铜在钢中的作用概述

卞小龙 王永霞 杨金业 刘鹏鹏

摘  要：文章从含铜钢的力学性能、耐蚀性能和抗菌性能方面论述了铜在钢中的作用，将铜加入钢中并经过适当的热处理后，材料的强度，硬度、伸长率和屈强比会得到改善;铜在钢中能提高基体的整体电位，使得材料的耐腐蚀性能提高;含铜钢中的富铜相具备抗菌杀菌作用。

关键词：含铜钢;时效处理;力学性能;耐蚀性能;抗菌性能

中图分类号：TG151.1       文献标志码：A 文章编号：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

钢铁材料作为国民经济的基本支柱之一在各个领域都有着极大的应用价值。钢铁材料制备简单，价格低廉，同时具备优良的综合性能。然而，随着钢铁材料应用范围的不断拓展，人们对钢铁材料强度、硬度、耐磨和耐蚀等性能的要求越发全面苛刻，同时海洋船舶、医疗卫生、食品工业和新能源技术的飞速发展，使得人们对钢铁材料的特殊性能（耐微生物腐蚀性能、抗菌杀菌性能）的需求与日俱增。在这种背景下，有色金属元素铜因其具备优良的抗张强度、耐腐蚀性能、延展性和可塑性等特点被作为合金元素加入钢中以改善钢的性能[1]。铜加入钢材中不仅对组织结构、力学性能和耐腐蚀性能有重要影响，且钢中加入铜并进行适当的热处理后材料具备抗菌杀菌作用。另外，铜及其化合物不像铅和汞那样对人体产生毒害作用，铜是人和动物所必须的微量元素之一，对土地的污染也远小于其他重金属元素[2]，因此，含铜钢无论是从材料制备工艺和性能的角度，还是从经济、健康以及环保角度都具备极大的应用前景。目前，含铜钢所具备的功能特性和使用优点已被人们广泛接受，含铜钢产品已在许多领域普及。本文通过含铜钢的力学性能、耐蚀性能和抗菌性能来阐述铜在钢中的作用。

2 力学性能

在钢中加入微量铜元素，能增强钢材本身的强度，改善其力学性能。铜在室温时在钢中的固溶度较低，当钢中含铜量超过0.6%时铜便会呈过饱和状态，此时经过适当的热处理便可在材料基体中析出富铜的ε-Cu相，ε-Cu相会造成沉淀强化，提高钢的强度和硬度[1，3]。李珊珊等人[4]对高强度含铜钢（铜的质量分数为1.2%）进行了600-680℃的时效处理，结果发现，时效温度较低时，钢的组织为板条马氏体，当温度逐渐升高时，含铜析出相ε-Cu的尺寸逐渐增大，当温度超过640℃，含铜ε-Cu相由球状转变为棒状并与马氏体基体失去了共格关系，试样在640℃时的强度超过了785Mpa，且具备良好的低温韧性和塑性匹配。尹桂全等人[5]研究了时效温度和保温时间对热轧超低碳含铜钢硬度的影响，结果发现，试样在500℃保温2-2.5h时硬度最高，这是由于在峰时效500℃保温时，含铜钢中会析出富铜粒子ε-Cu，ε-Cu粒子弥散分布在基体中，其孪晶结构和对位错的钉扎作用导致了材料的硬度急剧升高。梁敏[6]研究了真空冶炼的含铜钢，发现当铜含量少于2.32%时，铜元素均匀分布在材料基体中且对晶粒的细化作用不明显，当逐渐增大铜的含量时，试样的晶粒发生细化，并有白色的粒状富铜相呈网状在晶界处析出，含铜量增加时，试样的硬度增加。尹鸿祥等人[7]研究了退火时间对1.4%Cu高纯铁素体不锈钢的力学性能的影响，结果发现，退火1h后，试样的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到了347Mpa、488Mpa和29.2%，随着退火时间的延长，基体中析出的富铜相由球状转变为杆状，颗粒尺寸增大，颗粒间间距变小，当富铜相与基体呈半共格关系时，其对材料的强化作用最大。

3 耐蚀性能

暴露在大气中的钢通常会被腐蚀，铜作为合金元素之一最重要的作用就是提高不锈钢的耐腐蚀性能。李玉谦等人[8]采用恒温浸泡法研究了含铜不锈钢在强酸性氯离子环境的腐蚀现象，结果表明，随着铜和镍含量的增加，腐蚀电流密度急剧降低，自腐蚀电位、界面电子转移电阻增大，钢的耐蚀性提高，铜以再沉淀颗粒的方式在基体表面聚齐，形成穩定性较好的保护层，使材料的基体电位升高，抑制了均匀腐蚀和点蚀的进一步发展。秦丽雁等人[9]研究了含铜钢在微生物环境下的耐蚀性能，结果表明，含铜钢在微生物环境能杀死细菌和降低细菌的活性，减缓细菌对材料的腐蚀作用，提高材料的钝化膜稳定性，使得材料在微生物环境下的耐蚀性能提高。含铜钢提高耐腐蚀性的原因普遍被认为是由于铜离子在腐蚀介质中能在钢表面行成一层致密的含铜保护层，保护层能隔绝基体组织与腐蚀介质的直接接触，进而减轻腐蚀介质对材料的侵蚀作用。也有研究认为，含铜钢中析出富铜相后，材料的钝化电位升高，耐点蚀性能会发生略微下降，这是由于在不锈钢基体中形成了富铜析出相与基体的电位不同，导致材料内部形成微小的原电池，发生阳极极化，促进材料的点蚀的发生，导致含铜不锈钢比不含铜的同种不锈钢的耐蚀性能略有下降[10-11]。耐候钢Cu-P-Ti-Re系中的09CuPTiRe钢，铜含量控制在0.25%-0.50%内，这是由于过多铜对耐候钢耐蚀性的提高不大，且过多铜在钢的生产过程中易引发热脆现象[6]。

4 抗菌性能

将一定量的铜元素添加到钢中，并进行适当的热处理，使钢中析出细小弥散的含铜相颗粒并均匀的分布在不锈钢基体中，从而赋予不锈钢抗菌杀菌功能。目前含铜的抗菌不锈钢有铁素体系列、马氏体系列、奥氏体系列以及铁素体-奥氏体双相系列。含铜抗菌不锈钢由于具备优良的力学性能和耐腐蚀性能，在市场中占有重要的位置。林浩等人[12]在1Cr13钢中加入了铜并进行了热处理后，在不锈钢中析出的富铜相处于水溶液环境时会溶出Cu2+，使得材料具备优异的抗菌杀菌作用。管俊林等人[13]研究了含铜量为4.5%的317L不锈钢的抗菌性，结果表明，含铜317L不锈钢具备优异的抗菌性能，能对材料表层的大肠杆菌进行有效杀灭，且具备良好的生物相容性。李金刚等人[14]对18-8奥氏体不锈钢进行了渗铜处理后，材料对大肠杆菌的杀菌率达到99.99%。关于抗菌机理，普遍认为含铜不锈钢中均匀弥散分布的富铜相在一定条件下溶出铜离子并与细菌发生反应，从而杀死细菌[15]，固溶状态下不锈钢中的铜并不能赋予不锈钢优良的抗菌杀菌作用，这是由于固溶于基体中的铜受不锈钢钝化膜的阻碍作用，难以离子形式从基体中析出，导致材料的抗菌作用不明显。

参考文献：

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[8]李玉谦，杜琦铭，成慧梅.合金元素对油船用低合金钢腐蚀行为的影响[J].钢铁研究学报，2017，9（6）：506-512.

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