JP5171308B2 - 焼成用治具及びハニカム構造体の製造方法 - Google Patents
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Description
この排気ガスを多孔質セラミックに通すことにより、排気ガス中のパティキュレートを捕集して排気ガスを浄化するセラミックフィルタが種々提案されている。
他方、従来ではコート層を形成するために、焼成炉に残留していた炭化ケイ素が収容体の載置面に析出するまで、ハニカム成形体を載置しないまま収容体を高温の焼成炉に通すという作業(いわゆる空焼き)を繰り返し行っており、焼成用治具を作製するのにかかる手間や費用が大きかった。しかし、請求項3に記載の焼成用治具のように、コート層の形成に気相法を採用することで、1回の作業で緻密なコート層を均一に形成することができるとともに、手間や費用を抑えることができる。また、空焼きでコート層を形成する場合、焼成条件の安定化まで相当期間必要であったが、気相法により1回でコート層を形成することで、焼成条件の安定化までの期間を大幅に短縮することができる。
また、収容体を構成する材料が焼結反応にほとんど影響しないので、収容体を構成する材料として選択可能な材料の幅を広くすることができる。
上記ハニカム成形体を焼成用治具に載置して上記ハニカム成形体を焼成し、
上記焼成用治具は、上記ハニカム成形体をその側面を下にして載置するための収容体と、
上記収容体の少なくとも上記ハニカム成形体を載置する載置面に形成されたコート層とからなり、
上記コート層の主成分は、炭化ケイ素であり、
上記コート層のJIS B 0601(2001)に準拠して求められる算術平均高さRaは10μm以下である。
加えて、請求項8に記載のハニカム構造体の製造方法では、コート層の表面粗さが10μm以下であるので、ハニカム成形体を焼成用治具に載置して焼成しても、ハニカム焼成体の表面にはコート層の凹凸が原因となった凹凸がほとんど生じることがない。従って、得られるハニカム焼成体を用いたハニカム構造体では、このような微小な凹凸に起因したセル欠けや強度の低下等が起こることがないことから、製品のロスを防止することができ、また、製品の品質を長期間保つことができる。
また、そのようなコート層を1回の作業で収容体に形成することができるので、コート層の安定化までの時間を短縮することができ、これにより、焼成条件を速やかに安定化させることができる。従って、準備期間も含めたハニカム構造体を製造するための期間を短縮することができる。
また、収容体を構成する材料が焼結反応にほとんど影響しないので、収容体を構成する材料として選択可能な材料の幅を広くすることができる。
ところで、反応式(1)や反応式(3)におけるCは、原料混合物中に含まれていた有機分の脱脂後における残留分を供給源としているところ、その量はごくわずかであることから、焼結体の生成反応が進行するにつれて、ついには尽きてしまう。このような場合であっても、カーボンからなるスペーサを用いると、このカーボンを供給源として反応式(1)や反応式(3)が進行するので、炭化ケイ素粒子の焼結を進行させることができる。
さらに、ハニカム成形体の載置の際にスペーサを用いることで、ハニカム成形体は焼成用治具に接触しないこととなり、ハニカム成形体側面を形成するセル壁の焼成ムラに起因する強度不足、焼成用治具との接触に起因する凹み、セル壁の破損、クラック等の不具合を防止することができる。また、ハニカム成形体を直接載置する代わりにスペーサを用いた場合には、焼成用治具のコート層表面の凹凸の影響を少なくするという効果を代替的に得ることができる。
以下、本発明の一実施形態である第一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の第一実施形態の焼成用治具を模式的に示す一部断面斜視図である。
焼成用治具10は、底板12と枠材14とからなり、枠材14が底板12上に載せられることで両者は一体となっている。枠材14の下面に形成された凸部と底板12の上面に形成された凹部とを互いに嵌め合わせることで、枠材14は底板12に固定される。
なお、本実施形態では、底基材13と枠基材15とが一体となって収容体11が構成され、その一体として構成された収容体にコート層16が形成されていてもよい。
まず、本製造方法により得られるハニカム構造体について簡単に説明し、その後、製造方法について説明する。
また,ハニカム焼成体50は、ハニカム成形体20と同様の形状を有しており、図4(a)に示すように、長手方向(図4(a)中、矢印aの方向)に多数のセル51が形成されている。
まず、セラミック原料として平均粒子径の異なる炭化ケイ素粉末と有機バインダとを乾式混合して混合粉末を調製するとともに、液状の可塑剤と潤滑剤と水とを混合して混合液体を調製し、続いて、上記混合粉末と上記混合液体とを湿式混合機を用いて混合することにより、成形体製造用の湿潤混合物を調製する。
上記湿潤混合物を押出成形機に投入し、湿潤混合物を押出成形することにより所定の形状のハニカム成形体を形成する。このハニカム成形体を乾燥機により乾燥させ、乾燥させたハニカム成形体とする。
ハニカム成形体の脱脂は、ハニカム成形体を焼成用治具に載置した後、脱脂炉に搬入し、酸素含有雰囲気下、300〜650℃に加熱することで行う。これにより、有機バインダ等が揮散し、ほぼ炭化ケイ素粉末のみが残留する。この場合、ハニカム成形体の周囲の雰囲気を均一にするために、図1に示した焼成用治具10における底板12から枠材14を取り外し、スペーサ40を介して底板12に載置した状態でハニカム成形体20の脱脂を行う。
(1)収容体の載置面に形成されたコート層の表面粗さが10μm以下であるので、ハニカム成形体を焼成するために高温にさらされても、局所的な応力による微細なひびや割れ等の発生が抑制され、長期間の使用でもコート層の剥離を防止することができる。また、焼成用治具を頻回に交換する必要がないので、長期にわたるランニングコストの低減を図ることができる。さらに、本実施形態の焼成用治具は長期間にわたり安定して使用可能であるので、焼成条件の安定化を図ることができる。
また、コート層を化学気相浸透法により形成することでSiC純度の高いコート層を形成することができ、不純物に起因した焼結体生成の阻害反応を防止することができる。
(実施例1)
カーボン(株式会社エスイーシー製 DSG−332)製で底基材と枠基材とからなる上部が開放した箱状の収容体表面のうち、底基材のハニカム成形体の載置面と枠基材表面とに化学気相浸透法(CVI)によりSiCからなる緻密なSiCコート層を形成した。SiCコート層の形成は、反応器内に上記底基材を置き、気相原料としてメチルトリクロロシランを用い、温度1500℃で減圧にした反応器内に気相原料を流入させて、厚さ90μm程度のSiCを析出させることで行った。SiCの析出回数は1回にて行った。
60gの炭化ケイ素粉末、3gのテトラブトキシチタン、17gのシリコン樹脂及び20gのキシレンを混練してSiC層形成材料を調製した。カーボン(株式会社エスイーシー製 DSG−332)製で底基材と枠基材とからなる上部が開放した箱状の収容体表面のうち、底基材のハニカム成形体の載置面と枠基材表面とにスプレーガンを用いてSiCコート層形成材料を吹き付けて(吹き付け重量25g)、乾燥機を用い80℃で20分、230℃で20分乾燥することにより、治具表面にSiCコート層を形成した。
カーボン(株式会社エスイーシー製 DSG−332)製の底基材と枠基材とを、ハニカム成形体を焼成する条件(常圧のアルゴン雰囲気下、2200℃で3時間)とした焼成炉内に10回通すことで(いわゆる空焼き)、底基材のハニカム成形体の載置面と枠基材表面とに厚さ300μm程度のSiC再結晶からなるSiCコート層を形成した。
実施例1、2及び比較例1において作製した焼成用治具を用いハニカム焼成体を製造した。
平均粒子径22μmを有する炭化ケイ素の粗粉末52.8重量%と、平均粒子径0.5μmの炭化ケイ素の微粉末22.6重量%とを湿式混合し、得られた混合物に対して、アクリル樹脂2.1重量%、有機バインダ(メチルセルロース)4.6重量%、潤滑剤(日本油脂社製 ユニルーブ)2.8重量%、グリセリン1.3重量%、及び、水13.8重量%を加えて混練して湿潤混合物を得た後、押出成形を行い、押出成形された成形体を切断することで、図2に示したハニカム成形体と略同形状であってセルの封止がされていない生のハニカム成形体を作製した。
(1.表面粗さの測定)
JIS B 0601(2001)に基づき、焼成用治具の載置面において、表面粗さ・輪郭形状統合測定機:サーフコム E−MD−S39A(東京精密社製)を用い、トレース速度0.3mm/s、カットオフ2.5mm、基準長さ2.5mm、縦倍率500倍にて水平方向に走査し、算術平均高さ(表面粗さ)Raを測定した。
SiCコート層の厚さは、電気伝導式膜厚測定計により測定した。
(3.SiCコート層のクラック、剥離の有無)
SiCコート層のクラックの有無は、ハニカム成形体の焼成条件と同じ条件(常圧のアルゴン雰囲気下、2200℃で3時間)の焼成炉に焼成用治具を通過(1回)させ、通過させた後の焼成用治具の表面を拡大鏡(倍率5倍)を用いて目視観察することで評価した。
また、SiCコート層の剥離の有無は、クラックの有無の評価と同様に、焼成炉に焼成用治具を10回通過させ、通過させた後の焼成用治具の表面を拡大鏡(倍率5倍)を用いて目視観察することで評価した。
(4.SiCコート層の凹凸の有無)
SiCコート層の見かけ上の大きな凹凸の有無は、ハニカム成形体の焼成条件と同じ条件(常圧のアルゴン雰囲気下、2200℃で3時間)の焼成炉に焼成用治具を10回通過させ、通過させた後の焼成用治具の載置面を定盤に当て、載置面と定盤の隙間の大きさをノギスで測定することで評価した。この隙間の最大値が2.0mm以上である場合にコート層に凹凸が発生していると判断した。凹凸は、いわゆる反りや変形のことであり、凹凸には、凸形状、凹形状、波形状等の反りや変形が含まれることとする。
実施例1、2及び比較例1において、焼成用治具を作製してから、これらの焼成用治具を用いて製造したハニカム焼成体の気孔径が安定するまでの期間を評価した。気孔径が安定したことの判断としては、目標とする平均気孔径の値を10μmと設定し、この値の±2μmの範囲に測定した平均気孔径が入ることを基準として行った。
以上の評価の結果を表1にまとめて示すとともに、図6(a)〜(c)に、それぞれ実施例1、2及び比較例1で作製した焼成用治具のSiCコート層の表面のSEM写真(150倍)を示す。また、図7(a)〜(c)に、それぞれ実施例1、2及び比較例1で作製した焼成用治具のSiCコート層の断面のSEM写真(90倍)を示す。
次に、本発明の一実施形態である第二実施形態について説明する。
第二実施形態では、SiCコート層形成材料を用いてSiCコート層を形成し、SiCコート層の表面を研磨することで所定の表面粗さを有するSiCコート層を形成している。このような実施形態も本発明に含まれる。以下、SiCコート層を形成する方法(A)〜(D)を列記し、次いで、形成したSiCコート層を研磨する方法について簡単に説明する。
(A)ハイドライドポリカルボシランを主成分とするポリマーを焼成用治具のSiCコート層を形成する領域に塗布し、その後、乾燥処理及び焼成処理を行ってSiCコート層を形成する。
上記ポリマーを治具に塗布する方法としては、例えば、スプレーコーティング、ウォッシュコーティング、刷毛塗り、滴下、印刷等が挙げられる。
方法(D)を採用した場合には、焼成用治具の表面に反応焼結によりSiCコート層が形成され、反応焼結SiCからなる層が形成されることとなる。
こうして形成したSiCコート層を研磨する方法としては、例えば、バフ研磨や砥石による研磨、シートによる研磨、スクラブ研磨、ブラスト研磨、ブラスト処理、ポリッシング等が挙げられる。
上記バフ研磨で使用するバフとしては、例えば、ディスク型バフ、フラップ型バフ、渦巻き型バフ等の砥粒含有バフ、ポリプロピレン不繊布等の無砥粒バフ等が挙げられる。上記砥粒含有バフに用いられる砥粒としては、例えば、アルミニウムシリケート、酸化アルミニウム、シリコンカーバイド等が挙げられる。
また、シートとしては、例えば、粒度が#A60〜A240のシート研磨材を含んだものを使用することができ、具体的には、例えば、ウレタンスポンジ、ナイロン不繊布、アクリル(スポンジ)等にアルミニウムシリケート、酸化アルミニウム、シリコンカーバイド等の砥粒を付着させたもの等が挙げられる。
また、ブラスト研磨としては、マイクロブラスト研磨やサンドブラスト研磨等が挙げられる。
(実施例3)
カーボン(株式会社エスイーシー製 DSG−332)製で底基材と枠基材とからなる上部が開放した箱状の収容体を用意し、底基材のハニカム成形体の載置面と枠基材表面とにアリルヒドリドポリカルボシランを主成分とするSiCコート層形成用ポリマー(Starfire−Systems社製、SP−MATRIX Polymer)を塗布し、100℃で、12時間乾燥後、2200℃で、2.5時間焼成する工程を7回繰り返すことにより、その載置面にSiCコート層を形成した。その後、ディスク型バフを用いたバフ研磨により載置面を研磨することで表面粗さを10μm以下となるように調整してSiCコート層を形成し、焼成用治具を作製した。
比較例1で作製した焼成用治具のSiCコート層に対して、その表面粗さが10μm以下となるように実施例3と同様にバフ研磨を行い、焼成用治具を作製した。図8は、実施例4で研磨を行う前の焼成用治具の断面のSEM写真である。
バフ研磨を行わなかったこと以外は、実施例3と同様に焼成用治具を作製した。
実施例3、4及び比較例2で作製した焼成用治具を用い、第一実施形態においてハニカム焼成体を製造した方法と同様にしてハニカム焼成体を製造した。
実施例3、4及び比較例2で作製した焼成用治具の評価を、第一実施形態において評価した項目について評価することで行った。
結果を表2に示す。
一方、比較例2では、SiCコート層の表面粗さが28.1μmと大きかった。また、SiCコート層のクラックが生じ、剥離も発生していた。平均気孔径の安定化は、実施例3と同様、1カ月の期間で達成されたが、SiCコート層の凹凸が発生していた。これは、SiCコート層形成用ポリマーを収容体表面に均一に塗布することができなかったこと、及び、SiCコート層の形成するのにSiCコート層形成用ポリマーの塗布、乾燥、焼成を複数回繰り返したためにバラツキが生じたことが主な原因であると考えられる。
SiCコート層を形成する方法としては、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、CVT(Chemical Vapor Transportation)法、CVI(Chemical Vapor Infiltration)法等の化学気相法、PVD(Physical Vapor Deposition)法、液相エピタキシー(Liquid Phase Epitaxy)法、ゾルゲル法、DLC(Diamond Like Carbon)コーティング法、スプレー等の液相法、固相エピタキシー法、再結晶化法等の固相法等が挙げられる。
CVD法やCVI法では、SiCコート層の表面粗さを小さくすることができるからである。また、DLCコーティング法、スプレー法、再結晶化法では、SiCコート層の表面粗さが大きくなりやすいが、厚いコート層を形成しておき、表面を研磨することによりSiCコート層の表面粗さを小さくすることができるからである。
例えば、気相法でSiCコート層を形成する場合には、CH3SiCl3及びH2の存在下、1000℃程度で加熱する方法や、SiCl4及びC6H5CH3の存在下、1500〜1800℃で加熱する方法を用いることができる。
従って、本発明のハニカム構造体の製造方法においては、必ずしも封止材ペーストの充填を行う必要はなく、必要に応じて充填を行えばよい。
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。
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、混合原料粉末に含まれていなくてもよい。
さらに、湿潤混合物中には、成形助剤が添加されていてもよい。
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が挙げられる。これらのなかでは、アルミナバルーンが望ましい。
また、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8〜20重量%であることが望ましい。
さらに、シール材ペーストには、必要に応じて湿潤混合物と同様の造孔剤を添加してもよい。
また、ハニカム成形体の乾燥処理を行う際には、マイクロ波と熱風とを組み合わせた乾燥機以外に、例えば、マイクロ波乾燥機、熱風乾燥機、減圧乾燥機、誘電乾燥機、凍結乾燥機等を用いてもよい。
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。
11 収容体
16 コート層
17 載置面
20 ハニカム成形体
21 セル
22 セル壁
24b 側面
40 スペーサ
60 ハニカム焼成体
Claims (16)
- 炭化ケイ素を主成分とする柱状のハニカム成形体をその側面を下にして載置するための収容体と、
前記収容体の少なくとも前記ハニカム成形体を載置する載置面に形成されたコート層とからなるハニカム成形体焼成用治具であって、
前記コート層の主成分は、炭化ケイ素であり、
前記コート層のJIS B 0601(2001)に準拠して求められる算術平均高さRaは10μm以下であることを特徴とする焼成用治具。 - 前記コート層は、気相法により形成された緻密層である請求項1に記載の焼成用治具。
- 前記気相法は、化学気相浸透法である請求項2に記載の焼成用治具。
- 前記コート層は、前記収容体の表面全体に形成されている請求項1〜3のいずれかに記載の焼成用治具。
- 前記コート層は、SiCコート層形成材料からなるSiCコート層を研磨して形成されている請求項1又は4に記載の焼成用治具。
- 前記SiCコート層形成材料は、ハイドライドポリカルボシランを主成分とするポリマー、SiC粒子とSiO2粒子と含む混合物、表面にSiO2膜が形成されたSiC粒子を含む原料、又は、SiとCとを含む混合物である請求項5に記載の焼成用治具。
- 前記コート層は、再結晶SiC又は反応焼結SiCからなる請求項1、4、5、6のいずれかに記載の焼成用治具。
- 炭化ケイ素を主成分とするセラミック原料を成形して、多数のセルがセル壁を隔てて長手方向に形成された柱状のハニカム成形体を作製し、
前記ハニカム成形体を脱脂し、
脱脂した前記ハニカム成形体を焼成することによりハニカム焼成体を作製して、前記ハニカム焼成体からなるハニカム構造体を製造する方法であって、
前記ハニカム成形体を焼成用治具に載置して前記ハニカム成形体を焼成し、
前記焼成用治具は、前記ハニカム成形体をその側面を下にして載置するための収容体と、
前記収容体の少なくとも前記ハニカム成形体を載置する載置面に形成されたコート層とからなり、
前記コート層の主成分は、炭化ケイ素であり、
前記コート層のJIS B 0601(2001)に準拠して求められる算術平均高さRaは10μm以下であることを特徴とするハニカム構造体の製造方法。 - 前記コート層は、気相法により形成された緻密層である請求項8に記載のハニカム構造体の製造方法。
- 前記気相法は、化学気相浸透法である請求項9に記載のハニカム構造体の製造方法。
- 前記コート層は、前記収容体の表面全体に形成されている請求項8〜10のいずれかに記載のハニカム構造体の製造方法。
- 前記ハニカム成形体をカーボンからなるスペーサを介して前記焼成用治具に載置する請求項8〜11のいずれかに記載のハニカム構造体の製造方法。
- 前記ハニカム成形体を脱脂する際にも前記焼成用治具を用い、
前記ハニカム成形体を前記焼成用治具に載置して前記ハニカム成形体を脱脂し、
脱脂した前記ハニカム成形体を前記焼成用治具に載置したまま、前記ハニカム成形体を焼成する請求項8〜12のいずれかに記載のハニカム構造体の製造方法。 - 前記コート層は、SiCコート層形成材料からなるSiCコート層を研磨して形成されている請求項8、11、12、13のいずれかに記載のハニカム構造体の製造方法。
- 前記SiCコート層形成材料は、ハイドライドポリカルボシランを主成分とするポリマー、SiC粒子とSiO2粒子と含む混合物、表面にSiO2膜が形成されたSiC粒子を含む原料、又は、SiとCとを含む混合物である請求項14に記載のハニカム構造体の製造方法。
- 前記コート層は、再結晶SiC又は反応焼結SiCからなる請求項8、11、12、13、14、15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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