JPH01212708A - 金属にくるまれた製品およびその製造方法 - Google Patents

金属にくるまれた製品およびその製造方法

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JPH01212708A
JPH01212708A JP63316094A JP31609488A JPH01212708A JP H01212708 A JPH01212708 A JP H01212708A JP 63316094 A JP63316094 A JP 63316094A JP 31609488 A JP31609488 A JP 31609488A JP H01212708 A JPH01212708 A JP H01212708A
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metal
sheet
substrate
sinterable
ceramic
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JP63316094A
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Rodney D Bagley
ロドニー デラノ バグリー
Rao Ushirika Rajiya
ラジャ ラオ ウシリカ
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Corning Glass Works
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本願発明は金属にくるまれた基体、特にセラミックまた
は金属基体に関する。本願発明は更に、そのような金属
にくるまれた基体の製造方法に関する。
(従来技術) 熱および酸化に対する耐性が大きいため、セラミック物
質は工業部品の製造に広く使用されている。他の金属部
品に溶接できるようにセラミック部品を金属にくるむこ
とがしばしば必要であったり望まれたりする。例えば、
自動車に使用される接触コンバーターは触媒で被覆され
たセラミックハニカム構造から成り、この構造は金属カ
ンにくるまれて自動車のシャーシーに溶接される。この
接触コンバーターを金属にくるむために現在用いられて
いる工程はコストがかかり、労働集約的である。クラム
シェル状金属断片の製品を既に被覆し焼成したセラミッ
ク支持体の周囲におり曲げ、その位置に固定して閉じる
ように溶接する、たとえば室温でコンバーターの周囲に
金属ケーシングがきっちりとはまっていても、高温にな
るとセラミックから離れる方向に金属は膨張し、セラミ
ックと金属のはまり具合をゆるくシ、使用中に金属ケー
シング内でコンバーターが動くようになって損害を与え
る。
従って、従来のものよりコストが安く、労働集約的では
ない方法によって製造でき、セラミックと金属の膨張率
の違いにより生ずる前述の欠点を有さない、金属にくる
まれた製品に対する要望がある。
(発明の目的) 本願発明の目的は、低コストで労働集約性の低い工程に
より製造できる金属にくるまれた基体を提供することで
ある。本願発明のもう1つの目的は、その基体が無機物
質から成る、金属にくるまれた基体を提供することであ
る。本願発明のもう1つの目的は、金属ケーシングと金
属にくるまれた基体との熱膨張率の違いによる損害を生
じない、金属にくるまれた基体を提供することである。
更に本願発明のもう1つの目的は、セラミックまたは金
属構造を焼結性金属粉末に結合させ、両物質を焼成して
一工程で強固な構造にすることにより得られる製品を提
供することである。
(発明の構成) 金属ケーシングが有機バインダーと混合された焼結性粒
状または粉末金属のシートから成り、該シートはある基
体の周囲に巻かれて焼成され、バインダーを揮発させる
と共に金属粒子または粉末を一体金属構造に焼結させる
ことによる改良された、金属にくるまれた基体が製造さ
れた。好ましくは、このようにくるまれる基体は生の焼
結性基体であり、粒状または粉末金属シートと同時に焼
結されるものであるが、予備焼成(焼結)製品であって
もよい。従って、本願発明は最終焼結体としての基体と
同様に中間体としてのそのような金属にくるまれた基体
すなわち生のラップシートにくるまれた基体に関する。
好ましい実施態様において、本願発明に従って金属にく
るまれた基体は、はぼ平行なセルまたは入口面と出口面
の間に延びる通路を有するハニカム体またはマルチチャ
ンネルモノリスから成る。
本願発明のもう1つの実施態様において、基体と焼結性
粒状または粉末金属のシートとの間に柔軟圧縮性物質の
層が挿入されている。
本願発明は前述の製品に関するのみならず、その製造方
法にも関する。従って、本願発明は、基体を有機バイン
ダーと混合された焼結性粒状または粉末金属から成るシ
ートでラッピングし、得られたラップ基体を焼成してバ
インダーを揮発させると共に粒状または粉末金属を一体
金属構造に焼結する工程を含む基体を金属にくるむ方法
にも関する。
本願発明の方法に従って金属にくるまれる基体は、焼成
工程中にさらされる高温に耐えられる基体ならなんでも
良い。一般に基体は、ガラス、ガラスセラミック、セラ
ミック、サーメットまたは金属基体、または同種あるい
は異種物質の繊維および/またはホイスカーを含むマト
リックスのような物質の複合物から成る基体である。こ
のような構造は、複合物を形成するために繊維および/
またはホイスカーと混合された焼結性粒子または粉末か
ら作られ、本願発明の方法に使用される前に焼結される
。本願発明の利点は、これらの構造を生の予備成形状態
で使用でき、焼成工程中に粉状金属シートまたは予備成
形品の焼結と同時に焼結できることである。当業界およ
び本明細書に用いられる“生”という用語は、焼結状態
まで焼成していない焼結性粉末または粒状物質から成る
成形体または製品を意味する。この生成形体を加熱して
可塑化液またはビヒクルを蒸発または揮発させることに
よって乾燥し、またおそらく焼結性粉末と混合された有
機または分解性バインダーを完全燃焼または揮発させて
その成形体に適度な可塑成形性および/または十分な凝
集性(生強度を有する)を持たせ、その成形体を変形さ
せたり損害を与えたすせずに取り扱えるようにする。例
えば、本願発明の好ましい実施態様に従って金属にくる
まれたセラミックハニカムモノリスまたはセラミックモ
ノリシック触媒を製造するために、金属酸化物粉末、触
媒および可塑化バインダーの混合物から成るモノリスを
焼結性粒状金属およびバインダー物質のシートでくるむ
。焼成の際、金属酸化物粉末は焼結されてセラミック構
造を形成し、焼結性粒状金属の外層は同時に焼成されて
金属ケーシングを形成する。
従来のセラミックモノリシック触媒は、実際に触媒が付
着する大表面積物質のコーティングを有するセラミック
支持体を含む。最大の表面積を得るために、モノリスは
薄い壁のセルを有するかハニカム構造であることが好ま
しい。ハニカムまたは多通路モノリスを製造するための
好ましい方法は米国特許第3.790.654号および
第8.1124.198号に開示されるような押出によ
る方法である。しかし、米国特許第3.112.184
号、第3,444.925号および第3.983.50
4号に開示されている方法のような他の方法も公知であ
る。
本願発明に従って金属にくるまれた基体を製造するのに
用いられ、特にモノリス触媒支持体を製造するために用
いられる広・い範囲の焼結性粒状物質が知られている。
そのような物質は米国特許第3.112,184号、第
3,444.925号、第3.824.196号、第3
,885.977号、第3,919,384号、第3,
963.504号、第4.017.347号および第4
,582.677号に記載されており、参考のため本明
細書はその開示内容を含む。適した粒状物質の例として
、ホウ珪酸塩、ソーダ石灰珪酸塩、鉛珪酸塩、アルミノ
珪酸塩およびアルカリ土類珪酸塩などのガラス、および
アルミナ、シリマナイト、窒化珪素、炭化珪素、ムライ
ト、溶融シリカ、きん青石、マグネシア、ジルコン、ジ
ルコニア、葉長石、ゆう輝石、コランダム、フォステラ
イト(rosterite) 、チタン酸バリウム、ポ
ーセレイン(porcelain)、トリア、ウラニア
、ステアタイト、サマリア(samaria) 、ガド
リニア(gadollnla) 、炭化ホウ珪を含む種
々の炭化物、およびスピネルなどの耐火性組成物(セラ
ミック)がある。
基体はガラスセラミック、または焼結性セラミックおよ
び金属混合物、例えばサーメットを形成するクロムおよ
びアルミナ混合物からも調製される。また、焼結性金属
粉末、例えばFe、Al1゜Cu、TI 、Zr、Ni
 、Crおよび他の種々の合金の粉末から得られる基体
も適する。焼結して焼結体を形成できる金属粉末の他の
例は米国特許第4.849,003号に開示されており
、その内容は参考のため本明細書に含めである。米国特
許出願第054.11145号は本願発明に使用するの
に適したアルミニウムー鉄支持体を開示しており、その
内容は本明細書に含めである。この米国特許出願に開示
された支持体は、粒状のAl1.FeおよびMgおよび
/またはCaと随意にSn、Cuおよび/またはCrの
均一混合物を焼結することにより調製される多孔質金属
体である。更に詳細には、このAN/Fe体は5〜50
wt%のAN 、 3〜90vt%のFe(ここでAg
とFeの合計は全組成の80%以上を構成する)、0〜
10vt%のS n s O〜10vt%のCu、0〜
1Ovt%のCr(ここでSn、Cu、Crの合計は2
0%未満)、およびMgとCaより成る群から選択され
たlvt%以下のアルカリ土類金属から成る。
本願発明の1つの好ましい実施態様において、くるまれ
る基体は前記のFe/Ai)基体のような金属基体であ
る。焼結の際に金属基体と金属ケーシング間の金属−金
属結合が生じる、と考えられる。金属ケーシングは、そ
れぞれの用途に適するくるまれる基体より小さな多孔性
または大きな多孔性を有する。
基体は、米国特許第3.794.707号および第4.
673.858号に開示されているような、アルミナ、
窒化珪素、または炭化珪素の強化ホイスカー、または炭
素繊維のような強化繊維を随意含む。本願発明はくるま
れる基体を構成する物質の選択に依存するものではなく
、前述の物質は単に例示のために記載したものである。
本願発明の方法に使用される、焼結性粒状金属およびバ
インダー物質のシートは種々の方法で作られる。テープ
キャスティングおよび押出などの公知の方法に類似した
方法が特に適する。例えば、ThoIIlpson、 
J、 J、のForIIling Th1n Cera
mics”Ceramic Bulletin 42巻
、 kg(1983)、 480ページ。
米国特許第2.968.719号、第3.007.22
2号および第3.444.925号を参照のこと。これ
らの開示内容は本明細書に取り入れである。
テープキャスティングによりシートを形成するため、適
する揮発性溶剤中に金属粒子と有機バインダーのスラリ
ーを調製する。このスラリーは湿潤剤と可塑剤を含んで
もよい。有機バインダーは約105未満のバインダーを
有する強靭で柔軟なフィルムを形成し、無害、無毒なガ
スに揮発してラップされた製品の焼成中残留ガスを残さ
ず、安価な揮発性不燃溶剤に可溶であることが望ましい
適するバインダーはメチルセルロース、ポリビニルブチ
ラール、および種々のアクリルポリマーなどであるが、
これらに限定されるものではない。
適する溶剤はメチルエチルケトン、トルエン、メチレン
クロリドなどであるが、これらに限定されるものではな
い。スラリーは通常、約80〜B5wt%の固体を含み
、約80vt%の固体を有するスラリーを用いると最良
の結果が得られる。約60シt%未満の固体を有するス
ラリーは塑性があり過ぎるか軟か過ぎ、一方約85wt
%より多量の固体を有するスラリーは取り扱いに際して
クラックが生じゃすくなる。
このスラリーを均一混合物を形成するのに十分な時間ボ
ールミルにかけ、モして脱気した後、支持テープ上にド
クターブレードでコーティングする。この支持テープは
、スラリー中のどの成分にも不溶性の柔軟非多孔質物質
である。好ましくは乾燥の際にテープキャスト物質の除
去を助けるために一方の側をシリコーンで被覆した、ナ
イロンおよびポリエステルフィルムなどの物質が使用で
きる。このスラリーコーティングされたテープは室温で
乾燥するか加熱押込空気乾燥器中をくぐらせることがで
きる。乾燥の際、金属粒子/バインダーのシートを支持
フィルムからはがし、本願発明に使用することができる
押出によって粒状金属とバインダーのシートを形成する
ため、メチルセルロースのような水溶性重合性有機バイ
ンダーが通常使用される。バインダー、および随意に可
塑剤および/または湿潤剤は水中で金属粉末と混合され
、ドウ(dough)を形成する。このドウの水分含有
量はヘビーペーストを形成するように調節され、脱気さ
れ、適度な圧力でダイを通して押し出されて連続するス
トリップまたはテープを形成する。このテープは次に乾
燥され、更に水分含有量を減じられる。
本願発明に使用される粒状または粉末金属は、焼結して
一体金属構造を形成できる粉末または粒状のあらゆる金
属である。例えば、鉄、アルミニウム、および銅、そし
てこれらの金属の混合物または合金、および本願発明の
くるまれる金属基体の記載に関連して前述された全ての
金属などである。好ましい金属は、延性があり、耐腐蝕
性の溶接できる金属ケーシングを与える金属である。こ
のため、ステンレス鋼粉末、特に300および400シ
リーズステンレス鋼粉末が好ましい。粒状金属は随意に
無機強化繊維および/またはホイスカーをその中に含ん
でもよい。安全性と処理しやすさの点から粒状または粉
末金属は約5〜100ミクロンの範囲の粒径を有するこ
とが好ましい。
テープキャスティングまたは押出により調製される焼結
性粒状金属とバインダーのテープは直接、金属にくるま
れる基体をラップしても良いし、もし厚い金属ケーシン
グを望むならばテープ物質の数層を加熱圧縮して所望の
厚さのシートにしても良い。
焼結性粒状金属とバインダーのシートをくるまれる基体
の周囲に巻いた後、シート物質の端を一緒にし、シート
物質を作るのに使用した粒状金属/バインダースラリー
の一部をつぎ目に施すことによって一緒にした端同志を
シールして強固なつぎ目を形成する。
粒状金属シートは焼成工程中に焼結する際、かなりの収
縮を受ける。下の基体はそれ程焼結されないので金属シ
ートラップ程には収縮しない。破損を防止するため、例
えば焼結前に基体周囲のラップのしめ具合を調節するな
どして金属シートラップと基体との間の収縮度の違いを
注意深くコントロールすることが望ましい。もう1つの
方法として、金属シートラップの収縮中に受ける応力を
吸収できる柔軟圧縮性物質を基体と金属シートラップの
間に挿入することが考えられる。このような柔軟物質と
して金属繊維およびセラミック繊維メツシュおよび/ま
たはスチールウールのマットあるいはジルコニアまたは
ムライトのマットがある。
こうして得られた金属シートラップ集合体はラップ中の
金属粒子を一体金属構造に焼結するのに適した条件下、
非酸化性ガス中で焼成され、もし基体が生セラミツクな
らば、それを焼成セラミック基体に変換する。適した非
酸化性ガスはアルゴン、または窒素と水素の混合物のよ
うなフォーミングガスである。一般に、焼結温度は約1
000〜1300℃の範囲であり、フォーミングガス中
においては約1150−1250℃の範囲が好ましい。
水素ガス中、1300℃で焼成してもすばらしい結果が
得られる。
有機バインダーが生の金属ケーシングに混合されている
ので、焼結金属ケーシングが多孔質になる可能性がある
。焼結金属は0〜20%の範囲の空隙率が好ましく、は
ぼ0%の空隙率が更に好ましい。しかし試験によれば4
0%もの空隙率を有する金属ケーシングも使用可能であ
る。
(実 施 例) 本願発明を以下の実施例を基に更に詳細に説明する。
実施例 1 a、スラリー調製 還元鉄粉末(J、 T、 Baker CherA、 
Co、)の60/40シt%(固体/有機分)スラリー
を調製した。
100個のA(lz03ボールをナルゲンジャー(Na
lgene jar、 500m1)に入れ、133.
3gのビニルブチロール系(トルエン中のビニルブチロ
ールおよびメチレンクロリドの混合物、Type 73
210゜TAN Ceramics)を加えた。次に、
8,4gの界面活性剤(アルコールエトキシレートのリ
ン酸エステル、Emphos PS−21A、ν1tc
o Chemical Corp、)を加えた。これは
全重量の2.51%に相当した。200 gの還元鉄粉
末をナルゲンジャーに加えた。この有機−金属混合物を
1〜20分間活発に振った。ふたをしっかりと密封した
後、スラリーを1〜20分間活発に振り、可変速度ロー
ラーミルに入れる前に金属が全て有機ビヒクルにおおわ
れるようにした。
32回転/分の速度で24時間ローリングした後、AR
zOsボールを口過で除去した。ガラスろうとを、ネッ
クを閉鎖するためにステンレス鋼ワイヤーメツシュの小
片を有するリングスラントにおいた。ジャーの自身をろ
うとに注ぎ、スパチュラ(ステンレス鋼)でかくはんし
てボールからできるだけ多量のスラリーを分離した。蒸
発する割合を最小限にするため、この操作はカバーをつ
けて迅速に行った。
口過されたスラリーを、スリップの脱気を助けるために
、以前の速度で回転するローラーミルに戻した。ローリ
ングを更に24時間続けた。
b、テープキャスティング 金属フィルムのテープキャスティングを、Model 
184 TamCasting Table(TAN 
Ceraa+1cs)を用いて行った。支持フィルム(
−面がシリコーンコーティングされたポリエステルベー
スの2m1lフイルム、Cu5tOII Coatin
g and La11.illatlng ofvor
cester社製)のストリップを、シリコーンコーテ
イング面を上にして清浄ガラスプレートの上においた。
このフィルムのしわを伸ばしてエアポケットを除去した
油圧式ブツシュアームをガラス上のフィルムの端からほ
ぼ2インチ(5cm)に移動した。整合のためにブツシ
ュバーに対してドクターブレードをセットするため、ド
クターブレードを位置決めして油圧バーをキャストすべ
き方向と逆の方向に戻した〔はぼ1インチ(1,5cm
) )。これによりキャストの開始時における表面の不
ぞろいをもたらすジャーキング(jerking)を防
いだ。
ローラーミルから十分な金属スラリーをなめらかに安定
したやり方で注ぎ、6フイート(183cm)ストリッ
プのテープを作った。少量のスラリーをドクターブレー
ド端の前に注ぎ、ドクターブレードが適切に機能する所
であるローラ一端を形成した。スリップを、ブレードの
中心が支持フィルムに沿って動く間そのブレード中心の
前約1〜2インチ(約265〜5c+n)に安定して注
いだ。これにより、使用したブレードの幅全体に亘って
スラリーが均一に分散し、ブレード端の前に前後して注
ぐ際に生ずる欠陥を最小限にできた。このテープキャス
トシートを支持フィルム上に一装置き、乾燥した。
C,テープ打抜きおよび圧縮 金属粉末シートを支持フィルムからはがし、正方形に切
断した。ステンレス鋼プレートをテトラ−フィルム(T
edlar f’1lI1. Curbull Ind
ustrialPlastics社製)のシートでおお
い、次にそれぞれが10m1厚の金属粉末テープキャス
トシートの6層でおおった。圧縮の間にぎざぎざの端が
空気を取り込んでしまわないように角をきれいにそろえ
た。
もう1つのテトラ−フィルムシートをこの積層シートの
上に置き、次に2つ目のステンレス鋼プレートをのせた
。この金属プレート、テトラ−フィルムおよびテープキ
ャスト物質のサンドイッチ構造を75℃の加熱オーブン
に15分間入れた。予熱後、このサンドイッチ構造を加
熱プレートを有するカバープレス(Carver Pr
ess)上においた。圧縮温度は75℃であった。この
サンドイッチ構造を次に3000psi (211kg
/ cd)まで圧縮し、5秒間保った後6000psi
 (422kg/ cd)で5秒間、90口0ps1で
(633kg/ cd)で5秒間、12DOOpsi(
844kg/ cd)で5秒間、最後に250QOps
i (1758kg/cd)で15秒間圧縮した。次に
圧力を徐々に解放していき、このサンドイッチ構造を取
り出してステンレス鋼プレートとテトラ−フィルムをは
ずした。テープキャストシートは完全に積層されていた
d、封入 生のきん青石(2MgO2AΩ203 5Si02)セラミックモノリスを封入した。まず、ス
チールウールの層を生セラミツクモノリスのまわりに配
した。次に圧縮された多層積層テープキャストシートを
このスチールウールのまわりに巻いた。金属シートをテ
ープキャストするのに用いた組成の稀釈スラリーをつぎ
目に施すことによってシートの端を互いにシールした。
乾燥後、良好なシールが得られるまでこの工程を繰返し
た。
封入された製品が乾燥したら焼成して(アルゴン中15
0℃/時で1200℃まで加熱、2時間保った後、炉内
で放置して冷却)最終キャニスタ−成形品を得た。
実施例 2 実施例1の手順、および42.4gのアクリルポリマー
バインダー(MLCバインダー、 IE、 I。
duPont de Nemours and Com
pany)、10gの可塑剤(Monsanto 5a
nt1cizcr 180. Mon5anto Co
、)、54.5gの1.1.1トリクロロエタンの混合
物42.8g中の100g金属粉末のスラリーを用いて
シートをテープキャストした。得られたスラリーは70
vt%の固体を有していた。生のきん青石セラミックモ
ノリス(実施例1と同様)を封入し、封入された製品を
乾燥し、実施例1のように焼成した。
実施例 3 実施例1の手順、および実施例2と同様のバインダー/
可塑剤/トリクロロエタン混合物中のtoo gステン
レス鋼粉末(316L)のスラリーを用いてシートをテ
ープキャストした。得られたスラリーは70wt%の固
体を有していた。
このテープを既に焼成された押出金属(14%Feと8
6%AIの合金)ハニカムモノリスの周囲に巻き、得ら
れた物をアルゴン中1300℃で4時間焼成した。

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)その金属ケーシングが有機バインダーと混合され
    た焼結性粒状または粉末金属のシートから成る金属にく
    るまれた基体を含む製品であって、前記シートが前記製
    品の周囲に巻かれ、一体金属構造に焼成されることを特
    徴とする製品。
  2. (2)前記基体が焼結性粒状物質、ガラス、セラミック
    、ガラスセラミック、サーメットまたは金属粉末から形
    成されることを特徴とする請求項1記載の製品。
  3. (3)前記基体が、有機バインダーと混合された焼結性
    粒状または粉末金属のシートを焼成する前に生の形態で
    あることを特徴とする請求項2記載の製品。
  4. (4)前記基体が、有機バインダーと混合された焼結性
    粒状または粉末金属のシートを焼成する前に焼結される
    ことを特徴とする請求項2記載の製品。
  5. (5)前記基体がセラミックモノリシック支持体、セラ
    ミックハニカムモノリス、または金属ハニカムモノリス
    であることを特徴とする請求項1,2,3または4記載
    の製品。
  6. (6)前記焼結性粒状金属のシートがテープキャストシ
    ートまたは押出シートであることを特徴とする請求項1
    〜5のいずれか1項記載の製品。
  7. (7)前記シートが、約60〜80重量%固体を含む、
    粒状金属、バインダーおよび揮発性有機溶剤のスラリー
    からテープキャストしたものであることを特徴とする請
    求項6記載の製品。
  8. (8)前記粒状金属が鉄合金またはスチールであること
    を特徴とする請求項1〜7のいずれか1項記載の製品。
  9. (9)前記製品と焼結性粒状または粉末金属およびバイ
    ンダーのシートとの間に柔軟圧縮性物質の層を挿入する
    ことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項記載の製
    品。
  10. (10)前記柔軟圧縮性物質の層が、金属繊維、セラミ
    ック繊維メッシュおよび/またはマット、またはスチー
    ルウールから選ばれることを特徴とする請求項9記載の
    製品。
  11. (11)(a)前記基体を焼結性粒状金属およびバイン
    ダーのシートで巻き、そして(b)得られた巻き基体を
    一体金属構造に焼成することを特徴とする請求項1〜1
    0のいずれか1項記載の製品を製造する方法。
  12. (12)前記基体が、有機バインダーと混合された焼結
    性粒状または粉末金属のシートを焼成する前に焼結され
    ることを特徴とする請求項11記載の方法。
  13. (13)前記製品を約1000〜1300℃の温度で焼
    成することを特徴とする請求項11または12記載の方
    法。
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