СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОБЛОКА КАТАЛИТИЧЕСКОГО НЕЙТРАЛИЗАТОРА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F01N3/28 

Изобретение относитcя к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении металлоблока каталитического нейтрализатора отработавших газов двигателей внутреннего сгорания.

Известен способ [1] изготовления устройства для очистки отработавших газов, имеющего сотовую конструкцию, сформированную из плоской и гофрированной лент, свернутых в спиралевидный рулон таким образом, что при этом образуются многочисленные сквозные непересекающиеся каналы. Согласно этому способу перед формированием рулона осуществляется сварка плоской и гофрированной лент между собой в отдельных точках с помощью качающейся лазерной пушки, а после формирования рулона его активация катализатором. Недостатком данного способа являются низкие прочностные характеристики сотовой конструкции из-за того, что, во-первых, сварные точки довольно редки, во-вторых, при намотке в спиралевидный рулон соседние двойные слои между собой не крепятся, что приводит к смещению их относительно друг друга как в результате возникающей при работе механической вибрации, так и под действием пульсирующего потока отработавших газов. Это вызывает осыпание катализатора и соответственно резкое снижение эффективности работы всего нейтрализатора.

Также известен способ [2] изготовления металлоблока сотовой конструкции для каталитической очистки отработавших газов, согласно которому полосы гофрированной и гладкой лент соединены между собой методом пайки твердым припоем.

Недостатком данного способа обеспечения прочности сотовой конструкции металлоблока, так же как и других способов, основанных на пайке, являются:
технические трудности закрепления и локализации припоя в местах стыка гофрированной и гладкой лент (будь то закладные детали в виде проволоки малого диаметра или порошок) по всей высоте металлоблока для обеспечения требуемой прочности;
понижение жаростойкости паяных соединений т.к. припой в результате растекания покрывает значительную часть внутренней поверхности сотовой конструкции. Так, экспериментально было установлено, что при пайке металлоблока из ленты стали Fe-Cr-Al (типа Х23Ю5) припоем системы Ni-Cr-Si (Ni-20% Cr 9% Si), являющимся наиболее жаростойким из известных припоев, обнаружено значительное снижение жаростойкости паяного блока по сравнению с исходным (при испытаниях на воздухе при температуре 1050^oC в течение 200 ч на 15%);
малая производительность данного метода из-за необходимости проведения пайки в относительно высоком вакууме (P_ост=10^-4.10^-5 рт. ст) для получения качественных паяных швов;
недостаточно прочное закрепление керамического подслоя в местах, покрытых припоем, вследствие чего в процессе работы автомобиля возможно осыпание значительной части керамического подслоя вместе с катализатором, что приводит к снижению эффективности очистки отработавших газов.

Известен способ изготовления материала для металлоблока-носителя катализатора и самого блока [3] взятый за прототип.

Согласно этому способу материал для дальнейшего изготовления из него металлоблока с целью повышения жаростойкости обрабатывают следующим образом: вначале ленту толщиной 0,3-0,4 мм из стали типа Х15Ю5 покрывают либо жидким алюминием путем погружения в расплав, либо ее плакируют алюминием, затем материал подвергают холодной прокатке до толщины ленты 50-60 мкм.

Плоскую и гофрированную ленты свертывают вместе для изготовления сотовой конструкции металлоблока, затем методом точечной сварки осуществляют крепление в необходимых местах элементов сотовой конструкции. После этого полученную сотовую конструкцию в нанесенным припоем подвергают термообработке при T= 900-1200^oC в вакууме 10^-4 мм рт. ст. для пайки металлоблока и обеспечения диффузии алюминия в ленту с целью получения сплава с высоким содержанием алюминия.

Недостатком данного способа помимо недостатков, описанных выше для способов, основанных на пайке, является то, что получение исходной ленты для изготовления металлоблока с использованием операции плакирования или "жидкого" алюминирования, прокатки полученного трехслойного листа- это сложная технологическая задача, так как алюминий намного мягче фольги Fe-Cr-Al. Кроме того, необходимость проведения вакуумного отжига (для пайки блока припоем и диффузии А1) так же усложняет способ из-за дополнительной технологической операции.

Задачей данного изобретения является создание способа изготовления металлоблока каталитического нейтрализатора отработавших газов, позволяющего получить прочный и, по сравнению с исходным материалом ленты, более жаростойкий блок.

Поставленная задача решается следующим образом. В известном способе изготовления, включающем операции гофрирования ленты, формирование сотовой конструкции из гладкой и гофрированной лент, либо двух гофрированных лент, закрепления сотовой конструкции (например, точечной сваркой в необходимых местах) согласно заявляемому способу полученный металлоблок выдерживают в активной газовой среде, содержащей галогениды алюминия, при температуре 950. 1250^oC в течение 0,5.5 ч.

При этом происходит диффузионное насыщение лент алюминием, некоторое увеличение их толщины, благодаря чему улучшается контакт между гладкой и гофрированной лентами или двумя гофрированными соседними лентами (в зависимости от вида сотовой структуры блока), и происходит диффузионная сварка по всем контактирующим поверхностям, что обеспечивает высокую механическую прочность блока.

Пример конкретного применения
Была изготовлена опытная партия металлоблоков ⊘ 100х90 мм из сплавов Fe 23% Gr 5% Al и Fe 15% Cr -5% Al путем скрутки в спиралевидный рулон сложенных вместе гладкой и гофрированной лент и закрепления по боковой поверхности точечной сваркой для предотвращения раскручивания. Затем металлоблоки выдержали при температуре 1100^oC в течение 1 ч в активной газовой среде, содержащей смесь фторидов алюминия (AlF₃, AlF₂, AlF) при суммарном парциальном давлении 20±3 мм рт. ст.

Часть блоков без нанесения керамического подслоя и катализатора (т.е. без активации) была подвергнута испытаниям на жаростойкость при 1200^oC в воздушной среде в сравнении с блоками, изготовленными известным способом, включающем те же технологические операции, что и в заявляемом, кроме выдержки при высокой температуре в активной газовой среде, содержащей фториды алюминия.

Результаты испытаний на жаростойкость приведены в табл. 1.

Как видно из табл.1, новая технологическая операция в известном способе, а именно выдержка металлоблока в активной газовой среде, опыт 2 и 4, содержащей галогениды алюминия (химико-термическая обработка), позволила существенно повысить жаростойкость металлоблоков. Так, время наступления стадии катастрофического окисления в результате предлагаемой операции увеличилось в 8 раз для сплава Fe 15% Cr 5% Al (опыт 2) и почти в 5 раз для сплава Fe 23% Cr 5% Al (опыт 4).

Механические испытания, как видно из табл.2, показали высокую прочность металлоблоков, изготовленных по заявляемому способу.

Другие металлоблоки, изготовленные по заявляемому способу, после активирования прошли стендовые испытания в составе нейтрализаторов в НАМИ, г. Москва, по методикам NN РД 37.001.609-92, РД 37.001.610-92, РД 001.611.92, имитирующим пробег автомобиля 80 тыс.км. Эти испытания включают:
термоциклирование (периодическое изменение температуры отработавших газов на выходе из нейтрализатора от 400 до 800^oC 2000 циклов);
водяной термошок (периодически повторяемый прогрев блока до 800^oC и последующее внешнее охлаждение до 20^oC 20 циклов);
термовибровоздействие (при температуре 800^oC, частоте 100 Гц и ускорении силы тяжести G 28 м/с²);
перегрев (до 900^oC в течение 5 мин).

После испытаний не обнаружено механических повреждений сотовой структуры металлоблоков и осыпания керамического подслоя с катализатором. Следовательно подтверждена высокая надежность соединений гладкой и гофрированной лент, созданных диффузионной сваркой в результате предлагаемой технологической операции выдержки блока в активной газовой среде, содержащей галогениды алюминия.

При температуре ниже 950^oC даже при выдержках, превышающих 5 ч, процесс насыщения лент алюминием при осуществлении предлагаемой технологической операции проходит неинтенсивно (поскольку суммарное парциальное давление фторидов алюминия при этой температуре составляет около 2 мм рт.ст.) и вследствии этого не происходит надежной диффузионной сварки лент, в результате чего не обеспечивается требуемой механической прочности блоков. Усилие нагружения пуансоном o 30 мм, при котором наблюдается деформация блока (сопровождающаяся в данном случае "телескопированием" центральной части), составляет 50.200 кг. Также не происходит повышения жаростойкости материала блока, т.к. содержание алюминия в сплаве практически сохраняется на прежнем уровне (не превышает 5,5 мас.).

При температуре выше 1250^oC и выдержках более 0,5 ч происходит пересыщение лент алюминием так как при этом суммарное парциальное давление фторидов алюминия превышает 160 мм рт.ст. (содержание алюминия превышает 12 мас.), что приводит к охрупчиванию сплава Fe Cr Al а также резкому повышению его температурного коэффициента линейного расширения. Оба этих фактора отрицательно сказываются на надежности диффузионно сваренных соединений гладкой и гофрированной лент, особенно при таких видах испытаний, как термоциклирование, водяной термошок и термовибровоздействие.

Таким образом, выдержка в активной газовой среде именно при температуре 950.1250^oC в течение 0,5.5 ч обеспечивает оптимальное сочетание высоких значений прочности и жаростойкости металлоблока.

Необходимо обратить внимание на то обстоятельство, что в результате диффузионного насыщения ленты алюминием, причем практически равномерно по сечению (это обусловлено кристаллическим строением сплавов Fe Cr Al), фактически создается новый сплав в готовом изделии с повышенным содержанием алюминия (до 8.12 мас. ).

На практике это реализуется в существенном повышении жаростойкости металлоблока, т. е. по существу в увеличении ресурса его работы, поскольку время наступления стадии катастрофического окисления сплавов Fe Cr Al при прочих равных условиях определяется запасом алюминия в ленте. К тому же традиционным металлургическим путем (плавка, ковка, горячая и холодная прокатка) не удается получить ленту из сплава Fe 15.20% Cr Al с содержанием алюминия, превышающим 5% из-за технологических трудностей (в частности на стадии ковки и горячей прокатки).

Следует отметить, что новым в процессе диффузионной сварки, реализуемом в заявляемом способе, является то, что в результате насыщения лент алюминием при проведении предлагаемой операции создается значительное давление одной контактирующей поверхности на другую. Таким образом, при изготовлении металлоблока по заявляемому способу возникают необходимые условия, для осуществления диффузионной сварки (контакт между свариваемыми поверхностями, повышенная температура, предотвращение окисления контактирующих поверхностей).

Использование: изобретение может быть использовано при изготовлении металлоблока каталитического нейтрализатора отработавших газов ДВС. Сущность изобретения: способ включает гофрирование стальной жаростойкой ленты, осуществление контакта между плоской и гофрированной лентами, закрепление в необходимых местах полученной сотовой конструкции, нанесение керамики и катализатора, причем перед нанесением блок дополнительно выдерживают при температуре 950-1250^oC в течение 0,5-5 ч в активной газовой среде, содержащей смесь галогенидов алюминия. В качестве галогенидов используют фториды алюминия AIF₃, ALF₂, AIF при суммарном парциальном давлении 10-160 мм. рт. ст. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ изготовления металлоблока каталитического нейтрализатора отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, включающий гофрирование стальной жаростойкой ленты, осуществление контакта плоской и гофрированной лент, закрепление в необходимых местах полученной сотовой конструкции, нанесение керамики и катализатора, отличающийся тем, что перед нанесением блок дополнительно выдерживают при 950 1250^oС в течение 0,5 5 ч в активной газовой среде, содержащей смесь галогенидов алюминия. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве галогенидов используют фториды алюминия AlF₃, AlF₂, AlF при суммарном парциальном давлении 10 160 мм рт.ст.