一种铁素体不锈钢及其制造方法技术

一种铁素体不锈钢，其按照重量百分比计的化学成分为Ｃｒ：１６～３０％，（Ｔｉ＋Ｎｂ）：４（Ｃ＋Ｎ）～１％，Ｍｎ：０．１～１．５％，Ｒｅ：０．０１～１％，Ａｌ：０．０１～０．５％，Ｓｉ：０～０．５％，Ｃ≤０．０３％，Ｎ≤０．０３％，Ｐ≤０．０２％，Ｓ≤０．０１％，余量是Ｆｅ。该铁素体不锈钢的制造方法，包括：电炉冶炼或者电炉和氩氧炉冶炼、再真空精炼炉精炼；用铸锭－开坯法或连铸法将冶炼的钢制成板坯；将上述板坯热轧、退火酸洗、冷轧、退火酸洗和平整。这样得到的抗氧化的铁素体不锈钢具有良好的高温导电性能，适合用于固体氧化物燃料电池的连接件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种铁素体不锈钢，特别是一种抗氧化的具有良好高温导电性能的固 体氧化物燃料电池连接件用的铁素体不锈钢及其制造方法。
技术介绍
近年来，固体氧化物燃料电池(SOFC)发展十分迅速，已经成为经济可行的新型电 池。固体氧化物燃料电池可用于热电联产电站、火车和舰船的发动机、卡车和轿车的辅助电 源、管道煤气和天然气、住宅的电热控制和传输系统以及其它分散式电源等。因此，固体氧 化物燃料电池被认为是商业化潜力最大、市场阻力最小的环境友好型新能源。固体氧化物燃料电池主要是管状结构和平板式结构。平板式结构因结构简单，体 积小等优点而成为主要的研发焦点。平板式固体氧化物燃料电池中的固体氧化物陶瓷电解 质，依据不同的工作温度500 1000°C，选择不同的固体氧化物电解质，如掺杂的氧化锆或 氧化铈。由于SOFC单电池的输出功率较低，工作电压一般低于1伏，为了得到高的输出功 率，需要将单电池串联起来组成电池堆，这就需要有连接体将相邻两个单电池的阴极和阳 极连起来。连接体在固体氧化物燃料电池系统中起到至关重要的作用，一方面，将单电池串 联起来，起导电作用，另一方面还起到分配气流，将燃料气和氧化气输送到电极参与电极反 应的作用。这就要求连接材料具有1)良好的高温导电率，2)良好的抗高温氧化性能，3)良 好的热稳定性和高温强度，4)与陶瓷电解质的热膨胀匹配性，5)良好的机加工性能。最初SOFC设计使用一种掺杂的LaCrO3陶瓷材料作为连接材料。LaCrO3陶瓷在 SOFC的高温工作环境中不降解，并具有与燃料电池其它构件基本匹配的热膨胀系数。然而， LaCrO3陶瓷烧结性能差，需要在1600°C以上烧结成瓷，材料脆，而且特别昂贵，占电池成本 的70%以上。为了降低电池成本，最好采用金属连接体。人们曾尝试用Ni基合金、Cr基合 金和Fe基合金作SOFC的连接体。与Cr基、Fe基合金相比，Ni基合金具有较高的耐热温度 和高温强度，可高达1200°C。Ni-Cr系合金发生氧化后的产物NiO和Cr2O3都具有显著降低 氧扩散速度的作用，形成良好的抗氧化保护层。因而，M基合金具有良好的抗高温氧化性。 但Ni基合金的热膨胀系数(17 20X I(T6K)比固体电解质YSZ(9 13X I(T6K)大，在电 池启动和停止时的热冲击将导致电解质膜的破坏。因此，目前在中低温平板式SOFC连接体 金属材料中M基合金较少采用。Cr基合金也具有良好的耐高温腐蚀、抗氧化性，热膨胀系 数与YSZ固体电解质的匹配性好，并且表面形成的Cr2O3氧化层具有电子导电率高的优点。 Cr基合金的缺点是Cr基合金制造工艺复杂，成本较高，同时，Cr基合金的Cr (VI)挥发问 题比较严重，会导致电池阴极性能迅速降低，因此，在平板式SOFC连接体材料中应用较少。 SOFC研发人员相继开发出中低温(600 800°C ) S0FC，使耐高温的铁素体合金作为连接件 成为可能。同Ni基、Cr基合金相比，Fe基合金因资源丰富，具有良好的延展性，易于加工， 制造成本低等优点，而成为中温平板式SOFC连接材料研究的焦点。Fe基合金的设计原型 是304不锈钢，但由于304等奥氏体不锈钢的热膨胀系数16 18X 10_6K比YSZ大，不宜选3用。双相不锈钢的热膨胀系数13 14X10_6K较奥氏体的小，但也比YSZ的大，也不宜选 用。铁素体不锈钢的热膨胀系数10 13X ICT6K与YSZ的基本相当，导热性能是奥氏体不 锈钢的150%左右，有利于反应热的导出，同时，一定含量的Cr等合金元素的配合，可以赋 予铁素体不锈钢足够的抗氧化性能，因此铁素体不锈钢成为SOFC连接体的首选材料，成为 研究的焦点。作为适应SOFC要求的钢，公开号为CN1468970A的中国专利申请公开了一种固体 氧化物燃料电池用金属连接材料，特别适用于连接陶瓷部件的、特别是适用于连接封接固 体氧化物燃料电池单体单元的合金材料。该合金材料包含15 30%的Cr，0. 1 1. 5%的 Ni，0. 1 的 Α1，0· 1 1. 5% 的 Si，0. 1 的 Zr，C 小于 0. 05%, P 小于 0. 03%, S 小于0. 01%,Fe余量。该合金含有一定量的Al和Si，由于Al和Si都是易氧化元素，所形 成的氧化物的电子导电率极低，Al2O3和SiO2的电子电导率分别为10_7和10_6S/cm，比Cr2O3 的liTS/cm低得多。当燃料电池长时间高温运行时，容易形成连续的Si的氧化物或Al的 氧化物。美国专利US6737186B2公开了一种由铁素体合金制备的一种用于单个平板式高 温固体氧化物燃料电池的具有导电和机械支持功能的电流收集器。所用的铁素体合金包含 22%以下的Cr，1 10% Mo。该合金含有较多的Mo，Mo在20Cr以上的铁素体钢加工过程 中很容易形成CrMo的金属间相，增加材料的脆性，加工难度大。
技术实现思路
针对现有钢种的技术问题，本专利技术的目的是提供一种铁素体不锈钢，其抗氧化并 具有良好高温导电性能，适合用于固体氧化物燃料电池连接件，特别适用于平板式固体燃 料电池连接件，但也不限制该钢种在汽车排气系统等其他耐热环境中的应用。为实现上述目的，本专利技术的适用于SOFC连接材料的合金材料的组织是铁素体组 织，合金成分按重量百分比计为Cr 16 30%，(Ti+Nb) :4_) 1 %，Mn :0. 1 1. 5%， Re :0. 01 1%，Al :0. 01 0. 5%，Si :0 0. 5%，C 彡 0. 03%，N 彡 0. 03%，P 彡 0. 02%， S彡0. 01%，余量是Fe。为了进一步提高材料的导电率，在本专利技术中优选的是Cr 19 26%，(Ti+Nb) 5 (C+N) 0. 6%，Mn :0. 3 1. 0%，Re :0. 03 0. 3%，A1 0. 01 0. 3%，Si :0. 01 0. 3%， C 彡 0. 01%，N 彡 0. 01%，P 彡 0. 01%，S 彡 0. 005%。本专利技术不锈钢的组织是铁素体组织，该不锈钢在500 1000°C的热膨胀系数为 10 15X 10_6K，优选在10 13Χ 10_6Κ，特别适用于SOFC的连接材料。在本专利技术的铁素体不锈钢中，Cr是铁素体形成元素，一定含量的Cr元素可以使不 锈钢表面形成连续的Cr2O3氧化膜，该氧化膜可以赋予不锈钢良好的高温抗氧化性，同时赋 予良好的高温导电性，因为Cr2O3的电子电导率比Si氧化物和Al氧化物高几个数量级。Cr 含量太低，在不锈钢表面不足以形成连续的Cr2O3膜，将形成抗氧化性能较差的多层结构的 Fe、Cr复合氧化物。Cr含量太高，不锈钢的生产加工难度加大。因此Cr含量控制在16 30%，优选在19 26%。Ti是C、N稳定化元素，在高温加工过程中，优先与C、N结合，减少Cr的C、N化物 形成的几率，同时可改善高温强度。Ti在高温氧化物中的外扩散速率比Cr等元素快，易于4形成Ti的外氧化物，不利于不锈钢的抗氧化性能，因此Ti的含量不宜过高，同时Ti含量过 高在炼钢浇铸过程中容易截流，生产难度加大。因此Ti的上限含量控制在0. 5%以下，优选 在0. 3%本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁素体不锈钢，其按照重量百分比计的化学成分为Ｃｒ：１６～３０％，（Ｔｉ＋Ｎｂ）：４（Ｃ＋Ｎ）～１％，Ｍｎ：０．１～１．５％，Ｒｅ：０．０１～１％，Ａｌ：０．０１～０．５％，Ｓｉ：０～０．５％，Ｃ≤０．０３％，Ｎ≤０．０３％，Ｐ≤０．０２％，Ｓ≤０．０１％，余量是Ｆｅ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：彭建国，江来珠，王如萌，骆素珍，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：31