专利名称：给制成的催化排气系统元件镀铝的方法
技术领域：
本发明是关于一种为在高温下导引废气的金属构件镀铝的方法。更具体地说，本发明是关于用于催化转化器和排气管成形的金属基体与一种气体混合物接触，从而在这些构件的裸露表面上形成铝镀(涂)层，并或氧化铝涂层表面形成氧化铝，或热处理在金属基体内形成铝扩散层，或者二者。
Fe-Cr-Al合金薄片或薄板的等温抗氧化能力主要由合金中铝的体积含量控制。只要氧化产物是α-(Al，Cr)2O3，合金即认为受到保护。这种氧化物的生长动力学为抛物线型，其相关的单位面积增重率与时间的平方根成反此。当合金中的铝含量由于氧化物的生成而被消耗至某一程度时，在此时，无保护性的尖晶石型氧化物开始生成，测到增重明显加速。此行为被称为“剥裂型氧化”，(break-away oxidation)，而发生此现象的时间称为“剧增时间”(break-away time)。在一定的Al2O3生长率下，通过增加合金中铝的体积含量，以延迟铝的临界耗尽，就可使剧增时间延长。然而，当铝含量超过一定值时(此值取决于铬的浓度)，合金会迅速变脆而不能加工。对含20％铬(重量)的合金来说，对可锻压产品，铝含量的上限约为5.5％(重量)。
由于所要求的工作温度和所接触气体的腐蚀性，催化转化器和其连结管及导气管道的工作寿命受到很大限制。提高组件的抗氧化能力的一个良好方法是，将这些催化构件和供气管件镀上铝，然后将其氧化。然而，在芯材加工前镀膜有着潜在的问题，因为金属的波纹化、卷叠、和焊接/钎接都会使镀层遭到破坏。较好的方法是先将芯材加工制成元件，然后将其所有内表面镀上铝。大部分传统表面处理方法，如离子注入、等离子喷涂和物理气相沉积，都需具备可视条件，因此不适合这里的的应用。其他不需要可视的方法，如金属有机物化学气相沉积(MOCVD)，部分由于极大危害健康而需要有昂贵的设备。
1992年3月出版的“先进涂层及表面技术”(“Advanced Coat-ing & Surface Technology”)简单介绍了一种采用三元气态混合物镀铝层的方法。该三元气态混合物是将或三甲基铝(TMA)或三乙基铝(TEA)与氢气和氩气在较低温度(400到800℃)下反应而得到。该方法的详细介绍请见一篇题为“由烷基铝制得的涂层对低碳钢的氧化保护”的论文(作者为A.L.Cabrera等人，发表在金属的氧化(Oxidation of Metals)，第36卷，265-280页，1991年第3/4期)。
本发明使用三甲基铝或三乙基铝与氢气和氩气的气态混合物，以提高汽车排气元件，如催化转化器及有关管件的抗氧化能力。这样就不需用含铝金属，或即使用了也不必提高金属合金的铝的体积含量。如果原有氧化铝保护层能形成，气态混合物的使用有利于排气系统元件的加工成形。在不消耗基材中的铝和没有实际增加铝合金含量的情况下，这将有效地增加了组件的含铝量。气态混合物涂层法也无需合金表面毛化(Whiskering)以及在沉积催化贵金属涂层之前添加一氧化铝层。这将特别有利于降低排气元件的总生产成本，并提高了催化效率。
由于提高了抗氧化能力，通过对铝涂层进行良好的厚度控制，可以很容易在电热“点火”型汽车催化转化器中使用更薄的金属基板规。用这种方法形成的氧化铝涂层附着性相当好，并且与目前使用的未经表面处理的标称5％Al合金相比，可以在不降低其氧化能力情况下，使用铝体积含量更低的合金。按此方法，产品更易生产，成本更低。该方法提供了一种生产排气元件的实用方法。例如，标称厚度为0.0015英寸(0.038毫米)，该厚度被认为是“点火”型汽车转化器芯材的目标厚度。
因此，本发明的目的是提供一种改进用于排气系统中导引热废气元件的耐腐蚀能力和/或降低其壁厚要求的方法。其中，使这些元件、部件或组件镀上一层铝，并使其反应在表面形成氧化铝，或者使其扩散进入金属基体。
更具体地说，本发明提供一种用于导引热废气流的排气系统中元件成形的方法。该方法包括以下步骤选择合金钢薄板，它可以含有铝合金组份；将所选合金钢薄板加工成排气元件；通过热分解气态混合物来给排气元件镀铝，该气态混合物包括载气和铝基化合物，优选三甲基铝、三乙基铝或其混合物；加热铝镀层以使排气元件得到耐腐蚀保护，优选使铝氧化或使其扩散进入金属基体中，或者二者。
在参照附图阅读下面说明之后，本发明将更易理解，其中
图1是一种已知的为汽车内燃机设计的催化转化器的等角示意图(部分剖面)；图1A是一种己知的催化转化器的金属催化芯的示意图2是本发明的方法应用于成批处理工艺的方框示意图简图；图3是本发明的方法应用于连续处理工艺的立视图(部分剖面)；和图4是实现本发明的方法的集气管(联管箱)系统的等角图。
图1示范了现有技术水平的催化转化器10的结构。它包括其上开有进气口11和出气口12的外罩，经过这两个口废气流可流经反应室13。反应室中，沿边缘接合的两块多孔板14形成一个空气室，该空气室由进气管16导入空气。空气穿过多孔板14进入位于板两外侧的催化剂层18。整个催化剂层及空气室被套在隔料网壳20中，隔料网壳又包含在转化器壳22里。隔热层24夹在转化器壳22和外罩26之间。外罩由两半沿边缘焊接而成。在外罩26、转化器壳22和隔料网壳20上开有对准的孔用以填充适量的催化剂，填料塞28封住这些孔。催化转化器元件都是用薄钢板材如不锈钢，通过适当的成形加工制成的。薄钢板材可以含有铝作为合金成份。
图1A示范了一种已知的催化转化器的金属催化芯21。芯(载体)是用金属材质薄板制成，可以代替图1的颗粒状(载体)设计加以应用。通常，芯21包括一个由金属薄板片作为金属基体制成的蜂窝式构件。当用于催化转化器时，废气流经蜂窝17，其作为主要反应地点将污染废气净化。
本发明可同样适用在其它场合的金属催化转化器上，如用于公路和越野车辆，二程循环内燃机如割草机，和动力发电厂，热电联合体，食品工业机械及其它固定设备等的金属催化转化器上。本发明也适用于同类构件如尾管或用于导引废气进出这些金属催化转化器的管件等。本发明可用于含铝金属镀铝，同时此涂层也可应用于不含铝金属的构件和部件，如不含铝合金的焊钎合金(构成元件一部分)。
气态混合物对于实现本发明的方法很重要。铝镀层主要从铝基化合物获得，优选三甲基铝(TMA)和三乙基铝(TEA)。对于本发明，铝基化合物选自TMA和TEA或其混合物。所使用的载气选用不易反应气体如氩气、氮气和氦气，优选氩气。为控制气态混合物的湿度，最好用一种干性气体如氢气来降低混合物的露点。在优选方案中，气态混合物包括铝基化合物如TMA或TEA或其混合物，载气氩气和干燥氢气。
在图2中，示范了本发明的方法应用于成批处理过程。在此过程中炉40用电或燃气加热至400°到800℃范围某一温度。将金属催化转化器元件、组件和/或部件放在托盘或其它合适的支持物上，该支持物放入炉中进行必要的处理，时间由计时器42控制。该计时器由操作人员使用来控制流量阀44，以控制经管线46输送至炉腔的气态混合物的量。气态混合物在容器48中形成，容器中有一个盛有三甲基铝或三乙基铝液的槽50。由导管线52引入的氩气进入到发泡板或其它装置，使输入气体同槽50混合。干燥的氢气53在阀44之前输入到Ar和TMA或TEA气流中，以使气态混合物相对于铝镀层及被镀钢件具有热力学还原性。
容器内槽上的空间为氩气和TMA或TEA的供给区。炉内排气元件暴露于气态混合物中的时间可以变化，从而在排气元件金属表面上淀积所需厚度的铝。
在铝镀层达到所需厚度后，可以操作阀44以终止气态混合物的输入。如果需要，炉内气氛可以通过气体燃烧或外部输入氧化性气体如空气或氧气来控制。在输入管线54中通过操作阀56，产生氧化性气氛将涂层中铝氧化形成氧化铝层。
另一种将炉40内元件镀层铝表面氧化的方法是，将装有排气元件的托盘放入反应炉58中，炉内充以氧化性气体以保持适宜气氛将铝镀层表面氧化。在成批处理工艺中使用反应炉可提高炉40的生产率。
加热镀层铝这一步骤可使铝扩散进钢板(元件由此加工)的金属基体中。通过增加了合金的铝的体积含量，这将有利于Fe-Cr或Fe-Cr-Al合金薄片或薄板的等温抗氧化能力。另外，加热步骤既可氧化又可扩散涂层中的铝，以增强元件的防腐保护。
为获得更高的生产率，图3示范了利用此技术沉积铝层的连续处理工艺。马达61驱动的传送带60控制放在带62上的排气元件的停留时间，排气元件并依次通过炉室63和64。炉室63开有一孔65，导管46由此孔输入足量的气态混合物，通过燃气或电热，以保持炉室63内的有效气氛在400°到600℃之间的某一温度。在这些条件下，排气元件的裸露表面上可得到所需厚度的铝层，然后，元件通过间壁66进入炉室64。
炉室64提供氧化和/或扩散铝所需的热。例如，经导管67输入空气或其它氧化性气体，炉室64可以保持氧化性气氛。
本发明的方法设想元件的加热在含铝基化合物的气态混合物之前或存在下进行。例如，元件可先在一炉中预热，或在气态混合物存在下加热。加热可以用电阻加热法，如用电线电加热排气元件，如催化转化器芯。
本发明还提供了一种用于排气元件镀铝系统的改进形式，如图4所示。一般地，导管70是尾管或通入催化转化器全组件或子组件的导管。导管70同集气管(联管箱)71相连。集气管接收从导管72输来的温度高达400°到800℃的热气流。集气管还包括一连接导管46以输入如前所述的关于图2的气态混合物的开口。集气管还可在阀74控制下，通过管线73输入氧化性气体，如空气。只有当裸露表面(同来自集气管的气体接触)达到所需厚度的铝涂层，才操作阀74提供氧化气体。
本发明的方法适用于原始设备制造厂商生产的新元件以及重新抛光使用过的设备。虽然催化转化器在此只作为实例，但该方法可适用于各类热废气元件，如尾管、回气管、排气歧管、工业废气排气管、催化转化器部件等等。
在对本发明连同各种形状的优选实施例方案进行介绍的同时，应当明了，可以采用其他相似方案或在不产生歧义的情况下，对所述方案进行改进和添加，以完成本发明相同的功能。因此，本发明不应只限于某一具体方案，而应在同所附权利要求书一致的广度和范围内，对本发明进行解释。
权利要求
1.一种用于排气系统中导引热废气流的元件成形的方法，该方法包括如下步骤选择合金钢薄板；用所选合金钢薄板加工制得排气元件；通过热分解包含一种铝基化合物和一种载气的气态混合物给排气元件镀铝；和加热铝镀层使排气元件得到防腐蚀保护。
2.根据权利要求1的方法，其中，加热步骤可使镀层中的铝氧化在元件表面形成氧化铝层。
3.根据权利要求2的方法，其中，铝的氧化步骤包括将已镀铝的排气元件在一温度下放入充有氧化性气氛的炉中，炉温足以使镀层表面氧化。
4.根据权利要求1的方法，其中，加热步骤可使所镀的铝扩散到元件的金属基体中。
5.根据权利要求4的方法，其进一步包括加热铝镀层使铝氧化形成氧化铝层。
6.根据权利要求1的方法，其进一步包括在炉室外形成气态混合物，然后将其输入炉内同保持在一温度下的排气元件接触，该温度足以使气体混合物反应在排气元件的金属表面上镀铝。
7.根据权利要求1的方法，其中，所述镀铝步骤包括将排气元件放入炉内并控制炉内的温度和气氛，从而在排气元件上镀铝。
8.根据权利要求1的方法，其中，铝基化合物选自三甲基铝、三乙烷基铝或其混合物。
9.根据权利要求1的方法，其中，载气选自氩气、氮气和氦气。
10.根据权利要求1的方法，其中，气体混合物包括一种干性气体。
11.根据权利要求1的方法，其中，所述排气元件镀层的步骤在400°到800℃某一温度的气氛下完成。
12.根据权利要求1的方法，其中，合金薄板包括铝合金成份。
13.根据权利要求1的方法，其中，所述成形的合金板材包括不锈钢。
14.根据权利要求1的方法，其中，所述排气元件包括汽车排气系统部件。
15.根据权利要求1的方法，其进一步包括连续将该排气元件传送入具有镀膜室和氧化室的开口的炉中的步骤。
16.根据权利要求1的方法，其进一步包括为了涂覆排气元件和氧化涂层中的铝的步骤，使气态混合物流经排气组件的步骤。
17.根据权利要求1的方法，其中，所述的排气元件包括制成的催化转化器的部件，该催化转化器具有外防护壳和支承构件。
18.根据权利要求1的方法，其中，所述排气元件包括带有电线的、对催化转化器芯电加热的催化转化器，其中，所述方法进一步包括使用该电线将该电芯加热至足以分解所述气态混合物所需温度这一步骤。
19.一种生产汽车排气系统元件的方法，该方法包括选择含铝薄钢板或钢带；由所选钢材加工成排气元件；通过热分解一种气体混合物而在排气元件上镀铝，该气体混合物包含一种铝基化合物、一种载气和一种干性气体，该铝基化合物选自三甲基铝、三乙基铝或其混合物；载气选自氩气、氮气或氦气；和加热镀层中的铝，通过或氧化镀层中的铝以在元件表面形成氧化铝层，或将铝扩散进入钢基体或二种方法，使排气元件得到防腐保护。
全文摘要
本发明提供一种用于热废气排气系统，如汽车催化转化器元件的成型方法，其包括选择一种合金钢薄板，如不锈钢；元件加工成型；通过热分解一种包含一种铝基化合物如三甲基铝或三乙烷基铝，以及一种载气如氩气、氮气或氦气的气态混合物给元件镀铝；然后，加热镀层中的铝通过或氧化镀层中的铝形成氧化铝层，或将铝扩散进入钢基体中或二种方法，使排气元件得到防腐蚀保护。
文档编号F01N13/16GK1128300SQ9511721
公开日1996年8月7日 申请日期1995年10月6日 优先权日1994年10月6日
发明者詹姆斯·M·拉森, 伊凡·A·弗兰森, 多米尼克·A·索拉斯 申请人:阿利金尼·勒德卢姆公司