CN1180175C - 带钝化层的壳体和带该壳体的催化器基体及其制造方法 - Google Patents

带钝化层的壳体和带该壳体的催化器基体及其制造方法 Download PDF

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Abstract

用于蜂窝体(4)的壳体包括一带内壁(2)的套管(1)，其中为了按要求阻止在内壁(2)的至少一个区段内与蜂窝体(4)的拼接连接套管具有一钝化层(3)。其次提供一种制造带有一蜂窝体(4)以及按本发明的壳体的催化器基体的方法。用这种方法制造的催化器基体减小蜂窝体(4)和套管(1)之间的热应力，并保证在制造时特别是包括在真空中一可靠的焊接过程。

Description

带钝化层的壳体和带该壳体 的催化器基体及其制造方法
发明领域
本发明涉及一种用于蜂窝体的壳体，特别是套管，以及涉及一种带有这种壳体的蜂窝体的制造(方法)。这种类型的蜂窝体优选用作在特别是汽车内燃机的排气系统中的催化器基体。
技术背景
在WO 99/37896中介绍了一种制造蜂窝体的方法，这种蜂窝体被一套管包围。这种蜂窝体和套管由于其不同的材料性能和在运行时的不同温度具有不同的热膨胀性能。因此力求避免至少在蜂窝体的一个端部区域内或必要时在一特定的部分区域内在蜂窝体和套管之间的刚性连接。出于这个原因在WO 99/33896中介绍的有外壳包裹的蜂窝体做得带一轴环，尽管存在套管和蜂窝体的加工误差它仍可以确保至少在蜂窝体的一个端部区域内避免在蜂窝体和套管之间直接的钎焊连接。轴环的应用导致套管和蜂窝体之间热应力的显著减小，然而造成较高的制造费用。
其次已知一种物质，它防止在高温加工(例如烧结或钎焊)期间金属表面的连接。这主要包含细陶瓷颗粒、结合剂以及稀释剂和溶剂成分。结合剂以及稀释剂和溶剂在比较低的温度时便已经挥发。在制造催化器基体时套管和壳体之间的连接优选在真空中形成，其中这种物质的挥发性倾向使保持真空变得困难得多，并且系统可能受到挥发性成分的污染。
发明内容
由此出发，本发明的目的是，提供一种用于蜂窝体的壳体，它可以有选择进行拼接连接(fuegetechnische Verbindung)，以补偿蜂窝体和套管不同的膨胀性能，并保证蜂窝体例如在排气系统内持久的固定；本发明的另一个目的是提供一种制造带这种壳体的催化器基体的方法。
按照本发明这些目的通过一种用于蜂窝体的壳体和一种带这种壳体的催化器基体来实现。其中所述壳体包括一带有内壁的套管，其中，为了有意地阻止与蜂窝体拼接连接，套管在内壁的至少一个区段内具有一个钝化层，该壳体特征为：钝化层做成陶瓷层，且在套管和陶瓷涂层之间设有一个粘附层。
在按本发明的带有所述的壳体和一由板层组成的蜂窝体的催化器基体中，板层至少局部这样地形成表面构造，使蜂窝体具有可由废气流通的通道，其中套管至少部分包围蜂窝体并在至少一个轴向部分区域内与蜂窝体拼接连接。
在所述的制造一种带有由至少局部表面结构为使蜂窝体具有可由废气流通的通道的构造的板层组成的蜂窝体和具有内壁的套管的催化器基体的方法中，套管至少部分包围蜂窝体并至少在一轴向部分区域内与蜂窝体焊接在一起，其中套管在内壁的至少一个区段内做得带有一个钝化层，以有意地阻止与蜂窝体的钎焊连接，该方法包括以下工步：
制造套管；
在形成陶瓷涂层之前在至少一个区段上涂抹一粘附层；
在套管内壁上至少一个区段内形成钝化层，在该区段内应该阻止套管与蜂窝体的钎焊连接，其中钝化层通过至少一个区段的有选择的、空间有限的加热产生，或者钝化层通过在内壁的至少一个区段上涂抹陶瓷涂层制成；
给至少套管内壁的部分区域提供焊料；
用已知方法通过板层的堆叠和/或卷绕形成蜂窝体，板层至少局部这样地形成表面构造，使蜂窝体具有可由废气流通的通道；
将蜂窝体装入套管；
形成钎焊连接。
优良的改进结构和本方法优良的方案将在下面说明。
按本发明的用于蜂窝体的壳体包括一带一个内壁的套管，其中套管为了按要求防止与蜂窝体的拼接连接在内壁的至少一个区段内具有钝化层。
钝化层非常热稳定，并抑制相互接触的金属表面的任何拼接连接。涂有钝化层的区段位于套管上的、在催化器基体以后的运行中希望蜂窝体和套管之间作相对运动的部位以防止热应力。这尤其是在端部区域，高温废气在这个区域内进到催化器基体上。这样即使在进一步向内的区域内也可以保持没有拼接连接(焊接)。
其次由于其隔热性能钝化层阻止热量从蜂窝体传到套管上。例如在汽车起动后一尽可能短的时间段内应该达到进行废气有效净化的催化转化器的起动温度时这一点特别重要。
按照壳体的一种实施形式钝化层做成表面氧化层。氧化物，特别是金属氧化物具有高的热稳定性，它阻止相接触的金属表面的结合。氧化物可以方便地用套管材料的成分产生而不需要附加的材料来制造钝化层，这同样是特别有利的。这种金属氧化层例如也可以通过套管在区段内的内壁弄粗糙产生。
根据壳体的另一个实施例钝化层做成陶瓷涂层，特别是带有氧化铝。陶瓷颗粒的特征是特别大的相互吸引力和非常好的热力学稳定性。由氧化钛或氧化镁组成的陶瓷涂层也是可以的。
按照另一个实施例钝化层做成环形带。这保证，在该区段内在套管的整个圆周上避免套管和蜂窝体之间的钎焊连接，并允许补偿不同膨胀特性。
如果壳体具有卵形或椭圆形形状，那么按照另一种实施形式，钝化层设置在一具有很大曲率的套管区段内是有利的。例如如果带有壳体的催化器基体的安装与排气装置一定的空间条件相关联，那么需要使用卵形壳体。根据经验，拼接连接在这种基体的平的一侧进行，因此在弯曲的一侧通过一个钝化层阻止连接，是有利的。这特别是除了在一个或两个端面上的可能的钝化层之外的又一个措施。
按照又一种另外的实施例钝化层具有5mm至50mm的轴向长度。这使得壳体可以与当时的应用目的准确地匹配。如果例如壳体比较紧地安装在内燃机上或蜂窝体和套管的热膨胀性能差异很大，那么钝化层做得具有较长的轴向长度。
特别有利的是，钝化层做得具有0.03mm至0.12mm的厚度。这特别是可以补偿在装配状态下蜂窝体和套管的加工误差。
按照另一个实施例在套管和陶瓷层之间设有一粘附层。这在陶瓷层承受大的动态载荷时特别有利。粘附层使陶瓷层可以持久地附着在套管的金属表面上。
在与蜂窝体装在一起前在套管的钝化层上涂一焊料层，是特别有利的。钝化层阻止蜂窝体和套管之间形成钎焊连接。但是若蜂窝体例如由许多通过卷绕和/或堆叠形成的板层组成，这样便可以通过涂在钝化层上的焊料保证相邻板层末端相互的钎焊连接。用这种方法避免板层端部区域的颤振，并提高这种蜂窝体的使用寿命。特别是在钝化层上形成一环形焊料层促使所有相邻板层相互焊接。
按照本发明的另一种设想，催化器基体做得带一按本发明的壳体和一装在它里面的蜂窝体。蜂窝体由板材组成，它们至少局部形成这样的构造，使得蜂窝体具有可流通废气的通道。套管至少部分包围蜂窝体，并至少在一个轴向分区内与蜂窝体拼接连接。蜂窝体和套管有选择的拼接连接确保催化器基体长的使用寿命。
陶瓷层设置在蜂窝体端面附近特别有利。催化器基体在排气系统内这样地取向，使带有陶瓷层的区段朝向高温废气(气流上游)，那么催化器基体特别好地补偿大的热应力。
按照另一个实施例，蜂窝体板层位于径向外部的端部区域贴合在陶瓷层上。因此可以减少这些位于径向外侧的端部区域的颤振。特别有利的是，贴合的端部区域相互拼接连接(焊接)。这确保即使在特别大的动态载荷时也有长的寿命。
按照另一个实施例蜂窝体与套管焊接在一起，尤其是通过高温真空焊接。
按照本发明另一方面推荐一种制造带一蜂窝体和套管的催化器基体的方法。蜂窝体由板层组成，它们至少局部这样地形成表面构造(纹理)，使蜂窝体具有可由废气流通的通道。套管具有一内壁，它至少部分包围蜂窝体，并至少在部分轴向区域内与蜂窝体焊接在一起。套管在内壁的至少一个区段内具有钝化层，以便按要求防止与蜂窝体钎焊连接。这种制造方法包括以下工步：
从制造套管出发，接着在套管内壁的至少一个区段内形成钝化层。在这个区段内阻止在以后进行的焊接过程中套管与蜂窝体的钎焊连接。这个区段最好设置在在装入状态下蜂窝体的一个端面附近。接着给套管内壁提供焊料。
蜂窝体以已知的方法通过板层的堆叠和/或卷绕制成，板层至少局部形成这样的表面构造(纹理)，使得蜂窝体具有对于废气可流通的通道。现在可以将该蜂窝体放入套管中，然后形成钎焊连接。用这种方法可以制造催化器基体，其特征一方面是蜂窝体与套管持久的连接，但是另一方面也允许补偿蜂窝体和套筒不同的膨胀特性。其中在焊接过程中不形成损害特别是在真空中形成钎焊连接的蒸汽或气体。
按照本方法的一种方案钝化区通过至少一个区段的有选择的、空间有限的加热产生。因此壳体的这个区段加热到在材料内以及在壳体内壁上可以实现扩散过程的温度，并在某些情况下保持这个温度。加热到1100℃以上的温度的铁素体的(ferritisch)、含有铝和铬的材料对此特别合适。这时金属颗粒特别是铝从内部到达套管内壁附近，现在它与来自外界的氧气粒子发生反应，变成所希望的钝化层。因此钝化层可以不用辅助材料产生。
这里至少一个区段的加热通过感应加热达到特别有利。用感应加热产生空间有限的涡流，由于材料的电阻造成区段的加热。除了用感应加热很好地限制待加热面这个事实外，这种方法特别适用于快节奏的大批量生产。
按照本方法的又一种方案至少一个区段在制造钝化层时通入含氧气体。用这种方法保证在内壁上提供丰富的氧分子，它们在形成表面氧化层时是必要的。因此非常有利于钝化层的形成。
其中在制造钝化层时在至少一个区段之外使套管流通有惰性气体，特别是氩气。这时惰性气体阻止形成氧化层，因为惰性气体与套管的金属颗粒不起反应并挤走空气中的氧气。
按照本发明另一种方案建议，钝化层通过至少一个区段的化学处理制成。为此目的此区段用一种化学材料进行处理，这种化学材料导致形成表面氧化层。这种方法特别适合于相对于待安装的蜂窝体有非常小的加工误差制造的套管。可以防止不带蜂窝体的热处理，从而防止热变形。
按照本发明的又一种方案，可以通过涂上一个陶瓷层特别是氧化铝来形成钝化层。
按照本方法的另一种方案在形成陶瓷层之前在套管内壁的有关区段上涂抹一粘附层。这促使陶瓷层与套管特别稳定的连接。此粘附层最好没有挥发性成分，以保证可靠的焊接过程。
特别有利的是，陶瓷层借助于火焰喷射(Flammspritz)在套管上形成。火焰喷射的特征是陶瓷层在套管内壁上的分布特别均匀，由此避免由于贴合的金属层在套管内造成压力集中。
按照本方法的另一种方案给套管内壁提供焊料以前，特别是也在陶瓷层上涂抹一种用来形成焊料层的粘附介质。粘附介质的作用是使钎焊剂固定在套管的在以后的焊接过程中应该实现钎焊连接的部位上。这里在陶瓷层上的粘附介质保证钎焊剂也设置在蜂窝体的不希望与套管连接的区域内。这个焊料层用于蜂窝体相邻板层以后的相互焊接。
按照本方法的另一种方案在蜂窝体装入套管时或装入后在蜂窝体的端面上涂上钎焊剂。用这种方法使板层的端部区域在靠近端面处相互焊接，并提高这样制造的催化器基体的寿命。
按照本方法的又一种方案钝化层通过在至少一个区段内将内壁弄粗糙制成。这里用喷砂和/或搓刷的工艺方法弄粗糙特别有利。由此形成的内壁粗糙度令人惊讶地阻止通过焊剂在这个区段内润湿，此时抑制蜂窝体和套管之内的拼接连接(焊接)(fuegetechnische Verbindung)。由此提供一种可特别经济地制造的钝化层。
附图的简要说明
借助于在附图中表示的特别优选的实施例说明按本发明的催化器基体和制造它的方法的其它细节。
附图表示：
图1一按本发明的催化器基体的套管和蜂窝体的透视图；
图2按本发明的催化器基体的装配好的实施形式的端视图；
图3在按本发明的壳体中涂层结构的示意图；
图4一带有蜂窝体和钝化层的卵形壳体的实施形式的透视图。
具体实施方式的描述
图1中表示一带一端面12的蜂窝体4。蜂窝体具有许多通过卷绕和/或堆叠产生的板层9。蜂窝体4装入一套管1内。套管1具有一个内壁2，它具有一带一个钝化层3的区段14。此区段14具有一长度5，其中区段14在催化器基体的装配状态下设置在蜂窝体4的端面12的附近。在区段14上附加地示出一焊料层7。
在蜂窝体4装入套管1后，形成钎焊连接。这样蜂窝体4在部分区域11内便与套管拼接连接。钝化层3在区段14内阻止蜂窝体4与套管1的连接，因此在该区段14内可以补偿不同的热膨胀性能。焊料层7用来使板层9相互连接。
图2表示按本发明的催化器基体的端视图。套管1包围许多板层9，在这里它们以其端部区域13贴靠在套管1上。板层具有起波纹的和光滑的板16，其中它们这样布置，使得形成用于废气流通的通道10。
图3示意表示用于蜂窝体的按本发明的壳体结构，其中表示在套管1的区段14内不同层(3、6、7)的布置。在套管1的内壁2上设有一个粘附层6，它确保钝化层3在套管1上的持久结合。钝化层3具有厚度8，它可以根据催化器基体的要求而变化。在钝化层3上附加地表示一焊料层7，它确保板层9的相邻的端部区域13的连接。
图4表示一带有蜂窝体4和钝化层3的卵形套管1的一种实施形式的示意透视图。蜂窝体具有许多通过卷绕和/或堆叠产生的板层9，它们至少局部这样地形成构造(纹理)，使它们对于废气是可流通的。蜂窝体4具有许多通道10，它们由光滑的和/或起波纹的板16围成，并被套管1包围。套管1具有一内壁2，它做得在套管区段17内带有一个钝化层3。套管区段17是卵形或椭圆形套管1的曲率较大的区域，根据经验在这个区域内不利于钎焊连接。
按本发明制造的催化器基体可以补偿蜂窝体和套管不同的膨胀性能，其中这种催化器基体的这种制造(方法)保证可靠的焊接过程，特别是当在高温真空焊接过程时。
                        附图标记表
           1   套管                 2   内壁
           3   钝化层               4   蜂窝体
           5   长度                 6   粘附层
           7   焊料层               8   厚度
           9   板层                 10  通道
           11  部分区域             12  端面
           13  端部区域             14  区段
           15  粘附介质             16  板
           17  套管区段

Claims (20)

1.用于一蜂窝体(4)的壳体，包括一带有内壁(2)的套管(1)，其特征为：为了有意地阻止与蜂窝体(4)拼接连接，套管(1)在内壁(2)的至少一个区段(14)内具有一个钝化层(3)，其中钝化层(3)做成陶瓷层，且在套管(1)和陶瓷层(3)之间设有一个粘附层(6)。
2.按权利要求1所述的壳体，其特征为：作为钝化层的所述陶瓷层(3)做成带有氧化铝的陶瓷涂层。
3.按权利要求1或2所述的壳体，其特征为：钝化层(3)做成环形带。
4.按权利要求1或2所述的壳体，其中套管(1)是卵形或者椭圆形的，其特征为：钝化层(3)设置在曲率较大的套管区段(17)内。
5.按权利要求1或2所述的壳体，其特征为：钝化层(3)具有5至50mm的轴向长度(5)。
6.按权利要求1或2所述的壳体，其特征为：钝化层(3)具有30至120μm的厚度(8)。
7.按权利要求1或2所述的壳体，其特征为：钝化层(3)上设有一个焊料层(7)。
8.按权利要求7所述的壳体，其特征为：焊料层(7)做得环绕在钝化层(3)上。
9.一种催化器基体，包括一壳体和一由板层(9)组成的蜂窝体(4)，所述壳体包括一带有内壁(2)的套管(1)，其特征在于：为了有意地阻止与蜂窝体(4)拼接连接，套管(1)在内壁(2)的至少一个区段(14)内具有一个钝化层(3)，其中钝化层(3)做成陶瓷层，且在套管(1)和陶瓷涂层(3)之间设有一个粘附层(6)；板层至少局部这样地形成表面构造，使蜂窝体(4)具有可由废气流通的通道(10)，其中套管(1)至少部分包围蜂窝体(4)并在至少一个轴向部分区域(11)内与蜂窝体(4)拼接连接。
10.按权利要求9所述的催化器基体，其特征为：钝化层(3)设置在蜂窝体(4)的一个端面(12)附近。
11.按权利要求9或10所述的催化器基体，其特征为：蜂窝体(4)板层(9)的位于径向外侧的端部区域(13)贴合在钝化层(3)上。
12.按权利要求11所述的催化器基体，其特征为：贴合在钝化层(3)上的端部区域(13)相互拼接连接。
13.按权利要求9或10所述的催化器基体，其特征为：蜂窝体(4)与套管(1)焊接在一起。
14.制造一种带有由至少局部表面结构为使蜂窝体(4)具有可由废气流通的通道(10)的构造的板层(9)组成的蜂窝体(4)和具有内壁(2)的套管(1)的催化器基体的方法，套管(1)至少部分包围蜂窝体(4)并至少在一轴向部分区域(11)内与蜂窝体(4)焊接在一起，其中套管(1)在内壁(2)的至少一个区段(14)内做得带有一个钝化层(3)，以有意地阻止与蜂窝体(4)的钎焊连接，其特征为以下工步：
·制造套管(1)；
·在形成陶瓷涂层之前在至少一个区段(14)上涂抹一粘附层(6)；
·在套管(1)内壁(2)上至少一个区段(14)内形成钝化层(3)，在该区段内应该阻止套管(1)与蜂窝体(4)的钎焊连接，其中钝化层(3)通过至少一个区段(14)的有选择的、空间有限的加热而生成，或者钝化层(3)通过在内壁(2)的至少一个区段(14)上施加陶瓷涂层制成；
·给至少套管(1)内壁(2)的部分区域提供焊料；
·用已知方法通过板层(9)的堆叠和/或卷绕形成蜂窝体(4)，板层至少局部这样地形成表面构造，使蜂窝体(4)具有可由废气流通的通道(10)；
·将蜂窝体(4)装入套管(1)；
·形成钎焊连接。
15.按权利要求14所述的方法，其特征为：区段(14)的加热通过感应加热进行。
16.按权利要求14或15所述的方法，其特征为：在制造钝化层(3)时至少一个区段(14)通入含氧气体。
17.按权利要求14或15所述的方法，其特征为：在制造钝化层(3)时套管(1)在至少一个区段(14)之外通入包括氩气的惰性气体。
18.按权利要求14所述的方法，其中钝化层(3)做成陶瓷涂层，它借助于在套管(1)上的火焰喷射形成。
19.按权利要求14或15所述的方法，其中在向套管(1)内壁(2)供焊料之前，在钝化层(3)上涂抹粘附介质(15)，以制造一焊料层(7)。
20.按权利要求14或15所述的方法，其中在将蜂窝体(4)装入套管(1)内时或装入后在蜂窝体(4)上端面一侧(12)涂上钎焊剂。
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