含铜铁素体抗菌不锈钢组织演变规律与富铜相作用机理
在430铁素体不锈钢中加入一定量的Cu可以在保证耐腐蚀性能的同时获得优异的抗菌性能,极大地拓宽了430铁素体不锈钢的应用范围。

本文从含铜430铁素体不锈钢中组织演变规律与富铜相作用机理入手展开分析研究。

通过热压缩试验研究了Cu对热加工性能的影响,结果表明随Cu含量的升高,试验钢的变形抗力增加,动态再结晶过程受到阻碍,热激活能升高。

而且沿着柱状晶不同方向热压缩时,变形抗力明显不同,因此板坯热轧时应注意三角区的变形行为,避免出现热加工裂纹。

此外,在1150℃加热保温时会发现表层的氧化皮内以及和基体结合的界面
处有纯Cu颗粒出现,说明保温过程中Cu会自发向板坯表面扩散,并且会偏聚融化,成为热加工的裂纹源。

Cu还会阻碍试验钢冷轧板的静态再结晶过程,影响再结晶织构,但是可以通过随后的抗菌退火进一步调整基体织构。

抗菌试验表明,含Cu 2.0%的试验钢在800℃退火半小时后对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率就可达到99.9%。

随抗菌退火温度的升高和时间的延长,富铜相逐渐由球状发展成杆状。

对富铜相在800℃ Ostwald熟化过程进行了表征,发现富铜相的熟化主要是富铜相杆状方向的伸长,熟化速率为10.311 nm/s1/3。

为了克服透射研究晶体学取向关系时一次只能分析一个的局限性,本文用XRD系统地分析了一个20 mm×25 mm面上富铜相的宏观织构和基体宏观织构的关系,确定二者之间以K-S关系为主,即{111}Cu//{110}Fe,<110>Cu//<111>Fe。

然后用XRD、EBSD和TEM分别从毫米、微米、纳米级别确定了在具有
<110>取向的晶粒内,杆状富铜相平行于表面,拥有最大暴露面积,可以提
高试验钢的抗菌功能。

在研究先用热轧板抗菌退火后冷轧的新工艺时发现冷轧会造成抗菌性能恶化。

通过富铜相形态观察,Cu元素分布状态和基体晶格常数变化等三种手段证明了剧烈塑性变形会造成富铜相变小、溶解并固溶进基体中,这是由于剧烈塑性变形过程中富铜相吉布斯自由能的大幅度增加,为富铜相溶解提供驱动力。

另外剧烈塑性变形会增大富铜相的临界形核半径,在冷轧过程中,富铜相实际尺寸会逐渐减小,当小于临界形核半径时也会促进溶解发生。

开发了“抗菌退火+低温时效”工艺,在保证了抗菌效果的同时还提高了试验钢的强度。

由于抗菌退火温度较高,因此在室温状态下基体中固溶的Cu含量依然是过饱和的,可以再进行时效退火来提高试验钢的强度。

时效退火后,发现析出了很多纳米级尺寸的富铜相颗粒,材料的硬度、屈服强度和抗拉强度得到了提高,最佳的时效工艺是在800℃抗菌退火0.5小时后550℃时效1小时,此时屈服强度和抗拉强度均可以提高约160 MPa。

虽然力学性能得到了提升,但是材料的杯突值却有所下降,杯突值最佳的工艺是在800℃抗菌退火6小时。

通过电化学测试发现,试验钢的耐腐蚀性能随基体中固溶的Cu含量的升高而升高,随富铜相的长大而逐渐恶化。

在浸泡过程中发现纯Cu的表面发生均匀腐蚀,而试验钢表面发生的是点蚀,纯Cu的耐腐蚀性能差于试验钢,但试验钢钝化膜破坏后基体腐蚀速度加快,说明铁素体含Cu抗菌不锈钢在持久杀菌时,富铜相和基体都发生溶解,保证了试验钢具有持久的抗菌效果。