KR100688007B1 - 소결된 벌집 형상체의 제조 방법 - Google Patents

소결된 벌집 형상체의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 크롬 및 알루미늄을 함유하는 강 시이트 층의 적층 및/또는 감기에 의해 벌집 형상체를 형성하는 단계와, 상기 벌집 형상체를 커버 튜브 내에 유입시키는 단계와, 그리고 열처리에 의해 인접한 강 시이트 층(1, 2) 사이에 연결부를 형성하는 단계를 포함하는 금속 벌집 형상체를 형성하는 방법에 관한 것이다. 상기 강 시이트 층(1, 2)에는 탄소층이 열처리 중에 형성되도록 형성전에 바람직하게 고탄소 함량을 갖는 롤링 오일이 제공된다. 상기 탄소층은 소결 공정을 촉진시킨다. 이러한 방식으로 매우 얇은 시이트 층(1, 2)으로부터 안정한 벌집 형상체를 경제적으로 제조하는 것이 가능하다.

Description

소결된 벌집 형상체의 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING A SINTERED HONEYCOMB}
본 발명은 매우 얇은 강 시이트 층으로부터 고온 내식성을 갖는 소결된 벌집 형상체의 제조 방법에 관한 것이다. 이러한 벌집 형상체는 특히 자동차의 배기 시스템에서 촉매 지지체 및/또는 흡착 재료용 기판으로서 사용된다.
WO 96/08336은 적어도 부분적으로 감긴 구조의 서로 꼬인 또는 적층된 강 시이트 층으로부터 금속 구조물, 특히 촉매 지지체를 제조하는 방법에 관해 설명하고 있으며, 강 시이트 층은 보조 물질을 가지거나 가지지 않고, 강 시이트 층의 금속 접합을 형성하기 위해 열처리된다.
보조 물질은 납땜될 강 시이트 층의 영역에 가해지는 납땜 분말일 수도 있다. DE 29 24 592 A1은 납땜을 적용하는 다양한 방법에 관해 설명한다.
WO 96/08336에 따라, 강 시이트 층 사이의 연결 영역의 형성은 보조 물질 없이 강 시이트 층의 용융점 이하의 온도에서 수행되는 열처리에 의해 형성되어, 강 시이트 층은 서로 소결된다.
DE 29 47 694 A1은 또한 소결 전에 금속 코팅이 제공된 강 시이트 층에 의해 소결 작업이 단순화됨을 설명하고 있다. 소결 기술은 아직까지 벌집 형상체, 특히 촉매 지지체를 형성하는 실용적인 기술은 아니다.
배기 시스템에 벌집 형상체를 적용할 때, 벌집 형상체가 신속히 가열될 수 있어야 하는 점이 중요하다. 질량 감소는 이러한 목적에 특히 중요하고 상대적으로 얇은 강 시이트 층을 사용함으로써 달성될 수 있다. 공지된 촉매 지지체의 경우에, 시이트의 두께는 일반적으로 약 40 내지 50㎛이다. 두께가 35㎛ 이하인 강 시이트 층의 경우에, 강 시이트 층이 납땜 방법에 의해 서로 연결된다면 촉매 지지체의 품질 보장은 어렵다고 공지되어 있다. 납땜재의 축적은 연결 위치에서 합금화를 야기할 수도 있으며, 이는 고온 내식성을 감소시킨다.
이러한 배경을 감안할 때, 본 발명은 35㎛ 이하의 두께를 갖는 강 시이트 층을 포함하는 고품질 금속 벌집 형상체를 제조하는 것을 목적으로 한다. 동시에, 본 발명에 따른 방법은 상업적으로 유리하다. 본 발명에 따라 제조된 납땜되지 않은 벌집 형상체가 또한 제공될 수 있다.
본 발명의 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 금속 벌집 형상체를 제조하는 방법에 의해 달성된다. 유리한 실시예는 종속항에 각각 기술된다.
금속 벌집 형상체를 제조하는 본 발명에 따른 방법은,
크롬 및 알루미늄을 함유하는 강 시이트 층의 적층 및/또는 감기에 의해 벌집 형상체를 형성하는 단계와,
관형 자켓 내로 상기 벌집 형상체를 유입시키는 단계와,
열처리, 특히 소결 공정에 의해 인접하는 강 시이트 층 사이에 연결부를 형성하는 단계를 포함하며,
상기 강 시이트 층의 두께는 35㎛ 이하이고 상기 강 시이트 층의 적어도 일부분은 구조화된 강 시이트 층이어서, 상기 벌집 형상체는 유체가 유동할 수 있는 채널을 가지며,
상기 벌집 형상체는 각각의 경우에 적어도 25 K/분, 바람직하게는 각각의 경우에 적어도 30 K/분(Kelvins per minute)의 평균 온도 변화로, 1100℃까지, 바람직하게는 약 1150℃ 내지 1190℃까지 가열되고, 다시 냉각된다.
종래의 납땜 또는 소결 방법과 비교할 때 급속 가열은 우선 제조 시간이 결과적으로 감소되기 때문에 매우 유리하다. 또한, 연결부를 강화시키는 예를 들어 탄화물, 특히 크롬 탄화물이 형성되어, 연결부를 손상시키는 산화 공정이 감소되기 때문에, 급속 가열은 강 시이트 층의 표면에서의 화학 공정과 관련하여 장점을 갖는다. 얇은 시이트는 낮은 열용량을 가져, 보다 급속히 가열될 수 있기 때문에, 오븐 내에서 온도 프로파일을 균일하게 하기 위해 소정의 온도에서 유지 시간을 최대로 피할 수 있다. 전체적인 열 결합 공정은 이러한 방식으로 단축되어 90분 이하로 될 수 있다. 평균 온도 변화는 전체적인 가열 작업 중에 오븐 내의 초기 온도로부터 최고 온도까지 단위 시간당 평균 온도 변화, 또는 냉각 작업 중에 단위 시간당 대응 온도 변화를 의미하는 것으로 이해된다.
본 발명에 따른 방법의 경우, 원치 않는 산화 효과를 피하고 벌집 형상체의 표면 특성에 선택적으로 영향을 주기 위해 열처리를 진공 또는 소정의 대기를 갖는 적어도 부분적인 진공 내에서 수행하는 것이 바람직하다.
벌집 형상체를 형성하기 전에 특히 흑연 분말 형태의 고탄소 함량의 롤링 오일이 강 시이트 층에 제공되는 것이 바람직한데, 이로 인해 소결 공정을 강화시키는 탄소 층이 열처리에서 형성된다. 강 시이트가 냉간 압연에 의해 소정의 두께를 갖도록 제조될 때, 롤링 오일은 소정의 경우에 항상 사용되지만, 벌집 형상체를 제조하는 통상적인 공정에서는 일반적으로 열처리 전 또는 중에 제거되어야 한다. 그러나, 본 발명에 따라 열처리 중에 필수적으로 탄소를 함유하는 잔류물을 형성하는 형태의 롤링 오일이 선택되는데, 이는 이러한 롤링 오일이 소결 공정을 강화시키기 때문이다. 예를 들어 롤링 오일에 바람직하게 미세 분말 형태의 흑연을 첨가시킴으로써, 이러한 효과는 더욱 강화될 수 있다. 흑연은 또한 윤활제로 작용하는 장점을 가지는데, 이는 본 발명에 따른 벌집 형상체에 사용되는 것처럼, 매우 얇은 시이트 상에 구조물, 특히 파형을 제조하는데 큰 장점이 된다.
더욱이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 개개 영역에 제조된 많은 연결부는 특히 나선 또는 소용돌이(spiral or involute) 형태로 연장하는 다수의 강 시이트 층을 포함하는 벌집 형상체의 경우에 응력의 선택적인 도입 또는 응력 완화에 의해 영향을 받을 수 있다.
신속한 가열, 롤링 오일의 형태 및 응력 및 응력 완화의 선택적인 도입은 소결 공정에 있어서 그 자체로, 그러나 소정의 경우 혼합 형태로 각각의 경우에 장점이 될 수 있음이 지적되어야 한다.
열처리는 냉각 단계를 수반한다. 이는 진공 내에서 또는 불활성 가스 하에 서 수행될 수도 있다. 촉매 활성 재료 또는 흡수제로 코팅할 때 후에 문제점을 야기할 수 있는 소정의 탄소 잔류물은 불활성 가스/산소 대기의 선택적인 공급에 의해 냉각 작업 중에 제거될 수 있다. 이러한 경우에, 탄소 잔류물은 연소되고 소정의 산화물층이 형성되어, 후의 코팅의 부착성을 개선시킨다.
본 발명의 목적은 크롬 및 알루미늄을 함유하는 강 시이트 층의 적층 및/또는 감기에 의해 형성되고, 관형 자켓에 의해 둘러싸인 벌집 형상체에 의해 달성되며, 상기 벌집 형상체의 적어도 일부분은 접촉 영역에서 접촉하는 구조화된 강 시이트 층이며, 상기 벌집 형상체는 유체가 유동할 수 있는 채널을 가지며, 강 시이트 층은 35㎛ 이하의 두께를 가지며 접촉 영역의 적어도 일부분은 탄화물, 특히 크롬 탄화물을 함유하는 적어도 하나의 연결 영역을 가진다. 이러한 벌집 형상체는 35㎛ 이하 또는 심지어 25㎛ 이하의 시이트 두께의 경우에 기계적으로 매우 안정하고 고온 내부식성을 가진다.
본 발명의 또다른 상세한 설명 및 장점은 도면에 도시된 실시예를 기초로 설명된다.
도 1은 벌집 형상체의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 2는 상호연결된 강 시이트 층의 확대 단면도이다.
도 1에 도시된 벌집 형상체는 촉매 지지체의 실시예를 도시한다. 벌집 형상체의 다른 실시예와 구조가 가능하다.
채널(9)을 형성하는 평탄한 강 시이트 층(1)과 파형 강 시이트 층(2)의 선택적인 적층으로부터, 우선 소정의 높이와 소정의 길이의 적층이 형성된다. 제조 방법과 제조될 소정의 단면에 따라, 적층물은 제조 작업의 초기에 평탄한 측면과 직육면체 형태로 적층될 필요는 없다. 예를 들어 평행사변형과 같은 다른 형태도 제조에 유리할 수도 있다. 이러한 적층물은 고정점(3, 4)에서 포크 또는 유사하게 고정된 작동 장치에 의해 유지되고, 포크를 회전시키거나 적층물의 단부 주위로 굽힘으로써 반대 방향으로 꼬인다. 이러한 방식으로, 도 1에 개략적으로 도시된 형태가 얻어진다.
상호 꼬인 강 시이트 층(1, 2)은 관형 자켓(5) 내에 배열된다. 관형 자켓은 복수의 조각을 포함할 수도 있다.
이러한 방식으로 제공된 벌집 형상체에는 탄소 및/또는 탄소 화합물을 함유하는 코팅이 제공될 수도 있다. 코팅은 강 시이트 층(1, 2)이 적층 및/또는 감기에 의해 지지체 내에 제조되기 전에 강 시이트 층(1, 2)에 도포된다. 특히, 탄소는 냉간 압연 중에 사용되는 롤링 오일 내에 이미 함유될 수도 있으며, 특히 오일 내에 부가적으로 함유된 흑연 분말 형태로 함유될 수도 있다.
이러한 방식으로 제조된 벌집 형상체는 열처리, 특히 소결 공정을 받으며, 이에 의해 강 시이트 층은 연결 영역에서 상호연결된다. 열처리 중에, 롤링 오일의 분해 및 탄화물, 특히 크롬 탄화물의 형성이 표면에서 발생하여, 서로 강 시이트 층의 연결부의 강도에 기여한다. 강 시이트 층은 바람직하게 약 15 내지 25㎛의 두께를 갖는다.
도 2에는 이웃하는 강 시이트 층(1, 2)의 연결 영역의 확대도가 도시된다. 연결 영역(6, 7)은 함께 소결되어 크롬 탄화물을 생성한다. 벌집 형상체를 제조할 때, 벌집 형상체 내의 응력, 및 결국 접촉 영역에서 강 시이트 층 사이의 압축력은 장치를 설치함으로써 영향을 받을 수 있다. 약간의 강 시이트 층으로부터 나선형으로 감기지 않지만 다수의 개개 강 시이트 층(1, 2)을 포함하는 벌집 형상체의 경우에, 단부는 관형 자켓(5)을 향해 연장하고 거기에 고정되며, 벌집 형상체의 단면적 상의 응력 분포는 선택적인 응력 완화, 예를 들어 플렉싱(flexing) 또는 해머링(hammering)에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 응력을 갖고 제조되고 연속적으로 플렉싱되는 이러한 형태의 벌집 형상체는 내측에서보다 외측 영역(8)(도 1 참조)에서 보다 많은 연결부(6, 7)를 가지며, 이는 기계적 특성을 개선시킨다. 본 발명에 따라 강 시이트 층(1, 2)의 상호 연결은 소결에 의해 발생하지만, 관형 자켓(5)과 관련된 연결은 이러한 연결부의 내구성에 대한 요구사항에 따라 소결 또는 납땜에 의해 발생될 수 있다는 것이 지적되어야 한다.
도면 부호
1 : 평탄한 강 시이트 층
2 : 파형 강 시이트 층
3, 4 : 고정점
5 : 관형 자켓
6, 7 : 연결부
8 : 외측 영역
9 : 채널

Claims (9)

  1. 금속 벌집 형상체의 제조 방법으로서,
    두께가 각각 35㎛ 이하이고, 크롬과 알루미늄을 함유하며, 냉간 압연 중에 롤링 오일을 가지는 강 시이트 층들을 제공하는 단계로서, 상기 강 시이트 층들에 첨가된 첨가제와 조성물로 인해 가열되는 경우 상기 강 시이트 층들의 표면 상에 탄소-부화 층이 형성되고, 상기 강 시이트 층들의 일부분 이상이 구조화된 층들인, 강 시이트 층들을 제공하는 단계;
    유체가 유동할 수 있는 채널을 상기 벌집 형상체 내에 형성하기 위해 상기 강 시이트 층들의 적층 및 감기 중 하나 이상에 의해 벌집 형상체를 형성하는 단계;
    상기 벌집 형상체를 관형 자켓 내에 도입시키는 단계;
    상기 벌집 형상체가 1100℃ 이상까지 가열되는 열처리에 의해 이웃하는 강 시이트 층들 사이에 연결부를 형성하는 단계; 및
    온도 변화가 25K/분 이상이 되도록 상기 벌집 형상체를 냉각시키는 단계를 포함하는,
    금속 벌집 형상체의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    부분적인 진공 또는 진공에서 상기 열처리를 수행하는 단계를 포함하는,
    금속 벌집 형상체의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    탄소 함량을 증가시키도록 미세 분말의 흑연을 첨가제로서 롤링 오일과 혼합시키는 단계를 포함하는,
    금속 벌집 형상체의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 벌집 형상체의 외측 영역에서 접촉 영역의 높고 균일한 접합 품질이 달성되도록, 상기 열처리를 수행하기 전에 플렉싱 또는 해머링에 의해 상기 벌집 형상체의 적어도 외측 영역에서 선택적으로 응력 완화시키는 단계를 포함하는,
    금속 벌집 형상체의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 벌집 형상체는 나선 형태 또는 소용돌이 형태로 외측으로 연장하는 다수의 강 시이트 층들을 갖는 형상체로 형성되며, 상기 형상체의 횡단면의 내측 영역에서보다 강 시이트 층들의 접촉 영역들 사이의 외측 영역에서 보다 많은 연결부가 생성되는 응력 프로파일을 상기 형상체에 제공하기 위해 상기 외측 영역 내에서의 응력 부여 및 플렉싱 중 하나 이상을 상기 형상체에 선택적으로 도입하는,
    금속 벌집 형상체의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 벌집 형상체의 강 시이트 층들을 어닐링함으로써 상기 열처리를 수행하는 단계를 포함하는,
    금속 벌집 형상체의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리 중에 상기 벌집 형상체를 1150℃ 내지 1190℃ 범위로 가열하는 단계를 포함하는,
    금속 벌집 형상체의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 벌집 형상체를 냉각시키는 단계는 30K/분의 온도 변화율로 수행되는,
    금속 벌집 형상체의 제조 방법.
  9. 삭제
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