DE19953142A1

DE19953142A1 - Mantelleiteranordnung für korrosive Umgebungsbedingungen und Verfahren zur Herstellung einer Mantelleiteranordnung

Info

Publication number: DE19953142A1
Application number: DE19953142A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Maus
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 1999-09-14
Filing date: 1999-09-14
Publication date: 2001-03-15
Also published as: KR20020032588A; PL356263A1; CN1372636A; JP2003509683A; EP1212593A1; US20020129960A1; AU7283500A; WO2001020281A1

Abstract

Es wird eine Mantelleiteranordnung für korrosive Umgebungsbedingungen mit mindestens einem elektrischen Innenleiter (1) vorgeschlagen, welcher durch ein elektrisch isolierendes Material (2) von einem metallischen Außenmantel (3) elektrisch isoliert ist, wobei der Außenmantel (3) aus einem durch Diffusion nachträglich mit Aluminium angereichertem Stahl besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Mantelleiteranordnung mit mindestens einem elektrischen Innenleiter, welche in korrosiven Umgebungsbedingungen einsetzbar ist und von einem Verfahren zur Herstellung einer gegen korrosive Umgebungsbedingungen widerstandsfähigen Mantelleiteranordnung.

Derartige Mantelleiteranordnungen sind in vielfältiger Form und beispielsweise als Temperaturfühler bekannt, die zur Temperaturmessung an oder in hochhitzebeständigen Meßobjekten verwendet werden können. Diese Temperaturfühler bestehen aus einem rohrförmigen Metallmantel, in dem ein elektrischer Leiter so angeordnet ist, daß er gegenüber dem Mantel elektrisch isoliert ist. Der Leiter ist hier als Widerstandsdraht ausgebildet, wobei der Widerstandswert des Drahtes zur Temperaturmessung verwendet wird. Zu der elektrischen Isolierung des Leiters gegenüber dem Mantelrohr wird üblicherweise ein elektrisch isolierendes Schüttmaterial verwendet, welches nach dem Quetschen des Mantelrohres zur Bildung des flachen Temperaturfühlers eine isolierende Einbettmasse für den Widerstandsdraht bildet.

Damit derartige Temperaturfühler gegen Beschädigung durch Korrosion, z. B. durch hohe Temperaturen in der Meßumgebung, geschützt sind, werden der Mantel und/oder der Widerstandsdraht bekannterweise aus korrosionsbeständigen Metallen und Metallegierungen hergestellt. So wird der Innenleiter üblicherweise aus Edelmetall wie z. B. Platin hergestellt, während für die Herstellung des Mantels Eisen-Chrom-Aluminiumlegierungen verwendet werden. Die Eisen- Chrom-Aluminiumlegierungen weisen dabei einen Aluminiumgehalt von in der Regel bis zu 5% (Gewichtsprozent) auf.

Nachteilig ist dabei, daß eine Bearbeitung und Verformung dieser Temperaturfühler nur schwer möglich ist, da der Aluminiumanteil in den Legierungen das Mantelleitermaterial spröde macht. Es besteht die Gefahr, daß der Mantel durch eine Verformung - z. B. dem Verbiegen für einen Einbau in einem gekrümmten Meßobjekt - beschädigt wird und Risse bekommt, wenn ein an sich gewünschter hoher Aluminiumanteil vorliegt.

Demgemäß ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mantelleiteranordnung mit elektrischem Innenleiter sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Mantelleiteranordnung bereitzustellen, welche gegen korrosive Einflüsse beständig ist, und welche zum Einbau in Meßumgebungen auf einfache Weise an die Form der Meßumgebung angepaßt werden kann. Weiter ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Mantelleiteranordnung bereitzustellen, mit welchem die Herstellung hochhitzebeständiger Mantelleiteranordnungen vereinfacht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Mantelleiteranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung besitzt den Vorteil, daß dadurch, daß der Außenmantel der Mantelleiteranordnung aus einem durch Diffusion nachträglich mit Aluminium angereicherten Stahl besteht, eine mechanische Bearbeitung und/oder Verformung der Mantelleiteranordnung für die Herstellung ihrer endgültigen Form (Einbauform, Verwendungsform und dergleichen) leicht möglich ist. Die Mantelleiteranordnung ist mit gängigen Metallformgebungsverfahren, wie dem Kaltumformen, Hämmern oder Pressen bearbeitbar und ist trotzdem nach ihrer Fertigstellung durch die nachträgliche Aluminiumanreicherung des Stahles auch beständig gegen korrosive Einflüsse. Der bisher bestehende Konflikt zwischen guter Formbarkeit, d. h. mechanischer Bearbeitbarkeit der Mantelleiteranordnung und der guten Korrosionsbeständigkeit, welche nur mit spröden Metallegierungen zu erreichen ist, wird durch die erfindungsgemäße Mantelleiteranordnung gelöst. Die erfindungsgemäße Mantelleiteranordnung ist nicht nur leicht herstellbar, sondern sie kann auch auf einfache Weise in eine gewünschte Form gebracht werden.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält der Außenmantel Chrom, insbesondere 22 bis 25% (Gew.-%) Chrom und mehr als 6% (Gew.-%) Aluminium. Es hat sich gezeigt, daß bei dieser Zusammensetzung der Stahllegierung der Außenmantel optimal ausgebildet ist, im Hinblick auf seine Korrosionsbeständigkeit bei hohen Umgebungstemperaturen, und auf seine materialabhängige Lebensdauer.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der elektrische Innenleiter mindestens ein Widerstandsdraht. Dieser Widerstandsdraht kann aus einem Edelmetall oder einer anderen Metallegierung bestehen, da er vollständig von dem korrosionsbeständigen Außenmantel umgeben ist und auf diese Weise durch diesen geschützt ist. Das elektrisch isolierende Material verhindert dabei, daß zwischen dem metallischen Widerstandsdraht und dem Außenmantel ein elektrischer Kontakt hergestellt wird.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Mantelleiteranordnung ein an sich bekannter Temperaturfühler zum Einbau in einen katalytischen Konverter einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors. Der Temperaturfühler kann auf einfache Weise in die Form gebracht werden, in welcher er entsprechend seinem Einbauort an dem Katalysator zu befestigen ist. Trotzdem weist der erfindungsgemäße Temperaturfühler eine hohe Beständigkeit gegen korrosive Einflüsse der vorbeiströmenden heißen Verbrennungsabgase auf. Der erfindungsgemäße Temperaturfühler für katalytische Konverter zeichnet sich demnach durch eine gute Verarbeitbarkeit bei hoher Korrosionsbeständigkeit aus.

Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 5 zur Herstellung einer gegen korrosive Umgebungsbedingungen widerstandsfähigen Mantelleiteranordnungen hat den Vorteil, daß die an sich bekannte Verarbeitung der Mantelleiteranordnung, insbesondere das Quetschen zu einer langgestreckten Mantelleiteranordnung und das Verformen zu gebogenen Mantelleiteranordnungen, auf einfache Weise durchführbar ist, da der Außenmantel aus einem Chromstahl mit geringem Aluminiumgehalt besteht. Die Verarbeitung der Mantelleiteranordnung ist deshalb vereinfacht, da auf eine eventuelle Materialsprödigkeit des Außenmantelmaterials keine Rücksicht genommen werden muß. Der Außenmantel wird auf seiner Außenseite und/oder seiner Innenseite mit Aluminium beschichtet, wobei erst nach Herstellung der endgültigen Form der Mantelleiteranordnung das Aluminium von der Oberfläche des Außenmantels durch Diffusionsglühen in den Außenmantel eindiffundiert wird. Dadurch wird die Beständigkeit der Mantelleiteranordnung gegen korrosive Einflüsse erst nach Herstellung der endgültigen Form der Mantelleiteranordnung erzeugt. Nach einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Aluminiumgehalt des Außenmantels nach Herstellung der endgültigen Form der Mantelleiteranordnung mehr als 6% (Gew.-%). Es hat sich gezeigt, daß eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit von derartigen Mantelleiteranordnungen unter einem Aluminiumanteil von 6% des Mantelleitermaterials nicht gegeben ist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Aluminiumgehalt des Außenmantels nach Herstellung der endgültigen Form der Mantelleiteranordnung mehr als 6% (Gew.-%) und der Chromgehalt des Außenmantels 22 bis 25% (Gew.-%). Eine solche Chromstahl- Aluminiumlegierung ist erwiesenermaßen besonders gut geeignet für hochkorrosive Umgebungsbedingungen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Mantelleiteranordnung als Temperaturfühler in hohen Umgebungstemperaturen verwendet und wird die endgültige Form des Temperaturfühlers in Schritt e auf die Verwendungsumgebung und/oder Einbauanordnung abgestimmt. Besonders Temperaturfühler, welche in hohen Umgebungstemperaturen eingesetzt werden wie beispielsweise Temperaturen von 1000°K bis 1500°K, müssen einerseits zur Herstellung ihrer endgültigen Form leicht verarbeitbar sein und trotzdem in ihrer Verwendungsform beständig gegen korrosive Einflüsse sein. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für Temperaturfühler ist darin zu sehen, daß auch solche Temperaturfühler deren Aluminiumanteil über 6% (Gew.-%) liegt, in beliebiger Form herstellbar sind.

Nach einer diesbezüglichen weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird die Mantelleiteranordnung als Temperaturfühler in einen katalytischen Konverter eines Verbrennungsmotors eingebaut und wird die endgültige Form des Temperaturfühlers in Schritt e des Verfahrens auf den Einbau in den katalytischen Konverter abgestimmt. Insbesondere bei Temperaturfühlern für katalytische Konverter, die zunehmend in Großserie hergestellt werden, werden die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens offensichtlich. Bei diesen Temperaturfühlern wird einerseits gefordert, daß sie möglichst kostengünstig herzustellen sind und sie zum anderen gut verarbeitbar sind. Diese Temperaturfühler müssen an eine Vielzahl von unterschiedlichen katalytischen Konvertern in ihrer endgültigen Form anpaßbar sein und müssen andererseits eine hohe Dauerbeständigkeit, insbesondere gegenüber den korrosiven Einflüssen der vorbeiströmenden Verbrennungsabgase aufweisen. Mit dem Verfahren nach der Erfindung können derartige Temperaturfühler kostengünstig und auf einfache Weise hergestellt werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches im folgenden detailliert beschrieben ist. In der Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine bereichsweise geschnittene Ansicht einer Mantelleiteranordnung mit rohrförmigem Außenmantel,

Fig. 2 eine bereichsweise geschnittene Draufsicht einer Mantelleiteranordnung mit flach ausgebildetem Außenmantel,

Fig. 3 eine bereichsweise geschnittene Seitenansicht der Mantelleiteranordnung aus Fig. 2, und

Fig. 4 eine bereichsweise geschnittene Seitenansicht der Mantelleiteranordnung aus Fig. 2 und 3 in geknickter Form.

Die Mantelleiteranordnung gemäß Fig. 1 weist als elektrischen Innenleiter einen Widerstandsdraht 1 auf, welcher eine gewundene Form hat und vollständig von einem elektrisch isolierenden Material 2 umgeben ist. Der Widerstandsdraht 1 kann beispielsweise aus einer Metallegierung oder einem Edelmetall bestehen. Das elektrisch isolierende Material 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine schüttgutförmige Einbettmasse, welche in einen rohrförmigen Außenmantel 3 der Mantelleiteranordnung eingefüllt ist. Der Außenmantel 3 der Mantelleiteranordnung besteht aus einem durch Diffusion nachträglich mit Aluminium angereicherten Stahl. Diese Aluminiumanreicherung kann beispielsweise durch Diffusionsglühen hergestellt werden. Dadurch, daß der Außenmantel 3 erst nachträglich mit Aluminium angereichert wird, ist die Mantelleiteranordnung dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Herstellung ihrer endgültigen Form gut verarbeitbar ist. Eine Verarbeitung der Mantelleiteranordnung kann beispielsweise durch Verformen des Außenmantels 3 geschehen, wobei der Widerstandsdraht 1 mitsamt dem ihn umgebenden isolierenden Material 2 mitverformt werden kann.

In der Fig. 2 ist eine Mantelleiteranordnung dargestellt, bei der der Außenmantel 3 flach ausgebildet ist. Diese Mantelleiteranordnung wurde entsprechend dem zuvor Gesagten durch Zusammenquetschen des rohrförmigen Außenmantels 3 zu einer flachen Mantelleiteranordnung verformt. Der Widerstandsdraht 1 ist auch nach dem Quetschen, wie in Fig. 3 deutlich gezeigt, gegenüber dem Außenmantel 3 durch das elektrisch isolierende Material 2 isoliert.

In der Fig. 4 ist eine bereichsweise geschnittene Seitenansicht der Mantelleiteranordnung aus Fig. 2 und 3 dargestellt, wobei die Mantelleiteranordnung eine geknickte Form aufweist. Bei dieser Mantelleiteranordnung wurde der flach ausgebildete Außenmantel 3 durch Knicken in die endgültige Form der Mantelleiteranordnung gebracht. Auch hier ist der Widerstandsdraht 1 durch das elektrisch isolierende Material 2 von dem Außenmantel 3 isoliert. Im Gegensatz zu der Mantelleiteranordnung aus Fig. 2 und 3 besteht der Außenmantel 3 hier aus einem bereits mit Aluminium angereicherten Stahl. Da die Mantelleiteranordnung ihre endgültige Form aufweist, und somit eine weitere mechanische Verarbeitung oder Verformung nicht notwendig ist, kann der Außenmantel 3 mit Aluminium angereichert sein.

Die Sprödigkeit von Stahl-Aluminiumlegierungen spielt nun keine Rolle mehr. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den nachfolgenden Ansprüchen, der Zeichnung und der Zusammenfassung entnehmbar.

Bezugszeichenliste

1

Widerstandsdraht

2

elektrisch isolierendes Material

3

Außenmantel

Claims

1. Mantelleiteranordnung, insbesondere Temperaturfühler, für korrosive Umgebungsbedingungen mit mindestens einem elektrischen Innenleiter (1), der durch ein elektrisch isolierendes Material (2) von einem metallischen Außenmantel (3) elektrisch isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (3) aus einem durch Diffusion nachträglich mit Aluminium angereicherten Stahl besteht.

2. Mantelleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel (3) Chrom, insbesondere 22 bis 25% (Gewichtsprozent) und mehr als 6% (Gewichtsprozent) Aluminium enthält.

3. Mantelleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter (1) mindestens ein Widerstandsdraht ist.

4. Mantelleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelleiteranordnung ein an sich bekannter Temperaturfühler zum Einbau in einen katalytischen Konverter einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors ist.

5. Verfahren zur Herstellung einer gegen korrosive Umgebungsbedingungen widerstandsfähigen Mantelleiteranordnung mit folgenden Schritten:

a) mindestens ein Innenleiter (1) wird durch ein elektrisch isolierendes Material (2) elektrisch isoliert im Inneren eines metallischen Außenmantels (3) angeordnet,
b) der Außenmantel (3) besteht aus einem Chromstahl mit geringem Aluminiumgehalt, insbesondere einem Aluminiumgehalt von unter 3% (Gewichtsprozent), bevorzugt unter 1%,
c) Außenmantel (3) und Innenleiter (1) werden in an sich bekannter Weise zu einer langgestreckten Mantelleiteranordnung verarbeitet,
d) vor, während oder nach den Schritten a bis c wird der Außenmantel (3) auf seiner Außenseite und/oder seiner Innenseite mit Aluminium beschichtet, insbesondere feueraluminiert,
e) nach Herstellung der endgültigen Form der Mantelleiteranordnung wird das Aluminium von der Oberfläche des Außenmantels (3) im wesentlichen gleichmäßig in den Außenmantel eindiffundiert.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schritt d der Aluminiumgehalt des Außenmantels (3) mehr als 6% (Gewichtsprozent) ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schritt d der Aluminiumgehalt des Außenmantels (3) mehr als 6% (Gewichtsprozent) und der Chromgehalt des Außenmantels (3) 22 bis 25% (Gewichtsprozent) ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelleiteranordnung als ein Temperaturfühler in hohen Umgebungstemperaturen, insbesondere Temperaturen von 1000°K bis 1500°K, verwendet wird und die endgültige Form des Temperaturfühlers in Schritt e auf die Verwendungsumgebung und/oder Einbauanordnung abgestimmt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelleiteranordnung als Temperaturfühler in einen katalytischen Konverter eines Verbrennungsmotores eingebaut wird und die endgültige Form des Temperaturfühlers in Schritt e auf den Einbau in den katalytischen Konverter abgestimmt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die endgültige Form der Mantelleiteranordnung in Schritt e durch mechanische Bearbeitung und/oder Umformverfahren, insbesondere Kaltumformen, hergestellt wird.