CN110093566A - 直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢、其应用及制备方法，其组分质量百分比为，C≤0.03％，N≤0.02％，S≤0.03％，P≤0.04％，Si≤1.0％，Mn≤1.0％，Cr:17.5～20.50％，Cu:1.7～2.7％，Mo：1.0～3.0％，Nb+Ti≤0.8％，其余部分为铁和不可避免的杂质；利用该成分的材料制备管材，再经900～1100℃退火和600～850℃的特种抗菌热处理，使钢中的Cu元素以10‑80纳米ε‑Cu相从基体中弥散析出，从而获得优良的抗菌性能，本发明的合金管具有较高强度，良好的耐腐蚀性能和优良的冷热加工性能，可广泛应用于高档建筑和公共卫生场合。

Description

直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种不锈钢、特别是涉及一种含铜铁素体不锈钢及制备方法，应用于不锈钢新材料技术和直饮水用耐腐蚀抗菌金属功能材料技术领域。
背景技术
随着社会进步和人们生活水平的提高，人们越来越重视生活质量和生活环境。但微生物时时刻刻侵扰着人们，有害细菌的传播与蔓延更是严重威胁着人们的健康。防茵、抗菌的健康产品己成为当今社会的极大关注问题。在这种驱动力的作用下，抗菌产业得到了蓬勃发展，研究各种新型抗菌材抖势在必行。抗菌不锈钢是一种在普通不锈钢基体上，添加具有抗菌特性的抗菌元素如银、铜等，从而达到可以抑制甚至杀死细菌的一种新型不锈钢材料。抗菌不锈钢从其冶炼工艺考虑，可以添加如银、铜和锌等具有抗菌特性的金属元素。但是从生产成本、消费水平等经济方面考虑，满足以上两个方面的情况下，生产时添加铜元素使不锈钢具有抗菌特性的方法最合理。
抗菌不锈钢的研究开发始于上世纪90年代，在国际上，日本的川崎制铁公司首先研制出具有优异抗菌功能的含银抗菌不锈钢R304-AB、R430-AB和R430LN-AB，其对大肠杆菌的杀菌率达到99％上。其后，日本的日新钢铁公司成功研制出了具有优异抗菌性能的含铜抗菌不锈钢，按不锈钢基体的不同分为含铜铁素体抗菌不锈钢(17Cr-1.5Cu)、含铜马氏体抗菌不锈钢(13Cr-3Cu)和含铜奥氏体抗菌不锈钢(18Cr-9Ni-308Cu)。在国内，中科院金属研究所杨柯研究团队首先对抗菌不锈钢进行了相关研究，成功地研发出了基于304奥氏体型和基于430铁素体型抗菌不锈钢。上海材料研究所、宝钢公司、太钢公司等多家单位也对抗菌不锈钢进行了不同程度的研究与开发，但到目前为止，含钼耐蚀抗菌铁素体不锈钢合金材料及其抗菌直饮水管材的开发，世界各国尚处于空白，因此研发一种直饮水用含钼耐蚀抗菌铁素体不锈钢合金材料成为亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢及制备方法，在普通444不锈钢的成分配比基础上，通过添加一定量的Cu，然后再进行特殊的抗菌热处理工艺，赋予该材料具有优良的抗菌性能，对大肠杆菌的灭菌率可以达到99％以上，并且这种抗菌不锈钢的力学性能、腐蚀性能等常规性能不低于普通的444不锈钢的水平。
为达到上述目的，本发明创造采用如下发明构思：
钼作为一种强稳定铁素体且扩大铁素体相区的元素加入不锈钢中，可有效提高铁素体的稳定性和耐蚀性，这种耐蚀抗菌铁素体不锈钢相比于奥氏体系抗菌不锈钢，由于不含Ni元素，较为安全，并且价格便宜，可以广泛用于食品加工工业、厨房、医疗卫生以及军队，特别是野战军队的饮食装备等领域。
含铜铁素体抗菌不锈钢的抗菌性能是由于钢中的抗菌相，该抗菌析出相被称为富铜相，或ε-Cu，这种抗菌相可以通过特殊的抗菌热处理得到。富铜相的析出行为与钢的化学成分、应力状态和热处理工艺密切相关。目前含钼耐蚀抗菌铁素体不锈钢的研究还较少，本发明着重研究了在普通444的成分配比和制备工艺基础上，添加一定量的Cu元素的抗菌耐蚀铁素体不锈钢及其热处理方法，为相关产品的生产提供参考依据。
根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：
一种直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢，其组分质量百分比为：
C≤0.03％，N≤0.02％，S≤0.03％，P≤0.04％，Si≤1.0％，Mn≤1.0％，Cr:17.5～20.50％，Cu:1.7～2.7％，Mo：1.0～3.0％，Nb+Ti≤0.8％，其余部分为铁和不可避免的杂质。
作为本发明优选的技术方案，直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢，其组分质量百分比为：
C：0.016～0.03％，N≤0.014％，S≤0.024％，P≤0.028％，Mn：0.03～1.0％，Cr:18.64～20.50％，Cu:1.92～2.7％，Mo：1.94～3.0％，Nb+Ti≤0.8％，其余部分为铁和不可避免的杂质。
作为本发明优选的技术方案，直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢中Cu元素以ε-Cu相从铁素体基体中弥散析出，并均匀分布，ε-Cu相颗粒大小在10～80nm。
一种本发明耐蚀抗菌铁素体不锈钢的应用，应用于制造直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢的管材。
一种本发明直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢的管材制备方法，包括如下步骤：
a.按照如下质量百分比称量原料：C≤0.03％，N≤0.02％，S≤0.03％，P≤0.04％，Si≤1.0％，Mn≤1.0％，Cr:17.5～20.50％，Cu:1.7～2.7％，Mo：1.0～3.0％，Nb+Ti≤0.8％，其余部分为铁和不可避免的杂质，作为原料备用；
作为本发明优选的技术方案，按照如下质量百分比称量原料：C：0.016～0.03％，N≤0.014％，S≤0.024％，P≤0.028％，Mn：0.03～1.0％，Cr:18.64～20.50％，Cu:1.92～2.7％，Mo：1.94～3.0％，Nb+Ti≤0.8％，其余部分为铁和不可避免的杂质；
b.将在所述步骤a中取用的原料经中频感应炉或电炉熔炼、AOD冶炼、浇铸、热锻、热轧、穿管、冷轧或焊接一系列工艺，制备成无缝钢管或焊接钢管，得到钢管；
c.进行钢管热处理：将在所述钢管再经900～1100℃退火和600～850℃的特种抗菌热处理，使钢管中的Cu元素以10-80纳米的ε-Cu相从铁素体基体中弥散析出，并均匀分布，从而得到含钼耐蚀抗菌铁素体不锈钢管型材产品；所述特种抗菌热处理为时效热处理工艺，时效热处理工艺保温时间不多余6小时。优选时效热处理工艺保温时间为2～6小时。优选时效热处理工艺的保温温度为600～800℃。本发明管材的特种抗菌热处理工艺十分重要，过低的热处理温度不能保证抗菌析出相的有效析出；过高的温度会使抗菌相异常大，同样影响材料的抗菌性能。同时抗菌热处理保温时间一定要适中，确保钢中的Cu元素以10-80的ε-Cu相从基体中弥散析出。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.利用本发明直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢制成管材，再经900～1100℃退火和600～850℃的特种抗菌热处理，使钢中的Cu元素以10-80纳米的ε-Cu相从基体中弥散析出，从而获得优良的抗菌性能，对大肠杆菌的灭菌率可以达到99％以上；
2.本发明制备的直饮水用合金管具有较高强度，具有良好的耐腐蚀性能和优良的冷热加工性能，可以广泛应用于高档建筑和一些公共卫生场合；
3.本发明耐蚀抗菌铁素体不锈钢相比于传统的奥氏体系抗菌不锈钢，由于不含Ni元素，较为安全，并且价格便宜，易于推广使用。
附图说明
图1为本发明实施例一直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢的电镜扫描图片。
图2为本发明实施例一直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢和对比例固溶态不锈钢的抗菌试验图片。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，一种耐蚀抗菌铁素体不锈钢，采用含钼耐蚀抗菌铁素体不锈钢材料经过冶炼、浇铸、热锻、热轧、冷轧或焊接、退火和抗菌热处理，得到含钼耐蚀抗菌铁素体不锈钢材料。成分如下表1，将经过不同工艺处理后得到的钢板进行如下分析及相关检验。
表1.实施例一耐蚀抗菌铁素体不锈钢成分数据表
本实施例直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢能应用于制造含钼耐蚀抗菌铁素体不锈钢的管材。
本实施例直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢的管材制备方法，包括如下步骤：
a.按照如下表1中的成分质量百分比称量原料，备用，其中Nb+Ti＝0.36％；
b.将在所述步骤a中取用的原料经中频感应炉熔炼、AOD冶炼、浇铸、热锻、热轧、穿管、冷轧一系列工艺，制备成无缝钢管；
c.进行钢管热处理：将在所述钢管再经1000℃退火和800℃的时效分别为2h、4h和6h的特种抗菌热处理，使钢管中的Cu元素以10-80纳米的ε-Cu相从铁素体基体中弥散析出，并均匀分布，从而得到含钼耐蚀抗菌铁素体不锈钢管型材产品；所述特种抗菌热处理为时效热处理工艺。本实施例管材的特种抗菌热处理工艺十分重要，过低的热处理温度不能保证抗菌析出相的有效析出；过高的温度会使抗菌相异常大，同样影响材料的抗菌性能。同时抗菌热处理保温时间一定要适中，确保钢中的Cu元素以10-80纳米的ε-Cu相从基体中弥散析出，参见图1。
对比例：
在本对比例中，一种固溶态不锈钢的管材制备方法，包括如下步骤：
a.按照如上表1中的成分质量百分比称量原料，备用；
b.将在所述步骤a中取用的原料经中频感应炉熔炼、AOD冶炼、浇铸、热锻、热轧、穿管、冷轧一系列工艺，制备成无缝钢管；
c.进行钢管热处理：将在所述钢管再经1000℃的90s的固溶强化处理，得到固溶态不锈钢的管材。
实验测试分析：
1.将抗菌不锈钢材料制成10mm×10mm维氏硬度测试试样。维氏硬度测试依据GB/T4340.2-1999《金属维氏硬度试验》国家标准进行。将经过不同时效时间的四种样品用800#的砂纸打磨平整后，用维氏硬度计测试其硬度，在每个样品上打五个点，取平均值，作为该样品的维氏硬度值。在相同的时效时间下，含钼耐蚀抗菌铁素体不锈钢的硬度随着时效温度的变化成先升高后下降的趋势。从总体来看，含钼耐蚀抗菌铁素体不锈钢在800℃保温2h时硬度达到最高值。
2.将抗菌不锈钢材料制成TEM电镜试样。图1所示为实施例一含钼耐蚀抗菌铁素体不锈钢在800℃时效2h后的TEM形貌，观察发现基体中有大量呈弥散分布的ε-Cu相析出，颗粒大小在10～80nm。
3、抗菌试验：
实验样品的抗菌性能测试采用平板计数法(GB4789.2-94),实验细菌采用大肠杆菌(ATCC25922)。用105CFU/mL的标准菌液分别与800℃时效2、4和6h的实施例一的抗菌不锈钢和1000℃，90s的固溶态的对照不锈钢的四组样品，在温度为37℃、湿度为90％的恒温培养箱中共同培养24h，然后将经上述不锈钢样品作用的菌液稀释到103CFU/mL，在相同温度和湿度下用琼脂培养基培养24h后对培养皿中的菌落进行计数。杀菌率的计算公式如下：
C＝(A-B)/A×100％
a)式中，C为抗菌不锈钢的杀菌率，A为对照不锈钢的生菌数，B为抗菌不锈钢的生菌数。抗菌效果见图2和表2。
4、机械性能试验：
将材料制成拉伸试样，检验其拉伸性能，结果见表3。
表2.实施例一耐蚀抗菌铁素体不锈钢和对比例固溶态不锈钢对大肠杆菌的抗菌率对比
实验样品分组 样品组一 样品组二 样品组三 样品组四
实验样品组特征 2h时效处理 4h时效处理 6h时效处理 对照组固溶强化处理
24h后菌落数目(个) 21 133 158 4.5×10<sup>3</sup>
抗菌率(％) 99.53％ 97.04％ 96.49％ 0.0％
表3.实施例一耐蚀抗菌铁素体不锈钢800℃时效不同时间的力学性能
实施例一试样组特征 抗拉强度MPa 延伸率％
2h时效处理 484.62 28.6％
4h时效处理 488.12 27.8％
6h时效处理 472.25 29.4％
由图1、图2和表3可知，实施例一直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢合金管经退火和特种抗菌热处理，钢中的Cu元素以10-80纳米的ε-Cu相从基体中弥散析出，从而获得优良的抗菌性能，同时本发明的直饮水合金管具有较高强度，良好的耐腐蚀性能和优良的冷热加工性能，可以广泛应用于高档建筑和一些公共卫生场合。实施例一在普通444的基础上添加一定量的Cu,然后再进行特殊的抗菌热处理工艺，赋予该材料具有优良的抗菌性能，对大肠杆菌的灭菌率可以达到99％以上，并且这种抗菌不锈钢的力学性能、腐蚀性能常规性能不低于普通的444不锈钢的水平。实施例一在普通的444铁素体不锈钢基础上优化为具有良好抗菌效果的抗菌铁素体不锈钢，对大肠杆菌的灭菌率可以达到99％以上。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢，采用含铜耐蚀抗菌铁素体不锈钢材料经过冶炼、浇铸、热锻、热轧、冷轧或焊接、退火和抗菌热处理，得到含铜耐蚀抗菌铁素体不锈钢材料。成分如下表4，将经过不同工艺处理后得到的钢板进行如下分析及相关检验。
表4.实施例二耐蚀抗菌铁素体不锈钢成分数据表
本实施例耐蚀抗菌铁素体不锈钢能应用于制造直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢的管材。
本实施例耐蚀抗菌铁素体不锈钢的管材制备方法，包括如下步骤：
a.按照如上表4中的成分质量百分比称量原料，备用，其中Nb+Ti＝0.8％；
b.将在所述步骤a中取用的原料经中频感应炉熔炼、AOD冶炼、浇铸、热锻、热轧、穿管、冷轧一系列工艺，制备成无缝钢管；
c.进行钢管热处理：将在所述钢管再经1100℃退火和850℃的时效分别为2h、4h和6h的特种抗菌热处理，使钢管中的Cu元素以10-80纳米的ε-Cu相从铁素体基体中弥散析出，并均匀分布，从而得到含钼耐蚀抗菌铁素体不锈钢管型材产品；所述特种抗菌热处理为时效热处理工艺。本实施例管材的特种抗菌热处理工艺十分重要，过低的热处理温度不能保证抗菌析出相的有效析出；过高的温度会使抗菌相异常大，同样影响材料的抗菌性能。同时抗菌热处理保温时间一定要适中，确保钢中的Cu元素以10-80纳米的ε-Cu相从基体中弥散析出。实施例二在普通444铁素体不锈钢基础上优化为具有良好抗菌效果的抗菌铁素体不锈钢，对大肠杆菌的灭菌率可以达到99％以上。
实施例三：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种耐蚀抗菌铁素体不锈钢，采用含钼耐蚀抗菌铁素体不锈钢材料经过冶炼、浇铸、热锻、热轧、冷轧或焊接、退火和抗菌热处理，得到含钼耐蚀抗菌铁素体不锈钢材料。成分如下表5，将经过不同工艺处理后得到的钢板进行如下分析及相关检验。
表5.实施例三耐蚀抗菌铁素体不锈钢成分数据表
本实施例耐蚀抗菌铁素体不锈钢能应用于制造直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢的管材。
本实施例直饮水用蚀抗菌铁素体不锈钢的管材制备方法，包括如下步骤：
a.按照如上表5中的成分质量百分比称量原料，备用，其中Nb+Ti＝0.8％；
b.将在所述步骤a中取用的原料经中频感应炉熔炼、AOD冶炼、浇铸、热锻、热轧、穿管、冷轧一系列工艺，制备成无缝钢管；
c.进行钢管热处理：将在所述钢管再经900℃退火和600℃的时效分别为2h、4h和6h的特种抗菌热处理，使钢管中的Cu元素以10-80纳米的ε-Cu相从铁素体基体中弥散析出，并均匀分布，从而得到含钼耐蚀抗菌铁素体不锈钢管型材产品；所述特种抗菌热处理为时效热处理工艺。本实施例管材的特种抗菌热处理工艺十分重要，过低的热处理温度不能保证抗菌析出相的有效析出；过高的温度会使抗菌相异常大，同样影响材料的抗菌性能。同时抗菌热处理保温时间一定要适中，确保钢中的Cu元素以10-80纳米的ε-Cu相从基体中弥散析出。实施例二在普通铁素体不锈钢基础上优化为具有良好抗菌效果的抗菌铁素体不锈钢，对大肠杆菌的灭菌率可以达到99％以上。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明耐蚀抗菌铁素体不锈钢、其应用及制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢，其特征在于，其组分质量百分比为：
C≤0.03％，N≤0.02％，S≤0.03％，P≤0.04％，Si≤1.0％，Mn≤1.0％，Cr:17.5～20.50％，Cu:1.7～2.7％，Mo：1.0～3.0％，Nb+Ti≤0.8％，其余部分为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢，其特征在于，其组分质量百分比为：C：0.016～0.03％，N≤0.014％，S≤0.024％，P≤0.028％，Mn：0.03～1.0％，Cr:18.64～20.50％，Cu:1.92～2.7％，Mo：1.94～3.0％，Nb+Ti≤0.8％，其余部分为铁和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢，其特征在于：其中Cu元素以ε-Cu相从铁素体基体中弥散析出，并均匀分布，ε-Cu相颗粒大小在10～80nm。
4.一种权利要求1所述直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢的应用，其特征在于，应用于制造含钼耐蚀抗菌铁素体不锈钢的管材。
5.一种权利要求1所述直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢的管材制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.按照如下质量百分比称量原料：C≤0.03％，N≤0.02％，S≤0.03％，P≤0.04％，Si≤1.0％，Mn≤1.0％，Cr:17.5～20.50％，Cu:1.7～2.7％，Mo：1.0～3.0％，Nb+Ti≤0.8％，其余部分为铁和不可避免的杂质，作为原料备用；
b.将在所述步骤a中取用的原料经中频感应炉或电炉熔炼、AOD冶炼、浇铸、热锻、热轧、穿管、冷轧或焊接一系列工艺，制备成无缝钢管或焊接钢管，得到钢管；
c.进行钢管热处理：将在所述钢管再经900～1100℃退火和600～850℃的特种抗菌热处理，使钢管中的Cu元素以10-80纳米的ε-Cu相从铁素体基体中弥散析出，并均匀分布，从而得到含钼耐蚀抗菌铁素体不锈钢管型材产品；所述特种抗菌热处理为时效热处理工艺，时效热处理工艺保温时间不多余6小时。
6.根据权利要求5所述直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢的管材制备方法，其特征在于：在所述步骤c中，时效热处理工艺保温时间为2～6小时。
7.根据权利要求5所述直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢的管材制备方法，其特征在于：在所述步骤c中，时效热处理工艺的保温温度为600～800℃。
8.根据权利要求5所述直饮水用耐蚀抗菌铁素体不锈钢的管材制备方法，其特征在于：在所述步骤a中，按照如下质量百分比称量原料：C：0.016～0.03％，N≤0.014％，S≤0.024％，P≤0.028％，Mn：0.03～1.0％，Cr:18.64～20.50％，Cu:1.92～2.7％，Mo：1.94～3.0％，Nb+Ti≤0.8％，其余部分为铁和不可避免的杂质。
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