CN108842115A - 一种高韧性的抗菌不锈钢 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及不锈钢加工技术领域，具体涉及一种高韧性的抗菌不锈钢。按照质量百分比，所述不锈钢的元素组成为：Cr：14.5‑16.9%，Ni：3.43‑4.66%，Cu：2.50‑2.77%，Zn：1.25‑1.43%，W：1.05‑1.45%，C：0.55‑0.82%，Mn：0.35‑0.46%，Mo：0.34‑0.47%，Re：0.28‑0.36%，Ti：0.01‑0.02%，余量为Fe和不可避免的杂质，杂质元素中，P：≤0.03%，S：≤0.03%，H：≤0.002%。所述Re元素中含有Ce、Y和Dy，三者的元素含量比为2:1:2。不锈钢的元素组成中还包括不低于0.03wt%的Ag元素；Ag元素利用强流金属离子注入机提通过不饱和扩散法，分步注入到热处理后的不锈钢材料中，该型不锈钢材料适用于厨房刀具的制备，具有强度高、硬度大的性质，韧性较好，使用时不容易崩口，还具有良好的抗菌除菌性能。

Description

一种高韧性的抗菌不锈钢
技术领域
本发明涉及不锈钢加工技术领域，具体涉及一种高韧性的抗菌不锈钢。
背景技术
不锈钢是不锈耐酸钢的简称，耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质或具有不锈性的钢种称为不锈钢；而将耐化学腐蚀介质(酸、碱、盐等化学浸蚀)腐蚀的钢种称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异而使他们的耐蚀性不同，普通不锈钢一般不耐化学介质腐蚀，而耐酸钢则一般均具有不锈性。不锈钢不是单指一种类型的钢材，而是表示一百多种工业不锈钢，所开发的每种不锈钢都在其特定的应用领域具有良好的性能。不锈钢具有硬度高，耐磨性好，良好的耐腐蚀性，优良的外观和寿命长等特性，因此被广泛应用于建筑、汽车工业、造船业、海洋装置、机械设备和化学设备等行业。
在各类不锈钢产品中，包括一种抗菌不锈钢新产品。这种抗菌不锈钢材料包括加铜和加银的抗菌不锈钢，含有表面涂层的抗菌不锈钢，以及抗菌复合不锈钢板等，在普通不锈钢内添加一定量的抗菌金属元素Cu、Ag、Zn等，控制铸造、锻压、轧制以及热处理过程，使抗菌金属元素在不锈钢基体内以一定的大小、形态，均匀弥散地析出，并保证析出相的体积百分比，在不降低普通不锈钢的力学性能和抗腐蚀性能的情况下，赋予其优异的抗菌性能。
试验显示，抗菌不锈钢对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的杀灭率均在99％以上，对其它细菌如白念珠菌、枯黑菌等也有显著的杀灭作用，显示了优良的广谱抗菌性和抗菌持久性。国家药品和生物制品检验所的检测表明，抗菌不锈钢在毒性和人体安全性方面完全符合国家技术标准。抗菌不锈钢材料在卫生餐具、厨具和医疗器械等领域中具有很大的应用价值。
专利授权公告号CN102168226B中公开了一种纳米析出相马氏体不锈钢，该技术方案中通过在不锈钢基体中均匀弥散Cu相晶粒，使得不锈钢产品具有较好的抗菌性能，但是由于其组分中仅仅依靠Cu相晶粒发挥抑菌效果，导致不锈钢的抑菌性能较弱，而且因为其热处理工艺的局限，存在析出晶相粗大化的问题，这种粗大化的晶粒在不锈钢表面析出，不仅很难发挥抗菌除菌作用，而且还会对马氏体合金的韧性和强度造成较大影响。
专利授权公告号CN102994911B公开了一种奥氏体复合抗菌不锈钢，该型不锈钢中还添了0.016％质量份数的Ag，从而使得不锈钢的抗菌性能更加突出，但是改该技术方案中的Ag是通过混合熔炼的方式加入的，Ag的含量极低，在使用过程很难析出，因此并不能发挥较好的抑菌除菌性能。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高韧性的抗菌不锈钢，该型不锈钢材料适用于厨房刀具的制备，具有强度高、硬度大的性质，韧性较好，使用时不容易崩口，还具有良好的抗菌除菌性能。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：
一种高韧性的抗菌不锈钢，按照质量百分比，不锈钢的元素组成为：Cr：14.5-16.9％，Ni：3.43-4.66％，Cu：2.50-2.77％，Zn：1.25-1.43％，W：1.05-1.45％，C：0.55-0.82％，Mn：0.35-0.46％，Mo：0.34-0.47％，Re：0.28-0.36％，Ti：0.01-0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，杂质元素中，P：≤0.03％，S：≤0.03％，H：≤0.002％。
优选地，按照质量百分比，不锈钢的元素组成为：Cr：14.8-15.3％，Ni：3.88-4.25％，Cu：2.63-2.71％，Zn：1.35-1.40％，W：1.22-1.34％，C：0.63-0.71％，Mn：0.38-0.43％，Mo：0.37-0.43％，Re：0.31-0.34％，Ti：0.01-0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，杂质元素中，P：≤0.03％，S：≤0.03％，H：≤0.002％。
进一步优选地，按照质量百分比，不锈钢的元素组成为：Cr：15.1％，Ni：4.12％，Cu：2.68％，Zn：1.37％，W：1.29％，C：0.67％，Mn：0.41％，Mo：0.39％，Re：0.32％，Ti：0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，杂质元素中，P：≤0.03％，S：≤0.03％，H：≤0.002％。
其中，Re元素中含有Ce、Y和Dy，三者的元素含量比为2:1:2。
不锈钢的元素组成中还包括不低于0.03wt％的Ag元素；Ag元素利用强流金属离子注入机注入到热处理后的不锈钢材料中，离子注入方式采用剂量不高于1.5x1016ion/cm2的不饱和分步扩散法注入到不锈钢材料表面。
本发明提供的不锈钢的制备方法包括感应炉熔炼、浇铸成坯，钢坯轧制和热处理过程，其中，热处理过程如下：
将轧制后的不锈钢板材加热至950-1000℃，保温15-18min，然后将板材空冷至室温，再以-115℃至-135℃的温度进行深冷处理28-30min，完成钢板的真空淬火处理，接着以540-620℃的回火温度，对真空淬火后的不锈钢板进行第一次回火处理1-1.5h，再以180-250℃的回火温度进行第二次回火处理，第二次回火处理时间为25-35min，得到所需的高韧性不锈钢。
优选地，感应炉选用300-2500Hz的中频电炉。
优选地，钢坯轧制的开轧温度为1050-1150℃，终轧温度为800-850℃，轧制后先进行堆冷，然后再进行热处理。
优选地，第一次回火处理结束后油冷至室温，第二次回火处理后空冷至室温。
该型不锈钢用于厨房刀具的制备。
本发明具有如下的有益效果：
本发明的不锈钢材料采用的Cu、Zn熔炼注入和Ag相离子表面注入的方式进行合成，离子注入技术使得为数不多的Ag相金属可以均匀分布与合金外层，从而实现对Ag相金属的最有效利用，Ag离子因为采用低剂量的不饱和扩散法分步注入，因此不会对合金基体的晶相结构造成改变，而且可以获得更加均匀、细小的Ag相晶粒；Ag相可以和分布较广的Cu相和Zn相发挥协同作用，从而使得该型不锈钢材料的抗菌除菌性能更加突出。
其中，本发明的不锈钢配方，降低了Mn元素的含量，增大了Ni元素和W元素的使用，选择Mo：0.34-0.47％质量百分比的Mo元素含量，在这样的范围下，Mo元素可以增加Ni、W和Ti元素在奥氏体中的固溶度，促进碳氮化合物的析出，从而显著增强不锈钢的强度。而且Mo元素和本发明中的Re元素可以产生协同作用，对合金组织中贝氏体的形成具有明显的促进作用，从而提高合金的韧性。
为进一步提升不锈钢的性能，本发明针对该不锈钢配方而采用了特殊的热处理工艺，首先将轧制后的不锈钢板材进行固溶处理，本发明中特别选择了950-1000℃的固溶处理温度，在该温度范围下，本发明中不锈钢的过剩相可以充分溶解，使得合金的组织结构和性质分布更加均匀，从而提升合金的韧性和抗蚀性，消除钢材内的的应力和软化。之后再对不锈钢板材进行深冷处理和真空淬火处理，将不锈钢中的奥氏体转变为马氏体，细化组中的Fe相晶格，并析出强化碳原子，从而提高不锈钢的耐磨性和刚性，最红通过两次回火处理，并进一步消除不锈钢材料的内应力，稳定晶相组织结构，从而避免制备的不锈钢材料脆化，改善不锈钢的综合性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种高韧性的抗菌不锈钢，按照质量百分比，不锈钢的元素组成为：Cr：14.5％，Ni：3.43％，Cu：2.50％，Zn：1.25％，W：1.05％，C：0.55％，Mn：0.35％，Mo：0.34％，Re：0.28％，Ti：0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质，杂质元素中，P：≤0.03％，S：≤0.03％，H：≤0.002％。
其中，Re元素中含有Ce、Y和Dy，三者的元素含量比为2:1:2。
不锈钢的元素组成中还包括不低于0.03wt％的Ag元素；Ag元素利用强流金属离子注入机注入到热处理后的不锈钢材料中，离子注入方式采用剂量不高于1.5x1016ion/cm2的不饱和分步扩散法注入到不锈钢材料表面。
本实施例提供的不锈钢的制备方法包括感应炉熔炼、浇铸成坯，钢坯轧制和热处理过程，其中，热处理过程如下：
将轧制后的不锈钢板材加热至950℃，保温15min，然后将板材空冷至室温，再以-115℃至-135℃的温度进行深冷处理28min，完成钢板的真空淬火处理，接着以540℃的回火温度，对真空淬火后的不锈钢板进行第一次回火处理1h，再以180℃的回火温度进行第二次回火处理，第二次回火处理时间为25min，得到所需的高韧性不锈钢。
制备方法中，感应炉选用300-2500Hz的中频电炉。
钢坯轧制的开轧温度为1050℃，终轧温度为800℃，轧制后先进行堆冷，然后再进行热处理。
第一次回火处理结束后油冷至室温，第二次回火处理后空冷至室温。
该型不锈钢用于厨房刀具的制备。
实施例2
一种高韧性的抗菌不锈钢，按照质量百分比，不锈钢的元素组成为：Cr：16.9％，Ni：4.66％，Cu：2.77％，Zn：1.43％，W：1.45％，C：0.82％，Mn：0.46％，Mo：0.47％，Re：0.36％，Ti：0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，杂质元素中，P：≤0.03％，S：≤0.03％，H：≤0.002％。
其中，Re元素中含有Ce、Y和Dy，三者的元素含量比为2:1:2。
不锈钢的元素组成中还包括不低于0.03wt％的Ag元素；Ag元素利用强流金属离子注入机注入到热处理后的不锈钢材料中，离子注入方式采用剂量不高于1.5x1016ion/cm2的不饱和分步扩散法注入到不锈钢材料表面。
本实施例提供的不锈钢的制备方法包括感应炉熔炼、浇铸成坯，钢坯轧制和热处理过程，其中，热处理过程如下：
将轧制后的不锈钢板材加热至1000℃，保温18min，然后将板材空冷至室温，再以-115℃至-135℃的温度进行深冷处理30min，完成钢板的真空淬火处理，接着以620℃的回火温度，对真空淬火后的不锈钢板进行第一次回火处理1.5h，再以250℃的回火温度进行第二次回火处理，第二次回火处理时间为35min，得到所需的高韧性不锈钢。
制备方法中，感应炉选用300-2500Hz的中频电炉。
钢坯轧制的开轧温度为1150℃，终轧温度为850℃，轧制后先进行堆冷，然后再进行热处理。
第一次回火处理结束后油冷至室温，第二次回火处理后空冷至室温。
该型不锈钢用于厨房刀具的制备。
实施例3
一种高韧性的抗菌不锈钢，按照质量百分比，不锈钢的元素组成为：Cr：15.1％，Ni：4.12％，Cu：2.68％，Zn：1.37％，W：1.29％，C：0.67％，Mn：0.41％，Mo：0.39％，Re：0.32％，Ti：0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质，杂质元素中，P：≤0.03％，S：≤0.03％，H：≤0.002％。
其中，Re元素中含有Ce、Y和Dy，三者的元素含量比为2:1:2。
不锈钢的元素组成中还包括不低于0.03wt％的Ag元素；Ag元素利用强流金属离子注入机注入到热处理后的不锈钢材料中，离子注入方式采用剂量不高于1.5x1016ion/cm2的不饱和分步扩散法注入到不锈钢材料表面。
本实施例提供的不锈钢的制备方法包括感应炉熔炼、浇铸成坯，钢坯轧制和热处理过程，其中，热处理过程如下：
将轧制后的不锈钢板材加热至980℃，保温17min，然后将板材空冷至室温，再以-115℃至-135℃的温度进行深冷处理29min，完成钢板的真空淬火处理，接着以580℃的回火温度，对真空淬火后的不锈钢板进行第一次回火处理1.3h，再以210℃的回火温度进行第二次回火处理，第二次回火处理时间为30min，得到所需的高韧性不锈钢。
制备方法中，感应炉选用300-2500Hz的中频电炉。
钢坯轧制的开轧温度为1100℃，终轧温度为820℃，轧制后先进行堆冷，然后再进行热处理。
第一次回火处理结束后油冷至室温，第二次回火处理后空冷至室温。
该型不锈钢用于厨房刀具的制备。
性能测试
测试本实施例中不锈钢材料的性能，并设置相同加工工艺制备但不添加Cu、Zn和Ag元素的样品作为对照组A，同时设置市场上销售的304抗菌不锈钢作为对照组B，进行物理性能测试和抗菌性能测试。
其中，抗菌性能测试仪大肠杆菌、黄色葡萄球菌和白念珠菌作为实验菌种，实验采用琼脂平板法将菌种接种在试样上，统计24h后的灭菌率。灭菌率以“-、+、++、+++”作为标记，“-”表示灭菌率低于10％，“+”表示灭菌率为50-70％，“++”表示灭菌率在70-90％。“+++”表示灭菌率高于90％。
表1：本实施例与对照组中不锈钢的物理性能测试结果
分析上述试验数据发现，本发明与对照组A中的不锈钢材料因为采用了相同的制备方法，且合金配方的差异极小，因此具有相似的物理性能；而且本实施例和对照组A的不锈钢产品与对照组B相比，材料处耐腐蚀性能之外的各项性能均好于对照组，因此可以判断，利用本发明的技术方案可以得到强度更高，韧性更好的不锈钢产品。
表2：本实施例与对照组的抗菌性测试结果
实验组别 实施例1 实施例2 实施例3 对照组A 对照组B
大肠杆菌 +++ +++ +++ - ++
黄色葡萄球菌 +++ +++ +++ - ++
白念珠菌 ++ +++ ++ - +
分析以上实验结果发现，本实施例中不锈钢对于大肠杆菌和黄色葡萄球菌具有非常显著抑菌效果，而对于白念珠菌的抑菌效果也相对较好，因此具有非常光谱高效的抑菌作用。不使用抗菌元素的对照组A则明显不具有抗菌效果，另外，通过与对照组B的数据进行对比发现，利用本发明的技术方案制备的不锈钢，其抗菌性要好于市场上常规的304抗菌不锈钢产品。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高韧性的抗菌不锈钢，其特征在于：按照质量百分比，所述不锈钢的元素组成为：Cr：14.5-16.9%，Ni：3.43-4.66%，Cu：2.50-2.77%，Zn：1.25-1.43%，W：1.05-1.45% ，C：0.55-0.82%，Mn：0.35-0.46%，Mo：0.34-0.47%，Re：0.28-0.36%，Ti：0.01-0.02%，余量为Fe和不可避免的杂质，杂质元素中，P：≤0.03%，S：≤0.03%，H：≤0.002%。
2.根据权利要求1所述的一种高韧性的抗菌不锈钢，其特征在于：按照质量百分比，所述不锈钢的元素组成为：Cr：14.8-15.3%，Ni：3.88-4.25%，Cu：2.63-2.71%，Zn：1.35-1.40%，W：1.22-1.34% ，C：0.63-0.71%，Mn：0.38-0.43%，Mo：0.37-0.43%，Re：0.31-0.34%，Ti：0.01-0.02%，余量为Fe和不可避免的杂质，杂质元素中，P：≤0.03%，S：≤0.03%，H：≤0.002%。
3.根据权利要求2所述的一种高韧性的抗菌不锈钢，其特征在于：按照质量百分比，所述不锈钢的元素组成为：Cr：15.1%，Ni：4.12%，Cu：2.68%，Zn：1.37%，W：1.29% ，C：0.67%，Mn：0.41%，Mo：0.39%，Re：0.32%，Ti：0.02%，余量为Fe和不可避免的杂质，杂质元素中，P：≤0.03%，S：≤0.03%，H：≤0.002%。
4.根据权利要求1所述的一种高韧性的抗菌不锈钢，其特征在于：所述Re元素中含有Ce、Y和Dy，三者的元素含量比为2:1:2。
5.根据权利要求1所述的一种高韧性的抗菌不锈钢，其特征在于：所述不锈钢的元素组成中还包括不低于0.03wt%的Ag元素；Ag元素利用强流金属离子注入机注入到热处理后的不锈钢材料中，离子注入方式采用剂量不高于1.5x1016ion/cm2的不饱和分步扩散法注入到不锈钢材料表面。
6.根据权利要求1所述的一种高韧性的抗菌不锈钢，其特征在于：所述不锈钢的制备方法包括感应炉熔炼、浇铸成坯，钢坯轧制和热处理过程，其中，热处理过程如下：
将轧制后的不锈钢板材加热至950-1000℃，保温15-18min，然后将板材空冷至室温，再以-115℃至-135℃的温度进行深冷处理28-30min，完成钢板的真空淬火处理，接着以540-620℃的回火温度，对真空淬火后的不锈钢板进行第一次回火处理1-1.5h，再以180-250℃的回火温度进行第二次回火处理，第二次回火处理时间为25-35min，得到所需的高韧性不锈钢。
7.根据权利要求6所述的一种高韧性的抗菌不锈钢，其特征在于：所述感应炉选用300-2500Hz的中频电炉。
8.根据权利要求6所述的一种高韧性的抗菌不锈钢，其特征在于：所述钢坯轧制的开轧温度为1050-1150℃，终轧温度为800-850℃，轧制后先进行堆冷，然后再进行热处理。
9.根据权利要求6所述的一种高韧性的抗菌不锈钢，其特征在于：所述第一次回火处理结束后油冷至室温，第二次回火处理后空冷至室温。
10.根据权利要求1-9任意一种高韧性的抗菌不锈钢，其特征在于：所述不锈钢用于厨房刀具的制备。
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