JP5858424B2 - Stainless steel for polymer electrolyte fuel cell separator and method for producing the same - Google Patents
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Description
この発明は、固体高分子型燃料電池のセパレータに用いられる固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a stainless steel for a polymer electrolyte fuel cell separator used as a separator for a polymer electrolyte fuel cell and a method for producing the same.
固体高分子型燃料電池は、例えば、固体高分子電解質膜の両側に電極が接合された膜/電極接合体(MEA)の両面を反応ガスの供給流路となる溝加工が施されたセパレータで挟み込んだ単セルを基本単位とする。この単セルを積層して直列接続することにより高電圧が得られるようにしたものをセルスタックと呼ぶ。 The polymer electrolyte fuel cell is, for example, a separator in which grooves on both sides of a membrane / electrode assembly (MEA) in which electrodes are bonded to both sides of a solid polymer electrolyte membrane are provided as reaction gas supply channels. The unit cell is the basic unit. A cell stack in which high voltages can be obtained by stacking single cells and connecting them in series is called a cell stack.
固体高分子型燃料電池セパレータには、反応ガスをセルの全面にわたって均一に供給する流路としての役割、カソード側で生成した水を反応後の空気や酸素といったキャリアガスとともに効率的に燃料電池の外に排出させる流路としての役割、電極として長時間にわたって低電気抵抗且つ良導電性を維持する電気的コネクタとしての役割、および積層され隣り合う単セルのアノード室とカソード室とを分離する役割が求められる。
また、固体高分子電解質膜はスルホン酸基を多数有する高分子からなり、湿潤状態ではセル内は強酸環境になる。そのため、セパレータには導電性とともに高い耐食性が要求される。
加えて、燃料電池自動車に代表される移動体に適用が検討されている固体高分子燃料電池のセパレータには、衝撃に対する耐久性や軽量化が求められる。
The polymer electrolyte fuel cell separator functions as a flow path for uniformly supplying the reaction gas over the entire surface of the cell, and the water generated on the cathode side is efficiently combined with a carrier gas such as air and oxygen after the reaction. A role as a flow path for discharging outside, a role as an electrical connector that maintains low electrical resistance and good conductivity for a long time as an electrode, and a role of separating the anode chamber and the cathode chamber of stacked and adjacent single cells Is required.
The solid polymer electrolyte membrane is made of a polymer having a large number of sulfonic acid groups, and the inside of the cell becomes a strong acid environment in a wet state. Therefore, the separator is required to have high corrosion resistance as well as conductivity.
In addition, a solid polymer fuel cell separator that is being studied for application to a mobile body represented by a fuel cell vehicle is required to have durability against impact and weight reduction.
これまで、固体高分子型燃料電池のセパレータ材料としてカーボン材の適用が一般的であったが、カーボン材は延性が乏しく割れやすいという問題があるとともに、反応ガスの供給流路を機械加工するコストが非常に高くなる問題がある。そのため、コスト削減及び耐久性を実現するために、ステンレス鋼やチタン等の金属セパレータの使用が検討されている。 Until now, carbon materials were generally used as separator materials for polymer electrolyte fuel cells. However, carbon materials have a problem that they have poor ductility and are easily broken, and the cost of machining the reaction gas supply channel is low. There is a problem that becomes very high. Therefore, in order to realize cost reduction and durability, use of metal separators such as stainless steel and titanium has been studied.
ステンレス鋼は、チタンやアルミニウムを主要元素として含有する非鉄合金よりも安価であり、その表面に不働態皮膜が形成されるため耐食性に優れている。しかし、表面の不働態皮膜は接触抵抗が大きいため、セパレータのような低接触抵抗性を求められる電気部品には適していない。ステンレス鋼の接触抵抗を低減することができれば、優れた耐食性と低接触抵抗性を要求される固体高分子型燃料電池のセパレータとして使用することが可能となる。
この問題を解決するために、従来より種々の提案がなされている。
Stainless steel is cheaper than non-ferrous alloys containing titanium or aluminum as a main element, and has a corrosion resistance because a passive film is formed on the surface thereof. However, since the passive film on the surface has a large contact resistance, it is not suitable for an electrical component that requires low contact resistance such as a separator. If the contact resistance of stainless steel can be reduced, it can be used as a separator for a polymer electrolyte fuel cell that requires excellent corrosion resistance and low contact resistance.
In order to solve this problem, various proposals have been conventionally made.
特許文献1では、ステンレス鋼やアルミニウム及びニッケル合金のセパレータの表面に金メッキを施すことにより、接触抵抗を低減し、高出力を確保する技術が開示されている。 また、特許文献2では、フェライト系ステンレス鋼にカーボン粉末を分散させて接触抵抗を低減したセパレータを得る方法が開示されている。さらに、特許文献3では、ステンレス鋼表面にM4N型、M2−3N型窒化物を含む第1層とCr2N、CrN、M2−3N型、M4N型窒化物のいずれか1種を含む第2層を形成させて接触抵抗を低減する方法が開示されている。
また、特許文献4では、導電性析出物であるM23C6型炭化物あるいはM2B型硼化物をステンレス鋼板の表面に析出させて接触抵抗を低減する方法が開示されており、特許文献5では、ステンレス鋼の表面に時効熱処理によってσ相を面積率で1%以上析出させて接触抵抗を低減する方法が開示されている。
Patent Document 1 discloses a technique for reducing contact resistance and ensuring high output by performing gold plating on the surface of a stainless steel, aluminum, or nickel alloy separator. Patent Document 2 discloses a method of obtaining a separator having reduced contact resistance by dispersing carbon powder in ferritic stainless steel. Further, in Patent Document 3, a first layer containing M 4 N type and M 2-3 N type nitride on the surface of stainless steel and Cr 2 N, CrN, M 2-3 N type, and M 4 N type nitride are included. A method of reducing the contact resistance by forming a second layer containing any one of them is disclosed.
Patent Document 4 discloses a method for reducing contact resistance by depositing M 23 C 6 type carbide or M 2 B type boride, which is a conductive precipitate, on the surface of a stainless steel plate. Discloses a method for reducing contact resistance by precipitating σ phase by an area ratio of 1% or more on the surface of stainless steel by aging heat treatment.
しかし、特許文献1で提案されている技術においては、薄い金メッキではピンポール欠陥が発生して耐食性を損なう危険が大きく、厚い金メッキではコストが非常に高くなる。 However, in the technique proposed in Patent Document 1, there is a high risk of pin pole defects occurring in thin gold plating and impairing corrosion resistance, and the cost is very high in thick gold plating.
特許文献2および特許文献3で提案されている技術では、表面処理に相応のコストを要するとともに、表面に欠損がある場合は耐食性を損なう可能性が高い。 The techniques proposed in Patent Document 2 and Patent Document 3 require a reasonable cost for the surface treatment, and if there is a defect on the surface, there is a high possibility that the corrosion resistance will be impaired.
さらに、特許文献4で提案されている技術では、多量に添加されたCあるいはBにより析出する炭化物あるいは硼化物は硬質粒子であることから、ステンレス鋼板の製造が困難となる問題があり、これらの析出物の主要金属元素であるCrが基地から欠乏してCr欠乏層を形成させた場合は耐食性が著しく劣化する可能性がある。 Furthermore, in the technique proposed in Patent Document 4, since carbides or borides precipitated by a large amount of C or B are hard particles, there is a problem that it is difficult to produce a stainless steel plate. When Cr, which is the main metal element of the precipitate, is deficient from the base to form a Cr-deficient layer, the corrosion resistance may be significantly deteriorated.
さらに、特許文献5で提案されている技術では、脆化相であるσ相を積極利用していることから材料の延性が損なわれるため、特許文献4と同様に鋼板製造が難しく、移動体に使用される固体高分子型燃料電池セパレータに要求される耐衝撃性や耐久性を満足することは困難である。 Furthermore, in the technique proposed in Patent Document 5, since the ductility of the material is impaired because the σ phase which is an embrittlement phase is actively used, it is difficult to manufacture the steel plate as in Patent Document 4, and the mobile body It is difficult to satisfy the impact resistance and durability required for the polymer electrolyte fuel cell separator used.
本願発明は上記事情を背景としてなされたものであり、延性を確保しつつ強度及び耐食性に優れ、接触抵抗が低い固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made against the background of the above circumstances, and aims to provide a stainless steel for a polymer electrolyte fuel cell separator having excellent strength and corrosion resistance while ensuring ductility, and low contact resistance, and a method for producing the same. To do.
すなわち、本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼のうち、第1の本発明は、質量%で、C:0.01〜0.1%、Si:0.1〜1.0%、Mn:0.1〜3.0%、Ni:6.0〜20.0%、Cr:17.0〜30.0%、Mo:0.5〜4.0%、N:0.86〜1.5%を含有し、残部がFeおよび不可避の不純物よりなり、不可避不純物中でP:0.03%以下、S:0.01%以下、Al:0.01%以下、O:0.02%以下に制限した組成を有するステンレス鋼中に、導電性を有する金属窒化物が分散し、分散している前記金属窒化物の一部が当該ステンレス鋼表面に露出していることを特徴とする。 That is, among the stainless steels for polymer electrolyte fuel cell separators of the present invention, the first present invention is mass%, C: 0.01 to 0.1%, Si: 0.1 to 1.0% , Mn: 0.1 to 3.0%, Ni: 6.0 to 20.0%, Cr: 17.0 to 30.0%, Mo: 0.5 to 4.0%, N: 0.86 -1.5%, with the balance being Fe and inevitable impurities, P: 0.03% or less, S: 0.01% or less, Al: 0.01% or less, O: 0 in the inevitable impurities In the stainless steel having a composition limited to 0.02% or less, conductive metal nitride is dispersed, and a part of the dispersed metal nitride is exposed on the surface of the stainless steel. And
第2の本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼は、前記第1の本発明において、前記金属窒化物がM4N型、M2N型、MN型窒化物(但し、Mは金属元素)のうちの1種以上であることを特徴とする。 The stainless steel for the polymer electrolyte fuel cell separator according to the second aspect of the present invention is the above-mentioned first aspect of the present invention, wherein the metal nitride is M 4 N type, M 2 N type, MN type nitride (where M is It is one or more of (metal elements).
第3の本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼は、前記第1または第2の本発明において、前記窒化物中の金属元素がクロム、モリブデン、バナジウムの1種以上を含んでいることを特徴とする。 In the stainless steel for a polymer electrolyte fuel cell separator according to the third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the metal element in the nitride contains one or more of chromium, molybdenum, and vanadium. It is characterized by that.
第4の本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼は、前記第1〜第3の本発明のいずれかにおいて、ステンレス鋼基地がオーステナイト相であることを特徴とする。 The stainless steel for the polymer electrolyte fuel cell separator according to the fourth aspect of the present invention is characterized in that, in any of the first to third aspects of the present invention, the stainless steel base is an austenitic phase.
第5の本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼は、前記第1〜第3の本発明のいずれかにおいて、前記組成にさらに、質量%で、V:0.01〜1.5%を含有することを特徴とする。 The stainless steel for the polymer electrolyte fuel cell separator according to the fifth aspect of the present invention is the composition according to any one of the first to third aspects of the present invention, in addition to the composition, in mass%, V: 0.01 to 1.5. % .
第6の本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼は、前記第1〜第5の本発明のいずれかにおいて、前記組成にさらに、質量%で、Nb:0.05〜1.5%、Ti:0.01〜0.05%、Zr:0.01〜0.1%の1種又は2種以上を含有することを特徴とする。 The stainless steel for a polymer electrolyte fuel cell separator according to the sixth aspect of the present invention is the above composition according to any one of the first to fifth aspects of the present invention, in addition to the composition by mass%, Nb: 0.05 to 1.5. %, Ti: 0.01-0.05%, Zr: 0.01-0.1% of 1 type or 2 types or more are contained.
第7の本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼は、前記第1〜第6のいずれかの本発明において、前記組成にさらに、質量%で、Co:0.5〜3.0%、Cu:0.5〜3.0%、W:0.05〜0.5%の1種又は2種以上を含有することを特徴とする。 The stainless steel for a polymer electrolyte fuel cell separator according to the seventh aspect of the present invention is the above-mentioned composition according to any one of the first to sixth aspects, wherein the composition further comprises, in mass%, Co: 0.5 to 3.0. %, Cu: 0.5 to 3.0%, W: 0.05 to 0.5%, or one or more thereof.
第8の本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼の製造方法は前記第1、5〜7のいずれか本発明に記載の組成を目標組成とするエレクトロスラグ再溶解電極と、加圧式エレクトロスラグ再溶解炉とを使用し、前記炉内の窒素ガス分圧を0.8MPa以上にしてエレクトロスラグ再溶解により前記目標組成の鋳塊を得ることを特徴とする。 The method for producing stainless steel for a polymer electrolyte fuel cell separator according to the eighth aspect of the present invention comprises an electroslag remelting electrode having the composition according to any one of the first and fifth to seventh aspects as a target composition, and a pressure type Using an electroslag remelting furnace, a nitrogen gas partial pressure in the furnace is set to 0.8 MPa or more to obtain an ingot of the target composition by electroslag remelting.
第9の本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼の製造方法は、前記エレクトロスラグ再溶解により得られた鋳塊に、800〜1000℃での焼鈍および時効処理の一方または両方を行うことを特徴とする。 In the ninth method of producing a stainless steel for a polymer electrolyte fuel cell separator according to the present invention, one or both of annealing and aging treatment at 800 to 1000 ° C. are performed on the ingot obtained by remelting the electroslag. It is characterized by that.
第10の本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼の製造方法は、前記第8または第9の本発明において、表面を酸処理してJIS B 0633−2001に規定する中心線平均粗さで0.5〜2.5μmの粗面とすることを特徴とする。 The method for producing stainless steel for a polymer electrolyte fuel cell separator according to the tenth aspect of the present invention is the center line average roughness defined in JIS B 0633-2001 by acid-treating the surface in the eighth or ninth aspect of the present invention. The rough surface is 0.5 to 2.5 μm.
すなわち、本発明によれば、耐食性や強度を損なうことなくステンレス鋼の導電性を改善して固体高分子型燃料電池セパレータ用として好適な特性を発揮する。
以下に、本願発明の規定における各条件を説明する。
That is, according to the present invention, the conductivity of stainless steel is improved without deteriorating the corrosion resistance and strength, and the characteristics suitable for a polymer electrolyte fuel cell separator are exhibited.
Below, each condition in prescription | regulation of this invention is demonstrated.
金属窒化物の分散
金属窒化物は、従来、ステンレス鋼の導電性改善に用いられている炭化物よりも導電性が高く、また、炭化物や硼化物よりも微細に分散するため、加工性を損なうことなく導電性を格段に向上させることができる。また、金属窒化物は微細に析出するため耐食性への影響もほとんどない。
本願発明としては金属窒化物の大きさや分散の程度は特に限定されるものではない。また、金属窒化物の種類も導電性を有するものであればよく、特定のものに限定されない。なお、ここで導電性を有するものとして、好適には導電率120×104Ω−1・m−1以上を挙げることができる。
金属窒化物としては、M4N型、M2N型、MN型(但し、Mは金属元素)の構造を挙げることができ、金属元素としては、クロム、モリブデン、バナジウムを挙げることができる。金属窒化物は1種のものであってもよく、また、2種以上が混在しているものであってもよい。また、金属窒化物が複数の金属を構成元素とするものであってもよい。
Dispersion of metal nitride Metal nitride has higher conductivity than carbides conventionally used to improve the conductivity of stainless steel, and it disperses more finely than carbides and borides, thus impairing workability. Therefore, the conductivity can be remarkably improved. Further, since the metal nitride is finely precipitated, there is almost no influence on the corrosion resistance.
In the present invention, the size of metal nitride and the degree of dispersion are not particularly limited. Moreover, the kind of metal nitride should just have electroconductivity, and is not limited to a specific thing. In addition, as what has electroconductivity here, electrical conductivity 120 * 10 < 4 > (omega | ohm) -1 * m < -1 > or more can be mentioned suitably.
Examples of the metal nitride include M 4 N type, M 2 N type, and MN type (where M is a metal element), and examples of the metal element include chromium, molybdenum, and vanadium. One kind of metal nitride may be used, or two or more kinds may be mixed. Further, the metal nitride may contain a plurality of metals as constituent elements.
オーステナイト相基地
本願発明では、オーステナイト鋼の組織は特定のものに限定されないが、オーステナイト相で構成されているものが望ましい。オーステナイト相ステンレス鋼は耐食性に優れ、延性が良好で加工性にも優れている。
Austenitic Phase Base In the present invention, the structure of austenitic steel is not limited to a specific one, but is preferably composed of an austenitic phase. Austenitic stainless steel has excellent corrosion resistance, good ductility, and excellent workability.
以下の本発明の一部形態で規定される組成の限定理由について説明する。
以下で説明する各成分の含有量はいずれも質量%で示される。なお、下記組成では、厳しい環境下に曝される固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼として、窒素を0.6〜1.5%添加して強度と耐食性を高め、強力なオーステナイト相安定化元素である窒素の特性を利用して基地をオーステナイト相に保ちつつ、導電性の高い窒化物をステンレス鋼表面に分散・露出させることにより接触抵抗を低減するものである。
The reason for limitation of the composition prescribed | regulated by the following one form of this invention is demonstrated.
Content of each component demonstrated below is shown by the mass% altogether. In the following composition, 0.6 to 1.5% nitrogen is added as a stainless steel for polymer electrolyte fuel cell separators exposed to harsh environments to increase strength and corrosion resistance, and to stabilize strong austenite phase The contact resistance is reduced by dispersing and exposing a highly conductive nitride on the surface of the stainless steel while keeping the base in the austenite phase by utilizing the characteristics of nitrogen which is an element.
C:0.01〜0.1%
Cは、強力なオーステナイト相安定化元素であると同時に固溶強化成分として非常に有効であり、0.01%以上含有させる。しかし、0.1%を超えた含有は、溶鋼の窒素溶解度を減少させるとともに、Cr炭化物の形成によりマトリックス中のCr量を減少させ粒界腐食を著しく促進させるなどの耐食性の劣化を招くので、上限を0.1%とする。
なお、同様の理由で下限を0.03%、上限を0.07%とするのが望ましい。
C: 0.01 to 0.1%
C is a strong austenite stabilizing element and at the same time is very effective as a solid solution strengthening component, and is contained in an amount of 0.01% or more. However, if the content exceeds 0.1%, the nitrogen solubility of the molten steel is reduced, and the formation of Cr carbide reduces the amount of Cr in the matrix and significantly deteriorates the intergranular corrosion. The upper limit is 0.1%.
For the same reason, it is desirable that the lower limit is 0.03% and the upper limit is 0.07%.
Si:0.1〜1.0%
Siは、有効な脱酸剤として製鋼工程に不可欠であり、Siよりも強力な脱酸剤であるAlを用いると高温強度や延靭性に悪影響を及ぼすAlNの生成を招く可能性があるため、主要な脱酸剤として使用することが望ましく、0.1%以上含有させる。しかし、1.0%を超えて含有すると製造時に疵や割れを生じやすいので、上限を1.0%とする。
なお、同様の理由で下限を0.2%、上限を0.8%とするのが望ましい。
Si: 0.1 to 1.0%
Si is indispensable for the steelmaking process as an effective deoxidizer, and if Al, which is a stronger deoxidizer than Si, may cause generation of AlN that adversely affects high-temperature strength and ductility, It is desirable to use it as a main deoxidizing agent, and 0.1% or more is contained. However, if it exceeds 1.0%, wrinkles and cracks are likely to occur during production, so the upper limit is made 1.0%.
For the same reason, it is desirable to set the lower limit to 0.2% and the upper limit to 0.8%.
Mn:0.1〜3.0%
Mnは、脱酸や脱硫剤として作用するとともに、オーステナイト相安定化元素であり溶鋼の窒素溶解度を著しく高めるので0.1%以上含有させる。しかし、3.0%を超えて含有すると耐食性の劣化を招くので、上限を3.0%とする。なお、同様の理由で下限を0.5%、上限を2.5%とするのが望ましい。
Mn: 0.1 to 3.0%
Mn acts as a deoxidizing and desulfurizing agent, and is an austenite phase stabilizing element and significantly increases the nitrogen solubility of the molten steel. However, if the content exceeds 3.0%, the corrosion resistance is deteriorated, so the upper limit is made 3.0%. For the same reason, it is desirable to set the lower limit to 0.5% and the upper limit to 2.5%.
Ni:6.0〜20.0%
Niは、耐食性を得るのに重要な元素でありオーステナイト相安定化元素である。そのため、本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼においては、オーステナイト単相を得るために少なくとも6.0%以上必要である。しかし、必要以上の含有は強度を損なわせるとともに原材料コストの増加を招くため、上限を20.0%とする。なお、同様の理由で下限を7.0%、上限を18.0%とするのが望ましい。
Ni: 6.0 to 20.0%
Ni is an important element for obtaining corrosion resistance and an austenite phase stabilizing element. Therefore, in the stainless steel for a polymer electrolyte fuel cell separator of the present invention, at least 6.0% or more is necessary to obtain an austenite single phase. However, if the content is more than necessary, the strength is impaired and the cost of raw materials is increased, so the upper limit is made 20.0%. For the same reason, it is desirable to set the lower limit to 7.0% and the upper limit to 18.0%.
Cr:17.0〜30.0%
Crは、溶鋼の窒素溶解度を著しく高め、マトリックスの耐食性や強度の向上に大きく寄与する。一方で、M4N型、M2N型、MN型などの金属窒化物が析出した場合、接触抵抗は低減するものの前記窒化物の金属元素として鋼中Crが消費されるため、耐食性向上に寄与する鋼中Cr量が低下して耐食性が劣化する場合がある。そのため、本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼においては、0.6%以上の窒素量を確保し耐食性を確保するために17.0%以上のCr含有が必要である。しかし、Crはフェライト相安定化元素であるためにオーステナイト相の不安定化を招くため、上限を30.0%とする。なお、同様の理由で下限を18.0%、上限を28.0%とするのが望ましい。
Cr: 17.0 to 30.0%
Cr significantly increases the nitrogen solubility of molten steel and greatly contributes to the improvement of the corrosion resistance and strength of the matrix. On the other hand, when metal nitride such as M 4 N type, M 2 N type, and MN type deposits, although the contact resistance is reduced, Cr in the steel is consumed as the metal element of the nitride, so that the corrosion resistance is improved. The amount of Cr in the steel that contributes may decrease and corrosion resistance may deteriorate. Therefore, in the stainless steel for a polymer electrolyte fuel cell separator of the present invention, it is necessary to contain 17.0% or more of Cr in order to secure a nitrogen amount of 0.6% or more and ensure corrosion resistance. However, since Cr is a ferrite phase stabilizing element and causes instability of the austenite phase, the upper limit is made 30.0%. For the same reason, it is desirable to set the lower limit to 18.0% and the upper limit to 28.0%.
Mo:0.5〜4.0%
Moは、溶鋼の窒素溶解度を著しく高めるとともに固溶強化成分として非常に有効である。さらに、Crよりも少量で耐食性を向上させる効果があることから、その効果を得るために本発明では0.5%以上含有する。しかし、必要以上の含有は原材料コストの増加を招くとともに、σ相等の脆化相の形成により延靭性が低下し熱間加工性を損なうことから、上限を4.0%とする。なお、同様の理由で下限を1.0%、上限を3.5%とするのが望ましい。
Mo: 0.5-4.0%
Mo significantly increases the nitrogen solubility of molten steel and is very effective as a solid solution strengthening component. Furthermore, since there exists an effect which improves corrosion resistance in a small quantity rather than Cr, in order to acquire the effect, it contains 0.5% or more in this invention. However, if the content is more than necessary, the raw material cost is increased, and the ductility is reduced due to the formation of an embrittled phase such as the σ phase, and the hot workability is impaired, so the upper limit is made 4.0%. For the same reason, it is desirable to set the lower limit to 1.0% and the upper limit to 3.5%.
V:0.01〜1.5%
Vは、溶鋼の窒素溶解度を著しく高めるとともに、本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼の接触抵抗を低減させるM4N型、M2N型、MN型窒化物中の金属元素として主要な成分であり、望ましくは含有させる。0.01%未満のV量では十分な接触抵抗低減効果が見込めない。しかし、Vはフェライト生成元素であるためにオーステナイト相の不安定化を招くとともに、σ相等の脆化相の形成により延靭性が低下し熱間加工性を損なうことから、上限を1.5%とする。なお、同様の理由で下限を0.1%、上限を1.2%とするのが望ましく、さらに下限を0.5%とするのが一層望ましい。
なお、本発明にはVを含有しないものも含まれる。
V: 0.01 to 1.5%
V is a metal element in M 4 N type, M 2 N type, and MN type nitride that significantly increases the nitrogen solubility of the molten steel and reduces the contact resistance of the stainless steel for the polymer electrolyte fuel cell separator of the present invention. It is a major component and is desirably contained. If the V amount is less than 0.01%, a sufficient contact resistance reduction effect cannot be expected. However, since V is a ferrite-forming element, the austenite phase is destabilized, and the ductility is reduced due to the formation of an embrittled phase such as the σ phase, so that the hot workability is impaired. And For the same reason, the lower limit is preferably 0.1% and the upper limit is 1.2%, and more preferably 0.5%.
In addition, what does not contain V is also contained in this invention.
N:0.6〜1.5%
Nは、侵入型固溶元素であり極めて高い固溶強化能を有するとともに、オーステナイト相の安定化および耐食性の向上に有効な本発明の基本となる添加成分である。加えて、Nを構成元素とするM4N型、M2N型、MN型窒化物は炭化物よりも優れた導電性を有している。そのため、本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼においては、0.6%未満の窒素量ではオーステナイト相が不安定化し、強度の低下や耐食性の劣化を招く上に十分な接触抵抗低減効果が得られるだけの窒化物の析出が見込めない。ただし、1.5%を超えると、窒素ブローホールの生成を抑制するために10気圧以上の高圧環境下に格納された溶解設備が必要となることから製造コストの増大を招くので、上限を1.5%とする。なお、同様の理由で下限を0.7%、上限を1.3%とするのが望ましい。
N: 0.6-1.5%
N is an interstitial solid solution element and has an extremely high solid solution strengthening ability, and is an additive component serving as the basis of the present invention effective for stabilizing the austenite phase and improving corrosion resistance. In addition, M 4 N-type, M 2 N-type, and MN-type nitrides having N as a constituent element have conductivity superior to carbides. Therefore, in the stainless steel for polymer electrolyte fuel cell separator of the present invention, the austenite phase becomes unstable when the amount of nitrogen is less than 0.6%, and the contact resistance is sufficiently reduced in addition to causing a decrease in strength and a deterioration in corrosion resistance. Precipitation of nitride sufficient to obtain the effect cannot be expected. However, if it exceeds 1.5%, a melting facility stored in a high-pressure environment of 10 atm or more is required to suppress the formation of nitrogen blowholes. .5%. For the same reason, it is desirable to set the lower limit to 0.7% and the upper limit to 1.3%.
(不可避不純物)
不可避不純物中で、下記するように、P、S、Al、Oの含有量を規制するのが望ましい。
(Inevitable impurities)
In the inevitable impurities, it is desirable to regulate the contents of P, S, Al, and O as described below.
P:0.03%以下
Pは、0.03%を超えて含有すると粒界に偏析したPが熱間加工性と耐食性を著しく劣化させるので、0.03%以下に制限する必要がある。
S:0.01%以下
Sは、0.01%を超えて含有すると熱間加工性が低下するとともに、MnSなどの硫化物の形成により耐食性が著しく損なわれるので、0.01%以下に制限する必要がある。
Al:0.01%以下
Alは、脱酸剤として有効な元素であるが、窒素を多く含有する鋼ではAlを過剰に添加するとAlNが形成され、熱間加工性の劣化や耐食性の著しい低下を招くので、0.01%以下に制限する必要がある。
O:0.02%以下
Oは、含有量が過剰になると鋳塊の清浄度を低下させ、延靭性の低下や耐食性の劣化を招くので、0.02%以下に制限する必要がある。
P: 0.03% or less When P is contained in excess of 0.03%, P segregated at grain boundaries significantly deteriorates hot workability and corrosion resistance, so it is necessary to limit it to 0.03% or less.
S: 0.01% or less If S is contained in excess of 0.01%, hot workability deteriorates and corrosion resistance is significantly impaired by the formation of sulfides such as MnS, so it is limited to 0.01% or less. There is a need to.
Al: 0.01% or less Al is an element that is effective as a deoxidizer, but in steels containing a large amount of nitrogen, if Al is added excessively, AlN is formed, and hot workability deteriorates and corrosion resistance decreases significantly. Therefore, it is necessary to limit it to 0.01% or less.
O: 0.02% or less O, if the content is excessive, lowers the cleanness of the ingot, leading to a reduction in ductility and a deterioration in corrosion resistance, so it is necessary to limit it to 0.02% or less.
以下、本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼にさらに添加可能な成分について説明する。 Hereinafter, components that can be further added to the stainless steel for a polymer electrolyte fuel cell separator of the present invention will be described.
Nb:0.05〜1.5%
Nbは、Vと同様に溶鋼の窒素溶解度を高め、M4N型、M2N型、MN型などの金属窒化物を形成して強度の向上に寄与するとともに接触抵抗を低減する効果がある。この効果を得るには0.05%以上の含有が必要となるが、上限値を超える含有を行なうと窒化物が高温で安定となるために熱間加工性の劣化や耐食性の低下を招く。なお、同様の理由で下限を0.06%、上限を1.0%とするのが望ましい。
Nb: 0.05 to 1.5%
Nb, like V, increases the nitrogen solubility of molten steel, and forms metal nitrides such as M 4 N type, M 2 N type, and MN type to contribute to improvement of strength and reduce contact resistance. . In order to obtain this effect, 0.05% or more must be contained. However, if the content exceeds the upper limit, the nitride becomes stable at high temperatures, which causes deterioration of hot workability and corrosion resistance. For the same reason, it is desirable that the lower limit is 0.06% and the upper limit is 1.0%.
Ti:0.01〜0.05%
Tiは、溶鋼の窒素溶解度を高め、M4N型、M2N型、MN型などの金属窒化物を形成して強度の向上に寄与するとともに接触抵抗を低減する効果がある。この効果を得るには0.01%以上の含有が必要となるが、0.05%を超えて含有すると窒化物が溶鋼から晶出するようになり、鋼中の非金属介在物として熱間加工性の劣化や耐食性の低下を招く。なお、同様の理由で下限を0.02%、上限を0.04%とするのが望ましい。
Ti: 0.01 to 0.05%
Ti has the effect of increasing the nitrogen solubility of molten steel and forming metal nitrides such as M 4 N type, M 2 N type, and MN type to contribute to improving strength and reducing contact resistance. In order to obtain this effect, a content of 0.01% or more is required. However, if it exceeds 0.05%, nitrides crystallize from the molten steel, and hot as nonmetallic inclusions in the steel. It causes deterioration of workability and corrosion resistance. For the same reason, it is desirable that the lower limit is 0.02% and the upper limit is 0.04%.
Zr:0.01〜0.1%
Zrは、Tiと同様に溶鋼の窒素溶解度を高め、M4N型、M2N型、MN型などの金属窒化物を形成して接触抵抗を低減する効果がある。この効果を得るには0.01%以上の含有が必要となるが、0.1%を超えて含有すると窒化物が溶鋼から晶出するようになり、鋼中の非金属介在物として熱間加工性の劣化や耐食性の低下を招く。なお、同様の理由で下限を0.02%、上限を0.08%とするのが望ましい。
上記Nb、Ti、Zrは、所望により1種以上を上記範囲の含有量で含有させることができる。
Zr: 0.01 to 0.1%
Zr has the effect of increasing the nitrogen solubility of molten steel, like Ti, and forming metal nitrides such as M 4 N type, M 2 N type, and MN type to reduce contact resistance. In order to obtain this effect, it is necessary to contain 0.01% or more. However, if it exceeds 0.1%, nitride will crystallize from the molten steel, and it is hot as a nonmetallic inclusion in the steel. It causes deterioration of workability and corrosion resistance. For the same reason, it is desirable that the lower limit is 0.02% and the upper limit is 0.08%.
The Nb, Ti, and Zr can contain one or more of them in a content within the above range if desired.
Co:0.5〜3.0%
Coは、Niと同様にオーステナイト相安定化元素であり耐食性に寄与する成分である。0.5%未満では効果が乏しいが、3.0%を越える必要以上の含有は原材料コストの増加を招くため、上限を3.0%とする。
Co: 0.5-3.0%
Co, like Ni, is an austenite phase stabilizing element and a component contributing to corrosion resistance. If the content is less than 0.5%, the effect is poor, but if the content exceeds 3.0% more than necessary, the raw material cost increases, so the upper limit is made 3.0%.
Cu:0.5〜3.0%
Cuは、オーステナイト相安定化元素でありNiやCoと同様にオーステナイト相の安定化に寄与する。0.5%未満では効果が乏しいが、3.0%を超える含有は熱間加工性を損なうことから、上限を3.0%とする。
Cu: 0.5 to 3.0%
Cu is an austenite phase stabilizing element and contributes to the stabilization of the austenite phase like Ni and Co. If it is less than 0.5%, the effect is poor, but if it exceeds 3.0%, hot workability is impaired, so the upper limit is made 3.0%.
W:0.05〜0.5%
Wは、Moと同様に耐食性の向上や固溶強化成分として有効であり、このために0.05%以上の含有が必要であるが、σ相等の脆化相の形成により延靭性が低下し熱間加工性を損なうとともに、溶体化処理時の未固溶Cr炭窒化物を成長させ耐力性を著しく低下させることから、上限を0.5%とする。
上記Co、Cu、Wは、所望により1種以上を上記範囲の含有量で含有させることができる。
W: 0.05-0.5%
W, like Mo, is effective as a component for enhancing corrosion resistance and strengthening the solid solution. For this reason, it is necessary to contain 0.05% or more, but the ductility decreases due to the formation of an embrittlement phase such as σ phase. The hot workability is impaired, and undissolved Cr carbonitride during the solution treatment is grown to significantly reduce the yield strength. Therefore, the upper limit is set to 0.5%.
The Co, Cu, and W can contain one or more of them in a content within the above range as desired.
溶解設備
上記形態の本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼は、多量の窒素を含有することが特徴であるが、通常の大気圧環境における溶解では凝固時に窒素ブローホールが鋼中に発生して、歩留りの悪化や後工程のコスト増大を招く。そのため、本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼は少なくとも耐圧能力が0.8MPa以上の加圧式エレクトロスラグ再溶解炉を用いて製造することが望ましい。加圧の可能な各種溶解炉を用いれば本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼を製造することは可能であるが、凝固時に晶出するM2N型、MN型などの金属窒化物を鋼中に均一に分散させることを考慮すると、加圧式エレクトロスラグ再溶解炉を利用することが最も有効である。さらに、前記炉内の窒素ガス分圧が0.8MPa未満であると所望の窒素量が得られないことから、窒素ガス分圧を0.8MPa以上に調節することが望ましい。
なお、加圧式エレクトロスラグ再溶解炉は、所定の加圧雰囲気でエレクトロスラグ再溶解を行えるものであればよく、その構造は特定のものに限定されない。
Melting equipment Stainless steel for polymer electrolyte fuel cell separators of the present invention having the above-mentioned form is characterized by containing a large amount of nitrogen. However, when melting in a normal atmospheric pressure environment, nitrogen blowholes are contained in the steel during solidification. Occurs, leading to a deterioration in yield and an increase in costs for subsequent processes. Therefore, it is desirable that the stainless steel for the polymer electrolyte fuel cell separator of the present invention is manufactured using a pressurized electroslag remelting furnace having at least a pressure resistance of 0.8 MPa or more. The use of various melting furnaces capable of pressurization makes it possible to produce the stainless steel for the polymer electrolyte fuel cell separator of the present invention, but metal nitriding such as M 2 N type and MN type that crystallizes during solidification. In consideration of uniformly dispersing the material in the steel, it is most effective to use a pressurized electroslag remelting furnace. Furthermore, since the desired nitrogen amount cannot be obtained when the nitrogen gas partial pressure in the furnace is less than 0.8 MPa, it is desirable to adjust the nitrogen gas partial pressure to 0.8 MPa or more.
The pressurization type electroslag remelting furnace is not limited to a specific one as long as it can perform electroslag remelting in a predetermined pressurized atmosphere.
なお、窒素添加の方法は特に限定されるものではなく、フェロ窒化マンガンやフェロ窒化クロム等の窒化合金をエレクトロスラグ溶解の時点で電極とともに溶解し添加する方法や電極作製時にガス吸収により溶鋼へ添加する方法等種々の方法を用いることができる。 The method of adding nitrogen is not particularly limited, and a method of adding a nitride alloy such as ferromanganese nitride or ferrochromium nitride together with the electrode at the time of electroslag melting or adding to the molten steel by gas absorption at the time of electrode preparation Various methods such as a method for performing the above can be used.
焼鈍あるいは時効処理
上記形態での本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼は、CrやV等と窒素を多量に含有しているため、M2N型、MN型などの金属窒化物が凝固の時点から晶出して鋼中に存在する。本発明では特に指定しないが、時効処理によってM4N型、M2N型などの金属窒化物の析出量を増加させて、さらに接触抵抗を低減することも可能である。また、焼鈍処理によってステンレス鋼中の歪みを緩和して、以降の熱間加工あるいは冷間加工を容易にすることも可能である。その際、800℃未満の焼鈍あるいは時効温度ではσ相等の脆化相が析出して熱間加工性を損なうため、800℃〜1000℃の温度範囲における焼鈍あるいは時効温度で実施することが望ましい。なお、1000℃以上の焼鈍あるいは時効温度ではM4N型、M2N型窒化物の析出量が少なく、あらかじめ鋼中に存在していたMN型窒化物が固溶してしまうため接触抵抗低減に十分な効果が得られない。
Annealing or aging treatment Since the stainless steel for polymer electrolyte fuel cell separator of the present invention in the above form contains a large amount of nitrogen such as Cr, V, etc., metal nitrides such as M 2 N type and MN type Crystallizes from the time of solidification and is present in the steel. Although not specified in the present invention, it is possible to further reduce the contact resistance by increasing the amount of precipitation of metal nitrides such as M 4 N type and M 2 N type by aging treatment. It is also possible to ease the subsequent hot working or cold working by relaxing the strain in the stainless steel by annealing treatment. At this time, since an embrittlement phase such as σ phase precipitates at an annealing or aging temperature of less than 800 ° C. and impairs hot workability, it is desirable to carry out the annealing or aging temperature in the temperature range of 800 ° C. to 1000 ° C. In addition, at an annealing temperature of 1000 ° C. or higher or an aging temperature, the amount of M 4 N-type and M 2 N-type nitrides deposited is small, and MN-type nitrides that have already existed in the steel will be dissolved, reducing contact resistance. Insufficient effect is obtained.
以上のように、本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼は、炭化物よりも導電性の高いM4N型、M2N型、MN型などの金属窒化物をステンレス鋼表面に分散・露出させて接触抵抗の低減を実現することができる。 As described above, the stainless steel for a polymer electrolyte fuel cell separator of the present invention disperses metal nitrides such as M 4 N type, M 2 N type, and MN type having higher conductivity than carbide on the surface of stainless steel.・ It can be exposed to reduce contact resistance.
また、窒素を多量に含有させれば、オーステナイト相を安定化させ、強度及び延性を損なうことなくCrやMoとともに耐食性を向上させる窒素が基地中にも多量にあることから、炭化物や硼化物、金属間化合物の析出したステンレス鋼以上の強度及び延性と耐食性を有することができる。 Further, if nitrogen is contained in a large amount, the austenite phase is stabilized, and there is a large amount of nitrogen in the base that improves corrosion resistance together with Cr and Mo without impairing strength and ductility. It can have strength, ductility and corrosion resistance higher than those of stainless steel on which intermetallic compounds are deposited.
さらに、高価なNiやCoなどのオーステナイト相安定化元素の使用量を低減して原材料コストの増大を抑え、適度な窒素添加量を採用したことから10気圧を超える高圧設備を必要としないため、本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼は10気圧未満の耐圧能力を備えた加圧式エレクトロスラグ再溶解炉を用いることにより大型鋳塊を製造することができるために製造コストを低減することができる。 Furthermore, since the amount of expensive austenite phase stabilizing elements such as Ni and Co is reduced, the increase in raw material costs is suppressed, and an appropriate amount of nitrogen addition is adopted, so high pressure equipment exceeding 10 atm is not required. The stainless steel for polymer electrolyte fuel cell separator of the present invention can produce a large ingot by using a pressurized electroslag remelting furnace having a pressure resistance of less than 10 atm. be able to.
以下に、本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼を製造する一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
先ず、質量%で、C:0.01〜0.1%、Si:0.1〜1.0%、Mn:0.1〜3.0%、Ni:6.0〜20.0%、Cr:17.0〜30.0%、Mo:0.5〜4.0%、N:0.6〜1.5%を含有し、所望により、質量%で、V:0.01〜1.5%、を含有し、さらに所望により質量%で、Nb:0.05〜1.5%、Ti:0.01〜0.05%、Zr:0.01〜0.1%の1種又は2種以上を含有し、さらに、所望により質量%で、Co:0.5〜3.0%、Cu:0.5〜3.0%、W:0.05〜0.5%の1種又は2種以上を含有し、残部がFeおよび不可避の不純物よりなり、不可避不純物中でP:0.03%以下、S:0.01%以下、Al:0.01%以下、O:0.02%以下に制限した組成を目標成分として得られるように成分調整をしたESR用電極10を用意しておく。
Hereinafter, an embodiment for producing stainless steel for a polymer electrolyte fuel cell separator of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
First, in mass%, C: 0.01 to 0.1%, Si: 0.1 to 1.0%, Mn: 0.1 to 3.0%, Ni: 6.0 to 20.0%, Cr: 17.0-30.0%, Mo: 0.5-4.0%, N: 0.6-1.5%, optionally in mass%, V: 0.01-1 1%, Nb: 0.05-1.5%, Ti: 0.01-0.05%, Zr: 0.01-0.1% Or 2 or more, and, if desired, 1% by mass, Co: 0.5-3.0%, Cu: 0.5-3.0%, W: 0.05-0.5% It contains seeds or two or more, and the balance consists of Fe and unavoidable impurities. P: 0.03% or less, S: 0.01% or less, Al: 0.01% or less, O: 0 Target composition limited to 0.02% or less It is prepared the ESR electrode 10 where the component adjustment so as to obtain a minute.
エレクトロスラグ再溶解炉1は、密閉型で、上記ESR電極10を吊り下げ治具10aによって上下に移動可能に設置することができ、また、炉内に窒素ガスを導入するガス導入部2を有している。エレクトロスラグ再溶解炉1は、電源3を備えており、炉内に設置された前記ESR電極に一端を接続する。エレクトロスラグ再溶解炉1では、導電性炉床に前記電源3の他端が接続される。エレクトロスラグ再溶解炉1の炉壁では、図示しないが、水冷などの適宜の冷却手段を設けることができる。
操業に際し、エレクトロスラグ再溶解炉1内には、適宜組成のスラグ11を装入する。前記ESR電極10は、その先端部がスラグ11中に浸漬するように位置させる。さらに、ガス導入部2より炉内に窒素を導入して炉内を、窒素分圧が0.8MPa以上の加圧雰囲気とする。
The electroslag remelting furnace 1 is a closed type, and the ESR electrode 10 can be installed so as to be movable up and down by a hanging jig 10a. The electroslag remelting furnace 1 has a gas introduction part 2 for introducing nitrogen gas into the furnace. doing. The electroslag remelting furnace 1 is provided with a power source 3 and one end is connected to the ESR electrode installed in the furnace. In the electroslag remelting furnace 1, the other end of the power source 3 is connected to a conductive hearth. Although not shown, an appropriate cooling means such as water cooling can be provided on the furnace wall of the electroslag remelting furnace 1.
In operation, the electroslag remelting furnace 1 is charged with a slag 11 having an appropriate composition. The ESR electrode 10 is positioned such that its tip is immersed in the slag 11. Further, nitrogen is introduced into the furnace from the gas introduction part 2 to make the inside of the furnace a pressurized atmosphere having a nitrogen partial pressure of 0.8 MPa or more.
ESR電極10およびスラグ11を通して電源3により通電すると、スラグ11の抵抗熱によってスラグ11およびESR電極10の先端部が溶融する。溶融金属は、スラグ11中を滴下し、その際にスラグ中に溶融金属中のP、S、Oなどの不純物が取り込まれて精製され、スラグ下方に溶融プール12を形成し、次第に炉壁と炉底から冷却されてESR鋳塊13が生成される。ESR鋳塊13および溶融プール12の生成に伴って、スラグ11が次第に上方に浮遊移動するため、これに合わせて電極10を降下させてESR電極10の再溶解を継続して行う。上記のように溶融金属は、スラグ11中を降下して脱硫等が効果的になされ、炉壁と炉底から冷却されることで良好な鋳肌と内部性状を有する鋳塊が得られる。 When the power source 3 is energized through the ESR electrode 10 and the slag 11, the slag 11 and the tip of the ESR electrode 10 are melted by the resistance heat of the slag 11. The molten metal is dropped in the slag 11, and at that time, impurities such as P, S and O in the molten metal are taken into the slag and refined to form a molten pool 12 below the slag. The ESR ingot 13 is generated by cooling from the furnace bottom. As the ESR ingot 13 and the molten pool 12 are generated, the slag 11 gradually floats and moves upward. Accordingly, the electrode 10 is lowered in accordance with this, and the ESR electrode 10 is continuously remelted. As described above, the molten metal descends through the slag 11 and is effectively desulfurized, and is cooled from the furnace wall and the furnace bottom, whereby an ingot having a good casting surface and internal properties is obtained.
図2は、本発明の製造方法の工程フローの一形態を示すものである。
エレクトロスラグ再溶解によって得られた鋳塊は、所望により焼鈍を行うことができる。該焼鈍では、ステンレス鋼中の歪みを緩和して、以降の熱間加工あるいは冷間加工を容易にする。焼鈍の温度は前記したように、800℃〜1000℃の温度範囲で行うのが望ましい。
FIG. 2 shows an embodiment of the process flow of the manufacturing method of the present invention.
The ingot obtained by electroslag remelting can be annealed as desired. In the annealing, the strain in the stainless steel is relaxed to facilitate subsequent hot working or cold working. As described above, the annealing temperature is desirably performed in a temperature range of 800 ° C to 1000 ° C.
ESR鋳塊13は、上記焼鈍後、またはエレクトロスラグ再溶解ままで、熱間鍛造や熱間圧延によって板材とすることができる。この際の条件は本発明としては特に限定されるものではない。 The ESR ingot 13 can be made into a plate material by hot forging or hot rolling after the annealing or while remelting the electroslag. The conditions at this time are not particularly limited in the present invention.
ステンレス鋼板は、熱間加工または冷間加工によってセパレータに用いる形状に加工することができるが、加工前または加工後に、所望により時効処理を行ってもよい。時効処理では、金属窒化物の析出を促進することができる。時効処理の温度も前記したように、800℃〜1000℃の温度範囲で行うのが望ましい。 The stainless steel plate can be processed into a shape used for a separator by hot working or cold working, but may be subjected to an aging treatment as desired before or after working. In the aging treatment, precipitation of metal nitride can be promoted. As described above, the temperature of the aging treatment is preferably performed in the temperature range of 800 ° C to 1000 ° C.
セパレータ形状とするステンレス鋼板は、酸処理によって表面を粗面化することができる。これにより金属窒化物の表面露出を確実にして、導電性をより高めることができる。酸処理によって、本願発明では、JIS B 0633−2001に規定する中心線平均粗さで0.5〜2.5μmの粗さとするのが望ましい。なお、本発明としては、酸処理に用いる酸の種類や処理時間は特に限定されるものではなく、上記粗面が得られるものであればよいが、使用する酸の種類として、フッ酸を含むものが望ましい。 The stainless steel plate having a separator shape can be roughened by acid treatment. Thereby, the surface exposure of the metal nitride can be ensured and the conductivity can be further increased. In the present invention, it is desirable that the center line average roughness specified in JIS B 0633-2001 is 0.5 to 2.5 μm by acid treatment. In the present invention, the kind of acid used for the acid treatment and the treatment time are not particularly limited as long as the rough surface can be obtained, but the acid used includes hydrofluoric acid. Things are desirable.
得られたステンレス鋼は、セパレータとして固体高分子型燃料電池に組み込んで使用することができる。 The obtained stainless steel can be used as a separator incorporated in a polymer electrolyte fuel cell.
以下に、本発明の実施例について図表を交えて説明する。
最終的に得られるESR鋳塊が表1の成分組成(残部がFe及びその他の不純物)になるように、原料を配合し真空誘導溶解炉で溶解して合金鋼を作製した。次いで、得られた合金鋼からESR電極を作製し、耐圧容器を備えた加圧式エレクトロスラグ再溶解炉にて、窒素分圧が0.8MPa以上となるように再溶解して、本発明の実施例となるESR鋳塊を得た。この鋳塊を熱間鍛造で25mm厚の板材とし、1200℃×4時間の加熱後、水冷する溶体化処理を実施した。
Examples of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The raw materials were mixed and melted in a vacuum induction melting furnace so that the finally obtained ESR ingot had the component composition shown in Table 1 (the balance being Fe and other impurities), and an alloy steel was produced. Next, an ESR electrode was produced from the obtained alloy steel and remelted in a pressurized electroslag remelting furnace equipped with a pressure vessel so that the nitrogen partial pressure was 0.8 MPa or more. An example ESR ingot was obtained. This ingot was made into a plate having a thickness of 25 mm by hot forging and subjected to a solution treatment by water cooling after heating at 1200 ° C. for 4 hours.
その後、上記板材より試験片を切り出して常温引張試験を実施した。表2にその結果を示す。表2に示したように、本発明の実施例の0.2%耐力は比較例よりも約2〜3倍高く、引張強度は比較例よりも約1.5〜2倍高くなっている。また、伸びは比較例よりも低くなるが、30%以上を確保していることから熱間加工や冷間加工による薄肉化にも耐えられる延性を有していた。 Then, the test piece was cut out from the said board | plate material and the normal temperature tension test was implemented. Table 2 shows the results. As shown in Table 2, the 0.2% proof stress of the example of the present invention is about 2-3 times higher than that of the comparative example, and the tensile strength is about 1.5-2 times higher than that of the comparative example. Moreover, although elongation becomes lower than a comparative example, since 30% or more was ensured, it had the ductility which can also endure thinning by hot processing or cold processing.
また、上記板材から機械加工により切り出した幅20mm、長さ25mm、厚さ3mmの試験片を用いて耐孔食性の評価試験を実施した。試験は、実施例No.2と比較例No.17及びNo.18において、30℃における3.5%塩化ナトリウム溶液中の孔食電位を測定した。その際、孔食電位は10μA/cm2に達する電位と100μA/cm2に達する電位を測定した。
表3にその結果を示す。表3に示したように、本発明の実施例No.2は、比較例No.18が孔食腐食する電位を大きく上回る電位においても全く孔食が発生せず、比較例No.17及びNo.18よりも優れた耐食性を有していた。
Moreover, the pitting corrosion resistance evaluation test was implemented using the test piece of width 20mm, length 25mm, and thickness 3mm cut out from the said board | plate material by machining. The test was conducted in Example No. 2 and Comparative Example No. 17 and no. At 18, the pitting potential in a 3.5% sodium chloride solution at 30 ° C. was measured. At that time, the pitting corrosion potential was measured as a potential reaching 10 μA / cm 2 and a potential reaching 100 μA / cm 2 .
Table 3 shows the results. As shown in Table 3, Example No. 2 is Comparative Example No. No pitting corrosion was generated even at a potential much higher than the potential at which 18 suffered from pitting corrosion. 17 and no. It had a corrosion resistance better than 18.
さらに、上記板材から機械加工により切り出した幅50mm、長さ55mm、厚さ0.8mmの試験片を用いて接触抵抗測定試験を実施した。試験片のうち、実施例のNo.1、No.4、No.6、No.7、No.9、No.10、No.11、No.12、No.13は試験片を切り出す前に1000℃×30時間加熱後、炉冷する時効処理を実施した。そして、試験片はAl2O3サンドを使用したサンドブラストにて酸化スケールを除去し、フッ酸3%、硝酸8%、水89%の酸洗液に浸漬して表面粗さをJIS B 0633−2001で規定の中心線平均粗さで0.5〜2.5μmに揃えた。なお、酸洗温度は60℃と一定にし、浸漬時間は溶体化処理状態の試験片で20分、時効処理状態の試験片で5分とした。 Furthermore, a contact resistance measurement test was performed using a test piece having a width of 50 mm, a length of 55 mm, and a thickness of 0.8 mm cut out from the plate material by machining. Among the test pieces, the No. of the example. 1, no. 4, no. 6, no. 7, no. 9, no. 10, no. 11, no. 12, no. In No. 13, the specimen was heated at 1000 ° C. for 30 hours and then subjected to an aging treatment in which the specimen was cooled. And the test piece removed the oxide scale by sand blasting using Al 2 O 3 sand, and immersed in a pickling solution of 3% hydrofluoric acid, 8% nitric acid and 89% water, and the surface roughness was JIS B 0633. In 2001, the average center line roughness was set to 0.5 to 2.5 μm. The pickling temperature was fixed at 60 ° C., and the immersion time was 20 minutes for the solution-treated test piece and 5 minutes for the aging-treated test piece.
接触抵抗測定は、図3に示したように固体高分子型燃料電池の単セルを模擬する形で実施した。すなわち、試験片20の両面をNiで作られた集電板22、22でガス拡散層(GDL)21、21を間に挟みつつ、その外側両側にパッキン23、エンドプレート24を配置して荷重1000Nを負荷した。その際、接触面積は10cm2とした。そして、集電板22、22間に電源25によって通電し、集電板22、22間の各規定電流値(1〜5A)における過電圧値を測定器26で計測することで接触抵抗値を得た。この測定では、市販されているアルミニウム板(JIS A1050)に厚さ0.1μmの亜鉛置換Niメッキを施した試験片も比較例No.20として準備した。
表4に接触抵抗測定結果を示す。表4に示したように、本発明の実施例は比較例よりも1/2〜1/3倍の接触抵抗となり、従来鋼やNiメッキを施したアルミニウム表面よりも表面の導電性に優れることが確認された。
The contact resistance measurement was carried out in the form of simulating a single cell of a polymer electrolyte fuel cell as shown in FIG. That is, while the gas diffusion layers (GDL) 21 and 21 are sandwiched between current collector plates 22 and 22 made of Ni on both sides of the test piece 20, packing 23 and end plates 24 are arranged on both sides of the outer side of the test piece 20. A load of 1000 N was applied. At that time, the contact area was 10 cm 2 . And it supplies with electricity with the power supply 25 between the current collecting plates 22 and 22, and a contact resistance value is obtained by measuring the overvoltage value in each regulation current value (1-5A) between the current collecting plates 22 and 22 with the measuring device 26. It was. In this measurement, a test piece in which a commercially available aluminum plate (JIS A1050) was subjected to zinc-substituted Ni plating having a thickness of 0.1 μm was also used as a comparative example. Prepared as 20.
Table 4 shows the contact resistance measurement results. As shown in Table 4, the embodiment of the present invention has a contact resistance that is 1/2 to 1/3 times that of the comparative example, and has a surface conductivity that is superior to that of a conventional steel or Ni-plated aluminum surface. Was confirmed.
図4に接触抵抗に使用した実施例No.2及び実施例No.6の試験片表面の走査型電子顕微鏡写真を示す。本発明の実施例では表面に多数の窒化物が分散・露出している様子が観察された。一方、図5に接触抵抗に使用した比較例No.18の試験片表面の走査型電子顕微鏡写真を示すが、比較例ではほとんど析出物が観察されなかった。
以上のように、本発明は窒素を多量に含有することにより、冷間加工が可能な延性を確保しつつ室温強度及び耐食性に優れ、且つ窒化物が表面に分散・露出することにより接触抵抗が低減される特性を有する。
FIG. 4 shows Example No. used for contact resistance. 2 and Example No. 6 shows a scanning electron micrograph of the surface of the test piece. In the examples of the present invention, it was observed that many nitrides were dispersed and exposed on the surface. On the other hand, in FIG. A scanning electron micrograph of the surface of 18 test pieces is shown, but almost no precipitate was observed in the comparative example.
As described above, since the present invention contains a large amount of nitrogen, it has excellent room temperature strength and corrosion resistance while ensuring ductility capable of cold working, and contact resistance is reduced by the dispersion and exposure of nitride on the surface. Has reduced properties.
1 エレクトロスラグ再溶解炉
2 ガス導入部
10 ESR電極
13 ESR鋳塊
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electroslag remelting furnace 2 Gas introduction part 10 ESR electrode 13 ESR ingot
Claims (10)
前記ステンレス鋼の組成を目標組成とするエレクトロスラグ再溶解電極と、加圧式エレクトロスラグ再溶解炉とを使用し、前記炉内の窒素ガス分圧を0.8MPa以上にしてエレクトロスラグ再溶解により前記目標組成の鋳塊を得ることを特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータ用ステンレス鋼の製造方法。 A method for producing stainless steel for a polymer electrolyte fuel cell separator according to any one of claims 1 to 7,
Using an electroslag remelting electrode having a composition of stainless steel as a target composition and a pressurized electroslag remelting furnace, the nitrogen gas partial pressure in the furnace is set to 0.8 MPa or more by remelting the electroslag. A method for producing stainless steel for a polymer electrolyte fuel cell separator, comprising obtaining an ingot of a target composition.
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