DE3109295C2

DE3109295C2 - Keramische Honigwabenkörper

Info

Publication number: DE3109295C2
Application number: DE3109295A
Authority: DE
Inventors: Seiichi Okazaki Asami; Yutaka Nagoya Ogawa
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1980-03-14
Filing date: 1981-03-11
Publication date: 1982-11-04
Also published as: US4455336A; GB2071639B; GB2071639A; JPS56129043A; JPS626855B2; DE3109295A1

Description

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Die Erfindung betrifft keramische Honigwabenkörper, die beispielsweise als Katalysatorträger für die Reinigung der Auspuffgase von Verbrennungsmotoren sowie auch für andere Zwecke geeignet sind.

Im allgemeinen haben keramische Honigwabenkörper eine große Oberfläche pro Volumeneinheit und haben eine sehr hohe Wärmebeständigkeit und werden deshalb beispielsweise als Katalysatorträger zum Reinigen der Auspuffgase von Verbrennungsmotoren verwendet. Um ihre Wirksamkeit zu erhöhen, ist es wünschenswert, daß die Trennwände, welche die Kanäle in dem Honigwabenkörper bilden, dünner sind und eine große Porosität haben. Wenn man jedoch die Dünnheit und die Porosität der Trennwände erhöht, erniedrigt sich die mechanische Festigkeit der Honigwabenkörper. Bei der praktischen Anwendung eines Honigwabenkörpers wird dieser in eine Halterung eingesetzt, die dann in eine Vorrichtung, z. B. in ein Verbrennungsmotorensystem eingebaut wird, und dabei neigt der Körper zum Abbrechen, oder zur Rißbildung, wenn der Druck der Halterung zur Vermeidung einer Vibration erhöht wird.

Um diese Nachteile zu vermeiden, sind bereits folgende Methoden beschrieben worden:

1. Überziehen der äußeren peripheren Wandoberfläche des Honigwabenkörpers mit einer Glasur (japanische offengelegte Gebrauchsmusteranmeldung 1 33 860/78);

2. Beschichten nur der äußeren peripheren Wandung mit wärmebeständigen Glaskeramikpulvern (japanische Gebrauchsmusteranmeldung 34 373/78) und

3. Verdicken der äußeren peripheren Wand eines keramischen Honigwabenkörpers durch Extrudieren (japanische Offenlegungsschrift 88 908/74).

Aber auch diese Verfahren ergeben noch keine ausreichende Verbesserung der Festigkeit.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen keramischen Honigwabenkörper zu zeigen, der eine verbesserte mechanische Festigkeit aufweist und daher fest in eine Halterung eingespannt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch einen keramischen Honigwabenkörper gelöst bei dem die Porosität der Kanäle in dem Honigwabenkörper, am äußeren peripheren Teil einschließlich der äußeren peripheren Wandung geringer ist als im anderen Teil.

Die niedrige Festigkeit von porösen keramischen Honigwabenkörpern wird dadurch verursacht, daß der Teil, den die Poren in den Trennwandungen, welche die Kanäle bilden, einnehmen, groß ist, und daß der Teil, der kn wesentlichen die Festigkeit ergibt, klein ist, und daß bei den Teilen, bei denen die Poren sich bis zu den Trennwandungen erstrecken, wie dies in F i gj gezeigt wird, äußere Kräfte lokal konzentriert werden. Infolgedessen kann man erwarten, daß die Festigkeit von keramischen Honigwabenkörpern dadurch verbessert wird, daß man die Poren in den Trennwandungen mit einem Material, das eine kleinere Porosität aufweist, füllt, und dadurch die Trennwandoberfläche abflacht

Um zu vermeiden, daß ein Honigwabenkörper aufgrund von Vibrationen sich lockert, werden beide Enden des Körpers im allgemeinen zwischen zwei Flansche, die sich nach innen in einem Aufnahmegefäß von dessen Innenoborfläche erstrecken, eingespannt In diesem Fall sind die Fließkanäle, die sich nach innen mehrere Millimeter von der äußeren Peripherie des Honigwabenkörpers erstrecken, durch die Flansche geschlossen und dienen nicht mehr dem Flüssigkeitsfluß.

Die Erfindung baut auf dieser Beobachtung auf und besteht darin, daß man die Porosität der Trennwandung in den Kanälen in dem vorerwähnten Teil, in denen kein Flüssigkeitsfluß stattfindet, vermindert, um dadurch den Honigwabenkörper zu verstärken. Wenn der Teil, in dem sich die Poren, die mit einem Material einer niedrigeren Porosität gefüllt werden sollen, die Trennwandungen der Kanäle an der Innenseite der äußeren Peripherie und auch an der äußeren Peripherie umfaßt, kann eine befriedigende Verbesserung der Befestigkeit nicht erzielt werden. Wenn man aber lediglich ein Abbrechen der Endeckteile verhindern möchte, kann man auch in dem Fall, daß der Honigwabenkörper nicht über die gesamte Länge in der Längsrichtung der Kanäle behandelt wird, die Wirkung erzielen, indem man die Trennwand bis zu einer gegebenen Tiefe an den Endteilen behandelt, wie dies in F i g. 3 gezeigt wird.

Die ßeschichtungsmaterialien sind vorzugsweise Keramikmaterialien, die eine niedrigere Porosität haben als die Rohmaterialien des Honigwabenkörpers und enthalten eine geringe Menge eines Flußmittels, um dicht an den Innenteilen der Poren und der Trennwandungen zu haften.

Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert. In den Figuren bedeuten

F i g. l(A) und (B) zeigt Querschnitte eines Teiles der Trennwandung eines keramischen Honigwabenkörpers vor bzw. nach der Beschichtungsbehandlung;

F i g. 2(A) ist ein vertikaler Querschnitt eines Honigwabenstrukturkörpers, bei dem die Trennwandungen am äußeren peripheren Teil erfindungsgemäß über die gesamte Länge der Kanäle behandelt wurden;

F i g. 2(B) ist ein Querschnitt längs der Linie B-B in F ig. 2(A);

F i g. 3(A) ist ein vertikaler Querschnitt eines Honigwabenstrukturkörpers, bei dem ein Teil der sich von den offenen Enden erstreckenden Trennwandungen behandelt wurde, und

Fig.3(B) ist ein Querschnitt längs der Linie B-B in F ig. 3(A).

In F i g. 1 bedeutet t das keramische Honigwabenkörpermaterial. 2 bedeutet den offenen Porenteil und 3 bedeutet, das in den offenen Porenteil der Trennwandung des keramischen Honigwabenkörpers eingefüllte Beschichtungsmaterial. In Fig.2 und 3 bedeutet 4 die sich dadurch erstreckenden Kanäle, 5 die mit dem

Beschichtungsmaterial behandelte Trennwandung niedriger Porosität und 6 die Trennwandung ohne Beschichtung.

Die nachfolgenden Beispiele beschreiben die Erfindung.

Beispiel 1

Ein zu verstärkender keramischer Honigwabenkörper bestand aus einem gebrannten Cordierit-keramischen Honigwabenkörper mit einem Außendurcbmes- ig ser von 90 mm, einer Länge von 110 mm, einer Dicke der Trennwandungen von 0,3 mm, einer Dicke der äußeren peripheren Wand von 03 mm und 6,45 Kanälen pro cm².

Das Verstärkungsmaterial wurde hergestellt durch Zugabe von 100 Gewichtsteilen von jeweils drei Pulverzusammensetzungen A, B und C mit einer Seger-Formel gemäß der nachfolgenden Tabelle, 35 und 45 Gewichtsteilen Wasser und 2 Gewichtsteilen Carboxymethylzellulose als Bindemittel, wobei sich jeweils Aufschlämmungen bildeten.

Seger-Formel (Mol-Verhältnis)

KNaO CaO MgO Al₂O₃ SiO₂

Korngröße des gewünschten Ansatzes

A	0,22	0,05	0,73	0,86	4^91
B	0,16	0,04	0,80	0,92	4,33
C	0,10	0,03	0,87	0,93	3,13

kleiner als 0,074 mm
kleiner als 0,074 mm
kleiner als 0,074 mm

Zwei Arten von Honigwabenkörpern wurden in folgender Weise hergestellt Bei dem einen Muster eines Honigwabenkörpers wurde der Teil, der nicht mit der Aufschlämmung behandelt werden sollte, abgedeckt und der Honigwabenkörper wurde vollständig in die Aufschlämmung eingetaucht Bei einer anderen Probe wurde der Honigwabenkörper nur jeweils bis zu einer Tiefe von 10 mm mit den Enden der peripheren Kanäle in die Aufschlämmung getaucht Vor dem Trocknen der beiden eingetauchten Proben wurde die überschüssige Aufschlämmung abgeschüttelt und mit Druckluft entfernt und die an die äußere periphere Wandung gelangte Aufschlämmung wurde abgewischt. Der Grund, warum die äußere periphere Wandung gereinigt wird, ist der, daß anderenfalls der Außendurchmesser vergrößert würde. Anschließend wird zur Entfernung von Wasser getrocknet und der so behandelte Honigwabenstrukturkörper wird 12 Stunden in einer oxidierenden Atmosphäre bei 1370 bis 1400⁰C gebrannt. Zum Vergleich wurde ein Honigwabenstrukturkörper, bei dem nur die äußere periphere Wandoberfläche mit der Aufschlämmung bedeckt worden war, hergestellt.

Die Verstärkungswirkung wird in folgender Weise gemessen. Die Schlagenergie bis zum Bruch wurde mit einem Chalpy-Impact-Tester gemessen und die Druckfestigkeit wurde bestimmt unter Verwendung einer eng an den äußeren peripheren Umfang anliegenden Halterung mittels einer Universalprüfvorrichtung. Die erzielten Ergebnisse werden in Tabelle 1 gezeigt. Dann wurden die behandelten Teile abgeschnitten und die abgeschnittenen Teile wurden hinsichtlich der Eigenschaften der Trennwandungen untersucht und die Ergebnisse werden in Tabelle 2 gezeigt.

Tabelle 1

(Durchschnittswerte von 5 Proben)

Beschichteter Teil

Behandlungsmaterial
ABC

Nichtbehandelt

Schlagenergie bis zum Bruch
J/m² (kg ■ cm)

Druckfestigkeitsbelastung
(kg)

Äußere periphere Wand und Gesamtlänge Äußere periphere Wand und 10 mm tief Äußere periphere Wand

Äußere periphere Wand und Gesamtlänge Äußere periphere Wand und H) mm tief Äußere periphere Wand 4,5 4,3 3,7 1,5

2,3 2,3

2,0

3130 3050 2780
2070 2050 2000
2010 1990 1980

1660

Tabelle 2

Behandlungsmaterial
AB C

Nichtbehandelt

Porosität (Vol.-%)	*5,0	27,4	31,0	37,0
Biegefestigkeit bar (kg/cm²)	210	180	170	50
Wärmeausdehnungskoeffizient (X 10~⁶/K)	1,9	1,8	1,6	1,0
Erweichungstemperatur (⁰C)	1150	1210	1280	1410

Aus diesem Beispiel geht hervor, daß bei einem erfindungsgemäß hergestellten keramischen Honigwabenstrukturkörper, bei dem die Innenwandungen der Kanäle auch mit einer Aufschlämmung behandelt wurden, die Schlagenergie bis zum Bruch maximal 3mal so hoch ist wie bei einem Honigwabemkörper, der nicht mit der Aufschlämmung behandelt wurde, und etwa 2mal so hoch ist, wie bei einem Honigwabenkörper, bei dem nur die äußere periphere Wandung behandelt wurde. Bei der Druckfestigkeit wurde bei einem Honigwabenstrukturkörper, dessen äußere periphere Wandung über die gesamte Länge der Kanäle behandelt wurde, maximal etwa um das l,9fache gegenüber einem Honigwabenkörper, der nicht behandelt wurde, erhöht und urn etwa das l,5fache gegenüber einem Honigwabenkörper, bei dem nur die äußere periphere Wandoberfläche behandelt wurde. Aus Tabeiie 2 geht hervor, daß die Eigenschaften etwas unterschiedlich sind, je nach der Zusammensetzung, wobei aber die Zusammensetzung ausgewählt werden kann, um das gewünschte Verhalten des keramischen Honigwabenkörpers zu beeinflussen, z. B. hinsichtlich der Erweichungstemperatür.

Keramische Honigwabenstrukturkörper, die erfindungsgemäß erhalten wurden, brechen nicht, selbst wenn man den Klammerdruck, mittels dessen die Körper in einem Aufnahmegefäß gehalten werden,

ίο erhöht, so daß auch in dem Fall, daß die Honigwabenstrukturkörper in einem Metallgehäuse vibrierenden Behandlungen unterworfen werden und an die innere Wand des Aufnahmebehälters stoßen, praktisch nicht zerbrechen. Das Verhindern des Abbrechens der Endteile der Honigwabenkörper aufgrund von Vibrationen kann man verhindern, indem man dort, wo das Brechen leicht stattfindet, nämlich an den beiden Endteilen, die Verstärkung vornimmt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Keramischer Honigwabenkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere periphere Teil einschließlich der äußeren peripheren Wandung eine kleinere Porosität als der andere Teil hat

2. Keramischer Honigwabenkörper gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil mit einer kleineren Porosität sich nicht in der ganzen Länge von der Stirnfläche des Honigwabenkörpers in Richtung der Kanäle des Honigwabenkörpers erstreckt.

3. Keramischer Honigwabenkörper gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren in den Trenn Wandungen am äußeren peripheren Teil is einschließlich der äußeren peripheren Wandung mit einem Material, das eine kleinere Porosität aufweist, gefüllt sin&