CN100494474C - 提高普通碳钢抗菌防锈性能的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高普通碳钢抗菌防锈性能的方法，属于材料技术领域的表面处理方法。本发明包括：在研磨抛光至镜面光洁度的普通碳钢试样表面，用离子镀的方法沉积Ni-Cr膜；然后用离子注入的方法，对镀膜后的样品进行铜或银离子注入。通过离子镀和离子注入双重方法使普通碳钢既具有抗菌又具有防锈性能。经此工艺处理后的普通碳钢可应用于门把手、厨具和家电产品零部件，以及对抗菌性能有一定要求的器件和食品行业中的器皿等。

Description

提高普通碳钢抗菌防锈性能的方法

技术领域

本发明涉及的是一种金属材料技术领域的表面处理的方法，具体是一种提高普通碳钢抗菌防锈性能的方法。

背景技术

普通碳钢在机械制造和建筑等诸多领域中广泛应用，是工程中用量最大、最重要的金属材料。但是普通碳钢在实际应用过程中容易锈蚀并且锈蚀不断扩大，甚至形成孔洞，造成断裂，这是普通碳钢在其应用中亟待解决的主要问题之一。另外，普通碳钢处在一定的酸碱性环境中，容易在其表面形成微电池，从而发生电化学腐蚀。总之，普通碳钢的锈蚀一直是制约其应用的瓶颈之一。目前在许多领域中，常常不得不用不锈钢来代替普通碳钢。然而不锈钢价格相对较高，普通碳钢却有着冶炼方便、加工容易和成本低等多方面优势。因此，对普通碳钢的改性有很大的市场价值和实用意义。同时，随着生活水平的不断提高，人们日益重视自身健康的保护，而病菌是使人致病的主要因素之一，故在许多领域中，尤其是食品行业和儿童玩具行业，都对材料的环保性和抗菌性提出了更高要求。而普通碳钢对于许多病菌不具有抗菌性能。

经对现有技术文献的检索发现，发明专利公开号：CN 1508288A，发明人：傅绮君，专利名称：“一种钢铁表面防锈除锈液”，公开了一种新型的具有防锈性能好、除锈能力强的钢铁表面防锈除锈液，可以喷、涂、浸渍在钢铁材料的表面上，在产生除锈作用的同时，将锈蚀转化成致密的防锈膜。然而，上述专利的缺陷是：采用的是一般的喷涂或浸渍工艺，故生成的保护膜与基体的结合力较弱，易脱落，易磨蚀；同时，该发明产品无法提高普通碳钢的抗菌性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种提高普通碳钢抗菌防锈性能的方法。采用在普通碳钢进行离子镀与离子注入相结合的复合表面改性工艺，从而提高普通碳钢抗菌防锈性能。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明具体包括如下步骤：

步骤一：取普通碳钢，对其表面进行研磨，镜面抛光，再用去离子水和有机液进行表面清洗，烘干，选择离子镀参数，在普通碳钢表面沉积Cr-Ni膜。此步骤使普通碳钢具有防锈性能。

步骤二：以离子镀膜后的普通碳钢为基体，利用金属棒作为靶源，在真空度8 x 10^-4—3 x 10^-3pa，加速电压30kV—50kV，注入剂量为3 x 10¹⁷—7 x10¹⁷ions/cm²(离子数/厘米²)的条件下，在离子注入复合镀膜设备(参见公告号为CN 1206386C的中国专利)上对普通碳钢表面注入金属离子。此步骤使普通碳钢具有抗菌性能。

步骤一中，所述的有机液是指：丙酮或无水乙醇。

步骤一中，所述的选择适当的离子镀参数，其参数范围是：工作气压5×10^-2—2×10^-1Pa；负偏压150V—200V；弧电流100A—120A。

所述的普通碳钢样品表面沉积Cr-Ni膜，是指：含有Cr与Ni的混合金属离子膜。

所述的Cr-Ni膜，其厚度为：1.5μm—3.0μm。

步骤二中，所述的金属棒，是指：Cu金属棒或Ag金属棒。

步骤二中，所述注入金属离子，是指：Cu或Ag或Cu与Ag的混合离子。

本发明中所述的离子注入复合镀膜设备，其结构为：气体离子源、金属离子源、直流磁控溅射靶源、中频脉冲磁控溅射靶源和两套直流磁过滤电弧离子镀源等六个源头共用一个真空室，并固定在复合镀膜机的外壳上，气体离子源垂直位于真空室上部的正中，金属离子源位于气体离子源的一侧，斜插于真空室上部，直流磁控溅射靶源和中频磁控溅射靶源、两个直流磁过滤电弧离子镀源则分布在二条对角线上，并位于真空室两侧偏上部位，六个源头的中心线汇聚在多用样品台工件上，真空抽气系统与真空室连接。(参见公告号为CN 1206386C的中国专利)。该设备的功用为：该设备集几种材料表面改性技术于一体，除可用来对材料进行离子注入外，还可用于磁控溅射，也可用于多弧离子镀膜。

在普通碳钢表面离子镀铬镍防护层，因镍与铬均具有很好的防锈抗氧化性质，从而提高了普通碳钢的防锈性能。采用离子注入的方法将铜或银注入到上述离子镀后的普通碳钢样品表面。众所周知，银是目前金属中最好的抗菌剂；铜也具有优良的抗菌性能，如对金黄色葡萄球菌、埃希氏大肠杆菌、绿脓杆菌和白色念珠菌等的抑菌率可达99.99％。这样分布于普通碳钢镀层的铜离子就使得此普通碳钢具有抗菌性，且随着普通碳钢工件的表面磨损，铜离子会遵循扩散原理向普通碳钢的内层扩散，从而保证其表面的铜离子浓度，保持工件的抗菌性能。本发明通过离子镀和离子注入的复合表面改性技术，成功实现在增强普通碳钢的防锈抗蚀性能的同时，提高其抗菌性能。本发明的提出对扩大普通碳钢的应用范围有着非常重要的意义，同时又可以推动抗菌材料业的发展。

其一，本发明真空电弧离子镀主要有如下优点：

(1)能够同时提供多金属元素沉积，也可沉积单金属元素；

(2)膜层与基体附着强度高；

(3)沉积成膜速率高；

(4)真空电弧离子镀设备与其他物理气相沉积设备相比，简单且成本低。离子镀是工件带负偏压，其沉积过程在低气压气体放电等离子体中进行的镀膜技术，真空电弧离子镀是其中较常用的一种。

其二，本发明离子注入有如下优点：离子注入也是一种材料表面改性高技术，注入元素的原子是分散停留在集体内部，没有界面，故其改性层与基体之间结合强度非常高，附着性好。

与现有技术相比，本发明中所形成的普通碳钢的表面保护膜具有更强的膜基结合力，且经改性后的普通碳钢也具有抗菌性能。离子注入是一种纯净的无公害的材料表面改性新技术，与其他改性技术相比，此技术有着更强的环保性。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例1是在以下实施条件和技术要求条件下实施的：

样品为普通碳钢，样品表面进行研磨，并镜面抛光。离子镀前，再用去离子水和无水乙醇对样品表面进行清洗，并烘干，在普通碳钢表面沉积得一层1.5-1.8μm的Cr-Ni膜。之后，利用金属棒作为靶源，在离子注入复合镀膜设备(授权公告号：CN 1206386C)上对普通碳钢表面注入金属离子。

其一，离子镀参数如下：

元素：Ni-Cr；工作气压：5×10^-2-8×10^-2Pa；负偏压：150-180V；弧电流：100-110A；

其二，离子注入参数如下：

注入元素：Cu；真空度：1×10^-3—3×10^-3pa；加速电压：30—35kV；注入剂量：3 x 10¹⁷—5 x 10¹⁷ions/cm²(离子数/厘米²)。

注入后普通碳钢的耐锈蚀性能明显增强，对金黄色葡萄球菌、埃希氏大肠杆菌杀菌率达到80％

实施例2：

本实施例2是在以下实施条件和技术要求条件下实施的：

取普通碳钢产品，表面进行研磨，并镜面抛光。离子镀前，再用去离子水和丙酮对产品表面进行清洗，并低温烘干，在普通碳钢表面沉积得一层2.5～3.0μm的Cr-Ni膜。之后，利用金属棒作为靶源，在离子注入复合镀膜设备(授权公告号：CN 1206386C)上对普通碳钢表面注入金属离子。

其一，离子镀参数如下：

元素：Ni-Cr；工作气压：1×10^-1～2×10^-1Pa；负偏压：180～200V；弧电流：110～120A；

其二，离子注入参数如下：

注入元素：Cu；真空度：8 x 10^-4～1 x 10^-3pa；加速电压：45～50kV；注入剂量：5×10¹⁷～7×10¹⁷ions/cm²。

注入后普通碳钢的耐锈蚀性能明显增强，对金黄色葡萄球菌、埃希氏大肠杆菌杀菌率达到90％。

实施例3：

本实施例3是在以下实施条件和技术要求条件下实施的：

取普通碳钢，表面进行研磨，并镜面抛光。离子镀前，再用去离子水和无水乙醇对表面进行清洗，并烘干，在普通碳钢表面沉积得一层2.0～2.5μm的Cr-Ni膜。之后，利用金属棒作为靶源，在离子注入复合镀膜设备(授权公告号：CN1206386C)上对普通碳钢表面注入金属离子。

其一，离子镀参数如下：

元素：Ni-Cr；工作气压：1×10^-1～2×10^-1pa；负偏压：160～180V；弧电流：110～120A；

其二，离子注入参数如下：

注入元素：Ag；真空度：1×10^-3～3×10^-3pa；加速电压：35～40kV；注入剂量：3 x 10¹⁷～5 x10¹⁷ions/cm²(离子数/厘米²)。

注入后普通碳钢的耐锈蚀性能明显增强，对金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌杀菌率达到91％。

实施例4：

本实施例4是在以下实施条件和技术要求条件下实施的：

取普通碳钢，表面进行研磨，并镜面抛光。离子镀前，再用去离子水和无水丙酮对普通碳钢表面进行清洗，并低温烘干，在普通碳钢表面沉积得一层1.8～2.0μm的Cr-Ni膜。接着，利用金属棒作为靶源，在离子注入复合镀膜设备(授权公告号：CN 1206386C)上对普通碳钢表面注入金属离子。

其一，离子镀参数如下：

元素：Ni-Cr；工作气压：5×1^-2～8×10^-2pa；负偏压：180～200V；弧电流：110～120A；

其二，离子注入参数如下：

注入元素：Cu+Ag；真空度：1×10^-3～3×10^-3Pa；加速电压：40～45kV；注入剂量：5 x 10¹⁷ions/cm²(离子数/厘米²)(Cu)+3×10¹⁷ions/cm²(离子数/厘米²)(Ag)。

注入后普通碳钢的耐锈蚀性能明显增强，对绿脓杆菌、粪链球菌和白色念珠菌的杀菌率达到95％。

Claims (5)

1.一种提高普通碳钢抗菌防锈性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：取普通碳钢，对其表面进行研磨，镜面抛光，再用去离子水和有机液进行表面清洗，烘干，选择离子镀参数，在普通碳钢表面沉积Cr-Ni膜；

步骤二：以离子镀膜后的普通碳钢为基体，利用金属棒作为靶源，在真空度8 x 10^-4～3 x 10^-3Pa，加速电压30～50kV，注入剂量为3 x 10¹⁷～7 x 10¹⁷离子数/厘米²的条件下，在离子注入复合镀膜设备上对普通碳钢表面注入金属离子；

所述注入金属离子，是指：Cu或Ag或Cu与Ag的混合离子；

所述的金属棒，是指：Cu金属棒或Ag金属棒。

2.如权利要求1所述的提高普通碳钢抗菌防锈性能的方法，其特征是，步骤一中，所述的有机液是指：丙酮或无水乙醇。

3.如权利要求1所述的提高普通碳钢抗菌防锈性能的方法，其特征是，步骤一中，所述的选择离子镀参数，其参数范围是：工作气压5×10^-2～2×10^-1Pa；负偏压150～200V；弧电流100～120A。

4.如权利要求1所述的提高普通碳钢抗菌防锈性能的方法，其特征是，所述的普通碳钢样品表面沉积Cr-Ni膜，是指：含有Cr与Ni的混合金属离子膜。

5.如权利要求1或者4所述的提高普通碳钢抗菌防锈性能的方法，其特征是，所述的Cr-Ni膜，其厚度为：1.5μm～3.0μm。