CN105562698B - 一种粉末冶金铬合金燃料电池连接件的封孔方法 - Google Patents

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Abstract

一种粉末冶金铬合金燃料电池连接件的封孔方法，其特征在于：将待封孔的粉末冶金铬合金连接件烧结态放入热处理炉中，在800～1050℃下渗碳气氛下进行氧化‑碳化热处理，碳势Cp0.3～1.5％，保温时间1～8h，然后在空气中冷却，最后经喷砂处理，去除连接件表面的铬碳/氧化合物，其中粉末冶金铬合金连接件的化学成分铬含量为75～100％，孔隙率为5％～20％，不含油，未经过机加工或喷砂等处理。本发明工艺简单，操作方便，较好地解决了粉末冶金铬合金连接板气密性的难题，通过热处理和喷砂，仅在粉末冶金铬合金连接件孔隙表面形成连续致密的化合物层，而又不改变基体的性能，有效地提高了连接件的气密性，是一种很有应用前景的铬合金封孔方法。

Description

一种粉末冶金铬合金燃料电池连接件的封孔方法
技术领域
本发明属于能源生产技术领域，尤其涉及一种固体氧化物燃料电池堆的粉末冶金铬合金燃料电池连接件的封孔方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池工作原理是在阳极一侧持续通入燃料气，例如：氢气(H2)、甲烷(CH4)、城市煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O2得到电子变为O2-，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应生成水，失去的电子通过外电路回到阴极，从而产生电流。在采用固体氧化物燃料电池进行发电时，将单个电池联接成大功率电堆就需要一种既能耐高温氧化，导电导热性良好，热膨胀特征与电极陶瓷匹配，又能长期稳定工作的新材料作为连接件。电池连接件作为电池堆主要元部件起到隔离不同固体氧化物燃料电池间氧化气体和燃料气体的作用，另外作为单片固体氧化物燃料电池的电连接体，将电化学反应产生的电流导引出来。经过大量的材料选择和实验，发现铬基合金材料能满足燃料电池的连接件的要求。电池连接体通常具有复杂的面型，而铬的熔点高(近1900℃)，活性强，易脆裂，传统方法(熔铸+机加工)制备困难、成本昂贵。近年来由于提炼和粉末冶金加工技术的发展，铬基连接板可以采用粉末冶金方法通过一次成型-烧结得到复杂面型的连接件。孔隙是粉末冶金产品的固有特点，由于孔隙的存在，无法保证连接件的气密性，无法隔离氧化气体和燃料气体，所以需要对粉末冶金连接件进行封孔处理，获得良好的气密性的同时保证连接体的导电性能。连接件的工作温度在800～1000℃，导致通常的粉末冶金产品浸渗树脂或无机硅酸钠类等封孔剂封孔的方法无法应用于电池连接件。
目前，国内外还没有关于粉末冶金铬基产品的封孔处理的相关报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单、操作方便且生产成本低的粉末冶金铬合金燃料电池连接件的封孔方法
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种粉末冶金铬合金燃料电池连接件的封孔方法，其特征在于：将待封孔的粉末冶金铬合金连接件烧结态放入热处理炉中，在800～1050℃下渗碳气氛下进行氧化-碳化热处理，碳势Cp：0.3～1.5％，保温时间1～8h，然后在空气中冷却，最后经喷砂处理，去除连接件表面的铬碳/氧化合物。
作为改进，所述粉末冶金铬合金连接件的化学成分铬含量为75～100％，孔隙率为5％～20％，不含油，未经过机加工或喷砂处理。
作为改进，所述热处理炉可采用间歇式炉或连续带式炉，通过调节碳势来调节气氛中CO与O2的含量。
作为改进，所述氧化-碳化热处理可以采用分段处理，先在800～900℃下保温2～6小时，再升温至900～1050℃保温1～2小时。
再改进，所述喷砂处理所采用的磨料为陶瓷砂(氧化铝或碳化硅)，陶瓷砂的粒度为0.4～1.0mm，磨料的喷射方式为压缩空气式。铬合金连接件经热处理封孔后，产品表面也会形成一层铬的碳/氧化合物，该层化合物面比电阻较大，需经过喷砂处理清除。
与现有技术相比，本发明的优点在于：工艺简单，操作方便，较好地解决了粉末冶金铬合金连接板气密性的难题，通过热处理和喷砂，仅在粉末冶金铬合金连接件孔隙表面形成连续致密的化合物层，而又不改变基体的性能，有效地提高了连接件的气密性，是一种很有应用前景的铬合金封孔方法。
附图说明
图1为实施例1封孔前的孔隙形貌；
图2为实施例1封孔后的孔隙形貌；
图3为实施例2封孔后的孔隙形貌；
图4为实施例3封孔后的孔隙形貌；
图5为实施例4封孔后的孔隙形貌；
图6为实施例5封孔后的孔隙形貌；
图7为实施例6封孔后的孔隙形貌。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
铬含量为85％，孔隙率为10％，厚度为3mm的粉末冶金铬合金连接件，放入热处理炉中800℃保温3小时，再升温至900℃保温1小时，碳势Cp：1.0％，然后在空气中冷却，最后再进行喷砂处理。封孔前的孔隙形貌如图1所示，封孔后的孔隙形貌如图2所示。化合物层浸入零件内部孔隙的深度为1.5mm，化合物层的厚度为0.8～1.0μm，化合物致密连续。
实施例2：
铬含量为95％，孔隙率为12％，厚度为3mm的粉末冶金铬合金连接件，放入热处理炉中880℃保温3小时，碳势Cp：1.0％，然后在空气中冷却，最后再进行喷砂处理。封孔后的孔隙形貌如图3所示。化合物层浸入零件内部孔隙的深度为1.5mm，化合物层的厚度为1.5～2.0μm，化合物致密连续。
实施例3：
铬含量为75％，孔隙率为15％，厚度为3mm的粉末冶金铬合金连接件，放入热处理炉中850℃碳势Cp：0.8保温3小时，再升温至980℃碳势Cp：1.0％，保温1小时，然后在空气中冷却，最后再进行喷砂处理。封孔后的孔隙内化合物形貌如图4所示。化合物层浸入零件内部孔隙的深度为0.5mm，化合物层的厚度为2～3μm，化合物较为疏松。
实施例4：
铬含量为85％，孔隙率为6.5％，厚度为3mm的粉末冶金铬合金连接件，放入热处理炉中880℃碳势Cp：1.4％，保温2小时，再升温至1000℃碳势Cp：1.4％，保温0.5小时，然后在空气中冷却，最后再进行喷砂处理。封孔后的孔隙内化合物形貌如图5所示。化合物层浸入零件内部孔隙的深度为0.8mm，化合物层的厚度为0.6～1.0μm，化合物致密连续。
实施例5：
铬含量为93％，孔隙率为8％，厚度为3mm的粉末冶金铬合金连接件，放入热处理炉中，温度835℃，碳势Cp：0.6％，保温6小时，然后在空气中冷却，最后再进行喷砂处理。封孔后的孔隙内化合物形貌如图6所示。化合物层浸入零件内部孔隙的深度为1.5mm，化合物层的厚度为0.6～0.8μm，化合物致密连续。
实施例6：
铬含量为87％，孔隙率为10％，厚度为3mm的粉末冶金铬合金连接件，放入热处理炉中，温度950℃，碳势Cp：1.2％，保温2小时，然后在空气中冷却，最后再进行喷砂处理。封孔后的孔隙内化合物形貌如图7所示。化合物层浸入零件内部孔隙的深度为1.0mm，化合物层的厚度为1.5～2.0μm，化合物致密连续。
本发明的封孔工艺的工作原理是这样的：铬具有亲氧性，在温度高于600℃时和水、氧、一氧化碳反应生成Cr2O3，结构比较疏松，Cr2O3的密排六方结构上的O原子逐步被C原子替代，氧不断被替代而向外扩散，碳进入氧的位置因而不断向里扩散，随着反应不断进行，Cr2O3相越来越少，Cr2O3逐步向Cr3C2转变，并且晶体结构由密排六方转变为正交晶系，结构较为致密。在转变过程中，Cr2O3可能优先转变为亚稳相Cr3C2-X(0≤x≤0.5)，再进一步转变为Cr3C2，相变顺序为Cr2O3→Cr3C2-X→Cr3C2，最终在连接件孔隙表面形成一层连续致密的铬碳化物层，化合物层厚度0.5～3μm，使液体或气体不能透过产品。铬的碳化物较为稳定，即使是亚稳相的碳化物，其熔点也高于1500℃，同时在高温下也不会发生分解，这样就可以保证连接板在800～1000℃使用时，气密性也能得到保证。化合物层浸入零件内部孔隙的深度，碳化物层的厚度及形貌都取决于热处理温度、时间、碳势、连接件的铬含量及密度、制造零件使用的基粉类型(还原的或破碎的)。

Claims (4)

1.一种粉末冶金铬合金燃料电池连接件的封孔方法，其特征在于：将待封孔的粉末冶金铬合金连接件烧结态放入热处理炉中，在800～1050℃下渗碳气氛下进行氧化-碳化热处理，碳势Cp：0.3～1.5％，保温时间1～8h，然后在空气中冷却，最后经喷砂处理，去除连接件表面的铬碳/氧化合物；
所述氧化-碳化热处理采用分段处理，先在800～900℃下保温2～6小时，再升温至900～1050℃保温1～2小时；
通过调节碳势来调节气氛中CO与O2的含量。
2.根据权利要求1所述的封孔方法，其特征在于：所述粉末冶金铬合金连接件的化学成分铬含量为75～100％，孔隙率为5％～20％，不含油，未经过机加工或喷砂处理。
3.根据权利要求1所述的封孔方法，其特征在于：所述热处理炉可采用间歇式炉或连续带式炉。
4.根据权利要求1所述的封孔方法，其特征在于：所述喷砂处理所采用的磨料为陶瓷砂，陶瓷砂的粒度为0.4～1.0mm，磨料的喷射方式为压缩空气式。
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