JP5902253B2 - 燃料電池用フェライト系ステンレス鋼およびその製造方法 - Google Patents
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Description
1/2Cr2O3(s)+3/4O2(g)=CrO3(g) ・・・(1)
CrO3(g)+3e-=1/2Cr2O3(s)+3/2O2- ・・・(2)
(s):固体、(g):ガス、e-:電子
耐酸化性とクリープ破断寿命に良好な燃料電池用Al含有フェライト系ステンレス鋼が開示されている。これらステンレス鋼は、1050℃、大気中の加速酸化試験により良好な耐酸化性が得られることを示している。
(2)前記表面はさらに、Oを除くカチオンイオン分率においてTi濃度の最大値が3質量%以上であることを特徴とする(1)に記載の燃料電池用フェライト系ステンレス鋼。
(3)前記鋼が、さらに質量%にて、Ni:1%以下、Cu:1%以下、Mo:2%以下、Sn:1%以下、Sb:1%以下、W:1%以下、Co:0.5%以下、Nb:0.5%以下、V:0.5%以下、Zr:0.5%以下、Ga:0.1%以下、Mg:0.01%以下、B:0.005%以下、Ca:0.005%以下、La:0.1%以下、Y:0.1%以下、Hf:0.1%以下、REM:0.1%以下の1種または2種以上含有していることを特徴とする(1)又は(2)に記載する燃料電池用フェライト系ステンレス鋼。
(4)前記いずれかに記載の組成を有するステンレス鋼材を、酸素または水素を含む雰囲気中において、700〜1100℃の範囲で熱処理することにより、前記ステンレス鋼材の表面に酸化皮膜を形成することを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の燃料電池用フェライト系ステンレス鋼の製造方法。
(a)多量の水蒸気と水素が共存する改質ガス環境下では、大気や水素を含まない水蒸気酸化環境と比較して、Al含有フェライト系ステンレス鋼において、Crの酸化が進行し易くCrの蒸発が助長される傾向にある。これらCrの酸化促進メカニズムは未だ不明な点も多いが、水素ガスがAl系酸化皮膜中の欠陥形成を誘発して、水蒸気の存在する酸化環境下においてCrの外方拡散が進行したことによると推察される。
(b)上述した改質ガス環境下におけるCrの酸化は、Al含有フェライト系ステンレス鋼に形成した表面皮膜に大きく影響される。通常、酸洗や研磨後には、Fe−Crの不働態皮膜が表面に形成される。Crの蒸発は、Fe−Crを主体とする不働態皮膜が表面に形成されている場合に促進しやすい。ここで、酸化皮膜中及び酸化皮膜直下の鋼表面へAl、更にはTiを予め濃縮させることにより、当該環境下におけるCrの酸化を抑制し、Crの蒸発を顕著に抑止できる新規な知見が得られた。
(c)前記した酸化皮膜中及び酸化皮膜直下の鋼表面にTiやAl濃度を高めてCrの蒸発を抑止するには、TiやAlの添加量を過度に高めるのではなく、Mg、Ga、Sn、Sbの微量添加が有効であることを知見した。これら元素はいずれも表面活性元素であり、表面近傍に濃化してCrの酸化を抑制するとともに、Crよりも酸化物の生成自由エネルギーが小さく酸化しやすいTiやAlの選択酸化を促進し、Crの蒸発を抑制する効果を発現する。
(d)前記した酸化皮膜中及び酸化皮膜直下の鋼表面へのAl、更にはTiを効率的に濃縮させるには、冷間加工後に水素ガスを含む低露点雰囲気中で光輝焼鈍を行うことが有効である。その場合においても、前記したMg、Ga、Sn、Sbのいずれか一種以上を微量添加することがTiやAlを濃縮した酸化皮膜及び酸化皮膜直下の鋼表面の形成に有効である。
(e)また、水素ガスを含む光輝焼鈍に依らず、大気中など酸素を含む雰囲気中において適正な予備酸化を実施することで、前記した酸化皮膜中及び酸化皮膜直下の鋼表面にTiやAlを濃縮させて、Crの蒸発を抑止できることも分った。
本発明のフェライト系ステンレス鋼は、主として,熱間圧延鋼帯を焼鈍あるいは焼鈍を省略してデスケ−リングの後冷間圧延し,続いて仕上げ焼鈍とデスケ−リングした冷延焼鈍板を対象としている。場合によっては、冷間圧延を施さない熱延焼鈍板でも構わない。さらに、ガス配管用としては、鋼板から製造した溶接菅も含まれる。配管は、溶接菅に限定するものでなく,熱間加工により製造した継ぎ目無し菅でもよい。上述した鋼の仕上げ焼鈍は、700〜1100℃とするのが好ましい。700℃未満では鋼の軟質化と再結晶が不十分となり、所定の材料特性が得られないこともある。他方、1100℃超では粗大粒となり、鋼の靭性・延性を阻害することもある。
Claims (4)
- 質量%にて、Cr:11〜25%、C:0.03%以下、Si:2%以下、Mn:2%以下、Al:0.5〜4.0%、P:0.05%以下、S:0.01%以下、N:0.03%以下、Ti:1%以下を含み、残部がFeおよび不可避的不純物からなるステンレス鋼材の表面は、0.1μm未満の酸化皮膜厚さの2倍の深さまでの領域でOを除くカチオンイオン分率においてAl濃度の最大値が30質量%以上含むことを特徴とする燃料電池用フェライト系ステンレス鋼。
- 前記鋼材の表面はさらに、Oを除くカチオンイオン分率においてTi濃度の最大値が3質量%以上であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用フェライト系ステンレス鋼。
- 前記鋼が、さらに質量%にて、Ni:1%以下、Cu:1%以下、Mo:2%以下、Sn:1%以下、Sb:1%以下、W:1%以下、Co:0.5%以下、Nb:0.5%以下、V:0.5%以下、Zr:0.5%以下、Ga:0.1%以下、Mg:0.01%以下、B:0.005%以下、Ca:0.005%以下、La:0.1%以下、Y:0.1%以下、Hf:0.1%以下、REM:0.1%以下の1種または2種以上含有していることを特徴とする請求項1又は2に記載する燃料電池用フェライト系ステンレス鋼。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の組成を有するステンレス鋼材を、酸素または水素を含む雰囲気中において、700〜1100℃の範囲で熱処理することにより、前記ステンレス鋼材の表面に酸化皮膜を形成することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の燃料電池用フェライト系ステンレス鋼の製造方法。
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