Verfahren zur Herstellung einer Eisen-Chrom-Aluminium-Folie und ihre Verwendung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft Eisen-Chrom-Aluminium-Folien mit Zusätzen von Seltenen Erden oder anderen reaktiven Metallen, welche sich insbesondere für die Herstellung von Trägern für Abgaskatalysatoren eignen, die bei hohen Temperaturen arbeiten.

[0002] Nach dem bekannten Stand der Technik werden Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen für die Herstellung von Folien verwendet, welche zu Formkörpern verarbeitet werden, die als Träger für beispielsweise Kraftfahrzeug-Abgas-Katalysatoren Verwendung finden. So beschreibt beispielsweise US-Patent 4,414,023 einen Stahl mit 8,0 - 25,0 % Cr, 3,0 - 8,0 % Al, 0,002 - 0,06 % SE, max. 4,0 % Si, 0,06 - 1,0 % Mn, 0,035 - 0,07 % Ti, 0,035 - 0,07 % Zr, einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen, und die europäische Patentanmeldung 0 387 670 A1 eine Legierung mit 20 - 25 % Cr, 5 - 8 % Al, max. 0,01 % P, max. 0,01 % Mg, max. 0,5 % Mn, max. 0,005 % S, Rest Fe, einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen, max. 0,03 % Y, 0,004 % N, 0,02 - 0,04 % C, 0,035 - 0,07 % Ti und 0,035 - 0,07 % Zr. Beide Patente gehen von traditionellen Herstellungsverfahren, dem konventionellen Gießen der Legierung und dem anschließenden Warm- und Kaltverformen aus. Hier muß allerdings der Nachteil in Kauf genommen werden, daß Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen durch konventionelle Walz- und Glühprozesse schwer herstellbar sind, wie dies in US-Patent 5,366,139 bereits erwähnt wird.

[0003] Bei Aluminiumgehalten von mehr als etwa 6 % werden die mit den konventionellen Walz- und Glühprozessen verbundenen Probleme sogar so groß, daß ein Verarbeiten dieser Legierung im großtechnischen Maßstab praktisch nicht mehr möglich ist, so daß derart hochaluminiumhaltige Legierungen im Markt bisher gar nicht angeboten werden. Aus diesem Grunde gibt das US-Patent 5,366,139 ein Verfahren an, bei dem Folien aus Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen dadurch hergestellt werden, daß ein geeigneter Eisen-Chrom-Stahl durch Walzplattieren mit Aluminium oder Aluminium-Legierungen von beiden Seiten beschichtet wird. Dieser Verbund wird ausschließlich kaltgewalzt und schließlich so diffusionsgeglüht, daß ein homogenes Gefüge entsteht. Nachteilig bei einem derartigen Herstellverfahren mit beidseitiger Beschichtung ist es, daß es mit vergleichsweise hohen Kosten verbunden ist, weil mehrere Komponenten zunächst separat hergestellt und sodann zu einem Verbund zusammengefügt werden.

[0004] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem sich bewährte Legierungen, wie sie beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung 0 387 670 A1 beschrieben sind, kostengünstiger herstellen lassen. Darüber hinaus ist der Entwicklung Rechnung zu tragen, daß die Anforderungen an den Umweltschutz steigen und damit eine Weiterentwicklung dieser Legierungen für die Verwendung in Abgaskatalysatoren erfordern. Gefragt ist einerseits eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit und anderseits für das Vorheizen in der Kaltstartphase ein höherer elektrischer Widerstand, z.B. bei bestimmten Typen des dem eigentlichen Hauptkatalysator vorgeschalteten Vorkatalysators, welche einen höheren Aluminiumgehalt von rd. 7, besser mehr als 8 % in der Legierung erfordern.

[0005] Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß 0,5 - 2,5 mm dickes Stahlband der Zusammensetzung 16 - 25 % Cr, 0,01 - 0,1 % Seltene Erden oder Yttrium, Rest im wesentlichen Eisen einschließlich verfahrensbedingter Beimengungen, entweder durch Blockguß, kostengünstiger aber noch durch Strangguß sowie anschließende Warm- und Kaltverformung hergestellt wird.

[0006] Ging man bisher davon aus, daß derartiges Band beidseitig mit Aluminium beschichtet werden muß, z.B. mittels Walzplattieren, wie in US-Patent 5,366,139 beschrieben, so hat sich jetzt überraschenderweise gezeigt, daß eine einseitig aufgebrachte Aluminiumschicht völlig ausreichend ist. Damit können dann auch Plattiergerüste eingesetzt werden, welche nur mit zwei Haspelvorrichtungen ausgerüstet sind.

[0007] Das einseitige Plattieren ist auch in der Herstellung kostengünstiger, da die Rüstzeiten entsprechend verkürzt werden und nicht mehr drei, sondern nur noch zwei Bänder zugeführt werden müssen. Vor allem aber wird sehr teure Walzarbeit gespart, weil der Beschichtungswerkstoff nur noch für eine Oberfläche benötigt wird und zudem in größerer Dicke. Dadurch wird nur noch etwa ein Drittel der Herstellungskosten der doppelseitig walzplattierten Bänder für das Walzen der einseitigen Auflage erforderlich.

[0008] Wurde anfänglich befürchtet, daß die Diffusion bei solcherart hergestellten Verbundwerkstoffen in praktikablen Zeiträumen nicht vollständig abläuft und daß offenbar deshalb eine Verkürzung der Diffusionswege durch zweiseitiges Plattieren unerläßlich sei, so hat sich dies überraschenderweise nicht bestätigt.

[0009] Offenbar wird nämlich die Bildung der unterschiedlichen Phasen im System Eisen-Aluminium im vorliegenden Fall unterdrückt, so daß die vom Fachmann erwarteten diesbezüglichen Reaktionen gar nicht durchlaufen werden und das Aluminium im Zuge der Diffu-sionsglühung direkt in den Stahl in Lösung geht. Auf diese Weise führen dann Diffusionszeiten von nur einer halben Stunde Dauer bei 950 °C an 50 µm dicker Folie und bei nur einseitiger Plattierung schon zu einer vollkommen homogenen Aluminiumverteilung.

[0010] Möglich ist es auch, daß andere Beschichtungsverfahren, z.B. Aufdampftechniken, zum Einsatz kommen, welche für nur einseitige Beschichtungen ausgelegt sind.

[0011] Bei der Herstellung metallischer Katalysatorträger geht die Entwicklung zu einer dünneren Folie hin, einerseits aus ökonomischen Gründen, anderseits aber auch wegen damit verbundener technischer Vorteile. So wird beispielsweise das Anspringverhalten der Katalysatoren durch einen schnelleren Druckausgleich deutlich verbessert. Geht man aber zu dünneren Folien, wie etwa 30 µm, über, so werden die erforderlichen Diffusionszeiten bei walzplattierten Verbunden immer kürzer, und die Vorteile des einseitig plattierten Bandes wirken sich verstärkt aus. Die Vorteile der Erfindung sollen in den folgenden Beispielen näher erläutert werden:

Beispiel 1

[0012] Der Trägerwerkstoff hatte die Zusammensetzung:

20,55 % Cr	0,43 % Si	Rest Fe
5,19 % Al	0,16 % Ni
0,02 % SE	0,25 % Mn

[0013] Er wurde als Block abgegossen, warm zu Brammen und anschließend zu 3,5 mm dickem Warmband verarbeitet. Durch Kaltwalzen wurde er anschließend bis auf eine Dicke von 1,6 mm weiterverformt, weichgeglüht und sodann, wie vorstehend beschrieben, einseitig mit 0,08 mm dicker Aluminiumfolie durch Walzplattieren beschichtet. Das beschichtete Band wurde ohne weitere Wärmebehandlung zu einer 50 µm dünnen Folie gewalzt, welche noch duktil genug war, daß sie gewellt werden konnte, was für die Herstellung von Katalysatorträgern wesentlich ist.

[0014] Eine Diffusionsglühung im Vakuum bei 950 °C führte zu einem homogenen Gefüge und zu mechanischen Eigenschaften, die eine Weiterverarbeitung gut ermöglichen:

Rp0.2 / N /mm2	Rm / N / mm2	A50 / %
413	566	23

[0015] Dieser Werkstoff hat einen elektrischen Widerstand von 1,56 Ωmm²/m im Vergleich zu nur 1,37 Ωmm²/m des nicht plattierten Trägerwerkstoffs.

[0016] Das Oxidationsverhalten wurde nach einer Auslagerung bei 110 °C untersucht und mit dem des nicht tauchbeschichteten und diffusionsgeglühten Trägerwerkstoffs verglichen, wobei eine um etwa den Faktor 2 bessere Beständigkeit im Sinne einer entsprechend geringeren Massenänderung bei dem erfindungsgemäßen Material gefunden wurde.

Beispiel 2

[0017] Der Trägerwerkstoff hatte die Zusammensetzung:

22,95 % Cr	0,36 % Si	Rest Fe
0,008 % Al	0,18 % Ni
0,07 % SE	0,14 % Mn

[0018] Er wurde als Block abgegossen, warm zu Brammen und anschließend zu 3,5 mm dickem Warmband verarbeitet. Durch Kaltwalzen wurde er anschließend bis auf eine Dicke von 1,6 mm weiterverformt, weichgeglüht und sodann, wie vorstehend beschrieben, einseitig mit 0,08 mm dicker Aluminiumfolie durch Walzplattieren beschichtet. Der Verbund wurde zu einer 50 µm dünnen Folie gewalzt. Diese besaß eine ausreichende Duktilität, so daß sie gewellt werden konnte.

[0019] Durch eine zweistufige Diffusionsglühung bei 900 °C und 1000 °C konnte eine über die Banddicke gleichmäßige Aluminiumverteilung eingestellt werden sowie ein elektrischer Widerstand über 1,6 Ωmm²/m.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Eisen-Chrom-Aluminium-Folie, ausgehend von einem kaltgewalzten und weichgeglühten Stahlband als Trägermaterial, wobei das Stahlband aus Eisen mit Zusätzen von 16 bis 25 Gew.-% Chrom (Cr) und 0,01 bis 0,1 Gew.-% Seltenen Erden oder Yttrium (Y) und Zirkon (Zr) sowie den üblichen verfahrensbedingten Verunreinigungen besteht,
dadurch gekennzeichnet, daß das Stahlband mit einer Dicke von 0,5 bis 2,5 mm durch ein einseitiges Beschichten mit einer 0,08 bis 0,5 mm dicken Aluminium-Beschichtung versehen und anschließend das beschichtete Band bis zu einer Dicke zwischen 30 und 150 µm kalt ausgewalzt wird, und daß danach das beschichtete Band einer homogenisierenden Diffusionsglühung in einem Temperaturbereich von 700 bis 1 000 °C unterworfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das einseitige Beschichten durch Walzplattieren erfolgt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Stahlband 2 bis 6 Gew.-% Aluminium und bis zu 1 Gew.-% Zirkon enthält.

4. Verwendung einer nach einem der Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 hergestellten Eisen-Chrom-Aluminium-Folie als Trägerwerkstoff für Abgaskatalysatoren mit einem elektrischen Widerstand von mindestens 1,5 Ωmm²/m.

5. Verwendung einer nach einem der Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 hergestellten Eisen-Chrom-Aluminium-Folie als Werkstoff für Heizleiter mit einem elektrischen Widerstand von mindestens 1,5 Ωmm²/m.