DE3615318A1 - Metallischer traeger fuer einen katalysator - Google Patents

Metallischer traeger fuer einen katalysator

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DE3615318A1
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William B. West Chester Pa. Retallick
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WR Grace and Co Conn
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Description

  • Metallischer Träger für einen Katalysator
  • Der Erfindung betrifft einen metallischen Träger für einen Katalysator.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das Society of Automotive Engineers Paper 770299 (1977) beschreibt die Entwicklung eines Kraftfahrzeugkatalysators.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ein Beispiel eines metallischen Katalysatorträgers ist in der japanischen Patentanmeldung Nr. 49-99982 beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Rest des Basismetalls ist hauptsächlich Eisen.
  • 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.
  • 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.
  • Ein Katalysatorträger wird hergestellt, indem eine Basismetallegierung wie oben beschrieben hergestellt wird und das Basismetall mit einer Aluminiumschicht überzogen wird.
  • 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.
  • Es ist also Aufgabe der Erfindung, einen metallischen Träger für einen Katalysator zu schaffen.
  • Weiter soll ein metallischer Katalysatorträger geschaffen werden, der mit dem Katalysator nicht: reagiert.
  • 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.
  • Weiter soll eine Stoff verbindung geschaffen werden, die leicht zu einem Katalysatorträger, der eine Wabenform hat, verarbeitet werden kann.
  • Weiter soll eine Stoffverbindung geschaffen werden, die zur Verwendung bei der Herstellung 11 lcatalytischen Konvertern für Kraftfahrzeuge besonders geeignet ist.
  • Weiter soll ein Metall geschaffen werden, das zur Verwendung als Katalysatorträger auf Foliendicke ausgewalzt werden kann.
  • Schließlich soll ein Verfahren zum Herstellen eines Metallträgers für einen Katalysator geschaffen werden.
  • Weitere Ziele und Vorteile ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung und aus den Patentansprüchen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Aus denselben Gründen ist es auch notwendig, daß die Siliciummenge nicht mehr als etwa 12 beträgt.
  • 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.
  • Es sei angemerkt, daß das Element Aluminium an drei verschiedenen Stellen in dem Endprodukt erscheinen kann.
  • Erstens kann es Aluminium in der Basismetallegierung geben.
  • Zweitens gibt es einen Aluminiumüberzug auf dem Basismetall.
  • 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.
  • 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.
  • Darüber hinaus sind keine anderen teueren Metalle, wie beispielsweise Nickel, in dem Basismetall erforderlich.
  • Tatsächlich hat sich das Vorhandensein von Nickel als nachteilig erwiesen, weil eine mit Aluminium überzogene Nickellagerlegierung nicht zu einer Folie ausgewalzt werden kann.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der einzige metallische Träger ohne einen Aluminiumüberzug, der mehr als einen Zyklus überlebte, war der Träger Nr. 3.
  • 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.
  • 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.
  • Das folgende Beispiel zeigt die Leistung eines Trägers ähnlich dem Träger Nr. 5 des Beispiels 1, der aber eine geringere Dicke hatte.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Aktivität des Katalysators wurde periodisch gemessen.
  • 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.
  • Nach 1820 h Verbrennung lag die Zündtemperatur des Katalysators unter 2040C (4000F). Diese Zündtemperatur erfüllt die Industriestandards für akzeptable Katalysatoraktivität.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Testtemperatur betrug 10930C (20000r). Nachdem die Verbrennung 205 h gedauert hatte, wurde gemessen, daß die Zündtemperatur etwa 2990C (5700F) betrug.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (12)

  1. Patentansprüche: 1. Metallischer Träger für einen Katalysator, gekennzeichnet durch ein im wesentlichen homogenes Basismetall, das einen Chromäquivalentprozentsatz über etwa 8 hat, der definiert ist durch Chromäquivalent % = (%Cr) + (3,0) (%Al) + (1,5) (%Si), wobei die Menge an Silicium kleiner als etwa 1% und die Menge an Aluminium kleiner als etwa 32 und der Rest des Basismetalls im wesentlichen Eisen ist, wobei das Basismetall einen Uberzug aus im wesentlichen reinem Aluminium hat und wobei das überzogene Basismetalleine Folie mit einer Dicke in dem Bereich von etwa 0,04 - 0,10 mm (0,0015 -0,0040 Zoll) ist.
  2. 2. Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Chrom in dem Basismetall kleiner als etwa 14% ist.
  3. 3. Metallischer Träger für einen Katalysator, gekennzeichnet durch ein im wesentlichen homogenes Basismetall, das einen Chromäquivalentprozentsatz in dem Bereich von etwa 3 bis etwa 15 hat, der definiert ist durch Chromäquivalent % = (%Cr) + (3,0) (%Al) + (1,5) (%Si), wobei die Menge an Silicium kleiner als etwa 1% ist, die Menge an Aluminium kleiner als etwa 3% ist, das Basismetall im wesentlichen frei von Nickel ist und der Rest des Basismetalls im wesentlichen Eisen ist, wobei das Basismetall einen Uberzug aus im wesentlichen reinem Aluminium hat und wobei das überzogene Basismetall eine Dicke hat, die größer als etwa 0,25 mm (0,010 Zoll) ist.
  4. 4. Träger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Chrom in dem Basismetall kleiner als etwa 14% ist.
  5. 5. Metallischer Träger für einen Katalysator, gekennzeichnet durch ein im wesentlichen homogenes Basismetall, das einen Chromäquivalentprozentsatz in dem Bereich von etwa 8 bis 15 hat, der definiert ist durch Chromäquivalent % = (%Cr) + (3,0) (%Al) + (1,5) (%Si), wobei der Rest des Basismetalls hauptsächlich Eisen ist, das Basismetall einen Überzug aus im wesentlichen reinem Aluminium hat, die Menge an Aluminium in dem Basismetall kleiner als etwa 3% ist und die Menge an Silicium in dem Basismetall kleiner als etwa 1% ist.
  6. 6. Träger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Chrom in dem Basismetall kleiner als etwa 14% ist.
  7. 7. Metallischer Träger für einen Katalysator, gekennzeichnet durch ein im wesentlichen homogenes Basismetall, das einen Chromäquivalentprozentsatz in dem Bereich von etwa 3 bis etwa 30 hat, wobei der Chromäquivalentprozentsatz definiert ist durch Chromäquivalent % = (%Cr) + (3,0) (%Al) (1,5) (%Si), wobei die Menge an Silicium kleiner als etwa 1% ist, wobei die Menge an Aluminium kleiner als etwa 3% ist, wobei der Rest des Basismetalls im wesentlichen nur Eisen ist, wobei das Basismetall einen Überzug aus im wesentlichen reinem Aluminium hat und wobei das überzogene Basismetall eine Dicke von mehr als etwa 0,25 mm (0,010 Zoll) hat.
  8. 8. Träger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Chrom in dem Basismetall kleiner als etwa 14% ist.
  9. 9. Metallischer Träger für einen Katalysator, gekennzeichnet durch ein im wesentlichen homogenes Basismetall, das einen Chromäquivalentprozentsatz in dem Bereich von etwa 3 bis etwa 30 hat, wobei der Chromäquivalentprozentsatz definiert ist durch Chromäquivalent % = (%Cr) + (3,0) (%Al) + (1,5) (%Si), wobei das Basismetall im wesentlichen frei von Nickel ist, wobei die Menge an Silicium in dem Basismetall kleiner als etwa 1 ist, wobei die Menge an Aluminium kleiner als etwa 3% ist, wobei das Basismetall einen Überzug aus im wesentlichen reinem Aluminium hat und wobei das überzogene Basismetall eine Dicke von mehr als etwa 0,25 mm (0,010 Zoll) hat.
  10. 10. Träger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Chrom in dem Basismetall kleiner als 14% ist.
  11. 11. Metallischer Träger für einen Katalysator, gekennzeichnet durch ein im wesentlichen homogenes Basismetall, wobei das Basismetall einen Chromäquivalentprozentsatz über etwa 8 hat, der definiert ist durch Chromäquivalent % = (%Cr) + (3,0) (%Al) + (1,5) (%Si), wobei das Basismetall im wesentlichen frei von Nickel ist, wobei die Menge an Silicium in dem Basismetall kleiner als etwa 1% ist, wobei die Menge an Aluminium in dem Basismetall kleiner als etwa 3% ist, wobei das Basismetall einen Überzug aus im wesentlichen reinem Aluminium hat und wobei das überzogene Basismetall eine Folie mit einer Dicke in dem bereich von etwa 0,04 - 0,10 mm (0,0015 - 0,0040 Zoll) ist.
  12. 12. Träger nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Chrom in dem Basismetall kleiner als etwa 14% ist.
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