用于火花塞的绝缘体的组合物及制造方法与流程

本申请要求于2014年2月13日提交的美国专利临时申请第61/939,425号之根据35 U.S.C.§119(e)的权益，该申请的全部内容以引用的方式并入本文。

发明领域

本发明的示例实施例涉及一种用于内燃机的火花塞或者点火器，并且具体地涉及用于火花塞或者点火器的绝缘体的组合物及制造方法。

背景技术：

如图1所示，常规火花塞10可以包括环状金属外壳或者壳体12，该外壳或者壳体12具有圆柱形底座14，该圆柱形底座14具有在其上形成的可与内燃机的汽缸盖（未示出）螺纹接合的外螺纹16。火花塞壳体12的圆柱形底座14可以具有大体上平的下表面18。可以将接地电极或者侧电极20（例如由贵金属制成的）焊接或者以其他方式附接至螺纹底座14的下表面18。可以将电极头22焊接或者以其他方式附接至侧电极20的端部。

火花塞10可以进一步包括同心地设置在壳体12内的中空陶瓷绝缘体24、和同心地设置在绝缘体24内的中心电极26。中心电极26可以包括由传热导电材料制成的中央芯体28、和外包层30。

导电的插入件或者棒36适配到绝缘体24的与中心电极26相对的上端38中，并且将耐火玻碳复合材料设置在插入件36的下端39与中心电极26之间的绝缘体24内以提供具有火花塞10的内电阻40。

如图1所示，火花塞壳体12是大体上圆柱形的套管，具有形成为穿过其的中空孔42。如上所述，火花塞壳体12包括圆柱形底座部份14，该圆柱形底座部份14通常具有在其外表面上形成的螺纹16。火花塞壳体12可以包括用于与汽缸盖（未示出）接触的密封表面44，并且，在处于密封表面44上方的火花塞壳体12上，包括大体上六边形的凸起46，该凸起46用于允许火花塞10被常规火花塞套筒扳手抓住并且旋转以便其安装或者移除。

绝缘体24是已经通过，如图2所示，以下步骤按照常规的方式制成的陶瓷制品：在框102中，收集形成绝缘体毛坯所需的原材料；在框104中，通过对适当比例的原材料中的每一种进行共混以产生期望的粉末状组成来，制备基于原材料的粉末；以及在框106中，对粉末状组成进行喷雾干燥。之后，通过以下步骤形成毛坯：在框108中，压喷雾干燥后的粉末；在框110中，在磨轮上对压的毛坯进行研磨或者生坯加工以形成绝缘体预成型件；以及在框112中，对绝缘体预成型件进行焙烧或者烧结以达到足以使预成型件致密并且使粉末颗粒烧结的高温，以形成成品绝缘体或者白垩绝缘体。通常在高达约1400摄氏度与约1600摄氏度之间的温度下对绝缘体预成型件进行焙烧。在图3中示出了现有的烧结曲线，其中，达到了稍低于1600摄氏度的峰值温度。

随着发动机大小的不断减小，火花塞已经变得越来越薄并且越来越长。为了适配在更小包装件中，已经显著减少了这种火花塞的陶瓷绝缘体，使得火花塞能够承受的最大点火电压降低。然而，由于发动机大小的不断减小和涡轮增压技术的更广泛使用，预计未来的内燃机的汽缸压力将更高，这需要更高的点火电压和更高的操作温度。这些挑战已经要求未来的内燃机的火花塞的绝缘体要具有比现今使用的绝缘体更高的介电强度。

技术实现要素：

根据非限制说明性实施例，制造用于火花塞的绝缘体的方法可以包括以下步骤：将至少两种原材料混合以形成粉末状绝缘体组合物或者组成，喷雾干燥粉末状绝缘体组成，以及压粉末状绝缘体组成以产生绝缘体毛坯。该方法可以进一步包括以下步骤：素烧绝缘体毛坯，研磨素烧后的绝缘体毛坯以形成绝缘体，以及对绝缘体进行烧结。

在说明性实施例中，素烧步骤可以包括将粉末状绝缘体加热至在约450摄氏度与约1200摄氏度之间的峰值温度。在其它说明性实施例中，素烧步骤包括将粉末状绝缘体加热至在约750摄氏度与约1000摄氏度之间的峰值温度。

在说明性实施例中，烧结步骤可以包括将绝缘体加热至在约1400摄氏度与约1700摄氏度之间的峰值温度。

在说明性实施例中，粉末状绝缘体组成可以包括氧化铝和至少一种粘结剂，其中，在素烧步骤期间，至少60%的粘结剂被去除。在其它说明性实施例中，在素烧步骤期间，所有的粘结剂被去除。

在说明性实施例中，绝缘体毛坯的平均颗粒直径可以小于或者等于约2微米。

在说明性实施例中，该方法可以进一步包括以下步骤：在素烧步骤期间使绝缘体毛坯的颗粒熔融。

根据另一非限制说明性实施例，用于火花塞的绝缘体的制造方法可以包括以下步骤：将至少氧化铝和至少一种粘结剂混合以形成粉末状绝缘体组成，其中，粉末状绝缘体组成的平均颗粒尺寸小于或者等于约2微米，以及喷雾干燥粉末状绝缘体组成。该方法可以进一步包括以下步骤：压粉末状绝缘体组成以产生绝缘体毛坯，素烧绝缘体毛坯至在约450摄氏度与约1200摄氏度之间的峰值温度；研磨素烧后的绝缘体毛坯以形成绝缘体；以及对绝缘体进行烧结。

在说明性实施例中，素烧步骤可以包括将粉末状绝缘体加热至在约750摄氏度与约1000摄氏度之间的峰值温度。

在说明性实施例中，在素烧步骤期间，至少60%的粘结剂可以被去除。在其它说明性实施例中，在素烧步骤期间，所有的粘结剂可以被去除。

在说明性实施例中，烧结步骤可以包括将绝缘体加热至在约1400摄氏度与约1700摄氏度之间的峰值温度。

在说明性实施例中，该方法可以进一步包括以下步骤：在素烧步骤期间使绝缘体毛坯的颗粒熔融。

在另一非限制说明性实施例中，火花塞可以包括具有小于或者等于约2微米的大小的氧化铝颗粒、和在形成绝缘体之前对氧化铝颗粒进行粘结的粘结剂。

在说明性实施例中，绝缘体包括具有小于或者等于约2微米的大小的氧化铝颗粒，并且，在形成绝缘体之后，在绝缘体中余留小于或者等于约40%的粘结剂。

附图说明

图1是具有绝缘体的现有技术的火花塞的剖视图，该绝缘体可以通过使用参考图2所描述的方法制造；

图2是示出了制造用于火花塞的绝缘体的现有技术的方法的流程图；

图3是示例性现有技术的烧结温度曲线；

图4是示出了制造用于火花塞的绝缘体的本公开的方法的流程图；

图5示出了在对绝缘体毛坯进行研磨之前的原始磨轮；

图6示出了在通过研磨绝缘体毛坯而负有陶瓷材料之后的图5的磨轮；

图7示出了示例性素烧温度曲线；

图8示出了就修整间隔（纵轴），将具有细颗粒并且没有经过素烧的绝缘体毛坯的与在不同温度下进行素烧的绝缘体毛坯（横轴）进行比较的条形图；

图9是比较以素烧温度为函数的生坯强度（以磅计）的图表；以及

图10是示出了在不同的素烧温度下的压过的氧化铝毛坯的介电强度和密度的图表。

本公开的其它方面和优点会在考虑了以下详细说明后变得显而易见，其中，相似的结构具有类似的或者相似的附图标记。

具体实施方式

本公开涉及制造用于火花塞的绝缘体的组合物或者组成和方法。虽然本公开的组成和方法可以体现为许多不同的形式，但是本文讨论了多个具体示例，要理解的是本公开应该仅仅被认为是对本公开的原则的举例说明，并不旨在将本公开局限于所示的实施例。

参照图4，示出了本公开的制造用于火花塞10的绝缘体的方法。绝缘体可以是参照图1所描述的绝缘体24或者任何其它用于火花塞的绝缘体。该方法包括以下步骤：在框202中，收集形成绝缘体毛坯所需的原材料；在框204中，通过对适当比例的原材料中的每一种进行共混以产生期望的粉末状组成来制备基于原材料的粉末；以及在框206中，对粉末状组成进行喷雾干燥。之后，在框208中通过压喷雾干燥后的粉末来形成毛坯，并且之后，在框210中，对压后的毛坯进行素烧以达到预烧结状态。在素烧步骤之后，在框212中，压后并且素烧后的毛坯在磨轮上进行研磨或者生坯加工为期望的形状以形成绝缘体预成型件，并且，在框214中，绝缘体预成型件被焙烧至峰值温度，该峰值温度足以使预成型件致密并且使粉末颗粒烧结，以形成成品的绝缘体或者白垩绝缘体。

在图4的框202中使用的原材料可以包括氧化铝或者三氧化二铝（Al₂O₃）、水、一种或者多种粘结剂、和任何其它合适的组分。在说明性实施例中，绝缘体可以制作自重量百分比在约85%与约99.5%之间的氧化铝。在其它说明性实施例中，绝缘体可以制作自重量百分比在约90%与约97%之间的氧化铝。在又一替代说明性实施例中，绝缘体可以制作自重量百分比约95%的氧化铝。在说明性实施例中，绝缘体的最终组成具有重量百分比在约85%与约99.5%之间的氧化铝含量。在另一替代性实施例中，绝缘体的最终组成可以具有重量百分比在约90%与约97%之间的氧化铝含量。在替代示例性实施例中，绝缘体的最终组成可以具有重量百分比约95%的氧化铝含量。在又一替代实施例中，初始组成的或者最终组成的氧化铝含量可以分别是初始组成和/或最终组成中的任何合适的重量百分比。

在说明性实施例中，原材料可以包括一种或者多种粘结剂。粘结剂可以选自由如下组成的组：聚乙烯醇（PVA）、蜡（石蜡和/或微晶蜡）、MethocelPEG）、丙烯酸粘结剂、和/或任何其它合适的粘结剂。可以利用任何数量的相同的或者不同的粘结剂。在说明性实施例中，初始绝缘体组成可以制作自重量（干重）百分比在约0.5%与约4.0%之间的粘结剂。在其它说明性实施例中，初始绝缘体组成可以制作自重量（干重）百分比在约1.5%与约3.0%之间的粘结剂。在又一说明性实施例中，初始绝缘体组成可以制作自重量（干重）百分比在约2.0%与约2.5%之间的粘结剂。

为了达到更高的介电强度，使用具有更细颗粒的氧化铝粉末组成。更细颗粒为烧结的陶瓷提供更小的颗粒尺寸和改进的微结构的，这使得介电强度显著提高。在说明性实施例中，形成压后的毛坯的颗粒的平均直径为，例如，在约1微米与约3微米之间。在其它说明性实施例中，形成压后的毛坯的颗粒的平均直径在约1.5微米与约2微米之间，或者为约1.5微米。在另外的其它说明性实施例中，形成压后的毛坯的颗粒的平均直径小于约2微米或者小于约1.5微米。相比之下，典型的形成常规的压后的毛坯的颗粒具有在约5微米与约6微米之间的平均直径。

通过使用磨轮来执行图4的研磨步骤（框212），该磨轮包括涂覆有磨料材料并且包括在磨料材料颗粒之间的间隙或者孔隙的磨料表面。在图4的研磨步骤（框212）期间，在压后并且素烧后的毛坯中的更小颗粒、压后的毛坯的部分烧结、和粘结剂中的至少一些的去除，带来了增加的可磨性、增加的强度、和由研磨所造成的缺陷的减少。更具体地，部分烧结使得颗粒之间的粘结更强而在恶劣的研磨过程期间不易分离。

由于颗粒的大小是细的并且由此产生的大表面积，喷雾干燥后的粉末的压实成为挑战。为了获得良好的压实并且为随后的步骤保持足够的生坯强度，在本文所描述的组成中使用更高的有机粘结剂。这导致了难以进行用于将压后的毛坯形成为绝缘体的研磨步骤。在研磨过程期间，从压后并且素烧后的毛坯去除的颗粒开始填入磨轮的表面之内的孔隙。更小颗粒更快地填入磨轮的表面之内的孔隙，从而需要对磨轮进行频繁的再修整（例如，在对10件至20件进行研磨之后）。虽然在对通过本文所公开的方法制造的绝缘体毛坯进行研磨之后仍然需要对磨轮进行再修整，但是由于压后并且素烧后的毛坯的强度增加，所以从毛坯去除的填入孔隙的颗粒更少，从而需要更不频繁的再修整（例如，在对200件至300件进行研磨之后）。

正如所看到的，对具有细颗粒的压后的毛坯的生坯加工的主要挑战是磨轮的修整间隔的减小，该修整间隔是在磨轮的必要再修整之间的时间。据观察，利用相同的粘结剂系统和素烧步骤，对具有细颗粒的压后的毛坯的磨轮修整间隔能够被减小到对具有粗颗粒的压后的毛坯的修整间隔的约十分之一。例如，如上所述，已经观察到，在研磨约20个至约30个具有细颗粒的压后的毛坯之后，必须对磨轮进行再修整。相反，在研磨约200个至约300个具有粗颗粒的压后的毛坯之后，必须对磨轮进行再修整。减小的修整间隔明显地降低了通过使用细颗粒的利用粉末来制造绝缘体的生产率，并且先前已经就在陶瓷绝缘体的大量生产中采用细粒陶瓷产生了技术障碍。

图5示出了在利用其对绝缘体毛坯进行研磨之前的原始磨轮。图6示出了负载有来自绝缘体毛坯的陶瓷材料之后的图5的磨轮。如从图6可以看到的，负载的磨轮的表面填有影响磨轮的可磨性的颗粒，并且由此，某一点后，必须对磨轮的表面进行再修整，从而再次使磨轮看起来像图5的原始磨轮一样并且像该原始磨轮一样操作。

上面详细描述的素烧步骤增加了与细颗粒一起使用的磨轮的修整间隔。具体地，在素烧步骤期间，去除有机粘结剂。按照这种方式，当对压后并且素烧后的毛坯进行研磨时，更少的来自研磨步骤的颗粒被压紧到磨轮的孔隙中，从而允许切削边缘在更长的一段时间保持暴露，并且需要更不频繁的再修整。同时，由于有机粘结剂材料的失去，在素烧步骤期间的焙烧温度需要足够高以形成氧化铝粉末之间的“颈缩”或者熔融，从而使压后并且素烧后的毛坯可以具有经得住恶劣的研磨步骤的充足粘结强度。

在素烧步骤期间的峰值温度必须足够高以去除有机粘结剂材料并且实现氧化铝颗粒之间的颈缩以提供强度。相反，在素烧步骤期间的峰值温度必须足够低以便不会导致氧化铝粉末的烧结，烧结可产生对研磨过程而言太硬的绝缘体毛坯。在说明性实施例中，根据氧化铝粉末的大小和所使用的烧结助剂（例如，粘土材料），峰值素烧温度可以在约450摄氏度与约1200摄氏度之间。在其它说明性实施例中，峰值素烧温度可以是在约650摄氏度与约1100摄氏度之间。在另外的说明性实施例中，峰值素烧温度可以是在约750摄氏度与约1000摄氏度之间。在又一说明性实施例中，峰值素烧温度可以是在约750摄氏度与约850摄氏度之间或者为约850摄氏度。

在图7中示出了示例性素烧温度曲线，其中，在最初的三个小时，温度从0摄氏度升高至约400摄氏度，温度在约400摄氏度保持稳定约2个小时，并且在约3小时与4小时之间温度再次从400摄氏度升高至约850摄氏度的峰值温度。温度在约850摄氏度保持稳定约1小时，并且在约1小时的时间段内温度降低至700摄氏度。可以用例如间歇式炉、隧道窑或者任何其它合适的装置来完成素烧。一旦完成图7所示的曲线，在进行研磨之前，可以例如在用于素烧的装置中，将素烧后的毛坯冷却至室温。

虽然在图7中示出了具体的素烧曲线，但是本领域的技术人员要理解其它合适的素烧曲线也是可能的。保持稳定温度的驻留时间和用于升高及降低温度的时间将根据所使用的一个或者多个温度而变化。

图8示出了条形图，该条形图示出了用于没有经过素烧的细颗粒和在不同的温度下经过素烧的细颗粒（横轴）的修整间隔（纵轴）。没有经过素烧的细颗粒在标准的粘结剂的情况下具有约100的修整间隔，并且在调整的粘结剂和没有素烧的情况下具有约400的修整间隔。750摄氏度、850摄氏度和950摄氏度的素烧温度分别带来约600、5000+和约1800的修整间隔。如上所述，素烧温度可以太高，从而使氧化铝粉末烧结并且变得对研磨过程而言太硬。950摄氏度的结果表明更高的温度开始对绝缘体毛坯的可磨性产生不利影响，并且由此，对修整间隔产生不利影响。图9的图表示出了针对各种素烧温度的生坯强度（以磅计）。控制对象为与没有经过素烧并且具有粗颗粒（5微米至6微米）的标准绝缘体进行对比提供了生坯强度。如从图9的图表可以看到的，趋向650摄氏度的峰值素烧温度更接近该控制对象，并且趋向1200摄氏度的峰值素烧温度潜在地太高并且可能会为研磨带来问题。为了研磨的生坯强度可以在约2.5磅与约25磅之间。更加优化的范围可以在约3磅与约15磅之间。如图9所示，在约950摄氏度下的生坯强度在优化的范围之外，并且由此，如针对图8所描述的，开始对可磨性产生不利影响。

通过形成所示的绝缘体来进行图8至图10的测试。由图8中“细颗粒”所指的绝缘体和图9和图10中“控制”所指的绝缘体没有进行素烧。除了改变峰值温度之外，根据图7的图表来对剩下的绝缘体进行素烧。

为了理解素烧对最终烧结材料的性能的影响，在不同的素烧峰值温度下制备样品（参见图4的步骤410）并且随后进行标准的研磨和烧结（参见图4中的步骤412和步骤414）。图10的图表示出了在不同温度下进行素烧的压后的氧化铝毛坯的介电强度和密度。通过测试数据来看，在素烧期间的峰值温度太高可能会潜在地降低最终绝缘体的介电强度。这可能是因为某些氧化铝颗粒的过度生长。

在初始绝缘体组成中的粘结剂可以包括重量百分比在约1%与约2%之间的一种或者多种粘结剂。如上所述，在素烧步骤期间的温度必须足够高以从压后的毛坯去除至少一些（如果不是所有的话）粘结剂。在说明性实施例中，可以燃烧掉或者从压后的毛坯去除约60%至约100%的粘结剂。在又一说明性实施例中，可以燃烧掉或者从压后的毛坯去除约80%至约100%的粘结剂。在说明性实施例中，在素烧步骤期间，去除100%的粘结剂。素烧步骤也产生压后的毛坯的部分烧结，这在从压后的毛坯去除一些或者所有粘结剂之后使颗粒熔融在一起，从而使颗粒产生颗粒颈缩或者熔融。

本文所公开的组成和方法允许在绝缘体组成中使用细颗粒来提供具有更高介电强度的绝缘体。更具体地，对绝缘体毛坯进行的素烧提供了预烧结步骤，其中去除在绝缘体毛坯内的粘结剂中的至少一部分并且使绝缘体毛坯的颗粒颈缩或者在熔融一起。

虽然本文所公开的方法和组成是针对特定火花塞（图1）而描述的，但是本公开的原理，即本文所公开的方法和组成，可以应用于任何合适的火花塞。具体地，可以通过本文所公开的方法并且/或者利用本文所公开的组成来制造在，例如，Below的美国专利第No. 8,350,456号、Passman等的美国专利第8,348,709号、Below的美国专利第8568,181号、Below等的美国专利第8,035,286号、Below的美国专利第8,058,786号、Below等的美国专利第8,337,268号、Below的美国专利第8,030,831号、Below的美国专利第8,552,628号、Unger等的美国专利第8,558,439号、Below的美国专利第8,216,015号、或者Below的美国专利第7,977,857中所公开的火花塞的绝缘体。所有这些专利的公开由此通过引用的方式将其全部并入本文。

本文所描述的任何实施例中可修改为包括结合其它实施例所公开的任何结构或者方法。

进一步地，虽然贯穿本说明书可以使用诸如前、后、顶、底、上、下等的方向性术语，但是应该理解，这些术语并不是限制性的，并且在本文中仅仅是用来表达不同元件相对于彼此的方向。

根据前述说明对本公开的若干修改对于本领域的技术人员而言是显而易见的。因此，本说明书应被解释为仅仅是说明性的，并且是为了使本领域的技术人员能够制造和使用本公开的实施例，并且为了教导执行这些实施例的最佳模式而呈现。保留对在随附权利要求书的范围内的所有修改的排他性权利。