CN113355607A - 一种抗菌毒奥氏体不锈钢及其制备方法 - Google Patents

一种抗菌毒奥氏体不锈钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种抗菌毒奥氏体不锈钢及其制备方法，通过在钢的合金化成分中加入银元素和稀土元素，能够使奥氏体不锈钢材料在拥有优异力学性能、耐蚀性能的同时又具有抗菌毒的特性，本发明钢以其不大于210HV的低硬度，不小于40％的高塑性，以及广谱的抗菌毒特性，很适合于休闲、厨卫、学校、医院等处的公共设施建造用料，从而更好地保护人民生命健康安全。

Description

一种抗菌毒奥氏体不锈钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及涉及广谱抗病毒、抗细菌的钢铁材料技术，特别是一种抗菌毒奥氏体不锈钢及其制备方法，通过在钢的合金化成分中加入银元素和稀土元素，能够使奥氏体不锈钢材料在拥有优异力学性能、耐蚀性能的同时又具有抗菌毒的特性，本发明钢以其不大于 210HV的低硬度，不小于40％的高塑性，以及广谱的抗菌毒特性，很适合于休闲、厨卫、学校、医院等处的公共设施建造用料，从而更好地保护人民生命健康安全。
背景技术
生活中，细菌和病毒普遍存在，当人们在生活中被细菌或病毒感染后容易引起疾病。如常见的大肠杆菌容易致使胃肠道感染或尿道等多种局部组织器官感染，金黄色葡萄球菌常寄生于人和动物的皮肤、鼻腔、咽喉、肠胃、痈、化脓疮口中，空气、污水等环境中也无处不在，感染后容易产生肠毒素，引起食物中毒等；又如H1N1流感病毒，其传播主要是以感染者咳嗽和喷嚏作为媒介，容易在人群密集的环境中发生感染，许多证据表明，微量病毒可留存在餐具、厨具、电话机或其公共设施的表面，人们通过手指与眼、鼻、口的接触来传播；如果接触带有甲型H1N1流感病毒的物品，而后又触碰自己的鼻子和口腔，也会受到感染。无论是细菌，还是病毒，都是依靠一定的媒介作为传播途径感染群体的。因此，物体自身若是具备抗菌毒的功能，在很大程度上将会减少或阻断细菌和病毒的传播感染。
随着时代的发展和生活水平的提高，奥氏体不锈钢制品在人们日常生活中的应用越来越广泛，尤其是在休闲、厨卫、医疗、学校以及其他公共设施领域。传统的奥氏体不锈钢已经能够满足相关领域的使用，但是并不具备抗菌毒的功能，细菌和病毒仍然能够依靠此类不锈钢产品传播和感染疾病。人们不仅对生活品质有追求，更对生命健康提出了新要求，如何减少和阻断生活用品和公共设施引起的细菌和病毒传染是最迫切的需求。因此，抗菌毒钢铁材料是重要的研究方向。过去，抗菌不锈钢主要以添加Cu元素为主，但是含Cu不锈钢需要经过抗菌处理析出特殊的ε-Cu相才具备抗菌性，但是此类材料随着服役时间延长抗菌性能会下降，同时在含Cu不锈钢在热加工的过程中容易引起热脆开裂，对添加含量需要严格控制。金属Ag具备消毒杀菌、防治感染、净化水质、防腐保鲜等功效，常常被用于制造成各种高档器皿、首饰等产品。细菌和病毒吸附在银制品或者含银制品上，银原子倾向于向自由表面偏聚，并以离子的形式逸出，抑制细菌的呼吸或者破坏病毒结构，从而杀死细菌或病毒。在抗菌性能方面Ag3+＞Ag2+＞＞Ag+＞Cu2+，其中Ag+的抗菌活性是Cu2+的100 倍。在不锈钢中，往往加入ppm级别的Ag就能达到很好的抗菌毒效果，而达到相同效果 Cu的加入量是Ag的几百倍，且Ag通过缓释方式使材料的抗菌毒作用持久有效。并且， Ag添加到不锈钢中，对材料的力学性能、加工性能和耐蚀性能几乎没有影响，甚至还有所提高。
综上所述，在面向人民生命健康，发展含银不锈钢具备巨大潜力，也是钢铁产业未来研发的重点和趋势。含Ag抗菌毒奥氏体不锈钢的发展可以用于休闲、厨卫、学校、医院以及其他公共设施等领域，能够全面安全、高效地提高公共安全卫生和人民生命健康。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种抗菌毒奥氏体不锈钢及其制备方法，通过在钢的合金化成分中加入银元素和稀土元素，能够使奥氏体不锈钢材料在拥有优异力学性能、耐蚀性能的同时又具有抗菌毒的特性，本发明钢以其不大于210HV的低硬度，不小于40％的高塑性，以及广谱的抗菌毒特性，很适合于休闲、厨卫、学校、医院等处的公共设施建造用料，从而更好地保护人民生命健康安全。
本发明的技术解决方案如下：
一种抗菌毒奥氏体不锈钢，其特征在于，具有以下元素组分及其含量，所述含量以质量百分数wt％计，C≤0.03，Si≤0.75，Mn≤2.0，S≤0.030，P≤0.045，Cr＝17.5～19.5，Ni＝8.0～ 12.0，Cu≤1.0，N≤0.1，Ag＝0.01～0.15，RE＝0.010～0.045，其余部分为铁和不可避免的杂质，其中RE是La和Ce中的至少一种稀土元素。
所述Ag为主要抗菌毒元素，所述RE为提高材料抗菌毒活性的辅助抗菌毒元素。
Si≤0.50，P≤0.030，Cr＝18.0～19.0，Ni＝9.0～11.0。
具有硬度指标值不大于210HV的低硬度，以及塑性指标值不小于40％的高塑性。
用作休闲、厨卫、学校和/或医院处的公共设施建造材料。
一种抗菌毒奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a，按照配方配置原料，所述配方具有以下元素组分及其含量，所述含量以质量百分数wt％计，C≤0.03，Si≤0.75，Mn≤2.0，S≤0.030，P≤0.045，Cr＝17.5～19.5，Ni＝8.0～12.0，Cu≤1.0，N≤0.1，Ag＝0.01～0.15，RE＝0.010～0.045，其余部分为铁和不可避免的杂质，其中RE是La和Ce中的至少一种稀土元素；
步骤b，将所述原料依次经初炼炉、炉外精炼、锻造、热轧和冷轧工艺，得到所需规格的不锈钢板材或棒线材，在所述锻造与所述热轧之间设置第一退火工序，在所述热轧与所述冷轧之间设置第二退火工序，在所述冷轧之后设置固溶处理工序，最终得到抗菌毒奥氏体不锈钢板材或棒线材成品。
所述锻造以所述炉外精炼的浇注成锭或连铸坯为原料，所述初炼炉采用电弧炉或AOD 冶炼或感应炉，所述第二退火工序与所述冷轧之间设置有酸洗工序。
所述固溶处理的固溶温度为1050～1100℃。
本发明技术效果如下：本发明一种抗菌毒奥氏体不锈钢及其制备方法，在成分设计上添加了银元素和稀土元素，通过添加稀土元素改善材料中的夹杂物形貌以提高耐蚀性同时也可以提高抗菌活性，通过Ag元素多形合金化使材料在拥有持久抗菌毒性能的同时不改变耐蚀性能、力学性能，从而保证产品加工要求，以满足市场需求，本发明抗菌毒奥氏体不锈钢抗菌毒性能好，强塑性优异，成本可控，易于生产。
本发明是一种含Ag奥氏体不锈钢，通过加入强抗菌毒性元素Ag，使奥氏体不锈钢产生抗菌毒性能，通过加入稀土元素RE，改善夹杂物、提高耐蚀性性能和抗菌性，使该含 Ag奥氏体不锈钢在具有高耐蚀性和优异力学性能的同时，还具有高的广谱抗菌毒性能，可用于休闲、厨卫、学校、医院以及其他公共设施等领域，满足人们对美好生活日益需求的同时防护人民生命健康安全。
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)与现有304和304L相比，具有力学性能、耐蚀性能、抗菌毒性能优良等特点，本发明抗菌毒奥氏体不锈钢在力学性能、耐蚀性能的同时具有优异的抗菌毒特性，在面对人民生命健康方面，可满足用户的需求，提高公共卫生安全；本发明抗菌毒奥氏体不锈钢硬度低(≤210HV)，塑性好(A≥40％)，易于成型。(2)本发明抗菌毒奥氏体不锈钢严格控制杂质元素的含量与成分准确性，在冷轧之后设有固溶处理，以保证后续加工；通过添加稀土元素来提高进一步提高耐蚀性和抗菌性，并有效控制合金成本。(3)本发明抗菌毒奥氏体不锈钢，Ag溶出＜0.20μg/L，远小于WHO规定的银对人体的安全值0.05ppm以下和饮用水中银离子的限量0.05mg/L，非常安全，适合应用于休闲、厨卫、学校、医院以及其他公共设施等领域，并且综合考虑了Ag和稀土元素的合理添加的成本，使合金成本可控，易于推广使用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行说明。
本发明一种抗菌毒奥氏体不锈钢及其制备方法采用如下发明构思：在传统奥氏体不锈钢的基础上添加了Ag和稀土元素，加入强抗菌毒性元素Ag，使奥氏体不锈钢产生抗菌毒性能。加入稀土元素RE，改善夹杂物、提高耐蚀性性能和抗菌性。使该含Ag奥氏体不锈钢在具有高耐蚀性和优异力学性能的同时，还具有高的广谱抗菌毒性能，可用于休闲、厨卫、学校、医院以及其他公共设施等领域，满足人们对美好生活日益需求的同时防护人民生命健康安全。具体为(1)加入Ag元素使奥氏体不锈钢具有抗菌毒性能；(2)加入RE元素增加钢材的耐蚀性能，同时提高抗菌活性。
一种抗菌毒奥氏体不锈钢，具有以下元素组分及其含量，所述含量以质量百分数wt％计，C≤0.03，Si≤0.75，Mn≤2.0，S≤0.030，P≤0.045，Cr＝17.5～19.5，Ni＝8.0～12.0， Cu≤1.0，N≤0.1，Ag＝0.01～0.15，RE＝0.010～0.045，其余部分为铁和不可避免的杂质，其中RE是La和Ce中的至少一种稀土元素。所述Ag为主要抗菌毒元素，所述RE为提高材料抗菌毒活性的辅助抗菌毒元素。Si≤0.50，P≤0.030，Cr＝18.0～19.0，Ni＝9.0～11.0。具有硬度指标值不大于210HV的低硬度，以及塑性指标值不小于40％的高塑性。用作休闲、厨卫、学校和/或医院处的公共设施建造材料。
一种抗菌毒奥氏体不锈钢的制备方法，包括如下步骤：步骤a，按照配方配置原料，所述配方具有以下元素组分及其含量，所述含量以质量百分数wt％计，C≤0.03，Si≤0.75，Mn≤2.0，S≤0.030，P≤0.045，Cr＝17.5～19.5，Ni＝8.0～12.0，Cu≤1.0，N≤0.1，Ag＝0.01～ 0.15，RE＝0.010～0.045，其余部分为铁和不可避免的杂质，其中RE是La和Ce中的至少一种稀土元素；步骤b，将所述原料依次经初炼炉、炉外精炼、锻造、热轧和冷轧工艺，得到所需规格的不锈钢板材或棒线材，在所述锻造与所述热轧之间设置第一退火工序，在所述热轧与所述冷轧之间设置第二退火工序，在所述冷轧之后设置固溶处理工序，最终得到抗菌毒奥氏体不锈钢板材或棒线材成品。所述锻造以所述炉外精炼的浇注成锭或连铸坯为原料，所述初炼炉采用电弧炉或AOD冶炼或感应炉，所述第二退火工序与所述冷轧之间设置有酸洗工序。所述固溶处理的固溶温度为1050～1100℃。
一种抗菌毒奥氏体不锈钢，其组分质量百分比为：
C≤0.03％，Si≤0.75％，Mn≤2.0％，S≤0.030％，P≤0.045％，Cr：17.5～19.5％，Ni：8.0～ 12.0％，Cu≤1.0％，N≤0.1％，Ag：0.01～0.15％，RE：0.010～0.045，其余部分为铁和不可避免的杂质；其中RE是La和Ce中的至少一种稀土元素。
作为本发明优选的技术方案，抗菌毒奥氏体不锈钢组分质量百分比为：C≤0.03％，Si ≤0.50％，Mn≤2.0％，S≤0.030％，P≤0.030％，Cr：18.0～19.0％，Ni：9.0～11.0％，Cu≤1.0％， N≤0.1％，Ag：0.01～0.15％，RE：0.010～0.045，其余部分为铁和不可避免的杂质。
一种本发明抗菌毒奥氏体不锈钢的制备方法，包括如下步骤：
a.按照如下质量百分比称量原料：C≤0.03％，Si≤0.50％，Mn≤2.0％，S≤0.030％，P ≤0.030％，Cr：18.0～19.0％，Ni：9.0～11.0％，Cu≤1.0％，N≤0.1％，Ag：0.01～0.15％，RE： 0.010～0.045，其余部分为铁和不可避免的杂质；其中RE是La和Ce中的至少一种稀土元素；
b.将在所述步骤a中取用的原料经初炼炉(电弧炉、AOD冶炼、感应炉)、炉外精炼、锻造、热轧、冷轧一系列工艺，得到所需规格的不锈钢板材、棒线材；在锻造、热轧之后分别设置退火工序，并在冷轧之后进行固溶处理，最终得到抗菌毒奥氏体不锈钢板材或棒线材成品。优选采用固溶处理时，固溶温度为1050～1100℃。
上述元素的作用及配比依据如下：
C：C是不锈钢中的主要元素之一，也是主要的奥氏体稳定化元素，但是C和Cr的亲和力很大，能与Cr形成一系列复杂的碳化物，降低奥氏体不锈钢的耐蚀性。所以本发明综合考虑，将C含量确定为0.03％。
Cr：Cr是不锈钢中最重要的合金元素，能提高腐蚀电位，降低点蚀敏感性，大幅提高不锈钢耐蚀性能。本发明中为了保证抗菌毒奥氏体不锈钢耐蚀性，同时考虑稀土对耐蚀性改善前提下，设计的Cr含量为18.0～19.0％。
Si：在钢中作为脱氧剂加入，Si元素含量增加，会增加硅酸盐类夹杂物，因此本发明中的Si含量控制在不高于0.50％。
Mn：在钢中，Mn一般作为脱氧剂加入，本发明中Mn含量控制在2.0％以下，Mn在钢中可以与S生成MnS，消除了热脆性，明显减少坯材裂纹及提高成材率，改善加工性能。
P：在钢液凝固时会形成微观偏析，然后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大。在钢中我们应该降低P的含量，本发明中P的含量控制在0.030％以下。
S：钢中不可避免的杂质元素，会与Fe形成FeS，产生热脆性，S含量越低越好，本发明控制S含量在0.020％以下。
Ag：Ag是一种重要的抗菌毒元素。在已知的具有杀菌能力的金属离子和对人体安全性来说，Ag元素表现最佳。金属元素安全性依次排列为：Ag>Co≥Ni≥Al≥Zn≥Cu＝Fe>Mn≥Sn ≥Ba≥Mg≥Ca。Ag离子可以抑制细菌呼吸或破坏病毒结构，从而杀灭菌毒。我们从抗菌毒性能和安全性两个方面综合考虑，添加Ag作为主要抗菌毒元素，本发明中添加的Ag含量为0.01～0.15％。
RE：本发明中加入的稀土元素是La和Ce中的至少一种，目的是改善夹杂物提高耐蚀性能和增加抗菌性能。钢中加入稀土能够净化钢液，它们与O、S元素生成高熔点化合物，在钢液凝固之前就以固态的形式析出，减少钢中杂质。本发明中的稀土含量控制在0.01～0.045％。
实施例一：在本实施例中，一种抗菌毒奥氏体不锈钢，其化学成分如表1所示。本实施例抗菌毒奥氏体不锈钢制备方法，包括如下步骤：
a.按照制备的具有表1成分的目标不锈钢组分质量百分比称量原料：
C:0.028％，Si:0.27％，Mn:1.17％，S:0.001％，P:0.012％，Cr:18.89％，Ni:9.25％，N:0.06％， Cu:0.023％，Ag:0.034％，La+Ce:0.016％，其余部分为铁和不可避免的杂质；
b.将在所述步骤a中取用的原料经感应熔炼、LF工艺的炉外精炼、锻造、热轧、冷轧一系列工艺，得到所需厚度的不锈钢板材；在锻造、热轧之后分别设置退火工序，冷轧之后进行1050～1100℃的固溶处理，最终得到抗菌毒奥氏体不锈钢板材成品。
实施例二：在本实施例中，一种抗菌毒奥氏体不锈钢，其化学成分如表1所示。本实施例抗菌毒奥氏体不锈钢制备方法，包括如下步骤：
a.按照制备的具有表1成分的目标不锈钢组分质量百分比称量原料：
C:0.027％，Si:0.28％，Mn:1.27％，S:0.022％，P:0.028％，Cr:18.41％，Ni:9.34％，N:0.07％， Cu:0.573％，Ag:0.10％，其余部分为铁和不可避免的杂质；
b.将在所述步骤a中取用的原料经电弧炉熔炼、AOD冶炼、LF工艺的炉外精炼、连铸坯、热轧、冷轧一系列工艺，得到所需厚度的不锈钢板材；在热轧之后分别设置退火工序，冷轧之后进行1050～1100℃的固溶处理，最终得到抗菌毒奥氏体不锈钢板材成品。
表1.实施例抗菌毒不锈钢化学成分对比表(重量％)
C Si Mn P S Cr Ni Cu N Ag RE FE
实施例一 0.028 0.27 1.17 0.012 0.001 18.89 9.25 0.023 0.06 0.034 0.016 Bal.
实施例二 0.027 0.28 1.27 0.028 0.022 18.41 9.34 0.573 0.07 0.10 - Bal.
试验测试分析：
1.抗菌性能，本发明抗菌性能的评定方法为GB/T 31402-2015的表面抗菌性能试验方法，采用不含Ag的不锈钢做对照样品进行对比。按照标准规定，将送检样和对照样都制成50 ×50mm大小的样片。
表2实施例一、二抗菌测试结果
Figure RE-GDA0003185744950000071
2.甲型H1N1流感病毒灭活性能测试：送检样制成50×50mm大小的样片。
表3实施例一、二抗病毒测试结果
Figure RE-GDA0003185744950000072
本发明上述实施例抗菌毒奥氏体不锈钢所涉及钢种的化学成分(重量％)如下所示：C ≤0.03％，Si≤0.75％，Mn≤2.0％，S≤0.030％，P≤0.045％，Cr:17.5～19.5％，Ni:8.0～12.0％， Cu≤1.0％，N≤0.1％，Ag:0.01～0.15％，RE：0.010～0.045，其余部分为铁和不可避免的杂质；其中RE是La和Ce中的至少一种稀土元素。本发明上述实施例奥氏体不锈钢在成分上添加了银元素、稀土元素，使材料在拥有抗菌毒性能的同时具有保持了奥氏体不锈钢的力学性能、耐蚀性能，能够满足市场需求，适用于休闲、厨卫、学校、医院以及其他公共设施等领域。
本发明旨在保证奥氏体不锈钢力学性能、耐蚀性能的前提下，赋予含银奥氏体不锈钢抗菌毒的特性。由于传统奥氏体不锈钢本身具备很好的耐蚀性和力学性能，所以本发明通过银多形合金化技术将Ag加入奥氏体不锈钢中，赋予奥氏体不锈钢抗菌毒性能，Ag的抗菌毒性能远优于Cu，切无须经过特殊的抗菌热处理便具备持久的抗菌毒效果。本发明中还通过稀土多形合金化技术净化钢液、改性夹杂物，提高耐蚀性和抗菌性。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (8)

1.一种抗菌毒奥氏体不锈钢，其特征在于，具有以下元素组分及其含量，所述含量以质量百分数wt％计，C≤0.03，Si≤0.75，Mn≤2.0，S≤0.030，P≤0.045，Cr＝17.5～19.5，Ni＝8.0～12.0，Cu≤1.0，N≤0.1，Ag＝0.01～0.15，RE＝0.010～0.045，其余部分为铁和不可避免的杂质，其中RE是La和Ce中的至少一种稀土元素。
2.根据权利要求1所述的抗菌毒奥氏体不锈钢，其特征在于，所述Ag为主要抗菌毒元素，所述RE为提高材料抗菌毒活性的辅助抗菌毒元素。
3.根据权利要求1所述的抗菌毒奥氏体不锈钢，其特征在于，Si≤0.50，P≤0.030，Cr＝18.0～19.0，Ni＝9.0～11.0。
4.根据权利要求1所述的抗菌毒奥氏体不锈钢，其特征在于，具有硬度指标值不大于210HV的低硬度，以及塑性指标值不小于40％的高塑性。
5.根据权利要求1所述的抗菌毒奥氏体不锈钢，其特征在于，用作休闲、厨卫、学校和/或医院处的公共设施建造材料。
6.一种抗菌毒奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a，按照配方配置原料，所述配方具有以下元素组分及其含量，所述含量以质量百分数wt％计，C≤0.03，Si≤0.75，Mn≤2.0，S≤0.030，P≤0.045，Cr＝17.5～19.5，Ni＝8.0～12.0，Cu≤1.0，N≤0.1，Ag＝0.01～0.15，RE＝0.010～0.045，其余部分为铁和不可避免的杂质，其中RE是La和Ce中的至少一种稀土元素；
步骤b，将所述原料依次经初炼炉、炉外精炼、锻造、热轧和冷轧工艺，得到所需规格的不锈钢板材或棒线材，在所述锻造与所述热轧之间设置第一退火工序，在所述热轧与所述冷轧之间设置第二退火工序，在所述冷轧之后设置固溶处理工序，最终得到抗菌毒奥氏体不锈钢板材或棒线材成品。
7.根据权利要求6所述的抗菌毒奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，所述锻造以所述炉外精炼的浇注成锭或连铸坯为原料，所述初炼炉采用电弧炉或AOD冶炼或感应炉，所述第二退火工序与所述冷轧之间设置有酸洗工序。
8.根据权利要求6所述的抗菌毒奥氏体不锈钢的制备方法，其特征在于，所述固溶处理的固溶温度为1050～1100℃。
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