JP2010083138A - セラミック製ハニカム支持体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 周縁部を強化したセラミックハニカム支持体の強度を改良する。
【解決手段】 ハニカム押出金型40によって塑性化されたセラミック粉末バッチの押出しにより形成された、外側の拡幅された制御された深さのスロット部分48aを組み込む周縁部のスロットを持ったハニカム体を、押し出し、乾燥し、焼結することによって、強化された増厚周縁部のウェブ部分を有するセラミックハニカム製品を製造する。制御された深さは、周縁部のスロット48aを通るセラミック粉末バッチ流を、増厚ウェブ部を形成するのに十分であるが、増厚ウェブ部の形状の変形を起こすには不十分な程度まで増すように選択される。
【選択図】図３

Description

本発明は、セラミック製ハニカムの製造に関し、特に内燃機関の排気システムにおける触媒の支持体のようなセラミック製ハニカム支持体の強度を改良した応用に関するものである。

自動車の排気ガスから出る不完全燃焼の炭化水素、一酸化炭素、および二酸化窒素を触媒処理して除去するために多孔性のセラミックハニカム支持体を使用することはよく知られている。ハニカム状の押出金型を使って、塑性化されたセラミックバッチの押出しにより従来普通に製造されるそのようなハニカム支持体は、これらの排気ガスを効果的に処理する触媒を塗布したセラミックの壁すなわちウェブによって仕切られた、平行な多数の孔の列すなわちチャンネルを備えている。

排気ガスの制限はますます厳しくなっているので、セラミック製の触媒を塗布したハニカム支持体の設計は、孔の密度を下げたりウェブの厚みを小さくしたりして触媒反応をより速くするとともに排気ガスの圧力低下を減らす方向に向かっている。このような修正作業がなかったら、これらの変化がハニカム支持体の構造を全体に弱くしたり、械的耐久性を低下させたりして、排気システム環境の機械的、熱的ストレスに耐えられないものにしてしまったであろう。

支持体の耐久性を高めるために採用された設計変更として、支持体の周縁部の強度を改善するために支持体周縁部の組成や形状を修正することがある。周縁部を強化する実施態様として、周縁部のウェブ構造を選択的に厚くしたり、支持体の皮の部分を厚くしたりすることが行なわれている。

特許文献１は、周縁部のウェブを厚くする一つのアプローチを示している。これらの、またこれらに類似する周縁部の厚みを増したハニカム構造は、典型的には、ウェブの壁の厚みを増すため周縁部のウェブを形成する排出スロットが拡幅されたセラミックハニカム金型による押出しにより成形される。

米国特許第4,233,351号明細書

しかしながら、ウェブを厚くする結果生じた強度は不規則であり、かつ修正された形状の強度解析により期待された強度よりも低かった。多くの場合、不規則な強度は、押し出されたハニカムの後の乾燥と焼結よりもむしろ最初の支持体の押出しの間に起こる周縁部のウェブ構造の形状の変形に関連しているようである。したがって、周縁部を強化したセラミックハニカム支持体の強度を改良する余地がある。

広くは、本発明は、周縁部の厚みを増したハニカム支持体の押出しの間に起こり得るウェブの変形を抑えることにより、周縁部の強度の問題に対処するものである。この効果は、その変形の重要な原因に焦点を当てた押出金型を修正することにより達成される。これらの修正は、特に、厚みを増した（増厚）周縁部のウェブ構造を形成する拡幅された排出スロットの修正を含んでおり、周縁部のウェブの厚みの必要な増加を維持しつつ、周縁部のスロットを通る押出し速度を制御することによってウェブの変形を抑えることによって達成される。

したがって、第一の側面において、本発明による実施態様は、強化された周縁部のウェブ構造を有するセラミック製ハニカム製品を製造する改良された方法を提供する。この方法は、酸化セラミック粉末と液体媒体との混合物を調製し成型して可塑性のセラミック粉末のバッチを作成し、生のセラミックハニカム体を形成するためにハニカム押出金型を通してセラミック粉末バッチを押し出し、かつその生のセラミックハニカム体を乾燥し、焼結してセラミック製ハニカム製品を形成する方法である。押出しは、押出金型の排出面に、従来方法で深さが設定された排出スロットを通して行なわれる。ここで周縁部の排出スロットは、厚みを増した（増厚）ウェブ部により囲まれた周縁部のチャンネルを有するハニカム体を押し出すために、拡幅されている。

本発明によれば、増厚ウェブ部は、深さを調節するため排出面に延びた、拡幅された外側スロット部を有する周縁部のスロットを通して押し出される。本発明のある実施態様によれば、その調節された深さは、増厚ウェブ部を形成するに十分な程度である一方、増厚ウェブ部の変形を起こすには不十分な程度だけ、セラミック粉末バッチ流を増すように選択される。ある実施態様では、その調節された深さは、押出されたハニカム体の内側の（厚みを増していない）ウェブを形成する、周縁部でない排出スロットの設定深さの半分以下であり、拡幅された外側スロット部分の幅の少なくとも４倍以上である。

他の側面では、本発明による実施態様は、酸化セラミック粉末と液体媒体のセラミックバッチ混合物を調整し塑性化し、そのバッチ混合物を金型に通すことにより生のセラミックハニカム体を形成し、乾燥し、それを焼結することにより、強化された周縁部のウェブ構造を有するセラミックハニカム製品を製造する方法を含んでいる。生のハニカム体の押出しは、拡幅された外側スロット部を周縁部に有する押出金型の周縁部のスロットから排出される増厚ウェブ部によって囲まれた周縁部のチャンネルを有する押出体を用いてハニカム押出金型の排出面の設定深さの排出スロットを通して行なわれる。

押出金型の周縁部のスロットは、選択された厚さの、増厚ウェブを形成する選択された幅を有する拡幅された外側スロット部分を含み、最大厚さのウェブ部分を形成するための最大幅の拡幅されたスロット部分を含んでいる。強化された周縁部のウェブ構造を含む多数の進んだハニカムデザインにおいて、最大厚さのウェブ部分は最外周のチャンネルを形成する。しかしながら、本発明のいくつかの実施態様によれば、拡幅された外側スロット部は金型の排出面に延びて制御された深さを形成する。その制御された深さは、最も広い幅のスロット部分を通るセラミック粉末バッチの流れを、完全に一体でありながら実質的に自由に形状を変形させられる程度に増厚ウェブを形成する程度に増大させるのに十分な深さである。このようにして、最も厚いウェブは、強化された周縁部のウェブ構造の中の他のウェブと同様に、不連続なウェブを有さず、また金型の排出面を横切るバッチの流れの変化により起こる形状の変形もない。

さらに他の側面において本発明は、改良された強度を有する周縁部の厚みを増したセラミックハニカム支持体の製造のための改良されたデザインのセラミックハニカム金型を提供するものである。この改良された押出金型は、塑性化されたセラミック粉末バッチを金型内に導く複数の供給孔と、この供給孔に連続し、金型の排出面に開いた設定された深さの複数の排出スロットを備えた注入面を持った従来の金型の特徴を有するものである。排出スロットは、塑性化されたセラミック粉末バッチを生のセラミックハニカム体の形で金型から排出するように構成されている。ここで、排出面の周縁部の領域の選択されたスロットは、増厚周縁部のウェブを押出すために、選択された幅を持った拡幅されたスロット部分を有している。しかし、この拡幅されたスロット部分は、金型の中に、制御された深さだけしか延びていない。この深さは、設定された深さの半分以下である。ある実施態様では、もしその深さが拡幅されたスロット部分の選択された幅の少なくとも４倍あれば、ウェブの一体性が改良される。

さらに本発明の他の側面を、以下の詳細な説明と図面に示された実施態様により明らかにする。しかし、それらの実施態様は例示であって、本発明はそれらに限定されるものではない。

本発明を、以下添付図面を参照してさらに説明する。
従来のハニカム金型の周縁部の拡幅されたスロットを示す概略一部縦断面図 押し出されたハニカム体の一部のウェブにおける形状の変形を示す平面図 制御された深さの拡幅された周縁部のスロットを有するハニカム押出金型の一部断面図 スロット拡幅の深さ制御の、一部拡幅されたスロットから押し出される周縁部のウェブの押出し速度への効果を示すグラフ

さらに図面を参照して、以下説明する。図１は、寸法の比率は実際と異なっているが、知られているデザインのセラミックハニカム押出金型の一部概略縦断面図を示すもので、増厚周縁部のウェブを持った生のハニカム体を従来の方法で押し出すように構成されている。図１に示すように、典型的にステンレスのような高強度の材料で形成された押出金型10は、金型に供給される塑性化されたセラミックバッチ材料16が導入される供給孔14を持った金型本体12を備えている。供給孔14に連結して排出スロット18があり、この排出スロット18は、金型の排出面20に終端を有する。この金型からは、塑性化されたバッチ材料16が、周縁部のウェブ32を囲みそれに接着する外側の押出皮部36を有する生のハニカム体30の形で排出される。

内側のウェブ34より厚みが大きい、強い周縁部のウェブ32を作成するために、拡幅された周縁部の排出スロット18aが設けられている。スロットの拡幅は、適当な幅のタブ電極を持った押込みEDM加工により従来達成されている。期待通り、このスロットの拡幅により、乾燥され焼結されたハニカム構造に強度を加えるために増厚周縁部のウェブが得られる。しかし、意図しない結果として、増厚周縁部のウェブの変形が生じる。そのような変形は、望まれる強度アップと干渉し、あるときは焼結したハニカムの強度を低下させる。図２は、周縁部のウェブ32の変形を示すハニカム体30の上面図である。

我々は、周縁部のウェブ変形の主たる原因が押出し速度の変化であることを突き止めた。すなわち、塑性化されたセラミック粉末バッチ材料16が押出金型10の面20の上の排出スロット18から出る直線速度は均一ではない。拡幅された周縁部のスロット18aと、拡幅されていない内部のスロットとの間の押出速度の差があまりにも大きいので、周縁部のウェブ32の変形を起こしている。

周縁部からの押出し速度と内側のスロットの観察と計算から、押出し速度変化の大きさと周縁部のウェブ変形のリスクとの間に、強い相関関係があるということが確認された。下の表１は速度変化率として示されている押出しの速度変化率と,いろいろな押出条件の下で押し出された部品に観察されるウェブの欠陥の外観によって決定される周縁部のウェブ変形のリスク（欠陥リスク）との相関関係を示している。最少変形リスクは、製造ラインを延長しても、押出し部品の周縁部のウェブ構造に目で見える変形は見られなかったということを示している。一方、高変形リスクのレベルでは、そのような変形は殆どないか、全くなかった。

上の知見に基づけば、周縁部の強化されたハニカム製品の押出しは、採用される押出金型の周縁部のスロットの拡幅された部分の制御された深さが、これらのスロットから押出されるセラミック粉末バッチの軸方向の流速を、拡幅された外側スロット部分を有さない内側の金型スロットからの低い軸方向の流速を20％以上越えるレベルまで増すのに不十分な値に維持するという条件において、最も良く実行されるということが結論される。

ハニカム押出金型の面を横切る流速をバランスさせるための伝統的なアプローチは、金型の後ろ、すなわち、金型と押出口におけるバッチ調整スクリーンの間に流速制御のためのハードウェアを利用することであった。そのようなハードウェアは、金型供給孔へのバッチの流速を制御することができ、それにより、金型面における押出速度を制御することができる。しかし、この流速をバランスさせるアプローチは相当のコストを要し、押出処理を複雑にするものであるため、一般に採用されない。

我々は、観測される流速の変化が、周縁部と内側のスロットとの間の流れのインピーダンスの差の結果として生じることを突き止めた。すなわち我々は、過剰に大きい押出速度の変化とその結果周縁部のウェブの形状に生じる欠陥を、拡幅された周縁部のスロット18aにおける過度に低いインピーダンスによるものと考える。我々はさらに、周縁部のスロットにおけるスロット拡幅の深さを制御することにより、これらのスロットからのバッチ流の速度がこれらの変化を小さくするように制御できると、そしてそれにより、周縁部のウェブ変形の主たる原因を除くことができると結論した。

これらの深さを制御することにより、最も外側の、増厚ウェブ部に接着する押出皮部を組み込んだハニカム体の製造を容易にすることができる。これには増厚ウェブ部と皮部の連結点において補強用肉厚部を持ったハニカム体も含まれる。最外周のリングにおける拡幅の深さを小さくすることにより、連結点における押出し速度の変化を抑えることができる。これにより、そのような押し出された補強用肉厚部の形成を一層制御することができる。

ウェブの一体性を良い状態に保ちつつ、周縁部のウェブ変形を最も効果的に少なくする拡幅されたスロット部分の深さは、採用されるハニカム押出金型のデザインにより異なるものであるが、いかなる場合も圧力低下の計算あるいは通常の実験によって容易に決められる。供給孔と排出スロットの形状の知られた押出金型を通る圧力低下の変化率の計算に有用な方程式はよく知られており、米国特許出願公開第2006-0178769号明細書は、そのような方程式の例をいくつか示している。本発明の実施に当たっては必要ないが、そのような計算は、最適な結果を最も提供しやすい拡幅されたスロット深さの最初の範囲を確かめるのに有用である。

下の表２は、第1世代I、第2世代IIおよび第3世代IIIと特定された３つのハニカム押出金型の内側と拡幅された周縁部のスロットから排出されたセラミック粉末押出体モデルの計算された押出し速度の値を示している。これらの金型は従来のデザインのもので、全て（0.0036インチ（約0.09ｍｍ））幅で深さ（0.130インチ（約3.25ｍｍ））の内側スロットを持っている。表２に示されたデータは、６つの異なる周縁部のスロット幅において、各金型の内側と周縁部のスロットの押出速度(V)データを含んでおり、３つの金型は周縁部のスロットの拡幅されたスロット部分の深さ(D)が異なっている。内側スロットと拡幅された周縁部のスロットの間の押出し速度の変化率（差）(ΔV)も示されている。データを作成するために使われた押出しの圧力は、各金型の内側スロットを通る押出速度が(2.10インチ/秒（約5.25ｃｍ/秒）)となるレベルである。

表２のデータが示すように、第1世代の金型にある深さ0.065インチ（約1.625ｍｍ）(内側スロットの深さ0.130インチ（約3.25ｍｍ）の半分の大きさ)の拡幅されたスロット部分が、この特定のデザインの金型の0.0051インチ（約0.128ｍｍ）のスロット幅において、20%を越える押出速度の変化を生じている。上の表１は、20%を越える押出し速度変化が、周縁部のウェブ変形の高いリスクがあることを示している。したがって、第1世代の金型は、この大きい押出速度の不均衡を矯正する対策が講じられないと、周縁部のウェブの厚さの大きい部分において、周縁部のウェブに大きな変形を生じる。これに対し、深さ0.030インチ（約0.75ｍｍ）の拡幅されたスロット部分を持った第3世代の金型のデータは、全てのスロット幅において、押出速度の変化が20%以下に抑えられていることを示している。

図３は、第3世代の金型の形状と同様の形状を持ったハニカム押出金型40の一部の概略断面で、金型の内側スロット48の深さに比べて深さを小さくした拡幅されたスロット部分48aを示している。図４は、計算された流速(速度)の変化を３つのハニカム金型の排出面を横切る拡幅された周縁部のスロット幅の関数としてプロットした曲線を示す。図４においてI,IIおよびIIIで示された曲線は、表２の第1、第2および第3世代の金型にそれぞれ対応する形状の金型における速度変化のデータを示す。これらの曲線は、スロット幅と押出速度の間の直接的な関係と、拡幅されたスロット深さの減少による変化の大きさに及ぼす有利な効果の両方を明確に反映している。

また図４には、速度の変化の閾値レベルLとHが示されている。レベルLは表１における周縁部のウェブ変形の低いリスクに対応し、レベルHは高い変形リスクに対応している。これらの曲線を分析すると、曲線IIIの金型デザインでは、ウェブ変形の高いリスクをなくして、遥かに大きい範囲の周縁部のスロット幅を使用できることが明らかである。

周縁部のスロットを拡幅された押出金型のスロット部分における深さの縮小が、周縁部を強化したハニカム製品において周縁部のウェブ変形を減少させるのに大きな効果があることが明らかになったが、そのような深さの縮小には限度がある。もしその深さの縮小があまりにも大きいと、押出されたハニカム体の増厚周縁部のウェブの一体性が犠牲になる。一般に、増厚ウェブ部の一体性を確保するための最低限の制御された深さ、すなわち増厚ウェブ部が実質的にウェブの不連続性を有さないための深さは、拡幅されたスロット部分の最大スロット幅の約４倍に相当する深さであることが分かった。

周縁部が強化されたより進んだハニカムのデザインでは、外側のスロット部分が、金型の内側のスロットに隣接する僅かに広くされたスロット部分から、押し出されたハニカムの皮部に隣接する最も広く拡幅されたスロット部分まで、広い範囲に亘って厚みを変えた増厚周縁部のウェブを備えている。最も幅の大きいスロット部によって形成された増厚ウェブは最も形状が変形する傾向がある。

表２と図４に示されたデータを分析すると、最大幅の拡幅された外側のスロット部分の制御された深さが、その最大幅の約４倍から10倍の範囲にある拡幅された周縁部のスロットを用いたとき、一般にウェブの変形と不連続を良好に防ぐことができることが分かる。強化された薄い壁のハニカム支持体は、もし周縁部の最大幅のスロットが上記の制御された深さの範囲内にあれば、増厚周縁部のウェブ変形のリスクを極めて小さく抑えて、内側のスロット幅0.003-0.004インチ（約0.075-0.1ｍｍ）と0.0035-0.0065インチ（約0.0875-0.163ｍｍ）の範囲の幅の拡幅された外側スロット部を有する押出金型を用いて、効果的に作製することができる。

上述した方法と装置は、国際公開第2004-073969号パンフレットに開示されたような強化されたハニカム製品、例えば周縁部の増厚されたウェブ部を持った周縁チャンネルがハニカムの周縁から生のハニカム体の中心軸に向かって少なくとも３チャンネル列に亘って設けられた製品を製造するのに特に有利に使用することができる。３から６列の外側チャンネル列を有するハニカムは、最終的に焼結されたハニカムにおいて優れた強度の向上を実現する。さらに、ハニカムの押出皮部と最外周の増厚されたウェブ部の間の連結部に押し出された肉厚部が設けられたセラミックハニカム体の製造が相当に容易になる。
上記の方法により周縁部が強化され周縁のウェブの変形をなくしたハニカム製品の製造は、歩留まりの改善と工程の簡略化の点において、大きな経済的利益をもたらす。これは、塑性化されたセラミックの粉末バッチ混合物が押出機から直接上述の押出金型に供給され、押出機と金型との間に設けられた補助的な周縁流調節装置を通すようにバッチ材料を押し込む必要がないからである。

本発明は、図示された特定の実施態様をもって説明したが、それらの実施態様は添付の請求の範囲の記載の範囲内で、特定の応用からの要求に応えるために種々の改変や応用が加えられるものであることは明らかである。

10,40 押出金型
14 供給孔
16 セラミックバッチ材料
18 排出スロット
30 ハニカム体
32 周辺部のウェブ
34 内部のウェブ
36 押出皮部

Claims (6)

1. 強化された周縁ウェブ構造を有するセラミックハニカム製品の製造方法であって、
   酸化セラミック粉末と液体媒体との混合物を調製し成型して可塑性のセラミック粉末のバッチを作成し、
   該セラミック粉末のバッチをハニカム押出金型の排出面の所定の深さを有する排出スロットを通して押出して、増厚されたウェブ部によって区画された周縁チャンネルを有する生のセラミックハニカム体を形成し、
   該生のセラミックハニカム体を乾燥し、焼結してセラミックハニカム製品を形成する、
   各工程を有してなる方法において、
   (i) 前記増厚されたウェブ部は、選択された幅を持った拡幅された外側のスロット部を有するスロットから押し出され、最大幅のスロット部から押し出された最大厚のウェブ部を含み、
   (ii) 拡幅された外側のスロット部は制御された深さのために前記排出面に延びており、
   (iii) 該制御された深さは、前記セラミック粉末のバッチの前記最大幅のスロット部を通る流れを、一体であるとともに実質的に形状の変形のない最大厚のウェブ部を形成する程度にまで増大するように選択される
   ことを特徴とするセラミックハニカム製品の製造方法。
2. 前記制御された深さが、最大幅の外側のスロット部の幅の４から１０倍の範囲にあることを特徴とする請求項１記載のセラミックハニカム製品の製造方法。
3. 前記拡幅された外側のスロット部が、0.0035-0.0065インチ（約0.0875-0.163ｍｍ）の範囲の選択された幅を有することを特徴とする請求項１記載のセラミックハニカム製品の製造方法。
4. 前記増厚されたウェブ部によって区画された周縁チャンネルが、生のセラミックハニカム体の中心軸に向かって少なくとも３列のチャンネル幅に亘って設けられていることを特徴とする請求項１記載のセラミックハニカム製品の製造方法。
5. 前記塑性化されたセラミックの粉末バッチが、押出機の出力から直接に押出金型に、補助的な周縁流調節装置を介することなく供給されることを特徴とする請求項１記載のセラミックハニカム製品の製造方法。
6. 前記生のセラミックハニカム体が、選択された厚さを持ったウェブ部に接着する外側の押出皮部を有し、該皮部と該選択された厚さを持ったウェブ部との間の連結部に押し出された肉厚部が設けられていることを特徴とする請求項１記載のセラミックハニカム製品の製造方法。

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