專利名稱：用于擠出陶瓷材料的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種擠出陶瓷材料的方法，更具體的涉及一種在擠出蜂窩狀陶瓷基材的過程中過濾增塑陶瓷批料的方法。
技術領域授予Gardner等人的美國專利第4551295號中描述了一種從無機粉末和合適的粘合劑所組成的增塑混合物中擠出復雜截面結構的方法。在此方法中，將由無機粘土、滑石和氧化鋁粉末所組成的]堇青石批料混合物與有機粘合劑和水混合，將所得的混合物在擠出機中進行增塑。然后將增塑批料混合物加入到安裝在擠出機一端的蜂窩狀擠出模中。發現所得的蜂窩狀基材作為液體金屬過濾介質和用于排氣污染控制設備的基材有很大的用途，既用在各種工業用途上，又特別用在汽車制造工業中的汽車催化轉化器上。
長期以來，堇青石蜂窩狀基材一直被優選用作汽車中催化轉化器所用的支撐催化活性組分的基材，部分原因是因為堇青石陶瓷的高耐熱沖擊性。由含鎂、鋁和硅源材料如粘土和滑石的礦物批料來生產堇青石(2MgO·2Al2O3.5SiO2)陶瓷是眾所周知的。此類方法描述在美國專利第2684919號中。美國專利第3885977號揭示了由粘土/滑石批料，通過擠出該批料并燒結擠出體，得到在至少一個軸上具有低膨脹系數的陶瓷來制造耐熱沖擊性堇青石蜂窩狀陶瓷的方法。
清潔空氣標準的日益嚴格，需要用來減少汽油發動機和柴油發動機所產生的污染物排放的催化轉化器具有更大的效率。要求的嚴格推動了蜂窩狀催化轉化器基材的發展，該蜂窩狀基材中具有在其中的各蜂窩(cell)之間的很薄的壁(網紋(web))。
制造者不斷努力，力圖最優化堇青石基材的性質，提高它們作為催化劑載體的使用性能。具體地，制造者不斷努力開發網紋或壁尺寸越來約小的堇青石蜂窩狀基材。對應于法規中對汽車市場中催化轉化器的轉化效率日益提高的要求，對堇青石整塊(monolith)的需求也不斷增加。更薄的網紋減少了基材的質量，從而得到更快的點火(light-off)時間。另外，可以得到更大的幾何表面積而不增加基材的質量。薄壁基材的另一個優點是可以使背壓較低。
但是，與具有常規幾何尺寸的基材相比，壁很薄的蜂窩狀基材的生產是非常困難的。已經發現，當用常規的擠出設備來生產網壁厚度小于約0.004英寸(0.01厘米)的陶瓷蜂窩狀結構時，在擠出產品中觀察到在蜂窩狀的擠出物的網紋中會有無法接受的大量的破裂(即不含有陶瓷材料的面積)。陶瓷材料中的這些破裂被認為是由于擠出材料的一個或多個顆粒堵塞了擠出模具中的通路，從而產生了限制批料流動的區域而引起的。隨著通路寬度的減少，破裂的數目增加，并且如果通路寬度足夠窄，被堵塞通路的數目變得非常多，以至于擠出物不能夠結合在一起，而是由許多小股批料構成擠出產物。因此，需要確保擠出的批料中實際上不含有大顆粒和團聚的批料。
在一個標準的擠出工藝過程中，通過在擠出模具的上游過濾批料，來除去批料中所含有的大顆粒和團聚的批料。過濾常通過將批料通過一個設置在一個或多個擠出螺桿和模具之間的鐵絲網篩(woven wire screen)來完成。但是，極薄的蜂巢壁和對過濾網日益增加的細網孔要求，使得擠出機中的壓力增加。壓力增加可導致停機或對擠出機造成破壞，也會導致各蜂巢壁的幾何特征變差。
過濾步驟所引起的另一個困難在于在增塑混合物中會產生熱量，這會導致批料的粘度發生變化。此類生熱可能是不均勻的，導致加入到擠出模中的一部分批料相對較硬而難以擠出，而另一部分較軟的批料則以更快的速度擠出。
隨著工業上不斷努力增加生產和降低制造擠出陶瓷蜂窩狀基材的成本，很大的努力集中在采取措施提高陶瓷批料的擠出速率上。不幸的是，通過使用高擠出機操作速度來增加生產，會因為穿過過濾篩的巨大的壓力差導致擠出機壓力增大。該增加的壓力差是由于批料流過過濾篩所遇到的阻力所引起的。批料流動的阻力也會導致批料核心溫度的提高以及可能的不均勻。
發明內容
本發明的一個方面涉及一種制造陶瓷蜂窩狀基材的方法，所述方法包括以下步驟提供一種增塑陶瓷批料，將增塑批料通過一個具有楔形過濾絲(wire)的過濾篩來進行過濾，再擠出經過濾的批料，形成陶瓷蜂窩狀基材。
較佳地，過濾絲的平整平面面對著批料的擠出方向；更佳地，過濾絲的尖端(apex)面對著批料的擠出方向。通過將過濾絲的尖端設置在面對批料流動的方向上，可以降低過濾篩材料的磨損和變形。
過濾絲由支撐絲所支撐，支撐絲以基本上垂直的方式固定在過濾絲上。支撐絲可以與過濾絲具有相同或不同的橫截面。較佳地，支撐絲具有楔形的橫截面。優選支撐絲的尖端固定在過濾絲的尖端上；更優選支撐絲的尖端固定在過濾絲的平整表面上，或過濾絲的尖端固定在支撐絲的平整表面上。
為了降低由于流動批料的磨擦所導致的過濾篩的磨損，過濾篩優選在其外表面具有耐磨層。耐磨層可通過常規的方法施加，例如通過薄膜氣相沉積或等離子體氣相沉積或通過如硼氣之類的氣體擴散來施加。較佳地，過濾篩具有含有硼化物或金屬氮化物的耐磨層，或耐磨層可以是鎳基的涂層。
在本發明的另一個方面中，揭示了一種擠出機，該擠出機包括一個具有進口端和出口端的擠出筒、可旋轉安裝在擠出筒內的至少一個螺桿、位于擠出筒出口端用來旋轉至少一個螺桿的電動機、安裝在擠出筒出口端的擠出模；安裝在擠出模上游的、用來過濾批料的、具有楔形過濾絲的過濾篩。篩。
圖1表示現有技術的過濾篩。
圖2表示依據本發明的過濾篩的實例。
圖3表示包括本發明過濾篩的典型的雙螺桿擠出機。
圖4和圖5表示依據本發明的過濾器支撐器。
圖6表示依據本發明的過濾器支撐器的另一個實例。
圖7a和圖7b是表示依據本發明的過濾器組合件的圖，顯示的是過濾篩和過濾器支撐器。
圖8a和圖8b是表示依據本發明的過濾器組合件的另兩個附圖，顯示的是過濾篩和過濾器支撐器。
圖9表示的是陶瓷蜂窩狀基材的透視圖。
圖10表示的是通過陶瓷蜂窩狀基材的橫向切面圖。
具體實施例方式
設計用來在擠出模的上游過濾陶瓷批料的過濾篩，以便在批料被強制通過擠出模前，從增塑批料中除去較大顆粒污染物和團聚的批料。“上游”是指從一部位(在此情況下，該部位是擠出模)與擠出過程中批料流動的方向相反的方向上隔開一段距離的位置。相反，“下游”指與批料流動的方向相同的方向。用來制造催化轉化器等的蜂窩狀陶瓷基材中的網紋越來越薄，因而需要之前所用的過濾篩中使用相應更緊密的網孔。更緊密的網孔會在批料因一個或多個擠出螺桿的作用而強制通過過濾篩時，導致擠出壓力增加，從而阻礙生產具有日益變薄的蜂巢壁的蜂窩狀陶瓷基材的能力。擠出壓力太高會導致停機或對擠出機造成破壞，也可能導致非織物狀陶瓷結構的發生率的增加，即擠出物形成相鄰的、互相交叉的蜂巢壁的或網紋的能力的增加。現有技術中已經使用了細小網孔鐵絲網過濾篩，諸如圖1所示的一種。本發明涉及一種制造薄壁陶瓷基材的方法，該方法中將顆粒或重新配制批料所涉及的成本相比，本發明有利地提供了一種低成本的替代方式，用來減少擠出機中的壓力差。
本發明還提供一種用來制造薄壁蜂窩狀陶瓷基材的設備，該設備中包括具有楔形過濾絲的過濾篩。楔形絲是指閉合“V”或三角形形狀的絲。用來支撐過濾絲的絲可與過濾絲具有不同的橫截面，但是優選過濾絲也是楔形的。
在本發明的一個實施方式中，如圖2所示，過濾篩10包括固定在多個支撐絲14上的過濾絲12，使得在相鄰的過濾絲12之間有一個狹窄的空間。例如，過濾絲12可通過焊接的方式固定在支撐絲14上。過濾絲12在沿著與各過濾絲的縱向軸垂直的的平面上具有楔形的橫截面。較佳地，過濾絲之間最接近點之間的距離優選在約0.002英寸(0.0051厘米)至0.015英寸(0.038厘米)之間；更優選的在約0.002英寸至0.008英寸(0.02厘米)之間。該間距根據擠出模縫隙的寬度來加以選擇，其中擠出模的縫隙寬度就形成要擠出的基材的壁厚。一般來說，以擠出膜縫隙寬度為基準計，過濾絲之間的間距選擇在約66％至75％之間。過濾絲12和支撐絲14可具有不同的橫截面。較佳地，支撐絲14具有楔形橫截面。較佳地，過濾絲12和支撐絲14通常相互垂直固定。較佳地，過濾絲12要這樣排列，使得各過濾絲12的尖端固定在支撐絲14上。
圖3表示了一個示例性的擠出機16，該擠出機16包括位于筒20內的至少具有一個擠出螺桿18的螺桿部件，所述的至少一個擠出螺桿18由位于筒20進口端的電動機22所驅動。較佳地，擠出機16包括兩個螺桿18，如圖3所示。筒20具有一個進料口24，用來加入要在擠出機16中進行混合和增塑的批料。安裝在擠出機筒20出口端的夾頭28內有一個位于螺桿部件下游的混合板26。混合板26用來進一步混合和均化增塑批料。夾頭28內還設置有過濾篩10和過濾器支撐器30，這兩者都設置在相對于批料被泵送到螺桿部件中的流動方向32的混合板26的上游。過濾篩10貼著過濾器支撐器30安裝，形成過濾器組合件34。較佳地，形成具有多個隙縫或通道36的過濾器支撐器30，并示于圖4和圖5中。盡管通道36可與過濾通道36的過濾器支撐器30，并示于圖4和圖5中。盡管通道36可與過濾器支撐器30的圓周同心，但是優選通道36是直線形的，并延伸穿過過濾器支撐器30的弦。優選通道36是平行的。通道不延伸通過過濾器支撐器30的厚度。過濾器支撐器30還包括多個位于各通道內的開口38，開口38延伸通過過濾器支撐器30的的厚度。優選開口38是圓形的，更優選開口38是與通道36形狀相似的縫隙，如圖6所示。為了以相對于過濾器支撐器30的預定取向放置和/或維持過濾篩10，將該過濾篩10固定在過濾器支撐器30上，形成過濾器組合件34。較佳地，過濾器支撐器30中的開口38的間距(pitch)ν在約0.25英寸(0.635厘米)至0.375英寸(0.953厘米)之間。對于圓形開口，間距ν是相鄰開口中心和中心之間的距離。如果開口是縫隙形的，間距以一個開口38的一邊與相鄰行中相鄰開口38的相應邊之間的距離來確定。更佳地，過濾器支撐器30包括由第二組多根支撐絲或桿所支撐的第一組多根楔形絲或桿，第二組多根支撐絲或桿一般以與過濾篩10相似的結構垂直于第一組多根絲進行排列。例如，本發明的第二過濾篩可用作過濾器支撐器30來支撐第一過濾篩10。較佳地，當過濾器支撐器30具有第一組多根楔形絲時，其在擠出機中的設置方向應使第一組多根楔形絲的尖端面對批料流動的方向。較佳地，當過濾器支撐器30包括第一組多根楔形絲時，過濾器支撐器30中所包括的第一組多根絲之間的最近間距大于過濾篩10的過濾絲12之間的最近間距。較佳地，裝配過濾器組合件34時，過濾篩10貼著過濾器支撐器30設置，使得過濾篩10的過濾絲12的平整平面面對著批料流動的方向32；更佳地，使得各過濾絲12的尖端面對著批料流動的方向32。圖7a和圖7b分別表示一個示例性過濾器組合件34(用上面有數字34的括號來表示)的側視圖，以及過濾器組合件34繞著過濾器組合件34的中心軸旋轉90度所得另一個圖，其中該過濾器組合件34包括過濾器支撐板30、過濾絲12和過濾器支撐絲14。在圖7a和圖7b中，上面有數字10的括號表示著過濾篩10。在圖7a和圖7b中的過濾器支撐器30顯示出具有通道36和圓形開口38。但是，也可以依據上述本發明的其它實施方式來設計過濾器支撐器30。圖中還用虛線來表示過濾器支撐器30的通道36和開口38的外形。在圖7a和圖7b所示的裝置中，過濾絲12的設置取向要使得各過濾絲12的平整平面面對著箭頭32表示的批料流動的方向。而且，通過比較圖7a和圖7b，顯示出所示的過濾器支撐絲14具有楔形橫截面，并且過濾器支撐絲14固定在過濾絲12上，使得各過濾器支撐絲14的尖端固定在各過濾絲12的尖端上。圖8a和圖8b分別表示過濾器組合件34(用上面有數字34的括號表示)的側視圖和該過濾器組合件34繞著過濾器組合件34的中心軸旋轉90度所得的另一個圖，其中過濾器組合件34包括過濾器支撐器30、過濾絲12和過濾器支撐絲14。同樣虛線表示的是過濾器支撐器30中通道36和開口38的外形。在圖8a和圖8b中，用上面有數字的括號表示過濾篩10。在圖8a和圖8b所示的裝置中，過濾絲12的設置取向要使得各過濾絲12的尖端面對著箭頭32表示的批料流動的方向。過濾篩10中各過濾絲的尖端面對著批料流動的方向32，如此的設置方向比其它方向可以減少過濾絲的磨損和變形，意味著可以得到更長的使用壽命和更有效的配料過濾效率。而且，通過比較圖8a和圖8b，顯示出所示的過濾器支撐絲14具有楔形橫截面，并且過濾器支撐絲14固定在過濾絲12上，使得各過濾絲12的尖端固定在各支撐絲14的平整平面上。或者，可以將各過濾器支撐絲14的尖端固定在各過濾絲12的平整平面上。在圖8a和圖8b所示的裝置中，各過濾絲12和各過濾器支撐絲14的尖端都面對著批料流動的方向32。
再次參見圖3，擠出機16還包括安裝在過濾器組合件34下游的蜂窩狀擠出模44和位于夾頭28出口端的混合板26。
在擠出機16的操作過程中，被至少一個螺桿18從擠出筒20中泵送出來的增塑批料首先通過過濾器組合件34和混合板26，最后通過蜂窩狀擠出模44形成蜂窩狀基材46(如圖9和10所示)從擠出機中擠出。此類蜂窩狀基材的例子示于圖9和圖10中。圖9和圖10分別表示示例性蜂窩狀基材46的透視圖和蜂窩狀基材46的橫切面圖。圖9和圖10中所示的蜂窩狀基材46形成為會有多個從蜂窩狀基材46的一個面50a延伸到背面50b(圖中未顯示)的通路48。壁52將通路48相互隔開。盡管蜂窩狀基材46如圖所示具有與蜂窩狀基材46的縱軸互相垂直的圓形橫截面，蜂窩狀基材46可具有其它的橫截面，諸如橢圓形橫截面。
依據本發明的過濾篩10，其最關鍵的作用優勢在于該過濾篩能夠降低擠出機的壓力差。批料流量約為3500磅/小時，并使用常規的擠出過濾篩時，通常擠出壓力差約為2000磅/平方英寸。通過使用依據本發明的過濾篩，可以使壓力差的減少達到大于或等于30％。壓力差根據擠出機筒內的最大壓力與過濾器支撐器30的下游之間的壓力差來測量。另外，壓力差的減少可以使扭矩和批料溫度相應地減少。使用依據本發明的過濾器組合件，可以使扭矩的減少達到10％，而溫度減少約2℃至3℃。
為了減少由于流動批料磨擦而引起的過濾篩10的表面磨損，過濾篩10可有利地具有一層形成在篩子表面上的耐磨層。較佳地，通過在篩子中擴散硼氣體或用如硼化鈦之類的金屬硼化物涂敷篩子來形成耐磨層；更佳地，用如氮化鈦、氮化鋁鈦或氮化鉻之類的金屬氮化物來涂敷篩子10。也可以用鎳基涂料來涂敷過濾篩10。
實施例在固定的商用擠出速率下運行了一個雙螺桿擠出機16，此時將商購增塑陶瓷批料擠出成汽車工業中所用的蜂窩狀基材。批料過濾器由常規的鐵絲網過濾篩所組成。操作參數，包括鐵絲網過濾器上游的擠出筒20中的最大壓力與過濾篩的混合板26和擠出模44之間的擠出機壓力之間的平均壓力差，都進行了測量和記錄。對使用的常規的鐵絲網過濾篩，平均壓力差為2042磅/平方英寸。然后用具有依據本發明的楔形過濾絲12的過濾篩10替代常規過濾篩，在此之后，在固定的商用擠出速率下再次運行擠出機16。相對于使用常規鐵絲網過濾篩，使用具有楔形絲的過濾篩10所得到的壓力差減少了約27％至35％，多次操作的平均壓力差約為1300磅/平方英寸至1500磅/平方英寸。
權利要求
1.一種蜂窩狀陶瓷基材的制造方法，其包括提供一種增塑陶瓷批料；將陶瓷批料通過過濾篩進行過濾，所述過濾篩包括具有楔形橫截面的過濾絲；通過模具擠出過濾后的陶瓷批料，形成蜂窩狀陶瓷基材。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述過濾步驟中各過濾絲的尖端面對著擠出步驟中批料流動的方向。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在提供批料步驟前，在過濾篩上形成耐磨層。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述耐磨層是硼化物、氮化物或鎳基涂層。
5.一種用來擠出陶瓷蜂窩狀結構的擠出機，其包括具有進口端和出口端的筒；可旋轉地安裝在筒內的至少一個螺桿；位于筒的進口端、用來旋轉所述至少一個螺桿的電動機；安裝在筒的出口端的擠出模；以及安裝在擠出模上游、用來過濾批料的過濾篩，其中所述過濾篩包括具有楔形橫截面的過濾絲。
6.如權利要求5所述的擠出機，還包括過濾器支撐器，所述過濾器支撐器包括多個在過濾器支撐器的第一表面中形成的通道，所述多個通道中的每一個中都具有多個延伸到支撐板的第二表面的開口。
7.如權利要求5所述的擠出機，還包括與過濾篩相鄰并在其下游的過濾器支撐器，所述過濾器支撐器包括固定于并大體上垂直于第二組多根絲的第一組多根絲，其中，所述第一組多根絲是楔形的。
8.如權利要求5所述的擠出機，其特征在于，所述過濾篩包括耐磨層。
9.如權利要求8所述的擠出機，其特征在于，所述耐磨層包含硼化物、氮化物或鎳。
全文摘要
提供一種通過使增塑陶瓷批料通過具有楔形過濾絲的過濾篩擠出、以除去外在顆粒物和團聚的批料來制造薄壁蜂窩狀陶瓷基材的方法。用一組基本上垂直粘附在過濾絲上的支撐絲來支撐過濾絲。支撐絲也可以有利的是楔形。本發明的過濾篩也可以在其表面上具有一層耐磨層，該耐磨層通常是硼化物或氮化物。耐磨涂層也可以是鎳基涂層。
文檔編號B29C47/70GK1842405SQ200480024591
公開日2006年10月4日 申請日期2004年7月29日 優先權日2003年8月29日
發明者M·A·沙爾基 申請人:康寧股份有限公司