JPH02261550A - 自動車触媒用高耐熱金属担体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、自動車のエンジンより排出する排気ガスを浄
化するための触媒を担持する金属基体に関する。

（従来の技術） 自動車の排気ガス規制が実施されて１０年以上経過する
が、現在の排気ガス対策はエンジンの改良と触媒による
排気ガスの浄化によって行われている。排気ガス浄化用
の触媒はコージェライト等のセラミックハニカムの上に
ＰＬなどの貴金属触媒を担持したγ−アルミナ粉を担持
する構造のものが主流を占めている。しかしながらこれ
らのセラミックハニカムは排気抵抗がやや高く、またハ
ニカムの破壊を防止するために外筒との間に挿入する緩
衝用のステンレスメツシュの耐熱性の制約などから、そ
の使用温度が低くめに制限される等の欠点があった。

これらの欠点を改善するものとして近年ステンレス箔か
らなる金属担体が注目されている。これら金属担体は当
然反応中の高温かつ高速の排気ガスに耐える耐熱性と激
しい加熱・冷却に耐える耐熱疲労性が要求される。一般
に金属担体は厚み５０μ前後のステンレス平箔と波型加
工したステンレス波箔とを重ねて円筒形又は楕円柱状に
巻き込み、これを耐熱ステンレス製の外筒に装入して平
箔〜波箔〜外筒間を相互にろう付けや抵抗溶接等により
接合する。

金属担体が高温・高速の排気ガスに耐えるためには、耐
酸化性の良好なステンレス箔を用い平箔〜波箔〜外筒相
互の接合面積を増すことが有効であるが、これだけでは
激しい加熱・冷却に対しては耐えられない。すなわち自
動車エンジンに装若された金属担体ではエンジン始動か
ら走行開始時にハニカム部が外筒に先行して加熱され、
また長い下り坂では長時間エンジンブレーキの状態が持
続し、この間燃料の供給をカットするタイプのものでは
ハニカムが外筒に先行して冷却され、外筒とハニカム間
に大きな温度差が生じる。しかも加熱時と冷却時では温
度差の正負が入れ変わるためハニカムの接合強度の大き
いものほどハニカムは外筒に近い部分で熱疲労破壊を生
じ、排気ガスの背圧によりハニカムが風下方向に飛び出
す等の不具合が生じる。

このように金属担体を固く接合した場合の不具合を防止
する先行技術として、ハニカムを機械的に固定する方法
が米国特許４，１８６，１７２号明細書、特公昭８０−
２７８０７号公報等に開示されている。またハニカムを
部分的に接合する方法が特開昭６２＝４５３４５号公報
および特開昭６１−１９９５７号公報に開示されている
が、ハニカムの接合強度と耐熱疲労性のすくなくとも一
方で充分な特性を示すものではない。

またハニカム自身が熱応力を発生しにくい接合方法を提
案するものとして西独特許公開明細書第３３１２９４４
号や特開昭６２−８３０４４号公報があり、これにはハ
ニカムの平箔と波箔の接点のうちとびとびに接点を接合
する方法が開示されている。しかし、このような方法で
は全体として接合強度が低く、厳しい高温長時間のテス
トではハニカムが排ガスの下流側にずれて飛び出すスコ
ーピングと呼ばれる現象が生じることがある。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は上述した従来技術の欠点に鑑みてなされたもの
で、充分なろう付は強度を確保して高温・高速の排気ガ
ス流にも耐え、なおかつ急速な加熱・冷却にも耐える耐
熱疲労性を有する高耐熱金属基体を提供するものである
。

（課題を解決するための手段） 本発明は、平らな金属箔（以下平箔）と波型加工した金
属箔（以下波箔）を重ねて巻き込んでなる金属ハニカム
と該金属ハニカム体を収納する金属外筒からなる自動車
触媒用金属担体において、前記金属ハニカム体のすくな
くとも巻き込みの中心軸から最外周までの半分以上のろ
う付部における平箔と波箔の接合点以外の箔部分へのろ
う材付着率（以後不要ろう材付着率と略記する。）が３
５２６以下である金属ハニカム体によって構成されてい
ることを特徴とする自動車触媒用高耐熱金属担体である
。

金属担体は前記したように、平坦な箔と、波型に成形し
た波箔とを波箔の山（谷）頂部が平箔に接触（以下接点
という）するように重ね合せ、これを多重に巻回してハ
ニカム体をつくる。このハニカム体が金属外筒に挿入固
定され金属担体となる。上記ハニカム体は、平箔と波箔
の接点で、またハニカム体と金属外筒はこれらの接触し
ている内外面で、この金属担体を高温非酸化雰囲気中で
加熱することにより、ろう材で固定される。本発明は上
記ハニカム体のろう付は固定に関するものである。平箔
と波箔をろう付けする場合、両省の全ての接点をろう付
けする必要はなく、ハニカム体の中心部から最外周まで
の間、及びハニカム体の長さ（第３図のし）方向に亘っ
て、それぞれ選択した部位の接点に行えばよく、またこ
の間の付着密度を変化させてもよい。ろう材付着部位を
どのように選択するかは、金属担体が最適の耐久度を得
、かつ最も経済的に製造できればよく、第３図に一つの
実施態様を示している。本発明がすくなくとも巻き込み
の中心軸から最外周までの半分以上のろう付は部と表現
したのは、このような趣旨を含むものである。

本発明においては、以下に説明するような実施態様を包
含する。すなわち、ハニカム体を形成する前に、波箔の
山（谷）頂部に結合材を塗布し、これを平箔と重ねて巻
回してハニカム体を形成した後（場合によっては、この
後金属円筒に挿入した後）、ハニカム体の両端部からろ
う材を散布し、前記結合材塗布部分にろう材を付告させ
る。この際ろう材の付希は、後述する不要ろう材付着率
として３５％以下となるようにする必要がある。この発
明の実施態様として、不要ろう材の付着率は殆んど１５
％以下の値となる。

また、他の態様は、波箔と、平箔で形成したハニカム体
の端部を例えば、結合材を含浸したマット上に載置し、
毛細管現象の作用によって波箔・平箔の接点に結合材を
吸い上げることができる。

その後ろう材を前記態様と同様の方法により、ハニカム
体にろう材を散布付着させる。この発明の実施態様とし
て不要ろう材の付着率は殆んど２５％以下に近い値とな
る。

本発明の更に別の態様では、巻回して成形したハニカム
体に、例えば液状結合材を散布するか、浸漬してその全
面或は１部に結合材を塗布した後、波箔と平箔との接点
部近傍以外は、前記結合材の粘着性が失われるまで乾燥
せしめ、それからろう材をハニカム体に供給し、付着せ
しめる。この実施態様では、不要ろう材付着率ははソ３
５％以下であった。上記各態様においては、ろう材供給
後熱処理を行い、ろう付けされる。

本発明は、波箔と平箔を巻回してハニカム体を構成する
場合を対象に説明しているが、この他波箔と平箔を交互
に積層してハニカム構造体を成形し、これを金属筒状体
内に固定する場合も同様の効果を奏するゆえ、本発明は
このような技術態様も包含できるものである。

次に本発明の詳細な説明する。

一般に金属担体では高Ｃｒ　−高Ａｇ鋼例えば２０Ｃｒ
−５ＡＪの箔に対してＮｉろうによる接合が行われる。

理想的には平箔と波箔の接点のみがろう接され＼ば良い
訳であるが、実際には担体の製造工程においてろう材の
付着はきわめて不安定で、所定の部所にのみ確実にろう
材を付着させることは困難である。したがって各接点を
もれなく確実にろう接させるためには余剰のろう材をも
含めてかなり多量のろう材を担体に塗布しなければなら
ない。したがって平箔と波箔を強固に接合したものでは
第２図に示す如く必然的に接合部以外の箔部分にもろう
材が付着（第２図金属写真の黒ずんだ部分）してハニカ
ムを全体的に硬化させる。例えば２０Ｃｒ　−５Ａｆｆ
箔そのもの＼ビッカース硬度は２００前後で材料として
の延性があるが、ろう材と反応した部分（第２図、平箔
、波箔断面の黒斑点のある部分）ではＮｉＡ、Ｑの金属
間化合物が析出して材料を著しく硬化させ、そのビッカ
ース硬度は４００〜６００にも達し、材料としての延性
が失われる。したがって第２図の如くハニカムのはゾ全
断面にわたってＮｌろうとの反応部が分布している場合
はハニカム全体が硬く脆いものになっており、しかも耐
酸化性も劣化している。

本発明者らは前記の如くハニカムの接合を強固にした場
合に熱疲労に対してハニカムが弱くなる原因がこのハニ
カムのろう接反応による全体的な硬化によることを知見
した。しかして本発明者らは各巻層ごとのろう付接合率
を若干犠牲にしてハニカムの接合部以外の箔部分へのろ
う材の付着を極力排除したハニカムを特別に試作し、触
媒を担持したうえエンジンベンチテストで耐久試験に供
したところ、高温長時間の連続運転による耐久試験と数
分ごとの断続運転による冷熱耐久試験の双方に耐えるこ
とが判明した。かくして作られたハニカム断面の金属組
成（１００倍写真）を第１図に示す。同図においてろう
付接合部のビッカース硬度は４００〜６００と高いが、
各接合部の間にはろう材の付着が少なくてビッカース硬
度が２００前後である延性の高い箔母材が介在する。こ
れがために平箔と波箔との接点部におけるろう付接合率
を高くしてもハニカム全体としては延性が確保され、激
しい熱疲労にも耐えることができる。しかしながらこの
場合各巻層ごとのろう付接合率は無理に高くする必要は
なく、２０％以上であれば良い。

本発明において不要ろう材の付着率とは第１図や第２図
のハニカム断面の金属組織写真の接合部以外の部分にお
いて、Ｆｅ　−Ｃｒ　−ＡＮ箔とＮｌろう材の反応によ
って答中にＮｉＡｇの金属間化合物の析出している箔部
分（組織写真で黒ずんで見える部分）の長さの接合部以
外の金箔長に対する割合をいう。また本発明において不
要ろう材付着率を３５％以下に限定した理由は、３５％
超ではエンジンベンチテストによる冷熱耐久試験で充分
な耐久寿命が得られないからである。また金属担体にお
いてはハニカムの巻き込み中心軸から全巻数の１／４巻
までハニカムは熱応力の発生に寄与するところが少ない
のでこの部分のろう付は状況は担体の耐熱疲労特性には
あまり影響しない。またその他の部分についても局部的
に不要ろう材の付着率が３５％を超える部分があっても
全体としてろう付部の半分以上の部分で不要ろう材の付
着率が３５％以下であれば、充分な耐熱疲労特性が得ら
れることも知見した。

また本発明においては担体ろう付構造については特に規
定していないが、いずれの構造のものについてもその熱
応力を主として発生する部分について不要ろう材付着率
を３５％以下に低減させたノ１ニカムにすればその熱疲
労寿命すなわち冷熱耐久寿命を増すことができる。

また担体の断面が楕円やレーストラック状のものでも本
発明の効果は同様に発揮される。

また実際に不要ろう材の付着率を低く抑えるためには波
箔と平箔とを重ねて巻回するときにローラーやはけ等を
用いて波箔の山頂部のみに結合材を塗布し、巻回後にろ
う材を散布して、結合材が塗布されている部分すなわち
接合すべき部分とその周辺部のみにろう材を付着させる
方法が有効である。

またさらに別の方法としては、波箔と平箔を巻回してハ
ニカム体を形成した後に結合材をふくませたスポンジや
布材などのマット上に、ハニカム体の端面を下にして乗
せ、毛細管現象を利用して波箔と平箔の近接部のみに結
合材を吸い上げ、しかる後にろう材を散布する方法も有
効である。

なおこ〜でいう結合材とはろう材を金属箔に付着させる
ための液状の粘着性のあるもので、乾燥後に粘着性を失
うものでも失わないものでも良い。

但し前者を使用する場合は、結合材を塗布後にすみやか
にろう材を塗布しなければならない。

さらにまた別の方法としてはポリビニールアルコール溶
液等の乾燥後に粘着性を失うタイプの結合材の液中に巻
回後の金属担体を所定の位置にまで浸漬した後にこれを
取り出し、熱風又は温風を所定の時間だけ貫通孔に吹き
つけ、接合部以外の部分では結合材が乾燥し、平箔と波
箔の接触部近傍に入り込んだ結合材は乾燥不充分で粘結
性を維持している状態でろう材を散布する方法も有効で
ある。

次に実施例により本発明の効果を具体的に説明する。

（実施例１） 第３図にその断面のろう付構造を示す金属担体（Ｄ：１
００ｍｍＸＬ：ＬＯＯｍｍ）について、同図のろう付部
分のうちの点々で示す１，２のろう付部分すなわちハニ
カムの両端面から２０關の深さ（Ｎ　ｌ。

ｊ２２）で中心軸から３７巻目土での部分の不要ろう材
の付着率を第１表に示す如く変化させたものを製作した
。なおこの部分の接合率（全接点に対するろう接接点の
割合）はいずれも３０〜７５％であった。残部の外周側
３巻分（同図３，４）の部分は担体の全長（平箔と波箔
の接点部）（Ｌ）にわたってろう接を行った。不要ろう
材の付着率のコントロール方法は、波箔と平箔を巻回し
た後結合材を第３図のろう付部に塗布した後に一定の乾
燥時間を経過した後にやはり一定量のろう材を散布し、
これらの乾燥時間とろう材散布二を調整することにより
行った。ろう散布後に真空中で１２００℃に加熱してろ
う付処理を行った。これらの担体に触媒を担持し排気量
２０００ｃｃのエンジンの排気系に装着し、半数はベン
チテストにより８００℃以上７分、１５０℃以下１分、
の１サイクル１５分の冷熱試験を２００時間行い、また
他の半数はやはり同じ排気量のエンジンに装着し、ベン
チテストにより連続高温９００℃の耐久試験を２００時
間行った。これらの試験の後、各担体を解体して、異状
の有無、接合状況、不要ろう材の付着率等の調査を行っ
た。

第１表の結果が示すように供試担体は連続高温耐久試験
に対してはいずれも異状を示さなかったが、冷熱耐久試
験に対しては、不要ろう材の付着率が３５％以下のもの
が異状なく、４２％以上のものではいずれもハニカムの
一部が破壊して排ガスの下流側にズレを生じた。

（実施例２） 第３図の構造の金属担体の上下端面からの深さ（ｆＩｔ
　、Ｄ　２　）　２０ｍｍの部分について、中心部から
最外周までを半径の１７４ごとに４区分し、第４図に示
す如く不要ろう材の付着率の低いところ（同図の点々で
示す部分）と高いところ（同図の斜線で示す部分）を１
２種のパターンに配置したものを作った。実際には同心
円状のマスキング板を用いて結合材の濃度とろう散布量
を部分部分によって変化させた。こ−で不要ろう材の付
着率の低いところは接合率を３０％以上確保したうえで
不要ろう材の付着率を３５％以下にすることを目標とし
た。実際には付着率は８〜２２％であった。これら１２
８の担体を実施例１と同じ条件で冷熱耐試験に供し、ま
た約半数のものを連続高温耐久に供した。

その結果、第４図に示す如く、ろう接部の半分以上の部
分が不要ろう材の接合率が低いものが冷熱耐久試験に合
格し、かつこれらは連続高温試験でも良好な結果を示し
た。

（発明の効果） 以上に説明したように本発明ではノ１ニカムのろう付強
度を確保したうえで、なおかつノ＼ニカムが延性を残し
ており、厳しい連続高温耐久試験と激しい冷熱耐久試験
の双方に耐え得る金属担体を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はハニカム担体の一部の金属組織を示
す拡大（Ｘ　１００）写真であって、第１図は本発明の
不要ろう材の付着率の低いＩ−二カム金属組織を示し、
第２図は比較例として不要ろう材の付着率の高いハニカ
ムの金属組織を示す。 また第３図は供試担体のろう骨構造を示す図で１．２は
ろう付部分のうちの不要ろう材の付着率を制御すべき部
分を示す。３．４は外周部会長ろう付部、５．６はコア
と外筒との接合部を夫々示す。 第４図は不要ろう材の付着率の高底部を１２種のパター
ンに配置した場合のパターンとエンジンベンチテストに
よる耐久試験（冷熱耐久、連続高温試験）の結果を示す
図である。 復代理人　弁理士　田村弘明 第３図 第４ｖＡ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）平らな金属箔（以下平箔という）と波型加工した
   金属箔（以下波箔という）を重ねて巻き込んで相互にろ
   う付してなる金属ハニカム体と該金属ハニカム体を収納
   する金属外筒からなる自動車触媒用金属基体において、
   前記ハニカム体のすくなくとも巻き込みの中心軸から最
   外周までの半分以上のろう付部における平箔と波箔の接
   合点以外の箔部分へのろう材付着率（不要ろう材付着率
   ）が３５％以下である金属ハニカム体によって構成され
   ていることを特徴とする自動車触媒用高耐熱金属担体。