WO2001053669A1 - Feuille metallique a fini superficiel grossier se pretant bien au façonnage en ondulations et support catalytique pour purification des gaz d'echappement - Google Patents

Description

明 細 書 波付加工性の良い粗面仕上金属箔及び排ガス浄化用触媒担体 技術分野

本発明は、 自動車や自動二輪車などの排気ガスを浄化するための 触媒担体等に用いられるメ タルハニカム用の金属箔及びそれを用い て作られる排ガス浄化用触媒担体に関する。 背景技術

近年、 自動車排ガス規制の強化に伴い、 排気ガス浄化用触媒担体 に用いられるハニカムは、 従来のセラ ミ ック製のものに替えてメ タ ルハニカムが用いられる割合が徐々に増えてきている。 これは、 メ タルハニカムの壁厚がセラ ミ ックハ二カムに比べて薄いため、 ェン ジンのコール ドスター ト時の昇温が速くエンジン排ガスの初期浄化 能に優れ、 さ らに排気抵抗が低い等の利点があるからである。

メ タノレハニカムの構造は、 15〜50 / mの厚さの、 Fe— Cr— A1鋼の 金属箔を正弦波状、 三角波状、 台形波状等に波付けした波板と平板 、 或は波板と波板とを重ね合わせて直方体状にするか、 或は卷回し て円筒状やレース ト ラ ック状等にしたものが用いられており 、 そし て、 これを耐熱性ステンレス鋼製ケースに挿入して排ガス浄化用触 媒担体 （メ タル担体） と している。 また、 メ タルハニカムと しては 、 波板と平板、 或は波板と波板との重ね合わさった部分の全部又は 一部を接合したものが用いられている。

しかしながら、 正弦波状の波板を用いてこのよ う に構成したメ タ ルハニ力ムでは、 図 1 に示すよ うに、 平板 1 と正弦波状の波板 2 と の接点の近傍に鋭角に開いた空間 4ができるため、 ここに γ —アル ミナ、 貴金属触媒粒、 助触媒などからなる触媒物質 3が深く入り込 むことになる。 この空間に入り込んだ触媒物質はエンジン排気ガス 流に直接ふれる触媒物質の表面から 20 μ ΐη以上の距離になるため、 実質的に触媒反応に寄与するこ となく高価な貴金属触媒が無駄にな るとレヽぅ欠点がある。

このため、 最近では箔の波付加工で図 2に示すよ うに、 台形の角 の部分をよ りシャープに曲げ加工した台形状の波板 2が要求されて いる。 つま り、 台形状の波板を用いると、 平板 1 と台形状の波板 2 の接点近傍に形成される空間が小さ く て、 触媒反応に寄与しない無 駄となる触媒を少なくすることができるからである。

台形状の波板の製造方法と しては、 例えば、 特開平 8—257412号 公報に開示されているよ うに、 一対の歯車ロールを嚙み合わせて回 転させ、 歯車ロール間に平箔を通板することによ り製造することが できる。

しかしながら、 台形の角の部分をよ りシャープに曲げ加工する波 付加工を行う と、 従来の金属箔では加工中に割れ或は破断の生じる ものが多発するようになり、 生産性を著しく低下させるという問題 が生じる。 発明の開示

そこで、 本発明は、 上記問題点に鑑み、 自動車等の排ガス浄化用 メタルハニカムに用いられる金属箔を台形の角の部分をよ りシヤー プに曲げ加工する波付加工においても、 箔に割れ或は破断の発生し ない金属箔及びそれを用いて作られた自動車等の排ガス浄化用触媒 担体を提供することを目的とする。

本発明者は、 波付加工での金属箔の割れ或は破断の原因について 究明し、 波付加工での金属箔の割れ或は破断の防止は、 金属箔の表 面粗度を調整することによ り解決し得るこ とを知見した。 本発明は この知見に基づいて完成したもので、 本発明の要旨とするところは 、 下記の通りである。

( 1 ) 排ガス浄化用触媒担体に用いられる耐熱性ステンレス鋼製 の金属箔において、 表面粗度 Rmaxが 2. 0 超〜 5. 0 μ πιであることを 特徴とする波付加工性の良い粗面仕上金属箔。

( 2 ) 耐熱性ステンレス鋼製の金属箔で構成されたハニカムを、 耐熱性ステンレス鋼製ケースに挿入してなる構造の排ガス浄化用触 媒担体において、 前記金属箔は、 表面粗度 Rmaxが 2. 0 超〜 5. 0 μ m である粗面仕上金属箔であることを特徴とする排ガス浄化用触媒担 体。 図面の簡単な説明

図 1 は、 正弦波状波板を用いて構成したハニカムを示す図である 図 2は、 台形波状波板を用いて構成したハニカムを示す図である 図 3は、 箔の波付加工を示す図である。

図 4 ( a ) は正弦波状波板を示し、 図 4 ( b ) は台形波状波板を 示す図である。

図 5は、 台形波付加工での表面粗度と割れ発生箇所数との関係を 示す図である。

図 6は、 台形波付加工における箔表面粗度と波高さ との関係を示 す図である。 発明を実施するための最良の形態

以下に、 本発明を詳細に説明する。 本発明は、 メ タルハニカムを構成する金属箔のう ち、 特に、 波板 に使用する金属箔を粗面仕上げに調整したものを用いるこ とを特徴 と しており、 JIS(B0601— 1970)に規定される表面粗度 Rmaxが 2.0 超 〜5.0 μ mの粗面仕上金属箔である。 かかる金属箔は、 例えば、 80 番程度以下の研磨仕上げを行った圧延ロールを用いて冷間圧延を行 う力、 圧延後上記 JISの番号のベル トサンダーで箔表面の研磨を行 う こ と等によって得るこ とができるが、 粗面化の方法自体は特に限 定されるものではない。

なお、 本発明での耐熱性ステンレス鋼製の金属箔と しては、 例え ば、 18〜25%Cr— 4.5〜6.0 %A1に V， Ti， Nb, Zr, Hf, Y， Ce， La、 その他の希土類元素のう ちから選ばれた 1種又は 2種以上を必 要に応じて少量含有し、 残部が実質的に Feよ り なる成分を有する金 属箔であって、 高温のエンジン排ガスに対して充分な耐熱性を有す る金属箔が適しているが、 一般的に使用されている材料を用いるこ とができる。

本発明による金属箔は、 通常の圧延箔の表面粗度 Rmaxが 0.2 〜0. 3 μ πιに比べて、 Rmaxが 2.0 超〜 5.0 u mと著しく粗い表面粗度を 有している。 図 3 に示すよ う に、 箔の波付加工は、 2枚の嚙み合う 歯型ロール 6 の歯型の間に粗い表面粗度 8 を有する金属箔 5 を通し て波板 7 とする。 波形が図 4 ( a ) に示すよ う に従来の正弦波状の 波板 9では、 従来の表面粗度が Rmaxが 0.2 〜0.3 μ πιの金属箔でも 適正の潤滑材を併用すれば波付加工で割れの生じるこ とはなかった と ころが、 図 4 ( b ) に示すよ う に、 角がよ り シャープな台形状 の波板 1 0 にするためには、 歯型の角は小さな曲率半径を有するも のを使用するこ と となる。 この場合、 従来の粗度の箔では、 歯型と 歯型が完全に嚙み合う一つ手前の歯型でも歯型と箔の間に潤滑剤切 れを生じ、 歯型の角が金属箔に喰い込む結果、 こ こで歯型と金属箔 間の滑りが抑えられてしまう。

自動車等の排ガス浄化用触媒担体に用いられる Fe— Cr一 A1系耐熱 ステンレス銅箔は、 高温の排ガスに耐えられるよ うに合金設計され ているため、 材料自体の延性に乏しい。 そのため、 歯型と金属箔間 の滑りが抑えられると、 完全に嚙み合い状態の歯型と一つ手前の歯 型間に箔材が滑り込まないため、 特に、 図 3に示すよ うに、 金属箔 の圧延方向 （L方向） に対して直角方向 （C方向） に、 割れ或は破 断が多発することになる。

これに対して、 本発明金属箔は、 その表面粗度を著しく粗く して あるので、 箔の凹部に潤滑剤を貯蔵するこ とができる。 その結果、 波付加工では、 箔の凹凸と歯型の間に潤滑剤が保持され、 波付加工 中にも歯型と金属箔の間の滑りが潤滑剤によ り確保される。 このよ うな理由で、 本発明金属箔においては、 図 4 ( b ) に示すよ うな角 の部分が小さな曲率半径を有する台形波状の波付加工を行う場合に おいても割れ或は破断を生じることがない。 なお、 潤滑剤と しては 、 液状潤滑剤が好ましいが、 固体状潤滑剤或は液状と固体状潤滑剤 とを混合したもの等を用いることもできる。 そして、 本発明での台 形波状の波板は、 図 4 ( b ) に示すよ うに、 波板の頂上 11と波板の 斜辺 12の部分に少なく とも平坦な部分があり、 二つの平坦部の間が 、 例えば、 箔の厚さの中心線が箔厚の 3倍以下の曲率半径で曲げ角 度 0が 65以上曲げられたものが好適である。

次に、 本発明による金属箔において、 その表面粗度を限定した理 由を説明する。

図 5は、 30 μ m厚の 20 % Cr— 5 % A1耐熱ステンレス鋼箔を圧延口 一ラーの表面粗度を調整して種々 の表面粗度を有する箔を作成し、 夫々半分の量を光輝焼鈍炉によ り焼鈍し、 これらを図 4 ( b ) に示 す台形波形の波板に波付加工した場合の波板 10 m当 り の割れ発生箇 所数を、 焼鈍箔と圧延まま箔について箔の表面粗度に対してプロ ッ ト した図である。

図 5 に示す通り 、 焼鈍箔と圧延まま箔と もに Rmaxが 2. 0 μ m超で は波付加工での割れは発生しなく なる。 焼鈍箔の場合は材料の延性 は若干あるが、 引張強度が圧延まま箔よ り低く 、 その分だけ箔材を 隣り合った二つの歯型の間に引き込む能力に欠ける。 そのため、 延 性による利点と強度低下による欠点が相殺して焼鈍箔も圧延箔もほ ぼ同じ割れ発生傾向を示すものとみられる。

即ち、 本発明は、 焼鈍箔と圧延まま箔の双方に適用可能なもので ある。 また、 自動車等の排ガス浄化用触媒担体に用いる台形状の波 板と しては、 担持された触媒の機能を効果的に発揮させ、 かつ、 排 ガスの通路を確保して排ガスの圧損が少ない触媒担体とするために 、 波高さが少なく と も 1. 25mm以上要求されるこ とがある。 と ころが 、 台形状の波板の波付け加工では、 波高さが大き く なる と、 箔の加 ェ度が大き く なるので割れが発生する傾向があるこ とを知見した。

そこで、 台形波付け加工において、 割れ或は破断が発生しない条 件となる箔の表面粗度と波高さ との関係について調査した。 図 6は 、 30 μ m厚の 20 % C r— 5 % A1耐熱ステンレス銅箔を用いて台形波付 け加工した際の箔表面粗度と加工可能な最大波高さ との関係を示す 図である。 図 6に示すよ う に、 箔表面粗度と波高さの関係の曲線よ り上部領域では箔に割れが発生する。 従って、 波高さが 1. 25mm以上 で割れを発生するこ となく 波付け加工が可能な表面粗度は、 Rmaxが 2. 0 μ mを超えるものであれば良いこ とが分かった。 即ち、 表面粗 度 Rmaxが 2. Ο μ πιを超える金属箔を用いれば、 台形波状の波高さが 低いものから高いものまで波付加工をするこ とができる。

本発明において、 箔表面粗度の Rmaxの下限を 2. 0 μ πι超と したの は、 2. 0 μ m未満では箔材を台形波形に波付加工する ときに割れ或 は破断を発生するからである。 また、 Rmaxの上限を 5. Ο μ πιと した のは、 5. Ο μ πι超では箔圧延においてソ リゃ波打等の形状不良を誘 発して生産性を損なう上、 最近多用されている 20〜30 μ πι厚の箔材 に対して凹凸が高く な り、 耐酸化性の劣化を生じるからである。

さ らに、 本発明による金属箔のよ う に著しい粗面仕上金属箔では 、 特開平 3— 2 3 3 0 9号公報に開示されている如く 、 ろ う付けす る場合にろ う粉を固着させるためのバイ ンダ一の濡れ性が良く 、 ま た、 貴金属触媒を担持させる γ —アルミナの密着性も向上し、 さ ら に、 粗面であるためゥォッシュコー トの流動性が良好で、 空間 （メ ニスカス） にゥォッシュコー トのブリ ッジを形成するこ とがなく 、 担持触媒の表面積を大き く でき、 浄化能を向上させるこ とができる 等の利点を有する。

このよ う に、 本発明による金属箔は、 割れ或は破断を発生させる こ となく 、 角の部分が小さな曲率半径を有する台形波形に近い波形 の波付加工を行う こ とができる。 そして、 本発明による金属箔を台 形波状の波板に用いた自動車等の排ガス浄化用触媒担体では、 正弦 波状の波板を用いた場合に比較して、 図 1及び図 2 に示すよ う に、 平板と波板との接点近傍に形成される鋭角に開いた空間 （メニスカ ス） 4 を小さ く して、 殆ど無くすこ とができ、 かつ、 表面粗度の大 きい金属箔を用いているので、 平板 1 と波板 2 をろう付けによ り接 合する際に、 溶融したろ う材は、 金属箔面の凹凸による毛細管現象 によ り容易に流動し、 表面張力によ り空間 4に不必要にはみ出して ブリ ッジを形成する現象を少なくするこ とができる。 このため、 高 価なろ う材の量が少ないろ う付けが可能となる。 さ らに、 鋭角に開 いた空間 （メニスカス） 4が殆ど存在しないため、 担持された触媒 物質は、 実質的に全て排ガス との触媒反応に寄与し、 高価な貴金属 触媒をよ り有効に活用するこ とができ、 かつ、 排ガス浄化能も良好 な触媒担体とすることができる。

なお、 本発明では、 本発明で限定する粗面仕上金属箔を正弦波状 等の波板と して使用するこ とを排除するものではない。 つま り、 正 弦波状等の波板と して使用した場合には、 粗面仕上金属箔特有の効 果であるろう付けする場合の良好なバイ ンダーの濡れ性や少ない量 のろ う材でのろ う付け性、 良好なゥォッシュコー ト性、 或は、 担持 触媒の表面積を大きくでき、 排ガスの浄化能を向上できる等の本発 明の効果を発揮させることができるからである。

実施例

以下に、 本発明の実施例を示す。

(実施例 1 )

30μ mの厚さで巾 90mmの 20% Cr— 5 %A1鋼の圧延まま箔で表面粗 度が Rmaxで 3.2 mのもの 45kg (約 2200m) 、 同焼鈍箔で Rmaxが 2 .6μ χηのもの 32kg (約 1600m) の各コイルについて、 図 4 ( b ) に 示した波高さ 1.25腿の台形波形の波付加工を箔の両面に潤滑剤を塗 布しながら行った。 その結果、 前者については約 1400m、 後者につ いては約 1000mの波板が全く割れの発生なく加工できた。

これとは別に、 圧延まま箔で表面粗度が Rmaxで 0.3/ m、 同焼鈍 箔で Rmaxが 0.3/i mのものについて同じく波付加工を行ったが、 割 れが多発したので、 途中で加工を中止し、 正弦波の波形の歯型に交 換して図 4 ( a ) に示す正弦波状波形の波付加工を続行した。

(実施例 2 )

実施例 1 において台形波形に波付された圧延まま箔 （Rmax 3.2 / m) と、 同じく圧延まま箔の平板を重ねて卷回してハニカムを作り 、 19%Cr鋼製の 87φ X 1.5 t X931 のケースに挿入して、 ケース、 平板、 波板の一部を真空ろう付けしてメタル担体 5個を作成した。 同様にして、 実施例 1 にて正弦波形に波付加工された圧延まま箔 （ Rmax 0. 3 μ m ) を使用してメタル担体 5個を作成した。

両者合わせて 10個のメタル担体に対して、 全く同一条件にて γ — アルミナと助触媒によるゥォッシュコー ト と Pt— Pd主体の貴金属触 媒の担持を行った。

これらの触媒担持によるメタル担体の重量増加から換算される各 メタル担体に対するゥォッシュコー ト量及び貴金属触媒量は、 台形 板に波付けされた 5個のメタル担体については平均でゥォッシュコ ー ト量 150 gノ 1 、 貴金属触媒量 15 g Z 1 であった。 これに対して 、 正弦波に波付加工されたメタル担体 5個では平均でゥォッシュコ ー ト量 200 g 1 、 貴金属触媒量 20 g 1 となっていた。 両者を対 比すると、 後者の方がゥォッシュコー ト量及び貴金属触媒量が多い 。 これは、 主と して平板と正弦波の波板との接点の両側にできる鋭 角に開いた空間に入り込んだ分によるものである。

これらの触媒担持の終わったメタル担体のケースにステンレス製 のコーンと フラ ンジを溶接し、 4気筒 1600c cのガソ リ ンエンジンの ェキゾース トマルホール ド直下に設置した。

エンジンが冷却された状態からエンジンを始動し、 アイ ドリ ング 15秒の後に 2500rpm X 15HPになるよ うに負荷を力、け、 エンジン始動 後 300秒後に排ガス中の炭化水素の浄化率を測定した。

その結果、 台形波に波付加工された 5個のメタル担体の平均で排 ガス中の炭化水素の浄化率は 90, 4 %、 正弦波に波付加工されたもの 5個のメタル担体の平均で 89. 6 %と、 両者の浄化率は殆ど同じであ つた。

従って、 本発明による台形波に波付加工されたメタル担体では、 正弦波に波付加工されたメ タル担体に比較して、 排ガス中の炭化水 素の浄化率はほぼ同等であるが、 高価なゥォッシュコ一ト量及び貴 金属触媒量を約 20 %以上少なくするこ とができ、 コス トダウ ンを達 成できるこ とが確認できた。 産業上の利用可能性

以上に述べた如く 、 本発明のハニカムを構成する金属箔は、 表面 粗度が通常の圧延箔の粗度 Rmax 0. 2〜0. 3 z mに比べて著しく粗面 仕上げであるため、 角の部分が小さな曲率半径で曲げられた台形波 形の波付加工が可能であり 、 この波板を使用したメ タル担体では、 担持された触媒物質のう ち触媒反応に関与しない無駄になる部分が 少なく 、 高価な貴金属触媒をよ り有効に活用するこ とができる。 さ らに、 本発明による金属箔を波板と平板の両方に使用するこ とによ り、 ろ う材を固着させるためのバイ ンダーの濡れ性を向上させてろ う付け構造をよ り確実に作り込むこ とができる。 また、 触媒の直接 担持体である Y —アルミナのぬれ性も向上し、 メ タル担体の上下で よ り均一な厚さに触媒物質を付着させるこ とができる等の顕著な効 果を奏する。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 排ガス浄化用触媒担体に用いられる耐熱性ステンレス銅製の 金属箔において、 表面粗度 Rmaxが 2.0超〜 5·0μ πιであるこ とを特 徴とする波付加工性の良い粗面仕上金属箔。

2 . 耐熱性ステンレス鋼製の金属箔で構成されたハニカムを、 耐 熱性ステンレス鋼製ケースに挿入してなる構造の排ガス浄化用触媒 担体において、 前記金属箔は、 表面粗度 Rmaxが 2.0超〜 5.0 μ mで ある粗面仕上金属箔である こ とを特徴とする排ガス浄化用触媒担体