專利名稱：陶瓷蜂窩體及其制造方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及陶瓷蜂窩體及其制造方法，具體是具有的內(nèi)壁和大表面積的陶瓷蜂窩體，比如汽車催化轉(zhuǎn)化器中所用的蜂窩體。
陶瓷蜂窩體在凈化汽車尾氣方面的應(yīng)用是汽車工業(yè)中眾所周知的。這種結(jié)構(gòu)是催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)的基礎(chǔ)，用作催化劑載體。
現(xiàn)在有越來越多的汽車制造廠家要求提高轉(zhuǎn)化效率并加快點(diǎn)火，以適應(yīng)新的引擎結(jié)構(gòu)和更嚴(yán)格的規(guī)定。近來這些要求轉(zhuǎn)換成對(duì)內(nèi)壁非常薄(≤0.10毫米)而且?guī)缀伪砻娣e特別大(600-900個(gè)孔/平方英寸)的蜂窩結(jié)構(gòu)的要求。雖然這些結(jié)構(gòu)特征在尾氣排放性能方面是有利的，但是也犧牲了其他性能。
具體地說，薄壁/大表面積蜂窩結(jié)構(gòu)均衡強(qiáng)度很低。所以在裝配方法(這是用于催化轉(zhuǎn)化系統(tǒng)之前的必需步驟)中，很容易破裂和和剝裂，最終導(dǎo)致災(zāi)難性故障。
嘗試了一些方法來解決這個(gè)問題。但是，這些方法產(chǎn)生了其他問題，比如降低了耐熱沖擊性，增加壓力降，這兩個(gè)問題都不利于產(chǎn)品性能。
因此，仍然需要這樣一種陶瓷蜂窩體，它能在用于汽車尾氣凈化時(shí)提供高均衡強(qiáng)度，高耐熱沖擊性和小壓力降的最佳組合。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)改進(jìn)的蜂窩體，這種蜂窩體能顯著增加均衡強(qiáng)度，防止運(yùn)送和封裝過程中發(fā)生破裂和剝裂。同時(shí)，本發(fā)明的蜂窩體能保留有利的耐熱沖擊性，對(duì)壓力降增加的承受能力至少等于沒有本發(fā)明結(jié)構(gòu)特征的現(xiàn)有薄壁/大表面積蜂窩結(jié)構(gòu)?！艾F(xiàn)有薄壁/大表面積蜂窩結(jié)構(gòu)”在本發(fā)明中稱為“標(biāo)準(zhǔn)薄壁蜂窩體”。
具體地說，本發(fā)明提供的蜂窩體中包括由相交內(nèi)壁形成的許多平行通道，這些通道在蜂窩體的兩端之間以平行和垂直方式排列，有外壁圍繞這些通道，并進(jìn)一步與內(nèi)壁連通，這些通道分成第一區(qū)域和第二區(qū)域，第一區(qū)域中包括與外壁相鄰的通道部分，第二區(qū)域包括其余通道，第一區(qū)域中的通道壁厚度沿著朝向外壁的軸線連續(xù)增加，至少在第一區(qū)域通道內(nèi)壁之間的交叉處形成圓角，圓角半徑沿著朝向外壁的軸線連續(xù)增加。因此，本發(fā)明中的壁厚和圓角半徑都沿著朝向蜂窩體外圍的軸線逐漸增加，從而增加均衡強(qiáng)度同時(shí)保持高的耐熱沖擊性。
制造本發(fā)明蜂窩體的擠壓模具中包括進(jìn)口面，與進(jìn)口面相對(duì)的出口面，從進(jìn)口面延伸至模具之中的許多給料孔，從出口面延伸至模具之中的出料狹縫交叉陣列，用這些陣列來連接模具內(nèi)給料孔/狹縫交叉點(diǎn)的給料孔，狹縫由許多銷針形成，模具外圍附近許多出料狹縫的寬度沿著朝向模具外圍的軸線連續(xù)增加，模具外圍附近的許多銷針具有圓角。
制造擠壓模具的方法是，首先提供具有進(jìn)口面，與進(jìn)口面相背的出口面，從進(jìn)口面延伸至模具之中的許多給料孔，和從出口面延伸至模具之中的出料狹縫交叉陣列的模具，出料狹縫交叉陣列由出口面延伸進(jìn)入體內(nèi)與模具內(nèi)給料孔交叉點(diǎn)的給料孔連接，出料狹縫交叉陣列由銷針陣列的側(cè)面形成。接著提供包括許多開口的放電電極，開口由交叉帶材網(wǎng)絡(luò)形成，帶材其寬度沿著朝向電極外圍的軸線連續(xù)增加，電極中還包括圓角。
然后使放電電極與模具出口面上的許多銷針接觸，使模具外圍相鄰區(qū)域中的銷針縮小，這種縮小在銷針的所有側(cè)面上是對(duì)稱的，同時(shí)使銷針邊角變圓。由此形成的模具中包括銷針陣列，其中許多銷針具有圓角，形成出料狹縫其寬度沿著朝向模具外圍的軸線連續(xù)增加，而其余銷針不經(jīng)過放電電極機(jī)械加工。
附圖簡(jiǎn)要說明參考以下圖能進(jìn)一步理解本發(fā)明，其中

圖1所示為圓柱形蜂窩體，圖中表示出進(jìn)口端，由相交內(nèi)壁形成的許多孔道，和外壁；圖2所示為圖1蜂窩體的放大頂視圖，圖中表示出第一區(qū)域中的通道壁厚度沿著朝向外壁的軸線連續(xù)增加，以及內(nèi)壁之間交叉處的圓角；圖3所示為本發(fā)明陶瓷蜂窩體的均衡強(qiáng)度數(shù)據(jù)；圖4所示為本發(fā)明陶瓷蜂窩體和標(biāo)準(zhǔn)薄壁蜂窩體之間均衡強(qiáng)度的比較；圖5所示為本發(fā)明陶瓷蜂窩體和標(biāo)準(zhǔn)薄壁蜂窩體之間壓力降的比較；圖6所示為本發(fā)明的模具加工過程；圖7所示為本發(fā)明模具出口面上的銷針陣列。
優(yōu)選實(shí)施例具體說明試看圖1所示的蜂窩體10透視圖，具有前端即進(jìn)口端12，與進(jìn)口端12相背的后端即出口端14。進(jìn)口端12和出口端14之間延伸著許多通道16。這些通道是由內(nèi)壁18形成的，在蜂窩體10的進(jìn)口端12和出口端14之間基本縱向并相互平行排列。有個(gè)外壁20圍繞通道16和內(nèi)壁18。外壁20在工業(yè)中被稱為“外皮”。虛線23將通道16分成第一區(qū)域22和第二區(qū)域24。具體地說，第一區(qū)域22包括與外壁20靠近的通道，第二區(qū)域24中包括靠近中軸21的其余通道16。第一區(qū)域22中至少包括20排與外壁20靠近的通道，優(yōu)選至少10排，更優(yōu)選至少7排，最優(yōu)選至少4排。
試看圖2所示圖1中進(jìn)口端12一部分的放大頂視圖，該圖能較好表示本發(fā)明蜂窩體的結(jié)構(gòu)。第一區(qū)域22中通道16的壁厚沿著朝向外壁20的軸線連續(xù)增加，如箭頭25所示，因此靠近外壁20的內(nèi)壁18比蜂窩體10中軸21處的內(nèi)壁更厚。雖然蜂窩體可以具有不同的通道壁厚度，但是本發(fā)明最適合的壁厚為小于等于0.15毫米，優(yōu)選小于等于0.10毫米。第一區(qū)域22中通道的壁厚為沿著軸線25的第二區(qū)域24中通道壁厚的1.01到4倍。
至少在內(nèi)壁18之間的匯合或交叉處，在第一區(qū)域22的通道中形成圓角26。圓角還可以在內(nèi)壁與外壁的匯合處形成，不過這并非必需，也非優(yōu)選。注意到雖然第一區(qū)域22中的所有通道16都具有圓角26，但是更靠近外壁的圓角半徑大于靠近蜂窩體中軸21處的圓角半徑。因此，圓角26的半徑沿著朝向外壁20的軸線連續(xù)增加。具體地說，圓角26的半徑在0.025-0.400毫米范圍內(nèi)。圓角可以具有凸出或凹陷的形狀，或者是兩種形狀的組合。圖2中所示圓角26具有凹陷形狀。
發(fā)現(xiàn)靠近外壁的通道壁厚度增加和通道陣列中具有圓角能增加均衡強(qiáng)度，而不會(huì)對(duì)耐熱沖擊性造成不利影響，對(duì)壓力降的影響也很小。表I所示數(shù)據(jù)與各種圓角半徑(毫米)情況下的均衡強(qiáng)度相關(guān)。按照以下等式計(jì)算MIF，即機(jī)械完整性因子MIF=t2L(L-t-2R)]]>式中t是內(nèi)壁厚度，L是通道直徑，R是圓角半徑絕對(duì)值。在該算式中，t保持為0.07毫米，L為0.84毫米。R在0(沒有圓角)和0.15毫米之間變化。很明顯，即使圓角很小也能顯著增加強(qiáng)度。比如，對(duì)于半徑為0.05毫米的圓角，強(qiáng)度增加值(即MIF％增量)為15％，對(duì)于半徑為0.127毫米的圓角，強(qiáng)度增加值為50％。
試看圖3所示本發(fā)明陶瓷蜂窩體均衡強(qiáng)度數(shù)據(jù)的圖。沒有本發(fā)明蜂窩體結(jié)構(gòu)特征的標(biāo)準(zhǔn)薄壁蜂窩體能達(dá)到20千克/平方厘米的平均均衡強(qiáng)度。相反，在本發(fā)明的蜂窩體上觀察到38.9千克/平方厘米的明顯更高的平均均衡強(qiáng)度。
試看圖4所示本發(fā)明蜂窩體和標(biāo)準(zhǔn)薄壁蜂窩體之間均衡強(qiáng)度的比較。由圖中可知，平均來說本發(fā)明的蜂窩體具有更高的均衡強(qiáng)度。
除了均衡強(qiáng)度增加，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)還具有接近于標(biāo)準(zhǔn)薄壁蜂窩體的壓力降，以及高耐熱沖擊性。參見圖5所示不同流量條件下，兩個(gè)對(duì)比例標(biāo)準(zhǔn)薄壁蜂窩體(對(duì)比例1，對(duì)比例2)和兩個(gè)本發(fā)明蜂窩體(發(fā)明例1，發(fā)明例2)的壓力降比較。平均來說，對(duì)比例和發(fā)明例之間壓力降的差值約為2％。因此，本發(fā)明蜂窩體壓力降的較大保持為很小的。觀察到平均2％的較大在汽車平臺(tái)測(cè)試中事實(shí)上是無法檢測(cè)的。
除了高均衡強(qiáng)度和低壓力降之外，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)還具有高耐熱沖擊性。對(duì)本發(fā)明的堇青石蜂窩體進(jìn)行了烘箱和循環(huán)熱沖擊測(cè)試。在烘箱熱沖擊測(cè)試中，根據(jù)本領(lǐng)域中已知的方法，所有部件都通過了1000℃測(cè)試。進(jìn)行循環(huán)熱沖擊測(cè)試時(shí)，根據(jù)本領(lǐng)域中已知的方法，所有部件都通過了1075℃測(cè)試。
本發(fā)明蜂窩體的截面可以是圓柱形，正方形，橢圓形，矩形或具體尾氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選用的其他截面形狀。進(jìn)一步可知，蜂窩體用的是耐熱陶瓷材料，比如堇青石，碳化硅，鈦酸鋁等。蜂窩體優(yōu)選是堇青石。本領(lǐng)域中已知的蜂窩體制造方法是，提供能形成堇青石的塑化混合物，然后擠壓通過模具，形成蜂窩體生坯。生坯在可能用的干燥之后，在要求溫度煅燒適當(dāng)時(shí)間，形成最終陶瓷結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的蜂窩體擠壓模具能夠制造上述結(jié)構(gòu)獨(dú)特的蜂窩體。具體地說，適用蜂窩體擠壓模具中具有銷針陣列，銷針的一部分具有圓角，還具有沿著朝向模具外圍的軸線逐漸擴(kuò)大的出口或出料狹縫。
用于制造蜂窩體的傳統(tǒng)擠壓模具包括給料即進(jìn)口部分，具有許多向模具中輸入可擠壓材料的給料孔，以及與給料部分相連的出口部分，能使可擠壓材料變形，并從模具的出口面提供蜂窩體生坯。排出的材料已變形成蜂窩形狀，包括由相交內(nèi)壁形成的許多開口通道，從結(jié)構(gòu)一端沿著擠壓方向延伸至另一端。
這些模具出口面中的出口能形成各種形狀的相連接的蜂窩壁結(jié)構(gòu)。目前，用于擠壓汽車尾氣用陶瓷蜂窩體的出口是由等間隔的十字交叉長而直的出料狹縫陣列形成的。這些長的狹縫交叉成更短的狹縫網(wǎng)絡(luò)，形成通道為正方形或三角形的蜂窩體直壁。
商購模具中加工的可擠壓材料必須經(jīng)過復(fù)雜的流路?？蓴D壓材料首先從各個(gè)給料孔通過過渡區(qū)進(jìn)入狹縫陣列底部，然后橫向流動(dòng)與相鄰給料孔中的材料合并。合并的材料由此再次朝通向狹縫所形成出口的給料孔流動(dòng)，出料的形式是相連內(nèi)壁陣列形式的，形成蜂窩體的通道壁。
在這些擠壓模具的出口面上由相交狹縫所形成島即“銷針”的截面形狀影響著擠壓物中孔道的內(nèi)部形狀。傳統(tǒng)模具無法在靠近蜂窩體外圍處實(shí)現(xiàn)厚度增加和通道壁的圓角化。
因此，本發(fā)明另一方面提供了模具和模具制造方法，該蜂窩體擠壓模具中包括固定正方形或矩形銷針尺寸和形狀的出口面銷針陣列，出料狹縫寬度相同，此擠壓模具經(jīng)過放電機(jī)械加工(EDM)處理。這種被稱為陷入式EDM的方法是，使用放電電極從靠近模具外圍區(qū)域中的銷針側(cè)面和邊角上對(duì)稱地除去材料。
適合于實(shí)現(xiàn)陷入式EDM方法的放電電極可以通過本領(lǐng)域已知的移動(dòng)絲狀放電機(jī)械加工(絲狀EDM)由銅-鎢合金坯形成。由于本發(fā)明僅改變了部分模具銷針，所以電極只要包括擠壓時(shí)能形成蜂窩體那部分的模具區(qū)域即可。因此，由此形成的區(qū)域包括改變模具外圍附近區(qū)域中的銷針。具體地說，許多銷針陣列的一部分從模具外圍向內(nèi)延伸，需要用放電電極進(jìn)行加工。
注意到本發(fā)明方法中使用了傳統(tǒng)擠壓模具。具體地說，擠壓模具中包括進(jìn)口面，與進(jìn)口面相背的出口面，從進(jìn)口面延伸至模具中的許多給料孔，和從出口面延伸至模具中的出料狹縫交叉陣列，與模具內(nèi)給料孔/狹縫交叉處的給料孔連接，出料狹縫交叉陣列由銷針陣列的側(cè)面形成。
圖6所示為本發(fā)明模具100和電極110的局部投影圖。模具100中包括銷針102和出料狹縫104。電極110中包括由交叉帶材114網(wǎng)絡(luò)形成的開口112。帶材114的寬度(未示)沿著朝向與內(nèi)緣109相背的外緣111的軸線連續(xù)增加，帶材114中還包括圓角113。電極110的形狀與蜂窩結(jié)構(gòu)非常類似，與模具上的銷針陣列匹配，因此能成批地改變銷針形狀。
在凹陷式EDM過程中，模具100固定，而電極110下降至銷針陣列102上。電極110的移動(dòng)方向如箭頭120所示。電極110下降至銷針陣列102中時(shí)，帶材114比原有狹縫104更厚，不僅從銷針102的所有側(cè)面上，還從銷針102的邊角處對(duì)稱地除去材料。結(jié)果是原有狹縫104被窄化的周圍銷針102機(jī)械加工成更寬的形式。帶材114的圓角113使銷針102邊角圓化，在擠壓出的蜂窩體中形成圓角。根據(jù)需要改變的銷針陣列數(shù)，電極110的尺寸，開口112的數(shù)量以及帶材114的厚度隨之變化。
為了變化銷針102的形狀，用電極110從銷針側(cè)面對(duì)稱地除去材料。圖7所示為經(jīng)過本發(fā)明凹陷式EDM方法機(jī)械加工之后的許多銷針102a。銷針的原始形狀和尺寸如虛線106所示。變化之后的銷針具有更小的直徑103和圓角105，導(dǎo)致銷針變窄，出料狹縫變寬，如數(shù)字104a所示。出料狹縫104a的寬度沿著朝向模具外圍的軸線逐漸增加。
所用銷針機(jī)械加工方法不會(huì)改變模具的給料孔，也不會(huì)改變模具的進(jìn)口部分。從這種結(jié)構(gòu)的機(jī)械加工模具制造的擠壓蜂窩體具有連續(xù)增加的內(nèi)壁厚度以及在與蜂窩體外壁靠近的通道區(qū)域中在壁匯合處的圓角。
表I
權(quán)利要求
1.蜂窩體，包括由相交內(nèi)壁形成的許多平行通道，在蜂窩體相背的兩端之間以平行和垂直方式排列，圍繞通道的外壁，它還與內(nèi)壁相連，通道被分成第一區(qū)域和第二區(qū)域，第一區(qū)域中包括與外壁靠近的一部分通道，第二區(qū)域中包括其余通道，第一區(qū)域中的通道壁厚度沿著朝向外壁的軸線連續(xù)增加，至少在第一區(qū)域通道壁之間的交叉處形成圓角，圓角有個(gè)半徑，圓角半徑沿著朝向外壁的軸線連續(xù)增加。
2.如權(quán)利要求1所述的蜂窩體，其特征在于第一區(qū)域通道中至少包括靠近外壁相鄰的4到20排通道。
3.如權(quán)利要求1所述的蜂窩體，其特征在于第二區(qū)域的通道壁厚度小于等于0.10-0.15毫米。
4.如權(quán)利要求3所述的蜂窩體，其特征在于第一區(qū)域的通道壁厚度是第二區(qū)域通道壁厚度的1.01-4倍。
5.如權(quán)利要求1所述的蜂窩體，其特征在于圓角半徑為0.025-0.400毫米。
6.如權(quán)利要求1所述的蜂窩體，其特征在于第一區(qū)域通道圓角的種類選自凹陷的，凸出的及其組合形狀。
7.制造如權(quán)利要求1所述的蜂窩體的擠壓模具，該模具包括進(jìn)口面；與進(jìn)口面相背的出口面；從進(jìn)口面延伸至模具體中的許多給料孔；從出口面延伸至模具體中的出料狹縫交叉陣列，連接模具內(nèi)給料孔/狹縫交叉處的給料孔，狹縫由許多銷針形成；靠近模具外圍的許多出料狹縫的寬度沿著朝向模具外圍的軸線連續(xù)增加；靠近模具外圍的許多銷針具有圓角。
8.制造如權(quán)利要求7所述的蜂窩體擠壓模具的方法，包括提供模具，該模具包括進(jìn)口面，與進(jìn)口面相背的出口面，從進(jìn)口面延伸至模具體中的許多給料孔以及從出口面延伸至模具體中的出料狹縫交叉陣列，從而連接模具內(nèi)給料孔交叉處的給料孔，出料狹縫交叉陣列由銷針陣列的側(cè)面形成；提供具有許多開口的放電電極，它由交叉帶材網(wǎng)絡(luò)形成，交叉帶材的寬度沿著朝向電極外圍的軸線連續(xù)增加，交叉帶材在其交叉處具有圓角；使放電電極在模具出口面上與銷針陣列接觸；縮小靠近模具外圍區(qū)域中的許多銷針，這種縮小在銷針?biāo)袀?cè)面上都是對(duì)稱的，同時(shí)采用凹陷式放電機(jī)械加工方法使銷針邊角圓化，所形成模具中包括銷針陣列，其中許多銷針具有圓角，并形成出料狹，其寬度沿著朝向模具外圍的軸線連續(xù)增加。
全文摘要
提供的陶瓷蜂窩體中包括由相交內(nèi)壁形成的許多平行通道，在蜂窩體相背兩端之間以水平和垂直方式排列，有外壁圍繞這些通道，并進(jìn)一步與內(nèi)壁相連，這些通道被分成第一區(qū)域和第二區(qū)域，第一區(qū)域中包括與外壁靠近的一部分通道，第二區(qū)域中包括其余通道，第一區(qū)域中的通道壁厚度沿著朝向外壁的軸線連續(xù)增加，至少在第一區(qū)域通道內(nèi)壁之間的相交處形成圓角。
文檔編號(hào)B32B3/12GK1750924SQ200480004268
公開日2006年3月22日 申請(qǐng)日期2004年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月18日
發(fā)明者T·W·布魯, M·L·漢弗萊, 繆衛(wèi)國, D·R·小特里斯 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司