銅在鋼中的作用概述

卞小龍 王永霞 楊金業(yè) 劉鵬鵬

摘? 要：文章從含銅鋼的力學(xué)性能、耐蝕性能和抗菌性能方面論述了銅在鋼中的作用，將銅加入鋼中并經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗螅牧系膹?qiáng)度，硬度、伸長(zhǎng)率和屈強(qiáng)比會(huì)得到改善;銅在鋼中能提高基體的整體電位，使得材料的耐腐蝕性能提高;含銅鋼中的富銅相具備抗菌殺菌作用。

關(guān)鍵詞：含銅鋼;時(shí)效處理;力學(xué)性能;耐蝕性能;抗菌性能

中圖分類號(hào)：TG151.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）26-0041-02

Abstract： Mechanical properties， corrosion resistance and antibacterial properties of copper-bearing steel were discussed in this paper. After adding copper into steel and undergoing proper heat treatment， the strength， hardness， elongation， ratio of yield strength to tensile strength of the material was improved. The overall potential of the matrix was increased， corrosion resistance of the material was improved， and antibacterial properties was given by copper-rich phase.

Keywords： copper-bearing steel; aging treatment; mechanical properties; corrosion resistance property; antibacterial property

1 概述

鋼鐵材料作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基本支柱之一在各個(gè)領(lǐng)域都有著極大的應(yīng)用價(jià)值。鋼鐵材料制備簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，同時(shí)具備優(yōu)良的綜合性能。然而，隨著鋼鐵材料應(yīng)用范圍的不斷拓展，人們對(duì)鋼鐵材料強(qiáng)度、硬度、耐磨和耐蝕等性能的要求越發(fā)全面苛刻，同時(shí)海洋船舶、醫(yī)療衛(wèi)生、食品工業(yè)和新能源技術(shù)的飛速發(fā)展，使得人們對(duì)鋼鐵材料的特殊性能（耐微生物腐蝕性能、抗菌殺菌性能）的需求與日俱增。在這種背景下，有色金屬元素銅因其具備優(yōu)良的抗張強(qiáng)度、耐腐蝕性能、延展性和可塑性等特點(diǎn)被作為合金元素加入鋼中以改善鋼的性能[1]。銅加入鋼材中不僅對(duì)組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和耐腐蝕性能有重要影響，且鋼中加入銅并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚砗蟛牧暇邆淇咕鷼⒕饔谩Ａ硗猓~及其化合物不像鉛和汞那樣對(duì)人體產(chǎn)生毒害作用，銅是人和動(dòng)物所必須的微量元素之一，對(duì)土地的污染也遠(yuǎn)小于其他重金屬元素[2]，因此，含銅鋼無論是從材料制備工藝和性能的角度，還是從經(jīng)濟(jì)、健康以及環(huán)保角度都具備極大的應(yīng)用前景。目前，含銅鋼所具備的功能特性和使用優(yōu)點(diǎn)已被人們廣泛接受，含銅鋼產(chǎn)品已在許多領(lǐng)域普及。本文通過含銅鋼的力學(xué)性能、耐蝕性能和抗菌性能來闡述銅在鋼中的作用。

2 力學(xué)性能

在鋼中加入微量銅元素，能增強(qiáng)鋼材本身的強(qiáng)度，改善其力學(xué)性能。銅在室溫時(shí)在鋼中的固溶度較低，當(dāng)鋼中含銅量超過0.6%時(shí)銅便會(huì)呈過飽和狀態(tài)，此時(shí)經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚肀憧稍诓牧匣w中析出富銅的ε-Cu相，ε-Cu相會(huì)造成沉淀強(qiáng)化，提高鋼的強(qiáng)度和硬度[1，3]。李珊珊等人[4]對(duì)高強(qiáng)度含銅鋼（銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%）進(jìn)行了600-680℃的時(shí)效處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，時(shí)效溫度較低時(shí)，鋼的組織為板條馬氏體，當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，含銅析出相ε-Cu的尺寸逐漸增大，當(dāng)溫度超過640℃，含銅ε-Cu相由球狀轉(zhuǎn)變?yōu)榘魻畈⑴c馬氏體基體失去了共格關(guān)系，試樣在640℃時(shí)的強(qiáng)度超過了785Mpa，且具備良好的低溫韌性和塑性匹配。尹桂全等人[5]研究了時(shí)效溫度和保溫時(shí)間對(duì)熱軋超低碳含銅鋼硬度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試樣在500℃保溫2-2.5h時(shí)硬度最高，這是由于在峰時(shí)效500℃保溫時(shí)，含銅鋼中會(huì)析出富銅粒子ε-Cu，ε-Cu粒子彌散分布在基體中，其孿晶結(jié)構(gòu)和對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用導(dǎo)致了材料的硬度急劇升高。梁敏[6]研究了真空冶煉的含銅鋼，發(fā)現(xiàn)當(dāng)銅含量少于2.32%時(shí)，銅元素均勻分布在材料基體中且對(duì)晶粒的細(xì)化作用不明顯，當(dāng)逐漸增大銅的含量時(shí)，試樣的晶粒發(fā)生細(xì)化，并有白色的粒狀富銅相呈網(wǎng)狀在晶界處析出，含銅量增加時(shí)，試樣的硬度增加。尹鴻祥等人[7]研究了退火時(shí)間對(duì)1.4%Cu高純鐵素體不銹鋼的力學(xué)性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，退火1h后，試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別達(dá)到了347Mpa、488Mpa和29.2%，隨著退火時(shí)間的延長(zhǎng)，基體中析出的富銅相由球狀轉(zhuǎn)變?yōu)闂U狀，顆粒尺寸增大，顆粒間間距變小，當(dāng)富銅相與基體呈半共格關(guān)系時(shí)，其對(duì)材料的強(qiáng)化作用最大。

3 耐蝕性能

暴露在大氣中的鋼通常會(huì)被腐蝕，銅作為合金元素之一最重要的作用就是提高不銹鋼的耐腐蝕性能。李玉謙等人[8]采用恒溫浸泡法研究了含銅不銹鋼在強(qiáng)酸性氯離子環(huán)境的腐蝕現(xiàn)象，結(jié)果表明，隨著銅和鎳含量的增加，腐蝕電流密度急劇降低，自腐蝕電位、界面電子轉(zhuǎn)移電阻增大，鋼的耐蝕性提高，銅以再沉淀顆粒的方式在基體表面聚齊，形成穩(wěn)定性較好的保護(hù)層，使材料的基體電位升高，抑制了均勻腐蝕和點(diǎn)蝕的進(jìn)一步發(fā)展。秦麗雁等人[9]研究了含銅鋼在微生物環(huán)境下的耐蝕性能，結(jié)果表明，含銅鋼在微生物環(huán)境能殺死細(xì)菌和降低細(xì)菌的活性，減緩細(xì)菌對(duì)材料的腐蝕作用，提高材料的鈍化膜穩(wěn)定性，使得材料在微生物環(huán)境下的耐蝕性能提高。含銅鋼提高耐腐蝕性的原因普遍被認(rèn)為是由于銅離子在腐蝕介質(zhì)中能在鋼表面行成一層致密的含銅保護(hù)層，保護(hù)層能隔絕基體組織與腐蝕介質(zhì)的直接接觸，進(jìn)而減輕腐蝕介質(zhì)對(duì)材料的侵蝕作用。也有研究認(rèn)為，含銅鋼中析出富銅相后，材料的鈍化電位升高，耐點(diǎn)蝕性能會(huì)發(fā)生略微下降，這是由于在不銹鋼基體中形成了富銅析出相與基體的電位不同，導(dǎo)致材料內(nèi)部形成微小的原電池，發(fā)生陽極極化，促進(jìn)材料的點(diǎn)蝕的發(fā)生，導(dǎo)致含銅不銹鋼比不含銅的同種不銹鋼的耐蝕性能略有下降[10-11]。耐候鋼Cu-P-Ti-Re系中的09CuPTiRe鋼，銅含量控制在0.25%-0.50%內(nèi)，這是由于過多銅對(duì)耐候鋼耐蝕性的提高不大，且過多銅在鋼的生產(chǎn)過程中易引發(fā)熱脆現(xiàn)象[6]。

4 抗菌性能

將一定量的銅元素添加到鋼中，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚逛撝形龀黾?xì)小彌散的含銅相顆粒并均勻的分布在不銹鋼基體中，從而賦予不銹鋼抗菌殺菌功能。目前含銅的抗菌不銹鋼有鐵素體系列、馬氏體系列、奧氏體系列以及鐵素體-奧氏體雙相系列。含銅抗菌不銹鋼由于具備優(yōu)良的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，在市場(chǎng)中占有重要的位置。林浩等人[12]在1Cr13鋼中加入了銅并進(jìn)行了熱處理后，在不銹鋼中析出的富銅相處于水溶液環(huán)境時(shí)會(huì)溶出Cu2+，使得材料具備優(yōu)異的抗菌殺菌作用。管俊林等人[13]研究了含銅量為4.5%的317L不銹鋼的抗菌性，結(jié)果表明，含銅317L不銹鋼具備優(yōu)異的抗菌性能，能對(duì)材料表層的大腸桿菌進(jìn)行有效殺滅，且具備良好的生物相容性。李金剛等人[14]對(duì)18-8奧氏體不銹鋼進(jìn)行了滲銅處理后，材料對(duì)大腸桿菌的殺菌率達(dá)到99.99%。關(guān)于抗菌機(jī)理，普遍認(rèn)為含銅不銹鋼中均勻彌散分布的富銅相在一定條件下溶出銅離子并與細(xì)菌發(fā)生反應(yīng)，從而殺死細(xì)菌[15]，固溶狀態(tài)下不銹鋼中的銅并不能賦予不銹鋼優(yōu)良的抗菌殺菌作用，這是由于固溶于基體中的銅受不銹鋼鈍化膜的阻礙作用，難以離子形式從基體中析出，導(dǎo)致材料的抗菌作用不明顯。

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