JP2004124230A

JP2004124230A - 金属製ハニカムの製造方法

Info

Publication number: JP2004124230A
Application number: JP2002293785A
Authority: JP
Inventors: Masumi Nakai; 中井　真澄
Original assignee: Hitachi Metals Ltd; HMY Ltd
Current assignee: HMY Ltd; Proterial Ltd
Priority date: 2002-10-07
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】触媒や各種フィルタ等に用いられる金属製ハニカムであって、耐酸化性および酸化皮膜の密着性に優れ、また、これに加えて接触面積の増大、あるいは軽量化した金属製ハニカムを得る。
【解決手段】組成が、Ｃｒ２３〜２６質量％、Ａｌ４〜６質量％、ＴｉもしくはＹの１種又は２種で、Ｔｉ０．１５〜０．４０質量％、Ｙ０．０３〜０．０８質量％、残部が実質的にＦｅである金属粉末および熱ゲル化性樹脂を含む混練物を押出ダイスから押出して、ハニカム状成形体を得、乾燥、脱脂後、焼結する。好ましくは、混練物に造孔材である非水溶性物質を添加する。また、焼結後に酸化性雰囲気中で、１２００〜１４００℃の温度で焼成することが好ましい。
【選択図】　　　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は例えばハニカム構造触媒担体、特にディーゼルエンジン排ガスの浄化用触媒担体に用いられる金属製ハニカムの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、多孔質セラミックスハニカム構造体は、例えば自動車、自動二輪等の内燃機関から排出される排気ガス中の有害ガスを除去する為の触媒、触媒担体あるいは微粒子を除去する為のフィルターとして使用されている。
【０００３】
しかしながら、これらのセラミックス構造体では触媒分野における要求特性を十分に満足しているとは言い難い。即ち、触媒担体においては、多孔質であると共に、コーティング剤や触媒の付着性が良好であること、強度が十分であって破壊し難いこと、化学的に安定であって、触媒活性に影響を及ぼさないこと等の特性が要求されるが、セラミックス自体が脆弱である為、機械的特性は低く、衝撃及びエンジンの振動等により破損しやすい等の問題がある。また、熱伝導性が低い為、微粒子を含むガス流の温度変動や未燃分がフィルター付近や表面で燃焼するなどして、一旦発生した温度分布を均一化することは困難であるため、熱が蓄積しやすく、極悪な条件下ではセラミックスが溶損する可能性も少なくない。
【０００４】
これら問題を解決する為の従来の他の改良技術として、下記特許文献１に記載の金属製ハニカムが提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特許第３０９１２４６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特許文献１には、金属粉末に水溶性バインダー等を添加し、ハニカム状に押出し、焼結した金属製ハニカム状構造体が示されており、空隙率０〜５０％（好ましくは２５％未満）を開示する。
しかし、本発明者等の検討金属粉末の組成に関して、特許文献１のＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の三元系合金では、たとえば今後のエンジンの高温燃焼化の観点からすれば、耐酸化性および酸化皮膜の密着性が充分であるとは言いがたい。
【０００７】
加えて、微粒子との接触面積が大きく、触媒反応のために充分に捕集または接触する構造も求められている。
さらに、このようなハニカムは金属であるから故に、セラミックスと比較すると比重が重く、同じサイズで比較すると、重量も重くなり、自動車等に搭載する場合、燃費効率の点から言えば、不利なものとなる。従って、金属粉末を適用した多孔質ハニカムといっても、更なる軽量化を達成することが望ましい。
【０００８】
本発明は、上述した課題に鑑み、耐酸化性および酸化皮膜の密着性に優れた金属製ハニカムを得るための製造方法を提供することを目的とし、また、これに加えて接触面積の増大、あるいは軽量化といった課題をも解決できる製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の金属製ハニカムの製造方法は、組成が、Ｃｒ２３〜２６質量％、Ａｌ４〜６質量％、ＴｉもしくはＹの１種又は２種で、Ｔｉ０．１５〜０．４０質量％、Ｙ０．０３〜０．０８質量％、残部がＦｅである金属粉末及び熱ゲル化性樹脂を含む混練物を押出ダイスから押出して、ハニカム状成形体を得、乾燥、脱脂後、焼結する金属製ハニカムの製造方法である。
【００１０】
また、本発明は、混練物に造孔材として非水溶性物質を含ませ、多孔質に焼結することができる。好ましくは、多孔質金属部品が通気性を有するために、空孔率が５０％を超える範囲に焼結することを特徴とする金属製ハニカムの製造方法である。
【００１１】
また本発明は、焼結後、酸化性雰囲気中で、１２００〜１４００℃の温度で焼成することを特徴とする金属製ハニカムの製造方法である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の重要な特徴である組成について説明する。
Ｃｒは２３％以下の場合は耐酸化性が劣り、２６％を超えると脆化するため２３〜２６％の範囲とした。
【００１３】
Ａｌは表面にＡｌ_２Ｏ_３層を析出させるために必須な元素であり、更なる耐酸化性を確保する為に、皮膜の保護性と密着性に優れたＡｌ_２Ｏ_３の酸化皮膜を形成する為に添加する。しかし、熱膨張係数を増加する元素であり、熱疲労損失を防ぐためには少ない方が良い。耐酸化性と耐熱疲労損失を両立できる範囲としてＡｌ量は４〜６％とした。
【００１４】
また、本発明のＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金としては、上述したＣｒとＡｌに加えて、ＴｉやＹといった酸素を固定する元素を添加すると耐酸化性が向上する。特に表面酸化皮膜の密着性を高める希土類元素であるＹを添加すると有効である。但し、これらの元素はコストが高いので、Ｔｉは０．１５〜０．４０％、Ｙは０．０３〜０．０８％の範囲とした。
熱ゲル化性樹脂としてはメチルセルロース等が挙げられる。この樹脂は、水温程度の温度において流動性が良いという特徴を持つ。
【００１５】
本発明においては、混練物に造孔材として非水溶性物質を含ませ多孔質に焼結すること、即ち、多孔質性を向上させるために非水溶性物質を添加することが望ましい。
ハニカム状の押出成形を行うに当っては金属粉末と熱ゲル化性樹脂のみからなる混合物を用いるのも良いが、他の成分として脱脂・焼結によって消失する物質で、しかも非水溶性物質の添加が挙げられる。このような非水溶性物質は混練物の状態では非水溶性であるためにバインダーに固溶せずに存在しているが、一旦燃焼すると消失し、その跡に小空隙を残すことによって多孔質性および軽量化を向上させる。
【００１６】
非水溶性物質としてはパラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス等のワックス樹脂、ポリプロピレン、ポリスチレン、ＥＶＡ等の熱可塑性の樹脂が挙げられる。
【００１７】
以下に、製造工程の一例に従って要点を記載する。
（混合・混練）：金属粉末、熱ゲル化性樹脂及び非水溶性物質を混合し、さらに可塑剤、分散剤等及び水を添加し、ミキサーにて混練し、押出し成形可能な混練物とする。
（成形・乾燥）：この混練物を押出し成型機により、水温にて成形を行う。この際、速やかに加熱を行い、硬化処理を行う。熱ゲル化性樹脂、即ち加熱により高粘度化するバインダーを使用した成形体であるので、熱風等による加熱処理を行う。
【００１８】
（脱脂）：焼結粉末として、酸化され易い金属を使用しているので、不活性ガス雰囲気下または還元性雰囲気下で行うのが最適である。
（焼結）：脱脂した成形体を焼結する場合には非酸化性雰囲気で焼結することが望ましい。この非酸化性雰囲気として、真空雰囲気あるいは水素、アルゴン、窒素あるいは前記減圧雰囲気で焼結することが挙げられる。
【００１９】
また、本発明では、金属製ハニカムをさらに、酸化性雰囲気化１２００〜１４００℃の温度で焼成することもできる。
本発明に係わるＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金としては、合金組成としてＣｒが多く含まれているので、酸化性雰囲気で焼成した場合、Ｃｒ酸化物すなわち、Ｃｒ_２Ｏ_３が主体の酸化物が表層に被覆されることになるが、この温度が低温であるほど顕著である。一方、１２００℃以上の温度においては、耐酸化性の高いＡｌ_２Ｏ_３が析出し酸化皮膜になる。したがって、１２００℃以上で焼成することにより、触媒を塗布した場合、より密着性が高いものとなる。但し、１４００℃を超える温度においては、金属性ハニカムが保形出来ない為に、１２００〜１４００℃の範囲とすることが好ましい。
【００２０】
【実施例】
（実施例１）
実施例１および比較例１として、ガスアトマイズによって得られた平均粒径が約６０μｍであるＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の種々の組成である合金粉末と熱ゲル化性樹脂としてメチルセルロース及び水を配合比（重量％）９０．５：２．７：６．８の割合で混合を行った。これに、可塑剤、分散剤を混練物に対し２．５質量％添加し、ミキサーにより混練し、押出し成形可能な混練物を作製した。この混練物を押出し成形し、四角セル形状を有する直径３０ｍｍ、高さ１００ｍｍのハニカム成形体を得た。
【００２１】
本ハニカム成形体のセル数は、１６個／ｃｍ^２で、肉厚は約０．４ｍｍである。続いて、前記成形体を乾燥した後、その後、Ａｒ雰囲気にて脱脂、真空雰囲気にて焼結を行い、多孔質金属製ハニカムを得た。次いで、得られた焼結体を大気中にて種々の条件にて焼成し、その表面に酸化皮膜を形成した。このハニカム焼結体の気孔率およびその耐酸化性（大気中９００℃で１０００時間経過後の重量増）を測定し、その結果を表１に示した。なお、気孔率はアルキメデス法により測定した。
【００２２】
【表１】

【００２３】
本発明例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３および比較例Ｎｏ．４を表１に示す。これより、本発明例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３は比較例Ｎｏ．４より、耐酸化性が良いことが確認される。また、表層にＡｌ_２Ｏ_３の付着が多いことが確認された。
【００２４】
（実施例２）
実施例２および比較例２として、ガスアトマイズによって得られた平均粒径が約６０μｍであるＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の種々の組成である合金粉末と熱ゲル化性樹脂としてメチルセルロースと非水溶性物質として平均粒径１００μｍであるポリプロピレン及び水を配合比（重量％）６５：２．５：９．５：２０の割合で混合を行った。これに、可塑剤、分散剤を若干量添加し、ミキサーにより混練し、押出し成形可能な混練物を作製した。この混練物を押出し成形し、四角セル形状を有する直径３０ｍｍ、高さ１００ｍｍのハニカム成形体を得た。
【００２５】
本ハニカム成形体のセル数は、１６個／ｃｍ^２で、肉厚は約０．４ｍｍである。続いて、前記成形体を乾燥した後、その後、Ａｒ雰囲気にて脱脂、真空雰囲気にて焼結を行い、多孔質金属製ハニカムを得た。次いで、得られた焼結体を大気中にて種々の条件にて焼成し、その表面に酸化皮膜を形成した。このハニカム焼結体の気孔率およびその耐酸化性（大気中９００℃で１０００時間経過後の重量増）を測定し、その結果を表２に示した。なお、気孔率はアルキメデス法により測定した。
【００２６】
【表２】

【００２７】
本発明例Ｎｏ．５〜Ｎｏ．９および比較例Ｎｏ．１０〜Ｎｏ．１３を表２に示す。これより、本発明例Ｎｏ．５〜Ｎｏ．９は比較例Ｎｏ．１０〜Ｎｏ．１３より、耐酸化性が良いことが確認される。さらに、Ｎｏ．６〜Ｎｏ．８はＹを添加したものであるが、１２００℃を超える焼成においては、耐酸化性が向上していることが判る。
また、Ｎｏ．１２は過剰にＡｌを添加したもの、Ｎｏ．１３は過剰にＣｒを添加したものであるが、これらの比較例は製品自体が脆くなっており、軽い打刻により焼結体の縁部分が崩れることが判明した。最後に焼成の効果において、焼成温度が１２００℃以上であると、表層にＡｌ_２Ｏ_３の皮膜の形成が多いことをＮｏ．６およびＮｏ．９で確認した。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、耐酸化性および酸化皮膜の密着性に優れた金属製ハニカムを得ることができ、また、これに加えて接触面積の増大、あるいは軽量化の達成も可能であって、工業上有用な技術となる。

Claims

組成が、Ｃｒ２３〜２６質量％、Ａｌ４〜６質量％、ＴｉもしくはＹの１種又は２種で、Ｔｉ０．１５〜０．４０質量％、Ｙ０．０３〜０．０８質量％、残部が実質的にＦｅである金属粉末及び熱ゲル化性樹脂を含む混練物を押出ダイスから押出して、ハニカム状成形体を得、乾燥、脱脂後、金属粉末を焼結することを特徴とする金属製ハニカムの製造方法。
混練物に造孔材として非水溶性物質を含ませ、多孔質に焼結することを特徴とする請求項１に記載の金属製ハニカムの製造方法。
焼結後、酸化性雰囲気中で、１２００〜１４００℃の温度で焼成することを特徴とする請求項１ないし２のいずれかに記載の金属製ハニカムの製造方法。