DE3603882A1

DE3603882A1 - Verfahren zur herstellung eines metall-traegerkoerpers fuer einen konverter zur abgasreinigung und nach diesem verfahren hergestellter metall-traegerkoerper

Info

Publication number: DE3603882A1
Application number: DE19863603882
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. 3170 Gifhorn Jürgens; Subhas Dr.-Ing. 3302 Cremlingen Pakrasi
Original assignee: Volkswagen Ag 3180 Wolfsburg; Volkswagen AG
Current assignee: Pakrasi Subhas Dr-Ing 38162 Cremlingen De
Priority date: 1985-02-14
Filing date: 1986-02-07
Publication date: 1986-08-14
Also published as: DE3603882C2

Description

Verfahren zur Herstellung eines Metall-Träger-
körpers für einen Konverter zur Abgasreinigung und nach diesem Verfahren hergestellter Metall-Trägerkörper Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Metallträgerkörpers für einen Konverter zur Abgasreinigung, insbesondere bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, sowie auf einen nach diesem Verfahren hergestellten Metall-Trägerkörper.
Beispielsweise aus der DE-OS 29 24 592 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Trägerkörpers für einen katalytischen Konverter zur Abgasreinigung bekannt, bei dem alle einzelnen, den Metall-Trägerkörper bildenden Lagen der Stahlbleche untereinander verlötet werden. Bei diesem Verfahren wird jedoch in der Weise vorgegangen, daß die die einzelnen Lagen bildenden Stahlbleche nach einer Entfettung und/oder Beizung mit einem flächenweisen Lotauftrag an den Stellen versehen werden, wo anschließend die Lötung stattfinden soll. Dieser Lotauftrag erfolgt dabei entweder in Streifen in Richtung der Wellen der gewellten Stahlbleche bzw. senkrecht dazu oder aber auf der gesamten Oberfläche, woraufhin die mit diesem Lotauftrag versehenen Stahlblechlagen zur Bildung des Trägerkörpers übereinandergeschichtet und anschließend in einem Lötofen bei Temperaturen bis zu 12000 C verlötet werden.
Nachteilig an dieser Verfahrensweise ist, daß für die Verlötung dieses Trägerkörpers relativ viel Lot benötigt wird, da nahezu sämtliche miteinander in Berührung kommenden Stellen der Stahlblechlagen mit Lot versehen werden müssen.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich dadurch, daß infolge des Lot-Binder-Auftrages zwischen den einzelnen Stahlblechlagen des Trägerkörpers endlich große Abstände verbleiben, die nach dem Verdunsten bzw. Verbrennen des Binders während des Lötvorgangs von dem zunächst dünnflüssigen Lot überbrückt werden müssen. Dabei kann aber nicht gewährleistet werden, daß eine einwandfreie Lötverbindung an allen Berührstellen der Blechlagen zustande kommt.
Zudem können sich durch die die Spalte überbrückenden Lotstellen hohe Spannungen in den Blechlagen ergeben, die zu einer Verformung und gegebenenfalls sogar zu einer Zerstörung der sehr dünnwandigen Bleche führen können.
Ein zusätzliches Problem bei dem bekannten Lötverfahren ergibt sich auch durch die vor dem Lötauftrag vorzunehmende Beizung der Bleche. Die dazu verwendeten Beizmittel sind außerordentlich aggressiv und können, wenn sie nach der Lötung nicht vollständig beseitigt werden, was schwierig und aufwendig ist, eine fortschreitende Schädigung des Blechlagenmaterials bewirken Andererseits ist bei zu sparsamem Umgang mit dem Beizmittel nicht gewährleistet, daß an allen gewünschten Stellen eine einwandfreie, metallische Lötverbindung erzielt wird.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Trägerkörpers und einen nach diesem Verfahren hergestellten Metall-Trägerkörper vorzuschlagen, bei dem unter Vermeidung der oben angeführten Nachteile nur so viel Lot verwendet werden soll, wie zur sicheren Verbindung der einzelnen Lagen der Stahlbleche untereinander bzw. der Stahlbleche und des Gehäuses erforderlich ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben. Die Ansprüche 8 und 9 betreffen einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Metall-Trägerkörper.
Erfindungsgemäß wird der Trägerkörper in der Weise hergestellt, daß zunächst die einzelnen Blechlagen maßgerecht übereinandergeschichtet werden, der so geformte Trägerkörper gegebenenfalls in ein rohrförmiges Gehäuse eingebracht wird, anschließend der Lotauftrag durch Besprühen wenigstens einer Stirnseite des Trägerkörpers erfolgt, wobei nur ein Bereich von wenigstens 1 und höchstens 10 mm Tiefe, gerechnet von der Stirnfläche aus, mit dem Lotauftrag versehen wird, und schließlich eine Hochtemperatur-Vakuumlötung vorgenommen wird.
Das Ergebnis dieses Verfahrens, das insbesondere hinsichtlich des L-,auftrags einfach und lotsparend ist, ist ein mechanisch ausreichend fester Trägerkörper, dessen Blechlagen untereinander und gegenüber dem umgebenden Gehäuse eine hochbeanspruchbare rein metallische Verbindung im Bereich der Stirnseiten bilden. Die Werkstoffeigenschaften der einzelnen, vorzugsweise spiralförmig zu einem zylindrischen Körper aufgewickelten Blechlagen, erfahren wegen des nur in geringen Mengen aufgetragenen Lotes kaum eine Beeinträchtigung.
Darüberhinaus wird das Entstehen von Spannungen in dem Trägerkörper durch Vermeidung größerer Abstände zwischen den Blechlagen beim Aufeinanderschichten weitgehend ausgeschlossen. Die Lötung unter Vakuum macht schließlich die Verwendung aggressiver Beizmittel entbehrlich.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im folgenden näher erläutert wird. Die Zeichnung zeigt in Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Konverter zur Abgasreinigung bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, Figur 2 einen Teil eines Querschnitts durch den Trägerkörper nach Figur 1 und Figur 3 eine schematische Darstellung des Lotauftragsverfahrens gemäß der Erfindung.
In der Figur 1 der Zeichnung ist mit 1 ein in einer Abgasleitung 2 einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs gehaltener Konverter zur Abgasreinigung bezeichnet, der die in den Abgasen enthaltenen Schadstoffe durch katalytische Nachreaktion beseitigen soll. Dieser Konverter besteht bei dem in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem in einem rohrförmigen Gehäuse 3 gehaltenen wabenförmigen Trägerkörper 4, der an seiner Oberfläche eine katalytisch wirksame Schicht, beispielsweise aus Edelmetallen, aufweist. Der Trägerkörper 4 besteht aus abwechselnd übereinandergeschichteten Lagen von glatten und gewellten hitzebeständigen, folienartigen Stahlblechen, die im Bereich wenigstens einer Stirnfläche des Trägerkörpers durch eine Hochtemperatur-Vakuumlötung untereinander metallisch verbunden sind.
Der Trägerkörper 4 ist hier, wie etwas deutlicher aus der Figur 2 hervorgeht, in bekannter Weise durch spiralförmiges Aufwickeln zweier Stahlblechbänder 9 und 10 entstanden, von denen das eine Blechband 9 glatt ist und das andere Blechband 10 parallel zur Aufwickelachse verlaufende Wellen aufweist. Der so zu einem zylindrischen Körper aufgewickelte Metallblech-Trägerkörper 4, der an seinem Außenmantel wenigstens eine glatte Blechlage 9 aufweist, wird in ein rohrförmiges Gehäuse 3 eingesetzt und im Gegensatz zu den bekannten Herstellungsverfahren erst dann mit dem Lotauftrag versehen und anschließend verlötet, wobei eine metallische Verbindung im Bereich der Stirnflächen nicht nur zwischen den einzelnen'sich berührenden Blechbandlagen, sondern auch zwischen dem Trägerkörper 4 und dem umgebenden Gehäuse 3 erfolgt.
Damit nun aber nicht unnötig viel Lot aufgebracht wird, wird das mit einem Kleber auf Kunststoffbasis zu einem sprühbaren Gemisch entsprechender Viskosität verrührte pulverförmige Lot nur an den Stirnseiten 5 und gegebenenfalls 6 des Trägerkörpers 4 unter einem spitzen Winkel zur Stirnfläche, der zwischen etwa 5 und 45° liegen sollte, aufgetragen.
Die Figur 3 zeigt schematisch und beispielhaft ein mögliches Lötauftragsverfahren. Dabei wird der Konverter 1 auf einer hier nicht näher gezeigten drehbaren Haltevorrichtung befestigt und von einer mit 12 bezeichneten, seitlich von der Haltevorrichtung angeordneten Sprüheinrichtung stirnseitig besprüht. Die Sprüheinrichtung 12 arbeitet beispielsweise mit Preßluft, saugt ein in einem Behälter 13 enthaltenes Gemisch 11 aus einem geeigneten Lotpulver und einem Kunststoffkleber über eine Steigleitung 16 an und gibt dieses Gemisch aus einer Sprühdüse 14 auf die Stirnfläche 5 des Konverters 1 ab. Um sicherzustellen, daß sich das spezifisch schwerere Lotpulver nicht am Boden des Behälters 13 absetzt, sondern gleichmäßig verteilt in dem Gemisch 11 vorhanden ist, wird eine Rührvorrichtung 17 vorgesehen, die während des Betriebs der Sprühvorrichtung 12 ebenfalls in Betrieb ist. Diese Rührvorrichtung 17 besteht hier z.B. aus einem in den Behälter 13 eingebrachten flügelartigen Blechteil 18, das von einem in dem Haltetisch 19 für den Behälter 13 angebrachten Rührwerk mit einem umlaufenden Magnetfeld angetrieben in Drehbewegung versetzt werden kann. Die Anordnung soll nun so getroffen sein, daß der Sprühstrahl 15 die Stirnfläche 5 des Konverters 1 an allen Stellen unter einem spitzen Winkel von 5 - 450 trifft. Zweckmäßig ist es dabei, wenn sich während des Aufsprühvorganges entweder die Sprühdüse selbst über die Sprühfläche bewegt oder aber wie dies hier angedeutet ist, der Trägerkörper 1 unter dem den Bereich zwischen dem Zentrum und dem Rand der Trägerkörperstirnfläche 5 erfassenden Sprühstrahl 15 hinwegdreht, so daß alle Stellen der Oberfläche gleichmäßig mit Lot versehen werden.
Der von der Erfindung vorgeschlagene Sprühwinkel sichert dabei eine gleichmäßige Lotbenetzung der Trägerkörperstirnfläche bis in eine Tiefe von mindestens 1 und höchstens 10 mm, was, wie Versuche nachgewiesen haben, für eine ausreichend hohe Festigkeit des Trägerkörpers gegen axiale Belastungen 2 sorgt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn pro cm Stirnfläche des Trägerkörpers etwa 0,01 - 0,05 g, vorzugsweise 0,015 - 0,03 g, Lot aufgetragen werden Nach dem Lotauftrag an wenigstens einer Stirnfläche des Konverters 1, gegebenenfalls aber auch an beiden Stirnflächen 5 und 6 sowie an der durch das Ende des Gehäuses 3 gegebenen Stufenfläche 7, wird der Konverter in einen Vakuumofen eingebracht, in dem eine Hochtemperaturlötung bei Temperaturen bis zu 12000 C und unter Vakuum mit einem Druck von z.B. < 10 3 mbar erfolgt Das in dem Lötofen vorhandene Vakuum reduziert dabei die unvermeidliche Oxidhaut der miteinander zu verlötenden Bleche aus hochlegierten Stahlwerk-.
stoffen und aktiviert das Metall, so daß bei Vorhandensein eines geeigneten Lotes und entsprechender Löttemperaturen eine hochfeste metallische Verbindung erzielt werden kann. Um eine einwandfreie und den Trägerwerkstoff möglichst nicht schädigende Lötung zu erzielen, müssen sowohl für die zu verlötenden Materialien als auch für die Lotlegierung selbst etwa "gleichgesinne Werkstoffe verwendet werden.
Bei dem hier beschriebenen Anwendungsfall der Lötung eines Konverters zur Abgasreinigung, bei dem der Konverter Abgastemperaturen bis in eine Größenordnung von etwa 10000 C ausgesetzt ist, müssen sowohl für die Bleche des Trägerkörpers, als auch für das rohrförmige Gehäuse 3 hitzebeständige Stahlqualitäten verwendet werden. Für die Trägerbleche haben sich ferritische Stähle mit einem relativ hohen Chromgehalt von etwa 15 - 20 % und einem Aluminiumgehalt von etwa 5 °,0 sowie weiteren Zusätzen wie Zirkonium oder Cer, die eine festhaftende Oxidschicht bilden sollen, als zweckmäßig und vorteilhaft erwiesen. Für das umgebende Gehäuse können je nach thVervmisckhevrL Beanspruchung Werkstoffe mit etwa gleichhohem oder gegebenenfalls auch weniger hohem Chromgehalt herangezogen werden. So kann beispielsweise für das Gehäuse ein Stahl der Qualität X 5 Cr Ti 12 bei weniger hohen thermischen Beanspruchungen oder X 10 Cr Al 18 bei höheren thermischen Belastungen in Verbindung mit Trägerblechen der Qualität X 5 Cr Al Co Zr 205 (Aluchrom-S) oder X 2 Cr Al Ce 205 (Alsichrom) verwendet werden. Für diese Werkstoffkombinationen hat sich ein unter der Bezeichnung Nicrobraz 30 bekanntes Nickelbasislot mit etwa 20 % Chrom und 10 % Silizium der Firma Wall Colmonoy Corp. als sehr geeignet erwiesen.
Um eine geeignete Oberflächenbeschaffenheit des so gelöteten Trägerkörpers zur Aufbringung der die Edelmetall-Katalysatorschicht aufnehmenden sogenannten Washcoat-Beschichtung zu schaffen, soll nach der Lötung des Trägerkörpers die Abkühlung im Ofen in einer ganz bestimmten Weise erfolgen. Dazu werden die Trägerkörper zunächst im Ofen unter Vakuum bis unter die Solidus-Temperatur des Lots, die bei 10800 C liegt, abgekühlt. Nach Erreichen einer Temperatur von etwa 10400 C wird dann eine beschleunigte Kühlung durch Stickstoffzufuhr eingeleitet, die für eine gezielte Oberflächenbeschaffenheit auf den Trägerblechen sorgt, so daß die anschließend in bekannter Weise durchgeführte Washcoat-Beschichtung eine geeignete Grundlage findet. Die Stickstoffzufuhr in den Ofen besorgt darüberhinaus eine Beschleunigung des Abkühlvorganges, so daß der gesamte Lötzyklus für das Teil etwa nur noch zwei Stunden dauert.
Der auf die erfindungsgemäße Weise hergestellte Trägerköper zeigt trotz Verwendung nur sehr geringer Lotmengen und einer Lötung praktisch nur an den Stirnflächen eine sehr gute Festigkeit, die ein kegelförmiges Auswandern des Kerns der spiralförmig aufgewickelten Blechlagen durch die während des Betriebs des Kraftfahrzeugs auftretenden axialen Kräfte, etwa auch aus dem Gasstrom, mit Sicherheit ausschließt. Auch ergibt sich eine feste Halterung des Trägerkörpers 4 in dem umgebenden rohrförmigen Gehäuse 3, das seinerseits, wie in der Figur 1 angedeutet ist, in der äußeren Abgasrohrleitung 2 auf mechanische Weise gehalten werden kann, indem z.B. die Rohrleitung 2 im Bereich des Gehäuses 3 mit Eindellungen 8 versehen wird, die den Konverter 1 in der Rohrleitung 2 durch Verklemmen festlegen. Die Befestigung des Konverters 1 in der Rohrleitung 2 könnte aber auch durch einen Schweißvorgang erfolgen, bei dem das Gehäuse 3 in der Abgasrohrleitung 2 angeheftet wird.
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß selbstverständlich der Trägerkörper anstatt durch spiralförmiges Aufwickeln nur zweier Blechlagen auch durch Übereinanderschichten einer Vielzahl einzelner, diskreter Stahlblechlagen hergestellt werden kann und daß die Querschnittsform des Trägerkörpers selbstverständlich auch von der Kreisform abweichen kann. Weiter kann der Trägerkörper in ein Gehäuse eingesetzt und verlötet werden, das seinerseits mittels Flanschen oder dgl. direkt in die Abgasleitung eingeschaltet werden kann.
Schließlich soll darauf hingewiesen werden, daß der Lotauftrag auch mittels Pinsel oder dgl. erfolgen kann. Wesentlich ist dabei lediglich, daß nur die Stirnflächen des Trägerkörpers, gegebenenfalls auch nur eine einzige Stirnfläche und diese zudem nur bis zu einer beschränkten Tiefesgleichmäßig mit dem Lot versehen werden.
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Claims

ANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Herstellung eines Metall-Trägerkörpers für einen Konverter zur Abgasreinigung, insbesondere bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, wobei der Trägerkörper aus einem in einem Gehäuse gehaltenen, an seiner Oberfläche mit einer katalytisch wirksamen Schicht versehenen, wabenförmigen Körper aus abwechselnd übereinandergeschichteten und miteinander durch Lötung verbundenen Lagen von glatten und gewellten, hitzebeständigen Stahlblechen besteht und wobei das zur Lötung bei Temperaturen von bis zu 12000 C erforderliche Lot in Form eines Gemisches aus festen Lotpartikeln und einem Binder auf die miteinander zu verlötenden Stellen aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst der Trägerkörper (4) durch Aufeinanderschichtung der einzelnen Stahlblechlagen (9, 10) gebildet wird, daß danach an wenigstens einer Stirnseite (5, 6) des Trägerkörpers das Lot-Binder-Gemisch aufgesprüht wird und daß anschließend der so behandelte Trägerkörper einer Hochtemperaturlötung unter Vakuum unterzogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (4) vor dem Lotauftrag in ein aus hitzebeständigem Stahlblech bestehendes rohrförmiges Gehäuse (3) eingebracht und bei der Verlötung mit diesem verbunden wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrischer Trägerkörper (4) durch spiralförmiges Aufwickeln eines glatten (9) und eines parallel zur Aufwickelachse gewellten Stahlbandes (10) gebildet ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot-Binder-Gemisch unter einem solchen Winkel zur Stirnfläche des Trägerkörpers (4) aufgesprüht wird, daß der Lotauftrag gleichmäßig über die gesamte Stirnfläche (5, 6) und bis zu einer Tiefe von wenigstens 1 und höchstens 10 mm von der Stirnfläche aus gemessen reicht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot-Binder-Gemisch unter einem spitzen Winkel gegenüber der Stirnfläche (5, 6) des Trägerkörpers (4) aufgesprüht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß pro cm2 Stirnfläche des Trägerkörpers (4) eine Lotmenge von 0,01 bis 0,05 g, vorzugsweise 0,015 - 0,03 g, aufgesprüht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper nach der Lötung im Lötofen zunächst unter Vakuum bis unter die Solidus-Temperatur des Lots und anschließend unter Stickstoffzufuhr bis in den Bereich der Umgebungstemperatur abgekühlt wird.
8. Nach einem der in den Ansprüchen 1 bis 7 angegebenen Verfahren hergestellter Metall-Trägerkörper für einen Konverter zur Abgasreinigung, insbesondere bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, wobei der Trägerkörper aus einem in einem Gehäuse gehaltenen, an seiner Oberfläche mit einer katalytisch wirksamen Schicht versehenen wabenförmigen Körper aus abwechselnd übereinandergeschichteten und miteinander durch Lötung verbundenen Lagen von glatten und gewellten hitzebeständigen Stahlblechen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlblechlagen (9, 10) des Trägerkörpers (4) nur im Bereich wenigstens einer seiner Stirnflächen (5, 6) durch Lötung miteinander bis zu einer Tiefe von wenigstens 1 und höchstens 10 mm von der Stirnfläche aus gemessen verbunden sind.
9. Metall-Trägerkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das die einzelnen Lagen (9, 10) bildende Stahlblech aus einem Stahl mit einem Chromanteil von ca. 15 bis 20 %etwa 5 % Aluminium sowie weiteren Zusätzen besteht und daß die zur Lötung verwendete Lotlegierung einen Chromanteil von etwa 20 % aufweist.