CN108728760B

CN108728760B - 一种应用于厨房用品的强抗菌奥氏体不锈钢

Info

Publication number: CN108728760B
Application number: CN201810297436.XA
Authority: CN
Inventors: 席通; 赵金龙; 杨柯; 杨春光
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2018-04-04
Filing date: 2018-04-04
Publication date: 2019-12-27
Anticipated expiration: 2038-04-04
Also published as: CN108728760A

Abstract

本发明的目的在于提供一种强抗菌奥氏体不锈钢，其化学成分为(质量百分比)：C：≤0.03；Si：0.3‑0.5；Mn：0.3‑0.8；S：≤0.01；P：≤0.01；Cr：17.5‑18.5；Ni：7.0‑8.0；Cu：3.0‑5.0；Ga：0.2‑2.0；余量为Fe。通过在奥氏体不锈钢基体中添加Ga元素，以及相应的热处理，使材料在基体中析出α‑Fe₃Ga和β‑Fe₃Ga中间相，不仅能够提高材料的力学性能，同样使材料具备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厨房用品涉及到的相关不锈钢制品，以降低因厨房用品而引发的细菌感染等问题产生的概率。

Description

一种应用于厨房用品的强抗菌奥氏体不锈钢

技术领域

本发明涉及不锈钢领域，特别提供一种具有抗菌功能并且适用于厨房用品的奥氏体不锈钢，通过在不锈钢基体中添加一定含量的Ga元素，采用特殊的热处理工艺，使材料具有快速并强烈的杀菌功能。

背景技术

随着社会的发展和人民经济生活水平的提高，人们对周围的环境和自身的健康越来越重视，抗菌材料也因此受到了越来越多研究者的关注。抗菌不锈钢也正是在这种大背景下被研发出来。抗菌不锈钢是指在现有不锈钢的基体或表面上添加具有抗菌作用的金属元素，如铜(Cu)、银(Ag)等，通过特殊的热处理操作使材料获得兼具优良抗菌性能及良好力学、耐蚀性能的新型钢铁材料。此外，奥氏体不锈钢由于无磁性而且具有高韧性和塑性，以及优良的耐蚀性能，在各行各业获得了广泛的应用。正因如此，研发具有优异抗菌功能的奥氏体抗菌不锈钢成为了目前的研究热点。

现阶段对于奥氏体抗菌不锈钢，其主要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。如申请号为02144683.0的专利，较早地研究了在不锈钢基体中添加一定量的Cu元素，通过相应的热处理使不锈钢基体中弥散析出大量的富铜相，从而赋予不锈钢优异的抗菌性能；申请号为200510013238.9，200710038732和200510111742.2的专利中，在奥氏体不锈钢中添加了一定量的具有抗菌作用的Ag和Cu元素，从而使材料具有一定的杀菌功能，但贵金属Ag的加入不仅增加了材料的成本，同样也严重降低了材料的力学性能和耐蚀性能。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，但低含量Cu或Ag元素的加入，不能够保证材料优良的抗菌性能，而高含量Cu或Ag元素的加入会恶化材料的热锻及热轧加工工艺。此外，现有相关专利中均未表明奥氏体抗菌不锈钢杀菌的快速性以及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强抗菌奥氏体不锈钢，首次创新性地提出了在奥氏体不锈钢基体中添加Ga元素，通过相应的热处理，不仅使材料具有快速杀菌性，同样在高细菌浓度下也赋予材料优异的抗菌性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种强抗菌奥氏体不锈钢，在奥氏体不锈钢基体中添加Ga元素，通过相应的热处理，使材料在基体中析出α-Fe₃Ga和β-Fe₃Ga中间相，不仅能够提高材料的力学性能，同样使材料具备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厨房用品涉及到的相关不锈钢制品，以降低因厨房用品引发的细菌感染等问题产生的概率。

本发明的技术方案是：

一种强抗菌奥氏体不锈钢，该材料的化学成分如下(wt.％)，C：≤0.03；Si：0.3-0.5；Mn：0.3-0.8；S：≤0.01；P：≤0.01；Cr：17.5-18.5；Ni：7.0-8.0；Cu：3.0-5.0；Ga：0.2-2.0；余量为Fe。

作为优选的技术方案：Ga元素的范围为Ga：0.5-1.0(wt.％)。

本发明提供了上述强抗菌奥氏体不锈钢的抗菌热处理方法，其特征在于：在1000-1050℃固溶处理0.5-1h，水冷至室温，之后在550-700℃时效处理4-6h，空冷至室温。

本发明还提供了上述强抗菌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、酸洗和抛光后加工成型，抗菌热处理方法可在热轧流程后的任意加工工艺处进行。

Ga元素是本发明中最重要的成分。金属Ga是一种低熔点高沸点的金属，其沸点高达2204℃。Ga元素在钢中是封闭奥氏体区的元素，由Fe-Ga二元相图可知，Ga在γ-Fe中的最大固溶度为3.25at.％，并且Ga元素随着温度的变化其固溶度变化较大，这也促使了Ga元素能够在较低温度下能够以第二相的方式析出。通过Fe₃Ga中间相而溶出的Ga离子能够快速并在高细菌浓度下杀死细菌，是本发明的主要创新点。

抗菌热处理是本发明中很重要的一部分。在1000-1050℃固溶处理0.5-1h，水冷至室温，能够确保Ga元素完全固溶到奥氏体基体中，形成过饱和固溶体；之后在550-700℃时效处理4-6h，空冷至室温，能够使Ga元素以第二相的形式从过饱和固溶体逐渐析出，在奥氏体基体中析出一定量的α-Fe₃Ga和β-Fe₃Ga中间相，这也是材料具备快速杀菌性和高抗菌性的根本所在。此外，时效温度不宜过低，时效时间不能过短，否则将不利于中间相的析出，而时效温度过高，时效时间过长，则会造成析出相粗大，影响材料的力学和耐蚀性能。

本发明的有益效果是：

本发明首次创新性地提出了在奥氏体不锈钢基体中添加Ga元素的概念，设计出了一种具备快速杀菌及强杀菌能力的奥氏体不锈钢。通过调控钢中Ga元素的含量及相应的热处理，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，使其具备优异的抗菌性能，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明中实施例与对比例对大肠杆菌的抗菌结果：(a，b)高细菌浓度(10⁸CFU/ml)，共培养24h；(c，d)较短培养时间(2h)，细菌浓度为10⁵CFU/ml。

图2实施例与对比例材料的杯突性能测试结果。

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1-8为含有Ga元素的强抗菌奥氏体不锈钢，其化学成分见表1。根据本发明的化学成分范围进行控制冶炼，经过熔炼、锻造、热锻、热轧及冷轧制成1mm厚板材。再进行抗菌热处理，固溶温度为1030℃，固溶时间为30分钟，时效温度为580℃，时效时间为5h。

对比例：对比例1为普通奥氏体抗菌不锈钢，对比例2为含有少量Ga元素的奥氏体不锈钢，对比例3为含有大量Ga元素的奥氏体不锈钢，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.％)

(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。其中杀菌率的计算公式为：杀菌率(％)＝[(对照样品活菌数-强抗菌奥氏体不锈钢活菌数)/对照样品活菌数]×100％，对照样品活菌数是普通304奥氏体不锈钢样品上进行细菌培养后的活菌数，强抗菌奥氏体不锈钢活菌数是指热处理后的强抗菌奥氏体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，当钢中的Ga含量低于0.5wt.％时，材料的抗菌性能随着细菌浓度的升高逐渐降低，而当Ga含量高于0.5wt.％时，材料即使在高细菌浓度条件下依然保持优良的抗菌性能。此外，随着细菌浓度的升高，对比例1材料的抗菌性逐渐降低，在较高浓度下，其杀菌率几乎为零。

表2实施例与对比例在不同细菌浓度下共培养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(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1和2，当钢中Ga元素含量小于0.5wt.％时，材料的抗菌性能随着培养时间的缩短而逐渐降低，而当Ga含量大于0.5wt.％时，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(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阳极极化曲线和盐雾腐蚀测试，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元素添加量小于1.5wt.％时，盐雾腐蚀外观与对比例1无明显变化，且材料的耐点蚀性能还略有升高；当Ga元素含量大于1.5wt.％时，材料的耐点蚀和耐盐雾腐蚀能力呈现轻微下降的趋势。而当Ga元素含量为3.0wt.％时，材料的耐蚀能力迅速下降。

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	295	A级-无变化
实施例2	318	A级-无变化
			实施例3	310	A级-无变化
实施例4	302	A级-无变化
			实施例5	315	A级-无变化
实施例6	270	B级轻微到中度的变色
			实施例7	255	B级轻微到中度的变色
实施例8	220	B级轻微到中度的变色
			对比例1	280	A级-无变化
对比例2	285	A级-无变化
			对比例3	205	C级严重变色

(3)力学性能测试

根据金属材料室内拉伸试验方法(GB/T 228-2002)及金属材料薄板和薄带埃里克森杯突试验(GB/T 4156-2007)测试了实验例和对比例材料的室温拉伸性能及杯突性能，测试结果见表5。从表中的数据来看，相比于对比例不锈钢，Ga元素的添加能够有效地提高材料的强度、塑性及杯突值(EI)，进而使材料具有更加优良的力学性能及冷成形性能。

表5实施例与对比例材料的力学性能及杯突性能结果

材料	σ<sub>0.2</sub>(MPa)	σ<sub>b</sub>(MPa)	δ(％)	EI(mm)
					实施例3	235	550	45	13.8
实施例5	260	585	44	13.2
					对比例1	210	530	42	12.5

通过以上分析可知，当Ga元素的含量处于优选范围时，材料具备优异的综合性能。因此，通过在钢中添加适量的Ga元素，经过特定的热处理操作，不仅能够提高钢的力学性能，也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

1.一种强抗菌奥氏体不锈钢，其特征在于，其化学成分为质量百分比：C：≤0.03；Si：0.3-0.5；Mn：0.3-0.8；S：≤0.01；P：≤0.01；Cr：17.5-18.5；Ni：7.0-8.0；Cu：3.0-5.0；Ga：0.5-2.0；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所述强抗菌奥氏体不锈钢，其特征在于：Ga元素的范围为Ga：0.5-1.0wt.％。

3.一种权利要求1或2所述强抗菌奥氏体不锈钢的抗菌热处理方法，其特征在于：在1000-1050℃固溶处理0.5-1h，水冷至室温，之后在550-700℃时效处理4-6h，空冷至室温。

4.一种权利要求1或2所述强抗菌奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于：所述的抗菌不锈钢在真空感应炉中熔炼，经铸造、锻造、热轧、冷轧、酸洗和抛光后加工成型，在热轧流程后的任意加工工艺处进行抗菌热处理。

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：该强抗菌奥氏体不锈钢用于制备厨房用品。

6.按照权利要求5所述不锈钢的应用，其特征在于：所述厨房用品为餐具、水槽、厨柜之一种或多种。