一种表面改性的20Cr钢双极板材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种表面改性的20Cr钢双极板材料及其制备方法。本发明专利技术以20Cr钢为基体，对基体进行研磨抛光前处理，然后对基体进行离子渗氮、化学镀镍、PVD技术沉积氮化物涂层等一系列方法制备20Cr钢/渗氮/镀镍/CrN或CrMoN的复合多层膜。在模拟的PEMFC环境下，表面改性的20Cr钢双极板材料耐腐蚀性能及表面接触电阻性能满足美国DOE 2020标准，同时薄膜和基体的结合力大于45N。采用本发明专利技术方法，可以用普通碳钢薄板替代316L不锈钢材料，降低双极板生产成本。

【技术实现步骤摘要】
一种表面改性的20Cr钢双极板材料及其制备方法(一)
本专利技术涉及一种表面改性的20Cr钢双极板材料及其制备方法。(二)
技术介绍
当今世界，能源问题与环境问题已经成为全球所面临的共同难题，地球上的化石能源有限，而且化石能源燃烧排放的有害气体，不仅会造成温室效应，还会造成空气污染，酸雨以及臭氧层空洞等环境问题。因此，寻找一种新的可持续再生的新型清洁能源来代替传统化石能源是迫在眉睫。燃料电池是一种把化学能直接转化为电能的新能源装置。它具有不受卡诺循环影响，能量转化率高，污染小等特点。因此被众多研究者认为是21世纪首选的清洁，高效的能源技术。燃料电池按照其采用的电解质可分为：碱性燃料电池，磷酸型燃料电池，质子交换膜燃料电池，熔融碳酸盐型燃料电池以及固体燃料电池，其中质子交换膜燃料电池因为其工作温度低等优点，是目前研究与应用最大的一类燃料电池。双极板是质子交换膜燃料电池中最主要的一个部件，它不仅占了整个燃料电池80％的重量和几乎全部的体积，而且占了整个燃料电池堆45％的成本。因此双极板的好坏与燃料电池的效率及应用密切相关。优异的双极板应具有极好的阻气性和导电性、良好的机械性能、优异的耐腐蚀性能和低成本。石墨具有优异的导电性和化学惰性，因此过去一直用石墨材料作为双极板材料，但是石墨的易碎、透气性以及差的机械加工性能使质子交换膜燃料电池质量很大并且成本高，阻碍了其进一步的商业化应用。20Cr低碳钢合金具有强度低、硬度、塑性、韧性好等优良的力学性能，易于加工，相对不锈钢成本更低。但是在燃料电池环境下，低碳钢表面会腐蚀形成钝化膜，使得双极板和气体扩散膜之间的接触电阻增加，影响导电率，降低燃料电池堆的工作效率。所以为了提高双极板的耐蚀性和导电性，通过表面改性技术在20Cr钢表面沉积保护性涂层是很有必要的。(三)
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有优异电导率和耐蚀性的20Cr钢双极板材料及其制备方法。本专利技术采用的技术方案是：一种表面改性的20Cr钢双极板材料，由如下方法制备获得：(1)以20Cr钢为基体，先进行研磨抛光前处理，再采用气体渗氮工艺对抛光后的20Cr钢基体进行渗氮处理，以提高基体硬度、耐磨性和耐蚀性等；(2)利用化学镀镍工艺在渗氮后的20Cr钢基体表面镀上厚度20～30μm的镍磷层，镀镍完成后清洗去除表面油污；对镀镍后的20Cr钢进行超声清洗，在丙酮，无水乙醇，去离子水中分别超声15min，去除表面油污，以提高镀膜成功率。清洗之后，取出试样，并在无尘环境下干燥并保存。(3)利用闭合场非平衡磁控溅射离子镀系统在镍磷层表面沉积一层CrMoN三元氮化物涂层：将镀镍后的20Cr钢基体放置在腔体中固定，抽真空，以氩气为保护气体、氮气为反应气体，以两块高纯Cr靶(纯度99.999％)和两块高纯Mo靶(纯度99.999％)作为溅射源，运行镀膜工艺，首先Cr靶和Mo靶都施加0.3A的电流、对20Cr钢进行清洗；然后提高Cr靶电流至4～5A，沉积5～15min得到一层Cr的过渡层，接着通入氮气作为反应气体，沉积10～15min得到CrN膜；再将Mo靶电流从0.3A提升至2～6A沉积15～20min，得到CrMoN梯度膜，最后稳定Mo靶电流在2～6A沉积70～80min，得到CrMoN稳定膜涂层，即得渗氮/Ni-P/CrMoN复合膜表面改性的20Cr钢双极板材料。步骤(2)镀镍工艺采用的化学镀镍液组成为：NiSO4·6H2O20～40g/L，NaH2PO2·H2O15～30g/L，醋酸钠10g/L，柠檬酸钠10g/L，醋酸2～4g/L，KIO310～20mg/L，硫脲0.5～2mg/L，十二烷基苯磺酸钠0.01～0.05g/L，溶剂为去离子水，pH5.6～5.8(用稀硫酸或稀氨水调节)。本专利技术以20Cr钢为基体，对基体进行研磨抛光前处理，然后对基体进行离子渗氮、化学镀镍、PVD技术沉积氮化物涂层等一系列方法制备20Cr钢/渗氮/镀镍/CrN或CrMoN的复合多层膜。在模拟的PEMFC环境下，表面改性的20Cr钢双极板材料耐腐蚀性能及表面接触电阻性能满足美国DOE2020标准，同时薄膜和基体的结合力大于45N。采用本专利技术方法，可以用普通碳钢薄板替代316L不锈钢材料，降低双极板生产成本。本专利技术还涉及所述渗氮/Ni-P/CrMoN复合膜表面改性的20Cr钢双极板材料的制备方法，所述方法包括：(1)以20Cr钢为基体，先进行研磨抛光前处理，再采用气体渗氮工艺对抛光后的20Cr钢基体进行渗氮处理；(2)利用化学镀镍工艺在渗氮后的20Cr钢基体表面镀上厚度20～30μm的镍磷层，镀镍完成后清洗去除表面油污；(3)利用闭合场非平衡磁控溅射离子镀系统在镍磷层表面沉积一层CrMoN三元氮化物涂层：将镀镍后的20Cr钢基体放置在腔体中固定，抽真空，以氩气为保护气体、氮气为反应气体，以两块高纯Cr靶和两块高纯Mo靶作为溅射源，运行镀膜工艺，首先Cr靶和Mo靶都施加0.3A的电流、对20Cr钢进行清洗；然后提高Cr靶电流至4～5A，沉积5～10min得到一层Cr的过渡层，接着通入氮气作为反应气体，沉积10～15min得到CrN膜；再将Mo靶电流从0.3A提升至2～6A沉积15～20min，得到CrMoN梯度膜，最后稳定Mo靶电流在2～6A沉积70～80min，得到CrMoN稳定膜涂层，即得渗氮/Ni-P/CrMoN复合膜表面改性的20Cr钢双极板材料。步骤(1)所述圣渗氮处理方法为：采用井式气体渗氮炉，将20Cr钢基体放入炉中，做密封处理，加热至550℃并且持续通入氨气，时间为6h。步骤(2)镀镍工艺采用的化学镀镍液组成为NiSO4·6H2O20～40g/L，NaH2PO2·H2O15～30g/L，醋酸钠10g/L，柠檬酸钠10g/L，醋酸2～4g/L，KIO310～20mg/L，硫脲0.5～2mg/L，十二烷基苯磺酸钠0.01～0.05g/L，溶剂为去离子水，pH5.6～5.8。优选的，步骤(2)镀镍工艺采用的化学镀镍液组成为：NiSO4·6H2O30g/L，NaH2PO2·H2O20g/L，醋酸钠10g/L，柠檬酸钠10g/L，醋酸3g/L，KIO315mg/L，硫脲1mg/L，十二烷基苯磺酸钠0.02g/L，溶剂为去离子水，pH5.7。本专利技术制备所得的渗氮/Ni-P/CrMoN复合膜表面改性的20Cr钢双极板，通过三电极系统对其进行包括动极化测试、稳态极化测试以及电化学阻抗谱的电化学测试，在模拟的PEMFC环境下，测试结果表明表面改性的双极板相对20Cr钢基体腐蚀电位有很大提升，腐蚀电流密度相对基体下降了两个数量级，性能满足美国DOE2020标准，同时薄膜和基体的结合力大于45N。(四)具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行进一步描述，但本专利技术的保护范围并不仅限于此：实施例1：(1)以20Cr钢为基体，先进行研磨抛光前处理(180号砂纸研磨)，再采用气体渗氮工艺对抛光后的20Cr钢基体进行渗氮处理(采用井式气体渗氮炉，将20Cr钢基体放入炉中，做密封处理，加热至550℃并且持续通入氨气，时间为6h)；(2)采用化学镀镍工艺(镀镍工艺:用恒温水浴锅进行水浴加热，施镀温度保持在85℃，pH＝5.6～5.8，施镀时间2h，施镀过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表面改性的20Cr钢双极板材料，由如下方法制备获得：(1)以20Cr钢为基体，先进行研磨抛光前处理，再采用气体渗氮工艺对抛光后的20Cr钢基体进行渗氮处理；(2)利用化学镀镍工艺在渗氮后的20Cr钢基体表面镀上厚度20～30μm的镍磷层，镀镍完成后清洗去除表面油污；(3)利用闭合场非平衡磁控溅射离子镀系统在镍磷层表面沉积一层CrMoN三元氮化物涂层：将镀镍后的20Cr钢基体放置在腔体中固定，抽真空，以氩气为保护气体、氮气为反应气体，以两块高纯Cr靶和两块高纯Mo靶作为溅射源，运行镀膜工艺，首先Cr靶和Mo靶都施加0.3A的电流、对20Cr钢进行清洗；然后提高Cr靶电流至4～5A，沉积5～15min得到一层Cr的过渡层，接着通入氮气作为反应气体，沉积10～15min得到CrN膜；再将Mo靶电流从0.3A提升至2～6A沉积15～20min，得到CrMoN梯度膜，最后稳定Mo靶电流在2～6A沉积70～80min，得到CrMoN稳定膜涂层，即得渗氮/Ni‑P/CrMoN复合膜表面改性的20Cr钢双极板材料。

【技术特征摘要】
1.一种表面改性的20Cr钢双极板材料，由如下方法制备获得：(1)以20Cr钢为基体，先进行研磨抛光前处理，再采用气体渗氮工艺对抛光后的20Cr钢基体进行渗氮处理；(2)利用化学镀镍工艺在渗氮后的20Cr钢基体表面镀上厚度20～30μm的镍磷层，镀镍完成后清洗去除表面油污；(3)利用闭合场非平衡磁控溅射离子镀系统在镍磷层表面沉积一层CrMoN三元氮化物涂层：将镀镍后的20Cr钢基体放置在腔体中固定，抽真空，以氩气为保护气体、氮气为反应气体，以两块高纯Cr靶和两块高纯Mo靶作为溅射源，运行镀膜工艺，首先Cr靶和Mo靶都施加0.3A的电流、对20Cr钢进行清洗；然后提高Cr靶电流至4～5A，沉积5～15min得到一层Cr的过渡层，接着通入氮气作为反应气体，沉积10～15min得到CrN膜；再将Mo靶电流从0.3A提升至2～6A沉积15～20min，得到CrMoN梯度膜，最后稳定Mo靶电流在2～6A沉积70～80min，得到CrMoN稳定膜涂层，即得渗氮/Ni-P/CrMoN复合膜表面改性的20Cr钢双极板材料。2.如权利要求1所述的20Cr钢双极板材料，其特征在于步骤(2)镀镍工艺采用的化学镀镍液组成为：NiSO4·6H2O20～40g/L，NaH2PO2·H2O15～30g/L，醋酸钠10g/L，柠檬酸钠10g/L，醋酸2～4g/L，KIO310～20mg/L，硫脲0.5～2mg/L，十二烷基苯磺酸钠0.01～0.05g/L，溶剂为去离子水，pH5.6～5.8。3.权利要求1所述20Cr钢双极板材料的制备方法，所述方法包括：(1)以20Cr钢为基体，先进行研磨抛光前处理，再采用气体渗氮工艺对抛光后的20Cr钢基体进行渗氮处理；(2)利用化学镀镍工艺在渗氮后的20Cr钢基体表面镀上厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：金杰，刘豪杰，郑大才，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33