CN108728767B

CN108728767B - 一种扶手或把手用抗菌不锈钢

Info

Publication number: CN108728767B
Application number: CN201810299880.5A
Authority: CN
Inventors: 杨春光; 赵金龙; 杨柯; 席通
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2018-04-04
Filing date: 2018-04-04
Publication date: 2019-12-27
Anticipated expiration: 2038-04-04
Also published as: CN108728767A

Abstract

本发明公开了一种扶手或把手用抗菌不锈钢，属于不锈钢材料技术领域。该不锈钢的化学成分如下(重量％)：C：≤0.08；Si：≤0.50；Mn：≤1.00；P：≤0.05；S：≤0.05；Ni：8.0‑12.0；Cr：18.0‑20.0；Cu：3.0‑5.0；Ga：0.50‑1.50；余量为Fe；该不锈钢经过固溶热处理后，依靠Ga和Cu在基体中的过饱和固溶，Ga和Cu以固溶态和富镓相析出态两种形式存在。由于扶手或把手的使用环境一般是空气环境，与汗液接触时，富镓相的存在能够有效溶出镓离子，具有明显地抑制人手致病细菌的繁殖和传播，减少群发性细菌感染事件发生的几率。本发明抗菌不锈钢降低了由于致病细菌在人手间的传播风险，可广泛应用于生活装饰用的楼梯扶手、栏杆和门把手等。

Description

一种扶手或把手用抗菌不锈钢

技术领域

本发明涉及不锈钢材料领域，特别提供一种扶手或把手用抗菌不锈钢。

背景技术

含铜抗菌不锈钢，是通过在高温时效过程中，析出一定体积分数的富铜析出相，当这种富铜相与细菌接触时，能够释放微量的铜离子，破坏细菌的细胞壁，致使细菌死亡。基于铜元素本身具有的广谱抗菌特点，含铜抗菌不锈钢应能适用各种实际使用环境中。然而，细菌菌群的杀灭是与铜离子溶出速率和溶出浓度直接相关的。一般来说，钢中铜添加量越大，富铜析出相越多，则铜离子溶出速率和溶出浓度越大。当溶出浓度大于对细菌的最小抑菌浓度时，不锈钢表现出强烈的抗菌效果；反之，则不具备抗菌性。

基于此，在实际应用中，添加高的铜含量加入到不锈钢中，诚然会提高其抗菌表现，但会存在以下不足：(1)过高的铜含量的添加和富铜相的析出，会降低不锈钢表面的钝化膜结构，钝化膜变得疏松，这严重影响不锈钢的耐蚀性能。(2)过高的铜含量的添加，会使得其热加工性能剧烈恶化。这是由于铜元素在界面的偏析倾向增加，高温热加工裂纹敏感性大幅增加，材料成材率受到极大影响，会限制其大规模的实际应用。(3)对于铁基合金而言，铜离子的溶出过程的同时，伴随着大量铁离子的溶出。释放的铁离子一定程度上也促进了细菌的增殖，这对铜离子的抗菌效率也是不利的。(4)对于具体的把手或扶手等与手接触的物件，其加工制造过程通常都是铸造成形，如采用抗菌不锈钢传统的时效处理，无疑增加了工艺流程和生产成本，这对抗菌不锈钢的大规模推广也是不利的。

在钢铁材料中，金属镓的熔点很低，只有29.8℃，而沸点达到2204℃。这就为其在钢铁冶金过程中应用提供了可能性。在金属材料领域，铁镓合金是常见的磁致伸缩材料。镓在铁中的主要作用是能够显著提高钢的磁致伸缩性能，还未见镓在不锈钢中应用的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种扶手或把手用抗菌不锈钢，解决现有材料在电器设备使用环境中抗菌效率相对低的问题。

本发明的技术方案是：

一种扶手或把手用抗菌不锈钢，其特征在于：按重量百分比计，该不锈钢的化学成分如下：C：≤0.08；Si：≤0.50；Mn：≤1.00；P：≤0.05；S：≤0.05；Ni：8.0-12.0；Cr：18.0-20.0；Cu：3.0-5.0；Ga：0.50-1.50；余量为Fe。

作为优选的技术方案，其化学成分如下：C：≤0.03；Si：≤0.50；Mn：≤1.00；P：≤0.005；S：≤0.005；Ni：8.5-9.5；Cr：18.5-19.5；Cu：3.5-4.5；Ga：0.80-1.20；余量为Fe。

在本发明的不锈钢成分设计中，合金元素镓(Ga)是新型不锈钢中最重要的合金元素。Ga是保证不锈钢具有更强抗菌效率的必要条件，也是本发明的主要创新点。本发明所述不锈钢中的含Ga量为0.05-1.50％，在保证特殊热处理条件下，富Ga相在钢中均匀弥散析出。当Ga含量较低时，即使经过特殊热处理，不锈钢基体中不易析出富Ga相，当与溶液介质接触时，就不能析出足够浓度的Ga离子，以抑制细菌的正常增殖活动，并充分发挥Ga离子和Cu离子的协同抗菌作用。当Ga含量相对过高时，过多的富Ga相会导致不锈钢热加工性能和冷成型性能的严重下降，影响其实际应用。此外，过量的富Ga相析出亦会破坏不锈钢钝化膜的连续性，降低不锈钢的耐腐蚀性能。

本发明还提供了上述扶手或把手用抗菌不锈钢的热处理工艺，该工艺包括如下步骤：

热加工：钢锭于1050-1100℃均匀化处理1-3小时，开坯锻造，分多道次锻造成坯料，终锻造温度不低于900℃；

固溶热处理：1000-1040℃固溶处理1-3小时，空冷或水冷至室温。

其中固溶热处理温度的选择也是本发明的核心内容之一。其设计依据是要保证Ga元素和Cu元素实现过饱和固溶，这样Ga和Cu元素才能一部分以固溶态存在于不锈钢基体中，一部分以析出相(Fe₃Ga和富Cu相)形式存在，发挥其优良抗菌性能的目的。过低的固溶温度，基体不能充分均匀化；过高的固溶温度，析出相又过多的以固溶态形式存在，降低抗菌作用。

本发明的有益效果是：

1、对于现有含Cu抗菌不锈钢而言，主要依靠Cu离子的微量溶出来起到抑制细菌增殖的目的。由于其自身溶出速率和溶出浓度的限制，对于扶手或把手等与手接触环境下的情况，含Cu抗菌不锈钢的抗菌效果需结合特定的时效处理得以实现，这无疑增加了加工流程和生产成本。因此本发明以现有含Cu抗菌不锈钢为基础，适当增加了钢中的Ga含量，仅需一定的固溶处理，使得Ga和Cu在基体中过饱和固溶，从而使钢中基体上能保证析出一定量的富Ga相和富Cu相。当与手接触环境作用时，三价Ga离子和Cu离子一起，发挥破坏细菌细胞壁的作用，增加Cu离子的抗菌效果。

2、由于Ga的添加，抑制了由于Fe离子溶出对细菌细胞生长的促进作用，能够有效提高含Cu抗菌不锈钢的抗菌效率。

应用范围：

本发明所述扶手或把手用抗菌不锈钢，具有良好抗菌性能和简易热处理步骤，可广泛应用于各类扶手、栏杆、把手等与手直接接触的材料选材。

附图说明

图1为抗菌不锈钢大肠杆菌(细菌浓度为10⁵CFU/mL)的杀菌效果照片。(a)含Cu抗菌不锈钢，固溶态，(b)新型抗菌不锈钢(含Ga+Cu抗菌相)，固溶态，(c)空白对照细菌菌落图。

具体实施方式

根据本发明抗菌不锈钢所设定的化学成分范围，采用25公斤真空感应炉冶炼实施例1-6本发明抗菌不锈钢和1炉对比例含Cu抗菌不锈钢各15公斤，其化学成分见表1。

锻造工艺为：合金铸锭在1080℃±5℃均匀化热处理2小时开坯，分三火锻造为40×120mm的初轧板材，终锻温度为915℃。

热轧工艺为：初轧坯料在1080℃±5℃温度保温2.5小时开轧，经多道次轧制成性能测试板材，本实施例板厚均为10mm厚。

表1实施例和对比例的抗菌不锈钢化学成分(wt,％)

抗菌性能检测：根据“JIS Z 2801-2000《抗菌加工制品－抗菌性试验方法和抗菌效果》、GB/T 2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等相关标准规定，选择细菌浓度为10⁵CFU/mL。定量测试了实施例和对比例抗菌不锈钢对常见细菌作用后的杀菌率。其中抗菌率的计算公式为：抗菌率(％)＝[(空白对照样活菌数-抗菌不锈钢样品活菌数)/空白对照样品活菌数]×100，空白对照样活菌数是在惰性玻璃平板上进行细菌培养后的活菌数，抗菌不锈钢活菌数是指包括含Cu抗菌不锈钢或含(Cu+Ga)抗菌不锈钢上进行细菌培养后的活菌数。

实施例1

在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：在1025℃保温1h，水冷至室温。按照上述抗菌检测方法，对典型细菌的抗菌性能检测，其结果为：

(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥95.4％；

(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥94.7％。

新型不锈钢显示了优异的抗菌性能。

实施例2

在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：在1030℃保温2h，水冷至室温。按照上述抗菌检测方法，对典型细菌的抗菌性能检测，其结果为：

(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥95.8％；

(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥95.6％。

新型不锈钢显示了优异的抗菌性能。

实施例3

在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：在1030℃保温3h，空冷至室温后。按照上述抗菌检测方法，对典型细菌的抗菌性能检测，其结果为：

(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥97.4％；

(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥97.2％。

新型不锈钢显示了优异的抗菌性能。

实施例4

在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：在1000℃保温2.5h，水冷至室温后。按照上述抗菌检测方法，对典型细菌的抗菌性能检测，其抗菌率结果为：

(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥99.5％；

(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥99.0％。

新型不锈钢显示了优异的抗菌性能。

实施例5

在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：在1010℃保温3h，空冷至室温。按照上述抗菌检测方法，对典型细菌的抗菌性能检测，其抗菌率结果为：

(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥99.9％；

(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥99.8％。

新型不锈钢显示了优异的抗菌性能。

实施例6

在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：在1040℃保温3h，水冷至室温。按照上述抗菌检测方法，对典型细菌的抗菌性能检测，其抗菌率结果为：

(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥98.7％；

(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥97.9％。

新型不锈钢显示了优异的抗菌性能。

对比例

在本实施例中，抗菌不锈钢的热处理工艺为：在1030℃保温2h，水冷至室温。按照上述抗菌检测方法，对混合细菌的抗菌性能检测，其抗菌率结果为：

(1)对大肠杆菌(Eschericher Coli)的抗菌率：≥46.8％；

(2)对金黄色葡萄球菌(Staphyococcus aureus)的抗菌率：≥48.2％。

由对比例可见，对于含铜抗菌不锈钢而言，如不经过时效处理，对常见细菌如大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率均较低。一般来说，抗菌率超过90％的材料才可称之为抗菌材料。实施例对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌结果表明，采用本发明提出的抗菌不锈钢能超过90％以上的抗菌率。综上说明Ga元素的添加，并辅以合适的固溶热处理，使得本发明所述抗菌不锈钢具有显著的抗菌功能。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种抗菌不锈钢，其特征在于：按重量百分比计，该不锈钢的化学成分如下：C：≤0.08；Si：≤0.50；Mn：≤1.00；P：≤0.05；S：≤0.05；Ni：8.0-12.0；Cr：18.0-20.0；Cu：3.0-5.0；Ga：0.50-1.50；余量为Fe；

固溶热处理：1000-1040℃固溶处理1-3小时，空冷或水冷至室温；该不锈钢对浓度为10⁵CFU/mL的细菌具有有效抗菌作用。

2.按照权利要求1所述抗菌不锈钢，其特征在于：按重量百分比计，其化学成分如下：C：≤0.03；Si：≤0.50；Mn：≤1.00；P：≤0.005；S：≤0.005；Ni：8.5-9.5；Cr：18.5-19.5；Cu：3.5-4.5；Ga：0.80-1.20；余量为Fe。

3.一种权利要求1所述抗菌不锈钢的制备方法，其特征在于：所述抗菌不锈钢采用以下方法获得：真空感应冶炼、电弧炉+连铸冶炼或电弧炉冶炼+炉外精炼。

4.按照权利要求3所述抗菌不锈钢的制备方法，其特征在于：冶炼所得的不锈钢采用以下热加工及热处理工艺：

热加工：钢锭于1050-1100℃均匀化处理1-3小时，开坯锻造，分多道次锻造成坯料，终锻造温度不低于900℃。

5.一种权利要求1所述抗菌不锈钢作为楼梯扶手的应用。

6.一种权利要求1所述抗菌不锈钢作为栏杆的应用。

7.一种权利要求1所述抗菌不锈钢作为门把手的应用。