蜂窝挤出模头及其使用和制造方法

相关申请的交叉参考

本申请根据35U.S.C.§119要求2021年5月27日提交的系列号为63/193764的美国临时申请的优先权权益，本文以该申请的内容为基础并将其通过引用全文纳入本文。

技术领域

本公开的实施方式涉及蜂窝挤出模头，具体涉及包含槽并且所述槽具有延伸到槽的侧表面中的凹陷的蜂窝挤出模头，以及涉及使用该蜂窝挤出模头制造蜂窝结构的方法。

背景技术

蜂窝挤出模头可用于由陶瓷形成批料挤出蜂窝结构，该蜂窝结构在烧制后可以产生多孔蜂窝结构，其可用于流体处理系统，例如催化转化器和微粒过滤器。

发明内容

本公开的一个示例性实施方式提供了一种蜂窝挤出模头。所述蜂窝挤出模头包含模头主体，所述模头主体包括进口面和出口面，所述模头主体具有进料孔，该进料孔具有在进口面处的进料孔入口并具有进料孔出口，并且所述模头主体包括延伸到出口面的多个模头销，所述多个模头销包括被构造成限定相交槽的基体的侧表面，至少一些的相交槽的基体和多个模头销还包括：在进料孔和出口面之间且形成于模头销侧表面中的凹陷；在进料孔出口和凹陷之间的相交槽的基体的入口槽部分，所述入口槽部分具有入口槽宽度W

本公开的另一个示例性实施方式提供了一种蜂窝挤出模头。所述蜂窝挤出模头包含模头主体，所述模头主体包括进口面和出口面，所述模头主体具有进料孔，其具有在进口面处的进料孔入口并具有进料孔出口，以及延伸到出口面的多个模头销，所述多个模头销包括被构造成限定相交槽的基体的侧表面，至少一些的相交槽的基体和多个模头销还包括：在进料孔和出口面之间且形成于模头销侧表面中的凹陷；在进料孔出口和凹陷之间的相交槽的基体的入口槽部分，所述入口槽部分具有入口槽宽度W

本公开的另一个示例性实施方式提供了一种制造蜂窝结构的方法。所述方法包括：提供蜂窝挤出模头，所述蜂窝挤出模头具有模头主体，包括：进口面和出口面，所述模头主体具有进料孔，其具有在进口面处的进料孔入口并具有进料孔出口，以及延伸到出口面的多个模头销，所述多个模头销包括被构造成限定相交槽的基体的侧表面，至少一些的相交槽的基体和多个模头销还包括：在进料孔和出口面之间且形成于模头销侧表面中的凹陷；在进料孔出口和凹陷之间的相交槽的基体的入口槽部分，所述入口槽部分具有入口槽宽度W

本公开的其他特征将在下文的说明书中阐述，且部分会由说明书显现或者可以通过实践本公开而习得。应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都是示例性的，并且旨在对本公开提供进一步解释。

附图说明

包含的附图用于进一步理解本公开，其纳入本说明书中并构成本说明书的一部分，附图例示了本公开的实施方式，并与说明一起用来解释本公开。附图不必按比例绘制。

图1根据本公开的一个或多个实施方式，示意性例示了蜂窝挤出模头的代表性部分的截面侧视图，该蜂窝挤出模头包括多个槽，所述多个槽包括槽入口部分、槽出口部分和中间凹陷，其中，槽入口部分的宽度W

图2根据本公开的实施方式，示意性例示了挤出机(例如，双螺杆挤出机)的局部截面侧视示图，该挤出机包含位于排出端处的挤出模头。

图3根据本公开的实施方式，示意性例示了挤出机前端以及正从蜂窝挤出模头挤出的生坯蜂窝结构的局部透视视图。

图4根据本公开的实施方式，示意性例示了包括蜂窝结构的代表性蜂窝体的透视图，该蜂窝体经由挤出通过蜂窝挤出模头制造。

图5根据本公开的实施方式，示意性例示了蜂窝挤出模头的代表性部分的截面放大正视平面图，其例示了与多个槽流体连通的多个进料孔的位置，并且具有包括切除部分的代表性模头销构造，其例示了槽入口部分、槽出口部分和中间凹陷的构造。

图6根据本公开的实施方式，示意性例示了蜂窝挤出模头的代表性部分的截面放大侧视图，其示出了槽构造，所述槽构造包括槽入口部分、槽出口部分和中间凹陷。

图7A根据本公开的一些实施方式，示意性例示了包括渐缩槽入口部分的蜂窝挤出模头替代性实施方式的代表性部分的截面放大侧视图。

图7B根据本公开的一些实施方式，示意性例示了包括方形凹陷形状的蜂窝挤出模头替代性实施方式的代表性部分的局部截面放大侧视图。

图8根据本公开的实施方式，示意性例示了描述使用蜂窝挤出模头制造蜂窝结构的方法的流程图，该蜂窝挤出模头包括槽入口部分、槽出口部分和中间凹陷。

具体实施方式

蜂窝体被用在许多不同的应用。例如，内燃机排气的排气后处理系统可以利用高表面积基材(例如陶瓷蜂窝体)上所负载的一种或多种催化剂来减少排气污染物，例如，CO、HC、NOx、SOx。类似地，高孔隙率蜂窝体可以经端部堵塞而用作壁流式蜂窝过滤器。用作催化流通型蜂窝基材和壁流式蜂窝过滤器的多孔陶瓷体可利用本文所述实施方式的蜂窝挤出模头来制造。

具体地，蜂窝体的蜂窝结构可通过下述形成：从蜂窝挤出模头挤出陶瓷形成批料混合物，所述陶瓷形成批料混合物包括陶瓷形成材料、有机粘结剂、液体载剂、任选的造孔剂和可能的其他加工助剂、润滑剂或烧结助剂，所述陶瓷形成材料可以包括陶瓷和/或陶瓷前体。在生坯蜂窝形成后(例如，经由挤出通过蜂窝挤出模头形成)，生坯蜂窝体可经过干燥并反应和/或烧结成多孔陶瓷蜂窝体。多孔陶瓷蜂窝体可具有适于排气后处理或其他流体处理目的的开放互连的多孔陶瓷蜂窝大孔和微孔结构。陶瓷材料例如可以是堇青石、钛酸铝、氧化铝、莫来石、碳化硅、氮化硅等以及它们的组合。也可以使用其他合适的挤出批料。

挤出可以使用任何合适的挤出机进行，例如液压柱塞挤出机、两级脱气单螺旋挤出机、双螺杆挤出机等；每一种都具有附接至其排出端的如本文所述的实施方式的蜂窝挤出模头，例如，如图2和3所示。

如应该理解的，鉴于被挤出的批料混合物的研磨性质，该陶瓷形成批料混合物通过蜂窝挤出模头挤出使得蜂窝挤出模头经受严重的磨损。磨损量可以取决于批料混合物的性质和组分以及其相应的液体含量。例如，更粗糙批料混合物(例如，更大的粒度)可造成更严重的磨损，类似地，更干燥的批料(含有更少的液体)可造成更多的磨损。所述蜂窝挤出模头具有在挤出模头的使用寿命期间期望维持的容差和/或特征。然而，在挤出模头的寿命的某个时刻，这些容差和/或特征可能变差到某个程度，使得可能在挤出主体不能再获得期望的蜂窝尺寸(例如蜂窝壁厚度)或特征。尽管蜂窝挤出模头在常规上可以用合适的耐磨涂料重新涂覆以延长其使用寿命，但是重新涂覆可能是昂贵的，并且重新涂覆的程度一般是有限的，因为在某一时刻，蜂窝挤出模头不能再使用(例如，一旦其因为使用和涂覆操作而过度变差)。因此，有助于实现改进的磨损特性和属性的挤出模头设计可以有效地增加蜂窝挤出模头的使用寿命。这对制造蜂窝体的成本和所得到的蜂窝体的质量有重大影响。

在生产一些蜂窝体时的一个目标是最大程度地减小壁厚度变化性，例如，单个蜂窝体的壁尺寸的方差，还例如由同个模头制造的多个蜂窝体的尺寸方差。例如，随着挤出模头磨损，用于形成蜂窝壁的槽的宽度可变宽并且在整个模头上变得越来越不均匀。这种变化性，例如作为槽宽度标准偏差的形式，是可以有助于确定具体的蜂窝挤出模头是否仍然能够在可接受的尺寸容差或极限内生产蜂窝体的一个度量。在一些情况中，在挤出一定线性尺数的经挤出的生坯器具后，由于与该线性尺数相关的槽宽度变化性的增加，蜂窝挤出模头可能被废弃。在另一些情况中，可通过图像分析软件检查蜂窝挤出模头。

除了改变经挤出的蜂窝的尺寸或者尺寸的变化性之外，模头销根部(进料孔与槽相交的位置)的磨损可显著减小模头销与模头主体附接的截面积，并因此减小其面积惯性矩。当模头销受到任何的弯曲矩时，例如，在挤出、搬运期间和/或模头重新涂覆期间，这种减小的面积惯性矩可导致更高的应力。特别地，模头销根部处的不均匀磨损可在重新涂覆期间因为涂层和模头销的形状不对称而导致模头销移动。另外，这种不对称性连同基底材料和耐磨损涂层之间的热膨胀系数差异可造成进一步的模头销变形。这可导致甚至更大的槽宽度变化性。

槽宽度变化性的另一个导致因素可能是模头销侧面在槽出口处磨损，该位置处决定了经挤出的蜂窝壁的宽度。对于具有高壁曳力的研磨性批料，在进料孔和槽相交处的模头销根部可发生模头的最高比率的磨损。根据上述，模头根部处的磨损可导致模头生命过早终结，例如，在其期望的线性尺数之前终结。虽然槽出口处的磨损最终可导致不可接受地高的槽宽度变化性，但是挤出过程对槽出口处的磨损不像对销根部处的磨损那么敏感。

尽管模头磨损因为研磨性批料的挤出一般不可避免，但是本文所述的蜂窝挤出模头实施方式的一个优点是减少了磨损并且控制了磨损的位置，使得其位于模头的区域对于经挤出的蜂窝体的对应尺寸变化性不那么敏感。也就是说，为了提高蜂窝挤出模头的寿命，根据本文所述的实施方式，所述模头被布置成最高比率的磨损发生在槽出口处，并且无论使用的批料混合物如何，这均可完成，即，与批料混合物的流变学特性无关。例如，发明人发现，如果进料孔与槽之间的相交处的峰值批料滑移速率(代表磨损)小于槽出口处的批料滑移速度，则在经挤出的蜂窝中出现更小的壁厚度变化性，并且蜂窝挤出模头的寿命可得到延长。

除了增加模头寿命外，本文所述的实施方式还允许有更低的模头压力，这是由于销根部处的更少的磨损能够使模头在进料孔与槽之间的相交处有相对较宽的槽宽度。更低的模头压力进而可以有助于使模头能够具有更长的进料孔长度，这可以减少模头鼓形(crowning)(因此对于直径较大的模头来说特别有用，它们在使用期间可经历显著的鼓形)。如本文所述，所公开的实施方式有助于提供为所有蜂窝挤出模头产生一致性能(例如，最高磨损的位置)的单一设计，无论批料流变性如何，例如，无论批料是所谓的低壁曳力批料还是高壁曳力批料。

现在参考图1，其例示了包含模头主体121的蜂窝挤出模头120。模头主体121包括进口面122和出口面123，它们彼此轴向相对。例如，下文结合图2-3更详细描述的，进口面122接收批料，例如批料216，通过挤出机，例如挤出机200作用，并且出口面123排出再成形为蜂窝结构201的批料216。

回来参考图1，模头主体121包括进料孔124，其在模头主体121中延伸，并且具有在进料面122处的进料入口124A和主体121内的进料出口124B。多个模头销126从模头主体121延伸以形成出口面123。该多个模头销126包括侧表面128(标记了一些)，其限定了相交槽130的基体。相交槽130的基体对应于经挤出的蜂窝结构201，这是因为随着批料216在出口面123处从槽130排出，由批料216形成了蜂窝结构201的壁。

在相交槽的基体中的至少一些槽130(例如全部的槽130)包括形成于模头销126的侧表面128中，并且位于进料孔124的出口124B与出口面123之间的位置处的凹陷132。因此，这些相交槽130包括相交槽130的基体的入口槽部分135，其从槽与进料孔出口124B的相交处延伸到凹陷132。入口槽部分135具有横向于槽130测量的入口槽宽度W

根据本文所述的实施方式，为了将蜂窝出口模头120中的磨损最高区域设置于在出口槽部分136的位置处出现，在一些实施方式中，蜂窝挤出模头的构造使得在槽130的整个长度内W

现在参考图2，其示出了挤出机200(例如，连续双螺杆挤出机)的一个示意性实例的截面侧视图。挤出机200包括根据本公开实施方式所述的蜂窝挤出模头120，其被安装在挤出机200的下游侧210的排出端处。挤出机200包括料桶202，该料桶202包括形成于其中的室204。料桶202可以是单件式或者其可由在纵向(例如轴向)方向240上连续连接的多个料桶区段形成，所述纵向方向对应于挤出方向。室204在上游侧208与下游侧210之间沿着纵向方向240延伸通过料桶202。在料桶202的上游侧208处或附近，可以提供材料供应端口214，其可以包括料斗或其他合适的材料供应结构，以用于向挤出机200供应批料216。蜂窝挤出模头120在料桶202的下游侧210处提供并与之连接，以用于将批料216挤出成期望的形状，例如蜂窝结构201等。因此，蜂窝结构201在图2中例示为处于通过模头120挤出的过程中的生坯挤出物。在蜂窝挤出模头120之前可以有其他挤出部件(未示出)，例如一个或多个筛网、孔口、均化器、流量控制或弯曲控制装置等，以促进在批料216到达蜂窝挤出模头120之前形成期望的流动特征，例如，稳定、均匀和/或塞式流动前沿。图3是同样示出了挤出机200的下游侧210的端部以及从中挤出的蜂窝结构201(例如，挤出物)的透视示意图。

挤出机200可以是任何类型，例如柱塞式挤出机或双螺杆挤出机。例如，如图2所示，挤出机200是双螺杆挤出机，其包括安装在料桶202中的一对挤出机螺杆230。第一螺杆230和第二螺杆232可以彼此大致平行布置，如图所示，但是它们也可以相对于彼此成各种角度来布置。螺杆230可以连接到驱动机构236以在相同或不同的方向上旋转，驱动机构236可以位于料桶202外侧。所述螺杆均可以共同连接到单个驱动机构236，或者如图所示，连接到各自的驱动机构236。螺杆230、柱塞或其他挤出元件通过泵送和/或混合动作而在轴向方向240上将批料216移动通过料桶202。如图2-3所示，位于下游端210附近的挤出机组件或料筒可包括挤出硬件，例如蜂窝挤出模头120。对于具有外周外表层的蜂窝结构201，还可包括表层形成罩205。虽然在图2和3中显示为以水平取向挤出，但是本公开不限于此，并且挤出可以是水平的、垂直的或相对于水平或垂直成某种倾斜。

当挤出了期望的长度316时，可以通过任何合适的方式切割生坯蜂窝结构201，例如通过线、刀、锯子等，以形成如图4所示的蜂窝体203。在从结构201中切割后，蜂窝体203处于生坯状态，可通过常规方法干燥和烧制以形成多孔陶瓷蜂窝体。所得到的多孔陶瓷体可以具有与生坯蜂窝体大致相同的形状和构造，例如，在干燥、烧制或其他制造步骤期间经历收缩(若有)或其他尺寸变化。因此，图4的蜂窝体203一般代表了生坯状态(烧制前)和陶瓷状态(烧制后)的蜂窝体。

在以轴向方向240离开挤出机200后，生坯蜂窝结构201以及从蜂窝结构201切割的蜂窝体203包括轴向延伸和相交的壁312的蜂窝基体325，这些壁312形成了多个轴向延伸的通道308。如果使用罩205，则蜂窝结构201还可包括轴向延伸的外周表面310，或者在后续的制造步骤中，可将外周表面310施加于蜂窝体203。所述多个相交的壁312显示为以垂直角度相交，它们形成在轴向方向240上延伸的通道308。例如，为了例示，以虚线示出了在轴向方向240上延伸的代表性通道308R。垂直于轴向方向240的生坯蜂窝结构201的截面形状可以是圆形(如图所示)、正方形、椭圆形、矩形、三角形、六边形、八边形、或任何其他多边形形状。类似地，通道308可具有任何合适的截面形状，例如正方形(如图所示)、圆形、椭圆形、矩形、三角形、六边形、八边形或任何其他多边形形状。通道308可以全部具有相同的形状和/或尺寸，或者不同的形状和/或尺寸。类似地，壁312可以全部具有相同厚度或不同厚度(通过挤出模头120的槽的宽度设置)。

蜂窝体203在烧制后的多孔陶瓷状态时的平均孔道密度可以是任何合适的数值，例如在约100个孔道/平方英寸(cpsi)和约900cpsi之间(约15.5个孔道/cm

因此，回来参考图1，图1示出了被构造成形成相交的壁312的蜂窝挤出模头120的重复结构的局部截面侧视图。该重复的模头结构可在蜂窝挤出模头120的整个模头主体121中重复，并且/或者被布置成具有不同的槽宽度、销尺寸或每平方英寸的销数的区域。

图5示出了蜂窝挤出模头120的出口面123的一部分的放大正视图。例如，图5的视图可以在蜂窝挤出模头120的出口面123的中心区域处提供，而不一定在被构造用于形成外周表面310的出口面123的外周附近的区域处提供。进口面122位于出口面123的对面。模头主体121可由任何合适的工具材料，例如工具钢制造。蜂窝挤出模头120的部分，例如限定了槽130的销表面128，其可以涂覆有耐磨损涂料。如上文一般性所述，批料216(例如参见图2)在通过操作挤出机200(例如参见图2)所提供的压力下进入进料孔进口124A(例如参见图1)，并且在进料孔出口124B处被排入槽130中。

模头销126被布置成侧表面128(对于图5所示的正方形模头销126，每个销126包括四个侧表面128)形成多个槽130，该多个槽130被限定在模头销126的相关的相对侧表面128之间。槽130与进料孔124的进料孔出口124B相交并且轴向延伸到出口面123。在进料孔124与槽130之间可以存在重叠。在挤出期间，批料216(例如参见图2)流动通过槽130，并且当通过蜂窝挤出模头120挤出批料216时，形成相交的壁312(例如参见图3和4)。

在图1、5和6所示的实施方式中，当从出口面123观看时，模头销126为正方形形状。该正方形模头销126形成正方形通道308(如图3和4对应地示出)。在另一些实施方式中，模头销126可具有除正方形之外的形状，例如圆形、三角形、非正方形的矩形、六边形、八边形、菱形、前述的组合等，并且当以横截面观察时，它们可包括圆角化或圆化的角，例如，用于最大程度地减小最终的多孔陶瓷蜂窝体中的应力和/或减少施涂于多孔陶瓷蜂窝体的任何催化剂淤积。

在挤出过程中使用蜂窝挤出模头120形成蜂窝生坯体期间，批料216在压力下被迫使靠近进口面122并且进入到进料孔124的进料孔进口124A中。批料216在进料孔124中进一步流动到进料孔出口124B并且过渡到槽130中。槽130的结构由延伸到出口面123的多个模头销126限定，其中，所述多个模头销126包括被构造成限定相交槽130的基体的侧表面128。

相交槽130的基体的至少一些槽130由入口槽部分135、凹陷132和出口槽部分136组成。在一些实施方式中，除表层形成区域外，挤出模头120的基本上全部的中心区域包括上述结构。在一些实施方式中，甚至挤出模头120的外周处的表层形成区域包括入口槽部分135、凹陷132和出口槽部分136。在一些实施方式中，限定了经挤出的蜂窝结构201和/或蜂窝体203的壁312的相交槽130的基体全部包括入口槽部分135、凹陷132和出口槽部分136。在一些实施方式中，相交槽130的基体全部(因此包括模头的表层形成区域中的任何槽)包括入口槽部分135、凹陷132和出口槽部分136。

更具体而言，所述多个模头销126包括在进料孔出口124B和出口面123之间、在模头销126的侧表面128中形成的凹陷132。如本文所定义的，凹陷132是在入口槽部分135和出口槽部分136之间的过渡处的凹入部分。在蜂窝挤出模头120的一些实施方式中，形成于模头销126的侧表面128中的凹陷132可以具有250μm至750μm的凹陷宽度D

相交槽130的基体的入口槽部分135位于槽130与进料孔出口124B的相交处与凹陷132之间，而相交槽130的基体的出口槽部分136位于凹陷132与出口面123之间。如上所述，入口槽部分135具有入口槽宽度W

可设置W

根据一些实施方式，针对槽宽度收缩比(SWCR)进一步设置或限定W

无论蜂窝挤出模头120的槽130的其他尺寸如何，至少一些入口槽部分135具有在与进料孔出口124B相交处与凹陷132之间测量的入口长度L

另外，在一些实施方式中，至少一些入口槽部分135的入口长度L

在一些实施方式中，入口槽部分135的入口槽宽度W

例如，挤出模头120的一个替代性实施方式标记为挤出模头120A并且示于图7A，在该替代性实施方式中，沿着从进料孔出口124B到凹陷132的上游侧的入口槽部分135的长度L

包括槽构造并且所述槽构造具有入口槽部分135、凹陷132和出口槽部分136的蜂窝挤出模头120可以任何合适的方式制造。在一些实施方式中，模头120通过线-电火花加工(线-EDM)技术制造，随后用合适的耐磨损涂料涂覆以达到W

在另一方面，公开了一种制造蜂窝体(例如蜂窝体203)的方法。参考图8，其示出了制造方法800的流程图。具体地，图8描述了使用蜂窝挤出模头(例如任何蜂窝挤出模头120，包括图7A和7B的蜂窝挤出模头120A、120B)制造蜂窝结构(例如蜂窝结构201)的方法。

方法800包括：在框802中，提供蜂窝挤出模头120，其包括模头主体(例如模头主体121)和多个模头销(例如模头销126)，所述模头主体包含进口面(例如进口面122)和出口面(例如出口面123)，所述模头主体具有进料孔(例如进料孔124)，所述进料孔具有位于进口面处的进料孔入口(例如，进料孔入口124A)以及进料孔出口(例如进料孔出口124B)，所述多个模头销(例如模头销126)延伸一定距离到出口面中，所述多个模头销包括侧表面(例如侧表面128)，其被构造成限定相交槽(例如，相交槽130)的基体，至少一些的相交槽的基体和多个模头销还包括：在进料孔和出口面之间且形成于模头销的侧表面中的凹陷(例如凹陷132)；在进料孔出口和凹陷之间的相交槽的基体中的入口槽部分(例如，入口槽部分135)，入口槽部分具有入口槽宽度W

方法800还包括：在框804中，通过进料孔和相交槽的基体挤出批料(例如批料216)。根据方法800，由挤出批料造成的最大模头磨损的位置位于相交槽的基体的出口槽部分处，并且无论批料的流变学如何，这均可完成，即，无论批料是高模头磨损批料混合物或低模头磨损批料混合物均可完成。

对于本领域技术人员明显的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以在本公开中进行各种修改和变动。因此，所附权利要求书旨在覆盖对本公开的这些修改和变动，只要这些修改和变动在所附权利要求要求及其等同方案的范围之内。