粉末冶金部件制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及到一種具有至少80重量％鉻含量的粉末冶金部件，其中孔隙和/或氧化物夾雜物存在于該部件中，其中在至少一個(gè)區(qū)域中貫穿該部件的切割表面處孔隙及氧化物夾雜物總和的每單位面積數(shù)目為至少10000/mm2。

Powder metallurgy parts

The invention relates to a powder metallurgy member has at least 80 wt.% of chromium content, the porosity and / or oxide inclusions exist in the number of parts, cutting surface porosity and oxide inclusions which runs through the sum of components in at least one region per unit area of at least 10000/mm2.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國(guó)外來(lái)華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)涉及一種具有至少80重量％鉻含量的粉末冶金部件(其中孔隙和/或氧化物夾雜物存在于該部件中)及其生產(chǎn)方法。本專利技術(shù)進(jìn)一步涉及一種可獲自該粉末冶金部件的用于電化學(xué)電池的互連器(Interkonnektor)，及具有鉻含量為至少80重量％的區(qū)域的、用于電化學(xué)電池的互連器，其中孔隙及/或氧化物夾雜物存在于該區(qū)域中。最后，本專利技術(shù)涉及將互連器用于生產(chǎn)電化學(xué)電池的用途。
技術(shù)介紹
為了連接固體氧化物燃料電池(solidoxidefuelcell；SOFC)或類似電化學(xué)電池以形成堆(Stack)，就介于700℃與950℃之間的工作溫度下的使用而言，特別適合的是具有高Cr含量的部件，即所謂的互連器。如EP0578855中所描述，這些部件例如能夠由成分為Cr5FeY的Cr基合金生產(chǎn)。這些部件實(shí)質(zhì)上用于單個(gè)電化學(xué)電池的電接觸、反應(yīng)氣體的傳導(dǎo)及相鄰電池的反應(yīng)氣體的分離。為確保相鄰電池的氣體空間的分離，這些部件必須具有高氣密性或低透氣性。在現(xiàn)有技術(shù)中，通過(guò)粉末冶金網(wǎng)狀或近網(wǎng)狀的生產(chǎn)工藝以便宜方式進(jìn)行互連器的制造，該生產(chǎn)工藝包含以下步驟：制備粉末批料、壓制粉末、預(yù)燒結(jié)、可選的校準(zhǔn)燒結(jié)以及在還原氣體中燒結(jié)。當(dāng)使用當(dāng)前市面有售的Cr粉末時(shí)，此類互連器在燒結(jié)工藝之后仍不具有足夠的氣密性。存在介于4體積％至12體積％之間的殘余孔隙率且孔隙結(jié)構(gòu)極其粗糙，其在部分為開口的。這種開口的殘余孔隙率在目的性的氧化工藝中減至最小以達(dá)到對(duì)于應(yīng)用而言充分的氣密性。這是可能的，因?yàn)樗肅r2O3或Cr與Al的混合氧化物(參見(jiàn)US2010/0233576A)具有比金屬基體更大的體積，使得孔隙在氧化工藝過(guò)程中封閉。就此，無(wú)需將直到部件核心的所有孔隙經(jīng)氧化物填充，但至少封閉約0.2mm厚的邊緣層。在后續(xù)過(guò)程中，至少在電接觸面區(qū)域中，例如通過(guò)噴砂處理工藝而再次將部件表面上所產(chǎn)生的氧化層移除，以便確保在燃料電池堆工作開始時(shí)電化學(xué)電池與互連器之間的最佳金屬接觸。盡管可通過(guò)額外氧化步驟與后續(xù)噴砂處理獲得足夠的氣密性，但此方法可能造成一些困難。就此涉及以下幾點(diǎn)：-具有高殘余孔隙率或甚至僅具有高殘余孔隙率區(qū)域的部件，需要或者在高溫下氧化或者在極長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持于溫度以上，以便形成具有氧化鉻作為主要成分的充足量的氧化物夾雜物，尤其當(dāng)較大開口孔隙存在于該部件中時(shí)。較高氧化溫度及較長(zhǎng)保持時(shí)間關(guān)聯(lián)到制造中的相應(yīng)成本。-較高程度的氧化物夾雜物會(huì)引起所期望的部件物理特性(例如熱膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)率、斷裂行為)的變化，因?yàn)檫@些特性不僅由金屬基體而且由孔隙填充物逐漸確定。該變化可影響到部件整體或僅影響選定的部件區(qū)域，導(dǎo)致部件變得異質(zhì)。-如果氧化物夾雜物程度過(guò)高，尤其若孔隙率局部上大小不同(這由于板的兩面上的結(jié)構(gòu)不同而在實(shí)際部件中為常見(jiàn)情況)，則這導(dǎo)致部件由于過(guò)度變形而成為廢品且必須廢棄。-在氧化過(guò)程中，除了形成氧化物夾雜物也可形成Cr氮化物，這些Cr氮化物同樣可改變部件的所期望的物理特性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
因此，本專利技術(shù)的目的為提供一種補(bǔ)救辦法且提供一種會(huì)減少所述缺點(diǎn)的粉末冶金部件。特別是，該粉末冶金部件具有低透氣性，能夠低成本地生產(chǎn)且同時(shí)盡可能不含有不期望的雜質(zhì)，如鉻氮化物。該目的由具有至少80重量％鉻含量的粉末冶金部件達(dá)成，其中至少一個(gè)來(lái)自孔隙及氧化物夾雜物的群組的結(jié)構(gòu)組成部分存在于該部件中，該部件的特征在于，在至少一個(gè)區(qū)域中沿著貫穿該部件的切割表面的孔隙及氧化物夾雜物總和的每單位面積數(shù)目為至少10000/mm2。因此，孔隙及/或氧化物夾雜物存在于該部件之中。另外，也存在部分經(jīng)氧化物夾雜物填充的孔隙。下文中所述的孔隙也包含經(jīng)部分填充的孔隙。因此，將經(jīng)部分填充的孔隙算作孔隙。通過(guò)將鉻氧化、將可能存在的其他金屬氧化以及添加金屬氧化物，可在部件中形成氧化物夾雜物。在氧化操作中，例如氮化物的其他化合物也可形成，其同樣可形成氧化物夾雜物的一部分。因此，在本專利技術(shù)的范疇內(nèi)，對(duì)氧化物夾雜物這一表述應(yīng)理解為一種夾雜物，其主要成分(>50mol.％)為金屬氧化物且也可額外包含氮化物。氧化物夾雜物的主要成分優(yōu)選為氧化鉻，氧化鉻含量?jī)?yōu)選為至少90mol.％。與現(xiàn)有技術(shù)相比，此類部件具有顯著較高的孔隙及氧化物夾雜物總數(shù)目，同時(shí)具有大致相同的孔隙率，使得孔隙體積分散為更多且因此更精細(xì)的孔隙。本專利技術(shù)尤其基于孔隙尺寸對(duì)部件具有顯著影響的這一認(rèn)識(shí)。較大孔隙的數(shù)目尤其應(yīng)盡可能小，因?yàn)榇祟愄畛溆蠧r2O3的孔隙對(duì)部件具有負(fù)面影響，例如在變形或熱膨脹系數(shù)方面。在一個(gè)實(shí)施變體中設(shè)置為，沿著切割表面的孔隙及氧化物夾雜物總和數(shù)目為至少20000/mm2，優(yōu)選至少40000/mm2，尤其優(yōu)選至少60000/mm2。在一種優(yōu)選的實(shí)施變體中，沿著切割表面的孔隙及氧化物夾雜物總和數(shù)目為至少90000/mm2。在氧化操作之前每單位面積孔隙總數(shù)越大，孔隙可越有效且越經(jīng)濟(jì)地通過(guò)氧化封閉。根據(jù)本專利技術(shù)，孔隙理解為所有開口孔隙、閉合孔隙以及至少部分經(jīng)氧化物填充的孔隙的總和。由于根據(jù)本專利技術(shù)的部件經(jīng)歷氧化操作，因此先前開口的孔隙通過(guò)氧化而至少部分經(jīng)氧化物填充。因此留下閉合孔隙及先前開口、現(xiàn)完全或部分經(jīng)氧化物填充的孔隙。在一種優(yōu)選的實(shí)施變體中設(shè)置為，在該區(qū)域中的鉻含量為至少90重量％。高鉻含量增加熱導(dǎo)率且因此有助于系統(tǒng)中的均勻溫度分布。另外，高鉻含量降低熱膨脹系數(shù)，使得其更好地適于當(dāng)前可獲得的電解質(zhì)材料，例如完全穩(wěn)定化的氧化鋯。在一種優(yōu)選的實(shí)施變體中能夠設(shè)置為，在部件的區(qū)域中，在整個(gè)部件厚度上的密度小于理論密度的95％。在另一種實(shí)施變體中能夠設(shè)置為，在部件的區(qū)域中，整個(gè)部件厚度上的密度在理論密度的70％與95％之間。此數(shù)值范圍確保部件的良好機(jī)械穩(wěn)定性。在一種有利的實(shí)施變體中，在至少一個(gè)區(qū)域中切割表面處的至少90％孔隙及氧化物夾雜物可具有不超過(guò)12μm的當(dāng)量直徑。這對(duì)部件的機(jī)械特性具有積極作用，且實(shí)現(xiàn)開口孔隙在氧化工藝過(guò)程中的快速封閉。就具有非圓形截面的孔隙或氧化物夾雜物而言，當(dāng)量直徑意謂，使用截面積A，且通過(guò)用公式A＝πd2/4等化所得截面積A來(lái)獲得當(dāng)量直徑d。當(dāng)量直徑d隨后從關(guān)系式d＝(4A/π)0.5中得出。本專利技術(shù)另外基于氧化操作可在變形及熱膨脹方面對(duì)部件的均勻性具有負(fù)面影響的認(rèn)識(shí)。通過(guò)使用其中BET表面積≥0.05m2/g的、金屬粉末生產(chǎn)部件，用于封閉孔隙的氧化操作可持續(xù)更短，從而使本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種粉末冶金部件，所述粉末冶金部件具有至少80重量％鉻含量，其中孔隙和/或氧化物夾雜物存在于該部件中，其特征在于，在至少一個(gè)區(qū)域中貫穿該部件的切割表面處的孔隙與氧化物夾雜物的總和的每單位面積的數(shù)目為至少10000/mm2。

【技術(shù)特征摘要】
【國(guó)外來(lái)華專利技術(shù)】2013.09.02 AT GM280/20131.一種粉末冶金部件，所述粉末冶金部件具有至少80重量％鉻
含量，其中孔隙和/或氧化物夾雜物存在于該部件中，其特征在于，
在至少一個(gè)區(qū)域中貫穿該部件的切割表面處的孔隙與氧化物夾雜物
的總和的每單位面積的數(shù)目為至少10000/mm2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉末冶金部件，其特征在于，在所述
切割表面處孔隙與氧化物夾雜物總和的每單位面積的數(shù)目為至少
90000/mm2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的粉末冶金部件，其特征在于，所
述鉻含量為至少90重量％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的粉末冶金部件，其特征
在于，在該部件的區(qū)域中，在整個(gè)部件厚度上的密度在理論密度的
70％與95％之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的粉末冶金部件，其特征
在于，所述孔隙及所述氧化物夾雜物其中的至少90％所具有的最大當(dāng)
量直徑不超過(guò)12μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的粉末冶金部件，其特征
在于，所述孔隙及所述氧化物夾雜物其中的至少90％所具有的面積不
超過(guò)100μm2。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的粉末冶金部件，其特征
在于，在所述區(qū)域中總氧含量<20000μg/1g部件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的粉末冶金部件，其特征

\t在于，在所述區(qū)域中總氮含量<2000μg/1g部件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的粉末冶金部件，其特征
在于，在所述區(qū)域中Al2O3含量<500μg/1g部件。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的粉末冶金部件，其特征
在于，所述氧含量在該部件厚度上從該部件的中間向邊緣增加。
11.一種用于生產(chǎn)根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的粉末冶
金部件的方法，所述方法包含步驟：
(i)提供包含鉻及必要情況下的其他金屬的粉末批料，其中鉻
含量相對(duì)于總金屬含量而言為至少80重量％，且所述粉末批料包含
BET表面積≥0.05m2/g的粉末，
(ii)壓制所述粉末批料以形成壓制品，
(iv)在1100℃至1500℃條件下燒結(jié)所述壓制品，
(v)在氧源存在條件下氧化燒結(jié)的部件，
(vi)從表面移除氧化層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在(ii)壓制
所述粉末批料以形成壓制品與(iv)在1100℃至1500℃條件下燒結(jié)
所述壓制品之間...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：邁克爾·奧沙利文，洛倫茨·西格爾，馬爾科·布蘭德納，安德列亞斯·韋斯庫(kù)托尼斯，沃爾夫?qū)た藙谒估?/a>，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：攀時(shí)奧地利公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：奧地利;AT