專利名稱：不銹鋼的表面合金化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及合金，尤其涉及在不銹鋼的表面上形成的合金。
背景技術(shù)：
通常稱為燃料電池的電化學(xué)轉(zhuǎn)化電池通過(guò)處理反應(yīng)物(例如通過(guò)氫和氧的氧化和還原)來(lái)產(chǎn)生電能。典型的聚合物電解質(zhì)燃料電池包括在兩面上具有電極層(例如，最低程度包含一種催化劑類型和一種離聚物類型)的聚合物膜(例如，質(zhì)子交換膜(PEM))。涂有催化劑的PEM定位于一對(duì)氣體擴(kuò)散介質(zhì)層之間，并且陰極板和陽(yáng)極板被安置在氣體擴(kuò)散介質(zhì)層外。這些部件被擠壓在一起以形成燃料電池。
圖I示出了燃料電池10的一個(gè)實(shí)施例。燃料電池包括在一對(duì)電極20之間的PEM15。電極20形成用于燃料電池的陰極和陽(yáng)極。電極20可以像在CCM設(shè)計(jì)中一樣沉積在PEM 15上，以形成MEA 25。鄰近電極20中的每個(gè)電極存在氣體擴(kuò)散介質(zhì)(GDM) 30。替代性地，電極20可以像在CCDM設(shè)計(jì)中一樣沉積在GDM上。鄰近GDM中的每個(gè)GDM的是燃料電池板35。如本領(lǐng)域所已知地，這些燃料電池板可以是單極板或雙極板。陽(yáng)極板和陰極板典型地由不銹鋼制成。已知不銹鋼的表面成分影響其特性。例如，鐵對(duì)入門級(jí)不銹鋼和其他高度合金化的不銹鋼上的鈍化氧化膜的成分有相當(dāng)大的貢獻(xiàn)。另夕卜，鐵在鎳/鉻合金的鈍化膜中的存在增加了與碳紙(諸如用作GDM)的接觸電阻。鉻有助于不銹鋼的耐蝕性。鉻還是眾所周知的增粘劑，并且其可明顯有助于襯墊在不銹鋼上的粘附。結(jié)果是，不銹鋼燃料電池板的表面被涂覆以獲得諸如耐蝕性和粘附的期望特性。例如，電鍍技術(shù)和物理氣相沉積(PVD)已被用于利用具有高的鉻和/或鈦含量的合金或鉻和/或鈦的層來(lái)涂覆不銹鋼，以便例如改善耐蝕性或粘附。然而，這些電鍍和PVD涂敷法是昂貴的。此外，在附加層之間可能存在粘附問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方面是一種表面合金化不銹鋼的方法。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括提供具有初始鐵含量和初始鉻含量的不銹鋼表面；以及優(yōu)先從不銹鋼表面去除鐵，以獲得具有比初始鐵含量小的鐵含量和比初始鉻含量大的鉻含量的表面。本發(fā)明的另一方面是一種單件的不銹鋼制品。在一個(gè)實(shí)施例中，所述制品具有比整體鐵含量小的表面鐵含量以及比整體鉻含量大的表面鉻含量。本發(fā)明還包括以下方案
方案I. 一種表面合金化不銹鋼的方法，包括
提供具有初始鐵含量和初始鉻含量的不銹鋼表面；以及
優(yōu)先從所述不銹鋼表面去除鐵，以獲得具有比所述初始鐵含量小的鐵含量和比所述初始鉻含量大的鉻含量的表面。方案2.根據(jù)方案I所述的方法，其中，優(yōu)先從所述不銹鋼表面去除鐵包括將所述不銹鋼的電位保持在極化曲線的活性區(qū)域中，以溶解鐵；以及 電化學(xué)地或通過(guò)等離子蝕刻去除被溶解的鐵。方案3.根據(jù)方案I所述的方法，其中，優(yōu)先從所述不銹鋼表面去除鐵包括
利用鹽酸或硫酸活化所述不銹鋼表面，以溶解鐵；以及
去除被溶解的鐵。方案4.根據(jù)方案I所述的方法，其中，優(yōu)先從所述不銹鋼表面去除鐵包括 在至少大約250°C的溫度下在空氣中加熱所述不銹鋼，使得鐵擴(kuò)散至所述不銹鋼表
面；
氧化所述擴(kuò)散的鐵，以形成氧化鐵的層；以及 去除所述氧化鐵的層。方案5.根據(jù)方案4所述的方法，其中，去除所述氧化鐵的層包括化學(xué)蝕刻或電化學(xué)蝕刻。方案6.根據(jù)方案5所述的方法，其中，去除所述氧化鐵的層包括利用草酸和過(guò)氧化氫的化學(xué)蝕刻。方案7.根據(jù)方案I所述的方法，其中，優(yōu)先從所述不銹鋼表面去除鐵包括
電拋光所述不銹鋼表面。方案8.根據(jù)方案I所述的方法，還包括熱氮化或者等離子氮化所述具有比所述初始鐵含量小的鐵含量和比所述鉻含量大的鉻含量的表面。方案9.根據(jù)方案I所述的方法，其中，比所述初始鉻含量大的鉻含量要比所述初始鉻含量大至少大約20%。方案10.根據(jù)方案I所述的方法，其中，所述具有比所述初始鐵含量小的鐵含量和比所述初始鉻含量大的鉻含量的表面的厚度在大約I納米至大約I微米的范圍中。方案11. 一種表面合金化不銹鋼的方法，包括
提供具有初始鐵含量和初始鉻含量的不銹鋼表面；
通過(guò)如下方式優(yōu)先從所述不銹鋼表面去除鐵，以獲得具有比所述初始鐵含量小的鐵含量和比所述初始鉻含量大的鉻含量的表面
a)將所述不銹鋼的電位保持在極化曲線的活性區(qū)域中，以溶解鐵；以及 電化學(xué)地或通過(guò)等離子蝕刻去除被溶解的鐵；或者
b)利用鹽酸或硫酸活化所述不銹鋼表面，以溶解鐵；以及 去除被溶解的鐵；或者
c)在至少大約250°C的溫度下在空氣中加熱所述不銹鋼，使得鐵擴(kuò)散至所述不
銹鋼表面；
氧化所述擴(kuò)散的鐵，以形成氧化鐵的層；以及 去除所述氧化鐵的層；或者
d)電拋光所述不銹鋼表面。方案12.根據(jù)方案11所述的方法，其中，去除所述氧化鐵的層包括化學(xué)蝕刻或電化學(xué)蝕刻。方案13.根據(jù)方案12所述的方法，其中，去除所述氧化鐵的層包括利用草酸和過(guò)氧化氫的化學(xué)蝕刻。
方案14.根據(jù)方案11所述的方法，還包括熱氮化或者等離子氮化所述具有比初始鐵含量小的鐵含量和比所述鉻含量大的鉻含量的表面。方案15.根據(jù)方案11所述的方法，其中，比所述初始鉻含量大的鉻含量要比所述初始鉻含量大至少大約20%。方案16.根據(jù)方案11所述的方法，其中，所述具有比所述初始鐵含量小的鐵含量和比所述初始鉻含量大的鉻含量的表面的厚度在大約I納米至大約I微米的范圍中。方案17. —種單件的不銹鋼制品，其具有比整體鐵含量小的表面鐵含量和比整體鉻含量大的表面鉻含量。方案18.根據(jù)方案17所述的單件的不銹鋼制品，其中，所述單件的不銹鋼制品是 燃料電池板。方案19.根據(jù)方案17所述的單件的不銹鋼制品，其中，所述表面鉻含量比所述整體鉻含量大至少大約20%。方案20.根據(jù)方案17所述的單件的不銹鋼制品，其中，所述表面鉻含量比所述整體鉻含量大至少大約50%。方案21.根據(jù)方案17所述的單件的不銹鋼制品，其中，比所述整體鐵含量小的所述表面鐵含量和比所述整體鉻含量大的所述表面鉻含量延伸至達(dá)到大約I微米的深度。


圖I是燃料電池的示意圖。圖2是極化曲線的活性區(qū)域的圖示。圖3A-C圖示了根據(jù)本發(fā)明的各種處理對(duì)不銹鋼表面層的作用。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明在不需要利用昂貴的涂覆技術(shù)的情況下允許在不同類型的不銹鋼上產(chǎn)生表面合金。利用熱和/或化學(xué)方法從不銹鋼合金的表面去除鐵，以產(chǎn)生富含鉻和鎳以及其他金屬(例如，釩或鈦，如果它們初始就存在于不銹鋼中的話)的表面。表面處的鐵與鉻的比率可至少為大約I: I. 5、或者至少大約1:2、或者至少大約1:2. 5、或者至少大約1:3、或者至少大約1:3. 5、或者至少大約1:4。表面富集可利用X射線光電子能譜(XPS)表面分析來(lái)測(cè)量。該工藝允許為應(yīng)用而使用較低級(jí)的不銹鋼合金，但具有較高級(jí)合金的改善的表面特性。富集層可達(dá)到大約I微米厚，典型地大約I nm至大約750 nm、或者大約I nm至大約500 nm、或者大約I nm至大約250 nm、或者大約I nm至大約100 nm。表面富集可以以多種方式實(shí)現(xiàn)。在一種方法中，如圖2所圖示地，將不銹鋼的電位保持在極化曲線的活性區(qū)域I中。在這些條件下，鈍化膜不再保護(hù)表面，并且鐵溶解成亞鐵離子。然后，電化學(xué)地或者通過(guò)等離子蝕刻去除可溶解的亞鐵離子，以留下富含鉻的層，參見表I。表I示出了對(duì)于合金446不銹鋼在處理之前和之后除H之外的XPS半定量表面元素成分(原子百分比(Atomic %))。表I
試樣 |C |0 |Fe|Cr|Si |N |Ca |C1 |S |P
權(quán)利要求
1.一種表面合金化不銹鋼的方法，包括 提供具有初始鐵含量和初始鉻含量的不銹鋼表面；以及 優(yōu)先從所述不銹鋼表面去除鐵，以獲得具有比所述初始鐵含量小的鐵含量和比所述初始鉻含量大的鉻含量的表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，優(yōu)先從所述不銹鋼表面去除鐵包括 將所述不銹鋼的電位保持在極化曲線的活性區(qū)域中，以溶解鐵；以及 電化學(xué)地或通過(guò)等離子蝕刻去除被溶解的鐵。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，優(yōu)先從所述不銹鋼表面去除鐵包括 利用鹽酸或硫酸活化所述不銹鋼表面，以溶解鐵；以及 去除被溶解的鐵。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，優(yōu)先從所述不銹鋼表面去除鐵包括 在至少大約250°C的溫度下在空氣中加熱所述不銹鋼，使得鐵擴(kuò)散至所述不銹鋼表面； 氧化所述擴(kuò)散的鐵，以形成氧化鐵的層；以及 去除所述氧化鐵的層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，去除所述氧化鐵的層包括化學(xué)蝕刻或電化學(xué)蝕刻。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，去除所述氧化鐵的層包括利用草酸和過(guò)氧化氫的化學(xué)蝕刻。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，優(yōu)先從所述不銹鋼表面去除鐵包括 電拋光所述不銹鋼表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括熱氮化或者等離子氮化所述具有比所述初始鐵含量小的鐵含量和比所述鉻含量大的鉻含量的表面。
9.一種表面合金化不銹鋼的方法，包括 提供具有初始鐵含量和初始鉻含量的不銹鋼表面； 通過(guò)如下方式優(yōu)先從所述不銹鋼表面去除鐵，以獲得具有比所述初始鐵含量小的鐵含量和比所述初始鉻含量大的鉻含量的表面 a)將所述不銹鋼的電位保持在極化曲線的活性區(qū)域中，以溶解鐵；以及 電化學(xué)地或通過(guò)等離子蝕刻去除被溶解的鐵；或者 b)利用鹽酸或硫酸活化所述不銹鋼表面，以溶解鐵；以及 去除被溶解的鐵；或者 c)在至少大約250°C的溫度下在空氣中加熱所述不銹鋼，使得鐵擴(kuò)散至所述不銹鋼表面； 氧化所述擴(kuò)散的鐵，以形成氧化鐵的層；以及 去除所述氧化鐵的層；或者 d)電拋光所述不銹鋼表面。
10.一種單件的不銹鋼制品，其具有比整體鐵含量小的表面鐵含量和比整體鉻含量大的表面鉻含量。
全文摘要
本發(fā)明涉及不銹鋼的表面合金化。具體地，本發(fā)明的一個(gè)方面是一種表面合金化不銹鋼的方法。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括提供具有初始鐵含量和初始鉻含量的不銹鋼表面；以及優(yōu)先從不銹鋼表面去除鐵，以獲得具有比初始鐵含量小的鐵含量和比初始鉻含量大的鉻的含量的表面。本發(fā)明的另一方面是一種單件的不銹鋼制品。
文檔編號(hào)C25F3/06GK102817033SQ20121018405
公開日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月6日
發(fā)明者M.H.阿布德埃爾哈米德, G.V.達(dá)希奇 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司