CN105821407B - 一种不粘锅及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种不粘锅及其制备方法，不粘锅包括锅基体、缓冲层以及复合金属陶瓷层，缓冲层设置于锅基体与复合金属陶瓷层之间，其中，缓冲层为铝化钛层，复合金属陶瓷层包括碳化锆、碳化钨、碳化钼、碳化钽以及碳化硅。从而不粘锅不仅使用安全健康，而且提高复合金属陶瓷层耐磨、耐热以及不易脱落的性能。

Description

一种不粘锅及其制备方法
技术领域
本发明涉及炊具领域，具体地说，是一种复合型不粘锅及其制备方法。
背景技术
传统的铝合金锅烹饪时易发生食物粘锅现象，其不仅增加了清洗的难度而且产生的焦糊状食物还会危害人类健康。现有的不粘锅是在铝合金锅表面涂覆了一层聚四氟乙烯，其虽然满足了不发生粘锅的现象，但是其涂层强度不高，容易发生剥落和损坏。随着科学研究的不断深入，人们对长期使用特富龙涂层的不粘锅对人体是否有害提出了各种忧虑和担心，对此产生的争议也没有停歇。
专利公开号为CN103724011A的发明专利提供了一种锆铝复合陶瓷不粘锅及其制备工艺，其主要成分是氧化锆粉、氧化铝粉、氧化钇粉及聚乙烯醇等，该陶瓷不粘锅具有较好的韧性和耐腐蚀性，但是，其使用了聚乙烯醇作为粘合剂，聚乙烯醇不耐高温，在200℃会融化，对人的身体健康具有潜在的危害性。
同时，对于传统煲汤用的陶瓷锅，其在高温条件下容易发生开裂等问题。因此，对于目前的锅具，其进一步改进的空间还很大。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种不粘锅及其制备方法，其针对现有技术存在的缺陷，不仅制备方法简单，而且不粘锅具有使用安全健康、耐磨、耐热以及不易脱落的性能。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
根据本发明的一实施例，一种不粘锅包括锅基体、缓冲层以及复合金属陶瓷层，所述缓冲层设置于所述锅基体与所述复合金属陶瓷层之间，其中，所述缓冲层为铝化钛层，所述复合金属陶瓷层包括碳化锆、碳化钨、碳化钼、碳化钽以及碳化硅。
根据本发明的一实施例，所述缓冲层的厚度为10～20微米。
根据本发明的一实施例，所述复合金属陶瓷层的厚度为40～60微米。
一种不粘锅的制备方法，其包括步骤：
S100涂覆缓冲层于锅基体的表面；
S200对所述缓冲层表面依次进行碱洗、酸洗以及清水洗涤；以及
S300通过激光熔覆工艺在所述缓冲层上涂覆复合金属陶瓷层。
根据本发明的一实施例，所述步骤S200包括步骤：对所述缓冲层表面先用5wt％的碳酸钠在超声协助下清洗5～15min，再用2wt％的稀醋酸溶液在超声协助下清洗5～15min，随后用去离子水洗涤并进行干燥。
根据本发明的一实施例，所述步骤S100中的所述缓冲层的制备包括步骤：
S110将Ti粉和Al粉按照重量比3∶1配料后，向其中加入去离子水，使得去离子水和粉末原料的容积为球磨罐的45～70％；
S120使用行星式球磨机，转速为300～400rpm，球磨处理20～30h，球磨结束后将混合的粉末于105～120℃下干燥处理2～3h；以及
S130试样在真空烧结炉中于1000～1200℃焙烧处理4h。
根据本发明的一实施例，所述步骤S300中的复合金属陶瓷层的制备包括步骤：
S310将相应质量比的锆粉、钨粉、钼粉、钽粉与石墨烯混合后加入一定量的去离子水，使得去离子水和粉末原料的容积为球磨罐的50％；
S320使用行星式球磨机，转速为400～500rpm，球磨处理3～5h，球磨结束后将混合的粉末于120℃下干燥处理2h，制得混合粉体；
S330将混合粉体与硅溶胶混合调成糊状后均匀涂覆在锅底基体的外表面；以及
S340在氮气气氛保护下，采用激光束对制得的涂层进行快速加热处理，功率为3～5kw，扫描速率为10～20mm/min，使混合浆料发生碳热反应，在所述不粘锅的外表生成碳化锆、碳化钨、碳化钼、碳化钽以及碳化硅复合涂层。
根据本发明的一实施例，锆粉、钨粉、钼粉、钽粉与石墨烯的质量比为7∶0.5～1∶0.3～0.8∶0.2～0.5∶20～30。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
一种不粘锅包括锅基体、缓冲层以及复合金属陶瓷层，所述缓冲层设置于所述锅基体与所述复合金属陶瓷层之间，其中，所述缓冲层为铝化钛层(TiAl)，所述复合金属陶瓷层包括碳化锆(ZrC)、碳化钨(WC)、碳化钼(Mo2C)、碳化钽(TaC)以及碳化硅(SiC)。从而，所述不粘锅不仅使用安全健康，而且提高耐磨、耐热以及不易脱落的性能。
其中，所述缓冲层的厚度为10～20微米。
其中，所述复合金属陶瓷层的厚度为40～60微米。
一种不粘锅的制备方法，其包括步骤：
S100涂覆缓冲层于锅基体的表面；
S200对所述缓冲层表面依次进行碱洗、酸洗以及清水洗涤；以及
S300通过激光熔覆工艺在所述缓冲层上涂覆复合金属陶瓷层。
其中，所述步骤S200包括步骤：对所述缓冲层表面先用5wt％的Na2CO3在超声协助下清洗5～15min，再用2wt％的稀醋酸溶液在超声协助下清洗5～15min，随后用去离子水洗涤并进行干燥。
其中，碱洗得以除去所述缓冲层表面的油污及其它污垢，酸洗得以除去所述缓冲层表面氧化层，同时活化表面，清水洗涤得以除去所述缓冲层表面的残液。
其中，所述步骤S100中的所述缓冲层的制备包括步骤：
S110将Ti粉和Al粉按照重量比3∶1配料后，向其中加入去离子水，使得去离子水和粉末原料的容积为球磨罐的45～70％；
S120使用行星式球磨机，转速为300～400rpm，球磨处理20～30h，球磨结束后将混合的粉末于105～120℃下干燥处理2～3h；以及
S130试样在真空烧结炉中于1000～1200℃焙烧处理4h。
其中，所用的Ti粉的纯度为99.5％以上，粒度为300～500目；铝粉的纯度为99.5％以上，粒度为300～350目；真空烧结炉的真空度为3.0×10-3Pa。
其中，所述步骤S300中的复合金属陶瓷层的制备包括步骤：
S310将相应质量比的锆粉、钨粉、钼粉、钽粉与石墨烯混合后加入一定量的去离子水，使得去离子水和粉末原料的容积为球磨罐的50％；
S320使用行星式球磨机，转速为400～500rpm，球磨处理3～5h，球磨结束后将混合的粉末于120℃下干燥处理2h，制得混合粉体；
S330将混合粉体与硅溶胶混合调成糊状后均匀涂覆在锅底基体的外表面；以及
S340在氮气气氛保护下，采用激光束对制得的涂层进行快速加热处理，功率为3～5kw，扫描速率为10～20mm/min，使混合浆料发生碳热反应，在所述不粘锅的外表生成碳化锆、碳化钨、碳化钼、碳化钽以及碳化硅复合涂层。
其中，锆粉、钨粉、钼粉、钽粉与石墨烯的质量比为7∶0.5～1∶0.3～0.8∶0.2～0.5∶20～30。
其中，Zr粉的纯度≥99.5％，粒度为300～500目；W粉的纯度≥99.5％，粒度为300～500目；Mo粉的纯度≥99.5％，粒度为300～500目；Ta粉的纯度≥99.5％，粒度为300～500目；石墨烯的纯度≥99.5％，粒度为300～500目。
在制备过程中选用石墨烯作为碳源，一方面考虑摩擦系数的影响，向复合涂层中添加石墨烯可以大大降低陶瓷涂层的摩擦系数，从而增强不粘锅的使用效果；另一方面利用石墨的高比表面积和易传热的特性可以与其它金属粉体充分接触并更易于发生碳化反应生成金属碳化物，碳源的使用量更少同时生成金属陶瓷涂层的纯度更高。
本发明在质地较软的锅基体的内表面与硬度很高金属陶瓷层间添加了TiAl作为缓冲层，在激光快速加热技术处理金属陶瓷涂层的过程中TiAl一方面可以与锅基体间形成Al-Al键结合地更加牢固，另一方面可以与石墨烯作用形成TiC从而与所述复合金属陶瓷层之间紧密结合，进而可以使所述复合金属陶瓷层与锅基体间的结合力显著提高，从而使所述复合金属陶瓷层不易脱落。
所述复合金属陶瓷层中的ZrC具有硬度高、耐磨性和抗磨损能力强、同时具有较高的抗氧化能力和耐热性，其化学稳定性好，摩擦系数低的优点。当单独使用时也存在抗塑性变形能力差、抗脆性破损的能力差、导热性低和抗磨料磨损性能低的缺点。通过向其中添加Mo2C、WC、TaC、SiC不仅可以进一步使所述不粘锅强度和硬度提高，而且还可以提高所述不粘锅的耐磨和耐热性能。
本发明与聚四氟乙烯涂层的不粘锅相比，所用物质安全无毒，不存在安全隐患。
本发明使用激光快速加热技术不会产生污染物质，安全环保。
实施例1
先在锅基体的内表面涂覆15～20μm的TiAl层；然后将TiAl层表面的杂质先后在5wt％的Na2CO3和2wt％的稀醋酸溶液溶液中在超声协助的条件下分别清洗15min，随后用去离子水洗涤并进行干燥；最后利用激光熔覆工艺在锅基体的外表面涂覆复合金属陶瓷层，其厚度为50～60μm。
其中TiAl的制备工艺如下：将Ti粉和Al粉按照重量比3∶1配料后，向其中加入去离子水，使得去离子水和粉末原料的容积为球磨罐的50％，使用行星式球磨机，转速为400rpm，球磨处理20h，球磨结束后将混合的粉末于120℃下干燥处理2h，最后将试样在真空烧结炉中于1200℃焙烧处理4h。
所述复合金属陶瓷层的制备工艺：将Zr粉、W粉、Mo粉、Ta粉和石墨烯按照重量比为7∶0.5∶0.5∶0.5∶25混合后向其中加入一定量的去离子水，使得去离子水和粉末原料的容积为球磨罐的50％，使用行星式球磨机，转速为400rpm，球磨处理5h，球磨结束后将混合的粉末于120℃下干燥处理2h。将所得的混合粉体与硅溶胶混合调成糊状后均匀涂覆在锅底基体的外表面，控制厚度为50～60μm，在氮气气氛保护下，采用大功率TEA CO2激光束对制得的涂层进行快速加热处理，功率为5kw，扫描速率为20mm/min，使混合浆料发生碳热反应，在锅体的外表生生成ZrC、WC、Mo2C、TaC和SiC的复合涂层。
本实施例所制备的不含氟化物的不粘锅经炒锅铁铲加速模拟测试，通过35～36个循环，同时测定其摩擦系数为0.143，洛氏硬度为HRC56。
实施例2
先在锅基体的内表面涂覆15～20μm的TiAl层；然后将TiAl层表面的杂质先后在5wt％的Na2CO3和2wt％的稀醋酸溶液溶液中在超声协助的条件下分别清洗15min，随后用去离子水洗涤并进行干燥；最后利用激光熔覆工艺在锅基体的外表面涂覆复合金属陶瓷层，其厚度为50～60μm。
其中TiAl的制备工艺同实施例1。
所述复合金属陶瓷层的制备工艺：将Zr粉、W粉、Mo粉、Ta粉和石墨烯按照重量比为7∶1∶0.8∶0.5∶30混合后向其中加入一定量的去离子水，使得去离子水和粉末原料的容积为球磨罐的50％，使用行星式球磨机，转速为500rpm，球磨处理3h，球磨结束后将混合的粉末于120℃下干燥处理2h。将所得的混合粉体与硅溶胶混合调成糊状后均匀涂覆在锅底基体的外表面，控制厚度为50～60μm，在氮气气氛保护下，采用大功率TEA CO2激光束对制得的涂层进行快速加热处理，功率为5kw，扫描速率为10mm/min，使混合浆料发生碳热反应，在锅体的外表生生成ZrC、WC、Mo2C、TaC和SiC的复合涂层。
本实施例所制备的不含氟化物的不粘锅经炒锅铁铲加速模拟测试，通过40～41个循环，同时测定其摩擦系数为0.152，洛氏硬度为HRC58。
实施例3
从市场上购买的某品牌含氟化物的不粘锅经炒锅铁铲加速模拟测试，通过27～28个循环，同时测定其摩擦系数为0.187，洛氏硬度为HRC48。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种不粘锅，其特征在于，包括锅基体、缓冲层以及复合金属陶瓷层，所述缓冲层设置于所述锅基体与所述复合金属陶瓷层之间，其中，所述缓冲层为铝化钛层，所述复合金属陶瓷层包括碳化锆、碳化钨、碳化钼、碳化钽以及碳化硅。
2.根据权利要求1所述的不粘锅，其特征在于，所述缓冲层的厚度为10～20微米。
3.根据权利要求2所述的不粘锅，其特征在于，所述复合金属陶瓷层的厚度为40～60微米。
4.一种如权利要求1至3中任一所述的不粘锅的制备方法，其特征在于，包括步骤：
S100涂覆缓冲层于锅基体的表面；
S200对所述缓冲层表面依次进行碱洗、酸洗以及清水洗涤；以及
S300通过激光熔覆工艺在所述缓冲层上涂覆复合金属陶瓷层。
5.根据权利要求4所述的不粘锅的制备方法，其特征在于，所述步骤S200包括步骤：对所述缓冲层表面先用5wt％的碳酸钠在超声协助下清洗5～15min，再用2wt％的稀醋酸溶液在超声协助下清洗5～15min，随后用去离子水洗涤并进行干燥。
6.根据权利要求5所述的不粘锅的制备方法，其特征在于，所述步骤S100中的所述缓冲层的制备包括步骤：
S110将Ti粉和Al粉按照重量比3:1配料后，向其中加入去离子水，使得去离子水和粉末原料的容积为球磨罐的45～70％；
S120使用行星式球磨机，转速为300～400rpm，球磨处理20～30h，球磨结束后将混合的粉末于105～120℃下干燥处理2～3h；以及
S130试样在真空烧结炉中于1000～1200℃焙烧处理4h。
7.根据权利要求6所述的不粘锅的制备方法，其特征在于，所述步骤S300中的复合金属陶瓷层的制备包括步骤：
S310将相应质量比的锆粉、钨粉、钼粉、钽粉与石墨烯混合后加入一定量的去离子水，使得去离子水和粉末原料的容积为球磨罐的50％；
S320使用行星式球磨机，转速为400～500rpm，球磨处理3～5h，球磨结束后将混合的粉末于120℃下干燥处理2h，制得混合粉体；
S330将混合粉体与硅溶胶混合调成糊状后均匀涂覆在锅底基体的外表面；以及
S340在氮气气氛保护下，采用激光束对制得的涂层进行快速加热处理，功率为3～5kw，扫描速率为10～20mm/min，使混合浆料发生碳热反应，在所述不粘锅的外表生成碳化锆、碳化钨、碳化钼、碳化钽以及碳化硅复合涂层。
8.根据权利要求7所述的不粘锅的制备方法，其特征在于，锆粉、钨粉、钼粉、钽粉与石墨烯的质量比为7：0.5～1：0.3～0.8：0.2～0.5：20～30。
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