CN102458723B - 制造粉末金属板的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造粉末金属板的方法，该方法包括：将预定量的金属粉末送到运动的带(101)上；通过用沿着带运动方向延伸的振动边界壁(201，202)包围金属粉末来限制住金属粉末；在室温下滚压金属粉末以形成压实带坯(GS)；在炉子(400)中在输送装置上连续烧结压实带坯(GS)；在处于炉子中的同时将压实带坯形成为净形部件(NS)；并且在超过1000摄氏度的温度下在非氧化环境(404)中冷却所述净形部件。

Description

制造粉末金属板的方法
技术领域
本发明涉及制造粉末金属板的方法，该方法包括：将预定量的金属粉末送到运动的带上；通过用沿着带运动方向延伸的振动边界壁包围金属粉末来限制住金属粉末；在室温下滚压金属粉末以形成压实带坯；在炉子中在输送装置上连续烧结压实带坯；在处于炉子中的同时将压实带坯形成为净形部件；并且在超过1000摄氏度的温度下在非氧化环境中冷却净形部件。
背景技术
制造包括燃料电池板在内的某些粉末金属板的现有技术采用了包含95％Cr和5％Fe的粉末。在挤压机中将粉末压实至所期望的形状。在处于1120摄氏度下的炉子中烧结该的新的压实件。然后，在挤压机中锻压/精压(重新撞击)经烧结的部件以提高密度，然后最终在1400摄氏度下再次烧结。
现有技术的代表是美国专利6436580(2002)，该文献披露了一种制造多孔金属板的方法，该方法包括：将金属粉末分散在连续供给的供给带或支撑板上；让其上已经分散有金属粉末的供给带或支撑板通过烧结炉；并且对金属粉末进行烧结，从而相邻的未受挤压的金属粉末相互部分接触并且在它们之间存在间隙。因此，金属粉末的接触部分相互结合，并且那些间隙形成微孔隙。
需要这样一种制造金属粉末板的方法，该方法包括：将预定量的金属粉末送到运动的带上；通过用沿着带运动方向延伸的振动边界壁包围金属粉末来限制住金属粉末；在室温下滚压金属粉末以形成压实带坯；在炉子中在输送装置上连续烧结压实带坯；在处于炉子中的同时将压实带坯形成为净形部件；并且在超过1000摄氏度的温度下在非氧化环境中冷却净形部件。本发明满足这种需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制造金属粉末板的方法，该方法包括：将预定量的金属粉末送到运动的带上；通过用沿着带运动方向延伸的振动边界壁包围金属粉末来限制住金属粉末；在室温下滚压金属粉末以形成压实带坯；在炉子中在输送装置上连续烧结压实带坯；在处于炉子中的同时将压实带坯形成为净形部件；并且在超过1000摄氏度的温度下在非氧化环境中冷却净形部件。
本发明的其它方面由本发明的下面说明和附图指出或给出。
本发明包括一种制造粉末金属板的方法，该方法包括：将预定量的金属粉末送到运动的带上；通过用与带运动方向平行延伸的振动边界壁包围金属粉末来限制住金属粉末；在室温下滚压金属粉末以形成压实带坯；在炉子中在输送装置上连续烧结该压实带坯；在处于炉子中的同时将该新的压实带形成为最终形状；并且在超过1000摄氏度的温度下在非氧化环境中冷却干净形状部分。
附图说明
结合在说明书中并且构成其一部分的附图例举说明了本发明的优选实施方案，并且与说明书一起用来说明本发明的原理。
图1为现有技术燃料电池技术的表格。
图2为本发明方法的示意性侧视图。
图3为本发明方法的示意性俯视图。
图4A为冷轧辊的侧视图。
图4B为热轧辊的侧视图。
图5为曲线图，显示出该部件的冷却趋势。
图6为轧辊表面的侧视图。
图7为该***的透视图。
具体实施方式
燃料电池为未来最有希望的发电***中的一种。通常，固体氧化物燃料电池(SOFC)由燃料电极(阳极)和氧气电极(阴极)构成，它们通过离子导电电解质相互连接。这些电极通过位于电池外面的导体(导线)与电负载电连接。固体氧化物燃料电池可以在大约800℃至1000℃的温度范围内在具有5％或50％的水分的氢气中在0.25Acm-2至1Acm-2的电流密度下工作。燃料电池通常采用氢气作为燃料。因此，粉末金属燃料电池板必须牢记这个设计条件来构造。
图1为描述了现有技术燃料电池技术的表格。从图1可以看出，每种电池具有特定的材料要求。如图1所示，其中一种燃料电池类型为固体氧化物燃料电池(SOFC)。对于SOFC型燃料电池的相互连接材料存在六种普通的合金。铬基类型可以由95％铬、5％铁(有或没有钇)构成。
本发明改进了铬基SOFC燃料电池板(也被称作互连板)或由于其可成形性或延展性差而一般不能制作成金属板并且冲压的任意其它材料的制造方法。由于燃料电池板所期望的性能，一些燃料电池制造商优选采用铬基类型。
本发明的方法包括粉末供给、带浇铸和粉末滚压。所有这些方法加上在供给装置处使用振动壁的组合为一种有效并且快速制作出密度均匀并且厚度均匀的燃料电池板的创造性方法。
与其它可能的材料例如能够以板形式制造出并且随后在挤压机中铸造(压制)的不同等级不锈钢不同，95％Cr-5％Fe不能制造成金属板形式，并且由于其可成形性非常差所有不能压制。因此，制造这些板的现有技术是将95％Cr与5％Fe粉末混和；在粉末金属压机中单独压实该粉末至所期望的形状；在1120摄氏度的炉子中烧结这些部件；在压机中锻压/压制(重新冲压)该部件以提高密度并且在1400摄氏度下再次烧结。每个分开的步骤涉及重复搬运和移动每个部件。
本发明的方法用所披露的更简单、更有效并且更廉价的方法来替代现有技术的制造方法。另外，它需要的设备投入更少，并且能够在一个连续的制造单元中进行。另外，在高温下形成这些板基本上去除了在成品部件中的所有孔隙。
图2为本发明方法的示意性侧视图。该方法采用了包含95％Cr和5％Fe的混合物的粉末。通过采用粉末供给、带浇铸和粉末滚压将粉末形成为与金属板类似的压实带坯料来压实该粉末。该方法生产出具有均匀密度和均匀厚度以及所期望的宽度的压实带坯。
方法
首先，通常在区域(1)中，利用粉末供给部100将金属粉末均匀地供给到具有扫描运动头101的模腔中。粉末通常存放在料仓102中，该料仓借助重力给头101供料。头101由振动供给装置104输送。
在本发明的方法中，金属粉末供给在运动的塑性(或其它合适材料)带200上完成，在那里金属粉末受到侧壁(201，202)限制。侧壁201、202与供给方向平行。粉末供给装置101连续排出金属粉末，由此使得带总是保持填充有均匀量的金属粉末。通过与带200的底面接合的输送装置204来帮助带200驱动***并且使之同步。带浇铸通常用来将陶瓷粉末供给到固化炉中。在带的每个端部处，参见图2，开始(输入供给)侧由壁203限制，并且在另一端由两个辊子301、302限制。
侧壁给金属粉末供给***提供在带上扫掠供给金属粉末所需的高度。壁(201，202)还防止了松散粉末从侧面掉落。壁204还控制粉末流入到带上。
为了让壁(201，202，204)不会对金属粉末产生太多的摩擦或粘附，它们始终在振动。壁(201，202)终止在辊子300处，但是通过辊子302将带拉入到这些辊子中并且穿过它们。
图3为本发明方法的示意性俯视图。接着，进行粉末滚压。虽然辊子301、302正在滚压扁平的带坯，但是一个具有顶部平坦的凸起302，并且相对一个具有底部平坦的凹部303，参见图4A。平坦宽度(D)为塑料带200的宽度，该宽度为压实带坯(GS)从辊子301、302出来时的宽度。塑料带200在滚压之后从带坯中滚出。
接着，通常在区域(2)中，将连续压实带坯(GS)供给到由运动的高温输送装置402支撑的炉子400中。压实带坯GS行进穿过炉门401，该炉门在粉末金属烧结炉中用来保持无氧炉环境。带坯GS的行进长度足够长以使之到达1400摄氏度(或任意其它所期望的)温度，并且将它输送给位于炉子400内的净成形辊501、502。在烧结温度下的炉子中的停留时间大约为30分钟。
计算出在第一滚压操作300中的带坯GS的厚度并且进行调节以将精确重量(质量)的材料(必要时，为了安全增加大约1％)以恒定的宽度输送给在辊子500处的最终滚压操作。从冷压实带坯到热净形部件的方法中产生出密度变化。因此，从供给装置101提供的质量流量的控制非常重要。对在带坯GS中的金属体积的控制不太严格，因为体积和厚度将在500处通过热滚压而减小，这减少或完全消除了孔隙。
参见图4B，净成形辊500采用了相同的凸部503和凹部504的原理以确保侧面压实精确并且消除侧面溢出(这代表废料)。每个表面503和504包括适用于在最终净形部件NS中压出正确形式和特征的表面结构。在侧面限制方面，对于侧面保持恒定的大多数金属而言与轧机操作类似。
在炉子中的滚压操作需要在成形区域中用嵌入件进行内部水冷的辊子(501，502)。由于滚压在炉子中在高温下完成，所以压实形成在净最终部件中留下很少或没有任何孔隙的最终形状。为了成功进行最净最终成形热滚压，压实带坯GS必须具有均匀的密度和均匀的厚度。
在完成滚压操作500之后，在炉子的非氧化环境404冷却净形部件(NS)，并且随后它们离开炉子600。还有，通常在区域(3)中需要保护性还原环境来防止材料氧化。
在离开炉子之后，通过任意已知的方法将在部件之间的少量毛边(如果有)去除。由于在辊子300和500中的侧面限制所有在侧面上应该没有任何毛边。滚压布置可以是两个辊子或由更大的支撑辊来支撑的两个辊子。这与轧机类似，在轧机中通过采用更小的轧辊在更小的表面积上实现更集中的力，同时更大的轧辊防止了小直径轧辊弯曲变形。
由于与成形压力的压机中冲压相比滚压成形将粉末压成更局部并且更窄的带，所以在整个部件一旦受到成形压力的情况下，可以与压机压实相比在粉末中产生出更高的局部压缩应力。因此，本发明的方法尤其在高温下实现了高压实，从而完全消除了孔隙。
采用现有技术，用于制造这些燃料电池板的粉末金属压机由于高吨位要求，所以价格非常高。但是，采用本发明的方法通过粉末滚压来进行局部压实需要的设备更简单、吨位更小并且成本更低。
图6为辊子的侧视图。每个辊子(302，502)包括分别包括外表面303，503。每个表面303、503为所要滚压的部件的“底面”或反面。每个表面303，503分别与表面304，504合作，参见图4A和4B。在可选的实施方案中，辊子302不具有“底面”特征表面，而是该表面仅仅是如图4A中所示的平坦的。
图7为该***的透视图。净形部件NS在最终滚压之后以连续带形式或作为单独部件离开炉子。然后将这些部件分开并且加工以便存放或安装。辊式输送装置405支撑着带坯GS。辊式输送装置406支撑着净形部件NS。
本发明的方法可以按照许多不同的方式改进。与金属板的方法类似，该方法的显著部分为第一步骤，即生产出具有一致均匀的厚度和密度的压实粉末带坯。所披露的方法披露了用于第二阶段的普通炉子和热滚压。
其它可选方案包括感应加热，而不是采用普通的炉子。需要保护性非氧化环境。感应加热无需使用长炉子。
另一个可选方案是热锻，而不是热滚压。在炉子中加热或感应加热之后可以将压实的带坯输送到锻压机中。可以采用压机式切刀来切割出一定长度的热带，然后将它输送到锻压机中。这实现了将重量精确而均匀的金属输送到模腔中。在可选实施方案中，锻压机位于与辊子500相同的位置中。虽然由于需要施加局部压力，所以优选采用热滚压，但是在大约1400摄氏度的高温(或任意其它所期望的温度)下进行锻压也能够明显减少多孔性。
在另一个可选方案中，在冷却阶段期间，一旦到达大约1000摄氏度及以下的温度，就将净形成部件导入到氧化性环境中。这使得部件能够在燃料电池中的使用状态下稳定。例如，这可以通过让这些部件离开进入具有低于1000摄氏度的受控温度并且具有适当的空气流量的带式炉区域中来实现。图5为曲线图，显示出部件的冷却趋势，其中该部件离开还原环境，并且它被冷却然后进入用于氧化环境的保持区域。在氧化环境中的保持时间大约为10至12个小时。
输送给模腔的金属粉末的质量可以比成品部件的重量多大约1％以确保模腔完全填充。额外的重量将产生非常轻薄的毛刺层，这能够很容易去除。
本发明方法的优点包括成本低得多的方法；投资费用低得多的方法；更容易的加工步骤并且消除了复杂性；改进的质量，即在部件中的孔隙将为零或极低。另外，它能够只是采用一个连续并且紧凑的制造单元来制造成品部件。
虽然本发明的方法能够用来制造固体氧化物型燃料电池，但是该方法可以用于任意类似的用途，在这些用途中，板需要能够应付高温电解质而不会腐蚀，并且在更高温度下具有给定的膨胀程度。最后，该方法能够用于不能制成金属板并且成型性很小或没有的任意材料。
虽然在这里已经对本发明的形式进行了说明，但是对于本领域普通技术人员显而易见的是，在不脱离在这里所述的本发明精神和范围的情况下在部件的结构和关系方面可以作出许多变型。

Claims (19)

1.一种制造金属粉末板的方法，该方法包括：
将预定量的金属粉末送到运动的带（101）上；
通过沿着平行于带的运动方向延伸的振动边界壁（201，202）包围金属粉末来限制金属粉末；
在室温下滚压金属粉末以形成压实带坯（GS）；
在炉子（400）中连续地烧结压实带坯；
在处于炉子中的同时将压实带坯形成为净形部件（NS）；以及
在超过1000摄氏度的温度下，在非氧化环境（404）中冷却所述净形部件。
2.如权利要求1所述的方法，还包括使得所述净形部件暴露于温度为1000摄氏度或更低的氧化环境。
3.如权利要求1所述的方法，还包括在1400摄氏度的温度下连续烧结所述压实带坯。
4.如权利要求1所述的方法，还包括在1400摄氏度的温度下将所述压实带坯滚压成净形部件。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述炉子包括感应加热炉。
6.如权利要求1所述的方法，其中形成所述压实带坯包括热锻压所述压实带坯。
7.如权利要求1所述的方法，其中形成所述压实带坯包括热滚压所述压实带坯。
8.如权利要求6所述的方法，还包括在热锻压之前切割所述压实带坯的步骤。
9.如权利要求2所述的方法，其中在氧化环境中冷却所述净形部件持续10至12小时。
10.一种制造粉末金属板的方法，该方法包括：
将预定质量的金属粉末送到运动的带上；
通过沿着带的运动方向延伸的振动边界壁包围金属粉末来限制所述金属粉末；
在室温下滚压所述金属粉末以形成压实带坯；
在炉子中连续烧结所述压实带坯；
在处于炉子中的同时将所述压实带坯形成为净形部件；以及
在低于1000摄氏度的温度下在氧化环境中冷却所述净形部件。
11.如权利要求10所述的方法，还包括在1400摄氏度的温度下连续烧结所述压实带坯。
12.如权利要求10所述的方法，还包括在1400摄氏度的温度下将所述压实带坯滚压成净形部件。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述炉子包括感应加热炉。
14.如权利要求10所述的方法，其中形成所述压实带坯包括热锻压所述压实带坯。
15.如权利要求10所述的方法，其中形成所述压实带坯包括热滚压所述压实带坯。
16.如权利要求14所述的方法，还包括在热锻压之前切割所述压实带坯的步骤。
17.一种制造粉末金属板的方法，该方法包括：
将预定质量的金属粉末供给到运动的带上；
通过用沿着带的运动方向延伸的振动边界壁包围所述金属粉末来限制所述金属粉末；
在室温下滚压所述金属粉末以形成压实带坯；
在炉子中在输送装置上连续烧结所述压实带坯；
在所述烧结温度下在处于炉子中的同时将所述压实带坯滚压成净形部件；以及
在高于1000摄氏度的温度下在非氧化环境中冷却所述净形部件。
18.如权利要求17所述的方法，其中在1400摄氏度的温度下连续烧结所述压实带坯。
19.如权利要求17所述的方法，其中在1400摄氏度的温度下将所述压实带坯滚压成净形部件。
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