DE102016203017B3

DE102016203017B3 - Verfahren zur Herstellung eines Katalysators

Info

Publication number: DE102016203017B3
Application number: DE102016203017.5A
Authority: DE
Inventors: Peter Hirth; Thomas Härig
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Emitec Technologies De GmbH
Priority date: 2016-02-25
Filing date: 2016-02-25
Publication date: 2017-08-10
Anticipated expiration: 2036-02-26
Also published as: US20190009264A1; CN108602059A; EP3419756A1; WO2017144547A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Katalysators mit zumindest einem Heizelement, wobei das Heizelement aus einer elektrisch leitfähigen Metalllegierung gebildet ist, wobei der Katalysator im Herstellungsverfahren zumindest eine erste Wärmebehandlung erfährt, wobei der Katalysator zumindest teilweise definiert erwärmt wird und definiert abgekühlt wird, wobei die nachfolgenden Schritte durchgeführt werden: – Erwärmen zumindest eines Teilbereichs des Katalysators auf eine vorgebbare Temperatur von mindestens 550 Grad Celsius, – Halten der Temperatur auf einem konstanten Temperaturniveau für mindestens zwei Minuten, – Abkühlen des zumindest einen Teilbereichs des Katalysators mit einem Temperaturtransienten von mindestens 500 Kelvin pro Minute [K/min].

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysators mit zumindest einem Heizelement, wobei das Heizelement aus einer elektrisch leitfähigen Metalllegierung gebildet ist, wobei der Katalysator im Herstellungsverfahren zumindest eine erste Wärmebehandlung erfährt, wobei der Katalysator zumindest teilweise definiert erwärmt wird und definiert abgekühlt wird. Außerdem betrifft die Erfindung einen Katalysator, der ganz oder teilweise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Stand der Technik
Zur elektrischen Beheizung von Katalysatoren im Abgasstrang werden unter anderem elektrisch leitfähige Materialien verwendet, die mit einer Spannungsversorgung verbunden werden. Aufgrund des Ohmschen Widerstandes kann eine Erwärmung des elektrisch leitfähigen Materials erzeugt werden. Vorzugsweise werden metallische Legierungen als Heizleiter verwendet.
Da die zur Verfügung stehende elektrische Energie in einem Kraftfahrzeug limitiert ist und im Hinblick auf die steigenden Anforderungen hinsichtlich der Energieeffizienz von Kraftfahrzeugen, muss eine möglichst effiziente Erwärmung erzielt werden. Hierzu muss der Widerstandswert der verwendeten Heizlegierungen möglichst genau einstellbar sein, um mit der zur Verfügung stehenden Energie eine genau definierte und vorbestimmte Erwärmung erzielen zu können.
Die Erwärmung von stromdurchflossenen Leitern aufgrund des Ohmschen Widerstandes ist grundsätzlich weithin bekannt und in einer Vielzahl von Anwendungen realisiert.
Die DE 699 02 245 T2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysators mit einem Heizelement aus einer Titanaluminiumlegierung. Der Katalysator erfährt dabei während der Herstellung eine Wärmebehandlung, wobei der Katalysator auf eine Temperatur von 1000°C erwärmt wird und auf dieser Temperatur 2 Stunden gehalten wird.
Die DE 696 28 786 T2 offenbart darüber hinaus ein aluminiumhaltige Legierung auf Eisenbasis für elektrische Widerstandsheizelemente, welche nach dem Glühen bei einer Temperatur von 700°C bis 1100°C in Öl abgeschreckt werden.
Weiterhin offenbart das Fachbuch „Technologie der Wärmebehandlung von Stahl”, 2. Stark überarbeitete Auflage des Autors hans-Joachim Eckstein, erschienen im VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie in 1987 einen Temperaturtransieten für die Abschreckung von Metallen in Öl von 200 K/s, was einem Wert von 12000 K/min entspricht.
Nachteilig an den bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass der Widerstandswert der verwendeten Materialien nicht mit ausreichend hoher Genauigkeit einstellbar ist. Dies gilt insbesondere für Metalllegierungen, die für den Bau von Katalysatoren verwendet werden, da diese im Produktionsprozess zumindest einmal einer Wärmebehandlung unterzogen werden, wodurch sich das Metallgefüge verändern kann und sich somit auch der Widerstandswert der Legierung verändern kann. Diese Veränderung des Metallgefüges ist abhängig von den gewählten Randbedingungen, wie beispielsweise dem Temperaturverlauf über der Zeit bei der jeweiligen Wärmebehandlung.
Aufgrund der weiten Streuung der Widerstandswerte, die bei Wärmebehandlungen auftreten können, ist eine genaue Vorhersage des sich einstellenden Widerstandswertes der Legierung nur sehr bedingt möglich.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, welches es erlaubt, eine Metalllegierung zumindest einer notwendigen Wärmebehandlung zu unterziehen, wobei weiterhin eine sehr genaue Vorhersage der Veränderung des Widerstandswertes der Metalllegierung möglich sein soll. Außerdem ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Katalysator zu schaffen, der eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelte Metalllegierung aufweist.
Die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysators mit zumindest einem Heizelement, wobei das Heizelement aus einer elektrisch leitfähigen Metalllegierung gebildet ist, wobei der Katalysator im Herstellungsverfahren zumindest eine erste Wärmebehandlung erfährt, wobei der Katalysator zumindest teilweise definiert erwärmt wird und definiert abgekühlt wird, wobei die nachfolgenden Schritte durchgeführt werden:

– Erwärmen zumindest eines Teilbereichs des Katalysators auf eine vorgebbare Temperatur von mindestens 550 Grad Celsius,
– Halten der Temperatur auf einem konstanten Temperaturniveau für mindestens zwei Minuten,
– Abkühlen des zumindest einen Teilbereichs des Katalysators mit einem Temperaturtransienten von mindestens 500 Kelvin pro Minute [K/min], wobei

Das Verfahren ist besonders vorteilhaft, da durch die starke Erwärmung im Zusammenhang mit einer Haltezeit auf dem hohen Temperaturniveau und der Abkühlung mit einem hohen Temperaturtransienten eine vorteilhafte Veränderung des Metallgefüges erreicht werden kann. Insbesondere kann eine Rückbildung von nachteiligen Metallgefügen erreicht werden.
Mit einem Temperaturtransienten ist eine zeitliche Veränderung der Temperatur (dT/dt) gemeint. Die Veränderlichkeit der Temperatur ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispielen jeweils als Veränderung in Kelvin pro Minute [K/min] angegeben und bezieht sich mehrheitlich auf eine definierte Abkühlung von einem vorgegebenen Temperaturniveau.
Das Verfahren ist besonders vorteilhaft darauf ausgerichtet, Metallgefüge, welche eine starke Beeinflussung des ursprünglichen Widerstandswertes der gewählten Metalllegierung hervorrufen, aufzulösen beziehungsweise zurückzubilden, um so die Veränderung des Widerstandswerts zu minimieren beziehungsweise in vorhersehbaren Grenzen zu halten.
Eine der ersten Wärmebehandlung vorausgehende zweite Wärmebehandlung kann beispielsweise durch einen Beschichtungsvorgang bedingt sein, oder durch einen Fügeprozess. In dieser zweiten Wärmebehandlung kann eine nachteilige Umwandlung des Metallgefüges entstehen, die zu einer negativen Beeinflussung des Widerstandswertes der Metalllegierung führen kann.
Die sogenannte Alpha-Strich-Phase ist im Rahmen des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms in der Literatur bekannt. Sie ist durch die Ausbildung eines speziellen Metallgefüges charakterisiert. Die Alpha-Strich-Phase führt zu einer Versprödung der ferritischen Phase der Metalllegierung. Die Alpha-Strich-Phase entsteht bevorzugt unterhalb von etwa 500 Grad Celsius. Durch eine erneute Wärmebehandlung kann diese Alpha-Strich-Phase wieder aufgelöst beziehungsweise rückgebildet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Erwärmung auf mindestens 700 Grad Celsius durchgeführt wird. Eine Erwärmung auf mindestens 700 Grad Celsius ist vorteilhaft, da auf diesem Temperaturniveau oder darüber die Umwandlung des Metallgefüges besonders einfach und umfassend stattfinden kann. Das Temperaturniveau ist insbesondere vorteilhaft, da es oberhalb der Arbeitstemperatur von anderen Wärmebehandlungen liegt, die regelmäßig bei der Herstellung von Katalysatoren angewendet werden. Beispielsweise dem Kalzinieren im Rahmen einer Oberflächenbeschichtung.
Es kann in einer vorteilhaften Gestaltung der gesamte Katalysator der Wärmebehandlung unterzogen werden. Es kann alternativ auch nur eine Behandlung eines Teilbereichs eines Katalysators stattfinden. Insbesondere können die im Katalysator angeordneten Metallfolien oder andere im Katalysator angeordnete Strukturen losgelöst von den übrigen Bauteilen des Katalysators wärmebehandelt werden. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, um eine Zerstörung von Fügestellen, beispielsweise von Lötstellen, durch die Wärmebehandlung zu vermeiden.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Haltezeit auf dem Temperaturniveau, auf welches der Katalysator erwärmt wurde, mindestens vier Stunden beträgt. Eine lange Haltezeit von ungefähr vier Stunden oder mehr ist besonders vorteilhaft, um eine möglichst weitreichende und vollständige Umwandlung des Metallgefüges zu erreichen. Je größer der Anteil des Metallgefüges ist, der umgewandelt beziehungsweise rückgebildet werden kann, desto genauer kann der sich letztlich in der Metalllegierung einstellende Widerstandswert vorhergesagt werden. Dies liegt darin begründet, dass hier insbesondere das Metallgefüge umgewandelt beziehungsweise rückgebildet wird, das zu einer negativen Veränderung des Widerstandswertes führt.
Eine genaue Kenntnis des sich am Ende der Herstellung einstellenden Widerstandswertes ist notwendig, um zuverlässig die geforderte Erwärmung mit dem zur Verfügung stehenden Strom zu erreichen. Aufgrund der zunehmend energieeffizienten Auslegung von Kraftfahrzeugen, werden den einzelnen elektrischen Verbrauchern sehr genau definierte und eng begrenzte Ströme zur Verfügung gestellt, mit denen die vom Hersteller vorgegebene Erwärmung in einer vorgegebenen Zeit realisiert werden muss.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturtransient bei der Abkühlung mindestens 2400 Kelvin pro Minute [K/min] beträgt. Durch die starke und schnelle Abkühlung mit einem besonders hohen Temperaturtransienten wird erreicht, dass das durch die Erwärmung und das Halten auf dem erhöhten Temperaturniveau rückgebildete Gefüge nicht erneut entsteht. Bei einem zu langsamen Durchlaufen der unteren Temperaturbereiche, insbesondere den Temperaturbereichen direkt unterhalb der Höchsttemperatur (bis ca. 450 Grad Celsius), kann eine erneute Ausbildung des nachteiligen Metallgefüges auftreten.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die zweite Wärmebehandlung durch einen Fügeprozess oder einen Beschichtungsprozess gebildet ist. Sofern es sich um einen Fügeprozess, wie beispielsweise das Löten, handelt, ist bei der erneuten Wärmebehandlung darauf zu achten, dass keine Zerstörung der Fügestellen aufgrund des hohen oberen Temperaturniveaus entsteht oder aufgrund der schnellen Abkühlung nach dem Halten des oberen Temperaturniveaus.
Auch ist es zweckmäßig, wenn der zweiten Wärmebehandlung vorgelagert eine Beschichtung der inneren und/oder äußeren Oberflächen des Katalysators mit einer oberflächenvergrößernden Beschichtung stattfindet. Dies ist vorteilhaft, um die Umwandlung des Abgases innerhalb des Katalysators zu begünstigen, indem die reaktive Oberfläche vergrößert wird.
Die Aufgabe hinsichtlich des Katalysators wird durch einen Katalysator mit den Merkmalen von Anspruch 9 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Katalysator mit zumindest einem elektrisch beheizbaren Element, wobei das elektrisch beheizbare Element durch eine elektrisch leitfähige Metalllegierung gebildet ist und unter Ausnutzung des Ohmschen Widerstandes beheizbar ist, wobei der Katalysator zumindest teilweise nach einem Verfahren aus einem der vorhergehenden Ansprüche herstellbar ist.
Ein solcher Katalysator ist vorteilhaft, da insbesondere das Heizelement zur Beheizung des Katalysators einen aufgrund der ursprünglichen Materialeigenschaften der gewählten Metalllegierung vorhersagbaren Widerstandswert aufweist. Dieser ist vorteilhafterweise im Vergleich zur ursprünglichen Metalllegierung unverändert oder nur in sehr geringem Maße verändert. Das Heizelement kann bevorzugt auch losgelöst von dem Gehäuse des Katalysators oder den übrigen Elementen, wie beispielsweise den Wabenkörpern, entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens behandelt werden, um das Heizelement ohne Rücksichtnahme auf die übrigen Elemente des Katalysators einer Wärmebehandlung unterziehen zu können.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Diagramm, welches die Veränderung des Widerstandswertes für eine Metalllegierung (Werkstoff 1.4767) zeigt, wobei einer Erwärmung auf ca. 600 Grad Celsius und einer Haltezeit von ca. vier Stunden eine Abkühlung mit einem Temperaturtransienten von –1 K/min nachgeschaltet ist,
2 ein Diagramm für die Veränderung des Widerstandswertes für eine Metalllegierung (Werkstoff 1.4767), wobei eine Erwärmung auf 700 Grad Celsius stattgefunden hat und nach einer vierstündigen Haltezeit eine Abkühlung mit einem Temperaturtransienten von 2400 K/min durchgeführt wurde, und
3 ein Blockdiagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt ein Diagramm, welches entlang der X-Achse die Temperatur 1, insbesondere die Haltetemperatur, der Metalllegierung darstellt. Im Fall der 1 ist die Metalllegierung während der im Verfahren vorgesehenen Haltezeit auf ca. 600 Grad Celsius erwärmt. Zur Abkühlung wird die Metalllegierung, welche im dargestellten Fall aus dem Werkstoff 1.4767 gebildet ist, mit einem Temperaturtransienten von einem Kelvin pro Minute [K/min] abgekühlt. Dies kann vorzugsweise durch einfaches Abkühlen an der Luft bei Raumtemperatur geschehen.
Mit der Kurve 3 ist die jeweilige prozentuale Veränderung des Widerstandsbeiwerts der Metalllegierung bei unterschiedlichen Ausgangstemperaturen dargestellt, sofern von diesem Ausgangsniveau eine Abkühlung mit ungefähr einem Kelvin pro Minute erfolgt. Die Veränderung des Widerstandsbeiwerts ist als prozentuale Veränderung vom Ausgangszustand auf der Y-Achse 4 abgetragen.
Entlang der Pfeile 2 ist abzulesen, dass bei einer Ausgangstemperatur von 600 Grad Celsius und der oben beschriebenen Abkühlung eine Abnahme des Widerstandswerts von ca. 5,5% entsteht.
Dieser Zusammenhang bezieht sich insbesondere auf den beispielhaft gewählten Werkstoff 1.4767 der eine Aluminium-Chrom-Legierung ist. Für ähnliche Werkstoffe ergeben sich abweichen jedoch qualitativ ähnliche Zusammenhänge, weswegen das gewählte Beispiel als repräsentativ anzusehen ist.
Abhängig von anderen Randbedingungen, wie beispielsweise der zu erwartenden Belastung im späteren Betrieb oder den korrosiven Eigenschaften des durch den Katalysator strömenden Fluids, kann es notwendig sein, eine Festlegung auf eine bestimmte Metalllegierung zu treffen. Wird dann aufgrund der negativen Veränderung des Widerstandswerts bei der Wärmebehandlung ein zu geringer Endwiderstand erreicht, kann die notwendige Heizleistung mit dem zur Verfügung stehenden Strom nicht erreicht werden.
Die 2 zeigt ein Diagramm ähnlich der 1. Es ist wieder entlang der X-Achse 5 die Haltetemperatur der Metalllegierung abgetragen. In der 2 beträgt die Haltetemperatur im gewählten Beispielfall ca. 700 Grad Celsius, wobei eine Abkühlung mit einem Transienten von ca. 2400 Kelvin pro Minute durchgeführt wird. Das Diagramm der 2 entspricht der Widerstandsveränderung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, während das Diagramm der 1 beispielsweise die Widerstandsveränderung bei einer Wärmebehandlung in einem vorgelagerten Verfahrensschritt wiederspiegelt.
Auf der Y-Achse 8 ist die prozentuale Veränderung des Widerstandswerts abgetragen. Entlang der Kurve 7 sind die prozentualen Veränderungen des Widerstandswerts bei der oben beschriebenen Abkühlung von 2400 Kelvin pro Minute für die jeweiligen Ausgangstemperaturen auf der X-Achse abzulesen.
Bei einer Ausgangstemperatur von 700 Grad Celsius ergibt sich somit, entsprechend der Pfeile 6, eine prozentuale Veränderung des Widerstandswerts von ca. 1%.
Da die Veränderung des Widerstandswerts reversibel ist, kann beispielsweise eine starke Verringerung des Widerstandswertes, wie in 1 gezeigt, durch ein Verfahren, wie es erfindungsgemäß vorgeschlagen ist und in 2 angewendet wurde, wieder ausgeglichen beziehungsweise rückgängig gemacht werden. Dies ist vorteilhaft, da somit die notwendigen Verfahrensschritte zur Erzielung anderer Materialeigenschaften unverändert durchgeführt werden können, und eine eventuell auftretende negative Beeinflussung des Widerstandswertes rückwirkend korrigiert werden kann.
3 zeigt in einem Blockdiagramm das erfindungsgemäße Verfahren. In Block 9 wird die Metalllegierung auf eine Zieltemperatur erwärmt. In Block 10 wird diese Zieltemperatur für eine vorbestimmte Zeit gehalten. In Block 11 wird die Metalllegierung schließlich mit einem vordefinierten Temperaturtransienten abgekühlt.
Die Diagramme in den 1 und 2 beziehen sich beispielhaft auf einen bestimmten Werkstoff (1.4767) und weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf. Auch artverwandte Metalllegierungen können ebenso für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden. Auch die Auswahl des Temperaturtransienten und der Haltetemperatur ist beispielhaft und kann in den erfindungsgemäßen Grenzen variiert werden.
Die gezeigten Figuren dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens und haben keinen beschränkenden Charakter.
Bezugszeichenliste

1: X-Achse (Haltetemperatur)
2: Pfeile
3: Kurve
4: Y-Achse (prozentuale Veränderung des Widerstandswerts)
5: X-Achse (Haltetemperatur)
6: Pfeile
7: Kurve
8: Y-Achse (prozentuale Veränderung des Widerstandswerts)
10: Block
11: Block
12: Block

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Katalysators mit zumindest einem Heizelement, wobei das Heizelement aus einer elektrisch leitfähigen Metalllegierung gebildet ist, wobei der Katalysator im Herstellungsverfahren zumindest eine erste Wärmebehandlung erfährt, wobei der Katalysator zumindest teilweise definiert erwärmt wird und definiert abgekühlt wird, wobei die nachfolgenden Schritte durchgeführt werden: – Erwärmen zumindest eines Teilbereichs des Katalysators auf eine vorgebbare Temperatur von mindestens 550 Grad Celsius, – Halten der Temperatur auf einem konstanten Temperaturniveau für mindestens zwei Minuten, – Abkühlen des zumindest einen Teilbereichs des Katalysators mit einem Temperaturtransienten von mindestens 500 Kelvin pro Minute [K/min], wobei die zumindest erste Wärmebehandlung zumindest einer zweiten Wärmebehandlung nachgeschaltet ist, wobei durch die erste Wärmebehandlung eine Veränderung des Metallgefüges der Metalllegierung, welche aus der vorgeschalteten zweiten Wärmebehandlung resultiert, zumindest teilweise rückgängig gemacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung durch die vorgeschaltete zweite Wärmebehandlung in die sogenannte Alpha-Strich-Phase überführt wird, wobei durch die nachgeschaltete erste Wärmebehandlung eine Auflösung der Alpha-Strich-Phase in der Metalllegierung erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erwärmung auf mindestens 700 Grad Celsius durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltezeit auf dem Temperaturniveau, auf welches der Katalysator erwärmt wurde, mindestens vier Stunden beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturtransient bei der Abkühlung mindestens 2400 Kelvin pro Minute [K/min] beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmebehandlung durch einen Fügeprozess oder einen Beschichtungsprozess gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiten Wärmebehandlung vorgelagert eine Beschichtung der inneren und/oder äußeren Oberflächen des Katalysator mit einer oberflächenvergrößernden Beschichtung stattfindet.
Katalysator mit zumindest einem elektrisch beheizbaren Element, wobei das elektrisch beheizbare Element durch eine elektrisch leitfähige Metalllegierung gebildet ist und unter Ausnutzung des ohmschen Widerstandes beheizbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator zumindest teilweise nach einem Verfahren aus einem der vorhergehenden Ansprüche herstellbar ist.