一种高耐蚀抗菌铜合金材料及其制备方法和应用
文献发布时间：2023-06-19 18:37:28
技术领域
本发明属于铜合金材料技术领域，具体涉及一种高耐蚀抗菌铜合金材料及其制备方法和应用。
背景技术
环境是各种微生物的存储库，比如病人接触的物体表面，也可以成为微生物传染的媒介。在人口聚集环境中，表面接触材料会有微生物黏附和存活，对接触的人群存在严重的威胁，这就需要研究开发出对有害微生物有强抑制作用的表面接触材料。
铜及铜合金具有优良的力学性能和加工性能，被广泛用于电力、电子、通讯、化工、机械、交通运输、海洋工程、航空航天和建筑装饰等领域。此外，铜及铜合金还具有天然的抗菌性，对于一些毒性很大的细菌、真菌和病毒，具有快速而广泛的抑制作用。实验室和临床研究发现，铜及铜合金具有显著降低环境表面生物负载、杀灭环境感染常见病原体以及降低环境感染率的效果。但是，铜及铜合金作为表面接触材料，在使用过程中会与人体手掌等部位产生的汗液或者医疗机构等使用的消毒剂频繁接触，很容易发生变色和腐蚀，影响表面接触材料的美观和使用寿命。
铜合金的抗菌和耐蚀作为一个动态平衡的过程，铜合金杀菌是通过释放离子阻碍有害微生物的生长，而防变色和防腐蚀则需要避免表面金属转化成离子，如何平衡两者的关系是铜合金抗菌应用的痛点；另外，铜的成本较高，限制了其在日常家居生活中的广泛应用。因此，如何在保持低成本的前提下平衡铜合金的抗菌和耐蚀性能，是本领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高耐蚀抗菌铜合金材料及其制备方法和应用，本发明提供的高耐蚀抗菌铜合金材料成本低、高耐蚀且抗菌效果明显。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种高耐蚀抗菌铜合金材料，包括以下质量百分含量的组分：
Zn：25～35wt％，Ni：5～10wt％，Sn：1～2wt％，Al：0.5～2wt％，Cr：0.3～0.5wt％和Cu余量。
本发明还提供了上述方案所述高耐蚀抗菌铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Cu-Zn中间合金、Ni、Sn、Al、Cu-Cr中间合金和Cu熔炼和浇铸，得到金属铸锭；
(2)将所述金属铸锭表面处理后依次进行热轧、冷轧和热处理，得到高耐蚀抗菌铜合金材料。
优选的，所述热轧的初轧温度不低于800℃，终轧温度不低于600℃，所述热轧的总加工率为80～90％。
优选的，所述热处理的温度为600～800℃，保温时间为1～2h。
优选的，所述冷轧的变形量为50～99％。
优选的，所述熔炼为：将Cu熔化，待Cu完全熔化后保温30～40min，得到铜液；
向所述铜液中加入Ni和Cu-Cr中间合金，完全熔化得到Cu-Ni-Cr溶体；
向所述Cu-Ni-Cr溶体中加入Cu-Zn中间合金、Sn和Al，充分除气和除杂，保温5～10min后搅拌。
优选的，所述熔炼的温度为1300～1400℃，所述浇铸的温度为1200～1300℃。
优选的，所述表面处理为：对所述金属铸锭进行铣面，每个表面各铣1～2mm。
优选的，所述浇铸前还包括将所述熔炼得到的熔体静置10～15min。
本发明还提供了上述方案所述高耐蚀抗菌铜合金材料或上述方案所述制备方法得到的高耐蚀抗菌铜合金材料作为表面接触材料的应用。
本发明提供了一种高耐蚀抗菌铜合金材料，包括以下质量百分含量的组分：Zn：25～35wt％，Ni：5～10wt％，Sn：1～2wt％，Al：0.5～2wt％，Cr：0.3～0.5wt％和Cu余量。本发明研究发现，Zn与Cu固溶度较高，并且Zn本身具有抗菌性能，价格低廉，通过添加Zn元素，可以使Cu保持较强的抗菌能力的同时降低材料成本；通过添加Ni元素可以显著提高铜合金的强度、韧性、耐蚀性和抗变色性，但是添加过量的Ni会降低铜合金的抗菌性能，本发明通过控制合适的Ni含量，保证铜合金的抗菌性能不会降低；Sn的添加不仅可以提高铜合金的耐蚀性，还可以改善铜合金的切削加工性能；添加适量的Al可以在铜合金表面形成具有良好耐蚀性的致密Al
本发明还提供了上述方案所述高耐蚀抗菌铜合金材料的制备方法。本发明提供的制备方法步骤简单，操作方便，生产成本低，适用于工业化生产。
本发明还提供了上述方案所述高耐蚀抗菌铜合金材料或上述方案所述制备方法得到的高耐蚀抗菌铜合金材料作为表面接触材料的应用。本发明提供的高耐蚀抗菌铜合金材料用作表面接触材料可以满足耐蚀和抗菌的要求，具有成本低、高耐蚀和快速抗菌效果：本发明提供的高耐蚀抗菌铜合金材料接触浓度值为1×10
本发明提供的高耐蚀抗菌铜合金材料尤其适用于制作医院的床栏、扶手、输液架和配药器等用具，还可以用于造币、供水系统以及宾馆、写字楼和银行等公共场所的装修。在疫情肆虐的当下，开发低成本的高耐蚀抗菌铜合金材料，不仅可以满足人民对生命健康的追求，还可以拓展铜合金材料的应用范围，对人类生活和经济发展具有重要的意义。
具体实施方式
本发明提供了一种高耐蚀抗菌铜合金材料，包括以下质量百分含量的组分：
Zn：25～35wt％，Ni：5～10wt％，Sn：1～2wt％，Al：0.5～2wt％，Cr：0.3～0.5wt％和Cu余量。
以质量百分含量计，本发明提供的高耐蚀抗菌铜合金材料的组分包括Zn25～35wt％，优选为27～32wt％，更优选为28～30wt％。Zn与Cu固溶度较高，并且Zn本身具有抗菌性能，价格低廉，本发明通过添加Zn元素，可以使Cu保持较强的抗菌能力的同时降低材料成本。
以质量百分含量计，本发明提供的高耐蚀抗菌铜合金材料的组分包括Ni5～10wt％，优选为6～9wt％，更优选为7～8wt％。本发明通过添加Ni元素可以显著提高铜合金的强度、韧性、耐蚀性和抗变色性，Ni过量会降低铜合金的抗菌性能，本发明将Ni的含量控制在上述范围内，能够在提高铜合金强度、韧性、耐蚀性和抗变色性的同时避免降低其抗菌性。
以质量百分含量计，本发明提供的高耐蚀抗菌铜合金材料的组分包括Sn1～2wt％，优选为1.2～1.8wt％，更优选为1.4～1.6wt％。Sn的添加不仅可以提高铜合金的耐蚀性，还可以改善铜合金的切削加工性能。
以质量百分含量计，本发明提供的高耐蚀抗菌铜合金材料的组分包括Al0.5～2wt％，优选为0.9～1.8wt％，更优选为1.1～1.5wt％。添加适量的Al可以在铜合金表面形成具有良好耐蚀性的致密Al
以质量百分含量计，本发明提供的高耐蚀抗菌铜合金材料的组分包括Cr0.3～0.5wt％，优选为0.35～0.45wt％，更优选为0.4wt％。
以质量百分含量计，本发明提供的高耐蚀抗菌铜合金材料的组分包括Cu余量，优选为50～68wt％，更优选为55～62wt％。
本发明还提供了上述方案所述高耐蚀抗菌铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Cu-Zn中间合金、Ni、Sn、Al、Cu-Cr中间合金和Cu熔炼和浇铸，得到金属铸锭；
(2)将所述金属铸锭表面处理后依次进行热轧、冷轧和热处理，得到高耐蚀抗菌铜合金材料。
本发明将Cu-Zn中间合金、Ni、Sn、Al、Cu-Cr中间合金和Cu熔炼和浇铸，得到金属铸锭。在本发明中，所述熔炼优选为：将Cu熔化，待Cu完全熔化后保温(记为第一保温)30～40min，得到铜液；向所述铜液中加入Ni和Cu-Cr中间合金，完全熔化得到Cu-Ni-Cr溶体；向所述Cu-Ni-Cr溶体中加入Cu-Zn中间合金、Sn和Al，充分除气和除杂，保温(记为第二保温)5～10min后搅拌；所述第一保温和第二保温的温度优选与熔炼的温度一致；所述第一保温的时间为30～40min，优选为32～37min，更优选为34～35min；所述熔炼的设备优选为三高石墨坩埚。本发明加入Cu-Cr中间合金，可以使Cr充分分散均匀，这是因为Cr在Cu中的溶解度太低，并且Cr的熔点很高，直接采用单质添加，Cr很难充分均匀地溶解到铜中，容易形成大块状的富Cr相不均匀地分布在铜基体中，导致铜合金组分不均匀；本发明加入Cu-Zn中间合金，可以使Zn充分分散均匀，这是因为Zn的熔点太低，本发明加入Zn的含量很高，如果直接加入纯Zn熔炼出来的铸锭组分不均匀。
在本发明中，所述除气优选通入氮气去除空气；所述第二保温的时间为5～10min，优选为6～9min，更优选为7～8min，通过第二保温使金属完全熔化；所述熔炼的温度优选为1300～1400℃，更优选为1320～1370℃，进一步优选为1340～1350℃；所述熔炼的设备优选为非真空感应电炉；所述浇铸前优选还包括将所述熔炼得到的熔体静置10～15min；所述静置的时间优选为12～14min；所述浇铸的温度优选为1200～1300℃，更优选为1220～1280℃，进一步优选为1240～1260℃。
得到金属铸锭后，本发明将所述金属铸锭表面处理后依次进行热轧、冷轧和热处理，得到高耐蚀抗菌铜合金材料。在本发明中，所述表面处理优选为：对所述金属铸锭进行铣面，每个表面各铣1～2mm；所述铣面的厚度优选为1.2～1.7mm，更优选为1.4～1.6mm；所述热轧的初轧温度优选不低于800℃，更优选为800～860℃，进一步优选为820～850℃，所述热轧的终轧温度优选不低于600℃，更优选为600～650℃，进一步优选为620～650℃；所述热轧的总加工率优选为80～90％，更优选为82～88％，进一步优选为84～86％；所述冷轧的变形量优选为50～99％，更优选为60～90％，进一步优选为70～80％；所述热处理的温度优选为600～800℃，更优选为650～750℃，保温时间优选为1～2h，更优选为1.2～1.6h，通过热处理可以消除铜合金中的变形态的组织，实现再结晶；所述热处理后优选对所得产物进行空冷处理。
本发明还提供了上述方案所述高耐蚀抗菌铜合金材料或上述方案所述制备方法得到的高耐蚀抗菌铜合金材料作为表面接触材料的应用。
本发明对所述高耐蚀抗菌铜合金材料作为表面接触材料的应用方法没有特殊要求，采用常规的加工工艺将高耐蚀抗菌铜合金材料制作成目标形状的产品即可。本发明提供的高耐蚀抗菌铜合金材料具有良好的加工性能，能极好地在冷、热状态下进行加工，可加工成板、带、管、棒或线等各种形状，适用于制作人口聚集的公共场所的表面接触材料。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明的方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
本实施例的高耐蚀抗菌铜合金材料采用以下原料熔炼：电解铜、Cu-Zn中间合金、纯镍、纯锡、纯铝和Cu-Cr中间合金，原料的成分配比见表1，所述高耐蚀抗菌铜合金材料的制备步骤如下：
(1)熔铸
采用非真空感应电炉进行熔炼，所述熔炼温度为1300℃，所述浇铸温度控制在1200～1250℃；先加入电解铜，待Cu完全熔化后，保温30min；再加入熔点较高的金属Ni和Cu-Cr中间合金，待熔体完全熔化后，加入Cu-Zn中间合金、纯Sn和纯Al，其中，金属或中间合金的加入量以满足最终合金组份要求为准；经充分除气和除杂后保温10min，充分搅拌，静置10min后出炉浇铸，得到合金铸锭；
(2)铸锭表面处理
对合金进行铣面，每个表面各铣1mm；
(3)热轧
初轧温度800℃，终轧温度保持在650℃以上，热轧总加工率为90％；
(4)冷轧
冷轧变形量控制在90％；
(5)热处理
退火温度控制在600℃，保温2h后空冷处理，得到高耐蚀抗菌铜合金材料。
经过以上熔铸、表面处理、热轧、冷轧和热处理后，测试高耐蚀抗菌铜合金材料的性能，包括样品接触浓度值为1×10
实施例2
本实施例的高耐蚀抗菌铜合金材料采用以下原料熔炼：电解铜、Cu-Zn中间合金、纯镍、纯锡、纯铝和Cu-Cr中间合金，原料的成分配比见表1，所述高耐蚀抗菌铜合金材料的制备步骤如下：
(1)熔铸
采用非真空感应电炉进行熔炼，所述熔炼温度为1400℃，所述浇铸温度控制在1300℃；先加入电解铜，待Cu完全熔化后，保温40min；再加入熔点较高的金属Ni和Cu-Cr中间合金，待熔体完全熔化后，加入Cu-Zn中间合金、纯Sn和纯Al，其中，金属或中间合金的加入量以满足最终合金组份要求为准；经充分除气和除杂后，保温10min充分搅拌，静置15min后出炉浇铸，得到合金铸锭；
(2)铸锭表面处理
对合金进行铣面，每个表面各铣1mm；
(3)热轧
初轧温度850℃，终轧温度保持在700℃以上，热轧总加工率为80％；
(4)冷轧
冷轧变形量控制在99％；
(5)热处理
退火温度控制在800℃，保温1h后空冷处理，得到高耐蚀抗菌铜合金材料。
经过以上熔铸、表面处理、热轧、冷轧和热处理后，测试高耐蚀抗菌铜合金材料的性能，包括样品接触浓度值为1×10
实施例3
本实施例的高耐蚀抗菌铜合金材料采用以下原料熔炼：电解铜、Cu-Zn中间合金、纯镍、纯锡、纯铝和Cu-Cr中间合金，原料的成分配比见表1，所述高耐蚀抗菌铜合金材料的制备步骤如下：
(1)熔铸
采用非真空感应电炉进行熔炼，所述熔炼温度为1350℃，所述浇铸温度控制在1250℃；先加入电解铜，待Cu完全熔化后，保温35min；再加入熔点较高的金属Ni和Cu-Cr中间合金，待熔体完全熔化后，加入Cu-Zn中间合金、纯Sn和纯Al，其中，金属或中间合金的加入量以满足最终合金组份要求为准；经充分除气和除杂后，保温10min后充分搅拌，静置10min后出炉浇铸，得到合金铸锭；
(2)铸锭表面处理
对合金进行铣面，每个表面各铣1mm；
(3)热轧
初轧温度850℃，终轧温度保持在700℃以上，热轧总加工率为90％；
(4)冷轧
冷轧变形量控制在50％；
(5)热处理
退火温度控制在700℃，保温2h后空冷处理，得到高耐蚀抗菌铜合金材料。
经过以上熔铸、表面处理、热轧、冷轧和热处理后，测试高耐蚀抗菌铜合金材料的性能，包括样品接触浓度值为1×10
实施例4
本实施例的高耐蚀抗菌铜合金材料采用以下原料熔炼：电解铜、Cu-Zn中间合金、纯镍、纯锡、纯铝和Cu-Cr中间合金，原料的成分配比见表1，所述高耐蚀抗菌铜合金材料的制备步骤如下：
(1)熔铸
采用非真空感应电炉进行熔炼，所述熔炼温度为1400℃，所述浇铸温度控制在1300℃；先加入电解铜，待Cu完全熔化后，保温40min；再加入熔点较高的金属Ni和Cu-Cr中间合金，待熔体完全熔化后，加入Cu-Zn中间合金、纯Sn和纯Al，其中，金属或中间合金的加入量以满足最终合金组份要求为准；经充分除气和除杂后保温10min，充分搅拌，静置15min后出炉浇铸，得到合金铸锭；
(2)铸锭表面处理
对合金进行铣面，每个表面各铣1mm；
(3)热轧
初轧温度850℃，终轧温度保持在700℃以上，热轧总加工率为90％；
(4)冷轧
冷轧变形量控制在99％；
(5)热处理
退火温度控制在800℃，保温1h后空冷处理，得到高耐蚀抗菌铜合金材料。
经过以上熔铸、表面处理、热轧、冷轧和热处理后，测试高耐蚀抗菌铜合金材料的性能，包括样品接触浓度值为1×10
实施例5
本实施例的高耐蚀抗菌铜合金材料采用以下原料熔炼：电解铜、Cu-Zn中间合金、纯镍、纯锡、纯铝和Cu-Cr中间合金，原料的成分配比见表1，所述高耐蚀抗菌铜合金材料的制备步骤如下：
(1)熔铸
采用非真空感应电炉进行熔炼，所述熔炼温度为1320℃，所述浇铸温度控制在1250℃；先加入电解铜，待Cu完全熔化后，保温30min；再加入熔点较高的金属Ni和Cu-Cr中间合金，待熔体完全熔化后，加入Cu-Zn中间合金、纯Sn和纯Al，其中，金属或中间合金的加入量以满足最终合金组份要求为准；经充分除气和除杂后保温10min，充分搅拌，静置10min后出炉浇铸，得到合金铸锭；
(2)铸锭表面处理
对合金进行铣面，每个表面各铣1mm；
(3)热轧
初轧温度820℃，终轧温度保持在700℃以上，热轧总加工率为85％；
(4)冷轧
冷轧变形量控制在90％；
(5)热处理
退火温度控制在700℃，保温2h后空冷处理，得到高耐蚀抗菌铜合金材料。
经过以上熔铸、表面处理、热轧、冷轧和热处理后，测试高耐蚀抗菌铜合金材料的性能，包括样品接触浓度值为1×10
实施例6
本实施例的高耐蚀抗菌铜合金材料采用以下原料熔炼：电解铜、Cu-Zn中间合金、纯镍、纯锡、纯铝和Cu-Cr中间合金，原料的成分配比见表1，所述高耐蚀抗菌铜合金材料的制备步骤如下：
(1)熔铸
采用非真空感应电炉进行熔炼，所述熔炼温度为1320℃，所述浇铸温度控制在1250℃；先加入电解铜，待Cu完全熔化后，保温35min；再加入熔点较高的金属Ni和Cu-Cr中间合金，待熔体完全熔化后，加入Cu-Zn中间合金、纯Sn和纯Al，其中，金属或中间合金的加入量以满足最终合金组份要求为准；经充分除气和除杂后保温10min，充分搅拌，静置15min后出炉浇铸，得到合金铸锭；
(2)铸锭表面处理
对合金进行铣面，每个表面各铣1mm；
(3)热轧
初轧温度850℃，终轧温度保持在700℃以上，热轧总加工率为80％；
(4)冷轧
冷轧变形量控制在99％；
(5)热处理
退火温度控制在750℃，保温1h后空冷处理，得到高耐蚀抗菌铜合金材料。
经过以上熔铸、表面处理、热轧、冷轧和热处理后，测试高耐蚀抗菌铜合金材料的性能，包括样品接触浓度值为1×10
实施例7
本实施例的高耐蚀抗菌铜合金材料采用以下原料熔炼：电解铜、Cu-Zn中间合金、纯镍、纯锡、纯铝和Cu-Cr中间合金，原料的成分配比见表1，所述高耐蚀抗菌铜合金材料的制备步骤如下：
(1)熔铸
采用非真空感应电炉进行熔炼，所述熔炼温度为1320℃，所述浇铸温度控制在1250℃；先加入电解铜，待Cu完全熔化后，保温40min；再加入熔点较高的金属Ni和Cu-Cr中间合金，待熔体完全熔化后，加入Cu-Zn中间合金、纯Sn和纯Al，其中，金属或中间合金的加入量以满足最终合金组份要求为准；经充分除气和除杂后保温10min，充分搅拌，静置15min后出炉浇铸，得到合金铸锭；
(2)铸锭表面处理
对合金进行铣面，每个表面各铣1mm；
(3)热轧
初轧温度850℃，终轧温度保持在700℃以上，热轧总加工率为90％；
(4)冷轧
冷轧变形量控制在60％；
(5)热处理
退火温度控制在750℃，保温1h后空冷处理，得到高耐蚀抗菌铜合金材料。
经过以上熔铸、表面处理、热轧、冷轧和热处理后，测试高耐蚀抗菌铜合金材料的性能，包括样品接触浓度值为1×10
实施例8
本实施例的高耐蚀抗菌铜合金材料采用以下原料熔炼：电解铜、Cu-Zn中间合金、纯镍、纯锡、纯铝和Cu-Cr中间合金，原料的成分配比见表1，所述高耐蚀抗菌铜合金材料的制备步骤如下：
(1)熔铸
采用非真空感应电炉进行熔炼，所述熔炼温度为1320℃，所述浇铸温度控制在1220℃；先加入电解铜，待Cu完全熔化后，保温30min；再加入熔点较高的金属Ni和Cu-Cr中间合金，待熔体完全熔化后，加入Cu-Zn中间合金、纯Sn和纯Al，其中，金属或中间合金的加入量以满足最终合金组份要求为准；经充分除气和除杂后保温10min，充分搅拌，静置12min后出炉浇铸，得到合金铸锭；
(2)铸锭表面处理
对合金进行铣面，每个表面各铣1mm；
(3)热轧
初轧温度900℃，终轧温度保持在750℃以上，热轧总加工率为70％；
(4)冷轧
冷轧变形量控制在99％；
(5)热处理
退火温度控制在680℃，保温1h后空冷处理，得到高耐蚀抗菌铜合金材料。
经过以上熔铸、表面处理、热轧、冷轧和热处理后，测试高耐蚀抗菌铜合金材料的性能，包括样品接触浓度值为1×10
表1实施例1～8制备的高耐蚀抗菌铜合金材料的成分配方
表2实施例1～8制备的高耐蚀抗菌铜合金材料的性能
根据表2可知，本发明实施例1～8制备的高耐蚀抗菌铜合金材料与浓度1×10
由以上实施例可知，本发明提供的高耐蚀抗菌铜合金材料具有成本低、高耐蚀和抗菌效果明显等优势，解决了铜合金材料的成本高、耐蚀和抗菌性能矛盾的问题。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。