JP5057802B2 - ハニカム焼成体の検査方法、及び、ハニカム構造体の製造方法 - Google Patents
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Description
そこで、排ガス中のパティキュレートを捕集して、排ガスを浄化するフィルタとして多孔質セラミックからなるハニカム構造体を用いたハニカムフィルタが種々提案されている。
クラックの無いハニカム焼成体とクラックの有るハニカム焼成体とを上記分配機構により分けることが望ましい。
ハニカム焼成体を作製した後、上記ハニカム焼成体におけるクラックの有無を検査し、クラックの無いハニカム焼成体からハニカム構造体を製造することを特徴とする。
クラックの無いハニカム焼成体とクラックの有るハニカム焼成体とを上記分配機構により分けることが望ましい。
本発明のハニカム焼成体の検査方法は、多数のセルがセル壁を隔てて長手方向に並設された柱状のハニカム焼成体におけるクラックの有無を、上記ハニカム焼成体を搬送部材で搬送しながら検査することを特徴とする。
なお、本明細書において、「柱状」には、円柱状や楕円柱状、多角柱状等の任意の柱の形状を含む。
本発明のハニカム焼成体の検査方法では、ハニカム焼成体のクラックの有無を、ハニカム焼成体を搬送部材で搬送しながら検査する。前工程から送られてきたハニカム焼成体20a、20b、20c、20dは、図1に示すように、搬送部材1によって次々と搬送される。搬送部材1により搬送されたハニカム焼成体20が検査部10の位置まで搬送されると、検査部10での検査のために搬送部材1は一旦搬送を停止する。検査部10において、ハニカム焼成体におけるクラックの有無について検査され、検査終了後に再び搬送部材1によって搬送され次工程に送られる。
搬送速度が5m/min未満であると、ハニカム焼成体を搬送すること自体に時間を要することから生産性が低下し、一方、40m/minを超えると、搬送と停止とを繰り返す搬送部材1に過剰の負荷がかかり、搬送作業に支障をきたすおそれがある。
図1に示すように、搬送部材1の搬送方向の下流には、クラックの有無によってハニカム焼成体を分ける分配機構4が、搬送部材1と並列して配置されている。このように、搬送部材1が、分配機構4を備えていると、一の工程から他の工程へと向かうハニカム焼成体20の搬送ラインが途中で分断されることなく、クラックの無いハニカム焼成体(以下、クラックの無いハニカム焼成体を良品のハニカム焼成体ともいう)とクラックの有るハニカム焼成体(以下、クラックの有るハニカム焼成体を不良品のハニカム焼成体ともいう)とを効率よく分けることができる。
なお、検査部10での検査手法が非接触式の検査手法であり、搬送部材1の搬送を一旦停止する必要がない場合は、連続的にハニカム焼成体を搬送してもよい。
しかし、分配機構4は、ベルトコンベアである必要はなく、搬送部材1の説明で例示したような搬送機構であってもよい。その他、分配機構4の構成として、搬送方向の下流にてY字状に枝分かれしている搬送路において、その枝分かれの分岐部に判別アームを備えており、この判別アームにて、クラックの無いハニカム焼成体を搬送するための良品搬送路と、クラックの有るハニカム焼成体を搬送するための不良品搬送路とに検査後のハニカム焼成体を振り分けるような構成であってもよい。
検査部10での検査後、搬送部材1により分配機構4まで搬送された良品のハニカム焼成体20dは、分配機構4のさらなる搬送動作により位置IVまで搬送される。ここで、分配機構4上のハニカム焼成体20dは、検査部10において良品と判別されているので、分配機構4は、再度搬送動作を開始して、良品のハニカム焼成体20dをそのまま次工程へと搬送する。
検査後、搬送部材1及び分配機構4の搬送により不良品のハニカム焼成体20dが位置IVまで搬送される。そして、位置IVまで不良品のハニカム焼成体20dが搬送されると、分配機構4は、図1に示す破線の想像線を中心として矢印の方向に回転し、不良品のハニカム焼成体20dを搬送ラインから落下させる等して排除する。そして、搬送ラインから排除された不良品のハニカム焼成体は、その後、所定の方法にて廃棄される。
検査部10においてクラックを検査する検査手法としては、種々の手法を採用することができ、例えば、ハニカム焼成体に所定の荷重を加えることより検査する方法や、ハニカム焼成体を叩いたときの音を利用する打音法、ハニカム焼成体を加熱した時の温度分布の差異によりクラックを検出する方法、ハニカム焼成体にX線を照射してそのX線画像を撮影する方法、超音波による振動を利用してクラックを検出する方法、ハニカム焼成体にガスを通してガスの漏れを検出する方法、セルに電極を挿入してセル間の通電を検出する方法等の検査手法を採用することができる。
これは、微小なクラックでもハニカム焼成体の機械的強度に及ぼす影響が大きく、機械的強度の変化がクラックの有無に良好に相関することや、被検査体に荷重を加えるだけで検査することができ、被検査体の材質や形状等を問わず広く適用することができるからである。また、検査時間が短くて済むため、検査部を並列して設ける必要がなく、効率的に検査をすることができるからである。
また、微小なクラックを検出することができ、検査精度に優れているからである。
なお、検査部10での検査手法として4点曲げ強度試験について説明したが、3点曲げ強度試験であってもよく、他の検査手法であってもよい。
例えば、ハニカム焼成体の寸法が34.3mm×34.3mm×150mm、セルの数(セル密度)が46.5個/cm2、実質的に全てのセル壁の厚さが0.25mmの炭化ケイ素焼結体からなるハニカム焼成体の場合には、2個の押圧部材3間のスパンが、例えば、10〜30mmであり、2個の支持部材2間のスパンが、例えば、120〜140mmであり、押圧部材3がハニカム焼成体に接触した後の押圧スピードが、例えば、0.1〜5.0mm/minであり、一の押圧部材3の荷重が、例えば、10〜40MPaであることが好ましい。
本発明のハニカム構造体の製造方法は、セラミック原料を成形することにより、多数のセルがセル壁を隔てて長手方向に並設された柱状のハニカム成形体を製造し、このハニカム成形体を焼成して得たハニカム焼成体からなるハニカム構造体を製造するハニカム構造体の製造方法であって、
ハニカム焼成体を作製した後、上記ハニカム焼成体におけるクラックの有無を検査し、クラックの無いハニカム焼成体からハニカム構造体を製造することを特徴とする。
また、ハニカム焼成体140は、図4(a)、(b)に示すように、長手方向(図4(a)中、矢印a参照)に多数のセル141が並設され、セル141同士を隔てるセル壁143がフィルタとして機能するようになっている。
ここでは、構成材料の主成分が炭化ケイ素のハニカム構造体を製造する場合を例に、セラミック原料である炭化ケイ素粉末を使用した場合のハニカム構造体の製造方法について説明する。
勿論、ハニカム構造体の構成材料の主成分は、炭化ケイ素に限定されるわけではなく、他のセラミック原料として、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化チタン等の窒化物セラミック、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化タンタル、炭化タングステン等の炭化物セラミック、アルミナ、ジルコニア、コージェライト、ムライト、チタン酸アルミニウム等の酸化物セラミック等が挙げられる。
これらのなかでは、非酸化物セラミックが好ましく、炭化ケイ素が特に好ましい。耐熱性、機械強度、熱伝導率等に優れるからである。なお、上述したセラミックに金属ケイ素を配合したケイ素含有セラミック、ケイ素やケイ酸塩化合物で結合されたセラミック等のセラミック原料も構成材料として挙げられ、これらのなかでは、炭化ケイ素に金属ケイ素が配合されたもの(ケイ素含有炭化ケイ素)が望ましい。
ハニカム焼成体の気孔径等を調節するためには、焼成温度を調節する必要があるが、無機粉末の粒径を調節することにより、気孔径を調節することができる。
上記バインダの配合量は、通常、無機粉末100重量部に対して、1〜10重量部が望ましい。
また、上記潤滑剤としては特に限定されず、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシプロピレンアルキルエーテル等のポリオキシアルキレン系化合物等が挙げられる。
潤滑剤の具体例としては、例えば、ポリオキシエチレンモノブチルエーテル、ポリオキシプロピレンモノブチルエーテル等が挙げられる。
なお、可塑剤、潤滑剤は、場合によっては、原料混合物に含まれていなくてもよい。
さらに、上記湿潤混合物中には、成形助剤が添加されていてもよい。
上記成形助剤としては特に限定されず、例えば、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸、脂肪酸石鹸、ポリアルコール等が挙げられる。
上記バルーンとしては特に限定されず、例えば、アルミナバルーン、ガラスマイクロバルーン、シラスバルーン、フライアッシュバルーン(FAバルーン)、ムライトバルーン等を挙げることができる。これらのなかでは、アルミナバルーンが望ましい。
また、上記湿潤混合物中の有機分の割合は10重量%以下であることが望ましく、水分の含有量は8.0〜20.0重量%であることが望ましい。
湿潤混合物を押出成形機に投入した後は、押出成形により所定の形状のハニカム成形体とする。このハニカム成形体を成形体切断装置により所定の長さに切断する。
ここで、本発明のハニカム構造体の製造方法では、ハニカム焼成体を作製した後、上記ハニカム焼成体におけるクラックの有無を検査し、クラックの無いハニカム焼成体のみを結束してハニカム構造体を製造する。
本発明のハニカム構造体の製造方法では、抜き取り検査とは異なり、全数のハニカム焼成体についてクラック検査を行うことができるので、クラックの有無を全数について確実に判別することができる。また、この全数検査によって、クラックの無いハニカム焼成体のみを使用してハニカム構造体を製造することができるので、ハニカム構造体の品質の保証という面で確実性を高めることができる。
ハニカム焼成体を搬送しながら検査可能な上述の検査システムを採用することにより、独立した検査工程を設ける必要がないので、コストアップや生産性の低下等を招来することがない。また、別途検査工程を設けて抜取検査を行う検査方法とは異なり、生産効率を維持しつつ、ハニカム焼成体の全数についてクラック検査を行うことができる。
分配機構としては、既に説明した分配機構を好適に使用することができる。このような搬送部材により、ハニカム焼成体の搬送、検査、分配を1つのラインで行うことができ、ハニカム構造体の製造ラインの効率化を有効に図ることができる。
本発明のハニカム焼成体の検査方法で説明したように、機械的強度の変化がクラックの有無に良好に相関することを利用して、ハニカム焼成体に荷重を加えるだけで検査することができ、簡便かつ容易に適用することができるからである。
上記無機バインダとしては、例えば、シリカゾル、アルミナゾル等を挙げることができる。これらは、単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。上記無機バインダのなかでは、シリカゾルが望ましい。
上記バルーンとしては特に限定されず、例えば、アルミナバルーン、ガラスマイクロバルーン、シラスバルーン、フライアッシュバルーン(FAバルーン)、ムライトバルーン等を挙げることができる。これらのなかでは、アルミナバルーンが望ましい。
次に、ダイヤモンドカッター等を用い、ハニカム焼成体がシール材層(接着剤層)を介して複数個接着されたハニカム焼成体の集合体に切削加工を施し、円柱形状のセラミックブロックを作製する。
触媒を担持させる場合には、ハニカム構造体の表面に高い比表面積のアルミナ膜を形成し、このアルミナ膜の表面に助触媒、及び、白金等の触媒を付与することが望ましい。
上記アルミナ膜に助触媒を付与する方法としては、例えば、Ce(NO3)3等の希土類元素等を含有する金属化合物の溶液をハニカム構造体に含浸させて加熱する方法等を挙げることができる。
上記アルミナ膜に触媒を付与する方法としては、例えば、ジニトロジアンミン白金硝酸溶液([Pt(NH3)2(NO2)2]HNO3、白金濃度4.53重量%)等をハニカム構造体に含浸させて加熱する方法等を挙げることができる。
また、予め、アルミナ粒子に触媒を付与して、触媒が付与されたアルミナ粉末を含有する溶液をハニカム構造体に含浸させて加熱する方法で触媒を付与してもよい。
本発明のハニカム焼成体の検査方法は、集合型ハニカム構造体を製造する場合のみならず、円柱形状のセラミックブロックが1つのハニカム焼成体から構成されている一体型ハニカム構造体の製造に際しても用いることができる。これについて、以下、簡単に説明する。
次いで、乾燥させたハニカム成形体の両端部を切断する切断工程を行う。
その後、集合型ハニカム構造体の製造と同様に、脱脂、焼成を行うことによりセラミックブロックを製造し、必要に応じて、シール材層(コート層)の形成を行うことにより、一体型ハニカム構造体を製造することができる。そして、一体型ハニカム構造体を製造する場合は、セラミックブロックを製造した後、又は、セラミックブロックの外周にシール材層(コート層)を形成した後、上述した本発明のハニカム焼成体の検査方法を用いて、ハニカム焼成体におけるクラックの有無について検査を行えば良い。
なお、上記一体型ハニカム構造体を製造する場合にも、上記集合型ハニカム構造体を製造する場合と同様、上述した方法で触媒を担持させてもよい。また、一体型ハニカム構造体の主な構成材料は、コージェライトやチタン酸アルミニウムであることが望ましい。
また、上述した方法によりハニカム構造体を製造する場合、抜き取り検査と異なって、全数のハニカム焼成体についてクラック検査を行うことができ、クラックの無いハニカム焼成体を使用してハニカム構造体を製造することができるので、ハニカム構造体の品質面で確実性を高めることができる。また、所定の分配機構を備えた搬送部材で搬送しながらクラック検査を行うことができ、別途独立した検査工程を設けずに生産効率を維持しつつ、ハニカム焼成体の全数についてクラック検査を行うことができる。
本実施例では、まず、本発明のハニカム構造体の製造方法におけるハニカム焼成体を形成するまでの工程を用いてハニカム焼成体を製造した。
そして、このハニカム焼成体について、まず、本発明のハニカム焼成体の検査方法による荷重負荷検査に必要な最適荷重を決定した。
また、別途、ハニカム焼成体のクラックの発生の有無が、ススの補集性能に与える影響を評価した。
さらに、本発明の検査方法で振り分けたクラックの有るハニカム焼成体とクラックの無いハニカム焼成体とについて、スス補集試験を行い、本発明の検査方法の信頼性を評価した。
平均粒径10μmのα型炭化ケイ素粉末250kgと、平均粒径0.5μmのα型炭化ケイ素粉末100kgと、有機バインダ(メチルセルロース)20kgとを混合し、混合粉末を調製した。
次に、別途、潤滑剤(日本油脂社製 ユニルーブ)12kgと、可塑剤(グリセリン)5kgと、水65kgとを混合して液体混合物を調製し、この液体混合物と混合粉末とを湿式混合機を用いて混合し、湿潤混合物を調製した。
なお、ここで調製した湿潤混合物の水分含有量は、14重量%であった。
なお、押出成形機投入直前の湿潤混合物の水分含有量は、13.5重量%であった。
そして、押出成形により、図4に示した形状の成形体を作製した。
次いで、再び乾燥機を用いて乾燥させた後、400℃で脱脂し、常圧のアルゴン雰囲気下2200℃、3時間で焼成を行うことにより、気孔率が40%、平均気孔径が12.5μm、その大きさが34.3mm×34.3mm×150mm、セルの数(セル密度)が46.5個/cm2、セル壁の厚さが0.25mmの炭化ケイ素焼結体からなるハニカム焼成体を製造した。
最適荷重を求める具体的な手順は下記(1)〜(3)の通りである。
(1)作製したハニカム焼成体について、X線CT装置SMX−225CT((株)島津製作所社製)を使用してハニカム焼成体内部におけるクラックの存在を調べ、クラックの無いハニカム焼成体とクラックの有るハニカム焼成体とを判別して、それぞれ振り分ける。
(2)上記(1)で予め振り分けておいたクラックの無いハニカム焼成体及びクラックの有るハニカム焼成体のそれぞれ30個のサンプルについて、表1に示した荷重ごとに荷重負荷試験を行い、その荷重におけるサンプルの破断率を求める。
(3)上記(2)の荷重負荷試験の結果から、クラックの無いハニカム焼成体での破断率が0%であって、かつ、クラックの有るハニカム焼成体での破断率が100%となる範囲を求め、クラックのあるハニカム焼成体を確実に判別できる荷重を最適荷重とする。
応力の範囲は20〜30MPaであり、この範囲の負荷荷重(例えば、25MPa)を用いることにより、確実な選別を行なうことができる。
また、上記のように、ハニカム焼成体の大きさ、材料、セル仕様(例えば、セル壁の厚さ、セル数等)の検査対象ごとに適合した最適条件を求めることができるので、最終製品として使用すると不良品となる確率の高いハニカム焼成体を確実に選別することができる。
本実施例で製造したハニカム焼成体について、クラックの有無がフィルタとしての性能にどのような影響を与えるかを検証すべくスス捕集試験を行った。
まず、上記スス捕集試験は、予めクラックの無いハニカム焼成体と、クラックの有るハニカム焼成体とを選別しておき、各ハニカム焼成体に排ガスを流通させて行った。
(1)上記X線CT装置を使用してハニカム焼成体を透視し、クラックの有るハニカム焼成体とクラックの無いハニカム焼成体とを判別して振り分けた。
その結果、クラックの無いハニカム焼成体は破断することもなく、ススがマット272に付着することもほとんどなかった。一方、クラックの有るハニカム焼成体は、長手方向に垂直な方向に1箇所破断が発生しており、また、破断が発生した位置より排ガスの流れの下流側ではマット272にススが付着し、黒ずんだ状態となっていた。これは、ススが、破断部位からマット272へと流出したからであると考えられる。
その結果、クラックの無いハニカム焼成体ではススの堆積厚が約60μmであったのに対し、クラックの有るハニカム焼成体ではさらにススの堆積厚が薄かった。
このことからも、クラックの有るハニカム焼成体では、ススが破断部位より流出していると考えられる。
以上より、クラックを有するハニカム焼成体はフィルタとして使用すると、使用中に破損等の不具合を発生するおそれが高く、また、クラックを有するハニカム焼成体を含んだ複数個のハニカム焼成体を結束したハニカム構造体もまた、上述した不具合が発生するおそれを有していると考えられる。従って、本発明の製造方法において、クラックの有るハニカム焼成体とクラックの無いハニカム焼成体とを判別することは、非常に有用であると考えられる。
次いで、作製したハニカム焼成体163個について、本発明のハニカム焼成体の検査方法において上記のように求めた最適荷重を用いて検査した。さらに、本検査方法に続いて、良品と判別されたハニカム焼成体を使用してスス補集試験を行った。
その結果、本検査方法では、作製した163個のハニカム焼成体には、クラックの無いハニカム焼成体(良品)160個の他、クラックの有るハニカム焼成体(不良品)が3個含まれていることが分かった。
次に、160個の良品について、上記スス捕集試験を行った。
その結果、全てのハニカム焼成体において、マットへのススの付着は観察されず、クラックが存在しないことが確認された。
2、2a 支持部材
3 押圧部材
4 分配機構
5a、5b 持ち上げ手段
10 検査部
20a、20b、20c、20d、20e ハニカム焼成体
100 ハニカム構造体
270 スス捕集試験装置
271 金属ケーシング
272 マット
276 エンジン
277 排ガス管
280 配管
Claims (7)
- 多数のセルがセル壁を隔てて長手方向に並設された柱状のハニカム焼成体におけるクラックの有無を、前記ハニカム焼成体を搬送部材で搬送しながら検査することを特徴とするハニカム焼成体の検査方法であって、
前記ハニカム焼成体はセラミックス製であり、
前記クラックの有無を検査する方法は、4点曲げ強度試験又は3点曲げ強度試験により、前記ハニカム焼成体に所定の荷重を加えることにより検査する方法であり、
前記クラックの有無を検査する際には、搬送部材の搬送動作を一旦停止して、2つの支持部材を前記ハニカム焼成体の両端部付近に当接させ、前記ハニカム焼成体を持ち上げて支持し、
前記支持部材によって支持された前記ハニカム焼成体の上面に対して、押圧部材を当接させて前記ハニカム焼成体に所定の荷重を加えることにより断続的に測定することを特徴とするハニカム焼成体の検査方法。 - 多数のセルがセル壁を隔てて長手方向に並設された柱状のハニカム焼成体におけるクラックの有無を、前記ハニカム焼成体を搬送部材で搬送しながら検査することを特徴とするハニカム焼成体の検査方法であって、
前記ハニカム焼成体はセラミックス製であり、
前記クラックの有無を検査する方法は、4点曲げ強度試験又は3点曲げ強度試験により、前記ハニカム焼成体に所定の荷重を加えることにより検査する方法であり、
前記クラックの有無を検査する際には、搬送部材の搬送動作を一旦停止して、前記搬送部材の間から持ち上げ手段が上昇して前記ハニカム焼成体を持ち上げて、
前記持ち上げ手段が、予め所定間隔を開けて配設された支持部材の上方の位置まで移動し、下降して前記ハニカム焼成体を前記支持部材に載置し、
前記ハニカム焼成体の上方から押圧部材を押し当てて前記ハニカム焼成体に所定の荷重を加えることにより断続的に測定することを特徴とするハニカム焼成体の検査方法。 - 前記搬送部材は、分配機構を備えており、
クラックの無いハニカム焼成体とクラックの有るハニカム焼成体とを前記分配機構により分ける請求項1又は2に記載のハニカム焼成体の検査方法。 - セラミック原料を成形することにより、多数のセルがセル壁を隔てて長手方向に並設された柱状のハニカム成形体を製造し、このハニカム成形体を焼成してハニカム焼成体を得て、
前記ハニカム焼成体におけるクラックの有無を前記ハニカム焼成体を搬送部材で搬送しながら検査し、クラックの無いハニカム焼成体からハニカム構造体を製造するハニカム構造体の製造方法であって、
前記クラックの有無を検査する方法は、4点曲げ強度試験又は3点曲げ強度試験により、前記ハニカム焼成体に所定の荷重を加えることにより検査する方法であり、
前記クラックの有無を検査する際には、搬送部材の搬送動作を一旦停止して、2つの支持部材を前記ハニカム焼成体の両端部付近に当接させ、前記ハニカム焼成体を持ち上げて支持し、
前記支持部材によって支持された前記ハニカム焼成体の上面に対して、押圧部材を当接させて前記ハニカム焼成体に所定の荷重を加えることにより断続的に測定することを特徴とするハニカム構造体の製造方法。 - セラミック原料を成形することにより、多数のセルがセル壁を隔てて長手方向に並設された柱状のハニカム成形体を製造し、このハニカム成形体を焼成してハニカム焼成体を得て、
前記ハニカム焼成体におけるクラックの有無を前記ハニカム焼成体を搬送部材で搬送しながら検査し、クラックの無いハニカム焼成体からハニカム構造体を製造するハニカム構造体の製造方法であって、
前記クラックの有無を検査する方法は、4点曲げ強度試験又は3点曲げ強度試験により、前記ハニカム焼成体に所定の荷重を加えることにより検査する方法であり、
前記クラックの有無を検査する際には、搬送部材の搬送動作を一旦停止して、前記搬送部材の間から持ち上げ手段が上昇して前記ハニカム焼成体を持ち上げて、
前記持ち上げ手段が、予め所定間隔を開けて配設された支持部材の上方の位置まで移動し、下降して前記ハニカム焼成体を前記支持部材に載置し、
前記ハニカム焼成体の上方から押圧部材を押し当てて前記ハニカム焼成体に所定の荷重を加えることにより断続的に測定することを特徴とするハニカム構造体の製造方法。 - 前記搬送部材は、分配機構を備えており、
クラックの無いハニカム焼成体とクラックの有るハニカム焼成体とを前記分配機構により分ける請求項4又は5に記載のハニカム構造体の製造方法。 - クラックの無いハニカム焼成体をシール材層を介して複数結束させて前記ハニカム構造体を製造する請求項4〜6のいずれかに記載のハニカム構造体の製造方法。
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