專利名稱：火花塞的制作方法
技術領域：
本發明涉及火花塞及其制造方法。
背景技術：
用于給諸如汽車發動機之類的內燃機點火的火花塞一般包括一金屬殼；一絕緣子，比如由氧化鋁基陶瓷制成，它置于金屬殼內；以及位于該金屬殼內的中心電極。一接地電極和該金屬殼相連。絕緣子從所述金屬殼的后部開口沿軸向突出。一端子金屬片位于絕緣子的突出部的內部。端子金屬片通過一電阻器，在玻璃密封步驟形成的導電玻璃密封層等等和中心電極相連。一旦經端子金屬片施加一高電壓，將會在接地電極和中心電極之間所形成的間隙誘導出火花放電。
但是，如果火花塞同時受各種條件的影響，如火花塞溫度高，環境濕度大等等，施加高電壓時就不能在所述間隙處成功地誘導出火花放電，以及可能會出現所謂的“跳火(flashover)”現象，在此現象中，火花放電在端子金屬片和金屬殼之間被誘導，因而火花在絕緣子的突出部表面的上方游走。因此，為避免跳火現象，一般使用的大部分火花塞在其絕緣子的表面上形成有釉層。釉層還用于使絕緣子的表面變得光滑，以防止污染，它還用于增加化學或機械強度。
通過將釉漿施加在絕緣子的表面上并進行燒釉在絕緣子上形成釉層。在用于火花塞的氧化鋁基絕緣子的情況下，在燒釉后的絕緣子上形成釉層，然后在1000-1100℃的溫度下焙燒。為此，在現有技術中，采用的是鉛-硅酸鹽-玻璃基的釉料，由于向硅酸鹽內摻入了大量的PbO，其軟化點降低。然而，這種類型的釉料有下列不足(1)由于釉料的線脹系數小于用作基底的氧化鋁基絕緣材料，所形成的釉層易于開裂(或稱崩裂，cracks)等。
(2)盡管釉料中含有大量的PbO，但燒釉溫度仍然很高，為1000℃或更高。在制造火花塞時，燒釉通常和玻璃密封步驟同時進行，從而減少制造步驟。因此，上面所述的很高的燒釉溫度不利于端子金屬片和中心電極的加速氧化。已想到的一種進一步降低燒釉溫度的辦法是向釉料中添加堿金屬氧化物，如Na2O。但是，堿金屬成分增加過多會降低絕緣性能，火花塞易于跳火。
(3)近年來，在全球范圍內對環境保護的考慮越來越多，越來越少地使用含鉛釉料。例如，在大量使用火花塞的汽車工業中，由于廢棄火花塞對環境的影響，正在考慮完全放棄使用含鉛釉料的火花塞。
發明內容
本發明的首要目的是，提供一種包括絕緣子和其上帶有的釉層的火花塞，其中，和傳統的釉相比，此釉具有較高的絕緣特性，可在相對較低的溫度下燒釉。本發明的第二個目的是提供一種火花塞的制造方法。本發明的第三個目的是提供一種火花塞，其中釉料中鉛的含量明顯降低，以滿足環保要求。
根據本發明，提供一種火花塞，包括一中心電極；一金屬殼，它圍繞中心電極設置；一接地電極，接地電極的一端和金屬殼連接，而接地電極的另一端和中心電極面對；一絕緣子，設置在中心電極和金屬殼之間，從而絕緣子蓋住中心電極的外表面；以及一釉層，主要由氧化物形成，蓋住絕緣子(2)的至少一部分表面，其中，形成釉層的釉料主要包括Si，B，Zn，Ba，以及Na，K和Li中的兩種共添堿金屬成分，其中，Si的重量百分比含量折算成SiO2為18-35％，B的重量百分比含量折算成B2O3為25-40％，Zn的重量百分比含量折算成ZnO為10-25％，Ba的重量百分比含量折算成BaO為7-20％，兩種共添堿金屬成分中每種的量為從由下面構成的組中選擇的一個重量百分比含量大于3％且小于或等于9％的Na2O，重量百分比含量為3-9％的Li2O。
B，折算成B2O3的重量百分比含量為30-35％；Zn，折算成ZnO的重量百分比含量為12-18％；Ba，折算成BaO的重量百分比含量為8-15％；Na，折算成Na2O的重量百分比含量為3-9％；K，折算成K2O的重量百分比含量為3-9％。
優選地，釉料可包括Al，Ca，Fe，Zr，Ti，Sr，Mg，Bi，Ni，Sn，P，Mn中的一種以上的輔助陽離子成分，相對于釉料的全部組分來說，輔助陽離子成分的總量為5％，其中，Al以Al2O3折算，Ca以CaO折算，Fe以Fe2O3折算，Zr以ZrO2折算，Ti以TiO2折算，Sr以SrO折算，Mg以MgO折算，Bi以Bi2O3折算，Ni以NiO折算，Sn以SnO2折算，P以P2O5折算，Mn以MnO折算。
本發明提供一種火花塞，包括一中心電極；一金屬殼，它圍繞中心電極設置；一接地電極，接地電極的一端和金屬殼連接，而接地電極的另一端和中心電極面對；一絕緣子，設置在中心電極和金屬殼之間，從而絕緣子蓋住中心電極的外表面；一釉層，它蓋住絕緣子的至少一部分表面；其中形成釉層的釉料主要包括Si，B，Zn，Ba，以及Ti和Zr兩者中的至少一種成分，Si的重量百分比含量折算成SiO2是20-38％，B的重量百分比含量折算成B2O3為20-35％，Zn的重量百分比含量折算成ZnO為15-25％，Ba的重量百分比含量折算成BaO為10-23％，Ti或Zr的重量百分比含量折算成TiO2或ZrO2為2-10％，釉料還包括Na，K和Li中的至少一種堿金屬成分，總的重量百分比含量折算成其氧化物為12％，其中Pb的重量比含量折算成PbO不大于0.1％。
本發明提供一種制造火花塞的方法，包括以下步驟釉粉料制造步驟，用于制備釉粉料；釉粉積聚步驟，用于將釉粉加在絕緣子的表面上，從而形成釉粉積聚層；以及燒釉步驟，用于在800-950℃溫度下對絕緣子燒釉，從而焙燒釉粉積聚層并使其固結于絕緣子的表面上，其中，釉粉料制備步驟包括以下步驟將具有Si，B，Zn和Ba作為陽離子成分的原始粉料和具有選自Na，K，Li中的兩種共添堿金屬成分的原始粉料混合，使得混合物中Si的重量百分比含量折算成SiO2是18-35％，B的重量百分比含量折算成B2O3為25-40％，Zn的重量百分比含量折算成ZnO為10-25％，Ba的重量百分比含量折算成BaO為7-20％；共添堿金屬成分中每一種的重量百分比含量為3-9％，其中Na折算成Na2O，K折算成K2O，Li折算成Li2O；在1000-1500℃時加熱并熔化混合物；使熔態材料快速冷卻和玻璃化；將玻璃態材料粉碎成為玻璃料；以及由玻璃料來制備釉粉料。
本發明提供一種制造所述的火花塞的方法，包括以下步驟釉粉制造步驟，用于制備釉粉；釉粉積聚步驟，用于將釉粉加在絕緣子的表面上，從而形成釉粉積聚層；以及燒釉步驟，用于在800-950℃溫度下對絕緣子燒釉，從而焙燒釉粉積聚層并使其固結于絕緣子的表面上，其中，釉粉制備步驟包括以下步驟將具有Si，B，Zn和Ba作為陽離子成分的原始粉末和具有Ti和Zr中至少一種成分的原始粉混合，使得混合物中Si的重量百分比含量折算成SiO2是20-40％，B的重量百分比含量折算成B2O3為20-35％，Zn的重量百分比含量折算成ZnO為15-25％，Ba的重量百分比含量折算成BaO為10-23％，Ti和Zr的重量百分比含量分別折算成TiO2或ZrO2為2-10％，在1000-1500℃時加熱并熔化混合物；使熔態材料快速冷卻和玻璃化；將玻璃態材料粉碎成為玻璃料；以及由玻璃料來制備釉粉。
本發明還提供一種制造火花塞的方法，其中端子金屬片固定在沿絕緣子的軸向開設的通孔的一端，中心電極固定在該通孔的另一端，燒結導電材料部由玻璃和導電材料的混合物形成，并置于該通孔內并位于端子金屬片和中心電極之間，從而將這些部件彼此電連接，該方法包括組件制造步驟，用于制造一組件，在該組件中，端子金屬片固定在絕緣子的通孔的一端，中心電極固定在通孔的另一端，主要由玻璃和導電材料組成的燒結導電原材料粉末充填到位于通孔內的端子金屬片和中心電極之間的空間，從而形成粉末充填層；擠壓步驟，用于在被加熱的組件內使中心電極和端子金屬片在所述通孔內彼此靠近，從而在中心電極和端子金屬片之間擠壓粉末充填層，藉此形成燒結導電材料部分，以及燒釉步驟，同時在800-950℃的溫度下對在絕緣子的表面上形成有釉粉積聚層的組件加熱，從而焙燒并將該釉層固定在絕緣子的表面上，藉此形成釉層，并軟化粉末充填層的玻璃粉末。
根據本發明的第一種方式，提供一種火花塞，包括中心電極，金屬殼，接地電極，絕緣子和釉層。金屬殼環繞在中心電極周圍。接地電極的一端與金屬殼相連，而另一端和中心電極面對。絕緣子位于中心電極和金屬殼之間，從而絕緣子覆蓋中心電極的外表面。釉層至少覆蓋絕緣子的部分表面。為實現上述目的，形成釉層的釉料主要包括作為氧化之前的元素，Si，B，Zn和Ba；Na，K和Li中的任兩種元素(下面這兩種元素稱為“共添堿金屬成分”)。具體來說，釉料中Si的重量百分比含量折算成SiO2為18-35％，B的重量百分比含量折算成B2O3為25-40％，Zn的重量百分比含量折算成ZnO為10-25％，Ba的重量百分比含量折算成BaO為7-20％。另外，兩種共添堿金屬成分中的任一種在釉料中的重量百分比含量折算成Na2O，K2O和Li2O為3-9％。
如果要涂覆釉料的絕緣子比如說由氧化鋁基絕緣材料形成，則在第一種方式的火花塞中所用的上述組分的釉料的線脹系數和絕緣子差別比較小，因而釉層不易發生開裂等。另外，由于堿金屬成分的含量設定得較高，則這種釉料的軟化點比傳統的鉛-硅酸鹽-玻璃基釉料低。因此，燒釉溫度可降至800-950℃。因而，即使燒釉和玻璃密封步驟如上所述同步進行，中心電極和下述的端子金屬片也較不易發生氧化。
而且，即使是含有大量的堿金屬成分，也可以獲得良好的絕緣特性。為此，同時加入選自Na，K和Li的兩種不同的堿金屬成分而不僅僅是加入其中一種類型的堿金屬是重要的。發明人所作的研究發現只加入一種堿金屬成分時，隨著數量的增加，釉料的導電率大大增加，明顯會損害其絕緣性能。但是同時加入兩種類型的堿金屬成分時，即便是所添加的成分的總量大量增加時釉料的導電率也沒有大大增加，因而確保了良好的絕緣性能。結果是，在最小限度地降低絕緣性能的同時，可以增加堿金屬成分的數量，這樣可同時達到兩個目的，即防止了跳火，又降低了燒釉溫度。此外，只要共添堿金屬成分的導電率抑制效果不被損害，也可以加入另外的第三種堿金屬成分。
釉料中Si的重量百分比含量為18-35％，以氧化物狀態SiO2折算。如果Si的重量百分比含量小于18％，則釉料的線脹系數變得特別大，釉層變得易于產生缺陷，如開裂。相比之下，如果Si的重量百分比含量超過40％，則釉料的線脹系數變得很低，釉層變得容易出現龜裂(crazing)。最好，Si的含量按重量百分比計在25-30％之間。
B的重量百分比含量折算成B2O3設定在25-40％。如果B的重量百分比含量小于25％，則釉料的軟化點增加，導致不能在規定的預想的溫度下(800-950℃)燒釉。相比之下，如果B的重量百分比含量高于40％，則在所形成的釉層中產生相分離，導致反玻璃化(devitrification)，劣化了絕緣性能，或者是與基板的線脹系數不匹配。B的重量百分比含量最好是30-35％。
Zn的重量百分比含量折算成ZnO設定在10-25％。如果Zn的重量百分比含量小于10％，則釉料的軟化點增加，從而不能在規定的溫度下進行燒釉。相比之下，如果Zn的重量百分比高于25％，釉料的線脹系數變得很高，釉層容易出現缺陷如開裂。Zn的重量百分比含量最好是12-18％。
Ba的重量百分比含量折算成BaO為7-20％。如果Ba的重量百分比含量小于7％，則釉料的絕緣性能下降，導致跳火防護受到損害。相反，如果Ba的重量百分比含量超過20％，則釉料的軟化點增加，不能在規定的軟化點進行燒釉。Ba的重量百分比含量最好為8-15％。
兩種共添堿金屬成分的每一種在釉料中的重量百分比含量為3-9％。此時，Na按Na2O折算，K按K2O折算，Li按Li2O折算。如果至少其中一種成分的重量百分比含量小于3％，則釉料的軟化點增加，導致不能在規定的溫度下燒釉。另外，如果至少一種成分的重量百分比含量大于9％，則釉料的線脹系數大為增加，釉層容易產生缺陷，如開裂。
另外，釉料中共添堿金屬成分的總量最好在6-14％的范圍內調節，分別按各自的氧化物折算以重量百分比計。如果共添堿金屬成分的總量的重量百分比小于6％，則釉料的軟化點增加，導致不能在規定的溫度下燒釉。相比之下，如果總量的重量百分比含量大于14％，則釉料的絕緣性能下降，會損害跳火防止功能。
進一步說，A1/A2的值最好在1.0-2.0的范圍內調節，其中A1為兩種共添堿金屬成分之一的摩爾量，A2為另一種堿金屬成分的摩爾量，Na按Na2O折算，K按K2O折算，Li按Li2O折算。如果A1/A2的值大于或小于所述的范圍，則不能充分獲得共添堿金屬成分的導電率抑制效果，結果降低了絕緣性能，損害了跳火防止功能。A1/A2的值最好在1.5-2.0之間調節。
為抑制加入堿金屬成分的釉料的導電率增加，最好是用Na和K作為共添堿金屬成分。Na的重量百分比含量最好是3-9％，以Na2O折算，K的重量百分比含量最好是3-9％，以K2O折算。
釉料中陽離子Si，B，Zn，Ba和共添堿金屬成分的總重量百分比含量折算成其氧化物最好是在95％以上。如果低于95％，則釉料的軟化點增加，導致不能在規定的溫度下進行燒釉。重量百分比總含量最好在97％以上。
進一步地說，釉料可包含一種以上的輔助陽離子元素，它們選自Al，Ca，Fe，Zr，Ti，Sr，Mg，Bi，Ni，Sn，P和Mn。相對于釉料的成分來說，輔助陽離子成分的總重量百分比為5％以下。這里，Al以Al2O3折算，Ca以CaO折算，Fe以Fe2O3折算，Zr以ZrO2折算，Ti以TiO2折算，Sr以SrO折算，Mg以MgO折算，Bi以Bi2O3折算，Ni以NiO折算，Sn以SnO2折算，P以P2O5折算，Mn以MnO折算。這些成分可以是根據不同的目的而特意添加。有時，它們會以雜質(異物)的形式自然存在于釉漿中，這些雜質來自于原材料(或者是如下所述的粘土礦物質，在釉漿的制備過程中添加)或在熔化步驟中所使用的耐火材料。二價Fe離子(如FeO)和三價Fe離子(如Fe2O3)都可用作釉料中鐵離子的來源。在本發明中，所形成的釉層中Fe的含量由Fe2O3折算后的值表示，而不管Fe離子的價數是多少。
如果輔助陽離子的總重量百分比含量為5％以上，則主要陽離子成分的總重量百分比不能達到95％以上。最好，輔助陽離子的總重量百分比含量為3％以下。在以下的描述中，有時將主要陽離子成分和輔助陽離子成分統稱為“陽離子成分”。
通過加入重量百分比小于或等于5％的Al來抑制釉料的反玻璃化。另外，如果適當的話，可以將其它成分加入以調節釉料的軟化點。為降低釉料的軟化點，加入Bi2O3特別有效。
釉料可以不含Pb(除非是不可避免地混入的情況，例如釉料的原材料中所混入的)。如果含有Pb，其重量百分比含量以PbO折算可以是1.0％以下。如果包含在釉料中的Pb是以低價離子態存在(如Pb2+)，此離子通過電暈放電或在釉層表面上發生的類似現象變為高價離子(例如Pb3+)。結果，降低了釉的絕緣性能，損害了跳火防止功能。最近，隨著對環境保護的關注的增加，對無鉛材料的應用已進行調查。因此，在火花室中采用本發明的釉料是有利的，因為其所含的陽離子成分中沒有Pb。換言之，以不可避免的雜質形態存在的重量百分比最高達1.0％的含量的鉛除外，如果鉛的含量降至基本不含鉛的水平，釉料中不會出現什么問題，從而達到鉛含量降低的目的。Pb的重量百分比含量最好是在0.1％以下。
除釉層以外，本發明第二種方式的火花塞和上述的第一種模式的火花塞在主要部分上是相同的。構成釉層的釉料包括用作主要陽離子成分的成分(以下稱為“主要陽離子成分”)，即Si，B，Zn和Ba；Ti和Zr中的至少一種元素；作為堿金屬成分的Na，K和Li中的至少一種元素；以及Pb。主要陽離子成分的含量如下Si的重量百分比含量為20-40％，以SiO2折算；B的重量百分比含量為20-35％，以B2O3折算，Zn的重量百分比含量為15-25％，以ZnO折算，Ba的重量百分比含量為10-23％，以BaO折算。以TiO2和ZrO2折算的Ti和Zr的總的重量百分比含量為2-10％。堿金屬的重量百分比含量一共為12％或更低，其中Na折算成Na2O，K折算成K2O，Li折算成Li2O。Pb的重量百分比含量為0.1％以下，以PbO折算。
第二種模式覆蓋了本發明的下述四個方面。這四個方面可單獨應用或將其隨意組合。
第一方面Si的重量百分比含量以SiO2折算為20-38％(該第一方面至少可以和第二、三、四方面之一相組合)。
第二方面Zr的重量百分比含量以ZrO2折算為3.4％以下(第二方面至少可以和第一、三、四方面之一相結合)。
第三方面Ti的重量百分比含量以TiO2折算為1.5％以上(第三方面至少可以和第一、二、四方面之一相結合)。
第四方面WTi/WZr為0.2-10，其中WZr代表以ZrO2折算的Zr的含量，WTi代表以TiO2折算的Ti的含量(第四方面可以和第一、二、三方面之一相結合)。
下面將詳細描述本發明第二方式的作用和效果，包括第一、二、三、四方面的作用和效果。作為本發明的第二種方式的火花塞的主要部分的釉層的特征在于，它包括總的重量百分比含量以各自的氧化物折算為2-10％的Ti和Zr，而堿金屬成分的總的重量百分比含量限制在12％以下(包括重量百分比為0％)，而B的重量百分比含量限制在20-35％，按B2O3折算。將堿金屬成分的總量和B的含量限制在上述范圍內易于形成厚度均勻的釉層，氣泡之類的缺陷少。
之所以能夠通過減少堿金屬成分和B的含量來獲得上述效果，原因如下在下面所述的本發明的制造方法中，如果釉粉中具有大量的堿金屬成分和B的含量較高，當將釉粉處理成釉漿時，這些成分在水之類的溶液中被洗提，使得釉漿的粘度增加。如果釉漿的粘度大大增加(例如超過1000mPa·S)，難以獲得均勻一致的釉粉涂層，氣泡之類更有可能懸浮于釉層中。然而，通過選擇上述堿金屬成分和B的含量范圍，可以制備出低粘度和高流度的釉漿。結果，易于得到厚度均勻沒有缺陷的釉層。
堿金屬成分和B的含量的減少導致軟化點上升，即燒釉溫度上升。如上所述，為抑制軟化點的升高，傳統作法是將大量的PbO加入釉料中。相比之下，在上述的第二種方式中，將Ti和Zr的氧化物而不是PbO加入釉料中，結果Pb的含量明顯下降，具體來說，下降到0.1％以下，按PbO計算以重量百分比計，同時，抑制了釉料的軟化點的增加。最好，釉料中基本上不合Pb，除非是Pb例如從釉的原材料混入的情況。
如果涂覆釉層的絕緣子由氧化鋁基絕緣材料制成，則釉層和絕緣子之間的線脹系數相差較小，故釉層不易出現開裂等缺陷。而且，由于釉料的軟化點低于傳統的鉛-硅酸鹽-玻璃基釉料，燒釉溫度可以降低到800-950℃。因此，即使是燒釉和上述玻璃封接步驟同步進行，中心電極和下述的端子金屬片也不易氧化。另外，由于堿金屬成分含量降低，釉層具有良好的絕緣特性(導致良好的跳火防止功能)。此外，加入Ti和Zr的氧化物后提高了所獲得的釉層的阻水和耐化學腐蝕性能。例如，即便在釉層中含有堿金屬成分，所述成分的洗滌被抑制，提高了釉層的耐受電壓。在提高釉層的抗化學腐蝕方面，Zr的效果比Ti更為明顯。在本發明中，“良好的阻水性”不僅是指形成釉層的成分難以被洗提進入水中，而且是指玻璃態釉料可以以液漿形態在水中保持較長時間，阻礙了因其成分的洗提而使釉漿的粘度增加。
第二種方式中，如果堿金屬成分的總的重量百分比含量超過12％，則不能獲得第二種模式所特有的明顯效果，如釉漿的流度(fluidity)增加，釉層厚度均勻，沒有缺陷。另外，當所添加的堿金屬成分的含量超過所述范圍時，會產生不利的效果，不能確保釉層的絕緣特性。另一方面，向釉層中加入Ti和Zr的氧化物會使軟化點的增加受到抑制，可將堿金屬成分的含量降至在釉料中基本上不含堿金屬成分的水平，從例如原材料混入的堿金屬成分除外。例如，當將其重量百分比含量降至6％以下，最好是5％以下時，絕緣性能明顯改善。如果是為了獲得適當的燒釉點，足夠的熔態釉料的流度等而必須將特定數量的堿金屬成分加入，則同第一種模式一樣，為改善絕緣性能，加入兩種以上的堿金屬成分是更為有效的。
如果Ti和Zr的總的重量百分比含量小于2％，以其氧化物折算，則對釉料的軟化點的抑制效果不充分，導致不能在所希望的溫度下燒釉。相比之下，如果總含量超過10％，則燒釉后的釉層容易反玻璃化，這是不利的。另外，如果加入的Ti和Zr的氧化物的含量不適當，則比如說由于氧化物之間的共晶反應，釉料的軟化點下降。然而，Ti和Zr的氧化物實質上均為高熔點氧化物，如果氧化物的總重量百分比含量超過10％，則釉料的軟化點增加，這是不利的，會導致不能達到所需的燒釉溫度。Ti和Zr的總的重量百分比含量以各自的氧化物折算最好是3-8％。
由于Zr使熔化的釉料的粘度增加的程度略大于Ti，Zr的重量百分比為3.4％以下，最好是3.0％以下，按ZrO2折算，以增加熔化釉料的流度，形成具有良好外觀的均勻一致的釉層，如同第二方面所述的情形。
另一方面，由于Ti使熔化釉料的粘度增加的程度不像Zr那么大，Ti的重量百分比含量按TiO2折算設定為1.5％，以有利于形成具有良好阻水性能和抗化學腐蝕性能的釉層，如同第三方面所述的情形。
當Ti過量加入時，釉層的線脹系數特別小。此時，如果覆涂釉料的絕緣子例如由氧化鋁基絕緣材料制成，則絕緣子和釉層之間的線脹系數差異會導致在釉層中產生龜裂之類的缺陷。因而，最好是將Ti和Zr一起加入，以防止這種缺陷，并增加熔態釉料的流度，從而獲得具有良好外觀的均勻一致的釉層。具體來說，根據本發明的第四方面，WTi/WZr為0.2-10，其中WZr表示以ZrO2折算的Zr的含量，WTi代表以TiO2折算的Ti的含量。如果WTi/WZr小于0.2，則Ti的相對含量會不足。在這種情況下，為獲得充分增加阻水和抗化學腐蝕性能，必須增加Zr的含量。結果，在某些情況下，熔態釉料的粘度增加，釉此的外觀受到損害。相比之下，如果WTi/WZr超過10，則必須增加Zr的含量，以充分實現增加阻水性能和抗化學腐蝕性能的效果。結果，釉層的線脹系數變得很小，釉層變得易于出現龜裂等。WTi/WZr最好是0.5-7。
在上述第二種方式中，釉料中Si的重量百分比含量以SiO2折算為20-40％。如果涂有釉料的絕緣子由氧化鋁基絕緣材料制成，若Si的重量百分比含量小于20％，則釉層的線脹系數變得特別高，因而易于產生開裂之類的缺陷。相比之下，若Si的重量百分比含量大于40％，則釉料的線脹系數減小，這是不利的，使得釉層易于產生龜裂之類的缺陷。此外，如果Si的重量百分比含量為38％以下，則釉層中的龜裂之類的缺陷受到抑制，如同第一方面的情況。Si的重量百分比含量以SiO2折算最好設在25-35％的范圍內。
在第二種模式中，B的重量百分比含量為20-35％。如果B的重量百分比含量小于20％，則釉料的軟化點增加，導致不能在所期望的溫度(如上所述為800-950℃)下實現燒釉。相比之下，如果B的重量百分比含量大于35％，則不能獲得第二種模式所特有的明顯效果，如釉漿流度增加，釉層厚度均勻一致和沒有缺陷。此外，會產生不利的后果，問題如下所獲得的釉層易于發生相分離，導致反玻璃化；降低釉層的絕緣性能；加大釉層和覆涂釉層的材料的熱脹系數之間的差別。B的重量百分比含量最好設定在20％-28％。
為增加提高釉漿流度的效果，B和堿金屬成分的總量(以氧化物折算)的重量百分比最好為42％以下。35％以下更好。而且，為抑制燒釉溫度的過度增加，堿金屬成分，Ti和Zr的總的重量百分比含量(以相應的氧化物折算)最好為8％以上。
在第二種方式中，Zn的重量百分比含量以ZnO折算設置在15-25％的范圍內。如果Zn的重量百分比含量小于15％，則釉料的軟化點大為增加，導致不能在期望的溫度下燒釉。相比之下，如果Zn的重量百分比含量大于25％，則釉料的線脹系數變得極高，因而釉層易于產生開裂之類的缺陷。Zn的重量百分比含量最好設在15-20％的范圍內，17-20％更好。
在第二種方式中，Ba的重量百分比含量以BaO折算設在10-23％的范圍內。如果Ba的重量百分比含量小于10％，則釉料的絕緣性能下降，結果會損害跳火防止功能。相比之下，如果Ba的重量百分比含量大于23％，則釉料的軟化點增加，導致不能在期望的溫度下燒釉。Ba的重量百分比含量最好為12-18％。
在第一和第二方式中，上述陽離成分或輔助陽離子成分主要以氧化物成分包含在釉料中。然而，在很多情況下，氧化物的形態難以識別，例如這是因為所述成分形成非結晶玻璃相態。在這種情況下，只要釉層中各成分(按氧化物折算)的含量落入上述范圍內，則由此釉料制成的火花塞就落入本發明的范圍內。
利用已知的EPMA技術(電子探針顯微分析)或XPS技術(X射線光電子譜分析)等微觀分析技術可以識別在絕緣子上形成的釉層中各種陽離子的含量。例如，如果在EPMA中測量特征X射線，可以應用波譜X射線方法和能譜X射線方法。也可以通過對自絕緣子上剝離的釉層進行化學分析或氣體分析來識別其組分。
根據本發明，具有上述釉層的火花塞包括一桿狀端子金屬片部分。該端子金屬片部分置于絕緣子的通孔內，從而它和中心電極結合而形成一個獨立單元，或者通過將一導電粘合層置于金屬片部和中心電極之間而將其分開。在這種模式中，將整個火花塞維持在500℃，使電流在端子金屬片和金屬殼之間流動，絕緣子置于其之間，從而測量絕緣電阻。為確保在高溫時的絕緣耐久性，絕緣電阻最好保持在200MΩ以上，以防止跳火等。
圖8示出了測量絕緣電阻的一裝置的實例。圖8所示的火花塞100包括一端子金屬片13和金屬殼1。端子金屬片13和直流恒壓電源(如1000V電源)相連。將金屬殼1接地。將火花塞在加熱爐中在500℃溫度下加熱，同時電流流過火花塞100。例如，利用一電阻(Rm)測量所加的電流Im時，待測絕緣電阻Rx由下式表示(Vs/Im)-Rm，其中Vs是載流電壓(所加的電流Im是從差分放大器的輸出測得的，它將用于測量電流的電阻兩端的壓差放大)。
絕緣子可由氧化鋁基絕緣材料制成，其中鋁的重量百分比含量以Al2O3折算為85-98％。此處，在20℃至350℃之間的溫度范圍內所測得的平均線膨脹系數最好為50×10-7/℃至85×10-7/℃。如果線膨脹系數小于下限，則火花塞易于產生龜裂(crazing)之類的缺陷。相比之下，如果線脹系數大于上限，火花塞易于產生開裂(cracks)之類的缺陷。熱膨脹系數最好是60×10-7/℃至80×10-7/℃。
釉料的線膨脹系數可通過由下述方式獲得的值導出。將材料混合起來得到大致和所述釉料相同的組分，將混合物熔化得到玻璃態釉料料塊；從料塊上切下一塊樣品；通過已知的方法利用膨脹計測量樣品的膨脹系數。形成在絕緣子上的釉層的線脹系數也可利用如激光干涉儀或原子力顯微鏡技術測得。
第一種方式的火花塞通過本發明的第一種制造方法制成。該第一種制造方法包括釉粉制備步驟，釉粉積聚步驟以及燒釉步驟。
釉粉制備步驟包括將具有Si，B，Zn和Ba的陽離子原始粉料和選自Na，K和Li(共添堿金屬成分)的兩種元素的原始粉料混合，使混合物中Si的重量百分比含量以SiO2折算為18-35％，B的重量百分比含量以B2O3折算為25-40％，Zn的重量百分比含量以ZnO折算為10-25％，Ba的重量百分比含量以BaO折算為7-20％，每一種共添堿金屬成分的重量百分比含量為3-9％，其分別以Na2O，K2O和Li2O折算；在1000-1500℃的溫度下加熱并使混合物熔化；快速冷卻并使熔化的材料呈玻璃態；將玻璃態材料壓碎成為玻璃料；由玻璃料制備成釉粉。
釉粉積聚步驟包括將釉粉施加在絕緣子的表面上，從而形成釉粉積聚層。
燒釉步驟包括在800-950℃的溫度對絕緣子燒釉，從而焙燒釉粉積聚層使之固結于絕緣子的表面上。
第二種模式的火花塞通過本發明的第二種制造方法來制造。第二制造方法包括釉粉制備步驟，釉粉積聚步驟和燒釉步驟。
釉粉制備步驟包括將具有作為主要陽離子成分的Si，B，Zn和Ba的原始粉料和具有選自Ti，Zr中至少一種元素的原始粉料混合，使得混合物中Si的重量百分比含量以SiO2折算為20-40％，B的重量百分比含量以B2O3折算為20-35％，Zn的重量百分比含量按ZnO折算為15-25％，Ba的重量百分比含量以BaO折算為10-23％，Ti和/或Zr的總的重量百分比含量按TiO2和/或ZrO2折算為2-10％，在1000-1500℃的溫度下加熱并熔化混合物；將玻璃態材料粉碎成玻璃料；由玻璃料來制備釉粉。
釉粉積聚步驟包括將釉粉施加在絕緣子的表面上，從而形成釉粉積聚層。
燒釉步驟包括在800-950℃的溫度下對絕緣子燒釉，從而焙燒釉粉積聚層使之固結于絕緣子的表面上。
作為每一種成分的原始粉料(不僅包括陽離子成分原始粉料，也包括輔助陽離子成分的原始粉料)，除氧化物(包括混合氧化物外)可以使用各種無機原料的釉粉，它們有氫氧化物，碳化物，氯化物，硫化物，氮化物和磷化物。這些無機物釉粉通過加熱和熔化必須可以轉化為氧化物。除了將熔態材料浸入水中外，還可以將熔化的材料噴灑在冷卻輥的表面上實現快速冷卻，以獲得薄片狀的快速冷卻后的固態材料。
將用于釉粉的玻璃料在水或溶劑中分散以得到釉漿。將釉漿施加在絕緣子的表面上并烘干，將釉漿形成釉粉積聚層。將釉漿施加在絕緣子的表面上的方法可以是將釉漿通過噴嘴噴灑，有助于形成厚度均勻的釉粉積聚層，并可調節釉層的厚度。
為增強這樣所形成的釉粉積聚層的形狀保持性能，將適當數量的粘土材料或有機粘合劑加入釉漿中。可使用的粘土材料以鋁硅酸鹽水合物為主要成分，例如這樣一種粘土礦，至少包括下面一種成分為主要成分，水鋁英石，imogolite，硅鐵土，綠土，高嶺石，埃洛石，蒙脫石，伊利石，垤石，白云石等以及其混合物。另外，所用的粘土材料還可以下列至少一種氧化物作為其主要成分，Fe2O3，TiO2，CaO，MgO，Na2O，K2O等以及SiO2和Al2O3。
本發明的火花塞包括一通孔，端子金屬片，中心電極和燒結的導電材料部分(包括導電玻璃密封層和一電阻器)。通孔沿絕緣子軸向開設。端子金屬片固定在通孔的一端，而中心電極固定在通孔的另一端。燒結導電材料部分由玻璃和導電材料的混合物形成，置于通孔內并位于端子金屬片和中心電極之間，從而將這些零件彼此電連接。
制造火花塞的方法包括如下步驟組件制造步驟將端子金屬片固定在絕緣子通孔的一端，中心電極固定到通孔的另一端。將以玻璃和導電材料為主組成的燒結導電原材料裝入通孔內端子金屬片和中心電極之間的空間，從而形成粉末裝填層。
燒釉步驟下列步驟同步進行。將絕緣子的表面上形成有釉粉積聚層的組件在800-950℃溫度下加熱焙燒從而使釉層固結于絕緣子的表面上，以形成釉層并將粉末裝填層的玻璃粉末軟化。
擠壓步驟使中心電極和端子金屬片在通孔內彼此貼近，從而將粉末裝填層在中心電極和端子金屬片之間被擠壓，以形成繞結導電材料部分。
在這種情況下，通過燒結導電材料部分使中心電極和端子金屬片彼此電連接，并將通孔的內表面和中心電極或端子金屬片密封。因而上述的燒釉步驟提供有玻璃密封步驟。由于燒釉和玻璃密封步驟同時進行，故這一方法效率高。另外，由于采用了上述釉料，燒釉溫度可低達800-950℃。結果，因中心電極和端子金屬片的氧化而形成的有缺陷的產品很少，提高了火花塞的產量。
在這種情況下，釉料的軟化點最好在600-700℃的范圍內調節。如果軟化點高于700℃，則燒釉溫度必須在950℃以上，因而中心電極和端子金屬片易發生氧化。相比之下，如果軟化點低于600℃，必須將燒釉溫度設置成低于800℃。在這種情況下，燒結導電材料部分必須采用低軟化點的玻璃材料，以獲得良好的玻璃密封。結果，如果在較高的溫度下長時間使用所制成的火花塞，燒結導電材料部分中所包含的玻璃材料容易變性。在這種情形下，如果燒結導電材料部分包括一電阻，則負載下的壽命等特性會受到損害。
釉料的軟化點這樣測定將原材料混合并熔化，以獲得玻璃態釉塊；將釉塊分解成尺寸約10-100μm的顆粒，二次加熱時對粒子進行差分熱分析；在吸熱反應中發生在第一峰值后的表示狀態改變點的后續峰值(吸熱反應中的第二峰值)確定為軟化點。形成在絕緣子的表面上的釉層的軟化點由以下方式獲得的軟化點導出測量釉層中陽離子和輔助陽離子的含量；根據此含量計算以氧化物折算的組分；將各元素的氧化物原材料混合并熔化，從而獲得和所得到的組分相同的組分；將混合物快速冷卻得到玻璃態樣本；測量玻璃態樣本的軟化點。
上面涂有釉層的絕緣子可以由氧化鋁基絕緣材料形成，它包含以Na2O折算重量百分比為0.07-0.5％的Na。在下面的描述中，除非另外說明“Na含量”指的是折算成Na2O所含Na的含量。
通過結合附圖對本發明的優選實施例的描述，本發明的各種目的、特征和伴隨優點將顯而易見。
圖1是一剖視圖，示出了根據本發明第一種模式的火花塞的一個實施例。
圖2A是一局部剖視圖，示出了圖1中的火花塞的主要部分。
圖2B是一放大了的剖視圖，示出了火花放電部分以及主體周圍部分。
圖3所示了具有釉層的絕緣子的外觀。
圖4A和4B示出了絕緣子的兩個實施例。
圖5示出了根據本發明的火花塞的另一個實施例。
圖6A為一俯視圖，示出了圖5的火花塞的放電部分以及其周圍部分。
圖6B為一俯視圖，示出了圖5的火花塞的一種變形及其周圍部分。
圖7示出了本發明的火花塞的另一實施例。
圖8為解釋性示圖，示出了火花塞絕緣電阻的測量方法。
圖9為解釋性示圖，示出了橡膠擠壓法。
圖10為解釋性示圖，示出了釉漿涂層形成步驟。
圖11A-11D示出了玻璃封接步驟。
圖12A和12B示出了圖11A-11D所示步驟以后的步驟。
具體實施例方式
下面參照附圖所示的實施例描述本發明的模式。
實施例1圖1和圖2示出了根據本發明第一模式的火花塞的實例。火花塞100包括一圓柱形金屬殼1，一絕緣子2，中心電極3和接地電極4。絕緣子2和金屬殼1配裝，從而絕緣子2的尖部從金屬殼1突出。中心電極3設置在絕緣子2的內側，從而形成在中心電極3的尖部的火花放電部分31從絕緣子2突出。接地電極4的一端和金屬殼1通過焊接等工藝相連，而其另一端彎曲而面對中心電極3的尖端。和火花放電部分31相面對的火花放電部32形成在接地電極4上。在彼此相對的火花放電部分31和32之間形成有火花放電間隙。
由碳鋼之類的金屬制成的金屬殼形成圓柱形。圓柱形金屬殼用作火花塞100的外殼。用于和未示出的發動機單元相連的螺紋部分7形成在圓柱形金屬殼1的外周面上。標號1e表示工具接合部，其側向剖面為六邊形，用于和扳手接合。
在絕緣子2上沿軸向形成通孔6。端子金屬片13插入通孔6內，并固定地設置在其尾部，中心電極3插入通孔6中并固定地設置在其尾部。在通孔6a中，電阻15設置在端子金屬片13和中心電極3之間。電阻器15的兩端分別通過導電玻璃密封層16和17和中心電極3和端子金屬片13電連接。電阻15和導電玻璃密封層16和17構成了燒結導電材料部分。電阻器15通過加熱和擠壓在下述的玻璃封接步驟中制備，混合物包括玻璃粉末和導電材料粉末(如果需要用陶瓷粉末而不是玻璃)。可以利用其它的結構，省去電阻器15，通過單獨的導電玻璃密封層將端子金屬片13和中心電極3結合在一起。
絕緣子2有一通孔從其內部沿軸向延伸，用于容納中心電極3。整個絕緣子由以鋁為主要成分的絕緣材料組成，即是，以Al2O3折算重量百分比為85-98％(最好是90-98％)的含Al的氧化鋁陶瓷。
除Al以外的其它成分的特例包括Si成分以SiO2折算重量百分比為1.50-5.00％；Ca成分以CaO折算重量百分比為1.20-4.00％；Mg成分以MgO折算重量百分比為0.05-0.17％；Ba成分以BaO折算重量百分比為0.15-0.50％；B成分以B2O3折算重量百分比為0.15-0.50％；如圖1所示，絕緣子2具有一突出部分2e，例如形狀為凸緣，它從絕緣子2的軸向中央部分沿徑向向外突出。以朝向尖端部的方向為前側(如圖1所示)。絕緣子2還具有形成在突出部2e的后側上的主體部分2b，以及第一軸向部分2g和第二軸向部分2i，它們從前側到后側順序形成在突出部2e之前。主體部分2b的直徑比突出部2e小。第一軸向部分2g的直徑小于突出部2e。第二軸向部2i的直徑小于第一軸向部分2g。在主體部分2b的后端部的周向表面上形成一波紋部分2c。第一軸向部分2g的周向表面大致為圓柱形。第二軸向部分2i的周向表面大致為錐形，其直徑朝尖端逐漸減小。
中心電極3的橫截面的面積比電阻器15小。在絕緣子2上形成的通孔包括大致為圓柱形的第一部分6a和第二部分6b。中心電極3插入第一部分6a。第二部分6b設置在第一部分6a的尾部(圖1的上側)，其直徑大于第一部分6a。如圖1所示，端子金屬片13和電阻器置于第二部分6b內，中心電極3插入第一部分6a。用于固定中心電極3的周邊突起3c從其尾端的外周邊面向外突出。通孔6的第一部分6a和第二部分6b在圖4A的第一軸向部分2g內彼此互連。在此連接位置，用于容納中心電極3的突起3a的突起容納表面6c設置在通孔6的第一部分6a和第二部分6b之間。突起容納表面6c的形狀為錐面或曲面。
第一軸向部分2g和第二軸向部分2i之間的連接部分具有一臺階狀外周邊面。在金屬殼1的內表面上形成內突部分1c作為金屬殼1的接合面。臺階狀外周表面和突出部1c通過環形夾板63接合以防止軸向滑出。導線夾環62設置在金屬殼1的后開孔部分的內表面和絕緣子的外表面之間。導線夾環62和凸緣狀突出部2e的后邊沿配合。導線夾環60通過填充有云母之類的材料的填充部61設在導線夾環62的后部。絕緣子2從后開孔插入金屬殼1并被向前推。當絕緣子2和金屬殼1處于此狀態時，金屬殼1的開孔邊沿向內和夾環60密封，從而形成閉合部1d將金屬殼1固定在絕緣子2上。
圖4A和4B示出了絕緣子2的兩個實施例。下面給出了實施例的各部分的優選尺寸。
總體長度L1為30-75mm第一軸向部分2g的長度L2為0-30mm(不包括和突出部2e相連接的連接部分2f，但包括和第二軸向部分2i相連接的連接部分2h)。
第二軸向部分2i的長度L3為2-27mm主體部分2b的外徑D1為9-13mm突起部分2e的外徑D2為11-16mm第一軸向部分2g的外徑D3為5-11mm第二軸向部分2i的底端部的外徑為3-8mm。
第二軸向部分2i的尖端部的外徑為2.5-7mm(從過中心軸線O的橫截面看去，當外尖端表面的邊沿彎曲或有倒角時，D5表示在彎曲部或倒角部的根部所測得的外徑)。
通孔6的第二部分6b的內徑D6為2-5mm。
通孔6的第一部分6a的內徑D7為1-3.5mm。
第一軸向部分2g的壁厚t1為0.5-4.5mm。
第二軸向部分2i的底端部的壁厚t2為0.3-3.5mm(沿正交于中心軸線O的方向測量)。
第二軸向部分2i的尖端部分的壁厚t3為0.2-3mm(沿正交于中心軸線O的方向測量；從過中心軸線O的橫截面看去，當外尖端表面的邊沿彎曲或有倒角時，t3表示在彎曲部或倒角部的根部所測得的壁厚)。
第二軸向部分2i的壁厚tA((t2+t3)/2)為0.25-3.25mm。
在圖1中，絕緣子2的部分2k從金屬殼1向后突出，其長度LQ為23-27mm(例如約為25mm)。從過中心軸線O的絕緣子2的縱向截面看，突出部分2k的長度LP沿對應于金屬殼1的后沿的位置經波紋(corrugated)部分2c和絕緣子2的后端邊沿位置之間的橫截面輪廓所測得的長度為26-32mm(例如約為29mm)。
例如，圖4A中所示的絕緣子2的尺寸如下L1≈60mm，L2≈10mm，L3≈14mm，D1≈11mm，D2≈13mm，D3≈7.3mm，D4≈5.3mm，D5≈4.3mm，D6≈3.9mm，D7≈2.6mm，t1＝3.3mm，t2＝1.4mm，t3＝0.9mm，tA＝1.15mm。
在圖4B所示的絕緣子2中，第一軸向部分2g和第二軸向部分2i的外徑略大于圖4A。例如絕緣子2的各部位的尺寸如下L1≈60mm，L2≈10mm，L3≈14mm，D1≈11mm，D2≈13mm，D3≈9.2mm，D4≈6.9mm，D5≈5.1mm，D6≈3.9mm，D7≈2.7mm，t1＝3.3mm，t2＝2.1mm，t3＝1.2mm，tA＝1.65mm。
然后，如圖3所示，在絕緣子的表面上形成釉層2d，具體地說，是在主體部分2b的外周表面上，包括波紋部分2c和第一軸向部分2g的外周表面上。所形成的釉層2d的厚度為10-150μm，最好是20-50μm。如圖1所示，形成在主體部分2b上的釉層2d沿軸向向前于金屬殼1內伸出一預定長度，而釉層2d的后部伸至主體部2b的后方位置。另一方面，形成在第一軸向部分2g上的釉層2d蓋住部分2g和金屬殼1的內周向表面相接觸的區域，例如，該區域從部分2g的軸向中間位置伸向夾板抵靠處的位置。
形成釉層2d的釉料包括主要陽離子成分Si，B，Zn和Ba，以及Na，K和Li中的兩種元素(共添堿金屬成分)。釉料中Si的重量百分比含量以SiO2折算為18-35％，B的重量百分比含量以B2O3折算為25-40％，Zn的重量百分比含量按ZnO折算為10-25％，Ba的重量百分比含量以BaO折算為7-20％。兩種共添堿金屬成分各以3-9％的重量百分比的數量組合，以Na2O，K2O和Li2O計。
更具體地說，釉料中Si的重量百分比含量為18-35％，以SiO2折算，B的重量百分比含量為25-40％，以B2O3折算，Zn的重量百分比含量為10-25％，以ZnO折算，Ba的重量百分比含量為7-20％以BaO折算，Na的重量百分比含量為3-9％，以NaO折算，K的重量百分比含量為3-9％，以K2O折算。Si，B，Zn，Ba和共添堿金屬成分的總量的重量百分比含量為95％以上，以各自的氧化物折算。釉料中基本不含Pb。若含Pb的話，以PbO折算其重量百分比含量不應超過1.0％。此外，釉料也包括輔助陽離子成分，選自Al，Ca，Fe，Zr，Ti，Sr，Mg，Bi，Ni，Sn，P和Mn中的一種以上。輔助陽離子的重量百分比含量應小于5％，其中，Al以Al2O3折算，Ca以CaO折算，Fe以Fe2O3折算，Zr以ZrO2折算，Ti以TiO2折算，Sr以SrO折算，Mg以MgO折算，Bi以Bi2O3折算，Ni以NiO折算，Sn以SnO2折算，P以P2O5折算。Mn以MnO折算。
中心電極3的主體部分3a和接地電極4的主體部分4a由Ni合金或類似合金形成。由Cu，Cu合金之類形成的核心材料3b置入中心電極3的主體部分3a。火花放電部分31和與其面對的火花放電部分32主要由貴金屬形成，主要是Ir，Pt和Rh中的一種。如圖2B所示，中心電極3的主體部分3a有一尖端部，其直徑朝著扁尖端表面逐漸減小。在中心電極3的尖端表面上放置有一個盤形薄片。盤形薄片由與上述形成火花放電部分的合金相同的合金組成。結果沿薄片和尖端部之間形成的邊緣利用激光焊，電子束焊，電阻焊等焊接方法形成一焊接區W，從而將薄片固定在尖端部上并形成火花放電部分31。同樣，薄片置于接地電極4上和火花放電部分31相應的位置，此后，沿薄片和接地電極之間的邊緣形成焊接區W，以便將薄片固定在接地電極4上，從而形成火花放電部分32。這些薄片可以由熔態材料形成，熔態材料通過將合金成分混合并熔化得到，從而達到上述組成。薄片也可以通過對合金粉末或者以預定比例混合的粉末元素金屬混合物進行壓實或燒結得到。在這種結構中，火花放電部分31和與之面對的火花放電部分32中的至少一個可以刪除。
例如，上述火花塞100可利用如下的方法制造。首先，用下述方法制造絕緣子2。以預定比例將用于絕緣子2的原材料粉體混合，即Si，Ca，Mg，Ba和B成分，從而當混合粉末燒結后達到上述的氧化物組成。將預定數量的粘合劑(PVA)和水添加并混合，從而形成釉漿。原始粉末的組成實例如下用于Si，Ca，Mg，Ba和B的SiO2，CaO3，MgO，BaCO3和H3BO3粉末。另外，H3BO3可以熔劑形式加入。
利用噴霧干燥方法等技術將料漿噴霧干燥，造粒成顆粒。顆粒通過橡膠擠壓模成形法(rubber-press molding)成形為壓塊，作為絕緣子的最初形態。圖9概略示出了橡膠擠壓模成形過程。在圖9中，橡膠模具300具有一通過模具300內部軸向伸展的空腔301。下沖模302在空腔301的下開孔部和其配合。一突伸擠壓銷303和下沖模302整體形成并在空腔301內從沖模302的沖面延伸。突伸擠壓銷302限定了絕緣子2的通孔6的形狀(圖1)。
在這種狀態下，將預定數量的顆粒粒料PG充填到空腔301中，利用上沖模304封閉空腔301的上開口部，以密封空腔301。此時，從橡膠模具300的外表面外側施以液體壓力，從而通過橡膠模具300對位于空腔301內的顆粒粒料301壓縮，獲得圖10所示的坯體(compact)305。在進行上述擠壓模制成形之前，向粒料PG中加入濕氣，相對于100wt％的粒料PG來說，濕氣的重量百分比為0.7-1.3wt％，從而加速粒料PG在壓力作用下分解成顆粒。通過研磨等工藝將坯體305的外表面進行加工從而對坯體305細加工得到和圖1所示的絕緣子2相同的外形。然后，在1400-1600℃的溫度下焙燒而得到絕緣子2。
釉漿按下列方法獨立制備。
將具有Si，B，Zn，Ba，Na和K成分的原始粉末混合(如含Si的SiO2粉末，含B的H3BO3粉末，含Zn的ZnO粉末，含K的K2CO3粉末)使得Si的重量百分比含量以SiO2折算為18-35％，B的重量百分比含量以B2O3折算為25-40％，Zn的重量百分比含量以ZnO折算為10-25％，Ba的重量百分比含量以BaO折算為7-20％。作為共添堿金屬成分，Na的重量百分比含量以Na2O折算為3-9％，K的重量百分比含量以K2O折算為3-9％。然后，將混合物在1000-1500℃的溫度下加熱并熔化，將熔化的材料注入水中進行快速冷卻并玻璃化。將玻璃化材料粉碎成為玻璃料。向玻璃料中加入適當數量的粘土材料，如高嶺土和gairome土以及有機粘結劑。將水加到混合物中，然后混合而形成釉漿。
如圖10所示，利用噴嘴N將釉漿噴施到預定大小面積的絕緣子表面上，從而形成釉漿液層2d′，干燥后作為釉粉積聚層。
下面描述中心電極3，端子金屬片13和絕緣子2的組裝以及電阻器15和導電玻璃密封層16，17的形成，絕緣子2上已形成有釉漿涂層2d′。首先，如圖11A所示，中心電極3插入絕緣子2的通孔6的第一部分6a，然后，如圖11B所示，將導電玻璃粉末H填入第二部分6b。然后，如圖11C所示，擠壓桿28插入通孔6對粉末H進行初步壓縮而形成第一導電玻璃粉末層26。接下來，將電阻器的材料粉末充填并對其初步壓縮。將導電玻璃粉末進行進一步充填和初步壓縮。這樣，如圖11D所示，在通孔6內，從中心電極3所在位置一側(下側)按順序形成第一導電玻璃粉末層26，電阻器材料粉末層25和第二導電玻璃粉末層27。
下一步，如圖12A所示，將端子金屬片13插入通孔6形成組件PA。此時，將整個組件放入爐內加熱到800至950℃，它高于玻璃的軟化點。然后，將端子金屬片13從中心電極3另一側的尾側端和通孔6壓配合，從而軸向擠壓層25，26和27。這樣就實現了壓力處理。結果，如圖12B所示，將各層壓縮并燒結從而形成導電玻璃密封層16，電阻器15，導電玻璃密封層17(此后稱上述過程為“玻璃封接過程”)。
由于釉漿涂層2d′中的玻璃料具有上述組成，玻璃料的軟化點為600-700℃。即，由于組分中Na和K的含量選擇得比較高，軟化點比傳統的鉛硅酸鹽玻璃釉料低。相應地，玻璃料的燒釉溫度可以降低到800-950℃。因此，如圖12A和12B所示，通過在上面所述的玻璃封接過程加熱，釉漿涂層2d′同時燒釉成為釉層2d。而且，從另一個角度看，由于玻璃封接過程的加熱溫度從傳統上的900-1000℃降低到800-950℃，中心電極3和端子金屬片13的表面不易氧化。而且，由于上述組分的釉層和形成絕緣子的鋁絕緣子材料的線脹系數差較小，在玻璃封接過程中冷卻時釉層2d不易產生開裂等，這一過程也用作燒釉。
這樣，完成了組件PA的玻璃封接過程。因此，金屬殼1，接地電極4和其它成分固定到組件PA上，從而形成圖1所示的火花塞100。火花塞通過螺紋部分7裝在發動機模塊上，作為點火裝置用于對燃燒室內的空氣-燃料混合物點燃。在火花塞100中，形成釉層2d的釉料有大量的堿金屬成分。然而，由于同時加入了兩種堿金屬成分Na和K，導電系數并沒有明顯增加，從而保證了良好的絕緣性能，具有良好的防止跳火功能。
根據本發明的火花塞并不僅限于圖1所示的形式，也可以是這樣的形式，即接地電極4的尖端和中心電極3的側表面面對并在兩者之間形成間隙，如圖5所示。在這種情況下，可以提供兩個接地電極4，它們分別面對中心電極3的兩側，如圖6A所示，或是提供三個以上的接地電極，環繞中心電極3設置，如圖6B所示。另外，火花塞100可以制成半表面放電火花塞，其中，使絕緣子2的尖端部分進入中心電極3和接地電極的側面之間的空間內。在這種結構中，由于火花放電是沿絕緣子的尖端表面被誘導，和空氣放電火花塞相比，防污性能提高。
實施例2下面將描述根據本發明第二模式的火花塞的實施例。除了釉層的成分以外，實施例2的火花塞的結構和實施例1完全相同。因而對釉層以外的詳述描述省去，它們可由圖1至7看得非常清楚。形成釉層2d的釉料包括Si，B，Zn和Ba，它們是主要陽離子成分；Ti和Zr至少其一；堿金屬成分Na，K，Li至少其中之一。主要陽離子成分的含量如下Si的重量百分比為20-40％，按SiO2折算，B的重量百分比含量為20-35％，按B2O3折算，Zn的重量百分比為15-25％，按Zn折算，Ba的重量百分比含量為10-23％，按BaO折算。Ti和Zr的總量為2-10％，按TiO2和ZrO2折算。堿金屬成分的重量百分比含量總量為12％以下，Na以Na2O折算，K以K2O折算，Li以Li2O折算。Pb的重量百分比含量以PbO折算抑制到0.1％以下。
具體地說，可以調節釉層的上述成分，以滿足至少下列一個條件(1)Si的重量百分比含量為20-38％，以SiO2折算，(2)Zr的重量百分比含量為3.4％以下，以ZrO2折算，(3)Ti的重量百分比含量為1.5％以上，以TiO2折算，(4)WTi/WZr為0.2-10，其中WZr表示以ZrO2折算的Zr的含量，WTi表示以TiO2折算的Ti的含量。
除了釉層的原材料的組分不同外，制造具有上述釉層2d的火花塞100的方法大致和實施例1相同。釉漿按如下方法制備將原始粉末具有Si，B，Zn，Ba和具有Ti和Zr至少之一的原料(例如含Si，B，Zn，Ba，Ti，Zr的SiO2，H3BO3，ZnO，BaCO3，TiO2，ZrO2)混合，使得混合物中Si的重量百分比含量以SiO2折算為20-40％，B的重量百分比含量以B2O3折算為20-35％，Zn的重量百分比含量以B2O3折算為20-35％，Zn的重量百分比含量以ZnO折算為15-25％，Ba的重量百分比含量以BaO折算為10-23％，Ti和Zr的重量百分比含量總量以TiO2和ZrO2折算為2-10％。若添加Na，K，Li中的至少一種元素作為堿金屬成分，所添加的原始粉末中混合物中Na，K和Li的重量百分比含量為12％以下，以Na2O，K2O和Li2O折算。然后，將混合物在1000-1500℃的溫度下加熱并熔化，將熔化的材料注入水中進行快速冷卻并使其玻璃化。將玻璃化的材料粉碎從而得出玻璃料。玻璃料可以和適當數量的粘土材料，如高嶺粘土或gairome粘土和有機粘結劑混合。將水加入混合物中，然后就得到釉漿。
當堿金屬成分和B的含量在上述范圍時，可容易地制備出低粘度和充分流度的釉漿。參閱圖10，通過噴嘴N將釉漿S噴施在預定面積的絕緣子2的表面上，從而形成厚度均勻的釉漿涂層2d′，且可抑制釉漿S中氣泡的卷入。對它的說明和實施例1大致相同，故不再對火花塞的制造過程詳細描述。對釉漿涂層2d′燒釉形成厚度均勻且缺陷很少的釉層2d。如實施例1那樣，由于釉料的軟化點低達600-700℃，玻璃封接過程的加熱溫度從傳統的900-1000℃降至800-950℃，因此中心電極3和端子金屬片13的表面不易發生氧化。此外，由于上述組分的釉料和形成絕緣子82的鋁絕緣子材料的線脹系數差較小，在玻璃封接過程中，它也是燒釉過程，釉層2d不易發生開裂等。由于釉料形成的釉層2d含有少量的堿金屬成分，確保了絕緣性能，具有良好的防跳火功能。
在某些情況下，實施例1和實施例2的火花塞根據成分的選擇具有相同類型的釉層2d。在這種情況下，本發明的第一和第二模式的效果可同時達到。
實驗實例為確認本發明的效果，進行了下列實驗。
實驗1絕緣子按如下方法制成。將下列成分以預定比例混合氧化鋁粉(氧化鋁95wt％，Na 0.1wt％，以Na2O折算，平均顆粒尺寸3.0μm)和SiO2(純度99.5％，平均顆粒尺寸1.5μm)，CaCO3(純度99.9％，平均顆粒尺寸2.0μm)，MgO(純度99.5％，平均顆粒尺寸1.5μm)，BaCO3(純度99.5％，平均顆粒尺寸1.5μm)，H3BO3(純度99.0％，平均顆粒尺寸1.5μm)，ZnO(純度99.5％，平均顆粒尺寸2.0μm)按照預定的比例混合，所形成粉末混合物按重量每100份粉末混合物中混入3份PVA作為親水粘結劑和103份水，然后進行混合形成釉漿。
將漿料利用噴霧烘干法進行烘干，從而造粒制備出球形顆粒粒料(granules)。將粒料過篩從而將顆粒尺寸控制到50-100μm。在50MPa的壓力下通過橡膠擠壓模制成形方法(rubber-press molding)制成坯料，這已參照圖9進行過描述。將坯料的外周面研磨成預定的絕緣子形狀。在1550℃的溫度下焙燒壓塊等形成絕緣子2。經X射線熒光分析，確定絕緣子2含有下列成分。
Al94.9wt％，以Al2O3折算；Si2.4wt％，以SiO2折算；Ca1.9wt％，以CaO折算；Mg0.1wt％，以MgO折算；Ba0.4wt％，以BaO折算；B0.3wt％，以B2O3折算。
圖4A所示的絕緣子2的尺寸如下L1≈60mm，L2≈8mm，L3≈14mm，D1≈10mm，D2≈13mm，D3≈7mm，D4＝5.5mm，D5＝4.5mm，D6＝4mm，D7＝2.6mm，t1＝1.5mm，t2＝1.45mm，t3＝1.25mm，tA＝1.35mm。另外，如圖1所示，從金屬殼1向后突出的絕緣子2的部分2K的長度LQ為25mm。從過絕緣子2的中心軸線O的縱向截面看，絕緣子2的突出部分2K的長度LP沿為29mm，它是沿對應于金屬殼1的后沿經波紋部2C和絕緣子2的后端緣之間的截面輪廓測得的。
下一步，制備釉漿。首先，以不同的比例混合下列原材料。SiO2粉末(純度99.5％)，H3BO3粉末(純度98.5％)，BaCO3粉末(純度98.5％)，ZnO粉末(純度99.5％)，Na2CO3粉末(純度99.5％)，K2CO3粉末(純度99％)，Al2O3粉末(純度99.5％)，Fe2O3粉末(純度99.0％)，CaCO3粉末(純度99.8％)，TiO2粉末(純度99.5％)，SrCO3粉末(純度99％)，SnO2粉末(純度99％)，FeO粉末(純度99％)。將形成的混合物在1000-1500℃下加熱并熔化。將熔化的材料注入水中以快速冷卻和玻璃化。利用氧化鋁鍋將玻璃化材料粉碎分解成50μm以下的顆粒，從而獲得玻璃料。將3份粘土材料，如新西蘭高嶺土，作為有機粘結劑的2份PVA和100份水混入玻璃料，其數量按重量以100份玻璃料計，從而得到釉漿。
如圖10所示，通過噴嘴將釉漿噴灑在絕緣子2的表面上，然后干燥，形成釉漿涂層。干燥后釉漿的厚度約為80μm。利用這樣制成的絕緣子，通過圖11A-11D，12A和12B所述的方法得出圖1所示的各種類型的火花塞。螺紋部分7的外徑為14mm。另外，利用B2O3-SiO2-BaO-LiO玻璃，ZrO2粉末，碳黑粉末，TiO2粉末和金屬Al粉末作為原材料制成電阻器15；利用B2O3-SiO2-Na2O玻璃，Cu粉，Fe粉，Fe-B粉末制作導電玻璃密封層16和17。玻璃密封溫度，即燒釉溫度為900℃。形成在絕緣子的表面上的釉層厚度約為50μm。
另外，通過固化制備出塊狀釉料樣品而不進行隨后的壓碎。利用X-射線衍射，確認釉塊呈玻璃態(非結晶)。利用該樣本進行下列實驗。
(1)化學成分分析利用熒光X射線進行光譜測定。表1至3示出通過該分析獲得的每一樣品的值(以氧化物折算)。另外，對形成在每個絕緣子2的表面上的釉層2d的組分用EPMA法進行確定，結果和釉塊樣品分析所獲得的結果一致。
(2)熱膨脹系數從每個釉塊樣品上切下一片釉塊(5mm×5mm×10mm)，通過膨脹計利用已知的方法在20℃至350℃之間進行測量取平均值。從每一絕緣子上切下相同尺寸的一試驗片，并進行同樣的測量，該系數為73×10-7/℃。
(3)軟化點通過施加熱量，對每一粉末樣品(50mg)進行差分熱分析。從室溫開始測量，吸熱反應中第二峰值溫度確定為軟化點。
利用參照圖8所述的方法在1000V下于500℃時對每個火花塞的絕緣電阻進行測量。對形成在每個絕緣子2上的釉層2d的狀態進行肉眼檢查。結果如表1至4所示。
因此，具有滿足本發明的第一種模式的要求的釉層的火花塞沒有開裂或其它缺陷在釉層上產生，這表明在800-950℃這樣低的燒釉溫度下所得的釉層是良好的。盡管堿金屬成分較高，500℃時的絕緣電阻高達200MΩ，表明具有良好的防跳火功能。
實驗2在實驗2中，具有相同形狀和材料的絕緣子2的制造方法如下。釉漿按下列方法制備。所采用的原材料是SiO2粉末(純度99.5％)，H3BO3粉末(純度99.5％)，ZnO粉末(純度99.5％)，BaCO3粉末(純度99.5％)，Na2CO3粉末(純度99.5％)，K2CO3粉末(純度99％)，LiCO3粉末(純度99％)，Al2O3粉末(純度99％)，CaCO3粉末(純度99.8％)，TiO2粉末(純度99.5％)和ZrO2粉末(純度98％)。將它們以不同的比例混合。將所形成的混合物在1000-1500℃下加熱并熔化。將熔化的材料注入水中以使其快速冷卻并使之玻璃化。利用鋁鍋將玻璃態材料壓碎成為平均顆粒尺寸為9-10μm的顆粒從而形成玻璃料。將作為粘土材料(英格蘭高嶺土)的重量百分比為10％的高嶺土，1％的丙烯酸無機粘結劑，35％的水分加入和玻璃料混合，從而獲得釉漿。
將每一種這樣制得的釉漿在40℃的恒溫槽中停留10天，從而使B元素和堿金屬成分從玻璃料中分離，然后用B型粘度計測量(由東京Keiki株式會社制造，型號BH)。
除了使用上述的釉漿外，在和實驗1相同的條件下制造圖1所示的多種火花塞。(對每一種釉漿組分制造1000件)。在每一絕緣子2中，釉層2d的厚度為50μm。如實驗1一樣，在500℃的溫度下測量這樣制成的火花塞的絕緣電阻。對在每一絕緣子2上形成的釉層2d的狀態進行肉眼檢查。
另外，通過固化制備釉塊樣品，而不進行壓碎。通過X射線衍射確定釉塊樣品呈玻璃態(非結晶)。利用該樣品進行下面的實驗。(1)化學組分分析。采用X射線熒光分析法。圖5示出了通過該分析獲得的每一樣品的值(以各自的氧化物折算)。另外，利用EPMA技術來確定在絕緣子2的表面上形成的釉層2d的組分，由所獲得的值可確定它大致和利用釉塊樣品分析所獲得的值相同。
(2)軟化點。將每一種粉末樣品在加熱時進行差分熱分析。從室溫開始測量，吸熱反應的第二峰值溫度確定為軟化點。結果示于圖6。
(3)用肉眼檢查通過燒釉形成的釉層上的開裂和龜裂，并對每1000件釉層有缺陷的火花塞進行了統計。結果示于圖6。
由此可十分清楚地看出，滿足本發明的第二種模式的要求的具有釉層的火花塞中，熔態釉層的狀態良好，開裂或龜裂發生次數少。尤其是甚至在800-950℃這樣低的燒釉溫度下也可獲得良好的釉層。在500℃的溫度下，絕緣電阻高達200MΩ以上，這說明具有良好的防止跳火的功能。另外，形成釉層的釉漿具有較低的粘度，這有利于形成均勻的釉層，缺陷較少。
顯然，根據上述教導，本發明可有多種修改和變型。因此應該明白，在所附權利要求限定的范圍內，本發明可以由以上描述以外的方式實施。
權利要求
1.一種火花塞，包括一中心電極(3)；一金屬殼(1)，它圍繞中心電極(3)設置；一接地電極(4)，接地電極(4)的一端和金屬殼(1)連接，而接地電極(4)的另一端和中心電極(3)面對；一絕緣子(2)，設置在中心電極(3)和金屬殼(1)之間，從而絕緣子(2)蓋住中心電極(3)的外表面；以及一釉層(2d)，主要由氧化物形成，它蓋住絕緣子(2)的至少一部分表面，其特征在于，形成釉層(2d)的釉料主要包括Si，B，Zn，Ba，以及Na，K和Li中的兩種共添堿金屬成分，其中，Si的重量百分比含量折算成SiO2為18-35％，B的重量百分比含量折算成B2O3為25-40％，Zn的重量百分比含量折算成ZnO為10-25％，Ba的重量百分比含量折算成BaO為7-20％，兩種共添堿金屬成分中每種的量為從由下面構成的組中選擇的一個重量百分比含量大于3％且小于或等于9％的Na2O，重量百分比含量為3-9％的Li2O。
2.如權利要求1所述的火花塞，其中釉料包括Al，Ca，Fe，Zr，Ti，Sr，Mg，Bi，Ni，Sn，P，Mn中的一種以上的輔助陽離子成分，相對于釉料的全部組分來說，輔助陽離子成分的總量為5％，其中，Al以Al2O3折算，Ca以CaO折算，Fe以Fe2O3折算，Zr以ZrO2折算，Ti以TiO2折算，Sr以SrO折算，Mg以MgO折算，Bi以Bi2O3折算，Ni以NiO折算，Sn以SnO2折算，P以P2O5折算，Mn以MnO折算。
3.如權利要求1所述的火花塞，其中，釉料中不含Pb，或Pb的含量折算成PbO在1.0％以下。
4.如權利要求1所述的火花塞，其中，釉料中共添堿金屬成分的重量百分比含量折算成各自的氧化物為8-20％。
5.如權利要求1所述的火花塞，其中，Na以Na2O折算，K以K2O折算，Li以Li2O折算，A1/A2的值控制在1.0-2.0范圍內，其中A1是兩種共添堿金屬成分中其中一種成分的摩爾量，A2是另一種成分的摩爾量。
6.如權利要求1所述的火花塞，其中，火花塞包括一桿形端子金屬片部分(13)，它置于絕緣子(2)的通孔內，從而端子金屬片部分和中心電極(3)成為一體，或由位于其間的導電結合層將其和中心電極(3)分開；以及在將整個火花塞置于約500℃的溫度，并將一電流流過端子金屬片部分(13)和金屬殼(1)之間的狀態下，絕緣子(2)的絕緣電阻為不小于200MΩ。
7.如權利要求1所述的火花塞，其中，絕緣子(2)由氧化鋁基絕緣材料形成，其中Al的重量百分比含量折算成Al2O3為85-98％；以及在20℃至350℃的溫度范圍內測量時，釉料的平均線膨脹系數為50×10-7/℃至85×10-7/℃。
8.如權利要求1所述的火花塞，其中，釉料的軟化點在600至700度范圍內。
9.如權利要求1所述的火花塞，其中，釉料中陽離子成分的重量百分比總含量，即Si，B，Zn，Ba和共添堿金屬成分折算成它們的氧化物至少為95％。
全文摘要
形成在氧化鋁基表面上的釉層包括SiO
文檔編號H01T13/20GK1913264SQ20061010816
公開日2007年2月14日 申請日期1999年5月21日 優先權日1998年5月22日
發明者杉本誠, 增田浩盟 申請人:日本特殊陶業株式會社