CN108728754B - 一种马氏体抗菌不锈钢 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种马氏体抗菌不锈钢，属于不锈钢材料技术领域。该不锈钢的化学成分如下(重量％)：C：0.05‑0.25；Si：≤1.00；Mn：≤1.00；P：≤0.03；S：≤0.03；N：0.05‑0.15；Cr：12.0‑14.0；Cu：1.0‑3.0；Ga：0.5‑1.5；余量为Fe。该不锈钢经过特殊热处理后，在不锈钢基体中能弥散析出复合抗菌相(富铜相和富镓相)，富镓相的存在能够有效抑制由于不锈钢中铁元素的溶出对细菌细胞代谢能力的促进作用，同时富镓相更易于溶出微量镓离子，它与铜离子一起，使不锈钢具有更强的抗菌功能。本发明不锈钢解决了由于使用不锈钢器械引发的细菌感染问题，可广泛应用于刀、剪等切削领域中使用的各类不锈钢器械。

Description

一种马氏体抗菌不锈钢
技术领域
本发明涉及不锈钢材料领域，特别提供一种马氏体抗菌不锈钢。
背景技术
现有含铜抗菌不锈钢一般是利用不锈钢与介质溶液环境接触过程中释放的微量铜离子参与细菌杀灭过程，从而能够有效地抑制细菌增殖，降低其所带来的感染风险。众所周知，刀剪类尤其是手术刀和手术剪等切削类器械通常采用马氏体不锈钢材质制造，如果采用现有含铜马氏体抗菌不锈钢来制作，理论上可有效降低细菌增殖带来的细菌感染的风险，但在实际应用中，仍存在以下不足：(1)含铜马氏体抗菌不锈钢对于浓度较高的细菌的抑制作用有限，现有抗菌实验依据“JIS Z 2801-2000《抗菌加工制品－抗菌性试验方法和抗菌效果》、GB/T 2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等相关标准规定，开发的抗菌不锈钢都是以细菌浓度最高为105CFU/mL为目标开发的，对于细菌浓度更高的条件，含铜抗菌不锈钢的抗菌效果显著降低。(2)现有含铜马氏体抗菌不锈钢由于高的铜添加量，在时效过程中析出了大量的富铜相，虽能保证抗菌不锈钢优良的抗菌效果，但对于耐蚀性能的破坏是不容忽视的，一般情况下，含铜马氏体抗菌不锈钢的耐蚀性能较对照马氏体不锈钢要差。更为关键的是，不锈钢材料均是以铁元素为基本元素的金属合金，当不锈钢材料与溶液介质环境接触时，释放的铁离子一定程度上也促进了细菌的增殖，这对铜离子的抗菌效果也是不利的。
在钢铁材料中，铁镓合金是常见的磁致伸缩材料。镓在铁中的主要作用是能够显著提高钢的磁致伸缩性能，未见镓在不锈钢中应用的相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种马氏体抗菌不锈钢，以解决现有材料抗菌浓度相对低的问题。
本发明的技术方案是：
一种马氏体抗菌不锈钢，其特征在于：按重量百分比计，该不锈钢的化学成分如下：C：0.05-0.25；Si：≤1.00；Mn：≤1.00；P：≤0.03；S：≤0.03；N：0.05-0.15；Cr：12.0-14.0；Cu：1.0-3.0；Ga：0.5-1.5；余量为Fe；
其优选的化学成分如下：C：0.10-0.20；Si：≤0.50；Mn：≤0.50；P：≤0.01；S：≤0.01；N：0.08-0.12；Cr：12.5-13.5；Cu：1.5-2.5；Ga：0.8-1.2；余量为Fe。
在本发明的不锈钢成分设计中，合金元素镓(Ga)是新型不锈钢中最重要的合金元素。Ga是保证不锈钢具有更强抗菌功能的必要条件，也是本发明的主要创新点。本发明所述不锈钢中的含Ga量为0.5-1.5％，以保证在特殊热处理条件下，富Ga相在钢中均匀弥散析出。当Ga含量较低时，即使经过特殊热处理，不锈钢基体中不易析出富Ga相，当与溶液介质接触时，就不能析出Ga离子，以抑制细菌的正常增殖活动，并充分发挥Ga离子和Cu离子的抗菌作用。当Ga含量相对过高时，过多的富Ga相会导致不锈钢热加工性能和冷成型性能的严重下降，影响其实际应用。此外，过量的富Ga相析出亦会破坏不锈钢钝化膜的连续性，降低不锈钢的耐腐蚀性能。
本发明还提供了上述马氏体抗菌不锈钢的热处理工艺，该工艺包括如下步骤：
(1)热加工：钢锭于900-1000℃均匀化处理1-3小时，开坯锻造，分多道次锻造成坯料，终锻造温度不低于800℃；
(2)固溶热处理：900-1000℃固溶处理1-3小时，空冷或水冷至室温。
(3)时效热处理：200-400℃处理1-8小时，空冷或水冷至室温。
本发明的有益效果是：
1、对于现有含Cu抗菌不锈钢而言，主要依靠Cu离子的微量溶出来起到抑制细菌增殖的目的。由于其自身溶出速率和溶出浓度的限制，对于细菌浓度更高的情况，含Cu抗菌不锈钢的抗菌效果不佳。因此本发明以现有含Cu马氏体抗菌不锈钢为基础，适当增加了钢中的Ga含量，辅以一定的热处理，从而使钢中基体上能析出足量的富Ga相。当与溶液环境接触时，Ga离子溶出，抑制了由于Fe离子溶出对细菌细胞生长的促进作用，同时，Ga离子和Cu离子一同起到破坏细菌细胞壁的作用，增加Cu离子的抗菌效果。
2、由于Ga的添加，减少了Cu的添加量，能够有效改善现有含Cu马氏体抗菌不锈钢的耐蚀性能。
应用范围：
本发明所述马氏体抗菌不锈钢，具有更强抗菌性能和良好耐蚀性，可广泛应用于刀、剪等切削领域中使用的各类不锈钢器械。
附图说明
图1为抗菌不锈钢杀灭大肠杆菌(细菌浓度为107CFU/mL)的效果图；(a)含Cu马氏体抗菌不锈钢，(b)含Ga马氏体抗菌不锈钢(实施例3)。
具体实施方式
根据本发明马氏体抗菌不锈钢所设定的化学成分范围，采用15公斤真空感应炉冶炼实施例1-5本发明抗菌不锈钢和1炉对比例含铜马氏体抗菌不锈钢10公斤，其化学成分见表1。
锻造工艺为：合金铸锭在950℃±20℃均匀化热处理2小时开坯，分三火锻造为50×100mm的初轧板材，终锻温度为850℃。
热轧工艺为：初轧坯料在950℃±20℃温度保温2小时开轧，经多道次轧制成性能测试板材，本实施例板厚均为5mm厚。
表1实施例和对比例的抗菌不锈钢化学成分(wt,％)
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，并选择细菌浓度为107CFU/mL。定量测试了实施例和对比例抗菌不锈钢对常见感染菌(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌)作用后的杀菌率。抗菌性能检测结果见表2，其中杀菌率的计算公式为：杀菌率(％)＝[(空白对照样活菌数-抗菌不锈钢样品活菌数)/对照普通不锈钢样品活菌数]×100，空白对照样活菌数是在惰性玻璃平板上进行细菌培养后的活菌数，抗菌不锈钢活菌数是指包括含Cu抗菌不锈钢或含Ga抗菌不锈钢上进行细菌培养后的活菌数。
2、耐蚀性能检测
采用常规电化学三电极系统方法在PRINCETON273A电化学综合分析仪和SOLATRON1287恒电位仪上对上述不锈钢进行极化曲线测试，参考电极为KCl饱和甘汞电极，对电极为铂电极，扫描速度为0.5mV/s，电解质溶液为0.9％NaCl生理盐水。主要测量不锈钢的点蚀电位。
实施例1
实施例1的抗菌不锈钢的热处理工艺为：
在900℃保温1h，水冷至室温后，使钢中的Ga处于过饱和状态；然后在300℃保温5h，使钢中析出富Ga相，水冷至室温。
按照“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》”等标准规定，并选择细菌浓度为107CFU/mL。对典型细菌的抗菌性能检测，其结果为：
(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥91.4％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥92.5％。
实施例2
在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：
在940℃保温2h，水冷至室温后，使钢中的Ga处于过饱和状态；然后在350℃保温4h，使钢中析出足够体积分数的富Ga相，空冷至室温。对典型细菌(菌浓度为107CFU/mL)的抗菌性能检测，其结果为：
(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥94.8％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥95.4％。
实施例3
在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：
在960℃保温3h，水冷至室温后，使钢中的Ga处于过饱和状态；然后在200℃保温5h，使钢中析出足够体积分数的富Ga相，空冷至室温。对典型细菌(菌浓度为107CFU/mL)的抗菌性能检测，其结果为：
(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥95.7％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥96.8％。
实施例4
在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：
在980℃保温1h，水冷至室温后，使钢中的Ga处于过饱和状态；然后在380℃保温7h，使钢中析出足够体积分数的富Ga相，空冷至室温。对典型细菌(菌浓度为107CFU/mL)的抗菌性能检测，其结果为：
(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥96.4％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥97.8％。
实施例5
在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：
在1000℃保温3h，水冷至室温后，使钢中的Ga处于过饱和状态；然后在400℃保温8h，使钢中析出足够体积分数的富Ga相，空冷至室温。对典型细菌(菌浓度为107CFU/mL)的抗菌性能检测，其结果为：
(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥98.4％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥98.9％。
对比例
在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：
在980℃保温3h，水冷至室温后，使钢中的Cu处于过饱和状态；然后在400℃保温6h，使钢中析出足够体积分数的富Cu相，空冷至室温。对典型细菌(菌浓度为107CFU/mL)的抗菌性能检测，其结果为：
(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥45.7％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥48.9％。
实施例和对比例的点蚀电位测试结果如表2所示。
表2实施例和对比例的点蚀电位
试样 点蚀电位(mV)
实施例1 0.30
实施例2 0.32
实施例3 0.34
实施例4 0.33
实施例5 0.28
对比例 0.25
一般来说，抗菌率超过90％的材料才可称之为抗菌材料。实施例和对比例的抗菌结果表明，含Ga马氏体抗菌不锈钢在大肠杆菌或金黄色葡萄球菌浓度为107CFU/mL时，抗菌率均超过90％；而对于含Cu抗菌不锈钢，其抗菌率相对比较低。耐蚀性能的测试结果也表明，含Ga马氏体抗菌不锈钢相较于含Cu马氏体抗菌不锈钢而言，点蚀电位略有提高，说明新型含Ga马氏体抗菌不锈钢具有更好的耐蚀性能。
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)

1.一种马氏体抗菌不锈钢，其特征在于：按重量百分比计，该不锈钢的化学成分如下：C：0.05-0.25；Si：≤1.00；Mn：≤1.00；P：≤0.03；S：≤0.03；N：0.05-0.15；Cr：12.0-14.0；Cu：1.0-3.0；Ga：0.5-1.5；余量为Fe；该不锈钢对浓度为107CFU/mL的细菌具有有效抗菌作用。
2.按照权利要求1所述马氏体抗菌不锈钢，其特征在于：按重量百分比计，其化学成分如下：C：0.10-0.20；Si：≤0.50；Mn：≤0.50；P：≤0.01；S：≤0.01；N：0.08-0.12；Cr：12.5-13.5；Cu：1.5-2.5；Ga：0.8-1.2；余量为Fe。
3.一种按照权利要求1或2所述马氏体抗菌不锈钢的制备方法，其特征在于：所述抗菌不锈钢采用以下方法获得：真空感应冶炼、电弧炉+连铸冶炼或电弧炉冶炼+炉外精炼。
4.按照权利要求3所述马氏体抗菌不锈钢的制备方法，其特征在于：冶炼所得的不锈钢采用以下热加工及热处理工艺：
热加工：钢锭于900-1000℃均匀化处理1-3小时，开坯锻造，分多道次锻造成坯料，终锻造温度不低于800℃；
固溶热处理：900-1000℃固溶处理1-3小时，空冷或水冷至室温；
时效热处理：200-400℃处理1-8小时，空冷或水冷至室温。
5.一种权利要求1或2所述马氏体抗菌不锈钢作为切削类不锈钢器材的应用。
6.按照权利要求5所述马氏体抗菌不锈钢作为切削类不锈钢器材的应用，其特征在于：所述切削类不锈钢器材为刀、剪。
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