JP4826439B2 - セラミックハニカム成形体の焼成方法 - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の排気微粒子捕集用のセラミックフィルタや排ガス浄化触媒用のセラミック担体等に適用されるセラミックハニカム構造体の製造方法、特にセラミックハニカム成形体を焼成する方法に関する。
従来より、車両エンジンの排気通路に設置されるディーゼルパティキュレートフィルタのフィルタ基材や、排ガス浄化触媒の担体として、セラミックハニカム構造体が用いられている。セラミックハニカム構造体は、一般的に、セラミック原料に有機バインダー等の助剤と水を加えて混練し、得られた坏土を押出成形してハニカム形状の成形体としたものを、焼成することにより製造される。
車両用として広い温度範囲で使用されるセラミックフィルタ基材には、低熱膨張性と耐熱衝撃性を有するコーディエライト（理論組成：２ＭｇＯ・２Ａｌ2 Ｏ3 ・５ＳｉＯ2 ）が広く使用されている。成形工程において添加される有機バインダーには、例えば、メチルセルロース系バインダーが使用される。バインダーを含む有機助剤は、成形体を焼成するために昇温する過程で燃焼し、除去される。
ところで、セラミックハニカム成形体の焼成に際しては、有機バインダーの燃焼に伴い、基材強度が低下する問題点がある。例えば、従来のメチルセルロース系バインダーは２００℃以上で燃焼するため、基材に加わる応力が大きいと、基材に割れ等の焼成不良が発生する。これを回避するため、従来は焼成温度まで昇温させる工程において、特にバインダーが燃焼する温度域でゆっくり昇温させることが必要とされている。
これに対し、焼成不良の抑制や焼成時間の短縮を課題として、焼成雰囲気や焼成パターンを制御する焼成方法が提案されている（特許文献１、２等）。例えば、特許文献１には、被焼結体が多孔状態である過程で雰囲気の酸素濃度を高めることにより、可燃物を短時間で酸化除去する方法が記載されている。また、特許文献２には、５リットル以上の見かけ体積を有するハニカム構造体の焼成において、１８０〜３００℃までの昇温速度を２５℃／時間以上で、かつ成形体中心部と焼成雰囲気との温度差が所定範囲内に保持されるような昇温速度とする方法が記載されている。
特開平６−９２７６号公報
特開２００４−２１０６１０号公報
しかしながら、特許文献１の方法は、酸素供給装置および酸素濃度制御装置を付設する必要がある上、パラフィンワックスを含有する被焼結体の焼成における脱脂所要時間が２５０時間と、十分な焼成時間の短縮効果が得られていない。
また、特許文献２の方法は、昇温速度を極端に高めた時のバインダーの急激な燃焼による温度上昇に追従するように、予めハニカム成形体の容量に応じて昇温速度の最適値を設定する必要がある。しかも、ハニカム成形体の昇温特性や内外温度差は、バインダーの種類や量、セル壁厚やセル密度等によっても変化するため、見かけ体積が同等であっても同様の結果が得られるとは限らない。
特に、近年、セル壁厚が薄肉化する傾向にあり、強度を保持することが難しい。このため、特許文献２の方法では、セル壁厚が薄いほど、許容される最大温度差を小さくすることで対応しているが、所望の温度差を保持しつつ焼成時間を短縮可能となるように、最適な焼成速度を設定することは容易ではない。このため、成形体構造や構成材料、焼成雰囲気といった諸条件が変動する焼成には、この方法を適用することはできなかった。
そこで、本発明は、セラミックハニカム成形体を焼成するための昇温工程において、特に有機バインダーが燃焼する温度領域での応力の発生を抑制し、割れ等の焼成不良を少なくすること、しかも焼成時間を短縮して焼成コストを低減することを課題とし、その結果、高品質のセラミックハニカム構造体を生産性よく製造しようとするものである。
上記課題を解決するための請求項１の発明は、セラミック原料としてシリカ、タルク、水酸化アルミニウムを含むコーディエライト原料に有機バインダーとしてメチルセルロースを含む成形助剤を添加、混練した成形用坏土を、軸方向に並設した多数のセルを有するハニカム形状に成形し、得られたセラミックハニカム成形体を焼成してコーディエライトを基材とするセラミックハニカム構造体とする方法であって、
上記セラミックハニカム成形体を焼成炉内に載置して昇温する工程において、上記有機バインダーが燃焼する２００〜４５０℃の脱脂温度領域にある間、上記焼成炉内に酸素濃度が１０％以上である酸化性ガスを供給し、上記セラミックハニカム成形体のセル内を通過するガス流れを形成する。
そして、上記セラミックハニカム成形体に供給される酸化性ガスの風量を、０．５ｍ／ｓ以上５．０ｍ／ｓ以下とするとともに、上記脱脂温度領域における焼成雰囲気の昇温速度ＶＴが、
ＶＴ≦−１．６ｖ2 ＋８ｖ＋５０（℃／時間）
ｖ：酸化性ガス風量（ｍ／ｓ）
を満足するように設定することを特徴とする。
上記セラミックハニカム成形体を焼成炉内に載置して昇温する工程において、上記有機バインダーが燃焼する２００〜４５０℃の脱脂温度領域にある間、上記焼成炉内に酸素濃度が１０％以上である酸化性ガスを供給し、上記セラミックハニカム成形体のセル内を通過するガス流れを形成する。
そして、上記セラミックハニカム成形体に供給される酸化性ガスの風量を、０．５ｍ／ｓ以上５．０ｍ／ｓ以下とするとともに、上記脱脂温度領域における焼成雰囲気の昇温速度ＶＴが、
ＶＴ≦−１．６ｖ2 ＋８ｖ＋５０（℃／時間）
ｖ：酸化性ガス風量（ｍ／ｓ）
を満足するように設定することを特徴とする。
有機バインダーとしてメチルセルロースを含む成形助剤は、焼成工程において成形体を昇温する過程で燃焼し、その後基材が強度低下する。このため、焼成工程で基材に加わる応力が大きいと割れが生じるおそれがある。この割れの原因は、コーディエライトを基材とするセラミックハニカム成形体の中心部と外周部に温度差が生じることにあり、本発明ではセル内を通過するガス流れを形成することで、温度差が低減できることを見出した。これにより、基材内外に収縮率の差によって発生する応力が基材強度を超えないようにして、割れが発生するのを防止することができる。
また、酸化性ガスを用いることで有機バインダーの燃焼を促進し、低温部の温度を上昇させて温度差を低減する効果が得られる。特に、酸化性ガスの酸素濃度を１０％以上とし、例えば空気のように酸素濃度の高いガスを用いると、上記効果が得やすい。さらに、セラミックハニカム成形体に供給されるガスの風量を、０．５ｍ／ｓ以上５．０ｍ／ｓ以下とすると、ガス流れを形成することによる温度差低減に効果的であり、昇温速度ＶＴが、上記式を満足するように設定すると、セラミックハニカム成形体の内外温度差を低減する効果が得やすい。
よって、焼成時間の短縮を可能にし、品質の向上と生産性の向上を両立できる。
また、酸化性ガスを用いることで有機バインダーの燃焼を促進し、低温部の温度を上昇させて温度差を低減する効果が得られる。特に、酸化性ガスの酸素濃度を１０％以上とし、例えば空気のように酸素濃度の高いガスを用いると、上記効果が得やすい。さらに、セラミックハニカム成形体に供給されるガスの風量を、０．５ｍ／ｓ以上５．０ｍ／ｓ以下とすると、ガス流れを形成することによる温度差低減に効果的であり、昇温速度ＶＴが、上記式を満足するように設定すると、セラミックハニカム成形体の内外温度差を低減する効果が得やすい。
よって、焼成時間の短縮を可能にし、品質の向上と生産性の向上を両立できる。
請求項２の方法では、上記脱脂温度領域において、３．５リットル以下の見かけ体積を有する上記セラミックハニカム成形体の中心部と最外周部の温度差をΔＴとした時に、
ΔＴ≦５０／Ｖ＋１０（℃）
Ｖ：ハニカム成形体の見かけ体積（リットル）
を維持したまま昇温させる。
ΔＴ≦５０／Ｖ＋１０（℃）
Ｖ：ハニカム成形体の見かけ体積（リットル）
を維持したまま昇温させる。
具体的には、見かけ体積が３．５リットル以下のセラミックハニカム成形体であれば、内外温度差が上記関係を維持するように、昇温を制御することで、割れ等の焼成不良を大幅に低減できる。
請求項３の方法のように、上記セラミックハニカム成形体中の有機バインダー含有量が３％以上であると、本発明を適用することによる効果が大きい。
請求項４の方法では、上記セラミックハニカム成形体を通気性の棚板上に軸方向が上下方向となるように載置し、上記棚板に接する上記セラミックハニカム成形体の底面側からセル内に供給されて上面側へ抜けるガス流れを形成する。
有機バインダー等の燃焼ガスは上方へ向かうので、好適には、下方から上方へガス流れを形成すると、ガス交換が促進されて、上記効果が得やすい。
以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。本発明のセラミックハニカム成形体の焼成方法により得られるセラミックハニカム構造体は、排気微粒子捕集用のセラミックフィルタや排ガス浄化触媒用のセラミック担体等として好適である。本発明で対象とするセラミックハニカム成形体は、例えば見かけ体積が３．５リットル以下のものであり、より大型のものに比べて焼成工程の管理が容易であり本発明の焼成方法による効果が得やすい。ここで、見かけ体積とは外周径および軸方向長から算出される総体積をいう。
図１（ａ）は、本発明のセラミックハニカム成形体の焼成方法を説明するための概略図で、セラミックハニカム成形体１は、焼成炉３内に棚板２上に支持された状態で収容されている。図１（ｂ）において、セラミックハニカム成形体１は、円筒状の外筒内部に多数のセル１１を軸方向に並設した構造を有し、多数のセル１１が開口する一端面（図の底面）１２が、棚板２の上面と接触している。棚板２は、通気性を有する形状、例えば多数の通孔２１を有するメッシュ状の板が好適に使用される。この時、セラミックハニカム成形体１の多数のセル１１が、棚板２に設けた多数の通孔２１を介して外部に連通し、セラミックハニカム成形体１内に通気可能となる。
セラミックハニカム成形体１は、セラミック原料粉末に、有機バインダーを含む成形助剤と水を所定割合で配合し、混合、混練して得た成形用坏土を、公知の押出成形機を用いてハニカム形状に押出成形することにより得られる。セラミックハニカム構造体の基材セラミックは、例えば、コーディエライトを主とするセラミック材料を使用することができる。成形助剤として公知の分散材、潤滑材その他を使用してももちろんよい。
セラミックハニカム成形体１は、さらに、公知の高周波乾燥機、熱風乾燥機等を用いて乾燥させた後、棚板２上に載置した状態で焼成炉３内に収容して焼成する。焼成炉３は、ガス炉または電気炉等が用いられ、図示しない加熱手段を用いて全体を均等に加熱昇温できるようになっている。この時、所定の焼成温度まで昇温する工程において、有機バインダー等の有機物が燃焼し、さらに所定の焼成温度で所定時間保持することにより、セラミックハニカム構造体が得られる。この昇温行程、特に有機バインダーが燃焼する脱脂温度領域における温度管理については、本発明の特徴部分であり、次に詳述する。
一実施形態として、本発明をディーゼルエンジンのパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）に適用した場合について説明する。図１（ｃ）に示すように、ＤＰＦは、多孔質のセラミックハニカム構造体５をフィルタ基材とし、多孔性隔壁５２で区画される多数のセル５１内を排ガス流路としている。多数のセル５１は、一端側（入口５３側および出口５４側のいずれか一方）を交互に盲栓することで、多孔性隔壁５２を介して排ガスが流通するフィルタ構造となる。
ＤＰＦの基材セラミックとしては、理論組成：２ＭｇＯ・２Ａｌ2 Ｏ3 ・５ＳｉＯ2 で表されるコーディエライトを主として含有するものが好適に用いられ、低熱膨張で耐熱衝撃性の高いフィルタ基材を得ることができる。コーディエライトの原料には、シリカ、タルク、カオリン、アルミナ、水酸化アルミニウム等が使用され、これらコーディエライト化原料を予めコーディエライト組成となるように配合してセラミック原料粉末とする。
このセラミック原料粉末に、押出成形時の保形性や流動性を向上させる目的で、有機バインダー等の成形助剤が添加される。有機バインダーには、例えばメチルセルロース系バインダー等の通常公知のものを使用することができ、コーディエライト化原料に対して、例えば３重量％以上を添加することで成形時の保形性を確保する。また、造孔材やカーボン等の可燃性物質、潤滑剤その他の助剤等を適宜添加してもよい。造孔材および可燃性物質は、フィルタ基材の気孔率、気孔径等を制御するためのもので、セラミックハニカム成形体１の焼成過程で焼失し、その体積分が気孔となる。コーディエライト化原料として、例えば水酸化アルミニウムのように結晶水を比較的多く含有する原料を用いると結晶水が蒸発して気孔を形成しやすい。このように、使用する原料や粒径、助剤等を適宜選択することによって、所望の特性の成形用坏土とし、フィルタ基材の気孔率や気孔径を制御することができる。
図２（ａ）は、焼成工程におけるフィルタ基材の一般的な収縮挙動を、図２（ｂ）はフィルタ基材の強度変化を示す図である。常温から昇温する工程において、セラミックハニカム成形体１の温度が上昇すると、図２（ａ）のように、コーディエライト化原料が所定の温度域で脱水収縮する。一方、昇温により成形時に添加された有機バインダー等の有機物が分解し、これに伴い、図２（ｂ）のように基材強度が約４００℃に向けて大きく低下する。例えば、メチルセルロース等の有機バインダーは、通常２００〜２５０℃で燃焼を開始し、４５０℃までにほぼ燃焼するが、この脱脂温度領域においてセラミックハニカム成形体１が大きく収縮することから、セラミックハニカム成形体１に割れが生じることがあった。
この原因について究明した結果、以下の点を見出した。すなわち、バインダー脱脂時の温度雰囲気（２００〜４５０℃）において、セラミックハニカム成形体１の基材強度、ヤング率が急激に低下するとともに、収縮がおきる。この時、セラミックハニカム成形体１の中心部と外周部で温度差（ΔＴ）があると、基材内に収縮率（ΔＶ）の差による応力が発生する。この発生応力（σ）は下式で表される。
発生応力：σ＝ｋ×ε×Ｅ
ε＝ΔＶ×Ｌ
（ε：ひずみ、Ｅ：ヤング率、ΔＶ：収縮率、ｋ：係数）
すなわち、発生応力と収縮率、温度差は、下式の関係にある。 発生応力：σ∝ΔＶ（Ｔ）∝ΔＴ
このため、セラミックハニカム成形体１に温度分布が生じると、収縮率の差により応力が発生しやすくなる。例えば、昇温速度を上げようとした場合、図３に示すように、セラミックハニカム成形体１の外周部が高温（収縮率大）になり、中心部が低温（収縮率小）になりやすい。そして、発生応力が母材強度を上回る時に（母材強度＜発生応力）、割れが発生すると推測される。
発生応力：σ＝ｋ×ε×Ｅ
ε＝ΔＶ×Ｌ
（ε：ひずみ、Ｅ：ヤング率、ΔＶ：収縮率、ｋ：係数）
すなわち、発生応力と収縮率、温度差は、下式の関係にある。 発生応力：σ∝ΔＶ（Ｔ）∝ΔＴ
このため、セラミックハニカム成形体１に温度分布が生じると、収縮率の差により応力が発生しやすくなる。例えば、昇温速度を上げようとした場合、図３に示すように、セラミックハニカム成形体１の外周部が高温（収縮率大）になり、中心部が低温（収縮率小）になりやすい。そして、発生応力が母材強度を上回る時に（母材強度＜発生応力）、割れが発生すると推測される。
そこで、本実施形態では、基材セラミックの昇温工程において、少なくとも有機バインダーが燃焼する２００〜４５０℃の脱脂温度領域にある間、セラミックハニカム成形体１の内外温度差を所定範囲内に維持したまま脱脂を行うとともに、内外温度差を調整するために焼成炉３内にガス流れを形成して、セラミックハニカム成形体１内に雰囲気ガスを流通させる。この時、セラミックハニカム成形体１内部には、有機バインダーの燃焼ガス等が上方へ向かう流れがあり、雰囲気ガスを下方からセラミックハニカム成形体１内に流入させると、通気が良好になされるので、好ましい。
具体的には、例えば、図１（ａ）に示すように、焼成炉３底面にガス導入口３１を形成する一方、焼成炉３上面にガス導出口３２を設けることができる。ガス導入口３１には、流量検出器４を介して雰囲気ガスが導入されるようになっている。導入ガスの流量は、流量検出器４の検出結果に基づいて図示しない制御部により所定流量に調整され、焼成炉３内を上方のガス導出口３２へ向けて流れる。なお、図１（ａ）は、本発明の実験に使用した焼成炉の一形態を模式的に示すものであって、実際の製造工程ではトンネル炉（連続炉）を使用することもできる。
導入ガスは、酸化性ガスであり、好適には酸素濃度が１０％以上である酸化性ガス、例えば空気が使用される。セラミックハニカム成形体１が載置される棚板２は、空気の循環がよいようにメッシュ板となっているので、導入された空気は多数の通孔２１を介して、セラミックハニカム成形体１の底面１２側から流入し、多数のセル１１内を通過して上方へ抜ける。
昇温工程において、セラミックハニカム成形体１内部では有機物の燃焼による発生熱が中心部と外周部で異なったり、有機物等や結晶水の分解ガス等が滞留したりして、温度差が生じやすくなっているが、セル１１内に流入する空気によって低温部における有機物の燃焼が促進される。また、燃焼や分解により発生するガスは、セル１１内を通過するガス流れにより速やかに上方へ抜けるので、ガスの滞留が抑制される。よって、セラミックハニカム成形体１全体で均等な燃焼が可能になり、温度差による収縮率の差で発生する応力を大幅に低減できる。
焼成工程におけるセラミックハニカム成形体１の割れを抑制するためには、中心部と外周部の温度差が小さいほうが望ましい。特に、２００〜４５０℃の脱脂温度領域では、基材強度が低下するために、許容される温度差が他の温度域よりも小さくなっており、セラミックハニカム成形体１の収縮により発生する応力が基材強度を超えないように、内外温度差を極力小さくする必要がある。
セラミックハニカム成形体１の内外温度差を小さくする方法として、昇温速度を制御することが有効であるが、昇温速度が小さくなると焼成工程に時間がかかりすぎて生産性が低下する。昇温速度を大きくすると内外温度差が大きくなりやすくなり、予めセラミックハニカム成形体１の体格やセル壁厚等に応じた昇温特性を把握して昇温制御を行っても、焼成不良をなくすことは容易ではない。そこで、本実施形態では、セラミックハニカム成形体１内に酸化性ガスを通過させ、その風量を調整することで、昇温速度を大きくしながら所望の温度差を維持することを可能にする。
セラミックハニカム成形体１に供給されるガスの風量は、好適には、０．５ｍ／ｓ以上とするのがよい。風量を０．５ｍ／ｓ以上とすることで、セラミックハニカム成形体１の各部位に酸化性ガスを供給して、内外温度差を小さくする効果が高まる。昇温速度が大きくなると、雰囲気温度の影響を受けやすいセラミックハニカム成形体１の外周部が速く昇温し、中心部が相対的に低温となりやすいが、ガスの風量を大きくすることで、中心部の酸化を促進し、内外温度差を小さくすることができる。これにより、昇温速度を、例えば２５℃／時間以上と大きくすることができ、所望の温度差を維持可能な範囲で昇温速度を大きくして、生産性をより高めることができる。ただし、風量が多くなると逆に内外温度差が大きくなる傾向があることから、好適には、風量を５．０ｍ／ｓ以下とするのがよい。
セラミックハニカム成形体１の内外温度差は、見かけ体積が３．５リットル以下のセラミックハニカム成形体１であれば、中心部と最外周部の温度差（ΔＴ）が、
ΔＴ≦５０／Ｖ＋１０（℃）
Ｖ：ハニカム成形体の見かけ体積（リットル）
を維持するように昇温させるとよい。例えば、セラミックハニカム成形体１の見かけ体積が２．５リットルでは、内外温度差が３０℃、２．０リットルでは、内外温度差が３５℃を超えないようにすることで、焼成割れを抑制することができる。
ΔＴ≦５０／Ｖ＋１０（℃）
Ｖ：ハニカム成形体の見かけ体積（リットル）
を維持するように昇温させるとよい。例えば、セラミックハニカム成形体１の見かけ体積が２．５リットルでは、内外温度差が３０℃、２．０リットルでは、内外温度差が３５℃を超えないようにすることで、焼成割れを抑制することができる。
図４のように、本発明は、多数のセラミックハニカム成形体１を焼成する工程に適用した場合に高い効果を発揮する。図中、多数のセラミックハニカム成形体１は、焼成炉（図略）に配した複数の棚板２上に支持され、複数の棚板２は、上下方向に間隔をおいて積層配設される。各棚板２は、通気性を有するメッシュ板であり、上述した方法で、下方から空気を供給して多数のセラミックハニカム成形体１内を通過させることができる。複数のセラミックハニカム成形体１を同時に焼成する場合、各セラミックハニカム成形体１の焼成条件を均一に制御することが容易でないが、焼成炉内に空気の流れを形成することで、全体を均一に焼成できる。よって、高品質のセラミックハニカム焼成体を生産性よく製造できる。
セラミックハニカム成形体１内にガス流れを形成することによる効果を確認するため、上記図１に示した焼成炉３を用いて、コーディエライトよりなるセラミックハニカム成形体１の焼成試験を行った。
試験用のサンプルは、コーディエライト原料として、シリカ２０重量％、タルク３５重量％、水酸化アルミニウム４５重量％を配合した原料粉末に、有機バインダーとしてメチルセルロースを９重量％を添加し、さらに造孔材およびカーボンを含有させた。これら原料を用いて上記方法で得た坏土を押出成形してセラミックハニカム成形体１とした。サンプル形状は以下の通りとした。
サンプル１：Φ１４４ｍｍ×Ｌ１５２ｍｍ（見かけ体積約２．５リットル）
サンプル２：Φ１６０ｍｍ×Ｌ１００ｍｍ（見かけ体積約２．０リットル）
セル壁厚：１２ｍｉｌ（サンプル１、２）
セルメッシュ：３００ｃｐｓｉ（サンプル１、２）
サンプル１：Φ１４４ｍｍ×Ｌ１５２ｍｍ（見かけ体積約２．５リットル）
サンプル２：Φ１６０ｍｍ×Ｌ１００ｍｍ（見かけ体積約２．０リットル）
セル壁厚：１２ｍｉｌ（サンプル１、２）
セルメッシュ：３００ｃｐｓｉ（サンプル１、２）
サンプル１のセラミックハニカム成形体１を用い、棚板２に載置した状態で焼成炉３にて焼成した。この時、ガス導入口３１から空気を供給してセラミックハニカム成形体１内に流通させた場合（実施例１）と、流通させない場合（比較例１）とで、基材内の温度差がどのように変化するかを調べた。実施例１にて供給した空気の風量は、０．５ｍ／ｓであり（比較例１は風量０ｍ／ｓ）、昇温速度はいずれも３０℃／時間とした。図５のように、セラミックハニカム成形体１の中心部（径中心、長さ中心）と外周部（外周から２セル内側、長さ中心）の温度を、熱電対で測定し、内外温度差を算出した。炉内温度５００℃まで昇温させた時の結果を表１に示す。
表１より、空気流れがない比較例１では、温度差が４０℃前後と大きいのに対し、実施例１では２５℃前後と小さくなっており、最大でも２８℃であった。また、炉内温度５００℃まで昇温させた後に、サンプル内外の割れの有無を確認した。外周面および外部から確認できる割れはそのままの状態で目視にて調査し、内部クラックは基材を分解することで調査した。その結果、比較例１では、割れが発生したが、実施例１では割れは発生せず、良好な外観で内部クラックも発生しなかった。
以上の結果から、焼成時にセラミックハニカム成形体１内に空気を通過させることで、内外温度差を小さくし、焼成不良の発生を抑制できることがわかる。
次に、サンプル２についても、同様の条件で試験を行った。焼成炉３内に導入する空気の風量を、０ｍ／ｓ、０．５ｍ／ｓ、１．０ｍ／ｓと変更し、昇温速度はいずれも２５℃／時間として、図５に示した方法で、セラミックハニカム成形体１の中心部と外周部の温度差を測定した。炉内温度５００℃まで昇温させた時の最大温度差を比較した結果を図６に示す。
図６より、風量が０ｍ／ｓでは、温度差が６０℃弱と大きく、目視観察による焼成後の割れも確認された。これに対し、風量を０．５ｍ／ｓとすると約３０℃、１．０ｍ／ｓに増加させると温度差は約２０℃と、風量に比例して温度差が小さくなることがわかる。また、風量０．５ｍ／ｓ、１．０ｍ／ｓでは割れの発生はなかった。
さらに、サンプル２について、風量および昇温速度を変更して、同様の条件で試験を行った結果を表２、３に示す。焼成炉３内に導入する空気の風量は０．５ｍ／ｓ〜１０ｍ／ｓの範囲で、昇温速度は２５℃／時間〜５０℃／時間の範囲で、それぞれ変更し、焼成後の割れの有無を同様にして調べた。表中、○は割れの発生なし、×は割れの発生あり有無を示している。
表２、３より、空気を通過させながらセラミックハニカム成形体１の焼成を行うことで、昇温速度を２５℃／時間以上にしても、割れの発生を防止できることがわかる。ただし昇温速度が５０℃／時間と大きい場合には、あるいは風量が１０ｍ／ｓと多くなった場合には、割れが発生している。これは、空気流れにより中心部の燃焼が促進されても昇温速度が大きいと外周部の温度上昇に追従できず、あるいは、風量が上がることにより中心部の燃焼が促進されて温度上昇し、逆に温度差が大きくなることによると推測される。
従って、焼成不良を防止するには、風量と昇温速度とが最適となるように組み合わせ、所望の温度差を維持しながら焼成することが重要となる。具体的には、風量０、２．５、５（ｍ／ｓ）の時の昇温速度２５、３５、２５（℃/hr）を基に得られた近似式を用いて、雰囲気の昇温速度（ＶＴ）が
ＶＴ≦−１．６ｖ2 ＋８ｖ＋５０（℃／時間）
ｖ：酸化性ガス風量（ｍ／ｓ）
を満足するように設定すると、内外温度差を小さくして、割れを抑制する効果が得られる。
ＶＴ≦−１．６ｖ2 ＋８ｖ＋５０（℃／時間）
ｖ：酸化性ガス風量（ｍ／ｓ）
を満足するように設定すると、内外温度差を小さくして、割れを抑制する効果が得られる。
以上により、本発明によれば、セラミックハニカム成形体の焼成工程において、有機バインダー等が燃焼して基材強度が低下する脱脂温度領域で、内外温度差による応力の発生を抑制し、焼成時間を短縮して、高品質のセラミックハニカム焼成体を生産性よく製造できる。
１ セラミックハニカム成形体
１１ セル
２ 棚板
２１ 通孔
３ 焼成炉
３１ ガス導入口
３２ ガス導出口
４ 流量検出器
５ セラミックハニカム構造体
１１ セル
２ 棚板
２１ 通孔
３ 焼成炉
３１ ガス導入口
３２ ガス導出口
４ 流量検出器
５ セラミックハニカム構造体
Claims (4)
- セラミック原料としてシリカ、タルク、水酸化アルミニウムを含むコーディエライト原料に有機バインダーとしてメチルセルロースを含む成形助剤を添加、混練した成形用坏土を、軸方向に並設した多数のセルを有するハニカム形状に成形し、得られたセラミックハニカム成形体を焼成してコーディエライトを基材とするセラミックハニカム構造体とする方法であって、
上記セラミックハニカム成形体を焼成炉内に載置して昇温する工程において、上記有機バインダーが燃焼する２００〜４５０℃の脱脂温度領域にある間、上記焼成炉内に酸素濃度が１０％以上である酸化性ガスを供給して、上記セラミックハニカム成形体のセル内を通過するガス流れを形成し、上記セラミックハニカム成形体に供給される酸化性ガスの風量を、０．５ｍ／ｓ以上５．０ｍ／ｓ以下とするとともに、上記脱脂温度領域における焼成雰囲気の昇温速度ＶＴが、
ＶＴ≦−１．６ｖ2 ＋８ｖ＋５０（℃／時間）
ｖ：酸化性ガス風量（ｍ／ｓ）
を満足するように設定することを特徴とするセラミックハニカム成形体の焼成方法。 - 上記脱脂温度領域において、３．５リットル以下の見かけ体積を有する上記セラミックハニカム成形体の中心部と最外周部の温度差をΔＴとした時に、
ΔＴ≦５０／Ｖ＋１０（℃）
Ｖ：ハニカム成形体の見かけ体積（リットル）
を維持したまま昇温させる請求項１記載のセラミックハニカム成形体の焼成方法。 - 上記セラミックハニカム成形体は、上記有機バインダー含有量が３％以上である請求項１または２記載のセラミックハニカム成形体の焼成方法。
- 上記セラミックハニカム成形体を通気性の棚板上に軸方向が上下方向となるように載置し、上記棚板に接する上記セラミックハニカム成形体の底面側からセル内に供給されて上面側へ抜けるガス流れを形成する請求項１ないし３のいずれか１項に記載のセラミックハニカム成形体の焼成方法。
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