КОРУНДОВЫЙ ИЗОЛЯТОР ДЛЯ СВЕЧИ ЗАЖИГАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H01T13/38 

Изобретение относится к устройствам воспламенения топливной смеси в двигателях, в частности, свечам зажигания, предназначенным для работы в условиях высоких температур, преимущественно в форсированных двигателях, газотурбинных и реактивных двигателях, ядерных реакторах и т.п.

В настоящее время наиболее широко распространены керамические изоляторы для свечей зажигания, которые имеют наиболее приемлемые для данного вида использования электроизоляционные и физико-механические свойства, в частности, механическую прочностью, устойчивость к химическому воздействию и т. п.

Известны фарфоровые изоляторы, содержащие в спеченном виде около 25% окиси алюминия и более 50% стеклофазы [1] Фарфоровые изоляторы характеризуются хорошими диэлектрическими свойствами и устойчивостью к химическому воздействию. Но из-за высокого содержания стеклофазы фарфоровые изоляторы имеют низкие прочностные характеристики и низкую устойчивость к термическому воздействию. Свечи с форфоровым изолятором пригодны лишь для использования в режимах температур до 100^oС без повышенных механических и электросиловых нагрузок. При значительном температурном воздействии они могут почти полностью потерять свои диэлектрические свойства.

Известны муллито-корундовые изоляторы типа "Уралит", УФ-46, УФ-53, содержащие Al₂O₃ в количестве 70-80% и остальное - минерализирующие добавки, в качестве которых используются окислы металлов SiO₂, Fe₂O₃, CaO, MgO, K₂O, Na₂O, BaO, TiO₂ и др. которые имеют высокие диэлектрические и физико-механические характеристики при обычных режимах температур и в значительной степени теряют эти свойства при повышенных (свыше 500^oС) и особенно высоких (свыше 900^oС) температурах [2]
Диэлектрические и физико-механические характеристики, а также термостойкость керамических изоляторов улучшаются по мере увеличения содержания Al₂O₃.

Известен изоляционный материал "Зинтеркорунд", представляющий собой полностью спеченную окись алюминия с содержанием Аl₂O₃ 99,7-99,8% [3, с. 204-205]
Этот материал является термостойким, имеет высокую плотность и низкий коэффициент термического расширения (КТР при 20-800^oС 8•10^-6), устойчив к сильно действующим реактивам и расплавам многих металлов.

Недостатком известного изоляционного материала является его склонность к механическому разрушению под воздействием механических нагрузок и перепадов температур, связанная с тем, что при спекании окиси алюминия происходит рост больших кристаллов с большими границами между зернами, имеющими тенденцию к образованию микротрещин, в частности при механическом и температурном воздействии.

Другим недостатком изоляционного материала "Зинтеркорунд" являются технологические трудности, связанные с высокой температурой спекания (около 2000^oС).

Известны керамические изоляторы авиационных свечей фирмы Bosch (Германия), Smiths (Великобритания), Bendix (США), а также корундовый изоляционный материал типа "Хилумина" (СССР), содержащие около 95% Аl₂O₃ и остальное окислы металлов в качестве минерализирующих добавок [3, с.206] а также наиболее близкий к заявляемому решению, выбранный в качестве ближайшего аналога, корундовый изоляционный материал, содержащий компоненты в следующем соотношении, мас. Al₂O₃ 94,5-96; SiO₂ 1,9-2,3; CaO 1,55-2,1; MgO 0,37-0,46; СоО 0,04-0,14; Nb₂O₅ 0,02-0,52, и оптимальный вариант с содержанием 95% Аl₂О₃ и 5% остальное, где Al₂O₃ является основой, SiO₂ используется в качестве стеклообразующего окисла и остальные компоненты в качестве минерализирующих добавок, воздействующих на ограничение роста зерен корунда (МgO), повышения механической прочности (СоО, Nb₂O₅) и изоляционные свойств (СаО).

Выбранный в качестве ближайшего аналога корундовый материал имеет по сравнению с наиболее широко применяемой для изоляторов свечой зажигания муллито-корундовой керамикой (70-80% Аl₂O₃) более высокие физико-механические свойства, в частности в отношении термостойкости, теплопроводности, механической прочности (в 1,5-2 раза), химической стойкости, электроизоляционных свойств, также при повышенных температурах.

Недостатками известного корундового материала изолятора являются низкая плотность, связанная с образованием микропор при спекании, и высокий коэффициент термического расширения, который имеет тенденцию роста с увеличением содержания Аl₂O₃.

Эти недостатки определяют плохую совместимость с большинством металлов и сплавов, из которых изготавливаются электроды свечей, возникновение между электродом и изолятором воздушного зазора при термических ударах, вызывающего электрический пробой, необходимость введения между электродом и изолятором герметика, невозможность использования материала изолятора для формирования внешнего корпуса, к которому предъявляются достаточно высокие требования к стабильности геометрических размеров.

Задачей изобретения является повышение эксплуатационных возможностей корундового изолятора за счет увеличения его плотности и снижения коэффициента термического расширения.

Поставленная задача решается за счет того, что при использовании признаков известного корундового изолятора для свечей зажигания, содержащего Аl₂O₃ в качестве основы, SiO₂ в качестве стеклообразующего окисла и окислы металлов в качестве минерализирующих добавок, материал изолятора в соответствии с изобретением содержит Al₂O₃ в количестве 93-95 мас. SiO₂ в количестве 2-3 мас. и остальное минерализирующие добавки МnO и Cr₂O₃.

Предпочтительный вариант выполнения изобретения предполагает материал изолятора, включающий в себя компоненты в соотношении, мас. Al₂O₃ 93,90; SiO₂ 2,76; MnO 2,85; Cr₂O₃ 0,49.

Материал изолятора может включать в себя также компоненты в соотношении, мас. Al₂O₃ 94,40; SiO₂ 2,76; MnO 2,35; Cr₂O₃ 0,49.

Предлагаемая оптимизация компонентного состава и соотношения компонентов с выбором МnО и Cr₂O₃ в качестве минерализирующих добавок обеспечивает в процессе расплава получение керамики с повышенной плотностью и низкой микропористостью при равномерном распределении стеклофазы вокруг зерен корунда, приобретение керамикой вакуумной плотности.

Процесс спекания массы с уплотнением керамики происходит следующим образом.

Спекание керамического материала сопровождается возникновением определенного количества расплавленной стеклофазы. При этом наряду с процессами массопереноса, происходящими в объеме твердой фазы, на спекание материала существенное влияние оказывает смягчающее действие расплава, растворение и перенос твердой фазы через жидкость, кристаллизация стеклофазы. В системе альфа-Al₂O₃ минерализатор (расплав SiO₂, MnO и Cr₂O₃) жидкая фаза возникает как результат эвтектического плавления в зоне контакта частиц корунда и минерализатора при температуре около 1300^oС и полного расплавления при температуре около 1350^oС. При температуре 1600-1650^oС минерализатор полностью насыщается окисью алюминия, и в составе материала возникает около 10% массы стеклофазы.

Возникшая в керамике жидкая стеклофаза за счет смачивания распределяется по зернам корунда. Смачивание сопровождается ориентацией твердых частиц под действием давления, обусловленного поверхностным натяжением, которое может достигать десятков атмосфер и эквивалентно всестороннему сжатию, так как жидкость равномерно распределяется по объему системы. Одновременно наличие давления (равномерного сжатия) приводит к сближению центров твердых частиц (корунда), то есть к усадке и спеканию материала. При этом мелкая фракция окиси алюминия растворяется, а крупные зерна служат центрами, на которых кристаллизуется окись алюминия из расплава.

Такой механизм уплотнения обеспечивает формирование плотных кристаллов корунда, в основном монокристаллов, не содержащих в своем объеме газовых включений.

Содержание МnO обеспечивает активное протекание процесса смачивания, растворения и переноса окиси алюминия через жидкую фазу при пониженной температуре за счет низкой вязкости стекла, содержащего закись марганца. При этом в условиях восстановительной среды все окислы марганца уже при температуре 500^oС переходят в закисное состояние.

В смеси, состоящей из технического глинозема и компонентов минерализатора (SiO₂, MnO, Cr₂O₃) еще до образования жидкой фазы протекает ряд твердофазных процессов. В твердой фазе происходит структурное превращение гамма-Аl₂O₃ в альфа-Al₂O₃. Оно происходит достаточно интенсивно благодаря воздействию закиси MnO. При этом ее влияние значительно усиливается наличием малых добавок Сr₂О₃.

Сr₂O₃ эффективно влияет на процесс уплотнения материала.

С возникновением жидкостного контакта между минерализатором и корундом при температуре 1300-1350^oС хром начинает внедряться в кристаллическую решетку Аl₂O₃, что эффективно влияет на спекание, активизируя процессы массопереноса в твердой фазе.

Как МnO, так и Cr₂O₃ также эффективно воздействуют на электрическое сопротивление и увеличение электрической прочности (прочности на пробой).

Фазовый состав заявляемого материала соответствует нормативным требованиям (аЯо. 027.002 ТУ) в отношении величины монокристаллов корунда (не менее 7 мкм), количества остаточной стеклофазы (не менее 5,0%) и количества пор (не более 8-12%).

Плотность полученного материала составляет 3,65-3,70 г/см³.

За счет вакуумной плотности керамики заявляемый материал изолятора имеет сравнительно низкий коэффициент термического расширения, что обеспечивает его совместимость с многими металлами и сплавами, из которых сделаны электроды, позволяет в ряде случаев отказаться от использования герметика, выполнять внешний корпус непосредственно из материала изолятора.

Корундовые изоляторы из заявляемого материала изготавливаются известным способом путем горячего литья под давлением, высокотемпературного обжига, полировки и глазуровки.

Характеризующееся рассмотренными отличительными признаками техническое решение полностью обеспечивает решение задачи, стоящей перед изобретением.

Характеризующийся указанными отличительными признаками корундовый изолятор для свечей зажигания на настоящее время в Российский Федерации и за границей не известен. Заявляемое техническое решение отвечает требованиям критерия "новизна".

Заявляемое техническое решение направлено на оптимизацию компонентного состава и соотношения компонентов, предполагает внесение нетрадиционных минерализирующих добавок, не вытекает очевидным образом из сушествующего уровня техники и отвечает требованиям критерия "изобретательский уровень".

Заявляемый изолятор для свечей зажигания может изготавливаться промышленным способом с использованием известных технических средств, технологий и материалов, предназначено для применения в автомобильной, авиационной и др. отраслях промышленности и отвечает требованиям критерия "промышленная применимость".

Использование: устройства воспламенения топливной смеси в двигателях, в частности свечи зажигания, предназначенные для работы в условиях высоких температур, преимущественно в форсированных двигателях, газотурбинных и ракетных двигателях, ядерных реакторах. Сущность изобретения: корундовый изолятор содержит Al₂O₃ в качестве основы, SiO₂ в качестве стеклообразующего окисла и окислы металлов в качестве минерализирующих добавок. При этом материал изолятора содержит, мас.%: Al₂O₃ 93-95; SiO₂ 2-3 и минерализирующие добавки MnO и Cr₂O₃ - остальное. Преимущественный вариант выполнения изобретения содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: Al₂O₃ 93,90; SiO₂ 2,76; MnO 2,85; Cr₂O₃ 0,49. 2 з.п. ф-лы.

1. Корундовый изолятор для свечи зажигания с содержанием Al₂O₃ в качестве основы, SiO₂ в качестве стеклообразующего окисла и окислов металлов в качестве минерализирующих добавок, отличающийся тем, что материал изолятора содержит Al₂O₃ в количестве 93 95 мас. SiO₂ в количестве 2 3 мас. и остальное минерализирующие добавки MnO и Cr₂O₃. 2. Изолятор по п. 1, отличающийся тем, что материал изолятора включает в себя компоненты в следующем соотношении, мас.

Al₂O₃ 93,90
SiO₂ 2,76
MnO 2,85
Cr₂O₃ 0,49
3. Изолятор по п. 1, отличающийся тем, что материал изолятора включает в себя компоненты в следующем соотношении, мас.

Al₂O₃ 94,40
SiO₂ 2,76
Cr₂O₃ 2,35
MnO 0,49о