JP2007504019A - セラミック材料を押出すための方法及び装置 - Google Patents

セラミック材料を押出すための方法及び装置 Download PDF

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Abstract

異粒子及び凝集バッチ材料を除去するためのくさび形フィルタワイヤを有するフィルタスクリーンを通して可塑化セラミックバッチ材料を押出すことによって薄壁ハニカムセラミック基体を製造するための方法が提供される。フィルタワイヤはフィルタワイヤに実質的に垂直に取り付けられた一組の支持体ワイヤによって支持される。支持体ワイヤも有利にくさび形とすることができる。発明のフィルタスクリーンは、一般にホウ化物または窒化物の、耐摩耗層をスクリーンの表面に有することができる。耐摩耗被膜はニッケルベース被膜とすることもできる。

Description

本発明はセラミック材料の押出方法に関し、さらに詳しくは、ハニカムセラミック基体の押出中の可塑化セラミックバッチ材料の濾過方法に関する。
無機物粉末及び適する結合剤の可塑化混合物から複雑な断面をもつ構造体を押出す方法がガードナー(Gardner)等の特許文献1に開示されている。この方法において、無機物のクレー、タルク及びアルミナの粉末を含むコーディエライトバッチ混合物が有機結合剤及び水と組み合わされ、得られた混合物が押出機内で可塑化される。次いで可塑化バッチ混合物が押出機の終端に取り付けられたハニカム押出ダイに送られる。得られたハニカム基体には、液体金属フィルタ基材として及び排出物制御デバイスとしての、いずれも工業用途における、特に自動車工業において自動車の触媒コンバータへの、重要な用途がある。
コーディエライトハニカム基体は、ある程度はコーディエライトセラミックの高い耐熱衝撃性により、自動車の触媒コンバータのための触媒活性成分を支持するための基体として使用するのに長く好まれてきた。クレー及びタルクのような、マグネシウム源、アルミニウム源及びケイ素源を含有する無機質バッチからのコーディエライト(2MgO・2Al・5SiO)セラミックの作成がよく知られている。そのようなプロセスは特許文献2に説明されている。特許文献3は、クレー/タルクバッチを押出し、押出物を焼成して、少なくとも1つの軸に沿って極めて低い膨張係数を有するセラミックを提供することによる、クレー/タルクバッチから耐熱衝撃性コーディエライトハニカムセラミックの製造を開示している。
ますます厳格になる大気清浄化規制により、ガソリンエンジン及びディーゼルエンジンのような排出源の汚染排出物を低減するために用いられる触媒コンバータの効率をさらに高めることが要求されている。この要求が厳しくなってきたために、ハニカム基体に含まれる個々のセル間の壁(ウエブ)が極端に薄いハニカムセラミック触媒コンバータ基体を開発することに至った。
製造業者は、触媒担体としての実用性を高めるため、コーディエライト基体の特性の最適化に日夜努力している。特に、製造業者はウエブすなわち壁の寸法がさらに一層小さいコーディエライトハニカム基体の開発に絶えず努力している。非常に薄いウエブを有するコーディエライト単一体に対する需要は、自動車市場に対して触媒コンバータにおけるより高い変換効率を要求する規制に応じて増大し続けている。ウエブが薄いほど基体の重量が減り、その結果、降温時間が短くなる。さらに、基体重量を増やさずにより広い幾何学的表面積を達成することができる。薄壁基体の別の利点はより低い背圧を達成できることである。
しかし、ウエブが非常に薄いハニカム基体の作成はより一般的な形状寸法を有する基体と比べて非常に困難である。ウエブ壁厚が約0.004インチ(0.01cm)より薄いセラミックハニカムの作成に通常の押出機を用いると、セル形押出物のウエブに許容し得ないほど多数の割れ目(すなわち、セラミック材料が全く含まれていない領域)が押出物に見られることがわかった。セラミック材料のこれらの割れ目は、押出材料からの1つまたはそれより多くの粒子が押出ダイの通路を塞いでバッチの流れを制限する領域を生じる結果であると考えられる。割れ目の数は通路幅が狭くなるにつれて増加し、通路幅が十分に狭ければ、塞がれたセルの数が非常に多くなるため、押出物は結合を保てず、むしろ押出品はバッチ材料の多数の細いストランドからなる。したがって、押出されるバッチ材料に大きな粒子及び凝集バッチ材料が事実上無いことを保証する必要がある。
標準的押出プロセスにおいて、バッチ材料に含まれる大粒子及び凝集バッチ材料は押出ダイの上流でバッチ材料を濾過することで除去される。濾過は、バッチ材料に1つまたは複数の押出スクリューとダイの間におかれた金網スクリーンを通過させることによって達成されることが多い。しかし、極めて薄いセル壁及びスクリーンに課されるメッシュの一層の微細化の要求の結果、押出機の圧力が高められる。この高められた圧力によって、押出機の停止または損傷がおこり得るし、個々のセル壁の形状寸法の劣悪化も生じ得る。
濾過プロセスが原因の別の難点は、バッチの粘度の変化を生じる、可塑化混合物内での熱の発生である。そのような熱発生は不均一であり、押出ダイに送られるバッチのいくつかの部分は比較的固くなって押出しが困難になり、他方でバッチのより柔らかい部分はより速く押出されるであろう。
工業界は、生産を増やし、押出セラミックハニカム基体の製造費用を低減することに努力してきたので、セラミックバッチ材料の押出速度を高めるための手段にかなりの努力が集中されてきた。残念なことに、より高い押出機の動作速度の使用によって生産を増やそうとする試みは、フィルタスクリーンにかかる大きな圧力差のため、押出機圧力を高める結果になり得る。この高められた圧力差は、フィルタスクリーンによるバッチ材料の流れに対する抵抗によって生じ得る。バッチ材料の流れに対する抵抗は、高められ、おそらくは不均一な、バッチ材料のコア温度の原因でもある。
米国特許第4551295号明細書 米国特許第2684919号明細書 米国特許第3885977号明細書
本発明の課題はセラミックハニカム基体の押出機においてフィルタスクリーンにかかる圧力差を低減し、よって改善された薄壁セラミックハニカム基体製造手段を提供することである。
本発明の一態様は、可塑化セラミックバッチ材料を供給する工程、くさび形のフィルタワイヤを有するフィルタスクリーンを通して可塑化バッチ材料を濾過する工程及び濾過されたバッチ材料を押出してセラミックハニカム基体を形成する工程を含む、セラミックハニカム基体の製造方法に関する。
フィルタワイヤの平表面がバッチ材料の押出方向に対向することが好ましく、フィルタワイヤの頂点がバッチ材料の押出方向に対向することがさらに好ましい。フィルタワイヤの頂点をバッチ材料の流れに対向する方向におくことにより、フィルタスクリーンの材料摩耗及び歪みの低減を達成できる。
フィルタワイヤは支持体ワイヤによって支持され、支持体ワイヤは実質的に垂直な態様でフィルタワイヤに取り付けられる。支持体ワイヤはフィルタワイヤと同じ断面を有していてもいなくとも差し支えない。支持体ワイヤはくさび形の断面を有することが好ましい。支持体ワイヤの頂点がフィルタワイヤの頂点に取り付けられることが好ましく、支持体ワイヤの頂点がフィルタワイヤの平表面に取り付けられるか、またはフィルタワイヤの頂点が支持体ワイヤの平表面に取り付けられることがさらに好ましい。
流れるバッチ材料がおこす摩滅によるフィルタスクリーンの摩耗を低減するため、フィルタスクリーンはスクリーンの外表面に耐摩耗層を有することが好ましい。耐摩耗層は、薄膜の化学蒸着法またはプラズマ蒸着法のような通常の方法によるか、あるいはホウ素ガスによるようなガス拡散法によって、設けることができる。フィルタスクリーンはホウ化物または金属窒化物を含む耐摩耗層を有することが好ましく、あるいは耐摩耗層はニッケルベース被膜とすることができる。
本発明の別の態様において、押出機が開示され、押出機は、入力端及び出力端を有する押出機バレル、押出機バレル内に回転可能なように取り付けられた少なくとも1本のスクリュー、少なくとも1本のスクリューを回転させるための押出機バレルの入力端にあるモーター、バレルの出力端に取り付けられた押出ダイ、及びバッチ材料を濾過するための押出ダイの上流に取り付けられたくさび形のフィルタワイヤを有するフィルタスクリーンを備える。
セラミックバッチ材料を押出ダイの上流で濾過するために用いられるフィルタスクリーンは、バッチを押出ダイに押し通す前に、可塑化バッチから大粒子汚染物及び凝集バッチ材料を除去するように設計される。「上流」は、ある点(この場合は押出ダイ)から押出し中のバッチ材料の流れの方向とは逆の方向に離れていることを意味する。逆に、「下流」はバッチ材料の流れの方向と同じ方向を指す。とりわけ、触媒コンバータの製造に用いられるハニカムセラミック基体のウエブをますます薄くするため、対応して、従来用いられていたフィルタスクリーンに対してさらに目の細かいメッシュが必要となった。メッシュを細かくするほど、1つまたは複数の押出スクリューによるバッチ材料を押して網を通す時の押出圧が高くなり、セル壁をますます薄くしてハニカムセラミック基体を作成できる能力が阻害される。高押出圧により押出機の停止または損傷がおこり得るし、非連結セラミック構造体の発生も増加し得る。すなわち、連続し、交差するセル壁すなわちウエブを形成する押出機の能力が阻害され得る。従来技術のプロセスでは、図1に示されるフィルタスクリーンのような微細メッシュ金網フィルタスクリーンが用いられてきた。本発明は、押出圧を過剰に増大させずにバッチ材料から粒子を除去する、薄壁セラミック基体の製造方法に関する。本発明は、押出機全体の再設計またはバッチ材料の配合変更にかかわる費用に比べて低費用の、押出機における差圧を低減するための代替手段を提供する点で有利である。
くさび形のフィルタワイヤを有するフィルタスクリーンを備えた、薄壁ハニカムセラミック基体を製造するための装置も提供される。くさび形は、ワイヤが閉じた「V」字形または三角形になっていることを意味する。フィルタワイヤを支持するワイヤはフィルタワイヤと異なる断面を有し得るが、支持体ワイヤもくさび形であることが好ましい。
図2に示される本発明の一実施形態において、フィルタスクリーン10は複数本のフィルタワイヤ12を有し、フィルタワイヤ12は隣り合うフィルタワイヤ12の間に狭い空間が存在するように複数本の支持体ワイヤ14に取り付けられる。フィルタワイヤ12は、例えば溶接によって、支持体ワイヤ14に取り付けることができる。フィルタワイヤ12はそれぞれのフィルタワイヤ12の軸線に垂直な面に沿うくさび形の断面を有する。フィルタワイヤ間の最近接点における間隔は、約0.002インチ(0.0051cm)と0.015インチ(0.038cm)の間であることが好ましく、約0.002インチと0.008インチ(0.02cm)の間であることがさらに好ましい。選ばれる間隔は、押出される基体の壁を形成する押出ダイのスロット幅に依存する。一般に、フィルタワイヤ間隔は押出ダイスロット幅の約66%と75%の間になるように選ばれる。フィルタワイヤ12及び支持体ワイヤ14の断面は異なってもよい。支持体ワイヤ14はくさび形断面を有することが好ましい。フィルタワイヤ12と支持体ワイヤ14は互いに概ね垂直に取り付けられることが好ましい。フィルタワイヤ12は、それぞれのフィルタワイヤ12の頂点が支持体ワイヤ14に取り付けられるように配置されることが好ましい。
図3はバレル20内に少なくとも1本の押出機スクリュー18を有するスクリュー区画を備える例示的押出機16を示し、少なくとも1本の押出機スクリュー18はバレル20の入力端にあるモーター22によって駆動される。押出機16は図3に示されるように2本のスクリュー18を備えることが好ましい。バレル20には、混合され、可塑化されるべきバッチ材料を押出機16内に導入するための投入ポート24が設けられている。スクリュー区画の下流に配置されるミキサープレート26は押出機バレル20の出力端に取り付けられたカートリッジ28内に収められる。ミキサープレート26は可塑化されたバッチ材料をさらに混合し、均質化する。カートリッジ28内にはフィルタスクリーン10及びフィルタ支持体30も配置され、いずれもスクリュー区画に押し込まれるバッチ材料の流れ方向32に関してミキサープレート26の上流に配置される。フィルタスクリーン10はフィルタ支持体30に取り付けられてフィルタ集成体34を形成する。図4及び5に示されるように、複数のスロットまたはチャネル36を有するフィルタ支持体30が形成されることが好ましい。チャネル36はフィルタ支持体30の周縁と同心の円に沿っていてもよいが、チャネル36はフィルタ支持体30の弦に亘って延在する直線状であることが好ましい。チャネル36は平行であることが好ましい。チャネルはフィルタ支持体30の厚さを貫通しない。フィルタ支持体30はさらに、それぞれのチャネル内に配された複数の開口38を有し、開口38はフィルタ支持体30の厚さを貫通する。開口38は円形であることが好ましく、開口38は図6に示されるようにチャネル36と同様の形状のスロットであることがさらに好ましい。フィルタスクリーン10は、フィルタ支持体30に対してあらかじめ定められた向きにフィルタスクリーン10を配置及び/または維持する目的のため、フィルタ支持体30に取り付けられて、フィルタ集成体34を形成する。フィルタ支持体30に配された開口38間のピッチVは、約0.25インチ(0.635cm)と0.375インチ(0.953cm)の間であることが好ましい。円形開口に関しては、ピッチVは隣り合う開口の中心間距離である。開口がスロット形であれば、ピッチは開口38の一辺と隣の列にある隣接開口38の対応する辺の位置の間の距離として定められる。フィルタ支持体30は第1の複数本のくさび形ワイヤまたはロッドを有し、第1の複数本のくさび形ワイヤまたはロッドは、第1の複数本のワイヤに概ね垂直に配置された、フィルタスクリーン10に類似の構造の第2の複数本の支持体ワイヤまたはロッドによって支持されることがさらに好ましい。例えば、本発明にしたがう第2のフィルタスクリーンを第1のフィルタスクリーン10を支持するためのフィルタ支持体30として用いることができる。フィルタ支持体30は、くさび形の第1の複数本のワイヤを有する場合、第1の複数本のワイヤのくさび形の頂点がバッチ材料の流れ方向に対向するように、押出機内で配向されることが好ましい。フィルタ支持体30がくさび形の第1の複数本のワイヤを有する場合、フィルタ支持体30が有する第1の複数本のワイヤ間の最近接間隔はフィルタスクリーン10のフィルタワイヤ12の最近接間隔より大きいことが好ましい。フィルタ集成体34は、好ましくはフィルタスクリーン10のフィルタワイヤ12の平表面がバッチ材料の流れ方向32に対向するように、さらに好ましくはそれぞれのフィルタワイヤ12の頂点がバッチ材料の流れ方向32に対向するように、フィルタ支持体30に対して配置されて、フィルタスクリーン10と集成される。図7a及び7bはそれぞれ、フィルタ支持プレート30,フィルタワイヤ12及びフィルタ支持体ワイヤ14を有する(番号付カッコ記号で識別される)例示的フィルタ集成体34の端面図、及びフィルタ集成体34の中心軸の周りに90°回転させたフィルタ支持体34の別図を示す。番号付カッコ記号は図7a及び7bにおいてフィルタスクリーン10を識別する。図7a及び7bにはチャネル36及び円形開口38を有するフィルタ支持体30が示される。しかし、フィルタ支持体30は上述したように本発明の別の実施形態にしたがって設計することもできる。フィルタ支持体30のチャネル36及び開口38の外形も、点線で表されるように、示される。図7a及び7bに示される配置において、それぞれのフィルタワイヤ12の平表面が、矢印32で示されるバッチ材料の流れ方向に対向するように、フィルタワイヤ12が配向される。また、図7a及び7bの比較によって示されるように、くさび形断面を有するフィルタ支持体ワイヤ14が示され、それぞれのフィルタ支持体ワイヤ14の頂点がそれぞれのフィルタワイヤ12の頂点に取り付けられるように、フィルタ支持体ワイヤ14がフィルタワイヤ12に取り付けられることもある。図8a及び8bはそれぞれ、フィルタ支持体30,フィルタワイヤ12及びフィルタ支持体ワイヤ14を有する(番号付カッコ記号で識別される)フィルタ集成体34の端面図、及びフィルタ集成体34の中心軸の周りに90°回転させたフィルタ支持体34の別図を示す。フィルタ支持体30のチャネル36及び開口38の外形も点線で示される。番号付カッコ記号は図8a及び8bにおいてフィルタスクリーン10を識別する。図8a及び8bに示される配置において、それぞれのフィルタワイヤ12の頂点が、矢印32で示されるバッチ材料の流れ方向に対向するように、フィルタワイヤ12が配向される。それぞれのフィルタワイヤの頂点がバッチ材料の流れ方向32に対向するフィルタスクリーン10の配置の結果、他の配向に優るフィルタワイヤの摩耗及び歪みの低減が得られ、これはバッチ材料の濾過の実用寿命がより長くなりかつ効率が高くなることを意味する。また、図8a及び8bの比較によって示されるように、くさび形断面を有するフィルタ支持体ワイヤ14が示され、それぞれのフィルタワイヤ12の頂点がそれぞれの支持体ワイヤ14の平表面に取り付けられるように、フィルタ支持体ワイヤ14がフィルタワイヤ12に取り付けられることもある。あるいは、それぞれのフィルタ支持体ワイヤ14の頂点をそれぞれのフィルタワイヤ12の平表面に取り付けることもできよう。図8a及び8bに示される配置において、それぞれのフィルタワイヤ12及びそれぞれのフィルタ支持体ワイヤ14の頂点がバッチ材料の流れ方向32に対向する。
図3を再び参照すれば、押出機16はさらに、カートリッジ28の出力端においてフィルタ集成体34及びミキサープレート26の下流に取り付けられたハニカム押出ダイ44を備える。
押出機16の動作中、少なくとも1本のスクリューによって押出機バレル20から押し込まれる可塑化バッチ材料は、初めにフィルタ集成体34及びミキサープレート26を通過し、最後にハニカム押出ダイ44を通って(図9及び10に示される)ハニカム基体46として押出機から出てくる。そのようなハニカム基体の図が図9及び10に示される。図9及び10はそれぞれ、例示的ハニカム基体46の斜視図及びハニカム基体46の横断面図を示す。図9及び10に示されるハニカム基体46はハニカム基体46の一方の面50aから(図9には示されていない)対向面50bまで延びる複数本の通路48を有して形成される。通路48は壁52によって互いに隔てられる。ハニカム基体46はハニカム基体46の軸線に垂直な面内で円形の断面を有するとして示されるが、ハニカム基体46は、例えば楕円形断面のような、別の断面を有することができる。
本発明にしたがうフィルタスクリーン10の肝要な機能上の利点は、押出機の差圧を低減できるフィルタスクリーンの能力である。ほぼ3500ポンド/時間(1590kg/時間)のバッチ流量及び通常の押出フィルタスクリーンを用いる代表的な押出機の差圧は約2000psi(1.38×10Pa)である。本発明にしたがうフィルタスクリーンを用いることによって、差圧における30%ないしそれ以上もの低減が実現できる。差圧は押出機のバレル内の最高圧力とフィルタ支持体30の下流側の圧力の間で測定される。さらに、差圧の低減の結果、対応するトルク及びバッチ温度の低下を得ることができる。本発明にしたがうフィルタ集成体の使用によって、10%までのトルクの低減を実現でき、約2℃から3℃の間の温度低下も実現できた。
流れるバッチ材料による摩滅で生じるフィルタスクリーン10の表面摩耗を低減するため、スクリーンの表面上に耐摩耗層が形成されることが有利であり得る。好ましくは、耐摩耗層は、スクリーン内へのホウ素ガス拡散によるかまたは、例えばホウ化チタンのような、金属ホウ化物によってスクリーンを被覆することによって形成することができ、さらに好ましくは、スクリーン10は、窒化チタン、窒化アルミニウムチタンまたは窒化クロムのような、金属窒化物で被覆される。フィルタスクリーン10はニッケルベース被膜で被覆することもできる。
二軸スクリュー押出機16を、生産用可塑化セラミックバッチ材料を押出して自動車工業で用いられるハニカム基体にしながら、一定の生産押出速度で運転した。バッチフィルタは通常の金網フィルタスクリーンで構成した。金網フィルタの上流の押出機バレル20における最大圧力と、ミキサープレート26と押出ダイ44の間のフィルタスクリーンの押出圧との間の平均差圧を含む、プロセスパラメータを測定して記録した。通常の金網フィルタスクリーンについての平均差圧は2042psi(1.41×10Pa)であった。次いで通常のフィルタスクリーンを本発明にしたがうくさび形フィルタワイヤ12を有するフィルタスクリーン10に交換し、交換後、押出機16を再び一定の生産押出速度で運転した。複数回の運転にわたり平均差圧は約1300psi(8.96×10Pa)と1500psi(1.03×10Pa)の間であり、通常の金網フィルタスクリーンに対するくさび形ワイヤを有するフィルタスクリーン10の利用による差圧の低減は約27%と25%の間の範囲であった。
従来技術のフィルタスクリーンを示す 本発明にしたがうフィルタスクリーンの一実施形態を示す 本発明にしたがうフィルタスクリーンを備える代表的な二軸スクリュー押出機を示す 本発明にしたがうフィルタ支持体を示す 本発明にしたがうフィルタ支持体を示す 本発明にしたがうフィルタ支持体の別の実施形態を示す フィルタスクリーン及びフィルタ支持体を示す、本発明にしたがうフィルタ集成体の図である フィルタスクリーン及びフィルタ支持体を示す、本発明にしたがうフィルタ集成体の図である フィルタスクリーン及びフィルタ支持体を示す、本発明にしたがう別のフィルタ集成体の図である フィルタスクリーン及びフィルタ支持体を示す、本発明にしたがう別のフィルタ集成体の図である セラミックハニカム基体の斜視図である セラミックハニカム基体の横断面図である
符号の説明
10 フィルタスクリーン
12 フィルタワイヤ
14 支持体ワイヤ
30 フィルタ支持体
32 バッチ材料の流れ方向
34 フィルタ集成体
36 チャネル
38 開口

Claims (9)

  1. ハニカムセラミック基体の製造方法において、
    可塑化セラミックバッチ材料を供給する工程、
    断面がくさび形のフィルタワイヤを有するフィルタスクリーンを通して前記セラミックバッチ材料を濾過する工程、及び
    ハニカムセラミック基体を形成するためにダイを通して前記濾過されたセラミックバッチ材料を押出す工程、
    を有してなることを特徴とする方法。
  2. 前記濾過する工程において前記フィルタワイヤのそれぞれの頂点が前記押出す工程の間の前記バッチ材料の流れ方向に対向していることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記供給する工程の前に耐摩耗層が前記フィルタスクリーン上に形成されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  4. 前記耐摩耗層が、ホウ化物、窒化物またはニッケルベースの被膜であることを特徴とする請求項3に記載の方法。
  5. セラミックハニカム構造体を押出すための押出機において、
    入力端及び出力端を有するバレル、
    前記バレル内に回転可能なように取り付けられた少なくとも1本のスクリュー、
    前記少なくとも1本のスクリューを回転させるための前記バレルの前記入力端にあるモーター、
    前記バレルの前記出力端に取り付けられた押出ダイ、及び
    バッチ材料を濾過するための前記押出ダイの上流に取り付けられたフィルタスクリーン、
    を備え、
    前記フィルタスクリーンが、断面がくさび形のフィルタワイヤを有する、
    ことを特徴とする押出機。
  6. 複数本のチャネルを有するフィルタ支持体をさらに備え、前記複数本のチャネルは前記フィルタ支持体の第1の面に形成され、前記複数本のチャネルのそれぞれが前記それぞれのチャネル内に前記フィルタ支持体の第2の面まで貫通する複数の開口を有することを特徴とする請求項5に記載の押出機。
  7. 第2の複数本のワイヤに概ね垂直に取り付けられた第1の複数本のワイヤを有する、前記フィルタスクリーンに隣接し、前記フィルタスクリーンの下流にあるフィルタ支持体をさらに備え、前記第1の複数本のワイヤがくさび形であることを特徴とする請求項5に記載の押出機。
  8. 前記フィルタスクリーンが耐摩耗層を有することを特徴とする請求項5に記載の押出機。
  9. 前記耐摩耗層が、ホウ化物、窒化物またはニッケルを含むことを特徴とする請求項8に記載の押出機。
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