ES2389228T3

ES2389228T3 - Procedimiento para la producción de una capa de óxidos sobre una hoja metálica, hoja con una capa de óxido, y cuerpo alveolar producido a partir de ella

Info

Publication number: ES2389228T3
Application number: ES08786599T
Authority: ES
Inventors: Kait ALTHÖFER; Jan Hodgson; Sven Schepers
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2028-07-30
Also published as: WO2009033882A1; DE102007042618A1; EP2188503B1; JP5300847B2; PL2188503T3; US8722566B2; EP2188503A1; JP2010537817A; US20100184590A1; DK2188503T3

Abstract

Cuerpo alveolar (1), en particular cuerpo de soporte de catalizador, que contiene por lo menos una hoja metálica(2) a base de un acero resistente a la corrosión a altas temperaturas, teniendo la hoja (2) por lo menos en algunaszonas unos sitios de unión (5) y teniendo junto a sus superficies en cada caso una capa de óxidos (3) con unespesor (D) de 60 a 80 nm (nanómetros), de manera preferida de 70 a 75 nm.

Description

Procedimiento para la producción de una capa de óxidos sobre una hoja metálica, hoja con una capa de óxido, y cuerpo alveolar producido a partir de ella.

El presente invento se refiere a la producción y al uso de una hoja metálica a base de un acero resistente a la corrosión a altas temperaturas, estando la hoja provista de una capa de óxido junto a sus superficies.

Desde hace mucho tiempo es conocido que se pueden emplear unas hojas metálicas en el caso de la producción de cuerpos alveolares, en particular para sistemas de gases de escape de motores de combustión interna. A causa de las altas temperaturas, en el caso de tales usos se emplean en la mayor parte de los casos unos aceros que contienen cromo y aluminio. Unas hojas típicas tienen un espesor de 20 a 180 μm (micrómetros), en particular en el intervalo de 30 a 120 μm, y se producen mediante laminación. En particular, en el caso de la utilización de tales hojas para cuerpos alveolares metálicos y otros componentes destinados a la purificación de gases de escape, se deben establecer en cuanto a la superficie también unos requisitos especiales. La propiedad de la resistencia a la corrosión a altas temperaturas se establece precisamente a partir del hecho de que junto a la superficie de tales hojas se forma una capa protectora de óxidos, que en el caso de aceros que contienen aluminio se compone principalmente de un óxido de aluminio, en particular !-óxido de aluminio.

En general, los cuerpos alveolares producidos a partir de hojas metálicas, usados en sistemas de gases de escape, son revestidos con un material activo catalíticamente, que es aplicado en la forma de un denominado revestimiento producido por inmersión (en inglés washcoat). Aquí, la capa protectora de óxidos situada sobre la hoja debe hacer posible adicionalmente una buena adhesión del revestimiento adicional. Finalmente, ha de tomarse en cuenta todavía otra problemática, a saber la de la técnica de unión, que en el caso de la producción de cuerpos alveolares a base de hojas metálicas es responsable de la estabilidad de los cuerpos alveolares. Unas experiencias adquiridas durante largos años han mostrado que en un cuerpo alveolar, que se produce a partir de hojas diversamente texturizadas (= estructuradas en relieve) no se deben unir entre sí todos los sitios de contacto entre las hojas, sino que son convenientes las uniones solamente en zonas escogidas, puesto que solamente de esta manera se pueden garantizar al mismo tiempo una estabilidad y una elasticidad altas en el caso de cargas térmicas alternas variables. Como técnica de unión entra en consideración en particular la soldadura dura, preferiblemente la soldadura en vacío a altas temperaturas. Sin embargo, las hojas metálicas a una alta temperatura se unen entre sí junto a sus sitios de contacto también dependiendo de diferentes parámetros mediante uniones por difusión. Esto puede ser aprovechado deliberadamente para la producción de uniones, pero también puede perturbar considerablemente, cuando precisamente determinadas zonas de contacto no deben de ser unidas entre sí. También para estos procesos desempeña un importante cometido la capa de óxidos sobre las hojas, puesto que en el caso de capas de óxidos muy gruesas no se pueden conseguir ni uniones por soldadura ni uniones por difusión, mientras que en el caso de unas capas de óxidos muy delgadas pueden resultar no solamente unas buenas uniones por soldadura sino también unas uniones por difusión también en todos los sitios de contacto.

Una misión del presente invento es mejorar por lo menos parcialmente las técnicas conocidas, debiendo ser indicada en particular una hoja metálica con una capa de óxidos que tiene unas apropiadas propiedades para la producción de un cuerpo alveolar, en particular para los usos descritos. Además, se debe de indicar un procedimiento para la producción de tales hojas. También un cuerpo alveolar producido a partir de tales hojas es objeto del presente invento.

Para resolver los problemas planteados por estas misiones sirven un cuerpo alveolar de acuerdo la reivindicación 1, una hoja de acuerdo con la reivindicación 11 así como un procedimiento para la producción de una capa de óxidos sobre una hoja de acuerdo con la reivindicación 12. Unas ventajosas formas de realización se indican en las reivindicaciones en cada caso dependientes.

Un cuerpo alveolar conforme al invento, en particular un cuerpo de soporte de catalizador, contiene por lo menos una hoja metálica a base de un acero resistente a la corrosión a altas temperaturas, teniendo la hoja unos sitios de unión por lo menos en algunas zonas. Esta hoja tiene junto a sus superficies en cada caso una capa de óxidos con un espesor de 60 a 80 nm (nanómetros), de manera preferida de 70 a 75 nm.

Este intervalo de espesores se ha manifestado como especialmente favorable para la producción de cuerpos alveolares con las deseadas propiedades, en particular para el uso en instalaciones de gases de escape de vehículos automóviles. En tales cuerpos alveolares se estratifican y/o enrollan típicamente unas sobre otras típicamente unas hojas diversamente texturizadas, no debiendo la capa de óxidos, en lo posible, influir negativamente sobre las etapas mecánicas de producción. En el cuerpo alveolar estratificado o respectivamente enrollado existen unos sitios de contacto entre las hojas estratificadas o respectivamente enrolladas y/o entre las hojas y otras piezas componentes, por ejemplo un tubo de envoltura o un sensor envuelto con materiales metálicos. Mediante diferentes procedimientos conocidos, en algunas zonas, los sitios de contacto se pueden convertir en sitios de unión fijos, por ejemplo mediante la aplicación de un material de soldadura dura (en forma sólida o líquida) y un subsiguiente calentamiento. Las resultantes uniones producidas por soldadura dura no son empeoradas 2 10

esencialmente por una capa de óxidos con el espesor conforme al invento. Por otro lado, esta capa de óxidos impide que junto a unos sitios de contacto que no deben de ser unidos, al realizar el calentamiento del cuerpo alveolar se formen uniones por difusión indeseadas. Para esto, la capa de óxidos es suficientemente gruesa, de manera tal que se favorece en gran manera la deseada producción selectiva de sitios de unión a través de la capa de óxidos. Con esta finalidad, las dos superficies planas de la hoja (eventualmente, sin embargo, también solamente una de ellas) debe ser provista, por lo menos parcialmente – pero de manera preferida completamente – de la capa de óxidos aquí propuesta, pero en particular en cualquier caso en los sitios de contacto de las hojas contiguas en el marco de la producción del cuerpo alveolar.

Se prefiere que la hoja metálica esté compuesta a base de un acero con ciertas proporciones de cromo y aluminio, en particular de unos aceros con unos contenidos de aluminio de 1 a 5 % [tantos por ciento en peso]. Un contenido de aluminio hasta de 5 % es especialmente favorable para la resistencia a la corrosión a altas temperaturas, sin desventajas esenciales para las demás propiedades de una hoja.

La capa de óxidos se compone en lo esencial a base de un óxido de aluminio, en particular !-óxido de aluminio.

Conforme al invento, tiene una ventaja especial que la capa de óxidos posea sobre todas las superficies en el cuerpo alveolar un espesor casi uniforme con una tolerancia de menos que 10 %, de manera preferida de menos que 5 %. En el caso de la producción selectiva deliberada de sitios de unión y de la evitación deliberada de uniones en otras zonas, puede ser necesario que en todos los lugares junto a los sitios de contacto predominen unas condiciones similares, por lo cual es ventajosa una pequeña tolerancia de la capa de óxidos.

Para la producción de uniones por soldadura, se trata también de que un material de soldadura, que es aplicado por ejemplo en forma de un polvo en determinadas zonas, se pueda distribuir por fluencia a lo largo de una pequeña zona del medio ambiente, cuando se alcanza la temperatura de fusión. Las propiedades de fluencia y de mojadura de un material de soldadura sobre una superficie dependen no solamente de la capa de óxidos, sino también de la aspereza superficial del material utilizado. También influye la aspereza superficial sobre la probabilidad de una formación de uniones por difusión. Se ha manifestado como ventajosa una superficie relativamente áspera, con una aspereza superficial media de más que 0,3 μm (micrómetros). En el caso de los valores indicados de la aspereza, se trata de unos valores medios aritméticos de la aspereza, denominados abreviadamente en la mayor parte de los casos con Ra, tal como se miden de acuerdo con el procedimiento del perfilómetro registrador por palpador. Este procedimiento se describe por ejemplo en el artículo “Medición de la aspereza en chapas finas laminadas” en la revista “Stahl und Eisen 109” (anualidad 1989 nº 12, páginas 589 y 590).

Son especialmente apropiadas, en conexión con el presente invento unas hojas laminadas, cuyas asperezas superficiales en la dirección de la laminación y/o en la dirección transversal a ella, presentan una aspereza superficial media de más que 0,3 μm, de manera preferida de más que 0,5 μm, de manera especialmente preferida de más que 0,6 μm. En el caso de estas asperezas, en vinculación con la capa de óxidos conforme al invento resultan unas propiedades especialmente favorables para la elaboración, la soldadura, la evitación de uniones por difusión y la resistencia a la corrosión a altas temperaturas.

Sus ventajas especiales las desarrollan las propiedades descritas, en particular, cuando los sitios de unión en un cuerpo alveolar conforme al invento se producen mediante soldadura dura, en particular mediante soldadura en vacío a alta temperatura. A pesar de la alta temperatura en el caso de este procedimiento de soldadura resultan solamente pocas o respectivamente débiles uniones por difusión en las zonas no soldadas.

La propiedad que tienen las hojas de acero consideradas, de formar uniones por difusión junto a sitios de contacto a alta temperatura, y la propiedad que tiene la capa de óxidos conforme al invento, de impedir tales uniones, se pueden aprovechar también convenientemente, en el caso de la producción de un cuerpo alveolar, mediante el recurso de que la capa de óxidos es eliminada en determinadas zonas en las que se desean unas uniones. En el caso de la eliminación de la capa de óxidos llevada a cabo por ejemplo en forma de franjas, se forman también en un posterior cuerpo alveolar unas uniones por difusión estables precisamente allí donde se ha eliminado la capa de óxidos, mientras que junto a otros sitios de contacto mediante la protección proporcionada por la capa de óxidos no se forma ninguna unión o se forman solamente unas débiles uniones. También de esta manera se puede producir un cuerpo alveolar con las propiedades deseadas.

Los cuerpos alveolares de acuerdo con el invento, después de terminarse su producción, pueden ser provistos de un revestimiento adicional sobre las capas de óxidos, en particular de un denominado revestimiento producido por inmersión y/o de materiales activos catalíticamente. Para unos usos en el caso de la purificación de gases de escape de motores de combustión interna, en uno de tales revestimientos están contenidos típicamente unos metales nobles tales como platino o rodio.

De modo correspondiente a las explicaciones anteriores, una hoja conforme al invento, destinada a la producción de un cuerpo alveolar metálico, tiene sobre sus dos superficies una capa de óxidos con un espesor comprendido entre

60 y 80 nm, de manera preferida entre 70 y 75 nm. De manera preferida, una de tales hojas puede presentar las asperezas más arriba descritas.

Una tal hoja conforme al presente invento se puede producir mediante la acción de una temperatura comprendida entre 750 y 800ºC sobre la hoja en aire como atmósfera circundante durante un período de tiempo comprendido entre 4 y 8 segundos, de manera preferida de aproximadamente 6 segundos. Esto se puede efectuar p.ej. por paso directo continuo a través de un tramo de recocido o por un procedimiento similar. Las hojas descritas son apropiadas para la producción de cuerpos alveolares prácticamente con todas las formas y con todos los procedimientos de producción que se conocen, en cuyos casos se empleaban hasta ahora también hojas de acero.

Un procedimiento alternativo de producción, que se puede usar en caso necesario también para otros espesores de capas, es la aplicación de una capa de óxidos con el espesor deseado mediante revestimiento de las superficies de la hoja con unas nanopartículas, en particular a base de un óxido de aluminio. Un tal procedimiento puede ser más favorable desde el punto de vista energético en comparación con el calentamiento de la hoja en presencia de aire y puede dar lugar a mejorías cualitativas de la capa de óxidos. Un tal revestimiento puede efectuarse también de una manera selectiva en determinadas zonas.

Con el fin de explicar el invento y el entorno tecnológico sirve también el dibujo, que describe más detalladamente unos ejemplos de realización y unos usos, no estando el invento, sin embargo, limitado a estos ejemplos. Muestran esquemáticamente:

La Fig. 1: una vista en alzado de un cuerpo alveolar,

la Fig. 2: la zona de un sitio de unión entre dos hojas en un cuerpo alveolar de acuerdo con una primera variante,

la Fig. 3: otro ejemplo de un sitio de unión en un cuerpo alveolar, y

la Fig. 4: una hoja de acuerdo con el invento en una representación esquemática en perspectiva, parcialmente en sección.

La Fig. 1 muestra esquemáticamente una vista en alzado por la parte frontal de un cuerpo alveolar 1, que está constituido a base de unas hojas metálicas lisas 2a y unas hojas metálicas onduladas 2b, las cuales están dispuestas dentro de un tubo de envoltura 7. No se trata en el presente caso de la forma exacta de los estratos de hojas. El invento se puede usar en prácticamente todas las formas conocidas de cuerpos alveolares metálicos.

La Fig. 2 muestra en una vista en alzado en sección esquemática, situados uno junto a otro, un estrato de hoja lisa 2a y un estrato de hoja ondulada 2b. Junto a un sitio de contacto de estos estratos de hojas 2a, 2b está formado un sitio de unión 5 mediante un material de soldadura 8. Aunque conforme al invento los estratos de hojas 2a, 2b están provistos de unas capas de óxidos 3, mediante soldadura se pueden producir unos sitios de unión 5 fijos. Junto a sitios de contacto sin material de soldadura no resultan sin embargo uniones de ninguna clase, tal como se representa como comparación en el caso de un sitio de contacto contiguo. La situación en un cuerpo alveolar terminado está señalada esquemáticamente mediante el revestimiento adicional 6, que se aplica típicamente después de la terminación de la producción de un cuerpo alveolar.

La Fig. 3 muestra la situación de un sitio de contacto entre un estrato de hoja lisa 2a y un estrato de hoja ondulada 2b, cuando en unas zonas parciales 9 se ha eliminado la capa de óxidos 3 desde los estratos de hojas 2a, 2b. En este caso se forma una unión por difusión 10 junto al sitio de contacto, cuando es calentado el cuerpo alveolar.

La Fig. 4 muestra esquemáticamente en una vista en alzado en perspectiva parcialmente en sección y a escala exagerada, la situación en lo que se refiere al revestimiento y a la aspereza junto a la superficie de una hoja 2 conforme al invento. Tales hojas se producen por laminación típicamente en largas bandas continuas, siendo señalada la dirección longitudinal en la Fig. 4 por la flecha L y correspondiendo a la dirección de laminación. Transversalmente a ésta, se encuentra situada la dirección transversal señalada por la flecha Q, en la que se representa esquemáticamente la aspereza. Se reconoce que la capa de óxidos 3 con el espesor D tiene una dimensión pequeña en relación con la aspereza de la superficie, es decir que en lo esencial sigue la evolución del contorno superficial y no iguala a éste aproximadamente. La aspereza superficial media es señalada esquemáticamente por las superficies rayadas. Junto a una superficie de la hoja se forman montañas y cavidades 4 de diferente profundidad T o respectivamente altura, indicando la aspereza superficial un valor promedio de la desviación de estas montañas y de estos valles desde un nivel medio. La aspereza superficial se designa en general con Ra. Existen diferentes posibilidades de influir sobre la aspereza de una superficie de hoja. Ésta puede ser disminuida por pulimentación y aumentada mediante cepillado o tratamiento con chorros con herramientas apropiadas. El intervalo de aspereza especialmente apropiado para el invento es mayor que los valores usuales en el caso de la producción de hojas de acero por laminación.

El presente invento es apropiado especialmente para la producción de cuerpos alveolares resistentes a altas temperaturas y duraderamente estables para el empleo en sistemas de gases de escape de motores de combustión interna, en particular en el caso de vehículos automóviles.

Lista de signos de referencia

5 1 cuerpo alveolar 2 hoja 2a estrato de chapa lisa 2b estrato de chapa ondulada 3 capa de óxidos

10 4 cavidad 5 sitio de unión 6 revestimiento adicional (revestimiento producido por inmersión eventualmente con un material activo

catalíticamente) 7 tubo de envoltura

15 8 material de soldadura 9 zona parcial libre de capa de óxidos 10 unión por difusión L dirección longitudinal (dirección de laminación) Q dirección transversal

20 T profundidad de las cavidades D espesor de la capa de óxidos.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Cuerpo alveolar (1), en particular cuerpo de soporte de catalizador, que contiene por lo menos una hoja metálica

(2) a base de un acero resistente a la corrosión a altas temperaturas, teniendo la hoja (2) por lo menos en algunas zonas unos sitios de unión (5) y teniendo junto a sus superficies en cada caso una capa de óxidos (3) con un espesor (D) de 60 a 80 nm (nanómetros), de manera preferida de 70 a 75 nm.
2.

Cuerpo alveolar (1) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la hoja metálica (2) se compone de un acero con ciertas proporciones de cromo y aluminio, en particular con 1 a 5 % de aluminio.
3.

Cuerpo alveolar (1) de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque la capa de óxidos (3) se compone en lo esencial a base de un óxido de aluminio, en particular !-óxido de aluminio.
4.

Cuerpo alveolar (1) de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones, caracterizado porque la capa de óxidos (3) tiene sobre todas las superficies en el cuerpo alveolar (1) un espesor uniforme (D) con una tolerancia de menos que 10 %, de manera preferida de menos que 5 %.
5.

Cuerpo alveolar (1) de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones, caracterizado porque la hoja (2) tiene en por lo menos una dirección de medición una aspereza superficial media (Ra) de más que 0,3 μm (micrómetros).
6.

Cuerpo alveolar (1) de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones, caracterizado porque la hoja (2) es una hoja laminada y, por lo menos en la dirección de laminación (L) de manera preferida en la dirección de laminación (L) y también en la dirección transversal (Q) transversalmente a la dirección de laminación, tiene una aspereza superficial media (Ra) de más que 0,3 μm, de manera preferida de más que 0,5 μm, de manera especialmente preferida de alrededor de 0,6 μm.
7.

Cuerpo alveolar (1) de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones, caracterizado porque la capa de óxidos (3) se compone de unas nanopartículas, que están aplicadas sobre las superficies de las hojas.
8.

Cuerpo alveolar (1) de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones, caracterizado porque los sitios de unión (5) se producen por soldadura dura, en particular por soldadura en vacío a alta temperatura.
9.

Cuerpo alveolar (1) de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque las zonas no soldadas situadas fuera de los sitios de unión (5) no están unidas entre sí o solo están unidas débilmente mediante uniones por difusión.
10.

Cuerpo alveolar (1) de acuerdo con la reivindicaciones 1 hasta 7, caracterizado porque la capa de óxidos (3) ha sido eliminada total o parcialmente en zonas parciales (9) en torno a sitios de unión (5) o respectivamente no ha sido aplicada y allí están presentes unas uniones por difusión (10).
11.

Cuerpo alveolar (1) de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones, estando caracterizado el cuerpo alveolar (1) porque está provisto de un revestimiento adicional (6) sobre las capas de óxidos (3), en particular un denominado revestimiento producido por inmersión y/o materiales activos catalíticamente.
12.

Hoja (2) para la producción de un cuerpo alveolar metálico (1) en particular un cuerpo de soporte de catalizador, estando caracterizada la hoja (2) porque tiene sobre sus dos superficies una capa de óxidos (3) con un espesor (D) comprendido entre 60 y 80 nm (nanómetros), de manera preferida entre 70 y 75 nm.
13.

Procedimiento para la producción de una capa de óxidos con un espesor (D) de 60 a 80 nm (nanómetros) sobre una hoja de acero (2) resistente a la corrosión a altas temperaturas, que contiene aluminio, caracterizado porque la hoja (2) es mantenida en aire como atmósfera circundante durante entre 4 y 8 s (segundos) de manera preferida durante aproximadamente 6 s, a unas temperaturas comprendidas entre 750º y 800º C.
14.

Procedimiento para la producción de una capa de óxidos con un espesor (D) de 60 a 80 nm (nanómetros) sobre una hoja de acero (2) resistente a la corrosión a altas temperaturas, que contiene aluminio, caracterizado porque la hoja (2) es revestida con unas nanopartículas, de manera preferida a base de un óxido de aluminio.