Layered sheet metal with rolled-on solder and process for manufacturing a honeycombed body therefrom

Description of equivalent WO 9707889 A1

BESCHREIBUNG

0002Schichtartig aufgebaute Bleche mit aufgewalztem Lotmaterial und Verfahren zum Herstellen eines Wabenkörpers daraus

0003Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Waben¬ körpers, bei dem Metallblechlagen gestapelt und/oder gewickelt werden, die zumindest teilweise eine Struktur zur Bildung von für ein Fluid durchström¬ baren Kanälen aufweisen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auch auf geschichtete Metallbleche mit einer äußeren Aluminiumschicht zur Herstellung solcher Wabenkörper, die vor allem in Abgasreinigungsanlagen von Kraft¬ fahrzeugen Anwendung finden.

0004Ein Wabenkörper der vorstehend genannten Art ist beispielsweise durch die WO 89/07488 bekannt. Der Wabenkörper dient als Träger eines Katalysa¬ tors, der die Umsetzung von Komponenten eines Abgases, insbesondere eines Abgases aus einem Verbrennungsmotor, in weniger umweltbelastende Ver¬ bindungen begünstigt. Die Wabenkörper sind hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Neben den mechanischen und thermi¬ schen Belastungen sind die Metallbleche einer die Korrosion fördernden Atmosphäre ausgesetzt. Es ist daher wünschenswert, zur Herstellung eines Wabenkörpers Metallbleche mit hoher Korrosionsbeständigkeit zu verwenden.

0005Durch die US 5,366, 139 ist es bekannt, für Wabenkörper Metallbleche zu verwenden, die zunächst aus einem geschichteten Material bestehen. Solche Bleche weisen mindestens eine Schicht aus Chrom enthaltendem Stahl und mindestens eine im wesentlichen Aluminium enthaltende Schicht auf. Ein solches geschichtetes Blech wird einer Wärmebehandlung unterzogen, wobei das Blech weitgehend homogenisiert wird. Unter Homogenisierung des Bleches wird eine Diffusion des Aluminiums in den Stahl verstanden, so daß im wesentlichen ein einschichtiges Blech aus Stahl mit Aluminium entsteht.

0006Aus der DE-OS 29 24 592 sind verschiedene Verfahren zum Aufbringen von Lotmaterial auf solche Bleche bzw. daraus hergestellte Wabenkörper bekannt. Alle diese Verfahren erfordern einen erheblichen Aufwand und zusätzliche Fertigungsschritte.

0007Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Wabenkörpers anzugeben, das möglichst wenige Fertigungs¬ schritte enthält, aber trotzdem zu einem korrosionsbeständigen und mecha- nisch belastbaren Wabenkörper führt. Außerdem soll ein geeignetes Metall¬ blech aus Verbundmaterial zur Herstellung solcher Körper geschaffen wer¬ den.

0008Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Wabenkörpers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , bzw. durch ein Metallblech mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegen¬ stand der jeweils abhängigen Ansprüche.

0009Bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Bleches wird gleichzeitig mit dem Zusammenwalzen der tragenden Metallschichten auch das zur späteren äußeren Verbindung benötigte Lotmaterial aufgewalzt. Damit entfallen auf¬ wendige Fertigungsschritte, die mit dem späteren Aufbringen und Fixieren von Lot zu tun haben. Der Wabenkörper braucht nur noch gewickelt oder geschichtet zu werden und kann anschließend dem Lötprozeß zugeführt werden. Das Aufbringen von Lotmaterial bei einem Walzprozeß, bei dem ohnehin verschiedene Schichten zusammengewalzt werden, ist weit weniger aufwendig als das spätere Beloten der Bleche oder Wabenkörper.

0010Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten der Belotung und der Anordnung von Lötverbindungen eines Wabenkörpers bekannt. Durch strei¬ fenweises Anordnen des Lotmaterials auf der Oberfläche der Bleche können fast alle gewünschten Konfigurationen der späteren Lötstellen erreicht wer¬ den. Bevorzugt werden Streifen einer Breite von 2 bis 10 mm, insbesondere etwa 5mm. Je nach Bautyp können die Streifen auf einer oder beiden Seiten und an einem oder beiden Rändern angeordnet sein. Es ist insbesondere auch möglich, nur die Hälfte der Blechlagen für einen Wabenkörper, ins¬ besondere glatte Blechlagen, mit Lotschichten zu versehen, während die übrigen Bleche ohne Lotmaterial hergestellt werden.

0011Bei der besonders vorteilhaften Verwendung von Nickelbasislot für die Lotmaterialstreifen können diese beim gemeinsamen Walzvorgang mit dem Aufwalzen von Aluminiumschichten aufgebracht werden, wobei sich das relativ härtere Nickel material in die Aluminiumschicht drückt, so daß trotz der Streifen eine nahezu erhebungsfreie Oberfläche entsteht. Es können dabei Lotfolien oder auch Lotdraht oder aufgestreutes Lotpulver verwendet werden. Bei der Verwendung von Lotdraht kann dieser, abhängig von der Wahl des Lotmaterials, der Walzenkonfiguration und der Art der Prozeßführung, beim Einwalzen nur leicht plattgedrückt oder zu breiten Streifen verformt werden.

0012Herkömmlich aufgetragene Lotschichten von beispielsweise einer lokalen Dicke von mehr als 10 μ führen u.U. zur mechanischen Instabilität eines Wabenkörpers, da das Lot beim Lötvorgang verfließt und sich vorher unter Spannung gesetzte Wabenkörper auf diese Weise entspannen können. Da¬ gegen braucht die Lotdicke bei dem fertigen gewalzten Blech beispielsweise nur etwa 0,5 bis 3 μ zu betragen. Wegen der Reduzierung der Anzahl der Verfahrensschritte ermöglicht die vorliegende Erfindung eine kostengünstigere Produktion der geschichteten und mit Lot versehenen Bleche, insbesondere eine kostengünstige Produktion breiter Blechstreifen. Die für Wabenkörper benötigten Blechstreifen werden unter Umständen in unterschiedlicher Breite daraus geschnitten. Daher ist beim Einwalzen des Lotes auf geeigneten Abstand der Lotstreifen zu achten, um überflüssigen Verschnitt zu vermeiden.

0013Durch die Verfahrensführung und die Verwendung eines geschichteten Materials, welches mindestens eine Schicht aus Chrom enthaltendem Stahl und mindestens eine im wesentlichen Aluminium enthaltende Schicht auf¬ weist, kann das Lotmaterial ein Nickelbasislot sein, wobei die maximale Löttemperatur bei 1100 bis 1150 °C beträgt. Vorzugsweise enthält das Lotmaterial zwischen 0,5 und 8 % Bor, insbesondere 3 bis 6 % Bor. Bor im Lotmaterial dient als Diffusionsbeschleuniger, so daß eine zeitliche Verkürzung des Lötprozesses bei gleichwertigen Lötverbindungen erreicht wird. Eine Verkürzung des Lötprozesses hat zur Folge, daß höhere Durch¬ laufraten durch einen Lötofen ermöglicht werden. Durch den erreichbaren hohen Aluminiumgehalt der homogenisierten Bleche können nachteilige Eigenschaften des Boranteils für die Korrosionsbeständigkeit des geschichteten Materials ausgeglichen werden.

0014Insbesondere ist es vorteilhaft, daß die Wärmebehandlung zunächst in einem Temperaturbereich durchgeführt wird, in dem das Lotmaterial noch nicht schmilzt. Nach einer weitgehenden Homogenisierung der geschichteten Bleche wird die Temperatur bis zu der Schmelztemperatur des Lotmaterials erhöht. Diese Verfahrensführung hat den Vorteil, daß sichergestellt wird, daß eine weitgehende Homogenisierung der geschichteten Bleche erreicht und dann eine haltbare Lötverbindung geschaffen wird. Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

0015Fig. 1 schematisch einen Wabenkörper im Querschnitt, gemäß dem Stand der Technik,

0016Fig. 2 ein Metallblech aus einem geschichtetem Material mit einer

0017Lotschicht,

0018Fig. 3 ein Metallblech aus einem geschichtetem Material mit mehre¬ ren eingewalzten Lotstreifen in schematisch perspektivischer Sicht und

0019Fig. 4 ein Metallblech aus einem geschichteten Material mit drei Schichten, davon einer Lotschicht.

0020In der Fig. 1 ist ein Wabenkörper 1 dargestellt. Der Wabenkörper 1 besteht aus gestapelten und gewickelten hochtemperaturkorrosionsbeständigen Metall- blechlagen. Der Wabenkörper 1 ist abwechselnd aus glatten und gewellten Blechlagen 2, 3 hergestellt. Die glatten und die gewellten Lagen 2, 3 weisen einen geschichteten Aufbau auf. Es ist aber auch möglich, einen Wabenkörper teilweise aus homogenen Metallblechlagen und teilweise aus ge¬ schichtetem Material herzustellen. Bei dem geschichteten Material sind auf beiden Seiten einer inneren Schicht 4 jeweils Schichten 5, 6 aufgebracht, die im wesentlichen aus Aluminium bestehen, wie dies aus der Fig. 2 ersichtlich ist. Das in der Fig. 2 dargestellte geschichtete Material weist, wie auch das in Fig. 3 und Fig. 4, eine Erscheinungsform auf wie sie vor der Wärmebe¬ handlung ist. Der Wabenkörper 1 weist eine Struktur zur Bildung von für ein Fluid durchströmbaren Kanälen 7 auf. Seine Metallblechlagen sind in einem Mantelrohr 8 angeordnet. Das Mantelrohr 8 weist vorzugsweise auf seiner Innenseite zumindest in Teilbereichen eine im wesentlichen aus Aluminium bestehende Schicht auf. Es kann aber auch allein oder zusätzlich mit übli¬ chen Löttechniken mit den Metallblechlagen verbunden werden. Auch ist es möglich, einen Wabenkörper ohne Verwendung eines vorgefertigten Mantel¬ rohres herzustellen, beispielweise indem eine glatte Metallblechlage um eine Struktur aus gestapelten und gewickelten Metallblechlagen herumgewickelt und mit sich selbst verlötet wird.

0021Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 zeigen verschiedene Ausführungsformen für erfin¬ dungsgemäße Metallbleche. Diese Ausführungsformen sind jedoch lediglich Beispiele. Je nach Ort, Anzahl und Größe der gewünschten Lotverbindungen können Lotschichten, Lotstreifen oder andere Lotmuster auf einer oder beiden Seiten außen auf das geschichtete Material gewalzt werden. Es ist auch möglich, Lotmaterial in das Innere eines geschichteten Materials ein¬ zuwalzen. Vorteilhaft kann dies zum Beispiel sein, wenn Lotdraht zuerst teilweise plattgewalzt werden soll. Danach kann dann eine Schicht aufgewalzt werden, die aus weicherem Material als das Lotmaterial ist, so daß sich das Lotmaterial durch diese Schicht hindurchdrückt bis es an die Oberfläche des geschichteten Materials gelangt. Anders als bei den Ausführungsformen von Fig. 2 und Fig. 3, wo ausschließlich auf Aluminiumschichten 5, 6 gewalztes Lotmaterial 9; 9a, 9b, 9c dargestellt ist, kann das Lotmaterial 9; 9a, 9b, 9c auch außen auf eine Metallschicht aus einem anderem Material gewalzt werden, beispielsweise wie in Fig. 4 gezeigt auf eine außen liegende Chrom enthaltende Stahlschicht.

0022Wie Fig. 3 zeigt, ist es vielfach wünschenswert, das Lot nur in Streifen 9a, 9b, 9c an Teilbereichen der durch Aufwalzen entstandenen Verbundober- fläche zu plazieren. Dies kann auf einer oder beiden Seiten der Bleche erfolgen. Bevorzugt werden Streifen 9a, 9c an mindestens einem Randbereich der Bleche, die später zu stirnseitigen Lötverbindungen im herzustellenden Wabenkörper führen, da die Bleche eine Breite b haben, die der späteren axialen Länge des Wabenkörpers 1 entspricht. Anders als in den in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispielen mit einer Lotmaterialschicht bzw. mit Lotmaterialstreifen ortsunabhängiger Dicke d kann das Lotmaterial auch eine ortsabhängige Dicke aufweisen. Beispielsweise können durch das Auf¬ walzen von Lotdraht und Lotpulver solche Ausführungen entstehen.

0023Das erfindungsgemäße Verfahren ist für Wabenkörper anwendbar, die ganz oder teilweise aus schichtartig aufgebauten Blechenlagen bestehen und führt kostengünstig zu mechanisch belastbaren hochtemperaturkoπosionsbeständigen Körpern, die besonders für Abgaskatalysatoren von Kraftfahrzeugen geeignet sind.

0024Bezugszeichenliste:

00251 Wabenkörper

00262 gewellte Metallblechlage

00273 glatte Metallblechlage

00284 Chrom enthaltende Stahlschicht

00295 Schicht, die im wesentlichen Aluminium enthält 6 Schicht, die im wesentlichen Aluminium enthält

00307 Kanäle

00318 Mantelrohr

00329 Lotmaterialschicht 9a-9c Lotmaterialstreifen 10-12 geschichtetes Material b Breite der Bleche = axiale Länge des Wabenkörpers d Dicke des Lotmaterials (senkrecht zur Verbundoberfläche)