[發(fā)明專利]一種銅鈦鈷改性奧氏體不銹鋼及其加工與熱處理方法

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• 申請日: 2018-12-22
• 公開（公告）號: CN109609878A
• 公開（公告）日: 2019-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 羅豐華;杜帥;潘亞飛;盧靜;周海銘;趙甲正
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: C22C38/50
• 分類號: C22C38/50;C22C38/42;C22C38/52;C22C38/58;C22C38/04;C22C38/02;B21C37/00;C21D8/00
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一種銅鈦鈷改性奧氏體不銹鋼及其加工與熱處理方法，合金元素質(zhì)量百分比為：C≤0.03，Ni＝8.0～12.0，Cr＝18.0～20.0，Ti≤0.42，Cu＝0.2～0.8，Co＝0.1～0.5，Mn≤2.0，Si≤1.0，P≤0.035，S≤0.030，其中3.98×C≤Ti≤3.98×C+0.3，余量為Fe。經(jīng)熱變形開坯和冷變形，TiC破碎、彌散，高溫固溶處理后晶粒粗化。通氧條件下80℃含5×10^?6F^?的0.5mol/L的H₂SO₄電解液中腐蝕電流密度為1.89～2.39μA/cm²，與經(jīng)表面涂層的不銹鋼雙極板材料相當。具有低硬度和高延伸特點，利于雙極板流道的成型。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于奧氏體不銹鋼領(lǐng)域，涉及高耐蝕性奧氏體不銹鋼的成分設(shè)計和加工、熱處理的方法，可廣泛用于能源、電力、化工領(lǐng)域和日常生活。

技術(shù)背景

燃料電池是一種將氫燃料和氧化劑之間的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。由于其效率高、污染小、建廠時間短、可靠性及維護性好，是繼水力發(fā)電、火力發(fā)電、核電之后的第四代發(fā)電技術(shù)。在眾多的燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池是發(fā)展較晚的一種新型燃料電池，但其發(fā)展最為迅速。

在燃料電池中，起支撐、集流、分割氧化劑與還原劑作用并引導(dǎo)氧化劑和還原劑在電池內(nèi)電極表面流動的導(dǎo)電隔板統(tǒng)稱為雙極板。在燃料電池組內(nèi)部，雙極板的功能和特點為分隔氧化劑與還原劑，因此雙極板必須具有阻氣功能，不能用多孔透氣材料；具有集流作用，必須是電的良導(dǎo)體。雙極板所處的環(huán)境同時存在氧化介質(zhì)如氧氣和還原介質(zhì)如氫氣，所以雙極板材料必須能在這種條件下和其工作的電位范圍內(nèi)具有抗腐蝕能力。雙極板應(yīng)是熱的良導(dǎo)體,以確保電池組的溫度均勻分布及排熱方案的實施。

雙極板的兩側(cè)加工或置有使反應(yīng)氣體均勻分布的流道,即所謂的流場，流場應(yīng)確保反應(yīng)氣體在整個電極各處分布均勻，雙極板在燃料電池組內(nèi)還起著支撐膜電極、保持電池堆結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用,這就要求極板材料具有一定的強度，雙極板材料應(yīng)質(zhì)輕、強度好、并且適于批量生產(chǎn)。

成本太高是目前難以商業(yè)化應(yīng)用的主要因素，而且較低的質(zhì)量比高功率和體積比功率也是其在汽車動力電源應(yīng)用方面的一大障礙。一般地，成本中雙極板的費用不僅占總成本，而且占據(jù)電池反應(yīng)堆重量的。因此,尋求和設(shè)計價廉、輕質(zhì)、板薄、具有良好的力學(xué)性能、高的表面和體積導(dǎo)電率、低透氣性、耐腐蝕材料以及成本較低的制備技術(shù)是雙極板發(fā)展的目標。

目前廣泛采用的雙極板有石墨板、金屬板和復(fù)合雙極板。

石墨雙極板具有良好的耐腐性、導(dǎo)電性，而且表面的接觸電阻小。因而在各種材料雙極板中，石墨雙極板的放電性能最好，常被用作開發(fā)其它新材料雙極板的參照體系。但石墨的孔隙率大、機械強度低、脆性大、加工性能差，為了阻止工作氣體滲過雙極板和滿足機械強度設(shè)計，石墨雙極板的厚度應(yīng)較厚，這就使得其體積和重量較大，從而限制了石墨雙極板的實際應(yīng)用。尤其是極具應(yīng)用前景的汽車工業(yè)，要求必須具有較高的重量比能量，且能夠經(jīng)受汽車在高速運動過程中的振動。

金屬材料不僅強韌性好，而且機械加工性能、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、致密性均較好，可以用來制作很薄的雙極板。但是所有金屬都有一個缺點，即抗腐蝕性能較差，這就使得需要用各種技術(shù)與手段來改善其性能。

在模擬燃料電池工作環(huán)境下對316L、317L、349和904L不銹鋼的電化學(xué)行為進行對比，得出的耐腐蝕性能排序為：349>904L>317L>316L，表明鉻含量越高，抗腐蝕性越強。未經(jīng)表面處理的316L不銹鋼在燃料電池環(huán)境中形成的鈍化層會導(dǎo)致接觸電阻增加，不能滿足雙極板材料的要求。因此，為增強不銹鋼的抗腐蝕性能，有必要對其表面改性或涂鍍保護層。

為解決不銹鋼和鈦板作為雙極板材料在燃料電池運行過程中出現(xiàn)的腐蝕和表面鈍化問題，采用熱噴、絲網(wǎng)印刷、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、電鍍、化學(xué)鍍和濺射等方法，這樣的表面處理既降低了接觸電阻，又提高了雙極板的耐腐蝕性能。