JP5300847B2 - 金属箔上に酸化物層を生成する方法、酸化物層を有する箔およびこのようにして製造されるハニカム体 - Google Patents
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Description
本発明は、表面上に酸化物被膜を備えて、高温耐食鋼から構成される金属箔の製造および使用に関する。
特に内燃機関の排出ガスシステム用のハニカム体の製造において金属箔を使用することは長い間知られている。かかる用途での高温のため、クロム含有鋼およびアルミニウム含有鋼が通常使用される。典型的な箔は、２０〜１８０μｍ（マイクロメートル）、特に３０〜１２０μｍの範囲の厚さを有し、圧延によって製造される。特にかかる箔が金属ハニカム体および他の排出ガス精製要素用に使用される場合、その表面に対して特定の要求もなされなければならない。高温耐腐食性という特性は、具体的には、保護用の酸化物被膜がかかる箔の表面上で形成され、この酸化物被膜は、アルミニウム含有鋼の場合には主に酸化アルミニウム、特にγ−酸化アルミニウムから構成されるという事実から生じる。
一般に、排出ガスシステムの中の金属箔から製造されるハニカム体は、いわゆるウォッシュコート（Ｗａｓｈｃｏａｔ）の形態で付与される触媒活性材料でコーティングされている。ここで、この箔上の保護的な酸化物被膜は、さらなるコーティングの良好な接着をさらに許容しなければならない。最後に、金属箔からのハニカム体の製造で使用される接合手法は、ハニカム体の安定性に関与するというさらなる問題点が具体的に考慮されなければならない。数年にわたる経験から、異なる構造の箔から製造されるハニカム体において、その箔間のすべての接合点が互いに接合されているべきであるわけではなく、むしろ選択された領域でのみ接合を提供することが好都合であるということが示された。なぜなら、このようにしてのみ、変動する熱負荷の下で高い安定性および弾性を同時に確保することが可能だからである。接合手法として、特に、硬ろう付け、好ましくは高温真空はんだ付けが考慮される。しかしながら高温では、金属箔はまた、種々のパラメータの関数としての拡散接合によってその接触点で互いに接合された状態になる。これは、接合を生成するために標的化された様式で利用されてもよいが、特定の接触領域が明確に互いに接合されるべきではない場合には、これはかなり破壊的でもあり得る。これらのプロセスについては、箔の上の酸化物被膜も重要な役割を果たす。なぜなら、非常に厚い酸化物被膜の場合は、良好なはんだ付け接合または良好な拡散接合を得ることは可能ではないが、他方、非常に薄い酸化物被膜の場合には、良好なはんだ付け接合を得ることが可能であるだけでなく、拡散接合もすべての接触点で形成することができてしまうからである。
従って、公知の手法を少なくとも部分的に改良することが本発明の目的であり、その目的において、特に記載される用途のためのハニカム体の製造のための良好な特性を有する酸化物被膜を備える金属箔を特定することが特に求められる。さらに、かかる箔の製造方法を特定することが求められる。本発明の主題はまた、当該種類の箔から製造されるハニカム体をも包含する。
上記目的は、請求項１に係るハニカム体、請求項１１に係る箔および請求項１２に係る箔上での酸化物被膜の製造方法によって成し遂げられる。それぞれの従属請求項は、有利な実施形態を特定する。
本発明に係るハニカム体、特に触媒コンバーター支持体は、高温耐食鋼から構成される少なくとも１つの金属箔を含み、この箔は少なくともいくつかの領域で接合点を有する。この箔は、その表面の各々の上に６０〜８０ｎｍ（ナノメートル）、好ましくは７０〜７５ｎｍの厚さを有する酸化物被膜を有する。
上記厚さ範囲は、特に自動車の排出ガスシステムでの使用のための所望の特性を有するハニカム体の製造にとって特に好都合であることが判明した。上記種類のハニカム体では、異なる構造の箔は、典型的には、１つを他のものの上にして層状および／または巻かれており、この酸化物被膜は、機械的な製造工程に対してできるだけ悪影響を及ぼさないものであるべきである。層状または巻かれたハニカム体には、層状もしくは巻かれた箔の間および／または箔と他の構成要素、例えばケーシング管または金属によって包み込まれたセンサとの間に接触点が存在する。種々の公知の方法によって、いくつかの領域で、例えば（固体形態または液体形態の）硬ろうを施用してその後に加熱することにより、接触点が固定された接合点とされることが可能である。形成される硬ろう付け接合は、本発明に係る厚さを有する酸化物被膜によっては著しくは破壊されない。次に、この酸化物被膜は、このハニカム体を加熱する際に、望ましくない拡散接合が、接合されるべきではない接触点で形成することを防止する。この目的のために、当該酸化物被膜は、接合点の所望の選択的な生成がその酸化物被膜によってかなり支援されるのに十分な厚さである。この目的のために、箔の２つの平面（場合によっては、ただ１つの平面）は、少なくとも部分的に、しかし好ましくは完全に、本願明細書で提示される酸化物被膜を備えることができるが、いずれにせよ特にハニカム体の製造の際には隣り合った箔の接触点で備えることができる。
この金属箔が、クロムおよびアルミニウム構成成分を含む鋼、特に１〜５％［重量％］のアルミニウム含有量を有する鋼から構成されることが好ましい。５％までのアルミニウム含有量は、箔の他の特性についての著しい不都合を有することなく、高温耐腐食性にとって特に好都合である。
この酸化物被膜は、酸化アルミニウム、特にγ−酸化アルミニウムから実質的に構成される。
本発明によれば、当該酸化物被膜が均一な厚さを有し、ハニカム体のすべての表面上において許容差が１０％未満、好ましくは５％未満であることは特に有利である。接合点の標的化された選択的な生成および他の領域における接合の標的化された防止において、同様の条件がすべての接合点に行き渡ることが必要である場合があり、この理由で、当該酸化物被膜の小さい許容差は有利である。
はんだ付け接合の製造のために、例えば粉末形態で特定の領域に施用されるはんだが、融解温度に達したときに、流動によって小さな周囲の領域にわたって分散されることが可能であることが重要である。表面でのはんだの流動性および濡れ性は、酸化物被膜上だけでなく使用される材料上の表面粗さにも依存する。表面粗さも拡散接合の形成の可能性に影響を及ぼす。０．３μｍ（マイクロメートル）より大きい平均表面粗さを有する比較的粗い表面が有利であることが判明した。特定される粗さ値は、触針法を使用して測定される粗さの算術平均値であり、通常はＲａと略される。この方法は、例えば、定期刊行物「Ｓｔａｈｌ ｕｎｄ Ｅｉｓｅｎ（鋼および鉄）１０９」（１９８９年、第１２号、５８９および５９０頁）の中の論文「Ｒａｕｈｅｉｔｓｍｅｓｓｕｎｇ ａｎ ｇｅｗａｌｚｔｅｎ Ｆｅｉｎｂｌｅｃｈｅｎ（圧延された微細金属シートの粗さ測定）」に記載されている。
圧延方向および／または圧延方向に対して横方向における表面粗さが０．３μｍより大きい、好ましくは０．５μｍより大きい、特に好ましくは０．６μｍより大きい平均表面粗さを有する圧延された箔は、本発明に関連して特に適切である。本発明に係る酸化物被膜に関連するこの粗さは、加工のため、はんだ付けのため、拡散接合を防止するため、および耐高温腐食性のために特に好都合の特性を与える。
硬ろう付け、特に高温真空はんだ付けによって本発明に係るハニカム体に接合点が生成される場合は特に、記載される特性は、その特定の利点をもたらす。このはんだ付けプロセスにおける高温にもかかわらず、わずかばかりのまたは弱い拡散接合がはんだ付けされていない領域に生成される。
対象としている鋼箔の高温における接触点での拡散接合を形成する特性、および本発明に係る酸化物被膜のかかる接合を防止する特性はまた、接合が所望される特定の領域で酸化物被膜が取り除かれることによって、ハニカム体の製造において好都合に利用されてもよい。この酸化物被膜が例えばストリップ状に取り除かれる場合、耐久性のある拡散接合が、その後のハニカム体に、その酸化物被膜が取り除かれたその場所に正確に生成されるが、他方、酸化物被膜による保護の結果として他の接合点では接合は生成されないか、または弱い接合だけが形成される。所望の特性を有するハニカム体は、このようにして製造することができる。
本発明に係るハニカム体は、その製造後、上記酸化物被膜の上にさらなるコーティングを、特にいわゆるウォッシュコートおよび／または触媒活性材料を備えてもよい。内燃機関の排出ガス精製に関連する用途については、白金またはロジウムなどの貴金属は、典型的には上記種類のさらなるコーティングに含有される。
上記の記載に対応して、ハニカム体を製造するための本発明に係る箔は、その２つの表面上に６０〜８０ｎｍ、好ましくは７０〜７５ｎｍの厚さを有する酸化物被膜を有する。上記種類の箔は、好ましくは上記の粗さを有することができる。
上記種類の箔は、箔を、大気圧としての空気中で４〜８秒間の時間、好ましくはおよそ６秒間、７５０〜８００℃の温度にさらすことによって、本発明に従って製造することができる。これは、例えば、当該箔がアニーリング区画を通る間に、または類似のプロセスにおいて行われてもよい。記載された箔は、事実上すべての公知の形状のハニカム体の製造および鋼箔がこれまでにも使用されてきた製造方法に適している。
必要とされる場合他の被膜厚さのために使用されてもよい別の製造方法は、箔の表面をナノ粒子、特に酸化アルミニウムから構成されるナノ粒子でコーティングすることによる、所望の厚さの酸化物被膜の付与である。かかる方法は、当該箔を空気中で加熱するよりもエネルギー的に好都合である場合があり、酸化物被膜の質的な改善をもたらす場合がある。かかるコーティングは、特定の領域に選択的に行ってもよい。
図面もまた、本発明および当該技術分野を説明するために役割を果たし、例示となる実施形態および用途を詳細に記載するが、本発明は上記の例に限定されない。
ハニカム体の図を模式的に示す。
第１の変形例に係るハニカム体における、２つの箔間の接合点の領域を模式的に示す。
ハニカム体における接合点の別の例を模式的に示す。
本発明に係る箔を模式的な部分断面斜視図で示す。
図１は、ケーシング管７の中に配置されている滑らかな金属箔２ａおよび波形の金属箔２ｂから構成されるハニカム体１の正面図を模式的に示す。この箔層の正確な形状は、本発明の場合には重要ではない。本発明は、事実上すべての公知の形状の金属ハニカム体に適用してよい。
図２は、互いに接する滑らかな箔層２ａおよび波形の箔層２ｂの略断面図を示す。当該箔層２ａ、２ｂの接触点で、接合点５ははんだ８によって形成される。箔層２ａ、２ｂは本発明に従って酸化物被膜３を備えるとしても、固定された接合点５ははんだ付けによって生成することができる。しかしながら、比較のために隣り合った接合点に図示されるように、はんだのない接触点では、接合は形成されない。完成したハニカム体の状況は、ハニカム体が完成して後に典型的に付与されるさらなるコーティング６によって模式的に示される。
図３は、酸化物被膜３が部分的な領域９の箔層２ａ、２ｂから取り除かれた場合の、滑らかな箔層２ａと波形の箔層２ｂとの間の接触点の状況を示す。この場合、ハニカム体が加熱されるときに、拡散接合１０が接合点で形成される。
図４は、本発明に係る箔２の表面上のコーティングおよび粗さに関する状況を部分断面斜視図で模式的に示す（縮尺の点で誇張されている）。当該種類の箔は、典型的には圧延によって長いストリップ状に製造され、長手方向は図４では矢印Ｌによって示されており、これは圧延方向に対応する。この長手方向Ｌに直交するのが横方向であり、これは矢印Ｑによって示されており、粗さは模式的に図示されている。厚さＤを有する酸化物被膜３は表面の粗さに対して小さい寸法を有する、すなわち実質的に表面の輪郭の外形に従い、例えば、この表面の輪郭をならすことはしないということは見て取れる。平均表面粗さは、斜線をつけた領域によって模式的に示される。異なる深さＴまたは高さの山およびくぼみ４が箔表面上に形成され、表面粗さは、平均レベルからのこの山および溝のずれの平均値を特定する。この表面粗さは一般にＲａによって表される。箔表面の粗さに影響を及ぼすための様々な選択肢が存在する。例えば、この粗さは研磨によって減少させてもよく、適切な工具を使用するブラッシングまたは吹き付けによって増加させてもよい。本発明に特に適した粗さ範囲は、圧延による鋼箔の製造における従来の値よりも大きい。
本発明は、特に自動車における内燃機関の排出ガスシステムで使用するための耐久性のある、高耐熱性のハニカム体の製造に特に適している。
１ ハニカム体
２ 箔
２ａ 滑らかなシート状金属層
２ｂ 波形のシート状金属層
３ 酸化物被膜
４ くぼみ
５ 接合点
６ さらなるコーティング（場合によっては、触媒活性材料を有するウォッシュコート）
７ ケーシング管
８ はんだ
９ 酸化物被膜がない一部の領域
１０ 拡散接合
Ｌ 長手方向（圧延方向）
Ｑ 横方向
Ｔ くぼみの深さ
Ｄ 酸化物被膜の厚さ
２ 箔
２ａ 滑らかなシート状金属層
２ｂ 波形のシート状金属層
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Ｄ 酸化物被膜の厚さ
Claims (10)
- クロムおよびアルミニウム構成成分を含む高温耐食鋼から構成される少なくとも１つの金属箔（２）を含むハニカム体（１）であって、前記箔（２）は、少なくともいくつかの領域に接合点（５）を有し、その表面の各々の上に６０〜８０ｎｍ（ナノメートル）の厚さ（Ｄ）を有するアルミニウム酸化物被膜（３）を有し、前記酸化物被膜（３）が前記接合点（５）に存在する、ハニカム体（１）。
- 前記酸化物被膜（３）が均一な厚さ（Ｄ）を有し、前記ハニカム体（１）の全表面上において１０％未満の許容差を有することを特徴とする、請求項１に記載のハニカム体（１）。
- 前記箔（２）が、少なくとも１つの測定方向において０．３μｍ（マイクロメートル）より大きい平均表面粗さ（Ｒａ）を有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のハニカム体（１）。
- 前記箔（２）が圧延された箔であり、かつ少なくとも圧延方向（Ｌ）において０．３μｍより大きい平均表面粗さ（Ｒａ）を有することを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のハニカム体（１）。
- 前記酸化物被膜（３）が前記箔の表面に付与されたナノ粒子から構成されることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のハニカム体（１）。
- 前記接合点（５）が硬ろう付けによって生成されることを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のハニカム体（１）。
- 前記接合点（５）の外側のはんだ付けされていない領域が互いに接合されていないことを特徴とする、請求項６に記載のハニカム体（１）。
- 前記ハニカム体（１）が、前記酸化物被膜（３）上にさらなるコーティング（６）を備えていることを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のハニカム体（１）。
- 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のハニカム体の製造方法であって、
クロムおよびアルミニウムを含有する高温耐食鋼箔（２）は、大気圧の空気中で７５０℃〜８００℃の温度で４〜８ｓ（秒）保持されて、前記箔（２）の上に６０〜８０ｎｍ（ナノメートル）の厚さ（Ｄ）を有するアルミニウム酸化物被膜が生成されることを特徴とする、製造方法。 - 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のハニカム体の製造方法であって、
クロムおよびアルミニウムを含有する高温耐食鋼箔（２）は、酸化アルミニウムから構成されるナノ粒子でコーティングされていることを特徴とする、製造方法。
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