粉末冶金部件的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種具有至少80重量％鉻含量的粉末冶金部件(其中孔隙和/或氧化物夾雜物存在于該部件中)及其生產方法。本發明進一步涉及一種可獲自該粉末冶金部件的用于電化學電池的互連器(Interkonnektor )，及具有絡含量為至少80重量％的區域的、用于電化學電池的互連器，其中孔隙及/或氧化物夾雜物存在于該區域中。最后，本發明涉及將互連器用于生產電化學電池的用途。
【背景技術】
[0002]為了連接固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell; S0FC)或類似電化學電池以形成堆(Stack)，就介于700°C與950°C之間的工作溫度下的使用而言，特別適合的是具有高Cr含量的部件，即所謂的互連器。如EP O 578 855中所描述，這些部件例如能夠由成分為Cr5FeY的Cr基合金生產。這些部件實質上用于單個電化學電池的電接觸、反應氣體的傳導及相鄰電池的反應氣體的分離。為確保相鄰電池的氣體空間的分離，這些部件必須具有高氣密性或低透氣性。
[0003]在現有技術中，通過粉末冶金網狀或近網狀的生產工藝以便宜方式進行互連器的制造，該生產工藝包含以下步驟:制備粉末批料、壓制粉末、預燒結、可選的校準燒結以及在還原氣體中燒結。當使用當前市面有售的Cr粉末時，此類互連器在燒結工藝之后仍不具有足夠的氣密性。存在介于4體積％至12體積％之間的殘余孔隙率且孔隙結構極其粗糙，其在部分為開口的。這種開口的殘余孔隙率在目的性的氧化工藝中減至最小以達到對于應用而言充分的氣密性。這是可能的，因為所得Cr2O3或Cr與Al的混合氧化物(參見US 2010/0233576 A)具有比金屬基體更大的體積，使得孔隙在氧化工藝過程中封閉。就此，無需將直到部件核心的所有孔隙經氧化物填充，但至少封閉約0.2mm厚的邊緣層。在后續過程中，至少在電接觸面區域中，例如通過噴砂處理工藝而再次將部件表面上所產生的氧化層移除，以便確保在燃料電池堆工作開始時電化學電池與互連器之間的最佳金屬接觸。
[0004]盡管可通過額外氧化步驟與后續噴砂處理獲得足夠的氣密性，但此方法可能造成一些困難。就此涉及以下幾點:
[0005]-具有高殘余孔隙率或甚至僅具有高殘余孔隙率區域的部件，需要或者在高溫下氧化或者在極長時間內保持于溫度以上，以便形成具有氧化鉻作為主要成分的充足量的氧化物夾雜物，尤其當較大開口孔隙存在于該部件中時。較高氧化溫度及較長保持時間關聯到制造中的相應成本。
[0006]-較高程度的氧化物夾雜物會引起所期望的部件物理特性(例如熱膨脹系數、熱傳導率、斷裂行為)的變化，因為這些特性不僅由金屬基體而且由孔隙填充物逐漸確定。該變化可影響到部件整體或僅影響選定的部件區域，導致部件變得異質。
[0007]-如果氧化物夾雜物程度過高，尤其若孔隙率局部上大小不同(這由于板的兩面上的結構不同而在實際部件中為常見情況)，則這導致部件由于過度變形而成為廢品且必須廢棄。
[0008]-在氧化過程中，除了形成氧化物夾雜物也可形成Cr氮化物，這些Cr氮化物同樣可改變部件的所期望的物理特性。
【發明內容】
[0009]因此，本發明的目的為提供一種補救辦法且提供一種會減少所述缺點的粉末冶金部件。特別是，該粉末冶金部件具有低透氣性，能夠低成本地生產且同時盡可能不含有不期望的雜質，如鉻氮化物。
[0010]該目的由具有至少80重量％鉻含量的粉末冶金部件達成，其中至少一個來自孔隙及氧化物夾雜物的群組的結構組成部分存在于該部件中，該部件的特征在于，在至少一個區域中沿著貫穿該部件的切割表面的孔隙及氧化物夾雜物總和的每單位面積數目為至少10000/mm2。因此，孔隙及/或氧化物夾雜物存在于該部件之中。另外，也存在部分經氧化物夾雜物填充的孔隙。下文中所述的孔隙也包含經部分填充的孔隙。因此，將經部分填充的孔隙算作孔隙。
[0011]通過將鉻氧化、將可能存在的其他金屬氧化以及添加金屬氧化物，可在部件中形成氧化物夾雜物。在氧化操作中，例如氮化物的其他化合物也可形成，其同樣可形成氧化物夾雜物的一部分。因此，在本發明的范疇內，對氧化物夾雜物這一表述應理解為一種夾雜物，其主要成分(>50mol.%)為金屬氧化物且也可額外包含氮化物。氧化物夾雜物的主要成分優選為氧化絡，氧化絡含量優選為至少90mol.%。
[0012]與現有技術相比，此類部件具有顯著較高的孔隙及氧化物夾雜物總數目，同時具有大致相同的孔隙率，使得孔隙體積分散為更多且因此更精細的孔隙。本發明尤其基于孔隙尺寸對部件具有顯著影響的這一認識。較大孔隙的數目尤其應盡可能小，因為此類填充有Cr2O3的孔隙對部件具有負面影響，例如在變形或熱膨脹系數方面。
[0013]在一個實施變體中設置為，沿著切割表面的孔隙及氧化物夾雜物總和數目為至少20000/mm2，優選至少40000/mm2，尤其優選至少60000/mm2。在一種優選的實施變體中，沿著切割表面的孔隙及氧化物夾雜物總和數目為至少90000/mm2。在氧化操作之前每單位面積孔隙總數越大，孔隙可越有效且越經濟地通過氧化封閉。
[0014]根據本發明，孔隙理解為所有開口孔隙、閉合孔隙以及至少部分經氧化物填充的孔隙的總和。由于根據本發明的部件經歷氧化操作，因此先前開口的孔隙通過氧化而至少部分經氧化物填充。因此留下閉合孔隙及先前開口、現完全或部分經氧化物填充的孔隙。
[0015]在一種優選的實施變體中設置為，在該區域中的鉻含量為至少90重量％。高鉻含量增加熱導率且因此有助于系統中的均勻溫度分布。另外，高鉻含量降低熱膨脹系數，使得其更好地適于當前可獲得的電解質材料，例如完全穩定化的氧化鋯。
[0016]在一種優選的實施變體中能夠設置為，在部件的區域中，在整個部件厚度上的密度小于理論密度的95%。在另一種實施變體中能夠設置為，在部件的區域中，整個部件厚度上的密度在理論密度的70 %與95 %之間。此數值范圍確保部件的良好機械穩定性。
[0017]在一種有利的實施變體中，在至少一個區域中切割表面處的至少90%孔隙及氧化物夾雜物可具有不超過12μπι的當量直徑。這對部件的機械特性具有積極作用，且實現開口孔隙在氧化工藝過程中的快速封閉。就具有非圓形截面的孔隙或氧化物夾雜物而言，當量直徑意謂，使用截面積Α，且通過用公式A = 3id2/4等化所得截面積A來獲得當量直徑d。當量直徑d隨后從關系式d=(4AAr)Q.5中得出。
[0018]本發明另外基于氧化操作可在變形及熱膨脹方面對部件的均勻性具有負面影響的認識。通過使用其中BET表面積2 0.05m2/g的、金屬粉末生產部件，用于封閉孔隙的氧化操作可持續更短，從而使得氧化物含量減少。因此，在一個實施例變體中，在此區域中的總氧含量為<20000yg0/lg部件。
[0019]研究已顯示氮及/或其他氧化組份的存在可在變形及熱膨脹方面對部件具有負面影響。因此，在一種實施例變體中設置為，在此區域中的總氮含量為<2000yg/lg部件和/或Al2O3含量<500yg/lg部件。在電化學電池的使用中，低氮含量對部件的特性具有積極作用，即，發生較小變形且熱膨脹系數在部件厚度上為均一的。
[0020]優選地設置為，氧含量沿著部件厚度自中間至邊緣增加。
[0021]在燒結金屬粉末過程中，形成多孔部件，其孔隙尺寸分布實質上取決于金屬粉末的物理特性(例如單位表面積)以及壓制和燒結條件。
[0022]此外，部件優選具有上述特性中的至少一個，特別是孔隙/氧化物夾雜物總和數目，孔隙/氧化物夾雜物的尺寸/面積，或在相對于