DE69729597T2

DE69729597T2 - Hitzebeständige Folie aus hochlegiertem, ferritischem Stahl

Info

Publication number: DE69729597T2
Application number: DE69729597T
Authority: DE
Inventors: Tadayuki Tokai-shi Ootani; Atuhiko Tokai-shi Imai; Masayuki Tokai-shi Kasuya; Kazutoshi Chiyoda-ku Iwami; Tooru Chiyoda-ku Utumi; Mikio Futtsu-shi Yamanaka; Hitoshi Chiyoda-ku Ohta; Yoshikuni Tokai-shi Tokunaga; Fujio Tokai-shi Shimizu; Toshihiro Tokai-shi Egami; Tamio Tokai-shi Noda
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-05-09
Filing date: 1997-08-15
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2017-08-16
Also published as: DE69729597D1; WO1998051410A1; EP1293649A3; KR20010012376A; EP0985450B1; EP1293649B1; DE69721326T2; EP0985450A1; EP0985450A4; EP1293649A2; KR100357741B1; TW365548B; DE69721326D1; US6689328B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Metallfolie aus einem ferritischen, hitzebeständigen, hochlegierten Stahl, die einen Metallwabenkörper für einen Katalysator zur Abgasreinigung bildet, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, z. B. einen Kraftfahrzeugmotor.
Ein Metallträger mit einer ausgezeichneten anfänglichen Reinigungsleistung in bezug auf ein Abgas und einem geringen Abgaswiderstand ist in jüngster Zeit in vielen Fällen als Katalysatorvorrichtung eines Kraftfahrzeugs verwendet worden. Der Metallträger dieser Art verwendet einen zylindrischen Wabenkörper, der hergestellt wird, indem eine Metallflachfolie mit einer Metallwellfolie, die durch Umformen zu einer Wellenform hergestellt wird, überlagert wird und diese zu einer Spiralform gewickelt werden, oder einen Wabenkörper, der hergestellt wird, indem die Flachfolie und die Wellfolie in alternierenden Ebenen überlagert werden. Der Metallwabenkörper wird dann in ein Gehäuse, z. B. einen äußeren Metallzylinder, montiert, und die beiden Teile werden miteinander verbunden. Nachdem ein Katalysator auf den Metallwabenkörper aufgebracht worden ist und von diesem getragen wird, dient die resultierende Katalysatorvorrichtung als Abgasreinigungsvorrichtung für das Kraftfahrzeug.
Wie in 1 gezeigt, wird beispielsweise ein herkömmlicher Metallträger 1 hergestellt, indem ein Metallwabenkörper 2, der aus wärmebeständigen, nichtrostenden Stahlfolien besteht, in einen Außenzylinder 3, der aus einem Metall besteht, montiert wird. Der Metallwabenkörper 2 wird hauptsächlich dadurch hergestellt, daß eine etwa 50 μm dicke bandartige Flachfolie 5 mit einer bandartigen Wellfolie 6, die durch Wellung der Flachfolie 5 hergestellt wird, überlagert wird und diese Folien zu einer Spiralform um eine Aufnahmeachse S gewickelt wird, die durch einen Pfeil B in einer Richtung bezeichnet ist, wie in 2 gezeigt.
Eine Kammlinie 7 jeder Welle ist in der bandartigen Wellfolie 6 in einer Breitenrichtung ausgebildet. Der kreisförmige zylindrische Metallwabenkörper 2, der zu einer Spiralform gewickelt ist, hat eine große Anzahl von Zuglöchern 4 in der axialen Richtung des kreisförmigen Zylinders. Der Katalysator wird durch diese Zuglöcher gehalten, wobei ein Abgaskatalysator entsteht.
Der Katalysatorträger muß eine ausgezeichnete Haltbarkeit haben, um starken thermodynamischen Zyklen infolge eines heißen Abgases von einem Motor standzuhalten und außerdem einer vom Motor ausgehenden starken Schwingung standzuhalten. Deshalb sind in dem Metallträger 1 gemäß dem Stand der Technik die Kontaktabschnitte zwischen der Flachfolie 5 und der Wellfolie 6 des Wabenkörpers 2 verbunden, und der Außenumfang des Metallwabenkörpers 2 und der Innenumfang des Außenzylinders 3 sind auch verbunden.
Im allgemeinen verwendet die Metallfolie, die den Metallwabenkörper bildet, zum größten Teil einen sehr wärmebeständigen nichtrostenden Stahl, der aus Cr-Al-Fe besteht. Aluminium (Al) in der Folie wird auf der Oberfläche selektiv zu Al₂O₃ oxidiert, wodurch die Oxidationsbeständigkeit verbessert wird. Deshalb übt der Aluminiumanteil in der Metallfolie deutliche Einflüsse auf die Haltbarkeit des Metallträgers aus.
Das Verbinden im Metallwabenkörper erfolgt, indem durch ein organisches Material, z. B. einen Binder, ein pulvriges Ni-Hartlot auf die Kontaktabschnitte zwischen der Metallflachfolie und der Metallwellfolie aufgebracht und eine Hartlötbehandlung in einem Vakuumofen durchgeführt wird. In diesem Fall neigt Al in den Metallfolien dazu, sich extrem stark und fest mit dem im Hartlot vorhandenen Ni zu verbinden, und Aluminium scheidet sich nahe dem Hartlötabschnitt ab. Dagegen ist Al in der Nähe des Abscheidungsabschnitts nur schwach vorhanden. Infolgedessen verschlechtert sich die Oxidationsbeständigkeit lokal und führt zu einem Haltbarkeitsproblem. Ferner ist das Hartlot unter dem Aspekt der Produktionskosten extrem teuer und behindert die Belieferung der Anwender mit wirtschaftlichen Metallträgern.
Deshalb sind bisher verschiedene Verfahren zur Herstellung des Metallträgers ohne Verwendung des Hartlots vorgeschlagen worden. Beispielsweise offenbart die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokai) 1-266 978 ein Verfahren zur Herstellung eines Metallwabenkörpers durch Verbinden einer Metallflachfolie und einer Metallwellfolie durch ein Festphasendiffusionsverbindungs- bzw. -schweißverfahren bei einer Behandlungstemperatur von 1200°C (850 bis 1200°C in den Ansprüchen) und einem Vakuum von 10^–6 Torr (10^–2 bis 10^–6 Torr in den Ansprüchen). Dieses Verfahren stellt jedoch nicht die Haltbarkeit sicher, die für ein Abgas erforderlich ist. Da dieses Dokument die Behandlungszeit und den Al-Gehalt nach der Behandlung nicht beschreibt, ist auch die Beziehung zwischen diesen Faktoren und der Abgasreinigungsleistung nicht eindeutig. Dagegen schlägt die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokai) 5-168 947 ein Verfahren vor, das die Behandlung bei einer hohen Temperatur (1400°C) durchführt. Da dieses Verfahren jedoch eine Vorrichtung zur Verhinderung einer Al-Verdampfung verwendet, ist das Verfahren unter dem Gesichtspunkt der Produktivität und der Produktionskosten nicht vollständig frei von Problemen.
Beim Diffusionsverbinden bzw. -schweißen werden im allgemeinen die zu verbindenden Materialien in engen Kontakt miteinander gebracht, und ein Oberflächendruck wird auch während der Erwärmung unter Verwendung einer Preßvorrichtung oder eines Gewichts auf sie ausgeübt. Ein solcher Oberflächendruck auf den Metallwabenkörper 2, der spiralförmig gewickelt ist, wie oben beschrieben, kann jedoch nicht von außen aufgebracht werden. Deshalb wird der Oberflächendruck während des Wickelns durch Einwirken einer Rückspannung auf die Flachfolie 5 in einer Pfeilrichtung A, wie in 2 gezeigt, oder durch Einfügen eines Wabenkörpers 2 in den Außenzylinder 3 und anschließendes Reduzieren des Durchmessers des Außenzylinders 3.
Die Rückspannung während des Wickelvorgangs kann jedoch keinen ausreichenden Oberflächendruck auf den Außenumfangsabschnitt des Metallwabenkörpers 2 ausüben, und die Kontraktion des Durchmessers des Außenzylinders 3 kann auch nicht für einen ausreichenden Zylinderoberflächendruck sorgen. Auch wenn beide in Kombination verwendet werden, kann der Oberflächendruck auf den Mittelabschnitt zwischen der Mitte des Wabenkörpers 2 und dessen Außenumfangsabschnitt nicht hinreichend ausgeübt werden. Wenn die Rückspannung erhöht wird, um den Oberflächendruck auszuüben, der für den mittleren Abschnitt notwendig ist, werden die Zuglöcher 4 in der Mitte geknickt. Wenn dagegen der Kontraktionsgrad erhöht wird, werden die Zuglöcher am Außenumfangsabschnitt geknickt.
Um dieses Problem zu lösen, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, daß das Diffusionsverbinden von der Mitte zum Außenumfangsabschnitt zufriedenstellend durchgeführt werden kann, wenn die Oberflächenrauhigkeit der Flachfolie 5 und der Wellfolie 6 reduziert wird und die Rückspannung eingebracht wird und die Kontraktion des Außenzylinderdurchmessers bis zu einem solchen Bereich durchgeführt wird, wo der mittlere Abschnitt des Metallwabenkörpers 2 nicht mehr geknickt wird. Infolgedessen legt die Erfindung die Oberflächenrauhigkeit der Flachfolie 5 und der Wellfolie 6 auf 0,001 μm bis 0,2 μm als mittlere Rauhigkeit (Ra) fest. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben diesen Vorschlag in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) 8-38 912 beschrieben.
Dieses Dokument des Standes der Technik begrenzt die Oberflächenrauhigkeit der Flachfolie 5 und der Wellfolie 6 auf 0,001 bis 0,2 μm als mittlere Rauhigkeit Ra, erwähnt jedoch die Meßrichtung der Oberflächenrauhigkeit nicht. Das Dokument begrenzt auch die Kontaktbreite der Flachfolie 5 und der Wellfolie 6 auf mindestens 30 μm in der Längsrichtung. Wenn nach dem Beispiel dieses Dokuments die Kontaktbreite der Flachfolie und der Wellfolie 20 μm ist, treten Kontaktfehler auch dann auf, wenn Ra 0,1 μm ist.
Nach den Beobachtungen der Erfinder der vorliegenden Erfindung ist die Haltbarkeit des Diffusionsverbindungsabschnitts nicht ausreichend, wenn die in der Querrichtung (C-Richtung) gemessene Oberflächenrauhigkeit groß ist, obwohl die Oberflächenrauhigkeit, die in der Längsrichtung (L-Richtung) der bandähnlichen Flachfolie 5 und der Wellfolie 6 gemessen wird, in dem oben beschriebenen Bereich liegt.
Die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokai) 5-131 144 schlägt den Aufbau vor, bei dem sowohl der Kamm als auch das Tal jeder Welle der Wellfolie 6 einen parallelen Abschnitt mit einer Breite definiert, die größer ist als die Foliendicke, und nachdem diese Wellfolie 6 mit der Flachfolie 5 überlagert ist, werden beide Folien spiralförmig aufgewickelt, um sie in planaren Kontakt zu bringen, und danach werden die Folien diffusionsverbunden, um die Haftfestigkeit zu verbessern.
Die Technologie der oben beschriebenen ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) 8-38 912 reduziert die Oberflächenrauhigkeit der Flachfolie 5 und der Wellfolie 6 und begrenzt die Kontaktbreite auf mindestens 30 μm. Konkrete Beispiele für die Kontaktbreite sind jedoch 30 μm und 200 μm, die im Abschnitt Beispiele offenbart sind. Übrigens erwähnt dieses Dokument nicht die Meßrichtung der Oberflächenrauhigkeit. Nach den Beobachtungen der Erfinder der vorliegenden Erfindung ist auch dann, wenn die Oberflächenrauhigkeit der bandartigen Flachfolie 5 und der Wellfolie 6 in dem oben beschriebenen Bereich liegt, die Haltbarkeit des Diffusionsverbindens auch bei einer Kontaktbreite von 200 μm nicht ausreichend, wenn die in der Querrichtung (C-Richtung) gemessene Oberflächenrauhigkeit hoch ist.
In der Technologie, die in der oben erwähnten ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) 5-131 144 vorgeschlagen wird, ist der parallele Abschnitt auf jeder Welle der Wellenform ausgebildet, um die Flachfolie 5 und die Wellfolie 6 in Oberflächenkontakt zu bringen. Das Dokument legt jedoch nur fest, daß die Breite des parallelen Abschnittes mindestens der Foliendicke entspricht, beschreibt jedoch nicht die konkrete Größe.
Was die Erwärmung während des Diffusionsverbindens betrifft, so ist ferner bisher eine Hochtemperaturerwärmung bei 1250°C oder darüber verwendet worden, aber das Diffusionsverbinden bei einer niedrigeren Temperatur ist auch erwünscht gewesen.
Im allgemeinen nimmt der Katalysatorträger, wenn er in das Abgassystem des Kraftfahrzeugmotors montiert und an diesem befestigt ist, beispielsweise die Schwingung während des Motorbetriebs auf und wird vom Abgas und von der katalytischen Reaktion erwärmt. Er wird beim Anfahren des Motors und während der Beschleunigung schnell erwärmt und während des Bremsens und Anhaltens schnell abgekühlt. Auf diese Weise wiederholt sich der thermische Zyklus von schneller Erwärmung und schneller Abkühlung während des Fahrens, und der Metallträger dehnt sich aus und schrumpft bei diesem thermischen Zyklus.
Wenn der Metallträger schnell erwärmt wird, wird der mittlere Abschnitt des Metallwabenkörpers, in dem die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases am höchsten ist, am schnellsten erwärmt. Dadurch entsteht die Temperaturdifferenz, wobei der Außenzylinder der Atmosphäre ausgesetzt ist und der Außenumfangsabschnitt des Metallwabenkörpers mit dem Außenzylinder Kontakt hält. Infolge dieser Temperaturdifferenz konzentriert sich die Spannung, die aus der Differenz der Wärmeausdehnung resultiert, am Verbindungsabschnitt nahe dem Außenumfangsabschnitt des Metallwabenkörpers oder am Verbindungsabschnitt zwischen dem Metallwabenkörper und dem Außenzylinder, was ebenfalls zu Bruch, Knick oder Ablösung führen kann. Wenn sich der Metallträger schnell abkühlt, tritt eine Temperaturdifferenz zwischen dem mittleren Abschnitt des Metallwabenkörpers, dessen Temperatur mit dem Abfall der Temperatur des Abgases fällt, und dem Außenumfangsabschnitt des Metallwabenkörpers auf, dessen Temperaturabfall verzögert ist. Die Spannung, die aus dieser Wärmeausdehnungsdifferenz entsteht, konzentriert sich an den Abschnitten nahe dem Außenumfangsabschnitt des Metallwabenkörpers und ermöglicht ebenso Bruch, Knick oder Ablösung.
Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, das nur einen Teil der Kontaktabschnitte zwischen der Flachfolie und der Wellfolie des Metallwabenkörpers verbindet oder sie verbindet und dabei gleichzeitig einen Teil des Kontaktabschnitts unverbunden läßt, um die Spannungskonzentration zu mildern, die aus der Wärmeausdehnungsdifferenz resultiert, und um die Haltbarkeit zu verbessern. Die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokai) 5-131 144 bringt ein Verbindungsverhinderungsmittel auf einen vorbestimmten Abschnitt der Wellfolie mit parallelen Abschnitten einer vorbestimmten Breite auf, die größer ist als die Foliendicke am Kamm und am Tal jeder Welle, und wickelt die Wellfolie in Überlagerung mit der Flachfolie so auf, daß nur gewünschte Abschnitte beider Folien stark und fest diffusionsverbunden werden können. Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) 7-328 778 bringt ein Diffusionsverhinderungsmittel auf vorbestimmte Abschnitte der Flachfolie auf und wickelt die Flachfolie in Überlagerung mit der Wellfolie so auf, daß nur vorbestimmte Abschnitte beider Folien diffusionsverbunden werden können.
Als weitere Gegenmaßnahme beschreibt die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokai) 8-229 411 ein Verfahren zur Milderung der Spannungskonzentration durch partielles Verbinden des Metallwabenkörpers und des Außenzylinders. Die Verbindungsabschnitte zwischen dem Metallwabenkörper und dem Außenzylinder sind auf die Abschnitte beschränkt, die eine hohe Diffusionshaftfestigkeit in der axialen Richtung des Metallwabenkörpers haben, und die restlichen Abschnitte bleiben als der nichtverbundene Abschnitt zurück, um das Auftreten und Größerwerden von Rissen in der axialen Richtung des Metallwabenkörpers zu verhindern. Mehrere oder eine geeignete Anzahl von nichtverbundenen Abschnitten sind beabstandet vom äußersten Umfang des Metallwabenkörpers gegenüber den Ausrichtungsabschnitten angeordnet, um das Größerwerden der Risse in der diametralen Richtung des Metallwabenkörpers zu verhindern.
Die oben beschriebene ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokai) 5-131 144 offenbart konkret die Metallträger mit zwei Arten von Strukturen. In der ersten Struktur sind mehrere Windungen des Außenumfangsabschnitts des Metallwabenkörpers und des Abschnitts an der oberen Endfläche diffusionsverbunden, wobei der mittlere Abschnitt an der unteren Endflächenseite unverbunden geblieben ist. In der zweiten Struktur sind mehrere Windungen des Außenumfangsabschnitts des Metallwabenkörpers und der Abschnitte an der oberen und der unteren Endflächenseite diffusionsverbunden, wobei der verbleibende mittlere Abschnitt unverbunden geblieben ist.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben Abkühlungs/Erwärmungs-Haltbarkeitsversuche mit normalen Zyklen von schneller Erwärmung und schneller Abkühlung durchgeführt, wobei die Metallträger mit zwei Arten von Strukturen, die in der oben beschriebenen ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) 5-131 144 beschrieben sind, tatsächlich am Auspuffsystem des Benzinmotors montiert waren. Im Ergebnis haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung nachgewiesen, daß die Metallträger eine ausgezeichnete Haltbarkeit haben, jedoch in den Abkühlungs/Erwärmungs-Haltbarkeitsversuchen unter einer erschwerten Bedingung, nämlich beispielsweise zwischen einer hohen Temperatur von 950°C oder darüber und 150°C nicht ganz zufriedenstellend sind.
Der Metallträger, der in der ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokai) 8-229 411 konkret beschrieben ist, hat in dem Abkühlungs/Erwärmungs-Haltbarkeitsversuch unter einer solchen erschwerten Bedingung auch keine zufriedenstellende Haltbarkeit.
Die in der ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokai) 7-328 778 beschriebene Technologie zeigt, daß ein Verbinden an den nicht zu verbindenden Abschnitten zuverlässiger verhindert werden kann, wenn das Diffusionsverhinderungsmittel auf die Flachfolie und nicht auf die Wellfolie aufgebracht wird. Dieses Dokument beschreibt jedoch nicht konkret, an welchen Abschnitten die nichtverbundenen Abschnitte auszubilden sind. Als weitere Gegenmaßnahme zur Verhinderung von Bruch, Knick und Ablösung des Metallträgers aufgrund von Ausdehnung und Schrumpfung im Wabenkörper infolge des oben beschriebenen thermischen Zyklus von schneller Erwärmung und schneller Abkühlung schlägt die ungeprüfte japanische Gebrauchsmusterveröffentlichung (Kokai) 3-61 113 ein Verfahren vor, das die Flachfolie, die den Metallwabenkörper bildet, streckt, sie so um den Wabenkörper wickelt, daß eine mehrlagige Struktur der Flachfolie entsteht und den hinteren Endabschnitt dieser Flachfolie mit dem Außenzylinder verschmilzt. Auf diese Weise absorbiert die Vorrichtung in diesem Dokument durch die mehr lagige Struktur der Flachfolie die Ausdehnung und Schrumpfung infolge des thermischen Zyklus, erhöht die Haftfestigkeit mit dem Außenzylinder und verhindert das Auftreten von Zwischenräumen und Rissen am oder in der Nähe des äußersten Umfangabschnitts des Metallwabenkörpers.
Ein weiteres Dokument, nämlich die ungeprüfte japanische Gebrauchsmusterveröffentlichung (Kokai) 5-9 638, schlägt folgende Technologie vor: Verbessern der äußeren Formgenauigkeit des Metallträgers, der durch abwechselnde Laminierung von Flachfolien und Wellfolien so ausgebildet wird, daß ein mehrlagiges Teil entsteht, und Verbiegen des mehrlagigen Teils zu einer S-Form, indem mindestens eine, nämlich die Wellfolie und/oder die Flachfolie, die das mehrlagige Teil bildet, bis zu einer Länge gestreckt wird, die größer ist als die Länge der anderen, nämlich der Wellfolie bzw. der Flachfolie, und Wickeln dieses extralangen Abschnitts um den äußersten Umfang.
Ein Abgaskatalysators erfüllt seine Funktion bei der Reaktion zur Unschädlichmachung schädlicher Gase im Abgas nur dann, wenn die Temperatur die Aktivierungstemperatur des Katalysators überschreitet. Deshalb erfolgt die Erwärmung des Abgaskatalysators vorzugsweise so schnell wie möglich. Es ist zur Lösung dieser Aufgabe vorteilhaft, das heiße Abgas einzuleiten, wenn der Abgaskatalysator nahe dem Motor angeordnet ist, und es schnell auf eine hohe Temperatur zu erwärmen. Das Problem der Wärmeausdehnungsdifferenz wird bei dieser schnellen Erwärmung auf eine hohe Temperatur jedoch noch beachtlicher.
Nach den in den ungeprüften japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichungen (Kokai) 3-61 113 und 5-9 638 beschriebenen Technologien sind die Lagen der Flachfolie oder die Lagen der Wellfolie in der mehrlagigen Struktur der auf den Metallwabenkörper gewickelten Flachfolie und Wellfolie nicht miteinander verbunden. Dadurch ist die Haltbarkeit unter der erschwerten Bedingung, wo der Abgaskatalysator nahe dem Motor angebracht und schneller auf eine höhere Temperatur erwärmt wird, nicht immer zufriedenstellend.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Metallwabenkörper bereitzustellen, der unter allen Aspekten der Abgasreinigungsleistung, der Motorlebensdauer und der Produktionskosten vorteilhafter ist als die bekannten Vorrichtungen, indem zuerst die Foliendicke festgelegt, als nächstes die Wärmebehandlungsbedingung des Festphasendiffusionsverbindens festgelegt und ein ausreichendes Verbinden der nichtrostenden Stahlfolien, insbesondere der Al-haltigen, hochwärmebeständigen, ferritischen, nichtrostenden Stahlfolien, sichergestellt wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Oberflächenbedingung der Metallfolien zu verbessern, um das Festphasendiffusionsverbinden der Metallfolien eines Metallwabenkörpers vorteilhaft auszuführen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die Form der Kontaktabschnitte zwischen den Metallfolien zu verbessern, um das Festphasendiffusionsverbinden zwischen den Metallfolien des Wabenkörpers zuverlässig auszuführen.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Metallträger bereitzustellen, der es ermöglicht, daß der Metallwabenkörper der erschwerten Bedingung der thermischen Zyklen von schneller Erwärmung und schneller Abkühlung durch das Abgas standhält.
Die oben beschriebenen Aufgaben können mit den Merkmalen gelöst werden, die in den Ansprüchen definiert sind.
Nachstehend wird eine Einrichtung zur Lösung der oben beschriebenen Aufgaben beschrieben.
Das erste Merkmal der Erfindung ist ein Wabenkörper mit einer Flachfolie und einer Wellfolie, die jeweils aus einem ferritischen, Al-haltigen, nichtrostenden Stahl bestehen, wobei die Dicke mindestens einer, nämlich der Flachfolie und/oder der Wellfolie auf weniger als 40 μm, vorzugsweise 10 bis 35 μm begrenzt ist und zumindest die Abschnitte der Folien, die einer Festphasendiffusionsverbindung unterzogen werden, mindestens 3,0 Gew.-% Al enthalten; und ist außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Wabenkörpers durch Wärmebehandeln eines solchen Wabenkörpers bei einer Wärmebehandlungstemperatur von 1100 bis 1250°C für eine Behandlungszeit von 30 bis 90 min und bei einem Vakuum von 3 × 10^–4 bis 5 × 10^–5 Torr bei Erreichung der Wärmebehandlungstemperatur, Festphasendiffusionsverbinden der Kontaktabschnitte zwischen der Flachfolie und der Wellfolie des Wabenkörpers und Herstellen des Wabenkörpers.
Das heißt, die Foliendicke des Metallwabenkörpers ist auf die oben beschriebene Foliendicke begrenzt und der Metallwabenkörper wird unter der oben beschriebenen Wärmebehandlungsbedingung wärmebehandelt. Infolgedessen tritt eine mikroskopische Deformation an der Folienoberfläche in einem solchen Maß auf, daß Unebenheiten auf der Oberfläche der Folien ausgefüllt werden, und es entsteht eine makroskopische Deformation durch Verformung der oberen Abschnitte der Wellfolie entlang der Flachfolie, um die Kontaktfläche drastisch zu vergrößern und die Festphasendiffusionsverbindungsfähigkeit drastisch zu verbessern.
Wenn der Metallwabenkörper auch nach der oben beschriebenen Wärmebehandlung 3 bis 10% Al enthält, dann kann der Anteil des Al, der während des Fahrens des Kraftfahrzeugs (während der Motorlebensdauerprüfung) verbraucht wird, d. h. etwa 3,0%, bei der Foliendicke von 10 μm auch dann enthalten sein, wenn die oben beschriebene Wärmebehandlung auf den Metallwabenkörper angewendet wird. Infolgedessen kann die Haltbarkeit verbessert werden.
Was den Metallwabenkörper betrifft, so ist das zweite Merkmal der Erfindung ein Metallwabenkörper, bei dem die Oberflächenrauhigkeit der Flachfolie und der Wellfolie, die aus einem ferritischen, Al-haltigen, nichtrostenden Stahl bestehen, 0,001 bis 0,3 μm als mittlere Rauhigkeit Rac in der Richtung der Zuglöcher des Wabenkörpers (in der Breitenrichtung der Folien) beträgt und/oder die Oberflächenform und -bedingung der Folien mindestens 100 als Anzahl der Kämme PPI pro Zoll Länge in der Richtung der Zuglöcher beträgt und die Kontaktabschnitte zwischen den Folien durch Diffusionsverbindung verbunden werden. Ein solches Diffusionsverbinden erfolgt vorzugsweise bei 1100 bis 1250°C.
Eine solche Oberflächenbedingung der Folien kann der Diffusionsverbindungsgrad der Verbindungsabschnitte verbessern und kann die Verdampfung der wärmebeständigen Legierungselemente beider Folien unterdrücken, da die Diffusionsverbindungstemperatur nur 1250°C oder weniger beträgt. Die Foliendicke ist insbesondere nicht begrenzt. Insbesondere wenn die Foliendicke kleiner als 40 μm ist, kann die Wärmebehandlungszeit jedoch verkürzt und die Wärmebehandlungstemperatur herabgesetzt werden. Da die Zeit bis zur Erreichung der Katalysatoraktivierungstemperatur (300 bis 350°C) verkürzt werden kann, kann auch die anfängliche Reinigungsleistung verbessert werden.
Der oben beschriebene Wabenkörper wird mit den folgenden Schritten hergestellt: Wellen einer bandartigen Flachfolie mit einer Oberflächenrauhigkeit von 0,001 bis 0,3 μm als mittlere Rauhigkeit in der Breitenrichtung und/oder mit einer Anzahl von Kämmen PPI von mindestens 100 pro Zoll Länge in der Breitenrichtung, so daß sich die Kammlinie jeder Welle in der Breitenrichtung erstreckt, Überlagern der Wellfolie mit der Flachfolie, spiralförmiges Wickeln derselben zu einem Wabenkörper und Wärmebehandeln des Wabenkörpers bei einer Temperatur im Bereich von 1100 bis 1250°C, um die Kontaktabschnitte zwischen diesen Folien durch Diffusionsverbindung zu verbinden.
Was den Wabenkörper betrifft, so ist das dritte Merkmal der Erfindung der Wabenkörper, wobei die Breite der Kontaktabschnitte zwischen einer bandartigen Flachfolie und einer Wellfolie, die jeweils aus einem ferritischen, Al-haltigen, nichtrostenden Stahl bestehen, in der Längsrichtung mindestens das Fünffache der Dicke jeder, nämlich der Flachfolie und der Wellfolie beträgt und diese Folien durch Diffusionsverbindung verbunden werden. Vorzugsweise wird eine Rückspannung von 0,2 bis 1,5 kp/cm pro Einheitsbreite der Flachfolie, was weniger ist als in normalen Fällen, auf die Flachfolie eingebracht.
In dem Metallwabenkörper mit einem solchen Aufbau überschreitet die Kontaktbreite zwischen der Flachfolie und der Wellfolie eine spezifische Breite. Deshalb füllt der Metalldampf aus Al usw. den Zwischenraum der Kontaktabschnitte zwischen beiden Folien, verhindert das Eindringen von Sauerstoff und unterdrückt die Al₂O₃-Oxidation usw. im Kontaktgrenzbereich. Infolgedessen können die Kontaktabschnitte ohne beson dere Erhöhung des Oberflächendrucks diffusionsverbunden werden.
Die Foliendicke in diesem Fall ist insbesondere nicht begrenzt, wie bei dem "zweiten Merkmal".
Der oben beschriebene Metallwabenkörper wird mit den folgenden Schritten hergestellt: Ausbildung eines parallelen Abschnitts mit einer Breite, die mindestens das Fünffache der Foliendicke an jedem, nämlich dem Kamm und dem Tal jeder Welle der bandartigen Wellfolie beträgt, Überlagern der Wellfolie mit der bandartigen Flachfolie und spiralförmiges Wickeln derselben zu einem Wabenkörper, wobei gleichzeitig eine Rückspannung von 0,2 bis 1,5 kp/cm pro Einheitsbreite der Flachfolie in die Flachfolie eingebracht wird. Dieser Wabenkörper wird bei einer Vakuumbehandlungstemperatur von 1100 bis 1250°C und vorzugsweise bei einer Temperatur T, die die folgende Beziehung erfüllt, entsprechend der mittleren Rauhigkeit Rac (μm) der Flachfolie in der Breitenrichtung wärmebehandelt: 104/(T + 273) ≤ –0,43 log Rac + 6,43
Daher kann der Diffusionsverbindungseffekt ferner erreicht werden, indem nämlich die Folien mit der Oberflächenrauhigkeit verwendet werden, die im oben beschriebenen "zweiten Merkmal" beschrieben sind.
Bei dem Metallwabenkörper mit Folien, die aus einem ferritischen, Al-haltigen, nichtrostenden Stahl bestehen, ist das vierte Merkmal der Erfindung der Aufbau, wobei ein nichtverbundener Abschnitt, bei dem der Kontaktabschnitt der Flachfolie und der Wellfolie nicht verbunden sind, in einer oder mehreren Positionen, die um mindestens 1/2 Radius von der Mittelachse des Metallwabenkörpers beabstandet und innerhalb des Außenumfangs sind, ausgebildet wird, um sich von einem der Enden auf einer Gasaustrittsseite als dem Anfangspunkt bis zu einer Position, die in den Längenbereich von 9/20 bis 9/10 der vollen Länge des Metallwabenkörpers in der Richtung der Mittelachse fällt, als einem Endpunkt zu erstrecken, um mindestens eine Windung um den vollen Umfang zu überdecken, und die restlichen Kontaktabschnitte zwischen der Flachfolie und der Wellfolie werden durch Festphasendiffusionsverbindung verbunden.
Vorzugsweise ist der verbundene Abschnitt mit einer Länge, die nicht größer als 1/2 der vollen Länge in der Längsrichtung des Metallwabenkörpers ist, im Grenzbereich zwischen dem Metallwabenkörper und dem Außenzylinder mit einer Position ausgebildet, die um mindestens 1/3 der vollen Länge des Metallwabenkörpers in der axialen Richtung von einem der Enden auf der Gaseintrittsseite als dem Anfangspunkt bis zum anderen Ende auf der Gasaustrittsseite als Endpunkt beabstandet ist, und die restlichen Abschnitte des Grenzbereichs sind nichtverbundene Abschnitte.
Wenn der nichtverbundene Abschnitt im Metallwabenkörper unter einer solchen Bedingung ausgebildet ist, unterliegen die Metallfolienabschnitte, die auf der Seite der Mittelachse von dem nichtverbundenen Abschnitt an einer Schrumpfung zur Gasaustrittsseite entsprechend dem Zyklus von schneller Erwärmung und schneller Abkühlung durch das Abgas, wodurch die Spannungskonzentration gemildert wird. Folglich hat der Metallwabenkörper bei einem solchen thermischen Zyklus eine ausgezeichnete Haltbarkeit. Die Foliendicke in diesem Fall ist insbesondere nicht begrenzt, wie bei dem "zweiten Merkmal".
Um den Metallwabenkörper herzustellen, wird ein diffusionsverhinderndes Mittel auf den nichtverbundenen Abschnitt aufgebracht, und nachdem die bandartigen Metallfolien gewickelt sind, erfolgt die Diffusionsverbindungsbehandlung. In diesem Fall wird, nachdem die bandartigen Metallfolien zu dem Metallwabenkörper gewickelt worden sind, der Wabenkörper in den Außenzylinder eingefügt. Dann kann, nachdem das Hartlot mit dem Verbindungsabschnitt verbunden und das diffusionsverhindernde Mittel auf andere Positionen aufgebracht worden ist, die Diffusionsverbidnungsbehandlung durchgeführt werden.
Somit kann der ausgezeichnete Metallträger hergestellt werden, indem der nichtverbundene Abschnitt im Metallwabenkörper ausgebildet wird, der in jedem der oben beschriebenen "ersten bis dritten Merkmale" beschrieben ist.
Das fünfte Merkmal der Erfindung besteht darin, daß ein Mantel ausgebildet wird, indem mindestens zwei Windungen einer Flachfolie oder einer Wellfolie um den Außenumfang eines Metallwabenkörpers mit diesen Flach- und Wellfolien gewickelt wird, wobei jede aus ferritischem, Al-haltigem, nichtrostendem Stahl besteht und die Flachfolien oder die Wellfolien, die den Mantel bilden, miteinander verbunden werden.
Der auf diese Weise hergestellte Metallwabenkörper wird in den Außenzylinder eingefügt, und die Folien werden miteinander verbunden, und die Außenumfangsfläche der Folien und die Innenumfangsfläche des Außenzylinders werden verbunden. Auf diese Weise wird der Metallträger hergestellt, und ein Katalysator wird getragen, um einen Abgaskatalysator zu bilden. Wenn dieser Abgaskatalysator verwendet wird, tritt eine Temperaturdifferenz zwischen dem Metallwabenkörper und dem Außenzylinder in Abhängigkeit von den Zyklen von schneller Erwärmung und schneller Abkühlung auf, und die Spannung, die aus der Temperaturdifferenz resultiert, konzentriert sich im und nahe an deren Grenzbereich. Der feste und einstückige Mantel kann jedoch den Bruch des Metallwabenkörpers verhindern. Daher kann dieser Metallträger die Haltbarkeit gegen Abweichung in seiner axialen Richtung verbessern.
Die Spannungskonzentration, die im Metallwabenkörper auftritt, kann drastisch gemildert werden, indem der Umfang des Metallwabenkörpers, an dem sich die nichtverbundenen Abschnitte befinden, die im "vierten Merkmal" beschrieben sind, durch den oben beschriebenen Mantel stark geschützt wird, und infolgedessen kann eine höhere Haltbarkeit gegen die Abweichung in der axialen Richtung des Wabenkörpers erreicht werden. Die Foliendicke in diesem Fall ist nicht besonders beschränkt, wie beim "zweiten Merkmal".
Der oben beschriebene Metallträger wird mit den folgenden Schritten hergestellt: Wickeln mindestens einer weiteren Windung eines Bandteils der Flachfolie oder der Wellfolie, die den Metallwabenkörper bildet, um den Außenumfang des oben beschriebenen Metallwabenkörpers, Einfügen des resultierenden Metallwabenkörpers in den Außenzylinder, Durchführen der Verbindungsbehandlung, Diffusionsverbinden der Metallfolien miteinander, die den Metallwabenkörper bilden, und der Metallfolien miteinander, die den Mantel bilden, und Hartlöten des Außenumfangs des Mantels und des Außenzylinders mit dem Hartlot.
Das oben beschriebene Diffusionsverbinden erfolgt durch Vakuumwärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 1100 bis 1250°C. Die Vakuumwärmebehandlung erfolgt jedoch vorzugsweise bei einer Temperatur (T°C) in dem unten angegebenen Bereich entsprechend der Foliendicke (t μm) des Metallwabenkörpers. Die Foliendicke des Metallwabenkörpers ist vorzugsweise kleiner als 40 μm. Wenn der Mantel durch gesondertes Wickeln des Folienbandes ausgebildet wird, kann eine Folie mit einer Dicke von 50 bis 100 μm verwendet werden: 1100 ≤ T ≤ 1,7 t + 1165
1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Metallträger nach dem Stand der Technik als Ganzes zeigt.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Herstellungsbeispiel für einen Metallwabenkörper zeigt, der den in 1 gezeigten Metallträger bildet.
3 ist ein Diagramm, das eine Vakuumbehandlungsbedingung (Vakuumgrad: 1 × 10^–4 Torr) zeigt, wenn mindestens 4% des Al in Metallfolien mit einer Foliendicke von 50 μm verbleibt.
4 ist ein Diagramm, das eine Vakuumbehandlungsbedingung (Vakuumgrad 1 × 10^–4 Torr) zeigt, wenn mindestens 4% des Al in Metallfolien mit einer Foliendicke von weniger als 40 μm verbleibt.
5 ist ein Diagramm, das eine Vakuumbehandlungsbedingung (Vakuumgrad 1 × 10^–4 Torr) zeigt, wenn mindestens 4% des Al in Metallfolien mit einer Foliendicke von weniger als 35 μm verbleibt.
6 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis der Prüfung einer Bedingung zum Festdiffusionsverbinden bei einer Foliendicke von 50 μm zeigt.
7 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis der Prüfung einer Bedingung zum Festphasendiffusionsverbinden einer Flachfolie oder einer Wellfolie mit einer Foliendicke von weniger als 40 μm zeigt.
8 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis der Prüfung einer Bedingung zum Festphasendiffusionsverbinden einer Well folie und einer Flachfolie mit einer Foliendicke von nicht mehr als 35 μm zeigt.
9 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis der Prüfung einer Bedingung zum Festphasendiffusionsverbinden zeigt, wenn mindestens 4% des Al entweder in der Wellfolie oder in der Flachfolie mit einer Foliendicke von weniger als 40 μm verbleibt.
10 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis der Prüfung einer Bedingung zum Festphasendiffusionsverbinden einer Wellfolie und einer Flachfolie zeigt, wenn mindestens 4% Al in den Folien mit einer Foliendicke von weniger als 35 μm verbleibt.
11(a) bis 11(c) sind vergrößerte erläuternde Ansichten, die verschiedene Beispiele des Haftzustands der Flachfolie und der Wellfolie zeigen, die einen Wabenkörper bilden, wobei 11(a) und 11(b) die Differenz der Foliendicke überdeutlich darstellen.
12(a) zeigt eine Oberflächenrauhigkeit vor einer Vakuumwärmebehandlung, und 12(b) zeigt die Oberflächenrauhigkeit nach der Vakuumwärmebehandlung.
13 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Wärmebehandlungstemperatur, die einer Oberflächendiffusion zugeordnet ist, und einer Foliendicke zeigt.
14 ist eine vergrößerte perspektivische Teilansicht eines Metallwabenkörpers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
15(a) und 15(b) sind konzeptionelle Ansichten, die jeweils einen erfindungsgemäßen Verbindungsabschnitt zwischen einer Flachfolie und einer Wellfolie zeigen, wobei 15(a) den Zustand vor dem Verbinden und 15(b) den Zustand nach dem Verbinden zeigt.
16 ist ein Diagramm zur Beschreibung der Gründe für die erfindungsgemäße Begrenzung der Oberflächenrauhigkeit Rac.
17 ist eine erläuternde Ansicht, die die Rauhigkeit der Flachfolie und der Wellfolie in einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
18 ist eine erläuternde Ansicht, die die Rauhigkeit der Flachfolie und der Wellfolie in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt.
19 ist eine erläuternde Ansicht, die die Rauhigkeit der Flachfolie und der Wellfolie in einem Beispiel des Standes der Technik zeigt.
20 ist ein Diagramm zur Beschreibung der Gründe für eine erfindungsgemäße Begrenzung der Oberflächenrauhigkeit PPI.
21 ist eine Vorderansicht, die ein Beispiel eines Verbindungsabschnitts zwischen der Flachfolie und der Wellfolie im Metallwabenkörper in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt.
22(a) ist eine Seitenansicht, die ein Beispiel der Form einer Wellenform (Trapezkurve) in einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
22(b) ist eine Seitenansicht, die die Form einer Wellfolie (Sinuskurve) in einem Beispiel des Standes der Technik zeigt.
23 ist ein Diagramm, das die erfindungsgemäße Beziehung zwischen einer mittleren Rauhigkeit, die eine bevorzugte Bedingung zum Diffusionsverbinden darstellt, und einer Vakuumwärmebehandlungstemperatur zeigt.
24 ist ein Diagramm, das das Ergebnis eines erfindungsgemäßen Kaltdrückversuchs mit einem Objektmaterial zeigt.
25 ist eine Schnittansicht eines Metallträgers in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
26 ist eine Schnittansicht, die die Deformationsbedingung zeigt, wenn der Metallträger der in 25 gezeigten Ausführungsform verwendet wird.
27 ist eine Schnittansicht, die ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Metallträgers zeigt.
28 ist eine Schnittansicht, die noch ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Metallträgers zeigt.
29 ist eine Schnittansicht, die die Deformationsbedingung zeigt, wenn ein weiteres Beispiel des Metallträgers erfindungsgemäß verwendet wird.
30 ist eine Schnittansicht, die noch eine weitere erfindungsgemäßes Ausführungsform des Metallträgers zeigt.
31 ist eine Schnittansicht, die noch ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Metallträgers zeigt.
32 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Verfahren zur Herstellung des Wabenkörpers des in 25 gezeigten Metallkörpers zeigt.
33 ist eine perspektivische Ansicht, die ein weiteres erfindungsgemäßes Beispiel des Verfahrens zur Herstellung des Metallträgers zeigt.
34 ist eine Schnittansicht, die noch ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Metallträgers zeigt.
35 ist eine Schnittansicht, die noch ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Metallträgers zeigt.
36 ist eine Schnittansicht, die noch ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Metallträgers zeigt.
37 ist eine Schnittansicht, die noch ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Metallträgers zeigt.
38 ist eine Schnittansicht, die noch ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Metallträgers zeigt.
39 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Verfahren zur Herstellung des in 36 gezeigten Wabenkörpers des Metallträgers zeigt.
40 ist eine perspektivische Ansicht, die das Verfahren zur Herstellung des Metallträgers durch Einfügen des in 39 gezeigten Wabenkörpers in einen Außenzylinder zeigt.
41 ist ein Diagramm zur Beschreibung der Beziehung zwischen einer Vakuumwärmebehandlungstemperatur und einer Foliendicke bei dem erfindungsgemäßen Metallträger.
42 ist ein Blockschaltbild eines Drückversuchsgeräts für den Metallträger.
43(a) und 43(b) sind schematische Ansichten, die die Kaltflußform des Wabenkörpers des Metallträgers zeigen, die durch den in 42 gezeigte Drückversuch entsteht, wobei 42(a) den Fall zeigt, wo kein Fehler auftritt, und 42(b) den Fall zeigt, wo ein Fehler auftritt.
44 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel des Metallträgers nach dem Stand der Technik zeigt.
45 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel des erfindungsgemäßen Metallträgers zeigt, der mit einem Mantel ausgestattet ist.
46 ist eine Schnittansicht, die ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Metallträgers zeigt, der mit dem Mantel ausgestattet ist.
47 ist eine Schnittansicht, die ein weiteres Beispiel des Metallträgers, der nicht mit dem Mantel ausgerüstet ist, als Vergleichsbeispiel zeigt.
Das erfindungsgemäß verwendete Diffusionsverbinden betrifft ein Verbinden bzw. Verschweißen, bei dem Atome diffundieren, und zwar in einer Richtung, in der die Oberflächenenergie abnimmt, hauptsächlich auf einer Kontaktfläche zwischen zwei Flächen. Faktoren für diese Verbindungsbedingung sind u. a. eine Oberflächenbehandlung, die Rauhigkeit der Metallflächen, die Behandlungstemperatur, die Behandlungszeit und der Druck der Haftflächen. Außerdem sind mechanische und metallurgische Faktoren des Materials auch sehr wichtig. Da die bekannten Erfindungen hauptsächlich die Behandlungstemperatur und die Behandlungszeit hervorheben, sind sie nicht frei von Metallverdampfung des Al.
Dagegen berücksichtig die erste Erfindung dieser Anmeldung (nachstehend als die "vorliegende Erfindung" bezeichnet) besonders die mechanischen Faktoren der Materialien. Die Dicken der Metallfolien des Metallwabenkörpers, der den Metallträger bildet, sind im allgemeinen 40 bis 100 μm. Es ist bisher üblich, eine Spannung in die Metallflachfolie einzubringen, wenn die Flachfolie und die Wellfolie miteinander überlagert und gewickelt werden. Wenn die Metallfolien mit einer solchen Dicke gewickelt und diffusionsverbunden werden, ist daher die Anpassung an den Kontaktabschnitten zwischen der Wellfolie und der Flachfolie aufgrund der Starrheit, die aus der Foliendicke resultiert, gering. Folglich treten Kriechen der Metallfolien und gegenseitige Diffusion der Atome während der Diffusionsverbindungsbehandlung nicht ohne weiteres auf, und das zufriedenstellende Festphasendiffusionsphänomen tritt auch nicht ohne weiteres auf.
Die vorliegende Erfindung stellt den Wabenkörper durch das Festphasendiffusionsverbindungsverfahren unter Verwendung einer Metallfolie mit einer Foliendicke von weniger als 40 μm bei mindestens einer, nämlich der Metallflachfolie und/oder der Metallwellfolie her. Wenn eine Metallfolie mit einer Foliendicke von weniger als 40 μm unter einer bestimmten Spannung gewickelt wird, wird der obere Abschnitt der Wellfolie durch die Flachfolie zusammengedrückt und deformiert. Da die Flachfolie entlang der Wellfolie auch deformiert wird, wird die Fläche des Kontaktabschnitts zwischen der Flachfolie und der Wellfolie makroskopisch größer, so daß das Phänomen der gegenseitigen Diffusion gefördert wird.
Wenn eine Metallfolie mit einer Foliendicke von nicht größer als 35 μm auf einer Temperatur von 1100°C oder mehr gehalten wird, wird das Volumen des Basismetalls kleiner. Infolgedessen wird die Stärke der Oberflächenenergie, die durch die Oberflächenrauhigkeit am Kontaktabschnitt beider Folien entsteht, relativ größer. Diese Oberflächenenergie dient ihrerseits als Antriebskraft, die eine Diffusion der Atome hervorruft und eine mikroskopische Deformation bewirkt, so daß die Unebenheit auf den Oberflächen mit dem Ergebnis einer drastischen Zunahme der Kontaktfläche ausgefüllt wird.
Es ist bisher anerkannt, daß die oben beschriebene makroskopische und mikroskopische Deformation die Festphasendiffusionsverbindungsfähigkeit bei Metallfolien mit einer Foliendicke von nicht mehr als 40 μm drastisch verbessern.
Da die Foliendicke 35 μm überschreitet und sich 40 μm nähert, wird eine solche mikroskopische Deformation, bei der die Oberflächenunebenheit ausgefüllt wird, geringer, und die Behandlungszeit wird länger. Wenn die Foliendicken der Flachfolie und der Wellfolie unter 35 μm sinken, nimmt die mikroskopische Deformation zu, und die Anpassung des Kontaktabschnitts kann durch Verkürzung der Behandlungszeit drastisch verbessert werden. Wenn die Foliendicke kleiner als 10 μm ist, kann die Starrheit der Folien während des Wickelns beibehalten werden. Da die Herstellung der Folien selbst in diesem Fall schwierig wird, ist die praktische untere Grenze der Foliendicke 10 μm. Aus diesem Grund liegt die Dicke der Flachfolie und der Wellfolie erfindungsgemäß besonders bevorzugt im Bereich von 10 bis 35 μm.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß mindestens 3,0% des Al in den Metallfolien des Metallwabenkörpers verbleibt. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben Experimente durchgeführt, indem sie einen Metallträger, der aus hochwärmebeständigem, nichtrostendem, ferritischem 5%Al-20%Cr-Fe-Stahlfolien bestand (mit einer Foliendicke von 10 μm), an ein echtes Kraftfahrzeug montierten und Fahrversuche von annähernd 100000 km durchgeführten. Das experimentelle Ergebnis hat gezeigt, daß der Al-Gehalt vor Beginn des Versuchs 4,85% ist, aber nach Beendigung des Versuchs auf 0,96 sinkt. Das heißt, etwa 4,0% des Al wurde während des Haltbarkeitsversuchs verbraucht. Der absolute Anteil des Al an den Metallfolien ändert sich mit der Dicke der Folien, aber der Al-Anteil, der während der Motorlebensdauerprüfung verbraucht wird, ist der gleiche. Daher gilt: Je kleiner die Foliendicke ist, um so niedriger ist die Haltbarkeit und um so kürzer die Betriebslebensdauer. Ferner ist die Montageposition des Trägers mit Wahrscheinlichkeit so nahe wie möglich am Motor, um die Reinigungsleistung beim Anfahren des Motors zu verbessern. Dies bedeutet, daß das Umfeld der Verwendung des Trägers schwieriger wird. Die Beständigkeit gegen Oxidation wird durch die Dicke der Metallfolien beeinflußt, aber die Menge des Al-Verbrauchs der Folien mit einer Foliendicke von 10 μm, d. h. der kleinsten Dicke, wird als Bezugsgröße angenommen. Aus diesen Gründen legt die vorliegende Erfindung die Bedingung fest, daß mindestens 3% Al in den Metallfolien des Trägers verbleibt.
Die vorliegende Erfindung begrenzt auch die Vakuumbehandlungsbedingung auf eine Behandlungstemperatur von 1100 bis 1250°C, eine Behandlungszeit von 30 bis 90 min und einen Vakuumgrad von 3 × 10^–4 bis 5 × 10^–5 Torr bei Erreichung der Behandlungstemperatur. Die unteren Grenzwerte der Bedingungen zur Ausführung des Festphasendiffusionsverbindens und die oberen Grenzwerte sind die Bedingung dafür, daß mindestens 3% des Al verbleiben kann.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung weiter konkret beschrieben.
In einem erfindungsgemäßen Metallträger 1 ist ein Metallwabenkörper 2 in einen Außenzylinder 3 aus einem Metall eingefügt, wie in 1 gezeigt. Der Metallwabenkörper 2 wird ausgebildet, indem eine bandartige Flachfolie 5 aus einem wärmebeständigen nichtrostenden Stahl mit einer bandartigen Wellfolie 6, die durch Wellung der Flachfolie 5 hergestellt wird, miteinander überlagert werden und diese spiralförmig gewickelt werden, wie in 2 gezeigt. Eine Kammlinie 7 ist an jeder Welle der bandartigen Wellfolie 6 in einer Breitenrichtung ausgebildet. Der kreisförmige zylindrische Metallwabenkörper 2, der spiralförmig gewickelt ist, hat daher eine große Anzahl von Zuglöchern 4 in der axialen Richtung des kreisförmigen Zylinders.
Ein ferritischer, nichtrostender Stahl, der 3 bis 10 Al und 15 bis 25% Cr als wärmebeständige Legierungselemente enthält, z. B. 20%Cr-5%Al-Fe-Stahl, wird als Material für den Metallwabenkörper 2 verwendet. Da die Anforderung an die Wärmebeständigkeit des Außenzylinders 3 nicht so hoch ist wie an den Metallwabenkörper 2, kann ein nichtrostender Stahl, der die wärmebeständigen Legierungselemente, z. B. Al, nicht enthält, für den Außenzylinder 3 verwendet werden.
Wenn die Metallflachfolie und die Metallwellfolie, die zusammen den Metallwabenkörper bilden, festphasendiffusionsverbunden werden, muß eine Vakuumbehandlungsbedingung verwendet werden, unter der Al in den Metallfolien nicht merklich abnimmt. Bei dem Metallträger, der aus den Folien (etwa 50 μm dick) hergestellt wird, die aus dem hochwärmebeständigen, ferritischen, nichtrostenden 20%Cr-5%Al-Fe-Stahl bestehen, ist in der Vergangenheit eine Vakuumbehandlungsbedingung, nämlich eine relativ hohe Temperatur, eine relativ lange Zeit und ein niedriges Vakuum notwendig gewesen, wenn die Flachfolie und die Wellfolie durch Festphasendiffusionsverbindung verbunden wurden. Noch häufiger ist bisher die Vakuumbehandlung bei 1300°C und einem Vakuum von 1 × 10^–6 Torr für 90 min durchgeführt worden. Unter einer solchen Vakuumbehandlungsbedingung nimmt jedoch Al in den Metallfolien (infolge von Metallver dampfung) deutlich ab, und diese Abnahme ist für die Haltbarkeit des Metallträgers nicht erwünscht.
Deshalb haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung die Bedingung untersucht, unter der mindestens 3% Al verbleibt. Das Ergebnis wird nachstehend ausgeführt. 3 zeigt das Ergebnis bei einer Folie von 50 μm, 4 zeigt das Ergebnis bei Folien von 36 bis 39 μm, und 5 zeigt das Ergebnis bei Folien von 10 bis 35 μm. Gemäß 3 ist festgestellt worden, daß mindestens 1% Al verdampft, wenn die Behandlung bei 1250°C oder darüber für mindestens 90 min erfolgt (der Zustand, der mit X im Diagramm dargestellt ist). Als nächstes wurde die Bedingung untersucht, unter der Folien mit einer Dicke von mindestens 50 μm festphasendiffusionsverbunden werden. 6 zeigt deren Ergebnis. Es kann aus 6 deutlich entnommen werden, daß die Behandlungstemperatur und die Behandlungszeit von mindestens 1290°C bzw. mindestens 90 min notwendig sind. Wenn auch die in 3 gezeigten Daten berücksichtigt werden, ist verständlich, daß die 50 μm dicke Folie nicht durch Festphasendiffusionsverbindung unter der Vakuumbehandlungsbedingung verbunden werden kann, bei der mindestens 3% Al in den Metallfolien verbleibt. Im übrigen stellt in 3 bis 5 das Symbol O den Fall dar, wo mindestens 3% Al verbleiben, und X stellt den Fall dar, wo nicht 3% oder mehr Al verbleiben. Eine durchgezogene Linie stellt die Grenze dar.
Ebenso wird die Bedingung für das Festphasendiffusionsverbinden für den Fall geprüft, wo entweder die Wellfolie oder die Flachfolie eine Foliendicke von weniger als 40 μm hat. Das Ergebnis ist in 7 gezeigt. Die Bedingung zum Festphasendiffusionsverbinden, unter der entweder die Wellfolie oder die Flachfolie eine Foliendicke von weniger als 40 μm hat und unter der mindestens 3% Al in den Metallfolien verbleibt, wird auch unter Berücksichtigung der Daten in 4 geprüft. Das Ergebnis ist in 9 gezeigt. Nach diesem Ergebnis kann eine geeignete Bedingung erreicht werden, wenn die Behandlungstemperatur im Bereich von 1220 bis 1250°C und die Behandlungszeit im Bereich von 60 bis 90 min in dem Fall liegt, wo min destens eine, nämlich die Wellfolie und/oder die Flachfolie eine Foliendicke von weniger als 40 μm hat.
Ferner wird die Bedingung zum Festphasendiffusionsverbinden für den Fall bestimmt, wo die Wellfolie und die Flachfolie dünner als 35 μm sind. Das Ergebnis ist in 8 gezeigt. 10 zeigt die Bedingung zum Festphasendiffusionsverbinden, unter der die Wellfolie und die Flachfolie dünner als 35 μm sind und mindestens 3% Al in den Metallfolien verbleibt, wenn man das Ergebnis in 5 in Kombination mit dem Ergebnis in 8 berücksichtigt. Nach diesem Ergebnis kann eine geeignete Bedingung erreicht werden, wenn die Behandlungstemperatur im Bereich von 1100 bis 1250°C und die Behandlungszeit im Bereich von 30 bis 90 min liegt.
Als nächstes wird der Grund, warum die vorliegende Erfindung Metallfolien mit einer Dicke von weniger als 40 μm verwendet, nachstehend beschrieben.
Erfindungsgemäß muß die Metallfolie mit einer Dicke von weniger als 40 μm für die Metallflachfolie oder die Metallwellfolie verwendet werden. Es wird jedoch ferner bevorzugt, eine Folie, die dünner ist als 40 μm, besonders eine Folie, die dünner ist als 35 μm, für die Flachfolie und für die Wellfolie zu verwenden. Wenn eine Metallwellfolie 6, die dünner ist als 40 μm, und eine Metallflachfolie 5, die mindestens 40 μm dick ist, was die gleiche Dicke ist wie nach dem Stand der Technik, beispielsweise unter einer vorbestimmten Spannung zu einem Wabenkörper gewickelt wird, wie in 11(a) gezeigt, wird die Oberseite der Wellfolie 6 durch die Flachfolie 5, die eine gewisse Steifigkeit hat, zusammengedrückt. Infolgedessen wird die Kontaktfläche zwischen beiden Folien größer, und die Haftung zwischen beiden Folien wird stark. Wenn dagegen eine Metallflachfolie, die dünner ist als 40 μm, und eine Metallwellfolie 6, die mindestens 40 μm dick ist, verwendet werden, wie in 11(b) gezeigt, wird die Flachfolie entlang den Oberseiten der Wellfolie, die eine gewisse Steifigkeit aufweist, deformiert. Infolgedessen wird die Haftung zwischen beiden Folien ebenso stark.
Wenn beide Folien dünner als 35 μm sind und auf einer hohen Temperatur von mindestens 1100°C gehalten werden, wie in 11(c) gezeigt, wird die Stärke der Oberflächenenergie, die für die Oberflächenrauhigkeit sorgt, an den Kontaktabschnitten beider Folien infolge der Abnahme des Volumens des Basismetalls relativ groß. Daher nimmt man an, daß diese Oberflächenenergie als Antriebskraft zur Erzeugung einer Diffusion der Atome fungiert und eine solche mikroskopische Deformation bewirkt, daß die Rauhigkeit der Oberfläche ausgefüllt wird, so daß sich die Kontaktfläche drastisch vergrößert.
Um diese Einschätzung zu bestätigen, wurden Experimente in bezug auf die Oberflächenrauhigkeit Ra folgendermaßen durchgeführt.
Scharfe streifenartige Kratzer, die die Polierkratzer der Walzen eines Walzwerks darstellen, sind vor der Wärmebehandlung in der Folienoberfläche vorhanden, wie in 12(a) gezeigt, und diese Oberflächenrauhigkeit Ra wird durch eine Vakuumwärmebehandlung reduziert, wie in 12(b) gezeigt. Die Temperatur, bei der diese Oberflächenrauhigkeit Ra 0,1 μm oder weniger erreicht, wird bestimmt. Im übrigen wird die Oberflächenrauhigkeit mit einem Oberflächenrauhigkeitskontaktmeßgerät mit einer Abtastentfernung von 3 mm gemessen.
Ein Rohmaterial für den Metallträger ist ein 5-Al-20%Cr-Fe-Stahl mit einer Folienoberflächenrauhigkeit Ra = 0,1 μm, und Metallfolien mit einer Foliendicke von 10 bis 60 μm werden bei 1200 bis 1300°C und 1 × 10^–5 Torr wärmebehandelt. Die Temperatur, bei der Walzenkratzer auf der Folienoberfläche nach dieser Wärmebehandlung durch Oberflächendiffusion verschwinden, wird bestimmt. Diese Ergebnisse sind in 13 gezeigt. In 13 wird bestätigt, daß eine Oberflächendiffusion auf der Niedrigtemperaturseite deutlich wird, wenn die Foliendicke kleiner als 35 μm ist, d. h. wenn mikroskopische Deformation auftritt, und die Diffusionsverbindungsfähigkeit kann verbessert werden. Im übrigen kann dieser Effekt ebenso im Niedrigtemperaturbereich bis zu 1100°C beobachtet werden.
Es ist bisher anerkannt worden, daß bei Metallfolien mit einer Dicke von weniger als 40 μm die Festphasendiffusionsverbindungsfähigkeit infolge der oben beschriebenen makroskopischen Deformation drastisch verbessert werden kann.
Wenn die Foliendicke unter 35 μm sinkt, nimmt die mikroskopische Deformation zu, und die Anpassung der Kontaktabschnitte kann drastisch verbessert werden, und die Behandlungszeit wird kürzer.
Wenn die Foliendicke kleiner als 10 μm ist, kann die Steifigkeit der Folien während des Wickelns nicht beibehalten werden. In diesem Fall tritt bei der Herstellung des Wabenkörpers ein Problem auf, und die Herstellung der Folien wird auch an sich schwierig. Dadurch wird die untere Grenze der Dicke der Metallfolien auf 10 μm begrenzt. Aus diesen Gründen ist die Dicke der Flachfolie und der Wellfolie im Bereich von 10 bis 35 μm bestens geeignet.
Als nächstes wird ein weiteres Mittel zur Verbesserung der Festphasendiffusionsverbindungsfähigkeit zwischen der Flachfolie und der Wellfolie, die den Metallwabenkörper bilden, als die zweite Erfindung der vorliegenden Anmeldung beschrieben.
Die zweite Erfindung der vorliegenden Anmeldung (nachstehend als die "vorliegende Erfindung" bezeichnet betrifft die Oberflächenbedingung der Metallfolie. Eine der Erfindungen betrifft die Oberflächenrauhigkeit der Metallfolie, die zur weiteren Verbesserung der Abgasreinigungsleistung aus einem ferritischen, nichtrostenden Stahl besteht, insbesondere wenn die Foliendicke kleiner als 40 μm ist.
Wie oben beschrieben, wird der Metallwabenkörper durch Wickeln der Flachfolie 5 und der Wellfolie 6 hergestellt. Beispielsweise wird eine etwa 50 μm dicke bandartige Flachfolie 5 durch Kaltwalzen hergestellt, und eine bandartige Wellfolie 6 wird durch Wellung einer solchen Flachfolie 5 hergestellt.
Dadurch kreuzt in dem Metallwabenkörper 2 die Richtung der Zuglöcher 4, die durch die Flachfolie und die Wellfolie 6 gebildet werden, die Walzrichtung im rechten Winkel, d. h. in der Breitenrichtung (C-Richtung) der Metallfolien, wie in einer vergrößerten Ansicht in 14 gezeigt.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nachgewiesen, daß die mittlere Rauhigkeit Rac in der Richtung der Zuglöcher 4 eine extrem wichtige Rolle beim Diffusionsverbinden beider Metallfolien miteinander spielt.
Das heißt, die mittlere Rauhigkeit Rac ist definiert als mittlere Rauhigkeit, die in der Richtung gemessen wird, die die Streifen kreuzt, die in der Walzrichtung beobachtet werden.
15 ist eine mikroskopische konzeptionelle Ansicht des Verbindungsabschnitts zwischen der Flachfolie 2 und der Wellfolie 6 des Metallwabenkörpers 2, wenn der Verbindungsabschnitt aus der Richtung betrachtet wird, die die Zuglöcher 4 kreuzt, d. h. in der Richtung, die durch einen weißen Pfeil in 14 bezeichnet ist. Zwischenräume, die in Rauhigkeitskrümmungen der Flachfolie und der Wellfolie umgeben sind, sind vor dem Verbinden vorhanden, wie in 15(a) gezeigt, Hohlräume 8, die aus diesen Zwischenräumen entstehen, treten nach dem Verbinden auf, wie in 15(b) gezeigt.
Die Haftfestigkeit kann durch Verringerung der Anzahl oder der Größe dieser Hohlräume 8 erhöht werden. Das heißt, die Haftfestigkeit kann durch Erhöhung eines Verhältnisses zwischen der Gesamtlänge Σai der Verbindungsabschnitte a und der vollen Länge L des Kontaktabschnitts in der Breitenrichtung der Metallfolien (als "Diffusionsverbindungsgrad" bezeichnet) verbessert werden.
Hierbei kann der Diffusionsverbindungsgrad = Σai/L durch Betrachtung des Querschnitts eines Verbindungsabschnitts in der Richtung der Zuglöcher 4 mit einem Mikroskop bestimmt werden.
Im erfindungsgemäßen Metallträger ist die mittlere Rauhigkeit Rac in der C-Richtung auf 0,001 bis 0,3 μm begrenzt. Folglich ist die Höhe der Zwischenräume, die von den in 15(a) gezeigten Rauhigkeitskrümmungen umschlossen sind, geringer, die Diffusionsverbindungsfähigkeit ist an den Kontaktabschnitten zwischen der Flachfolie 5 und der Wellfolie 6 verbessert, und die Hohlräume 8 nach dem Verbinden sind verringert, um den Diffusionsverbindungsgrad zu verbessern. Dadurch kann die hohe Haltbarkeit verbessert werden, wenn der erfindungsgemäße Metallträger als Abgaskatalysator verwendet wird.
Der Querschnitt des Verbindungsabschnitts zwischen der Flachfolie 5 und der Wellfolie 6 jedes Metallwabenkörpers, der unter verschiedenen Veränderungen der mittleren Rauhigkeit Rac versuchsweise hergestellt wird, wird durch ein Mikroskop betrachtet. Das Diffusionsverbinden erfolgt bei einem Vakuum von 10^–4 Torr und einer Temperatur von 1250°C für 90 min. Im Ergebnis ist festgestellt worden, daß der Diffusionsverbindungsgrad von mindestens 0,3 durch Begrenzung der Rac auf nicht mehr als 0,3 μm erreicht werden kann, wie in 16 gezeigt. Es ist bestätigt worden, daß kein Problem der Haltbarkeit bei dem Diffusionsverbindungsgrad von mindestens 0,3 auftritt, wenn der Abgaskatalysator an den Kraftfahrzeugmotor montiert ist. Die Belastungen der Herstellungsbedingungen werden im industriellen Maßstab hoch, wenn die Rac auf weniger als 0,001 μm begrenzt ist. Deshalb ist die Rac so begrenzt, wie oben beschrieben.
Im übrigen stellt ein schwarzer Kreis
in 16 die mittlere Rauhigkeit in der Längsrichtung (L-Richtung) der bandartigen Flach- und Wellfolien 5 und 6 dar, und es kann keine Korrelation in einer Rauhigkeit von etwa 0,2 μm oder darunter erkannt werden. 17, 18 und 19 zeigen die Oberflächenrauhigkeitskurven, wenn in 16 Rac = 0,03 μm, 0,30 μm bzw. 0,41 μm.
Die Oberflächenrauhigkeit wird als arithmetische mittlere Rauhigkeit (Ra), die nach JIS in JIS B 0601-1994 festgelegt ist, unter Verwendung eines Kontaktnadel-Rauhigkeitsmeßgeräts gemessen, das in JIS B 0651-1976 festgelegt ist. Um eine genaue Messung durchzuführen, indem die Einflüsse der Foliendeformation ausgeschlossen werden, wird die Haftung zwischen dem Probematerial und einem Untersatz besonders beachtet. Die verwendete Kontaktnadel hat einen Krümmungsradius von 1 μm an der Spitze, und die Messung erfolgt mit einem Grenzwert von 0,8 mm, einer Kontaktnadelabtastgeschwindigkeit von 0,3 mm/s und einer Meßlänge von 4 mm.
Da der erfindungsgemäße Metallträger eine ausgezeichnete Diffusionsverbindungsfähigkeit hat, wie oben beschrieben, kann die Erwärmungstemperatur auf 1250°C oder darunter gesenkt oder die Erwärmungszeit verkürzt werden. Dadurch kann, auch wenn Al usw. im Folienmaterial enthalten ist, die Verdampfung dieser wärmebeständigen Legierungselemente unter drückt werden, und die Haltbarkeit bei Verwendung als Abgaskatalysator ist ausgezeichnet.
Als nächstes wird noch eine weitere Erfindung in bezug auf die Oberflächenbedingung der Metallfolien beschrieben.
Das Merkmal dieser Erfindung besteht darin, daß die Oberflächenform und -bedingung der Flachfolie 5 und der Wellfolie 6 so beschaffen sind, daß die Anzahl der Kämme pro Zoll Länge PPI in der Richtung der Zuglöcher 4 mindestens 100 ist und die Kontaktabschnitte zwischen der Flachfolie 5 und der Wellfolie 6 durch Diffusionsverbindung verbunden werden.
Die Anzahl der Kämme pro Einheitslänge, z. B. PPI, ist nicht als die Oberflächenrauhigkeit nach JIS festgelegt. Deshalb wird sie in der vorliegenden Erfindung als "Oberflächenform und -bedingung" bezeichnet. Die Messung kann mit einem Kontaktnadel-Rauhigkeitsmeßgerät und unter der gleichen Bedingung wie bei der oben beschriebenen Rac erfolgen.
Der erfindungsgemäße Metallträger begrenzt PPI in der C-Richtung auf mindestens 100, um den Abstand der Zwischenräume, die von den Rauhigkeitskrümmungen in 15(a) umschlossen sind, zu verkürzen und um die Diffusionsverbindungsfähigkeit an den Kontaktabschnitten zwischen der Flachfolie 5 und der Wellfolie 6 zu verbessern. Die Hohlräume 9 sind nach dem Verbinden kleiner, um den Diffusionsverbindungsgrad zu verbessern. Dadurch ist die Haltbarkeit bei Verwendung als Abgaskatalysator ebenso ausgezeichnet wie bei der oben beschriebenen Erfindung der Oberflächenrauhigkeit.
Der Querschnitt des Verbindungsabschnitts zwischen der Flachfolie 5 und der Wellfolie 6 jedes der Metallwabenkörper, die versuchsweise mit verschiedenen PPIs hergestellt werden, wird unter einem Mikroskop betrachtet. Das Diffusionsverbinden erfolgt in einem Vakuum von 10^–4 Torr und einer Temperatur von 1250°C für die Verweilzeit von 90 min. Im Ergebnis kann der Diffusionsverbindungsgrad von mindestens 0,3 sichergestellt werden, wenn PPI auf mindestens 100 festgelegt ist, wie in 20 gezeigt. Obwohl übrigens die obere PPI-Grenze nicht begrenzt ist, reicht insbesondere der Bereich, der verwendet werden kann, ohne die Belastungen für die industrielle Produktion deutlich zu erhöhen, bis etwa 2000.
Da der erfindungsgemäße Metallträger eine ausgezeichnete Diffusionsverbindungsfähigkeit hat, wie oben beschrieben, kann die Verdampfung der wärmebeständigen Legierungselemente, z. B. Al, bei der Erwärmung der Diffusionsverbindungsbehandlung unterdrückt werden, und daher ist die Haltbarkeit ausgezeichnet.
Deshalb ist in dieser Erfindung die Oberflächenbedingung der Metallfolie die Oberflächenrauhigkeit der Flachfolie und der Wellfolie 5 und 6 vorzugsweise 0,001 bis 0,3 μm als mittlere Rauhigkeit in der Richtung der Zuglöcher 4. Die Oberflächenform und -bedingung der Flachfolie und der Wellfolie 5 und 6 sind vorzugsweise derartig, daß die Anzahl der Kämme pro Zoll Länge PPI in der Richtung der Zuglöcher 4 mindestens 100 ist. Unter einer solchen Bedingung kann die Diffusionsverbindungsfähigkeit viel stärker verbessert werden, der Diffusionsverbindungsgrad kann weiter verbessert werden, die Verdampfung von wärmebeständigen Legierungselementen kann viel stärker unterdrückt werden, und die Haltbarkeit des Metallträgers wird höher.
Um die Flachfolie 5 mit der oben beschriebenen Oberflächenrauhigkeit herzustellen, werden Arbeitswalzen mit einer kleinen mittleren Rauhigkeit in der Walzenlängenrichtung beim Kaltwalzen verwendet. Die Arbeitswalzen verschleißen im Laufe des Walzens, und ihre Oberflächenrauhigkeit wird gering. Aus diesem Grund muß die mittlere Rauhigkeit in der Längsrichtung nicht immer unter 0,3 μm gehalten werden, sondern es ist lediglich notwendig, daß die mittlere Rauhigkeit zumindest unter der Bedingung unmittelbar vor dem Schlichtwalzstich nicht größer als 0,3 μm ist. Die oben beschriebene Flachfolie 5 kann durch Steuerung der Arbeitswalzen entsprechend der Anzahl der Fertigwalzstiche und einem Reduktionsgrad hergestellt werden.
Um die Flachfolie 5 mit der oben beschriebenen Oberflächenform und -bedingung herzustellen, wird eine Arbeitswalze mit einem kleinen PPI-Wert in der Längsrichtung der Walze zum Kaltwalzen verwendet. Da die Arbeitswalze während des Walzens verschleißt, wie oben beschrieben, muß der PPI-Wert in der Längsrichtung nicht immer auf mindestens 100 festgelegt werden und kann unter der Bedingung mindestens vor dem Schlichtwalz stich 100 sein. Die Flachfolie 5 kann durch Steuern der Arbeitswalze entsprechend der Anzahl der Fertigwalzstiche und dem Reduktionsgrad hergestellt werden.
Die Flachfolie und die Wellfolie mit der beschriebenen Oberflächenbedingung werden überlagert und spiralförmig miteinander aufgewickelt, wobei der Wabenkörper entsteht. Der derartig hergestellte Wabenkörper wird in den Außenzylinder eingefügt und dann im Vakuum (Vakuumgrad 3 × 10^–4 bis 5 × 10^–5 Torr) oder in einer nichtoxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 1100 bis 1250°C für eine Verweilzeit von 30 bis 90 min erwärmt, um die Diffusionsverbindungsbehandlung auszuführen.
Erfindungsgemäß kann der Diffusionsverbindungsgrad des Verbindungsabschnitts zwischen beiden Folien verbessert werden, und die Verdampfung der wärmebeständigen Legierungselemente kann unterdrückt werden. Wenn der Metallträger für den Abgaskatalysator verwendet wird, kann daher seine Haltbarkeit deutlich verbessert werden.
Als nächstes wird noch ein weiteres Mittel zur Verbesserung der Festphasendiffusionsverbindungsfähigkeit zwischen der Flachfolie und der Wellfolie als die dritte Erfindung der vorliegenden Anmeldung beschrieben.
Die dritte Erfindung der vorliegenden Anmeldung (nachstehend als die "dritte Erfindung" bezeichnet) legt die Breite des Kontaktabschnitts zwischen der Flachfolie und der Wellfolie fest. Diese dritte Erfindung kann der Flachfolie eine ausreichende Haftfestigkeit verleihen, auch wenn der Wabenkörper ausgebildet wird, indem die Flachfolie und die Wellfolie durch Einwirkung einer Rückspannung von 0,2 bis 1,5 kp/cm pro Einheitsbreite der Flachfolie, was kleiner ist als die normale Rückspannung, auf die Flachfolie gewickelt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Wabenkörper ist die Kontaktbreite W zwischen der Flachfolie 5 und der Wellfolie 6 in der Längsrichtung mindestens auf das Fünffache der Dicke t der Flachfolie und der Wellfolie 5 und 6 festgelegt, wie in 21 gezeigt. Der Wabenkörper wird durch Diffusionsverbindung dieses Kontaktabschnitts 9 ausgebildet.
Die Kontaktbreite W kann bis zu einer Breite ausgebildet werden, die größer ist als mindestens das Fünffache der Foliendicke t, indem beispielsweise die trapezförmige Welle in der Wellfolie 6 ausgebildet wird, wie in 22(a) gezeigt. Das heißt, parallele Abschnitte 10 mit einer Breite, die mindestens das Fünffache der Foliendicke t beträgt, können auf der Oberseite und im Tal der Welle ausgebildet werden. Da die Kontaktbreite W mit einer Breite von mindestens dem Fünffachen der Foliendicke t versehen ist, wie in 21 gezeigt, kann jeder Abschnitt 9 hinreichend diffusionsverbunden werden, ohne daß der Oberflächendruck besonders erhöht wird.
Als nächstes werden die Gründe betrachtet. Das Diffusionsverbinden erfolgt durch Erwärmung in einem Vakuumofen. Die Flachfolie 5 und die Wellfolie 6 werden durch Restsauerstoff unter einem normalen Vakuumgrad von etwa 10^–4 Torr oxidiert. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die Ausbildung von Al₂O₃ auf der Folienoberfläche nachgewiesen, wenn die Folie, die aus ferritischem, nichtrostendem Stahl besteht, der Al als das wärmebeständige Legierungselement enthält, bei einem Vakuumgrad von etwa 2 × 10^–4 Torr auf 1250°C erwärmt wird. Dieses Phänomen zeigt, daß der Sauerstoff in der Erwärmungsatmosphäre vorhanden ist und der Al-Metalldampf usw. während der Vakuumerwärmung aus der Folie austritt und oxidiert.
Wenn die Kontaktbreite W zwischen der Flachfolie 5 und der Wellfolie 6 klein ist, wie bei den bekannten Vorrichtungen, strömt Sauerstoff in den Kontaktabschnitt. Infolgedessen entsteht Al₂O₃ im Kontaktgrenzbereich, fungiert als Barriere und behindert wahrscheinlich das Diffusionsverbinden. Wenn jedoch die Kontaktbreite W auf die Breite von mindestens dem Fünffachen der Foliendicke t vergrößert wird, füllt der Al-Metalldampf oder dgl. den Raum zwischen beiden Folien am Kontaktabschnitt auf und schränkt die Ausbildung von Al₂O₃ in der Grenzfläche ein. Dadurch erfolgt das Diffusionsverbinden wahrscheinlich in einer erfindungsgemäß hinreichenden Weise, ohne daß die Oberflächentemperatur besonders erhöht wird. Aus diesen Gründen begrenzt der erfindungsgemäße Metallträger die Breite W des Kontaktabschnitts 9 zwischen der Flachfolie 5 und der Wellfolie 6 auf das Fünf- bis Fünfzigfache der Foliendicke t.
Wie oben beschrieben, muß bei dem erfindungsgemäßen Metallträger insbesondere der Oberflächendruck am Kontaktabschnitt 9 zwischen der Flachfolie 5 und der Wellfolie 6 nicht erhöht werden. Wenn die bandartige Flachfolie 5 und die bandartige Wellfolie 6 überlagert und gewickelt werden, wie in 2 gezeigt, kann die Rückspannung, die in der Richtung A auf die Flachfolie 5 wirkt, im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen reduziert werden. Infolgedessen kann ein mögliches Knicken der Zuglöcher 4 des Metallwabenkörpers 2 während des Wickelns ausgeschlossen werden. Nachdem ein solcher Metallwabenkörper 2 in den Außenzylinder 3 eingefügt worden ist, ist die Reduzierung des Durchmessers des Außenzylinders 3 zur Verleihung des Oberflächendrucks nicht notwendig.
Wie oben beschrieben, hat der erfindungsgemäße Metallträger eine hohe Diffusionsverbindungsfähigkeit des Kontaktabschnitts 9 zwischen der Flachfolie 5 und der Wellfolie 6, und das Diffusionsverbindungsgrad des Verbindungsabschnitts ist hoch. Das heißt, es kann ein Diffusionsverbindungsgrad von mindestens 0,3 erreicht werden.
Erfindungsgemäß kann die Erwärmung während des Diffusionsverbindens bei einer Temperatur im Bereich von 1100 bis 1250°C erfolgen. Vorzugsweise kann jedoch die Vakuumwärmebehandlung zum Diffusionsverbinden bei einer Temperatur T(°C) in dem Bereich erfolgen, der die folgende Verhältnisformel entsprechend der mittleren Rauhigkeit Rac (μm) in der Breitenrichtung der Flachfolie 5 erfüllt: 104/(T + 273) ≤ –0,43 log Rac + 6,43 (1)
Hier stellt die Rac die mittlere Rauhigkeit dar, gemessen in der Breitenrichtung der Flachfolie 5, d. h. in der C-Richtung, die in 2 gezeigt ist.
Wenn die Dicke der bandartigen Flachfolie 5 kleiner als 40 μm ist, kann die Abgasreinigungsleistung besonders verbessert werden, aber die Foliendicke darf nicht größer sein als dieser Wert, z. B. etwa 50 μm. Da die Folie durch Kaltwalzen hergestellt wird, sind im allgemeinen auf der Oberfläche der Folien in der Walzrichtung Streifen zu erkennen, wie oben be schrieben. Deshalb wird über Gutbefund/Zurückweisung des Diffusionsverbindens entschieden, indem die Vakuumwärmebehandlungstemperatur T bei Proben mit verschiedener Oberflächenrauhigkeit in der Richtung, die diese Streifen kreuzen, d. h. in der in 2 gezeigten C-Richtung geändert wird. Im Ergebnis liefern die Proben, die in den Bereich fallen, der die oben angeführte Formel (1) erfüllt, die guten Ergebnisse, wie in 23 gezeigt.
Die Gutbefund/Zurückweisungsentscheidung erfolgt durch den Kaltdrückversuch. Das Symbol O stellt den Gutbefund und das Symbol
die Zurückweisung dar. Der Kaltdrückversuch erfolgt, indem der Metallträger 1 auf dem Tisch des in 42 gezeigten Drückversuchsgeräts angeordnet, ein mit einer Kraftmeßdose ausgestatteter Stempel aufgedrückt und eine Hub/Last-Kurve aufgezeichnet wird, wie in 24 gezeigt. Gutbefund/Zurückweisung kann durch Betrachtung des Deformationsabschnitts nach dem Drücken und anhand der Formen der Kurven entschieden werden. Die Proben, bei denen keine Abweichung infolge minderwertiger Verbindung im Metallträger 1 auftritt, ergeben die Kurven, die durch durchgezogene Linien dargestellt sind, und werden als gut befunden. Die Proben, bei denen die Abweichung im Verbindungsabschnitt auftritt, ergeben die Kurven, die durch unterbrochene Linien dargestellt sind, und werden als Zurückweisung beurteilt.
Wenn die Diffusionsverbindungsbehandlung bei der Vakuumwärmebehandlungstemperatur T entsprechend der Oberflächenrauhigkeit Rac der Flachfolie 5 und Wellfolie 6 erfolgt, wie oben beschrieben, kann das Diffusionsverbindungsgrad des resultierenden Metallträgers stabil verbessert werden, und die Verdampfung der wärmebeständigen Legierungselemente, z. B. Al, kann stabil unterdrückt werden.
Im übrigen kann eine höhere Diffusionsverbindungsfähigkeit erreicht werden, wenn die Metallfolien mit der Oberflächenrauhigkeit Rac, die in der zweiten Erfindung der vorliegenden Anmeldung für diese Erfindung festgelegt ist, verwendet werden.
Die Wärmebehandlungsbedingung zur Durchführung des Diffusionsverbindens kann die gleiche sein wie bei der zweiten Erfindung.
Um die Wellfolie 6 durch Bearbeitung der Flachfolie 5 zu formen, wird im allgemeinen ein Wellengerät verwendet. Um den parallelen Abschnitt an der Oberseite und dem Kamm jeder Welle der Wellfolie 6 auszubilden, wie in 22(a) gezeigt, kann ein Wellgerät mit einem größeren Krümmungsradius am oberen Ende oder ein Wellgerät mit einem flachen hinteren Ende verwendet werden.
Als nächstes wird die Erfindung, die einen Metallträger betrifft, der eine ausgezeichnete Haltbarkeit hat und den Zyklen von schneller Erwärmung und schneller Abkühlung durch das Auspuffgas des Kraftfahrzeugmotors und der vom Motor ausgehenden starken Vibration standhält, als die vierte Erfindung der vorliegenden Anmeldung beschrieben (nachstehend als die "vorliegende Erfindung" bezeichnet).
Es versteht sich, daß, wenn die vorliegende Erfindung auf den Träger jeder der oben beschriebenen Erfindungen angewendet wird, ein Träger mit einer hervorragenderen Haltbarkeit hergestellt werden kann.
Als eine der Technologien zur Verbesserung der Haltbarkeit des erfindungsgemäßen Metallträgers wird die Erfindung beschrieben, bei der nichtverbundene Abschnitte 11 ausbildet werden, in denen die Kontaktabschnitte zwischen der Flachfolie 5 und der Wellfolie 6 nicht verbunden sind, und zwar in dem in 25 gezeigten Metallwabenkörper.
Mit Bezug auf 25 ist mindestens einer (in der Zeichnung zwei) der nichtverbundenen Abschnitte 11 in einer Position ausgebildet, die um einen vorbestimmten Abstand von der Mittelachse S des Metallwabenkörpers 2 beabstandet sind, um sich über eine Strecke innerhalb eines vorbestimmten Bereichs und mindestens eine Windung um den Außenumfang auszudehnen.
Der nichtverbundene Abschnitt 11 ist in einer Position innerhalb des Außenumfangs ausgebildet, der um mindestens 1/2 Radius R des Metallwabenkörpers 2 von der Mittelachse S beabstandet ist. Das heißt, zwei nichtverbundene Abschnitte 11 in in 25 erfüllen die Beziehung R/2 ≦ R₁ < R, R/2 ≦ R₂ < R. Der Längenbereich der nichtverbundenen Abschnitte 11 beginnt am Ende des Metallwabenkörpers 2 auf der Gasaustrittsseite und endet an dem Punkt, der eine Entfernung von 9/20 bis 9/10 der Gesamtlänge L des Metallwabenkörpers 2 in der axialen Richtung im Wabenkörper 2 vom Anfangspunkt an hat. Wenn in 25 das Gas in den Wabenkörper 2 von oben in der Richtung eintritt, die durch einen weißen Pfeil bezeichnet ist, und nach unten austritt, ist der Längenbereich 9L/20 ≤ H₁ ≤ 9L/10, 9L/20 ≤ H₂ ≤ 9L/10.
Der erfindungsgemäße Metallträger hat den nichtverbundenen Wabenkörperabschnitt 11, der begrenzt ist, wie oben beschrieben. Wenn der Metallträger am Abgassystem des Kraftfahrzeugmotors angeordnet ist und entsprechend verwendet wird, hat er eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen die Zyklen von schneller Erwärmung und schneller Abkühlung durch das Abgas.
Das heißt, der Mittelabschnitt des Metallwabenkörpers 2 in der Durchmesserrichtung wird vom heißen Auspuffgas und von der katalytischen Reaktion beim Anfahren des Motors und bei der Beschleunigung schnell erwärmt. Auch wenn die Temperaturdifferenz zum Außenumfangsabschnitt in diesem Fall hoch ist, dehnt sich die Mittelachsenseite (S) zur Gasaustrittsseite aus, und zwar mit dem nichtverbundenen Abschnitt 11 als Grenzbereich, wie in 26 gezeigt, so daß die Spannungskonzentration gemildert wird. Der Mittelabschnitt des Metallwabenkörpers 2 kühlt während des Anhaltens und Bremsens schnell ab und erzeugt eine hohe Temperaturdifferenz zum Außenumfangsabschnitt. In diesem Fall zieht sich die Mittelachsenseite (S) nach innen zusammen, und zwar mit dem nichtverbundenen Abschnitt 11 als Grenzbereich, und die Spannungskonzentration wird ebenfalls gemildert.
Wenn der nichtverbundene Abschnitt 11 näher als 1/2 Radius R an der Mittelachse S liegt, kann die Spannungskonzentration der Außenumfangsseite des nichtverbundenen Abschnitts nicht ohne weiteres gemildert werden. Infolgedessen kann der Metallwabenkörper 2 die Spannung nicht vollständig absorbieren, und der Verbesserungseffekt für die Haltbarkeit kann nicht erreicht werden. Wenn der nichtverbundene Abschnitt ab dem Endabschnitt des Metallwabenkörpers 2 auf seiner Gaseintrittsseite angeordnet ist, tritt mit Wahrscheinlichkeit der Wabenfehler, der als "Risse" bezeichnet wird, um den nichtverbundenen Abschnitt 11 herum auf.
Wenn die Länge des nichtverbundenen Abschnitts 11 kleiner als 9/20 der vollen Länge L des Metallwabenkörpers 2 ist, wird die Einschränkungskraft bei der Ausdehnung und Kontraktion, die aus der Temperaturdifferenz auf der Mittelachsenseite S resultiert, groß. Dadurch kann die Spannungskonzentration nicht ohne weiteres gemildert werden. Wenn die Länge des nichtverbundenen Abschnitts 11 größer als 9/10 der vollen Länge L des Metallwabenkörpers 2 ist, treten über dem nichtverbundenen Abschnitt 11 infolge der Dehnung und Zusammenziehung auf der Mittelachsenseite S "Risse" im Metallwabenkörper 2 auf. Im Extremfall besteht die Wahrscheinlichkeit, daß der Abschnitt auf der Mittelachsenseite abfällt.
Der nichtverbundene Abschnitt 11 kann an einer Position angeordnet sein. Wenn er an zwei Positionen angeordnet ist, wie in 25 gezeigt, kann die Haltbarkeit weiter verbessert werden, aber der Grad der Verbesserung ist nicht bemerkenswert. Der nichtverbundene Abschnitt 11 kann an drei oder mehr Positionen angeordnet sein, aber eine solche Struktur ist nicht zu bevorzugen, da die Produktionskosten steigen. Zumindest ein Umfangsabschnitt sowohl der Flachfolie 5 als auch der Wellfolie 6 muß unverbunden bleiben, und der nichtverbundene Abschnitt kann sich maximal bis über zwei Windungen der Umfänge erstrecken.
Als nächstes sind im erfindungsgemäßen Metallwabenkörper der nichtverbundene Abschnitt 12 und der verbundene Abschnitt 13 mit jeweils einer vorbestimmten Länge vorzugsweise im Grenzbereich zwischen dem Außenumfang des Metallwabenkörpers 2 und dem Innenumfang des Außenzylinders 3 ausgebildet, wie in 27 gezeigt. Der verbundene Abschnitt 13 ist in einer Länge ausgeführt, die nicht größer als 1/2 der Gesamtlänge L des Wabenkörpers 2 ist, um sich von einer Position, die um mindestens 1/3 L von einem der Enden des Wabenkörpers 2 als der Gaseintrittsseite beabstandet ist, zum anderen Ende als der Gasaustrittsseite zu erstrecken. Die restlichen Abschnitte des Grenzbereichs sind der nichtverbundene Abschnitt 12. Das heißt, L₁ ≥ L/3 und L₂ ≤ L/2 in 27, und L₃ kann 0 sein.
Das heißt, die Ausführungsform, bei der der verbundene Abschnitt 13 so ausgebildet ist, daß er in den Bereich L₂ fällt, der sich von einem der Enden des Metallwabenkörpers 2 auf der Gasaustrittsseite als dem Anfangspunkt in der Richtung der Mittelachse des Metallwabenkörpers erstreckt, wie in 28 gezeigt, ist auch in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung einbegriffen.
Da ein solcher begrenzter nichtverbundener Abschnitt 12 und ein verbundener Abschnitt 13 im Grenzbereich zwischen dem Metallwabenkörper 2 und dem Außenzylinder 3 ausgebildet sind, wie oben beschrieben, weist der Metallträger eine hervorragendere Beständigkeit gegen die Zyklen von schneller Erwärmung und schneller Abkühlung des Abgases auf, wenn der Metallträger an das Motorabgassystem des Kraftfahrzeugs montiert ist und entsprechend verwendet wird.
Selbst wenn der Mittelabschnitt des Metallwabenkörpers 2 beispielsweise schnell erwärmt oder schnell abgekühlt wird und die Temperaturdifferenz zum Außenumfangsabschnitt groß wird, dehnt sich die Mittelachsenseite S des in 28 gezeigten Metallträgers aus oder schrumpft, während der nichtverbundene Abschnitt 11 den Grenzbereich bildet. Außerdem dehnt sich der Metallwabenkörper 2 aus oder schrumpft als Ganzes zur Gasantrittsseite hin oder von dieser weg. Im Ergebnis kann die Spannungskonzentration viel stärker gemildert werden.
Wenn die Länge L₁ des nichtverbundenen Abschnitts 12 auf der Gaseintrittsseite kleiner als 1/3 der Gesamtlänge L des Metallwabenkörpers 2 in 27 ist, wirkt die Einschränkungskraft auf die Ausdehnung/Zusammenziehung des gesamten Metallwabenkörpers 2 in bezug auf die Gaseintrittsseite, und eine größere Wirkung zur Milderung der Spannungskonzentration kann nicht ohne weiteres erreicht werden. Wenn andererseits die Länge L₂ des verbundenen Abschnitts 13 größer als 1/2 der Gesamtlänge L des Metallwabenkörpers 2 ist, wirkt die Einschränkungskraft auf die Ausdehnung/Zusammenziehung des gesamten Wabenkörpers 2 in bezug auf den Außenzylinder 3, und eine größere Wirkung zur Milderung der Spannungskonzentration kann auch nicht ohne weiteres erreicht werden. Die Länge L₃ des nichtverbundenen Abschnitts 12 auf der Gasaustrittsseite ist nicht begrenzt. Solange L₁ und L₂ in die oben beschriebenen Bereiche fallen, kann sich der Metallwabenkörper 2 als Ganzes in bezug auf die Gaseintrittsseite ausdehnen oder zusammenziehen. Deshalb kann L₃ gleich 0 sein, wie bereits beschrieben.
Die obere Grenze für L₁ und die untere Grenze für L₂ müssen nicht eingeschränkt werden. Es ist lediglich notwendig, daß der Metallwabenkörper 2 mit dem Außenzylinder 2 verbunden ist, und die Länge L₂ des verbundenen Abschnitts 3 kann klein sein. Wenn jedoch der verbundene Abschnitt 13 beschädigt ist und der Metallwabenkörper 2 möglicherweise abfällt, wird die untere Grenze für L₂ vorzugsweise auf 1/20 der Gesamtlänge L des Metallwabenkörpers 2 festgelegt. Wenn die untere Grenze für L₂ auf diese Weise festgelegt ist, ist die obere Grenze für L₁ 19/20 L.
Der erfindungsgemäße Metallträger kann so geformt sein, daß sich beide Enden des nichtverbundenen Abschnitts 11 im Metallwabenkörper 12 befinden, wie in 30 gezeigt. Der Längenbereich des nichtverbundenen Abschnitts 11 erstreckt sich von einer Position als einem Anfangspunkt, der um D, d. h. um eine Länge, die weniger als 1/10 der Gesamtlänge L des Metallwabenkörpers 2 von einem der Enden des Metallwabenkörpers 2 auf der Gasaustrittsseite beabstandet ist, bis zu einer Position als einer Endposition, die um eine Länge H₁ oder H₂ von 9/20 bis 9/10 der Gesamtlänge des Metallwabenkörpers 2 vom Ende auf der Gasaustrittsseite beabstandet ist. Der restliche Aufbau ist der gleiche wie beim Metallträger der in 25 gezeigten Ausführungsform. Das heißt, D < L/10 und 9L/20 ≤ H₁ ≤ 9L/10 und 9L/20 ≤ H₂ ≤ 9L/10.
Da der nichtverbundene Abschnitt 11 so ausgebildet ist, daß er in den Wabenkörper 2 eingeschlossen ist, wird der Metallwabenkörper 2 bei seiner Handhabung stabiler, und zwar bis zum Einfügen in das Abgassystems des Kraftfahrzeugs, und es ist unwahrscheinlich, daß eine Beschädigung an den verbundenen Abschnitten zwischen der Flachfolie und der Wellfolie erfolgt. Wenn der Metallträger nach der Montage verwendet wird, tritt außerdem in dem Zustand, wo sich der nichtverbundene Abschnitt 11 zu dem Abschnitt mit einer Länge D auf der Abgasaustrittsseite infolge der Temperaturdifferenz zwischen der Mittelachsenseite S und der Außenseite ausdehnt, ein Bruch auf, wobei ein Zustand erreicht wird, der dem Zustand des Metallträgers der in 25 gezeigten Ausführungsform gleicht. Folglich ist die Funktion auch ähnlich. Wenn D ≥ L/10, dann tritt ein Bruch im Ausdehnungszustand des nichtverbundenen Abschnitts 11 kaum auf.
Auch im Metallträger dieser Ausführungsform sind der nichtverbundene Abschnitt 12 und der verbundene Abschnitt 13 jeweils mit einer vorbestimmten Länge vorzugsweise im Grenzbereich zwischen dem Außenumfang des Metallwabenkörpers 2 und dem Innenumfang des Außenzylinders 3 ausgebildet, wie in 31 gezeigt. Die Position und die Länge des verbundenen Abschnitts 13 gleichen denen des Metallträgers der in 27 gezeigten Ausführungsform. Das heißt, L₁ ≥ L/3 und L₂ ≤ L in 31. L₃ kann gleich 0 sein. Die Funktion dieses Metallträgers gleicht der des Metallträgers der in 27 gezeigten Ausführungsform.
Wenn der erfindungsgemäße Metallträger hergestellt wird, wird ein diffusionsverhinderndes Mittel in vorbestimmte Abschnitte eingebracht, wenn die bandartigen Flach- und Wellfolien 5 und 6 überlagert und miteinander gewickelt werden, wie in 2 gezeigt. Die Diffusionsverbindungsbehandlung erfolgt, nachdem der resultierende Metallwabenkörper 2 nach dem Wickeln in den Außenzylinder 3 eingefügt ist. Im Ergebnis werden die Abschnitte zwischen den Kontaktabschnitten zwischen der Flachfolie 5 und der Wellfolie 6, an denen das diffusionsverhindernde Mittel aufgebracht ist, nicht verbunden. Infolgedessen sind die nichtverbundenen Abschnitte 11 so ausgebildet, wie in 25 gezeigt, und die restlichen Abschnitte werden diffusionsverbunden.
Die Materialien, die sind bei der Erwärmungstemperatur zum Diffusionsverbunden thermisch stabil, z. B. Metalloxide, für die TiO₂ und Al₂O₃ typisch sind, oder keramische Materialien, für die SiC und BN typisch sind, können als diffusionsverhinderndes Mittel verwendet werden. Um das Material zwischen der Flachfolie 5 und der Wellfolie 6 anzuordnen, wird das Material zu Pulver pulverisiert, und nachdem es mit Wasser gemischt ist, wird das Gemisch auf die Flachfolie 5 oder die Wellfolie 6 aufgebracht. Als Alternative wird das Material zu einer Tafel ausgebildet, und die resultierende Tafel wird aufgebracht oder sandwichartig angeordnet.
32 zeigt ein Beispiel, bei dem das diffusionsverhindernde Mittel 14, das durch Vermischen des oben beschriebenen Pulvers mit Wasser hergestellt wird, auf die Wellfolie 6 in einem Rollenübertragungssystem unter Verwendung einer Beschichtungsmaschine 15 aufgebracht wird. Das diffusionsverhindernde Mittel 14 wird auf die Wellenkammabschnitte der Wellfolie 6 aufgebracht, und während die Wellfolie 6 gewickelt wird, wird das Mittel in die Kontaktabschnitte 9 mit der Flachfolie 5 eingebracht. Das diffusionsverhindernde Mittel 14 kann nur durch Bewegung der Übertragungsrolle der Beschichtungsmaschine 15 oder der Wellfolie 6 auf die vorbestimmten Abschnitte aufgebracht werden.
Die in 27 gezeigte Einrichtung zur Ausbildung des verbundenen Abschnitts 13 und des nichtverbundenen Abschnitts 12 bringt das Hartlot auf einen von beiden oder auf beide Abschnitte auf der Außenumfangsfläche des Metallwabenkörpers 2, der als der verbundene Abschnitt 13 dienen soll, und auf die Abschnitte auf der Innenumfangsfläche des Außenzylinders 3 auf, der als der verbundene Abschnitt 13 dienen soll, und bringt das verbindungsverhindernde Mittel entweder auf einen oder auf beide Abschnitte der Außenumfangsfläche am Metallwabenkörper 2, der als nichtverbundener Abschnitt 12 dienen soll, und auf die Abschnitte auf der Innenumfangsfläche des Außenzylinders 3 auf, die als der nichtverbundene Abschnitt 12 dienen sollen, bevor der Metallwabenkörper 2 in den Außenzylinder 3 eingefügt wird.
Nachdem das Hartlot und das diffusionsverhindernde Mittel auf diese Weise aufgebracht sind, wird der Metallwabenkörper 2 in den Außenzylinder 3 eingefügt, und dann erfolgt die Diffusionsverbindungsbehandlung. Im Ergebnis entsteht der nichtverbundene Abschnitt 11 am Metallwabenkörper 2, und die Abschnitte, die mit dem Hartlot versehen sind, werden im Grenzbereich zwischen dem Metallwabenkörper 2 und dem Außenzy linder 3 verbunden, wobei der verbundene Abschnitt 13 entsteht. Die mit dem diffusionsverhindernden Mittel versehenen Abschnitte werden jedoch nicht verbunden, wobei der nichtverbundene Abschnitt 12 entsteht.
Als Hartlot können normale Hartlote verwendet werden. Um dieses Hartlot auf die äußere Umfangsfläche des Metallwabenkörpers 2 oder auf die Innenumfangsfläche des Außenzylinders 3 aufzubringen, wird das Hartlot in der Pulverform mit einem Binder vermischt und das Gemisch aufgebracht. Als Alternative wird, nachdem der Binder auf die vorbestimmten Abschnitte aufgebracht ist, das Hartlot in der Pulverform aufgesprüht und das Hartlot an unnötigen Abschnitten abgeschüttelt. Als weitere Alternative wird das Hartlot in der Tafelform aufgebracht.
Das diffusionsverhindernde Mittel kann auf die gleiche Weise wie das oben beschriebene Mittel zum Einbringen zwischen die Flachfolie 5 und die Wellfolie 6 eingebracht werden. Beschichten oder haftend Verbinden kann als Mittel dafür verwendet werden, daß das Hartlot haftet. 33 zeigt ein Beispiel, bei dem das tafelartige Hartlot 16 mit der Außenumfangsfläche des Metallwabenkörpers 2 verbunden wird und das diffusionsverhindernde Mittel 14 auf die restliche Außenumfangsfläche aufgebracht wird.
Nachdem der Metallwabenkörper 2 erfindungsgemäß in den Außenzylinder 3 eingefügt worden ist, kann eine durchmesserreduzierende Bearbeitung erfolgen, um den Außenzylinder 3 in engen Kontakt mit den Metallwabenkörper 2 zu bringen. Die Diffusionsverbindungsbehandlung erfolgt durch hohe Erwärmung in einer nichtoxidierenden Atmosphäre, z. B. in einem Vakuumofen. Bei der Vakuumerwärmung erfolgt die Diffusionsverbindungsbehandlung bei einem Vakuumgrad im Bereich von 3 × 10^–4 bis 5 × 10^–5 Torr, bei einer Temperatur im Bereich von 1100 bis 1250°C und für eine Verweilzeit von 30 bis 90 min.
Als nächstes wird die Erfindung, bei der als weitere Technologie zur Verbesserung der Haltbarkeit des erfindungsgemäßen Metallträgers ein Mantel 19 um den Außenumfang des Metallwabenkörpers 2 gewickelt wird, mit Bezug auf 34 beschrieben.
In 34 ist ein Mantel 19 ausgebildet, indem mindestens eine Windung der Flachfolie oder der Wellfolie gewickelt und die Flachfolien oder die Wellfolien, die den Mantel 19 bilden, miteinander verbunden worden sind. Im übrigen bezeichnet das Symbol S in 34 die Mittelachse des Metallwabenkörpers 2, und das Abgas tritt in der Richtung ein, die mit einem weißen Pfeil bezeichnet ist.
Die Flachfolie oder die Wellfolie zur Ausbildung des Mantels kann einstückig mit der Flachfolie 5 oder der Wellfolie 6 zur Ausbildung des Metallwabenkörpers 2 sein oder kann getrennt sein. Im ersteren Fall wird entweder die Flachfolie 5 oder die Wellfolie 6 vorher zu einer Länge gestreckt, die der Ausbildungslänge des Mantels entspricht, wenn der Metallwabenkörper 2 ausgebildet ist, wie in 2 gezeigt. Dieser gestreckte Abschnitt wird außerdem gewickelt. Im letzteren Fall wird der Metallwabenkörper 2 zuerst ausgebildet, und dann wird die gesonderte Flach- oder Wellfolie zusätzlich gewickelt.
Wenn der äußerste Umfang des Metallwabenkörpers 2 vor dem zusätzlichen Wickeln die Flachfolie 5 umfaßt, wird die Flachfolie zusätzlich mindestens eine Windung gewickelt, oder die Wellfolie wird zusätzlich mindestens zwei Windungen gewickelt. Wenn der äußerste Umfang des Metallwabenkörpers 2 vor dem zusätzlichen Wickeln die Wellfolie 6 umfaßt, wird der Mantel 19 durch zusätzliches Wickeln einer Windung der Wellfolie oder durch zusätzliches Wickeln mindestens zweier Windungen der Flachfolie ausgebildet.
Nachdem der Metallwabenkörper 2 mit dem derartig ausgebildeten Mantel 19 in den Außenzylinder 3 eingefügt worden ist, werden die Kontaktabschnitte zwischen der Flachfolie 5 und der Wellfolie 6, die gemeinsam den Metallwabenkörper 2 bilden, verbunden, die Flachfolien oder die Wellfolien, die den Mantel 19 bilden, werden miteinander verbunden, und die Außenumfangsfläche des Mantels 19 und die Innenumfangsfläche des Außenzylinders 3 werden verbunden. Auf diese Weise entsteht der erfindungsgemäße Metallträger.
Der erfindungsgemäße Metallträger weist den Mantel 19 um den Außenumfang des Metallwabenkörpers 2 herum auf, wie oben beschrieben. Dadurch hat dieser Metallträger eine höhere Beständigkeit gegen die Zyklen von schneller Erwärmung auf eine höhere Temperatur und von schneller Abkühlung als bei den bekannten Vorrichtungen. Das heißt, auch wenn sich die Spannung an den Abschnitten in der Nähe des Grenzbereichs infolge der Temperaturdifferenz zwischen dem Metallwabenkörper 2 und dem Außenzylinder 3 konzentriert, wird der feste Mantel 19, der durch Verbinden der Flachfolien oder der Wellfolien miteinander zu einer einheitlichen Struktur ausgebildet ist, nicht ohne weiteres beschädigt. Dadurch hat der Metallträger eine hohe Beständigkeit gegen die Abweichung in der axialen Richtung des Metallträgers.
Als nächstes ist eine weitere bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform des Metallträgers in der Schnittansicht in 35 gezeigt. In dieser Ausführungsform sind die nichtverbundenen Wabenabschnitte 11 im Metallwabenkörper 2 ausgebildet. Wie oben beschrieben, sind die Kontaktabschnitte zwischen der Flachfolie und der Wellfolie im nichtverbundenen Metallwabenabschnitt 11 nicht verbunden, sondern in anderen Abschnitten des Metallwabenkörpers 2 durch Diffusionsverbindung verbunden. Der nichtverbundene Wabenabschnitt 11 ist in dem Längenbereich ausgebildet, der an einem Endpunkt endet, der vom Endabschnitt der Gaseintrittsseite des Metallwabenkörpers 2 beabstandet ist, und ist mindestens eine Windung um den gesamten Umfang und in mindestens einer Position gewickelt.
In dieser bevorzugten Ausführungsform ist der nichtverbundene Wabenabschnitt 11 im Metallwabenkörper 2 ausgebildet. Wenn der Metallträger an das Abgassystem des Kraftfahrzeugmotors montiert ist und entsprechend verwendet wird usw., hat er daher eine größere Beständigkeit gegen die Zyklen von schneller Erwärmung und schneller Abkühlung durch das Abgas. Das heißt, der Metallträger hat aufgrund des festen Mantels 19 eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen die Abweichung in der axialen Richtung des Metallwabenkörpers 2. Außerdem kann der Metallträger die Spannungskonzentration auch dann mildern, wenn die Temperaturdifferenz zwischen dem Mittelabschnitt in der diametralen Richtung des Metallwabenkörpers 2 und dem Außenumfangsabschnitt groß wird. Denn der nichtverbundene Wabenabschnitt 11 läßt zu, daß sich die Mittelachsenseite S in der Richtung der Mittelachse S ausdehnt und zusammenzieht, wobei der nichtverbundene Wabenabschnitt 11 den Grenzbereich bildet.
Noch eine weitere bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform des Metallträgers ist in den Schnittansichten in 36 und 37 gezeigt. In dieser Ausführungsform ist der nichtverbundene Wabenabschnitt 11 im Metallwabenkörper 2 ausgebildet, und ferner ist der Mantel 19 so ausgebildet, daß er sich von der Gasaustrittsseite als Anfangspunkt oder von einer Position etwas einwärts von der Gasaustrittsseite ausdehnt. Wie in 36 und 37 gezeigt, ist daher ein Spielraum 12 zwischen dem Wabenkörper 2 und dem Außenzylinder 3 auf der Gaseintrittsseite ausgebildet.
In dem in 37 gezeigten Beispiel ist der Mantel 19 so ausgebildet, daß er sich von einer Position etwas einwärts von der Endfläche auf der Gaseintrittsseite als Anfangspunkt ausdehnt. Dadurch haben die Endfläche auf der Gaseintrittsseite und die Endfläche auf der Gasaustrittsseite die gleiche Form, und das Problem kann möglicherweise im Arbeitsprozeß bis zur Montage des Metallträgers an das Abgassystem auftreten. Im Gegensatz dazu ist in dem in 36 gezeigten Beispiel der Mantel 19 so ausgebildet, daß er sich von dem Ende auf der Gasaustrittsseite als Anfangspunkt ausdehnt, und die Formen der Endflächen unterscheiden sich deutlich. Deshalb tritt das oben beschriebene Problem nicht auf. Ferner kann der Mantel 19 auf einfachere Weise in dem Beispiel in 36 ausgebildet sein.
Als nächstes ist noch eine weitere bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform des Metallträgers in der Schnittansicht in 38 gezeigt. In dieser Ausführungsform sind der verbundene Abschnitt 13 und der nichtverbundene Grenzabschnitt 20 im Grenzbereicht zwischen dem Mantel 19 und dem Außenzylinder 3 ausgebildet. Der nichtverbundene Grenzabschnitt 20 ist so ausgebildet, daß er sich vom Endabschnitt auf der Gaseintrittsseite des Grenzbereichs als Anfangspunkt ausdehnt, und der verbundene Abschnitt 13 ist so ausgebildet, daß er sich so ausdehnt, daß die Gasaustrittsseite der Anfangspunkt ist. Obwohl das in 38 gezeigte Beispiel die Anwendung auf das Beispiel in 36 zeigt, kann es auch auf den Metallträger der in 34, 35 und 37 gezeigten Beispiele angewendet werden.
Da der nicht verbundene Grenzabschnitt 20 zwischen dem Mantel 19 und dem Außenzylinder 3 ausgebildet ist, kann die Wärmespannungskonzentration zwischen dem Mantel 19 und dem Außenzylinder 13 gemildert werden, und die Haltbarkeit kann weiter verbessert werden. Dabei kann sich der Metallwabenkörper 2 von und zur Gaseintrittsseite in bezug auf den Außenzylinder 3 ausdehnen und zusammenziehen, da der Zwischenraum zwischen dem Mantel 19 und dem Außenzylinder 3 vorhanden ist. Infolgedessen kann eine größere Wirkung erreicht werden, wenn der nichtverbundene Grenzabschnitt 20 auf der Gaseintrittsseite ausgebildet ist.
Das Diffusionsverbinden erfolgt in dieser Ausführungsform bei einer Temperatur im Bereich von 1100 bis 1250°C und bei einem Vakuum von etwa 10^–4 Torr auf die gleiche Weise wie in den oben beschriebenen Erfindungen. Das Diffusionsverbinden erfolgt jedoch vorzugsweise bei einer Temperatur (T°C) im Bereich der folgenden Formel (2) entsprechend der Foliendicke (t μm). Das heißt, wenn die Foliendicke groß ist, ist eine höhere Temperatur bis zur oberen Grenze der Vakuumwärmebehandlungstemperatur erlaubt, und wenn die Foliendicke klein ist, ist sie auf eine niedrigere Temperatur begrenzt, wie in 41 gezeigt. Entsprechend der Bedingung der Formel (2) hat der Metallwabenkörper 2 des Metallträgers eine verbesserte Wärmebeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit. Übrigens ermöglicht die Bedingung der Formel (3) einen stabileren und verbesserten Metallträger. 1100 ≤ T ≤ 1,7 × t + 1165 (2) 1100 ≤ T ≤ 1,9 × t + 1117 (3)
Das Verfahren zur Ausbildung des nichtverbundenen Abschnitts 11 im Metallwabenkörper 11 ist das gleiche wie das oben beschriebene Verfahren.
Ein konkretes Beispiel für das Verfahren zur Anordnung des Mantels 19 am Außenumfang des Metallwabenkörpers 2 wird nachstehend mit Bezug auf 39 beschrieben. In diesem Beispiel verwendet der Mantel 19 die Flachfolie, die mit der Flachfolie 5 einstückig ist, die den Metallwabenkörper 2 bil det. Das diffusionsverhindernde Mittel 14 wird auf die Kämme der Wellfolie 6 mit einer Beschichtungsmaschine 15 aufgebracht und wird an vorbestimmten Abschnitten der Kontaktabschnitte 9 mit der Flachfolie 5 aufgebracht, um die nichtverbundenen Wabenabschnitte 11 auszubilden. Die Flachfolie 5 wird um die Strecke gestreckt, die zur Ausbildung des Mantels 19 notwendig ist und wird auf ihrer Gaseintrittsseite abgeschnitten, um ihre Breite zu reduzieren und um einen schmalen Mantel 19 auszubilden. Um den Mantel 19 für den in 37 gezeigten Metallträger auszubilden, wird die Flachfolie zur Ausbildung des Mantels an beiden Enden in der Breitenrichtung abgeschnitten. Ebenso kann der Mantel 19 ausgebildet werden, indem die Wellfolie 6 um die Strecke, die zur Ausbildung des Mantels notwendig ist, gestreckt wird und der gestreckte Abschnitt anschließend gewickelt wird.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden der verbundene Abschnitt 13 und der nichtverbundene Grenzabschnitt 20 ausgebildet, indem das diffusionsverhindernde Mittel entweder auf einen von beiden oder auf beide, nämlich den vorbestimmten Abschnitt der Außenumfangsfläche des Mantels 19 und den vorbestimmten Abschnitt der Innenumfangsfläche des Außenzylinders aufgebracht wird und das Hartlot auf einen von beiden oder auf beide, nämlich einen anderen vorbestimmten Abschnitt des Mantels 19 und einen anderen vorbestimmten Abschnitt des Außenzylinders 3 aufgebracht wird, bevor der Metallwabenkörper 2 mit dem darauf ausgebildeten Mantel 19 in den Außenzylinder 3 eingefügt wird.
Ein konkretes Beispiel dafür ist in 40 gezeigt. Der Mantel 19 ist auf der Gasaustrittsseite des Metallwabenkörpers 2 ausgebildet. Nachdem das diffusionsverhindernde Mittel 14 auf die Gaseintrittsseite des Wabenkörpers 2 aufgebracht worden ist, während das Hartlot 16 auf die Gasaustrittsseite aufgebracht worden ist, wird der Wabenkörper 2 in den Außenzylinder 3 eingefügt. Dann erfolgt die Diffusionsverbindungsbehandlung. Infolgedessen ist der nichtverbundene Grenzabschnitt 20 in dem Abschnitt ausgebildet, auf den das diffusionsverhindernde Mittel 14 aufgebracht worden ist, während der verbundene Abschnitt 13 in dem Abschnitt ausgebildet ist, auf den das Hartlot 16 aufgebracht worden ist. Das diffusionsverhindernde Material 14 und das Hartlot 16 können auf die Innenfläche des Außenzylinders aufgebracht werden oder können sowohl auf die Außenfläche des Mantels als auch auf die Innenfläche des Außenzylinders 3 aufgebracht werden.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Dicke des Mantels 19 mindestens 50 μm und vorzugsweise 100 bis 500 μm. Die Dicke kann durch Änderung der Anzahl der Windungen geändert werden, und zwar entsprechend der Dicke der Flachfolie oder der Wellfolie, wenn die Metallfolie zur Ausbildung des Wabenkörpers gestreckt und gewickelt ist, oder entsprechend der Dicke der Flachfolie oder der Wellfolie, die getrennt gewickelt ist. Vorzugsweise werden ferner die Flachfolien oder die Wellfolien, die den Mantel 19 bilden, durch Festphasendiffusionsverbindung miteinander verbunden. Nachdem der Metallwabenkörper 2 mit dem daran ausgebildeten Mantel 19 in den Außenzylinder eingefügt worden ist, wird die Anordnung in einer nicht oxidierenden Atmosphäre, z. B. in einem Vakuumofen, auf eine hohe Temperatur erwärmt. Auf diese Weise können die Kontaktabschnitte zwischen der Flachfolie und der Wellfolie, die den Metallwabenkörper 2 bilden, und die Flachfolien oder die Wellfolien, die den Mantel 19 bilden, durch Festphasendiffusionsverbindung miteinander verbunden werden. Das Hartlöten zwischen dem Mantel 19 und dem Außenzylinder 3 erfolgt dabei gleichzeitig. Die Wärmebehandlungsbedingung für dieses Festphasendiffusionsverbinden kann die gleiche sein wie bei der oben beschriebenen Technologie zur Anordnung des nichtverbundenen Abschnitts im Wabenkörper.
Die oben gegebene Beschreibung erläutert die Technologien zur Verbesserung des Metallwabenkörpers für den Abgaskatalysator zur Reinigung des Abgases. Wenn irgendeine dieser Technologien oder deren Kombination verwendet wird, können die Festphasendiffusionsverbindungsfähigkeit der Metallfolien, die den Metallwabenkörper bilden, und die Motorlebensdauer drastisch verbessert werden. Die Erfindung ist also bisher hauptsächlich in bezug auf die Technologie zur Herstellung des Metallwabenkörpers durch Überlagerung und Zusammenwickeln der Flachfolie und der Wellfolie beschrieben worden. Die vorlie gende Erfindung weist jedoch naturgemäß in ihrem Schutzbereich den Fall auf, wo die Metallfolien zur Ausbildung des Metallwabenkörpers alternierend laminiert sind.
Beispiele
Beispiel 1
Eine Flachfolie und eine Wellfolie (mit einer Kammhöhe von 1,25 mm und zu einer Pseudosinuskurve mit einem Abstand von 2,5 mm verarbeitet), die jeweils eine Breite von 120 mm hatten und aus einem hochwärmebeständigen, ferritischen, nichtrostenden Stahl (5%Al-20%Cr-Fe) mit einer Foliendicke von 50 μm (A-Folie), 40 μm (B-Folie), 35 μm (C-Folie), 30 μm (D-Folie) und 20 μm (E-Folie) bestanden, wurden miteinander überlagert und gewickelt, während eine Spannung von etwa 5 kg auf die Flachfolie aufgebracht wurde, wobei ein zylindrischer Wabenkörper mit einer Länge von 120 mm entstand. Der Wabenkörper wurde dann in einen Außenzylinder mit einem Innendurchmesser von 86 mm, einer Dicke von 1,5 mm und einer Länge von 120 mm eingefügt und durch Festphasendiffusionsverbindung verbunden, um einen Metallträger zu ergeben. Die Diffusionsverbindungsbedingung zwischen der Flachfolie und der Wellfolie zur Ausbildung des Wabenkörpers war folgende.
Diffusionsverbindungsbedingung

Erwärmungstemperatur: 1120°C
Vakuumgrad: 1,4 × 10^–4 Torr
Verweilzeit: 60 min

Um die Festphasendiffusionsverbindungsfähigkeit nach der Behandlung zu prüfen, wurde jeder der Metallträger zu einer Ringform mit einer Dicke von 20 mm geschnitten, und ein Drückversuch jedes Metallträgers 1 wurde unter Verwendung eines konischen Stempels und einer Auflage durchgeführt. 42 zeigt das Prinzip dieses Drückversuchs, und Tabelle 1 zeigt die Versuchsergebnisse. Man kann aus Tabelle 1 erkennen, daß, wenn die A-Folie und die B-Folie für beide Folien verwendet wurden, das Verbinden zwischen den Folien nicht ausreichend war und während des Drückversuchs ein fehlerhafter Abschnitt auftrat, wie in 43(b) gezeigt. Dagegen behielten die Me tallträger, die die C-Folie, die D-Folie oder die E-Folie für mindestens einen der beiden Folien verwendeten, die Wabenform auch im Drückversuch bei, wie in 43(a) gezeigt. Es wurde also nachgewiesen, daß die Festphasendiffusionsverbindungsfähigkeit ausgezeichnet war. Wenn die Kontaktabschnitte jeder Folie in einer Vergrößerung betrachtet wurden, konnte im übrigen eine Vergrößerung der Kontaktabschnitte in der C-Folie, der D-Folie und der E-Folie erkannt werden.
Ein Wärmezyklusversuch (1000 Zyklen zwischen 800 und 60°C) wurde für jeden Metallträger durchgeführt, der die Folien mit einer Dicke von 50 μm und 30 μm verwendete, indem der Metallträger an das Abgassystem eines 200-cm³-Bezinmotors montiert wurde, um die Motorlebensdauer zu prüfen. Bei dem Metallträger mit einer Foliendicke von 50 μm trat eine Abweichung des Wabenkerns in 70 Zyklen auf und der Versuch wurde abgebrochen. Dagegen war bei dem Metallträger mit der Foliendicke von 30 μm die Verbindungsbedingung des Wabenkörpers auch nach 1000 Zyklen ausgezeichnet, und dieser Metallträger bestand die Motorlebensdauerprüfung. Tabelle 1
Bemerkungen: A-Folie: 50 μm, B-Folie: 40 μm, C-Folie: 35 μm, D-Folie: 30 μm, E-Folie: 20 μm
Beispiel 2
Metallträger mit einem Außendurchmesser von 100 mm und einer Länge von 100 mm wurden unter Verwendung der folgenden Materialien hergestellt und dem Haltbarkeitsversuch unterzogen.
Flachfolie:
ferritische, nichtrostende 20Cr-5Al-Fe-Folie, 50 μm dick; 20 μm dick und 100 mm breit für Metallträger 7 und 9
Wellfolie:
hergestellt durch Wellung der oben beschriebenen Flachfolie; Kammhöhe 1,25 mm und Abstand 2,54 mm
Außenzylinder:
wärmebeständiger nichtrostender 18Cr-8Ni-Stahl, Dicke 1,5 mm, Länge 100 mm und Außendurchmesser 102 mm
(1) Metallträger 1 (Beispiel des Standes der Technik)

Oberflächenrauhigkeit der Flachfolie und der Wellfolie: Rac = 0,35 μm,
Oberflächenform und -bedingung: PPI = 80

Während eine Rückspannung von 10 kp auf die Flachfolie aufgebracht wurde, wurden die Flachfolie und die Wellfolie gewickelt, und es wurde ein Metallwabenkörper mit einem Außendurchmesser von 100 mm hergestellt. Nachdem ein Hartlot auf die gesamte Innenfläche des Außenzylinders aufgebracht worden war, wurde der Metallwabenkörper in den Außenzylinder eingefügt. Danach wurde die Wärmebehandlung bei einer hohen Temperatur von 1250°C und bei hohem Vakuum von 10^–4 Torr für 90 min durchgeführt, um den Metallträger herzustellen.
(2) Metallträger 2 (erfindungsgemäßes Beispiel)

Oberflächenrauhigkeit der Flachfolien und der Wellfolien: Rac = 0,10 μm,
Oberflächenform und -bedingung: PPI = 80

Während eine Rückspannung von 10 kp auf die Flachfolie aufgebracht wurde, wurden die Flachfolie und die Wellfolie gewickelt, wobei ein Metallwabenkörper mit einem Außendurchmesser von 100 mm entstand. Nachdem das Hartlot auf die gesamte Innenfläche des Außenzylinders aufgebracht worden war, wurde der Metallwabenkörper in den Außenzylinder eingefügt. Danach erfolgte die Wärmebehandlung bei einer hohen Temperatur von 1250°C und einem hohen Vakuum von 10^–4 Torr für 90 min, um einen Metallträger zu ergeben.
(3) Metallträger 3 (erfindungsgemäßes Beispiel)

Oberflächenrauhigkeit der Flach- und Wellfolien: Rac = 0,35 μm,
Oberflächenform und -zustand: PPI = 500

Während einer Rückspannung von 10 kp auf die Flachfolie aufgebracht wurde, wurden die Flachfolie und die Wellfolie gewickelt, um einen Metallwabenkörper mit einem Außendurchmesser von 100 mm zu ergeben. Nachdem ein Hartlot auf die gesamte Innenfläche des Außenzylinders aufgebracht worden war, wurde der Metallwabenkörper in den Außenzylinder eingefügt. Danach erfolgte die Wärmebehandlung bei einer hohen Temperatur von 1250°C und einem hohen Vakuum von 10^–4 Torr für 90 min, um einen Metallträger zu ergeben.
(4) Metallträger 4 (erfindungsgemäßes Beispiel)

Oberflächenrauhigkeit der Flach- und Wellfolien: Rac = 0,10 μm,
Oberflächenform und -bedingung: PPI = 500

Während eine Rückspannung von 10 kp auf die Flachfolie aufgebracht wurde, wurden die Flachfolie und die Wellfolie gewickelt, um einen Metallwabenkörper mit einem Außendurchmesser von 100 mm zu ergeben. Nachdem ein Lötmaterial auf die gesamte Innenfläche des Außenzylinders aufgebracht worden war, wurde der Metallwabenkörper in den Außenzylinder eingefügt. Danach erfolgte die Wärmebehandlung bei einer hohen Temperatur von 1250°C und einem hohen Vakuum von 10^–4 Torr für 90 min, um einen Metallträger zu ergeben.
(5) Metallträger 5 (erfindungsgemäßes Beispiel)

Oberflächenrauhigkeit der Flach- und Wellfolien: Rac = 0,10 μm,
Oberflächenform und -bedingung: PPI = 100

Während eine Rückspannung von 10 kp auf die Flachfolie aufgebracht wurde, wurden die Flachfolie und die Wellfolie gewickelt, um einen Metallwabenkörper mit einem Außendurchmesser von 100 mm zu ergeben. Nachdem ein Lötmaterial auf die gesamte Innenfläche des Außenzylinders aufgebracht worden war, wurde der Metallwabenkörper in den Außenzylinder eingefügt. Danach erfolgte die Wärmebehandlung bei einer hohen Temperatur von 1250°C und einem hohen Vakuum von 10^–4 Torr für 90 min, um einen Metallträger zu ergeben.
(6) Metallträger 6 (erfindungsgemäßes Beispiel)

Während eine Rückspannung von 10 kp auf die Flachfolie aufgebracht wurde, wurden die Flachfolie und die Wellfolie gewickelt, um einen Metallwabenkörper mit einem Außendurchmesser von 100 mm zu ergeben. Nachdem ein Lötmaterial auf die gesamte Innenfläche des Außenzylinders aufgebracht worden war, wurde der Metallwabenkörper in den Außenzylinder eingefügt. Danach erfolgte die Wärmebehandlung bei einer hohen Temperatur von 1150°C und einem hohen Vakuum von 10^–4 Torr für 60 min, um einen Metallträger zu ergeben.
(7) Metallträger 7 (erfindungsgemäßes Beispiel)

Dicke der Flach- und Wellfolien: 20 μm,

Ein Metallträger wurde durch Wärmebehandlung bei 1100°C für 30 min hergestellt. Die anderen Bedingungen waren die gleichen wie beim Metallträger 6.
(8) Metallträger 8 (erfindungsgemäßes Beispiel)

Während eine Rückspannung von 10 kp auf die Flachfolie aufgebracht wurde, wurden die Flachfolie und die Wellfolie gewickelt, indem Aluminiumoxid in einer Länge entsprechend einer Windungslänge aufgebracht wurde, so daß R₁ 40 mm und H₁ 70 mm in 28 erreichte, um einen Metallwabenkörper mit einem Außendurchmesser von 100 mm zu ergeben. Ein Lötmaterial wurde auf den Abschnitt L2 aufgebracht, so daß L₁ 60 mm und L₂ 40 mm erreichte. Der Metallwabenkörper wurde in den Außenzylinder eingefügt, und es erfolgte eine Wärmebehandlung bei einer hohen Temperatur von 1150°C und einem hohen Vakuum von 10^–4 Torr für 60 min, um einen Metallträger zu ergeben.
(9) Metallträger 9 (erfindungsgemäßes Beispiel)

Dicke der Flach- und Wellfolien: 20 μm

Eine Wärmebehandlung erfolgte bei 1150°C für 40 min, wobei die anderen Bedingungen die gleichen waren wie beim Metallträger 8.
Der resultierende Metallträger 8 hatte die in 28 gezeigte Form. Das heißt, der nichtverbundene Abschnitt 11, in dem die Flachfolie und die Wellfolie nicht verbunden wurden und der für eine Windung einen Durchmesser R₁ = 40 mm und eine Länge H₁ = 70 mm hatten, wurden im Metallwabenkörper 2 ausgebildet. Der Metallwabenkörper 2 und der Außenzylinder 3 wurden im Verbindungsabschnitt 13 mit einer Länge L₂ = 40 mm verbunden, und der Abschnitt L₁ = 60 mm über dem Verbindungsabschnitt 13 war ein weiterer nichtverbundener Abschnitt 12.
Der Kaltdrückversuch wurde für jedes der Beispiele des Standes der Technik und jeden erfindungsgemäßen Metallträger 1 bis 7 durchgeführt. Da eine Abweichung im Metallträger 1 des Beispiels des Standes der Technik auftrat, wurde dieser Metallträger zurückgewiesen. Gar kein Problem trat jedoch bei den Metallträgern 2 bis 6 des erfindungsgemäßen Beispiels auf, und sie wurden für gut befunden. Der Kaltdrückversuch erfolgte, indem jeder Metallträger auf der Auflage angeordnet wurde, wie in 42 gezeigt, von oben mit einem mit einer Kraftmeßdose ausgestatteten Stempel gedrückt wurde und die Hub/Last-Kurve aufgezeichnet wurde.
Die Metallträger 8 und 9 der in 28 gezeigten Beispiele, die jeweils eine voll verbundene Struktur und einen Schlitz hatten, wurden an das Abgassystem des Benzinmotors montiert. Ein Abkühlungs/Erwärmungs-Haltbarkeitsversuch wurde durchgeführt, wobei ein Zyklus eine Erwärmung von 950°C für 10 min und eine Abkühlung von 150°C für 10 min aufwies. Diese Metallträger wurden auch dann nicht beschädigt, als 900 Zyklen durchgeführt wurden, und wurden für gut befunden.
Die Abgasreinigungsleistung der Metallträger 7 und 9 konnten um etwa 10% im Vergleich zu den Metallträgern 6 und 8 verbessert werden.
Beispiel 3
Ein Metallträger mit einem Außendurchmesser von 100 mm und einer Länge von 100 mm wurde unter Verwendung der folgen den Materialien hergestellt, und der Haltbarkeitsversuch wurde durchgeführt:
Flachfolie: ferritische, nichtrostende 20Cr-5Al-Fe-
Stahlfolie, 50 μm dick, aber die Folien 4 und 6 hatten eine Dicke von 20 μm und eine Breite von 100 mm.
Wellfolie: die gleiche Flachfolie wurde gewellt; Kammhöhe 1,25 mm und Abstand 2,54 mm
Außenzylinder: wärmebeständiger nichtrostender 18Cr-8Ni-Fe-Stahl, 1,5 mm dick, 100 mm lang und 102 mm Außendurchmesser.
(1) Metallträger 1 (Beispiel des Standes der Technik)

Wellenform: Seitenfläche in der Längsrichtung ergab eine Sinuskurve, wie in 22(b) gezeigt.

Während eine Rückspannung von 10 kp (d. h. 1,0 kp/cm) auf die Flachfolie aufgebracht wurde, wurden die Flachfolie und die Wellfolie gewickelt, um einen Metallwabenkörper mit einem Außendurchmesser von 100 mm herzustellen. Die Kontaktbreite zwischen der Flachfolie und der Wellfolie in der Längsrichtung war 0,1 mm = 2 t (das Zweifache der Foliendicke) (siehe 21). Nachdem ein Hartlot auf die gesamte Innenfläche des Außenzylinders aufgebracht worden war, wurde der Metallwabenkörper in den Außenzylinder eingefügt. Danach erfolgte eine Wärmebehandlung bei einer hohen Temperatur von 1250°C und einem hohen Vakuum von 10^–4 Torr für 90 min.
(2) Metallträger 2 (erfindungsgemäßes Beispiel)

Wellenform: Seitenfläche in der Längsrichtung ergab eine trapezförmige Kurve, die in 22(a) gezeigt ist.

Während eine Rückspannung von 10 kp (d. h. 1,0 kp/cm) auf die Flachfolie aufgebracht wurde, wurden die Flachfolie und die Wellfolie gewickelt, um einen Metallwabenkörper mit einem Außendurchmesser von 100 mm herzustellen. Die Kontaktbreite W zwischen der Flachfolie und der Wellfolie in der Längsrichtung war 0,5 mm = 10 t (das Zehnfache der Foliendicke). Nachdem ein Hartlot auf die gesamte Innenfläche des Außenzylinders aufgebracht worden war, wurde dieser Metallwabenkörper in den Außenzylinder eingefügt. Danach erfolgte eine Wärmebehandlung bei einer hohen Temperatur von 1250°C und einem hohen Vakuum von 10^–4 Torr für 90 min.
(3) Metallträger 3 (erfindungsgemäßes Beispiel)

Wellenform: Seitenfläche in der Längsrichtung ergab eine trapezförmige Kurve, wie in 22(a) gezeigt.

Während eine Rückspannung von 10 kp (d. h. 1,0 kp/cm) auf die Flachfolie aufgebracht wurde, wurden die Flachfolie und die Wellfolie gewickelt, um einen Metallwabenkörper mit einem Außendurchmesser von 100 mm herzustellen. Die Kontaktbreite zwischen der Flachfolie und der Wellfolie in der Längsrichtung war 0,5 mm = 10 t (das Zahnfache der Foliendicke) (siehe 21). Nachdem ein Hartlot auf die gesamte Innenfläche des Außenzylinders aufgebracht worden war, wurde der Metallwabenkörper in den Außenzylinder eingefügt. Danach erfolgte die Wärmebehandlung bei einer hohen Temperatur von 1225°C und einem hohen Vakuum von 10^–4 Torr für 90 min.
(4) Metallträger 4 (erfindungsgemäßes Beispiel)

Dicke der Flach- und der Wellfolien: 20 μm

Der Metallträger wurde durch Wärmebehandlung bei 1150°C für 60 min hergestellt. Die restlichen Bedingungen waren die gleichen wie beim Metallträger 3.
(5) Metallträger 5 (erfindungsgemäßes Beispiel)

Form der Wellfolie: Die Seitenfläche in der Längsrichtung ergab eine trapezförmige Kurve, die in 22(a) gezeigt ist.

Während eine Rückspannung von 10 kp (d. h. 1,0 kp/cm) auf die Flachfolie aufgebracht wurde und während Aluminiumoxid in einer Länge entsprechend einer Windung aufgebracht wurde, wurden die Flachfolie und die Wellfolie zu der in 28 gezeigten Form gewickelt, um R₁ = 40 mm und H₁ = 70 mm zu erreichen. Auf diese Weise wurde ein Metallwabenkörper mit einem Außendurchmesser von 100 mm hergestellt. Die Breite W des Kontaktabschnitts der Flachfolie und der Wellfolie in der Längsrichtung war 0,5 mm = 10 t (das Zehnfache der Foliendicke). Ein Hartlot wurde auf die Innenfläche des Außenzylinders so aufgebracht, daß L₁ = 60 mm und L₂ = 40 mm erreicht wurden. Nachdem Aluminiumoxid auf den Abschnitt 11 aufgebracht worden war, wurde der Metallwabenkörper in den Außenzylinder eingefügt. Danach erfolgte eine Wärmebehandlung bei einer hohen Tempera tur von 1225°C und einem hohen Vakuum von 10^–4 Torr für 60 min, um den Metallträger herzustellen.
(6) Metallträger 6 (erfindungsgemäßes Beispiel)

Länge der Flachfolie und der Wellfolie: 20 μm

Eine Wärmebehandlung erfolgte bei 1200°C für 40 min, um einen Metallträger herzustellen. Die restlichen Bedingungen waren die gleichen wie beim Metallträger 5.
Wenn der in 42 gezeigte Kaltdrückversuch auf den Metallträger des Beispiels des Standes der Technik und auf die erfindungsgemäßen Metallträger 1 bis 4 angewendet wurde, wurde der Metallträger 1 des Beispiels des Standes der Technik zurückgewiesen, da eine Abweichung auftrat. Die Metallträger 2, 3 und 4 der erfindungsgemäßen Beispiele hatten überhaupt kein Problem und wurden für gut befunden.
Wenn die Metallträger 5 und 6 der erfindungsgemäßen Beispiele, die jeweils die volle Verbindungsstruktur mit dem in 28 gezeigten Schlitz hatten, an das Abgassystem des Benzinmotors montiert wurden und dann einem starken Abkühlungs/Erwärmungsversuch unterzogen wurden, wobei ein Zyklus eine Erwärmung bis zu 950°C für 10 min und eine Abkühlung auf 150°C für 10 min aufwies, wurden diese Metallträger nicht beschädigt und für gut befunden.
Die Abgasreinigungsleistung der Metallträger 4 und 6 konnten um etwa 11% im Vergleich zu der bei den Metallträgern 3 und 5 verbessert werden.
Beispiel 4
Ein Metallträger mit einem Außendurchmesser von 100 mm und einer Länge von 100 mm wurde unter Verwendung der folgenden Materialien hergestellt und dem Haltbarkeitsversuch unterzogen.
Flachfolie: ferritischer, nichtrostender 20Cr-5Al-Fe-Stahl, 50 μm dick und 100 mm breit
Wellfolie: hergestellt durch Wellung der gleichen Flachfolie, Kammhöhe 1,25 mm und Abstand 2,54 mm
Außenzylinder: nichtrostender, wärmebeständiger 18Cr-8Ni-Fe-Stahl, 1,5 mm dick, 100 mm lang und Außendurchmesser 102 mm
(1) Metallträger 1 (Beispiel des Standes der Technik)
Während eine Rückspannung von 10 kp auf die Flachfolie aufgebracht wurde, wurden die Flachfolie und die Wellfolie gewickelt, und ein Metallwabenkörper mit einem Außendurchmesser von 100 mm (R = 50 in 25) wurde hergestellt. Ein diffusionsverhinderndes Mittel wurde während des Wickelns nicht eingebracht. Nachdem das Hartlot auf die gesamte Innenfläche des Außenzylinders aufgebracht worden war, wurde der Metallwabenkörper in den Außenzylinder eingefügt. Danach erfolgte eine Diffusionsverbindungswärmebehandlung bei einer hohen Temperatur von 1250°C und einem hohen Vakuum von 10^–4 Torr, um den Metallträger herzustellen.
(2) Metallträger 2 (Beispiel des Standes der Technik)
Während eine Rückspannung von 10 kp auf die Flachfolie aufgebracht wurde, wurden die Flachfolie und die Wellfolie gewickelt und ein Metallwabenkörper mit einem Außendurchmesser von 100 mm (R = 50 mm in 25) wurde hergestellt. Ein diffusionsverhinderndes Mittel 14 wurde während des Wickelns auf einen vorbestimmten Bereich der Wellfolie 6 aufgebracht, wie in 32 gezeigt, so daß ein nichtverbundener Abschnitt 11 mit R₁ = 40 mm und H₁ = 70 mm in 25 ausgebildet werden konnte. Der nichtverbundene Abschnitt 11 wurde in einer Position so ausgebildet, daß er sich um einen Umfang der Flach- und Wellfolie erstreckte. Das diffusionsverhindernde Mittel 14 verwendete Al₂O₃-Pulver. Nachdem ein Hartlot auf die gesamte Innenumfangsfläche des Außenzylinders aufgebracht worden war, wurde der Metallwabenkörper in den Außenzylinder eingefügt, und es erfolgte eine Diffusionsverbindungswärmebehandlung bei einer hohen Temperatur von 1250°C und einem hohen Vakuum von 10^–4 Torr, um den Metallträger herzustellen.
(3) Metallträger 3 (Beispiel des Standes der Technik)
Während eine Rückspannung von 10 kp auf die Flachfolie aufgebracht wurde, wurden die Flachfolie und die Wellfolie gewickelt, und ein Metallwabenkörper mit einem Außendurchmesser von 100 mm (R = 50 mm in 25) wurde hergestellt. Ein diffusionsverhinderndes Mittel wurde während des Wickelns nicht eingebracht. Ein Hartlot wurde auf die Position L₂ auf der Innenumfangsfläche des Außenzylinders so aufgebracht, daß L₁ = 60 mm und L₂ = 40 mm in 28 erreicht wurden. Das diffusionsverhindernde Mittel Al₂O₃ wurde auf die Position L₁ aufgebracht, und dann wurde der Metallwabenkörper in den Außenzylinder eingefügt. Danach erfolgte eine Diffusionsverbindungsbehandlung bei einer hohen Temperatur von 1250°C und einem hohen Vakuum von 10^–4 Torr für 90 min, um den Metallträger herzustellen.
(4) Metallträger 4 (Beispiel des Standes der Technik)
Während eine Rückspannung von 10 kp auf die Flachfolie aufgebracht wurde, wurden die Flachfolie und die Wellfolie gewickelt, und ein Metallwabenkörper mit einem Außendurchmesser von 100 mm (R = 50 mm in 25) wurde hergestellt. Ein diffusionsverhinderndes Mittel 14 wurde auf einen vorbestimmten Bereich der Wellfolie 6 während des Wickelns aufgebracht, wie in 25 gezeigt, um einen nichtverbundenen Abschnitt 11 mit R₁ = 40 mm und H₁ = 70 mm in 27 auszubilden. Der nichtverbundene Abschnitt 11 wurde in einer Position in einer Länge entsprechend einem Umfang der Flachfolie und der Wellfolie ausgebildet. Das diffusionsverhindernde Mittel 14 verwendete Al₂O₃-Pulver.
Ein Hartlot wurde auf die Position L₂ so aufgebracht, daß L₁ = 20 mm, L₂ = 40 mm und L₃ = 40 mm in 27 erreicht wurden. Nachdem Al₂O₃ als diffusionsverhinderndes Mittel auf die Positionen L₁ und L₃ aufgebracht worden war, wurde der Metallwabenkörper in den Außenzylinder eingefügt. Danach erfolgte die Diffusionsverbindungsbehandlung bei einer hohen Temperatur von 1250°C und einem hohen Vakuum von 10^–4 Torr für 90 min, um den Metallträger herzustellen.
(5) Metallträger 5 (Beispiel des Standes der Technik)
Während eine Rückspannung von 10 kp auf die Flachfolie aufgebracht wurde, wurden die Flachfolie und die Wellfolie gewickelt, und ein Metallwabenkörper mit einem Außendurchmesser von 100 mm (R = 50 mm in 25) wurde hergestellt. Ein diffusionsverhinderndes Mittel 14 wurde auf einen vorbestimmten Bereich der Wellfolie 6 während des Wickelns aufgebracht, wie in 32 gezeigt, so daß ein nichtverbundener Abschnitt 11 mit R₁ = 40 mm und H₁ = 50 mm in 28 ausgebildet werden konnte. Der nichtverbundene Abschnitt 11 wurde in einer Posi tion in einer Länge eines Umfangs der Flachfolie und der Wellfolie ausgebildet. Das diffusionsverhindernde Mittel 14 verwendete Al₂O₃-Pulver.
Ein Hartlot wurde auf die Position L₂ des Innenumfangs des Außenzylinders so aufgebracht, daß L₁ = 60 mm und L₂ = 40 mm in 28 erreicht wurden. Nachdem Al₂O₃ als diffusionsverhinderndes Mittel auf die Position L₁ aufgebracht worden war, wurde der Metallwabenkörper in den Außenzylinder eingefügt. Danach erfolgte die Diffusionsverbindungswärmebehandlung bei einer hohen Temperatur von 1250°C und einem hohen Vakuum von 10^–4 Torr für 90 min, um den Metallträger herzustellen.
(6) Metallträger 6 (Beispiel des Standes der Technik)
Während eine Rückspannung von 10 kp auf die Flachfolie aufgebracht wurde, wurden die Flachfolie und die Wellfolie gewickelt, und ein Metallwabenkörper mit einem Außendurchmesser von 100 mm (R = 50 mm in 25) wurde hergestellt. Ein diffusionsverhinderndes Mittel 14 wurde auf einen vorbestimmten Bereich der Wellfolie 6 während des Wickelns aufgebracht, wie in 32 gezeigt, so daß ein nichtverbundener Abschnitt 11 mit R₁ = 40 mm und H₁ = 50 mm in 28 ausgebildet werden konnte. Der nichtverbundene Abschnitt 11 wurde in einer Position in einer Länge eines Umfangs der Flachfolie und der Wellfolie ausgebildet. Das diffusionsverhindernde Mittel 14 verwendete Al₂O₃-Pulver.
Ein Hartlot wurde auf die Position L₂ des Innenumfangs des Außenzylinders so aufgebracht, daß L₁ = 60 mm und L₂ = 40 mm in 28 erreicht wurden. Nachdem Al₂O₃ als diffusionsverhinderndes Mittel auf die Position L₁ aufgebracht worden war, wurde der Metallwabenkörper in den Außenzylinder eingefügt. Danach erfolgte die Diffusionsverbindungswärmebehandlung bei einer hohen Temperatur von 1250°C und einem hohen Vakuum von 10^–4 Torr für 90 min, um den Metallträger herzustellen.
(7) Metallträger 7 (erfindungsgemäßes Beispiel)
Während eine Rückspannung von 10 kp auf die Flachfolie aufgebracht wurde, wurden die Flachfolie und die Wellfolie gewickelt, und ein Metallwabenkörper mit einem Außendurchmesser von 100 mm (R = 50 mm in 25) wurde hergestellt. Ein diffusionsverhinderndes Mittel 14 wurde auf einen vorbestimmten Bereich der Wellfolie 6 während des Wickelns aufgebracht, wie in 32 gezeigt, so daß ein nichtverbundener Abschnitt 11 mit R₁ = 40 mm und H₁ = 70 mm in 28 ausgebildet werden konnte. Der nichtverbundene Abschnitt 11 wurde in einer Position in einer Länge entsprechend einem Umfang der Flachfolie und der Wellfolie ausgebildet. Das diffusionsverhindernde Mittel 14 verwendete Al₂O₃-Pulver.
Ein Hartlot wurde auf die Position L₂ des Innenumfangs des Außenzylinders so aufgebracht, daß L₁ = 60 mm und L₂ = 40 mm in 28 erreicht wurden, und Al₂O₃ wurde als diffusionsverhinderndes Mittel auf die Position L₁ aufgebracht. Der Metallwabenkörper wurde dann in den Außenzylinder eingefügt. Danach erfolgte die Diffusionsverbindungswärmebehandlung bei einer hohen Temperatur von 1250°C und einem hohen Vakuum von 10^–4 Torr für 90 min, um den Metallträger herzustellen.
(8) Metallträger 8 (erfindungsgemäßes Beispiel)
Ein Wabenkörper mit der Flachfolie und der Wellfolie jeweils mit einer Foliendicke von 20 μm wurden bei 1150°C für 90 min diffusionsverbunden. Die restlichen Bedingungen waren die gleichen wie beim Metallträger 7.
(9) Metallträger 9 (Beispiel des Standes der Technik)
Während eine Rückspannung von 10 kp auf die Flachfolie aufgebracht wurde, wurden die Flachfolie und die Wellfolie gewickelt, um einen Metallwabenkörper mit einem Außendurchmesser von 100 mm (R = 50 mm in 44) herzustellen. Ein Binder wurde anstelle des diffusionsverhindernden Mittels 14 auf die Wellfolie 6 während des Wickelns aufgebracht, wie in 32 gezeigt. Der Bereich für das Aufbringen reichte von einem der Enden, z. B. einer Gaseintrittsseite, bis zu einer Breite von 50 mm, so daß h = 50 mm in dem Bereich von r ≤ 40 mm in 44 erreicht werden konnte, und war der Bereich der vollen Breite im Bereich von 40 mm ≤ r ≤ 50 mm. Danach wurde ein Hartlot in Pulverform aufgesprüht und konnte auf dem Binderhaftabschnitt haften.
Ein Hartlot wurde auf die Position L₂ so aufgebracht, daß L₁ = 60 mm und L₂ = 40 mm in 44 erreicht wurden, und Al₂O₃ wurde als diffusionsverhinderndes Mittel auf die Position L₁ aufgebracht. Der Metallwabenkörper wurde dann in den Au ßenzylinder eingefügt, und es erfolgte die Diffusionsverbindungsbehandlung bei einer hohen Temperatur von 1250°C und einem hohen Vakuum von 10^–4 Torr für 90 min. Im Metallwabenkörper 2 des derartig ausgebildeten Metallträgers wurde eine nichtverbundene Zone 17 in der Mitte auf der Gasaustrittsseite ausgebildet, und die verbundene Zone 18 wurde in den restlichen Bereichen ausgebildet.
Ein Katalysator wurde von jedem der Metallträger der Beispiele des Standes der Technik und der erfindungsgemäßen Beispiele 1 bis 9 gehalten und wurde an das Abgassystem eines Benzinmotors montiert. Ein ernsthafter Abkühlungs/Erwärmungs-Haltbarkeitsversuch mit einem Zyklus, der eine Erwärmung bis zu 950°C für 10 min und eine Abkühlung bis zu 150°C für 10 min aufwies, wurde durchgeführt. Obwohl 900 Zyklen durchgeführt wurden, wiesen die Metallträger 7 und 8 der erfindungsgemäßen Beispiele keine Beschädigung, z. B. Risse, an der Eintritts- oder Austrittsseite des Metallwabenkörpers auf. Ferner traten keine Abweichungen an der Grenzfläche zwischen dem Metallwabenkörper und dem Außenzylinder auf. Dadurch wurden diese Metallträger 7 und 8 für gut befunden. Die Metallträger der Beispiele des Standes der Technik wurden jedoch zurückgewiesen, da ein Bruch des Metallwabenkörpers und Abweichungen auftraten. Der Metallträger 8 wurde insbesondere in der Mitte an der Gasaustrittsseite des Metallwabenkörpers nicht verbunden, und infolgedessen traten lokale Wabenfehler (Risse) an diesem Abschnitt auf.
Die Abgasreinigungsleistung des Metallträgers 8 konnte um etwa 10% im Vergleich zu dem Metallträger 7 verbessert werden.
Beispiel 5
Ein Metallträger mit einem Außendurchmesser von 100 mm und einer Länge von 120 mm in der axialen Richtung wurde unter Verwendung der folgenden Materialien hergestellt, und ein Haltbarkeitsversuch wurde durchgeführt.
Flachfolie: ferritische, nichtrostende 20Cr-5Al-Fe-Stahlfolie, 50 oder 20 μm dick und 120 mm breit
Wellfolie: hergestellt durch Wellen der gleichen Flachfolie, Kammhöhe 1,25 mm und Abstand 2,54 mm
Außenzylinder: wärmebeständiges 18Cr-8Ni-Fe-Stahlrohr, 1,5 mm dick, 123 mm lang und 102 mm Außendurchmesser.
Diffusionsverhinderndes Mittel: Gemisch aus Aluminiumoxidpulver mit einer Korngröße von 1 μm mit Wasser,
Hartlot: Folienwachs
In 45 wurde das oben beschriebene diffusionsverhindernde Mittel auf die Positionen des nichtverbundenen Wabenabschnitts und auf den nichtverbundenen Grenzabschnitt 12 aufgebracht, und das Hartlot wurde auf die Position des verbundenen Grenzabschnitts 13 haftend aufgebracht. Dann wurde eine Vakuumbehandlung durchgeführt, um den Kontaktabschnitt zwischen der Flachfolie und der Wellfolie des Wabenkörpers 2 und den Flachfolien des Mantels 19 miteinander oder die Wellfolien des Mantels 19 miteinander zu verbinden. Außerdem wurde der mit Hartlot versehene Abschnitt im Grenzbereich hartgelötet.
(1) Metallträger 1 (erfindungsgemäßes Beispiel)

Form und Größe: L₁ = 40 mm, L₂ = 80 mm, L₃ = 3 mm, H₁ = 90 mm und R₁ = 2 bis 3 Umfänge in 45
Dicke der Flach- und Wellfolien: 50 μm
Rückspannung beim Wickeln des Metallwabenkörpers: 10 kp
Mantel: Flachfolie, einstückig mit Metallwabenkörper, wurde 5 Windungen gewickelt
Manteldicke: 250 μm
Vakuumwärmebehandlung: bei 1200°C für 60 min bei 10^–4 Torr

(2) Metallträger 2 (erfindungsgemäßes Beispiel)

Form und Größe: wie beim Metallträger 1
Dicke der Flach- und Wellfolien: 50 μm
Rückspannung beim Wickel des Metallwabenkörpers: 10 kp
Mantel: Wellfolie, einstückig mit Metallwabenkörper, wurde 5 Windungen gewickelt.
Manteldicke: 250 μm
Vakuumwärmebehandlung: bei 1200°C für 60 min bei 10^–4 Torr

(3) Metallträger 3 (erfindungsgemäßes Beispiel)

Form und Größe: wie beim Metallträger 1
Dicke der Flach- und Wellfolien: 20 μm
Rückspannung beim Wickeln des Metallwabenkörpers: 5 kp
Mantel: Flachfolie, einstückig mit Metallwabenkörper, wurde 15 Windungen gewickelt.
Manteldicke: 300 μm
Vakuumwärmebehandlung: bei 1150°C für 60 min bei 10^–4 Torr

(4) Metallträger 4 (erfindungsgemäßes Beispiel)

Form und Größe: L₁ = 40 mm, L₂ = 80 mm, L₃ = 3 mm, L₄ = 60 mm, H₁ = 90 mm und R₁ = 2 bis 3 Windungen
Dicke der Flach- und Wellfolien: 50 μm
Rückspannung beim Wickeln des Metallwabenkörpers: 10 kp
Mantel: hergestellt durch Wickeln von 5 Windungen einer Flachfolie, getrennt vom Metallwabenkörper und 50 μm dick und 60 mm breit.
Manteldicke: 250 μm
Vakuumwärmebehandlung: bei 1200°C für 60 in bei 10^–4 Torr

(5) Metallträger 5 (erfindungsgemäßes Beispiel)

Form und Größe: wie beim Metallträger 1
Dicke der Flach- und Wellfolien: 20 μm
Rückspannung beim Wickeln des Metallwabenkörpers: 5 kp
Mantel: 50 μm Flachfolie, getrennt vom Metallwabenkörper, wurde 5 Windungen gewickelt.
Manteldicke: 250 μm
Vakuumwärmebehandlung: bei 1200°C für 60 min und bei 10^–4 Torr

(6) Metallträger 6 (Vergleichsbeispiel)

Form und Größe: L₁ = 40 mm, L₂ = 80 mm, L₃ = 3 mm, H₁ = 90 mm und R₁ = 2 bis 3 Windungen in 47
Dicke der Flach- und Wellfolien: 50 μm
Rückspannung beim Wickeln des Metallwabenkörpers: 10 kp
Mantel: nein
Vakuumwärmebehandlung: bei 1280°C für 90 min bei 10^–4 Torr

(7) Metallträger 7 (Vergleichsbeispiel)

Form und Größe: wie beim Metallträger 6
Dicke der Flach- und Wellfolien: 20 μm
Rückspannung beim Wickeln des Metallwabenkörpers: 5 kp
Mantel: nein
Vakuumwärmebehandlung: bei 1280°C für 90 min bei 10^–4 Torr

(8) Metallträger 7 (Vergleichsbeispiel)

Form und Größe: wie beim Metallträger 6
Dicke der Flach- und Wellfolien: 50 μm
Rückspannung beim Wickeln des Metallwabenkörpers: 10 kp
Mantel: nein
Vakuumwärmebehandlung: bei 1200°C für 60 min bei 10^–4 Torr

(9) Metallträger 7 (Vergleichsbeispiel)

Form und Größe: wie beim Metallträger 6
Dicke der Flach- und Wellfolien: 20 μm
Rückspannung beim Wickeln des Metallwabenkörpers: 5 kp
Mantel: nein
Vakuumwärmebehandlung: bei 1150°C für 60 min bei 10^–4 Torr

Der Metallträger jedes der erfindungsgemäßen Beispiele und Vergleichsbeispiele wurde an einen Abgasrohrkrümmer montiert, und ein Motorabkühlungs/Erwärmungs-Haltbarkeitsversuch von 900 Zyklen wurde durchgeführt, jeweils mit einer Erwärmung bis zu 950°C für 10 min und einer Abkühlung bis auf 150°C für 10 min unter den vier Bedingungen, die in Tabelle 2 aufgeführt sind.
In Tabelle 2 wurde ein Gleichmäßigkeitsindex γ in dem in Tabelle 3 gezeigten Verfahren bestimmt, indem eine große Anzahl von Zuglöchern des Metallwabenkörpers in viele Kanäle geteilt wurde, die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung des Abgases gemessen wurde, das durch jeden Kanal strömt, und diese Verteilungen statistisch bearbeitet wurden. Wenn γ 1,00 war, war der Gasstrom in jedem Gaskanal des Metallwabenkörpers vollständig gleich. Je kleiner dieser Wert war, um so stärker wurde die Ungleichmäßigkeit des Gasstroms. In Tabelle 3 bedeutet der Begriff "lokal" einen Kanal, wo die Zuglöcher in n Kanäle geteilt wurden.
Das Ergebnis wurde in Tabelle 4 aufgeführt. Dieser Versuch erfolgte, indem der Metallträger in die Position unmittelbar unter dem Abgasrohrkrümmer eingefügt wurde. Dies war ein ernsthafter Abkühlungs/Erwärmungs-Haltbarkeitsversuch, bei dem der Metallträger durch das heiße Abgas schnell auf 950°C erwärmt und schnell abgekühlt wurde. Insbesondere war die Bedingung des Abgasrohrkrümmers A die Bedingung, unter der die durch die Anordnung bewirkte Spannungskonzentration beachtlich wurde und der ungleichmäßige Abgasstrom auch beachtlich wurde. Die Metallträger 1 bis 5 erfüllten jedoch alle Bedingungen.
Die Metallträger 6 bis 9 hatten keinen Mantel. Dadurch trat bei allen diesen Metallträgern eine Abweichung zwischen dem Metallwabenkörper 2 und dem Außenzylinder 3 auf. In den Metallträgern 6 und 7, bei denen die Vakuumerwärmungsbehandlung bei 1280°C erfolgte, trat der Wabenfehler auf, der als "Risse" bezeichnet wird.
Übrigens konnte die Abgasreinigungsleistung der Metallträger 3 bis 5 um etwa 10% im Vergleich zu den Metallträgers 1, 2 und 4 verbessert werden.
Tabelle 2
Tabelle 3
Tabelle 4
Wie oben beschrieben, kann die Erfindung einen Metallträger bereitstellen, der eine ausgezeichnete Festphasendiffusionsverbindungsfähigkeit und eine verbesserte Motorlebensdauer sowie eine verbesserte Abgasreinigungsleistung hat. Daher kann der erfindungsgemäße Metallträger eine ausgezeichnete Haltbarkeit und eine Abgasreinigungsleistung auch unter einer extrem schweren Bedingung aufweisen, z. B. wenn er an einen Abgasrohrkrümmer eines Kraftfahrzeugmotors angebracht ist, wobei ein Abgas mit einer hohen Temperatur von nicht weniger als 950°C und einer Temperatur von 150°C beispielsweise als ungleichmäßiger Strom in jeden Gaskanal des Metallwabenkörpers 2 eingeleitet wird oder wobei die Spannungsbedingung aufgrund der Anordnung beachtlich ist.

Claims

Metallfolie aus einem ferritischen, hitzebeständigen, hochlegierten Stahl zum Ausbilden eines Metallwabenkörpers (2) für einen Katalysator zur Abgasreinigung, der durch abwechselndes Laminieren oder integrales Wickeln einer flachen Folie und einer gewellten Folie hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenrauhigkeit der Metallfolie im Bereich vom 0.001 bis 0.3 μm als mittlere Rauhigkeit Rac in Breitenrichtung der Folie liegt.
Metallfolie aus einem ferritischen, hitzebeständigen, hochlegierten Stahl zum Ausbilden eines Metallwabenkörpers (2) für einen Katalysator zur Abgasreinigung, der durch abwechselndes Laminieren oder integrales Wickeln einer flachen Folie und einer gewellten Folie hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenform und – bedingung der Metallfolie mindestens 100 Kämme PPI pro Inch Länge in der Breitenrichtung der Folie aufweist.
Metallfolie nach Anspruch 1, wobei die Oberflächenform und -bedingung der Metallfolie mindestens 100 Kämme PPI pro Inch Länge in Breitenrichtung der Folie aufweist.