RU2816133C1 - Die matrix for production of ceramic substrates and method of its production - Google Patents
Die matrix for production of ceramic substrates and method of its production Download PDFInfo
- Publication number
- RU2816133C1 RU2816133C1 RU2023121591A RU2023121591A RU2816133C1 RU 2816133 C1 RU2816133 C1 RU 2816133C1 RU 2023121591 A RU2023121591 A RU 2023121591A RU 2023121591 A RU2023121591 A RU 2023121591A RU 2816133 C1 RU2816133 C1 RU 2816133C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- channels
- cross
- matrix
- sectional area
- forming
- Prior art date
Links
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 title claims abstract description 62
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 25
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 18
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 17
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N Trioxochromium Chemical compound O=[Cr](=O)=O WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 10
- 235000011007 phosphoric acid Nutrition 0.000 claims abstract description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims abstract description 6
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000007517 polishing process Methods 0.000 claims abstract description 4
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 17
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 5
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 7
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 241000264877 Hippospongia communis Species 0.000 description 4
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 4
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 3
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 3
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 3
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 3
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 3
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 2
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 2
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 2
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 2
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 229910001240 Maraging steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 1
- 239000012700 ceramic precursor Substances 0.000 description 1
- VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N chromium nickel Chemical compound [Cr].[Ni] VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003749 cleanliness Effects 0.000 description 1
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 229910052878 cordierite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002283 diesel fuel Substances 0.000 description 1
- JSKIRARMQDRGJZ-UHFFFAOYSA-N dimagnesium dioxido-bis[(1-oxido-3-oxo-2,4,6,8,9-pentaoxa-1,3-disila-5,7-dialuminabicyclo[3.3.1]nonan-7-yl)oxy]silane Chemical compound [Mg++].[Mg++].[O-][Si]([O-])(O[Al]1O[Al]2O[Si](=O)O[Si]([O-])(O1)O2)O[Al]1O[Al]2O[Si](=O)O[Si]([O-])(O1)O2 JSKIRARMQDRGJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 239000003502 gasoline Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 229910001119 inconels 625 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000816 inconels 718 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010297 mechanical methods and process Methods 0.000 description 1
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 238000007514 turning Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Группа изобретений относится к оснастке экструзионной технологии изготовления керамических субстратов и может быть использована для изготовления матрицы фильеры для производства керамических субстратов с повышенной плотностью тонкостенных каналов. Керамические субстраты могут быть использованы в качестве носителя каталитического нейтрализатора систем снижения токсичности отработанных газов двигателей внутреннего сгорания автомобилей (ДВС), работающих на углеводородном топливе, включая газ, бензин, дизельное топливо, а потому загрязняющие атмосферу оксидами азота (NOx), углерода (СО) и др. The group of inventions relates to equipment for extrusion technology for the production of ceramic substrates and can be used for the manufacture of a die matrix for the production of ceramic substrates with an increased density of thin-walled channels. Ceramic substrates can be used as a carrier of a catalytic converter in systems for reducing the toxicity of exhaust gases of internal combustion engines (ICEs) running on hydrocarbon fuels, including gas, gasoline, diesel fuel, and therefore polluting the atmosphere with oxides of nitrogen ( NOx ), carbon (CO). ) and etc.
Керамические субстраты с ячеистой (сотовой) структурой, преимущественно кордиеритового состава, нашли широкое применение в автомобилестроении в качестве носителей каталитических нейтрализаторов систем снижения токсичности отработанных газов ДВС. При этом ужесточение правил контроля выбросов, особенно для автомобилей, требует применения сотовых изделий со значительно уменьшенной толщиной стенок и увеличенной плотностью каналов, предназначенной для повышения каталитической эффективности. Как сказано в US2002098320, опубл. 25.07.2002, спрос на ультратонкостенные соты существенно возрастает, в то же время соты, содержащие от 600 до 1200 ячеек на квадратный дюйм (около 90-190/см2) находятся, как указано в описании к этому патенту, в стадии разработки.Ceramic substrates with a cellular (honeycomb) structure, predominantly of cordierite composition, have found widespread use in the automotive industry as carriers of catalytic converters in systems for reducing the toxicity of exhaust gases of internal combustion engines. However, increasingly stringent emissions regulations, especially for automobiles, require honeycomb products with significantly reduced wall thicknesses and increased channel densities designed to improve catalytic efficiency. As stated in US2002098320, publ. 07/25/2002, the demand for ultra-thin-walled honeycombs is increasing significantly, at the same time, honeycombs containing from 600 to 1200 cells per square inch (about 90-190/cm 2 ) are, as indicated in the description of this patent, under development.
Наиболее оптимальной формой сечения каналов субстрата, позволяющей увеличить их плотность и газовую проводимость, является максимально приближенная к круглой шестигранная форма, способствующая значительному уменьшению гидравлического сопротивления потоку газа, и, соответственно повышению эффективности каталитической нейтрализации токсичных компонентов отработанных газов, а также к увеличению суммарной мощности двигателя внутреннего сгорания, повышая КПД всего агрегата в целом.The most optimal cross-sectional shape of the substrate channels, which allows increasing their density and gas conductivity, is a hexagonal shape as close as possible to a round one, which contributes to a significant reduction in hydraulic resistance to gas flow and, accordingly, increases the efficiency of catalytic neutralization of toxic components of exhaust gases, as well as an increase in the total engine power internal combustion, increasing the efficiency of the entire unit as a whole.
Традиционная технология изготовления матриц фильер предполагает использование механического оборудования, в частности, фрезерного, сверлильного и др., а также электроэрозионного оборудования, в частности, электроэрозионного станка и электропрошивной супердрели. Существенным недостатком механического способа изготовления матриц является высокая скорость износа режущего инструмента (дисковые фрезы толщиной от 0,12 до 0,65 мм и сверла ∅ от 0,35 до 1,2 мм) и малый ресурс его эксплуатации вследствие большого объема работ. Так, количество каналов, образующих формовочный контур одной матрицы может доходить до 6000 шт., а количество питающих каналов той же матрицы - до 7500 шт. При этом затраты на быстроизнашиваемый сменный инструмент составляют значимую часть в стоимости фильеры. Traditional technology for manufacturing die matrices involves the use of mechanical equipment, in particular, milling, drilling, etc., as well as electrical erosion equipment, in particular, an electrical erosive machine and an electric piercing super drill. A significant disadvantage of the mechanical method of manufacturing matrices is the high wear rate of the cutting tool (disc cutters with a thickness of 0.12 to 0.65 mm and drills with a diameter of 0.35 to 1.2 mm) and its short service life due to the large volume of work. Thus, the number of channels forming the molding contour of one matrix can reach up to 6000 pcs., and the number of supply channels of the same matrix can reach up to 7500 pcs. At the same time, the costs of wear-out replacement tools constitute a significant part of the cost of the die.
Существенным недостатком электроэрозионного способа изготовления матрицы фильеры является высокая стоимость расходного инструмента и материалов (NiCr-проволока с добавками тугоплавких, износостойких материалов и элементов ∅ от 0,05 до 0,25 мм, для электроэрозионного режущего станка, а также вольфрамовые полые электроды ∅ от 0,1 до 0,82 мм). Вместе с тем, временной период изготовления одной фильеры этим способом составляет длительный временной отрезок - от 6 до 12 суток непрерывной работы, что сказывается на ее себестоимости. A significant disadvantage of the electroerosive method of manufacturing a die matrix is the high cost of consumable tools and materials (NiCr wire with additions of refractory, wear-resistant materials and elements ∅ from 0.05 to 0.25 mm, for an electroerosive cutting machine, as well as tungsten hollow electrodes ∅ from 0 .1 to 0.82 mm). At the same time, the time period for manufacturing one die using this method is a long period of time - from 6 to 12 days of continuous work, which affects its cost.
Для традиционных способов изготовления матрицы фильеры обязательным условием является наличие высокоточной заготовки, изготавливаемой в несколько технологических операций - фрезерование, сверление, токарная и термическая обработка, что также в значительной степени повышают себестоимость изделия. Кроме того, необходим высокий класс обрабатывающего оборудования (станков), т.к. требуется получить заданный класс чистоты обработки поверхности металла внутри формующих отверстий, который влияет на сопротивление проталкиванию пластичной массы через матрицу фильеры.For traditional methods of manufacturing a die matrix, a prerequisite is the presence of a high-precision workpiece, manufactured in several technological operations - milling, drilling, turning and heat treatment, which also significantly increase the cost of the product. In addition, high-class processing equipment (machines) is required, because it is required to obtain a given class of cleanliness of metal surface treatment inside the forming holes, which affects the resistance to pushing the plastic mass through the die matrix.
Однако технической проблемой является невозможность традиционными способами изготовить матрицу фильеры, пригодную для производства субстрата с повышенной плотностью каналов с ровными стенками минимальной толщины, что обусловлено отсутствием необходимого для этого обрабатывающего инструмента микроскопических размеров (фрезы, электродрели и др.).However, a technical problem is the impossibility of using traditional methods to produce a die matrix suitable for the production of a substrate with an increased density of channels with smooth walls of minimal thickness, which is due to the lack of microscopic processing tools necessary for this (mills, electric drills, etc.).
Таким образом, техническая проблема, на решение которой направлена группа изобретений, заключается в разработке современной экономически эффективной технологии изготовления матрицы фильеры для производства керамических субстратов с повышенной плотностью каналов с ровными стенками минимальной толщины.Thus, the technical problem to which the group of inventions is aimed is to develop a modern cost-effective technology for manufacturing a die matrix for the production of ceramic substrates with an increased density of channels with smooth walls of minimal thickness.
Для этого предложена матрица фильеры для производства керамических субстратов, имеющая питающие каналы, переходящие в формующие каналы сечением в форме правильного шестиугольника, при этом питающие каналы матрицы выполнены глубиной, не менее чем в 2 раза превышающей глубину формующих каналов, площадь сечения которых составляет 1,13 мм2, а площадь сечения питающих каналов более чем в 1,07-2,0 раз превышает площадь сечения формующих каналов.For this purpose, a die matrix is proposed for the production of ceramic substrates, which has feeding channels that transform into forming channels with a cross-section in the shape of a regular hexagon, while the feeding channels of the matrix are made with a depth of at least 2 times the depth of the forming channels, the cross-sectional area of which is 1.13 mm 2 , and the cross-sectional area of the supply channels is more than 1.07-2.0 times greater than the cross-sectional area of the forming channels.
Разница в глубине питающих и формующих каналов обусловлена разницей в гидравлическом сопротивлении строения их геометрии. Питающие каналы имеют круглую форму, что стремится к почти идеальной геометрической модели наибольшей площади поперечного сечения и соответственно наибольшей степени снижения гидросопротивления проталкиванию пластичной массы через фильеру. Формующие каналы имеют плоскую форму, в несколько раз тоньше сечения питающего канала, но почти сопоставимого с площадью сечения последнего. Соответственно, для прохождения пластичной массы через формующие каналы требуется преодолеть гораздо большее (в несколько раз, примерно равное четырехкратному) гидросопротивление, чем при движении того-же объема прекурсора керамической массы по питающим каналам.The difference in the depth of the feeding and forming channels is due to the difference in the hydraulic resistance of the structure of their geometry. The supply channels have a round shape, which tends to an almost ideal geometric model of the largest cross-sectional area and, accordingly, the greatest degree of reduction in hydraulic resistance to pushing the plastic mass through the die. The forming channels have a flat shape, several times thinner than the cross-section of the feeding channel, but almost comparable to the cross-sectional area of the latter. Accordingly, in order to pass the plastic mass through the forming channels, it is necessary to overcome a much greater (several times, approximately fourfold) hydraulic resistance than when moving the same volume of ceramic mass precursor through the supply channels.
Разница площадей сечения питающих и формующих каналов обусловлена уплотнением массы прекурсора перед окончательным формованием геометрии, а также необходимым повышением температуры перед непосредственным формованием за счет сжатия и увеличением силы трения. The difference in cross-sectional areas of the feeding and forming channels is due to the compaction of the precursor mass before the final formation of the geometry, as well as the necessary increase in temperature before direct molding due to compression and an increase in the friction force.
Для улучшения адгезии активного слоя наносимых на керамический субстрат растворов каталитического нейтрализатора матрица имеет формующие каналы сечением в форме правильного шестиугольника, углы которого скруглены по радиусу от 10 до 540 мкм. Для сокращения показателей гидравлического сопротивления, получаемого с помощью фильеры субстрата потоку газов, матрица фильеры имеет формующие каналы сечением в форме правильного шестиугольника, стороны которого имеют волнообразный профиль с радиусом волны 10-100 мкм, ориентированный поперек течения выхлопных газов. Для сохранения прочностных параметров перехода питающих-формующих каналов, а также для повышения температуры прекурсора на выходе из фильеры, питающие каналы матрицы в месте перехода в начало формующих каналов выполнены с расширением.To improve the adhesion of the active layer of catalytic converter solutions applied to the ceramic substrate, the matrix has forming channels with a cross-section in the shape of a regular hexagon, the corners of which are rounded along a radius from 10 to 540 microns. To reduce the hydraulic resistance obtained by using a substrate die to the gas flow, the die matrix has forming channels with a cross-section in the shape of a regular hexagon, the sides of which have a wave-like profile with a wave radius of 10-100 μm, oriented across the flow of exhaust gases. To maintain the strength parameters of the transition of the feeding-forming channels, as well as to increase the temperature of the precursor at the outlet of the die, the feeding channels of the matrix at the point of transition to the beginning of the forming channels are made with expansion.
Предложен также способ изготовления матрицы фильеры для производства керамических субстратов, включающий аддитивную печать питающих и формующих каналов по технологии селективного лазерного сплавления (SLM) из порошковых нержавеющих сталей или мартенситно-стареющих сплавов гранулометрического состава от 10 до 63 мкм с последующей электрохимической полировкой каналов, которую осуществляют в потоке электролита, направленного внутрь этих каналов вдоль их оси, процесс полировки ведут при рабочей температуре 50-80°С, плотности анодного тока от 20 до 150 А/дм2, выдержке от 2 до 30 мин в электролите, содержащем 45-65 мас.% ортофосфорной кислоты, ρ=1,7 г/см3, 15-40 мас.% серной кислоты с добавлением 5-6 мас.% хромового ангидрида, остальное – вода, при этом питающие каналы выполняют с переходом в формующие каналы сечением в форме правильного шестиугольника, причем питающие каналы матрицы выполняют глубиной, не менее чем в 2 раза превышающей глубину формующих каналов, площадь сечения которых составляет 1,13 мм2, а площадь сечения питающих каналов более чем в 1,07-2,0 раз превышает площадь сечения формующих каналов.A method for manufacturing a die matrix for the production of ceramic substrates is also proposed, including additive printing of feeding and forming channels using selective laser melting (SLM) technology from powdered stainless steels or maraging alloys with a granulometric composition from 10 to 63 microns, followed by electrochemical polishing of the channels, which is carried out in a flow of electrolyte directed inside these channels along their axis, the polishing process is carried out at an operating temperature of 50-80°C, anode current density from 20 to 150 A/dm 2 , exposure from 2 to 30 minutes in an electrolyte containing 45-65 wt. .% orthophosphoric acid, ρ=1.7 g/cm 3 , 15-40 wt.% sulfuric acid with the addition of 5-6 wt.% chromic anhydride, the rest is water, while the supply channels are made with a transition to the forming channels with a cross-section of in the shape of a regular hexagon, and the feeding channels of the matrix are made with a depth of at least 2 times the depth of the forming channels, the cross-sectional area of which is 1.13 mm 2 , and the cross-sectional area of the feeding channels is more than 1.07-2.0 times the area cross sections of forming channels.
Для организации потока электролита, который при включении электрического поля будет направлен внутрь каналов матрицы вдоль их оси, матрицу размещают в электролите таким образом, чтобы ее питающие каналы были направлены в сторону катода. Для увеличения срока службы матрицы и соответственно, снижения затрат на производство керамического субстрата, после электрохимической полировки формующие каналы матрицы покрывают слоем металлического хрома или никеля толщиной не менее 5 мкм. To organize the flow of electrolyte, which, when the electric field is turned on, will be directed inside the matrix channels along their axis, the matrix is placed in the electrolyte so that its supply channels are directed towards the cathode. To increase the service life of the matrix and, accordingly, reduce the cost of producing a ceramic substrate, after electrochemical polishing, the forming channels of the matrix are coated with a layer of metal chromium or nickel with a thickness of at least 5 microns.
Использование аддитивного способа изготовления каналов матрицы по технологии SLM из металлических порошков в совокупности с электрохимической полировкой этих каналов, которая при заявленных условиях выравнивает стенки каналов и очищает их от посторонних включений, позволяет изготовить матрицу фильеры, с помощью которой можно получить керамический субстрат с каналами плотностью не менее 120 шт./см2 с ровными стенками толщиной от 0,1 до 0,6 мм, причем за существенно меньшее время, чем по традиционной технологии, если бы ее было возможно применить для решения обозначенной технической проблемы.The use of an additive method for manufacturing matrix channels using SLM technology from metal powders in combination with electrochemical polishing of these channels, which, under the stated conditions, aligns the walls of the channels and cleans them of foreign inclusions, makes it possible to produce a die matrix, with the help of which it is possible to obtain a ceramic substrate with channels with a density of less than 120 pcs/cm 2 with smooth walls with a thickness of 0.1 to 0.6 mm, and in significantly less time than traditional technology, if it were possible to apply it to solve the identified technical problem.
Керамические субстраты с такими каналами способствует значительному увеличению газовой проводимости и уменьшению гидравлического сопротивления потоку газа, и соответственно повышению эффективности каталитической нейтрализации токсичных компонентов отработанных газов, а также к увеличению суммарной мощности двигателя внутреннего сгорания, повышая КПД всего агрегата в целом. При этом время изготовления матрицы фильеры с использованием заявленной технологии оценочно было бы снижено на 20-25% по отношению к традиционным технологиям.Ceramic substrates with such channels help to significantly increase gas conductivity and reduce hydraulic resistance to gas flow, and accordingly increase the efficiency of catalytic neutralization of toxic components of exhaust gases, as well as increase the total power of the internal combustion engine, increasing the efficiency of the entire unit as a whole. At the same time, the manufacturing time of the die matrix using the claimed technology would be estimated to be reduced by 20-25% in relation to traditional technologies.
Новый технический результат, достигаемый изобретением, заключается в увеличении газовой проводимости и уменьшении гидравлического сопротивления потоку газа керамического субстрата, полученного с использованием заявленной матрицы фильеры. The new technical result achieved by the invention is to increase the gas conductivity and reduce the hydraulic resistance to the gas flow of the ceramic substrate obtained using the claimed die matrix.
Изобретение иллюстрируется рисунками, где The invention is illustrated by drawings, where
на фиг.1 представлено фото матрицы фильеры;Figure 1 shows a photo of the die matrix;
на фиг.2 изображен фрагмент матрицы фильеры с формующими каналами с сечением в форме правильного шестиугольника;Fig. 2 shows a fragment of a die matrix with forming channels with a cross-section in the shape of a regular hexagon;
на фиг.3 изображен фрагмент матрицы фильеры с формующими каналами с сечением в форме правильного шестиугольника, углы которого скруглены по радиусу R от 10 до 540 мкм;Fig. 3 shows a fragment of a die matrix with forming channels with a cross-section in the shape of a regular hexagon, the corners of which are rounded along a radius R from 10 to 540 μm;
на фиг.4 представлено фото верхней части матрицы фильеры с волнообразным профилем шестиугольного сечения питающих каналов;Figure 4 shows a photo of the upper part of the die matrix with a wave-like profile of the hexagonal cross-section of the supply channels;
на фиг.5 изображен фрагмент матрицы фильеры с волнообразным профилем шестиугольного сечения питающих каналов с радиусом волны L = 10-100 мкм; Fig. 5 shows a fragment of a die matrix with a wave-like profile of a hexagonal cross-section of supply channels with a wave radius L = 10-100 μm;
на фиг.6 представлено фото фрагмента матрицы фильеры, где питающие каналы переходят в формующие каналы.Figure 6 shows a photo of a fragment of the die matrix, where the feeding channels turn into forming channels.
Заявленная матрица фильеры имеет питающие каналы 1 с сечением круглой формы, переходящие в формующие каналы 2 с сечением в форме правильного шестиугольника, при этом питающие каналы матрицы выполнены глубиной, не менее чем в 2 раза превышающей глубину формующих каналов. Площадь сечения формующих каналов составляет 1,13 мм2, а площадь сечения питающих каналов более чем в 1,07-2,0 раз превышает площадь сечения формующих каналов.The claimed die matrix has supply channels 1 with a circular cross-section, passing into forming channels 2 with a cross-section in the shape of a regular hexagon, while the supply channels of the matrix are made with a depth of at least 2 times the depth of the forming channels. The cross-sectional area of the forming channels is 1.13 mm 2 , and the cross-sectional area of the supply channels is more than 1.07-2.0 times greater than the cross-sectional area of the forming channels.
Плотность формующих каналов матрицы рассчитана, исходя из условий получения керамического субстрата с плотностью каналов не менее 120 шт./см2, имеющих ровные стенки толщиной от 0,1 до 0,6 мм, с учетом процента усадки на сушку керамического прекурсора и его обжиг, образующегося в процессе изготовления керамического субстрата.The density of the forming channels of the matrix is calculated based on the conditions for obtaining a ceramic substrate with a channel density of at least 120 pcs/ cm2 , having smooth walls with a thickness of 0.1 to 0.6 mm, taking into account the percentage of shrinkage during drying of the ceramic precursor and its firing, formed during the manufacturing process of the ceramic substrate.
Для изготовления матрицы с каналами заданной плотности и геометрии, разрабатывают ее 3D-модель в адаптированном к 3D-принтеру графическому редактору и на 3D- принтере изготавливают по технологии селективного лазерного сплавления (SLM), которая описана, например, в DE 19649865, опубл. 12.02.1998. Процессу печати предшествует разделение цифровой трехмерной модели объекта на слои, имеющие толщину от 20 до 100 микрон. Созданный в формате STL файл используется, как чертеж для печати физической модели. В дальнейшем, на плиту построения, которая имеет подвижность в вертикальном направлении, наносится слой порошкового материала толщиной 20-100 мкм, с дальнейшей обработкой лазером (сплавлением порошкового материала) требуемых областей по данным слоя модели, и нанесением поверх предыдущего слоя очередного слоя порошкового материала и повторением операций до полного построения матрицы. To produce a matrix with channels of a given density and geometry, its 3D model is developed in a graphic editor adapted to a 3D printer and produced on a 3D printer using selective laser melting (SLM) technology, which is described, for example, in DE 19649865, publ. 02/12/1998. The printing process is preceded by the division of a digital three-dimensional model of an object into layers having a thickness of 20 to 100 microns. The file created in STL format is used as a drawing for printing a physical model. Subsequently, a layer of powder material 20-100 microns thick is applied to the construction plate, which has mobility in the vertical direction, with further laser processing (fusion of powder material) of the required areas according to the data of the model layer, and the application of another layer of powder material on top of the previous layer and repeating operations until the matrix is completely constructed.
Каналы матрицы подвергают электрохимической полировке, которую осуществляют в потоке электролита, направленного внутрь каналов вдоль их оси, процесс полировки ведут при рабочей температуре 50-80°С, плотности анодного тока от 20 до 150 А/дм2, выдержке от 2 до 30 мин в электролите, содержащем 45-65 мас.% ортофосфорной кислоты, ρ=1,7 г/см3, 15-40 мас.% серной кислоты с добавлением 5-6 мас.% хромового ангидрида, остальное – вода. При этом питающие каналы выполняют с переходом в формующие каналы сечением в форме правильного шестиугольника, причем питающие каналы матрицы выполняют глубиной, не менее чем в 2 раза превышающей глубину формующих каналов, площадь сечения которых составляет 1,13 мм2, а площадь сечения питающих каналов более чем в 1,07-2,0 раз превышает площадь сечения формующих каналов.The matrix channels are subjected to electrochemical polishing, which is carried out in a flow of electrolyte directed inside the channels along their axis; the polishing process is carried out at an operating temperature of 50-80°C, anode current density from 20 to 150 A/dm 2 , holding time from 2 to 30 min. electrolyte containing 45-65 wt.% orthophosphoric acid, ρ=1.7 g/cm 3 , 15-40 wt.% sulfuric acid with the addition of 5-6 wt.% chromic anhydride, the rest is water. In this case, the supply channels are made with a transition to the forming channels with a cross-section in the shape of a regular hexagon, and the supply channels of the matrix are made with a depth of at least 2 times the depth of the forming channels, the cross-sectional area of which is 1.13 mm 2 , and the cross-sectional area of the supply channels is more than 1.07-2.0 times the cross-sectional area of the forming channels.
Пример 1Example 1
Для изготовления матрицы фильеры по технологии SLM использовали порошок из нержавеющего сплава 316L гранулометрического состава от 10 до 63 мкм. Для электрохимической полировки каналов матрицы ее помещали в электролизную ванну с электролитом таким образом, чтобы ее питающие каналы были направлены в сторону катода. Состав электролита содержал 65 мас.% ортофосфорной кислоты, ρ=1,7 г/см3, 15 мас.% серной кислоты, 6 мас.% хромового ангидрида, остальное – вода. Процесс вели при рабочей температуре 80°С, плотности анодного тока 20 А/дм2, выдержке 30 мин. Получили матрицу с ровными стенками питающих, переходящих в формующие каналов, при этом глубина питающих каналов равна 13 мм, а соответствующих им формующих – 4 мм. Площадь сечения формующего канала равна 1,13 мм2, а площадь сечения питающего канала больше чем в 1,07 раза превышает площадь сечения формующего канала и составляет 1,21 мм2.To manufacture the die matrix using SLM technology, we used 316L stainless alloy powder with a granulometric composition from 10 to 63 microns. For electrochemical polishing of the matrix channels, it was placed in an electrolysis bath with electrolyte so that its supply channels were directed towards the cathode. The composition of the electrolyte contained 65 wt.% orthophosphoric acid, ρ=1.7 g/cm 3 , 15 wt.% sulfuric acid, 6 wt.% chromic anhydride, the rest was water. The process was carried out at an operating temperature of 80°C, anode current density of 20 A/dm 2 , holding time of 30 minutes. We obtained a matrix with smooth walls of feeding channels that go into forming channels, while the depth of the supply channels is 13 mm, and the corresponding forming channels are 4 mm. The cross-sectional area of the forming channel is 1.13 mm 2 , and the cross-sectional area of the supply channel is more than 1.07 times larger than the cross-sectional area of the forming channel and is 1.21 mm 2 .
Пример 2 Example 2
Для изготовления матрицы фильеры по технологии SLM использовали порошок из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, гранулометрического состава от 10 до 63 мкм. Для электрохимической полировки каналов матрицы ее помещали в электролизную ванну с электролитом таким образом, чтобы питающие каналы были направлены в сторону катода. Состав электролита содержал 65 мас.% ортофосфорной кислоты, ρ=1,7 г/см3, 15 мас.% серной кислоты, 6 мас.% хромового ангидрида, остальное – вода. Процесс вели при рабочей температуре 80°С, плотности анодного тока 50 А/дм2, выдержке 10 мин. Получили матрицу с ровными стенками питающих, переходящих в формующие каналов, при этом глубина питающих каналов равна 11,5 мм, а соответствующих им формующих – 5,5 мм. Площадь сечения формующего канала равна 1,13 мм2, а площадь сечения питающего канала больше чем в 1,68 раза превышает площадь сечения формующего канала и составляет 1,9 мм2.To manufacture the die matrix using SLM technology, we used 12Х18Н10Т stainless steel powder with a granulometric composition from 10 to 63 microns. For electrochemical polishing of the matrix channels, it was placed in an electrolysis bath with electrolyte so that the supply channels were directed towards the cathode. The electrolyte composition contained 65 wt.% orthophosphoric acid, ρ=1.7 g/cm 3 , 15 wt.% sulfuric acid, 6 wt.% chromic anhydride, the rest was water. The process was carried out at an operating temperature of 80°C, anode current density of 50 A/dm 2 , holding time for 10 minutes. We obtained a matrix with smooth walls of feed channels that go into forming channels, while the depth of the supply channels is 11.5 mm, and the corresponding forming channels are 5.5 mm. The cross-sectional area of the forming channel is 1.13 mm 2 , and the cross-sectional area of the supply channel is more than 1.68 times larger than the cross-sectional area of the forming channel and is 1.9 mm 2 .
Пример 3Example 3
Для изготовления матрицы фильеры по технологии SLM использовали порошок из мартенситно-стареющей стали 18Ni300 гранулометрического состава от 10 до 63 мкм. Для электрохимической полировки каналов матрицы ее помещали в электролизную ванну с электролитом таким образом, чтобы питающие каналы были направлены в сторону катода. Состав электролита содержал мас.% ортофосфорной кислоты, ρ=1,7 г/см3, 40 мас.% серной кислоты, 6 мас.% хромового ангидрида, остальное – вода. Через каналы матрицы пропускали поток 14% водного раствора, содержащего 50 мас.% ортофосфорной кислоты, ρ=1,7 г/см3, 40 мас.% серной кислоты, 5 мас.% хромового ангидрида, остальное – вода. Процесс вели при рабочей температуре 50°С, плотности анодного тока 100 А/дм2, выдержке 10 мин. Получили матрицу с ровными стенками питающих, переходящих в формующие каналов, при этом глубина питающих каналов равна 14 мм, а соответствующих им формующих – 3 мм. Площадь сечения формующего канала равна 1,13 мм2, а площадь сечения питающего канала больше чем в 2 раза превышает площадь сечения формующего канала и составляет 2,26 мм2.To manufacture the die matrix using SLM technology, powder from maraging steel 18Ni300 with a granulometric composition from 10 to 63 microns was used. For electrochemical polishing of the matrix channels, it was placed in an electrolysis bath with electrolyte so that the supply channels were directed towards the cathode. The composition of the electrolyte contained wt.% orthophosphoric acid, ρ=1.7 g/cm 3 , 40 wt.% sulfuric acid, 6 wt.% chromic anhydride, the rest was water. A flow of 14% aqueous solution containing 50 wt.% orthophosphoric acid, ρ=1.7 g/cm 3 , 40 wt.% sulfuric acid, 5 wt.% chromic anhydride, and the rest was water was passed through the matrix channels. The process was carried out at an operating temperature of 50°C, anode current density of 100 A/dm 2 , holding time for 10 minutes. We obtained a matrix with smooth walls of feeding channels that go into forming channels, while the depth of the supply channels is 14 mm, and the corresponding forming channels are 3 mm. The cross-sectional area of the forming channel is 1.13 mm 2 , and the cross-sectional area of the supply channel is more than 2 times larger than the cross-sectional area of the forming channel and is 2.26 mm 2 .
После электрохимической полировки формующие каналы матрицы известным гальваническим способом покрывали слоем металлического никеля или хрома толщиной не менее 5 мкм. Это позволяет многократно увеличить срок службы фильеры, тем самым снижая затраты и уменьшая себестоимость основного продукта производства – керамического субстрата.After electrochemical polishing, the forming channels of the matrix were coated using a known galvanic method with a layer of metallic nickel or chromium with a thickness of at least 5 microns. This allows you to repeatedly increase the service life of the die, thereby reducing costs and reducing the cost of the main production product - the ceramic substrate.
Возможность реализации заявленного способа изготовления матрицы фильеры не ограничивается приведенными примерами. Так, в качестве металлических порошков могут также использоваться мартенситно-стареющие сплавы марок Inconel 625, Inconel 718, ХН75МБТЮ, ХН45МВТЮБР.The possibility of implementing the claimed method for manufacturing a die matrix is not limited to the examples given. Thus, maraging-aging alloys of the brands Inconel 625, Inconel 718, KhN75MBTYu, KhN45MVTYUBR can also be used as metal powders.
Сроки изготовления фильеры диаметром 100 мм и высотой 25 мм без учета разработки 3D-модели, составляют не более трех суток, что значительно сокращает технологические издержки. Для сравнения, стоимость сменного инструмента традиционной технологии изготовления фильеры может в разы превышать стоимость филеры, изготовленной с использованием аддитивной технологии. Соответственно и время на изготовления данной фильеры традиционным способом в разы превышало бы время изготовления заявляемым способом. При переработке конструкции под аддитивную технологию время изготовления фильеры оценочно снизилось бы на 20-25%.The production time for a die with a diameter of 100 mm and a height of 25 mm, excluding the development of a 3D model, is no more than three days, which significantly reduces technological costs. For comparison, the cost of a replacement tool using traditional die manufacturing technology can be several times higher than the cost of a die made using additive technology. Accordingly, the time for manufacturing this die using the traditional method would be several times greater than the manufacturing time using the claimed method. When processing the design for additive technology, the die manufacturing time would be estimated to decrease by 20-25%.
С помощью новой матрицы фильеры, полученной новым способом, изготовлен керамический субстрат с плотностью каналов не менее 120 шт./см2, имеющих ровные стенки толщиной от 0,1 до 0,6 мм. Такой высокоплотный тонкостенный субстрат позволяет увеличить газовую проводимость, уменьшить гидравлическое сопротивление потоку газа и таким образом повысить эффективность каталитической нейтрализации токсичных компонентов отработанных газов, а также увеличить суммарную мощность двигателя внутреннего сгорания за счет повышения КПД всего агрегата в целом. Using a new die matrix obtained by a new method, a ceramic substrate with a channel density of at least 120 pcs./cm2 , having smooth walls with a thickness of 0.1 to 0.6 mm, was manufactured. Such a high-density thin-walled substrate makes it possible to increase gas conductivity, reduce hydraulic resistance to gas flow and thus increase the efficiency of catalytic neutralization of toxic components of exhaust gases, as well as increase the total power of the internal combustion engine by increasing the efficiency of the entire unit as a whole.
Claims (7)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2816133C1 true RU2816133C1 (en) | 2024-03-26 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1144886A1 (en) * | 1983-06-06 | 1985-03-15 | Предприятие П/Я Р-6281 | Die for moulding multichannel ceramic articles |
| RU2024404C1 (en) * | 1993-02-22 | 1994-12-15 | Костюченко Вячеслав Валерианович | Drawhole for extrusion molding of articles |
| RU2350466C2 (en) * | 2007-05-24 | 2009-03-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный авиационный технический университет | Die head for pelletising ground secondary polymers |
| RU188161U1 (en) * | 2019-01-25 | 2019-04-01 | Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственное Предприятие "Детская Восстановительная Медицина" | Die for forming a hollow structural profile |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1144886A1 (en) * | 1983-06-06 | 1985-03-15 | Предприятие П/Я Р-6281 | Die for moulding multichannel ceramic articles |
| RU2024404C1 (en) * | 1993-02-22 | 1994-12-15 | Костюченко Вячеслав Валерианович | Drawhole for extrusion molding of articles |
| RU2350466C2 (en) * | 2007-05-24 | 2009-03-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный авиационный технический университет | Die head for pelletising ground secondary polymers |
| RU188161U1 (en) * | 2019-01-25 | 2019-04-01 | Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственное Предприятие "Детская Восстановительная Медицина" | Die for forming a hollow structural profile |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108480821B (en) | A kind of electric arc increasing material manufacturing method of circular cross-section follow-cooling passageway | |
| Beri et al. | Technological advancement in electrical discharge machining with powder metallurgy processed electrodes: a review | |
| JP3227454B2 (en) | Electrode for discharge surface treatment, method for producing the same, and discharge surface treatment method and apparatus | |
| CN109967739B (en) | Method for preparing gradient structure metal piece based on additive manufacturing technology | |
| JP5134364B2 (en) | Method for manufacturing die for forming honeycomb structure and die for forming honeycomb structure | |
| CN103233258A (en) | Method for preparing dense enhancement type ceramic membrane based on micro-arc oxidizing and laser remelting | |
| JP6687616B2 (en) | Apparatus and method for manufacturing extrusion die | |
| CN113732310B (en) | Method for preparing complex thin-wall component by adopting laser metal deposition and follow-up rolling | |
| CN110756926A (en) | Electric spark electrolysis continuous machining method and tool for efficiently milling plane | |
| RU2816133C1 (en) | Die matrix for production of ceramic substrates and method of its production | |
| Tay et al. | The potential of plating techniques in the development of rapid EDM tooling | |
| Han et al. | Combined milling of electrical discharge ablation machining and electrochemical machining | |
| Dhakar et al. | Influence of glycerin-air dielectric medium on near-dry EDM of titanium alloy | |
| US20080006964A1 (en) | Method of producing dies for extrusion molding of honeycomb structure bodies | |
| JP4996642B2 (en) | Die for forming honeycomb structure and method for manufacturing the same | |
| CN107398654A (en) | The electron beam welding special filling material of titanium alloy and nickel base superalloy | |
| Payal et al. | Non-conventional machining processes as viable alternatives for production with specific reference to electrical discharge machining | |
| CN114029508B (en) | Additive manufacturing method of integrated injector | |
| CN111822703A (en) | Laser precision forming method for variable cross-section cavity revolution body aluminum alloy part | |
| JP2009196252A (en) | Method for producing mold for molding honeycomb structure and method for regenerating this mold | |
| CN110893493B (en) | Electrolytic electric spark composite leveling tool and method for manufacturing rough metal surface by additive manufacturing | |
| CN114160809A (en) | High-power large-layer thickness selective laser melting forming method | |
| CN110592579A (en) | TC4 titanium alloy surface electric spark composite strengthening process | |
| CN113957431B (en) | MAX phase ceramic material manufactured by plasma cladding and additive manufacturing and preparation method thereof | |
| Rodriguez et al. | Surface alloying of AISI H13 steel during electrical discharge machining (EDM) |