CN104172902B - 一种金属陶瓷耐磨涂层不粘锅的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属陶瓷耐磨涂层不粘锅的制备方法，所述不粘锅包括锅体以及位于锅内表面的石墨层和金属陶瓷涂层，所述金属陶瓷涂层包括碳化钛金属陶瓷涂层。本发明的耐磨不粘锅的锅底内表面设有凹凸不平的凸起结构，使锅底与食物的接触面积减小；另外，钛基金属陶瓷高温下性质稳定，且对食物无污染，熔射颗粒和基材结合紧密，附着力高，耐磨性好，从而达到高温烹制过程中食物不易粘锅的目的，可取代现有的铁氟龙不粘涂料。本发明制备的金陶瓷耐磨涂层不粘锅是一种设计巧妙，性能优良，无毒环保的不粘锅，更加符合当前国际环境组织和国家所提出的“安全、健康、节能、绿色、环保”的要求。本发明工艺方法简单，适合大规模生产。
Description
本发明是申请号：201210374979X，申请日：2012-09-29，发明名称：一种耐磨涂层不粘锅，的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种不粘锅，具体的说，涉及一种基底为不锈钢、铝、铝合金、铸铁或钢的耐磨不粘锅及其制备方法。
背景技术
长期以来人们一直使用传统的金属锅(铸铁、不锈钢、铝以及铝合金)烹饪食品，但是在烹饪过程中时常发生食物粘锅现象。这不仅破坏了食物外形，而且粘锅的食物容易发生焦糊，甚至产生有害物质，影响人体健康。此外也增加了炊具洗刷难度，给烹饪带来不便。因此不粘锅自发明以来就因为其易清洗、可轻松煎、炒食物而不粘锅，能最大限度的减少油烟，符合现代人们追求绿色食品，低脂肪、低热量的需要的性能而备受大众的喜爱。
但是目前市场主流的不粘锅都是依靠在表面喷涂一层聚氟树脂类的不粘涂料，依靠其强疏水性和低摩擦系数的特性，来实现食物不粘的，它的确能满足人们烹饪过程中不发生食物粘锅的要求，不过它也存在许多缺陷。首先是聚四氟乙烯涂层的强度较差，容易脱落和损坏，而且烹饪过程中会发生软化，只能用木铲，也不能烹饪较硬的食物；同时这种不粘锅也不宜烹饪酸性食物，否则会影响不粘锅的使用寿命；此外聚四氟乙烯涂层的使用温度一般不能超过250℃，人们在使用时难以严格控制，容易因干烧而损坏。对于聚四氟乙烯涂层不粘锅在使用过程中对人体健康是否存在危害也一直存在争议，不断引发争端；而且一旦不粘涂料脱落，就会导致不粘性能的大大降低。
随着中国厨卫革命的兴起，“安全、健康、节能、绿色、环保”等成为备受消费者广泛关注和2l世纪厨卫革命发展的主流。厨房水、电、气等配套设施的改善，安全环保炊具的发展己成为炊具行业的亮点和热点。从整体上看，目前我国家庭厨房中不粘锅市场尚处于刚刚起步阶段。据调查，城市家庭的拥有率还非常低，不足l％，农村基本上处于空白。因此，炊具产品的节能化、自动化、智能化、美观化将是炊具行业的又一发展趋势。
陶瓷材料在国防、机械、化工、冶金、电子等领域具有广泛的用处。其中，碳化钛TiC陶瓷具有熔点高，导热性能好，硬度大，化学稳定好，不水解，高温抗氧化性好，热膨胀系数小、抗热震和耐化学腐蚀性强等优点，一直是世界各国材料学者研究的热点。近年来，对不粘锅的陶瓷涂层也大有进展，已经有将氧化钛或氮化物陶瓷用于不粘锅的报道，且已取得了可观的经济和社会效益(如Arcopal，Vision等品牌)。
基于上述需求，本发明提供一种碳化硅类金属陶瓷的耐磨涂层不粘锅。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳化钛类金属陶瓷耐磨涂层不粘锅及其制备方法。
本发明所述的耐磨涂层不粘锅包括锅体以及位于锅内表面的石墨层和金属陶瓷涂层，石墨层的厚度为5-8μm，所述金属陶瓷涂层厚度为10-30μm，包括碳化钛金属陶瓷涂层。
所述金属陶瓷涂层还包括硼化钛，所述硼化钛的重量为金属陶瓷涂层的4-30％；。
碳化钛陶瓷硬度大，并具有良好的力学性能，是非常好的耐磨材料，但近年来，由于三氧化二铝极为稳定，不粘锅的基材常常选用铝或铝合金，而在碳热反应过程中，碳有可能和铝发生反应生成碳化铝，碳化铝的存在会大大降低材料的力学性能和化学稳定性。因此，本发明人在喷涂复合陶瓷粉末之前，在锅底基体先涂覆一层石墨，一方面能够为复合陶瓷粉末的制备提供原料，另一方面也防止喷涂过程中碳与铝接触结合生成碳化铝。
另外，发明人还发现硼化钛的存在将大大抑制碳化铝的生成，为保证本发明所述锅底耐磨涂层的性能，本发明所述的耐磨涂层中还包括硼化钛；
硼化钛(TiB2)是硼和钛最稳定的化合物，纯硼化钛粉末是灰色或灰黑色的，具有六方(AlB2)的晶体结构，这种类似于石墨的硼原子层状结构和Ti外层电子决定了TiB2具有良好的导电性和金属光泽，而硼原子面和钛原子面之间Ti-B键决定了这种材料的高硬度和脆性的特点。因此，其在金属陶瓷涂层中的含量不易过高，优选4-10％；
本发明所述的涂层材料可采用本领域常用的方法进行涂覆，如等离子喷涂，火焰喷涂等。喷涂原料可选择碳化钛，二氧化硅及硅酸盐等，硼粉；喷涂原料可以市购，也可按本领域常用的方法自制，例如碳化钛粉末一般情况下由TiO2与炭黑在通氢气的碳管炉或调频真空炉内于1600℃-1800℃高温下反应制得。
特别的，本发明提供一种上述金属陶瓷耐磨涂层的制备方法。
所述金属陶瓷耐磨涂层不粘锅的制备方法，包括如下步骤：
1)锅体成型：选择金属板制成锅胚；
2)基体表面处理：将上述锅胚放入抛砂机或喷砂机内，用碳化硅陶瓷、不锈钢珠为喷丸或喷砂，进行抛砂或喷砂粗化处理，使锅底基体的内表面形成凹凸不平的凸起结构，然后进行除油处理，并进行清洗；
3)将石墨粉配置成浆料，涂覆在锅底内表面；
4)配置水合二氧化钛和石墨粉均匀混合的混合粉体浆料，同时配置正硅酸乙酯水解溶液，然后将上述混合粉体浆料和水解溶液混合，并将其涂覆在锅底基体的内表面上；
5)在惰性气氛中，以激光作为热源在基体表面辐照形成熔池，使混合浆料发生碳热反应，在锅底基体的内表面上生成碳化钛金属陶瓷涂层。
步骤2)中，抛、喷砂所用的碳化硅或不锈钢钢珠的颗粒的粒度为20目～50目；所述的除油和清洗可采用本领域常用的方法进行。
步骤3)中，所述石墨浆料可将石墨粉与常用溶剂混合得到，如水，乙醇等；石墨与溶剂的比例可为任意比例，只要保证石墨为浆料即可；
步骤3)和4)中，所述涂覆可采用常用的方法进行，如涂抹，喷枪喷涂等；所述涂覆可分为多次进行；
所述涂覆可涂覆全部锅底内表面，也可涂覆部分锅底内表面；优选涂覆20-80％锅底内表面；
步骤4)中，所述混合粉体浆料如下配置：先配置石墨的均匀分散的悬浮液，再将钛酸丁脂、钛酸异丙脂或者异丙醇钛滴加入石墨悬浮液中，并搅拌均匀，球磨后得到水合二氧化钛和石墨粉均匀混合的混合粉体；其中，所述步骤混合粉体浆料中水合二氧化钛与石墨粉的摩尔量比为l：2～8；
另外，步骤4)还可以包括，向制备的混合粉体浆料中添加三氧化二硼粉末，此时，水合二氧化钛、石墨粉与三氧化二硼的摩尔量比为l：2～8：0.2-1；所述配置过程为：先配置石墨和三氧化二硼的均匀分散的悬浮液，再将钛酸丁脂、钛酸异丙脂或者异丙醇钛滴加入悬浮液中，并搅拌均匀，球磨后得到水合二氧化钛、三氧化二硼和石墨粉均匀混合的混合粉体；
溶剂可选用本领域常用的溶剂，如水、乙醇等，优选无水乙醇和蒸馏水按照1-3：1的重量比混合的乙醇溶液；
步骤4)中，所述正硅酸乙酯水解溶液按以下方法配置：将正硅酸乙酯、无水乙醇和蒸馏水按照(80-100)：(20-40)：(20-40)的重量比混合，充分搅拌配制成水解溶液；
优选的，所述金属陶瓷耐磨涂层可分为多次，更优选分三次得到，分别喷涂底油、喷涂中油和喷涂面油，喷涂底油的厚度为3～8μm，喷涂中油的厚度为3～8μm，喷涂面油的厚度为7～10μm，也就是说，将步骤4)和5)依次重复三次以获得理想厚度的金属陶瓷耐磨涂层，这样得到的涂层不易开裂，表面平整，使用年限长。
所述步骤5)中，所述惰性气氛可选用氩气等不与反应物发生反应的气氛；优选氩气，其氩气流量为15～20L/min。
所述步骤5)中，采用脉冲Nd：YAG激光对步骤4)制得的涂层进行强化处理，电流为200～280A，脉宽为2～4ms，频率15～40Hz，扫描速率为30～60mm/min。
另外，需要注意的是，上述步骤1)的锅体成型选择金属板，采用旋压、铸造、冲压的成型工艺方法形成炊具结构，然后修理毛边，清理后形成炊具锅胚；基底可选择不粘锅常用材质，如不锈钢、铝、铝合金、铸铁或钢等，优选铝或铝合金；
上述步骤2)中，喷砂的空气需要经过净化处理，对喷砂后的粗糙度的测量采用粗糙度测试仪，生产中的测试则采用粗糙度标准样块比较测定。
本发明的耐磨不粘锅的内表面设有凹凸不平的凸起结构，使锅底与食物的接触面积减小；另外，钛基金属陶瓷高温下性质稳定，且对食物无污染，熔射颗粒和基材结合紧密，附着力高，耐磨性好，从而达到高温烹制过程中食物不易粘锅的目的，可取代现有的铁氟龙不粘涂料。本发明工艺方法简单，适合大规模生产。本发明制备的金陶瓷耐磨涂层不粘锅是一种设计巧妙，性能优良，无毒环保的不粘锅，更加符合当前国际环境组织和国家所提出的“安全、健康、节能、绿色、环保”的要求。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述。如无特别指明，本发明所用的原料均为市购。
实施例1
按如下方法制备本发明所述的金属陶瓷耐磨涂层不粘锅：
1)锅体成型：选择铝合金板，采用旋压方式形成炊具结构，然后修理毛边，清理后形成炊具锅胚；
2)基体表面处理：将上述锅胚放入抛砂机内，用20目～50目的碳化硅陶瓷为喷丸，进行喷砂粗化处理，喷砂处理30分钟，使锅底基体的内表面形成凹凸不平的凸起结构，然后进行酸洗、水洗；
3)取50％的酒精，将石墨粉配置成浆料，酒精和石墨的体积比为1:1，球磨1h，然后涂覆在锅底内表面；
4)取50％的酒精，酒精和石墨的体积比为10:1，先配置石墨的均匀分散的悬浮液，再将钛酸丁脂滴加入石墨悬浮液中，并搅拌均匀，球磨后得到水合二氧化钛和石墨粉均匀混合的混合粉体；其中，混合粉体浆料中水合二氧化钛与石墨粉的摩尔量比为l：3.5；
配置正硅酸乙酯水解溶液：将正硅酸乙酯、无水乙醇和蒸馏水按照100：20：40的重量比混合，充分搅拌配制成水解溶液；
然后将上述混合粉体浆料和水解溶液混合，并将其涂覆在锅底基体的全部内表面上；
5)氩气流量为15L/min，在氩气气氛中，采用脉冲Nd：YAG激光对步骤4)制得的涂层进行强化处理，电流为200A，脉宽为2ms，频率15Hz，扫描速率为30mm/min，使混合浆料发生碳热反应，在锅底基体的内表面上生成碳化钛金属陶瓷涂层。
步骤4)和5)依次重复三次以获得理想厚度的金属陶瓷耐磨涂层，分别喷涂底油、喷涂中油和喷涂面油，喷涂底油的厚度为3μm，喷涂中油的厚度为8μm，喷涂面油的厚度为7μm，
石墨层的厚度为5μm，所述金属陶瓷涂层厚度为18μm。涂层光滑，颜色、遮盖力和光泽基本均匀一致，无气泡，不脱落。符合不粘锅标准。
实施例2
按如下方法制备本发明所述的金属陶瓷耐磨涂层不粘锅：
1)锅体成型：选择不锈钢板，采用旋压方式形成炊具结构，然后修理毛边，清理后形成炊具锅胚；
2)基体表面处理：将上述锅胚放入抛砂机内，用20目～50目的碳化硅陶瓷为喷丸，进行喷砂粗化处理，喷砂处理30分钟，使锅底基体的内表面形成凹凸不平的凸起结构，然后进行酸洗、水洗；
3)取75％的酒精，将石墨粉配置成浆料，酒精和石墨的体积比为2:1，球磨3h，然后涂覆在锅底内表面；
4)取75％的酒精，酒精和石墨、三氧化二硼的体积比为15：1：1，先配置石墨和三氧化二硼的均匀分散的悬浮液，再将钛酸异丙脂滴加入悬浮液中，并搅拌均匀，球磨3h后得到水合二氧化钛、三氧化二硼和石墨粉均匀混合的混合粉体；其中，水合二氧化钛、石墨粉与三氧化二硼的摩尔量比为l：8：1；
配置正硅酸乙酯水解溶液：将正硅酸乙酯、无水乙醇和蒸馏水按照100：40：40的重量比混合，充分搅拌配制成水解溶液；
然后将上述混合粉体浆料和水解溶液混合，并将其涂覆在锅底基体的全部内表面上；所述涂覆可涂覆锅底内表面的80％，
5)氩气流量为20L/min，在氩气气氛中，采用脉冲Nd：YAG激光对步骤4)制得的涂层进行强化处理，电流为280A，脉宽为4ms，频率40Hz，扫描速率为60mm/min，使混合浆料发生碳热反应，在锅底基体的内表面上生成碳化钛金属陶瓷涂层。
步骤4)和5)依次重复三次以获得理想厚度的金属陶瓷耐磨涂层，分别喷涂底油、喷涂中油和喷涂面油，喷涂底油的厚度为8μm，喷涂中油的厚度为8μm，喷涂面油的厚度为10μm，
石墨层的厚度为8μm，所述金属陶瓷涂层厚度为26μm。涂层光滑，颜色、遮盖力和光泽基本均匀一致，无气泡，不脱落。符合不粘锅标准。
实施例3
按如下方法制备本发明所述的金属陶瓷耐磨涂层不粘锅：
1)锅体成型：铸铁浇注形成炊具结构，然后修理毛边，清理后形成炊具锅胚；
2)基体表面处理：将上述锅胚放入抛砂机内，用20目～50目的碳化硅陶瓷为喷砂，进行喷砂粗化处理，喷砂处理30分钟，使锅底基体的内表面形成凹凸不平的凸起结构，然后进行酸洗、水洗；
3)取50％的酒精，将石墨粉配置成浆料，酒精和石墨的体积比为0.5:1，球磨1h，然后涂覆在锅底内表面；
4)取75％的酒精，酒精和石墨、三氧化二硼的体积比为15：1：2，先配置石墨和三氧化二硼的均匀分散的悬浮液，再将异丙醇钛滴加入悬浮液中，并搅拌均匀，球磨3h后得到水合二氧化钛、三氧化二硼和石墨粉均匀混合的混合粉体；其中，水合二氧化钛、石墨粉与三氧化二硼的摩尔量比为2：4：1；
配置正硅酸乙酯水解溶液：将正硅酸乙酯、无水乙醇和蒸馏水按照80：30：30的重量比混合，充分搅拌配制成水解溶液；
然后将上述混合粉体浆料和水解溶液混合，并将其涂覆在锅底基体的内表面上的60％；
5)氩气流量为15L/min，在氩气气氛中，采用脉冲Nd：YAG激光对步骤4)制得的涂层进行强化处理，电流为250A，脉宽为3ms，频率30Hz，扫描速率为40mm/min，使混合浆料发生碳热反应，在锅底基体的内表面上生成碳化钛金属陶瓷涂层。
步骤4)和5)依次重复三次以获得理想厚度的金属陶瓷耐磨涂层，分别喷涂底油、喷涂中油和喷涂面油，喷涂底油的厚度为5μm，喷涂中油的厚度为5μm，喷涂面油的厚度为10μm，
石墨层的厚度为6μm，所述金属陶瓷涂层厚度为20μm。涂层光滑，颜色、遮盖力和光泽基本均匀一致，无气泡，不脱落。符合不粘锅标准。
将实施例1-3制备的金属陶瓷耐磨涂层进行检测，结果见表1。
表1、性能检测表
| 项目 | 线膨胀系数10-6/℃ | 吸水率％ | 摩擦系数 | 洛氏硬度 |
| 实施例1 | 3.8 | 0.6 | 0.3 | 88 |
| 实施例2 | 4.0 | 0.2 | 0.3 | 87 |
| 实施例3 | 4.1 | 0.6 | 0.27 | 93 |
显然，利用本发明的制备方法制备的金属陶瓷耐磨涂层材料不仅具有良好的力学性能，强度高，还耐划、抗菌、无毒环保，更加符合当前国际环境组织和国家所提出的“安全、健康、节能、绿色、环保”的要求。
Claims (2)
1.一种金属陶瓷耐磨涂层不粘锅的制备方法，所述的金属陶瓷耐磨涂层不粘锅包括锅体以及位于锅底内表面的石墨层和金属陶瓷涂层，石墨层的厚度为5-8μm，所述金属陶瓷涂层厚度为10-30μm，所述金属陶瓷涂层包括碳化钛金属陶瓷涂层，所述金属陶瓷涂层还包括硼化钛，所述硼化钛的重量为金属陶瓷涂层的4-30％，其特征在于，包括如下步骤：
1)锅体成型：选择金属板制成锅胚；
2)基体表面处理：将上述锅胚放入抛砂机或喷砂机内，用碳化硅陶瓷、不锈钢珠为喷丸或喷砂，进行抛砂或喷砂粗化处理，使锅底基体的内表面形成凹凸不平的凸起结构，然后进行除油处理，并进行清洗；
3)将石墨粉配置成浆料，涂覆在锅底内表面；
4)配置水合二氧化钛和石墨粉均匀混合的混合粉体浆料，同时配置正硅酸乙酯水解溶液，然后将上述混合粉体浆料和水解溶液混合，并将其涂覆在锅底基体的内表面上；
5)在惰性气氛中，以激光作为热源在基体表面辐照形成熔池，使混合浆料发生碳热反应，在锅底基体的内表面上生成碳化钛金属陶瓷涂层，
其中，步骤4)中混合粉体浆料的配置过程为：取溶剂，先配置石墨和三氧化二硼的均匀分散的悬浮液，再将钛酸丁脂、钛酸异丙脂或者异丙醇钛滴加入悬浮液中，并搅拌均匀，球磨后得到水合二氧化钛、三氧化二硼和石墨粉均匀混合的混合粉体；水合二氧化钛、石墨粉与三氧化二硼的摩尔量比为l：2～8：0.2-1。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)的溶剂为无水乙醇和蒸馏水按照1-3：1的重量比混合的乙醇溶液。
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