CN114657454B - 一种30Cr13系马氏体抗菌不锈钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种30Cr13系马氏体抗菌不锈钢及其制备方法,所述不锈钢的化学成分按重量百分数(wt.%)计组成如下:C:0.25‑0.38;Si:0.8‑1.2;Mn:0.6‑1.4;S:≤0.002;P:≤0.002;Cr:12‑15;V:0.05‑0.2;Cu:1.5‑4.5;Nd:0.05‑0.25;余量为Fe,其中V与Nd的重量比为1‑2.5。本发明创新性地将Nd元素添加到马氏体不锈钢中,提出了V/Nd比的概念,通过调控钢中V与Nd元素的含量以及相应的热处理,使稀土Nd元素在碳化物周围富集,设计出了一种具有优良抗菌及腐蚀性能的马氏体不锈钢。
Description
技术领域
本发明属于不锈钢领域,尤其涉及一种30Cr13系马氏体抗菌不锈钢及其制备方法。
背景技术
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(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。
抗菌不锈钢自20世纪90年代兴起以来,经过多年发展,开发了诸如马氏体型、铁素体型、奥氏体型及双相不锈钢型等多种抗菌不锈钢,马氏体不锈钢优异的抗菌性能广泛应用于医疗器械、制药设备、食品加工、美容美发、各类刀具等行业。马氏体抗菌不锈钢的抗菌原理为:均匀弥散分布的纳米级析出的颗粒状抗菌相从金属表面层析出后,与细菌接触,通过与细胞的作用损伤细胞膜,使细菌的蛋白质凝固或损伤其DNA、破坏细菌细胞的正常组织和繁衍的平衡,达到阻止细菌生长繁殖或消灭细菌的目的。
抗菌不锈钢首先由日本于上世纪末提出并发明。在我国,抗菌不锈钢虽然起步较晚,但迄今也已基本掌握其原理和制造技术、方法。当前,奥氏体抗菌不锈钢以及铁素体抗菌不锈钢生产技术已相对成熟。奥氏体抗菌不锈钢以及铁素体抗菌不锈钢均通过在不锈钢的生产过程中添加铜或银等抗菌合金元素,并对其进行抗菌处理,由此达到了抗菌的功效,且正逐渐为人们所接受。如:JPA平8-104952以及JPA平9-170053、CN99800249.6均提出将铜或银直接加入到不锈钢中,经过抗菌处理,最终达到持久、良好的抗菌效果;中国专利CN1498981公开的含铜铁素体抗菌不锈钢通过添加0.4~2.2重量%的铜并使其基体中均匀弥散分布着纳米级析出的抗菌相ε-Cu,从而赋予了铁素体不锈钢良好的抗菌性能。
发明内容
本发明提供了一种30Cr13系马氏体抗菌不锈钢,在马氏体不锈钢基体中添加Nd元素,通过精确调控钢中V与Nd元素的含量以及相应的热处理,能够使Nd元素包裹在碳化钒(VC)周围,从而使材料具备优异的抗菌性能。
本发明的技术方案是:
一种马氏体抗菌不锈钢,所述不锈钢的化学成分按重量百分数(wt.%)计组成如下:C:0.25-0.38;Si:0.8-1.2;Mn:0.6-1.4;S:≤0.002;P:≤0.002;Cr:12-15;V:0.05-0.2;Cu:1.5-4.5;Nd:0.05-0.25;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,V与Nd的重量比可以为1、1.2、1.3、1.44、1,5、1.556、1.58、1.6、1.7、1.8、1.888、2、2.2、2.4、2.5。当V与Nd的重量比为1-2.5时,在热处理后,可以使Nd元素包裹在碳化钒的周围,从而使材料具备优异的抗菌性能。
根据本发明的技术方案,V与Nd的重量比为V/Nd:1.1-1.8。
根据本发明的技术方案,所述不锈钢的化学成分按重量百分数(wt.%)计组成如下:C:0.27-0.35;Si:0.87-1.13;Mn:0.8-1.2;S:≤0.002;P:≤0.002;Cr:12.2-14.1;V:0.12-0.19;Cu:2.2-3.5;Nd:0.06-0.16;余量为Fe。
根据本发明的技术方案,所述不锈钢的化学成分按重量百分数(wt.%)计组成如下:C:0.27-0.35;Si:0.87-1.13;Mn:0.8-1.2;S:≤0.0015;P:≤0.0015;Cr:12.2-14.1;V:0.12-0.19;Cu:2.2-3.5;Nd:0.06-0.16;余量为Fe。
根据本申请的技术方案,所述不锈钢的厚度为4-40mm,优选为5mm。
本发明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,将各化学组分在真空感应炉中熔炼,并依次经铸造、锻造、热轧、热处理、冷轧工艺加工成型,制备不锈钢。
根据本发明的技术方案,真空感应炉的熔炼温度为1650-1750℃,熔炼时间为30-60分钟。
根据本发明的技术方案,真空感应炉的的真空度为1*10-3-2Pa。
根据本发明的技术方案,铸造的浇注温度为1680-1720℃,浇注后保温12-24h。优选地,浇注后在沙坑中保温。
根据本发明的技术方案,锻造温度不高于1000℃,保温时间2-5h,终锻温度不低于850℃。优选地,锻造温度为1000℃,保温时间2h,终锻温度为880℃。
根据本发明的技术方案,热轧温度不高于1000℃,保温时间2-5h,终轧温度不低于850℃。优选地,热轧温度为1000℃,保温时间2h,终锻温度为880℃。
根据本发明的技术方案,冷轧温度为20-200℃,时间为20-60min。
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,提出了V/Nd比的概念,通过调控钢中V与Nd元素的含量以及相应的热处理,使稀土Nd元素在碳化物周围富集,设计出了一种具有优良抗菌及腐蚀性能的马氏体不锈钢。
(2)本发明通过热处理工艺,能够使Cu元素完全固溶到基体中,并且减少一次碳化物的形成,之后回火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,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。
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和试剂均为市售商品,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:将各化学成分在真空度为2Pa真空感应炉中1650℃熔炼30min,经过铸造、锻造、热轧,其中,铸造的浇注温度为1680-1720℃,浇注后在沙坑中保温12h;锻造温度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℃。再进行热处理。热处理工艺为:在1000℃固溶处理40分钟,油冷至室温,在450℃回火处理5h。再在30℃进行冷轧30min,形成5mm厚不锈钢板材。
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.%)
(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3Cr13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=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 (14)
1.一种马氏体抗菌不锈钢,其特征在于,所述不锈钢的化学成分按重量百分数(wt.%)计组成如下:C:0.27-0.35;Si:0.87-1.13;Mn:0.8-1.2;S:≤0.002;P:≤0.002;Cr:12.2-14.1;V:0.12-0.19;Cu:2.2-3.5;Nd:0.06-0.16;余量为Fe,其中V与Nd的重量比为1.3-2.5;
马氏体抗菌不锈钢的热处理方法为: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。
2.根据权利要求1所述的马氏体抗菌不锈钢,其特征在于,V与Nd的重量比为V/Nd:1.3-1.8。
3.根据权利要求1所述的马氏体抗菌不锈钢,其特征在于,所述不锈钢的化学成分按重量百分数(wt.%)计组成如下:C:0.27-0.35;Si:0.87-1.13;Mn:0.8-1.2;S:≤0.0015;P:≤0.0015;Cr:12.2-14.1;V:0.12-0.19;Cu:2.2-3.5;Nd:0.06-0.16;余量为Fe。
4.根据权利要求1所述的马氏体抗菌不锈钢,其特征在于,所述不锈钢的厚度为4-40mm。
5.权利要求1-4任一项所述的马氏体抗菌不锈钢的制备方法,其特征在于,将各化学组分在真空感应炉中熔炼,并依次经铸造、锻造、热轧、热处理、冷轧工艺加工成型,制备不锈钢。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,真空感应炉的熔炼温度为1650-1750℃,熔炼时间为30-60分钟。
7.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,真空感应炉的真空度为1*10-3-2Pa。
8.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,铸造的浇注温度为1680-1720℃,浇注后保温12-24h。
9.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于,浇注后在沙坑中保温。
10.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,锻造温度不高于1000℃,保温时间2-5h,终锻温度不低于850℃。
11.根据权利要求10所述的制备方法,其特征在于,锻造温度为1000℃,保温时间2h,终锻温度为880℃。
12.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,热轧温度不高于1000℃,保温时间2-5h,终轧温度不低于850℃。
13.根据权利要求12所述的制备方法,其特征在于,热轧温度为1000℃,保温时间2h,终锻温度为880℃。
14.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,冷轧温度为20-200℃,时间为20-60min。
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