CN101880860A

CN101880860A - 一种不锈钢表面铜银渗镀层的制备方法

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Publication number: CN101880860A
Application number: CN 201010190511
Authority: CN
Inventors: 贺志勇; 王振霞; 贺耀华; 刘俊; 王英芹; 张翔宇
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2010-05-29
Filing date: 2010-05-29
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2030-05-29
Also published as: CN101880860B

Abstract

一种不锈钢表面铜银渗镀层的制备方法是利用双层辉光离子渗金属方法在不锈钢基材表面渗铜，并去除不锈钢基材表面的氧化层和铜膜；然后利用化学镀覆方法在不锈钢基材表面镀银；最后将镀银后的不锈钢基材进行热扩散处理，使不锈钢基材表面形成铜、银梯度分布的抗菌杀菌膜层。所制得抗菌不锈钢由于其铜和银的共同作用，大大提高了不锈钢的抗菌杀菌效果，降低了生产成本，并且解决了现有整体冶炼法所带来的能源与原料消耗较多的问题。该方法重复性好，质量易控，操作简单，可广泛用于抗菌不锈钢产品的生产。

Description

一种不锈钢表面铜银渗镀层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属表面渗镀离子的方法，尤其是一种采用双层辉光离子渗金属方法和化学镀覆方法相结合在不锈钢表面渗镀铜银的方法。

背景技术

现有抗菌不锈钢分为表面涂层抗菌不锈钢、复合抗菌不锈钢、添加抗菌元素抗菌不锈钢。

表面涂层抗菌不锈钢一般是以不锈钢为基体，通过喷涂、辊涂、溶胶、复合镀等工艺将有机抗菌剂、光触媒粉末材料涂覆其上，形成具有独特抗菌性的涂层产品。但是，金属材料经常需要高温热处理，而有机抗菌剂的耐热性比较差。另外，光触媒涂层只有在阳光照射下才具有抗菌效果，这样就大大限制了其应用。

复合抗菌不锈钢是利用铜合金的抗菌性能与不锈钢材料的力学性能及其工艺性，将两者复合到一起而获得抗菌性，但是工艺过程较为复杂。

添加抗菌元素抗菌不锈钢是通过添加铜、银元素和不锈钢整体冶炼，或双层辉光离子渗铜或银元素，或离子注入铜或银元素来得到具有抗菌性的不锈钢。

添加铜、银整体冶炼法是在进行不锈钢冶炼过程中加入抗菌元素铜或银，此方法消耗能源与原料太多，且经过锻造、轧制、固溶时效热处理工艺后，抗菌元素银和铜在不锈钢基体内均匀地弥散析出，从而起到抗菌杀菌作用，其工艺复杂，难以掌控。由于抗菌不锈钢发挥抗菌功能的区域是与其他介质接触的表面，因此，如果能够在表面形成抗菌改性层，不仅可以降低能源和资源的消耗，减少环境污染，还能简化工艺，节约成本。

双层辉光离子渗铜或银的方法是将不锈钢基材置入双层辉光离子渗金属炉中进行铜或银元素的渗透，有专利记载其工艺参数为：源极电压为0.7～1.4KV，工件电压为0.6～1.2KV，温度为800～1050℃，极间距为10～20mm，渗入时间为2～4h。但是，由于银元素的抗菌杀菌效果是由银单质或银离子的作用引起的，在该技术下，银极易被氧化，使银不能以单质的形态存在，进而影响不锈钢的杀菌效果。

离子注入铜或银的方法是将不锈钢基材置入设备中注入铜或银离子，该方法注入层膜一般＜1μm，对于金属离子在钢中注入，一般仅几十至二三百纳米，从而抗菌不锈钢的抗菌层极易被磨损掉，抗菌持久性能差；另外，设备造价高，对于复杂形状的工件难以实现注入，严重影响其推广应用。

双层辉光离子渗金属及其渗金属炉是一种表面合金化的技术和设备，可以在金属基材上形成金属靶材元素的渗镀层，由于渗镀层中靶材元素的浓度由基体至表面逐渐增大，呈梯度分布，因此，表面渗镀层与基体之间有很好的结合强度。该技术具有无公害、可处理大批量及大面积工件、渗镀厚度和成分范围均很宽等诸多优点。

化学镀覆技术是用还原剂将溶液中的需镀元素离子还原沉积在具有催化活性材料表面上形成镀层的一种技术，具有以下特点：均镀和深镀能力好，可以在复杂的材料表面产生厚度均匀的镀层；镀层晶粒细，致密，空隙率低，具有优异的表面性能；工作温度低，镀层与基材结合强度高，厚度可控；镀层具有特殊的机械，物理和化学性能；设备简单，操作容易。

因此，本发明采用双层辉光离子渗金属技术渗铜，化学镀银，最后进行真空热扩散制备抗菌不锈钢。

发明内容

本发明提供一种不锈钢表面铜银渗镀层的制备方法，以克服现有整体冶炼法所带来的能源与原料消耗较多，后续工艺复杂，难以掌控的问题；离子注入法造成的抗菌效果不能持久的问题；单一双层辉光离子渗金属技术或化学镀技术所产生的灭菌速率小的问题；喷涂、辊涂、溶胶、复合镀等技术带来的受高温处理和阳光照射条件约束的问题。

本发明自称的一种不锈钢表面铜银渗镀层的制备方法，包括双层辉光离子渗金属方法，化学镀覆方法，该方法利用双层辉光离子渗金属方法在不锈钢基材表面渗铜，并去除不锈钢基材表面的氧化层和铜膜；然后利用化学镀覆方法在不锈钢基材表面镀银；最后将镀银后的不锈钢基材进行热扩散处理，使不锈钢基材表面形成铜、银梯度分布的抗菌杀菌膜层。

上述技术方案中利用双层辉光离子渗金属方法在不锈钢基材表面渗铜是首先将不锈钢基材置入双层辉光离子渗金属炉，溅射靶材选用铜板，靶材和基材采用竖直悬挂设置，间距为25mm，本体真空度为1.8Pa，工作气体为高纯氩气；其次对不锈钢基材表面进行基材溅射清理，工艺参数为：工作气压20±5Pa，基材工作电压200～500V，清理时间0.5h；最后对不锈钢基材表面进行渗铜，工艺参数为：工作气压40±5Pa，溅射靶电压680～700V，基材工作电压380～420V，试样温度910～920℃，保温时间4h。

上述技术方案中利用化学镀覆方法在渗铜的不锈钢基材表面镀银是首先去除渗铜不锈钢基材表面氧化层和铜层，并进行高温除油清理，然后进行化学镀银，工艺参数为：酒石酸钾钠溶液浓度100g/L，硝酸银溶液浓度20g/L，氨水浓度80ml/L，镀液PH值12，施镀时间1h，反应温度10～20℃。

上述技术方案中将镀银后的不锈钢基材进行热扩散处理是将镀银的不锈钢基材置于真空管式加热炉中，氩气作为保护气体，进行等温热扩散处理，工艺参数为：本体真空度1.2×10-3Pa，温度500±3℃，保温时间2h，工作气压25～30pa，冷却方式为随炉冷却。

本发明上述技术方案中，采用双层辉光离子渗金属技术和化学镀技术相结合的方法，在不锈钢表面渗铜镀银，使得抗菌不锈钢表面含有大量银、少量铜、镍和铁元素，且膜层与基材之间具有铜银元素的相互扩散性，由X射线能谱仪检测膜层成分，其含银量约为95.92wt.％，含铜量约为4.08wt.％，含镍量为4.32wt.％，由X射线衍射仪检测膜层结构，其膜层中有Ag₃Fe₂和Fe₄Cu₃金属间化合物和Ag单质存在。

与现有整体冶炼法相比，本发明避免了能源与原材料消耗过多的缺陷，降低了生产成本，同时也解决了其抗菌元素不容易在基材表面均匀析出的问题；与单一渗铜和单一镀银的方法相比，本发明由于铜和银离子的共同作用，不仅提高了抗菌不锈钢的灭菌率，而且更主要的是在同等条件下，极大的缩短了其灭菌时间，由琼脂平板法，菌种为大肠杆菌，测定其抗菌杀菌效果，灭菌率可达100％，灭菌时间为其它工艺制备抗菌不锈钢的1/3～1/2。

本发明将双层辉光离子渗金属技术和化学镀技术有机的结合，进一步拓宽了抗菌不锈钢制备技术的领域，且该发明具有工艺重复性好，质量易控，操作简单等特点，可广泛用于抗菌不锈钢的生产和不锈钢成品的抗菌杀菌处理。

附图说明

图1是本发明的膜层I成分分布曲线图；

图2是本发明的膜层II成分分布曲线图；

图3是本发明的膜层XRD图谱；

图4是本发明的膜层表面金相照片；

图5是本发明的膜层截面金相照片。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的具体实施方式作出进一步详细说明，使所属技术领域的技术人员能够理解和实现，其所述有益效果也能够通过具体的实施例实现。

实施例1

本发明自称的一种不锈钢表面铜银渗镀层的制备方法，该方法已经以OCr18Ni9型奥氏体、1Cr13型马氏体和1Cr17型铁素体不锈钢为基材进行了试验，现以OCr18Ni9型奥氏体不锈钢为例，其方法按下列步骤进行：

一.双层辉光离子渗金属技术渗铜

(1)清理OCr18Ni9型奥氏体不锈钢表面：将OCr18Ni9型奥氏体不锈钢经过360^#水砂纸打磨，去掉表面毛刺并保证较好的表面平整度，然后依次用不同标号的水砂纸和金相砂纸打磨，最后在抛光布上抛光，保证表面较好的光洁度，最后进行清洗、干燥。

(2)装炉：将OCr18Ni9型奥氏体不锈钢放置于双层辉光离子渗金属炉中，使用纯度为99.995％的铜板做溅射靶材，靶材和基材均采用竖直悬挂式放置，间距为25mm，溅射气体为高纯氩气。

(3)抽真空并清洗：开启机械泵，在本体真空度达1.8Pa时，开启基材电源(阴极电源)，进行基材的溅射清理，具体参数为：工作气压20±5Pa，基材工作电压200～500V，清理时间0.5h。

(4)升温：开启溅射靶电源(源极电源)，工作气压调至40±5Pa，调节溅射靶电压至680～700V，基材工作电压380～420V，试样温度达910～920℃后，进入保温阶段。

(5)保温：保温4h后，关闭溅射靶电源和基材电源，0.5h后关闭氩气，待温度降到室温后出炉。

二.化学镀银

(1)基材准备：由于双层辉光离子渗金属技术在渗镀铜的过程中，不锈钢表面会形成厚度为10～20μm的沉积层和氧化层，这样会影响后续加工中银、铜和铁等元素的相互扩散，从而影响抗菌杀菌效果，因此，需使用1500^#水砂纸将镀铜后的不锈钢基材表面氧化层和铜膜去除，再进行高温除油清洗、干燥后备用，这步操作是本发明的关键点之一。

(2)镀银液的配置：镀银液由银氨溶液和还原剂配置而成，还原剂选用浓度为100g/L的酒石酸钾钠溶液。首先，在室温下，将浓度为80ml/L的NH₃·H₂O加入到已配制好的浓度为20g/L的AgNO₃溶液中，同时不断搅拌至溶液澄清，得到银氨溶液，然后，按体积比为1∶1的比例将银氨溶液和还原剂混合，得到镀银液。在银氨溶液和还原剂混合时，应该将还原剂加入银氨溶液中，否则，银的析出过快，容易出现银镜反应，这是本发明的又一个关键点之一。

(3)化学镀银：将装有镀银液的烧杯置于温度为10～20℃的水浴锅中，再将准备好的基材浸入到镀银液中，施镀时间为1h，最后，采用流水清洗、干燥，水洗时间不得少于2min。

三.真空热处理

将清理后的镀银不锈钢置于自主制造的真空管式加热炉中进行等温热扩散处理，使用氩气作保护气体。具体参数为：本体真空度1.2×10^-3Pa，温度500±3℃，保温时间2h，工作气压25～30Pa，冷却方式随炉冷却。

Claims

1.一种不锈钢表面铜银渗镀层的制备方法，包括双层辉光离子渗金属方法，化学镀覆方法，其特征是利用双层辉光离子渗金属方法在不锈钢基材表面渗铜，并去除不锈钢基材表面的氧化层和铜膜；然后利用化学镀覆方法在不锈钢基材表面镀银；最后将镀银后的不锈钢基材进行热扩散处理，使不锈钢基材表面形成铜、银梯度分布的抗菌杀菌膜层。

2.如权利要求1所述的不锈钢表面铜银渗镀层的制备方法，其特征在于利用双层辉光离子渗金属方法在不锈钢基材表面渗铜是首先将不锈钢基材置入双层辉光离子渗金属炉，溅射靶材选用铜板，靶材和基材采用竖直悬挂设置，间距为25mm，本体真空度为1.8Pa，工作气体为高纯氩气；其次对不锈钢基材表面进行基材溅射清理，工艺参数为：工作气压20±5Pa，基材工作电压200～500V，清理时间0.5h；最后对不锈钢基材表面进行渗铜，工艺参数为：工作气压40±5Pa，溅射靶电压680～700V，基材工作电压380～420V，试样温度910～920℃，保温时间4h。

3.如权利要求1所述的不锈钢表面铜银渗镀层的制备方法，其特征在于利用化学镀覆方法在渗铜的不锈钢基材表面镀银是首先去除渗铜不锈钢基材表面氧化层和铜层，并进行高温除油清理，然后进行化学镀银，工艺参数为：酒石酸钾钠溶液浓度100g/L，硝酸银溶液浓度20g/L，氨水浓度80ml/L，镀液PH值12，施镀时间1h，反应温度10～20℃。

4.如权利要求1所述的不锈钢表面铜银渗镀层的制备方法，其特征在于将镀银后的不锈钢基材进行热扩散处理是将镀银的不锈钢基材置于真空管式加热炉中，氩气作为保护气体，进行等温热扩散处理，工艺参数为：本体真空度1.2×10^-3Pa，温度500±3℃，保温时间2h，工作气压25～30pa，冷却方式为随炉冷却。