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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Keramikwabenkörper, der zur Reinigung eines
Abgases eines Verbrennungsmotors und zum Abfangen von. Teilchen dient, und der
auch zum Reinigen und/oder Desodorieren eines Verbrennungsgases dient, bei dem
verschiedene Gase oder Mineralöl als Brennstoff eingesetzt werden. Die Erfindung stellt
daher Keramikwabenkörper ohne katalytische Aktivität, die beispielsweise als Filter
verwendet werden, und auch Keramikwabenkatalysatoren bereit.
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Bei einem heutzutage in der Praxis verwendeten Keramikwabenkatalysator wird ein
Träger, der aus α-Aluminiumoxid als Hauptbestandteil besteht, auf dem Edelmetalle
getragen werden, auf einem Keramikwaben-Strukturkörper aus Cordierit getragen, um die
spezifische Oberfläche zu vergrößern. In diesem Fall liegt der Grund für die
Verwendung von Cordierit als Keramikwaben-Strukturkörper darin, dass er von verschiedenen
Keramikmaterialien den niedrigsten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und
daher nicht zerbricht, d. h. Thermoschockbeständigkeit bei raschen
Temperaturschwankungen aufweist, die von der Zufuhr von Hochtemperatur-Abgasen aus Motoren oder
dergleichen herrühren.
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Da jedoch der Wärmeausdehnungskoeffizient von γ-Aluminiumoxid doppelt so hoch
wie der des Keramikwaben-Strukturkörpers aus Cordierit oder noch höher ist, ist es
notwendig, den Träger unter Wärme auf den Keramikwaben-Strukturkörper aufzutragen,
damit er sich während der Verwendung in Kraftfahrzeugen nicht abschält. So wird der
Wärmeausdehnungskoeffizient des beschichteten Keramikwaben-Strukturkörpers, auf
den der Träger aufgebracht ist, gegenüber jenem des Keramikwaben-Strukturkörpers, auf
den kein Träger aufgebracht ist, um das 1,5- bis 3-fache erhöht, und daraus ergibt sich
das Problem, dass die Thermoschockbeständigkeit des Katalysators im Vergleich zum
Wabenstrukturkörper, der den Katalysator trägt, verringert wird. Um dieses Problem zu
lösen, sind verschiedene nachstehend angeführte Techniken vorgeschlagen worden.
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In der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 62-4441 wird eine Technik
geoffenbart, bei der die spezifische Oberfläche des Keramikwaben-Strukturkörpers
erhöht
wird, indem eine Säurebehandlung und eine Wärmebehandlung durchgeführt
werden, ohne dass ein Träger aufgebracht wird, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Katalysators zu verringern. Darüber hinaus wird in der japanischen
Patentveröffentlichung Nr. 62-8219 eine Technik geoffenbart, bei der eine Zunahme des
Wärmeausdehnungskoeffizienten des Katalysators dadurch verhindert wird, dass kein Träger in
Mikrorisse mit einer Breite von etwa 0,5 um eingebracht wird, die im Wabenstrukturkörper
vorhanden sind, indem der Wabenstrukturkörper zuerst mit Methylcellulose oder
dergleichen beschichtet wird und dann ein Träger darauf aufgebracht wird, wobei eine
Wärmebehandlung durchgeführt wird, um die aufgetragene Methylcellulose zu
entfernen. Weiters wird auch in der offengelegten japanischen Patenveröffentlichung Nr. 7-
10650 eine Technik geoffenbart, bei der kein Träger in Mikrorisse mit einer Breite von
etwa 0,5 um eingebracht wird, indem der Wabenstrukturkörper mit verschiedenen
Arten chemischer Verbindungen vorbeschichtet wird und diese dann durch
Wärmebehandlung entfernt werden.
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Was die oben genannten bekannten Techniken betrifft, besteht bei der Technik, bei der
der Wabenstrukturkörper einer Säurebehandlung unterzogen wird, wie in der
offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 62-4441 gezeigt, das Problem der
Verringerung dler mechanischen Festigkeit, was in dieser Veröffentlichung detailliert erörtert
wird. In letzter Zeit werden die Anforderungen an Kfz-Katalysatoren immer strenger.
Daher ist der Katalysator im Hinblick auf die Katalysatorverwendungseffizienz dazu
bestimmt, dass er in einem Konverter nur an einer Seitenfläche getragen wird, damit ein
Abgas durch den gesamten Querschnitt des Katalysators strömen kann, während beim
herkömmlichen Konverter der Katalysator nicht nur an einer Seitenfläche getragen wird,
sondern auch an einem äußeren Umfangsabschnitt einer Endfläche davon, auch wenn
es sich dabei um einen Abschnitt handelt, durch den kein Abgas strömt. Darüber hinaus
ist die Zellwandstärke des Keramikwaben-Strukturkörpers so beschaffen, dass sie nicht
dicker als etwa 100 um ist, was zwei Drittel der Dicke des herkömmlichen ausmacht,
der eine Wandstärke von etwa 150 um aufweist. Daher wird keine Säurebehandlung
durchgeführt, wie sie in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 62-
4441 beschrieben wird, da die mechanische Festigkeit des säurebehandelten
Wabenstrukturkörpers unter manchen Bedingungen halb so groß ist wie jene des normalen
Wabenstrukturkörpers.
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Weiters wird bei der in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 62-
4441 gezeigten Technik kein γ-Aluminiumoxid auf den Keramikwaben-Strukturkörper
aufgebracht, weswegen die Reinigungsleistung gering ist, auch wenn der
Keramikwaben-Strukaurkörper nach dieser Technik eine große spezifische Oberfläche aufweist. Der
Grund dafür ist, dass die große spezifische Oberfläche bei dieser Technik dadurch
erzielt wird, dass MgO durch Säurebehandlung selektiv von der Zellwand abgelöst wird
und kleine Poren in einem tiefen Abschnitt der Zellwand erzeugt werden, und daher ein
Abgas im Vergleich zu γ-Aluminiumoxid nicht leicht mit dem Edelmetall in Kontakt
kommt, das auf den kleinen Poren getragen wird.
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Darüber hinaus ist bei den Techniken, die in der japanischen Patentveröffentlichung Nr.
62-8219 und der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 7-10650 gezeigt
werden, der Wärmeausdehnungskoeffizient des Keramikwaben-Strukturkörper, auf dem
der Träger aufgebracht ist, nicht erhöht, da der Träger nicht in Mikrorisse und kleine
Poren eindringt. Es wird kein sogenannter Verankerungseffekt durch das Eindringen von
Träger in Mikrorisse und kleine Poren erzielt, wodurch die Verbindungsfestigkeit
zwischen dem Keramikwaben-Strukturkörper und dem Träger verringert ist. Daher besteht
die Gefahr, dass sich der Träger unter den starken Vibrationen von Kraftfahrzeugen
ablöst. Darüber hinaus erhöhen sich die Kosten durch eine Zunahme der
Herstellungsschritte.
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Die US-A-5.346.722 offenbart ein Verfahren, welches das Einbringen einer Pufferlösung
in die Mikrorisse umfasst, die dann ein Gel bildet, wenn sie mit der aufgebrachten
Aufschlämmung in Kontakt kommt, wodurch verhindert wird, dass die Aufschlämmung in
die Mikrorisse gelangt.
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Die US-A-4.869.944 beschreibt ein Verfahren, bei dem Cordierit-Wabenkörper nach
dem Brennen bei 1.350 bis 1.440ºC und Eintauchen in eine Aufschlämmung, die
Aluminiumoxid und Ceroxid enthält, bei 650ºC erneut gebrannt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben genannten Nachteile zu
beseitigen und ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikwabenkörpers bereitzustellen,
der hervorragende Thermoschockbeständigkeit aufweist, wobei die mechanische
Festigkeit eines Keramikwaben-Strukturkörpers, auf den ein Träger, wie z. B. γ-Aluminiumoxid,
aufgetragen ist, nicht beeinträchtigt wird, und sich der Träger nicht vom Keramikwaben-
Strukturkörper ablöst.
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Gemäß vorliegender Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines
Keramikwabenkörpers bereitgestellt, wie in Anspruch 1 dargelegt.
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Gemäß vorliegender Erfindung kann ein Keramikwaben-Katalysator mit hervorragender
Thermoschockbeständigkeit, wobei die mechanische Festigkeit des Katalysators nicht
beeinträchtigt ist und sich der Träger nicht ablöst, erhalten werden, indem der
Wärmeausdehnungskoeffizient des Trägers, der auf den Keramikwaben-Strukturkörper
aufgebracht wird, entsprechend gewählt wird und die Zunahme des
Wärmeausdehnungskoeffizienten des Katalysators minimiert wird, wobei der Träger, wie z. B. γ-Aluminiumoxid,
auf den Keramikwaben-Strukturkörper aufgebracht wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der
Wärmebehandlungstemperatur und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten oder der
Thermoschockbeständigkeit bei einer Ausführungsform 1;
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Fig. 2 ist eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der
Wärmebehandlungstemperatur und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten oder der
Thermoschockbeständigkeit bei einer Ausführungsform 2;
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Fig. 3 ist eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der
Wärmebehandlungstemperatur und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten oder der
Thermoschockbeständigkeit bei einer Ausführungsform 3;
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Fig. 4 ist eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der
Wärmebehandlungstemperatur und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten oder der
Thermoschockbeständigkeit bei einer Ausführungsform 4;
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Fig. 5 ist eine schematische Ansicht des äußeren Erscheinungsbilds einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform 7;
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Fig. 6 ist eine schematische Ansicht des äußeren Erscheinungsbilds einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform 9;
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Fig. 7 ist eine schematische Ansicht des äußeren Erscheinungsbilds einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform 12; und
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Fig. 8 ist eine schematische Ansicht des äußeren Erscheinungsbilds einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform 14.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 62-8210 und die offengelegte japanische
Patentveröffentlichung Nr. 7-10650 offenbaren den folgenden Grund, weshalb der
Wärmeausdehnungskoeffizient des Katalysators erhöht wird, während der
Wärmeausdehnungskoeffizient des Trägers selbst nicht erhöht wird, da Mikrorisse die
Wärmeausdehnung absorbieren. Da nämlich der Träger mit einem relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten
in Mikrorisse oder kleine Poren eines Keramikwaben-Strukturkörpers
eindringt und sich bei hohen Temperaturen im Keramikwaben-Strukturkörper ausdehnt,
bilden sich durch Keilwirkung Risse im Keramikwaben-Strukturkörper und weiten sich aus,
weswegen der Wärmeausdehnungskoeffizient des Katalysators erhöht wird.
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Allerdings wird im Wabenstrukturkörper eine Anzahl von Mikrorissen und kleinen
Poren wie Folgt erzeugt: Wenn sich der Träger mit hohem
Wärmeausdehnungskoeffizienten in den Mikrorissen oder den kleinen Poren ausdehnt, absorbieren sich solche
Ausdehnung außer am äußersten Rand gegenseitig. Tatsächlich wird eine solche
Ausdehnung nicht vollständig absorbiert, da die Mikrorisse und die kleinen Poren
unterschiedliche Abmessungen haben. Das funktioniert ähnlich wie bei einer Gleisanlage, indem,
wenn der Träger in die Mikrorisse und die kleinen Poren eingebracht wird, eine Schiene
der Gleisanlage keine Verbindung mehr hat und so die Gesamtlänge, die die Schiene
zum Wärmeausdehnungskoeffizienten beiträgt, länger wird.
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Andererseits handelt es sich bei dem Abschnitt des Katalysators, der bei einem
praxisbezogenen Thermoschocktest bricht, im Wesentlichen um seinen Mittelabschnitt, und im
Mittelabschnitt werden Risse radial erzeugt, so dass der Katalysator in runde Scheiben
gespalten wird. Wenn ein solches Brechen auf den oben genannten Keileffekt
zurückzuführen ist, sind gebrochene Abschnitte typischerweise nicht bestimmbar. Es brechen
jedoch tatsächlich im Wesentlichen alle Katalysatoren im Mittelabschnitt, und daraus geht
hervor, dass der Katalysator aufgrund einer Zugkraft und nicht aufgrund des Keileffekts
bricht.
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Unter diesen Umständen haben die Erfinder eine Probe mit einer Länge von 10 mm und
einem Querschnitt von 1 Zelle im Quadrat aus einem Katalysator ausgeschnitten, der
durch Aufbringen eines Trägers bei 550ºC auf eine Keramikwaben-Strukturkörper mit
einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 0,4 · 10&supmin;&sup6;/ºC hergestellt worden war, und
dann den Träger von der Probe abgezogen. Dann wurde der
Wärmeausdehnungskoeffizient der so hergestellten Probe gemessen. Als Ergebnis verringert sich der Wärmeausdehnungskoeffizient
der so hergestellten Probe, auf die kein Träger aufgebracht ist, auf
0,64 · 10&supmin;&sup6;/ºC, während jener einer Probe, auf die der Träger aufgetragen ist, 1,2 · 10&supmin;&sup6;
1% beträgt. Das heißt, es ist zu erkennen, dass Zugwirkung aufgrund des auf den
Keramikwaben-Strukturkörper aufgetragenen Trägers im Vergleich zum oben genannten
Keileffekt starke Auswirkungen auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten hat.
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Daher ist klar, dass der Grund für die Verringerung des
Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 62-8210 und der offengelegten
japanischen Patentveröffentlichung Nr. 7-10650 geoffenbart, folgender ist: Die
Verbindungsfestigkeit zwischen dem Keramikwaben-Strukturkörper und dem Träger ist
geschwächt, da der Träger nicht in die Mikrorisse und kleinen Poren eindringt, wodurch
die Wärmeausdehnung des Trägers nur schwer auf den Keramikwaben-Strukturkörper
übertragen wird.
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Der Träger wird auf die Zellen-Innenfläche des Keramikwaben-Strukturkörpers
aufgebracht, indem der Keramikwaben-Strukturkörper in eine wässrige Lösung eingetaucht
wird, in der γ-Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), Ceroxid (CeO&sub2;) zur Absorption von Sauerstoff,
Lanthan (La&sub2;O&sub3;) zur Verbesserung der Hitzebeständigkeitsleistung, Zirkoniumdioxid
(ZrO&sub2;) oder dergleichen vermischt sind, oder dass eine Aufschlämmung mit der
gleichen chemischen Zusammensetzung wie jener der obigen wässrigen Lösung in den
Keramikwaben-Strukturkörper eingebracht wird. Daraufhin wird der so aufgebrachte Träger
getrocknet und dann einer Wärmebehandlung bei etwa 600ºC unterzogen, damit er
sich nicht ablöst.
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Gemäß vorliegende Erfindung werden zwei Merkmale von γ-Alumiumoxid, nämlich (1)
die Tatsache, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient höher als jener des
Wabenstrukturkörpers ist, und (2) die bei hohen Temperaturen auftretende Volumsschrumpfung
genutzt, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Keramikwaben-Katalysators zu
verringern, der den Keramikwaben-Strukturkörper und den auf einer Oberfläche des
Keramikwaben-Strukturkörper aufgebrachten Träger umfasst.
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Wenn nämlich der auf den Keramikwaben-Strukturkörper aufgebrachte Träger einer
Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen unterzogen wird, tritt Volumsschrumpfung
auf, und die erfolgte Schrumpfung wirkt als Druckbeanspruchung in Bezug auf den
Keramikwaben-Strukturkörper. Da darüber hinaus der Träger mit einem hohen
Wärmeausdehnungskoeffizienten vorwiegend während der Abkühlung zum Schrumpfen neigt,
wirkt während dieser Abkühlung eine stärkere Druckbeanspruchung auf den
Keramikwaben-Strukturkörper. Unter diesen Bedingungen dehnen sich, wenn auf den
Katalysator Wärme einwirkt, der Keramikwaben-Strukturkörper und der Träger aus,
Zugspannungen wirken auf den Keramikwaben-Strukturkörper jedoch erst bei Temperaturen, bei
denen die Druckbeanspruchung des Keramikwaben-Strukturkörper gleich Null ist. Daher
erreicht ein Wärmebehandlung unterzogener Katalysator die Zugbruchspannung erst bei
höheren Temperaturen als Katalysatoren, die keiner Wärmebehandlung unterzogen
werden, weswegen der Wärmebehandlung unterzogene Katalysator erst bei hohen
Temperaturen bricht.
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Wenn die Wärmebehandlung bei höheren Temperaturen durchgeführt wird, hält der
Träger seiner starken Ausdehnung und Schrumpfung nicht stand, weswegen sich im
Träger Risse bilden. Bei etwa 900ºC bilden sich Risse zunächst in axialer Richtung
(Zellenrichtung) in Eckabschnitten, auf denen der Träger dick aufgebracht ist. Dann
vergrößert sich die Breite der Risse entsprechend der Temperaturzunahme, und sie bilden sich
in einer Richtung senkrecht zu jener des ersten erzeugten Risses und pflanzen sich
weiter fort, wodurch die Risse ein Netzwerk bilden. In diesem Fall wird die Breite der Risse
mit zunehmender Temperatur größer, und das Riss-Netzwerk wird dadurch enger. Unter
diesen Bedingungen kann die Ausdehnung des Trägers von den Rissen absorbiert
werden, wenn auf den Katalysator Wärme einwirkt, wodurch der
Wärmeausdehnungskoeffizient des Keramikwaben-Katalysators sinkt.
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Es versteht sich daher, dass die Wärmebehandlung bei höheren Temperaturen
durchgeführt wird, um den Katalysatorträger in eine Anzahl kleiner Stücke zu unterteilen, um
den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Katalysators zu verringern. Wenn die
Wärmebehandlung bei höheren Temperaturen durchgeführt wird, bewirkt andererseits die
Volumsschrumpfung von γ-Aluminiumoxid eine Verringerung der spezifischen Oberfläche,
weswegen die Reinigungsleistung des Katalysator, die den grundlegenden Zweck des
Katalysators darstellt, sinkt. Daher ist es nicht vorzuziehen, die Wärmebehandlung bei
übermäßig hohen Temperaturen durchzuführen.
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In der Folge wird eine praktische Ausführungsform beschrieben.
Ausführungsform 1
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Cordierit-Wabenstrukturkörper wurden in eine Aufschlämmung getaucht und wieder
herausgezogen, bei der es such um eine Aluminiumnitratlösung handelt, die im Handel
erhältliche aktive Aluminiumoxid- und Ceroxid-Pulver enthält. Das Aluminiumoxidpulver
und das Ceroxidpulver haben folgende Beschaffenheit:
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Das Gewichtsverhältnis γ-Aluminiumoxid: Ceroxid beträgt 8 : 2.
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Die verbleibende Aufschlämmung wurde von den Cordierit-Wabenstrukturkörpern
abgewischt, und Trocknen für 2 h bei 150ºC wurde beim Cordierit-Wabenstrukturkörper
mit einer Stegdicke von 0,11 mm dreimal und beim Cordierit-Wabenstrukturkörper mit
einer Stegdicke von 0,17 mm zweimal wiederholt. Daraufhin wurde eine
Wärmebehandlung für 2 h bei den in der nachstehenden Tabelle 1 angeführten Temperaturen
durchgeführt, um Keramikwaben-Katalysatoren zu erhalten. In diesem Fall betrug die
auf den Cordierit-Wabenstrukturkörper aufgetragene Trägermenge 240 g pro Liter
Volumen des Wabenstrukturkörpers.
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Dann wurde an den so erhaltenen Keramikwaben-Katalysatoren eine Wärmebehandlung
in einem Elektroofen bei den in Tabelle 1 angeführten Temperaturen durchgeführt, um
die Keramikwaben-Katalysatoren der Vergleichsbeispiele Nr. 1 bis 3 und der
erfindungsgemäßen Beispiele Nr. 1 bis 3 zu erhalten. Die Anzahl an Proben betrug 5 pro
jeweiliger Temperatur. Daraufhin wurden aus den jeweiligen Probestücken an
Endflächenabschnitten in der Mitte und am Rand sowie an Achsenabschnitten in der Mitte und am
Rand Proben ausgeschnitten. Dann wurde der Wärmeausdehnungskoeffizient der
Endflächen im Bereich von 40 bis 800ºC gemessen, und die anderen vier Proben wurden
für einen Thermoschocktest in einem Elektroofen verwendet. Der Thermoschocktest
wurde auf folgende Weise durchgeführt. Zunächst wurden die Proben 1 h lang in den
bei 600ºC gehaltenen Elektroofen gelegt, aus dem Elektroofen herausgenommen und
im Raum abgelegt. Dann wurde das Erscheinungsbild der Proben mit freiem Auge
betrachtet, bis die Proben vollständig abgekühlt waren. Gleichzeitig wurde die gesamte
Oberfläche der Proben durch leichtes Anschlagen mit einem dünnen Metallstab zum
Klingen gebracht. Wenn keine Risse beobachtet wurden und das Klingen ein klares
metallisches Geräusch war, wurde angenommen, dass die Proben dieser Temperatur
standgehalten hatten. Wenn die Proben den Test bestanden hatten, wurde die Temperatur
des Elekaroofens um 25ºC erhöht, und das gleiche Betrachten und Anschlagen wurde
wiederholt, bis ein Riss beobachtet wurde oder aus dem Klingen ein dumpfes Geräusch
wurde. Dann wurde die Thermoschockbeständigkeit als höchste bestandene Temperatur
angegeben. Die Mittelwerte der gemessenen Daten sind jeweils in der nachstehenden
Tabelle 1 angegeben.
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Das Aluminiumoxid liegt nach der Wärmebehandlung in Form von γ-Aluminiumoxid
vor.
Tabelle 1
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Aus den in Tabelle 1 aufgelisteten Ergebnissen geht hervor, dass die erfindungsgemäßen
Beispiele 1 bis 3, in denen die Wärmebehandlung bei 900 bis 1.000ºC durchgeführt
wurde, eine Verringerung des mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf unter 0,75
· 10&supmin;&sup6;/ºC: und eine Erhöhung der Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Dadurch kann
die Wirkung der vorliegenden Erfindung bestätigt werden. Darüber hinaus ergibt sich
aus dem Ergebnis dieser Ausführungsform 1 die in Fig. 1 dargestellte Beziehung
zwischen der Wärmebehandlungstemperatur und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
oder der Thermoschockbeständigkeit.
Ausführungsform 2
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Das Probestück gemäß Vergleichsbeispiel 1 in Ausführungsform 1 wurde an einem
Testmotor angebracht, und die Laufbedingungen des Testmotors wurden so reguliert, dass
die Temperatur des Mittelachsenabschnitts des Probestücks, d. h. des Katalysators, eine
vorbestimmte Höhe erreichte. Auf diese Weise wurde an drei Probestücken eine
Wärmebehandlung im Testmotor für 5 min bei den in der nachstehenden Tabelle 2
angegebenen Temperaturen durchgeführt. In diesem Fall wurde die Temperaturanstiegsrate
linear auf 500ºC/min reguliert. Der Grund dafür ist, dass, wenn die Temperatur des
Katalysator abrupt erhöht wird, der Katalysator durch Thermoschock bricht, wie nachstehend
beschrieben. Der verwendete Testmotor war ein 4400 cm³-V-Motor, und die
Wärmebehandlung des Katalysators unter der Bedingung durchgeführt, dass die Katalysatoren an
beiden Enden des Testmotors angebracht wurden. Daraufhin wurde auf die gleiche
Weise wie in Ausführungsform 1 ein Probenstück verwendet, um den mittleren
Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 40 bis 800ºC zu messen, und die anderen
beiden Proben wurden für den Thermoschocktest verwendet. Die Mittelwerte der
gemessenen Daten sind jeweils in der nachstehenden Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2
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Aus den in Tabelle 2 aufgelisteten Ergebnissen geht hervor, dass die vorliegende
Erfindung auch dann wirksam ist, wenn die Wärmebehandlung mit einem Abgas aus einem
Kfz-Motor durchgeführt wird. Darüber hinaus ist die aus dem Ergebnis dieser
Ausführungsform 2 resultierende Beziehung zwischen der Wärmebehandlungstemperatur und
dem Wärmeausdehnungskoeffizienten oder der Thermoschockbeständigkeit in Fig. 2
dargestellt.
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Weiters wurde eine Probe, die hergestellt worden war, indem das Probenstück gemäß
Vergleichsbeispiel 1 auf eine Länge von 102 mm geschnitten wurde, unmittelbar nach
dem Krümmer eines 2000 cm³-Viertaktmotors angeordnet. Dann wurde der Motor unter
solchen Laufbedingungen, dass die Temperatur des Mittelachsenabschnitts des
Katalysators 1.00() ºC erreichte, mit Vollgas betrieben. Als Ergebnis bildeten sich in der Probe
gemäß Vergleichsbeispiel 1, bei der die Wärmebehandlung bei 55.0ºC durchgeführt
worden war, im Mittelachsenabschnitt entlang des Umfangs Risse. Wenn der gleiche
Test andererseits mit einer Probe durchgeführt wurde, die durch Schneiden des
Probestücks des erfindungsgemäßen Beispiels 5, bei dem die Wärmebehandlung bei 1.000
ºC durchgeführt worden war, auf eine Länge von 102 mm hergestellt wurde, kam es bei
der nach dem erfindungsgemäßen Beispiel 5 hergestellten Probe nicht zum Bruch.
Ausführungsformen 3 bis 5
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Als Ausführungsform 3 wurde ein im Handel erhältlicher Konverter angekauft, und der
Katalysator im Konverter wurde aus dem Konverter entfernt. Der Katalysator wurde auf
eine Länge von 25 mm geschnitten, um eine Probestück zu erhalten. Jeweils ein
Katalysator wurde im ursprünglichen Zustand belassen. Dann wurden die Katalysatoren und
die Probenstücke gemäß Vergleichsbeispiel 6 und gemäß der Beispiele der Erfindung 7
bis 9 anders als Vergleichsbeispiel 5 auf die gleiche Weise wie in Ausführungsform 1
einer Wärmebehandlung in einem Elektroofen bei den in nachstehender Tabelle 3
angegebenen Temperaturen unterzogen. Der Katalysator gemäß Vergleichsbeispiel 5 wurde
keiner Wärmebehandlung unterzogen. Daraufhin wurden Proben vom Probenstück mit
einer Länge von 25 mm am Mittelabschnitt und am Umfangsabschnitt abgeschnitten,
und der Wärmeausdehnungskoeffizient der Proben wurde auf die gleiche Weise
gemessen wie in Ausführungsform 1. Anschließend wurde mit dem Katalysator eine
Wärmeschockfestigkeitstest auf die gleiche Weise wie bei Ausführungsform 1 durchgeführt. Die
Messdaten der mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten und die Messdaten der
Thermoschockbeständigkeit sind in der nachstehenden Tabelle 3 angegeben.
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Als Ausführungsform 4 wurden die aus dem handelsüblichen Konverter erhaltenen
Katalysatoren auf die gleiche Weise wie bei Ausführungsform 3 eingesetzt. Es wurde jedoch
nur der Wärmeausdehnungskoeffizient gemessen; die Thermoschockbeständigkeit
wurde nicht gemessen. Die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 3 angegeben.
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Als Ausführungsform 5 wurde den die aus dem handelsüblichen Konverter erhaltenen
Katalysatoren Verwendet, und ihr Wärmeausdehnungskoeffizient wurde auf die gleiche
Weise wie bei Ausführungsform 1 gemessen. Für die Thermoschockfestigkeit wurde der
Thermoschocktest wie folgt durchgeführt. Zunächst wurde der Katalysator in einer
Kammer mit einem Konus dicht abgeschlossen. Es wurde angenommen, das ein Testzyklus
so festgelegt war, dass ein Gas mit hohen Temperaturen, das durch Verbrennen von
Propangas erhalten wurde, 5 min lang hindurchströmen gelassen wurde und dann Luft mit
Raumtemperatur 5 min lang hindurchströmen gelassen wurde. Dann wurde der
Katalysator aus der Kammer entgenommen, nachdem in der Kammer 10 Testzyklen
durchgeführt worden waren. Daraufhin wurde das Erscheinungsbild des Katalysators mit freiem
Auge betrachtet, und die Gesamtoberfläche des Katalysators wurde durch leichtes
Anschlagen mit einem dünnen Metallstab zum Klingen gebracht. Wenn keine Risse
beobachtet wurden und das Klingen ein klares metallisches Geräusch war, wurde
angenommen, dass die Katalysatoren einer solchen Temperatur standhalten. Wenn der
Katalysator den Test bestand, wurde die Temperatur des Elektroofens um 25ºC erhöht, und das
gleiche Beobachten und Anschlagen wurde wiederholt, bis Risse beobachtet wurden
oder das Klingen zu einem dumpfen Geräusch wurde. Dann wurde die
Thermoschockbeständigkeit als höchste standgehaltene Temperatur angegeben. Die Mittelwerte der
gemessenen Daten sind jeweils in der nachstehenden Tabelle 3 angeführt.
Tabelle 3
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Aus den in Tabelle 3 gezeigten Ergebnissen geht hervor, dass die vorliegende Erfindung
auch bei einem handelsüblichen, für Kraftfahrzeuge eingesetzten Katalysator wirksam
ist. Weiters sind die aus den Ergebnissen dieser Ausführungsformen 4 und 5
resultierenden Beziehungen zwischen der Wärmebehandlungstemperatur und der
Thermoschockbeständigkeit in Fig. 3 bzw. 4 dargestellt.
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Weiters sind die Fig. 5 bis 8 schematische Ansichten, die jeweils das äußere
Erscheinungsbild eines Teils gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel 7 in Ausführungsform 3,
eines Teils gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel 12 in Ausführungsform 5 bzw.
eines Teils gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel 14 in Ausführungsform 5 zeigen. In
den Fig. 5 bis 8 bezeichnet 1 einen Wabenstrukturkörper (Querschnitt), 2 einen Träger
(Querschnitt) und 3 Risse im Träger. Aus den in den Fig. 5 bis 8 dargestellten
Ergebnissen geht hervor, dass eine Oberfläche des Trägers gemäß vorliegender Erfindung durch
den Riss 3 gebrochen ist.
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Bei der oben genannten Ausführungsform wurden der Elektroofen und das Abgas des
Kraftfahrzeugs verwendet, um die Wärmebehandlung durchzuführen, aber das
Mittelzur Durchführung der Wärmebehandlung ist nicht darauf beschränkt. Allerdings werden
im Fall der Durchführung der Wärmebehandlung im Elektroofen in Luft, wenn die
Wärmebehandlung nach dem Aufbringen von Edelmetall vorgenommen wird, fein
dispergierte Edelmetalle gesintert und bilden Teilchen, und die spezifische Oberfläche des
Edelmetalls wird verringert, so dass sich auch die Reinigungsleistung verschlechtert.
Daher wird es vorgezogen, die Wärmebehandlung vor dem Aufbringen des Edelmetalls
durchzuführen.
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Darüber hinaus ist bei der Ausführungsform unter Verwendung des Elektroofens, wie
oben erwähnt, eine lange Behandlungszeit erforderlich, da im Elektroofen keine
Umwälzvorrichtung verwendet wird und die Wärmeübertragung nur durch eine Wand des
Katalysators erfolgt. Diese Behandlungszeit ist jedoch nicht auf die oben genannte
Ausführungsform beschränkt und wird entsprechend den Eigenschaften des Trägers
zwischen der Wärmebehandlung und der Wärmeausdehnung frei bestimmt. Das gleiche
gilt Für den Fall der Verwendung des Motor-Abgases für die Durchführung der
Wärmebehandlung.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben genannten Ausführungsformen
beschränkt, sondern es sind verschiedene Modifikationen möglich. Beispielsweise ist bei
der oben genannten Ausführungsform die Querschnittsform in radialer Richtung des
Keramikwaben-Strukturkörpers kreisförmig, ist aber nicht auf die Kreisform beschränkt. Die
vorliegende Erfindung ist genauso wirksam, wenn es sich um eine Ellipse handelt.
Darüber hinaus ist die Zellenform nicht auf ein Quadrat beschränkt, wie in der oben
genannten Ausführungsform gezeigt. Weiters wird bei der oben genannten Ausführungsform
Cordierit für den Keramikwaben-Strukturkörper verwendet, aber sie ist ebenfalls nicht
darauf beschränkt.
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Wie oben erwähnt kann gemäß vorliegender Erfindung ein Keramikwabenkatalysator
mit hervorragender Thermoschockbeständigkeit, bei dem die mechanische Festigkeit
des Katalysators nicht beeinträchtigt wird und sich der Träger nicht ablöst, erhalten
werden, indem der Wärmeausdehnungskoeffizient des Trägers, der auf den Keramikwaben-
Strukturkörper aufgetragen wird, entsprechend gewählt wird, und indem die Zunahme
des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Katalysators, bei dem ein Träger, wie z. B. γ-
Aluminiumoxid, auf den Keramikwaben-Strukturkörper aufgebracht wird, auf einem
Minimum gehalten wird.