銅對馬氏體抗菌不銹鋼組織與性能的影響
發布時間：2022-03-16 16:50:13來源：乾潤鋼球
摘要：本文采用整體熔煉法在1Cr13 低碳馬氏體不銹鋼中添加1-3%的Cu，測試其抗菌性、硬度、抗拉強度和沖擊韌性，并對斷口進行了形貌觀察和分析。結果表明：隨著Cu 含量的增加不銹鋼的抗菌性提高；不銹鋼的硬度、強度、塑性和韌性也隨之提高，起到強韌化的作用。
關鍵詞： Cu；不銹鋼；抗菌性；強度；韌性
引言
隨著人們抗菌意識的不斷提高，抗菌不銹鋼的研究和應用日趨廣泛。抗菌不銹鋼是材料科學與生物科學交叉而發展出的一種新型生物醫學材料，具有廣闊的應用前景。目前研究的抗菌不銹鋼主要有加銀抗菌不銹鋼、表面涂層不銹鋼、抗菌復合不銹鋼、加銅抗菌不銹鋼。不銹鋼中加入適量的銅，可以使不銹鋼具有優異的抗菌性能和綜合性能。本文以1Cr13 低碳馬氏體不銹鋼和純銅為原料通過整體重熔的方法制取含銅低碳馬氏體抗菌不銹鋼，并討論了不同銅含量對馬氏體不銹鋼組織性能的影響。
1.實驗材料和實驗方法
實驗用材料以 1Cr13 不銹鋼為原料，分別添加0%、1%、2%、3%的純銅，采用中頻感應熔煉爐熔煉得到，將澆鑄出的鋼錠經鍛造后，機加工成標準的拉伸試樣和沖擊試樣。采用涂覆法測定不銹鋼的抗菌性能。菌種采用大腸桿菌ATCC 8099，金黃色葡萄球菌ATCC6538，濃度分別為8.1×105 及9.0×105cfu·ml-1。同條件抗菌實驗重復3 次，取平均值。殺菌率計算公式為：殺菌率(%)=對照不銹鋼活菌數抗菌不銹鋼活菌數/對照不銹鋼活菌數×100%。此外，還測定了試樣的硬度、抗拉強度和沖擊韌性，并對斷口進行了形貌觀察和分析。
2.結果與分析
2.1 銅含量對鋼組織的影響分別為Cu 含量為0%、1%、2%、3%的不銹鋼經1100℃×20min 淬火+450℃×2h回火后的顯微組織。可以看出：Cu 的加入使得組織細化。這是因為鋼中加入少量的銅可以使不銹鋼的晶格發生畸變，阻礙了形核和晶粒的長大，并且改變了不銹鋼的相變點，阻礙形變奧氏體的再結晶，從而增加鐵素體轉變時的形核率，并因抑制鐵素體的長大而使組織發生了變化，晶粒更加細小。
2.2 銅含量對鋼抗菌性能的影響表 1 為不同銅含量的不銹鋼經1100℃×20min 淬火+450℃×2h 回火處理后對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌實驗結果。可以看出：不銹鋼的抗菌性能隨Cu 含量的提高而增強。
| 大腸桿菌 | 金黃色葡萄球菌 | |||
| Cu(%) | 平均菌落數 | 殺菌率(%) | 平均菌落數 | 殺菌率(%) |
| 0 | 867 | - | 1560 | - |
| 1 | 6 | 99.3 | 10 | 99.4 |
| 2 | 5 | 99.4 | 8 | 99.5 |
| 3 | 2 | 99.8 | 3 | 99.8 |
2.3 銅含量對鋼硬度的影響表2 為不同銅含量不銹鋼淬火態和回火態下洛氏硬度。可以看出淬火后鋼的硬度隨Cu含量的增加而提高。這是由于淬火后Cu 溶入鋼的基體中，起到固溶強化作用，Cu 含量越高，固溶強化作用越大，強度越高。同時由于Cu 的加入，使組織發生一定程度的細化，也使得硬度提高；回火后隨著Cu 含量的增加，析出的ε-Cu 增加，相界面增加，硬度提高。
| Cu(% | 0 | 1 | 2 | 3 |
| 1100℃×20min 淬火 | 42.2 | 56.5 | 57.7 | 58.5 |
| 450℃×2h 回火 | 32.8 | 36.5 | 40.9 | 41.2 |
2.4 銅含量對鋼強度和塑性的影響表3 為不同銅含量不銹鋼經1100℃×20min 淬火+450℃×2h 回火處理后的拉伸性能。從表中可看出：隨著Cu 含量的提高，鋼的強度提高；延伸率變化不大，而斷面收縮率提高。這是由于Cu 的加入可以導致組織細化，可以提高強度和塑性；同時由于塑性ε-Cu 的析出，一方面導致了相界面增多，在拉伸變形過程中可以增加位錯運動的阻力強度提高；另一方面塑性的ε-Cu 可以通過塑性變形緩解應力集中，延緩裂紋的產生和擴展，從而使塑性提高。
| Cu(%) | 0 | 1 | 2 | 3 |
| 抗拉強度(MPa) | 775 | 815 | 894 | 956 |
| 延伸率(%) | 12.1 | 11.4 | 11.6 | 13.8 |
| 斷面收縮率(%) | 15.9 | 16.7 | 29.6 | 32.8 |
2.5 銅含量對鋼韌性的影響表 4 為不同銅含量鋼經1100℃×20min 淬火+450℃×2h 回火處理后的沖擊韌性。可以看出：隨著Cu 含量的增加，由于組織細化和ε-Cu 數量增多，其塑性變形能力提高，裂紋產生和擴展受阻，沖擊韌性提高。
| Cu(%) | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 沖擊功AK (J) | 22 | 30 | 44 | 48 |
3.結論1）銅的加入能細化不銹鋼的顯微組織，提高不銹鋼的抗拉強度和硬度。2）含銅不銹鋼經淬火+回火處理后，能析出Cu 單質和富銅相(ε-Cu)，具有優異的抗菌性。且隨銅含量的增加，不銹鋼的抗菌性能提高。3）銅的加入，對不銹鋼有強韌化作用。且隨銅含量的增加，不銹鋼的塑性和韌性提高。
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