JP5654821B2

JP5654821B2 - 押出成形装置

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Publication number: JP5654821B2
Application number: JP2010220702A
Authority: JP
Inventors: 晋清木
Original assignee: TYK Corp
Current assignee: TYK Corp
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: JP2012076240A

Description

本発明は、断面円形のセラミックス製のハニカム構造体を製造するためのハニカム体を押出成形で成形する押出成形装置に関する。

セラミックス製のハニカム構造体は、自動車等の車両の排ガス浄化用触媒の担体等として広く用いられている。ハニカム構造体を形成する方法としては、一般に、押出成形やプランジャー成形が用いられている。押出成形により製造するときには、混練した原料を成形金型を用いて押出成形した後、乾燥、焼成することにより製造している。

セラミックス製のハニカム構造体を成形する押出成形装置は、例えば、特許文献１に開示されている。この押出成形装置は、オーバル形状のハニカム構造体を押出成形する押出成形装置であって、押出スクリュー部、整流部、抵抗管、成形金型を有している。そして、整流部が、スリーブの内径と略同じ内径の円形状から、その内径と同等以上の短径と長径とを有するオーバル形状に徐々に変化する形状変化部を有し、抵抗管が、オーバル形状を維持したまま徐々に断面積が小さくなっている。

しかしながら、上記の押出成形装置は、オーバル形状のハニカム構造体を成形する成形装置であり、円形形状のハニカム構造体を成形する場合に適用しようとすると、原料の押出しの速度分布が不均一となり、外周面にささくれが発生したり、セルつぶれ等セルの形成が不十分になるという問題が発生していた。

特開２００８−１１０５３６号公報

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、円形形状にハニカム構造体を押出成形で成形したときに、外周面のささくれやセルつぶれが発生しない押出成形装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明者は、原料押出部から押し出された粘土状の原料が流れる速度（押出速度）を断面において略均一にすることで、上記課題を解決できることを見出した。

すなわち、本発明の押出成形装置は、軸方向にのびる多数のセルと、多数のセルを区画する隔壁と、を有し、外径形状が円形状であるセラミックス製のハニカム体を押出成形する押出成形装置であって、流動性をもつセラミックス原料を、円形形状の開口から押し出す原料押出部と、原料押出部から押し出されたセラミックス原料が内部を通過する円形の内周形状をもつ原料流通管と、原料流通管を通過したセラミックス原料を所定の円形形状に成形する成形金型と、を有し、原料流通管は、原料押出部から成形金型方向に進むにつれて、内径が拡大する拡径部と、拡径部により拡径した内径が縮径する縮径部と、を有し、拡径部は、開口から押し出されたセラミックス原料が流れ込む流入口が、原料押出部の開口と一致する形状で区画され、かつ流入口が原料押出部の開口と直接接続していることを特徴とする。

本発明の押出成形装置は、原料流通管が拡径部と縮径部とを備えた構成となっており、流動性をもつセラミックス原料が拡径部及び縮径部を通過することで、セラミックス原料の緻密化が促進される。結果として、成形されたハニカム体に不具合が発生しなくなる。つまり、本発明の押出成形装置によると、外周面のささくれやセルつぶれが発生することが抑えられた断面円形形状のハニカム体を押出成形することができる。

実施例の押出成形装置の構成を示した図である。実施例の押出成形装置の原料流通管の構成を模式的に示した図である。評価における比較例の押出成形装置の原料流通管の構成を模式的に示した図である。

本発明の押出成形装置は、軸方向にのびる多数のセルと、多数のセルを区画する隔壁と、を有し、外径形状が円形状であるセラミックス製のハニカム体を押出成形する押出成形装置である。つまり、本発明の押出成形装置は、外径形状が円形形状（外周形状が円形状）のセラミックス製のハニカム体を成形する装置であり、円柱状のハニカム構造体の製造に用いられる。

本発明の押出成形装置は、原料押出部、原料流通管、成形金型、を有する。

原料押出部は、流動性をもつセラミックス原料を、円形形状の開口から押し出す。流動性をもつセラミックス原料を押し出すことで、原料流通管及び成形金型において流動性をもつセラミックスが流動して成形される。

原料押出部は、流動性をもつセラミックス原料を押し出すことができれば、その構成が限定されるものではなく、スクリュー式，プランジャ式等の方式の装置を用いることができる。これらの原料押出部のうち、セラミックス原料を押し出すだけでなく、混練することもできるスクリュー式の押出部であることが好ましい。すなわち、原料押出部は、円形状のスリーブと、スリーブ内においてセラミックス原料を混練すると共に前進させるスクリューと、を有することが好ましい。

原料流通管は、原料押出部から押し出されたセラミックス原料が内部を通過する円形の内周形状をもつ。そして、原料流通管は、原料押出部から成形金型方向に進むにつれて、内径が拡大する拡径部と、拡径部により拡径した内径が縮径する縮径部と、を有する。さらに、拡径部は、開口から押し出されたセラミックス原料が流れ込む流入口が、原料押出部の開口と一致する形状で区画され、かつ流入口が原料押出部の開口と直接接続している。

円形の内周形状を有する押し出されたセラミックス原料が原料流通管の内部を通過するときに、拡径部及び縮径部を通過する。これにより、原料流通管の断面におけるセラミックス原料の流れる速度（押出速度）が調節され、緻密化が促進されるようになる。具体的には、拡径部を通過するときには、内径が拡大していることから、外径側でのセラミックス原料の流れる速度（押出速度）が内径側での速度より遅くなる。そして、セラミックス原料はこの状態で縮径部を通過する。このとき、セラミックス原料の流れる速度が外径側と内径側とで異なった状態であり、この状態で均一に圧縮され、緻密化する。このとき、外径側ではセラミックス原料の流れる速度が律速に制御された状態であり、成形後の成形体の外周面にささくれが発生しなくなる。

拡径部及び縮径部は、成形されるセラミックス原料の押出速度や硬度等の条件により異なるため、その構成が一概に決定できるものではない。すなわち、拡径部及び縮径部は、円形の内周形状の原料流通管の内径が変化している形態であればよい。拡径部及び縮径部は、内径の変化が軸方向でなめらかに変化していることが好ましい。

拡径部は、原料流通管の内径を１１０〜３００％拡径することが好ましい。内径の拡径率が１１０〜３００％の範囲内にあることで、ハニカム体の成形速度（セラミックス原料の押出速度）を従来の押出成形時の成形速度と同じ速度で成形することができる。拡径率がこの範囲を外れると、セラミックス原料の押出速度を制御する必要があり、製造コストの上昇を招く。より好ましい拡径率は、１５０〜２００％である。

拡径部は、原料流通管の軸方向の長さと、内径変化量との比が、１：１〜３：１で拡径することが好ましい。拡径部の軸方向の長さと内径変化量との比（絞り比）が１：１〜３：１（（拡径部の軸方向の長さ）／（内径変化量）で表される比の値である拡径比が１．０〜３．０）の範囲内にあることで、ハニカム体の成形速度（セラミックス原料の押出速度）を従来の押出成形時の成形速度と同じ速度で成形することができる。絞り比がこの範囲を外れると、セラミックス原料の押出速度を制御する必要があり、製造コストの上昇を招く。特に、絞り比が１：１未満となると、原料流通管の内周面の傾斜角が大きくなり過ぎ、セラミックス原料の外周面と原料流通管の内周面との間にすき間が生じやすくなる。隙間が生じると、成形されるハニカム体の外周面にささくれ等の異常が発生しやすくなる。

縮径部は、原料流通管の内径を１０〜８０％縮径することが好ましい。内径の縮径率が１０〜８０％の範囲内にあることで、ハニカム体の成形速度（セラミックス原料の押出速度）を従来の押出成形時の成形速度と同じ速度で成形することができる。縮径率がこの範囲を外れると、セラミックス原料の押出速度を制御する必要があり、製造コストの上昇を招く。より好ましい縮径率は、５０〜８０％である。

縮径部は、原料流通管の軸方向の長さと、内径変化量との比が、１：１〜３：１で縮径することが好ましい。縮径部の軸方向の長さと内径変化量との比（絞り比）が１：１〜３：１（（拡径部の軸方向の長さ）／（内径変化量）で表される比の値である縮径比が１．０〜３．０）の範囲内にあることで、ハニカム体の成形速度（セラミックス原料の押出速度）を従来の押出成形時の成形速度と同じ速度で成形することができる。絞り比がこの範囲を外れると、セラミックス原料の押出速度を制御する必要があり、製造コストの上昇を招く。

原料流通管は、縮径部が縮径した後の内径（原料流通管における下流側の端部の内径）と、拡径部が拡径する前の内径（原料流通管における上流側の端部の内径）と、により決定される比（絞り比）が、０．９７以下であることが好ましく、０．７〜０．９５であることがより好ましい。本発明の原料流通管の拡径部を有していない従来の押出成形装置において、原料押出部のセラミックス原料が押し出される吐出口の内径と成形後のハニカム体の外径に殆ど差がない場合には、成形異常が発生しやすかった。特に、外周面にささくれが発生しやすかった。これに対し、本発明の押出成形装置は、拡径部と縮径部を有する原料流通管を備えたことで、従来の装置では異常が発生しやすかった、成形前後で径の変化が少ない場合でも、成形されたハニカム体に異常が発生することが抑えられる。

成形金型は、原料流通管を通過したセラミックス原料を所定の円形形状に成形する。原料流通管を通過して押出速度の制御及び緻密化が促進されたセラミックス原料は、成形金型で成形されてハニカム体となる。

本発明の押出成形装置は、原料押出部から押し出されたセラミックス原料の流れを整える整流部材を、その流路中に有することが好ましい。整流部材を有することで、セラミックス原料の流れが整流され、成形異常の発生がより抑えられる。

成形部材は、従来の押出成形装置において整流板として用いられている部材を用いることができる。この成形部材としては、多数の孔が開口した部材をあげることができ、たとえば、目皿、網をあげることができる。すなわち、整流部材は、目皿，網の少なくとも一方であることが好ましい。なお、整流部材を目皿、網により形成するときに、目皿、網を複数配置してもよい。このとき、それぞれの細孔の孔径を異なるものとしてもよい。

また、整流部材は、その配置位置が限定されるものではなく、たとえば、原料押出部と原料流通管（拡径部）の間、原料流通管の拡径部と縮径部の間、原料流通管（縮径部）と成型金型の間、等の位置をあげることができる。

整流部材は、特に、原料流通管の拡径部と縮径部の間に配置されることが好ましい。すなわち、原料流通管は、拡径部と縮径部の間に、セラミックス原料が通過する多数の細孔が形成された整流部材を有することが好ましい。整流部材を拡径部と縮径部の間に配置することで、縮径部に流れるセラミックス原料の圧力が均一になり、その後の縮径部で緻密化したときに成形異常が発生しなくなる。

具体的には、拡径部で内径が拡径したことにより、拡径部を通過したセラミックス原料の密度が低下している。つまり、セラミックス原料による圧力（下流方向に対する圧力）が部分的に低くなっている（圧力ムラが発生している）。特に、外径側の圧力が、軸心部の圧力よりも低くなっている。この圧力ムラが発生した状態で整流部材にセラミックス原料が到達すると、整流部材の直上流での圧力が一定の圧力（整流部材に開口した細孔により決まる圧力）に上昇するまでセラミックス原料が細孔を通過しない。つまり、整流部材の直上流の圧力が一定の圧力になったら整流部材の細孔をセラミックス原料が通過する。この効果により、セラミックス原料の押出圧力にムラが生じなくなり、その後の縮径部で緻密化したときに成形異常が発生しなくなる。

以下、実施例を用いて本発明を説明する。

（押出成形装置）
本実施例の押出成形装置の構成を図１に模式的に示した。

本実施例の押出成形装置１は、図１に示したように、円形状のスリーブ２０と、スリーブ２０内においてセラミックス原料を混練すると共に前進させるスクリュー２１とを備えた押出スクリュー部２と、押出スクリュー部２から押し出される流動性をもつセラミックス原料の通過速度分布を調節する原料流通管３と、原料流通管３から押し出されるセラミックス原料を所定の円形の外周形状に成形するための成形金型７と、を有してなる。

そして、本実施例の押出成形装置１は、図１に示したように、上方に設けた混練機２３に対面した投入口２４を有していると共に、その下方には上段スクリュー２５、押出スクリュー２１、上記上段スクリュー２５と押出スクリュー２１との間に真空室２６と噛込ローラ２７とを備えている。

押出スクリュー２１の前方には、原料流通管３が設けられている。原料流通管３は、同軸に接続された拡径管４，縮径管５とを有している。原料流通管３の更にその前方（セラミックス原料の押出方向の前方）には、成形金型７が配設されている。成形金型７には、ガイドリング５１が設けられ、その前方には、押し出されたハニカム体（成形体）８を支持する受け台（図示せず）が設けられている。

本実施例の押出成形装置１は、上段スクリュー２５と押出スクリュー２１とを有しているが、上段スクリュー２５と押出スクリュー２１との間に、更に、一つ以上の中段スクリューを設けてもよい。

原料流通管３は、拡径管４，縮径管５とが同軸で接続された構成となっている。また、拡径管４と縮径管５との間には、整流部材６が配置されている。原料流通管３は、軸方向が直線状に位置し、押出スクリュー部２のスクリュー２１の軸方向及び押出スクリュー部２から押し出されるセラミックス原料の押出方向とが同一方向となるように配置されている。

また、原料流通管３は、軸方向に垂直な断面における内周形状は、円形（真円形状）をなしている。ここで、内周形状の円形とは、楕円形状等の円形でない形状でなければよく、真円形状だけでなく、わずかに円形に歪み（誤差）があってもよい。

拡径管４は、原料流通管３においてセラミックス原料が流れ込む流入口を形成する。原料流通管３の拡径管４は、スリーブ２０の内径と同じ内径の円形から、内径が徐々に大きくなるように変化し、下流側の端部の開口が最も拡径した状態となるように、内周面が形成されている。

縮径管５は、原料流通管３においてセラミックス原料が流れ出す流出口を形成する。原料流通管３の縮径管５は、拡径管４の下流側の端部の最も拡径した内径の円形から、内径が徐々に小さくなるように変化し、下流側の端部の開口が最も縮径した状態となるように、内周面が形成されている。

原料流通管３は、拡径管４の上流端の開口から内径が徐々に大きくなり、拡径管４の下流端において最も内径が大きくなる。そして、拡径管４の下流端は、縮径管５の上流端と接続されており、縮径管５の上流端の開口は、拡径管４の下流端の開口と略一致する。そして、原料流通管３は、縮径管５の上流端から徐々に内径が小さくなり、原料流通管３の下流端（セラミックス原料が流出する流出口）において最も内径が小さくなる。

原料流通管３の拡径管４と縮径管５との間に配置された整流部材６は、金属製の網よりなる。本実施例では整流部材６に網を用いたが、網に替えて目皿を用いてもよい。この整流部材６を形成する金属製の網の目の大きさ（メッシュサイズ）は、適宜選択できる。この整流部材６を形成する金属製の網は、１枚以上であればよい。金属製の網が複数のときには、目の大きさ（メッシュサイズ）が異なる網を組み合わせてもよい。

そして、原料流通管３の下流端には、成形金型７が組み付けられている。成形金型７は、原料流通管３の下流端から流出したセラミックス原料を略円柱状の外形のハニカム体に成形する。

（評価）
本実施例の押出成形装置１の評価として、ハニカム構造体を製造した。

（ハニカム構造体の製造）
製造されたハニカム構造体は、炭化ケイ素焼結体よりなるハニカム構造体であり、製造にあたって、原料には表１に記載の製品が用いられた。

まず、表１に記載の原料を、表２に記載の質量比で秤量した。秤量されたＳｉＣ（粗大粒子），ＳｉＣ（微細粒子），Ｓｉ_３Ｎ_４，グラファイト，バインダ，表１の分散剤（Ａ）と分散剤（Ｂ）の等量混合物よりなる分散剤，水を、加圧型ニーダー（森山製作所製、ＤＳ１−５ＧＨＨ−Ｅ）で１５分間，２０℃で混合した。

得られた粘土状のセラミックス原料粉末を、上記の実施例の押出成形装置１で略円柱状の外周形状のモノリスハニカム体に押出成形で成形した。上記の押出成形装置１は、押出スクリュー２１の外径が約１５０ｍｍ、押出スクリュー２１の軸方向長さが約２０００ｍｍの押出スクリュー部２を有していた。そして、押出成形は、この押出成形装置１で押し出し時の温度：１８〜２２℃，押し出し速度：５０〜３５０ｍｍ／ｍｉｎ（粘土の硬さにより決定）で調整して行った。得られた成形体は、外径：１６０〜１８０ｍｍ，６２セル／ｃｍ^２（４００セル／平方インチ）の略円柱状であった。

次に、成形体を、１５０℃で８時間保持して乾燥した。

乾燥した成形体を、不活性ガス雰囲気（窒素ガス雰囲気）下で３１０℃で保持して脱脂した。

その後、不活性ガス雰囲気（アルゴンガス雰囲気）下で２１００℃で５時間保持して焼結させた（焼成した）。

焼結体を、酸化性ガス雰囲気（空気）下で１１００℃で２時間加熱して、脱炭した。

脱炭後、放冷して実施例（及び比較例）のハニカム構造体が製造された。

（評価）
実施例の押出成形装置１の評価として、原料流通管３の形状を変化させて上記のハニカム構造体の製造を行い、製造されたハニカム構造体を目視で確認して評価した。また、熱衝撃試験を施した。

製造されたハニカム構造体は、表３及び図２に示した構成の原料流通管３を用いて製造された。なお、表３中の拡径管の上流端内径は図２中のｌ_１を、拡径管の下流端内径は図２中のｌ_２を、拡径管の拡径量は図２中のｌ_３を、拡径管の軸方向長さは図２中のｌ_４を、拡径管の拡径比はｌ_４：ｌ_３の比（ｌ_４／ｌ_３）の値を、拡径管の拡径率は図２中のｌ_２とｌ_１のパーセント［（ｌ_２／ｌ_１）×１００］の値を、縮径管の上流端内径は図２中のｌ_２を、縮径管の下流端内径は図２中のｌ_５を、縮径管の縮径量は図２中のｌ_６を、縮径管の軸方向長さは図２中のｌ_７を、縮径管の縮径比はｌ_７：ｌ_６の比（ｌ_７／ｌ_６）の値を、縮径管の縮径率は図２中のｌ_５とｌ_２のパーセント［（ｌ_５／ｌ_２）×１００］の値を、それぞれ示す。また、図２においては、整流部材６は省略して記載した。

上記の目視及び熱衝撃試験の両試験結果を表３に合わせて示した。

熱衝撃試験は、ＪＡＳＯＭ５０５−８７に規定の試験方法で行った。試験温度は５００℃とし、試験後のクラックの有無（打音）で合否（○，×）を判定した。

本実施例の押出成形装置１を用いて製造されたハニカム構造体は、いずれも外周面にささくれ等の傷、及びセル目切れが確認できなかった。表３に示したように、各実施例のハニカム構造体は、成形不良の発生が抑えられたハニカム体となっていることが確認できた。すなわち、実施例の押出成形装置１を用いることで、外周面のささくれやセルつぶれが発生しないハニカム構造体を製造することができた。

これに対し、比較例のハニカム構造体の製造に用いた原料流通管３は、図３にその構造を示したように、拡径部４，縮径部５および整流部材６を有していない、内径が変化しない直管構造となっている。そして、この原料流通管３を用いて製造された比較例のハニカム構造体は、外周面のささくれ及びセルつぶれが確認された。

上記したように、本実施例の押出成形装置１を用いることで、流動性をもつセラミックス原料から成形されたハニカム体に成形不良の発生が抑えられることがわかった。

（変形形態）
実施例の押出成形装置１では縮径管５の下流端に成形金型７が組み付けられているが、内径が変化しない整流管を縮径管５の下流端と成形金型７の間に組み付けてもよい。整流管を組み付けると、縮径管５において流速の調節及び緻密化が行われたセラミックス原料の流れが、更に整えられ、より成形不良が発生しにくくなる。

１：押出成形装置
２：押出スクリュー部
３：原料流通管
４：拡径管
５：縮径管
６：整流部材
７：成形金型
８：ハニカム体

Claims

軸方向にのびる多数のセルと、多数の該セルを区画する隔壁と、を有し、外径形状が円形状であるセラミックス製のハニカム体を押出成形する押出成形装置であって、
流動性をもつセラミックス原料を、円形形状の開口から押し出す原料押出部と、
該原料押出部から押し出された該セラミックス原料が内部を通過する円形の内周形状をもつ原料流通管と、
該原料流通管を通過した該セラミックス原料を所定の円形形状に成形する成形金型と、
を有し、
該原料流通管は、該原料押出部から該成形金型方向に進むにつれて、内径が拡大する拡径部と、拡径部により拡径した内径が縮径する縮径部と、を有し、
該拡径部は、該開口から押し出された該セラミックス原料が流れ込む流入口が、該原料押出部の開口と一致する形状で区画され、かつ該流入口が該原料押出部の開口と直接接続していることを特徴とする押出成形装置。
前記拡径部は、前記原料流通管の内径を１１０〜３００％拡径する請求項１記載の押出成形装置。
前記拡径部は、前記原料流通管の軸方向の長さと、内径変化量との比が、１：１〜３：１で拡径する請求項１〜２のいずれかに記載の押出成形装置。
前記縮径部は、前記原料流通管の内径を１０〜８０％縮径する請求項１〜３のいずれかに記載の押出成形装置。
前記縮径部は、前記原料流通管の軸方向の長さと、内径変化量との比が、１：１〜３：１で縮径する請求項１〜４のいずれかに記載の押出成形装置。
前記原料流通管は、前記拡径部と前記縮径部の間に、前記セラミックス原料が通過する多数の細孔が形成された整流部材を有する請求項１〜５のいずれかに記載の押出成形装置。
前記整流部材は、目皿，網の少なくとも一方である請求項６記載の押出成形装置。
前記原料押出部は、円形状のスリーブと、該スリーブ内において前記セラミックス原料を混練すると共に前進させるスクリューと、を有する請求項１〜７のいずれかに記載の押出成形装置。