CN110904386A

CN110904386A - 直饮水用耐蚀抗菌奥氏体不锈钢合金管及其热处理方法

Info

Publication number: CN110904386A
Application number: CN201910737076.5A
Authority: CN
Inventors: 涂玉国; 张国付; 魏伟; 翟健红; 肖学山; 武昭妤; 李钧
Original assignee: Jiangsu Shen Yuan Group Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Shen Yuan Group Co Ltd; Jiangsu Shenyuan Group Co Ltd
Priority date: 2019-08-10
Filing date: 2019-08-10
Publication date: 2020-03-24

Abstract

一种直饮水用耐蚀抗菌奥氏体不锈钢合金管，其特征在于：包括以下组分质量百分比为，C≤0.06%，N：0.10~0.20%，S≤0.03%，P≤0.045%，Mn≤2.0%，Cr:17.00~19.00%，Cu:2.5~4.5%，Ni：6.0%~10.0%，其余部分为铁和不可避免的杂质。其制备方法包括以下步骤：（1）：原料：废钢和铬铁、锰、镍、铜等合金或金属;（2）冶炼。（3）冶炼完成后依次经过热锻、热轧、穿管、冷轧或者焊接;（4）特种抗菌热处理。（5）速冷；（6）表面进行预清理；（7）再连续处理一体设备上进行表面预清理区，拉拔、表面处理，矫直，定向切割；（8）去除切割面毛刺;（9）收集成品。本发明且利用连续处理装置高效方便的集成式处理，提高了操作的便捷和处理的效果。

Description

直饮水用耐蚀抗菌奥氏体不锈钢合金管及其热处理方法

技术领域

本发明涉及一种直饮水用耐蚀抗菌不锈钢合金管及其热处理方法，属于新材料技术领域。

背景技术

抗菌材料是指能够在一定时间内将某些细菌抑制在一定的水平以下的材料。而不锈钢作为二十世纪以来世界冶金史上最伟大的发明之一，为工业生产奠定了重要的物质基础，为科学技术的进步奠定了重要的科技基础。当前不锈钢已经得到了广泛应用，尤其在食品工业、餐饮、旅游等服务行业、工业生产和家庭生活中。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，成功地研发出了奥氏体型、铁素体型、马氏体型、双相型抗菌不锈钢，申请了大量发明专利。上海材料所、宝钢、太钢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，含氮抗菌奥氏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。氮作为一种强稳定奥氏体且扩大奥氏体相区的元素加入不锈钢中，可有效提高奥氏体稳定性，在较低Ni含量下，获得全奥氏体组织，可以提高不锈钢材料的耐蚀和力学性能。

含铜奥氏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。相比于铁素体钢，Cu在奥氏体钢中的固溶度较大，且富铜相与奥氏体钢均为FCC结构。目前含氮抗菌奥氏体不锈钢的研究还较少，本发明着重研究了添加N 元素的抗菌奥氏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。

发明内容

本发明的目的提供一种直饮水用耐蚀抗菌奥氏体不锈钢合金管及其制备方法，就是在生产含氮抗菌奥氏体不锈钢, 然后再进行特殊的抗菌热处理，赋予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，并且这种抗菌奥氏体不锈钢同时具有优异的力学、腐蚀和冷热加工性能等。

本发的技术方案是：

一种直饮水用耐蚀抗菌奥氏体不锈钢合金管，包括以下组分质量百分比为，C≤0.06%，N：0.10~0.20%，S≤0.03%，P≤0.045%， Mn≤2.0%，Cr:17.00~19.00%，Cu:2.5~4.5%，Ni：6.0%~10.0%，其余部分为铁和不可避免的杂质。

一种直饮水用耐蚀抗菌奥氏体不锈钢合金管的制备方法，包括以下步骤：

（1）原料：废钢和铬铁、锰、镍、铜等合金或金属;

（2）冶炼：将步骤（1）中的原料经过电弧炉和AOD炉进行冶炼，得到合金组分质量百分比为，C≤0.06%，N：0.10~0.20%，S≤0.03%，P≤0.045%， Mn≤2.0%，Cr:17.00~19.00%，Cu:2.5~4.5%，Ni：6.0%~10.0%，其余部分为铁和不可避免的杂质；

（3）冶炼完成后依次经过热锻、热轧、穿管、冷轧或者焊接；

（4）特种抗菌热处理：步骤（3）完成后将直饮水管再进行热处理工艺，该直饮水管再经980 ~ 1050℃退火和760 ~ 850℃的特种抗菌热处理，使钢中的 Cu 元素以ε-Cu相从基体中析出，从而获得优良的抗菌性能;

（5）热处理完成后进行速冷10-15分钟；

（6）不锈钢合金管表面进行预清理；

（7）在连续处理一体设备上进行表面预清理，拉拔、表面处理，矫直，定尺切割；

（8）去除切割面毛刺

（9）送入探伤机内进行检测，合格后收集成品。

所述连续处理一体设备包括依次设置的预清理区、拉拔区、表面处理区，矫直区和定尺切割区。

其中所述预清理区包括底座和设置在所述底座上的操作立板；所述操作立板上设有提升机构，其中所述提升机构与操作架连接固定；所述操作架上依次设有若干个旋转电机；所述旋转电机与旋转盘连接固定，每个所述旋转盘上转动设有若干个清理轮；所述旋转盘的正上方设有清理辊；所述清理辊的两端均连接正反转电机；每个所述正反转电机通过连接臂与减震组件板连接固定，所述减震组件板通过主气缸与所述操作立板连接固定；所述底座的一端滑动设有平移杆；其中所述平移杆上通过第一移动装置滑动连接支撑板；第二气缸固定在所述支撑板上且气缸轴连接推送板。

首先利用提升机构带动操作架进行上下位移，调节到便于进料的高度，不锈钢合金管进料放置在旋转盘上；然后提升机构带动操作架向上的同时主气缸带动减震组件向下，清理辊与不锈钢合金管紧密接触贴合，然后正反转电机带动清理辊转动对不锈钢合金管的表面进行清理；同时旋转电机带动旋转盘转动，使清理轮对不锈钢合金管的底部进行表面处理；在清理摩擦的过程中会产生震动，所以通过减震组件有效的减震，提高操作的安全性和处理的效果。处理完成后，提升机构带动操作架下降，第一移动装置在平移杆上滑动到合适的位置，然后第二气缸带动推板将放置在旋转盘上的不锈钢合金管推动滑送到拉拔区内。

所述底座的一端通过横向伸缩架与所述拉拔区上的连接杆连接固定，所述连接杆上设有送料防晃组件；由于设有横向伸缩架可以调节连接预清理区、拉拔区之间的距离，便于通过经过防晃组件将不锈钢合金管送入拉拔区进行拉拔。

所述表面处理区包括处理仓；所述处理仓内从上到下依次设有抛丸处理装置、支撑柱和回收仓；每个所述支撑柱上设有传送轮，所述传送轮与传送电机连接固定；所述传送轮的表面依次设有若干个万向轮；挡板设置在所述支撑柱上，所述处理仓在所述支撑柱之间设有若干个辅助传送辊；所述处理仓的侧边上部设有固定架；第二移动装置固定在所述固定架上，其中操作电机固定在所述第二移动装置上，操作电机的输出轴通过摆杆与压环连接固定；所述处理仓的出料端设有感应吹风装置。

拉拔完成后将不锈钢合金管送入表面处理区的处理仓内，并放置在所述支撑柱的传送轮上，这时第二移动装置在固定架上向下滑动，使压环位于所述不锈钢合金管一端的上部且与不锈钢合金管接触；操作电机带动摆杆进行前后一定角度的来回摆动，这样压环带动不锈钢合金管在传送轮上来回运动；由于传送轮上设有欧若干个万向轮，更加提高了不锈钢合金管来回转动的顺畅性，利用抛丸处理装置进行抛丸表面处理，回收仓将抛丸进行回收，表面处理完成后，在输送出料的过程中，感应吹风装置对其表面进行吹除杂质灰尘。

表面处理完成后的合金不锈钢管依次送入矫直区和定向切割区进行矫直和切割处理。

进一步的，所述防晃组件包括两个相互对称的输送防晃轮，保证进料的稳定性使拉板安全性更高。

进一步的，减震组件板包括从上到下依次设有的平衡板、减震垫和压板；其中所述平衡板与所述压板之间通过连接组件连接固定；三者配合叠加在一起，有效的减少晃动力。

所述连接组件包括连接杆和插板，所述插板滑动固定在所述压板上，平衡板的一端通过连接杆插紧固定在所述插板上并通过螺栓锁紧，便于拆卸和安装。

进一步的，所述处理仓的顶部设有除尘装置，利用除尘装置对处理仓内清理产生的灰尘进行及时回收，保证加工的效果。

进一步的，所述定型切割区上滑动设有限位板，可以通过滑动限位板，辅助工作人员进行尺寸的对紧，从而进行精密切割，配合不同客户不同要求的切割尺寸。

进一步的，所述操作架上依次设有若干个挡杆，防止加工时不锈钢合金管滑落，提高安全性。

本发明的有益效果是：该材料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。此外，抗菌热处理保温时间一定要适中，通过该特种热处理方法可以使钢中的 Cu 从基体中析出，获得抗菌富Cu 相，从而获得优良的抗菌性能；且利用连续处理装置高效方便的集成式处理，提高了操作的便捷和处理的效果。

附图说明

图 1：本发明不锈钢合金管电镜图片；

图 2：本发明不锈钢合金管的抗菌试验图片；

图3：本发明的连续处理一体设备的结构示意图；

图4：本发明图3中预清理区的结构示意图；

图5：本发明图3中表面处理区的结构示意图；

图6：是本发明图5的A处局部放大图。

具体实施方式

本实施例提供一种直饮水用耐蚀抗菌奥氏体不锈钢合金管，包括以下组分质量百分比为，C≤0.06%，N：0.10~0.20%，S≤0.03%，P≤0.045%， Mn≤2.0%，Cr:17.00~19.00%，Cu:2.5~4.5%，Ni：6.0%~10.0%，其余部分为铁和不可避免的杂质。

2、一种直饮水用耐蚀抗菌奥氏体不锈钢合金管的制备方法，一种直饮水用耐蚀抗菌奥氏体不锈钢合金管的制备方法，包括以下步骤：

（1）原料：废钢和铬铁、锰、镍、铜等合金或金属;

（5）热处理完成后进行速冷10-15分钟；

（6）不锈钢合金管表面进行预清理；

所述连续处理一体设备包括依次设置的预清理区1、拉拔区2、表面处理区3，矫直区4和定尺切割区5；所述定型切割区5上滑动设有限位板51。

其中所述预清理区1包括底座11和设置在所述底座11上的操作立板12；所述操作立板12上设有提升机构13，其中所述提升机构13与操作架14连接固定；所述操作架14上依次设有若干个挡杆141。

所述操作架14上依次设有若干个旋转电机15；所述旋转电机15与旋转盘16连接固定，每个所述旋转盘16上转动设有若干个清理轮17；所述旋转盘16的正上方设有清理辊18；所述清理辊18的两端均连接正反转电机19；每个所述正反转电机19通过连接臂110与减震组件板连接固定，所述减震组件板通过主气缸111与所述操作立板12连接固定；减震组件板包括从上到下依次设有的平衡板116、减震垫117和压板118；其中所述平衡板116与所述压板118之间通过连接组件连接固定；所述连接组件包括连接杆119和插板120，所述插板120滑动固定在所述压板118上，平衡板116的一端通过连接杆121插紧固定在所述插板120上并通过螺栓锁紧。

所述底座11的一端滑动设有平移杆112；其中所述平移杆112上通过第一移动装置113滑动连接支撑板114；第二气缸115固定在所述支撑板114上且气缸轴连接推送板116；

所述底座11的一端通过横向伸缩架21与所述拉拔区2上的连接杆22连接固定，所述连接杆22上设有送料防晃组件；所述防晃组件包括两个相互对称的输送防晃轮23。

所述表面处理区3包括处理仓31；所述处理仓31的顶部设有除尘装置317。

所述处理仓31内从上到下依次设有抛丸处理装置32、支撑柱33和回收仓34；每个所述支撑柱33上设有传送轮35，所述传送轮35与传送电机36连接固定；所述传送轮35的表面依次设有若干个万向轮37；挡板38设置在所述支撑柱33上，所述处理仓31在所述支撑柱之间设有若干个辅助传送辊39；所述处理仓31的侧边上部设有固定架311；第二移动装置312固定在所述固定架311上，其中操作电机313固定在所述第二移动装置312上，操作电机313的输出轴通过摆杆314与压环315连接固定；所述处理仓31的出料端设有感应吹风装置316。

（8）去除切割面毛刺

（9）送入探伤机内进行检测，合格后收集成品。

本实施例在连续处理一体设备上的操作流程是：首先利用提升机构带动操作架进行上下位移，调节到便于进料的高度，不锈钢合金管进料放置在旋转盘上；然后提升机构带动操作架向上的同时主气缸带动减震组件向下，清理辊与不锈钢合金管紧密接触贴合，然后正反转电机带动清理辊转动对不锈钢合金管的表面进行清理；同时旋转电机带动旋转盘转动，使清理轮对不锈钢合金管的底部进行表面处理；在清理摩擦的过程中会产生震动，所以通过减震组件有效的减震，提高操作的安全性和处理的效果。处理完成后，提升机构带动操作架下降，第一移动装置在平移杆上滑动到合适的位置，然后第二气缸带动推板将放置在旋转盘上的不锈钢合金管推动滑送到拉拔区内；由于设有横向伸缩架可以调节连接预清理区、拉拔区之间的距离，便于通过经过防晃组件将不锈钢合金管送入拉拔区进行拉拔。

拉拔完成后将不锈钢合金管送入表面处理区的处理仓内，并放置在所述支撑柱的传送轮上，这时第二移动装置在固定架上向下滑动，使压环位于所述不锈钢合金管一端的上部且与不锈钢合金管接触；操作电机带动摆杆进行前后一定角度的来回摆动，这样压环带动不锈钢合金管在传送轮上来回运动；由于传送轮上设有欧若干个万向轮，更加提高了不锈钢合金管来回转动的顺畅性，利用抛丸处理装置进行抛丸表面处理，回收仓将抛丸进行回收，表面处理完成后，在输送出料的过程中，感应吹风装置对其表面进行吹除杂质灰尘；表面处理完成后的合金不锈钢管依次送入矫直区和定向切割区进行矫直和切割处理。

其中本实施例中

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。

1、将含氮抗菌奥氏体不锈钢材料制成10mm×10mm维氏硬度测试试样。维氏硬度测试依据GB/T 4340.2-1999《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4 h和6 h的时效时间下，含氮奥氏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，含氮奥氏体不锈钢在700 ℃保温6 h时硬度达到较高值。

2、将含氮抗菌奥氏体不锈钢材料制成TEM电镜试样。图1所示为含氮奥氏体时效不锈钢在700℃时效6h后的TEM形貌，可以明显看出含氮抗菌奥氏体不锈钢时效6h后，有大量的抗菌富铜相析出，并且呈弥散分布。

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 105 CFU/mL 的标准菌液分别与1050 ℃，30 min的固溶态（对照304不锈钢）和700 ℃时效4、6和8 h（抗菌不锈钢）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24 h，然后将经上述不锈钢样品作用的菌液稀释到 103 CFU/mL，在相同温度和湿度下用琼脂培养基培养 24 h 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。含氮奥氏体抗菌不锈钢在700℃，时效6 h时，具有最佳的抗菌效果，抗菌率达到99.67%。

4、力学性能试验：

将含氮奥氏体不锈钢的不同时效时间的材料制成拉伸试样，检验其拉伸性能，检验结果见表3。

表1

化学元素	C	N	S	P	Mn	Cr	Cu	Ni
									实施例1	0.014%	0.17%	0.022%	0.021%	0.03%	18.34%	3.62%	9.24%

表2 304N-Cu不锈钢对大肠杆菌的抗菌率

表3 力学性能结果

试样组号	抗拉强度 MPa	延伸率%
			含氮奥氏体不锈钢时效4 h	687.47	49.0%
含氮奥氏体不锈钢时效6 h	657.61	46.5%
			含氮奥氏体不锈钢时效8 h	589.07	50.9%

Claims

1.一种直饮水用耐蚀抗菌奥氏体不锈钢合金管，其特征在于：包括以下组分质量百分比为，C≤0.06%，N：0.10~0.20%，S≤0.03%，P≤0.045%， Mn≤2.0%，Cr:17.00~19.00%，Cu:2.5~4.5%，Ni：6.0%~10.0%，其余部分为铁和不可避免的杂质。

2.一种直饮水用耐蚀抗菌奥氏体不锈钢合金管的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）：原料：废钢和铬铁、锰、镍、铜等合金或金属;

（2）冶炼：将步骤（1）中的原料经过中频感应炉和AOD炉进行冶炼；得到合金组分质量百分比为，C≤0.06%，N：0.10~0.20%，S≤0.03%，P≤0.045%， Mn≤2.0%，Cr:17.00~19.00%，Cu:2.5~4.5%，Ni：6.0%~10.0%，其余部分为铁和不可避免的杂质;

（3）冶炼完成后依次经过热锻、热轧、穿管、冷轧或者焊接;

（4）特种抗菌热处理：步骤（3）完成后将直饮水管再进行热处理工艺，该直饮水管再经980 ~ 1050℃退火;和760 ~ 850℃的特种抗菌热处理，使钢中的 Cu 元素以ε-Cu相从基体中析出，从而获得优良的抗菌性能;

（5）热处理完成后进行速冷10-15分钟；

（6）不锈钢合金管表面进行预清理；

（7）再连续处理一体设备上进行表面预清理区，拉拔、表面处理，矫直，定向切割；

（8）去除切割面毛刺;

（9）送入探伤机内进行检测，合格后收集成品。

3.根据权利要求2所述的一种直饮水用耐蚀抗菌奥氏体不锈钢合金管的制备方法，其特征在于：所述连续处理一体设备包括依次设置的预清理区（1）、拉拔区（2）、表面处理区（3），矫直区（4）和定向切割区（5）；

其中所述预清理区（1）包括底座（11）和设置在所述底座（11）上的操作立板（12）；所述操作立板（12）上设有提升机构（13），其中所述提升机构（13）与操作架（14）连接固定；所述操作架（14）上依次设有若干个旋转电机（15）；所述旋转电机（15）与旋转盘（16）连接固定，每个所述旋转盘（16）上转动设有若干个清理轮（17）；所述旋转盘（16）的正上方设有清理辊（18）；所述清理辊（18）的两端均连接正反转电机（19）；每个所述正反转电机（19）通过连接臂（110）与减震组件板连接固定，所述减震组件板通过主气缸（111）与所述操作立板（12）连接固定；所述底座（11）的一端滑动设有平移杆（112）；其中所述平移杆（112）上通过第一移动装置（113）滑动连接支撑板（114）；第二气缸（115）固定在所述支撑板（114）上且气缸轴连接推送板（116）；

所述底座（11）的一端通过横向伸缩架（21）与所述拉拔区（2）上的连接杆（22）连接固定，所述连接杆（22）上设有送料防晃组件;

所述表面处理区（3）包括处理仓（31）；所述处理仓（31）内从上到下依次设有抛丸处理装置（32）、支撑柱（33）和回收仓（34）；每个所述支撑柱（33）上设有传送轮（35），所述传送轮（35）与传送电机（36）连接固定；所述传送轮（35）的表面依次设有若干个万向轮（37）；挡板（38）设置在所述支撑柱（33）上，所述处理仓（31）在所述支撑柱之间设有若干个辅助传送辊（39）；所述处理仓（31）的侧边上部设有固定架（311）；第二移动装置（312）固定在所述固定架（311）上，其中操作电机（313）固定在所述第二移动装置（312）上，操作电机（313）的输出轴通过摆杆（314）与压环（315）连接固定；所述处理仓（31）的出料端设有感应吹风装置（316）。

4.根据权利要求3所述的一种直饮水用耐蚀抗菌奥氏体不锈钢合金管的制备方法，其特征在于：所述防晃组件包括两个相互对称的输送防晃轮（23）。

5.根据权利要求3所述的一种直饮水用耐蚀抗菌奥氏体不锈钢合金管的制备方法，其特征在于：减震组件板包括从上到下依次设有的平衡板（116）、减震垫（117）和压板（118）；其中所述平衡板（116）与所述压板（118）之间通过连接组件连接固定；所述连接组件包括连接杆（119）和插板（120），所述插板（120）滑动固定在所述压板（118）上，平衡板（116）的一端通过连接杆（121）插紧固定在所述插板（120）上并通过螺栓锁紧。

6.根据权利要求3所述的一种直饮水用耐蚀抗菌奥氏体不锈钢合金管的制备方法，其特征在于：所述处理仓（31）的顶部设有除尘装置（317）。

7.根据权利要求3所述的一种直饮水用耐蚀抗菌奥氏体不锈钢合金管的制备方法，其特征在于：所述定型切割区（5）上滑动设有限位板（51）。

8.根据权利要求3所述的一种直饮水用耐蚀抗菌奥氏体不锈钢合金管的制备方法，其特征在于：所述操作架（14）上依次设有若干个挡杆（141）。