CN108698253A - 用于蜂窝体的挤出组件 - Google Patents

Abstract

蜂窝挤出模具组装件(10)包括：蜂窝挤出模具(701)和用于阻隔批料流不到达至少一部分的形成表皮的区域的成形板(800)。蜂窝挤出模具(701)包括：形成表皮的区域中的台阶切割排出表面(758、760)以及至少一些狭缝(722)，所述至少一些狭缝(722)分别具有朝向排出表面(710)与进料孔狭缝相交处间隔开的凹台(312)以及位于排出表面(710)处延伸进入模具体到达凹台(312)的宽部分，从而强化加固区域中的蜂窝挤出物的周界区域以及对应于蜂窝体的块体区域的块体标称区段。

Description

用于蜂窝体的挤出组件

相关申请的交叉参考

本申请涉及2016年02月15日提交的美国临时申请系列第62/295,384号以及2016年02月11日提交的美国临时申请系列第62/294,199号，本文以其作为基础并将其全文通过引用结合于此。

背景技术

技术领域

本公开涉及诸如模具之类的挤出组件及其用来制作蜂窝体的方法，更具体地，本公开涉及挤出模具来挤出陶瓷组合物，及其用于制造陶瓷组合物的蜂窝体的方法。

技术背景

可以通过如下工艺来完成制造陶瓷蜂窝体：将陶瓷粉末批料混合物挤出通过蜂窝挤出模具，以形成蜂窝挤出物，以及对挤出物进行干燥和烧制以产生高强度和高热耐久性的陶瓷蜂窝体。由此生产的陶瓷蜂窝体被广泛地用作陶瓷催化剂支撑体和壁流式微粒过滤器，用于清洁流体。

蜂窝挤出模具会包括多个进料孔和销阵列，它们间隔开来从而限定排出狭缝的蜂窝网络。可以将模具安装到挤出设备的部分，以从陶瓷和/或陶瓷成形材料的批料挤出蜂窝体。

本背景技术部分所揭示的上述信息仅是为了增强对于本公开的背景技术的理解，因此其可能含有不形成任意现有技术部分或者现有技术可能暗示本领域技术人员的信息。

发明内容

本公开的实施方式提供了一种蜂窝挤出模具。

本公开的实施方式还提供了一种蜂窝挤出模具组装件。

本公开内容的其它特征将在以下描述中指出，它们中的部分通过该描述不难理解，或者可通过实施本公开内容而了解。

本文所揭示的一个实施方式的蜂窝挤出模具组装件包括：模具体，其包括入口表面和与入口表面相对的排出表面，以及布置在模具体入口表面上的成形板。模具体还包括：排出表面的形成表皮的区域；从入口表面延伸到模具体中的进料孔；以及从排出表面延伸到模具体中的排出狭缝的相交阵列，从而在模具体内与进料孔在相交处相连，排出狭缝的相交阵列是通过多个销的侧表面形成的，所述多个销受到狭缝的限制并从排出面延伸进入模具体中。形成表皮的区域包括：延伸进入模具体内的第一台阶，以及第二台阶，所述第二台阶布置成从第一台阶朝向外周界，并且比第一台阶更进一步进入模具体中。形成狭缝壁的销的侧表面的至少一部分包括凹台(divot)，所述凹台与进料孔狭缝相交处间隔开并且与排出表面间隔开，以及其中，所述多个狭缝包括：第一组狭缝(其在排出表面处的相邻销之间包括宽度W1)，和第二组狭缝(其在排出表面处的相邻销之间包括大于W1的第二宽度W2)，其中，从排出表面到凹台的W2是恒定的。布置在模具体入口表面上的成形板阻挡住对应于排出表面处的第一台阶的进料孔，其没有阻挡住对应于排出表面处的第二台阶的进料孔。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是示例性的，旨在对本公开进行进一步解释。

附图说明

附图用来帮助进一步理解本公开，其结合在说明书中，构成该说明书的一部分，附图显示了本公开的实施方式，与说明书一起用来解释本公开的原理。

图1是根据本公开实施方式的蜂窝挤出模具组装件的横截面示意图。

图2提供了实验数据图，显示以各种地带长度(land length)挤出的20密耳(0.51mm)棒材的切向热膨胀系数(CTE)。

具体实施方式

在此将参照附图更完整地描述本公开，其中，本公开的附图中给出了示例性实施方式。但是，本公开可以以许多不同的方式实施，不应被解读成限定于在此提出的示例性实施方式。相反，提供的这些实施方式使得本公开透彻而完整，能够向本领域技术人员完全地展示权利要求书的范围。在附图中，为了清晰起见，可能放大了层和区域的尺寸和相对尺寸。

附图中相同的附图标记表示相同元素。应理解的是，出于本公开的目的，“X、Y和Z中的至少一种”可解释为仅有X、仅有Y、仅有Z，或者X、Y和Z中的两个或更多个项目的任意组合。

可以通过如下工艺完成多孔陶瓷蜂窝体的制造：对陶瓷粉末批料混合物进行塑化，将混合物挤出通过蜂窝挤出模具以形成蜂窝体，以及对蜂窝体进行切割、干燥和烧制以产生高的强度和热耐久性的多孔陶瓷蜂窝体，其具有从第一端面轴向延伸到第二端面的通道。在以轴向离开挤出机之后，批料变硬成为湿挤出物，所述湿挤出物包括轴向延伸的相交壁(网络)网，其形成轴向延伸的通道和轴向延伸的外周界表面。网络和通道包括基质。布置在基质的外周界的是外周界表面。可以通过共挤出表皮或者整体形成的共挤出表皮来提供外周界表面，或者统称为表皮。从挤出时在基质上具有表皮的生坯物蜂窝体形成的多孔陶瓷蜂窝体以及生坯蜂窝体可以被称作挤出待成形蜂窝体。如本文所用，陶瓷蜂窝体包括陶瓷蜂窝整体件和区段式陶瓷蜂窝体以及蜂窝体区段。如本文所用，蜂窝体可以被称作湿生坯物体或者经干燥的生坯物体，或者经烧制物体、蜂窝挤出物、蜂窝段、蜂窝件或者蜂窝制品。

共挤出的外表皮或后施涂的外表皮可以形成外周表面，其以轴向从陶瓷蜂窝体的第一端面延伸到第二端面。无论是整体式或者区段式，被相交壁(例如网络)限定的蜂窝体的每个通道都可以在入口面或出口面堵住，以产生过滤器。当留下一些通道未被堵住时，可以产生部分过滤器。无论是整体式或者区段式，蜂窝体都可以经催化以产生基材。在本文中，通常将未堵住的蜂窝体称作基材。经催化的基材可以具有后施涂的催化剂或者可以包括挤出的催化剂。此外，过滤器和部分过滤器可以被催化以提供多种功能性。由此产生的陶瓷蜂窝体被广泛地用作支撑体、隔膜支撑体、壁流式过滤器、部分过滤器及其组合，用于清洁流体，例如对发动机废气进行净化。

陶瓷蜂窝体组成没有特别的限制，并且可以包括大量和少量的堇青石、钛酸铝、多铝红柱石、β-锂辉石、碳化硅、沸石等，及其组合。作为另一个例子，陶瓷蜂窝体可以包括经挤出的沸石或者其他经挤出的催化剂。

本公开的实施方式涉及蜂窝挤出模具组装件。挤出模具组装件可以包括蜂窝挤出模具(模具)和成形板(流动控制装置)。一些实施方式还可包括形成表皮的掩膜。2013年01月8日公告的美国专利第8,348,659号描述了掩膜和成形板，其全文通过引用结合入本文。

图1是根据本公开实施方式的蜂窝挤出模具组装件10的横截面示意图。蜂窝挤出模具组装件10包括：蜂窝挤出模具701，以箭头“A”所示的批料流动方向布置在位于蜂窝挤出模具701下游的掩膜900，以及以批料流动方向布置在蜂窝挤出模具701上游的成形板800。蜂窝挤出模具701包括：狭缝，所述狭缝包括以朝向排出表面710与进料孔304的相交处间隔开的凹台(divot)312，和在排出表面710处的延伸进入模具701的宽部分722，所述宽部分722位于加固区中，所述加固区布置成从标称狭缝朝向模具周界，所述标称狭缝在排出面710、第一周界台阶758、第二周界台阶760具有凹台但是不具有宽部分722，所述第二周界台阶760布置成从第一周界台阶758朝向模具周界，以及布置在排出表面710与第一周界台阶758之间的形成表皮的表面744。掩膜900包括：导流表面914，所述导流表面914面朝排出表面中的第一周界台阶758和第二周界台阶760处的排出表面；以及面朝形成表皮的表面774的引导表面924。成形板800包括流动孔810，其布置成相对于阻隔区段804径向朝外。阻隔区段804布置在蜂窝挤出模具701的周界进料孔306上，用于阻挡批料流Q2到达周界进料孔306，所述周界进料孔306将批料进料到狭缝764，所述狭缝764从第一周界台阶758延伸进入模具体中。流动孔810布置成提供批料流Q1到达蜂窝挤出模具701的周界进料孔302，所述周界进料孔302将批料进料到从排出表面中的第二周界台阶760延伸进入模具体内的狭缝。

成形板800可以布置在模具的上游侧上，并且有效地改变模具701的下游侧上的表皮区域904、908中的批料Q2的流动路径，所述表皮区域904、908是在掩膜900与模具的排出表面758之间和在模具的形成表皮的表面(表皮坡道(skin ramp))774与掩膜924之间。成形板800可以防止或者限制批料流Q2进入任意数量的进料孔306，同时允许流Q1和Q3的其他区域畅通无阻地填充导流面914与第二周界台阶760之间的空间916和畅通无阻地填充加固区中的狭缝704和块体区中的标称狭缝。如本文所揭示的那样，成形板800可以限制流体到达进料孔306，所述进料孔306提供流动到表皮坡道904和掩膜908下面的区域，该区域与表皮坡道744紧密靠近(例如，距离表皮坡道744约为2个孔道距离，如图1所示)。在至少一些实施方式中，限制批料流动到这些特定区域可以避免导致在表皮至基质相交处的挤出待成形表皮中的部分蜂窝体中的颗粒未对准(例如，由于板状批料颗粒(例如，板状滑石)的未对准)，例如这是由于从网络狭缝764进入表皮中，这可能导致陶瓷糊料中的高长宽比颗粒(例如，滑石)的未对准。高长宽比颗粒的未对准会导致后续在烧制之后的无规晶体结构，增加表面CTE。蜂窝体的表面与基质之间的平均切向CTE差异产生会导致表皮开裂的表皮应力。

优选地，相同量的批料到达表皮坡道904和掩膜908下与表皮坡道紧密靠近的区域，以填充掩膜下的体积，主要来自不同的流动路径，从而可以避免颗粒的未对准。成形板800可以改变流动路径，绕开被成形板阻挡(metered)的进料孔306引导更多的批料流Q2，从而导致较少流从网络狭缝764流入表皮904中，从而限制高长宽比颗粒的未对准。

为了提供所需的来自交替路径Q1、Q3、Q4的批料流动，采用掩膜下较长的流动路径，并且该路径的阻抗(或阻力)可以较大，并且这会导致质量不足或者质量不够的流体填充掩膜下的体积。为了补偿这种较高阻抗的流动路径，可以采用在模具的下游侧上切割出的“台阶状切割”758、760类型的表皮形成体。这种“台阶状切割”758、760结合了第二较深的切割760，其位于的半径比成形板804的外阻隔边缘更大，并且可以向外延伸到周界。模具正面上的这种较深的切割760具有降低批料流动阻力的作用，因为狭缝使得批料流移动通过模具时遇到的任何模具特征件具有最大的流动阻力。利用台阶状切割760中较低的流动阻力，批料可以流动通过掩膜900下的较长路径，使得当成形板800与模具701的上游侧附连时具有足够的体积和速度来填充表皮成形体的体积904、908。图2表示的实验室结果显示较长的路径(地带)758长度对于挤出棒材(表皮)CTE的影响(得到挤出成各种地带长度的20密耳棒材中的切向CTE)。基于该实验室工作可以看出，最小的“表皮”路径长度可以被认定为提供足够的颗粒对准。在这里，在用于形成具有2密耳(0.002英寸或者0.051mm)壁的高长宽比滑石组合物上，发现最小的地带758长度是1.5mm(.060”)。在0.020英寸(0.51mm)的较短地带长度上观察到CTE和未对准的增加。

(例如，由高强度材料(例如不锈钢)形成的)挤出模具包括模具体，其提供有进料孔，将塑化陶瓷批料材料引入其中进入到模具中。与进料孔连接的是排出狭缝，其终止于模具的排出面，塑化的批料材料以蜂窝挤出物的形式由此排出，所述蜂窝挤出物具有围绕着形状且与周界壁粘附的外挤出表皮。

出于生产具有比内壁更大厚度的更为牢固的周界壁的目的，提供了更宽的周界排出狭缝。可以通过例如用适当宽度的极耳电极(tab electrode)的插入EDM加工来实现狭缝加宽。由此，狭缝加宽导致增厚的周界蜂窝体壁，这可以为经过干燥和烧制的蜂窝结构提供增加的强度。但是，增厚的周界壁可能发生变形，这种变形阻碍了所需的强化，并且在一些情况下降低了经烧制的蜂窝体的强度。

本公开的实施方式涉及一种新的模具设计，其至少包括这样一些模具狭缝，每个模具狭缝具有以朝向排出表面与进料孔的相交处间隔开的凹台以及位于排出表面处的宽部分，所述宽部分延伸进入模具体中到达凹台，这是在绕着排出表面的标称狭缝宽度的块体区域的周界区域中，从而根据本公开的一些实施方式强化了蜂窝挤出体的周界区域。这些实施方式探究了较宽的狭缝部分与凹台之间的相互作用，这有助于例如避免批料流动的双稳态和来自批料对于批料流的压力增加，并且有助于提供加固区域的宽狭缝部分中的正确批料流动所需的阻抗曲线。根据这些实施方式，模具能够产生具有朝向外周界不断增加的壁宽度的蜂窝体。根据这些实施方式，通过模具的挤出展现出良好填充的周界模具狭缝，导致符合蜂窝体的加固区域中的目标壁厚，这可有助于避免挤出缺陷，例如靠近周界的壁变形和蜂窝体的加固区域与块体区域之间的撕裂。

根据这些实施方式，凹台可以布置在沿着狭缝深度的位置，以提供周界流动从而改善块体流动平衡，同时维持凹台对于降低流动缺陷(例如，非织造和翘曲网络)以及后续烧制缺陷(例如，多孔陶瓷壁中的裂纹)的贡献，以及加固区域为蜂窝体提供改善的强度(例如，更高的等静强度和/或减少的碎片)。

通过宽部分722的批料流增加还提供了批料流Q4到达表皮区域，如图1所示，所述宽部分722是在周界区域中，在排出表面710处延伸进入模具体中到达凹台312。来自这些切割成凹台狭缝704的额外批料流Q4(相对于标称狭缝或者在包括了排出表面处延伸进入模具体但是没有一直到达凹台的宽部分的狭缝而言)，以及与来自台阶切割表皮形成体模具排出表面760、758的额外的批料流一起为形成表皮的区域908、904提供了充足的批料(成形板800可能使得批料缺乏)，同时仍然减少或消除形成表皮的区域中会导致高长宽比批料颗粒的未对准的短流动路径。优选地，减少或消除了表皮开裂和撕裂，同时降低了蜂窝体中的表面CTE与基质CTE之间的差异。由此，至少在一些实施方式中，切割成凹台宽狭缝722、台阶切割表皮形成体模具排出表面760、758、以及成形板800可以提供协同作用，以降低蜂窝体的表皮与基质之间的平均切向CTE差异，并因此优选地降低表皮开裂的量、长度和/或宽度。

在一些实施方式中，蜂窝体可以包括约为100-1200个孔道每平方英寸(cpsi)的孔道壁，以及模具701具有相应的狭缝密度。典型的孔道壁厚和对应的模具狭缝宽度可以约为0.025-1.5mm(约1-60密耳)。例如，蜂窝体200和模具700的几何形貌可以是400cpsi，其壁厚/狭缝厚度约为8密耳(400/8)或者壁厚/狭缝厚度约为6密耳(400/6)。其他几何形貌包括例如，100/17、200/12、200/19、270/19、350/3、400/3、400/4、500/2、600/2、600/3、600/4、750/2、900/2、900/3、1200/2以及甚至750/1和900/1。蜂窝体200可以具有如下孔道壁和正方形结构的孔道，或者例如六边形、八边形、三角形、矩形或任何其它合适形状的孔道形状。此外，虽然多孔状蜂窝体200的外周界横截面可以是圆形的，但是并不限于此，例如，横截面可以是椭圆形、正方形、矩形、或者其他所需形状，及其组合。

对本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离本公开的精神或范围的情况下对本公开进行各种修改和变化。因此，考虑所附权利要求书覆盖了本文的修改和变化形式，只要它们落在所附权利要求及其等同方式的范围之内。

Claims (5)

1.一种蜂窝挤出模具组装件，所述蜂窝挤出模具组装件包括：

模具体，所述模具体包括：

入口表面和与所述入口表面相对的排出表面；

所述排出表面的形成表皮的区域，所述形成表皮的区域包括：

延伸进入所述模具体内的第一台阶和第二台阶，所述第二台阶布置成从所述第一台阶朝向外周界，并且比所述第一台阶更进一步进入所述模具体中；

从所述入口表面延伸进入所述模具体内的进料孔；

从所述排出表面延伸到所述模具体中的排出狭缝的相交阵列，从而在所述模具体内与所述进料孔在相交处相连，所述排出狭缝的相交阵列是通过多个销的侧表面形成的，所述多个销受到狭缝的限制并从排出面延伸进入所述模具体中，

其中，所述销的至少一些形成狭缝壁的侧表面包括凹台，所述凹台与所述进料孔-狭缝相交处间隔开以及与所述排出表面间隔开，以及

其中，所述多个狭缝包括：

第一组狭缝，其在所述排出表面处的相邻销之间包括宽度W1，和

第二组狭缝，其在所述排出表面处的相邻销之间包括大于W1的宽度W2，其中，W2从所述排出表面到所述凹台是恒定的；

布置在模具体入口表面上的成形板，其阻挡住对应于所述排出表面处的第一台阶的进料孔，其没有阻挡住对应于所述排出表面处的第二台阶的进料孔。

2.如权利要求1所述的蜂窝挤出模具，其特征在于，所述第一组狭缝包括至少一些所述凹台，以及W1从所述排出表面到所述凹台是恒定的。

3.如权利要求1-2中任一项所述的蜂窝挤出模具，其特征在于，W1从所述进料孔-狭缝相交处到所述凹台是恒定的。

4.如权利要求1-3中任一项所述的蜂窝挤出模具，其特征在于，所述第二组狭缝中的狭缝布置成从所述第一组狭缝朝向所述模具的周界区域。

5.如权利要求1-4中任一项所述的蜂窝挤出模具，其特征在于，所述第二组狭缝围绕所述第一组狭缝。