CN105296874B - 一种不锈钢、制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不锈钢、制备方法及应用，属于不锈钢材料技术领域。按重量百分含量计，所述不锈钢的化学成分为：C≤0.03％，Si≤0.5％，Ni8.0‑10.0％，Cr 17.0‑19.0％，S≤0.003％，P≤0.003％，Cu 3.5‑5.0％，N 0.10‑0.30％，稀土元素≤0.10％，其余为Fe及不可避免的杂质。该不锈钢在具备广谱抗菌功能的同时，还具备优异的耐微生物腐蚀性能。可广泛应用于建筑装饰、厨房、卫生设备和用具、家用电器、交通运输、工业管道、水处理设备以及海洋工程中需要耐微生物腐蚀的不锈钢设备和部件。
Description
技术领域
本发明涉及不锈钢材料技术领域，特别涉及一种不锈钢、制备方法及应用。
背景技术
微生物腐蚀(Microbiologically Influenced Corrosion，简称MIC)涉及到多种工业部门，如：核能、石油、化工中的工业用水、循环冷却水系统、海洋工程和输油管道等均会受到微生物腐蚀的影响。目前常用的金属材料，如不锈钢、铜及其合金、镍及其合金等，在海水和工业管道中都会发生一定的微生物腐蚀。微生物腐蚀对工业生产、食品加工等应用领域造成的经济损失巨大。据统计，由微生物腐蚀直接造成的损失全球每年约为30到50亿美元。中国石油天然气总公司1992年的统计显示，每年微生物腐蚀给油田造成的损失约为2千万美元，且呈上升趋势。
微生物腐蚀是指由微生物生命活动引起或加速的腐蚀电化学过程。其前提是细菌附着在材料表面并形成生物膜，微生物膜内微生物的新陈代谢作用使得金属表面化学环境与本体溶液不同，如离子种类、浓度、pH值、溶解氧等，从而形成电池，引起不锈钢腐蚀。生物膜的吸附和形成与材料成分、表面粗糙度等因素相关。
现有技术的不足在于：目前还没有能够较好地满足抵抗一般腐蚀的同时，还能在微生物环境中显著提高其耐微生物腐蚀的能力的不锈钢材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不锈钢、制备方法及应用，用以提高不锈钢在微生物环境中耐微生物腐蚀能力。
本发明技术方案为：
一种不锈钢，按重量百分含量计，所述不锈钢的化学成分为：C≤0.03％，Si≤0.5％，Ni 8.0-10.0％，Cr 17.0-19.0％，S≤0.003％，P≤0.003％，Cu 3.5-5.0％，N 0.10-0.30％，稀土元素≤0.10％，其余为Fe及不可避免的杂质。其中：所述稀土元素优选为La，所述La含量优选为0.02-0.06wt.％。
所述N含量优选为0.15-0.25wt.％。
所述Cu含量优选为3.5-4.0wt.％。
本发明不锈钢的制备方法，包括如下步骤：
(1)真空感应熔炼：将所需不锈钢成分加入到真空感应冶炼炉中进行真空感应冶炼，1400-1500℃冶炼10-20分钟后，进行磁力搅拌后浇铸成铸锭；
(2)均匀化退火：将铸锭在1000-1200℃保温1-2小时进行均匀化退火后，锻造成棒状或者块状试样，所述锻造的温度为1100-1200℃；
(3)固溶处理：将锻造所得试样在1000-1100℃固溶处理0.5-1小时，使钢中元素充分固溶于基体中，冷却(水冷或炉冷)至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；
(4)时效处理：在500-700℃进行时效处理，处理时间0.5-2小时，时效处理后冷却(空冷或炉冷)至室温，使过饱和的铜从钢中析出，形成足够量的富铜相，从而获得所述不锈钢。
本发明不锈钢能够作为耐微生物腐蚀的不锈钢设备和部件，其应用领域为建筑装饰、厨房、卫生用具、家用电器、交通运输、工业管道、水处理设备或海洋工程领域。
本发明的有益效果是：
本发明在现有含铜抗菌不锈钢的基础上，添加稀土元素，在与铜元素的协同作用下，大幅度地缩短不锈钢杀死游离态细菌微生物的时间，从而可有效降低细菌生物膜在其表面的附着能力。与此同时，通过添加适量氮，显著提高不锈钢在与细菌微生物作用后的耐点蚀能力。不锈钢成分中的铜、氮和稀土等元素经过合理配比，显著提高其耐微生物腐蚀的能力，拓宽了现有奥氏体不锈钢的应用领域。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的具体实施例，其中：
图1为本发明实施例中不锈钢的制备方法的实施流程示意图。
图2为本发明实施例中不锈钢的富铜相析出金相图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。
发明人在发明过程中注意到：
针对奥氏体不锈钢的腐蚀风险，在现有技术中，通过在不锈钢中添加氮、稀土等合金元素中的一种或者几种，来提高现有奥氏体不锈钢(如304L、316L等)在酸性介质、碱性介质以及模拟体液中的耐点蚀、孔蚀、缝隙腐蚀能力。然而，微生物腐蚀机理与前面提及的腐蚀机理差别很大，微生物腐蚀的前提是细菌附着在材料表面并形成生物膜，而生物膜的吸附和形成与材料成分、表面粗糙度等因素相关。微生物膜内微生物的新陈代谢作用使得金属表面化学环境与本体溶液不同，如离子种类、浓度、pH值、溶解氧等。微生物参与并促进不锈钢的腐蚀过程包含以下几个方面：(1)打破钝态层的稳定性；(2)增加Cl-的攻击性；(3)微生物代谢产物对钝化膜的侵蚀作用；(4)多种细菌的共同作用。
不锈钢，即使含钼量达4.5wt％的奥氏体不锈钢也会发生微生物腐蚀。这是由于好氧微生物在生长过程中消耗氧，产生二氧化碳，从而形成氧浓差电池，引起不锈钢腐蚀。曾有报道称，铁细菌能使井水试压后未排净的壁厚为3mm的304L和316L不锈钢管道在试压一个月后发生腐蚀穿孔。在硫酸盐还原菌(Sulfate Reducing Bacteria，简称SRB)活动的厌氧介质中，不锈钢的微生物腐蚀形式主要是孔蚀和晶间腐蚀。此外，铜及其合金也易遭受到SRB的腐蚀作用，例如有研究者在地下管道铜设施中发现了SRB腐蚀。SRB产生的硫化氢被认为是导致铜及其合金发生点蚀及应力腐蚀开裂的主要诱因，产生的硫化氢导致疏松易剥落的腐蚀产物层CuS及CuS1+x的形成。因此，抑制或者延缓细菌生物膜在金属表面的形成和附着，会有望提高钢铁材料的耐微生物腐蚀性能。
现有304含铜抗菌不锈钢经过适当抗菌热处理后析出过饱和的富铜相，与细菌微生物接触后，通过其表面不断溶出铜离子，杀死游离态的细菌，从而能够有效细菌生物膜的形成。然而与普通304不锈钢相比，其对微生物耐腐蚀能力提高幅度有限。为了满足实际应用需求，不锈钢除了能够抵抗一般腐蚀介质，还要在微生物环境中显著提高其耐微生物腐蚀的能力。而目前还没有能够较好地满足抵抗一般腐蚀的同时，还能在微生物环境中显著提高其耐微生物腐蚀的能力的不锈钢新材料。
针对上述不足，本发明实施例中提供了一种不锈钢及制备方法及应用，下面进行说明。
本发明实施例中提供了一种不锈钢，该不锈钢化学成分为C、Si、Ni、Cr、S、P、Cu、N、稀土元素，其余为Fe及不可避免的杂质，其中Cu含量为3.5-5.0重量％、N含量为0.10-0.30重量％、稀土元素含量为≤0.10重量％。
实施中，稀土元素为：La。
在本发明实施例提供的耐生物腐蚀不锈钢的成分设计中，添加的铜(Cu)元素、氮(N)和稀土元素(La)是不锈钢中重要的合金化元素，各元素之间的协同作用可在确保不锈钢具有良好的耐微生物腐蚀性能的同时，保持优异的力学性能。
实施中，本发明实施例中，在现有含铜抗菌不锈钢的基础上，添加稀土元素，在与铜元素的协同作用下，大幅度地缩短不锈钢杀死游离态细菌微生物的时间，从而可有效降低细菌生物膜在其表面的附着能力；与此同时，通过添加氮元素，显著提高不锈钢在与细菌微生物作用后的耐点蚀能力。
实施中，稀土La含量≤0.10重量％。
本发明实施例中的La元素，是不锈钢中的合金元素，通过与氧、硫等形成稀土氧硫化物，避免了形成Cr23C6而造成的贫铬区，提高了本发明实施例提供的不锈钢在微生物环境中的耐微生物腐蚀性能。同时La元素具有优良的抗菌性能，与铜元素协同作用下，能够在更短时间内杀灭不锈钢表面上的游离态细菌。此外，添加La元素还改善不锈钢的热塑性，提高其热加工工艺性能。本发明实施例中的La元素不高于0.10wt％，较佳的范围为0.02-0.06wt％。
实施中，N含量为：0.15-0.25重量％。
本发明实施例中的氮(N)元素，是强烈的奥氏体稳定化元素。不锈钢中加入氮会抑制铁素体相的形成，使奥氏体相更稳定。氮含量越高，奥氏体越稳定。但是氮含量过高，容易造成氮化物的析出，对钢的力学性能以及耐腐蚀性能产生不利影响。因此氮元素在铬镍型不锈钢中的添加量为0.10～0.30％时，能够确保材料具有较高的强度和良好的耐蚀性。为了保证不锈钢现有力学性能的同时，保持其优异的耐微生物腐蚀性能，本发明实施例中的氮含量控制在0.15-0.25wt％较佳。
实施中，Cu含量可以为：3.5-4.0重量％。
本发明实施例中的Cu元素，是不锈钢中的重要合金元素，是保证不锈钢具备抗菌功能并抑制其表面细菌生物膜形成和繁殖的必要条件。本发明实施例提供的不锈钢中的铜含量为3.0-5.0(wt)％，以保证在特殊热处理条件下，在钢中均匀弥散析出尺寸在纳米级的富铜相。即使不锈钢经过多次打磨后，仍然能在微生物环境中通过铜离子的溶出杀菌作用保持优异的抗菌性能和抗菌持久性，抑制细菌生物膜在其表面附着和生长，从而降低细菌微生物对其的腐蚀作用。为了保证耐微生物腐蚀性能的影响，添加的铜含量控制在3.5-4.0wt％较佳。
本发明实施例中的Cr元素，为300系列不锈钢中的重要合金化元素，起到耐蚀、增加强度等作用。
本发明实施例中的Ni元素，为300系列不锈钢中的重要合金化元素，起到稳定奥氏体结构、增加强度等作用。
实施中，不可避免的杂质含量可以参考300系列不锈钢国家标准(GB/T1220-1992)中的相应要求。
本发明实施例中还提供了一种不锈钢的制备方法，图1为不锈钢的制备方法实施流程示意图，如图1所示，可以包括步骤：
步骤101：将不锈钢各成分加入到冶炼炉中进行冶炼，经搅拌使不锈钢中各组分混合充分、均匀后浇铸成铸锭；
步骤102：将铸锭均匀化退火；
步骤103：经锻造后冷却至室温；
步骤104：固溶处理至钢中元素充分固溶于基体中；
步骤105：冷却至室温；
步骤106：时效处理后冷却至室温，使过饱和的铜从钢中析出，形成足够量的富铜相。
实施中，可以将不锈钢各成分加入到真空感应冶炼炉中进行真空感应冶炼，经磁力搅拌后浇铸成铸锭。
实施中，在将铸锭均匀化退火后，经锻造后空冷至室温。
实施中，在固溶处理至钢中元素充分固溶于基体中后，可以水冷或炉冷至室温。
实施中，在时效处理后，可以空冷或炉冷至室温，使过饱和的铜从钢中析出，形成足够量的富铜相。
具体实施中，不同的热处理制度需要不同的冷却方式。比如，材料固溶处理后需要快速冷却的方式，即水冷，使得铜充分溶解在基体中而不发生过饱和析出；而当材料时效处理后需要通过空冷的方式使得过饱和的富铜抗菌相均匀弥散析出，达到抗菌作用。同样，材料经均匀化退火后需要经过炉冷的冷却方式，使其组分在基体中分布均匀。
实施中，真空感应冶炼温度范围可以为1400-1500℃。
实施中，均匀化退火温度范围可以为1000-1200℃。
实施中，锻造温度范围可以为1100-1200℃。
实施中，固溶处理的温度范围可以为1000-1100℃。
实施中，时效处理的温度范围可以为500-700℃。
实施中，真空感应冶炼时长可以为10-20分钟。
实施中，均匀化退火时长可以为保温1-2小时。
实施中，在固溶处理的温度范围内的保温时长可以为0.5-1小时。
实施中，可以根据试样尺寸大小来确定该固溶处理时间。
实施中，在时效处理的温度范围内的保温时长可以为0.5-2小时。
在步骤106实施中，将不锈钢在时效处理的温度范围内保温至钢中析出足够量的富铜相时，该“足够量”在实施时可以根据经验和需要结合实践确定，只需根据细菌种类和环境的不同来调整其析出量保证耐生物腐蚀效果即可，这是本领域技术人员容易实现的。
本发明实施例中还提供了一种不锈钢作为耐微生物腐蚀的不锈钢设备和部件的应用。
实施中，本发明中的耐微生物腐蚀的奥氏体不锈钢可以应用于建筑装饰、厨房、卫生用具、家用电器、交通运输、工业管道、水处理设备以及海洋工程中需要耐微生物腐蚀的不锈钢设备和配件。
从以下实例将进一步理解本发明。
实施例1
利用真空感应冶炼炉进行本发明不锈钢的冶炼，具体过程为：
将合金成分依次加入到真空感应冶炼炉中，1480℃精炼20分钟后，进行磁力搅拌后浇铸成铸锭；
1150℃、保温2小时均匀化退火后，锻造成棒状或者块状试样；
在1040℃保温0.5h，使钢中的铜、氮和稀土元素能充分固溶于基体中；
空冷或水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；
在700℃保温2h，使过饱和的铜从钢中析出足够量的富铜相；
空冷或水冷至室温。
上述实施例1不锈钢的化学成分分析结果见表1。
图2所示为本发明实施例1经过上述热处理后的TEM(Transmission ElectronMicroscope，透射电子显微镜)金相图照片，在300系列耐微生物腐蚀不锈钢基体中出现短棒状的析出物，平均直径为60nm。不锈钢基体中均匀弥散分布着富铜析出相，这是耐微生物腐蚀不锈钢具备抗菌特性的必要条件。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
利用真空感应冶炼炉进行本发明不锈钢的冶炼，具体过程为：
将合金成分依次加入到真空感应冶炼炉中，1450℃精炼15分钟后，进行磁力搅拌后浇铸成铸锭；
1100℃、保温1.5小时均匀化退火后，锻造成棒状或者块状试样；
在1030℃保温0.5h，使钢中的铜、氮和稀土元素能充分固溶于基体中；
空冷或水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；
在700℃保温2h，使过饱和的铜从钢中析出足够量的富铜相；
空冷或水冷至室温。
上述实施例2不锈钢的化学成分分析结果见表1。
实施例3
与实施例1不同之处在于：
利用真空感应冶炼炉进行本发明不锈钢的冶炼，具体过程为：
将合金成分依次加入到真空感应冶炼炉中，1480℃精炼15分钟后，进行磁力搅拌后浇铸成铸锭；
1120℃、保温1小时均匀化退火后，锻造成棒状或者块状试样；
在1030℃保温1h，使钢中的铜、氮和稀土元素能充分固溶于基体中；
空冷或水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；
在700℃保温1.5h，使过饱和的铜从钢中析出足够量的富铜相；
空冷或水冷至室温。
上述实施例3不锈钢的化学成分分析结果见表1。
实施例4
与实施例1不同之处在于：
利用真空感应冶炼炉进行本发明不锈钢的冶炼，具体过程为：
将合金成分依次加入到真空感应冶炼炉中，1500℃精炼10分钟后，进行磁力搅拌后浇铸成铸锭；
1050℃、保温2小时均匀化退火后，锻造成棒状或者块状试样；
在1050℃保温0.5h，使钢中的铜、氮和稀土元素能充分固溶于基体中；
空冷或水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；
在700℃保温2h，使过饱和的铜从钢中析出足够量的富铜相；
空冷或水冷至室温。
上述实施例4不锈钢的化学成分分析结果见表1。
实施例5
与实施例1不同之处在于：
利用真空感应冶炼炉进行本发明不锈钢的冶炼，具体过程为：
将合金成分依次加入到真空感应冶炼炉中，1420℃精炼20分钟后，进行磁力搅拌后浇铸成铸锭；
1120℃、保温1.5小时均匀化退火后，锻造成棒状或者块状试样；
在1050℃保温0.5h，使钢中的铜、氮和稀土元素能充分固溶于基体中；
空冷或水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；
在700℃保温2h，使过饱和的铜从钢中析出足够量的富铜相；
空冷或水冷至室温。
上述实施例5不锈钢的化学成分分析结果见表1。
对比例1
与实施例1不同之处在于：
利用真空感应冶炼炉进行本发明不锈钢的冶炼，具体过程为：
将合金成分依次加入到真空感应冶炼炉中，1480℃精炼12分钟后，进行磁力搅拌后浇铸成铸锭；
1200℃、保温1小时均匀化退火后，锻造成棒状或者块状试样；
在1030℃保温0.5h，使钢中的铜、氮和稀土元素能充分固溶于基体中；
空冷或水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；
在700℃保温1h，使过饱和的铜从钢中析出足够量的富铜相；
空冷或水冷至室温。
上述对比例1不锈钢的化学成分分析结果见表1。
对比例2
与实施例1不同之处在于：
利用真空感应冶炼炉进行本发明不锈钢的冶炼，具体过程为：
将合金成分依次加入到真空感应冶炼炉中，1500℃精炼10分钟后，进行磁力搅拌后浇铸成铸锭；
1180℃、保温1.5小时均匀化退火后，锻造成棒状或者块状试样；
在1050℃保温0.5h，使钢中的铜、氮和稀土元素能充分固溶于基体中；
空冷或水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；
在700℃保温2h，使过饱和的铜从钢中析出足够量的富铜相；
空冷或水冷至室温。
上述对比例2不锈钢的化学成分分析结果见表1。
对比例3
与实施例1不同之处在于：
利用真空感应冶炼炉进行本发明不锈钢的冶炼，具体过程为：
将合金成分依次加入到真空感应冶炼炉中，1400℃精炼20分钟后，进行磁力搅拌后浇铸成铸锭；
1160℃、保温1.5小时均匀化退火后，锻造成棒状或者块状试样；
在1060℃保温0.5h，使钢中的铜、氮和稀土元素能充分固溶于基体中；
空冷或水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；
在700℃保温1h，使过饱和的铜从钢中析出足够量的富铜相；
空冷或水冷至室温。
上述对比例3不锈钢的化学成分分析结果见表1。
对比例4
与实施例1不同之处在于：
利用真空感应冶炼炉进行本发明不锈钢的冶炼，具体过程为：
将合金成分依次加入到真空感应冶炼炉中，1420℃精炼15分钟后，进行磁力搅拌后浇铸成铸锭；
1200℃、保温1小时均匀化退火后，锻造成棒状或者块状试样；
在1030℃保温0.5h，使钢中的铜、氮和稀土元素能充分固溶于基体中；
空冷或水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；
在700℃保温2h，使过饱和的铜从钢中析出足够量的富铜相；
空冷或水冷至室温。
上述对比例4不锈钢的化学成分分析结果见表1。
对比例5
与实施例1不同之处在于：
利用真空感应冶炼炉进行本发明不锈钢的冶炼，具体过程为：
将合金成分依次加入到真空感应冶炼炉中，1430℃精炼15分钟后，进行磁力搅拌后浇铸成铸锭；
1120℃、保温2小时均匀化退火后，锻造成棒状或者块状试样；
在1030℃保温1h，使钢中的铜、氮和稀土元素能充分固溶于基体中；
空冷或水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；
在700℃保温2h，使过饱和的铜从钢中析出足够量的富铜相；
空冷或水冷至室温。
上述对比例5不锈钢的化学成分分析结果见表1。
对比例6
与实施例1不同之处在于：
利用真空感应冶炼炉进行本发明不锈钢的冶炼，具体过程为：
将合金成分依次加入到真空感应冶炼炉中，1430℃精炼20分钟后，进行磁力搅拌后浇铸成铸锭；
1150℃、保温1小时均匀化退火后，锻造成棒状或者块状试样；
在1050℃保温0.5h，使钢中的铜、氮和稀土元素能充分固溶于基体中；
空冷或水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；
在700℃保温1.5h，使过饱和的铜从钢中析出足够量的富铜相；
空冷或水冷至室温。
上述对比例6不锈钢的化学成分分析结果见表1。
对比例7
与实施例1不同之处在于：
利用真空感应冶炼炉进行本发明不锈钢的冶炼，具体过程为：
将合金成分依次加入到真空感应冶炼炉中，1480℃精炼10分钟后，进行磁力搅拌后浇铸成铸锭；
1180℃、保温1小时均匀化退火后，锻造成棒状或者块状试样；
在1040℃保温1h，使钢中的铜、氮和稀土元素能充分固溶于基体中；
空冷或水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；
在700℃保温2h，使过饱和的铜从钢中析出足够量的富铜相；
空冷或水冷至室温。
上述对比例7不锈钢的化学成分分析结果见表1。
对比例8
与实施例1不同之处在于：
利用真空感应冶炼炉进行本发明不锈钢的冶炼，具体过程为：
将合金成分依次加入到真空感应冶炼炉中，1460℃精炼15分钟后，进行磁力搅拌后浇铸成铸锭；
1130℃、保温1.5小时均匀化退火后，锻造成棒状或者块状试样；
在1020℃保温1h，使钢中的铜、氮和稀土元素能充分固溶于基体中；
空冷或水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；
在700℃保温1.5h，使过饱和的铜从钢中析出足够量的富铜相；
空冷或水冷至室温。
上述对比例8不锈钢的化学成分分析结果见表1。
对比例9
与实施例1不同之处在于：
利用真空感应冶炼炉进行本发明不锈钢的冶炼，具体过程为：
将合金成分依次加入到真空感应冶炼炉中，1450℃精炼15分钟后，进行磁力搅拌后浇铸成铸锭；
1100℃、保温2小时均匀化退火后，锻造成棒状或者块状试样；
在1040℃保温0.5h，使钢中的铜和氮元素能充分固溶于基体中；
空冷或水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；
在700℃保温2h，使过饱和的铜从钢中析出足够量的富铜相；
空冷或水冷至室温。
上述对比例9不锈钢的化学成分分析结果见表1。
对比例10
与实施例1不同之处在于：
利用真空感应冶炼炉进行本发明不锈钢的冶炼，具体过程为：
将合金成分依次加入到真空感应冶炼炉中，1450℃精炼20分钟后，进行磁力搅拌后浇铸成铸锭；
1100℃、保温2小时均匀化退火后，锻造成棒状或者块状试样；
在1020℃保温0.5h，使钢中的铜元素能充分固溶于基体中；
空冷或水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；
在700℃保温1h，使过饱和的铜从钢中析出足够量的富铜相；
空冷或水冷至室温。
上述对比例10不锈钢的化学成分分析结果见表1。
对比例11
与实施例1不同之处在于：
利用真空感应冶炼炉进行本发明不锈钢的冶炼，具体过程为：
将合金成分依次加入到真空感应冶炼炉中，1470℃精炼15分钟后，进行磁力搅拌后浇铸成铸锭；
1120℃、保温1.5小时均匀化退火后，锻造成棒状或者块状试样；
在1030℃保温1h，使钢中的铜和氮元素能充分固溶于基体中；
空冷或水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；
在700℃保温2h，使过饱和的铜从钢中析出足够量的富铜相；
空冷或水冷至室温。
上述对比例11不锈钢的化学成分分析结果见表1。
对比例12
与实施例1不同之处在于：
利用真空感应冶炼炉进行本发明不锈钢的冶炼，具体过程为：
将合金成分依次加入到真空感应冶炼炉中，1450℃精炼20分钟后，进行磁力搅拌后浇铸成铸锭；
1050℃、保温2小时均匀化退火后，锻造成棒状或者块状试样；
在1030℃保温0.5h，使钢中的铜和稀土元素能充分固溶于基体中；
空冷或水冷至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；
在700℃保温1h，使过饱和的铜从钢中析出足够量的富铜相；
空冷或水冷至室温。
上述对比例12不锈钢的化学成分分析结果见表1。
表1实施例1-5和对比例1-12中不锈钢化学成分(wt％)
实施例6
将实施例1-5和对比例1-12的不锈钢进行抗菌性能检测，即“GB/T14643.5-93《工业循环冷却水中硫酸盐还原菌的测定MPN法》”标准规定，定量测试了实施例1-5和对比例1-12的不锈钢即表1所示成分的不锈钢对SRB杀灭能力的检测。检测结果分别见表2，其中抗菌不锈钢和对照样品(普通不锈钢或其它无杀菌能力的其它固体材料)对硫酸盐还原菌作用后的杀菌率的计算公式为：
杀菌率(％)＝[(对照样品上的活菌数-抗菌不锈钢样品上的活菌数)/对照样品上的活菌数]×100
式中，对照样品活菌数是对照样品浸泡21天后的活菌数，抗菌不锈钢活菌数是指对抗菌不锈钢浸泡21天后的活菌数。
可见，虽然对比例3、对比例5、对比例7-9相较实施例1-5有所下降，在90.0～99.9％之间，满足“GB/T 14643.5-93《工业循环冷却水中硫酸盐还原菌的测定MPN法》”等相关标准规定。
表2实施例和对比例不锈钢对SRB的抗菌性能以及抗菌持久性
注：++为杀菌率99.9％以上；+为杀菌率在90.0～99.9％之间，Δ为杀菌率在60.0～90.0％之间。
实施例7
将实施例1-5和对比例1-12的不锈钢进行抗菌持久性测试，即用砂纸打磨掉样品表面0.5mm厚度，再次对SRB进行抗菌性能检测。试验模拟工业管道环境，用水冲洗或抹布反复摩擦样品和对照不锈钢表面500次，重复抗菌实验。
通过表2可以看出，实施例1-5在打磨掉0.5mm后的抗菌性能、反复摩擦后的抗菌性能、反复冲洗后的抗菌性能三个测试中，都表现出99.9％以上的杀菌率。对比例1表面抗菌性能为90.0～99.9％之间，在打磨掉0.5mm后的抗菌性能、反复摩擦后的抗菌性能、反复冲洗后的抗菌性能三个测试后，杀菌率下降，变为60.0～90.0％之间；对比例2在打磨掉0.5mm后的抗菌性能、反复摩擦后的抗菌性能、反复冲洗后的抗菌性能三个测试后，杀菌率下降，由之前的90.0～99.9％之间变为60.0～90.0％之间；对比例3的杀菌率也由之前的99.9％以上变为90.0～99.9％之间；对比例4相较表面抗菌性能没有发生改变；对比例5与对比例2相似，在打磨掉0.5mm后的抗菌性能、反复摩擦后的抗菌性能、反复冲洗后的抗菌性能三个测试后，杀菌率下降，由之前的90.0～99.9％之间变为60.0～90.0％之间；对比例6表面杀菌率由99.9％以上分别降为经打磨掉0.5mm后的90.0～99.9％之间以及反复摩擦后、反复冲洗后的60.0～90.0％；对比例7相较表面抗菌性能没有发生显著改变；对比例8在打磨掉0.5mm后的抗菌性能不变，杀菌率为99.9％以上，而反复摩擦后的抗菌性能、反复冲洗后的抗菌性能，杀菌率下降为90.0～99.9％之间；对比例9与对比例7相似，在打磨掉0.5mm后的抗菌性能、反复摩擦后的抗菌性能以及反复冲洗后的抗菌性能较表面没有显著区别；对比例10经打磨掉0.5mm后的抗菌性能、反复冲洗后的抗菌性能经测试后，杀菌率由表面的99.9％以上降为60.0～90.0％之间，反复摩擦后的抗菌性能经测试后，抗菌率降为90.0～99.9％之间；对比例11与对比例1相似，在打磨掉0.5mm后的抗菌性能、反复摩擦后的抗菌性能、反复冲洗后的抗菌性能三个测试后，杀菌率下降，由之前的90.0～99.9％之间变为60.0～90.0％之间；对比例12在打磨掉0.5mm后的抗菌性能、反复摩擦后的抗菌性能以及反复冲洗后的抗菌性能与表面相近，杀菌率为99.9％以上。
表2中试验结果表明，即使经过冲洗和反复摩擦，实施例1-5中耐微生物腐蚀样品的抗菌性能仍然没有降低，这是由于抗菌相(富铜相+稀土)在基体中是均匀弥散分布的。
实施例8
将实施例1-5和对比例1-12的不锈钢进行耐腐蚀性能检测，即根据不锈钢点蚀电位测量方法(国家标准：GB/T 17899-1999)对本发明实施例1-5的不锈钢及对比例1-12的不锈钢进行阳极极化曲线测试，测试结果见表3。
电化学腐蚀性能测试是证明材料耐微生物腐蚀能力的一种手段，特别是根据腐蚀电流和点蚀电位两个参数的变化，能够较有利地说明材料耐微生物腐蚀能力的高低。
表3中试验结果表明，对本发明实施例中成分而言，本发明不锈钢的点蚀电位相对于普通不锈钢有大幅度提高，能够显著增强材料的耐微生物腐蚀能力，提高材料的抗微生物腐蚀风险。
表3实施例和对比例中不锈钢的腐蚀性能测试实验结果
| 不锈钢 | 腐蚀电位(mV) | 腐蚀电流(μA) | 点蚀电位(mV) |
| 实施例1 | -136 | 0.92 | 355 |
| 实施例2 | -102 | 0.83 | 382 |
| 实施例3 | -88 | 0.56 | 461 |
| 实施例4 | -66 | 0.42 | 508 |
| 实施例5 | -134 | 0.89 | 362 |
| 对比例1 | -219 | 1.32 | 153 |
| 对比例2 | -181 | 1.15 | 172 |
| 对比例3 | -186 | 1.18 | 182 |
| 对比例4 | -175 | 1.13 | 212 |
| 对比例5 | -161 | 1.09 | 233 |
| 对比例6 | -268 | 1.88 | 102 |
| 对比例7 | -232 | 1.38 | 138 |
| 对比例8 | -225 | 1.33 | 149 |
| 对比例9 | -242 | 1.66 | 125 |
| 对比例10 | -481 | 4.62 | 56 |
| 对比例11 | -263 | 1.85 | 104 |
| 对比例12 | -528 | 5.12 | 33 |
实施例9
将实施例1-5和对比例1-12的不锈钢进行固溶退火后，对不锈钢的室温力学性能进行测试。测试结果如表4所示：
表4实施例1-5和对比例1-12中不锈钢的室温力学性能测试实验结果
表4中试验结果表明，本发明实施例不锈钢在普通不锈钢基础上通过添加具有耐蚀和抗菌功能的Cu、N、稀土元素后，其力学性能相较普通不锈钢没有显著差异性，可以用在不锈钢的常规应用领域以及需要耐微生物腐蚀的环境中。
从表2和表3中可以看出，实施例1-5各元素均在范围内，各项检测项目均符合标准，其耐点蚀性能和抗菌性能方面表现优异；
对比例1：La元素含量不足，杀菌率低，抗菌性能较差，抗菌持久性能也较差；
对比例2：Cu元素含量不足，杀菌率低，抗菌性能较差，抗菌持久性能也较差；
对比例3：Cu过量导致耐点蚀性能降低；
对比例4：N含量不足，导致耐点蚀性能降低；
对比例5：N过量，抗菌性能较差，抗菌持久性能也较差；
对比例6：La元素含量不足，抗菌持久性能较差；
对比例7：La元素含量不足，耐点蚀性能降低；
对比例8：N含量不足，导致耐点蚀性能降低；
对比例9：未添加La元素，耐点蚀性能很差；
对比例10：未添加N及La元素，导致抗菌持久性较差，耐点蚀性能显著降低；
对比例11：未添加稀土元素，抗菌持久性很差；
对比例12：未添加N元素，耐点蚀性能很差。
由对比例1、对比例6、对比例7、对比例9和对比例11可知，添加La元素不足，会导致抗菌持久性能有所降低，耐微生物点蚀性能降低；
由对比例2、对比例3和对比例5可知，Cu元素过量，会导致耐点蚀性能有所下降，而含量不足，会降低抗菌性能和抗菌持久性；
由对比例8、对比例10和对比例12可知，未添加N元素或含量不足，导致耐点蚀性能降低。
对比例1-12为含铜奥氏体不锈钢，其化学成分见表1，抗菌性能及抗腐蚀性能测试见表2和表3，试验结果表明，在不锈钢中同时添加氮、铜或稀土元素时，各元素含量仍需在特定范围内，并且在奥氏体不锈钢中添加氮、铜以及稀土元素中的一种或者两种元素组合，否则无法达到理想的耐微生物腐蚀性能。
综上，从表2和表3给出的结果可以看出，本发明实施例1-5的不锈钢无论在抗菌性能、抗菌持久性能方面，还是在耐点蚀性能方面，都满足要求并表现优异。氮、铜以及稀土元素的适量添加是本发明提出的不锈钢能够发挥耐生物腐蚀的关键所在，合适的成分配比是确保本发明不锈钢具有稳定耐微生物腐蚀的重要保证。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制。因此，在不背离本发明的精神及其实质的情况下，本领域技术人员可作出各种改变、替换和变型。很显然，但这些改变、替换和变型都应涵盖于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种不锈钢，其特征在于：按重量百分含量计，所述不锈钢的化学成分为：C≤0.03％，Si≤0.5％，Ni 8.0-10.0％，Cr 17.0-19.0％，S≤0.003％，P≤0.003％，Cu 3.5-4.0％，N 0.10-0.30％，La 0.02-0.06％，其余为Fe及不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的不锈钢，其特征在于：所述N含量为0.15-0.25wt.％。
3.如权利要求1所述的不锈钢的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)真空感应熔炼：将所需不锈钢成分加入到真空感应冶炼炉中进行真空感应冶炼，1400-1500℃冶炼10-20分钟后，进行磁力搅拌后浇铸成铸锭；
(2)均匀化退火：将铸锭在1000-1200℃保温1-2小时进行均匀化退火后，锻造成棒状或者块状试样；
(3)固溶处理：将锻造所得试样在1000-1100℃固溶处理0.5-1小时，使钢中元素充分固溶于基体中，冷却至室温后，使钢中的铜处于过饱和状态；
(4)时效处理：在500-700℃进行时效处理，处理时间0.5-2小时，时效处理后冷却至室温，使过饱和的铜从钢中析出，形成足够量的富铜相，从而获得所述不锈钢。
4.如权利要求3所述的不锈钢的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述锻造的温度为1100-1200℃。
5.如权利要求1所述的不锈钢的应用，其特征在于：所述不锈钢作为耐微生物腐蚀的不锈钢设备和部件。
6.如权利要求5所述的不锈钢的应用，其特征在于：所述不锈钢的应用领域为建筑装饰、厨房、卫生用具、家用电器、交通运输、工业管道、水处理设备或海洋工程领域。
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