KR0168990B1 - 배기가스 정화용 금속담체 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동차, 오토바이 및 산업용 기계용의 배기가스 정화용 촉매를 담지하는 금속담체와 그 제조방법에 관한 것이다. 이 금속담체는 금속 외부 실린더 내로 밀어 넣은 금속 허니컴 코어체를 포함하고, 금속 허니컴 코어체를 형성하는 평판과 파형판의 결합부는 파형판의 파형 피크에 점이나 줄의 형상으로 피복된 납땜재로 한다. 평판과 파형판의 결합부 내의 납땜재는 100㎛ 이하의 두께이고, 결합부의 위치는 평판과 파형판의 표리면 간에 다르고, 결합부는 배기가스 입구측에서 금속 허니컴 코어체의 단면으로부터 금속 허니컴 코어체 길이의 5% 이상의 길이를 갖는 비결합부에 걸쳐서 존재한다. 금속 외부 실린더의 내면과 금속 허니컴 코어체의 외주의 결합부는 복수의 줄 형상이다. 금속 외부 실린더와 금속 허니컴 코어체의 최외주의 파형판과 평판의 결합부는 서로 일치하지 않고, 금속 허니컴 코어체와 금속 외부 실린더는 축방향과 외면방향으로 간헐적으로 결합된다. 금속 담체의 제조방법에서는, 파형판이 피크에 피복된 슬러리형태 납땜재는 유동성을 가지나 금속 외부 실린더의 내벽면에 피복된 납땜재는 유동성을 가지고 있지 않은 상태에서 금속 허니컴 코어체를 금속 외부 실린더 내로 밀어 넣는다.

Description

[발명의 명칭]
배기가스 정화용 금속담체 및 그 제조방법
[기술분야]
본 발명은 자동차, 오토바이, 산업기계 등의 배기가스 정화용 금속담체와 그 제조방법에 관한 것이다.
자동차의 배기가스 정화용 촉매 담체로는, 내열성 스테인리스(heat-resistant stainless)로 된 허니컴형상 금속담체(honeycomb-formed metal carrier)가 주지되어 있다. 이 금속 허니컴 담체는 허니컴 코어체(honeycomb core body)를 형성하도록 파형판(corrugated plate)과 평판의 적층을 둥글게 감고, 금속외통의 내면과 허니컴 코어체의 외부 실린더를 접합하여 형성한다.
금속담체의 제조방법으로는 다양한 방법이 주지되어 있다. 예컨대 일본특허공개공보 63-44466에는 평판과 파형판의 적층이 둥글게 감겨져 있고, 감긴 허니컴 코어체의 적어도 하나의 끝부분 주위가 납땜되어 있는 금속담체가 개시되어 있다. 그러나 이러한 금속담체를 실제로 자동차용 내부 연소 엔진에 사용하는 경우, 가열 및 냉각의 가열 사이클(heat cycle)에 의한 열피로(thermal fatique)로 인해 허니컴 코어체가 변형되거나 허니컴 코어체의 바깥둘레상의 엷은 조각(foil)(이하 박편이라고 한다)이 부서지는 경향이 있다. 특히 허니컴 코어체의 배기가스 입구측은 고온 배기가스에 노출되기 때문에, 셀(cell)이 상당히 변형되고, 또한 박편도 상당히 파괴된다. 또한 금속담체도 운전 중의 진동 및 엔진 진동에 의해 접합부가 파괴될 수 있다.
또한 일본특허공개공보 소56-4373에는 강펄평판상에 납땜을 도포하거나 액상 납땜 페이스트(paste)로부터 공급롤로(supply roller)를 거쳐서 강철파형판의 뾰족한 끝부분(peak)(이하 첨두라고 한다)에 납땜을 도포하고, 상기 강철평판을 강철파형판으로 둥글게 감거나 또는 상기 강철파형판을 강철평판으로 감는 방법으로 제조한 허니컴 코어체가 개시되어 있다. 또한 이 특허에는 납땜의 도포에 앞서 공급장치에 의해 납땜이 도포될 위치에 접착제를 도포하고, 분산장치에 의해 분말상 납땜재를 뿌리면서 둥글게 감는 방법에 의해 제조한 허니컴 코어체에 대해 기재되어 있다.
이러한 허니컴 코어체에서는 강철평판과 강철파형판 간에 분말상 납땜재가 층으로 적층된다. 또한 강철평판과 강철파형판 간의 분말상 납땜재의 적층은 허니컴 코어체의 중심에서 외주까지의 회전수의 2배로 존재하기 때문에, 진공 납땜을 행할 경우에 납땜재가 녹아 강철평판과 강철파형판 간에 공간이 형성되고, 또한 적층 내의 여러 위치에서 공간들이 모인다. 그러므로 이러한 방법으로 얻은 허니컴 코어체의 강철평판과 강철파형판 사이에서는 납땜되지 않은 부분이 생긴다. 또한 강철평판과 강철파형판의 접합부에서 납땜 두께가 증가하기 때문에, 코어체는 부서지기 쉬운 납땜부분에서 부서지는 경향이 있고, 또한 강도도 충분치 않다.
또 다른 방법으로는 일본특허공개공보 소40141238에는 파형박편의 표면과 이면(이하 “표리면”이라 한다)에 바늘을 갖는 복수의 접합제 인젝터(binder injector)를 파형에 평행하게 단일 또는 다중 스테이지(stage)로 장착하고, 허니컴 코어체의 원하는 위치에 평평한 박편과 파형박편의 접합위치를 설정하기 위해 파형박편의 이동에 따라 미리 지정한 범위내의 파형의 첨두에서 접합제를 도포하도록, 접합제 인젝터의 동작을 선택하는 금속담체의 제조방법이 개시되어 있다.
이 방법에 의한 허니컴 코어체의 제조에 있어서는, 허니컴 코어체의 미리 결정된 위치에 평평한 박편과 파형 박편의 접합위치를 설정하기 위해, 먼저 접합제만 공급하고 그 후에 허니컴 코어체를 감거나 허니컴 코어체를 외부 실린더 내에 넣은 후, 접합제 도포부에 납땜재를 뿌려서 허니컴 코어체의 단면을 형성하도록 납땜재를 가한다. 그 결과 비용이 증가하게 된다. 또한 허니컴 코어체의 형성 전에 평판이나 파형판상에 접합제를 도포하고, 또한 납땜재를 가하여, 허니컴 코어체 내로 둥글게 감은 후 납땜을 행하면, 납땜재가 평판과 파형판 사이에 삽입되므로, 납땜 처리에 의해 용융된 납땜재가 양 판 사이에 공간을 생성시키므로 효과적인 접합을 얻을 수 없다. 이것은 접합제와 분말상 납땜을 혼합한 슬러리에 대해서도 마찬가지이다. 접합제와 분말상 납땜재가 평판과 파형판 사이에 삽입되므로, 납땜재가 납땜 처리 후에 녹아서 양 판 사이에 공간을 생성시켜서 효과적인 접합을 제공할 수 없게 된다. 평판과 파형판의 표리면의 동일한 접합 위치상에 슬러리를 도포하면, 평판과 파형판 사이에 삽입된 슬러리로부터 납땜재가 용융하므로, 양 판 사이의 공간이 더욱 증가하여 접합이 충분치 않게 된다. 또한 납땜재의 성분인 Ni, Cr 및 Si가 기초재료내로 확산하여 형성되는 금속간 화합물(intermetallic compound)이 동일한 위치에 집중되므로써 강도를 약화시킨다.
지금까지 금속 허니컴 코어체를 금속외통 내로 삽입하고 가스 정화용 촉매를 금속 허니컴체에 넣은 배기가스 정화장치의 여러 종류가 주지되어 있다. 특히 자동차 배가가스의 열에 의해 발생한 열응력(thermal stress)에 의한 변형으로 인해 접합부가 파손되거나 벗겨지는 것을 막거나 제어하기 위해, 다양한 종류의 허니컴 구조가 제안되어 왔다.
예컨대 일본특허공개공보 소4-29750에는 금속 허니컴 코어체와 외부 실린더를, 금속담체의 축방향에 1∼15㎜ 고리형태의 간격으로 형성된 복수의 밴드(band)로 접합한 금속담체가 개시되어 있다. 이렇게 하면 접합부와 비접합부에 작용하는 응력을 분산시키기 위해 고리형태의 공간에서 비접합부를 변형시킴으로써, 냉각가열 사이클 중에 상기담체의 축 방향에서 발생하는 응력을 흡수할 수 있다. 그러나 어떤 경우의 금속 허니컴 코어체의 접합조건에 따라서는, 금속 허니컴 코어체와 외부 실린더 사이에 복수의 밴드를 접합하여도 상기 응력을 효과적으로 분산시킬 수 없다. 예컨대 금속 허니컴 코어체와 외부 실린더의 경계가 금속 허니컴 코어체 내의 경계와 일치하면, 상기 응력이 가열 사이클에 의해 그 위치에 집중되어, 그 위치에서 박편이 부서진다. 또한 일본특허공개공보 소4-148016에는 평평한 박편과 파형 박편이 허니컴 코어체의 축방향 길이의 5∼20% 길이에서 축방향으로 접합되어 있는 영역과, 최외층으로부터 내측으로의 5개 층 내부에 축방향으로 접합된 외층 강화층을 구비한 금속담체가 개시되어 있고, 여기서 금속외통과 금속 허니컴 코어체는 외층 강화층 내부의 한 영역에서 축방향으로 접합되어 있다. 이 경우 금속외통과 금속 허니컴 코어체가 한 위치에서 축 방향으로 접합되므로, 금속외통과 금속 허니컴 코어체의 축방향의 열변형을 완화시킨다. 그러나 금속외통과 금속 허니컴 코어체가 단지 하나의 위치에서만 접합되므로, 운행 중에 자동차의 진동이나 엔진의 기계적 진동이 접합부에 집중되는 경향이 있어, 상기 접합부가 부서지게 된다.
또한 일본실용신안공개공보 소2-83320에는 양단이 개방된 금속함 내에 간격을 두고 장착되고, 박편 밴드재와 파형 밴드재를 적층하여 서로 접하게 하여 형성하고, 또한 축방향으로 다수의 망상 통풍구(reticulated ventilation holes)를 구비한 복수의 금속 허니컴 코어체로 된 배기가스 정화장치가 개시되어 있다. 즉 금속함의 내벽면과 개개의 금속 허니컴 코어체의 외주면의 접촉면이 금속 허니컴 코어체의 양단 근처에서 금속함의 내벽면과 동시에 접합된 경우를 제외하고는, 적어도 하나의 위치에서 접합된 배기가스 정화장치가 개시되어 있다. 일본실용신안 공개공보 소2-85814에는 박편 밴드재와 파형 밴드재를 서로 접하도록 적층하여 제조되는 축방향으로 다수의 망상 통풍구를 구비한 2개의 금속 허니컴 코어체를 확대된 직경 단면과 개방된 양단을 구비한 원통형 금속외통 내에 간격을 두고 장착하여 구성하되, 각각의 금속 허니컴 코어체의 금속외통의 개구(opening)근처에서의 외주평면은 금속외통의 내벽면에 장착하고, 개개의 금속 허니컴 코어체의 공간 근처에서의 외주 표면은 금속외통의 내벽면과 접하지 않는 배기가스 정화장치가 개시되어 있다.
이러한 배기가스 정화장치에서는, 금속외통 내의 공간들에 복수의 금속 허니컴 코어체가 배치되어 있고, 금속외통의 내벽면과 개개의 금속 허니컴 코어체의 외주 표면의 접촉면의 축방향에 단지 일부분만이 환상으로 접합되어 오히려 전체의 외면에서 열응력을 분산시켜 이를 완화시킴으로써, 열응력와 열변형으로 인해 금속 허니컴 코어체를 형성하는 파형판과 평판의 부서짐이나 벗겨짐을 막을 수 있고, 또한 금속외통의 내벽면과 금속 허니컴 코어체의 외주면의 벗겨짐도 막을 수 있다.
그러나 상기 방법에 의해 열응력을 분산시켜 완화시킬지라도, 배기가스 정화장치에서 발생한 열변형이나 열응력으로 인한 금속 허니컴 코어체의 외주면 근처의 변형을 막을 수는 없다. 그러므로 외주면 근처에는 열응력과 열변형을 받아 셀이 변형되거나 평판과 파형판이 볏겨진다. 또한 단지 일부분에서만 금속 허니컴 코어체의 외주면과 금속외통의 내벽면을 접합하는 것은 접합력이 약하게 되는 원인이 되어, 고온에서의 배기가스 유동 압력에 버틸 수 없게 된다.
또한 복수의 금속 허니컴 코어체가 금속외통 내에서 간격을 두고 접합된 종래의 금속담체가 개시되어 있다(즉 일본실용신안공개공보 소2-83320). 이 금속담체에서는 단지 금속외통의 내벽면과 금속 허니컴 코어체의 외주면을 접합하여 고온에서 금속담체에서 발생한 열변형과 열응력을 제거하려고 시도했으나, 제거할 수 없는 변형이 발생하여, 만약 금속 허니컴 코어체가 간격을 두고 접합되지 않으면 변형에 의해 금속 허니컴 코어체가 부서지게 된다. 따라서 고의로 난류(turbulent folw)를 발생하는 경우를 제외하고는 대형 배기가스 정화장치가 될 수 밖에없다. 또한 일본실용신안공개공보 소2-85815에 개시한 바와 같이 금속외통 내에 구비된 큰 직경의 단면으로 인해 결국 대형 배기가스 정화장치가 될 수 밖에 없다.
한편 금속 허니컴 코어체 상에 가스정화용 촉매를 담지하는 배기가스 정화용 장치에 있어서는, 만곡 금속담체를 사용하는 것이 주지되어 있다. 예컨대 일본실용신안공개공보 소4-78938에는 만곡 금속담체가 개시되어 있는데, 여기에서는 평판과 파형판을 번갈아 적층하여 허니컴 구조를 형성하여, 이 허니컴 구조를 외부 실린더내에 삽입하고 있다. 이 금속담체에서는, 각각의 슬릿(slit)이 평판과 파형판의 횡단방향으로 1웨이브(wave)이상의 길이를 갖도록 슬릿배열을 구비하고, 세로 방향으로 간격을 두고 슬릿을 배치하고 또한 다수의 상기 배열을 평행으로 형성하고 서로 이동시킨다.
그러나 만곡 금속담체에서는, 금속 허니컴 코어체를 형성하는 평판과 파형판에 슬릿을 구비하고 또한 만곡 금속외통로 삽입하기 때문에, 만약 고온에서 금속담체에서 열응력과 열변형이 발생하면, 슬릿이 팽창하여, 금속 허니컴 코어체의 부서짐, 접합부의 벗겨짐, 셀변형, 깨짐을 발생시킨다. 또한 평판과 파형판이 슬릿을 가지므로, 금속담체를 형성한 후 만곡 금속외통 내로 금속 허니컴 코어체를 삽입할 경우, 허니컴 구조가 유지될 수 없고, 또한 미리 결정된 셀 구조가 유지될 수 없다.
즉, 금속담체를 설계할 때, 원하는 다공성비(porosity ratio)와 표면적을 보장하는 것이 어렵다. 또한 슬릿으로 인하여 배기가스가 단지 만곡 금속외통의 외주표면 근처에서만 흐르게 되어 결국 배기가스 정화의 효율성을 약화시킨다.
즉, 본 발명가들은 이러한 결점들을 해결하기 위해 강도높은 연구한 결과, 금속 허니컴 코어체 상에 도포된 납땜재는 여전히 유동성을 가지나 금속외통의 내벽면상에 도포된 납땜재는 유동성을 갖지 않는 상태에서, 파형판의 피크(peak)상에 점으로 또는 줄의 형상으로 도포한 납땜재로 평판과 파형판을 납땜하여 금속 허니컴 코어체를 형성하고, 금속외통의 내벽면과 금속 허니컴 코어체의 외주면을 조립하고, 그 후 납땜 가열처리를 행함으로써 열응력을 충분히 흡수함으로써 본 발명의 목적을 달성할 수 있음을 밝혀 냈다. 그러므로 본 발명의 주목적은 열응력을 충분히 흡수하여, 자동차에 사용할 경우 장시간 실제적인 사용에 견딜 수 있는 안정한 금속담체를 제공하는데 있다.
[발명의 설명]
본 발명에 의하면, 평판과 파형판을 접합하여 형성되는 1이상의 금속 허니컴 코어체를 금속외통 내로 밀어 넣어 구성한 배기가스 정화용 금속담체에 있어서, 평판과 파형판의 접합부는 파형판의 피크에 도포된 납땜재의 복수의 접합점이나 접합줄로 구성되고, 평판과 파형판의 접합부의 납땜재는 100㎛이하의 두께를 가지며, 평판과 파형판의 접합부의 위치는 표리면 사이에서 다르게 존재하며, 또한 배기가스 입구측에서 금속 허니컴 단면으로부터 허니컴 코어체 길이의 5%이상의 길이인 비접합부에 걸쳐서 존재하는 것에 특징이 있다. 또한 금속 허니컴 코어체와 금속외통은 금속외통의 내벽면 상에 줄의 형상으로 납땜재에 의해 접합되고, 금속 허니컴 코어체의 최외면에서의 접합부는 금속외통의 접합부와 일치하지 않으며, 금속 허니컴 코어체는 축방향과 외면 방향으로 간헐적으로 접합된다. 금속외통은 원형에 국한되지 않으며, 원하는 만곡으로 형성하여도 좋다.
또한 본 발명에 의한 금속담체 매트릭스(matrix)의 제조방법에 있어서, 노즐을 구비한 복수의 슬러리 공급장치를 파형판의 파형방향에 평행하게 다중 스테이지로 배치하고, 분말상 납땜재와 접합제로 된 슬러리를 슬러리 공급장치에 의해 파형판의 이동에 따라 파형판의 피크의 미리 결정된 위치에 도포하고, 파형판과 평판을 적층하고 이를 둥글게 감아 금속 허니컴 코어체를 형성하고, 분말상 납땜재와 접합제로 된 슬러리를 금속외통의 내벽면상에 도포한 후, 금속 허니컴 코어체를 금속외통 내로 밀어넣고, 상기 금속 허니컴 코어체와 상기 금속외통에 진공납땜을 행하여 접합시킴으로써 배기가스 정화용 금속담체를 제조하는데 특징이 있다.
상기 제조방법에 있어서, 분말상 납땜재와 접합제를 함유하는 슬러리를 슬러리 공급장치로 도포한 후, 파형의 피크에 도포된 슬러리를 파형판의 세로 및 횡단 방향으로 브러쉬(brush) 또는 롤러(roller)에 의해 퍼뜨려서 도포 두께를 균일하게 하여도 좋다.
상기 방법에 의해, 평판과 파형판의 접합부가 금속 허니컴 코어체 길이의 5% 이상의 길이인 비접합부에 걸쳐서 존재하고, 또한 축방향에 수직한 복수의 접합 밴드가 금속 허니컴 코어체의 하나의 동일 표면상에 존재하는 금속 허니컴 코어체 매트릭스를 얻을 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 축방향에 평행하게 금속외통내로 밀어 넣은 복수의 금속 허니컴 코어체로 구성된 금속담체의 제조방법에 있어서, 파형판의 피크에 슬러리상 납땜재를 점이나 줄의 형상으로 도포하고, 평판과 파형판을 적층하고, 이를 둥글게 감아서 금속 허니컴 코에체를 형성하는데 특징이 있다. 한편 금속외통 내벽면상에 도포된 납땜재와 파형판의 피크에 도포된 도포된 슬러리상 납땜재는 유동성이 없는 상태에서 금속외통의 내벽면에 납땜재로 도포하고, 금속 허니컴 코어체를 금속외통 내로 밀어 넣고, 외부 실린더는 필요한 정도로 만곡시키고, 건조 후에 납땜 가열처리를 행하여 금속 허니컴 코어체와 금속외통을 접합시키는 것을 특징으로 하는 방법이 제공된다.
또 다른 제조방법으로서는, 특히 금속외통은 만곡되어 있으며, 평판과 파형판을 접합하여 형성한 복수의 금속 허니컴 코어체를 축 방향에 평행하게 만곡된 금속외통 내로 밀어넣는 경우에, 파형판의 피크에 슬러리상 납땜재를 점이나 줄의 형상으로 도포하고, 평판과 파형판을 적층하고 이를 둥글게 감아서 금속 허니컴 코어체를 형성하는데 특징이 있다. 한편 납땜재를 내벽면상에 도포하고, 여기에서 파형판의 피크에 도포된 슬러리상 납땜재는 유동성을 가지나 금속외통의 내벽면상에 도포된 납땜재는 유동성을 가지지 않으며, 금속 허니컴 코어체를 금속외통 내로 밀어넣고, 금속외통을 원하는 곡선으로 만곡시키고, 건조시킨 후 납땜 가열처리를 행하여 금속 허니컴 코어체와 금속외통을 만곡 조건하에서 접합시킨다.
이하에서는 본 발명을 상세히 설명한다. 금속담체를 실제 자동차를 탑재할 경우,금속담체에 냉각/가열 사이클이 행해지고 축방향과 방사상의 방향으로 온도 기울기(temperature gradient)가 발생한다.
또한 대개의 금속 담체는 금속 허니컴 코어체 내에서 산화에 잘 견디는 A1을 고농도로 함유하는 페라이트형 스테인리스 강을 사용하기 때문에, 다음과 같은 응력들은 금속담체 내에서 발생한 온도 기울기와, 금속외통과 금속 허니컴 코어체 간의 열팽창계수의 차이로 인하여 금속외통과 금속 허니컴 코어체 사이와 금속 허니컴 코어체들 사이에 인가된다.
허니컴의 방사상 방향에 있어서는, 가열 중에 금속 허니컴 코어체의 열 팽창으로 인해 금속 허니컴 코어체가 금속외통을 누름으로써(금속 허니컴 코어체의 온도금속외통의 온도, 금속 허니컴 코어체의 열팽창계수금속외통의 열팽창계수), 금속 허니컴 코어체의 셀이 변형된다. 특히 금속 허니컴 코어체의 단면이 납땜에 의해 경계가 형성되면, 열팽창으로 인해 열응력이 완화될 수 없어서 금속 허니컴 코어체를 형성하는 평판이 휘게 되고, 금속 허니컴 코어체의 셀이 더욱 변형된다. 더우기 금속 허니컴 코어체의 배기가스 입구측은 출구측에 비해 고오의 배기가스에 노출되며, 그 온도는 배기가스와 촉매간의 반응에 의해 1,000℃이상인 겻으로 생각된다. 그러므로 금속 허니컴 코어체의 셀 변형은 배기가스 입구측에서 특히 심각하게 된다.
상술한 바와 같이 셀 변형으로 인해 금속 허니컴 코어체의 코어 직경이 줄어들고, 금속외통과 금속 허니컴 코어체간의 인장력이 발생함으로써 외주의 박편이 부서지게 된다. 이것을 방지하기 위해, 셀 변형이 가장 심한 배기가스 입구측에서의 단면 근처는 납땜에 의해 경계를 형성해서는 안된다. 또한 금속 허니컴 코어체의 축방향과 방사상 방향으로의 열응력을 완화시키기 위해, 금속 허니컴 코어체를 축방향으로 복수의 줄 또는 점들의 형상으로 접합시킨다.
또한 금속 허니컴 코어체의 접합부들이 금속 허니컴 코어체 및 금속외통의 접합부들과 일치하는 경우, 접합부들에 인장 응력(tensile stress)이 인가되어 금속 허니컴 코어체의 최외주에서 부서지게 된다. 이를 방지하기 위해 금속 허니컴 코어체의 최외주의 접합부와 금속외통의 접합부를 일치되지 않게 하여 일단 금속외통으로부터 금속 허니컴 코어체를 분리시켜야 한다.
한편 축방향으로는 금속 허니컴 코어체의 온도가 금속외통의 온도보다 높기 때문에, 금속 허니컴 코어체가 금속 허니컴 코어체의 축방향으로 금속외통보다 더 팽창하게 된다. 그러므로 만약 금속 허니컴 코어체와 금속 외통이 두 위치에서 접합되면, 접합부에 인가되는 전단응력(shearing stress)이 더 커져서 접합부에서 파괴가 일어나게 된다. 이를 방지하기 위해 금속 허니컴 코어체를 축방향으로 한 위치에서 접합하여 금속 허니컴 코어체의 축방향으로의 열응력을 완화시킨다. 그러나 한 위치에서의 접합에 의해 운전 중에 엔진의 진동이 한 위치에 집중되어 접합부가 부서지게 된다. 그러므로 축방향과 방사상 방향으로의 열응력 완화 및 접합력이 관점에서 보면 복수의 위치에서 간헐적으로 접합하는 것이 바람직하다.
비접합부를 금속 허니컴 코어체의 길이의 5% 이상으로 하는 이유는 납땜에 의해 단면의 경계를 형성한 금속 허니컴 코어체의 가열 사이클의 결과로서 금속 허니컴 코어체 길이의 약 5%이하의 길이에서 상당한 셀 변형이 발생했기 때문이다.
또한 금속 허니컴 코어체의 동일 표면상에 축 방향에 수직인 복수의 접합 밴드로 접합한 것에 의해, 축방향으로 발생된 변형이 분산되어 접합부와 비접합부의 경계상에 작용하는 변형을 감소시킨다.
본 발명에서 평판과 파형판의 접합부의 납땜재는 100㎛이하의 두께를 갖는다. 금속 허니컴 코어체의 외주 금속 실린더를 고정시키고 금속 허니컴 코어체를 펀칭 막대로 눌러서 금속 허니컴 코어체를 끌어 낸 상태에서 시험하여, 제1도에 나타낸 바와 같이 납땜재 두께와 펀청 강도 간의 관계를 얻었다. 그 결과 납땜재 두께가 100㎛를 초과하면 펀칭강도가 상당히 감소된다. 이는 100㎛이하 두께의 납땜재의 기본재로(base material)보다 100㎛이상 두께의 납땜재의 기본재료가 더욱 쉽게 부서지게 된다는 사실에 기인됨을 알 수 있다. 그러므로 평판과 파형판의 접합부의 납땜재는 100㎛이하의 두께를 가질 것이 요구된다.
또한 평판과 파형판을 납땜에 의해 접합할 경우, 납땜재의 성분인 Ni, Cr 또는 Si가 기재로 확산하여 금속간 화합물을 형성한다. 그러므로 평판과 파형판의 접합부가 표리면 간에서 일치하고, 금속간 화합물의 형성이 1위치에서 집중하여 강도를 감소시킨다. 그러므로 평판과 파형판의 접합부는 반드시 표리면간에는 달라야 한다.
납땜재를 퍼뜨리기 위한 관점에서 보면, 파형판의 표리면상의 슬러리 도포 위치들은 서로 4㎜이상 격리시키는 것이 바람직하다.
극도의 가열 사이클과 강한 기계적 진동에 큰 내구성을 갖는 금속담체를 제조하기 위해, 배기가스 입구측에서의 단면으로부터 금속 허니컴 코어체 길이의 5%이상 떨어진 원하는 위치에 복수의 줄이나 점의 형상으로 납땜재를 공급해야 한다.
줄 형상으로 납땜할 경우, 단부 이외에 원하는 위치에 비정질(amorphous)박편 땜납을 공급함으로써 용이하게 납땜을 행할 수 있다. 그러나 비정질 박편 땜납은 붕소 성분을 함유하기 때문에, 납땜할 경우 붕소가 기재내로 확산하여 박편의 내열성을 감소시킨다. 그러므로 붕소를 함유하는 비정질 박편 땜납을 사용하는 것은 바람직하다.
즉, 본 발명에서는 성분으로서 붕소를 함유하지 않는 분말 납땜재를 사용하여, 이를 접합제와 혼합하여 슬러리를 형성하여 파형판의 피크의 원하는 위치에 줄의 형상으로 공급하고, 평판과 납땜재를 도포한 파형판을 적층하고, 이를 둥글게 감아서 금속 허니컴 코어체를 형성한다.
붕소는 납땜재의 습윤(wetting)을 향상시키는 효과를 가진다. 그러나 붕소는 내열성을 악화시키므로, 본 발명에서 납땜부를 너무 퍼뜨려서 표리면상의 평판과 파형판이 접합부를 겹치도록 하는 것은 바람직하지 않다.
이하에서는 본 발명의 금속담체의 구조를 상세히 설명한다.
상기 구조를 갖는 본 발명이 금속담체는 원통형, 경주트랙(race-track)형 등의 어떠한 단면을 가져도 좋다. 금속외통 내로 밀어 넣은 복수의 금속 허니컴 코어체를 서로 접촉하여도 좋고, 또는 서로 떨어뜨려도 좋다.
이하에서는 본 발명에 의한 금속담체의 제조방법을 설명한다.
먼저 접합제와 분말형 납땜재를 함유하는 슬러리를 파형판의 피크에 점들이나 줄들의 형상으로 노즐 등에 의해 도포하고, 파형판과 평판을 적층하고 이를 둥글게 감아서 금속 허니컴 코어체를 형성한다. 이 형성 방법은 특히 제한되지 않으나, 납땜재를 파형판의 피크에 점이나 줄의 형상으로 공급하는 것은 중요하다. 이렇게 형성한 금속 허니컴 코에체를 금속외통 내로 밀어넣어 접합시킨다. 금속외통과 금속 허니컴 코어체의 접합에서는, 금속 허니컴 코어체 상에 도포된 납땜재는 유동성을 유지하고 있으나 금속외통의 내벽면상에 도포된 납땜재는 유동성을 유지하고 있지 않는 상태에서, 금속 허니컴 코어체를 금속외통 내로 밀어넣는다. 납땜재가 유동성을 유지하고 있는 상태에서 금속 허니컴 코어체를 금속외통 내로 밀어 넣고 또한 평판과 파형판 사이에 납땜재를 갖는 접합부가 아직 접합되지 않으므로 인하여, 이들이 자유롭게 이동함으로써 최소의 변형 조건을 유지할 수 있다. 한편 금속외통의 내벽면상에 도포된 납땜재는 유동성이 없으므로, 금속 허니컴 코어체를 밀어 넣을 경우 납땜재가 유동하지 않기 때문에 미리 결정된 위치에서 접합할 수 있게 된다.
고의적으로 배기가스를 난류로 만들 경우에는 개개의 금속 허니컴 코오체를 서로 떨어뜨리고, 그 외에는 서로 떨어지지 않도록 이들 금속 허니컴 코어체를 접합시킨다. 이렇게 하여 고의적으로 난류를 발생시킨 경우를 제외하고는 금속 허니컴 코어체를 서로 떨어지지 않도록 배치하으로써 소형의 배기가스 정화장치를 얻을 수 있다.
만곡 금속 허니컴 감체의 제조방법에 있어서, 납땜 가열처리 전에 복수의 만곡되지 않은 금속 허니컴 코어체를 금속외통 내로 밀어넣어 생성물을 원하는 곡선으로 만곡시키거나, 복수의 금속 허니컴 코어체를 원하는 곡선으로 미리 만곡시킨 금속외통 내로 밀어넣은 후 생성물에 납땜 가열처리를 행함으로써 고온에서 열변형과 열응력에 저항성이 높은 만곡 금속담체를 용이하게 형성할 수 있다.
평판과 파형판을 적층하고 둥글게 감아서 형성한 금속 허니컴 코어체를 접합하기 위해, 금속외통의 내면상의 원하는 위치들에 접합제와 분말형 납쨈재의 혼합물인 슬러리를 도포하는 장치는, 금속외통 반입장치와, 금속외통 회전·지지자치와, 금속외통의 내면상에 납땜재를 도포하는 납땜재 도포장치와, 납땜재 도포 후의 금속외통 반출·회수장치와, 금속외통 반입장치에 의해 금속외통을 반입하는 경우에 금속외통 회전·지지장치를 회전시키고 또한 납땜재 도포 장치를 조작하는 장치로 구성된다.
즉, 상기 도포장치는 접합제와 분말형 납땜재의 혼합물인 슬러리를 공급하는 납땜재 공급장치와, 금속외통의 내면의 원하는 위치에 납땜재를 평평하게 도포하는 장치와, 금속외통을 회전·지지하는 장치와, 금속외통을 반입하는 장치로 구성된다. 금속외통을 금속외통 반입장치에 의해 반입할 경우에 납땜재 도포 장치를 조작하고 또한 금속외통 회전·지지 장치를 회전시키는 장치로는, 예컨대 센서(sensor)를 사용하여도 좋다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 금속 허니컴 코어체의 파형판과 평판의 접합부의 펀칭강도와, 납땜재 두께 간의 관계를 나타내는 그래프.
제2도는 금속 허니컴 담체의 개략 사시도.
제3도는 금속담체의 개략 사시 단면도.
제4도는 금속담체와 외부 실린더의 내벽면 접합부의 개략 확대 단면도.
제5도는 서로 떨어진 2개의 금속 허니컴 코어체를 금속외통 내로 가압할 경우의 개략 단면도.
제6도는 본 발명의 금속 허니컴 코어체의 제조방법의 개략 설명도.
제7도는 금속외통으로의 납땜재 공급으로부터 진공 납땜까지의 개략 공정도.
제8도는 본 발명에 의한 만곡 금속담체의 개략 단면도.
제9도는 본 발명의 만곡 금속담체의 제조방법을 나타내는 개략도.
제10도는 본 발명의 도포장치의 개략 정면도.
제11도는 본 발명이 실시예1의 금속담체의 납땜조건을 나타내는 개략 단면도.
제12도는 본 발명이 실시예2의 금속담체의 납땜조건을 나타내는 개략 단면도.
제13도는 비교예 1의 금속담체의 납땜 조건을 나타내는 개략 사시 단면도.
제14도는 비교예 2의 금속담체의 납땜 조건을 나타내는 개략 사시 단면도.
제15도는 비교예 3의 금속담체의 납땜 조건을 나타내는 개략 사시 단면도.
제16도는 본 발명의 실시예3의 금속담체의 납땜 조건을 나타내는 개략 사시 단면도.
제17도는 본 발명의 살시예4의 금속담체의 납땜 조건을 나타내는 개략 사시 단면도.
제18, 19도는 각각 본 발명의 비교예 4,5의 금속담체의 납땜 조건을 나타내는 개략 사시 단면도.
이하에서는 본 발명이 금속담체를 도면을 참조하여 설명한다. 그러나 본 발명이 도면에 나타난 것에 국한됨을 뜻하는 것은 아니다.
제2도는 본 발명의 금속담체의 개략 사시도이고, 제3도는 제2도의 개략 사시 단면도이고, 제4도는 금속외통과 금속 허니컴 코어체의 내벽면 접합부의 개략 확대 단면도이다.
제2도에 나타낸 바와 같이 금속담체(1)는 금속 허니컴 코어체(3)를 금속외통(2) 내에 밀어 넣은 것으로 되어 있다.
한편 제4도에 나타낸 바와 같이 금속 허니컴 코어체(3)의 최외주와 금속외통의 내벽면은 납땜재(4)에 의해 여러 줄로 납땜되어 있다. 금속 허니컴 코어체(3)는 평판(310과 파형판(32)을 납땜하여 형성된다. 평판과 파형판의 납땜은 파형판의 첨두에 점으로 또는 줄로 도포한 납땜재(41, 42…)에 의해 행한다. 참조번호 41은 평판과 파형판 간의 납땜재와 외측 파형판의 접합부를 가리키며, 참조번호 42는 평판과 파형판 간의 납땜재와 내측 파형판 간의 접합부를 가리킨다. 41과 42의 위치를 서로 이동시켜 기재에 대한 납땜재의 영향을 줄이는 것도 좋다(제4도 참조).
제5도는 2개의 금속 허니컴 코어체 사이에 분리부(9)를 구비한 경우의 개략 사시 단면도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 금속 허니컴 코어체의 제조방법에 대해 설명한다.
제6도는 본 발명의 금속 허니컴 코어체의 제조방법 및 납땜제 도포방법의 개략 설명도이다.
붕소가 함유되지 않은 분말 납땜재와 접합제를 섞어서 제조한 슬러리상 납땜재(14)를 저장탱크(16)에 충전한다. 저장탱크(16)에는 슬러리 공급튜브(17)가 있고, 슬러리 공급튜브(17)의 끝에는 노즐(13)이 있다. 슬러리상 납땜재(14)는 슬러리 공급튜브(17)를 거쳐서 노즐(13)로 공급된다. 저장탱크(16)는 도포할 파형피크(15) 보다 낮게 또는 동일한 높이의 위치에 배치한다. 저장탱크(16)의 수는 노즐(13)의 수와 같아도 좋고 하나이어도 좋다. 단일 저장탱크(16)를 사용할 경우에는 노즐(13)과 같은 수의 슬러리 공급튜브(17)를 저장탱크(16)에 부착하여야 하고, 이렇게 하면 슬러리상 납땜재(14)는 슬러리 공급튜브에 의해 각각의 노즐(13)로 분기된다.
노즐(13)로 연결된 슬러리 공급튜브(17)와 저장탱크(16)를 사용함으로써, 스페이스(space)를 요구함이 없이 장시간 안정하게 슬러리상 납땜재(14)를 노즐(13)로부터 파형피크(15)에 공급할 수 있다.
노즐(13)은 유연한 재료를 사용하고, 이 노즐(13)을 파형피크(15)와 파형밸리(valley)(18)간에 설정한다. 공급된 슬러리상 납땜재(14)는 파형피크(15)에 의해 부서져서 그 위에 도포된다. 파형피크(15)상에 도포되는 슬러리상 납땜재(14)의 양은 복잡한 제어는 필요없고 단자 제어기(6)로 저장탱크(16)의 압력을 조절함으로써 제어한다.
파형피크(15)상에 도포된 슬러리상 납땜재(14)는 납땜재 입자가 층으로 적층되는 조건하에 있다. 이 조건하에서 평판과 파형판을 둥글게 감아서 금속 허니컴 코어체를 형성하여 납땜을 할 경우에는, 파형판과 평판 사이에 공간이 생길 수 있다. 또한 파형판과 평판 사이의 납땜재는 100㎛이상의 두께를 가질 수 있으므로, 이는 펀칭 강도를 상당히 감소시킨다. 본 발명에서는 납땜재의 도포 두게를 균일하게 하기 위해 파형피크의 폭 방향과 세로 방향으로 브러쉬(5) 또는 롤러에 의해 납땜재를 도포하고, 이렇게 납땜재를 도포한 파형판(32)과 평판(31)을 적층하고 둥글게 감아서 금속 허니컴 코어체(3)를 형성함으로써, 공간의 발생을 막고 효과적인 접합부를 얻을 수 있다.
예컨대 평판으로서는 두께가 0.05㎜이고, 폭이 40㎜인 20%Cr과 5%Al의 성분을 함유하는 내열성 강철을 사용하며, 이 평판에 주름을 주어 파형판으로 사용한다.
이렇게 형성한 금속 허니컴 코어체(3)와, 금속외통(2)의 내벽면을 접합하는 방법으로서는, 비정질 박편 땜납을 상기 금속 허니컴 코어체(3)의 외주상의 미리 결정된 위치에 둥글게 감고, 그 후 금속 허니컴 코어체(3)를 금속외통(2)내로 밀어넣고, 진공 납땜을 행한다. 그러나 상술한 바와 같이 이 방법에서는 비정질 박편 땜납 내에 함유된 붕소가 금속 허니컴 코어체의 기재 내로 확산되므로, 내열성이 악화된다.
그러므로 본 발명에서는 금속 허니컴 코어체(3)와, 금속외통(2)의 내벽면을 제7도에 나타낸 방법으로 접합한다.
이를 상세히 설명하면 먼저 분말 납땜재와 수용성 또는 유기 접합제를 혼합하여 얻은 슬러리상 납땜재(14)를 금속외통(2)의 내벽면상의 미리 결정된 위치에 노즐(13)에 의해 도포하고(공정a), 이를 건조오븐(drying oven)(7)에 놓아서 건조시킨다(공정b). 그 후 금속 허니컴코어체(3)를 프레싱기(pressing tool)(10)를 사용하여 금속외통 내로 밀어 넣고(공정c), 이를 진공 납땜기(8)에 놓고 납땜한다(공정d). 이 공정에서 만약 납땜재를 건조시키지 않고 금속 허니컴 코어체를 밀어 넣으면, 슬러리상 납땜재(14)는 밀어 넣는 방향으로 금속 허니컴 코어체와 함께 이동하는 경향이 있으므로, 납땜재를 미리 결정된 위치에 도포할 수 없게 된다. 그러므로 납땜재를 건조한 후에 금속외부 실린더 내로 금속 허니컴 코어체를 밀어 넣는 것이 바람직하다. 진공 납땜은 1,100∼1,300℃에서 10분이상, 진공하에서 행한다.
이하에서는 만곡 금속담체의 제조방법을 상세히 설명한다.
제6도에 나타낸 바와 같이 내열성 강철로 된 평판에 주름을 주어 얻은 파형판의 표리면상의 피크에 슬러리로 형성된 납땜재를 공급하고, 이 납땜재를 점의 형태로 또는 필요하다면 블러쉬에 의해 줄의 형태로 도포한다. 그 후 파형판을 평판과 함께 적층하고, 둥글게 감아 금속 허니컴 코어체를 형성한다. 슬러리상 납땜재에는 유동성이 남아 있고, 금속외통 내벽면상에 도포된 슬리상 납땜제에는 유동성이 남아있지 않는 복수의 생성 금속 허니컴 코어체를 금속외통 내에 공간이 있게 또는 없게 위치시키고, 이를 건조시킨 후, 금속외통의 내벽면상에 도포된 납땜재로 금속 허니컴 코어체 및 금속외통과, 개별의 금속 허니컴 코어체를 동시에 접합시키기 위해 납땜 열처리를 행한다.
생성 금속 허니컴 코어체(3)를 제7(c)도에 나타낸 방법을 사용하여 금속외통(2)내로 밀어 넣는다.
제8도는 본 발명의 만곡 금속담체의 개략 단면도이고, 제9도는 만곡 금속담체의 제조방법 설명도이다.
제9도에 나타낸 바와 같이 금속 허니컴 코어체(3)의 5개를 금속외통(2)내로 밀어넣은 후에, 예컨대 담체를 지지부(support)(20)상에 놓고 상측으로부터 프레싱 다이(die)(19)로 프레스하고(제9(b)도 참조), 미리 결정된 만곡을 갖는 금속담체를 얻는다(제9(c)도 참조).
정밀도(precision)를 향상시키기 위해 상기 담체를 다시 프레스하여도 좋다.
이하에서는 금속외통 내벽면상의 납땜재를 도포하기 위한 납땜재 도포장치에 대하여 설명한다.
즉, 금속외통의 내면상의 납땜재를 도포시키기 위한 본 발명의 납땜재 도포장치는 분말 납땜재와 접합제의 혼합물인 슬러리를 공급하는 납땜재 공급장치와, 금속외통 내면상의 미리 결정된 위치에 납땜재를 균일하게 도포하는 장치와, 금속외통을 회전시키고 또한 이를 지지하는 장치와, 이 금속외통을 반입하는 장치로 구성되어 있다. 금속외통 반입장치에 의해 미리 결정된 위치로 금속외통을 반입한 경우에, 상기 금속외통 회전·지지 장치를 회전시키고 또한 상기 납땜재 도포장치를 조작하기 위한 장치로서는, 예컨대 센서를 사용하여도 좋다.
제10도는 납땜재 도포장치의 개략도이다. 대충 분리해보면, 이 장치는 금속외통 반입장치와 금속외통 회전·지지 장치와, 금속외통 내면상의 납땜재를 도포하는 납땜재 도포장치와, 납땜재 도포후에 금속외통을 밀어내어 회수하는 금속외통 반출·회수장치로 구성되어 있다.
이하에서는 금속외통 반입장치와 금속외통 회전·지지장치에 대해 설명한다. 상기 금속외통 반입장치와 금속외통 회전·지지장치는 금속외통 내에서 반입하는 반입용 실린더(24)와, 금속외통을 회전·지지하는 척(chuck)(25)과, 금속외통을 회전·지지하는 척 구동모터(chuck drive motor)(26)와, 센서(27)로 구성되어 있다. 금속외통은 제1 금속외통 반입 가이드(guide)(22)로부터 제2금속외통 반입가이드(23)로 반입된다. 그 후 금속외통은 금속외통 반입용 실린더(24)에 의해 금속외통 회전·지지 척(25)의 방향으로 미리 결정된 양만큼 반입된다. 그 후 반입용 실린더(24)는 원위치로 되돌아가고, 제1금속외통 반입가이드(22)에서의 금속외통(2)가 자신의 무게에 의해 제2금속외통 반입 가이드(23)내에서 설정된다. 반입용 실린더(24)를 검출하는 센서(27)가 원위치로 되돌아가면, 금속외통 회전·지지 척(25)으로 반입된 금속외통(2)는 금속외통 회전·지지 척(25)에 의해 고정된다. 그후 금속외통 회전·지지 척(25)은 모터(26)에 의해 자동적으로 회전된다.
이하에서는 금속외통 내면상의 납땜재를 도포하는 납땜재 도포장치에 대하여 설명한다. 상기 납땜재 도포장치는 납땜재 공급제어기(28)와, 분말 납땜재와 접합제의 혼합물인 슬러리를 담는 슬러리탱크(29)와, 금속외통(2)의 내면상에 슬러리를 주입하는 노즐(10)과, 주입된 슬러리의 두께를 균일하게 하고 또한 폭 방향으로 슬러리를 퍼뜨리는 브러쉬 또는 롤러(11)와, 노즐(10)과 브러쉬 또는 롤러(11)를 장착한 홀딩 툴(holding tool)을 좌우로 이동시키는 가동테이블(movable table)(33)과, 이동 길이 조절용 센서/고정구(stopper)(34)를 수직 이동시키는 전자석(35)과 홀딩 툴로 구성되어 있다. 금속외통을 고정하여 금속외통 회전·지지 척(25)에 의해 회전시키면, 가동 테이블(33)은 가동테이블(33)에 장차착된 홀딩 툴을 금속외통(2)의 내면으로 삽입시키기 위해 이동한다. 삽입 길이는 고정구(34)에 의해 제어된다. 센서/고정구(34)가 가동 테이블(33)과 접하게 되면, 전자석(35)에 전압이 인가되어 홀딩 툴에 인력이 작용한다. 그 결과 홀딩 툴의 끝에 장착된 브러쉬 또는 롤러와 노즐(10)이 금속외통(2)의 내면과 접하게 된다. 홀딩 툴이 전자석(35)에 의해 끌려지면 검출기(detector)(36)가 작동한다. 그 결과 슬러리는 제어기(28)에 의해 슬러리탱크(29)로부터 튜브(17)를 거쳐서 공급되어, 노즐(10)로부터 금속외통(2)의 내면상에 주입된다. 이렇게 주입된 슬러리는 브러쉬 또는 롤러(11)로 된 확포수단에 의해 균일한 두께로 균일화되고, 또한 폭 방향으로 퍼지게 된다. 노즐(10)로부터 주입되는 슬러리의 양은 제어기(28)의 주입압력과 주입시간에 의해 제어된다.
일정시간동안 금속외통(2)의 내면상에 납땜재가 도포되면, 홀딩 툴은 전자석으로부터 분리되고 가동 테이블(33)은 원위치로 이동한다. 센서(34)가 가동테이블(33)이 원위치로 돌아왔음을 검출하면, 반입용 실린더(24)는 다시 작동하여 금속외통을 금속외통 회전·지지 척(25)으로 반입한다. 이때 납땜재로 도포된 금속외통은 다음 금속외통에 의해 밀려나가고, 금속외통 반출 가이드938)에 의해 금속외통 회수 박스(box)(39)로 이동된다.
상기 공정은 자동적으로 반복한다.
[본 발명을 구현하는 가장 바람직한 실시예]
이하에서는 본 발명을 실시예를 참조하여 더 상세히 설명한다.
[실시예 1]
50㎛ 두께의 페라이트(ferrite)형 스테인리스 강철 평판을 주름지게 하여 형성한 파형판의 표리면에, 표면상의 단면으로부터 각각 5㎜와 15㎜ 떨어진 위치에 또한 이면상의 단면으로부터 각각 10㎜와 20㎜ 떨어진 위치에 노즐로부터 수용성 접합제와 50㎛ 이하의 분말상 납땜재로 구성된 슬러리를 공급하고, 브러쉬에 의해 상기 슬러리를 2㎜의 폭으로 또한 납땜재 도포 두께를 50㎛ 이하가 되도록 바르고, 그 후 평판과 함게 적층하고 이를 둥글게 감아서 금속 허니컴 코어체를 형성하였다. 다음에 분말상 납땜재와 유기 접합제로 된 슬러리를 금속 허니컴 코어체의 단면으로부터 5㎜ 떨어진 위치에서 15㎜의 폭으로, 1.5㎜ 두께의 금속외통의 내면상에 도포하고, 이를 건조시킨 다음 상기 허니컴 코어체를 금속외통 속으로 밀어 넣었다. 그 후 진공납땜(1,200℃ 10-5torr하에서 20분동안)을 행하여 직경이 50㎜이고, 길이가 50㎜인 금속담체(금속허니컴 코어체의 길이: 40㎜)를 제조하였다., 이 방법으로 제조한 허니컴 담체는 제11도에 나타내었다. 제11도에서 참조번호 41은 파형판 표면상의 납땜재를 가리키고, 42는 이면상의 납땜재를 가리키고, 1a는 배기가스 입구측 단면을 가리킨다. 허니컴 담체는 배기가스 입구측 단면(1a)으로부터 금속 허니컴 코어체 길이의 10%인 비접합 영역을 가지며, 금속 허니컴 코어체는 동일 표면상의 축 방향에 수직인 4개의 접합줄로 접합하였다. 또한 평판과 파형판의 평균 접합 간격은 약 45㎛이었다.
이 금속담체상에 촉매를 담지시키고, 가열 사이클 시험(heat cycle test)(1, 000℃×30분 → 냉각×10분)을 행하였다. 300시간동안 시험한 경우, 파형판과 평판으로 구성된 금속 허니컴 코어체 내의 약간의 셀 변형을 제외하고는, 본 발명의 금속담체의 박편은 조금도 부서지지 않았다. 또한 내구성과 진동을 시험하기 위해 상기 금속담체를 20∼500Hz의 진동 주파수에서 30G의 가속도로 20시간 시험했다. 그 결과 허니컴 코어의 전위, 납땜부의 파괴 등의 결점은 나타나지 않았다.
[실시예2]
50㎛ 두께의 페라이트형 스테인리스 강철 평판을 주름지게 하여 형성한 파형판의 표리면에 배기가스 입구측에서 표면상의 단면으로부터 40㎜ 떨어진 위치와 이면상의 단면으로부터 8㎜ 떨어진 위치에서 또한 배기가스 출구측에서 표면상의 단면으로부터 8㎜ 및 16㎜ 떨어진 위치와 이면상의 단면으로부터 4㎜ 및 12㎜ 떨어진 위치에서 노즐로부터 수용성 접합제와 50㎛이하의 분말상 납땜재로 구성된 슬러리를 공급하고, 브러쉬에 의해 상기 슬러리를 2㎜의 폭으로 또한 납땜재 도포 두께를 50㎛ 이하가 되도록 바르고, 그 후 평판과 함게 적층하고 이를 둥글게 감아서 금속 허니컴 코어체를 형성하였다. 다음에 분말상 납땜재와 유기 접합제로 된 슬러리를 배기가스 입구측에서 단면으로부터 4㎜ 떨어진 위치에 8㎜의 폭으로 또한 배기가스 출구측에서 단면으로부터 4㎜ 떨어진 위치에 15㎜의 폭으로, 1.5㎜ 두께의 금속외통의 내면상에 도포하고, 이를 건조시킨 다음, 상기 금속 허니컴 코어체를 금속외통 속으로 밀어넣었다. 그 후 진공납땜(1,200℃, 10-5torr하에서 20분동안)을 행하여 직경이 50㎜이고, 길이가 50㎜인 금속담체(금속허니컴 코어체의 길이: 40㎜)를 제조하였다. 이 방법으로 제조한 허니컴 담체는 제12도에 나타내었다. 제12도에서 참조번호41은 파형판 표면상의 납땜재를 가리키고, 42는 이면상의 납땜재를 가리키고, 1a는 배기가스 입구측 단면을 가리킨다. 허니컴 담체는 배기가스 입구측 단면(1a)으로부터 금속 허니컴 코어체 길이의 7.5%인 비접합 영역을 가지며, 금속 허니컴 코어체는 동일 표면상의 축 방향에 수직인 3개의 접합 줄로 접합하였다. 또한 평판과 파형판의 평균 접합 간격은 약 40㎛이었다.
이 금속담체상에 촉매를 담지시키고, 가열 사이클시험(1,000℃×30분 → 냉각×10분)을 행하였다. 300시간동안 시험한 경우, 약간의 셀 변형을 제외하고는, 본 발명의 금속담체의 박편은 조금도 부서지지 않았다. 또한 내구성과 진동을 시험하기 위해 상기 금속담체를 20∼500Hz의 진동 주파수에서 30G의 가속도로 20시간 시험했다. 그 결과 허니컴 코어의 전위, 납땜부의 파괴 등의 결점은 나타나지 않았다.
[실시예 3]
50㎛ 두께의 페라이트형 스테인리스 강철 평판(31)을 주름지게 하여 형성한 파형판의 표리면에, 표면상의 단면으로부터 15㎜의 위치에서 또한 이면상의 단면으로부터 25㎜의 위치에서, 노즐로부터 수용성 접합제와 50㎛ 이하의 분말상 납땜재로 구성된 슬러리를 공급하고, 그 후 평판과 함게 적층하고 이를 둥글게 감아서 금속 허니컴 코어체를 형성하였다. 다음에 분말상 납땜재와 유기 접합제로 된 슬러리를 금속 허니컴 코어체의 축방향으로 양단면에서 20㎜ 떨어진 위치에 10㎜의 폭으로 또한 외면 방향으로 8개의 분리된 위치에 8㎜의 길이로, 1.5㎜ 두께의 금속외통(2) 내면의 양 단면상에 도포하였다. 또한 금속 허니컴 코어체의 중심에 15㎜의 폭으로 또한 외면 방향으로 8개의 분리된 위치에 8㎜의 길이로, 슬러리를 도포하였다. 축방향과 외면 방향으로 간헐3적으로 슬러리를 도포하고, 이를 건조시킨 다음, 상기 금속 허니컴 코어체를 금속외통 속으로 밀어 넣었다. 그 후 진공 납땜(1,200℃, 10-5torr하에서 20분 동안)을 행하여 금속담체를 제조하였다. 이 방법으로 제조한 허니컴 담체의 구조는 제16도에 나타내였다.
제16도에서 참조번호 41은 표면상의 납땜재를 가리키고, 42는 이면상의 납땜재를 가리키고, 4는 금속외통과 금속 허니컴 코어체 사이의 납땜재를 가리킨다. 이 금속담체에 촉매를 담지시키고, 가열 사이클 시험과 진동시험을 겸한 내구성 시험(가열 사이클 시험: 1,000℃×12분 →강제냉각×30분, 배기가스 흐름:10㎥/분, 진동시험; 20∼500Hz의 주파수, 30G의 가속도, 5분의 스위프 타임(sweep time)(정현파))을 행하였다. 300시간 동안 시험한 경우, 파형판과 평판으로 구성된 금속 허니컴 코어체 내의 약간의 셀 변형을 제외하고는, 본 발명의 금속담체의 박편은 조금도 부서지지 않았다.
[실시예4]
50㎛ 두께의 페라이트형 스테인리스 강철 평판을 주름지게 하여 형성한 파형판(32)의 표리면에, 금속 허니컴 코어체의 표면상의 단면으로부터 각각 25㎜, 65㎜ 및 85㎜의 위치에서 또한 이면상의 단면으로부터 각각 10㎜, 40㎜ 및 70㎜의 위치에서 노즐로부터 수용성 접합제와 50㎛ 이하의 분말상 납땜재로 구성된 슬러리를 공급하고, 그 후 평판과 함께 적층하고 이를 둥글게 감아서 금속 허니컴 코어체를 형성하였다. 다음에 분말상 납땜재와 유기 접합제로 된 슬러리를 금속 허니컴 코어체의 단면으로부터 각각 15㎜, 30㎜, 45㎜, 60㎜, 75㎜ 및 90㎜ 떨어진 위치에서 단면의 축방향의 5㎜ 폭으로, 또한 외면 방향의 8개의 분리된 위치에 8㎜의 길이로, 1.5㎜ 두께의 금속외통(2)의 내면상에 도파하였다. 축방향과 외면방향으로 슬러리를 간헐적으로 도포하고, 이를 건조시킨 후, 금속 허니컴 코어체를 금속외통 속으로 밀어 넣었다. 그 후 진공납땜(1,200℃, 10-5torr하에서 20분동안)을 행하여 금속담체를 제조하였다. 금속담체의 납땜 구조는 제16도에 나타내었다. 이 금속담체에 촉매를 담지시키고, 가열 사이클 시험과 진동시험을 겸한 내구성 시험(가열 사이클 시험 1,000℃×12분→강제냉각×3분, 배기가스 흐름: 10㎥/분, 진동시험: 20∼500Hz의 주파수, 30G의 가속도, 6분의 스위프 타임(정현파))을 행하였다. 300시간 동안 시험한 경우, 파형판과 평판으로 구성된 금속 허니컴 코어체 내의 약간의 셀 변형을 제외하고는, 본 발명의 금속담체의 박편은 조금도 부서지지 않았다.
[비교예1]
50㎛ 두께의 페라이트형 스테인리스 강철 평판과, 상기 평판을 주름지게 하여 형성한 파형판을 둥글게 감아서 원통형 금속 허니컴 코어체를 형성하고, 이를 배기가스 입구측과 출구측 단면으로부터 15㎜의 폭으로 침지(dipping)에 의해 납땜재를 도포한 1.5㎜ 두께의 페라이트형 스테인리스 강철로 된 외부 실린더 내로 삽입하고, 진공납땜(1.2000℃, 10-5torr하에서 20분동안)을 행하여 금속담체를 제조하였다. 생성 금속담체는 제13도에 나타내었다. 제13도에서 납땜재(4)가 파형판의 표리면상의 동일 위치에 도포되어 있다. 이 금속담체에 촉매를 담지시키고, 가열 사이클 시험(1,000℃×30분→냉각×10분)을 행하였다. 그 결과 83시간의 시험 후에는 금속 허니컴 코어체의 외주상의 박편이 파손되고 셀 변형도 발생했다. 또한 20∼500Hz의 진동 주파수와 30G의 가속도 하에서 20시간동안 진동 시험을 한 결과, 금속 허니컴 코어체가 전위하였고 접합부도 파손되었다.
[비교예2]
50㎛ 두께의 페라이트형 스테인리스 강철 평판으로 형성한 파형판을 평판과 함께 적층하여 둥글게 감아 허니컴 코어를 제조했다. 이 공정에서 20㎛ 두께, 2㎜ 넓이의 비정질 박편 땜납(41)을 표면상의 단면으로부터 각각 5㎜와 15㎜ 떨어진 위치에 또한 이면상의 단면으로부터 10㎜와 20㎜ 떨어진 위치에 공급하고, 양 판을 적층하고, 이를 둥글게 감아 허니컴 코어를 제조했다. 또한 1.5㎜ 두께의 금속외통 내로 밀어 넣은 금속 허니컴 코어체의 외주상이 단면으로부터 5㎜ 떨어진 위치에 15㎜ 넓이의 비정질 박편 땜납을 감고, 진공납땜(1,200℃, 10-5torr하에서 20분동안)을 행하여 직경이 50㎜이고, 길이가 50㎜인 금속담체(금속 허니컴 코어체의 길이: 40㎜를 제조하였다. 이 금속담체는 제14도에 나타내었다. 제14도에서 참조번호 41'는 파형판의 표면상에 비정질 박편 땜납으로 납땜한 부분을 가리키고, 42'는 파형판의 이면상에 비정질 박편땜납으로 납땜한 부분을 가리킨다. 금속담체는 실시예 1과 마찬가지로 단면으로부터 금속 허니컴 코어체의 길이의 10%인 비접합 영역을 가지며, 금속 허니컴 코어체는 동일 표면상의 축방향에 수직으로 4개의 접합줄로 접합하였다.
이 금속담체상에 촉매를 담지시키고 가열 사이클 시험(1,000℃×30분→냉각×10분)을 행하였다. 300시간 동안 시험한 경우, 금속담체의 셀 변형이 약간 발생하였고, 비정질 박편 땜납으로 접합한 부분이 부서졌다. 또한 20∼500Hz의 진동 주파수, 30G의 가속도에서 20시간 동안 진동시험을 한 경우, 비정질 박편 땜납으로 납땜한 부분이 부서졌고, 금속 허니컴 코어체가 전위되었다.
또한 비정직 박편 땜납은 붕소를 함유하기 때문에, 접합부가 상당히 산화되었다.
[비교예3]
50㎛두께의 페라이트형 스테인리스 강철 평판을 주름지게 하여 형성한 파형판의 표리면에, 단면으로부터 5㎜와 15㎜ 떨어진 위치에 수용성 접합제와 50㎛ 이하의 분말상 납땜재로 구성된 슬러리로 도포하고, 평판과 함께 적층한 후 둥글게 감아서 금속 허니컴 코어체를 제조했다. 다음에 1.5㎜ 두께의 금속외통의 내면상에 단면으로부터 5㎜ 떨어진 위치에 15㎜의 폭으로 유기 접합제와 분말상 납땜재로 구성된 슬러리를 도포하고, 건조시킨 후 금속 허니컴 코어체를 금속외통 내로 밀어 넣었다. 그 후 진공납땜(1,200℃, 10-5torr하에서 20분 도안)을 행하여 직경이 50㎜이고 길이가 50㎜인 금속담체(금속 허니컴 코어체의 길이: 40㎜)를 제조했다. 생성 금속담체는 제15도에 나타내었다. 진공납땜후의 금속 허니컴 코어체는 평판과 파형판과 사이에 비접합 영역을 구비하고 있다. 또한 평판과 파형판의 접합부에는 두께가 120㎛인 납땜재가 형성되어 있다. 이 금속담체의 납땜재 부의 펀칭강도는 실시예1의 펀칭강도에 비해 절반에 불과했다.
[비교예4]
50㎛ 두께의 페라이트형 스테인리스 강철 평판(31)을 주름지게 하여 형성한 파형판(32)을 평판과 함께 적층하고 둥글게 감아서 금속 허니컴 코어체를 제조하였다. 두께가 20㎛이고 넓이가 10㎜인 박편 땜납을 금속 허니컴 코어체 각각의 단면 주위에 감고, 금속 허니컴 코어체를 1.5㎜ 두께의 금속외통(2)내로 밀어 넣었다. 다음에 분말 납땜재와 접합제로 된 슬러리를 금속 허니컴 코어체의 단면으로부터 10㎜의 폭으로 침지에 의해 도포하였다. 그 후 금속 허니컴 코어체에 납땜(1,200℃, 10-5torr 하에서 20분 동안)을 행하여 금속담체를 제조했다. 금속담체의 납땜 구조는 제18도에 나타내었다. 이 금속담체에 촉매를 담지시키고 가열 사이클 시험과 진동 시험을 겸한 내구성 시험(가열 사이클 시험:1,000℃×12분→강제 냉각×3분, 배기가스 흐름10㎥/분, 진동시험:20∼500Hz의 주파수, 30G의 가속도, 5분의 스위프타임(정현파))을 행하였다. 100시간의 시험결과, 금속담체 주위의 약 60%가 부서지고, 또한 텔레스코핑(telescoping)이 발생했다.
[비교예5]
50㎛ 두께의 페라이트형 스테인리스 강철 평판(31)을 주름지게 하여 형성한 파형판(32)을 평판과 함께 적층하고, 이를 둥글게 감아 금속 허니컴 코어체를 제조하였다. 접합제와 분말 납땜재로 된 슬러리를 금속 허니컴 코어체의 단면으로부터 10㎜의 폭으로 침지에 의해 도포하고, 납땜(1,200℃, 10-5torr하에서 20분 동안)을 행하여 금속 허니컴 코어체를 제조하였다. 다음에 두께가 20㎛이고, 넓이가 10㎜인 박편 땜납을 금속 허니컴 코어체의 중심 주위에 감고, 금속 허니컴 코어체를 1.5㎜두께의 금속외통(2) 내로 밀어넣은 다음 다시 납땜을 행하여 금속담체를 제조했다. 금속담체의 납땜 구조는 제19도에 나타내었다. 이 금속 담체상에 촉매를 담지시키고, 가열 사이클 시험과 진동시험을 겸한 내구성 시험(가열 사이클 시험: 1,000℃×12분→강제쟁각×3분, 배기가스 흐름: 10㎥/분, 진동시험: 20∼500Hz의 주파수, 30G의 가속도, 5분의 스위프타임(정현파))을 행하였다. 80시간의 시험 결과, 금속외통과 금속 허니컴 코어체 사이의 납땜한 부분이 부서져서, 금속 허니컴 코어체가 금속담체의 축 방향으로 전위하였다.
[산업상 이용성]
본 발명에 의한 허니컴 구조와 그 제조방법을 이용하면, 내구성이 뛰어난 자동차, 오토바이, 산업용 기계용 배기가스 정화용 금속담체를 얻을 수 있다.

Claims (11)

  1. 평판(31)과 파형판(32)을 적층하고 둥글게 감아서 형성한 금속 허니컴 코어체(3)와, 상기 금속 허니컴 코어체(3)의 외주를 금속외통(2)으로 둘러싸서 접합한 것으로 구성된 배기가스 정화용 금속담체에 있어서, 평판(31)과 파형판(32)의 접합부는 파형의 피크에 도포된 납땜재의 복수의 접합점이나 접합 줄로 구성되고, 평판(31)과 파형판(32)의 접합부의 납땜재는 100㎛ 이하의 두께를 가지며, 평판(31)과 파형판(32)의 접합부의 위치는 표리면 사이에서 다르게 하며, 또한 배기가스 입구측의 금속 허니컴 코어체(3) 단면으로부터 상기 허니컴 코어체 길이의 5% 이상의 길이인 비접합부가 걸쳐서 존재하게 하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 금속담체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속외통(2)의 내면과 상기 금속 허니컴 코어체(3)의 외면의 접합부가 복수의 접합 줄로 구성된 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 금속담체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속 허니컴 코어체(3)의 최외면에서의 접합부가 상기 금속외통(2)의 접합부와 일치하지 않고, 또한 상기 금속 허니컴 코어체(3)와 상기 금속 외통(2)이 축방향과 방사상 방향으로 간헐적으로 접합된 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 금속담체.
  4. 노즐을 구비한 복수의 슬러리 공급장치를 파형판의 파형 방향에 평행하게 다중 스테이지로 배치하는 공정과, 분말상 납땜재와 접합제로 된 슬러리를 슬러리 공급장치에 의해 파형판의 이동에 따라 파형 피크의 미리 결정된 위치에 도포하는 공정과, 파형판과 평판을 적층하고, 이를 둥글게 감아 금속 허니컴 코어체를 형성하는 공정과, 분말상 납땜재와 접합제로 된 슬러리를 금속외통의 내면상에서 상기 금속 허니컴 코어체의 단면으로부터 상기 금속 허니컴 코어체 길이의 5% 이상에 대응하는 길이 만큼 떨어진 위치에 도포하는 공정과, 상기 금속 허니컴 코어체를 상기 금속외통 내로 밀어넣는 공정과, 납땜에 의해 상기 금속 허니컴 코어체와 상기 금속외통을 접합하는 공정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 금속담체의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 분말상 납땜재와 접합제로 된 슬러리를 슬러리 공급장치에 의해 도포하고, 파형 피크에 도포한 슬러리를 파형판의 종단 및 횡단 방향으로 브러쉬 또는 롤러에 의해 퍼뜨려 도포 두께를 균일화하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 금속담체의 제조방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 복수의 금속 허니컴 코어체를 상기 금속외통에 축방향으로 연속하여 밀어 넣는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 금속담체의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 금속외통을 만곡시키고저 하는 곡률로 만곡시키는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 금속담체의 제조방법.
  8. 평판과 파형판을 접합하여 형성하고 또한 금속외통 내로 축방향으로 연속하여 밀어 넣은 복수의 금속 허니컴 코어체를 포함하는 배기가스 정화용 금속담체의 제조방법에 있어서, 상기 방법은 파형판의 파형 피크에 슬러리상 납땜재를 점이나 줄의 형상으로 도포하는 공정과, 평판과 파형판을 적층하고 둥글게 감아서 금속 허니컴 코어체를 형성하는 공정과, 파형판의 파형 피크에 도포된 슬러리상 납땜재는 유동성을 가지나 상기 금속외통의 내벽면상에 도포된 납땜재는 유동성을 가지지 않는 상태에서 상기 금속 허니컴 코어체를 상기 금속외통 내로 밀어 넣어 양자를 달라붙게 하는 공정과, 만곡시키고저 하는 정도로 만곡시키는 공정과, 건조시키는 공정과, 납땜 열처리를 행하여 상기 금속 허니컴 코어체와 상기 금속외통을 접합시키는 공정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 금속담체의 제조방법.
  9. 평판과 파형판을 접합하여 형성하고, 또한 만곡된 금속외통 내로 축방향으로 연속하여 밀어 넣은 복수의 금속 허니컴 코어체를 포함하는 배기가스 정화용 금속담체의 제조방법에 있어서, 상기 방법은 파형판의 파형 피크에 슬러리상 납땜재를 도포하고, 평판과 파형판을 적층하고 이를 둥글게 감아서 금속 허니컴 코어체를 형성하는 공정과, 파형판의 파형 피크에 도포된 슬러리상 납땜재는 유동성을 가지나 상기 금속외통의 내벽면상에 도포된 납땜재는 유동성을 가지지 않는 상태에서 상기 금속 허니컴 코어체를 상기 금속외통 내로 밀어 넣는 공정과, 만곡시키고저 하는 곡률로 상기 금속외통을 만곡시키는 공정과, 양자를 달라붙게 하여 건조시키는 공정과, 납땜 열처리를 행하여 상기 금속 허니컴 코어체와 상기 금속외통을 만곡된 상태에서 접합시키는 공정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 금속담체의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 금속외통을 곡선으로 만곡시킨 후 상기 금속외통을 새로운 모양으로 형성하는 것을 특징으로 하는 배기가스 정화용 금속담체의 제조방법.
  11. 평판(31)과 파형판(32)을 적층하고 둥글게 감아서 형성한 금속 허니컴 코어체(3)와 상기 금속 허니컴 코어체(3)의 외주를 둘러싸는 금속외통(2)을 접합하기 위한 분말상 납땜재와 바인더의 혼합물을 포함한 현탁액상 납땜재를 금속외통 내면의 도포코저 하는 위치에 도포하는 장치에 있어서, 상기 금속외통(2)을 도포하는 위치로 운반하는 금속외통(2) 반입 장치와 상기 금속외통(2) 반입장치로 금속외통(2)을 수취하고, 이것을 회전지지하는 금속외통(2) 회전지지장치와 상기 금속외통(2)의 회전지지장치에 있는 금속외통(2)의 내주면에 납땜재 물질을 도포하기 위한 납땜재 도포장치와 상기 금속외통(2)의 내주면에 도포된 납땜재 물질을 균일한 두께로 넓히기 위한 확포수단과 상기 납땜재를 도포, 확포후에 금속외통(2)을 철거, 회수하기 위한 금속외통(2) 철거, 회수장치로 되고 상기 금속외통(2)이 반입장치에 의해서 반입코저 하는 위치로 반입된 때에 상기 금속외통(2) 회전지지장치를 회전하고 납땜재 도포장치를 작동하는 것으로 된 것을 특징으로 하는 금속외통 내면으로의 납땜재 도포장치.
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