CN109182927A

CN109182927A - 一种强抗菌性能马氏体不锈钢及其热处理方法与应用

Info

Publication number: CN109182927A
Application number: CN201811294552.2A
Authority: CN
Inventors: 吴永鑫; 康朝晖; 钟元杰
Original assignee: JINDA NANOTECHNOLOGY (XIAMEN) CO Ltd
Current assignee: JINDA NANOTECHNOLOGY (XIAMEN) CO Ltd
Priority date: 2018-11-01
Filing date: 2018-11-01
Publication date: 2019-01-11
Anticipated expiration: 2038-11-01
Also published as: CN109182927B

Abstract

一种强抗菌性能马氏体不锈钢及其热处理方法与应用，强抗菌性能马氏体不锈钢的化学成分按体积百分比为：C：0.40％～0.55％；Si：≤0.5％；Mn：≤0.5％；S：≤0.008％；P：≤0.008％；Cr：14.0％～16.0％；Mo：0.5％～1.0％；V：0.1％～0.3％；Ag：0.05％～0.15％；Ga：0.05％～0.15％；余量为Fe。将强抗菌性能马氏体不锈钢保温，再油冷至室温，在奥氏体区域保温处理，使Ga和其他元素固溶到不锈钢基体中，形成含Ga的过饱和固溶体后回火处理，空冷至室温，完成强抗菌性能马氏体不锈钢的热处理。在制备刃具、厨具、医疗器械等领域的不锈钢制品中应用。

Description

一种强抗菌性能马氏体不锈钢及其热处理方法与应用

技术领域

本发明涉及不锈钢，尤其是涉及通过在不锈钢基体中添加适量Ga元素，采用热处理工艺，使材料具有快速并强烈杀菌功能的一种强抗菌性能马氏体不锈钢及其热处理方法与应用。

背景技术

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。它能够有效抑制细菌的院内传播，从而降低交叉感染的风险，保护人体的健康和环境的清洁，因此抗菌不锈钢的研发及应用受到越来越多研究者的关注。

现阶段对于马氏体抗菌不锈钢，其主要思路为在马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CN200610134868.6的中国专利中较早地开发出了一种含铜马氏体抗菌不锈钢及其热处理方法，通过基体中弥散分布的纳米级析出相ε-Cu，使材料本身保持良好机械性能的同时，还具备广谱及持久的抗菌性；申请号为CN200710199267.8，CN201110083730.9和CN201110266884.1的中国专利中同样在马氏体中添加Cu元素，通过特殊的热处理使材料基体中析出纳米级的ε-Cu析出相，从而具备抗菌性能；申请号为CN201110201035.8的专利中开发出了一种高硬度含银的马氏体抗菌不锈钢，通过在马氏体基体中添加一定含量的Ag元素，使材料具备了优良的抗菌性能，而且硬度和耐磨性能大大提高。总而言之，现阶段抗菌不锈钢中主要是添加Cu或Ag元素，但含Cu或Ag抗菌不锈钢的相关专利中并未提及材料的快速杀菌以及保证材料在高细菌浓度下的抗菌性能。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种强抗菌性能马氏体不锈钢。

本发明的第二目的在于提供一种强抗菌性能马氏体不锈钢的热处理方法。

本发明的第三目的在于提供一种强抗菌性能马氏体不锈钢的应用。

所述强抗菌性能马氏体不锈钢的化学成分按体积百分比为：C：0.40％～0.55％；Si：≤0.5％；Mn：≤0.5％；S：≤0.008％；P：≤0.008％；Cr：14.0％～16.0％；Mo：0.5％～1.0％；V：0.1％～0.3％；Ag：0.05％～0.15％；Ga：0.05％～0.15％；余量为Fe。

所述强抗菌性能马氏体不锈钢的热处理方法包括以下步骤：

1)将强抗菌性能马氏体不锈钢保温，再油冷至室温，在奥氏体区域进行保温处理，使Ga和其他元素固溶到不锈钢基体中，形成含Ga的过饱和固溶体；

2)将步骤1)得到的含Ga的过饱和固溶体回火处理后，空冷至室温，完成强抗菌性能马氏体不锈钢的热处理。

在步骤1)中，所述保温的温度可为980～1050℃，保温的时间可为0.5～1h；所述其他元素包括C、Si、Mn、S、P、Cr、Mo、V、Ag、Fe等。

在步骤2)中，所述回火处理的温度可为550～700℃，回火处理的时间可为2～4h，在回火处理过程中，不仅能够促使碳化物的析出，而且能使处于过饱和状态的Ga元素以第二相的形式析出，在马氏体基体中形成一定量的Fe₃Ga中间相，这些析出相的存在不仅能够提高马氏体的硬度，而且赋予材料优异的抗菌性能。

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。同时由Fe-Ga二元相图可知，通过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。

Ag元素是常规的抗菌元素。马氏体钢中Ag元素含量较低时，马氏体钢不能表现出优异的抗菌性能。而当Ag含量较高时，除生产成本大幅度提高以外，过量的Ag也将降低材料的加工性能和耐蚀性能。

Cr元素是使马氏体不锈钢具有良好耐蚀性能的主要元素，Cr的含量一般要在12％以上以确保足够的耐蚀性。Cr也是铁素体形成元素，足够量的铬将形成单一铁素体组织，马氏体钢中的Cr与C的相互作用使钢在高温时具有稳定的奥氏体相区。

C元素是奥氏体化形成元素，C能显著提高不锈钢的强度，是非常有效的固溶强化元素。在铁铬合金中，为了使钢在淬火时产生马氏体相变，Cr与C之间存在相互依存的关系，C使奥氏体相区扩大，而C的溶解度随着含Cr量的提高而降低，因此需要合理分配合金中C与Cr元素的含量范围。

Mo元素能够改善钢的耐蚀性，还能提高钢的强度、硬度、回火稳定性以及增强二次硬化效应。

V元素是钢中优良的脱氧剂，在马氏体不锈钢中添加V元素可细化晶粒，提高强度和韧性。V是强碳化物形成元素，V与C形成的碳化物，在高温高压下能够提高抗氢腐蚀能力。

Si和Mn元素是不锈钢中不可缺少的，除作为合金元素以外还可作为脱氧剂，但其含量较高时，不利于生产及材料的本身性能。

所述强抗菌性能马氏体不锈钢在基体中添加Ga元素，通过相应的热处理，使材料在基体中析出碳化物和含Ga中间相，在提高材料硬度的同时，使材料具备快速杀菌性以及在高细菌浓度下的抗菌性能。因此所述强抗菌性能马氏体不锈钢可在制备刃具、厨具、医疗器械等领域的不锈钢制品中应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明将Ga元素添加到马氏体不锈钢中，获得了一种具有快速杀菌及强烈杀菌能力的马氏体抗菌不锈钢。通过调控钢中Ga元素的含量及相应的热处理，在提高材料硬度的同时，赋予材料快速杀菌性以及高细菌浓度下的优异抗菌性能。

具体实施方式

以下用实施例对本发明作更一步的描述。

实施例1

本实施例中，马氏体抗菌不锈钢的组分及质量百分比为：C：0.45％、Si：0.4％、Mn：0.4％、S：0.006％、P：0.006％、Cr：14.2％、Mo：0.8％、V：0.25％、Ag：0.05％、Ga：0.05％、余量为Fe。经过熔炼、锻造、热锻及热轧制成6mm厚热轧板材。之后在980～1050℃保温0.5～1h，油冷至室温，使Ga、Ag等元素在不锈钢中均匀分布，形成过饱和固溶体，之后在550～700℃回火处理2～4h，空冷至室温，使得含Ga中间相及碳化物在基体中弥散析出。

回火过程中析出的含Ga中间相是马氏体不锈钢具备快速杀菌性以及高细菌浓度下抗菌性能的关键，此外，回火过程中析出的碳化物也会进一步提高合金的硬度，因此确定合适的回火温度和时间是马氏体抗菌不锈钢同时具有良好的机械性能和优异抗菌性能的关键。

通过以下试验对照说明本实施例的技术效果：

1.抗菌实验

根据“JIS Z 2801-2012《抗菌加工制品－抗菌性试验方法和抗菌效果》、GBT31402-2015《塑料塑料表面抗菌性能试验方法》”等相关标准规定，定量测试了实施例材料对对常见感染细菌(如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌)，其中，抗菌率的计算公式为：

抗菌率(％)＝[(对照样品活菌数-马氏体抗菌不锈钢活菌数)/对照样品活菌数]×100％

对照样品活菌数是普通5Cr15MoV马氏体不锈钢样品上进行细菌培养后的活菌数，马氏体抗菌不锈钢活菌数是指热处理后的马氏体抗菌不锈钢进行细菌培养后的活菌数，马氏体抗菌不锈钢的抗菌性能参见表1。

表1

注：表中+++表示抗菌率在99.9％以上，++表示抗菌率在99％～99.9％，+表示抗菌率在90％～

99.9％，△表示抗菌率在50％～90％之间，○表示抗菌率在50％以下。

表1所示为不同处理状态的马氏体抗菌不锈钢材料在细菌浓度为10⁵CFU/mL下共培养24h后对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性能检测结果。由表1的结果可知，在550～700℃回火处理2～4h后(1、2、3号试样)，材料对常见的细菌均表现出非常优异的抗菌性能，而4、5号试样显示，当回火温度低于550℃或高于800℃时，由于不在含Ga中间相的适宜析出温度，析出相的含量较少，因而其抗菌性能很差。6号试样虽然在本发明定义的回火温度范围内，但由于回火时间较短，其析出的含Ga中间相也较少，因而其抗菌性能也较差。

马氏体抗菌不锈钢在不同细菌浓度下共培养24h以及不同培养时间下细菌浓度为10⁵CFU/mL时对大肠杆菌的抗菌性能检测结果参见表2。

表2

表2所示为马氏体抗菌不锈钢(不同热处理状态)材料在不同细菌浓度下共培养24h以及不同培养时间下细菌浓度为10⁵CFU/mL时对大肠杆菌的抗菌性能检测结果。从表中结果可知，在高细菌浓度下，1～3号马氏体抗菌不锈钢试样依然表现出优异的抗菌性能。此外，细菌在接触1～3号马氏体抗菌不锈钢表面后，在1h后就表现出优良的快速抗菌性能。

2.硬度

依据GB/T 230.1-2004《金属洛氏硬度试验第一部分：试验方法》测试材料的硬度。由结果可知，在本发明定义的回火温度范围内进行回火处理后，马氏体抗菌不锈钢显示出不逊于普通5Cr15MoV马氏体不锈钢的硬度。马氏体抗菌不锈钢的硬度参见表3。

表3

实施例2

本实施例中，马氏体抗菌不锈钢的组分及质量百分比为：C：0.48％、Si：0.30％、Mn：0.30％、S：0.002％、P：0.005％、Cr：14.5％、Mo：0.8％、V：0.22％、Ag：0.10％、Ga：0.10％、余量为Fe。经过熔炼、锻造、热锻及热轧制成5mm厚热轧板材。之后在980～1050℃保温0.5～1h，油冷至室温，使Ga、Cu等元素在不锈钢中均匀分布，形成过饱和固溶体，之后在550～700℃回火处理2～4h，空冷至室温，使得含Ga中间相及碳化物在基体中弥散析出。

1.抗菌实验

该实验采用普通5Cr15MoV马氏体不锈钢为对照材料。具体实验同实施例1。马氏体抗菌不锈钢的抗菌性能参见表4。

表4

注：表中+++表示抗菌率在99.9％以上，++表示抗菌率在99％～99.9％，+表示抗菌率在90％～99.9％，

△表示抗菌率在50％～90％之间，○表示抗菌率在50％以下。

马氏体抗菌不锈钢在不同细菌浓度下共培养24h以及不同培养时间下细菌浓度为10⁵CFU/mL时对大肠杆菌的抗菌性能检测结果参见表5。

表5

由以上结果可知，随着Ga元素含量的升高，马氏体抗菌不锈钢在快速抗菌性以及在高细菌浓度下的抗菌性能都有所提高。

2.硬度

硬度的测试方法同实施例1，由测试结果可知，马氏体抗菌不锈钢具有较高的硬度值。马氏体抗菌不锈钢的硬度参见表6。

表6

实施例3

本实施例中，马氏体抗菌不锈钢的组分及质量百分比为：C：0.42％、Si：0.2％、Mn：0.3％、S：0.003％、P：0.004％、Cr：15.3％、Mo：0.80％、V：0.20％、Ag：0.15％、Ga：0.15％、余量为Fe。经过熔炼、锻造、热锻及热轧制成5mm厚热轧板材。之后在980～1050℃保温0.5～1h，油冷至室温，使Ga、Cu等元素在不锈钢中均匀分布，形成过饱和固溶体，之后在550～700℃回火处理2～4h，空冷至室温，使得含Ga中间相及碳化物在基体中弥散析出。

1.抗菌实验

该实验采用普通5Cr15MoV马氏体不锈钢为对照材料。具体实验同实施例1。马氏体抗菌不锈钢的抗菌性能参见表7。

表7

马氏体抗菌不锈钢在不同细菌浓度下共培养24h以及不同培养时间下细菌浓度为10⁵CFU/mL时对大肠杆菌的抗菌性能检测结果参见表8。

表8

2.硬度

硬度的测试方法同实施例1，由测试结果可知，马氏体抗菌不锈钢具有较高的硬度值。马氏体抗菌不锈钢的硬度参见表9。

表9

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。

Claims

1.一种强抗菌性能马氏体不锈钢，其特征在于其化学成分按体积百分比为：C：0.40％～0.55％；Si：≤0.5％；Mn：≤0.5％；S：≤0.008％；P：≤0.008％；Cr：14.0％～16.0％；Mo：0.5％～1.0％；V：0.1％～0.3％；Ag：0.05％～0.15％；Ga：0.05％～0.15％；余量为Fe。

2.如权利要求1所述一种强抗菌性能马氏体不锈钢的热处理方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将强抗菌性能马氏体不锈钢保温，再油冷至室温，在奥氏体区域进行保温处理，使Ga和其他元素固溶到不锈钢基体中，形成含Ga的过饱和固溶体；所述其他元素包括C、Si、Mn、S、P、Cr、Mo、V、Ag、Fe；

3.如权利要求2所述一种强抗菌性能马氏体不锈钢的热处理方法，其特征在于在步骤1)中，所述保温的温度为980～1050℃，保温的时间为0.5～1h。

4.如权利要求2所述一种强抗菌性能马氏体不锈钢的热处理方法，其特征在于在步骤2)中，所述回火处理的温度为550～700℃，回火处理的时间为2～4h。

5.如权利要求1所述一种强抗菌性能马氏体不锈钢在制备刃具、厨具、医疗器械领域的不锈钢制品中应用。