DE10261207A1

DE10261207A1 - Eisenlegierung, insbesondere zur Verwendung in einer Abgasreinigungseinheit

Info

Publication number: DE10261207A1
Application number: DE10261207A
Authority: DE
Inventors: Michaela Fischer; Gerd Cloppenburg
Original assignee: MK METALLFOLIEN GmbH
Current assignee: MK METALLFOLIEN GmbH
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-07-15
Also published as: DE50304398D1; EP1573079A1; WO2004059025A1; AU2003298189A1; ATE334233T1; EP1573079B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Eisenlegierung, insbesondere zur Verwendung für Tägerfolien in einer Abgasreinigungseinheit, eine Metallfolie sowie eine Abgasreinigungseinheit, insbesondere einen Abgaskatalysator, Partikelfilter und Mischer, vorzugsweise zum Einsatz in Kraftfahrzeugen zur Reduzierung der Schadstoffemission. Damit das von PKW-Verbrennungsmotoren bekannte und bewährte Metallfolienträgerkonzept der Abgaskatalysatoren in geeigneter Weise an die Bedürfnisse von LKW-Motoren angepaßt werden kann, ist vorgesehen, daß die Eisenlegierung 15-22 Gew.-% Chrom, maximal 0,1 Gew.-% Kohlenstoff, 0,05-1,0 Gew.-% Mangan, 0,1-0,5 Gew.-% Silizium, 2,5-7 Gew.-% Aluminium, 0,01-0,1 Gew.-% Zirkon, maximal 0,1 Gew.-% Titan, 0,001-0,01 Gew.-% Kalzium, 0,01-0,1 Gew.-% Vanadium, 0,001-0,02 Gew.-% Zinn und seltene Erdmetalle in einer Menge von 0,02-01 Gew.-% sowie einen Rest Eisen mit den üblichen Begleitelementen bis auf eine Menge von 100 Gew.-% aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Eisenlegierung, insbesondere zur Verwendung für Trägerfolien in einer Abgasreinigungseinheit, eine Metallfolie sowie eine Abgasreinigungseinheit, insbesondere einen Abgaskatalysator, Partikelfilter und Mischer, vorzugsweise zum Einsatz in Kraftfahrzeugen zur Reduzierung der Schadstoffemission.
Bekannte Katalysatorträger von Abgaskatalysatorsystemen von Automobilen weisen üblicherweise einen keramischen Verbundkörper auf. Eine vorteilhafte Alternative zu keramischen Elementen bildet die Verwendung einer Metallfolie als metallischer Katalysatorträger in Abgaskatalysatorsystemen von Verbrennungsmotoren. Diese ermöglichen wegen ihres schnellen Anspringens eine deutlich effizientere Schadstoffreduzierung als Katalysatorträger auf Keramikbasis. Ferner bestehen aufgrund der vorteilhaften physikalisch-technischen Eigenschaften günstige Auswirkungen auf die Motorleistung und die Schadstoffemission bei Verbrennungsmotoren.
Die aus dem PKW-Bereich bekannten metallischen Träger und Trägermaterialien für Katalysatoren können zwar grundsätzlich auch für LKW-Katalysatoren verwendet werden, bei einem Materialbedarf von ca. 500 g des Trägermaterials pro Liter Motorvolumen des LKW-Motors für einen LKW-Katalysator ergibt sich jedoch ein erhöhter Materialbedarf an Trägermaterial für einen einzelnen LKW-Katalysator. Aufgrund der hohen Materialkosten des bekannten Trägermaterials ist deshalb eine Herstellung eines LKW-Katalysators auf metallischer Basis nicht wirtschaftlich.
Gesteigerte Anforderungen resultieren auch aus dem Einsatzbereich des Katalysators. So muß dieser zur Anordnung vor oder hinter einem Turbolader geeignet sein. Erhöhte Anforderungen bestehen auch an die Thermoschock- und Temperaturwechselfestigkeit sowie an die Vibrations- und Oxidationsbeständigkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grund, das von PKW Verbrennungsmotoren bekannte und bewährte Metallfolienträgerkonzept der Abgaskatalysatoren in geeigneter Weise an die Bedürfnisse von LKW Motoren anzupassen, sowie eine Metallfolie, insbesondere zur Verwendung in einer Abgasreinigungseinheit und eine Abgasreinigungseinheit, insbesondere zum Einsatz in Kraftfahrzeugen zur Verringerung der Schadstoffemission bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Trägerfolie aus einer Eisenlegierung mit 15–22 Gew.-% Chrom, maximal 0,1 Gew.-% Kohlenstoff, 0,05–1,0 Gew.-% Mangan, 0,1–0,5 Gew.-% Silizium, 2,5–7 Gew.-% Aluminium, 0,01-0,1 Gew.-% Zirkon, maximal 0,1 Gew.-% Titan, 0,001–0,01 Gew.-% Kalzium, 0,01-0,1 Gew.-% Vanadium, 0,001–0,02 Gew.-% Zinn und Seltene Erdmetalle in einer Menge von 0,02–0,1 Gew.-% sowie einen Rest Eisen mit den üblichen Begleitelementen bis auf eine Menge von 100 Gew.-%, durch eine Metallfolie aus der erfindungsgemäßen Legierung sowie durch eine Abgasreinigungseinheit mit einer Metallfolie aus der erfindungsgemäßen Legierung als Trägerfolie gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorgenannten Legierung und der Metallfolie sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Abgasreinigungseinheiten im Sinne der Anmeldung sind grundsätzlich alle Komponenten, die zur Reinigung von Abgasen eingesetzt werden können. Abgasreinigungseinheiten sind insbesondere Abgaskatalysatoren, Partikelfilter und Mischer, die in einer einem Motor nachgelegten Abgasanlage zur Reduzierung der Schadstoffemission eingesetzt werden.
Kern der Erfindung ist die Überlegung, die bisherige Konzeption von Abgasreinigungseinheiteit durch Verwendung eines neuen Werkstoffs für die Metallfolie beizubehalten. Die erfindungsgemäße Legierung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß sie zur kostengünstigen Herstellung einer Trägerfolie verwendet werden kann. Da die aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Trägerfolien zudem alle Anforderungen an den Einsatz an Nutzfahrzeugen erfüllen, ermöglicht deren Verwendung die kostengünstige Herstellung von gegenüber Abgaskatalysatoren für PKWs konstruktiv unveränderten Abgaskatalysatoren, die auch für den Einsatz an LKW Motoren geeignet sind. Grundlegende, d.h. komplizierte und kostenintensive Änderungen des konstruktiven Aufbaus der Abgasreinigungseinheiten zur Anpassung an die Bedürfnisse von LKW Motoren können unterbleiben.
Die erfindungsgemäße Legierung weist eine hohe Oxidationsbeständigkeit von mehr als 1000°C auf. Dies wird durch das Zulegieren der sauerstoffaffinen Elemente Aluminium sowie Chrom erreicht, welche unter Luftsauerstoff dichte, langsam wachsende, das darunter liegende Material effektiv gegen Korrosionsangriff schützende Oxidschichten ausbilden. Dabei bieten Aluminiumoxidschichten gegenüber Chromoxidschichten generell eine Reihe von Vorteilen. Sie wachsen wegen der dichteren Packung des Aluminiumoxids langsamer, sie dampfen, anders als Chromoxid, auch bei Temperaturen um 1000°C nicht ab und ihre Schutzwirkung bleibt auch unter sauerstoffarmen Bedingungen erhalten, unter denen sich Chromoxide nicht mehr bilden können. Das Zulegieren von Chrom hat den Effekt, daß die Aluminiumoxidbildung technischer Legierungen begünstigt wird.
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Legierung aus Chrom und Auminium mit den Zusätzen aus Kalzium und Seltenen Erdmetallen. Die Elemente Zirkon und Titan sowie die Seltenen Erdmetalle verbessern das Verhalten unter dem Einfluß zyklisch wechselnder sowie langanhaltender Temperaturbelastung und verbessern den Verbund zwischen Oxidschicht und Grundmatrix. Diese Elemente fördern ferner gemeinsam mit Chrom und Aluminium die Beständigkeit der während der Oxidation entstehenden Schutzschichten. Neben der Verbesserung der Werkstoffeigenschaften ist im wesentlichen für alle hier genannten Elemente in geringen Konzentrationen eine hohe Sauerstoffaffinität charakteristisch. Daraus resultiert eine verzögerte Verzunderung von Chrom und Aluminium und zusätzlich wird das Haftvermögen der gebildeten Oxidschichten verbessert. Die Verwendung von Niob dient zur Steigerung der Festigkeit, indem es als Karbid- und Nitridbildner fungiert.
Durch die Zusätze von mehreren sauerstoffaffinen Elementen in Kombination sowie von Seltenen Erdmetallen ergibt sich ferner eine hitzebeständige Stahllegierung für erhöhte Anwendungstemperaturen. Die Legierung bildet bei erhöhten Temperaturen auch bei wechselnder Belastung eine festhaftende Aluminiumoxidschicht. Die Legierungselemente erhöhen zudem die Duktilität und die Formstabilität der aus der Legierung hergestellten Metallfolien auch in einem Temperaturbereich oberhalb von 1000°C.
In den aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Metallfolien bewirken die folgenden Elemente folgende Eigenschaften. Chrom und Aluminium dienen zur Erhöhung des Oxidationswiderstandes. Hnhe Gehalte sind Voraussetzung für eine lange Lebensdauer vor allem bei zyklisch auftretenden Temperaturbelastungen. Das Zirkon bewirkt zudem, daß der Chromanteil auch bei thermischen Belastungen in der Mikrostruktur in metallischer Form erhalten bleibt. Titan hat im wesentlichen den gleichen Effekt, jedoch sind die Auswirkungen auf das Widerstandsverhalten, die Zunderbeständigkeit sowie die mechanischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen geringer als bei Zirkon als zusätzlichem Legierungselement. Der Zusatz von Kalcium hat eine positive Auswirkung auf die Oxidationsbeständigkeit bei höheren Temperaturen.
Die Legierung weist eine ausreichende Thermoschockbeständigkeit auf. Ferner besteht eine ausreichende Kriechfestigkeit, die eine unerwünschte Verformung verhindert. Sie läßt sich wirtschaftlich, d.h. mit hoher Ausbringung und möglichst geringem Einsatz an Energie mit konventionellen Verfahren schmelzmetallurgisch, großtechnisch herstellen. Die Legierung weist eine ausreichende Duktilität auf, um eine kostengünstige Kaltverformung zu dünnen Metallfolien und das Aufwickeln und weiteres Verformen dieser Metallfolien zu Trägermaterial zu ermöglichen.
Zudem eignet sich die Legierung zum Erzeugen einer Textur auf der Metallfolie während einer Kaltverformung der Legierung zu dünnen Metallfolien. Die Textur der Metallfolien kann dabei durch Einstellen der Produktions-Parameter so gewählt werden, daß sie einer gewünschten raumzentrierten metallischen polykristallinen Texturentwicklung entspricht. Hierdurch wird die Verformbarkeit der Metallfolien erhöht und deren Weiterverarbeitung erleichtert.
Die Verwendung einer Metallfolie aus einer erfindungsgemäßen Legierung als Trägerfolie ermöglicht aufgrund der geringen Kosten für die Herstellung der Legierung sowie aufgrund der geringen Kosten bei der Weiterverarbeitung zu einer Trägerfolie die kostengünstige Herstellung einer Abgasreinigungseinheit, so daß auch großvolumige Abgaskatalysatoren für LKW Motoren wirtschaftlich hergestellt werden können.
In einer erfindungsgemäßen Abgasreinigungseinheit verhindert die Verwendung einer Metallfolie aus der erfindungsgemäßen Legierung als Trägerfolie auch nach längeren Laufzeiten der Abgasreinigungseinheit das Auftreten einer sogenannten „breakaway corrosion", d.h. das Abplatzen der schützenden Oxidschichten aufgrund des mit der Zeit exponentiellen Anstiegs der Korrosionsschichtdiclce in Folge einer Verarmung eines deckschichtbildenden Elements wird zuverlässig verhindert. Eine deutliche Verzögerung der "breakaway corosion" wird dabei durch das Zurverfügungstellen des die Deckschicht bildenden Elements in einer ausreichenden, eine Ausheilung zerstörter Deckschichten ermöglichenden Menge erreicht.
Die erfindungsgemäße Abgasreinigungseinheit zeichnet sich ferner durch ihre hohe Lebensdauer aus, die aus der Langlebigkeit der aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Metallfolie resultiert. Die Abstimmung und Zusammensetzung der Legierungsinhalte ist dabei so gewählt, daß trotz einer geringen Foliendicke und des daraus nur begrenzten Reservoirs an Aluminium zum Ausheilen der zerstörten Schichten eine sichere Kalt- und Warmformgebung des Werkstoffs möglich ist.
Derartige Abgasreinigungseinheiten eignen sich zum Einbau in Kraftfahrzeuge aller Art und ermöglicht dort eine deutliche Verringerung der Schadstoffemissionen.
Ferner eignet sich die erfindungsgemäße Abgasreinigungseinheit zum Einbau sowohl vor als auch hinter einem ggf. vorhandenen Abgasturbolader. Die Abgasreinigungseinheit erfüllt die erhöhten Anforderungen an die Vibrationsbeständigkeit. Die hohe Thermoschock- und Temperaturwechselfestigkeit der aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Metallfolien reicht aus, um die beim Anlassen und Abstellen des Motors auftretenden starken Temperaturwechsel am Abgaskatalysator auszuhalten. Die Kriechfestigkeit der Legierung verhindert eine unzulässige Verformung des Abgaskatalysators, wodurch ein Aufreißen der Oxidschichten bewirkt und das Auftreten der „breakaway corrosion" begünstigt werden könnte.
Gegenüber Abgaskatalysatoren auf Keramikbasis weist die erfindungsgemäße Abgasreinigungseinheit durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Metallfolie eine höhere Zellenzahl auf, so daß bis zum Erreichen der notwendigen Betriebstemperatur der Abgasreinigungseinheit Schadstoffe in höheren Mengen zwischengespeichert werden können.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Metallfolie eine Dicke von mindestens 15 μm auf. Abgasreinigungseinheit, die unter Verwendung derart dünner Metallfolien hergestellt wurden, weisen im Gegensatz zu entsprechenden Abgasreinigungseinheiten auf Keramikbasis eine erhöhte Vibrationsbeständigkeit auf. Ferner kann durch die Verwendung derartiger Metallfolien in einer Abgasreinigungseinheit die Zellenzahl der Abgasreinigungseinheit weiter erhöht und somit das Zwischenspeichervolumen für Schadstoffe weiter gesteigert werden. Zudem erreichen derart ausgebildete Abgasreinigungseinheit schneller die notwendige Betriebstemperatur, so daß die Schadstoffemission weiter reduziert werden kann.
Abgenutzte Abgasreinigunseinheiten der erfinduugsgemäßen Art können nahezu vollständig der Wiederverwendung zugefügt werden. Eine keramische Beschichtung, welche auf die zu Waben geformten Metallfolien aufgebracht ist, kann effektiv und umweltschonend von den Metallfolien getrennt werden. Dabei fallen die wertvollen Edelmetalle in hoher Konzentration in der dann separierten Beschichtung an. Auch die hochlegierten Metallfolien können dem Recycling zugeführt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt den schematischen Aufbau einer Abgaseinheit 1, der im Betrieb an einem Kraftfahrzeug in eine hier nicht dargestellte Abgasanlage integriert ist. Die Abgaseinheit wird durch mehrere Metallfolien 3 gebildet, die ineinander verschlungen in einem zylindrischen Gehäuse 2 angeordnet sind.
Nach schmelzmetallurgischer Herstellung der Legierung bestehend aus 17,5 Gew.-% Chrom, 0,03 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 Gew.-% Mangan, 0,2 Gew.-% Silizium, 3,9 Gew.-% Aluminium, 0,03 Gew.-% Zirkon, 0,03 Gew.-% Titan, 0,001 Gew.-% Phosphor, 0,001 Gew.% Schwefel, 0,004 Gew.-% Kalzium, 0,008 Gew.-% Niob, 0,04 Gew.-% Vanadium, 0,005 Gew.-% Zinn, 0,1 Gew.-% Nickel, 0,005 Gew.-% Magnesium, 0,005 Gew.-% Stickstoff 0,04 Gew.-% Kupfer, 0,005 Gew.-% Blei, 0,03 Gew.-% Molybdän, Seltenen Erdmetallen in einer Menge von 0,05 Gew.-% und Eisen mit den üblichen Begleitelementen wurde diese als Strang abgegossen. Durch Kaltwalzen wurde die Legierung anschließend zu den Metallfolien 3 verarbeitet, die in der Abgaseinheit 1 eingesetzt werden und eine Dicke von minde stens 15 μm aufweisen.
Die Metallfolien 3 erstrecken sich im Abgaskatalysator 1 ausgehend von der Gehäusewand evolventenförmig in Richtung auf die Mittelachse des zylinderförmigen Gehäuses 2 mit jeweils abwechselnder Krümmungsrichtung um drei um die Mittelachse des Gehäuses 2 angeordnete Umkehrlinien 4a, 4b, 4c. An der Innenwand des Gehäuses 2 sind die Metallfolien 3 durch Hartlöten mit dem Gehäuse 2 verbunden.

Claims

Eisenlegierung, insbesondere zur Verwendung als Trägerfolie in Abgaseinheit mit – 15–22 Gew.-% Chrom, – maximal 0,1 Gew.-% Kohlenstoff, – 0,05–1,0 Gew.-% Mangan, – 0,1–0,5 Gew.-% Silizium, – 2,5–7 Gew.-% Aluminium, – 0,01–0,1 Gew.-% Zirkon, – maximal 0,1 Gew.-% Titan, – 0,001–0,01 Gew.-% Kalzium, – 0,01–0,1 Gew.-% Vanadium, – 0,001-0,02 Gew.-% Zinn und – Seltene Erdmetalle in einer Menge von 0,02–0,1 Gew.-% sowie einen Rest Eisen mit den üblichen Begleitelementen bis auf eine Menge von 100 Gew.-%.
Eisenlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese – i7–i8 Gew.-% Chrom, – 0,02–0,05 Gew.-% Kohlenstoff, – maximal 0,2 Gew.-% Mangan, – maximal 0,3 Gew.-% Silizium, – 3,7–4,3 Gew.-% Aluminium, – 0,02–0,04 Gew.-% Zirkon, – maximal 0,05 Gew.-% Titan, – 0,003–0,005 Gew.-% Kalzium, – 0,03–0,05 Gew.-% Vanadium, – maximal 0,01 Gew.-% Zinn uud – Seltene Erdmetalle in einer Menge von 0,03–0,07 Gew.-% sowie einen Rest Eisen mit den üblichen Begleitelementen bis auf eine Menge von 100 Gew.-% enthält.
Eisenlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese – 19–21 Gew.-% Chrom, – 0,02–0,05 Gew.-% Kohlenstoff, – maximal 0,2 Gew.-% Mangan, – maximal 0,3 Gew.-% Silizium, – 5,0–6,0 Gew.-% Aluminium, – 0,02–0,04 Gew.-% Zirkon, – maximal 0,05 Gew.-% Titan, – 0,003–0,005 Gew.-% Kalzium – 0,003–0,005 Gew.-% Vanadium, – maximal 0,01 Gew.-% Zinn und – Seltene Erdmetalle in einer Menge von 0,03–0,07 Gew.-% sowie einen Rest Eisen mit den üblichen Begleitelementen bis auf eine Menge von 100 Gew.-% enthä1t.
Eisenlegierung nach einem oder mehreren der vorhergenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß diese zusätzlich maximal 0,5 Gew.-%, vorzugsweise maximal 0,15 Gew.-% Nickel enthält.
Eisenlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese zusätzlich maximal 0,01 Gew.-%, vorzugsweise maximal 0,007 Gew.-% Magnesium enthält.
Eisenlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese 0,001–0,01 Gew.-%, vorzugsweise maximal 0,0075 Gew.-% Stickstoff enthält.
Eisenlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese 0,001–0,07 Gew.-%, vorzugsweise 0,03–0,05 Gew.-% Kupfer enthält.
Eisenlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese 0,001–0,02 Gew.-%, vorzugsweise 0,006–0,01 Gew.-% Niob enthält.
Eisenlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese 0,001–0,025 Gew.-%, vorzugsweise maximal 0,015 Gew.-% Phosphor enthält.
Eisenlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese maximal 0,003 Gew.-%, vorzugsweise maximal 0,002 Gew.-% Schwefel enthält.
Eisenlegierung nach einem oder mehreren der vorhergenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Seltenen Erdmetalle Lanthan in einer Menge von 0,006–0,04 Gew.-%, vorzugsweise 0,008-0,03 Gew.-% umfassen.
Eisenlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese maximal 0,1 Gew.-% , vorzugsweise maximal 0,08 Gew.-% Molybdän enthält.
Eisenlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese maximal 0,015 Gew.-%, vorzugsweise maximal 0,01 Gew.-% Blei enthält.
Eisenlegierung, nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus den angegebenen Elementen besteht.
Metallfolie, insbesondere zur Verwendung in einer Abgasreinigungseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14 hergestellt ist.
Metallfolie nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine walztech nisch einstellbare Textur aufweist.
Metallfolie nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Textur derart ausgebildet ist, daß die Metallfolie eine hohe Verformbarkeit aufweist.
Metallfolie nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine Dicke von mindestens 15 μm aufweist.
Abgasreinigungseinheit, insbesondere ein Abgaskatalysator, Partikelfilter oder Mischer zum Einsatz in Kraftfahrzeugen zur Reduzierung der Schadstoffemission, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasreinigungseinheit (1) als Trägerfolie eine Metallfolie (3) gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 18 aufweist.