一种新型磁控恒温抗菌耐腐蚀合金及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于多功能金属结构材料领域，特别是涉及一种磁控恒温抗菌耐腐蚀合金及其制备方法和应用。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，对传统金属结构材料的挑战也越发突出。除了对力学性能要求越来越苛刻，还要求结构材料拥有优异的功能性能，即结构功能一体化。由于高技术领域服役工况的复杂性，其重要结构件往往承受载荷、高温、腐蚀、光照、辐射、电场、磁场等综合因素的影响。这就要求关键材料在具备一定力学性能的条件下，还要满足功能性能的要求。
3.居里温度是材料，尤其是金属材料铁磁性与非铁磁性转变的临界点。在居里温度之下，材料表现出铁磁性，而当温度超过居里温度时，材料的铁磁性消失。电磁炉是利用电磁感应加热的原理工作的。利用交变电生磁，磁再生电的原理，在电磁炉内部产生感应磁场，同时磁场又感应炊具锅具的铁磁性底部，产生涡流，从而产生源源不断地热量来烹饪食物。如果铁磁性锅底的温度超过了其本身的居里温度，则铁磁性材料变为非铁磁性材料，无法再继续感应出涡流加热。当温度冷却到锅底铁磁材料的居里温度以下时，锅底材料又变为铁磁性，则又可以继续感应出涡流，实现加热功能。传统的铁磁材料锅底居里温度过高，使得涡流加热连续，温度短时间迅速上升，锅内温度无法按照需求进行控制。另外，高温对食物的破坏甚至恶化作用十分显著。过多的摄入焦化碳化食物会增加人体致癌的风险。也就是说控制锅内烹饪温度的关键在于控制锅具锅底铁磁材料的居里温度。
4.另外，炊具锅具作为家庭一日三餐使用的工具，由于需经常烹饪，会接触许多酸碱性盐类物质，需要经常清洗打理，对其耐腐蚀也提出了新的挑战。目前针对合金的耐腐蚀性往往是通过添加cr、mo等元素来增加合金的耐腐蚀性，而且其含量必须达到一定的百分数才能实现。例如304、316、430等不锈钢，它们的cr元素含量均在18％左右。
5.同时，由于经常在潮湿闷热的环境下存放，细菌等微生物的滋生也十分普遍。抗菌材料的开发应用由来已久，而大多抗菌材料利用的是金属盐杀菌特性。现代研究表明，金属离子对细菌具有良好的抑制和杀灭的效果，并且对人不会有其他的危害性。金属原子或其离子抗菌性优良排序为：
6.ag

》co
2
≥ni
2
≥al
3
≥zn
2
≥cu
3
＝fe
3
》mn
2
≥sn
2
≥ba
2
≥mg
2
≥ca
2
。
7.若要含有以上金属元素的金属材料具有良好的抗菌性能，不仅需要这些金属元素的含量达到一定量，而且需要对金属材料进行特殊的抗菌热处理或者其他的工艺，这样才能使这些金属元素可以在金属基体中形成稳定、均匀、弥散分布及富含抗菌元素的抗菌相。同时，抗菌相在基体中的体积分数要达到一定数量，并能使富有抗菌元素的抗菌相裸露于金相表面，抗菌元素溶于水形成水合离子，进而与细菌的蛋白质相结合，使蛋白质变性，从而能杀死细菌，达到抗菌效果。目前合金的抗菌设计理念多是添加ag、cu等元素来实现杀菌效果。当遇到细菌时，通过释放金属离子，进入细菌细胞壁后杀死细菌。
8.恒温控制、耐腐蚀性及抗菌的性能都与合金材料的化学成分相关，但是不同化学元素对不同性能的影响也是复杂与不确定的。因此如何通过调整化学成分配比，来平衡这三者的关系是我们重要研究方向及重点攻克技术难题。


技术实现要素：

9.本发明的目的之一在于提供一种新型磁控恒温抗菌耐腐蚀合金，该新型合金集成了恒温控制、耐腐蚀性及抗菌性三大功能。本发明的目的之二在于提供上述合金的制备方法。
10.为实现本发明的目的，提供以下技术方案：
11.一种新型磁控恒温抗菌耐腐蚀合金，其合金成分配比(质量百分比)包括：si(0.1-1％)，mn(0.1-1％)，ni(4-20％)，cr(2-20％)，mo(0-3％)，co(0-20％)，cu(0.1-4％)，b(0-1％)，ti(0-1％)，al(0-1％)，c(0-0.1％)，fe为余量。
12.除此之外，不可避免地，合金中还包括杂质：p(0.001-0.030％)，s(0.001-0.030％)，合金的杂质元素例如p、s、o、n的含量应尽可能低。
13.本发明的一种新型磁控恒温抗菌耐腐蚀合金的制备方法，所述方法包括步骤如下：
14.步骤1.配料：按照合金元素配比进行称量各元素重量；
15.步骤2.熔炼与浇注：采用真空感应炉/真空电弧炉/磁悬浮真空炉进行熔炼，熔炼温度1500-1600℃，时间20-40min，浇注成合金锭并冷却；
16.步骤3.均匀化退火：对合金锭进行均匀化退火，温度1250-1350℃，时间24-36h；
17.步骤4.成型：锻造：温度1200-1300℃，锻造比：3-9；先热轧后冷轧，热轧温度1100-1200℃，单道次变形量为5％-50％，热轧最终厚度为5mm；冷轧时单道次变形量为5％-50％，直至所需厚度；
18.步骤5.热处理：固溶处理温度950-1150℃，时间30-60min，时效温度550-700℃，时效时间30-120min。
19.优选的，步骤1中采用高精度电子秤进行称量，合金元素配比要适当考虑元素烧损率，烧损率为1％-3％。
20.优选的，步骤2中可根据不同冶金效果选择不同的熔炼炉。
21.优选的，步骤4中先将铸锭锻造成为方坯，再在轧制之前进行开坯；热轧板最终厚度控制在5mm左右，之后进行冷轧，冷轧板厚度为0.5-2mm；
22.优选的，步骤5中的固溶温度与时间和时效温度与时间均可根据合金成分进行调整。
23.本发明所述的新型合金在成分设计时综合考虑了不同合金元素对居里温度、耐腐蚀性及抗菌性的影响，具体考虑因素如下：
24.cr：9-13％的cr含量拥有优异的耐腐蚀性；随着cr含量的增加，居里温度先升高后降低。ni：ni是扩大奥氏体相区元素，提高材料的韧性；随着ni含量的增加，居里温度逐渐升高。co：战略性元素，提高居里温度；cu：耐腐蚀，抗菌性能优异，提高居里温度；mo：提高耐点蚀性能；b：能够细化晶粒，提高居里温度；ti：提高强度，降低居里温度；al：提高耐蚀性，降低居里温度；c：提高强度，对居里温度影响不大；si：提高高温氧化性，降低居里温度；mn：降
低居里温度；p、s：杂质元素。
25.本发明的有益技术效果在于：
26.本发明所述的一种新型磁控恒温抗菌耐腐蚀合金可以控制其居里温度在90-350℃之间，具有优异的电磁控温效果。同时通过控制cr、mo、cu等元素的含量使得该新型合金也拥有优异的耐腐蚀和抗菌性能。
附图说明
27.图1为升温测试点分布示意图；
28.图2为单层磁控恒温抗菌耐腐蚀锅具结构示意图及升温曲线；
29.图3为多层覆底和多层全包磁控恒温抗菌耐腐蚀锅具结构示意图。
具体实施方式
30.本发明综合磁控恒温、耐腐蚀、抗菌三大功能的特点，利用新的合金设计，制备了新型磁控恒温抗菌耐腐蚀合金。下面结合具体实施例对本发明作进一步的阐述，但实施例并不限制本发明的保护范围。
31.一种新型磁控恒温抗菌耐腐蚀合金，其合金成分配比(质量百分比)包括：si(0.1-1％)，mn(0.1-1％)，ni(4-20％)，cr(2-20％)，mo(0-3％)，co(0-20％)，cu(0.1-4％)，b(0-1％)，ti(0-1％)，al(0-1％)，c(0-0.1％)，fe为余量。
32.不可避免地，还包括杂质：p(0.001-0.030％)，s(0.001-0.030％)，合金的杂质元素例如p、s、o、n的含量应尽可能低。
33.对实施例获得的新型磁控恒温抗菌耐腐蚀合金进行以下测试：
34.1、居里温度测试：
35.利用振动样品磁强计(vsm)测试样品的居里温度，获得m-t曲线后，在曲线斜率最大处做切线，该切线与横轴温度轴的交点即为居里温度点。
36.2、抗菌实验测试：
37.培养大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的溶液，对比接种细菌前后不同样品的杀菌效果，记录杀菌率。
38.3、中性盐雾测试：
39.在35℃且湿度大于85％的密闭环境中，用5％氯化钠溶液(ph值在6.5-7.2)，连续盐水喷雾测试样品，并记录出现腐蚀点/裂纹的时间。
40.4、锅具升温实验：
41.将锅具样品置于电磁率上方，功率调至最大2200w，通过热电偶测温仪测试锅底内部的温度随时间变化，每隔30s记录一次温度，记录时间为5min。测试结果取不同测试点的平均值，温度测试点的分布示意图如图1所示。
42.实施例1
43.1、配料：合金成分配比(质量百分比)为：si(0.1％)，mn(0.3％)，ni(5％)，cr(10％)，mo(0％)，co(6％)，cu(2％)，b(0.1％)，ti(0％)，al(0％)，c(0.1％)，还含有杂质元素p(0.02％)，s(0.02％)，fe为余量。
44.2、熔炼与浇注：采用真空感应炉进行熔炼，熔炼温度1500-1600℃，时间30min，浇
注成合金锭并冷却；
45.3、均匀化退火：对合金锭进行均匀化退火，温度1300℃，时间30h；
46.4、成型：锻造：温度1200-1300℃，锻造比：6；轧制：热轧温度1100-1200℃，单道次变形量为10％，热轧最终厚度为5mm；冷轧：单道次变形量为5％％，最终厚度为2mm；
47.5、热处理：固溶处理温度1150℃，时间40min，时效温度640℃，时效时间60min；
48.6、测试结果：居里温度为340℃，大肠杆菌杀菌率98％，金黄色葡萄球菌杀菌率98.2％，盐雾时间138h。
49.实施例2
50.1、配料：合金成分配比(质量百分比)为：si(0.1％)，mn(0.3％)，ni(8％)，cr(12.5％)，mo(0％)，co(6％)，cu(2％)，b(0.1％)，ti(0％)，al(0％)，c(0-0.1％)，杂质元素p(0.02％)，s(0.02％)，fe为余量。
51.2、熔炼与浇注：采用磁悬浮真空炉进行熔炼，熔炼温度1500-1600℃，时间40min，浇注成合金锭并冷却；
52.3、均匀化退火：对合金锭进行均匀化退火，温度1250℃，时间36h；
53.4、成型：锻造：温度1200-1300℃，锻造比：3；轧制：热轧温度1100-1200℃，单道次变形量为20％，热轧最终厚度为5mm；冷轧：单道次变形量为10％，最终厚度为1.5mm；
54.5、热处理：固溶处理温度1100℃，时间50min，时效温度620℃，时效时间80min；
55.6、测试结果：居里温度为230℃，大肠杆菌杀菌率98.2％，金黄色葡萄球菌杀菌率98.8％，盐雾时间148h。
56.实施例3
57.1、配料：合金成分配比(质量百分比)为：si(0.3％)，mn(0.5％)，ni(18％)，cr(2％)，mo(0％)，co(0％)，cu(2％)，b(0％)，ti(0％)，al(0％)，c(0.03％)，其中还含有杂质元素p(0.02％)，s(0.02％)，fe为余量。
58.2、熔炼与浇注：采用真空电弧炉进行熔炼，熔炼温度1500-1600℃，时间30min，浇注成合金锭并冷却；
59.3、均匀化退火：对合金锭进行均匀化退火，温度1350℃，时间24h；
60.4、成型：锻造：温度1200-1300℃，锻造比：9；轧制：热轧温度1100-1200℃，单道次变形量为15％，热轧最终厚度为5mm；冷轧：单道次变形量为5％，最终厚度为0.8mm；
61.5、热处理：固溶处理温度1000℃，时间60min，时效温度640℃，时效时间90min；
62.6、测试结果：居里温度为145℃，大肠杆菌杀菌率98.2％，金黄色葡萄球菌杀菌率98.2％，盐雾时间104h。
63.实施例4
64.将实施例2获得的新型合金板材，制备成图2中a图所示的锅具。并对其锅内升温效果进行测试，如图2中b图所示。
65.实施例5
66.将实施例3获得的新型合金板材，制备成图3中a图和b图所示的锅具。
67.当然，本发明还有其他实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。