СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОТОВОГО ЭЛЕМЕНТА ИЗ ДВУХ ТИПОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЛИСТОВ, РАЗЛИЧАЮЩИХСЯ ПО СВОЕМУ СТРОЕНИЮ Российский патент 2000 года по МПК B01J35/04 F01N3/28 

Изобретение относится к способу изготовления сотового элемента из термостойких металлических листов, набранных в пакет и/или свернутых в рулон.

Такие сотовые элементы используются преимущественно в качестве корпусов-носителей катализаторов в системах выпуска отработавших газов (ОГ) двигателей внутреннего сгорания и известны, например, из заявки WO 89/07488. Сотовые элементы, которые используются в качестве корпусов-носителей каталитических нейтрализаторов, применяют с обладающим каталитическим действием покрытием для очистки ОГ в транспортных средствах, и они подвергаются сильным механическим и тепловым нагрузкам. Наряду с тепловой и механической нагрузками сотовый элемент подвергается воздействию агрессивных компонентов, присутствующих в ОГ. Для увеличения срока службы такого сотового элемента целесообразно, в частности, обеспечить высокую коррозионную стойкость металлических листов.

Из заявки ЕР 0159468 В1 уже известно применение предпочтительно стальных листов с высоким содержанием алюминия. Однако применение такого материала представляется проблематичным вследствие того, что сталь с высоким содержанием алюминия обладает плохой прокатываемостью, из-за чего при изготовлении такого листа возникают дополнительные расходы. Эта проблема также рассматривается в патенте US 5366139. В этом патенте для изготовления сотового элемента предлагается использовать лист, выполненный из стали, плакированной алюминием. Такие листы в известных пределах поддаются обработке с небольшими затратами.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ изготовления сотового элемента из набранных в пакет и/или скрученных в рулон металлических листов с высокой коррозионной и термостойкостью, которые по меньшей мере частично имеют структуру, образующую каналы для прохождения текучей среды, а именно такой способ, который был бы наиболее пригоден для изготовления сотового элемента с применением металлических листов, имеющих многослойное строение.

Указанная задача решается с помощью способа изготовления сотового элемента с отличительными признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения представлены в зависимых пунктах.

Предлагаемый в изобретении способ изготовления сотового элемента из набранных в пакет и/или скрученных в рулон металлических листов с высокой коррозионной и термостойкостью, которые по меньшей мере частично имеют структуру, образующие каналы для прохождения текучей среды, отличается тем, что сотовый элемент скручивают в рулон и/или набирают в пакет из двух типов металлических листов, различающихся по своему строению. При этом металлические листы одного типа выполнены в основном из гомогенной стали, содержащей по меньшей мере хром и алюминий. Металлические же листы другого типа имеют многослойное строение, включающее по меньшей мере один слой, выполненный из содержащей хром стали, и по меньшей мере второй слой, содержащий в основном алюминий. Металлические листы соединяют друг с другом термической обработкой, причем металлические листы с многослойным строением гомогенизируются за счет диффузии.

Предлагаемый в изобретении способ позволяет, в частности, изготавливать сотовые элементы, которые имеют относительно большое поперечное сечение, из металлических листов, имеющих многослойное строение. Было установлено, что при изготовлении сотовых элементов, которые были изготовлены только из металлических листов с многослойным строением, не всегда может быть обеспечено соединение самих листов между собой и/или с кожухом, охватывающим сотовый элемент. Было установлено далее, что при термической обработке сотового элемента листы с многослойным строением уменьшаются в своем объеме. Уменьшение объема листов обусловлено тем, что алюминий, образующий по крайней мере наружный слой металлического листа, в процессе термической обработки диффундирует в первый слой стали, содержащей хром. Влияние уменьшения объема металлических листов, имеющих многослойное строение, согласно предлагаемому способу изготовления сотового элемента снижается благодаря тому, что сотовый элемент скручивают в рулон и/или набирают в пакет из металлических листов различного типа, различающихся по своему строению. В соответствии с изобретением предлагается использовать металлические листы различных типов, одна часть которых выполнена в основном из гомогенной стали, содержащей по крайней мере хром и алюминий, а другая часть имеет многослойное строение. За счет этого в процессе изготовления улучшаются свойства упругости многослойных металлических листов.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом предлагается изготавливать сотовый элемент из попеременно чередующихся слоев гладких и гофрированных листов. В таком сотовом элементе предпочтительно использовать гладкие листы, выполненные в основном из гомогенного материала, и гофрированные листы, имеющие многослойное строение. Благодаря этому большая часть материала может представлять собой дешевый в изготовлении многослойный материал, хорошо поддающийся гофрированию.

Для особых случаев применения и при больших диаметрах может оказаться предпочтительным, однако, и противоположный вариант, а именно изготовление гладких листов из многослойного материала.

Листы с многослойным строением предпочтительно имеют три слоя, а именно внутренний слой из хромистой стали, на который с обеих сторон нанесен, предпочтительно навальцован, содержащий в основном алюминий слой. Преимущество такого листа заключается в том, что прежде всего при термической обработке смежные слои листов соединяются между собой в местах их контакта за счет диффузии. Наряду с возможностью соединения слоев листов между собой за счет диффузии предлагается до или после скручивания в рулон или пакетирования снабжать листы по меньшей мере на отдельных участках припоем и спаивать их между собой за одну операцию термической обработки. Благодаря этому изготовленный сотовый элемент обладает высокой механической прочностью.

С целью обеспечить в процессе термической обработки постоянство контакта между слоями листов, т.е. чтобы эти места контакта не расходились, согласно другому предпочтительному варианту осуществления способа предлагается компенсировать уменьшение объема листов с многослойным строением за счет упругой отдачи листовых слоев. Для этого листы в процессе скручивания в рулон или после этого процесса вставляют в трубчатый кожух с предварительным натягом.

Часть металлических листов предпочтительно снабдить дополнительной микроструктурой. За счет выполнения дополнительных микроструктур может быть повышена упругость листов. С другой стороны, уменьшается необходимый для обеспечения постоянства контакта в процессе термической обработки предварительный натяг сотового элемента, поскольку определяемые микроструктурами места контакта имеют меньшую площадь по сравнению с обычными линейными местами контакта между металлическими листами. Микроструктуры способствуют также улучшению перемешивания газа, протекающего через сотовый элемент. Микроструктуры предпочтительно наносить до скручивания в рулон или пакетирования металлических листов. Микроструктура как таковая выполнена в виде структуры, проходящей поперечно каналам, и известна, например, из заявки ЕР 0454712 В1.

В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом предлагается способ изготовления сотового элемента, согласно которому сотовый элемент вставляют в трубчатый кожух, внутренняя поверхность которого, по меньшей мере на некоторых ее участках, имеет слой, состоящий в основном из алюминия. Преимущество выполненного таким образом трубчатого кожуха заключается в том, что соприкасающиеся с кожухом металлические листы могут быть соединены в местах их контакта с кожухом за счет диффузии. Кроме того, повышается коррозионная стойкость трубчатого кожуха к действию агрессивных ОГ.

Другие преимущества и особенности предлагаемого способа поясняются на примере выполнения сотового элемента со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - схематичный вид спереди сотового элемента,
на фиг. 2 - металлический лист с многослойным строением и
на фиг. 3 - место контакта металлического листа, имеющего многослойное строение, с листом, выполненным в основном из гомогенной стали.

На фиг. 1 изображен сотовый элемент 1. Этот сотовый элемент 1 состоит из термо- и коррозионностойких металлических листов, набранных в пакет и свернутых в рулон. Сотовый элемент 1 изготовлен из двух типов металлических листов 2, 3, различающихся по своему строению, а именно состоит из чередующихся слоев гладких 2 и гофрированных 3 листов. Гладкие листы 2 выполнены в основном из гомогенной стали, содержащей по крайней мере хром и алюминий. Гофрированные листы 3 имеют многослойное строение. Гофрированные многослойные листы 3 имеют внутренний слой 4 из хромистой стали, на который с обеих сторон нанесены слои 5, 6, содержащие в основном алюминий, как это видно на фиг. 2. Сотовый элемент 1, изготовленный из набранных в пакет и свернутых в рулон металлических листов, имеет структуру, образующую каналы 7 для прохождения текучей среды. Металлические листы расположены в трубчатом кожухе 8. На внутренней поверхности трубчатого кожуха 8, по меньшей мере на отдельных ее участках, имеется слой, состоящий в основном из алюминия.

На фиг. 3 изображено место контакта гладкого листа 2 с гофрированным листом 3. Гофрированный лист 3 имеет многослойное строение, как это показано на фиг. 2. В процессе термической обработки, за счет которой в результате диффузии листы 2, 3 одновременно соединяются друг с другом в местах их контакта, слой 6 расплавляется на внутреннем слое 4 гофрированного листа 3. Расплавившийся слой 3 смачивает поверхность листов, причем в результате капиллярного эффекта в месте 9 контакта часть алюминия затекает в зазоры 10 между гофрированным листом 3 и гладким листом 2. В процессе термической обработки алюминий диффундирует в гладкий лист 2 и во внутренний слой 4 гофрированного листа 3. При этом образуются зоны 11, 12 с повышенным содержанием алюминия. Сталеалюминиевые сплавы имеют значительно меньшую температуру плавления по сравнению со сталью, благодаря чему внутренний слой 4 гофрированного листа 3 и гладкий лист 2 в зонах 11, 12 временно расплавляются, образуя в окружающей места 9 контакта зоне внутреннее соединение, которое по своим свойствам по существу соответствует сварному соединению. За счет градиента концентрации алюминий мигрирует по направлению стрелок далее вовнутрь листов 2, 3, в результате чего содержание алюминия в зонах 11, 12 уменьшается, и по этой причине температура плавления зон 11, 12 повышается, благодаря чему места соединений затвердевают.

Сотовые элементы по изобретению можно изготавливать с небольшими затратами и с высоким качеством, в том числе и больших диаметров, превышающих 90 мм, в частности превышающих 105 мм или даже 120 мм.

Изобретение предназначено для изготовления сотовых элементов, используемых преимущественно в качестве корпусов-носителей катализаторов в системах выпуска отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Сотовый элемент набирают в пакет и/или скручивают в рулон из металлических листов с высокими коррозионной и термостойкостью, которые по меньшей мере на отдельных участках имеют структуру, образующую каналы для прохождения текучей среды. Используют два типа металлических листов, различающихся по своему строению. Металлические листы одного типа выполнены в основном из гомогенной стали, содержащей по меньшей мере хром и алюминий. Металлические листы другого типа имеют многослойное строение, включающее по меньшей мере один слой, выполненный из содержащей хром стали, и по меньшей мере второй слой, содержащий в основном алюминий. Металлические листы соединяют друг с другом термической обработкой. Металлические листы с многослойным строением гомогенизируются за счет диффузии. Технический результат - изготовление сотовых элементов, в том числе больших диаметров, превышающих 90 мм, высокого качества при небольших затратах. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления сотового элемента (1) из набранных в пакет и/или свернутых в рулон металлических листов (2, 3) с высокими коррозионной и термостойкостью, которые по меньшей мере на отдельных участках имеют структуру, образующую каналы (7) для прохождения текучей среды, отличающийся тем, что сотовый элемент (1) свертывают в рулон или набирают в пакет из двух типов металлических листов (2, 3), различающихся по своему строению, при этом металлические листы (2) одного типа выполнены в основном из гомогенной стали, содержащей по меньшей мере хром и алюминий, а металлические листы (3) другого типа имеют многослойное строение, включающее по меньшей мере один слой (4), выполненный из содержащей хром стали, и по меньшей мере второй слой (5, 6), содержащий в основном алюминий, и металлические листы (2, 3) соединяют друг с другом термической обработкой, причем металлические листы с многослойным строением гомогенизируются за счет диффузии. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сотовый элемент (1) изготавливают из попеременно чередующихся слоев гладких и гофрированных листов (соответственно 2, 3), причем гладкие листы (2) выполнены в основном из гомогенного материала, а гофрированные листы (3) имеют многослойное строение. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сотовый элемент (1) изготавливают из попеременно чередующихся слоев гладких и гофрированных листов (соответственно 2, 3), причем гофрированные листы (3) выполнены в основном из гомогенного материала, гладкие листы (2) имеют многослойное строение. 4. Способ по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что листы (3) с многослойным строением имеют три слоя, а именно внутренний слой (4) из хромистой стали, на которой с обеих сторон нанесен, предпочтительно навальцован содержащий в основном алюминий слой (5, 6). 5. Способ по пп.1, 2, 3 или 4, отличающийся тем, что листы (2, 3) до или после свертывания в рулон или пакетирования снабжают по крайней мере на отдельных участках припоем, а термическая обработка является процессом пайки. 6. Способ по пп.1, 2, 3 или 4, отличающийся тем, что листы (2, 3) в процессе термической обработки за счет диффузии одновременно соединяются меду собой в местах (9) их контакта. 7. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что листы (2, 3) во время или после свертывания в рулон вставляют в трубчатый кожух (8) с таким предварительным натягом, что уменьшение объема листов (3) с многослойным строением компенсируется при термической обработке за счет упругой отдачи листов (2), благодаря чему места (9) контакта между листами (2, 3) не расходятся. 8. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что по крайней мере часть листов перед свертыванием в рулон или пакетированием снабжают дополнительной микроструктурой. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что микроструктура является структурой, проходящей поперечно каналам (7). 10. Способ по п.8, отличающийся тем, что микроструктура является структурой, проходящей, по существу, параллельно каналам. 11. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что сотовый элемент (1) вставляют в трубчатый кожух (8), внутренняя поверхность которого по меньшей мере на некоторых ее участках имеет слой, состоящий в основном из алюминия.