火花塞和制造火花塞的方法.pdf

公开了一种火花塞，所述火花塞包括具有高加工性和以高生产性生产的氧化铝基烧结体形成的具有高耐电压特性和高温强度的绝缘体。还公开了用于生产所述火花塞的方法。火花塞(1)包含绝缘体(3)。所述绝缘体(3)包含平均结晶粒径DA(Al)为不小于1.50μm的致密氧化铝基烧结体。在所述氧化铝基烧结体中，以如下比例包含Si、Ba和含有除了Si、Ba之外的第2族元素的第2族元素组分和稀土元素组分：Si组分含量S与含量S和第2族元素组分含量A的总含量的比例为0.60以上。在生产所述火花塞(1)的方法中，所述绝缘体(3)通过在烧制之前磨削整形所述绝缘体(3)的磨削整形步骤来生产。

1.  一种火花塞，其包括：
中心电极；
基本为圆筒状的绝缘体，所述基本为圆筒状的绝缘体设置在所述中心电极的外周上；和
接地电极，设置所述接地电极以使得其一端隔着火花放电间隙面对所述中心电极，
其中所述绝缘体包括平均结晶粒径D_A(Al)为1.50μm以上的致密氧化铝基烧结体，和
其中所述氧化铝基烧结体包含Si组分、基于IUPAC 1990规范的元素周期表中的第2族元素(2A)组分和稀土元素(RE)组分，Si组分以氧化物计的质量％含量S与所述含量S和第2族元素(2A)组分以氧化物计的质量％含量A的总含量(S+A)的比例为0.60以上，所述第2族元素(2A)组分包含Mg和Ba作为必要组分并进一步包含第2族元素中除Mg和Ba之外的至少一种其它元素。

2.  根据权利要求1所述的火花塞，其中在所述第2族元素(2A)组分中，所述Mg组分以氧化物计的质量％含量M与所述含量A的比例为0.050至0.45。

3.  根据权利要求1或2所述的火花塞，
其中所述稀土元素(RE)组分是选自由La组分、Pr组分和Nd组分组成的组的至少一种组分，以及
其中所述氧化铝基烧结体具有至少包含所述稀土元素(RE)组分的RE-β-氧化铝结晶相，并且所述RE-β-氧化铝结晶相的平均结晶粒径D_A(RE)和氧化铝的平均结晶粒径D_A(Al)满足以下条件(1)：
条件(1)：0.2≤D_A(RE)/D_A(Al)≤3.0。

4.  根据权利要求1至3任一项所述的火花塞，
其中所述稀土元素(RE)组分是选自由La组分、Pr组分和Nd组分组成的组的至少一种组分，以及
其中所述氧化铝基烧结体具有至少包含所述稀土元素(RE)组分的RE-β-氧化铝结晶相，在所述RE-β-氧化铝结晶相中，所述RE-β-氧化铝结晶相的结晶粒径D_E(RE)和氧化铝的平均结晶粒径D_A(Al)满足以下条件(2)的RE-β-氧化铝结晶相的数目为3以下：
条件(2)：D_E(RE)/D_A(Al)≥2。

5.  根据权利要求3或4所述的火花塞，其中所述RE-β-氧化铝结晶相具有由以下组成式表示的组成：RE(2A)_x(Al)_yO_z，其中x，y和z分别是x＝0至2.5，y＝11至16以及z＝18至28。

6.  根据权利要求1至5任一项所述的火花塞，其中当将所述氧化铝基烧结体的总质量定义为100质量％时，所述氧化铝基烧结体中所述Al组分的含量为92.5质量％至97.0质量％。

7.  根据权利要求1至6任一项所述的火花塞，其中所述绝缘体保持在金属壳上，在所述金属壳外周上形成的螺杆部的公称直径为10mm以下。

8.  一种用于制造根据权利要求1至7任一项所述的火花塞的方法，其中所述绝缘体通过以下工艺制备：在烧制之前磨削所述绝缘体以将其整形的磨削整形工艺。

火花塞和制造火花塞的方法
技术领域
本发明涉及火花塞和制造火花塞的方法。更具体地，本发明涉及火花塞和制造火花塞的方法，所述火花塞包括通过以优良加工性和高生产性制备的氧化铝基烧结体形成的显示高耐电压特性和在高温下的高强度的绝缘体。
背景技术
包含氧化铝作为主要组分的氧化铝基烧结体具有优良的耐电压特性、耐热性和机械强度，并且是廉价的。因此，氧化铝基烧结体用作陶瓷产品如火花塞的绝缘体，以及IC封装的多层配线基板。氧化铝基烧结体通过烧结包含烧结助剂如包含SiO₂-CaO-MgO的三组分烧结助剂的混合粉末来形成。例如，专利文献1描述了制造高绝缘性高氧化铝的陶瓷组合物的方法，该方法包括：将混合原料粉末成型和烧制，由此制备烧结体，所述混合原料粉末包含选自Y₂O₃、ZrO₂和La₂O₃的至少一种添加剂，或选自Y₂O₃、ZrO₂和La₂O₃的至少一种添加剂与氧化铝的固溶体复合氧化物，以及具有0.5μm以下的粒径的氧化铝细粒粉末，添加剂的含量是烧结体的0.5至10重量％。
专利文献2描述了“由具有6体积％以下孔隙率的烧结体构成的氧化铝陶瓷，该烧结体包含具有1μm以下的平均粒径的氧化铝(Al₂O₃)，以及在晶粒间界(grain boundary)中形成的氧化钇(Y₂O₃)、氧化镁(MgO)、氧化锆(ZrO₂)和氧化镧(La₂O₃)的至少一种与Al₂O₃的化合物和混合物的至少之一”。
然而，在通过使用上述氧化铝基烧结体来形成火花塞用绝缘体的情况下，烧结助剂(主要是Si组分)在烧结之后在氧化铝晶体颗粒的晶粒间界中作为低熔点玻璃相存在。因此，在火花塞的使用环境下，例如，在约700℃的高温环境下，低熔点玻璃相软化，绝缘体的耐电压特性降低。另一方面，氧化铝基烧结体中的低熔点玻璃相可以通过降低添加的烧结助剂的量而减少。在这种情况下，绝缘体没有致密化，或即使看上去致密化，但许多气孔残留在由氧化铝晶体颗粒构成的晶粒间界中，并且绝缘体的耐电压特性降低。
常规氧化铝基烧结体具有存在于晶粒间界中的低熔点玻璃相或气孔(残留气孔)。在用该氧化铝基烧结体形成火花塞的绝缘体的情况下，当在约700℃的高温环境下将用于产生火花放电的高电压施加到火花塞上时，低熔点玻璃相软化，或电场集中在残余气孔中，绝缘体可能遭受击穿(火花贯通)。
为了防止耐电压特性降低和/或击穿的目的，提出了火花塞用绝缘体或其材料。例如，专利文献3描述了“包含至少一种稀土元素(以下称为“RE”)组分的氧化铝基烧结体，氧化铝基烧结体具有95％以上的理论密度比”。
专利文献4描述了：“火花塞用绝缘体，其中当将组成组分的总和定义为100质量％时，Al组分以氧化物计的含量比是95至99.8质量％，所述绝缘体以以下量包含稀土元素和Si组分：稀土元素以氧化物计的含量比(R_RE)与Si组分以氧化物计的含量比(R_si)的比例(R_RE/R_si)是0.1至1.0，在所述绝缘体中，在1mm²磨削面(grind surface)上存在的最大长度为10μm以上和长径比为3以上的氧化铝颗粒的数目为小于10”。
专利文献5描述了：“使用氧化铝作为主要组分的氧化铝陶瓷组合物，所述氧化铝陶瓷组合物包含氧化铝作为主要组分和选自Al、Si、Mg和稀土元素的至少一种元素的组合物的复合烧结体，其中当作为主要组分的氧化铝的量是100重量份时，选自Al、Si、Mg和稀土元素的至少一种元素的组合物的量是5重量份以下”。
近年来，在具有其上安装的火花塞的内燃机中，研究了随着内燃机功率的增大，燃烧室中吸气和排气阀的占用空间的大型化和4阀形成。为此原因，火花塞本身和其绝缘体倾向于减小尺寸(小直径)和降低其厚度。因此，要求具有降低厚度的绝缘体除了防止耐电压特性降低和击穿之外，还具有在约700℃的高温环境中的高机械强度。然而，没有研究在专利文件3至5中所述的火花塞的绝缘体或其材料在高温环境中的机械强度(以下称为“在高温下的强度”)。
另一方面，构成火花塞的绝缘体的氧化铝基烧结体通常通过如下制备：将制备的原料粉末压缩成型，以获得成型制品(以下称为“未烧制成型制品(unburned molded article)”)，将未烧制成型制品磨削整形为期望形状和期望厚度，然后将其烧制。因此，要求形成火花塞绝缘体的氧化铝基烧结体，当形成绝缘体时，除了上述优良的特性之外，还具有高加工性，特别是磨削加工性，以能够降低厚度。特别地，当前的绝缘体具有小的厚度。因此，要求成为氧化铝基烧结体的未烧制成型制品具有优良的加工性，特别是磨削加工性。为此的原因是：当未烧制成型制品具有差的加工性，并且其加工时间延长时，氧化铝基烧结体和因而火花塞的生产性降低。
为了通过改进未烧制成型制品的加工性来实现氧化铝基烧结体的高生产性，使用具有大粒径的原料粉末是有效的，以使得氧化铝基烧结体具有1.50μm以上的平均结晶粒径。然而，具有大粒径的原料粉末具有低烧结性，并且在一些情况下，通过烧制该种原料粉末获得的氧化铝基烧结体不能充分地满足火花塞的绝缘体所要求的特性，特别是机械强度。
因而，在目前未烧制成型制品的加工性与作为烧结体的特性，特别是机械强度具有相反关系的情况下，认为当形成绝缘体时的特性，特别是机械强度是重要的，没有研究能够形成绝缘体的未烧制成型制品的加工性。因而，通过工业廉价方法不易形成具有期望形状和厚度的绝缘体。
专利文献1：JP-B-7-17436
专利文献2：JP-B-7-12969
专利文献3：JP-A-2001-2464
专利文献4：JP-A-2001-335360
专利文献5：WO 05/033041小册子
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的是提供火花塞和制造火花塞的方法，所述火花塞包括通过以优良加工性和高生产性制备的氧化铝基烧结体形成的显示高耐电压特性和在高温下的高强度的绝缘体。
用于解决问题的方案
作为解决问题的手段，本发明提供火花塞，其包括：中心电极；基本为圆筒状的绝缘体，所述基本为圆筒状的绝缘体设置在中心电极外周上；和接地电极，设置所述接地电极以使其一端隔着火花放电间隙面对中心电极，其中绝缘体包含平均结晶粒径D_A(Al)为1.50μm以上的致密氧化铝基烧结体，和其中氧化铝基烧结体包含Si组分、基于IUPAC 1990规范的元素周期表中的第2族元素(2A)组分和稀土元素(RE)组分，Si组分含量S(以氧化物计的质量％)与所述含量S和第2族元素(2A)组分含量A(以氧化物计的质量％)的总含量(S+A)的比例为0.60以上，所述第2族元素(2A)组分包含Mg和Ba作为必要组分并进一步包含第2族元素中除Mg和Ba之外的至少一种其它元素。
此外，作为解决问题的手段，本发明提供制造火花塞的方法，其中绝缘体通过以下工艺制备：在烧制之前磨削所述绝缘体以将其整形的磨削整形工艺。
发明的效果
如上所述，根据本发明火花塞的绝缘体包括平均结晶粒径D_A(Al)为1.50μm以上的致密氧化铝基烧结体，并且氧化铝基烧结体包含Si组分、元素周期表中的第2族元素(2A)组分和稀土元素(RE)组分，Si组分含量S(以氧化物计的质量％)与所述含量S和第2族元素(2A)组分含量A(以氧化物计的质量％)的总含量(S+A)的比例为0.60以上，所述第2族元素(2A)组分包含Mg和Ba作为必要组分并进一步包含第2族元素中除Mg和Ba之外的一种其它元素。即使在使用通常难以通过烧制来压紧的具有相对大粒径的原料粉末以使得氧化铝基烧结体的平均结晶粒径D_A(Al)为1.50μm以上的情况下，具有该组成的氧化铝基烧结体也有效地防止在晶粒间界中低熔点玻璃相的形成和气孔的残留，同时保持通过将原料粉末成型获得的未烧制成型制品的高加工性，特别是磨削加工性，并且所述氧化铝基烧结体也变得致密。结果，氧化铝基烧结体当形成火花塞的绝缘体时能够显示高耐电压特性，并且当形成火花塞的绝缘体时其能够改进在高温下的强度。因此，根据本发明，可以提供火花塞和制造火花塞的方法，所述火花塞包括通过以优良加工性和高生产性制备的氧化铝基烧结体形成的显示高耐电压特性和在高温下的高强度的绝缘体。
附图说明
图1是说明作为根据本发明火花塞一个实例的火花塞的说明图，其中图1(a)是作为根据本发明火花塞一个实例的火花塞的部分横截面的全体说明图，图1(b)是显示作为根据本发明火花塞一个实例的火花塞的主要部分的横截面说明图。
图2是显示耐电压测量装置的轮廓的示意性截面图。
图3是具有La-β-氧化铝结构(LaAl₁₁O₁₈)晶体的氧化铝基烧结体(实施例7)的X-射线衍射图。
附图标记翻译
1：火花塞
2：中心电极
3：绝缘体
4：金属壳
5：贵金属电极头
6：接地电极
7：外部构件
8：内部构件
9：螺杆部
G：火花放电间隙
20：耐电压测量装置
21：圆板状试验片
22：加热箱
23a，23b：电极
24a、24b、28a、28b：氧化铝制绝缘体筒
25：封接玻璃
26：电加热器
27：高电压产生设备(CDI电源)
具体实施方式
根据本发明的火花塞包括：中心电极；基本为圆筒状的绝缘体，所述基本为圆筒状的绝缘体设置在所述中心电极的外周上；和接地电极，设置所述接地电极以使得其一端隔着火花放电间隙面对所述中心电极。根据本发明的火花塞在其它构成中没有特别限定，只要火花塞具有该构成即可，并且可以具有常规各种构成。
作为根据本发明火花塞一个实例的火花塞示于图1中。图1(a)是作为根据本发明火花塞一个实例的火花塞1的部分横截面的全体说明图，图1(b)是显示作为根据本发明火花塞一个实例的火花塞1的主要部分的横截面说明图。图1(a)说明如下：纸面下方是轴线AX的前端方向，纸面上方是轴线AX的后端方向，图1(b)说明如下：纸面上方是轴线AX的前端方向，纸面下方是轴线AX的后端方向。
如图1(a)和图1(b)所示，火花塞1包括：基本为棒状的中心电极2，设置在中心电极2外周上的基本为圆筒状的绝缘体3，保持绝缘体3的圆筒状金属壳4，和接地电极6，设置接地电极6以使得其一端通过火花放电间隙G面对中心电极2的前端面，其另一端连接至金属壳4的端面。
金属壳4具有圆筒形状，并且通过在其中容纳绝缘体3来保持绝缘体3。螺杆部9在沿金属壳4的前端方向的外周上形成，并通过利用螺杆部9将火花塞1安装在未示出的内燃机的气缸盖上。在将火花塞1安装在最近具有高功率的内燃机上的情况下，通常将螺杆部的公称直径调节至10mm以下。金属壳4可以由导电性铁钢材料例如低碳钢形成。
中心电极2由外部构件7和如下形成的内部构件8形成：将其同心地嵌入外部构件7内部的轴心部中。将中心电极2在其前端部从绝缘体3的前端面突出的状态下固定到绝缘体3的轴孔上，并与金属壳4绝缘并且保持在其上。中心电极2的外部构件7由具有优良耐热性和耐腐蚀性的Ni基合金形成。中心电极2的内部构件8可以由具有优良热传导性的金属材料例如铜(Cu)或镍(Ni)形成。
接地电极6形成例如棱柱体，其一端连接至金属壳4的端面。将接地电极6在其中部弯曲成基本为L形，设计接地电极6的形状和结构，以使其前端部位于中心电极2的轴线AX方向。当如此设计接地电极6时，将接地电极6设置为使其一端隔着火花放电间隙G面对中心电极2。火花放电间隙G是中心电极2的前端面和接地电极6的表面之间的间隙，火花放电间隙G通常设定为0.3至1.5mm。将接地电极6暴露于比中心电极2更高的温度。因此，接地电极6优选由例如比形成中心电极2的Ni基合金具有进一步优良的耐热性和耐腐蚀性的Ni基合金形成。
绝缘体3通过滑石和/或填充物(packing)(未示出)保持在金属壳4的内周部上，并且具有沿着绝缘体3的轴线AX方向保持中心电极2的轴孔。将绝缘体3在沿绝缘体3前端方向的端部从金属壳4前端面中突出的状态下固定到金属壳4上。在将金属壳4中螺杆部9的公称直径调节至10mm以下的情况下，必须将金属壳4前端面中的绝缘体3设定到0.7至1.0mm的小厚度。然而，在本发明中，构成绝缘体3的氧化铝基烧结体具有下文所述的构成。因此，可以将具有优良加工性和高生产性的绝缘体3调节至上述厚度。
在火花塞1中，绝缘体3由平均结晶粒径D_A(Al)为1.50μm以上的致密氧化铝基烧结体形成。氧化铝基烧结体以上述特定比例包含Si组分、基于IUPAC 1990规范的元素周期表中的第2族元素(2A)组分和稀土元素(RE)组分，所述第2族元素(2A)组分包含Mg和Ba作为必要组分并进一步包含第2族元素中除Mg和Ba之外的至少一种其它元素。
氧化铝基烧结体包含Al组分，主要是氧化铝(Al₂O₃)作为主要组分。本发明中的术语“主要组分”是指具有最高含量的组分。当包含Al组分作为主要组分时，烧结体的耐电压特性、耐热性和机械特性是优良的。
当将氧化铝基烧结体的总质量定义为100质量％时，在氧化铝基烧结体中Al组分的含量优选92.5质量％至97.0质量％，特别优选93.0质量％至95.5质量％。当Al组分的含量落入上述范围内时，在烧结以形成氧化铝基烧结体之前的原料粉末中的烧结助剂含量具有合适的比例，因此，通过烧结在烧结之前的原料粉末获得的氧化铝基烧结体是致密的。结果，当Al组分含量落入上述范围内时，在晶粒间界中低熔点玻璃相的形成和气孔的残留很少，并且由氧化铝基烧结体形成的绝缘体显示高耐电压特性。在本发明中，将Al组分的含量定义为当换算为作为Al组分氧化物的“氧化铝(Al₂O₃)”时以氧化物计的质量％。
氧化铝基烧结体包含Si组分。Si组分是源自烧结助剂的组分，并且作为例如氧化物和离子存在于氧化铝基烧结体中。Si组分通常在烧结时熔融，从而形成液相，并且起到促进烧结体致密化的烧结助剂的作用。烧结之后，Si组分在氧化铝晶体颗粒的晶粒间界中形成低熔点玻璃相。然而，除了Si组分之外，氧化铝基烧结体还包含下文所述的其它特定组分，因此，与其它组分一起优先形成高熔点玻璃相等，而不是形成低熔点玻璃相。因此，在本发明中，Si组分以基本不形成低熔点玻璃相，并与其它组分一起形成高熔点玻璃相等的含量包含在氧化铝基烧结体中。具体地，将氧化铝基烧结体中Si组分的含量S调节至这样的比例：含量S是含量S(以氧化物计的质量％)和下文所述的第2族元素(2A)组分的含量A(以氧化物计的质量％)的总含量(S+A)的0.60以上。即，Si组分以以下比例包含在氧化铝基烧结体中：含量S与含量S和第2族元素(2A)组分的含量A的总含量(S+A)的比例S/(S+A)是0.60以上。当含量的比例S/(S+A)小于0.60时，烧结之前的Si组分仅显示起到烧结助剂的作用，烧结之后的Si组分形成低熔点玻璃相。因此，当形成绝缘体时，不能显示高耐电压特性。此外，当含量的比例S/(S+A)小于0.60时，烧结之前的第2族元素(2A)组分也仅显示起到烧结助剂的作用，并且不能充分获得第2族元素(2A)包含在烧结之前的原料粉末和氧化铝基烧结体中的效果。因此，当形成绝缘体时，不能显示高耐电压特性和在高温下的高强度。当即使使用具有相对大粒径的原料粉末形成绝缘体时，从能够进一步改进耐电压特性和在高温下的强度的观点，含量的比例S/(S+A)也优选0.62以上，特别优选0.65以上。含量的比例S/(S+A)的上限没有特别限定。然而，因为氧化铝基烧结体包含下文所述的第2族元素(2A)组分作为必要组分，所以上限为小于1.0，优选0.8以下。
将Si组分的含量S调节为满足含量的比例S/(S+A)。然而，当将氧化铝基烧结体的总质量定义为100质量％时，含量S优选1.0至4.0质量％，这是因为即使使用具有相对高粒径的原料粉末，也获得致密氧化铝基烧结体。在本发明中，将Si组分的含量S定义为当换算为作为Si组分氧化物的“SiO₂”时以氧化物计的质量％。
氧化铝基烧结体包含源自烧结助剂的第2族元素(2A)组分。第2族元素(2A)组分可以是包含Mg作为必要组分并进一步包含基于IUPAC 1990规范的元素周期表中的第2族元素(2A)组分中除Mg之外的至少一种其它元素的组分，在本发明中，重要的是：第2族元素(2A)组分包含Mg和Ba作为必要组分并进一步包含基于IUPAC 1990规范的元素周期表中的第2族元素(2A)组分中除Mg和Ba之外的至少一种其它元素。作为第2族元素(2A)，从低毒性的观点，优选Mg、Ca、Sr和Ba。作为本发明中的第2族元素(2A)组分，Mg组分、Ba组分和包含除Mg组分和Ba组分之外的至少一种其它元素的组分，即，选自由Ca组分和Sr组分组成的组中的至少一种元素的组分是优选的。更具体地，包含Mg组分、Ba组分和Ca组分的第2族元素(2A)组分，包含Mg组分、Ba组分和Sr组分的第2族元素(2A)组分，和包含Mg组分、Ba组分、Ca组分和Sr组分的第2族元素(2A)组分是优选的。
Mg组分是源自烧结助剂的组分，作为例如氧化物和离子存在于氧化铝基烧结体中，并且起到与烧结之前的Si组分类似的烧结助剂的作用。Ba组分、Ca组分和Sr组分是源自烧结助剂的组分，并且作为例如氧化物和离子存在于氧化铝基烧结体中。这些组分起到与烧结之前的Mg组分类似的烧结助剂的作用，同时具有改进获得的氧化铝基烧结体的在高温下强度的功能。因此，包含如此功能的Mg组分和Ba组分，以及除Mg组分和Ba组分之外的至少一种其它元素组分，特别是Ca组分和/或Sr组分作为第2族元素(2A)组分的氧化铝基烧结体，当形成绝缘体3时，显示高耐电压特性和在高温下的高强度，并且另外可以降低烧制时的烧结温度。
将在氧化铝基烧结体中第2族元素(2A)组分的含量A调节为含量的比例S/(S+A)为0.60以上。当含量的比例S/(S+A)小于0.60时，当形成如前所述的绝缘体时，不能显示高耐电压特性和在高温下的高强度。将第2族元素(2A)组分的含量A调节为满足含量的比例S/(S+A)。当将氧化铝基烧结体的总质量定义为100质量％时，含量A优选0.1至2.5质量％，特别优选0.5至2.0质量％，这是因为即使使用具有相对高粒径的原料粉末，当形成绝缘体时，也获得具有优良的耐电压特性和在高温下强度的致密氧化铝基烧结体。
当第2族元素(2A)组分的含量A满足0.60以上的比例S/(S+A)时，Mg组分的含量M、Ba组分的含量B、Ca组分的含量C和Sr组分的含量Sr没有特别限定，可适当地调节。Mg组分的含量M相对于第2族元素(2A)组分的含量A，优选0.050至0.45，更优选0.050至0.35的比例(即，含量的比例M/A)。
要求Mg组分、Ba组分、Ca组分和Sr组分的各含量满足含量的比例S/(S+A)和M/A。在这些组分包含在氧化铝基烧结体中的情况下，当将氧化铝基烧结体的总质量定义为100质量％时，例如，Mg组分的含量M优选0.01至0.4质量％，Ba组分的含量B优选0.1至1.6质量％，特别优选0.18至1.6质量％，Ca组分的含量C优选0.2至0.9质量％，Sr组分的含量Sr优选0.2至0.9质量％。在本发明中，在氧化铝基烧结体不包含Ca组分或Sr组分的情况下，含量C或含量Sr自然是0质量％。在本发明中，将第2族元素(2A)组分的各含量定义为当换算为其氧化物“(2A)O”时以氧化物计的质量％。具体地，将Mg组分的含量M定义为当换算为作为Mg组分氧化物的“MgO”时以氧化物计的质量％，将Ba组分的含量B定义为当换算为作为B a组分氧化物的“BaO”时以氧化物计的质量％，将Ca组分的含量C定义为当换算为作为Ca组分氧化物的“CaO”时以氧化物计的质量％，将Sr组分的含量Sr定义为当换算为作为Sr组分氧化物的“SrO”时以氧化物计的质量％。此外，第2族元素(2A)组分的含量A是各第2族元素(2A)组分的总含量。具体地，含量A是Mg组分的含量M、Ba组分的含量B、Ca组分的含量C和Sr组分的含量Sr的总含量。
氧化铝基烧结体包含源自烧结助剂的稀土元素(RE)组分。稀土元素(RE)组分是包含Sc、Y和镧系元素的组分，具体地，是Sc组分，Y组分，La组分，Ce组分，Pr组分，Nd组分，Pm组分，Sm组分，Eu组分，Gd组分，Tb组分，Dy组分，Ho组分，Er组分，Tm组分，Yb组分和Lu组分。稀土元素(RE)组分作为氧化物、离子等存在于氧化铝基烧结体中。当在烧结时包含稀土元素(RE)组分时，该组分抑制在烧结时过度产生氧化铝的颗粒生长，另外，在晶粒间界中形成RE-Si系玻璃(稀土玻璃)，由此提高晶粒间界玻璃相的熔点。当形成绝缘体3时，提高了耐电压特性，还提高了在高温下的强度。
稀土元素(RE)组分可以是如前所述的各组分，但优选为选自由La组分、Pr组分和Nd组分组成的组的至少一种组分。认为：La组分、Pr组分和Nd组分具有大的各元素La、Pr和Nd的离子半径，形成与Si组分结合的具有高熔点的结晶相，另外，容易形成与Al组分并视情况可与第2族元素(2A)组分结合的具有约2,000℃的非常高熔点的RE-β-氧化铝结构的结晶相(在下文简称为”RE-β-氧化铝结晶相”)。因此，当包含选自由La组分、Pr组分和Nd组分组成的组的至少一种组分作为稀土元素(RE)组分时，形成RE-β-氧化铝结晶相，结果，当形成绝缘体3时，能够进一步改进耐电压特性和在高温下的强度。
因此，RE-β-氧化铝结晶相优选具有由以下组成式表示的组成：RE(2A)_x(Al)_yO_z(其中x、y和z分别是x＝0至2.5，y＝11至16，z＝18至28)。在包含选自由La组分、Pr组分和Nd组分组成的组的至少一种组分作为稀土元素(RE)组分的情况下，RE-β-氧化铝结晶相特别优选具有由上述组成式表示的组成。当RE-β-氧化铝结晶相具有由上述组成式表示的组成时，当形成绝缘体3时，能够进一步改进耐电压特性和在高温下的强度。上述组成式中的x、y和z可以是在以上各范围之内的整数和小数。x、y和z优选如下选择：x是0至1.5，y是11至14，z是18至24。表示RE-β-氧化铝结晶相组成的组成式可以是例如RE(2A)Al₁₃O₁₉、REAl₁₁O₁₈，等。
RE-β-氧化铝结晶相是否具有满足该组成式的组成可以通过例如以下确认：在以下测量条件下，使用设置有透射电子显微镜(TEM)(HD-2000，Hitachi，Ltd制造)的能量分散X-射线分析仪(EDX)(EDX：Genesis 400，EDAX制造，检测器：SUTW 3.3RTEM)，将存在于氧化铝基烧结体中的RE-β-氧化铝结晶相进行元素分析。
<测量条件>
(1)加速电压：200kV
(2)照射模式：HR(光斑大小：约0.3nm)
(3)将能量分散X-射线分析仪(EDX)的测量结果用以氧化物计的质量％计算。认为除了第2族元素(2A)组分、稀土元素(RE)组分和Al组分以外，并且具有以氧化物计的1质量％以下的氧化物是杂质。当稀土元素(RE)组分的摩尔数是1时，第2族元素(2A)组分的总摩尔数是x，Al组分的总摩尔数是y，在无氧缺陷情况下的理论氧化物组分的摩尔数是z。
存在于氧化铝基结晶相中的RE-β-氧化铝结晶相是足够的，对其存在位点没有特别限定。RE-β-氧化铝结晶相优选存在于氧化铝基烧结体内部，特别优选存在于氧化铝晶体颗粒的二次颗粒晶粒间界中和/或三相点(triple point)中。
RE-β-氧化铝结晶相的存在可以用例如X-射线衍射使用JCPDS卡来鉴别。关于Pr和Nd，不存在RE-β-氧化铝的JCPDS卡。因此，用X射线衍射来直接鉴别是不可能的。然而，Pr³⁺和Nd³⁺的离子半径基本等于La³⁺的离子半径，因此显示与La-β-氧化铝的JCPDS卡(No.33-699)类似的X-射线衍射光谱。因此，Pr-β-氧化铝和Nd-β-氧化铝的存在可以通过与La-β-氧化铝的JCPDS卡比较来确认。
当认为存在于氧化铝基烧结体中的RE-β-氧化铝结晶相为粒状晶体颗粒时，当RE-β-氧化铝结晶相具有过大的粒径时，RE-β-氧化铝结晶相具有降低在高温下的强度的可能性。因此，为显示当形成绝缘体3时在高温下的更高强度，适当地调节RE-β-氧化铝结晶相的粒径。
例如，在本发明中，优选RE-β-氧化铝结晶相的平均结晶粒径D_A(RE)和氧化铝的平均结晶粒径D_A(Al)满足以下条件(1)，特别优选在稀土元素(RE)组分为选自由La组分、Pr组分和Nd组分组成的组的至少一种组分的情况下，这些直径满足以下条件(1)。当这些直径满足以下条件(1)时，氧化铝基烧结体能够显示在更高温度下的更高强度，而不降低耐电压特性。在以下条件(1)中，D_A(RE)/D_A(Al)优选0.2至2，特别优选0.2至1.5。
条件(1)：0.2≤D_A(RE)/D_A(Al)≤3.0
在本发明中，优选在包含于氧化铝基烧结体中的RE-β-氧化铝结晶相中，其中其结晶粒径D_E(RE)和氧化铝的平均结晶粒径D_A(Al)满足以下条件(2)的RE-β-氧化铝结晶相是3个以下，特别优选的是：在稀土元素(RE)组分为选自由La组分、Pr组分和Nd组分组成的组的至少一种组分的情况下，满足以下条件(2)的RE-β-氧化铝结晶相是3个以下。当满足以下条件(2)的RE-β-氧化铝结晶相是3个以下时，氧化铝基烧结体能够显示在更高温度下的更高强度，而不降低耐电压特性。满足以下条件(2)的RE-β-氧化铝结晶相优选2个以下，特别优选1个以下。
条件(2)：D_E(RE)/D_A(Al)≥2
结晶粒径D_E(RE)和平均结晶粒径D_A(RE)可以如下获得。例如，将氧化铝基烧结体的表面或任选的横截面镜面研磨。将镜面研磨的表面在比氧化铝基烧结体的烧制温度低100℃的温度下，进行热蚀刻处理10分钟。用扫描电子显微镜(SEM)观察处理过的表面，并在2,000倍放大率下拍摄观察区域。当使用图像分析软件WinROOF(Mitani Corporation制造)在以下二值化处理和条件下使获得的图像进行二值化处理(也可称为双色调处理)时，RE-β-氧化铝结晶相显示为“浅色区域”，氧化铝显示为“深色区域”。RE-β-氧化铝结晶相的结晶粒径D_E(RE)是通过如下所得的值：假定通过二值化处理选出的“浅色区域”是一个RE-β-氧化铝结晶相的晶体颗粒，计算各“浅色区域”的表面积，并从表面积计算各“浅色区域”的圆当量直径。RE-β-氧化铝结晶相的平均结晶粒径D_A(RE)是如此计算的结晶粒径D_E(RE)的算术平均值。稍后描述氧化铝的平均结晶粒径D_A(Al)。
<二值化处理和条件>
(1)在通过拍摄处理过的表面获得的图像(横向1280像素，纵向1024像素)上，确认二次电子图像和反射电子图像。在包含2个以上“浅色区域”集合或2个以上相邻“浅色区域”的“浅色集合区域”存在于反射电子图像中的情况下，在各“浅色区域”中的边界(对应于各晶体的晶粒间界)上画线，划清各“浅色区域”的边界。
(2)为了改进反射电子图像的图像，使反射电子图像的图像平滑，同时保持“浅色区域”的边缘。
(3)设定为了从反射电子图像中只选出“浅色区域”的二值化处理中的“阈值”。更具体地，由反射电子图像的图像来制作具有亮度为横轴和频率为纵轴的图。
(4)“浅色区域”的选出通过以下进行：在反射电子图像中选择任选区域(横向40μm，纵向30μm)，选出存在于该区域图像中的“浅色区域”。
(5)为了改进所选择区域(即选出的“浅色区域”)的图像质量，进行用于填充在所选择区域上出现的孔的处理。
(6)在所选择区域的图像中，将具有10像素以下直径的“浅色区域”除去。
(7)由此，选出各“浅色区域”。
对RE-β-氧化铝结晶相的平均结晶粒径D_A(RE)的范围没有特别限定，只要满足条件(1)或满足条件(2)的RE-β-氧化铝结晶相是3个以下即可。平均结晶粒径D_A(RE)优选0.5至4.5μm，特别优选0.7至4.0μm。当RE-β-氧化铝结晶相具有上述范围的平均结晶粒径D_A(RE)时，当形成绝缘体3时，可以高水平地实现耐电压特性和在高温下的强度两者。
RE-β-氧化铝结晶相可以使用RE-β-氧化铝本身作为原料粉末。然而，在烧结时，RE-β-氧化铝颗粒的各向异性生长是显著的，结果，氧化铝基烧结体的致密化可能受到损害。因此，优选将RE-β-氧化铝结晶相在烧制期间析出和形成。例如，可以将RE-β-氧化铝结晶相通过以下析出和形成：在稀土元素(RE)组分的存在下，特别是在选自由La组分、Pr组分和Nd组分组成的组的至少一种组分存在下，将以含量比S/(S+A)为0.60以上包含Si组分和第2族元素(2A)组分的原料粉末烧结。
为了使满足条件(1)的RE-β-氧化铝结晶相和/或满足条件(2)的3以下的RE-β-氧化铝结晶相析出，当例如调节稀土元素(RE)组分的含量时，更具体地，降低稀土元素(RE)组分的含量时，条件(1)的“D_A(RE)/D_A(Al)”和条件(2)的“满足D_E(RE)/D_A(Al)≥2的RE-β-氧化铝结晶相的数目”两者变小或降低。
在氧化铝基烧结体中稀土元素(RE)组分的含量R没有特别限定，在稀土元素(RE)组分是例如La组分、Pr组分或Nd组分的情况下，要求能够形成RE-β-氧化铝结晶相程度的含量即可。当将氧化铝基烧结体的总质量定义为100质量％时，稀土元素(RE)组分的含量R优选0.5至2.0质量％，而与稀土元素(RE)组分是La组分、Pr组分或Nd组分无关。
在本发明中，将在氧化铝基烧结体中的稀土元素(RE)组分的含量R定义为当换算为各组分的氧化物时以氧化物计的质量％。具体地，将Ce组分定义为当换算为Ce组分的“CeO₂”时以氧化物计的质量％，将Pr组分定义为当换算为“Pr₆O₁₁”时以氧化物计的质量％，将除了Ce组分和Pr组分之外的稀土元素(RE)组分定义为当换算为“RE₂O₃”时以氧化物计的质量％。当包含多个稀土元素(RE)组分时，含量R是各组分含量的总含量。
在氧化铝基烧结体中，要求包含Si组分、第2族元素(2A)组分和稀土元素(RE)组分，其中含量的比例S/(S+A)是0.60以上。当氧化铝基烧结体的总质量是100质量％时，Si组分的含量S、第2族元素(2A)组分的含量A和稀土金属元素(RE)组分的含量R的总含量优选3.0质量％至7.5质量％，特别优选3.5质量％至7.0质量％。当总含量落入上述范围内时，所得氧化铝基烧结体变得致密，并且由氧化铝基烧结体形成的绝缘体显示高耐电压特性。
氧化铝基烧结体包含Al组分、Si组分、第2族元素(2A)组分和稀土元素(RE)组分，并且基本上由Al组分、Si组分、第2族元素(2A)组分和稀土元素(RE)组分组成。此处使用的术语“基本上”是指除了上述组分之外的组分不是通过添加等而主动包含。然而，氧化铝基烧结体的各组分可能包含微量的不可避免的各种杂质。优选尽可能地除去这些杂质。然而，事实是，不能完全除去这些杂质。因此，除了上述各组分之外，氧化铝基烧结体可以在不损害本发明目的的范围内包含不可避免的杂质。可包含于氧化铝基烧结体中的不可避免的杂质包括Na、S和N。这些不可避免的杂质的含量最好很少。例如，当Al组分、Si组分、第2族元素(2A)组分和稀土元素(RE)组分的总质量是100质量份时，不可避免的杂质的含量是1.0质量份以下。
因而，氧化铝基烧结体实质由上述组分组成，但除了上述Al组分、Si组分、第2族元素(2A)组分和稀土元素(RE)组分之外，可以包含少量的其它组分，例如B组分、Ti组分、Mn组分和Ni组分。
包含上述组分的氧化铝基烧结体具有1.50μm以上的平均结晶粒径D_A(Al)。简言之，构成氧化铝基烧结体的晶体颗粒具有1.50μm以上的平均结晶粒径D_A(Al)。即，包含Al组分、Si组分、第2族元素(2A)组分和稀土元素(RE)组分的原料粉末，特别是具有调节至上述特定比例的Si组分和第2族元素(2A)组分含量的原料粉末，在烧结时可有效地液相烧结，并且形成具有1.50μm以上的平均结晶粒径D_A(Al)的晶体颗粒。结果，即使例如使用具有1.4μm以上的晶体平均粒径的相对粗氧化铝粉末用作原料粉末，也获得高致密化氧化铝基烧结体，同时保持通过将原料粉末成型获得的未烧制成型制品的高加工性。因此，根据本发明，可以实现以下目的：提供包括绝缘体的火花塞，所述绝缘体显示高耐电压特性和在高温下的高强度，同时保持通过将原料粉末成型获得的未烧制成型制品的高加工性，所述绝缘体由氧化铝基烧结体形成。因而，包含以上各组分并具有1.50μm以上平均结晶粒径D_A(Al)的致密氧化铝基烧结体，当形成绝缘体3时，能够高水平地实现高耐电压特性和在高温下的高强度两者，同时保持未烧制成型制品的高加工性。构成氧化铝基烧结体的晶体颗粒的平均结晶粒径D_A(Al)优选2.0μm以上，这是因为能够更高水平地实现耐电压特性和在高温下的强度两者，而不牺牲未烧制成型制品的高加工性。在本发明中，平均结晶粒径D_A(Al)的上限没有特别限定。然而，当上限过大时，氧化铝基烧结体的致密性降低，并且可以形成许多气孔。因此，考虑到致密性，可以将上限设置为例如4.5μm。
当将晶体颗粒的平均结晶粒径D_A(Al)设定为小于1.50μm以获得致密氧化铝基烧结体时，通常要求小于约1.4μm的非常细的粉末用作原料粉末，特别是用作氧化铝粉末。然而，当烧制细原料粉末来制备氧化铝基烧结体时，氧化铝基烧结体变得致密。然而，通过成型细原料粉末所得的未烧制成型制品具有差的磨削加工性，并且在一些情况下，通过工业廉价方法，例如通过树脂胶结砂轮(resinoid wheel)的磨削加工和通过车床的磨削加工，不能将未烧制成型制品整形为期望形状和厚度。因此，常规氧化铝基烧结体不能改进未烧制成型制品的致密性和加工性两者。然而，根据本发明，如前所述的氧化铝基烧结体变得致密同时保持未烧制成型制品的高加工性，并且能够高水平地实现耐电压特性和在高温下的强度两者。
在氧化铝基烧结体中，具有1.50μm以上的平均结晶粒径D_A(Al)的晶体颗粒实质是氧化铝晶体颗粒，并且在如前所述的图像分析照片中显示为“深色区域”。在氧化铝基烧结体中，晶体颗粒的平均结晶粒径D_A(Al)可通过用与如前所述的结晶粒径D_E(RE)相同的扫描电子显微镜(SEM)观察来获得。具体地，平均结晶粒径D_A(Al)如下计算。将氧化铝基烧结体的表面或任选横截面进行镜面研磨。在比氧化铝基烧结体的烧制温度低100℃的温度下，使镜面研磨过的表面进行热蚀刻处理10分钟。用扫描电子显微镜(SEM)观察处理过的表面。用截距法(interceptmethod)测量由上述“二值化”表示的“深色区域”的粒径。将这些值进行算术平均。
因此，尽管具有1.50μm以上的平均结晶粒径，氧化铝基烧结体仍是致密的。具体地，氧化铝基烧结体具有3.75g/cm³以上的堆积密度。当堆积密度是3.75g/cm³以上时，能够变成断裂源的气孔的存在极度减少，当形成绝缘体3时，耐电压特性是优良的。氧化铝基烧结体的堆积密度更优选3.78g/cm³以上，这是因为当形成绝缘体3时，耐电压特性更优良。氧化铝基烧结体堆积密度的上限没有特别限定，但可以是例如3.95g/cm³。氧化铝烧结体的堆积密度根据JIS R1634(1998)规定的“堆积密度σ_b”的测量方法获得。
氧化铝基烧结体是具有1.50μm以上的平均结晶粒径D_A(Al)的致密体，并且包含Si组分；包含Mg作为必要组分并进一步包含基于IUPAC 1990规范的元素周期表中的第2族元素中除Mg之外的至少一种其它元素的第2族元素(2A)组分，优选包含Mg和Ba作为必要组分并进一步包含第2族元素中除Mg和Ba之外的至少一种其它元素的第2族元素(2A)组分；和稀土元素(RE)组分，Si组分的含量S(以氧化物计的质量％)与含量S和第2族元素(2A)组分的含量A(以氧化物计的质量％)的总含量(S+A)的比例是0.60以上。因此，即使在使用通常难以通过烧制来致密化的具有相对大粒径的原料粉末以使所述氧化铝基烧结体具有平均结晶粒径D_A(Al)为1.50μm以上的情况下，通过有效地防止在晶粒间界中低熔点玻璃相的形成和气孔的残留，同时保持通过将原料粉末成型所得的未烧制成型制品的高加工性，特别是磨削加工性，氧化铝基烧结体也变得致密。结果，当形成火花塞的绝缘体时，氧化铝基烧结体能够显示高耐电压特性，此外，当形成火花塞的绝缘体时，其还能够改进在高温下的强度。
特别地，氧化铝基烧结体具有优良的未烧制成型制品的加工性，并且通过工业廉价方法能够容易制成期望形状和期望厚度。因此，氧化铝基烧结体特别优选作为用于火花塞的绝缘体3，所述火花塞包含具有小尺寸和降低厚度的绝缘体3。此外，当形成绝缘体时，氧化铝基烧结体显示高耐电压特性和在高温下的高强度，因此特别优选作为包含具有小尺寸和降低厚度的绝缘体3的火花塞，和用于具有高功率内燃机中使用的火花塞的绝缘体3。
因此，由氧化铝基烧结体形成的绝缘体能够在约700℃的高温下显示高耐电压特性，并且能够在约700℃的高温下显示高强度，所述绝缘体具有优良的未烧制成型制品的加工性，并且能够根据需要进行磨削。因此，当由具有优良的未烧制成型制品加工性和具有高生产性制备的氧化铝基烧结体形成绝缘体时，能够实现以下目的：提供包括显示高耐电压特性和在高温下的高强度的绝缘体的火花塞。
氧化铝基烧结体通过烧结满足上述组成的原料粉末来获得，并且通过在烧制之前磨削满足上述组成的原料粉末，并将其整形的磨削整形步骤来制备。例如，氧化铝基烧结体可以通过如下生产：通过以特定比例将Al化合物粉末、Si化合物粉末、第2族元素(2A)化合物粉末和稀土元素(RE)化合物粉末混合来制备原料粉末的步骤；将原料粉末成型为具有给定形状的未烧制成型制品的步骤；将所得的未烧制成型制品磨削并整形为期望形状的步骤；将如此整形的未烧制成型制品在1,500至1,700℃的温度下烧制1至8小时。此处使用的术语“特定比例”是指在所得的烧结体中的含量比S/(S+A)是0.60以上的比例。当使原料粉末通过磨削整形步骤并在上述烧制条件下烧制时，即使使用具有相对大粒径的原料粉末，在所得的烧结体中，也可以将各组分的比例，特别是Si组分和第2族元素(2A)组分的比例，调节至上述范围，并且也可以获得具有1.50μm以上的平均结晶粒径D_A(Al)的致密烧结体。
更具体地，将作为原料粉末的Al化合物粉末、Si化合物粉末、第2族元素(2A)化合物粉末和稀土元素(RE)化合物粉末以特定比例混合，以使得其各含量(将原料粉末的总质量定义为100质量％)与从所得的氧化铝基烧结体中的这些化合物粉末换算的各组分的各含量基本相同，加入亲水性粘结剂和溶剂，并与所得混合物混合。由此，制备浆料。
对Al化合物粉末没有特别限定，只要化合物通过烧制转化成Al组分即可，通常使用氧化铝(Al₂O₃)粉末。Al化合物粉末实际上包含不可避免的杂质如Na。因此，优选使用高纯度粉末。例如，Al化合物粉末的纯度优选99.5％以上。Al化合物粉末通常使用具有0.1至1μm的平均粒径的粉末，以获得致密氧化铝基烧结体。在本发明中，当氧化铝基烧结体具有上述组成时，氧化铝基烧结体是高度致密化的。因此，当形成未烧制成型制品时，可将具有相对大的平均粒径、显示高加工性的粉末用作原料粉末。例如，可以使用具有1.4至5.0μm的平均粒径的原料粉末。平均粒径是通过激光衍射法(LA-750，HORIBA制造)测量的值。
对Si化合物粉末没有特别限定，只要该化合物通过烧制转化为Si组分即可。该粉末的实例包括各种无机粉末，例如Si的氧化物(包括复合氧化物)、氢氧化物、碳酸盐、氯化物、硫酸盐、硝酸盐和磷酸盐。该粉末的具体实例包括SiO₂粉末。在使用除了氧化物之外的粉末作为Si化合物粉末的情况下，粉末的用量由当换算为氧化物时以氧化物计的质量％来把握。Si化合物粉末的纯度和平均粒径基本上与Al化合物粉末相同。
对第2族元素(2A)化合物粉末没有特别限定，只要化合物可通过烧制转化成第2族元素(2A)组分即可，即，转化成Mg组分和包含第2族元素中除Mg之外的至少一种其它元素的组分的化合物，优选转化成Mg组分、Ba组分和包含除Mg组分和Ba组分之外的至少一种其它元素的组分的化合物，特别优选转化成Mg组分、Ba组分和包含选自由Ca组分和Sr组分组成的组中的至少一种元素的组分的化合物。第2族元素(2A)化合物粉末的实例包括各种无机粉末，例如包含Mg的至少两种第2族元素(RE)，优选包含Mg和Ba的至少三种第2族元素(RE)的氧化物(包括复合氧化物)、氢氧化物、碳酸盐、氯化物、硫酸盐、硝酸盐和磷酸盐。具体地，Mg化合物粉末包括MgO粉末和MgCO₃粉末，Ba化合物粉末包括BaO粉末和BaCO₃粉末，Ca化合物粉末包括CaO粉末和CaCO₃粉末，Sr化合物粉末包括SrO粉末和SrCO₃粉末。在使用除了氧化物之外的粉末作为第2族元素(2A)化合物粉末的情况下，粉末的用量由当换算为氧化物时以氧化物计的质量％来把握，以满足在所得氧化铝基烧结体中的比例。第2族元素(2A)化合物粉末的纯度和平均粒径基本上与Al化合物粉末相同。
第2族元素(2A)化合物粉末是包含Mg化合物粉末和第2族元素(RE)中除了Mg之外的至少一种元素化合物粉末的组分。以下组分是优选的：包含Mg化合物粉末、Ba化合物粉末和除Mg化合物粉末与Ba化合物粉末之外的至少一种其它元素化合物粉末，即，选自由Ca化合物粉末和Sr化合物粉末组成的组中至少一种元素化合物粉末的组分。优选的第2族元素(2A)化合物粉末的具体实例包括：包含Mg化合物粉末、Ba化合物粉末和Ca化合物粉末的第2族元素(2A)化合物粉末，包含Mg化合物粉末、Ba化合物粉末和Sr化合物粉末的第2族元素(2A)化合物粉末，和包含Mg化合物粉末、Ba化合物粉末、Ca化合物粉末和Sr化合物粉末的第2族元素(2A)化合物粉末。
对稀土元素(RE)化合物粉末没有特别限定，只要化合物通过烧制可转化成稀土元素(RE)组分即可。该粉末的实例包括稀土元素(RE)的氧化物和其复合氧化物的粉末。在使用除了氧化物之外的粉末作为稀土元素(RE)化合物粉末的情况下，粉末的用量由当换算为氧化物时以氧化物计的质量％来把握，以满足在所得氧化铝基烧结体中的比例。稀土元素(RE)化合物粉末的纯度和平均粒径基本与Al化合物粉末相同。
通常将这些原料粉末混合8小时以上。当原料粉末的混合时间小于8小时时，原料粉末的混合状态不是高度均匀的，所得烧结体不能高度致密化。
亲水性粘结剂的实例包括聚乙烯醇、水溶性丙烯酸类树脂、阿拉伯树胶和糊精。溶剂的实例包括水和醇。这些亲水性粘结剂和溶剂可以单独，或作为其两种以上的混合物使用。所使用的亲水性粘结剂和水的比例是：当原料粉末是100质量份时，亲水性粘结剂的量是0.1至5质量份(优选0.5至3质量份)。当水用作溶剂时，水的用量是40至120质量份(优选50至100质量份)。
可以将如此获得的浆料调节至具有例如1.4至5.0μm的平均粒径。将如此获得的浆料用喷雾干燥法等喷雾干燥以造粒为平均粒径为50至200μm(优选70至150μm)的颗粒。平均粒径是用激光衍射法(LA-750，HORIBA生产)测量的值。
将造粒材料成型以获得未烧制成型制品。将所得未烧制成型制品磨削和整形。未烧制成型制品通过具有相对大粒径的造粒材料形成。因此，未烧制成型制品具有优良的加工性，且能够容易地以高生产性整形为期望形状。
将如此磨削和整形为期望形状的未烧制成型制品在1,500至1,700℃(更优选1,550至1,650℃)的气氛中烧制1至8小时(更优选3至7小时)，以获得氧化铝烧结体。当烧制温度为低于1,500℃时，氧化铝基烧结体不能充分地致密化。当烧制温度超过1,700℃时，在烧制期间氧化铝颗粒容易异常地生长，所得氧化铝基烧结体的耐电压特性和机械强度趋于降低。此外，当烧制时间短于1小时时，氧化铝基烧结体不能充分地致密化。当烧制时间超过8小时时，在烧制期间氧化铝颗粒异常地生长，所得氧化铝基烧结体的耐电压特性趋于降低。
当将如此获得的具有上述组成的未烧制成型制品烧结时，可以获得具有平均结晶粒径D_A(Al)和堆积密度落入上述范围内的氧化铝基烧结体。如前所述，以优良加工性和高生产性如此生产的氧化铝基烧结体是致密的，并且有效地防止在晶粒间界中低熔点玻璃相的形成和气孔的残留，由此具有优良的耐电压特性和在高温下的强度。此外，所得氧化铝基烧结体具有满足如前所述的条件(1)和条件(2)中的至少之一的RE-β-氧化铝结晶相，或具有由上述组成式表示的组成。特别地，在稀土元素(RE)组分是选自由上述La组分、Pr组分和Nd组分组成的组中的至少一种组分的情况下，氧化铝基烧结体具有所述RE-β-氧化铝结晶相。因此，氧化铝基烧结体特别适合作为具有小尺寸和降低厚度的绝缘体3，和用于具有高功率内燃机的火花塞的绝缘体3。如果需要，可以将氧化铝基烧结体再次整形。因而，可以制备氧化铝基烧结体和包括氧化铝基烧结体的火花塞1用绝缘体3。
火花塞1例如如下生产。将电极材料例如Ni基合金加工成给定形状以制备中心电极2和/或接地电极6。电极材料的制备和加工可以连续地进行。例如，具有期望组成的镍基合金的熔融体使用真空熔炉制备，铸锭(ingot)从各熔融体通过真空浇铸(vacuum casting)制备，使铸锭进行热加工、拉制过程等以适当地调节，从而具有给定形状和给定尺寸。因此，可以制备中心电极2和/或接地电极6。内部构件8可以插入成型为罩形的外部构件7中，中心电极2可以通过塑性加工例如挤出加工来形成。
接地电极6的一个端部用电阻焊接(electric resistancewelding)等连接至通过塑性加工成型给定形状的金属壳4的端面，如果需要，接着用约10％盐酸、水等洗涤。具有给定形状和大小的绝缘体3通过在烧制之前磨削满足该组成的原料粉末并将其整形的磨削整形步骤的氧化铝基烧结体形成，中心电极2通过常规方法组装到绝缘体3，将绝缘体3组装到连接接地电极6的金属壳4。使接地电极6的前端面向中心电极2侧弯曲，以使接地电极6的一端面对接地电极2的前端部。因此，生产火花塞1。
将根据本发明的火花塞用作机动车内燃机例如汽油发动机的点火栓(igniter plug)。将螺杆部9螺合地(threadably)安装在分隔并形成内燃机燃烧室的盖(head)(未示出)的螺孔上，并且固定到给定位置。根据本发明的火花塞可用于任何内燃机中。形成绝缘体3的氧化铝基烧结体具有未烧制成型制品的优良磨削加工性，能够高生产性地整形为期望形状和尺寸，并且当形成绝缘体时，具有优良的耐电压特性和在高温下的强度。因此，根据本发明的火花塞1可以优选用于具有高功率、需要包括具有降低厚度的绝缘体的火花塞的内燃机。
根据本发明的火花塞不限于上述实例，在实现本发明目的的范围内，可以进行各种改变。例如，设置火花塞1，以使中心电极2的前端面沿中心电极的轴线AX方向隔着火花放电间隙G面对接地电极6的一端的表面。然而，在本发明中，可以设置火花塞，以使中心电极的侧面沿中心电极的半径方向隔着火花放电间隙面对接地电极的一端的前端面。在这种情况下，可以设置面对中心电极侧的单个或多个接地电极。
火花塞1包括中心电极2和接地电极6。在本发明中，贵金属电极头可以设置在中心电极的前端部和/或接地电极的表面上。在中心电极的前端部和接地电极的表面上形成的贵金属电极头通常具有圆柱形状，将其调节至合适的尺寸，并通过合适的焊接方法例如激光焊接或电阻焊接将其熔融固着到中心电极的前端部和接地电极的表面上。火花放电间隙在中心电极前端部上形成的贵金属电极头的表面和在接地电极表面上形成的贵金属电极头的表面之间形成。形成贵金属电极头表面的材料包括贵金属，例如Pt、Pt合金、Ir和Ir合金。
实施例
称量以下物质：具有2.2μm平均粒径和99.5％以上纯度的氧化铝粉末(包含微量Na作为不可避免的杂质)、具有2.8μm平均粒径和99.5％以上纯度的SiO₂粉末、具有6.0μm平均粒径和99.5％以上纯度的MgCO₃粉末、具有2.0μm平均粒径和99.5％以上纯度的CaCO₃粉末、具有5.0μm平均粒径和99.5％以上纯度的BaCO₃粉末、具有2.0μm平均粒径和99.5％以上纯度的SrCO₃粉末、具有9.0μm平均粒径和99.5％以上纯度的La₂O₃粉末、具有6.0μm平均粒径和99.5％以上纯度的CeO₂粉末，和具有4.0μm平均粒径和99.5％以上纯度的Nd₂O₃粉末，并以示于表1的以氧化物计的质量％的比例混合(将作为碳酸盐化合物的MgCO₃、CaCO₃、BaCO₃和SrCO₃换算为以各氧化物计的质量)。由此，制备原料粉末。
将这些原料粉末的每一种加入到树脂制的罐(体积：2.4升)中，并使用具有10mm直径的氧化铝卵石混合和粉碎10至72小时。将亲水性粘结剂(每100质量份混合和粉碎的原料粉末，2质量份)加入所得混合物并与所得混合物混合，以制备浆料。用激光衍射法(LA-750，HORIBA制造)测量各浆料的平均粒径。结果示于表2中。将各浆料用喷雾干燥法喷雾干燥，并通过激光衍射法造粒为具有约100μm平均粒径的粉末。
用100MPa的等静压将造粒的粉末成型为具有23mm直径的未烧制成型制品。将该成型制品在空气中在示于表1中的烧制温度下烧制示于表1中的烧制时间。由此，生产氧化铝基烧结体。
Si组分含量S(以氧化物计的质量％)与含量S和第2族元素(2A)组分含量A(以氧化物计的质量％)的总含量(S+A)的比例S/(S+A)、Mg组分含量M(以氧化物计的质量％)与第2族元素(2A)组分含量A(以氧化物计的质量％)的比例M/A示于表1中。各组分含量与含量比S/(S+A)和M/A基本符合原料粉末中的混合比，以及通过氧化铝基烧结体的荧光X-射线分析或化学分析而计算的各组分的含量(以氧化物计的质量％)。
[表1]

由此获得的各氧化铝基烧结体的堆积密度根据JISR1634(1998)中规定的“堆积密度σ_b”的测量方法而获得，测量结果示于表2中。
使各氧化铝基烧结体的表面进行X-射线衍射，具有La-β-氧化铝结构的结晶相的存在或不存在通过对应于La-β-氧化铝JCPDS卡No.33-699的光谱是否存在来判断。此外，与JCPDS卡相比较，判断Ce-β-氧化铝和Nd-β-氧化铝的结晶相的存在或不存在。结果示于表2中。具有La-β-氧化铝结构(LaAl₁₁O₁₈)的晶体的氧化铝基烧结体(实施例7)的X-射线衍射图示于图3中。
将各氧化铝基烧结体的表面镜面研磨，将研磨过的表面在比示于表1中的烧制温度低100℃的温度下进行热蚀刻处理10分钟。用扫描电子显微镜(SEM)观察处理过的表面，用如前所述的截距法测量氧化铝晶体的平均结晶粒径D_A(Al)。此外，用扫描电子显微镜(SEM)观察实施例8至10和比较例2至4的各氧化铝基烧结体的表面。如前所述计算所选出“浅色区域”的圆当量直径，将该直径用作RE-β-氧化铝结晶相的结晶粒径D_E(RE)。此外，将结晶粒径D_E(RE)的算术平均值用作RE-β-氧化铝结晶相的平均结晶粒径D_A(RE)。D_A(RE)/D_A(Al)从如此计算的氧化铝晶体的平均结晶粒径D_A(Al)，以及RE-β-氧化铝结晶相的结晶粒径D_E(RE)和平均结晶粒径D_A(RE)获得。计数成为D_E(RE)/D_A(Al)≥2的RE-β-氧化铝结晶相的数目。这些结果示于表2中。在表2中，实施例12和比较例1的符号“-”表示RE-β-氧化铝结晶相不存在，因此不计算。
使在实施例7至9和12及比较例2至4中得到的各氧化铝基烧结体上存在的RE-β-氧化铝结晶相，使用安装至透射电子显微镜(TEM)的能量分散X-射线分析仪(EDX)在上述测量条件下进行元素分析，确认RE-β-氧化铝结晶相的组成。结果，实施例7的组成是LaAl₁₁O₁₈，实施例8的组成是LaMg_2.3Al₁₆O₂₃，实施例9的组成是LaMgAl₁₃O₁₉。此外，比较例2的组成是LaMg₃Al₁₇O₃₀，比较例3的组成是LaMgAl₁₃O₁₉，比较例4的组成是LaAl₁₁O₁₈。
(耐电压特性)
已与生产氧化铝基烧结体相同的方式制备具有18mm直径和0.6mm厚度的圆板状试验片，在700℃下的耐电压值使用示于图2中的耐电压测量装置20测量。如图2所示，耐电压测量装置20是：在加热箱22中，圆板状试验片21沿轴线方向夹在连接至高电压产生装置(CDI电源)的电极23a和从圆板状试验片21的轴线方向接地的电极23b之间。此外，圆板状试验片21沿轴线方向夹在氧化铝制的绝缘体筒24a和24b之间，以从圆板状试验片21的轴线方向围绕电极23a和电极23b。在圆板状试验片的前后表面与氧化铝制的绝缘体筒24a和24b之间的接触部用SiO₂型封接玻璃25固定在绝缘体筒24a和24b的整个外周上。在电极23a和电极23b中，接触圆板状试验片21的前端部具有锥形，其中直径朝向前端部逐渐变窄。与圆板状试验片21的接触面积为约0.75mm²。电极23a和23b具有用氧化铝制的绝缘体筒28a和28b包覆的外周面，以防止在各电极和加热箱22之间产生放电。使用耐电压测量装置20，在通过电加热器调节至700℃的加热箱22中，用高电压产生装置27将恒定高电压施加至圆板状试验片21，所述高电压产生装置27能够向圆板状试验片21施加几十千伏的高电压，测量当在圆板状试验片21中产生击穿时的电压值作为圆板状试验片21的“耐电压值”。结果示于表2中。
(在高温下的强度)
以与生产氧化铝基烧结体相同的方式，分别制备48mm×4mm×3mm的试验片。在700℃下三点弯曲强度(跨度30mm，在表2中显示为在高温下的强度)根据JIS R1604所规定的测量方法测量。结果示于表2中。
(磨削加工性)
以与生产氧化铝基烧结体相同的方式，分别制备通过等静压成型的未烧制成型制品的十个试验样品。在相同条件下，用树脂胶结砂轮磨削这些未烧制成型制品的十个试验样品的外周面，并测量未烧制成型制品的所有十个试验样品的质量。在第一个磨削未烧制成型制品(第一个试验样品)和最后磨削未烧制成型制品(第十个试验样品)之间的质量差从第一个试验样品和第十个试验样品获得，并评价磨削加工性。质量差大的情况表明，树脂胶结砂轮的表面堵塞有未烧制成型制品，结果，未烧制成型制品的第十个试验样品不能如期望地磨削。这种情况意味着磨削加工性差。当质量差是3g以下时，成型制品可以通过工业廉价方法磨削加工，且未烧制成型制品具有优良的磨削加工性。这种情况在表2中表示为“O”。当质量差超过3g时，成型制品难以通过工业廉价方法磨削加工，且未烧制成型制品具有差的磨削加工性。这种情况在表2中表示为“X”。
[表2]

如表2所示，以含量比S/(S+A)为0.60以上的比例包含上述组分，并且具有1.50μm以上的平均结晶粒径D_A(Al)的氧化铝基烧结体(实施例1至12)具有50kV/mm以上的高耐电压值，和300MPa以上的在高温下的高强度，并且进一步具有优良的未烧制成型制品的磨削加工性。
此外，在包含三个组分，即，Mg组分、Ba组分与作为第2族元素(2A)组分的除了Mg和Ba之外的另一种其它元素组分的实施例1至12中，其中稀土元素(RE)组分是La组分或Nd组分、并且存在RE-β-氧化铝结晶相的氧化铝基烧结体(实施例1至11)具有高于52kV/mm的耐电压值。特别地，当RE-β-氧化铝结晶相满足条件(1)和(2)中的至少之一时，氧化铝基烧结体具有高耐电压值和在高温下的高强度。此外，其中在第2族元素(2A)组分中的含量比M/A落入0.050至0.45范围内的氧化铝基烧结体(实施例3和5至12)具有高于57kV/mm的耐电压值。其中氧化铝含量落入92.5至97.0质量％范围内的氧化铝基烧结体(实施例3和5至12)具有高于57kV/mm的耐电压值。
与此相反，不包含稀土元素(RE)组分的氧化铝基烧结体(比较例1)具有大的平均结晶粒径D_A(Al)和浆料平均粒径，并具有优良的未烧制成型制品的磨削加工性。然而，耐电压值小，在高温下的强度低。其中以含量比S/(S+A)小于0.60的比例只包含一种MgO作为第2族元素(2A)组分的氧化铝基烧结体(比较例2)具有优良的未烧制成型制品的磨削加工性。然而，耐电压值小，在高温下的强度低。其中以含量比S/(S+A)小于0.60的比例包含上述组分的氧化铝基烧结体(比较例3)为：烧结性降低，堆积密度低，耐电压特性和在高温下的强度低。此外，因为浆料的平均粒径比1.4μm细，因此树脂胶结砂轮的堵塞明显，并且未烧制成型制品的磨削加工性差。其中烧制条件不匹配并且存在具有小于1.50μm平均结晶粒径D_A(Al)的晶体的氧化铝基烧结体(比较例4)具有差的未烧制成型制品的加工性。另外，因为氧化铝基烧结体的致密化不能充分地进行，因此堆积密度低，耐电压特性和在高温下的强度低。此外，如表2所示，比较例2和4不满足所有条件(1)和(2)。特别地，尽管比较例4包含Mg组分、B a组分和Ca组分作为第2族元素(2A)组分，但比较例4不满足所有条件(1)和(2)，因此在高温下的强度小。
(浆料的平均粒径和磨削加工性)
研究浆料的平均粒径对磨削加工性的影响。制备四种浆料，其各具有0.5μm、1.4μm、1.8μm和2.0μm的通过激光衍射法(LA-750，HORIBA生产)测量的平均粒径。使用这些浆料，以与实施例1基本上相同的方式生产各十个试验样品。具体改变点是：使用具有20mm直径的氧化铝卵石，亲水性粘结剂的用量基于原料粉末总质量为0.2质量％，将水与亲水性粘结剂一起用作溶剂，用100MPa将粉末进行摩擦压制(rubber-pressed)。关于如此成型的未烧制成型制品，以与磨削加工性相同的方式，得到在第一个试验样品和第十个试验样品之间的质量差，并评价未烧制成型制品的磨削加工性。结果，由具有1.4μm、1.8μm和2.0μm平均粒径的浆料生产的所有未烧制成型制品基本不具有质量差，具有优良的磨削加工性。另一方面，由0.5μm浆料生产的未烧制成型制品具有约20％的大质量差。从这些结果和磨削加工性的结果可知，当浆料的平均粒径是1.4μm以上时，简言之，当通过烧结浆料得到的氧化铝基烧结体的结晶粒径D_A(Al)是1.5μm以上时，未烧制成型制品具有优良的未烧制成型制品的磨削加工性。
<火花塞1的生产>
使用Ni基合金，根据常规方法制备具有1.6mm×2.7mm截面尺寸的金属线材作为接地电极6。分别制备包含铜的圆柱状内部构件8和由镍基合金形成的杯状外部构件7。将制备的内部构件8嵌入所制备的外部构件7中，通过塑性加工例如挤出加工来制备包含内部构件8和外部构件7的、具有4mm直径的中心电极2。使接地电极6的一个端部用电阻焊接通过塑性加工和轧制加工连接至形成为给定形状和尺寸(特别地，螺杆部的公称直径是10mm)的金属壳4的端面。以与实施例1至12相同的方式制备包括氧化铝基烧结体的绝缘体3。绝缘体3通过以下制备：将原料粉末造粒，用等静压将造粒粉末成型为成型制品，使其通过在烧制之前将成型制品磨削整形的磨削整形步骤，并烧制该成型制品。将中心电极2组装到绝缘体3，将绝缘体3组装到具有连接至接地电极6的金属壳4上。使接地电极6的前端部向中心电极2侧弯曲，以使接地电极6的一端面对中心电极2的前端部。由此，生产火花塞1。如此生产的火花塞1具有与表2中相同的效果。因而，氧化铝基烧结体具有优良的未烧制成型制品的加工性，尤其优选作为用于包括具有小尺寸和降低厚度的绝缘体3的火花塞中的绝缘体，和用于具有高功率内燃机的火花塞中的绝缘体3。即使绝缘体的厚度降低，以及将该火花塞用于大功率内燃机，包括由氧化铝基烧结体形成的绝缘体3的火花塞在约700℃的高温下也显示高耐电压特性和在高温下的高强度。特别地，以与实施例3和5至12相同的方式制备的包括绝缘体3的各火花塞显示除了上述特性之外的高耐电压值和在高温下的更高的强度。