DE69830852T2

DE69830852T2 - Verfahren zum brennen von keramischen wabenkörpern

Info

Publication number: DE69830852T2
Application number: DE69830852T
Authority: DE
Inventors: C. Tudor GHEORGHIU; Andreas Schmidt
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1997-10-03
Filing date: 1998-09-10
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2018-09-11
Also published as: WO1999018047A1; JP2001519310A; US6027684A; CN1098824C; EP1027304A1; EP1027304A4; DE69830852D1; EP1027304B1; BR9812402A; CN1272833A

Description

1 . Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Cordieritwabenstrukturkörpern. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung unter Verwendung von Brennverfahren, die eine Regelung der Atmosphäre einschließen und zu keramischen Cordieritwabenstrukturkörpern führen, die verbesserte Wärmeausdehnungs- und Festigkeitseigenschaften zeigen.
2. Hintergrund der Erfindung
Strukturen, die im Allgemeinen wie eine Bienenwabe geformt sind und aus Cordierit, einem kristallinen Magnesiumaluminiumsilicatmaterial (2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂), hergestellt sind, sind bekannt dafür, dass sie einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten über einen eher weiten Temperaturbereich zeigen. Große Anteile dieser Phase in einem keramischen Körper verleihen dem Körper daher ausgezeichnete Temperaturschockbeständigkeit.
Aufgrund dieser ausgezeichneten Temperaturschockbeständigkeit und Feuerfestigkeit haben extrudierte monolithische, keramische Wabenstrukturen, die Cordierit oder substituiertes Cordierit als hauptsächliche Kristallphase umfassen, eine weit verbreitete Verwendung als Katalysatorträger und Filter in der Behandlung von Verbrennungsabgasen, die von Verbrennungsmotoren erzeugt werden, gefunden. Andere nützliche Produkte, die aus solchen Materialien hergestellt sind, können als Filter für Fluide, wie z.B. Dieselpartikelfilter und Ultrafiltervorrichtungen, oder als Träger für Holzofenverbrennungsanlagen oder DeNOX-Katalysatoren für Kraftwerke verwendet werden. Die US-Patente mit den Nummern 3,885,977 (Frost et al.), 4,001,028 (Frost et al.), 5,114,644 (Beall et al.) und 5,258,150 (Merkel et al.) beschreiben die Herstellung solcher Körper aus extrudierbaren Batch-Mischungen aus Tonerde, Talk und Aluminiumoxid, wobei diese Bestandteile reagieren, um Cordierit als extrudierten Körper während des Brennens des geformten Körpers zu bilden.
Das US-Patent Nr. 5,409,870 (Locker et al.) betrifft die Herstellung von Cordierit enthaltenden Gegenständen mit bestimmten Eigenschaften (Wärmeausdehnungskoeffizient, querlaufende I-Verhältnisse) durch Brennen eines ungesinterten Körpers, der aus entsprechenden Cordierit bildenden Rohmaterialien hergestellt wurde. Es sind Zeitpläne für die Brenntemperatur offenbart, jedoch gibt es keine Offenbarung zur Regelung der Atmosphäre während des Brennens.
Die EP-A-0 639 543 (Praxair Technology, Inc.) betrifft die Herstellung von gesinterten Partikeln, in der ein ungebrannter Körper aus einem Partikel, wie z.B. Aluminiumoxid, und einem Binder, wie z.B. einem Polymer oder Copolymer aus Ethylenoxid, Propylenoxid und/oder Acetylen hergestellt wird, und das Bindemittel durch Erhitzen in einer Umgebung mit variierenden Konzentrationen an Oxidationsmittel entfernt wird.
Das US-Patent Nr. 5,078,929 (Matsumae et al.) betrifft die Entfernung von organischem Bindemittel aus einem keramischen Produkt, das ein keramisches Pulver umfasst, wie z.B. Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid, Mullit, Cordierit, Ferrit und Oxide von nicht metallischen Materialien. Das Produkt wird auf eine erhöhte Temperatur erhitzt, um das Bindemittel zu zersetzen und ein gekracktes Gas zu erzeugen, das überwacht wird, und der Temperaturgradient und die Atimsphäre werden in Abhängigkeit von dein Zustand des gekrackten Gases variiert.
Während Cordieritprodukte, wie die aus diesen Patenten, eine angemessene Festigkeit und Temperaturschockbeständigkeit für viele Anwendungen zeigen, bringen bestimmte Anwendungen, wie z.B. die Verwendung in Kraftfahrzeugen, wiederholte und erhebliche physikalische und thermische Schocks mit sich. Daher ist ein sorgfältiges Verpacken nötig, um das Auftreten eines Bruchs des Produktes zu minimieren. Insbesondere wären für diese Anwendungen Verbesserungen in der Festigkeit und/oder der Temperaturschockbeständigkeit vorteilhaft.
Folglich ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Cordieritwabenstrukturkörpern bereitzustellen, das eine geregelte Brennatmosphäre einschließt und zu keramischen Cordieritwabenstrukturkörpern führt, die verbesserte Festigkeit und Temperaturschockbeständigkeit zeigen.
Andere Aufgaben der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Cordieritwabenstrukturkörpers mit verbesserter Festigkeit und Temperaturschockbeständigkeit bereit. Ein zusätzlicher Vorteil dieser geregelten Brennatmosphäre ist ein vermindertes Schrumpfen während des Brennens.
Gemäß einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Cordieritwabenstrukturkörpers bereit, das die folgenden Schritte umfasst:
Formulieren eines Gemenges aus Rohmaterialien, das eine Mischung aus Kaolintonerde, Talk, Aluminiumoxid und anderen Cordierit bildenden Materialien umfasst, wobei jede der Rohmaterialien in einer wirksamen Menge in das Gemenge eingeschlossen ist, die in Kombination mit den anderen Rohmaterialien darin in der Lage ist, einen gesinterten Wabenkörper zu ergeben, dessen vorherrschende Kristallphase Cordierit ist;
inniges Vermischen der Rohmaterialien mit einer wirksamen Menge an Bindemittel und Formgebungshilfsmitteln, um den Rohmaterialien plastische Formbarkeit und ungesinterte Festigkeit zu verleihen, und um eine plastische Mischung zu bilden;
Formen der Rohmaterialien durch Extrusion zu einem ungesinterten Wabenstrukturkörper und anschließendes Trocknen des ungesinterten Wabenstrukturkörpers;
Brennen des ungesinterten Wabenstrukturkörpers durch Erhitzen des ungesinterten Körpers auf einen ersten Temperaturbereich von ungefähr 750 bis 350°C und anschließend auf einen zweiten Temperaturbereich von ungefähr 1250 bis 1350°C und anschließend auf eine dritte Temperatur von mindestens 1390°C und anschließendes Beibehalten der Temperatur bei der dritten Temperatur für eine Durchdringungszeit von ungefähr 12 bis 20 h, wobei eine oxidierende Atmosphäre, die ungefähr 5% O₂, umfasst, während des gesamten Zeitraums des Brennens von der ersten Temperatur bis zur zweiten Temperatur beibehalten wird, eine oxidierende Atmosphäre, die ungefähr 1% O₂ umfasst, während des gesamten Zeitraums des Brennens von der zweiten Temperatur bis zur dritten Temperatur beibehalten wird, und eine oxidierende Atmosphäre, die ungefähr 2% O₂ umfasst, während der gesamten Temperaturdurchdringungszeit oder eine reduzierende Atmosphäre, die ungefähr 2% CO umfasst, während der gesamten Temperaturdurchdringungszeit beibehalten wird. Durch dieses geregelte Oxidationsbrennverfahren werden keramische Cordieritwabenstrukturkörper mit verbesserter Festigkeit erhalten.
Gemäß einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Cordieritwabenstrukturkörpers bereit, das die folgenden Schritte umfasst:
Formulieren eines Gemenges aus Rohmaterialien, das eine Mischung aus Kaolintonerde, Talk, Aluminiumoxid und anderen Cordierit bildenden Materialien umfasst, wobei jede der Rohmaterialien in einer wirksamen Menge in das Gemenge eingeschlossen ist, die in Kombination mit den anderen Rohmaterialien in der Lage ist, einen gesinterten Wabenkörper zu ergeben, dessen vorherrschende Kristallphase Cordierit ist;
inniges Vermischen der Rohmaterialien mit einer wirksamen Menge an Bindemittel und Formgebungshilfsmitteln, um den Rohmaterialien plastische Formbarkeit und ungesinterte Festigkeit zu verleihen und um eine plastische Mischung zu bilden;
Formen der Rohmaterialien durch Extrusion zu einem ungesinterten Wabenstrukturkörper und anschließendes Trocknen des ungesinterten Wabenstrukturkörpers;
Brennen des ungesinterten Wabenstrukturkörpers durch Erhitzen des ungesinterten Körpers auf eine erste Temperatur, die von ungefähr 750 bis 850°C reicht, und anschließend auf eine zweite Temperatur, die von ungefähr 1250 bis 1350°C reicht, und anschließend auf eine dritte Temperatur von mindestens 1390°C und anschließendes Beibehalten der Temperatur bei der dritten Temperatur für einen Zeitraum von ungefähr 12 bis 20 h, wobei eine reduzierende Brennatmosphäre, die CO in einer Menge von nicht mehr als ungefähr 3% umfasst, während ausgewählter Zeiträume bei Brenntemperaturen oberhalb der ersten Temperatur beibehalten wird. Durch dieses geregelte, reduzierende Brennverfahren werden keramische Cordieritwabenstrukturkörper mit verbesserter Temperaturschockbeständigkeit, Festigkeit und Schrumpfung während des Brennens erhalten.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die folgenden beigefügten Zeichnungen verwiesen, worin
1 ein Schaubild ist, das einen Vergleich der Biegefestigkeits (MOR)-kurven für drei getrennt extrudierte, Cordierit enthaltende Wabenkörper mit vergleichbaren Zusammensetzungen, die unter Verwendung von drei unterschiedlichen Brennatmosphären gebrannt wurden, zeigt;
2 ein Schaubild ist, das einen Vergleich des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) für drei getrennt extrudierte, Cordierit enthaltende Wabenkörper mit vergleichbaren Zusammensetzungen zeigt, die unter Verwendung von vier unterschiedlichen Brennatmosphären gebrannt wurden.
3 ein Schaubild ist, das einen Vergleich des Biegefestigkeits (MOR)-koeffizienten für drei getrennt extrudierte, Cordierit enthaltende Wabenkörper mit vergleichbaren Zusammen setzungen zeigt, die unter Verwendung von vier unterschiedlichen Brennatmosphären gebrannt wurden;
4 ein Schaubild ist, das einen Vergleich der thermischen Schrumpfung für drei getrennt extrudierte, Cordierit enthaltende Wabenkörper mit vergleichbaren Zusammensetzungen zeigt, die unter Verwendung von vier unterschiedlichen Brennatmosphären gebrannt wurden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Rohmaterialien für keramische Gemenge, die bei der Herstellung von keramischen Cordieritwabenstrukturkörpern, die gemäß der Erfindung hergestellt wurden, nützlich sind, können aus jeder geeigneten Quelle ausgewählt werden. Hochreine Tonerde, Talk, Siliciumoxid, Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxide und Magnesiumoxid (MgO)-ergebende Rohmaterialien werden herkömmlicherweise für solche Keramiken verwendet und sind hier ausreichend. Die Wärmeausdehnung und die Feuerfestigkeit von Cordieritprodukten werden jedoch, wie allgemein bekannt, nachteilig durch die Gegenwart von Verunreinigungen, wie z.B. Calciumoxid (CaO) und den Alkalis, wie z.B. Soda und Potasche, beeinflusst. Daher werden Gemenge von Rohmaterialien, die im Wesentlichen frei von Ca, Na und K sind, verwendet, wo optimale Feuerfestigkeit und Temperaturschockbeständigkeit in den Produkt nötig ist.
Die bevorzugten Gemengematerialien in der kommerziellen Verwendung für die Herstellung von extrudierten keramischen Cordieritkörpern mit sehr geringer Ausdehnung sind Tonerde, Talk und Aluminiumoxid, wobei die Tonerde typischerweise kaolinische Tonerden mit einem plättchenförmigen eher als einem geschichteten Habitus ausmachen. Plättchenförmige Kaoline können durch die Vorverarbeitung von geschichteten Kaolintonerden hergestellt werden oder das Rohmaterialgemenge einschließlich der Tonerde kann in einer Art und Weise verarbeitet werden, die die Kristallstapel zu kleinen Plättchen bricht.
Das Formen des trockenen Gemenges zu einer Vorform oder einem ungesintertem Körper, der für die Umwandlung zu Cordierit durch Brennen geeignet ist, kann durch irgendeine einer Vielzahl bekannter Methoden erreicht werden. In Abhängigkeit von der Porosität, die in dem Cordieritprodukt gewünscht ist, kann das Gemenge mit geeigneten Bindemitteln gemischt werden und einfach in die Form einer Vorform gepresst werden, oder es kann durch ein Heißpressverfahren geformt werden.
Für die kommerzielle Herstellung von flachen oder dünnwandigen Cordieritkeramikprodukten, wie z.B. keramische Bienenwaben, ist Extrusion die bevorzugte Formtechnik. Eine Gemengemischung, die für die Extrusion geeignet ist, kann aus dem trockenen Gemenge durch Vermischen des Gemenges mit einem geeigneten flüssigen Bindemittel hergestellt werden. Das Bindemittel kann Wasser und Extrusionshilfsmittel umfassen, die nötig sind, um dein Gemenge plastische Formbarkeit und ausreichende ungesinterte Festigkeit nach dem Formen zu verleihen, um dein Zerbrechen vor dein Brennen standzuhalten. Alternativ können Extrusionshilfsmittel mit den keramischen Gemengematerialien vermischt werden.
Die Extrusionshilfsmittel umfassen normalerweise sowohl Bindemittel als auch Weichmacher, Methylcellulose und Alkalistearate sind Beispiele einiger Extrusionshilfsmittel, die verwendet wurden und verwendet werden können. Gemenge dieser Art, die im Allgemeinen 25 bis 35% Wasser enthalten, sind ausreichend plastisch, sodass sie leicht durch Extrusion zu Vorformen, die sehr dünne Wandabmessungen, das heißt weniger als 1 mm, umfassen, geformt werden können. Die weichgemachten Gemenge können auch geeignet durch Rollen oder Pressen geformt werden, wobei die gerollten oder gepressten Bestandteile dann entweder direkt verwendet werden oder zu komplexeren Formen vor dem Brennen zusammengebaut werden. Das Brennverfahren, das verwendet wird, um das weichgemachte Gemenge oder den ungesinterten Keramikkörper zu einem Cordierit enthaltenden, keramischen Produkt umzuwandeln, beeinflusst kritisch die Eigenschaften der resultierenden Keramik. Herkömmliche Brennverfahren, die derzeit verwendet werden, umfassen das Brennen des ungesinterten Körpers auf Temperaturen im Bereich von 1340 bis 1450°C, während eine oxidierende Brennatmosphäre beibehalten wird, die typischerweise oberhalb von 6% O₂ enthält. Obwohl dieses herkömmliche Brennverfahren akzeptable Cordierit enthaltende Keramikprodukte erzeugt hat, wurde entdeckt, dass verschiedene Eigenschaften einschließlich der Festigkeit und der Temperaturschockbeständigkeit durch verschiedene, veränderte Brennverfahren verändert und verbessert werden können.
In Übereinstimmung mit den Verfahren der vorliegenden Erfindung wird ein Cordieritwabenstrukturkörper durch die Verwendung eines Vier-Phasen-Brennverfahrens erhalten, wobei der ungesinterte, keramische Wabenstrukturkörper als erstes bei einer Temperatur gebrannt wird, bei der das Ausbrennen eines organischen Bestandteils, der in dein Körper vorliegt, und Entfernung von adsorbierten Wasser abgeschlossen werden kann. Diese erste Brennphase erfordert typischerweise das Erhitzen auf eine erste Temperatur, die von ungefähr 750 bis 850°C reicht. Im Anschluss an diese anfängliche Brennphase schließt die zweite Brennphase ein weiteres Erhitzen des ungesinterten Wabenstrukturkörpers auf eine zweite Temperatur ein, die von ungefähr 1250 bis 1350°C reicht. Die dritte Heizphase schließt das Heizen des ungesinterten Wabenstrukturkörpers auf eine dritte Temperatur von mindestens 1390°C, jedoch bevorzugterweise weniger als 1420°C, ein. Als letztes schließt die vierte Brennphase das Beibehalten der Strukturwabe bei oder oberhalb von 1390°C über einen Zeitraum ein, der ausreichend ist, vollständige Kristallisation des keramischen Körpers zu erhalten; ungefähr 12 bis 20 h ist üblicherweise ausreichend. Während des gesamten Zeitraums des Brennens von der ersten Temperatur auf die zweite Temperatur wird eine oxidierende Atmosphäre, die ungefähr 5% O₂ umfasst, beibehalten. Während des gesamten Zeitraums des Brennens von der zweiten Temperatur bis zur dritten Temperatur wird eine oxidierende Atmosphäre, die ungefähr 1% O₂ umfasst, beibehalten. Während der vierten Temperaturdurchdringungsbrennphase wird eine oxidierende Atmosphäre, die ungefähr 2% O₂ umfasst, beibehalten. Unter Verwendung dieses geregelten Brennverfahrens mit wenig Sauerstoff werden keramische Cordieritwabenstrukturkörper erhalten, die verbesserte Festigkeit im Vergleich zu Cordieritkeramiken zeigen, die unter Verwendung von herkömmlichen Brennverfahren gebrannt wurden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des obigen Vier-Phasen-Brennverfahrens werden die folgenden Temperaturbereiche verwendet: (1) ein erster Temperaturbereich von zwischen ungefähr 790 bis 810°C mit ungefähr 800°C als bevorzugteste Temperatur; (2) ein zweiter Temperaturbereich von zwischen ungefähr 1275 bis 1285°C mit ungefähr 1280°C als bevorzugteste Temperatur; (3) ein dritter Temperaturbereich von zwischen ungefähr 1400 und 1405°C mit am bevorzugtesten 1403°C.
Die bevorzugten Brenngeschwindigkeiten für das obige Vier-Phasen-Brennverfahren sind wie folgt: (1) eine Brenngeschwindigkeit von zwischen ungefähr 40 bis 100°C wird während des Brennens vom ersten bis zum zweiten Temperaturbereich bevorzugt; und (2) eine Brenngeschwindigkeit von zwischen ungefähr 10 bis 50°C wird während des Brennens vom zweiten bis zum dritten Temperaturbereich bevorzugt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des obigen Vier-Phasen-Brennzyklus wird eine reduzierende Atmosphäre, die ungefähr 2% CO umfasst, während der gesamten vierten Temperaturdurchdringungsbrennphase beibehalten. Keramische Cordieritwabenstrukturkörper, die unter Verwendung dieses geregelten Brennverfahrens erhalten wurden, zeigen im Allgemeinen verbesserte Temperaturschockbeständigkeit und vergleichbare Festigkeit gegenüber solchen Körpern, die unter Verwendung von herkömmlichen Brennverfahren erhalten wurden.
Noch eine andere Ausführungsform des Brennens des ungesinterten Wabenstrukturkörpers umfasst eine anfängliche erste Brennphase in einer oxidierenden Atmosphäre, die nicht mehr als ungefähr 6% O₂ umfasst. Im Anschluss an dieses anfängliche Brennen umfassen die nächsten drei Phasen des geregelten Brennablaufs das gleiche Temperaturmuster, es wird jedoch eine reduzierende im Gegensatz zu einer oxidierenden Brennatmosphäre beibehalten, die nicht mehr als ungefähr 3% CO umfasst. Unter Verwendung dieses geregelten Brennverfahrens mit geringer Reduktion werden keramische Cordieritwabenstrukturkörper erhalten, die verbesserte Temperaturschockbeständigkeit, Festigkeit und Schrumpfung beim Brennen zeigen, verglichen mit Cordieritkeramiken, die unter Verwendung von herkömmlichen Brennverfahren gebrannt wurden.
Die Erfindung kann mit Verweis auf die folgenden, ausführlichen Beispiele besser verstanden werden, die lediglich für die Darstellung der Wirkung des Brennens unter Verwendung unterschiedlicher Atmosphären gedacht sind.
BEISPIELE
Drei keramische Gemenge, die für die Herstellung einer Cordierit enthaltenden Keramik der folgenden Zusammensetzungen, in Gewichtsprozent, geeignet sind, wurden hergestellt:
TABELLE I
Jedes der drei Gemenge wurde gründlich vermischt, um ein homogenes Gemenge zu bilden.
Ein Extrusionsgemenge wurde für jedes der drei Beispiele einzeln aus getrocknetem Gemengematerial durch Zugabe von Wasser zu dem trockenen Gemenge in einem „LÖDIGE" Pflugschermixer (Stamford, CT) hergestellt. Wasser wurde bis zu einem Grad von ungefähr 31% des gesamten Gemengegewichts zugegeben und das Mischen wurde für ungefähr 3 min fortgeführt, um eine Gemengeeinheitlichkeit zu erreichen. Die drei vermischten Gemenge wurden einzeln mit ungefähr 19.305 kPa (2.800 psi) extrudiert, um wabenförmige Substrate mit einem Durchmesser von 10,2 bis 14,4 cm (4,0 bis 5,66''), einer Länge von 9,7 bis 15.2 cm (3,8 bis 6.0'') und 42 Zellen/cm² (400 Zellen/Quadratzoll) herzustellen.
Die so hergestellten, ungesinterten, keramischen, wabenförmigen Substrate wurden dann getrocknet und gebrannt, um sie zu Cordieritkeramiken gemäß jeder der sechs Brennatmosphärenabläufe, die in Tabelle II und Tabelle III, unten, aufgeführt sind, umzuwandeln. Alle Keramiksubstrate wurden unter Verwendung des selben Zeit-/Temperaturplans, jedoch mit unterschiedlichen Brennatmosphären gemäß Tabelle II und Tabelle III gebrannt; jedes wabenförmige Substrat wurde dabei aus einer ungebrannten, wabenförmigen Keramik zu einem Cordierit enthaltenden, keramischen Wabenkörper umgewandelt.
Mit Bezug insbesondere auf Tabelle II werden die darin aufgeführten Brennpläne wie folgt kategorisiert: (1) Brennplan Nr. 1 ist für einen Brennplan repräsentativ, der eine herkömmliche Brennatmosphäre umfasst; (2) Brennplan Nr. 2 ist für einen Brennplan unter Verwendung einer hohen O₂ Brennatmosphäre repräsentativ; (3) Brennplan Nr. 3 ist für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennplans unter Verwendung einer niedrigen O₂-Brennatmosphäre repräsentativ; und (4) Brennpläne Nr. 4 bis 6 sind repräsentative Ausführungsformen von Brennplänen unter Verwendung der erfindungsgemäßen, reduzierenden Brennatmosphäre.
TABELLE II
TABELLE III
Die resultierenden, gebrannten Cordieritkeramikwabenkörper, drei Extrusionsläufe vergleichbarer Zusammensetzungen und unter Verwendung von sechs unterschiedlichen Brennatmosphären, wurden aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften bewertet. Tabelle IV, unten, zeigt die Ergebnisse einer Bewertung jeder dieser getrennt extrudierten und unterschiedlich gebrannten Wabenkörper. Für jeden gebildeten keramischen Körper ist in Tabelle IV eine durchschnittliche Biegefestigkeit (MOR) in kPa eingeschlossen. Für unterschiedliche geformte, keramische Körper wird auch ein durchschnittlicher Wärmeausdehnungskoeffizientswerte (CTE) in 10^–7/°C, bestimmt durch Messung über den Bereich 25 bis 800°C, die Zusammensetzung und die durchschnittliche Schrumpfungsgröße, in %, das heißt der Unterschied zwischen den ungesinterten Wabenkörper- und den gebrannten Wabenkörperdimensionen geteilt durch die Dimension des ungesinterten Wabenkörpers, aufgeführt.
TABELLE IV
Eine Untersuchung der vorangegangenen Daten offenbart das Folgende. Als erstes zeigten die cordieritkeramischen Körper, die unter niedrigen O₂-Atmosphärenbedingungen gebrannt wurden, einen verbesserten MOR gegenüber dem, der von den cordieritkeramischen Körpern gezeigt wird, die entweder unter Standard oder hohen O₂-Atmosphärenbrennbedingungen gebrannt wurden. Dieses Ergebnis wird klarer durch eine Untersuchung von 1 dargestellt; das heißt alle drei Zusammensetzungen, die mit Brennplan Nr. 3 (geringes O₂) gebrannt wurden, zeigten eine verbesserte MOR im Vergleich zur selben Zusammensetzung, die entweder mit Brennplan Nr. 1 oder 2 gebrannt wurde. Zweitens zeigten die cordieritkeramischen Körper, die unter reduzierenden Bedingungen gebrannt wurden, im Allgemeinen ein verbessertes CTE gegenüber dem, das durch den cordieritkeramischen Körper gezeigt wurde, der unter Standardatmosphärenbrennbe dingungen gebrannt wurde. Dieses Ergebnis wird klarer in einer Untersuchung von 2 dargestellt; das heißt die Verbindungen, die mit Brennplan Nr. 6 (2% CO wurde während des Brennens beibehalten) gebrannt wurden, zeigten verbessertes CTE im Vergleich zu denselben Zusammensetzungen, die unter Standardbrennbedingungen des Brennplans Nr. 1 gebrannt wurden. Als drittes zeigten die cordieritkeramischen Körper, die unter reduzierenden Atmosphärenbedingungen gebrannt wurden, eine verbesserte MOR gegenüber der, die von keramischen Körpern, die unter Standardatmosphärenbrennbedingungen gebrannt wurden, gezeigt wurden. Dieses Ergebnis wird klarer bei einer Untersuchung von 3 gezeigt; das heißt alle drei Zusammensetzungen, die entweder unter reduzierenden Bedingungen der Brennpläne Nr. 5 oder 6 gebrannt wurden, zeigten eine verbesserte MOR im Vergleich zu denselben Zusammensetzungen, die unter den Standardatmosphärenbedingungen des Brennplans Nr. 1 gebrannt wurden. Als letztes zeigten die cordieritkeramischen Körper, die unter reduzierenden Atmosphärenbedingungen gebrannt wurden, eine geringere Schrumpfung beim Brennen gegenüber denen, die durch die keramischen Körper, die unter Standardatmosphärenbrennbedingungen gebrannt wurden, gezeigt wurden. Dieses Ergebnis wird deutlicher in einer Untersuchung von 4 gezeigt; das heißt alle drei Zusammensetzungen, die entweder unter den reduzierenden Bedingungen der Brennpläne Nr. 5 oder 6 gebrannt wurden, zeigten eine niedrigere prozentuale Schrumpfung im ergleich zu denselben Zusammensetzungen, die unter den Standardatmosphärenbedingungen des Brennplans Nr. 1 gebrannt wurden.
Aus der oben genannten, detaillierten Beschreibung wird offensichtlich, dass Änderungen in der Atmosphäre, die während der Brennprozesse der vorliegenden Erfindung verwendet wurden, die Eigenschaften, insbesondere die Festigkeit und die Temperaturschockbeständigkeit, von keramischen Cordieritwabenstrukturkörpern beeinflusst. Daher sollte festgehalten werden, dass die Atmosphäre, die in jedem Fall verwendet wird, empirisch basierend auf den gewünschten Eigenschaften für den keramischen Cordieritstrukturkörper bestimmt werden sollte.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Cordieritwabenstrukturkörpers, das die folgenden Schritte umfasst: Formulierung eines Gemenges aus Rohmaterialien, das eine Mischung aus Kaolintonerde, Talk, Aluminiumoxid und anderen, cordieritbildenden Materialien umfaßt, wobei jedes der Rohmaterialien in einer wirksamen Menge in das Gemenge eingeschlossen ist, die in Kombination mit den anderen Rohmaterialien darin in der Lage ist, einen gesinterten Wabenkörper zu ergeben, dessen vorherrschende Kristallphase Cordierit ist; inniges Vermischen der Rohmaterialien mit einer wirksamen Menge Bindemittels und Formgebungshilfsmitteln, um den Rohmaterialien plastische Formbarkeit und ungesinterte Festigkeit zu verleihen, und um eine plastische Mischung zu bilden; Formen der Rohrmaterialien durch Extrusion zu einem ungesinterten Wabenstrukturkörper und anschließendes Trocknen des ungesinterten Wabenstrukturkörpers; Brennen des ungesinterten Wabenstrukturkörpers durch Erhitzen des ungesinterten Körpers auf eine erste Temperatur, die von ungefähr 750 bis 850°C reicht, und anschließend auf eine zweite Temperatur, die von ungefähr 1250 bis 1350°C reicht, und anschließend auf eine dritte Temperatur von mindestens 1390°C, und anschließendes Beibehalten der Temperatur bei der dritten Temperatur für eine Durchdringungszeit von ungefähr 12 bis 20 Stunden, wobei eine oxidierende Atmosphäre, die ungefähr 5% O₂ umfaßt, während des gesamten Zeitraums des Brennens von der ersten Temperatur bis zur zweiten Temperatur beibehalten wird, eine oxidierende Atmosphäre, die ungefähr 1% O₂ umfaßt, während des gesamten Zeitraumes des Brennens von der zweiten Temperatur bis zur dritten Temperatur beibehalten wird, und eine oxidierende Atmosphäre, die ungefähr 2% O₂ umfaßt, während der gesamten Temperaturdurchdringungszeit oder eine reduzierende Atmosphäre, die ungefähr 2% CO umfaßt, während der gesamten Temperaturdurchdringungszeit beibehalten wird.
Verfahren zur Herstellung eines Cordieritwabenstrukturkörpers, das die folgenden Schritte umfasst: Formulierung eines Gemenges aus Rohmaterialien, das eine Mischung aus Kaolintonerde, Talk, Aluminiumoxid und anderen, cordieritbildenden Materialien umfaßt, wobei jedes der Rohmaterialien in einer wirksamen Menge in das Gemenge eingeschlossen ist, die in Kombination mit den anderen Rohmaterialien darin in der Lage ist, einen gesinterten Wabenkörper zu ergeben, dessen vorherrschende Kristallphase Cordierit ist; inniges Vermischen der Rohmaterialien mit einer wirksamen Menge Bindemittels und Formgebungshilfsmitteln, um den Rohmaterialien plastische Formbarkeit und ungesinterte Festigkeit zu verleihen, und um eine plastische Mischung zu bilden. Formen der Rohmaterialien durch Extrusion zu einem ungesinterten Wabenstrukturkörper und anschließendes Trocknen des ungesinterten Wabenstrukturkörpers; Brennen des ungesinterten Wabenstrukturkörpers durch Erhitzen des ungesinterten Körpers auf eine erste Temperatur, die von ungefähr 750 bis 850°C reicht, und anschließend auf eine zweite Temperatur, die von ungefähr 1250 bis 1350°C reicht, und anschließend auf eine dritte Temperatur von mindestens 1390°C, und anschließend Beibehalten der Temperatur auf der dritten Temperatur über einen Zeitraum von ungefähr 12 bis 20 Stunden, wobei eine reduzierende Brennatmosphäre, die CO in einer Menge von nicht mehr als ungefähr 3% umfaßt, während ausgewählter Zeiträume bei Brenntemperaturen oberhalb der ersten Temperatur beibehalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei eine reduzierende Brennatmosphäre, die 2% CO umfaßt, während des gesamten Zeitraums des Brennens von der ersten Temperatur bis zur zweiten Temperatur beibehalten wird; und/oder eine oxidierende Atmosphäre, die nicht mehr als ungefähr 6% O₂ umfaßt, bei Brenntemperaturen zwischen 1100 und 1300°C beibehalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die oxidierende Atmosphäre ungefähr 1% O₂ umfaßt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Temperaturbereich von ungefähr 790 bis 810°C ist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die erste Temperatur ungefähr 800°C beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der zweite Temperaturbereich von ungefähr 1275 bis 1285°C ist.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die zweite Temperatur ungefähr 1280°C beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Brennrate von ungefähr 40 bis 100°C während des Brennens von dem ersten bis zum zweiten Temperaturbereich verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Brennrate von ungefähr 10 bis 50°C während des Brennens vom zweiten bis zum dritten Temperaturbereich verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die dritte Temperatur ungefähr 1403°C beträgt.