CN108728772B - 一种在空气环境使用的抗菌不锈钢 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在空气环境使用的抗菌不锈钢，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：≤0.08；Si：≤1.00；Mn：≤1.00；P：≤0.04；S：≤0.03；Ni：5.50‑7.50；Cr：15.5‑17.5；Cu：3.5‑4.5；Ga：0.5‑1.5；余量为Fe。该不锈钢经过固溶热处理后，抗菌相Ga能够均匀固溶在基体内，当在空气环境中使用，细菌与不锈钢表面接触时，由于Ga元素耦合原有抗菌元素Cu的作用，能够大幅提高现有含Cu不锈钢对常见细菌的杀菌率。本发明所述不锈钢解决了现有与空气环境接触的各类设施中，由于使用不锈钢引发的细菌感染问题，可广泛应用于相关领域的不锈钢门窗、把手、护栏、橱柜、台面等。

Description

一种在空气环境使用的抗菌不锈钢
技术领域
本发明涉及不锈钢材料领域，特别提供一种在空气环境使用的抗菌不锈钢。
背景技术
现有含铜抗菌不锈钢的抗菌原理，一般是当不锈钢与溶液环境接触时，不锈钢自身会释放微量抗菌铜离子，它能够渗透并破坏细菌细胞壁，致使细菌内蛋白质流出，从而导致细菌死亡。然而，现实条件千差万别，对于非润湿环境，比如空气环境，并没有溶液介质能够促进含铜抗菌不锈钢表面通过溶液腐蚀释放足量的铜离子。这在很大程度上限制了含铜抗菌不锈钢在该场合下的应用。已有文献表明，铜合金在空气环境下具有很明显的杀菌效果。这主要是由于，铜元素具有较强的生物活性，当与细菌接触时，能够生产大量活性氧的微环境，形成渗透压，破坏细菌细胞壁，细胞壁内的碳水化合物进而与铜元素直接作用，最终，铜离子从不锈钢表面溶出，细菌被彻底杀死。按照此抗菌原理，含铜不锈钢也应该具有同样的在空气环境中优异的抗菌功能。然而，含铜不锈钢在空气环境下的抗菌效果却不尽如人意。可能的原因有：(1)含铜不锈钢一般均需经过时效处理，富铜相虽然均匀析出，但单位面积上的铜含量却减少，这影响了铜元素与细菌的反应速率，进而影响了铜的抗菌效率。(2)由于铜在含铜不锈钢的质量百分含量本身就很少，不能像铜合金中拥有更大的百分含量，当与细菌接触时，能够形成足够的渗透压，破坏足够多的细菌细胞壁。因此，在空气环境中，如能提高单位面积抗菌相的百分含量，则应能够增加细菌与不锈钢表面活性氧的溶度，提高不锈钢的抗菌活性。
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，未见镓在不锈钢中其它应用的相关报道。因此，本发明通过合适的合金成分设计，在不锈钢中添加适量的Ga元素，以增加现有含铜不锈钢在空气环境中的抗菌效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在空气环境使用的抗菌不锈钢，解决现有含铜抗菌不锈钢材料在空气环境中抗菌效率低的问题。
本发明的技术方案是：
一种在空气环境使用的抗菌不锈钢，其特征在于：按重量百分比计，该不锈钢的化学成分如下：C：≤0.08；Si：≤1.00；Mn：≤1.00；P：≤0.04；S：≤0.03；Ni：5.50-7.50；Cr：15.5-17.5；Cu：3.5-4.5；Ga：0.5-1.5；余量为Fe。优选的化学成分如下：C：≤0.08；Si：≤1.00；Mn：≤1.00；P：≤0.04；S：≤0.03；Ni：5.50-6.50；Cr：15.5-17.5；Cu：3.5-4.5；Ga：0.5-1.5；余量为Fe。
在本发明的不锈钢成分设计中，合金元素镓(Ga)是本申请保护不锈钢中最重要的合金元素。Ga是保证不锈钢在空气环境具有更强抗菌功能的重要条件，也是本发明的主要创新点。本发明中的不锈钢中含Ga量为0.5-1.5％，以保证在固溶热处理条件下，抗菌的Ga和Cu都均匀固溶在基体中。在空气环境中，当细菌与该抗菌不锈钢表面接触时，单位面积上的Ga和Cu的百分含量之和显著增加。当Ga含量较低时，即使经过固溶处理，单位面积抗菌相的总百分含量较小，抗菌率仍然偏低；当Ga含量过高时，会严重影响不锈钢的热加工性能和冷成形性能，限制其实际应用。此外，过量的Ga也会破坏不锈钢钝化膜的连续性，从而降低不锈钢的耐腐蚀性能。
本发明所述抗菌不锈钢可采用以下方法获得：真空感应冶炼、电弧炉+连铸冶炼或电弧炉冶炼+炉外精炼。
本发明还提供了所述抗菌不锈钢的热加工和热处理工艺，该工艺包括如下步骤：
(1)热加工：钢锭于1020-1050℃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850℃；
(2)固溶热处理：1000-1050℃固溶处理1-2小时，空冷或水冷至室温。
与原有含铜抗菌不锈钢不同，本发明抗菌不锈钢仅采用固溶处理，这样做的目的是进一步提高单位面积抗菌元素Cu和Ga的百分含量，增加生成自由氧的反应活性。
本发明的有益效果是：
1、对于在空气环境使用的抗菌不锈钢而言，Ga元素耦合原有抗菌元素Cu的作用，能够大幅提高现有含Cu不锈钢对常见细菌的杀菌率。
2、由于Ga的添加，仅需要通过固溶处理即可，简化了抗菌不锈钢的制备流程，利于其规模化推广应用。
应用范围：
本发明所述抗菌不锈钢，在空气环境使用时具有较强的抗菌性能，可广泛应用于空气环境使用的不锈钢门窗、把手、护栏、橱柜、台面等。
附图说明
图1为抗菌不锈钢杀灭大肠杆菌(细菌浓度为106CFU/mL)的效果照片。(a)含Cu抗菌不锈钢(b)含Ga抗菌不锈钢。
具体实施方式
根据本发明抗菌不锈钢所设定的化学成分范围，采用25公斤真空感应炉冶炼
实施例1-4抗菌不锈钢和1炉对比例抗菌不锈钢各15公斤，其化学成分见表1。
锻造工艺为：合金铸锭在1050℃均匀化热处理2小时开坯，分三火锻造为40×100mm的初轧板材，终锻温度为900℃。
热轧工艺为：初轧坯料在1050℃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6mm厚。
表1实施例和对比例的抗菌不锈钢化学成分(wt.％)
抗菌性能检测
抗菌实验采用了近似于空气环境的干表面进行共培养，具体步骤如下：
将样品放入24孔板中，用无菌枪头吸取5μL106CFU/mL菌浓的菌液滴加到每个孔中的样品表面上。由于表面张力的作用，使菌液完全铺平以至于表面液膜厚度几乎为0，确保细菌与样品表面的充分接触。保证共培养所处的环境湿度在90％以上，温度恒定在37℃，共培养时间不超过12个时间点。到达一定的时间点后将样品连同其上菌液一同取出，放入离心管中，加入适当的磷酸缓冲盐溶液(PBS缓冲液)稀释细菌悬液，在摇床中充分振荡。最后吸取0.1mL的细菌悬液均匀涂在琼脂培养基平板上，37℃恒温培养24h，到达时间点后，取出平板进行菌落计数。抗菌率C的计算方式请见下列方程：
C(％)＝100×(A-B)/A
其中A代表的是空白对照组菌落数，B代表的是实验组菌落数。
实施例1
实施例1的抗菌不锈钢的热处理工艺为：在1000℃保温1h，水冷至室温。按照上述抗菌实验方法，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：≥98.3％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥97.9％。
本发明新型不锈钢显示了优异的抗菌性能。
实施例2
在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：在1020℃保温2h，水冷至室温。按照上述抗菌实验方法，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：≥99.4％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥99.0％。
本发明新型不锈钢显示了优异的抗菌性能。
实施例3
在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：在1040℃保温2h，空冷至室温。按照上述抗菌实验方法，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：≥99.7％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥99.3％。
本发明新型不锈钢显示了优异的抗菌性能。
实施例4
在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：在1050℃保温1h，空冷至室温。按照上述抗菌实验方法，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：≥99.9％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥99.9％。
本发明新型不锈钢显示了优异的抗菌性能。
实施例5
在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：在1030℃保温1h，空冷至室温。按照上述抗菌实验方法，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：≥99.9％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥99.9％。
本发明新型不锈钢显示了优异的抗菌性能。
实施例6
在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：在1040℃保温1h，空冷至室温。按照上述抗菌实验方法，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：≥98.9％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥98.9％。
本发明新型不锈钢显示了优异的抗菌性能。
对比例1
在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：在1050℃保温2h，水冷至室温。按照上述抗菌实验方法，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：≥52.7％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥49.2％。
对比例2
在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：在1045℃保温1h，水冷至室温。按照上述抗菌实验方法，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：≥61.7％；
(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥59.2％。
如结果所示，含铜抗菌不锈钢在模拟空气环境的抗菌实验中，抗菌率结果并不理想。显而易见，对于在空气环境使用的抗菌不锈钢，由于Ga元素的添加，能够有效起到表面接触抗菌的功效，并且随着Ga元素含量的提高，可以提高不锈钢材料的抗菌性。这一新型抗菌不锈钢材料可广泛应用于空气环境使用的不锈钢门窗、把手、护栏、橱柜、台面等。
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 (8)

1.一种在空气环境使用的抗菌不锈钢，其特征在于：按重量百分比计，该不锈钢的化学成分如下：C：≤0.08；Si：≤1.00；Mn：≤1.00；P：≤0.04；S：≤0.03；Ni：5.00-7.00；Cr：15.0-18.0；Cu：3.0-5.0；Ga：0.5-1.8；余量为Fe；该不锈钢对浓度为106CFU/mL的细菌具有有效抗菌作用。
2.按照权利要求1所述在空气环境使用的抗菌不锈钢，其特征在于：按重量百分比计，该不锈钢的化学成分如下：C：≤0.08；Si：≤1.00；Mn：≤1.00；P：≤0.04；S：≤0.03；Ni：5.50-6.50；Cr：15.5-17.5；Cu：3.5-4.5；Ga：0.5-1.5；余量为Fe。
3.一种权利要求1所述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和热处理工艺：
热加工：钢锭于1020-1050℃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850℃；
固溶热处理：1000-1050℃固溶处理1-2小时，空冷或水冷至室温。
5.一种权利要求1所述抗菌不锈钢作为不锈钢门窗和把手的应用。
6.一种权利要求1所述抗菌不锈钢作为不锈钢护栏的应用。
7.一种权利要求1所述抗菌不锈钢作为不锈钢橱柜的应用。
8.一种权利要求1所述抗菌不锈钢作为不锈钢台面的应用。
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