündkerze und sein herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69935887T2
Application number: DE69935887T
Authority: DE
Inventors: M. Sugimoto
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2019-02-27
Also published as: CN1256806A; DE69935887D1; US6407487B1; US6632381B2; EP0982820A1; EP0982820A4; CN1265522C; US20020024160A1; CA2287241A1; WO1999044266A1; EP0982820B1; BR9904840A; KR20010020288A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen aluminiumoxidbasierten Isolator für eine Zündkerze, der dieser verwendet wird, und ein Herstellungsverfahren für diesen Isolator.
Stand der Technik
Bei einer Zündkerze, die für einen Verbrennungsmotor verwendet wird, beispielsweise einen Kraftfahrzeugmotor, wird seit jeher Material auf der Basis von Aluminiumoxid (Al₂O₃) von ausgezeichneter Wärmebeständigkeit als Isolator in dieser verwendet. Aluminiumoxid als Rohmaterial für einen solchen vorstehend beschriebenen Isolator wird im Allgemeinen durch den Bayer-Prozess hergestellt (nachstehend als Bayer-Aluminiumoxid bezeichnet).
Der Bayer-Prozess ist ein Prozess, bei dem Aluminiumoxid aus Bauxit, das ein natürlich vorkommendes Aluminiumerz ist, im Nasszustand extrahiert wird, wobei eine wässrige Lösung von Natriumhydroxid (NaOH) in vergleichsweise hoher Konzentration als extrahierendes Reagens verwendet wird. Da das so erhaltene Bayer-Aluminiumoxid in erheblichem Umfang einen Na-Bestandteil (Natron-Bestandteil) enthält, wird bedarfsweise häufig eine Natronentfernungsbehandlung eingesetzt. Aluminiumoxid wird nach Grad der Natronentfernung in drei Klassen eingestuft, die wie folgt mit den jeweiligen üblichen Bezeichnungen gezeigt werden: natron-armes Aluminiumoxid mit einem Gehalt des Na-Bestandteils von unter 0,1 Gewichtsprozent, Aluminiumoxid mit mittlerem Natrongehalt mit einem Gehalt des Na-Bestandteils in der Größenordnung 0,1 bis 0,2 Gewichtsprozent und Aluminiumoxid mit regulärem Natron-Gehalt mit einem Gehalt des Na-Bestandteils über dem mittleren Natron-Gehalt, zum Beispiel in der Größenordnung von 0,2 Gewichtsprozent oder mehr.
Da ein in Aluminiumoxid enthaltener Na-Bestandteil eine Eigenschaft hoher Ionenleitfähigkeit zeigt, kommt es zu Problemen, wenn sein Anteil zu groß ist: der Isolationswiderstand, insbesondere der Isolationswiderstand bei einer hohen Temperatur von 500°C oder höher, wird gesenkt oder eine mechanische Festigkeit wird bei hoher Temperatur verschlechtert. Daher gilt ein in einer Zündkerze verwendeter aluminiumoxidbasierter Isolator, der einen Na-Bestandteil bei einem möglichst kleinen Anteil aufweist, herkömmlicherweise als der beste seiner Art, und es ist vernünftig, dass ein Anteil des Na-Bestandteils bei einem Wert von nur 0,05 Gewichtsprozent oder weniger festgelegt wird.
Wie vorstehend beschrieben ist es unverzichtbar, als Ausgangsstoff Aluminiumoxid der natron-armen Familie zu verwenden, um einen aluminiumoxidbasierten Isolator mit niedrigem Gehalt des Na-Bestandteils zu erzeugen. Das Aluminiumoxid einer natron-armen Familie ist aufgrund eines Kostenanstiegs, der durch einen notwendigerweise durchgeführten Prozessschritt der Natronentfernung bedingt ist, teuer und zeichnet sich dadurch aus, dass Aluminiumoxid im Hinblick auf die Ausgangsstoffkosten nicht unbedingt erwünscht ist. In den letzten Jahren wurde aber im Einklang mit dem Trend hin zu einem leistungsstarken Kraftfahrzeugmotor auch ein Isolator für eine Zündkerze mit einer höheren Stehspannung und einer höheren Wärmebeständigkeit gefordert. Daher hat bezüglich eines niedrigen Anteils eines Na-Bestandteils im Isolator zunehmend die Vernunft gesiegt, und derzeit hat sich die Idee durchgesetzt, dass eine Kostensteigerung, die in gewissem Maße durch die Verwendung natron-armen Aluminiumoxids verursacht wird, zwangsläufig akzeptiert werden muss.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Zündkerze an die Hand zu geben, bei der ein Isolator verwendet wird, der zu Kosten unter denen erhältlich ist, die bei einem Na-Bestandteilanteil normalerweise anfallen, während verglichen mit vorbekannten Isolatoren keine Beeinträchtigung seiner Leistung festgestellt wird, sowie den Isolator und einen Herstellungsprozess für den Isolator an die Hand zu geben.
JP-A-6 144 922 , das als nächster Stand der Technik gilt, offenbart einen aluminiumoxidbasierten Isolator, der Aluminiumoxid als Hauptbestandteil bestehend aus 89–99 Gewichtsprozent Al₂O₃ umfasst und weiterhin unter 0,2% Na, ausgedrückt als Na₂O, umfasst. JP-A-9 315 849 offenbart die Verwendung einer aluminiumoxidbasierten Zusammensetzung als Isolator für eine Zündkerze.
Offenlegung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung gibt einen aluminiumoxidbasierten Isolator für eine Zündkerze an die Hand, wobei der Isolator Aluminiumoxid als Hautbestandteil enthält und weiterhin einen Na-Bestandteil in dem Bereich von 0,07 bis 0,5 Gewichtsprozent als zu Na₂O umgewandelter Wert enthält, wobei der Al-Bestandteil in dem Bereich von 85 bis 98 Gewichtsprozent als zu Al₂O₃ umgewandelter Wert enthalten ist, wobei eine Struktur des Isolators aus aluminiumoxidbasierten Matrixphasenkörnern von 99 Gewichtsprozent oder mehr Aluminiumoxidanteil als Hauptphase und einer in den Korngrenzenbereichen der aluminiumoxidbasierten Matrixphasenkörner ausgebildeten Glasphase aufgebaut ist, wobei in der Glasphase ein vorhandener Na-Bestandteilanteil WGNa in dem Bereich von 0,4 bis 2 Gewichtsprozent liegt.
Die Erfindung gibt auch eine Zündkerze an die Hand mit:
einem außerhalb einer Mittelelektrode angeordneten Metallgehäuse;
einer so angeordneten Masseelektrode, dass sie der Mittelelektrode gegenüberliegt, wobei ein Ende der Masseelektrode mit dem Metallgehäuse verbunden ist; und
einem vorstehend dargelegten Isolator, der zwischen der Mittelelektrode und dem Metallgehäuse ruht und der das Äußere der Mittelelektrode umgibt, wobei der Isolationswiderstand, der durch Leiten eines Stroms durch den Isolator zwischen einem Metallstecker und dem Metallgehäuse gemessen wird, während die gesamte Zündkerze bei etwa 500°C gehalten wird, 200 MΩ oder mehr beträgt.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung gibt einen Herstellungsprozess für einen aluminiumoxidbasierten Isolator für eine Zündkerze an die Hand, wobei Aluminiumoxidpulver, dessen Na-Bestandteilanteil bei 0,07 bis 0,65 Gewichtsprozent als zu Na₂O umgewandelter Wert liegt und in dessen Partikeln in den Oberflächenbereichen ein Na-Bestandteil in dem Bereich von 0,01 bis 0,2 Gewichtsprozent als zu Na₂O umgewandelter Wert enthalten ist, verwendet wird, wobei Rohmaterialpulver, das das Aluminiumoxidpulver als Hauptbestandteil enthält, zu einer vorgeschriebenen Isolatorform als Grünling ausgebildet wird und der Grünling gesintert wird, wodurch ein Isolator erhalten wird, der Aluminiumoxid als Hauptbestandteil in dem Bereich von 85 bis 98 Gewichtsprozent als zu Al₂O₃ umgewandelter Wert enthält und der weiterhin einen Na-Bestandteil in dem Bereich von 0,07 bis 0,5 Gewichtsprozent als zu Na₂O umgewandelter Wert enthält, und wodurch eine Struktur des Isolators aus aluminiumoxidbasierten Matrixphasenkörnern von 99 Gewichtsprozent oder mehr Aluminiumoxidanteil als Hauptphase und einer Glasphase, die in den Korngrenzenbereichen der aluminiumoxidbasierten Matrixphasenkörner ausgebildet wird, aufgebaut wird, wobei in der Glasphase ein vorhandener Na-Bestandteilanteil WGNa in dem Bereich von 0,4 bis 2 Gewichtsprozent liegt.
Zu beachten ist, dass die Bezeichnung Na-Bestandteilanteil nachstehend einen Anteil an Na₂O bezeichnet, der dem Na-Bestandteilanteil in der folgenden Beschreibung entspricht, sofern nichts anderes angegeben wird.
Die vorliegenden Erfinder haben eine ausführliche Untersuchung eines Na-Bestandteilanteils in einem Isolator durchgeführt und haben herausgefunden, dass die durch Anwendung eines für das Vorliegende spezifischen Herstellungsprozesses mit Aluminiumoxidpulver als Rohmaterial in einem hohen Zusammensetzungsbereich eines Na-Bestandteilanteils, der als unvernünftig betrachtet wurde: konkret gesagt mit einem Aluminiumoxidpulver, das einen Na-Bestandteilanteil in dem Bereich von 0,07 bis 0,65 Gewichtsprozent als zu Na₂O umgewandelten Wert und einen Na-Bestandteilanteil in dem Bereich von 0,01 bis 0,2 Gewichtsprozent als zu Na₂O umgewandelten Wert in den Oberflächenschichten von Partikeln des Pulvers enthält, ein Isolator erhalten werden kann, dessen Leistung mit einem herkömmlichen Isolator vergleichbar ist, der einen niedrigeren Na-Bestandteilanteil als der oben beschriebene Bereich des Isolators enthält, während der Isolationswiderstand und die mechanische Festigkeit bei hoher Temperatur unerwartet nicht gesenkt werden. Bei einer eingehenden Beschreibung der Leistung kann eine aus dem Isolator aufgebaute Zündkerze einen Isolationswiderstand von 200 MΩ oder mehr sicherstellen, was herkömmlicherweise bei einem oben beschriebenen Na-Bestandteilanteil als unerreichbar betrachtet wurde, wobei der Isolationswiderstand so gemessen wird, dass die gesamte Zündkerze bei etwa 500°C gehalten wird und ein Strom zwischen einem Steckermetallelement und einem Metallgehäuse geleitet wird.
10 zeigt ein Beispiel eines Messsystems. Nicht nur ist eine Gleichspannungsversorgung (zum Beispiel eine Versorgungsspannung von 1000 V) mit einer Seite des Steckermetallelements 13 einer Zündkerze 100 verbunden, sondern eine Seite eines Metallgehäuses 1 ist geerdet. Die so ausgerüstete Zündkerze 100 wird in einen Wärmeofen gesetzt, um die Zündkerze 100 bei 500°C zu erhitzen, und es wird ein Strom durch die Zündkerze 100 geleitet. Z. B. wird ein Fall betrachtet, bei dem ein Strommesswiderstand (ein Widerstandswert ist Rm) zum Messen eines Wertes eines angelegten Stroms Im verwendet wird, dann kann ein zu messender Isolationswiderstand Rx durch eine Formel (VS/Im) – Rm erhalten werden, wobei VS eine angelegte Spannung zum Leiten des Stroms ist (in der Figur wird der angelegte Stromwert Im anhand einer Ausgabe eines Differentialverstärkers gemessen, der eine Spannungsdifferenz zwischen beiden Enden des Strommesswiderstands verstärkt).
Bevorzugt weist ein Isolator für eine erfindungsgemäße Zündkerze eine Isolationsstehspannung von 35 kV/mm oder höher bei 20°C auf. Wird Aluminiumoxidpulver verwendet, das einen Na-Bestandteil in dem Bereich von 0,07 bis 0,65 Gewichtsprozent als zu Na₂O umgewandelten Wert und einen Na-Bestandteil in dem Bereich von 0,01 bis 0,2 Gewichtsprozent als zu Na₂O umgewandelten Wert in den Oberflächenschichten von Partikeln des Pulvers enthält, kann ein Isolator mit einer Isolationsstehspannung verwirklicht werden, die mit der eines herkömmlichen Isolators vergleichbar ist, dessen Na-Bestandteilanteil niedriger als der oben beschriebene Bereich des Aluminiumoxidpulvers der vorliegenden Erfindung ist.
Eine Isolationsstehspannung des in eine Zündkerze eingebauten Isolators kann in folgender Weise gemessen werden: wie in 9(a) gezeigt, wird eine Masseelektrode von einem Metallgehäuse 1 einer Zündkerze 100 entfernt und eine Öffnungsseite des Metallgehäuses 1 wird in diesem Zustand in flüssiges Isolatormedium getaucht, beispielsweise Siliziumöl, und dadurch werden der Isolator 2 und das Metallgehäuse 1 durch das flüssige Isolatormedium voneinander isoliert, mit dem ein zwischen der Außenseitenfläche des ersteren und der Innenseitenfläche des letzteren angeordneter Raum gefüllt wird. In diesem Zustand wird nicht nur eine hohe Wechselspannung oder Spannung hohen Impulses zwischen dem Metallgehäuse 1 und einer Mittelelektrode 3 durch eine Hochspannungsversorgung angelegt, sondern Spannungswellenformen der angelegten Spannung (die bei einer geeigneten Vergrößerung durch einen Spannungsteiler gesenkt wird) werden durch ein Oszilloskop oder dergleichen aufgezeichnet.
Dann wird, wie in 9(b) gezeigt, nicht nur eine Spannung (dielektrische Durchschlagspannung der Masse) Vd aus einer Spannungswellenform entnommen, wenn es zu einem dielektrischen Durchschlag der Masse durch den Isolator 2 kommt, sondern es wird ein Wert VD/LD als Isolationsstehspannung aus einer Dicke LD des Isolators 2 bei einer durch dielektrischen Durchschlag der Masse und die dielektrische Durchschlagspannung VD der Masse verursachten Penetrationsstelle erhalten, wobei eine Position der Penetrationsstelle als Mitte einer Öffnung derselben festgelegt wird, die an einer Außenfläche des Isolators 2 ausgebildet ist. Die Dicke LD des Isolators 2 an einer Penetrationsstelle wird so festgelegt, dass wie in 9(c) gezeigt ein Abschnitt, der senkrecht zu einer Mittellinie O als Achse des Isolators 2 einschließlich der Mitte OG der Öffnung ist, herangezogen wird, eine gerade Linie P durch die beiden Punkte OG und O an dem Abschnitt gezeichnet wird, um einen Schnittpunkt K mit einer Innenseitenfläche des Isolators 2 zu erhalten, und dann ein Liniensegment KOG erhalten und an seiner Länge gemessen wird, um die Dicke LD zu ermitteln.
Nachstehend folgt eine eingehendere Beschreibung einer Zündkerze und eines darin verwendeten aluminiumoxidbasierten Isolators. Zunächst kann durch Festlegen eines Na-Bestandteilanteils in dem Isolator in dem oben beschriebenen Bereich Aluminiumoxidpulver als Rohmaterial eines Na-Bestandteilanteils von 0,07 bis 0,65 Gewichtsprozent als in Na₂O umgewandelter Wert genommen werden (wenn der Anteil 0,65 Gewichtsprozent übersteigt, kann ein Na-Bestandteilanteil im daraus erhaltenen Isolator nicht auf gleich oder unter 0,5 Gewichtsprozent gedrückt werden). Dadurch können Aluminiumoxid mittleren Natrongehalts, Aluminiumoxid regulären Natrongehalts und dergleichen, die bei viel niedrigeren Kosten erworben werden können, an Stelle des herkömmlich verwendeten natron-armen Aluminiumoxids verwendet werden, mit dem Resultat, dass ein drastisches Senken der Fertigungskosten nicht nur des Isolators für eine Zündkerze, sondern auch einer den Isolator verwendenden Zündkerze verwirklicht werden kann.
Um einen Na-Bestandteilanteil im Isolator auf unter 0,07 Gewichtsprozent zu beschränken, muss Aluminiumoxidpulver mit niedrigem Na-Bestandteilanteil, wie natron-armes Aluminiumoxid, verwendet werden, was es unmöglich macht, im Hinblick auf Rohmaterialkosten Überlegenheit gegenüber einem herkömmlichen Isolator zu gewährleisten. Wenn dagegen ein Na-Bestandteilanteil 0,5 Gewichtsprozent übersteigt, ist der Isolationswiderstand des Isolators unzureichend, was dazu führt, dass eine für den Isolator bei einer Zündkerze geforderte Stehspannungsleistung nicht erfüllt wird. Ein Na-Bestandteilanteil in dem Isolator wird bevorzugter in dem Bereich von 0,07 bis 0,25 Gewichtsprozent liegend gewählt. Es wird bevorzugt Aluminiumpulver als Rohmaterial eines Na-Bestandteilanteils in dem Bereich von 0,07 bis 0,3 Gewichtsprozent als zu Na₂O umgewandelter Wert verwendet.
Als bei der Fertigung des oben beschriebenen Isolators verwendetes Aluminiumoxidpulver kann ein durch den Bayer-Prozess erzeugtes Aluminiumoxidpulver verwendet werden. Während der Bayer-Prozess allgemein bekannt ist, wird dieser Prozess für ein besseres Verständnis nachstehend umrissen: zuerst wird Bauxit, das ein natürlich vorkommendes Aluminiumerz ist, zu Pulver pulverisiert und dann wird das Pulver Druckextraktion in einer wässrigen Lösung von Ätznatron unterzogen. Ein Aluminiumoxidbestandteil in dem Erz (zum Beispiel Gibbsit oder Böhmit als aluminiumbasiertes Erz) wird als Natriumaluminat in der Lösung gemäß der folgenden chemischen Reaktionsformel (1) auf der Grundlage eines amphoteren Charakters des Al-Elements aufgelöst und von unlöslichem Rückstand (Rotschlamm) wie Fe₂O₃, SiO₂ oder TiO₂ getrennt. Al(OH)₃(sol) + NaOH(aq)⇔NaAl(OH)₄(aq) (1)
Während sich die Extraktionsbedingungen entsprechend einer Art eines aluminiumoxidbasierten Erzes unterscheiden, liegt die Temperatur typischerweise zum Beispiel in dem Bereich von 120 bis 300°C und die Konzentration von Ätznatron liegt in dem Bereich von 130 bis 380 g/l. Der lösliche Rückstand wird aus der Lösung herausgefiltert, um einen Extrakt abzusondern, dem Extrakt wird Keimaluminiumoxid zugegeben und eine Konzentration des Ätznatrons wird zu einer Konzentration in dem Bereich von 90 bis 160 g/l reduziert. Bei einer solchen Konzentrationsreduzierung wird der Extrakt einer Rückreaktion der Formel 1 bei einer Temperatur in dem Bereich von 35 bis 80°C über einen Zeitraum in dem Bereich von 30 bis 60 Stunden unterzogen, um Aluminiumhydroxid in einem Festzustand niederzuschlagen und abzuscheiden. So erhaltenes Aluminiumhydroxid wird von der Lösung abgeschieden und wird bei Bedarf weiter gewaschen, und danach wird das gewaschene Hydroxid kalziniert, um Bayer-Aluminiumoxid zu erhalten.
Die vorliegenden Erfinder haben eine ausführliche Untersuchung durchgeführt und herausgefunden, dass durch den Bayer-Prozess erzeugtes Aluminiumoxidpulver einen Na-Bestandteil im Inneren jedes der Pulverpartikel enthält, ein Oberflächenbereich jedes Pulverpartikels aber aufgrund der Behandlung mit der Ätznatronlösung einen Na-Bestandteil in höherer Konzentration aufweist. Ein solcher Na-Bestandteil in den Oberflächenbereichen der Pulverpartikel verursacht ein Problem: der Na-Bestandteil in jedem der Oberflächenbereiche der Pulverpartikel bildet beim Sintern eine Glasphase durch Schmelzen zusammen mit Sinterhilfsmitteln (ein später beschriebener Zusatzelement-Bestandteil). Die Glasphase ist mit einem Problem verbunden, da die Phase aufgrund der Bildung einer Feststofflösung des Na-Bestandteils an spezifischem elektrischen Widerstand verliert und eine solche Feststofflösung als leitender Kanal dient, der eine Abnahme des Isolationswiderstand und einer Abnahme der Isolationsstehspannung verursacht.
Die vorliegenden Erfinder haben weiterhin im Hinblick auf dieses Problem eine ausführliche Untersuchung angestellt und dadurch herausgefunden, dass das bevorzugt zu verwendende Aluminiumoxidpulver ein Aluminiumoxidpulver ist, dessen Partikel einen Na-Bestandteil in dem Bereich von 0,01 bis 0,2 Gewichtsprozent als zu Na₂O umgewandelten Wert in deren Oberflächenbereichen aufweisen. Wenn Aluminiumoxidpulverpartikel mit einem Na-Bestandteil in den Oberflächenbereichen von mehr als 0,2 Gewichtsprozent verwendet werden, besteht die Möglichkeit, dass der daraus erhaltene Isolator einen Isolationswiderstand und eine Isolationsstehspannung aufweist, die beide die jeweiligen Anforderungen nicht erfüllen. Um den Na-Bestandteilanteil in dem Oberflächenbereich jedes der Pulverpartikel (nachstehend als Na-Betrag der Oberfläche bezeichnet) auf unter 0,01 Gewichtsprozent zu beschränken, werden zwei Möglichkeiten erwogen, doch hat jede von ihnen einen Fehler: einerseits muss Aluminiumoxid mit einem niedrigen Na-Bestandteilanteil wie natron-armes Aluminium letztendlich verwendet werden und andererseits wird Aluminiumoxidpulver mit einem hohen Na-Bestandteilanteil verwendet und daher ist ein Entfernungsprozess für den Na-Bestandteil in dem Oberflächenbereich jedes der Pulverpartikel komplex oder dauert lange, was bedeutet, dass die Überlegenheit gegenüber einem herkömmlichen Isolator in Bezug auf Rohmaterialkosten verloren geht. Diesbezüglich liegt ein Na-Bestandteilanteil in den Partikeloberflächenbereichen wünschenswerterweise in dem Bereich von 0,01 bis 0,15 Gewichtsprozent oder noch erwünschter in dem Bereich von 0,01 bis 0,1 Gewichtsprozent.
Mit Na-Bestandteilanteil in dem Oberflächenbereich jedes der Pulverpartikel (Na-Menge der Oberfläche) ist ein Wert gemeint, der in folgender Weise gemessen wird: zunächst wird ein Gesamtanteil in Gewichtsprozent eines Na-Bestandteils in einem Aluminiumoxidpulver, das ein zu messender Gegenstand ist, durch ICP-Atomemissionsspektrometrie, eine chemische Analyse oder dergleichen gemessen, und die Messungen werden zu Werten in Na₂O umgewandelt, wobei der Umwandlungswert durch WNa1 angezeigt wird. Dann werden 100 g Aluminiumoxidpulver in 100 ml destillierten Wasser bei einer konstanten Temperatur von 90°C eine Stunde lang ohne Rühren eingetaucht gehalten. Danach wird das Aluminiumoxidpulver zur Rückgewinnung aus dem destillierten Wasser abgeschieden und der Na-Bestandteilanteil in Gewichtsprozent wird erneut gemessen, und die Messung wird zu einem Wert in Na₂O umgewandelt, wobei der Umwandlungswert durch WNa2 angezeigt wird. Dann wird ein Wert WNa1–WNa2 in Gewichtsprozent errechnet, und der Wert wird als Anteil des in dem Oberflächenbereich jedes der Pulverpartikel vorhandenen Na-Bestandteils betrachtet.
Während das Bayer-Aluminiumoxidpulver durch Kalzinieren von Aluminiumhydroxid, das durch Extraktion erhalten wurde, erzeugt wird, unterscheidet sich ein Na-Bestandteilanteil in der Oberfläche jedes der Pulverpartikel erheblich je nach Fertigungsprozess. Wenn zum Beispiel Aluminiumhydroxid kalziniert wird, werden verschiedene Maßnahmen ergriffen, so dass ein von Aluminiumoxidpartikeln befreiter Na-Bestandteil nicht zurück zur Aluminiumoxidpartikelseite diffundiert. Als typische Maßnahme ist ein Prozess bekannt, bei dem Chlorgas in einer Kalzinationsatmosphäre zum Strömen gebracht wird und der befreite Natriumbestandteil in Form von Natriumchlorid gebunden wird. Da aber bei diesem Prozess Natriumchlorid als Reaktionsprodukt auf den Oberflächen von Aluminiumoxidpartikeln zurückbleibt, bleibt daher selbst nach einem Wasserwaschprozess üblichen Umfangs das Natrium weiter bei einem beträchtlichen Anteil erhalten. Bei einer anderen Maßnahme werden dagegen Aluminiumhydroxidpartikel in einer Mischung mit Siliciumdioxidpartikeln kalziniert, die gröber als Aluminiumhydroxidpartikel sind, dadurch wird ein bei Kalzinieren befreiter Na-Bestandteil zum Absorbieren durch die Siliciumdioxidpartikel gebracht, und die Siliciumdioxidpartikel werden schließlich durch ein Sieb oder ein anderes Mittel abgeschieden. Es ist gut bekannt, dass eine Restmenge des Na-Bestandteils in den Oberflächen von so behandelten Aluminiumoxidpartikeln erheblich gesenkt wird. Bei Verwendung von Bayer-Aluminiumoxidpulver muss daher das Aluminiumoxidpulver so gewählt werden, dass nicht nur ein gesamter Na-Bestandteil, sondern auch die Na-Menge der Oberfläche jeweils in den Bereichen liegen, die für einen erfindungsgemäßen Fertigungsprozess festgelegt sind. Wenn die Na-Menge der Oberfläche der Pulverpartikel zwangsweise den oben beschriebenen festgelegten Bereich überschreitet, ist es wichtig, dass das Pulver mit Wasser (oder Säurebeizen) nach Bedarf gewaschen wird, so dass die Na-Menge der Oberfläche so eingestellt wird, dass sie in den oben beschriebenen Bereich fällt, und dann wird das so gewaschene Pulver verwendet.
Ein Al-Bestanteilanteil des Isolators, der zu einem entsprechenden äquivalenten Wert in Al₂O₃ umgewandelt wurde (nachstehend als WAI bezeichnet), wird in dem Bereich von 85 bis 95 Gewichtsprozent festgelegt. Wenn WAI unter 85 Gewichtsprozent liegt, sind die Eigenschaften mechanischer Festigkeit und Stehspannung des Isolators bei hoher Temperatur manchmal ungenügend. Der WAI wird wünschenswerterweise auf 90 Gewichtsprozent oder mehr festgelegt. Wenn aber WAI 98 Gewichtsprozent übersteigt, wird ein Anteil an Sinterhilfsmitteln relativ gesehen zu stark gesenkt und dadurch lässt sich der Isolator nach dem Sintern schwierig in einem hoch verdichteten Zustand erhalten; wenn zum Beispiel versucht wird, den Isolator in einem verdichteteren Zustand zu erhalten, dann lässt sich ein Temperaturanstieg beim Sintern nicht vermeiden, was mit sich bringt, dass die Korngrößen der den Isolator bildenden Aluminiumoxidpartikel größer werden, mit dem Resultat von unerwarteten Problemen wie Verschlechterung einer mechanischen Festigkeit. Somit wird ein WAI bevorzugt so festgelegt, dass sein Anteil gleich oder kleiner als 98 Gewichtsprozent ist.
Eine Struktur des erfindungsgemäßen Isolators wird aus aluminiumoxidbasierten Matrixphasenpartikeln mit einem Aluminiumoxidanteil von 99 Gewichtsprozent oder mehr als Hauptphase und einer in den Korngrenzenbereichen der aluminiumoxidbasierten Matrixphasenkörner ausgebildeten Glasphase aufgebaut. Wenn in diesem Fall Aluminiumoxidpulver mit einer niedrigen Na-Menge der Oberfläche wie vorstehend beschrieben verwendet wird, kann ein Prozentsatz eines Na-Anteils WGNa (zu einem Wert in Na₂O umgewandelt), der in der Glasphase eines gesamten Na-Bestandteilanteils im Isolator vorhanden ist, in dem Bereich von 0,4 bis 2 Gewichtsprozent festgelegt werden, was vorteilhaft ist, um einen Isolationswiderstand und eine Isolationsstehspannung sicherzustellen, und gleichzeitig die Rohmaterialkosten erfolgreich senkt. Ein Isolator für eine erfindungsgemäße Zündkerze ist von solcher Art, dass der Isolator Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthält, weiterhin einen Na-Bestandteil in dem Bereich von 0,07 bis 0,5 Gewichtsprozent als Na₂O enthält, wobei ein Al-Bestandteil in dem Bereich von 85 bis 98 Gewichtsprozent als zu Al₂O₃ (WAI) umgewandelter Wert enthalten ist, wobei eine Struktur des Isolators aus aluminiumoxidbasierten Matrixphasenpartikeln von 99 Gewichtsprozent oder mehr an Aluminiumoxidgehalt als Hauptphase und einer in den Korngrenzenbereichen der aluminiumoxidbasierten Matrixphasenpartikel ausgebildeten Glasphase aufgebaut ist, und ein in der Glasphase vorhandener Na-Bestandteilanteil WGNa in dem Bereich von 0,4 bis 2 Gewichtsprozent liegt.
Wenn WGNa 2 Gewichtsprozent übersteigt, erfüllen ein Isolationswiderstand und eine Isolationsstehspannung manchmal beide nicht die jeweiligen Anforderungen. Um WGNa unter 0,4 Gewichtsprozent zu reduzieren, muss Aluminiumoxidpulver mit einem niedrigen Na-Bestandteilanteil verwendet werden, und daher lassen sich die günstigeren Rohmaterialkosten gegenüber einem herkömmlichen Isolator nicht aufrechterhalten. Zu beachten ist, dass WGNa, das in etwa in folgender Weise berechnet wird, in der vorliegenden Anmeldung eingesetzt wird: eine Oberfläche des Isolators wird poliert, eine Struktur des Isolators wird an der polierten Oberfläche mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) betrachtet und ein Bild der Struktur wird einer Bildanalyse unterzogen, um ein Flächenverhältnis der aluminiumoxidbasierten Matrix (entsprechend einem Volumenverhältnis), das durch γA angegeben wird, zu messen. Dann wird durch allgemein bekannte Mikrostrukturanalyseverfahren wie einen Elektronenstrahlmikroanalysator (EPMW), einen energiedispersiven Spektrometer (EDS) oder einen wellenlängendispersiven Spektrometer (WDS) eine mittlere Konzentration nach Gewicht eines Na-Bestandteils in einer Glasphase ermittelt und nach Umwandlung zu einem Wert in Na₂O als NGNa erhalten. Zu diesem Zeitpunkt wird angenommen, dass der Isolator ein nur aus einer aluminiumoxidbasierten Matrixphase und einer Glasphase bestehendes Material ist, und es wird weiter angenommen, dass der Isolator durch Sintern in nahezu perfekter Weise dicht gepackt ist. Wenn eine scheinbare Dichte des Isolators, die in einem auf dem Archimedischen Prinzip beruhenden Verfahren oder dergleichen gemessen wird, durch ρ0 (in g/cm³) angezeigt wird und eine Dichte eines aluminiumoxidbasierten Kristallpartikels durch ρ1 (= 3,97 g/cm³) angezeigt wird, wird ein Gewicht einer Glasphase MG pro Einheitsvolumen des Isolators wie folgt erhalten: MG = ρ0 – ρ1·γA (1)
Daher kann WGNa durch die folgende Formel berechnet werden: WGNa = MG·NGNa × 100 = (ρ0 – ρ1·γA)·NGNa × 100 (Gewichtsprozent) (2)
Zu beachten ist, dass ein Mittel der Konzentrationen NGNa eines Na-Bestandteils in der Glasphase aus dem Grund ebenfalls bevorzugt in dem Bereich 0,4 bis 2 Gewichtsprozent festgelegt wird, der dem oben beschriebenen ähnlich ist.
Wenn dann der erfindungsgemäße Isolator mit Hilfe von Bayer-Aluminiumoxidpulver gefertigt wird, sind in üblichem Bayer-Aluminiumoxidpulver mit Ausnahme von Verunreinigungen, die zwangsweise in dem Bayer-Aluminiumoxidpulver enthalten sind, nahezu keine Alkalimetallbestandteile außer einem Na-Bestandteil enthalten (nachstehend als Nichtalkalimetallbestandteil bezeichnet). Wenn demgemäß ein solches Bayer-Aluminiumoxidpulver verwendet wird, ist ein Gesamtanteil der Nichtalkalimetallbestandteile im daraus erhaltenen Isolator gleich oder kleiner 0,05 Gewichtsprozent als Oxid, insofern keine gewollte Zugabe dieser Bestandteile vorliegt. Da von den Alkalimetallbestandteilen mit Ausnahme eines Na-Bestandteils Li oder K die Fähigkeit haben, eine Stehspannungsleistung zu reduzieren, ist es ein vorteilhaftes Vorgehen, einen Isolator hoher Stehspannung zu verwirklichen, bei dem keine solche Bestandteile enthaltendes Bayer-Aluminiumoxidpulver verwendet wird.
Bevorzugt ist der Isolator solcher Art, dass der Isolator Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthält, ferner einen Na-Bestandteil in dem Bereich von 0,07 bis 0,5 Gewichtsprozent als zu Na₂O umgewandelten Wert und K- und Li-Bestandteile gleich oder kleiner 0,2 Gewichtsprozent des Gesamtanteils jeweils als zu K₂O und Li₂O umgewandelte Werte enthält. Wenn zum Zweck der Einstellung der Sintertemperatur zwangsläufig Oxidbestandteile von Li, K und/oder dergleichen zugegeben werden, ist es erwünscht, dass ein Gesamtanteil der als K₂O und/oder Li₂O jeweils kombinierten Oxide auf 0,2 Gewichtsprozent oder weniger beschränkt wird, um eine Stehspannung des Isolators zu sicherzustellen.
Optional kann der Isolator ein oder mehrere Zusatzelementbestandteile enthalten, die aus der Gruppe bestehend aus Si-, Ca-, Mg-, Ba-, Zn-, B- und Na-Bestandteilen bei einem Gesamtanteil in dem Bereich von 0,1 bis 15 Gewichtsprozent jeweils als zu SiO₂, CaO, MgO, BaO, ZnO, B₂O₃ und Na₂O umgewandelte Werte gewählt werden. Rohmaterialpulver zum Erzeugen eines solchen Isolators werden jeweils durch Mischen einer Gesamtmenge von 0,1 bis 15 Gewichtsteilen von zusatzelementbasierten Rohmaterialien, die ein oder mehrere gewählt aus der Gruppe bestehend aus Si, Ca, Mg, Ba, Zn und B jeweils als zu SiO₂, CaO, MgO, BaO, ZnO und B₂O₃ umgewandelte Werte enthalten, in 85 bis 98 Gewichtsteile Aluminiumoxidpulver hergestellt.
Als zusatzelementbasiertes Rohmaterial werden zum Beispiel Oxide (an ihrer Stelle sind Komplexoxide zulässig) von Si, Ca, Ba und Zn verwendet, und daneben können eine Reihe von Pulverarten anorganischer Rohmaterialien wie Hydroxide, Carbonate, Chloride, Sulfate, Nitrate und Phosphate erwähnt werden. Die Arten von anorganischem Rohmaterialpulver müssen jeweils in einer chemischen Form verwendet werden, die durch Kalzinieren in Oxide umgewandelt werden kann. Bei einem B-Bestandteil sind zu erwähnen: Dibortrioxid (B₂O₃), Orthoborsäure (H₃BO₃) und verschiedene Arten anderer Borsäuren und daneben Borste von Al, was ein Hauptbestandteilelement ist, und Borste von Ca, Ba, Zn und dergleichen.
Die oben beschriebenen Elementbestandteile werden jeweils geschmolzen und erzeugen im Kalzinationsprozess eine Flüssigphase und dienen als Sinterhilfsmittel, um beim Beschleunigen der Bildung eines verdichteten Zustands beizutragen. Wenn ein Gesamtanteil (nachstehend als W1 bezeichnet) als oben beschriebene Oxide unter 0,1 Gewichtsprozent liegt, ist es schwierig, den Sinterkörper in einem verdichteten Zustand zu erhalten, und eine mechanische Festigkeit bei hoher Temperatur und eine Stehspannungsleistung bei hoher Temperatur erfüllen beide nicht die jeweiligen Anforderungen. Wenn dagegen W1 15,0 Gewichtsprozent übersteigt, wird eine Festigkeit des Isolators bei hoher Temperatur verschlechtert. Daher wird ein Gesamtanteil W1 der Zusatzelementbestandteile bevorzugt in dem Bereich von 1 bis 15 Gewichtsprozent oder mehr, wünschenswerterweise in dem Bereich von 3,0 bis 10,0 Gewichtsprozent festgelegt.
Bei dem erfindungsgemäßen Isolator gibt es auch wünschenswertere Ausführungen in Verbindung mit den Zusatzelementbestandteilen, um eine Stehspannungsleistung oder eine mechanische Festigkeit bei hoher Temperatur ausreichend sicherzustellen, während ein Na-Bestandteil bei einer vergleichsweise hohen Konzentration gehalten wird. Im Hinblick auf diesen Punkt sieht ein bevorzugter Aufbau des Isolators so aus, dass der Isolator einen oder mehrere gewählt aus der Gruppe bestehend aus Si-, Ca-, Mg-, Ba-, Zn- und B-Bestandteilen bei einem Gesamtanteil von 60 Gewichtsprozent oder mehr jeweils als zu SiO₂, CaO, MgO, BaO, ZnO und B₂O₃ umgewandelte Werte eines verbleibenden Gewichts nach Ausschluss eines Gewichts als Al₂O₃ des Al-Bestandteils vom Gesamtgewicht umfasst. Wenn die Zusatzelemente zugegeben werden, kann ein größerer Vorteil gewonnen werden, da ein Fließvermögen eines Glasbestandteils, der beim Sintern gebildet wird, verbessert wird, was das Verwirklichen des Isolators mit kleineren Defekten wie Poren zulässt.
Die Anzahl an Poren mit jeweils einer Größe gleich oder größer als 10 μm, die in einer Schnittstruktur eines Isolators beobachtet werden, ist als mittlere Anzahl pro 1 mm² des Schnitts wünschenswerterweise gleich oder kleiner als 100. Bei einer solchen Porenanzahl im Isolator kann der Isolator eine bessere Stehspannungsleistung bei hoher Temperatur sicherstellen. An diesem Punkt wird der Begriff der Größe einer Pore wie in 8 gezeigt festgelegt: wenn zwei parallele Linien A und B so eingezeichnet werden, dass sie mit einer Außenumfangslinie eines Schnitts einer Pore in Berührung stehen und die Außenumfangslinie nicht schneiden, wird der maximale Abstand d zwischen den parallelen Linien A und B ermittelt, während die Positionen der parallelen Linien A und B im Verhältnis zur Außenumfangslinie der Pore geometrisch geändert werden.
Zum Beispiel kann eine Zusammensetzung gezeigt werden, bei der der Isolator einen oder mehrere gewählt aus der Gruppe bestehend aus Si-, Ca- und Mg-Bestandteilen bei einem Gesamtanteil von 60 Gewichtsprozent oder mehr jeweils als zu SiO₂, CaO und MgO umgewandelten Werten eines verbleibenden Gewichts nach Ausschluss eines Gewichts als Al₂O₃ des Al-Bestandteils von einem Gesamtgewicht umfasst.
Eine Festigkeit eines Isolators bei hoher Temperatur kann dagegen durch Mischen eines Ba-Bestandteils und eines B-Bestandteils in eine Masse verbessert werden. Ein BaO-Bestandteil kann bevorzugt in dem Anteilsbereich von 0,02 bis 0,80 Gewichtsprozent als BaO (nachstehend als WBaO bezeichnet) integriert werden. Wenn WBaO unter 0,02 Gewichtsprozent liegt, ist eine Wirkung der Aufnahme von BaO zur Verbesserung der Festigkeit bei hoher Temperatur nicht augenfällig. Wenn WBaO dagegen 0,80 Gewichtsprozent übersteigt, wird eine Festigkeit bei hoher Temperatur verschlechtert. WBaO wird wünschenswerterweise so eingestellt, dass es in dem Bereich von 0,15 bis 0,50 Gewichtsprozent liegt. Ein B-Bestandteil wird dagegen bevorzugt in dem Bereich von 0,01 bis 0,75 Gewichtsprozent als B₂O₃ (nachstehend als WB₂O₃ bezeichnet) aufgenommen. Liegt WB₂O₃ unter 0,01 Gewichtsprozent, ist eine Wirkung der Aufnahme eines B-Bestandteils zur Verbesserung der Festigkeit bei hoher Temperatur nicht augenfällig. WB₂O₃ wird wünschenswerterweise so eingestellt, dass es in dem Bereich von 0,15 bis 0,50 Gewichtsprozent liegt.
Der Ba-Bestandteil und der B-Bestandteil, die oben beschrieben wurden, können einzeln oder kombiniert verwendet werden, und bei gleichzeitiger Verwendung liegt ein Gesamtanteil bevorzugt in dem Bereich von 0,2 bis 1,2 Gewichtsprozent als vorstehend beschriebene Oxide.
Eine Biegefestigkeit des erfindungsgemäßen Isolators wird bevorzugt bei 350 MPa oder mehr festgelegt. Wenn eine Biegefestigkeit unter 350 MPa liegt, ergibt sich aufgrund unzureichender Festigkeit leicht ein Durchschlagen, wenn eine einen solchen Isolator verwendende Zündkerze an einem Zylinderkopf an einem Halteabschnitt angebracht ist. Die Biegefestigkeit liegt wünschenswerterweise bei 400 MPa oder mehr. Nebenbei bemerkt bezeichnet der Begriff Biegefestigkeit eine Dreipunkt-Biegefestigkeit (eine Spannlänge von 20 mm), gemessen bei Raumtemperatur gemäß einem in JIS R1601 (1982) beschriebenen Verfahren (Prüfverfahren für Biegefestigkeit von Hochleistungskeramiken).
Um einen Zusatzelementbestandteil wirksam als Sinterhilfsmittel fungieren zu lassen, ist es wichtig, eine Glasphase von gutem Fließvermögen, das bei einer vorgeschriebenen Sintertemperatur, die unter der von Al₂O₃ angesetzt ist, weder zu stark noch zu gering ist, zu erzeugen. Häufiger ist es effektiv, wenn mehrere Arten von Zusatzbestandteilen bei Gebrauch gemischt werden, statt die Zusatzbestandteile einzeln zu verwenden. Wenn zum Beispiel die ersten Zusatzelementbestandteile der obigen fünf Arten alle in den jeweiligen Formen von Oxiden vorliegen, umfassen die Zusatzelementbestanteile im Aluminiumoxidpulver vor dem Sintern wünschenswerterweise einen Si-Bestandteil in dem Bereich von 1,50 bis 5,00 Gewichtsprozent als zu SiO₂ umgewandelter Wert, einen Ca-Bestandteil in dem Bereich von 1,20 bis 4,00 Gewichtsprozent als zu CaO umgewandelter Wert, einen Mg-Bestandteil in dem Bereich von 0,05 bis 0,17 Gewichtsprozent als zu MgO umgewandelter Wert, einen Ba-Bestandteil in dem Bereich von 0,15 bis 0,50 Gewichtsprozent als zu BaO umgewandelter Wert und einen B-Bestandteil in dem Bereich von 0,15 bis 0,50 Gewichtsprozent als zu B₂O₃ umgewandelter Wert.
Zusammen mit den Zusatzelementbestandteilen können ein oder mehrere Elementbestandteile gewählt aus der Gruppe bestehend aus Sc, V, Mn, Fe, Co und Zn in dem Isolator als Hilfszusatzelementbestandteile bei einem Gesamtanteil in dem Bereich von 0,1 bis 2,5 Gewichtsprozent (wünschenswerterweise in dem Bereich von 0,2 bis 0,5 Gewichtsprozent) als jeweilige Oxide aufgenommen werden. Bei Verwenden solcher Hilfszusatzelementbestandteile kommt eine Wirkung zur Verbesserung von Stehspannungsleistungseigenschaften bei hoher Temperatur besonders zur Geltung. Von den Hilfszusatzelementbestandteilen übt ein Mn-Bestandteil eine Wirkung zur Verbesserung der Stehspannungsleistungseigenschaften insbesondere in augenfälliger Weise aus und dessen Verwendung ist beim Durchführen der vorliegenden Erfindung bevorzugt.
Während eine Wirkung zur Verbesserung der Stehspannungseigenschaften auch erwartet werden kann, wenn ein Mn-Bestandteil (oder MnO) einzeln verwendet wird, kann die Wirkung durch Zugeben eines Cr-Bestandteils (oder Cr₂O₃) weiter verstärkt werden. Wenn in diesem Fall ein Mn-Bestandteilanteil als zu MnO umgewandelter Wert durch WMn in Gewichtsprozent angezeigt wird und ein Cr-Bestandteil als zu Cr₂O₃ umgewandelter Wert durch WCr in Gewichtsprozent angezeigt wird, ist bevorzugt, dass die Mn- und Cr-Bestandteile gemischt werden, so dass WMn/WCr in dem Bereich 0,1 bis 10,0 liegen. Wenn ein Wert außerhalb des Bereichs von WMn/WCr liegt, ist die oben beschriebene Wirkung der Doppelzugabe nicht unbedingt augenfällig. Wenn weiterhin nur Mn- und Cr-Bestandteile als Hilfsbestandteile verwendet werden, ist es bevorzugt, WMn+WCr in dem Bereich von 1,2 bis 2,5 Gewichtsprozent oder wünschenswerterweise in dem Bereich von 0,2 bis 0,5 Gewichtsprozent einzustellen.
Bei einer Untersuchung der vorliegenden Erfinder wurde festgestellt, dass bei gleichzeitiger Zugabe von Mn- und Cr-Bestandteilen in dem Isolator eine Mn-Al-basierte Komplexoxidphase (zum Beispiel Mn-Al-basierte Spinellphase) eines hohen Schmelzpunkts gebildet wird. Während eine durch ein Sinterhilfsmittel bewirkte Glasphase in umgebender Weise um eine aluminiumoxidbasierte Matrixphase im Isolator gebildet wird, heißt es, dass die Glasphase allgemein von höherer Leitfähigkeit als die Matrixphase ist und als gute Leitbahn für Strom dient, wenn im Isolator ein Durchschlag auftritt. Man meint aber, dass ein erfindungsgemäßer Isolator, bei dem die Mn- und Cr-Bestandteile gleichzeitig zugegeben werden, einen Zustand aufweist, in dem die Komplexoxid phase hohen Schmelzpunkts in der Glasphase dispergiert ist und die Leitbahn unterbrochen oder um die Komplexoxidphase herum geführt ist, und dass dadurch eine Stehspannung bei dielektrischem Durchschlagen verbessert wird.
Während man meint, dass die Zusatzelementbestandteile und die Hilfszusatzelementbestandteile hauptsächlich in der chemischen Form von Oxiden enthalten sind, können in vielen Fällen bestehende Formen von Oxiden aus Gründen wie Bildung einer amorphen Glasphase nicht direkt ermittelt werden. Wenn in diesem Fall ein Gesamtanteil der Zusatzelementbestandteile in den in Oxiden ausgedrückten Bereichen liegt, wird der Isolator als in den erfindungsgemäßen Schutzumfang fallend betrachtet. Durch die folgenden drei Verfahren kann einzeln oder kombiniert bestätigt werden, ob ein Al-Bestandteil und ein Zusatzelementbestandteil in einem Isolator enthalten sind:

(1) Durch Röntgendiffraktion wird bestätigt, ob ein Diffraktionsmuster, das eine Kristallstruktur eines bestimmten Oxids wiedergibt, erhalten werden kann.
(2) Wenn eine Zusammensetzungsanalyse in einem Schnitt einer Materialprobe durch allgemein bekannte Mikrostrukturanalyseverfahren wie EPMA, EDS oder WDS durchgeführt wird, wird bestätigt, ob ein Al-Bestandteil oder ein Zusatzelementbestandteil und ein Sauerstoffbestandteil gleichzeitig detektiert werden. Bei gleichzeitiger Detektion betrachtet man den Al-Bestandteil oder den Zusatzelementbestandteil in Form eines Oxids vorliegend.
(3) Die Anzahl an Valenzen eines Atoms oder eines Ions eines Al-Bestandteils oder eines Zusatzelementbestandteils wird durch allgemein bekannte Verfahren wie Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Auger-Elektronenspektroskopie (AES) analysiert. Wenn die Bestandteile in Form von Oxiden vorliegen, wird die Valenzzahl als positive Zahl gemessen.

Ein Isolator einer erfindungsgemäßen Zündkerze wird so hergestellt, dass wie oben beschrieben Rohmaterialpulver zu einem Grünling mit einer vorgeschriebenen Form eines Isolators ausgebildet wird und der Grünling gesintert wird. In diesem Fall liegen als Hauptbestandteil des Rohmaterialpulvers dienende Aluminiumoxidpulverpartikel bevorzugt in dem Bereich von 1 bis 5 μm bezüglich des durchschnittlichen Partikeldurchmessers. Wenn die durchschnittliche Größe 5 μm übersteigt, ist eine recht hohe Temperatur erforderlich, um eine Verdichtung eines Sinterkörpers ausreichend zu fördern. In manchen Fällen wird aber, selbst wenn eine Sintertemperatur recht hoch angesetzt wird, die Verdichtung des Sinterkörpers nicht auf einen ausreichend hohen Wert gefördert, eine Festigkeit des Isolators bei hoher Temperatur erreicht nicht einen erforderlichen Wert und eine Isolationsstehspannung ist ungenügend. Erwünschter ist die Verwendung von Aluminiumoxidpulver mit Partikeln in dem Bereich von 1 bis 3 μm.
In diesem Fall ist es bevorzugt, dass eine durchschnittliche Größe der Kristallkörner in einer aluminiumoxidbasierten Matrixphase im Grünling bevorzugt in dem Bereich von 2 bis 20 μm (oder wünschenswerterweise in dem Bereich von 5 bis 10 μm) liegt. Der Begriff Kristallkorndurchmesser ist hier so definiert, dass entsprechend der Art der Ermittlung einer in 8 gezeigten Porengröße und unter Bezug auf 8 bei Einzeichnen von zwei parallelen Linien A und B, so dass sie eine Außenumfangslinie eines Kristallkorns berühren, das an einer polierten Oberfläche des Isolators beobachtet wird, und dass sie nicht die Außenumfangslinie schneiden, der maximale Abstand d zwischen den parallelen Linien A und B ermittelt wird, während die Positionen der parallelen Linien A und B im Verhältnis zur Außenumfangslinie des Kristallkorns geometrisch geändert werden, und der Begriff durchschnittlicher Korndurchmesser bezeichnet einen Durchschnitt von Korndurchmessern vieler auf diese Weise gemessener Kristallkörner.
Nun wird Aluminiumoxidpulver eines Na-Anteils von 0,07 bis 0,65 Gewichtsprozent im Rohmaterial zur Herstellung eines erfindungsgemäßen aluminiumoxidbasierten Isolators verwendet. Die vorliegenden Erfinder haben eine ausführliche Untersuchung angestellt und herausgefunden, dass das Aluminiumoxidpulver eines so hohen Na-Anteils verwendende Rohmaterial zu einem brüchigeren Grünling führte als bei einem Aluminiumoxidpulver eines niedrigen Na-Anteils, und dass zum Beispiel beim Pressformen Defekte wie Risse und Kanteneinsinken bei einem Grünling auftreten und daher eine Formungsleistung nicht unbedingt gut ist.
Als Hauptgrund, warum Aluminiumoxidpulver hohen Na-Anteils wie Aluminiumoxid mittleren Natrongehalts und reguläres Aluminiumoxid nicht bei einem Isolator für eine Zündkerze verwendet wird, wird natürlich gesehen, dass wie oben beschrieben der Verringerung des Isolationswiderstands und der mechanischen Festigkeit eines erhaltenen Isolators zuviel Beachtung geschenkt wird, was zwangsweise die Verwendung von natron-armem Aluminiumoxid vernünftig erscheinen lässt. Man meint aber, dass als großes Hindernis für Industrialisierung ein Problem bei der Verringerung des Produktionsertrags aufgrund schlechter Formungsleistung des Rohmaterialpulvers parallel mit dem Problem einhergeht, das durch Rohmaterialpulver mit einem hohen Na-Bestandteilanteil verursacht wird.
Die vorliegenden Erfinder haben im Hinblick auf dieses Problem weiterhin eine ausführliche Untersuchung angestellt, eine Reihe von Fertigungsprozessen durchgeführt, die nachstehend beschrieben werden, um die Formungsleistung von Rohmaterialpulver zu verbessern, und dadurch Prozesse zum industriellen Erzeugen eines aluminiumoxidbasierten Isolators für eine Zündkerze der vorliegenden Erfindung eingeführt. Nachstehend folgt eine eingehende Beschreibung der Prozesse.
Die Hauptmerkmale eines vorstehend beschriebenen Prozesses sind, dass nicht nur ein Bindemittel in einer vorgeschriebenen Menge in Rohmaterialpulver gemischt wird, um ein Vorformverwendungspulver zu erzeugen, sondern ein geeigneter azider Bestandteil zu dem Vorformverwendungspulver zugegeben wird, um einen pH-Wert des Vorformverwendungspulvers so einzustellen, dass er gesenkt wird, danach wird das Vorformverwendungspulver nach der pH-Einstellung einem Formen unterzogen, um einen Grünling zu erzeugen, und dann wird der Grünling gesintert, um einen Isolator zu erhalten.
Von den vorliegenden Erfindern wurde festgestellt, dass ein Großteil eines Na-Bestandteils, der aus Aluminiumoxidpulver in dem Vorformverwendungspulver stammt, in Form einer stark basischen Na-Verbindung wie Na₂O₃ oder NaOH vorliegt und daher bei Verschieben eines pH-Werts des Vorformverwendungspulvers hin zu einer Seite eines basischen Bereichs eine Formungsleistung des Pulvers verschlechtert wird. Nach dem oben beschriebenen Prozess wird der so zu der basischen Seite verschobene pH durch Zugabe des aziden Bestandteils auf einen Wert in dem geeigneten Bereich abgesenkt, was die Formungsleistung des Vorformverwendungspulvers verbessert, und dadurch wird das Auftreten von Defekten wie Rissen und Kanteneinsinken augenfällig unterbunden, so dass ein Fertigungsertrag erheblich verbessert werden kann.
In diesem Fall wird der pH des Vorformverwendungspulvers bevorzugt in dem Bereich von 6 bis 10 eingestellt. Wenn ein Wert des pH 10 übersteigt oder unter 6 gesenkt wird, wird in jedem der Fälle die Formungsleistung des Vorformverwendungspulvers verschlechtert, was zur Senkung eines Fertigungsertrags führt. Der pH wird bevorzugter in dem Bereich von 7 bis 9 eingestellt.
Als azide Bestandteile können ein oder mehrere gewählt aus der Gruppe bestehend aus anorganischen Säuren wie Borsäure, kolloides Siliciumdioxid, Kohlensäure und Phosphorsäure; organischen Säuren wie Citronensäure, Oxalsäure, Weinsäure und Essigsäure; und einem Salz einer schwachen Base und einer starken Säure wie Ammoniumsulfat oder Ammoniumnitrat verwendet werden. Wenn zum Beispiel eine Borsäure (zum Beispiel Orthoborsäure) verwendet wird, wird ein B-Bestandteil in der Säure in den Isolator aufgenommen und es kann auch wie beschrieben eine Wirkung der Verbesserung einer Festigkeit des Isolators bei hoher Temperatur erwartet werden.
Das Vorformverwendungspulver für einen aluminiumoxidbasierten Isolator für eine Zündkerze wird im Allgemeinen durch Mischen eines hauptsächlich aus Wasser bestehenden Flussmittels in Rohmaterialpulver zum Bilden von Schlicker erzeugt, in welchem Fall ein hydrophiles Bindemittel verwendet wird. Es ergibt sich aber ein Problem, da eine Formungsleistung eines mit einem hydrophilen Bindemittel gemischten Vorformverwendungspulvers gegenüber einer Änderung des pH besonders empfindlich ist und eine Formungsleistung schnell verschlechtert wird, wenn der pH zum Bereich der basischen Seite angehoben wird. Der Grund, warum man meint, dass viele hydrophile Bindemittel eine Zusammenbackeigenschaft hauptsächlich aufgrund einer Wasserstoffverbindung zwischen polaren Molekülen und bei höherem pH erzeugen, ist, dass die Wasserstoffbindung durch Wirkungen der basischen Ione behindert wird und dadurch eine Formungsleistung verschlechtert wird. Jedenfalls wird durch Zugabe eines aziden Bestandteils ein Wert des pH abwärts korrigiert und eine Formungsleistung eines Vorformverwendungspulvers, bei dem ein hydrophiles Bindemittel enthalten ist, wird auf äußerst wirksame Weise verbessert, und dadurch kann ein Fertigungsertrag verbessert werden.
Mittlerweile können als verwendete hydrophile Bindemittel folgende genannt werden: Polyvinylalkohol (PVA), Dextrin, Polyvinylpyloridon, Stärke, Carboxymethylcellulose-Alkalisalz (zum Beispiel Carboxymethylcellulosenatrium (CMC)) und wasserlösliches Acrylharz (zum Beispiel polyacrylsäuresalzbasiertes Harz).
Der oben beschriebene Prozess kann durch die folgenden Schritte konkret beschrieben ausgeführt werden: d.h. ein wasserbasiertes Lösungsmittel und ein hydrophiles Bindemittel werden in festgelegter Menge einem Rohmaterialpulver (das Aluminiumoxidpulver enthält) beigemischt und das Flussmittel und das Pulver werden miteinander vermischt, um einen Schlicker zu bilden, und andererseits wird dem Schlicker ein azider Bestandteil zugegeben, um einen pH-Wert des Schlickers so einzustellen, dass er in dem Bereich von 6 bis 10 (wünschenswerterweise in dem Bereich von 7 bis 9 liegt). Der Schlicker wird strahlzerstäubt und getrocknet, um Körner des Vorformverwendungspulvers zu erzeugen, und die Körner werden zum Erhalten eines Grünlings Pressformen unterzogen. Ein bevorzugtes Pressformverfahren ist eine kaltisostatische Presse (CIP), und im Einzelnen ist ein bevorzugteres Pressformverfahren ein Kautschukpressformverfahren, bei dem eine Kautschukform verwendet wird – aus Fertigungssicht mit hoher Effizienz und hohem Ertrag bei einem langen, schmalen Isolator für eine Zündkerze.
In diesem Fall ist es erwünscht, dass 100 Gewichtsteile Körner mit 0,5 bis 2,0 Gewichtsteilen (wünschenswerterweise 0,7 bis 1,3 Gewichtsteile) Wasser zugegeben werden, so dass ein Brechen der Körner zu Pulver während des Pressformens beschleunigt wird. Wenn an diesem Punkt die pH-Einstellung durch Zugabe eines aziden Bestandteils zu den Körner nicht ausgeführt wird, wird durch die Zugabe von Wasser eine stark basische Na-Verbindung wie Na₂O₃ und NaOH, die im Aluminiumoxidpulver enthalten ist, ionisiert, um ein basisches Ion zu erzeugen, das nachteilig wirkt, so dass eine Funktion eines hydrophilen Bindemittels unterbunden wird, mit dem Resultat, dass es leicht zu einer Verschlechterung der Formungsleistung kommt. Durch die pH-Anpassung durch die Zugabe eines aziden Bestandteils kann aber die Formung problemlos ausgeführt werden, selbst wenn den Körnern Wasser zugegeben wird.
Mittlerweile kann eine erfindungsgemäße Zündkerze einen Aufbau mit einem Zündabschnitt haben, der eine Funkenentladungsstrecke vorsieht und von einer Mittelelektrode und einer Masseelektrode festgehalten wird. In diesem Fall kann der Zündabschnitt hauptsächlich aus einer Edelmetalllegierung bestehend aus einem oder mehreren gewählt aus der Gruppe bestehend aus Ir, Pt und Rh als Hauptbestandteil oder Hauptbestandteile bestehen. Mit einer solchen Legierung kann selbst bei Verwendung der Zündkerze in einem Verbrennungsmotor mit hoher Leistung die Haltbarkeit des Zündabschnitt stark verbessert werden. Wenn zum Beispiel eine Pt-basierte Legierung verwendet wird, kann eine Pt-Ni-Legierung (zum Beispiel Pt-1 bis 30 Gewichtsprozent Ni-Legierung) bevorzugt verwendet werden. Als Legierung von Ir als Hauptbestandteil kann zum Beispiel die folgende Legierung eingesetzt werden.
(1) Eine hauptsächlich aus Ir bestehende Legierung, die 3 bis 50 Gewichtsprozent Rh (50 Gewichtsprozent ist nicht eingeschlossen) enthält, wird verwendet. Mit der Legierung wird bei Verwendung der durch Oxidation/Verflüchtigung eines Ir-Bestandteils bei hoher Temperatur verursachte Verschleiß des Zündabschnitts wirksam unterbunden, was zur Verwirklichung einer Zündkerze ausgezeichneter Haltbarkeit führt.
Wenn ein Rh-Anteil in der Legierung unter 3 Gewichtsprozent liegt, ist eine Wirkung der Unterbindung von Oxidation/Verflüchtigung von Ir ungenügend, und daher erfolgt der Verschleiß des Zündabschnitts schnell, so dass die Haltbarkeit einer Zündkerze gemindert wird. Wenn dagegen ein Rh-Anteil gleich oder größer als 50 Gewichtsprozent ist, wird ein Schmelzpunkt der Legierung gesenkt und auch die Haltbarkeit der Zündkerze reduziert. Wie aus der obigen Beschreibung klar wird, wird ein Rh-Anteil bevorzugt in dem oben beschriebenen Bereich eingestellt, und der Anteil liegt wünschenswerterweise in dem Bereich von 7 bis 30 Gewichtsprozent, erwünschter in dem Bereich von 15 bis 25 Gewichtsprozent und am erwünschtesten in dem Bereich von 18 bis 22 Gewichtsprozent.
(2) Eine hauptsächlich aus Ir bestehende Legierung, die 1 bis 20 Gewichtsprozent Pt enthält, wird verwendet. Mit der Legierung wird der bei Verwendung der durch Oxidation/Verflüchtigung eines Ir-Bestandteils bei hoher Temperatur verursachte Verschleiß des Zündabschnitts wirksam unterbunden, was zur Verwirklichung einer Zündkerze ausgezeichneter Haltbarkeit führt. Wenn ein Pt-Anteil in der Legierung unter 1 Gewichtsprozent liegt, ist eine Wirkung der Unterbindung von Oxidation/Verflüchtigung von Ir ungenügend, und daher erfolgt der Verschleiß des Zündabschnitts schnell, so dass die Haltbarkeit einer Zündkerze gemindert wird.
Wenn dagegen ein Pt-Anteil gleich oder größer als 20 Gewichtsprozent ist, wird ein Schmelzpunkt der Legierung gesenkt und auch die Haltbarkeit der Zündkerze reduziert.
(3) Eine hauptsächlich aus Ir bestehende Legierung, die 0,1 bis 35 Gewichtsprozent Rh und weiterhin 0,1 bis 17 Gewichtsprozent Ru enthält, wird verwendet. Mit der Legierung wird der bei Verwendung der durch Oxidation/Verflüchtigung eines Ir-Bestandteils bei hoher Temperatur verursachte Verschleiß des Zündabschnitts wirksam unterbunden, was zur Verwirklichung einer Zündkerze ausgezeichneter Haltbarkeit führt. Wenn ein Rh-Anteil in der Legierung unter 0,1 Gewichtsprozent liegt, ist eine Wirkung der Unterbindung von Oxidation/Verflüchtigung von Ir ungenügend, und daher erfolgt der Verschleiß des Zündabschnitts schnell, so dass die Haltbarkeit einer Zündkerze gemindert wird. Wenn dagegen ein Rh-Anteil größer als 35 Gewichtsprozent ist, wird ein Schmelzpunkt der Legierung gesenkt und die Haltbarkeit der Zündkerze reduziert, was es unmöglich macht, die Haltbarkeit der Zündkerze sicherzustellen. Somit wird ein Rh-Anteil in dem oben beschriebenen Bereich festgelegt.
Wenn dagegen ein Ru-Anteil unter 0,1 Gewichtsprozent liegt, wird eine Wirkung der Zugabe von Elementen zur Unterbindung des Verschleißes durch Oxidation/Verflüchtigung von Ir ungenügend. Wenn ein Ru-Anteil 17 Gewichtsprozent übersteigt, wird der Zündabschnitt wider Erwarten leicht durch verstärkten Zündverschleiß beeinträchtigt und dadurch kann die Haltbarkeit der Zündkerze nicht gesichert werden. Somit wird ein Ru-Anteil in dem oben beschriebenen Bereich wünschenswerterweise in dem Bereich von 0,1 bis 13 Gewichtsprozent und erwünschter in dem Bereich von 0,5 bis 10 Gewichtsprozent eingestellt.
Einer der Gründe, warum die Beständigkeit gegenüber Verschleiß des Zündabschnitts durch die Zugabe von Ru in der Legierung verbessert wird, ist die Annahme, dass zum Beispiel durch Zugabe des Bestandteils eine bei hoher Temperatur stabile und dichte Oxidschicht auf der Legierungsoberfläche gebildet wird und dadurch Ir-Oxid als einziges Material, das sehr leicht zu verdampfen ist, in der Oxidschicht fixiert wird. Ferner wird spekuliert, dass die Oxidschicht als eine Art passive Schicht wirkt und das Fortschreiten der Oxidation eines Ir-Bestandteils unterbindet. Da in einem Zustand fehlender Rh-Zugabe die Beständigkeit gegenüber Oxidation/Verflüchtigung bei hoher Temperatur der Legierung nicht stark verbessert wird, selbst bei Zugabe von Ru, wird erwogen, dass die Oxidschicht ein Ir-Ru-Rh-basiertes Komplexoxid oder ähnliches Oxid ist, und ein solches Oxid ist von höherer Dichte oder Adhäsion an einer Legierungsfläche als ein Ir-Ru-basiertes Oxid.
Wird ein Ru-Gesamtanteil zu stark angehoben, wird gemutmaßt, dass der Zündverschleiß des Ir-Oxids statt durch Verdampfung nach dem folgenden Mechanismus abläuft: eine Dichte der gebildeten Oxidschicht und deren Anhaften an einer Legierungsoberfläche wird reduziert und ein solches Phänomen ist augenfällig, wenn der Gesamtanteil 17 Gewichtsprozent übersteigt. Wird eine Erschütterung einer Funkenentladung in einer Zündkerze wiederholt, wird angenommen, dass die gebildete Oxidschicht leicht von der Legierungsoberfläche zu trennen ist und dadurch eine neue Metalloberfläche freigelegt wird, um einen Zündverschleiß zu erleichtern.
Durch die Zugabe von Ru kann die folgende wichtige Wirkung zusätzlich erreicht werden: d.h. selbst wenn ein Rh-Anteil stark gesenkt wird, kann gegenüber einem Fall, bei dem eine Ir-Rh-Zweistofflegierung eingesetzt wird, durch die Zugabe von Ru eine Verschleißbeständigkeit ausreichend sichergestellt werden und eine Zündkerze hoher Leistung bei niedrigen Kosten hergestellt werden. In diesem Fall liegt ein Rh-Anteil bevorzugt in dem Bereich von 0,1 bis 3 Gewichtsprozent.
(4) Eine hauptsächlich aus Ir bestehende Legierung, die mindestens eines von Pt, Re und Pd in dem Bereich von 1 bis 30 Gewichtsprozent und daneben Ru in dem Bereich von 1 bis 30 Gewichtsprozent enthält, wird verwendet. Wenn der Zündabschnitt aus einer Ir als Hauptbestandteil und weiterhin Pt, Re oder Pd in dem oben beschriebenen Bereich enthaltende Legierung gebildet ist, wird nicht nur der Verschleiß aufgrund von Oxidation/Verflüchtigung, sondern auch dessen Bearbeitbarkeit bei mechanischer Weiterbearbeitung durch das zusätzliche Aufnehmen von Rh in dem oben beschriebenen Bereich drastisch verbessert. Ein Chip kann ein Metallstück sein, das durch Ausführen der vorgeschriebenen mechanischen Bearbeitung an einer Legierungsmasse der vorgeschriebenen Zusammensetzung gebildet wird, die durch Mischen/Schmelzen von Rohmaterialien erhalten wird, wobei der Begriff mechanische Bearbeitung eines oder mehrere gewählt aus der Gruppe bestehend aus Walzen, Schmieden, Formen durch Schneiden, Teilen durch Schneiden und Ausstanzen bezeichnet.
Wenn ein Rh-Anteil unter 1 Gewichtsprozent liegt, kann eine Wirkung der Verbesserung der Bearbeitbarkeit der Legierung bei der mechanischen Bearbeitung nicht ausreichend verwirklicht werden und es kommt während der mechanischen Bearbeitung zum Beispiel leicht zu Brechen, Rissbildung und dergleichen, was zu einer Abnahme der Ertragsrate führt. Wenn ein Chip durch Heißstanzen oder dergleichen erzeugt wird, kommt es leicht zu Verschleiß oder Beschädigung eines Werkzeugs, beispielsweise einer Stanzkante, was zu einer Abnahme der Fertigungsleistung führt. Wenn dagegen ein Rh-Anteil 49 Gewichtsprozent übersteigt, wird ein Schmelzpunkt einer Legierung gesenkt, was eine Abnahme der Haltbarkeit einer Zündkerze mit sich bringt. Daher wird ein Rh-Anteil bevorzugt in dem Bereich von 2 bis 20 Gewichtsprozent festgelegt, und insbesondere wenn ein Gesamtanteil an Pd und/oder Pt gleich oder größer als 5 Gewichtsprozent ist, wird eine Legierung brüchiger, und daher wird in diesem Fall, wenn nicht Rh mit einem Anteil gleich oder größer als ein Wert zugegeben wird, eine Chipfertigung durch mechanische Bearbeitung extrem schwierig. In diesem Fall muss Zusatz-Rh im weitesten Sinne bei 2 Gewichtsprozent oder mehr liegen, wünschenswerterweise aber bei 5 Gewichtsprozent oder mehr und erwünschter bei 10 Gewichtsprozent oder mehr. Zu beachten ist, dass bei einem Rh-Anteil von gleich oder über 3 Gewichtsprozent das Rh nicht nur eine Wirkung der Verbesserung der Bearbeitbarkeit der mechanischen Bearbeitung ausübt, sondern auch manchmal eine Wirkung der Unterbindung der Oxidation/Verflüchtigung eines Ir-Bestandteils bei hoher Temperatur.
Wenn ein Gesamtanteil an Pt und/oder Pd unter 1 Gewichtsprozent liegt, wird eine Wirkung der Unterbindung von Oxidation/Verflüchtigung von Ir ungenügend und ein Chip wird leicht verschleißt, was eine Abnahme der Haltbarkeit mit sich bringt. Wenn dagegen der Anteil 30 Gewichtsprozent übersteigt, ergibt sich ein Problem, da ein Schmelzpunkt der Legierung gesenkt und die Haltbarkeit der Zündkerze ebenfalls gesenkt wird (zum Beispiel wenn Pd einzeln verwendet wird), oder eine Wirkung der Unterbindung von Verschleiß eines Chips kann im Hinblick auf einen Materialkostenanstieg aufgrund einer Zunahme des Anteils des teuren Pt und/oder Pd nicht so hoch wie erwartet sein. Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, wird ein Gesamtanteil an Pt und/oder Pd bevorzugt in dem oben beschriebenen Bereich eingestellt und wünschenswerterweise in dem Bereich von 3 bis 20 Gewichtsprozent.
Daneben kann in jedem der in (1) bis (3) beschriebenen Materialien ein einen Chip bildendes Material Oxide (einschließlich Doppel- oder Mehrfachoxide) eines Metalls oder von Metallen, die zu der Gruppe 3A (so genannte Seltenerdelemente) und zur Gruppe 4A (Ti, Zr und Hf) der Periodentafel der Elemente gehören, in dem Bereich von 0,1 bis 15 Gewichtsprozent enthalten. Mit der zusätzlichen Aufnahme wird der Verbrauch eines Ir-Oxids durch Oxidation/Verflüchtigung desselben weiter effektiv unterbunden. Wenn ein Gesamtanteil der Oxide unter 0,1 Gewichtsprozent liegt, kann eine Wirkung der Verhinderung einer Oxidation/Verflüchtigung von Ir nicht ausreichend verwirklicht werden. Wenn dagegen ein Gesamtanteil der Oxide 15 Gewichtsprozent übersteigt, wird die Temperaturwechselbeständigkeit eines Chips reduziert, und wenn der Chip zum Beispiel durch Schweißen oder dergleichen an einer Elektrode befestigt wird, kommt es manchmal zu Problemen wie Rissbildung. Während als vorstehend beschriebene Oxide Y₂O₃ bevorzugt verwendet wird, ist es zusätzlich erwähnenswert, dass La₂O₃, ThO₂, ZrO₂ und dergleichen bevorzugt verwendet werden können.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Vorderansicht im Schnitt, die eine beispielhafte erfindungsgemäße Zündkerze als Ganzes zeigt;
2 ist eine Vorderansicht eines Hauptteils von 1 teils im Schnitt;
3 ist eine weitere vergrößerte Schnittansicht, die die Umgebung eines Zündabschnitts von 1 zeigt;
4 ist eine vertikale Schnittansicht, die Beispiele von Isolatoren zeigt;
5 ist eine Vorderansicht, die ein anderes Beispiel einer erfindungsgemäßen Zündkerze als Ganzes zeigt;
6 ist eine Draufsicht auf 5 und dessen anderes Beispiel;
7 ist eine Vorderansicht, die ein noch anderes Beispiel einer erfindungsgemäßen Zündkerze als Ganzes zeigt;
8 ist eine Veranschaulichung für eine Definition einer Größe einer Pore oder eines Kristallkorns, das in einem Isolator vorhanden ist;
9 ist ein Diagramm und eine vergrößerte Schnittansicht, die ein Messverfahren für eine Isolationsstehspannung zeigt;
10 ist eine Veranschaulichung für ein Messverfahren für einen Isolationswiderstand einer Zündkerze;
11 ist eine Schnittansicht, die ein Kautschukpressverfahren veranschaulicht; und
12 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel eines Grünlings, der durch ein Kautschukpressverfahren erhalten wurde, sowie Ursachen für die Erzeugung von Defekten in dem Grünling zeigt.
Beste Art der Durchführung der Erfindung Nachstehend folgt eine Beschreibung von erfindungsgemäßen Ausführungen unter Bezug auf die Begleitzeichnungen.
Eine Zündkerze 100 als erfindungsgemäßes Beispiel, die in 1 und 2 gezeigt wird, umfasst: ein Metallgehäuse 1 in einer zylindrischen Form; einen Isolator 2, der in das Metallgehäuse 1 so eingepasst ist, dass ein Vorderende 21 desselben herausragt; eine Mittelelektrode 3, die im Inneren des Isolators 2 in einem Zustand vorgesehen ist, in dem ein erster Zündabschnitt 31, der an einer Oberseite des Vorderendes der Mittelelektrode ausgebildet ist, hervorragt; und eine Masseelektrode 4, wobei ein Ende derselben an dem Metallgehäuse 1 angeschweißt ist und sie so angeordnet ist, dass sie dem Vorderende der Mittelelektrode gegenüberliegt. Ein zweiter Zündabschnitt 32 ist an der Masseelektrode 4 so ausgebildet, dass er dem ersten Zündabschnitt 31 gegenüberliegt, und eine Funkenentladungsstrecke g ist zwischen den gegenüberliegenden Zündabschnitten 31 und 32 ausgebildet.
Entlang einer axialen Richtung des Isolators 2 ist eine Durchgangsbohrung ausgebildet, und von einer Endseite derselben ist ein Metallstecker 13 eingeführt und befestigt, während die Mittelelektrode 3 von dem anderen Seitenende in gleicher Weise eingeführt und befestigt ist. Zwischen dem Metallstecker 13 und der Mittelelektrode 3 ist in der Durchgangsbohrung 6 ein Widerstand 15 angeordnet. Beide Enden des Widerstands 15 sind mit der Mittelelektrode 3 bzw. dem Metallstecker 13 durch leitende Glasabdichtschichten 16 und 17, die dazwischen angeordnet sind, elektrisch verbunden. Der Widerstand 15 ist so ausgebildet, dass Glaspulver und leitendes Materialpulver (und bei Bedarf anderes keramisches Pulver als Glaspulver) miteinander vermischt sind und das Mischpulver durch eine Heißpresse oder dergleichen gesintert ist, um eine Zusammensetzungsmasse des Widerstands zu bilden. Der Metallstecker 13 und die Mittelelektrode 3 können zu einem Körper vereint werden, wobei eine Schicht eine leitende Glasabdichtschicht ist, während auf den Widerstand 15 verzichtet wird.
Der Isolator 2 weist in seinem Inneren die Durchgangsbohrung 6 auf, um die Mittelelektrode 3 dadurch entlang einer axialen Linie derselben einzupassen, und der gesamte Aufbau wird als erfindungsgemäßer Isolator gebildet. D.h. der Isolator 2 ist als aluminiumoxidbasierter keramischer Sinterkörper aufgebaut, der als Hauptbestandteil Aluminiumoxid umfasst, wobei ein Al-Bestandteil einen Anteil in dem Bereich von 85 bis 89 Gewichtsprozent (wünschenswerterweise in dem Bereich von 90 bis 98 Gewichtsprozent) als zu Al₂O₃ umgewandelter Wert ausmacht und weiterhin ein Na-Bestandteil einen Anteil in dem Bereich von 0,07 bis 0,5 Gewichtsprozent (wünschenswerterweise in dem Bereich von 0,07 bis 0,25 Gewichtsprozent) ausmacht.
Als konkretere Zusammensetzung wird Folgendes als Beispiel gegeben:
ein Si-Bestandteil in dem Bereich von 1,50 bis 5,00 Gewichtsprozent als zu SiO₂ umgewandelter Wert;
ein Ca-Bestandteil in dem Bereich von 1,20 bis 4,00 Gewichtsprozent als zu CaO umgewandelter Wert;
ein Mg-Bestandteil in dem Bereich von 0,05 bis 0,17 Gewichtsprozent als zu MgO umgewandelter Wert;
ein Ba-Bestandteil in dem Bereich von 0,15 bis 0,50 Gewichtsprozent als zu BaO umgewandelter Wert; und
ein B-Bestandteil in dem Bereich von 0,15 bis 0,50 Gewichtsprozent als zu B₂O₃ umgewandelter Wert.
Wie in 1 gezeigt wird, ist der Vorsprung 2e in Form eines Flansches ausgebildet, der sich außen um den Umfang des Isolators 2 um in etwa den Mittelpunkt seiner Länge erstreckt. Der Isolator 2 ist aus der vorderen Seite aufgebaut, die aus der Seite näher zum Vorderende der Mittelelektrode 3 (1) von dem Vorsprung 2e mit dem Vorsprung 2e als Grenze gebildet ist, sowie aus der hinteren Seite, die aus dem Teil gegenüber der vorderen Seite gebildet ist. Die hintere Seite, die mit einem kleineren Durchmesser als Vorsprung 2e gebildet ist, stellt einen Körperabschnitt 2b dar, während die vordere Seite aus einem ersten Stammabschnitt 2i, der von kleinerem Durchmesser als der Vorsprung 2e ist, und einem zweiten Stammabschnitt 2i, der von kleinerem Durchmesser als der erste Stammabschnitt 2g ist, in dieser schriftlichen Reihenfolge zum Vorderende hin aufgebaut ist. An der Außenfläche des Hauptkörperabschnitts 2b ist eine Glasur 2d aufgebracht, und die Außenfläche in dem hinteren Endteile neben der glasierten Oberfläche ist als Faltung 2c ausgebildet. Eine Außenseitenfläche des ersten Stammabschnitts 2g ist in einer nahezu zylindrischen Form ausgebildet, und eine Außenseitenfläche des zweiten Stammabschnitts 2i ist in einer hin zum Vorderende zulaufenden konischen Form ausgebildet.
Ein Durchmesser eines Abschnitts der Mittelelektrode 3 ist kleiner als der des Widerstands 15. Die Durchgangsbohrung 6 des Isolators 2 ist aus einem ersten Teil 6a in einer nahezu zylindrischen Form, durch welchen die Mittelelektrode 3 eingeführt ist, und einem zweiten Teil 6b in einer nahezu zylindrischen Form eines Durchmessers, der größer als der des ersten Teils ist, der in der hinteren Seite (der oberen Seite in der Figur) des ersten Teils 6a angeordnet ist, aufgebaut. Wie in 1 gezeigt sind der Metallstecker 13 und der Widerstand 15 in dem zweiten Teil 6b aufgenommen, und die Mittelelektrode 3 ist durch das Innere des ersten Teils 6a eingeführt. Ein Elektroden befestigender Vorsprung 3a ist an dem hinteren Endteil der Mittelelektrode 3 ausgebildet, während er von der Außenseitenfläche des hinteren Endteils hervorragt. Der erste Teil 6a und der zweite Teil 6b der Durchgangsbohrung 6 sind im Inneren des ersten Stammabschnitts 2g miteinander verbunden, und die Vorsprungauflagefläche 6c ist zu einer zulaufenden Fläche oder einer konkaven Fläche an der Verbindungsstelle beider Teile 6a und 6b ausgebildet, um den Elektroden befestigenden Vorsprung 3a der Mittelelektrode 3 aufzunehmen.
Eine Außenseitenfläche des Verbindungsabschnitts 2h zwischen dem ersten Stammabschnitt 2g und dem zweiten Stammabschnitt 2i ist in Form einer gestuften Fläche ausgebildet, und die gestufte Fläche dient als Anschlag gegen das Extrahieren in der axialen Richtung durch Einrücken mit einem ringförmigen Stufenabschnitt 1c, der an einer Innenseitenfläche des Metallgehäuses 1 als Metallgehäuseseiteneingriffabschnitt mit einer dazwischen angeordneten ringartigen Plattenpackung 63 ausgebildet ist. In einem Raum zwischen der Innenseitenfläche des hinteren Seitenöffnungsabschnitts des Metallgehäuses 1 und der Außenseitenfläche des Isolators 2 sind dagegen vorgesehen: ein Drahtpackungsring 62, der mit einer Hinterseitenumfangsfläche des Vorsprungs 2e greift, eine Füllschicht 61 aus Talk oder dergleichen, die dem Drahtpackungsring 62 in der Rückwärtsrichtung folgt; und ein Drahtpackungsring 60, der der Füllschicht 62 weiter in der Rückwärtsrichtung folgt. Der Isolator 2 wird zur vorderen Seite geschoben und in diesem Zustand wird der Öffnungsrand des Metallgehäuses 1 nach innen abgedichtet, während der Öffnungsrand des Metallgehäuses 1 dem Verpackungsring 60 gegenüberliegt, um einen Abdichtabschnitt 1d zu bilden, so dass das Metallgehäuse 1 an dem Isolator 2 befestigt ist.
4(a) und 4(b) zeigen Beispiele des Isolators 2. Die Maße der Teile der Isolatoren werden nachstehend veranschaulicht:
eine Gesamtlänge L1 in dem Bereich von 30 bis 75 mm;
eine Länge L2 des ersten Stammabschnitts 2g in dem Bereich von 0 bis 30 mm (wobei der Verbindungsabschnitt 2f mit dem einrückenden Vorsprung 2e nicht enthalten ist, aber der Verbindungsabschnitt mit dem zweiten Stammabschnitt 2i enthalten ist);
eine Länge L3 des zweiten Stammabschnitts 2i in dem Bereich von 2 bis 27 mm;
ein Außendurchmesser D1 des Hauptkörperabschnitts 2b in dem Bereich von 9 bis 13 mm;
ein Außendurchmesser D2 des einrückenden Vorsprungs 2e in dem Bereich von 11 bis 16 mm;
ein Außendurchmesser D3 des ersten Stammabschnitts 2g in dem Bereich von 5 bis 11 mm;
ein Außendurchmesser D4 des unteren Endteils des zweiten Stammabschnitts 2i in dem Bereich von 3 bis 8 mm;
ein Außendurchmesser D5 des vorderen Endteils des zweiten Stammabschnitts 2i in dem Bereich von 2,5 bis 7 mm (wobei ein Außenumfang der Vorderendfläche gerundet oder abgefast ist, wobei ein Außendurchmesser an einer unteren Endstelle des gerundeten Teils oder abgefasten Teils in einem die Mittellinie O als Achse enthaltenden Schnitt gemessen wird);
ein Innendurchmesser D6 des zweiten Teils 6b der Durchgangsbohrung 6 in dem Bereich von 2 bis 5 mm;
ein Innendurchmesser D7 des ersten Teils 6a der Durchgangsbohrung 6 in dem Bereich von 1 bis 3,5 mm;
eine Dicke t1 des ersten Stammabschnitts 2g in dem Bereich von 0,5 mm bis 4,5 mm;
eine Dicke t2 des unteren Endteils des zweiten Stammabschnitts 2i in dem Bereich von 0,3 mm bis 3,5 mm (ein Wert in einer Richtung senkrecht zur Mittellinie O als Achse); und
eine Dicke t3 des vorderen Endteils des zweiten Stammabschnitts 2i in dem Bereich von 0,2 mm bis 3 mm (ein Wert in einer Richtung senkrecht zur Mittellinie O als Achse, wenn aber ein Außenumfang der vorderen Endfläche gerundet oder abgefast ist, wird ein Außendurchmesser an einer unteren Endstelle des gerundeten Teils oder abgefasten Teils in einem die Mittellinie O als Achse umfassenden Schnitt gemessen); und
eine durchschnittliche Dicke tA = t1 + t2/2 des zweiten Stammabschnitts 2i in dem Bereich von 0,25 bis 3,25 mm.
In 1 liegt eine Länge LQ eines Teils 2k, der hin zur hinteren Seite des Metallgehäuses 1 des Isolators ragt, in dem Bereich von 23 bis 27 mm (zum Beispiel in der Größenordnung von 25 mm). Eine entlang eines Schnittumrisses von einer dem hinteren Endrand des Metallgehäuses 1 entsprechenden Position durch die Faltung 2c zu dem hinteren Endrand des Isolators 2 gemessene Länge LP liegt in dem Bereich von 26 bis 32 mm (zum Beispiel in der Größenordnung von 29 mm).
Die Maße der jeweiligen Teile eines Isolators 2, der in 4(a) gezeigt wird, sind zum Beispiel so, dass L1 = etwa 60 mm, 12 = etwa 10 mm, 13 = etwa 14 mm, D1 = etwa 11 mm; D2 = etwa 13 mm, D3 = etwa 7,3 mm, D4 = 5,3 mm, D5 = 4,3 mm, D6 = 3,9 mm, D7 = 2,6 mm, t1 = 3,3 mm, t2 = 1,4 mm, t3 = 0,9 mm und tA = 1,2 mm.
Der in 4(b) gezeigte Isolator 2 hat etwas größere Außendurchmesser des ersten Schaftabschnitts 2g und des zweiten Schaftabschnitts 2i als die in dem in 4(a) gezeigten Fall. Die Maße der jeweiligen Teile sind zum Beispiel so, dass L1 = etwa 60 mm, L2 = etwa 10 mm, L3 = etwa 14 mm, D1 = etwa 11 mm, D2 = etwa 13 mm, D3 = etwa 9,2 mm, D4 = 6,9 mm, D5 = 5,1 mm, D6 = 3,9 mm, D7 = 2,7 mm, t1 = 3,3 mm, t2 = 2,1 mm, t3 = 1,2mm und tA = 1,7 mm.
In 1 ist das Metallgehäuse 1 mit einem Metall wie kohlenstoffarmen Stahl oder dergleichen in Form eines Zylinders ausgebildet und stellt nicht nur ein Gehäuse einer Zündkerze 100 dar, sondern ist mit einem Gewindeteil 7 zum Anbringen der Zündkerze 100 an einem nicht dargestellten Motorblock versehen. Ein Bezugszeichen 1e zeigt einen Werkzeugeingriffteil, mit dem ein Werkzeug wie ein Schraubenschlüssel oder ein Mutternschlüssel greift, und der Teil hat in einer Ebene senkrecht zur Achse einen Sechskantschnitt.
Die Hauptkörperabschnitte 3a und 4a der Mittelelektrode 6 und der Masseelektrode 4 (3) bestehen aus einer Ni-Legierung oder dergleichen. Ein Kernteil 3b aus Cu, Cu-Legierung oder dergleichen ist zum Beschleunigen von Wärmedissipation im Inneren der Mittelelektrode 3 eingebettet. Der erste Zündabschnitt 31 und der dem ersten gegenüberliegende zweite Zündabschnitt 32 sind dagegen hauptsächlich aus einer Edelmetalllegierung gefertigt, die aus einem oder mehreren gewählt aus der Gruppe bestehend aus Ir, Pt und Rh besteht. Wie in 3 gezeigt wird, ist nicht nur der Hauptkörperabschnitt 3a der Mittelelektrode 3 hin zur Vorderendseite zulaufend, sondern die Vorderendfläche ist ebenfalls flach ausgebildet. Scheibenartige Chips aus einer Legierungszusammensetzung, die die Zündabschnitte bilden, werden in übereinander liegender Weise auf der flachen Vorderendfläche platziert, und ein Schweißteil W wird durch Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Widerstandsschweißen oder dergleichen gebildet, um den ersten Zündabschnitt 31 zu befestigen und zu bilden. Der zweite Zündabschnitt 32 wird analog so gebildet, dass ein Chip an einer entsprechenden Stelle des ersten Zündabschnitts 31 auf die Masseelektrode 4 gesetzt wird und dann entlang eines Außenumfangs einer Verbindungsfläche ein geschweißter Teil gebildet wird, um den Chip zu befestigen. Die Chips können aus einer Legierung bestehen, die durch Mischen von Legierungsbestandteilen in einer Zusammensetzung in den oben beschriebenen Bereichen und dann Schmelzen der Mischung erhalten wird, oder aus einem Sinterkörper, der durch Pressformen und Sintern von Pulver einer durch Mischen und Schmelzen erhaltenen Legierung oder einer Pulvermischung, die aus verschiedenen Arten von Einmetallbestandteilpulver in einer vorgeschriebenen Zusammensetzung erhalten wird, erhalten wird. Ferner ist zu beachten, dass auf mindestens einen von erstem und zweitem Zündabschnitt verzichtet werden kann.
Der Isolator 2 wird zum Beispiel in einem nachstehend gezeigten Prozess gefertigt: zunächst werden als Rohmaterialpulver Bayer-Aluminiumoxidpulver mit einem Na-Bestandteilanteil in dem Bereich von 0,07 bis 0,3 Gewichtsprozent und einer mittleren Partikelgröße in dem Bereich von 1 bis 5 μm und Ausgangsmaterialien eines Zusatzelements einschließlich ein Si-Bestandteil, ein Ca-Bestandteil, ein Mg-Bestandteil, ein Ba-Bestandteil und ein B-Bestandteil, in vorgeschriebenen Verhältnissen gemischt, um die oben beschriebene Zusammensetzung in umgewandelten Werten in jeweiligen Oxiden nach Sintern zu erhalten. Dem Rohmaterialpulver wird ein hydrophiles Bindemittel (zum Beispiel PVA) und Wasser zugegeben, um einen Schlicker zum Pressformen eines Vorformverwendungspulvers zu bilden. Die Ausgangsmaterialien des Zusatzelements können die folgenden jeweiligen Formen wie SiO₂-Pulver für den Si-Bestandteil; CaCO₃-Pulver für den Ca-Bestandteil; MgO-Pulver für den Mg-Bestandteil; BaCO₃ für den Ba-Bestandteil; und H₃BO₃-Pulver (oder als wässrige Lösung davon verwendet) für den B-Bestandteil annehmen. In diesem Fall wird Aluminiumoxidpulver verwendet, das einen Anteil des Na-Bestandteils enthält, der in den Oberflächenbereichen der Partikel in dem Bereich von 0,01 bis 0,2 Gewichtsprozent (oder wünschenswerterweise in dem Bereich von 0,01 bis 0,1 Gewichtsprotzen) als Na₂O vorhanden ist.
Der Schlicker wird dann durch ein Sprühverfahren oder dergleichen strahlzerstäubt und getrocknet, um Körner des Vorformverwendungspulvers zu bilden. Die so gebildeten Körner werden einem Kautschukpressformen unterzogen, wodurch ein Grünling erhalten wird, der eine ursprüngliche Form eines Sinterkörpers ist. 11 zeigt ein Schema eines Prozessschritts des Kautschukpressformens. Hierbei wird eine Kautschukform 300 mit einem Hohlraum 301, dessen Inneres entlang seiner axialen Richtung kommuniziert, eingesetzt, und ein oberer Stempel 304 wird in eine obere Öffnung des Hohlraums 301 eingepasst. Ein Presszapfen 303, der eine Form der Durchgangsbohrung 6 (1) des Isolators 2 festlegt, erstreckt sich nicht nur entlang einer axialen Richtung des Hohlraums 301 darin, sondern das untere Ende des Presszapfens 303 ist an einer Stempelfläche eines unteren Stempels 302 einstückig angebracht.
Eine vorgeschriebene Menge der Körner des Vorformverwendungspulvers PG ist in dem Hohlraum in diesem Zustand gepackt, und die obere Öffnung des Hohlraums 301 ist mit dem oberen Stempel 304 verschlossen, um dicht abzuschließen. An der Außenseitenfläche der Kautschukform 300 wird in dem geschlossenen Zustand ein Hydraulikdruck angelegt und die Körner PG in dem Hohlraum 301 werden mit der Kautschukform 300 zusammengepresst. Dadurch wird durch das Pressen ein Grünling 305 erhalten, wie in 12 gezeigt wird. Die Körner PG werden mit Wasser in einem Verhältnis von 100 Gewichtsteilen der Körner PG zu 0,7 bis 13 Gewichtsteilen Wasser zugegeben, so dass ein Zerbrechen der Körner PG zu Pulverpartikel beschleunigt wird, und danach wird das Pressen ausgeführt.
Der Grünling 305 wird durch Schleifen oder dergleichen an seiner Außenseitenfläche zu einer dem Isolator 2 von 1 entsprechenden Form mechanisch bearbeitet und wird dann einem Sintern bei einer Temperatur in dem Bereich von 1.400 bis 1.600°C unterzogen. Danach wird an dem Sinterkörper eine Glasur aufgebracht und er erhält weiterhin eine Wärmebehandlung zum Einbrennlackieren zum Fertigstellen des ganzen Prozesses.
Wenn bei diesem Prozess der Vorformverwendungspulver-Schlicker erzeugt wird, steigt der pH des Schlickers beträchtlich an, da eine stark basische Verbindung wie Na₂O oder NaOH, die auf dem Bayer-Aluminiumoxidpulver (hauptsächlich auf den Oberflächen der Partikel) angebracht wird, in einem Lösungsmittel aufgelöst wird. Wenn ein Korn PG, das durch Verwenden dieses Schlickers in einem Zustand hohen pHs erzeugt wird, dem Kautschukpressformen ohne andere Behandlung des Schlickers unterzogen wird, wird eine Pressformleistung der Körner PG verschlechtert und Defekte wie Risse C und Einsinken Y an der Innenseite des Öffnungsrands werden leicht erzeugt. Selbst wenn sich direkt nach dem Pressformen keine Defekte ergeben, besteht das Risiko von Problemen wie Bruch bei Schleifen oder dergleichen für die Endanpassung der Außenmaße, da eine Festigkeit des Grünlings 305 selbst verringert ist.
Daher wird ein geeigneter azider Bestandteil, zum Beispiel Citronensäure, Borsäure oder dergleichen, in einer geeigneten Menge in den Schlicker bei dessen Erzeugen gemischt, und dadurch wird der pH des Schlickers in den Bereich von 6 bis 10 (oder wünschenswerterweise in den Bereich von 7 bis 9) angepasst. Die mit dem Vorformverwendungspulver-Schlicker erzeugten Körner PG weisen nach der pH-Einstellung eine sehr gute Pressformleistung auf, und der Grünling 305 hat einen verbesserten Fertigungsertrag, da die vorstehend beschriebenen Defekte kaum auftreten.
Nachstehend folgt eine Beschreibung von Merkmalen der Zündkerze. Die Zündkerze 100 ist an ihrem Gewindeteil an einem Motorblock angebracht und wird als Zündquelle für ein in den Brennraum geliefertes Kraftstoff-/Luftgemisch verwendet.
Der Isolator 2 wurde mit Bayer-Aluminiumoxidpulver eines Na-Bestandteilanteils in dem Bereich von 0,07 bis 0,65 Gewichtsprozent als Na₂O erzeugt. Daher weist ein mit dem Aluminiumoxid erzeugter Isolator auch einen Na-Bestandteilanteil auf, der so hoch ist, dass er herkömmlicherweise außerhalb des vernünftigen Werts liegend betrachtet wird: in dem Bereich von 0,07 bis 0,5 Gewichtsprozent (ein Teil des Na-Bestandteils kann beim Sintern verloren gehen). Sofern aber der Na-Bestandteilanteil des Isolators 2 innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegt, werden Isolationswiderstand, mechanische Festigkeit und dergleichen bei hoher Temperatur unerwarteterweise nicht gesenkt, und daher kann eine Leistung, die sich mit einem herkömmlichen Isolator eines niedrigeren Na-Bestandteilanteils als in dem Bereich ausreichend vergleichen kann, erhalten werden.
Infolge eines Vorgehens und einer Wirkung, wie sie vorstehend beschrieben werden, können, während herkömmlicherweise sehr teueres natron-armes Aluminiumoxid verwendet wurde, um einen Na-Bestandteilanteil bei einem niedrigen Wert zu halten, im Fall der vorliegenden Erfindung Aluminiumoxide mittleren Natrongehalts und regulären Natrongehalts, die viel kostengünstiger sind, als Rohmaterial verwendet werden, was eine drastische Senkung der Fertigungskosten des Isolators und dadurch auch einer Zündkerze 100 mit sich bringt.
Zu beachten ist, dass ein Zündkerze, bei der ein erfindungsgemäßer Isolator einsetzbar ist, nicht auf die in 1 gezeigte Art beschränkt ist, sondern dass andere Arten eingesetzt werden können, zum Beispiel eine in 5 gezeigte, wobei in dem Beispiel der obere Teil der Masseelektrode 4 auf zwei oder mehr Arten gebildet wird: Vorderenden derselben sind in gegenüberliegender Weise an der Seitenfläche der Mittelelektrode 3 angeordnet, um Funkenentladungsstrecken g zu bilden. In diesem Fall kann die Masseelektrode 4 auf verschiedene Weise angeordnet werden: wie in 6(a) gezeigt befinden sich zwei Vorderenden des oberen Teils der Masseelektrode 4 in zueinander gegenüberliegender Weise nahe der Seite der Mittelelektrode 3, und wie in 6(b) gezeigt befinden sich drei oder mehr Vorderenden derselben um die Mittelelektrode 3, so dass sie hin zur Mittelelektrode 3 gerichtet sind.
In diesem Fall kann, wie in 7 gezeigt, eine Zündkerze 100 als Zündkerze der halbflächigen Entladungsart so ausgebildet werden, dass das Vorderende des Isolators 2 zwischen die Seitenfläche der Mittelelektrode 3 und jedes der vorderen Enden des oberen Teils der Masseelektrode 4 vorbewegt wird. Da bei diesem Aufbau eine Zündentladung so erfolgt, dass sie entlang einer Oberfläche des Isolators 2 verläuft, werden Eigenschaften des Nichtverrußens verglichen mit einer Flächenentladungsart verbessert.
(Beispiele)
Um die Wirkungen der vorliegenden Erfindung zu bestätigen, wurden die folgenden Experimente durchgeführt.
Beispiel 1
Um Arten von Rohmaterialpulver zu erzeugen wurden Arten von Bayer-Aluminiumoxidpulver (ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser von 3,0 μm) verschiedener Na-Bestandteilanteile mit verschiedenen Verbindungen in vorgeschriebenen Verhältnissen gemischt, wobei eine Reinheit und ein Partikeldurchmesser jeder der verschiedenen Verbindungen wie folgt sind: SiO₂ (Reinheit 99,5%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 1,5 μm), CaCO₃ (Reinheit 99,9%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 2,0 μm), CaCO₃ (Reinheit 99,9%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 2,0 μm), MgO (Reinheit 99,5%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 2,0 μm), BaCO₃ (Reinheit 99,5%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 1,5 μm), H₃BO₃ (Reinheit 99,0%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 1,5 μm) und ZnO (Reinheit 99,5%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 2,0 μm). Ferner wurden einhundert Gewichtsteile des so erzeugten Pulvers mit 3 Gewichtsteilen PVA als hydrophiles Bindemittel und 103 Gewichtsteilen Wasser in einem Nasszustand gemischt, um einen Schlicker aus Vorformverwendungspulver zu erzeugen. Ein pH-Wert des Schlickers wurde durch Zugabe von Citronensäure in geeigneter Menge auf 8 eingestellt. Ein Gesamtanteil des Na-Bestandteils und ein Na-Bestandteilanteil in Oberflächenbereichen von Partikeln wurden durch das oben beschriebene Verfahren gemessen, und ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser des Aluminiumoxidpulvers wurde mit Hilfe eines Laserdiffraktionspartikelgrößenanalysators gemessen.
Dann wurden die Schlicker der jeweils unterschiedlichen Zusammensetzungen durch ein Sprühtrocknungsverfahren getrocknet, und es wurden dadurch Körner des Vorformverwendungspulvers erzeugt, wobei die Körner durch Sieben zu Partikelgrößen in dem Bereich von 50 bis 100 μm gesteuert werden. Die Körner wurden durch ein mit Hilfe von 11 beschriebenes Kautschukpressverfahren einem Formen unter einem Druck von 50 MPa unterzogen, um einen in 12 gezeigten Grünling 305 zu erhalten. Der Grünling 305 wurde einer Schleifbearbeitung an einer Außenfläche desselben unterzogen, um den Grünling zu den vorgeschriebenen Maßen eines Grünlings 2 zu formen, gefolgt von Sintern bei vorgeschriebenen Bedingungen, um einen gesinterten Grünling 2 bestehend aus einem aluminiumbasierten Isolator zu erhalten, dessen Form dem von 1 ähnelt. Die Sinterbedingungen wurden so bestimmt, dass eine Sinterdauer mit 2 Stunden angesetzt wurde, die Temperatur für das Sintern wurde aber schrittweise bei Temperaturdifferenzen von 20°C geändert, scheinbare Dichten der Isolatoren wurden an den bei den jeweiligen Bedingungen erhaltenen gemessen, und es wurden Sinterbedingungen eingesetzt, bei denen die maximale Dichte erhalten wurde.
Die Maße der Isolatoren 2, die gemäß 4(a) dargestellt werden, sind wie folgt: L1 = etwa 60 mm, L2 = etwa 8 mm, L3 = etwa 14 mm, D1 = etwa 10 mm; D2 = etwa 13 mm, D3 = etwa 7 mm, D4 = 5,5 mm, D5 = 4,5 mm, D6 = 4 mm, D7 = 2,6 mm, t1 = 1,5 mm, t2 = 1,45 mm, t3 = 1,25 mm und tA = 1,48 mm. Andere Maße werden gemäß 1 gezeigt: eine Länge LQ eines Teils 2k, der hin zur hinteren Seite des Metallgehäuses 1 des Isolators 2 ragt, beträgt 25 mm. Eine entlang eines Schnittumrisses von einer dem hinteren Endrand des Metallgehäuses 1 entsprechenden Position durch die Faltung 2c zu dem hinteren Endrand des Isolators 2 gemessene Länge LP beträgt 29 mm.
Verschiedene in 1 gezeigte Arten von Zündkerzen wurden mit Hilfe des so erzeugten Isolators 2 hergestellt, wobei ein Außendurchmesser des Gewindeteils 12 mm betrug und eine Struktur verwendet wurde, bei der der Widerstand 15 nicht verwendet wurde und der Metallstecker 13 und die Mittelelektrode 3 direkt durch eine leitende Glasschicht verbunden waren. Die Zündkerzen wurden den folgenden Tests unterzogen:

(1) Isolationsstehspannung bei 20°C: die Spannung wurde nach dem Verfahren gemessen, das mit Hilfe von 10 beschrieben wird, wobei eine Gleichstromimpulsquelle (Spitzenspannung 35V und Impulsbreite 2 ms) als Hochspannungsversorgung verwendet wurde.
(2) Messung des Isolationswiderstands bei 500°C: die Messung wurde bei einer angelegten Spannung von 1.000 V nach dem Verfahren durchgeführt, das mit Hilfe von 10 beschrieben wird.
(3) Stehspannungstest in einem tatsächlichen Fahrzeug: die oben beschriebenen Zündkerzen wurden an einem Vierzylinder-Benzinmotor (Hubraum 2000 cc) angebracht, der Motor wurde bei weit offenem Zustand der Drossel bei einer Motordrehzahl von 6.000 U/min ständig laufen gelassen, während eine Entladungsspannung in dem Bereich von 38 bis 43 kV gesteuert wurde, und die Beurteilung wurde durch Prüfen, ob eine Funkenpenetration nach Verstreichen von 50 Stunden erfolgte, durchgeführt.

Daneben wurden unter Verwendung derselben Körner Festigkeitsprüfkörper wie folgt erzeugt: die Körner wurden durch Trockenpressung (Druck 50 MPa) zu einem Grünling pressgeformt und unter den gleichen Bedingungen wie im Fall des oben beschriebenen Isolators gesintert. Die erhaltenen Sinterkörper wurden einem Schleifen in geeigneter Weise unterzogen, um einen Prüfköper in Form eines Prismas von 3 mm × 3 mm × 25 mm zu erzeugen. Der Prüfkörper wurde zum Messen einer Dreipunkt-Biegefestigkeit bei Raumtemperatur (Spannlänge 20 mm) nach einem in JIS R1601 (Prüfverfahren für Biegefestigkeit von Hochleistungskeramiken) beschriebenen Verfahren verwendet.
Eine Oberfläche eines Prüfkörpers wurde nach der Prüfung poliert, und die polierte Oberfläche wurde durch ein Rasterelektronenmikroskop (Vergrößerung 150 ×) untersucht. Die Anzahl der Poren, die an der polierten Oberfläche festgestellt wurde, gleich oder größer als 10 μm, wurde mittels Bildanalyse gezählt. Eine Porenoberflächendichte, die die Anzahl an pro 1 mm² gezählten Poren bedeutet, wurde durch Dividieren einer Gesamtanzahl gezählter Poren durch eine Fläche eines Betrachtungsfelds in mm² erhalten. Die Anteile der Elementbestandteile Al, Na, Si, Ca, Mg, Ba, Zn und B wurden durch das ICP-Verfahren analysiert, und die Ergebnisse wurden zu Anteilen (in Gewichtsprozent) in den jeweiligen vorgeschriebenen Oxidformen umgewandelt. Ein Anteil des Na-Bestandteils in einer Glasphase wurde durch das oben beschriebene Verfahren berechnet (wobei EPMA als Mikrostrukturanalyseverfahren verwendet wurde). Alle Ergebnisse werden in den Tabellen 1 und 2 gezeigt.
Aus den in den Tabellen gezeigten Ergebnissen wird festgestellt, dass der Isolator, dessen Na-Bestandteilanteil in dem Bereich von 0,07 bis 0,5 Gewichtsprozent lag, eine Isolationsstehspannung, eine Festigkeit und eine Stehspannung in tatsächlichen Fahrzeugen erreichen konnte, die mit denen eines herkömmlichen Isolators vergleichbar war, dessen Na-Bestandteilanteil gleich oder kleiner als 0,05 Gewichtsprozent war, und daneben erwiesen sich in dem Beispiel die Werte des Isolationswiderstands der Zündkerzen bei 500°C ebenfalls als so hoch wie 200 MΩ oder mehr.
(Beispiel 2)
Um Arten von Rohmaterialpulver zu erzeugen wurden Arten von Bayer-Aluminiumoxidpulver (ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser von 3,0 μm) verschiedener Na-Bestandteilanteile mit verschiedenen Verbindungen in vorgeschriebenen Verhältnissen gemischt, wobei eine Reinheit und ein Partikeldurchmesser jeder der verschiedenen Verbindungen wie folgt sind: SiO₂ (Reinheit 99,5%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 1,5 μm), CaCO₃ (Reinheit 99,9%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 2,0 μm), CaCO₃ (Reinheit 99,9%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 2,0 μm), MgO (Reinheit 99,5%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 2,0 μm). Ferner wurden einhundert Gewichtsteile des so erzeugten Pulvers mit 3 Gewichtsteilen PVA als hydrophiles Bindemittel und 103 Gewichtsteilen Wasser in einem Nasszustand gemischt, um den Schlicker zu erzeugen. Ein pH-Wert des Schlickers wurde durch Zugabe von Citronensäure in geeigneter Menge auf 8 eingestellt, ein Gesamtanteil des Na-Bestandteils und ein Na-Bestandteilanteil in Oberflächenbereichen von Partikeln wurden durch das oben beschriebene Verfahren nach Reinigen gemessen, und ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser des Aluminiumoxidpulvers wurde mit Hilfe eines Laserdiffraktionspartikelgrößenanalysators gemessen.
Der Schlicker wurde verwendet und es wurden die gleichen Experimente wie in Beispiel 1 durchgeführt, mit den in den Tabellen 3 und 4 gezeigten Ergebnissen.
Aus den in den Tabellen gezeigten Ergebnissen wird festgestellt, dass durch Verwenden von Aluminiumoxidpulver, dessen Partikel Oberflächenbereiche eines Na-Bestandteilanteils gleich oder kleiner als 0,2 Gewichtsprozent haben, der Isolator bessere Ergebnisse bei Isolationsstehspannung, Isolationswiderstand bei 500°C und Stehspannung bei realen Bedingungen aufweisen konnte.
(Beispiel 3)
100 g jeder von verschiedenen Arten von Bayer-Aluminiumoxidpulver (ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser von 3,0 μm) verschiedener Na-Bestandteilanteile wurde mit 100 g destillierten Wasser bei 25°C gemischt, und das Gemisch wurde 10 Minuten lang gerührt, gefolgt dann von Wasserwaschen, Dehydration und Trocknen. Um Rohmaterialpulver herzustellen, wurden Arten von Bayer-Aluminiumoxidpulver, die gereinigt worden waren, mit verschiedenen Verbindungen in vorgeschriebenen Verhältnissen gemischt, wobei eine Reinheit und ein Partikeldurchmesser jeder der verschiedenen Verbindungen wie folgt sind: SiO₂ (Reinheit 99,5%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 1,5 μm), CaCO₃ (Reinheit 99,9%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 2,0 μm), MgO (Reinheit 99,5%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 2,0 μm), BaCO₃ (Reinheit 99,5%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 1,5 μm) und H₃BO₃ (Reinheit 99,0%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 1,5 mm). Ferner wurden einhundert Gewichtsteile des so erzeugten Pulvers mit 3 Gewichtsteilen PVA als hydrophiles Bindemittel und 103 Gewichtsteilen Wasser in einem Nasszustand gemischt, um einen Schlicker zu erzeugen. Ein pH-Wert des Schlickers wurde durch Zugabe von Citronensäure in geeigneter Menge auf 8 eingestellt, ein Gesamtanteil des Na-Bestandteils und ein Na-Bestandteilanteil in Oberflächenbereichen von Partikeln wurden durch das oben beschriebene Verfahren nach Reinigen gemessen, und ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser des Aluminiumoxidpulvers wurde mit Hilfe eines Laserdiffraktionspartikelgrößenanalysators gemessen.
Der Schlicker wurde verwendet und es wurden die gleichen Experimente wie in Beispiel 1 durchgeführt, mit den in den Tabellen 5 und 6 gezeigten Ergebnissen.
Aus den in den Tabellen gezeigten Ergebnissen wird festgestellt, dass durch Verwenden von Aluminiumoxidpulver, dessen Partikel Oberflächenbereiche eines Na-Bestandteilanteils unter 0,2 Gewichtsprozent haben, selbst die Sinterkörper, deren Na-Bestandteilanteil nur wenig über 0,5 Gewichtsprozent lag, immer noch verhältnismäßig gute Ergebnisse bei Isolationsstehspannung, Festigkeit, Isolationswiderstand bei 500°C und Stehspannung in einem tatsächlichen Fahrzeug aufweisen konnten.
(Beispiel 4)
Um Arten von Rohmaterialpulver zu erzeugen, wurden Arten von Bayer-Aluminiumoxidpulver von nahezu den gleichen Na-Bestandteilanteilen, aber von untereinander anderen durchschnittlichen Partikeldurchmessern mit verschiedenen Verbindungen in den vorgeschriebenen Verhältnissen gemischt, wobei eine Reinheit und ein Partikeldurchmesser jeder der verschiedenen Verbindungen wie folgt sind: SiO₂ (Reinheit 99,5%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 1,5 μm), CaCO₃ (Reinheit 99,9%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 2,0 μm), MgO (Reinheit 99,5%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 2,0 μm), BaCO₃ (Reinheit 99,5%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 1,5 μm), H₃BO₃ (Reinheit 99,0%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 1,5 mm). Ferner wurden einhundert Gewichtsteile des so erzeugten Pulvers mit 3 Gewichtsteilen PVA als hydrophiles Bindemittel und 103 Gewichtsteilen Wasser in einem Nasszustand gemischt, um den Schlicker zu erzeugen. Ein pH-Wert des Schlickers wurde durch Zugabe von Citronensäure in geeigneter Menge auf 8 eingestellt, ein Gesamtanteil des Na-Bestandteils und ein Na-Bestandteilanteil in Oberflächenbereichen von Partikeln wurden durch das oben beschriebene Verfahren nach Reinigen gemessen, und ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser des Aluminiumoxidpulvers wurde mit Hilfe eines Laserdiffraktionspartikelgrößenanalysators gemessen.
Der Schlicker wurde verwendet und es wurden die gleichen Experimente wie in Beispiel 1 durchgeführt, mit den in den Tabellen 7 und 8 gezeigten Ergebnissen.
Aus den in den Tabellen gezeigten Ergebnissen wird festgestellt, dass bei Zunahme eines durchschnittlichen Partikeldurchmessers von Aluminiumoxidpulver eine optimale Sintertemperatur angehoben wird.
(Beispiel 5)
Um Arten von Rohmaterialpulver zu erzeugen, wurden Arten von Bayer-Aluminiumoxidpulver (ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser von 3,0 μm) von verschiedenen Na-Bestandteilanteilen mit verschiedenen Verbindungen in vorgeschriebenen Verhältnissen gemischt, wobei eine Reinheit und ein Partikeldurchmesser jeder der verschiedenen Verbindungen wie folgt sind: SiO₂ (Reinheit 99,5%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 1,5 μm), CaCO₃ (Reinheit 99,9%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 2,0 μm), MgO (Reinheit 99,5%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 2,0 μm). Ferner wurden einhundert Gewichtsteile des so erzeugten Pulvers mit 3 Gewichtsteilen PVA als hydrophiles Bindemittel und 103 Gewichtsteilen Wasser in einem Nasszustand gemischt, um den Schlicker zu erzeugen. Ein pH-Wert des Schlickers wurde durch Zugabe von Citronensäure in geeigneter Menge auf 8 eingestellt, ein Gesamtanteil des Na-Bestandteils und ein Na-Bestandteilanteil in Oberflächenbereichen von Partikeln wurden durch das oben beschriebene Verfahren gemessen, und ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser des Aluminiumoxidpulvers wurde mit Hilfe eines Laserdiffraktionspartikelgrößenanalysators gemessen.
Der Schlicker wurde verwendet und es wurden die gleichen Experimente wie in Beispiel 1 durchgeführt, mit den in den Tabellen 9 und 10 gezeigten Ergebnissen.
Aus den in den Tabellen gezeigten Ergebnissen wird festgestellt, dass der Isolator ausgezeichnete Ergebnisse bei Isolationsstehspannung und Festigkeit aufweisen konnte, wenn der Al₂O₃-Bestandteil in dem Isolator in dem Bereich von 85 bis 98 Gewichtsprozent lag.
(Beispiel 6)
Um Arten von Rohmaterialpulver zu erzeugen, wurden Arten von Bayer-Aluminiumoxidpulver (ein durchschnittlicher Partikeldurchmesser von 3,0 μm) von verschiedenen Na-Bestandteilanteilen mit verschiedenen Verbindungen in den in den Tabellen 11 und 12 gezeigten vorgeschriebenen Verhältnissen gemischt (wobei die Anteile in Oxiden gezeigt werden), wobei eine Reinheit und ein Partikeldurchmesser jeder der verschiedenen Verbindungen wie folgt sind: SiO₂ (Reinheit 99,5%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 1,5 μm), CaCO₃ (Reinheit 99,9%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 2,0 μm), MgO (Reinheit 99,5%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 2,0 μm), BaCO₃ (Reinheit 99,5%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 1,5 μm) und ZnO (Reinheit 99,5%, durchschnittlicher Partikeldurchmesser 1,5 μm). Ferner wurden einhundert Gewichtsteile des so erzeugten Pulvers mit 3 Gewichtsteilen PVA als hydrophiles Bindemittel und 103 Gewichtsteilen Wasser in einem Nasszustand gemischt, um einen Vorformverwendungspulver-Schlicker zu erzeugen.
Ein pH-Wert des Schlickers wurde durch Zugabe von Citronensäure oder H₃BO₃ als azider Bestandteil auf 8 eingestellt. Die Tabellen 11 und 12 zeigen Zusatzmengen jeweiligen azider Bestandteile in Gewichtsprozent im Verhältnis zu den Gesamtgewichten jeweiliger Rohmaterialpulvermassen (ein Gewicht jeder Rohmaterialpulvermasse ohne den aziden Bestandteil).
Die Schlicker wurden durch ein Sprühtrocknungsverfahren getrocknet, um Körner mit jeweils kugelförmiger Form zu erzeugen. Die Größen der Körner wurden durch Sieben gesteuert, so dass sie in dem Bereich von 50 bis 100 μm Partikeldurchmesser lagen. Die gesiebten Körner wurden durch das Kautschukpressverfahren, das mit Hilfe von 11 beschrieben wird, unter einem Druck von 50 MPa pressgeformt, um einen Grünling 305 mit der in 12 gezeigten Form zu erzeugen. Die in 12 gezeigten Maße sind wie folgt: I₁ = 85 mm, Δ₁ = 19 mm, Δ₂ = 9 mm, Δ₃ = 18 mm, δ₁ = 4,8 und δ₂ = 3,1 mm. Ein erhaltener Grünling wurde in eine Defektprüfflüssigkeit (Suspension roten Pigments in Kerosin) eingetaucht und aus der Flüssigkeit genommen. Wenn bei dieser Gelegenheit Defekte wie Risse an der Oberfläche des Grünlings 305 oder Einsinken an einem Innenumfangsteil des Öffnungsrands desselben vorliegen, wird die Prüfflüssigkeit in die Masse imprägniert und dadurch wird kein Verfärben des Erscheinungsbilds erzeugt. Somit kann ein Grad an Defektvorkommen durch Beobachten der Verfärbung an der Oberfläche visuell erkannt werden. Die Beurteilung wurde auf dreierlei Weise auf der Grundlage von Graden des Defektvorkommens ausgedrückt: O wurde als Beurteilungsergebnis verwendet, wenn absolut kein Defekt erkannt wurde, Δ wurde als Beurteilungsergebnis verwendet, wenn zwar Defekte erkannt wurden, das Vorkommen aber äußerst gering war, und X wurde als Beurteilungsergebnis verwendet, wenn Defekte sehr stark auftraten.
Grünlinge für eine Festigkeitsprüfung in einer Platte von 12 mm × 8 mm × 80 mm wurden mit Hilfe eines Metallform-Pressformens (unter einem Druck von 50 MPa) unter Verwendung der gleichen Körner erzeugt, und die Dreipunkt-Biegefestigkeit (eine Spannlänge betrug 50 mm) jeder Prüfmasse wurde bei Raumtemperatur gemessen, wobei die Ergebnisse in den Tabellen 11 und 12 gezeigt werden.
Aus den Tabellen wird festgestellt, dass bei Verwenden eines von Citronensäure und H₃BO₃ bei Einstellen eines pH-Werts eines Vorformverwendungs-Schlickers in dem Bereich von 6 bis 10 und insbesondere in dem Bereich von 7 bis 9 kaum Defekte auftraten und auch eine Biegefestigkeit verbessert war.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Erfindungsgemäß ist wie vorstehend beschrieben ein verwendetes Aluminiumoxidpulver ein Pulver, das einen hohen Anteilsbereich des Na-Bestandteils enthält, der als unvernünftig betrachtet wird: konkret beschrieben in dem Bereich von 0,07 bis 0,65 Gewichtsprozent als Na₂O, und das verwendete Aluminiumoxidpulver weist weiterhin einen in den Oberflächenbereichen der Partikel des Aluminiumoxidpulvers vorhandenen Na-Bestandteilanteil in dem Bereich von 0,01 bis 0,2 Gewichtsprozent auf. Bei Verwendung eines solchen Aluminiumoxidpulvers wird ein Isolationswiderstand, die mechanische Festigkeit oder dergleichen bei einer hohen Temperatur des Isolators aus dem Aluminiumpulver nicht soweit gesenkt, wie andernfalls zu erwarten wäre, und es kann ein erfindungsgemäßer Isolator erhalten werden, der eine mit einem herkömmlichen Isolator vergleichbare Leistung aufweist, dessen Na-Bestandteilanteil niedriger als der des erfindungsgemäßen Isolators ist. Daneben kann eine den erfindungsgemäßen Isolator verwendende Zündkerze einen Isolationswiderstand gleich oder höher als 200 MΩ sicherstellen, was herkömmlicherweise in dem Na-Bestandteilanteilsbereich als unmöglich betrachtet wurde, wobei der Isolierwiderstand bei Bedingungen gemessen wird, bei denen die gesamte Zündkerze bei einer konstanten Temperatur von 500°C erhitzt wird und ein Strom zwischen dem Steckermetallelement und dem Metallgehäuse bei der Temperatur durch die Zündkerze geleitet wird. Da Aluminiumoxid mittleren und regulären Natrongehalts, die viel kostengünstiger als herkömmliches natron-armes Aluminiumoxid sind, an Stelle des herkömmlichen natron-armen Aluminiumoxids verwendet werden können, kann zudem eine drastische Kostensenkung des Isolators und dadurch auch für eine diesen verwendende Zündkerze verwirklicht werden.

Claims

Aluminiumoxidbasierter Isolator für eine Zündkerze, wobei der Isolator Aluminiumoxid als Hautbestandteil enthält und weiterhin einen Na-Bestandteil in dem Bereich von 0,07 bis 0,5 Gewichtsprozent als zu Na₂O umgewandelter Wert enthält, wobei der Al-Bestandteil in dem Bereich von 85 bis 98 Gewichtsprozent als zu Al₂O₃ umgewandelter Wert enthalten ist, wobei eine Struktur des Isolators aus aluminiumoxidbasierten Matrixphasenkörnern von 99 Gewichtsprozent oder mehr Aluminiumoxidanteil als Hauptphase und einer in den Korngrenzenbereichen der aluminiumoxidbasierten Matrixphasenkörner ausgebildeten Glasphase aufgebaut ist, wobei in der Glasphase ein vorhandener Na-Bestandteilanteil WG_Na in dem Bereich von 0,4 bis 2 Gewichtsprozent liegt.
Aluminiumoxidbasierter Isolator für eine Zündkerze nach Anspruch 1 mit einer Isolierungsspannung von 35 kV/mm oder mehr bei 20°C.
Aluminiumoxidbasierter Isolator für eine Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Al-Bestandteil in dem Bereich von 95 bis 98 Gewichtsprozent als zu Al₂O₃ umgewandelter Wert enthalten ist.
Aluminiumoxidbasierter Isolator für eine Zündkerze nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Isolator weiterhin noch einen K-Bestandteil und einen Li-Bestandteil mit einem Gesamtanteil gleich oder kleiner als 0,2 Gewichtsprozent jeweils als zu K₂O und Li₂O umgewandelte Werte enthält.
Aluminiumoxidbasierter Isolator für eine Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Isolator weiterhin noch eines oder mehr gewählt aus der Gruppe bestehend aus den Bestandteilen Si, Ca, Mg, Ba, Zn und B bei einem Gesamtanteil von 60 Gewichtsprozent oder mehr jeweils als zu SiO₂, CaO, MgO, BaO, ZnO und B₂O₃ umgewandelte Werte eines verbleibenden Gewichts nach Ausschließen eines Gewichts als ein zu Al₂O₃ des Al-Bestandteils umgewandelter Wert von einem Gesamtgewicht enthält.
Isolator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in dessen Schnittstruktur die Anzahl beobachteter Poren, die jeweils eine Größe gleich oder größer als 10 μm haben, als mittlere Zählungen pro 1 mm² des Schnitts gleich oder kleiner als 100 ist.
Isolator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, als dessen Rohmaterial Aluminiumoxidpulver, dessen Na-Bestandteilanteil so hoch wie 0,07 bis 0,65 Gewichtsprozent als zu Na₂O umgewandelter Wert liegt und in dessen Partikeln in den Oberflächenbereichen ein Na-Bestandteil in dem Bereich von 0,01 bis 0,2 Gewichtsprozent als zu Na₂O umgewandelter Wert enthalten ist, verwendet wird.
Isolator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator außer dem Na-Bestandteil Alkalimetallbestandteile mit einem Gesamtanteil gleich oder kleiner als 0,05 Gewichtsprozent als jeweilige Oxide enthält.
Isolator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator eines oder mehr gewählt aus der Gruppe bestehend aus den Bestandteilen Si, Ca und Mg bei einem Gesamtanteil von 60 Gewichtsprozent oder mehr jeweils als zu SiO₂, CaO und MgO umgewandelte Werte eines verbleibenden Gewichts nach Ausschließen eines Gewichts als ein zu Al₂O₃ des Al-Bestandteils umgewandelter Wert von einem Gesamtgewicht enthält.
Isolator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator mindestens eines von Ba-Bestandteil und B-Bestandteil in dem Bereich von 0,2 bis 1,2 Gewichtsprozent Gesamtanteil als Oxide enthält.
Zündkerze mit: einem außerhalb einer Mittelelektrode (3) angeordneten Metallgehäuse (1); einer so angeordneten Masseelektrode (4), dass sie der Mittelelektrode (3) gegenüberliegt, wobei ein Ende der Masseelektrode mit dem Metallgehäuse (1) verbunden ist; und einem Isolator (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der zwischen der Mittelelektrode (3) und dem Metallgehäuse (1) ruht und der das Äußere der Mittelelektrode (3) umgibt, wobei der Isolationswiderstand, der durch Leiten eines Stroms durch den Isolator (2) zwischen einem Metallstecker und dem Metallgehäuse (1) gemessen wird, während die gesamte Zündkerze bei etwa 500°C gehalten wird, 200 MΩ oder mehr beträgt.
Herstellungsprozess für einen aluminiumbasierten Isolator für eine Zündkerze, dadurch gekennzeichnet, dass Aluminiumoxidpulver, dessen Na-Bestandteilanteil so hoch wie 0,07 bis 0,65 Gewichtsprozent als zu Na₂O umgewandelter Wert liegt, und in dessen Partikeln in den Oberflächenbereichen ein Na-Bestandteil in dem Bereich von 0,01 bis 0,2 Gewichtsprozent als zu Na₂O umgewandelter Wert enthalten ist, verwendet wird, wobei Rohmaterialpulver, das das Aluminiumoxidpulver als Hauptbestandteil enthält, zu einer vorgeschriebenen Isolatorform als Grünling ausgebildet wird und der Grünling gesintert wird, wodurch ein Isolator erhalten wird, der Aluminiumoxid als Hauptbestandteil in dem Bereich von 85 bis 98 Gewichtsprozent als zu Al₂O₃ umgewandelter Wert enthält und der weiterhin einen Na-Bestandteil in dem Bereich von 0,07 bis 0,5 Gewichtsprozent als zu Na₂O umgewandelter Wert enthält, und wodurch eine Struktur des Isolators aus aluminiumoxidbasierten Matrixphasenkörnern von 99 Gewichtsprozent oder mehr Aluminiumoxidanteil als Hauptphase und einer Glasphase, die in den Korngrenzenbereichen der aluminiumoxidbasierten Matrixphasenkörner ausgebildet wird, aufgebaut wird, wobei in der Glasphase ein vorhandener Na-Bestandteilanteil WG_Na in dem Bereich von 0,4 bis 2 Gewichtsprozent liegt.
Herstellungsprozess für einen Isolator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumoxidpulver ein durch einen Bayer-Prozess hergestelltes Pulver ist.
Herstellungsprozess für einen Isolator nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verwendende Rohmaterialpulver durch Mischen von zusatzelementbasierten Rohmaterialien, die eines oder mehr gewählt aus der Gruppe bestehend aus den Bestandteilen Si, Ca, Mg, Ba, Zn und B bei einem Gesamtanteil in dem Bereich von 0,1 bis 15 Gewichtsteile jeweils als zu SiO₂, CaO, MgO, BaO, ZnO und B₂O₃ umgewandelte Werte enthalten, in 85 bis 98 Gewichtsteile Aluminiumoxidpulver erzeugt wird.
Herstellungsprozess für einen Isolator nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel des Aluminiumoxidpulvers in dem Bereich von 1 bis 5 μm als mittlere Partikelgröße liegen.
Herstellungsprozess für einen Isolator nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Aluminiumoxidpulver einen Gesamtanteil an Alkalimetallbestandteilen außer einem Na-Bestandteil, wobei die Bestandteile unvermeidbar enthalten sind, der gleich oder kleiner als 0,05 Gewichtsprozent ist, als Oxid enthält.
Herstellungsprozess für einen Isolator nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass nicht nur ein Bindemittel in einer vorgeschriebenen Menge in das Rohmaterialpulver gemischt wird, um ein Vorformverwendungspulver zu erzeugen, sondern dem Vorformverwendungspulver ein geeigneter säurehaltiger Bestandteil zugegeben wird, um einen pH-Wert des Vorformverwendungspulvers so anzupassen, dass er gesenkt wird, danach das Vorformverwendungspulver nach der pH-Anpassung einem Pressformen unterzogen wird, um einen Grünling zu erzeugen, und dann der Grünling gesintert wird, um einen Isolator zu erhalten.
Herstellungsprozess für einen Isolator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein pH-Wert des Vorformverwendungspulvers in dem Bereich von 6 bis 10 eingestellt wird.
Herstellungsprozess für einen Isolator nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein hydrophiles Bindemittel als Bindemittel verwendet wird.
Herstellungsprozess für einen Isolator nach Anspruch 19, der die folgenden Schritte umfasst: Zugeben eines wasserbasierten Lösungsmittels und eines hydrophilen Bindemittels in einer vorgeschriebenen Menge zu dem Rohmaterialpulver; Mischen des Lösungsmittels und des Pulvers miteinander, um einen Schlicker zu bilden; Zugeben des säurehaltigen Bestandteils zu dem Schlicker, um einen pH-Wert des Schlickers so anzupassen, dass er in dem Bereich von 6 bis 10 liegt; Düsenzerstäuben und Trocknen des Schlickers zum Erzeugen von Körnchen des Vorformverwendungspulvers; und Pressformen der Körnchen, um den Grünling zu erhalten.
Herstellungsprozess für einen Isolator nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass 100 Gewichtsteilen von Pressformkörnchen 0,5 bis 2,0 Gewichtsteile Wasser zugegeben werden und nach der Zugabe von Wasser die Pressformkörnchen einem Pressformen unterzogen werden.
Herstellungsprozess für einen Isolator nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der säurehaltige Bestandteil bzw. die säurehaltigen Bestandteile eines oder mehr gewählt aus der Gruppe bestehend aus anorganischen Säuren wie Borsäure, kolloides Silika, Kohlensäure und Phosphorsäure; organischen Säuren wie Citronensäure, Oxalsäure, Weinsäure und Essigsäure; und einem Salz einer schwachen Base und einer starken Säure wie Ammoniumsulfat und Ammoniumnitrat sind.