CN114657440A - 一种马氏体抗菌不锈钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种马氏体抗菌不锈钢及其制备方法,该不锈钢的化学组分按重量百分数(wt.%)计组成如下:C:0.45‑0.95;Si:0.8‑1.2;Mn:0.8‑1.2;S:≤0.02;P:≤0.02;Cr:14.0‑19.0;Mo:0.5‑1.3;V:0.08‑0.2;Cu:1.5‑2.5;Nd:0.05‑0.15;余量为Fe,其中V与Nd的重量比为1‑2.5。本发明通过对不锈钢进行热处理,能够使Cu元素完全固溶到基体中,减少一次碳化物的形成,回火过程处理不仅能使处于过饱和状态的Cu元素以第二相的形式析出,还能够在基体中形成弥散均匀分布的碳化钒等碳化物,此外,回火过程能够使稀土Nd元素优先在碳化钒周围聚集,从而赋予材料优异的抗菌性能。
Description
技术领域
本发明属于不锈钢技术领域,尤其涉及一种马氏体抗菌不锈钢及其制备方法。
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,抗菌材料也因此受到了越来越多研究者的关注。抗菌不锈钢也正是在这种大背景下被研发出来。抗菌不锈钢是指在现有不锈钢的基体中添加具有抗菌作用的金属元素,如铜(Cu)、银(Ag)及稀土元素(如RE)等,通过特殊的热处理操作使材料获得兼具优良抗菌性能及良好力学、耐蚀性能的新型钢铁材料。由于其优异的性能,抗菌不锈钢的研发及应用也受到越来越多研究者的关注。
现阶段对于抗菌不锈钢,其主要思路为在不锈钢基体中添加具有杀菌作用的Cu和Ag等元素。如专利CN1272889A公开了一种含有银元素的抗菌不锈钢;专利CN02144683.0研究了在不锈钢基体中添加一定量的Cu元素,通过相应的热处理使不锈钢基体中弥散析出大量的富铜相,从而赋予不锈钢优异的抗菌性能;申请号为CN200510013238.9的专利中,在奥氏体不锈钢中同时添加了Ag和Cu元素,通过Ag和Cu元素的协同杀菌作用,从而使材料具有一定的杀菌功能。然而,在制备不锈钢过程中,会有一定量的碳化物生成,影响抗菌金属相的析出效果,对不锈钢的抗菌性能有一定的影响,同时影响抗菌不锈钢的耐腐蚀性能,从而影响其重金属离子的溶出性能。
发明内容
为了改善上述技术问题,本发明提供一种马氏体抗菌不锈钢,该不锈钢的化学组分按重量百分数(wt.%)计组成如下:C:0.45-0.95;Si:0.8-1.2;Mn:0.8-1.2;S:≤0.02;P:≤0.02;Cr:14.0-19.0;Mo:0.5-1.3;V:0.08-0.2;Cu:1.5-2.5;Nd:0.05-0.15;余量为Fe,其中V与Nd的重量比为1-2.5。
根据本发明的技术方案,该不锈钢的化学组分按重量百分数(wt.%)计组成如下:C:0.45-0.91;Si:0.8-1.0;Mn:0.8-1.1;S:≤0.01;P:≤0.01;Cr:14.1-18.8;Mo:0.5-1.3;V:0.08-0.18;Cu:1.5-2.5;Nd:0.05-0.15;余量为Fe。
根据本发明的技术方案,该不锈钢的化学组分按重量百分数(wt.%)计组成如下:C:0.45-0.91;Si:0.8-1.0;Mn:0.8-1.1;S:0.005-0.01;P:0.004-0.01;Cr:14.1-18.8;Mo:0.5-1.3;V:0.08-0.18;Cu:1.5-2.5;Nd:0.05-0.15;余量为Fe。
根据本发明的技术方案,V与Nd的重量比为1.2-1.8;例如可以为1.2、1.334、1.462、1.5、1.545、1.6、1.625、1.875、2.2、2.5。当V与Nd的重量比为1-2.5时,使Nd元素包裹在碳化钒的周围,使材料具备优异的抗菌性能和耐蚀性能。
本发明还提供了上述马氏体抗菌不锈钢的热处理方法,包括以下步骤:在920-1020℃固溶热处理0.5-1h,油冷至室温,然后在400-500℃回火处理3-6h,空冷至室温。
本发明还提供了上述马氏体抗菌不锈钢的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)按比例将C、Si、Mn、S、P、Cr、Mo、V、Cu、Nd、Fe混合均匀制备成钢锭;
(2)制备坯料:将钢锭于900-1000℃均匀化处理1-3小时,并经过热锻、热轧,制备坯料;其中,终锻温度不低于800℃;
(3)热处理:将步骤(2)的坯料在920-1020℃固溶处理0.5-1h,油冷至室温;然后,在400-500℃回火处理3-6h,空冷至室温,得到抗菌不锈钢。
根据本发明的技术方案,步骤(2)中的热锻温度不高于1000℃,保温时间2-5h,终锻温度不低于850℃。
根据本发明的技术方案,步骤(2)中的热轧温度不高于1000℃,保温时间2-5h,终轧温度不低于850℃。
本发明的有益效果是:
(1)本发明创新性地将Nd元素添加到马氏体不锈钢中,通过调整V/Nd的重量比使Nd元素包裹在碳化钒的周围,使材料具备优异的抗菌性能和耐蚀性能。
(2)本发明通过对不锈钢进行热处理,能够使Cu元素完全固溶到基体中,减少一次碳化物的形成,回火过程处理不仅能使处于过饱和状态的Cu元素以第二相的形式析出,还能够在基体中形成弥散均匀分布的碳化钒等碳化物,此外,回火过程能够使稀土Nd元素优先在碳化钒周围聚集,从而赋予材料优异的抗菌性能。
(3)本发明的马氏体不锈钢中含有Mo元素,Mo元素的加入可增加回火稳定性和强化二次硬化效应,可增加马氏体抗菌不锈钢的硬度和韧性,此外,Mo的添加还能够提高耐蚀能力,降低高C和Cu添加导致耐蚀性能下降的影响。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的组合物及其制备方法做更进一步的详细说明。应当理解,下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明,而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
除非另有说明,以下实施例中使用的原料均为市售商品,或者可以通过已知方法制备。
实施例
实施例1-8为具有抗菌性能的马氏体抗菌不锈钢,其化学成分见表1。上述马氏体抗菌不锈钢的制备方法为:将各化学组分在真空感应炉中熔炼,并经过热锻、热轧成5mm厚板材。其中,热锻及热轧的工艺参数为:热锻温度1000℃,保温时间2h,终锻温度880℃;热轧温度1000℃,保温时间2h,终轧温度880℃。之后对板材进行热处理,具体地,在1000℃固溶处理40分钟,油冷至室温,然后在450℃回火处理5h,空冷至室温,得到抗菌不锈钢。
对比例
对比例1-3为普通马氏体不锈钢,其化学成分见表1,具体处理工艺与实施例相同。
表1实施例和对比例材料化学成分(wt.%)
材料 | C | Si | Mn | Cr | Cu | Mo | V | Nd | S | P | V/Nd |
实施例1 | 0.45 | 0.95 | 0.99 | 14.1 | 2.4 | 0.5 | 0.08 | 0.05 | 0.005 | 0.005 | 1.6 |
实施例2 | 0.52 | 0.98 | 0.89 | 14.7 | 2.1 | 0.7 | 0.11 | 0.08 | 0.006 | 0.004 | 1.375 |
实施例3 | 0.57 | 0.97 | 0.98 | 14.9 | 2.5 | 0.9 | 0.13 | 0.1 | 0.005 | 0.006 | 1.30 |
实施例4 | 0.58 | 0.85 | 1.00 | 15.8 | 2.2 | 1.0 | 0.15 | 0.15 | 0.007 | 0.005 | 1.00 |
实施例5 | 0.70 | 0.82 | 1.00 | 16.8 | 1.9 | 1.2 | 0.17 | 0.11 | 0.005 | 0.008 | 1.545 |
实施例6 | 0.79 | 0.99 | 0.98 | 17.2 | 2.3 | 1.3 | 0.2 | 0.1 | 0.008 | 0.006 | 2.0 |
实施例7 | 0.91 | 0.92 | 0.89 | 18.8 | 2.2 | 1.1 | 0.13 | 0.08 | 0.007 | 0.005 | 1.625 |
实施例8 | 0.64 | 0.86 | 0.85 | 16.9 | 1.5 | 1.1 | 0.13 | 0.07 | 0.007 | 0.008 | 1.857 |
对比例1 | 0.49 | 0.91 | 0.81 | 13.2 | 1.5 | 1.2 | 0.15 | - | 0.005 | 0.005 | - |
对比例2 | 0.55 | 0.91 | 0.91 | 15.8 | 2.1 | 1.2 | 0.2 | 0.05 | 0.006 | 0.009 | 4.0 |
对比例3 | 0.91 | 0.85 | 0.82 | 17.1 | 2.2 | 1.0 | 0.1 | 0.15 | 0.004 | 0.009 | 0.667 |
(1)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,并选择细菌浓度为106CFU/mL,定量测试了表1所示成分金属对常见感染细菌(如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌)作用后的杀菌率。
其中杀菌率的计算公式为:杀菌率(%)=[(对照样品活菌数-马氏体抗菌不锈钢活菌数)/对照样品活菌数]×100%,对照样品活菌数是普通5Cr15MoV不锈钢样品上进行细菌培养后的活菌数,马氏体抗菌不锈钢活菌数是指热处理后的马氏体抗菌不锈钢进行细菌培养后的活菌数。对大肠杆菌抗菌性能检测结果见表2。
(2)耐腐蚀性能检测
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金属进行阳极极化曲线测试,扫描速率为0.33mv/s,电解质溶液为3.5%NaCl溶液,测试结果见表2。
表2实施例和对比例金属的性能测试结果
从表2试验结果可见,本发明实施例1-8的马氏体抗菌不锈钢表现出优异的抗菌性能,并且具有优良的耐点蚀性能。
V/Nd比的大小是本发明保持各项优异性能的关键所在,当V/Nd为1-2.5时(如实施例1-8),材料具有优异的抗菌性能;当V/Nd>2.5时(如对比例2),材料不具备强烈的抗菌性能;当V/Nd<1时(如对比例3),材料虽具有优良的抗菌性能,但其耐蚀性能却大幅下降。以上分析可知,通过调控材料中V/Nd重量比的大小,在不大幅度损失材料的耐蚀性能前提下,能够赋予材料优异的抗菌性能。
以上,对本发明的实施方式进行了说明。但是,本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种马氏体抗菌不锈钢,其特征在于,该不锈钢的化学组分按重量百分数(wt.%)计组成如下:C:0.45-0.95;Si:0.8-1.2;Mn:0.8-1.2;S:≤0.02;P:≤0.02;Cr:14.0-19.0;Mo:0.5-1.3;V:0.08-0.2;Cu:1.5-2.5;Nd:0.05-0.15;余量为Fe,其中V与Nd的重量比为1-2.5。
2.根据权利要求1所述的马氏体抗菌不锈钢,其特征在于,该不锈钢的化学组分按重量百分数(wt.%)计组成如下:C:0.45-0.91;Si:0.8-1.0;Mn:0.8-1.1;S:≤0.01;P:≤0.01;Cr:14.1-18.8;Mo:0.5-1.3;V:0.08-0.18;Cu:1.5-2.5;Nd:0.05-0.15;余量为Fe。
3.根据权利要求1或2所述的马氏体抗菌不锈钢,其特征在于,该不锈钢的化学组分按重量百分数(wt.%)计组成如下:C:0.45-0.91;Si:0.8-1.0;Mn:0.8-1.1;S:0.005-0.01;P:0.004-0.01;Cr:14.1-18.8;Mo:0.5-1.3;V:0.08-0.18;Cu:1.5-2.5;Nd:0.05-0.15;余量为Fe。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的马氏体抗菌不锈钢,其特征在于,V与Nd的重量比为1.2-1.8。
5.权利要求1-4中任一项所述的马氏体抗菌不锈钢的热处理方法,其特征在于,包括以下步骤:在920-1020℃固溶热处理0.5-1h,油冷至室温,然后在400-500℃回火处理3-6h,空冷至室温。
6.权利要求1-4中任一项所述的马氏体抗菌不锈钢的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)按比例将C、Si、Mn、S、P、Cr、Mo、V、Cu、Nd、Fe混合均匀制备成钢锭;
(2)制备坯料:将钢锭于900-1000℃均匀化处理1-3小时,并经过热锻、热轧,制备坯料;其中,终锻温度不低于800℃;
(3)热处理:将步骤(2)的坯料在920-1020℃固溶处理0.5-1h,油冷至室温;然后在400-500℃回火处理3-6h,空冷至室温,得到抗菌不锈钢。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中的热锻温度不高于1000℃,保温时间2-5h,终锻温度不低于850℃。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中的热轧温度不高于1000℃,保温时间2-5h,终轧温度不低于850℃。
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