JP2013184339A - ハニカム成形用金型 - Google Patents

Abstract

【課題】耐磨耗性および耐久性に優れたハニカム成形用金型を提供すること。
【解決手段】炭化ケイ素を含む成形原料をハニカム構造体に押出成形するためのハニカム成形用金型１。ハニカム成形用金型１は、前面１１に開口するとともにハニカム構造体の隔壁部を成形するためのスリット２と、後面１２に開口するとともにスリット２へ成形原料を供給するための複数の供給孔３とを形成してなる。ハニカム成形用金型１は、前面１１側に配された前面側材料層４と、前面側材料層４とは異なる材料からなると共に後面１２側に配された後面側材料層５とが、互いに積層されると共に一体的に焼結された一体焼結体によって構成されている。前面側材料層４は、成形原料を構成する炭化ケイ素よりも、ビッカース硬さが高い。後面側材料層５は、前面側材料層４よりも、抗折力が高い。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化ケイ素を含む成形原料をハニカム構造体に押出成形するためのハニカム成形用金型に関する。

例えば、自動車等の内燃機関の排ガス浄化装置におけるフィルターとして、セラミック製のハニカム構造体が用いられている。かかるハニカム構造体は、セラミック粉末を含む成形原料を、ハニカム成形用金型を用いて押出成形することにより得ることができる。ハニカム成形用金型は、その前面に開口したスリットをハニカム状に形成してなる。そして、このスリットの形状どおりの隔壁部を備えたハニカム構造体を成形することができる。

ここで、ハニカム構造体を連続成形する際、成形原料におけるセラミック粉末によって、ハニカム成形用金型のスリットの周囲が磨耗することがある。これにより、スリットの幅が広がると、そこから押し出されるハニカム構造体における隔壁部の厚みが大きくなりすぎるなど、所望の形状のハニカム構造体が得られなくなる。そこで、所定量処理ごとに、ハニカム成形用金型を交換することとなるが、これに伴い、生産効率が低下するという問題がある。

このような、スリット周囲の磨耗の問題に対して、特許文献１に記載の発明のように、ハニカム成形用金型における前面側の部分を、超硬合金によって構成したものがある。

特開２００６−５１６８２号公報

しかしながら、近年、排ガス浄化装置等において用いられるハニカム構造体として、耐熱性が高く、かつ熱伝導性に優れたものが求められており、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を主成分とするハニカム構造体が開発されている。かかるハニカム構造体を成形するにあたっては、炭化ケイ素を含む成形原料を、ハニカム成形用金型によって押出成形することとなる。

ところが、炭化ケイ素は硬度が高いため、ハニカム成形用金型におけるスリットの周囲の磨耗が激しくなりやすい。それゆえ、上記特許文献１に記載のハニカム成形用金型のように前面側に超硬合金を用いたものであっても、その寿命を充分に確保することが困難となるおそれがある。

そこで、超硬合金よりもさらに硬度の高い合金材料によってハニカム成形用金型を構成することも考えられるが、かかる高硬度合金材料は、どうしても靭性が低くなりやすく、押出成形時にハニカム成形用金型にかかる大きな圧力によって、割れ等の損傷が生じるおそれがある。特に、生産性の向上を図るために押し出し圧力を高めようとすると、この耐圧力の問題が重要となる。

また、上記特許文献１に記載のハニカム成形用金型のように、異なる二種類の合金部材を接合して構成することも考えられる。ところが、単に異なる二種類の合金部材を接合したハニカム成形用金型では、上記のように大きな圧力がかかったときに、接合界面において割れが生じるおそれがあり、やはり耐久性を確保することは困難である。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、耐磨耗性および耐久性に優れたハニカム成形用金型を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、炭化ケイ素を含む成形原料をハニカム構造体に押出成形するためのハニカム成形用金型であって、
前面に開口するとともに上記ハニカム構造体の隔壁部を成形するためのスリットと、後面に開口するとともに上記スリットへ上記成形原料を供給するための複数の供給孔とを形成してなり、
上記前面側に配された前面側材料層と、該前面側材料層とは異なる材料からなると共に上記後面側に配された後面側材料層とが、互いに積層されると共に一体的に焼結された一体焼結体によって構成されており、
上記前面側材料層は、上記成形原料を構成する炭化ケイ素よりも、ビッカース硬さが高く、
上記後面側材料層は、上記前面側材料層よりも、抗折力が高いことを特徴とするハニカム成形用金型にある（請求項１）。

上記ハニカム成形用金型において、上記前面側材料層は、上記成形原料を構成する炭化ケイ素よりも、ビッカース硬さが高い。そのため、上記ハニカム成形用金型を用いて成形原料を押し出す際に、成形原料に含まれる炭化ケイ素粉末によって上記スリットの周囲が磨耗することを抑制することができる。これにより、上記ハニカム成形用金型の耐磨耗性を向上して、その寿命を長くすることができる。

また、上記ハニカム成形用金型は、上記前面側材料層に対して後面側に配された後面側材料層を備える。そして、後面側材料層は、前面側材料層よりも抗折力が高い。すなわち、仮にハニカム成形用金型の全体を上記前面側材料層によって構成すると、靭性が低下しやすくなり、使用時に押し出し圧力が作用し続けるハニカム成形用金型においては、耐久性が問題となるおそれがある。そこで、抗折力の高い上記後面側材料層を後面側に配することで、ハニカム成形用金型の靭性を高め、耐久性を確保することができる。

また、後面側材料層は、ハニカム成形用金型の後面側に配されており、押し出し成形されるハニカム構造体の形状に直接影響を与える部分に配されていないため、前面側材料層のような高い硬度は特に必要がない。そこで、後面側材料層を前面側材料層と異なる材料とすることで、材料選択の幅が広がり、靭性を考慮した材料の選択が可能となる。

また、前面側材料層と後面側材料層とは、互いに一体的に焼結された一体焼結体を構成している。そのため、ハニカム成形用金型に高い圧力が作用しても、前面側材料層と後面側材料層との間に割れが生じるなどのおそれはなく、充分な耐久性を確保することができる。

このように、上記ハニカム成形用金型は、前面側材料層によって耐磨耗性を確保しつつ、後面側材料層によって靭性を確保し、かつ両者が一体焼結体を構成していることにより高い耐久性を確保している。

以上のごとく、本発明によれば、耐磨耗性および耐久性に優れたハニカム成形用金型を提供することができる。

実施例１における、ハニカム成形用金型の断面説明図。 実施例１における、一体焼結体からなる金型素材の断面説明図。 実験例１における、測定結果の線図。

上記ハニカム成形用金型において、上記前面側材料層は、例えば、立方晶窒化ホウ素焼結体（ＣＢＮ）、ダイヤモンド焼結体（ＰＣＤ）によって構成することができる。
また、上記ハニカム成形用金型において、成形原料が押し出される側を「前」、その反対側を「後」とする。

また、上記後面側材料層は、超硬合金からなることが好ましい（請求項２）。この場合には、上記後面側材料層の硬度もある程度確保しつつ、ハニカム成形用金型の靭性を確保することができる。すなわち、上記供給孔等、後面側材料層を通る部分にも、炭化ケイ素粉末を含む成形原料が流動するため、後面側材料層の耐磨耗性もある程度は必要である。それゆえ、後面側材料層は、充分な抗折力を備えつつも、ある程度の硬さを備えた超硬合金によって構成することが望ましい。

また、上記後面側材料層は、上記成形原料を構成する炭化ケイ素よりも、ビッカース硬さが低いものとすることができる（請求項３）。この場合には、上記後面側材料層の材料選択の自由度が増し、靭性に優れた材料を用いることができる。

また、上記前面側材料層は、ビッカース硬さが２５００Ｈｖ以上であることが好ましい（請求項４）。この場合には、上記スリットの耐磨耗性を充分に確保することができる。すなわち、上記成形原料に含まれる炭化ケイ素は、通常、ビッカース硬さが約２３００Ｈｖ程度であるため、これよりもビッカース硬さが充分に高い材料によって前面側材料層を構成することにより、その耐磨耗性を充分に確保することができる。

また、上記後面側材料層は、抗折力が１５００ＭＰａ以上であることが好ましい（請求項５）。この場合には、上記ハニカム成形用金型の靭性を充分に確保しやすい。

また、上記前面側材料層は、押し出し方向における厚みが、上記スリットの長さよりも小さいことが好ましい（請求項６）。この場合には、上記ハニカム成形用金型の靭性をより向上しやすくなり、耐久性を向上させることができる。すなわち、上記スリットのうち、ハニカム構造体の形状に最も影響を与える部分は前端部であるため、この部分の耐磨耗性を確保すれば、ハニカム成形用金型の寿命を長くすることができる。そこで、前面側材料層の厚みを、スリットの長さよりも小さくし、スリットの前端部を含めた一部を形成する部分にのみ前面側材料層を配置し、それよりも後面側は、上記後面側材料層によって構成することができる。これにより、ハニカム成形用金型の靭性をより向上させることができる。

また、上記前面側材料層は、押し出し方向の厚みが、上記後面側材料層の厚みに対して、１〜８０％であるものとすることができる（請求項７）。この場合には、スリットの周囲の耐磨耗性を充分に確保しつつ、全体の靭性を充分に確保することができる。
上記前面側材料層の厚みが上記後面側材料層の厚みの１％未満の場合には、スリットの出口に近い位置において、スリットの周囲が磨耗するおそれがあり、成形されるハニカム構造体の形状への影響を防ぎにくくなるおそれがある。一方、上記前面側材料層の厚みが上記後面側材料層の厚みの８０％を超える場合には、上記ハニカム成形用金型の靭性を向上させにくくなるおそれがある。
なお、より好ましくは、上記前面側材料層は、押し出し方向の厚みを、上記後面側材料層の厚みに対して、２〜２０％とする。

（実施例１）
上記ハニカム成形用金型の実施例につき、図１、図２を用いて説明する。
本例のハニカム成形用金型１は、炭化ケイ素を含む成形原料をハニカム構造体に押出成形するための金型である。
ハニカム成形用金型１は、前面１１に開口するとともにハニカム構造体の隔壁部を成形するためのスリット２と、後面１２に開口するとともにスリット２へ成形原料を供給するための複数の供給孔３とを形成してなる。

また、ハニカム成形用金型１は、前面１１側に配された前面側材料層４と、前面側材料層４とは異なる材料からなると共に後面１２側に配された後面側材料層５とが、互いに積層されると共に一体的に焼結された一体焼結体によって構成されている。
前面側材料層４は、成形原料を構成する炭化ケイ素よりも、ビッカース硬さが高い。また、後面側材料層５は、前面側材料層４よりも、抗折力が高い。

成形原料は、炭化ケイ素粉末とバインダーとの混練物からなり、炭化ケイ素は、ビッカース硬さが約２３００Ｈｖ程度である。この炭化ケイ素よりも、前面側材料層４は、ビッカース硬さが高く、２５００Ｈｖ以上であることが好ましい。本例においては、前面側材料層４を立方晶窒化ホウ素焼結体によって構成してあり、そのビッカース硬さは、約２８５０Ｈｖである。

また、後面側材料層５は、超硬合金からなる。具体的には、炭化タングステン（ＷＣ）をコバルト（Ｃｏ）からなる結合剤と共に焼結した超硬合金を、後面側材料層５として用いる。
後面側材料層５は、成形原料の主成分である炭化ケイ素よりも、ビッカース硬さが低い。すなわち、後面側材料層５のビッカース硬さは、約１１００Ｈｖである。
また、後面側材料層５は、抗折力が１５００ＭＰａ以上であり、特に本例において後面側材料層５として用いた、「炭化タングステン（ＷＣ）をコバルト（Ｃｏ）からなる結合剤と共に焼結した超硬合金」は、抗折力が３０００ＭＰａ以上である。

また、図１に示すごとく、ハニカム成形用金型１において、前面側材料層４は、押し出し方向における厚みＴｆが、スリット２の長さＴｓよりも小さい。すなわち、スリット２は、押し出し方向について、後面側材料層５の一部と前面側材料層４の全体とにわたって形成されている。一方、供給孔３は、後面側材料層５の一部にのみ形成されている。

スリット２は、前面１１側から見た形状において、ハニカム形状に形成されている。また、供給孔３は、スリット２の後端に接続されるように、複数個、円柱形状に形成されている。スリット２の幅は、例えば４００μｍ以下であり、供給孔３の直径は、例えば２．０ｍｍ以下である。

また、前面側材料層４は、押し出し方向の厚みＴｆが、後面側材料層５の厚みＴｒに対して、１〜８０％である。すなわち、後面側材料層５の厚みＴｒと前面側材料層４の厚みＴｆとは、０．０１≦Ｔｆ／Ｔｒ≦０．８を満たす。さらに好ましくは、０．０２≦Ｔｆ／Ｔｒ≦０．２を満たす。

本例のハニカム成形用金型１を製造するにあたっては、まず、図２に示すごとく、超硬合金からなる後面側材料層５と、六方晶窒化ホウ素焼結体からなる前面側材料層４の一体焼結体の金型素材１０を用意する。この一体焼結体の金型素材１０は、ｃＢＮ（六方晶窒化ホウ素）粉末を結合剤と共に、超硬合金基板上に一体焼結することにより得られるものである。

そして、外形を整えると共に、金型素材１０に対して、放電加工等によって、スリット２および供給孔３を形成する。このとき、スリット４は、金型素材１０における前面側材料層４と後面側材料層５の一部にわたって形成する。
以上により、図１に示すハニカム成形用金型１を得る。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記ハニカム成形用金型１において、前面側材料層４は、成形原料を構成する炭化ケイ素よりも、ビッカース硬さが高い。そのため、ハニカム成形用金型１を用いて成形原料を押し出す際に、成形原料に含まれる炭化ケイ素粉末によってスリットの周囲が磨耗することを抑制することができる。これにより、ハニカム成形用金型１の耐磨耗性を向上して、その寿命を長くすることができる。

また、ハニカム成形用金型１は、前面側材料層４に対して後面側に配された後面側材料層５を備える。そして、後面側材料層５は、前面側材料層４よりも抗折力が高い。すなわち、仮にハニカム成形用金型１の全体を前面側材料層４によって構成すると、靭性が低下しやすくなり、使用時に押し出し圧力が作用し続けるハニカム成形用金型１においては、耐久性が問題となるおそれがある。そこで、抗折力の高い後面側材料層５を後面１２側に配することで、ハニカム成形用金型１の靭性を高め、耐久性を確保することができる。

また、後面側材料層５は、ハニカム成形用金型１の後面１２側に配されており、押し出し成形されるハニカム構造体の形状に直接影響を与える部分に配されていないため、前面側材料層４のような高い硬度は特に必要がない。そこで、後面側材料層５を前面側材料層４と異なる材料とすることで、材料選択の幅が広がり、靭性を考慮した材料の選択が可能となる。

また、前面側材料層４と後面側材料層５とは、互いに一体的に焼結された一体焼結体を構成している。そのため、ハニカム成形用金型１に高い圧力が作用しても、前面側材料層４と後面側材料層５との間に割れが生じるなどのおそれはなく、充分な耐久性を確保することができる。

このように、ハニカム成形用金型１は、前面側材料層４によって耐磨耗性を確保しつつ、後面側材料層５によって靭性を確保し、かつ両者が一体焼結体を構成していることにより高い耐久性を確保している。

また、後面側材料層５は、超硬合金からなるため、後面側材料層５の硬度もある程度確保しつつ、ハニカム成形用金型１の靭性を確保することができる。すなわち、供給孔１２等、後面側材料層５を通る部分にも、炭化ケイ素粉末を含む成形原料が流動するため、後面側材料層５の耐磨耗性もある程度は必要である。それゆえ、後面側材料層５は、充分な抗折力を備えつつも、ある程度の硬さを備えた超硬合金によって構成することが望ましい。

また、後面側材料層５は、成形原料を構成する炭化ケイ素よりも、ビッカース硬さが低い。これにより、後面側材料層５の材料選択の自由度が増し、靭性に優れた材料を用いることができる。

また、前面側材料層４は、ビッカース硬さが２５００Ｈｖ以上である。これにより、スリット２の耐磨耗性を充分に確保することができる。すなわち、成形原料に含まれる炭化ケイ素は、通常、ビッカース硬さが約２３００Ｈｖ程度であるため、これよりもビッカース硬さが充分に高い材料によって前面側材料層４を構成することにより、その耐磨耗性を充分に確保することができる。

また、後面側材料層５は、抗折力が１５００ＭＰａ以上であるため、ハニカム成形用金型１の靭性を充分に確保しやすい。

また、前面側材料層４は、押し出し方向における厚みＴｆが、スリット２の長さＴｓよりも小さいため、ハニカム成形用金型１の靭性をより向上しやすくなり、耐久性を向上させることができる。すなわち、スリット２のうち、ハニカム構造体の形状に最も影響を与える部分は、前端部であるため、この部分の耐磨耗性を確保すれば、ハニカム成形用金型１の寿命を長くすることができる。そこで、前面側材料層４の厚みＴｆを、スリット２の長さＴｓよりも小さくし、スリット２の前端部を含めた一部を形成する部分にのみ前面側材料層４を配置し、それよりも後面側は、後面側材料層５によって構成することができる。これにより、ハニカム成形用金型１の靭性をより向上させることができる。

以上のごとく、本例によれば、耐磨耗性および耐久性に優れたハニカム成形用金型を提供することができる。

（実施例２）
本例は、前面側材料層４の材料として、ダイヤモンド焼結体（ＰＣＤ）を用いた例である。その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、より耐磨耗性に優れたハニカム成形用金型１を得ることができる。
上記ダイヤモンド焼結体は、ビッカース硬さが約６０００Ｈｖと、極めて高く、成形原料に含まれる炭化ケイ素のビッカース硬さ約２３００Ｈｖを大きく上回る。それゆえ、ダイヤモンド焼結体によって前面側材料層４を構成することにより、スリット２の周囲の磨耗をより効果的に防ぎ、一層耐磨耗性に優れたハニカム成形用金型１を得ることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実験例１）
本例は、実施例１および実施例２にそれぞれ示したハニカム成形用金型１の耐磨耗性を評価した例である。
耐磨耗性の評価であるため、前面側材料層４を構成する材料の耐磨耗性を調べることにより、その評価を行うことができる。そこで、実施例１のハニカム成形用金型１における前面側材料層４を構成する立方晶窒化ホウ素焼結体を試験体１として用意した。また、実施例２のハニカム成形用金型１における前面側材料層４を構成するダイヤモンド焼結体を試験体Ｓ２として用意した。試験体Ｓ１、Ｓ２は、直径３０ｍｍ、厚み１０ｍｍの円盤状の外形を備えると共に、縦５列×横５列のスリットを形成してなる。このスリットの初期の幅は、３００μｍである。

この試験体を、流動研磨機によって研磨したときの磨耗量を測定することにより、耐磨耗性を評価した。すなわち、流動研磨機に、試験体をセットすると共に、粒度＃３６０の炭化ケイ素粒子を２５重量％の濃度で含むメディアを投入し、温度２８〜３０℃、圧力６ＭＰa、メディアの流速１０００ｍｍ／分という条件にて流動研磨機を運転した。
なお、流動研磨機は、株式会社エクスツルードホーン社製、ＥＸ−２２００を用いた。

比較のために、超硬合金（超硬工具協会規格の材種分類記号ＶＣ−５０）からなる試験体Ｓ３についても、上記試験体Ｓ１、Ｓ２と同様の形状および寸法にて用意し、同様の研磨試験を行った。

流動研磨機に投入し、研磨を行いつつ、各試験体Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を所定時間（１０時間）ごとに取り出して、その磨耗量を測定した。その結果を、図３に示す。同図において、横軸が流動研磨時間であり、縦軸が磨耗量である。そして、符号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を付した線が、それぞれ試験体Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３についての測定結果であり、各線Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３にて繋がれたプロットがそれぞれの実測値を示す。

同図から分かるように、試験体Ｓ３は、流動研磨の初期から磨耗が進み、短い時間で大きく磨耗している。
これに対して、試験体Ｓ１は、流動研磨時間が１００時間を超えても磨耗量が１．５μｍ以下であり、殆ど磨耗が進んでいない。
また、試験体Ｓ２は、流動研磨時間が１００時間を超えても磨耗量が１μｍ未満であり、より磨耗し難いことが分かる。

以上の結果から、立方晶窒化ホウ素焼結体からなる試験体１、およびダイヤモンド焼結体からなる試験体Ｓ２は、炭化ケイ素による研磨が行われても、殆ど磨耗が進まないことが分かる。それゆえ、ハニカム成形用金型１において、前面側材料層４に立方晶窒化ホウ素焼結体又はダイヤモンド焼結体を用いることにより、その耐磨耗性を充分に確保することができると考えられる。つまり、成形原料に含まれる炭化ケイ素よりもビッカース硬さが高い材料を、前面側材料層４に配置することにより、ハニカム成形用金型１の耐磨耗性を向上させることができると考えられる。

上記実施例１、２においては、前面側材料層４の厚みＴｆがスリット２の長さＴｓよりも小さい構成を示したが、前面側材料層４の厚みＴｆがスリット２の長さＴｓよりも大きい構成としたり、前面側材料層４の厚みＴｆがスリット２の長さＴｓと同等である構成としたりすることもできる。

１ ハニカム成形用金型
１１ 前面
１２ 後面
２ スリット
３ 供給孔
４ 前面側材料層
５ 後面側材料層

Claims (7)

1. 炭化ケイ素を含む成形原料をハニカム構造体に押出成形するためのハニカム成形用金型であって、
   前面に開口するとともに上記ハニカム構造体の隔壁部を成形するためのスリットと、後面に開口するとともに上記スリットへ上記成形原料を供給するための複数の供給孔とを形成してなり、
   上記前面側に配された前面側材料層と、該前面側材料層とは異なる材料からなると共に上記後面側に配された後面側材料層とが、互いに積層されると共に一体的に焼結された一体焼結体によって構成されており、
   上記前面側材料層は、上記成形原料を構成する炭化ケイ素よりも、ビッカース硬さが高く、
   上記後面側材料層は、上記前面側材料層よりも、抗折力が高いことを特徴とするハニカム成形用金型。
2. 請求項１に記載のハニカム成形用金型において、上記後面側材料層は、超硬合金からなることを特徴とするハニカム成形用金型。
3. 請求項１又は２に記載のハニカム成形用金型において、上記後面側材料層は、上記成形原料を構成する炭化ケイ素よりも、ビッカース硬さが低いことを特徴とするハニカム成形用金型。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のハニカム成形用金型において、上記前面側材料層は、ビッカース硬さが２５００Ｈｖ以上であることを特徴とするハニカム成形用金型。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のハニカム成形用金型において、上記後面側材料層は、抗折力が１５００ＭＰａ以上であることを特徴とするハニカム成形用金型。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のハニカム成形用金型において、上記前面側材料層は、押し出し方向における厚みが、上記スリットの長さよりも小さいことを特徴とするハニカム成形用金型。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のハニカム成形用金型において、上記前面側材料層は、押し出し方向の厚みが、上記後面側材料層の厚みに対して、１〜８０％であることを特徴とするハニカム成形用金型。

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