CN112030078A - 一种具有强抗菌功能的奥氏体不锈钢 - Google Patents

一种具有强抗菌功能的奥氏体不锈钢 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种具有强抗菌功能的新型奥氏体不锈钢材料，并使其固溶和时效的热处理状态下，相比较于传统奥氏体不锈钢，进一步提高其抗菌功能，使得抗菌率可达到99.9％，显著降低奥氏体不锈钢在使用中引发的细菌微生物的污染和腐蚀的风险。所述不锈钢的化学成分为，按照重量百分比计，Cr：17.0‑21.0；Ni：7.0‑11.0；Cu：1.0‑3.0；Nd:0.8‑1.3；C≤0.03；Si≤0.75；Mn≤2.0；P≤0.045；S≤0.03；余量为Fe。本发明所述具有强抗菌功能的奥氏体不锈钢能够成为现有应用奥氏体不锈钢的优异替代产品。

Description

一种具有强抗菌功能的奥氏体不锈钢
技术领域
本发明涉及奥氏体不锈钢材料技术领域，具体为发明一种具有强抗菌功能的奥氏体不锈钢。
背景技术
在日常生活中，细菌无处不在，由细菌引发的细菌感染也越来越受到人们的关注。上世纪九十年代，日本爆发了由MRSA(对青霉素有抗药性的黄色葡萄球菌)引起的感染以及病原体大肠杆菌引起的集体流感，加深了人们对细菌感染的认识。随着人们生活水平的日益提高，防菌、抗菌及抗病毒的卫生管理已成为当今社会极为关注的问题，传统阻止细菌微生物传播的方式是使用杀菌剂，但其易对自然环境造成污染与人体的毒害作用，因此开发具有一定抗菌功能的不锈钢，具有重要的意义。
具有抗菌功能的不锈钢材料是兼具结构和功能特性的绿色抗菌材料，已经成为从事细菌微生物研究工作者关注的热点。目前抗菌功能型不锈钢的应用，已经可对常见的革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌起到高达99.9％的抗菌性能，但是对于水中所包含的部分微生物(如枯草芽孢杆菌、短小芽孢杆菌等)的抗菌性能仍有局限性(见表1)，基于上述背景，开发一种具有强抗菌功能的奥氏体不锈钢，使之能更加快速有效地能够针对水体中更多种类的细菌繁殖进行抑制，将能够在根源上杜绝细菌的引入，会对人体的健康，以及生产工业的成本，起到重要的优势作用。同时，材料也需要符合使用情况所需的较高耐腐蚀性能的要求。
众所周知，304L奥氏体不锈钢是一种稳态的奥氏体不锈钢，在充分固溶的条件下，具有单一的奥氏体组织。并且，304L奥氏体不锈钢在大气条件下具有优异的耐腐蚀性，已经广泛应用于厨房、化工以及建筑等民用领域，在工业领域中也常用作贮存容器、液体运输管道以及不锈钢结构件等。基于上述背景，如果能开发一种具有强抗菌功能的304L奥氏体不锈钢，使之能更加快速有效地能够针对民用生活以及工业领域中更多种类的细菌繁殖进行抑制，将能够在根源上杜绝细菌的引入，会对人体的健康，以及生产工业的成本，起到重要的优势作用。同时，材料也需要符合使用情况所需的较高耐腐蚀性能的要求。
因此，本申请拟提供一种具有强抗菌功能的304L奥氏体不锈钢，在很大程度上解决现有问题，对奥氏体不锈钢在化工领域市场的应用性起到一定的积极作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有强抗菌功能的奥氏体不锈钢材料，本发明通过在不锈钢中添加Nd元素，并使其在固溶和时效的热处理状态下，具有强烈的抑制微生物繁殖的功能，显著降低奥氏体不锈钢在使用中引发的细菌微生物污染以及腐蚀的风险。本发明所述强抗菌奥氏体不锈钢可以迅速地抑制使用环境中的细菌繁殖，减轻微生物腐蚀的破坏风险，能够成为现有应用奥氏体不锈钢的优异替代产品。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
本发明所述新型抗菌奥氏体不锈钢材料的成分为，按重量百分比计：Cr：17.0-21.0；Ni：7.0-11.0；Cu：1.0-3.0；Nd:0.8-1.3；C≤0.03；Si≤0.75； Mn≤2.0；P≤0.045；S≤0.03；余量为Fe。优选的化学成分为：Cr：18.0-20.0； Ni：8.0-10.5；Cu：1.5-2.5；Nd:0.9-1.1；C≤0.03；Si≤0.75；Mn≤2.0；P≤0.045； S≤0.03；余量为Fe。
本发明中的Nd元素，是该具有强抗菌功能的奥氏体不锈钢中的重要合金元素，是保证不锈钢具备较强抗菌功能的必要条件，这是由于，Nd元素会影响微生物产生差异蛋白，从而控制微生物的生长、繁殖以及新陈代谢。稀土元素对于环境中的微生物菌株的繁殖具有Homesis效应，即低浓度的稀土元素对微生物的生长具有刺激性作用，但随着稀土元素释放浓度的增加，微生物的细胞壁的通透性被提高，致使内含物外泄，促进了稀土离子进入细胞，阻碍了细胞的新陈代谢从而抑制微生物生长。因此，在本发明中，稀土元素Nd的添加含量需要严格控制在一定范围内，按重量百分比计，成分含量为0.8-1.3；优选成分为0.9-1.1，按照以上添加比例，在合适的热处理条件下，奥氏体不锈钢能够在应用环境中持续地释放出较高浓度含量的Nd离子。
对具有强抗菌功能的奥氏体不锈钢材料的热处理方式选用固溶和时效热处理相结合的方式，固溶处理可获得过饱和固溶体的结构，之后进行合适的时效处理，获得足量的富铜析出相，这将有利于奥氏体不锈钢中Nd离子的共同析出，提高不锈钢材料的抗菌性能。
固溶温度与固溶时间都将影响不锈钢中合金元素完全融入Fe基体中的固溶度，因此本发明中合适的热处理制度为：固溶处理的温度为 1000-1200℃，保温0.2-3.0h，水冷至室温。优选的固溶温度和固溶时间，其特征在于：固溶处理的温度为1050-1150℃，保温0.5-1.5h，水冷至室温。
时效温度与时效时间将会影响到Cu元素从不锈钢中析出相的大小和数量，时效处理的工艺特征在于：时效处理的温度为500-700℃，保温时间为1.0-2.0h，空冷至室温；优选的时效温度和时效时间，其特征在于：时效处理的温度为550-650℃，保温时间为1.5-1.8h，空冷至室温。
因此，本发明的有益效果是：
1、本发明通过添加Nd元素，使得奥氏体不锈钢突破传统的抗菌奥氏体不锈钢的抗菌局限性，具有更强更广谱的抗菌性能，且抗菌率可达99％。
2、本发明所述具有强抗菌功能的奥氏体不锈钢热处理方法，为优化后的热处理制度，通过固溶和时效热处理，奥氏体不锈钢材料可对更广谱的细菌具有有效的杀灭作用。
附图说明
图1为传统抗菌奥氏体不锈钢对多种常见细菌的杀菌率，包括革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌。
具体实施方式
根据新型具有强抗菌功能的奥氏体不锈钢材料设定的化学成分范围，本发明采用15公斤真空感应炉冶炼实施例和对比例锻造奥氏体不锈钢各10 公斤，其化学成分见表1。
表1实施例和对比例的高抗菌性能奥氏体不锈钢主要化学成分(wt.％)
Figure RE-GDA0002762141390000051
根据本发明具有强抗菌功能的奥氏体不锈钢设定的热处理方法的参数范围，制定的固溶和时效热处理的详细参数，见表2。
表2实施例和对比例的热处理工艺参数
Figure RE-GDA0002762141390000061
1.体外抗菌性能检测
根据“JIS Z 2801-2000《抗菌加工制品－抗菌性试验方法和抗菌效果》、GB/T2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等相关标准规定，定量测试了表1所示热处理后的具有强抗菌功能的奥氏体不锈钢对常见的革兰氏阳性细菌(金黄色葡萄球菌S.aureus和枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis)和革兰氏阴性细菌(大肠杆菌E.coli和短小芽孢杆菌Bacillus pumilus)作用后的杀菌率。其中，共培养细菌浓度设定为(1-2)*105CFU/mL，细菌同对照样品和新型奥氏体不锈钢样品共培养的时间为24小时。体外抗菌性能检测结果见表3，其中杀菌率的计算公式为：杀菌率(％)＝[(对照样品活菌数-新型抗菌奥氏体不锈钢活菌数)/对照样品活菌数]×100％，对照样品活菌数是普通奥氏体不锈钢样品上进行细菌培养后的活菌数，新型抗菌奥氏体不锈钢活菌数是指热处理后的具有强抗菌功能的奥氏体不锈钢上进行细菌培养后的活菌数。
2.耐腐蚀性能
根据不锈钢点蚀电位测量方法(国家标准：GB/T 17899-1999)对本发明实施例及对比例具有强抗菌功能的奥氏体不锈钢进行阳极极化曲线测试，测试结果见表3。
表3实施例、对比例奥氏体不锈钢的相关性能测试实验结果
Figure RE-GDA0002762141390000081
从表3的结果可以看出，本发明实施例1-7的具有强抗菌功能的奥氏体不锈钢均表现出优异的抗菌性能，抗菌率可达到99.9％。同时还满足奥氏体不锈钢在应用领域中关于耐腐蚀性能性能的使用要求。合适的Nd含量以及热处理工艺(固溶和时效热处理)是本发明提出的具有强抗菌功能的奥氏体不锈钢能够发挥高效抗菌性能以及呈现良好耐腐蚀性能的保证。
固溶处理对于新型抗菌奥氏体不锈钢材料的耐腐蚀性能有着重要的影响。在保证时效温度和时效时间在本发明的申请范围内的情况下，固溶温度过低，新型抗菌奥氏体不锈钢中会生成有害的金属间相，有害金属间相的存在，使得材料的耐点蚀电位大幅度降低，严重影响了材料的耐腐蚀性能(对比例1-1)。固溶温度过高，造成晶界过烧，晶粒粗大现象明显，晶粒与晶界处电阻不平衡的趋势变大，造成了合金中金属元素间的原电池效应，使得材料的耐腐蚀性能的降低(对比例1-2)。固溶时间过短，无法获得过饱和固溶体结构，使得材料的耐腐蚀性能降低(对比例1-3)；固溶时间过长，也同样会造成原电池效应，严重破坏新型抗菌奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能(对比例1-4)。
时效处理对于新型抗菌奥氏体不锈钢材料的抗菌性能以及耐腐蚀性能有着重要的影响。在保证固溶温度和固溶时间在本发明的申请范围内的情况下，在经过时效处理后，过饱和的Cu元素从钢中析出，形成足够量的富铜相，使得材料可以释放出足够量的Cu离子和Nd离子，起到有效的抗菌作用。时效温度过低，新型抗菌奥氏体不锈钢中无法析出足够量的富铜相，抗菌性能大幅度降低(对比例2-1)。时效温度过高，使得新型抗菌奥氏体不锈钢中析出大量的富铜相，而且相的尺寸增大，造成材料的耐腐蚀性能的降低(对比例2-2)。时效时间过短，新型抗菌奥氏体不锈钢中无法析出足够量的富铜相，接近于过饱和固溶体结构，所以这种情况下，新型抗菌奥氏体不锈钢无法获得优异的抗菌性能(对比例2-3)。时效时间过长，析出的富铜相的尺寸快速增长，使得新型抗菌奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能大幅度降低(对比例2-4)。
新型抗菌奥氏体不锈钢中Nd元素的添加量，对材料的抗菌性能以及耐腐蚀性能有着重要的平衡作用，未添加Nd元素或者Nd元素的添加量过低造成新型抗菌奥氏体不锈钢的抗菌性能降低，无法达到有效的抗菌功效(对比例3、对比例4)，Nd的添加量过高，虽然可以保证材料具有有效的抗菌性能，但是由于其会以夹杂物的形式存在，破坏了材料的耐腐蚀性能，使得材料的使用寿命受到影响(对比例5)。
通过以上实施例和对比例结果可知，只有当Nd含量，固溶温度和固溶时间，时效温度和时效时间在一定的合适范围内，它们之间相互补充、相互配合，才能使得热处理后的新型抗菌奥氏体不锈钢兼具抗菌功能以及良好的耐腐蚀性能。
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，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有强抗菌功能的奥氏体不锈钢，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为：Cr：17.0-21.0；Ni：7.0-11.0；Cu：1.0-3.0；Nd:0.8-1.3；C≤0.03；Si≤0.75；Mn≤2.0；P≤0.045；S≤0.03；余量为Fe。
2.按照权利要求1所述奥氏体不锈钢，其特征在于，按重量百分比计，其化学成分为：Cr：18.0-20.0；Ni：8.0-10.5；Cu：1.5-2.5；Nd:0.9-1.1；C≤0.03；Si≤0.75；Mn≤2.0；P≤0.045；S≤0.03；余量为Fe。
3.一种权利要求1所述奥氏体不锈钢的热处理方法，其特征在于：固溶处理的温度为1000-1200℃，保温0.2-3.0h，水冷至室温。
4.按照权利要求3所述奥氏体不锈钢的热处理方法，其特征在于：固溶处理的温度为1050-1150℃，保温0.5-1.5h，水冷至室温。
5.按照权利要求3或4所述奥氏体不锈钢的热处理方法，其特征在于：时效处理的温度为500-700℃，保温1.0-2.0h，空冷至室温。
6.按照权利要求5所述奥氏体不锈钢的热处理方法，其特征在于：时效处理的温度为550-650℃，保温1.5-1.8h，空冷至室温。
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