HAUBER, Thomas (Oberer Eulenbergweg 37, Altbach, 73776, DE)
KOMORI, Teruo (Arnoldstrasse 92, Stuttgart, 70378, DE)
HAUBER, Thomas (Oberer Eulenbergweg 37, Altbach, 73776, DE)
| Ansprüche
1. Extrusionsmundstück (110) zur Herstellung keramischer Wabenkörper (18), umfassend eine Basisplatte (116) mit mindestens zwei öffnungen (118) und mindestens einem zwischen den öffnungen (118) angeordneten Steg (119), wobei die Basisplatte (116) einen metallischen oder keramischen Basiswerkstoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisplatte (116) im Bereich der öffnungen (118) mindestens eine Hartstoffbe- schichtung (126) aufweist.
2. Extrusionsmundstück (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die die Basisplatte (116) eine Anströmseite (122) und eine Abströmseite (124) aufweist, wobei die Hartstoffbeschichtung (126) ausschließlich auf der Abströmseite (124) aufgebracht ist
3. Extrusionsmundstück (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hartstoffbeschichtung (126) mindestens einen der folgenden Werkstoffe aufweist: ein Nitrid; ein Carbid; ein Oxid; ein Borid; ein Phosphid.
4. Extrusionsmundstück (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hartstoffbeschichtung (126) Wolframcarbid aufweist.
5. Extrusionsmundstück (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Hartstoffbeschichtung (126) mindestens einen der folgenden Werkstoffe aufweist: Titancarbid; Titannitrid; Chromcarbid; Chromnitrid; Eisenborid; Chromoxid; Nickelphosphid; Ei- sennitrid; Aluminiumoxid; Borcarbid; Bornitrid; Siliziumnitrid; Siliziumcarbid; Diamant.
6. Extrusionsmundstück (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hartstoffbeschichtung (126) eine Vickers-Härte von mindestens 1500 aufweist.
7. Extrusionsmundstück (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hartstoffbeschichtung (126) eine Dicke d zwischen 0,2 mm und 2,0 mm aufweist.
8. Extrusionsmundstück (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Basisplatte (116) als Basiswerkstoff Werkzeugstahl aufweist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Extrusionsmundstücks (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Aufbringen der Hartstoffbeschichtung (126) mindestens eines der folgenden Verfahren eingesetzt wird: Chemical Vapor Deposition, CVD; Phy- sical Vapor Deposition, PVD; Randschichthärten; Galvanik; thermisches Spritzen; Auftragsschweißen; Plattieren.
10. Verwendung eines Extrusionsmundstücks (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Herstellung einer keramischen Abgasnachbehandlungseinrichtung (14) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eines Katalysators oder eines Dieselpartikelfilters. |
Beschreibung
Titel
Extrusionsmundstück zur Herstellung keramischer Wabenkörper
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von bekannten Herstellungsverfahren zur Herstellung von Abgasreinigungskomponenten in der Kraftfahrzeugtechnik. Beispiele derartiger Abgasreinigungskomponenten sind verschiedene Arten von Katalysatoren oder auch Filter, insbesondere Dieselpartikelfilter (DPF).
Derartige Abgasreinigungskomponenten weisen in vielen Fällen als Grundstruktur einen keramischen Träger auf. Dieser Träger kann aus verschiedenen Keramikmaterialien hergestellt sein, beispielsweise aus Siliciumcarbid, Cordierit oder ähnlichen keramischen Materia- lien.
In vielen Fällen ist dieser keramische Träger in Form eines keramischen Wabenkörpers ausgebildet. Dieser keramische Wabenkörper ermöglicht zum einen eine gute Durchströmung der Abgasreinigungskomponente durch das zu reinigende Abgas und bietet andererseits eine hohe Oberfläche, beispielsweise um die katalytische Wirkung zu erhöhen. Weiterhin ermöglicht die Verwendung von Wabenkörpern die Herstellung stabiler Keramikstrukturen mit gleichzeitig geringem Gewicht. Auch andere Arten keramischer Formkörper als Formkörper mit einer Wabenstruktur sind jedoch möglich und sind im Rahmen der nachfolgenden Beschreibung vom Begriff „Wabenkörper" mit erfasst.
Die Formgebung von keramischen Wabenkörpern erfolgt in vielen Fällen großtechnisch durch Extrudieren mit einer Strangpresse. Dabei wird zunächst eine extrudierbare Masse aus einem keramischen Pulver, Wasser und verschiedenen weiteren Hilfsmitteln hergestellt. Diese Masse wird dem Extruder zugeführt.
Im Presskopf der Strangpresse wird der Massestrom zu einem Pfropfen verdichtet. Das am Presskopf angebrachte feinwabige Mundstück bewirkt einen Druckaufbau im Massestrang vor dem Mundstück. Ab einem bestimmten Druckaufbau beginnt die Masse durch die Boh-
rungen beziehungsweise öffnungen des Mundstücks zu fließen. Die durch die Bohrungen gebildeten einzelnen Massestränge fließen in der sich anschließenden Gatterung, d.h. einer schlitzförmigen Struktur, zu einer geschlossenen Gitterstruktur zusammen, die durch einen Außenring begrenzt wird.
Die für die Wabenextrusion eingesetzten Mundstücke sind kostenintensive Spezialanfertigungen, die üblicherweise aus einer Metallplatte hergestellt werden. Insbesondere werden hierfür Draht- oder Senkerosionsverfahren eingesetzt. Die Gatterung kann auch durch Sägen von Schlitzen erzielt werden.
Durch Reibung der keramischen Bestandteile des Massestroms kommt es jedoch zu einem Verschleiß des Mundstücks (Abtragung). Dadurch nimmt die Schlitzbreite der Gatterung zu, so dass infolge dessen die Wandstärke des Wabenkörpers steigt. Dadurch verändern sich die Eigenschaften des fertigen Wabenkörpers, wie beispielsweise Gegendruck, Gewicht etc.
In der Praxis muss daher nach einer bestimmten Zeit das Mundstück ausgetauscht und überarbeitet werden. Die erfolgt in der Regel in der Weise, dass eine Metallschicht (zum Beispiel Nickel) galvanisch auf dem Werkzeug abgeschieden wird, so dass die ursprüngliche Schlitzbreite wieder erreicht wird.
In der Fertigung wird beispielsweise die Masse des fertigen Wabenkörpers regelmäßig ü- berwacht. Hat die Wandstärke infolge des Verschleißes des Mundstücks derart zugenommen, dass der fertige Wabenkörper ein vorgegebenes Grenzgewicht überschreitet, so kann die oben beschriebene überarbeitung durchgeführt werden.
Das beschriebene Verfahren sowie die regelmäßige überarbeitung der Mundstücke sind in der Praxis aufwendig und teuer und erhöhen die Stückkosten der hergestellten Wabenkörper erheblich.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt daher ein Extrusionsmundstück und ein Verfahren zur Herstellung dieses Extrusionsmundstücks bereit, welches die oben beschriebenen Nachteile bekannter Extrusionsmundstücke und Verfahren weitgehend vermeidet. Das Extrusionsmundstück lässt sich insbesondere zur Herstellung keramischer Abgasnachbehandlungseinrichtungen der oben beschriebenen Art, beispielsweise zur Herstellung von keramischen Wabenkörpern für Dieselpartikelfilter oder Katalysatoren, einsetzen.
Die Erfindung stellt einen einfachen Lösungsansatz zur Erhöhung der Standzeiten der Extrusionsmundstücke und der gesamten Extrusionsanlagen beziehungsweise Strangpressen bereit. Durch diese erhöhten Standzeiten können Kosten zur überarbeitung des Extrusi- onsmundstücks reduziert werden, und die Produktionsausfälle, welche während der über- arbeitung entstehen, können stark vermindert werden.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Extrusionsmundstück aus zwei Komponenten herzustellen: einer Basisplatte mit mindestens zwei öffnungen und mindestens einem zwischen den öffnungen angeordneten Steg sowie einer Beschichtung dieser Basisplatte. Die Basisplatte kann beispielsweise aus einem metallischen oder keramischen Basiswerkstoff gefertigt sein, vorzugsweise aus Werkzeugstahl. Die Beschichtung, welche auf die Basisplatte im Bereich der öffnungen (d.h. zum Beispiel in Umgebung der Ränder der öffnungen, insbesondere auf dem Steg) angeordnet ist, weist mindestens eine Hartstoff- beschichtung auf.
Im Gegensatz zu reinen Metallen, wie beispielsweise Nickel, weisen Hartstoffe eine Vielzahl von für die vorliegende Anwendung positiven Eigenschaften auf. Hartstoffe sind in der Literatur in der Regel nicht über gemeinsame chemische Eigenschaften definiert, sondern den Hartstoffen ist ein Eigenschaftsprofil gemeinsam, wobei insbesondere die große Härte als charakteristische Eigenschaft der Hartstoffe zu nennen ist. Hartstoffe weisen üblicherweise eine Vickers-Härte von mindestens 1000 auf. Weiterhin weisen Hartstoffe in der Regel hohe Schmelzpunkte und eine hohe chemische Beständigkeit auf.
Grundsätzlich wird zwischen metallischen und nicht metallischen Hartstoffen unterschieden. Dabei sind metallische Hartstoffe elektrische Leiter, nicht metallische Hartstoffe hingegen nicht Nichtleiter. Beispiele für nicht metallische Hartstoffe sind Diamant, kubisches Bornitrid, Borcarbid, Siliciumcarbid, Korund oder Siliciumnitrid. Beispiele für metallische Hartstoffe sind Titancarbid, Tantalcarbid, Titannitrid oder Wolframcarbid. In der Praxis hat sich dabei für die vorliegende Erfindung insbesondere die Verwendung von Wolframcarbid (WC) als günstig erwiesen, welches einen Schmelzpunkt von ca. 2900 0 C aufweist und eine Vickers-Härte von 2400. Allgemein sind insbesondere metallische Hartstoffe für die vorliegende Erfindung gut geeignet.
Metallische Hartstoffe lassen sich insbesondere als strukturell geordnete Einlagerungs- mischkristalle bezeichnen, also geordnete Einlagerungsstrukturen mit intermetallischen Phasen.
Weiterhin lassen sich auch Hartstoff-Mischkristalle, wie beispielsweise Titancarbid- Wolframcarbid, Titancarbid-Tantalcarbid-Wolframcarbid, Titancarbid-Titannitrid oder ähnliche Mischkristalle vorteilhaft einsetzen.
Allgemein können jedoch beispielsweise Nitride, Carbide, Oxide, Boride oder Phosphide oder auch andere Verbindungen zum Einsatz kommen.
Vorteilhaft ist es dabei, wenn die Hartstoffbeschichtung eine Dicke von mindestens 0,2 mm aufweist. Aus praktischen Gründen haben sich Maximaldicken von ca. 2,0 mm als vorteil- haft erwiesen.
Besonders bevorzugt für die vorliegende Anwendung der Keramik-Extrusion sind Hart- stoffbeschichtungen mit einer Vickers-Härte von mindestens 1500. Die oben beschriebenen Hartstoffe, insbesondere metallische Hartstoffe, sind für diesen Zweck gut geeignet.
Zum Aufbringen der Hartstoffbeschichtung lassen sich verschiedene aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren einsetzen. Insbesondere sind hier die Chemical Vapor Deposition (CVD), die Physical Vapor Deposition (PVD), Randschichthärten, galvanische Verfahren, thermisches Spritzen, Auftragsschweißen, Plattieren oder ähnliche Verfahren zu nen- nen.
Durch die Hartstoffbeschichtung, insbesondere eine Wolframcarbidschicht, ist der zeitliche Abtrag am Werkzeug beziehungsweise Extrusionsmundstück durch den fließenden Keramik-Massestrang deutlich geringer als ohne zusätzliche "Schutzschicht" im Austrittsbereich des Werkzeugs.
Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Extrusionsmundstück asymmetrisch aufgebaut ist. Dieser asymmetrische Aufbau beruht auf der Erkenntnis, dass eine gleichförmige Beschichtung mit Hartstoff für den beschriebenen Zweck nicht erforderlich ist. Daher kann vorteilhaft das Extrusionsmundstück derart aufgebaut sein, dass dieses beziehungsweise die Basisplatte eine Anströmseite und eine Abströmseite aufweist. Auf der Anströmseite, welche im eingebauten Zustand dem Inneren des Presskopfes der Strangpresse zuweist, kann das Extrusionsmundstück beziehungsweise die Basisplatte unbeschichtet bleiben. Abtragungen in diesem Bereich, welcher insbesondere aus Werkzeugstahl gefertigt sein kann, können toleriert werden.
Die Abströmseite hingegen, welche für die Formgebung des Wabenkörpers wesentlich verantwortlich ist, ist vorteilhaft mit der beschriebenen Hartstoffbeschichtung beschichtet. Die-
se einseitige Beschichtung bietet insbesondere herstellungstechnisch den Vorteil, dass einfache, anisotrope Beschichtungsverfahren zum Aufbringen der Hartstoffbeschichtung eingesetzt werden können. Dies wiederum verringert die Kosten der Herstellung der beschriebenen Extrusionsmundstücke erheblich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 eine bekannte Anordnung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung in einem
Abgasstrang einer Brennkraftmaschine;
Figur 2 einen keramischen Wabenkörper für den Einsatz in der Abgasnachbehandlungseinrichtung in Figur 1 ;
Figuren 3A und 3B verschiedene Ansichten eines herkömmlichen Extrusionsmundstücks zur Herstellung keramischer Wabenkörper; und
Figur 4 eine der Darstellung in Figur 3B entsprechende Darstellung eines erfindungsgemäßen Extrusionsmundstücks mit einer Hartstoffbeschichtung.
In den Figuren 1 und 2 sind Beispiele bekannter Abgasnachbehandlungseinrichtungen dargestellt, die den Bedarf an zuverlässig und kostengünstig herstellbaren keramischen Formkörpern erläutern.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer erfϊndungs- gemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung. Die Abgasnachbehandlungsein-richtung ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Filter, in welchem Rußpartikel aus dem Abgasstrom entfernt werden, z.B. ein Dieselpartikelfilter (DPF).
Eine Brennkraftmaschine 10 ist über ein Abgasrohr 12 verbunden, in dem eine Filtereinrich- tung 14 angeordnet ist. Mit der Filtereinrichtung 14 werden Rußpartikel aus dem im Abgasrohr 12 strömenden Abgas herausgefiltert. Dies ist insbesondere bei Diesel-kraftmaschinen erforderlich, um gesetzliche Bestimmungen einzuhalten.
Die Filtereinrichtung 14 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 16, in dem ein im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel rotationssymmetrisches, insgesamt ebenfalls zylindrisches Filterelement 18 angeordnet ist.
Das zylindrische Filterelement 18 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Wesentlichen als keramischer Wabenkörper ausgestaltet. Figur 2 zeigt ein derartiges Filterelement 18 im Längsschnitt.
Das Filterelement 18 ist zum Beispiel als extrudierter Formkörper aus einem keramischen Material, zum Beispiel Magnesium- Aluminium-Silikat, bevorzugt Cordierit, hergestellt. Das Filterelement 18 wird in Richtung der Pfeile 20 von Abgas durchströmt. Das Abgas tritt über eine Eintrittsfläche 22 in das Filterelement 18 ein und verlässt dieses über eine Aus- trittsfiäche 24.
Parallel zu einer Längsachse 26 des Filterelementes 18 verlaufen mehrere Eintrittskanäle 28 im Wechsel mit Austrittskanälen 30. Die Eintrittskanäle 28 sind an der Austrittsfläche 24 verschlossen. In der hier dargestellten Ausführungsform sind hierzu Verschlussstopfen 36 vorgesehen. Anstelle der Verschlussstopfen 36 ist es jedoch auch möglich, dass die Eintrittskanäle 28 sich zur Austrittsfiäche 24 hin verjüngen, bis sich die Wandungen des Ein- trittskanals 28 berühren und der Eintrittskanal 28 auf diese Weise verschlossen wird. In diesem Fall weist der Eintrittskanal 28 in Richtung parallel zur Längsachse 26 einen dreieck- förmigen Querschnitt auf.
Entsprechend sind die Austrittskanäle 30 an der Austrittsfläche 24 offen und im Bereich der Eintrittsfiäche 22 verschlossen.
Der Strömungsweg des ungereinigten Abgases führt somit in einen der Eintrittskanäle 28 und von dort durch eine Filterwand 38 in einen der Austrittskanäle 30. Exemplarisch ist dies durch die Pfeile 32 dargestellt.
Zur Herstellung des als Wabenkörper ausgebildeten Filterelements 18 gemäß dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird, wie oben erwähnt, in der Regel ein Strangextrusi- onsverfahren eingesetzt. Dabei werden Extrusionsmundstücke eingesetzt, welche bei der Extrusion die Unterteilung in die Kanäle 28, 30 und die Filterwände 38 bewirken.
In den Figuren 3A und 3B ist ein dem Stand der Technik entsprechendes Extrusions- mundstück 110 dargestellt. Dabei zeigt Figur 3 A das Extrusionsmundstück 110 in Draufsicht, während Figur 3B einen Teilschnitt in horizontalen Richtung durch einen beispielswei-
se mittig angeordneten Bereich des Extrusionsmundstücks 110 zeigt. Das Extrusions- mundstück 110 wird zur Herstellung keramischer Wabenkörper, wie beispielsweise dem in Figur 2 gezeigten Filterelement 18, in Strangpressen eingesetzt.
Das Extrusionsmundstück 110 weist einen Rahmen 112 auf (siehe Figur 3A), welcher eine runde Extrusionsöffnung 114 aufweist. In den Rahmen 112 ist eine Basisplatte 116 eingespannt. Wie in Figur 3B zu erkennen ist, weist diese Basisplatte 116 eine Vielzahl von öffnungen 118 auf.
Wie aus Figur 3 A ersichtlich, haben diese öffnungen 118 in diesem Ausführungsbeispiel einen quadratischen Querschnitt. Mit dem in Figur 3A dargestellten Extrusionsmundstück 110 lässt sich also insgesamt beispielsweise ein runder keramischer Wabenkörper mit quadratischen Kanälen gemäß dem Beispiel in Figur 2 herstellen. Die öffnungen 118 lassen sich beispielsweise durch ein Erosionsverfahren in einer Werkzeugstahlplatte herstellen. Die ein- zelnen öffnungen 118 sind durch zwischen den öffnungen angeordnete Stege 119 voneinander getrennt. Die einzelnen öffnungen 118 begrenzen Kanäle, die jeweils einen hydraulischen Durchmesser von etwa 1 mm aufweisen. Die Dicke der Basisplatte 116 wird typischerweise in Abhängigkeit vom Durchmesser des Wabenkörpers gewählt, die Stege 119 zwischen den einzelnen öffnungen 118 weisen eine Breite zwischen 3 und 20 mil (milli- inches) auf, d.h. Breiten zwischen 3 x 1/1000 x 254 mm und 30 x 1/1000 x 254 mm auf. Je nach Einsatzzweck des Wabenkörpers kann die Stegbreite, zum Beispiel im Einsatz als Katalysator, zwischen 4 und 6 mil (milli-inches) liegen, d.h. zwischen 4 x 1/1000 x 254 mm und 6 x 1/1000 x 254 mm liegen. Wird der Wabenkörper bei Filtern eingesetzt, so kann die Stegbreite > 10 mil (milli-inches) betragen, d.h. > 10 x 1/1000 x 254 mm gewählt wer- den.
Bei der Extrusion durch das Extrusionsmundstück 110 gemäß der Figur 3 A fließt in der dargestellten Gatterung der Massestrang nach Durchtritt durch das Extrusionsmundstück 110 zu einer geschlossenen Gitterstruktur zusammen. Dabei ist in Figur 3B die Fließrich- tung des Massestrangs mit der Bezugsziffer 120 bezeichnet. Dementsprechend weist das Extrusionsmundstück 110, insbesondere die Basisplatte 116, eine Anströmseite 122, welche der Fließrichtung 120 entgegenweist, und eine Abströmseite 124 auf.
Das in Figur 3 A und 3B dargestellte Extrusionsmundstück 110 weist die oben beschriebe- nen Nachteile hinsichtlich eines Verschleißes auf. Durch den Verschleiß ändert sich insbesondere auf der Abströmseite 124 die Breite der öffnungen 118, so dass die Breite der Einzelstränge, welche durch diese öffnungen 118 gedrückt werden, mit der Zeit zunimmt. Dadurch steigt auch das Gesamtgewicht des erzeugten Wabenkörpers, und die Wanddicke der
keramischen Wände des Wabenkörpers verändert sich. Damit verändert sich auch das Durchtrittsverhalten der erzeugten Abgasreinigungskomponenten, beispielsweise der Filter oder Katalysatoren, da der Durchtrittsweg durch die Filterwände 38 (siehe Pfeile 32 in Figur 2) sich verändert.
In Figur 4 ist hingegen eine der Figur 3 B entsprechende Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Extrusionsmundstücks 110 dargestellt. Das Extrusionsmundstück 110 kann insbesondere beispielsweise wie in Figur 3A dargestellt aufgebaut sein. Wiederum weist das Extrusionsmundstück 110 eine Basisplatte 116 mit öffnungen 118 und Stegen 119 auf.
Im Gegensatz zu Figur 3B ist die Basisplatte 116, welche beispielsweise wiederum aus Werkzeugstahl hergestellt ist, jedoch in diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel mit einer Hartstoffbeschichtung 126 versehen. Diese Hartstoffbeschichtung 126 ist in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel lediglich auf der Abströmseite 124 der Basisplatte 116 aufgebracht. Dadurch wird der Verschleiß in diesem Bereich vermindert. Die Breite der öffnungen 118 im Bereich der Abströmseite 124 definiert die Strangbreite der durch die öffnungen 118 gepressten Einzelstränge, so dass die Verminderung des Verschleißes durch die Hartstoffbeschichtung 126 zu einer reproduzierbaren und konstanteren Strangbreite führt.
In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Hartstoffbeschichtung 126 um eine Wolframcarbid-Beschichtung. Diese Wolframcarbid-Beschichtung weist vorzugsweise eine Dicke d von 0,2 bis 2 mm auf. Auch dünnere oder dickere Beschichtungen sind jedoch möglich.
Zum Aufbringen der Hartstoffbeschichtung 126 kann beispielsweise im rahmen einer (seltener als im Stand der Technik erforderlichen) überarbeitung des Mundstücks 110 die Basisplatte 116 dem Rahmen 112 entnommen werden und in eine Beschichtungsvorrichtung verbracht werden. Auch vor der erstmaligen Benutzungsaufnahme wird dies in der Regel erfol- gen. Dabei kann beispielsweise eines der oben beschriebenen anisotropen Beschichtungsver- fahren eingesetzt werden, um gezielt die Hartstoffbeschichtung 126 lediglich auf der Abströmseite 124 des Extrusionsmundstücks 110 aufzubringen, während die Innenseiten der öffnungen 118 und Stege 119 sowie die Anströmseite 122 unbeschichtet bleibt. Beispielsweise lassen sich zu diesem Zweck Sprühverfahren oder ähnliche Verfahren einsetzen.
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