專利名稱：提高普通鋼抗菌防銹性能的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種金屬材料技術領域的表面處理的方法，具體是一種提高普通鋼抗菌防銹性能的方法。
背景技術：
普通鋼在機械制造和建筑等諸多領域中廣泛應用，是工程中用量最大、最重要的金屬材料。但是普通鋼在實際應用過程中容易銹蝕并且銹蝕不斷擴大，甚至形成孔洞，造成斷裂，這是普通碳鋼在其應用中亟待解決的主要問題之一。另外，普通碳鋼處在一定的酸堿性環(huán)境中，容易在其表面形成微電池，從而發(fā)生電化學腐蝕?？傊?，普通碳鋼的銹蝕一直是制約其應用的瓶頸之一。目前在許多領域中，常常不得不用不銹鋼來代替普通鋼。然而不銹鋼價格相對較高，普通鋼卻有著冶煉方便、加工容易和成本低等多方面優(yōu)勢。因此，對普通鋼的改性有很大的市場價值和實用意義。同時，隨著生活水平的不斷提高，人們日益重視自身健康的保護，而病菌是使人致病的主要因素之一，故在許多領域中，尤其是食品行業(yè)和兒童玩具行業(yè)，都對材料的環(huán)保性和抗菌性提出了更高要求。而普通碳鋼對于許多病菌不具有抗菌性能。
經(jīng)對現(xiàn)有技術文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，發(fā)明專利公開號CN 1508288A，發(fā)明人傅綺君，專利名稱“一種鋼鐵表面防銹除銹液”，公開了一種新型的具有防銹性能好、除銹能力強的鋼鐵表面防銹除銹液，可以噴、涂、浸漬在鋼鐵材料的表面上，在產(chǎn)生除銹作用的同時，將銹蝕轉化成致密的防銹膜。然而，上述專利的缺陷是采用的是一般的噴涂或浸漬工藝，故生成的保護膜與基體的結合力較弱，易脫落，易磨蝕；同時，該發(fā)明產(chǎn)品無法提高普通鋼的抗菌性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種提高普通鋼抗菌防銹性能的方法。采用在普通碳鋼進行離子鍍與離子注入相結合的復合表面改性工藝，從而提高普通碳鋼抗菌防銹性能。
本發(fā)明是通過如下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明具體包括如下步驟步驟一取普通碳鋼，對其表面進行研磨，鏡面拋光，再用去離子水和有機液進行表面清洗，烘干，選擇離子鍍參數(shù)，在普通碳鋼表面沉積Cr-Ni膜。此步驟使普通鋼具有防銹性能。
步驟二以離子鍍膜后的普通碳鋼為基體，利用金屬棒作為靶源，在真空度8×10-4-3×10-3Pa，加速電壓30kV-50kV，注入劑量為3×1017-7×1017ions/cm2(離子數(shù)/厘米2)的條件下，在離子注入復合鍍膜設備(參見公告號為CN 1206386C的中國專利)上對普通碳鋼表面注入金屬離子。此步驟使普通鋼具有抗菌性能。
步驟一中，所述的有機液是指丙酮或無水乙醇。
步驟一中，所述的選擇適當?shù)碾x子鍍參數(shù)，其參數(shù)范圍是工作氣壓5×10-2-2×10-1Pa；負偏壓150V-200V；弧電流100A-120A。
所述的普通碳鋼樣品表面沉積Cr-Ni膜，是指Cr與Ni的混合金屬離子。
所述的Cr-Ni膜，其厚度為1.5μm-3.0μm。
步驟二中，所述的金屬棒，是指Cu金屬棒或Ag金屬棒。
步驟二中，所述注入金屬離子，是指Cu或Ag或Cu與Ag的混合離子。
本發(fā)明中所述的離子注入復合鍍膜設備，其結構為氣體離子源、金屬離子源、直流磁控濺射靶源、中頻脈沖磁控濺射靶源和兩套直流磁過濾電弧離子鍍源等六個源頭共用一個真空室，并固定在復合鍍膜機的外殼上，氣體離子源垂直位于真空室上部的正中，金屬離子源位于氣體離子源的一側，斜插于真空室上部，直流磁控濺射靶源和中頻磁控濺射靶源、兩個直流磁過濾電弧離子鍍源則分布在二條對角線上，并位于真空室兩側偏上部位，六個源頭的中心線匯聚在多用樣品臺工件上，真空抽氣系統(tǒng)與真空室連接。(參見公告號為CN 1206386C的中國專利)。該設備的功用為該設備集幾種材料表面改性技術于一體，除可用來對材料進行離子注入外，還可用于磁控濺射，也可用于多弧離子鍍膜。
在普通鋼表面離子鍍鉻鎳防護層，因鎳與鉻均具有很好的防銹抗氧化性質，從而提高了普通碳鋼的防銹性能。采用離子注入的方法將銅或銀注入到上述離子鍍后的普通鋼樣品表面。眾所周知，銀是目前金屬中最好的抗菌劑；銅也具有優(yōu)良的抗菌性能，如對金黃色葡萄球菌、埃希氏大腸桿菌、綠膿桿菌和白色念珠菌等的抑菌率可達99.99％。這樣分布于普通碳鋼鍍層的銅離子就使得此普通碳鋼具有抗菌性，且隨著普通碳鋼工件的表面磨損，銅離子會遵循擴散原理向普通碳鋼的內層擴散，從而保證其表面的銅離子濃度，保持工件的抗菌性能。本發(fā)明通過離子鍍和離子注入的復合表面改性技術，成功實現(xiàn)在增強普通鋼的防銹抗蝕性能的同時，提高其抗菌性能。本發(fā)明的提出對擴大普通碳鋼的應用范圍有著非常重要的意義，同時又可以推動抗菌材料業(yè)的發(fā)展。
其一，本發(fā)明真空電弧離子鍍主要有如下優(yōu)點(1)能夠同時提供多金屬元素沉積，也可沉積單金屬元素；(2)膜層與基體附著強度高；(3)沉積成膜速率高；(4)真空電弧離子鍍設備與其他物理氣相沉積設備相比，簡單且成本低。離子鍍是工件帶負偏壓，其沉積過程在低氣壓氣體放電等離子體中進行的鍍膜技術，真空電弧離子鍍是其中較常用的一種。
其二，本發(fā)明離子注入有如下優(yōu)點離子注入也是一種材料表面改性高技術，注入元素的原子是分散停留在集體內部，沒有界面，故其改性層與基體之間結合強度非常高，附著性好。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明中所形成的普通鋼的表面保護膜具有更強的膜基結合力，且經(jīng)改性后的普通鋼也具有抗菌性能。離子注入是一種純凈的無公害的材料表面改性新技術，與其他改性技術相比，此技術有著更強的環(huán)保性。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例1本實施例1是在以下實施條件和技術要求條件下實施的樣品為普通鋼，樣品表面進行研磨，并鏡面拋光。離子鍍前，再用去離子水和無水乙醇對樣品表面進行清洗，并烘干，在普通碳鋼表面沉積得一層1.5-1.8μm的Cr-Ni膜。之后，利用金屬棒作為靶源，在離子注入復合鍍膜設備(授權公告號CN 1206386C)上對普通碳鋼表面注入金屬離子。
其一，離子鍍參數(shù)如下元素Ni-Cr；工作氣壓5×10-8×10-2Pa；負偏壓150-180V；弧電流100-110A；其二，離子注入?yún)?shù)如下注入元素Cu；真空度1×10-3×10-3Pa；加速電壓30-35kV；注入劑量3×1017-5×1017ions/cm2(離子數(shù)/厘米2)。
注入后普通碳鋼的耐銹蝕性能明顯增強，對金黃色葡萄球菌、埃希氏大腸桿菌殺菌率達到80％實施例2本實施例2是在以下實施條件和技術要求條件下實施的取普通鋼產(chǎn)品，表面進行研磨，并鏡面拋光。離子鍍前，再用去離子水和丙酮對產(chǎn)品表面進行清洗，并低溫烘干，在普通碳鋼表面沉積得一層2.5～3.0μm的Cr-Ni膜。之后，利用金屬棒作為靶源，在離子注入復合鍍膜設備(授權公告號CN 1206386C)上對普通碳鋼表面注入金屬離子。
其一，離子鍍參數(shù)如下元素Ni-Cr；工作氣壓1×10-1～2×10-1Pa；負偏壓180～200V；弧電流110～120A；其二，離子注入?yún)?shù)如下注入元素Cu；真空度8×10-4～1×10-3Pa；加速電壓45～50kV；注入劑量5×1017～7×1017ions/cm2。
注入后普通碳鋼的耐銹蝕性能明顯增強，對金黃色葡萄球菌、埃希氏大腸桿菌殺菌率達到90％。
實施例3本實施例3是在以下實施條件和技術要求條件下實施的取普通鋼，表面進行研磨，并鏡面拋光。離子鍍前，再用去離子水和無水乙醇對表面進行清洗，并烘干，在普通碳鋼表面沉積得一層2.0～2.5μm的Cr-Ni膜。之后，利用金屬棒作為靶源，在離子注入復合鍍膜設備(授權公告號CN1206386C)上對普通碳鋼表面注入金屬離子。
其一，離子鍍參數(shù)如下
元素Ni-Cr；工作氣壓1×10-1～2×10-1Pa；負偏壓160～180V；弧電流110～120A；其二，離子注入?yún)?shù)如下注入元素Ag；真空度1×10-3～3×10-3Pa；加速電壓35～40kV；注入劑量3×1017～5×1017ions/cm2(離子數(shù)/厘米2)。
注入后普通碳鋼的耐銹蝕性能明顯增強，對金黃色葡萄球菌、綠膿桿菌殺菌率達到91％。
實施例4本實施例4是在以下實施條件和技術要求條件下實施的取普通鋼，表面進行研磨，并鏡面拋光。離子鍍前，再用去離子水和無水丙酮對普通鋼表面進行清洗，并低溫烘干，在普通碳鋼表面沉積得一層1.8～2.0μm的Cr-Ni膜。接著，利用金屬棒作為靶源，在離子注入復合鍍膜設備(授權公告號CN 1206386C)上對普通碳鋼表面注入金屬離子。
其一，離子鍍參數(shù)如下元素Ni-Cr；工作氣壓5×10-2～8×10-2Pa；負偏壓180～200V；弧電流110～120A；其二，離子注入?yún)?shù)如下注入元素Cu+Ag；真空度1×10-3～3×10-3Pa；加速電壓40～45kV；注入劑量5×1017ions/cm2(離子數(shù)/厘米2)(Cu)+3×1017ions/cm2(離子數(shù)/厘米2)(Ag)。
注入后普通碳鋼的耐銹蝕性能明顯增強，對綠膿桿菌、糞鏈球菌和白色念珠菌的殺菌率達到95％。
權利要求
1.一種提高普通鋼抗菌防銹性能的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一取普通碳鋼，對其表面進行研磨，鏡面拋光，再用去離子水和有機液進行表面清洗，烘干，選擇離子鍍參數(shù)，在普通碳鋼表面沉積Cr-Ni膜；步驟二以離子鍍膜后的普通碳鋼為基體，利用金屬棒作為靶源，在真空度8×10-4～3×10-3Pa，加速電壓30～50kV，注入劑量為3×1017～7×1017離子數(shù)/厘米2的條件下，在離子注入復合鍍膜設備上對普通碳鋼表面注入金屬離子。
2.如權利要求1所述的提高普通鋼抗菌防銹性能的方法，其特征是，步驟一中，所述的有機液是指丙酮或無水乙醇。
3.如權利要求1所述的提高普通鋼抗菌防銹性能的方法，其特征是，步驟一中，所述的選擇離子鍍參數(shù)，其參數(shù)范圍是工作氣壓5×10-2～2×10-1Pa；負偏壓150～200V；弧電流100～120A。
4.如權利要求1所述的提高普通鋼抗菌防銹性能的方法，其特征是，所述的普通碳鋼樣品表面沉積Cr-Ni膜，是指Cr與Ni的混合金屬離子。
5.如權利要求1或者4所述的提高普通鋼抗菌防銹性能的方法，其特征是，所述的Cr-Ni膜，其厚度為1.5μm～3.0μm。
6.如權利要求1所述的提高普通鋼抗菌防銹性能的方法，其特征是，步驟二中，所述的金屬棒，是指Cu金屬棒或Ag金屬棒。
7.如權利要求1所述的提高普通鋼抗菌防銹性能的方法，其特征是，步驟二中，所述注入金屬離子，是指Cu或Ag或Cu與Ag的混合離子。
全文摘要
一種提高普通鋼抗菌防銹性能的方法，屬于材料技術領域的表面處理方法。本發(fā)明包括在研磨拋光至鏡面光潔度的普通碳鋼試樣表面，用離子鍍的方法沉積Ni－Cr膜；然后用離子注入的方法，對鍍膜后的樣品進行銅或銀離子注入。通過離子鍍和離子注入雙重方法使普通碳鋼既具有抗菌又具有防銹性能。經(jīng)此工藝處理后的普通碳鋼可應用于門把手、廚具和家電產(chǎn)品零部件，以及對抗菌性能有一定要求的器件和食品行業(yè)中的器皿等。
文檔編號C23C14/14GK101067196SQ20071004196
公開日2007年11月7日 申請日期2007年6月14日 優(yōu)先權日2007年6月14日
發(fā)明者蔡珣, 安全長, 沈耀, 徐放 申請人:上海交通大學