DE2426707A1

DE2426707A1 - Verfahren zum herstellen von wabenkoerpern

Info

Publication number: DE2426707A1
Application number: DE19742426707
Authority: DE
Inventors: Eggert Dipl Ing Tank
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1974-06-01
Filing date: 1974-06-01
Publication date: 1975-12-11

Description

Verfahren zum Herstellen von Wabenkörpern Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Wabenkörpern aus dünnwandigen,. schichtartig miteinander verbundenen Trennwänden, wobei die Trennwände einzeln aus einem Werkstoff pulver hergestellt, der Waberörpergrünling daraus zusammengesetzt und dieser anschließend zum Wabenkörper geglüht wird, wobei die Trennwände sich verbinden.
Durch Übereina.nderscllichten von abwechselnd ebenen und gewellten Trennwänden bilden sich Kanäle oder Zellen, die klein sind gegenüber äußeren Abmessungen des Wahenkörpers. Der Wabenkörper ist in mindestens einer richtung durchströmbar. Je nach Aufbau desselben können auch zwei getrennte Medien in zwei verschiedenen Richtungen hindurchfließen, die während der Durchströr:ung vollkonmien voneinander getrennt bleiben.
Die Herstellung der zum Aufbau der Wabenkörper benötigten Trennwände erfolgt bekannterweise durch Walzen oder Strangpressen einer Mischung aus einem organischen Bindemittel und aus einem feinen Pulver des verwendeten Werkstoffes. Das organische Bindemittel ist-beispielsweise ein Kunststoff, welcher während des Mischprozesses flüssig, plastisch verformbar oder pulverig ist.
Die so hergestellten Trennwände sind einige Zentelmillimeter dick.
Gewellte Trennwände werden durch Walzen mit Zahnwalzen oder durch Pressen mit einem entsprechenden Werkzeug aus ebenen Wänden gefertigt. Das Walzen oder Pressen kann bei Raumtemperatur oder erhnter Temperatur erfolgen. An diese Verformung kann sich eventuell eine spezielle Wärmebehandlung zur Stabilisierung der gewellten Form anschließen.
Durch abwechselndes Übereinanderschichten von ebenen und gewellten Trennwänden wird der Wabenkörper in seinen Rohmaßen zusammengesetzt. Dieser Körper wird mit "Grünteil" bezeichnet.
Das organische Bindemittel ist noch in den Trennwänden vorhanden.
Beim Entfernen des Bindemittels können Veränderungen oder Schaden am Wabenkörper dadurch entstehen, daß dieses schmilzt, und daß Dämpfe und Zersetzung.sgase zu heftig oder ungleichmäßig abgegeben werden. Ohne Bindemittel haften die einzelnen Werkstoffpartikel nur sehr lose aneinander und es ist äußerst schwieri, einen Wabenkörper in diesem zerbrechlichen Zustand z.B. zum Glühofen zu transportieren und an diesen die weiteren Verfahrensschritte vorzunehmen. Schon ungleichmäßiges Aufheizen im Glühofen ruft mechanische Spannungen hervor, welche die locker zusammenhängenden Teilchen nicht aufnehmen können. Beschädigungen sind kaum vermeidbar und führen zu einer hohen Ausschußquote.
Im Verlaufe des Glühprozesses werden die locker aufeinanderliegenden Trennwände des Wabenkörpergrünlings zum Wabenkörper verfestigt. Weisen die ursprünglichen Bindemittel enthaltenden Trennwände nicht überall die gleiche Werkstoffmenge pro Volumeneinheit auf, so entstehen verschieden dicke Trennwände oder verschiedene Dichten innerllalb der Trennwände. Ein Umstand, welcher ebenfalls zu Spannungen bzw. zur Ausbildung unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften im Wabenkörper fültrt.
Die Nachteile dieses Verfahrens liegen insbesondere darin, daß bei der ITerstellung der Trennwände das organische Bindemittel einen gewissen räumlichen Prozentsatz der Mischung einnimmt.
Nach dem Entfernen des Bindemittels sind die Trennwände unvermeidbar porös. Während des Glühens kann bei bestimmten Werkstoffen, z.B. bei Silizium, durch Zuführen von Stickstoff eine Unsandlung in Siliziumnitrid, erreicht werden, welche mit einer Volutnenvergrößerung verbunden ist. Dadurch wird zwar die Porosität zum Teil kompensiert, es ist jedoch schwierig, einen völlig dichten, porenfreien Wabenkörper zu erhalten.
Ein weiteres bekanntes Verfahren zum Herstellen von Trennwänden für lrabenkörper besteht darin, daß ein feines Pulver dieses Materials mit Wasser oder anderen Flüssigkeiten zu einer dünnflüssigen Aufschwemmung (Suspension) oder einer sogenannten Schlicker verarbeitet wird. Mit der Aufschwemmung oder dem Schlicker wird eine Trägerfolie aus saugfänigem, organischen Material, wie z.P. Filz, Gewebe, Papier u.a., beschichtet. Die erforderlichen gewellten Trennwände zum Aufbau des Wabenkörpers können durch P.eschichtung einer bereits formstabil gewellten Trägerfoiie oder wie bereits o.a. durch Walzen oder Pressen einer ebenen Trennwand hergestellt werden.
Beim Entfernen der Trägerfolie und anschließendem Glühen zum Wabenkörper, treten die gleichen bereits erwähnten Nachteile auf.
Nach einem weiteren bekannten Verfahren werden aus einer Mischung von feinem Werkstoffpulver und einem organischen Bindemittel durch Strangpressen runde, quadratische oder rechteckige Röhrchen hergestellt, die schichtweise zu einem Wabenkörpergrünling zusammengefügt werden. Durch Strangpressen können aber auch aus der o.a. Mischung Trennwände mit gerippter Oberfläche hergestellt werden. Die Rippen werden z.B. durch senkrecht auf der Trennwandebene stehende, dlnnwandige Stege gebildet, die in regelmäßigen Abständen angeordnet sind. Der Wabenkörper wird durch entsprechendes Aufeinanderlegen solcher Wände gebildet.
Dieses Verfahren bringt jedoch dieselben Nachteile, die bereits in den vorstehenden Ausführungen besprochen wurden. Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile ZU vermeiden. Die Grünteile bzw. Trennwände sollen vor dem Glühprozeß bereits ausreichende Festigkeitswerte aufweisen, so daß der weitere Verlauf der Herstellung reibungslos und ohne wesentlichen Ausschuß abläuft.
Des weiteren soll das erfindungsgemäße Verfahren den Glühprozeß unter Druckbelastung des Grünteils ermöglichen, wodurch weitere Fehler, wie undichte Stellen u.a., vermieden werden.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch Gelöst, daß als Werkstoff ein an sich i>ekanntes, thermisch spritzbares Metall, iialbmetall oder eine intermetallische Verbindung gewählt wird und auf eine der Trennwandform entsprechend geformte Unterlage in der erforderlichen Scllichtdicke bindemittelfrei aufgespritzt wird.
Dies bringt den Vorteil mit sich, daß die Trennwand bereits aus reinem Werkstoff besteht, d.h. keine Beimengungen eines Bindemittels aufweist Die Trennwand kann durch Variieren des thermischen Spritzprozesses beliebig porös hergestellt werden.
Dies kann notwendig sein, wenn ein poröser Wabenkörper z.B.
aus Siliziumnitrid erwünscht ist. Beim Nitrieren tritt eine Volumenzunahme ein.
Zum thermischen Aufspritzen wird Werkstoffpulver mit einer Korngröße von 10 r bis 50 u verarbeitet, welches sich durch thermisches Verspritzen verarbeiten läßt. Die Unterlagen oder Matrizen aus z.B. Stahl haben eine Rauhigkeit von nicht über 6 ;. Die Größe und Flächenform entspricht den Trennwänden, wie diese für den Aufbau des Wabenkörpergrünlinjgs benötigt werden.
Um die Trennwänrle von der Matrize besser lösen zu können, kann vor dem Aufspritzen des Trennwandwerkstoffes auf die Matrize ein Trennmittel z.B. NaCl, aufgesprüht wenigen. Dies geschieht folgendermaßen: Die Matrizen werden auf etwa 175° C erhitzt. Mit einer Sprfihpistole wird eine gesättigte, wässrige Natriumchloridlösung in Form eines feintropfigen Nebels aufgesprüht, wobei die Sprühzeit so gewählt wird, daß sich die Unterlagen während dieser Zeit nicht wesentlich aLküiin. Der festhaftende NaCl-Film sollte e-twa 2. # dick sein. Auf diese Trennschicht wird durch thermisches Spritzen mit einer Flammspritzpistole oder einer Plnsma-Flammspritzspistole der Trennwandwerkstoff aufgebracht. Die Dicke der Werkstoffschicht liegt etwa in den Grenzen von 200 m bis 500 Das Trennmittel NaCl wird im Wasserbad aufgelöst und die so erhaltenen Trennwände von Wasser und Trennmittelresten befrei, und durch abwechselndes Übereinanderschichten von ebenen und gewellten Trennwänden der Wabenkörpergrünling aufgebaut.
Ferner kann das Glühen unter einer mechanisch die Trennwände zusammendrückenden Belastung erfolgen.
Da die Trennwände im Regelfall etwa elastisch verformbar sind, wird dadurch ein guter Kontakt der sich berührenden Kanten im Wabenkörpergrünling erreicht.
Darüber hinaus können die ebenen Trennwände vor dem Übereinandetschichten zum Wabenkörpergrünling mit einer Aufschlämmung aus einem feinen Pulver des verwendeten Werkstoffes und einer Lösung eines Kunstharzes in einer organischen Flüssigkeit (wie z.B. Acrylharz oder Alkydharz in Trichloräthylen oder Methylenchlorid) beschichtet werden.
Außerdem können die ebenen Trennwände vor dem Übereinanderschlichten zum WaDenkörpergrünling mit einer Aufschlämmung aus feinem Pulver des l.erkstoffes und einer Lösung eines organischen Bindemittels (Dextrin, Methylzellulose u.a.) in Wasser beschictttet werden.
Dies dient dazu, daß eventulel in den Trennwänden vorhandene Risse oder andere Lerkstellen abgedichtet werden.
Ferner kann der Wabenkörpergrünling nach dem Verspannen durch Drähte mit einem organischen Lösungsmittel benetzt werden.
Dadurch wird erreicht, daß sich alle möglichen Berührungslinien der ebenen mit den gewellten Folien während des Glühprozesses leckfrei verbinden.
Des weiteren kann das Glühen der Wabenkbrpergrünlinge in Edelgasen erfolgen. Dadurch wird bei Werkstoffen, die sich leicht mit Sauerstoff verbinden, eine Oxydation verhindert.
Das Glühen kann aber auch in Vakuum stattfinden, für Werkstoffe, die durch den Rest-Sauerstoff nicht negativ reagieren.
Darüber hinaus kann das Glühen der Wabenkörpergrünlinge in Luft erfolgen. Dieser Verfahrensschnitt wird im allgemeinen bei Oxiden (Metall-Sauerstoffverbindungen) mit Vorteil angewendet.
AuE3erdelrl kann das Glühen der Wabenkörpergrünlinge in Stickstoff erfolgen.
Durch das Nitrieren werden bestimmte Werkstoffe, wie z.B.
Silizium in Siliziumnitrid umgewandelt, was mit einer Volumensvergrößerung verbunden ist. Dadurch kann das Schrumpfen der Wabenkörpergrünlinge während dem Gliihen in etwa ausgeglichen werden. Die Nitrierung wird mit reinem Stickstoff (99,9@@ N2) vorgenommen. Der Stickstoff strömt mit langsamer Geschwindigkeit bei einem Druck von 1 atm durch den Wabenkörper, um eine Verstopfung der Kanäle mit Siliziumnitrid-Whi skern zu vermeiden.
Dieser Vorgang erfolgt bei einer Temperatur von z.B. 1350°C und 48 Stunden und anschließend.bei 1400°C/24h.
Als Werkstoff zur herstellung von Wabenkörpern können außerdem verwendet werden: Germanium, Boride, Karbide, Nitrile, Oxide, Sulfide, Silizide, Silikate u.a.
Ferner kann bei Verwendung von Silizium als Werkstoff für die Trennwände die Nitrierung erst nach dem Abdampfen des Lösung nittels vorgenommen werden.
Während des (;liihprozesses kann der Wabenkörpergrünling durch ein Gewicht belastet sein. Hierzu werden Abdeckplatten von der Größe des Wabenkörpergrundrisses aus Graphit, Molybdän, Wolfram u.a. hochwarmfesten Werksti'fen verwendet.
Außerdem können die Abdeckplatten mit dem dazwischenliegenden abenkörpergrünling mittels Drähte aus einem hochwarmfesten Werstoff, wie z.U. Molybdän u.a.-, mechanisch verspannt sein.
Schließlich kann zwischen den Abdeckplatten aus Graphit usw.
einerseits und den Endtrennwänden des Wabenkörpergrünlings andererseits eine in Trennwandebene leicht spaltbare Graphitplatte vorgesehen sein.
Dadurch wird erreicht, daß nach dem Glühen die Gewichtsplatten leicht vom Wabenkörper getrennt werden können. Je nach Trennwanddicke beträgt die Belastung 0,;3 bis 1 kp/cm2.
An Hand von Ausft.ihrungsbeispielen soll die Erfindung näher beschrieben werden. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung des Verfahrens zur herstellung ebener Trennwände, Fig. 2 eine schematische Darstellung des Verfahrens zur EIerstellung gewellter Trennwände, Fig. 3 das Aufeinanderschichten von Trennwänden zu einem Wabenkörpergrünling, Fig. 4 das Aufeinanderschichten von Trennwänden zu einem in zwei Richtungen durchströmbaren Wabenkörpergrünling, Fig. 5 einen durch Platten gewichtsbelasteter Wabenkörpergrünling für den Glühprozeß und Fig. 6 einen durch einen Draht mechanisch verspannten Wabenkörpergrünling.
Die Fig. 1 zeigt .as Prinzip zur Ilerstellung ebener Trennwände.
Auf einer Unterlage bzw.-Matrize 1 aus.Stahl wird ein Trennmittel 2, z.B. NaCl, in einer Schichtdicke von etwa 25 µ aufgesprüht. Die Stahlunterlagen von Größe und Form des Wabenkörpergrundrisses und einer Rauhtiefe von etwa 6 werden hierzu auf eine Temperatur von 1750C + 250C erhitzt und eine gesättigte, wässrige Lösung von NaCl in Form eines feintropfigen Nebels aufgesprüht. Die Sprühzeit wird so gewählt, daß die Unterlagen 1 nicht wesentlich abkühlen. Auf die derart vorbereiteten Matrizen 1 wird, nach deren Abkühlung mit einer nichtgezeichneten Plasma - Flammspritzpistole der Werkstoff, z.B. das Silizium, in der gewünschten Schichtdicke von etwa 0,2 bis 0,5 mm aufgebracht. Für das thermische Verspritzen wird Silizium-Pulver mit einer Korngröße von 10 p bis 50 & verwendet.
Die beschichteten Unterlagen 1 werden in ein Wasserbad gelegt, welches das Trennmittel 2 vollkommen auflöst. Die Silizium-Trennwand 3 läßt sich hierdurch leicht von der Unterlage 1 abnehmen.
Die Fig. 2 zeigt die llerstellung gewellter Trennwände. Die Matrize 4 hat eine Oberfläche 5 mit Wellenstruktur. Das Aufsprühen des Trennmittels 2 und das Ablösen der Trennwand 6 geschieht wie bereits oben angeführt.
Das Übereinanderschichten der Trennwände 3 und 6 zum Wabenkörpergrünling 7, 8 zeigen die Fig. 3 und 4. Der Wabenkörpergrünling 7 ist lediglich in einer Richtung durchströmbar, der lstabenkörpergrUnling 8 jedoch in zwei flichtungen. Dieser kann bei zusammenhängenden Kanälen 9 auch von zwei getrennten Medien durchströmt werden.
Vor dem Übreinandeschichten werden vorzugsweise die ebenen Trennwände 3 mit einer Aufschlammung aus feinem Pulver (Korngröße unter 10gu des verwendeten Werkstoffes und einer Lösung eines Kunstharzes in einer organischen Flüssigkeit, z.B.
Acrylharz oder Alkydharz in Trichlorät}iylen oder Methylenchlorid, dünn beschichtet. Durch diesen Vorgang wird erreicht, daß sich alle möglichen Berührungslinien bzw. Kontaktstellen 9 zwischen den ebenen und gewellten Trennwänden beim nachfolgenden Glühprozeß einwandfrei und ecklos verbinden.
Da die Trennwände im Regelfall etwas elastisch verformbar sind, werden die Wabenkörpergrünlinge 7 und 8 während des folgenden Glühprozesses druckbelastet. In Fig. 5 ist ein Wabenkörpergrünling 7 zwischen Abdeckpaltten 10 und 11 eingespannt. Die obere Abdeckplatte 11 kann durch Eigengewicht auf den Wabenkörpergrünling 7 wirken oder diese kann durch ein zusätzliches Gewicht 12 belastet sein. Die Abdeckplatten 10 und 11 können aus Graphit, Molybdän oder Wolfram bestehen. Um zu verhindern, daß sich die Abdeckplatten 10 und 11 während des Glühprozesses mit dem Wabenkörpergriinling 7 verbinden, ist eine in Trennwand-Ebene leicht spaltbare Graphitfolie 13 zwischen dem Wabenkörpergrünling 7 und den Platten 10 und 11 vorgesehen.
In Fig. 6 ist der Wabenkörpergrünling durch einen Draht 14 aus Molybdän oder Wolfram verspannt. Die auf den Wabenkörpergrünling wirkende Druckkraft liegt jc nach Stärke der Trennwände 3 bzw. 6 zwischen 0,3 kp/cm bis 1 kp/cm2.
Nach dem Verspannen der Wabenkörpergrünlinge 7 bzw. 8 kann der gesamte Körper nochmals mit dem organischen Lösungsmittel benetzt oder durchfeuchtet werden. hierdurch werden die auf den Trennwänden 3 sitzenden Kunstharzfilme aufgeweicht und es sich verbinden/die Kontaktstellen 9 der Trennwände 3 und 6 besonders gut miteinender.
Nach dem Abdampfen des Lösungsmittels kann die Nitrierung vorgenommen werden. Hierbei wird z.B. bei Silizium als Werkstoff reiner Stickstoff von mindestens 99,99% und 1 atm Druck zugeführt.
Der Glühprozeß läuft bei einer Teulperatur von z.B. 1350 C/48 und anschließend 1400 C j24h ab. Das Silizium wird durch Bildung v-on Siliziumnitrid fest, ebenso wie die Kontaktstellen 9 unlöslich miteinander zum Wabenlcörper verbunden werden.
Der Stickstoff m@ß mit langsamer Qeschwindigkeit durch den Wabenkörper strömen, um die Verstopfung der Kanäle mit Siliziumnitrid-Whiskern zu vermeiden.
Nach dem beschriebenen Verfahren lassen sich sowohl poröse als auch dichte, porenfreie Wabenkörper herstellen.

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen von Wabenkörpern aus dünnwandigen, schichtartig miteinander verbundenen Trennwänden, wobei die Trennwände einzeln aus einer Werkstoffpulver hergestellt, der Wabenkörpergrünling daraus zusammengesetzt und dieser anschließend zum Wabenkörper geglüht wird, wobei die Trennwände sich verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff ein an sicl bekanntes thermisch spritzbäres Metall, Halbmetall oder eine intermetallische Verbindung gewählt wird und auf eine der Trennwandform entsprechend geformte Unterlage (1) in der erforderlichen Schichtdicke bindemittelfrei aufgespritzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennztichnet, daß vor dem - spritzen des Trennwandwerkstoffes auf die Unterlagen (1) ein Trennmittel (2), z.B. NaCl, aufgesprüht wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Glühen unter einer mechanisch die Trennwände (3, C) zusammendrückenden Belastung erfolgt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurcii gekennzeichnet, daß die ebenen Trennwände (3) vor dem tJbereinanderschichten zum Wabenkörpergrünling (7) mit einer Aufschlämmung aus einem feinen Pulver des verwendeten Werkstoffes und einer Lösung eines Kunstharzes in einer organischen Flüssigkeit (wie z.B. Acrylharz oder Alkydharz in Trichloräthylen oder Methylenchlorid) besc]zichtet werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Trennwände (3) vor dem Übereinanderschicliten zum Wabenkörpergriinling (7) mit einer Aufschlämmung aus einem feinen Pulver des Werkstoffes und einer Lösung eines organischen Bindemittels (Dextrin, Methylzellulose u.a.) in Wasser beschichtet werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wabenkörpergrünlinge nach dem Verspannen durch Drähte (14) mit einem organischen Lösungsmittel benetzt werden.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Glühen der Wabenkörpergrünlinge (7) in Edelgasen erfolgt.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Glühen der Wabenkörpergrünlinge (7) in Luft erfolgt.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Glühen der Wabenkörpererünlinge (7) in Vakuum erfolgt.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Glühen der Wabenkörpergrünlinge(7) in Stickstoff erfolgt.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Silizium als Werkstoff für die Trennwände (3, 6) die Nitrierung erst nach dem Abdampfen des Lösungsmittels vorgenommen wird.

12. Verfahren zum Herstellen eines Wbenkörpergrunlings nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenkörpergrünling (7) zwischen Abdeckplatten (10, 11) von der Größe des Wabenkörpergrundrisses verspannt wird, die aus einem- hochwarmfesten Werkstoff, wie z.D. Graphit, Wolfram, Molybdän u.a., bestehen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Abdeckplatten (10, 11) einerseits und den Endtrennwänden des Wabenk-örpergriinlings (7) andererseits eine in Trennwandebene leicht spaltbare Graphitplatte (ii) vorgesehen ist.

14. Verfahren nach den Anspruche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Abdeckplatte (11) während des Glühens durch ein Gewicht (12) aus hochwarmfestem Werkstoff belastet ist.

15. Verfahren nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckplatten (10, 11) mit dem dazwischenliegenden Wabenkörpergrünling (7) mit einem Draht (14) aus einem hochwarmfesten Werkstoff, wie z.B.

Wolfram, Molybdän u.a., mechanisch verspannt sind.