專利名稱：一種納米析出相鐵素體抗菌不銹鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵素體不銹鋼，特別是具有良好的抗菌性能和機械性能，能應(yīng)用于制作日常生活中常有細菌污染的構(gòu)件如門把手、毛巾架、餐具等和洗衣機、食品醫(yī)療器械以及商業(yè)廚房設(shè)備等的不銹鋼制品。
背景技術(shù)：
抗菌材料的應(yīng)用可以追溯到4000年前古埃及人利用特殊草藥對尸體進行抗菌防腐處理，而我國古代皇宮使用的銀器餐具同樣說明人們抗菌意識的悠久歷史。隨著社會的進步，不論是食品業(yè)和醫(yī)療業(yè)還是普通家庭，衛(wèi)生防菌意識都日益提高，特別是日本在1996年發(fā)生的全國范圍的病原性大腸桿菌0157感染事件，大大促進了抗菌材料的研究和應(yīng)用。
不銹鋼本身具有的其他材料無法比擬的優(yōu)越性能使得人們對抗菌不銹鋼的研究在20世紀90年代興起，日本在該領(lǐng)域內(nèi)的研究比較廣泛。最早有人提出通過在不銹鋼基體上通過表面涂層制成具有抗菌性能的材料。日本特開平8-49085中公布了通過濺射鎂在不銹鋼基體材料的表面形成含有銀和/或銅的Cr、Ti、Ni、Fe等金屬層或合金層的抗菌不銹鋼板。CN1158363A中公布了改進抗菌性能的不銹鋼及其制法，通過加入0.4-5.0重量％的銅及以2.0容積％的比例沉淀出富-銅相來改善不銹鋼的抗菌性，但該專利中對于抗菌性能的持久性和抗菌范圍的廣泛性并未加以研究。因此，我們通過實驗研究，通過納米析出相進行殺菌，加大了抗菌范圍，并提高了抗菌持久性，同時使材料本身具有良好的機械性能和抗腐蝕性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用納米析出相殺菌，具有持久抗菌性能、抗菌范圍廣并具有良好的機械性能和抗腐蝕性能的鐵素體抗菌不銹鋼。
本發(fā)明提供了一種鐵素體抗菌不銹鋼，其特征在于該不銹鋼的化學(xué)成分為C≤0.2重量％，Si≤3重量％，Mn≤2重量％，Cr10-30重量％，Cu0.4-2.2重量％，Zn≤1重量％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)；并且其基體中均勻彌散分布著納米級析出相ε-Cu，其尺寸在80nm左右，析出相之間的間距在90nm左右，從而賦予了鐵素體不銹鋼抗菌性能。
本發(fā)明提供的鐵素體抗菌不銹鋼中，還可以進一步含有一種或一種以上的Ti、Nb、Mo、V、Zr、Sn，每一種≤1重量％。
銅是本發(fā)明中最重要的成分。為了改進不銹鋼的材料性能，有些傳統(tǒng)的鐵素體不銹鋼中也含有少量的銅，但當銅的含量低于0.4重量％時，即使經(jīng)過抗菌處理，不銹鋼基體中亦形成不了均勻彌散分布的納米級析出相ε-Cu，所以沒有表現(xiàn)出抗菌性能。而當銅的含量超過2.2重量％時，除生產(chǎn)成本將大幅度提高外，過量的銅將降低材料的機械加工和抗腐蝕性能，這樣對鐵素體不銹鋼的應(yīng)用產(chǎn)生嚴重的影響。鋅在本發(fā)明中也發(fā)揮著重要的作用。鋅的殺菌能力在金屬中僅次于銀和銅。在本發(fā)明中，適量的添加合金鋅，能適當提高不銹鋼的抗菌性能，另外，在合金強化方面，能改善材料本身的力學(xué)性能，但當鋅的含量超過1重量％時，對生產(chǎn)成本和抗腐蝕性能有不利作用。
C作為不銹鋼成分，首先能提高鐵素體不銹鋼的強度，同時，能促進析出相ε-Cu的均勻彌散分布，但超過0.2重量％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。但當超過本發(fā)明的范圍時，除了不利于生產(chǎn)，它對材料本身的性能還有不利影響。Cr是使鐵素體不銹鋼具有鐵素體組織并具有良好耐腐蝕性的主要元素。但當Cr的含量超過30％時，對鐵素體不銹鋼的生產(chǎn)和應(yīng)用都將帶來負面影響。
Ti和Nb是鐵素體形成元素，向鋼中加入Ti和Nb可使鋼中鉻的碳化物轉(zhuǎn)而形成Ti和Nb的碳化物并細化鐵素體不銹鋼的晶粒和析出相的晶粒，對析出相的均勻彌散分布起促進作用，從而提高該不銹鋼的抗腐蝕性能和抗菌性能。但當他們的含量超過1重量％時，將大幅度提高生產(chǎn)成本。
Mo能顯著提高鐵素體不銹鋼的耐腐蝕性能。同樣當它的含量超過1重量％時不利于降低生產(chǎn)成本。
Sn可以促進析出相ε-Cu的分散析出，因而具有穩(wěn)定發(fā)揮抗菌性的效果，但考慮生產(chǎn)成本和材料的抗腐蝕性能，它的優(yōu)選范圍為小于1重量％。
V和Zr都是可選擇性的合金組份，控制在小于1重量％范圍之內(nèi)可充分發(fā)揮它們能提高材料性能的作用，而超過該范圍將給材料的生產(chǎn)和使用帶來負面影響。
抗菌處理是本發(fā)明中很重要的一部分。900-1050℃保溫0.1-4小時，空冷或水冷至室溫，使得銅和鋅能在不銹鋼中均勻分布。在400-900℃保溫0.5-6小時，空冷或水冷至室溫，能使析出相ε-Cu均勻彌散分布。溫度過低，從動力學(xué)角度來講，將阻止ε-Cu相的析出，而時間在0.5-6小時都是為了保證該析出相的充分析出，但時間超過6小時后，析出相的晶粒度將明顯增大，這將大大影響不銹鋼的抗菌性能。


圖1為抗菌不銹鋼透射電鏡照片。
具體實施例方式將如下表1所述的通過真空感應(yīng)爐冶煉而得到的具有不同成分的鐵素體不銹鋼經(jīng)鍛造，熱扎，退火，冷扎后得到的不銹鋼板，經(jīng)過抗菌處理，分別進行以下實驗1.將抗菌處理后的鋼板，制成透射電鏡試樣，進行微觀組織觀察。從電鏡照片可以觀察到，在不銹鋼基體中均勻彌散分布著析出相ε-Cu，尺寸在30-80nm左右，而且析出相之間的間距在100nm左右，這大大增強了材料的抗菌性能。透射電鏡照片見圖1。
2、抗菌實驗將抗菌處理后的鋼板制成40×40mm的樣品，對照樣品采用0Cr17鐵素體不銹鋼，實驗微生物采用大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯黑菌和白念珠菌。實驗程序如下1)經(jīng)乙醇清洗后的樣品和對照不銹鋼在121℃下高壓滅菌20分鐘。
2)將接種后的菌種用PBS液(0.03mol/l，PH＝7.2，無水磷酸氫二鈉2.83g，磷酸二氫鉀1.36g，蒸餾水1000ml)稀釋成標準的濃度為105的菌液，并將0.5ml菌液均勻滴到樣品和對照不銹鋼表面，分別用無菌塑料薄膜覆蓋。
3)將表面涂有菌液的樣品和對照不銹鋼放入到35℃/濕度為90％的培養(yǎng)箱內(nèi)作用24小時。
4)用平板法(瓊脂培養(yǎng)法)在35℃的培養(yǎng)箱內(nèi)放置48小時。最后從塑料平皿計算細菌個數(shù)，并計算殺菌率。
5)每個菌種和樣品均重復(fù)3次，取平均數(shù)?？咕鷮嶒灲Y(jié)果見表2。其中殺菌率的計算公式為 所述對照不銹鋼生菌數(shù)是對照不銹鋼進行抗菌實驗后的活菌數(shù)，而抗菌不銹鋼生菌數(shù)是指抗菌不銹鋼進行抗菌實驗后的活菌數(shù)。
同時，該方法亦應(yīng)用于抗菌持久性的實驗。
3、抗菌持久性實驗?zāi)M廚房廚具的使用環(huán)境，用吸有水的海綿或抹布在28℃(夏天細菌繁殖比較快，而夏天的室溫基本維持在該溫度左右)下反復(fù)摩擦樣品表面500次，而后干燥放置30min。再對樣品進行抗菌實驗，結(jié)果見表2。
4、機械性能實驗將表1中具有代表性的F3不銹鋼經(jīng)過抗菌處理后，加工成Φ6棒狀拉伸試樣以進行拉伸實驗。實驗結(jié)果見表3。
從表2的數(shù)據(jù)結(jié)果來看，當鋼中的銅含量低于0.4重量％時，其抗菌性能非常差甚至沒有，而當銅含量在0.4-2.2重量％之間，表現(xiàn)出非常良好的抗菌性能，且具有良好的抗菌持久性。從表3的數(shù)據(jù)來看，該鐵素體抗菌不銹鋼表現(xiàn)出了接近甚至更加優(yōu)良的機械性能。
表1不銹鋼組份表

表2鐵素體抗菌不銹鋼抗菌性能對照表

表中++表示殺菌率在99.5％以上，+表示殺菌率在99％以上，-表示殺菌率在80％以上，--在50％以上，○表示殺菌率低于50％。
表3鐵素體抗菌不銹鋼機械性能對照表

權(quán)利要求
1.一種鐵素體抗菌不銹鋼，其特征在于該不銹鋼的化學(xué)成分為C≤0.2重量％，Si≤3重量％，Mn≤2重量％，Cr10-30重量％，Cu0.4-2.2重量％，Zn≤1重量％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)；并且其基體中均勻彌散分布著納米級析出相ε-Cu，其尺寸在30-80nm左右，析出相之間的間距在100nm左右，從而賦予了鐵素體不銹鋼抗菌性能。
2.按照權(quán)利要求1所述的鐵素體抗菌不銹鋼，其特征在于進一步含有一種或一種以上的Ti、Nb、Mo、V、Zr、Sn，每一種≤1重量％。
3.一種權(quán)利要求1或2所述鐵素體抗菌不銹鋼的抗菌處理方法，其特征在于在900-1050℃保溫0.1-4小時，空冷或水冷至室溫，然后在400-900℃保溫0.5-6小時，空冷或水冷至室溫。
全文摘要
一種鐵素體抗菌不銹鋼，其特征在于該不銹鋼的化學(xué)成分為C≤0.2重量％，Si≤3重量％，Mn≤2重量％，Cr10－30重量％，Cu0.4－2.2重量％，Zn≤1重量％，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)；并且其基體中均勻彌散分布著納米級析出相ε－Cu，其尺寸在30－80nm左右，析出相之間的間距在100nm左右，從而賦予了鐵素體不銹鋼抗菌性能。本發(fā)明具有持久抗菌性能、抗菌范圍廣并具有良好的機械性能和抗腐蝕性能。
文檔編號C22C38/20GK1498981SQ02144568
公開日2004年5月26日 申請日期2002年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月7日
發(fā)明者陳四紅, 呂曼祺, 楊柯, 張敬黨, 吳平森 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所