DE3603882C2

DE3603882C2 -

Info

Publication number: DE3603882C2
Application number: DE3603882A
Authority: DE
Inventors: Subhas Dr.-Ing. 3302 Cremlingen De Pakrasi; Helmut Dipl.-Ing. 3170 Gifhorn De Juergens
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: PAKRASI, SUBHAS, DR.-ING., 38162 CREMLINGEN, DE
Priority date: 1985-02-14
Filing date: 1986-02-07
Publication date: 1990-02-15
Also published as: DE3603882A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Trä gerkörpers für einen Konverter zur Abgasreinigung, insbesondere bei Brennkraft maschinen von Kraftfahrzeugen, sowie auf einen nach diesem Verfahren hergestell ten Metall-Trägerkörper.

Aus der DE-OS 29 24 592 ist ein gattungsbildendes Verfahren zur Herstellung eines Metall-Trägerkörpers für einen katalytischen Konverter zur Abgasreini gung bekannt. Dieses Verfahren sieht vor, daß alle einzelnen, den Metall-Träger körper bildenden Lagen der Stahlbleche untereinander verlötet werden. Ein Pro blem bei diesem bekannten Lötverfahren ergibt sich durch die vor dem Lötauftrag vorzunehmende Beizung der Bleche. Die dazu verwendeten Beizmittel sind außer ordentlich aggressiv und können, wenn sie nach der Lötung nicht vollständig beseitigt werden, was schwierig und aufwendig ist, eine fortschreitende Schädi gung des Blechlagenmaterials bewirken. Andererseits ist bei zu sparsamen Umgang mit dem Beizmittel nicht gewährleistet, daß an allen gewünschten Stellen eine einwandfreie, metallische Lötverbindung erzielt wird.

Die DE-PS 30 37 796 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Trä gerkörpers für einen Konverter zur Abgasreinigung, bei dem ebenfalls gewellte und flache Blechbänder spiralig gewickelt und miteinander verlötet werden. Zum Zwecke des Lotauftrages wird während des Wickelns nur auf die zu lötenden Flä chen des gewellten Bandes Haftklebstoff aufgebracht. Die mit Haftklebstoff be schichteten Flächen werden anschließend mit einem trockenen Lötpulver von gerin ger und bestimmter Korngröße bestäubt.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, das gattungs gemäße Verfahren zur Herstellung eines Metall-Trägerkörpers so weiterzubilden, daß auf dem zusammengelöteten Trägerkörper eine die Edelmetall-Katalysatorschicht aufnehmende Keramik-Beschichtung aufgebracht werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentan spruchs 1. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben. Der Anspruch 5 betrifft einen nach dem erfindungs gemäßen Verfahren hergestellten Metall-Trägerkörper.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Lötung unter Vakuum die Verwendung aggressiver Beizmittel entbehrlich macht.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im folgenden näher erläutert wird. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Konverter zur Abgasreinigung bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen,

Fig. 2 einen Teil eines Querschnitts durch den Trägerkörper nach Fi gur 1 und

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Lotauftragsverfahrens gemäß der Erfindung.

In der Fig. 1 der Zeichnung ist mit 1 ein in einer Abgasleitung 2 einer Brenn kraftmaschine eines Kraftfahrzeugs gehaltener Konverter zur Abgasreinigung be zeichnet, der die in den Abgasen enthaltenen Schadstoffe durch katalytische Nachreaktion beseitigen soll. Dieser Konverter besteht bei dem in der Zeich nung gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem in einem rohrförmigen Gehäuse 3 gehaltenen wabenförmigen Trägerkörper 4, der an seiner Oberfläche eine kataly tisch wirksame Schicht, beispielsweise aus Edelmetallen, aufweist. Der Träger körper 4 besteht aus abwechselnd übereinander geschichteten Lagen von glatten und gewellten hitzebeständigen, folienartigen Stahlblechen, die im Bereich wenigstens einer Stirnfläche des Trägerkörpers durch eine Hochtemperatur-Vakuum lötung untereinander metallisch verbunden sind. Der Trägerkörper 4 ist hier, wie etwas deutlicher aus der Fig. 2 hervorgeht, in bekannter Weise durch spi ralförmiges Aufwickeln zweier Stahlblechbänder 9 und 10 entstanden, von denen das eine Blechband 9 glatt ist und das andere Blechband 10 parallel zur Auf wickelachse verlaufende Wellen aufweist. Der so zu einem zylindrischen Körper aufgewickelte Metallblech-Trägerkörper 4, der an seinem Außenmantel wenigstens eine glatte Blechlage 9 aufweist, wird in ein rohrförmiges Gehäuse 3 eingesetzt und im Gegensatz zu dem bekannten Herstellungsverfahren erst dann mit dem Lot auftrag versehen und anschließend verlötet, wobei eine metallische Verbindung im Bereich der Stirnflächen nicht nur zwischen den einzelnen, sich berührenden Blechbandlagen, sondern auch zwischen dem Trägerkörper 4 und dem umgebenden Gehäuse 3 erfolgt.

Damit nun aber nicht unnötig viel Lot aufgebracht wird, wird das mit einem Kleber auf Kunststoffbasis zu einem sprühbaren Gemisch entsprechender Viskosität ver rührte pulverförmige Lot nur an den Stirnseiten 5 und gegebenenfalls 6 des Träger körpers 4 unter einem spitzen Winkel zur Stirnfläche, der zwischen etwa 5 und 45° liegen sollte, aufgetragen.

Die Fig. 3 zeigt schematisch und beispielhaft ein mögliches Lotauftragsverfahren. Dabei wird der Konverter 1 auf einer hier nicht näher gezeigten drehbaren Halte vorrichtung befestigt und von einer mit 12 bezeichneten, seitlich von der Halte vorrichtung angeordneten Sprüheinrichtung stirnseitig besprüht. Die Sprüheinrich tung 12 arbeitet beispielsweise mit Preßluft, saugt ein in einem Behälter 13 enthaltendes Gemisch 11 aus einem geeigneten Lotpulver und einem Kunststoff kleber über eine Steigleitung 16 an und gibt dieses Gemisch aus einer Sprüh düse 14 auf die Stirnfläche 5 des Konverters 1 ab. Um sicherzustellen, daß sich das spezifisch schwerere Lotpulver nicht am Boden des Behälters 13 absetzt, sondern gleichmäßig verteilt in dem Gemisch 11 vorhanden ist, wird eine Rühr vorrichtung 17 vorgesehen, die während des Betriebs der Sprühvorrichtung 12 ebenfalls im Betrieb ist. Diese Rührvorrichtung 17 besteht hier zum Beispiel aus einem in den Behälter 13 eingebrachten flügelartigen Blechteil 18, das von einem in dem Haltetisch 19 für den Behälter 13 angebrachten Rührwerk mit einem umlaufenden Magnetfeld angetrieben in Drehbewegung versetzt werden kann. Die Anordnung soll nun so getroffen sein, daß der Sprühstrahl 15 die Stirnfläche 5 des Konverters 1 an allen Stellen unter einem spitzen Winkel von 5-45° trifft. Zweckmäßig ist es dabei, wenn sich während des Aufsprühvorganges entweder die Sprühdüse selbst über die Sprühfläche bewegt oder aber wie dies hier angedeutet ist, der Trägerkörper 1 unter dem den Bereich zwischen dem Zentrum und dem Rand der Trägerkörperstirnfläche 5 erfassenden Sprühstrahl 15 hinwegdreht, so daß alle Stellen der Oberfläche gleichmäßig mit Lot versehen werden.

Der von der Erfindung vorgeschlagene Sprühwinkel sichert dabei eine gleichmäßige Lotbenetzung der Trägerkörperstirnfläche bis in eine Tiefe von mindestens 1 und höchstens 10 mm, was, wie Versuche nachgewiesen haben, für eine ausreichend hohe Festigkeit des Trägerkörpers gegen axiale Belastungen sorgt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn pro cm² Stirnfläche des Trägerkörpers etwa 0,01 bis 0,05 g, vorzugsweise 0,015 bis 0,03 g, Lot aufgetragen werden.

Nach dem Lotauftrag an wenigstens einer Stirnfläche des Konverters 1, gegebenen falls aber auch an beiden Stirnflächen 5 und 6 sowie an der durch das Ende des Gehäuses 3 gegebenen Stufenfläche 7, wird der Konverter in einem Vakuumofen eingebracht, in dem eine Hochtemperaturlötung bei Temperaturen bis zu 1200°C und unter Vakuum mit einem Druck von zum Beispiel <10^-3 mbar erfolgt. Das in dem Lötofen vorhandene Vakuum reduziert dabei die unvermeidliche Oxidhaut der miteinander zu verlötenden Bleche aus hochlegierten Stahlwerkstoffen und aktiviert das Metall, so daß bei Vorhandensein eines geeigneten Lotes und ent sprechender Löttemperaturen eine hochfeste metallische Verbindung erzielt werden kann. Um eine einwandfreie und den Trägerwerkstoff möglichst nicht schädigende Lötung zu erzielen, müssen sowohl für die zu verlötenden Materialien als auch für die Lotlegierung selbst etwa "gleichgesinnte" Werkstoffe verwendet werden.

Bei dem hier beschriebenen Anwendungsfall der Lötung eines Konverters zur Ab gasreinigung, bei dem der Konverter Abgastemperaturen bis in eine Größenord nung von etwa 1000°C ausgesetzt ist, müssen sowohl für die Bleche des Träger körpers, als auch für das rohrförmige Gehäuse 3 hitzebeständige Stahlqualitäten verwendet werden. Für die Trägerbleche haben sich ferritische Stähle mit einem relativ hohen Chromgehalt von etwa 15-20% und einem Aluminiumgehalt von etwa 5% sowie weiteren Zusätzen wie Zirkonium oder Cer, die eine festhaftende Oxid schicht bilden sollen, als zweckmäßig und vorteilhaft erwiesen. Für das umge bende Gehäuse können je nach thermischer Beanspruchung Werkstoffe mit etwa gleich hohem oder gegebenenfalls auch weniger hohem Chromgehalt herangezogen werden. So kann beispielsweise für das Gehäuse ein Stahl der Qualität X 5 Cr Ti 12 bei weniger hohen thermischen Beanspruchungen oder X 10 Cr Al 18 bei höheren thermi schen Belastungen in Verbindung mit Trägerblechen der Qualität X 5 Cr Al Co Zr 205 (Aluchrom-S) oder X 2 Cr Al Ce 205 (Alsichrom) verwendet werden. Für diese Werk stoffkombinationen hat sich ein bekanntes Nickelbasislot mit etwa 20% Chrom und 10% Silizium als sehr geeignet erwiesen.

Um eine geeignete Oberflächenbeschaffenheit des so gelöteten Trägerkörpers zur Aufbringung der die Edelmetall-Katalysatorschicht aufnehmenden Keramik-Beschich tung zu schaffen, soll nach der Lötung des Trägerkörpers erfindungsgemäß die Abkühlung im Ofen in einer ganz bestimmten Weise erfolgen. Dazu werden die Träger körper zunächst im Ofen unter Vakuum bis unter die Solidus-Temperatur des Lots, die bei 1080°C liegt, abgekühlt. Nach Erreichen einer Temperatur von etwa 1040°C wird dann eine beschleunigte Kühlung durch Stickstoffzufuhr eingeleitet, die für eine gezielte Oberflächenbeschaffenheit auf den Trägerblechen sorgt, so daß die anschließend in bekannter Weise durchgeführte Keramik-Beschichtung eine geeignete Grundlage findet. Die Stickstoffzufuhr in den Ofen besorgt darüberhin aus eine Beschleunigung des Abkühlvorganges, so daß der gesamte Lötzyklus für das Teil etwa nur noch zwei Stunden dauert.

Der auf die erfindungsgemäße Weise hergestellte Trägerkörper zeigt trotz Ver wendung nur sehr geringer Lotmengen und einer Lötung praktisch nur an den Stirn flächen eine sehr gute Festigkeit, die ein kegelförmiges Auswandern des Kerns der spiralförmig aufgewickelten Blechlagen durch die während des Betriebes des Kraftfahrzeugs auftretenden axialen Kräfte, etwa auch aus dem Gasstrom, mit Sicherheit ausschließt. Auch ergibt sich eine feste Halterung des Trägerkörpers 4 in dem umgebenden rohrförmigen Gehäuse 3, das seinerseits, wie in der Fig. 1 angedeutet ist, in der äußeren Abgasrohrleitung 2 auf mechanische Weise gehal ten werden kann, indem z.B. die Rohrleitung 2 im Bereich des Gehäuses 3 mit Eindellungen 8 versehen wird, die den Konverter 1 in der Rohrleitung 2 durch Verklemmen festlegen. Die Befestigung des Konverters 1 in der Rohrleitung 2 könnte aber auch durch einen Schweißvorgang erfolgen, bei dem das Gehäuse 3 in einer Abgasrohrleitung 2 angeheftet wird.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß selbstverständlich der Träger körper anstatt durch spiralförmiges Aufwickeln nur zweier Blechlagen auch durch Übereinanderschichten einer Vielzahl einzelner, diskreter Stahlblechlagen her gestellt werden kann, und daß die Querschnittsform des Trägerkörpers selbst verständlich auch von einer Kreisform abweichen kann. Weiter kann der Träger körper in ein Gehäuse eingesetzt und verlötet werden, das seinerseits mittels Flanschen oder dgl. direkt in die Abgasleitung eingeschaltet werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Metall-Trägerkörpers für einen Konverter zur Abgasreinigung, insbesondere bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, wobei der Trägerkörper aus einem in einem Gehäuse gehaltenen, wabenförmigen Körper aus abwechselnd übereinander geschichteten und anschließend durch Lötung verbundenen Lagen von glatten und gewellten, hitzebeständigen Stahl blechen besteht und wobei das Lot in Form eines Lot-Binder-Gemisches vor der Durchführung einer Hochtemperaturlötung an wenigstens einer Stirnseite des Trägerkörpers aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger körper nach der Lötung im Lötofen zunächst unter Vakuum bis unter die Soli dus-Temperatur des Lots und anschließend unter Stickstoffzufuhr bis in den Bereich der Umgebungstemperatur abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot-Binder-Gemisch unter einem Winkel von 5-45° gegenüber der Stirnfläche (5, 6) des Träger körpers (4) bis zu einer Tiefe von wenigstens 1 und höchstens 10 mm aufgesprüht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (4) vor dem Lotauftrag in ein aus hitzebeständigem Stahlblech bestehendes rohrför miges Gehäuse (3) eingebracht und bei der Verlötung mit diesem verbunden wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß pro cm² Stirn fläche des Trägerkörpers (4) eine Lotmenge von 0,01-0,05 g, vorzugsweise 0,015-0,03 g aufgetragen wird.

5. Nach einem der in den Ansprüchen 1 bis 4 angegebenen Verfahren hergestellter Metall-Trägerkörper für einen Konverter zur Abgasreinigung, insbesondere bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, wobei der Trägerkörper aus einem in einem Gehäuse gehaltenen, an seiner Oberfläche mit einer katalytisch wirk samen Schicht versehenen wabenförmigen Körper aus abwechselnd übereinanderge schichteten und miteinander durch Lötung an wenigstens einer Stirnfläche verbundenen Lagen von glatten und gewellten hitzbeständigen Stahlblechen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das die einzelnen Legen (9, 10) bildende Stahlblech aus einem Stahl mit einem Chromanteil von 15 bis 20%, etwa 5% Aluminium sowie weiteren Zusätzen besteht und daß die zur Lötung verwendete Lotlegierung einen Chromanteil von etwa 20% aufweist.