【摘 要】
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含铜抗菌铁素体不锈钢由于具备制备过程简单、生产成本较低和人体安全性等优点是抗菌金属材料研究的热点方向之一,在医疗器械、家用厨电、民间结构材料等领域应用的优势更加明显。低熔点元素锡在钢中通常被认为是有害元素,然而,其对细化不锈钢的显微组织、提高力学性能和耐腐蚀性能等方面的积极影响不容忽视。另外,锡和铜在抗菌不锈钢中的协同作用机理的深入理解对开发一种新型替代材料的意义深长悠远。本文以含锡铜430L铁素
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含铜抗菌铁素体不锈钢由于具备制备过程简单、生产成本较低和人体安全性等优点是抗菌金属材料研究的热点方向之一,在医疗器械、家用厨电、民间结构材料等领域应用的优势更加明显。低熔点元素锡在钢中通常被认为是有害元素,然而,其对细化不锈钢的显微组织、提高力学性能和耐腐蚀性能等方面的积极影响不容忽视。另外,锡和铜在抗菌不锈钢中的协同作用机理的深入理解对开发一种新型替代材料的意义深长悠远。本文以含锡铜430L铁素体不锈钢为研究对象,对不同热处理状态下实验材料的显微组织和综合性能进行了系统研究,为含锡铜铁素体抗菌不锈钢的实际应用奠定冶金材料学的基础。主要研究成果如下:利用真空感应炉冶炼3炉含锡铜抗菌430L铁素体不锈钢,实验钢的元素收得率较高,化学成分符合预期范围;观察了 3炉钢中的典型夹杂物,发现1#和2#钢中的典型夹杂物主要为条形和圆形的MnS-Al2O3复合夹杂物,3#钢中主要为吸附一定的锡铜元素的MnS-Al2O3复合夹杂物,各炉钢中的夹杂物尺寸均较细小;利用Thermol-Calc热力学软件计算了铜含量为1.5%的430L铁素体不锈钢的平衡相图,从相图中可以发现,在600℃、700℃和800℃进行时效处理时均有利于富铜相的析出。计算了理论上富铜相的成分,发现富铜相几乎是由纯Cu元素构成(含量为98.6%~99.7%),仅包含非常少量的Fe,Cr和Mn等元素;时效处理后,2#(430L-1.5%Cu)和3#钢(430L-1.5%Cu-0.4%Sn)的显微硬度均出现先增加后减小的规律,在高温时效时硬度增加更快但硬度峰值会降低;另外,发现锡元素对含铜铁素体不锈钢的硬度变化有“加快”和“减少”的作用。时效处理后,2#和3#钢的晶粒度略微提升;由于锡的抑制动态再结晶的作用,3#钢的晶粒度明显小于2#钢;利用EPMA和TEM观察了富铜相的微观形貌,发现2#和3#钢中的富铜相会随时效时间延长明显粗化,由几纳米提升至几百纳米,并且数量减少。其粗化行为可由“Ostwald熟化”理论解释,富铜相的强化机制可由“奥罗万绕过机制”理解;将固溶处理态的钢样作为对照组实验时,发现随着时效处理时间的延长,2#(430L-1.5%Cu)和3#钢(430L-1.5%Cu-0.4%Sn)的抗菌率有了明显提升,并且3#钢的抗菌率大于2#钢:当时效时间为79200 s时,其抗菌率分别达到了 91.60%和97.37%。对表面钝化膜进行分析发现,时效处理后钝化膜中的Cu单质多于固溶态是其抗菌性提升的主要原因;在430L不锈钢中添加适量的铜和锡元素对其固溶态强度具有积极影响。对2#钢进行时效处理后,其强度、塑性略微降低,抗拉强度约下降30 MPa,延伸率下降约9%(时效时间为79200 s)。时效时间较短时(300 s),3#钢的抗拉强度提升了约43 MPa,而塑性会降低约3.6%。随着时效时间的进一步延长,从断口形貌发现3#钢逐渐由脆性断裂向塑性断裂转变;适量铜元素和锡元素对430L不锈钢的耐点蚀性能有提升作用;对2#和3#钢进行时效处理后,其耐点蚀性能会有一定程度的下降;时效时间较长时,2#和3#钢的耐点蚀性能有不同程度的回升。
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