Исследование механических характеристик новой отечественной ферритной нержавеющей стали Х24, рассматриваемой в качестве материала для изготовления токовых коллекторов батарей ТОТЭ и ТОЭлЭ Текст научной статьи по специальности «Физика»

Исследование механических характеристик новой отечественной ферритной нержавеющей стали Х24, рассматриваемой в качестве материала для изготовления токовых коллекторов батарей ТОТЭ и ТОЭлЭ

С.Д.Родионова, Н.В.Деменева, В.И.Орлов, О.А.Когтенкова, С.И.Бредихин

ИФТТРАН, 142432, Черноголовка, Московская обл., ул. Академика Осипьяна, д.2

Mechanical characteristics of new Russian ferritic stainless steels Х24 considered for SOFC

and SOEC applications

S.D.Rodionova, N.V.Demeneva, V.I.Orlov, O.A.Kogtenkova, S.I.Bredikhin

Osipyan Institute of Solid State Physics RAS, 142432, Chernogolovka, Moscow region,

Academician Osipyan, 2

e-mail: rodionova@issp.ac.ru

DOI 10.24412/cl-37211-FC-2024.38

Для изготовления токовых коллекторов твердооксидных топливных и электролизных элементов (ТОТЭ/ТОЭлЭ) используют ферритные нержавеющие стали с содержанием хрома 22-24 масс.%. Такие материалы должны иметь близкие к другим составным частям батареи ТОТЭ КТР (— 11-13 10-6 К-1 в диапазоне 20- 900 °С), высокую коррозионную стойкость, хорошо механически обрабатываться. Существуют специально разработанные для таких применений стали, такие как Crofer 22 APU(H) (Германия), AISI 441 (США/Китай), ZMG 232 (Япония). Исследование бюджетных аналогов сталей близкого состава показало их непригодность для использования в качестве материалов токовых коллекторов ТОТЭ [1]. Поэтому по техническому заданию ИФТТ РАН в АО «НПО «ЦНИИТМАШ» методом тигельной плавки была изготовлена специальная отечественная сталь Х24.

Целью данной работы было сравнение механических свойств зарубежной стали Crofer 22 APU и специальной отечественной стали Х24.

Химические составы сталей Crofer 22 APU и Х24, полученные с помощью времяпролетного масс-спектрометра, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Химические составы сталей Crofer 22 APU и Х24, % масс.

Марка стали Fe C Cr Mn Si Ti S P Al

Crofer 22APU осн. 0.002 22.72 0.51 0.010 0.07 0.02 0.004 0.01

Х24 осн. 0.002 24.61 0.55 0.009 0.07 0.03 0.003 0.05

Механические испытания проводили методом микроиндентирования и методом растяжения при комнатной температуре и рабочей температуре 850 °С. Микротвердость измеряли на шлифованных и полированных образцах в виде дисков диаметром 15 мм и толщиной 1,5 мм при нагрузках 200, 300, 500, 1000 грамм. Среднее значение микротвердости для Crofer 22 АРи составляет 162 НУ, а для Х24 - 183 НУ. Значения для отечественной стали несущественно выше, чем у Crofer 22АРИ, что может быть связано с отсутствием предварительного отжига стали Х24.

Испытания на растяжение проводили на шлифованных и полированных плоских образцах в виде лопаток с длиной рабочей части 20 мм со скоростью деформирования

0,2 мм/мин. На диаграммах растяжения (рисунок 1а) при комнатной температуре для стали Х24 наблюдается характерный зуб текучести.

Для стали СгоГег 22 ЛРИ не наблюдается ни зуб текучести, ни площадка текучести, в таком случае можно определить условный предел текучести (00.2). Среднее значение верхнего предела текучести для Х24 составляет 294 МПа, нижнего - 291 МПа, предела прочности - 461 МПа, модуля Юнга - 221 ГПа. Для стали СгоГег 22 ЛРИ среднее значение 00.2 - 324 МПа, предела прочности - 419 МПа, модуля Юнга - 199 ГПа.

Отндсигельнэя деформация (%} Перемещение (мм)

(а) (б)

Рисунок 1. Графики зависимости напряжения от относительной деформации для образцов стали Crofer 22 APU и специальной отечественной стали X24 при комнатной температуре (а);

графики зависимости напряжения от перемещения для образцов стали Crofer 22 APU и специальной отечественной стали X24 при температуре 850 °С (б).

На рисунке 1б представлены диаграммы растяжения образцов стали X24 и Crofer 22 APU при рабочей температуре ТОТЭ 850 °С и начальной скорости деформирования 0,5 мм/мин. Предел прочности для образца стали Х24 составляет 21 МПа, а для образца стали Crofer 22 APU - 23 МПа. Скачки напряжения на графиках связаны с изменением скорости деформирования, в первом случае до 1 мм/мин, а во втором до 2 мм/мин.

Из проведенных экспериментов можно сделать вывод, что показатели прочности и твердости у стали Crofer 22 APU и Х24 отличаются незначительно, однако сталь Х24 более пластичная, поэтому будет лучше поддаваться металлообработке при изготовлении деталей токовых коллекторов батарей ТОТЭ/ ТОЭлЭ.

Литература

[1] О.В. Пикалов, Д.В. Матвеев, М.Н. Левин, Н.В. Деменева «Особенности окисления ферритных хромистых сталей, рассматриваемых в качестве материалов для токовых коллекторов твердооксидных топливных элементов», Черные металлы, № 10, 10 -15, (2020).