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日立金属ZMG232G10铁素体不锈钢连接体的研究进展
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司www.shailiai.com
更新时间：2015-07-09
为实现SOFC商业化，必须降低各元件的生产成本。近年来对铁素体不锈钢在SOFC连接体中的应用问题进行了研究。以日立金属公司开发的ZMG232G10连接体与不锈钢件就抗氧化性进行性能比较，试验采用10mm厚的试样。
日立金属公司于1997年开发出工作温度为1000℃的SOFC连接体用金属材料Fe-22Cr铁素体系合金ZMG®232。选定铁素体材料作为SOFC连接体是由于铁素体材料较奥氏体的热膨胀系数低，其热膨胀系数更接近于SOFC元件材料。该公司之后通过采取一系列工艺改进措施，如降低杂质氧化物含量等，于2005年又开发出ZMG232L。
ZMG232L在工作环境中可形成致密的Cr2O3氧化层，因此在其拥有固有的良好导电性的同时，还具有突出的抗氧化性。虽然连接体的抗氧化性还可以通过形成Al2O3氧化层得到，但Al2O3在ZMG232L工作温度下无导电性，因此在高温下电阻较小的Cr2O3氧化层合金适宜于SOFC连接体金属材料。
随着SOFC研发工作的不断深入，对连接体金属材料提出了更高的要求——进一步提高抗氧化性和降低金属材料产生的Cr蒸发量以减轻对发电元件性能的影响。日立金属公司以ZMG232L为基础，通过添加合金元素和优化成分，实现了由尖晶石层和氧化铬层组成的具有导电性的氧化膜薄膜化、致密化的合金设计，开发了抗氧化性、导电性提高约2倍的新合金ZMG232G10。
以下对ZMG232G10的氧化层结构和合金设计作简要介绍。
当ZMG232L在氧化气氛中进行热处理后，工件表面形成双层结构的氧化层，表层是（Mn,Cr）3O4氧化层，内层（基体）是Cr2O3氧化层。抗氧化能力取决于Cr2O3氧化层，但其含有的Cr元素的蒸发会导致发电元件性能恶化，虽然（Mn,Cr）3O4氧化层对Cr蒸发会产生一定的抑制作用，但（Mn,Cr）3O4的氧化速度过快使得保护效果有限。
针对上述问题，在合金设计上采取了如下措施。
1）提高抗氧化性：减少Mn含量，降低（Mn,Cr）3O4的氧化速度；
2）抑制Cr的蒸发：添加Cu，Cu扩散到（Mn,Cr）3O4氧化层中，使（Mn,Cr）3O4氧化层致密化。
由于采取了上述的成分设计措施，使ZMG232G10比ZMG232L具有更好的抗氧化性，减少了Cr的蒸发量。
4、ZMG232G10与不锈钢件的比较
为实现SOFC商业化，必须降低各元件的生产成本。近年来对铁素体不锈钢在SOFC连接体中的应用问题进行了研究。以日立金属公司开发的ZMG232G10连接体与不锈钢件就抗氧化性进行性能比较，试验采用10mm厚的试样。由于板厚越薄，合金的抗氧化性越差，所以将不锈钢用作SOFC连接体材料时，需要注意其厚度设计。而采用ZMG232G10作SOFC连接体材料时，可以使用比普通不锈钢更薄的材料。
氧化增量随时间变化越小，表示抗氧化性越好，如ZMG232G10抗氧化性明显优于SUS430。通常情况下，生成氧化层的合金氧化增量随时间的增长按抛物线规则增加，但SUS430氧化增量在氧化处理初期随时间的增长急剧增加。在氧化时间为2500h之前，SUS444氧化增量变化趋势与ZMG232G10基本一致，但超出之后，SUS444氧化增量迅速减少，这是由于其具有抗氧化性的氧化层发生剥落的结果。上述对比说明，与ZMG232G10相比，SUS430、SUS444的抗氧化性都较差。
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