CN100344587C - 蜂窝状结构体及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的蜂窝状结构体配备有具有多个流通孔的隔室体、被设计成包围该隔室体的外周壁，其外周壁厚度小于等于2.0mm，外周壁厚度差小于等于1.0mm，且圆度小于等于1.0mm。在制作在隔壁之间具有多个流通孔的基本蜂窝状体后，除去含有基本蜂窝状体的外周壁及一部分隔壁的外周部，然后，在除去外周部的隔壁露出部分上涂抹涂层材料，并重新设置外周壁的蜂窝状结构体，在该制造蜂窝状结构体的方法中，只对重新设置的外周壁进行磨削机械加工。该蜂窝状结构体在封装时表面压力分布的偏差少，在能够防止封装时的破损的同时，耐热冲击性也优良。
Description
技术领域
本发明涉及使外周壁厚度均匀且圆度较高的蜂窝状结构体，及用于获得该蜂窝状结构体等的制造方法。
背景技术
在作为排气净化用过滤器或催化剂等使用的大型蜂窝状结构体中，一直以来，在挤压坯土而成形时，存在由于自重而使外周壁边缘的隔室损坏，或圆度下降等蜂窝状结构体变形的问题(参照实公平7-183号公报)。而且，近年来，在该蜂窝状结构体中，为通过热容量的降低、压力损失的降低、或吸收效率的提高等提高净化性能，多进行使隔壁高气孔率化、薄壁化的试验，且由于蜂窝状结构体自身的强度具有下降的趋势，所以与该蜂窝状结构体的变形有关的问题越来越受到重视。
以往，作为解决该问题的第一个试验，本申请人提出了以下技术方案：在将圆度变差(圆度大于等于0.5mm)的陶瓷蜂窝状体放入圆筒体中后，将陶瓷蜂窝状体和圆筒体内周的间隙用堇青石泥浆灌注，干燥后在外周壁上再设置覆盖层的蜂窝状结构体的制造方法，及通过该方法所得的圆度小于等于0.5mm的蜂窝状结构体(参照实公平7-183号公报)。
但是，在该制造方法及蜂窝状结构体中，其在作为排气净化用过滤器和催化剂等使用时被曝露于极高温中，所以必须充分考虑需要较大的耐热冲击性这点，特别是在薄化或高气孔率化的蜂窝状结构体中，在该耐热冲击性这点上不足。
即，在该现有蜂窝状结构体中，因为陶瓷蜂窝状体的外周壁上设有覆盖层，所以由外周壁和覆盖层两方构成的部分非常厚，且相对于薄化或高气孔率化的隔壁热容量差距变大，两者的边界附近热应力增大，存在易于出现裂纹的问题。此外，由于覆盖层的厚度不均匀，所以存在覆盖体自身也在厚度不同的部位间存在热容量差距，且这点也具有降低耐热冲击性的问题。再有，对于由于自重而在外周壁附近产生隔壁的变形，并对蜂窝状结构体的耐封装性等产生不良影响这点没有一点解决。
对此，本申请人又提出了以下的方案：具有使陶瓷坯土挤出成形并在干燥后进行烧制成形以制造陶瓷蜂窝状结构体的工序；通过加工除去该陶瓷蜂窝状结构体的周边部的工序；在该加工后的陶瓷蜂窝状结构体外周面上形成外周壁的工序的陶瓷蜂窝状结构体的制造方法(参照专利第2604876号公报)。
该制造方法由于“通过加工除去陶瓷蜂窝状结构体的周边部”，从而改善了由隔室损坏等所引起的隔壁和外周壁变形的问题，且有望通过外周壁的薄化来提高耐热冲击性。
但是，即使在该制造方法中，也没有特别公开关于使外周壁厚度均匀化的问题。实际上，如图3所示，在现有制造方法中，在刚形成外周壁时，外周壁上产生了位于涂料终端附近的称为终端痕20的凸部，或如图4所示，外周壁的全周上形成了由干燥收缩差所产生的被认作竖纹形貌21的小凹凸部，且所得蜂窝状结构体的圆度也不够。
因此指出以下存在的问题，即，在所得蜂窝状结构体在封装时其外周面一部分被抓住，且为保持期望的封装状态需要很大的力，由于进行了高气孔率化和薄化，所以局部上承受很大力的部位，特别是在凸部位上，可能会产生外周壁和隔壁破损的问题。再有，在用该制造方法所得的蜂窝状结构体中，由于外周壁厚度依然存在一定程度的偏差，所以即使是耐热冲击性这点也依然留有改良的余地。
发明内容
本发明鉴于上述问题而提出的，其第一目的是提供减小封装时的表面压力分布的偏差，在能够防止封装时的破损的同时，耐热冲击性也很优良的蜂窝状结构体。此外，本发明第二目的是提供具有这种特性，并具备既均匀又薄的外周壁，且圆度优良的蜂窝状结构体的制造方法。
即，本发明的蜂窝状结构体，具备具有多个流通孔的隔室体、包围隔室体而设置的外周壁，且具有在蜂窝状结构体的外周方向上以突出的状态存在的壁部，其特征在于：该外周壁被设置成包围以在该蜂窝状结构体外周部方向上突出的状态存在的壁部，同时，在同一蜂窝状结构体的隔室体内与位于最外部的隔室体的外周部的隔壁紧密连接，并且该外周壁的厚度小于等于2.0mm，该外周壁的厚度差小于等于1.0mm，且圆度小于等于1.0mm。
这里，在本说明书中，如图1所示，“外周壁厚度T”与蜂窝状结构体1的各隔壁2连续地存在，其指从以向外周方向上突出的状态而存在的壁部5的端部3到外周面4的距离。而且，在本说明书中，“圆度”是指在除去两端的10mm的部分的全长中，以10mm间隔在预定的各部位测定各直径的长度，并由其值而根据下式所求的值中的最大值。
在本发明中，较理想的是圆度小于等于0.5mm的蜂窝状结构体，更理想的是圆度小于等于0.1mm的蜂窝状结构体。而且，外周壁厚度较理想的是大于等于0.1mm。此外，被设置成包围隔室体的外周壁也可是未烧制的。
再有，在本发明中，也可是将多个流通孔在该流通孔开口的两端面以互相不同的位置封闭而形成的蜂窝状结构体，在此类蜂窝状结构体中，较理想的是由陶瓷构成的。
而且，本发明提供一种蜂窝状结构体的制造方法，在制作此类蜂窝状结构体方面较合适，在制作在隔壁之间具有多个流通孔的基本蜂窝状体后，除去含有该基本蜂窝状体的外周壁及一部分隔壁的外周部，然后在除去外周部的隔壁露出部分上涂抹涂层材料以重新设置外周壁，其特征在于：只对重新设置的外周壁进行磨削机械加工。
再有，在本发明中，基本蜂窝状结构体的术语，通常指由挤压成形来制造蜂窝状结构体而得到的烧制成或未烧制成的蜂窝状结构体，或者是使用具有没形成外周壁那种结构的金属盖来通过挤压成形而得到的烧制成或未烧制成的蜂窝状结构体。
附图说明
图1是图解地展示了本发明蜂窝状结构体的外周壁厚度的说明图。
图2是展示实施例1中所得到的蜂窝状结构体的外周壁表面的放大照片。
图3是展示比较例1中所得到的蜂窝状结构体的外周壁表面状态的全景照片。
图4是展示比较例1中所得到的蜂窝状结构体的外周壁表面状态的放大照片。
具体实施方式
下面将具体说明本发明的实施方式。但是，本发明并不局限于以下的记载，本领域技术人员在不脱离本发明范围的情况下可进行多种变更、修正和改良。
本发明的蜂窝状结构体的特征在于：配备有具有多个流通孔的隔室体、及被设置成包围该隔室体的外周壁，外周壁厚度小于等于2.0mm，外周壁厚度差小于等于1.0mm，且圆度小于等于1.0mm，较理想的是小于等于0.5mm，更理想的是小于等于0.1mm。
本发明的蜂窝状结构体，由于其外周壁厚度小于等于2.0mm且非常薄，所以外周壁热容量小，可减小与薄壁或高气孔率的隔壁之间的热容量差距，并可提高烧结体整体的耐热冲击性。一方面，如果外周壁厚度考虑其强度及气体泄漏的话，则较理想的是大于等于0.1mm。
而且，本发明的蜂窝状结构体，由于这种薄外周壁具有厚度差小于等于1.0mm的极均匀的厚度，且烧结体整体的圆度具有小于等于1.0mm的优良圆度，所以外周壁各部的热容量差距几乎没有，且可降低外周壁的局部热应力的集中，并可由此提高烧结体的耐热冲击性。
再有，通过使外周壁厚度的差及圆度处于预定范围内，封装时的表面压力分布的偏差变小，且降低了封装时的局部损坏，特别是在薄壁化和隔壁的高气孔率化的蜂窝状结构体中有用。
在本发明中，通过将上述本发明的制造方法的条件控制在期望范围内，可制造外周壁厚度小于等于2.0mm、外周壁厚度差小于等于1.0mm、且圆度小于等于1.0mm的蜂窝状结构体，这样，由于能进一步提高上述耐热冲击性和封装性，所以较理想。
而且，此类蜂窝状结构体通过将多个流通孔在该流通孔开口的两端面以互相不同的位置封闭，可制成上述耐热冲击性和封装性优良的蜂窝状过滤器，并通过在隔壁上承载期望的催化活性金属，可制成上述耐热冲击性和封装性优良的蜂窝状催化体。
再有，在作为上述蜂窝状过滤器和蜂窝状催化体而使用的情况下，较理想的是由陶瓷构成，构成蜂窝状结构体的陶瓷有例如碳化硅、模来石、堇青石等。
此外，在本发明中，上述以外的方面，例如蜂窝状结构体的隔室结构等，对于其它结构上的特性没有特别的限制。例如，作为蜂窝状结构体隔室结构，其截面形状可举出圆、椭圆、三角、四边、或六边等。
其次，说明本发明的蜂窝状结构体的制造方法。
本发明的制造方法的特征在于：在制作具有多个流通孔的基本蜂窝状体后，除去包含基本蜂窝状体的外周壁及一部分隔壁的外周部，然后在除去该蜂窝状结构体外周部的隔壁露出部分上涂抹涂层剂并重新设置外周壁，再对该蜂窝状结构体重新形成的外周壁表面进行磨削机械加工。
这样，由于可用非常薄且热容量小的外周壁构成所得蜂窝状结构体，所以可通过薄型及高气孔率来减小热容量小的隔壁和外周壁的热容量差距，并可提高蜂窝状结构体的耐热冲击性。而且，由于除去基本蜂窝状体的外周部后，再形成外周壁，所以可除去变形的外周壁附近的隔壁，同时，可完全避免由烧制成形等引起的圆度下降的问题，并可提高蜂窝状结构体的耐封装性等。
再有，在本发明中，由于磨削重新设置的外周壁，所以在该外周壁中，可除去被称为涂层终端痕的比较大的凸部，及在外周整体上被识别为竖纹形貌的小凹凸部，并可得到具有平坦外周壁的蜂窝状结构体。因此，能以高生产效率制造具有既薄而有厚度均匀的外周壁且具有高圆度的蜂窝状结构体。通过机械加工，可提高作为烧结体所要求的圆柱度。下面将具体说明。
作为本发明中的基本蜂窝状体，通常可举出具备在隔壁之间具有多个流通孔的隔室体及设置在该隔室体周围的预备外周壁，并可用挤压成形等各种方法进行制作。
而且，作为基本蜂窝状体的原料可举出例如以陶瓷、金属等为主要成分的物体，也可根据需要添加各种添加物。再有，在本发明中，根据原料等，可在成形后进行干燥、烧制成形等必要工序。
在本发明中，作为除去基本蜂窝状体的外周部的方法通常有立式、卧式圆柱磨削盘等。
在本发明中，除去基本蜂窝状体的外周部的工序是以除去产生了隔室损坏等变形的隔壁为目的而进行的，较理想的是可靠地除去与外周壁一同产生该变形的隔壁。
在本发明中，作为除去基本蜂窝状体的外周部的磨削工具及对重新形成的外周壁表面进行磨削机械加工的磨削工具可举出：例如，具有砂轮和切削片等的磨削工具。较理想的是具有砂轮的磨削工具，该工具不存在蜂窝状结构体的破损问题，且可得到期望的尺寸精度。
在本发明中，对于在除去外周部的蜂窝状结构体的隔壁露出部分上涂抹涂层剂而重新设置外周壁的方法没有特别限制。例如，可举出使除去外周部的蜂窝状结构体的中心轴和旋转台的中心轴相一致并装载·固定，然后，一边使旋转台旋转一边向蜂窝状结构体的隔壁露出部分供给涂层材料以设置外周壁的方法。
实施例
下面将根据实施例来更具体地说明本发明，但是本发明并不局限于这些实施例。
实施例1
向堇青石化原料中添加水、粘合剂并混合，再用真空练泥机制作圆柱状坯土。将该坯土投入挤压成形机并通过期望形状的金属盖来制作蜂窝状的烧结体。这时，由于自重，蜂窝状的烧结体向其与支撑台相接触的面侧集中，且从外周面约两个隔室的隔壁发生变形。然后，在对该蜂窝状结构体进行进行介电干燥(誘電乾燥)后，切断两端部，再有，在两端面贴膜，并由激光在膜上开出方格花纹的孔。其次，在用压入机灌入具有期望粘度的泥浆后，进行干燥，并在流通孔开口的两端面上的互不相同的位置上进行封闭。再有，在1430℃下烧制成形5小时，得到外径160mm×长度200mm、隔壁厚度0.304mm、隔室密度46.5隔室/cm2的基本蜂窝状体。
然后，将所得基本蜂窝状体放置在能够除去因成形而变了形的约2个隔室的位置上，然后由使用车床的机械加工来除去包含外周壁及一部分隔壁的外周部。在除去外周部的隔壁露出部分上涂抹涂层材料，并重新设置2.5mm的外周壁。
最后，在外周壁加工成1mm厚度的位置上装载蜂窝状体，使用80#砂轮，砂轮转速2250rpm，砂轮进给速度6mm/sec，蜂窝状体的转速80rmp，在该条件下进行磨削机械加工以得到蜂窝状结构体。
比较例1
在实施例1中，除了使涂层厚度为1.5mm，及对重新形成外周壁的烧制成形体不施以磨削加工以外，与实施例1同样可得到蜂窝状结构体。
评价方法
对于由上述实施例1及比较例1所得的蜂窝状结构体，用以下所示方法评价。再有，为检查由实施例1及比较例1所得的蜂窝状结构体的表面状态，拍摄了蜂窝状体的实物照片，其分别由图2、图3及图4所示。
(1)外周壁厚度及涂层厚度
对于外周壁厚度的测定，在封装时进行外周壁上的该表面压力的分布测定，并将耐热冲击性试验结束后的蜂窝状结构体作为试验样本使用。在将该蜂窝状结构体沿轴向从两端部切取10mm的长度后，相对于轴向以10mm间隔垂直切断，在各切断片的切断面上，图1所示的外周面4和向外周部突出的壁部5的外周方向的端部3之间的长度由显微镜(尼康社制造)测定，并将该长度作为该处的外周壁厚度。用各测定位置中的厚度的平均值来表示外周壁厚度。
再有，在如此求得的各测定面上从测定结果所得的测定值中分别指定最大值和最小值，并求其差以作为涂层厚度。
(2)圆度
如上所述，将圆度定义为“〔(最大直径-最小直径)/2〕”，用市面上销售的激光位移测量仪在蜂窝状结构体轴向上在除去两端的10mm的部分的全长内以10mm间隔来测定各部位的直径长度，并由上式求得各截面的圆度，并以其中的最大值作为外周壁的圆度。
(3)封装时的外周壁上的表面压力分布
使由实施例1及比较例1所得的蜂窝状结构体介于厚度为2.5mm的垫片之间，并将蜂窝状结构体插入内面贴有压力传感器薄片的圆筒夹具中，以测定压力分布。圆筒夹具内径也与实施例1和比较例1相同。
(4)耐热冲击性
在将实施例1及比较例1所得的蜂窝状结构体在600℃的高温环境的电炉内静置30分钟后，取出到室温(20℃)环境气体中，并用肉眼确认外周壁有无龟裂发生。
(评价结果)
比较例1的蜂窝状结构体的外周壁厚度为1.5mm，外周壁厚度差(涂层厚度差)为1.2mm，圆度为1.2mm。而且，外周壁表面上具有图3及图4所示的凹凸，且封装时外周壁表面压力分布的偏差大。此外，在耐热冲击性试验中，在具有涂料终端痕的附近出现龟裂。
对此，在实施例1的蜂窝状结构体中，外周壁厚度为1.5mm，外周壁厚度差为0.1mm，圆度为0.05mm。而且，如图2所示，外周壁表面上几乎没出现凹凸，且封装时外周壁表面压力分布的偏差小。此外，在耐热冲击性试验中，外周壁上完全没出现龟裂。
表1
| 尺寸精度 | 评价 | ||||
| 圆度 | 光滑度 | 涂层厚度差 | 封装性 | 耐热冲击性 | |
| 实施例1 | 0.05mm | 光滑 | 0.1mm | 表面压力分布小 | 良好 |
| 比较例1 | 1.2mm | 有凹凸 | 1.2mm | 表面压力分布大 | 侧部有大的龟裂 |
实施例2～12、比较例2～10
利用与上述实施例1同样的方法，如表2所示，多次改变隔室形状、隔室密度、隔室壁厚度(隔壁厚度)、及外周壁厚，可得到外径356mm×长度356mm的蜂窝状结构体。
对于所得蜂窝状结构体，与实施例1同样地进行评价。结果在表2中展示。
(评价结果)
在表2中，取最大表面压力/最小表面压力的值来作为封装表面压力分布，且如果其值小于等于1.5则良好。如果其值超过1.5，则由于表面压力偏差变大，所以封装时蜂窝状结构体损坏的可能增大。
比较例2～10的蜂窝状结构体，其外周壁厚度为1～3mm、外周壁厚度差(涂层厚度差)为1～1.5mm、圆度为1.1～2mm。而且，外周壁表面上确认有高低落差，且封装时外周壁的表面压力分布几乎为超过1.5的大小。此外，在耐热冲击性试验中，产生的外周裂纹多。
与此相对，在实施例2～12的蜂窝状结构体中，外周壁厚度为1～2mm、外周壁厚度差(涂层厚度差)为0.2～1mm，圆度为0.05～1mm。而且，外周壁表面上没有高低落差，且封装时外周壁的表面压力分布最大为1.5，且大体偏小。此外，在耐热冲击性试验中，外周壁上完全没有龟裂。
表2
| 隔室形状 | 隔室密度(隔室/cm2) | 隔室壁厚度(mm) | 外周壁厚度(mm) | 圆度(mm) | 涂层厚度差(mm) | 外周面上的高低落差(目视结果) | 封装表面压力分布(最大表面压力÷)最小表面压力 | 耐热冲击性 | |
| 实施例2 | 四边形 | 46.5 | 0.25 | 2 | 1 | 1 | 无 | 1.5 | 无异常 |
| 实施例3 | 四边形 | 46.5 | 0.25 | 1.8 | 0.8 | 1 | 无 | 1.43 | 无异常 |
| 实施例4 | 四边形 | 46.5 | 0.25 | 1.6 | 0.5 | 0.8 | 无 | 1.32 | 无异常 |
| 实施例5 | 四边形 | 46.5 | 0.25 | 1.5 | 0.3 | 0.9 | 无 | 1.25 | 无异常 |
| 实施例6 | 四边形 | 46.5 | 0.25 | 2 | 0.1 | 0.6 | 无 | 1.1 | 无异常 |
| 实施例7 | 四边形 | 46.5 | 0.25 | 1 | 0.05 | 0.5 | 无 | 1.05 | 无异常 |
| 实施例8 | 四边形 | 46.5 | 0.1 | 1.5 | 0.9 | 0.6 | 无 | 1.45 | 无异常 |
| 实施例9 | 四边形 | 62 | 0.075 | 1 | 0.9 | 0.2 | 无 | 1.4 | 无异常 |
| 实施例10 | 四边形 | 93 | 0.05 | 1.5 | 1 | 0.6 | 无 | 1.49 | 无异常 |
| 实施例11 | 三边形 | 46.5 | 0.15 | 1.5 | 0.9 | 0.6 | 无 | 1.46 | 无异常 |
| 实施例12 | 六边形 | 46.5 | 0.15 | 1.5 | 0.8 | 0.6 | 无 | 1.44 | 无异常 |
| 比较例2 | 四边形 | 46.5 | 0.25 | 2 | 1.3 | 1 | 有 | 1.8 | 无异常 |
| 比较例3 | 四边形 | 46.5 | 0.25 | 2.5 | 1.1 | 1 | 有 | 1.5 | 外周有裂纹 |
| 比较例4 | 四边形 | 46.5 | 0.25 | 3 | 1.2 | 1.5 | 有 | 1.7 | 外周有裂纹 |
| 比较例5 | 四边形 | 46.5 | 0.25 | 1.8 | 1.4 | 1.4 | 有 | 1.9 | 外周有裂纹 |
| 比较例6 | 四边形 | 46.5 | 0.1 | 1 | 2 | 1 | 有 | 2.52 | 无异常 |
| 比较例7 | 四边形 | 62 | 0.075 | 2 | 1.1 | 1.5 | 有 | 1.55 | 外周有裂纹 |
| 比较例8 | 四边形 | 93 | 0.05 | 1.5 | 1.3 | 1 | 有 | 1.82 | 无异常 |
| 比较例9 | 三边形 | 46.5 | 0.15 | 2.4 | 1.5 | 1 | 有 | 2.2 | 外周有裂纹 |
| 比较例10 | 六边形 | 46.5 | 0.15 | 3 | 1.5 | 1 | 有 | 2.3 | 外周有裂纹 |
如上所述，根据本发明，通过圆度的提高可维持合适的封装状态，同时可提供耐热冲击性优良的蜂窝状结构体。此外，能够提供制造具备可发挥此类特性的均匀且薄的外周壁且具有高圆度的蜂窝状结构体的方法。因此，本发明的蜂窝状结构体可适用于排气净化用的过滤器或催化剂等。
Claims (10)
1.一种蜂窝状结构体，其具备具有多个流通孔的隔室体及被设置成包围该隔室体的外周壁，且具有以向蜂窝状结构体的外周方向突出的状态存在的壁部，其特征在于：
该外周壁包围向该蜂窝状结构体的外周部突出的壁部，并与位于蜂窝状结构体的隔室体最外端部分的隔室体的外周部上的隔壁紧密连接，并且该外周壁的厚度小于等于2.0mm，该外周壁的厚度差小于等于1.0mm，且外周壁的圆度小于等于1.0mm；
上述外周壁的圆度为：在蜂窝状结构体轴向上在除出两端的10mm的部分的全长内，以10mm间隔来测定各部位的直径长度，并由公式〔(最大直径-最小直径)/2〕求得各截面的圆度，以其中的最大值作为外周壁的圆度。
2.根据权利要求1所述的蜂窝状结构体，其特征在于：
所述圆度小于等于0.5mm。
3.根据权利要求1所述的蜂窝状结构体，其特征在于：
所述圆度小于等于0.1mm。
4.根据权利要求1所述的蜂窝状结构体，其特征在于：
所述外周壁的厚度大于等于0.1mm。
5.根据权利要求1所述的蜂窝状结构体，其特征在于：
所述外周壁是未烧制的。
6.根据权利要求1所述的蜂窝状结构体，其特征在于：
将所述多个流通孔在该流通孔开口的两端面上以相互不同的位置封闭。
7.根据权利要求1所述的蜂窝状结构体，其特征在于：
其由陶瓷制成。
8.一种蜂窝状结构体的制造方法，具有以下步驟：制作在隔壁之间具有多个流通孔的基本蜂窝状体；除去包含该基本蜂窝状体的该外周壁及一部分该隔壁的外周部；在除去了该外周部的隔壁露出部分涂抹涂层材料；重新设置外周壁，其特征在于：只对该重新设置的外周壁进行磨削机械加工。
9.根据权利要求2所述的蜂窝状结构体，其特征在于：
所述圆度小于等于0.1mm。
10.根据权利要求2所述的蜂窝状结构体，其特征在于：所述外周壁的厚度大于等于0.1mm。
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