(57)【要約】【課題】より短時間で、しかもより低温での焼成反応を行えばよい窒化ケイ素フィルターの製造方法及び窒化ケイ素フィルターを提供する。【解決手段】ケイ素を含む原料を主成分とすると共に、造孔剤を含む原料を、所定の配合によって混合及び成形を行った後、その成形物を窒素中において反応焼結を行う窒化ケイ素フィルターの製造方法であって、前記材料中にジルコニウムを含む原料を混入させて、窒素中で窒化反応のための第１段焼成を行った後、その第１段焼成より高温で焼結反応のための第２段焼成を行う。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケイ素を含む原料を主成分とすると共に、造孔剤を含む原料を、所定の配合によって混合及び成形を行った後、その成形物を窒素中において反応焼結を行う窒化ケイ素フィルターの製造方法であって、
前記材料中にジルコニウムを含む原料を混入させて、窒素中で窒化反応のための第１段焼成を行った後、その第１段焼成より高温で焼結反応のための第２段焼成を行う
窒化ケイ素フィルターの製造方法。
【請求項２】
前記第１段焼成は、１０００℃〜１４５０℃で６時間以上行い、前記第２段焼成は、１７００℃〜１８００℃未満で３〜１２時間行う請求項１に記載の窒化ケイ素フィルターの製造方法。
【請求項３】
焼結助剤として、マグネシアスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、イットリア（Ｙ2Ｏ3）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、マグネシア（ＭｇＯ）の内の少なくとも１種を含むものである請求項１または２に記載の窒化ケイ素フィルターの製造方法。
【請求項４】
前記ケイ素を含む原料として、５〜５００μｍの粒径の物を使用する請求項１〜３の内のいずれか一項に記載の窒化ケイ素フィルターの製造方法。
【請求項５】
質量％で、窒化ケイ素を９０．０〜９９．６％、Ｚｒを０．１〜４．０％、酸素及び/又は焼結助剤を０．３〜６．０％からなる組成で、内部に窒化ケイ素の柱状結晶を形成し、圧縮強度１５ＭＰａ以上で圧力損失が２００ｋＰａ以下の窒化ケイ素フィルター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ケイ素を含む原料を主成分とすると共に、造孔剤を含む材料を、所定の配合によって混合及び成形を行った後、その成形物を窒素中において反応焼結を行う窒化ケイ素フィルターの製造方法及び窒化ケイ素フィルターに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的にフィルターとして、コージェライトセラミックスフィルターや、炭化ケイ素セラミックスフィルターが提案されている。しかし、コージェライトセラミックスフィルターは耐熱衝撃性に優れるものの、耐熱性、耐食性の点で必ずしも十分ではなく、また炭化ケイ素セラミックスフィルターは耐熱性、耐食性に優れるものの、耐熱衝撃性の点で必ずしも十分ではなかった。
【０００３】
そこで、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）焼結体は、強度や耐熱衝撃性等に優れることから、例えば、エンジン用部品材料、ベアリング材料、工具材料等の各種構造用材料として開発が進められ、その実用化が積極的に進められている。また、様々な研究開発がなされている中で、高強度高靭性な製品が得られている。
【０００４】
そして、ディーゼルエンジンから排出される広い粒度分布を有する粒状物質の捕集を効率的に行うために、窒化ケイ素焼結体からなるセラミックフィルターを提供することが考えられている。
窒化ケイ素から成るフィルターは、耐熱性、耐食性及び耐熱衝撃性に優れ、さらに柱状結晶を多孔体の隔壁の気孔部の内壁表面に形成させて表面積を大きくし、流路内を漂う超微粒子を効率よく捕集する高性能セラミックフィルターを製造することが可能である。
従来、上記窒化ケイ素から成るフィルターの製造方法としては、材料中に、ケイ素を含む原料を主成分とすると共に、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）やイットリア（Ｙ2Ｏ3）や鉄或いは鉄の化合物を含み、窒素中で窒化反応のための第１段焼成を行った後、その第１段焼成よりも高温で焼結反応のための第２段焼成を行うことが提案されていた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２１９３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来の製造方法では、第２段焼成で焼結反応を行わせるための温度が１８００℃以上という高温で、しかも、長時間その温度に置かなければ強度が出ないというような欠点があった。
【０００７】
従って、本発明の目的は、上記問題点を解消し、より短時間で、しかもより低温での焼成反応が可能な窒化ケイ素フィルターの製造方法及び強度が高く圧力損失が小さい窒化ケイ素フィルターを提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の窒化ケイ素フィルターの製造方法における第１の特徴構成は、ケイ素を含む原料を主成分とすると共に、造孔剤を含む原料を、所定の配合によって混合及び成形を行った後、その成形物を窒素中において反応焼結を行う窒化ケイ素フィルターの製造方法であって、前記材料中にジルコニウムを含む原料を混入させて、窒素中で窒化反応のための第１段焼成を行った後、その第１段焼成より高温で焼結反応のための第２段焼成を行うところにある。
【０００９】
本発明の第１の特徴構成によれば、材料中にジルコニウムを含む原料を混入させることにより、第１段焼成において早く窒化するばかりか、第２段焼成において、１８００℃より低温で短時間に焼結し、緻密な骨格を有することにより強度の高いフィルターを製造できる。
【００１０】
本発明の第２の特徴構成は、前記第１段焼成は、１０００℃〜１４５０℃で６時間以上行い、前記第２段焼成は、１７００℃〜１８００℃未満で３〜１２時間行うところにある。
【００１１】
本発明の第２の特徴構成によれば、前記第１段焼成の１０００℃〜１４５０℃で短時間に窒化して、前記第２段焼成で、従来より低温で短時間に高い強度の焼結物が得られる。
【００１２】
本発明の第３の特徴構成は、焼結助剤として、マグネシアスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、イットリア（Ｙ2Ｏ3）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、マグネシア（ＭｇＯ）の内の少なくとも１種を含むものであるところにある。
【００１３】
本発明の第３の特徴構成によれば、ジルコニアが安定化し、焼成時におけるジルコニアの作用を効果的に発揮できる。しかも、マグネシアスピネル、イットリア、アルミナ、マグネシアなどの存在で、焼結時に窒化ケイ素の柱状結晶粒が発達した微細組織が形成され、強度と靭性が著しく向上した機械的特性の高い焼結体が得られる。
【００１４】
本発明の第４の特徴構成は、前記ケイ素を含む原料として、５〜５００μｍの粒径の物を使用するところにある。
【００１５】
本発明の第４の特徴構成によれば、５μｍ未満の粒径の微小な原料が含まれないために、焼結によって得られた窒化ケイ素が過剰に緻密に成ることを防止でき、通気孔を確保して圧力損失を低下させない。また、１００μｍを超えて５００μｍ程度の大きい粒径を有するケイ素を含む原料の窒化対象材料として進めることができ、安価に高い強度を有したフィルターとしての性能を高く維持できる。
【００１６】
本発明の窒化ケイ素フィルターの特徴構成は、質量％で、窒化ケイ素を９０．０〜９９．６％、Ｚｒを０．１〜４．０％、酸素及び/又は焼結助剤を０．３〜６．０％からなる組成で、内部に窒化ケイ素の柱状結晶を形成し、圧縮強度１５ＭＰａ以上で圧力損失が２００ｋＰａ以下であるところにある。
【００１７】
本発明の窒化ケイ素フィルターの特徴構成によれば、表面積が大きく、さらに強度が高く圧力損失の小さい靭性の優れたフィルターを、短時間で、しかも従来より低温の焼成により成形できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態のフィルターの圧力損失を測定する試験方法を示す概略図である。
【図２】実施形態のフィルターの圧縮強度を測定する試験方法を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に本発明の実施の形態を説明する
【００２０】
本発明の窒化ケイ素フィルターの製造方法について説明する。
ケイ素を含む原料を主成分とする粒径５〜５００μｍの物と共に、焼結助剤と造孔剤とを含む材料を、所定の配合によって混合及び成形を行った後、その成形物を窒素中において反応焼結を行う。
つまり、前記材料中にジルコニウムを含む原料を混入させて、窒素中で窒化反応のための第１段焼成を１０００℃〜１４５０℃で６時間以上行った後、その第１段焼成より高温で焼結反応のための第２段焼成を１７００℃〜１８００℃未満で３〜１２時間行って窒化ケイ素フィルターを得る。
尚、第２段焼成は、望ましくは１７００〜１７５０℃で、より望ましくは、１７２５〜１７５０℃が良く、強度、圧損の低いフィルターができる。
前記焼結助剤として、マグネシアスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、イットリア（Ｙ2Ｏ3）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、マグネシア（ＭｇＯ）の内の少なくとも１種からなるものを添加しても良い。
【００２１】
次に、本発明の実施例と比較例との対比を行う。
【実施例１】
【００２２】
１．ケイ素を含む原料として粒径５〜４００μｍの金属ケイ素と、窒化ケイ素に対して、ジルコニア（ＺｒＯ2）、マグネシアスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、造孔剤と成形用有機バインダーを添加し、それらの原料を混合した。
２．混合粉末をプレス型で加圧成形して成形体を得た。
３．成形体を、大気中の約５００℃で脱脂処理した。
４．脱脂した成形体を、第１段焼成として窒素中で１０００℃〜１４５０℃になるまで１００℃/ｈ〜２００℃/ｈで昇温後、６時間以上保持して金属ケイ素の窒化反応を行わせた。
５．続いて第２段焼成として、１７００℃〜１８００℃未満になるまで１００℃/ｈ〜２００℃/ｈで昇温後、３〜１２時間保持して焼結処理を行って焼成品を得た。
尚、上記焼成品の組成割合は、質量％で、Ｓｉ５８．５０％、Ｎ３９．１６％、Ｚｒ０．８８％、その他１．４６％となった。
前記造孔剤としては、ポリエチレン、ポリスチレン、フェノール樹脂、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ），又はポリビニルブチラール、デンプン等の少なくとも一種の有機物質が使用される。
【実施例２】
【００２３】
ケイ素を含む原料として、粒径５〜５００μｍの物を使用した以外は、実施例１と同じである。
【実施例３】
【００２４】
焼成材料として、ケイ素を含む原料として粒径５〜４００μｍの金属ケイ素と、窒化ケイ素に対して、ジルコニア（ＺｒＯ2）、マグネシアスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、造孔剤を添加し、それ以外の処理は、実施例１と同様にした。
つまり、組成割合としては、質量％で、Ｓｉ５６．５２％、Ｎ３７．８３％、Ｚｒ３．３９％、その他２．２６％となる。
【実施例４】
【００２５】
焼成材料として、ケイ素を含む原料として粒径５〜４００μｍの金属ケイ素と、窒化ケイ素に対して、ジルコニア（ＺｒＯ2）、マグネシアスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、造孔剤を添加し、それ以外の処理は、実施例１と同様にした。
結果として組成割合は、質量％で、Ｓｉ５９．０６％、Ｎ３９．５３％、Ｚｒ０．１８％、その他１．２４％となる。
【実施例５】
【００２６】
焼成材料として、ケイ素を含む原料として粒径５〜４００μｍの金属ケイ素と、窒化ケイ素に対して、ジルコニア（ＺｒＯ2）、マグネシアスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、造孔剤を添加し、それ以外の処理は、実施例１と同様にした。
結果として組成割合は、質量％で、Ｓｉ５８．５０％、Ｎ３９．１６％、Ｚｒ０．８８％、その他１．４６％となる。
【実施例６】
【００２７】
焼成材料として、ケイ素を含む原料として粒径５〜４００μｍの金属ケイ素と、窒化ケイ素に対して、ジルコニア（ＺｒＯ2）、マグネシアスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、造孔剤を添加し、それ以外の処理は、実施例１と同様にした。
結果として組成割合は、質量％で、Ｓｉ５６．５２％、Ｎ３７．８３％、Ｚｒ０．８５％、その他４．８０％となる。
【実施例７】
【００２８】
焼成材料として、ケイ素を含む原料として粒径５〜４００μｍの金属ケイ素と、窒化ケイ素に対して、ジルコニア（ＺｒＯ2）、マグネシアスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、造孔剤を添加し、それ以外の処理は、実施例１と同様にした。
結果として組成割合は、質量％で、Ｓｉ５９．２０％、Ｎ３９．６２％、Ｚｒ０．８９％、その他０．３０％となる。
【００２９】
〔比較例１〕
焼成材料として、ケイ素を含む原料として粒径５〜４００μｍの金属ケイ素と、窒化ケイ素に対して、マグネシアスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、造孔剤を添加し、それ以外の処理は、実施例１と同様にした。
結果として組成割合は、質量％で、Ｓｉ６７．３８％、Ｎ３１．２７％、Ｚｒ０．００％、その他１．３５％となる。
【００３０】
〔比較例２〕
焼成材料として、ケイ素を含む原料として粒径０〜４００μｍの金属ケイ素と、窒化ケイ素に対して、ジルコニア（ＺｒＯ2）、マグネシアスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、造孔剤を添加し、それ以外の処理は、実施例１と同様にした。
結果として組成割合は、質量％で、Ｓｉ５８．５０％、Ｎ３９．１６％、Ｚｒ０．８８％、その他１．４６％となる。
【００３１】
〔比較例３〕
焼成材料として、ケイ素を含む原料として粒径５〜４００μｍの金属ケイ素と、窒化ケイ素に対して、ジルコニア（ＺｒＯ2）、マグネシアスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、造孔剤を添加し、それ以外の処理は、実施例１と同様にした。
結果として組成割合は、質量％で、Ｓｉ５８．５０％、Ｎ３９．１６％、Ｚｒ０．８８％、その他１．４６％となる。
【００３２】
〔比較例４〕
焼成材料として、ケイ素を含む原料として粒径５〜４００μｍの金属ケイ素と、窒化ケイ素に対して、ジルコニア（ＺｒＯ2）、マグネシアスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、造孔剤を添加し、それ以外の処理は、実施例１と同様にした。
結果として組成割合は、質量％で、Ｓｉ５８．５０％、Ｎ３９．１６％、Ｚｒ０．８８％、その他１．４６％となる。
【００３３】
上記実施例１〜７と比較例１〜４の各物性の測定結果が、次の表１に示される。
【００３４】
【表１】
2010235421.tif 000002
【００３５】
尚、気孔率は、ＪＩＳ  Ｒ１６３４のファインセラミックスの焼結体密度・開気孔率の測定方法による。
圧力損失は、図１に示すように、外径２５ｍｍ×全長７５ｍｍ  ２００ＣＰＳＩ、１２ｍｉｌのハニカム状試験片１を作成し、その試験片をフィルターＦとして通気路２に配置して、空気を３０Ｌ/ｍｉｎながし、ハニカム前後の差圧（ｋＰａ）を圧力計３で測定する。
強度は、図２に示すように、７セル×７セル×１２ｍｍの試験片１に、それらの通気孔に沿った方向から圧力Ｐを加えて圧縮強度（ＭＰａ）を測定する。
【００３６】
つまり、原料の粒径については、実施例１、実施例２と比較例２とを対比させてみると、実施例１と実施例２とはあまり大きな差はないが、特に比較例２の圧力損失が大きく、５μｍ未満の微粒子が含まれると通気性が低下することが分かる。
【００３７】
原料の一部としてのジルコニアについては、特に、実施例３、実施例４と比較例１との対比において、焼結体の強度(最低１０．０ＭＰａ以上あれば使用できると考えられている)が低下しており、ケイ素の窒化が完了する前に、焼結処理が行われていると考えられる。つまり、所定の強度を得るためには、窒化反応に長時間をかけてしかも焼結温度を高くしなければならないと思われる。従って、表１より、Ｚｒは、０．１〜４．０％、その他（酸素等）は０．３〜６．０％が適切であると分かる。
【００３８】
造孔剤については、気孔率に影響を与えるもので、その添加量に略比例するために目標に合わせて設計できるが、実施例１、実施例５と、比較例３〜６との対比において、圧力損失の値から、フィルターとしては、現実面として約８０〜２００ｋＰａが適切であると判断される。つまり、少なすぎると圧力損失が大きすぎ、多すぎると強度が低下する。
【００３９】
〔別実施形態〕
以下に他の実施の形態を説明する。
【００４０】
〈１〉  焼結助剤として、実施形態ではマグネシアスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）を使用したが、イットリア（Ｙ2Ｏ3）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、マグネシア（ＭｇＯ）などの中から選択して使用してもよい。
〈２〉  前記ジルコニアは、焼結助剤が安定化の役割を示すが、一般に知られる安定化ジルコニアや部分安定化ジルコニア、窒化ジルコニウムも使用できる。尚、ジルコニアに代えて窒化ジルコニウムも使用できるが、ジルコニアの方が、反応焼結時に高速で窒化が進むので良い。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、排ガス中に含まれる有害成分の除去のためのフィルターとして使用できる。
【符号の説明】
【００４２】
１      試験片
２      通気路
Ｆ      フィルター
【図１】
2010235421.tif 000003
【図２】
2010235421.tif 000004