專利名稱：給制成的催化排氣系統(tǒng)元件鍍鋁的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種為在高溫下導(dǎo)引廢氣的金屬構(gòu)件鍍鋁的方法。更具體地說，本發(fā)明是關(guān)于用于催化轉(zhuǎn)化器和排氣管成形的金屬基體與一種氣體混合物接觸，從而在這些構(gòu)件的裸露表面上形成鋁鍍(涂)層，并或氧化鋁涂層表面形成氧化鋁，或熱處理在金屬基體內(nèi)形成鋁擴(kuò)散層，或者二者。
Fe-Cr-Al合金薄片或薄板的等溫抗氧化能力主要由合金中鋁的體積含量控制。只要氧化產(chǎn)物是α-(Al，Cr)2O3，合金即認(rèn)為受到保護(hù)。這種氧化物的生長動(dòng)力學(xué)為拋物線型，其相關(guān)的單位面積增重率與時(shí)間的平方根成反此。當(dāng)合金中的鋁含量由于氧化物的生成而被消耗至某一程度時(shí)，在此時(shí)，無保護(hù)性的尖晶石型氧化物開始生成，測(cè)到增重明顯加速。此行為被稱為“剝裂型氧化”，(break-away oxidation)，而發(fā)生此現(xiàn)象的時(shí)間稱為“劇增時(shí)間”(break-away time)。在一定的Al2O3生長率下，通過增加合金中鋁的體積含量，以延遲鋁的臨界耗盡，就可使劇增時(shí)間延長。然而，當(dāng)鋁含量超過一定值時(shí)(此值取決于鉻的濃度)，合金會(huì)迅速變脆而不能加工。對(duì)含20％鉻(重量)的合金來說，對(duì)可鍛壓產(chǎn)品，鋁含量的上限約為5.5％(重量)。
由于所要求的工作溫度和所接觸氣體的腐蝕性，催化轉(zhuǎn)化器和其連結(jié)管及導(dǎo)氣管道的工作壽命受到很大限制。提高組件的抗氧化能力的一個(gè)良好方法是，將這些催化構(gòu)件和供氣管件鍍上鋁，然后將其氧化。然而，在芯材加工前鍍膜有著潛在的問題，因?yàn)榻饘俚牟y化、卷疊、和焊接/釬接都會(huì)使鍍層遭到破壞。較好的方法是先將芯材加工制成元件，然后將其所有內(nèi)表面鍍上鋁。大部分傳統(tǒng)表面處理方法，如離子注入、等離子噴涂和物理氣相沉積，都需具備可視條件，因此不適合這里的的應(yīng)用。其他不需要可視的方法，如金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)，部分由于極大危害健康而需要有昂貴的設(shè)備。
1992年3月出版的“先進(jìn)涂層及表面技術(shù)”(“Advanced Coat-ing & Surface Technology”)簡單介紹了一種采用三元?dú)鈶B(tài)混合物鍍鋁層的方法。該三元?dú)鈶B(tài)混合物是將或三甲基鋁(TMA)或三乙基鋁(TEA)與氫氣和氬氣在較低溫度(400到800℃)下反應(yīng)而得到。該方法的詳細(xì)介紹請(qǐng)見一篇題為“由烷基鋁制得的涂層對(duì)低碳鋼的氧化保護(hù)”的論文(作者為A.L.Cabrera等人，發(fā)表在金屬的氧化(Oxidation of Metals)，第36卷，265-280頁，1991年第3/4期)。
本發(fā)明使用三甲基鋁或三乙基鋁與氫氣和氬氣的氣態(tài)混合物，以提高汽車排氣元件，如催化轉(zhuǎn)化器及有關(guān)管件的抗氧化能力。這樣就不需用含鋁金屬，或即使用了也不必提高金屬合金的鋁的體積含量。如果原有氧化鋁保護(hù)層能形成，氣態(tài)混合物的使用有利于排氣系統(tǒng)元件的加工成形。在不消耗基材中的鋁和沒有實(shí)際增加鋁合金含量的情況下，這將有效地增加了組件的含鋁量。氣態(tài)混合物涂層法也無需合金表面毛化(Whiskering)以及在沉積催化貴金屬涂層之前添加一氧化鋁層。這將特別有利于降低排氣元件的總生產(chǎn)成本，并提高了催化效率。
由于提高了抗氧化能力，通過對(duì)鋁涂層進(jìn)行良好的厚度控制，可以很容易在電熱“點(diǎn)火”型汽車催化轉(zhuǎn)化器中使用更薄的金屬基板規(guī)。用這種方法形成的氧化鋁涂層附著性相當(dāng)好，并且與目前使用的未經(jīng)表面處理的標(biāo)稱5％Al合金相比，可以在不降低其氧化能力情況下，使用鋁體積含量更低的合金。按此方法，產(chǎn)品更易生產(chǎn)，成本更低。該方法提供了一種生產(chǎn)排氣元件的實(shí)用方法。例如，標(biāo)稱厚度為0.0015英寸(0.038毫米)，該厚度被認(rèn)為是“點(diǎn)火”型汽車轉(zhuǎn)化器芯材的目標(biāo)厚度。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)用于排氣系統(tǒng)中導(dǎo)引熱廢氣元件的耐腐蝕能力和/或降低其壁厚要求的方法。其中，使這些元件、部件或組件鍍上一層鋁，并使其反應(yīng)在表面形成氧化鋁，或者使其擴(kuò)散進(jìn)入金屬基體。
更具體地說，本發(fā)明提供一種用于導(dǎo)引熱廢氣流的排氣系統(tǒng)中元件成形的方法。該方法包括以下步驟選擇合金鋼薄板，它可以含有鋁合金組份；將所選合金鋼薄板加工成排氣元件；通過熱分解氣態(tài)混合物來給排氣元件鍍鋁，該氣態(tài)混合物包括載氣和鋁基化合物，優(yōu)選三甲基鋁、三乙基鋁或其混合物；加熱鋁鍍層以使排氣元件得到耐腐蝕保護(hù)，優(yōu)選使鋁氧化或使其擴(kuò)散進(jìn)入金屬基體中，或者二者。
在參照附圖閱讀下面說明之后，本發(fā)明將更易理解，其中

圖1是一種已知的為汽車內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)的催化轉(zhuǎn)化器的等角示意圖(部分剖面)；圖1A是一種己知的催化轉(zhuǎn)化器的金屬催化芯的示意圖2是本發(fā)明的方法應(yīng)用于成批處理工藝的方框示意圖簡圖；圖3是本發(fā)明的方法應(yīng)用于連續(xù)處理工藝的立視圖(部分剖面)；和圖4是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法的集氣管(聯(lián)管箱)系統(tǒng)的等角圖。
圖1示范了現(xiàn)有技術(shù)水平的催化轉(zhuǎn)化器10的結(jié)構(gòu)。它包括其上開有進(jìn)氣口11和出氣口12的外罩，經(jīng)過這兩個(gè)口廢氣流可流經(jīng)反應(yīng)室13。反應(yīng)室中，沿邊緣接合的兩塊多孔板14形成一個(gè)空氣室，該空氣室由進(jìn)氣管16導(dǎo)入空氣?？諝獯┻^多孔板14進(jìn)入位于板兩外側(cè)的催化劑層18。整個(gè)催化劑層及空氣室被套在隔料網(wǎng)殼20中，隔料網(wǎng)殼又包含在轉(zhuǎn)化器殼22里。隔熱層24夾在轉(zhuǎn)化器殼22和外罩26之間。外罩由兩半沿邊緣焊接而成。在外罩26、轉(zhuǎn)化器殼22和隔料網(wǎng)殼20上開有對(duì)準(zhǔn)的孔用以填充適量的催化劑，填料塞28封住這些孔。催化轉(zhuǎn)化器元件都是用薄鋼板材如不銹鋼，通過適當(dāng)?shù)某尚渭庸ぶ瞥傻?。薄鋼板材可以含有鋁作為合金成份。
圖1A示范了一種已知的催化轉(zhuǎn)化器的金屬催化芯21。芯(載體)是用金屬材質(zhì)薄板制成，可以代替圖1的顆粒狀(載體)設(shè)計(jì)加以應(yīng)用。通常，芯21包括一個(gè)由金屬薄板片作為金屬基體制成的蜂窩式構(gòu)件。當(dāng)用于催化轉(zhuǎn)化器時(shí)，廢氣流經(jīng)蜂窩17，其作為主要反應(yīng)地點(diǎn)將污染廢氣凈化。
本發(fā)明可同樣適用在其它場(chǎng)合的金屬催化轉(zhuǎn)化器上，如用于公路和越野車輛，二程循環(huán)內(nèi)燃機(jī)如割草機(jī)，和動(dòng)力發(fā)電廠，熱電聯(lián)合體，食品工業(yè)機(jī)械及其它固定設(shè)備等的金屬催化轉(zhuǎn)化器上。本發(fā)明也適用于同類構(gòu)件如尾管或用于導(dǎo)引廢氣進(jìn)出這些金屬催化轉(zhuǎn)化器的管件等。本發(fā)明可用于含鋁金屬鍍鋁，同時(shí)此涂層也可應(yīng)用于不含鋁金屬的構(gòu)件和部件，如不含鋁合金的焊釬合金(構(gòu)成元件一部分)。
氣態(tài)混合物對(duì)于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法很重要。鋁鍍層主要從鋁基化合物獲得，優(yōu)選三甲基鋁(TMA)和三乙基鋁(TEA)。對(duì)于本發(fā)明，鋁基化合物選自TMA和TEA或其混合物。所使用的載氣選用不易反應(yīng)氣體如氬氣、氮?dú)夂秃?，?yōu)選氬氣。為控制氣態(tài)混合物的濕度，最好用一種干性氣體如氫氣來降低混合物的露點(diǎn)。在優(yōu)選方案中，氣態(tài)混合物包括鋁基化合物如TMA或TEA或其混合物，載氣氬氣和干燥氫氣。
在圖2中，示范了本發(fā)明的方法應(yīng)用于成批處理過程。在此過程中爐40用電或燃?xì)饧訜嶂?00°到800℃范圍某一溫度。將金屬催化轉(zhuǎn)化器元件、組件和/或部件放在托盤或其它合適的支持物上，該支持物放入爐中進(jìn)行必要的處理，時(shí)間由計(jì)時(shí)器42控制。該計(jì)時(shí)器由操作人員使用來控制流量閥44，以控制經(jīng)管線46輸送至爐腔的氣態(tài)混合物的量。氣態(tài)混合物在容器48中形成，容器中有一個(gè)盛有三甲基鋁或三乙基鋁液的槽50。由導(dǎo)管線52引入的氬氣進(jìn)入到發(fā)泡板或其它裝置，使輸入氣體同槽50混合。干燥的氫氣53在閥44之前輸入到Ar和TMA或TEA氣流中，以使氣態(tài)混合物相對(duì)于鋁鍍層及被鍍鋼件具有熱力學(xué)還原性。
容器內(nèi)槽上的空間為氬氣和TMA或TEA的供給區(qū)。爐內(nèi)排氣元件暴露于氣態(tài)混合物中的時(shí)間可以變化，從而在排氣元件金屬表面上淀積所需厚度的鋁。
在鋁鍍層達(dá)到所需厚度后，可以操作閥44以終止氣態(tài)混合物的輸入。如果需要，爐內(nèi)氣氛可以通過氣體燃燒或外部輸入氧化性氣體如空氣或氧氣來控制。在輸入管線54中通過操作閥56，產(chǎn)生氧化性氣氛將涂層中鋁氧化形成氧化鋁層。
另一種將爐40內(nèi)元件鍍層鋁表面氧化的方法是，將裝有排氣元件的托盤放入反應(yīng)爐58中，爐內(nèi)充以氧化性氣體以保持適宜氣氛將鋁鍍層表面氧化。在成批處理工藝中使用反應(yīng)爐可提高爐40的生產(chǎn)率。
加熱鍍層鋁這一步驟可使鋁擴(kuò)散進(jìn)鋼板(元件由此加工)的金屬基體中。通過增加了合金的鋁的體積含量，這將有利于Fe-Cr或Fe-Cr-Al合金薄片或薄板的等溫抗氧化能力。另外，加熱步驟既可氧化又可擴(kuò)散涂層中的鋁，以增強(qiáng)元件的防腐保護(hù)。
為獲得更高的生產(chǎn)率，圖3示范了利用此技術(shù)沉積鋁層的連續(xù)處理工藝。馬達(dá)61驅(qū)動(dòng)的傳送帶60控制放在帶62上的排氣元件的停留時(shí)間，排氣元件并依次通過爐室63和64。爐室63開有一孔65，導(dǎo)管46由此孔輸入足量的氣態(tài)混合物，通過燃?xì)饣螂姛?，以保持爐室63內(nèi)的有效氣氛在400°到600℃之間的某一溫度。在這些條件下，排氣元件的裸露表面上可得到所需厚度的鋁層，然后，元件通過間壁66進(jìn)入爐室64。
爐室64提供氧化和/或擴(kuò)散鋁所需的熱。例如，經(jīng)導(dǎo)管67輸入空氣或其它氧化性氣體，爐室64可以保持氧化性氣氛。
本發(fā)明的方法設(shè)想元件的加熱在含鋁基化合物的氣態(tài)混合物之前或存在下進(jìn)行。例如，元件可先在一爐中預(yù)熱，或在氣態(tài)混合物存在下加熱。加熱可以用電阻加熱法，如用電線電加熱排氣元件，如催化轉(zhuǎn)化器芯。
本發(fā)明還提供了一種用于排氣元件鍍鋁系統(tǒng)的改進(jìn)形式，如圖4所示。一般地，導(dǎo)管70是尾管或通入催化轉(zhuǎn)化器全組件或子組件的導(dǎo)管。導(dǎo)管70同集氣管(聯(lián)管箱)71相連。集氣管接收從導(dǎo)管72輸來的溫度高達(dá)400°到800℃的熱氣流。集氣管還包括一連接導(dǎo)管46以輸入如前所述的關(guān)于圖2的氣態(tài)混合物的開口。集氣管還可在閥74控制下，通過管線73輸入氧化性氣體，如空氣。只有當(dāng)裸露表面(同來自集氣管的氣體接觸)達(dá)到所需厚度的鋁涂層，才操作閥74提供氧化氣體。
本發(fā)明的方法適用于原始設(shè)備制造廠商生產(chǎn)的新元件以及重新拋光使用過的設(shè)備。雖然催化轉(zhuǎn)化器在此只作為實(shí)例，但該方法可適用于各類熱廢氣元件，如尾管、回氣管、排氣歧管、工業(yè)廢氣排氣管、催化轉(zhuǎn)化器部件等等。
在對(duì)本發(fā)明連同各種形狀的優(yōu)選實(shí)施例方案進(jìn)行介紹的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)明了，可以采用其他相似方案或在不產(chǎn)生歧義的情況下，對(duì)所述方案進(jìn)行改進(jìn)和添加，以完成本發(fā)明相同的功能。因此，本發(fā)明不應(yīng)只限于某一具體方案，而應(yīng)在同所附權(quán)利要求書一致的廣度和范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行解釋。
權(quán)利要求
1.一種用于排氣系統(tǒng)中導(dǎo)引熱廢氣流的元件成形的方法，該方法包括如下步驟選擇合金鋼薄板；用所選合金鋼薄板加工制得排氣元件；通過熱分解包含一種鋁基化合物和一種載氣的氣態(tài)混合物給排氣元件鍍鋁；和加熱鋁鍍層使排氣元件得到防腐蝕保護(hù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，加熱步驟可使鍍層中的鋁氧化在元件表面形成氧化鋁層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，鋁的氧化步驟包括將已鍍鋁的排氣元件在一溫度下放入充有氧化性氣氛的爐中，爐溫足以使鍍層表面氧化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，加熱步驟可使所鍍的鋁擴(kuò)散到元件的金屬基體中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其進(jìn)一步包括加熱鋁鍍層使鋁氧化形成氧化鋁層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包括在爐室外形成氣態(tài)混合物，然后將其輸入爐內(nèi)同保持在一溫度下的排氣元件接觸，該溫度足以使氣體混合物反應(yīng)在排氣元件的金屬表面上鍍鋁。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述鍍鋁步驟包括將排氣元件放入爐內(nèi)并控制爐內(nèi)的溫度和氣氛，從而在排氣元件上鍍鋁。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，鋁基化合物選自三甲基鋁、三乙烷基鋁或其混合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，載氣選自氬氣、氮?dú)夂秃狻?br> 10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，氣體混合物包括一種干性氣體。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述排氣元件鍍層的步驟在400°到800℃某一溫度的氣氛下完成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，合金薄板包括鋁合金成份。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述成形的合金板材包括不銹鋼。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述排氣元件包括汽車排氣系統(tǒng)部件。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包括連續(xù)將該排氣元件傳送入具有鍍膜室和氧化室的開口的爐中的步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包括為了涂覆排氣元件和氧化涂層中的鋁的步驟，使氣態(tài)混合物流經(jīng)排氣組件的步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述的排氣元件包括制成的催化轉(zhuǎn)化器的部件，該催化轉(zhuǎn)化器具有外防護(hù)殼和支承構(gòu)件。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述排氣元件包括帶有電線的、對(duì)催化轉(zhuǎn)化器芯電加熱的催化轉(zhuǎn)化器，其中，所述方法進(jìn)一步包括使用該電線將該電芯加熱至足以分解所述氣態(tài)混合物所需溫度這一步驟。
19.一種生產(chǎn)汽車排氣系統(tǒng)元件的方法，該方法包括選擇含鋁薄鋼板或鋼帶；由所選鋼材加工成排氣元件；通過熱分解一種氣體混合物而在排氣元件上鍍鋁，該氣體混合物包含一種鋁基化合物、一種載氣和一種干性氣體，該鋁基化合物選自三甲基鋁、三乙基鋁或其混合物；載氣選自氬氣、氮?dú)饣蚝?；和加熱鍍層中的鋁，通過或氧化鍍層中的鋁以在元件表面形成氧化鋁層，或?qū)X擴(kuò)散進(jìn)入鋼基體或二種方法，使排氣元件得到防腐保護(hù)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于熱廢氣排氣系統(tǒng)，如汽車催化轉(zhuǎn)化器元件的成型方法，其包括選擇一種合金鋼薄板，如不銹鋼；元件加工成型；通過熱分解一種包含一種鋁基化合物如三甲基鋁或三乙烷基鋁，以及一種載氣如氬氣、氮?dú)饣蚝獾臍鈶B(tài)混合物給元件鍍鋁；然后，加熱鍍層中的鋁通過或氧化鍍層中的鋁形成氧化鋁層，或?qū)X擴(kuò)散進(jìn)入鋼基體中或二種方法，使排氣元件得到防腐蝕保護(hù)。
文檔編號(hào)F01N13/16GK1128300SQ9511721
公開日1996年8月7日 申請(qǐng)日期1995年10月6日 優(yōu)先權(quán)日1994年10月6日
發(fā)明者詹姆斯·M·拉森, 伊凡·A·弗蘭森, 多米尼克·A·索拉斯 申請(qǐng)人:阿利金尼·勒德盧姆公司