一種鉻基合金及其制造方法
【專利摘要】一種鉻基合金及其制造方法，其特征在于：該鉻基合金的組成成份為：Fe：4～6%，Y2O3：0.8～1.2%，V：0.1～15%，不超過2%的不可避免的雜質(zhì)，Cr：余量，上述百分比為質(zhì)量百分比；制備步驟：設(shè)計(jì)材料組成，混合，壓制，脫蠟和燒結(jié)，冷卻和分析與檢測(cè)工序。本發(fā)明改進(jìn)了原先Fe：5%和Y2O3：1%的鉻基合金的結(jié)構(gòu)組成，添加了釩元素，進(jìn)而改善了材料的耐蝕性能和高溫性能，此外，釩可以細(xì)化晶粒，提高材料的強(qiáng)度；釩與鉻合金的主要元素鉻熔點(diǎn)相近，在高溫下能與鉻形成固溶體，改善合金基體的強(qiáng)度；同時(shí)對(duì)材料的熱膨脹系數(shù)影響不大。本發(fā)明可作為燃料電池連接板使用，使用溫度更高、使用壽命將更長，同時(shí)熱膨脹系數(shù)與電池其他組件相匹配，不會(huì)對(duì)裝配和使用產(chǎn)生大的影響。
【專利說明】 一種鉻基合金及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鉻基合金【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及高溫應(yīng)用的粉末冶金鉻基合金，尤其是應(yīng)用于燃料電池連接板的鉻基合金及其制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]金屬鉻熔點(diǎn)高(1857°C )，比強(qiáng)度大(強(qiáng)度和密度之比)，具有良好的抗氧化性能和抗高硫、柴油燃料、海水腐蝕性能以及高的熱導(dǎo)率，因此在高溫領(lǐng)域有著巨大的潛在應(yīng)用前景。但是，鉻的韌脆轉(zhuǎn)換溫度高，其次，當(dāng)高溫下暴露于空氣中時(shí)，因氮的滲入，使合金塑性變壞，沖擊韌性也不能達(dá)到要求。這些缺陷限制了鉻基合金的應(yīng)用。
[0003]《粉末冶金純鉻和鉻合金材料》(稀有金屬材料與工程，Vol.27.Supp.0ctoberl998，pp265-267)—文報(bào)道了燃料電池連接板使用含有Fe:5%和Y2O3:1%的鉻基合金。固體氧化物燃料電池具有發(fā)電效率高，排放物少，噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。采用固體氧化物燃料電池進(jìn)行發(fā)電時(shí)，需將單個(gè)電池連接成大功率電堆。這種電池堆需要耐高溫氧化，導(dǎo)電導(dǎo)熱性良好，熱膨脹特征與電池其他組件相匹配，能長期穩(wěn)定工作的材料作為連接材料。鉻和鉻合金材料的優(yōu)異特性能夠滿足燃料電池的要求。與純鉻材相比，含有Fe:5%和Y2O3:1%的鉻基合金在高溫下抗腐蝕性能更為優(yōu)異，還有其熱膨脹性能與電池的其他組件更匹配，可以滿足平板型SOFC的各種要求。
[0004]一般而言，溫度越高，燃料電池發(fā)電效率越高，但對(duì)連接板的要求也越高(主要要求連接板具有較強(qiáng)的高溫性能和強(qiáng)度)，F(xiàn)e:5%和Y2O3:1%的鉻基合金使用溫度一般在750?900°C，使用時(shí)間在九千小時(shí)，雖然與純鉻材相比有了很大提高，但是如果用于燃料電池連接板還是不夠的(燃料電池壽命大約為40000小時(shí))，因此需要研發(fā)出一種新的鉻基合金來滿足高溫長期使用的要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問題是提供一種在高溫條件下可長期使用的鉻基合金，應(yīng)用于燃料電池連接板。
[0006]本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問題是提供一種在高溫條件下可長期使用的鉻基合金的制造方法。
[0007]本發(fā)明解決上述第一個(gè)技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種鉻基合金，其特征在于:該鉻基合金的組成成份為=Fe:4?6%，Y203:0.8?1.2%，V:0.1?15%，不超過2%的不可避免的雜質(zhì)，Cr:余量，上述百分比為質(zhì)量百分比。
[0008]作為優(yōu)選，所述組成成份為:Fe:5%, Y2O3: 1%，V:2%，不超過2%的不可避免的雜質(zhì)，Cr:余量，上述百分比為質(zhì)量百分比。
[0009]作為優(yōu)選，所述Fe、V和Cr三種元素的添加可以采用元素粉末的形式添加，也可采用母合金的形式加入。
[0010]本發(fā)明解決上述第二個(gè)技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種鉻基合金的制造方法，其特征在于包括以下步驟:
[0011]I)按照合金的各組分配比進(jìn)行混合，混合時(shí)添加不超過合金質(zhì)量1%的粉末成形潤滑劑；
[0012]2)將上述混合粉末在成形壓機(jī)上進(jìn)行壓制，采用普通模壓，成形壓力400?2000MPa,成形密度 5.3g/cm3 ?7.0g/cm3 ；
[0013]3)脫蠟和燒結(jié):采用連續(xù)的燒結(jié)爐或非連續(xù)的燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)氣氛為真空或純氫或惰性氣體，脫蠟溫度可為300?800°C，時(shí)間5?60分鐘，燒結(jié)溫度為1200?1550°C，時(shí)間10?200分鐘；
[0014]4)燒結(jié)結(jié)束后進(jìn)行冷卻；
[0015]5)最后對(duì)制得的合金進(jìn)行分析與檢測(cè)。
[0016]作為改進(jìn)，所述步驟I)中的粉末成形潤滑劑為有機(jī)潤滑劑粉末，粉末成形潤滑劑的加入量占合金質(zhì)量的0.3?0.5%。
[0017]作為改進(jìn)，所述步驟2)的壓制不局限于普通模壓，還可采用溫壓成形或溫模成形，壓制的密度為5.3?7.0g/cm3。
[0018]再改進(jìn)，所述步驟3)中使用連續(xù)的燒結(jié)爐時(shí)脫蠟與燒結(jié)過程連續(xù)完成，使用非連續(xù)的燒結(jié)爐時(shí)，脫蠟與燒結(jié)過程分離，所述脫蠟溫度為300?800°C，脫蠟時(shí)間為5?60分鐘，燒結(jié)溫度為1430?1490°C，燒結(jié)時(shí)間為10?200分鐘，當(dāng)使用真空作為燒結(jié)氣氛時(shí)，需要反充低于10KPa的惰性氣體。
[0019]作為優(yōu)選,所述惰性氣體為氬氣,壓力為30?50Kpa。
[0020]再改進(jìn)，所述步驟4)中的冷卻可采用通入惰性氣體強(qiáng)制冷卻，也可隨爐冷卻。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明改進(jìn)了原先Fe:5%和Y2O3:1%的鉻基合金的結(jié)構(gòu)組成，通過在鉻合金中加入釩，進(jìn)而改善了材料的耐蝕性能和高溫性能，此外，釩可以細(xì)化晶粒，提高材料的強(qiáng)度；釩與鉻合金的主要元素鉻熔點(diǎn)相近，在高溫下能與鉻形成固溶體，改善合金基體的強(qiáng)度；同時(shí)對(duì)材料的熱膨脹系數(shù)影響不大。本發(fā)明可作為燃料電池連接板使用，使用溫度更高、使用壽命將更長，同時(shí)熱膨脹系數(shù)與電池其他組件相匹配，不會(huì)對(duì)裝配和使用產(chǎn)生大的影響。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1燒結(jié)后鐵元素的分布圖；
[0023]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1燒結(jié)后釩元素的分布圖；
[0024]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1燒結(jié)后合金的孔隙圖；
[0025]圖4是本發(fā)明實(shí)施例1燒結(jié)后釔元素的分布圖；
[0026]圖5是本發(fā)明實(shí)施例1燒結(jié)后鉻元素的分布圖；
[0027]圖6是本發(fā)明實(shí)施例3燒結(jié)后在1000°C的氧化增重曲線(耐高溫氧化性能)。

【具體實(shí)施方式】
[0028]以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0029]實(shí)施例1:
[0030]I)設(shè)計(jì)材料組成以及混合:鉻基合金材料的成分鐵為5%，氧化釔為1.0%，釩為12%,余為鉻。鐵以純鐵粉的形式加入,鑰;以鑰;粉的形式加入,鉻以還原鉻粉或電解鉻粉的形式加入。具體的配比如下:純鐵粉:5% 凡粉:12% ;氧化乾粉:1% ;還原鉻粉或電解鉻粉:
81.7%，粉末潤滑劑:0.3%。按照配比在雙錐或V形混料機(jī)或其他混料機(jī)進(jìn)行混合；
[0031]2)壓制，將上述混合粉末在成形壓機(jī)上進(jìn)行壓制，壓制可以采用普通模壓，成形壓力為700Mpa,成形密度為6.2g/cm3 ；
[0032]3)脫蠟、燒結(jié):在脫蠟燒結(jié)一體的真空燒結(jié)中進(jìn)行，脫蠟溫度為400°C，時(shí)間20分鐘，燒結(jié)溫度為1510°C，時(shí)間30分鐘，燒結(jié)時(shí)反充氬氣，氬氣分壓50Kpa ；
[0033]4)冷卻:燒結(jié)結(jié)束后可以采用通入惰性氣體強(qiáng)制冷卻；如燒結(jié)爐冷到1200°C，通入1?氣強(qiáng)制冷卻；
[0034]5)分析與檢測(cè):根據(jù)需要，檢測(cè)化學(xué)成分和/或金相組織和/或其他性能。燒結(jié)后鐵和釩的分布見圖1和圖2，孔隙情況見圖3，燒結(jié)后釔和鉻的分布分別見圖4和圖5。
[0035]實(shí)施例2:
[0036]I)設(shè)計(jì)材料組成以及混合:鉻基合金材料的成分鐵為5%，氧化釔為1.0%，釩為8%，余為鉻；鐵以434L不銹鋼和鐵釩母合金粉的形式加入，釩以釩鐵合金粉(釩含量為75%，碳小于0.2%，其他小于2%，余為鐵)形式加入，鉻部分以還原鉻粉或電解鉻粉的形式加入，部分以434L不銹鋼母合金粉末的形式加入。具體的配比如下:434L不銹鋼粉:2.8% ;釩鐵合金粉10.7% ;氧化釔粉:1% ;還原鉻粉或電解鉻粉:85.0% ;粉末潤滑劑:0.5% ;按照配比在雙錐或V形混料機(jī)或其他混料機(jī)進(jìn)行混合；
[0037]2)壓制，將上述混合粉末在成形壓機(jī)上進(jìn)行壓制，壓制可以采用普通模壓，成形壓力為650MPa。成形密度為6.lg/cm3 ；
[0038]3)脫蠟、燒結(jié):在脫蠟燒結(jié)一體的真空燒結(jié)中進(jìn)行，脫蠟溫度為600°C，時(shí)間20分鐘，燒結(jié)溫度為1490°C，時(shí)間30分鐘，燒結(jié)時(shí)反充氬氣，氬氣分壓30KPa ；
[0039]4)冷卻:燒結(jié)結(jié)束后可以采用隨爐冷卻；或燒結(jié)爐冷到900°C，通入氬氣強(qiáng)制冷卻；
[0040]5)分析與檢測(cè):根據(jù)需要，檢測(cè)化學(xué)成分和/或金相組織和/或其他性能。
[0041]實(shí)施例3:
[0042]I)設(shè)計(jì)材料組成以及混合:鉻基合金材料的成分鐵為5%，氧化釔為1.0%，釩為2%，余為鉻；鐵以434L不銹鋼的形式加入，釩以純釩粉的形式加入，鉻大部分以還原鉻粉或電解鉻粉的形式加入，小部分以434L不銹鋼的形式加入；具體的配比如下:434L不銹鋼:6% ；釩粉:2% ;氧化釔粉:1% ;還原鉻粉或電解鉻粉:90.7%，粉末潤滑劑:0.3% ;按照配比在雙錐或V形混料機(jī)或其他混料機(jī)進(jìn)行混合；
[0043]2)壓制，將上述混合粉末在成形壓機(jī)上進(jìn)行壓制，壓制可以采用溫壓模壓，成形壓力為700MPa。成形密度為6.3g/cm3 ；
[0044]3)脫蠟、燒結(jié):在脫蠟燒結(jié)一體的真空燒結(jié)中進(jìn)行，脫蠟溫度為600°C，時(shí)間20分鐘，燒結(jié)溫度為1450°C，時(shí)間30分鐘，燒結(jié)時(shí)反充氬氣，氬氣分壓50KPa ；
[0045]4)冷卻:燒結(jié)結(jié)束后可以采用通入惰性氣體強(qiáng)制冷卻；如燒結(jié)爐冷到1200°C，通入1?氣強(qiáng)制冷卻；
[0046]5)分析與檢測(cè):根據(jù)需要，檢測(cè)化學(xué)成分和/或金相組織和/或其他性能。燒結(jié)后樣品在1000°C的氧化增重曲線(耐高溫氧化性能)見圖6。
【權(quán)利要求】
1.一種鉻基合金，其特征在于:該鉻基合金的組成成份為:Fe:4?6%，Y2O3:0.8?1.2%，V:0.1?15%，不超過2%的不可避免的雜質(zhì)，Cr:余量，上述百分比為質(zhì)量百分比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉻基合金，其特征在于:所述組成成份為:Fe:5%, Y2O3:1%,V:2%,不超過2%的不可避免的雜質(zhì)，Cr:余量,上述百分比為質(zhì)量百分比。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鉻基合金，其特征在于:所述Fe、V和Cr三種元素的添加可以采用元素粉末的形式添加，也可采用母合金的形式加入。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鉻基合金的制造方法，其特征在于包括以下步驟: O按照合金的各組分配比進(jìn)行混合，混合時(shí)添加不超過合金質(zhì)量1%的粉末成形潤滑劑； 2)將上述混合粉末在成形壓機(jī)上進(jìn)行壓制，采用普通模壓，成形壓力400?2000MPa，成形密度 5.3g/cm3 ?7.0g/cm3 ； 3)脫蠟和燒結(jié):采用連續(xù)的燒結(jié)爐或非連續(xù)的燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)氣氛為真空或純氫或惰性氣體，脫蠟溫度為300?800°C，時(shí)間5?60分鐘，燒結(jié)溫度為1200?1550°C，時(shí)間10?200分鐘； 4)燒結(jié)結(jié)束后進(jìn)行冷卻； 5)最后對(duì)制得的合金進(jìn)行分析與檢測(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造方法，其特征在于:所述步驟I)中的粉末成形潤滑劑為有機(jī)潤滑劑粉末，粉末成形潤滑劑的加入量占合金質(zhì)量的0.3?0.5%。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造方法，其特征在于:所述步驟2)的壓制不局限于普通模壓，還可采用溫壓成形或溫模成形，壓制的成形密度為5.3?7.0g/cm3。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造方法，其特征在于:所述步驟3)中使用連續(xù)的燒結(jié)爐時(shí)脫蠟與燒結(jié)過程連續(xù)完成，使用非連續(xù)的燒結(jié)爐時(shí)，脫蠟與燒結(jié)過程分離，所述脫蠟溫度為300?800°C，脫蠟時(shí)間為5?60分鐘，燒結(jié)溫度為1430?1490°C，燒結(jié)時(shí)間為10?200分鐘，當(dāng)使用真空作為燒結(jié)氣氛時(shí)，需要反充低于10KPa的惰性氣體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法，其特征在于:所述惰性氣體為氬氣，壓力為30?50Kpa。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造方法，其特征在于:所述步驟4)中的冷卻可采用通入惰性氣體強(qiáng)制冷卻，也可隨爐冷卻。
【文檔編號(hào)】C22C1/05GK104419858SQ201310366077
【公開日】2015年3月18日 申請(qǐng)日期:2013年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月20日
【發(fā)明者】包崇璽, 周國燕, 柳睿 申請(qǐng)人:東睦新材料集團(tuán)股份有限公司