Verfahren zum Herstellen eines gelöteten Wabenkörpers unter Verwendung schichtartig aufgebauter Bleche

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Waben¬ körpers, bei dem Metallbleche lagenweise geschichtet und/oder gewickelt werden, die zumindest teilweise eine Struktur zur Bildung von für ein Fluid durchströmbaren Kanälen aufweisen.

Ein 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.

Durch 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. Durch die US 5,366,139 ist es bekannt, die Wärmebehandlung zunächst unter Vakuum oder unter reduzierender und abschließend unter oxidierender Atmosphäre durchzuführen. Durch die Behandlung des Blechs in oxidierender Atmosphäre bildet sich auf dem Blech eine Oxidhaut, welche insbesondere als Haftschicht für einen später aufzubringenden Washcoat dient. Die Her¬ stellung solcher Bleche ist relativ kostenintensiv, da die Bleche zur Homoge¬ nisierung einer Wärmebehandlung unterzogen werden müssen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Wabenkörpers anzugeben, der kostengünstig herstellbar, aber sehr korrosionsbeständig und mechanisch belastbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Wabenkörpers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Waben¬ körpers wird vorgeschlagen, die Wärmebehandlung des geschichtet aufge- bauten Blechs als einen Teil eines Lötprozesses durchzuführen, bei dem die Berührungsstellen zwischen den Blechlagen zumindest teilweise untereinander verlötet werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden die Kosten der Herstellung eines Wabenkörpers verringert, da eine vorhergehende Wärmebehandlung zur weitgehenden Homogenisierung des geschichteten Materials entfällt und diese Homogenisierung durch die zur Durchführung des Lötprozesses notwendige Wärmezufuhr zu den Blechlagen erfolgt. Somit wird in einem einzigen Wärmebehandlungsvorgang bei der Herstellung des Wabenkörpers eine Homogenisierung der Blechlagen aus einem geschichteten Material erreicht. Ferner wird mit dem Wärmebehandlungsschritt die Aus- bildung einer Oxidschicht auf den Blechlagen erreicht, die als Haftschicht

für einen Washcoat dient, und zum anderen der Lötprozeß als solcher durchgeführt.

Vorzugsweise wird die Wärmebehandlung zunächst unter Vakuum oder unter reduzierender Atmosphäre durchgeführt, wobei nach Erreichen einer Maxi¬ maltemperatur während der Abkühlphase eine Atmosphäre mit einem gerin¬ gen Sauerstoffpartialdruck, insbesondere einem Sauerstoffpartialdruck von weniger als 1 Torr eingestellt wird. Eine solche Verfahrensführung hat den Vorteil, daß auf den Metallblechen eine Aluminiumoxidschicht entsteht, welche besonders als Haftgrund für einen Washcoat geeignet ist.

Durch 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. Außerdem bewirkt das Bor ein besseres Benetzungsverhalten des Lotes und damit qualitativ hochwertige Lötverbindungen.

Insbesondere 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 eines nach dem Verfahren hergestellten Wabenkörpers erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Wabenkörper in der Vorderansicht gemäß

Stand der Technik,

Fig. 2 eine Metallblechlage mit geschichtetem Aufbau gemäß Stand der Technik,

Fig. 3 eine Berührungsstelle zwischen einer Metallblechlage mit einem geschichteten Aufbau und einer Metallblechlage aus einem im wesentlichen homogenen Stahl während einer Homogenisierung,

Fig. 4 die Berührungsstelle nach Fig. 3 nach der Wärmebehandlung und

Fig. 5 schematisch ein Temperatur-Zeit-Diagramm.

In der Fig. 1 ist ein Wabenköφer 1 dargestellt. Der Wabenkörper 1 besteht aus lageweise geschichteten und gewickelten hochtemperaturkorrosionsbeständi- gen Metallblechlagen. Der Wabenköφer 1 ist aus abwechselnden Lagen glatter und gewellter Bleche 2, 3 hergestellt. Die glatten Bleche 2 bestehen aus einem im wesentlichen homogenen zumindest Chrom und Aluminium enthaltenden Stahl. Die gewellten Bleche 3 weisen einen geschichteten Aufbau auf. Die geschichteten Bleche 3 enthalten eine innere Schicht 4 aus einem Chrom enthaltenden Stahl. Auf den beiden Seiten der inneren Schicht

4 sind jeweils Schichten 5, 6 aufgebracht, die im wesentlichen aus Alumini¬ um bestehen, wie dies aus der Fig. 2 ersichtlich ist. Die in der Fig. 2 dargestellte Metallblechlage mit geschichtetem Aufbau weist eine Erschei¬ nungsform auf, wie sie vor der Wärmebehandlung ist. Der aus lagenweise geschichteten und gewickelten Metallblechen herstellte Wabenkörper 1 weist eine Struktur auf zur Bildung von für ein Fluid durchströmbaren Kanälen 7 auf. Die Blechlagen 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 üblichen Löttechniken mit den Blechen verbunden werden.

In der Fig. 3 ist eine Berührungsstelle eines glatten Blechs 2 mit einem gewellten Blech 3 dargestellt. Das gewellte Blech 3 weist einen geschichteten Aufbau auf. Zwischen dem gewellten Blech 3 und dem glatten Blech 2 ist im Umgebungsbereich der Berührungsstelle 9 eine Loteinlage 10 eingebracht. Die Fig. 3 zeigt eine Momentaufnahme während eines Wärmebehandlungs¬ abschnittes, in dem der geschichtete Aufbau des Blechs 3 homogenisiert wird. Während des Wärmebehandlungsschritts diffundiert Aluminium, welches in den Schichten 5 und 6 enthalten ist in die innere Schicht 4. Die Diffu¬ sionsrichtung des Aluminiums ist mit Pfeilen angedeutet. Im unteren Bie¬ geabschnitt des gewellten Blechs 3 hat sich bereits eine fast homogenisierte Zone 11 ausgebildet. Die Homogenisierungstemperatur liegt unterhalb der Schmelztemperatur der Loteinlage 10.

Nachdem der Homogenisierungsvorgang abgeschlossen wurde, wird die Temperatur des Wabenköφers bis zu einer Löttemperatur erhöht, bei der die Loteinlage 10 in einen flüssigen Zustand übergeht. Das geschmolzene Lot bildet zwischen dem gewellten Blech 3 und dem glatten Blech 2 beidseits der Berührungsstelle 9 einen Miniskus 13.

Während des Wärmebehandlungsschrittes kann an Stellen, an denen sich kein Lot befindet, ein Teil des Aluminiums, das die Schicht 6 bildet, in das glatte Blech 2 hinein diffundieren. Aluminium-Stahl-Legierungen haben einen wesentlich geringeren Schmelzpunkt als Stahl, so daß sich die innere Schicht 4 des gewellten Blechs und das glatte Blech 2 vorübergehend verflüssigen und eine innige Verbindung im Umgebungsbereich der Berührungsstelle 9 entsteht, die die durch Löten an anderen Stellen entstehenden Verbindungen ergänzt. Mit 12 ist ein aluminiumhaltiger Bereich des glatten Blechs 2 bezeichnet. Aufgrund des Konzentrationsgradienten wandert das Aluminium wie durch die Pfeile in der Fig. 4 angedeutet weiter in das Blech 2 hinein, wodurch wieder eine Verarmung des Aluminiumgehaltes in dem Bereich 12 eintritt und dadurch der Schmelzpunkt des Bereichs 12 sich erhöht, so daß die Verbindungsstelle erstarrt.

In der Fig. 5 ist schematisch ein Temperatur-Zeit-Diagramm dargestellt. Der Wabenköφer wird beispielsweise in einem Vakuumlötofen bis zu einer Homogenisierungstemperatur T _H erwärmt. Der Wabenköφer wird auf der Homogenisierungstemperatur für eine Zeit t _H gehalten, bis eine vollständige Homogenisierung der Blechlagen mit geschichtetem Aufbau eingetreten ist. Die Homogenisierungstemperatur T _H liegt unterhalb der Löttemperatur T _L . Nachdem die Homogenisierung der geschichtet aufgebauten Blechlagen eingetreten ist, wird die Temperatur innerhalb des Ofens bis zur Löttempera¬ tur T _L erhöht. Die Löttemperatur kann bei etwa 1150 °C liegen. Um eine vollständige Durchlötung des Wabenköφers zu erzielen, wird der Ofen für eine Zeit t _L auf der Löttemperatur gehalten. An den Lötvorgang schließt sich ein Abkühlvorgang an, wobei in die Atmosphäre des Ofens vorzugs¬ weise ganz geringe Mengen an Sauerstoff eingeleitet werden und der Sauer¬ stoffpartialdruck innerhalb des Ofens weniger als 1 Torr beträgt. Während der Abkühlphase des Wabenköφers bildet sich dadurch auf den Blechen 2,

3 eine Aluminiumoxidhaut aus, welche als Haftgrund für einen Washcoat dienen kann.

Der in der Fig. 5 dargestellte Verlauf der Temperatur über der Zeit ist beispielhaft. Es ist auch möglich, daß bei entsprechender Ausgestaltung der Wabenköφer und des Ofens die Homogenisierung bereits vollständig bis zur Erreichung der Löttemperatur erfolgt ist, ohne daß der Ofen für eine bestimmte Zeit auf einer vorgegebenen Homogenisierungstemperatur T _H gehalten werden muß.

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

Bezugszeichenliste:

1 Wabenköφer 2 glattes Blech

3 gewelltes Blech

4 innere Schicht

5, 6 Aluminiumschicht

7 Kanal 8 Mantelrohr

9 Berührungsstelle

Loteinlage 1 Diffusionszone 2 Bereich 3 Miniskus