一種柴油發(fā)動機(jī)氧化物陶瓷電熱塞及其生產(chǎn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于柴油發(fā)動機(jī)行業(yè)領(lǐng)域，尤其涉及發(fā)動機(jī)的陶瓷電熱塞的生產(chǎn)技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 柴油發(fā)動機(jī)陶瓷電熱塞，適用于現(xiàn)代柴油發(fā)動機(jī)，在柴油發(fā)動機(jī)里，點(diǎn)火系統(tǒng)是發(fā) 動機(jī)能否正常工作的關(guān)鍵性產(chǎn)品，而其中電熱塞的作用更為重要。
[0003] 當(dāng)前，國內(nèi)生產(chǎn)的柴油發(fā)動機(jī)，其點(diǎn)火系統(tǒng)大都采用的傳統(tǒng)的點(diǎn)火方式，電熱塞為 金屬式電熱塞，發(fā)熱體為金屬發(fā)熱絲，被密封在耐熱不銹鋼管內(nèi)，借助導(dǎo)熱性較好的電熔氧 化鎂粉末填充隔離和絕緣?，F(xiàn)在大多數(shù)柴油發(fā)動機(jī)是采用鎧裝金屬快速型電熱塞，此為第 三代產(chǎn)品，其內(nèi)部的發(fā)熱絲由不同材料的錐形繞組和圓柱形繞組構(gòu)成，頭部錐形繞組尺寸 減小有利于快速起動，起動速度較快(約8s)，最高溫度950°C，電流減少至6A左右。
[0004] 但是，現(xiàn)有的以上產(chǎn)品存在其固有的缺陷：金屬式電熱塞起動速度慢，最高溫度較 低；而Si3N4和MoSi 2復(fù)合陶瓷電熱塞不耐還原性氣氛，且頂部的MoSi 2連接處易溫度過高 而損壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明旨在提供一種能克服以上現(xiàn)有產(chǎn)品缺陷的柴油發(fā)動機(jī)用陶瓷電熱塞。
[0006] 本發(fā)明包括導(dǎo)電層、絕緣層和發(fā)熱層，所述絕緣層設(shè)置在導(dǎo)電層外，發(fā)熱層設(shè)置在 絕緣層外，在導(dǎo)電層前部的絕緣層開設(shè)使發(fā)熱層和導(dǎo)電層相連接的環(huán)形槽，在導(dǎo)電層的后 端設(shè)置電極接入端子；其特征在于導(dǎo)電層由Sr或Ca摻雜的LaCr1 XC〇X03和YSZ組成；絕緣 層為YSZ ;發(fā)熱層由Sr或Ca至少一種摻雜的GdCrOjP YSZ組成。
[0007] 本發(fā)明的電熱塞不易粘附其他物質(zhì)，能防止制成的產(chǎn)品表面發(fā)生還原，還具有極 好的耐酸、耐堿和耐氧化的特點(diǎn)。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)金屬電熱塞熱傳導(dǎo)介質(zhì)存在溫差和 其他陶瓷電熱塞不耐還原的問題，且使用溫度高。發(fā)熱達(dá)到850°C的時間小于1秒，2秒 升至1000 tC以上。本發(fā)明產(chǎn)品還能極大地縮短發(fā)動機(jī)等待起動時間，因其使用溫度高（> 1450Γ)，以及在零下20°C的環(huán)境下仍能保證發(fā)動機(jī)的正常使用，從而進(jìn)一步提高柴油機(jī)在 低溫下的冷起動性能及降低藍(lán)煙排放。
[0008] 本發(fā)明產(chǎn)品具有升溫快、溫度高、節(jié)能環(huán)保和使用壽命長等特點(diǎn)，不僅能在不更改 原柴油機(jī)電熱塞冷啟動系統(tǒng)的情況下，代替現(xiàn)有的低溫起動預(yù)熱方式和減排方式，而且可 以在更低溫度、更惡劣的氧化或還原氣氛環(huán)境下滿足使用需求。
[0009] YSZ即氧化釔穩(wěn)定或部分穩(wěn)定的氧化鋯。
[0010] 另外，本發(fā)明在所述導(dǎo)電層中，YSZ占導(dǎo)電層總質(zhì)量的1~4%。由于絕緣層YSZ的 熱膨脹系數(shù)略小于Sr或Ca摻雜的LaCr1 XC〇X03，因此在導(dǎo)電層中加入YSZ使導(dǎo)電層和絕緣 層熱膨脹系數(shù)匹配，以免加熱或冷卻時，材料由于熱膨脹系數(shù)的不匹配產(chǎn)生應(yīng)力而導(dǎo)致?lián)p 壞，同時，可以增大導(dǎo)電層的電導(dǎo)率。添加量超過5%后，導(dǎo)電層的電導(dǎo)率下降，對導(dǎo)電不利。
[0011] 在所述發(fā)熱層中，YSZ占發(fā)熱層總質(zhì)量的1~5%。同樣，由于絕緣層YSZ的熱膨 脹系數(shù)略小于Sr或Ca摻雜的GdCrO3，因此在發(fā)熱層中加入YSZ使發(fā)熱層和絕緣層熱膨脹 系數(shù)匹配；同時，由于Sr或Ca摻雜的GdCrO3的電阻較大，加入YSZ可以增大發(fā)熱層的電導(dǎo) 率。添加量超過5%后，發(fā)熱層的電導(dǎo)率下降，對電傳導(dǎo)不利。
[0012] 本發(fā)明還提出生產(chǎn)以上柴油發(fā)動機(jī)氧化物陶瓷電熱塞的方法。
[0013] 本發(fā)明生產(chǎn)方法包括以下步驟： 1) 將由Sr或Ca摻雜的LaCr1 xCo x03、YSZ、油酸、石錯和蜂錯混合制成導(dǎo)電層還體，經(jīng) 預(yù)繞結(jié)，取得棒狀導(dǎo)電層材料； 2) 將含有YSZ的絕緣層漿料浸涂于棒狀導(dǎo)電層材料外，經(jīng)干燥后，在導(dǎo)電層的前部制 出圓環(huán)槽，直至露出圓環(huán)狀導(dǎo)電層； 3) 將含有Sr或Ca摻雜的GdCrOjP YSZ的發(fā)熱層漿料浸涂于所述圓環(huán)槽和絕緣層表 面，并經(jīng)過干燥，取得半制品； 4) 將半制品于空氣中共燒結(jié)，取得氧化物陶瓷電熱塞。
[0014] 與其他陶瓷的電熱塞材料和工藝比較，本發(fā)明的制備工藝具有工藝簡單、設(shè)備投 資少、成本低的優(yōu)勢。即工藝在保證制成的產(chǎn)品具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、抗熱震性性能 的同時，也降低了工藝成本。
[0015] 進(jìn)一步地，上述生產(chǎn)步驟1)中，先將Sr或Ca摻雜的LaCr1 xCo x03和粒徑為0. 1~ 0. 5 的YSZ，烘干，取得烘干的混合物，所述烘干的混合物中含水質(zhì)量小于0. 1 %、YSZ占 烘干的混合物總質(zhì)量的1~4% ;再將烘干的混合物與油酸、熔融的石蠟和蜂蠟混合均勻，冷 卻后取得蠟板塊；將蠟板塊置于熱壓鑄機(jī)中加熱，在模具中熱壓鑄成形后脫膜，取得棒狀導(dǎo) 電層素坯；將棒狀導(dǎo)電層素坯埋入裝有經(jīng)過煅燒的Al2O3細(xì)粉中，以0. 5°C /min升溫速率升 溫至70~80°C，保溫3~5h，再以0. 5°C /min的升溫速度，用以排除坯體中的石蠟和蜂蠟， 升溫至1150Γ~1250Γ進(jìn)行保溫預(yù)燒3~5h，取得棒狀導(dǎo)電層材料。熱壓鑄的工藝簡單， 從附圖中可以看出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，從而模具設(shè)計(jì)簡單。第一次保溫是為了使石蠟慢慢軟化 或融化，防止膨脹太快。慢速升溫是脫除油酸、石蠟和蜂蠟或其它極少量的雜質(zhì)防止升溫速 度快產(chǎn)生裂紋。第二次保溫是為了預(yù)燒結(jié)，使導(dǎo)電層具有一定的強(qiáng)度。便于后面的工藝操 作。
[0016] 上述油酸占烘干的混合物和油酸、石蠟及蜂蠟總質(zhì)量的0. 2~0. 5% ;所述石蠟占 烘干的混合物和油酸、石蠟和蜂蠟總質(zhì)量的12~20%。加入0. 2~0. 5%的油酸是在石蠟和 混合料之間起橋梁作用，而加入12~20%的石蠟主要是提高一定溫度下的流動性從而提高 成型性。石蠟加入量過少，流動性差；石蠟加入量過多，則脫蠟時間長，燒結(jié)收縮大，不利于 廣品的尺寸控制。
[0017] 上述步驟1)中，在將烘干的混合物和油酸、石蠟混合時，加入蜂蠟，所述蜂蠟占烘 干的混合物和油酸、石蠟和蜂蠟總質(zhì)量的0. 1~2%。加入0. 1~2%的蜂蠟是在石蠟即將脫 除后起連接氧化物混合料形成骨架的作用，以免石蠟脫除后氧化物混合料塌陷。
[0018] 上述步驟2)中，所述含有YSZ的絕緣層漿料由含有粒徑為0. 01~0.1 的YSZ 的水混合物、分子量為200~10000的聚乙二醇和無水酒精混合組成；所述聚乙二醇占含有 YSZ的絕緣層漿料總質(zhì)量的0. 5~10% ;浸涂的厚度為40~1000 μ m。由細(xì)小的YSZ粒子、 水、酒精和聚乙二醇能夠形成均勻的料漿，保存時間大于1周，能夠多次利用。〇. 5~10%的 聚乙二醇能夠使?jié){料具有一定的粘度，而且浸涂后的料漿層均勻，燒結(jié)時收縮均勻，不易開 裂。同時，由于0.0 l~0.1 的YSZ的粒徑小，易燒結(jié)。燒結(jié)后的YSZ絕緣層是一層極簿 的YSZ層，起絕緣作用。0. 1%的酒精在步驟2)中具有改善粘度、相容性、干燥速度的作用。
[0019] 所述步驟3)中，所述含有Sr或Ca摻雜的GdCrOjP YSZ的發(fā)熱層漿料由粒徑為 0. 1~0. 4 μπι的Sr或Ca摻雜的6(1(>03粉、分子量為200~10000的聚乙二醇、酒精溶液 和粒徑為0. 01~0. 1 μ m YSZ的水混合物組成，所述YSZ占發(fā)熱層漿料質(zhì)量的0. 5~2. 5%， 所述聚乙二醇占發(fā)熱層漿料質(zhì)量的0. 5~15%，Sr或Ca摻雜的GdCrO3粉占發(fā)熱層漿料質(zhì)量 的47. 5~49. 5%。由于Sr或Ca摻雜的GdCrO3的電阻較大，容易產(chǎn)生大量的熱量和引起高 溫，且GdCrO3的發(fā)熱溫度最高可以達(dá)到1800°C?？梢宰岆姛崛诟邷叵率褂?。YSZ占含有 YSZ的發(fā)熱層漿料質(zhì)量的1~5%，是為了使發(fā)熱層和絕緣層具有匹配的熱膨脹系數(shù)，在升溫 和冷卻過程中不開裂。同時，添加少量的YSZ具有增強(qiáng)發(fā)熱層的電導(dǎo)率的作用。0.5~15% 的聚乙二醇能夠使?jié){料具有一定的粘度，而且浸涂后的料漿層均勻，燒結(jié)時收縮均勻，不易 開裂。
[0020] 浸涂的厚度為400~1000 μ m是為了保證燒結(jié)后發(fā)熱層的具有一定的強(qiáng)度，以滿 足發(fā)熱層使用強(qiáng)度要求。水是溶劑，0. 1%的酒精在步驟3)中具有改善粘度、相容性、干燥速 度的作用。
[0021] 上述步驟4)中，將半制品埋入經(jīng)過煅燒的Al2O3細(xì)粉中，防止燒結(jié)變形過大。以 0. 5~1°C /min的升溫速度將室溫升至600°C，可以有效去除所有浸涂層中的有機(jī)物而不至 于開裂，然后再以2~5°C /min的升溫速度升溫至1400~1600°C，保溫1~4h，使電熱塞 就具有高的強(qiáng)度。隨爐降溫后，從Al2O3細(xì)粉中取出氧化物陶瓷電熱塞。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 一、制備方法： 本發(fā)明所用材料是復(fù)相導(dǎo)電氧化物陶瓷，這種復(fù)相導(dǎo)電氧化物陶瓷粉體及漿料的制 備、熱壓鑄和浸涂（dip-coating)成形和共燒結(jié)工藝。
[0024] 以下?lián)诫sSr或Ca的LaCr1 xCo x03是利用自蔓延的方法合成的，選用的YSZ為市售 產(chǎn)品。
[0025] 準(zhǔn)備：將市售YSZ加水在高能球磨法球磨，靜置分層，下層為含有較粗的YSZ顆粒 (粒徑為0. 1~0. 5 jwm)用于制備導(dǎo)電層，而上清液為含有納米YSZ顆粒(粒徑為0. 01~ 0.1 #m)的水混合物，為用于制備絕熱層、發(fā)熱層的原料。
[0026] 1、多相陶瓷復(fù)合材料導(dǎo)電層的制備： 原料：摻雜Sr或Ca的LaCrxCo1 x03和球磨取得的下層YSZ的水混合物；其中，YSZ粒徑 為0· 1~0· 5 #m，YSZ占混合物總質(zhì)量的1~4%。
[0027] 另外，備好油酸、蜂蠟、石蠟。
[0028] 制備蠟板塊：將以上摻雜Sr或Ca的LaCr1 xCo x03和球磨取得的下層YSZ的水混 合物先進(jìn)行烘干取得烘干的混合物，經(jīng)測試，烘干的混合物中水份小于〇. 1%，同時，YSZ占 烘干的混合物總質(zhì)量的1~4%。
[0029] 在和蠟機(jī)中加入石蠟，加熱熔融，然后將烘干的混合物、油酸和蜂蠟倒入，邊加熱 邊攪拌，溫度不超過95°C，應(yīng)具有良好的流動性，冷卻后切割成蠟板塊待用。
[0030] 投料說明：混合時，油酸占烘干的混合物和油酸、石蠟和蜂蠟總質(zhì)量的0. 2~ 0. 5% ;石蠟占烘干的混合物和油酸、石蠟及蜂蠟總質(zhì)量的12~20% ;蜂蠟占烘干的混合物和 油酸、石蠟及蜂蠟總質(zhì)量的〇. 1~2%。
[0031] 素坯成形：按設(shè)計(jì)的終產(chǎn)品中導(dǎo)電層的