CN108078361A - 一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法及陶瓷锅具 - Google Patents

一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法及陶瓷锅具 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法及陶瓷锅具。电磁加热陶瓷锅具的制作方法，包括以下步骤：通过工作气体将导磁金属的粉末冷喷涂在陶瓷锅具的基材的表面，所述导磁金属的粉末在陶瓷锅具的基材的表面形成导磁金属层。本发明采用这种制作方法可以使陶瓷锅具具有很好的导磁性能，可以应用于电磁加热方式，具有对基体热影响小、界面热应力相对较低、有利于提高界面结合性能、有利于提高发热效率、提高锅具的使用寿命、减小孔隙率等优点。

Description

一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法及陶瓷锅具
技术领域
本发明属于锅具技术领域，尤其涉及一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法及陶瓷锅具。
背景技术
电磁炉是采用磁场感应电流(又称为涡流)进行加热的一种设备。电磁炉是通过电子线路板组成部分产生交变磁场、当用含铁质锅具底部放置炉面时，锅具即切割交变磁力线而在锅具底部金属部分产生交变的电流(即涡流)，涡流使锅具底部铁质材料中的自由电子呈漩涡状交变运动，通过电流的焦耳热使锅底发热。交变电流使得器具本身高速发热，用来加热和烹饪食物，从而达到煮食的目的。电磁炉具有升温快、热效率高、无明火、无烟尘、无有害气体、对周围环境不产生热辐射、体积小巧、安全性好和外观美观等优点，能完成家庭的绝大多数烹饪任务。
陶瓷材质的锅具具有成本便宜，使用方便，不会生锈，并且烹调时能保持食物的原滋原味，清洗方便等优点。陶瓷由于没有导电性，因此无法在电磁感应中产生热量，因此，单纯的陶瓷材质不能与电磁炉配合使用。
现有技术中，为解决上述问题，一般在陶瓷上采用热喷涂、贴片、印刷银浆或者采用等离子喷涂铝涂层的方式来制作可以用于电磁加热的陶瓷烹饪器皿。使用银浆成本太高，采用等离子喷涂铝、镍、铁、铜等金属涂层，制程温度高，涂层容易氧化，而且难以保证附着力。采用贴片的方式容易出现发热效率低、结合不牢靠等问题。
发明内容
鉴于现有技术所存在的问题，本发明提供一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法及陶瓷锅具，在陶瓷锅具的基材的表面冷喷一层导磁金属，采用这种工艺方式可以使陶瓷锅具具有很好的导磁性能，可以应用于电磁加热方式，具有对基体热影响小、界面热应力相对较低、有利于提高界面结合性能、有利于提高发热效率、提高锅具的使用寿命、减小孔隙率等优点。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法，包括以下步骤：通过工作气体将导磁金属的粉末冷喷涂在陶瓷锅具的基材的表面，所述导磁金属的粉末在陶瓷锅具的基材的表面形成导磁金属层。
冷喷涂(CS：Cold Spray)，又称为气体动力喷涂技术，是指当具有一定塑性的高速固态粒子与基体碰撞后，经过强烈的塑性变形而发生沉积形成涂层的方法。通常条件下，一般的概念是当固态粒子碰撞到某种基体后将产生固态粒子对基体的冲蚀作用。
本发明的有益效果是：
本发明采用冷喷涂的工艺来制备电磁加热陶瓷锅具，可以使陶瓷锅具满足电磁加热方式的使用需求。与其他的方式(例如：热喷涂、贴片、印刷银浆或者采用等离子喷涂等)相比，本发明所述的制作方法具有以下优点：
(1)喷涂粒子不需要熔化，并且发生相变、氧化、分解甚至晶粒长大的驱动力都较小，有利于导磁金属层的成功制备。
(2)对基体热影响小，界面热应力相对较低，有利于提高界面结合力甚至可以根据具体使用需求获得超厚涂层。
(3)能耗较少，利于环保。
(4)制得的电磁加热陶瓷锅具具有涂层致密性好、孔隙率小等优点，可以避免在使用过程中基材与导磁金属层发生脱落；
(4)制备的锅具具有良好的电磁加热功能、较高的发热效率和良好的保温特性，同时陶瓷外面冷喷一层金属层，保证陶瓷锅不易摔坏，使用寿命长。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述冷喷涂的工艺参数为：冷喷涂喷嘴进口处工作气压力为2-3Mpa，温度为300-500℃。
采用上述方案的有益效果是：
采用上述的进口处工作压力有利于获得合适的沉积速率及较低的孔隙率，如果压力过大，会导致送粉速率过大，送粉速率过高会导致粒子在喷管中的相互作用增强，粒子由于摩擦作用产生热量而导致粒子熔化粘结在喷枪内从而降低沉积速率，压力过大也会导致粉末反弹严重，从而降低沉积率。如果压力过小，会导致送粉速率下降以及粒子塑性变形小导致孔隙率增加。
采用上述的进口处温度有利于获得较为致密的涂层，如果温度过高，会导致粒子熔化粘结在喷枪内或者堵住喷嘴，从而影响喷涂。如果温度过低，不利于粒子的塑性变形，粒子之间的孔隙率会增加。
进一步，冷喷涂时，工作气体加热到400-600℃，增压至3.0-3.5Mpa。
采用上述方案的有益效果是：
采用上述的工作气体的工作压力有利于获得合适的沉积速率及较低的孔隙率，如果压力过大，会导致送粉速率过大，送粉速率过高会导致粒子在喷管中的相互作用增强，粒子由于摩擦作用产生热量而导致粒子熔化粘结在喷枪内从而降低沉积速率，压力过大也会导致粉末反弹严重，从而降低沉积率。如果压力过小，会导致送粉速率下降以及粒子塑性变形小导致孔隙率增加。
采用上述工作气体的工作温度有利于获得较为致密的涂层，如果温度过高，会导致粒子熔化粘结在喷枪内或者堵住喷嘴，从而影响喷涂。如果温度过低，不利于粒子的塑性变形，粒子之间的孔隙率会增加。
进一步，所述工作气体为氮气、氦气或氩气,工作气体的流量为28-60m3/h。
采用上述方案的有益效果是：
采用氮气，有利于降低成本，同时氮气不容易和金属发生反应优点。
氮气的流量为28-60m3/h，有利于获得合适的沉积速率和防止金属被氧化，如果流量过低，容易导致沉积速率低，还有可能金属被氧化；如果流量过高，容易导致气压过大，从而会导致粉末反弹反而降低沉积速率，表面涂层粗糙。
除氮气外，还可以选择氦气、氩气等气体作为工作气体。
进一步，喷涂距离为15-20cm。
采用上述方案的有益效果是：
采用上述距离有利于获得合适的沉积速率，如果距离过大，容易导致沉积速率下降，如果距离过小容易导致粉末反弹从而导致沉积速率下降。
进一步，所述导磁金属选自铁、镍和钴中一种或几种的混合。
采用上述方案的有益效果是：
采用上述种类的金属，有利于提高陶瓷锅具的导磁性能以及提高发热效率。
进一步，所述导磁金属的粉末的粒径为10-100微米。
采用上述方案的有益效果是：
采用上述的粒径有利于获得致密的涂层，如果粒径过小，粉末颗粒容易熔化粘结；如果粒径过大，颗粒塑性变形小，膜层孔隙率高。
进一步，所述导磁金属的粉末的纯度大于等于99％。
采用上述方案的有益效果是：采用较高浓度的导磁金属的粉末有利于获得稳定的导磁性能，如果浓度过低，容易导致导磁性能下降。
进一步，所述导磁金属层的厚度为0.1-2mm。优选地，所述导磁金属层的厚度为0.1-1mm。
采用上述方案的有益效果是：采用上述厚度的导磁金属层，不仅可以保证较好的加热效率而且可以保证陶瓷锅不易摔坏。
进一步，在喷涂前，所述陶瓷锅具的基材经过预处理，所述预处理的方法为：采用乙醇或者丙酮擦拭陶瓷锅具的基材表面。
采用上述方案的有益效果是：通过对陶瓷锅具的基材的预处理可以进一步提高导磁金属层与基材的结合能力，减小孔隙率。
进一步，所述导磁金属层位于陶瓷锅具的基材的内表面或外表面。导磁金属层设置在基材的内表面和外表面，均可以起到增加导磁的效果。
本发明还提供一种利用上述的方法制备的陶瓷锅具。
进一步，陶瓷锅具与食物接触的内表面还设有釉层。
采用上述方案的有益效果是：通过釉层的设置，增加了陶瓷锅具的机械强度、热稳定性和电介强度，还赋予了陶瓷锅具美观、便于拭洗、使用寿命长等优点。
附图说明
图1为符合本发明技术方案的其中一种电磁加热陶瓷锅具的结构示意图；
图2为在A处的局部放大图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、陶瓷锅具的基材，2、导磁金属层，3、釉层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法，包括以下步骤：通过工作气体将导磁金属的粉末冷喷涂在陶瓷锅具的基材的表面，所述导磁金属的粉末在陶瓷锅具的基材的表面形成导磁金属层。
所述冷喷涂的工艺参数为：冷喷涂喷嘴进口处工作气压力为2-3Mpa，温度为300-500℃。冷喷涂时，在冷喷涂设备内部，工作气体加热到400-600℃，增压至3.0-3.5Mpa。
所述工作气体为氮气、氦气或氩气,工作气体的流量为28-60m3/h。喷涂距离为15-20cm。
所述导磁金属选自铁、镍和钴中一种或几种的混合。导磁金属也可以为为其他种类的铁磁性金属。所述导磁金属的粉末的粒径为10-100微米。所述导磁金属的粉末的纯度大于等于99％。所述导磁金属层的厚度为0.1-2mm。
为了进一步提高涂层的性能，在喷涂前，所述陶瓷锅具的基材经过预处理，所述预处理的方法为：采用乙醇或者丙酮擦拭陶瓷锅具的基材表面。
所述导磁金属层可以位于陶瓷锅具的基材的内表面也可以位于外表面，还可以将导磁金属层设置多层。
在进行喷涂的具体操作时，可以采用冷喷涂设备。冷喷涂设备可以通过自己研发获得也可以通过市购获得，各实施例中，均采用市购获得的冷喷涂设备。通常冷喷涂设备设有两个进口喷嘴和一个出口喷嘴。两个进口喷嘴中，一个进口喷嘴为送粉口，用于添加导磁金属粉末；另一个进口喷嘴为高压气体入口，用于通入工作气体。工作气体在冷喷涂设备中进一步加压，加压后的工作气体与导磁金属粉末通过出口喷嘴喷出，导磁金属粉末喷涂在基材的表面形成导磁金属涂层。喷涂距离指的是出口喷嘴与待喷涂对象之间的距离。
具体的，可以按照下面的步骤进行：
1.清洁锅具，采用乙醇或者丙酮在基材表面擦拭。
2.冷喷，在陶瓷锅基材表面喷涂一层导磁金属材料(例如：铁磁性材料)即可。喷涂用的导磁金属的粉体纯度为大于99％，粒径为10-100um。按照下面的步骤进行：
1)冷喷涂喷嘴进口处工作气压力为2-3Mpa，温度为300-500℃；
2)工作气体在冷喷涂设备内部加热到400-600℃，增压至3.0-3.5Mpa；
3)采用氮气为工作气，氮气的流量为28-60m3/h，喷涂距离为15-20cm，粉体材料为铁粉，镍粉或者钴粉，纯度为大于等于99％。
本发明采用方法制备的电磁加热陶瓷锅，制备出的陶瓷锅加热性能优良，电学性能稳定，阻抗为2.0-3.0Ω，感抗为70-80uH，膜厚为0.1-2.0mm。
一种利用上述的方法制备的陶瓷锅具。在陶瓷锅具与食物接触的内表面还设有釉层。通过釉层的设置进一步提高陶瓷锅具的性能。
如图1和图2所示，为符合本发明技术方案的其中一种电磁加热陶瓷锅具的结构示意图。由外到内，依次为导磁金属层2、陶瓷锅具的基材1和釉层3。导磁金属层2的厚度可以为0.1-2mm，基材1的厚度可以为2-6mm，釉层的厚度可以为0.05-0.3mm。
在具体设置时，也可以按照由外到内，依次为陶瓷锅具的基材1、导磁金属层2和釉层3的方式设置。导磁金属层2的厚度可以为0.1-2mm，基材1的厚度可以为2-6mm，釉层的厚度可以为0.05-0.3mm。
还可以按照由外到内，依次为釉层3、陶瓷锅具的基材1、导磁金属层2和釉层3的方式设置。导磁金属层2的厚度可以为0.1-2mm，基材1的厚度可以为2-6mm，釉层的厚度可以为0.05-0.3mm。
导磁金属层可以位于位于陶瓷锅具的底部，也可以位于陶瓷锅具的侧壁上，其在陶瓷锅具的位置并无特别严格的限制。
导磁金属层可以布满整个陶瓷锅具的基材的表面，也可以部分分布在陶瓷锅具的基材的表面，可以根据具体的使用需求进行合理的选择。
下面通过一些具体的实施例来更进一步介绍本发明的技术方案。
实施例1
一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法，包括以下步骤：1)冷喷涂喷嘴进口处工作气压力为2Mpa，温度为300℃；2)工作气体加热到400℃，增压至3.0Mpa；3)采用N2为工作气，N2流量为28m3/h，喷涂距离为15cm，粉体材料为铁粉，纯度为99％，粒径为10um。
本发明制备出的陶瓷锅具加热性能优良，电学性能稳定，阻抗为2.0Ω，感抗为70uH，膜厚为0.1mm。
实施例2
一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法，包括以下步骤：1)冷喷涂喷嘴进口处工作气压力为3Mpa，温度为400℃；2)工作气体加热到500℃，增压至3.5Mpa；3)采用N2为工作气，N2流量为60m3/h，喷涂距离为20cm，粉体材料为铁粉，纯度为99％，粒径为50um。
本发明公开的以冷喷涂的方法制备的电磁加热陶瓷锅，制备出的陶瓷锅加热性能优良，电学性能稳定，阻抗为2.8Ω，感抗为80uH，膜厚为2.0mm。
实施例3
一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法，包括以下步骤：1)冷喷涂喷嘴进口处工作气压力为2Mpa，温度为400℃；2)工作气体加热到600℃，增压至3.0Mpa；3)采用N2为工作气，N2流量为28m3/h，喷涂距离为15cm，粉体材料为镍粉，纯度为99％，粒径为10um。
本发明公开的以冷喷涂的方法制备的电磁加热陶瓷锅，制备出的陶瓷锅加热性能优良，电学性能稳定，阻抗为2.3Ω，感抗为72uH，膜厚为0.1mm。
实施例4
一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法，包括以下步骤：1)冷喷涂喷嘴进口处工作气压力为3Mpa，温度为400℃；2)工作气体加热到600℃，增压至3.5Mpa；3)采用N2为工作气，N2流量为60m3/h，喷涂距离为20cm，粉体材料为镍粉，纯度为99％，粒径为50um。
本发明公开的以冷喷涂的方法制备的电磁加热陶瓷锅，制备出的陶瓷锅加热性能优良，电学性能稳定，阻抗为2.9Ω，感抗为78uH，膜厚为0.1mm。
实施例5
一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法，包括以下步骤：1)冷喷涂喷嘴进口处工作气压力为2.3Mpa，温度为500℃；2)工作气体加热到600℃，增压至3.2Mpa；3)采用氦气为工作气，氦气流量为50m3/h，喷涂距离为18cm，粉体材料为钴粉，纯度为99.3％，粒径为100um。
本发明公开的以冷喷涂的方法制备的电磁加热陶瓷锅，制备出的陶瓷锅加热性能优良，电学性能稳定，阻抗为3Ω，感抗为80uH，膜厚为0.15mm。
实施例6
一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法，包括以下步骤：1)冷喷涂喷嘴进口处工作气压力为3Mpa，温度为400℃；2)工作气体加热到600℃，增压至3.5Mpa；3)采用氩气为工作气，氩气的流量为60m3/h，喷涂距离为20cm，粉体材料为镍粉和铁粉的混合物，镍粉和铁粉纯度分别为99％，粒径为50um。
本发明公开的以冷喷涂的方法制备的电磁加热陶瓷锅，制备出的陶瓷锅加热性能优良，电学性能稳定，阻抗为2.9Ω，感抗为78uH，膜厚为0.1mm。
上述各实施例的在陶瓷锅具与食物接触的内表面还可以设有釉层。
对比例1
采用热喷涂的方式，将铁粉(纯度为99％，粒径为10um)喷涂到陶瓷锅具的基材上，制得导磁金属层的膜厚为0.1mm，阻抗为4.5Ω，感抗为90uH。
对比例2
在实施例1的基础上调整了铁粉的粒径为2um，其余均与实施例1相同。
对比例3
在实施例1的基础上调整了铁粉的粒径为5um，其余均与实施例1相同。
对比例4
在实施例1的基础上调整了铁粉的粒径为8um，其余均与实施例1相同。
对比例5
在实施例1的基础上调整了铁粉的粒径为120um，其余均与实施例1相同。
对比例6
在实施例1的基础上调整了铁粉的粒径为150um，其余均与实施例1相同。
对比例7
在实施例1的基础上调整了铁粉的粒径为180um，其余均与实施例1相同。
下面分别将各实施例以及各对比例进行孔隙率、发热效率和使用寿命的检测。检测结果见表1。
表1
孔隙率测试方法：孔隙率试验的标准为：GB/T l7721—1999金属覆盖层孔隙率试验。
发热效率：采用电磁炉能效测试仪进行检测。
冷热冲击：加热到260℃，保温30min，然后立刻放入20℃冷水，为一个循环，企业锅具标准为冷热冲击50次循环锅具仍无损坏。
根据表1中的数据可以看出，与对比例(热喷涂工艺相比)，采用本发明提供的冷喷涂工艺，具有孔隙率小、发热效率高以及冷热冲击的循环次数高等优点。本发明的实施例1至实施例6在冷热冲击的循环次数为100时，仍保持完整，无损坏，可以正常使用，具有使用寿命长、耐用等优点。对比例2至对比例7在在实施例1的基础上调整了铁粉的粒径，可以看出与对比例2至对比例7相比，当粒径选择在10-100微米之间，致密性和发热效率会进一步提高。
发明人在实施例1的基础上，进一步分别调整了工作气体的压力、温度以及工作气体的流量等因素。
工作的压力分别设定为0.5Mpa、1Mpa、1.5Mpa、2Mpa、2.5Mpa、3.5Mpa、4Mpa和4.5Mpa，其余均与实施例1相同。通过研究表明，当压力选择在3.0-3.5Mpa范围内时，孔隙率可以达到1.5-2.0％，发热效率可以达到88-89％，冷热冲击的循环次数可以达到100次以上。当压力小于3.0Mpa，容易出现涂层孔隙率较高(大于2.0％)及附着力较差(冷热冲击次数达不到100次)问题；当压力大于3.5Mpa，容易出现粉末在喷枪内摩擦生热导致熔化堵住喷嘴，同时膜层较粗，热效率下降，达不到88％的热效率等问题。
工作的温度分别设定为200℃、250℃、300℃、350℃、380℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃和700℃，其余均与实施例1相同。研究结果表明，当工作温度选择在400-600℃范围时，孔隙率可以达到1.5-2.0％，发热效率可以达到88-89％以上，冷热冲击的循环次数可以达到100次以上。当温度小于400℃时，镀层附着力较差(冷热冲击次数少于50次)；当温度大于600℃时，导致粉末容易氧化及熔化在一起，膜层粗糙同时导磁性能下降，导致加热效率性能下降，达不到88％。
工作气体的流量分别设定为10m3/h、20m3/h、25m3/h、30m3/h、40m3/h、50m3/h、60m3/h、70m3/h和80m3/h，其余均与实施例1相同。研究结果表明，当工作气体的流量选择28-60m3/h范围时，孔隙率可以达到1.5-2.0％，发热效率可以达到88-89％以上，冷热冲击的循环次数可以达到100次以上。当工作气体流量小于25m3/h时，沉积速率下降，涂层的孔隙率较高(大于2.0％)及附着力较差(冷热冲击次数达不到100次)；当工作气体流量大于60m3/h时，导致粉末容易熔化，造成涂层粗糙及不致密(孔隙率大于2.0％)。
综上所述，本发明通过严格控制冷喷涂的工艺参数，具有孔隙率小、发热效率高以及冷热冲击的循环次数高等优点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：通过工作气体将导磁金属的粉末冷喷涂在陶瓷锅具的基材的表面，所述导磁金属的粉末在陶瓷锅具的基材的表面形成导磁金属层。
2.根据权利要求1所述一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法，其特征在于，所述冷喷涂的工艺参数为：冷喷涂喷嘴进口处工作气压力为2-3Mpa，温度为300-500℃。
3.根据权利要求1所述一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法，其特征在于，冷喷涂时，工作气体加热到400-600℃，增压至3.0-3.5Mpa。
4.根据权利要求1所述一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法，其特征在于，所述工作气体为氮气、氦气或氩气,工作气体的流量为28-60m3/h。
5.根据权利要求1所述一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法，其特征在于，喷涂距离为15-20cm。
6.根据权利要求1所述一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法，其特征在于，所述导磁金属选自铁、镍和钴中一种或几种的混合。
7.根据权利要求1所述一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法，其特征在于，所述导磁金属的粉末的粒径为10-100微米。
8.根据权利要求1所述一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法，其特征在于，所述导磁金属的粉末的纯度大于等于99％。
9.根据权利要求1所述一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法，其特征在于，所述导磁金属层的厚度为0.1-2mm。
10.根据权利要求1-9任一项所述一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法，其特征在于，在喷涂前，所述陶瓷锅具的基材经过预处理，所述预处理的方法为：采用乙醇或者丙酮擦拭陶瓷锅具的基材表面。
11.根据权利要求1-9任一项所述一种电磁加热陶瓷锅具的制作方法，其特征在于，所述导磁金属层位于陶瓷锅具的基材的内表面或外表面。
12.一种利用权利要求1-11任一项所述的方法制备的陶瓷锅具。
13.根据权利要求12所述一种陶瓷锅具，其特征在于，陶瓷锅具与食物接触的内表面还设有釉层。
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