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Dispositif catalytique à support métallique, et son procédé de fabrication.
La présente invention concerne un dispositif catalytique à support métallique, essentiellement utilisable dans un circuit d'échappement des gaz brûlés d'un moteur à combustion interne.
Ces gaz brûlés font actuellemnt l'objet de règlementations de plus en plus contraignantes, qui visent à réduire les rejets de divers constituants dans l'atmosphère.
On a dès lors développé des dispositifs capables de débarrasser les gaz brûlés d'une grande partie de leurs constituants indésirables, en particulier des oxydes d'azote et de carbone, et des hydrocarbures imbrûlés.
Dans ces dispositifs, les gaz brûlés chauds sont mis en contact avec un catalyseur qui favorise la destruction de ces constituants. De tels dispositifs portent le nom de pots catalytiques.
L'élément catalyseur proprement dit se présente généralement sous la forme d'une couche de céramique, habituellemnt d'alumine gamma (-y- AI203), imprégnée d'une solution d'un métal catalyseur tel que le platine ou le rhodium.
Cette couche d'alumine est elle-même déposée sur un support, de façon à présenter une surface de contact aussi grande que possible avec les gaz brûlés à traiter. L'ensemble est logé dans une enceinte à travers laquelle on fait passer le courant de gaz brûlés.
On connaît actuellement deux types de support pour catalyseur, à savoir les supports céramiques et les supports métalliques.
Les supports céramiques se composent soit de billes de petit diamètre, soit de corps monolithiques traversés par des canaux. Ils présentent habituellement un rapport surface/volume limité afin de ne pas augmenter
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trop fortement la perte de charge du courant de gaz brûlés. Par ailleurs, ils sont placés dans une enceinte métallique, généralement en acier, qui confère à l'ensemble du pot catalytique la résistance mécanique désirée ; il existe dès lors une nette différence de coefficient de dilatation thermique entre le support céramique et l'enceinte métallique qui l'entoure.
Les supports métalliques appartiennent au type monolithique. En règle générale, ils sont constitués par une superposition de feuilles métalliques profilées, disposées de façon à former entre elles des canaux pour la circulation des gaz brûlés. Ces feuilles métalliques portent la couche de céramique (-Al203) mentionnée plus haut, appelée aussi"wash-coat" ou"couche de revêtement", dont l'épaisseur s'élève à quelques dizaines de micromètres et qui présente une surface spécifique élevée.
Les supports métalliques actuels s'avèrent intéressants aux points de vue de leur résistance mécanique et de leur comportement à température élevée. Ils présentent cependant un poids et un prix plus élevés que les supports céramiques, ce qui ne favorise pas leur utilisation, notamment dans les véhicules automobiles de grande diffusion. De plus, l'adhérence entre le support métallique proprement dit et la couche de revêtement n'est pas toujours suffisante ; il en résulte un écaillage de cette couche et une perte de l'effet catalytique recherché.
Les feuilles utilisées actuellement pour fabriquer ces supports métalliques sont habituellement constituées d'un alliage inoxydable du type ferchrome-aluminium ; elles sont obtenues par laminage à froid ou par pelage, et leur épaisseur est couramment comprise entre 50 et 100 m. Il n'est pas possible en pratique d'atteindre des épaisseurs plus faibles par des techniques mécaniques de ce type.
On connaît cependant à présent des feuils métalliques, qui sont des feuilles de très faible épaisseur obtenues essentiellement par voie électrolytique.
La présente invention a pour objet de proposer un dispositif catalytique à support métallique qui présente une adhérence accrue de la couche de
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revêtement ainsi qu'un rapport pondéral plus avantageux, tout en offrant un intérêt économique de fabrication et d'utilisation dans l'industrie automobile. L'invention s'étend également à un procédé de fabrication de ce dispositif catalytique, ainsi qu'aux pots d'échappement de gaz brûlés qui en sont équipés.
Conformément à la présente invention, un dispositif catalytique à support métallique, qui comprend au moins une feuille métallique portant une couche de revêtement en céramique imprégnée d'un métal catalyseur, est caractérisé en ce que ladite feuille métallique est un feuil en métal ferreux ayant une épaisseur inférieure à 50 m et en ce que ledit feuil en métal ferreux porte une couche d'accrochage sur laquelle est déposée ladite couche de revêtement en céramique.
L'épaisseur dudit feuil en métal ferreux est avantageusement comprise entre 10 Am et 40 yam. Une épaisseur d'au moins 10 m est nécessaire pour que le feuil présente une résistance mécanique suffisante ; cette épaisseur ne doit de préférence pas être supérieure à 40 Mm, afin de ne pas augmenter inutilement le poids du support.
Le feuil utilisé est de préférence produit par voie électrolytique, suivant une technique développée récemment par le présent demandeur et décrite notamment dans le brevet EP-B-0279803. Il peut être constitué d'un alliage de type conventionnel, par exemple fer-chrome, ou se composer d'une superposition de couches de métaux différents, en particulier de fer et de chrome.
La couche d'accrochage est destinée à assurer une bonne adhérence de la couche de revêtement en céramique à la surface du feuil en métal ferreux.
Elle est de préférence constituée par une couche d'oxyde, et en particulier par une couche d'oxyde d'aluminium a-Al203.
En pratique, cette couche d'accrochage peut être obtenue en déposant un revêtement d'aluminium sur le feuil, puis en le soumettant successivement à un traitement thermique de diffusion, pour former une couche superficielle de composés intermétalliques du type Fe-Cr-Al, et à une opération d'oxydation superficielle.
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La couche d'accrochage présente une rugosité comprise de préférence entre 2 pm et 10 pm, afin de favoriser l'adhérence de la couche de revêtement en céramique tout en préservant la régularité de l'épaisseur de celle-ci.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le feuil en métal ferreux peut présenter des perforations, qui sont de préférence réalisées au cours de sa fabrication.
Dans le dispositif catalytique utilisant de tels feuils, les perforations précitées assurent la communication entre les canaux de circulation des gaz brûlés et impriment à ceux-ci une turbulence favorisant leur contact avec le catalyseur.
Les perforations peuvent avoir une forme quelconque ; elles auront de préférence une forme simple, en particulier circulaire, qui est aisément réalisable et qui ne donne pas lieu à des amorces de déchirure du feuil.
La couche de revêtement en céramique présente une composition et une structure conventionnelles ; elle est constituée d'alumine gamma (1 - Al203) imprégnée avec une solution contenant un métal catalyseur tel que le platine ou le rhodium.
L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'un dispositif catalytique à support métallique qui vient d'être décrit. Le procédé de l'invention concerne essentiellement le traitement appliqué à un feuil en métal ferreux pour produire un support métallique utilisable dans un dispositif catalytique du type précité.
Conformément à cet aspect de l'invention, le procédé de fabrication d'un dispositif catalytique à support métallique, dans lequel on dépose une couche de revêtement en céramique sur une feuille métallique et on imprègne ladite couche de revêtement en céramique avec une solution contenant un métal catalyseur, est caractérisé en ce que l'on utilise une feuille métallique constituée par un feuil en métal ferreux ayant une épaisseur inférieure à 50 m, et en ce que l'on forme à la surface dudit feuil une couche d'accrochage sur laquelle on dépose ensuite ladite couche de revêtement en céramique.
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Selon une mise en oeuvre particulière, on forme une couche d'oxyde à la surface dudit feuil.
Cette couche d'oxyde doit être bien adhérente à la surface du feuil ; elle doit se régénérer automatiquement et présenter une rugosité appropriée pour assurer l'accrochage de la couche de revêtement en céramique.
A cet effet, on dépose sur la surface du feuil une couche d'aluminium d'épaisseur prédéterminée, on soumet le feuil ainsi revêtu à une opération de recuit de diffusion sous une atmosphère non oxydante pour former une couche superficielle de composés intermétalliques de l'aluminium avec le métal ferreux constituant le feuil, puis on effectue un recuit sous une atmosphère oxydante pour former une couche superficielle d'oxyde, composée essentiellement d'alumine alpha (a-Al203).
Le feuil ainsi traité est ensuite refroidi puis il subit un traitement de finition conventionnel de dépôt d'une couche de revêtement en céramique et d'imprégnation avec une solution de métal catalyseur.
La couche d'aluminium peut être déposée sur le feuil par tout procédé connu, tel que le dépôt par électrolyse, par immersion dans un bain d'aluminium ou par condensation de vapeurs.
L'épaisseur de la couche d'aluminium est inférieure à 25 Am, et de préférence comprise entre 10 jus et 20 lim.
Cette couche d'aluminium subit de préférence une légère oxydation superficielle, puis le feuil est bobiné. La fine pellicule d'oxyde d'aluminium empêche le collage des spires.
Le feuil bobiné est recuit par diffusion, de préférence sous une atmosphère réductrice pour réduire l'oxyde superficiel. L'atmosphère réductrice est avantageusement composée d'azote et d'hydrogène, du type N2/5 % H ?.
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Le recuit de diffusion est effectué à une température comprise entre 900. C et 1200'C. Sa durée est comprise entre 1 h et 5 h, de façon à former la couche désirée de composés intermétalliques.
Le recuit d'oxydation est de préférence effectué dans l'air, à une température de 800. C à 1000*C pendant 6 à 12 h. Cette température s'est avérée apte à provoquer la formation d'une couche d'alumine alpha (t-Al203) présentant une rugosité de 2 p. m à 10 pm avec des pics régulièrement répartis.
En combinaison avec le traitement précité, le feuil peut subir des opérations mécaniques, connues en soi, telles qu'un profilage, un découpage, ou un assemblage en un monolithe ayant la forme et les dimensions requises. Ces opérations mécaniques seront rappelées, à titre d'illustration, dans l'exemple de mise en oeuvre décrit ci-dessous.
Cet exemple concerne l'utilisation d'un feuil multicouche.
On a fabriqué par électrolyse un feuil métallique composé de couches alternées de fer et de chrome, les deux faces extérieures étant constituées de fer. La proportion de chrome était d'environ 20 % ; l'épaisseur du feuil est de 20 yam. Un recuit continu lui a conféré la ductilité désirée.
Le feuil a été profilé, c'est-à-dire ondulé, puis bobiné avec interposition d'un feuil plat de même composition. Le rouleau obtenu a été glissé dans une enceinte tubulaire en acier de façon à former un monolithe métallique.
Après dégraissage chimique, ce monolithe a été plongé dans un bain d'aluminium. On a éliminé l'excès d'aluminium, puis on a effectué un recuit de diffusion qui a provoqué la formation d'une couche superficielle intermétallique Fe-Cr-Al.
Un recuit final sous atmosphère oxydante, à savoir dans l'air, a permis d'obtenir une couche adhérente et continue d'-Al203.
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Après un découpage à la longueur désirée, le monolithe a reçu la couche de revêtement en céramique-y-A1203, de manière conventionnelle, puis l'application du catalyseur et le traitement final usuel.
Le dispositif catalytique à support métallique conforme à l'invention possède une excellente résistance aux vibrations et au choc thermique.
Il offre un rapport surface/volume accru ; la perte de charge qu'il provoque dans le tuyau d'échappement est réduite, tandis que son coefficient de dilatation thermique est sensiblement identique à celui du pot d'échappement.
De plus, un feuil de faible épaisseur est aisément réalisable par électrolyse. Une diminution de l'épaisseur du feuil entraîne une réduction du prix et du poids des supports métalliques et par conséquent des dispositifs catalytiques dans lesquels ils sont utilisés.