DE102006023391A1

DE102006023391A1 - Diffusionsbindungsverfahren zum Ausbilden eines Metallsubstrats

Info

Publication number: DE102006023391A1
Application number: DE102006023391A
Authority: DE
Inventors: Akio Sano
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2006-05-17
Publication date: 2007-01-04
Also published as: US20060261136A1

Abstract

Ein Metallsubstrat (MS) weist eine Wabenstruktur (1) aus aluminiumhaltigem rostfreien Stahl und einen äußeren Metallzylinder (2) mit der Wabenstruktur (1) darin auf. Die Wabenstruktur (1) ist gebildet von einem ersten Wellblech (11) und einem ebenen Blech oder einem zweiten Wellblech (11) mit einem Wellenabstand, der kürzer als der des ersten Wellblechs (11) ist, und die in mehreren Schichten aufeinander gestapelt sind. Das Metallsubstrat (MS) wird in eine Heizkammer (O) eines Wärmebehandlungsofens (3) eingebracht. In die Heizkammer (O) wird ein Inertgas (G) eingeführt, und das Metallsubstrat (MS) wird auf eine Diffusionsbindungstemperatur (Td) erhitzt. Während dieses Wärmebehandlungsverfahrens wird das Inertgas (G) im wesentlichen ständig durch eine Einlaßöffnung (31; 31a, 31b, 3c) des Wärmebehandlungsofens (3) in die Heizkammer (O) eingeführt und durch deren Auslaßöffnung (32; 32a, 32b, 32c) abgeführt, so daß das Inertgas (G) ein aus dem äußeren Zylinder (2) des Metallsubstrats (MS) abgegebenes Stickstoffgas (N) abblasen kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diffusionsbindungsverfahren (auch als Diffusionsbonden oder engl. Diffusion Bonding bekannt) zum Ausbilden eines Metallsubstrats, das einen Katalysator zum Reinigen eines Abgases trägt, das aus einer Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs, einem Kessel, einer Verbrennungsanlage oder dergleichen abgeführt wird.
Metallsubstrate werden insbesondere bei Katalysatoren zum Reinigen eines Abgases, z.B. eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine eines Motorfahrzeugs, verwendet. Zur Verbesserung seiner Gasreinigungsleistung weist das Metallsubstrat eine Wabenstruktur auf, die den Katalysator auf ihrer Oberfläche trägt und in einem äußeren Zylinder enthalten ist.

Die Wabenstruktur besteht aus aluminiumhaltigem rostfreien Stahl. Sie umfaßt ein Wellblech mit langem Wellenabstand und entweder ein ebenes Blech oder ein Wellblech mit kurzem Wellenabstand, die aufeinander gestapelt sind, um eine Mehrzahl von Wabenkanälen (Zellkanälen) zu bilden, durch die ein Abgas strömen kann. Die so konstruierte Wabenstruktur wird in den aus ferritischem rostfreien Stahl gefertigten äußeren Zylinder eingesetzt, und dann werden diese in einem Wärmebehandlungsofen unter Hochvakuum wie in der in der japanischen Offenlegungsschrift (Tokkai Hei) 9 – 99218 offenbart oder in einem stark beschicktem Inertgas wie in der japanischen Offenlegungsschrift (Tokkai Hei) 2 – 182333 offenbart durch Diffusion verbunden.

Bei diesen herkömmlichen Diffusionsbindungsverfahren ist die Verwendung des Hochvakuums oder des stark eingefüllten Inertgases vorgesehen, um die Ausbildung einer Aluminiumoxidschicht zu verhindern, die auf einem Oberflächenteil der Wabenstruktur durch eine chemische Reaktion des Aluminiums in der/auf der Wabenstruktur und eines Mikrosauerstoffs in einer Aufheizatmosphäre entwickelt wird entwickelt wird, um die wechselseitige Diffusion ihrer Atome dazwischen zu behindern.

Bei den bekannten herkömmlichen Diffusionsbindungsverfahren tritt jedoch dadurch ein Problem auf, daß manche Kontaktabschnitte der Wabenstruktur und des äußeren Zylinders, insbesondere an einem mit einer Aluminiumnitridschicht ausgebildeten Oberflächenteil, nicht miteinander durch Diffusion verbindbar sind. Dieses Aluminiumnitrid entsteht durch eine chemische Reaktion des in der Wabenstruktur enthaltenen Aluminiums und eines in einem Wärmebehandlungsvorgang aus dem äußeren Zylinder abgegebenen Stickstoffgases, da infolge des Fehlens des Stroms eines Gases, beispielsweise des Inertgases, in dem Wärmebehandlungsofen während des Wärmebehandlungsvorgang der Stickstoff auf der Metallkonstruktion und/oder um diese herum verbleiben kann.

Der äußere Zylinder nimmt massiv das in der Luft um die Metallstruktur herum enthaltene Stickstoffgas auf, bevor er in den unter Vakuum stehenden oder mit Inertgas gefüllten Wärmebehandlungsofen eingesetzt wird.

Wie in 6 gezeigt ist, wird der äußere Zylinder bei diesen Diffusionsbindungsverfahren in einem Argongas in dem Wärmebehandlungsofen aufgeheizt, um seine Temperatur T bis auf eine Diffusionsbindungstemperatur Td zu erhöhen, die auf mehr als annähernd 1000 Grad C eingestellt wird, wenn die Heizzeit t fortschreitet. In einem in 6 durch eine Ellipse angezeigten Bereich DN wird bei Temperaturen von annähernd 500 °C bis annähernd 600 °C vor dem Erreichen der Diffusionsbindungstemperatur Td das in dem äußeren Zylinder aufgenommene Stickstoffgas aus diesem abgegeben. Das abgegebene Stickstoffgas wird um eine Fläche des Metallsubstrats herum suspendiert und reagiert mit der in der Wabenstruktur enthaltenen Aluminiumkomponente, um auf dessen Oberfläche die Aluminiumnitridschicht zu bilden, welche die wechselseitige Diffusion ihrer Atome zwischen dem äußeren Zylinder und der Wabenstruktur behindert.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Diffusionsbindungsverfahren zum Ausbilden eines Metallsubstrats zu schaffen, mit dem der vorstehende Nachteil beseitigt wird und eine fehlerhafte Verbindung eines äußeren Metallzylinders und einer aus aluminiumhaltigen rostfreien Stahl bestehenden Wabenstruktur auf Grund der Ausbildung einer Aluminiumnitridschicht verhindern kann, die durch eine chemische Reaktion des Aluminiums in der Wabenstruktur und eines aus dem äußeren Zylinder abgegebenen Stickstoffgases bei deren Wärmebehandlungsvorgang erzeugt wird.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Diffusionsbindungsverfahren zum Ausbilden eines Metallsubstrats mit einer Wabenstruktur aus aluminiumhaltigen rostfreien Stahl und mit einem äußeren Metallzylinder mit der Wabenstruktur darin geschaffen, wobei die Wabenstruktur von einem ersten Wellblech und entweder einem ebenen Blech oder einem zweiten Wellblech mit einem Wellenabstand gebildet ist, der kürzer als der des ersten Wellblechs ist, und die in mehreren Schichten aufeinander gestapelt sind. Die Diffusionsmetallbindung umfaßt das Einbringen des Metallsubstrats in eine Heizkammer eines Wärmebehandlungsofens, das Zuführen eines Inertgases in die Heizkammer; und das Erhitzen des Metallsubstrats auf eine Diffusionsbindungstemperatur. Dabei wird das Inertgas während eines Wärmebehandlungsverfahrens im wesentlichen ständig durch eine Einlaßöffnung des Wärmebehandlungsofens in die Heizkammer zugeführt und durch eine Auslaßöffnung davon abgeführt, so daß das Inertgas ein aus dem äußeren Zylinder des Metallsubstrats abgegebenes Stickstoffgas abblasen kann.

Das Diffusionsbindungsverfahren verhindert vorteilhaft eine fehlerhafte Verbindung des äußeren Metallzylinders und der Wabenstruktur auf Grund der Ausbildung einer Aluminiumnitridschicht, die durch eine chemische Reaktion des Aluminiums in der Wabenstruktur und eines aus dem äußeren Zylinder abgegebenen Stickstoffgases bei deren Wärmebehandlungsvorgang erzeugt wird.

Vorzugsweise sind die Einlaßöffnung und die Auslaßöffnung koaxial zueinander angeordnet, was es erlaubt, das Inertgas wirksam das aus dem äußeren Zylinder abgegebene Stickstoffgas abzublasen, indem dieses entlang dem Metallsubstrat entlang dessen Axialrichtung in Strömung versetzt wird.

Vorzugsweise wird das Inertgas derart gesteuert, daß ein Durchsatz des Inertgases, das durch die Einlaßöffnung strömt, und der Druck eines Gases, das durch die Auslaßöffnung strömt, jeweils konstant sind. Dies ermöglicht es, das aus dem äußeren Zylinder abgegebene Inertgas sicher abzublasen.

Vorzugsweise wird das Inertgas, das durch ein Metallsubstrat strömt, auf einen Durchsatz von mindestens 1000 ml/min eingestellt, was es erlaubt, den aus dem äußeren Zylinder abgegebene Stickstoff sicher abzublasen.

Vorzugsweise ist ein Teil der Kontaktabschnitte der Wabenstruktur und des äußeren Zylinders frei von einer Diffusionsbindung. Dadurch kann das Metallsubstrat vor thermischen Ermüdungsfehlern an den Teilen der Antaktabschnitte bewahrt werden, wenn starke Hitze auf das Metallsubstrat einwirkt.

Vorzugsweise ist der Teil der Kontaktabschnitte ein stromaufwärts des Abgases gelegener Seitenabschnitt, was sich vorteilhaft auf die Nutzungsdauer des Metallsubstrats auswirkt, wenn es für ein Auspuffsystem eines Motorfahrzeugs verwendet wird.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen, in denen:
1 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht ist, die ein Metallsubstrat zeigt, das unter Anwendung eines Diffusionsbindungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
2 eine seitliche Schnittansicht ist, die das Metallsubstrat zeigt, das mit dem Diffusionsbindungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform hergestellt wurde;
3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht ist, die einen Wärmebehandlungsofen mit den Metallsubstraten darin in einem Wärmebehandlungsverfahren des Diffusionsbindungsverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht ist, die einen Wärmebehandlungsofen mit Metallsubstraten darin in einem Wärmebehandlungsverfahren eines Diffusionsbindungsverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 eine teilweise geschnittene Seitenansicht ist, die einen Wärmebehandlungsofen mit einem Metallsubstrat darin in einem Wärmebehandlungsverfahren eines Diffusionsbindungsverfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
6 ein Zeitdiagramm des Wärmebehandlungsvorgangs ist, das eine Beziehung zwischen einer Temperatur des Metallsubstrats und der Heizzeit zeigt und einen Bereich darstellt, in dem ein Stickstoffgas aus dem äußeren Zylinder abgegeben wird.
In der folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen und -ziffern in den Figuren jeweils gleiche oder ähnliche Elemente, so daß auf eine wiederholte Beschreibung bereits beschriebener Elemente verzichtet wird.
An Hand der anliegenden Zeichnungen wird nun zunächst ein Diffusionsbindungsverfahren zum Ausbilden eines Metallsubstrats gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
In den 1 und 2 ist das Metallsubstrat MS gezeigt, das unter Anwendung des Diffusionsbindungsverfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
Das Metallsubstrat MS ist beispielsweise in einem Auspuffsystem eines Motorfahrzeugs angeordnet, um einen Katalysator zum Reinigen eines aus einer Verbrennungskraftmaschine abgegebenen Abgases zu tragen.
Das Metallsubstrat MS umfaßt eine Wabenstruktur 1 und einen äußeren Zylinder 2 mit der Wabenstruktur 1 darin.
Die Wabenstruktur 1 weist ein Wellblech 11 mit langem Wellenabstand und ein Wellblech 12 mit kurzem Wellenabstand auf, die aus aluminiumhaltigem rostfreien Stahl mit einer Dicke von mehreren Dutzend Mikrometern bestehen. Die Wellbleche 11 und 12 mit langem und mit kurzem Wellenabstand sind wechselweise aufeinander gestapelt und in mehreren Schichten gerollt, wobei sich das Wellblech 12 mit kurzem Wellenabstand auf einer Außenseite befindet, um eine Zylinderform zu bilden. Das Wellblech 11 mit langem Wellenabstand entspricht einem ersten Wellblech gemäß der vorliegenden Erfindung, und das Wellblech 12 mit kurzem Wellenabstand entspricht einem zweiten Wellblech gemäß der vorliegenden Erfindung.
Diese gerollten Wellbleche 11 und 12 bilden eine Mehrzahl von Wabenkanälen (Zellenkanälen) P, durch die das Abgas hindurch strömt. Die Wabenkanäle P bilden einen Teil des mit der Verbrennungskraftmaschine verbundenen Auspuffsystems. Wände, welche die Wabenkanäle P bilden, sind auf ihren Oberflächen mit einer Katalysatorträgerschicht versehen, die nach einem Diffusionsbindungsvorgang für das Metallsubstrat MS aus Aluminiumoxid oder anderem gebildet ist. Die Katalysatorträgerschicht enthält einen metallischen Katalysator, beispielsweise das Aluminiumoxid, welcher Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxid (NO_x) und anderes in dem Abgas reinigen kann, während dieses durch die Wabenkanäle P strömt.
Der äußere Zylinder 2 besteht aus ferritischem rostfreien Stahl oder dergleichen. Er besitzt eine Dicke von 1 mm bis 2mm auf und die Form eines Rundzylinders oder eines Zylinder mit einer Querschnittsform nach Art einer Rennstrecke (einer Form mit Halbkreisen, deren beide Enden durch zwei parallele Linien verbunden sind).
Die Wabenstruktur 1 wird in den äußeren Zylinder 2 eingepreßt, und dann werden diese mit Hilfe eines in 3 gezeigten Wärmebehandlungsofens 3 an Kontaktabschnitten zwischen dem Wellblech 11 mit langem Wellenabstand und dem Wellblech 12 mit kurzem Wellenabstand und zwischen der Wabenstruktur 1 und dem äußeren Zylinder 2 durch Diffusion verbunden.
Der Diffusionsbindungsvorgang wird folgendermaßen ausgeführt:
Wie in 3 gezeigt ist, ist eine Mehrzahl von Metallsubstraten MS, drei Metallsubstrate bei diesem Ausführungsbeispiel, auf einem Metallnetz 33 in dem Wärmebehandlungsofen 3 angeordnet, um unter einer nicht oxidierenden Atmosphäre auf eine Diffusionsbindungstemperatur von mehr als annähernd 1100 Grad C, annähernd 1300 Grad C bei dieser Ausführungsform, aufgeheizt zu werden, wodurch die Kontaktabschnitte zwischen dem Wellblech 11 mit langem Wellenabstand und dem Wellblech 12 mit kurzem Wellenabstand und zwischen der Wabenstruktur 1 und dem äußeren Zylinder 2 durch Diffusion verbunden werden.
Der Wärmebehandlungsofen 3 ist ein verschließbarer Behälter mit einer Einlaßöffnung 31 und einer Auslaßöffnung 32. Die Einlaßöffnung 31 und die Auslaßöffnung 32 stehen in Fluidverbindung mit einer im Innern des Behälters ausgebildeten Heizkammer O. In der Heizkammer O können die mehreren Metallsubstrate MS auf dem Metallnetz 33 positioniert werden, so daß ein Inertgas G, beispielsweise ein Argongas, ein Heliumgas oder ein Neongas, kontinuierlich durch diese hindurch strömen können. Das Inertgas G wird durch die Einlaßöffnung 31 hindurch in die Heizkammer O eingeführt und durch die Auslaßöffnung 32 hindurch abgeführt, so daß das Inertgas G während des Wärmebehandlungsvorgangs in die/auf die Metallsubstrate MS strömt.
Das Inertgas G wird derart reguliert, daß es im wesentlichen ein darin enthaltenes Stickstoffgas N beseitigt, bevor es in die Heizkammer O eintritt. Insbesondere wird seine Dichte in dem Inertgas G an der Einlaßöffnung 31 auf gleich oder auf kleiner als 3 Teile pro Million (ppm) eingestellt.
Der Durchsatz des Inertgases G, das jedes Metallsubstrat MS in der Heizkammer O durchströmt, wird derart eingestellt, daß das Inertgas G sicher das in dem Wärmebehandlungsvorgang aus den äußeren Zylindern 2 der Metallsubstrate MS abgegebene Stickstoffgas N ausblasen kann. Insbesondere wird bei dieser Ausführungsform der Durchsatz des zu jedem Metallsubstrat MS geführten Inertgases G auf gleich oder mehr als 100 Milliliter pro Minute (ml/min) eingestellt.
Das durch die Einlaßöffnung 31 hindurch zugeführte Inertgas G wird derart gesteuert, daß es einen konstanten Durchsatz aufweist, und ein Gas, das hauptsächlich das Inertgas G und das aus den äußeren Zylindern 2 abgegebene Stickstoffgas N umfaßt und durch den Auslaßöffnung 32 abgeführt wird, wird ebenfalls derart gesteuert, daß es einen konstanten Druck aufweist, wobei ein Vakuumgrad gehalten wird, der zur Diffusionsbindung in der Heizkammer O des Wärmebehandlungsofens 3 notwendig ist.
Man beachte, daß das Stickstoffgas N von Außenflächen, Innenflächen und den oberen und den unteren Flächen der äußeren Zylinder 2 abgegeben wird, jedoch sind Pfeile, welche das von den Innenflächen abgegebene Stickstoffgas N bezeichnen, der leichteren Sichtbarmachung halber in 3 weggelassen.
Nun werden die Vorgänge und die Vorteile des Diffusionsbindungsverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben.
Die Wellbleche 11 mit langem Wellenabstand und die Wellbleche 12 mit kurzem Wellenabstand werden hergestellt. Diese werden wechselweise angeordnet und aufeinander gestapelt und dann zu mehreren Schichten gerollt.
Die aus den gerollten Wellblechen 11 und 12 bestehende Wabenstruktur 12 wird in die äußeren Zylinder 2 eingepreßt, um die Metallsubstrate MS zu bilden.
Die Metallsubstrate MS werden durch eine nicht gezeigte Tür hindurch in die Heizkammer des Wärmebehandlungsofens 3 eingebracht und voneinander getrennt auf das Metallnetz 33 aufgelegt. Die Tür wird verschlossen, um die Heizkammer O gegen die Außenluft abzudichten.
Dann beginnt man das Inertgas G durch die Einlaßöffnung 31 hindurch in die Heizkammer O einzuführen und durch die Auslaßöffnung 32 hindurch abzuführen. Des weiteren beginnt der Wärmebehandlungsofen 3 die Metallsubstrate MS in der Heizkammer O aufzuheizen. Da die Temperatur der Metallsubstrate MS bei diesem Wärmebehandlungsvorgang mit der Heizzeit t zu steigen beginnt, beginnt der äußere Zylinder 2 in ihm das aus der Luft absorbierte Stickstoffgas N aus den äußeren, inneren sowie oberen und unteren Flächenabschnitten wie in 3 gezeigt, bei Temperaturen von annähernd 500 Grad C bis annähernd 600 Grad C unter der in 6 gezeigten Diffusionsbindungstemperatur Td abzugeben.
Bei diesem Wärmebehandlungsvorgang wird das Inertgas beständig in die Heizkammer O, die auf dem zur Diffusionsbindung notwendigen Vakuumgrad gehalten wird, zugeführt und aus dieser abgeführt.
Dieses abgegebene Stickstoffgas N in der Heizkammer O wird von dem Inertgas G durch die Auslaßöffnung 32 hindurch ausgeblasen. Demgemäß wird das Stickstoffgas N auf den Oberflächenabschnitten des äußeren Zylinders 2 und um diese herum ausreichend beseitigt, so daß sich keine Aluminiumnitridschicht auf der Wabenstruktur 1 bildet.
Wenn eine Temperatur des Metallsubstrats MS die Diffusionsbindungstemperatur Td von mehr als annähernd 1000 Grad C und vorzugsweise 1300 Grad C erreicht, beginnen die Kontaktabschnitte des äußeren Zylinders 2 und der Wellbleche 12 mit kurzem Wellenabstand und die Kontaktabschnitte der Wellbleche 11 mit langem Wellenabstand und der Wellbleche 12 mit kurzem Wellenabstand durch Diffusion verbunden zu werden. Bei diesem Diffusionsbindungsvorgang werden die Kontaktabschnitte sicher miteinander verbunden, da auf der Oberfläche der Kontaktabschnitte keine Aluminiumnitridschicht erzeugt wird.
Deshalb läßt sich mit dem Diffusionsbindungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform verhindern, daß der äußere Zylinder 2 und die Wabenstruktur 1 auf Grund des Aluminiumnitrids mangelhaft verbunden werden.
Als nächstes wird ein Diffusionsbindungsverfahren zum Ausbilden eines Metallsubstrats gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an Hand der anliegenden Zeichnung beschrieben.
Bei dieser zweiten Ausführungsform weist ein Metallsubstrat MS, das durch Diffusion zu verbinden ist, eine ähnliche Konstruktion wie bei der in 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsform auf.
Wie in 4 gezeigt ist, weist ein Wärmebehandlungsofen 3 eine Heizkammer O, erste bis dritte Einlaßöffnungen 31a bis 31c und erste bis dritte Auslaßöffnungen 32a bis 32c auf. Die Anzahl der Einlaßöffnungen 31 und der Auslaßöffnungen 32 ist auf die gleiche wie bei den Metallsubstraten MS eingestellt, die bei einem Wärmebehandlungsvorgang auf einem Metallnetz 33 angeordnet werden. Die erste Einlaßöffnung 31a und die erste Auslaßöffnung 32a, die zweite Einlaßöffnung 31b und die zweite Auslaßöffnung 32b und die dritte Einlaßöffnung 31c und die dritte Auslaßöffnung 32c sind jeweils koaxial miteinander angeordnet. Sie sind an Stellen angeordnet, an denen sich die auf dem Metallnetz 33 angeordneten Metallsubstrate MS einander nicht berühren.
Auf dem Metallnetz 33 sind drei durch Diffusion zu verbindende Metallsubstrate MS aufgelegt, so daß sie jeweils mit den ersten Einlaß- und Auslaßöffnungen 31a und 32a, den zweiten Einlaß- und Auslaßöffnungen 31b und 32b und den dritten Einlaß- und Auslaßöffnungen 31c und 32c koaxial sein können.
Ein Inertgas G wird durch einer Heizkammer O durch die ersten bis dritten Einlaßöffnungen 31a bis 31c zugeführt, so daß es auf die drei Metallsubstrate MS strömt, und dann durch die ersten bis dritten Auslaßöffnungen 32a und 32c hindurch abgeführt, wobei die Heizkammer O unter Vakuum gehalten wird.
Die anderen Teile des Wärmebehandlungsofens 3 sind ähnlich denen in der in 3 gezeigten ersten Ausführungsform konstruiert.
Bei dieser zweiten Ausführungsform sind die drei durch Diffusion zu verbindenden Metallsubstrate MS voneinander entfernt auf dem Metallnetz aufgelegt, so daß das Inertgas G durch einen zwischen den benachbarten Metallsubstraten MS gebildeten Zwischenraum strömen kann, um von allen Oberflächenabschnitten der Metallsubstrate MS abgegebenes Stickstoffgas N abzublasen. Beim Zuführen des Inertgases G werden die Metallsubstrate MS bis auf eine Diffusionsbindungstemperatur aufgeheizt, so daß die Kontaktabschnitte eines äußeren Zylinders 2 und eines Wellblechs mit kurzem Wellenabstand und die Kontaktabschnitte des Wellblechs mit kurzem Wellenabstand und des Wellblechs mit langem Wellenabstand miteinander verbunden werden können.
Das Diffusionsbindungsverfahren mit Hilfe des oben konstruierten, in 4 gezeigten Wärmebehandlungsofens 3 der zweiten Ausführungsform kann die Abblaseffizienz für das Stickstoffgas N auf Grund einer koaxialen Anordnung der Einlaßöffnungen 31a bis 31c, der Auslaßöffnungen 32a bis 32c und der Metallsubstrate MS verbessern. Insbesondere kann das von einem inneren Flächenabschnitt des äußeren Zylinders 2 und einem äußeren Flächenabschnitt einer Wabenstruktur 1 in einem Wärmebehandlungsvorgang abgegebene Stickstoffgas N leicht und sicher aus der Heizkammer O abgeblasen werden.
Als nächstes wird ein Diffusionsbindungsverfahren zum Ausbilden eines Metallsubstrats gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an Hand der anliegenden Zeichnungen beschrieben.
Bei dieser dritten Ausführungsform weist ein durch Diffusion zu verbindendes Metallsubstrat MS eine ähnliche Konstruktion wie das der in 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsform auf.
Wie in 5 gezeigt ist, ist ein Wärmebehandlungsofen 3 nur für ein Metallsubstrate MS vorgesehen, wobei seine Einlaßöffnung 31 und seine Auslaßöffnung 32 koaxial miteinander angeordnet sind, so daß das Inertgas G in der gleichen Richtung wie der des Abgasstroms in dem Metallsubstrat MS strömen kann, wenn dieses an einem Motorfahrzeug angebracht ist. Die anderen Teile des Wärmebehandlungsofens 3 ähneln denen der in 3 gezeigten ersten Ausführungsform.
Mit dem Diffusionsbindungsverfahren läßt sich mit Hilfe des oben konstruierten Wärmebehandlungsofens 3 gemäß der zweiten Ausführungsform ein von dem äußeren Zylinder 2 abgegebenes Stickstoffgas N sicher abblasen.
Als nächstes wird ein Diffusionsbindungsverfahren zum Ausbilden eines Metallsubstrats gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Ein durch Diffusion zu verbindendes Metallsubstrat weist eine ähnliche Konstruktion wie das gemäß der in 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsform auf, und zum Diffusionsverbinden des Metallsubstrats wird ein ähnlicher Wärmebehandlungsofen wie der in 3, 4 oder 5 gezeigte verwendet.
Bei dieser vierten Ausführungsform wird nur ein Teil der Kontaktabschnitte einer Wabenstruktur und eines äußeren Zylinders durch Diffusion verbunden.
Wenn ein Katalysator mit dem Metallsubstrat nahe einer Stelle mit hoher Temperatur, beispielsweise direkt unter einem mit einem Motor verbundenen Abgaskrümmer, angeordnet ist, werden die stromaufwärtsseitigen Kontaktabschnitte der Wabenstruktur und des äußeren Zylinders nicht verbunden, um die zwischen diesen bewirkte Wärmebeanspruchung zu vermindern.
Spezifisch ist das Metallsubstrat einer hohen Abgastemperatur ausgesetzt, wenn der Motor anläuft. Dadurch entsteht ein Temperaturgradient zwischen der Wabenstruktur und dem äußeren Zylinder, weil sich die Wabenstruktur auf Grund ihrer Wärmekapazität, die kleiner als die des äußeren Zylinders ist, leichter als der äußere Zylinder erwärmt, und der äußere Zylinder größere Wärme abstrahlt als die Wabenstruktur. Diese Tendenz tritt ähnlich auch bei der Fahrzeugbeschleunigung auf, die ein ähnliches Katalysator-Temperaturprofil wie beim Anlaufen des Motors zeigt.
Dagegen weist ein Abgas mit niedriger Temperatur ähnliche Zusammensetzungen wie die der Luft auf und beim Langsamwerden des Fahrzeugs an das Metallsubstrat abgegeben. Demgemäß kühlt das Abgas einen mittigen Abschnitt des Metallsubstrats schneller als dessen peripheren Abschnitt.
Bei einem solchen Temperaturverlauf konzentriert sich eine in der Wabenstruktur erzeugte Beanspruchung besonders an einem peripheren Abschnitt der mit dem äußeren Zylinder verbundenen Wabenstruktur. Der Grund dafür ist, daß der periphere Abschnitt auf Grund der Verspannung des äußeren Zylinders an der Wabenstruktur zusammengedrückt wird, die sich mit einer höheren Temperatur als die des äußeren Zylinders nach außen dehnt, wenn diese durch das Abgas aufgeheizt werden, wohingegen der periphere Abschnitt auf Grund der Wärmekontraktion der Wabenstruktur von dem äußeren Zylinder gezogen wird, wenn sich diese abkühlt.
Des weiteren erzeugt die Wärmebeanspruchung in Axialrichtung der Wabenstruktur und des äußeren Zylinders auf Grund des Verformungsunterschieds zwischen deren Wärmedehnung und der Wärmekontraktion in Axialrichtung eine Scherspannung dazwischen. Wiederholte Druck- und Zugscherspannungen wirken auf Verbindungsabschnitte der Wabenstruktur und des äußeren Zylinders, die leicht thermischen Ermüdungsversagen hervorrufen.
Um ein solches Wärmeermüdungsversagen zu vermeiden, sollten die Kontaktabschnitte nicht verbunden werden, wobei beispielsweise die stromaufwärtsseitigen Kontaktabschnitte der Wabenstruktur und des äußeren Zylinders nicht durch Diffusion verbunden werden.
Auf diese Kontaktabschnitte wird ein Diffusionsbindungsinhibitor aufgebracht, oder sie werden nach ihrer Oxidationsbehandlung aufgeheizt, so daß sie in einem Wärmebehandlungsvorgang frei von Diffusionsbindung bleiben.
Mit dem Diffusionsbindungsverfahren gemäß der vierten Ausführungsform kann ein langlebiges Metallsubstrat geschaffen werden, indem die Kontaktabschnitte nicht auf Grund von Bruch durch thermische Ermüdung beschädigt werden.
Zwar wurde die Erfindung insbesondere an Hand bevorzugter Ausführungsformen derselben gezeigt und beschrieben, es versteht sich jedoch, daß verschiedene Modifizierungen daran vorgenommen werden können.
Die Wabenstruktur 1 kann ausgebildet werden, indem das Wellblech 11 mit langem Wellenabstand und das Wellblech 12 mit kurzem Wellenabstand nur miteinander zu mehreren Lagen gestapelt werden, ohne sie zu rollen.
Zwar besteht die Wabenstruktur 1 in den Ausführungsformen aus dem Wellblech 11 mit langem Wellenabstand und dem Wellblech 12 mit kurzem Wellenabstand, sie kann jedoch auch aus dem Wellblech 11 mit langem Wellenabstand und einem ebenen Blech an Stelle des Wellblechs 12 mit kurzem Wellenabstand ausgebildet werden.
Zur Ausbildung der Wabenstruktur 1 kann das Wellblech 11 mit langem Wellenabstand an der Außenseite derselben angeordnet werden, um eine Zylinderform zu bilden.
Die Anzahlen der Einlaßöffnungen 31, 31a bis 31c und der Auslaßöffnungen 32, 32a bis 32c des Wärmebehandlungsofens können beliebig festgelegt werden; beispielsweise zwei Einlaßöffnungen und eine Auslaßöffnung.
Der äußere Zylinder 2 und die Wabenstruktur 1 können mit beliebiger Querschnittsform ausgebildet werden.
Außerdem kann der Wärmebehandlungsofen 3 eine Mehrzahl von Einlaßöffnungen aufweisen, die über den äußeren Zylinder hin und entlang demselben angeordnet sind, so daß die durch die Einlaßöffnungen hindurch eingeführten Inertgase G entlang dem äußeren Zylinder 2 und einem peripheren Abschnitt der Wabenstruktur 1 in deren Axialrichtung strömen können. Dadurch kann das Stickstoffgas N wirksam abgeblasen werden, indem eine kleinere Menge des Inertgases G verwendet wird.
Die kontinuierliche Zuführung des Inertgases gemäß der vorliegenden Erfindung schließt auch eine periodische Einführung ein, wenn dabei das Gas im wesentlichen kontinuierlich eingeführt werden kann.

Claims

Diffusionsbindungsverfahren zum Ausbilden eines Metallsubstrats (MS) mit – einer Wabenstruktur (1) aus aluminiumhaltigen rostfreien Stahl und – einem äußeren Metallzylinder (2) mit der Wabenstruktur (1) darin, – wobei die Wabenstruktur (1) von einem ersten Wellblech (11) und einem ebenen Blech oder einem zweiten Wellblech (12) mit einem Wellenabstand gebildet ist, der kürzer als der des ersten Wellblechs (11) ist, und die in mehreren Schichten aufeinander gestapelt sind, wobei das Diffusionsbindungsverfahren folgendes umfaßt: – Einbringen des Metallsubstrats (MS) in eine Heizkammer (O) eines Wärmebehandlungsofens (3); – Zuführen eines Inertgases (G) in die Heizkammer (O); und – Erhitzen des Metallsubstrats (MS) auf eine Diffusionsbindungstemperatur (Td), – wobei das Inertgas (G) während eines Wärmebehandlungsverfahrens im wesentlichen ständig durch eine Einlaßöffnung (31; 31a, 31b, 3c) des Wärmebehandlungsofens (3) in die Heizkammer (O) zugeführt wird und durch eine Auslaßöffnung (32; 32a, 32b, 32c) desselben abgeführt wird, so daß das Inertgas (G) ein aus dem äußeren Zylinder (2) des Metallsubstrats (MS) abgegebenes Stickstoffgas (N) abblasen kann.
Diffusionsbindungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Einlaßöffnung (31; 31a, 31b, 3c) und die Auslaßöffnung (32; 32a, 32b, 32c) koaxial zueinander angeordnet sind.
Diffusionsbindungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Inertgas (G) derart gesteuert wird, daß ein Durchsatz des Inertgases (G), das durch die Einlaßöffnung (31; 31a, 31b, 31c) strömt, und der Druck eines Gases (G, N), das durch die Auslaßöffnung (32; 32a, 32b, 32c) strömt, jeweils konstant sind.
Diffusionsbindungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Inertgas (G), das durch ein Metallsubstrat (MS) strömt, auf einen Durchsatz von mindestens 1000 ml/min eingestellt wird.
Diffusionsbindungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Teil der Kontaktabschnitte der Wabenstruktur (1) und des äußeren Zylinders frei von einer Diffusionsbindung ist.
Diffusionsbindungsverfahren nach Anspruch 5, wobei der Teil der Kontaktabschnitte ein stromaufwärts gelegener Seitenabschnitt ist.