CN108728769A - 一种强抗菌奥氏体不锈钢 - Google Patents

一种强抗菌奥氏体不锈钢 Download PDF

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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：0.4‑0.6；Mn：0.4‑0.8；S：≤0.02；P：≤0.02；N：≤0.02；Cr：17‑19；Ni：7.5‑8.5；Cu：3.5‑4.5；Ga：0.2‑2.5；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Fe3Ga中间相，进而赋予了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海洋环境设备涉及到的相关不锈钢制品，以减少因细菌滋生引发的感染问题。

Description

一种强抗菌奥氏体不锈钢
技术领域
本发明涉及不锈钢领域，特别提供一种具有强抗菌功能的奥氏体不锈钢，通过在不锈钢基体中添加适量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
在日常生活中，细菌无处不在，由细菌引发的细菌感染也越来越受到人们的关注。上世纪九十年代，日本爆发了由MRSA(对青霉素有抗药性的黄色葡萄球菌)引起的感染以及病原体大肠杆菌引起的集体流感，2003年在我国爆发的非典感染以及近些年来在世界各地频频发生的禽流感等，更是加深了人们对细菌感染的认识。细菌感染极易发生，特别是在一些恶劣严苛的环境，例如航行在大海中的船只，由于其相对封闭隔离的环境以及航行的时间较长，一次出航需要准备足量的蔬菜、肉类和淡水资源等，因而这些食物及水资源的储存也显得愈发重要。在食物的长期存储过程中，即使将食物储存在相应的保鲜设备中也容易发生细菌的污染，因此人们对抗菌用品的需求也显得愈发迫切。
抗菌不锈钢是指在现有不锈钢的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。由于其优异的性能，抗菌不锈钢的研发及应用也受到越来越多研究者的关注。
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998009434.2的专利中开发了一种含有银元素的抗菌不锈钢；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的专利中，在奥氏体不锈钢中同时添加了Ag和Cu元素，通过Ag和Cu元素的协同杀菌作用，从而使材料具有一定的杀菌功能。
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
本发明提供了一种新型的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Fe3Ga中间相，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海洋环境设备涉及到的相关不锈钢制品，减少因细菌滋生引发的感染问题。
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：0.4-0.6；Mn：0.4-0.8；S：≤0.02；P：≤0.02；N：≤0.02；Cr：17-19；Ni：7.5-8.5；Cu：3.5-4.5；Ga：0.2-2.5；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元素可以扰乱细菌正常的新陈代谢，进而杀死细菌。同时通过特殊的热处理可使不锈钢析出含Ga的第二相，不锈钢表面存在的第二相更易溶出Ga3+离子，进而赋予了不锈钢强烈的杀菌作用。
本发明提供了上述强抗菌奥氏体不锈钢的热处理方法，这也是本发明中很重要的一部分，其主要步骤为：在1020-1050℃固溶处理0.5-1h，水冷至室温，能够使Ga元素完全固溶到奥氏体基体中，形成含Ga的过饱和固溶体，之后在550-680℃时效处理3-6h，空冷至室温，时效处理能使处于过饱和状态的Ga元素以第二相的形式析出，在奥氏体基体中形成一定量的Fe3Ga中间相。Fe3Ga析出相的存在赋予了奥氏体不锈钢优异的抗菌性能。
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、冷轧等工艺加工成型，抗菌热处理方法可在热轧流程后进行。
本发明的有益效果是：
本发明首次创新性地将Ga元素添加到奥氏体不锈钢中，获得了一种具有快速杀菌及强烈杀菌能力的强抗菌奥氏体不锈钢。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。
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元素的新型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40分钟，时效温度为560℃，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为含有微量Ga元素的抗菌不锈钢，对比例3为含有多量Ga元素的抗菌不锈钢，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 P S N Si Mn Cr Cu Ni Ga
实施例1 0.025 0.005 0.004 0.010 0.45 0.6 18.5 4.4 7.9 0.2
实施例2 0.022 0.007 0.005 0.007 0.48 0.6 17.7 4.1 7.8 0.5
实施例3 0.027 0.007 0.006 0.015 0.47 0.7 17.2 4.5 8.0 0.8
实施例4 0.018 0.005 0.005 0.010 0.45 0.5 17.8 4.2 7.9 1.2
实施例5 0.020 0.006 0.006 0.009 0.42 0.6 17.8 3.9 8.2 1.5
实施例6 0.019 0.007 0.008 0.009 0.48 0.5 18.6 4.3 8.1 1.8
实施例7 0.021 0.006 0.006 0.007 0.42 0.5 18.2 3.6 7.6 2.0
实施例8 0.024 0.005 0.003 0.009 0.46 0.6 17.2 4.5 8.1 2.5
对比例1 0.019 0.006 0.006 0.008 0.41 0.5 18.2 4.5 7.9 -
对比例2 0.012 0.004 0.005 0.007 0.42 0.7 17.3 4.1 7.6 0.1
对比例3 0.018 0.008 0.007 0.010 0.48 0.5 18.6 4.4 8.4 3.0
(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所示为实施例和对比例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Ga的添加量高于0.5wt.％时，材料即使在高细菌浓度下依然具备优异的抗菌性能。
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所示为实施例和对比例材料在不同培养时间下细菌浓度为2×105CFU/ml时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，当钢中Ga元素含量大于0.5wt.％时，材料即使在很短的培养时间(1h)内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
根据盐雾试验方法(GB/T 10125-2012)及不锈钢点蚀电位测量方法(GB/T 17899-1999)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)，依据标准，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250h。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，实施例与对比例的盐雾腐蚀外观评级相当，且材料的耐点蚀性能还略有升高；而当Ga的添加量过高时(>1.5wt.％)时，材料的耐点蚀和耐盐雾腐蚀能力均呈现下降的趋势，并且当Ga的添加量达到3.0wt.％时(对比例3)，材料的耐蚀性能迅速降低。
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1 299 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5 295 A级-无变化
实施例6 260 B级轻微到中度的变色
实施例7 245 C级极轻微的失光
实施例8 200 C级极轻微的失光
对比例1 270 A级-无变化
对比例2 278 A级-无变化
对比例3 190 D级极轻微的腐蚀产物
通过以上分析可知，在钢中添加的Ga元素越多，材料的抗菌性能越好，但相应的也降低了材料的耐蚀性能。Ga元素的优选范围为Ga：0.5-1.5(wt.％)。在此区间内添加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 (6)

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：0.2-2.0；余量为Fe。
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。
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