王偉強(qiáng) 陳 龍 洪民富

（株洲湘火炬火花塞有限公司 湖南 株洲 412002）

前言

火花塞的作用是將高壓導(dǎo)線(xiàn)送來(lái)的脈沖高壓電放電，擊穿火花塞兩電極間空氣，而產(chǎn)生電火花以引燃?xì)飧變?nèi)的混合氣體，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)?；鸹ㄈ慕Y(jié)構(gòu)主要包括接線(xiàn)螺桿、絕緣體、金屬殼體、中心電極和接地側(cè)電極等。其中，火花塞絕緣體材料通常由90%～95%高氧化鋁陶瓷組成，要求材料必須具備良好的絕緣性和導(dǎo)熱性、較高的機(jī)械強(qiáng)度，且能耐受高溫?zé)釠_擊和化學(xué)腐蝕等。

火花塞絕緣體的分流電阻是指除了通過(guò)中心電極和側(cè)電極之間的跳火間隙通路電阻之外，也會(huì)通過(guò)中心電極和金屬殼體的陶瓷絕緣體的絕緣電阻。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，火花塞絕緣體的溫度會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的升高而逐漸升高，高溫使得氧化鋁陶瓷中某些離子的遷移性增加，產(chǎn)生的小的泄漏電流通過(guò)陶瓷（陶瓷絕緣體）使分流電阻降低?；鸹ㄈ沾山^緣體分流電阻較低會(huì)使點(diǎn)火電壓部分施加在陶瓷絕緣體上，從而降低火花塞點(diǎn)火間隙處電壓，引起不能完全有效點(diǎn)火，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，長(zhǎng)期使用時(shí)將會(huì)導(dǎo)致火花塞積炭、污損，甚至導(dǎo)致絕緣被擊穿而失效，最終影響火花塞的使用壽命。

我公司自2006年成功收購(gòu)美國(guó)德?tīng)柛；鸹ㄈS(chǎng)全套設(shè)備和技術(shù)后，已成為世界級(jí)的火花塞生產(chǎn)企業(yè)。但在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，與世界知名品牌的火花塞相比，我公司氧化鋁陶瓷絕緣體的高溫分流電阻相對(duì)較低，從而影響其性能和使用壽命。為此，我們開(kāi)展了對(duì)火花塞絕緣體高溫分流電阻的研究，已取得了一定的成果。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

實(shí)驗(yàn)用原料有：不同Na2O含量的氧化鋁、高嶺土、碳酸鈣、滑石粉、乙二醇、聚乙烯醇（PVA）、乳化蠟、茶油酸、自來(lái)水等。

1.2 漿料和粉料的制備

將氧化鋁微粉、燒結(jié)助劑、助磨劑和水按配方比例稱(chēng)量后加入球磨機(jī)，球磨到所需的粒度（D50）后，添加一定比例的增塑劑和粘結(jié)劑；測(cè)試漿料各項(xiàng)性能，合格后經(jīng)噴霧干燥造粒制得粉料。

1.3 試樣的制備

將制得的粉料經(jīng)等靜壓壓制成形并磨削成所需火花塞絕緣體的形狀，在實(shí)驗(yàn)爐中高溫?zé)Y(jié)即制得火花塞絕緣體；制得的火花塞絕緣體與接線(xiàn)螺桿、金屬殼體、中心電極等組裝后制得火花塞?；鸹ㄈ幕窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 火花塞的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 The main structure of the spark plug

1.4 性能測(cè)試

將火花塞除去接地電極后，安裝在固定件上，置于電爐中。將電爐分別加熱到500℃、600℃和700℃，保溫20min，使用3005A數(shù)字式絕緣／導(dǎo)通電阻測(cè)試儀（日本共立儀器公司生產(chǎn)），在火花塞接線(xiàn)螺桿和金屬殼體之間測(cè)試火花塞陶瓷絕緣體的高溫分流電阻。給試樣加500V的直流電壓，1min后讀取電阻測(cè)量?jī)x上的數(shù)據(jù)并記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化鋁中Na2O含量對(duì)試樣高溫分流電阻的影響

作為火花塞絕緣體主要原材料，氧化鋁（Al2O3）微粉中Na2O的含量對(duì)陶瓷絕緣體的高溫分流電阻具有重要的影響。表1為不同Na2O含量的氧化鋁制備試樣的高溫分流電阻的測(cè)試結(jié)果。從表1可以看出，隨著氧化鋁中Na2O含量的增加，試樣各溫度下分流電阻均有不同程度的下降。我公司采用Na2O含量為0.1%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，下同）的氧化鋁制得的火花塞絕緣體，高溫下分流電阻可到達(dá)國(guó)外某知名品牌的水平。

表1 氧化鋁中Na2O含量對(duì)試樣高溫分流電阻的影響Tab.1 Effect of Na2O content in alumina on shunt resistance of ceramic insulator at high temperature

坂野久夫［1］認(rèn)為，高溫下氧化鋁陶瓷的電阻率主要由晶界的電阻率來(lái)決定。氧化鋁陶瓷晶界處存在玻璃相，玻璃的結(jié)構(gòu)比相同組分的晶相質(zhì)點(diǎn)間相互作用力小，所以帶電粒子遷移需要克服的勢(shì)能低，即遷移活化能低，因而玻璃體的電阻率比同一組成的晶體低。研究認(rèn)為，玻璃相中電阻率是由于堿金屬離子的遷移造成的［2］，如 Na＋，其半徑小且為一價(jià)離子，激活能低，易遷移，故隨著Na＋含量的提高，氧化鋁陶瓷的電阻率降低。研究表明，氧化鋁陶瓷中堿金屬含量的數(shù)倍增加能夠?qū)е缕潆娮杪蕯?shù)百倍的降低［3］。因此，若要獲得高分流電阻的火花塞絕緣體，應(yīng)嚴(yán)格控制氧化鋁以及燒結(jié)助劑等原材料中堿金屬的含量。

2.2 配方組成對(duì)試樣高溫分流電阻的影響

通過(guò)查閱相關(guān)資料，我們對(duì)原美國(guó)德?tīng)柛９続C陶瓷配方組成進(jìn)行了改進(jìn)，降低配方組成中的SiO2的含量，將CaO的含量由33%提高至40%，以期提高產(chǎn)品高溫時(shí)的分流電阻。表2為改進(jìn)前后試樣高溫分流電阻的測(cè)試結(jié)果，所使用的氧化鋁原材料中Na2O含量分別為0.1%和0.3%。

表2 改進(jìn)前與改進(jìn)后配方組成對(duì)試樣高溫分流電阻的影響Tab.2 Effect of formula composition on shunt resistance of ceramic insulator at high temperature

圖2 SiO2－CaO－MgO相圖Fig.2 The phase diagram of SiO2－CaO－MgO

從表2可以看出，不同溫度下，配方改進(jìn)后試樣的分流電阻較改進(jìn)前的試樣均有2倍以上的提高。按照查哈里阿森的玻璃無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說(shuō)，在SiO2形成的玻璃中，引入的二價(jià)堿金屬離子，如Ca2＋，其尺寸和質(zhì)量大、電荷較高、激活能較高，不僅自己不容易移動(dòng)，且能夠堵住遷移通道，抑制Na＋等堿金屬離子的遷移［4～5］。因此，陶瓷配方中CaO含量的增加能夠提高產(chǎn)品的高溫分流電阻。同時(shí)，從圖2的SiO2－CaO－MgO相圖可知，當(dāng)三者比例達(dá)到一定的范圍，燒結(jié)溫度達(dá)到1 450℃時(shí)，開(kāi)始形成硅灰石（CaO·MgO·2SiO2）低共熔物，并隨著溫度的升高，液相逐漸增多，能迅速填充在剛玉晶體間隙里，促進(jìn)陶瓷體燒結(jié)，抑制晶粒長(zhǎng)大。通過(guò)計(jì)算我們改進(jìn)了公司現(xiàn)有的配方，適當(dāng)增加了CaO的含量，經(jīng)過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明高溫分流電阻有一定程度的提高，目前已經(jīng)大批量應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用驗(yàn)證，改進(jìn)效果良好。

2.3 燒結(jié)溫度對(duì)試樣高溫分流電阻的影響

采用改進(jìn)后的陶瓷配方，將氧化鋁原材料中Na2O含量控制為0.1%，我們還研究了燒結(jié)溫度對(duì)試樣高溫分流電阻的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 燒結(jié)溫度對(duì)試樣高溫分流電阻的影響Tab.3 Effect of sintering temperature on shunt resistance of ceramic insulator at high temperature

從表3可以看出，1500℃和1540℃時(shí)試樣各溫度下的高溫分流電阻均較低；燒結(jié)溫度超過(guò)1580℃時(shí)，試樣各溫度下的高溫分流電阻數(shù)值穩(wěn)定，能夠達(dá)到國(guó)外知名品牌產(chǎn)品的水平。分析其原因?yàn)?，隨著燒結(jié)溫度的提高，玻璃相逐漸填充晶界缺陷，氣孔排出使得材料致密化，有利于抑制Na＋離子的遷移，從而提高了試樣的高溫分流電阻［6］。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于氧化鋁含量在93%～95%的氧化鋁陶瓷，1580～1600℃是最佳的燒結(jié)溫度。

3 結(jié)論

筆者研究了氧化鋁中Na2O含量、配方組成和燒結(jié)溫度對(duì)火花塞陶瓷絕緣體高溫分流電阻的影響，得到的結(jié)論如下：

1）火花塞絕緣體的高溫分流電阻隨著氧化鋁原材料中Na2O含量的增加而逐漸降低。若氧化鋁中Na2O含量在0.1%以下時(shí)，制得火花塞絕緣體的高溫分流電阻能夠達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平。

2）配方組成中CaO含量的增加對(duì)火花塞絕緣體的高溫分流電阻的提高具有一定的促進(jìn)作用。

3）火花塞絕緣體的高溫分流電阻隨著燒結(jié)溫度的逐漸升高而增大，氧化鋁含量為93%～95%的氧化鋁陶瓷，其最佳燒結(jié)溫度為1580～1600℃。

1 坂野久夫，著.最新精密陶瓷——從材料、制法到應(yīng)用［M］.歷仁玉，譯.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1990

2 Weyl W A，Marboe E C.The constitution of glasses：a dynamic interpretation［M］.John Wiley and Sons，1967

3 Binns D B.The use of ceramics in valves［M］.British Ceramic Research Association Special Pubication，1965

4 賀可音.硅酸鹽物理化學(xué)［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，1995

5 蔣文軍，李宏杰，衛(wèi)海民.流延成形A－96瓷機(jī)電性能改進(jìn)［J］.全國(guó)性科技核心期刊——陶瓷，2010（6）：33～38

6 李宏杰.燒結(jié)溫度對(duì)氧化鋁陶瓷機(jī)電性能的影響［J］.全國(guó)性科技核心期刊——陶瓷，2010（12）：11～14