(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．５重量％以上のＡｌを含むステンレス鋼板とその表面に形成されたＡｌ−Ｎｉ系金属間化合物層とからなり、前記Ａｌ−Ｎｉ系金属間化合物層は、Ｎｉ被覆後の熱処理でステンレス鋼板から拡散したＡｌが被覆層のＮｉと反応することにより生成されたものである耐溶融塩腐食性に優れたＡｌ−Ｎｉ被覆ステンレス鋼板。
【請求項２】
０．５重量％以上のＡｌを含むステンレス鋼板を基材とし、厚み０．１〜２０μｍのＮｉ被覆層を鋼板表面に形成した後、熱処理によりＡｌ−Ｎｉ系金属間化合物層を鋼板表面に生成させることを特徴とする耐溶融塩腐食性に優れたＡｌ−Ｎｉ被覆ステンレス鋼板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、溶融塩に対して優れた耐食性を呈し、溶融炭酸塩型燃料電池用セパレータ等の材料として使用されるＡｌ−Ｎｉ被覆ステンレス鋼板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池では、腐食性の強いＬｉ2 ＣＯ3 −Ｋ2 ＣＯ3 等の混合炭酸塩が電解質に使用され、セラミックス製の電解質支持板で電解質を支持している。電解質支持板に直接接触する部材には、ＳＵＳ３１６Ｌ，ＳＵＳ３１０Ｓ等を基材とし、Ａｌの拡散浸透等によって鋼板表面にＡｌ−Ｆｅ合金を生成させたステンレス鋼板が使用されている。また、特開平４−１７２６７号公報は、Ａｌ−Ｎｉ系金属間化合物層を生成させた鋼板が溶融炭酸塩中で優れた耐食性を示すことを報告している。
Ａｌ−Ｎｉ系金属間化合物層は、たとえば特開平４−１６８２６２号公報で紹介されているように、下地鋼の表面にＮｉ被覆層及びＡｌ被覆層を順次形成し、熱処理によってＮｉ，Ａｌを相互拡散することにより生成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
Ａｌ−Ｆｅ合金層を表層に生成した鋼板を溶融炭酸塩型燃料電池用のセパレータとして使用する場合、６５０℃近傍の高温雰囲気に長時間曝されるため、表層部のＡｌが鋼板内部に拡散し易くなる。その結果、表層部のＡｌ濃度が低下し、耐食性が劣化する。これに対し、Ａｌ−Ｎｉ系金属間化合物層を表層に生成した鋼板では、６５０℃近傍の高温雰囲気においても下地鋼へのＡｌの拡散が抑制され、長時間にわたって良好な耐食性が維持される。
しかし、特開平４−１６８２６２号公報にみられるようにＮｉ及びＡｌを鋼板表面にそれぞれめっきする方法では、製造工程数が増加し、結果的に製品コストを上げることになる。しかも、Ｎｉめっき層は主として電気めっきで、Ａｌめっき層は溶融めっきで形成されるため、単一の製造ラインを構築することが困難になる。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、Ａｌ含有ステンレス鋼板を原板として使用することによりＡｌめっきを省略し、少ない工程数で製造可能なＡｌ−Ｎｉ被覆ステンレス鋼板を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明のＡｌ−Ｎｉ被覆ステンレス鋼板は、その目的を達成するため、０．５重量％以上のＡｌを含むステンレス鋼板とその表面に形成されたＡｌ−Ｎｉ系金属間化合物層とからなり、前記Ａｌ−Ｎｉ系金属間化合物層は、Ｎｉ被覆後の熱処理でステンレス鋼板から拡散したＡｌが被覆層のＮｉと反応することにより生成されたものであることを特徴とする。
このＡｌ−Ｎｉ被覆ステンレス鋼板は、０．５重量％以上のＡｌを含むステンレス鋼板を基材とし、厚み０．１〜２０μｍのＮｉ被覆層を鋼板表面に形成した後、熱処理によりＡｌ−Ｎｉ系金属間化合物層を鋼板表面に生成させる熱処理を施すことにより製造される。
【０００５】
【実施の形態】
鋼板表面に目的とする金属間化合物を生成する方法として、めっき等の手段により鋼板表面を所定の金属元素で被覆した後で熱処理することは、普通に知られている手法である。熱処理によって、表面にある被覆層中の金属元素と基材中の元素が相互拡散し、鋼板表面に目的とする金属間化合物が生成される。因みに、特開昭６１−２３５５９４号公報では、Ｎｉめっき鋼板を拡散熱処理することにより、めっき層と下地鋼との界面にＦｅ−Ｎｉ合金層を生成させている。
本発明は、Ｎｉに対するＡｌの親和力が強いことに着目し、下地鋼板として０．５重量％以上のＡｌを含むステンレス鋼板を使用することにより、Ａｌめっきを省略しても耐溶融塩腐食性に優れたＡｌ−Ｎｉ系金属間化合物層が生成されることを利用している。
【０００６】
Ａｌ−Ｎｉ被覆される基材としては、０．５重量％以上のＡｌを含む限り、フェライト系，オーステナイト系を始め、種々のステンレス鋼を使用できる。特に、溶融炭酸塩型燃料電池用セパレータ部材として使用する場合、高温強度が必要なことからクリープ特性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が好ましい。
溶融塩に対して十分な耐食性を確保する上で、Ｎｉめっき後の熱処理によってＡｌ3 Ｎｉ，Ａｌ2 Ｎｉ3 ，ＡｌＮｉ等のＡｌ−Ｎｉ系金属間化合物が生成されるように基材のＡｌ含有量を０．５重量％以上にすることが必要である。Ａｌ含有量が０．５重量％未満では、Ｎｉ−Ｆｅ，Ｎｉ3 Ａｌ等を主体とする金属間化合物が生成し、十分な耐食性が得られない。
Ｎｉ被覆は、電気めっき，無電解めっき，蒸着めっき，クラッド，溶射等の何れの方法も採用可能である。熱処理後の合金層の組成を鋼板の平面方向に関してできるだけ均一にする上では、被覆層の厚み制御が比較的容易なめっき等の手段が好ましい。
【０００７】
鋼板表面に形成されるＮｉ被覆層は、局部腐食の発生原因となる欠陥を含まないことが要求される。欠陥はＮｉ被覆層の厚みによって大きく影響され、Ｎｉ被覆層が厚いと欠陥が少なくなり、薄いと多量の欠陥が含まれ易くなる。また、厚み０．１μｍ以上（好ましくは０．５μｍ以上）でＮｉ被覆層を形成すると、仮に欠陥が含まれていても、熱処理時の拡散によって欠陥が修復される。欠陥を排除する上ではＮｉ被覆層は厚いほど好ましいが、厚いＮｉ被覆層では長時間の熱拡散が必要になる。そこで、本発明においては、生産性を考慮し、Ｎｉ被覆層の厚みの上限を２０μｍに設定した。
【０００８】
Ａｌ−Ｎｉ系金属間化合物を生成させる熱処理は、生産性を考慮するとき、好ましくは４５０℃以上の熱処理温度に設定される。熱処理温度が４５０℃に達しないと、Ａｌ及びＮｉの相互拡散に長時間を要する。熱処理には、大気雰囲気，不活性ガス雰囲気，還元性ガス雰囲気等の何れを採用してもよい。しかし、大気中で熱処理すると、ＮｉやＡｌの酸化物が表面に生成し易い。酸化物生成によるＮｉ及びＡｌの消費を回避するためには、不活性ガス又は還元性ガスを熱処理雰囲気として使用することが好ましい。
熱処理は、鋼板の製造工程又は目標形状に鋼板を成形するプレス成形等の後の何れでもよい。溶融炭酸塩型燃料電池用セパレータとしての用途では、電池の作動温度が６５０℃と高いため、Ｎｉ被覆した鋼板を部材に加工して電池に組み込み、電池立上げ時の昇温過程を熱処理に利用することも可能である。これによって、鋼板製造時の熱処理工程を省略することができる。
【０００９】
熱処理されたＮｉ被覆層の表層部には、基材であるステンレス鋼の基本成分として多量に含まれているＦｅが拡散移動し、Ｎｉ−Ｆｅ系金属間化合物又はＯを含むＮｉ−Ｆｅ系金属間化合物が形成される。Ｎｉ−Ｆｅ系金属間化合物の下層には、基材であるステンレス鋼に予め含まれているＡｌが拡散移動し、被覆層を構成するＮｉと結合し、Ａｌ−Ｎｉ系金属間化合物層が形成される。耐溶融塩腐食に対しては、このＡｌ−Ｎｉ系金属間化合物層が有効である。他方、被覆層中のＮｉは、逆に基材であるステンレス鋼中に拡散し、Ａｌ−Ｎｉ系金属間化合物層の更に下層であって、基材の表層部に当る部位にＮｉリッチ層を形成する。
ステンレス鋼板が溶融炭酸塩電池の使用環境温度に曝されている間に、ステンレス鋼基材中を拡散してくるＡｌ及びＮｉリッチ層によりＡｌ−Ｎｉ系金属間化合物の形成が継続される。その結果、耐溶融塩腐食寿命が長くなる。
【００１０】
【実施例】
表１に示す組成をもち板厚０．４ｍｍの各種ステンレス鋼板を脱脂・酸洗した後、Ｎｉめっきした。Ｎｉめっきでは、塩化ニッケル水溶液にステンレス鋼板を浸漬し、電流密度５Ａ／ｄｍ2 で３０秒間Ｎｉストライクめっきした後、ワット浴を用い電流密度３Ａ／ｄｍ2 で所定厚みまでＮｉめっきした。
【００１１】
0004079476.tif 000002
【００１２】
Ｎｉ被覆したステンレス鋼板を脱脂・洗浄した後、電気炉に装入して熱処理を施した。熱処理条件は、大気中で６５０℃×２４時間、７５％Ｈ2 −２５％Ｎ2 ガス雰囲気中で１０５０℃×１分の２種類を採用した。比較例のため、Ｎｉ被覆していないステンレス鋼板に同じ熱処理を施したものを用意した。
熱処理後の断面をＥＰＭＡ分析したところ、Ｎｉ被覆したステンレス鋼板では、表層部にＦｅ，Ｎｉ又はＦｅ，Ｎｉ，Ｏが検出され、その次の層はＡｌ及びＮｉを主たる組成としていることが判った。これに対し、Ｎｉ被覆のないステンレス鋼板では、表層部にＦｅ，Ｃｒ等とＯが検出され、その下層からはステンレス鋼基材成分の元素が検出されたが、Ａｌ及びＮｉを主組成とする層は検出できなかった。
【００１３】
熱処理後のステンレス鋼板から２５ｍｍ×３５ｍｍの試験片を切り出し、溶融炭酸塩中での半浸漬試験に供した。半浸漬試験では、６２モル％Ｌｉ2 ＣＯ3 −３８モル％Ｋ2 ＣＯ3 の混合塩を電解質として使用し、電解質中に試験片が半分程度浸漬されるように調整し、６５０℃，７０％空気−３０％ＣＯ2 ガス雰囲気中で１００時間の試験を行った。試験後の試験片の表層部を断面から調査し、最大侵食深さを測定することにより、耐溶融塩腐食性を調査した。
各ステンレス鋼板について、Ｎｉ被覆なしの侵食深さに対するＮｉ被覆したステンレス鋼板の侵食深さの比を侵食深さ比として求めた。表２の調査結果にみられるように、オーステナイト系又はフェライト系の何れであっても、Ｎｉ被覆したステンレス鋼を熱処理することにより、侵食深さ比が０．５以下になっている。このことから、Ｎｉ被覆及び熱処理の組合せによって、優れた耐溶融塩腐食性を呈する材料が得られることが確認された。
【００１４】
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【００１５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のＡｌ−Ｎｉ被覆ステンレス鋼板は、基材としてのＡｌ含有ステンレス鋼板にＮｉ被覆を施し熱処理することによって、Ａｌ−Ｎｉ系金属間化合物層を鋼板表面に生成させている。これにより、耐溶融塩腐食性が改善され、溶融炭酸塩型燃料電池用セパレータ等の過酷な腐食雰囲気に曝される材料として使用される。また、Ａｌ−Ｎｉ系金属間化合物層は、下地鋼に含まれているＡｌを供給源としているので、Ａｌめっきを施す必要がなく、少ない工程で能率よく生成される。更に、燃料電池立上げ時の昇温過程を熱処理に利用できるため、製造工程を一層削減することもできる。