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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Diffusionsbindungsverfahren (auch
als Diffusionsbonden oder engl. Diffusion Bonding bekannt) zum Ausbilden eines
Metallsubstrats, das einen Katalysator zum Reinigen eines Abgases
trägt,
das aus einer Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs, einem Kessel, einer
Verbrennungsanlage oder dergleichen abgeführt wird.
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Metallsubstrate
werden insbesondere bei Katalysatoren zum Reinigen eines Abgases,
z.B. eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine eines Motorfahrzeugs,
verwendet. Zur Verbesserung seiner Gasreinigungsleistung weist das
Metallsubstrat eine Wabenstruktur auf, die den Katalysator auf ihrer
Oberfläche
trägt und
in einem äußeren Zylinder enthalten
ist.
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Die
Wabenstruktur besteht aus aluminiumhaltigem rostfreien Stahl. Sie
umfaßt
ein Wellblech mit langem Wellenabstand und entweder ein ebenes Blech
oder ein Wellblech mit kurzem Wellenabstand, die aufeinander gestapelt
sind, um eine Mehrzahl von Wabenkanälen (Zellkanälen) zu
bilden, durch die ein Abgas strömen
kann. Die so konstruierte Wabenstruktur wird in den aus ferritischem
rostfreien Stahl gefertigten äußeren Zylinder
eingesetzt, und dann werden diese in einem Wärmebehandlungsofen unter Hochvakuum
wie in der in der japanischen Offenlegungsschrift (Tokkai Hei) 9 – 99218
offenbart oder in einem stark beschicktem Inertgas wie in der japanischen
Offenlegungsschrift (Tokkai Hei) 2 – 182333 offenbart durch Diffusion
verbunden.
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Bei
diesen herkömmlichen
Diffusionsbindungsverfahren ist die Verwendung des Hochvakuums oder
des stark eingefüllten
Inertgases vorgesehen, um die Ausbildung einer Aluminiumoxidschicht zu
verhindern, die auf einem Oberflächenteil
der Wabenstruktur durch eine chemische Reaktion des Aluminiums in
der/auf der Wabenstruktur und eines Mikrosauerstoffs in einer Aufheizatmosphäre entwickelt wird
entwickelt wird, um die wechselseitige Diffusion ihrer Atome dazwischen
zu behindern.
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Bei
den bekannten herkömmlichen
Diffusionsbindungsverfahren tritt jedoch dadurch ein Problem auf,
daß manche
Kontaktabschnitte der Wabenstruktur und des äußeren Zylinders, insbesondere
an einem mit einer Aluminiumnitridschicht ausgebildeten Oberflächenteil,
nicht miteinander durch Diffusion verbindbar sind. Dieses Aluminiumnitrid
entsteht durch eine chemische Reaktion des in der Wabenstruktur
enthaltenen Aluminiums und eines in einem Wärmebehandlungsvorgang aus dem äußeren Zylinder
abgegebenen Stickstoffgases, da infolge des Fehlens des Stroms eines
Gases, beispielsweise des Inertgases, in dem Wärmebehandlungsofen während des
Wärmebehandlungsvorgang
der Stickstoff auf der Metallkonstruktion und/oder um diese herum
verbleiben kann.
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Der äußere Zylinder
nimmt massiv das in der Luft um die Metallstruktur herum enthaltene
Stickstoffgas auf, bevor er in den unter Vakuum stehenden oder mit
Inertgas gefüllten
Wärmebehandlungsofen eingesetzt
wird.
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Wie
in 6 gezeigt ist, wird
der äußere Zylinder
bei diesen Diffusionsbindungsverfahren in einem Argongas in dem
Wärmebehandlungsofen
aufgeheizt, um seine Temperatur T bis auf eine Diffusionsbindungstemperatur
Td zu erhöhen,
die auf mehr als annähernd
1000 Grad C eingestellt wird, wenn die Heizzeit t fortschreitet.
In einem in 6 durch
eine Ellipse angezeigten Bereich DN wird bei Temperaturen von annähernd 500 °C bis annähernd 600 °C vor dem
Erreichen der Diffusionsbindungstemperatur Td das in dem äußeren Zylinder
aufgenommene Stickstoffgas aus diesem abgegeben. Das abgegebene Stickstoffgas
wird um eine Fläche
des Metallsubstrats herum suspendiert und reagiert mit der in der Wabenstruktur
enthaltenen Aluminiumkomponente, um auf dessen Oberfläche die
Aluminiumnitridschicht zu bilden, welche die wechselseitige Diffusion
ihrer Atome zwischen dem äußeren Zylinder
und der Wabenstruktur behindert.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Diffusionsbindungsverfahren
zum Ausbilden eines Metallsubstrats zu schaffen, mit dem der vorstehende
Nachteil beseitigt wird und eine fehlerhafte Verbindung eines äußeren Metallzylinders und
einer aus aluminiumhaltigen rostfreien Stahl bestehenden Wabenstruktur
auf Grund der Ausbildung einer Aluminiumnitridschicht verhindern
kann, die durch eine chemische Reaktion des Aluminiums in der Wabenstruktur
und eines aus dem äußeren Zylinder
abgegebenen Stickstoffgases bei deren Wärmebehandlungsvorgang erzeugt
wird.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Diffusionsbindungsverfahren zum
Ausbilden eines Metallsubstrats mit einer Wabenstruktur aus aluminiumhaltigen
rostfreien Stahl und mit einem äußeren Metallzylinder
mit der Wabenstruktur darin geschaffen, wobei die Wabenstruktur
von einem ersten Wellblech und entweder einem ebenen Blech oder
einem zweiten Wellblech mit einem Wellenabstand gebildet ist, der
kürzer
als der des ersten Wellblechs ist, und die in mehreren Schichten
aufeinander gestapelt sind. Die Diffusionsmetallbindung umfaßt das Einbringen
des Metallsubstrats in eine Heizkammer eines Wärmebehandlungsofens, das Zuführen eines
Inertgases in die Heizkammer; und das Erhitzen des Metallsubstrats auf
eine Diffusionsbindungstemperatur. Dabei wird das Inertgas während eines
Wärmebehandlungsverfahrens
im wesentlichen ständig
durch eine Einlaßöffnung des
Wärmebehandlungsofens
in die Heizkammer zugeführt
und durch eine Auslaßöffnung davon
abgeführt,
so daß das
Inertgas ein aus dem äußeren Zylinder
des Metallsubstrats abgegebenes Stickstoffgas abblasen kann.
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Das
Diffusionsbindungsverfahren verhindert vorteilhaft eine fehlerhafte
Verbindung des äußeren Metallzylinders
und der Wabenstruktur auf Grund der Ausbildung einer Aluminiumnitridschicht,
die durch eine chemische Reaktion des Aluminiums in der Wabenstruktur
und eines aus dem äußeren Zylinder
abgegebenen Stickstoffgases bei deren Wärmebehandlungsvorgang erzeugt
wird.
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Vorzugsweise
sind die Einlaßöffnung und
die Auslaßöffnung koaxial
zueinander angeordnet, was es erlaubt, das Inertgas wirksam das
aus dem äußeren Zylinder
abgegebene Stickstoffgas abzublasen, indem dieses entlang dem Metallsubstrat
entlang dessen Axialrichtung in Strömung versetzt wird.
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Vorzugsweise
wird das Inertgas derart gesteuert, daß ein Durchsatz des Inertgases,
das durch die Einlaßöffnung strömt, und
der Druck eines Gases, das durch die Auslaßöffnung strömt, jeweils konstant sind.
Dies ermöglicht
es, das aus dem äußeren Zylinder
abgegebene Inertgas sicher abzublasen.
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Vorzugsweise
wird das Inertgas, das durch ein Metallsubstrat strömt, auf
einen Durchsatz von mindestens 1000 ml/min eingestellt, was es erlaubt, den
aus dem äußeren Zylinder
abgegebene Stickstoff sicher abzublasen.
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Vorzugsweise
ist ein Teil der Kontaktabschnitte der Wabenstruktur und des äußeren Zylinders
frei von einer Diffusionsbindung. Dadurch kann das Metallsubstrat
vor thermischen Ermüdungsfehlern
an den Teilen der Antaktabschnitte bewahrt werden, wenn starke Hitze
auf das Metallsubstrat einwirkt.
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Vorzugsweise
ist der Teil der Kontaktabschnitte ein stromaufwärts des Abgases gelegener Seitenabschnitt,
was sich vorteilhaft auf die Nutzungsdauer des Metallsubstrats auswirkt,
wenn es für
ein Auspuffsystem eines Motorfahrzeugs verwendet wird.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden
Zeichnungen, in denen:
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1 eine
teilweise geschnittene perspektivische Ansicht ist, die ein Metallsubstrat
zeigt, das unter Anwendung eines Diffusionsbindungsverfahrens gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
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2 eine
seitliche Schnittansicht ist, die das Metallsubstrat zeigt, das
mit dem Diffusionsbindungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform hergestellt
wurde;
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3 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht ist, die einen Wärmebehandlungsofen
mit den Metallsubstraten darin in einem Wärmebehandlungsverfahren des
Diffusionsbindungsverfahrens gemäß der ersten
Ausführungsform
zeigt;
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4 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht ist, die einen Wärmebehandlungsofen
mit Metallsubstraten darin in einem Wärmebehandlungsverfahren eines
Diffusionsbindungsverfahrens gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht ist, die einen Wärmebehandlungsofen
mit einem Metallsubstrat darin in einem Wärmebehandlungsverfahren eines
Diffusionsbindungsverfahrens gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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6 ein
Zeitdiagramm des Wärmebehandlungsvorgangs
ist, das eine Beziehung zwischen einer Temperatur des Metallsubstrats
und der Heizzeit zeigt und einen Bereich darstellt, in dem ein Stickstoffgas
aus dem äußeren Zylinder
abgegeben wird.
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In
der folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen und
-ziffern in den Figuren jeweils gleiche oder ähnliche Elemente, so daß auf eine
wiederholte Beschreibung bereits beschriebener Elemente verzichtet
wird.
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An
Hand der anliegenden Zeichnungen wird nun zunächst ein Diffusionsbindungsverfahren
zum Ausbilden eines Metallsubstrats gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben.
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In
den 1 und 2 ist das Metallsubstrat MS
gezeigt, das unter Anwendung des Diffusionsbindungsverfahrens gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
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Das
Metallsubstrat MS ist beispielsweise in einem Auspuffsystem eines
Motorfahrzeugs angeordnet, um einen Katalysator zum Reinigen eines
aus einer Verbrennungskraftmaschine abgegebenen Abgases zu tragen.
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Das
Metallsubstrat MS umfaßt
eine Wabenstruktur 1 und einen äußeren Zylinder 2 mit
der Wabenstruktur 1 darin.
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Die
Wabenstruktur 1 weist ein Wellblech 11 mit langem
Wellenabstand und ein Wellblech 12 mit kurzem Wellenabstand
auf, die aus aluminiumhaltigem rostfreien Stahl mit einer Dicke
von mehreren Dutzend Mikrometern bestehen. Die Wellbleche 11 und 12 mit
langem und mit kurzem Wellenabstand sind wechselweise aufeinander
gestapelt und in mehreren Schichten gerollt, wobei sich das Wellblech 12 mit
kurzem Wellenabstand auf einer Außenseite befindet, um eine
Zylinderform zu bilden. Das Wellblech 11 mit langem Wellenabstand
entspricht einem ersten Wellblech gemäß der vorliegenden Erfindung, und
das Wellblech 12 mit kurzem Wellenabstand entspricht einem
zweiten Wellblech gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Diese
gerollten Wellbleche 11 und 12 bilden eine Mehrzahl
von Wabenkanälen
(Zellenkanälen)
P, durch die das Abgas hindurch strömt. Die Wabenkanäle P bilden
einen Teil des mit der Verbrennungskraftmaschine verbundenen Auspuffsystems.
Wände,
welche die Wabenkanäle
P bilden, sind auf ihren Oberflächen
mit einer Katalysatorträgerschicht
versehen, die nach einem Diffusionsbindungsvorgang für das Metallsubstrat
MS aus Aluminiumoxid oder anderem gebildet ist. Die Katalysatorträgerschicht enthält einen
metallischen Katalysator, beispielsweise das Aluminiumoxid, welcher
Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxid (NOx) und anderes in dem Abgas reinigen kann,
während
dieses durch die Wabenkanäle
P strömt.
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Der äußere Zylinder 2 besteht
aus ferritischem rostfreien Stahl oder dergleichen. Er besitzt eine
Dicke von 1 mm bis 2mm auf und die Form eines Rundzylinders oder
eines Zylinder mit einer Querschnittsform nach Art einer Rennstrecke
(einer Form mit Halbkreisen, deren beide Enden durch zwei parallele
Linien verbunden sind).
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Die
Wabenstruktur 1 wird in den äußeren Zylinder 2 eingepreßt, und
dann werden diese mit Hilfe eines in 3 gezeigten
Wärmebehandlungsofens 3 an
Kontaktabschnitten zwischen dem Wellblech 11 mit langem
Wellenabstand und dem Wellblech 12 mit kurzem Wellenabstand
und zwischen der Wabenstruktur 1 und dem äußeren Zylinder 2 durch
Diffusion verbunden.
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Der
Diffusionsbindungsvorgang wird folgendermaßen ausgeführt:
Wie in 3 gezeigt
ist, ist eine Mehrzahl von Metallsubstraten MS, drei Metallsubstrate
bei diesem Ausführungsbeispiel,
auf einem Metallnetz 33 in dem Wärmebehandlungsofen 3 angeordnet,
um unter einer nicht oxidierenden Atmosphäre auf eine Diffusionsbindungstemperatur
von mehr als annähernd 1100
Grad C, annähernd
1300 Grad C bei dieser Ausführungsform,
aufgeheizt zu werden, wodurch die Kontaktabschnitte zwischen dem
Wellblech 11 mit langem Wellenabstand und dem Wellblech 12 mit kurzem
Wellenabstand und zwischen der Wabenstruktur 1 und dem äußeren Zylinder 2 durch
Diffusion verbunden werden.
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Der
Wärmebehandlungsofen 3 ist
ein verschließbarer
Behälter
mit einer Einlaßöffnung 31 und einer
Auslaßöffnung 32.
Die Einlaßöffnung 31 und die
Auslaßöffnung 32 stehen
in Fluidverbindung mit einer im Innern des Behälters ausgebildeten Heizkammer
O. In der Heizkammer O können
die mehreren Metallsubstrate MS auf dem Metallnetz 33 positioniert
werden, so daß ein
Inertgas G, beispielsweise ein Argongas, ein Heliumgas oder ein
Neongas, kontinuierlich durch diese hindurch strömen können. Das Inertgas G wird durch
die Einlaßöffnung 31 hindurch in
die Heizkammer O eingeführt
und durch die Auslaßöffnung 32 hindurch
abgeführt,
so daß das
Inertgas G während
des Wärmebehandlungsvorgangs
in die/auf die Metallsubstrate MS strömt.
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Das
Inertgas G wird derart reguliert, daß es im wesentlichen ein darin
enthaltenes Stickstoffgas N beseitigt, bevor es in die Heizkammer
O eintritt. Insbesondere wird seine Dichte in dem Inertgas G an der
Einlaßöffnung 31 auf
gleich oder auf kleiner als 3 Teile pro Million (ppm) eingestellt.
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Der
Durchsatz des Inertgases G, das jedes Metallsubstrat MS in der Heizkammer
O durchströmt, wird
derart eingestellt, daß das
Inertgas G sicher das in dem Wärmebehandlungsvorgang
aus den äußeren Zylindern 2 der
Metallsubstrate MS abgegebene Stickstoffgas N ausblasen kann. Insbesondere
wird bei dieser Ausführungsform
der Durchsatz des zu jedem Metallsubstrat MS geführten Inertgases G auf gleich
oder mehr als 100 Milliliter pro Minute (ml/min) eingestellt.
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Das
durch die Einlaßöffnung 31 hindurch
zugeführte
Inertgas G wird derart gesteuert, daß es einen konstanten Durchsatz
aufweist, und ein Gas, das hauptsächlich das Inertgas G und das
aus den äußeren Zylindern 2 abgegebene
Stickstoffgas N umfaßt und
durch den Auslaßöffnung 32 abgeführt wird,
wird ebenfalls derart gesteuert, daß es einen konstanten Druck
aufweist, wobei ein Vakuumgrad gehalten wird, der zur Diffusionsbindung
in der Heizkammer O des Wärmebehandlungsofens 3 notwendig
ist.
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Man
beachte, daß das
Stickstoffgas N von Außenflächen, Innenflächen und
den oberen und den unteren Flächen
der äußeren Zylinder 2 abgegeben wird,
jedoch sind Pfeile, welche das von den Innenflächen abgegebene Stickstoffgas
N bezeichnen, der leichteren Sichtbarmachung halber in 3 weggelassen.
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Nun
werden die Vorgänge
und die Vorteile des Diffusionsbindungsverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform
beschrieben.
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Die
Wellbleche 11 mit langem Wellenabstand und die Wellbleche 12 mit
kurzem Wellenabstand werden hergestellt. Diese werden wechselweise
angeordnet und aufeinander gestapelt und dann zu mehreren Schichten
gerollt.
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Die
aus den gerollten Wellblechen 11 und 12 bestehende
Wabenstruktur 12 wird in die äußeren Zylinder 2 eingepreßt, um die
Metallsubstrate MS zu bilden.
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Die
Metallsubstrate MS werden durch eine nicht gezeigte Tür hindurch
in die Heizkammer des Wärmebehandlungsofens 3 eingebracht
und voneinander getrennt auf das Metallnetz 33 aufgelegt.
Die Tür
wird verschlossen, um die Heizkammer O gegen die Außenluft
abzudichten.
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Dann
beginnt man das Inertgas G durch die Einlaßöffnung 31 hindurch
in die Heizkammer O einzuführen
und durch die Auslaßöffnung 32 hindurch abzuführen. Des
weiteren beginnt der Wärmebehandlungsofen 3 die
Metallsubstrate MS in der Heizkammer O aufzuheizen. Da die Temperatur
der Metallsubstrate MS bei diesem Wärmebehandlungsvorgang mit der
Heizzeit t zu steigen beginnt, beginnt der äußere Zylinder 2 in
ihm das aus der Luft absorbierte Stickstoffgas N aus den äußeren, inneren
sowie oberen und unteren Flächenabschnitten
wie in 3 gezeigt, bei Temperaturen von annähernd 500 Grad
C bis annähernd
600 Grad C unter der in 6 gezeigten Diffusionsbindungstemperatur
Td abzugeben.
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Bei
diesem Wärmebehandlungsvorgang wird
das Inertgas beständig
in die Heizkammer O, die auf dem zur Diffusionsbindung notwendigen
Vakuumgrad gehalten wird, zugeführt
und aus dieser abgeführt.
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Dieses
abgegebene Stickstoffgas N in der Heizkammer O wird von dem Inertgas
G durch die Auslaßöffnung 32 hindurch
ausgeblasen. Demgemäß wird das
Stickstoffgas N auf den Oberflächenabschnitten
des äußeren Zylinders 2 und
um diese herum ausreichend beseitigt, so daß sich keine Aluminiumnitridschicht
auf der Wabenstruktur 1 bildet.
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Wenn
eine Temperatur des Metallsubstrats MS die Diffusionsbindungstemperatur
Td von mehr als annähernd
1000 Grad C und vorzugsweise 1300 Grad C erreicht, beginnen die
Kontaktabschnitte des äußeren Zylinders 2 und
der Wellbleche 12 mit kurzem Wellenabstand und die Kontaktabschnitte
der Wellbleche 11 mit langem Wellenabstand und der Wellbleche 12 mit
kurzem Wellenabstand durch Diffusion verbunden zu werden. Bei diesem
Diffusionsbindungsvorgang werden die Kontaktabschnitte sicher miteinander
verbunden, da auf der Oberfläche der
Kontaktabschnitte keine Aluminiumnitridschicht erzeugt wird.
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Deshalb
läßt sich
mit dem Diffusionsbindungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform verhindern,
daß der äußere Zylinder 2 und
die Wabenstruktur 1 auf Grund des Aluminiumnitrids mangelhaft
verbunden werden.
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Als
nächstes
wird ein Diffusionsbindungsverfahren zum Ausbilden eines Metallsubstrats
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung an Hand der anliegenden Zeichnung beschrieben.
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Bei
dieser zweiten Ausführungsform
weist ein Metallsubstrat MS, das durch Diffusion zu verbinden ist,
eine ähnliche
Konstruktion wie bei der in 1 und 2 gezeigten
ersten Ausführungsform auf.
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Wie
in 4 gezeigt ist, weist ein Wärmebehandlungsofen 3 eine
Heizkammer O, erste bis dritte Einlaßöffnungen 31a bis 31c und
erste bis dritte Auslaßöffnungen 32a bis 32c auf.
Die Anzahl der Einlaßöffnungen 31 und
der Auslaßöffnungen 32 ist
auf die gleiche wie bei den Metallsubstraten MS eingestellt, die
bei einem Wärmebehandlungsvorgang
auf einem Metallnetz 33 angeordnet werden. Die erste Einlaßöffnung 31a und
die erste Auslaßöffnung 32a,
die zweite Einlaßöffnung 31b und
die zweite Auslaßöffnung 32b und
die dritte Einlaßöffnung 31c und
die dritte Auslaßöffnung 32c sind
jeweils koaxial miteinander angeordnet. Sie sind an Stellen angeordnet,
an denen sich die auf dem Metallnetz 33 angeordneten Metallsubstrate
MS einander nicht berühren.
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Auf
dem Metallnetz 33 sind drei durch Diffusion zu verbindende
Metallsubstrate MS aufgelegt, so daß sie jeweils mit den ersten
Einlaß-
und Auslaßöffnungen 31a und 32a,
den zweiten Einlaß-
und Auslaßöffnungen 31b und 32b und
den dritten Einlaß- und Auslaßöffnungen 31c und 32c koaxial
sein können.
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Ein
Inertgas G wird durch einer Heizkammer O durch die ersten bis dritten
Einlaßöffnungen 31a bis 31c zugeführt, so
daß es
auf die drei Metallsubstrate MS strömt, und dann durch die ersten
bis dritten Auslaßöffnungen 32a und 32c hindurch
abgeführt, wobei
die Heizkammer O unter Vakuum gehalten wird.
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Die
anderen Teile des Wärmebehandlungsofens 3 sind ähnlich denen
in der in 3 gezeigten ersten Ausführungsform
konstruiert.
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Bei
dieser zweiten Ausführungsform
sind die drei durch Diffusion zu verbindenden Metallsubstrate MS
voneinander entfernt auf dem Metallnetz aufgelegt, so daß das Inertgas
G durch einen zwischen den benachbarten Metallsubstraten MS gebildeten Zwischenraum
strömen
kann, um von allen Oberflächenabschnitten
der Metallsubstrate MS abgegebenes Stickstoffgas N abzublasen. Beim
Zuführen
des Inertgases G werden die Metallsubstrate MS bis auf eine Diffusionsbindungstemperatur
aufgeheizt, so daß die
Kontaktabschnitte eines äußeren Zylinders 2 und
eines Wellblechs mit kurzem Wellenabstand und die Kontaktabschnitte
des Wellblechs mit kurzem Wellenabstand und des Wellblechs mit langem
Wellenabstand miteinander verbunden werden können.
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Das
Diffusionsbindungsverfahren mit Hilfe des oben konstruierten, in 4 gezeigten
Wärmebehandlungsofens 3 der
zweiten Ausführungsform kann
die Abblaseffizienz für
das Stickstoffgas N auf Grund einer koaxialen Anordnung der Einlaßöffnungen 31a bis 31c,
der Auslaßöffnungen 32a bis 32c und
der Metallsubstrate MS verbessern. Insbesondere kann das von einem
inneren Flächenabschnitt
des äußeren Zylinders 2 und
einem äußeren Flächenabschnitt
einer Wabenstruktur 1 in einem Wärmebehandlungsvorgang abgegebene
Stickstoffgas N leicht und sicher aus der Heizkammer O abgeblasen werden.
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Als
nächstes
wird ein Diffusionsbindungsverfahren zum Ausbilden eines Metallsubstrats
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung an Hand der anliegenden Zeichnungen beschrieben.
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Bei
dieser dritten Ausführungsform
weist ein durch Diffusion zu verbindendes Metallsubstrat MS eine ähnliche
Konstruktion wie das der in 1 und 2 gezeigten
ersten Ausführungsform
auf.
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Wie
in 5 gezeigt ist, ist ein Wärmebehandlungsofen 3 nur
für ein
Metallsubstrate MS vorgesehen, wobei seine Einlaßöffnung 31 und seine Auslaßöffnung 32 koaxial
miteinander angeordnet sind, so daß das Inertgas G in der gleichen
Richtung wie der des Abgasstroms in dem Metallsubstrat MS strömen kann,
wenn dieses an einem Motorfahrzeug angebracht ist. Die anderen Teile
des Wärmebehandlungsofens 3 ähneln denen
der in 3 gezeigten ersten Ausführungsform.
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Mit
dem Diffusionsbindungsverfahren läßt sich mit Hilfe des oben
konstruierten Wärmebehandlungsofens 3 gemäß der zweiten
Ausführungsform ein
von dem äußeren Zylinder 2 abgegebenes
Stickstoffgas N sicher abblasen.
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Als
nächstes
wird ein Diffusionsbindungsverfahren zum Ausbilden eines Metallsubstrats
gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Ein
durch Diffusion zu verbindendes Metallsubstrat weist eine ähnliche
Konstruktion wie das gemäß der in 1 und 2 gezeigten
ersten Ausführungsform
auf, und zum Diffusionsverbinden des Metallsubstrats wird ein ähnlicher
Wärmebehandlungsofen
wie der in 3, 4 oder 5 gezeigte
verwendet.
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Bei
dieser vierten Ausführungsform
wird nur ein Teil der Kontaktabschnitte einer Wabenstruktur und
eines äußeren Zylinders
durch Diffusion verbunden.
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Wenn
ein Katalysator mit dem Metallsubstrat nahe einer Stelle mit hoher
Temperatur, beispielsweise direkt unter einem mit einem Motor verbundenen Abgaskrümmer, angeordnet
ist, werden die stromaufwärtsseitigen
Kontaktabschnitte der Wabenstruktur und des äußeren Zylinders nicht verbunden,
um die zwischen diesen bewirkte Wärmebeanspruchung zu vermindern.
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Spezifisch
ist das Metallsubstrat einer hohen Abgastemperatur ausgesetzt, wenn
der Motor anläuft.
Dadurch entsteht ein Temperaturgradient zwischen der Wabenstruktur
und dem äußeren Zylinder, weil
sich die Wabenstruktur auf Grund ihrer Wärmekapazität, die kleiner als die des äußeren Zylinders ist,
leichter als der äußere Zylinder
erwärmt,
und der äußere Zylinder
größere Wärme abstrahlt
als die Wabenstruktur. Diese Tendenz tritt ähnlich auch bei der Fahrzeugbeschleunigung auf,
die ein ähnliches
Katalysator-Temperaturprofil wie beim Anlaufen des Motors zeigt.
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Dagegen
weist ein Abgas mit niedriger Temperatur ähnliche Zusammensetzungen wie
die der Luft auf und beim Langsamwerden des Fahrzeugs an das Metallsubstrat
abgegeben. Demgemäß kühlt das Abgas
einen mittigen Abschnitt des Metallsubstrats schneller als dessen
peripheren Abschnitt.
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Bei
einem solchen Temperaturverlauf konzentriert sich eine in der Wabenstruktur
erzeugte Beanspruchung besonders an einem peripheren Abschnitt der
mit dem äußeren Zylinder
verbundenen Wabenstruktur. Der Grund dafür ist, daß der periphere Abschnitt auf
Grund der Verspannung des äußeren Zylinders
an der Wabenstruktur zusammengedrückt wird, die sich mit einer
höheren
Temperatur als die des äußeren Zylinders
nach außen
dehnt, wenn diese durch das Abgas aufgeheizt werden, wohingegen
der periphere Abschnitt auf Grund der Wärmekontraktion der Wabenstruktur
von dem äußeren Zylinder
gezogen wird, wenn sich diese abkühlt.
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Des
weiteren erzeugt die Wärmebeanspruchung
in Axialrichtung der Wabenstruktur und des äußeren Zylinders auf Grund des
Verformungsunterschieds zwischen deren Wärmedehnung und der Wärmekontraktion
in Axialrichtung eine Scherspannung dazwischen. Wiederholte Druck-
und Zugscherspannungen wirken auf Verbindungsabschnitte der Wabenstruktur
und des äußeren Zylinders,
die leicht thermischen Ermüdungsversagen
hervorrufen.
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Um
ein solches Wärmeermüdungsversagen zu
vermeiden, sollten die Kontaktabschnitte nicht verbunden werden,
wobei beispielsweise die stromaufwärtsseitigen Kontaktabschnitte
der Wabenstruktur und des äußeren Zylinders
nicht durch Diffusion verbunden werden.
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Auf
diese Kontaktabschnitte wird ein Diffusionsbindungsinhibitor aufgebracht,
oder sie werden nach ihrer Oxidationsbehandlung aufgeheizt, so daß sie in
einem Wärmebehandlungsvorgang
frei von Diffusionsbindung bleiben.
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Mit
dem Diffusionsbindungsverfahren gemäß der vierten Ausführungsform
kann ein langlebiges Metallsubstrat geschaffen werden, indem die Kontaktabschnitte
nicht auf Grund von Bruch durch thermische Ermüdung beschädigt werden.
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Zwar
wurde die Erfindung insbesondere an Hand bevorzugter Ausführungsformen
derselben gezeigt und beschrieben, es versteht sich jedoch, daß verschiedene
Modifizierungen daran vorgenommen werden können.
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Die
Wabenstruktur 1 kann ausgebildet werden, indem das Wellblech 11 mit
langem Wellenabstand und das Wellblech 12 mit kurzem Wellenabstand
nur miteinander zu mehreren Lagen gestapelt werden, ohne sie zu
rollen.
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Zwar
besteht die Wabenstruktur 1 in den Ausführungsformen aus dem Wellblech 11 mit
langem Wellenabstand und dem Wellblech 12 mit kurzem Wellenabstand,
sie kann jedoch auch aus dem Wellblech 11 mit langem Wellenabstand
und einem ebenen Blech an Stelle des Wellblechs 12 mit
kurzem Wellenabstand ausgebildet werden.
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Zur
Ausbildung der Wabenstruktur 1 kann das Wellblech 11 mit
langem Wellenabstand an der Außenseite
derselben angeordnet werden, um eine Zylinderform zu bilden.
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Die
Anzahlen der Einlaßöffnungen 31, 31a bis 31c und
der Auslaßöffnungen 32, 32a bis 32c des Wärmebehandlungsofens
können
beliebig festgelegt werden; beispielsweise zwei Einlaßöffnungen
und eine Auslaßöffnung.
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Der äußere Zylinder 2 und
die Wabenstruktur 1 können
mit beliebiger Querschnittsform ausgebildet werden.
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Außerdem kann
der Wärmebehandlungsofen 3 eine
Mehrzahl von Einlaßöffnungen
aufweisen, die über
den äußeren Zylinder
hin und entlang demselben angeordnet sind, so daß die durch die Einlaßöffnungen
hindurch eingeführten
Inertgase G entlang dem äußeren Zylinder 2 und
einem peripheren Abschnitt der Wabenstruktur 1 in deren
Axialrichtung strömen
können.
Dadurch kann das Stickstoffgas N wirksam abgeblasen werden, indem
eine kleinere Menge des Inertgases G verwendet wird.
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Die
kontinuierliche Zuführung
des Inertgases gemäß der vorliegenden
Erfindung schließt
auch eine periodische Einführung
ein, wenn dabei das Gas im wesentlichen kontinuierlich eingeführt werden kann.