JP2006218851A - セラミックハニカム構造体の製造方法及びセラミックハニカム構造体 - Google Patents

セラミックハニカム構造体の製造方法及びセラミックハニカム構造体 Download PDF

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Abstract

【課題】加工性に優れ、縁欠け不良やクラックの発生が極めて少ないセラミックハニカム構造体の製造方法及びセラミックハニカム構造体を提供すること。
【解決手段】セラミック原料をハニカム状に押出成形すると共に切断して、外周スキン部１１とその内側のセル壁１２とを有するハニカム成形体１０を得た後、切断面である上記ハニカム成形体１０の端面１０２の角部１０１を面取り加工して面取り部１４を設け、その後、上記ハニカム成形体１０を焼成することにより、セラミックハニカム構造体１を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車の排気ガス浄化装置等における触媒担体やフィルター等として用いられるセラミックハニカム構造体の製造方法及びセラミックハニカム構造体に関する。
自動車の排気ガス浄化装置等において、触媒担体や各種フィルターとしてセラミックハニカム構造体が広く用いられている。また、セラミックハニカム構造体は、ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質を捕捉するためのフィルターとしても注目されている。
セラミックハニカム構造体９は、例えば、図１２に示すごとく、外周スキン部９２とその内側にハニカム状に形成されたセル壁９３とを有する。そして、セラミックハニカム構造体９は、触媒を担持した状態で、排気ガス流路において金属ケースに収納配置され、排気ガスの保有する熱エネルギで加熱して触媒を活性化し、排気ガスを浄化している。
上記セラミックハニカム構造体９は、混練したセラミック材料をハニカム状に押出成形し、これを乾燥してハニカム成形体９０を得、その後、焼成することによって製造される。
しかし、上記製造工程におけるハニカム成形体９０の取り扱いや移送、運搬時において、ハニカム成形体９０の端面９１２の角部９４に応力が集中してクラックが発生する可能性がある。また、セラミックハニカム構造体９を金属ケース内に収納する際、セラミックハニカム構造体９の端面９１２の角部９４が、金属ケースに当たりやすく、組み立て作業が困難であり、また、縁欠け不良やクラックが発生する可能性がある。
そこで、端面の角部に面取り加工を施したセラミックハニカム構造体が提案されている（特許文献１参照）。
このセラミックハニカム構造体によれば、縁欠け不良を低減することができると共に、金属ケース内に収納する際の組み立て性を良くすることができるとしている。
上記従来のセラミックハニカム構造体の製造方法における面取り加工は、ハニカム成形体を焼成した後に行う。
しかしながら、焼成後のハニカム成形体は硬化しているため、面取り加工速度を速くすることが困難となる。また、面取り加工道具として用いるダイヤモンド等からなる砥石の寿命が短くなるおそれがある。そのため、面取り加工コストが高くなるという問題がある。
また、ハニカム成形体の切断後焼成前における取り扱い等においても、端面の角部に縁欠け不良が発生するおそれがある。
更に、ハニカム成形体を焼成する際、焼成反応の速度は部分的に異なり、特に端面の角部には、応力が集中しやすい。そのため、焼成工程の段階において端面の角部が存在すると、その角部がクラック発生の起点となりやすいという問題もある。
特開２００２−１８２９０号公報
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、加工性に優れ、縁欠け不良やクラックの発生が極めて少ないセラミックハニカム構造体の製造方法及びセラミックハニカム構造体を提供しようとするものである。
第１の発明は、セラミック原料をハニカム状に押出成形すると共に切断して、外周スキン部とその内側のセル壁とを有するハニカム成形体を得た後、
切断面である上記ハニカム成形体の端面の角部を面取り加工して面取り部を設け、
その後、上記ハニカム成形体を焼成することを特徴とするセラミックハニカム構造体の製造方法にある（請求項１）。
次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記セラミックハニカム構造体の製造方法においては、焼成前のハニカム成形体に対して面取り加工を行う。
焼成前のハニカム成形体は、硬化する前の状態であるため、面取り加工がしやすい。そのため、面取り加工の速度を速くすることができる。また、ダイヤモンド砥石等の面取り加工道具の寿命を長くすることができる。それゆえ、加工コストを低減することができる。
また、焼成前、即ち、硬化前のハニカム成形体に面取り加工することにより、面取り加工時に無理な力がかかり難いため、縁欠け不良やクラック発生を防止することができる。
また、焼成前という早い段階で面取り加工を行うため、ハニカム成形体の切断後から焼成前までの取り扱い時における端面の角部の縁欠け不良を低減することができる。
また、面取り部が形成された状態でハニカム成形体を焼成するため、焼成時の端面の角部への応力集中を避けることができる。それゆえ、端面の角部の縁欠け不良やクラック発生を防止することができる。
以上のごとく、本発明によれば、加工性に優れ、縁欠け不良やクラックの発生が極めて少ないセラミックハニカム構造体の製造方法を提供することができる。
第２の発明は、外周スキン部と、その内側のセル壁とを有するセラミックハニカム構造体において、
上記セラミックハニカム構造体の端面の角部には、面取り部を設けてなり、
該面取り部は、上記セラミックハニカム構造体の焼成時において大気に露出していた焼成自由面であることを特徴とするセラミックハニカム構造体にある（請求項６）。
上記面取り部は、上記セラミックハニカム構造体の焼成時において大気に露出していた焼成自由面である。それゆえ、外形が滑らかな結晶粒子からなる表面状態を有する上記面取り部を容易に形成することができる。これにより、上記端面の角部への応力集中を回避することができ、その結果、上記端面の角部の縁欠け不良やクラックの発生を防止することができる。
以上のごとく、本発明によれば、縁欠け不良やクラックの発生が極めて少ないセラミックハニカム構造体を提供することができる。
上記第１の発明（請求項１）及び上記第２の発明（請求項６）において、上記セラミックハニカム構造体は、例えば、自動車等の排気ガス浄化装置として、触媒担体や各種フィルターに用いることができる。
また、上記セラミック原料として、主にＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯを含むコージェライト質セラミックス等を用いることができる。
また、上記焼成後の状態において、例えば、上記外周スキン部の厚みは０．３〜０．７ｍｍ、セル壁の厚みは０．０５〜０．２ｍｍ、セル壁のピッチは１．０〜１．５ｍｍとすることができる。
また、上記面取り部は、幅が０．５〜５．０ｍｍのＣ面とすることが好ましい（請求項２、請求項７）。
この場合には、上述した面取り部形成による効果を充分に発揮することができると共に、セル壁の縁欠け不良を充分に防ぐことができる。
一方、上記Ｃ面の幅が０．５ｍｍ未満の場合には、上記面取り部形成による効果を充分に発揮することが困難となるおそれがある。
また、上記Ｃ面の幅が５．０ｍｍを超える場合には、厚みの小さいセル壁が、外周スキン部からセラミックハニカム構造体の軸方向に大きく突出するため、セル壁に欠けが発生しやすくなるおそれがある。
また、上記Ｃ面が軸方向となす角度は、例えば、２０〜７０°であることが好ましい（請求項３、請求項８）。
この場合には、上述した面取り部形成による効果を充分に発揮することができると共に、セル壁の縁欠け不良を充分に防ぐことができる。
一方、上記Ｃ面が軸方向となす角度が２０°未満、あるいは７０°を超える場合には、面取り部が形成されないのと同様の状態となるため、上記面取り部形成による効果を充分に発揮することが困難となる。
尚、上記軸方向とは、セラミックハニカム構造体の軸方向であり、セルの貫通方向をいう。
また、上記面取り部は、曲率半径が０．５〜３．０ｍｍのＲ面とされていてもよい（請求項４、請求項９）。
この場合には、上述した面取り部形成による効果を充分に発揮することができると共に、セル壁の縁欠け不良を充分に防ぐことができる。
一方、Ｒ面の曲率半径が０．５ｍｍ未満の場合には、上記面取り部形成による効果を充分に発揮することが困難となるおそれがある。
また、Ｒ面の曲率半径が３．０ｍｍを超える場合には、厚みの小さいセル壁が、外周スキン部からセラミックハニカム構造体の軸方向に大きく突出するため、セル壁に欠けが発生しやすくなるおそれがある。
また、上記面取り加工は、押出成形後において乾燥させた後の上記ハニカム成形体に行うことが好ましい（請求項５）。
この場合には、乾燥して適度に半硬化した状態のハニカム成形体に対して面取り加工を行うこととなるため、ハニカム成形体の変形を確実に防止しつつ、容易に面取り加工を行うことができる。
（実施例１）
本発明の実施例にかかるセラミックハニカム構造体及びその製造方法につき、図１〜図４を用いて説明する。
本例の製造方法においては、まず、セラミック原料をハニカム状に押出成形すると共に切断する。これにより、外周スキン部１１、セル壁１２を有するハニカム成形体１０を得る。その後、ダイヤモンド砥石等を用いて上記ハニカム成形体１０の端面１０２の角部１０１に面取り加工を施し面取り部１４を設け、その後、上記ハニカム成形体１０を焼成してセラミックハニカム構造体１を得る。
即ち、このようにして得られるセラミックハニカム構造体１の上記面取り部１４は、焼成時において大気に露出していた焼成自由面である。
また、セラミックハニカム構造体１の外周は、０．５ｍｍ厚の円筒形状の外周スキン部１１によって覆われ、一方、セラミックハニカム構造体１の内部は外周スキン部１１内にハニカム状に配設された０．１ｍｍ厚のセル壁１２と、セル壁１２によって格子状に区画されている幅１．０ｍｍの多数のセル１３によって形成されている。
また、図２に示すごとく、面取り部１４のＣ面の幅Ｗは０．５〜５．０ｍｍとすることができる。
また、上記Ｃ面が軸方向となす角度θは、２０〜７０°とすることができる。
また、上記面取り加工は、押出成形後において乾燥させた後のハニカム成形体１０に対して行う。
本例において作製したセラミックハニカム構造体１を、図４に示すような自動車等の排気ガス浄化装置４として用いる際には、図３に示すごとく、セラミックハニカム構造体１を、圧入工具を用いて金属ケース２の開口部２２より軸方向に収納する（矢印Ｚ）。このとき、セラミックハニカム構造体１は金属ケース２の内側面に配設された把持部材２１を介して金属ケース２内に保持される。
次いで、図４に示すごとく、セラミックハニカム構造体１を収納した金属ケース２を、その開口部２２側において、排気マニホールド３にボルト等を用いて連結する。これにより、排気ガス浄化装置４が得られる。
そして、排気ガスＧが、排気ガス流路入口３１より排気ガス浄化装置４に入り、セラミックハニカム構造体１のセル１３内を通過する。これにより、排気ガスＧは浄化され、その後、排気ガス流路出口３２より排気管へと向かう。
次に、本例の作用効果につき説明する。
上記セラミックハニカム構造体１の製造方法においては、焼成前のハニカム成形体１０に対して面取り加工を行う。
焼成前のハニカム成形体１０は、硬化する前の状態であるため、面取り加工がしやすい。そのため、面取り加工の速度を速くすることができる。また、ダイヤモンド砥石等の面取り加工道具の寿命を長くすることができる。それゆえ、加工コストを低減することができる。
また、焼成前、即ち、硬化前のハニカム成形体１０に面取り加工することにより、面取り加工時に無理な力がかかり難いため、縁欠け不良やクラック発生を防止することができる。
また、焼成前という早い段階で面取り加工を行うため、ハニカム成形体１０の切断後から焼成前までの取り扱い時における端面１０２の角部１０１の縁欠け不良を低減することができる。
また、面取り部１４が形成された状態でハニカム成形体１０を焼成するため、焼成時の端面１０２の角部１０１への応力集中を避けることができる。それゆえ、端面１０２の角部１０１の縁欠け不良やクラック発生を防止することができる。
また、面取り部１４の幅Ｗを０．５〜５．０ｍｍとしている。そのため、上記面取り部１４形成による効果を充分に発揮することができる。また、厚みの小さいセル壁１２が外周スキン部１１からセラミックハニカム構造体１の軸方向に大きく突出することがないため、セル壁１２に欠けが発生するのを防ぐことができる。
また、Ｃ面が軸方向となす角度θを２０〜７０°としている。そのため、上記面取り部１４形成による効果を充分に発揮することができる。
また、上記面取り加工は、押出成形後において乾燥させた後の上記ハニカム成形体１０に対して行っている。それゆえ、乾燥して適度に半硬化した状態のハニカム成形体１０に対して面取り加工を行うことになるため、ハニカム成形体１０の変形を確実に防止しつつ、容易に面取り加工を行うことができる。
また、セラミックハニカム構造体１の面取り部１４は、焼成自由面であるため、外形が滑らかな結晶粒子からなる表面状態を有する面取り部１４を容易に形成することができる。これにより、端面１０２の角部１０１への応力集中を回避することができ、その結果、端面１０２の角部１０１の縁欠け不良やクラックの発生を防止することができる。
以上のごとく、本例によれば、加工性に優れ、縁欠け不良やクラックの発生が極めて少ないセラミックハニカム構造体の製造方法を提供することができる。
（実施例２）
本例は、図５に示すごとく、面取り部１４をＲ面としたセラミックハニカム構造体１の例である。
上記Ｒ面は曲率半径Ｒを０．５〜３．０ｍｍとしている。
その他は、実施例１と同様である。
上記セラミックハニカム構造体１に施された面取り部１４は、Ｒ面で形成されるため、セラミックハニカム構造体１の端面１０２や外周スキン部１１に応力が分散されやすく、その後の製造工程における取り扱い、移送、運搬時等において発生しやすい縁欠け不良やクラック発生を防止することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
（実施例３）
本例は、表１、図６〜図９に示すごとく、上記実施例１と実施例２に示したセラミックハニカム構造体１につき、縁欠け不良の発生率、及びクラックの発生率を調査した例である。尚、図８は、図９のＡ−Ａ線矢視断面図である。
本例においては、製品１として、円筒形状を有し、外周スキン部１１の厚み０．５ｍｍ、セル壁１２の厚み４．０ミル（約１００μｍ）、セル幅１．０ｍｍ、メッシュ数４００、容積１１００ｃｃ、断面積８０ｃｍ２のセラミックハニカム構造体１を作製した。
また、製品２として、円筒形状を有し、外周スキン部１１の厚み０．５ｍｍ、セル壁１２の厚み３．０ミル（約７５μｍ）、セル幅１．０ｍｍ、メッシュ数４００、容積１１００ｃｃ、断面積８０ｃｍ２のセラミックハニカム構造体１を作製した。
そして、製品１及び製品２の２種類のセラミックハニカム構造体１について、面取り加工を行わないもの、Ｃ面による面取り部１４を形成すると共にその幅Ｗを０．５〜８．０ｍｍの間で変更したもの、及びＲ面による面取り部１４を形成すると共にその曲率半径Ｒを０．５〜５．０ｍｍの間で変更したものを各々１０００個ずつ作製した。
そして、各セラミックハニカム構造体１の製造工程において、縁欠け不良の発生率、及びクラックの発生率を調べたものである。調査結果を表１に示す。
尚、縁欠けとは、図８に示すごとく、セラミックハニカム構造体１の端面１０２の角部１０１において、縁欠け１９の径方向の深さａ、または、縁欠け１９の軸方向の長さｂが１．６ｍｍ以上のものをいう。
そして、図８、図９に示す縁欠け１９の径方向深さａ、軸方向長さｂ、周方向長さｃがａ≦３．０ｍｍ、ｂ≦８．０ｍｍ、ｃ≦１０．０ｍｍの条件、または、ａ≦５．０ｍｍ、ｂ≦５．０ｍｍ、ｃ≦２５．０ｍｍの条件を満たさない場合を縁欠け不良とした。
また、クラックについては、セラミックハニカム構造体１の外周スキン部１１の表面において目視で確認できるものを不良とした。
表１より、Ｃ面で形成される面取り部１４の幅Ｗが、０．５〜５．０ｍｍの範囲内であれば、面取り加工を行わない場合より、縁欠け不良、クラック共に発生する確率は極めて低いことがわかる。
一方、Ｃ面の幅Ｗが５．０ｍｍを超える場合には、５．０ｍｍ以下の場合に比べて縁欠け不良が発生する確率が高くなる。これは、図６に示すごとく、厚みの小さいセル壁１２が、外周スキン部１１から軸方向に大きく突出するためであると考えられる。
また、表１より、Ｒ面で形成される面取り部１４の曲率半径Ｒが、０．５〜３．０ｍｍの範囲内であれば、面取り加工を行わない場合より、縁欠け不良、クラック共に発生する確率は極めて低いことがわかる。
一方、Ｒ面の曲率半径Ｒが３．０ｍｍを超える場合には、３．０ｍｍ以下の場合に比べて縁欠け不良が発生する確率が高くなる。これは、図７に示すごとく、厚みの小さいセル壁１２が、外周スキン部１１から軸方向に大きく突出するためであると考えられる。
（実施例４）
本例は、図１０、図１１に示すごとく、実施例１のセラミックハニカム構造体１（例えば、図１参照）の面取り部１４の表面状態を、比較例のセラミックハニカム構造体の面取り部の表面状態と比較した例である。
上記比較例のセラミックハニカム構造体は、焼成後において端部の角部を面取り加工したものである。
これに対し、実施例１のセラミックハニカム構造体１は、上述したごとく、焼成前に面取り加工を行ったものであり、その面取り部１４は、焼成自由面である。
尚、図１０は、実施例１のセラミックハニカム構造体１の面取り部１４をＳＥＭ（電子顕微鏡）によって撮像したものであり、図１１は、比較例のセラミックハニカム構造体の面取り部をＳＥＭ（電子顕微鏡）によって撮像したものである。
そして、各図において、比較的白い部分が結晶粒子を表している。
図１１より、比較例のセラミックハニカム構造体の面取り部は、外形が角張った結晶粒子からなる表面状態を有することがわかる。したがって、比較例のセラミックハニカム構造体の端面の角部は、機械的な衝撃に弱く、縁欠け不良やクラックが発生しやすいといえる。
一方、図１０より、本発明の製造方法により作製したセラミックハニカム構造体１の面取り部１４は、外形が滑らかな結晶粒子からなる表面状態を有することがわかる。したがって、実施例１のセラミックハニカム構造体１の端面１０２の角部１０１は、応力が集中しにくく、縁欠け不良やクラックが発生しにくいといえる。
実施例１における、セラミックハニカム構造体の斜視図。 実施例１における、セラミックハニカム構造体の面取り部の側面図。 実施例１における、セラミックハニカム構造体を金属ケース内に収納する方法を示す説明図。 実施例１における、セラミックハニカム構造体を用いた排気ガス浄化装置の断面説明図。 実施例２における、セラミックハニカム構造体の面取り部の側面図。 実施例３における、セラミックハニカム構造体の、Ｃ面により構成される面取り部の断面説明図。 実施例３における、セラミックハニカム構造体の、Ｒ面により構成される面取り部の断面説明図。 実施例３における、セラミックハニカム構造体の端面の角部の縁欠け不良の説明図であり、図９のＡ−Ａ線矢視断面図。 実施例３における、セラミックハニカム構造体の端面の角部の縁欠け不良の斜視説明図。 実施例４における、実施例１のセラミックハニカム構造体の面取り部の表面状態の電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真。 実施例４における、比較例のセラミックハニカム構造体の面取り部の表面状態の電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真。 従来例における、セラミックハニカム構造体の斜視図。
符号の説明
１ セラミックハニカム構造体
１０ ハニカム成形体
１０１ 角部
１０２ 端面
１１ 外周スキン部
１２ セル壁
１３ セル
１４ 面取り部
２ 金属ケース
４ 排気ガス浄化装置

Claims (9)

  1. セラミック原料をハニカム状に押出成形すると共に切断して、外周スキン部とその内側のセル壁とを有するハニカム成形体を得た後、
    切断面である上記ハニカム成形体の端面の角部を面取り加工して面取り部を設け、
    その後、上記ハニカム成形体を焼成することを特徴とするセラミックハニカム構造体の製造方法。
  2. 請求項１において、上記面取り部は、幅が０．５〜５．０ｍｍのＣ面からなることを特徴とするセラミックハニカム構造体の製造方法。
  3. 請求項２において、上記Ｃ面が軸方向となす角度は、２０〜７０°であることを特徴とするセラミックハニカム構造体の製造方法。
  4. 請求項１において、上記面取り部は、曲率半径が０．５〜３．０ｍｍのＲ面からなることを特徴とするセラミックハニカム構造体の製造方法。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項において、上記面取り加工は、押出成形後において乾燥させた後の上記ハニカム成形体に対して行うことを特徴とするセラミックハニカム構造体の製造方法。
  6. 外周スキン部と、その内側のセル壁とを有するセラミックハニカム構造体において、
    上記セラミックハニカム構造体の端面の角部には、面取り部を設けてなり、
    該面取り部は、上記セラミックハニカム構造体の焼成時において大気に露出していた焼成自由面であることを特徴とするセラミックハニカム構造体。
  7. 請求項６において、上記面取り部は、幅が０．５〜５．０ｍｍのＣ面からなることを特徴とするセラミックハニカム構造体。
  8. 請求項７において、上記Ｃ面が軸方向となす角度は、２０〜７０°であることを特徴とするセラミックハニカム構造体。
  9. 請求項６において、上記面取り部は、曲率半径が０．５〜３．０ｍｍのＲ面からなることを特徴とするセラミックハニカム構造体。
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