CN101871079B - 一种含铜铁素体抗菌不锈钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含铜铁素体抗菌不锈钢及其制造方法，该不锈钢含有如下重量百分比(wt％)的成分：C：≤0.02，Si：≤0.6，Mn：≤0.5，P：≤0.04，S：≤0.01，Cr：16.0～22.0，Ni：0.2～0.6，N：≤0.02，Cu：1.0～1.6，Al：0.02～0.08，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明的含铜铁素体抗菌不锈钢具有良好的塑性，可加工成各种形状的产品，应用于家电、餐具、厨房用具等方面。
Description
技术领域
本发明涉及冶金领域，尤其涉及一种含铜铁素体抗菌不锈钢及其制造方法。
背景技术
随着经济的发展，不锈钢在食品工业、餐饮行业和家庭生活中的应用越来越广泛。人们希望不锈钢产品除了具有防锈和光洁性能之外，最好还具有防霉变和抗菌功能。
抗菌不锈钢，就是在不锈钢中加入适量的具有抗菌效果的金属元素(如铜和银)，钢材经抗菌热处理后，富含抗菌元素的抗菌相从基体中析出，形成均匀弥散分布的小颗粒，当该不锈钢与水接触后，裸露于不锈钢表面的抗菌金属元素溶于水后形成水合离子，然后与细菌接触，破坏细胞膜，使蛋白质凝固或损坏其DNA，从而阻止细菌生长繁殖或直接消灭细菌。
现有的JP140289/98和CN1807672公开的含铜铁素体抗菌不锈钢的Cu含量范围较大，当Cu含量比较大，例如大于1.6％时，容易使材料在连铸和热加工时产生裂纹，并增加富铜相析出数量，进而降低材料的塑性；而当Cu含量比较小，例如小于1.0％时，不锈钢的抗菌性能又会不足。现有的CN1827824、JP8145/2000、CN1498981、JP306352/98、JP347735/95和JP140289/98公开的含铜铁素体抗菌不锈钢都不含镍成分，而少量的镍可以提高材料的塑性和耐腐蚀性能。现有的JP324920/98公开的含铜铁素体抗菌不锈钢中的镍含量过高，其加大了不锈钢的生产成本，而且还会给不锈钢的生产加工带来困难。现有的CN1807672和JP324920/98公开的含铜铁素体抗菌不锈钢都不含Al，这就导致不锈钢的塑性和耐腐性能下降，因为适量的Al可以提高不锈钢的塑性和耐腐蚀性能。
发明内容
本发明就是要解决现有含铜铁素体抗菌不锈钢存在的问题，提供一种具有优良的塑性、耐腐蚀性能和抗菌性能，且具有良好加工性能的含铜铁素体抗菌不锈钢。
本发明的另一个目的是提供一种制造本发明的含铜铁素体抗菌不锈钢的方法。
本发明的含铜铁素体抗菌不锈钢含有如下重量百分比(wt％)的成分：C：≤0.02，Si：≤0.6，Mn：≤0.5，P：≤0.04，S：≤0.01，Cr：16.0～22.0，Ni：0.2～0.6，N：≤0.02，Cu：1.0～1.6，Al：0.02～0.08，其余为Fe和不可避免的杂质。
优选地，Ni(wt％)：0.3～0.5，Cu(wt％)：1.2～1.4，Al(wt％)：0.04～0.06。
优选地，C：0.01～0.02，Si：0.29～0.6，Mn：0.3～0.5，P：0.022～0.04，S：0.001～0.01，N：0.009～0.02。
以下对本发明含铜铁素体抗菌不锈钢的设计机理作详细说明：
碳：是增加合金强度的元素，但不易过多，否则会损失材料塑性，最好控制在0.02％以下。
硅：是作为脱氧剂加入的，但加入过多会降低塑性，最好控制在0.6％以下。
锰：锰可以提高热塑性，但过多时会降低塑性和耐蚀性，最好控制在0.5％以下。
磷、硫：出于热塑性和耐蚀性的考虑，这两个元素要尽量低些，应控制P≤0.04％，S≤0.03％。
铬：铬是改善耐蚀性的重要元素，低于16％时不能达到使用要求，但超过22％时会增大铁素体及金属间化合物析出的倾向，最好控制在16～22％。
氮：可以增加强度，要求N≤0.02％是出于保证材料具有优良塑性的考虑。
铜：是赋予材料抗菌性能的重要元素，较少时不能满足抗菌性能的要求，但较多时则会损害塑性和加工性，控制在1.0～1.6％较为理想。
镍：少量的镍可以提高材料的塑性和耐腐蚀性能，较多时会增加生产成本和损害加工性能，控制在0.2～0.6％较为理想。
Al：加入一定量的微量元素铝，对材料的氮、氧起到稳定的作用，细化组织，提高塑性和耐腐蚀性能等，但较多时会给材料的冶炼和连铸带来难度。理想的范围为0.02～0.08％。
本发明的含铜铁素体抗菌不锈钢可以通过以下方法来制造，其包括：
(1)配料经电炉-AOD-VOD三步法冶炼得到母液；
(2)母液连铸成钢坯；
(3)热轧钢坯，热轧初始温度控制在1100-1150℃，终了温度控制在900-950℃；
(4)抗菌退火处理，得到热轧产品。
优选地，抗菌退火处理条件是：700～900℃，保温4～6小时。
优选地，得到热压产品后再进行冷轧，退火处理，抛光，得到冷轧产品。
优选地，冷轧后的退火处理条件为：850-900℃，保温1-3分钟。
与现有技术相比，本发明的含铜铁素体抗菌不锈钢具有更为优良的塑性、耐腐蚀性能和抗菌性能，且具有良好加工性能。本发明的抗菌铁素体不锈钢生产工艺简单，抗菌性能优良，可加工成各种形状，应用于家电、餐具、厨房用具等方面。此外，本发明的含铜铁素体抗菌不锈钢的生产成本也更低。
具体实施方式
实施例和对比例的不锈钢化学成分见表1。配料经电炉-AOD-VOD冶炼得到母液，母液连铸成钢坯，然后将钢坯热轧至6mm厚，其中热轧初始温度控制在1125℃，终了温度控制在925℃，然后在800℃下保温5小时进行抗菌热处理，再冷轧至2mm厚，然后再在860℃下保温2分钟进行退火处理，最后经酸洗和抛光得到不锈钢。对得到的不锈钢进行抗菌性能、力学性能和耐腐蚀性能的检测。
抗菌性能的测试按JIS Z2801-2000《抗菌加工制品-抗菌性能试验方法和抗菌效果》标准进行。所用试验菌种为大肠杆菌(Escherichia coli SIMB282)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus SIM B283)。具体的检测方法如下：(1)将试样剪成50.0×50.0×2.0mm大小的尺寸，消毒灭菌(一式三份)；(2)在试样上滴加若干毫升菌液，使菌落数维持在105；(3)将塑料薄膜覆盖在试样表面，然后放入无菌平皿内，在36±1℃恒温培养箱内培养24小时后，对活菌进行计数。分别对三份样品进行测试，然后再计算平均的抗菌率，抗菌率的计算公式：抗菌率＝[(A-B)/A]×100％，式中A表示24小时后对照样品平均活菌数，B表示24小时后抗菌样品平均活菌数。抗菌性能的检测结果见表2。
力学性能的测试按照JIS-Z2241标准进行，包括抗拉强度测试、屈服强度测试和延伸率的测试，测试结果见表3。
耐腐蚀性能测试按照不锈钢三氯化铁点腐蚀试验方法(国家标准：GB/T 17897-1999)进行。耐腐蚀性能的检测结果见表4
从表2可以看出本发明实施例不锈钢的抗菌性能优良，达到了抗菌材料的要求，当Cu含量超过1.2％时抗菌性能已十分理想，再增加Cu含量不会明显提高不锈钢的抗菌性能。
从表3可以看出本发明实施例不锈钢的塑性(主要指延伸率)明显高于对比例不锈钢的塑性，究其原因是因为对比例1的Cu含量过高、对比例2未加Ni和Al、对比例3只加Ni未加Al、对比例4只加Al未加Ni。
从表4可以看出，本发明实施例不锈钢具有良好的耐腐蚀性能。
表1.实施例和对比例不锈钢的化学成分(wt，％)
| 序号 | C | Si | Mn | P | S | Cr | N | Cu | Ni | Al |
| 实施例1 | 0.010 | 0.34 | 0.42 | 0.029 | 0.001 | 16.7 | 0.009 | 1.0 | 0.21 | 0.02 |
| 实施例2 | 0.012 | 0.51 | 0.36 | 0.026 | 0.002 | 17.5 | 0.012 | 1.2 | 0.35 | 0.04 |
| 实施例3 | 0.017 | 0.47 | 0.46 | 0.024 | 0.001 | 18.6 | 0.016 | 1.4 | 0.42 | 0.05 |
| 实施例4 | 0.018 | 0.58 | 0.30 | 0.022 | 0.002 | 20.1 | 0.016 | 1.5 | 0.54 | 0.06 |
| 实施例5 | 0.019 | 0.29 | 0.37 | 0.029 | 0.002 | 21.8 | 0.018 | 1.6 | 0.60 | 0.08 |
| 对比例1 | 0.015 | 0.38 | 0.35 | 0.021 | 0.001 | 17.1 | 0.015 | 1.8 | 0.56 | 0.04 |
| 对比例2 | 0.020 | 0.33 | 0.33 | 0.027 | 0.001 | 16.3 | 0.014 | 1.4 | - | - |
| 对比例3 | 0.019 | 0.31 | 0.34 | 0.025 | 0.002 | 17.7 | 0.017 | 1.5 | 0.53 | - |
| 对比例4 | 0.017 | 0.21 | 0.44 | 0.026 | 0.002 | 18.4 | 0.016 | 1.5 | - | 0.06 |
| 对比例5(工业430) | 0.034 | 0.37 | 0.34 | 0.023 | 0.003 | 16.8 | 0.028 | - | - | - |
表2.实施例和对比例不锈钢的抗菌性能
| 序号 | 杀菌率，％ |
| 实施例1 | ＞99.0 |
| 实施例2 | ＞99.7 |
| 实施例3 | ＞99.9 |
| 实施例4 | ＞99.9 |
| 实施例5 | ＞99.9 |
| 对比例1 | ＞99.9 |
| 对比例2 | ＞99.9 |
| 对比例3 | ＞99.9 |
| 对比例4 | ＞99.9 |
| 对比例5 | 0 |
表3.实施例和对比例不锈钢的力学性能
| 序号 | 抗拉强度，MPa | 屈服强度，MPa | 延伸率％ |
| 实施例1 | 481 | 283 | 31 |
| 实施例2 | 484 | 285 | 32 |
| 实施例3 | 497 | 298 | 32 |
| 实施例4 | 508 | 311 | 33 |
| 实施例5 | 516 | 322 | 33 |
| 对比例1 | 515 | 318 | 25 |
| 对比例2 | 490 | 295 | 27 |
| 对比例3 | 492 | 294 | 28 |
| 对比例4 | 488 | 285 | 28 |
| 对比例5 | 485 | 278 | 30 |
表4.实施例和对比例不锈钢的耐点腐蚀性能
| 序号 | E′b10，v |
| 实施例1 | 0.15 |
| 实施例2 | 0.15 |
| 实施例3 | 0.21 |
| 实施例4 | 0.23 |
| 实施例5 | 0.29 |
| 对比例1 | 0.14 |
| 对比例2 | 0.11 |
| 对比例3 | 0.16 |
| 对比例4 | 0.18 |
| 对比例5 | 0.13 |
Claims (7)
1.一种含铜铁素体抗菌不锈钢，其含有如下重量百分比的成分：C：≤0.02，Si：≤0.6，Mn：≤0.5，P：≤0.04，S：≤0.01，Cr：16.0～22.0，Ni：0.2～0.6，N：≤0.02，Cu：1.0～1.6，Al：0.02～0.08，其余为Fe和不可避免的杂质；
所述钢由包括电炉-AOD-VOD三步法冶炼的方法制造。
2.如权利要求1所述的不锈钢，其特征在于，Ni：0.3～0.5，Cu：1.2～1.4，Al：0.04～0.06。
3.如权利要求1所述的不锈钢，其特征在于，C：0.01～0.02，Si：0.29～0.6，Mn：0.3～0.5，P：0.022～0.04，S：0.001～0.01，N：0.009～0.02。
4.一种含铜铁素体抗菌不锈钢的制造方法，其包括如下步骤：
(1)按照如下重量百分比的成分：C：≤0.02，Si：≤0.6，Mn：≤0.5，P：≤0.04，S：≤0.01，Cr：16.0～22.0，Ni：0.2～0.6，N：≤0.02，Cu：1.0～1.6，Al：0.02～0.08，其余为Fe和不可避免的杂质，经电炉-AOD-VOD三步法冶炼得到母液；
(2)母液连铸成钢坯；
(3)热轧钢坯，热轧初始温度控制在1100-1150℃，终了温度控制在900-950℃；
(4)抗菌退火处理，得到热轧产品。
5.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述抗菌退火处理条件为：700～900℃，保温4～6小时。
6.如权利要求4或5所述的制造方法，其特征在于，得到热扎产品后再进行冷轧，退火处理，抛光，得到冷轧产品。
7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，冷轧后的退火处理条件为：850-900℃，保温1-3分钟。
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