DE102011008787A1

DE102011008787A1 - Abgasanlage

Info

Publication number: DE102011008787A1
Application number: DE102011008787A
Authority: DE
Inventors: Helmut Wieser
Original assignee: Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH
Current assignee: Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH
Priority date: 2011-01-18
Filing date: 2011-01-18
Publication date: 2012-07-19
Also published as: CN202786389U

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für Kraftfahrzeuge, mit einem Bauteil aus beschichtetem Stahlblech. Das Stahlblech ist aus einem Kohlenstoffstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von unter 0,3 Gew.-% gebildet und die Beschichtung besteht aus Nickel.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für Kraftfahrzeuge mit einem Bauteil aus beschichtetem Stahlblech.
Die Bauteile von Abgasanlagen in Kraftfahrzeugen sind üblicherweise aus hochtemperaturbeständigen und korrosionsfesten Werkstoffen wie rostfreiem Stahl gefertigt. Bekannt ist ferner die Verwendung von Stahlblechen, die mit einer Aluminiumbeschichtung versehen sind. Die mit Aluminium beschichteten Stahlbleche sind zwar gegen eine Temperaturwechselbelastung stabil. Die Beständigkeit gegen stehende korrosive Flüssigkeiten wie Abgaskondensate und Risskorrosion ist jedoch unzureichend.
Die US 5 110 690 A beschreibt die Herstellung eines korrosionsfesten Stahlblechs aus kohlenstoffarmem Stahl, das zuerst mit Nickel und dann mit Aluminium beschichtet und anschließend einer Diffusionsbehandlung unter Bildung einer Fe-Al-Ni Diffusionsschicht unterzogen wird. Die Herstellung eines solchen Stahlblechs ist allerdings zu teuer.
Es besteht daher weiter Bedarf an kostengünstigen Werkstoffen zur Verwendung in Abgasanlagen für Kraftfahrzeuge, die gut zu verarbeiten aber auch korrosionsfest und temperaturwechselbeständig sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Abgasanlage gemäß Anspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Abgasanlage für Kraftfahrzeuge umfasst ein Bauteil aus beschichtetem Stahlblech, und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlblech aus einem Kohlenstoffstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von unter. 0,3 Gew.-% gebildet ist und die Beschichtung aus Nickel besteht.
Kohlenstoffarme Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von unter 0,3 Gew.-% sind billige Massenprodukte, die aber gute Umformeigenschaften aufweisen. Die Nickelbeschichtung kann kostengünstig über bekannte Bandgalvanikanlagen auf das Stahlblech aufgebracht werden und weist überraschenderweise eine gute Korrosionsfestigkeit gegenüber stehenden Flüssigkeiten wie Abgaskondensaten auf, die sogar die Korrosionsbeständigkeit von rostfreiem Stahl übertrifft.
Im Sinne der Erfindung wird der Begriff „Kohlenstoffstahl” in Abgrenzung zu nicht-rostendem Stahl verstanden. Bevorzugt ist der Kohlenstoffstahl ein unlegierter Stahl (DIN EN 10 020), insbesondere ein unlegierter Baustahl oder unlegierter Qualitätsstahl, ein warmfester Baustahl, ein Feinkornbaustahl oder ein wetterfester Baustahl (DIN EN 10 025-2).
Der Kohlenstoffstahl kann geringe Anteile weiterer Legierungselemente wie Chrom, Kupfer, Nickel, Blei, Mangan, Silizium oder Titan enthalten, wobei der Anteil der weiteren Legierungselemente bevorzugt jeweils höchstens 2 Gew.-%, vorzugsweise jeweils höchstens 1,65 Gew.-%, besonders bevorzugt jeweils höchstens 1 Gew.-% beträgt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kohlenstoffstahl frei von weiteren Legierungselementen, mit Ausnahme von Verunreinigungen.
Der Kohlenstoffgehalt des Kohlenstoffstahls liegt unter 0,3 Gew-%, bevorzugt unter 0,15 Gew.-%, und besonders bevorzugt unter 0,1 Gew.-%.
Das aus dem Kohlenstoffstahl gebildete Stahlblech weist vorzugsweise eine Dicke von 0,4 bis 2,5 mm auf. Bleche mit Dicken von unter 0,4 mm sind meist zu instabil und lassen sich schlecht verarbeiten. Bauteile aus Stahlblech mit Dicken über 2,5 mm sind zu schwer.
Die Nickelbeschichtung ist vorzugsweise durch galvanische Abscheidung auf das Stahlblech aufgebracht. Die Abscheidung in galvanischen Bädern ist technisch erprobt und insbesondere auf Bandgalvanikanlagen kostengünstig und schnell durchführbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Nickelbeschichtung auf dem Stahlblech zwischen 3 und 20 μm dick. Schichtdicken unterhalb von 3 μm sind oftmals nicht ausreichend dicht und neigen zu örtlicher Korrosion. Schichtdicken oberhalb von 20 μm sind zu teuer.
Das mit Nickel beschichtete Stahlblech kann ohne weitere thermische Behandlung verarbeitet werden. Alternativ kann zusätzlich eine Diffusionsbehandlung durchgeführt werden, wie sie allgemein im Stand der Technik bekannt ist. Durch die Diffusionsbehandlung wird zum einen die Haftung der Nickelbeschichtung verbessert und zum anderen die Dichte der Schicht und damit die Beständigkeit gegen örtliche Korrosion erhöht.
Gegenstand der Erfindung ist ferner die Verwendung eines mit Nickel beschichteten Stahlblechs gemäß einer der vorgenannten Ausführungsformen als Bauteil in einer Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug, wobei das Stahlblech aus einem Kohlenstoffstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,3 Gew.-% gebildet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bauteil ein Teil einer Abgasleitung, ein Abgasrohr, ein Teil eines Schalldämpfers oder ein Gehäuse einer Abgasbehandlungsvorrichtung, insbesondere eines Katalysators oder eines Dieselpartikelfilters. Diese Bauteile können Temperaturen bis etwa 600°C ausgesetzt sein.
Besonders bevorzugt ist das Bauteil aus dem mit Nickel beschichteten Stahlblech in einem Bereich der Abgasanlage angeordnet, in dem sich Kondensate aus Bestandteilen des Abgases bilden. In diesen Bereichen kann dann eine örtliche Korrosion und/oder eine Korrosion durch stehende Flüssigkeiten optimal verhindert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und der beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Kfz-Verbrennungsmotors mit einer erfindungsgemäßen Abgasanlage;
2 die Fotografie eines erfindungsgemäß mit Nickel beschichteten Stahlblechs nach einem Alterungstest; und
3 die Fotografie eines Edelstahlblechs nach einem Alterungstest.
1 zeigt beispielhaft einen Verbrennungsmotor 10 eines Kraftfahrzeuges und eine nachgeordnete Abgasanlage 12. Die Abgasanlage 12 hat einen bis zu einem Flansch 14 reichenden Krümmerabschnitt 16 sowie einen sich stromabwärts des Krümmerabschnitts 16 anschließenden Unterbodenabschnitt 18, die über eine Schwingungsentkoppelungseinrichtung 20 miteinander verbunden sind.
An den Verbrennungsmotor 10 schließt sich eine Abgasleitung mit einem ersten Rohrabschnitt 22 an, der zu einem Partikelaufnahmespeicher 24 mit Oxidationskatalysator führt.
Unmittelbar stromabwärts des Partikelaufnahmespeichers 24 sitzt ein Turbolader 26 im Krümmerabschnitt 16. Alternativ könnten die Positionen von Partikelaufnahmespeicher 24 und Turbolader 26 auch vertauscht werden. Ebenfalls im Krümmerabschnitt 16, und zwar nach dem Partikelaufnahmespeicher 24 und dem Turbolader 26 ist ein NO_x-Speicher 28 angeordnet.
Der Unterbodenabschnitt 18 umfasst eine langgestreckte Abgasrohrleitung 30, die zu einer Partikelfiltereinheit 32 führt. Bei der Partikelfiltereinheit 32 kann es sich um einen üblichen Rußfilter handeln, mit einem Substrat oder Filtereinsatz 34 aus Cordierit und einem vorgeschalteten Oxidationskatalysator 38. Der Oxidationskatalysator 38 kann entfallen, wenn der stromaufwärtige Teil des Filtereinsatzes 34 entsprechend beschichtet ist. An die Partikelfiltereinheit 32 schließt sich ein Rohrstück 40 an, das zu einem Schalldämpfer (nicht gezeigt) führt und die Abgase ableitet.
Die hier beschriebenen Bauteile der Abgasanlage sind als solche im Stand der Technik bekannt und können je nach der Art des verwendeten Kraftstoffs und des Anwendungsbereichs der Abgasanlage variieren.
Alle Bauteile der Abgasanlage sind hohen Temperaturen ausgesetzt, die weit über 250°C liegen und bis zu 600°C erreichen können. Aufgrund von Temperaturschwankungen während des Betriebs der Abgasanlage treten an den Bauteilen erhebliche Wechselbelastungen auf. An kälteren Stellen der Abgasanlage ist ferner die Bildung von hochkorrosiven Kondensaten aus den Bestandteilen des Abgases zu beobachten.
Erfindungsgemäß werden daher einzelne oder mehrere Bauteile der Abgasanlage 12, insbesondere Teile der Abgasleitung wie die Abgasrohre 22 und 30, ein Teil des Schalldämpfers oder die Gehäuse einer Abgasbehandlungsvorrichtung, insbesondere des Oxidationskatalysators 38 oder der Partikelfiltereinheiten 24 und 32 aus einem mit Nickel beschichteten Stahlblech gebildet, wobei das Stahlblech aus einem Kohlenstoffstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von unter 0,3 Gew.-% besteht.
Die Nickelbeschichtung kann kostengünstig über bekannte Bandgalvanikanlagen auf das Stahlblech aufgebracht werden und weist überraschenderweise eine gute Korrosionsfestigkeit gegenüber stehenden Flüssigkeiten wie Kondensaten auf, die sogar die Korrosionsbeständigkeit von rostfreiem Stahl übertrifft.
Zur Nickelbeschichtung können galvanische Bäder verwendet werden, wie sie im Stand der Technik bekannt sind. Beispielsweise eignen sich galvanische Bäder mit Nickelsalzen, insbesondere Nickelsulfat und Nickelchlorid in saurer Lösung (pH 4 bis 5), insbesondere in Borsäure.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kohlenstoffstahl ein unlegierter Baustahl oder unlegierter Qualitätsstahl, ein warmfester Baustahl, ein Feinkornbaustahl oder ein wetterfester Baustahl. Zur Einteilung der Stähle wird auf die DIN EN 10 020: 2007-03 Bezug genommen, zur Bezeichnung von Baustählen auf die DIN EN 10 025-2.
Der Kohlenstoffstahl kann geringe Anteile weiterer Legierungselemente wie Chrom, Kupfer, Nickel, Blei, Mangan, Silizium oder Titan enthalten, wobei der Anteil der weiteren Legierungselemente bevorzugt jeweils höchstens 2 Gew.-%, vorzugsweise jeweils höchstens 1,65 Gew.-%, besonders bevorzugt jeweils höchstens 1 Gew.-% beträgt. Bevorzugt ist der Kohlenstoffstahl frei von weiteren Legierungselementen, mit Ausnahme von Verunreinigungen.
Der Kohlenstoffgehalt des Kohlenstoffstahls liegt liegt unter 0,3 Gew-%, bevorzugt unter 0,15 Gew.-%, und besonders bevorzugt unter 0,1 Gew.-%.
Das aus dem Kohlenstoffstahl gebildete Stahlblech weist vorzugsweise eine Dicke von 0,4 bis 2,5 mm auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Nickelbeschichtung auf dem Stahlblech zwischen 3 und 20 μm dick. Bevorzugt liegt die Dicke der Nickelschicht zwischen etwa 6 μm und etwa 12 μm.
Das mit Nickel beschichtete Stahlblech kann ohne weitere thermische Behandlung durch bekannte Umformtechniken und/oder Schweißverfahren zu den Bauteilen der Abgasanlage verarbeitet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann zusätzlich eine Diffusionsbehandlung durchgeführt werden, wie sie allgemein im Stand der Technik bekannt ist. Durch die Diffusionsbehandlung wird zum einen die Haftung der Nickelbeschichtung verbessert und zum anderen die Dichte der Schicht und damit die Beständigkeit gegen örtliche Korrosion erhöht.
Die Bauteile aus dem mit Nickel beschichteten Stahlblech sind vorzugsweise in einem Bereich der Abgasanlage angeordnet, in dem sich Kondensate aus Bestandteilen des Abgases bilden. In diesen Bereichen kann dann eine örtliche Korrosion und/oder eine Korrosion durch stehende Flüssigkeiten optimal reduziert werden.
Zur Prüfung der Korrosionsfestigkeit von erfindungsgemäß mit Nickel beschichtetem Stahlblech im Vergleich zu Edelstahlblechen und mit Aluminium beschichtetem Stahlblechen wurden die folgenden künstlichen Alterungstests durchgeführt.
Beispiel 1
Ein Stahlblech aus einem unlegierten Baustahl, Kurzname DC01, Werkstoff-Nr. 1.0330 (DIN EN 10130) wurde in einer Bandgalvanikanlage mit Nickel beschichtet. Die Dicke der Nickelschicht betrug 9,5 μm. Aus dem beschichteten Stahlblech wurden Proben mit Abmessungen von 100 mm × 100 mm geschnitten.
Beispiel 2 (Vergleich)
Es wurde ein Stahlblech aus einem nichtrostenden ferritischen Stahl, X2CrTi12, Werkstoff-Nr. 1.4512 (DIN EN 10088-2) bereitgestellt, Aus dem Stahlblech wurden ebenfalls Probenkörper von 100 mm × 100 mm geschnitten.
Beispiel 3 (Vergleich)
Ein Stahlblech aus einem unlegierten Baustahl, Kurzname DC01, Werkstoff-Nr. 1.0330 (DIN EN 10130) wurde mit Aluminium beschichtet. Die Dicke der Aluminiumschicht betrug 17 bis 20 μm. Aus dem beschichteten Stahlblech wurden Proben mit Abmessungen von 100 mm × 100 mm geschnitten
Untersuchung der künstlichen Alterung im Salzsprühtest
Die Probenkörper gemäß den Beispielen 1 bis 3 wurden 12,5 Stunden lang mit einer Kochsalzlösung (5 Gew.-% NaCl in destilliertem Wasser) besprüht. Anschließend wurden die Probenkörper getrocknet und 3 Stunden lang bei Raumtemperatur gehalten bzw. auf Temperaturen zwischen 300°C und 500°C erwärmt. Nach dem Abkühlen wurde dieser Behandlungszyklus täglich über eine Dauer von 6 Wochen wiederholt. Anschließend wurden die Probenkörper visuell auf Korrosionsstellen untersucht.
Der beschriebene Alterungstest entspricht einer Belastung der Bauteile einer Abgasanlage unter normalen Betriebsbedingungen über einen Zeitraum von etwa 4 Jahren
Die Ergebnisse des Salzsprühtests sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben. Tabelle

Probe Raumtemperatur 300°C 400°C 500°C

Beispiel + + + +

Beispiel 2 (Vergleich) + + +/– –

Beispiel 3 (Vergleich) + + +/– –

+ = geringe Korrosion; brauchbar
+/– = deutlich sichtbare Korrosion; eingeschränkt brauchbar
= starke Korrosion; unbrauchbar
2 zeigt eine fotographische Aufnahme des Probenkörpers gemäß Beispiel 1 nach Durchführung des Alterungstests über 3 Wochen bei 500°C. Auf dem Probenkörper sind nur wenige durch Korrosion angegriffene Stellen erkennbar.
sIn 3 ist eine fotographische Aufnahme eines Probenkörpers aus Edelstahl gemäß Beispiel 2 nach der Durchführung des Alterungstests über 3 Wochen bei 500°C gezeigt. Die Beschädigung durch Korrosion ist erheblich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5110690 A [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 10 020 [0007]
DIN EN 10 025-2 [0007]
DIN EN 10 020: 2007-03 [0030]
DIN EN 10 025-2 [0030]
DIN EN 10130 [0039]
DIN EN 10088-2 [0040]
DIN EN 10130 [0041]

Claims

Abgasanlage für Kraftfahrzeuge, mit einem Bauteil aus beschichtetem Stahlblech, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlblech aus einem Kohlenstoffstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von unter 0,3 Gew.-% gebildet ist und die Beschichtung aus Nickel besteht.
Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffstahl aus der Gruppe der unlegierten Baustähle, der unlegierten Qualitätsstähle, der warmfesten Baustähle, Feinkornbaustähle und wetterfesten Baustähle ausgewählt ist.
Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das der Kohlenstoffstahl geringe Anteile weiterer Legierungselemente wie Chrom, Kupfer, Nickel, Phosphor, Blei, Mangan, Schwefel, Silizium oder Titan enthält.
Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffstahl frei von weiteren Legierungselementen ist, mit Ausnahme von Verunreinigungen.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt des Kohlenstoffstahls unter 0,15 Gew.-%, insbesondere unter 0,1 Gew.-% liegt.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlblech eine Dicke von 0,4 bis 2,5 mm aufweist.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelbeschichtung zwischen 3 μm und 20 μm dick ist.
Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mit Nickel beschichtete Stahlblech diffusionsbehandelt ist.
Verwendung eines mit Nickel beschichteten Stahlblechs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 als Bauteil in einer Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug, wobei das Stahlblech aus einem Kohlenstoffstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,3 Gew.-% gebildet ist.
Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet dass das Bauteil ein Teil einer Abgasleitung, ein Abgasrohr, ein Teil eines Schalldämpfers oder ein Gehäuse einer Abgasbehandlungsvorrichtung, insbesondere eines Katalysators oder eines Dieselpartikelfilters ist.
Verwendung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil in der Abgasanlage einer Korrosion durch stehende Flüssigkeiten ausgesetzt ist.