CN100354447C - 兼具耐蚀性和抗菌性的低镍奥氏体不锈钢 - Google Patents
兼具耐蚀性和抗菌性的低镍奥氏体不锈钢 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种兼具耐蚀性和抗菌性的低镍奥氏体不锈钢，其包含：0.03重量%至0.12重量%的碳、0.2重量%至1.0重量%的硅、7.5重量%至10.5重量%的锰、14.0重量%至16.0重量%的铬、1.0重量%至5.0重量%的镍、0.04重量%至0.25重量%的氮、2.0重量%至5.0重量%的铜，及余量的铁和多种在炼钢过程中不可避免的微量元素，且在热轧处理之后至少实施一温度在850℃至950℃之间的时效热处理以使富铜相析出，由此制得的低镍奥氏体不锈钢兼具耐蚀性与抗菌性。
Description
技术领域
本发明涉及一种不锈钢的组成，特别是一种奥氏体不锈钢的组成及其制备方法。
背景技术
近年来，随着经济的发展和生活水平的提高，不锈钢得到广泛使用，其中，奥氏体不锈钢因具有优异的耐蚀性、加工性，而更加广泛地被应用在家庭用具(例如厨具、卫浴设备)及各式五金零件等等方面。
为了在奥氏体不锈钢中得到稳定的奥氏体必须添加大量的镍(Ni)，而由于地球上镍的含量并不丰富，同时对此元素的需求却日益增加，因此导致镍的成本价格节节升高，进而导致含镍不锈钢的价格波动甚大，且当价格持续走高时，显然奥氏体不锈钢即因此丧失与其他金属竞争的优势，因此，开发低镍含量的不锈钢，以期取得相对成本优势成为业界研发竞争的重点之一。同时，近年来，由于经济发展、生活水平的提高，用具备一定程度的抗菌性的不锈钢材(例如含银或是含析出富铜相的不锈钢材)来制造使用时洁净要求高的器材(例如食品机器、流理台、医疗机器等)的需求也日渐增加。
而近来，具有抗菌效果的奥氏体不锈钢的开发，都是以一般304系不锈钢作为母材，再着重于抗菌性的开发。举例来说，中国台湾第459057号专利申请公开了镍含量为8.3重量％的奥氏体不锈钢，并加入「银」使其具有抗菌效果。中国台湾第383340号专利申请则公开了镍含量在7-10重量％之间，并加入「铜」使其具有抗菌效果的不锈钢。
众所周知，银是一种贵金属，加入银使不锈钢材具有抗菌性显然会因此导致成本大幅提高，故目前多是以添加铜使不锈钢具有抗菌性为研究发展的主流。但是，迄今为止，虽然低镍含量的不锈钢的开发已有许多厂家投入研究，但是并未以具有抗菌性的低镍含量的奥氏体不锈钢作为研究对象。
欲使奥氏体不锈钢通过加入铜元素而具有抗菌功效时，必须在700℃～950℃之间实施时效热处理，使其中的富铜相析出，才会具有抗菌效果，但此时又必须控制温度不可太高，以免铜固溶而没有析出。但如此一来，不可避免地就会经过奥氏体不锈钢的敏化温度区(480℃～800℃)，从而无法兼顾「耐蚀性」与「抗菌性」的要求。
因此如何在避开敏化温度、维持奥氏体不锈钢的耐蚀性的前提下，开发出兼具有「低镍含量」和「抗菌功效」的奥氏体不锈钢，使其同时具有价格竞争优势、推广更容易，并符合当前保健环卫需求的优点，是业界不断努力研究改善的目标。
发明内容
因此，本发明的目的是，在低镍含量的基础上，开发出一种同时具有抗菌性以及耐蚀性的奥氏体不锈钢。
本发明的一种兼具耐蚀性和抗菌性的低镍奥氏体不锈钢包含：重量百分比介于0.03至0.12之间的碳、重量百分比介于0.2至1.0之间的硅、重量百分比介于7.5至10.5之间的锰、重量百分比介于14.0至16.0之间的铬、重量百分比介于1.0至5.0之间的镍、重量百分比介于0.04至0.25之间的氮、重量百分比介于2.0至5.0之间的铜、多种在炼钢过程中不可避免的微量元素以及余量的铁，且该低镍奥氏体不锈钢是在一热轧处理之后至少实施一温度范围在850℃至950℃的时效热处理，以使不锈钢中的富铜相析出。
具体实施方式
下面结合附表及实施例对本发明进行详细说明：
为使不锈钢材具有抗菌的功效，一般是通过添加银或铜来达到此一目的，而银由于材料成本远较铜来得高，不符合经济效益，所以以添加铜较为常见且符合成本效益。
而镍，虽然是不锈钢材中奥氏体相的重要稳定元素，并可以增加抗还原酸的能力和提升冷作性。但是如上所述，由于镍是贵金属，价格波动又大，如能减少用量方可符合市场竞争需求。
因此，本发明涉及一种兼具耐蚀性和抗菌性的低镍奥氏体不锈钢，即是通过制造方法与合金成分的设计，在低镍的基础上，配合铜的添加，开发出可兼顾耐蚀性与抗菌性的不锈钢材，以节省添加镍的成本和符合目前市场的需求。由此，本发明的兼具耐蚀性和抗菌性的低镍奥氏体不锈钢包含：重量百分比介于0.03至0.12之间的碳、重量百分比介于0.2至1.0之间的硅、重量百分比介于7.5至10.5之间的锰、重量百分比介于14.0至16.0之间的铬、重量百分比介于1.0至5.0之间的镍、重量百分比介于0.04至0.25之间的氮、重量百分比介于2.0至5.0之间的铜、多种在炼钢过程中不可避免的微量元素和余量的铁，且多种微量元素中硫的重量百分比需小于0.01，磷的重量百分比需控制在小于0.06。此外，在钢胚热轧后至最终成品前，至少实施一次在850℃至950℃之间进行的时效热处理，以使其中的富铜相析出，从而达到抗菌的功效。
碳为奥氏体相的强稳定元素，但同时其重量百分比太高易使钢材的耐蚀性降低，且易诱发马氏体相导致时效裂纹，因此本发明将碳的添加量控制在0.03重量％与0.12重量％之间。同时，在不锈钢精炼过程中，必须以硅作为脱氧剂进行脱氧，因此必须含有一定量的硅，但是硅本身又是铁素体相的稳定元素而不利于不锈钢材的奥氏体相的稳定，因此本发明将硅含量比控制在0.2重量％与1.0重量％之间。
锰为奥氏体相的稳定元素，在此以7.5重量％至10.5重量％的添加百分比取代镍，以达到降低成本的目的。
铬的主要作用为抗蚀，但其同时又是铁素体相的稳定元素，为了兼顾奥氏体相的稳定与原料成本，因此铬的添加比例介于14重量％与16重量％之间。
如前所述，镍是奥氏体相重要的稳定元素，并可以增加抗还原酸的能力和提升冷作性，然而为了降低成本，本发明以低镍含量为前提，因此将镍的添加量限制在1.0重量％至5.0重量％之间。
氮含量愈高愈利于奥氏体相的稳定，可藉此取代部分镍的添加，但因添加氮时具有强化的效果，所以在可得到奥氏体铁的前提范围内添加重量百分比愈低愈好，所以本发明将其添加量限制在0.04重量％至0.25重量％之间。
由于钢材中不论添加铜或银至大于预定比例之后，均具有抗菌的功效，但由于银的成本较铜高出许多，因此本发明选择铜，同时考虑到添加过多的铜会导致热加工性变差，因此添加2.0重量％至5.0重量％的铜，以达到理想的抗菌功效并兼顾热加工性。
而多种微量元素中的磷、硫等为有害元素，比重当然愈低愈好，故分别限制其重量百分比小于0.06、0.01。
由前述说明可知，本发明主要是在低镍的基础上，通过添加铜和各种合金成分，并配合以合适的时效温度，从而使所制得的不锈钢兼具有耐蚀性与抗菌性。虽然本发明的时效温度被控制在850℃至950℃之间，与不锈钢「敏化温度」区间480℃至800℃的范围没有重叠，理论上应不会有敏化现象的发生，但是本发明仍先进行检测耐蚀性的「敏化实验」，先行验证本发明在一般环境下的耐蚀性。
参阅表1，在进行耐蚀性的敏化实验及后续抗菌实验时所使用的试片，是将如表1所示的含有不同合金成分的各合金铁原料熔成铸块后，切割成长295mm宽294mm厚32mm的素材，经过加热炉加热，在1050～1200℃之间恒温1小时后出炉，经过7次的重复轧延形成最终厚度为3mm的钢带，终轧温度在800℃～820℃之间，并空冷至室温后，将该试片经退火酸洗处理，而成热轧试片。再将热轧试片冷轧至厚度为1mm的钢带，再经退火酸洗处理，形成继续进行后续时效热处理的冷轧试片，以便观察金相是否发生敏化(sensitization)现象，即了解是否产生晶粒间腐蚀(intergranularcorrosion)，进而得出含有不同合金成分的各冷轧试片的耐蚀性。
【表1】冷轧试片的合金成分
| 试验编号 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo | Cu | N |
| 对照组1-0 | 0.037 | 0.40 | 7.82 | 0.033 | 0.005 | 15.34 | 4.09 | 0.115 | 1.72 | 0.029 |
| 实验组1-1 | 0.047 | 0.40 | 8.73 | 0.033 | 0.005 | 15.23 | 4.20 | 0.105 | 2.44 | 0.040 |
| 实验组1-2 | 0.044 | 0.41 | 8.76 | 0.035 | 0.005 | 15.32 | 4.20 | 0.100 | 2.94 | 0.035 |
| 实验组1-3 | 0.060 | 0.53 | 8.72 | 0.021 | 0.006 | 15.15 | 4.15 | 0.062 | 4.21 | 0.036 |
| 对照组2-0 | 0.037 | 0.40 | 7.82 | 0.033 | 0.005 | 15.34 | 4.09 | 0.115 | 1.72 | 0.029 |
| 实验组2-1 | 0.047 | 0.40 | 8.73 | 0.033 | 0.005 | 15.23 | 4.20 | 0.105 | 2.44 | 0.040 |
| 实验组2-2 | 0.044 | 0.41 | 8.76 | 0.035 | 0.005 | 15.32 | 4.20 | 0.100 | 2.94 | 0.035 |
| 实验组2-3 | 0.060 | 0.53 | 8.72 | 0.021 | 0.006 | 15.15 | 4.15 | 0.062 | 4.21 | 0.036 |
| 对照组3-0 | 0.037 | 0.40 | 7.82 | 0.033 | 0.005 | 15.34 | 4.09 | 0.115 | 1.72 | 0.029 |
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参阅表2，表2是表1中含有不同合金成分的各冷轧试片的耐蚀性测试结果，由测试结果可知，在本发明的合金成分与时效条件限制下，本发明的不锈钢材(即实验组2-1、2-2、2-3、3-1、3-2、3-3)均无敏化现象产生，具有符合需求的耐蚀性。
【表2】耐蚀性测试
| 试验编号 | 合金成分 | 时效条件 | 敏化与否 |
| 对照组1-0 | 15Cr-4Ni-1.7Cu | 700℃/4hrs | × |
| 实验组1-1 | 15Cr-4Ni-2.5Cu | 700℃/4hrs | × |
| 实验组1-2 | 15Cr-4Ni-3.0Cu | 700℃/4hrs | × |
| 实验组1-3 | 15Cr-4Ni-4.5Cu | 700℃/4hrs | × |
| 对照组2-0 | 15Cr-4Ni-1.7Cu | 850℃/4hrs | ◎ |
| 实验组2-1 | 15Cr-4Ni-2.5Cu | 850℃/4hrs | ◎ |
| 实验组2-2 | 15Cr-4Ni-3.0Cu | 850℃/4hrs | ◎ |
| 实验组2-3 | 15Cr-4Ni-4.5Cu | 850℃/4hrs | ◎ |
| 对照组3-0 | 15Cr-4Ni-1.7Cu | 950℃/4hrs | ◎ |
| 实验组3-1 | 15Cr-4Ni-2.5Cu | 950℃/4hrs | ◎ |
| 实验组3-2 | 15Cr-4Ni-3.0Cu | 950℃/4hrs | ◎ |
| 实验组3-3 | 15Cr-4Ni-4.5Cu | 950℃/4hrs | ◎ |
×：敏化严重 ◎：无敏化现象
根据JIS Z 2801抗菌实验规范(适于钢铁材料、无机材料、塑胶等试片表面平滑不吸水的材质)对上述冷轧试片进行抗菌实验。依据实验规范将冷轧试片制成50mm的方形试片，将试片在灭菌玻璃皿中以酒精灭菌后风干，同时将0.4ml的已在500倍稀释的NB(Nutrient Broth)培养基中稀释成0.2×106～1.0×106 cfu/ml的试验菌液接种到试片上，再将已灭菌并经无菌切割成45mm四方的塑胶薄膜覆盖于试片上，使试验菌在试片表面扩散，让细菌与试片表面密着。然后在35℃，相对湿度90％以上的恒温培养器中，培养规定时间之后，以10ml含清洁剂的培养基洗下菌液，以平板(混释)稀释法稀释菌液之后，于标准琼酯培养基中培养，然后计算所形成的菌落数，以估算出每一试片的菌数，并比较未抗菌加工品(对照)与抗菌材料的细菌减少率，进行抗菌性能评估，其中，抑菌率须大于99％以上方称为有抗菌效果。而实验菌种是选自日常生活中常见的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌作为菌种进行实验。
参阅表3，由表3所示的实际实验结果可知，本发明的低镍不锈钢材(即实验组1-1、1-2、1-3、2-1、2-2、2-3、3-1、3-2、3-3)对大肠杆菌的抑菌率达99.999％，可见本发明兼具耐蚀性和抗菌性的低镍奥氏体不锈钢具有抗菌的功效。
【表3】对大肠杆菌的抑菌率的测试结果
| 试验组别 | 接种后洗下菌数 | 24小时后菌数 | 抑菌率(％) |
| 空白组 | 8.0×105 | 6.7×106 | --- |
| 对照组1-0 | -- | 5.8×106 | -- |
| 实验组1-1 | -- | ＜10 | 99.999％ |
| 实验组1-2 | -- | ＜10 | 99.999％ |
| 实验组1-3 | -- | ＜10 | 99.999％ |
| 对照组2-0 | -- | 3.6×105 | -- |
| 实验组2-1 | -- | ＜10 | 99.999％ |
| 实验组2-2 | -- | ＜10 | 99.999％ |
| 实验组2-3 | -- | ＜10 | 99.999％ |
| 对照组3-0 | -- | 1.8×106 | -- |
| 实验组3-1 | -- | ＜10 | 99.999％ |
| 实验组3-2 | -- | ＜10 | 99.999％ |
| 实验组3-3 | -- | ＜10 | 99.999％ |
参阅表4，由表4对金黄色葡萄球菌的抑菌率实验结果可知本发明兼具耐蚀性和抗菌性的低镍奥氏体不锈钢的试验片(即实验组1-1、1-2、1-3、2-1、2-2、2-3、3-1、3-2、3-3)对金黄色葡萄球菌的抑菌率也达99.999％，可得知本发明的不锈钢材的确具有优异的抗菌效果。
【表4】对金黄色葡萄球菌的抑菌率的测试结果
| 试验组别 | 接种后洗下菌数 | 24小时后菌数 | 抑菌率(％) |
| 空白组 | 8.3×105 | 2.5×106 | --- |
| 对照组1-0 | -- | 1.3×105 | -- |
| 实验组1-1 | -- | ＜10 | 99.999％ |
| 实验组1-2 | -- | ＜10 | 99.999％ |
| 实验组1-3 | -- | ＜10 | 99.999％ |
| 对照组2-0 | -- | 1.8×106 | -- |
| 实验组2-1 | -- | ＜10 | 99.999％ |
| 实验组2-2 | -- | ＜10 | 99.999％ |
| 实验组2-3 | -- | ＜10 | 99.999％ |
| 对照组3-0 | -- | 5.0×105 | -- |
| 实验组3-1 | -- | ＜10 | 99.999％ |
| 实验组3-2 | -- | ＜10 | 99.999％ |
| 实验组3-3 | -- | ＜10 | 99.999％ |
由上述说明及实验结果可知，本发明兼具耐蚀性和抗菌性的低镍奥氏体不锈钢，确实可在低镍含量的情况下，通过对制造方法与合金成分的设计，通过敏化实验达到耐蚀性的需求，并同时通过析出富铜相达到抗菌的目的，不但可以在节省镍添加成本的前提下具有在一般环境下与304不锈钢相近的耐蚀性，且兼具有抗菌的功效，符合目前市场的需求，确实达到了本发明的目的。
Claims (3)
1、一种兼具耐蚀性和抗菌性的低镍奥氏体不锈钢，其特征在于所述不锈钢包含：
重量百分比介于0.03至0.12之间的碳；
重量百分比介于0.2至1.0之间的硅；
重量百分比介于7.5至10.5之间的锰；
重量百分比介于14.0至16.0之间的铬；
重量百分比介于1.0至5.0之间的镍；
重量百分比介于0.04至0.25之间的氮；
重量百分比介于2.0至5.0之间的铜；
其他多种在炼钢过程中不可避免的微量元素；及
余量的铁；
且所述低镍奥氏体不锈钢在经过热轧处理之后至少经受过一次温度范围在850℃至950℃的时效热处理，以使不锈钢中的富铜相析出。
2、如权利要求1所述的兼具耐蚀性和抗菌性的低镍奥氏体不锈钢，其特征在于：所述多种微量元素中的一种是硫，且其重量百分比小于0.01。
3、如权利要求1所述的兼具耐蚀性和抗菌性的低镍奥氏体不锈钢，其特征在于：该多种微量元素中的一种是磷，且其重量百分比小于0.06。
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