專利名稱：一種納米析出相奧氏體抗菌不銹鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料加工工程與醫(yī)學(xué)微生物學(xué)交叉領(lǐng)域，涉及一種納米析出相奧氏體抗菌不銹鋼，通過在不銹鋼中加入一些特定的化學(xué)成分和抗菌熱處理，能賦予普通奧氏體不銹鋼優(yōu)良的抗菌性能，可廣泛應(yīng)用于需求具有持久抗菌性能的食品加工、廚房餐飲、日用電器、醫(yī)療器械及其設(shè)備等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
微生物與人類息息相關(guān)，絕大多數(shù)微生物對人體是有益的，但極少數(shù)細菌、病毒等致病性微生物對人體是有害的。據(jù)美國《WHO》雜志1996年統(tǒng)計，全世界1995年因細菌傳染引起的死亡為1700萬人，約占死亡人口的1/3。1996年日本發(fā)生了全國范圍的病源性大腸桿菌“O-157”感染事件，1997年英國爆發(fā)“瘋牛病”，2000年日本、韓國、蒙古等國家紛紛爆發(fā)“口蹄疫”和2003年中國“非典”的傳播，這一系列事件都引起了全世界的恐慌，引起人們對環(huán)境衛(wèi)生滅菌的重視。因此，抗菌材料的研發(fā)和應(yīng)用成為當(dāng)今科技領(lǐng)域內(nèi)重要的研究課題之一?？咕讳P鋼兼具結(jié)構(gòu)材料和抗菌功能材料的雙重特點，極大地拓寬了抗菌材料的應(yīng)用領(lǐng)域。日本在抗菌不銹鋼研究方面起步較早，日本以及歐美發(fā)達國家，抗菌材料已得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究起步相對較晚，但發(fā)展非常迅速。專利JPA平8-49085、JPA平8-156175和CN1410587A提出表面濺射富銀/富銅的金屬層，或表面涂覆有機/無機抗菌層。這種表面抗菌層容易因為磨損或脫落，而失去抗菌性能，且表面加工工藝復(fù)雜。專利JPA平8-104952、JPA平8-104953、JPA平9-170053、CN101029375A、CN1498981A、CN1504588A和CN1793428A直接將銅或銀加入奧氏體、鐵素體、馬氏體不銹鋼中，這種抗菌不銹鋼抗菌性能好，作用持久，反復(fù)摩擦后仍具有良好的抗菌性能。但是存在Ag的溶解度很小，以及加銅容易導(dǎo)致不銹鋼的耐腐蝕性下降的問題。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述抗菌不銹鋼耐腐蝕性能下降的缺陷，提供一種納米析出相奧氏體抗菌不銹鋼，該不銹鋼基體中均勻彌散分布著納米級析出相ε-Cu，具有良好的機械性能和抗腐蝕性能和持久抗菌性能。
為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案 一種納米析出相奧氏體抗菌不銹鋼，其特征在于，制得的該不銹鋼的化學(xué)成分重量百分比(Wt％)為C0.01％～0.06％，Ni8.00％～10.00％，Cr17.00％～20.00％，Cu1.50％～3.50％，RE0.04％～0.10％，Mg0.05％～0.15％，Ti0.03％～0.10％，Si≤1.00，Mn≤2.00，P≤0.03％，S≤0.03％，其余為Fe；并且在基體中均勻彌散分布著納米級析出相ε-Cu，其尺寸約20～70nm，析出相之間的間距在90nm左右，從而賦予了奧氏體不銹鋼優(yōu)良的抗菌性能。
本發(fā)明的納米析出相奧氏體抗菌不銹鋼，不僅具有優(yōu)良的機械性能和物化性能，而且具有優(yōu)良的抗菌性能，其貴重合金元素較少，成份簡單，可有效殺滅與之接觸的大腸桿菌、鼠傷寒桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念株菌等細菌。該納米析出相奧氏體抗菌不銹鋼可廣泛應(yīng)用于給水系統(tǒng)、食品加工、廚房餐飲、醫(yī)療設(shè)備、日用電器等工程應(yīng)用領(lǐng)域。



圖1為奧氏體抗菌不銹鋼掃描電鏡照片，其中，圖(a)是奧氏體抗菌不銹鋼的掃描電鏡照片，圖(b)是用王水對奧氏體抗菌不銹鋼進行深腐蝕后的背散射電鏡照片； 圖2為奧氏體抗菌不銹鋼的不同作用時間對四種細菌殺菌率的影響。
以下結(jié)合實施例和抗菌實驗對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

具體實施例方式 本發(fā)明的納米析出相奧氏體抗菌不銹鋼，該不銹鋼基體中均勻彌散分布著顆粒狀納米級析出相ε-Cu，使得不銹鋼具有抗菌性能，該不銹鋼的化學(xué)成分的重量百分比為C0.01％～0.06％，Ni8.00％～10.00％，Cr17.00％～20.00％，Cu1.50％～3.50％，RE0.04％～0.10％，Mg0.05％～0.15％，Ti0.03％～0.10％，Si≤1.00，Mn≤2.00，P≤0.03％，S≤0.03％，其余為Fe。
上述納米析出相奧氏體抗菌不銹鋼的制備采用奧氏體不銹鋼為基材，在基材中加入適量Cu，采用非真空感應(yīng)電爐中熔煉，澆鑄前，用稀土-鎂-鈦(RE-Mg-Ti)復(fù)合變質(zhì)劑破碎至粒度小于5mm的小塊，經(jīng)240℃以下烘干后，置于澆包底部，加入量為鋼水重量的0.5％～1.0％，用包內(nèi)沖入法對不銹鋼水進行復(fù)合變質(zhì)處理；這樣有利于除氣去渣、凈化鋼水、細化組織、提高不銹鋼的耐腐蝕性能及其綜合機械性能。然后對鑄件進行抗菌熱處理，其工藝為第一步，將鑄件在1000℃～1100℃的溫度下保溫1h～3h，空冷或水冷至室溫，使得Cu能在不銹鋼中過飽和溶入基體；第二步，在750℃～850℃的溫度下保溫3h～5h，空冷至室溫，經(jīng)過這樣的保溫時效處理，使顆粒狀納米級析出相ε-Cu在不銹鋼基體中均勻彌散分布，析出相ε-Cu的尺寸是20nm～70nm，其間距為90nm左右。但保溫時間超過6h后，析出相的晶粒度將明顯增大，則會顯著降低不銹鋼的抗菌性能。
Cu是最重要的抗菌合金成分，隨著Cu含量的增加，不銹鋼的抗菌性能顯著增加，但是當(dāng)Cu含量超過3.5％時，除生產(chǎn)成本提高外，對提高抗菌性能作用不大，過量的Cu將降低材料的抗腐蝕性能，這樣對奧氏體不銹鋼的應(yīng)用產(chǎn)生嚴重的影響。
C作為不銹鋼成分，首先能提高奧氏體不銹鋼的強度，同時，能促進析出相ε-Cu的彌散均勻分布，但超過0.3％將降低它的抗腐蝕性能。
Si和Mn是不銹鋼中不可缺少的，除作為合金元素外還可作為脫氧劑。但當(dāng)超過化學(xué)成分的范圍時，它對材料本身的性能會產(chǎn)生不利影響。
Cr和Ni是使奧氏體不銹鋼具有奧氏體組織并具有良好耐腐蝕性的主要元素，必須保證其最低含量。
采用稀土-鎂-鈦(RE-Mg-Ti)三元復(fù)合變質(zhì)劑，將變質(zhì)劑破碎至粒度小于5mm～10mm的小塊，變質(zhì)劑顆粒度大小取決于澆包容積的大小，將破碎的變質(zhì)劑經(jīng)240℃以下的溫度烘干后，置于澆包底部，器加入量為鋼水重量的0.5％～1.0％，用包內(nèi)沖入法對不銹鋼水進行復(fù)合變質(zhì)處理。這樣有利于除氣去渣、凈化鋼水、細化組織、提高不銹鋼的耐腐蝕性能及其綜合機械性能。
抗菌熱處理能夠確保顆粒狀納米級析出相ε-Cu在不銹鋼基體中均勻彌散分布。顆粒狀納米級析出相ε-Cu的尺寸是20nm～70nm，其間距為90nm左右。
以下是發(fā)明人給出具體實施例，需要說明的是，該實施例只是較佳的案例之一，本發(fā)明并不限于這一實施例。
1.抗菌材料制備 以O(shè)Cr18Ni9奧氏體不銹鋼為基材，在奧氏體不銹鋼中加入5％的Cu，在10kg非真空感應(yīng)電爐中熔煉，澆鑄前，用市售的稀土-鎂-鈦(RE-Mg-Ti)復(fù)合變質(zhì)劑，變質(zhì)劑破碎至粒度小于5mm的小塊，經(jīng)240℃以下烘干后，加入量為鋼水重量的0.5～1.0％，置于澆包底部，用包內(nèi)沖入法對不銹鋼水進行復(fù)合變質(zhì)處理，澆注成Φ25×250mm的不銹鋼試棒。
對不銹鋼試棒作抗菌熱處理，其工藝為將不銹鋼試棒在1050℃±1℃溫度下保溫2h，水冷至室溫，使得Cu能過飽和地溶解在不銹鋼基體中，然后在800℃±1℃溫度下保溫4h，空冷至室溫。將抗菌熱處理后的不銹鋼試棒加工成Φ20×5mm的塊狀試樣(奧氏體抗菌不銹鋼)。
用OCr18Ni9作為對照材料，塊狀試樣和對照材料的化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。
塊狀試樣表面經(jīng)打磨、拋光后，用丙酮去油、乙醇清洗，熱風(fēng)吹干后，放入干燥罐中保存?zhèn)溆?。本實施例制備的奧氏體抗菌不銹鋼的掃描電鏡、背散射掃描電鏡照片見圖1。
由圖1(a)可見，在奧氏體基體上(灰色)彌散分布著ε-Cu相(灰白色)，析出相顆粒尺寸約20～70nm，析出相之間的間距在90nm左右，從而賦予了奧氏體不銹鋼優(yōu)良的抗菌性能。圖1(b)是用王水對奧氏體抗菌不銹鋼進行深腐蝕后的背散射電鏡照片，ε-Cu相被腐蝕掉后，留下許多空洞。
表1 奧氏體抗菌不銹鋼(ABSS-A)及對照材料化學(xué)成分(Wt％) 2.抗菌性能試驗 抗菌性能測試采用覆膜法，實驗細菌采用大腸桿菌、鼠傷寒桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌，實驗程序如下 (1)滅菌將乙醇清洗后的實驗試樣和對比試樣在121±1℃下高壓滅菌20min。
(2)加樣先將所用細菌接種于普通瓊脂培養(yǎng)基中培養(yǎng)18～24h，用無菌生理鹽水稀釋成濃度為105cfu/ml的標(biāo)準(zhǔn)菌液。并分別將0.5ml菌液均勻滴到實驗試樣和對比試樣表面。
(3)取樣分別將加樣后1h、2h、4h、8h、12h、16h、20h、和24h的用試樣置于無菌生理鹽水中，用滴管反復(fù)沖洗其表面，混勻后取其1ml加于無菌培養(yǎng)皿中，然后加入事先已滅菌并冷卻至45℃左右瓊脂培養(yǎng)基15ml搖勻，冷卻后培養(yǎng)，每一個試樣做3個平板。
(4)培養(yǎng)37℃培養(yǎng)24h，計數(shù)每個培養(yǎng)皿內(nèi)的細菌個數(shù)，計算抗菌率。奧氏體抗菌不銹鋼的抗菌試驗結(jié)果見圖2，其中抗菌率的計算公式為
式中，對照不銹鋼生菌數(shù)是對照不銹鋼進行細菌培養(yǎng)實驗后的活菌數(shù)，而抗菌不銹鋼生菌數(shù)是指抗菌不銹鋼進行細菌培養(yǎng)實驗后的活菌數(shù)。
奧氏體抗菌不銹鋼對大腸桿菌、鼠傷寒桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念株菌不同作用時間的殺菌率(見圖2和表2)。由圖2可以看出在2h以內(nèi)，抗菌不銹鋼對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌率達到96％以上；在4h以內(nèi)，抗菌不銹鋼對大腸桿菌和鼠傷寒桿菌的殺菌率已達100％；殺菌8h時，金黃色葡萄球菌的殺菌率才達到100％。而在前2h以內(nèi)抗菌不銹鋼對鼠傷寒桿菌的殺菌作用相對較慢，在2h～8h時段內(nèi)，殺菌速度迅速提高，殺菌率達到100％。白色念株菌在4h處出現(xiàn)殺菌率為13.3％的最小值；8h時殺菌率只有58.3％；白色念株菌需要殺菌24h其殺菌率才能達到100％。
3.抗菌持久性實驗 將經(jīng)抗菌性能試驗后的抗菌不銹鋼表面打磨去0.5mm厚，試樣表面經(jīng)反復(fù)打磨、拋光后，放置1個月，采用覆膜法再對其進行全面抗菌性能檢測，檢測結(jié)果見表2。顯然，所示的結(jié)果與研磨前基本相同，說明抗菌不銹鋼表面經(jīng)反復(fù)打磨和較時間放置與此前具有相同抗菌性能。表現(xiàn)出非常良好的抗菌性能，表現(xiàn)出良好的持久抗菌性能。這是由于抗菌不銹鋼的抗菌特性來自不銹鋼基體內(nèi)分布的納米抗菌析出相，所以其抗菌功能不會因材料表面的研磨和時間久而喪失。
4.耐腐蝕性能和機械性能實驗 本發(fā)明的奧氏體抗菌不銹鋼的耐腐蝕性能是按國標(biāo)GB/T101125-1997鹽霧試驗方法進行測定的，將試樣在5％NaCI、溫度35℃士2℃、pH6.5～7.2條件下，進行48小時連續(xù)噴霧試驗。試驗結(jié)果表明奧氏體抗菌不銹鋼(ABSS-A)和對照材料(OCr18Ni9)試樣表面光滑、有光澤，均無變化、 無銹點。
將表1中奧氏體抗菌不銹鋼(ABSS-A)加工成拉伸試樣，進行拉伸實驗。實驗結(jié)果表明該奧氏體抗菌不銹鋼與對照材料的機械性能基本相同，并且略為優(yōu)于對照材料。奧氏體抗菌不銹鋼(ABSS-A)具有以下力學(xué)性能σb≥540MPa；σ0.2≥200MPa；δ≥55％；ψ≥40％；Ak≥200J。
表2奧氏體抗菌不銹鋼(ABSS-A)抗菌持久性對照表(殺菌率/％)
權(quán)利要求
1.一種納米析出相奧氏體抗菌不銹鋼，其特征在于，制得的該不銹鋼基體中均勻彌散分布著顆粒狀納米級析出相ε-Cu，使得不銹鋼具有抗菌性能，該不銹鋼的化學(xué)成分的重量百分比為C0.01％～0.06％，Ni8.00％～10.00％，Cr17.00％～20.00％，Cu1.50％～3.50％，RE0.04％～0.10％，Mg0.05％～0.15％，Ti0.03％～0.10％，Si≤1.00，Mn≤2.00，P≤0.03％，S≤0.03％，其余為Fe。
2.權(quán)利要求1所述的納米析出相奧氏體抗菌不銹鋼，其特征在于，所述的顆粒狀納米級析出相ε-Cu的尺寸是20nm～70nm，其間距為90nm左右。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米析出相奧氏體抗菌不銹鋼，制得的該不銹鋼基體中均勻彌散分布著顆粒狀納米級析出相ε-Cu，使得不銹鋼具有抗菌性能，該不銹鋼的化學(xué)成分的重量百分比(％)為C0.01～0.06，Ni8.00～10.00，Cr17.00～20.00，Cu1.50～3.50，RE0.04～0.10，Mg0.05～0.15，Ti0.03～0.10，Si≤1.00，Mn≤2.00，P≤0.03，S≤0.03，其余為Fe。本發(fā)明成份簡單，合金元素較少，可有效殺滅與之接觸的大腸桿菌、鼠傷寒桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念株菌等細菌。具有持久抗菌性能、抗菌范圍廣，可廣泛應(yīng)用于食品加工、廚房餐飲、日用電器、醫(yī)療器械及其設(shè)備等領(lǐng)域。
文檔編號C22C38/58GK101195897SQ200710199269
公開日2008年6月11日 申請日期2007年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月18日
發(fā)明者張安峰, 喬繼英, 周小娟, 任會勛, 旭 張 申請人:西安交通大學(xué)