一种铜锆钴改性奥氏体不锈钢及其加工与热处理方法技术

一种铜锆钴改性奥氏体不锈钢及其加工与热处理方法，合金元素质量百分比为：C≤0.03，Ni＝8.0～12.0，Cr＝18.0～20.0，Zr≤0.53，Cu＝0.2～0.8，Co＝0.1～0.5，Mn≤2.0，Si≤1.0，P≤0.035，S≤0.030，其中7.59×C≤Zr≤7.59×C+0.3，余量为Fe。经热变形开坯和冷变形，ZrC破碎、弥散，高温固溶处理后晶粒粗化。通氧条件下80℃含5×10

【技术实现步骤摘要】
一种铜锆钴改性奥氏体不锈钢及其加工与热处理方法
本专利技术属于奥氏体不锈钢领域，涉及高耐蚀性奥氏体不锈钢的成分设计和加工、热处理的方法，可广泛用于能源、电力、化工领域和日常生活。技术背景燃料电池是一种将氢燃料和氧化剂之间的化学能通过电极反应直接转化成电能的装置。由于其效率高、污染小、建厂时间短、可靠性及维护性好，是继水力发电、火力发电、核电之后的第四代发电技术。在众多的燃料电池中，质子交换膜燃料电池是发展较晚的一种新型燃料电池，但其发展最为迅速。在燃料电池中，起支撑、集流、分割氧化剂与还原剂作用并引导氧化剂和还原剂在电池内电极表面流动的导电隔板统称为双极板。在燃料电池组内部，双极板的功能和特点为分隔氧化剂与还原剂，因此双极板必须具有阻气功能，不能用多孔透气材料；具有集流作用，必须是电的良导体。双极板所处的环境同时存在氧化介质如氧气和还原介质如氢气，所以双极板材料必须能在这种条件下和其工作的电位范围内具有抗腐蚀能力。双极板应是热的良导体,以确保电池组的温度均匀分布及排热方案的实施。双极板的两侧加工或置有使反应气体均匀分布的流道,即所谓的流场，流场应确保反应气体在整个电极各处分布均匀，双极板在燃料电池组内还起着支撑膜电极、保持电池堆结构稳定的作用,这就要求极板材料具有一定的强度，双极板材料应质轻、强度好、并且适于批量生产。成本太高是目前难以商业化应用的主要因素，而且较低的质量比高功率和体积比功率也是其在汽车动力电源应用方面的一大障碍。一般地，成本中双极板的费用不仅占总成本，而且占据电池反应堆重量的。因此,寻求和设计价廉、轻质、板薄、具有良好的力学性能、高的表面和体积导电率、低透气性、耐腐蚀材料以及成本较低的制备技术是双极板发展的目标。目前广泛采用的双极板有石墨板、金属板和复合双极板。石墨双极板具有良好的耐腐性、导电性，而且表面的接触电阻小。因而在各种材料双极板中，石墨双极板的放电性能最好，常被用作开发其它新材料双极板的参照体系。但石墨的孔隙率大、机械强度低、脆性大、加工性能差，为了阻止工作气体渗过双极板和满足机械强度设计，石墨双极板的厚度应较厚，这就使得其体积和重量较大，从而限制了石墨双极板的实际应用。尤其是极具应用前景的汽车工业，要求必须具有较高的重量比能量，且能够经受汽车在高速运动过程中的振动。金属材料不仅强韧性好，而且机械加工性能、导电性、导热性、致密性均较好，可以用来制作很薄的双极板。但是所有金属都有一个缺点，即抗腐蚀性能较差，这就使得需要用各种技术与手段来改善其性能。在模拟燃料电池工作环境下对316L、317L、349和904L不锈钢的电化学行为进行对比，得出的耐腐蚀性能排序为：349>904L>317L>316L，表明铬含量越高，抗腐蚀性越强。未经表面处理的316L不锈钢在燃料电池环境中形成的钝化层会导致接触电阻增加，不能满足双极板材料的要求。因此，为增强不锈钢的抗腐蚀性能，有必要对其表面改性或涂镀保护层。为解决不锈钢和钛板作为双极板材料在燃料电池运行过程中出现的腐蚀和表面钝化问题，采用热喷、丝网印刷、物理气相沉积、化学气相沉积、电镀、化学镀和溅射等方法，这样的表面处理既降低了接触电阻，又提高了双极板的耐腐蚀性能。在模拟电池阴极工作环境(0.8V/NHE，80℃，air)下，对镀有10nm厚纳米金涂层的316L不锈钢进行恒电位极化24h，其腐蚀电流密度小于1μA/cm2。在阳极环境下其一直处于钝化状态。将其冲压制成双极板后，在组装力为0.6MPa下，接触电阻为6.3mΩ·cm2。采用离子注入技术在316L不锈钢上镀铌金属，在模拟质子交换膜燃料电池工作环境下(0.5mol/LH2SO4+2ppmHF，80℃)，离子注入2h后的不锈钢表现出最好的性能，动电位测试下其钝化电流密度为6μA/cm2；采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀法在316L不锈钢上制备了3μm厚致密的无定形碳层。在组装力为1.2～2.1MPa下，其接触电阻为8.3～5.2mΩ·cm2，而石墨的接触电阻为10.4～5.4mΩ·cm2。在模拟电池工作环境下(0.5mol/L、H2SO4+2ppmHF，80℃)，对其进行动电位测试，阴极钝化电流密度为3.56μA/cm2。在所有研究的金属材料中，不锈钢材料以其价格低廉，坚实耐用等特点，成为最早用于双极板的金属材料。不锈钢材料的耐蚀性很大程度上决定于其表面所形成钝化层的成分与结构，且钝化层成分和结构又由不锈钢的化学成分决定，因此合适的不锈钢材料合金化和组织控制，对其耐蚀性能有一定影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种铜锆钴改性奥氏体不锈钢及其加工与热处理方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是，在304L奥氏体不锈钢合金成分的基础上，添加强碳化物形成元素锆(Zr)和高温下固溶元素铜(Cu)、钴(Co)，简称304L-CCZ不锈钢。其具体成分(质量百分比)为：C≤0.03,Ni＝8.0～12.0,Cr＝18.0～20.0,Zr≤0.53,Cu＝0.2～0.8,Co＝0.1～0.5,Mn≤2.0,Si≤1.0,P≤0.035,S≤0.030,其中7.59×C≤Zr≤7.59×C+0.3，Fe＝余量。合金冶炼后，经过热变形开坯和冷变形处理，使得形成的ZrC得以充分破碎、弥散分布，再通过高温固溶处理，获得粗大晶粒奥氏体组织，使其具有较高强度和耐蚀性。304L不锈钢为低C的304钢，在一般状态下，其耐蚀性与304钢相似，但在焊接后或者消除应力后，其抗晶界腐蚀能力优秀；在未进行热处理的情况下，亦能保持良好的耐蚀性，使用温度-196℃～800℃。应用于抗晶界腐蚀性要求高的化学、煤炭、石油产业的野外露天机器，建材耐热零件及热处理有困难的零件。其板材的性能指标为：屈服强度≥175MPa，抗拉强度≥480MPa，伸长率≥40％，硬度≤200HV。304L不锈钢中含有不高于0.03％的C。奥氏体不锈钢中的C具有较强的固溶强化效果，但C容易与Fe结合形成渗碳体Fe3C，呈片层析出，造成不锈钢的耐蚀性难以提高。因此，在合金中添加强碳化物形成元素Zr，形成高稳定性的球状颗粒ZrC化合物，从而使得奥氏体晶粒中实际C的固溶含量大幅度降低，提高不锈钢的耐蚀性。由于Zr的原子量为91.22，而C的原子量为12.01，Zr、C的原子量比例为7.59，当7.59×C≤Zr≤7.59×C+0.3时，如C含量为0.03％时，Zr的含量为0.22％～0.52％，使得奥氏体晶粒中C的固溶接近于零，而小于0.3％的Zr元素的过剩，与基体形成固溶体，有较弱的强化和增韧作用。Cu是非碳化物形成元素，添加到钢中会形成置换固溶体。钢中每添加1.0％的Cu可产生38～70MPa的固溶强化作用，并且铜添加引起的屈服强度增量要髙于抗拉强度的増量，进而能够显著地提髙钢的屈强比。不诱钢表面溶出的Cu离子能够破坏细菌内蛋白质结构，抑制细菌DNA的复制和相关蛋白质/酶的合成，破坏细菌内的代谢活动，使细菌失去活性，导致细菌死亡。因此在一些耐侯钢中往往添加1～3％Cu，提高合金耐海洋环境的腐蚀作用。本专利技术中添加少量的Cu，还有一个重要意义在于弥补高温热处理时C元素的不足。奥氏体不锈钢中存在大量的Cr、Ni元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铜锆钴改性奥氏体不锈钢，其特征在于：合金中各元素质量百分比为：C≤0.03，Ni＝8.0～12.0，Cr＝18.0～20.0，Zr≤0.53，Cu＝0.2～0.8，Co＝0.1～0.5，Mn≤2.0，Si≤1.0，P≤0.035，S≤0.030，其中7.59×C≤Zr≤7.59×C+0.3，余量为Fe。

【技术特征摘要】
1.一种铜锆钴改性奥氏体不锈钢，其特征在于：合金中各元素质量百分比为：C≤0.03，Ni＝8.0～12.0，Cr＝18.0～20.0，Zr≤0.53，Cu＝0.2～0.8，Co＝0.1～0.5，Mn≤2.0，Si≤1.0，P≤0.035，S≤0.030，其中7.59×C≤Zr≤7.59×C+0.3，余量为Fe。2.如权利要求1所述的铜锆钴改性奥氏体不锈钢的加工与热处理方法，其特征在于包括如下步骤：(1)不锈钢的冶炼与铸造按合金要求的各元素质量百分比，选取电工纯铁、金属铬片、金属镍板、不锈钢废料、纯铜块、纯钴片、锆铁或金属锆、石墨块为原料，经电弧熔炼或者感应熔炼后，浇铸成合金铸锭；熔炼时熔池温度保持1700℃±20℃；浇注前钢液镇静5～10分钟，钢水在1550℃±50℃，真空或氩气保护浇铸，铸造成方锭或圆锭；(2)热轧开坯板材采用平辊轧机热轧开坯，热轧方案为铸坯加热到1280℃±10℃，保温3～5小时后出炉轧制，热轧开始温度为1180℃±20℃，终轧温度≥950℃；板材热轧总下量≥60％；管、棒、线、型材和冷冲零件，铸锭可采用热锻、孔型轧制或万能轧制开坯；(3)冷轧变形板材采用冷轧变形，冷轧总压下量≥80％；管、棒、线、型材采用往复式...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗丰华，罗硕，卢静，周伟，吴子恺，杜帅，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43