DE69420342T2

DE69420342T2 - Metallische wabenstruktur zur verwendung als katalysator und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE69420342T2
Application number: DE69420342T
Authority: DE
Inventors: Nobuhiro Nippon Steel Corporation Tech. Fujita; Masuhiro Nippon Steel Corp. Technical Fukaya; Yasushi Ishikawa; Toshikazu Nakagawa; Hitoshi Ohta; Mikio Nippon Steel Corporation Technical Yamanaka; Masao Yashiro
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-02-12
Filing date: 1994-02-10
Publication date: 2000-02-24
Anticipated expiration: 2014-02-11
Also published as: WO1994017911A1; EP0636411A4; DE69420342D1; EP0636411B1; AU661626B2; US5665669A; AU6010694A; TW292979B; EP0636411A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen metallischen Körper mit Wabenstruktur als Träger für einen Katalysator, der als Katalysatorelement zum Reinigen von Auspuffgas eines Verbrennungsmotors oder als Katalysatorelement in einer chemischen Anlage verwendet wird.

Technischer Hintergrund

In letzter Zeit hat die Anzahl von metallischen Trägern, die zur ein Katalysatorelement zum Reinigen von Auspuffgas eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Benzinmotors, eingesetzt werden, allmählich zugenommen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß ein Metallträger eine größere Porosität aufweist als die bisher verwendeten keramischen Träger, und daß er in einer Umgebung mit starken Temperaturschwankungen eine bessere Haltbarkeit aufweist. Im allgemeinen wird der metallische Träger nach den folgenden Verfahren hergestellt: Formen einer Flachfolie mit einer Dicke von etwa 50 um aus einer hitzebeständigen Folie aus rostfreiem Stahl, und anschließend Formen einer gewellten bzw. Wellfolie durch Wellen der Flachfolie, Wickeln der Flachfolie und der Wellfolie oder Stapeln der beiden Folien zur Bildung eines Wabenkörpers, Unterbringen des Wabenkörpers in einem äußeren Mantel und anschließend Verbinden des Wabenkörpers und des Mantels miteinander.
Eine Folie aus Fe-Cr-Al-Legierung mit hervorragender Oxidationsbeständigkeit ist als Folie aus rostfreiem Stahl verwendet worden, wie in den geprüften japanischen Patentveröffentlichungen (Kokoku) Nr. 58-23 138 und 54-15 035 und der ungeprüften Japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 56- 96 726 beschrieben. Die Folie bildet bei hoher Temperatur auf ihrer Oberfläche eine Aluminiumoxidschicht und behält eine äu ßerst hohe Oxidationsbeständigkeit. Es sind verschiedene Verbindungsverfahren angewandt worden, wie z. B. das in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 61-190 574 beschriebene Hartlöten, das in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 64-40 180 beschriebene Widerstandsschweißen, das in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 54-13 462 beschriebene Laser- und Elektronenstrahlschweißen und verschiedene andere Verfahren. Die für den Wabenkörper verwendete Folie aus Fe-Cr-Al- Legierung weist eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit auf, aber ihre Verarbeitbarkeit ist wegen des hohen Al-Gehalts mittelmäßig. Dementsprechend ist die Produktivität äußerst niedrig, und die Produktionskosten sind hoch.
Die Umgebungstemperatur beim praktischen Einsatz des Wabenkörpers beträgt in den meisten Fällen höchstens etwa 800ºC, und die Oxidationsbeständigkeit dieser Folie ist in vielen Fällen zu hoch.
Als Verbindungsverfahren wird meistens das Hartlöten angewandt. Das bei diesem Verfahren verwendete Hartlötmaterial ist jedoch teuer. Außerdem weist das Verbindungsverfahren das Aufbringen eines Bindemittels, das Anbringen des Hartlötmaterials und eine Vakuumwärmebehandlung auf und ist äußerst kompliziert. Das Widerstandsschweißen ist ein Produktionsverfahren mit niedriger Produktivität und für die Massenproduktion nicht geeignet. Das Laserstrahlschweißen ist mit dem Problem verbunden, daß das Schweißgerät äußerst teuer ist.
Eine Diffusionsverbindung ist als relativ wirtschaftliches Verbindungsverfahren bekannt und wird in der US-A-4 300 956 und in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 1-270 947 beschrieben. Will man jedoch die für ein katalytisches Substrat notwendige Oxidationsbeständigkeit durch das Folienmaterial sicherstellen, dann tritt das folgende Problem auf. Da das verwendete Material eine Fe-Cr-Al- Legierung ist, reagiert es mit sehr geringen Mengen von Sauerstoffquellen (CO, H&sub2;O) im Inneren eines Ofens während der Vakuumwärmebehandlung für die Diffusionsverbindung, und auf der Folienoberfläche bildet sich eine äußerst dünne Aluminiumoxidschicht. Dementspechend behindert die Schicht die Diffusions verbindung, selbst wenn das Material auf eine hohe Temperatur über 1200ºC erhitzt wird, und die Verbindung wird unvermeidlich lokal und instabil.
Zur Lösung eines derartigen Problems sind Verfahren bekannt, die eine lange Zeit für die Diffusionsverbindung benötigen. Zum Beispiel beschreiben Beispiele aus der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2-14 747 eine 2-stündige Wärmebehandlung bei 1100ºC, und die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 1-266 978 beschreibt in ihren Beispielen eine 1,5-stündige Wärmebehandlung bei 1100ºC.
Da gewöhnliche rostfreie Stähle, wie z. B. SUS430 und SUS410, die als weitere Folienmaterialien in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 1-270 947 beschrieben werden, keine ausreichende Oxidationsbeständigkeit aufweisen, die ein Folienmaterial haben sollte, fehlt die bei einem Katalysatorsubstrat für Kraftfahrzeugauspuffgas notwendige Oxidationsbeständigkeit.
Die vorliegende Erfindung soll die oben beschriebenen Probleme lösen und zielt darauf ab, unter Verwendung eines rostfreien Stahls mit hohem Si-Cr-Gehalt und niedrigem Al- Gehalt sowie eines relativ einfachen Verbindungsverfahrens einen wirtschaftlichen metallischen Wabenkörper (und einen metallischen Träger) für einen Katalysator bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Metallwabenkörper für einen Katalysator mit hohe r Oxidationsbeständigkeit bereitzustellen.

Offenbarung der Erfindung

Um die oben beschriebenen Aufgaben zu lösen, hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung Materialien mit hoher Oxidationsbeständigkeit und hoher Bindungsfähigkeit als metallisches Wabenfolienmaterial untersucht und festgestellt, daß bei einer Begrenzung des Al-Gehalts auf einen Bereich, in dem die Aluminiumoxidschicht nicht gebildet wird, d. h. auf einen Bereich von nicht mehr als 0,8% (die Bezeichnung "%" bedeutet im folgenden "Gew.-% "), die Diffusions-Bindungsfähigkeit sich im Vakuum in einer oxidierenden Atmosphäre bei mittlerer und ho her Temperatur nicht verschlechtert, eine auf der Oberfläche des Folienmaterials ausgebildete Chromoxidschicht äußerst kompakt ausgeführt werden kann und die für den metallischen Träger für die Kraftfahrzeuge erforderliche Oxidationsbeständigkeit durch Zugabe von 1 bis 3,5% Si zu dem ferritischen rostfreien Stahl aufrechterhalten werden kann.
Mit anderen Worten, wenn das aus dem Si-haltigen rostfreien Stahl bestehende Folienmaterial in einem gewöhnlichen Vakuum (oder in einer inerten Atmosphäre) unter vorgegebenen Bedingungen wärmebehandelt wird, bilden sich unmittelbar unterhalb der Oberfläche des Folienmaterials Unterkrusten, und die entstandenen Unterkrusten hemmen die Diffusion von Al zum Oberflächenschichtabschnitt des Folienmaterials. Wenn daher der Al-Gehalt nicht größer als 0,8% ist (bis zum Verunreinigungsgehalt), dann wird die Aluminiumoxidschicht nicht gebildet.
Wenn dementsprechend der Metallwabenkörper in der oben beschriebenen Atmosphäre wärmebehandelt wird, dann diffundieren die Atome der Bestandteile innerhalb der Flachfolie und der Wellfolie gegenseitig, da sie in der festen Phase verbleiben, und die Bindungsabschnitte weisen die gleiche metallische Struktur wie in einem Grundmaterial auf (Diffusionsverbindung).
Wenn andererseits der auf die oben beschriebene Weise geformte Metallwabenkörper einer oxidierenden Atmosphäre bei mittlerer und hoher Temperatur ausgesetzt wird, entsteht auf der Oberfläche der Folie, die den Metallwabenkörper bildet, eine feinere Schutzschicht aus Chromoxid, und es kann eine hohe Oxidationsbeständigkeit erzielt werden.
Mit anderen Worten, auf der Folienoberfläche des Wabenkörpers aus dem erfindungsgemäßen Material wird in feuchter Atmosphäre, wie z. B. in dem Auspuffgas des Motors, in einem mittleren und hohen Temperaturbereich von nicht mehr als 800ºC eine sogenannte feine Chromoxidschicht ausgebildet, die einen geringen Anteil Eisenoxide enthält, welche das Schutzvermögen der Schicht verschlechtern, wobei das enthaltene Material einen Si-Gehalt von bis zu 1% aufweist.
Diese Chromoxid-Schutzschicht weist keine Oxidationsbeständigkeit auf, die mit derjenigen der Aluminiumoxidschicht gleichwertig ist, weist aber eine ausreichende Säurebeständigkeit auf, wenn die Temperatur des Auspuffgases im wesentlichen etwa 800ºC beträgt.
Da das erfindungsgemäße Material einen niedrigen Al- Gehalt und eine hervorragende Diffusions-Bindungsfähigkeit aufweist, kann die Diffusionsverbindung durch Erhitzen auf eine Temperatur zwischen 1200ºC und 1250ºC während einer Verweilzeit von 15 bis 30 Minuten, oder bei einer Temperatur von 1250 bis 130 während einer kürzeren Verweilzeit ausgeführt werden. Das heißt, die Diffusionsverbindung kann innerhalb von 1 bis 15 Minuten hergestellt werden.
Wie oben beschrieben, erleichtert die vorliegende Erfindung eine Diffusionsverbindung durch Verwendung einer Folie aus rostfreiem Stahl, die mindestens 1% Si enthält, als Folienmaterial des Wabenkörpers des metallischen Trägers, und sichert gleichzeitig eine notwendige Oxidationsbeständigkeit. Da der Al-Gehalt auf nicht mehr als 0,8% begrenzt ist, damit bei Anwendung eines relativ einfachen Diffusionsverbindungsverfahrens die Aluminiumoxidschicht kein Problem wird, kann die Diffusionsverbindung innerhalb kürzerer Zeit reibungslos hergestellt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht, die schematisch einen metallischen Träger darstellt;
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht, die schematisch einen metallischen Träger darstellt, wenn auf einen Wabenkörper ein Inhibitor aufgebracht wird;
Fig. 3 zeigt eine Photographie eines Metallgefüges, die einen Verbindungsabschnitt eines metallischen Trägers darstellt, der aus einer Flachfolie und einer Wellfolie als erfindungsgemäßen Komponenten hergestellt wird;
Fig. 4 zeigt eine Photographie eines Metallgefüges, die einen Verbindungsabschnitt eines metallischen Trägers darstellt, der entsprechend der verwandten Technik aus einer Flachfolie und einer Wellfolie hergestellt wird; und
Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht, die ein Durchstoßtestverfahren eines metallischen Trägers darstellt.

Beste Ausführungsart der Erfindung

Zunächst werden die chemischen Bestandteile einer Folie aus rostfreiem Stahl des Cr-Systems erläutert, die einen erfindungsgemäßen Wabenkörper als Träger für einen Katalysator bildet.
Silicium (Si) verhindert die Bildung einer Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche einer Folie, aktiviert die Diffusion von Atomen der Bestandteile, verfeinert die in einer oxidierenden Atmosphäre von hoher Temperatur gebildete Chromoxid-Schutzschicht und verbessert die Oxidationsbeständigkeit. Daher wird Si in einem Anteil im Bereich von 1 bis 3,5% zugesetzt. Ist der Anteil niedriger als 1%, dann ist die Wirkung der Zugabe von Si nicht ausreichend, und bei einem höheren Anteil als 3,5% verschlechtert sich die Materialqualität, und die Produktivität fällt merklich ab.
Mangan (Mn) ist ein Element, das bei der Stahlproduktion unvermeidlich enthalten ist, wobei aber kein Problem auftritt, besonders wenn der Anteil der normalerweise in gewöhnlichen Stählen enthaltene Anteil ist, d. h. nicht größer als 1%
Bei Zusatz von 0,8% oder mehr Aluminium (Al) zu dem rostfreien Chromstahl bildet dieses bei hoher Temperatur eine Schutzschicht aus Aluminiumoxid und verbessert die Oxidationsbeständigkeit. In der vorliegenden Erfindung wird jedoch Aluminium ausgeschlossen, da es die Diffusionsverbindung behindert. Al kann jedoch innerhalb des Bereichs zugesetzt werden, in dem die Aluminiumoxidschicht nicht gebildet wird, d. h. im Bereich von nicht mehr als 0,8%, um den Umwandlungspunkt des Folienmaterials auf eine höhere als die Gebrauchstemperatur einzustellen.
Kohlenstoff (C) erniedrigt den Schmelzpunkt des Folienmaterials und erleichtert die Diffusionsverbindung. Daher wird mindestens 0,005% zugegeben, und der obere Grenzwert ist auf 0,2% festgesetzt, da sich bei zu hohem Zusatz von C das Material verschlechtert.
Chrom (Cr) ist ein wesentliches Element für die Aufrechterhaltung der Oxidationsbeständigkeit des rostfreien Stahls. Ist der Anteil niedriger als 9%, dann ist die Oxidationsbeständigkeit unzureichend, und bei einem höheren Anteil als 22% wird das Material härter, und die Produktivität nimmt ab. Dementsprechend ist der Cr-Anteil auf einen Wert im Bereich von 9 bis 22% festgesetzt.
Seltenerdmetalle einschließlich Y verbessern die Oxidationsbeständigkeit des Folienmaterials und werden nötigenfalls dem katalytischen Träger zugesetzt, in dem sich die Temperatur zeitweise und stellenweise stark ändert und in dem starke Belastungen auftreten, wie z. B. die Wärmeermüdung. Wenn jedoch die Summe der Anteile eines oder mehrerer von diesen Elementen weniger als 0,01% beträgt, zeigt sich keine Wirkung der Zugabe, und wenn sie 0,2% übersteigt, treten während der Herstellung des Materials Kratzer auf. Aus diesen Gründen ist der Anteil auf 0,01 bis 0,2% begrenzt.
Nb, V, Mo und W verbessern die Hochtemperaturfestigkeit des Folienmaterials. Daher werden sie nötigenfalls jeweils innerhalb der folgenden Bereiche zugesetzt:
Nb: 0,05 bis 1,0%, V: 0,03 bis 0,5%
Mo: 0,3 bis 3%, W: 0,5 bis 3%
Ist der Anteil des jeweiligen Elements niedriger als sein unterer Grenzwert, dann ist die Wirkung der Zugabe nicht ausreichend, und wenn der Anteil den oberen Grenzwert übersteigt, wird das Material härter, und die Produktivität nimmt ab. Unter diesen Elementen verbessern Nb und Mo die Korrosionsbeständigkeit des Folienmaterials. Dementsprechend werden diese Elemente vorzugsweise in den Fällen zugesetzt, wo die Taupunktkorrcsion durch Schwefelsäure in einem Katalysator für einen Dieselmotor zum Problem wird.
Tabelle 1 zeigt einige Beispiele der Folienzusammensetzungen, die für den erfindungsgemäßen Wabenkörper verwendet werden können. Bei den chemischen Zusammensetzungen des in der vorliegenden Erfindung verwendeten Folienmaterials wird im einzelnen keine Festlegung für P und S getroffen, die kein Problem darstellen, solange ihre Anteile auf dem Niveau in gewöhnlichem rostfreiem Stahl bleiben. Tabelle 1
Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren für einen erfindungsgemäßen Wabenkörper erläutert.
Der erfindungsgemäße Wabenkörper, wie in Fig. 1 gezeigt, wird hergestellt, indem unter Druck eine Flachfolie 4 mit der oben beschriebenen chemischen Zusammensetzung und einer Dicke von etwa 50 um mit einer durch Wellen erhaltenen Wellfolie in einem Stück aufgewickelt wird, oder indem mehrere Schichten, die jeweils die Flachfolie und die Wellfolie aufweisen, übereinandergelegt werden. Die Verbindung zwischen der Wellfolie und der Flachfolie wird hergestellt, indem eine gegenseitige Diffusion der Komponentenatome in der Nähe ihrer Berührungsflächen herbeigeführt wird, während die Folien über einen gewünschten Bereich in der festen Phase verbleiben.
Mit anderen Worten, der oben beschriebene Wabenkörper wird in einen Vakuumwärmeofen (oder einen Wärmeofen, der eine Inertatmosphäre enthält) eingebracht, von Raumtemperatur mit einer Geschwindigkeit von etwa 20ºC/Minute auf eine Temperatur im Bereich von 1200 bis 1300ºC erwärmt und 1 bis 30 Minuten auf dieser Temperatur gehalten. Wenn die Erwärmungstemperatur niedriger als der Bereich von 1200 bis 1250ºC liegt, muß der Wabenkörper 15 bis 30 Minuten gehalten werden, und wenn die Erwärmungstemperatur den hohen Wert von 1250 bis 1300ºC aufweist, kann der Wabenkörper innerhalb von 1 bis 15 Minuten verbunden werden.
Infolge der oben beschriebenen Wärmebehandlung erfolgt die Diffusionsverbindung an der Berührungsfläche zwischen der Flachfolie und der Wellfolie, und die Grundmaterialien an der Berührungsfläche wandeln sich in eine integrierte bzw. einstückige Metallstruktur um und werden fest miteinander verbunden.
Nachdem die Berührungsfläche der Folien auf diese Weise durch Diffusion verbünden ist, wird der Wabenkörper im Ofen auf Raumtemperatur abgekühlt oder einer Schnellabkühlung durch ein Inertgas unterworfen.
Der metallische Träger kann unter Verwendung des erfindungsgemäßen Wabenkörpers auf die folgende Weise hergestellt werden. Zuerst wird durch Wickeln oder Stapeln der Flachfolie und der Wellfolie der Wabenkörper hergestellt, und dann wird der Wabenkörper durch Druckanwendung in einen äußeren Zylinder gedrückt oder mit dem äußeren Zylinder zusammengefügt, entweder so, wie er ist, oder nachdem ein Beschichtungsmittel, das durch Beimengen eines pulverförmigen Hartlötmittels zu einem flüssigen Klebstoff hergestellt wird, auf einen vorgegebenen Abschnitt der Außenfläche des Wabenkörpers aufgebracht und der Durchmesser durch eine Kontaktmaschine verringert wird. Auf diese Weise werden die Berührungsfläche im Inneren des Wabenkörpers und die Haftung zwischen dem Wabenkörper und dem äußeren Zylinder verbessert. Nach dem Trocknen erfolgt eine Wärmebehandlung in dem oben beschriebenen Vakuumtrockenofen. Als Ergebnis erfährt der Wabenkörper eine Festphasen-Diffusionsverbindung, und det Wabenkörper und der äußere Mantel werden einer Diffusionsverbindung unterworfen oder hartgelötet.
Die Güte des Vakuums im Wärmeofen beträgt vorzugsweise etwa 1,33 bis 0,133 Pa (1 · 10&supmin;² bis 1 · 10&supmin;&sup4; Torr), und anstelle des Vakuums kann auch eine Inertgasatmosphäre aus Wasserstoff, Argon usw. verwendet werden.
Der in Fig. 1 gezeigte Wabenkörper wird unter Verwendung der rostfreien Stahlfolie aus dem Stahl B in Tabelle 1 hergestellt, in den äußeren Mantel 3 hineingedrückt und zur Diffusionsverbindung in einem Vakuum von 0,0133 Pa (1 · 10&supmin;&sup4; Torr) bei einer Wärmebehandlungstemperatur von 1210ºC und während einer Verweilzeit von 28 Minuten wärmebehandelt. Fig. 3 zeigt eine metallographische Aufnahme des entstandenen Verbindungsabschnitts. Ein unter Verwendung einer rostfreien Fe- 20Cr-5Al-Stahlfolie als eines der herkömmlichen Materialien hergestellter Wabenkörper 2 wird in den äußeren Zylinder gedrückt und dann auf die gleiche Weise wie bei der vorliegenden Erfindung im Vakuum wärmebehandelt. Fig. 4 zeigt eine metallographische Aufnahme des entstandenen Verbindungsabschnitts, der durch Dfffusionsverbindung erzeugt wird.
Wie deutlich aus Fig. 3 erkennbar, wächst an dem Verbindungsabschnitt innerhalb des aus dem erfindungsgemäßen Material hergestellten Wabenkörpers die Kristallstruktur über die Grenze 9 zwischen der Flachfolie 4 und der Wellfolie 5 hinaus, während an dem Verbindungsabschnitt innerhalb des aus dem herkömmlichen Material hergestellten Wabenkörpers die Kristallstruktur nicht über die Grenze 10 zwischen der Flachfolie 4 und der; Wellfolie 5 hinauswächst, wie deutlich aus Fig. 4 erkennbar. Außerdem entstehen entlang der Grenze Hohlräume als einer der Fehler, und die Verbindung ist äußerst instabil.
Wie oben beschrieben, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Diffusionsverbindung durch ein relativ einfachere s Verfahren und innerhalb kürzerer Zeit durch Verwendung der rostfreien Fe-Cr-Si-Stahlfolie und weist eine viel höhere Produktivität auf als ein Verfahren mit Verwendung einer rostfreien Fe-Cr-Al-Stahlfolie. Dementsprechend kann die vorliegende Erfindung auf stabile Weise einen wirtschaftlichen metallischen Träger bereitstellen.

BEISPIELE

Beispiel 1

Eine 50 um dicke Flachfolie mit der chemischen Zusammensetzung des Stahls B von Tabelle 1 wurde hergestellt, und ein Teil der Flachfolie wurde einer Wellungsbearbeitung unterworfen, um eine Wellfolie zu erhalten. Ein Wabenkörper mit einem Außendurchmesser von 97 mm und einer Länge von 100 mm wurde durch Übereinanderlegen und Wickeln der Flachfolie und der Wellfolie hergestellt. Als äußerer Zylinder wurde ein Zylinder mit einem Außendurchmesser von 100 min und einer Länge von 100 mm aus einem ferritischen rostfreien Stahlblech mit einer Dicke von 1,5 mm aus einem 19%Cr-Stahl hergestellt, und der oben beschriebene Wabenkörper wurde in diesen Mantel hineingedrückt. Er wurde dann 28 Minuten bei einem Vakuum von 1,33 Pa (1 · 10&supmin;² Torr) und einer Temperatur von 1210ºC wärmebehandelt, um den äußeren Mantel und den äußeren Umfang des Wabenkörpers sowie die Wellfolie und die Flachfolie innerhalb des Wabenkörpers durch Diffusionsverbindung miteinander zu verbinden. Wenn in diesem Falle die Wellfolie und die Flachfolie über den gesamten Bereich innerhalb des Wabenkörpers miteinander verbunden würden, wäre eine Zerstörung durch thermische Ermüdung während der Verwendung im Motor wahrscheinlich. Daher wurde ein Diffusionsverbindungs-Verhinderungsmittel, das Titandioxid als Hauptbestandteil enthält, auf einen Abschnitt 6 des Wabenkörpers 2-2 aufgebracht, wie in dem Schnitt von Fig. 2 schematisch durch schräge Linien angedeutet, um das Auftreten der Diffusionsverbindung an diesem Abschnitt zu verhindern.
Als Vergleichsbeispiel wurde auf die gleiche Weise, wie oben beschrieben, unter Verwendung einer Fe-200r-5Al-Folie mit einer Dicke von 50 um ein Wabenkörper 2 hergestellt, und der entstandene Wabenkörper 2 wurde in den äußeren Mantel 3 gedrückt, um den in Fig. 1 dargestellten metallischen Träger herzustellen. Der Träger wurde 30 Minuten in einem Vakuum von 1,33 Pa (1 · 10&supmin;² Torr) bei 1200ºC wärmebehandelt.
Diese beiden Arten von metallischen Trägern 1, 2-1 wurden an Zwischenabschnitte eines Auspuffrohrs eines 4-Zylinder- Motors mit einem Hubraum von 2000 cm³ angeschlossen. Bei Betrieb des mit 5000 U/min unter Vollast wurde ein Abkühlungs- Erwärmungs-Test mit 10-minütiger Erwärmung auf 800ºC, 20- minütigem Stillstand des Motors und anschließender Abkühlung in 900 Zyklen wiederholt. Als Ergebnis konnte in dem metalli schen Träger mit Verwendung der Folie aus dem Stahl B von Tabelle 1 keine Unregelmäßigkeit beobachtet werden, während der metallische Träger des Vergleichsbeispiels mit Verwendung der Fe-10Cr-5Al-Folie dazu führte, daß sich nach 600 der obigen Zyklen etwa 2/3 des mittleren Abschnitts des Wabenkörpers zur Auslaßseite des Auspuffgases hin bewegten. Als Ergebnis der Untersuchung wurde festgestellt, daß der Scheitel der Wellfolie 5 und die Flachfolie 4 in dem Wabenkörper 2 mit Verwendung des Stahls B zuverlässig diffusionsverbunden waren und daß sich der Verbindungsabschnitt flach ausdehnte. In dem Wabenkörper mit Verwendung von Fe-20Cr-5Al-Stahl war jedoch die Verbindung ungleichmäßig ausgeführt, und sogar am Verbindungsabschnitt wurde nur eine punktförmige Verbindung beobachtet. Mit anderen Worten, dieses Ergebnis zeigte, daß bei der Fe- 20Cr-5Al-Folie während der Vakuumwärmebehandlung eine Schicht aus Aluminiumoxid gebildet wird und daß die Diffusionsverbindung nicht ausreichend ausgeführt wurde.

Beispiel 2

Ein 50 um dicke Folie mit der chemischen Zusammensetzung des Stahls Q in Tabelle 1 wurde hergestellt, und ein Wabenkörper 2 mit einem Außendurchmesser von 102 mm und einer Länge von 115 mm wurde durch Übereinanderlegen und Wickeln einer Flachfolie 4 und einer Wellfolie 5 erzeugt, wie in Fig. 1 dargestellt. Nach dem Hineindrücken des Wabenkörpers 2 in den äußeren Mantel aus 19%Cr-Stahl mit einer Dicke von 1,5 mm wurde der Zylinder 15 Minuten bei 1250ºC in einem Vakuum von 0,0133 Pa (1 · 10&supmin;&sup4; Torr) wärmebehandelt, um den äußeren Mantel 3 und den äußeren Umfang des Wabenkörpers 2 sowie die Flachfolie 4 und die Wellfolie 5 innerhalb des Wabenkörpers 2 durch Diffusionsverbindung miteinander zu verbinden.
Die Verbindungsstruktur des Metallträgers 1 war über den gesamten, in Fig. 1 dargestellten Bereich verbunden. Als Vergleichsbeispiel wurde ein Metallträger mit der gleichen Verbindung über den vollen Bereich unter Verwendung eines Fe- 150r-4Al-Folienmaterials mit einer Dicke von 50 um hergestellt und 15 Minuten bei einer Temperatur von 1250ºC in einem Vakuum von 0,0133 Pa (1 · 10&supmin;&sup4; Torr) wärmebehandelt.
Diese zwei Arten des metallischen Trägers 1 wurden durch den Abkühlungs-Erwärmungs-Test auf dem Motorprüfstand auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 getestet. Als Ergebnis konnte zwar besonders in dem ersteren metallischen Träger keine Unregelmäßigkeit beobachtet werden, aber die Folie an der Oberfläche des Wabenkörpers 2 auf der Einlaßseite des Auspuffgases war nach 300 Zyklen teilweise verschwunden. Folglich wurde der Versuch abgebrochen. Als Ergebnis der Untersuchung wurde festgestellt, daß die Diffusionsverbindung in dem Wabenkörper 2 des letzteren metallischen Trägers ebenso wie im Falle der Fe-20Cr-5Al-Folie von Beispiel 1 nicht ausreichend ausgeführt wurde.

Beispiel 3

Es wurden jeweils Folien mit einer Dicke von 50 um und den chemischen Zusammensetzungen A bis V gemäß Tabelle 1 hergestellt, und Wabenkörper mit einem Außendurchmesser von 97 mm und einer Länge von 30 mm wurden durch Übereinanderlegen und Wickeln der Flachfolie und der Wellfolie erzeugt. Jeder Wabenkörper wurde in einen äußeren Zylinder aus 19%Cr-Stahl mit einer Dicke von 1,5 mm, einem Außendurchmesser von 100 mm und einer Länge von 30 mm hineingedrückt, um den in Tabelle 1 angegebenen metallischen Träger herzustellen. Als Vergleichsbeispiel wurde auf ähnliche Weise unter Verwendung eines Fe- 200r-5Al-Folienmaterials und durch Einsetzen, des Wabenkörpers in einen äußeren Mantel ein metallischer Träger hergestellt. Jeder der so hergestellten metallischen Träger wurde in allen Fällen 28 Minuten bei 1210ºC, 15 Minuten bei 1250ºC und 1 Minute bei 1300ºC in einem Vakuum von 0,0133 Pa (1 · 10&supmin;&sup4; Torr) wärmebehandelt.
Der Verbindungszustand jeder dieser metallischen Träger wurde nach dem Durchstoßtest beurteilt. Die Last zum Auslenkungszeitpunkt des Wabenkörpers 2 entsprach dem Verbindungszustand innerhalb des Wabenkörpers 2, und das Ergebnis wurde in Tabelle 2 dargestellt. Der Durchstoßtest wurde ausgeführt, indem der metallische Träger 1 auf den Aufnahmetisch 7 gelegt und der Träger 1 von oben mit einem Lochstempel 8 durchstoßen wurde, wie in Fig. 5 dargestellt. Der Innendurchmesser des Aufnahmetischs betrug 90 mm , und der Außendurchmesser des Lochstempels 8 betrug 87,5 mm.
Als Ergebnis des Durchstoßtests konnten die erfindungsgemäßen metallischen Träger bei beliebigen Wärmebehandlungsbedingungen Durchstoßlasten von mindestens 1400 kg aufnehmen, während die metallischen Träger der Vergleichsbeispiele nur Durchstoßlasten von 150 bis 200 kg aufnehmen konnten und die Diffusionsverbindung sich als unzureichend erwies. Tabelle 2
Wie die oben angegebenen Beispiele zeigen, kann die vorliegende Erfindung durch Verwendung eines relativ wirtschaftlichen Folienmaterials und eines einfachen Verbindungsverfahrens einen metallischen Träger für einen Katalysator zu niedrigen Kosten bereitstellen, kann den Anwendungsbereich der Fahrzeugarten erweitern und liefert einen großen Beitrag zu Umweltschutztechnologien.

Claims

1. Metallischer Wabenkörper als Träger eines Katalysators, dadurch gekennzeichnet, daß Flachfolien, die im wesentlichen aus einem ferritischen rostfreien Stahl bestehen, der 1 bis 3,5 Gew.-% Si und nicht mehr als 0,8 Gew.-% Al, 0,005 bis 0,2 Gew.-% C, 9 bis 22 Gew.-% Cr, und wahlweise mindestens ein oder mehrere Elemente enthält, die aus den folgenden Gruppen ausgewählt sind:

(a) insgesamt 0,01 bis 0,2 Gew.-% mindestens eines Elements, das aus der Gruppe der Seltenerdmetalle einschließlich Y ausgewählt ist; und

(b) mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, die aus 0,05 bis 1,0 Gew.-% Nb, 0,03 bis 0,5 Gew.-% V, 0,3 bis 3 Gew.-% Mo und 0,5 bis 3 Gew.-% W besteht, wobei der Rest aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht;

und durch Wellen der Flachfolien geformte Wellfolien abwechselnd gestapelt werden oder die Flachfolie und die Wellfolie einstückig gewickelt werden, und daß Verbindungsabschnitte zwischen der Flachfolie und der Wellfolie, die miteinander gestapelt oder gewickelt werden, durch Diffusionsverbindung verbunden werden.

2. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Wabenkörpers als Träger eines Katalysators, mit den folgenden Schritten:

abwechselndes Stapeln von Flachfolien, die aus einem ferritischen rostfreien Stahl bestehen, der 1 bis 3,5 Gew.-% Si und nicht mehr als 0,8 Gew.-% Al, 0,005 bis 0,2 Gew.-% C, 9 bis 22 Gew.-% Cr, und wahlweise mindestens ein oder mehrere Elemente enthält, die aus den folgenden Gruppen ausgewählt sind:

und von Wellfolien, die durch Wellen der Flachfolien geformt werden, oder einstückiges Wickeln der Flachfolie und der Wellfolie, um einen Metallwabenkörper zu formen; und

Anwenden einer Wärmebehandlung auf den metallischen Wabenkörper durch Einbringen des metallischen Wabenkörpers in einen Vakuumwärmebehandlungsofen und Halten des Körpers in einem Vakuum von 1, 33 bis 0,0133 Pa (10&supmin;² Torr bis 10&supmin;&sup4; Torr) und bei einer Temperatur von 1200 bis 1300ºC über 1 bis 30 Minuten innerhalb des Wärmebehandlungsofens.

3. Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, wobei die Temperatur bzw. die Verweilzeit innerhalb des Vakuumwärmebehandlungsofens 1200 bis 1250ºC bzw. 15 bis 30 Minuten betragen.

4. Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, wobei die Temperatur bzw. die Verweilzeit innerhalb des Vakuumwärmebehandlungsofens 1250 bis 1300ºC bzw. 1 bis 15 Minuten betragen.

5. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Vakuumwärmebehandlungsofen ein Wärmeofen ist, der eine Inertgasatmosphäre enthält.