JP4632125B2 - セラミックハニカム構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックハニカム構造体の製造方法に関する。

ディーゼルエンジンなどの排気ガス中には炭素を主体とするＰＭ（微粒子状物質）が多量に含まれており、これが大気中に放出されると、人体や環境に悪影響を与える。このため、ディーゼルエンジンなどの排気系部品には、ＰＭを捕集するためのフィルタが搭載されている。図４は、自動車の排気ガス中のＰＭを捕集、浄化するフィルタに用いられるハニカム構造体の一例を示したものであり、（ａ）は正面模式図、（ｂ）は側断面模式図である。図４（ａ）（ｂ）において、ハニカム構造体３０は、多孔質セラミックからなり、外周壁１と、この外周壁１の内側に各々直交する隔壁２で仕切られた複数のセル３、４を有しており、セル３、４は、排気ガスの流入側端面７と流出側端面８において交互に封止部５、６で封止されている。また、外周壁１は、金属メッシュあるいはセラミックス製のマットなどで形成された把持部材（図示せず）で使用中に動かないように把持され、金属製の収納容器（図示せず）に配置されている。

このようなフィルタに用いられるセラミックハニカム構造体は、セラミック原料を混合、混練して粘土質素材とし、この粘土質素材を押出し成形後、例えば、特許文献１に記載の極細鋼線で切断し、乾燥、焼成して得られる。焼成して得られたセラミックハニカム構造体の端面にフィルムもしくはマスクを貼り付け、封止するセルのフィルムもしくはマスクを開孔し、開孔された流路に目封止用スラリーを充填してセラミックハニカムフィルタが得られる。このセラミックハニカム構造体は、ＰＭの捕集性能と低い圧力損失の実現のために、最近では高気孔率のものが使用されてきている。

特公平４−６０４０２号公報

特許文献１に記載の極細鋼線で切断して得られたセラミックハニカム構造体は、切断時に端面でのセルの変形や隔壁の欠けが生じていることがあるので、端面の研削を行い、最終的な長さにすることが必要である。端面でのセルが変形していたり、隔壁の欠けが生じていると、目封止部を形成する工程において、セラミックハニカム構造体の端面と、その端面に貼り付けたフィルムもしくはマスクとの間に隙間が生じ、目封止用スラリーを充填する際、その隙間から目封止用スラリーが目封止しないセルに流れ込み、目封止しないセルが塞がれてしまい、フィルタとして使用した場合に、圧力損失が大きくなるという問題を生じるからである。
前記したセラミックハニカム構造体の端面の研削をする場合、図５（ａ）（ｂ）のように研削工具として円盤状の砥石５１を用いると、この円盤状の砥石５１の使用面となる幅Ｔは、通常、セラミックハニカム構造体の端面７の外径と比べて小さいので、１回の送りで端面全面を研削加工することができず、端面全面を研削加工するには、１回の送りが終了する毎に砥石５１の位置を端面７において、送り方向と直角な方向に移動させて数回にわたって加工する必要があり、加工に時間を要するという問題があった。そして、図５（ｃ）に示すように、研削加工が行われる際、切り込み量ｔで研削している砥石５１は１つの隔壁２と接触面Ｓ２で接しているが、セラミックハニカム構造体はハニカム構造であるので、１つの隔壁２は薄く脆いので、接触面Ｓ２の面積が大きい場合は加工に伴う負荷が大きくなり隔壁２に欠けが生じ易くなる。特に、最近では、気孔率が５５％以上である高気孔率のセラミックハニカム構造体が使用されてきており、このような高気孔率である場合、隔壁はさらに脆いのでより一層欠けが生じ易かった。さらに、セルの変形や隔壁の欠けが深い場合、端面からの加工量を大きくすると、セラミックハニカム構造体の端面に生じる加工負荷が大きくなり、隔壁の欠けがさらに生じることがある。この隔壁の欠けが生じると、前記したように、目封止用スラリーを充填する際、その隙間から目封止用スラリーが目封止しないセルに流れ込み、目封止しないセルが塞がれてしまい、フィルタとして使用した場合に、圧力損失が大きくなるという問題を生じる。そのため、切り込み量を大きく多く取ることができず、切り込み量を数段階に変更して研削加工をする必要があり、加工に時間を要していた。

本発明の課題は、セラミックハニカム構造体の端面を加工する際に、隔壁に欠けが生じ難く、さらに、端面の加工に要する時間がかからない、セラミックハニカム構造体の製造方法を得ることにある。

上記課題を解決する為、具体的に、本発明は、多孔質の隔壁により形成されるセルを多数有するセラミックハニカム構造体の製造方法において、該セラミックハニカム構造体の端面を、カップ形砥石を用いて、該カップ形砥石の端面が前記セラミックハニカム構造体の端面に略平行となるように、かつ、前記カップ形砥石の外周面と前記セラミックハニカム構造体の端面とのなす角度が９０°未満となるよう、研削加工を行うことを特徴とする。

多孔質の隔壁により形成されるセルを多数有するセラミックハニカム構造体の製造方法において、該セラミックハニカム構造体の端面を、外周面と端面に砥粒層が形成され、かつ、相対的に粒径の大きい砥粒層と相対的に粒径の小さい砥粒層の２つの砥粒層が形成されているカップ形砥石を用いて、該カップ形砥石の端面が前記セラミックハニカム構造体の端面に略平行となるように研削加工を行うことを特徴とする。

次に、本発明の作用効果について図１〜３に基き説明する。
図１で、ハニカム構造体の端面７を、カップ形砥石２０を用いて、該カップ形砥石２０の端面２０ａが前記セラミックハニカム構造体の端面７に略平行となるように研削加工を行うことで、１回の送りで研削加工できる面積が大きくなるので、１回の送りが終了する毎にカップ形砥石の位置を端面において送り方向と直角な方向に移動させる回数を減らすことができ、加工に要する時間を短縮することができる。そして、図１（ｂ）に示すように、研削加工が行われる際、切り込み量ｔで研削しているカップ形砥石２０は、１つの隔壁２と接触面Ｓ１で接しているが、この１つの隔壁２と接する接触面Ｓ１の面積は図５（ｃ）に示す従来の砥石５１が１つの隔壁２と接する接触面Ｓ２と比べて小さくすることができるので、加工に伴う負荷を小さくすることができ、隔壁に欠けを生じ難くすることができる。
そして、カップ形砥石の外周面２０ｂと端面２０ａに砥粒層Ａを形成させることで、ハニカム構造体の端面７からの深さ方向に切り込み量ｔを大きくとることができる。これは、カップ形砥石の端面２０ａのみに砥粒層が形成されている場合は、図１に示すように、切り込み量ｔは、砥粒層Ａの厚さＸまでとなるが、カップ形砥石の外周面に砥粒層が形成されていると、図２（ａ）に示すように、外周面２０ｂの砥粒層でも研削加工が可能となるので、切り込み量ｔは、砥粒層Ａの厚さＸよりも大きくできるからである。したがって、ハニカム構造体の端面からの深さ方向に切り込み量を大きくとることができるので、セルの変形や隔壁の欠けが深い場合であっても、切り込み量を大きくして、切り込み量を数段階に変更しなくても、隔壁に欠けが生じ難く加工をすることができる。

ここで、カップ形砥石の外周面２０ｂとハニカム構造体の端面７とのなす角度θが９０°を超えていると、ハニカム構造体の端面７の加工が終了する際、ハニカム構造体の外周部に欠けが生じ易くなるので、カップ形砥石の外周面とハニカム構造体の端面とのなす角度θは９０°未満であることが好ましい。さらに、カップ形砥石の端面２０ａと外周面２０ｂとの交点にＲ或いは面取りが形成されていると、隔壁に欠けがより生じ難く加工をすることができる。

さらに、カップ形砥石の砥粒層は、２種類の砥粒を用い、２種類の砥粒のうち相対的に粒径の小さい砥粒層Ａをカップ形砥石の端面側に形成し、２種類の砥粒のうち相対的に粒径の大きい砥粒層Ｂをカップ形砥石の外周側に形成させるとさらに好ましい。
これは、カップ形砥石の外周面とハニカム構造体の端面とのなす角度が９０°未満である場合、カップ形砥石の外周側に形成された砥粒層Ｂが、まず、ハニカム構造体を研削加工する。この場合、砥粒層Ｂで研削された部位は、ハニカム構造体としては不要な部位であるので、粉砕粉として排出できればよいので砥粒層Ｂは２種類の砥粒のうち相対的に粒径の大きい砥粒を用いることができる。次いで、砥粒層Ａがハニカム構造体の端面部を研削するが、この場合、砥粒層Ｂで研削された部位を２種類の砥粒のうち相対的に粒径の小さい砥粒層Ａで研削するので、ハニカム構造体の端面部で隔壁の欠けが生じ難くなり、良好に加工することができる。したがって、切り込み量ｔが大きい場合に、隔壁との接触面が大きくなることで、砥粒層Ｂで加工される際に伴う負荷が大きくなり隔壁に欠けが生じた場合であっても、砥粒層Ａが仕上加工するので、砥粒層Ｂで加工された際に生じた欠けを砥粒層Ａが除去するので欠けを生じ難くすることができる。これは、特に、ハニカム構造体の気孔率が５５％以上と高い気孔率で、隔壁が脆い場合であっても、欠けを生じ難く良好に加工をすることができるのである。

本発明のセラミックハニカム構造体の製造方法によれば、セラミックハニカム構造体の端面を加工する際に、隔壁に欠けが生じ難く、さらに、端面の加工に要する時間がかからない、セラミックハニカム構造体を得ることができる。

以下、本発明を実施の形態により詳細に説明する。
（実施の形態）
図１〜３は、実施の形態に係るセラミックハニカム構造体の端面を加工する方法を示した図である。
図１において、セラミックハニカム構造体１０は、次のようにして準備される。セラミック原料として、炭化珪素、窒化珪素、コージェライト、アルミナ、ムライト、ジルコニア、チタン酸アルミニウムあるいはこれらの組合せからなる群から選ばれた少なくとも一種のセラミックを用いる。このセラミック原料に、メチルセルロース及びヒドロキシプロポキシルメチルセルロース等のバインダー、界面活性剤、水、及び必要に応じてカーボン等の造孔剤を添加、混練して可塑性の坏土を作成する。この杯土を押出し成形することで、セルを多数有するセラミックハニカム構造の成形体を成形する。この成形体を所定の長さに極細鋼線で切断し、乾燥の後、焼成して多孔質の隔壁により形成されるセルを多数有するセラミックハニカム構造体が得られる。
次に、カップ形砥石２０は、炭素鋼、高速度鋼、ダイス鋼等の鋼材製の基台２１と軸２２で構成され、基台２１の中央部には逃げ部２３を有しており、その端面２０ａには砥粒層Ａが形成されている。この砥粒層Ａに形成される砥粒の材質には、ダイヤモンド、立方晶窒化ほう素等を用いることができ、その粒度は、＃５０〜＃２７０程度のものを用いることができる。また、砥粒層Ａの厚さＸは０．５〜５ｍｍ程度とすることができる。尚、カップ形砥石２０の外径は、セラミックハニカム構造体１０の外径と同じか、それより大きい外径を有していると、セラミックハニカム構造体の端面全面を１回の加工で完了するので好ましい。
そして、このカップ形砥石によりセラミックハニカム構造体の端面は次のように加工される。
セラミックハニカム構造体１０の外周を加工装置の取付具３１で固定する。セラミックハニカム構造体１０の一方の端面７からの切り込み量ｔが０．１〜５ｍｍとなるように、カップ形砥石２０の位置を決める。次いで、カップ形砥石２０を回転させて送り（図中矢印）をかけ、セラミックハニカム構造体１０の端面７を加工する。そして、一方の端面７の加工が完了すると、取付具３１を外して、セラミックハニカム構造体１０を取付直し、他方の端面８を同様にして加工を行う。カップ形砥石によりセラミックハニカム構造体の端面を加工するので、カップ形砥石の位置を端面において送り方向と直角な方向に移動させる回数を減らすことができ、加工に要する時間を短縮することができる。このようにして加工されたセラミックハニカム構造体は、次に、端面７、８にフィルムを貼り付け、封止する所定のセルのフィルムをレーザー光等の熱で開孔し、開孔されたセルに目封止用スラリーを充填し、焼成してセラミックハニカムフィルタとする。

本発明の実施の形態において、図２（ａ）に示すように、カップ形砥石２０の砥粒層Ａがその外周面２０ｂにまで形成されていると、セラミックハニカム構造体１０の一方の端面７からの切り込み量ｔは０．１〜２０ｍｍ程度とすることができ、セルの変形や隔壁の深い欠けがあっても、切り込み量を大きくすることができるので、短時間で加工をすることができる。

また、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、カップ形砥石の外周面２０ｂとセラミックハニカム構造体の端面７とのなす角度θが、θ＝９０°（図２（ａ））、θ＞９０°（図２（ｂ））、θ＜９０°（図２（ｃ））の３通りとすることができる。
また、図３に示すように、カップ形砥石の外周面の砥粒層は、２種類の砥粒を用い、２種類の砥粒のうち相対的に粒径の小さい砥粒層Ａをカップ形砥石の端面側２０ａに形成し、２種類の砥粒のうち相対的に粒径の大きい砥粒層Ｂをカップ形砥石の外周側２０ｂに形成させることができる。したがって、例えば、砥粒層Ａに粒度が＃１００〜＃２７０程度の仕上用のものを、砥粒層Ｂに粒度が＃５０〜＃１２０程度の粗用のものを用いることができる。このようなカップ形砥石を用いて、セラミックハニカム構造体の端面が次のように加工される。カップ形砥石２０の外周側２０ｂに形成された砥粒層Ｂが、まず、ハニカム構造体の隔壁を加工する。この場合、砥粒層Ｂで研削される部位は、ハニカム構造体としては不要な部位であり、砥粒層Ｂの粒度は、砥粒層Ａと比べて相対的に粗いので、容易に粉砕粉として排出される。次いで、砥粒層Ｂにより粗加工されたハニカム構造体の隔壁を、砥粒層Ａが仕上加工していく。この場合、砥粒層Ｂで研削された部位を２種類の砥粒のうち相対的に粒径の小さい砥粒層Ａで加工するので、ハニカム構造体の端面７で隔壁の欠けが生じ難くなり、良好に加工することができる。このことは、特に、ハニカム構造体の気孔率が５５％以上と高い気孔率で隔壁が脆く欠けが生じ易い場合であっても、欠けを生じず良好に加工をすることができるのである。

先ず、次のようにしてセラミックハニカム構造体を準備した。
カオリン、タルク、シリカ、アルミナなどの粉末を調整して、質量比で、ＳｉＯ_２：４８〜５２％、Ａｌ_２Ｏ_３：３３〜３７％、ＭｇＯ：１２〜１５％を含むようなコージェライト生成原料粉末とし、この、コージェライト生成原料粉末に、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース等のバインダー、潤滑剤、造孔材としてグラファイトを添加し、乾式で十分混合した後、規定量の水を添加、十分な混練を行って可塑化したセラミック杯土を作製した。次に、押出し成形用金型を用いて坏土を押出し成形し、切断してハニカム構造を有する成形体とした。そして、この成形体を、乾燥、焼成させ、隔壁厚０．３ｍｍ、気孔率６５％、平均細孔径２０μｍ、ピッチ１．５ｍｍで、外径Ｄ_２２７７ｍｍ、全長３２０ｍｍのコージェライト質セラミックハニカム構造体とした。

次に、このセラミックハニカム構造体を、図３に示すように、取付具３１で固定する。そして、端面の加工に用いるカップ形砥石２０は、その外径Ｄ_１が３００ｍｍで、カップ形砥石の外周面とハニカム構造体の端面とのなす角度θと、カップ形砥石の砥粒層Ａ，Ｂの粒度を表１に示すように変更させたものを用い、セラミックハニカム構造体１０の一方の端面７から所定の切り込み量５ｍｍとなるように、カップ形砥石２０の位置を決める。次いで、カップ形砥石２０を４００回転／分で回転させて１ｍ／分の送りをかけ、セラミックハニカム構造体１０の端面７を加工する。そして、取付具３１を外して、セラミックハニカム構造体１０を取付直し、他方の端面８を同様にして加工を行った。一方、比較例として、従来使用されていた円盤状砥石を用いて加工を行った。この円盤状砥石の砥粒の粒度は、表１に括弧で示している。
そして、加工が完了したセラミックハニカム構造体１０の端面に隔壁の欠けの有無と加工に要した時間を評価した。結果を表１に示す。隔壁の欠けの有無の評価は、端面当りに生じた大きさ５ｍｍ以上の欠け発生数（個／端面）を、比較例２で発生した端面当りの欠け発生数（個／端面）を１としてその比率で表した。加工に要した時間は比較例２で使用した円盤状砥石を用いた場合に要した時間を１としてその比率で表した。

表１に示す結果から、本発明の実施例１〜１３は、比較例１、２と比べ、セラミックハニカム構造体の端面に生じる欠けが少なく、加工に要する時間も短いことがわかる。

本発明に係るセラミックハニカム構造体の加工を示した図 本発明に係るセラミックハニカム構造体の加工を示した図 本発明に係るセラミックハニカム構造体の加工を示した図 自動車の排気ガス中のＰＭを捕集、浄化するフィルタに用いられるハニカム構造体を示した図 セラミックハニカム構造体の端面の加工で従来技術を示した図

符号の説明

１：外周壁
２：隔壁
３、４：セル
５、６：封止部
７、８：セラミックハニカム構造体の端面
１０：セラミックハニカム構造体
２０：カップ形砥石
２０ａ：カップ形砥石の端面
２０ｂ：カップ形砥石の外周面
２１：基台
２２：軸
２３：逃げ部
３１：取付具
５１：円盤状砥石
Ａ：砥粒層Ａ
Ｂ：砥粒層Ｂ
Ｄ_１：カップ形砥石の外径
Ｄ_２：ハニカム構造体の外径
Ｓ１、Ｓ２：接触面
Ｔ：砥石幅
α：砥石の円周方向と送り方向とが同一となる部位
Ｘ：砥粒層の厚さ
ｔ：切り込み量
θ：カップ形砥石の外周面とセラミックハニカム構造体の端面とのなす角度

Claims (2)

1. 多孔質の隔壁により形成されるセルを多数有するセラミックハニカム構造体の製造方法において、該セラミックハニカム構造体の端面を、カップ形砥石を用いて、該カップ形砥石の端面が前記セラミックハニカム構造体の端面に略平行となるように、かつ、前記カップ形砥石の外周面と前記セラミックハニカム構造体の端面とのなす角度が９０°未満となるよう、研削加工を行うことを特徴とするセラミックハニカム構造体の製造方法。
2. 多孔質の隔壁により形成されるセルを多数有するセラミックハニカム構造体の製造方法において、該セラミックハニカム構造体の端面を、外周面と端面に砥粒層が形成され、かつ、相対的に粒径の大きい砥粒層と相対的に粒径の小さい砥粒層の２つの砥粒層が形成されているカップ形砥石を用いて、該カップ形砥石の端面が前記セラミックハニカム構造体の端面に略平行となるように研削加工を行うことを特徴とするセラミックハニカム構造体の製造方法。
   

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