JP3620662B2 - セラミックハニカム構造体の焼成方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えばディーゼルエンジン等、内燃機関の排ガス浄化装置や、ガスタービンの熱交換器のフィルタとして使用可能なセラミックハニカム構造体の焼成方法に関し、特に、収縮率の比較的大きなセラミックハニカム構造体を焼成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、セラミックハニカム構造体（以下、ハニカム構造体と称する）を押出し成形した後、これをトチと呼ばれるセラミック製の焼成台上に載置して焼成を行なうことが知られている。さらにハニカム構造体の外縁部の切れを防止するために、トチの上端縁に面取りを施したり（特公平１−５４６３６号公報）、トチと接するハニカム構造体端面の変色を防止するためにトチにコーティング層を設けたもの（特開平５−８５８３４号公報）等が提案されている。
【０００３】
ところで、トチを未焼成のセラミック板で構成し、その上にハニカム構造体を配して焼成する場合、ハニカム構造体の重量によりトチの収縮率は本来の収縮率より小さな値となる。この時、図７に示すように、トチ２とそれに接するハニカム構造体１の下端面１１との間には、トチ２の収縮力Ｂとハニカム構造体１の収縮力Ａの差に応じた摩擦力Ｃが生じ、ハニカム構造体１の下端面１１の収縮を阻害する。一方、ハニカム構造体１の上端面１２は収縮を阻害するものがないため、収縮率に相当する収縮をし、その結果、ハニカム構造体１の端面１１、１２の収縮率に差が生じることになる。
【０００４】
従来、製造されているハニカム構造体のほとんどは、収縮率が１〜４％と小さなものであり、上記摩擦力Ｃは無視できる程度に小さい。ところが、特に収縮率が５％を越えるハニカム構造体では、摩擦力Ｃが大きいために上下端面１１、１２の収縮率の差が大きくなり、図８に示すような大きな変形が生じて製品の品質を損なうおそれがあった。
【０００５】
しかして、本発明の目的は、収縮率の大きいハニカム構造体を焼成する場合の、ハニカム構造体の上下端面の収縮率の差を小さくし、変形を抑制して、寸法安定性の高いハニカム構造体を得ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では（図１）、焼成時の収縮率Ｙが式Ｙ＞１．１Ｘ（Ｘはセラミックハニカム構造体の収縮率）を満たす未焼成のセラミック板よりなる焼成台２を１枚あるいは複数枚を積層して使用し、該焼成台２上に未焼成のセラミックハニカム構造体１を載置して焼成するものである（請求項１、３）。この時、上記ハニカム構造体１のセル開口端面１１を上記焼成台２上に載置する（請求項２）。
【０００７】
あるいは、未焼成のセラミックハニカム構造体１を上下方向にセルが並列するように炉内に配し（図５（Ａ））、上記ハニカム構造体１を構成するセラミックの焼結温度以上の比較的低い温度にて第１段階の焼成を行なった後、上記ハニカム構造体１の上下を反転し（図５（Ｂ））、第１段階の焼成温度より高い温度にて第２段階の焼成を行なう方法を採用することもできる（請求項４）。
【０００８】
【作用】
ハニカム構造体１を焼成台２上で焼成すると、上述したように、ハニカム構造体１の重量により焼成台２の収縮率は本来の収縮率より小さくなる。請求項１の方法では、ハニカム構造体１より収縮率が大きい焼成台２を用いたので、ハニカム構造体１を載置すると、焼成台２の収縮率はハニカム構造体１の収縮率とほぼ同程度まで小さくなる。従って、焼成台２とハニカム構造体１の端面１１との間の摩擦力が大幅に低減し、ハニカム構造体１の上下端面１１、１２の収縮率の差がなくなって変形を抑制する。
【０００９】
請求項４の方法では、第１段階の焼成時、焼成台２と接するハニカム構造体１の端面１１が十分収縮できず、他の端面１２との間に収縮率の差が生じて変形が起こる。その後、ハニカム構造体１を上下反転して他の端面１２を焼成台２と接触させ、第２段階の焼成を行なうと、上記端面１２の収縮が抑制される一方、上記端面１１は収縮率に応じて収縮するので、反転前に生じた変形が解消される。この時、第１段階の焼成を比較的低い温度で行なうことで、反転前の変形が大きくなりすぎるのが抑制される。このように２段階の焼成を行なうことにより、ハニカム構造体１の変形率を調整し、両端面１１、１２を均等に収縮させることが可能となる。従って、焼成台２の収縮率にかかわらず、あるいは焼成台２を使用しない場合でも、ハニカム構造体１に変形を生ずることなく焼成することができる。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。図１において、押出し成形により形成された未焼成のセラミックハニカム構造体１は、上下方向にセルが並列するように焼成台２上に配してあり、セルが開口する一方の端面１１が上記焼成台２の上面と接している。上記ハニカム構造体１は、例えばアルミナ、ムライト、チタン酸アルミニウム、炭化珪素、ジルコニア、コージェライト等のセラミックよりなる。
【００１１】
上記焼成台２は未焼成のセラミック板よりなり、その材質は、ハニカム構造体１と反応しないものが望ましく、通常、ハニカム構造体１を構成するセラミックと同材質のものを用いることが好ましい。焼成台２の形状は、図１のように平板状としても、あるいはハニカム形状としてもよい。
【００１２】
本発明では、上記焼成台２として、焼成時の収縮率が上記ハニカム構造体１の収縮率より大きいセラミック板を使用するものであり、これによりハニカム構造体１の端面１１と焼成台２の間に働く摩擦力をごく小さくすることができる。焼成台２の収縮率がハニカム構造体１の収縮率より大きくないと、ハニカム構造体１の変形を抑制する効果が得られない。セラミック板１枚では収縮率が十分大きくない場合でも、その収縮率がある程度以上あればセラミック板を複数枚、積層して焼成台を構成することにより所望の効果が得られる。これは、図２のように、セラミック板２ａ、２ｂ、２ｃを積層することにより、各セラミック板２ａ、２ｂ、２ｃ間で摩擦力が緩和されるためで、ハニカム構造体１の下端面１１に作用する摩擦力をセラミック板１枚の場合より小さくでき、ハニカム構造体１の変形を抑制できる。具体的には上記ハニカム構造体１の収縮率Ｘに対し、収縮率Ｙが、式Ｙ＞１．１Ｘを満たすセラミック板を用いれば本発明の効果が得られる。
【００１３】
ハニカム構造体１の収縮率に対する焼成台２の収縮率の最適値は、ハニカム構造体１の材質やサイズ（重量）により変化し、例えばハニカム構造体１の重量が増すと摩擦力が大きくなる傾向にある。このような場合にはセラミック板を複数枚使用するか、より大きな収縮率のセラミック板を使用することが好ましい。このようにセラミック板の収縮率、枚数を調整することで、ハニカム構造体１の上下端面の収縮率の差をなくすことができる。
【００１４】
焼成は、ハニカム構造体１の材質に応じた焼成温度で行ない、図１のように上記焼成台２上にハニカム構造体１を載置し、焼成することで、寸法精度の高いハニカム構造体を得ることができる。焼成温度は、例えばアルミナ製のハニカム構造体で約１５００℃〜１７００℃とするのがよい。
【００１５】
図３に焼成台２を構成するセラミック板の収縮率とハニカム構造体１の変形率の関係を示す。ハニカム構造体１として、収縮率１６％、乾燥重量１５００ｇのアルミナよりなるハニカム構造体１を押出し成形したものを、焼成台２として上記ハニカム構造体１と同材質の未焼成のセラミック板を用い、その収縮率を図３のように変化させた。この時の収縮率は原料材料径、添加する可燃物量を変化させることにより調整した。各焼成台２上に、上記図１のようにハニカム構造体１の一方の端面１１が接するように配し、１５００℃で焼成してハニカム構造体１の変形率を測定した。ここで、変形率（％）は次式で定義される。

【００１６】
図３より、セラミック板の収縮率がハニカム構造体１の収縮率とほぼ同程度（１６．８％）である場合、ハニカム構造体１の変形率は−２．３％である。製品として好ましい変形率は、通常、±０．８３％であるので、収縮率がハニカム構造体１とほぼ同程度では、ハニカム構造体１の上端面１２径より下端面１１径が大きく、変形を抑える効果が小さいことがわかる。セラミック板の収縮率を大きくするに従い、変形率は直線的に大きくなっており、変形率が規格内となるために好ましいセラミック板の収縮率は、ここでは２２．５〜２９．５％の範囲の時であることがわかる。
【００１７】
図４は、種々の収縮率のセラミック板を１〜４枚使用して焼成台２とした時の変形率である。セラミック板の枚数を増やすことにより変形率は大きくなるが、３枚から４枚に増した時の変化は小さく、４枚以上ではほとんど変化はない。また、１枚では規格外である場合でも（収縮率１９．５％のもの）、３枚積層することにより規格内となる。積層することによって規格内とするには、セラミック板の収縮率が約１８％（ハニカム構造体１の収縮率に対するセラミック板の収縮率の比は約１．１）を越えることが必要と推定され、この関係は材質にかかわらずほぼ成立すると考えられる。以上より、少なくともセラミック板の収縮率Ｙが、式Ｙ＞１．１Ｘ（Ｘはハニカム構造体１の収縮率）を満たせば本発明の効果が得られるといえる。
【００１８】
本発明では、上記のように特定の収縮率を有するセラミック板よりなる焼成台２を用いる方法の他、焼成温度を変えて２段階の焼成を行ない、さらにその前後でハニカム構造体１を反転させる方法によっても同様の効果を得ることができる。すなわち、上記図５（Ａ）のようにハニカム構造体１の端面１１を焼成台２上に配して一定時間、第１段階の焼成を行なった後、焼結が完了する前に、図５（Ｂ）に示すようにハニカム構造体１を上下反転し、端面１２が焼成台２に接するようにして第２段階の焼成を行なう。この場合、第１段階の焼成は、焼結温度以上の比較的低い温度で行ない、第２段階の焼成は、第１段階の焼成温度以上の、通常の焼成温度で行なう。例えば、アルミナの焼成温度は、通常、約１５００℃〜１７００℃であり、第１段階の焼成温度はこれより低い温度とする。一般に、第１段階の焼成温度が上昇するに従い、反転前の変形が大きくなり、反転後の変形が小さくなるので、焼成後の変形率が所望の範囲となるように焼成温度を適宜調整する。
【００１９】
図６は、第１段階の焼成温度を変化させて焼成を行なった場合のハニカム構造体１の変形率を示したものである。ハニカム構造体１は上記した試験例と同じものを用い、焼成台２はハニカム構造体１とほぼ同じ収縮率を有するアルミナ製のセラミック板を使用した。第２段階の焼成温度は１５００℃とし、第１段階の焼成温度を図６のように変化させた。ここで、第１段階の焼成温度が１５００℃である例は途中で反転をしなかった場合である。
【００２０】
図６に明らかなように、第１段階の焼成温度を１４００℃とすると、変形率は０．８％で規格内となる。ここで変形率が正であるのは、ハニカム構造体１の上径が下径よりやや大きいことを示し、反転前の変形より反転後の変形が大きいことを示している。第１段階の焼成温度が上昇するに伴い、変形率が小さくなっており、１４５０℃で変形率がゼロとなって反転前後の変形がほぼ釣り合ったことがわかる。さらに第１段階の焼成温度が上昇すると反転前の変形が大きくなるため、変形率は負の値となる。１４７０℃を越えると負の変形率が大きくなりすぎる。従って、変形率が規格内となるのは、ここでは、第１段階の焼成温度が１４００〜１４７０℃の範囲であることがわかる。
【００２１】
上記２段階焼成を行なう方法では、焼成台２は使用してもしなくてもよい。焼成台２を使用する場合の収縮率はハニカム構造体１より大きいものとする必要はなく、同程度のものを使用すればよい。焼成台２を使用しない場合には、ハニカム構造体１は炉の床や棚板またはこう鉢の上に置かれることになるが、焼成で収縮しないものでも第１段階の焼成温度を適宜調整することにより変形率が規格内になるようにすることができる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明方法によれば、収縮率の大きいハニカム構造体を焼成する場合でも、その上下端面の収縮率の差を小さくすることができ、焼成時の変形を抑制することができる。従って寸法安定性に優れ、信頼性の高いハニカム構造体を製造することができる。また、焼成台上面に面取りを施す等の必要がなく、加工の手間が省ける。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法によるハニカム構造体の焼成方法を説明するための図である。
【図２】焼成台を複数のセラミック板で構成した場合のハニカム構造体の焼成方法を説明するための図である。
【図３】本発明実施例におけるセラミック板の収縮率とハニカム構造体の変形率の関係を示す図である。
【図４】本発明実施例におけるセラミック板の枚数とハニカム構造体の変形率の関係を示す図である。
【図５】２段階焼成を行なう場合のハニカム構造体の焼成方法を説明するための図で，図５（Ａ）は反転前、図５（Ｂ）は反転後の状態を示す図である。
【図６】本発明実施例における第１段階の焼成温度とハニカム構造体の変形率の関係を示す図である。
【図７】ハニカム構造体の焼成時に作用する力を説明するための図である。
【図８】従来の方法によるハニカム構造体の変形を示す図である。
【符号の説明】
１ ハニカム構造体
１１ 開口端面
１２ 開口端面
２ 焼成台
２ａ、２ｂ、２ｃ セラミック板

Claims (4)

1. セラミックハニカム構造体をセラミックよりなる焼成台上に載置して焼成する方法において、焼成時の収縮率Ｙが式Ｙ＞１．１Ｘ（Ｘはセラミックハニカム構造体の収縮率）を満たす未焼成のセラミック板よりなる焼成台を使用し、該焼成台上に未焼成のセラミックハニカム構造体を載置して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焼成方法。
2. 上記ハニカム構造体のセル開口端面を上記焼成台上に載置する請求項１記載のセラミックハニカム構造体の焼成方法。
3. 上記焼成台を複数のセラミック板を積層して構成する請求項１または２記載のセラミックハニカム構造体の焼成方法。
4. セラミックハニカム構造体を焼成する方法において、未焼成のセラミックハニカム構造体を上下方向にセルが並列するように炉内に配し、上記ハニカム構造体を構成するセラミックの焼結温度以上の比較的低い温度にて第１段階の焼成を行なった後、上記ハニカム構造体を上下反転して、第１段階の焼成温度より高い温度にて第２段階の焼成を行なうことを特徴とするセラミックハニカム構造体の焼成方法。

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