CN111566246B - 用于与氢气接触的部件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于与氢气接触的部件，其具有至少一个被设置用于与氢气气氛接触的表面，其中至少所述表面由钢形成，其特征在于，所述钢具有包含奥氏体和铁素体的组织结构，其中奥氏体的组织比例为大于或等于1重量％至小于或等于50重量％，且其中铁素体的组织比例为大于或等于50重量％至小于或等于99重量％。
Description
本发明涉及适合于且被设置用于与氢气接触的部件。本发明尤其涉及可以作为燃料电池系统的组成部分的部件。本发明进一步涉及制造这样的部件的方法。
现有技术
通常必需或希望的是部件被配置为具有高机械稳定性。除了这种高机械稳定性外，耐介质性通常也是有利的。在这方面，这里要提到的部件应具有高机械稳定性并且还应持久地承受住高的氢气压力。
例如，文献DE 10 2012 219 061 A1描述了具有氢气压力罐的燃料电池系统，可以从该氢气压力罐中取出氢气以供应燃料电池系统的至少一个阳极，其中氢气罐压力通过减压器降低到入口压力并通过压力调节阀调节到阳极压力，其中减压器具有弹簧腔，该弹簧腔带有经弹簧加载且通过弹簧腔中存在的压力而经压力加载的阀活塞(Ventilkoben)。
此外，文献DE 600 28 979 T2描述了在强度、硬度和针对热处理的耐受性方面具有良好性能但与氢气不相关的高碳钢。该文献还涉及制造这种钢的方法。
由Sourmail等人, Evaluation of potential of high Si high C steelnanostructured bainite for wear and fatigue applications, Materials Scienceand Technology, 2013, 第29卷: 1166-1173也已知类似的钢。
发明公开
本发明涉及用于与氢气接触的部件，其具有至少一个被设置用于与氢气气氛接触的表面，其中至少所述表面由钢形成，其中所述钢具有包含奥氏体和铁素体的组织结构，其中奥氏体的组织比例为大于或等于1重量％至小于或等于50重量％，且其中铁素体的组织比例为大于或等于50重量％至小于或等于99重量％。
上述部件有利地允许高机械稳定性并且在此即使在高氢气压力下也长期稳定。
因此，本发明描述了用于与氢气接触的部件和因此描述了被设置且被设计用于与氢气或氢气气氛接触的部件。原则上，该部件在其配置及其特定应用方面不受限制，但是该部件原则上可以被设置用于与等于或大于2巴，例如等于或大于25巴，例如等于或大于50巴，特别优选等于或大于100 巴或甚至等于或大于500巴的氢气超压接触。氢气压力的上限可以取决于该部件并且例如为5巴、30巴、120巴或甚至1000巴。
此外可能有利的是所述部件至少部分与元素氢直接接触。相应地，该部件具有至少一个被设置且被配置用于与氢气气氛接触的表面。在此，氢气气氛尤其可以被理解为是指如下气氛或气体，其中元素氢的比例为大于或等于50重量％，例如大于或等于75重量％，例如大于或等于90重量％，例如大于或等于95重量％。因此，氢气气氛可以是例如纯元素氢，其具有由制造所致的纯度。
关于该部件进一步设置，该部件至少在如上所述被设置用于与氢气气氛接触的表面上由钢形成。通过在该表面上配备钢，原则上可以实现高机械稳定性。如果例如整个部件由钢形成，则机械稳定性可以特别高，这甚至在高压下也能实现基本的稳定性。
为了同样实现针对氢气的高耐受性还设置，所述钢具有包含奥氏体和铁素体的组织结构。关于该组织结构，在此详细设置，奥氏体的组织比例为大于或等于1重量％至小于或等于50重量％，例如大于或等于1重量％至小于或等于35重量％，例如大于或等于3重量％至小于或等于15重量％，且其中铁素体的组织比例为大于或等于50重量％至小于或等于99重量％，例如大于或等于65重量％至小于或等于99重量％，例如大于或等于85重量％至小于或等于97重量％。
在此，通过在贝氏体化过程中如下描述那样转变成铁素体并且余量为剩余的奥氏体，该组织结构可以优选由铁素体和奥氏体组成。换句话说，奥氏体和铁素体的上述范围可以合计为100重量％。
令人惊奇地发现了，特别是具有包含上述比例奥氏体和铁素体的这种组织结构的钢显示出高机械稳定性并且此外具有针对氢气的高抵抗力。特别地，通过该钢和因此该部件或至少所述与氢气接触的表面具有针对氢气脆化的特别的抵抗力，表明了针对氢气影响的良好且显著的抵抗力。
因此，通过使用这种钢，可以特别地产生能毫无问题地甚至长时间暴露于甚至高压氢气的影响的部件。由此可以有利地在该部件运行时实现高的长期稳定性。另外，可以减少或完全防止氢气的泄漏，这能够实现显著的安全益处，因为正是逸出到大气中的氢气可能任选在安全性方面不利。
上述组织尤其可以呈现贝氏体组织。如本领域中基本上已知，贝氏体结构可以通过经由等温转变对碳钢进行热处理或在低于形成珠光体直至形成马氏体的温度下从奥氏体连续冷却来产生。在此，贝氏体的组成部分可以特别是铁素体组织结构，因为贝氏体可以由铁素体和碳化物的混合物形成。
在C含量大于或等于0.3重量％，特别是大于或等于0.4重量％，例如大于或等于0.5重量％且Si含量大于0.5重量％，特别是大于或等于0.9重量％，例如大于或等于1.5重量％的钢的情况下，形成贝氏体，其不由铁素体和碳化物（渗碳体）组成，而是由铁素体和奥氏体组成。这是因为通过硅抑制了渗碳体的形成并且由此形成奥氏体。
此外可以设置，该钢是无碳化物的，即不包含碳化物。这可以进一步增强所提到的优点。
因此，可以特别优选地设置，所述钢的硅含量为大于或等于0.5重量％至小于或等于5.0重量％，特别是大于或等于1.5重量％至小于或等于3.0重量％，且所述钢的碳含量为大于或等于0.3重量％至小于或等于2.0重量％，特别是大于或等于0.5重量％至小于或等于1.1重量％。特别是在该实施方案中可以实现，该钢即使在长时间暴露和/或高压的情况下也能够具有高机械稳定性以及针对氢气的高抵抗力，并可以如上所述进行所需的贝氏体化。
特别地，上述材料可以具有高达2GPa或甚至更高的拉伸强度，并且可以达到20％或甚至更大的断裂伸长率。因此，特别是在该实施方案中，材料可以具有上述的有利性能。
关于可形成整个部件或至少一个或所有与氢气接触的表面的钢，可以特别有利地设置，其包含具有以下成分的合金或由其组成：
- 碳为大于或等于0.3重量％至小于或等于2.0重量％；
- 硅为大于或等于0.5重量％至小于或等于5.0重量％；
- 锰为大于或等于0.25重量％至小于或等于4.0重量％；
- 铬为大于或等于0.2重量％至小于或等于4.0重量％；
- 钼为大于或等于0重量％至小于或等于3.0重量％；
- 钒为大于或等于0重量％至小于或等于0.8重量％；其中
余量由铁和不可避免的杂质形成。
特别地，所述不可避免的杂质可能由钢的制造造成和/或以小于或等于5重量％的比例存在和/或包括例如但不限于铌、氮、氧、铜或磷。
可以特别优选地设置，可形成整个部件或至少一个或所有与氢气接触的表面的钢包含具有以下成分的合金或由其组成：
- 碳为大于或等于0.4重量％至小于或等于1.5重量％；
- 硅为大于或等于0.9重量％至小于或等于3.5重量％；
- 锰为大于或等于0.5重量％至小于或等于2.5重量％；
- 铬为大于或等于0.3重量％至小于或等于3.0重量％；
- 钼为大于或等于0重量％至小于或等于2.5重量％；
- 钒为大于或等于0重量％至小于或等于0.5重量％；其中
余量由铁和不可避免的杂质形成。
特别地，所述不可避免的杂质又可能由钢的制造造成和/或以小于或等于5重量％的比例存在和/或包括例如但不限于铌、氮、氧、铜或磷。
例如可以设置，可形成整个部件或至少一个或所有与氢气接触的表面的钢包含具有以下成分的合金或由其组成：
- 碳为大于或等于0.5重量％至小于或等于1.1重量％；
- 硅为大于或等于1.5重量％至小于或等于3.0重量％；
- 锰为大于或等于0.7重量％至小于或等于1.4重量％；
- 铬为大于或等于0.4重量％至小于或等于2.5重量％；
- 钼为大于或等于0重量％至小于或等于0.15重量％；其中
余量由铁和不可避免的杂质形成。
特别地，所述不可避免的杂质又可能由钢的制造造成和/或以小于或等于5重量％的比例存在和/或包括例如但不限于铌、钒、氮、氧、铜或磷。
令人惊讶地表明，如果钢包含具有尤其上述量的上述成分的合金或由其组成，则所述可形成整个部件或至少一个或所有与氢气接触的表面的钢具有高机械稳定性与针对氢气的良好抵抗力的组合。
此外，特别是在上述组合物的情况下，可以通过如下所述的温度处理实现上述组织结构的有利可调性。在此，特别是可以在可毫无问题执行的时间段中实现贝氏体化。
例如，该部件可以选自输送氢气的管线、氢气压力罐、阀和用于燃料电池系统的前述或其它部件。特别是在这种部件的情况下，高机械稳定性与针对氢气的长期稳定的抵抗力的组合是有利的或必不可少的。因为为了可靠的运行和特别好的安全特性，特别是这种部件应能够确保它们即便在高氢气压力也不被机械损坏，并且不会由于邻近的氢气而脆化。特别是在这种部件的情况下，本发明因此可以是有利的。
关于该部件的其它优点和技术特征，参考对用途和方法的描述，且反之亦然。
本发明的主题还是如上详细描述的部件用于制造燃料电池系统的用途。例如，可以制造选自输送氢气的管线、氢气压力罐、阀或用于燃料电池系统的其它部件的部件。为了可靠的运行和特别好的安全特性，特别是在上述部件和/或燃料电池系统的情况下，可能非常重要的是它们即便在高氢气压力也不被机械损坏，并且不会由于邻近的氢气而脆化。
因此，特别是在这种部件的情况下可能有利的是，该部件由如上所述的钢形成，因为上述钢具有高机械稳定性并且同时没有或至少可以明显减少氢气脆化。由此可以实现长期稳定的机械稳定性并同样实现长期稳定的安全操作。
关于该用途的其它优点和技术特征，参考对所述部件、其它用途和所述方法的描述，且反之亦然。
本发明还涉及制造用于与氢气接触的部件的方法，其具有以下方法步骤
a）提供具有钢的材料，所述钢的硅含量为大于或等于0.5重量％至小于或等于5.0重量％，特别是大于或等于1.5重量％至小于或等于3.0重量％，且碳含量大于或等于0.3重量％至小于或等于2.0重量％，特别是大于或等于0.5重量％至小于或等于1.1重量％；
b）任选对所述材料进行均质化；和
c）通过对所述材料进行大于或等于190℃至小于或等于300℃的温度处理至少一周的时间段，使所述任选经均质化的材料贝氏体化。
本发明的方法可以特别有利的方式使得所述钢获得贝氏体组织。特别地，通过这里描述的方法可以产生具有包含奥氏体和铁素体的组织结构的钢，其中奥氏体的组织比例为大于或等于1重量％至小于或等于50重量％，且其中铁素体的组织比例为大于或等于50重量％至小于或等于99重量％。
特别地通过使作为这里描述的方法的起始原料在方法步骤a）中提供的材料具有上述量的硅和碳，以及此外特别得通过使任选经均质化的材料进行贝氏体化（通过在方法步骤c）中在上述温度范围内对该材料进行温度处理），可以产生这种钢。
关于方法步骤a），所述材料可以例如具有可选范围内的钢，或者所述材料可以由该钢组成或所述材料可以由钢形成。
关于在方法步骤a）中提供的钢，可以特别有利地设置，该钢包含具有以下成分的合金或由其组成：
- 碳为大于或等于0.3重量％至小于或等于2.0重量％；
- 硅为大于或等于0.5重量％至小于或等于5.0重量％；
- 锰为大于或等于0.25重量％至小于或等于4.0重量％；
- 铬为大于或等于0.2重量％至小于或等于4.0重量％；
- 钼为大于或等于0重量％至小于或等于3.0重量％；和
- 钒为大于或等于0重量％至小于或等于0.8重量％；其中
余量由铁和不可避免的杂质形成。
关于方法步骤b），可以设置，如果方法步骤a）中提供的材料尚未进行均质化，则进行均质化。该步骤可用于在材料内和因此在所产生的部件内产生特别一致和因此特定的性能。
此外可以设置，通过使用大于或等于850℃至小于或等于1000℃的温度对材料进行温度处理，进行方法步骤b）。
通过上述方法，可以有利地产生用于制造即使长时间和在高压下与氢气接触也稳定的部件的材料。因为通过这里描述的方法，特别地通过常规的和本领域技术人员公知的钢加工工艺就可以形成具有高机械稳定性连同针对氢气影响的良好抵抗力的部件。
特别地，在燃料电池系统中的组件的情况下可以实现上述优点。示例性组件包括氢气压力罐、氢气管线和相应的阀。
关于该方法的其它优点和技术特征，参考对部件和用途的描述，且反之亦然。
本发明还涉及如上所述的方法用于制造燃料电池系统的部件的用途。
由此获得具有即使长时间和在高氢气压力下也稳定的相应组件的燃料电池系统。
关于该用途的其它优点和技术特征，参考对所述方法、部件和其它用途的描述，且反之亦然。
Claims (4)
1.部件用于制造燃料电池系统的用途，其中所述部件具有至少一个被设置用于与氢气气氛接触的表面，其中至少所述表面由钢形成，其特征在于，所述钢具有包含奥氏体和铁素体的组织结构，其中奥氏体的组织比例为大于或等于1重量％至小于或等于50重量％，且其中铁素体的组织比例为大于或等于50重量％至小于或等于99重量％，其中所述钢被配置为具有以下成分的合金：
- 碳为大于或等于0.3重量％至小于或等于2.0重量％；
- 硅为大于或等于0.5重量％至小于或等于5.0重量％；
- 锰为大于或等于0.25重量％至小于或等于4.0重量％；
- 铬为大于或等于0.2重量％至小于或等于4.0重量％；
- 钼为大于或等于0重量％至小于或等于3.0重量％；和
- 钒为大于或等于0重量％至小于或等于0.8重量％；其中
余量由铁和不可避免的杂质形成。
2.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，奥氏体的组织比例为大于或等于3重量％至小于或等于15重量％，且铁素体的组织比例为大于或等于85重量％至小于或等于97重量％。
3.根据权利要求1或2所述的用途，其特征在于，所述钢的硅含量为大于或等于0.5重量％至小于或等于5.0重量％，且所述钢的碳含量为大于或等于0.3重量％至小于或等于2.0重量％。
4.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述钢被配置为具有以下成分的合金：
- 碳为大于或等于0.5重量％至小于或等于1.1重量％；
- 硅为大于或等于1.5重量％至小于或等于3.0重量％；
- 锰为大于或等于0.7重量％至小于或等于1.4重量％；
- 铬为大于或等于0.4重量％至小于或等于2.5重量％；
- 钼为大于或等于0重量％至小于或等于0.15重量％；其中
余量由铁和不可避免的杂质形成。
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