Композиционный материал для изготовления резистора для свечи зажигания

 

Изобретение относится к электронной технике для изготовления объемных композиционных резисторов, применяемых в свечах зажигания для двигателей внутреннего сгорания. Композиционный материал состоит из боросиликатного стекла, дисилицида молибдена, карбида кремния, оксида алюминия, углерода и позволяет значительно повысить стабильность сопротивления при воздействии высокого напряжения и температуры в диапазоне от 4,0 до 13 ком, подавить радиопомехи и одновременно осуществить герметизацию по центральному электроду свечей зажигания. 2 табл.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к композиционным материалам, применяемым в свечах зажигания с резисторным стеклогерметиком для двигателей внутреннего сгорания.

Известна резистивная композиция для свечи зажигания с резистором (Патент Японии N 5-52641, МПК 5 H 01 C 7/00, H 01 T 13/20, р/ж ИСМ, опубл. 1995 г.), содержащая 100 ч. основной смеси, состоящей из стекла от 30 до 70% и органического наполнителя, остальное: одного из оксидов, например TiO₂, ThO₂, Cr₂O₃, ZrO₂, Nb₂O₃, Ta₂O₅, La₂O₃, МgO, ZnO от 0 до 30%: и/или карбида, например. TiC, VC, NbC, TaC, Cr₃C₂, Mo₂C, WC, LaC₂, B₄C, SiC; вещества для регулирования величины сопротивления, состоящего из газовой сажи и/или углерода от 0,01 до 10 ч.: порошкообразных частиц, по меньшей мере одного металла, например Al, Мg, Ti, Zr, Ca, Ag от 0,01 до 10 ч.

Однако, эта резистивная композиция имеет следующие недостатки, во-первых, присутствие чистого металла ведет к снижению удельного сопротивления композиции из-за низкого значения собственного удельного сопротивления металла, во-вторых, вызывает неизбежное изменение фазового состава при температуре спекания от 600 до 900^oC из-за низкой стойкости металлов к окислению.

Кроме этого, процесс окисления металла неуправляем, что выражается в сильной зависимости выходных параметров резисторов от условий горячего прессования, температуры, времени, давления и требует строгого поддержания режима спекания.

Известен стеклогерметик для искровой свечи зажигания (патент СССР 1825261, N МПК 6 H 01 T 13/20, дата подачи заявки 2.01.91, БИ N 7, 10.03.96), содержащий окись кремния, окись кальция, окись алюминия, окись калия, окись натрия, окись цинка, фосфорный ангидрид, борный ангидрид, окись меди, кристаллический кремний, титан в виде порошка и карбид бора, этот стеклогерметик для повышения стабильности омического сопротивления дополнительно содержит карбид кремния и двуокись титана.

Компоненты находятся в следующих соотношениях, %: Окись кремния - от 24,8 до 26,2 Окись кальция - от 1,17 до 1,38 Окись алюминия - от 3,4 до 3,7 Окись калия - от 1,9 до 2,1 Окись натрия - от 1,17 до 1,38 Окись цинка - от 0,88 до 1,06 Фосфорный ангидрид - от 0,92 до 1,12 Борный ангидрид - от 12,8 до 16,2 Окись меди - от 10,5 до 13,86
Кристаллический кремний - от 8 до 13
Титан в виде порошка - от 1 до 2,5
Карбид бора - от 15 до 17
Карбид кремния - от 4 до 6
Двуокись титана - от 3 до 5
Такой стеклогерметик нестабилен при температуре спекания от 600 до 900^oC из-за наличия в составе кристаллического кремния и титана, имеющих низкую стойкость к окислению, что вызывает изменение фазового состава при этой температуре, тем самым вызывая неконтролируемый рост удельного сопротивления материала в приконтактных областях, что выражается в неравномерном распределении сопротивления резисторов по сечению сердечника свечи зажигания. Свечи зажигания на основе этой композиции будут нестабильны при воздействии температуры и высокого напряжения.

Известен также композиционный материал для герметизации сердечников свечей зажигания, имеющий следующий состав компонентов, мас.%:
Боросиликатное стекло - от 52 до 62;
Порошок меди - от 10 до 13;
Диоксид титана - от 12 до 14;
Карбид кремния - от 13 до 15;
Углерод - от 0,5 до 1,5;
Оксид алюминия - от 2 до 5;
Оксид иттрия - 0,1 до 1,5
Однако сердечники, изготовленные на основе этого композиционного материала, имеют низкое удельное сопротивление.

Кроме этого, в этих сердечниках за счет увеличения сопротивления контактов металлодеталей и композиционного материала сопротивление сердечника резко увеличивается, что приводит к низкой воспроизводимости параметров (выход годной продукции после первичной герметизации 60%).

Сопротивление сердечников, измеренное при токе, равном 0,1 мА, не соответствует сопротивлению, измеренному при токе, равном 10 мА. С увеличением подаваемого на сердечник напряжения его сопротивление резко уменьшается.

Кроме того, во время термообработки при температуре от 200 до 300^oC наблюдается устойчивый рост сопротивления сердечников после каждого цикла термообработки за счет ухудшения контактов материала и металлодеталей.

Указанные недостатки являются следствием несовершенства композиционного материала, а именно связаны с использованием порошка меди в качестве основы проводниковой составляющей материала резисторного сердечника. Так в частях сердечника, имеющих доступ воздуха, при герметизации (от 800 до 900^oC) начинается и интенсивно развивается процесс химического взаимодействия меди с боросиликатным стеклом. Результатом такого взаимодействия является образование слоя материала, химический состав которого отличен от состава материала резисторного сердечника в промежутке между верхним контактным стержнем и центральным электродом. В зависимости от интенсивности взаимодействия различен объем этого слоя и прочность сцепления зерен порошка между собой. В зависимости от интенсивности взаимодействия получаются сердечники с сопротивлением от единиц до десятков кОм.

В случаях, когда интенсивность взаимодействия особенно велика, в нижней части контактного стержня образуется порошковая смесь практически не связанных между собой частиц.

Увлекаемая контактным стержнем в материал сердечника при горячем прессовании она образует рыхлый порошковый слой между контактным стержнем и материалом сердечника. В этом случае контакт практически отсутствует и сопротивление сердечников составляет единицы МОм. И в том, и в другом случае сопротивление сердечников будет определяться сопротивлением контактов, а не собственно сопротивлением промежутка между металлодеталями. Именно это является причиной резкой нестабильности сопротивления сердечников при термообработке и при воздействии высоким напряжением. Изменения сопротивления составляют от единиц до нескольких кОм после каждого цикла обработки.

Эти сердечники имеют очень низкие эксплуатационные характеристики, значительный температурный коэффициент сопротивления, высокий коэффициент напряжения и низкую временную стабильность сопротивления.

Целью изобретения является повышение стабильности электрического сопротивления в диапазоне от 4 до 13 кОм при воздействии импульсного высоковольтного напряжения и температуры, а также уменьшение брака после герметизации и улучшение надежности свечей зажигания.

Поставленная цель достигается тем, что композиционный материал для изготовления свечи зажигания, содержащий боросиликатное стекло, карбид кремния, оксид алюминия и углерод, дополнительно содержит дисилицид молибдена при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Боросиликатное отекло - от 50 до 60
Карбид кремния - от 11 до 25
Оксид алюминия - от 3,0 до 15
Углерод - от 0,5 до 1,5
Дисилицид молибдена - от 11 до 23
Порошковый дисилицид молибдена используется в качестве основы проводниковой составляющей резистора. Во-первых, введение дисилицида молибдена, имеющего высокую стойкость к окислению, позволяет свести к минимуму химическое взаимодействие в материале при спекании и тем самым обеспечить неизменность химического и фазового состава, как в приконтактных областях, так и в центральной части резистора. Во-вторых, способность дисилицида молибдена размягчать вблизи температуры, равной 1000^oC (пластичность достигается при 1300^oC), позволяет получать при спекании прочный проводниковый каркас, стабильный к внешним воздействиям (Источник информации: Гнесин Г.Г. справочник "Спеченные материалы для электротехники и электроники". - М.: Металлургия 1981, стр. 260-266).

В этом случае стабильность характеристик резистора обеспечивается прочностью сцепления зерен дисилицида молибдена между собой и зернами стабилизирующих веществ, а также свойствами стеклофазы.

Кроме того, согласованность электрофизических характеристик дисилицида молибдена с компонентами массы обеспечивает получение высоких эксплуатационных характеристик композиционного материала в целом, что подтверждается результатами лабораторных испытаний.

Для исследований использовали 7 вариантов состава композиционного материала, отличающихся соотношением компонентов. Варианты составов композиционных материалов приведены в табл. 1. Каждый композиционный материал получали следующим образом.

Исходные компоненты взвешивали согласно рецептуре, помещали в шаровую мельницу с соотношением материал: корундовые шары, равным 1 : 5, и смешивали в течение 2 ч. Полученную шихту просеивали через сито N 025.

Готовили раствор: поливиниловый спирт и метилцеллюлоза путем затворения водой в количестве 20% от веса шихты и набухания в течение 2 ч. Затем шихту смешивали в Z-образном смесителе в течение 20 мин до пастообразного состояния, полученную резинообразную массу пропускали через гранулятор с ячейкой сетки от 1,5 до 2 мм.

Сушку производили при температуре, равной 100^oC, до остаточной влажности от 10 до 15%. Гранулят помещали в канал изолятора между контактным стержнем и центральным электродом, предварительно подпрессовывали в холодном состоянии при давлении P, равном 400 кг/см², помещали в электрическую печь, выдерживали от 15 до 20 мин при температуре от 800 до 920^oC и производили горячее прессование при давлении равном 20 кг/см².

Методика исследований свечей зажигания:
проверка герметичности свечи пневматическим давлением, равным 20 кг/см², пузырьковым методом;
измерение сопротивления при температуре Т, равной 20^oC;
пятикратная проверка на искрообразование при И, равном 15 кв, в течение 5 мин каждая;
измерение сопротивления при температуре Т, равной 20^oC;
пятикратный нагрев свечи до температуры 200^oC и 300^oC с измерением сопротивления через 10 мин после нагрева при конечной температуре;
измерение сопротивления при температуре Т, равной 20^oC, после воздействия температуры 300^oC в течение 2 ч;
проверка герметичности.

Результаты исследований заявляемого композиционного материала, а также композиционного материала, выбранного в качестве прототипа по указанной методике, показаны в таблицах 1 и 2.

Из таблиц 1 и 2 видно, что наиболее оптимальным является состав 3,4 и 5.

Величина сопротивления имеет среднее значение при заданных пределах от 4 до 13 кОм. При увеличении содержания проводниковой составляющей MoSi₂; SiC; C и уменьшении изоляционной составляющей Al₂O₃, Б-С в составах 1, 2 и, наоборот, в составах и 6, 7 приближаются к допустимым пределам.

Сравнение заявляемого решения с прототипом показало, что заявляемое решение обеспечивает повышение стабильности сопротивления в диапазоне от 4 до 13 кОм при воздействии высокого напряжения и температуры, что позволяет повысить надежность свечи и осуществить подавление радиопомех свечей зажигания и одновременно получить герметизацию по центральному электроду.

Кроме того, высокая стойкость материала к окислению позволяет в широких пределах изменять температуру герметизации сердечников и тем самым уменьшать брак после герметизации, связанный с нестабильной работой электрических печей стеклогерметизации. Данный композиционный материал используется в свечах зажигания А17ДВР, которые в настоящее время прошли предварительные стендовые и эксплуатационные испытания на двигателях ВАЗ-2108 с электронной системой зажигания и ЗМЗ-406210 с комплексной микропроцессорной системой управления двигателем на соответствие требованиям ТУ 37.003.1366-88.

Формула изобретения

Композиционный материал для изготовления резистора для свечи зажигания, содержащий боросиликатное стекло, карбид кремния, оксид алюминия и углерод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит дисилицид молибдена при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Бросиликатное стекло - 50 - 60
Карбид кремния - 11 - 25
Оксид алюминия - 3,0 - 15
Углерод - 0,5 - 1,5
Дисилицид молибдена - 11 - 23

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2