DE8412768U1

DE8412768U1 - Hochtemperaturfester Abgaskatalysator-Trägerkörper aus Stahlblechen mit hohem Aluminiumanteil

Info

Publication number: DE8412768U1
Application number: DE8412768U
Authority: DE
Original assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Current assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Priority date: 1984-04-25
Filing date: 1984-04-25
Publication date: 1987-09-03

Description

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Interatom GmbH VPA 84 H 6712 DE

D-5060 Bergisch Gladbach 1 G 84 12 768.6

Hochtemperaturfester Abgaskatalysator-Trägerkörper aus Stahlblechen mit hohem Aluminiumanteil

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgaskatalysator-Trägerkörper nach dem Oberbegriff des 1. Anspruchs, wie er beispielsweise in der DE-OS-29 24 592.9 beschrieben wird. Solche Abgaskatalysator-Trägerkörper werden mit einer katalytisch wirkenden Beschichtung zur Reinigung von Abgasen in Kraftfahrzeugen eingesetzt und sind hohen mechanischen und thermischen Belastungen susgesetzt. Es ist daher sehr schwierig, mechanisch genügend feste und über lange Zeit haltbare Trägerkörper herzustellen. Aus verschiedenen Gründen, insbesondere wegen der Korrosionsbeständigkeit ist es wünschenswert, daß die verwendeten Stahlbleche einen hohen Aluminiumanteil enthalten, was jedoch technisch wegen der schlechten Walzbarkeit von Stahl mit hohem Aluminiumanteil und wegen der daraus entstehenden Kosten zu Problemen führt. Weiterhin sind die fügetechnischen Verbindungen der Berührungsstellen zwischen den einzelnen Blechen problematisch, da diese hochbelasteten Stellen je nach Art der Verbindung wegen thermischen Belastungen oder wegen Erosion Schwachstellen sein können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Abgaskatalysator-Trägerkörper der aus dem preiswert verfügbaren Stahlblech ohne nennenswerten Aluminiumanteil gewickelt wirrt, der jedoch in fertigem Zustand im Grundmaterial und vorwiegend an den fügetechnischen Verbindungsstellen einen großen Aluminiumanteil aufweist. Außerdem soll ein solcher Abgaskatalysator-Träge.7-körper einfach herstellbare dauerhafte fügetechnische Verbindungsstellen aufweisen.

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Zur Lösung dieser Aufgaben wird ein Abgaskatalysator-Trägerkörper nach dem Hauptanspruch vorgeschlagen. Dazu ist ein Abgaskatalysator-Trägerkörper zunächst in einer der bekannten Weisen aus dünnen Blechen geschichtet oder aufgewickelt, wobei die Bleche gewellt, glatt oder sonstwie strukturiert sein können. Auf diese Weise entstehen gasdurchlässige Körper mit großer Oberfläche und vielen Berührungsstellen zwischen den geschichteten bzw. aufgewickelten Blechen. Bisher ist es bekannt, daß diese Verbindungsstellen alle oder teilweise fügetechnisch verbunden sind, beispielsweise mit Hilfe eines geeigneten Lotes verlötet. Erfindungsgemäß wird nunmehr vorgeschlagen, daß die Verbindungsstellen und der Grundwerkstoff, zumindest in Oberflächennähe, als Zusatzmaterial einen großen Aluminiumanteil aufweisen, wodurch eine besondere Art der Verbindung entsteht. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 2 angegeben.

Zur Verdeutlichung der Erfindung werden im folgenden noch einige Angaben zum Herstellungsprozeß solcher Katalysator-Trägerkörper gemacht. Der Abgaskatalysator-Trägerkörper viird zunächst in an sich bekannter Weise aus geeignet strukturierten Blechen gewickelt oder geschichtet, wobei als Ausgangsmaterial ein handelsübliches, z. B. chromhaltiges Stahlblech ohne oder mit einem geringen Aluminiumanteil verwendet wird. Oer fertig gewickelte oder geschichtete Abgaskatalysator-Trägerkörper wird mit Aluminiumpulver beschichtet, wobei in die Spalten in der Nähe der Berührungsstellen der Bleche möglichst viel Aluminiumpulver eingebracht wird, sei es unter Verwendung von Kleber, Binder, Haftkleber oder auf andere Weise. Die Methode für das Aufbringen von Aluminiumpulver entspricht den für das Aufbringen von Lot bekannten Maßnahmen. Anschließend wird der mit Aluminiumpulver beschichtete Abgaskatalysator-Trägerkörper für einige Zeit über den Schmelzpunkt des Aluminiums im Vakuumofen aufgeheizt. Auf diese Weise schmilzt das Aluminium, benetzt die Oberflächen und läuft in die Spalten in der Nähe der Berührungsstellen hinein und bildet dort, wie dies auch bei

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einem Lot der Fall wäre, Verbindungsbrücken. Außerdem beginnt das Aluminium überall in den Stahl hineinzudiffundieren, wodurch der Aluminiumanteil des Stahls nachträglich deutlich erhöht werden kann.

Der Abgaskatalysator-Trägerkörper kann dabei so hoch erhitzt werden, daß der erniedrigte Schmelzpunkt der durch in den Stahl eindiffundierendes Aluminium entstehenden, örtlich aluminiumreichen Aluminium-Stahl-Legierung erreicht wird und sich zusammenschmelzende Verbindungsstellen an den Berührungspunkten ergeben. Dies ist deshalb möglich, weil der Schmelzpunkt einer Aluminium-Stahl-Legierung niedriger ist als der von reinem Stahl. Da das Aluminium das Bestreben hat, in den Stahl einzudiffundieren, entsteht in der Nähe der Spalten, wo sich genügend Aluminium befindet, sehr schnell eine Legierung mit hohem Aluminiumanteil, welche einen niedrigen Schmelzpunkt hat. Wird die Temperatur genügend hoch gewählt, so kann auf diese Weise eine sehr viel innigere Verbindung hergestellt werden, als dies beim Löten der Fall ist.

Die hohe Temperatur wird solange beibehalten, bis das Aluminium überall in den Stahl eindiffundiert ist und bis aus den örtlich aluminiumreichen Legierungen so viel Aluminium wegdiffundiert ist, daß der Schmelzpunkt dieser Stellen wieder oberhalb der herrschenden Temperatur liegt und diese somit erstarren. Das Aluminium hat natürlich das Bestreben, von seinem ursprünglichen Ort der Aufbringung überall hin in den Stahl hineinzudiffundieren. Die örtlich aluminiumreiche Legierung wird daher in Abhängigkeit von der Zeit durch die hohe Aluminium-Diffusionsgeschwindigkeit wieder weniger aluminiumhaltig, wodurch der Schmelzpunkt steigt. Auch nach Erstarren der Verbindungsstellen diffundiert Aluminium noch weiter in den Stahl. Es kann daher durch entsprechend langes Beibehalten einer hohen Temperatur der Schmelzpunkt der Verbindungsstellen wieder erheblich angehoben werden, wobei gleichzeitig der übrige Stahl zur Stabilisierung seiner Hochtemperatur-

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Korrosionsfestigkeit mit Aluminium angereiciiert wird.

Grundsätzlich kann die hohe Temperatur so lange beibehalten werden, bis das aufgebrachte Aluminium im wesentlichen gleichmäßig im Stahl verteilt ist. Ein so behandelter Abgaskatalysator-Trägerkörper hat in bezug auf Hochtemperatur-Korrosion wesentlich verbesserte Eigenschaften, da durch dieses Verfahren der Aluminiumanteil des Grundwerkstoffes, zumindest in Oberflächennähe, auf Werte größer als 6 % gesteigert werden kann, beispielsweise auf 10 % bis 20 % oder auch darüber. Stahlwerkstoffe mit ähnlich hohen Aluminiumanteilen lassen sich wegen ihrer Rißanfälligkeit werktechnisch nicht mehr verarbeiten und somit auch nicht direkt zur Herstellung von Katalysator-Trägerkörpern verwenden.

Schließlich ist es noch möglich, daß die zur Beschichtung verwendeten Aluminium-Körner noch Anteile anderer zur Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit beitragende Elemente, z. B. Yttrium, Zirkon oder Cer, enthalten. Dadurch können zusätzliche Verbesserungen der Korrosionsfestigkeit erreicht werden.

Die vorliegende Erfindung sei anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 einen ächematischen Querschnitt durch eine typische Beruhrungsstelle zwischen zwei Blechen vor der Erhitzung und Figur 2 die gleiche Stelle nach dem Schmelzen.

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Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Berühr wigsstelle zwischen einem glatten Blechstreifen 1 und einem gewellten Blechstreifen 2. Eine solche Berührungsstelle 5 7 v/eist üblicherweise an den Seiten enge Spalten 3 auf, ■ in welche zur Herstellung einer fügetechnischen Verbindung ein Zusatzmaterial mit einer geeigneten Methode eingebracht werden muß. in diesem Falle sind Aluminiumkörner 4 mit einer geeigneten Methode auf die Blechoberflächen 10 und in die Spalten 3 eingebracht worden, so daß genügend Leg'ierungsmaterial in der Nähe der Berührungsstelle 7 vorhanden ist.

I Wie in Fig. 2 schematisch angedeutet, geschieht beim Auf-

ij 15 heizen etwa folgendes:

&xgr; Die Aluminiumkörner 4 auf den Blechen 1,2 und insbesondere

% in den Spalten 3 schmelzen, benetzen die Oberfläche und fließen ineinan-

I der. Dabei beginnt das Aluminium sofort in den Stahl einzudif-

«! fundieren, so daß sich Zonen 5, 6, 8 in den Blechen 1,2

3 20 bilden, welche einen hohen Aluminiumanteil aufweisen.

Diese örtlich aluminiumreichen Aluminium-Stahl-Legierun-&lgr; gen haben einen wesentlich niedrigeren Schmelzpunkt als

¹ Stahl, so daß sich auch diese Zonen 5, 6 vorübergehend

' verflüssigen. Es entsteht so eine sehr innige Verbindung

j 25 in der Nähe der Berührungsstelle 7, welche im Idealfull l· nahezu die Eigenschaften einer Schweißverbindung auf-

f- weist. Das Aluminium diffundiert bei hoher Temperatur

&eeacgr; natürlich weiter, wie mit Pfeilen angedeutet, in den

I Stahl hinein, wodurch der Schmelzpunkt der Zonen 5, 6

I 30 sich wieder erhöht und die Verbindungsstelle erstarrt. § Die so geschaffene Verbindung ist außerordentlich stabil

und die Verbindungsmethode hat zusätzlich den Vorteil, i daß der Stahl mit Aluminium angereichert werden kann, was

für die Korrosionseigenschaften von Vorteil ist. Es sei 35 noch darauf hingewiesen, daß die Zeichnung nur schematisch

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und keinesfalls maßstabgerecht in Bezug auf die Eindringtiefe des Aluminiums ist.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kann ein langlebiger und besonders stabiler Abgaskatalysator-Trägerkörper hergestellt werden.

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Claims

Schutzansprüche VPA 84 H 6712 DE

1. Abgaskatalysator-Trägerkörper, insbesondere aus spiralförmig aufgewickelten oder geschichteten dünnen gewellten (2) und/oder im wesentlichen glatten (1) Blechen aus hochtemperaturfestem Stahl, wobei die Beruhrungsstellen (7) der Bleche fügetechnisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial, zumindest i.i Oberflächennähe, und die fügetechnischen Verbindungsstellen (3, 5, 6) einen Aluminiumanteil von mehr als 6 %, z. B. 10 bis 25 %, aufweisen.

2. Abgaskatalysator-Trägerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Berührungsstellen (7) der Bleche örtlich aus einer aluminiumreichen Aluminium-Stahl-Legierung bestehen und miteinander zusammengeschmolzen (3, 5, 6) sind.

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