JPH0546674B2 - - Google Patents

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JPH0546674B2
JPH0546674B2 JP24049086A JP24049086A JPH0546674B2 JP H0546674 B2 JPH0546674 B2 JP H0546674B2 JP 24049086 A JP24049086 A JP 24049086A JP 24049086 A JP24049086 A JP 24049086A JP H0546674 B2 JPH0546674 B2 JP H0546674B2
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JP
Japan
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heater
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mosi
ceramic
molybdenum silicide
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JP24049086A
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Naoya Nunogaki
Tetsuo Toyama
Kazuhiro Inokuchi
Nobue Ito
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Denso Corp
Soken Inc
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Nippon Soken Inc
NipponDenso Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はセラミツクヒータ、特にデイーゼル機
関のグロープラグ等に有効に適用されるセラミツ
クヒータに関するものである。
〔従来技術〕
デイーゼル機関には低温時の始動用部品として
グロープラグが用いられており、機関の始動性向
上のために速熱性のグロープラグが要求されてい
る。発明者らはこの要求に応えるべく、電気絶縁
性のセラミツク部材の先端外周に、耐酸化性の導
電性セラミツクたる珪化モリブデン(MoSi2)と
低熱膨脹係数の絶縁性セラミツクたる窒化珪素
(Si3N4)の混合粉末を焼結してなるヒータを形
成し、ヒータが燃焼室の雰囲気内に露出するよう
に設置するグロープラグを開発した(特開昭60−
126484号)。このグロープラグではヒータが直接
に燃焼室内を加熱するので速熱性にすぐれてい
る。またヒータの構成要素たるMoSi2はヒータに
耐酸化性を与え、また低熱膨脹係数を有するSi3
N4はヒータに耐熱衝撃性を与える。
ところで、このヒータでは、ヒータ自体の耐熱
衝撃性は非常にすぐれているが、ヒータを支持す
る絶縁性セラミツク部材とそのまわりに形成した
ヒータの接合部では両者の膨脹係数、熱伝導率等
の諸特性の相異により熱応力が生じ、耐熱衝撃性
を低下させるという問題がある。
この問題の対策として発明者らは、ヒータを中
心部とこれを断面U字形に包む外周部とで構成
し、中心部および外周部をともに珪化モリブデン
(MoSi2)と窒化珪素(Si3N4)の混合物で、かつ
両成分の配合割合を両部とも同一とし、両部の比
抵抗を両成分の粒子径で調整して外周部のみ通電
されるようにしたセラミツクヒータを開発した
(特開昭60−254586号)。
しかしながら、このセラミツクヒータにおいて
も、窒化珪素およびアルミナ(Al2O2)よりなる
支持部材と、上記ヒータとを一体焼結すると両部
材の最適焼成条件が異るため、両部材のもつすぐ
れた特性が同時に得られない。
また、セラミツクヒータの支持部材は金属製造
のハウジング内に収納固定されるが、その固定手
段としては一般に支持部材表面にニツケルメツキ
層を形成し、このメツキ層を介して支持部材をハ
ウジングにロウ付けする手段がとられる。しかる
にSi3N4−Al2O3系焼結体ではニツケルメツキの
固着性が良好でなく、充分な接合強度が得られな
いという問題がある。
〔本発明が解決しようとする問題点〕
そこで本発明は、絶縁性セラミツク焼結体より
なる支持部材の先端外周に通電性のセラミツク焼
結体よりなるヒータを一体焼結にて形成したセラ
ミツクヒータにおいて、支持部材とヒータの結合
強度にすぐれ、かつ支持部材とヒータがそれぞれ
その特性を最大限に発揮し得るセラミツクヒータ
を提供し、もつて上記従来の問題点を解決するこ
とを目的とする。
また本発明は、支持部材とハウジングが強固に
結合されたセラミツクヒータを提供することを目
的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明のセラミツクヒータは、支持部材および
ヒータともにMoSi2とSi3N4よりなり、かつ両成
分の配合比は支持部材およびヒータともに同一と
してあり、支持部材とヒータは一体焼結せしめて
ある。MoSi3とSi3N4の配合重量割合は10〜40:
60〜90程度の範囲とする。
支持部材は、導電性のMoSi2粒子が絶縁性の
Si3N4粒子に囲まれて分断され、これにより電気
絶縁とした組織とし、ヒータはSi3N4粒子を
MoSi2粒子が包み、MoSi2粒子が連続する導電性
の組織とする。
支持部材において上記の組織を実現する手段と
しては、MoSi2とぬれ性の悪い、あるいは焼結時
に極めて粘度の低いガラス層をなす焼結助剤を添
加して焼結する。この結果、第2図にモデル的に
示すようにMoSi2粒子が凝集してSi3N4粒子で取
囲まれた焼結組織となる。焼結助剤としては例え
ばAl2O3、MgAl2O4、あるいはこれ等とともに
Y2O3が用いられ得る。
支持部材の焼結に用いるMoSi2とSi3N4の粉末
は平均粒子径が両成分ほぼ同一か、あるいは
MoSi2粉末の方を大きくする。
ヒータにおいては、Si3N4粉末はMoSi2粉末よ
りも平均粒子径が大きいものを用いる。MoSi2
末を充分に小さく、かつ多くすることにより、第
3図にモデル的に示すようにMoSi2粒子がSi3N4
粒子を取囲みMoSi2粒子が連続することにより導
電性が与えられた焼結組織となる。ヒータの比抵
抗はMoSi2、およびSi3N4の相対粒子径、量を調
整することで制御できる。Si3N4の平均粒子径は
MoSi2のそれの2倍程度ないしそれ以上とするこ
とが望ましい。
〔作用効果〕
このように本発明では支持部材とヒータとを実
質的に同一成分、同一組成としたので、これ等を
一体焼結するときは、支持部材およびヒータ共通
の最適条件で焼結することで両者とも最適の特性
が得られ、かつ両者は強固に一体結合される。ま
た結合部で両者の熱膨脹係数差によるヒビ割れが
発生することはない。
更に、支持部材はMoSi2の存在によりニツケル
メツキとの固着性が向上し、金属ハウジングとの
結合力が良好となる。
〔実施例 1〕 以下、本発明の詳細をグロープラグに適用した
下記の実施例および実験例により説明する。
(1) 第1図に示すように断面四角形の棒状支持部
材2の先端に形成した板状突出部21にはこれ
を包む断面U字形のヒータ1が形成してある。
支持部材2には先端がヒータ1に接続するタン
グステンの通電線3a,3bが埋設してある。
支持部材2の外周には金属パイプ4を取付け、
該パイプ4に筒状の金属ハウジング5の一端が
接合してある。通電線3aの後端は支持部材2
の基端まで延びて基端に嵌着した金属キヤツプ
6に接続し、キヤツプ6およびニツケル線7を
介して図示しない電源に接続してある。通電線
3bの後端は金属スリーブに接続してある。
ヒータ1と支持部材2はいずれもMoSi230%
(重量%を示す、以下同じ)およびSi3N470%
の混合粉末にY2O3、Al2O3をMoSi2とSi3N4
総量に対して各々7%、3%添加した混合物の
焼結体であつて、支持部材2とヒータ1は一体
焼結せしめてある。
上記MoSi2粉末の平均粒径は支持部材2およ
びヒータ1ともに0.9μmで、Si3N4粉末の平均
粒径は支持部材2においては0.6μm、ヒータ1
においては13μmである。
支持部材2とパイプ4とは支持部材2の表面
にニツケルメツキを施した後、ロウ付けを行な
うことにより結合せしめてある。またパイプ4
とハウジング5はロウ付けにより結合せしめて
ある。
上記構造の本発明のグロープラグにおいて、
支持部材2とヒータ1を1560℃〜1760℃、500
Kg/mm2にてアルゴン1気圧下でホツトプレスに
より一体焼結したものについてヒータ1および
その結合部の耐熱衝撃性能と、支持部材2およ
びパイプ4の接合強度に関するテストを行なつ
た。
また比較材として、支持部材2を50%Si3N4
−50%Al2O3とし、他は本発明と同一構造とし
たもの(比較例1)、および支持部材2を50%
MoSi2−50%Al2O3とし、かつヒータ1を第1
図における突出部21に対応する中心部分とこ
れを包む部分とで構成するとともに両部分をと
もに共通の配合割合のMoSi2とSi3N4よりなる
焼結体とするとともに成分の粒径操作により中
心部分を絶縁に近い状態とし、このヒータを上
記Al2O3を含む支持部材と一体焼結せしめ、他
は本発明と同一構造としたもの(比較例2、実
開昭60−254586号)についても同様のテストを
行なつた。
耐熱衝撃性能はスポーリング試験、即ちグロ
ープラグに電圧を印加して所定の温度に飽和発
熱させた後、20℃の水中にパイプ4から突出す
る先端部を浸漬し、表面に発生するクラツクの
有無を調査することにより評価した。また接合
強度は、ヒータ1の先端をパイプ4方向に加圧
し、ヒータ1がパイプ4中へ陥没するに至る限
界点をもつて評価した。結果を第1表および第
2表に示す。第1表において×印はクラツクの
発生を示す。
第1表より知られるように、本発明ではヒー
タとその支持部材を同一材料で構成したので、
両者間の熱膨脹率、熱伝導率の差から生じる熱
応力を著しく低減でき、従つて耐熱衝撃性は大
きく向上する。また、第2表より知られるよう
に、支持部材中にMoSi2が分散しているので支
持部材へのニツケルメツキの固着性が向上し、
従つて支持部材とこれを含む金属パイプとの接
合強度が著しく向上する。
(2) 支持部材として用いるSi3N4−MoSi2焼結体
の絶縁性を調べるため次の実験を行なつた。
平均粒径が種々異なるSi3N470%、MoSi230
%の混合粉末に焼結助剤をその添加量に変化さ
せて加え、ホツトプレス焼成した。
即ち、Si3N4とMoSi2を上記割合に配合した
混合粉末をエタノール等の溶媒とともに混合、
攪拌した後、可塑剤たるジ−ブチル−フタレー
トを結合剤たるポリ−ビニル−ブチラール(重
合度1000)を添加し、更に混練を行ない、粘度
3×104〜10×104poiseのスラリーを調整し、
ドクターブレード法にて乾燥後の厚さが0.7mm
となるセラミツク・グリーンシートを作成し
た。このシートの複数枚を積層し約120℃でラ
ミネートした後、Ar中1700℃、30分保持、圧
力500Kgf/cm2の条件下でホツトプレス焼成を
行ない、セラミツク焼結体を得た。
得られたセラミツク焼結体につき、比抵抗を
測定した。結果を第3表に示す。
表より知られるようにSi3N4とMoSi2の粒径
操作により比抵抗の制御は可能であるが、支持
部材として必要な絶縁化は粒径操作では不充分
である。
支持部材としては比抵抗105、好ましくは107
Ω・cmないしそれ以上が必要であり、このよう
な絶縁化はAl2O3を3%ないしそれ以上、また
MgAl2O4を2%ないしそれ以上添加すること
により可能となることがわかる。
なお、焼結助剤としては上記のものに限ら
ず、MoSi2とぬれ性が悪く、Si3N4とはぬれ性
のよいものが用いられ得る。
(3) ヒータおよび支持部材をともにSi3N4
MoSi2焼結体として一体焼結する本発明のセラ
ミツクヒータにおけるMoSi2−Si3N4焼結体と、
ヒータをMoSi2−Si3N4焼結体とし支持部材を
Si3N4−Al2O3焼結体として一体焼結する従来
のセラミツクヒータにおけるSi3N4−Al2O3
結体(比較材)の、焼成条件と焼結体の特性に
ついてテストした。結果を第4表に示す。
表より知られるように、50%Si3N4−50%
Al2O3焼結体の強度は1600℃以上の焼成にて急
速に低下する。この強度低下は、3Si3N4
2Al2O3→2Si4Al2O2N6+SiO3なる反応になり
Si3N4とAl2O3の固溶反応が進行し、剩余成分
たるSiO2が粒界層に析出することに起因する
ことが判明した。従つてこの焼結体を支持部材
として用いて必要な強度を得るためには1600℃
以下で焼成すべきである。
一方、Si3N4−MoSi2焼結体においては、そ
の難焼結性によりホツトプレスによつても1640
℃以上、好ましくは1680℃以上での焼成が必要
である。
従つて従来のセラミツクヒータにおいて、
Si3N4−Al2O3の支持部材とSi3N4−MoSi2ヒー
タとを一体焼結して同時に両者のすぐれた特性
を発揮せしめることは極めて困難である。
これに対し、支持部材およびヒータともに
Si3N4−MoSi2よりなり、かつ同一組成とした
本発明のセラミツクヒータでは、一体焼結によ
つて支持部材およびヒータともにすぐれた特性
を最大限に発揮させることができるのである。
以上説明したように本発明によれば、支持部材
およびヒータを一体焼結して、それぞれにすぐれ
た特性を発揮させることができる。また、熱膨脹
率等の支持部材およびヒータのマクロ的諸物性値
を合致せしめることができるから、冷熱が繰返さ
れても熱応力によるクラツクが発生することな
く、すぐれた耐熱衝撃性が得られるのである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のセラミツクヒータを備えたグ
ロープラグの縦断面図、第2図は上記セラミツク
ヒータにおける支持部材の組織をモデル的に示す
図、第3図は上記セラミツクヒータにおけるヒー
タ部の組織をモデル的に示す図である。 1……ヒータ、2……支持部材、4……金属パ
イプ、5……金属ハウジング。
【表】
【表】
【表】
【表】

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 電気絶縁性のセラミツク焼結体よりなる支持
    部材と、支持部材の先端外周に形成した導電性の
    セラミツク焼結体よりなるヒータと、ヒータに通
    電する通電手段と、支持部材を収納保持するハウ
    ジングを備え、支持部材とヒータは配合割合を共
    通とした珪化モリブデンと窒化珪素の混合粉末の
    焼結体であつて両者は一体焼結せしめてあり、支
    持部材は珪化モリブデン粒子がこれを包む窒化珪
    素粒子により互に分断された組織を有し、ヒータ
    は窒化珪素粒子を包む珪化モリブデン粒子が互に
    連続する組織を有するセラミツクヒータ。 2 上記支持部材およびヒータにおける珪化モリ
    ブデンと窒化珪素の重量比はいずれも10〜40:90
    〜60である特許請求の範囲第1項記載のセラミツ
    クヒータ。 3 上記ヒータにおける窒化珪素の平均粒子径が
    上記珪化モリブデンのそれよりも大である特許請
    求の範囲第1項記載のセラミツクヒータ。 4 上記支持部材はその表面に施したニツケルメ
    ツキを介してハウジングにロウ着せしめられた特
    許請求の範囲第1項記載のセラミツクヒータ。
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