DE2445468A1 - Hochtemperaturbestaendiger, waermeisolierender, keramischer werkstoff - Google Patents

Hochtemperaturbestaendiger, waermeisolierender, keramischer werkstoff

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DE2445468A1 DE19742445468 DE2445468A DE2445468A1 DE 2445468 A1 DE2445468 A1 DE 2445468A1 DE 19742445468 DE19742445468 DE 19742445468 DE 2445468 A DE2445468 A DE 2445468A DE 2445468 A1 DE2445468 A1 DE 2445468A1
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Description

ολλ5468
VOLKSWAGEN WEEK *. τ τ ν -τ ~
Aktiengesellschaft
318 Iolfsburg
Unsere Zeichen: K I769
1702-pt-we-hr
S.
Hochtemperaturbeständiger, wärmeisolierender, keramischer Werkstoff
Die Erfindung "bezieht sich auf einen hochtemperaturbeständigen, wärmeisolierenden, keramischen Werkstoff, auf eine Verwendung eines derartigen keramischen Werkstoffes sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines mit heißen Gasen beaufschlagten Hohlkörpers, insbesondere eines Gehäuses eines Reaktors und/oder eines katalytischen Konverters für Abgasreinigungsanlagen von Brennkraftmaschinen aus einem derartigen keramischen Werkstoff.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen keramischen Werkstoff zu schaffen, der als Gehäusematerial für die von den heißen Abgasen einer Brennkraftmaschine beaufschlagten Eeaktoren und/oder katalytischen Konverter von Abgasreinigungsanlagen geeignet ist, der also sowohl hochtemperaturbeständig als auch wärmeisolierend ist und der die in solchen Geräten ablaufenden Reaktionen nach Möglichkeit unterstützt. Eine weitere !Forderung an einen derartigen Werkstoff bezieht sich auf eine verhältnismäßig hohe Festigkeit, um den bei einer derartigen Anwendung auftretenden hohen mechanischen Belastungen Stand zu halten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß der keramische Werkstoff aus einem Gemisch aus 30 bis 60 Volumenprozent Aluminiumoxyd -(A^O=)-Pulver und 70 bis 40 Volumenprozent Tonerde-Silikat-Fasern besteht, das bei Temperaturen von 1200 bis I5500 G gesintert ist.
Der erfindungsgemäße keramische Werkstoff weist eine relativ hohe Festigkeit und gute Isolierwirkung auf und zeichnet sich darüber hinaus durch eine extrem hohe Thermoschockbeständigkeit aus, die ihn besonders für eine Verwendung als Gehäusematerial für Reaktoren und/oder katalytische Konverter von Abgasreinigungsanlagen in Brennkraftmaschinen vorteilhaft erscheinen läßt.
Zweckmäßigerweise kann zur Steigerung der Isolierwirkung und der Festigkeit dem Gemisch aus Aluminiumoxyd-Pulver und Tonerde-Silikat-3?asern ein Anteil von 5 his 20 Gew.^ Zirkonsilikat (ZrSiO^) zugefügt werden.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß dem Gemisch katalytisch wirksame Zusätze zugefügt sind. Diese Zusätze können aus 1 bis 10 Gew.^ eines oder mehrerer Elemente der Gruppe Titan, Vanadium, Crom, Mangan, Eisen, Kobalt, nickel oder Kupfer, aus einem oder mehreren Oxiden dieser Elemente oder aus anderen Verbindungen dieser Elemente bestehen. Auch ist es möglich, einen Zusatz aus einem Element der seltenen Erden oder einem Edelmatall der Platingruppe vorzusehen. Der Vorteil dieser katalytisch wirksamen Zusätze in dem keramischen Werkstoff besteht darin, daß durch diese die in Reaktoren und katalytischen Konvertern stattfindenden Reaktionen begünstigt werden, wobei insbesondere ein frühes Anspringen dieser Reaktionen besonders zu begrüßen ist. Insbesondere die Gruppe der nicht edlen Katalysatoren, wie Nickel, ITickeloxyd, Kupfer, Kupferoxyd, Cromoxyd, Eisenoxyd, Mariganoxyd, Titanoxyd u. a. haben in Verbindung mit den oxydkeramischen Sinterwerkstoffen noch einen weiteren großen Vorzug. Sie können nämlich als Sinterhilfsmittel
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sowie zur Einstellung einiger wesentlicher Materialeigenschaften herangezogen werden.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht daher in der Verwendung des erfindungsgemäßen hochtemperaturbeständigen, wärmeisolierenden, keramischen Werkstoffes als Werkstoff für mit-heißen Gasen beaufschlagte Hohlkörper, insbesondere für die Gehäuse von Reaktoren und/oder katalytischen Konvertern in Abgasreinigungsanlagen von Brennkraftmaschinen.
Zur Herstellung eine3 solchen Hohlkörpers aus einem hochtemperaturbeständigen, wärmeisolierenden, keramischen Werkstoffes schlägt die Erfindung weiter vor, daß das gegebenenfalls mit einem Zusatz versehene Gemisch aus 30 bis 60 Volumenprozent Aluminiumoxyd (Al20·,)-Pulver und 70 his 40 Volumenprozent Tonerde-Silikat-Pasern mit dnem Leim oder Binder angerührt wird und in einer Form zu einem Rohkörper geformt wird, der danach in einem Ofen bei Temperaturen von 1200 bx3 I5500 C für ca. 10-5)Stunden zum fertigen Körper gesintert wird. Um das Anspringverhalten derartiger Reaktoren und katalytischen Konverter weiter zu erhöhen, kann zusätzlich zu den katalytisch wirksamen Zusätzen oder anstelle dieser Zusätze auf die Innenflächen des Hohlkörpers vor bzw.nach dem Sintern eine katalytisch wirksame Schicht aufgetragen werden. Diese Schicht kann dabei ebenfalls aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe Titan, Vanadium, Crom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel oder Kupfer, aus einem oder mehreren Oxiden dieser Elemente oder aus anderen Verbindungen dieser Elemente ebenso wie aus einem Element der seltenen Erden oder aus einem Edelmetall der Platingruppe bestehen. In allen Fällen wird durch diesen katalytisch wirksamen Auftrag bewirkt, daß das Anspringverhaiten eines erfindungsgemäß hergestellten Reaktors oder katalytischen Konverters sehr gut ist und daß die in diesen Hohlkörpern statt- ■ findende Reaktion optimal aufrechterhalten werden kann, so daß
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die in den Abgasen einer Brennkraftmaschine vorhandenen schädlichen Bestandteile "beseitigt, v/erden können.
Anhand der Zeichnungen -werden !Beispiele für die Verwendung des erfindungsgemäßen Werkstoffes als Gehäusematerial für Reaktoren und kcitalytische Konverter in Abgasreinigungsanlagen von Brennkraftmaschinen dargestellt und im folgenden näher erläutert. Dabei zeigen in schematischer Darstellungsweise
Figur 1 einen Längsschnitt durch einen in die Abgasleitung einer Brennkraftmaschine eingeschalteten Reaktor, dessen Kern aus dem erfindungsgemäßen keramischen Werkstoff besteht und
Figur 2 einen Längsschnitt durch einen einen katalytischen Konverter sowie einen thermischen Reaktor enthaltenden Hohlkörper aus dem erfindungsgemäßen keramischen Werkstoff.
der
In der Figur. 1 ist mit 1 ein Reaktor bezeichnet,/Tn die Abgasleitung einer Brennkraftmschine, insbesondere bei einem Kraftfahrzeug nahe dem Motor,eingeschaltet ist. Der Reaktor weist in diesem Fall beispielsweise einen rechteckförmigen Querschnitt auf tind hat einen aus dem erfindungsgemäSen keramischen Werkstoff bestehenden Kern 2. Dieser Kern 2 ist in einem äußeren, aus einem metallischen Werkstoff bestehenden Gehätise 5» das an seinen Stirnseiten durch zwei Deckel 4 abgeschlossen ist, mittels einer elastischen,.unter Druckspannung stehenden Isolierschicht 5, beispielsweise aus einem Tonerde-Silikat-Fasermaterial kraftschlüssig gehalten. An dem äußeren Gehäuse 3 sind Flansche 6 für den Einlaß sowie ein Flansch 7 f&r den Auslaß der Yerbrennungsgase angeordnet, deren Durchgangsbohrungen 8 bzw. 9 mi* entsprechenden Öffnungen 10 und 11 in dem Reaktorkern 2 korrespondieren. Um die Verweilzeit der Abgase in. dem Reaktorkern 2 zu ■
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vergrößern ist vor der Austrittsöffnung 11 ein Quersteg 12 vorgesehen, der die Abgase dazu zwingt, um den Steg 12 herum durch die seitlichen Öffnungen 15 des Reaktorraumes zu der? Auslaßöffnung 11 zu strömen.
Der in der Zeichnung gezeigte Reaktorkern ist dabei aus zwei Halbschalen gefertigt, die jede für sich in einer Styroporform aus einem mit einem Sinder angerührten Gemisch aus 50 Volumenprozent oC-Aluminiumoxyd-Pulver-(AIpO5.) und 50 Volumenprozent von in Form von Stopfmasse vorliegenden Tonerde-Silikat-Pasern geformt wurden. Nach der Trocknung dieser Rohform in einem Luftumwälzofen wurden insbesondere die inneren Oberflächen zur Glättung, aber auch zur Aktivierung, mit einem feinkörnigen wässerigen SdüLcker aus Al ρ Oj-Pulver mit 5 Gew. $ aus C^Oz und 2 Gew.^ einer aus Kobalt, Molybdän und Chrom bestehenden Mischung bestrichen., !fach dem Trocknen der Innenbeschichtung wurden die beiden Halbschalen mit einem Mörtel oder Binder zusammengeklebt und in einem Ofen bei 1350° C mit 10 Stunden Haltezext gesintert.
Der auf diese Weise gefertigte keramische Hohlkörper weist eine relativ gute Festigkeit und gute Wärmeisolierungseigenschaften sowie eine extrem hohe Thermoschockbeständigkeit auf. Die insbesondere auf der Innenseite des Hohlkörpers aufgebrachte Beschichtung wirkt unter anderem als Aktivator, der die thermische Umwandlungsreaktion der in den Abgasen enthaltenen schädlichen Bestandteile unterstützt und anregt.
In der Figur 2 ist ein aus dem erfindungsgemäßen keramischen Werkstoff bestehender Hohlkörper gezeigt, der neben einem Teil mit einem katalytischen Konverter einen Teil mit einem thermischen Reaktor zeigt. Me Außenwand 15 des Hohlkörpers I4 weist zwei Einlaßöffnungen 16 auf, durch die das von der Brennkraftmaschine kommende Abgas eintritt. Die Auslaßöffnung ist mit I7 bezeichnet.
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18 stellt eine das Gehäuse teilende Trennwand dar, die aji ihren. Endea in Querstege 19 übergeht, die z\-rischen sich und den Gehäusestirnflächen Reduktionszonen 20 einschließen. Diese Reduktionszonen 20 können durch einzelne, im Abstand voneinander angeordnete aus dem Gehäusematerial ausgeformte Lamellen bestehen, die mit einer katalytisch wirksamen Schicht, beispielsweise einem Unedelmetallkatalysator, wie ITickel, oder einem Edelmetallkatalyaator, wie Platin, beschichtet sind. Anstelle der Lamellen könnte hier auch ein gesondert gefertigter, monolithischer Trägerkörper eingebracht sein, der ebenfalls mit einer bekannten katalytisch wirksamen Schicht versehen ist.
Unmittelbar hinter den Reduktionszonen 20 weist der Hohlkörper 15 kleinere Eintrittsöffnungen 21 für eine Sakundärlufteinblasung auf. Mittels dieser Sekundärluft erfolgt in dem zwischen den Eeduktionszonen 20 und dem Gehäuse a/u si ritt I7 verbleibenden Seaktorraum 22 eine thermische Reaktion, in der die noch verbliebenen, bisher unverbrannten Bestandteile der Verbrennungsabgase oxidiert werden.
Der in der Figur 2 gezeigte Hohlkörper kann nun aus dem gleichen Werkstoff und nach dem gleichen Verfahren wie der in der Figur gezeigte Reaktorkern gefertigt worden sein. Nachfolgend wird jedoch ein weiteres !Beispiel für den erfindungsgeiaäßen Werkstoff angegeben. Dabei besteht die Grundmasse aus einem mit einem Binder oder Leim angerührten Gemisch aus 50 Volumenprozent Tonerde-Silikat-Fasermaterial, 40 Volumenprozent O^-Aluminiumoxyd (AI2O3)-Pulver, 8 Volumenprozent Manganoxyd und 2 Volumenprozent Siliziumoxyd (SiÖ2)· Der Hohlkörper ist an äen Innenflächen, insbesondere aber im Bereich der Reduktionszone 20 und im Bereich des thermischen Reaktionsraumös 22, mit einer katalytisch wirksamen Schicht versehen, die aus einem nach dem Brennen aufgetragenen Edelmetallkatalysator oder aber aus einem vor dem Brennen aufgetragenen Unedelmetallkatalysator bestehen kann. So kann hier vor dem Brennen ein Auftrag aus einem wässerigen
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Schlicker verwendet werden, der zusätzlich zu dem die Grundmasse des Hohlkörpers enthaltenden Materialien noch Zuschläge von jeweils 5 "bis 10 Gew.$ Manganoxyd, Kupferoxyd, Eisenoxyd, Chromoxyd und einer Mischung von Kohalt, Molybdän, Silizium und Chrom aufweist.
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Claims (7)

A Ή SPRÜCHE
1., Hoch-temperaturbeständiger, wärme isolierender, keramischer Werkstoff, gekennzeichnet durch ein bei Temperaturen von 1200 bis I5500 C gesintertes Gemisch aus 30 bis 60 Volumenprozent Aluminiumoxyd (Al2O3)-Pulver? und 70 bis 40 Volumenprozent Tonerde-Silikat-Fasern,
2. Keramischer Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gemisch ein Anteil von 5 bis 20 Gew./S Zirkonsilikat zugefügt ist.
3. Keramischer Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gemisch katalytisch wirksame Zusätze zuge fügt sind.
4. Keramischer Werkstoff nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß dem Gemisch ein Zusatz von 1 bis 10 Gew.jS eines oder mehrerer Elemte der Gruppe Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Hickel oder Kupfer, eines oder mehrerer Oxyde oder anderer Verbindungen dieser Elemente zugefügt ist.
5. Keramischer Werkstoff nach Anspruch 3/ dadurch gekennzeichnet, daß dem Gemisch ein Zusatz von bis zu 3Gew.5& eines Elements der seltenen Erden zugefügt ist.
6. Keramischer Werkstoff nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß dem Gemisch ein Zusatz von bis zu 3Gew.$£ eines Edelmetalls der Platingruppe zugefügt ist.
7. Vervrendung eines hoctitemperaturbeständigen, wärmeisolierenden keramischen Werkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als
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Werkstoff für von heißen Gasen beaufschlagte Hohlkörper, insbesondere für Gehäuse von Heaktoren und/oder katalytischen Konvertern in Abgasreinigungsanlagen von Brennkraftmaschinen.
Verfahren zur Herstellung eines mit heißen Gasen beaufschlagten Hohlkörpers, insbesondere eines Gehäuses eines Reaktors und/oder eines katalytischen Konverters für Abgas reinigungsanlagen von Brennkraftmaschinen, aus eineia hochtemperaturbeständigen, wärmeisolierenden, keramischen Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6; dadurch gekennzeichnet, daß das gegebenenfalls mit einem Zusatz versehene Gemisch aus Aluminiumoxyd (AlgOO-Pulver und Tonerde-Silikat-Pasern mit einem leim oder Binder angerührte wird und in einer Form zu einem Rohkörper geformt wird, der anschließend in einem Ofen bei Temperaturen von 1200 bis 1550° C für ca. 10-50 Stunden zum fertigen Körper gesintert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Innenflächen des Hohlkörpers eine katalytisch wirksame Schicht aufgetragen ist.
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