CN108728755B - 一种高抗菌铁素体不锈钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种高抗菌铁素体不锈钢材料及其制备方法，并使其固溶和时效的热处理状态下，具有有效的抵抗高浓度细菌(＞(1‑2)*10⁶CFU/mL)的功能，显著降低铁素体不锈钢在使用中引发的细菌微生物的腐蚀风险。所述不锈钢的化学成分为Cr：17.5‑19.5；Mo:1.9‑2.5；Cu：2.0‑4.5；Ga:1.0‑2.5；N≤0.035；C≤0.025；Si≤1.0；Mn≤1.0；P≤0.04；S≤0.03；余量为Fe。本发明所述抗高菌铁素体不锈钢能够广泛应用于含有细菌的食品、化工行业以及民用的液体输送管道或者贮存容器当中。

Description

一种高抗菌铁素体不锈钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及铁素体不锈钢材料技术领域，具体为一种新型抗菌铁素体不锈钢及其制备方法。

背景技术

铁素体不锈钢具有导热系数大，膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良等特点，多用于制造耐大气、水蒸气、水及氧化性酸腐蚀的零部件或者密闭容器。在原来只能采用奥氏体不锈钢的应用领域，铁素体不锈钢是一种极为优异的替代材料，铁素体不锈钢不含Ni，主要元素为Cr(>12％)和Fe，Cr是不锈钢起到耐腐蚀作用的主要元素，其价格较低且相对稳定。由于铁素体不锈钢适合于冷水和热水两种介质环境，所以在液体贮存容器以及输送管道的方面，有着很好的市场应用。并且，其具有优良的成形性，适合弯曲、切割和钻孔。以上的多种优点，一定程度地取代了传统碳钢和奥氏体不锈钢。

常规的不锈钢输送或者贮存液体的设备，在经过长期的使用后，积累的水垢或杂质，会附着在管道内壁滋生微生物，当贮存容器中或者管道中液体量较少或不再有液体循环流动时，残留的微生物将会在一定时间后形成大片的菌群，这时会造成容器或者管道的大面积腐蚀，并且液体的质量也会受到污染。随着人们生活水平的日益提高，防菌、抗菌及抗病毒的卫生管理已成为当今社会极为关注的问题，传统阻止细菌微生物传播的方式是使用杀菌剂，但其易对自然环境造成污染、毒害作用，由此发明了抗菌功能型金属材料。

抗菌功能型金属材料是兼具结构和功能特性的绿色抗菌材料，已经成为从事细菌微生物研究工作者关注的热点。但是，目前抗菌功能型不锈钢的应用具有两方面的应用局限，如图1所示：(a)对细菌浓度低于(1-2)*10⁵CFU/mL的低浓度细菌微生物的杀灭时间需长达24小时；(b)对细菌浓度高于(1-2)*10⁶CFU/mL的高浓度细菌微生物的杀菌率无法达到90％以上。

基于上述背景，如果能开发一种新型抗菌铁素体不锈钢，使之不仅可以有效地快速抑制高浓度细菌的繁殖，而且可以保证符合食品、化工以及民用行业中使用情况所需的较高的耐腐蚀性能要求。

因此，本申请拟提供一种应用于食品、化工以及民用行业的高抗菌性能铁素体不锈钢及其制备方法，在很大程度上解决现有问题，对铁素体不锈钢在食品、化工以及民用行业市场的应用性起到一定的积极作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高抗菌铁素体不锈钢材料及其制备方法，本发明通过在不锈钢中添加Ga元素，并使其在固溶和时效的热处理状态下，可具有有效的抵抗高浓度细菌(＞(1-2)*10⁶CFU/mL)的功能，显著降低铁素体不锈钢在使用中引发的细菌微生物腐蚀风险。本发明所述高抗菌铁素体不锈钢可以迅速地抑制使用环境中的细菌繁殖，减轻微生物腐蚀的破坏风险，能够广泛应用于含有细菌的食品、化工行业以及民用的液体输送管道或者贮存容器当中。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明所述新型抗菌铁素体不锈钢材料的成分为，按重量百分比计：Cr：16.5-20.0；Mo:1.75-3.0；Cu：1.0-5.0；Ga:0.5-3.5；N≤0.035；C≤0.025；Si≤1.0；Mn≤1.0；P≤0.04；S≤0.03；余量为Fe。优选的化学成分为：Cr：17.5-19.5；Mo:1.9-2.5；Cu：2.0-4.5；Ga:1.0-2.5；N≤0.035；C≤0.025；Si≤1.0；Mn≤1.0；P≤0.04；S≤0.03；余量为Fe。

本发明中的Ga元素，是该新型铁素体不锈钢中的重要合金元素，是保证不锈钢具备对高浓度细菌的抗菌功能的必要条件，Ga元素能够扰乱细胞的新陈代谢，抑制细胞的持续生长，最终造成细胞的凋亡。本发明不锈钢材料中的Ga的含量，按重量百分比计，成分为0.5-3.5；优选成分为1.0-2.5，以保证在固溶和时效的热处理条件下，通过固溶处理使得Ga元素能够充分固溶于基体中，并在一定时间时效后，使过饱和的Ga能够从钢中析出，形成足够量的以Fe₃Ga相，在同人体体液的接触中，新型抗菌铁素体不锈钢能够持续地释放出Ga离子。

与传统抗菌型铁素体不锈钢的制备方法不同，本发明中的新型抗菌铁素体不锈钢中的Ga元素，由于其熔点为29.76℃，纯Ga金属在室温下即以液态的形式存在，所以采用Fe-Ga合金进行冶炼，由于Ga在高温时容易挥发，因此在配料时必须考虑Ga的挥发量，每50克冶炼合金多加1-2％的Fe-Ga合金。含有Ga元素的新型抗菌铁素体不锈钢的制备方法如下：

(1)将合金成分依次加入到真空冶炼炉中进行真空感应冶炼，由于Ga的易挥发性，首先将Fe-Ga合金加入到冶炼炉中，置于底部，经过1400-1500℃精炼10-20分钟后，进行磁力搅拌后浇铸成铸锭；

(2)由于Fe-Ga合金的添加，需要延长锻造前的保温时间，以保证铁素体不锈钢中的成分和相结构的均匀性，采用1050-1100℃保温8-10小时均匀化退火，锻造成棒状或者块状试样；

(3)空冷或水冷至室温。

通过采用本发明所公开的各组分的质量配比并结合采用本发明所公开的相应的制备工艺，获得了新型抗菌铁素体不锈钢

对新型抗菌铁素体不锈钢材料的热处理方式选用固溶和时效热处理相结合的方式，固溶处理对于新型抗菌铁素体不锈钢中的Ga元素的均匀化具有重要的作用，之后进行长时时效处理，以保证足够量的Fe₃Ga相的析出，通过Fe₃Ga相的形成，提供有效的Ga离子的析出量，提高不锈钢材料的抗菌性能。

固溶温度与固溶时间都将影响Ga元素完全融入Fe基体中的固溶度，因此本发明中合适的抗菌热处理制度为：固溶处理的温度为1050-1250℃，保温0.5-3.5h，水冷至室温。优选的固溶温度和固溶时间，其特征在于：固溶处理的温度为1100-1200℃，保温1.0-3.0h，水冷至室温。

时效温度与时效时间将会影响到Ga元素从不锈钢中析出相的大小和数量，其特征在于：时效处理的温度为550-700℃，保温时间为3.0-8.0h，空冷至室温；优选的时效温度和时效时间，其特征在于：时效处理的温度为580-680℃，保温时间为3.5-5.5h，空冷至室温。

因此，本发明的有益效果是：

1、本发明通过添加Ga元素，使得新型抗菌铁素体不锈钢对大于(8-9)*10⁶CFU/mL的高浓度细菌的杀菌率具有有效性(≥90％)，并且减少了对细菌的杀灭作用时间。

2、本发明所述新型抗菌铁素体不锈钢的热处理方法，为优化后的热处理制度，通过固溶和时效热处理，铁素体不锈钢材料可对超高浓度细菌具有有效的杀灭作用。

3、本发明所述新型抗菌铁素体不锈钢材料，可应用于含有细菌的食品、化工行业以及民用的液体输送管道或者贮存容器当中。

附图说明

图1抗菌功能型金属材料的抗菌率，(a)共培养菌液浓度为(1-2)*10⁵CFU/mL，(b)共培养菌液浓度大于(1-2)*10⁶CFU/mL。

具体实施方式

根据新型抗菌铁素体不锈钢材料设定的化学成分范围，本发明采用15公斤真空感应炉冶炼实施例和对比例锻造新型抗菌铁素体不锈钢各10公斤，其化学成分见表1。

表1实施例和对比例的抗菌铁素体不锈钢主要化学成分(wt.％)

根据本发明新型抗菌铁素体不锈钢设定的热处理方法的参数范围，制定的固溶和时效热处理的详细参数，见表2。

表2实施例和对比例的热处理工艺参数

1.体外抗菌性能检测

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所示热处理后的新型铁素体不锈钢对常见造成人体感染的细菌(大肠杆菌E.coli和金黄色葡萄球菌S.aureus)作用后的杀菌率。其中，共培养细菌浓度设定为(1-2)*10⁶CFU/mL，细菌同对照样品和新型铁素体不锈钢样品共培养的时间为12小时。体外抗菌性能检测结果见表3，其中杀菌率的计算公式为：杀菌率(％)＝[(对照样品活菌数-新型抗菌铁素体不锈钢活菌数)/对照样品活菌数]×100％，对照样品活菌数是普通铁素体不锈钢样品上进行细菌培养后的活菌数，新型抗菌铁素体不锈钢活菌数是指热处理后的新型抗菌铁素体不锈钢上进行细菌培养后的活菌数。

2.耐腐蚀性能

根据不锈钢点蚀电位测量方法(国家标准：GB/T 17899-1999)对本发明实施例及对比例新型抗菌铁素体不锈钢进行阳极极化曲线测试，测试结果见表3。

表3实施例、对比例铁素体不锈钢的相关性能测试实验结果

从表3的结果可以看出，本发明实施例1-7的新型抗菌铁素体不锈钢均表现出优异的抗菌性能，同时还满足铁素体不锈钢在含有细菌的食品、化工行业以及民用领域中关于耐腐蚀性能性能的使用要求。合适的Ga含量以及热处理工艺(固溶和时效热处理)是本发明提出的新型抗菌铁素体不锈钢能够发挥抗菌性能以及呈现良好耐腐蚀性能。

固溶处理对于新型抗菌铁素体不锈钢材料的耐腐蚀性能有着重要的影响。在保证时效温度和时效时间在本发明的申请范围内的情况下，固溶温度过低，新型抗菌铁素体不锈钢中会生成有害的金属间相，有害金属间相的存在，使得材料的耐点蚀电位大幅度降低，严重影响了材料的耐腐蚀性能(对比例1-1)。固溶温度过高，造成晶界过烧，晶粒粗大现象明显，晶粒与晶界处电阻不平衡的趋势变大，造成了合金中金属元素间的原电池效应，使得材料的耐腐蚀性能的降低(对比例1-2)。固溶时间过短，使得富Ga相无法完全固溶入到基体当中，使得材料的耐腐蚀性能降低(对比例1-3)；固溶时间过长，也同样会造成原电池效应，严重破坏新型抗菌铁素体不锈钢的耐腐蚀性能(对比例1-4)。

时效处理对于新型抗菌铁素体不锈钢材料的抗菌性能以及耐腐蚀性能有着重要的影响。在保证固溶温度和固溶时间在本发明的申请范围内的情况下，Ga会完全固溶入钢基体当中，形成过饱和固溶体，在经过时效处理后，过饱和的Ga元素从钢中析出，形成足够量的Fe₃Ga相，使得材料起到有效的抗菌作用。时效温度过低，新型抗菌铁素体不锈钢中无法析出足够量的Fe₃Ga相，使得材料的抗菌性能无法满足超高浓度细菌的使用环境，抗菌性能大幅度降低(对比例2-1)。时效温度过高，使得新型抗菌铁素体不锈钢中析出大量的Fe₃Ga相，而且相的尺寸增大，造成材料的耐腐蚀性能的降低(对比例2-2)。时效时间过短，新型抗菌铁素体不锈钢中无法析出足够量的Fe₃Ga相，接近于固溶状态时的材料结构，所以这种情况下，新型抗菌铁素体不锈钢无法获得优异的抗菌性能(对比例2-3)。时效时间过长，使得析出的Fe₃Ga相的尺寸快速增长，使得新型抗菌铁素体不锈钢的耐腐蚀性能大幅度降低(对比例2-4)。

新型抗菌铁素体不锈钢中Ga元素的添加量，对材料的抗菌性能以及耐腐蚀性能有着重要的平衡作用，未添加Ga元素或者Ga的添加量过低造成新型抗菌铁素体不锈钢的抗菌性能降低，无法达到有效的抗菌功效(对比例3、对比例4)，Ga的添加量过高，虽然可以保证材料具有有效的抗菌性能，但是破坏了材料的耐腐蚀性能，使得材料的使用寿命受到影响(对比例5)。

通过以上实施例和对比例结果可知，只有当Ga含量，固溶温度和固溶时间，时效温度和时效时间在一定的合适范围内，它们之间相互补充、相互配合，才能使得热处理后的新型抗菌铁素体不锈钢兼具抗菌功能以及良好的耐腐蚀性能。

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)

1.一种高抗菌铁素体不锈钢，其特征在于，按重量百分比计：Cr：16.5-20.0；Mo:1.75-3.0；Cu：1.0-5.0；Ga:0.5-3.5；N≤0.035；C≤0.025；Si≤1.0；Mn≤1.0；P≤0.04；S≤0.03；余量为Fe；该铁素体不锈钢可有效抵抗浓度为1*10⁶-2*10⁶CFU/mL的高浓度细菌；

所述不锈钢固溶处理的温度为1050-1250℃，保温0.5-3.5h，水冷至室温；时效处理的温度为550-700℃，保温时间为3.0-8.0h，空冷至室温。

2.按照权利要求1所述高抗菌铁素体不锈钢，其特征在于，按重量百分比计，优选的化学成分为：Cr：17.5-19.5；Mo:1.9-2.5；Cu：2.0-4.5；Ga:1.0-2.5；N≤0.035；C≤0.025；Si≤1.0；Mn≤1.0；P≤0.04；S≤0.03；余量为Fe。

3.按照权利要求1所述高抗菌铁素体不锈钢，其特征在于：固溶处理的温度为1100-1200℃，保温1.0-3.0h，水冷至室温。

4.按照权利要求1所述高抗菌铁素体不锈钢，其特征在于：时效处理的温度为580-680℃，保温时间为3.5-5.5h，空冷至室温。

5.一种权利要求1或2所述高抗菌铁素体不锈钢的制备方法，其特征在于：

(1)将合金成分依次加入到真空冶炼炉中进行真空感应冶炼，经过1400-1500℃精炼10-20分钟后，进行磁力搅拌后浇铸成铸锭；

(2)1050-1100℃保温8-10h均匀化退火，锻造成棒状或者块状试样；

(3)空冷或水冷至室温。

6.一种权利要求1所述铁素体不锈钢在制备食品、化工行业或民用的液体输送管道或的贮存容器方面的应用。

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