Brevet FR2470245A1 — publié le 19810529

leo- LT'invention concerne un procédé pour la fabrica- tion d'tune matrice métallique monolithe, mécaniquement stable, et qui est revêtue d'un oxyde métallique assurant une catalyse. L'utilisation d 'éléments métalliques "monolithes" comsme renforçateurs structurels des catalyseurs destinés à lté- puration des gaz d'échappement des automobiles est déjà connue. Ainsi, dans une série de documents (brevet U.S. 3 920 583D docu- ments DBE-OS 2 302 7469 DE-OS 2 450 664)9 on décrit une matrice catalyseur en acier inoxydable à chaud9 qui est constituée deun zupport métallique, dans laquelle des tsles d'acier deune é- paisseur déterminée, établies sous la forme de t8les lisses, et de t8les ondulées ou pliées, sont disposées alternativement par lits, ces lits pouvant être stratifiés en un ensemble ou enrou- lés en spirale. Comme, dans les moteurs à combustion interne moder- nees, les exigences en ce qui concerne la stabilité mécanique des renforçaters de catalyseiws de ce genre sont extrêmement sévères parce queen raison de la succession des allumages d'un moteur à piston9 il se produit des impulsions extrêmement fortes dans M0 les gaz d'échappement il a déjà été proposé différentes façons de relier ensemble solidement9 par des mesures appropriées, les À Sles dDacier lizees9 et ondulées ou pliées9 superposéeso Ainsi9 il est décrite dans le document allemand OS 2 720 323, un catalyseiw qui est caractérisé en ce que les feuilles de idtal sont reliées ensemble en un élément rigide par soudure par boxibaxdement délectrons et sont fixées dans une gaine. Ce procédé de stabilisation mécanique exige9 en plus d'un appareillage onéreuxs, que leon opère sous un vide pousséx Dans le document allemand OS 2 727 9679 il est aus- ei proposd d'assurer la fixation des feuilles métalliques les unes scr les autres ainsi que la réunion avec une gaine par sou- dure au moyen dVun rayon Lasero Ce procédé entraine, à côté de la réalisation deu tr&s coûteux laser à grande puissance, le danger d'op6ration avec un rayon laser, On a maintenant trouvé un procédé qui permet, avec des moyens simples9 de souder les feuilles les unes avec les au- tres et de les fixer dans une gaine sans grands frais, Suivant ce procédé, on pose un renforgateur métal= lique monolithe par une de ses faces frontales, sur une plaque formant électrode, en cuire par exempleo Cette plaque est ensuite 2.- reliée avec un pôle d'un appareil de soudure à l'arc. Sur la se- conde surface frontale, dirigée vers le haut du renforçateur mé- tallique, on dépose également une plaque formant électrode que l'on relie avec le second pôle de l'appareil de soudure à l'arc. Si l'on branche le circuit électrique pendant environ 2 à 3 se- condes, il se produit avec des intensités d'environ 240 A, une soudure des bords dea feuilles sur la surface frontale inférieure. Cette opération de soudure peut être répétée à plusieurs repri- ses. Après avoir soudé la surface frontale inférieure, on re- tourne le renforçateur métallique, et on opère dans les mêmes conditions la soudure des bords des feuilles sur la seconde sur- face frontale. Après avoir inséré le renforçateur métallique dans une enveloppe métallique, une gaine tubulaire par exemple, on peut effectuer une liaison solide par soudure, avec le m8me ap- pareil, entre le renforçateur et sa gaine. A cet effet, on pose la gaine contenant le renforçateur métallique sur une plaque de contact que l'on relis avec un pôle de l'appareil de soudure à l'arc, et l'on pose, avec une électrode reliée avec l'autre pôle de l'appareil de soudure à l'arc, un cordon de soudure d'un tracé quelconque qui embrasse au moins l'enveloppe en com- prenant au moins le lit de feuille qui se trouve le plus à l'ex- térieur et établit ainsi une liaison par soudure mécaniquement stable entre le monolithe et sa gaine. On a ici avantage à tra- vailler sous un gaz protecteur, précaution qui peut devenir même nécessaire, suivant les matériaux mis en oeuvre. Il s'est avéré particulièrement avantageux, pour souder les bords des feuilles sur les surfaces frontales, de mettre en oeuvre pour la plaque électrode inférieure, une pla- que de cuivre cannelée. les cannelures sont exécutées de telle façon que les points de contact des bords des feuilles métalli- ques lisses et ondulées viennent toujours s'appliquer sur les parties hautes de la plaque électrode. les écarts de ces parties hautes doivent, en moyenne, être exécutés de façon à correspon- dre exactement aux distances qui séparent les lits lisses du renforçateur métallique. Il peut aussi y avoir avantage à doter les deux plaques électrodes d'un tel profil cannelé. les renforçateurs de catalyseurs obtenus après la soudure sont ensuite revêtus d'une matière support habituelle pour les catalyseurs et peuvent être ensuite traités, par exemple 3,- avec des solutions de métaux catalyseurs actifs. Les différents lits seront ici revêtus sur leur surface, par application-par lavage (washcoat) par exemple, avec une matière support assurant la catalyse, la plupart du temps un oxyde métallique ayant une grande surface spécifique, tel que 1203o On peut aussi incor- porer dans cet oxyde métallique, comme additifs, les éléments cérium, zirconium, fer, nickel terres rares, ou une combinai- son de ces éléments, En conséquence, l'invention a pour objet un proce- dé pour la fabrication d'une matrice monolithe stable mécanique- ment, revêtue d'un oxyde métallique assurant la catalyse, placée dans une enveloppe, faite de tôles lisses et ondulées ou pliées, superposées alternativement, en métal inoxydable à la chaleur et résistant à des températures élevées, ces tôles étant stratifiées en un ensemble ou enroulées en spirale, ce procédé est caractê- risé en ce que l'on pose la matrice par leune de ses faces fron- tales sur une plaque formant électrode, reliée avec un p8le d'une source de courant, charge la face frontale opposée, celle du haut, avec une seconde plaque formant électrode de recouvre- ment reliée avec l'autre p8le.de la source de courant, envoie le courant une ou plusieurs fois dans le dispositif, puis re- tourne la matrice de façon telle que la face frontale supérieu- re qui n'est pas encore soudée vienne s'appliquer sur la plaque électrode de base et répète l'opération de soudure, insère en- suite la matrice dans l'enveloppe métallique et la soude avec cette dernière en embrassant au moins son lit de t8le extérieur au moyen d'un arc électrique guidé sur l'enveloppe métallique suivant le tracé de cordon de soudure que l'on désire, et enfin revêt l'intérieur de l'élément composite ainsi obtenu avec un oxyde métallique assurant la catalyse. Suivant un mode de réalisation recommandé, avan- tageux, de l'invention, on utilise comme plaque électrode de base, une plaque pourvue de cannelures. Eventuellement, on peut aussi utiliser comme plaque électrode de recouvrement supérieur une plaque pourvue de cannelures. Les meilleurs résultats en soudure sont obtenus quand les écarts des élévations séparant les cannelures corres- pondent aux distances qui séparent les tôles lisses de la mat trice. On peut augmenter la régularité de la soudure 2470245 1 4.- frontale en envoyant plusieurs fois le courant électrique desti- né à la soudure dans le dispositif au cours de cette opération de soudure, et en tournant chaque fois un peu la matrice posée sur la plaque électrode de base, entre temps, sur son axe ver- tical. On peut utiliser un gaz protecteur aussi bien quand on procède à la soudure des surfaces frontales qu'au cours de la soudure du côté de l'enveloppe, pour autant que ce soit né- cessaire pour les matériaux utilisées. Pour le revêtement de la pièce soudée avec l'oxy- de métallique assurant la catalyse, on procède en appliquant une dispersion d'un oxyde métallique provoquant la catalyse sur la pièce mixte, soudée frontalement et du côté de l'enveloppe et non encore revêtue, en éliminant l'agent dispersant par sé- chage et en séchant ensuite à la chaleur le corps revêtu. Il est apparu avantageux d'utiliser, au moins pour la matrice, un alliage d'acier chromé contenant l'élément aluminium, inoxydable à la chaleur et résistant aux températures élevées. On a aussi avantage ici- à préchauffer le corps composite, avant de le revêtir d'oxyde métallique, dans une at- mosphère contenant de l'oxygène, à des températures se situant entre 600 et 120000. L'invention permet de souder, par des moyens sim- ples, les feuilles alternativement ondulées ou pliées et lis- ses d'une matrice renforçatrice monolithe, et de fixer cette ma- trice dans une enveloppe métallique qui la reçoit. Il faut sen- siblement moins de temps et des moyens plus faibles qu'avec les procédés utilisés jusqu'ici. A cela s'ajoute que le procédé sui- vant l'invention ne fait courir aucun danger. la matrice revé- tue d'un oxyde métallique assurant la catalyse et placée dans une enveloppe présente, par rapport aux matrices de ce genre con- nues, une stabilité dont la résistance mécanique est d'une im- portance -inattendue, ce que l'on peut confirmer en mesurant la force nécessaire pour comprimer frontalement l'assemblage de lits. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés, représentant un exemple de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels s - la figure 1 montre un dispositif pour souder 2Z470245 frontalement des feỉlles métalliques alternativement lisses et façonnées, oh le chiffre 1 indique le porte-électrode et le chif- fre 2 l'arrivée de courant. La matrice métallique 3 est placée entre deux plaques électrodes en cuivre qui sont lisses ou pour- vues de cannelures. La matrice avec les deux plaques de cuivre repose sur une plaque de base 5. le porte-électrode 1 est relié à ume sonrce de courant 7 par l'intermédiaire d9un ampèremètre 6, la plaque de base l'est directemente - la figure 2 illustre un dispositif pour établir une liaison solide par soudure entre une matrice et une envelop- peg oh le chiffre ' indique le porte-6lectrode avec une arrivée de gaz protecteur 3, et le chiffre 2 indique leélectrode de sou- dure. l'enveloppe 4 avec la matrice qui y est contenue repose sur la plaque de contact 5o Le porte-électrode est relié avec ue source de courant par lintermé6diaire d'un ampère-mètre 6, la que de contact est directement reliée avec cette source de courant - la figure 3 est une coups transversale d'une plaque eslectrode cannelée9 prévus pour la soudure frontale, - la figure 4 repréesente schématiquement diffd- rentes formes possibles de liaison par soudure entre un renfor- ateur de catalyseur et une enveloppeao O (etemple comparatif) On soude fohalemsnt9 au moyen d'un faisceau d09- lectronoo après lavoir inséré dans une gaine métallique9 un renforgateur méallique fait dun alliage, constitué de l5 $% de chrbome, 4 d aluminium le reste étant du ferg de 60 mm de diamètre e 762 nm de long avec 46 cellules/cm29 fabriqué en enroulaat en spirale un lit lisse et un lit onduléo la jonction entre la matrices et luenveloppe suopà= re également par condure par bombardement d lectrons et cee suivant la forme d'une spirale comme il est illustré dans la figure 4ao Pour réaliser une surface favorable à la fixation9 on chauffe le renforgateur9 y compris son enveloppe, pendant 3 heures à 950Q0 dans un az contenant de l9oxygène. Après refroi- dissement, on effectue le revêtement avec de 1Il1203 actif, par le procédé dit wash-coato On élimine ensuite l'agent dispersant par séchage9 et fait subir un traitement thermique à lélément ainsi rev9tue -- 2-470245] 6.- EXEPIES 2 à 6: (suivant l'invention) On soude, chaque fois, sur ses faces frontales, une matrice telle que celle décrite et fabriquée suivant l'exem- ple 1, après enroulement des lits alternativement ondulés et lisses, par le procédé suivant l'invention et avec un dispositif tel qu'il est illustré dans la figure 1. A cet effet, on fait passer dans la matrice, pendant environ 2 à 3 secondes, un cou- rant électrique alternatif d'environ 240 ampères, sous une ten- sion de 220 V. On répète plusieurs fois cette opération, éven- tuellement en tournant le corps que l'on désire souder sur l'axe du cylindre. On effectue ainsi la soudure de la surface frontale inférieure. Après avoir retourné la matrice, on procède de la même façon pour la seconde surface frontale. Quand on a soudé les deux surfaces frontales, on peut introduire la matrice dans une gaine métallique appropriée. On assure ensuite la jonction avec la gaine par le procédé dit WIG (soudure au tungstène sous gaz inerte), comme il est illus- tré dans la figure 2, suivant une des variantes du tracé indi- quées dans la figure 4. Tla soudure est réalisée avec du courant alternatif ou continu à 220 V, sous une intensité de 40 A. le revêtement avec de l'A120l est ensuite effectué comme il est décrit dans l'exemple 1. OEXMPLB 3: On mesure sur une machine à essais (Instron), à l'aide d'un poinçon, la force de pressage nécessaire pour pro- voquer le déplacement des lits fixés ensemble des supports de catalyseurs fabriqués suivant les exemples 1 et 2 à 6. Les ré- sultats soht donnés dans le tableau (1). TABLEAU 1 Forces de poussée pour différentes formes de réalisation _xem le s i. NO: Force de.ussée -): 1 (exemple compa-: 4d s 9 123: 2 ratif) 4b: 8927 s 3: 4d : 16 284: 4: 4e : 14 322: : 4a : 19 620 s 6 4c s 20 110: _ - _ __ -__ - - -_- - - -_____________________ 7 2470245 ?._ Comme on peut s'en rendre compte d'après les exemples, on peut fabriquer, par le procédé suivant l'inven- tion, avec une faible dépense9 des éléments composites faits d'un renforçateur métallique et d'un washcoat qui supportent au moins les mêmes forces de pressage que les éléments-composites de la technique antérieure. Avec le même type de réalisation qu'avec l'exemple comparatif et autres variantes, on obtient des forces de pressage qui peuvent être de plus de 100 % sup6- rieures. 8.- 2470245 3 REVENDICAT IO NS 1.- Procédé pour la fabrication d'une matrice monolithe, stable mécaniquement, revêtue d'un oxyde métallique assurant la catalyse, placée dans une enveloppe, faite de tôles lisses et ondulées ou pliées, superposées alternativement, en métal inoxydable à la chaleur et résistant à des températures élevées, ces tôles étant stratifiées en un ensemble ou enroulées en spirale, procédé caractérisé en ce que l'on pose la matrice (3) par l'une de ses faces frontales sur une plaque formant élec- trode (4) reliée avec un pôle d'une source de courant (7), char- ge la face frontale opposée, celle du haut, avec une seconde pla- que (4) formant électrode de redouvrement reliée avec l'autre pôle de la source de courant (7), envoie le courant une ou plu- sieurs fois dans le dispositif, puis retourne la matrice de fa- çon telle que la face frontale supérieure qui n'est pas encore soudée vienne s'appliquer sur la plaque électrode (4) de base et répète l'opération de soudure, insère ensuite la matrice dans l'enveloppe métallique et la soude avec cette dernière en embras- sant au moins son lit de tôle extérieur au moyen d'un arc élec- trique guidé sur l'enveloppe métallique suivant le tracé de cor- don de soudure que l'on désire, et enfin revêt l'intérieur de l'élément composite ainsi obtenu avec un oxyde métallique assu- rant la catalyse. 2.- Procédé suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que l'on utilise une plaque de base formant électro- de pourvue de cannelures. 3.- Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on utilise une plaque électrode de recouvrement pourvue de cannelures. 4.- Procédé suivant l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les distances qui séparent les élé- vations séparant les cannelures correspondent aux distances qui séparent les tôles lisses de la matrice. 5.- Procédé suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisé en ce que, pour la soudure des fa- ces frontales, on envoie plusieurs fois le courant dans le dis- positif, et tourne un peu chaque fois, entre deux envois, sur son axe vertical, la matrice qui repose sur la plaque électrode de base. 6.- Procédé suivant la revendication 1, carac- 24702l45 9.- têrisé on ce que l'on utilise, au cours des opérations de sou- dure, un gaz protecteuro 7.-,?rocdé suivant ltune quelconque des re- vendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on applique sur l'élément composite soudé frontalement et sur l'enveloppe, non encore revtus, une dispersion d'un ormyde métallique assurant la catalyse, élimine l'agent dispersant par séchage0 et soumet ensuite l'élément rev tu à un traitement thermiques 8.- Procédé suivant la revendication 79 carac- térisd en ce que l'on utilises, au moins pour la matrice, un al- liage d9acier au chrome inoxrdable à la chaleur et résistant au températures élevées contenant 19élément aluminium. 9.- Procédé suivant la revendication 8, carac- térisé en ce qu'on chauffe préalablement l9élént composite dans une atmosphère contenant de l oygène à des températures se situnt entre 600 et U0000 avant de le revatir avec 10ozr de métallique,