CN105057917A - 一种具有抗菌功能的奥氏体不锈钢焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种具有抗菌功能的奥氏体不锈钢焊丝，该焊丝的化学成分如下(重量％)，C：≤0.03；Si：0.3-0.5；Mn：0.3-1.0；S：≤0.01；P：≤0.01；Ni：10.5-15；Cr：15-20；Cu：0.5-2.0；Mo：1.5-4.0；Ag：0.01-0.15；RE：0.06-0.15；余量为Fe。所述焊丝在满足室温力学性能及耐蚀性能的基本要求基础上，无需焊后热处理就能够使焊缝连接处具有优异的抗菌性能，并能显著降低焊缝处微生物腐蚀。

Description

一种具有抗菌功能的奥氏体不锈钢焊丝

技术领域

本发明涉及焊丝领域，尤其涉及一种具有抗菌功能的奥氏体不锈钢焊接材料，其在满足奥氏体不锈钢焊接接头基本力学要求的基础上，具有独特的抗菌功能，且无需焊后抗菌热处理，能够显著降低焊缝微生物腐蚀行为，可广泛应用于奥氏体不锈钢相关抗菌应用领域的焊接连接。

背景技术

奥氏体不锈钢具有高韧性和塑性而且无磁性，因而其应用领域广泛。然而随着现代工业的不断发展，通用的奥氏体不锈钢已不能满足特定环境的要求，比如，奥氏体不锈钢焊丝焊缝处往往由于粗大的晶粒组织导致力学性能和耐蚀性能下降，并且有报道显示，奥氏体不锈钢焊缝处还容易引起微生物腐蚀行为，基于此一些具有特定功能的奥氏体不锈钢应运而生，而具有抗菌功能的奥氏体不锈钢正是在这种大背景下被研发出来。

现有的奥氏体抗菌不锈钢是指自身具有抗菌功能的不锈钢新材料，它主要是通过在现有不锈钢材料基体中加入适量的抗菌金属元素，如铜等，经过特殊的抗菌热处理操作，使得不锈钢基体析出纳米富铜相，通过与环境接触过程中释放的微量铜离子，使其整体产生强烈和广谱的抗菌功能。它能够像普通不锈钢一样作为耐腐蚀的结构材料使用，具有装饰和美化功能，在保证具有一定力学性能的前提下，同时对常见的细菌具有广谱杀菌特性。如申请号为02144683.0的专利提出了一种奥氏体抗菌不锈钢，在奥氏体基体上加入1-4.5％的铜元素，使材料具有持久抗菌性能并具备良好的机械性能和耐腐蚀性能；申请号为201410733798.0的专利申请提出了一种含铈和铜元素的抗菌不锈钢，该抗菌不锈钢不仅具有广谱抗菌性，同时改善了不锈钢的耐蚀性、耐磨性、强度和韧性等综合性能；申请号为20111027071.4的专利提出了一种奥氏体复合抗菌不锈钢，通过在不锈钢中加入铜、银、稀土等元素，使其基体中均匀弥散分布着纳米析出相，以达到抗菌的目的。目前奥氏体抗菌不锈钢主要用来制作各种厨卫产品，水处理设备以及医疗器械相关产品等。然而，抗菌元素的添加对奥氏体不锈钢的焊接提出了新的要求，只有采用合理的焊接材料，正确的焊接工艺，才能保证奥氏体抗菌不锈钢的焊接质量。一个重要事实是随着奥氏体抗菌不锈钢的广泛应用，其相应的焊接连接技术也越发变的至关重要，若在奥氏体抗菌不锈钢之间采用常规的奥氏体抗菌不锈钢焊丝，由于焊接温度较高，抗菌热处理析出的富铜相在焊接过程中会发生回溶，势必会损失材料焊缝连接处的抗菌特性，即使使用同母材相同的焊丝，同样需采用繁琐的抗菌热处理工艺才能使焊缝处具有抗菌功能，这大大降低了其实用价值。因此，研究开发具有抗菌特性的奥氏体不锈钢焊丝，在不损失基础力学性能的前提下，无需焊后热处理就能使焊缝处具有抗菌性能，不但对于具有奥氏体抗菌不锈钢，同样对于普通奥氏体不锈钢，都具有广阔的应用前景和实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有抗菌功能的奥氏体不锈钢焊丝，在满足室温力学性能及耐蚀性能的基本要求基础上，无需焊后热处理就能够使焊缝连接处具有优异的抗菌性能，并能显著降低焊缝处微生物腐蚀。

本发明的技术方案是：

一种具有抗菌功能的奥氏体不锈钢焊丝，该焊丝的化学成分如下(重量％)，C：≤0.03；Si：0.3-0.5；Mn：0.3-1.0；S：≤0.01；P：≤0.01；Ni：10.5-15；Cr：15-20；Cu：0.5-2.0；Mo：1.5-4.0；Ag：0.01-0.15；RE：0.06-0.15；余量为Fe，其中RE为稀土元素，是以Ce(铈)为主要原料，并配以La、Pr和Nd等镧系元素中的一种或一种以上的混合物。

在本发明的具有抗菌功能的奥氏体不锈钢焊丝的成分设计中，主要的抗菌元素为Ag和RE元素。本发明创新地实现了两种元素的双重抗菌作用与不降低焊缝的力学性能和耐蚀性能的完美结合，能够显著降低焊缝微生物腐蚀现象，并保证焊缝具有良好的抗菌性能和耐腐蚀性能，这也是本发明的主要创新点。

本发明焊丝熔敷金属的组织为奥氏体+少量铁素体组织。

下面对本发明的一种具有抗菌功能的奥氏体不锈钢主要的化学组织成分做详细叙述。

Cu：Cu有固溶强化、降低韧脆转变温度的作用，Cu同样是发挥抗菌性能的基础合金元素，但由于焊接温度一般较高，故不能析出足够的富铜析出相以发挥抗菌功能。另外，适量的铜添加可以增加焊缝结构的耐均匀腐蚀性能。但Cu含量相对过高时，会影响焊丝的加工性能，并能够大幅度的降低焊丝的耐腐蚀性能。此外本焊丝中由于无焊后热处理，所以无富铜相的析出，Cu的抗菌性能无法保证。故本焊丝Cu含量的选择范围为Cu：0.5-2.0％，优选范围为1.0-1.5wt％。

RE：RE元素的添加能够脱硫脱氧，改变夹杂物的形态，提高焊缝的耐蚀性能，提高冲击韧性(特别是低温韧性)。此外，稀土元素的添加同样也能够起到抗菌的作用。稀土金属离子属于硬酸类，不易极化变形，因而与微生物组织中的O和N等硬碱类配位原子有较强的配位能力，能够适应不同配位数的配位空间结构，可以取代细菌细胞内的一些金属元素如Ca等，而这些金属元素通常是细菌体内对细菌生命过程起重要作用的金属元素，这直接影响了细菌的生理过程，从而导致细菌生长繁殖受抑制，最终死亡。稀土元素对抗菌性能的贡献可以有效缓解Cu的添加对点蚀电位下降的影响，从而可以使焊缝金属同时满足力学及抗菌性能的需求。但添加过量的稀土元素反而会降低焊缝金属的耐蚀性能。本焊丝RE含量的范围为0.06-0.15％，优选范围为0.08-0.1wt％。

Ag：Ag元素是非常强烈的杀菌元素，据1978年美国科学文献报道，Ag元素能够杀灭650种不同的病原体。Ag元素的添加不仅能起到强烈的杀菌效果，还可以抑制焊缝区域的微生物腐蚀。由于Ag的价格昂贵，且Ag元素具有较高的饱和蒸汽压，在冶炼过程中容易挥发，因此过多的Ag添加不易控制且损害不锈钢的耐蚀性能和力学性能。现有关于不锈钢的焊丝文献中未发现有添加Ag元素，Ag元素的添加是本发明的创新元素之一。故本焊丝Ag含量范围为0.01-0.15％，优选范围为0.06-0.1wt％。

本发明的有益效果是：

1、本发明创新性地添加了具有抗菌功能的多种抗菌元素，在不损失焊丝基本力学性能和耐蚀性能的基础上，获得了具有优良抗菌性能的奥氏体不锈钢焊丝。

2、本发明焊丝熔敷金属具有良好的室温力学性能、耐蚀性能和抗菌性能，并且能够强烈抑制焊缝微生物腐蚀。

3、本发明焊丝能够适用于全位置焊接，焊接质量好，焊缝强度、韧性和抗菌性能能够达到指标要求，并且焊后无需热处理就可具有抗菌特性，简化了焊接工艺，降低成本。

4、本发明焊丝可广泛适用于奥氏体不锈钢相关抗菌领域的焊接，特别适用于具有抗菌功能的奥氏体不锈钢之间的焊接。

具体实施方式

以下用实施例对本发明作更一步的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。

实施例：

实施例1-6的具有抗菌性能的奥氏体不锈钢焊丝的化学成分见表1。根据本发明焊丝的化学成分范围进行控制冶炼。对冶炼好的钢锭轧制成盘条，再进行热处理、拉拔、最终获得直径的焊丝。采用三种成分的焊丝对试板进行手工电弧焊，试板为20mm厚的316L不锈钢板，焊接电压13V，焊接电流180A，焊接速度100mm/min，保护气体为高纯氩气，层间温度小于100℃。

对比例：

对比例1-6为普通奥氏体不锈钢焊丝，其化学成分见表1，具体处理工艺和焊接工艺与实施例相同。

表1实施例和对比例焊丝化学成分(wt,％)

(1)基础力学性能检测

试板、垫板尺寸及坡口设计参考GB2652-89焊缝及熔敷金属拉伸试验方法，室温力学性能检测结果见表2。

(2)抗菌性能检测

根据“JISZ2801-2000《抗菌加工制品－抗菌性试验方法和抗菌效果》、GB/T2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等相关标准规定，选取焊缝熔敷金属，定量测试了表1所示成分的焊缝金属对常见感染菌(如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌)作用后的杀菌率。对大肠杆菌抗菌性能检测结果见表2。

(3)耐腐蚀性能

根据不锈钢点蚀电位测量方法(国家标准：GB/T17899-1999)对本发明实施例及对比例焊缝金属进行阳极极化曲线测试，测试结果见表2。

(4)微生物腐蚀性能检测

微生物腐蚀性能检测是将实施例与对比例焊缝金属浸泡在一定浓度的细菌液中，如大肠杆菌等，然后检测焊缝熔敷金属腐蚀电流的变化。对大肠杆菌微生物腐蚀性能检测结果见表2。

表2实施例和对比例焊缝熔敷金属的性能测试结果

从表2试验结果可见，本发明实施例1-6(特别是实施例2和3)的奥氏体抗菌不锈钢焊丝在焊后保持了良好的基本力学性能和耐蚀性能，同时还具有优异的抗菌性能和耐微生物腐蚀性能。稀土和银元素的添加是本发明保持各项优异性能的关键所在。

银元素是本焊丝发挥抗菌性能及耐微生物腐蚀的主要元素，过量的银元素虽然能保证焊缝金属的抗菌和耐微生物腐蚀性能，但会显著降低焊缝金属的基本力学性能及耐点蚀性能(如对比例5)。若银含量过低或者不添加，则焊缝金属不具备强烈地抗菌和耐微生物腐蚀性能(如对比例6)。同样对于稀土元素，过量或者过少的添加(对比例4和对比例7)都不能达到最优的各项性能指标。

以上分析可知，通过焊丝中加入一定范围的Ag和RE元素以及通过各元素之间的匹配，能够使焊缝在达到或超过类似产品的相关性能指标下，使焊缝具有优异的抗菌性能和显著的耐微生物腐蚀性能。本发明的焊丝可以应用于奥氏体不锈钢焊接的惰性气体保护焊中，特别应用于具有抗菌功能的奥氏体不锈钢的焊接。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有抗菌功能的奥氏体不锈钢焊丝，其特征在于：其化学成分质量百分数为：C：≤0.03；Si：0.3-0.5；Mn：0.3-1.0；S：≤0.01；P：≤0.01；Ni：10.5-15；Cr：15-20；Cu：0.5-2.0；Mo：1.5-4.0；Ag：0.01-0.15；RE：0.06-0.15；余量为Fe。

2.按照权利要求1所述具有抗菌功能的奥氏体不锈钢焊丝，其特征在于所述不锈钢焊丝中Cu的含量为：1.0-1.5wt％。

3.按照权利要求1所述具有抗菌功能的奥氏体不锈钢焊丝，其特征在于所述不锈钢焊丝中RE的含量为：0.08-0.1wt％。

4.按照权利要求1所述具有抗菌功能的奥氏体不锈钢焊丝，其特征在于所述不锈钢焊丝中Ag的含量为：0.06-0.1wt％。

5.一种权利要求1所述奥氏体不锈钢焊丝在奥氏体不锈钢焊接方面的应用。

6.按照权利要求5所述奥氏体不锈钢焊丝的应用，其特征在于：该奥氏体不锈钢焊丝应用于奥氏体不锈钢焊接的惰性气体保护焊。