DE102010020450A1

DE102010020450A1 - Verfahren zur Herstellung einer metallischen Trägerfläche für eine Abgasbehandlungseinheit

Info

Publication number: DE102010020450A1
Application number: DE201010020450
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2011-11-17
Also published as: WO2011141498A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Trägerfläche (1) für eine Abgasbehandlungseinheit (2). Dabei wird insbesondere für eine metallische Trägerfläche (1) aus einem Aluminium enthaltenen Werkstoff vorgeschlagen, durch eine geeignete Wahl von Prozessparametern während einer thermischen Behandlung eine Aluminiumoxidschicht (6) mit einer relativ großen Schichtdicke (7) zu erzeugen, die einen erheblichen Anteil von Theta-Aluminiumoxid (8) aufweist. Entsprechend ausgestaltete metallische Trägerflächen (1) und Abgasbehandlungseinheiten (2) sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Trägerfläche für eine Abgasbehandlungseinheit, eine metallische Trägerfläche aus Aluminium enthaltendem Werkstoff sowie eine Abgasbehandlungseinheit zur Behandlung von Abgasen einer mobilen Verbrennungskraftmaschine.
Es ist bekannt, die von einer mobilen Verbrennungskraftmaschine erzeugten Abgase, wie beispielsweise Abgase eines Diesel-Motors und/oder eines Benzin-Motors eines Kraftfahrzeugs, in einem nachgeschalteten Abgassystem so zu behandeln, dass die darin enthaltenen Schadstoffe zum größten Teil umgewandelt bzw. zurückgehalten werden. Entsprechend den Anforderungen wurden hierzu bereits unterschiedliche Abgasbehandlungseinheiten vorgeschlagen, insbesondere Adsorber, katalytische Konverter, Partikelfallen etc. Mit diesen Abgasbehandlungseinheiten wird vielfach das Ziel verfolgt, in einem möglichst kleinen Volumen eine große Kontaktoberfläche mit dem die Abgasbehandlungseinheit durchströmenden Abgas zur realisieren. Zu diesem Zweck wurden beispielsweise poröse Körper, Wabenkörper und dergleichen vorgeschlagen. Diese Trägerkörper dienen vielfach auch dazu, eine Beschichtung aufzunehmen, die jeweils vorgegebene Funktionen hinsichtlich der Behandlung der Abgase erfüllen. Beispielsweise kann mit einer solchen Beschichtung die Oberfläche bzw. Kontaktfläche mit dem Abgas weiter vergrößert werden. Es kann katalytisch aktives Material auf und/oder in der Beschichtung angeordnet werden, es können Speicherräume für gasförmige und/oder feste Bestandteile des Abgases ausgebildet werden und vieles mehr. Hierbei ist stets von besonderer Bedeutung, dass ein dauerhafter Verbund zwischen der Beschichtung und dem Trägerkörper auch unter den extremen Bedingungen im Abgassystem eines Kraftfahrzeuges gewährleistet ist. Dabei sind insbesondere die stark variierenden Temperaturbereiche sowie Druckimpulse im Abgasstrom besonders zu beachten.
Für solche Trägerkörper wurden bereits auch verschiedene Materialien vorgeschlagen. Grundsätzlich kann insbesondere zwischen (extrudierten) keramischen und metallischen Trägerkörpern unterschieden werden. Metallische Trägerkörper, insbesondere nach Art eines Wabenkörpers, haben sich bereits sehr bewährt, insbesondere aufgrund des gleichmäßigen thermischen Verhaltens bei den auftretenden Temperaturwechselbeanspruchungen sowie der mannigfaltigen Gestaltungsmöglichkeiten hinsichtlich der Beeinflussung der Abgasströmung durch den metallischen Trägerkörper hindurch. Bei einem solchen metallischen Trägerkörper werden vielfach flächige Bauteile miteinander kombiniert und zu einer Wabenstruktur geformt, die in einem Gehäuse angeordnet und mit diesem fest verbunden ist. Hierbei kommen insbesondere zumindest teilweise strukturierte und/oder glatte Metallfolien, metallische Faserlagen oder Vliese und dergleichen zum Einsatz. Diese metallischen Trägerflächen müssen regelmäßig hochtemperaturfest und korrosionsbeständig sein. Aus diesem Grund haben sich metallische Trägerflächen als besonders geeignet herausgestellt, die Eisen als Grundwerkstoff aufweisen und zudem Aluminium [Al], beispielsweise mit einem Gehalt bis 10 Gew.-%, sowie Chrom [Cr], insbesondere mit einem Gehalt von bis zu 25 Gew.-%, umfassen.
Insbesondere bei metallischen Trägerflächen, die beispielsweise aus Metallfolien, Drahtfilamenten etc. aus dem vorstehend genannten Werkstoff gebildet sind, besteht der Wunsch, eine möglichst amorphe, poröse und/oder zerklüftete Oberfläche auszubilden. Diese Oberfläche kann dann als Basis für eine darauf aufzubringende Beschichtung dienen, so dass im Grenzbereich eine gute Durchdringung bzw. Haftung zwischen der metallischen Trägerfläche und der (keramischen) Beschichtung erreicht wird. Ebenso kann eine solche amorphe, poröse und/oder zerklüftete Oberfläche dazu dienen, dass auf eine zusätzliche Beschichtung verzichtet werden kann, indem die Funktion der Abgasbehandlungseinheit hinsichtlich der Abgase bereits mit dieser Oberfläche der metallischen Trägerfläche selbst erreicht wird. Ganz besonders steht dabei im Fokus, die Oberfläche so auszubilden, dass diese für die Anlagerung bzw. (zeitweise) Zurückhaltung von festen Bestandteilen des Abgases (wie beispielsweise Ruß) geeignet ist.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Trägerfläche für eine Abgasbehandlungseinheit angegeben werden, bei der eine besonders amorphe, poröse und/oder zerklüftete sowie beständige Oberfläche an der metallischen Trägerfläche ausgebildet wird. Zudem soll eine metallische Trägerfläche angegeben werden, die einen für die Rußabscheidung in einem mobilen Abgasbehandlungssystem besonders geeignete Oberflächenschicht ausbildet. Schließlich soll auch noch eine Abgasbehandlungseinheit zur Behandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine angegeben werden, die besonders einfach herstellbar und für die Abscheidung von Rußpartikeln aus dem Abgas besonders geeignet ist.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung einer metallischen Trägeroberfläche gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einer metallischen Trägerfläche gemäß den Merkmalen des Patenanspruchs 9. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer metallischen Trägerfläche für eine Abgasbehandlungseinheit umfasst zumindest die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen einer metallischen Trägerfläche aus einem Aluminium enthaltenden Werkstoff,
b) Durchführen einer thermischen Behandlung der metallischen Trägerfläche mit folgenden Prozessparametern: – Umgebungstemperatur zwischen 835°C und 900°C, – Behandlungszeit mindestens 20 Stunden, – Atmosphäre mit angefeuchteter Luft.

Zunächst sei darauf hingewiesen, dass gerade bei Komponenten für Abgasbehandlungseinheiten vielfach eine Serienfertigung stattfindet, so dass das Verfahren insbesondere zur gleichzeitigen Herstellung mehrerer (gleicher/unterschiedlicher) metallischer Trägerflächen dienen kann. Bei der metallischen Trägerfläche handelt es sich bevorzugt um eine zumindest teilweise strukturierte Metallfolie, eine glatte Metallfolie und/oder ein Vlies aus Drahtfilamenten. Der Begriff „Trägerfläche” soll insbesondere zum Ausdruck bringen, dass ein flächiges Gebilde vorliegt, das insbesondere dazu geeignet ist, Kanäle einer Abgasbehandlungseinheit zumindest teilweise zu begrenzen. Eine solche Trägerfläche weist insbesondere eine im Verhältnis zur Dicke deutlich größere Oberfläche auf.
Gemäß Schritt a) wird nun zunächst eine solche metallische Trägerfläche aus einem Aluminium enthaltenden Werkstoff bereitgestellt. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich dabei um ein hochtemperaturfestes und korrosionsbeständiges Metall, insbesondere auf Basis eines Edelstahls, in dem ein signifikanter Anteil von Aluminium enthalten ist. Hierbei ist insbesondere gemeint, dass der Anteil von Aluminium [Al] zumindest 3 Gew.-% beträgt, insbesondere mindestens 5 Gew.-%. Selbstverständlich können weitere Bestandteile bzw. Elemente bei dem Werkstoff vorgesehen sein. Bevorzugt ist das Aluminium (im Schritt a) noch) im Wesentlichen gleichmäßig im Werkstoff verteilt, so dass insbesondere keine Plattierung bzw. abgegrenzte Schicht nahe der Oberfläche der metallischen Trägerfläche vorgesehen ist.
Gemäß Schritt b) wird nun die metallische Trägerfläche einer thermischen Behandlung unterzogen, wobei die angegebenen Prozessparameter einzuhalten sind. Folglich wird die metallische Trägerfläche einer Umgebungstemperatur zwischen 835°C und 950°C ausgesetzt. Ganz besonders bevorzugt ist, dass die Umgebungstemperatur im Bereich von 860°C bis 880°C liegt. Zu diesem Zweck kann die metallische Trägerfläche bspw. in einem Ofen positioniert werden, dessen innere Umgebung auf die angegebene Umgebungstemperatur erwärmt wird. Die metallische Trägerfläche ist nun dieser Umgebungstemperatur für eine Behandlungszeit von mindestens 20 Stunden auszusetzen. Ganz besonders bevorzugt ist, dass die Behandlungszeit mindestens 30 Stunden beträgt. Die thermische Behandlung findet zudem mit einer Atmosphäre statt, die aus angefeuchteter Luft besteht. Mit dem Begriff „Atmosphäre” ist insbesondere die Umgebung der metallischen Trägerfläche z. B. in einem Ofen während der Behandlungszeit gemeint. Die Luft ist dabei mit Wasser in geringem Maße versetzt (angefeuchtet). Das bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass der metallischen Trägerfläche stets (frische) angefeuchtete Luft mit einem geringen Wasseranteil, beispielsweise kleiner 5 Gew.-%, zugeführt wird. Grundsätzlich wäre auch eine Atmosphäre mit einem Anteil Argon und/oder Wasserstoff möglich, Versuche zeigten jedoch, dass keine so ausgeprägte Whiskerbildung und Langzeitstabilität gegeben ist. Ganz besonders bevorzugt ist zudem, dass Schritt b) mit einem erhöhten Sauerstoff-Partialdruck durchgeführt wird, weil dadurch die Bildung von Theta-Aluminiumoxid gegenüber Alpha-Aluminiumoxid begünstigt wird.
Mit dieser thermischen Behandlung wird eine gezielte Oxidation des Werkstoffs an der Oberfläche der metallischen Trägerfläche erreicht. Aufgrund des Aluminiums in dem Werkstoff wird an der Oberfläche Aluminiumoxid gebildet. Die hier angegebenen Prozessparameter führen insbesondere zur Ausbildung eines signifikanten Anteils von so genanntem Theta-Aluminiumoxid (O-Al₂O₃) eine Modifikation des Aluminiumoxids. Dieses Theta-Aluminiumoxid bildet eine besonders poröse, amorphe, und/oder zerklüftete Oberfläche aus, weil die Theta-Aluminiumoxid-Kristalle nadelartig, plattenartig und/oder wie Whisker hervorstehen. Mit dem hier angegebenen Verfahren wird eine besonders gleichmäßige, dichte und/oder ausgeprägte Bildung von Theta-Aluminiumoxid erreicht, die auch nach Abschluss der thermischen Behandlung stabil für weitere Schritte zur Herstellung einer Abgasbehandlungseinheit bzw. zum Einsatz in einer Abgasbehandlungseinheit zur Verfügung steht.
Ganz besonders bevorzugt ist, dass die Behandlungszeit maximal 50 Stunden beträgt. Insofern sollte die Durchführung des Schritts b) nicht länger als 50 Stunden durchgeführt werden. Dadurch wird vermieden, dass das Theta-Aluminiumoxid in eine andere Modifikation umgewandelt wird, beispielsweise Alpha-Aluminiumoxid, welches eher eine kompakte und vergleichsweise ebene Oberflächenstruktur ausbildet. Außerdem wurde festgestellt, dass bei einer Behandlungszeit von mehr als 50 Stunden im Wesentlichen keine signifikanten Neubildungen von Theta-Aluminiumoxid festzustellen sind. Daher wird hier auch unter energetischen Gesichtspunkten von einer Behandlungszeit größer 50 Stunden abgeraten.
Einer Weiterbildung des Verfahrens zufolge ist die Atmosphäre mit Luft und einem Wasseranteil von 1,3 Vol.-% bis 10 Vol.-% gebildet. Ganz besonders bevorzugt liegt der Wasseranteil in einem Bereich von 1,5 Vol.-% bis 2,5 Vol.-%. Die Luft kann dabei Umgebungsluft sein, die entsprechend vorbehandelt ist, insbesondere mit Wasser benetzt wird und/oder erwärmt wird. Die so angefeuchtete Luft kann beispielsweise kontinuierlich einem Ofen, in dem die metallische Trägerfläche thermisch behandelt wird, zugeführt werden. So kann die Trägerfläche beispielsweise in einem Ofen positioniert und dann die Umgebungstemperatur erhöht werden, beispielsweise mit einer Temperatursteigerung von ca. 3 bis 6°C pro Minute. Dabei kann insbesondere (nur) bis zum Erreichen der gewünschten Umgebungstemperatur Wasser hinzugegeben werden, so dass insbesondere zum einen während eines überwiegenden Zeitanteils, in dem die metallische Trägerfläche der vorgegebenen Umgebungstemperatur ausgesetzt ist, und zum anderen während einer Abkühlphase danach kein neues Wasser mehr zugegeben wird. Der Volumenstrom des Wassers ist dann entsprechend dem Luftstrom bzw. des Luftvolumens im Ofen anzupassen. Das Wasser kann bevorzugt als Flüssigkeit direkt in den Luftstrom für den Ofen zudosiert werden, so dass eine Verdampfung vollständig erfolgt. Es wurde herausgefunden, dass so praktisch keine Wasserrückstände auftreten und gieichzeitig eine kontinuierlich konstant eingestellte Feuchte gegeben ist. Versuche haben auch gezeigt, dass bei einer Erhöhung des Wasseranteils über 10 Vol.-% keine signifikante Erhöhung der Schichtdicke erreicht werden kann.
Darüber hinaus wurde es auch als vorteilhaft herausgefunden, wenn vor Schritt b) eine separate Wärmebehandlung der metallischen Trägerfläche erfolgt. Das bedeutet mit anderen Worten auch, dass die metallische Trägerfläche im Rahmen dieser separaten Wärmebehandlung voroxidiert wird, dann abgekühlt wird und dann schließlich gemäß Schritt b) einer weiteren thermischen Behandlung unterzogen wird. Hierzu wird die metallische Trägerfläche insbesondere in verschiedenen Öfen und mit verschiedenen Prozessparametern während der Wärmebehandlung einerseits und der thermischen Behandlung andererseits behandelt. „Separat” soll in diesem Zusammenhang insbesondere bedeuten, dass die beiden Behandlungen zeitlich und/oder räumlich voneinander getrennt durchgeführt werden – eine separate Behandlung einzelner metallischer Trägerflächen ist hingegen nicht notwendig.
In diesem Zusammenhang wird zudem als vorteilhaft angesehen, dass die separate Wärmebehandlung mit zumindest einer höheren Umgebungstemperatur oder einer kürzeren Behandlungszeit oder einer anderen Atmosphäre als Schritt b) der thermischen Behandlung erfolgt. Ganz besonders bevorzugt ist, dass mindestens zwei der vorstehend genannten Bedingungen erfüllt sind, ganz besonders bevorzugt ist, dass alle drei Bedingungen erfüllt sind. Weiterhin ist bevorzugt, dass die Umgebungstemperatur bei der separaten Wärmebehandlung mindestens 100°C höher liegt als die Umgebungstemperatur bei der thermischen Behandlung gemäß Schritt b). Weiter ist auch bevorzugt, dass die Behandlungszeit für die metallische Trägerfläche im Rahmen der separaten Wärmebehandlung deutlich kürzer ist, insbesondere eine Stunde nicht überschreitet. Bezüglich der Atmosphäre ist bevorzugt, dass bei der separaten vorgelagerten Wärmebehandlung eine Atmosphäre mit Schutzgas (insbesondere Argon) oder Vakuum gebildet ist. Die separate Wärmebehandlung dient insbesondere dazu, eine erhöhte Anzahl von Keimen auf der Oberfläche der metallischen Trägerfläche zu bilden, so dass für den nachfolgenden Schritt b) besonders günstige Bedingungen vorliegen, um die gewünschte Schicht mit Theta-Aluminiumoxid besonders gleichmäßig und/oder umfangreich auszubilden.
Nach einer Weiterbildung des Verfahrens sind in Schritt a) zumindest folgende Teilprozesse umfasst:

a.1) Bereitstellen von metallischen Einzelkomponenten aus einem Aluminium enthaltenden Werkstoff,
a.2) Fügen der Einzelkomponenten mittels einer Wärmebehandlung zur Ausbildung einer metallischen Trägerfläche.

Wie bereits eingangs ausgeführt, kann die metallische Trägerfläche auch komplex ausgebildet sein, beispielsweise indem mehrere metallische Einzelkomponenten (Metallfolien, Drahtfilamente etc.) miteinander verbunden sind. Um nunmehr eine metallische Trägerfläche auszubilden, können diese metallischen Einzelkomponenten zueinander ausgerichtet angeordnet bzw. zur Anlage aneinander gebracht werden. Diese metallischen Einzelkomponenten werden dann zur Ausbildung der metallischen Trägerfläche miteinander gefügt. Für diesen Fügeprozess kommt eine Wärmebehandlung zum Einsatz, so dass sich beispielsweise zwischen dem metallischen Einzelkomponenten Lötverbindungen, Schweißverbindungen und/oder Diffusionsverbindungen oder dergleichen ausbilden. In diesem Zusammenhang stellt die Wärmebehandlung insbesondere auch eine separate Wärmebehandlung dar, wie sie vorstehend bereits erläutert wurde. Insofern kann hier für die Serienfertigung in besonders günstiger Weise der Prozess des Fügens von metallischen Einzelkomponenten zur Herstellung einer Abgasbehandlungseinheit mit einem separaten Wärmebehandlungsprozess verbunden werden, der die für die Bildung von Theta-Aluminiumoxid günstige Keimbildung auf der Oberfläche zur Folge hat.
Für diesen Fall wird als besonders vorteilhaft angesehen, dass der Teilprozess a.2) mit folgenden Prozessparametern erfolgt:

– Umgebungstemperatur über 1.000°C,
– Behandlungszeit zwischen 10 Minuten und 60 Minuten,
– Vakuum-Atmosphäre.

Der Teilprozess a.2) stellt insbesondere einen Lötprozess für die metallischen Einzelkomponenten dar. Ganz besonders bevorzugt ist, dass eine Umgebungstemperatur 1.200°C nicht überschreitet. Dabei ist anzumerken, dass die separate Wärmebehandlung auch mehrstufig ausgebildet sein kann, so dass zum Beispiel eine Vorwärmphase von 20 Minuten bis 60 Minuten bei einer Umgebungstemperatur unterhalb von 1.000°C durchgeführt werden kann, ggf. bei einer Umgebungstemperatur oberhalb von 800°C. Ebenso kann sich eine Abkühlphase anschließen, die sich beispielsweise über einen Zeitraum von 15 Minuten bis 40 Minuten erstreckt. Als Lotmaterial kann zum Beispiel ein Nickel-Basis-Lot eingesetzt werden, das einen Nickel-Gehalt von 60 Gew.-% bis 80 Gew.-% hat und gegebenenfalls Bestandteile von Chrom und/oder Silizium jeweils größer 10 Gew.-% aufweist.
Darüber hinaus wird als vorteilhaft angesehen, dass die metallische Trägerfläche mit Drahtfilamenten gebildet ist. Insofern handelt es sich vorliegend insbesondere um ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Trägerfläche mit einem Vlies umfassend eine Vielzahl von Drahtfilamenten. Bezüglich der Drahtfilamente ist bevorzugt, dass diese selbst bereits eine relativ raue Oberfläche haben. Dies gilt insbesondere für Drahtfilamente, die mittels eines Schabeprozesses erzeugt wurden. Die Drahtfilamente haben bevorzugt einen mittleren Durchmesser von maximal 50 μm [Mikrometer], beispielsweise im Bereich von 20 μm bis 40 μm. Diese sind z. B. nach Art einer Wirrlage (chaotische Anordnung) zu einem Vlies gefügt, das ein Flächengewicht von beispielsweise 350 g/m² [Gramm pro Quadratmeter] bis 600 g/m² aufweist. Dabei hat das Vlies bevorzugt eine Porosität größer 60% und ganz besonders bevorzugt kleiner 90%.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine metallische Trägerfläche aus einem Aluminium enthaltenden Werkstoff vorgeschlagen, aufweisend an einer Oberfläche zumindest teilweise eine Aluminiumoxidschicht, wobei eine Schichtdicke der Aluminiumoxidschicht zumindest 800 nm [Nanometer] beträgt und der Anteil des Theta-Aluminiumoxid zumindest 35% beträgt. In diesem Zusammenhang ist bevorzugt, dass die gesamte Oberfläche der metallischen Trägerfläche mit einer Aluminiumoxidschicht ausgeführt ist. Die Aluminiumoxidschicht bzw. die metallische Trägefläche ist dabei ganz besonders bevorzugt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Insofern sind die dortigen Erläuterungen hier ebenfalls ergänzend heranzuziehen.
Die Aluminiumoxidschicht kann verschiedene Modifikationen aufweisen, insbesondere Alpha-Aluminiumoxid, Gamma-Aluminiumoxid und Theta-Aluminiumoxid. Die Schichtdicke bestimmt dabei ausgehend von der Oberfläche des Grundwerkstoffs die senkrechte Erstreckung der gesamten Aluminiumoxidschicht, wobei hier ein üblicher Mittelwert anzugeben ist. Dabei bildet die Aluminiumoxidschicht regelmäßig nahe (insbesondere verstärkt angrenzend zu) der Oberfläche des Grundwerkstoffs Alpha-Aluminiumoxid und an dessen Oberfläche insbesondere Gamma-Aluminiumoxid bzw. Theta-Aluminiumoxid aus. Die Schichtdicke beträgt bevorzugt zumindest 1.400 nm oder sogar zumindest 1.800 nm. Regelmäßig lassen sich Aluminiumoxidschichten mit einem ausreichend hohen Theta-Aluminiumoxid-Anteil größer als 2.000 nm nur schwer bzw. mit besonders hohem technischen Aufwand verwirklichen, so dass dies ggf. eine obere Grenze für die hier bereitgestellte Schichtdicke ist. Außerdem besteht dann auch die Gefahr, dass diese besonders langen Whisker keinen dauerhaften Halt für eine Beschichtung der Abgasbehandlungseinheit und/oder nicht ausreichend widerstandsfähig für die Anlagerung/Regeneration von Ruß im Abgassystem eines Kraftfahrzeuges sind.
Der Anteil des Theta-Aluminiumoxids sollte zumindest 35% betragen, insbesondere 50%. Dies kann zum einen auf die Schichtdicke bezogen werden, es ist aber auch möglich, den bedeckten Flächenanteil der Oberfläche der metallischen Trägerfläche und/oder den Volumenanteil der gesamten Aluminiumoxidschicht als Bezugsgröße heranzuziehen. Dabei ist dem Fachmann klar, welcher Anteil der Aluminiumoxidschicht den jeweiligen Modifikationen zuzuordnen ist. Zudem ist ihm bekannt, dass man die verschiedenen Modifikationen des Aluminiumoxids z. B. mit Hilfe der Raman-Spektroskopie (spektroskopische Untersuchung der inelastischen Streuung von Licht an Molekülen oder Festkörpern) bestimmen bzw. nachmessen kann. Für die Bestimmung der Schichtdicken können auch mikroskopische Aufnahmen herangezogen werden, insbesondere so genannte REM-Aufnahmen.
Gemäß einer Weiterbildung wird auch vorgeschlagen, dass die metallische Trägerfläche mit Aluminium enthaltendem Werkstoff gebildet ist, welcher folgende Hauptbestandteile aufweist: Aluminium mit einem Gehalt von 4 Gew.-% bis 7 Gew.-%, Chrom mit einem Gehalt von 19 Gew.-% bis 23 Gew.-%, Eisen mit einem Gehalt von 71 Gew.-% bis 74 Gew.-%. Ganz besonders bevorzugt liegt der Gehalt von Aluminium [Al] zwischen 5,5 Gew.-% und 6,3 Gew.-%. Der Gehalt an Chrom [Cr] liegt ganz besonders bevorzugt im Bereich von 20 Gew.-% bis 21,5 Gew.-%. Der Eisengehalt [Fe] liegt besonders bevorzugt im Bereich von 72 Gew.-% bis 73,5 Gew.-%. Darüber hinaus können insbesondere noch zumindest einige der folgenden Nebenbestandteile im Werkstoff umfasst sein: Ca kleiner 0,005 Gew.-%; Co zwischen 0,02 Gew.-% und 0,05 Gew.-%; Cu zwischen 0,01 Gew.-% bis 0,15 Gew.-%; Ni zwischen 0,06 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%; P bis maximal 0,015 Gew.-%; Si zwischen 0,1 Gew.-% bis 0,3 Gew.-%; Ti bis maximal 0,035 Gew.-%, V zwischen 0,01 Gew.-% bis 0,03 Gew.-%; C bis maximal 0,06 Gew.-%; S bis maximal 0,0005 Gew.-%; N zwischen 0,01 bis 0,035 Gew.-% und O bis maximal 0,18 Gew.-%.
Schließlich wird auch noch eine Abgasbehandlungseinheit zur Behandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, aufweisend einen Wabenkörper, der wenigstens eine metallische Trägerfläche hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren oder wenigstens eine metallische Trägerfläche der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Art aufweist, wobei die metallische Trägerfläche ein Vlies aus Drahtfilamenten ist. Das Vlies ist insbesondere mit einem Flächengewicht von 400 g/m² bis 500 g/m² [Gramm pro Quadratmeter] ausgeführt, ganz besonders bevorzugt mit einem Flächengewicht von 430 g/m³ bis 470 g/m³. Bevorzugt ist weiterhin, dass die Drahtfilament mit einer Filamentstärke kleiner 50 μm [Mikrometer] ausgeführt ist, insbesondere mit einer Filamentstärke im Bereich von 20 μm bis 25 μm. Grundsätzlich ist möglich, die Drahtfilamente mit mehreren Herstellungsverfahren zu erzeugen. So können die Drahtfilamente aus einer Schmelze des Werkstoffs beispielsweise gezogen werden. Bevorzugt ist jedoch, dass die Drahtfilamente aus einer Schmelze des Werkstoffs geschabt werden. Das Vlies aus Drahtfilamenten ist dabei bevorzugt so hergestellt, dass die Drahtfilamente miteinander verschweißt sind, insbesondere durch ein Impulsschweißverfahren und/oder ein Rollnahtschweißverfahren.
Mit der erfindungsgemäßen Herstellung einer metallischen Trägerfläche können insbesondere Drahtfilamente mit Whisker hergestellt werden. Ganz besonders bevorzugt ist dabei, dass diese Drahtfilamente im Rahmen einer thermischen Behandlung mit einer Umgebungstemperatur von ca. 875°C über eine Behandlungszeit von ca. 25 Stunden unter einer Atmosphäre aus Luft mit 2 Gew.-% Wasser behandelt werden.
Die dabei gebildeten Aluminiumoxidschichtdicken erhöhen sich bei der Steigerung der Behandlungszeit bis auf 25 bzw. 30 Stunden erheblich. Bei höheren Expositionsdauern wird das metastabile Theta-Aluminiumoxid zu stabilem Alpha-Aluminiumoxid gewandelt. Alpha-Aluminiumoxid und Gamma-Aluminiumoxid werden dabei fast immer mit erzeugt. Die Bildung von Theta-Aluminiumoxid wird durch höhere Temperaturen beschleunigt. Das Theta-Aluminiumoxid ist vorliegenden Erkenntnissen noch stabiler, wenn es bei einer Umgebungstemperatur von ca. 875°C statt bei einer Umgebungstemperatur von ca. 900°C gebildet wird.
An Drahtfilamenten, die zuvor einer separaten Wärmebehandlung unterzogen wurden, fällt die gewünschte Bildung von Theta-Aluminiumoxid wesentlich homogener aus. Die separate Wärmebehandlung wird in diesem Fall als keimbildungsfördernder Prozess (der kritische Keimradius wird erreicht) angesehen.
Eine Korrelation von seltenen Erden-Gehalten des Werkstoffs (Variation der Gehalte an Lanthan, Cerium und Yttrium) sowie des Zirkonium-Gehalts und des Titan-Gehalts auf die Ausbildung des Theta-Aluminiumoxids wurde nicht festgestellt.
Aus Testergebnissen zeigt das folgende Material die beste Langzeitstabilität bezüglich des thermodynamisch unstabilen Theta-Aluminiumoxids:

– geschabte Drahtfilamente
– Werkstoffzusammensetzung: Al: ca. 5,8 Gew.-%, Cr: ca. 20,1 Gew.-%, Fe: ca. 73,2 Gew.-%, Ca: kleiner 0,005 Gew.-%, Co: ca. 0,046 Gew.-%, Cu: ca. 0,015 Gew.-%, Ni: ca. 0,15 Gew.-%, P: ca. 0,01 Gew.-%, Si: ca. 0,12 Gew.-%, Ti: ca. 0,017 Gew.-%, V: ca. 0,022 Gew.-%, geringe Anteile von N, O, Mg, La, Y, Ce, Zr, Nb, Hf, Mo, W, Nd.

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten zeigen, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
1: eine stirnseitige Ansicht einer Abgasbehandlungseinheit,
2: eine REM-Aufnahme einer Aluminiumoxidschicht,
3: ein Diagramm zur Veranschaulichung der thermischen Behandlungen unterschiedlicher metallischer Trägerflächen, und
4: einen Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung einer metallischen Trägerfläche bzw. einer Abgasbehandlungseinheit.
In 1 ist eine Abgasbehandlungseinheit 2 dargestellt, die mit einem zylindrischen Gehäuse 15 gebildet ist, in der ein Wabenkörper 10 ausgebildet ist. Der Wabenkörper 10 weist eine Vielzahl Kanäle 14 auf, die sich im Wesentlichen parallel zueinander zwischen den Stirnseiten 16 des Wabenkörpers 10 erstrecken. Die Kanäle 14 sind mit vollständig strukturierten Metallfolien 13 und glatten Vliesen 11 aus Drahtfilamenten gebildet, die zunächst lagenweise aufeinander abwechselnd gestapelt und anschließend S-förmig miteinander verbunden wurden. Der so gebildete Wabenkörper 10 wurde dann in das Gehäuse 15 eingeschoben, wobei abschließend Lötverbindungen zwischen den Metallfolien 13, den Vliesen 11 und dem Gehäuse 15 ausgebildet wurden. Die hier veranschaulichte Abgasbehandlungseinheit 2 ist insbesondere nach Art eines sogenannten offenen Partikelabscheiders ausgeführt. Hierfür wird das Abgas durch die Kanäle 14 hindurch geleitet und an vorbestimmten Stellen die Wahrscheinlichkeit eines Kontaktes der Rußpartikel mit dem Vlies 11 erhöht (z. B. durch Beschleunigungsstellen, Verzögerungsstellen, Strömungsumlenkungen, et.) ohne dass es zu einem Verstopfen der Kanäle kommen kann (als Beispiele für einen entsprechenden offenen Partikelabscheider sowie dessen Herstellung sei auf die WO 02/00326 A2 ; die WO 2005/099867 A1 oder die WO 2006/133854 A1 verwiesen, wobei deren Erläuterungen bzw. Beschreibungen in diesem Zusammenhang vollständig in Bezug genommen und zur Charakterisierung herangezogen werden können). Weiter ist bevorzugt, dass die Vliese 11 eine metallische Trägerfläche 1 ausbilden, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
2 zeigt eine fotografische Darstellung einer Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme, wobei im unteren Bereich eine metallische Einzelkomponente 3 dargestellt ist. Die metallische Einzelkomponente 3 ist hierbei ein Drahtfilament 4, wobei im unteren Bereich bis hin zur Oberfläche 5 der Grundwerkstoff zu erkennen ist. Die REM-Aufnahme zeigt also einen Schnitt durch ein Drahtfilament 4. Oberhalb der Oberfläche 5 ist mm die Aluminiumoxidschicht 6 gekennzeichnet. Die Aluminiumoxidschicht 6 lässt zwei unterschiedliche Modifikationen erkennen. Direkt im Anschluss an die Oberfläche 5 ist zunächst eine relativ kompakte Aluminiumoxidschicht ausgebildet, die im Wesentlichen Alpha-Aluminiumoxid 17 aufweist. Weiter außen bzw. oberhalb dieser Schicht aus Alpha-Aluminiumoxid 17 sind nadelförmige bzw. plattenförmige Kristalle zu erkennen, so genannte Whisker. Diese sind hier mit Theta-Aluminiumoxid 8 gebildet. Im rechten Bereich von 2 ist zudem veranschaulicht, dass die Aluminiumoxidschicht 6 eine Schichtdicke 7 ausbildet, wobei das Theta-Aluminiumoxid 8 einen möglichst großen Anteil dieser Schichtdicke 7 ausmacht, hier gekennzeichnet mit der Höhe 9. Die Höhe 9 beträgt bevorzugt mindestens 1 μm [Mikrometer]. Diese Abbildung lässt gut erkennen, dass das Theta-Aluminiumoxid 8 eine poröse, amorphe, zerklüftete des Aluminiumoxids ausbildet, welche gerade für die weitere Behandlung der metallischen Einzelkomponente für den späteren Einsatz im Rahmen einer Abgasbehandlungseinheit Vorteile bringt.
3 zeigt ein Diagramm, in dem die Höhe 9 des Theta-Aluminiumoxids über die Zeit 19 (Behandlungszeit während der thermischen Behandlung nach Schritt b)) aufgetragen ist. Die Versuche wurden hier mit vier unterschiedlichen Werkstoffen durchgeführt, insbesondere mit Drahtfilamenten der eingangs beschriebenen Zusammensetzung. Die eingesetzten metallischen Einzelkomponenten wurden dafür zunächst einer separaten Wärmebehandlung unterzogen, also insbesondere einer Umgebungstemperatur oberhalb vom 1.000°C über einen Zeitraum von 10 Minuten bis 40 Minuten unter Vakuum ausgesetzt. Die so vorbehandelten metallischen Einzelkomponenten wurden anschließend bei einer Umgebungstemperatur von 860°C unter einer Atmosphäre umfassend Luft mit 2 Vol.-% Wasser über die angegebene Zeit ausgesetzt. Dabei wurde das Wachstum der Theta-Aluminiumoxidschicht bestimmt und mit einem jeweiligen Verlauf 20 abgebildet. An den Verläufen 20 ist zu erkennen, dass insbesondere nach 20 Stunden ein signifikant stärkeres Wachstum des Theta-Aluminiumoxids festzustellen ist. Dieses verstärkte Wachstum setzt sich insbesondere bis zu einer Zeit von ca. 30 Stunden fort. Daran anschließend ist eine zeitliche Periode auszumachen, in der wieder ein langsameres Wachstum von Theta-Aluminiumoxid festzustellen ist. Ab ca. 50 Stunden wurde keine signifikante Vergrößerung der Höhe 9 an Theta-Aluminiumoxid mehr festgestellt. Daher ist besonders bevorzugt, dass die thermische Behandlung der metallischen Trägerfläche mit einer Behandlungszeit von mindestens 25 Stunden, insbesondere zwischen 25 und 50 Stunden durchgeführt wird.
In 4 ist schematisch ein mögliches Herstellungsverfahren für eine Abgasbehandlungseinheit dargestellt.
Dazu wird zunächst eine metallische Trägerfläche 1 herangezogen, die beispielsweise eine Vielzahl von miteinander verschweißten Drahtfilamenten 4 aufweist (siehe Darstellung oben links in 4).
Diese metallische Trägerfläche 1 wird nun zusammen mit beispielsweise gewellten Metallfolien 13 mit Strömungsumlenkungen 18 (siehe oben rechts in 4) zu einem Wabenkörper 10 angeordnet, so dass die miteinander dauerhaft zu fügenden Bestandteile einer Abgasbehandlungseinheit zueinander ausgerichtet angeordnet sind. Dies ist mit der mittleren Darstellung in der oberen Zeile der 4 veranschaulicht.
Später kann – wie oben rechts in 4 angedeutet – dann in einem Lötofen 21 eine fügetechnische Verbindung der Einzelkomponenten miteinander erreicht werden. Hierzu können die Metallfolien 13 und die metallischen Trägerflächen 1 z. B. in einem Bereich angrenzend zu einer Stirnseite miteinander Lötstellen 12 ausbilden. Der Lötprozess bildet dabei bevorzugt eine separate Wärmebehandlung der metallischen Trägerfläche aus, so dass hier bereits ein verstärktes Keimwachstum an der Oberfläche der metallischen Trägerfläche für die spätere thermische Behandlung einsetzt.
Der gelötete Wabenkörper kann später in einem weiteren Ofen zusammen mit vielen weiteren gemeinsam einer thermischen Behandlung ausgesetzt werden – veranschaulicht unten rechts in 4. Dabei wird eine Umgebungstemperatur zwischen 830°C und 900°C für mindestens 20 Stunden aufrecht erhalten, wobei eine Atmosphäre mit angefeuchteter Luft realisiert wird. Bei dieser thermischen Behandlung bilden sich dann die entsprechenden Schichtdicken, insbesondere mit Theta-Aluminiumoxid, aus.
Schließlich kann die Aluminiumoxidschicht beispielsweise dazu eingesetzt werden, die Haftung mit einer (katalytisch aktiven) Beschichtung des Wabenkörpers 10 zu verbessern. Hierzu ist es möglich, den Wabenkörper 10 bspw. in ein Bad 23 mit der Beschichtung 24 einzutauchen und diese Beschichtung dann auszuhärten bzw. zu kalizinieren, wie es unten links in 4 angedeutet ist.
Die vorliegende Erfindung löst die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise, indem ein geeignetes Verfahren zur Herstellung einer metallischen Trägerfläche für eine Abgasbehandlungseinheit angegeben wurde, bei der eine besonders amorphe, poröse und/oder zerklüftete sowie beständige Oberfläche an der metallischen Trägerfläche ausgebildet wird. Zudem bildet die metallische Trägerfläche auch eine für die Rußabscheidung in einem mobilen Abgasbehandlungssystem besonders geeignete Oberflächenschicht aus. Die Erfindung macht auch möglich, dass eine Abgasbehandlungseinheit zur Behandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine besonders einfach herstellbar und für die Abscheidung von Rußpartikeln aus dem Abgas besonders geeignet ist.
Bezugszeichenliste

1: metallische Trägerfläche
2: Abgasbehandlungseinheit
3: metallische Einzelkomponente
4: Drahtfilament
5: Oberfläche
6: Aluminiumoxidschicht
7: Schichtdicke
8: Theta-Aluminiumoxid
9: Höhe
10: Wabenkörper
11: Vlies
12: Lötstelle
13: Metallfolie
14: Kanal
15: Gehäuse
16: Stirnseite
17: Alpha-Aluminiumoxid
18: Strömungsumlenkung
19: Zeit
20: Verlauf
21: Lötofen
22: Ofen
23: Bad
24: Beschichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 02/00326 A2 [0036]
WO 2005/099867 A1 [0036]
WO 2006/133854 A1 [0036]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer metallischen Trägerfläche (1) für eine Abgasbehandlungseinheit (2) mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer metallischen Trägerfläche (1) aus einem Aluminium enthaltenden Werkstoff, b) Durchführen einer thermischen Behandlung der metallischen Trägerfläche (1) mit folgenden Prozessparametern: – Umgebungstemperatur zwischen 835°C und 900°C, – Behandlungszeit mindestens 20 Stunden, – Atmosphäre mit angefeuchteter Luft.
Verfahren nach Patentanspruch 1, bei dem die Behandlungszeit maximal 50 Stunden beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem die Atmosphäre mit Luft und einem Wasseranteil von 1,3 Vol.-% bis 5 Vol.-% gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem vor Schritt b) eine separate Wärmebehandlung der metallischen Trägerfläche (1) erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 4, bei dem die separate Wärmebehandlung mit zumindest einer höheren Umgebungstemperatur oder einer kürzeren Behandlungszeit oder einer anderen Atmosphäre als Schritt b) der thermischen Behandlung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem Schritt a) zumindest folgende Teilprozesse umfasst: a.1) Bereitstellen von metallischen Einzelkomponenten (3) aus einem Aluminium enthaltenden Werkstoff, a.2) Fügen der Einzelkomponenten (3) mittels einer Wärmebehandlung zur Ausbildung einer metallischen Trägerfläche (1).
Verfahren nach Patentanspruch 6, bei dem die Teilprozesse a.2) mit folgenden Prozessparametern erfolgt: – Umgebungstemperatur über 1.000°C – Behandlungszeit zwischen 10 Minuten und 60 Minuten – Vakuumatmosphäre.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem die metallische Trägerfläche (1) mit Drahtfilamenten (4) gebildet wird.
Metallische Trägerfläche (1) aus einem Aluminium enthaltenen Werkstoff, aufweisend an einer Oberfläche (5) zumindest teilweise eine Aluminiumoxidschicht (6), wobei eine Schichtdicke (7) der Aluminiumoxidschicht (6) zumindest 800 nm beträgt und ein Anteil des Theta-Aluminiumoxids (8) zumindest 35% beträgt.
Metallische Trägerfläche (10) nach Patentanspruch 9, wobei der Aluminium enthaltende Werkstoff folgende Hauptbestandteile aufweist: Aluminium mit einem Gehalt von 4 Gew.-% bis 7 Gew.-%, Chrom mit einem Gehalt von 19 Gew.-% bis 23 Gew.-%, Eisen mit einem Gehalt von 71 Gew.-% bis 74 Gew.-%.
Abgasbehandlungseinheit zur Behandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine aufweisend einen Wabenkörper (10), der wenigstens eine metallische Trägerfläche (1) hergestellt nach einem Verfahren der Patentansprüche 1 bis 8 oder wenigstens eine metallische Trägerfläche (1) gemäß Patentanspruch 9 oder 10 aufweist, wobei die metallische Trägerfläche (1) ein Vlies (11) aus Drahtfilamenten (4) ist.