CN1817452A

CN1817452A - 蜂窝陶瓷结构体及其制造方法

Info

Publication number: CN1817452A
Application number: CN 200610004946
Authority: CN
Inventors: 左右田和也
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-01-14
Filing date: 2006-01-11
Publication date: 2006-08-16

Abstract

一种蜂窝陶瓷结构体的制造方法，包括：将陶瓷生料挤压成型为蜂窝结构，将模制蜂窝结构切割为多个模制体，每一个模制体都具有外表皮部和多个蜂房壁。该制造方法完成干燥每一个模制体的干燥步骤，对模制体边角的边缘倒角的倒角步骤及煅烧步骤，以形成蜂窝陶瓷结构体的煅烧模制体。倒角部分具有堇青石2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂的晶体颗粒。

Description

蜂窝陶瓷结构体及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种蜂窝陶瓷结构体及其制造方法，其用在车辆尾气净化装置的催化剂载体及过滤器中。

背景技术

蜂窝陶瓷结构体通常广泛地用作车辆尾气净化装置的催化剂载体和各种过滤器。蜂窝陶瓷结构体用作过滤器来吸收车辆柴油发动机所排出的粒子污染物质已经为人所知。

图14所示为传统的蜂窝陶瓷结构体9的透视图。蜂窝陶瓷结构体9是由外表皮部92和多个蜂房壁93组成，蜂房壁93形成在被外表皮部92围绕的蜂房结构中。为了通过尾气的热能来对结构体9中的催化剂起作用或将其激活并净化其中的尾气，蜂窝陶瓷结构体9容纳在钢套中并安装在尾气系统上。

首先，在传统的蜂窝陶瓷结构体的制造方法中，陶瓷生料被挤压成型并切割以形成多个蜂窝模制体。接着，干燥并煅烧蜂窝模制体90以便形成蜂窝陶瓷结构体9。

然而，在制造工序的处理、传输或运送陶瓷模制体的过程中，由于应力集中在蜂窝模制体90端面912的边缘94上，就有可能在蜂窝模制体90端面912的边缘94上产生破裂。进一步，当其容纳在钢套中的时候，通常会使蜂窝模制体90端面912的边缘94与钢套接触。在生产的过程中，这就引入了装配蜂窝模制体90的困难，还有可能引起蜂窝模制体90的边缘断裂，并在蜂窝模制体90中产生破裂。

为了消除上文所描述的传统缺陷，在公开号为No.JP-2002-18290的日本专利申请中提出了一种传统的在蜂窝陶瓷模制体端面的边缘倒角的方法。这种方法能减少蜂窝陶瓷结构体中边缘破损的出现，并进一步改进装配以把蜂窝陶瓷结构体容纳到钢套中。

在传统的生产方法中，陶瓷模制体的倒角是在煅烧蜂窝模制体之后完成的。然而，由于煅烧后蜂窝陶瓷结构体的硬度极其高，需要时间来完成对蜂窝陶瓷结构体进行倒角，因此很难减少倒角所需的处理时间。

此外，由于必须频繁更换新的作为倒角步骤工具的金刚石砂轮，从而增加了蜂窝结构体的生产成本。

另外，当在模制体切割处理之后并于煅烧处理之前运送、搬运和传输蜂窝模制体的时候，蜂窝陶瓷结构体边角部分就有发生边角断裂的可能性。

再有，由于煅烧处理中温度增加的速度在蜂窝模制体的每一部分上不同，应力通常集中在蜂窝模制体边角部分的边缘。蜂窝模制体边角部分边缘的存在通常导致断裂。

发明内容

本发明的提出考虑到了上文所描述的已有技术的那些缺陷。本发明的目的是提供一种蜂窝陶瓷结构体及其制造方法，其具有优良的加工性能并大大减少蜂窝陶瓷结构体上边缘破损的出现及断裂的产生。

根据本发明的一个方面，蜂窝陶瓷结构体的制造方法具有挤压成型、倒角和煅烧的步骤。在挤压成型的过程中，完成对陶瓷生料的挤压和模制以形成蜂窝结构中的陶瓷模制体，并且切割模制品以形成多个蜂窝模制体。每一个蜂窝模制体都包括外表皮部和蜂窝模制体中的多个蜂房壁。在倒角的过程中，蜂窝模制体底面的边缘被倒角，以便在蜂窝模制体底面的边缘形成倒角部分。在煅烧的过程中，在底面带有倒角部分的蜂窝模制体被煅烧，以便形成蜂窝陶瓷结构体。

附图说明

为了更好地理解本发明并显示如何实施本发明，这里将仅通过示例的方式描述根据本发明的具体实施例及方法。

图1所示为根据本发明第一实施例的蜂窝陶瓷结构体的生产步骤的流程图；

图2是第一实施例生产步骤中煅烧过程的时间图；

图3是根据本发明第一实施例的蜂窝陶瓷结构体的透视图；

图4是根据第一实施例的蜂窝陶瓷结构体底面边缘上的倒角部分的侧面图；

图5所示为在第一实施例的生产过程中，将蜂窝陶瓷结构体装填到钢套中的装填过程图；

图6是装配有第一实施例蜂窝陶瓷结构体的尾气净化装置的截面图；

图7所示为根据本发明第二实施例的蜂窝陶瓷结构体底面边缘的倒角部分的截面图；

图8所示为在本发明第一实施例中获得的蜂窝陶瓷结构体底面上的边缘形成的R曲面的截面图；

图9所示为在本发明第二实施例中获得的蜂窝陶瓷结构体底面上的边缘形成的C面的截面图；

图10所示为图11中沿着A-A向的在蜂窝陶瓷结构体上的边缘破损图；

图11所示为在蜂窝陶瓷结构体底面的边缘上的边缘破损的透视图；

图12所示为在第一实施例中获得的蜂窝陶瓷结构体的端面边缘上的倒角部分表面的扫描电子显微镜(SEM)照片；

图13所示为在传统的蜂窝陶瓷结构体底面端部倒角部分表面的SEM照片；及

图14所示为传统蜂窝陶瓷结构体的透视图。

具体实施方式

下面将参照附图来描述本发明的各个实施例。在对各个实施例的如下描述中，在所有的几个附图中，类似的参考符号或数字表示类似或相同的构件。

第一实施例

下面将描述根据本发明第一实施例的蜂窝陶瓷结构体及其制造方法。

图1所示为根据本发明第一实施例蜂窝陶瓷结构体的生产过程的流程图。

首先对陶瓷生料挤压造型，接着再切割所获的模制体以便来形成多个蜂窝陶瓷结构模制体，每一个蜂窝陶瓷结构体都具有外表皮部11和多个蜂窝壁12(S100)。

在每一个蜂窝陶瓷模制体10中的多个蜂窝壁12都是多孔结构的间隔壁，间隔壁是由导入路径和排出路径形成的(附图中省略)。通过导入路径和排出路径，来自内燃机(附图中省略)的尾气被导入并排出模制体外。接着一个塞子形成在蜂窝陶瓷模制体10的一个端面上。

接下来，包含氧化铝的氧化铝浆被注入到模制体10的端面上，以使得氧化铝浆涂覆在多孔结构间隔壁的表面上(S110)。接着，为了用催化剂涂覆模制体，蜂窝陶瓷模制体10被浸入到浆中。由铝层所支撑的催化剂涂覆在蜂窝陶瓷模制体10间隔壁的表面上(S110)。

接着，塞子形成在蜂窝陶瓷模制体10的保持端表面上，并对模制体10实施干燥(S120)。

接着，用金刚石砂轮等类似工具实施倒角加工，以对蜂窝陶瓷模制体10端面102的边缘101倒角(S130)。

下面描述图3中所示，通过步骤130获得的蜂窝陶瓷模制体10端面的边缘14上的倒角部分在煅烧工序以前使其接触空气。

最后，蜂窝陶瓷模制体10的煅烧步骤在电炉中实现，以形成蜂窝陶瓷结构体1。在电炉的煅烧过程中，在边缘14上的倒角部分直接被煅烧(S140)。

图2所示为为了形成根据第一实施例蜂窝陶瓷结构体1在电炉煅烧过程中温度控制的时间图。

如图2中所示，在煅烧过程中电炉内的温度通过20℃/小时的增长率逐渐提高到600℃。在大约30个小时以后，温度的增长率设置在80℃/小时持续10个小时。10个小时以后，炉子的温度变为1400℃。1400℃的电炉温度保持5个小时。5个小时以后，停止向电炉提供电能。电炉的温度对蜂窝陶瓷结构体1以逐渐自然冷却的方式直接降低。

图3是通过第一实施例制造方法所制造的蜂窝陶瓷结构体1的透视图。如图3中所示，蜂窝陶瓷结构体1的外围部分被0.5mm厚的外表皮部11所涂覆。

第一实施例的蜂窝陶瓷结构体1的内部包括多个0.1mm厚的蜂房壁12。多个蜂房壁12形成在蜂窝结构体1中并被外表皮部11和多个蜂房13所围绕。每一个蜂房13的宽度为1mm。多个蜂房13被多个蜂房壁12分成格子状。

图4所示为根据第一实施例的蜂窝陶瓷结构体1中端面12边缘上形成的倒角部分的侧面图。如图4中所示，模制体1端面边缘的倒角部分14的C面的宽度W设在0.5mm至5.0mm之间。

在第一实施例中，C面与模制体1轴线之间的夹角设置在20°至70°之间。

本发明第一实施例的重要特征在于，对蜂窝陶瓷模制体10端面边缘倒角的倒角步骤是在干燥步骤之后煅烧步骤之前完成的。

图5所示为第一实施例的制造过程中，将蜂窝陶瓷结构体1封装到钢套中的封装示意图。图6是装配有第一实施例的蜂窝陶瓷结构体的尾气净化装置的截面图。

当一个汽车装配有蜂窝陶瓷结构体1的时候，蜂窝陶瓷结构体1通过第一实施例的制造方法形成，作为图6中所示的尾气净化装置4，通过使用压力装配工具，从钢套2的开口部22沿着图5中所示的结构体轴线Z把蜂窝陶瓷结构体1容纳在钢套中。蜂窝陶瓷结构体1通过形成并设置在钢套2内壁上的装配材料21被强制配合固定在钢套2中。

接着，如图6中所示，容纳有蜂窝陶瓷结构体1的钢套2的开口部22通过螺钉设置并连接到尾气主管道3上。因此获得尾气净化装置4。

来自内燃机的尾通过尾气入口31导入到尾气净化装置4中并透过形成在蜂窝陶瓷结构体1中的多个蜂房12，这里尾气得以过滤，过滤后的尾气从尾气过滤装置1的尾气出32排出。来自尾气净化装置4的尾气通过尾气管道排至大气中(未示出)。

现在来描述根据本发明第一实施例的蜂窝陶瓷结构体制造方法的操作及效果。

本发明的重要特征之一在于在煅烧过程之前执行对蜂窝陶瓷模制体10端面边缘进行倒角的倒角步骤。

当与在煅烧步骤之后再完成倒角的传统制造方法相比较的时候，由于模制体10煅烧之前在硬度上是软的，在煅烧步骤之前模制体10容易倒角，本发明的制造方法能够得以完成。因此，本发明的制造方法能减少倒角步骤所需的时间，并进一步获得加工工具例如倒角步骤中所使用的金刚石更长的使用寿命。这些特征能够降低本发明蜂窝陶瓷结构体的总生产成本。

另外，由于不必要的力作用在蜂窝陶瓷模制体10上，蜂窝陶瓷模制体10在煅烧过程前完成倒角的过程中具有柔软的硬度，所以本发明的制造工序具有防止出现边缘破损和产生断裂的特征。

再有，在从蜂窝模制体的切割步骤到其煅烧步骤的整个制造期间，当与传统的制造方法相比较的时候，由于倒角步骤在煅烧步骤前的较早阶段实施，本发明的制造工序具有减少蜂窝陶瓷模制体端面102上边缘101的边缘破损的特征。

再有，由于煅烧步骤是在倒角部分14形成在模制体10端面的边缘上的状态下完成的，在煅烧的过程中，这就有可能避免力集中到模制体10端面102的边缘101上。因此有可能防止在蜂窝陶瓷模制体10端面102的边缘101上出现任何边缘破损及产生断裂。

此外，由于本发明的制造步骤在模制体10的端面102的边缘上形成倒角部14，倒角部分的C面的宽度W设置在0.5mm至5.0mm的范围内，这能够充分提高由在煅烧步骤之前实施的倒角步骤获得的效果。

此外，由于蜂房壁12的厚度很薄不足以从外表皮部11向蜂窝陶瓷结构体1的轴向凸出，这就有可能防止在蜂房壁12上出现断裂。

此外，由于本发明的制造方法在蜂窝陶瓷模制体10端面102的边缘上的倒角部分14的C面(见图4)上20°至70°的角度范围内形成，除了通过在煅烧步骤之前完成倒角步骤而获得的效果之外，这还进一步有可能提高本发明的效果。

本发明的倒角步骤是在挤压成型步骤和干燥步骤之后对蜂窝陶瓷模制体来完成的。由于模制体10是在恰当的半干状态下实施倒角步骤的，这就有可能让模制体10完全变形并容易对模制体10实施倒角步骤。

此外，由于在模制体10端面的边缘上的倒角部分14的表面在煅烧步骤的过程中直接被煅烧，煅烧步骤形成堇青石的倒角部分14，其具有光滑表面，由2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂的晶体颗粒组成的。该倒角部分的光滑表面能避免应力在模制体端面102的边缘101集中，并避免在底面102的边缘101上出现边缘破损及产生断裂。

如上文所详述，根据第一实施例，就有可能提供蜂窝陶瓷结构体及其制造方法，其能极大地减少其中频繁的边缘破损和断裂。

本发明的蜂窝陶瓷结构体通常用作尾气净化装置中的催化剂载体和各种过滤器，例如用来捕获车辆中柴油机所排出的粒子污染物。

为了形成本发明的蜂窝陶瓷结构体，还有可能将主要包括2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂的堇青石陶瓷用作陶瓷生料。

根据本发明，在煅烧步骤之后还有可能进一步形成蜂窝陶瓷结构体，使得外表皮部的厚度在0.3mm至0.7mm的范围之内，蜂房壁的厚度设定在0.05mm的0.2mm的范围内，及蜂房壁的间距设定在1.0mm至1.5mm的范围内。

如果C面的宽度小于0.5mm，就认为不可能通过在模制体端面的边缘上形成倒角部分来获得效果。

此外，如果C面的相对于模制体轴线的角度小于20°或超过70°，就认为该C面等于没有倒角部分形成在模制体底面的边缘上的状态。这种情况还有可能被认为不可能通过在模制体端面的边缘上形成倒角部分获得其效果。

第二实施例

图7是根据本发明第二实施例在蜂窝陶瓷结构体端面的边缘上倒角部分的截面图。

在第二实施例中，在蜂窝陶瓷模制体10的端面边缘上的倒角部分形成R曲面，R曲面的曲率半径设置在0.5mm至3.0mm的范围内。

蜂窝陶瓷结构体的其它部件与根据第一实施例的蜂窝陶瓷结构体的部件相同。因此在此省略对相同部件的解释。

在第二实施例中，由于模制体端面在边缘上的倒角部分具有R曲面，施加在蜂窝陶瓷模制体10的端面102和外表皮部11上的应力易于被分散。在接下来的制造过程中，这能够防止在加工、传输和搬运蜂窝陶瓷模制体10的过程中出现边缘破损和断裂。

第二实施例的蜂窝陶瓷模制体10的其它效果与第一实施例的效果相同。

如果R曲面的曲率半径小于0.5mm，就认为其变得不可能通过在模制体端面边缘上形成倒角部分获得效果。

此外，如果R曲面的曲率半径超过3.0mm，由于薄的蜂房壁从外表皮部向着蜂窝陶瓷结构体的轴心显著突出，这容易导致缺少模制体蜂房壁。

第一个实验

表1所示为在第一和第二实施例中获得的蜂窝陶瓷结构体关于边缘破损率和断裂生成率的实验结果。图8是在本发明第一实施例中所获得的蜂窝陶瓷结构体C面的截面图。图9是在本发明第二实施例中所获得的蜂窝陶瓷结构体R曲面的截面图。图10所示为图11中蜂窝陶瓷结构体底面边缘上及沿A-A线的边缘破损图。图11所示为带有边缘破损的蜂窝陶瓷结构体边缘的透视图。

在第一个实验中，准备了两种类型的产品：第一种类型的产品和第二种类型的产品。每一个第一种类型的产品都是具有400个网眼、体积为1000cc、截面积为80cm²、外表皮部11厚为0.5mm、蜂房壁12的厚度为4.0mil(近似于100μm)且蜂房宽度为1.0mm的圆柱形蜂窝陶瓷结构体。每一个第二种类型产品都是具有400个网眼、体积为1100cc、截面积为80cm²、外表皮部11的厚为0.5mm、蜂房壁12的厚度为3.0mil(近似于75μm)、蜂房宽度为1.0mm且400个网眼的圆柱形蜂窝陶瓷结构体。

第一实验在接下来的第一类型产品和第二类型产品的每一种条件都已经准备了1000个单位。

(1)、没有施行倒角步骤的；

(2)、倒角C面的宽度范围是0.5mm和1.0mm至8.0mm，增量为1.0mm；及

(3)、倒角R曲面的曲率半径范围是0.5mm和1.0mm至5.0mm，增量为1.0mm。

表1所示为第一和第二产品在各种条件下边缘破损率和断裂发生率的实验结果。

在表1中边缘破损意味着深度“a”在直径方向上为1.6mm或更深的缺口19，或是在轴向上长度“b”为1.6mm或更长的缺口，如图10中所示，这里的缺口19是从蜂窝陶瓷结构体1端面102的边缘上缺损的。

在第一实验中，边缘的破损意味着如果图10中所示的缺口19不能满足如下条件的情况：在直径方向上深度“a”不大于3.0mm，在轴向上长度“b”不大于8.0mm，及在圆周方向上长度“c”不大于10.0mm。断裂缺损意味着实验者能够直观地检查各种蜂窝陶瓷结构体1外表皮部分11表面上出现的断裂缺损。

表1

	边缘破损率(％)		断裂发生率(％)
	边缘破损率(％)		断裂发生率(％)		产品1	产品2	产品1	产品2
	没有倒角	2.1	2.3	1.2	产品1	产品2	产品1	产品2	1.5
C面宽度(mm)0.51.02.03.04.05.06.07.08.0	没有倒角	2.1	2.3	1.2	0.70.10.30.60.81.32.12.94.1	0.80.30.50.61.21.52.73.95.3	0.90.40.20.40.50.40.60.40.3	1.10.60.40.30.20.40.50.30.4	1.5
C面宽度(mm)0.51.02.03.04.05.06.07.08.0	R曲面的曲率半径R(mm)0.51.02.03.04.05.0	0.60.20.71.02.33.2	0.80.30.71.11.92.9	0.80.40.50.50.30.4	0.70.10.30.60.81.32.12.94.1	0.80.30.50.61.21.52.73.95.3	0.90.40.20.40.50.40.60.40.3	1.10.60.40.30.20.40.50.30.4	1.00.50.40.30.40.5

实验结果及表1明显示出：当与边缘没有倒角部分的模制体相比较的时候，具有宽度W的范围在0.5mm至5.0mm内的R曲面倒角部分14的蜂窝陶瓷结构体具有低的边缘破损率和最小的断裂发生率。

相反，如果C面的宽度W超过5.0mm或小于0.5mm，蜂窝陶瓷结构体具有很高的出现边缘破损的可能性。这被认为是很薄的蜂房壁12从外表皮部分11在模制体的轴心方向明显地突出的原因。

此外，根据表1，如果在边缘上的倒角部分14的R曲面的曲率半径设置在0.5mm至3.0mm的范围内，比起不带倒角边缘的蜂窝陶瓷结构体，该模制体具有低的边缘破损率和断裂出现率。

相反，如果边缘的倒角部分14的R曲面的曲率半径超过3.0mm，模制体就具有高的边缘破损率。如图9中所示，这被认为是为什么薄的蜂房壁12从外表皮部分11在轴向上明显地突出的原因。

第二个实验

第二个实验示出了第一实施例(例如，见图3)的蜂窝陶瓷结构体1端面的边缘上的倒角部分14和传统的蜂窝陶瓷结构体中端面边缘上的倒角部分之间的曲面状态的不同。

图12是扫描电子显微镜(SEM)照片，示出了根据第一实施例的蜂窝陶瓷结构体1中端面边缘上倒角部分14的表面。图13也是扫描电子显微镜SEM照片，示出了传统蜂窝陶瓷结构体中端面边缘上倒角部分的表面。在传统的蜂窝陶瓷结构体中的倒角部分是在煅烧步骤之后通过倒角步骤来生产的。

相反，根据本发明第一实施例的蜂窝陶瓷结构体中倒角部分是在煅烧步骤之前通过倒角步骤产生。在本发明的蜂窝陶瓷模制体10中倒角部分的表面在煅烧过程中是直接被煅烧的。

在图12和图13所示的两个SEM照片中，白色的区域代表由堇青石2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂构成的晶体颗粒的存在。

图12清楚地示出根据本发明带有光滑表面的晶体颗粒的蜂窝陶瓷结构体1端面的边缘上倒角部分14的表面状态。作用到端面102边缘101和蜂窝陶瓷结构体1的外表皮部分11上的应力因此容易被分散。这可以防止边缘破损和断裂的出现。

相反，图13清楚地示出了有角表面粗糙的晶体颗粒在传统蜂窝结构体中端h面边缘上倒角部分表面的情况。

在详细描述了本发明的具体实施例的同时，本领域的技术人员将会理解，根据所公开的所有启示能够对那些细节进行各种修正和替换。因此，所公开的特定装置仅仅是说明性的，而非限制本发明所给出的权利要求的整个范围及其等效的范围。

Claims

1、一种蜂窝陶瓷结构体的制造方法，包括以下步骤：

用陶瓷生料进行挤压成型以形成模制体，接着切割模制体以形成多个蜂窝模制体，每一个蜂窝模制体都包括外表皮部分和在蜂窝模制体中的多个蜂房壁；

对蜂窝模制体的端面的边缘倒角以在蜂窝模制体的端面边缘处形成倒角部分；及

煅烧在端面边缘处具有倒角部分的蜂窝模制体，以形成蜂窝陶瓷结构体。

2、根据权利要求1的制造方法，其中倒角步骤在蜂窝模制体的边角部分的边缘形成C面，并且C面具有在0.5mm至5.0mm范围内的宽度。

3、根据权利要求2的制造方法，其中蜂窝模制体轴线与C面的夹角设在20°至70°的范围内。

4、根据权利要求1的制造方法，其中倒角步骤在蜂窝模制体端面的边缘形成R曲面，并且R曲面具有在0.5mm至5.0mm范围内的曲率半径。

5、根据权利要求1的制造方法，其中倒角是在煅烧蜂窝模制体的煅烧步骤之前、在干燥蜂窝模制体的干燥步骤之后实施的。

6、根据权利要求2的制造方法，其中倒角是在煅烧蜂窝模制体的煅烧步骤之前、在干燥蜂窝模制体的干燥步骤之后实施的。

7、根据权利要求3的制造方法，其中倒角是在煅烧蜂窝模制体的煅烧步骤之前、在干燥蜂窝模制体的干燥步骤之后实施的。

8、根据权利要求4的制造方法，其中倒角是在煅烧蜂窝模制体的煅烧步骤之前、在干燥蜂窝模制体的干燥步骤之后实施的。

9、一种蜂窝陶瓷结构体，包括：

外表皮部分；

多个形成在蜂窝陶瓷结构体中的蜂房壁；及

在蜂窝陶瓷结构体端面的边缘处形成的倒角部分，及在制造过程中直接煅烧而获得的倒角部分。

10、根据权利要求9的蜂窝陶瓷结构体，其中在蜂窝陶瓷结构体端面的边缘倒角部分形成有宽度范围在0.5mm至5.0mm范围内的C面。

11、根据权利要求10的蜂窝陶瓷结构体，其中蜂窝陶瓷结构体的轴线与C面的夹角设在20°至70°的范围内。

12、根据权利要求9的蜂窝陶瓷结构体，其中倒角部分形成有曲率半径在0.5mm至5.0mm范围内的R曲面。

13、根据权利要求9的蜂窝陶瓷结构体，其中倒角部分具有堇青石2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂的晶体颗粒。