一种与β″-Al制造技术

本发明专利技术提供一种与β″‑Al

An anticorrosive low nickel low chromium alloy with a similar coefficient of thermal expansion with the \-Al2O3\ ceramic tube

The present invention provides a corrosion-resistant low nickel and low chromium alloy with a thermal expansion coefficient similar to that of a beta_Al2O3 ceramic tube, which relates to the field of battery materials. The alloy comprises the following elements: C:0.06_0.12%, Cu:0.3_0.45%, Mn:0.7_1.2%, Si:0.12_0.25%, Ni:3.2_4.8%, Cr:5.5%, Nb. 0.4 0.8%, Mo: 0.04 0.09%, La: 0.05 0.08%, Al:< 0.01%, P:< 0.01%, S:< 0.01%. The remaining impurities are Fe and inevitable. Compared with the 4J33 alloy steel sold in the market, it is more suitable as raw material for metal parts of sodium-sulfur batteries. It is safer, more reliable and can greatly prolong the service life of sodium-sulfur batteries. For more than 10 years, it provides a solid material basis for further development and application of sodium sulfur batteries.

【技术实现步骤摘要】
一种与β″-Al2O3陶瓷管有近似热膨胀系数的耐腐蚀低镍低铬合金
本专利技术涉及电池材料领域，具体涉及一种与β″-Al2O3陶瓷管有近似热膨胀系数的耐腐蚀低镍低铬合金。
技术介绍
1967年美国Ford公司专利技术的钠硫电池，是采用Al2O3陶瓷管作为固态电解质兼正负极隔膜、以熔融态的钠和硫分别为负极和正极的二次电池，具有成本低(储能成本约为400-600USD/(kW·h))、能量密度高(760W·h/kg)、循环效率高(80％以上)、功率密度大(约230W/kg)、无自放电现象、运行寿命10年以上等优点。钠硫电池对电池材料、电池结构要求高，使用时必须维持在300-350℃。钠硫电池装配制备过程涉及到三种不同类型的密封结合技术，即陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属以及金属与金属之间的密封，其中陶瓷与金属的密封结合技术因二者膨胀系数相差大、难以匹配而成为最困难、最关键的工艺，这极大的限制了钠硫电池应用发展，因为钠硫电池的运行温度在300-350℃之间，如果陶瓷电介质与合金材料之间因为受热膨胀挤压很容易导致陶瓷破损形成短路，高温的液态钠和硫就会直接接触，发生剧烈的放热反应，产生高达2000℃的高温，相当危险。4J33合金钢在60-600℃之间具有与Al2O3陶瓷相近的热膨胀系数，是国内外钠硫电池厂家常用的热压件材料，4J33合金钢的组织为单相奥氏体，影响4J33合金钢膨胀系数稳定性的主要因素是合金的化学成分。其中，镍是稳定奥氏体(γ)相的主要元素，镍含量偏高有利于γ相的稳定，镍含量降低将导致4J33合金钢的晶相组织发生不同程度的奥氏体(γ)向针状马氏体(α)转变，相变时伴随着体积膨胀效应，合金的膨胀系数相应增高，致使封接件的内应力剧增，甚至造成陶瓷部分损坏，造成事故，4J33合金钢成分中镍含量一般达到30％以上，镍含量越高生产成本相应增加，目前市场上30cm×30cm×2.5cm的4J33合金钢价格高达450元，而且4J33合金钢虽然有一定的耐腐蚀性，但是高温下液态金属钠、硫以及硫化物介质的强腐蚀性，仍然会对4J33合金钢造成腐蚀，从而影响钠硫电池的使用寿命，钠硫电池和其他电池不同，没有任何副反应，活性物质可以被可逆的利用而不被损耗，由于金属部件在高温下长时间工作会有腐蚀，所以一般寿命实际使用寿命往往只有5-8年。目前国内外只有少量的钠硫电池产品商业化，我国钠硫电池储能技术和应用在短期内很难取得突破。
技术实现思路
(一)解决的技术问题针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种与β″-Al2O3陶瓷管有近似热膨胀系数的耐腐蚀低镍低铬合金。(二)技术方案为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：一种与β″-Al2O3陶瓷管有近似热膨胀系数的耐腐蚀低镍低铬合金，包括以下重量百分数的元素组成：C：0.06-0.12％、Cu：0.3-0.45％、Mn：0.7-1.2％、Si：0.12-0.25％、Ni：3.2-4.8％、Cr：5-5.5％、Nb：0.4-0.8％、Mo：0.04-0.09％、La:0.05-0.08％、Al:≤0.01％、P:≤0.01％、S:≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。进一步地，包括以下重量百分数的元素组成：C：0.08％、Cu：0.36％、Mn：0.75％、Si：0.14％、Ni：3.5％、Cr：5.1％、Nb：0.63％、Mo：0.08％、La:0.06％、Al:≤0.01％、P:≤0.01％、S:≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。进一步地，包括以下重量百分数的元素组成：C：0.12％、Cu：0.42％、Mn：0.85％、Si：0.15％、Ni：3.5％、Cr：5.3％、Nb：0.56％、Mo：0.05％、La:0.05％、Al:≤0.01％、P:≤0.01％、S:≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。上述与β″-Al2O3陶瓷管有近似热膨胀系数的耐腐蚀低镍低铬合金，制备方法如下：(1)将碳、铬铁、硅铁、钼铁、镍铁、锰铁、铌铁加入到碳管炉中，氩气保护下升温至1560-1580℃熔融；(2)先加入铜、镧，待合金熔清后，将高纯度氧气以超音速吹入合金液中，通氧时间5-10min，最后加入硅、铝脱氧，均匀体系成分，检测元素成分达标后降温至1440-1450℃，进行浇注，得到合金试样；(3)将合金试样放入马弗炉中，升温至660-680℃，保温2-4h后，降温至550-560℃，保温1.5-2h后，炉冷至室温后，再升温至250-280℃，保温2-4h，空冷至室温，得到合金成品。进一步地，步骤(3)中，将合金试样放入马弗炉中，升温至660-680℃，升温速度为35℃/min，保温2-4h后，降温至550-560℃，降温速度为20℃/min，保温1.5-2h后，炉冷至室温后，再升温至250-280℃，升温速度为10℃/min，保温2-4h，空冷至室温，得到合金成品。上述耐腐蚀低镍低铬合金与β″-Al2O3陶瓷管的密封结合工艺包括如下步骤：(1)将β″-Al2O3陶瓷管内壁用砂纸打磨水洗后烘干，将耐腐蚀低镍低铬合金制成合金管，水洗、丙酮洗后酒精擦干；(2)电阻炉预热至1000-1200℃，将合金管和β″-Al2O3陶瓷管放在可移动和旋转的载物台上，合金管套在β″-Al2O3陶瓷管上，将载物台放入电阻炉内，控制电阻炉内真空度6.67×10-3Pa，升温至1500-1600℃，使载物台载物台自动的平稳旋转，开始焊接；(3)控制电压为20-30KV，用2-4mA电流的电子束轰击在合金管内壁，4-8min后，电子束散焦，部分电子束轰击在β″-Al2O3陶瓷管外壁，20-40s后电子束偏转全部轰击在β″-Al2O3陶瓷管外壁上，1-3min后，电子束电流增大至10-15mA，继续焊接10-15s后，结束焊接，此时，合金管和β″-Al2O3陶瓷管之间形成金属陶瓷结合层，电阻炉缓慢降温至室温，合金管和β″-Al2O3陶瓷管的结合件出炉。进一步地，所述合金管与β″-Al2O3陶瓷管之间的间隙控制在0.05-0.1mm之间。进一步地，电阻炉的降温速度为5℃/min。(三)有益效果本专利技术提供了一种与β″-Al2O3陶瓷管有近似热膨胀系数的耐腐蚀低镍低铬合金，具有以下有益效果：本专利技术合金中镍、铬含量较低，生产制造所需要的原材料成本大大降低，相比较只有市售4J33合金钢原材料成本的70％左右，而且抗拉强度与屈服强度均高于市售4J33合金钢，延伸率与硬度与之接近；更重要的是在200-400℃之间，本专利技术合金热膨胀系数无限接近β″-Al2O3陶瓷的热膨胀系数(7×10-6·K-1)，通过耐腐蚀性能测试得知，本专利技术合金耐腐蚀性能也优于市售4J33合金钢，所以本专利技术耐腐蚀低镍低铬合金与市售的4J33合金钢相比更适合作为钠硫电池中金属部件的原料，更加安全，可靠，可以大大延长钠硫电池的使用寿命(10年以上)，为钠硫电池的进一步发展应用，提供了坚实的物质基础。通过本专利技术提供的密封结合工艺，本专利技术耐腐蚀低镍低铬合金与β″-Al2O3之间接缝检测合格，碱溶液(110±5℃)和酸溶液(110±5℃)交替浸泡腐蚀200h后，接缝未检出漏气；热冲击实验，110℃、-5℃，循环50次，接缝未检出漏气。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种与β″‑Al2O3陶瓷管有近似热膨胀系数的耐腐蚀低镍低铬合金，其特征在于，包括以下重量百分数的元素组成：C：0.06‑0.12％、Cu：0.3‑0.45％、Mn：0.7‑1.2％、Si：0.12‑0.25％、Ni：3.2‑4.8％、Cr：5‑5.5％、Nb：0.4‑0.8％、Mo：0.04‑0.09％、La:0.05‑0.08％、Al:≤0.01％、P:≤0.01％、S:≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。

【技术特征摘要】
1.一种与β″-Al2O3陶瓷管有近似热膨胀系数的耐腐蚀低镍低铬合金，其特征在于，包括以下重量百分数的元素组成：C：0.06-0.12％、Cu：0.3-0.45％、Mn：0.7-1.2％、Si：0.12-0.25％、Ni：3.2-4.8％、Cr：5-5.5％、Nb：0.4-0.8％、Mo：0.04-0.09％、La:0.05-0.08％、Al:≤0.01％、P:≤0.01％、S:≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。2.如权利要求1的所述与β″-Al2O3陶瓷管有近似热膨胀系数的耐腐蚀低镍低铬合金，其特征在于，包括以下重量百分数的元素组成：C：0.08％、Cu：0.36％、Mn：0.75％、Si：0.14％、Ni：3.5％、Cr：5.1％、Nb：0.63％、Mo：0.08％、La:0.06％、Al:≤0.01％、P:≤0.01％、S:≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。3.如权利要求1所述的与β″-Al2O3陶瓷管有近似热膨胀系数的耐腐蚀低镍低铬合金，其特征在于，包括以下重量百分数的元素组成：C：0.12％、Cu：0.42％、Mn：0.85％、Si：0.15％、Ni：3.5％、Cr：5.3％、Nb：0.56％、Mo：0.05％、La:0.05％、Al:≤0.01％、P:≤0.01％、S:≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。4.如权利要求1所述的与β″-Al2O3陶瓷管有近似热膨胀系数的耐腐蚀低镍低铬合金，其特征在于，制备方法如下：(1)将碳、铬铁、硅铁、钼铁、镍铁、锰铁、铌铁加入到碳管炉中，氩气保护下升温至1560-1580℃熔融；(2)先加入铜、镧，待合金熔清后，将高纯度氧气以超音速吹入合金液中，通氧时间5-10min，最后加入硅、铝脱氧，均匀体系成分，检测元素成分达标后降温至1440-1450℃，进行浇注，得到合金试样；(3)将合金试样放入马弗炉中，升温至660-680℃，保温2-4h后，降温至550-560℃，保温1.5-2h后，炉冷至室温后，再升温至...

【专利技术属性】
技术研发人员：段涛，
申请(专利权)人：段涛，
类型：发明
国别省市：安徽,34