Блокирующий диффузию слой в устройстве для очистки отработавшего газа
Изобретение относится к способу получения металлического листа с блокирующим диффузию слоем, используемого в устройстве для очистки отработавшего газа (ОГ), способу изготовления устройства для очистки ОГ, устройству для очистки ОГ и автомобилю, содержащему двигатель внутреннего сгорания, выпускной трубопровод для выпуска отработавшего газа и устройство для очистки ОГ. Упомянутый способ получения металлического листа с блокирующим диффузию слоем, содержащим оксид алюминия на металлическом листе, который состоит из материала на основе железа, содержащего, по меньшей мере, хром и алюминий, включает следующие шаги: обеспечение металлического листа, нанесение по меньшей мере одного оксида металла, выбранного из группы, включающей оксид кобальта и оксид никеля, или нанесение по меньшей мере одного соединения материалов, которое вследствие повышения температуры образует по меньшей мере один оксид металла, выбранный из группы, включающей оксид кобальта и оксид никеля, по меньшей мере на одной частичной области поверхности металлического листа в качестве поверхностного слоя, выполняемую при температуре выше 650°С термообработку металлического листа, имеющего поверхностный слой, с образованием по меньшей мере в одной частичной области в поверхностном слое блокирующего диффузию слоя, содержащего оксид алюминия, при восстановлении упомянутого оксида металла в кобальт или никель и окислении алюминия, диффундирующего из материала на основе железа, в оксид алюминия. Обеспечивается возможность изготовления устройства для очистки ОГ, компоненты которого соединены посредством пайки без содержания вторичных соединений в местах контакта, что обеспечивает высокую усталостную прочность устройству для очистки ОГ. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 пр.
Настоящее изобретение относится к способу получения блокирующего диффузию слоя на металлическом листе, кроме того, к способу изготовления устройства для очистки отработавшего газа (ОГ), а также к устройству для очистки ОГ. Настоящее изобретение направлено, прежде всего, на техническую область технологии ОГ автомобилей, причем металлический лист или же устройство для очистки ОГ может быть применено в системе выпуска ОГ автомобиля.
Автомобили и грузовые автомобили подчинены множеству предписаний по ОГ, соблюдение которых обеспечивается соответственно сконструированными системами выпуска ОГ. Известны системы выпуска ОГ, которые имеют, по меньшей мере, устройство для очистки ОГ, которое, по меньшей мере, частично образовано металлическим сотовым телом. Это металлическое сотовое тело применяется, например, в качестве носителя для каталитически активных материалов, для покрытий для накопления компонентов ОГ и/или в качестве сепараторов частиц. Для этого на устройство для очистки ОГ регулярно, по меньшей мере, частично наносится покрытие, чтобы в различных местах в системе выпуска ОГ автомобиля подвергать влиянию различные компоненты ОГ или же преобразовывать различные компоненты ОГ, или выполнять другие функции по обработке ОГ.
Внутри, по меньшей мере, частично металлического сотового тела устройства для очистки ОГ вследствие процесса пайки производятся паяные соединения, так что достигается фиксация отдельных компонентов металлического сотового тела между собой, и/или с самим собой, и/или длительное позиционирование сотового тела в корпусе.
Такие металлические сотовые тела и корпуса образованы, прежде всего, основным материалом со следующими свойствами:
При изготовлении устройства для очистки ОГ может быть необходимым, чтобы паяные соединения были предусмотрены или явно желательны только в определенных местах контакта между компонентами устройства для очистки ОГ. Благодаря этим (лишь) локально ограниченно имеющимся паяным соединениям в сотовом теле и/или между сотовым телом и корпусом сохраняется универсальность устройства для очистки ОГ. Эта универсальность приводит к тому, что устройство для очистки ОГ, несмотря на существующие в системе выпуска ОГ меняющиеся температуры и давления может достигать более высокой усталостной прочности при использовании в выпускном трубопроводе автомобиля. Желательные паяные соединения могут быть получены, например, путем (целевого) нанесения припоя только в определенных местах контакта сотового тела или же устройства для очистки ОГ. В этой связи также является возможным наносить пассивирующий слой на предварительно определенные области устройства для очистки ОГ, так что предотвращаются нежелательные соединения в местах контакта. Для этого уже рассматривались нежелательный поток припоя и/или нежелательная диффузия легирующих элементов из основного материала.
Даже если предлагались некоторые меры по целевому образованию паяных соединений и/или по избеганию нежелательных других соединений (в дальнейшем вторичных соединений, диффузионных соединений в местах контакта при изготовлении таких устройств для очистки ОГ, которые соединены с помощью высокотемпературной пайки в вакууме или в атмосфере защитного газа, по-прежнему существует потребность в том, чтобы этот процесс для серийного производства упростить, сделать более надежным, более экономичным в процессе реализации и/или избежать дополнительных возмущающих влияний на процесс пайки.
Поэтому задача изобретения состоит в том, чтобы, по меньшей мере, частично решить указанные со ссылкой на уровень техники технические проблемы. Прежде всего, должен быть указан способ получения блокирующего диффузию слоя на металлическом листе, который делает возможным особенно точное и определенное выражение паяных соединений, уменьшает опасность более позднего образования диффузионных соединений на металлическом листе. Кроме того, должен быть предложен способ изготовления устройства для очистки ОГ, так чтобы паяные соединения получались (только) в предварительно определенных местах устройства для очистки ОГ и предотвращались нежелательные диффузионные соединения в устройстве для очистки ОГ. Кроме того, должно быть указано устройство для очистки ОГ, в котором паяные соединения выполняются (только) в предварительно определенных местах контакта и могут предотвращаться нежелательные соединения в других местах контакта.
Эти задачи решены посредством способа получения металлического листа с блокирующим диффузию слоем, охарактеризованного в п. 1 формулы изобретения, способа изготовления устройства для очистки ОГ, охарактеризованного в п. 9 формулы изобретения, а также устройства для очистки ОГ, охарактеризованного в п. 11 формулы изобретения. Другие благоприятные усовершенствования изобретения указаны в пунктах формулы изобретения, сформулированных как зависимые. Приведенные в формуле отдельно признаки являются комбинируемыми между собой любым технологически осмысленным образом и могут быть дополнены пояснительными фактами из описания, причем указываются дополнительные варианты осуществления изобретения. Прежде всего, признаки, направленные на способ получения блокирующего диффузию слоя на металлическом листе, на способ изготовления устройства для очистки ОГ или на устройство для очистки ОГ, могут быть комбинированы между собой или перенесены на соответственно другие предметы изобретения.
Предложен способ получения металлического листа с блокирующим диффузию слоем, используемого в устройстве для очистки отработавшего газа, при этом блокирующий диффузию слой содержит оксид алюминия на металлическом листе, который состоит из материала на основе железа (также называемого основным материалом), содержащего, по меньшей мере, хром и алюминий, в котором осуществляют следующие шаги:
а) обеспечение металлического листа,
б) нанесение по меньшей мере одного оксида металла, выбранного из группы, включающей оксид кобальта (прежде всего, Co3O4, который стабилен до 900°С) и оксид никеля (прежде всего, NiO), или нанесение по меньшей мере одного соединения материалов, которое вследствие повышения температуры образует по меньшей мере один оксид металла, выбранный из группы, включающей оксид кобальта и оксид никеля, по меньшей мере на одной частичной области поверхности металлического листа в качестве поверхностного слоя,
в) выполняемую при температуре выше 650°С термообработку металлического листа, имеющего поверхностный слой, с образованием по меньшей мере в одной частичной области в поверхностном слое блокирующего диффузию слоя, содержащего оксид алюминия, при восстановлении упомянутого оксида металла в кобальт или никель и окислении алюминия, диффундирующего из материала на основе железа, в оксид алюминия. При этом оксид алюминия возникает (главным образом) в результате восстановления упомянутого оксида металла до металла и (одновременного) окисления алюминия, диффундирующего из материала на основе железа, до оксида алюминия.
Металлический лист представляет собой, прежде всего, металлическую фольгу толщиной от 10 микрон до 3 мм. Совершенно особо предпочтительно толщина металлического листа в случае его применения в виде металлической фольги в сотовом теле составляет от 30 микрон до 120 микрон. Напротив, для случая применения в качестве корпуса, например от 0,5 мм до 2,2 мм, металлический лист может также иметь структурирование (например, гофры, утолщения, выдавленные углубления и т.п.) и/или отверстия. При необходимости металлический лист образован металлической проволокой (по типу нетканого материала, трикотажа, ткани и т.п.), которая в каждом случае имеет диаметр от 5 микрон до 100 микрон и длину от 30 микрон до 10 мм.
Шаг б) способа происходит, прежде всего, посредством процесса нанесения покрытия погружением или процесса осаждения, или другого подходящего способа осаждения, или способа нанесения. При этом по меньшей мере один оксид металла, выбранный из группы, состоящей из оксида кобальта (Co3O4) и оксида никеля (прежде всего, NiO), и/или, по меньшей мере, соединение материалов, которое может термически образовывать такой оксид металла, наносится на, по меньшей мере, частичную область поверхности металлического листа в виде поверхностного слоя. Является предпочтительным, чтобы на предварительно определенный металлический лист наносился именно один единственный вид оксида металла. Частичная область поверхности может относиться к одному (единственному) сплошному участку поверхности или к множеству (меньших) участков. К тому же, является возможным, что частичная область относится только к одной стороне поверхности металлического листа. Является совершенно особо предпочтительным, чтобы по меньшей мере 90% или даже вся поверхность металлического листа была снабжена выбранным оксидом металла и/или соединением материалов. После шага б) имеется, прежде всего, прочный композит из оксида металла и/или соединения материалов и материала на основе железа. Прежде всего, на шаге б) способа наносится соединение материалов, которое, например, вследствие отдельной (предшествующей) термообработки и/или в результате термообработки на шаге в) образует оксид кобальта и/или оксид никеля. Примером такого соединения материалов является гидроксид никеля и/или кобальта. Поэтому это соединение материалов могло бы быть обозначено и как что-то вроде образователя оксида металла или предшественника оксида металла. При этом является особенно желательным достигать этого превращения или же образования оксидов металла также и в вакууме и/или в атмосфере защитного газа.
На шаге в) осуществляется термообработка. Прежде всего, причем сначала соединение материалов, по меньшей мере, частично вследствие повышения температуры растворяется и/или разлагается, так что теперь имеется по меньшей мере один оксид металла из группы, включающей в себя оксид никеля и оксид кобальта.
Термообработка на шаге в) специалистом может быть, прежде всего, просто адаптирована к составу материалов, прежде всего, относительно выбора подходящей температуры. Температура или же промежуток времени термообработки могут быть приведены в соответствие, например при определенных условиях повышенные температуры допускают и более кратковременную термообработку. В результате нагрева металлической пластины имеющийся в материале на основе железа алюминий диффундирует в направлении поверхностного слоя и проникает в него. В поверхностном слое алюминий вступает в реакцию, прежде всего, со связанным с оксидом металла кислородом с образованием оксида алюминия. Реакция происходит, прежде всего, по следующей формуле:
3Co3O4+8Al=>9Со+4Al2O3
или же
3NiO+2Al=>3Ni+A12O3
Прежде всего, оксид алюминия образуется, соответственно сначала в области поверхности металлического листа, так как здесь диффундирующий в поверхностный слой алюминий вступает в реакцию с кислородом, имеющимся в поверхностном слое оксида металла. Следовательно, на поверхности металлического листа, и прежде всего (исключительно в поверхностном слое) возникает блокирующий диффузию слой из оксида алюминия, который, по меньшей мере, значительно (полностью) предотвращает диффузию других элементов, прежде всего материала на основе железа, в поверхностный слой.
Прежде всего, кроме того, также (полностью) предотвращается диффузия элементов, например, из поверхностного слоя, в материал на основе железа.
После осуществления термообработки в поверхностном слое в соответствии с шагом в) имеется, прежде всего, блокирующий диффузию слой, содержащий оксид алюминия. Кроме того, там можно установить наличие, прежде всего, элементарного металла из группы, включающей кобальт и никель. Таким образом, после осуществления шага в) способа имеется, прежде всего, металлический поверхностный слой, который имеет, прежде всего, хорошую пригодность к дальнейшему образованию паяных соединений. Оксид металла и/или соединение материалов в поверхностном слое служат, прежде всего, в качестве носителей для кислорода, так что алюминий (из материала на основе железа) вступает в реакцию (исключительно) с предоставленным таким образом кислородом с образованием оксида алюминия.
Термообработка на шаге в) осуществляется, прежде всего, в вакууме или в атмосфере защитного газа. Прежде всего, не подводится кислород. Реакция во время термообработки, которая при участии кислорода ведет к образованию оксида алюминия, происходит, прежде всего, только при участии кислорода, который уже до термообработки (по меньшей мере) в поверхностном слое был связан с оксидом металла и/или с соединением материалов (и имелся в поверхностном слое).
При определенных условиях, незначительные количества кислорода во время термообработки могут еще иметься, несмотря на вакуум или атмосферу защитного газа. Однако, этого «остаточного кислорода» недостаточно, чтобы образовать герметичную относительно диффузии форму слоя оксида алюминия на поверхности металлических листов.
Специалисту в этой области эти процессы легирования или же превращения известны, так что он без особого труда может воспроизвести, имитировать и контролировать рассматриваемые здесь химические процессы. К тому же далее приводится еще один наглядный пример.
В качестве примера подходящей термообработки можно было бы выбрать температуру окружающей среды выше 1000°С и время обработки от 10 минут до 60 минут при вакуумной атмосфере. Совершенно особо предпочтительно, чтобы температура окружающей среды не превышала 1200°С. При этом следует отметить, что термообработка также может быть многоступенчатой, так что, например, может быть проведена фаза предварительного нагрева от 20 до 60 минут при температуре окружающей среды ниже 1000°С, при определенных условиях, при температуре окружающей среды выше 400°С или же выше 800°С. Также может следовать фаза охлаждения, которая занимает промежуток времени, например, от 15 минут до 40 минут. Термообработка может занимать, прежде всего, в целом, период времени, по меньшей мере 2 часов, при определенных условиях, по меньшей мере 3 часов.
В соответствии с одним усовершенствованием способа оксид металла и/или соединение материалов имеется в поверхностном слое на шаге б) в количестве по меньшей мере 40% по массе. Предпочтительно, оксид металла и/или соединение материалов здесь имеется в количестве по меньшей мере 60% по массе, особо предпочтительно в количестве по меньшей мере 80% по массе. Прежде всего, поверхностный слой не имеет железа (Fe) или хрома (Cr). Предпочтительно, чтобы поверхностный слой не имел алюминия (Al).
Согласно одному благоприятному варианту осуществления после осуществления шага в) способа оксид алюминия гомогенно распределен в поверхностном слое. Прежде всего, «гомогенно» в этой связи означает, что оксид алюминия распределен в поверхностном слое равномерно (по толщине), прежде всего, с отклонением максимально 5% по массе Отклонение может быть определено, прежде всего, путем сравнения определенных содержаний в % по массе в различных областях измерения. Области измерения охватывают, прежде всего, в каждом случае, площадь от 50 до 400 нм2, прежде всего 100 нм2 (квадратных нанометров), однако ни в коем случае не связаны этим размером площади.
Согласно еще одному благоприятному варианту осуществления после осуществления шага в) содержание никеля или кобальта в элементарной форме в поверхностном слое повысилось по меньшей мере на 5% по массе, предпочтительно, по меньшей мере на 10% по массе, особо предпочтительно по меньшей мере на 20% по массе. Прежде всего, это повышение доли теперь имеющегося элементарно металла (главным образом) является результатом реакции алюминия с оксидом металла и/или соединения материалов. Алюминий, который из материала на основе железа диффундировал в поверхностный слой, то есть освобождает кислород из соединения оксида металла и/или соединения материалов, так что в поверхностном слое образуется элементарный металл. Прежде всего, по меньшей мере 80% по массе имеющегося до шага в) оксида металла и/или соединения материалов в поверхностном слое вследствие проведения шага в) превращается в элементарно имеющийся металл. Предпочтительно, превращается по меньшей мере 90% по массе, совершенно особо предпочтительно по меньшей мере 99% по массе.
Согласно еще одному благоприятному варианту осуществления на шаге в) способа содержание алюминия в материале на основе железа составляет от 1 до 7% по массе, причем, прежде всего, содержание алюминия в поверхностном слое на шаге б) способа составляет максимально 2% по массе, предпочтительно максимально 1% по массе, особо предпочтительно максимально 0,1% по массе.
Согласно одному благоприятному усовершенствованию после осуществления шага в) содержание алюминия в блокирующем диффузию слое составляет по меньшей мере 15% по массе, предпочтительно по меньшей мере 20% по массе.
Блокирующий диффузию слой образуется, прежде всего, в области поверхностного слоя или же, исходя из области между поверхностным слоем и материалом на основе железа, которая сразу после шага в) имеет содержание алюминия по меньшей мере 15% по массе, предпочтительно по меньшей мере 20% по массе.
Прежде всего, цель заключается в том, чтобы во всем поверхностном слое образовывался соответствующий блокирующий диффузию слой, то есть, прежде всего, чтобы во всем поверхностном слое, сразу после осуществления шага в) содержание алюминия составляло по меньшей мере 15% по массе, предпочтительно по меньшей мере 20% по массе.
Прежде всего, после процесса термообработки в соответствии с шагом в) алюминий имеется с содержанием в % по массе во всей области поверхностного слоя, которая по меньшей мере в два раза, предпочтительно по меньшей мере в три раза, превышает имеющееся во (всем материале на основе железа) металлического листа содержание алюминия в % по массе и составляет, по меньшей мере, 5% по массе.
Согласно одному благоприятному усовершенствованию поверхностный слой после осуществления шага б) имеет толщину максимально 1 микрон, прежде всего толщину максимально 0,5 микрона, предпочтительно максимально 0,25 микрона, а особо предпочтительно максимально 0,1 микрона.
Прежде всего, толщина поверхностного слоя и интенсивность (уровень температуры и длительность) термообработки оказывают влияние на образование блокирующего диффузию слоя в поверхностном слое. Прежде всего, созданием особенно тонкого поверхностного слоя достигается, что блокирующий диффузию слой образуется во всем поверхностном слое гомогенно.
Образование блокирующего диффузию слоя приводит, прежде всего, к тому, что диффузия других элементов, кроме алюминия, из материала на основе железа в поверхностный слой предотвращается. Прежде всего, за счет блокирующего диффузию слоя достигается, что диффузия других элементов в материал на основе железа (в значительной мере) предотвращается.
Прежде всего, более толстый поверхностный слой и/или менее интенсивное осуществление термообработки приводит к тому, что оксид алюминия образуется (только или же преимущественно) поблизости от поверхности металлического листа в поверхностном слое, причем тогда образуется соответственно многослойная структура, исходя из материала на основе железа в следующей последовательности: на основе железа материал, блокирующий диффузию слой (с элементарно имеющимся металлом оксида металла), оксид металла и/или соединения материалов. Прежде всего, алюминий не диффундирует во весь поверхностный слой (в направлении толщины), так что оксид металла превращается в элементарный металл лишь частично.
Согласно одному благоприятному варианту осуществления способа материал на основе железа при выполнении шага а) имеет максимально 20% никеля или кобальта, содержащегося в упомянутом оксиде металла или соединении материалов, указанных при выполнении шага б). Прежде всего, материал на основе железа на шаге а) имеет максимально 10% по массе, предпочтительно максимально 5% по массе, особо предпочтительно максимально 1% по массе металла оксида металла и/или соединения материалов из шага б). Прежде всего, материал на основе железа на шаге а) имеет 0% по массе металла оксида металла и/или соединения материалов из шага б).
Прежде всего, содержание металла оксида металла в поверхностном слое вследствие термообработки на шаге в) не повышается в результате диффузии металла из материала на основе железа в поверхностный слой. Это повышение содержания металла происходит (исключительно) в результате восстановления оксида металла в элементарный металл при одновременном образовании оксида алюминия в результате окисления диффундирующего в поверхностный слой алюминия.
Кроме того, предлагается способ изготовления устройства для очистки ОГ, содержащего по меньшей мере один металлический лист с блокирующим диффузию слоем и имеющего сотовое тело и корпус, причем упомянутым металлическим листом образован(-о), по меньшей мере, сотовое тело или корпус, и металлический лист состоит из материала на основе железа, содержащего, по меньшей мере, хром (Cr) и алюминий (Al).
Способ включает в себя следующие шаги:
i) обеспечение по меньшей мере одного металлического листа для образования корпуса или сотового тела,
ii) нанесение по меньшей мере одного оксида металла, выбранного из группы, включающей оксид кобальта и оксид никеля, или нанесение по меньшей мере одного соединения материалов, которое вследствие повышения температуры образует по меньшей мере один оксид металла, выбранный из группы, включающей оксид кобальта и оксид никеля, по меньшей мере на одной частичной области поверхности по меньшей мере одного металлического листа в качестве поверхностного слоя,
iii) образование сотового тела и вставление сотового тела в корпус,
iv) нанесение припоя, по меньшей мере, на сотовое тело или на корпус по меньшей мере на одном участке пайки,
v) осуществление процесса пайки при температуре выше 1000°С по меньшей мере с одним металлическим листом, имеющим оксид металла, в вакууме или в атмосфере защитного газа, с образованием по меньшей мере в одной частичной области в поверхностном слое блокирующего диффузию слоя, содержащего оксид алюминия, при восстановлении оксида металла в никель или кобальт и окислении алюминия, диффундирующего из материала на основе железа, в оксид алюминия, и с образованием по меньшей мере на одном участке пайки паяного соединения по меньшей мере на одном металлическом листе.
Вышеизложенное по шагу а) и б), прежде всего, относится к предложенным здесь шагам i) и ii) способа.
Предложенные шаги i) - v) способа проходят, прежде всего, в предложенной здесь последовательности, одна за другой. Прежде всего, однако, шаг iv) происходит перед или одновременно с шагом iii).
В случае с предложенным здесь металлическим листом устройства для очистки ОГ речь идет о стойком к высоким температурам металлическом листе, который, прежде всего, подходит для того, чтобы длительно выдерживать изменения температуры и динамические требования, а также коррозийную среду в системе выпуска ОГ автомобиля. При этом на устройство для очистки ОГ могут воздействовать температуры выше 800°С и/или значительные импульсы давления вследствие процессов сгорания в двигателе внутреннего сгорания автомобиля.
Что касается материала на основе железа (основного материала), то предпочтительно используется материал, который в качестве основных легирующих элементов дополнительно имеет хром и алюминий. Доля хрома, прежде всего, по меньшей мере, в три раза больше, чем доля алюминия. Является совершенно особо предпочтительным, чтобы доля хрома составляла, например, от 12 до 25% по массе, в то время как доля алюминия составляет, например, от 1 до 7% по массе, предпочтительно от 2,5 до 6% по массе. К тому же могут быть применены материалы на основе железа, как они приведены в связи с описанной вначале металлической фольгой и/или корпусом, причем на описание делается ссылка в полном объеме.
Поверхностный слой предпочтительно покрывает (только) частичные области металлического листа, которые после размещения металлического листа в устройстве для очистки ОГ образует места контакта с другими компонентами устройства для очистки ОГ. Прежде всего, поверхностный слой покрывает лишь места контакта, в которых нежелательно ни паяное соединение, ни диффузионное соединение, так что здесь не происходит привязки образующих между собой места контакта компонентов устройства для очистки ОГ. Но также является возможным, что поверхностный слой наносится в частичных областях или всей поверхности металлического листа, так что в последующем на них располагаются паяные соединения. Поверхностный слой сам по себе должен быть закрытым, то есть не образовывать значительных пор в направлении материала металлического листа. Прежде всего, поверхностный слой образован не как слой катализатора, прежде всего, не для превращения вредных веществ в ОГ.
Поверхностный слой обеспечивает то, что элементы хром и железо как основной компонент основного материала металлического листа, прежде всего, не имеются на месте контакта. О хроме и железе известно, что они оба имеют очень высокое сродство с углеродом, и если он имеется там в распоряжении в условиях пайки, неизбежно начинается образование карбида хрома (образование карбида железа-хрома). Напротив, кобальт и никель не образуют соответствующих карбидов. Кобальт и никель являются полностью смешиваемыми с хромом и железом, но сами не имеют (достойной упоминания) каталитической функции, которая может быть использована здесь для очистки ОГ.
На контактных поверхностях металлического листа с другими компонентами устройства для очистки ОГ или с самим собой в зависимости от локального предложения углерода во время процесса пайки происходит образование прочно пристающих перемычек из карбида хрома (вторичное соединение, диффузионное соединение). При неблагоприятных обстоятельствах так возникает пространственно мелко распределенный карбидный скелет. Этот карбидный скелет прочно соединяет/сваривает металлический лист с самим собой и/или другими компонентами устройства для очистки ОГ и, тем самым, влияет на универсальность расположения металлического листа, например, в устройстве для очистки ОГ, то есть на универсальность самого устройства для очистки ОГ. Таким образом, при помощи нанесения отделяющего хром или же железо поверхностного слоя прерывается или же сдерживается механизм действия образования карбида хрома. Это поясняется в последующем.
Прежде всего, за счет обеспечения оксида металла в поверхностном слое обеспечивается необходимый для получения стойкого к высоким температурам и коррозионностойкого слоя оксида алюминия кислород (прежде всего, исключительно). Таким образом, уже во время процесса пайки (который осуществляется, прежде всего, в атмосфере защитного газа или же в вакууме, то есть без кислорода) на металлическом листе может быть образован защитный слой оксида алюминия. Поэтому, прежде всего, отпадает дополнительный подчиненный процесс окисления устройства для очистки ОГ. С помощью этого процесса окисления обычно получается соответствующий слой оксида алюминия на устройстве для очистки ОГ, причем устройство для очистки ОГ обрабатывается при температурах, по меньшей мере, 400°С в содержащей кислород атмосфере.
Прежде всего, за счет обеспечения оксида металла в поверхностном слое достигается то, что уже во время процесса пайки (только) в предварительно определенных частичных областях металлического листа или же устройства для очистки ОГ создается соответствующий слой оксида алюминия. Превращение оксида металла в элементарный металл в поверхностном слое, кроме того, обеспечивает то, что поверхностный слой сохраняет металлические свойства, так что сохраняется способность этих областей поверхностного слоя к пайке. Именно образование шпинелей, исходя из оксида металла в поверхностном слое, тем самым предотвращается, так что металлические свойства поверхностного слоя благоприятным образом сохраняются.
Подлежащие спайке компоненты, такие как металлическая фольга и корпус, могут иметь остатки углеродсодержащих жидкостей, таких как, например, масло для вальцевания или масло для гофрирования. В результате капиллярных эффектов эти жидкости оттягиваются в пазухи, например, между волнистыми и гладкими слоями сотового тела и таким образом смачивают эти компоненты. После введения в паяльную установку начинается вакуумирование или же введение защитного газа. Одновременно происходит повышение температуры. Сгорание жидкостей после достижения точки воспламенения вследствие отсутствия кислорода больше не является возможным, так что примерно, начиная с 400°С и выше, начинается крекинг-процесс, следствием которого является образование чистого, высокореактивного углерода. Этот крекинг-процесс происходит и при получении паяных соединений в атмосфере защитного газа, так как и здесь вытесняется кислород, и углеродсодержащие вспомогательные средства крекируются. Углерод отбирает у компонентов хром и соединяет лежащие одна на другой (образующие места контакта) поверхности компонентов с образованием карбидов хрома или же карбидов железа-хрома длительно посредством карбидных перемычек. Это образование карбидных перемычек больше не является растворимым даже при обычных температурах пайки выше 1050°С. К тому же сплав материала на основе железа теперь имеет дефицит хрома.
В критическом диапазоне температур примерно от 400°С до 800°С, в котором образуются карбиды хрома, алюминий уже диффундирует из материала на основе железа в поверхностный слой. В поверхностном слое или же на поверхности металлического листа алюминий соответственно вступает в реакцию с оксидом металла из группы, включающей в себя оксид кобальта и оксид никеля. Там возникает оксид алюминия, и оксид металла преобразуется обратно в элементарный металл. В результате образования слоя оксида алюминия в этой области образуется блокирующий диффузию слой, так что компонент сплава хром, но и также железо, не могут диффундировать из материала на основе железа или же в поверхностный слой. Компонент сплава хром или же железо блокирующим диффузию слоем удерживается и/или перекрывается в металлическом листе, так что предотвращается образование перемычек из карбида хрома в частичной области на местах контакта с расположенными по соседству компонентами.
Согласно еще одному особо благоприятному варианту осуществления изобретения после превышения этого температурного диапазона алюминий настолько распределился в поверхностном слое, что теперь поверхностный слой в целом образует блокирующий диффузию слой. Посредством поверхностного слоя защитный слой оксида алюминия на металлическом листе создается уже во время процесса пайки, то есть без обеспечения дополнительного кислорода из соответствующей атмосферы. Собственно процесс пайки (здесь технически равносильный так называемой твердой пайке) происходит после дальнейшего повышения температуры при температурах выше 900°С.
С помощью нанесенного поверхностного слоя, прежде всего, предотвращается прямой контакт углерода с элементами хром и железо материала на основе железа. Таким образом, не происходит нежелательного при определенных условиях соединения между поверхностями соседних компонентов. Соответственно, может быть получено устройство для очистки ОГ, в котором соединения между компонентами образуются только в желательных и снабженных припоем местах контакта поверхностей друг с другом. Таким образом, например, является возможным, что различные коэффициенты расширения отдельных компонентов устройства для очистки ОГ не приводят к отказу соединения между этими компонентами вследствие локально действующих различных изменений в длине. Они могут быть компенсированы частично свободно подвижными относительно друг друга компонентами. Кроме того, является точно устанавливаемым вибрационное поведение компонентов устройства для очистки ОГ.
Согласно одному особо благоприятному усовершенствованию способа после шага v) осуществляется еще один процесс нанесения покрытия, посредством которого наносится слой для очистки ОГ, который, по меньшей мере, в частичной области, полностью покрывает поверхностный слой. Прежде всего, этот слой для очистки ОГ служит (исключительно) для очистки проводимых устройством для очистки ОГ отработавших газов. Нанесенный поверхностный слой соответственно не вносит (достойного упоминания) вклада в превращение вредных веществ в ОГ.
В соответствии с еще одним аспектом предлагается устройство для очистки ОГ, прежде всего, изготовленное по способу согласно изобретению и/или содержащее по меньшей мере один металлический лист с блокирующим диффузию слоем и имеющее сотовое тело и корпус, причем упомянутым металлическим листом образован(-о), по меньшей мере, сотовое тело или корпус, и металлический лист состоит из материала на основе железа, содержащего, по меньшей мере, хром (Cr) и алюминий (Al), причем металлический лист, по меньшей мере, в частичной области имеет поверхностный слой, который содержит, по меньшей мере, оксид алюминия и кобальт, причем, по меньшей мере, в частичной области слой для очистки ОГ полностью покрывает поверхностный слой, и, по меньшей мере, в частичной области по меньшей мере на одном участке пайки образовано паяное соединение на металлическом листе.
Прежде всего, изложенное по способу согласно изобретению полностью находит применение к приведенному здесь устройству для очистки ОГ согласно изобретению.
Кроме того, предлагается автомобиль, имеющий, по меньшей мере, двигатель внутреннего сгорания, выпускной трубопровод и устройство для очистки ОГ согласно изобретению. Прежде всего, устройство для очистки ОГ изготовлено способом согласно изобретению или имеет, по меньшей мере, изготовленный соответствующим изобретению способом получения блокирующего диффузию слоя металлический лист.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается, в частности, в обеспечении образования паяных соединений без нежелательных диффузионных соединений.
Нанесенный, имеющий или образующий, по меньшей мере, оксид кобальта и/или оксид никеля поверхностный слой здесь служит, прежде всего, для обеспечения кислорода для образования блокирующего диффузию слоя из оксида алюминия и для подавления перемычек из карбида хрома на местах контакта. Он, прежде всего, не предусмотрен для того, чтобы, например, посредством образования оксида образовывать каталитически активное вещество для очистки ОГ. В описанном здесь устройстве для очистки ОГ это скорее достигается тем, что предусмотрен (по меньшей мере, частично) слой, который нанесен на поверхностный слой для очистки ОГ и который, при определенных условиях, имеет каталитическую активность и/или оснащен соответствующими свойствами (превращение, внедрение, накопление компонентов ОГ). Таким образом, прежде всего, желательно, чтобы поверхностный слой не находился в контакте с самим ОГ. Такой контакт с ОГ может быть предотвращен, прежде всего, двойным слоем (поверхностный слой/блокирующий диффузию слой и слой для очистки ОГ), если поверхностный слой расположен (только) между основным материалом компонентов и слоем для очистки ОГ и/или между основными материалами соседних компонентов и/или основным материалом и припоем.
Согласно еще одному особо благоприятному варианту осуществления слой для очистки ОГ обеспечивает то, что, по меньшей мере, кобальт и/или никель в поверхностном слое (по существу) является инертным по отношению к ОГ. Другими славами, это означает, например, что элементы кобальт и никель и/или соединения кобальта и никеля (например, оксиды кобальта/никеля) в поверхностном слое не являются каталитически действующими по отношению к ОГ в работе устройства для очистки ОГ. Элементы кобальт и никель здесь служат (по существу) исключительно для предотвращения перемычек из карбида хрома между контактирующими друг с другом соседними компонентами и для обеспечения кислорода для образования блокирующего диффузию слоя. Таким образом, слой для очистки ОГ (также) имеет функцию уменьшать, при определенных условиях, каталитическую активность кобальта и никеля и соединений кобальта и никеля по отношению к компонентам ОГ настолько, чтобы происходила не более чем несущественная поддержка преобразования ОГ или чтобы оно было полностью пресечено.
Прежде всего, при других слоях для очистки ОГ не может быть обеспечено (например, из-за процессов диффузии), что при использовании устройства для очистки ОГ слой для очистки ОГ полностью перекрывает поверхностный слой относительно ОГ, так что не возникает вообще никакой каталитической активности кобальта и никеля или соединений кобальта и никеля. Но настоящее изобретение может охватывать и эти другие слои для очистки ОГ, если слой для очистки ОГ (почти исключительно) выполняет функцию устройства для очистки ОГ, а поверхностный слой соответственно (почти исключительно) предусмотрен для предотвращения перемычек из карбида хрома и для обеспечения кислорода для образования блокирующего диффузию слоя.
Является особенно благоприятным, если слой для очистки ОГ (практически полностью) перекрывает поверхностный слой и образован настолько газонепроницаемым, что поверхностный слой при использовании устройства для очистки ОГ не находится в контакте с ОГ. «Газонепроницаемый» здесь означает, прежде всего, то, что компоненты ОГ не могут проникать сквозь покрытие вплоть до поверхностного слоя, так что (в ощутимом объеме) не происходит каталитической реакции между поверхностным слоем, прежде всего, с кобальтом и никелем и соединениями кобальта и никеля и компонентами ОГ.
Согласно еще одному благоприятному варианту осуществления слой для очистки ОГ устройства для очистки ОГ содержит, меньшей мере, тонкое грунтовочное покрытие. Тонкое грунтовочное покрытие типично содержит по меньшей мере один огнеупорный оксидный носитель, такой как, например, активированный оксид алюминия (Al2O3) и один или несколько компонентов из металлов платиновой группы, таких как платина, палладий, родий, рутений и/или иридий. Часто вводятся дополнительные добавки, как например, промоторы и стабилизаторы тонкого грунтовочного покрытия. Тонкое грунтовочное покрытие предоставляет в распоряжение, прежде всего, особенно большую контактную поверхность для ОГ. Это тонкое грунтовочное покрытие наносится, прежде всего, лишь после сборки в устройство для очистки ОГ, то есть после образования паяных соединений способом пайки в вакууме или в атмосфере защитного газа, на устройство для очистки ОГ (по меньшей мере, частично) в виде слоя для очистки ОГ.
При этом еще раз указывается на то, что высказывания по отдельным объектам настоящего изобретения являются соответственно переносимыми на другие объекты и комбинируемыми между собой.
Далее изобретение и технический контекст поясняются более детально на чертежах, где показаны особо предпочтительные примеры осуществления, которыми изобретение, однако, не ограничено:
Фиг. 1: автомобиль с устройством для очистки ОГ,
Фиг. 2: металлический лист в соответствии с шагами а) или i) способа,
Фиг. 3: металлический лист в соответствии с шагами б) или ii) способа,
Фиг. 4: металлический лист в соответствии с шагами в) или v) способа,
Фиг. 5: устройство для очистки ОГ в соответствии с шагом iii) способа,
Фиг. 6: устройство для очистки ОГ в соответствии с шагом iv) способа,
Фиг. 7: устройство для очистки ОГ в соответствии с шагом v) способа,
Фиг. 8: фрагмент устройства для очистки ОГ после шага v) способа.
На фиг. 1 показан автомобиль 18 с двигателем 19 внутреннего сгорания и устройством 12 для очистки ОГ, которое расположено в выпускном трубопроводе 20.
На фиг. 2 показан металлический лист 2 в соответствии с шагом а) или i) способа. Металлический лист 2 имеет поверхность 6 и состоит из основного материала 3. Кроме того, здесь показан фрагмент A, который описывается на фиг. 3.
На фиг. 3 показан металлический лист 2 в соответствии с шагом б) или ii) способа. Металлический лист 2 состоит из основного материала 3 и в частичной области 5 снабжен поверхностным слоем 7. Поверхностный слой 7 расположен на поверхности 6 металлического листа 2. Поверхностный слой 7 содержит оксид 4 металла.
На фиг. 4 показан металлический лист 2 в соответствии с шагом в) способа или в соответствии с шагом v) способа. Вследствие термообработки в соответствии с шагом в) или v) способа алюминий 10 диффундирует из основного материала 3 в поверхностный слой 7. При этом поблизости от поверхности 6 в области поверхностного слоя 7 в частичной области 5 металлического листа 2 с помощью кислорода оксида 4 металла образуется оксид 8 алюминия. Таким образом, оксид 4 металла служит в качестве носителя для кислорода, который здесь требуется для превращения алюминия 10 в оксид 8 алюминия. Поверхностный слой 7 имеет толщину 11. В поверхностном слое 7, в зависимости режима (температура, длительность) термообработки, образуется блокирующий диффузию слой 1, исходя из поверхности 6 в направлении поверхностного слоя 7. Этот блокирующий диффузию слой 1 образуется оксидом 8 алюминия. Посредством превращения алюминия 10 в оксид 8 алюминия за счет кислорода оксида 4 металла этот оксид 4 металла превращается в элементарный металл 9. Соответственно, здесь образуется, по меньшей мере временно, многослойная структура, состоящая из основного материала 3, блокирующего диффузию слоя 1 (с более высоким содержанием элементарного металла 9) и части поверхностного слоя 7 с более высоким содержанием оксида 4 металла, так как алюминий 10 из основного материала 3 не сразу имеется в распоряжении для образования блокирующего диффузию слоя 1 в поверхностном слое 7.
На фиг. 5 показано устройство 12 для очистки ОГ в соответствии с шагом iii), причем здесь произведено сотовое тело 13, и сотовое тело 13 вставляется в корпус 14. В сотовом теле 13 здесь расположен металлический лист 2. Посредством сотового тела 13 создается проходимая для потока ОГ структура, которая в качестве устройства 12 для очистки ОГ может быть использована в выпускном трубопроводе 20 автомобиля 18.
На фиг. 6 показано устройство 12 для очистки ОГ в соответствии с шагом iv) способа. Здесь на участке 15 пайки сотового тела 13 и корпуса 14 располагается припой 21. Припой 21 расположен, по меньшей мере, на металлическом листе 2.
На фиг. 7 показано устройство для очистки ОГ в соответствии с шагом v) способа. Сотовое тело 13 и корпус 14 расположены в устройстве 22 для термообработки для проведения процесса пайки. Металлический лист 2 образует, по меньшей мере частично, сотовое тело 15. Вследствие процесса пайки, по меньшей мере, на участке 15 пайки образуются паяные соединения 16.
На фиг. 8 показано устройство 12 для очистки ОГ в соответствии с шагом v) способа. Металлическая пластина 2 имеет, по меньшей мере, в частичных областях 5 поверхностный слой 7 толщиной 11. По меньшей мере, частично поверхностный слой 7 перекрывается слоем 17 для очистки ОГ. В области мест 23 контакта расположен поверхностный слой 7, так что здесь не образуется диффузионное соединение между металлическим листом 2 и другим компонентом 24 устройства 12 для очистки ОГ. На паяном соединении 16 также образован поверхностный слой 7. Паяное соединение 16 между металлическим листом 2 и компонентом 24 образуется с помощью припоя 21 после осуществления процесса пайки.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1. Способ получения металлического листа с блокирующим диффузию слоем (1), используемого в устройстве для очистки отработавшего газа, при этом блокирующий диффузию слой (1) содержит оксид (8) алюминия на металлическом листе (2), который состоит из материала (3) на основе железа, содержащего, по меньшей мере, хром и алюминий, в котором осуществляют следующие шаги:
а) обеспечение металлического листа (2),
б) нанесение по меньшей мере одного оксида (4) металла, выбранного из группы, включающей оксид кобальта и оксид никеля, или нанесение по меньшей мере одного соединения материалов, которое вследствие повышения температуры образует по меньшей мере один оксид (4) металла, выбранный из группы, включающей оксид кобальта и оксид никеля, по меньшей мере на одной частичной области (5) поверхности (6) металлического листа (2) в качестве поверхностного слоя (7),
в) выполняемую при температуре выше 650°С термообработку металлического листа (2), имеющего поверхностный слой (7), с образованием по меньшей мере в одной частичной области (5) в поверхностном слое (7) блокирующего диффузию слоя (1), содержащего оксид (8) алюминия, при восстановлении упомянутого оксида (4) металла в кобальт или никель (9) и окислении алюминия (10), диффундирующего из материала (3) на основе железа, в оксид (8) алюминия.
2. Способ по п. 1, в котором оксид (4) металла или соединение материалов в поверхностном слое (7) на шаге б) имеется в количестве по меньшей мере 40% по массе.
3. Способ по п. 1 или 2, в котором после осуществления шага в) оксид (8) алюминия гомогенно распределен в поверхностном слое (7).
4. Способ по п. 1 или 2, в котором после осуществления шага в) содержание никеля или кобальта (9) в элементарной форме в поверхностном слое (7) повысилось по меньшей мере на 5% по массе.
5. Способ по п. 1 или 2, в котором на шаге а) содержание алюминия (10) в материале (3) на основе железа составляет от 1 до 7% по массе, а содержание алюминия (10) в оксиде (4) металла или соединении материалов на шаге б) составляет максимально 2% по массе.
6. Способ по п. 5, в котором после осуществления шага в) содержание алюминия (10) в блокирующем диффузию слое (1) составляет по меньшей мере 15% по массе.
7. Способ по п. 1 или 2, в котором поверхностный слой (7) после осуществления шага б) имеет толщину (11) максимально 1 микрон.
8. Способ по п. 1 или 2, в котором материал (3) на основе железа при выполнении шага а) имеет максимально 20% никеля или кобальта (9), содержащегося в упомянутом оксиде (4) металла или соединении материалов, указанных при выполнении шага б).
9. Способ изготовления устройства (12) для очистки отработавшего газа (ОГ), содержащего по меньшей мере один металлический лист с блокирующим диффузию слоем и имеющего сотовое тело (13) и корпус (14), причем упомянутым металлическим листом (2) образован(-о), по меньшей мере, сотовое тело (13) или корпус (14), и металлический лист (2) состоит из материала (3) на основе железа, содержащего, по меньшей мере, хром (Cr) и алюминий (Al), в котором осуществляют следующие шаги:
i) обеспечение по меньшей мере одного металлического листа (2) для образования корпуса (14) или сотового тела (13),
ii) нанесение по меньшей мере одного оксида (4) металла, выбранного из группы, включающей оксид кобальта и оксид никеля, или нанесение по меньшей мере одного соединения материалов, которое вследствие повышения температуры образует по меньшей мере один оксид (4) металла, выбранный из группы, включающей оксид кобальта и оксид никеля, по меньшей мере на одной частичной области (5) поверхности (6) по меньшей мере одного металлического листа (2) в качестве поверхностного слоя (7),
iii) образование сотового тела (13) и вставление сотового тела (13) в корпус (14),
iv) нанесение припоя, по меньшей мере, на сотовое тело (13) или на корпус (14) по меньшей мере на одном участке (15) пайки,
v) осуществление процесса пайки при температуре выше 1000°С по меньшей мере с одним металлическим листом (2), имеющим оксид (4) металла, в вакууме или в атмосфере защитного газа, с образованием по меньшей мере в одной частичной области (5) в поверхностном слое (7) блокирующего диффузию слоя (1), содержащего оксид (8) алюминия, при восстановлении оксида (4) металла в никель или кобальт (9) и окислении алюминия (10), диффундирующего из материала (3) на основе железа, в оксид (8) алюминия, и с образованием по меньшей мере на одном участке (15) пайки паяного соединения (16) по меньшей мере на одном металлическом листе (2).
10. Способ по п. 9, в котором после шага v) осуществляют еще один процесс нанесения покрытия, посредством которого наносят слой (17) для очистки ОГ, который по меньшей мере в одной частичной области (5) полностью покрывает поверхностный слой (7).
11. Устройство для очистки отработавшего газа (ОГ), содержащее по меньшей мере один металлический лист с блокирующим диффузию слоем и имеющее сотовое тело (13) и корпус (14), причем упомянутым металлическим листом (2) образован(-о), по меньшей мере, сотовое тело (13) или корпус (14), и металлический лист (2) состоит из материала (3) на основе железа, содержащего, по меньшей мере, хром (Cr) и алюминий (Al), причем металлический лист (2), по меньшей мере, в частичной области (5) имеет поверхностный слой (7), который содержит, по меньшей мере, оксид (8) алюминия и кобальт (9), причем, по меньшей мере, в частичной области (5) слой (17) для очистки ОГ полностью покрывает поверхностный слой, и, по меньшей мере, в частичной области (5) по меньшей мере на одном участке (15) пайки образовано паяное соединение (16) на металлическом листе (2).
12. Автомобиль, содержащий двигатель (19) внутреннего сгорания, выпускной трубопровод (20) для выпуска отработавшего газа и устройство (12) для очистки отработавшего газа по п. 11.
