DE19808919C2 - Keramischer Glühkerzenheizkörper - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft einen keramischen Heizkörper, und genauer einen keramischen Heizkörper, der zur Verwendung in einer Dieselmotorglühkerze geeignet ist.

Die Beschränkungen von Dieselmotoremissionen, die in zunehmendem Maße strenger werden, können durch Erhöhung der Temperatur der Motorglühkerze leichter erfüllt werden, wodurch die Kaltstartcharakteristiken des Motors signifikant verbessert werden, und die Erzeugung von Abgasen, wie beispielsweise weißem Rauch, reduziert wird. Keramische Heizkörper, die durch Einbettung eines Heizelements, das aus einem feuerfesten Metall (typischerweise einem Wolframdraht) besteht, in einen Körper aus einer gesinterten, auf Silicium basierenden Keramik (typischerweise Siliciumnitrid) gebildet werden, werden üblicherweise in Glühkerzen verwendet. Die so gebildeten abnutzungsfesten Keramikheizkörper sind sowohl gegenüber Korrosion als auch thermischem Schock in Hochtemperaturumgebungen (die maximale Temperatur an der Oberfläche eines keramischen Glühkerzenheizkörpers in einem typischen Dieselmotor ist ungefähr 900°C) beständig.

Ein keramischer Heizkörper mit zwei Heizelementen, die sich im Hinblick auf die Materialart unterscheiden, ist aus DE 42 03 183 C2 bekannt. Das erste Heizelement besteht aus widerstandsfähigem SiAlON, während das zweite Heizelement aus Wolframdraht besteht.

Wenn ein solcher keramischer Heizkörper während der Herstellung bei Temperaturen von 1600 ∼ 1800°C gesintert oder während des Betriebes Oberflächentemperaturen von mehr als 1300°C (wie dies bei einem Treibstoffeinspritz-Dieselmotor der Fall wäre) ausgesetzt werden soll, so würden die Betriebseigenschaften des keramischen Heizkörpers aufgrund chemischer Reaktion zwischen dem Silicium des Siliciumnitridkörpers und dem Wolfram des Heizdrahtes verschlechtert werden. Das durch Bildung von Wolframsilicid (WSi₂) an der Grenzfläche von Draht und Körper verbrauchte Wolfram würde die Querschnittsfläche des Drahtes lokal verringern. Die lokale Abnahme der Fläche des Heizelementes würde wiederum zu einer lokalen Erhöhung des Widerstands führen, und die resultierende lokale Überheizung würde einen vorzeitigen Bruch des Wolframheizelements hervorrufen. Herkömmliche keramische Heizkörper werden daher nicht bei Temperaturen weit oberhalb von 900°C verwendet.

Dementsprechend richtet sich die vorliegende Erfindung auf einen keramischen Heizkörper, der zur Verwendung in einer Dieselmotorglühkerze geeignet ist, die eine(n) oder mehrere der Beschränkungen und Probleme der im Stand der Technik offenbarten keramischen Glühkerzenheizkörper weitestgehend vermeidet. Aufgabe der Erfindung ist es daher einen keramischen Heizkörper bereitzustellen, der eine erwartete Lebensdauer aufweist, die signifikant größer ist als die Lebensdauer der im Stand der Technik offenbarten keramischen Heizkörper, insbesondere, wenn die Glühkerze Temperaturen von mehr als 1300°C ausgesetzt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße keramische Heizkörper schließt folgendes ein: Ein Widerstandsheizelement aus einem feuerfesten Metall, vorzugsweise einem Draht, der im wesentlichen aus Wolfram (W), Molybdän (Mo) oder einer Legierung aus Wolfram und Molybdän besteht; eine Beschichtung auf dem Heizelement, die als Diffusionsbarriere für Silicium dient, vorzugsweise eine gleichförmige Schicht aus Titannitrid (TiN); und einen Sinterkörper aus Siliciumnitrid (Si₃N₄), Siliciumcarbid (SiC) oder einem Verbundwerkstoff aus Siliciumnitrid und Siliciumcarbid, in den das beschichtete Heizelement eingebettet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ist ein Elektronenmikrofotograf eines Querschnitts der Titannitridbeschichtung auf einem Wolframdraht gemäß einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des keramischen Heizkörpers.

Fig. 2 ist ein Elektronenmikrofotograf der Grenzflächen zwischen dem Wolframdraht, der Titannitrid- Diffusionsbarriere und dem Siliciumnitridkörper in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des keramischen Heizkörpers.

Fig. 3a ist ein Elektronenmikrofotograf eines Querschnitts eines herkömmlichen keramischen Heizkörpers, der das Wolframsilicid und das gebildete geschmolzene Wolfram nach 100 Wiederholungen eines 3-Minuten-Heiz-/3-Minuten- Kühlzyklus' zeigt.

Fig. 3b ist ein Elektronenmikrofotograf eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen keramischen Heizkörpers nach 100 Wiederholungen eines 3-Minuten-Heiz-/3-Minuten- Kühlzyklus'.

Wie oben kurz beschrieben, umfaßt der erfindungsgemäße keramische Heizkörper:
Ein Heizelement aus einem feuerfesten Metall, vorzugsweise einen Draht, der im wesentlichen aus Wolfram (W), Molybdän (Mo), oder einer Legierung aus Wolfram und Molybdän besteht;
eine Titannitrid(TiN)-Beschichtung auf dem Heizelement, die als Diffusionsbarriere für Silicium dient und ein beschichtetes Heizelement definiert; und
einen Sinterkörper, der vorzugsweise im wesentlichen aus Siliciumnitrid (Si₃N₄), Siliciumcarbid (SiC) oder einem Verbundwerkstoff aus Siliciumnitrid und Siliciumcarbid besteht, in den das beschichtete Heizelement eingebettet ist.

Die Titannitrid(TiN)-Schicht der vorliegenden Erfindung dient als Diffusionsbarriere für Silicium (Si) von dem Körper des Heizkörpers in das Wolfram(W)-Heizelement und inhibiert auf diese Weise die Bildung von WSi₂ an der Grenzfläche zwischen dem Körper und dem Heizelement durch chemische Reaktion von Silicium. Die Titannitrid-Diffusionsbarriere führt zu einer signifikanten Erhöhung des anwendbaren Temperaturbereichs und der erwarteten Lebensdauer des keramischen Heizkörpers, und ihre Bedeutung nimmt mit steigender Temperatur zu, da sowohl die Diffusionsfähigkeit von Silicium (durch den Keramikkörper des Heizkörpers) als auch die Reaktionsgeschwindigkeit von Silicium und Wolfram (an der Grenzfläche zwischen Körper und Heizelement) mit zunehmender Temperatur ansteigt. Die erfindungsgemäße Titannitridschicht ist daher eine effektive Barriere gegen die Diffusion von Silicium aus entweder Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid in Wolfram, insbesondere bei hohen Temperaturen.

Titannitrid ist auch sowohl elektrisch wie auch thermisch mit Wolfram kompatibel. Titannitrid ist ein Leiter, dessen Volumenwiderstand (2,2 × 10^-5 Ω.cm) und thermische Leitfähigkeit (19 Wm^-1K^-1) den entsprechenden Werten von Metallen ähnlich ist. Da ferner der thermische Ausdehnungskoeffizient von Titannitrid (9 × 10^-6/°C) nicht stark von demjenigen von Siliciumnitrid (3 × 10^-6/°C) oder Wolfram (3 × 10^-6/°C) abweicht, erzeugt die unterschiedliche thermische Expansion der Komponenten des erfindungsgemäßen keramischen Heizkörpers minimale Spannungen.

Eine gleichförmige Titannitridschicht hoher Qualität kann in einfacher Weise auf einem Wolframheizelement nach einer beliebigen Technik aus einer Reihe von wohlbekannten Techniken hergestellt werden, wie beispielsweise der chemischen Gasphasenabscheidung, der physikalischen Gasphasenabscheidung oder der Plasmabeschichtung. Wie Fig. 1, ein Mikrofotograf eines Wolframdrahts, der mit einer 2-10 µm dicken Titannitridschicht plasmabeschichtet wurde, zeigt, verbinden sich Wolfram und Titannitrid gut und leicht - die Grenzfläche zwischen dem Draht und der Schicht ist frei von Rissen.

Ein vollständiger keramischer Heizkörper mit hervorstehenden Positiv(+)- und Negativ(-)-Enden, der zur Anwendung in einer Dieselmotorglühkerze geeignet ist, kann dann durch Einbettung eines mit Titannitrid beschichteten Wolframdrahts in ein Pulver, das aus Siliciumnitrid, Siliciumcarbid oder einer Mischung aus diesen besteht, und anschließender Sinterung dieser Struktur unter Druck in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 1600 ~ 1800°C hergestellt werden. Wie Fig. 2, eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung, die nach dem im vorhergehenden Absatz beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, zeigt, bildet die Titannitridschicht eine stabile Diffusionsbarriere zwischen dem Wolfram und dem Siliciumnitrid, und weder die W/TiN-Grenzfläche noch die TiN/Si₃N₄-Grenzfläche zeigt Risse im Mikrometer-Maßstab.

Im Gegensatz hierzu zeigen die Elektronenmikrografen der Fig. 3 einen dramatischen Nachweis der Effizienz einer Titannitridbeschichtung als Silicium-Diffusionsbarriere auf dem Wolframheizelement eines keramischen Siliciumnitridheizkörpers. An den Enden des Wolframheizelements von zwei keramischen Heizkörpern, einem mit Titannitridbeschichtung auf dem Wolframheizelement und einem ohne solche Beschichtung, wurde für drei Minuten eine Spannung von 9 V angelegt. Die. Ohm'sche Aufheizung war ausreichend zur Erhöhung der Oberflächentemperatur jedes Heizkörpers innerhalb der drei Minuten auf 140°C. Dann wurden die Heizkörper durch natürliche Konvektion drei Minuten lang abgekühlt. Dieser sechsminütige Heiz-Kühlzyklus wurde 100mal wiederholt.

Fig. 3a ist ein Elektronenmikrograf eines Querschnitts eines herkömmlichen keramischen Heizkörpers (ohne die Titannitrid-Diffusionsbarriere): Wolframsilicid und geschmolzenes Wolfram sind beide klar sichtbar. Im Gegensatz dazu ist nichts davon in Fig. 3 zu sehen, einem Elektronenmikrograf eines Querschnitts eines keramischen Siliciumnitridheizkörpers gemäß einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung.

Erfindungsgemäß kann ein zur Verwendung in diesen Motorglühkerzen geeigneter keramischer Heizkörper durch Einbettung eines Wolfram-Widerstandsheizelements, das mit einer Titannitrid-Siliciumdiffusionsbarriere beschichtet ist, in einen gesinterten Keramikkörper, der aus einem auf Silicium basierenden Material besteht, hergestellt werden. Der so gebildete keramische Heizkörper kann bei Temperaturen oberhalb von 1300°C verwendet werden, wodurch die Möglichkeit eröffnet wird, verbesserte Kaltstartcharakteristiken und verringerte Emissionen zu erzielen. Die erwartete Lebensdauer des erfindungsgemäßen keramischen Heizkörpers ist ebenfalls signifikant höher als diejenige von keramischen Heizkörpern aus dem Stand der Technik.

Claims (6)

1. Keramischer Heizkörper mit einem beschichteten Heizelement, wobei die Beschichtung als Diffusionsbarriere für Silicium dient, und mit einem aus einer auf Silicium basierenden Keramik bestehenden Sinterkörper, wobei das beschichtete Heizelement in den Sinterkörper eingebettet ist.

2. Keramischer Heizkörper gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus Titannitrid besteht.

3. Keramischer Heizkörper gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement im wesentlichen aus einem feuerfesten Metall oder einer Legierung aus feuerfesten Metallen besteht.

4. Keramischer Heizkörper gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement ein Wolframdraht ist.

5. Keramischer Heizkörper gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Silicium basierende Keramik ausgewählt ist aus Siliciumnitrid, Siliciumcarbid und einem Verbundwerkstoff aus Siliciumnitrid und Siliciumcarbid.

6. Verwendung des keramischen Heizkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einer Dieselmotorglühkerze.