[發明專利]一種含銅鈦鈷高耐蝕不銹鋼及其加工與熱處理方法

在審

• 申請號: 201811576426.6
• 申請日: 2018-12-22
• 公開（公告）號: CN109504912A
• 公開（公告）日: 2019-03-22
• 發明（設計）人: 羅豐華;李東陽;劉浪飛;楊坤;魏偉;陶洪亮
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C22C38/44
• 分類號: C22C38/44;C22C38/50;C22C38/42;C22C38/52;C22C38/04;C22C38/58;C22C38/02;C21D8/02
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一種含銅鈦鈷高耐蝕不銹鋼及其加工與熱處理方法，合金元素質量百分比為：C≤0.08，Ni＝11.0～15.0，Cr＝18.0～20.0，Mo＝3.0～4.0，Ti≤0.32，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?0.01)≤Ti≤3.98×C，余量為Fe。經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1.08～3.01μA/cm²，與經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。

技術領域

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

技術背景

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

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氧化劑和還原劑在電池內電極表面流動的導電隔板統稱為雙極板。在燃料電池組內部，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，必須是電的良導體。雙極板所處的環境同時存在氧化介質如氧氣和還原介質如氫氣，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具有抗腐蝕能力。雙極板應是熱的良導體,以確保電池組的溫度均勻分布及排熱方案的實施。

雙極板的兩側加工或置有使反應氣體均勻分布的流道,即所謂的流場，流場應確保反應氣體在整個電極各處分布均勻，雙極板在燃料電池組內還起著支撐膜電極、保持電池堆結構穩定的作用,這就要求極板材料具有一定的強度，雙極板材料應質輕、強度好、并且適于批量生產。

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

目前廣泛采用的雙極板有石墨板、金屬板和復合雙極板。

石墨雙極板具有良好的耐腐性、導電性，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計，石墨雙極板的厚度應較厚，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用。尤其是極具應用前景的汽車工業，要求必須具有較高的重量比能量，且能夠經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、導電性、導熱性、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與手段來改善其性能。

在模擬燃料電池工作環境下對316L、317L、349和904L不銹鋼的電化學行為進行對比，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。未經表面處理的316L不銹鋼在燃料電池環境中形成的鈍化層會導致接觸電阻增加，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的腐蝕和表面鈍化問題，采用熱噴、絲網印刷、物理氣相沉積、化學氣相沉積、電鍍、化學鍍和濺射等方法，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。