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Metallischer Träger für einen Katalysator
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Der Erfindung betrifft einen metallischen Träger für einen Katalysator.
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Für die vorliegende Anmeldung wird die Priorität einer US-Continuation-In-Part-Anmeldung
zur US-Anmeldung, Serial No. 549 911, vom 9. November 1983 beansprucht, deren Priorität
in der deutschen Patentanmeldung P 34 40 498.8 beansprucht worden ist.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Katalysatorträger
und insbesondere auf diejenigen Träger, die benutzt werden können, um katalytische
Konverter für Kraftfahrzeuge herzustellen. Die Erfindung kann auch benutzt werden,
um Katalysatorträger für katalytische Verbrennungsöfen herzustellen, die Schmutzstoffe
in einem Luftstrom verbrennen, oder für andere Katalysezwecke.
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In einem katalytischen Konverter für ein Kraftfahrzeug ist es notwendig,
den Katalysator auf einer Tragstruktur auszubreiten, um den Kontakt zwischen dem
Katalysator und dem Abgas zu maximieren. Katalysatorträger, die aus Keramikmaterialen
hergestellt sind, sind seit langer Zeit bekannt und waren bereits bekannt, bevor
metallische Träger entwickelt wurden. Träger, die aus dünnen Metallen hergestellt
sind, haben aber den Vorteil, daß sie in großen Querschnitten hergestellt werden
können, was zum Behandeln von großen Gasströmen notwendig ist. Ein weiterer Vorteil
von Metall ist, daß die Wände des Trägers dünner gemacht werden können, wodurch
sich ein größerer offener Frontbereich und ein niedrigerer Druckabfall in dem Träger
ergibt. Darüber hinaus können Metalle, die zu einer Folie ausgewalzt werden können,
auf vergleichsweise einfache Weise in irgendeine gewünschte Form gebracht werden.
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Nur wenige Metalle sind im Stand der Technik als Katalysatorträger
verwen»r. F:in konstantes Problem besteht darin, daß viele Metalle chemisch mit
dem Katalysator reagieren, was zur Folge hat, daß der Katalysator seine Aktivität
verliert. Diese Reaktion ist bei den hohen Temperaturen, die im Kraftfahrzeugabgas
vorhanden sind, besonders wahrscheinlich.
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Katalysatorträger aus metallischem Wabenmaterial sind in den US-PS
4 162 993, 4 190 559, 4 247 422, 4 301 039, 4 350 617, 4 402 871 und 4 425 305 beschrieben,
auf die bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen wird.
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Auf metallische Träger aufgebrachte Katalysatoren zur Verwendung in
Kraftfahrzeugkonvertern sind seit etwa zehn Jahren in der Entwicklung. Ein metallischer
Katalysatorträger für einen Kraftfahrzeugkonverter muß nicht nur hohe Temperaturen
aushalten, die 10920C (20000F) erreichen können, sondern muß auch häufiges Erhitzen
und Abkühlen sowie Schwingungen von dem Kraftfahrzeug her aushalten und sollte im
Idealfall die gleiche Lebensdauer wie das Fahrzeug haben.
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Das Society of Automotive Engineers Paper 770299 (1977) beschreibt
die Entwicklung eines Kraftfahrzeugkatalysators.
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Gemäß dieser Druckschrift wurden vier Metalle als Katalysatorträger
getestet. Das Kriterium, das betrachtet wurde, war die Oxidationsbeständigkeit bei
einer Temperatur von 1085°C, wenn das Metall zu einer Folie mit einer Dicke von
nur 0,005 mm (0,002 Zoll) ausgewalzt war. Das einzige Metall, das diesen Test bestanden
hat, ist unter dem Handelsnamen "Fecralloy" bekannt und besteht aus 4-5% Aluminium,
15-20% Chrom, 0,1-0,3% Yttrium, Rest Eisen. Fecralloy ist ein Produkt der UK Atomic
Energy Authority. ähnliche Legierungen werden in den USA hergestellt, beispielsweise
die als "Kanthal A-1" bekannte Legierung, die von der Kanthal Corporation hergestellt
wird. Kanthal A-1 enthält 5,5% Aluminium, 22% Chrom, 0,5% Kobalt, Rest Eisen.
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Wenn die oben beschriebenen Legierungen erhitzt werden, diffundiert
das Aluminium zu der Oberfläche, wo es eine festhaftende, selbstheilende Aluminiumoxiddiffusionssperrschicht
bildet. Diese Sperrschicht verhindert die weitere Oxidation, so daß sie den Metallkern
schützt. Die Sperrschicht verhindert außerdem, wenigstens teilweise, daß das Basismetall
aus dem Kern in den Katalysatorüberzug diffundiert. Der Katalysatorüberzug würde
besser geschützt werden, wenn die Sperrschicht dicker gemacht werden könnte.
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Es erscheint natürlich, das durch Hinzufügen von mehr Aluminium zu
der Legierung zu erreichen. Bei höheren Werten des Aluminiumgehalts splittert oder
reißt jedoch die Legierung, wenn sie zu der dünnen Folie ausgewalzt wird, die zum
Herstellen von Wabenmaterjalkatalysatorträgern benötigt wird.
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Eine weitere,anscheinend einfache Lösung würde darin bestehen, den
Katalysatorträger aus aluminiertem Stahlblech herzustellen, welches legiertes Eisen
ist, das mit Aluminium
überzogen ist. Beim Erhitzen wird das Aluminium
zu Aluminiumoxid oxidiert. Anscheinend könnte eine Sperrschicht beliebiger Dicke
hergestellt werden, indem mit einem ausreichend dicken Aluminiumüberzug begonnen
wird. Bei den Experimenten der Erfinder hat diese Methode versagt, weil bei hoher
Temperatur der Eisenkern oxidierte und bewirkte, daß der Katalysatorüberzug absplitterte.
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Die US-PS 4 247 422 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines
Wabenmaterials aus einer dünnen Metallfolie, die reich an Aluminium ist, ohne daß
eine Legierung, die reich an Aluminium ist, ausgewalzt zu werden braucht. Das Wabenmaterial
wird aus einer Folie aus im wesentlichen reinem Eisen hergestellt. Dann werden Aluminium
und Chrom in das Eisen diffundiert, indem das Wabenmaterial in einem Bleibad getränkt
wird, das Aluminium und Chrom in Lösung enthält. Aluminium und Chrom werden in dem
Basismetall nicht gleichmäßig verteilt. Vielmehr gibt es einen Gradienten in dessen
Chrom- und Aluminiumgehalt, wobei das meiste Chrom und das meiste Aluminium sich
in einer äußeren Schicht befinden.
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Zum Herstellen eines Katalysators mit einem metallischen Träger wird
ein Basismetall mit aktiviertem Aluminiumoxid (Al203) überzogen, das eine Oberfläche
von etwa 50-200 m2/g hat. Das Aluminiumoxid wird als Schlicker oder Aufschlämmung
aufgebracht, die anschließend getrocknet und gebrannt wird, um den Aluminiumoxidüberzug
herzustellen. Dann wird der Aluminiumoxidüberzug mit dem Katalysatormetall, gewöhnlich
einem Metall der Platingruppe, getränkt.
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Das Verfahren zum Aufbringen des Aluminiumoxids und des Katalysators
auf den metallischen Träger ist Stand der Technik und wird ungeachtet der Zusammensetzung
des metallischen Trägers benutzt. Die Schwierigkeit liegt darin,
eine
derartige Zusammensetzung für das Basismetall auszuwählen, daß das Basismetall nicht
mit dem getränkten Katalysator in Wechselwirkung tritt und dessen Aktivität zerstört.
Bei Temperaturen oberhalb von etwa 9000C kann das Basismetall des Trägers in den
Aluminiumoxidüberzug >liffunieren und mit dem überzug und auch mit dem darauf
aufgebrachten Platinmetall reagieren. Das Basismetall beschleunigt das Sintern des
Aluminiumoxidüberzugs, wodurch die Oberfläche des Aluminiumoxids verkleinert wird.
Außerdem bildet das Basismetall mit dem Platinmetall Legierungen, die eine geringere
katalytische Aktivität als das unlegierte Platinmetall haben. Die Erfindung befaßt
sich deshalb mit der Schaffung einer Zusammensetzung, die als ein Metalleräger benutzt
werden kann.
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Ein Beispiel eines metallischen Katalysatorträgers ist in der japanischen
Patentanmeldung Nr. 49-99982 beschrieben.
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Die letztgenannte Druckschrift beschreibt einen Träger, der aus einem
mit Aluminium plattierten Eisenblech besteht, und einen weiteren Träger, der aus
rostfreiem Stahl vom Typ 18-8 besteht und ebenfalls mit Aluminium überzogen ist.
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Beide Träger werden dann mit einem Verbrennungskatalysator überzogen
Die Druckschrift enthält keinen liinweis auf die Temperaturen, bei denen der Träger
getestet wurde. Darüber hinaus haben wir festgestellt, daß mit Aluminium überzogener
rostfreier Stahl vom Typ 18-8 nicht auf Foliendicke ausgewalzt werden kann.
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Ein weiteres Beispiel für einen metallischen Katalyt.atorträger findet
sich in der US-PS 3 873 472. Diese Patentschrift beschreibt ebenso wie die oben
erwähnte japanische Patentanmeldung Träger, die ein Basismetall aus im wesentlichen
reinem Eisen oder ein Basismetall aus rostfreiem Stahl vom Typ 18-8 oder 18-12 haben.
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Die vorliegende Erfindung schafft einen Metallkatalysatorträger, bei
dem das Basismetall nicht mit dem Katalysator reagiert und der Katalysator seine
Aktivität über eine lange Zeitspanne und bei sehr hohen Temperaturen behält. Der
Metallkatalysatorträger nach der Erfindung kann auch zu dünner Folie verarbeitet
werden, die zum Herstellen von katalytischen Konvertern für Kraftfahrzeuge benötigt
wird.
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In ihrer grundlegendsten Form beinhaltet die Erfindung eine Metallegierung,
die einen Chromäquivalentprozentsatz in einem besonderen Bereich hat, wobei das
Basismetall mit einer Aluminiumschicht überzogen ist. Der Äquivalentprozentsatz
an Chrom ist definiert durch Chromäquivalent e = (%Cr) + (3,0) (%Al) + (1,5) (%Si),
wobei ~%cd" den Gewichtsprozentsatz an Chrom bedeutet, usw.
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Der Rest des Basismetalls ist hauptsächlich Eisen.
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Die Grenzen des zugelassenen Bereiches des Chromäquivalentprozentsatzes
hängen zum Teil von der Dicke des überzogenen Basismetalls ab. In einer Ausführungsform
liegt der Chromäquivalentprozentsatz des Basismetalls in dem Bereich von etwa 3
bis etwa 30, und die Dicke des überzogenen Basismetalls ist größer als etwa 0,254
mm (0,010 Zoll). In einer weiteren Ausführungsform liegt der Chromäquivalentprozentsatz
in dem Bereich von etwa 3 bis etwa 15, wobei die Dicke des überzogenen Metalls wieder
größer als etwa 0,254 mm (0,010 Zoll) ist. In noch einer weiteren Ausführungsform,
in der das überzogene Basismetall zu einer Folie ausgewalzt worden ist, die etwa
0,0381 - 0,1016 mm (0,0015 - 0,0040 Zoll) dick ist, sollte der Chromäquivalentprozentsatz
größer als etwa 8 sein. Der Bereich von etwa 8 bis etwa 15 ist daher ein bevorzugter
Bereich für den Chromäquivalentprozentsatz und wird einen akzeptablen Träger über
dem größten Dickeniereich ergeben.
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Zusätzlich zu den Beschränkungen, die durch die oben angegebene Chromäquivalentprozentsatzformel
auferlegt werden, muß die Menge an Aluminium in dem Basismetall kleiner als etwa
3% sein. Außerdem sollte die Menge an Silicium in dem Basismetall kleiner als etwa
1% sein. Bei einem größeren Gehalt an Aluminium und Silicium wird es schwierig,
das Basismetall mit schmelzflüssigem Aluminium zu benetzen,un## außerdem wird es
schwierig, das überzogene Basismetall auf Foliendicke auszuwalzen.
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Ein Katalysatorträger wird hergestellt, indem eine Basismetallegierung
wie oben beschrieben hergestellt wird und das Basismetall mit einer Aluminiumschicht
überzogen wird.
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Dieses überzogene Gebilde bildet den Träger nach der Erfindung. Vor
dem Gebrauch wird das mit Aluminium überzogene Basismetall mit Aluminiumoxid überzogen,
und das Aluminiumoxid wird dann mit einem geeigneten Katalysator getränkt.
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Es ist also Aufgabe der Erfindung, einen metallischen Träger für einen
Katalysator zu schaffen.
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Weiter soll ein metallischer Katalysatorträger geschaffen werden,
der mit dem Katalysator nicht: reagiert.
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Ferner soll ein metallischer Katalysatorträger geschaffen werden,
der bei hohen Temperaturen und für lange Zeitspannen benutzt werden kann, ohne die
Aktivität des Katalysators nachteilig zu beeinflussen.
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Weiter soll eine Stoff verbindung geschaffen werden, die leicht zu
einem Katalysatorträger, der eine Wabenform hat, verarbeitet werden kann.
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Weiter soll eine Stoffverbindung geschaffen werden, die zur Verwendung
bei der Herstellung 11 lcatalytischen Konvertern
für Kraftfahrzeuge besonders geeignet ist.
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Weiter soll ein Metall geschaffen werden, das zur Verwendung als Katalysatorträger
auf Foliendicke ausgewalzt werden kann.
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Schließlich soll ein Verfahren zum Herstellen eines Metallträgers
für einen Katalysator geschaffen werden.
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Weitere Ziele und Vorteile ergeben sich aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung der Erfindung und aus den Patentansprüchen.
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Der metallische Träger nach der Erfindung weist eine Eisenlegierung
auf, die Chrom, Aluminium und Silicium gemäß einer unten angegebenen Formel enthält.
Die Legierung ist mit einer Aluminiumschicht überzogen. Die überzogene Struktur
bildet den Katalysatorträger nach der Erfindung. Zur Verwendung des Trägers ist
es notwendig, den Träger mit einer porösen Substanz, wie beispielsweise Aluminiumoxid
(Al203), zu überziehen, die den Katalysator festhalten wird.
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Das Konzept des ~Chromäquivalentprozentsatzes" ist für die Erfindung
wichtig. Der Chromäquivalentprozentsatz ist durch folgenden Ausdruck definiert Chromäquivalent
% = (%Cr) + (3,0) (%Al) + (1,5) (%Si), wobei %Cr den Gewichtsprozentsatz an Chrom
bedeutet, %Al den Gewichtsprozentsatz an Aluminium bedeutet, und %Si den Gewichtsprozentsatz
an Silicium bedeutet. Wie weiter unten noch näher erläutert können die Mengen an
Chrom, Aluminium und Silicium in dem Basismetall unabhängig voneinander und unter
Berücksichtigung gewisser Grenzwerte für die Mengen der einzelnen Komponenten verändert
werden, solange der Chromäquivalentprozentsatz in den gewünschten Bereich fällt.
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In einer Ausführungsform hat es sich gezeigt, daß, wenn das mit Aluminium
überzogene Basismetall eine Dicke von wenigstens etwa 0,254 mm (0,010 Zoll) hat,
der Chromäquivalentprozentsatz des Basismetalls in dem Bereich von etwa 3 bis etwa
30 liegen sollte. Wenn das überzogene Basismetall zu einer Folie bis zu einer Dicke
von etwa 0,0381 min (0,0015 Zoll) bis etwa 0,1016 mm (0,0040 Zoll) ausgewalzt werden
soll, dann sollte der Chromäquivalentprozentsatz oberhalb von etwa 8 liegen.
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Es ist außerdem notwendig, daß die Aluminiummenge auf weniger als
etwa 3% beschränkt sein muß. Ein Aluminiumgehalt von mehr als etwa 3% wird Schwierigkeiten
beim Benetzen mit schmelzflüssigem Aluminium und auch beim Auswalzen zu einer Folie
verursachen.
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Aus denselben Gründen ist es auch notwendig, daß die Siliciummenge
nicht mehr als etwa 12 beträgt.
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Die Beschränkung, daß der Katalysatorträger eine Dicke von wenigstens
etwa 0,254 mm (0,010 Zoll) hat, wenn der Chromäquivalentprozentsatz niedrig ist,
ist eine Konsequenz von Experimenten, die in den unten angegebenen Beispielen beschrieben
sind. Es wird jedoch angenommen, daß selbst bei einem Chromäquivalentprozentsatz
unter etwa 8 der Katalysatorträger bei Dicken unter 0,254 mm (0,010 Zoll) und möglicherweise
auch bei Dicken bis zu etwa 0,102 mm (0,0()4 Zoll), d.h. bei einer relativ dicken
Folie zufriedenstellend arbeiten würde.
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Es sei angemerkt, daß das Element Aluminium an drei verschiedenen
Stellen in dem Endprodukt erscheinen kann.
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Erstens kann es Aluminium in der Basismetallegierung geben.
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Zweitens gibt es einen Aluminiumüberzug auf dem Basismetall.
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Drittens gibt es Aluminium in dem Aluminiumoxidüberzug, der auf das
mit Aluminium überzogene Basismetall aufgebracht wird. Die erfindungsgemaße Zusammensetzung
beinhaltet die ersten beiden Schichten, d.h. das Basismetall und den überzug aus
metallischem Aluminium.
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Es ist ein wichtiger Vorteil der Erfindung, daß ein Träger unter Verwendung
von relativ geringen Mengen an teueren Metallen, wie beispielsweise Chrom, hergestellt
werden kann. Durch den Ersatz durch begrenzte Mengen an Aluminium und/oder Silicium,
wie es die Chromäquivalentprozentsatzformel angibt, kann die Chrommenge reduziert
werden. Die unten angegebenen Beispiele werden zeigen, daß betriebsfähige Träger
mit nur 1% Chrom hergestellt worden sind. Es sind andere Träger hergestellt worden,
die 11% Chrom enthalten.
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Darüber hinaus sind keine anderen teueren Metalle, wie beispielsweise
Nickel, in dem Basismetall erforderlich.
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Tatsächlich hat sich das Vorhandensein von Nickel als nachteilig erwiesen,
weil eine mit Aluminium überzogene Nickellagerlegierung nicht zu einer Folie ausgewalzt
werden kann.
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Eine Nickellagerlegierung verfestigt sich beim Walzen schnell, so
daß sie geglüht werden muß, damit das Walzen fortgesetzt werden kann. Das Glühen
bewirkt aber, daß das Aluminium des überzugs in die Nickellegierung diffundiert,
wo es mit dem Nickel eine spröde Legierung bildet. Diese spröde Legierung widersetzt
sich weiterer Dickenreduktion, so daß sie nicht auf Foliendicke reduziert werden
kann.
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Legierungen nach der Erfindung können ohne Glühen auf Foliendicke
ausgewalzt werden. Es ist wichtig, einen Katalysatorträger als Folie herstellen
zu können, weil eine Foliezun Herstellen eines katalytischen Konverters für ein
Kraftfahrzeug benötigt wird.
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Der bevorzugte Bereich für den Chromä(uivalentprozelltsatreicht von
etwa 8 bis etwa 15. Dieser Bereich stellt einem guten Kompromiß zwischen den Kosten
des Basismetalls und der Leistung des Metalls als Katalysatorträger bei gerincien
Dicken dar. Wenn die Dicke des Katalysatorträgers größer als Foliendicke ist, kann
wie angegeben der Chromäqiiivalentprozentsatz weiter reduziert werden.
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Das folgende Beispiel veranschaulicht die Wichtigkeit des Grundprinzips
der Erfindung, nämlich die Notwendigkeit eines Chromäquivalentprozentsatzes in dem
gewünschten Bereich und die Notwendigkeit eines Aiuminiumüberzugs auf dem Basismetall.
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Beispiel 1 Fünf Testkatalysatorträger, die die in der weiter unten
<iezeigten Tabelle angegebenen Zusammensetzungen und Dicken hatten, wurden hergestellt
und durch das folgende Verfahren getestet. Die Träger wurden mit einer Aufschlämmung
von aktiviertem Aluminiumoxid überzogen, getrocknet und gebrannt, mit einer Lösung
von Katalysatormetallen getränkt und erneut getrocknet und gebrannt. Die Testvorrichtung
war ein Holzofen. Der Katalysator wurde auf Metallbänder aufgebracht, die Abmessungen
von 139,7 x 76,2 mm (5,5 x 3 Zoll) hatten und in gegenseitigem Abstand so gestapelt
wurden, daß das Verbrennungsgas des Feuers zwischen den Bändern strömen konnte.
Etwa 25 Bänder wurden für jeden Testträger benutzt, und zwar mit einem gegenseitigen
Abstand von etwa 5 Bänder pro 25,4 mm (1 Zoll). Diese Konfiguration ist in der US-PS
4 425 30 dargestellt.
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Das Verbrennungsgas enthielt unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kreosotdämpfe
und Kohlenmonoxid, die auf der katalysierten Oberfläche der Metallbänder verbrannt
wurden. Der Testzyklus in dem Ofen dauerte 24 h. Am Beqinn eines Zyklus
wurde der Ofen mit 7,5 kg (16,5 pounds) Standardholz gefüllt,
und dann wurde das Feuer entzündet. Nach 4 h wurden weitere 3,2 kg (7 pounds) Holz
ins Feuer gelegt. Kein weiteres Holz wurde während des 24 h dauernden Testzyklus
nachgelegt. Die Temperatur innerhalb des Satzes katalysierter Bänder wurde während
des 24 h dauernden Testzyklus aufgezeichnet. Die mittlere Temperatur während der
ersten 6 h war die kennzeichnende Eigenschaft des Katalysators.
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Je höher die mittlere Temperatur war, um so vollständiger war die
Verbrennung und um so aktiver der Katalysator. Bei einem frischen Katalysator betrug
die mittlere Temperatur nach 6 h etwa 538-593°C (1000-1100°F). Es gab Temperaturauswanderungen
bis zu etwa 10380C (19000F), und deren Auftreten war am wahrscheinlichsten, wenn
neues Holz in der vierten Stunde des Testzyklus nachgelegt wurde. Der Test war also
schwerer als es die mittlere Temperatur von 538-5930C (1000-11000F) angibt.
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Das Kriterium für eine anhaltende Aktivität war, daß die mittlere
Temperatur der ersten 6 h während aufeinanderfolgender 24-h-Testzyklen konstant
blieb. Die Tabelle zeigt, daß der einzige metallische Träger, der gemäß der Erfindung
hergestellt worden war, der Träger Nr. 5 war.
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Die Träger Nr.1, 2 und 3 hatten Chromäquivalentprozentsätze von 25,5,
27,3 und 26,5, ihnen fehlte aber ein Aluminiumüberzug. Der Träger Nr. 4 hatte zwar
einen Aluminiumüberzug, er hatte aber kein Eisen in dem Basismetall und wies deshalb
einen Chromäquivalentprozentsatz von null auf. Der Träger Nr. 5 hatte einen Chromäquivalentprozentsatz
von 4,75 und wies ebenfalls einen Aluminiumüberzug auf.
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TABELLE DER TESTERGEBNISSE Träger Nr. 1 2 3 4 Aluminiumüber- 0 0
0 80 11(> zug (g/m2) Basismetallzusammensetzung (in %): Chrom 18,0 18,3 13,3
0 1,0 Nickel 0,5 0 0 0 ( Aluminium 2,0 2,9 4,2 0 0 Titan 0,4 0,3 0,3 0 0 Mangan
0,5 0,2 0,4 0 0 Silicium 1,0 0,2 0,4 0 0,5 Eisen (Rest) 77,6 78,1 81,4 100 97,5
Katalysator- Platin Platin Platin Platin Platin metall plus plus plus Palladium
Palladium Palladium Dicke des 0,914 0,508 0,508 0,762 1,626 Trägers in (0,036) (0,020)
(0,02()) (0,030) (0,()46) mm (Zoll) Anzahl der 1 1 3 1 16 Testzyklen mit konstanter
Aktivität Anmerkung: Der Träger Nr. 5 enthielt geringfügige Mengen an Niobium und
Titan. Der Aluminiumüberzug des Trägers Nr. 5 enthielt 9% Silicium.
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Der einzige metallische Träger ohne einen Aluminiumüberzug, der mehr
als einen Zyklus überlebte, war der Träger Nr. 3.
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Der Träger Nr. 4, der aus unlegiertem Eisen, überzogen mit Aluminium,
bestand, überlebte nur einen Zyklus. Darüber
hinaus oxidierte das
Eisen, und der Katalysatorüberzug splitterte ab. Der Träger Nr. 5, der eine Ausführungsform
der Erfindung darstellt, war allen anderen in der Tabelle gezeigten Trägern überlegen.
Der Aluminiumüberzug macht den niedrigen Chromgehalt in der Kernlegierung, der nur
1 beträgt, mehr als wett.
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Der Katalysator, der bei dem Träger Nr. 5 benutzt wurde, zeigte sich
früh in seinem Test außergewöhnlich aktiv, weshalb der Test unter Bedingungen fortgesetzt
wurde, die schwerer waren als die für die anderen Träger. Statt des Brennens in
24-h-Zyklen, bei denen nur Holz bei 0 h und bei 4 h nachgelegt wurde, wurde das
holz während 4 Tagen ständigen Brennens ständig nachgelegt, so daß immer eine nahezu
volle Ladung Holz vorhanden war. Es zeigte sich kein sichtbarer Aktivitätsverlust
während der 4 Tage. Die 4 Tage sind etwa 16 der üblichen G-h-Perioden schnellen
Brennens äquivalc.
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Das folgende Beispiel zeigt die Leistung eines Trägers ähnlich dem
Träger Nr. 5 des Beispiels 1, der aber eine geringere Dicke hatte.
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Beispiel 2 Ein Test wurde mit dem Material durchgeführt, das für
den Träger Nr. 5 des Beispiels 1 benutzt wurde. Diese Probe hatte eine Dicke von
etwa 0,33 mm (0,013 Zoll). Der Träger wurde hergestellt, indem ein Band des Probematerials
zu einer Spirale gewickelt wurde. Der Aluminiumüberzug war handelsübliclles reines
Aluminium und enthielt nicht die 9 Silicium, die der Überzug bei dem ersten Test
dieses Materials enthielt.
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Die Probe wurde in einem Holzofen wie im Beispiel 1 getestet.
Dieser
Test wurde 25 Tage lang fortgesetzt. er Katalysator behielt seine Aktivität während
dieser gesamten Zeitspanne. Erst am Ende der 25 Tage begann die Aktivität langsam
abzunehmen.
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Die folgenden beiden Beispiele beschreiben Tests eines Katalysatorträgers
nach der Erfindung. Die Testbedinungen waren einem katalytischen Konverter eines
Kraftfahrzeuges enger angenähert. Die Beispiele zeigen auch die Leistungsfähigkeit
der Erfindung bei Foliendicke.
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Beispiel 3 Das Basismetall war eine mit Aluminium überzogene Legierung,
die als NP 614 bekannt und von der Armco, Inc. erhältlich ist. Das Basismetall hatte
eine Zusammensetzung von 11% Chrom, 0,5% Silicium, 0,0' Aluminium, 0,32 Mangan,
(#,3% Titan und 0,2% Nickel, so daß ihr Chromäquivalentprc#zentsatz 11,75 betrug.
Die Probe wurde in ein Bad aus im wesentlichen reinem schmelzflüssigen Aluminium
eingetcucht, so daß sie vollständig überzogen wurde. Die Probe wurde auf eine Dicke
von 0,06 mm (0,0025 Zoll) ausgewalzt und bei 8160C (15000F) wärmebehandelt, um ihre
Fähigkeit, einen Katalysator festzuhalten, zu steigern. Die Probe wurde dann mit
einer Aufschlämmung von Aluminiumoxid (Al2()3) überzogen und mit einem Katalysator
getränkt. Das Gewicht des Aluminiumüberzugs betrug 0,0062 mg/mm2 (4 mg/Zoll2), und
dieser Aluminiumoxidüberzug wurde mit 0,000372 mg/mm2 (0,24 mg/Zoll2) Platin und
0,000062 mg/mm2 (0,04 mg/Zoll2) Rhodium getränkt.
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Zwei auf oben beschriebene Weise angefertige Metalli>ändei wurden
zum Ilersteilen des Katalysatorträgers benutzt. Eines der Bänder wurde gewellt,
und das ebene Band und da gewellte
Band wurden zusammen gewickelt,
um einen spiralförmigen Katalysatorträger mit einem Durchmesser von 50,8 nm (zwei
Zoll) und einer Länge 50,8 mm (zwei Zoll) herzu--,tellen. I)er Träger wurde in eine
Testvorrichtung einge-1:>racht, und eine Erdgasflamme (Methan) wurde unter dem
Träger entzündet. Die Gaszufuhr wurde vorübergehend abgeschaltet, wodurch die Flamme
erlosch, und der Gasstrom wurde dann wieder eingeschaltet. Es folgte eine katalytische
Verbrennung. Der Luftstrom wurde so eingestellt, daß die Temperatur in dem Träger
8990C (1650°F) betrug. Diese temperatur wurde gewählt, weil es sich um die höchste
zu erwartende Temperatur handelt, die für eine längere Zeitspanne in einem katalytischen
Konverter eines Kraftfahrzeuges ausgehalten werden muß. Der Gasstrom durch den Brenner
wurde auf 0,0081 m3/min (0,3 ft3/min) eingestellt.
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Die Aktivität des Katalysators wurde periodisch gemessen.
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Diese Messung wurde ausgeführt, indem die Gasströmung abgeschaltet
wurde, dem Brenner abzukühlen gestattet wurde, eine kleine Gasmenge abgelassen und
beobachtet wurde, ob die katalytische Verbrennung wieder einsetzte. Das Wiedereinsetzen
der katalytischen Verbrennung wurde durch einen beobachteten Anstieg der Temperatur
angezeigt. Wenn die katalytische Verbrennung tatsächlich wieder einsetzte, wurde
die Gasströmung wieder abgeschaltet, und dem Brenner wurde weiter abzukühlen gestattet,
und der Prozeß wurde wiederholt. Die niedrigste Temperatur, bei der der Katalysator
wieder ziindet, wird als "Zünd"-Temperatur bezeichnet.
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Nach 1820 h Verbrennung lag die Zündtemperatur des Katalysators unter
2040C (4000F). Diese Zündtemperatur erfüllt die Industriestandards für akzeptable
Katalysatoraktivität.
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Mit anderen Worten, der Katalysator erbrachte noch nach 1820 h eine
akzeptable Leistung. Wenn eine mittlere Kraftfahrzeuggescllwirldigkeit von 48 km/h
(30 Meilen/h) angenommen wird, so entspricht: diese Betriebsperiode mehr als
80000
km (50000 Meilen). Der katalytische Brenner, der aus der ausgewalzten Legierung
NP 614 hergestellt worder war, überlebte also das Äquivalent von über 80000 km (50(00
Meilen) Fallrtstrecke bei 48 km/h (30 Mei#nn/h), und del Katalysator war noch betriebsfähig.
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Beispiel 4 Ein weiterer Test unter noch schwereren Bedigungen wurde
an einem Katalysatorträger durchgeführt, der aus dei im Beispiel 3 benutzten Legierung
bestand, wobei dasselbe Verfahren benutzt wurde. Bei diesem Test wurde das mit Aluminium
überzogene Basismetall auf eine Dicke von 0,06 mm (0,0025 Zoll) ausgewalzt, bei
8160C (1500°F) wärmebehandelt und mit Aluminiumoxid bis zu einem Gewicht von 0,00'>2
mg/ mm2 (4 mg/Zoll2) überzogen. Wie zuvor wurde das Aluminiupoxid mit einem Katalysatormaterial
aus Platin mit einem Gewicht von 0,00017 mg/mm2 (0,11 mg/Zoll2) und Rhodium mit
einem Gewicht von 0,000016 mg/mm2 (0,01 mg/Zoll2) getränkt.
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Die sich ergebende katalysierte Folie wurde zu einem spiralförmigen
Katalysatorträger mit einem Durchmesser von 50,8 mm und einer Länge von 50,8 mm
gewickelt.
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Die Testtemperatur betrug 10930C (20000r). Nachdem die Verbrennung
205 h gedauert hatte, wurde gemessen, daß die Zündtemperatur etwa 2990C (5700F)
betrug.
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Die normale Betriebstemperatur in einem katalytischen Konverter eines
Kraftfahrzeuges beträgt nur etwa 5930C (1100F), Die maximale Temperatur, die bei
einem solchen katalytis(hen Konverter beobachtet wurde, betrug etwa 9820C (18000F),
und diese Temperatur wird nur für sehr kurze Zeitspannen und nur dann erreicht,
wenn das Kraftfahrzeug mit sehr hohen Geschwindigkeiten von über etwa 209 km/h (130
Meilen/ h) fährt. Dieser Brenner arbeitete bemerkenswert gut. Fr
hielt
205 h bei Temperaturen aus, die im normalen Betrieb eines Kraftfallrzeuges kaum
jemals erreicht werden.
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Es hat sich durch ein weiteres Experiment gezeigt, daß eine Folie,
die einen Chromäquivalentprozentsatz von etwa 4,75 hat, keine beträchtliche Zeit
aushält, wenn sie unter den im Beispiel 4 beschriebenen rigorosen Bedingungen getestet
wird. Es wird angenommen, daß durch Vergrößern des Chromäquivalentprozentsatzes
auf etwa 8 der Träger zufriedenstellend arbeiten wird, wenn er auf Foliendicke ausgewalzt
wird.
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Die obigen Beispiele zeigen Katalysatorträger für Verbrennungskatalysatoren.
Der Träger nach der Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf Verbrennungskatalysatoren,
sondern kann in Verbindung mit irgendeinem Katalysator benutzt werden, der bei hoher
Temperatur arbeitet, wo die Wechselwirkung mit einem metallischen Träger die katalytische
Aktivität zerstören könnte.
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Ein Verfaliren zum Uberziehen von niedriglegierten Stählen mit Aluminium
ist in der US-PS 3 925 579 beschrieben, auf die bezüglich weiterer Einzelheiten
verwiesen wird. Die Eigenschaften und die Verwendungszwecke von mit Aluminium überzogenen
Stählen sind in der Druckschrift "Aluminum Coated Steels, Past, Present, and Future",
von F. Curtiss Dunbar, Armco, Inc., beschrieben, die auf dem Kongreß der American
Society of Metals am 25. Oktober 1982 in St.Louis präsentiert worden ist. Der in
dieser Druckschrift als ~Type 1" beschriebene verzug ist der in den Proben des Beispiels
1 getestete bezug. Auch auf diese Druckschrift wird bezügli ch weiterer Finzelheiten
verwiesen.
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Es hat sich gezeigt:, daß, nachdem der Katalysatorträger
nach
der Erfindung erhitzt worden ist, das Aluminium des Überzugs in das Basismetall
diffundiert. Nach dem Erllitze kann daher der Aluminiumgehalt des Basismetalls den
ursprünglichen Aluminiumgehalt übersteigen. Das ist jedoch nicht nachteilig, wenn
der Katalysatorträger bereits auf Foliendicke ausgewalzt worden ist. Bei einem Katalysatorträger,
der zu einer Folien ausgewalzt werden soll, sollte mit einem Basismetall begonnen
werden, das mehr als etwa 3% Aluminium enthält, aber ein Katalysatorträger, dessen
Aluminiumgehalt aufgrund der Diffusion aus dem Aluminiumüberzug auf über etwa 3%
ansteigt, ist völlig zufriedenstellend und stellt selbst eine weitere Ausführungsform
der Erfindung dar.