CN115948635B

CN115948635B - 一种含铜抗菌不锈钢及其表面处理工艺

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Publication number: CN115948635B
Application number: CN202310221455.5A
Authority: CN
Inventors: 李怡宏; 张文杰; 任志峰; 张鹏; 何奕波
Original assignee: Taiyuan University of Science and Technology
Current assignee: Taiyuan University of Science and Technology
Priority date: 2023-03-09
Filing date: 2023-03-09
Publication date: 2023-05-09
Anticipated expiration: 2043-03-09
Also published as: CN115948635A

Abstract

本发明属于不锈钢热处理技术领域，具体为一种含铜抗菌不锈钢及其表面处理工艺，在提高不锈钢中抗菌元素Cu的含量的情况，通过调整不锈钢成分，降低富铜相向晶界渗透的可能性，并在惰性气体保护气氛下，采用感应加热方式对不锈钢表面进行处理，对不锈钢表面存在的裂纹缺陷进行修复，改善了不锈钢的耐腐蚀性能和抗菌性能，所述含铜抗菌不锈钢在质量分数为0.9%的NaCl溶液中的点蚀电位≥550V_CSE，大肠杆菌的抗菌率≥99%，通过本发明所述工艺可以获得耐腐蚀性能和抗菌性能优异的不锈钢。

Description

一种含铜抗菌不锈钢及其表面处理工艺

技术领域

本发明涉及不锈钢热处理技术领域，具体为一种含铜抗菌不锈钢及其表面处理工艺。

背景技术

具有强烈抗菌作用的Cu元素相对于Ag元素价格更低，且Cu是钢中常见的合金元素，在钢中的溶解度较高，可以在冶金制备时在较大的成分范围内平衡钢的综合性能（力学性能、耐蚀性能和抗菌性能），以满足实际使用要求，在生产制造方面具备显著优势；研究表明，在不锈钢中添加0.5~4wt%的铜元素并辅以合适的热处理工艺可以提高不锈钢的耐腐蚀性能和抗菌性能，但是当铜元素含量大于5.0wt%时，不锈钢进行热处理时会使钢材发生氧化反应，使表层的铁含量降低，铜含量因而相对增加，直至超过在铁中的溶解度，就会沿着晶界扩散形成网络状富铜相，因此将在氧化铁皮下形成一层富铜的金属层。当热处理温度超过1100℃时，这一富铜金属层将发生熔化，由于钢材热处理温度高于铜的熔点，富铜相处于熔融状态，达到一定程度时，就会导致表面开裂，形成裂纹缺陷，从而恶化不锈钢的耐腐蚀性能和抗菌性能。

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含铜抗菌不锈钢及其表面处理工艺。

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：

一种含铜抗菌不锈钢的表面处理工艺，采用感应加热方式对不锈钢表面进行处理，所述感应加热在惰性气体保护气氛下进行；

所述感应加热的参数为：感应加热频率为5~10kHz，感应加热电压为200~300V，感应加热电流为30~100A，感应加热时间为20~30min；

所述不锈钢的Cu含量为5.5~5.8wt%，B含量为0.2~0.4wt%，RE含量为0.001~0.003wt%。

作为本发明所述的一种含铜抗菌不锈钢的表面处理工艺的优选方案，其中：所述感应加热的参数为：感应加热频率为8~10kHz，感应加热电压为230~280V，感应加热电流为50~80A，感应加热时间为25~30min。

作为本发明所述的一种含铜抗菌不锈钢的表面处理工艺的优选方案，其中：所述不锈钢的Cu含量为5.5~5.7wt%，B含量为0.25~0.4wt%，RE含量为0.001~0.0025wt%。

作为本发明所述的一种含铜抗菌不锈钢的表面处理工艺的优选方案，其中：所述不锈钢的Cu含量为5.6~5.7wt%，B含量为0.30~0.35wt%，RE含量为0.0015~0.0025wt%。

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：

一种含铜抗菌不锈钢，采用上述含铜抗菌不锈钢的表面处理工艺处理得到。

作为本发明所述的一种含铜抗菌不锈钢的优选方案，其中：所述不锈钢的Cu含量为5.5~5.8wt%，B含量为0.2~0.4wt%，RE含量为0.001~0.003wt%。

作为本发明所述的一种含铜抗菌不锈钢的优选方案，其中：所述含铜抗菌不锈钢在质量分数为0.9%的NaCl溶液中的点蚀电位≥550V_CSE，大肠杆菌的抗菌率≥99%。

作为本发明所述的一种含铜抗菌不锈钢的优选方案，其中：所述含铜抗菌不锈钢在质量分数为0.9%的NaCl溶液中的点蚀电位≥570V_CSE。

本发明的有益效果如下：

本发明提出一种含铜抗菌不锈钢及其表面处理工艺，在提高不锈钢中抗菌元素Cu的含量的情况下，通过调整不锈钢成分，降低富铜相向晶界渗透的可能性，并在惰性气体保护气氛下，采用感应加热方式对不锈钢表面进行处理，对不锈钢表面存在的裂纹缺陷进行修复，改善了不锈钢的耐腐蚀性能和抗菌性能，所述含铜抗菌不锈钢在质量分数为0.9%的NaCl溶液中的点蚀电位≥550V_CSE，大肠杆菌的抗菌率≥99%，通过本发明所述工艺可以获得耐腐蚀性能和抗菌性能优异的不锈钢。

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。

本发明提供一种含铜抗菌不锈钢及其表面处理工艺，在提高不锈钢中抗菌元素Cu的含量（从现有技术中的0.5~4.0wt%提高到5.5~5.8wt%）的情况下，通过调整不锈钢成分（引入B和RE），减少裂纹缺陷产生的可能性，在不锈钢中加入0.2~0.4wt%的B元素，可在钢中生成高熔点的Fe₂B和FeB，这两种物质稳定性强，在普通热处理温度下不会被液化，阻挡了液态富铜相向晶界渗透，降低富铜相向晶界渗透的可能性；同时，在不锈钢中加入0.001~0.003wt%的具有抗菌性能的RE元素（例如Ce元素），不仅可以改善不锈钢的抗菌性能，而且可以细化富铜相，降低富铜相对不锈钢钝化膜的破坏，进一步改善不锈钢的耐腐蚀性能；本发明还在惰性气体保护气氛下，采用感应加热方式对不锈钢表面进行处理，对不锈钢表面存在的裂纹缺陷进行修复，可以获得耐腐蚀性能和抗菌性能优异的不锈钢，本发明所述含铜抗菌不锈钢可以满足日常生活、医疗等领域的要求，有稳定用于各领域的广泛前景。

根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：

具体的，感应加热频率可以为例如但不限于5kHz、5.5kHz、6kHz、6.5kHz、7kHz、7.5kHz、8kHz、8.5kHz、9kHz、9.5kHz、10kHz中的任意一者或任意两者之间的范围；感应加热电压可以为例如但不限于200V、210V、220V、230V、240V、250V、260V、270V、280V、290V、300V中的任意一者或任意两者之间的范围；感应加热电流可以为例如但不限于30A、40A、50A、60A、70A、80A、90A、100A中的任意一者或任意两者之间的范围；感应加热时间可以为例如但不限于20min、21min、22min、23min、24min、25min、26min、27min、28min、29min、30min中的任意一者或任意两者之间的范围；

具体的，所述不锈钢的Cu含量可以为例如但不限于5.5wt%、5.52wt%、5.55wt%、5.58wt%、5.6wt%、5.63wt%、5.65wt%、5.67wt%、5.7wt%、5.72wt%、5.75wt%、5.77wt%、5.8wt%中的任意一者或任意两者之间的范围；B含量可以为例如但不限于0.2wt%、0.22wt%、0.25wt%、0.27wt%、0.3wt%、0.33wt%、0.35wt%、0.38wt%、0.4wt%中的任意一者或任意两者之间的范围；RE含量可以为例如但不限于0.001wt%、0.0012wt%、0.0015wt%、0.0018wt%、0.002wt%、0.0023wt%、0.0025wt%、0.0027wt%、0.003wt%中的任意一者或任意两者之间的范围；

具体的，所述惰性气体可以为氩气等惰性气体。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：

一种含铜抗菌不锈钢，所述含铜抗菌不锈钢在质量分数为0.9%的NaCl溶液中的点蚀电位≥550V_CSE，大肠杆菌的抗菌率≥99%。

优选的，所述含铜抗菌不锈钢在质量分数为0.9%的NaCl溶液中的点蚀电位≥570V_CSE。

以下结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步说明。

本发明实施例和对比例的不锈钢的组成如表1所示。

表1 本发明实施例和对比例的不锈钢的组成（wt%）

针对本发明实施例和对比例不同组成的不锈钢，分别采用如下表面处理工艺进行处理，具体表面处理生产工艺见表2。

表2 本发明各实施例和对比例的表面处理工艺参数

对本发明各实施例和对比例的含铜抗菌不锈钢的性能进行测试，结果如表3所示。

表3 本发明各实施例和对比例的性能

由上述各实施例和对比例可以看出，在提高不锈钢中抗菌元素Cu的含量（从现有技术中的0.5~4.0wt%提高到5.5~5.8wt%）的情况下，通过调整不锈钢成分（引入B和RE），减少裂纹缺陷产生的可能性；本发明还在惰性气体保护气氛下，采用感应加热方式对不锈钢表面进行处理，通过控制感应加热工艺参数对不锈钢表面存在的裂纹缺陷进行修复，可以获得耐腐蚀性能和抗菌性能优异的不锈钢，如实施例1-3所示，所述含铜抗菌不锈钢在质量分数为0.9%的NaCl溶液中的点蚀电位≥550V_CSE，大肠杆菌的抗菌率≥99%。但是，如果仅对不锈钢的组分进行调整，而不进行表面处理（如对比例10），不锈钢的耐腐蚀性能和抗菌性能极差，无法满足基本使用需求；且在不提高Cu的含量的情况下引入B和RE（如对比例1），不锈钢的耐腐蚀性能和抗菌性能也有所改善，但无法达到本发明实施例所述效果；同时，如果不锈钢不添加B或RE（如对比例4和5）或者B或RE的含量不在本发明所述范围内（如对比例2和3），则会导致富铜相向晶界渗透，且粗大的富铜相会对不锈钢钝化膜造成破坏，引起裂纹缺陷，获得的不锈钢的耐腐蚀性能和抗菌性能欠佳；同时，本发明还根据不锈钢的组成，设计了相匹配的感应加热工艺参数，如果采用本发明感应加热工艺参数范围以外的工艺对不锈钢进行表面处理（对比例6-9），由于感应加热工艺不能提供合适的能量补充，无法实现对不锈钢表面存在的裂纹缺陷的修复，无法获得本发明所述性能的含铜抗菌不锈钢。

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

1.一种含铜抗菌不锈钢的表面处理工艺，其特征在于，采用感应加热方式对不锈钢表面进行处理，所述感应加热在惰性气体保护气氛下进行；

所述含铜抗菌不锈钢的Cu含量为5.5~5.8wt%，B含量为0.2~0.4wt%，RE含量为0.001~0.003wt%；

所述含铜抗菌不锈钢在质量分数为0.9%的NaCl溶液中的点蚀电位≥550V_CSE，大肠杆菌的抗菌率≥99%。

2.根据权利要求1所述的含铜抗菌不锈钢的表面处理工艺，其特征在于，所述感应加热的参数为：感应加热频率为8~10kHz，感应加热电压为230~280V，感应加热电流为50~80A，感应加热时间为25~30min。

3.根据权利要求1所述的含铜抗菌不锈钢的表面处理工艺，其特征在于，所述含铜抗菌不锈钢的Cu含量为5.5~5.7wt%，B含量为0.25~0.4wt%，RE含量为0.001~0.0025wt%。

4.根据权利要求1所述的含铜抗菌不锈钢的表面处理工艺，其特征在于，所述含铜抗菌不锈钢的Cu含量为5.6~5.7wt%，B含量为0.30~0.35wt%，RE含量为0.0015~0.0025wt%。

5.一种含铜抗菌不锈钢，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的含铜抗菌不锈钢的表面处理工艺处理得到。

6.根据权利要求5所述的含铜抗菌不锈钢，其特征在于，所述含铜抗菌不锈钢在质量分数为0.9%的NaCl溶液中的点蚀电位≥570V_CSE。