CN111519112A - 一种抗菌不锈钢材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层抗菌不锈钢材料的制备方法，所述的抗菌不锈钢材料，基本上由构成基体的钢和形成表面抗菌层的钢的双层结构组成，通过双层复合铸造的方法形成基体材料与表面层材料冶金结合的双层复合材料，将连铸得到的双层复合板材进行定长剪切得到固定长度的双层板坯并轧制得到抗菌不锈钢材料，随后通过热处理、轧延、冲压得到半成品，对半成品进行抗菌热处理后粗磨、细磨抛光等清洗、随后烘干包装，得到成品，本发明加工过程成本较低，抗菌层的厚度大。且基体和表面抗菌层均为不锈钢组分，在铸造过程中形成的冶金结合强度大，结合牢固，耐磨损，使用寿命长。

Description

一种抗菌不锈钢材料的制备方法

技术领域

本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种抗菌不锈钢材料的制备方法。

背景技术

抗菌材料具有很长的发展历史，在公元前，人类发现用银片覆盖伤口可以防止感染，加速创口的愈合。在19世纪，研究发现银离子等金属对微生物有抑制作用。进入20世纪后，对于抗菌材料的研究快速发展，各种抗菌剂被研发出来并应用于生活的各个方面。

在现代社会中，对公众安全健康和生活质量要求不断提高，因而，各类具有更高的安全性和健康性能的各种用品的也在快速发展和被广泛采用。其中不锈钢材料在与人们生活息息相关的建筑、医疗、食品加工、家庭日用品等方面被广泛应用。随着人们对各种疾病传播原因的认识日益深刻，在上述领域，市场上对具有抗菌性能产品的需求越多，具有抗菌性能的不锈钢用品开始发展起来。

目前研究表明金属离子都具有不同程度的抗菌能力，综合考虑在实际使用时对安全性能的影响，主要采用银、铜和锌元素，使其实现在不锈钢中的富集来达到抗菌效果。目前抗菌不锈钢的种类主要有1.整体型抗菌不锈钢：即在冶炼的过程中加入银铜锌等金属元素，使不锈钢的表面与内部同时具有抗菌性能，这种制备方法的问题在于会消耗较多的银铜锌等金属元素，并且对于大部分应用场合而言，往往仅需要在其表面具备抗菌性能即可，整体型的抗菌不锈钢会造成相当程度的浪费。2.表面型抗菌不锈钢：即通过涂覆或渗透等方式在不锈钢表面形成金属或非金属抗菌层，抗菌性能来源于加入的金属抗菌元素或光催化抗菌材料，这类材料需要额外的涂覆或渗透工序，增加了处理流程，提高了生产成本，并且在长期使用过程中表面涂层的磨损或脱落问题也一直无法得到有效解决。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种制备工艺简化、加工成本较低、抗菌效果持久的一种抗菌不锈钢材料的制备方法。

本发明完整的技术方案包括：

一种抗菌不锈钢材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)组分设计

所述的抗菌不锈钢材料，基本上由构成基体的钢和形成表面抗菌层的钢的双层结构组成，具体组分如下：

基体组分为：C：0.04％～0.06％、Si：1.0％～1.2％、Mn：0.6％～0.7％、Cr：14.5％～18％、Ni：8.5％～10％、Mo:1.2％～1.5％、Cu:0.1％～0.2％、P<0.03％、S<0.03％、Al:1.2％～2.5％、Ti：0.5％～0.8％、N<0.1％,余量为Fe。

表面抗菌层组分为：C：0.015％～0.03％、Si：0.2％～0.4％、Mn：11％～13％、Cr：19％～20.5％、Ni：9％～11％、Mo:1.2％～1.5％、Cu:5％～8％、P<0.03％、S<0.03％、N<0.1％,余量为Fe。

(2)抗菌不锈钢坯料铸造

首先，将基体原料和表面抗菌层原料按照上述的组分进行配比，随后分别放入基体材料炉和表面层材料炉，并加热熔融，基体材料炉中设有第一塞棒，第一塞棒位于基体材料炉的一侧，并堵住其下方的水口。表面层材料炉中设有第二塞棒，第二塞棒位于表面层材料炉的中央，并堵住其下方的水口；

进行铸造时，首先提起第一塞棒，使熔融的基体原料由水口流出，并进入基体材料结晶器，在其中被冷却并凝固成固态的基体铸坯层，并被牵引向前。在牵引段的中段，提起第二塞棒，使熔融的表面层材料熔体由水口流出，流到仍处于高温状态的固态基体铸坯层表面，并进入表面层材料结晶器，在其中被冷却并形成与基体材料冶金结合的表面层铸坯层，随后成一体的双层复合坯料并被牵引向前。

(3)抗菌不锈钢坯料轧制

将连铸得到的双层复合坯料进行定长剪切得到固定长度的双层板坯，并经过均热炉在1250℃进行恒温加热30min后，进入热连轧机组中进行三道次的热轧制，每道次的压下变形量为15～20％，板材的厚度由20mm变形至约11mm，随后将轧制后的板材在1120℃加热20min后重新进行四道次的轧制，每道次的压下变形量为10～15％，板材的厚度由变形至约7mm，随后将轧制后的板材在950℃加热10min后重新进行三道次的轧制，每道次的压下变形量为10～15％，板材的厚度变形至约5mm。

(4)抗菌不锈钢材料的制备

将前述得到的双层板坯进行第一级热处理，首先在1120℃下保温20min淬火，进行固溶处理，随后在850℃下，保温4～5h，随后自然冷却进行稳定化处理，随后在380～400℃下回火进行去应力处理。

然后利用冲床进行下料，并对其进行轧延，然后利用冲床进行冲压，得到半成品。随后将得到的带有抗菌表面层的半成品进行抗菌热处理，具体为将其在550℃下保温6h进行时效处理，使表面层析出弥散的ε-Cu析出相。对抗菌热处理完成的材料，先利用打磨轮对材料表面进行粗磨，然后利用抛光皂进行细磨，打磨抛光完成的材料，利用三氯乙烯进行清洗，清洗过程中采用电加热方式进行加热，温度为80℃，加热过程中在池体上方不断通入氟，清洗完毕后直接利用设备自带烘干设备进行烘干，最后将烘干后的成品包装入库。

优选的，基体表面不同位置处的表面抗菌层厚度在0.3～0.5mm之间。

优选的，基体中Cr含量为14.5％～16.5％。

根据上述方法所得到的抗菌不锈钢材料制品。

优选的，所述的材料应用于不锈钢板、盘、盒等，在使用过程中，仅仅需要一面与人体或放置其上或其中的物品进行接触的制品。

本发明相对于现有技术的优点为：

1.针对现有技术中整体型抗菌不锈钢材料的成本较高的问题，以及表面抗菌不锈钢材料的工序复杂且易磨损脱落的问题，设计了采用连续铸造后轧制的方式，使抗菌组分集中在表面层，并且加工过程成本较低，抗菌层的厚度大。且由于基体和表面抗菌层均为不锈钢组分，在铸造过程中形成的冶金结合强度大，结合牢固，耐磨损，使用寿命长。

2.基体和表面抗菌层的组分设计上，考虑到不同的需求和使用特点，进行了针对性设计，使基体具有较强的强度和较低成本，在抗菌层组分选择上，使其具有较高的硬度、耐磨性和抗氧化耐腐蚀性，以及实现良好的抗菌效果。

3.双流连续铸造一次性得到复合板材，将得到的板材进行两级热处理，首先提高钢的强度。随后对半成品进行抗菌热处理使表面层析出弥散的ε-Cu析出相，实现了良好的抗菌性能。

4.利用板材进行抗菌制品加工的过程工序优化、参数合理，适合工业批量低成本生产。

附图说明

图1为本发明公开的具有抗菌功能的不锈钢板材铸造装置图。

图2为本发明具体实施方式中具有抗菌功能的不锈钢制品正面图。

图3为图2的底面视图。

图4为利用板材进行制品制备的流程图。

图中：1-基体材料炉，2-表面层材料炉，3-基体材料熔体，4-表面层材料熔体，5-第一塞棒，6-第二塞棒，7-基体材料结晶器；8-表面层材料结晶器；9-第一固液界面，10-第二固液界面，11-基体材料，12-表面层材料。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请的实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。

下面对本发明所公开的一种抗菌不锈钢材料的制备方法的整个过程进行示意性说明。

(1)结构与组分设计

本发明所提供的抗菌不锈钢材料，基本上由构成基体的钢和形成表面抗菌层的钢的双层结构组成。由于在加工后得到的产品中，表面抗菌层位于基体的表面，使用过程中基体一般不与人体或物品直接接触，因此着重考虑其强度性能以及生产成本的降低，而在表面抗菌层的组分设计上，则着重考虑其耐磨性、耐腐蚀性以及抗菌性能。两者的具体组分如下：

基体组分为：C：0.04％～0.06％、Si：1.0％～1.2％、Mn：0.6％～0.7％、Cr：14.5％～18％、优选为14.5％～16.5％，Ni：8.5％～10％、Mo:1.2％～1.5％、Cu:0.1％～0.2％、P<0.03％、S<0.03％、Al:1.2％～2.5％、Ti：0.5％～0.8％、N<0.1％,余量为Fe。以上为质量百分比。

表面抗菌层组分为：C：0.015％～0.03％、Si：0.2％～0.4％、Mn：11％～13％、Cr：19％～20.5％、Ni：9％～11％、Mo:1.2％～1.5％、Cu:5％～8％、P<0.03％、S<0.03％、N<0.1％,余量为Fe。以上为质量百分比。

对以上组分的设计依据进行说明如下，由于考虑到基体是构成整个材料，或者由该材料得到的制品的主体结构，需要有一定的强度，为提高使用的寿命，因此在基体中适当地增加了C含量以提高钢的强度，且由于基体一般不直接与使用过程中的人体或物品进行接触，对于耐腐蚀性的要求没有表面层那么高，同时采用了相对较低的Cr含量以节约成本。

对于本发明中基体中Si含量的选择，其目的是调节钢的加工性能，同时其与基体中所选择含量的Mo元素和Cr元素相结合，以提高钢的耐腐蚀性和抗氧化性。

一定量的Cu元素在钢中会形成富集，并析出具有杀菌作用。对于本发明中基体中Cu含量的选择，由于基体一般不直接与食品进行接触，同时为了避免在钢热加工时产生热脆，并提高钢的塑形，因此在基体中选择较低的Cu含量。在基体中选择适当的Al和Ti含量作为脱氧剂，以细化基体的晶粒尺寸并避免晶粒间的腐蚀。

在表面抗菌层的组分选择上，基于使用环境和加工的要求进行了针对性设计，由于表面抗菌层对整体的结构强度影响不大，因此采用较低的碳含量，以避免影响表面抗菌层的耐大气腐蚀能力。同时选择相对较高含量的Cr以显著提高钢的硬度、耐磨性和抗氧化耐腐蚀性。高含量的Mn，同样为提升表面层的耐磨性，避免因长时期使用导致表面层的磨损，提高使用寿命。表面层中Ni含量的选择依据是为了使其具有一定的塑形和韧性，并提高对酸碱的耐腐蚀性和在高温下的防锈能力。加入适量的Mo元素，使晶粒细化，保持表面层强度和抗蠕变性并抑制表面层的脆性。

在表面抗菌层的组分中，Cu是主要的抗菌组分，因此在本发明中，表面层选择高含量的Cu，经过轧制和热处理后，在表面层形成弥散的ε-Cu析出相，从而达到良好的抗菌效果。

(2)抗菌不锈钢材料的制备过程

本发明的抗菌不锈钢材料制备，采用先连续铸造制备复合钢板，随后进行轧制的工序。目前国内外对于复合金属多层板的生产方法主要有爆炸复合、复合轧制、挤压复合、浇注复合、扩散焊接等，对于抗菌材料的生产方法也已经有部分的研究和应用。如日本一家公司开发的复合抗菌不锈钢刀具采用热轧的方式，该复合不锈钢共5层，具有抗菌性的铜或铜合金板材被夹在板材与芯材之间。刃口部分的芯材采用高碳马氏体刀具用不锈钢，两侧表层采用耐蚀性能低碳马氏体不锈钢，最后轧制而成。但在实际应用中，种类繁多的不锈钢材料具有不同的用途和抗菌要求，如板、盘、盒等，在使用过程中，仅仅需要一面与人或放置其上的物品进行接触的，采用全部表面均具有抗菌涂层的方式首先是增加了成本，其次类似上述日本公司的材质结构，只能采用轧制的方式进行，在铸造板坯之后需要经过清洗、去氧化层等工序，增加了复杂的工序。因此本发明所公开的抗菌不锈钢材料，采用双流连铸连轧的方法，一次性制备得到，综合考虑了材料的制备效率和成本需求。具体加工方式如下：

图1为本发明所公开的抗菌不锈钢铸造制备装置，首先，将基体材料和表面抗菌层材料按照上述的组分进行配比，随后分别放入两个炉体，即基体材料炉1和表面层材料炉2，并加热使其为熔融的基体材料熔体3和表面层材料熔体4，基体材料炉中设有第一塞棒5，第一塞棒5位于基体材料炉1的一侧，并堵住其下方的水口。表面层材料炉2中设有第二塞棒6，第二塞棒6位于表面层材料炉2的中央，并堵住其下方的水口。

进行铸造时，首先提起第一塞棒，使熔融的基体材料由水口流出，并进入基体材料结晶器7，在其中被冷却，形成第一固液界面9，并在其后凝固成固态的基体材料11，并被牵引向前。在牵引段的中段，提起第二塞棒，使熔融的表面层材料熔体由水口流出，流到仍处于高温状态的固态基体材料表面，并进入表面层材料结晶器8，在其中被冷却，形成第二固液界面10，并形成与基体材料冶金结合的表面层材料，随后成一体的双层复合材料并被牵引向前。

(3)轧制方法

将连铸得到的双层复合板材进行定长剪切得到固定长度的双层板坯，并经过均热炉在1250℃进行恒温加热30min后，进入热连轧机组中进行三道次的热轧制，每道次的压下变形量为15～20％，板材的厚度由20mm变形至约11mm，随后将轧制后的板材在1120℃加热20min后重新进行四道次的轧制，每道次的压下变形量为10～15％，板材的厚度由变形至约7mm，随后将轧制后的板材在950℃加热10min后重新进行三道次的轧制，每道次的压下变形量为10～15％，板材的厚度由变形至约5mm。轧制成型后的钢材进入水冷段冷却后进行收取。轧制结束后对得到的材料进行检测，基体表面不同位置处的表面抗菌层厚度在0.3～0.5mm之间，远大于进行表面渗铜或喷涂所得到的几十微米厚抗菌层，且本发明的基体和表面抗菌层之间形成了冶金结合，结合强度大、不易脱落。

(4)抗菌不锈钢材料的制备过程

下面以一个具体制品为例，对本发明中利用上述的材料进行抗菌不锈钢材料的制备过程进行详细说明。

如图2-3所示，其分别为本申请人所生产的一种盘制品的正面图和底视示意图，首先将前述得到的板材进行第一级热处理，首先在1120℃下保温20min淬火，进行固溶处理，随后在850℃下，保温4～5h，随后自然冷却进行稳定化处理，随后在380～400℃下回火进行去应力处理。此过程同时消除了加工硬化，恢复材料的塑性。

然后利用冲床进行下料，并对其进行轧延，以便于产品有的部位达到一定厚度，然后利用冲床进行冲压，得到半成品。随后将得到的带有抗菌表面层的半成品进行抗菌热处理，具体为将其在550℃下保温6h进行时效处理，使表面层析出弥散的ε-Cu析出相。抗菌热处理完成的盘制品先利用打磨轮对盘制品进行粗磨，然后利用抛光皂进行细磨，打磨抛光完成的盘制品利用三氯乙烯进行清洗，清洗过程中采用电加热方式进行加热，温度一般为80℃，加热过程中会在池体上方不断通入氟，以防温度过高三氯乙烯挥发。清洗完毕后直接利用设备自带烘干设备进行烘干，不需用水冲洗。最后将烘干后的成品包装入库。

采用上述方法还可以用于制备不锈钢板、盒等在使用过程中仅单面与人体或物品相接触的制品，如食品加工所用的板，盛装食品的盒，或者医疗用，有抗菌需求的面板和操作台板等场合，整个过程如图4所示。

以上申请的仅为本申请的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (5)

1.一种抗菌不锈钢材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)组分设计

所述的抗菌不锈钢材料，基本上由构成基体的钢和形成表面抗菌层的钢的双层结构组成，具体组分如下：

基体组分为：C：0.04％～0.06％、Si：1.0％～1.2％、Mn：0.6％～0.7％、Cr：14.5％～18％、Ni：8.5％～10％、Mo:1.2％～1.5％、Cu:0.1％～0.2％、P<0.03％、S<0.03％、Al:1.2％～2.5％、Ti：0.5％～0.8％、N<0.1％,余量为Fe。

表面抗菌层组分为：C：0.015％～0.03％、Si：0.2％～0.4％、Mn：11％～13％、Cr：19％～20.5％、Ni：9％～11％、Mo:1.2％～1.5％、Cu:5％～8％、P<0.03％、S<0.03％、N<0.1％,余量为Fe。

(2)抗菌不锈钢坯料铸造

首先，将基体原料和表面抗菌层原料按照上述的组分进行配比，随后分别放入基体材料炉和表面层材料炉，并加热熔融，基体材料炉中设有第一塞棒，第一塞棒位于基体材料炉的一侧，并堵住其下方的水口。表面层材料炉中设有第二塞棒，第二塞棒位于表面层材料炉的中央，并堵住其下方的水口；

进行铸造时，首先提起第一塞棒，使熔融的基体原料由水口流出，并进入基体材料结晶器，在其中被冷却并凝固成固态的基体铸坯层，并被牵引向前。在牵引段的中段，提起第二塞棒，使熔融的表面层材料熔体由水口流出，流到仍处于高温状态的固态基体铸坯层表面，并进入表面层材料结晶器，在其中被冷却并形成与基体材料冶金结合的表面层铸坯层，随后成一体的双层复合坯料并被牵引向前。

(1)抗菌不锈钢坯料轧制

将连铸得到的双层复合坯料进行定长剪切得到固定长度的双层板坯，并经过均热炉在1250℃进行恒温加热30min后，进入热连轧机组中进行三道次的热轧制，每道次的压下变形量为15～20％，板材的厚度由20mm变形至约11mm，随后将轧制后的板材在1120℃加热20min后重新进行四道次的轧制，每道次的压下变形量为10～15％，板材的厚度由变形至约7mm，随后将轧制后的板材在950℃加热10min后重新进行三道次的轧制，每道次的压下变形量为10～15％，板材的厚度变形至约5mm。

(4)抗菌不锈钢材料的制备

将前述得到的双层板坯进行第一级热处理，首先在1120℃下保温20min淬火，进行固溶处理，随后在850℃下，保温4～5h，随后自然冷却进行稳定化处理，随后在380～400℃下回火进行去应力处理。

然后利用冲床进行下料，并对其进行轧延，然后利用冲床进行冲压，得到半成品。随后将得到的带有抗菌表面层的半成品进行抗菌热处理，具体为将其在550℃下保温6h进行时效处理，使表面层析出弥散的ε-Cu析出相。对抗菌热处理完成的材料，先利用打磨轮对材料表面进行粗磨，然后利用抛光皂进行细磨，打磨抛光完成的材料，利用三氯乙烯进行清洗，清洗过程中采用电加热方式进行加热，温度为80℃，加热过程中在池体上方不断通入氟，清洗完毕后直接利用设备自带烘干设备进行烘干，最后将烘干后的成品包装入库。

2.如权利要求1所述的一种抗菌不锈钢材料制备方法，其特征在于，基体表面不同位置处的表面抗菌层厚度在0.3～0.5mm之间。

3.如权利要求1所述的一种抗菌不锈钢材料制备方法，其特征在于，基体中Cr含量为14.5％～16.5％。

4.根据权利要求1-3任一项方法所得到的抗菌不锈钢材料。

5.根据权利要求4所述的材料，其特征在于，所述的材料应用于不锈钢板、盘、盒等，在使用过程中，仅仅需要一面与人体或放置其上/其中的物品进行接触的制品。

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