CN107201467B - 一种热处理型抗菌铝合金及其热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热处理型抗菌铝合金及其热处理方法，属于抗菌材料及铝合金技术领域。以重量百分比计算，该铝合金的化学成分为：Mg：0.8‐1.5％；Si：0.2‐0.5％；Cu：0.8‐1.6％；余量为Al，合金中杂质元素含量应符合铝合金国家标准中的相应要求。本发明的抗菌铝合金新材料具有独特的抗菌功能，同时通过合理的双级时效处理，可以保持铝合金良好耐蚀性的优点。该抗菌铝合金能够显著降低现有铝合金制品使用中引发的细菌感染致病风险，可广泛应用于建筑型材，灌溉管材以及供车辆、台架、家具、栏杆等用的挤压材料。

Description

一种热处理型抗菌铝合金及其热处理方法

技术领域

本发明涉及抗菌材料及铝合金技术领域，具体为一种热处理型抗菌铝合金及其热处理方法，该铝合金可广泛应用于建筑型材、灌溉管材以及供车辆、台架、家具、栏杆等用的挤压材料。

背景技术

铝合金由于其质量轻、耐腐蚀、加工成形性好等优点，广泛应用到食品、化学、船舶工业、建筑装饰等多种领域和场合。随着人们生活环境的日益严苛，细菌感染引发的事件日益增多，已经受到社会的极大关注。然而传统铝合金自身并不具备杀菌、抗菌功能。因此开发出自身具有抗菌功能的铝合金，将极大的迎合了市场日益增长的需求。

申请号分别为201110174210.9、2011110171161.3的发明专利公布了一种用于热交换器冷却扁管和散热器散热片的抗菌铝合金，主要利用了Ag和Zn离子的杀菌作用。另外，申请号为201310038297.6和201310126085.3的发明专利分别公布了一种食品容器用抗菌铝合金和一种建筑装饰用抗菌铝合金，主要利用了Ag、Zn和Re元素的复合杀菌作用。这些专利主要利用Ag的强烈杀菌作用，但存在两个主要问题，一是Ag的含量都设计的比较高，最高的达到3％。而实际生产过程中Ag元素本身的强挥发性导致其很难控制收得率。二是Ag元素高昂的价格，使得现有所有已经工业化生产的金属材料中，并没有一种商业牌号含有Ag的金属合金，这严重制约了其实际可行性。因此，通过设计以Ag为主要抗菌元素的铝合金，无论从材料设计角度还是实际应用出发，均面临极大的实际挑战。

众所周知，铜同样具有很强的杀菌功能，并且铜元素在铝合金中也有着重要的实际应用，2系铝合金就是一类以铝铜为主的铝合金，此类铝合金中，由于铜在铝中的溶解度较大，固溶在铝基体中的铜可以通过时效析出CuAl₂起到明显的时效强化效果。但是由于合金中的Al‐Cu金属间化合物在阳极氧化时易溶解，因此难以生成致密的阳极氧化膜，其耐腐蚀性较差，因此此系列的铝合金很难应用到对耐蚀性要求较高的场合。

为了使得2系铝合金具有足够的强度，其铜含量一般较高，不低于1.8％。因此其耐蚀性能较差。为了充分利用铜在6系铝合金中的实际应用，在不显著降低其耐蚀性能的前提下，充分保证其抗菌作用，从材料设计角度出发，消除或减少相关6系耐蚀铝合金制品引发的细菌感染问题具有重要的社会和经济意义。

发明内容

针对现在技术中存在的不足之处，本发明针对6系现有铝合金常用的6063铝合金，提出了一种热处理型抗菌铝合金及其热处理方法，该铝合金通过合适成分配比以及热处理工艺，不仅具有优良的抗菌抑菌能力，同时保持了同对比6063铝合金相当的耐蚀性能，可以满足原有6063铝合金在相关领域制品的使用要求。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种热处理型抗菌铝合金，以重量百分比计算，该抗菌铝合金的化学成分为：Mg：0.8‐1.5％；Si：0.2‐0.5％；Cu：0.8‐1.6％；余量为Al和不可避免的杂质；合金中杂质元素含量应符合铝合金国家标准中的相应要求。

按照所述合金成分进行配料，熔炼并浇铸成铝合金铸锭，然后对铝合金铸锭进行热处理。该抗菌铝合金的热处理方法，包括如下步骤：

(1)固溶处理：固溶处理温度为550‐580℃，固溶处理时间为2‐4小时，水冷至室温；

(2)双级时效处理：首先，在140‐160℃条件下保温20‐30小时；然后直接升温到180‐200℃，保温20‐40分钟，水冷至室温。

在本发明的抗菌铝合金的成分设计中，铜(Cu)是合金中最重要的合金化元素，应保证在热处理条件下，富铜相CuAl₂在铝合金基体中的均匀弥散析出。当铜含量较低时，即使经过热处理，铝合金基体中也不易析出足够的富铜相，因而不具备稳定的抗菌性能。当铜含量相对过高时，会导致铝合金在析出过多的CuAl₂，严重破坏钝化膜的致密性，降低铝合金的耐腐蚀性能，因此本发明中的抗菌铝合金中的含铜量控制为0.8‐1.6wt％。

本发明含有6系铝合金常见的合金元素Mg和Si，其主要为了保证该铝合金具有足够的强度和硬度，而且具有良好的加工性能。与6063铝合金相比，本发明适当调高了Mg含量和降低了Si含量，使得抗菌铝合金析出较少的弥散强化相Mg₂Si，其强度损失通过Cu₂Al富铜相的析出强化得以补充。同时较高含量的Mg添加能一定程度弥补铜添加造成的腐蚀性能的下降。因此本发明中含有0.8‐1.5％Mg和0.2‐0.5％Si。

本发明一种热处理型抗菌铝合金及其热处理方法，包括如下步骤：

(1)固溶处理：550‐580℃固溶处理2‐4小时，水冷至室温，该步骤主要保证抗菌铝合金成分和组织均匀。

(2)双级时效处理：140‐160℃保温20‐30小时后，直接升温到180‐200℃保温20‐40分钟，水冷至室温。该步骤采用双级时效处理，主要是为了保证抗菌铝合金具有优良的力学性能和抗菌性能。低温时效过程能保证形成足够的GP区(富铜原子偏聚区)，以便于在高温时效过程形成分布均匀、尺寸合适的Cu₂Al和Mg₂Si。这种分布均匀的析出相的存在，不仅能确保铝合金具有足够的力学性能，而且这种优化的热处理制度也能确保铝合金具有足够耐蚀性能的前提下，充分发挥其抗菌性能。

因此，本发明的一种热处理型抗菌铝合金及其热处理方法，在保证其具有优良力学性能和耐蚀性能的前提下，利用铜的杀菌功能，实现了其铝合金本体具有抗菌的新功能，能够显著降低现有6063铝合金用制品使用中引发的细菌感染风险。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过实验研究，在现有6063铝合金中优化Mg和Si的含量，同时添加0.8‐1.5％的铜元素，通过优化的抗菌热处理，获得了具有抗菌功能的抗菌铝合金新材料。

2、本发明中的抗菌铝合金可广泛应用于建筑型材，灌溉管材以及供车辆、台架、家具、栏杆等用的挤压材料。

具体实施方式

以下结合实施例详述本发明。

本发明为热处理型抗菌铝合金，其制备过程为：根据本发明抗菌铝合金所设定的化学成分范围，采用坩埚电阻炉熔炼并浇注成金属锭，冶炼实施例1‐6和对比例1‐9铝合金，其化学成分见表1。实施例和对比例的样品的热处理工艺均采用如下方式：

首先，560℃固溶2小时，水冷；然后，150℃保温24小时，直接升温至190℃保温30分钟，水冷至室温。

表1实施例和对比例的铝合金化学成分(wt,％)

1、力学性能

依据GB/T228.1‐2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》规定对实施例和对比例铝合金进行室温拉伸实验。

2、抗菌性能检测

根据“JIS Z 2801‐2000《抗菌加工制品－抗菌性试验方法和抗菌效果》、GB/T2591‐2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等相关标准规定，定量测试了表1所示成分的铝合金、抗菌铝基合金对常见感染菌大肠杆菌作用后的杀菌率。抗菌性能检测结果见表2，其中杀菌率的计算公式为：杀菌率(％)＝[(对照铝合金样品活菌数‐抗菌铝合金活菌数)/对照铝合金样品活菌数]×100，对照铝合金样品活菌数是对比例样品上进行细菌培养后的活菌数，抗菌铝合金活菌数是指抗菌铝合金上进行细菌培养后的活菌数。

3、耐腐蚀性能

根据铝合金点蚀电位测量方法(国家标准：GB/T 17899‐1999)对本发明实施例铝合金及对比例铝合金进行阳极极化曲线测试，测试结果见表2。

表2实施例抗菌铝合金、对比例铝合金的性能测试结果

综上，通过以上实施例和对比例实验结果可知，只有当本专利成分保护范围内的，才能制备出同时兼具优良的力学性能、抗菌功能和耐蚀性能的抗菌铝合金。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种热处理型抗菌铝合金，其特征在于：按重量百分比计，该抗菌铝合金的化学成分为：Mg：0.8‐1.5％；Si：0.2‐0.35％；Cu：0.8‐1.6％；余量为Al及不可避免的杂质；该抗菌铝合金的热处理方法包括如下步骤：

(1)固溶处理：550‐580℃条件下固溶处理2‐4小时，水冷至室温；

(2)双级时效处理：140‐160℃条件下保温20‐30小时后，直接升温到180‐200℃，保温20‐40分钟，水冷至室温。

2.按照权利要求1所述的热处理型抗菌铝合金，其特征在于：该铝合金中杂质元素含量应符合铝合金国家标准中的相应要求。

3.按照权利要求1所述的热处理型抗菌铝合金，其特征在于：该铝合金性能如下：

力学性能：屈服强度Rp0.2≥218MPa，抗拉强度Rm≥266MPa，延伸率≥12％；

抗菌性能：杀菌率≥97.5％；

耐蚀性能：腐蚀电流密度≤15μAm^-2。