热处理对含铜马氏体抗菌不锈钢力学、抗菌、耐蚀性的影响

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含铜马氏体抗菌不锈钢的设计思路是希望在保持高强度和良好耐蚀性的同时,能展现出优异的抗菌性能。而热处理会影响到马氏体抗菌不锈钢中马氏体转变、碳化物和富铜相析出等组织变化,进而会影响其各项性能,因此优化其热处理工艺是该类材料实际应用的关键。基于此,本文制备了两种铜含量的含铜马氏体不锈钢,即2Cr13-3.5Cu和2Cr13-4.1Cu,研究了热处理工艺对其力学性能、抗菌和耐蚀性能的影响规律。  扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)观察表明:在920℃、980℃淬火的2Cr13-4.1Cu中存在未溶碳化物和富铜相,随着淬火温度升高至1040℃后,未溶析出相的体积分数逐渐减少。  洛氏硬度测试表明,2Cr13-3.5Cu和2Cr13-4.1 Cu回火后均存在二次硬化现象。随着回火温度由300℃升高到430℃、500℃,2Cr13-3.5Cu的硬度逐渐升高,最高达到与淬火态相当。而2Cr13-4.1Cu在200-300℃回火时,随着回火温度升高,硬度呈下降趋势,降至48HRC;随着回火温度由300℃升高至500℃,硬度值又大幅升高,最高达53HRC。  考察了不同条件(淬火温度、回火温度、菌液浓度和共培养时间)对含铜马氏体不锈钢抗菌性能的影响。平板计数和活死染色结果显示:1040℃、1100℃淬火的2Cr13-4.1Cu对金黄色葡萄球菌的杀菌率和抑制其粘附能力均低于920℃、980℃淬火。用ICP-MS测量发现不锈钢中铜离子的溶出量随着淬火温度升高而大幅减小,因此推断淬火时抗菌性能的差异主要是由富铜析出相的体积分数变化决定。在300-500℃回火时,2Cr13-3.5Cu对金黄色葡萄球菌(菌液浓度为(2~5)×105CFU/mL,共培养时间为24h)的抗菌率均达到90%左右。当菌液浓度提高到8×105CFU/mL时,抗菌率下降到90%以下。对于不同温度回火后的2Cr13-4.1Cu,当菌液浓度为3×106CFU/mL时,随着共培养时间由12h延长到24h,抗菌率由10%增至80%。当菌液浓度低于1.6×106CFU/mL时,即使将共培养时间缩短至6h,在回火温度范围内,2Cr13-4.1Cu不锈钢仍能保持约90%的抗菌率。  考察了回火温度对2Cr13-4.1Cu耐点蚀性能的影响。结果表明,在200℃和400℃回火后,2Cr13-4.1Cu在0.9%NaCl溶液中均呈现明显的钝化区,而500℃回火时则无明显钝化区。结合三者的点蚀电位分析,不同回火温度的耐点蚀性能由高到低为:200℃>400℃>500℃。在稀硫酸溶液中,随着回火温度的升高或稀硫酸溶液浓度增大,含铜马氏体不锈钢的钝化电流密度均增大。根据2Cr13-4.1Cu在稀硫酸溶液中的双环动电位再活化实验(DL-EPR)和金相观察得知,2Cr13-4.1Cu在500℃回火后的晶间腐蚀敏感性比200℃和400℃回火后更大。这可能是由于500℃回火后析出大量碳化物,引起晶界处贫铬,进而导致钝化膜稳定性变差。
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