CN115595509A - 一种高强塑性的含铜奥氏体不锈钢及其生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料加工技术领域，具体为一种高强塑性的含铜奥氏体不锈钢及其生产工艺，冶炼铸锭过程中将奥氏体不锈钢的Cu元素的含量严格控制为3.6wt%，并经过适当的加工和热处理工艺，使含铜奥氏体不锈钢具有优良的抗菌性能，以及优异的力学性能、成型性能及耐腐蚀性能，制备得到的高强塑性的含铜奥氏体不锈钢的断后伸长率≥85%，杀菌率≥99%，腐蚀电位≥‑180mV，屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥590MPa，硬度≥195HV，便于其在家装、食品和医疗等行业中的广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料加工技术领域，具体为一种高强塑性的含铜奥氏体不锈钢及其生产工艺。
背景技术
奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性能、可加工性和装饰性，被广泛应用于家装、食品和医疗等行业中。在奥氏体不锈钢中添加适量Cu元素，可以提高钢的强度、耐蚀性、冷加工性。同时含铜奥氏体不锈钢经过特殊固溶和时效热处理后，在不锈钢基体中弥散均匀分布有球型的富铜析出相，通过点蚀释放于生理环境中，与细菌接触，起到持久的杀菌作用。
然而向奥氏体不锈钢中添加的Cu元素含量不足或Cu元素含量过量时都会影响材料的性能。Cu元素较少时，由于不锈钢表面钝化膜的阻碍作用，Cu 离子很难从不锈钢中充分析出，不能表现出抗菌性；添加过量的Cu元素会改变奥氏体不锈钢的热加工行为，同时由于Cu元素熔点较低，含铜奥氏体不锈钢表面的铁元素会优先氧化，使氧化层与不锈钢之间留下一层液态铜，液态铜会沿着晶界向基体内渗入，造成开裂现象，从而影响含铜奥氏体不锈钢的热加工性能。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提出一种高强塑性的含铜奥氏体不锈钢及其生产工艺，向奥氏体不锈钢中添加适量的Cu元素，并经过适当的热处理工艺，使含铜奥氏体不锈钢具有优良的抗菌性能，以及优异的力学性能、成型性能及耐腐蚀性能，可以满足医疗、生活日用产品中对抗菌不锈钢板材制成复杂多样的形状的特定环境要求。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种高强塑性的含铜奥氏体不锈钢的生产工艺，所述高强塑性的含铜奥氏体不锈钢的Cu含量为3.6wt%，所述生产工艺包括如下步骤：
S1.冶炼铸锭；
S2.加热保温：
对铸锭进行加热的温度为1200-1280℃，保温时间为2-3.5h；
S3.铸锭成形：
对铸锭进行热轧、切边后进行酸洗、冷轧，制备成目标厚度的不锈钢冷轧卷；
S4.热处理：
对不锈钢冷轧卷进行固溶+时效热处理，其中：
固溶温度为1030-1070℃；时效温度为780-810℃，保温时间≥5h。
作为本发明所述的一种高强塑性的含铜奥氏体不锈钢的生产工艺的优选方案，其中：所述步骤S1中，冶炼铸锭采用电渣重熔冶炼设备，浇铸成型后得到铸锭。
作为本发明所述的一种高强塑性的含铜奥氏体不锈钢的生产工艺的优选方案，其中：在进行所述步骤S2之前还进行，切除铸锭的冒口，去除铸锭表面氧化皮。
作为本发明所述的一种高强塑性的含铜奥氏体不锈钢的生产工艺的优选方案，其中：所述步骤S2中，对铸锭进行加热的温度为1250℃，保温时间为3h。
作为本发明所述的一种高强塑性的含铜奥氏体不锈钢的生产工艺的优选方案，其中：所述步骤S3中，对钢板进行切边的切边率为1%。
作为本发明所述的一种高强塑性的含铜奥氏体不锈钢的生产工艺的优选方案，其中：所述步骤S3中，不锈钢冷轧卷的厚度为0.8-1.5mm。
作为本发明所述的一种高强塑性的含铜奥氏体不锈钢的生产工艺的优选方案，其中：所述步骤S4中，固溶温度为1050℃；时效温度为800℃，保温时间≥6h。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种高强塑性的含铜奥氏体不锈钢，按重量百分比计，C：0.005%-0.010%，Si：0.4%-0.6%，Mn：1.4%-2.0%，P：0.005%-0.020%，S：0.001%-0.004%，Cr：17%-20%，Ni：7%-9%，Cu：3.6%，余量为铁和不可避免的杂质，采用上述生产工艺制备得到。
作为本发明所述的一种高强塑性的含铜奥氏体不锈钢的优选方案，其中：所述高强塑性的含铜奥氏体不锈钢组织为等轴晶状的奥氏体，晶粒尺寸为25-30µm，晶粒度为8级；组织内部弥散分布着球型富铜析出相，析出相尺寸为15-25nm。
作为本发明所述的一种高强塑性的含铜奥氏体不锈钢的优选方案，其中：所述高强塑性的含铜奥氏体不锈钢的断后伸长率≥85%，杀菌率≥99%，腐蚀电位≥-180mV，屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥590MPa，硬度≥195HV。
本发明的有益效果如下：
本发明提出一种高强塑性的含铜奥氏体不锈钢及其生产工艺，冶炼铸锭过程中将奥氏体不锈钢的Cu元素的含量严格控制为3.6wt%，并经过适当的加工和热处理工艺，使含铜奥氏体不锈钢具有优良的抗菌性能，以及优异的力学性能、成型性能及耐腐蚀性能，制备得到的高强塑性的含铜奥氏体不锈钢的断后伸长率≥85%，杀菌率≥99%，腐蚀电位≥-180mV，屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥590MPa，硬度≥195HV。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例1制备的不锈钢的析出相分布图；
图2为本发明实施例2制备的不锈钢的析出相分布图。
具体实施方式
下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种高强塑性的含铜奥氏体不锈钢及其生产工艺，制备得到的高强塑性的含铜奥氏体不锈钢的断后伸长率≥85%，杀菌率≥99%，腐蚀电位≥-180mV，屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥590MPa，硬度≥195HV。冶炼铸锭过程中将奥氏体不锈钢的Cu元素的含量严格控制为3.6wt%，并经过适当的加工和热处理工艺，使含铜奥氏体不锈钢具有优良的抗菌性能，以及优异的力学性能、成型性能及耐腐蚀性能。
在实际生活生产中，利用含铜抗菌不锈钢制成的器具大多需要通过冷加工方式成型，而现有的研究忽略了添加Cu元素后对不锈钢板材的材料加工性能的影响，这会给不锈钢板后续加工成器具带来很大困难。因此，开发具有高强塑性的抗菌不锈钢板是满足后序成型工艺的重要前提。而且针对不同的Cu元素含量，需要不同的固溶处理与时效处理方案，否则无法为实现工业化生产加工稳定的抗菌不锈钢，需优化材料在热变形过程中的热加工参数，细化晶粒组织，提高材料加工性能。本发明通过研究奥氏体不锈钢的热变形行为、表面氧化行为、热轧边裂行为、时效析出行为，分析微观组织演变和Cu元素对其性能影响，基于热效应影响，对应力-应变曲线进行温度修正，建立修正后的含铜量为3.6%的奥氏体不锈钢热变形本构方程为：
式中，
为修正后的热变形，
为比例极限，R为常数，T为温度(单位为K)。
同时，研究该材料的热加工图，结合可加工区和失稳区的微观组织，获得最佳的加工窗口，为实际生产工艺参数的确定提供理论依据。
所述高强塑性的含铜奥氏体不锈钢，按重量百分比计，C：0.005%-0.010%，Si：0.4%-0.6%，Mn：1.4%-2.0%，P：0.005%-0.020%，S：0.001%-0.004%，Cr：17%-20%，Ni：7%-9%，Cu：3.6%，余量为铁和不可避免的杂质。
奥氏体不锈钢中的主要合金元素为Cr、Ni、Mn、Si和Cu等。Cr元素是形成不锈钢表面致密氧化层的重要元素，它有效的阻隔了氧气与金属发生的氧化，提高了钢的耐腐蚀能力。Ni是扩大奥氏体区的元素，使钢在室温下形成相对稳定的奥氏体组织，Ni含量越高，可保证不锈钢更强的奥氏体结构。但Ni元素是较贵的合金元素之一，降低Ni的含量可显著降低成本。Mn元素与S元素具有较强的亲和力，易形成MnS从而降低S元素在钢中的有害作用，在冶炼过程中起到脱氧、脱硫作用。Si元素能够降低合金的层错能，促进孪晶的形成，从而改善合金的力学性能；同时Si是一种重要的耐蚀元素，Si的加入可显著提高钢的抗氧化性和耐高温腐蚀性。Cu元素的加入有利于提高钢的强度、耐磨性等，析出的富铜相可以提高材料的抗菌性能。但过量的Cu元素易发生铜脆现象，恶化材料的加工性能，过低的Cu含量会减弱不锈钢的抗菌效果。综合考虑控制Cu含量为3.6wt%，以确保在成型性、耐腐蚀性和抗菌性能之间存在平衡。所述高强塑性的含铜奥氏体不锈钢组织为等轴晶状的奥氏体，晶粒尺寸为25-30µm，晶粒度为8级；组织内部弥散分布着球型富铜析出相，析出相尺寸为15-25nm；所述高强塑性的含铜奥氏体不锈钢的断后伸长率≥85%，杀菌率≥99%，腐蚀电位≥-180mV，屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥590MPa，硬度≥195HV。
所述高强塑性的含铜奥氏体不锈钢的生产工艺，采用上述生产工艺制备得到。所述生产工艺包括如下步骤：
S1.冶炼铸锭：
冶炼铸锭采用电渣重熔冶炼设备，浇铸成型后得到铸锭；切除铸锭的冒口，去除铸锭表面氧化皮。
S2.加热保温：
对铸锭进行加热的温度为1200-1280℃，保温时间为2-3.5h；具体的，所述对铸锭进行加热的温度可以为例如但不限于1200℃、1210℃、1220℃、1230℃、1240℃、1250℃、1260℃、1270℃、1280℃中的任意一者或任意两者之间的范围；保温时间为例如但不限于2h、2.5h、3h、3.5h中的任意一者或任意两者之间的范围。
S3.铸锭成形：
对铸锭进行热轧、切边后进行酸洗、冷轧，制备成目标厚度的不锈钢冷轧卷；对钢板进行切边的切边率为1%；不锈钢冷轧卷的厚度为0.8-1.5mm；具体的，所述不锈钢冷轧卷的厚度为例如但不限于0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm中的任意一者或任意两者之间的范围。
S4.热处理：
对不锈钢冷轧卷进行固溶+时效热处理，其中：
固溶温度为1030-1070℃；时效温度为780-810℃，保温时间≥5h。
具体的，所述固溶温度为例如但不限于1030℃、1040℃、1050℃、1060℃、1070℃中的任意一者或任意两者之间的范围；所述时效温度为例如但不限于780℃、790℃、795℃、800℃、805℃、810℃中的任意一者或任意两者之间的范围；保温时间为例如但不限于≥5h、≥6h、≥7h、≥8h、≥9h、≥10h中的任意一者。
针对含Cu量为3.6wt%的奥氏体不锈钢，设计了上述加工和热处理方案。高铜含量材料为富铜相的析出提供了较高的过饱度和驱动力，能够促使C和Cr元素形成碳化物Cr23C6，Cr含量的减少降低了Cr2O3钝化膜的形成，从而削弱了钝化膜的保护能力，局部发生点蚀，使铜离子释放，起到杀菌作用。经过固溶处理，能短时间内从过饱和的基体内析出大量微小富铜相，表现出优良的抗菌性能。固溶处理后，钢中会有大量缺陷，最初的析出阶段，含铜析出相易发生在具有高能量的缺陷处，造成团簇，使不锈钢的硬度升高。当保温时间增加时，富铜相体积分数逐渐减小。随着富铜相的缓慢长大，硬度到达一定值后，趋于稳定。时效时间继续增加会导致，材料内部富铜相长大且间距变大，宏观上表现为硬度降低，本发明中时效处理，使得含铜量为3.6wt%的奥氏体不锈钢硬度达到最大值。
以下结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步说明。
实施例1
一种高强塑性的含铜奥氏体不锈钢，按重量百分比计，包含：C：0.007%，Si：0.49%，Mn：1.54%，P：0.013%，S：0.001%，Cr：17.91%，Ni：8.72%，Cu：3.6%，余量为铁和不可避免的杂质。其生产工艺包括如下步骤：
S1.冶炼铸锭：冶炼铸锭采用电渣重熔冶炼设备，浇铸成型后得到铸锭；切除铸锭的冒口，去除铸锭表面氧化皮。
S2.加热保温：对铸锭进行加热的温度为1250℃，保温时间为3h。
S3.铸锭成形：对铸锭进行热轧、切边后进行酸洗、冷轧，制备成目标厚度的不锈钢冷轧卷；对钢板进行切边的切边率为1%；不锈钢冷轧卷的厚度为1.0mm；
S4.热处理：对不锈钢冷轧卷进行固溶+时效热处理，其中：
固溶温度为1050℃；时效温度为800℃，保温时间6h。
根据标准（YB/T4171-2008含铜不锈钢），对实施例1的不锈钢的综合性能进行评价，包括：微观组织、力学性能、成型性能、耐腐蚀性能和抗菌性能。
（1）微观组织
不锈钢组织为等轴晶状的奥氏体，分布均匀，尺寸平均大约26µm左右，晶粒度达到8级。材料内部弥散分布着球型富铜析出相（如图1中的黑点，白点为减薄过程中打掉的富铜析出相的位置），尺寸约为22.5nm，一些析出相合并长大。
（2）力学性能
拉伸试样按照国标GB/T228.1-2010室温拉伸实验方法进行加工。实验含铜不锈钢断后伸长率高达86.31%，表现出较强的塑性；相应的屈服强度和抗拉强度值分别为408.59MPa和593.7MPa，其值均高于行标YB/T4171-2008含铜抗菌不锈钢的力学性能要求；测得不锈钢的硬度为199.5HV。拉伸后的试样断口无明显颈缩，试样断面平整、规则，如刀锋，断口与拉伸方向呈45°开裂。断口大部分区域有大量韧窝。均匀分布的韧窝呈密小而浅显，且韧窝壁光滑，表现为韧性断裂模式。试样中心局部区域，断口呈现河流状，并含有少量韧窝，为脆性断裂及韧性断裂的混合断裂模式。
（3）成型性能
杯突值为 12.78mm，具有良好的成型性
（4）耐腐蚀性能
根据实施例1试制的不锈钢在0.9%的NaCl溶液中测试的电化学极化曲线，实验结果显示腐蚀电位为-176.11mV。相比奥氏体不锈钢在普通状态下的腐蚀电位，3.6%含铜量的奥氏体不锈钢经过800℃时效 6h后的腐蚀电位其值较小，因此具有良好的耐腐蚀性。
（5）抗菌性能
通过统计抗菌实验后金黄色葡萄球菌菌落数，含铜量为3.6%的奥氏体不锈钢在800℃时效6h后，细菌菌落数明显减少，这是由于富铜相在不锈钢表面析出，使铜离子从钢中溶解出来，与钢表面的细菌接触，并杀死细菌。
实施例2
与实施例1相比，实施例2的不同在于不锈钢成分为：按重量百分比计，包含：C：0.009%，Si：0.4%，Mn：1.58%，P：0.011%，S：0.001%，Cr：17.90%，Ni：8.8%，Cu：3.60%，余量为铁和不可避免的杂质。其生产工艺包括如下步骤：
S1.冶炼铸锭：冶炼铸锭采用电渣重熔冶炼设备，浇铸成型后得到铸锭；切除铸锭的冒口，去除铸锭表面氧化皮。
S2.加热保温：对铸锭进行加热的温度为1250℃，保温时间为3h。
S3.铸锭成形：对铸锭进行热轧、切边后进行酸洗、冷轧，制备成目标厚度的不锈钢冷轧卷；对钢板进行切边的切边率为1%；不锈钢冷轧卷的厚度为1.0mm；
S4.热处理：对不锈钢冷轧卷进行固溶+时效热处理，其中：
固溶温度为1050℃；时效温度为800℃，保温时间为6h。
根据标准（YB/T4171-2008含铜不锈钢），对实施例2的不锈钢的综合性能进行评价，包括：微观组织、力学性能、成型性能、耐腐蚀性能和抗菌性能。
（1）微观组织（如图2所示）
不锈钢组织为等轴晶状的奥氏体，分布均匀，尺寸平均大约27µm左右，晶粒度达到8级。材料内部弥散分布着球型富铜析出相，尺寸约为19.5nm，一些析出相合并长大。
（2）力学性能
拉伸试样按照国标GB/T228.1-2010室温拉伸实验方法进行加工。实验含铜不锈钢断后伸长率为86.01%，表现出较强的塑性；相应的屈服强度和抗拉强度值分别为402.51MPa和590.8MPa；测得不锈钢的硬度为196.4HV。
（3）成型性能
杯突值为 12.80mm，具有良好的成型性
（4）耐腐蚀性能
根据实施例2试制的不锈钢在0.9%的NaCl溶液中测试的电化学极化曲线，实验结果显示腐蚀电位为-175.12mV。
（5）抗菌性能
通过统计抗菌实验后金黄色葡萄球菌菌落数，含铜量为3.6%的奥氏体不锈钢在800℃时效6h后，细菌菌落数明显减少，抗菌率高达99%。
对比例1-3
对比例1
本对比例的奥氏体抗菌不锈钢，按其化学组成以重量百分比计为：C：0.07%，Cr：17.53%，Ni：8.87%，Mn：1.38%，Si：0.62%，S：0.01%，P：0.01%，Ag：0.04%，Cu：1.5%，B 0.005%，其余为Fe。配料时在304奥氏体不锈钢的基础上按以上成分比例加入Ag，Cu和B，其中B以NiB中间合金加入，在真空电弧炉中熔炼。将浇注出的钢锭在1000℃进行热轧、然后进行抗菌热处理：1050℃固溶，700℃时效10h，最后冷轧、酸洗，得到奥氏体抗菌不锈钢板，进行与实施例1、2相同的性能测试试验。
对比例2
本对比例的不锈钢，按其化学组成以重量百分比计为：C：0.02%，Cr：17.69%，Ni：9.26%，Mn：1.42%，Si：0.48%，S：0.02%，P：0.015%，La：0.08，Cu：3.66%，其余为Fe。该不锈钢具有抗菌性能的同时具备耐蚀性能，利用真空感应冶炼炉进行该对比例不锈钢的冶炼，具体过程为：将合金成分依次加入到真空感应冶炼炉中，1480℃精炼20分钟后，进行磁力搅拌后浇铸成铸锭；经过1150℃保温2小时均匀化退火后，锻造成块状试样；在1040℃保温0.5h，使钢中的铜、氮和稀土元素能充分固溶于基体中；空冷或水冷至室温后,使钢中的铜处于过饱和状态；在700℃保温2h，使过饱和的铜从钢中析出足够量的富铜相；空冷或水冷至室温。去除氧化皮后，进行与实施例1、2相同的性能测试试验。
对比例3
本对比例提供了一种无需时效处理的奥氏体抗菌不锈钢，通过精确调控不锈钢中Cu元素与Ni元素的含量，使材料在满足力学性能及耐蚀性能的基本要求基础上，无需时效热处理就能够使材料具有优异的抗菌性能。本对比制备不锈钢，按其化学组成以重量百分比计为：C：0.027%，Cr：17.6%，Ni：7.0%，Mn：0.7%，Si：0.37%，S：0.01%，P：0.01%，Cu：3.3%，其余为Fe，其中Cu/Ni为0.471。根据本对比例化学成分范围进行控制冶炼范围进行控制冶炼，模铸成锭，经过热锻，热轧制成板材。再进行固溶处理，固溶温度为1030℃，固溶时间为30min。去除氧化皮后，进行与实施例1、2相同的性能测试试验。
下表为本发明实施例与对比例以及304L不锈钢的测试结果对比情况。
通过以上分析可知，本发明实施例制备的不锈钢的抗菌性能以及耐蚀性能均满足抗菌不锈钢性能要求，除此以外，本发明优点在于不锈钢的屈服强度与抗拉强度较高，同时具有较高的延伸率，有助于板材的加工成型。本发明的实施例结果表明，只有添加适量的Cu元素，以及与Cu元素含量匹配的热加工和热处理工艺，才能使奥氏体不锈钢同时具备优异的抗菌功能和以及优良的组织性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种高强塑性的含铜奥氏体不锈钢的生产工艺，其特征在于，所述高强塑性的含铜奥氏体不锈钢的Cu含量为3.6wt%，所述生产工艺包括如下步骤：
S1.冶炼铸锭；
S2.加热保温：
对铸锭进行加热的温度为1200-1280℃，保温时间为2-3.5h；
S3.铸锭成形：
对铸锭进行热轧、切边后进行酸洗、冷轧，制备成目标厚度的不锈钢冷轧卷；
S4.热处理：
对不锈钢冷轧卷进行固溶+时效热处理，其中：
固溶温度为1030-1070℃；时效温度为780-810℃，保温时间≥5h。
2.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述步骤S1中，冶炼铸锭采用电渣重熔冶炼设备，浇铸成型后得到铸锭。
3.根据权利要求2所述的生产工艺，其特征在于，在进行所述步骤S2之前还进行，切除铸锭的冒口，去除铸锭表面氧化皮。
4.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述步骤S2中，对铸锭进行加热的温度为1250℃，保温时间为3h。
5.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述步骤S3中，对钢板进行切边的切边率为1%。
6.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述步骤S3中，不锈钢冷轧卷的厚度为0.8-1.5mm。
7.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于，所述步骤S4中，固溶温度为1050℃；时效温度为800℃，保温时间≥6h。
8.一种高强塑性的含铜奥氏体不锈钢，其特征在于，按重量百分比计，C：0.005%-0.010%，Si：0.4%-0.6%，Mn：1.4%-2.0%，P：0.005%-0.020%，S：0.001%-0.004%，Cr：17%-20%，Ni：7%-9%，Cu：3.6%，余量为铁和不可避免的杂质，采用权利要求1-7任一项所述生产工艺制备得到，所述不锈钢的组织为等轴晶状的奥氏体，晶粒尺寸为25-30µm，晶粒度为8级；组织内部弥散分布着球型富铜析出相，析出相尺寸为15-25nm。
9.根据权利要求8所述的不锈钢，其特征在于，所述不锈钢的断后伸长率≥85%，杀菌率≥99%，腐蚀电位≥-180mV，屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥590MPa，硬度≥195HV。
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