JP3347485B2 - 耐久性のある拡散接合メタル担体 - Google Patents

耐久性のある拡散接合メタル担体

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JP3347485B2 JP19318194A JP19318194A JP3347485B2 JP 3347485 B2 JP3347485 B2 JP 3347485B2 JP 19318194 A JP19318194 A JP 19318194A JP 19318194 A JP19318194 A JP 19318194A JP 3347485 B2 JP3347485 B2 JP 3347485B2
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泰 石川
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    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01NGAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2450/00Methods or apparatus for fitting, inserting or repairing different elements
    • F01N2450/02Fitting monolithic blocks into the housing

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  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば、自動車エンジ
ン等の内燃機関から排出される排ガスを浄化するための
メタル担体に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、排気ガスを浄化するための触媒コ
ンバータにはセラミックス担体が使用されたが、耐熱
性、圧損および搭載性の点より最近はメタル担体の使用
が増加している。またガソリン使用量低減あるいは環境
汚染防止のため、メタル担体の使用条件は近年さらに厳
しくなっている。
【0003】メタル担体は厚さ50μm程度のフェライ
ト系ステンレス鋼等の耐酸化、耐熱性金属よりなる平箔
と、この平箔をコルゲート加工した波箔とを渦巻状に巻
回しあるいは交互に重ねて積層してハニカム体を形成
し、これをステンレス鋼等の耐蝕、耐熱性金属製の外筒
内に収納し、ハニカム体内部および外筒とハニカム体間
のロウ付け等により接合して構成されている。
【0004】このメタル担体は白金、パラジュウム、ロ
ジュウム等の排ガス浄化用の触媒を担持した後、例えば
自動車エンジンの排ガス系に搭載使用される。かかるメ
タル担体は運転状況の変化に伴う激しい温度変化、振動
を受けるが、もし損傷すると浄化性能が落ちるばかり
か、排気系の閉鎖あるいはエンジン損傷を引き起こすた
め特に耐久性が大切である。
【0005】メタル担体は、上述のようにハニカム体が
非常に薄い金属箔で形成されているため、耐久性を確保
するには、激しい温度変化あるいは振動等により発生す
る応力を緩和することが必要で、そのためハニカム体内
部あるいは外筒とハニカム体間を合理的な箇所で接合す
る必要がある。また近年、自動車部品の低コスト化が強
く求められており、従来のようにハニカム体内部あるい
は外筒とハニカム体間をロウ付けて行うと、その材料費
および複雑な工程によりコスト高になりニーズに応える
ことができなくなっている。
【0006】そのため、例えば特開平01−27094
7号に示されるように、ロウ付けによらず拡散接合によ
るメタル担体が開示されている。同公報によれば、メタ
ル担体の材質は全てフェライト系ステンレス鋼で、基本
構成はハニカム体と外筒のみである。それらの材質とし
て、ハニカム体と外筒材は同材質あるいは異材質であっ
ても良いとされており、ハニカム体は例えばFe−20
Cr−5Alを、また外筒はSUS430、SUS41
0等が示されている。また接合方法については、ハニカ
ム体内部を拡散接合し、ハニカム体と外筒間を拡散接合
あるいはロウ付けすることが示唆されている。しかし、
耐久性を高めるための接合構造については一切記述がな
く、同法によって耐久性のある、実用的なメタル担体を
製造することができない問題がある。
【0007】また実開平6−22519号公報には、拡
散接合によるメタル担体が示唆されている。同法による
接合構造は、熱応力を緩和できる良い方法であるが、さ
らに使用条件(温度等)が厳しい場合は不十分で、担体
構造を検討する必要がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記ニーズ
に応えるため耐久性に優れた、低コストのメタル担体を
提供するものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明はハニカム体と
外筒の間に、ハニカム体より長いリング状の中間体が配
置され、該中間体は、その一端が接合又は折返されて2
重のリング状構造に構成され、且つ、その他端の自由端
の外面が外筒側と、内面がハニカム体と、それぞれ軸方
向にずらした位置で接合されるとともに、前記ハニカム
体が、拡散接合されてなるメタル担体を特徴とし、又、
前記メタル担体の中間体の材料成分をハニカム体のそれ
と同一にするか或いは中間体の材料成分の内Cr及び
Alの少なくとも1種をハニカム体のそれより少なく
し、或いは前記ハニカム体の少なくとも1層に非接合部
を設けたものえあり、又、中間体の板厚を外筒より薄
く、且つハニカム体の箔材より厚くするとともに外筒
と中間体が拡散接合、ロウ付け、抵抗溶接又はアーク溶
接のいずれかで接合され、中間体とハニカム体間がロウ
付け又は拡散接合のいずれかで接合されているメタル担
体を特徴とするものである。
【0010】
【作用】以下本発明を詳細に説明する。図1は、本発明
が基礎とする基本的メタル担体1の構造を示す部分断面
斜視図である。平箔2と波箔3を巻回しあるいは積層し
て形成されたハニカム体4が、中間体5を介して外筒6
に収納されている。
【0011】ハニカム体4の最外周の層は平箔2であっ
ても、また波箔3であっても特に支障はない。ハニカム
体4を構成する平箔2、波箔3の材質はフェライト系ス
テンレス鋼で、例えば20Cr−5Al等のCr−Al
系鋼あるいはAlを基本成分としないCr−Si系鋼で
ある。また外筒6はハニカム体4と材質が同系統であれ
ば、熱膨張率もほぼ等しく熱応力も小さくなるので、同
系統のフェライト系鋼、例えばSUS430(14〜1
8Cr)が良い。またハニカム体4との熱膨張率を合わ
せるのであればハニカム体4と同じ材料、例えば20C
r−5Alを選定すれば良い。しかし、中間体5が介在
する場合は、ハニカム体4と同じ材質にする必要性は低
く、むしろ低コストな材質のステンレス鋼を選定する方
がコスト的に有利である。
【0012】中間体5は、ハニカム体4と直接接触する
ので、熱膨張の点からハニカム体4と同じ材質であるの
が好ましいが、平箔2と波箔3よりも板厚を厚く形成す
るため、拡散接合時の熱変形挙動がハニカム体4と異な
り、接合が不安定になり易い。したがって、拡散接合を
より確実ならしめるためには、中間体5の材質を平箔2
と波箔3のCr量およびまたはAl量より少なくするこ
とが好ましい。その場合、中間体5の耐熱性あるいは耐
酸化性は、ハニカム体4より劣るが、ハニカム体4の中
心部から離れており、排気ガスの流れが弱く使用条件が
厳しくないので十分使用できる。
【0013】さらに中間体5の板厚については、柔軟性
あるいは接合性から薄いほど良いが、強度面から外筒6
より薄く、平箔2と波箔3より厚くするのが良い。実用
的には、例えば外筒6の板厚が1.5mmの場合、中間体
5の板厚は0.5〜1.2mm程度が良い。次に各部の接
合について述べる。ハニカム体4の平箔2と波箔3はコ
スト的理由から、全ての接点を拡散接合するのを基本と
するが、熱応力による破壊をより少なくするには、図2
に示すように中間体5と接合している側の少なくとも1
層に非接合層7を設けると、ハニカム体4が半径方向に
自由に変形できるようになり、熱応力が小さくなるため
耐久性が飛躍的に向上する。この非接合層を設けるに
は、例えばTiあるいはAl酸化物を含む接合防止剤を
ロールコータ式、スプレー式あるいは刷毛塗りなどで塗
布する。さらに接合防止剤が塗布された薄シートを平箔
2と波箔3の間に巻込むことも可能である。
【0014】ハニカム体4と中間体5は、メタル担体製
造コスト上、拡散接合するのが好ましいが、無論ロウ材
を図1のB部に取付けロウ付けするのも可能である。中
間体5と外筒6を拡散接合することについては、前述の
特開平01−270947号公報に記述されているが、
両者の厚さが異なり拡散接合処理によっても接合し難い
ことがある。そのため、中間体5がハニカム体4からは
み出ている部分すなわち図1のA部で、外筒6とロウ付
け、抵抗溶接あるいはアーク溶剤等で接合するのが良
い。抵抗溶接の場合は、メタル担体1を拡散接合処理し
て成形する前後のいずれでも良いが、電極で中間体5が
ハニカム体4からはみ出ている部分A部を外筒6共に挟
み通電し抵抗溶接を行う。この場合、中間体5がハニカ
ム体4の両側からはみ出ている場合でも、必ずその1端
で外筒と接合し、両端接合をしないことが重要である。
【0015】中間体5の形状はリング状とするが、ハニ
カム体4間との排気ガス洩れが問題となる場合は、一体
型とし、ハニカム体4と、また外筒6と中間体の全周で
接合するのが好ましい。また中間体5は図1または図2
に示すように、1枚の板をリング状にしたもの以外に、
図3に示すように2個のリング状の筒を組合わせ、事前
にその一端を連続接合するか、または幅広の1枚板を折
曲げて中間体9を形成してもよい。この場合、中間体の
自由端9−1,9−2を図3のハニカム体4−1の端部
近傍のC部および外筒6の端面近傍のD部でそれぞれ接
合する。これにより接合していない他端9−3が半径方
向に自由に変形できるので、ハニカム体1が半径方向に
自由に変形できてさらに有効である。
【0016】なお、中間体9の自由端9−1は前記D部
で接合できるように自由端9−2より長くし、ハニカム
体端部よりはみ出して形成する。次に本発明の実施
について述べる。
【0017】図3に本発明のメタル担体実施態様例を示
す。図におけるメタル担体の成品外形寸法は、外
径:100mmφ、長さ:110mmで、外筒の外径:10
0mmφ、板厚:1.5mm、長さ:110mmで、ハニカム
体4−1の外径を95mmφとし、巻回終了時のハニカム
体外径を95.5mmφとした
【0018】ハニカム体4−1を形成する平箔はFe−
20Cr−5Alのフェライト系ステンレス鋼で、幅:
100mm、厚さ:50μmを有する。また波箔は同平箔
を波高さ:1.22mm、ピッチ:2.54mmにコルゲー
ト加工したもので、平箔と波箔を1軸の回りに外径:9
6.5mmφに巻回してハニカム体4−1を形成した。
【0019】また外筒は、Fe−10Cr−0.4N
bのフェライト系ステンレス鋼で、板厚:1.5mm、長
さ:110mm、外径:100mmの円筒とした。
【0020】中間体9の材質は、Fe−15Cr−4.
5Alのフェライト系ステンレス鋼で、厚さは0.5mm
であるが、内側リングの内径を95mmφ、長さを100
mm、外側リングの内径を96mmφ、長さを110mmと
し、図示の如くその上端を揃えて同部を抵抗溶接した。
【0021】前記メタル担体8を形成するに際し、中間
体9の内面の、ハニカム体4−1と拡散接合しない部分
に接合防止剤を事前に塗布乾燥した後、ハニカム体4−
1を圧入した。次に外筒6を中間体9の外面に取付け、
その張出し部Dの近傍を抵抗溶接した。比較例として、
図4に示すメタル担体10を製作した。成品外形寸法
は、外径:100mmφ、長さ:100mmで、ハニカム体
11の寸法は、外径:97mm、長さ:100mmであっ
た。平箔と波箔の材質、寸法は、図1の場合と同じに
し、ハニカム体11を外径:97.5mmに巻回した。外
筒の材質、外径、長さは図1の外筒6と同一にした。ハ
ニカム体11を外筒6に圧入し、メタル担体10を形成
した。
【0022】このように形成したメタル担体1,8およ
び10を、1250℃の非酸化性雰囲気中で120分間
加熱処理し拡散接合を行った。上記3個のメタル担体の
それぞれを、同条件で触媒を担持した後、順次、排気容
量2000ccのエンジンの排気系に取付け、入側温度9
00℃で8分間加熱した後、上流側から空気を吹込み、
入側温度を200℃として7分間冷却する耐久試験を1
000サイクル実施した。
【0023】その結果、本発明のメタル担体1にはハニ
カム体4の外周近傍に軽微な変形が発生したが、メタル
担体8の場合は、さらに軽微であった。しかし、比較例
のメタル担体10には、ハニカム体11の外周近傍には
周方向の亀裂が連続的に発生し、ハニカム体11が外筒
6から外れる寸前であった。これはメタル担体に高温、
低温の排気ガスが交互に流入することにより、ハニカム
体11が半径方向に膨張収縮を繰返し外筒6との間に高
い熱応力が発生したためである。また軸方向にもハニカ
ム体11と外筒6が全面的に接合しているため、ハニカ
ム体11と外筒6の熱膨張挙動の差により剪断力が発生
し、さらに破壊が進行したものである。
【0024】以上のように本発明によると、低コストな
拡散接合メタル担体であっても耐久性を向上せしめ得た
ので、厳しい条件で使用できることが判明した。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
メタル担体をロウ付けによらずに拡散接合により、耐久
性が高く且つ低コストなメタル担体を製造することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】基本的メタル担体の構造を示す部分断面斜視図
である。
【図2】図1のX−X線断面図である。
【図3】本発明の実施態様を示す縦断面図である。
【図4】従来のメタル担体を示す縦断面図である。
【符号の説明】
1,8,10…メタル担体 2…平箔 3…波箔 4,4−1,11…ハニカム体 5,9…中間体 6…外筒 7…非接合層 A,D…中間体と外筒との接合部 B,C…中間体とハニカム体の接合部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−27443(JP,A) 特開 平6−154621(JP,A) 特開 平2−298620(JP,A) 実開 平4−41727(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F01N 3/28 B01J 35/04 B01D 53/36

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ハニカム体と外筒の間に、ハニカム体よ
    り長いリング状の中間体が配置され、該中間体は、その
    一端が接合又は折返されて2重のリング状構造に構成さ
    れ、且つ、その他端の自由端の外面が外筒側と、内面が
    ハニカム体と、それぞれ軸方向にずらした位置で接合さ
    れるとともに、前記ハニカム体が、拡散接合されて
    ことを特徴とする耐久性のある拡散接合メタル担体。
  2. 【請求項2】 中間体の材質をハニカム体の材質と同一
    にすることを特徴とする請求項1記載の耐久性のある拡
    散接合メタル担体。
  3. 【請求項3】 中間体の材質成分の内Cr及びAlの少
    なくとも1種をハニカム体のCr及びAlの少なくとも
    1種より少なくしたことを特徴とする請求項1記載の
    久性のある拡散接合メタル担体。
  4. 【請求項4】 ハニカム体の少なくとも1層に非接合部
    を設けたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項
    記載の耐久性のある拡散接合メタル担体。
  5. 【請求項5】 中間体の板厚を、外筒より薄く、且つハ
    ニカム体の箔材より厚くしたことを特徴とする請求項1
    〜4のいずれか1項に記載の耐久性のある拡散接合メタ
    ル担体。
  6. 【請求項6】 外筒と中間体が拡散接合、ロウ付け、抵
    抗溶接又はアーク溶接のいずれかで接合され、中間体と
    ハニカム体間がロウ付け又は拡散接合のいずれかで接合
    されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1
    項に記載の耐久性のある拡散接合メタル担体。
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