DE60200449T2

DE60200449T2 - Siliziumnitrid - Wolframkarbid gesinterter Verbundwerkstoff, Verfahren zu seiner Herstellung und diesen enthaltende Glühkerze

Info

Publication number: DE60200449T2
Application number: DE60200449T
Authority: DE
Inventors: Hiroki Nagoya-shi Watanabe; Katsura Nagoya-shi Matsubara; Masaya Nagoya-shi Ito
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2001-01-17
Filing date: 2002-01-17
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2022-01-18
Also published as: EP1225159A2; US20020148823A1; DE60200449D1; JP4808852B2; EP1225159B1; US6563089B2; JP2002220285A; EP1225159A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein gesintertes Siliciumnitrid-Wolframcarbidverbundmaterial und ein Verfahren zum Herstellen des gesinterten Materials; und insbesondere ein gesintertes Siliciumnitrid-Wolframcarbidverbundmaterial, das ausgewogene Eigenschaften hinsichtlich spezifischem Widerstand und thermischem Expansionskoeffizient aufweist, während der spezifische Widerstand auf einem niedrigen Niveau gehalten wird, und ein Verfahren zum Herstellen des gesinterten Materials. Das gesinterte Siliciumnitrid-Wolframcarbidverbundmaterial der vorliegenden Erfindung wird zum Beispiel als Material für einen Glühkörper von einer Glühkerze verwendet.
Üblicherweise wird ein gesintertes Siliciumnitrid-Wolframcarbidverbundmaterial zum Beispiel als ein Material für einen Glühkörper von einer Glühkerze verwendet, da ein elektrischer Widerstand des gesinterten Materials leicht beherrscht werden kann. Um die gewünschten Eigenschaften durch Steuern des elektrischen Widerstands zu erzielen, wie zum Beispiel in der offengelegten japanischen Patentanmeldung (kokai) Nr. 8-64346 offenbart, werden die Menge des zugesetzten Wolframcarbids, welches als leitende Substanz dient, in einem gesinterten Material, und die Menge des zugesetzten Siliciumnitrids, welches als isolierende Substanz dient, in dem gesinterten Material eingestellt.
Die US-A-5 178 647 offenbart ein verschleißresistentes Element umfassend einen Körper, der aus einem gesinterten Wolframcarbid-Siliciumnitridmatrial hergestellt ist. Es ist ein Mischungsbereich des Sinters für verbesserte Härte, Verschleißresistenz und Biegefestigkeit offenbart.
Die US-A-0 834 652 offenbart eine Anzahl von gesinterten Siliciumnitrid basierten Materialien zur Verwendung als das Material für einen Glühkerzenglühkörper. Quantitative Mischungsbereiche zum Erzielen verbesserter thermischer und elektrischer Eigenschaften für ein Molybdändisilicid-Siliciumnitridsinter sind auf der Basis des Gewichtsverhältnisses von Molybdändisilicid zu Siliciumnitrid offenbart.
Ein Heizelement einer Glühkerze weist eine Struktur auf, die einen Glühkörper, welcher aus einem gesinterten Siliciumnitrid-Wolframcarbidverbundmaterial hergestellt ist, einen keramischen Siliciumnitridträgerabschnitt zum Aufnehmen des Glühkörpers darin, und einen Leitungsdrahtabschnitt, der aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt hergestellt ist, umfasst. Ein wichtiger Faktor für die Gestaltung dieser Elementstruktur ist es, einen thermischen Ex thermischen Expansionskoeffizienten zwischen den Materialien des Glühkörpers, des Trägers und des Leitungsdrahts im Gleichgewicht zu halten. Ein großes Missverhältnis zwischen den thermischen Expansionskoeffizienten der Materialien führt zu Problemen, einschließlich einer Erzeugung von Rissbildung während des Brennens, Herabsetzung der Festigkeit des sich daraus ergebenden gesinterten Elements, und Verschlechterung der Haltbarkeit des Elements unter Anwendung von Elektrizität. Deshalb ist ein Einstellen des thermischen Expansionskoeffizienten des Materials von dem Glühkörper auch wichtig.
Der thermische Expansionskoeffizient des Materials des Glühkörpers wird stark durch die Mengenbeimischung von leitendem Wolframcarbid beeinflusst. Deshalb werden, abhängig von der Mengenbeimischung von Wolframcarbid, der thermische Expansionskoeffizient und spezifischer Widerstand des Materials im Wesentlichen eindeutig festgelegt. Jedoch muss, um die Energieaufnahme des Glühkörpers zu vermindern, der spezifische Widerstand für einen gegebenen thermischen Expansionskoeffizienten reduziert werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gesintertes Siliciumnitrid-Wolframcarbidverbundmaterial bereitzustellen, das ausgewogene Eigenschaften hinsichtlich spezifischem Widerstand und thermischem Expansionskoeffizient aufweist, während der spezifische Widerstand auf einem niedrigen Niveau gehalten wird; und ein Verfahren zum Herstellen des gesinterten Materials.
Mit Blick auf die vorstehenden Ausführungen haben die hier tätigen Erfinder umfangreiche Studien über ein gesintertes Siliciumnitrid-Wolframcarbidverbundmaterial durchgeführt, das ausgewogene Eigenschaften hinsichtlich spezifischem Widerstand und thermischem Expansionskoeffizienten aufweist, während der spezifische Widerstand auf einem niedrigen Niveau gehalten wird, als auch über ein Verfahren zum Herstellen des gesinterten Materials; und haben die vorliegende Erfindung auf der Basis von den Studien gemacht.
Die vorliegende Erfindung stellt ein gesintertes Siliciumnitrid-Wolframcarbidverbundmaterial umfassend Siliciumnitrid und Wolframcarbid bereit, dadurch gekennzeichnet, dass in einem willkürlichen Querschnitt des gesinterten Materials das Verhältnis der Fläche eines Wolframcarbidanteils zu dem Gesamtquerschnitt 20 bis 30 % beträgt, und dass ein Wolframcarbidaggregationsbereich mit einer longitudinalen Länge von mindestens 5 μm in dem willkürlichen Querschnitt vorliegt.
Das in das gesinterte Siliciumnitrid-Wolframcarbidverbundmaterial der vorliegenden Erfindung beigemischte Siliciumnitrid unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, und das Siliciumnitrid kann zwei oder mehr Kornarten von verschiedenen Größen aufweisen. Beträgt die Gesamtmenge von Siliciumnitrid und Wolframcarbid 100 Massen-%, ist die Mengenbeimischung von Siliciumnitrid vorzugsweise 33 – 38 Massen-%. Ist die Menge von Siliciumnitrid kleiner als 33 Massen-%, wird die Menge von Wolframcarbid groß, was zu einem Ansteigen des thermischen Expansionskoeffizienten führt, während dann, wenn die Menge von Siliciumnitrid 38 Massen-% übersteigt, der spezifische Widerstand von dem gesinterten Verbundmaterial ansteigt, was nicht gewünscht ist.
Das gesinterte Siliciumnitrid-Wolframcarbidverbundmaterial der vorliegenden Erfindung kann ein Oxid von einem Seltenerdeelement enthalten. Das "Seltenerdeelement", welches das Oxid bildet, besteht aus einem oder mehreren Elementen, die aus zum Beispiel Y, Sc, La, Ce, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Er und Yb ausgewählt werden.
Zwischenkornbereiche des gesinterten Siliciumnitrid-Wolframcarbidverbundmaterials der vorliegenden Erfindung können eine kristalline Phase zusätzlich zu einer amorphen Phase von zum Beispiel Seltenerdeelementen, Silicium, Sauerstoff und/oder Stickstoff enthalten. Wenn solch eine kristalline Phase in Zwischenkornbereichen vorliegt, wird das Weichwerden einer Kornrandphase bei hohen Temperaturen verhindert, und mechanische Eigenschaften des gesinterten Materials bei hoher Temperatur können verbessert werden. Beispiele der kristallinen Phase umfassen RE₂Si₂O₇ und RE₂SiO₅ (RE = Seltenerdeelement; rare earth element). Die kristalline Phase kann eines oder mehrere solcher Gattungen enthalten.
In einem willkürlichen Querschnitt des vorstehend erwähnten gesinterten Verbundmaterials wird das Verhältnis der Fläche eines Wolframcarbidanteils zu dem Gesamtquerschnitt wie nachstehend beschrieben erhalten. Insbesondere wird das gesinterte Verbundmaterial entlang einer Heizpressrichtung so geschnitten, dass ein willkürlicher Querschnitt entsteht (i.e. ein zu beobachtender Querschnitt), und der Querschnitt wird zum Beispiel einem Oberflächenschleifen und Hochglanzpolieren unterzogen. Ein bestimmter Bereich des sich ergebenden Querschnitts wird bei einer Vergrößerung von 2000 betrachtet und das Verhältnis der Fläche eines Bereichs, in welchem eine W Erfassungsempfindlichkeit hoch ist, zu der Fläche der Gesamtheit des beobachteten Bereichs wird unter Verwendung von einer Castaingschen Mikrosonde berechnet.
Das Flächenverhältnis des Wolframcarbidanteils beträgt vorzugsweise 25 bis 28 %. Ist das Flächenverhältnis kleiner als 20 %, wächst der spezifische Widerstand, während dann, wenn das Flächenverhältnis 30 % überschreitet, der spezifische Widerstand abnimmt, was nicht gewünscht ist.
Die longitudinale Länge eines Wolframcarbidaggregationsabschnitts in dem vorstehend erwähnten willkürlichen Querschnitt wird durch Messen der longitudinalen Länge eines Abschnitts erhalten, in welchem Wolframcarbidkörner miteinander verbunden sind, auf der Basis des Elektronenreflexionsbilds des Querschnitts, wie es durch Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops aufgenommen wurde.
Die vorstehend erwähnte longitudinale Länge beträgt vorzugsweise 8 μm oder mehr. Wenn die Länge geringer als 5 μm ist, wächst der spezifische Widerstand, was nicht erwünscht ist.
Das gesinterte Siliciumnitrid-Wolframcarbidverbundmaterial der vorliegenden Erfindung weist einen spezifischen Widerstand von 10.000 μΩ·cm oder weniger auf, vorzugsweise 8.000 μΩ·cm oder weniger, besonders bevorzugt 6.000 μΩ·cm oder weniger und hat einen thermischen Expansionskoeffizient von 3,6 – 4,2 ppm/°C, bevorzugt 3,7 – 4,2 ppm/°C, besonders bevorzugt 3,7 – 4,1 ppm/°C, zwischen Raumtemperatur und 1.000°C.
Überschreitet der vorstehend erwähnte spezifische Widerstand 10.000 μΩ·cm, verringert sich die Leitfähigkeit und eine zur Wärmeerzeugung erforderliche Spannung steigt an, was nicht erwünscht ist. Ist der vorstehend erwähnte thermische Expansionskoeffizient kleiner als 3,6 ppm/°C, wird die Differenz zwischen dem thermischen Expansionskoeffizient des gesinterten Materials und dem eines aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt (4,8 ppm/°C) hergestellten Leitungsdrahts groß, während dann, wenn der thermische Expansionskoeffizient 4,2 ppm/°C überschreitet, die Differenz zwischen dem thermischen Expansionskoeffizienten des gesinterten Materials und dem einer Isolierkeramik (3,6 – 3,8 ppm/°C) groß wird, was zur Erzeugung von Rissbildung in einem Heizelement und einer Verschlechterung der Haltbarkeit des Elements unter Anwendung von Elektrizität führt, was nicht erwünscht ist.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Herstellen eines gesinterten Siliciumnitrid-Wolframcarbidverbundmaterials zur Verfügung, umfassend das Brennen eines Rohmaterialpulvers, das Wolframcarbidpulver und zwei Siliciumnitridpulver mit unterschiedli unterschiedlichen Partikelgrößen enthält. Das vorstehend erwähnte Siliciumnitridpulver kann ein Pulver (A) mit einer Partikelgröße von bevorzugt kleiner als 0,7 μm, besonders bevorzugt 0,3 – 0,7 μm, weiter bevorzugt 0,4 – 0,6 μm, und Pulver (B) mit einer Partikelgröße von bevorzugt wenigstens 0,7 μm, besonders bevorzugt 0,7 – 1,5 μm, insbesondere bevorzugt 0,8 – 1,2 μm enthalten.
Das Beimischungsverhältnis dieser Pulver unterliegt keinen besonderen Einschränkungen. Jedoch ist, wenn die Gesamtmenge von Pulver (A) und Pulver (B) 100 Massen-% beträgt, die Menge von Pulver (A) bevorzugt 40 – 70 Massen-%, besonders bevorzugt 50 – 65 Massen-%, insbesondere bevorzugt 52,6 – 60,6 Massen-%, und die Menge von Pulver (B) bevorzugt 30 – 60 Massen-%, besonders bevorzugt 35 – 50 Massen-%, insbesondere bevorzugt 39,4 – 47,4 Massen-%. Wenn die Menge von Pulver (A) kleiner als 40 Massen-% ist und die Menge von Pulver (B) 60 Massen-% übersteigt, wird die Sinterbarkeit verringert, während dann, wenn die Menge von Pulver (A) 70 Massen-% übersteigt und die Menge von Pulver (B) kleiner als 30 Massen-% ist, der spezifische Widerstand eines gesinterten Verbundmaterials ansteigt, was nicht erwünscht ist.
Der spezifische Widerstand eines gesinterten Verbundmaterials wird durch das Mischungsverhältnis von Wolframcarbid bestimmt, welches eine leitfähige Substanz darstellt, und Siliciumnitrid, welches eine isolierende Substanz ist. Jedoch kann, in dem Fall, in dem der thermische Expansionskoeffizient bestimmten Einschränkungen unterliegt, welches ein wichtiger Faktor ist, wenn das gesinterte Verbundmaterial als ein Material für einen Glühkörper verwendet werden soll, die Beimischungsmenge von Wolframcarbid nicht weiter variiert werden. In diesem Fall kann, wenn Siliciumnitridpulver mit einer großen durchschnittlichen Partikelgröße (z.B. 0,7 μm oder mehr) in Verbindung mit Siliciumnitridpulver mit einer kleineren Partikelgröße beigemischt wird, die spezifische Oberfläche von Siliciumnitridkörnern, welche eine isolierende Substanz darstellen, reduziert werden, was eine durchgängige Präsenz von Wolframcarbidkörnern in dem gesinterten Material verursacht, die zu einem niedrigen spezifischen Widerstand des Materials führt.
Gemäß dem Herstellungsverfahren eines gesinterten Siliciumnitrid-Wolframcarbidverbundmaterials der vorliegenden Erfindung kann ein gesintertes Verbundmaterial mit einem spezifischen Widerstand von 10.000 μΩ·cm oder kleiner hergestellt werden, bevorzugt mit 8.000 μΩ·cm oder kleiner, besonders bevorzugt 6.000 μΩ·cm oder kleiner, und mit einem thermischen Expansionskoeffizienten von 3,6 bis 4,2 ppm/°C, bevorzugt ppm/°C, bevorzugt 3,7 – 4,2 ppm/°C, besonders bevorzugt 3,7 – 4,1 ppm/°C, zwischen Raumtemperatur und 1.000°C.
Unter einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Glühkerze zur Verfügung, umfassend einen keramischen Widerstand, der wenigstens teilweise aus einem wie vorstehend beschriebenen gesinterten Siliciumnitrid-Wolframcarbidverbundmaterial hergestellt ist.
Es werden nun beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei denen:
1 eine Glühkerze gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt darstellt.
Die vorliegende Erfindung wird als nächstes durch Beispiele und Vergleichsbeispiele im Detail beschrieben.
(1) Vorbereitung eines gesinterten Verbundmaterials
Es wurden Siliciumnitridpulver (durchschnittliche Partikelgröße: 0,5 μm und 1,0 μm), Wolframcarbidpulver (durchschnittliche Partikelgröße: 0,6 – 1,0 μm), Pulver eines Oxids von einem Seltenerdeelement (Y₂O₃, Er₂O₃, oder Yb₂O₃ [durchschnittliche Partikelgröße: 1,0 – 3,0 um]), und SiO₂-Pulver (durchschnittliche Partikelgröße: 0,6 μm), die als Rohmaterialien dienen, gemischt, um einen in Tabelle 1 gezeigten Mischansatz zu erhalten. Die Proportionen der Bestandteile in Massen-% basieren auf der Gesamtmenge von Siliciumnitrid plus Wolframcarbid, die 100 Massen-% repräsentieren, besser als wenn die Gesamtheit aller Bestandteile 100 Massen-% darstellt. In der Folge wurde die resultierende Pulvermixtur in Reiswasser 40 Stunden unter Verwendung von aus Siliciumnitrid hergestellten Mahlkugeln nass vermischt, und dann unter Verwenden eines Heißwasserbads getrocknet. Danach wurde die resultierende Pulvermischung eine Stunde lang durch Heißpressen in einer Stickstoffatmosphäre bei 1.800°C und 25 MPa gebrannt, um dabei ein gesintertes Material mit Abmessungen von 45 mm × 45 mm × 5 mm (gesinterte Materialien Nr. 1 bis 14) zu gewinnen.
Tabelle 1
(2) Bewertung eines gesinterten Verbundmaterials
Jedes der gesinterten Materialien Nr. 1 bis 14 wurde einer Messung von (i) relativer Dichte, (ii) spezifischem Widerstand, (iii) thermischen Expansionskoeffizient zwischen Raumtemperatur und 1.000°C, (iv) Flächenverhältnis eines Wolframcarbid-(WC)-anteils in einem willkürlichen Querschnitt, und (v) longitudinaler Länge eines WC-Aggregationsabschnitts in einem willkürlichen Querschnitt unterzogen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Um die relative Dichte (i) zu erhalten, wurde die Dichte des gesinterten Materials nach Art des Archimedes-Prinzips gemessen, und das Verhältnis der resultierenden Dichte zu der theoretischen Dichte berechnet nach Art des Mischgesetzes, wurde berechnet. Um den spezifischen Widerstand (ii) zu erhalten, wurde das gesinterte Material in die Form eines Teststücks mit den Abmessungen 3 mm × 4 mm × 15 mm gebracht, und der Widerstand des Teststücks wurde durch Verwenden von Messanschlüssen eines Milliohmmeters an beiden Enden des Teststücks bei 25°C gemessen. Der spezifische Widerstand wurde auf der Basis des solcherma- Widerstand wurde auf der Basis des solchermaßen gemessenen Widerstands mit Hilfe der folgenden Gleichung berechnet. Spezifischer Widerstand = (Widerstand [μΩ] × Querschnittsfläche der Probe [cm2])/(Probenlänge [cm])
(iii) Der thermische Expansionskoeffizient wurde durch Erhöhen der Temperatur der Probe (Abmessungen: 4 mm × 3 mm × 15 mm) von 30°C auf 1.000°C in Schritten von 10°C/min in einer Stickstoffatmosphäre unter Verwendung eines Thermoplus TMA8310 (Produkt von Rigaku) gemessen. Als Standardprobe wurde Aluminium verwendet, mit einer Länge bei 30°C, die gleich der Länge der zu messenden Probe bei 30°C ist, und mit einem thermischen Expansionskoeffizienten von 8,45 ppm/°C bei 1.000°C. Wird die Länge der Standardprobe bei 1.000°C durch "A" repräsentiert, die Länge der bei 1.000°C zu messenden Probe durch "B" repräsentiert, und die Länge der bei 30°C zu messenden Probe durch "C" repräsentiert, wurde der thermische Expansionskoeffizient α der zu messenden Probe unter Verwendung folgender Gleichung erhalten. α = 8,45 × 10–6 – (A – B)/{C × (1.000 – 30)}
(iv) Flächenverhältnis des WC-Anteils
Der Querschnitt des gesinterten Materials wurde einem Hochglanzpolieren unter Verwendung eines Hochglanzpoliergeräts unterzogen. Der resultierende Querschnitt wurde in einem Sichtfeld bei einer Vergrößerung von 2.000 unter Verwenden einer Castaingschen Mikrosonde JXA8800M (Produkt von JEOL Ltd.) analysiert, und das Flächenverhältnis eines Bereichs, in welchem eine W Erfassungsempfindlichkeit hoch zu der des gesamten Sichtfelds war, wurde berechnet.
(v) Die longitudinale Länge eines WC-Aggregationsabschnitts wurde wie folgt erhalten: das in (iv) erhaltene Elektronenreflexionsbild der Probe wurde unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops JSM840 (Produkt von JEOL Ltd.) bei einer Vergrößerung von 5.000 unter Anwendung einer Beschleunigungsspannung von 20 kV gebracht, und die longitudinale Länge eines Abschnitts, in welchem Wolframcarbidkörner miteinander verbunden waren, wurde gemessen.
Tabelle 2
(3) Durch Arbeitsbeispiele gezeigte Effekte
Wie aus Tabelle 2 deutlich wird, ist der WC-Gehalt in den gesinterten Materialien Nr. 6 bis 13 niedrig; das heißt das Flächenverhältnis eines WC-Anteils ist kleiner als 20 %, und der spezifische Widerstand überschreitet 20.000 μΩ·cm. Insbesondere in dem gesinterten Material Nr. 12 ist die longitudinale Länge eines Wolframcarbidaggregationsabschnitts 2 μm klein, der spezifische Widerstand beachtlich hoch, und der thermische Expansionskoeffizient ist hoch. Bei dem gesinterten Material Nr. 14 ist das Flächenverhältnis eines WC-Anteils höher als 30 %, die Sinterbarkeit ist verringert, der spezifische Widerstand ist hoch, und der thermische Exansionskoeffizient niedrig.
Im Gegensatz dazu fallen bei den gesinterten Materialien Nr. 1 bis 5 das Flächenverhältnis eines WC-Anteils und die longitudinale Länge eines Wolframcarbidaggregationsabschnitts innerhalb die Bereiche der vorliegenden Erfindung, der spezifische Widerstand ist gering, und der thermische Expansionskoeffizient ist 3,7 – 4,1 ppm/°C. Der thermische Expansionskoeffizient des gesinterten Materials (d.h. eines Materials für einen Glühkörper) ist deshalb ausgewogen bei solch einem Material für einen Träger und einen Leitungsdrahtabschnitt.
1 zeigt ein Beispiel der Glühkerze gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Konstruktion eines Innenabschnitts davon dargestellt ist. Die Glühkerze 50 weist einen keramischen Glühkörper 1 und einen Außenzylinder 3 auf, der denselben hält, und ein metallisches Hauptelement 4, das mit dem Metallzylinder verbunden ist. Der keramische Glühkörper 1 hat die Form eines Stabs, und ein Widerstandsheizelement 11 verbirgt sich in einem vorderen Endabschnitt 2 davon. Ein erster Glühkörperanschluss 12a zum Zuführen eines Stroms zu dem Widerstandsheizelement 11 ist in einem exponierten Zustand an einer Außenumfangsoberfläche eines hinteren Endabschnitts des Glühkörpers ausgebildet. Der metallische Außenzylinder 3 ist röhrenförmig ausgestaltet, und hält den keramischen Glühkörper 1 an einer Innenseite davon, so dass ein hinterer Endabschnitt und ein vorderer Endabschnitt 2 davon von dem Metallzylinder in der axialen Richtung O davon hervorstehen. Das metallische Hauptelement 4 ist röhrenförmig geformt, so dass es koaxial mit dem metallischen Außenzylinder 3 verbunden werden kann.
Das metallische Hauptelement 4 ist an einer Außenumfangsoberfläche davon mit einem Gewindeabschnitt 5 als Befestigungsabschnitt zum Sichern der Glühkerze 50 an einen Maschinenblock (nicht gezeigt) versehen, und ein Metallschaft 6 ist an einem hinteren Endabschnitt des metallischen Hauptelements befestigt. Der Metallschaft 6 weist die Form eines Stabs auf, und ist in eine Innenseite des hinteren Endabschnitts des metallischen Hauptelements 4 in der axialen Richtung O eingeführt. Der Metallschaft 6 ist so angeordnet, dass eine vordere Endoberfläche 65 davon in der axialen Richtung O einer hinteren Endoberfläche 2r des keramischen Glühkörpers 1 gegenüberliegt. Ein Metallanschlussring 14, der mit dem ersten Glühkörperanschluss 12a elektrisch verbunden ist, ist in einem eng eingepassten Zustand an einer Außenumfangsoberfläche eines hinteren Endabschnitts des keramischen Glühkörpers 1 befestigt, um das erste Glühkörperelement 12a zu bedecken. Der Metallschaft 6 und der erste Glühkörperanschluss 12a sind über ein metallisches Leitelement 17 elektrisch miteinander verbunden, das an einem Ende davon mit dem Anschlussring 14 und an dem anderen Ende davon mit dem Metallschaft 6 angeschlossen ist. Da das metallische Leitungselement 17 an dem Anschlussring 14 durch eine Metall/Metall-Verbindung befestigt ist, wird eine komplizierte Struktur ausgeschlossen, die umfangreiche Bearbeitung erfordert, wie eine gelötete Me- Bearbeitung erfordert, wie eine gelötete Metall/Keramik-Materialstruktur, und eine Struktur, bei welcher das metallische Leitelement 17 mit dem keramischen Glühkörper 1 durch Einbetten des vorhergehenden in den letzten verbunden ist. Dadurch kann die Glühkerze zu geringen Kosten hergestellt werden. Da der Anschlussring 14 an dem keramischen Glühkörper 1 durch engen Sitz befestigt ist, ist solch eine Lötschicht, wie sie durch ein Lötverfahren in einer Struktur aus dem Stand der Technik gebildet wird, nicht dazwischengeschaltet, so dass eine Konzentrizität des Metallschafts 6 und des Anschlussrings 14 leicht sichergestellt ist. Durch eine solche Struktur tritt das Verrutschen der verbundenen Oberflächen von dem metallischen Leitelement 17 und dem Metallschaft 6 oder Anschlussring 14 nur schwer auf, und dadurch kann ein verbundener Abschnitt guter Qualität und hoher Festigkeit ausgebildet werden.
Ein zweiter Glühkörperanschluss 12b zum Zuführen eines Stroms zu dem Widerstandsheizelement 11 ist in exponiertem Zustand an dem Abschnitt der Außenumfangsoberfläche des keramischen Glühelements 1 ausgebildet, welches vor dem ersten Glühkörperanschluss 12a in der axialen Richtung O liegt. Der röhrenförmige Metallzylinder 3, der den zweiten Glühkörperanschluss 12b abdeckt und mit diesem elektrisch verbunden ist, ist in einem eng eingepassten Zustand an einer Außenumfangsoberfläche des keramischen Glühkörpers 1 befestigt, wobei ein hinterer Endabschnitt des keramischen Glühkörpers 1 in der rückwärtigen Richtung davon hervorsteht. Das metallische Hauptelement 4 ist an einer zylindrischen Glühkörperhaltefläche 4a davon an der Außenumfangsoberfläche des metallischen Außenzylinders 3 befestigt.
Durch diese Struktur sind der metallische Außenzylinder 3 und Anschlussring 14 in eng eingepasstem Zustand an beiden der zwei Glühkörperanschlüsse 12a, 12b befestigt, die zum Zuführen eines Stroms zu dem keramischen Glühkörper 1 verwendet werden. Die Zusammenbaustruktur der Glühkerze wird dadurch weiter vereinfacht.
Der zweite Glühkörperanschluss 12b ist vor dem ersten Glühkörperanschluss 12a in der axialen Richtung O angeordnet, und der metallische Außenzylinder 3 wird auch als ein Anschlussring verwendet, wobei das metallische Hauptelement 4 an dem metallischen Außenzylinder 3 befestigt ist. Gemäß dieser Struktur wird der metallische Außenzylinder 3 auch als Anschlussring verwendet. Dadurch kann die Anzahl der Teile reduziert und die Glühkerze gemäß der vorliegenden Erfindung zu einem niedrigeren Preis hergestellt werden.
Das metallische Hauptelement 4 wird an der Außenoberfläche des metallischen Außenzylinders 3 genau passend befestigt. Gemäß dieser Anordnung wird der metallische Außenzylinder 3, der zwischen dem metallischen Hauptelement 4 und keramischen Glühkörper 1 positioniert ist, als ein Abstandhalter benutzt, so dass eine geeignete Spielraumbreite zwischen der Außenumfangsoberfläche eines hinteren Endabschnitts des keramischen Glühkörpers 1, der rückwärtig von dem metallischen Außenzylinder 3 hervorsteht, und dem Abschnitt der Innenumfangsoberfläche des metallischen Hauptelements 4 ausgebildet wird, welches an der hinteren Seite der Glühkörperhalteoberfläche 4a davon liegt. Dies macht es leichter, den Anschlussring 14 an dem hinteren Endabschnitt des keramischen Glühkörpers 1 vorzusehen.
Der keramische Glühkörper ist als stabartiges keramisches Glühkörperelement ausgebildet, bei welchem ein Keramikwiderstand 10 in einem keramischen Basiselement 13 eingebettet ist, das aus einem isolierenden Keramikmaterial hergestellt ist. Bei dieser Ausführungsart wird der Keramikwiderstand 10 aus einem leitenden Keramikmaterial gebildet, das das gesinterte Siliciumnitrid-Wolframcarbidverbundmaterial gemäß der Erfindung wie vorstehend beschrieben ist. Der Keramikwiderstand 10 weist einen U-förmigen ersten keramischen Widerstandsabschnitt 11 auf, der als ein in einem vorderen Endabschnitt des keramischen Glühkörpers 1 eingebettetes Widerstandsheizelement wirkt und zwei zweite keramische Widerstandsabschnitte 12, 12 aufweist, die sich in der axialen Richtung O erstrecken und in einem hinteren Endabschnitt des keramischen Glühkörpers 1 eingebettet sind. Jeder der zweiten Widerstandsabschnitte 12, 12 ist mit einem entsprechenden Ende des U-förmigen ersten Widerstands an einer Verbindungsschnittstelle 15 verbunden. Die elektrische Widerstandsfähigkeit des ersten Widerstandsabschnitts 11 ist durch Verwenden einer unterschiedlichen Zusammensetzung des gesinterten Verbundmaterials niedriger ausgestaltet als die der zweiten keramischen Widerstandsabschnitte 12, 12, so dass die Temperatur des vorderen Endabschnitts des keramischen Glühkörpers 1 höher ansteigt als die des hinteren Abschnitts des Glühkörpers 1, wenn ein elektrischer Strom durch diese fließt. Die zwei zweiten Widerstandsabschnitte 12, 12 des Keramikwiderstands 10 weisen abzweigende Teilabschnitte auf, die an gegenseitig unterschiedlichen Höhen in der axialen Richtung O ausgebildet sind. Die Teile dieser abzweigenden Teilabschnitte, welche der Oberfläche des keramischen Glühkörpers ausgesetzt sind, bilden entsprechend den ersten Glühkörperanschluss 12a und zweiten Glühkörperanschluss 12b.
Bei dieser Ausführungsart wird ein keramisches Siliciumnitridmaterial als ein isolierendes Keramikmaterial verwendet, das das keramische Basiselement 13 bildet. Die Textur des keramischen Siliciumnitridmaterials wird durch Kombinieren von Hauptphasenpartikeln ausgebildet, welche Siliciumnitrid (Si₃N₄) als Hauptkomponente enthalten, eines mit dem anderen durch eine Korngrenzphase, die aus einer Sinterhilfskomponente oder ähnlichem abgewonnen wird. Die Hauptphase kann eine Phase sein, in welcher Al oder O zum Teil ersetzt wird von Si oder N, oder zudem, eine Phase in welcher Atome von Metallen, wie Li, Ca, Mg, Y, etc. fest gelöst sind.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend erwähnten Beispiele beschränkt, und verschiedene Modifikationen können entsprechend von Zwecken und Verwendungen durchgeführt werden.
Bei dem gesinterten Siliciumnitrid-Wolframcarbidverbundmaterial der vorliegenden Erfindung ist in einem willkürlichen Querschnitt des gesinterten Materials das Verhältnis der Fläche eines Wolframcarbidanteils zu dem Gesamtquerschnitt 20 – 30 %; und ein Wolframcarbidaggregationsbereich mit einer longitudinalen Länge von mindestens 5 μm liegt in dem willkürlichen Querschnitt vor. Deshalb weist das gesinterte Material ausgewogene Eigenschaften hinsichtlich spezifischem Widerstand und thermischem Expansionskoeffizient auf, während der spezifische Widerstand auf einem niedrigen Niveau gehalten wird.
Gemäß dem Herstellungsverfahren eines gesinterten Siliciumnitrid-Wolframcarbidverbundmaterials der vorliegenden Erfindung kann ein gesintertes Siliciumnitrid-Wolframcarbidverbundmaterial hergestellt werden, welches sowohl einem niedrigen spezifischen Widerstand als auch einem angemessenen thermischen Expansionskoeffizienten genügt, welche als Material eines Glühkörpers einer Glühkerze erforderlich sind.

Claims

Ein gesintertes Siliziumnitrid-Wolframcarbid Verbundmaterial umfassend Siliziumnitrid und Wolframcarbid, dadurch gekennzeichnet, dass in einem willkürlichen Querschnitt des gesinterten Materials das Verhältnis der Fläche eines Wolframcarbidanteils zu dem Gesamtquerschnitt 20 bis 30% beträgt; und dass ein Wolframcarbidaggregationsbereich mit einer longitudinalen Länge von mindestens 5 μm in dem willkürlichen Querschnitt vorliegt.
Ein gesintertes Siliziumnitrid-Wolframcarbid Verbundmaterial gemäß Anspruch 1, wobei eine kristalline Phase in einem Zwischenkornbereich des gesinterten Materials vorliegt.
Ein gesintertes Siliziumnitrid-Wolframcarbid Verbundmaterial gemäß Anspruch 2, wobei die kristalline Phase mindestens eines von RE₂Si₂O₇ und RE₂SiO₅ umfasst, worin RE ein Seltenerdelement ist.
Ein gesintertes Siliziumnitrid-Wolframcarbid Verbundmaterial gemäß nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Siliziumnitrid aus zwei oder mehr Korntypen unterschiedlicher Größe besteht.
Ein gesintertes Siliziumnitrid-Wolframcarbid Verbundmaterial gemäß irgendeinem der voranstehenden Ansprüche, wobei es einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 3,6 bis 4,2 ppm/°C zwischen Raumtemperatur und 1.000° C und einen spezifischen Widerstand von 10.000 μΩ cm oder weniger besitzt.
Ein gesintertes Siliziumnitrid-Wolframcarbid Verbundmaterial gemäß irgendeinem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Menge des Siliziumnitrids im Bereich von 33 bis 38 Massen% der gesamten Masse des Siliziumnitrids plus Wolframcarbids beträgt.
Eine Glühkerze (50) umfassend einen keramischen Widerstand (10), der zumindest teilweise aus einem gesinterten Siliziumnitrid-Wolframcarbid Verbundmaterial gemäß irgendeinem der voranstehenden Ansprüche gebildet ist.
Ein Verfahren zum Herstellen eines gesinterten Siliziumnitrids-Wolframcarbid Verbundmaterials gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend: Brennen eines Rohmaterialpulvers, das Wolframcarbidpulver und zwei Siliziumnitridpulver mit unterschiedlichen Partikelgrößen enthält.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die zwei Siliziumnitridpulver ein erstes Pulver mit einer Partikelgröße von weniger als 0,7 μm und ein zweites Pulver mit einer Partikelgröße von mindestens 0,7 μm umfasst.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die zwei Siliziumnitridpulver in einem Massenverhältnis des ersten Pulvers zu dem zweiten Pulver im Bereich von 40:60 bis 70:30 vorliegen.