JPH03271152A - セラミック焼結体の製造方法 - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野コ 本発明はセラミック焼結体の製造方法に関する。

［従来の技術］ 例えば、ディーゼルエンジン等の内燃機関における排気
ガス浄化装置においては、排気ガス中のカーボン煤等を
濾過すると共に、これらを酸化分解する触媒を担持する
フィルターが設けられている。第１，２図に示すように
、このフィルターは、微細な開放気孔を多数有する多孔
性材料を使用して形成され、円柱形状で、かつその軸方
向に延びる貫通孔（セル）２が１平方インチあたり１０
０〜２００個程度形成されてなるハニカム構造体１であ
る。

従来、係るハニカム構造体は、ムライト、コージェライ
ト、炭化珪素等のセラミック粉末に有機樹脂バインダー
及び分散溶媒としての水を配合してなる原料組成物をハ
ニカム状に成形し、この成形体に加熱乾燥、又は減圧乾
燥等を施すことにより、成形体中から水分を除去した後
、セラミック粉末を焼結させて製造されている。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、含水状態にある成形体に対し、そのまま加熱
乾燥や減圧乾燥を施すと、成形体の表面と内部とにおけ
る水分蒸発速度のアンバランスから乾燥収縮による歪み
が生じ、成形体の表面には、第３図に示すような粗大な
亀裂（マクロクラック）３が生ずることがあった。

これに対し、上述のようなマクロクラックの発生を未然
に防止するため、含水状態にある成形体を一旦冷凍庫中
で凍結させ、その後、減圧乾燥を施すことにより、凍結
された水分を昇華させて除去する乾燥方法が本発明者ら
により検討されている。

しかし、この方法においては、前述の如きマクロクラッ
クの発生は見られなかったものの、第４図に示すように
、ハニカム構造体ｌの格子状に形成されたセル壁４に、
その格子点付近において星型の微細な亀裂（ミクロクラ
ック）５が発生するという問題があった。たとえ、この
ように微細な亀裂であっても、焼成によってそれが治癒
されるということはなく、焼結体の機械的強度、ひいて
は排気ガス浄化フィルターとしての耐久性を低下させる
原因となっていた。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、その目的
は、成形体の形状の如何にかかわらず、含水状態にある
成形体の乾燥工程におけるクラックの発生を未然に防止
して、焼成後の焼結体の機械的強度等を低下させること
なく、堅牢な焼結体を得ることができるセラミック焼結
体の製造方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段及び作用コ上記課題を解決
するために本発明においては、セラミック粉末にバイン
ダー及び水を配合してなる原料組成物から成形した成形
体を、水との親和性に富み、かつ水よりも揮発性の高い
溶剤中に浸漬することにより、成形体中の水分の少なく
とも一部を溶剤と置換しつつ、この溶剤を成形体中に含
浸させ、続いて、該成形体に乾燥を施すことにより、成
形体中に残存する水分を除去し、その後、焼成すること
によりセラミック焼結体を製造している。

この方法によれば、含水状態の成形体を、水との親和性
に富み、かつ水よりも揮発性の高い溶剤中に浸漬するこ
とにより、水と溶剤との間の浸透現象に基づき、成形体
中から溶剤中に水分が吸い出され、一方で成形体中に溶
剤が浸透する。それ故、成形体はほとんど収縮又は膨張
されることなく、その含有する水分が溶剤と置換される
ため、成形体にクラックを生じることなく、成形体中か
ら水分の一部が除去される。

成形体中に浸透した前記溶剤は、水と混合して共沸混合
物となり、見掛は上水の沸点を下げる。

それ故、続く乾燥工程では、特に強力に加熱、又は減圧
を施さずとも、緩慢な乾燥条件で十分に成形体を均一に
乾燥させることができ、クラック等の問題を生じない。

さて、本発明における原料組成物は、セラミック粉末に
少なくともバインダー及び水を配合してなるものである
。

本発明を適用可能なセラミックとしては、炭化珪素、炭
化ホウ素、窒化珪素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、
酸化アルミニウム、酸化ジルコニラム、ムライト、コー
ジェライト、チタン酸アルミニウム、ホウ化ジルコニウ
ム、サイアロン等があげられ、各セラミックは粉末状に
て、単独又は二種以上混合して使用される。特に、本発
明を適用するセラミックが、例えば炭化珪素のように、
焼成前の成形体の良否が焼成後の焼結体の機械的強度等
の物性に多大な影響を及ぼすものである場合には、非常
に有益である。

前記バインダーとしては、例えば、フェノール樹脂、リ
グニンスルホン酸塩、ポリビニルアルコール、メチルセ
ルロース、カルボキシメチルセルロース、プロピレング
リコール、コンスターチ、糖蜜、コールタールピッチ、
アルギン酸塩等の各種有機物質があげられ、単独又は二
種以上混合して使用される。尚、バインダーの選択にあ
たっては、後述する溶剤との関係に留意する必要があり
、使用するバインダーは溶剤によって容易に溶解されな
いものであることが好ましい。

バインダーの配合割合は、一般にセラミック粉末１００
重量部に対し、５〜５０重量部の範囲が好ましい。この
配合割合が５重量部未満では、成形体を成形することが
できず、５０重量部を超えると、焼結体の機械的強度を
低下させる等の不都合を生じる。

前記水の配合割合は、セラミック粉末１００重量部に対
し、１０〜５０重量部の範囲が好ましい。

こ゛の配合割合が１０重量部未満では、セラミック粉末
を均一に分散して原料組成物を混練することができず、
５０重量部を超えると、原料組成物の粘度を必要以上に
低下させ、成形に支障を来す。

また、乾燥時間を長くする一因となる。

上記原料組成物は、ヘンシェルミキサー等で十分に混練
して調整され、押し出し成形等によって所望形状に成形
される。そして、この成形体はそのまま、水との親和性
に富み、かつ水よりも揮発性の高い溶剤中に浸漬される
。

この溶剤としては、アセトン、メチルエチルケトン等の
ケトン系有機溶剤、メチルアルコール、エチルアルコー
ル等のアルコール系有機溶剤、ジメチルエーテル、ジエ
チルエーテル等のエーテル系有機溶剤等があげられ、こ
れらは単独又は二種以上混合して使用される。

溶剤の使用量は、成形体全体が完全に浸漬されることを
条件として、成形体の体積の５倍以上の量を使用するこ
とが好ましい。この場合において、成形体の浸漬時間は
、１０〜６０分の範囲であることが好ましい。この浸漬
時間が１０分未満では、成形体中への溶剤の浸透が不十
分となって乾燥工程におけるクラックの発生を十分に防
止することができず、６０分を超えると、溶剤によって
成形体の全体形状が崩される虞れが生ずる。

一方、溶剤中から取り出された成形体には、乾燥が施さ
れ、成形体中に残存する水分が一部の溶剤と共に除去さ
れる。この際の乾燥方法は、減圧乾燥であることが好ま
しい。

その理由は、常圧加熱乾燥によると、熱が供給され易い
成形体表面からの乾燥が促進され、成形体の表面と内部
とで乾燥速度差が大きくなり、クラックが生じ易いから
である。減圧乾燥は通常、常温にてなされるが、４０℃
以下であれば、成形体にクラックが発生する虞れがない
ため、加熱して乾燥を促進してもよい。尚、常圧加熱乾
燥であっても、成形体が均一な温度分布となるようにコ
ントロールすれば、クラックを生じることなく乾燥可能
である。

乾燥終了後の成形体は、必要に応じて脱脂された後、使
用した原料セラミックの焼成条件に応じて焼成される。

仮に、原料セラミックが炭化珪素である場合、３００〜
７００℃の温度にて、成形体中に残留する溶剤及びバイ
ンダーを十分に分解脱脂し、その後、２０００℃以上の
温度にて焼成することが好ましい。

このようにして、クラックのないセラミック焼結体が製
造される。

また、本発明によれば、前記水との親和性に富み、かつ
水よりも揮発性の高い溶剤は、予め０°Ｃ未満に冷却さ
れており、成形体は減圧乾燥工程を経て焼成されるもの
であってもよい。

これにより、成形体を前記溶剤中から取り出して乾燥機
に移す際、成形体表面からの溶剤の揮発が抑制され、成
形体表面でのクラックの発生が抑えられる。

本発明によれば、前記セラミック焼結体を、多孔質のハ
ニカム構造体とすることは好ましい。

その理由は、成形体の形状を複雑なハニカム形状として
も、本来得られるべき機械的強度を低下させることがな
く、排気ガス浄化装置のフィルターとして極めて好適な
セラミック焼結体を得ることができるからである。

［実施例及び比較例］ 以下に、本発明を内燃機関の排気ガス浄化装置に使用す
るハニカムフィルターに具体化した実施例を比較例と対
比させて説明する。

（実施例） 平均粒径が０．２８μｍであって、９６，２％がβ型結
晶からなる炭化珪素微粉末１００重量部に対し、メチル
セルロース５重量部、プロピレングリコール５重量部及
び水２５重量部を配合し、ヘンシェルミキサーで均一に
混合して原料組成物を調製した。そして、真空押出機を
使用して、第１．２図に示すように、円柱形状の軸方向
に多数の貫通孔（セル）２が形成されたハニカム成形体
１を成形した。このハニカム成形体１は、直径１４０ｍ
ｍ、長さ１４０＋ｎｍ、セル壁４の厚さ０．４５ｍｍ、
セルピッチ１．９５ｍｍ、セル数１８０セル／平方イン
チのものであり、その重量は約２２００ｇ１水分含有率
は約１８〜２０重量％である。

次いで、この成形体を比重０．７９ｇ／ｃｎｒのアセト
ン１１０００ｇ（温度１５°Ｃ）中に約３０分間浸漬し
た。そして、該成形体をアセトン中から取り出して、セ
ル中に残留しているアセトンを高圧空気を吹きつけて除
去した。この時の成形体中の水分含有率は約４．７重量
％であった。

その後、この成形体を真空乾燥機に挿入し、０゜１〜１
．０Ｔｏｌｌの減圧状態を２４時間保持して乾燥を行っ
た。尚、この間、真空乾燥機内の温度を約４０℃に制御
した。

続いて、減圧乾燥された成形体をタンマン型焼成炉に挿
入し、■気圧のアルゴンガス雰囲気下、昇温速度１°Ｃ
／ｍｉｎ、にて昇温を開始し、７００℃にて６０分間保
持して成形体を脱脂した。その後、昇温速度２．５℃／
ｍｉｎ、にて２２００℃まで昇温し、この温度にて４時
間焼成を施して、ハニカム状の多孔質炭化珪素焼結体を
作製した。

この焼結体は、直径１３６ｍｍ、長さ１３６ｍｍ。

セル壁厚さ０．４３ｍｍ、セルピッチ１．９０ｍｍ。

セル数１８０セル／平方インチのハニカム形状を維持し
ており、その表面、内部共に、マクロクラック、ミクロ
クラックのいずれのクラックも観察されなかった。また
、水中投下法にて温度差３゜０℃の熱衝撃を負荷しても
クラックの発生は認めらず、強固なものであった。

（比較例） 前記実施例と同様にして、形状、重量、水分含有率共に
ほぼ同じハニカム成形体１を成形した。

そして、この成形体をアセトン中に浸漬することなく、
そのまま真空乾燥機に挿入し、前記実施例と同様にして
減圧乾燥を施した。この乾燥によって成形体表面には、
若干のクラックが発生した。

続いて、この成形体をタンマン型焼成炉に挿入し、前記
実施例と同様にして焼成を施してハニカム状の多孔質炭
化珪素焼結体を作製した。

この焼結体は、直径１３６ｍｍ、長さ１３６ｍｍ、セル
壁厚さ０°４３ｍｍ、セルピッチ１．９０ｍｍ、セル数
１８０セル／平方インチのハニカム形状を維持していた
が、その表面にはマクロクラックが多数観察された。ま
た、前記実施例同様、水中投下法にて温度差２００℃の
熱衝撃を負荷したところ、焼結体が一部崩壊した。

前記実施例と比較例とを比較して明らかなように、前記
実施例によれば、形状の複雑なハニカム構造体であって
も、その表面や内部のセル壁４等にクラックのない乾燥
成形体を得ることができる。

そして、焼成後においても熱衝撃に強い焼結体を得るこ
とができる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、成形体の形状の如
何にかかわらず、含水状態にある成形体の乾燥工程にお
けるクラックの発生を未然に防止して、焼成後の焼結体
の機械的強度等を低下させることなく、堅牢な焼結体を
得ることかできるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を具体化したハニカム構造体の正面図、
第２図は第１図のＡ−Ａ線における部分断面図、第３図
はハニカム構造体の表面にマクロクラックが入った状態
を示す斜視図、第４図はハニカム構造体の内部にミクロ
クラックが入った状態を示すセル壁の部分拡大図である
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　セラミック粉末にバインダー及び水を配合してなる
   原料組成物から成形した成形体を、水との親和性に富み
   、かつ水よりも揮発性の高い溶剤中に浸漬することによ
   り、成形体中の水分の少なくとも一部を溶剤と置換しつ
   つ、この溶剤を成形体中に含浸させ、 続いて、該成形体に乾燥を施すことにより、成形体中に
   残存する水分を除去し、その後、焼成することを特徴と
   するセラミック焼結体の製造方法。 ２　前記水との親和性に富み、かつ水よりも揮発性の高
   い溶剤は、ケトン系有機溶剤、アルコール系有機溶剤、
   又はエーテル系有機溶剤から選択されるいずれか少なく
   とも一種であることを特徴とする請求項１に記載のセラ
   ミック焼結体の製造方法。 ３　前記乾燥は減圧乾燥であることを特徴とする請求項
   １又は２に記載のセラミック焼結体の製造方法。 ４　前記水との親和性に富み、かつ水よりも揮発性の高
   い溶剤は、予め０℃未満に冷却されていることを特徴と
   する請求項３に記載のセラミック焼結体の製造方法。 ５　前記セラミックは、炭化珪素、炭化ホウ素、窒化珪
   素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム
   、酸化ジルコニウム、ムライト、コージェライト、チタ
   ン酸アルミニウム、ホウ化ジルコニウム、サイアロンか
   ら選択されるいずれか少なくとも一種であることを特徴
   とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のセラミッ
   ク焼結体の製造方法。 ６　前記セラミック焼結体は、多孔質のハニカム構造体
   であることを特徴とする請求項５に記載のセラミック焼
   結体の製造方法。