通过物件取向控制烧成形状 |
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| 申请号 | CN201210306338.0 | 申请日 | 2012-08-24 | 公开(公告)号 | CN102951907B | 公开(公告)日 | 2016-01-20 |
| 申请人 | 康宁股份有限公司; | 发明人 | D·E·麦克考雷; A·N·罗德保恩; D·R·小特里西; C·A·沃林诺; | ||||
| 摘要 | 一种制备陶瓷体的方法，所述方法包括在烧成过程中，使陶瓷体相对于窑内 温度 梯度系统取向。陶瓷体相对于温度梯度系统取向可使测得的陶瓷体形状相对于预定目标轮廓形状的平均偏差小于陶瓷体相对于温度梯度随机取向时产生的平均偏差。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种制备陶瓷体的方法，所述方法包括： |
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| 说明书全文 | 通过物件取向控制烧成形状[0001] 相关申请的交叉参考 [0002] 本申请根据35U.S.C.§119要求2011年8月25日提交的美国临时申请系列第61/527272号的优先权，本文以该申请的内容为基础并通过参考将其完整地结合于此。 背景技术[0003] 本发明一般涉及通过烧成制件（ware）以生产多孔陶瓷制品的方法，具体涉及通过制件在烧成过程中的取向来控制多孔陶瓷制品形状的方法。 [0004] 在制造陶瓷体时，陶瓷体通常经历挤出、干燥和烧成，以获得预定目标轮廓形状（例如具有圆形或椭圆形截面）。然而，在这样的制造过程中，挤出和干燥之后得到的生坯体的形状与预定目标轮廓形状相比有不同程度的偏差或“走形”（例如“沉陷型”走形或“滑移型”走形）。这种走形特性在烧成过程中有加剧的倾向，导致陶瓷体与预定目标轮廓形状的总偏差甚至比生坯体与预定目标轮廓形状的总偏差更大。与此同时，客户为陶瓷制品（如机动车尾气排放后处理系统中所用的那些陶瓷制品）制订的规格和尺寸要求越来越严格。 发明内容[0005] 本发明的一个实施方式涉及制备陶瓷体的方法。所述方法包括挤出生坯体，将所述生坯体挤出成预定目标轮廓形状。所述生坯体中至少有一些生坯体的测定形状与预定目标轮廓形状至少有部分偏差。所述方法还包括在窑中对生坯体进行烧成，制备陶瓷体。在烧成过程中，生坯体相对于窑内温度梯度取向，使得陶瓷体的测定形状与预定目标轮廓形状的平均偏差小于生坯体的测定形状与预定目标轮廓形状的平均偏差。 [0006] 本发明的另一个实施方式涉及制备陶瓷体的方法。所述方法包括挤出生坯体，将所述生坯体挤出成预定目标轮廓形状。所述生坯体中至少有一些生坯体的测定形状与预定目标轮廓形状至少有部分偏差。所述方法还包括在窑中对生坯体进行烧成，制备陶瓷体。在烧成过程中，至少大部分生坯体相对于窑内温度梯度的取向相同。 附图说明[0010] 图1A-C显示了具有相对于温度梯度的取向或行进方向的圆柱形陶瓷制品的二维俯视图； [0011] 图2A-D呈现了相对于目标轮廓形状的示例性形状族（shape family）的示意图； [0012] 图3绘出了用现有方法制备的一组湿体、生坯体和烧成体的圆度（circularity）； [0013] 图4绘出了目标轮廓形状大致呈椭圆形的部件的测定截面，采用的是主元分析法（PCA）；以及 [0014] 图5A-B绘出了相对于窑内温度梯度均匀和随机取向的生坯体和烧成体的平均圆度以及圆度标准偏差。 具体实施方式[0015] 下面详细描述本发明的各种实施方式；若有附图，则参考附图描述。 [0016] 本文所用的“目标轮廓形状”是指希望所制造的陶瓷制品能够匹配的所需理想形状，如希望所制造的陶瓷制品的面或者截面能够匹配的所需理想形状。这种面或者截面可以是例如理想的卵形、多边形或圆形。虽然对轮廓形状以及与轮廓形状之偏差的最通常的描述涉及卵形或椭圆形的形状、轮廓和/或剖面，但应理解，本文所述的方法同样适用于其他轮廓，例如但不限于圆柱形或圆形、多边形（正方形、矩形、六边形、八边形）等。 [0017] 本文所用的术语“温度梯度”是指特定位置或物体周围温度变化最快的方向。假定温度（T）是三维空间的单值连续可微分函数，即 [0018] T=T(x,y,z), [0019] 其中x、y和z是所关注的位置的坐标，则温度梯度是下式所定义的矢量： [0020] [0021] 例如，在隧道窑中，温度梯度往往与穿过窑的方向对齐或平行。 [0022] 如本文所用，当说到温度梯度与物体上的特征，如生坯体或陶瓷制品上的挤出线对齐时，该特征一般与温度梯度相交，同时朝向温度升高的方向。图1A显示了这样一个例子，该图呈现了圆柱形陶瓷制品100的二维俯视图，其中105代表制品上的挤出线，箭头110代表温度梯度。可以看出，挤出线105与温度梯度110相交，并朝向温度升高的方向。 [0023] 本文所用的术语“斜交”是指既不平行也不垂直的角度或者关系。例如，若说到温度梯度与物体如生坯体或陶瓷体移动的方向斜交，则代表温度梯度的矢量与行进方向彼此不平行或不垂直。图1B显示了这样一个例子，该图呈现了圆柱形陶瓷制品100的二维俯视图，其中箭头120代表行进方向，箭头125代表温度梯度。 [0024] 本文所用的术语“正交”是指通常在二维平面上垂直的角度或者关系。例如，若说到温度梯度与物体如生坯体或陶瓷体移动的方向正交，则代表温度梯度的矢量与行进方向一般相互垂直。图1C显示了这样一个例子，该图呈现了圆柱形陶瓷制品100的二维俯视图，其中箭头120代表行进方向，箭头130代表温度梯度。 [0025] 与目标轮廓形状的偏差或者至少部分偏差是指陶瓷制品或其前体（例如生坯体、湿体等）的实际形状与目标轮廓形状相比的差异。例如，圆度定义为与目标轮廓形状的最大径向偏差减去与目标轮廓形状的最小径向偏差。 [0026] 实际轮廓形状与目标轮廓形状的偏差可通过测量技术如激光测径坐标测量（laser gauge coordinate measurement）（LGCM）技术测定，所述技术利用从本领域公知的激光测径坐标测量仪（LGCMM）得到的测量结果。这种测量技术可形成各种类型的参数，这些参数可用来表征形状偏离目标轮廓形状的方式。例如，模板值（template）是LGCMM参数，表示测得的部件周缘内能够完全容纳的最大轮廓，而管规值（tubegauge）是能够完全容纳所测得的部件周缘的最小轮廓。 [0027] 可用来表征测得的物体与目标轮廓形状之偏差的另一种分析技术是主元分析法（PCA）。美国专利申请公开第2011/0049741号描述了如何用PCA表征形状偏离目标轮廓形状的方式，该专利申请文件的全部内容通过参考结合于此。 [0028] 陶瓷体与目标轮廓形状的偏差常常在形成陶瓷体的过程中产生，特别是当陶瓷体处于柔顺态或半流态时。例如，在挤出过程中，陶瓷材料的“流动前锋”相对于流动或挤出通过挤出筒的方向的剖面会影响挤出体截面的形状。 [0029] 根据陶瓷体与目标轮廓形状的偏差，可得到陶瓷体通常偏离给定目标轮廓形状的方式的示例性分类，有时称作“形状族”。本文所用的术语“形状族”是指相对于目标轮廓形状的偏差的具体模式。图2A-D显示了示例性形状族。图2A-D所示的形状族彼此独立，可组合起来形成其他的形状族。本领域的技术人员应当理解，图2A-D所示的形状族是可能的形状族的非限制性例子。除了图2A-D所示的形状族外，还存在其他的形状族，这样的轮廓也视为在本发明的范围内。类似地，其他目标轮廓的形状族虽然未在本文中描述，但也视为在本发明的范围内。 [0030] 图2A表示形状310，除了轮廓上所有的点都在一个方向上偏离目标形状外，它没有显示出偏离目标轮廓形状的系统模式。图2B是“水平/竖直”形状320，其中两个部分322被“挤进去”了，相对于目标轮廓形状305产生负偏差，而在挤进去的部分322之间的第三部分“突出来”了，与目标轮廓305形成正偏差。图2C是“拉入”形状330，其中物体的三个部分332被“挤进去”了，与目标轮廓形状305形成负偏差，而在两个挤进去的部分332之间的第三部分“突出来”了，与目标轮廓305形成正偏差。图2D是“拉出”形状340，其中物体的部分342被“拉出来”了，与目标轮廓形状305形成正偏差，提供了比目标轮廓形状更接近于矩形或方框形的形状。 [0031] 当生产一组陶瓷体时，它们中常常有许多表现出对目标轮廓形状的偏离，所述偏离可能符合本文所讨论的一个或多个形状族。当采用例如本文所揭示的一种或多种测量技术测得一组陶瓷体的这些偏差时，可计算每个陶瓷体相对于目标轮廓形状的平均偏差量。 [0032] 挤出之后，通常干燥湿体，得到生坯体，然后对生坯体进行烧成，得到陶瓷体。在这些处理阶段，通常情况是，不仅相对于一组陶瓷体的目标轮廓形状的平均偏差量增大，而且该组陶瓷体的变化率（例如标准偏差）也增大。图3以图形方式说明了这种演变，其中“圆度”是为一组挤出、干燥，然后烧成的部件测定的。增大的圆度对应于与目标轮廓形状的更大总体偏差。图3所示曲线410显示了湿态陶瓷体的圆度数据。曲线420显示了生坯（即干燥之后）状态的陶瓷体的圆度数据。曲线430显示了烧成之后的陶瓷体的圆度。可以看出，挤出之后，起先在湿体上看到的与目标轮廓形状的偏差在干燥和烧成之后倾向于扩大。具体而言，湿体的平均圆度经计算为0.0183，生坯体的平均圆度经计算为0.0221，而烧成体的平均圆度经计算为0.0253。就圆度而言，湿体的准偏差为0.00091，生坯体的标准偏差为0.00275，烧成体的标准偏差为0.00586。 [0033] 至于烧成，若不注意制件在窑中相对于窑内温度梯度的取向（例如当制件相对于温度梯度的取向是随机方向时），则可预期与预定目标轮廓形状的平均偏差会扩大或增大。 [0034] 反过来，申请人惊奇地发现，当生坯体相对于窑内温度梯度系统取向时，所得烧成陶瓷体的测定形状与预定目标轮廓形状的平均偏差会小于生坯体的测定形状与预定目标轮廓形状的平均偏差。这样就能在陶瓷体的生产中，使更高百分比的陶瓷体符合客户的规格要求，或者换句话说，精品数量增多，从而有可能大幅度节省成本。它还可降低与烧成有关的其他缺陷如龟裂或者不可接受的热冲击的发生率。 [0035] 生坯体相对于窑内热梯度的取向可与生坯体所表现出来的“形状族”或者与目标轮廓形状的偏差模式关联起来。在给定的一组挤出条件下，来自给定批次的材料的多数（或者至少多个）生坯体在挤出和干燥之后，与目标轮廓形状的偏差常常表现出系统的模式，所述模式与常见形状族一致，如上文所讨论的示例性形状族。当在生产过程中观察到这种现象时，可使生坯体以一定方式相对于窑内温度梯度取向，以便在烧成过程中有效地抵消生坯体在前面发生的走形，从而使该组陶瓷体整体上减小与目标轮廓形状的总偏差量。 [0036] 在一些示例性实施方式中，至少多数生坯体相对于窑内温度梯度的取向相同。例如，至少60%，又如至少70%，再如至少80%，还如至少90%的生坯体相对于窑内温度梯度的取向相同。在一些示例性实施方式中，所有生坯体相对于窑内温度梯度的取向相同。 [0037] 例如，对于具有图2C所示走形模式的生坯体，申请人惊奇地发现，在烧成过程中对生坯体进行取向，使生坯体进窑时，两个挤进去的部分之间的突出部分与温度梯度对齐，可导致所得陶瓷体的测定形状与预定目标轮廓形状的平均偏差小于生坯体的测定形状与预定目标轮廓形状的平均偏差。在下面的实施例中将更详细地讨论这个发现。 [0038] 在一些示例性实施方式中，生坯体包含挤出线，所述挤出线一般平行于其纵轴，沿着它们的一段外周缘延伸。申请人发现，当生坯体具有图2C所示的走形模式时，挤出线往往与两个挤进去的部分之间的突出部分相交。因此，可将生坯体放入窑中，使挤出线与温度梯度对齐。对于放在窑中的至少大部分生坯体，如放在窑中的全部生坯体，挤出线可与温度梯度对齐。 [0039] 本文所揭示的方法可应用于隧道窑内形成的陶瓷体以及其他类型的窑（如间歇窑）内形成的陶瓷体。 [0040] 当使用隧道窑时，生坯体一般沿穿过隧道窑的方向移动，温度梯度大致平行于生坯体移动的方向。当生坯体具有如上所述的挤出线时，在示例性实施方式中，挤出线可面向生坯体移动的方向。对于放在窑内的至少大部分生坯体，包括放在窑内的全部生坯体，挤出线可面向生坯体移动的方向。 [0041] 当使用间歇窑且生坯体包含挤出线时，挤出线可与温度梯度对齐。对于放在窑中的至少大部分生坯体，包括放在窑中的全部生坯体，挤出线可与温度梯度对齐。 [0042] 除了本文所述的形状模式，如图2A-D所示的形状模式外，挤出之后也可存在其他形状模式。图4绘出了部件的测定截面，采用的是主元分析法（PCA）。从图4可以看出，该部件具有两个突出部分，它们彼此大致成90度的关系。 [0043] 在这些及其他情况下，可通过多种方式调节温度梯度以及部件相对于温度梯度所取的方向，使得陶瓷体的测定形状与预定目标轮廓形状的平均偏差小于相应生坯体的测定形状与预定目标轮廓形状的平均偏差。 [0044] 例如，当采用隧道窑，使得生坯体在窑内沿一个方向移动时，至少在制件处于窑内的部分时间，包括制件处于窑内的全部时间里，可引入与该制件移动方向正交或斜交的温度梯度。 [0045] 例如，在至少一组示例性实施方式中，可在窑内动态地引入第二温度梯度，其中第二温度梯度一般与第一温度梯度正交或垂直，而第一温度梯度一般例如平行于制件移动的方向。两种温度梯度的组合可产生与制件移动方向斜交的总体温度梯度。 [0046] 可在制件处于窑内的全部时间或者仅部分时间里存在第二温度梯度。例如，在第一给定时间T1，当制件处于窑内某个位置时，制件可仅受第一温度梯度作用。在第二给定时间T2，当制件处于窑内另一个位置时，制件可同时受第一温度梯度和第二温度梯度作用。也可以发生相反的情况。在第一给定时间T1，当制件处于窑内某个位置时，制件可同时受第一和第二温度梯度作用。在第二给定时间T2，当制件处于窑内另一个位置时，制件可仅受第一温度梯度作用。 [0047] 上面结合隧道窑和第二温度梯度讨论的一般原理同样也适用于其他类型的窑，如间歇窑。当在间歇窑（以及隧道窑）中时，使制件相对于温度梯度取向的参考点可以是例如上面所讨论的挤出线。因此，在间歇窑中，挤出线不仅可以与温度梯度对齐，也可与温度梯度正交或斜交。 [0048] 可在制件处于窑内的全部时间或者仅部分时间里存在第二温度梯度。例如，在第一给定时间T1，制件可仅受第一温度梯度作用。在第二给定时间T2，制件可同时受第一温度梯度和第二温度梯度作用。也可以发生相反的情况。在第一给定时间T1，制件可同时受第一温度梯度和第二温度梯度作用。在第二给定时间T2，制件可仅受第一温度梯度作用。 [0049] 无论是在隧道窑还是间歇窑中，可通过任何手段将第二温度梯度动态地引入窑中，使得相对于参考点或方向（如挤出线或者制件通过隧道窑的行进方向），例如，窑的左侧比窑的右侧更热，或者窑的右侧比窑的左侧更热。第二温度梯度不必在每种情况下都存在于同一时间（或者同一位置），具体取决于例如引入窑内的生坯体的形状特点。例如，具有一类主要形状特点（或形状族）的第一组生坯体可能要求在一个或多个时间（或位置）将第二温度梯度引入窑内，而具有另一类主要形状特点（或形状族）的第二组生坯体可能也要求在一个或多个时间（或位置）将第二温度梯度引入窑内，但引入第二组的时间（或位置）至少在一些方面不同于引入第一组的时间（或位置）。 [0050] 无论是在隧道窑还是间歇窑中，第二温度梯度的大小和方向在不同情况下也可变化。例如，具有一类主要形状特点（或形状族）的一组生坯体可能要求在不同的时间（或位置）引入附加温度梯度，其中至少一个附加温度梯度高于其他附加温度梯度。或者，具有一类主要形状特点（或形状族）的一组生坯体可能要求在不同的时间（或位置）引入附加温度梯度，其中至少一个附加温度梯度导致窑的右侧比左侧更热，至少一个附加温度梯度导致窑的左侧比右侧更热。 [0051] 本发明不限于生产任何特定类型的陶瓷体，可用于制造包含以下物质中至少一种物质的陶瓷体：堇青石、钛酸铝（AT）、多铝红柱石、氧化铝（Al2O3）、锆石、碱金属和碱土金属铝硅酸盐、尖晶石、钙钛矿、氧化锆、氧化铈、碳化硅（SiC）、氮化硅（Si3N4）、氮氧化硅铝（SiAlON）和沸石。用于制备这种陶瓷的原料和成分包括本领域的技术人员已知的那些原料和成分。 [0052] 所述成分可在研磨机或犁刀式混合机中混合。可以少于使批料塑化所需的量加入溶剂。用水作溶剂时，水使粘合剂和粉状粒子水合。若需要，随后可在混合物中加入表面活性剂和/或润滑油，使粘合剂和粉状粒子被浸润。 [0053] 然后，可使用任何适合使批料塑化的混合机，例如但不限于双螺杆挤出机/混合机、螺旋混合机、研磨混合机或双臂混合机等，通过剪切上面形成的湿混合物使前体批料塑化。塑化程度取决于组分（例如粘合剂、溶剂、表面活性剂、润滑油和/或无机物）的浓度、组分的温度、对批料所做的功的多少、剪切速率和挤出速度。 [0054] 在另一个步骤中，可挤出组合物，形成蜂窝状生坯体。挤出可用能提供低剪切至中等剪切的设备完成。例如，液压柱塞式挤出机或两级脱气单螺旋挤出机是低剪切设备。单螺杆挤出机是中等剪切设备。挤出可竖直或水平进行。 [0055] 应当理解，本文所述的蜂窝体可具有任何方便的尺寸和形状，所述实施方式适用于使塑性粉末混合物成形的所有方法。所述方法特别适合生产多孔整体件如蜂窝体。多孔体可用于许多应用，如催化、吸附、电热催化剂、过滤器（如柴油机微粒过滤器、熔融金属过滤器）、再生器芯子等。 [0056] 一般而言，蜂窝体的密度约为235个孔/厘米2（约1500个孔/英寸2）-15个孔2 2 /厘米 （约100个孔/英寸 ）。通过本发明方法制备的蜂窝体的例子可以是具有约94个 2 2 2 2 孔/厘米 （约600个孔/英寸 ），或者约62个孔/厘米 （约400个孔/英寸 ），每个孔的壁厚度约为0.1mm（4密耳）的蜂窝体，但应当理解，本发明不限于这样的蜂窝体。典型的壁厚度可以是约0.07-0.6mm（约3-25密耳），包括约0.18-0.33mm（约7-13密耳），但厚度也可以是约0.02-0.048mm（1-2密耳）。 [0057] 下面通过实施例进一步阐明本发明及所附权利要求的范围。 [0058] 实施例 [0059] 隧道窑包含平行于生坯制件从窑中穿过的方向的温度梯度。堇青石生坯体通常具有图2C所示的形状族特点，将多个所述生坯体放在20辆窑车上，置于窑中烧成陶瓷体，其中17辆窑车上的生坯体随机取向，另3辆窑车上的生坯体全都这样取向，即它们的挤出线面向生坯体从窑中穿过的方向（也就是说，在生坯体入窑时，每个生坯体上的挤出线大体与温度梯度对齐）。利用激光测径坐标测量法（LGCM）测量每个生坯体入窑之前的尺寸特征以及每个陶瓷体出窑之后的尺寸特征，利用每个生坯体和陶瓷体周缘的多个点测定每个生坯体和陶瓷体的圆度。图5A绘出了生坯体和烧成体的平均圆度，图5B绘出了生坯体和烧成体的圆度标准偏差。从图5A可以看出，对于那3辆窑车上取向成挤出线全部面向行进方向（用三角形标记）的制件，其烧成体的平均圆度小于生坯体的平均圆度（也就是说，烧成之后与预定目标轮廓形状的平均偏差小于烧成之前与预定目标轮廓形状的平均偏差）。烧成之后，它们也比另17辆窑车上随机取向的制件（用菱形标记）具有更低的平均圆度，其中另17辆窑车上随机取向的制件作为烧成体时比作为生坯体时具有更高的平均圆度。 [0060] 除非另有明确说明，否则，不应将本文所述的任何方法解释为必须按照特定的顺序进行其步骤。因此，当方法权利要求实际上没有陈述其步骤应遵循的顺序的时候，或者当权利要求或说明书中没有另外具体说明所述步骤应限于特定顺序的时候，不应推断任何特定顺序。 [0061] 对本领域的技术人员显而易见的是，在不偏离所附权利要求书所指出的本发明的范围和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和变动。因为本领域的技术人员可以想到所述实施方式的融合了本发明精神和实质的各种改良组合、子项组合和变化，应认为本发明包括所附权利要求书范围内的全部内容及其等同内容。 |
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