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%，W：0.1～15%，不超過2%的不可避免的雜質，Cr：余量，上述百分比為質量百分比；制備步驟為：設計材料組成，混合，壓制，脫蠟和燒結，冷卻和分析與檢測等工序。本發明改進了原先Fe：5%和Y2O3：1%的鉻基合金的結構組成，添加了鎢元素，由于鎢的熔點遠高于鉻，因此含鎢的鉻合金的耐蝕性能和高溫性能更好；同時對材料的熱膨脹系數影響不大。本發明的鉻基合金具有較高的耐蝕性能和高溫性能，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，同時熱膨脹系數與電池其他組件相近，不會對裝配和使用產生大的影響。
【專利說明】一種鉻基合金及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于鉻基合金【技術領域】，涉及高溫應用的粉末冶金鉻基合金，尤其是應用于燃料電池連接板的鉻基合金及其制造方法。
【背景技術】
[0002]金屬鉻熔點高(1857°C )，比強度大(強度和密度之比)，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率，因此在高溫領域有著巨大的潛在應用前景。但是，鉻的韌脆轉換溫度高，其次，當高溫下暴露于空氣中時，因氮的滲入，使合金塑性變壞，沖擊韌性也不能達到要求。這些缺陷限制了鉻基合金的應用。
[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)—文報道了燃料電池連接板使用含有Fe:5%和Y203:1%的鉻基合金。固體氧化物燃料電池具有發電效率高，排放物少，噪聲低等優點。采用固體氧化物燃料電池進行發電時，需將單個電池連接成大功率電堆。這種電池堆需要耐高溫氧化，導電導熱性良好，熱膨脹特征與電池其他組件相匹配，能長期穩定工作的材料作為連接材料。鉻和鉻合金材料的優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Y203:1%的鉻基合金在高溫下抗腐蝕性能更為優異，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S0FC的各種要求。
[0004]一般而言，溫度越高，燃料電池發電效率越高，但對連接板的要求也越高(主要要求連接板具有較強的高溫性能和強度)，Fe:5%和Y203:1%的鉻基合金使用溫度一般在750?900°C，使用時間在九千小時，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)，因此需要研發出一種新的鉻基合金來滿足高溫長期使用的要求。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的第一個技術問題是提供一種在高溫條件下可長期使用的鉻基合金，應用于燃料電池連接板。
[0006]本發明所要解決的第二個技術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]本發明解決上述第一個技術問題所采用的技術方案為: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%,ff:0.1?15%，不超過2%的不可避免的雜質，Cr:余量，上述百分比為質量百分比。
[0008]作為優選，所述組成成份為:Fe:5%，Y203: 1%，W:2%，不超過2%的不可避免的雜質，Cr:余量，上述百分比為質量百分比。
[0009]作為優選，所述Fe、W和Cr三種元素的添加以元素粉末的形式添加，或者以母合金的形式加入。
[0010]本發明解決上述第二個技術問題所采用的技術方案為:一種鉻基合金的制造方法，其特征在于包括以下步驟:
[0011]1)按照合金的各組分配比進行混合，混合時添加不超過合金質量1%的粉末成形潤滑劑；
[0012]2)將上述混合粉末在成形壓機上進行壓制，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:采用連續的燒結爐或非連續的燒結爐進行燒結，燒結氣氛為真空或純氫或惰性氣體，脫蠟溫度可為300?800°C，時間5?60分鐘，燒結溫度為1300?1650°C，時間10?200分鐘；
[0014]4)燒結結束后進行冷卻；
[0015]5)最后對制得的合金進行分析與檢測。
[0016]作為改進，所述步驟1)中的粉末成形潤滑劑為有機潤滑劑粉末，粉末成形潤滑劑的加入量占合金質量的0.3?0.5%。
[0017]作為改進，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6.2?6.6g/cm3。
[0018]再改進，所述步驟3)中的燒結的具體過程為:使用連續的燒結爐，脫蠟與燒結過程連續完成，或者使用非連續的燒結爐，脫蠟與燒結過程分離；所述脫蠟溫度為300?800°C，脫蠟時間為5?60分鐘，燒結溫度為1460?1550°C，燒結時間為10?200分鐘，當使用真空作為燒結氣氛時，需要反充低于lOOKPa的惰性氣體。
[0019]作為優選，所述反充氣體為氬氣，壓力為30?50Kpa。
[0020]再改進，所述步驟4)中的冷卻可采用通入惰性氣體強制冷卻，也可隨爐冷卻。
[0021]與現有技術相比，本發明的優點在于:本發明改進了原先Fe:5%和Y203:1%的鉻基合金的結構組成，在鉻合金中加入鎢，由于鎢的熔點遠高于鉻，因此含鎢的鉻合金的耐蝕性能和高溫性能更好；同時對材料的熱膨脹系數影響不大。本發明的鉻基合金具有優異的耐高溫性能與耐蝕性，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，同時熱膨脹系數與電池其他組件相近，不會對裝配和使用產生大的影響。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明實施例1燒結后鐵元素的分布圖；
[0023]圖2是本發明實施例1燒結后鎢元素的分布圖；
[0024]圖3是本發明實施例1燒結后合金的孔隙圖；
[0025]圖4是本發明實施例1燒結后釔元素的分布圖；
[0026]圖5是本發明實施例1燒結后鉻元素的分布圖；
[0027]圖6是本發明實施例3燒結后在1000°C的氧化增重曲線(耐高溫氧化性能)；
【具體實施方式】
[0028]以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。
[0029]實施例1:
[0030]1)設計材料組成以及混合:鉻基合金材料的成分鐵為5%，氧化釔為1.0%，鎢為12%，余為鉻；鐵以純鐵粉的形式加入，鎢以鎢粉的形式加入，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% ;鶴粉: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形混料機或其他混料機進行混合。
[0031]2)壓制，將上述混合粉末在成形壓機上進行壓制，壓制可以采用普通模壓，成形壓力為700Mpa,成形密度為6.6g/cm3。
[0032]3)脫蠟、燒結:在脫蠟燒結一體的真空燒結中進行，脫蠟溫度為400°C，時間20分鐘，燒結溫度為1550°C，時間30分鐘，燒結時反充氬氣，氬氣分壓50Kpa。
[0033]4)冷卻:燒結結束后隨爐冷卻。或者燒結爐冷到1200°C，通入氬氣強制冷卻。
[0034]5)分析與檢測:根據需要，檢測化學成分和/或金相組織和/或其他性能。燒結后鐵和鎢的分布見圖1和圖2，孔隙情況見圖3，燒結后釔和鉻的分布分別見圖4和圖5。
[0035]實施例2:
[0036]1)設計材料組成以及混合:鉻基合金材料的成分鐵為5%，氧化釔為1.0%，鎢為7%，余為鉻；鐵以434L不銹鋼和鐵鎢母合金粉的形式加入，鎢以鎢鐵合金粉(FeW80-A:鎢含量為80%，碳小于0.1%，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:3.9% ；鎢鐵合金粉8.8% ;氧化釔粉:1% ;還原鉻粉或電解鉻粉:85.8% ;粉末潤滑劑:0.5% ;按照配比在雙錐或V形混料機或其他混料機進行混合。
[0037]2)壓制，將上述混合粉末在成形壓機上進行壓制，壓制可以采用普通模壓，成形壓力為650Mpa,成形密度為6.4g/cm3。
[0038]3)脫蠟、燒結:在脫蠟燒結一體的真空燒結中進行。脫蠟溫度為600°C，時間20分鐘，燒結溫度為1520°C，時間30分鐘，燒結時反充氬氣，氬氣分壓30Kpa。
[0039]4)冷卻:燒結結束后隨爐冷卻。或者燒結爐冷到900°C，通入氬氣強制冷卻。
[0040]5)分析與檢測:根據需要，檢測化學成分和/或金相組織和/或其他性能。
[0041]實施例3:
[0042]1)設計材料組成以及混合:鉻基合金材料的成分鐵為5%，氧化釔為1.0%，鎢為2%，余為鉻；鐵以434L不銹鋼的形式加入，鎢以純鎢粉的形式加入，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% ；鎢粉: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形混料機或其他混料機進行混合。
[0043]2)壓制，將上述混合粉末在成形壓機上進行壓制，壓制可以采用溫壓模壓，成形壓力為700Mpa,成形密度為6.2g/cm3。
[0044]3)脫蠟、燒結:在脫蠟燒結一體的真空燒結中進行，脫蠟溫度為700°C，時間20分鐘，燒結溫度為1490°C，時間30分鐘，燒結時反充氬氣，氬氣分壓50Kpa。
[0045]4)冷卻:燒結結束后可以采用通入惰性氣體強制冷卻。如燒結爐冷到1200°C，通入1?氣強制冷卻。
[0046]5)分析與檢測:根據需要，檢測化學成分和/或金相組織和/或其他性能。燒結后樣品在1000°C的氧化增重曲線(耐高溫氧化性能)見圖6。
【權利要求】
1.一種鉻基合金，其特征在于:該鉻基合金的組分為:Fe:4?6%，Y203:0.8?1.2%, W:0.1?15%,不超過2%的不可避免的雜質，Cr:余量,上述百分比為質量百分比。
2.根據權利要求1所述的鉻基合金，其特征在于:所述組分為:Fe:5%, Y2O3:1%，W:2%，不超過2%的不可避免的雜質，Cr:余量，上述百分比為質量百分比。
3.根據權利要求1或2所述的鉻基合金，其特征在于:所述Fe、W和Cr三種元素的添加以元素粉末的形式添加，或者以母合金的形式加入。
4.一種根據權利要求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行混合，混合時添加不超過合金質量1%的粉末成形潤滑劑； 2)將上述混合粉末在成形壓機上進行壓制，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:采用連續的燒結爐或非連續的燒結爐進行燒結，燒結氣氛為真空或純氫或惰性氣體，脫蠟溫度可為300?800°C，脫蠟時間為5?60分鐘；燒結溫度為1300?1650°C，燒結時間10?200分鐘； 4)燒結結束后進行冷卻； 5)最后對制得的合金進行分析與檢測。
5.根據權利要求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潤滑劑粉末，粉末成形潤滑劑的加入量占合金質量的0.3?0.5%。
6.根據權利要求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6.2?6.6g/cm3。
7.根據權利要求4所述的制造方法，其特征在于:所述步驟3)中的燒結的具體過程為:使用連續的燒結爐，脫蠟與燒結過程連續完成，或者使用非連續的燒結爐，脫蠟與燒結過程分離；脫蠟與燒結過程分離，所述脫蠟溫度為300?80(TC，脫蠟時間為5?60分鐘，燒結溫度為1460?1550°C，燒結時間為10?200分鐘，當使用真空作為燒結氣氛時，需要反充低于10KPa的惰性氣體。
8.根據權利要求7所述的制造方法，其特征在于:所述反充氣體為氬氣，壓力為30?50Kpa。
9.根據權利要求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制冷卻，也可隨爐冷卻。
【文檔編號】C22C27/06GK104419856SQ201310364143
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月20日 優先權日:2013年8月20日
【發明者】包崇璽, 周國燕, 柳睿 申請人:東睦新材料集團股份有限公司