CN102325919A - 处理用于厨房器具的部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及厨房器具部件处理方法，目的在于防止所述部件被划伤，其特征在于，它依次包括：592和750℃之间的渗氮步骤，必要时包括碳氮共渗，以便有利于产生含氮的奥氏体层；设计得有利于使至少一部分含氮的奥氏体转化为硬度增强的相的处理阶段。

Description

处理用于厨房器具的部件的方法
本发明涉及处理用于厨房器具的铁合金部件的方法和用该方法处理过的部件，所述部件是非粘附、耐划伤和耐腐蚀。
已知使用不同的材料或材料堆跺体来产生厨房器具：钢(合金或非合金)、铝、不锈钢(即，一般含有大于11％的铬)、铜或银合金，特别地带有或不带有表面覆盖层，例如基于聚四氟乙烯(PTFE，特别是以Téflon商品名分发的)的聚合物层。对于这种类型的应用，每种材料都有其自身的优点和缺点。
在洗涤器具(包括在洗碗中用清洁剂)的步骤期间，铝非常耐腐蚀，但另一方面，它很容易被划伤而且抗粘附特性平庸。因此，它往往与聚四氟乙烯类型的图层相联系。
奥氏体不锈钢(含约18％铬和10％镍)同样具有良好耐腐蚀性，而在抗划伤方面略优于铝。另一方面，它是不良的导热体，不利于使烹调器具的温度均匀化，所述烹调器具例如为炒菜锅、煎锅、煎饼用浅锅、焙盘、锅盆、铁格架、油炸锅(sauteuses)、烤架(烤肉架)、坩埚或炖锅等。
铜是非常好的导热体，被公认为提供良好质量的烹调。然而，这是一种为高档系列器具保留的昂贵材料。
非不锈钢与所有其它材料相比大的优点，这就是其价格。准确地说，钢，特别非合金钢(没有添加的组分那些)或弱合金钢(就是说，没有添加超过5重量％的组分)，是易于得到且广泛存在的，其与不锈钢或铜相比价格低且变化小。正因为如此，非不锈钢广泛地用作低端器具的基础材料。
然而，这些钢的抗腐蚀性非常弱，特别对于用洗涤剂清洁器具(排除在洗碗机中清洗)，其表面容易被划伤，而且其抗粘附特性平庸。
美国专利2008/0118763 A1的教导显示出，在1060℉(571℃)温度下在55％氮、41％氨水和4％CO2的气氛中持续3h可以将铁素体碳氮共渗施加于厨房器具。接着，在800℉(～427℃)下的温度下进行气态氧化(后氧化)，借助于食用油在500℉(260℃)焙烧45分钟进行临时防护。根据该文献，处理过的表面具有增大的硬度和改善的抗腐蚀性。
渗氮、碳氮共渗、氧氮共渗和氧碳氮共渗(其中的“氧”意指在渗氮或碳氮共渗之后进行氧化步骤)用于机械工业(在汽车部门中：阀门、气体缓冲器、球节；在建筑设备中：铰链、液压千斤顶等)。
使用气体(基于氨的气氛)，或使用等离子体(低电压下辉光放电)，或使用液体(离子液体介质，例如见文献US2003084963)以工业方式进行这些处理。
在工业中，渗氮处理、碳氮共渗、氧氮共渗和氧碳氮共渗常规地在铁素体相中进行(在铁-氮图中)，就是说，在低于592℃的温度下。
形成氮化铁层，而且下方的层称为扩散层。
超过592℃时，在氮化物层和扩散层之间形成γN相(含氮的奥氏体，一般称为γN)。含氮的奥氏体是钢的特有的显微组织。刚好超过γN相形成温度的温度取决于钢的准确组成。如果后者含有许多合金化组分，则该温度极限值可以移动达到600℃。
在该温度的作用下，在氧化步骤中，该含氮的奥氏体层转变为含氮的布氏体，另一种钢特有的显微组织，常规地在渗氮或者碳氮共渗步骤之后进行该氧化步骤。然而，在机械部件的领域内，一般进行氧化步骤，因为希望这些部件耐腐蚀，渗氮提升耐磨性，而氧化提升耐腐蚀性。
一般不希望向布氏体的这种再转化，因为对于机械应用(一般对其进行碳氮共渗)，在冲击的情形中，含氮的布氏体层的存在导致易碎性。
更具体地，典型的机械应力(通常试图通过碳氮共渗限制其效应)是循环应力和/或交替应力，这些应力以大量循环重现，例如表层疲劳或冲击。
因而，一般排除布氏体层的存在，因为在冲击(在彼此相对运动的两个部件之间短暂而集中的能量转移)的作用下该层的易碎性导致氮化物层的剥落或分离。因而，常规地在铁素体相中进行该碳氮共渗和渗氮。在进行奥氏体渗氮的情况下，这时，后氧化步骤一般在低于200℃的温度下进行，以避免含氮的奥氏体向布氏体的再转化(例如，见专利EP1180552)。
此外，关于美国专利2008/0118763 A1的教导，申请人注意到，紧在碳氮共渗之后进行的后氧化步骤中，所利用的高温(大于200℃)在扩散区中引起回火。该退火的后果是使扩散区的硬度急剧下降，这有损于经处理的厨房器具的耐划伤性。
因而，在施加载荷(该载荷使材料在芯部而不仅仅在硬的表面层产生应力)时，基材变形而硬的表面分离和剥落。
这适用于焙烧临时防护剂的步骤，其在150和260℃之间，以及在器具的寿命过程中(每次在高于200℃利用这些厨房器具)进行。
在一般用于厨房器具的低碳钢的情况下，这尤为不利。
此外要注意，碳氮共渗方法需要消耗大量能量输入，而且需要掌握处理时间以限制最终成本。文献US 2008/0118763 A1提出的处理范围的缺点之一是其持续时间长(3小时)。
在该背景下，本发明提出要解决的问题是，以改进的生产成本对于由钢(非合金或弱合金钢)制成的厨房器具表面赋予改善的非粘附、耐划伤和抗腐蚀性能。
为了解决这个问题，提出一种用于厨房器具的部件的方法，其特征在于，它相继包括：
-在592和750℃之间的渗氮步骤，以便有利于产生含氮的奥氏体层；
-适于促进使含氮的奥氏体的至少一部分转变为增强硬度的相的处理步骤。
该方法的特征在于，实施该方法来防护用于厨房器具的部件免于划伤。
部件的初始硬化(渗氮步骤)可以通过奥氏体渗氮或通过奥氏体碳氮共渗进行。应明确理解，碳氮共渗是指通过氮和碳的扩散进行的处理，视为渗氮的特定情形，用这术语表示在广义上将处理指定为涉及至少一个氮的扩散过程。所产生的奥氏体层埋在氮化物层下方，扩散层的上方。
随后的处理步骤(其尤其可以是热处理或热化学处理)导致增强含氮的奥氏体的硬度，其性质发生改变。该硬度是根据标准规范测量的。作为例子，优选增强至少200HV0.05或者可能300HV0.05。
根据第一实施方案，具有增强的硬度的相是布氏体。在这种情况下，该转化尤其可以由通过高于200℃持续时间长于10分钟的时间。在涉及该实施方案的实施例中，改变性质的相的硬度因而为约400HV0.05至约800HV0.05。
该处理步骤适于允许含氮的奥氏体层转化为含氮的布氏体。为此，特别地将其以围绕该部件的低含量的活化氮进行。活化氮根据所采用的渗氮途径意指气体态氨、离子化的氮或熔化的含氮的盐。
进行该转化步骤的简单方式是在放置该部件的介质中消除任何存在的活化氮，但是可只将这些活化物质的浓度降低到足以停止渗氮反应。该转化在低于或等于渗氮温度的温度下，例如在低于480℃的温度下进行。
要明确指出，在渗氮步骤和转化步骤之间，部件可以移动，或者保持在同一位置。
另外，转化步骤可以紧在渗氮步骤之后进行，而不冷却该部件，这允许获得有利的动力学，但还可以在一段时间之后进行，在此期间该部件已经受环境温度。
根据第二实施方案，具有增强硬度的相是含氮的马氏体，而该转化尤其可以在低于-40℃下通过持续长于5分钟的时间而进行。该含氮的马氏体是钢的特有的显微组织，不同于含氮的奥氏体且不同于布氏体。在一个涉及该实施方案的实施例中，改变性质的相的硬度因而约为400HV0.05至约750HV0.05。
对于烹调器具的用途，申请人发现，用该方法获得的材料层的堆跺体，与通过铁素体渗氮而获得的堆跺体相比，对于尖锐器具(叉、刀)的划伤具有较好的抵抗性。在转化步骤中形成的布氏体或马氏体层似乎对位于下方的氮化物层用作支撑体。
更具体地，当厨房器具使用的典型表面机械应力(食物的混合、切割)时，厨房器具和尖锐器具之间的接触区域似乎非常小。
对于渗氮或者铁素体碳氮共渗，申请人发现，如上所述，氮化物层局部破裂，因为该扩散层的硬度(对于低碳非合金钢为200-250HV0.05)不足以支持它。该部件以及氮化物层产生局部变形，且该氮化物层分裂和剥落。
不想受具体解释的束缚，采用奥氏体碳氮共渗，含氮的奥氏体层重新转变为布氏体或马氏体对于氮化物层提供了机械支撑，其机械性能显著优于只由部件中的扩散层所给出而没有根据本发明处理的性能。氮化物层在烹调器具的典型的机械应力下不再变形，这消除了划伤现象。
这适用于耐腐蚀性。就性质而言，氮化物层和氧化物层都是惰性层，就是说，它们不会生锈。但是，氧氮共渗或氧碳氮共渗的部件可能发生腐蚀，因为氮化物和氧化物层不再是没有缺陷的。这时电解质可能进入与基材接触，结果产生侵蚀。
通过根据本发明的处理限制氮化物和氧化物层划伤风险防护了根据本发明处理的烹调器具的腐蚀。
注意到，发现的效应与厨房器具的用途有关，因此表面承受应力的频率低(以刀或铲不时的一些碰击)，且一般不会在相同位置(在煎锅中在精确的同一位置处，由刀给出几十或几百次的碰击的可能性很小)。因而，该使用方法有利于器具例如炒菜锅、煎锅、煎饼用浅锅、焙盘、锅盆、铁格架、油炸锅、烤架(烤肉架)、坩埚或炖锅，尤其在烹调过程中其表面用来与食物接触的那些。这些器具适于用来进行家庭、团体、饭店或工业烹调，用来制备烹调的食物(例如用来包装和分散)。
看来，布氏体或马氏体层存在的有利性质是由于它使避免过于陡峭的硬度梯度(对于XC10-XC20型钢的常规氮化，氮化物层和扩散层之间就是如此)成为可能。
布氏体或马氏体层(其硬度介于氮化物层和扩散区之间)显然降低了该梯度，使得获得较好的机械耐久性。如上所述，更大的优势在于：氧化步骤使扩散区中的硬度下降。
另外，利用595-700℃的处理温度，相对于在530-590℃进行的处理，可能使扩散动力学加快两或三倍，这允许降低处理的成本和降低进行处理所需要的能量。
在某些有利的实施模式中，适于促进向布氏体转化的处理步骤还是受控的氧化步骤，它还允许获得增强防腐蚀的效果。
作为替代，或与之结合，向布氏体的转化包括在高于250℃焙烧20分钟-3小时的时间，而且该焙烧在120-160℃的沸腾盐水中进行氧化之合或之前进行。该盐水尤其可以处于130-145℃的温度下。
根据一个实施过程，该方法(其包括向布氏体或马氏体的转化)还包括在350-550℃下通过气态法进行的氧化。
作为替代，或与之结合，其包括在350-500℃下通过熔融盐浴进行的氧化。
作为替代，或与之结合，其包括通过在120-160℃或130-145℃下使盐水沸腾进行的氧化。
优选地，渗氮包括碳氮共渗阶段。还可以在碳氮共渗阶段之后或之前包括仅渗氮的阶段。因而，可通过氮扩散而没有碳扩散的阶段补充碳氮共渗阶段。
该碳氮共渗是有利的，因为它使获得单相氮化物层成为可能，这改善了部件的机械耐久性，特别是对冲击或划伤，例如超过了以渗氮而无碳氮共渗实施本发明时所获得的性能。
根据一个实施方案，渗氮包括在气相中渗氮，其任选地包含在气相中碳氮共渗。根据另一个实施方案，它包括以等离子体法进行渗氮，其任选地包括用等离子体法进行碳氮共渗。
根据第三实施方案，它包括在离子液体介质中进行渗氮，其任选地包括以离子液体介质进行碳氮共渗。
根据一个有利的特征，进行渗氮10分钟-3小时，优选10分钟-1小时的时间。
优选地，它可以在610-650℃的温度下进行。
该方法有利地用部件预先的除油进行补充。
此外，该方法有利地在除油之后和渗氮之前包括在200-450℃下在炉中预先加热待处理的部件15-45分钟的时间的步骤，从而使该部件准备用于渗氮。在该方法的实施中这允许节省时间，特别是由于当在反应介质引入部件时，所述部件不使反应介质冷却。
根据另一个有利的特征，在处理结束时，该部件受到临时油脂防护以增大其耐腐蚀性，该性能超过了采用根据本发明的处理而不进行附加的防护已获得的防护效应。
最后，该方法有利之处在于，它另外赋予处理过的部件耐磨特性和非粘附特性。
要明确指出，该方法特别适用于铁合金部件，该铁合金包含至少80％(按重量计)的铁，甚至适用于非合金或弱合金的部件。
本发明还提供用根据本发明的方法处理的厨房器具。
特别地，现将参照附图详细描述本发明。
-图1表示对用现有技术方法处理的类似烹调器具测量的硬度曲线；
-图2表示对根据本发明的优选实施方案处理的烹调器具测量的硬度曲线；
-图3表示上述两条曲线的叠置。
该处理系列可以分成几个步骤：
首先，进行部件的除油以消除表面上的任何痕量的有机化合物，所述有机化合物可妨碍氮和/或碳的扩散。
接着，使该部件处于奥氏体碳氮共渗或渗氮的温度(592-750℃)，但是优选610-650℃的温度。渗氮或碳氮共渗处理的持续时间在10分钟和3小时之间，优选10分钟至1小时。
在第三阶段中，将该部件在350和550℃之间，优选410至440℃的温度下氧化；
作为替代，可在120和160℃之间，优选在130和145℃之间的温度下在沸腾的盐水中进行氧化。
在这种情况下，需要在大于250℃的温度下焙烧该部件20分钟-3小时，优选1小时的时间，以便使γN层转化为布氏体。
最后，该部件接受了以食用油的形式的临时防护以便增大其耐腐蚀性，该性能超过了已经用根据本发明的处理而没有该补充防护所获得的防护效应。
试验显示了通过本发明提供的处理系列所获得的重要优点。奥氏体碳氮共渗在包含15％(按重量计)氰酸盐、1％氰化物和40％碳酸盐的离子液体介质中在640℃下进行45分钟。
接着，将该部件于氧化浴中在430℃下直接回火15分钟。接着，将该部件在水中冷却、冲洗和干燥。最后，对该表面上施加食用油(葵花油)，以增强其耐腐蚀性。
氧化物层的形态对于保持俘获于该层的微孔中的油膜起到海绵(sponge)的作用。尽管不需要进行最终的焙烧步骤，但可以进行焙烧，以便有利于通过氧化物层促进油的保留。
与根据先有技术的处理相比，该处理导致显著增大了支持氮化物层的层硬度。
图1显示了根据现有技术(铁素体的碳氮共渗和氧化)处理的部件(XC10钢)的硬度曲线(使用维氏硬度标准规范测量)。在横截面上测量该硬度。氮化物层100具有约1000HV0.05的硬度，而扩散层110的硬度约为180HV0.05。在20微米附近的深度处，两个层的硬度之间的过渡是突然的(小于3微米)。
图2显示了根据本发明的所描述实施方案处理的同一部件的硬度曲线。该硬度同样在横截面上测量。氮化物层的硬度约为1000HV0.05，而扩散层的硬度约为180HV0.05。在该硬度曲线上可见两个过渡：一个在20微米处，而另一个在28微米处。中间层(称为含氮的布氏体层)的硬度约为820HV0.05。总梯度比图1中的小。
图3显示在根据本发明处理之后和在铁素体的碳氮共渗和氧化处理之后发现的硬度曲线之间的比较。
中间层205的硬度在扩散层210和氮化物层200的硬度之间。
此外，这样产生的处理系列花费仅一小时的温度，这清楚地表明本发明在能量方面的效率。
所获得的器具具有增强的非粘附特性，由使用之后便于清洁烧焦的食物可见。
现在详述对于所提出处理的替代方案。碳氮共渗处理可以在具有基于氨(NH3)、氮(N2)和一种或几种含碳气体例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、乙炔、一氧化碳、二氧化碳、吸热气体、放热气体的气氛的气相中进行。
碳氮共渗处理还可以通过使用等离子体法进行：在减压(一般5-7毫巴)下在容器中在高电压下使该部件极化。然后，产生辉光放电，使气体混合物(一般79.5％N2+20％H2+0.5％CH4)离解，这能使活化的氮和碳扩散。
如上所述，碳氮共渗处理还可以通过使用液体法(离子液体介质)，在熔化的碳酸盐、氰酸盐和氰化物的浴中进行。氰酸盐离子(CNO-)用作氮源，而痕量氰化物(CN-)用作碳源。
氧化步骤应该是受控的，而且可以通过使用具有氧化性气氛的气体例如空气、受控的N2/O2混合物、水汽、氧化亚氮等进行。在所有情况下，目的都在于在350-550℃的温度下形成黑色铁氧化物Fe3O4层，它是钝性氧化物，一旦形成就避免形成生锈的红色的铁氧化物Fe2O3。
还可以在离子液体介质中，在380-470℃的温度下进行氧化5-40分钟。
最后，氧化还可以在盐水(水、硝酸盐、氢氧化物混合物)中在100-160℃的温度下进行5至40分钟。
在这种情况下，在高于250℃的温度下的后热处理对于将γN层重新转化为布氏体是必要的。
根据第二实施方案，通过在-40和-200℃之间的低温处理5分钟-3小时，优选1小时-2小时将含氮的奥氏体重新转变为含氮的马氏体。
含氮的马氏体是硬度约为含氮的布氏体硬度的组织。申请人发现，提供了对于氮化铁层的机械支持效应。
因而，根据该实施方案，处理系列为如下：
-除油从而除去任何痕量的有机产物
-预热到250-400℃的温度
-在592和650℃之间进行奥氏体碳氮共渗
-冷却至环境温度
-在-40和-200℃之间的温度下进行低温处理
-通过使用气体或通过盐浴或在沸腾盐水中进行氧化。
在该实施方案中，申请人发现，通过沸腾盐水进行的氧化是有利的，因为它允许要获得的含氮的马氏体硬度比通过在高温(特别是通过使用气态法在高于300℃)下的氧化所获得的硬度高100维氏硬度。
本发明不限于所描述的实施方案，而是包含本领域技术人员的能力范围内的所有实施方案。

Claims (22)

1.处理用于厨房器具的部件用以防护所述部件免于划伤的方法，其特征在于，它相继包括
-渗氮步骤，其任选地包括碳氮共渗，在592和750℃之间进行，从而促进含氮的奥氏体的层的产生；
-适于促进将该含氮的奥氏体的至少一部分转化为增强硬度的相的处理步骤。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，具有增强硬度的相是含氮的布氏体。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，在高于200℃进行转化长于10分钟的持续时间。
4.根据权利要求1-3之一的方法，其特征在于，适于促进转化的处理步骤还是受控的氧化步骤。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于，具有增强硬度的相是含氮的马氏体。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，在小于-40℃下进行转化长于5分钟的持续时间。
7.根据权利要求1-6之一的方法，其特征在于，该方法还包括在350和500℃之间通过熔化盐浴进行的氧化。
8.根据权利要求1-7之一的方法，其特征在于，该方法还包括在350和550℃之间通过使用气态法进行的氧化。
9.根据权利要求1-8之一的方法，其特征在于，该方法还包括在120和160℃之间在沸腾盐水中进行的氧化。
10.根据权利要求1-9之一的方法，其特征在于，该渗氮包括碳氮共渗阶段，其任选地用氮扩散而没有碳扩散的阶段补充。
11.根据权利要求1-10之一的方法，其特征在于，该渗氮包括在离子液体介质中的渗氮，其任选地包括在离子液体介质中的碳氮共渗。
12.根据权利要求1-11之一的方法，其特征在于，该渗氮包括以等离子体法进行渗氮，其任选地包括通过等离子体法进行的碳氮共渗。
13.根据权利要求1-12之一的方法，其特征在于，该渗氮包括在气相中渗氮，其任选地包括在气相中碳氮共渗。
14.根据权利要求1-13之一的方法，其特征在于，进行渗氮10分钟-3小时，优选10分钟-1小时的持续时间。
15.根据权利要求1-14之一的方法，其特征在于，在610和650℃之间的温度下进行渗氮。
16.根据权利要求1-15之一的方法，其特征在于，进行该部件的预先除油。
17.根据权利要求1-16之一的方法，其特征在于，它还包括在200和450℃之间在炉中预先加热该待处理部件15-45分钟的持续时间的步骤。
18.根据权利要求1-17之一的方法，其特征在于，在处理结束时该部件受到临时油脂防护。
19.根据权利要求1-18之一的方法，其特征在于，它还赋予受处理的部件耐磨特性和非粘附特性。
20.根据权利要求1-19之一的方法，其特征在于，它用于包含至少80质量％铁的铁合金的部件，和例如用于非不锈钢部件。
21.根据权利要求1-20之一的方法，其特征在于，所述增强的硬度处于氮化物层的硬度和扩散层的硬度之间。
22.用根据权利要求1-21之一的方法处理的厨房器具。
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