DE4441591C2 - Verfahren zum Korrosionsschutz der Auspuffröhren und Schalldämpfer für Abgase der Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft den Korrosionsschutz der Auspuffröhren und Schalldämpfer für Abgase an Kraftfahrzeugen nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Der Verschleiß der Auspuffröhren und Schalldämpfer durch die Korrosion bei Kraftfahrzeugen ist derart groß, daß je nach Wit­ terungsverhältnissen, gebrauchtem Kraftstoff, Wagentypen und der zur Herstellung der Auspuffanlagen verwendeten Stahllegie­ rung, das Auspuffrohr und auch der Schalldämpfer nach 4 bis 6 Jahren durch die Korrosion derart verschlissen werden, daß sie ausgewechselt werden müssen.

Das Auspuffrohr soll die sich im Verbrennungsmotor gebildeten heißen Abgase aus dem Motorraum in die Luft hinter dem Kraft­ wagen abführen - durch den Schalldämpfer, um den Motorlärm zu senken.

Es ist bekannt, daß zur Senkung des Korrosionsverschleißes der Auspuffröhren und Schalldämpfer der Kraftfahrzeuge diese Vor­ richtungen aus mehr oder minder legierten Stahlsorten hergestellt werden. Je höher der Gehalt des Chromes und des Nickels im Stahl ist, desto höher ist die Korrosionsbeständigkeit, aber auch desto teuerer ist die Vorrichtung.

In der Patentschrift DE 35 13 566 C2 (1) ist ein Verfahren zur Hemmung der Korrosion an eingebauten Stahlmaterialien vorgeschlagen worden, besonders der Korrosion der eingebauten Stahlarmatur im Stahlbeton durch die vorhandenen Chlorid-Ionen. Um die Korrosion zu hemmen, soll der Beton zuerst mit einer Kalziumnitrit-Lösung imprägniert werden und dann mit einer wässrigen Lösung des Lithium­ silikats. Zuletzt wird der vorbehandelte Beton mit einer Zement­ mischung behandelt, die eine durch anionische Polymerisation erhaltene Styrol/Butadien-Kautschuk-Dispersion enthält.

Bei der Vorbehandlung des Betons mit einer Kalziumnitrit-Lösung diffundiert ein Teil der Lösung durch die Betonschicht bis zur Ober­ fläche der Stahlarmatur und brüniert sie. Wegen der hohen Löslichkeit wird das Kalziumnitrit jedoch verhältnismässig schnell aus dem Beton ausgewaschen. Die Hauptmasse des Kalziumnitrits wird durch die Hydrolyse in Kalziumhydroxid und die schwache, unbeständige salpetrige Säure verwandelt, die dann zerfällt und ausgewaschen wird.

Zum Schutz der Metalloberfläche gegen hohe Temperatur ist eine Beschichtung vorgeschlagen worden (FR 1 468 686), die an der Luft beständig ist. Die Hauptkomponenten der Schutzschicht sind: Lithium­ silikat, Natriumsilikat, Siliziumdioxid. Die Ausgangsstoffe: Quarzsand (22,2 Gew.-%), Lithiumhydroxid (6 Gew.-%) und Natriumhydroxid (1,4%) werden mit Wasser vermischt (70,4%) in einem Gefäß mit einer Misch­ vorrichtung, dann allmählich bis auf 150°C erhitzt (im Verlauf von 30 bis 90 Minuten), dann wird das Produkt abgekühlt. Danach mischt man noch Quarzsand und Metallpulver hinzu (Aluminium, Zink) und be­ schichtet die Metalloberfläche. Die so erhaltene Beschichtung ist an der Luft mindestens während 300 Stunden bei 538°C hitzebeständig und ohne Korrosionsverlust.

In noch einer Patentanmeldung (EP 0 352 246) ist eine keramische Beschichtung für Metalle vorgeschlagen, die diese vor hoher Tempera­ tur schützt. Die Schutzschicht enthält von 10 bis 50 Gew.-% Kaliwas­ serglas und 1 bis 25 Gew.-% keramische Fasern und ist für Auspuffröh­ ren von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren bestimmt.

Die Herstellung der Schutzhaut erfolgt durch Mischung von Kaliwas­ serglas (20-35 Gew. Teile) mit keramischen Fasern (4 bis 15 Gew. Teile); dann fügt man bei beständiger Mischung kolloidales Siliziumdioxid (20-35 Gew. Teile) hinzu, weiter folgt die Hinzufügung des anorga­ nischen Füllstoffes (10-25 Gew. Teile) in Form von Talk oder Zir­ koniumdioxid und Wasser (8-25 Gew. Teile) bei ununterbrochener Misch­ ung bis zur Bildung einer homogenen Masse; dann werden noch hohle Mikropartikel (2-8 Gew. Teile) bei ununterbrochenem Mischen hinzu­ gefügt; die so hergestellte Komposition wird auf die Innenfläche der Auspuffröhren aufgetragen, auch durch Eintauchen, dann wird das Rohr getrocknet bei 50-200°C binnen 0,25 bis 3 Stunden und bei 100-300° binnen 0,5-2 Stunden bei Verwendung eines oder mehrer Trocknungszyk­ len. Die Beschichtung ist hitzebeständig bis zu 1400°C.

Das obenangesagte Verfahren (DE 35 13 566 C2) (1) zur Hemmung der Korrosion der eingebauten Stahlarmatur kann nicht zum Korrosions­ schutz der Auspuffanlagen an Kraftfahrzeugen angewendet werden, weil durch die hohe Temperatur der Auspuffgase die polymerisierte Styrol/­ Butadien-Kautschuk-Dispersion verbrennt und das Kalziumnitrit zer­ legt wird. Das im Verfahren benutzte Lithiumsilikat ist dem Natrom­ wasserglas ähnlich, jedoch bedeutend teurer und kann deshalb nicht empfohlen werden.

Das Verfahren zur Auftragung einer Schutzhaut gegen hohe Tempera­ tur (nach FR 1 468 686) (2) auf Metalloberflächen ergibt eine an der Luft beständige Beschichtung.

Die Korrosionsverhältnisse an der Luft bei hoher Temperatur unter­ scheiden sich wesentlich von den Auspuffgasen wegen erhöhtem Wasser­ dampfgehalt und der Anwesenheit agressiver "saurer" Komponenten:

CO₂, SO₂, NO_x.

Die Verwendung von Lithiumsilikat bei der Nachbehandlung des Be­ tons zwecks Schutz der Stahlarmatur ist sehr kostspielig, da das Lithiumsilikat um das 60-fache teurer ist als Kaliumsilikat und letzteres ist um das 3-fache teurer als das Natriumsilikat.

Aus den erwähnten Gründen kann das Verfahren nach (1) nicht zum Schutz der Auspuffanlagen gegen die Korrosion empfohlen werden.

Die Masse zur Beschichtung nach (2) hat eine komplizierte Zusam­ mensetzung (Quarzsand, Lithiumhydroxid, Natriumhydroxid, Aluminium­ pulver oder Zinkpulver), auch die Herstellung der Komposition zur Beschichtung ist kompliziert - Vermischung eines Teiles der Aus­ gangsstoffe, dann langzeitige Erhitzung bis auf 150°C, dann Zugabe der anderen Komponenten nach Abkühlung der Mischung. Außerdem wird auch in dieser Komposition 4 mal mehr Lithiumhydroxid als Natriumhydroxid verwendet, was die Wirtschaftlichkeit des Verfah­ rens belastet. Aus diesen Gründen kann das Verfahren nicht zum Kor­ rosionsschutz von Auspuffanlagen empfohlen werden.

Das Verfahren nach EP 0 352 246 (3) sieht die Bildung einer hit­ zebeständigen Schicht auf der Innenfläche der Auspuffanlagen vor.

Jedoch hat dieses Verfahren zwei Nachteile: erstens ist die Zusammen­ setzung der Beschichtung kompliziert: sie enthält Kaliumsilikat in Form von Kaliwasserglas (dieses ist besonders unterstrichen durch den Patentanspruch 2), kolloidales Siliziumdioxid, den anorganischen Füllstoff in Form von Talk oder Zirkoniumdioxid, außerdem keramische Fasern, hohle Mikropartikel und oberflächenaktive Stoffe; zweitens ist die Ausführung der Beschichtung kompliziert, weil am Schluß eine Erhitzung der aufgetragenen Schicht auf 200°C vorgesehen ist.

Die Verwendung von Kaliwasserglas ist dadurch bedingt, daß es einen höheren Erweichungspunkt als Natronwasserglas hat. Die Verwen­ dung von Kaliwasserglas - anstatt Natronwasserglas - erhöht den Aufwand für die Hauptbindungskomponente aufs dreifache.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dauerhaftigkeit der Auspuffröhren und Schalldämpfer gegen Korrosionsverschleiß durch die Auspuffgase bei neuen, sowie von schon 4-5 Jahren im Gebrauch befindenden Kraftfahrzeugen von 5 bis auf wenigstens 8 Jah­ re zu verlängern.

Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale, die im Anspruch 1 angeführt sind, gelöst.

Die Beschichtung der Innenseite des Auspuffrohres und des Schall­ dämpfers der Kraftfahrzeugen mit einem anorganischen Kolloid verhindert den Kontakt der Abgase mit der metallischen Innen­ wand und die Korrosion wird gehemmt.

Hierbei kann man zwei Hauptzonen der Einwirkung der Abgase auf die Kolloidschicht an der Innenseite des Auspuffrohrs und des Schall­ dämpfers unterscheiden: die erste Zone liegt vom Eingang der Abga­ se ins Auspuffrohr bis zum Punkt, wo die Abgase bis zum Taupunkt abgekühlt sind; die zweite Zone erstreckt sich vom Ende der ersten Zone bis zum Auspuff aus dem Schalldämpfer.

Die Position des Taupunktes längs des Auspuffrohres ist nicht sta­ bil, sie hängt vom Kraftstoffverbrauch, von der Temperatur der Außenwand des Auspuffrohres und anderen Faktoren ab.

In der Zone 1 verläuft nach der Beschichtung eine intensive Verdampfung des Wassers aus dem Kolloid; es bildet sich eine Kruste aus einer Mischung von Natriumsilikaten (Meta-, Ortho-, Pyro- und Natriumdisilikat) und es scheidet sich kolloidales Siliziumdioxid aus, das sich an Stellen hohen Temperatur in Sili­ kagel umwandelt. Das Silikagel hat eine große Adsorptionsfähigkeit - es adsorbiert kohlenstoffhaltige Verbindungen mit einer hohen Siedetemperatur, die sich als Beimengungen der Abgase bilden und allmählich verkohlen, dann eine gasundurchdringliche Hülle an der Innenwand des Auspuffrohrs bilden.

In der zweiten Zone vollzieht sich die Kondensation des Wasser­ dampfes (Gehalt 53 Vol.%) aus den Auspuffgasen. Es bildet sich eine Nebelschicht, die sich an der Innenwand des Auspuffrohres und des Schalldämpfers ablagert. In der flüssigen Phase lösen sich die sauren Beimengungen der Auspuffgase - das CO₂ und SO₂ (Schwefel - aus Beimengungen des Kraftstoffes). So bildet sich ein Elektrolyt, der die metallische Innenwand stark angreift, wenn sie nicht durch die Schicht des Wasserglases geschützt ist. Die sauren Komponenten reagieren mit dem Natriumsilikat in der Schutzschicht und bilden Natriumkarbonat, Natriumsulfit, geringe Mengen von Natriumsulfat, und hierbei scheidet sich kolloidale Kieselsäure aus, die leicht entwässert wird und eine glasartige Schutzhaut an der Oberfläche des Auspuffrohres und des Schall­ dämpfers bildet. Das poröse Silikagel bildet sich hier kaum, weil die Temperatur zu niedrig ist - unter 100°C.

Diese Vorgänge sind die Grundlagen der bedeutenden Hemmung der Korrosion der Auspuffröhren und Schalldämpfer durch die Abgase bei Kraftfahrzeugen nach ihrer Beschichtung mit Wasserglas. Wasserglas ist ein chemisches Mittel, das sich bei der Einwir­ kung siliziumenthaltender Stoffe (Tripel, Quarzsand u. a.) mit Ätzlaugen in Autoklaven bei 100-200°C und einem Druck 2,0-2,5 MPa binnen 2-4 Stunden bildet. Seine Formel ist Na₂O . mSiO₂, wobei m das Siliziumdioxidmodul ist, das im Bereich von 1,5 bis 3,5 variiert.

Eine Prüfung hat bewiesen, daß die Beschichtung des Auspuffrohres und des Schalldämpfers eines Kraftwagens nach 5 Jahren Fahrens ohne Beschichtung, bei dem sich dann schon Korrosionskavernen gebildet hatten, danach weiter binnen mindestens drei Jahren funktionsfähig war.

Die Vorteile der Erfindung, neben der Hauptaufgabe, bestehen in der Einfachheit der Ausführung, der Zugänglichkeit des Mittels, in der Verwirklichung wie in Kraftfahrzeugwerken so auch in Kraft­ fahrzeugreparaturwerkstätten.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

Die auseinandergenommenen Teilstücke der Auspuffanlage (Vor­ schalldämpfer, Nachschalldämpfer) werden an einem Ende mit Gummi­ stöpsel verschlossen und bis zu 2/3 des Innenvolumens mit der Kom­ position (Wasserglas der Sorte 43/45 mit einer Dichte von 1433 bis 1460 kg/m³, dem Gewichtsverhältnis SiO₂ : Na₂O von 3,02 bis 3,10, dem Wassergehalt von 57,3 bis 58,9 Gew.-% und einer Viskosität bei 20°C von 800 bis 1500 mPa; Zusatz - Glasfaserschnitzel mit einer Länge bis 2 mm - 0,2 Gew.-% vom Wasserglas.

Nun verschließt man das andere Ende der Teilstücke auch mit einem Gummistöpsel.

Dann legt man die Teilstücke mit der Beschichtungskomposition auf eine Unterlage (horizontal) und dreht sie langsam 10-14 mal um die Längsachse, damit die kolloidale Substanz die ganze Innenfläche der Teilstücke benetzt. Nachher stellt man die Teilstücke senkrecht über ein Becken und öffnet die Stöpsel. Der Überfluß des Kolloids läuft ab.

Nach Ablauf des Kolloids (1 Stunde) bläst man Warmluft durch die Eizelteile (1-2 Stunden), damit die Schicht trocknet und wasserunlöslich wird. Die Dicke der gebildeten Schutzhaut beträgt 0,55 mm.

Dann werden die Einzelteile der Auspuffvorrichtung am Wagen mon­ tiert.

Ist der Wassergehalt des Wasserglases höher als 59 Gew.-% und die Viskosität geringer als 800 mPa, dann bleibt an der Innenfläche der Teilstücke eine geringere Schicht des Kolloids haften and nach der Trocknung ist die Schutzschicht dünner als 0,55 mm. Das wirkt sich auf die Dauerhaftigkeit der Schutzschicht aus. Deshalb muß man in diesem Falle die Operationen - Auftragung der Schicht und Trocknung - wiederholen.

Beispiel 2

Die von einem Gebrauchtwagen demontierten Teilstücke der Auspuff­ anlage werden zur Entfernung der an der Innenfläche haftenden Öl- Schmutz- und Rußablagerungen mit Wasser und Waschmittelzugabe ausgewaschen. Das Abwasser wird zur Entfernung der Ruß- und Rostteile abgefiltert, die gereinigten Teilstücke werden, wie im Beispiel 1, behandelt.

Die Menge des verbrauchten Wasserglases für eine Auspuffanlage beträgt je nach ihrem Ausmaß von 1 bis 2,5 l. (1,5 bis 3,7 kg).

Claims (2)

1. Verfahren zum Korrosionsschutz von Auspuffrohren und Schalldämp­ fer für Abgase von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren durch Ausbildung einer Schutzhaut auf der Innenfläche der Auspuffrohre und Schalldämpfer, dadurch gekennzeichnet, daß eine kolloidale Komposition, bestehend aus Natronwasserglas und Glasfaserschnitzel aufgebracht und die aufgetragene Schicht mit Warmluft getrocknet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Komposition enthaltenen Glasfaserschnitzel eine Länge bis 2 mm und einen Gewichtsanteil bis 10% haben.