CN1960817A - 打褶的烧结金属纤维介质 - Google Patents

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Abstract

作为本发明主题的烧结金属纤维介质包括至少一个褶皱，所述褶皱包括按照第一平面呈现的第一腿部、以及按照第二平面呈现的第二腿部。第一平面和第二平面沿着交线按照二面角θ相交。褶皱包括用来结合第一腿部和第二腿部的弯曲部分。介质在腿部处具有平均厚度T1。作为本发明主题的烧结金属纤维介质的特征在于弯曲部分包括与交线大致平行的至少一个不同线性区域，介质在所述线性区域中具有最小厚度Tb，Tb小于T1。在弯曲部分的线性区域中，介质的厚度减少，因此Tb小于T1的0.5倍。而且，还公开了一种提供这种褶皱的烧结金属纤维介质的方法。

Description

打褶的烧结金属纤维介质
技术领域
本发明涉及烧结金属纤维介质，并且更具体地说，涉及打褶的烧结金属纤维介质以及用于使烧结金属纤维介质打褶的方法。
背景技术
烧结金属纤维介质在现有技术中是已知的。更具体地，公知地其用于液体或气体过滤，比如举例来说聚合物和墨水喷射过滤或热气体过滤，例如内燃机排放过滤应用中的粉尘过滤。
对于使用烧结金属纤维介质的大多数应用，重要的是在使用介质的过滤器芯子的每一体积中提供尽可能多的过滤介质。现有技术中已知的是将烧结金属纤维介质打褶以制成类似“手风琴”的打褶介质。
然而，烧结金属纤维介质具有缺点：难以打褶为U形；两个腿部之间的角度很小，例如小于90°，或者在极端情况下具有彼此间大致平行的腿部，也就是角度为0°。
US6276045B1描述了一种使烧结金属纤维介质打褶的方法，同时避免了烧结金属纤维介质在褶皱侧翼的不利变形。
烧结金属纤维介质的打褶可能会导致烧结点在弯折的外侧面处破裂，尤其是在烧结金属纤维介质所弯曲过的角度大于120°时。为此，通常避免角度小于100°的弯曲，或者在介质弯曲外侧面提供其它手段来避免这种破裂。这种方式可以是金属网或栅格。
在烧结点出现破裂时，烧结金属纤维介质在纤维破裂位置处的机械性能就被大大地改变而不能确保在使用打褶的烧结金属纤维介质期间具有足够的强度。
烧结金属纤维介质可以在腿部之间的角度保持相对较大的同时进行打褶。
在其中褶皱具有更类似“V形”的倾向或者提供了更加“Z”形的烧结金属纤维介质的情况下，过滤器芯子每单位体积中烧结金属纤维介质的增加就受到限制。
按照在腿部平面之间具有所需小角度(比如小于90°，或者甚至具有大致平行的腿部)的U形褶皱进行打褶的烧结金属纤维介质能利用一种弯曲部件来获得，其中在与弯曲部件的结合处提供了腿部之间的较大间距，其中避免了具有太小弯曲半径的弯曲部件。在间距太小的情况下，例如小于介质厚度的5倍，烧结金属纤维介质在U形的内侧面具有以不受控的方式颠倒的倾向，这甚至会导致烧结结构在该内侧处破裂。
但是由于选择了较大的间距，过滤器芯子每单位体积中烧结金属纤维介质的增大就由于U形腿部之间所述的大间距而受到限制。
在内燃机粉尘过滤应用中，捕获的粉尘可以通过利用其导电性加热介质而从烧结金属纤维介质过滤器中去除。电流供应至介质并且由从介质的一端传导至另一端。由于焦耳效应，烧结金属纤维介质就被加热并且易燃的粉尘就被点燃，从而随着碳和其它含碳颗粒被转变为CO2而去除。在烧结金属纤维介质用于这种电地更新的过滤器并且当倾向于发生烧结点的破裂时，由于过大的电流在破裂处穿过减少量的烧结纤维，打褶的烧结金属纤维介质具有在纤维破裂处烧穿的倾向。
发明内容
本发明的一个目标是提供一种克服现有技术问题的打褶的烧结金属纤维介质。
本发明的另一目标是提供一种对烧结金属纤维介质进行打褶的方法，其避免了在弯曲的外侧处烧结点的破裂。
本发明的另一目标是提供一种使烧结金属纤维介质打褶的方法，从而提供褶皱的两个腿部之间具有很小角度(角度小于90°，或者甚至具有大致平行的腿部)的烧结金属纤维介质，以避免烧结结构在弯曲部分外表面处破裂，并且在U形的内侧具有受控的颠倒，以及避免烧结结构在U形的内侧处破裂。
作为本发明主题的烧结金属纤维介质包括至少一个褶皱，所述褶皱包括按照第一平面呈现的第一腿部、以及按照第二平面呈现的第二腿部。第一平面和第二平面沿着交线以二面角θ相交。褶皱包括用来结合第一腿部和第二腿部的弯曲部分。介质在腿部处具有平均厚度T1。弯曲部分至少包括与交线大致平行的第一不同线性区域，介质在第一线性区域中具有最小厚度Tb，Tb小于T1。作为本发明主题的烧结金属纤维介质的特征在于Tb小于T1的0.5倍，更优选地小于或等于T1的0.45倍，或者甚至小于或等于T1的0.4倍。
因此在弯曲部分的线性区域中，介质的厚度减小。
术语“最小厚度”理解为在介质厚度减小的线性区域中测得的最小厚度。
还发现，介质厚度减少至一定程度的线性区域的宽度W优选地等于或大于T1-Tb，并且更优选地等于或大于T1-Tb的1.5倍，或者甚至等于或大于T1-Tb的1.75倍，比如等于或大于T1-Tb的2倍。宽度W测量为当两个腿部的两个平面对准时线性区域的两个边缘之间的平均距离。
已经发现，作为本发明主题的这种烧结金属纤维介质在利用线性区域作为弯曲轴线时更易于打褶，提供两个按照两个相交平面呈现的腿部，两个相交平面以小于180°并且优选地大于90°的二面角相交，而不会有烧结金属纤维介质在褶皱的外表面处出现裂纹或破裂的危险。
按照本发明，弯曲部分可以仅包括一个其中介质厚度减小至最小厚度Tb的线性区域。
作为一个可选方案，弯曲部分可包括两个彼此间大致平行的线性区域，所述区域优选地具有大致相等的最小厚度。
尽管在这种两个大致平行的线性区域的情况下，优选地在由腿部所限定的两个相交平面之间可获得小于90°的二面角θ，但是介于180°和90°之间的二面角也是可能的。
二面角θ定义为由腿部内表面所限定的平面之间的角度，在这两个腿部之间，可以呈现一个、两个或更多大致平行的线性区域以获得烧结金属纤维介质的一个褶皱。
还可以使用两个以上的具有减薄厚度的线性区域来在作为本发明主题的烧结金属纤维介质中形成褶皱。已经注意到，在使用超过一个的具有减薄厚度的线性区域时，在弯曲期间和弯曲之后，弯曲部分的相邻线性区域之间的介质会显示增大的介质厚度。这是由于线性区域之间介质中纤维的颠倒。
已经发现，在弯曲部分的相邻线性区域之间的距离D被选择为至少等于或大于第一区域的宽度W和第二区域的宽度中的最大者时，能避免或限制和控制这种颠倒。然而D可以在W至5倍T1的范围内，或者甚至在W至4倍T1的范围内，比如在从W至3倍T1的范围内，例如在从W至2倍T1的范围内。因此，烧结金属纤维介质可具有U形褶皱，其介质的侧翼彼此间比现有技术更靠近，并且U形内侧处以受控、均匀的方式颠倒而不会导致烧结结构在该侧以及褶皱的外侧处破裂。距离D测量为第一线性区域的边缘和第二线性区域的边缘之间的平均距离，在两个腿部的两个平面对准时，所述边缘彼此相邻。
令人惊奇地，已经发现，对于作为本发明主题的所有烧结金属纤维介质，褶皱外表面处的纤维不会从作为本发明主题的烧结金属纤维介质的外表面破裂或突出。而且，仅仅一小部分介质用来进行弯曲。
由于基本上没有纤维在弯曲的外表面处破裂，在烧结金属纤维介质用作电加热介质(例如电更新的粉尘过滤器)时，注意到没有发生烧穿。另一优点在于，在利用超过一个的具有减薄厚度的线性区域时，弯曲的曲率能容易地通过选择性地选择不同线性区域的位置而成形。可以提供具有大致平行的腿部平面(二面角θ基本上等于0°)的精确定位的U形。
这种烧结金属纤维介质能通过利用作为本发明主题的使烧结金属纤维介质打褶的方法获得。
作为本发明主题的使烧结金属纤维介质打褶的方法包括步骤：
·提供具有厚度T1的烧结金属纤维介质；
·至少在第一线性区域上将介质厚度减小至厚度Tb，Tb是在线性区域测量得到的最小厚度，Tb小于T1的0.5倍；
·利用线性区域作为弯曲轴线，在线性区域两侧处将介质部分弯曲至介质的同一侧，以获得按照第一平面呈现的第一腿部和按照第二平面呈现的第二腿部，第一平面和第二平面沿着交线以二面角θ相交。
应当理解到，至少在第一直线厚度减小至最小厚度Tb优选地使得Tb小于或等于T1的0.45倍，或者甚至小于或等于T1的0.4倍，其中T1是介质在褶皱腿部处的平均厚度。
根据作为本发明主题的方法的一个步骤的厚度减小能以多种方式进行，例如通过在烧结金属纤维介质的一侧处将线形模具压入烧结金属纤维介质。可选地，旋转轮能被压到烧结金属纤维介质的一侧上，并且按照第一直线在烧结金属纤维介质的表面上移动，同时旋转轮被压入烧结金属纤维介质。如果需要，可以利用相同或第二轮以类似的方式提供第二条大致平行的直线。可选地，在需要两条平行直线时，沿着其圆周具有两个平行凸缘的旋转轮可用来在两个线性区域处减小厚度。
在两个线性区域的情况下，在两个区域之间，限定了一部分烧结金属纤维介质，其用作烧结金属纤维介质在进行弯曲步骤之后获得的弯曲部分。这个部分的宽度等于相邻线性区域之间的距离D。
在两个线性区域的情况下，第一区域的宽度和第二区域的宽度彼此间可大致相等。
获得宽度为W且介质最小厚度为Tb的线性区域。已经发现，优选地将宽度W选择为等于或大于T1-Tb。甚至更优选地，W等于或大于T1-Tb的1.5倍，或者甚至等于或大于T1-Tb的1.75倍，比如等于或大于T1-Tb的2倍。这适用于仅使用一个线性区域的情况。这也适用于在使用了两个这种线性区域的情况下两个线性区域之一。然而，优选地在使用两个这种线性区域的情况下这适用于这两个线性区域。
在仅使用一个线性区域的情况下，尽管可获得小于90°的二面角，但是通过弯曲步骤优选地可提供介于180°和90°之间的二面角。
为了获得两个腿部的平面处于甚至小于90°(即介于90°和0°之间)的二面角之下的褶皱，使用了至少两个大致平行的线性区域。
优选地，这两条直线之间的距离D被选择为大于线性区域的宽度W。然而D也可以处于W至5倍T1的范围内，或者甚至处于W至4倍T1的范围内，比如在从W至3倍T1的范围内，例如在从W至2倍T1的范围内。距离D测量为第一线性区域的边缘和第二线性区域的边缘之间的平均距离，在两个腿部的两个平面对准时，所述边缘彼此相邻。
令人惊奇地，已经发现，在这种方法用来使烧结金属纤维介质打褶时，打褶的烧结金属纤维介质能被打褶成提供具有两个腿部的褶皱，所述两个腿部处于在交线处优选地在180°和90°范围内的二面角，因此褶皱外表面处的纤维不会破裂或从这个外表面突出。同时仅一小部分介质用来进行弯曲。
作为本发明主题的烧结金属纤维介质可利用任何已知的金属纤维提供。金属纤维例如由钢制成，比如不锈钢。优选的不锈钢合金是AISI300或AISI 400系列合金，比如AISI 316L或AISI 347，或者使用包括Fe、Al和Cr的合金，包括铬、铝和/或镍和重量百分比为0.05至0.3％的钇、铈、镧、铪或钛的不锈钢，比如DIN1.4767合金或Fecralloy。也可以使用铜或铜合金或者钛或钛合金。
金属纤维也可以由镍或镍合金或者铝或铝合金制成。
金属纤维可以由任何目前已知的金属纤维生产方法制成，例如通过捆束拉拔操作、通过如JP3083144所述的线圈剃削(coil shaving)操作、通过导线剃削操作(比如钢丝棉)或者通过由熔融金属合金池提供金属纤维的方法。
用来形成烧结金属纤维介质的金属纤维的特征在于具有当量直径Df。金属纤维的当量直径意思是与纤维的径向横截面表面具有相同表面的虚拟圆的直径。
优选地，金属纤维的当量直径Df小于100μm，比如小于65μm，更优选地小于36μm，比如35μm、22μm或17μm。金属纤维的当量直径Df也可能小于15μm，比如14μm、12μm或11μm，或者小于9μm，比如8μm。金属纤维的当量直径Df甚至可以小于7μm或者小于6μm，例如小于5μm，比如1μm、1.5μm、2μm、3μm、3.5μm或4μm。
烧结金属纤维介质的平均厚度优选地小于5mm，比如小于2.5mm或者小于2mm。
烧结金属纤维介质可具有范围广泛的机械性能。举例来说，作为本发明主题的金属纤维介质的孔隙度可以在50％和99.9％之间变化，比如更优选地介于60％和95％之间。
术语“孔隙度”P被理解为
P＝100-d
其中
d＝(1m3烧结金属纤维介质的重量)/(SF)
其中
SF＝形成烧结金属纤维介质的金属纤维的每立方米合金的比重。
烧结金属纤维介质可包括一层或多层彼此相同或不同的金属纤维。不同的层可在厚度、每表面单元的重量、孔隙度、金属纤维(比如合金)中的差异、当量直径以及很多更大的方面上变化。
要理解的是，作为本发明主题的烧结金属纤维介质中的褶皱数目可在很大程度上变化，并且能根据烧结金属纤维介质的预期应用来选择。褶皱的形状以及相邻褶皱之间腿部的长度对于烧结金属纤维介质中的所有弯曲都是相等的。
下面将更详细地描述本发明的一些实施例。
附图说明
下面将参照附图更详细地描述本发明，在附图中：
图1a和1b、图2以及图3a和图3b示意性地示出了作为本发明主题的烧结金属纤维介质。
图4a、图4b和图4c、图5a、图5b和图5c以及图6a、图6b和图6c示意性地示出了用于提供作为本发明主题的烧结金属纤维介质的方法。
具体实施方式
图1a和1b中示意性地示出了作为本发明主题的烧结金属纤维介质100，其包括一个褶皱101。
图1b是从图1a的烧结金属纤维介质沿着平面AA’的横截面。
褶皱101包括第一腿部120、第二腿部130和弯曲部分140。第一腿部120按照平面121呈现并且第二腿部130按照平面131呈现。在平面121和131按照交线相交的相交处150，测量二面角θ。
在腿部120和130处，烧结金属纤维介质具有平均介质厚度T1。如图1a所示，在褶皱的弯曲部分，呈现线性区域160。在该区域，能测量出最小厚度Tb，对于与线性区域的长度垂直的每个横截面，该最小厚度Tb优选地大致相等。
举例来说，包括由AISI 316L合金捆束拉拔出的不锈钢纤维且厚度T1为1.35mm的烧结金属纤维介质具有一个包括弯曲区域的褶皱，其中厚度通过将直径为2mm的线材压入介质0.95mm深度而减小。线性区域的宽度W是1.99mm。弯曲区域140的横截面示出了线材圆周的印记。线性区域160中测量出的Tb为0.4mm。金属纤维介质100能容易地弯曲，在由腿部120和130限定的两个平面121和131之间提供二面角θ，其范围从180°到80°，并且介质不会在弯曲部分的外表面170处形成裂纹。在Tb为1.05mm至1.25mm时，获得类似的结果。对于这些实施例，W等于2mm。
提供一个实施例，其使用包括由AISI 316L合金捆束拉拔出的不锈钢纤维且厚度T1为2.1mm的烧结金属纤维介质。该介质具有一个包括弯曲区域的褶皱，其中厚度通过将直径为2mm的线材压入介质1mm或更大的深度而减小。线性区域的宽度W是2mm。弯曲区域140的横截面示出了线材圆周的印记。线性区域160中测量出的Tb为1mm或更小。金属纤维介质100能容易地弯曲，在由腿部120和130限定的两个平面121和131之间提供二面角θ，其范围从180°到90°，并且介质不会在弯曲部分的外表面170处形成裂纹。
如图2所示，与图1a和图1b中的褶皱相同的褶皱201能被用来提供Z形烧结金属纤维介质200。这通过在烧结金属纤维介质200的第一侧面210和第二侧面220上交替地形成褶皱而获得。
图3a和3b中示意性地示出了作为本发明主题的烧结金属纤维介质300，其包括一个褶皱301。
图3b是从图3a的烧结金属纤维介质沿着平面BB`的横截面。
褶皱301包括第一腿部320、第二腿部330和弯曲部分340。第一腿部320按照平面321呈现并且第二腿部330按照平面331呈现。在平面321和331的相交处350，可以测量出二面角θ。
在腿部320和330处，烧结金属纤维介质具有平均介质厚度T1。如图3a所示，褶皱的弯曲部分包括两个线性区域361和362。在这些区域，能测量出最小厚度Tb，对于与线性区域的长度垂直的每个横截面，该最小厚度Tb优选地大致相等。
提供一个实施例，其使用与图1a和图1b所示实施例中的烧结金属纤维介质相同的烧结金属纤维介质。该介质具有包括弯曲区域的褶皱，在该弯曲区域中通过将两个直径为2mm且大致平行的线材压入介质0.95mm或更大的深度而减小厚度。线性区域的宽度W是1.99mm至2mm。弯曲区域340的横截面示出了线材圆周的印记。线性区域361和362中测量出的Tb为0.45mm或更小。金属纤维介质300能容易地弯曲，在由腿部320和330限定的两个平面321和331之间提供二面角θ，其范围从180°到大约0°，并且介质不会在弯曲部分的外表面370处形成裂纹。注意到褶皱的内侧面371处具有金属纤维的隆起380。这可以通过将相邻线性区域361和362之间的距离D选择为大于W而减小。
图4a、图4b和图4c示意性地示出了用于提供作为本发明主题的烧结金属纤维介质的方法。
在图4a所示的第一步骤，提供烧结金属纤维介质400，其具有平均厚度T1。
在图4b所示的下一步骤，烧结金属纤维介质400的厚度在线性区域401上通过将模具404压入烧结金属纤维介质400的表面402中而降低。能测量出线性区域401中的最小厚度Tb。线性区域401具有宽度W。
在图4c所示的下一步骤，通过将线性区域401用作弯曲轴线433来弯曲两个腿部从而将两个腿部431和432带向彼此。弯曲进行到两个平面441和442形成二面角θ。
图5a、图5b和图5c示意性地示出了用于提供作为本发明主题的烧结金属纤维介质的可选方法。
在图5a所示的第一步骤，提供烧结金属纤维介质500，其具有平均厚度T1。
在图5b所示的下一步骤，烧结金属纤维介质500的厚度在两个大致平行的线性区域510和520上通过将模具504压入烧结金属纤维介质500的表面502中而降低，所述模具具有呈两个将被压入介质的凹陷形式的两个较厚区域。能测量出线性区域510和520中的最小厚度Tb。线性区域510和520具有宽度W并且其间距离为D。
在图5c所示的下一步骤，通过将线性区域510和520用作所谓的弯曲轴线533来弯曲两个腿部从而将两个腿部531和532带向彼此。弯曲进行到两个平面541和542形成二面角θ。
图6a、图6b和图6c示意性地示出了用于提供作为本发明主题的烧结金属纤维介质的另一可选方法。
在图6a所示的第一步骤，提供烧结金属纤维介质600，其具有平均厚度T1。
在图6b所示的下一步骤，烧结金属纤维介质600的厚度在两个大致平行的线性区域610和620上通过将旋转轮604压入烧结金属纤维介质600的表面602中并在线性区域的弯曲轴线633的方向上对其进行滚轧而降低。旋转轮604具有呈两个将被压入介质的凹陷形式的两个较厚圆周区域650。能测量出线性区域610和620中的最小厚度Tb。线性区域610和620具有宽度W并且其间距离为D。
在图6c所示的下一步骤，通过将线性区域610和620用作所谓的弯曲轴线633来弯曲两个腿部从而将两个腿部631和632带向彼此。弯曲进行到两个平面641和642形成二面角θ。

Claims (21)

1.一种烧结金属纤维介质，包括至少一个褶皱，所述褶皱包括第一腿部，所述第一腿部按照第一平面呈现，所述褶皱包括第二腿部，所述第二腿部按照第二平面呈现，所述第一平面和所述第二平面沿着交线以二面角θ相交，所述褶皱包括用来结合所述第一腿部和所述第二腿部的弯曲部分，所述介质在所述腿部处具有平均厚度T1，所述弯曲部分至少包括与所述交线大致平行的第一不同线性区域，所述介质在第一线性区域中具有最小厚度Tb，Tb小于T1，其特征在于Tb小于T1的0.5倍。
2.如权利要求1所述的烧结金属纤维介质，其中Tb小于或等于T1的0.45倍。
3.如权利要求1至2中任一所述的烧结金属纤维介质，其中所述第一线性区域具有大于或等于T1-Tb的宽度W。
4.如权利要求1至3中任一所述的烧结金属纤维介质，其中所述弯曲部分仅包括一个不同区域。
5.如权利要求4所述的烧结金属纤维介质，其中所述二面角θ小于180°，所述二面角θ大于90°。
6.如权利要求1至3中任一所述的烧结金属纤维介质，其中所述弯曲部分包括第二不同区域，所述区域彼此间大致平行。
7.如权利要求6所述的烧结金属纤维介质，其中所述二面角θ小于90°。
8.如权利要求6至7中任一所述的烧结金属纤维介质，其中最小厚度Tb大致等于所述第二区域的最小厚度。
9.如权利要求6至8中任一所述的烧结金属纤维介质，其中所述宽度W大致等于所述第二区域的宽度。
10.如权利要求6至9中任一所述的烧结金属纤维介质，其中所述第一线性区域和所述第二线性区域之间的距离D等于或大于所述第一区域的所述宽度W和所述第二区域的宽度中的最大者。
11.如权利要求10所述的烧结金属纤维介质，其中所述距离D处于所述宽度W至5倍T1的范围内。
12.一种使烧结金属纤维介质打褶的方法，所述方法包括步骤：
●提供具有厚度T1的烧结金属纤维介质；
●至少在一第一线性区域上将介质厚度减小至厚度Tb，Tb是在所述线性区域测量得到的最小厚度，所述Tb小于T1的0.5倍；
●利用所述线性区域作为弯曲轴线，将所述线性区域两侧处的介质部分弯曲至所述介质的同一侧，以获得按照第一平面呈现的第一腿部和按照第二平面呈现的第二腿部，所述第一平面和所述第二平面沿着交线以二面角θ相交。
13.如权利要求12所述的使烧结金属纤维介质打褶的方法，其中Tb小于或等于T1的0.45倍。
14.如权利要求12至13中任一所述的使烧结金属纤维介质打褶的方法，其中所述第一线性区域具有大于或等于T1-Tb的宽度W。
15.如权利要求12至14中任一所述的使烧结金属纤维介质打褶的方法，其中所述二面角θ小于180°，所述二面角θ大于90°。
16.如权利要求12至15中任一所述的使烧结金属纤维介质打褶的方法，其中所述介质厚度在第一和第二线性区域上减少，所述线性区域大致平行。
17.如权利要求16所述的使烧结金属纤维介质打褶的方法，其中所述二面角θ小于90°。
18.如权利要求15至17中任一所述的使烧结金属纤维介质打褶的方法，其中所述第一线性区域和所述第二线性区域具有大于或等于T1-Tb的宽度。
19.如权利要求15至18中任一所述的使烧结金属纤维介质打褶的方法，其中所述第一线性区域和所述第二线性区域的所述宽度大致相等。
20.如权利要求15至19中任一所述的使烧结金属纤维介质打褶的方法，其中所述线性区域之间的距离D大于所述第一区域的所述宽度和所述第二区域的宽度中的最大者。
21.如权利要求20所述的使烧结金属纤维介质打褶的方法，其中D处于W至5倍T1的范围内。
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