專利名稱：：陶瓷加熱器及其制造方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種陶瓷加熱器，它通過熱壓其中埋有加熱器主體的陶瓷粉末使粉末燒結(jié)來獲得，還涉及其制造方法。已知陶瓷加熱器這樣得到將兩根引出鎢線的一邊端點分別固定到一U-形金屬加熱材料(由鎢合金制成)的兩端，將所得的加熱器主體嵌入由Si3N4(四氮化三硅)，Sialon(氮化鋁-氧化鋁-氧化硅)或AlN(氮化鋁)作為主成分的陶瓷粉末中，熱壓包含加熱器主體的粉末使粉末燒結(jié)。這些陶瓷加熱器用于裝在柴油發(fā)動機上的陶瓷熱線點火塞中。在制造這種陶瓷熱線點火塞時，使用一園柱形主金屬殼，在其前端有一支撐部分向內(nèi)延伸，在其后端有一螺紋用于固定到發(fā)動機上。通過一金屬包層把上述種類的陶瓷加熱器固定到主金屬殼的支撐部分。但是，在現(xiàn)有的制造陶瓷加熱器的工藝過程(通過熱壓燒結(jié))中，碳模的碳和/或包含在有機粘合劑中的碳進入正在熱壓的材料，從而在引出鎢線的表面形成碳/鎢反應產(chǎn)品層。結(jié)果，例如，加熱器主體(由引出線和一金屬加熱材料組成)的耐久壽命減少、阻抗增加，陶瓷產(chǎn)生裂紋。本發(fā)明的目的是提供一種陶瓷加熱器，在使用時本加熱器不會遇到如壽命減少或加熱器主體的阻抗增加或在陶瓷中有裂紋的麻煩。在本發(fā)明的第一方面中，通過包含下述步驟的過程制造一陶瓷加熱器用金屬涂敷一對引出線；將由鎢構(gòu)成的一對引出線的一邊端點與一U-形加熱電阻器的兩端點相連接從而獲得一加熱器主體；將加熱器主體埋入由Si3N4，Sialon和AlN的至少其中之一組成的陶瓷粉末中；熱壓包含加熱器主體的粉末，使粉末燒結(jié)從而獲得一燒結(jié)物，其中引出線的另外端點暴露在所得燒結(jié)物的表面上。在本發(fā)明的第二方面中，根據(jù)本發(fā)明的第二方面的陶瓷加熱器，金屬涂層包括從銀，金，鉑，鈦，鉭，鎳等選出的一種金屬。在本發(fā)明的第三方面，在根據(jù)本發(fā)明的第一或第二方面的陶瓷加熱器中，加熱電阻器包括鎢元素，它或者是由鎢，鎢-錸合金等制成的金屬加熱材料，或者是由WC粉末和陶瓷粉末的混合物制成的非金屬加熱材料。在本發(fā)明的第四個方面，在根據(jù)本發(fā)明的第一至第三方面的陶瓷加熱器中，在導線表面涂敷的金屬由電鍍，化學涂敷，熱浸涂，熱噴涂，蒸汽淀積，擴散涂敷或使用一涂層材料形成。在本發(fā)明的第五個方面，在根據(jù)本發(fā)明的第一至第四方面的陶瓷加熱器中，其中金屬涂層具有1至10μm的厚度，最好為3至8μm。在本發(fā)明的第六個方面，根據(jù)本發(fā)明的第一至第五方面的陶瓷加熱器，它用于安裝在柴油發(fā)動機上的熱線點火塞中。在本發(fā)明的第七個方面中，一種陶瓷加熱器的制造方法包括以下步驟將含鎢的一對引出鎢線的一邊端點與一U-形加熱器電阻器的兩端相連，該引出鎢線的表面由從銀，金，鉑，鈦和鉭等選出的一種金屬涂敷，從而得到一加熱器主體；將加熱器主體嵌入由Si3N4，Sialon或AlN的其中之一組成的陶瓷粉末中；熱壓包含嵌入加熱器主體的粉末；使粉末燒結(jié)從而得到一燒結(jié)體；并將引出線的另一端點暴露在燒結(jié)體的表面上。在本發(fā)明的第八方面中，在根據(jù)本發(fā)明第七方面的制造方法中，其特征是在導線表面上涂敷的金屬由電鍍，化學涂敷，熱浸涂，熱噴涂，蒸汽淀積，擴散涂敷，使用一涂敷材料等形成。在本發(fā)明的第九方面中，在根據(jù)本發(fā)明第七和第八方面的制造方法中，金屬涂層為1至10μm的厚度，最好為3至8μm。根據(jù)本發(fā)明的第一，二和七方面，一對引出鎢線由鎢或鎢合金形成。引出鎢線的表面用金屬涂敷。引出線的一邊端點分別與一U-形加熱電阻器的兩端相連，從而制造出一加熱器主體。為將引出線與加熱器主體相連，例如，將引出線的一邊端點插入一模具，并將用于形成一加熱電阻器的顆粒結(jié)構(gòu)材料注入模具并定形。將加熱器主體嵌入陶瓷粉末，如，Si3N4，Sialon或AlN中，并將包含嵌入加熱器主體的粉末壓模成一給定形狀。通過熱壓燒結(jié)這樣得到的壓模體。將所得的燒結(jié)體研磨或類似方法使引出線的其它端點暴露在所得的燒結(jié)體的表面上。因為引出鎢線的表面有金屬涂層，所以在熱壓燒結(jié)期間，可限制碳模中的碳、包含在有機粘合劑中的余留碳成分、和含有WC的陶瓷加熱器原材料中產(chǎn)生的自由碳進入引出線。因此，能減少形成于導線表面的W(鎢)反應層。結(jié)果，在實際使用中，可防止陶瓷加熱器降低加熱器的耐久壽命，增加阻抗、在陶瓷中產(chǎn)生裂紋和類似事情。作為一金屬涂層的金屬材料，銀，金，鉑，鈦和鉭特別有效。偶爾地，一反應器包含大量的C(碳)和V(釩)。可認為它們的其中之一是形成反應層的主要原因。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，被使用的加熱電阻器包含鎢元素，它或者是由鎢，鎢-錸合金等制成的金屬加熱材料或者是由WC粉末和一陶瓷粉末(如，Si3N4，Sialon或AlN)的混合物制成的非金屬加熱材料。因此，陶瓷加熱器兼有極好的發(fā)熱特性(在短時間內(nèi)變熱)和極好的壽命(經(jīng)得起重復使用)。根據(jù)本發(fā)明的第四和第八方面，用金屬涂敷導線表面的方法并無專門限制。金屬涂層可通過例如電鍍，化學涂敷，熱浸涂，熱噴涂，擴散涂敷或使用一涂敷材料等形成。該金屬涂層有效地限制在熱壓燒結(jié)期間來自碳模的碳或在有機粘合劑中余留的碳成分進入引出線。結(jié)果，減少了通過鎢反應形成于導線表面的反應層。根據(jù)本發(fā)明的第五和第九方面，如果金屬涂層的厚度小于1μm，那么在熱壓燒結(jié)期間涂層就不能限制碳進入引出線。這樣，該金屬涂層在防止不希望有的鎢反應層的形成時基本無效。10μm厚的金屬涂層是足夠最大限度地防止不希望有的鎢反應層的形成。因此，即使形成厚度超過10μm的-金屬涂層，這僅能導致成本增加。如上所述，反應層包含大量的V(釩)。這可當作產(chǎn)生反應層的一主要因素。因此，它對于尤其是含釩的陶瓷粉末且有很大的效果。根據(jù)本發(fā)明的第六方面，使用該陶瓷加熱器的熱線點火塞兼有極好的發(fā)熱特性(在一短時間內(nèi)變熱)和極好的耐久壽命(經(jīng)得起重復使用)。而且，該熱線點火塞在使用時極不易出現(xiàn)這樣的麻煩，如斷線或加熱器主體中的阻抗增加或陶瓷中經(jīng)產(chǎn)生紋。在附圖中，圖1為根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例的熱線點火塞的斷面圖；圖2為一放大斷面圖，說明熱線點火塞的重要部分；圖3為一解釋性圖，顯示顆粒結(jié)構(gòu)材料的注模；圖4為一說明制成的加熱器主體的圖；圖5A和5B為解釋性圖，顯示壓模體的模壓過程；圖6A和6B為解釋性圖，顯示陶瓷燒結(jié)體的熱壓模過程。下面將參見附圖詳細描述本發(fā)明。通過參考圖1至6，下面將解釋本發(fā)明的一實例。熱線點火塞A具有金屬包層1；圓柱形主金屬殼2，在其前端有一支撐部分21用于固定金屬包層1的后部11；裝入金屬包層1內(nèi)的陶瓷發(fā)熱元件3；插入園柱形主金屬殼2中的絕緣了的終端電極4。厚度為0.6mm的金屬包層1由一耐熱金屬制成，并用銀焊接材料將其后部11焊接到支撐部分21的內(nèi)壁211。由碳鋼形成的園柱形主金屬殼2，在其前端有向內(nèi)延伸的支撐部分21，在其后部還有一用于板緊的六角形部分22，在其中部有螺紋23用于將熱線點火塞旋緊到柴油發(fā)動機的燃燒室。由后面描述的工藝制造的陶瓷發(fā)熱元件3，它的引出線33和34和一U形加熱電阻器32埋入到主要由Si3N4組成的陶瓷31中。因為加熱電阻器埋入陶瓷31中，使加熱電阻器32的表面與陶瓷31的表面間的距離至少為0.3mm，因此即使加熱到高溫(800-1500℃)加熱電阻器32也可防止氧化，并可保持高機械強度。每個引出線33和34由0.3至0.4mm直徑的鎢線構(gòu)成，并在線表面由電鍍淀積有3μm厚的銀301(見圖4)。其中一邊的端點331和341分別與發(fā)熱電阻器32的端點321和322相連接，同時其另一邊的端點332和342分別于陶瓷31的中部和尾部暴露在陶瓷表面上。從減少不需要的鎢混合物層的形成和減少花費的效果出發(fā)，銀沉淀的厚度最好為1至10μm(3至8μm更好)。用作一對比的熱線點火塞的引出線，其每個引出線由在其表面無涂敷的一鎢線組成。引出線33的另一端點332通過一彈簧式外連接線51，然后經(jīng)由金屬包層1與園柱形主金屬殼2電相連。引出線34的另一端點342通過彈簧式外連接線52和53與終端電極4電相連。用一絕緣體61和一螺母62將具有一螺紋41的終端電極4固定到園柱形主金屬殼2上，這樣電極4即與金屬殼2絕緣。標號63表示一用于將一供電配件(沒表示出)固定到終端電極4的螺母。接著將描述制造陶瓷加熱元件3和制造用于一對比的熱線點火塞的一陶瓷加熱元件的方法。將鎢絲截成給定的長度并做成給定的形狀。將銀301以3μm厚度電鍍到這些切斷的鎢絲33和34上。在一對比的陶瓷加熱元件的切斷的鎢絲上不涂敷。首先，準備加熱電阻器的一原材料。加熱電阻器的原材料包括重量占58.4％的WC和重量占41.6％的絕緣陶瓷，絕緣陶瓷又包含重量占89份的Si3N4，重量占8份的Er2O3，重量占1份的V2O3，和重量占2份的WO3。加入懸浮劑和溶劑，并將混合物壓碎并干燥。然后，將一有機粘合劑加到混合物中制造成一顆粒結(jié)構(gòu)的材料3255。將這樣得到的顆粒結(jié)構(gòu)的材料3255注模從而將它與銀涂層引出線33和34(和無涂層引出線)的一邊端331和341相連接(見圖3)。這樣具有引出線33和34的一U形末燒結(jié)加熱電阻器32(和一對比熱線點火塞的一加熱電阻器)構(gòu)成的一加熱器主體成型了。(見圖4)。接著，準備陶瓷粉料。陶瓷粉料的原材料包含重量占3.5％的MoSi2和重量占96.5％的絕緣陶瓷，絕緣陶瓷又包含重量占89份的Si3N4，重量占8份的Er2O3，重量占1份的V2O3和重量占2份WO3。在這些成份中，首先，將懸浮試劑和水加入MoSi2，Er2O3，V2O3和WO3中，并將混合物壓碎。然后，將Si3N4加到混合物中，再將混合物壓碎。其后，將一有機粘合劑加入從而產(chǎn)生一顆粒結(jié)構(gòu)材料。接著，用陶瓷粉末制造一對半分模壓體3051，3052。將加熱器主體300(和對比的加熱器器主體)放到半分模壓體3051，并將半分模壓體3052放到其上從而形成一壓模體305(圖5A和5B)。將這樣得到的壓模體305放入一碳模80并在施加一200kg/cm2壓力的同時在氮氣環(huán)境中在1,750℃下進行熱壓，從而將一陶瓷燒結(jié)體306定型為具有半圓形前端的近似圓棒(圖6A和6B)。研磨該陶瓷燒結(jié)體306的外表面，使制成的燒結(jié)體具有一給定的圓柱形尺寸并同時在陶瓷31的表面上暴露出引出線33和34的另一端點332和342。這樣，完成了陶瓷加熱元件3(和一對比熱線點火塞的陶瓷加熱元件)。通過在陶瓷加熱元件3(和對比的加熱元件)的下述區(qū)域上烘培，形成玻璃層，這些區(qū)域包括元件3由一金屬包層1支撐的區(qū)域和元件3與外連接線51和52相連的周面(除去引出線33和34的暴露區(qū))。通過釬焊，陶瓷加熱元件3電連接到金屬層1和外連接線51和52。外連接線51同樣電連接到金屬包層1的尾端。將陶瓷加熱元件3的這種組件插入到一柱形主金屬殼2。用銀焊接材料將金屬包層1的后部11釬焊接到金屬包層2的支撐部分21的內(nèi)壁211。而且，用一絕緣體61和一螺母62將一終端電極4固定到主金屬包層2上。這樣，完成一熱線點火塞A(和一對比的熱線點火塞)。用上面描述的方法準備根據(jù)本發(fā)明的熱線點火塞的十個樣例，它們包含在其表面上具有一銀涂層(由電鍍淀積3μm)的引出鎢線，也準備對比的熱線點火塞B的十個樣例，它們包含無銀涂層的引也鎢線。在樣例受到10,000次循環(huán)載荷的情況下進行疲勞試驗，每次循環(huán)包括加1分鐘電流(陶瓷加熱元件的尖端的溫度，1,400℃)和停止電流1分鐘(冷卻到室溫)。表1和表2所示為疲勞試驗的結(jié)果。表1</tables>表2</tables>如表2所示，根據(jù)對比的熱線點火塞B，在從第1000次至9000次循環(huán)的期間，十個樣例中有六個引出線斷(接近陶瓷加熱元件的表面)。其中有兩個在陶瓷加熱元件中發(fā)現(xiàn)裂紋。雖然剩下的樣例沒有斷線，但通過試驗阻抗值增加了20至42mΩ(阻抗變化率+2.6％至。+5.4％)。相反，如表1所示，根據(jù)本發(fā)明的熱線點火塞，直到完成疲勞試驗也無一樣例引出線斷或裂開。經(jīng)受過疲勞試驗的十個樣例的阻抗值比最初的阻抗值高3至12mΩ(阻抗變化率+0.5％至+1.6％)。這說明銀涂層結(jié)構(gòu)在限制引出鎢線的反應中是有效的，從而得到一穩(wěn)定的阻抗值偶爾地，本實施例的包含WC的加熱電阻器原材料中，燒結(jié)后一部分WC可能變?yōu)閃2C。因此，銀涂層也可限制鎢引出線與碳的反應，該碳是在熱壓燒結(jié)時在陶瓷加熱制造過程中當WC變?yōu)閃2O時產(chǎn)生。除了上面描述的實施例外，本發(fā)明包括下述實施例。1)除了如上述實施例中所用的非金屬加熱元件(WC和Si3N4的混合物)外，加熱電阻器可以是一金屬加熱線圈(如，鎢—錸線或鎢線)。2)除了用于上述實施例中的引出線(純鎢線)外，引出線可以是鎢合金，如W-Si鎢-硅合金或W-Ni鎢-鎳合金。3)除了Si3N4外，陶瓷可以是(氮化鋁-氧化鋁-氧化硅)Sialon，AlN或此類物質(zhì)。4)除了電鍍處理外，形成于引出線表面的金屬涂層可能通過化學涂敷，熱浸涂，熱噴涂，蒸汽淀積，擴散涂敷，或用涂層材料等來處理。5)除了銀之外，金屬涂層材料可以是，例如，金，鉑，鈦，鉭或鎳。所有這些材料具有同樣的效果，它們都能限制由鎢或一鎢合金構(gòu)成的引出線阻抗發(fā)生變化，從而這些線能具有一恒定的阻抗值。權利要求1.一種陶瓷加熱器(3)，它由下述步驟制造用金屬涂敷一對引出線(33，34)；將由鎢制成的所說的一對引出線(33，34)的一邊端點(331，341)與一U-形加熱電阻器(32)的兩端相連，從而獲得一加熱器主體(300)；將所說的加熱器主體嵌入至少由Si3N4，Sialon和AlN的其中之一構(gòu)成的陶瓷粉末中；并且熱壓包含所說的嵌入加熱器主體(300)的所述粉末使所說的粉末燒結(jié)，從而獲得一燒結(jié)體(306)，其中所說的引出線(33，34)的另外端點(332，342)暴露在所說的燒結(jié)體(306)的表面上。2.根據(jù)權利要求1的陶瓷加熱器(3)，其特征是金屬涂層(301)由從銀，金，鉑，鈦，鉭和鎳中選出的一種金屬構(gòu)成。3.根據(jù)權利要求1或2的陶瓷加熱器(3)，其特征是加熱電阻器(32)是由鎢或鎢-錸合金構(gòu)成的金屬加熱材料，或者是由WC-粉末和陶瓷粉末的混合物構(gòu)成的非金屬加熱材料。4.根據(jù)權利要求1至3的任意一個的陶瓷加熱器(3)，其特征是在所說的導線表面上的所說的金屬涂層(301)由電鍍，化學涂敷，熱浸涂，熱噴涂，蒸汽淀積，擴散涂敷或使用一涂層材料形成。5.根據(jù)權利要求1至4的任意一個的陶瓷加熱器(3)，其特征是金屬涂層(301)具有1至10μm的厚度。6.根據(jù)權利要求5的陶瓷加熱器(3)，其特征是金屬涂層(301)具有3至8μm的厚度。7.根據(jù)權利要求1至6的任意一個的陶瓷加熱器(3)，它使用于安裝在柴油發(fā)動機上的熱線點火塞中。8.一種陶瓷加熱器(3)的制造方法，包括下列步驟將含鎢的一對引出鎢線(33，34)的一邊端點(331，341)，與一U-形加熱電阻器(32)的兩端相連，該引出鎢線(33，34)的表面由從銀，銅，鉑，鈦和鉭中選出的一種金屬(301)涂敷，從而得到一加熱器主體(300)；將所說的加熱器元件(300)嵌入由Si3N4，Sialon或AlN的其中之一構(gòu)成的陶瓷粉末中；熱壓包含嵌入加熱主體(300)的所說的粉末；燒結(jié)所說的粉末從而得到一燒結(jié)體(31)；并且將引出線(33，34)的其它端點(332，342)暴露在燒結(jié)體的表面上。9.根據(jù)權利要求7的一種方法，其特征是在導線表面上的所說的金屬涂層(301)由電鍍，化學涂敷，熱浸涂，熱噴涂，蒸汽淀積，擴散涂敷，或使用一涂敷材料形成。10.根據(jù)權利要求9或10的一種方法，其特征是金屬涂層(301)有1至10μm的厚度。11.根據(jù)權利要求10的一方法，其特征是金屬涂層(301)有3至8μm的厚度。全文摘要通過將具有金屬鍍層(301),例如銀,的引出鎢線(33,34)的一邊端點(331,341)與一U－形加熱電阻器(32)的端點(321,322)相連得到一加熱器主體(300),該主體被嵌入陶瓷粉末中。將包含嵌入加熱器主體(300)的粉末壓模成一給定形狀。然后通過熱壓燒結(jié),從而得到一陶瓷加熱元件(3),其中引出線的其它端點(332,342)暴露在所得的燒結(jié)體的表面。文檔編號H05B3/48GK1185564SQ9712622公開日1998年6月24日申請日期1997年11月19日優(yōu)先權日1996年11月19日發(fā)明者水野隆德,木全裕是申請人:日本特殊陶業(yè)株式會社