CN101768694A - 抗菌双相不锈钢 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗菌双相不锈钢，包含双相不锈钢基材与抗菌组份，该双相不锈钢基材包括体积分率介于35％～55％的肥粒铁相，及析出肥粒铁相后残余的沃斯田铁相，该抗菌组份至少包括重量百分比浓度介于0.05wt％～0.5wt％的银，且该双相不锈钢基材包括不大于0.08wt％的碳、不大于1.50wt％的镁、不大于1.50wt％的硅、不大于0.04wt％的磷、不大于0.04wt％的硫、介于21.0～27.0wt％的铬、介于4.0～11.0wt％的镍、介于1.75～5.0wt％的钼、介于0.0～3.3wt％的铜、介于0.0～0.33wt％的氮、介于0.0～1.0wt％的钨、其它于炼钢过程中不可避免的微量元素，及平衡量的铁。
Description
技术领域
本发明涉及一种不锈钢，特别是涉及一种抗菌不锈钢。
背景技术
近年来由于对医疗器材、化学机器、建筑材料或厨房等生活用品的抗菌性能的要求愈来愈高，因此在相关制程材料，抗菌不锈钢的开发也愈来愈受到重视。
一般符合规范的300系列、400系列不锈钢，当其含有较高的镍重量百分比浓度，并属于单一沃斯田铁相时，会具有优良的抗均匀腐蚀能力、破裂韧性及机械性质，但缺点是在含氯離子及高温环境中容易发生孔蚀、间隙腐蚀，且其应力腐蚀破裂抵抗能力较低；若当其含有较高的铬重量百分比浓度且属于单一的肥粒铁相时，则具有较优良的抵抗局部腐蚀、机械强度及抵抗应力腐蚀能力，但缺点是缺乏延展性、易于高温环境发生敏化现象，及易发生氢诱发破裂等现象。
此外，为了让现有的符合规范的300系列、400系列的不锈钢具有抗菌功效而添加例如铜、银等抗菌元素时，则由于单一的肥粒铁系或沃斯田铁系的不锈钢容易产生敏化现象容易形成所谓的贫铬区，造成钝化膜(Cr2O3)无法形成，而使得孔蚀开始由贫铬区开始产生，孔蚀一旦起始便建立起钝态-活性电池，其电位差约为0.5到0.6伏特，且随电流密度的增加，阳极孔蚀的腐蚀速率亦会随之提高，同时使蚀孔周围紧邻的合金表面，极化到低于临界电位，藉电流流动，氧离子电移进入蚀孔形成Fe、Ni或Cr等氧化物的浓溶液，且同时这些腐蚀生成物的比重高，造成它们沿重力方向自孔蚀孔漏出，导致生成物和合金表面接触处钝态性的破坏，而会造成抗点腐蚀能力的大幅降低，因此，如何让目前符合规范的300系列、400系列的不锈钢同时具有高度抗蚀及抗菌能力，是当前业者努力研究的重要方向。
发明内容
双相不锈钢的定义是组织同时包含肥粒铁相和沃斯田铁相，或是同时具有肥粒铁相和麻田散铁相等两种相态，且体积分率较少的相态不得小于30％。
一般而言，双相不锈钢由于含有大量的铬、氮，及钼，所以针对不锈钢在含氯離子环境的抗孔蚀当量(pitting resistant equivalent，PRE＝％Cr+3.3％Mo+30％N)计算后可以得知，双相不锈钢的抗孔蚀当量值较单相型态的不锈钢高，也就是说双相不锈钢的孔蚀发生机率比单相不锈钢小。
因此，具有两相组织型态并存的双相不锈钢能同时包含仅具备单一沃斯田铁相的不锈钢具有的抗均匀腐蚀、破裂任性，及机械性质，以及仅具备单一肥粒铁相的不锈钢具有的抗局部腐蚀，及机械强度兩者的优点。
所以发明人针对双相不锈钢的特性优点，在以沃斯田铁相的不锈钢的基础上，经由不断的研究试验，获得兼具抗菌与抗蚀性的双相不锈钢。
因此，本发明的目的是在提供一种具有高抗蚀性及抗菌性的抗菌双相不锈钢。
于是，本发明一种具有高抗蚀性及抗菌性的抗菌双相不锈钢，包含一双相不锈钢基材，及一抗菌组份。
该双相不锈钢基材包括体积分率介于35％～55％的肥粒铁相，及析出肥粒铁相后残余的沃斯田铁相。
该抗菌组份至少包括重量百分比浓度介于0.05wt％～0.5wt％的银。
本发明的有益效果在于：以具有预定比例的肥粒铁相与沃斯田铁相的双相不锈钢基材为基础，添加至少包含重量百分比浓度介于0.05wt％～0.5wt％的银的抗菌组份，即可得到同时具有高抗蚀及抗菌能力的双相不锈钢材料。
具体实施方式
下面结合实施例语句体例对本发明进行详细说明：
本发明一种具有高抗蚀性及抗菌性的抗菌双相不锈钢的较佳实施例是包含一双相不锈钢基材，及一抗菌组份。
该双相不锈钢基材包括体积分率介于35％～55％的肥粒铁相，而其余相对应的沃斯田铁相体积分率介于65％～45％，符合构成双相不锈钢的定义，同时包含肥粒铁相和沃斯田铁相组织的体积分率较少的相态不得小于30％。所以能具备双相不锈钢所具有的特性。
更具体地，该双相不锈钢基材包括不大于0.08wt％的碳、不大于1.50wt％的镁、不大于1.50wt％的硅、不大于0.04wt％的磷、不大于0.04wt％的硫、介于21.0～27.0wt％的铬、介于4.0～11.0wt％的镍、介于1.75～5.0wt％的钼、介于0.0～3.3wt％的铜、介于0.0～0.33wt％的氮、介于0.0～1.0wt％的钨、其它于炼钢过程中不可避免的微量元素，及平衡量的铁。
该抗菌组份至少包含重量百分比浓度介于0.05wt％～0.5wt％的银，由于银离子的释出量则需大于0.01ppm才能有效达到抗菌效果，而经由文献得知0.05wt％添加量的银，大约可释出的银离子实质为0.01ppm，而当银的重量百分比浓度大于0.5wt％时，则因为台湾对于饮用水的银离子含量规定人体的安全值为0.05ppm以下，等同于0.05mg/L。因此，若以添加量0.5wt％银粒子换算银离子释出量约在0.05ppm左右，所以银粒子添加量若大于0.5wt％，对于抗菌性能有所提升，但对于人体安全而言，仍应控制于规定范围内为佳，因此，较佳地，该抗菌组份的银的重量百分比浓度是介于0.05wt％～0.5wt％。
该抗菌双相不锈钢的制程方法是将具有预定比例添加的合金元素及抗菌组份配置准备完成，并以大气熔炼配合利用高周波熔炼设备进行制作。在熔炼过程中并加以液态氩气体保护，预防熔炼状态中高温铁水表层氧化现象的发生，确保铁水的稳定与品质。使各成份均能有效均匀分散，之后倒出高温铁水于预先做好的砂模内，最后经一段时间使铁水冷却凝固，即可得到一由体积分率介于35％～55％的肥粒铁相，与析出肥粒铁相后残余的沃斯田铁相组成的双相不锈钢基材，及一析出于该不锈钢基材的抗菌组份所构成的抗菌双相不锈钢。
上述本发明抗菌双相不锈钢的该较佳实施例，在配合以下具体例的说明后，当可更加清楚的明白。
<具体例>
在本发明抗菌双相不锈钢的具体例1～3中，是以体积分率分别为62.49/37.51、62.00/38.00、61.97/38.03的沃斯田铁/肥粒铁为双相不锈钢基材，及不同重量百分比浓度的银为抗菌组份，经由与上述该较佳实施例相同的制造方法将各成份有效均匀分散后即可得到本发明该具高抗蚀及抗菌能力的抗菌双相不锈钢。而，比较例则为ASTM规范内未添加银的2205双相不锈钢(60vol％沃斯田铁，40vol％肥粒铁)。
本发明具体例1～3及比较例分别简单整理于表一，另外，表二、表三，及表四分别为由具体例1～3所制得的抗菌不锈钢的详细成份。
表一
表二具体例1抗菌双相不锈钢详细组成份
| 碳 | 硅 | 锰 | 磷 | 硫 | 铬 | 钼 | 镍 | 铝 | 钴 |
| 0.0173 | 0.442 | 1.223 | 0.0251 | ＜0.001 | 22.73 | 3.172 | 5.86 | 0.0064 | 0.0962 |
| 铜 | 铌 | 钛 | 钒 | 钨 | 铅 | 锡 | 氮 | 银 | 铁 |
| 0.2259 | 0.0258 | 0.0079 | 0.1027 | 0.0282 | 0.0028 | 0.0086 | 0.308 | 0.0702 | Bal. |
表三具体例2抗菌双相不锈钢详细组成份
| 碳 | 硅 | 锰 | 磷 | 硫 | 铬 | 钼 | 镍 | 铝 | 钴 |
| 0.0157 | 0.4205 | 1.337 | 0.0251 | 0.0014 | 22.24 | 3.218 | 5.86 | 0.0071 | 0.1002 |
| 铜 | 铌 | 钛 | 钒 | 钨 | 铅 | 锡 | 氮 | 银 | 铁 |
| 0.2232 | 0.0249 | 0.0078 | 0.1055 | 0.0292 | 0.0028 | 0.0093 | 0.208 | 0.1463 | Bal. |
表四具体例3抗菌双相不锈钢详细组成份
| 碳 | 硅 | 锰 | 磷 | 硫 | 铬 | 钼 | 镍 | 铝 | 钴 |
| 0.0169 | 0.3889 | 1.254 | 0.0233 | ＜0.001 | 22.86 | 3.203 | 5.79 | 0.0061 | 0.0884 |
| 碳 | 硅 | 锰 | 磷 | 硫 | 铬 | 钼 | 镍 | 铝 | 钴 |
| 铜 | 铌 | 钛 | 钒 | 钨 | 铅 | 锡 | 氮 | 银 | 铁 |
| 0.22 | 0.0257 | 0.0075 | 0.1038 | 0.243 | ＜0.002 | 0.0079 | 0.3876 | 0.4400 | Bal. |
接着将上述该具体例1～3及比较例进行抗菌测试及抗蚀试验。
<抗菌测试>
首先先培养大肠杆菌，之后稀释(5ml LB+100μl菌液)再进行菌液离心(4℃，3500rpm，10min)，之后以1/10x LB回溶至5ml，吸取100μl菌液滴在试片表面盖上盖子，放入37℃培养箱中培养24hr。之后吸1ml PBS加至含有菌液的试片中，摇晃均匀，再吸取100μl菌液作连续稀释涂盘，隔日吸1ml PBS加至含有菌液的试片中，摇晃均匀，再吸取100μl菌液作连续稀释涂盘。隔日点数菌落数。
灭菌率(％)＝(原始菌落数-24hr菌落数)/原始菌落数x100
<抗蚀试验>
电化学极化试验：试验溶液为3.5wt％NaCl，主要模拟含有氯离子环境下的抗孔蚀性能。开始实验前半小时内以砂纸研磨至1200号后，以丙酮浸泡且用超音波震荡机震荡5分钟，之后喷覆酒精并以热风吹干，以避免实验前表面产生氧化膜。实验前先将所有试片处理仅裸露出1×1cm2的工作表面，所选择的溶液分别为3.5wt％NaCl。
动态极化试验：所使用的仪器为恒电位仪(potentiostat，Solartron 1286A)。测量试片本身采用三相电极，试片本身为工作电极(working electrode)，参考电极(referenceelectrode)则为饱和甘汞电极(saturated calomel electrode，SCE)，辅助电极(auxiliaryelectrode)则为白金电极。在试片置入测试溶液后一小时内测其电位变化，以求得开路电位(open circuit potential)，并且使试片于溶液中达成稳态。在一小时的开路电位量测完毕后随即进入动态极化试验阶段。试验初始电位(initial potential)的选择为相对于开路电位的-0.5V定为本研究的初始电位，并以1mV/s的扫描速率扫描至1.0V后再回扫至-0.5V停止。根据扫描出的完整极化曲线即可得到所需的腐蚀电位(corrosion potential，Ecorr)、腐蚀电流(corrosion current density，icorr)。藉由循环极化(cyclic polarization)试验的结果即可得到孔蚀电位(pitting potential，Epit)。
表五为具体例1～3及比较例的抗菌测试结果，表六为经抗蚀试验后得到的极化实验结果。
表五
| 试片编号 | 原始菌落数(CFU/ml) | 24hr菌落数(CFU/ml) | 灭菌率(％) |
| 比较例 | 1.5x104 | 13x105 | - |
| 试片编号 | 原始菌落数(CFU/ml) | 24hr菌落数(CFU/ml) | 灭菌率(％) |
| 具体例1 | 1.5x104 | 18 | 99.99 |
| 具体例2 | 1.5x104 | 17 | 99.99 |
| 具体例3 | 1.5x104 | 26 | 99.99 |
表六
由表五及表六的试验结果可知，本发明抗菌双相不锈钢对大肠杆菌具有良好抗菌效果，抗菌率均可达99.99％以上，且由孔蚀电位数据结果得知含银的抗菌双相不锈钢和不添加Ag(银)的双相不锈钢比较，具有相当的抗孔蚀性能(孔蚀电位相当1.23V-1.24V)，腐蚀速率也非常优异(远小于1Mpy)，显示添加银之后的抗菌双相不锈钢仍能保有其优异的抗蚀性能，即，在双相不锈钢基材添加银当抗菌组份可避免目前因单相成分的不锈钢在添加银为抗菌剂后造成的抗孔腐蚀能力下降的问题，因此本发明的抗菌双相不锈钢不仅具有极佳的抗菌能力且同时能保有双相不锈钢优异的抗孔腐蚀能力，可运用于同时需要高抗蚀及抗菌的条件要求，而有更佳的应用性。
由上述说明可知道，本发明以具有预定比例的沃斯田铁相及肥粒铁相组合而成的双相不锈钢基材为基础，添加重量百分比浓度介于0.05wt％～0.5wt％的抗菌组份所制得的抗菌双相不锈钢，不仅具有极佳的抗菌能力，且可避免目前因单相成分的不锈钢在添加银为抗菌剂后造成的抗孔腐蚀能力下降的问题，而可同时具有抗菌及抗孔腐蚀能力，可运用于同时需要高抗蚀及抗菌的条件要求而有更佳的应用性，故确实能达成本发明的目的。
Claims (2)
1.一种抗菌双相不锈钢，其特征在于：该抗菌双相不锈钢包含一双相不锈钢基材，及一抗菌组份，且该双相不锈钢基材包括体积分率介于35％～55％的肥粒铁相，及析出肥粒铁相后残余的沃斯田铁相，该抗菌组份至少包括重量百分比浓度是介于0.05wt％～0.5wt％的银。
2.如权利要求1所述的抗菌双相不锈钢，其特征在于：该双相不锈钢基材包括不大于0.08wt％的碳、不大于1.50wt％的镁、不大于1.50wt％的硅、不大于0.04wt％的磷、不大于0.04wt％的硫、介于21.0～27.0wt％的铬、介于4.0～11.0wt％的镍、介于1.75～5.0wt％的钼、介于0.0～3.3wt％的铜、介于0.0～0.33wt％的氮、介于0.0～1.0wt％的钨、其它于炼钢过程中不可避免的微量元素，及平衡量的铁。
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| EP4006185A4 (en) * | 2019-07-31 | 2022-11-02 | JFE Steel Corporation | AUSTENITIC-FERRITIC DUPLEX STAINLESS STEEL PLATE |
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