Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Wabenkörpers aus lagenweise geschichteten und/oder gewickelten Metallblechen nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.
Wabenkörper werden insbesondere als Katalysator-Trägerkörper zur Umsetzung von Abgasen aus Verbrennungskraftmaschinen verwendet. Solche Wabenkörper sind beispielsweise durch die WO 89/07488 bekannt. Solche Katalysator-Trägerkörper unterliegen hohen thermischen und mechanischen Belastungen. Neben der thermischen und mechanischen Belastung des Wabenkörpers ist dieser den im Abgas vorkommenden aggressiven Gaskomponenten ausgesetzt. Die aggressiven Gaskomponenten können zu einer Korrosion des Wabenkörpers führen. Es ist daher wünschenswert, Wabenkörper aus Metallblechen herzustellen, die korrosionsbeständig sind.
Durch die EP 0 159 468 B1 ist es bereits bekannt, Wabenkörper aus Stahlblechen mit einem hohen Aluminiumgehalt herzustellen. Die Herstellung eines Wabenkörpers aus einem solchen Werkstoff ist jedoch aufgrund der schlechten Walzbarkeit von Stahl mit hohem Aluminiumanteil problematisch und mit hohen Kosten verbunden.
Durch die US 5,366,139 A wird ein Metallblech zur Herstellung eines Wabenkörpers vorgeschlagen, das aus einem mit Aluminium plattierten Stahl besteht. Die Verarbeitung solcher Bleche bei der Herstellung des Wabenkörpers ist kostengünstiger, da solche Bleche leichter kalt verformbar sind.
Nachdem Aluminium plattierte Metallbleche lagenweise geschichtet und/oder gewickelt worden sind, werden diese einer späteren Wärmebehandlung unterzogen. Durch die Wärmebehandlung werden Metallbleche, die mindestens eine Schicht aus Chrom enthaltendem Stahl und mindestens eine im wesentlichen Aluminium enthaltende Schicht aufweisen, weitgehend homogenisiert. Es wurde festgestellt, daß bei der Herstellung von Wabenkörpern, insbesondere mit einem relativ großen Querschnitt, die Metallbleche mit geschichtetem Aufbau aufweisen, die Verbindungen der Metallbleche untereinander und/oder mit einem den Wabenkörper umgebenden Mantel nicht immer sichergestellt werden kann. Eine sichere Verbindung der Metallblechlagen untereinander und/oder mit einem den Wabenkörper umgebenden Mantelrohr ist jedoch für die mechanische Festigkeit des Wabenkörpers von großer Bedeutung. Es wurde erkannt, daß bei einer Wärmebehandlung des Wabenkörpers ein Volumenrückgang der Metallblechlagen mit geschichtetem Aufbau eintreten kann. Der Volumenrückgang der Bleche mit einem geschichteten Aufbau wird darauf zurückgeführt, daß das Aluminium, welches eine äußere Schicht des Metallblechs bildet, während einer Wärmebehandlung in die erste Schicht aus Chrom enthaltendem Stahl hinein diffundiert. Das in die Schicht aus Chrom enthaltendem Stahl hinein diffundierte Aluminium vergrößert das Volumen der Schicht jedoch nicht in dem Ausmaß wie der Volumenrückgang der Aluminiumschicht eintritt. Außerdem weisen geschichtete Bleche während des Homogenisierens nur eine geringe Elastizität auf.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben zum Herstellen eines Wabenkörpers, dessen Blechlagen zumindest zum Teil zunächst aus einem geschichteten Material bestehen, welches mindestens eine Schicht aus Chrom enthaltendem Stahl und mindestens eine im wesentlichen Aluminium enthaltende Schicht aufweist, die bei einer späteren Wärmebehandlung durch Diffusion weitgehend homogenisiert werden. Dabei soll der durch die Homogenisierung der Bleche eintretende Volumenrückgang kompensiert werden, so daß trotzdem hochbelastbare Verbindungen zwischen den Blechen entstehen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zur Vermeidung von großen Bereichen, in denen die Blechlagen untereinander und/oder mit dem Mantel nicht oder nur schwach verbunden werden aufgrund einer Volumenänderung während einer Wärmebehandlung. der lagenweise geschichteten und/oder gewickelten Metallbleche wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen, daß durch Maßnahmen die Gesamtfläche der Berührungsstellen (9, 15) zwischen den Blechlager (2,3,3a,3b) verringert wird Hierbei wird der Wabenkörper mit einer solchen Vorspannung in einem Mantelrohr eingesetzt, daß bei der Wärmebehandlung die Berührungsstellen zwischen den Blechlagen in Kontakt bleiben. Durch diese Verfahrensführung wird ein Wabenkörper geschaffen, der durch die Wahl des Werkstoffes der Blechlagen korrosionsbeständig ist und desweiteren eine hohe thermische und mechanische Stabilität aufweist. Durch die die Elastizität des Wabenkörpers vor und bei der Wärmebehandlung erhöhende Struktur und das Einbringen des Wabenkörpers mit einer Vorspannung in ein Mantelrohr wird trotz eventuell nur geringer Elastizität der verwendeten Materialien während der Wärmebehandlung stets der Kontakt der Berührungsstellen zwischen den Blechlagen sichergestellt wird. Die Sicherstellung des Kontaktes der Berührungsstellen zwischen den Blechlagen ist auch für die Ausbildung der Verbindungen zwischen den Blechlagen von Bedeutung. Durch die Wärmebehandlung werden die Bleche untereinander an ihren Berührungsstellen verbunden. Die Verbindung der Bleche untereinander erfolgt z. B. dadurch, daß Aluminium-Stahl-Legierungen einen wesentlich geringeren Schmelzpunkt als Stahl aufweisen, so daß sich die innere Schicht der Metallbleche mit geschichtetem Aufbau vorübergehend verflüssigen und eine innige Verbindung im Umgebungsbereich der Berührungsstellen entsteht, die nahezu die Eigenschaft einer Schweißverbindung aufweist. Aufgrund des Konzentrationsgradienten wandert das Aluminium weiter in die innere Schicht der Metallbleche hinein, wodurch eine Verarmung des Aluminiumgehaltes im Verbindungsbereich eintritt und dadurch der Schmelzpunkt im Verbindungsbereich sich erhöht, so daß die Verbindungsstelle erstarrt. Neben oder alternativ zu diesen Verbindungen der Blechlagen untereinander kann zumindest ein Teil der Metallbleche wenigstens teilweise belotet werden, so daß die Metallbleche untereinander auch durch eine zusätzliche Lötverbindung zumindest in Teilbereichen verbunden werden.
Die Elastizität erhöhende Strukturen für fertige Wabenkörper, die sich auch für die Verbesserung des Fertigungsprozesses eignen, sind an sich zahlreich aus dem Stand der Technik bekannt, ohne daß jedoch ihre Bedeutung für den Fertigungsprozeß bei der Verwendung von schichtartig aufgebauten Blechen erkannt wurde. So beschreibt die EP 0 220 468 B1 verschiedene Arten von Doppelwellungen, die in gewellte und oder glatte Blechlagen eingebracht werden können. Auch ist es bekannt, die im wesentlichen glatten Blechlagen in einem Wabenkörper mit einer zusätzlichen Mikrowellung zu versehen, die auch für den vorliegenden Fertigungsprozeß von Vorteil ist.
Auch gibt es besonders elastische Anordnungen, bei denen alle Bleche jeweils abwechselnd schräg gewellt sind, so daß sich die Wellungen unter einem Winkel kreuzen und keine Berührungslinien, sondern relativ kleine Berührungsstellen bilden. Dies ist beispielsweise in der EP 0245 737 beschrieben.
Schließlich sind auch noch zur Strömungsbeeinflussung Mikrostrukturen aus der EP 0 454 712 B1. bekannt, die sich überraschenderweise im Zusammenhang mit der hier gestellten Aufgabe ebenfalls als den Fertigungsprozeß begünstigend herausgestellt haben. Solche Mikrostrukturen können einerseits benutzt werden, um die Gesamtfläche der Berührungsstellen in einem Wabenkörper erheblich zu vermindern, wodurch die Kraft pro Berührungsfläche bei gleichbleibender Elastizität entsprechend erhöht wird und gute Verbindungsstellen geschaffen werden. Außerdem können solche Mikrostrukturen auch noch die Elastizität steigern. Andererseits können diese Strukturen auch zur Schaffung von Formschlußverbindungen zwischen den Blechlagen eingesetzt werden, wodurch eine Verschiebung der Bleche gegeneinander während des Herstellungsprozesses vermieden wird und die mechanische Belastbarkeit des fertigen Wabenkörpers verbessert wird. Je nach Anwendungsfall werden die Mikrostrukturen daher so angeordnet, daß sie selten oder oft ineinander. zu liegen kommen.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die zusätzlichen Mikrostrukturen zumindest auf einem Teil der Blechlagen die Gesamtfläche der Berührungsstellen zwischen den Blechlagen verringert. Hierdurch wird die zur Aufrechterhaltung der Berührungsstellen notwendige Vorspannung während der Wärmebehandlung verringert.
Die zusätzlichen Strukturen, welche zur Sicherstellung der Verbindungen zwischen den Blechlagen ausgebildet sind, sind vorzugsweise quer oder schräg zur Richtung- der Kanäle verlaufenden Strukturen. Die zusätzlichen Strukturen können aber auch im wesentlichen in Richtung der Kanäle verlaufen.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Gedanken wird vorgeschlagen, die Mikrostrukturen in benachbarten Blechen so auszubilden, daß keine oder nur eine selten auftretende mechanische Verklammerung der benachbarten Mikrostrukturen auftritt. Die mechanische Verklammerung kann durch formschlüssiges Ineinandergreifen benachbarter Mikrostrukturen auftreten. Zur Vermeidung solcher Verklammerungen weisen die benachbarten Bleche vorzugsweise unterschiedlich orientierte Mikrostrukturen auf. Die Mikrostrukturen können auch unterschiedliche Ausprägungen bzw. Konturen aufweisen, so daß ein Ineinandergreifen benachbarter Mikrostrukturen vermieden wird. Die Vermeidung der mechanischen Verklammerung durch formschlüssiges Ineinandergreifen erhöht die Flächenpressung der Berührungsstellen.
Insbesondere bei spiralig gewickelten Wabenkörpern kann es aber von Vorteil sein, wenn die Blechlagen untereinander durch formschlüssig in einandergreifende Strukturen benachbarter Blechlagen miteinander verklammert werden. Hierdurch können sich die Blechlagen auch bei nur sehr geringer Vorspannung während der Wärmebehandlung nicht gegeneinander verschieben, insbesondere nicht teleskopieren. Die Mikrostrukturen bzw. Strukturen sind dabei so ausgebildet, daß die ineinandergreifenden Mikrostrukturen bzw. Strukturen auch nach der Homogenisierung der Bleche mit geschichtetem Aufbau im Eingriff bleiben.
Neben den strukturellen Änderungen der geschichteten Blechlagen während der Wärmebehandlung dehnt sich auch das die Blechlagen umgebende Mantelrohr aus. Durch die Wärmedehnung des Mantelrohres verringert sich die Vorspannung der in das Mantelrohr eingesetzten Blechlagen. Um die Vorspannung im Wabenkörper während der Wärmebehandlung weitgehend aufrecht zu erhalten, wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung eine elastische Zwischenlage vorgesehen, die zwischen dem Mantelrohr und dem Wabenkörper eingebracht ist. Die Zwischenlage kompensiert bei der Herstellung auch die unterschiedlichen Schrumpfungen des Mantelrohres und des Wabenkörpers nach dem Abkühlvorgang.
Die Aufrechterhaltung der Vorspannung im Wabenkörper wird auch dadurch begünstigt, daß ein Mantelrohr mit einem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als dem des Wabenkörpermaterials verwendet wird.
Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Wabenkörpers werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten, nach dem Verfahren hergestellten Wabenkörpers, erläutert. Es zeigen:
In der Fig. 1 ist ein Wabenkörper 1 dargestellt, bei dem Metallbleche 2, 3 lagenweise geschichtet verschlungen wurden. Die Metallbleche 3 weisen eine Struktur zur Ausbildung von für ein Fluid durchströmbaren Kanälen 7 auf. Die Bleche 3 bestehen zunächst aus einem geschichteten Material, wie in der Fig. 2 dargestellt. Das Blech 3 weist eine Schicht 4 aus Chrom enthaltenden Stahl und beidseits der Schicht 4 jeweils eine im wesentlichen Aluminium enthaltende Schicht 5, 6 auf. Die Schichten 4, 5 und 6 des Bleches 3 werden bei einer späteren Wärmebehandlung durch Diffusion weitgehend homogenisiert. Eine Ausprägung einzelner Schichten ist nach dem Wärmebehandlungsschritt nicht mehr vorhanden.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Bleche 3, die den geschichteten Aufbau aufweisen, gewellt ausgebildet. Grundsätzlich können auch die glatten Blechlagen oder alle Blechlagen eines Wabenkörpers aus zunächst schichtartig aufgebauten Blechen bestehen.
Die geschichteten und gewickelten Blechlagen sind in ein Mantelrohr 8 eingesetzt, wobei der durch die Bleche 2, 3 gebildete Wabenkörper mit einer solchen Vorspannung in das Mantelrohr 8 eingesetzt ist, daß bei der Wärmebehandlung die Berührungsstellen 9 zwischen den Blechlagen in Kontakt bleiben. Dabei hilft eine zusätzlich vorhandene, die Elastizität erhöhende Struktur, wie sie anhand der nächsten Figuren erläutert wird.
In Fig. 3 ist eine von mehreren Möglichen Doppelwellungen dargestellt, bei der ein gewelltes Blech Wellenberge 13, 14 unterschiedlicher Amplitude aufweist, so daß nur ein Teil der Wellenmaxima Berührungsstellen 15 mit benachbarten Blechlagen 2 bildet. Ein solches Ergebnis läßt sich auch durch verschiedene Wellungen der benachbarten Lagen erreichen. Jedenfalls wird so die Elastizität des Körpers während der Herstellung erhöht.
Fig. 5 zeigt eine weitere Möglichkeit zur gleichzeitigen Erhöhung der Elastizität und der Flächenpressung der Berührungsstellen 9 während der Herstellung. Die Blechlagen 3a, 3b sind abwechselnd in unterschiedlicher Ausrichtung schräg gewellt, so daß ihre Wellungen sich mit einem Kreuzungswinkel a kreuzen. Eine solche Ausführungsform ist für die Herstellung und die späteren Strömungseigenschaften günstig.
Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, können die glatten Bleche 2 und/oder die gewellten Bleche 3 Mikrostrukturen 10 aufweisen, die sich im wesentlichen quer zur Richtung S der Kanäle 7 erstrecken. Durch die Strukturen 10 der benachbarten Blechlagen 2, 3 werden diese entweder miteinander verklammert, so daß sich die Blechlagen auch bei nur noch sehr geringer Vorspannung während der Wärmebehandlung nicht gegeneinander verschieben können. Oder bei einer eine Verklammerung vermeidenden Anordnung werden die Flächenpressungen der Berührungsstellen erhöht. Jedenfalls steigern die Mikrostrukturen die Elastizität während der Fertigung.
Die Erfindung dient zur Herstellung fortgeschrittener, kostengünstiger, mechanisch belastbarer' Wabenkörper mit hoher Korrosionsfestigkeit, insbesondere zur Verwendung als Katalysator-Trägerkörper.