专利名称：用于挤出陶瓷材料的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种挤出陶瓷材料的方法，更具体的涉及一种在挤出蜂窝状陶瓷基材的过程中过滤增塑陶瓷批料的方法。
技术领域授予Gardner等人的美国专利第4551295号中描述了一种从无机粉末和合适的粘合剂所组成的增塑混合物中挤出复杂截面结构的方法。在此方法中，将由无机粘土、滑石和氧化铝粉末所组成的]堇青石批料混合物与有机粘合剂和水混合，将所得的混合物在挤出机中进行增塑。然后将增塑批料混合物加入到安装在挤出机一端的蜂窝状挤出模中。发现所得的蜂窝状基材作为液体金属过滤介质和用于排气污染控制设备的基材有很大的用途，既用在各种工业用途上，又特别用在汽车制造工业中的汽车催化转化器上。
长期以来，堇青石蜂窝状基材一直被优选用作汽车中催化转化器所用的支撑催化活性组分的基材，部分原因是因为堇青石陶瓷的高耐热冲击性。由含镁、铝和硅源材料如粘土和滑石的矿物批料来生产堇青石(2MgO·2Al2O3.5SiO2)陶瓷是众所周知的。此类方法描述在美国专利第2684919号中。美国专利第3885977号揭示了由粘土/滑石批料，通过挤出该批料并烧结挤出体，得到在至少一个轴上具有低膨胀系数的陶瓷来制造耐热冲击性堇青石蜂窝状陶瓷的方法。
清洁空气标准的日益严格，需要用来减少汽油发动机和柴油发动机所产生的污染物排放的催化转化器具有更大的效率。要求的严格推动了蜂窝状催化转化器基材的发展，该蜂窝状基材中具有在其中的各蜂窝(cell)之间的很薄的壁(网纹(web))。
制造者不断努力，力图最优化堇青石基材的性质，提高它们作为催化剂载体的使用性能。具体地，制造者不断努力开发网纹或壁尺寸越来约小的堇青石蜂窝状基材。对应于法规中对汽车市场中催化转化器的转化效率日益提高的要求，对堇青石整块(monolith)的需求也不断增加。更薄的网纹减少了基材的质量，从而得到更快的点火(light-off)时间。另外，可以得到更大的几何表面积而不增加基材的质量。薄壁基材的另一个优点是可以使背压较低。
但是，与具有常规几何尺寸的基材相比，壁很薄的蜂窝状基材的生产是非常困难的。已经发现，当用常规的挤出设备来生产网壁厚度小于约0.004英寸(0.01厘米)的陶瓷蜂窝状结构时，在挤出产品中观察到在蜂窝状的挤出物的网纹中会有无法接受的大量的破裂(即不含有陶瓷材料的面积)。陶瓷材料中的这些破裂被认为是由于挤出材料的一个或多个颗粒堵塞了挤出模具中的通路，从而产生了限制批料流动的区域而引起的。随着通路宽度的减少，破裂的数目增加，并且如果通路宽度足够窄，被堵塞通路的数目变得非常多，以至于挤出物不能够结合在一起，而是由许多小股批料构成挤出产物。因此，需要确保挤出的批料中实际上不含有大颗粒和团聚的批料。
在一个标准的挤出工艺过程中，通过在挤出模具的上游过滤批料，来除去批料中所含有的大颗粒和团聚的批料。过滤常通过将批料通过一个设置在一个或多个挤出螺杆和模具之间的铁丝网筛(woven wire screen)来完成。但是，极薄的蜂巢壁和对过滤网日益增加的细网孔要求，使得挤出机中的压力增加。压力增加可导致停机或对挤出机造成破坏，也会导致各蜂巢壁的几何特征变差。
过滤步骤所引起的另一个困难在于在增塑混合物中会产生热量，这会导致批料的粘度发生变化。此类生热可能是不均匀的，导致加入到挤出模中的一部分批料相对较硬而难以挤出，而另一部分较软的批料则以更快的速度挤出。
随着工业上不断努力增加生产和降低制造挤出陶瓷蜂窝状基材的成本，很大的努力集中在采取措施提高陶瓷批料的挤出速率上。不幸的是，通过使用高挤出机操作速度来增加生产，会因为穿过过滤筛的巨大的压力差导致挤出机压力增大。该增加的压力差是由于批料流过过滤筛所遇到的阻力所引起的。批料流动的阻力也会导致批料核心温度的提高以及可能的不均匀。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种制造陶瓷蜂窝状基材的方法，所述方法包括以下步骤提供一种增塑陶瓷批料，将增塑批料通过一个具有楔形过滤丝(wire)的过滤筛来进行过滤，再挤出经过滤的批料，形成陶瓷蜂窝状基材。
较佳地，过滤丝的平整平面面对着批料的挤出方向；更佳地，过滤丝的尖端(apex)面对着批料的挤出方向。通过将过滤丝的尖端设置在面对批料流动的方向上，可以降低过滤筛材料的磨损和变形。
过滤丝由支撑丝所支撑，支撑丝以基本上垂直的方式固定在过滤丝上。支撑丝可以与过滤丝具有相同或不同的横截面。较佳地，支撑丝具有楔形的横截面。优选支撑丝的尖端固定在过滤丝的尖端上；更优选支撑丝的尖端固定在过滤丝的平整表面上，或过滤丝的尖端固定在支撑丝的平整表面上。
为了降低由于流动批料的磨擦所导致的过滤筛的磨损，过滤筛优选在其外表面具有耐磨层。耐磨层可通过常规的方法施加，例如通过薄膜气相沉积或等离子体气相沉积或通过如硼气之类的气体扩散来施加。较佳地，过滤筛具有含有硼化物或金属氮化物的耐磨层，或耐磨层可以是镍基的涂层。
在本发明的另一个方面中，揭示了一种挤出机，该挤出机包括一个具有进口端和出口端的挤出筒、可旋转安装在挤出筒内的至少一个螺杆、位于挤出筒出口端用来旋转至少一个螺杆的电动机、安装在挤出筒出口端的挤出模；安装在挤出模上游的、用来过滤批料的、具有楔形过滤丝的过滤筛。筛。
图1表示现有技术的过滤筛。
图2表示依据本发明的过滤筛的实例。
图3表示包括本发明过滤筛的典型的双螺杆挤出机。
图4和图5表示依据本发明的过滤器支撑器。
图6表示依据本发明的过滤器支撑器的另一个实例。
图7a和图7b是表示依据本发明的过滤器组合件的图，显示的是过滤筛和过滤器支撑器。
图8a和图8b是表示依据本发明的过滤器组合件的另两个附图，显示的是过滤筛和过滤器支撑器。
图9表示的是陶瓷蜂窝状基材的透视图。
图10表示的是通过陶瓷蜂窝状基材的横向切面图。
具体实施例方式
设计用来在挤出模的上游过滤陶瓷批料的过滤筛，以便在批料被强制通过挤出模前，从增塑批料中除去较大颗粒污染物和团聚的批料。“上游”是指从一部位(在此情况下，该部位是挤出模)与挤出过程中批料流动的方向相反的方向上隔开一段距离的位置。相反，“下游”指与批料流动的方向相同的方向。用来制造催化转化器等的蜂窝状陶瓷基材中的网纹越来越薄，因而需要之前所用的过滤筛中使用相应更紧密的网孔。更紧密的网孔会在批料因一个或多个挤出螺杆的作用而强制通过过滤筛时，导致挤出压力增加，从而阻碍生产具有日益变薄的蜂巢壁的蜂窝状陶瓷基材的能力。挤出压力太高会导致停机或对挤出机造成破坏，也可能导致非织物状陶瓷结构的发生率的增加，即挤出物形成相邻的、互相交叉的蜂巢壁的或网纹的能力的增加。现有技术中已经使用了细小网孔铁丝网过滤筛，诸如图1所示的一种。本发明涉及一种制造薄壁陶瓷基材的方法，该方法中将颗粒或重新配制批料所涉及的成本相比，本发明有利地提供了一种低成本的替代方式，用来减少挤出机中的压力差。
本发明还提供一种用来制造薄壁蜂窝状陶瓷基材的设备，该设备中包括具有楔形过滤丝的过滤筛。楔形丝是指闭合“V”或三角形形状的丝。用来支撑过滤丝的丝可与过滤丝具有不同的横截面，但是优选过滤丝也是楔形的。
在本发明的一个实施方式中，如图2所示，过滤筛10包括固定在多个支撑丝14上的过滤丝12，使得在相邻的过滤丝12之间有一个狭窄的空间。例如，过滤丝12可通过焊接的方式固定在支撑丝14上。过滤丝12在沿着与各过滤丝的纵向轴垂直的的平面上具有楔形的横截面。较佳地，过滤丝之间最接近点之间的距离优选在约0.002英寸(0.0051厘米)至0.015英寸(0.038厘米)之间；更优选的在约0.002英寸至0.008英寸(0.02厘米)之间。该间距根据挤出模缝隙的宽度来加以选择，其中挤出模的缝隙宽度就形成要挤出的基材的壁厚。一般来说，以挤出膜缝隙宽度为基准计，过滤丝之间的间距选择在约66％至75％之间。过滤丝12和支撑丝14可具有不同的横截面。较佳地，支撑丝14具有楔形横截面。较佳地，过滤丝12和支撑丝14通常相互垂直固定。较佳地，过滤丝12要这样排列，使得各过滤丝12的尖端固定在支撑丝14上。
图3表示了一个示例性的挤出机16，该挤出机16包括位于筒20内的至少具有一个挤出螺杆18的螺杆部件，所述的至少一个挤出螺杆18由位于筒20进口端的电动机22所驱动。较佳地，挤出机16包括两个螺杆18，如图3所示。筒20具有一个进料口24，用来加入要在挤出机16中进行混合和增塑的批料。安装在挤出机筒20出口端的夹头28内有一个位于螺杆部件下游的混合板26。混合板26用来进一步混合和均化增塑批料。夹头28内还设置有过滤筛10和过滤器支撑器30，这两者都设置在相对于批料被泵送到螺杆部件中的流动方向32的混合板26的上游。过滤筛10贴着过滤器支撑器30安装，形成过滤器组合件34。较佳地，形成具有多个隙缝或通道36的过滤器支撑器30，并示于图4和图5中。尽管通道36可与过滤通道36的过滤器支撑器30，并示于图4和图5中。尽管通道36可与过滤器支撑器30的圆周同心，但是优选通道36是直线形的，并延伸穿过过滤器支撑器30的弦。优选通道36是平行的。通道不延伸通过过滤器支撑器30的厚度。过滤器支撑器30还包括多个位于各通道内的开口38，开口38延伸通过过滤器支撑器30的的厚度。优选开口38是圆形的，更优选开口38是与通道36形状相似的缝隙，如图6所示。为了以相对于过滤器支撑器30的预定取向放置和/或维持过滤筛10，将该过滤筛10固定在过滤器支撑器30上，形成过滤器组合件34。较佳地，过滤器支撑器30中的开口38的间距(pitch)ν在约0.25英寸(0.635厘米)至0.375英寸(0.953厘米)之间。对于圆形开口，间距ν是相邻开口中心和中心之间的距离。如果开口是缝隙形的，间距以一个开口38的一边与相邻行中相邻开口38的相应边之间的距离来确定。更佳地，过滤器支撑器30包括由第二组多根支撑丝或杆所支撑的第一组多根楔形丝或杆，第二组多根支撑丝或杆一般以与过滤筛10相似的结构垂直于第一组多根丝进行排列。例如，本发明的第二过滤筛可用作过滤器支撑器30来支撑第一过滤筛10。较佳地，当过滤器支撑器30具有第一组多根楔形丝时，其在挤出机中的设置方向应使第一组多根楔形丝的尖端面对批料流动的方向。较佳地，当过滤器支撑器30包括第一组多根楔形丝时，过滤器支撑器30中所包括的第一组多根丝之间的最近间距大于过滤筛10的过滤丝12之间的最近间距。较佳地，装配过滤器组合件34时，过滤筛10贴着过滤器支撑器30设置，使得过滤筛10的过滤丝12的平整平面面对着批料流动的方向32；更佳地，使得各过滤丝12的尖端面对着批料流动的方向32。图7a和图7b分别表示一个示例性过滤器组合件34(用上面有数字34的括号来表示)的侧视图，以及过滤器组合件34绕着过滤器组合件34的中心轴旋转90度所得另一个图，其中该过滤器组合件34包括过滤器支撑板30、过滤丝12和过滤器支撑丝14。在图7a和图7b中，上面有数字10的括号表示着过滤筛10。在图7a和图7b中的过滤器支撑器30显示出具有通道36和圆形开口38。但是，也可以依据上述本发明的其它实施方式来设计过滤器支撑器30。图中还用虚线来表示过滤器支撑器30的通道36和开口38的外形。在图7a和图7b所示的装置中，过滤丝12的设置取向要使得各过滤丝12的平整平面面对着箭头32表示的批料流动的方向。而且，通过比较图7a和图7b，显示出所示的过滤器支撑丝14具有楔形横截面，并且过滤器支撑丝14固定在过滤丝12上，使得各过滤器支撑丝14的尖端固定在各过滤丝12的尖端上。图8a和图8b分别表示过滤器组合件34(用上面有数字34的括号表示)的侧视图和该过滤器组合件34绕着过滤器组合件34的中心轴旋转90度所得的另一个图，其中过滤器组合件34包括过滤器支撑器30、过滤丝12和过滤器支撑丝14。同样虚线表示的是过滤器支撑器30中通道36和开口38的外形。在图8a和图8b中，用上面有数字的括号表示过滤筛10。在图8a和图8b所示的装置中，过滤丝12的设置取向要使得各过滤丝12的尖端面对着箭头32表示的批料流动的方向。过滤筛10中各过滤丝的尖端面对着批料流动的方向32，如此的设置方向比其它方向可以减少过滤丝的磨损和变形，意味着可以得到更长的使用寿命和更有效的配料过滤效率。而且，通过比较图8a和图8b，显示出所示的过滤器支撑丝14具有楔形横截面，并且过滤器支撑丝14固定在过滤丝12上，使得各过滤丝12的尖端固定在各支撑丝14的平整平面上。或者，可以将各过滤器支撑丝14的尖端固定在各过滤丝12的平整平面上。在图8a和图8b所示的装置中，各过滤丝12和各过滤器支撑丝14的尖端都面对着批料流动的方向32。
再次参见图3，挤出机16还包括安装在过滤器组合件34下游的蜂窝状挤出模44和位于夹头28出口端的混合板26。
在挤出机16的操作过程中，被至少一个螺杆18从挤出筒20中泵送出来的增塑批料首先通过过滤器组合件34和混合板26，最后通过蜂窝状挤出模44形成蜂窝状基材46(如图9和10所示)从挤出机中挤出。此类蜂窝状基材的例子示于图9和图10中。图9和图10分别表示示例性蜂窝状基材46的透视图和蜂窝状基材46的横切面图。图9和图10中所示的蜂窝状基材46形成为会有多个从蜂窝状基材46的一个面50a延伸到背面50b(图中未显示)的通路48。壁52将通路48相互隔开。尽管蜂窝状基材46如图所示具有与蜂窝状基材46的纵轴互相垂直的圆形横截面，蜂窝状基材46可具有其它的横截面，诸如椭圆形横截面。
依据本发明的过滤筛10，其最关键的作用优势在于该过滤筛能够降低挤出机的压力差。批料流量约为3500磅/小时，并使用常规的挤出过滤筛时，通常挤出压力差约为2000磅/平方英寸。通过使用依据本发明的过滤筛，可以使压力差的减少达到大于或等于30％。压力差根据挤出机筒内的最大压力与过滤器支撑器30的下游之间的压力差来测量。另外，压力差的减少可以使扭矩和批料温度相应地减少。使用依据本发明的过滤器组合件，可以使扭矩的减少达到10％，而温度减少约2℃至3℃。
为了减少由于流动批料磨擦而引起的过滤筛10的表面磨损，过滤筛10可有利地具有一层形成在筛子表面上的耐磨层。较佳地，通过在筛子中扩散硼气体或用如硼化钛之类的金属硼化物涂敷筛子来形成耐磨层；更佳地，用如氮化钛、氮化铝钛或氮化铬之类的金属氮化物来涂敷筛子10。也可以用镍基涂料来涂敷过滤筛10。
实施例在固定的商用挤出速率下运行了一个双螺杆挤出机16，此时将商购增塑陶瓷批料挤出成汽车工业中所用的蜂窝状基材。批料过滤器由常规的铁丝网过滤筛所组成。操作参数，包括铁丝网过滤器上游的挤出筒20中的最大压力与过滤筛的混合板26和挤出模44之间的挤出机压力之间的平均压力差，都进行了测量和记录。对使用的常规的铁丝网过滤筛，平均压力差为2042磅/平方英寸。然后用具有依据本发明的楔形过滤丝12的过滤筛10替代常规过滤筛，在此之后，在固定的商用挤出速率下再次运行挤出机16。相对于使用常规铁丝网过滤筛，使用具有楔形丝的过滤筛10所得到的压力差减少了约27％至35％，多次操作的平均压力差约为1300磅/平方英寸至1500磅/平方英寸。
权利要求
1.一种蜂窝状陶瓷基材的制造方法，其包括提供一种增塑陶瓷批料；将陶瓷批料通过过滤筛进行过滤，所述过滤筛包括具有楔形横截面的过滤丝；通过模具挤出过滤后的陶瓷批料，形成蜂窝状陶瓷基材。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述过滤步骤中各过滤丝的尖端面对着挤出步骤中批料流动的方向。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在提供批料步骤前，在过滤筛上形成耐磨层。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述耐磨层是硼化物、氮化物或镍基涂层。
5.一种用来挤出陶瓷蜂窝状结构的挤出机，其包括具有进口端和出口端的筒；可旋转地安装在筒内的至少一个螺杆；位于筒的进口端、用来旋转所述至少一个螺杆的电动机；安装在筒的出口端的挤出模；以及安装在挤出模上游、用来过滤批料的过滤筛，其中所述过滤筛包括具有楔形横截面的过滤丝。
6.如权利要求5所述的挤出机，还包括过滤器支撑器，所述过滤器支撑器包括多个在过滤器支撑器的第一表面中形成的通道，所述多个通道中的每一个中都具有多个延伸到支撑板的第二表面的开口。
7.如权利要求5所述的挤出机，还包括与过滤筛相邻并在其下游的过滤器支撑器，所述过滤器支撑器包括固定于并大体上垂直于第二组多根丝的第一组多根丝，其中，所述第一组多根丝是楔形的。
8.如权利要求5所述的挤出机，其特征在于，所述过滤筛包括耐磨层。
9.如权利要求8所述的挤出机，其特征在于，所述耐磨层包含硼化物、氮化物或镍。
全文摘要
提供一种通过使增塑陶瓷批料通过具有楔形过滤丝的过滤筛挤出、以除去外在颗粒物和团聚的批料来制造薄壁蜂窝状陶瓷基材的方法。用一组基本上垂直粘附在过滤丝上的支撑丝来支撑过滤丝。支撑丝也可以有利的是楔形。本发明的过滤筛也可以在其表面上具有一层耐磨层，该耐磨层通常是硼化物或氮化物。耐磨涂层也可以是镍基涂层。
文档编号B29C47/70GK1842405SQ200480024591
公开日2006年10月4日 申请日期2004年7月29日 优先权日2003年8月29日
发明者M·A·沙尔基 申请人:康宁股份有限公司