铜对马氏体抗菌不锈钢组织与性能的影响

铜对马氏体抗菌不锈钢组织与性能的影响
引言
随着人们抗菌意识的不断提高，抗菌不锈钢的研究和应用日趋广泛。

抗菌不锈钢是材料科学与生物科学交叉而发展出的一种新型生物医学材料，具有广阔的应用前景。

目前研究的抗菌不锈钢主要有加银抗菌不锈钢[1]、表面涂层不锈钢[2]、抗菌复合不锈钢[3]、加铜抗菌不锈钢[4-6]。

不锈钢中加入适量的铜，可以使不锈钢具有优异的抗菌性能和综合性能。

本文以1Cr13 低碳马氏体不锈钢和纯铜为原料通过整体重熔的方法制取含铜低碳马氏体抗菌不锈钢，并讨论了不同铜含量对马氏体不锈钢组织性能的影响。

1.实验材料和实验方法
实验用材料以 1Cr13 不锈钢为原料，分别添加0%、1%、2%、3%的纯铜，采用中频感应熔炼炉熔炼得到，将浇铸出的钢锭经锻造后，机加工成标准的拉伸试样和冲击试样。

采用涂覆法测定不锈钢的抗菌性能。

菌种采用大肠杆菌ATCC 8099，金黄色葡萄球菌ATCC 6538，浓度分别为8.1×105 及9.0×105cfu·ml-1。

同条件抗菌实验重复3 次，取平均值。

此外，还测定了试样的硬度、抗拉强度和冲击韧性，并对断口进行了形貌观察和分析。

2.结果与分析
2.1 铜含量对钢组织的影响
分别为Cu 含量为0%、1%、2%、3%的不锈钢经1100℃×20min 淬火+450℃×2h回火后的显微组织。

从图中可以看出：Cu 的加入使得组织细化。

这是因为钢中加入少量的铜可以使不锈钢的晶格发生畸变，阻碍了形核和晶粒的长大，并且改变了不锈钢的相变点，阻碍形变奥氏体的再结晶，从而增加铁素体转变时的形核率，并因抑制铁素体的长大而使组织发生了变化，晶粒更加细小。

从可以看出，由于铜的加入，钢中形成了新的相，经标定这些新的衍射峰为单质Cu。

加入1Cr13 钢中的铜基本上是以接近纯铜的形式存在，其结构为面心立方点阵。

从可以看出，加入3%铜的试样经1100℃×20min 淬火+450℃×2h 回火处理后，钢中出现了一系列新的衍射峰。

经标定，这些峰分别为α-
Fe、Cu、Fe4Cu3 和Cu 9.9Fe0.1。

比较(a)和(b)可明显看出，1100℃×20min 淬火+450℃×2h 回火处理使得铜在钢中的相组成多元化，除了有图(a)中出现的Cu 单质外，还出现
了Fe4Cu3 和Cu 9.9Fe0.1 两种铜的化合物。

有些资料[7]将Cu 单质和Fe4Cu3、Cu 9.9Fe0.1 等富铜相统称为ε-Cu。

这是含铜不锈钢具有抗菌性的根本原因，其相应的淬火+回火处理称之为“抗菌处理”。

2.2 铜含量对钢抗菌性能的影响
为不同铜含量的不锈钢经1100℃×20min 淬火+450℃×2h 回火处理后对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌实验结果。

可以看出：不锈钢的抗菌性能随Cu 含量的提高而增强。

这是由于含铜不锈钢经过抗菌热处理后可以析出ε-Cu。

从而在表面附着的液体中溶出Cu2+，Cu2+与细菌接触时便会进入细菌的细胞内与细菌的酵素结合，从而使酵素丧失活性，达到抗菌效果[8]。

含铜量越高，Cu2+越容易溶出，其抗菌性越强。

2.3 铜含量对钢硬度的影响
为不同铜含量不锈钢淬火态和回火态下洛氏硬度。

可以看出淬火后钢的硬度随Cu含量的增加而提高。

这是由于淬火后Cu 溶入钢的基体中，起到固溶强化作用，Cu 含量越高，固溶强化作用越大，强度越高。

同时由于Cu 的加入，使组织发生一定程度的细化，也使得硬度提高；回火后随着Cu 含量的增加，析出的ε-Cu 增加，相界面增加，硬度提高。

2.4 铜含量对钢强度和塑性的影响
为不同铜含量不锈钢经1100℃×20min 淬火+450℃×2h 回火处理后的拉伸性能。

从表中可看出：随着Cu 含量的提高，钢的强度提高；延伸率变化不大，而断面收缩率提高。

这是由于Cu 的加入可以导致组织细化，可以提高强度和塑性；同时由于塑性ε-Cu 的析出，一方面导致了相界面增多，在拉伸变形过程中可以增加位错运动的阻力强度提高；另一方面塑性的ε-Cu 可以通过塑性变形缓解应力集中，延缓裂纹的产生和扩展，从而使塑性提高。

2.5 铜含量对钢韧性的影响
为不同铜含量钢经1100℃×20min 淬火+450℃×2h 回火处理后的冲击韧性。

可以看出：随着Cu 含量的增加，由于组织细化和ε-Cu 数量增多，其塑性变形能力提高，裂纹产生和扩展受阻，冲击韧性提高。

(a)~(d)分别为1Cr13 和1Cr13Cu3 的不同放大倍数的冲击断口形貌。

从可以看出：在低倍下断口为“冰糖”状断口，而且由于Cu 的加入使得断口形貌细化，这也印证了Cu 对组织的细化作用。

而从(b)和(d)可以看出：在高倍下断口具有准解理断裂的特征，在(b)上可以见到明显的短而不连续的河流状花样，而在(d)上由于铜的加入，其准解理面周围的撕裂棱更加明显，证明了Cu 的强韧化作用。

3.结论
1）铜的加入能细化不锈钢的显微组织，提高不锈钢的抗拉强度和硬度。

2）含铜不锈钢经淬火+回火处理后，能析出Cu 单质和Fe4Cu3、Cu 9.9Fe0.1 等富铜相(ε-Cu)，具有优异的抗菌性。

且随铜含量的增加，不锈钢的抗菌性能提高。

3）铜的加入，对不锈钢有强韧化作用。

且随铜含量的增加，不锈钢的塑性和韧性提高。

在职硕士论文
参考文献
[1]杨志勇,李文辉,林师表.抗菌不锈钢的开发[J].金属功能材料,2000, 7(4):21-23.
[2]汪铭.不锈钢表面抗菌薄膜的制备[D].浙江大学硕士论文,2003.
[3]张伟,李宁,肯永刚等3Cr13Cu3 马氏体不锈钢抗菌性能[J].特殊钢,2004, 25(2):27-28.
[4]陈四红,吕曼棋,张敬党等.含Cu 抗菌不锈钢的微观组织及其抗菌性能[J].金属学报,2004, 40(3):314-318.
[5]李宁,文玉华,张伟,等.高铜马氏体不锈钢的抗菌性能[J].特殊刚,2003, 24(4):29-31.
[6]王小丽,赵荣达,张伟强,等.含铜1Cr13 型低碳马氏体抗菌不锈钢的组织和性能[J].特殊钢,2006,27(5)38-39.
[7]康湛莹,李瑞增.重金属离子杀菌作用的机理[J].哈尔滨科学技术大学学报, 1995,19(3):103-106.
[8]Enric Robine, Laurence Boulange-Petermann, Dominique Derangere. Assessing bactericidal properties ofmaterials: the case of metallic surfaces in contact with air[J]. Journal of Microbiological Method,40(2002)225-234。