CN105088022A - 一种用于不粘锅的铝合金材料、铝合金不粘锅及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种用于不粘锅的铝合金材料、铝合金不粘锅及其制备方法；其中，本铝合金材料包括如下重量百分比的化学成分：Cu0.08～0.3％，Ti0.2～0.4％，Mg0.02～0.04％，Mn0.6～0.8％，Fe0.4～0.6％，Si0.3～0.6％，Zn0.1～0.2％，Ni0.02～0.05％，Sc0.1～0.25％，Co0.05～0.12％，Sm0.05～0.1％，C＜0.02％，P＜0.02％，S＜0.01％，N0.001％～0.01％，余量为Al和杂质元素。通过优化铝合金材料的化学组分及其含量，使得铝合金材料具有较优的力学性能，尤其是耐磨性和耐划性得到了显著提高。

Description

一种用于不粘锅的铝合金材料、铝合金不粘锅及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金材料，尤其涉及一种用于不粘锅的铝合金材料；本发明还涉及一种铝合金不粘锅，尤其涉及一种耐磨耐划的铝合金不粘锅；本发明还涉及一种铝合金不粘锅的制备方法。

背景技术

锅是家家户户必备的厨房炊具用品，锅类产品主要有铝锅、不锈钢锅、铁搪瓷锅、铁锅和不粘锅，这些锅各有优缺点，其中不粘锅的优点最为突出，“不粘锅”的问世给人们的生活带来了很大的方便，不仅易清洗，还可轻松煎、炒食物而不粘底。现有技术中的不粘锅一般为平底，大多采用喷砂的方法进行不粘层喷涂的表面处理，这种处理方法不仅使表面的不粘层容易划伤、脱落和磨损，进而使得不粘层使用寿命较短，且不粘涂层中用聚四氟乙烯，利用其强疏水性以及低摩擦系数的特点，来实现食物不粘的要求。

但是这种不粘锅也有一些缺陷：第一、聚四氟乙烯涂层耐磨性差，容易脱落和损害，而且一旦不粘浆料脱落，就会导致不粘性能的大大降低；第二、聚四氟乙烯容易在烹饪的过程中会发生软化，尤其是当其温度超过250℃，其寿命会极大减少；第三、长期使用这种不粘锅可能会释放对人体有害的全氟辛酸铵。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述的技术现状而提供一种耐磨耐划的用于不粘锅的铝合金材料。

本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述的技术现状而提供一种耐磨耐划的铝合金不粘锅。

本发明所要解决的第三个技术问题是针对上述的技术现状而提供一种铝合金不粘锅的制备方法，其制备的铝合金不粘锅耐磨、耐划性优。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种用于不粘锅的铝合金材料，包括如下重量百分比的化学成分：Cu0.08～0.3％，Ti0.2～0.4％，Mg0.02～0.04％，Mn0.6～0.8％，Fe0.4～0.6％，Si0.3～0.6％，Zn0.1～0.2％，Ni0.02～0.05％，Sc0.1～0.25％，Co0.05～0.12％，Sm0.05～0.1％，C＜0.02％，P＜0.02％，S＜0.01％，N0.001％～0.01％，余量为Al和杂质元素。

Cu具有通过使杂质粒微细化而形成致密的锈层从而使铝材的耐候性提高的效果。Cu具有通过使杂质粒微细化而形成致密的锈层从而使铝材的耐候性提高的效果。不仅如此，Cu元素可以与Al、Ti形成金属间化合物如Al-Cu系结晶物，Ti-Cu系化合物，可以弥补耐磨性和耐热性。Cu和Ni形成金属间的化合物可以弥补耐磨性和耐热粘着性。另外。通过添加Cu和Ni，使铝合金材料即使再高温状态，仍然能够抑制硬度的降低，可以得到优异的抗软化性。而且在金属组织方面，Si、Mn和Ni粒子设置在规定的范围可以得到优异的耐磨性，尤其是Si元素通过共晶Si和初晶Si的分别而提高了耐磨性、耐热粘着性。

Ti和Cu形成的化合物主要有Ti₂Cu₃、TiCu和Ti₂Cu，上述化合物均具有较高的结晶点，可作为非自发形核，从而细化组织和晶粒。Ti和Al也可以形成TiAl₃，组织由未变质时长板条树枝状变为短片状，并伴有等轴晶的倾向，组织细化的效果最好，力学性能最高，强度和塑性的指标均有显著的增加。

Co会和Sm一起作用，不仅可以细化晶粒，抑制晶粒长大的作用，净化晶界组织，使稀土富集在晶界中，合金以枝状方式生长，产生较多的结晶中心，改变杂质的分布及形态。

Sc和Al共同作用，Sc和AL会形成很多化合物如ScAl₃、ScAl₂、ScAl等，由于Sc在所有稀土元素中原子半径是最小的，主要的合金质点ScAl₃，熔点高且与Al的距离较近，因此在结晶过程中容易形成过饱和的固溶体，在加热和挤压过程中容易析出共格的ScAl₃质点，因而能强烈抑制再结晶过程和提高合金的稳定性。

Mn和Fe在铝合金中通过结晶出Al-Mn、Al-Fe-Mn-Si、Al-Fe-Si等粒子提高耐磨性和耐热的粘着性。Mn的含量在0.6-0.8％之间，同时Fe的含量在0.4-0.6％之间能够得到较好的上述效果。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种铝合金不粘锅，所述铝合金不粘锅由上述的铝合金材料制备而成。

优选的，所述铝合金不粘锅的表面涂覆有不粘涂层，制备所述不粘涂层所需的原料包括如下重量份数的组分：

优选的，所述表面活性剂为异十三醇聚氧乙烯醚。

优选的，所述交联剂为乙烯基三甲氧基硅烷。

本发明解决上述第三个技术问题所采用的技术方案为：一种铝合金不粘锅的制备方法，包括如下步骤：

(1)铸造成型；根据铝合金材料中化学成分的配比，计算并称量所需的原料，所述原料混合、熔炼、压铸成型，制得锅坯；

(2)预处理；对所述锅坯的表面依次进行第一次清洗、抛丸、喷砂、第二次清洗，制得第一锅体；

(3)涂层处理；在所述第一锅体的表面涂覆不粘涂层，制得铝合金不粘锅。

优选的，步骤(2)中，所述第一次清洗的过程为，先使用pH＝10～11的碱性清洗液对所述锅坯的表面清洗2～3min，再用50～60℃的热水清洗1～2min；

优选的，步骤(2)中，对所述锅坯的表面进行抛丸处理的时间为10～20min；

优选的，步骤(2)中，对所述锅坯的表面进行喷砂处理时，压缩空气的压力为0.3～0.5MPa，喷砂的粗糙度为3～5μm；

优选的，步骤(2)中，对所述锅坯的表面进行第二次清洗的过程为，先用70～80℃的pH＝10～11的碱液清洗2～3min；然后用60～70℃的pH＝9～10的碱液清洗2～3min；而后用50～60℃的热水清洗1～2min；再用冷却水清洗1～2min，最后高压风吹10～20s，制得第一锅体。

优选的，步骤(2)中，对所述锅坯的表面进行抛丸处理所需的抛丸磨料包括如下重量百分比的化学组分：Fe5％，Mg4％，Ti4％，Si3％，B0.3％，余量为铝及非金属元素。

优选的，步骤(2)中，按质量计，对所述锅坯的表面进行喷砂处理所需的砂子中，氧化铝∶碳化硼＝1∶2～3。

优选的，步骤(3)中，涂覆所述不粘涂层所需的浆料包括如下重量份数的原料：

优选的，所述表面活性剂为异十三醇聚氧乙烯醚；

优选的，所述交联剂为乙烯基三甲氧基硅烷；

优选的，所述浆料的制备方法为：按照配比将所述表面活性剂加入至去离子水中，加热预溶，在搅拌的同时按配比分别加入水溶性聚氨酯改性环氧树脂、聚酰亚胺和交联剂，保温2～3h，降温至室温，制得浆料；

优选的，所述加热预溶的温度为80～90℃；

优选的，搅拌的速度为300～500转/min。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过优化本铝合金材料的化学组分及其含量，使得本铝合金材料具有较优的力学性能，尤其是耐磨性和耐划性得到了显著提高。由本铝合金材料制成的不粘锅也具有较优的耐磨性和耐划性；另外，本铝合金不粘锅的表面涂覆了一层不粘涂层，与现有的聚四氟乙烯涂层相比，本不粘涂层更加环保，且对人体无害。

具体实施方式

以下结合附实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本实施例的铝合金材料，包括如下重量分数的化学成分：Cu0.3％，Ti0.2％，Mg0.03％，Mn0.65％，Fe0.4-0.6％，Si0.45％，Zn0.15％，Ni0.04％，Sc0.15％，Co0.06％，Sm0.07％，C＜0.02％，P＜0.02％，S＜0.01％，N0.001％～0.01％，余量为Al和不可避免的杂质元素。

本实施例的铝合金不粘锅由上述铝合金材料制备而成，而且，本实施例的铝合金不粘锅的表面涂覆有一层不粘涂层。

本实施例铝合金不粘锅的制备方法包括以下3个步骤：

(1)铸造成型；具体包括如下几个步骤：

S1：配置铝合金材料，材料的化学成分按重量百分比为：Cu0.3％，Ti0.2％，Mg0.03％，Mn0.65％，Fe0.4-0.6％，Si0.45％，Zn0.15％，Ni0.04％，Sc0.15％，Co0.06％，Sm0.07％，C＜0.02％，P＜0.02％，S＜0.01％，N0.001％～0.01％，余量为Al和不可避免的杂质元素。

S2：根据上述铝合金材料的化学成分要求，计算出所需各种原料的配比，按照计算出的配比用量称取所需的原料加入真空感应炉，熔化，熔炼温度在750℃，上述合金液在900℃下出炉。

S3：压铸成型，压铸模预热后将合金液注如凹模，再将凹模压下加压成型，制成铝合金锅坯，待模中铝锅冷却后取出锅坯。

(2)预处理；本步骤的目的是清洗掉机械加工过程中锅坯表面残留的油脂和其它脏物，且在锅坯表面造成微量腐蚀，以便于内、外涂层与锅坯更好地粘附。同时进行抛丸和喷砂处理，提高其耐磨和耐划性。

本步骤具体包括如下几个步骤：

L1：锅坯表面第一次清洗：用碱液(pH＝10)，清洗3分钟，再用50℃的热水清洗1分钟。

L2：对锅坯表面进行抛丸处理，将锅坯内表面放在抛丸设备上，进行抛丸处理，抛丸时间为15分钟。按重量百分比计，进行抛丸处理时使用的抛丸磨料合金元素组成为：Fe5％，Mg4％，Ti4％，Si3％，B0.3％，余量为铝及不可避免的非金属杂质元素。

L3：锅坯表面喷砂处理：喷砂是对锅坯内表面进行粗糙化处理，在喷砂间用高压喷枪将带有介质的砂子(氧化铝和碳化硼)直接喷射到锅坯内表面，使其表面形成微沟，增大表面粗糙度，提高后面涂层的粘结能力。

按重量计，本步骤所用砂子的配比为氧化铝∶碳化硼＝1∶2。

喷砂的粗糙度取决于砂子的粒度和压缩空气的压力，本实施例的压缩空气压力为0.3MPa～0.5MPa，粗糙度Ra为3μm～5μm。

L4：第二次清洗，用75℃的碱液(pH＝10.5)，清洗2分钟；然后用65℃的碱液(PH＝9)，清洗2分钟；用55℃的热水清洗1.5分钟；用冷却水清洗1～2分钟；用高压风吹15秒，制得第一锅体。本步骤所用的“高压风吹”为现有技术常用的针对工件上的水珠进行的吹干工序，其主要作用是较快地去除工件表面的大部分水珠。

(3)涂层处理；即在第一锅体表面涂覆一层不粘涂层。不粘涂层的涂覆过程如下在表面活性剂加入到去离子水中，加热预溶，边搅拌一遍加入水溶性聚氨酯改性环氧树脂，聚酰亚胺胶料，交联剂，加入完毕，保温搅拌反应2-3小时，降温之后即可将浆料涂布于锅的内表面。

浆料包括如下重量份数的原料：

上述的加热预溶温度为90℃，搅拌速度为500转/分钟。

实施例2

本实施例的铝合金材料，包括如下重量分数的化学成分：Cu0.25％，Ti0.35％，Mg0.04％，Mn0.8％，Fe0.6％，Si0.6％，Zn0.1％，Ni0.02％，Sc0.25％，Co0.05％，Sm0.1％，C＜0.02％，P＜0.02％，S＜0.01％，N0.001％-0.01％，余量为Al和不可避免的杂质元素。

本实施例的铝合金不粘锅由上述铝合金材料制备而成，而且，本实施例的铝合金不粘锅的表面涂覆有一层不粘涂层。

本实施例铝合金不粘锅的制备方法包括以下3个步骤：

(1)铸造成型；包括如下几个步骤：

S1：配置铝合金材料，材料的化学成分按重量比含量为：Cu0.25％，Ti0.35％，Mg0.04％，Mn0.8％，Fe0.6％，Si0.6％，Zn0.1％，Ni0.02％，Sc0.25％，Co0.05％，Sm0.1％，C＜0.02％，P＜0.02％，S＜0.01％，N0.001％-0.01％，余量为Al和不可避免的杂质元素。

S2：根据上述铝合金材料的化学成分要求，计算出所需各种原料的配比，按照计算出的配比用量称取所需的原料加入真空感应炉，熔化，熔炼温度在760℃，上述合金液在910℃下出炉。

S3：压铸成型，压铸模预热后将合金液注如凹模，再将凹模压下加压成型，制成铝合金锅坯。待模中铝锅冷却后取出锅坯。

(2)预处理，目的是清洗掉机械加工过程中锅坯表面残留的油脂和其它脏物，且在锅坯表面造成微量腐蚀，以便于内、外涂层与锅坯更好地粘附。同时进行抛丸和喷砂处理，提高其耐磨和耐划性。包括如下几个步骤：

L1：锅坯表面第一次清洗：用碱液(pH＝11)，清洗3分钟，再用55℃的热水清洗1分钟。

L2：对锅坯表面进行抛丸处理，将锅坯内表面放在抛丸设备上，进行抛丸处理，抛丸时间为15分钟。按重量百分比计，进行抛丸处理时使用的抛丸磨料合金元素组成为：Fe5％，Mg4％，Ti4％，Si3％，B0.3％，余量为铝及不可避免的非金属杂质元素。

L3：锅坯表面喷砂处理：喷砂是对锅坯内表面进行粗糙化处理，在喷砂间用高压喷枪将带有介质的砂子(氧化铝和碳化硼)直接喷射到锅坯内表面，使其表面形成微沟，增大表面粗糙度，提高后面涂层的粘结能力。

按重量计，本步骤所用砂子的配比为氧化铝∶碳化硼＝1∶3。

喷砂的粗糙度取决于砂子的粒度和压缩空气的压力，本实施例的压缩空气压力为0.3MPa～0.5MPa，粗糙度Ra为3μm～5μm。

L4：第二次清洗，用70～80℃的碱液(pH＝11)，清洗2分钟；然后用70℃的碱液(pH＝9.5)，清洗3分钟；用55℃的热水清洗1-2分钟；用冷却水清洗1分钟；用高压风吹15秒，制得第一锅体。

(3)涂层处理，即在第一锅体的表面涂覆一层不粘涂层。不粘涂层的涂覆过程如下在表面活性剂加入到去离子水中，加热预溶，边搅拌一遍加入水溶性聚氨酯改性环氧树脂、聚酰亚胺胶料、交联剂，加入完毕，保温搅拌反应3小时，降温之后即可将浆料涂布于第一锅体的内表面。

浆料包括如下重量份数的原料：

上述的加热预溶温度为85℃，搅拌速度为300转/分钟。

实施例3

本实施例的铝合金材料，包括如下重量分数的化学成分：Cu0.2％，Ti0.2％，Mg0.02％，Mn0.65％，Fe0.55％，Si0.35％，Zn0.15％，Ni0.04％，Sc0.12％，Co0.1％，Sm0.075％，C＜0.02％，P＜0.02％，S＜0.01％，N0.001％-0.01％，余量为Al和不可避免的杂质元素。

本实施例的铝合金不粘锅由上述铝合金材料制备而成，而且，本实施例的铝合金不粘锅的表面涂覆有一层不粘涂层。

本实施例铝合金不粘锅的制备方法包括以下3个步骤：

(1)铸造成型，包括如下几个步骤：

S1：配置铝合金材料，材料的化学成分按重量比含量为：Cu0.2％，Ti0.2％，Mg0.02％，Mn0.65％，Fe0.55％，Si0.35％，Zn0.15％，Ni0.04％，Sc0.12％，Co0.1％，Sm0.075％，C＜0.02％，P＜0.02％，S＜0.01％，N0.001％-0.01％，余量为Al和不可避免的杂质元素。

S2：根据上述铝合金材料的化学成分要求，计算出所需各种原料的配比，按照计算出的配比用量称取所需的原料加入真空感应炉，熔化，熔炼温度在740℃，上述合金液在890℃下出炉。

S3：压铸成型，压铸模预热后将合金液注如凹模，再将凹模压下加压成型，制成铝合金锅坯。待模中铝锅冷却后取出锅坯。

(2)预处理，目的是清洗掉机械加工过程中锅坯表面残留的油脂和其它脏物，且在锅坯表面造成微量腐蚀，以便于内、外涂层与锅坯更好地粘附。同时进行抛丸和喷砂处理，提高其耐磨和耐划性。包括如下几个步骤：

L1：锅坯表面第一次清洗：用碱液(pH＝10)，清洗3分钟，再用55℃的热水清洗2分钟。

L2：对锅坯表面进行抛丸处理，将锅坯内表面放在抛丸设备上，进行抛丸处理，抛丸时间为15分钟。按重量百分比计，进行抛丸处理时使用的抛丸磨料合金元素组成为：Fe5％，Mg4％，Ti4％，Si3％，B0.3％，余量为铝及不可避免的非金属杂质元素。

L3：锅坯表面喷砂处理：喷砂是对锅坯内表面进行粗糙化处理，在喷砂间用高压喷枪将带有介质的砂子(氧化铝和碳化硼)直接喷射到锅坯内表面，使其表面形成微沟，增大表面粗糙度，提高后面涂层的粘结能力。

按重量计，本步骤所用砂子的配比为氧化铝∶碳化硼＝1∶2.5。

喷砂的粗糙度取决于砂子的粒度和压缩空气的压力，本实施例的压缩空气压力为0.3MPa～0.5MPa，粗糙度Ra为3μm～5μm。

L4：第二次清洗，用75℃的碱液(pH＝10)，清洗3分钟；然后用70℃的碱液(pH＝9)，清洗2分钟；用55℃的热水清洗1.5分钟；用冷却水清洗1.5分钟；用高压风吹10秒，制得第一锅体。

(3)涂层处理，即在第一锅体表面涂覆一层不粘涂层。不粘涂层的涂覆过程如下：在表面活性剂加入到去离子水中，加热预溶，边搅拌一遍加入水溶性聚氨酯改性环氧树脂，聚酰亚胺胶料，交联剂，加入完毕，保温搅拌反应2-3小时，降温之后即可将浆料涂布于第一锅体的内表面。

浆料包括如下重量份数的原料：

上述的加热预溶温度为85℃，搅拌速度为350转/分钟。

对实施例1～3制备的铝合金不粘锅进行检测，结果见表1。

1、涂层外观测试

方法描述：肉眼目视，判定标准和要求：涂层表面应光滑、纹路细致无裂纹、斑点、气泡、色差、划伤等。

2、显微外观检测

方法描述：用30倍放大镜在图层上任意不同区域进行观察，判定标准和要求：涂层应无露底和裂纹。

3、耐磨测试

方法描述：参照BS7069：1988标准附录A-A.1之15N重量百洁布耐磨测试。1.将实验样锅固定在耐磨机上，15N(1.5kg)向下的压力，以3M7447C来回摩擦漆膜表面。2.在实验样锅内加入5％的洗涤剂溶液，启动耐磨机，每50次为一个循环更换一次百洁布并检查漆膜是否损伤，5次循环后检查漆膜是否露底。判定标准和要求：5个循环即250次应无露底现象。

表1.各实施例制备的铝合金不粘锅的性能

项目	实施例1	实施例2	实施例3
				涂层外观检测	涂层光滑平整	涂层光滑平整	涂层光滑平整
显微外观检测	无露底和裂纹	无露底和裂纹	无露底和裂纹
				线膨胀系数10-6/℃	1.2	1.3	1.1
摩擦系数	0.24	0.21	0.25
				耐磨测试	250次不露底	250次不露底	250次不露底

Claims (10)

1.一种用于不粘锅的铝合金材料，其特征在于，包括如下重量百分比的化学成分：Cu0.08～0.3％，Ti0.2～0.4％，Mg0.02～0.04％，Mn0.6～0.8％，Fe0.4～0.6％，Si0.3～0.6％，Zn0.1～0.2％，Ni0.02～0.05％，Sc0.1～0.25％，Co0.05～0.12％，Sm0.05～0.1％，C＜0.02％，P＜0.02％，S＜0.01％，N0.001％～0.01％，余量为Al和杂质元素。

2.一种铝合金不粘锅，其特征在于：所述铝合金不粘锅由权利要求1所述的铝合金材料制备而成。

3.根据权利要求2所述的铝合金不粘锅，其特征在于：所述铝合金不粘锅的表面涂覆有不粘涂层，制备所述不粘涂层所需的原料包括如下重量份数的组分：

4.根据权利要求3所述的铝合金不粘锅，其特征在于：所述表面活性剂为异十三醇聚氧乙烯醚。

5.根据权利要求3所述的铝合金不粘锅，其特征在于：所述交联剂为乙烯基三甲氧基硅烷。

6.一种权利要求2所述的铝合金不粘锅的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)铸造成型；根据铝合金材料中化学成分的配比，计算并称量所需的原料，所述原料混合、熔炼、压铸成型，制得锅坯；

(2)预处理；对所述锅坯的表面依次进行第一次清洗、抛丸、喷砂、第二次清洗，制得第一锅体；

(3)涂层处理；在所述第一锅体的表面涂覆不粘涂层，制得铝合金不粘锅。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述第一次清洗的过程为，先使用pH＝10～11的碱性清洗液对所述锅坯的表面清洗2～3min，再用50～60℃的热水清洗1～2min；

优选的，步骤(2)中，对所述锅坯的表面进行抛丸处理的时间为10～20min；

优选的，步骤(2)中，对所述锅坯的表面进行喷砂处理时，压缩空气的压力为0.3～0.5MPa，喷砂的粗糙度为3～5μm；

优选的，步骤(2)中，对所述锅坯的表面进行第二次清洗的过程为，先用70～80℃的pH＝10～11的碱液清洗2～3min；然后用60～70℃的pH＝9～10的碱液清洗2～3min；而后用50～60℃的热水清洗1～2min；再用冷却水清洗1～2min，最后高压风吹10～20s，制得第一锅体。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，对所述锅坯的表面进行抛丸处理所需的抛丸磨料包括如下重量百分比的化学组分：Fe5％，Mg4％，Ti4％，Si3％，B0.3％，余量为铝及非金属元素。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，按质量计，对所述锅坯的表面进行喷砂处理所需的砂子中，氧化铝∶碳化硼＝1∶2～3。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，涂覆所述不粘涂层所需的浆料包括如下重量份数的原料：

优选的，所述表面活性剂为异十三醇聚氧乙烯醚；

优选的，所述交联剂为乙烯基三甲氧基硅烷；

优选的，所述浆料的制备方法为：按照配比将所述表面活性剂加入至去离子水中，加热预溶，在搅拌的同时按配比分别加入水溶性聚氨酯改性环氧树脂、聚酰亚胺和交联剂，保温2～3h，降温至室温，制得浆料；

优选的，所述加热预溶的温度为80～90℃；

优选的，搅拌的速度为300～500转/min。