JP2001524450A - セラミックハニカム体の焼成方法 - Google Patents
セラミックハニカム体の焼成方法Info
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Abstract
Description
と題する1997年12月2日に出願された米国仮特許出願第60/067,158号の特恵を主 張する。
は、扱いにくい高有機物含有バッチを含むセルラ型セラミック体を焼成する方法
に関する。
ルラ型セラミック体が、可塑化バッチを形成するための押出および成形助剤を含
む、様々な炭質材料と水をセラミック材料と混合することによりセラミック未焼
成体を調製し、この未焼成体を可塑化バッチの押出しによりハニカム形状のセラ
ミック未焼成体に形成し、このハニカム形状のセラミック未焼成体を焼成炉内に
おいて所定の温度で最終的に焼成することにより製造されている。
に、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール、
ステアリン酸アルカリ等のような、有機結合剤、可塑剤および潤滑剤が挙げられ
る。さらに、黒鉛のような他の炭質材料も細孔形成剤として前記バッチ中に含ま
れている。
なわち発熱反応であることが知られている。最初に、部材の表皮すなわち外側部
分で発熱反応が生じ、それによってセラミック体の外側部分がコアよりも熱くな
る最初の温度差が発生してしまう。その後、表皮すなわち外側部分の発熱反応が
沈静化し、発熱反応の生じる領域がセラミック体の内部に移動する。一般的な基
体は、良好な絶縁体であるセラミック材料、例えば、コージエライトからできて
おり、多数のチャンネルを含むセルラ型構造体を構成するので、伝導または対流
のいずれかによりそのセラミック体から熱を効果的に除去するのが困難である。
さらに、セルラ型構造のために、焼成雰囲気中のO2との結合反応を促進させる かなりの表面積があり、したがって、この内部の発熱効果を悪化させてしまう。
セラミック体はそれ自体、炭質材料の放出中に、正または負の温度差を示す。す
なわち、セラミック体のコアは、表面またはその近くのセラミックの温度よりも
高いか低い温度を示す。有機結合剤等のような炭質材料の場合には100℃から600
℃の温度範囲において、セラミック体が、例えば、黒鉛を含む場合には500-1000
℃の温度範囲において生じるこの発熱反応により、部材の内側と外側との間に著
しい温度差が生じてしまう。この部材中の温度差により、セラミック体中に応力
が生じ、それによって、その部材に亀裂が生じることもある。この現象は、大き
なセルラ型セラミック部材または多量の有機材料を含有する部材に関して特に当
てはまる。
れている。ある技術には、バーナーの燃焼のために過剰の空気を用いることによ
りバーナーの火炎温度を低下させ、火炎対製品の温度勾配が減少し、それに対応
して製品の加熱速度が遅くなる工程が含まれる。しかしながら、過剰な空気によ
って、有機物と反応し、それにより、放出を加速させ、内部の発熱反応を増大さ
せてしまう、望ましくないほど高い比率の酸素含有雰囲気が生じてしまう。
た焼成スケジュールにより、あるいは、窯中の特定の製品に注意深く適合させた
焼成スケジュールにより行わなければならない。炭質材料の放出に作用を及ぼす
ために単独窯中の雰囲気制御を用いることが一般的に知られている。例えば、米
国特許第4,404,166号(Wiech,Jr.)、同第4,474,731号(Brownlow等)、同第4,6
61,315号(Wiech Jr.等)および同第4,927,577号(オータカ等)を参照のこと。
これらの方法は単独窯中の使用に関しては十分に効果的であることが示されてい
るが、それらの方法は一般的には、焼成雰囲気中に周囲空気(20.9%の酸素)が
著しく流入するために、トンネル窯中において効果的であるとは考えられていな
い。
代替としてパルス焼成技術を使用することも開示されている。パルス焼成は、高
炎または低炎いずれかのバーナー出力条件のみを使用する工程を含み、多量の過
剰空気(酸素)を用いずに低加熱速度を実施する。例えば、高出力から低出力焼
成状体を交互に行うバーナーを有する炉を用いたセラミック形成体を焼成する方
法を開示しているヨーロッパ特許出願第0709638号を参照のこと。この焼成技術 の使用は、亀裂の発生が減少するので単独窯においていくぶん効果的であるが、
このパルス焼成技術は、トンネル窯において使用する場合に難問が生じてしまう
。トンネル窯の開放特性のために、別の手段により、その窯の有機物放出区域中
への周囲空気の流入を制御する必要がある。
、セラミックハニカム構造体を焼成するための、トンネル窯および単独窯の両方
に使用できる改良方法を提供することにより、従来技術の上述した問題を解決す
ることにある。
る方法を提供することにあり、この方法では、未焼成ハニカム構造体の内側部分
と外側部分を均一に焼成することにより、短時間で、亀裂の少ないセラミックハ
ニカム構造体を製造することができる。
焼成過程により特徴付けられる。第1の相は、焼成雰囲気中において未焼成ハニ
カム構造体を、該焼成雰囲気中にCO2の豊富なガスを導入しながら、前記炭質 材料の放出を開始し、十分に達成するのに十分な温度で十分な時間に亘り焼成す
る工程を含む。一度炭質材料が十分に放出されたら、第2の相は、前記未焼成ハ
ニカム構造体の焼成ハニカム体への転化を開始し、十分に達成するのに十分な時
間に亘り十分な温度で従来のようにさらに焼成する工程を含む。
り、一方でその雰囲気中に存在するO2が約10%であるような比率で導入される 。
結果、未焼成セラミック体の表皮とコアとの間の熱勾配が減少するので、熱変形
と亀裂がずっと少ない焼成コージエライトセラミック体が製造される。
カムセラミック構造体を製造する効果的な方法であって、該セラミックを、焼結
前に、CO2の豊富なガスを導入したために酸素が少ない雰囲気中で前記炭質材 料の放出を実質的に達成するのに十分な時間に亘り十分な温度まで焼成する工程
を含む方法を提供する。
の放出中に高酸素含有雰囲気に施すべきではないいかなるセラミック材料にも施
してもよい。典型的なセラミック材料の例としては、制限するものではなく、コ
ージエライトおよびアルミナ含有セラミックが挙げられる。
したように、これはそのセラミック材料に本発明を制限するものとして考えるべ
きではない。
有用なセラミックバッチの原料は、どのような適切な供給源から選択してもよい
。高純度粘土、タルク、シリカ、アルミナ、水酸化アルミニウムおよびマグネシ
ア(MgO)生成原料がそのようなセラミックに従来用いられ、ここでも満足で
ある。
好ましいバッチ材料は、粘土、タルク、およびアルミナであり、これら粘土は一
般的に、積重された様式よりもむしろ板状のカオリナイト粘土を構成する。板状
カオリンは、積重カオリナイト粘土の予備処理により製造しても、またはその粘
土を含有する原料バッチを、結晶積重体を小片に破砕する様式で処理しても差し
支えない。
は未焼成体への形成は、多数の既知の技術の内のいずれの1つにより行っても差
し支えない。コージエライト製品において望ましい多孔度に依存して、そのバッ
チを適切な結合剤と混合し、単にプレフォームの形状にプレスしても、またはホ
ットプレス法により形成してもよい。
品の商業的製造に関しては、好ましい成形技術は押出しである。押出しに適した
バッチ混合物は、乾燥バッチを適切な液体ビヒクルと混合することによりそのバ
ッチから調製することができる。このビヒクルは、そのバッチに可塑性成形適性
および焼成前に壊れないように成形後の十分な未焼成強度を与えるのに必要な炭
質押出助剤および水を含んでもよい。あるいは、その押出助剤は、セラミックバ
ッチ材料と混合されてもよい。
ロース、ポリビニルアルコール、ステアリン酸アルカリ、小麦粉末、デンプンペ
ースト、グリセリンおよびワックスを含む、約600℃未満の気化、酸化または分 解温度を有する液体または固体の炭化水素材料を含む。一般的に20-35%の水を 含有するこの種類のバッチは、押出しにより、非常に薄い壁寸法、すなわち、1
mm未満の壁を備えたプレフォームに容易に形成できるほど十分に可塑性である
。この可塑化されたバッチは、圧延またはプレス成形により都合よく形成するこ
とができ、次いで、圧延またはプレス成形された部材は、直接用いられるか、ま
たは焼成前により複雑な形状に組み立てられる。
木片、おがくずおよびデンプンを含む、細孔形成剤として使用するのに適した他
の炭質材料を含んでも差し支えない。
ト含有セラミック製品に転化するのに用いられる従来の焼成方法では、一般的に
、発熱放出のために外側表面すなわち外皮と内側すなわちコアとの間に温度差が
生じてしまう。この有機物または炭質材料の放出は、有機結合剤のような材料に
関しては約100-600℃の間の温度で、上述した黒鉛様材料に関しては約1000℃ま での温度で生じる。外側周辺すなわち表皮で発生する熱はより容易に消散される
が、セラミック体のコアにおいて発生する熱は、そのコージエライトセラミック
体の絶縁特性のために消散されないので、よりやっかいである。図1は、従来の
ように焼成されたコージエライトセラミックハニカム体の、典型的な望ましくな
い表皮/コア温度分布を示している。この温度差は、製造される焼成体が熱誘導
変形並びに焼成亀裂を示す傾向があるようなものである。セルラ体はより薄いセ
ル壁を有し、より大きいセル密度を示し、かつより多くの異なる有機結合剤と黒
鉛状材料がこれらのセルラ体の構造一体性(structual integrity)を維持するの に用いられるので、この現象はより増加しそうである。
、2相焼成過程において得られる。この過程では、未焼成ハニカム構造体は、焼
成雰囲気中において、CO2の豊富な雰囲気を炭質材料放出領域の焼成雰囲気中 に導入しながら、炭質材料の放出を開始し、十分に達成するのに十分な時間に亘
り十分な温度まで焼成される。炭質材料、例えば、結合剤の放出は、有機結合剤
の種類に依存して、約100-600℃の間で行われ、一方で、黒鉛は一般的に、約500
-1000℃の間で除去される。この炭質材料の放出相には、それ自体、一般的に、 そのセラミック体がある量の黒鉛を含有するか否かに応じて、第1の範囲より高
いまたは第2の範囲より高い第1の温度までの加熱が必要である。好ましくは、
前記焼成雰囲気が少なくとも約10%のCO2を、より好ましくは少なくとも約14 %のCO2を含有するように、CO2の豊富な雰囲気が窯中に導入される。
和は、炭質材料の放出において一般的に生じる発熱反応の抑制による。この発熱
反応の抑制の結果、温度差が減少し、セラミック部材が経験する熱応力が減少す
ることになる。発熱反応の抑制およびその結果としての温度差の概念における減
少に関して、この効果は、同時に起こる2つの機構によると理論付けられる。第
1に、焼成雰囲気中のO2が置き換えられ、それによって、セラミック体内に存 在する有機物と反応するのに利用できるO2の量が減少する。すなわち、発熱反 応C+O2→CO2+熱の発生が減少する。第2に、少ない発熱反応、すなわち、
C+O2→CO2反応よりも少なく熱を放出するC+CO2→COの反応が生じる 。
態を示す上面図である。この実施の形態において、トンネル窯10は、炭質材料放
出領域12、すなわち、放出領域を備え、焼結領域(図示せず)は、放出領域12の
下流に位置する。この放出領域は、炭質放出の約100-600℃の温度範囲を含む。 この放出領域には、上述したCO2の豊富なガスを導入するための多数の注入ポ ートを含む配管分配システムが設けられている。この注入ポートは、以下の位置
に配置されている:入口部14、燃焼バーナー16、底部(undercar)18、放出領域の
入口近くの屋根部20、放出領域の下流部分22および窯の側壁24。このトンネル窯
およびガス分配システム並びに導入ポートのより詳しい説明に関しては、ここに
引用する共に譲渡された同時係属の米国仮特許出願第60/067,615号を参照のこと
。炭質放出中に、外部で生成された(CO2雰囲気供給)CO2の豊富な雰囲気が
、いずれであろうと最も効果的および/または効率的なものであると経験的に決
定される、これらのCO2導入ポートのうちのいずれか1つまたはそれらの組合 せを通して炭質材料放出領域に導入される。
ク体を、未焼成セラミックハニカム構造体の、主結晶相がコージエライトである
焼成ハニカム体への転化を開始し、十分に達成するのに十分な温度で十分な時間
に亘りさらに加熱する。セラミック材料がコージエライト含有セラミックを含む
場合には、この目的には、1340-1450℃の範囲の温度が適している。
図した以下の詳細な実施例を参照することによりさらに理解されるであろう。
このバッチは、従来の粘土−タルク−アルミナバッチ含有成分(無機物)からな
り、標準的なトンネル窯焼成方法においては問題であることが一般的に分かって
いる、すなわち、許容できない亀裂の比率を示す製品が製造される傾向にある、
ある量の炭質材料、結合剤、可塑剤および潤滑剤を含んでいた。特に、このバッ
チは、92.8%の無機物および7.2%の有機物からなった。このバッチを完全にブ レンドして、均質なバッチを調製した。
、スタンフォード)中において乾燥バッチに水を加えることにより乾燥バッチ材
料から別々に調製した。全バッチ重量の約31%のレベルまで水を加え、バッチの
均質性を達成するのに十分な時間に亘り混合を続けた。この混合バッチを、直径
が5.66インチ(14.4cm)、長さが6.0インチ(15.2cm)、密度が400セル/平
方インチ(62セル/cm2)であるハニカム基体を形成するのに十分な圧力で押 し出した。
独窯中に配置した。熱電対を、未焼成セラミックハニカム基体の表皮の近くおよ
びコア内に配置した。純度が99%よりも大きいCO2を、窯のバーナーに亘り配 置されている4つの開口部を通してその窯中に注入した。
コアと表皮両方の生じた温度を列挙している。このセラミックの実施例および窯
の形状に関して生成されたデータは、本発明の焼成方法を用いて得られるコア/
表皮の温度分布および雰囲気条件を示している。図3および4にその結果が示さ
れている表Iを見ると、最初に、焼成雰囲気のCO2濃度が約2%(1.1%から2.
8%までの範囲)に維持され、O2濃度が約14%から約16%までの範囲に及ぶ間に
、未焼成コージエライト体が1.33時間に亘り室温から約265℃まで加熱されたこ とが分かる。未焼成セラミック基体の実施例の温度差が、−77℃(表皮の温度の
ほうが高い)から+6℃(コアの温度のほうが高い)まで減少した。これは、発
熱性の炭質材料放出反応の開始を表すものであると考えられた。次に、CO2濃 度を2.5%から20%まで徐々に増加させながら、約2.33時間に亘り265℃から283 ℃までの間の温度にこのセラミック基体を維持した。このCO2濃度の変化によ り、O2の濃度は9.5%から13.1%までの範囲に及んだ。この温度の保持期間の最
中に、コージエライトセラミック基体の温度差は、最初に+6℃から最大の+21
℃まで増加し、次いで、−1℃まで減少したことに留意されたい。
たことを示している。これは、CO2には炭質材料放出発熱反応に抑制効果があ ることを示すものと考えられた。このセラミック体に関して、これらの窯の条件
下では、約14%のCO2を含む焼成雰囲気が、この発熱反応抑制効果を開始する のに必要であったように思われることに留意されたい。次いで、焼成雰囲気中の
CO2濃度が20%以上に維持されていた3.67時間から4.83時間までの期間に亘り このセラミック体の温度を336℃まで上昇させた。ここでも、セラミック体の温 度差が、約−1℃から−7℃までの間に維持され、このことは、発熱反応がまだ
抑制されており、著しく遅延されたことを示すことに留意されたい。この基体の
実施例の温度が約400℃よりも高い温度に増大された約4.83時間から8.83時間ま で、焼成雰囲気中のCO2の濃度は約12%まで減少し、−7℃から+23℃まで温 度差が増加した。温度差が著しく増加し、このことは、一度焼成雰囲気中のCO 2 濃度が14%未満まで減少したら、炭質材料の放出による発熱反応が再度開始し たことを示すことに留意されたい。
状および使用した焼成スケジュールを含む、数多くの要因に依存して異なること
に留意すべきである。発熱反応抑制効果を開始するのに必要な焼成雰囲気中に必
要とされるCO2の濃度それ自体は、各々のセラミック/窯の系に関して実験的 に決定すべきである。
図1の温度分布と図3の温度分布を比較すると、セラミックハニカム体の上述し
た焼成方法は、セラミック体の内側部分と外側部分との間の温度差を示し、この
ことは、熱変形および熱的に導入される亀裂のない焼成セラミックハニカム構造
体を製造するためにいっそう助けになることが明らかである。
との間の温度差を示すグラフ
用いることのできる装置の概略図
間の温度変動およびCO2とO2の雰囲気濃度を示すグラフ
間の温度変動およびCO2とO2の雰囲気濃度を示すグラフ
Claims (19)
- 【請求項1】 セラミックハニカム構造体を製造する方法であって、 焼成セラミックハニカムを生成できる所定の量の焼結可能な原料を含むバッチ
混合物を配合し、 該原料を効果的な量の炭質材料としっかりとブレンドして、可塑性混合物を調
製し、 前記原料を未焼成ハニカム構造体に形成し、その後、該未焼成ハニカム構造体
を乾燥させ、 焼成雰囲気中の前記未焼成ハニカム構造体を、該焼成雰囲気中にCO2が豊富 な雰囲気を導入しながら、前記炭質材料の放出を開始し、十分に達成するのに十
分な温度で十分な時間に亘り焼成し、 該未焼成セラミックハニカム構造体の焼成ハニカム体への転化を開始し、十分
に達成するのに十分な時間に亘り十分な温度で加熱する、 各工程を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項2】 前記バッチ混合物が、各々が効果的な量で該バッチ中に含ま
れる、カオリン粘土、タルク、アルミナおよび他のコージエライト形成材料の混
合物を含み、他の原料と組み合わせたときに、主結晶相がコージエライトである
焼成ハニカム体を生成できることを特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 前記炭質材料が、約600℃未満の気化、分解または蒸発温度 を有する液体もしくは固体の炭化水素炭質材料を含むことを特徴とする請求項2
記載の方法。 - 【請求項4】 前記炭質材料が高分子結合剤を含むことを特徴とする請求項
3記載の方法。 - 【請求項5】 前記炭質材料が炭化水素油またはワックス結合剤を含むこと
を特徴とする請求項3記載の方法。 - 【請求項6】 前記炭質材料が黒鉛を含むことを特徴とする請求項1記載の
方法。 - 【請求項7】 前記CO2が豊富な雰囲気が、それによって、得られた焼成 雰囲気が前記炭質材料の放出の一部の最中に少なくとも約10%のCO2を含む流 量で導入されることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 【請求項8】 前記CO2が豊富な雰囲気が、それによって、得られた焼成 雰囲気が前記炭質材料の放出の一部の最中に約12%未満のO2を含む流量で導入 されることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 【請求項9】 前記CO2が豊富な雰囲気が、それによって、前記焼成雰囲 気が前記炭質材料の放出の一部の最中に約10%未満のO2を含む流量で導入され ることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 【請求項10】 焼成ハニカム体を生成できる、ある量の炭質材料を含む、
所定の量の焼結可能原料を含有する未焼成セラミックハニカム構造体を焼成する
方法であって、 該未焼成ハニカム構造体を焼成雰囲気中で、該焼成雰囲気中にCO2が豊富な 雰囲気を導入しながら、前記炭質材料の放出を開始し、十分に達成するのに十分
な温度で十分な時間に亘り焼成する、 工程を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項11】 前記未焼成セラミックハニカム構造体の焼成ハニカム体へ
の転化を開始し、十分に達成するのに十分な時間に亘り十分な温度で焼成する工
程を含むことを特徴とする請求項10記載の方法。 - 【請求項12】 前記焼結可能な原料が、各々が効果的な量で含まれる、カ
オリン粘土、タルク、アルミナおよび他のコージエライト形成材料の混合物を含
み、他の原料と組み合わせたときに、主結晶相がコージエライトである焼成ハニ
カム体を生成できることを特徴とする請求項10記載の方法。 - 【請求項13】 前記炭質材料が、約600℃未満の気化、分解または蒸発温 度を有する液体もしくは固体の炭化水素炭質材料を含むことを特徴とする請求項
10記載の方法。 - 【請求項14】 前記炭質材料が高分子結合剤を含むことを特徴とする請求
項13記載の方法。 - 【請求項15】 前記炭質材料が炭化水素油またはワックス結合剤を含むこ
とを特徴とする請求項13記載の方法。 - 【請求項16】 前記炭質材料が黒鉛を含むことを特徴とする請求項10記
載の方法。 - 【請求項17】 前記CO2が豊富な雰囲気が、それによって、得られた焼 成雰囲気が前記炭質材料の放出の一部の最中に少なくとも約10%のCO2を含む 流量で導入されることを特徴とする請求項10記載の方法。
- 【請求項18】 前記CO2が豊富な雰囲気が、それによって、得られた焼 成雰囲気が前記炭質材料の放出の一部の最中に約12%未満のO2を含む流量で導 入されることを特徴とする請求項12記載の方法。
- 【請求項19】 前記CO2が豊富な雰囲気が、それによって、得られた焼 成雰囲気が前記炭質材料の放出の一部の最中に約10%未満のO2を含む流量で導 入されることを特徴とする請求項12記載の方法。
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