CN106086774A - 一种铁质复合炊具及其表面的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁质复合炊具及其表面的加工方法。现有的铁‑铝‑铁三层复合材料采用摩擦焊加工，当处理温度大于500℃时，相邻层间会出现开裂或剥离脱落，至今未出现采用铁‑铝‑铁三层复合材料加工得到的铁质炊具。本发明将由铁‑铝‑铁三层复合材料制成的炊具基体，置于带多个辅助热源的等离子氧氮化炉内，在400‑500℃温度下，对基体的表面进行渗氮或/和氮碳氧共渗处理，最终形成至少具有N‑C‑Fe化合物的氮化层或/和N‑C‑O‑Fe化合物的氧氮化层。本发明能避免基材铁‑铝‑铁的相邻层间出现开裂或剥离脱落现象，加工后得到的氮化层或氧氮化层能起到有效防锈的作用。

Description

一种铁质复合炊具及其表面的加工方法
技术领域
本发明属于家庭烹饪用具领域，具体地说是一种铁质复合炊具及其表面的加工方法。
背景技术
目前的铁质炊具为了防锈，除喷油性涂层外，最常用的是对铁质炊具表面进行氮化或氧化，即所谓的无涂层不锈/防锈铁锅，处理的基材为单层钢或单层铸铁，通常采用液体氮化（或气体氮化、等离子氮化），或加高温液体氧化工艺，无论是液体氮化还是气化氮化，其加工温度都在530℃以上。
铁质炊具具有补铁的优点，深受用户喜爱，但存在易生锈、导热不佳、重量重等缺点。为了解决导热问题，市场上出现了不锈钢-铝-不锈钢三层复合材料，由此加工得到的炊具能解决生锈和导热不佳的问题，但该炊具不是铁质炊具，无法实现补铁的功能。
目前市场上还没有出现采用铁-铝-铁三层复合材料加工得到的铁质炊具，因为位于最外层和最内层的铁易生锈，将铁-铝-铁三层复合材料加工成铁质炊具必须要对其表面进行处理，如果采用普通氮化工艺，处理温度在530℃以上。而现有的铁-铝-铁三层复合材料采用摩擦焊加工，当处理温度大于500℃时，相邻层间会出现开裂或剥离脱落，正是由于此原因，至今未出现采用铁-铝-铁三层复合材料加工得到的铁质炊具。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种由铁-铝-铁三层复合材料制成的铁质炊具，其表面覆有氮化层或氧氮化层，以起到有效防锈的作用。
为此，本发明采用如下的技术方案：一种铁质复合炊具，它包括由铁-铝-铁三层复合材料制成的基体，铝层位于中间层，该基体的表面至少具有N-C-Fe化合物的氮化层或/和N-C-O-Fe化合物的氧氮化层。
进一步地，所述氮化层的厚度在10-50微米，优选为40-50微米；氧氮化层的厚度在1-15微米，优选为2-5微米。
上述铁质复合炊具表面的加工方法，其将由铁-铝-铁三层复合材料制成的炊具基体，置于带多个辅助热源的等离子氧氮化炉内，在400-500℃温度下，对基体的表面进行渗氮或/和氮碳氧共渗处理，最终形成至少具有N-C-Fe化合物的氮化层或/和N-C-O-Fe化合物的氧氮化层。
由于辅助热源使等离子氧氮化炉在500℃以内可以对炊具基体的表面进行渗氮或/和氮碳氧共渗处理，得到表面均匀的N-C-Fe化合物的氮化层或/和N-C-O-Fe氧氮化层，并能避免基体铁-铝-铁的相邻层间出现开裂或剥离脱落现象，从而使铁-铝-铁三层复合材料可以加工成具有防锈作用的铁质炊具。
进一步地，在氮碳氧共渗处理后还进行了后氧化处理，使氧氮化层的表面形成致密的以四氧化三铁为主的氧化铁层，进一步提高防锈性能，使表面的颜色均匀一致，提高抗污染能力。
炊具表面处理的具体步骤可以有以下二种情况：
第一种：a)先在常温时将工件表面升温至350℃，停留10-30分钟；再升温至400℃时开始加气并继续升温，在450-480℃的温度范围内，在氮气：氢气的体积比为4-9:1的气氛中进行渗氮处理，时间为5-6小时，在基体的表面形成具有N-C-Fe化合物的氮化层，氮化层厚度控制在10-50微米；b)进一步将温度控制在430-490℃，在氮气：氢气：一氧化碳：氧气的体积比为4-9:1：0.1-0.3:0.05-0.1的气氛中进行氮碳氧共渗，时间为1-4小时，在氮化层的表面形成具有N-C-O-Fe化合物的氧氮化层，厚度控制在1-15微米；最后降温至350℃时停止气体的通入，并继续降温至80℃以下取出工件。
此种情况，使用一氧化碳气体比使用二氧化碳或其它含碳气体能有效增加白亮层，尤其是在500℃以下低温状态下进行表面处理，能有效增加耐腐蚀能力并缩短加工时间，使产品的批量生产具有可能性和经济性。
第二种：a)先在常温时将工件表面升温至350℃，停留10-30分钟；再升温至400℃时开始加气并继续升温，在450-480℃的温度范围内，在氮气：氢气的体积比为4-9:1的气氛中进行渗氮处理，时间为5-6小时，在基体的表面形成具有N-C-Fe化合物的氮化层，氮化层厚度控制在10-50微米；b)进一步将温度控制在430-490℃，在氮气：氢气：一氧化碳：氧气的体积比为4-9:1：0.1-0.3:0.05-0.1的气氛中进行氮碳氧共渗，时间为1-4小时，在氮化层的表面形成具有N-C-O-Fe化合物的氧氮化层，厚度控制在1-15微米；c)进一步将温度控制在430-480℃的温度范围内，在氢气：氩气：氧气的体积比为1:0.05-0.2：2-5的气氛中进行后氧化处理，时间为1-2小时，在氧氮化层的表面形成致密的以四氧化三铁为主的氧化铁层，厚度控制在1-10微米；最后降温至350℃时停止气体的通入，并继续降温至80℃以下取出工件。
此种情况，使用氩气的作用是提高等离子氧化过程的离子轰击能力，以提高氧化铁层的厚度，在500℃以下低温状态下氧化也能使产品的耐腐蚀能力更好，颜色更均匀。
进一步地，所述辅助热源的功率大于等于等离子辉光的发生功率，实现强热弱辉；等离子氧氮化炉工作电压在400-1000V，电流密度在0.25-2.5毫安/cm2。
进一步地，所述的多个辅助热源呈上、中、下分布，使炉内温度均匀；等离子氧氮化炉腔体与辅助热源隔离，以避免辅助热源的电阻丝被氧氮化，延长辅助热源的使用寿命。
进一步地，所述铁-铝-铁三层复合材料制成的基体，在基体表面加工前，先利用内侧的铁层对基体进行包边处理，使产品表面全部为铁质材料，以避免铝离子与食物接触并能延长产品寿命。
本发明具有如下的有益效果：本发明可以在500℃以内较低温度下对炊具的表面进行渗氮或/和氮碳氧共渗处理，得到表面均匀的N-C-Fe化合物的氮化层或/和N-C-O-Fe氧氮化层，并能避免基材铁-铝-铁的相邻层间出现开裂或剥离脱落现象，加工后得到的氮化层或氧氮化层能起到有效防锈的作用；通过后氧化处理，进一步提高防锈性能，使表面的颜色均匀一致，提高了抗污染能力。
附图说明
图1为本发明实施例1得到的产品结构示意图。
图2为本发明实施例2得到的产品结构示意图。
图中，1-内层铁，2-中层铝，3-外层铁，4-氮化层，5-氧氮化层，6-氧化铁层。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。
铁质复合炊具的基体材料为铁-铝-铁三层复合材料（即由内层铁1、中层铝2及外层铁3构成），该基体的表面至少具有N-C-Fe化合物的氮化层和N-C-O-Fe化合物的氧氮化层。氮化层的厚度在10-50微米，优选为40-50微米；氧氮化层的厚度在1-15微米，优选为2-5微米。
实施例1
由铁-铝-铁三层复合材料制成的炊具，先进行表面除油、打磨机械处理，再将其置于带多个辅助热源的等离子氧氮化炉内，其表面的加工方法如下：
a)先在常温时将工件表面升温至350℃，停留10-30分钟；再升温至400℃时开始加气并继续升温，在450-480℃的温度范围内，在氮气：氢气的体积比为4-9:1的气氛中进行渗氮处理，时间为5-6小时，在基体的表面形成具有N-C-Fe化合物的氮化层，氮化层厚度控制在10-50微米；b)进一步将温度控制在430-490℃，在氮气：氢气：一氧化碳：氧气的体积比为4-9:1：0.1-0.3:0.05-0.1的气氛中进行氮碳氧共渗，时间为1-4小时，在氮化层的表面形成具有N-C-O-Fe化合物的氧氮化层，厚度控制在1-15微米；最后降温至350℃时停止气体的通入，并继续降温至80℃以下取出工件，其结构如图1所示。
上述方法得到的炊具，试验结果如下：
1.硬度检测，氧氮化层硬度大于HV0.1500；
2.盐雾试验
试验条件：35+2℃，湿度大于95%，盐雾沉降量1-2ml/cm2.h，pH值6-7；
腐蚀斑点出现时间48hrs。
实施例2
由铁-铝-铁三层复合材料制成的炊具，先利用内侧的铁层对炊具基体进行包边处理，使产品表面全部为铁质材料，并进行表面除油、打磨机械处理，再将其置于带多个辅助热源的等离子氧氮化炉内，其表面的加工方法如下：
先在常温时将工件表面升温至350℃，停留10-30分钟；再升温至400℃时开始加气并继续升温，在450-480℃的温度范围内，在氮气：氢气的体积比为4-9:1的气氛中进行渗氮处理，时间为5-6小时，在基体的表面形成具有N-C-Fe化合物的氮化层，氮化层厚度控制在10-50微米；b)进一步将温度控制在430-490℃，在氮气：氢气：一氧化碳：氧气的体积比为4-9:1：0.1-0.3:0.05-0.1的气氛中进行氮碳氧共渗，时间为1-4小时，在氮化层的表面形成具有N-C-O-Fe化合物的氧氮化层，厚度控制在1-15微米；c)进一步将温度控制在430-480℃的温度范围内，在氢气：氩气：氧气的体积比为1:0.05-0.2：2-5的气氛中进行后氧化处理，时间为1-2小时，在氧氮化层的表面形成致密的以四氧化三铁为主的氧化铁层，厚度控制在1-10微米；最后降温至350℃时停止气体的通入，并继续降温至80℃以下取出工件，其结构如图2所示。
上述方法得到的炊具，表面为均匀的黑色，试验结果如下：
1.硬度检测，氧氮化层硬度大于HV0.1500；
2.盐雾试验
试验条件：35+2℃，湿度大于95%，盐雾沉降量1-2ml/cm2.h,pH值6-7；
腐蚀斑点出现时间72hrs。
以上实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围，在不背离本发明精神的基础上所做的修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

Claims (10)

1.一种铁质复合炊具，其特征在于，它包括由铁-铝-铁三层复合材料制成的基体，铝层位于中间层，该基体的表面至少具有N-C-Fe化合物的氮化层或/和N-C-O-Fe化合物的氧氮化层。
2.根据权利要求1所述的铁质复合炊具，其特征在于，所述氮化层的厚度在10-50微米，氧氮化层的厚度在1-15微米。
3.根据权利要求1所述的铁质复合炊具，其特征在于，所述氮化层的厚度在40-50微米，氧氮化层的厚度在2-5微米。
4.权利要求1所述铁质复合炊具表面的加工方法，其特征在于，
将由铁-铝-铁三层复合材料制成的炊具基体，置于带多个辅助热源的等离子氧氮化炉内，在400-500℃温度下，对基体的表面进行渗氮或/和氮碳氧共渗处理，最终形成至少具有N-C-Fe化合物的氮化层或/和N-C-O-Fe化合物的氧氮化层。
5.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于，在氮碳氧共渗处理后还进行了后氧化处理，使氧氮化层的表面形成致密的以四氧化三铁为主的氧化铁层。
6.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于，炊具基体表面处理的具体步骤如下：
a)先在常温时将工件表面升温至350℃，停留10-30分钟；再升温至400℃时开始加气并继续升温，在450-480℃的温度范围内，在氮气：氢气的体积比为4-9:1的气氛中进行渗氮处理，时间为5-6小时，在基体的表面形成具有N-C-Fe化合物的氮化层，氮化层厚度控制在10-50微米；b)进一步将温度控制在430-490℃，在氮气：氢气：一氧化碳：氧气的体积比为7-10:1：0.1-0.3:0.05-0.1的气氛中进行氮碳氧共渗，时间为1-4小时，在氮化层的表面形成具有N-C-O-Fe化合物的氧氮化层，厚度控制在1-15微米；最后降温至350℃时停止气体的通入，并继续降温至80℃以下取出工件。
7.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于，炊具表面处理的具体步骤如下：
a)先在常温时将工件表面升温至350℃，停留10-30分钟；再升温至400℃时开始加气并继续升温，在450-480℃的温度范围内，在氮气：氢气的体积比为4-9:1的气氛中进行渗氮处理，时间为5-6小时，在基体的表面形成具有N-C-Fe化合物的氮化层，氮化层厚度控制在10-50微米；b)进一步将温度控制在430-490℃，在氮气：氢气：一氧化碳：氧气的体积比为4-9:1：0.1-0.3:0.05-0.1的气氛中进行氮碳氧共渗，时间为1-4小时，在氮化层的表面形成具有N-C-O-Fe化合物的氧氮化层，厚度控制在1-15微米；c)进一步将温度控制在430-480℃的温度范围内，在氢气：氩气：氧气的体积比为1:0.05-0.2：2-5的气氛中进行后氧化处理，时间为1-2小时，在氧氮化层的表面形成致密的以四氧化三铁为主的氧化铁层，厚度控制在1-10微米；最后降温至350℃时停止气体的通入，并继续降温至80℃以下取出工件。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述辅助热源的功率大于等于等离子辉光的发生功率，实现强热弱辉；等离子氧氮化炉工作电压在400-1000V，电流密度在0.25-2.5毫安/cm2。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的多个辅助热源呈上、中、下分布，等离子氧氮化炉腔体与辅助热源隔离，以避免辅助热源的电阻丝被氧氮化。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述铁-铝-铁三层复合材料制成的基体，在基体表面加工前，先利用内侧的铁层对基体进行包边处理。
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