DE102021209592A1 - Process for reducing the electrical contact resistance of components made of corrosion-resistant steels, component made of corrosion-resistant material - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung des elektrischen Kontaktwiderstands von Bauteilen aus korrosionsbeständigen Stählen, insbesondere von Bipolarplatten oder porösen Körpern, bei dem eine Oberfläche des Bauteils einer thermochemischen Wärmebehandlung unterzogen wird, umfassend die Schrittea) Aktivieren der Oberfläche, beispielsweise- durch Voroxidieren der Oberfläche mit synthetischer Luft,- durch im Plasma erzeugte Ionen oder- durch Beizen und/oder Säuren, undb) Anreichern der Oberfläche mit Stickstoff, insbesondere durch Nitrieren oder Nitrocarburieren der Oberfläche, wobei die Eindringtiefe des in die Oberfläche diffundierenden Stickstoffs über die Prozessparameter Temperatur (T) und/oder Zeit (t) in Abhängigkeit vom Grundwerkstoff des Bauteils eingestellt wird.Die Erfindung betrifft ferner ein Bauteil aus korrosionsbeständigem Stahl, insbesondere eine Bipolarplatte oder einen porösen Körper.The invention relates to a method for reducing the electrical contact resistance of components made of corrosion-resistant steels, in particular bipolar plates or porous bodies, in which a surface of the component is subjected to a thermochemical heat treatment, comprising the steps a) activating the surface, for example by pre-oxidizing the surface with synthetic air,- by ions generated in the plasma, or- by pickling and/or acids, andb) enriching the surface with nitrogen, in particular by nitrating or nitrocarburizing the surface, with the penetration depth of the nitrogen diffusing into the surface being controlled by the process parameters temperature (T) and/or time (t) depending on the base material of the component.The invention also relates to a component made of corrosion-resistant steel, in particular a bipolar plate or a porous body.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung des elektrischen Kontaktwiderstands von Bauteilen aus korrosionsbeständigen Stählen. Bei den Bauteilen kann es sich insbesondere um Bipolarplatten oder poröse Körper für Brennstoffzellen, vorzugsweise für PEM (Polymer-Elektrolyt-Membran)-Brennstoffzellen, handeln. Des Weiteren wird ein Bauteil, insbesondere eine Bipolarplatte oder ein poröser Körper, aus korrosionsbeständigem Stahl vorgeschlagen.The invention relates to a method for reducing the electrical contact resistance of components made of corrosion-resistant steel. The components can in particular be bipolar plates or porous bodies for fuel cells, preferably for PEM (polymer electrolyte membrane) fuel cells. Furthermore, a component, in particular a bipolar plate or a porous body, made of corrosion-resistant steel is proposed.

Stand der TechnikState of the art

Durch Oberflächenmodifikation lassen sich die Oberflächeneigenschaften von Bauteilen für die jeweilige Bauteilfunktion gezielt einstellen. Je nach Werkstoff und Anforderungen an das Bauteil, beispielsweise Anforderungen an das Verschleißverhalten und/oder an die elektrische bzw. thermische Leitfähigkeit, werden zur Oberflächenbehandlung unterschiedliche Verfahren eingesetzt.Surface modification allows the surface properties of components to be specifically adjusted for the respective component function. Depending on the material and the requirements for the component, for example requirements for wear behavior and/or electrical or thermal conductivity, different methods are used for surface treatment.

So müssen beispielsweise Bipolarplatten, die in Brennstoffzellen zum Einsatz gelangen und üblicherweise aus dünnwandigen korrosionsbeständigen Stählen gefertigt sind, an ihrer Außenseite eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen, um im Brennstoffzellenbetrieb einen guten elektrischen Kontakt zur sogenannten Membran-Elektroden-Anordnung sicherzustellen. Da korrosionsbeständige Stähle jedoch auf der Oberfläche einen passiven Film bilden, der einerseits für die guten Korrosionseigenschaften verantwortlich ist, andererseits jedoch mit einem hohen elektrischen Kontaktwiderstand einhergeht, werden niedrige Kontaktwiderstände (< 10 mΩcm2) bei gleichzeitig sehr guten Korrosionseigenschaften üblicherweise über eine leitfähige Beschichtung realisiert. Bekannt sind beispielsweise Gold-Beschichtungen, die durch Aufdampfen mittels Physical Vapor Deposition (PVD) hergestellt werden und sehr langzeitrobust, aber zugleich auch sehr teuer sind. Andere bisher untersuchte Beschichtungslösungen für Bipolarplatten-Materialien haben sich entweder als nicht ausreichend langzeitrobust erwiesen und/oder konnten ebenfalls die geforderten Kostenziele nicht erreichen. Auch ist das Oberflächenbeschichten von porösen Materialien bzw. Körpern, die in Brennstoffzellen alternativ zur strukturierten Bipolarplatte auf der Wasserseite eingesetzt werden, nur sehr aufwendig umsetzbar. Untersuchungen zu Werkstoffen in Kombination mit verschiedenen Beschichtungsverfahren für den Einsatz in Brennstoffzellen sind daher Gegenstand der aktuellen Forschung.For example, bipolar plates that are used in fuel cells and are usually made of thin-walled corrosion-resistant steels must have good electrical conductivity on their outside to ensure good electrical contact with the so-called membrane-electrode assembly during fuel cell operation. However, since corrosion-resistant steels form a passive film on the surface, which is responsible for the good corrosion properties on the one hand and is associated with high electrical contact resistance on the other hand, low contact resistances (< 10 mΩcm 2 ) with very good corrosion properties at the same time are usually achieved by means of a conductive coating . Gold coatings are known, for example, which are produced by vapor deposition using physical vapor deposition (PVD) and are very durable over the long term, but at the same time are also very expensive. Other coating solutions for bipolar plate materials investigated to date have either not proven to be sufficiently long-term robust and/or have not been able to achieve the required cost targets either. The surface coating of porous materials or bodies, which are used in fuel cells as an alternative to the structured bipolar plate on the water side, can only be implemented with great effort. Investigations into materials in combination with various coating processes for use in fuel cells are therefore the subject of current research.

Eine vielversprechende Alternative stellen thermochemische Wärmebehandlungsverfahren zur Oberflächenmodifikation von Bauteilen aus korrosionsbeständigen Stählen dar. Um den elektrischen Kontaktwiderstand von Bipolarplatten aus korrosionsbeständigen austenitischen Stählen zu reduzieren, wurden bereits thermochemische Verfahren, wie beispielsweise das Nitrieren oder Nitrocarburieren, untersucht. Dabei wurde eine Verminderung des Kontaktwiderstands durch die Ausbildung einer mit Stickstoff oder mit Stickstoff und Kohlenstoff angereicherten Oberflächenschicht aus „expanded austenite“ nachgewiesen. In der industriellen Praxis werden zur Erzeugung einer solchen Schicht Nitrocarburierprozesse mit einer Behandlungstemperatur zwischen 400°C und 480°C und Prozessdauern von bis zu 48 Stunden eingesetzt.Thermochemical heat treatment processes for the surface modification of components made of corrosion-resistant steels represent a promising alternative. In order to reduce the electrical contact resistance of bipolar plates made of corrosion-resistant austenitic steels, thermochemical processes such as nitriding or nitrocarburizing have already been investigated. A reduction in the contact resistance was demonstrated as a result of the formation of a surface layer of "expanded austenite" enriched with nitrogen or with nitrogen and carbon. In industrial practice, nitrocarburizing processes with a treatment temperature between 400° C. and 480° C. and process durations of up to 48 hours are used to produce such a layer.

Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, ein robustes und zugleich automatisierbares Verfahren anzugeben, das die Ausbildung einer intrinsischen Oberflächenschicht zur Reduzierung des elektrischen Kontaktwiderstands für Bauteile aus korrosionsbeständigen Stählen, insbesondere für Bipolarplatten oder poröse Körper, ermöglicht.The present invention is concerned with the task of specifying a robust and at the same time automatable method that enables the formation of an intrinsic surface layer for reducing the electrical contact resistance for components made of corrosion-resistant steels, in particular for bipolar plates or porous bodies.

Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Bauteil aus korrosionsbeständigem Stahl, insbesondere eine Bipolarplatte oder ein poröser Körper, angegeben.To solve the problem, the method with the features of claim 1 is specified. Advantageous embodiments can be found in the dependent claims. In addition, a component made of corrosion-resistant steel, in particular a bipolar plate or a porous body, is specified.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Reduzierung des elektrischen Kontaktwiderstands von Bauteilen aus korrosionsbeständigen Stählen, insbesondere von Bipolarplatten oder porösen Körpern, wird eine Oberfläche des Bauteils einer thermochemischen Wärmebehandlung unterzogen. Das Verfahren umfasst die Schritte:

  1. a) Aktivieren der Oberfläche, beispielsweise
    • - durch Voroxidieren der Oberfläche mit synthetischer Luft,
    • - durch im Plasma erzeugte Ionen oder
    • - durch Beizen und/oder Säuren,
    und
  2. b) Anreichern der Oberfläche mit Stickstoff, insbesondere durch Nitrieren oder Nitrocarburieren der Oberfläche, wobei die Eindringtiefe des in die Oberfläche diffundierenden Stickstoffs über die Prozessparameter Temperatur T und/oder Zeit t in Abhängigkeit vom Grundwerkstoff des Bauteils eingestellt wird.
In the proposed method for reducing the electrical contact resistance of components made of corrosion-resistant steels, in particular of bipolar plates or porous bodies, a surface of the component is subjected to a thermochemical heat treatment. The procedure includes the steps:
  1. a) Activating the surface, for example
    • - by pre-oxidizing the surface with synthetic air,
    • - by ions generated in the plasma or
    • - by pickling and/or acids,
    and
  2. b) Enriching the surface with nitrogen, in particular by nitriding or nitrocarburizing the surface, the penetration depth of the nitrogen diffusing into the surface being adjusted via the process parameters temperature T and/or time t depending on the base material of the component.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren geht der eigentlichen thermochemischen Wärmebehandlung in Schritt b) ein Schritt a) voraus, welcher der Aktivierung der Oberfläche dient. Durch die Vorbehandlung der Bauteiloberfläche in Schritt a) kann im anschließenden Schritt b) der Stickstoff leichter in die Oberfläche eindringen. Was sich insbesondere vorteilhaft auf den Prozessparameter der Zeit t auswirkt.In the proposed method, the actual thermochemical heat treatment in step b) is preceded by a step a), which of the Activation of the surface is used. As a result of the pretreatment of the component surface in step a), the nitrogen can penetrate the surface more easily in the subsequent step b). This has a particularly advantageous effect on the process parameter of the time t.

Im Schritt b) wird dann durch Nitrieren oder Nitrocarburieren der Bauteiloberfläche eine intrinsische Oberflächenschicht zur Reduzierung des Kontaktwiderstands des Bauteils ausgebildet. Aufgrund definierter Prozessparameter, insbesondere aufgrund eines vom Grundwerkstoff des Bauteils abhängigen Temperatur-Zeit-Regimes, kann ein werkstoffspezifisches Optimum für den Kontaktwiderstand eingestellt werden.In step b), an intrinsic surface layer is then formed by nitriding or nitrocarburizing the component surface to reduce the contact resistance of the component. A material-specific optimum for the contact resistance can be set on the basis of defined process parameters, in particular due to a temperature-time regime dependent on the base material of the component.

Beim Nitrieren diffundiert atomarer Stickstoff N1, beim Nitrocarburieren diffundieren atomarer Stickstoff N1 und atomarer Kohlenstoff C1 in die Bauteiloberfläche. Die Prozessparameter Temperatur T und Zeit t bestimmen dabei die Menge an Stickstoff bzw. Stickstoff und Kohlenstoff, die in die Bauteiloberfläche bis zu einer bestimmten Tiefe eindringt. Je nach Prozessführung und Grundwerkstoff des Bauteils lassen sich auf diese Weise unterschiedliche Schichtdicken einer intrinsischen Oberflächenschicht aus „expanded austenite (S-Phase)“ einstellen. In den darunterliegenden Schichten, in denen es zu keiner Anreicherung von Stickstoff bzw. Stickstoff und Kohlenstoff kommt, liegt weiterhin der Grundwerkstoff vor. Mit Hilfe der Prozessparameter Temperatur T und Zeit t können somit die Eigenschaften der intrinsischen Oberflächenschicht bestimmt werden. Zu vermeiden ist dabei die Bildung einer Cr2N- und/oder CrN-Phase, da diese die Korrosionsbeständigkeit des Bauteils mindert bzw. mindern.Atomic nitrogen N 1 diffuses during nitriding, atomic nitrogen N 1 and atomic carbon C 1 diffuse into the component surface during nitrocarburizing. The process parameters temperature T and time t determine the amount of nitrogen or nitrogen and carbon that penetrates the component surface to a certain depth. Depending on the process control and base material of the component, different layer thicknesses of an intrinsic surface layer made of "expanded austenite (S-phase)" can be adjusted in this way. The base material is still present in the underlying layers, in which there is no accumulation of nitrogen or nitrogen and carbon. The properties of the intrinsic surface layer can thus be determined with the aid of the process parameters temperature T and time t. The formation of a Cr 2 N and/or CrN phase should be avoided, since this reduces or reduce the corrosion resistance of the component.

Gegenüber einem herkömmlichen Beschichtungsverfahren besitzt das vorgeschlagene Verfahren den Vorteil, dass die Oberfläche des Bauteils selbst modifiziert wird, so dass eine „intrinsische“ Oberflächenschicht ausgebildet wird. Diese bietet eine hohe Flexibilität für Folgeprozessschritte und ist sehr robust. Das Verfahren lässt sich zudem auf poröse Materialien, wie beispielsweise metallische Schäume, anwenden.Compared to a conventional coating method, the proposed method has the advantage that the surface of the component itself is modified so that an “intrinsic” surface layer is formed. This offers a high degree of flexibility for subsequent process steps and is very robust. The process can also be used on porous materials such as metallic foams.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Prozessparameter Zeit t weniger als 30 Minuten beträgt, und zwar unabhängig vom jeweiligen Grundwerkstoff des Bauteils. Das heißt, dass in allen Fällen in Schritt b) eine Prozessdauer von weniger als 30 Minuten eingehalten wird. Entsprechend kann in Schritt b) von einem Kurzzeitnitrieren bzw. Kurzzeitnitrocarburieren geredet werden. Die geringen Prozessdauern gehen zudem mit einem minimalen Verzug der Bauteile einher.In a development of the invention, it is proposed that the process parameter time t be less than 30 minutes, regardless of the respective base material of the component. This means that in all cases in step b) a process duration of less than 30 minutes is observed. Correspondingly, step b) can be referred to as short-term nitrating or short-term nitrocarburizing. The short process times are also associated with minimal distortion of the components.

Der weitere Prozessparameter Temperatur T wird in Abhängigkeit vom jeweiligen Grundwerkstoff des Bauteils eingestellt, da das Bauteil - je nach Anwendungsbereich - aus unterschiedlichen korrosionsbeständigen Stählen gefertigt sein kann.The further process parameter temperature T is set depending on the respective base material of the component, since the component - depending on the area of application - can be made of different corrosion-resistant steels.

Bei einem Grundwerkstoff aus der Gruppe der Ferrite oder Martensite beträgt vorzugsweise die Temperatur T 350-650 °C, weiterhin vorzugsweise 400-520 °C.In the case of a base material from the group of ferrites or martensites, the temperature T is preferably 350-650.degree. C., more preferably 400-520.degree.

Bei einem Grundwerkstoff aus der Gruppe der Austenite beträgt vorzugsweise die Temperatur T 350-650 °C, weiterhin vorzugsweise 510-590 °C.In the case of a base material from the austenite group, the temperature T is preferably 350-650.degree. C., more preferably 510-590.degree.

Bei einem Duplex-Grundwerkstoff beträgt vorzugsweise die Temperatur T 350-650 °C, weiterhin vorzugsweise 400-590 °C.In the case of a duplex base material, the temperature T is preferably 350-650.degree. C., more preferably 400-590.degree.

Auf diese Weise kann jeweils werkstoffspezifisch der Kontaktwiderstand in der Weise optimiert werden, dass die Korrosionsbeständigkeit des Bauteils erhalten bleibt. Insbesondere können intrinsische Oberflächenschichten zur Reduzierung des Kontaktwiderstands ausgebildet werden, die eine Stärke von etwa 3-20 µm und/oder einen Kontaktwiderstand unterhalb 10 mΩcm2 aufweisen.In this way, the contact resistance can be optimized for each material in such a way that the corrosion resistance of the component is retained. In particular, intrinsic surface layers can be formed to reduce the contact resistance, which have a thickness of about 3-20 μm and/or a contact resistance below 10 mΩcm 2 .

Vorteilhafterweise wird bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Durchlaufofen mit zwei Kammern eingesetzt, wobei in einer ersten Kammer Schritt a) und in einer zweiten Kammer Schritt b) durchgeführt wird. Auf diese Weise lassen sich in kurzen Taktzeiten große Bauteilchargen nitrieren bzw. nitrocarburieren, was zu einem erheblichen Kostenvorteil führt, insbesondere im Vergleich zu den bei der Herstellung von Bipolarplatten üblicherweise eingesetzten Beschichtungsprozessen.When carrying out the method according to the invention, a continuous furnace with two chambers is advantageously used, step a) being carried out in a first chamber and step b) being carried out in a second chamber. In this way, large batches of components can be nitrided or nitrocarburized in short cycle times, which leads to a considerable cost advantage, especially compared to the coating processes usually used in the production of bipolar plates.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass zumindest Schritt b) des Verfahrens in einem Hochdruck-Vakuumofen durchgeführt wird.Alternatively or additionally, it is proposed that at least step b) of the method is carried out in a high-pressure vacuum furnace.

Das darüber hinaus vorgeschlagene Bauteil aus korrosionsbeständigem Stahl, wobei es sich insbesondere um eine Bipolarplatte oder einen porösen Körper handeln kann, weist zur Reduzierung des Kontaktwiderstands eine intrinsische Oberflächenschicht auf, die durch thermochemische Wärmebehandlung, vorzugsweise nach einem der vorhergehenden Verfahren, hergestellt worden ist. Bevorzugt ist demnach die intrinsische Oberflächenschicht durch Nitrieren bzw. Nitrocarburieren hergestellt worden. Das heißt, dass atomarer Stickstoff N1 bzw. atomarer Stickstoff N1 und atomarer Kohlenstoff C1 in der Oberfläche eingelagert ist bzw. sind und diese derart modifizieren, dass eine intrinsische Oberflächenschicht ausgebildet wird. Die intrinsische Oberflächenschicht wird demnach - im Unterschied zu einer Beschichtung - durch den Grundwerkstoff des Bauteils selbst ausgebildet.The proposed component made of corrosion-resistant steel, which can in particular be a bipolar plate or a porous body, has an intrinsic surface layer to reduce the contact resistance, which has been produced by thermochemical heat treatment, preferably using one of the preceding methods. Accordingly, the intrinsic surface layer has preferably been produced by nitriding or nitrocarburizing. This means that atomic nitrogen N 1 or atomic nitrogen N 1 and atomic carbon C 1 is or are embedded in the surface and modify it in such a way that an intrinsic surface layer is formed. In contrast to a coating, the intrinsic surface layer is formed by the base material of the component itself.

Die Verwendung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der intrinsischen Oberflächenschicht ermöglicht geringe Prozessdauern bei zugleich minimalem Verzug des Bauteils. Ferner ist es auch bei porösen Materialien, wie beispielsweise metallischen Schäumen, anwendbar.The use of the above-described method according to the invention for producing the intrinsic surface layer enables short process times with at the same time minimal distortion of the component. Furthermore, it can also be used with porous materials such as metallic foams.

Die intrinsische Oberflächenschicht des vorgeschlagenen Bauteils ist vorzugsweise wenige Mikrometer, insbesondere 3-20 µm stark. Bei dem Bauteil kann es sich demnach auch um ein dünnes Metallblech zur Ausbildung einer Bipolarplatte handeln.The intrinsic surface layer of the proposed component is preferably a few micrometers thick, in particular 3-20 μm. Accordingly, the component can also be a thin metal sheet for forming a bipolar plate.

Der elektrische Kontaktwiderstand der intrinsischen Oberflächenschicht beträgt vorzugsweise < 10 mΩcm2. Damit weist das Bauteil einen ausreichend niedrigen Kontaktwiderstand auf, so dass es, beispielsweise als Bipolarplatte oder als poröser Körper, in einer Brennstoffzelle einsetzbar ist.The electrical contact resistance of the intrinsic surface layer is preferably <10 mΩcm 2 . The component thus has a sufficiently low contact resistance so that it can be used in a fuel cell, for example as a bipolar plate or as a porous body.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

  • 1 ein Diagramm (schematisch) zur Darstellung der Stickstoff- und Kohlenstoffmenge bei definierter Temperatur T und Zeit t,
  • 2 ein Phasendiagramm,
  • 3 ein Diagramm zur Darstellung des Verlaufs des Kontaktwiderstands über die Zeit t und
  • 4 ein Diagramm zur Darstellung des Verlaufs des Gitterparameters über den Gehalt an interstitiell eingelagerten Stickstoff- und Kohlenstoffatomen sowie dessen Auswirkung auf die magnetische Ordnung.
The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:
  • 1 a diagram (schematic) to show the amount of nitrogen and carbon at a defined temperature T and time t,
  • 2 a phase diagram,
  • 3 a diagram showing the course of the contact resistance over time t and
  • 4 a diagram showing the course of the lattice parameter over the content of interstitially embedded nitrogen and carbon atoms and its effect on the magnetic order.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Reduzierung des elektrischen Kontaktwiderstands von Bauteilen aus korrosionsbeständigen Stählen sieht eine thermochemische Wärmebehandlung mittels Nitrieren oder Nitrocarburieren der Oberfläche des Bauteils vor. Vor dem Nitrieren bzw. Nitrocarburieren in einem Schritt b) des Verfahrens wird die Oberfläche in einem Schritt a) aktiviert. Die Aktivierung der Oberfläche erleichtert das Eindringen von Stickstoff bzw. Stickstoff und Kohlenstoff während des Nitrierens bzw. Nitrocarburierens in Schritt b).The method according to the invention for reducing the electrical contact resistance of components made of corrosion-resistant steels provides for a thermochemical heat treatment by means of nitriding or nitrocarburizing of the surface of the component. Before nitriding or nitrocarburizing in step b) of the process, the surface is activated in step a). The activation of the surface facilitates the penetration of nitrogen or nitrogen and carbon during the nitriding or nitrocarburizing in step b).

Wie beispielhaft in der 1 dargestellt, wird das Verfahren in einer Stickstoff bzw. Stickstoff und Kohlenstoff abgebenden Atmosphäre bei einer Temperatur T1 in einer definierten Zeit t1 durchgeführt. Dabei diffundiert atomarer Stickstoff N1 bzw. atomarer Stickstoff N1 und atomarer Kohlenstoff C1 in die Oberfläche, so dass eine intrinsische Oberflächenschicht mit einem Stickstoffgehalt bzw. Stickstoff- und Kohlenstoffgehalt geschaffen wird, der mit zunehmender Tiefe ins Bauteilinnere abnimmt. Die Parameter Temperatur T und Zeit t bestimmen die Stickstoffmenge bzw. die Stickstoff- und Kohlenstoffmenge und damit die Eigenschaften der intrinsischen Oberflächenschicht aus „expanded austenite“.As exemplified in the 1 shown, the method is carried out in a nitrogen or nitrogen and carbon-emitting atmosphere at a temperature T 1 in a defined time t 1 . Atomic nitrogen N 1 or atomic nitrogen N 1 and atomic carbon C 1 diffuse into the surface, so that an intrinsic surface layer is created with a nitrogen content or nitrogen and carbon content that decreases with increasing depth into the interior of the component. The parameters temperature T and time t determine the amount of nitrogen or the amount of nitrogen and carbon and thus the properties of the intrinsic surface layer made of "expanded austenite".

Das Phasendiagramm der 2 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Stickstoffgehalt N, der Temperatur T und der Zeit t sowie die Bereiche, in denen eine Cr2N- und/oder CrN-Phase gebildet wird, was es zu vermeiden gilt, da dadurch die Korrosionsbeständigkeit des Bauteils herabgesetzt wird. Je nach Prozessführung und Grundwerkstoff des Bauteils lassen sich unterschiedliche Schichtdicken von „expanded austenite“ einstellen.The phase diagram of 2 shows the relationship between the nitrogen content N, the temperature T and the time t as well as the areas in which a Cr 2 N and/or CrN phase is formed, which should be avoided since this reduces the corrosion resistance of the component. Depending on the process control and base material of the component, different layer thicknesses of "expanded austenite" can be set.

Die Prozessparameter Temperatur T und Zeit t werden abhängig vom jeweiligen Grundwerkstoff des Bauteils gewählt, so dass werkstoffspezifisch jeweils das Optimum bei der angestrebten Reduzierung des elektrischen Kontaktwiderstands erreichbar ist. Die Zeit t, welche sich auf die Prozessdauer bezieht, beträgt dabei stets weniger als 30 Minuten.The process parameters temperature T and time t are selected depending on the respective base material of the component, so that the optimum for the desired reduction in electrical contact resistance can be achieved for each material. The time t, which refers to the duration of the process, is always less than 30 minutes.

3 zeigt beispielhaft das zu wählende Parameterfeld für einen austenitischen rostfreien Stahl und der aus den eingestellten Parametern resultierende Verlauf des Kontaktwiderstands. 3 shows an example of the parameter field to be selected for an austenitic stainless steel and the course of the contact resistance resulting from the set parameters.

Bei der Diffusion von Stickstoff kommt es zu einer Einlagerung der N-Atome auf interstitiellen Gitterplätzen, was eine Verzerrung des ursprünglichen Gitters zur Folge hat und - wie aus der 4 ersichtlich - mit einer Änderung der Gitterparameter einhergeht. Je nach Menge der eingelagerten N-Atome bzw. N- und C-Atome und damit je nach Größe des daraus resultierenden Gitterparameters YN bzw. YN und Yc kann dies zu einer Änderung der magnetischen Ordnung von ursprünglich paramagnetisch zu ferromagnetisch führen.During the diffusion of nitrogen, the N atoms are stored in interstitial lattice sites, which results in a distortion of the original lattice and - as can be seen from the 4 apparent - is accompanied by a change in the lattice parameters. Depending on the amount of embedded N atoms or N and C atoms and thus depending on the size of the resulting lattice parameter Y N or Y N and Yc, this can lead to a change in the magnetic order from originally paramagnetic to ferromagnetic.

Ein Optimum in den elektrischen Oberflächeneigenschaften bei zugleich minimalem Kontaktwiderstand wird bei gezielter Prozessführung mittels Kurzzeitnitrieren bzw. Kurzzeitnitrocarburieren durch das Bereitstellen einer geschlossenen intrinsischen Oberflächenschicht aus „expanded austenite“ erzielt, deren N-Gehalt bzw. N- und C-Gehalt und damit der durch die interstitiell eingelagerten N-Atome bzw. N- und C-Atome bewirkte Verzerrungszustand in der Oberfläche so groß ist, dass der Werkstoff gerade noch ferromagnetisch ist. Bei dem Gitterparameter YN,ferro_max ist dann der geringste Kontaktwiderstand zu erwarten. Ist die Oberflächenschicht aus „expanded austenite“ nicht geschlossen und der N-Gehalt bzw. N- und C-Gehalt zu gering oder die Schicht zwar geschlossen, aber der N-Gehalt bzw. der N- und C-Gehalt zu hoch, stellt sich - wie beispielhaft in der 4 veranschaulicht - ein paramagnetischer Zustand ein, was in deutlich schlechteren Werten für den Kontaktwiderstand resultiert.Optimum electrical surface properties with minimum contact resistance at the same time are achieved with targeted process management using short-time nitriding or short-time nitrocarburizing by providing a closed intrinsic surface layer of "expanded austenite", whose N content or N and C content and thus that caused by the The state of distortion in the surface caused by the interstitially embedded N atoms or N and C atoms is so great that the material is just about ferromagnetic. The lowest contact resistance is then to be expected for the lattice parameter Y N,ferro_max . If the surface layer of "expanded austenite" is not closed and the N content or N and C content is too low, or the layer is closed but the N content or the N and C content is too high, this is the case - as exemplified in the 4 - enters a paramagnetic state, resulting in significantly poorer contact resistance values.

Claims (10)

Verfahren zur Reduzierung des elektrischen Kontaktwiderstands von Bauteilen aus korrosionsbeständigen Stählen, insbesondere von Bipolarplatten oder porösen Körpern, bei dem eine Oberfläche des Bauteils einer thermochemischen Wärmebehandlung unterzogen wird, umfassend die Schritte a) Aktivieren der Oberfläche, beispielsweise - durch Voroxidieren der Oberfläche mit synthetischer Luft, - durch im Plasma erzeugte Ionen oder - durch Beizen und/oder Säuren, und b) Anreichern der Oberfläche mit Stickstoff, insbesondere durch Nitrieren oder Nitrocarburieren der Oberfläche, wobei die Eindringtiefe des in die Oberfläche diffundierenden Stickstoffs über die Prozessparameter Temperatur (T) und/oder Zeit (t) in Abhängigkeit vom Grundwerkstoff des Bauteils eingestellt wird.Method for reducing the electrical contact resistance of components made of corrosion-resistant steels, in particular of bipolar plates or porous bodies, in which a surface of the component is subjected to a thermochemical heat treatment, comprising the steps a) Activating the surface, for example - by pre-oxidizing the surface with synthetic air, - by ions generated in the plasma or - by pickling and/or acids, and b) Enriching the surface with nitrogen, in particular by nitriding or nitrocarburizing the surface, the penetration depth of the nitrogen diffusing into the surface being set via the process parameters temperature (T) and/or time (t) depending on the base material of the component. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessparameter Zeit (t) weniger als 30 Minuten beträgt.procedure after claim 1 , characterized in that the process parameter time (t) is less than 30 minutes. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Grundwerkstoff aus der Gruppe der Ferrite und Martensite die Temperatur (T) 350-650 °C, vorzugsweise 400-520 °C, beträgt.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that with a base material from the group of ferrites and martensites, the temperature (T) is 350-650 °C, preferably 400-520 °C. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Grundwerkstoff aus der Gruppe der Austenite die Temperatur (T) 350-650 °C, vorzugsweise 510-590 °C, beträgt.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that in the case of a base material from the austenite group, the temperature (T) is 350-650 °C, preferably 510-590 °C. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Duplex-Grundwerkstoff die Temperatur (T) 350-650 °C, vorzugsweise 400-590 °C, beträgt.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that with a duplex base material the temperature (T) is 350-650 °C, preferably 400-590 °C. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Durchführung des Verfahrens ein Durchlaufofen mit zwei Kammern eingesetzt wird, wobei in einer ersten Kammer Schritt a) und in einer zweiten Kammer Schritt b) durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that when carrying out the method a continuous furnace with two chambers is used, step a) being carried out in a first chamber and step b) being carried out in a second chamber. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Schritt b) in einem Hochdruck-Vakuumofen durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least step b) is carried out in a high-pressure vacuum furnace. Bauteil aus korrosionsbeständigem Stahl, insbesondere Bipolarplatte oder poröser Körper, der zur Reduzierung des Kontaktwiderstands eine intrinsische Oberflächenschicht aufweist, die durch thermochemische Wärmebehandlung, vorzugsweise nach einem der vorhergehenden Verfahren, hergestellt worden ist.Component made of corrosion-resistant steel, in particular a bipolar plate or porous body, which has an intrinsic surface layer to reduce the contact resistance, which has been produced by thermochemical heat treatment, preferably using one of the preceding methods. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die intrinsische Oberflächenschicht 3-20 µm stark ist.component after claim 8 , characterized in that the intrinsic surface layer is 3-20 µm thick. Bauteil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Kontaktwiderstand der intrinsischen Oberflächenschicht < 10 mΩcm2 beträgt.component after claim 8 or 9 , characterized in that the electrical contact resistance of the intrinsic surface layer is < 10 mΩcm 2 .
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DE102017202679A1 (en) 2017-02-20 2018-08-23 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Bipolar plate for electrochemical cells and a manufacturing method

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