CN103526175A - 一种抗菌硬质不锈钢刀具及其制备方法 - Google Patents

一种抗菌硬质不锈钢刀具及其制备方法 Download PDF

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张超
陈荣生
詹玮婷
王紫阳
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李有维
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Abstract

本发明涉及一种抗菌硬质不锈钢刀具及其制备方法。其技术方案是：将待处理的不锈钢刀具刀刃朝上竖直地置于高能离子注入机中，先对待处理的不锈钢刀具表面进行离子清洗，再进行银离子注入，然后进行氮离子注入，即得抗菌硬质不锈钢刀具。其中：待处理的不锈钢刀具中Cr含量为12~32wt%；银离子注入的工作条件是：离子源加速电压为10~100KV；银离子注入剂量为5.0×1015~1.0×1019ions/cm2。氮离子注入的工作条件是：离子源加速电压为10~100KV；氮离子注入剂量为5.0×1015~1.0×1019ions/cm2。本发明具有处理速度快、加工简单和无污染的特点；所制备的抗菌硬质不锈钢刀具耐磨性好、硬度高、使用寿命长、能保持刀具原形貌和具有良好的持久抗菌性能。

Description

一种抗菌硬质不锈钢刀具及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种不锈钢刀具技术领域。具体涉及一种抗菌硬质不锈钢刀具及其制备方法。
背景技术
不锈钢刀具已经广泛应用于人们的生产生活中，随着生活质量的提高，人们对不锈钢性能要求也越来越高。由于刀具在日常生活中长时间接触水或有机物等介质，刀具容易被腐蚀、滋生细菌等进而影响人们的健康，加之使用时发生卷边甚至缺口而影响刀具的使用和美观。为了克服不锈钢硬度问题，通常对不锈钢进行渗氮、渗碳或碳氮共渗，提高不锈钢的表面硬度和耐磨性，现有的工艺有：
1）化学渗入。“提升马氏体不锈钢表面硬度的方法”（CN200710127264.3）专利技术的工艺过程是：利用混合气体中的氢气将不锈钢的氧化膜还原，使丙烷所提供的碳原子更容易进入不锈钢基底中，丙烷的流量控制在0.05~0.08公升/分钟，加热炉温度920℃以上，所述的混合气体是氨气分解气体和甲烷，通过该方法处理的马氏体不锈钢的表面维氏硬度值为700~760。“马氏体不锈钢渗碳方法及其制品”(CN200710050131.0)专利技术的工艺过程是：在甲苯气氛中于950~1000℃温度范围内渗碳，渗碳前做预处理，去除油污和钝化膜，渗碳后做热处理，通过该方法处理后的马氏体不锈钢的表面硬度HRC≥55（相当于维氏硬度值600）。“马氏体不锈钢氮碳共渗方法及其制品”(CN200810046438.8)专利技术的工艺过程是：将制品的半成品经调质处理、去除油污及钝化膜后，在氨气和二氧化碳气氛中于550~560℃温度范围内氮碳共渗，通过该方法处理后的马氏体不锈钢的共渗层深度≥0.05mm，共渗层表面维氏硬度值≥509。
2）低能离子渗入。“奥氏体不锈钢精密硬化方法及设备”（CN200810067779.3）专利技术的工艺过程是：将工件在380~450℃的温度下进行离子渗氮或离子碳氮共渗硬化处理1~5h，工作真空度为100~500Pa，工作电压为400~800V，所得不锈钢表面维氏硬度值＞500。
上述表面处理的方法可改变不锈钢的表面硬度，提高其使用寿命，但是这些方式对于刀具产品处理存在着严重的不足：①高温处理过程导致刀刃变形，工作时真空度低导致表面氧化，这样处理的刀具产品锋利度下降；②热处理和渗碳处理导致刀具表面形貌发生改变，影响刀刃的精度和表面光洁度，影响刀具使用寿命，尤其不适合刀具处理；③渗入需要控制的条件多，碳、氮的渗入量不易控制，影响刀具产品的质量。
     在不锈钢加入银离子虽能使不锈钢具有抗菌性能，但是存在诸多的不足：①冶炼中加入银制备的含银不锈钢，由于在整个不锈钢中均加入银，使得生产成本高；②通过扩散沉积的方式在不锈钢表面加入银离子，一般在高温下进行，容易使刀刃变形，不适合对刀具产品的加工；③通过离子注入在不锈钢表面加入银离子，由于离子注入银离子量相对较少并且离子注银的不锈钢表面耐磨性并未改善，一段时间使用后，表面的银离子脱落而大量减少，抗菌性能明显下降。
发明内容
   本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种加工简单、处理速度快和无污染的抗菌硬质不锈钢刀具的制备方法；用该方法制备的抗菌硬质不锈钢刀具耐磨性好、硬度高、使用寿命长，能保持刀具原形貌和具有良好的持久抗菌性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：将待处理的不锈钢刀具刀刃朝上竖直地置于高能离子注入机中，先对待处理的不锈钢刀具表面进行离子清洗，再进行银离子注入，然后进行氮离子注入，即得抗菌硬质不锈钢刀具。
所述待处理的不锈钢刀具中Cr含量为12~32wt%。
所述离子清洗的清洗源工作条件是：灯丝电流5~15A；电弧电压20~80V；引出电压1~5 KV；引出电流20~80mA。
所述银离子注入的工作条件是：真空室压力为1.0×10-3~3.0×10-3 Pa；离子源加速电压为10~100 KV；银离子注入剂量为5.0×1015~1.0×1019 ions/cm2。
所述氮离子注入的工作条件是：真空室压力为1.0×10-3~3.0×10-3 Pa；离子源加速电压为10~100 KV；氮离子注入剂量为5.0×1015~1.0×1019 ions/cm2。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明用高能离子束入射到不锈钢刀具表面，不改变不锈钢刀具的尺寸；离子注入过程在室温下进行，并且对工件台提供水冷，不会引起不锈钢刀具的高温变形，对刀具刃口硬化效果更好；刀具刀刃竖直朝上放置在工件台上，可大批量生产，生产成本低廉，工艺简单，处理速度快，处理过程无污染。
本发明对待处理不锈钢刀具采用清洗源去除表面的钝化层，然后在高真空条件下注入银和氮离子生成一层硬化膜，这层硬化膜和不锈钢基体间结合牢固，提高了抗菌硬质不锈钢刀具的使用寿命。
本发明在不锈钢刀具表面生成的硬化膜可通过调节注入时间和加速电压，能精确控制银和氮离子注入的剂量和注入深度，硬化膜厚度为0.02~20μm，有利于产品的质量控制，离子注入银和氮后的抗菌硬质不锈钢刀具的维氏硬度为300~1200，摩擦系数下降了10~45%，表面硬度得到了很大提高，耐磨性也得到显著提高。
本发明制备的硬质抗菌不锈钢刀具，由于其良好的耐磨性和具有抗菌的效果的银离子注入，抗菌率达85%以上，且具有优良的持久抗菌能力。
因此，本发明具有处理速度快、加工简单和无污染的特点；所制备的抗菌硬质不锈钢刀具耐磨性好、硬度高、使用寿命长、能保持原刀具形貌和具有良好的持久抗菌性能。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对其保护范围的限制。
为了避免重复，先将本具体实施方式所涉及的技术参数和检测所制备的抗菌硬质不锈钢刀具性能的方法统一描述如下，实施例中不再赘述：
1、所述待处理的不锈钢刀具中Cr含量为12~32wt%。
2、所述离子清洗的清洗源工作条件是：灯丝电流5~15A；电弧电压20~80V；引出电压1~5 KV；引出电流20~80mA。
3、所制备的抗菌硬质不锈钢刀具的性能检测方法
1）摩擦测试：利用微型摩擦磨损试验机对本具体实施方式制备的抗菌硬质不锈钢刀具（切成大小为20mm×20mm切片）进行摩擦测试，摩擦副由在水平面内转动的盘和位于它上端固定的钢珠组成，它们之间构成了点面接触，盘转动，钢珠固定，实验载荷为50g，转速为200r/min，轨迹半径为3mm，室温下进行。摩擦副为GCr15钢珠，直径为3mm。
2）硬度测试：采用HX-1000显微硬度计对本具体实施方式制备的抗菌硬质不锈钢刀具（切成大小20mm×20mm的切片）进行硬度测试，试验载荷25g，加载时间为20s，表面显微硬度测试是在本具体实施方式制备的抗菌硬质不锈钢刀具表面平行等距离取5个点，取平均值。
3）抗菌性能检验
抗菌性能检验是采用琼脂平板法，使用菌种为大肠杆菌，具体操作步骤如下：
(1) 用含75%乙醇的将待处理不锈钢刀具和本具体实施方式制备的抗菌硬质不锈钢刀具（切成大小20mm×20mm的切片）的试样分别洗净，脱脂，灭菌并晾干。
(2) 将大肠杆菌分散在1/500NB溶液中。
(3) 将菌液接种到试样上并在试样上覆盖薄膜。
(4) 将表面滴有菌液的试样入温度37℃、湿度90％以上的培养箱内做24h细菌培养。
(5) 用琼脂培养法(温度37℃、湿度90％以上、时间24h)测定活菌数。
(6) 每个样品均重复3次，取平均值。抗菌性能用灭菌率来评价，灭菌率用下式计算：
Figure 2013105440893100002DEST_PATH_IMAGE002
上式中，对照样活菌数是指对照待处理的不锈钢刀具试样进行细菌培养试验后的活菌数，而抗菌样活菌数是指本具体实施方式制备的抗菌硬质不锈钢刀具试样进行细菌培养试验后的活菌数。
具体实施方式
现结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
实施例1
一种抗菌硬质不锈钢刀具及其制备方法。将待处理的不锈钢刀具刀刃朝上竖直地置于高能离子注入机中，先对待处理的不锈钢刀具表面进行离子清洗，再进行银离子注入，然后进行氮离子注入，即得抗菌硬质不锈钢刀具。
    本实施例所述银离子注入的工作条件是：真空室压力为1.0×10-3~3.0×10-3 Pa；离子源加速电压为70～100 KV；银离子注入剂量为5.0×1017 ～1.0×1019ions/cm2。
本实施例所述氮离子注入的工作条件是：真空室压力为1.0×10-3~3.0×10-3 Pa；离子源加速电压为80-100KV；氮离子注入剂量为5.0×1018~1.0×1019 ions/cm2。
本实施例制备的抗菌硬质不锈钢刀具经检测：表面摩擦系数下降了35~45%；抗菌率为99%以上；表面维氏硬度为960~1200，是待处理不锈钢刀具的维氏硬度的3.6~4.5倍。
实施例2
一种抗菌硬质不锈钢刀具及其制备方法。将待处理的不锈钢刀具刀刃朝上竖直地置于高能离子注入机中，先对待处理的不锈钢刀具表面进行离子清洗，再进行银离子注入，然后进行氮离子注入，即得抗菌硬质不锈钢刀具。
本实施例所述银离子注入的工作条件是：真空室压力为1.0×10-3~3.0×10-3 Pa；离子源加速电压为70~100 KV；银离子注入剂量为5.0×1017~1.0×1019 ions/cm2。
本实施例所述氮离子注入的工作条件是：真空室压力为1.0×10-3~3.0×10-3 Pa；离子源加速电压为60~80 KV；氮离子注入剂量为5.0×1017~5.0×1018ions/cm2。
本实施例制备的抗菌硬质不锈钢刀具经检测：表面摩擦系数下降了30~40%；抗菌率为99%以上；表面维氏硬度为640~960，是待处理不锈钢刀具的维氏硬度的2.4~3.6倍。
实施例3
一种抗菌硬质不锈钢刀具及其制备方法。将待处理的不锈钢刀具刀刃朝上竖直地置于高能离子注入机中，先对待处理的不锈钢刀具表面进行离子清洗，再进行银离子注入，然后进行氮离子注入，即得抗菌硬质不锈钢刀具。
本实施例所述离子清洗的清洗源工作条件是：灯丝电流5~15A；电弧电压20~80V；引出电压1~5 KV；引出电流20~80mA。
本实施例所述银离子注入的工作条件是：真空室压力为1.0×10-3~3.0×10-3 Pa；离子源加速电压为70~100 KV；银离子注入剂量为5.0×1017~1.0×1019 ions/cm2。
本实施例所述氮离子注入的工作条件是：真空室压力为1.0×10-3~3.0×10-3 Pa；离子源加速电压为40~60 KV；氮离子注入剂量为5.0×1016~5.0×1017 ions/cm2。
本实施例制备的抗菌硬质不锈钢刀具经检测：表面摩擦系数下降了20~30%；抗菌率为99%以上；表面维氏硬度为460~800，是待处理不锈钢刀具的维氏硬度的1.7~2.4倍。
实施例4
一种抗菌硬质不锈钢刀具及其制备方法。将待处理的不锈钢刀具刀刃朝上竖直地置于高能离子注入机中，先对待处理的不锈钢刀具表面进行离子清洗，再进行银离子注入，然后进行氮离子注入，即得抗菌硬质不锈钢刀具。
本实施例所述银离子注入的工作条件是：真空室压力为1.0×10-3~3.0×10-3 Pa；离子源加速电压为70~100 KV；银离子注入剂量为5.0×1017~1.0×1019 ions/cm2。
本实施例所述氮离子注入的工作条件是：真空室压力为1.0×10-3~3.0×10-3 Pa；离子源加速电压为10~40 KV；氮离子注入剂量为5.0×1015~5.0×1016 ions/cm2。
本实施例制备的抗菌硬质不锈钢刀具经检测：表面摩擦系数下降了10~25%；抗菌率为99%以上；表面维氏硬度为300~500，是待处理不锈钢刀具的维氏硬度的1.1~1.9倍。
实施例5
一种抗菌硬质不锈钢刀具及其制备方法。将待处理的不锈钢刀具刀刃朝上竖直地置于高能离子注入机中，先对待处理的不锈钢刀具表面进行离子清洗，再进行银离子注入，然后进行氮离子注入，即得抗菌硬质不锈钢刀具。
本实施例所述银离子注入的工作条件是：真空室压力为1.0×10-3~3.0×10-3 Pa；离子源加速电压为40~70KV；银离子注入剂量为1.0×1017~5.0×1017 ions/cm2。
本实施例所述氮离子注入的工作条件是：真空室压力为1.0×10-3~3.0×10-3 Pa；离子源加速电压为80~100 KV；氮离子注入剂量为5.0×1018~1.0×1019 ions/cm2。
本实施例制备的抗菌硬质不锈钢刀具经检测：表面摩擦系数下降了35~45%；抗菌率为90~99%；表面维氏硬度为960~1200，是待处理不锈钢刀具的维氏硬度的3.6~4.5倍。
实施例6
一种抗菌硬质不锈钢刀具及其制备方法。将待处理的不锈钢刀具刀刃朝上竖直地置于高能离子注入机中，先对待处理的不锈钢刀具表面进行离子清洗，再进行银离子注入，然后进行氮离子注入，即得抗菌硬质不锈钢刀具。
本实施例所述银离子注入的工作条件是：真空室压力为1.0×10-3~3.0×10-3 Pa；离子源加速电压为10~40 KV；银离子注入剂量为5.0×1015~1.0×1017 ions/cm2。
本实施例所述氮离子注入的工作条件是：真空室压力为1.0×10-3~3.0×10-3 Pa；离子源加速电压为80~100 KV；氮离子注入剂量为5.0×1018~1.0×1019 ions/cm2。
本实施例制备的抗菌硬质不锈钢刀具经检测：表面摩擦系数下降了35~45%；抗菌率为85~90%；表面维氏硬度为960~1200，是待处理不锈钢刀具的维氏硬度的3.6~4.5倍。
本具体实施方式用高能离子束入射到不锈钢刀具表面，不改变不锈钢刀具的尺寸；离子注入过程在室温下进行，并且对工件台提供水冷，不会引起不锈钢刀具的高温变形，对刀具刃口硬化效果更好；刀具刀刃竖直朝上放置在工件台上，可大批量生产，生产成本低廉，工艺简单，处理速度快，处理过程无污染。
本具体实施方式对待处理不锈钢刀具采用清洗源去除表面的钝化层，然后在高真空条件下注入银和氮离子生成一层硬化膜，这层硬化膜和不锈钢基体间结合牢固，提高了抗菌硬质不锈钢刀具的使用寿命。
本具体实施方式在不锈钢刀具表面生成的硬化膜可通过调节注入时间和加速电压，能精确控制银和氮离子注入的剂量和注入深度，硬化膜厚度为0.02~20μm，有利于产品的质量控制，离子注入银和氮后的抗菌硬质不锈钢刀具的维氏硬度为300~1200，摩擦系数下降了10~45%，表面硬度得到了很大提高，耐磨性也得到显著提高。
本具体实施方式制备的硬质抗菌不锈钢刀具，由于其良好的耐磨性和具有抗菌的效果的银离子注入，抗菌率达85%以上，且具有优良的持久抗菌能力。
因此，本具体实施方式具有处理速度快、加工简单和无污染的特点；所制备的抗菌硬质不锈钢刀具耐磨性好、硬度高、使用寿命长、能保持原刀具形貌和具有良好的持久抗菌性能。

Claims (6)

1.一种抗菌硬质不锈钢刀具的制备方法，其特征在于，将待处理的不锈钢刀具刀刃朝上竖直地置于高能离子注入机中，先对待处理的不锈钢刀具表面进行离子清洗，再进行银离子注入，然后进行氮离子注入，即得抗菌硬质不锈钢刀具。
2.根据权利要求1所述抗菌硬质不锈钢刀具的制备方法，其特征在于所述待处理的不锈钢刀具中Cr含量为12~32wt%。
3.根据权利要求1所述抗菌硬质不锈钢刀具的制备方法，其特征在于所述离子清洗的清洗源工作条件是：灯丝电流5~15A；电弧电压20~80V；引出电压1~5 KV；引出电流20~80mA。
4.根据权利要求1所述抗菌硬质不锈钢刀具的制备方法，其特征在于所述银离子注入的工作条件是：真空室压力为1.0×10-3~3.0×10-3 Pa；离子源加速电压为10~100 KV；银离子注入剂量为5.0×1015~1.0×1019 ions/cm2。
5.根据权利要求1所述抗菌硬质不锈钢刀具的制备方法，其特征在于所述氮离子注入的工作条件是：真空室压力为1.0×10-3~3.0×10-3 Pa；离子源加速电压为10~100 KV；氮离子注入剂量为5.0×1015~1.0×1019 ions/cm2。
6.一种抗菌硬质不锈钢刀具，其特征在于所述抗菌硬质不锈钢刀具是根据权利要求1~5项中任一项所述抗菌硬质不锈钢刀具的制备方法所制备的抗菌硬质不锈钢刀具。
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