CN108728735B - 一种应用于食品加工工业领域的超高抗菌性奥氏体不锈钢 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种应用于食品加工工业领域的超高抗菌性奥氏体不锈钢，其化学成分为：C：≤0.03；Si：0.3‑0.5；Mn：0.3‑1.0；S：≤0.01；P：≤0.01；N：≤0.02；Cr：17‑18；Ni：6.5‑7.5；Cu：2.0‑4.0；Ga：0.3‑2.5；余量为Fe。通过在奥氏体不锈钢基体中添加Ga元素，经固溶及时效热处理，在奥氏体不锈钢基体中析出α‑Fe3Ga和β‑Fe3Ga中间相，从而赋予材料快速杀菌性以及在高细菌浓度下的抗菌性能。该不锈钢能够应用于食品加工工业领域，减少食品加工过程中可能引发的细菌感染等问题。

Description

一种应用于食品加工工业领域的超高抗菌性奥氏体不锈钢
技术领域
本发明涉及不锈钢领域，特别提供一种具有优异抗菌功能的奥氏体不锈钢，通过在不锈钢基体中添加一定的Ga元素，使材料具有快速并强烈的杀菌功能，能够应用于食品加工工业领域。
背景技术
在日常生活中，细菌无处不在，由细菌引发的各类疾病严重危害着人们的健康。据统计，仅在1995年由细菌感染造成疾病导致死亡的人数就高达1700万人。随着社会的发展和人民经济生活水平的提高，人们对周遭的环境和自身健康越来越关注，抗菌不锈钢也因此成为了目前研发的热点。抗菌不锈钢的研发始于上个世纪90年代，在国际上，日本首先开发出了具有优异抗菌性能的抗菌不锈钢。在2000年左右，国内也开始对新型抗菌不锈钢的研发。抗菌不锈钢是指自身具有优良抗菌性能的新型不锈钢，通过在不锈钢基体中添加具有抗菌作用的金属元素，如铜(Cu)、银(Ag)等，通过特殊的热处理，能够赋予材料优异的抗菌性能。
就目前来讲，奥氏体抗菌不锈钢的主要研究思路为在奥氏体不锈钢基体中添加具有杀菌作用的Cu和Ag等元素。如公开号为CN1504588、CN1401808和CN102127718的专利申请中，公开了在不锈钢基体中添加一定量的Cu元素，通过相应的时效处理，能够在不锈钢基体中弥散析出大量的富铜相，进而获得了良好抗菌性能的奥氏体抗菌不锈钢；又例如公开号为CN101230438、CN102965585和CN101029375的专利申请中，将一定量的Cu和Ag元素，以中间合金或纯金属的方式加入到奥氏体不锈钢中，制备出了具备优良杀菌性能的奥氏体抗菌不锈钢。总结来说，现有的奥氏体抗菌不锈钢主要是在基体中添加一定量的Cu或Ag元素，但由于较高含量Cu或Ag元素的加入对奥氏体不锈钢的热锻等加工工艺不利，因此也不能保证材料在高细菌浓度下的抗菌性。
因此，本发明研究开发了一种新型的奥氏体抗菌不锈钢，将镓(Ga)元素加入到奥氏体不锈钢中，通过相应的热处理，使材料具备了快速杀菌性以及在高细菌浓度下的抗菌性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种奥氏体抗菌不锈钢，该不锈钢能够应用于食品加工工业涉及到的不锈钢制品，减少食品加工过程中可能引发的细菌感染等问题。本发明创新性地将Ga元素添加到奥氏体不锈钢基体中，通过固溶及时效热处理，在奥氏体不锈钢基体中析出α-Fe3Ga和β-Fe3Ga中间相，在提高材料的力学性能的同时，也同样赋予材料快速杀菌性以及在高细菌浓度下的抗菌性能。
本发明技术方案如下：
一种应用于食品加工工业领域的奥氏体抗菌不锈钢，其特征在于，在301L奥氏体不锈钢的基础上添加适量的Ga元素，该不锈钢的化学成分如下(wt.％)，C：≤0.03；Si：0.3-0.5；Mn：0.3-1.0；S：≤0.01；P：≤0.01；N：≤0.02；Cr：17-18；Ni：6.5-7.5；Cu：2.0-4.0；Ga：0.3-2.5；余量为Fe。作为优选的技术方案：Ga元素的范围为Ga：0.5-1.5(wt.％)。
在本发明的成分设计中，Ga是最重要的合金元素，这是保证本发明能够具有快速杀菌性及在高细菌浓度下杀菌性能的根本所在，也是本发明的主要创新点。Ga元素在电子工业和通讯领域应用广泛，特别是在半导体领域的应用占到了商用Ga的98％以上。Ga元素作为一种诊断和化疗药物也有很长的历史，一些含Ga化合物也已经被用来治疗与肿瘤转移相关的高钙血症等。在钢铁材料中，Ga元素易溶于铁素体中形成置换固溶体，由Fe-Ga相图可知，Ga元素也是一种封闭奥氏相区的元素，其在奥氏体中固溶度随着温度的变化而变化，因而通过特殊的热处理析出含Ga第二相。
本发明提供了所述奥氏体不锈钢的热处理方法，这也是本发明的重要组成部分，其特征在于：在1020-1080℃固溶保温0.5-1h，水冷至室温，之后在560-700℃时效处理3-5h，空冷至室温。固溶保温能够使Ga元素完全溶于奥氏体基体中，之后保温并水冷，能够确保奥氏体基体中的Ga元素处于过饱和状态。最后在560-700℃时效处理3-5h，奥氏体基体中会析出大量弥散分布的α-Fe3Ga和β-Fe3Ga中间相。时效温度和时间是非常重要的两个参数，过高和过低均会影响含Ga第二相的析出。
本发明还提供了所述奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：在真空感应炉中熔炼，经铸造、锻造、热轧、冷轧、酸洗等工艺，抗菌热处理可在热轧处理后任意加工工艺处进行。
经本发明所述热处理方法获得的奥氏体不锈钢，适用于制备食品加工领域的不锈钢制品，如食品加工容器或食品加工管道等，以减少食品加工过程中可能引发的细菌感染等问题。
本发明的有益效果是：
本发明创新性地提出了在现有301L奥氏体不锈钢基体中添加Ga元素，设计出了一种具备快速杀菌及强杀菌能力的奥氏体抗菌不锈钢。通过调控钢中Ga元素的含量及相应的热处理工艺，使奥氏体不锈钢基体中析出大量的具有强烈杀菌能力的Fe3Ga中间相，赋予材料优异的抗菌性能，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
实施例：实施例1-7为常用的301L不锈钢中添加一定含量的Ga元素，其化学成分见表1。经过熔炼、铸造、热锻、热轧及冷轧加工成1mm厚板材。再进行抗菌热处理，固溶温度为1050℃，固溶时间为1h，时效温度为600℃，时效时间为4h。
对比例：对比例1为普通奥氏体抗菌不锈钢，对比例2和3分别为含微量Ga及大量Ga元素的奥氏体抗菌不锈钢，其化学成分见表1，具体处理工艺与实施例相同。
表1实施例和对比例材料化学成分(wt.％)
材料 C Si Mn S P N Cr Cu Ni Ga
实施例1 0.024 0.42 0.6 0.005 0.003 0.011 17.1 2.7 6.8 0.3
实施例2 0.019 0.43 0.5 0.004 0.002 0.007 17.3 3.1 7.1 0.5
实施例3 0.026 0.35 0.7 0.007 0.006 0.015 17.5 3.3 7.0 0.8
实施例4 0.019 0.51 0.5 0.005 0.004 0.010 17.8 3.5 6.5 1.0
实施例5 0.021 0.48 0.6 0.002 0.003 0.008 17.6 3.9 6.9 1.5
实施例6 0.019 0.38 0.5 0.007 0.008 0.009 17.2 3.8 7.1 2.0
实施例7 0.023 0.44 0.7 0.001 0.006 0.008 17.1 3.2 7.0 2.5
对比例1 0.018 0.41 0.6 0.005 0.003 0.009 17.4 3.5 6.9 -
对比例2 0.013 0.42 0.7 0.006 0.005 0.008 17.2 3.1 6.9 0.1
对比例3 0.015 0.46 0.6 0.004 0.005 0.009 17.6 3.3 6.7 3.1
(1)抗菌性能检测
根据“JIS Z 2801-2000《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，定量测试了表1所示成分金属对常见感染细菌(如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌)作用后的杀菌率。材料的杀菌率按照下述公式进行计算：杀菌率(％)＝[(对照样品活菌数-奥氏体抗菌不锈钢活菌数)/对照样品活菌数]×100％，对照样品活菌数是普通301L奥氏体不锈钢样品上进行细菌培养后的活菌数，奥氏体抗菌不锈钢活菌数是指热处理后的奥氏体抗菌不锈钢进行细菌培养后的活菌数。
表2所示为材料在不同细菌浓度下，共培养24h后对大肠杆菌的抗菌性能检测结果。从表中可发现，对比例1(不含Ga元素)和对比例2(含有少量Ga元素)材料在较高浓度下，其杀菌率几乎为零，而本发明所提供的含Ga奥氏体抗菌不锈钢即使在高细菌浓度下依然具有优异的抗菌性能。
表2实施例与对比例在不同细菌浓度，共培养24h后对大肠杆菌抗菌结果
表3所示为材料在不同培养时间，相同细菌浓度(2×105CFU/ml)下对大肠杆菌的抗菌性能检测结果。从表中可发现，相比于对比例，本发明所提供的含Ga奥氏体抗菌不锈钢即使在很短的培养时间(2h)，材料也依然表现出优异的抗菌性能。
表3实施例与对比例材料在不同培养时间，相同细菌浓度(2×105CFU/ml)下对大肠杆菌抗菌结果
(2)耐腐蚀性能
根据不锈钢点蚀电位测量方法(GB/T 17899-1999)及盐雾试验方法(GB/T 10125-2012)对本发明实施例及对比例材料进行了耐点蚀能力和盐雾腐蚀测试，其中盐雾腐蚀为中性盐雾腐蚀试验(NSS试验)，试验溶液为5％NaCl溶液，pH值在6.5-7.2之间，试验温度为25℃±2℃，试验时间为200h。测试结果见表4。由表中数据可发现，当Ga元素含量较高时，如对比例3，材料的耐点蚀能力显著下降，盐雾腐蚀外观也出现严重的恶化，而具有优选含Ga量的奥氏体抗菌不锈钢的盐雾腐蚀外观与对比例无明显变化，且材料的耐点蚀性能还略有升高。
表4实施例与对比例材料的耐点蚀和盐雾腐蚀性能结果
材料 点蚀电位(mv) 盐雾腐蚀外观评级
实施例1 275 A级-无变化
实施例2 298 A级-无变化
实施例3 287 A级-无变化
实施例4 282 A级-无变化
实施例5 285 A级-无变化
实施例6 240 B级轻微到中度的变色
实施例7 232 C级极轻微的失光
对比例1 255 A级-无变化
对比例2 260 A级-无变化
对比例3 215 D级出现极轻微的腐蚀产物
综上所述，在现有奥氏体不锈钢的基础上添加适量的Ga元素，经过特定的热处理操作，在保证材料优异耐蚀性能的前提下，能够赋予材料快速杀菌性以及在高细菌浓度下的抗菌性能。
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)

1.一种具有超高抗菌性的奥氏体不锈钢，其特征在于，所述不锈钢化学成分为质量百分比：C：≤0.03；Si：0.3-0.5；Mn：0.3-1.0；S：≤0.01；P：≤0.01；N：≤0.02；Cr：17-18；Ni：6.5-7.5；Cu：2.0-4.0；Ga：0.5-2.5；余量为Fe；该不锈钢对浓度为108CFU/mL的细菌具有有效抗菌作用。
2.按照权利要求1所述奥氏体不锈钢，其特征在于：Ga元素的范围为Ga：0.5-1.5wt.％。
3.一种权利要求1或2所述奥氏体不锈钢的抗菌热处理方法，其特征在于：在1020-1080℃保温0.5-1h，水冷至室温，之后在560-700℃时效处理3-5h，空冷至室温。
4.一种权利要求1或2所述奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：所述抗菌不锈钢在真空感应炉中熔炼，后经铸造、锻造、热轧、抗菌热处理、冷轧、酸洗制备而成。
5.一种按照权利要求3所述热处理方法获得的不锈钢的应用，其特征在于：该奥氏体不锈钢用于制备食品加工领域的不锈钢制品。
6.按照权利要求5所述不锈钢的应用，其特征在于：所述不锈钢用于制备食品加工容器或食品加工管道。
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