DE3813947A1

DE3813947A1 - Verfahren zum aufbringen einer aus edelmetallen und/oder edelmetallverbindungen bestehenden katalysatorschicht auf einen traeger aus keramischem material

Info

Publication number: DE3813947A1
Application number: DE3813947A
Authority: DE
Inventors: Gabriele Dipl Ing Gerharz; Jean-Daniel Dipl Ing Dr Fridez
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: COMPREX AG, BADEN, AARGAU, CH
Priority date: 1988-04-26
Filing date: 1988-04-26
Publication date: 1989-11-09
Also published as: JPH0214743A; US4971939A

Description

Technisches Gebiet

Katalysatorschichten auf keramischen Trägern zur Konvertie rung von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen.

Die Erfindung bezieht sich auf raumsparende Vorrichtungen zur Nachverbrennung und Entgiftung der Abgase von Straßen fahrzeug-Verbrennungsmotoren, speziell im Hinblick auf die Geräte zur Aufladung.

Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zum Aufbringen einer aus Edelmetallen und/oder Edelmetallverbindungen bestehenden Katalysatorschicht auf einen Träger aus keramischem Material.

Stand der Technik

Katalysatoren zur Konvertierung der Abgase von Verbrennungs kraftmaschinen (Otto- und Dieselmotoren) werden insbesondere in Anbetracht der Umweltbelastung vor allem für Straßenfahr zeuge vermehrt eingesetzt. Die diesbezüglichen gesetzlichen Vorschriften werden laufend strenger und es ist daher im Interesse der Allgemeinheit, alle Möglichkeiten der Abgas entgiftung auszunutzen. Zum Stand der Technik werden folgende Druckschriften zitiert:

- Edgar Koberstein, Katalysatoren zur Reinigung von Auto abgasen, Chemie in unserer Zeit, 18. Jahrg. 1984, Nr. 2, Seiten 37-45
- Polat Oeser und Walter Brandstetter, Grundlagen zur Abgas reinigung von Ottomotoren mit der Katalysatortechnik, MTZ Motortechnische Zeitschrift 45 (1984) 5, Seiten 201-206
- A.F.M. Leenaars, K. Kreizer, A.J. Bruggraf, Porous alumina membranes, Chemtech Septemer 1986, Seiten 560-564
- US-A-21 06 744
- R.J. Charles, Phase Separation in Borosilicate Glasses, Journal of The American Ceramic Society-Charles, Vol. 47, No. 11, Seiten 550-563
- M.G. Nicholas, D.A. Mortimer, Ceramic/metal joining for structural applications, (1985 The Institute of Metals), Materials Science and Technology, September 1985, Vol. 1, Seiten 657-665
- EP-A-01 43 956.

In der EP-A-01 43 956 wird ein volumetrisches Aufladegerät (Druckwellenmaschine) für einen Straßenfahrzeugmotor be schrieben, dessen Rotor gleichzeitig als Katalysatorträger ausgebildet ist. Dadurch kann eine separate Vorrichtung zur Entgiftung der Abgase zumindest teilweise eingespart werden. Es ergaben sich indessen Probleme bei der Beschich tung eines aus einem keramischen Stoff bestehenden Rotors, da der Rotor und damit die Katalysatorschicht sehr hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen (Fliehkräfte, Temperaturwechsel) ausgesetzt sind. Die Schichten müssen fest verankert sein und dürfen im Betrieb nicht abblättern.

Es besteht daher ein großes Bedürfnis nach Weiterentwick lung und Vervollkommnung der Katalysator-Beschichtungstechnik.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufbringen einer aus Edelmetallen und/oder Edelmetall verbindungen bestehenden Katalysatorschicht auf einen Träger aus keramischem Material anzugeben, das sich auf einfache Weise auch an kompliziert geformten Körpern anwenden läßt und fest haftende, nicht abblätternde Oberflächenschichten liefert. Die Ergebnisse sollen reproduzierbar sein. Das Verfahren soll sich zudem kostengünstig durchführen lassen. Insbesondere soll es vorteilhaft auf Si₃N₄-Keramik anwend bar sein.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im eingangs erwähnten Verfahren eine elektrisch leitende Zwischenschicht herge stellt wird, indem zunächst eine dünne Folie aus einer Sil ber-Titanlegierung aufgebracht und diese einer Wärmebehandlung unter Vakuum während 3 bis 30 min bei einer Temperatur ober halb des Schmelzpunktes von Silber unterworfen und abgekühlt wird, und daß die Katalysatorschicht elektrolytisch auf den auf diese Weise vorbereiteten Körper aufgebracht wird.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Erfindung wird anhand des durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiels beschrieben:

Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen keramischen Körper mit einer aufgelegten Metallfolie,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen keramischen Körper mit einer aufgebrachten Metallschicht,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen keramischen Körper mit einer aufgebrachten Metallschicht und einer Kata lysatorschicht.

In Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch einen keramischen Körper mit einer aufgelegten Metallfolie dar gestellt. 1 ist ein Träger aus keramischem Material, im vorliegenden Fall aus Siliziumnitrid Si_3ZN₄ · 2 ist eine dünne Metallfolie, im vorliegenden Fall beispielsweise eine Ag/Ti- Legierung mit 3 bis 5% Titan als reaktivem Element.

Fig. 2 bezieht sich auf einen schematischen Längsschnitt durch einen keramischen Körper mit einer aufgebrachten Metall schicht. 1 ist der Träger aus keramischem Material, 2 die nun aufgeschmolzene und wieder erstarrte Folie aus einer Ag/Ti-Legierung und 3 eine mehr oder weniger zusammenhängende oder als Inseln vorhandene Schicht aus TiN.

Fig. 3 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen keramischen Körper mit einer aufgebrachten Metallschicht und einer Katalysatorschicht. 1 ist der Träger aus kera mischem Material, 2 die aufgeschmolzene und wieder erstarrte Folie aus einer Ag/Ti-Legierung und 3 die Schicht aus TiN. Die als sehr feine Nadeln nach einem elektrolytischen Ver fahren abgeschiedene Katalysatorschicht 4 ist fest mit dem Material der Folie 2 verbunden.

Ausführungsbeispiel

Siehe Fig. 1 bis 3! Ein Zellenrad einer Druckwellenmaschine wurde auf seiner äußeren Oberfläche mit einer Katalysatorschicht 4 versehen. Der als Träger 1 dienende Rotor bestand aus Si₃N₄ und hatte einen Außendurchmesser von 180 mm und eine Länge von 150 mm. Der äußere hohlzylindrische Teil wies eine radiale Wand stärke von 4 mm auf. Die Zellwände hatten eine Dicke von 1,6 mm. Auf die äußere Oberfläche des Trägers wurde eine Folie 2 aus einer Ag/Ti-Legierung von 50 µm Dicke aufgelegt. Die Legierung hatte die nachfolgende Zusammensetzung:
Ag = 96 Gew.-%
Ti = 4 Gew.-%.

Das Ganze wurde nun in einen Ofen gebracht und während einer Zeit von 15 min bei einer Temperatur von 1000°C unter Vakuum wärmebehandelt. Dabei fand eine Austauschreaktion an der Grenzfläche Träger 1/Folie 2 statt, dergestalt, daß das Titan zum Teil das Silizium ersetzte und eine mehr oder weniger zusammenhängende Schicht 3 aus Titannitrid TiN ge bildet wurde. Diese Schicht 3 war mit dem Träger 1 fest verankert. Auf die durch die geschmolzene und wieder er starrte Folie 2 aus der Ag/Ti-Legierung gebildete Zwischen schicht wurde nach dem elektrolytischen Verfahren der Johnson Matthew Company, GB (JMC) eine Katalysatorschicht 4 von 0,15 mg/m² Platinmetallgehalt abgeschieden.

Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Die aus Edelmetallen und/oder Edelmetallverbindungen vorzugs weise der Platinmetalle bestehende Katalysatorschicht 4 kann nach Aufbringen der Folie 2 aus einer Ag/Ti-Legierung auf einen Träger 1 aus keramischem Material nahezu beliebiger Zusammensetzung aufgebracht werden. Vorzugsweise sind dies Si₃N₄; SiC und Al₂O₃. Die Wärmebehandlung wird während 3 bis 30 min oberhalb der Schmelztemperatur des Silbers durch geführt. Danach wird der Körper wieder abgekühlt und die Katalysatorschicht 4 nach einem elektrolytischen Verfahren aufgebracht. Die Dicke der Folie 2 beträgt je nach Abmes sungen des zu beschichtenden Körpers 3 bis 100 µm und die Wärmebehandlung erfolgt bei 1000°C unter Vakuum.

Claims

1. Verfahren zum Aufbringen einer aus Edelmetallen und/oder Edelmetallverbindungen bestehenden Katalysatorschicht (4) auf einen Träger (1) aus keramischem Material, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch leitende Zwischen schicht hergestellt wird, indem zunächst eine dünne Folie (2) aus einer Silber-Titanlegierung aufgebracht und diese einer Wärmebehandlung unter Vakuum während 3 bis 30 min bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Silber unterworfen und abgekühlt wird, und daß die Kata lysatorschicht (4) elektrolytisch auf den auf diese Weise vorbereiteten Körper aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) aus Siliziumnitrid besteht und die Silber- Titanlegierung 3 bis 5 Gew.-% Titan enthält, daß die Folie (2) eine Dicke von 3 bis 100 µm aufweist und daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 1000°C durchgeführt wird, wobei mindestens teilweise eine mehr oder weniger zusammenhängende, mit dem Träger (1) fest verankerte Schicht (3) aus Titannitrid gebildet wird.