陶瓷蜂窝体和安装有该蜂窝体的催化转化器制造技术

本发明专利技术提供了陶瓷蜂窝作为用于燃烧发动机排气污染控制的催化剂基体，有隔热多孔耐热涂层位于蜂窝的至少部分外表皮上并与其连接，可减少隔热涂层外表面的温度，以保护用作固定催化转化器外壳中的垫材支承物的弹性纤维支承材料。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本申请要求了美国临时申请No.60/049,557的优先权，该申请由Robert J.Locker,Constance B.Sawyer和Martin J.Schad于1997年6月13日提交，名称为“有涂层的催化转化器基体和其固定物”。本专利技术涉及用于处理内燃机燃烧排气的催化转化器。更具体地说，本专利技术涉及改进的蜂窝形催化剂基体和固定催化剂的支承系统，此支承系统可提供一个对高温热损伤、冲击和振动损伤都有良好抵抗能力的固定转化器系统，且成本低，固定方便。在催化转化器固定系统的发展中，一直面临的一个问题是固定物的热稳定性。该问题在所谓的“紧密连接”的催化转化器(有时称作预转化器，它在发动机排气系统中通常离发动机非常近)中特别严重。因为催化转化器位于发动机的邻近位置，所以其催化剂、蜂窝形基体和转化器固定系统所遇到的排气温度和振动负荷比常规汽车底部转化器所遇到的要高的多。通常，膨胀性垫料可用作金属外壳中的支承陶瓷基体催化转化器所必需的固定材料。这些垫料由一些矿物质组分组成，其选择应使垫料在首次使用温度升高时发生膨胀，从而将基体固定在转化器外壳中。例如，美国专利No.4,863,700(TenEyck)和5,376,341(Gulati)中描述了单单用膨胀性垫料固定材料以及与另一种纤维垫料材料组合在一起将陶瓷蜂窝限定在转化器的金属外壳中。不利的是，常规垫料材料在高于约700℃的温度下容易劣化。因此，垫料对基体起的固位压力作用减弱，结果在排气的反向压力作用下，基体的轴向运动趋势增加，最终使得固定系统失效。在汽车排气预转化器的非常炽热和振动的环境下，垫料的热劣化的问题变得更为严重。SAE Paper No.952414和SAE Paper No.960563中讨论了这些固定方面的问题。总体上，这些文章中详细描述的实验表明，常规垫料固定系统的残余剪切强度在环境温度为950℃至1050℃范围内会显著下降。而在1000℃至1050℃时，残余剪切强度会下降到可接受的最低强度水平以下，该最低强度水平应提供使得基体在炽热(950℃)而高速(75g)振动的环境下产生轴向移位所需计算压力的3至4倍的安全系数。除了由于高温之外，在这些振动条件下，垫料固定材料也会产生机械劣化的问题。本专利技术的目的是通过在陶瓷基体上使用一层隔热涂层来提高转化器在高温下的固定耐久性。该方法是通过在基体的外表皮上涂布一层隔热涂层来降低垫料温度，从而减少传递给垫料的热量。这样一来，垫料就与炽热的基体外表皮有一定距离，而由于所用涂层的隔热特性，减少了表皮传递来的辐射热和传导热，就可减少热量。除了垫料温度观察到有降低外，用了这些涂层还可修整圆柱形基体上尺寸不圆的地方，并可提高基体的破碎强度，特别当工业上采用的蜂窝体中有较多窝穴，同时窝穴间壁较薄时，破碎强度尤为重要。本专利技术的第一方面是一个整体的有隔热涂层的陶瓷蜂窝体，它包括一个蜂窝形基体，其圆柱形外表面上涂布有连成一体的隔热涂层。基体是低膨胀的陶瓷蜂窝形基体，通常是可用来支承在苛刻化学环境下(如汽车排气环境)使用的催化剂的那一种。基体圆柱形外表面上的隔热涂层是一层粘合的多孔耐热陶瓷层，这里所用的术语“陶瓷”具有最广泛的意义，包括玻璃、半结晶陶瓷如玻璃-陶瓷，和常规的基本上不含玻璃相的结晶陶瓷。多孔玻璃、玻璃-陶瓷或陶瓷层的热传导率通常比蜂窝形基体低，它有足够的厚度和空隙度，使得当它维持在与蜂窝形基体相当的温度下时，可使涂布有隔热涂层的基体表皮温度比没有涂层的蜂窝形基体表皮温度低得多。表皮温度的显著下降是指在蜂窝体温度约为950℃时，其表皮温度至少降低约50℃。用堆密度不超过约2.0g/cm3以及厚度至少约为1mm的多孔陶瓷隔热层，很容易实现这样的温度降低。本专利技术的第二方面是一个固定的催化剂基体系统，该系统包括其中含有许多通道的陶瓷蜂窝基体(其外面是外表皮)，以及隔热多孔耐热陶瓷涂层，涂层与蜂窝基体连成一体，是粘结在所有或部分外表皮上的。系统还包括一个外壳，外壳是用来支承具有涂层的蜂窝基体的金属壁，还包括至少一层位于多孔耐热陶瓷涂层和金属壁之间的无机膨胀材料。该系统为陶瓷基体提供了良好的机械保护，并同时保护膨胀材料以免产生热劣化因而降低固位强度，这些将在下文有更完全的描述。本专利技术可参照附图来进一步了解，其中附图说明图1是本专利技术提供的涂布有隔热层的蜂窝基体的截面端视图；图2是本专利技术蜂窝形催化剂基体固定设计的截面侧视图，和图3是表示在经热老化之前和之后，已有技术采用的蜂窝形基体固定设计和本专利技术提供的设计的转化器固定的剪切强度图。为提供隔热涂层，可将各种不同的涂层组合物施加到陶瓷基体结构上。涂层的具体选择主要由基体结构的组成以及待用涂层所处的热环境和机械环境来决定。由于打算应用场合的环境日益苛刻，为了获得所需的使用寿命，需要仔细选择陶瓷基体及其相关的涂层，因此对涂层的组成和性质带来很大限制。对于例如汽车预转化器(它是安装在离发动机非常近的排气系统中的排气催化转化器)的应用场合，则会遇到特别严重的温度和振动情况。以前曾试图为这种转化器提供一种耐用的固定系统，是采用固定用的膨胀性垫料与基体和预转化器外壳直接接触，但这并不非常成功。当膨胀性垫料与基体直接接触时，垫料在高于约950℃的基体温度下开始以起皮壳或“表面变光(glazing)”的形式劣化。用“混合”的固定系统可获得较好的结果，该系统还包括一层非膨胀性的内层垫料，位于基体和外层膨胀性垫料之间。已知非膨胀性的垫料材料在1050℃下劣化甚微，可使外层膨胀性垫料与高温的基体隔离。然而，这种多层垫料型固定系统较为复杂，是不适宜的，并且它会产生其它问题，例如非膨胀性垫料的不稳定性以及基材容易从这种混合的固定结构中被“推出”。在减少基体向基体外壳或衬在外壳内的膨胀性垫料材料的热传递方面，本专利技术的粘合隔热涂层与已有技术的耐热纤维垫料涂层至少一样有效。但它们的耐用性更好，它提供了刚性的而不是弹性的表面，在其外回的膨胀性垫料层可更有效地将固位压力作用在此表面上。因此这种涂层避免了纤维垫料的劣化问题，并减少了基体在使用时滑动的可能性。图1中提供了本专利技术涂布有隔热涂层的陶瓷蜂窝体的示意图。该图是该蜂窝体的端视图，蜂窝形基体包括一芯部分10，其中有许多根通道横穿通过，该芯部分被基体表皮12包围，表皮的材料通常与芯的材料相同。多孔陶瓷隔热涂层14位于表皮12上，与表皮12连成一体。本专利技术隔热涂层的其它好处，包括可以“修整”基体的外部形状和/或直径，便于修复受损的外部基体表面(否则需要舍弃其一部分)，提高基体的破碎强度和/或适应与转化器性能有关的其它要求。例如，可修整隔热层的外形来提供具有加高的末端部分和凹陷的中间部分的有涂层的基体外形。这就在涂层中形成了凹陷的中间部分，其中可放入膨胀性垫料层，保护其免受流到转化器端面的炽热排气的伤害。这样，这种涂层就提供了防止膨胀性垫料受冲蚀的局部连成一体的防冲蚀密封。图2表示有这种防冲蚀密封的有隔热涂层的基体设计，它是固定在钢质外壳16中的基体10的截面侧视图。在这种形式的固定中，隔热层12有一个加高的末端部分12a，末端部分12a形成了中间的凹陷部分，将膨胀性垫料14装入。因此加高的末端部分12a形成了一局部密封，能保护垫料14免受由进入外壳16本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种涂布有隔热涂层连成一体的陶瓷蜂窝体，它包括：一个低膨胀的陶瓷蜂窝形基体，基体中有多个通道，这些通道与一外表皮连接，和一层隔热多孔耐热涂层，涂层位于至少一部分外表皮上并与表皮粘合；涂层的空隙度和厚度至少足以使隔热涂层外表面的温 度比基体外表皮温度至少低约５０℃。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：RJ洛克，CB索耶，MJ谢德，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]