陶瓷蜂窝体及其挤出方法技术

描述了蜂窝体在外壳强化堇青石晶体排列条件下挤出，避免了薄壁型堇青石型蜂窝体挤出后周身外壳细裂缝的出现，该载体通道壁厚小于０．００４英寸（１００微米）、但其外壳层厚度还相当厚。消除裂缝后的薄壁型蜂窝体在热膨胀方面跟载体芯匹配甚佳。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
本专利技术是关于低热膨胀，薄壁型堇青石陶瓷蜂窝体的制造。该载体结构材料由氧化镁、氧化铝和硅酸盐原材料组成。而且，更主要的是本专利技术是关于改进挤出成型方法，成型的蜂窝体质量高，壁薄且其周身外壳无裂缝。美国专利No.3,790,654和No.3,885,977描述了采用蜂窝体挤出模将增塑陶瓷混合料制成多孔状堇青石结构，且热膨胀低的蜂窝体。这一类蜂窝体在汽车尾气处理系统中作控制排放的催化剂载体，仍有广泛商业用途。在已有的跟堇青石型蜂窝体挤出有关的技术中，大多包括有各种不同结构的挤出模及其操作模式，所有一切都为通用设计，成型的堇青石蜂窝体具有网格或通道式芯体结构，大多数情况被一光滑完整的外壳层包围。典型的是所用的挤出模是多组件组包括至少有一个网格生成模体和一个外壳形成罩或附加在该模体出料端的罩组件。模体包括有入口流道或引到模具放料面上放料槽交叉阵列上的输送孔。通过放料槽、混合陶瓷料被挤压成十字交叉网格而中心成通道式芯的蜂窝体。外罩通常是环状套管式结构，它限定了蜂窝体的圆柱面，也即形成了蜂窝体的外表层。许多已知关于模具结构的技术是特别设计或针对解决有关的问题，如外壳在网格状蜂窝芯附着性差。在挤出过程中由于外壳的粘连，造成蜂窝芯外围网格的变形。提高外壳附着性就要求挤出成形的外壳和形成的网格室壁之间要施加或维持至少渐渐收敛的粘接压，压力过高会造成载体外围网格和网格室的变形。美国专利No.4,349,329揭示的挤出模，它的设计特别在于减小外围网格室的变形。在该设计中，外壳混合料被收集在外壳形成罩下方的收集区，然后通过模体和该罩之间缝隙挤出。再跟从模体挤出的网格状蜂窝芯体相连。芯体具有加厚的外围网格通道壁，在挤出过程中由于外壳层跟芯体粘连在一起而具有抗变形特征。美国专利No.5,219,509描述另一种模具设计，其特征为一股单独原来由外壳罩下方的外围收集区向内流向形成外壳的混合料，经由该罩和模体改为流向几近平行、但稍向模具挤出轴方向收缩的流动通道。这种设计减小了外围网格室的网格部分的变形，这是因为施加在网格室上外壳压力受到限制。本专利技术认识到各种各样控制外壳挤出厚度的手段。例如，美国专利No.4,668,176和No.4,710,123描述的模具设计，其特征在于通过控制模体和形成罩之间形成的间隙大小进而控制外壳厚度，还显示了通过调节向模具外壳形成区供给混合料量的方法，使选定外壳厚度所需的物料流量保持稳定。在已有的技术中，挤出工艺的共同特征是挤出的塑性混合料一次性挤压，且控制物料的粘度，使得外壳挤出速度严密跟蜂窝状芯体的挤出速度匹配。例如，已公开日本专利JP 61-005915揭示改进后的模具设计，蜂窝状芯体挤出速率跟外壳挤出速率匹配较为恰当。匹配之所以重要是因为在芯体与外壳界面上挤出载体时，网状芯体和外壳部分的过度剪切力被认为造成外壳附着力下降，外围网格变形增加，或二者兼有的原因。由于废气，尤其是汽车尾气排放标准的提高，要求大大降低蜂窝体的壁厚和提高通道数密度，以改善催化效率。例如，作为超薄壁型蜂窝体，现在规定其通道壁或网格壁的厚度为0.004英寸(0.10mm)或更小。要求大大提高。同时，600-1200通道数/英寸2(约90-190/cm2)的蜂窝体正进入高速发展或商业应用阶段。尽管现有的和新冒出的挤出模设计可以用来挤出肉眼不见缺陷的超薄型蜂窝体，但仍须解决那些精细构造产品独特的新问题。其中之一，跟外壳有关的、被称之为“环状裂缝”的问题。这类裂缝方向正好跟载体通道轴向相反。仅在烧成期间出现在超薄型蜂窝体的外壳层。这些裂缝可以沿着已龟裂载体多处产生。可以遍及载体周身，招致产品无法外销。为找出裂缝的起因，我们设计大量实验确定裂缝产生在烧成全过程中的冷却阶段。采用常规挤出方法和装置，在常规外壳和常规网格厚度下，烧成后的载体不会产生裂缝，却容易在某些混合料生产的超薄壁型蜂窝状产品，经烧成后产生环状裂缝。尽管还在湿胚或经干燥后的毛坯并无初裂或部分开裂缺陷，但一经灼烧，蜂窝体见有裂缝。专利技术概述为确定裂缝行为的起因，我们设计的大量实验确定超薄壁型蜂窝体外壳的环状裂缝是在烧成过程中冷却阶段造成。根据这项发现以及进一步分析，裂缝的产生跟批料中高纵横比的颗粒排列不当有关，这种排列不当产生在挤出过程中挤出外壳层时。本专利技术通过改进外壳混合料颗粒的排列消除了环状裂缝。排列度跟载体网格芯体部分观察到的排列相似。这是对超薄壁型蜂窝体的表层挤出方式作了变动后获得的结果。因此，关键要点是，本专利技术改进了挤出方法，通过该方法制得的蜂窝体具有中心网格状构造，而四周为外表层，无裂缝可见。通常方法涉及已知的基本步骤通过一个挤出模组件，将塑性混合料挤成蜂窝体。模具组件包括一具模体和外壳形成罩，基本操作步骤类似欲生产常规蜂窝陶瓷采用的方法。蜂窝体芯体和中心网格构造是通常将混合料经过模体出料端上放料槽上十字阵列挤出而成。混合料从模具进料端后面的料斗加压输送到跟模体相连的放料槽处，再经放料孔放料。而载体外围外壳层是混合料经由模罩和模具出料面之间外壳形成缝隙挤出而成。根据本专利技术要求，提供无裂缝的超薄壁型产品，要得到外壳层高纵横比颗粒排列，应对网格芯体挤出速率和通过模具中外壳形成缝隙挤出外外壳挤出速率加以控制，使得通过外壳形成缝隙挤出表层速率(VS)要低于从放料槽出来的芯体挤体速率(VW)。二者挤出速率的差异作仔细调整。我们已确定如果从间隙挤出外壳的速率是载体芯体速率的50-95％范围时，混合料纵横比颗粒排列得到保障。这正好跟现有技术中采用芯体和外壳速率相匹配的方法相反。保持这种挤出速率差，并让芯体挤出速率要高于外壳挤出速率，使外壳层经历一段时间差才被挤出，而这段间隔就是模外壳形成缝隙挤出那一点到当它达到载体芯体网格挤出速度相等时那一点时间间隔。在后一点上，外壳厚度达到平衡。因此，良好的外壳颗粒排列等效指示是限定初始外壳层厚度的外壳形成缝隙宽和当载体全被挤出时表层厚度之间关系。在载体挤出时形成外围外壳层厚度在外壳形成缝隙宽的50-95％范围内时，就保证了外壳混合料中高纵横比颗粒的良好匹配。有各种各样的控制方案，用来提供控制芯体和外壳挤出速率差，或在挤出工艺中有效的外壳加长和减薄方法。这些方案的共同特征是在超薄壁型蜂窝体生产中避免任何挤出条件，而这些条件会造成在外壳形成缝隙放料后和跟网格芯粘接期间外壳生成层变厚或收缩。我们发现当外壳挤出速率等于或大于相应的芯体挤出速率时会出现外壳层收缩现象，大大增加了成品中出现环状裂缝的可能性。并不打算受理论约束，必然会想到在进行匹配或提高外壳挤出速率时进行颗粒重行排列会大大增加烧成后超薄壁型载体芯和外壳部分之间的热膨胀差异性。这种差异性可能导致热膨胀系数较大的外壳在载体烧成后冷却到室温时形成环状裂缝。上述工艺产品是薄壁型蜂窝体，它的外壳无环状裂缝现象。跟常规的具有相似几何形状的挤出型蜂窝体相比，使用中可能更能抵抗热损坏。这些优点来自这个事实，即载体外壳堇青石晶体排列程度几乎跟载体网格中排列程度一样。另一方面，本专利技术还包括挤出后薄壁式几何构型的堇青石载体的耐热性提高了，外壳完整性也提高了。在几何构型方面，本专利技术中堇青石型载体包括网格状芯体，其网格壁厚不超过0.004英寸，而网格芯体配置的外壳层在挤出后无裂缝，它的厚度至少本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制作蜂窝状结构的方法，所述结构包括由众多十字交叉网格段形成的通道式芯体和包围所述芯体的光滑外壳，所述外壳无圆周应力裂缝，其特征在于： （ｉ）芯体和外壳通过网格段和外壳层经由蜂窝体挤出模并行挤出而成，网格段和外壳层由包含高纵横比陶瓷颗粒的陶瓷混合料而成； （ｉｉ）以低于网格段的速度从模具挤出外壳层；和 （ｉｉｉ）外壳层和网格段陶瓷颗粒优先在挤出方向上互相排列，外壳颗粒呈现的排列程度基本上相同于网格段陶瓷颗粒排列程度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：DM比尔，TW布鲁，CJ马拉基，MA斯佩策里斯，DR特里西，
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]