专利名称：用于废气排放控制的金属载体的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于废气净化的金属载体，该金属载体装载有催化剂以净化来自汽车的废气。
背景技术：
一种用于装载净化汽车废气催化剂的金属蜂窝状载体，其特征在于如下制造，将耐热金属(不锈钢)制成的平板和波纹板层叠在一起，将它们弯曲并将所述弯曲体插入到圆筒金属罩中从而形成金属蜂窝状核心体(以后简称为核心体)。所述核心的最外围与所述圆筒金属罩的内表面粘接在一起。当这些金属载体被用于汽车废气净化装置时，它们受冷热循环的影响，在载体中心部分和最外层部分之间产生巨大的温度梯度。因此，不仅热应力会作用在载体上，而且由发动机的机械振动和废气流动所产生的废气后压也会导致室(cell)的变形或组成室的箔片断裂或核心体和圆筒金属罩之间的接合部分断裂。
也就是说，当金属载体被加热和冷却时，在载体的最外层部分和中心部分之间会产生巨大的温度梯度。通过废气与催化剂的反应，核心体的中心部分被加热，而当中心部分的温度高于外层部分的温度时，中心部分受热膨胀的影响具有从外层部分伸展的趋势。而如果在结合部分等周围存在制约，那么从最外层部分被冷却时，由于热膨胀而延伸的中心部分不能充分收缩，并且会在轴向上永久变形。通过重复所述加热和冷却的热循环，核心体的中心部分倾向于在轴向上逐步延伸。
在具有通过接合而固定核心体的两端的结构的金属载体的情况下，例如日本专利公开文本56-4373中图8a，8b或日本专利5-45298中图1，3，4，5和6所公开的那样，当上述核心箔片的轴向沿伸现象发生时，组成核心体的平箔片和波纹板会弯曲并且导致金属载体断裂。为了避免所述问题，希望将核心体的接合区域在轴向上加以限制。
例如，在日本专利公开文本4-29750中，金属载体通过采用多个由间距为1-15mm环状间隔形成的带将核心体部分和金属圆筒在金属载体的轴向上接合而制造。在所述金属载体中，冷热循环所产生的朝向金属载体轴向的应力通过在环状间隔位置的非接合部分的变形而被吸收，并且应力被分散到接合部分和非接合部分。
然而，即使金属圆筒和核心体通过多个区域接合，仍有应力没有被有效分散的情况。这是由核心体的接合识别导致的。例如，在核心体和圆筒状金属罩的接合边界与核心体的内部接合边界一致时，热循环的应力被集中到所述部分，并且从所述部分产生箔片的断裂。
为了解决核心体内的弯曲和在核心体与圆筒罩接合部分的断裂问题，日本专利公开文本4-148016中公开了以下技术。也就是，在所述公开文本中，核心体轴向的接合长度被限制为全长的5％至20％，平板和波纹板仅仅在一个位置接合，增强区提供在外层部分，圆筒罩和核心体在所述外层增强区中的轴向范围内接合。
也就是说，在核心体和圆筒罩接合部分的结构中，公开了核心体中轴向接合长度比核心体最外围与圆筒罩的接合长度长。然而，通过所述接合方法，在核心体的最外层是平板的情况下，位于最外围的平板与圆筒罩的接合端支撑了由振动而施加到核心体的整个负载，而应力被集中到该接合端并且破坏了金属载体的耐久性。
而且，本发明的申请已经获得了针对以下技术的专利(日本专利3259081)。即，一种用于净化废气的催化剂载体，其中载体以弯曲平板和波纹板形成的核心体和包围所述核心体的圆筒状金属罩形式存在，其包括轴向上任意位置和宽度的平板和波纹板的接合部分，该部分不与核心体最外围与圆筒金属罩内表面的接合部分重叠。所述发明的金属载体特征在于，具有主要用于吸收由温度变化所导致的热变形的接合结构，所述结构避免了核心体和圆筒状金属罩的接合部分与平板和波片板的接合部分相重叠，该金属载体尤其在圆筒金属罩和核心体的最外围之间产生相对大的温度梯度时是有效的。
然而，根据更细致的研究，本发明的发明者获得了以下知识。即，由于平板或波纹板与圆筒金属罩的接合部分是由金属连接接合而成，因而接合部分具有良好的热导性并且热变形的应力非常小，然而，核心体和圆筒金属罩的接合部分应该支撑外界，例如通过振动，施加给核心体的全部负载，因而改进上述问题是非常重要的。
本发明的发明者在上述知识的基础上继续研究，并完成了本发明。本发明的目的是提供一种用于净化废气的金属载体，该载体以弯曲平板和波纹板所形成的核心体与包围所述核心体的圆筒状金属罩相接合的形式存在，尤其是将最外围是平板的核心体与圆筒状金属罩接合，即使在受到剧烈的加热和冷却的热循环或猛烈的机械振动时，该载体也具有优良的耐久性而不会断裂。
发明概述本发明的要点如下所示。即，本发明是一种用于净化废气的金属载体，其中载体以弯曲平钢板和波状钢板形成的核心体与包围所述核心体的圆筒状金属罩相接合的形式存在，其中核心体的最外围轴向上以任意宽度与圆筒状金属罩的内表面接合，覆盖整个圆周方向并且可在任意位置，而且，最外层平板与形成第二层的波纹板的接合区或者最外层波纹板与形成第二层的平板的接合区在与圆筒金属罩的接合区的轴向宽度之内形成。
图1是实施例1的金属载体的示意2是实施例2的金属载体的示意3是对照实施例1的金属载体的示意4是对照实施例2的金属载体的示意5是显示金属载体中温度分布的一个实施例的示意6是显示核心体和圆筒金属罩接合区与施加到核心体最外层平板的应力之间关系的示意图，(A)是当核心体的接合区位于圆筒金属罩与核心体(最外层平板)的接合区之内时的情况(B)是当核心体接合区位于与圆筒金属罩的接合区之外时的情况图7是图6(A)情况的简图，其中接合区包括实际上被认为是连续区域的不连续情况。
在附图中，每个标记含义如下。
1、圆筒金属罩2、核心体3、圆筒金属罩和核心体的接合部分4、核心体的平板与波纹板的接合部分
5、废气引入方向发明详述通过以下描述更加详细地说明本发明。
在用于净化废气，带有结合核心体和圆筒罩结构的金属载体中，例如通过振动或其它方式施加到金属载体的加速度(G)，由平板和波纹板的接合区支撑，而核心体的全部负载由核心体与圆筒罩的接合区支撑。当最外层平板与波纹板的接合区位于核心体与圆筒罩的接合区之内时，应力集中不发生在两个接合区的端部，然而，如果最外层平板与波纹板的接合区移动到核心体与圆筒罩的接合区之外，则应力集中就发生在核心体与圆筒罩接合区的移动端上。
这一点需要更详细地说明。由于位于核心体最外围的平板要支撑从外面，例如振动在与圆筒罩的接合区施加给核心体的全部负载，从强度的观点来说，如果接合区具有一定的长度毫无疑问能抵抗轴向外力。同时，如果该结构不适合于抵抗垂直于轴向的外力，应力就集中在最外围与圆筒罩接合区的端部。因此，理想的是考虑所述接合结构没有这样的应力集中。即，如图6(A)所示，通过在圆筒罩与核心体的最外层平板的接合区之内于轴向上提供核心体平板与波纹板的接合区，几乎从外面施加的全部负载都被分布在最外围与圆筒罩的接合区内分布。因此，应力不会集中在平板与波纹板接合部分的端部，而仅仅有伴随着最外层平板振动的应力集中。然而，例如图6(B)所示，如果通过移动到圆筒罩与核心体最外层平板接合区轴向之外制备核心体接合区，几乎所有施加到核心体的负载均被核心体的接合区支撑。因此，应力集中到核心体与圆筒罩接合区端部的移动侧，并且在最外层平板上会产生裂缝而缩短金属载体的寿命。
上述应力集中的程度取决于核心体的结构特点，当仅仅一部分位于核心体最外围的平板与波纹板的接合区移动到了核心体与圆筒罩接合区之外时，就会产生应力集中的现象。在最外围由波纹板组成的情况下也会产生这种应力集中现象。而且，在两种情况中的应力集中都必须要避免。
因此，在本发明中，位于核心体最外围的平板与波纹板的接合区被制备成位于圆筒罩内表面与核心体最外围的接合区之内。
在实际应用中，金属蜂窝状载体的中心部分被加热到超过1000℃，此时它的最外层圆周的温度大约为600℃，即从中心到最外层圆周产生了巨大的温度梯度。一个实例如图5所示。此外，根据使用条件，温度发生波动，在核心体中心部分产生巨大热变形。
同时，位于核心体最外围的平板与圆筒罩接合区的温度低于核心体中心部分的温度。通过能用于本发明中的接合方法，例如，金属铜焊，扩散连接，电阻焊接，激光焊接或电子束焊接，圆筒罩的金属和核心体最外层平板被金属性接合起来，因此，接合区显示良好的热导性并且显示大约相同的温度。因此，在核心体最外围平板与圆筒金属罩接合区上由热变形所产生的应力与核心体中心部分的相比是非常小的。然而，由于位于核心体最外层的平板在与圆筒罩接合区支撑了从外界，例如振动施加给核心体的全部负载，应力集中在轴向接合端上。为了避免所述应力集中，如上所述，有必要将核心体的平板和波纹板的接合部分设置在轴向上所述圆筒罩与核心体的平板的接合部分之内。如果移动出去设置核心体的接合部分，要加在核心体的全部负载一定由接合部分支撑，且应力集中在轴向移动侧的结合端部。结果，在位于核心体最外层的平板上产生裂缝并且损坏了金属载体的寿命。
本发明中作为平板或波纹板使用的材料与常规核心体所用材料没有不同之处，是30-100μm厚度的不锈钢板。这些平板和波纹板被层叠并弯曲从而形成具有蜂窝状横截面的核心体。弯曲体的最外围是平板或波纹板，然而，理想的是平板。在最外围是波纹板的情况下，其由于波纹结构而在轴向上具有一定的刚性。在最外层是平板的情况下，由于刚性仅仅取决于最外层圆周的曲度，因而弯曲应力引起的应变在轴向上变大。因此，理想的是在最外围将平板与圆筒金属罩接合。在本发明中，方法例如，金属铜焊，扩散连接，电阻焊接，激光焊接或电子束焊接都能用作接合方法。轴向接合区可以在任意位置以任意宽度制备，理想的是制备宽度为1-20mm的1-8个区。而且，根据接合区的圆周方向，接合可以连续或间断实施从而覆盖整个圆周，理想的是平板与波纹板的接合部分在平板的两侧不重叠。如果避免了所述重叠，并且接合部分在平板两侧是分开的，平板就可以吸收在所述部分的热变形。在平板通过金属铜焊接合的情况下，由于铜焊成分(例如，Ni或其它成分)集中在接合部分并且核心体箔片在接合部分劣化，因而所述重叠不是想要的。而且，如图7所示，在本发明中，接合区包括实际上被认为是连续区的非连续情况。
核心体的横截面不受限制，例如，圆形，椭圆形或跑道型都可采用。
圆筒金属罩采用1-15mm厚度的不锈钢，罩的内直径与核心体外直径相同，核心体被压入圆筒金属罩中。因此，圆筒金属罩的横截面状与所压入核心体的相同。
在核心体与圆筒金属罩的接合工艺中，理想的是从最内层圆周到最外层圆周核心体的平板和波纹板的接合区在圆筒金属罩与核心体接合区轴向宽度内形成。理由如下。那就是，最重要的一点是最外围与圆筒罩的接合情况，因为核心体内侧温度变高，接合部分的宽度优选地要短。无需进行不必要的加宽或变窄或改变。换句话说，理想的是核心体平板与波纹板接合区位于圆筒金属罩与核心体接合区两端限制之内。并且，当圆筒金属罩与核心体接合区的宽度小于或等于从废气出口轴向上核心体长度的1/2时，从经验看可得到理想的结果。这能够被解释，因为出口侧温度低于入口侧，在出口侧使用条件变得温和。
因为热变形被分散，理想的是圆筒金属罩与核心体的接合区在轴向上制备多个，理想的是核心体中平板和波纹板的接合区与圆筒金属罩和核心体的接合区的两端在内部以10倍或多于10倍的组成核心体的金属箔片的厚度来制备。当核心体中接合区通过一定距离在圆筒金属罩与核心体接合端内部的限制内制备时，集中在接合区端部的应力变小。因此，如果箔片的厚度为100μm，理想的是在大于100μm*10＝1.0mm之内制备圆筒金属罩与核心体接合区。而且，理想的是核心体平板与波纹板的接合区和核心体与圆筒金属罩的接合区至少在一端具有等于或长于核心体轴向长度的5％的长度的非接合部分。
实施例本发明将通过实施例并接合附图得以更具体的描述。然而，这些实施例不是用来限制本发明权利要求的范围。
实施例1图1是本发明的金属载体。波纹板通过翻折60mm宽、100μm厚的铁素体型耐热不锈钢平板来制备。在所述波纹板的两个表面，在宽度方向的中心位置涂布10mm宽的由粉末状焊接材料和粘合剂的混合物组成的浆，用平板层叠并且弯曲，这样就制备成了核心体2。然后，由粉末状焊接材料和粘合剂的混合物组成的浆被涂布在长度70mm，厚度1.5mm的圆筒金属罩1内表面的长度方向上中心位置，宽度20mm。干燥后，核心体2被压入到所述圆筒金属罩的轴向中心位置。然后，进行用于焊接的热处理(1200℃，20分钟，10-5Torr)，制备63.5mm直径和70mm长度(核心体长度为60mm)的金属载体。通过这种工艺的金属载体外形如图1所示。在图1中，3代表圆筒金属罩1与核心体2的接合区，4代表核心体的波纹板和平板的接合区，5代表废气引入方向。
催化剂被装在这个金属载体上，进行脱落实验(热循环加热12分钟→空气强制冷却3分钟，最高温度1000℃，振动200Hz，加速度30G)。在进行200个热循环，振动30G，3.6×108次的检测之后，没有观察到核心体变形或焊接部分的裂缝。
实施例2图2也是本发明的金属载体。波纹板通过翻折本发明的铁素体型耐热不锈钢载体来制备。波纹板通过翻折60mm宽、100μm厚的铁素体型耐热不锈钢平板来制备。在所述波纹板的前表面上，从废气入口端24-29mm区域涂布5mm宽的由粉末状焊接材料和粘合剂的混合物组成的浆，用平板层叠并且弯曲，这样就形成了核心体2。然后，由粉末状焊接材料和粘合剂的混合物组成的浆被涂布在长度70mm，厚度1.5mm的圆筒金属罩1内表面的长度方向上中心位置，宽度20mm。干燥后，核心体2被压入到所述圆筒金属罩的轴向中心位置。然后，进行用于焊接的热处理(1200℃，20mm，10-5Torr)，制备63.5mm直径和70mm长度(蜂窝核心体长度为60mm)的金属载体。通过这种工艺的金属载体的外形如图2所示。3代表圆筒金属罩1与核心体2的接合区，4代表核心体的波纹板和平板的接合区，5代表废气引入方向。
催化剂被装在这个金属载体上，进行脱落实验(热循环加热12分钟→空气强制冷却3分钟，最高温度1000℃，振动200Hz，加速度30G)。在进行200个热循环，振动30G，3.6×108次的检测之后，没有观察到核心体变形或焊接部分的裂缝。
对照实施例1波纹板通过翻折60mm宽、100μm厚的铁素体型耐热不锈钢平板来制备。在所述波纹板的两个表面，从废气入口端15-25mm区域涂布10mm宽的由粉末状焊接材料和粘合剂的混合物组成的浆，用平板层叠并且弯曲，这样就制备成了核心体2。然后，由粉末状焊接材料和粘合剂的混合物组成的浆被涂布在长度70mm，厚度1.5mm圆筒金属罩1内表面的长度方向上中心位置，宽度20mm。干燥后，核心体2被压入到所述圆筒金属罩的轴向中心位置。然后，进行用于焊接的热处理(1200℃，20分钟，10-5Torr)，制备63.5mm直径和70mm长度(蜂窝核心体长度为60mm)的金属载体。通过这种工艺的金属载体的外形如图3所示。在图3中，3代表圆筒金属罩1与核心体2的接合区，4代表核心体的波纹板和平板的接合区，5代表废气引入方向。
催化剂被装在这个金属载体上，进行脱落实验(热循环加热12分钟→空气强制冷却3分钟，最高温度1000℃，振动200Hz，加速度30G)。在进行200个热循环，振动30G，3.6×108次的检测之后，没有观察到核心体变形，但是在最外层平板与圆筒金属罩的焊接部分的废气入口端观察到裂缝。
对照实施例2波纹板通过翻折60mm宽、100μμm厚的铁素体型耐热不锈钢平板来制备。在所述波纹板的两个表面上从废气入口端5-15mm区域涂布10mm宽的由粉末状焊接材料和粘合剂的混合物组成的浆，用平板层叠并且弯曲，这样就制造了核心体2。然后，由粉末状焊接材料和粘合剂混合物组成的浆被涂布在长度70mm，厚度1.5mm的圆筒金属罩1的内表面的长度方向上中心位置，宽度20mm。干燥后，核心体2被压入到所述圆筒金属罩的轴向中心位置。然后，进行用于焊接的热处理(1200℃，20分钟，10-5Torr)，制备63.5mm直径和70mm长度(蜂窝核心体长度为60mm)的金属载体。通过这种工艺的金属载体的外形如图4所示。图4中，3代表圆筒金属罩1与核心体2的接合区，4代表核心体的波纹板和平板的接合区，5代表废气引入方向。
催化剂被装在这个金属载体上，进行脱落实验(热循环加热12分钟→空气强制冷却3分钟，最高温度1000℃，振动200Hz，加速度30G)。在进行52个热循环，振动30G，9.4×106次的检测之后，在最外层平板与圆筒金属罩的焊接部分的废气入口端发生了裂缝，并且核心体从罩中脱落。
本发明的效果如上所述，通过采用本发明的核心体接合结构，得到用于汽车、摩托车或工业机器废气净化的金属载体，其具有极好的耐久性。
权利要求
1.用于净化废气的金属载体，其中载体以弯曲平钢板和波纹钢板形成的金属蜂窝状核心体与包围所述金属蜂窝状核心体的圆筒状金属罩相接合形式存在，其中金属蜂窝状核心体的最外围以轴向上任意宽度与圆筒状金属罩的内表面接合，覆盖整个圆周方向并且可在任意位置，而且，金属蜂窝状核心体最外层平板与形成第二层的波纹板的接合区或者最外层波纹板与形成第二层的平板的接合区在与圆筒金属罩的接合区的轴向宽度内形成。
2.权利要求1的用于净化废气的金属载体，其中从最内层圆周到最外层圆周的金属蜂窝状核心体的平板和波纹板的接合区在圆筒金属罩与金属蜂窝状核心体的接合区的轴向宽度内形成。
3.根据权利要求1或2的用于净化废气的金属载体，其中金属蜂窝状核心体的最外围是平板。
4.根据权利要求1-3任意一项的用于净化废气的金属载体，其中圆筒金属罩与金属蜂窝状核心体接合区的宽度小于或等于从废气出口于轴向上金属蜂窝状核心体长度的1/2。
5.根据权利要求1-4任意一项的用于净化废气的金属载体，其中在金属蜂窝状核心体中平板与波纹板的接合区在平板的两侧不重叠。
6.根据权利要求1-5任意一项的用于净化废气的金属载体，其中圆筒金属罩与金属蜂窝状核心体的接合区或平板与波纹板的接合区在轴向上制备有多个。
7.根据权利要求1-6任意一项的用于净化废气的金属载体，其中在金属蜂窝状核心体中平板和波纹板的接合区与圆筒金属罩和金属蜂窝状核心体的接合区的两端在内部以10倍或多于10倍的组成金属蜂窝状核心体的金属箔片的厚度来制备。
8.根据权利要求1-7任意一项的用于净化废气的金属载体，其中金属蜂窝状核心体平板与波纹板的接合区和核心体与圆筒金属罩的接合区至少在一端具有长度为轴向上核心体长度5％的非接合部分。
9.根据权利要求1-8任意一项的用于净化废气的金属载体，其中圆筒金属罩与金属蜂窝状核心体接合区在核心体轴向上的全长等于或长于5mm，并且等于或短于圆筒金属罩与金属蜂窝状核心体接合区在核心体轴向上长度的1/2。
全文摘要
用于净化废气的金属载体，其中载体以弯曲平钢板和波纹钢板形成的金属蜂窝状核心体与包围所述金属蜂窝状核心体的圆筒状金属罩相接合形式存在，其中金属蜂窝状核心体的最外围以轴向上任意宽度与圆筒状金属罩的内表面接合，覆盖整个圆周方向并且可在任意位置，而且，金属蜂窝状核心体最外层平板与形成第二层的波纹板的接合区或者最外层波纹板与形成第二层的平板的接合区在与圆筒金属罩的接合区的轴向宽度内形成。
文档编号F01N3/28GK1652872SQ0381072
公开日2005年8月10日 申请日期2003年5月12日 优先权日2002年5月13日
发明者黑田康英, 青木幸夫 申请人:日本冶金工业株式会社