JPH10249516A - 触媒装置用メタル担体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エンジンに失火が生じて触媒装置用メタル担
体の中心部の温度が上昇しても、ハニカム体のろう付部
やろう付部付近の母材が溶融したり、母材の耐酸化寿命
が低下することが少なく、かつ板材の熱応力による損傷
も防止しうる、ロール状のメタル担体を提供する。 【解決手段】 Ａｌを含むフェライト系ステンレスの波
板材１と平板材２とを重ねて形成したハニカム体４の一
方の端面４ａの上に、Ｎｉを主成分とするアモルファス
ろう材３を載せて加熱し、ろう材を溶融させ板材の端部
を接合してメタル担体１０を形成する。ろう材は毛細管
現象により端面４ａから約５ｍｍの間まで流動して両板
材の接触部分を接合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気ガ
ス浄化装置に用いられるハニカム体をなす触媒装置用メ
タル担体に関し、特にロール状ハニカム体の触媒装置用
メタル担体に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の排気ガス浄化装置に用いられる触
媒装置用メタル担体は、図５（Ａ）に示すように、薄い
金属板の平板材３２と波板材３１の間に帯状のろう材３
３を介在させて、平板材３２と波板材３１を重ねて、図
５（Ｂ）に示すように、軸の周りにロール状に巻き込ん
でハニカム体３４を形成し、真空炉を使用してろう材３
３を溶融させ、板材の接触部分において接合を行ってい
た。ろう材にはＮｉ基ろう材を用い、かつ平板材と波板
材にはフェライト系ステンレス材料が使用されていた。
そのようにして形成されたハニカム体３４の軸を含む断
面の形状は、図５（Ｃ）の部分断面略図に示す通りであ
る。このようにして形成されたハニカム体３４は、さら
に図５（Ｄ）に示すように、外筒３５の中に収容されて
いる。

【０００３】ハニカム体のハニカム通路表面には軸方向
全長に亘ってアルミナ等からなる触媒用担持層が形成さ
れてメタル担体を形成する。その触媒担持層に貴金属触
媒が担持されて排気ガス浄化触媒の役目をなす。そして
内燃機関の排気通路に配設されて排気ガス中のＨＣ、Ｃ
Ｏ、ＮＯ_x 等を浄化する。なお限られた容積中にできる
だけ多くのハニカム通路面積を確保する必要から、平板
材３２及び波板材３１の厚さは強度を維持できる範囲内
でできるだけ薄くなっている。

【０００４】自動車のエンジンに用いられる触媒装置用
メタル担体は、１０００℃前後の高温環境下で加熱冷却
が繰り返されるという厳しい条件で使用される。そのた
め構成材料である箔状の板材には、８００℃以上の高温
域での耐酸化性をもたせるために、アルミニウム（Ａ
ｌ）を含有するフェライト系ステンレス、例えばＦｅ−
２０Ｃｒ−５Ａｌ、Ｆｅ−１８Ｃｒ−３Ａｌ等が用いら
れ、ろう材には耐酸化性および高温強度に優れたニッケ
ル（Ｎｉ）を主成分とするろう材、例えばＮｉ−Ｃｒ−
Ｓｉ、Ｎｉ−Ｃｒ−ＢまたはＮｉ−Ｃｒ−Ｓｉ−Ｂなど
が使用されている。

【０００５】ろう材には、上述の図５に示すような帯状
の形状の他に粉末状またはペースト状のものも用いられ
るが、高温時および加熱冷却によって担体に発生する熱
応力を吸収するため、ろう材を板材の全面に施さずに軸
方向に部分的に施すのが通常である。

【０００６】しかしながら、図５（Ｂ）、（Ｃ）に示す
ような、軸方向に対し部分的に帯状のろう材を複数本介
装してハニカム体を形成した担体においては、担体の中
心部に近い程ハニカム体の温度が高くなるために、中心
部ほど板材の軸方向伸びが大きくなり、このため外筒に
近い板材ほど大きい撓みを受けることとなって、図６
（Ｂ）に示すように、ろう付部が破断することになる。

【０００７】一般にフェライト系ステンレスには、１１
〜３０％のＣｒが含有されており、８００℃以下の温度
域で使用する場合にＣｒはステンレスの表面にＣｒ₂ Ｏ
₃ の酸化被膜を形成して（Ｃｒ＋Ｏ₂ →Ｃｒ₂ Ｏ₃ ）、
内部の酸化を防止している。ところがこのＣｒ₂ Ｏ₃ の
酸化被膜は８００℃以上の温度域では安定性がなく逆に
還元されるため、ステンレス自体が銹びるという欠点が
ある。

【０００８】そのため８００℃以上の温度域で使用する
フェライト系ステンレスは、上述のようにＡｌを含有さ
せることによって、表面にＡｌが拡散してＡｌ₂ Ｏ₃ の
酸化被膜が形成される（Ａｌ＋Ｏ₂ →Ａｌ₂ Ｏ₃ ）。こ
のＡｌ₂ Ｏ₃ の酸化被膜は８００℃以上の温度域でも安
定性があるために、還元されることはなくステンレス自
体の酸化を防止できる。

【０００９】またＡｌ₂ Ｏ₃ とステンレスとの熱膨脹率
に差があるので、板材が加熱や冷却を繰り返すことによ
り、ステンレスの表面のＡｌ₂ Ｏ₃ の酸化被膜に亀裂が
生じるが、ステンレスの中に固溶しているＡｌが次々に
表面に拡散して、被膜に生じた亀裂の部分においてＯ₂
と結合して新しくＡｌ₂ Ｏ₃ の酸化被膜を形成し、ステ
ンレス表面の耐酸化性を保つことができるため、固溶し
ているＡｌを消費し尽くすまでステンレスの耐酸化寿命
が保たれる。

【００１０】しかしながら上述のＡｌを含有するフェラ
イト系ステンレス板材を使用して、Ｎｉを主成分とする
ろう材でろう付を行ない、触媒装置用メタル担体を製作
する場合には、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ろう
材の主成分であるＮｉがステンレスの中へ拡散して母材
中のＡｌと反応してＮｉ₃ Ａｌを形成する（Ｎｉ＋Ａｌ
→Ｎｉ₃ Ａｌ）。このＮｉ₃ Ａｌは非常に安定な金属間
化合物であるため、高温でも分解されない。すなわち一
度Ｎｉと反応したＡｌは母材表面でＡｌ₂ Ｏ₃の酸化被
膜を形成できないことになる。したがってろう付部の近
傍の母材は、ろう付時にＡｌが消費されてＡｌの含有量
が少なくなっており、他の場所に比べて酸化され易く耐
酸化寿命が短くなる。

【００１１】また、ろう材には上述のように、Ｎｉ−Ｃ
ｒ−Ｓｉ−Ｂ、Ｎｉ−Ｃｒ−ＳｉまたはＮｉ−Ｃｒ−Ｂ
などが使用されるが、これらにさらにＣｕ、Ｍｎなどを
単独または複合添加したろう材も使用されている。ろう
材中のＣｒは、母材の場合と同様にろう材に耐酸化性を
もたせるために用いられ、共晶系の元素であるＳｉ、Ｂ
はろう材の溶融温度を下げるために添加されている。

【００１２】自動車用の触媒担体に使用されるろう材
は、耐酸化性を重視するため、通常１０％以上のＣｒを
含有させることが必要である。Ｓｉ、Ｂは拡散の速度が
速く、ろう付時にはろう付部以外の母材中にも広く拡散
するため、ろう付後のろう材部分にはＳｉ、Ｂが少なく
なり、従ってろう付部の再溶融温度は高くなるが、母材
にはＳｉ、Ｂが拡散して入り込むため母材の溶融温度は
低下する。

【００１３】したがってろう付部分に使用されるろう材
の量が多い程、多くのＳｉ、Ｂが母材中へ拡散するため
母材の再溶融温度は低下し、反対にろう材の量が少ない
程母材へのＳｉ、Ｂの拡散量が少なくなるので、母材の
再溶融温度の低下が少なくてすむことになる。

【００１４】上述の触媒装置用メタル担体は、従来主と
して４輪の自動車等に用いられたが、近年排気ガス規制
が強化されるのに伴なって２輪の自動車にも使用される
ようになった。しかしながら２輪の自動車はコスト、重
量および寸法上の問題から４輪車で使用されるような電
子制御式の燃料供給装置は使用されず、構造の簡単なキ
ャブレター方式が採用されている。したがって電子制御
式のようなきめ細かな燃料制御が行なわれないために、
燃料がシリンダー内で燃焼せずにそのまま排気されてし
まう、いわゆる失火が発生することがある。

【００１５】このような失火が発生して未燃焼の燃料が
シリンダから排出されて、排気中に存在する空気ととも
に触媒担体に達すると、触媒反応で高温になっている担
体によって着火・燃焼が起きて担体の温度は上昇し、失
火の程度によっては１１００〜１５００℃にまで上昇す
ることがある。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の触媒装置用メタル担体、特に２輪の自動車用エンジン
に使用する触媒装置用メタル担体においては、失火が発
生したときに担体の温度が１１００〜１５００℃にも達
する場合があるので、ろう付が１２００℃前後の温度で
行なわれる担体は、失火によりろう付温度以上の温度に
再加熱されて、ろう付部が再溶融することがある。

【００１７】また上述したように、フェライト系ステン
レスに含まれるＡｌは、１１００℃以下の温度域ではＡ
ｌ₂ Ｏ₃ の酸化被膜を母材表面に形成して、母材の酸化
を防止し母材を健全な状態に保つことができ、さらにま
た母材中のＡｌは、上述したように、ろう付時に母材中
へ拡散したろう材のＮｉと反応して母材中でＮｉ₃ Ａｌ
を析出している（図８（Ａ）参照）。

【００１８】しかしながら、失火の発生によって担体が
１１００℃以上の温度域になると、ＡｌはＯ₂ と反応し
てＡｌ₂ Ｏ₃ を生成するよりも、空中の窒素Ｎ₂ と反応
し易くなってＡｌＮを生成する（Ａｌ＋Ｎ₂ →ＡｌＮ）
（図８（Ｂ）参照）。ＡｌＮが析出することにより、母
材中のＡｌは消費されるが、特に母材のろう付部分にお
いては、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ＡｌがＮｉ
₃ Ａｌを形成して消費されているほか、更にＡｌＮの析
出によって消費されるために、母材中のＡｌは急激に消
費され、遂にはＡｌが母材中に枯渇するために母材自体
が図８（Ｃ）に示すように、異状酸化を起こす。

【００１９】また、図５（Ｂ）、（Ｃ）に示すような、
軸方向に対し部分的に帯状のろう材を複数本介装してハ
ニカム体を形成した担体においては、さらに中心部の板
材の軸方向伸びが大となって、前述の図６（Ｂ）に示す
ろう付部の破断が起き易くなる。この対策としてろう材
の軸方向配置のピッチをなるべく狭くし、かつ軸方向中
央部に集めるようにしていた。しかしながら、失火が生
じた場合、ろう付部の再溶融及びろう付部の母材に図８
（Ｃ）に示すような異常酸化が発生するために、ろう付
部を中心にして担体の劣化が進行するという欠点があ
る。

【００２０】通常、失火したガス流が担体に流入する
と、ガスの流速のために、ガスが担体入口側端部より少
し内部に流入した場所において着火・燃焼を起こす。し
たがって担体のガス入口側の温度が担体中で最も低くな
るため、担体のろう付を温度の低いガス入口側端部のみ
で行なって、上述の失火時のろう付部の再溶融及び母材
の異常酸化を防止することが有効である。

【００２１】しかしこの場合、板材をロール状に巻く図
９（Ａ）に示す工程において、ガス入口側の板材間の側
端部にのみ１条の帯状のろう材３３を挿入して巻き上げ
る際に、ろう材が端部より外方にズレて飛び出るという
問題があるため、ろう材の挿入位置は、図９（Ｂ）に示
すように、板材の端縁から５ｍｍ程度入り込んだ位置と
なる。このようにして板材の間に挿入されたろう材は、
接合される両板材の接触箇所以外に、接合と無関係の平
板材上の部分Ａにも配置されるため、Ａの部分のろう材
の密度は、ろう付箇所の板材上のろう材密度より大とな
る。したがってＡの部分が集中的に異常酸化を受けやす
くなるという欠点がある。

【００２２】担体のろう付に粉末状のろう材を使用する
場合には、上述の帯状のろう材と同様に、ろう付は担体
の入口側端部に施される。ろう材の施工方法には、
（１）図１０に示すように、板材を巻き回してロール状
のハニカム体を形成した後、外筒の中に装入し、ろう付
を行なうガス入口側端部をバインダーの中に浸し（図１
０（Ａ）、（Ｂ））、バインダーの付着した部分に粉末
状ろう材を散布してバインダー上にろう材を付着させ
（図１０（Ｃ））、加熱溶融させてろう付を行なうか、
（２）粉末ろう材とバインダーとを混合したペーストの
中に、ろう付を行なうハニカム体のガス入口側端部を浸
した後ろう付を行なうか、（３）図１１に示すように、
板材を重ね合わせてロール状のハニカム体に巻き上げる
際に、波板もしくは平板にバインダーを塗布しながら巻
き回してハニカム体を形成し（図１１（Ａ））、粉末の
ろう材を散布してバインダーに付着させるか（図１１
（Ｂ））、（４）粉末のろう材とバインダーとを混合し
たペーストを、波板もしくは平板に塗布しながら板材を
巻き回してロール状のハニカム体を形成する、などの方
法がある。

【００２３】しかしながら、上述の（１）、（３）のバ
インダー上に粉末ろう材を散布する方法は、散布された
ろう材の粉末がハニカム体の端部以外の場所にも飛散し
付着するという欠点があり、（２）、（４）のペースト
を用いる方法においても、ペーストがハニカム体の端部
以外の他の箇所にまで移動して付着するという欠点があ
る。したがって上述の（１）〜（４）のいずれの方法に
依っても、ハニカム体入口側端部のみに所望のろう付け
を行なうことはできない。

【００２４】本発明の目的は、エンジンが失火してガス
流が担体内で着火、燃焼した場合であっても、ハニカム
体を構成する母材のろう付部が再溶融せず、また母材の
異常酸化が防止でき、かつ熱応力の発生も少なく、した
がって失火によってハニカム体が損傷したり脱落するお
それのない触媒装置用メタル担体を提供することにあ
る。

【００２５】

【課題を解決するための手段】本発明の触媒装置用メタ
ル担体の製造方法は、アルミニウムを含有するフェライ
ト系耐熱合金の帯状をなす薄い金属板から、所定の連続
的な波形の凹凸を有する波板材と、所定の形状の平板材
とを形成して互いに重ね合わせ、軸の周りにロール状に
巻き回して多数の網目状通気路を備えたハニカム体を形
成し、ハニカム体の外周と嵌合可能な内径を有する外筒
の中にハニカム体を装入して円筒状のメタル担体を形成
し、外筒の内径とほぼ等しい外径を有する、ニッケルを
主成分とする箔状のろう材を、ハニカム体の一方の端面
上に載置した後、メタル担体を加熱してろう付を行なう
ものである。

【００２６】ハニカム体の端面上に載置されたろう材
は、加熱によって溶融し、両板材の接触部分における毛
細管現象によって端縁から軸方向に向かって接合が行な
われるが、板材表面のＡｌ₂ Ｏ₃ 被膜のろう材に対する
濡れ性が悪いために、端縁から数ｍｍの間のみのろう付
が可能となる。

【００２７】このように形成されたメタル担体は、ろう
材の使用量が少なくかつ担体の最も温度の上昇の少ない
ガス入口側端部においてのみ板材間が接合されるため、
失火によるガスが担体内で再燃焼した場合においても、
ろう付部が再溶融せず、また母材中のＡｌの消費が少な
いために母材の耐酸化性の低下が少ない。

【００２８】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態について
図面を参照して説明する。図１は本発明の触媒装置用メ
タル担体の製造方法を説明する略図であって、図１
（Ａ）はメタル担体の一方の端面の上にろう材を置く工
程を示す断面略図、図１（Ｂ）はろう材が端面の上に置
かれた状態を示す模式的断面図、図１（Ｃ）はろう付後
のろう材の溶融・付着状態を示す模式的断面図、図２
（Ａ）、（Ｂ）は、使用されるろう材（置きろうと云
う）の形状を示す平面略図である。

【００２９】図１（Ａ）において、円筒状のメタル担体
１０は、ハニカム体４と、ハニカム体４の外周に嵌合可
能な外筒５とから形成されている。ハニカム体４は、ア
ルミニウムを含有するフェライト系ステンレスの帯状を
なす薄い金属板（例えばＦｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌ、Ｆｅ
−１８Ｃｒ−３Ａｌなど）から、連続的な所定の波形の
凹凸に加工した波板材と、所定の形状の平坦な平板材と
を交互に重ね合わせて、軸の周りにロール状に巻き回し
て形成される。置きろう３は、図２に示す形状のアモル
ファスろう材である。

【００３０】図２において、ろう材（置きろう）３は、
図２（Ａ）に示すように、例えば厚さが１０〜４０μ
ｍ、望ましくは３０μｍ以下で、所要の幅を有する帯状
のアモルファスろう材から円形に切り取って形成され
る。置きろう３の直径は、ろう付を行なうハニカム体４
のほぼ外径に等しく、すなわち外筒５の内径より僅かに
小である。ろう材の材質には、通常Ｎｉ−Ｃｒ−Ｓｉ−
Ｂ、Ｎｉ−Ｃｒ−ＳｉまたはＮｉ−Ｃｒ−ＢなどＮｉを
主成分とするアモルファスろう材が使用される。置きろ
う３の外形は必ずしも上述の円板状に限るものでなく、
例えば図２（Ｂ）に示すような変形のものを用いても良
い。

【００３１】上述のように形成した置きろう３を、図１
（Ａ）、（Ｂ）に示すようにハニカム体４の上端面４ａ
に載せた後、通常のろう付の方法により真空炉中で担体
１０を加熱してろう付を行なう。置きろう３は端面４ａ
上で溶融して、図１（Ｃ）に示すように、波板材１と平
板材２とが接触する部分においては、毛細管現象によっ
て端縁から最大約５ｍｍの深さまでろう付範囲ａが拡が
る。接触部分以外の波板材１及び平板材２の端部におい
ては、端縁からｂの深さ（ｂ＜ａ）までろう材が板材表
面に溶着する。図１（Ｃ）においては波板材１と平板材
２との接触している部分の隙間は誇張して描かれている
が、実際には殆んど隙間はなく毛細管現象が有効に働
く。

【００３２】このように置きろう３を溶融させて端部を
接合したとき、ろう付の条件により異なるが、ハニカム
体の端縁から軸方向に最大ａ＝５ｍｍの範囲しか接合深
さは及ばない。その理由は板材の表面を覆っているＡｌ
₂ Ｏ₃ の被膜がろう材の濡れ性を悪くするためである。

【００３３】図１（Ｃ）において、毛細管現象によって
ろう付が行われる板材の接触部の範囲ａの他に、毛細管
現象が作用しない端縁からｂの範囲の板材表面にもろう
材が溶着するが、ろう材は各板材の端縁の全長に均等に
分散して溶着するために、板材単位面積当りのろう材の
量は、帯状ろう材を使用する場合（図９（Ｂ）Ａ部参
照）よりも少なくなる。したがって帯状ろう材で生じた
様なろう材の局部的集中は発生しない。例えば幅１ｍｍ
の帯状のろう材を用いた担体と、同じ厚さを有する本発
明による置きろうを用いた担体との使用ろう材量を比較
したところ、置きろうタイプは帯状タイプの１／４〜１
／３のろう材の使用量であった。このように本発明のメ
タル担体の製造方法によれば、ろう材の使用量が少ない
ためにろう材中のＳｉ、Ｂの母材への拡散量は少なくな
って、母材の溶融温度の低下が抑えられるとともに、ろ
う材中のＮｉが母材のＡｌと反応することによる母材中
のＡｌの消費が少なくなるために、母材の耐酸化寿命の
低下も抑えることができる。さらに本発明によるろう付
方法では、図３（Ａ）に示すように、担体のガス入口側
端縁においてのみろう付が行われるため、図３（Ｂ）に
示すように、ハニカム体の熱による軸方向への伸びが妨
げられず、したがって図６（Ｂ）に示すような軸方向の
撓みによるろう付部の破損は生じない。

【００３４】メタル担体に機械的強度を付与する手段と
して、ハニカム体の最外周において平板材２を少なくと
も２重に巻き回す方法が行われる。すなわち図４の部分
断面図に示すように、平板材２₁ と平板材２₂ の間、平
板材２₂ と外筒５の間、及び最外周の波板材１ａと平板
材２₁との間は、従来の方法による帯状のろう材３ａを
用いて接合することができるが、最外周の波板材１ａよ
り内側の板材の間は置きろうによる端縁のみの接合を行
なうことが好適である。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、ハニカム
体のガス入口側端面に置きろうを載置して溶融し、毛細
管現象により板材の端縁から約５ｍｍ間のみを接合する
ようにしたため、エンジンの失火によりハニカム体中心
部の温度が異状に上昇しても、ガス入口部の温度上昇は
少ないためにろう付部分の再溶融を防止でき、またろう
材の使用量が少ないために、ろう付による母材のＡｌの
消費が抑えられるので母材の耐酸化寿命の低下も少な
く、かつろう材中のＳｉ、Ｂの母材への拡散による母材
の溶融温度の低下も抑えられ、さらにハニカム体の板材
の接合が軸方向で１箇所のため、板材が軸方向に自由に
伸張できて熱応力の発生も抑えられるので、失火を生じ
易い２輪の自動車の触媒装置用メタル担体に使用してそ
の寿命が向上するという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の触媒装置用メタル担体の製造方法を説
明する略図であって、図１（Ａ）は工程を示す断面略
図、図１（Ｂ）はろう材を載置した模式的断面図、図１
（Ｃ）はろう付後の状態の模式的断面図である。

【図２】本発明の製造方法に使用されるろう材の平面略
図である。

【図３】本発明によるメタル担体の軸方向部分断面図で
ある。

【図４】本発明の製造方法の別の実施例の軸に直角な部
分断面図である。

【図５】従来の技術によるメタル担体の製造方法を説明
する略図であって、図５（Ａ）は板材の構成を示す模式
的断面図、図５（Ｂ）は斜視図、図５（Ｃ）は担体の軸
方向部分断面図、図５（Ｄ）は担体の斜視図である。

【図６】図５に示すメタル担体のろう付部が破断する状
態を示す軸方向部分断面図である。

【図７】板材のろう付前後の状態を示す軸に直角な部分
断面略図である。

【図８】板材のろう付部分が熱による異常酸化を生じる
過程を示す、軸に直角な部分断面略図である。

【図９】従来の技術による別のメタル担体の工程を示す
斜視略図である。

【図１０】従来の技術による別のメタル担体の製造工程
の説明図である。

【図１１】図１０と同様の図である。

【符号の説明】

１、１ａ、３１ 波板材 ２、２₀ 、２₁ 、２₂ 、３２ 平板材 ３ 置きろう ３ａ、３３ 帯状のろう材 ４、３４ ハニカム体 ４ａ 端面 ５、３５ 外筒 １０ メタル担体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ０１Ｎ 3/28 ３０１ Ｂ０１Ｄ 53/36 ＺＡＢＣ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウムを含有するフェライト系耐
   熱合金の帯状をなす薄い金属板から、所定の連続的な波
   形の凹凸を有する波板材と、所定の形状の平板材とを形
   成して互いに重ね合わせ、 軸の周りにロール状に巻き回して多数の網目状通気路を
   備えたハニカム体を形成し、 該ハニカム体の外周と嵌合可能な内径を有する外筒の中
   に、該ハニカム体を装入して円筒状のメタル担体を形成
   し、 前記外筒の内径とほぼ等しい外径を有する、ニッケルを
   主成分とする箔状のろう材を、前記ハニカム体の一方の
   端面上に載置した後、前記メタル担体を加熱してろう付
   を行なう、触媒装置用メタル担体の製造方法。