DE2946685A1

DE2946685A1 - Verfahren zur herstellung einer mit katalysefoerderndem metalloxid beschichteten monolithischen metallmatrix

Info

Publication number: DE2946685A1
Application number: DE19792946685
Authority: DE
Inventors: Alfred 6451 Erlensee Bozon; Edgar Dr. 8755 Alzenau Koberstein; Hans-Dieter Dr. 6463 Freigericht Pletka; Ing.(grad.) Herbert 6450 Hanau Völker
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1979-11-20
Filing date: 1979-11-20
Publication date: 1981-05-27
Also published as: GB2063748A; US4316823A; FR2470245A1; DE2946685C2; JPS6057426B2; BR8007509A; SU1069610A3; IT1129877B; IT8068770A0; GB2063748B; JPS571585A

Description

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DEUTSCHE GOLD- UND SILBER-SCHEIDEANSTALT

vormals Roessler Weißfrauenstraße 9, 6000 Frankfurt/Main

Verfahren zur Herstellung einer mit katalyseforderndem Metalloxid beschichteten monolithischen Metallmatrix 15

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mechanisch stabilen monolithischen Matrix aus Metall, welche mit katalyseförderndem Metalloxid beschichtet ist·

Die Anwendung von "monolithischen" Metallelementen als struktureller Verstärker für Katalysatoren zur Reinigung von Autoabgasen ist bekannt. So ist in einer Reihe von Schriften (US-PS 3920 583, DE-OS 2302 746, DE-OS 2450 664) eine Katalysatormatrix aus zunderbeständigem Stahl beschrieben, welche aus einem ausgedehnten metallischen Träger besteht, bei dem Stahlbleche einer

bestimmten Dicke als glatte und gewellte bzw. gefaltete Bleche ausgebildet und lagenweise abwechselnd angeordnet sind, wobei die Lagen zu einem Paket geschichtet oder spiralig aufgewickelt sein können.

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Da bei modernen Verbrennungskraftmaschinen die Anforderungen an die mechanische Stabilität solcher metallener Katalysatorverstärker außerordentlich groß ist, weil durch die Zündfolge eines Kolbenmotors außerordentlieh starke Pulsationen im Abgas auftreten, ist schon verschiedentlich vorgeschlagen worden, die aufelnanderliegenden glatten und gewellten bzw. gefalteten Stahlbleche durch geeignete Maßnahmen fest miteinander zu verbinden.

So ist in der DE OS 2720323 ein Katalysator beschrieben, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß die Metallfolien untereinander mittels Elektronenstahlverschweißung zu einem in sich festen Einsatz verbunden und in einem Gehäuse befestigt sind. Dieses Verfahren zur mechanischen Stabilisierung erfordert neben einer aufwendigen Apparatur das Arbeiten unter hohem Vakuum.

In der DE OS 2727967 wird auch vorgeschlagen, die Verfestigung der Metallfolien untereinander sowie die Verbindung mit einem Gehäuse durch Laserstrahlschweißen herzustellen. Dieses Verfahren birgt, neben der Beschaffung eines kostspieligen Hochleistungslasers, die Gefahren des Arbeitens mit einem Laserstrahl. 25

Es wurde nun ein Verfahren gefunden, welches es mit einfachen Mitteln erlaubt, die Verschweißung der Folien untereinander und das Befestigen in einem Gehäuse ohne

großen Aufwand vorzunehmen.
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Danach wird ein monolithischer metallener Verstärker mit einer Stirnseite auf eine Elektrodenplatte, z. B. aus Kupfer, aufgelegt. Diese Platte wird nun mit einem Pol eines Lichtbogenschweißgerätes verbunden. Auf die nach oben zeigende zweite Stirnfläche des metallenen

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— ΟΙ Verstärkers legt man ebenfalls eine Elektrodenplatte und verbindet sie mit dem anderen Pol des Lichtbogenschweißgerätes. Durch Einschalten des Stromkreises für ca. 2 bis 3 Sekunden erfolgt mit Stromstärken von ca« -240 A die Verschweißung der PolienrMnder an der unteren Stirnseite. Dieser Schweißvorgang kann mehrmals wiederholt werden. Nach dem Verschweißen der unteren Stirnfläche wird der metallene Verstärker umgedreht und es erfolgt in der gleichen Art und Weise die Verschweißung der Folienränder an der zweiten Stirnfläche.

Nach dem Einsetzen des metallenen Verstärkers in eine metallene Umhüllung, z. B. ein Mantelrohr, kann eine feste Schweißverbindung zwischen dem Verstärker und dem Umhüllungsmantel mit demselben Gerät durchgeführt werden. Dazu wird der den metallenen Verstärker enthaltende metallene Mantel auf eine Kontaktplatte gelegt,welche mit einem Pol des Lichtbogenschweißgerätes verbunden ist und mit einer mit dem anderen Pol des Lichtbogen schweißgerätes verbundenen Elektrode eine Sc eißnaht beliebigen Verlaufs gelegt, welche den Mant* mindestens unter Einbeziehung der äußersten Folienlage erfaßt und damit eine mechanisch stabile Schweißverbindung zwischen Monolith und Mantel herstellt. Das Arbeiten unter Schutzgas kann sich dabei als vorteilhaft oder, abhängig vom Material, sogar als notwendig erweisen.

Als besonders günstig für das Verschweißen der Folienränder an den Stirnflächen hat sich der Einsatz einer gerillten Kupferplatte für die untere Elektrodenplatte erwiesen. Die Rillen sind so ausgeführt, daß die Kontaktpunkte an den Rändern der glatten und gerillten Metall folien jeweils auf den Erhöhungen der Elektrodenplatte zu liegen kommen. Die Abstände der Erhöhungen

müssen in ihrem Mittel so ausgeführt sein, daß sie genau den Abständen zwischen den glatten Lagen

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des metallenen Monolithverstärkers entsprechen. Es kann aber auch von Vorteil sein, beide Elektrodenplatten mit einem solchen Rillenprofil zu versehen.

Die nach der Verschweißung hergestellten metallenen Katalysatorverstärker werden dann mit einem üblichen Trägermaterial für Katalysatoren überzogen und können hierauf z. B. mit Lösungen aktiver Katalysator-Metalle behandelt werden. Dabei werden die einzelnen Lagen an ihrer Oberfläche, z.B. durch Washcoaten, mit einem katalysefördernden Trägermaterial, meist einem Metalloxid hoher Oberfläche, wie aktives Al-O-, überzogen. Als Zusätze können in diesem Metalloxid noch die Elemente Cer, Zirkon, Eisen, Nickel, Seltene Erden oder eine Kombination aus diesen in Form ihrer Oxide eingebaut werden.

Demgemäß ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer mechanisch stabilen, monolithischen, mit katalyseförderndem Metalloxid beschichteten, in einem Metallmantel angeordneten Matrix aus abwechselnd aufeinander angeordneten glatten und gewellten bzw. gefalteten Blechen aus zunderbeständigem und hochtemperaturfestem Metall, wobei die Bleche zu einem Paket geschichtet oder spiralig aufgewickelt sind. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man die Matrix mit einer ihrer Stirnseiten auf eine mit einem Pol einer Stromquelle verbundene Basis-Elektrodenplatte legt, die obere,gegenüberliegende Stirnseite mit einer zwei-

™ ten, mit dem anderen Pol der Stromquelle verbundenen Deck-Elektrodenplatte beschwert und ein- oder mehrmals Schweißstrom durch die Anordnung leitet, hierauf die Matrix so wendet, daß die noch unverschweißte obere Stirnfläche auf die Basis-Elektrodenplatte zu liegen

kommt und den Schweißvorgang wiederholt, dann die Matrix

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in den Metallmantel einsetzt und sie mit diesem mittels eines Über den Metallmantel entsprechend einem gewünschten Schweißnahtverlauf geführten elektrischen Lichtbogens unter Einbeziehung mindestens ihrer äußersten Blechlage verschweißt und schließlich das Innere des erhaltenen Verbundkörpers mit einem katalysefördernden Metalloxid beschichtet.

Nach einer bevorzugten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet man als Basis-Elektrodenplatte eine mit Rillen versehene Platte. Gegebenenfalls kann man auch eine mit Rillen versehene Deck-Elektrodenplatte verwenden.

Die besten Verschweißungsergebnisse werden erhalten, wenn die Abstände zwischen den die Rillen trennenden Erhöhungen den Abständen zwischen den glatten Blechen der Matrize entsprechen.

Die Gleichmäßigkeit der stirnseitigen Verschweißung

kann erhöht werden indem man bei dieser Verschweißungsprozedur mehrmals Schweißstrom durch die Anordnung leitet und jeweils dazwischen die auf der Basis-Elektrodenplatte aufliegende Matrix um ihre Vertikalachse et-

_Was verdreht.

Sowohl bei der stirnseitigen Verschweißung wie bei der mantel seitigen Verschweißung kann Schutzgas mitverwendet werden, sofern die verwendeten Materialien dies erfordern.

Bei der Beschichtung der verschweißten Anordnung mit katalyseförderndem Metalloxid geht man insbesondere so vor, daß man auf den stirn- und mantelseitig verschweißten und noch unbeschichteten Verbundkörper eine

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Dispersion eines katalysefördernden Metalloxids aufbringt, das Dispersionsmittel durch Trocknen entfernt und den beschichteten Körper anschließend tempert.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenigstens für die Matrix eine das Element Aluminium enthaltende zunderfeste und hochtemperaturbeständige Chromstahllegierung zu verwenden.

Dabei ist günstig, den Verbundkörper vor der Beschichtung mit dem Metalloxid in sauerstoffhaltiger Atmosphäre b<
tempern.

phäre bei Temperaturen zwischen 600 und 1200° C vorzu-

Die Erfindung erlaubt mit einfachen Mitteln das Verschweißen von abwechselnd gewellten bzw. gefalteten und glatten Metallfolien einer monolithischen Verstärkermatrix und das Befestigen dieser Matrix in einem metallenen Gehäusemantel. Es werden wesentlich weniger Zeitaufwand und geringere Mittel als bei den bisher verwendeten Verfahren benötigt. Hinzu kommt, daß das erfindungsgemäße Verfahren mit keinem Sicherheitsrisiko behaftet ist. Die erfindungsgemäß in einem Mantel angeordnete und mit katalyseförderndem Metalloxid beschichtete Matrix weist gegenüber bekannten Matrizen eine unerwartet hohe mechanische Stabilität auf, die sich durch Messung der zum stirnseitigen Auspressen des Lagenverbundes benötigten Kraft nachweisen läßt.

3" Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen

Fig. 1 eine Anordnung zum stirnseitigen Verschweißen ^OJ abwechselnd glatter und verformter Metallfolien, in welcher die Ziff. 1 den Elektrodenhalter

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und die Ziff. 2 die Stromzuführung darstellen. Die metallene Matrix 3 wird zwischen zwei Elektrodenplatten aus Kupfer angeordnet, die entweder glatt oder mit Rillen versehen sind. Die Matrix mit den beiden Kupferplatten liegt auf einer Grundplatte 5 auf. Der Elektrodenhalter 1 ist über ein Amperemeter 6, die Grundplatte direkt mit einer Stromquelle 7 verbunden;

Fig. 2 eine Anordnung zum Herstellen einer festen

Schweißverbindung zwischen Matrix und Mantel, in welcher die Ziff. 1 den Elektrodenhalter mit Schutzgaszuführung 3 und die Ziff. 2 die Schweißelektrode darstellen. Der Mantel 4 mit der darin enthaltenen Matrix liegt auf der Kontaktplatte 5 auf. Der Elektrodenhalter ist über ein Amperemeter 6, die Kontaktplatte direkt mit einer Stromquelle 7 verbunden;

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine gerillte, für

stirnseitiges Verschweißen vorgesehene Elektrodenplatte und

Fig. 4 verschiedene mögliche Formen der Schweißverbindung zwischen Katalysatorverstärker und Gehäuse in schematischer Darstellung.

Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel) 30

Ein Metallverstärker aus einer Legierung bestehend aus

% Chrom, 4 % Aluminium, Rest Eisen, von 60 mm Durch-

2 messer und 76,2 mm Länge mit 46 Zellen/cm , hergestellt durch spiralförmiges Aufwickeln einer glatten und einer gewellten Lage, wird nach dem Einsetzen in eine metallene Hülse stirnseitig mittels eines Elektronenstrahles verschweißt.

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Die Verbindung zwischen Matrix und Mantel erfolgt ebenfalls durch Elektronenstrahlverschweißen, und zwar in Form einer Spirale wie in Fig. 4a abgebildet.

Zur Schaffung einer verankerungsgünstigen Oberfläche wird der Verstärker inklusive Gehäuse in einem sauerstoffhaltigen Gas 3 Stunden bei 950⁰C erhitzt. Nach dem Abkühlen erfolgt die Belegung mit aktivem Al₃O₃ nach dem Washcoat-Verfahren. Anschließend wird das Dispersionsmittel durch Trocknen entfernt und der beschichtete Körper getempert.

Beispiele 2-6 (gemäß der Erfindung)

Jeweils eine Matrix, wie in Beispiel (1) beschrieben und hergestellt, wird nach dem Aufwickeln der abwechselnd gewellten und glatten Lagen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels einer Vorrichtung, wie in Fig. (1) gezeigt, an den Stirnseiten verschweißt. Zu diesem Zweck wird durch die Matrix für ca. 2-3 Sekunden ein Wechselstrom von ca. 240 Ampere, bei einer Spannung von 22OV, durchgeleitet. Dieser Vorgang wird gegebenenfalls unter Drehung des zu schweißenden Körpers um die Zylinderachse mehrmals wiederholt. Dadurch erfolgt die Ver-25

schweißung der unteren Stirnfläche. Nach dem Wenden der Matrix wird für die zweite Stirnfläche der Vorgang gleichermaßen durchgeführt.

~~ Sind die beiden Stirnflächen verschweißt, kann die Matrix in eine passende Metallhülse eingeführt werden. Die Verbindung mit der Hülse wird dann mit dem sogenannten WIG-Verfahren (Wolfram-Inertgas-Schweißen) , wie in Fig. 2 gezeigt, nach einer der Nahtvarianten

or der Fig. 4 hergestellt.

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Die Verschweißung erfolgt mit Wechsel- oder Gleichstrom von 220V bei einer Stromstärke von 40 A. Die Beschichtung mit AIpO- wird hierauf wie in Beispiel 1 vorgenommen.

Beispiel 3

Von den nach den Beispielen 1 und 2-6 gefertigten Katalysatorträgern wurde auf einer Prüfmaschine (Instron) mit Hilfe eines Stempels die zum Verschieben der verfestigten Lagen benötigte Auspreßkraft vermessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle (1) enthalten.

Tabelle - 1 - Auspreßkräfte verschiedener Ausführungsformen

Beispiel	Fig. Nr.	Auspreßkraft (N)
1 (Vergleichs beispiel)	4 d	9 123
2	4 b	8 927
3	4 d	16 284
4	4 e	14 322
5	4 a	19 620
6	4 c	20 110

Wie aus den Beispielen ersichtlich, können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bei geringerem Aufwand Verbundkörper aus Metallverstärker und Washcoat hergestellt werden, welche mindestens die gleichen Auspreßkräfte aufweisen wie herkömmliche Verbundkörper. Bei gleicher Ausführungsform wie das Vergleichsbeispiel bzw. anderen Varianten werden um bis zu über 100 % höhere Auspreßkräfte erzielt.

Frankfurt/Main, 16. 11. 1979
PAT/Dr.Kr.-ho

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Claims

79 244 KY DEUTSCHE GOLD- UND SILBER-SCHEIDEANSTALT vormals Roessler Weißfrauenstraße 9, 6000 Frankfurt/Main Verfahren zur Herstellung einer mit katalyseförderndem Metalloxid beschichteten monolithischen Metallmatrix 15 PATENTANSPRÜCHE 20

1. Verfahren zur Herstellung einer mechanisch stabilen, monolithischen, mit katalyseförderndem Metalloxid beschichteten, in einem Metallmantel angeordneten Matrix aus abwechselnd aufeinander angeordneten glatten und gewellten bzw. gefalteten Blechen aus zunderbeständigem und hochtemperaturestern Metall, wobei die Bleche zu einem Paket geschichtet oder spiralig aufgewickelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß man die

Matrix mit einer ihrer Stirnseiten auf eine mit 30

einem Pol einer Stromquelle verbundene Basis-Elektrodenplatte legt, die obere, gegenüberliegende Stirnseite mit einer zweiten, mit dem anderem Pol der Stromquelle verbundenen Deck-Elektrodenplatte beschwert und ein- oder mehrmals Schweißstrom durch die Anordnung leitet,hierauf die Matrix so wendet, daß die

noch unverschweißte obere Stirnfläche auf die Basis-Elektrodenplatte zu liegen kommt und den Schweißvorgang wiederholt, dann die Matrix in den Metallmantel einsetzt und sie mit diesem mittels eines über den Metallmantel entsprechend einem gewünschten Schweißnahtverlauf geführten elektrischen Lichtbogens unter Einbeziehung mindestens ihrer äußersten Blechlage verschweißt und schließlich das Innere des erhaltenen Verbundkörpers mit einem katalysefördernden Metalloxid beschichtet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine mit Rillen versehene Basis-Elektrodenplatte verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine mit Rillen versehene Deck—Elektrodenplatte verwendet.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen den die Rillen trennenden Erhöhungen den Abständen zwischen den glatten Blechen der Matrize entsprechen.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der stirnseitigen Verschweißung mehrmals Schweißstrom durch die Anordnung leitet und jeweils dazwischen die auf der Basis-Elektrodenplatte aufliegende Matrix um ihre Vertikalachse etwas ver dreht.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Schweißvorgängen Schutzgas mitverwendet

wird. 35

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7. Verfahren nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß man auf den stirn- und roantelseitig verschweißten und noch unbeschichteten Verbundkörper eine Dispersion eines katalysefördernden Metalloxids aufbringt, das Dispersionsmittel durch Trocknen entfernt und den beschichteten Körper anschließend tempert.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man wenigstens für die Matrix eine das Element Aluminium enthaltende zunderfeste und hochtemperaturbeständige Chromstahllegierung verwendet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man den Verbundkörper vor der Beschichtung mit dem Metalloxid in sauerstoffhaltiger Atmosphäre bei Temperaturen zwischen 600 und 1200° C vortempert.

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