JP2006522215A5 - - Google Patents

Description

開孔成形体、その製造方法およびその使用

本発明は、ニッケルまたは鉄と、固溶体または金属間化合物相を形成する少くとも他の元素から形成され、または表面でこのような固溶体または金属間化合物相が形成されている、開気孔性多孔質成形体を作製するための方法に関する。特に、ニッケルと形成されるこのような固溶体または金属間化合物相の熱的性質のために、本発明による開気孔性多孔質成形体は少くとも７００℃を超える高温範囲内でも熱的に安定であり、いかなる問題もなくそこで用いられる。そのため、本発明による成形体は粒子フィルターとして排気ガスシステムに用いうる。加えて、良い熱伝導性および電気伝導性も特定のケースにはそこで有利な効果を有する。そのため、このような粒子フィルターに含まれた有機粒子は熱再生法によりガス成分へ変換され、例えばこのような粒子フィルターから除去されうる。一般的に、これに必要な温度上昇は使用物質に有害ではない。しかしながら、このような温度上昇は、こうしてデザインされた粒子フィルターの電気抵抗加熱でも行える。

開気孔性多孔質ニッケルタイプ成形体は先行技術に属し、例えば異なる多孔率および異なる孔数を有した商品としてＩＮＣＯ社から市販されている。

しかしながら、これまでの市販フォーム構造は一定の幾何学形状に限定され、特に少くとも１つの軸の周りで球状に曲がるこのような幾何学性は、あるにしても、限られた程度で利用しうるのみである。

加えて、ニッケルまたは鉄製のこのような開気孔性多孔質フォーム構造を更に加工するに際しては、固溶体または金属間化合物相の形成がこれに各々適した他の金属で行えるかどうかが問題となる。

その場合に、粉末状開気孔性多孔質フォーム構造の表面上に、各追加物質が有機結合剤を含む粉末形で付着されて、それは通常進められる。次いで、結合剤の有機成分がそれに対応した熱処理により放出され、第二ステップでは、それ高い温度で、金属間化合物相および固溶体の形成が、焼結と非常に似たプロセスで行われる。

有機結合剤を含む各金属粉末の適用に制限があることは明らかであり、その理由は、結合剤および金属粉末からなるこのようなコーティングを、大きな担体、開気孔性多孔質体へ均一に施すことは、可能であるにしても、容易ではないからである。

このような開気孔性多孔質体が三次元で形造られて、利用しえない表面部分を有するか、またはコーティングに利用することが難しい場合には、特に問題となる。

しかしながら、これらの問題もＤＥ３７２９１２６Ａ１で記載された解決法では解決できない。

そこでは、例えば、鉄クロムアルミニウム合金が同様の手法で金属フォーム体上に付着され、そこで触媒作用金属酸化物層が形成されることになる。

この内容によると、用いられる金属フォーム体は詳しく特定されることがなく、後で付着される層系のために実用的キャリアを形成したにすぎない。

そこで示された鉄クロムアルミニウム合金は、少くともその熱的性質に関して欠点を有している。更に、このような合金層は、様々なフォーム体を形成する金属上へ、十分丈夫な接着強度では容易に付着されないのである。

発明の具体的説明

したがって、耐熱性かつ機械抵抗性であるどのような開気孔性多孔質幾何学形状が提供しうるか、という可能性を示すことが、本発明の目的である。

この目的は、請求項１の特徴を含んでなる方法で、本発明に従い達成される。各開気孔性多孔質成形体は請求項２０で規定されており、有利な使用はそれに対応した請求項３４である。

本発明の有利な態様および改善は、各々の従属項に示された特徴で達成しうる。

本発明による開気孔性多孔質成形体の作製は、市販されているようなニッケルまたは鉄製の開気孔性多孔質体が、その表面で、内側開気孔性多孔質の表面も、有機結合剤で、加えて開気孔性多孔質体のニッケルまたは鉄と固溶体または金属間化合物相を形成しうる金属の粉末で被覆されるように進められる。

開気孔性多孔質体のこのコーティングに続いて、こうして前処理された本体の成形が行われる。この成形に際しては、一定の最小曲げ半径が開気孔性多孔質体の破損を避けるために観察されねばならない。最小曲げ半径は、本体の多孔度および曲げ半径範囲内の各厚さにより通常規定される。

被覆開気孔性多孔質体から成形された、こうして前処理された開気孔性多孔質構造は、本発明による成形体で望ましい形状をもたらすために、なお十分に変形させることが可能である。しかしながら、固溶体または金属間化合物相の形成後、変形はその脆性のせいで損傷なしにはもはや不可能である。

この成形後、二段階の熱処理が行われる。それに際して、成形体の既定形状が維持され、容積はあるにしてもわずかに変化するのみであり、場合により容積の増大もみられるが、しかしながらこれは有利に用いられる。

その場合に、第一熱処理に際して、実質的な結合剤成分である有機成分が放出され、焼結と同時に各固溶体または金属間化合物相の形成が、後で行う第二熱処理で行われる。

一般的に、第二熱処理に続いて、本発明による成形体が仕上げられる。

しかしながら、場合により、既に先に作製された開気孔性多孔質成形体の望ましい表面修飾を行うために、更に追加の処理ステップを行うことも可能である。

有利には、有機結合剤の適用および金属粉末の適用は各々互いに分けて行う必要がある。

そのため、ニッケルまたは鉄製の開気孔性多孔質体の表面への有機結合剤の適用は、例えば浸漬および／または噴霧により行われる。

これに際して、各有機結合剤はそれ自体が単独で十分に低い粘度を有しているか、またはそれに対応した低い粘度を有する好ましい水溶液で用いられるべきである。

ニッケルまたは鉄製の開気孔性多孔質体の表面への結合剤の適用に際しては、単に各表面が被覆されるだけで、開気孔性多孔質構造が維持されていることが観察されるべきである。

これは、例えば、過剰の結合剤を押し付けるおよび／または放出させることで行える。

結合剤コーティングを施した開気孔性多孔質体は、次いで各金属粉末で被覆され、その際に、この粉末コーティングプロセスは、可能であれば、その内側容積部分でも開気孔性多孔質体の表面の均一なコーティングを確保しうるようにサポートされねばならない。これは、例えば、各金属粉末で被覆するに際して、またはそれに続いて、開気孔性多孔質体を振動に付すことにより行える。
その場合、好ましくは低振幅で高振動数の振動が有効と思われる。

特に有利にはアルミニウム粉末の使用であり、その理由は、第二熱処理後に形成されたニッケルアルミナイドまたは鉄アルミナイドが高い熱的および機械的安定性を獲得し、しかも導電性で耐蝕性だからである。

いかなる場合でも、望ましい性質に更に有利な影響を与えるために、別な粉末金属が各固溶体または各金属間化合物相を形成する金属粉末へ加えうる。しかしながら、それに応じて少量で追加の金属が用いられる。そのため、少量で他の粉末元素も金属粉末へ加えてよく、例えばアルミニウム粉末またはプレ合金粉末が用いられる。このように、本発明による成形体の耐蝕性は例えばクロムで高められる。他の性質はホウ素またはタンタルで有利な影響をうける。

既に記載されたように結合剤および金属粉末で前処理されたニッケルまたは鉄製の開気孔性多孔質体の成形が行われ、例えば、中空シリンダーが好ましくはプレート状開気孔性多孔質体から前形成され、既に記載された２つの熱処理段階の後で、本発明による中空シリンダー体が作製される。その場合に、成形はそれに対応して形成された巻き取りマンドレルの助けでサポートされる。

この考え方をとると、相当の内および外径を有する複数のこのような成形体を中空シリンダー形に作製して、ほぼマルチシェル構造が得られるようにそれらを互いに接続させることが可能である。

熱処理に付されなかった、こうして製造された１つまたは複数の成形体は、少くとも本発明による完全成形体の外周表面を形成するようになる、別のシリンダー体中へ挿入される。次いで、熱処理がこのシリンダー内で行われる。熱処理に際して、シリンダーは形状も保ち、型の機能も同時に満たせる。

これに用いられたシリンダーは、開放端面が互いに対峙した中空シリンダーとして形成しうる。

特に、有機結合剤成分を除去するために、場合により、本発明による成形体の最終適用のために、少くともこのようなシリンダーの外周表面で、穿孔を設けることが有利であり、穿孔とは対応して周辺表面に形成された開口を意味する。

ほとんどの様々な物質がシリンダーに用いうる。様々な金属、特に、形成される固溶体または金属間化合物相との閉形式接合が得られるようなものが適している。

しかしながら、ある場合には、セラミックもシリンダー物質として適する。酸化アルミニウムがその例である。

しかしながら、本発明による成形体の外周表面を形成するシリンダーによるこのような形成は、以下で記載された態様でも行える。

しかしながら、開気孔性多孔質体としてプレート状出発製品が連続縦軸の周りに螺旋形で数回巻かれるような成形も行える。こうすると、本体が孔以外に空洞を有しない本発明による固体シリンダー成形体を作製しうる可能性が生じる。

このような態様のとき、このタイプの形状で巻かれた開気孔性多孔質構造の個別螺旋巻層間に柔軟なフィルムを配列することも更に可能であり、個別の層はこのようなフィルムで互いに隔てられている。

このようなフィルムも金属またはセラミックから形成しうる。セラミックシートの場合、これらはこのような変形をなしうるグリーン強度を有しているべきである。

しかも、個別層間で螺旋状に配列されるフィルムは穿孔させてよく、こうして開口を設けうる。その場合に、様々な流体に対するフィルムの透過性は、開気孔性多孔質構造の場合よりも少なくすべきである。

本発明による開気孔性多孔質成形体の最終仕上げに用いられる開気孔性多孔質体は、有機結合剤および金属粉末を有する少くともほぼ均一な表面コーティングが全容積にわたり得られるように、基準面で１００ｍｍ、好ましくは６０ｍｍの最大厚さを超えてはならない。

その場合に、開気孔性多孔質構造として出発本体が各基準面で一定の厚さを有することは、必須ではない。したがって、楔形をした、即ち軸方向に厚さが次第に増す開気孔性多孔質体も用いうる。

特に、本発明による成形体が複数の中空シリンダーから形成された、既に記載されたケースでは、中心の内側縦軸から出発して、様々な多孔度および／または孔径で放射状に外側へ様々な孔構造を有した開気孔性多孔質成形体が、有利となるように作製しうる。これは、例えば中空シリンダー毎に変えられる。

しかしながら、ほぼ連続して徐々に行うことも可能であり、この場合には、ニッケルまたは鉄製の開気孔性多孔質体の厚さの選択、および開気孔性多孔質構造の表面における金属粉末および／または有機結合剤の付着量が、本発明による成形体のこのような形成に適したパラメーターである。本発明に従い作製された開気孔性多孔質成形体は８５％の最少多孔度を達成するが、しかしながら９０％または９５％を超える多孔度も得られる。

孔径および孔数は、作製に用いられる開気孔性多孔質体の選択により、実質的に事前に決定しうる。その場合、本発明による作業、ひいては固溶体または金属間化合物相の形成により、各孔径および多孔度は低い程度で影響をうける。

以下では、本発明が例により更に詳細に説明されている。

開気孔性多孔質成形体の本発明による作製に際して、約９４％の多孔度のニッケル製の開気孔性多孔質体を用いた。この本体は３００ｍｍ×１５０ｍｍの寸法および１．５ｍｍの厚さであった。

ポリ（ビニルピロリドン）を結合剤として用いた。その場合に、１％水溶液を調製し、有機結合剤を含有したこの低粘性溶液５０ｍｌ中にニッケル製の開気孔性多孔質体を浸し、次いで結合剤がニッケル製の開気孔性多孔質体の孔から除去されて、単にその稜線が結合剤で濡れているだけとなるように、吸着パッドへ押し付けた。

質量２ｇのフレーク状粒形を有するアルミニウム粉末および８ｇの球状アルミニウム粉末を金属粉末として用い、攪拌器で１０分間にわたりドライミックスした。

結合剤で被覆されたニッケル製の開気孔性多孔質体に少くとも２つの側でこのアルミニウム粉末を付着させ、その際に塗布を振動装置で行い、それをニッケル製の開気孔性多孔質体へ固着させた。こうすると、ほぼ均一な表面コーティングがニッケル製の開気孔性多孔質体の孔内でも得られた。

結合剤およびアルミニウム粉末コーティングでこうして作製されたニッケル製の開気孔性多孔質体をシリンダー体に螺旋形で巻き取ったが、結合剤の接着はニッケル表面でアルミニウム粉末粒子の接着も確保している。

この成形に続いて、既に記載された第一熱処理段階をオーブン中窒素雰囲気内で行った。この第一熱処理段階では、有機成分を除去しうるように、２５０℃の最低温度が少くとも１５分間にわたり維持されるべきである。

その態様では、第一熱処理段階を５Ｋ／ｍｉｎの加熱速度で３００℃の温度まで行い、引き続いて６００℃まで上昇させた。約３０分間の保持時間がこの温度範囲内では考えられた。

次いで第二熱処理段階を行ったが、それに際しては６００℃、好ましくは少くとも６５０℃の最低温度で少くとも１５分間の時間にわたり維持されるべきである。

実際の態様では、この熱処理段階を９００〜１０００℃の温度範囲内で３０分間にわたり行った。

このとき、ニッケルアルミナイドの形成が、ニッケルの融解温度より有意に低い温度で既に生じているかもしれないことは、明らかであろう。

焼結の第二熱処理段階に続いて、３００ｍｍの長さでこうして作製された成形体は、完全にニッケルアルミナイドからなっていた。その多孔度は９１％に達していた。空気中に置かれた、こうして作製された成形体は、１０５０℃以下の温度まで耐酸化性である。この熱安定性に加えて、それは粒子フィルターとして可動使用に用いうるほど十分な機械的強度も獲得している。

類似形として、鉄製の開気孔性多孔質体も用いてよく、その場合は鉄アルミナイドがアルミニウムで形成される。ここでも、第二熱処理段階の温度が単に採用されるべきである。

Claims (33)

1. 少なくとも開気孔性多孔質成形体およびその内側開気孔の表面が、固溶体または金属間化合物相を形成するニッケルまたは鉄とアルミニウムから形成されている、開気孔性多孔質成形体を作製するための方法であって、
   ニッケルまたは鉄製の開気孔性多孔質体およびその内側開気孔の表面が、有機結合剤により、アルミニウム粉末で被覆され、
   続いて、結合剤または金属粉末で被覆されたニッケルまたは鉄製の上記開気孔性多孔質体が、最小曲げ半径が観察される中空シリンダーに変形され、
   次いで、有機成分が第一熱処理ステップで除去され、そして
   上記の第一熱処理に続く第二熱処理で、上記の開気孔性多孔質成形体が焼結されて、上記の固溶体または上記の金属間相が形成されることからなる方法。
2. 有機結合剤、続いて各アルミニウム粉末が、ニッケルまたは鉄製の開孔体の表面に付着され、次いで前記変形が行われる、請求項１に記載の方法。
3. 前記アルミニウム粉末が、純粋アルミニウム粉末、追加の金属元素を含むかまたはプレ合金化されているアルミニウム粉末である、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記変形工程において少なくとも２つの中空シリンダーが製造され、前記方法が、第一熱処理ステップ前に前記少なくとも２つの中空シリンダーを各々適合された外径および内径で互いに接続する工程をさらに含んでなる、請求項３に記載の方法。
5. 前記変形が、結合剤で被覆されたニッケルまたは鉄製の本体が、縦軸の周りに螺旋状に複数回巻付けられて複数の層を与えるように行われる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 第一熱処理ステップ前に、ニッケルまたは鉄製の変形被覆本体を、外周表面を形成する別のシリンダーに挿入する工程をさらに含んでなる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記別のシリンダーがその外周表面に穿孔を有する、請求項６または７に記載の方法。
8. 前記別のシリンダーが金属またはセラミック製である、請求項６または７に記載の方法。
9. 螺旋状に巻かれた層の間にフィルムが螺旋状に巻かれて配置され、各層が前記フィルムで隔てられてなる、請求項５に記載の方法。
10. 穿孔フィルムが用いられる、請求項９に記載の方法。
11. 金属またはセラミック製のフィルムが用いられる、請求項９または１０に記載の方法。
12. 開気孔性多孔質構造が維持されるように、有機結合剤が浸漬および／または噴霧により開気孔性多孔質体の表面へ付着される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 過剰の結合剤が、ニッケルまたは鉄製の本体を一緒に押し付ける、そこへ吹き付けるおよび／またはそこから放出させることにより除去される、請求項１２に記載の方法。
14. 金属粉末の塗布中および／または後に、ニッケルまたは鉄製の本体が振動に付される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. コーティングおよび成形の前に１００ｍｍの最大厚さを有するニッケルまたは鉄製の開気孔性多孔質体が用いられる、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 第一熱処理ステップに際して２５０℃の最低温度が設定され、これが少なくとも１５分間にわたり維持される、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 第二熱処理に際して６００℃の最低温度が少なくとも１５分間にわたり維持される、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 加えて、少なくとも１種の別な金属が、粉末形で、前記各金属粉末へ加えられる、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 請求項１〜１８のいずれか一項に記載された方法で作製された開気孔性多孔質成形体であって、
    それが固溶体の形でまたは金属間化合物相としてニッケルまたは鉄とアルミニウムから形成され、または該表面がこれらの上記固溶体および上記金属間化合物相から各々このような層として形成され、および
    少なくとも湾曲した部分を有して、最小曲げ半径が観察される、上記の成形体。
20. ニッケルまたは鉄製の少なくとも１つの通常プレート状の開気孔性多孔質体から形成されている、請求項１９に記載の成形体。
21. 中空シリンダーの形で形成されている、請求項１９または２０に記載の成形体。
22. 互いにはめ込まれた少なくとも２つの中空シリンダーが、成形体を形成している、請求項２１に記載の成形体。
23. 縦軸の周りで形成された螺旋形を有している、請求項１９または２０に記載の成形体。
24. 内側縦軸から出発して徐々にまたは傾斜形で外側へ放射状に、多孔度が変化している、請求項１９〜２３のいずれか一項に記載の成形体。
25. ニッケルアルミナイドまたは鉄アルミナイドから形成されているか、あるいは表面がそれで被覆されている、請求項１９〜２４のいずれか一項に記載の成形体。
26. ８５％の最少多孔度が達成されている、請求項１９〜２５のいずれか一項に記載の成形体。
27. 外周表面を形成する少なくとも１つのシリンダーが、開気孔性多孔質成形体を包み込んでいる、請求項１９〜２６のいずれか一項に記載の成形体。
28. シリンダーが穿孔されている、請求項２７に記載の成形体。
29. シリンダーが金属またはセラミックから形成されている、請求項２７または２８に記載の成形体。
30. 別々のフィルムが、螺旋状に巻かれた開気孔性多孔質成形体の各層の間に配列されている、請求項１９〜２９のいずれか一項に記載の成形体。
31. フィルムが金属またはセラミックから形成されている、請求項１９〜３０のいずれか一項に記載の成形体。
32. フィルムが穿孔されている、請求項１９〜３１のいずれか一項に記載の成形体。
33. 請求項１９〜３２のいずれか一項に記載された成形体の粒子フィルターとしての使用。