CN108116009A - 一种铝复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制备炊具的铝复合材料、铝复合材料的制备方法。该铝复合材料由基层和覆层轧制后再200‑400℃热处理形成，基层为铝合金层，覆层为不锈钢层、钛层或钛合金层，铝复合材料的厚度为1.5‑4mm，覆层的复合比为4％‑96％，基层的复合比为4％‑96％。该铝复合材料的基层和覆层结合强度高，达到32N/mm,不易分层。

Description

一种铝复合材料及其制备方法
技术领域
本发明总地涉及金属复合材料，具体涉及一种用于制备炊具的铝复合材料、铝复合材料的制备方法。
背景技术
随着生活水平的提高和对品质生活的追求，消费者不再满足于“吃饱”，而是更加看重“吃好”。因此，能带来更好美食体验的厨房炊具，也就成为厨房器具制造企业争相发展的方向。
炊具是我国五金制品行业的重要组成部分，与人们的日常生活息息相关。炊具主要指厨房用具中的各类锅、碗、勺、盒、壶等器具。它是五金行业中既传统又新兴的产品。所谓传统，主要是指以纯铝和铁为基材所生产的产品；所谓新兴，不仅是指产品材质的改变，也是指产品的用途、功能等能以满足消费者需要为出发点，不断地进行更新发展。
目前，国内及国外市场上销售的厨房炊具，按照材质分类，主要有塑料炊具、铁炊具、铝炊具、不锈钢炊具、陶瓷炊具、钛合金炊具、复合材料炊具等。但由于上述炊具的材料大多为单一材料，制成炊具后，均具有不同程度的缺点。铁热传导速度一般，不易控制油温，且容易生锈，是目前低档锅具的主要材料。铝导热均匀、传导速度快，易加工成型，外表美观，是中档锅具的主力材料。不锈钢内胆锅具不需要进行表面处理，可直接使用。但不锈钢的导热性能和表面不粘性较差，烹饪食物时易粘锅，清洗比较麻烦。陶瓷导热性能差，烹饪耗时长且不利于节能环保，在使用后的清洗过程中也有诸多不便。此外，陶瓷具有易碎、怕磕碰等较明显的缺点。钛合金价格昂贵，只应用于高端消费产品，应用范围有限。
多金属层状复合材料制作的锅具，具有美观、环保、发热均匀、热效率高、烹饪食物口感好等优点，同时改善单层金属锅具的导热性、环保性、健康性及成本等诸多问题，成为中高档厨房烹饪器具新的发展方向，具有广阔的市场前景。
铝钢复合材料制备的炊具，可以实现铝的强热传导性能与钢的高强度及高导磁性能的完美结合。现有技术中，有用压焊法制备复合底钢- 铝锅，先用钢-铝复合板制备钢-铝锅，钢为内壁面，再用锅底的铝片与铝-导磁金属板点焊结合，最后在大吨位摩擦压力机上进行高温高压的压焊复合，得到钢-铝-铝-导磁金属的四层复合材料锅。该技术点焊后再高温高压下压焊，可能会因为铝与钢的热胀系数不同而导致各层金属不能很好地熔合在一起。现有技术中，也有一种复合底铝合金压铸锅技术，包括铝合金压铸锅锅体与不锈铁复底片，通过感应线圈把铝加热到 450-630℃，持续时间为40-50s,把铝锅体与不锈铁复底片结合。该技术工艺流程复杂，每一件锅体都要加热复合，耗材多，耗能高，而且 450-630℃未达到铝的熔融温度660℃，导致铝与铁之间结合不稳定。此外，还有一种铝钢复合锅技术，把铝质锅体加热到400-500℃,钢质锅底片加热到780-820℃,将两者在摩擦压力机或油压机上轧制结合,轧制结束后自然冷却。该技术的结合牢固度优于前面涉及的两种铝钢复合锅技术，但是每一个锅体也需要单独加热复合，设备复杂，耗材多，耗能大，不太符合节能减排的要求。上述涉及的三种铝-钢复合锅技术，都是先制备出来锅体，再利用不同的压合技术把锅体与锅底复底片复合，工艺流程时间长，而且每一个锅体与复底片都要单独加热复合，设备复杂，耗材多，耗能大，最重要的是锅体与复底片的结合牢固度不够高。同理，这种问题可以推及到其他类型的炊具。
发明内容
本发明的目的在于解决铝-钢(钛)复合材料炊具制备工艺流程过长、铝钢(钛)结合强度低及耗材多的问题，提供一种铝-钢(钛)轧制复合工艺制备铝-钢(钛)复合材料，该铝-钢(钛)复合材料用以冲压成各种炊具，生产效率高，成本低，铝钢(钛)结合更牢固，适合大批量生产。
本发明提供了一种铝复合材料，其中，所述铝复合材料由基层和覆层轧制后再200-400℃热处理形成，所述基层为铝合金层，所述覆层为不锈钢层、钛层或钛合金层，所述铝复合材料的厚度为1.5-4mm，所述覆层的复合比为4％-96％，所述基层的复合比为4％-96％。其中，所述复合比为复合层的厚度占材料总厚度的百分数。例如铝复合材料的厚度为4mm，基层厚度为3mm，则基层的复合比为75％。
优选地，根据前述的铝复合材料，其中，所述基层的材料为1系、3系或5系铝合金。
优选地，根据前述的铝复合材料，其中，所述覆层的材料为304不锈钢、316不锈钢、430不锈钢、439不锈钢、DC05、钛、钛合金TA1或钛合金T2。
优选地，根据前述的铝复合材料，其中，所述铝复合材料的厚度为2-3 mm。
或优选地，根据前述的铝复合材料，其中，所述覆层的复合比为 20％-85％，所述基层的复合比为15％-80％。
本发明还提供了前述铝复合材料的制备方法，其中，所述制备方法包括：
(1)表面处理：清洗所述覆层和基层以除去所述覆层和所述基层表面的残留污染物，然后进行打磨以形成硬化层；
(2)轧制复合：将经过步骤(1)处理后的覆层和所述基层叠放并固定后，进行一道次轧制复合制备出轧制复合产物，轧制速度0-15m/min，轧制方式为冷轧或温轧，加工率40％-70％；
(3)热处理：将经步骤(2)制备的轧制复合产物放置在200-400℃温度下，保温1-3.5h。
优选地，根据前述的制备方法，其中，步骤(2)中的冷轧温度为室温，温轧温度为70-400℃。
优选地，根据前述的制备方法，其中，步骤(2)中的轧制速度为6-12 m/min。
或优选地，根据前述的制备方法，其中，步骤(1)中采用10％的HCl 溶液清洗所述覆层，用10％的NaOH溶液清洗所述基层，采用砂带进行打磨。
根据上述制备方法制备的铝复合材料，基层和覆层结合强度高，达到 32N/mm，不易分层。杯突实验深度可以达到11.3mm。
本发明提供的铝复合材料，基层的强度、刚度较高，覆层密度低、质量轻；结实耐用，持久性好。陶瓷具有不耐摔，怕磕碰等弊端，塑料易老化，不耐高温，单一铝合金强度低、硬度低，摩擦容易产生划痕，影响表面质量，本发明提供的铝复合材料避免了上述缺点。
本发明采用轧制工艺制备铝/钢复合板，生产效率高，制作加工成本远低于钛合金和陶瓷材料；结合强度高，达到32N/mm，不易分层，杯突实验深度可以达到11.3mm。
采用本发明提供的铝复合材料制备炊具，综合上述铝复合材料基层和覆层二者优势，符合目前炊具产品向着轻薄方向发展的主流。该炊具加热更均匀，内层铝合金具备良好的热传导性能，能够使炊具内壁温度均匀性更高，食物受热更均匀。该炊具的内层为铝合金，外层为钢，可应用于电磁加热设备。钢在电磁场中，可以将电磁能转换为热能，加热食物，而钛合金或陶瓷材料不能应用于电磁加热装置。
附图说明
图1为本发明提供的铝复合材料结构图；
附图标记：
1、覆层；2、基层。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供了一种铝复合材料，其中，铝复合材料由基层2和覆层1轧制后再200-400℃热处理形成，基层2为铝合金层，覆层1 为不锈钢层、钛层或钛合金层，铝复合材料的厚度为1.5-4mm，覆层1的复合比为4％-96％，基层2的复合比为4％-96％。其中，复合比为复合层的厚度占材料总厚度的百分数。例如铝复合材料的厚度为4mm，基层厚度为3 mm，则基层的复合比为75％。
本发明提供的铝复合材料，基层的强度、刚度较高，覆层密度低、质量轻。本发明提供的铝复合材料结实耐用，持久性好。陶瓷具有不耐摔，怕磕碰等弊端，塑料易老化，不耐高温，单一铝合金强度低、硬度低，摩擦容易产生划痕，影响表面质量，本发明提供的铝复合材料避免了上述缺点。
在一种实施方案中，基层2的材料为1系、3系或5系铝合金。
在一种实施方案中，覆层1的材料为304不锈钢、316不锈钢、430不锈钢、439不锈钢、DC05、钛、钛合金TA1或钛合金T2。
在一种实施方案中，铝复合材料的厚度为2-3mm。
在一种实施方案中，覆层1的复合比为20％-85％，基层2的复合比为 15％-80％。
前述铝复合材料的制备方法包括：
(1)表面处理：清洗覆层和基层以除去覆层和基层表面的残留污染物，然后进行打磨以形成硬化层。
(2)轧制复合：将经过步骤(1)处理后的覆层和基层叠放并固定后，进行一道次轧制复合制备出轧制复合产物，轧制速度0-15m/min，轧制方式为冷轧或温轧，加工率40％-70％。
本发明采用轧制工艺制备铝复合材料，生产效率高，制作加工成本远低于钛合金和陶瓷材料。
(3)热处理：将经步骤(2)制备的轧制复合产物放置在200-400℃温度下，保温1-3.5h。使铝和钢(钛)相互扩散，达到较高的结合强度，然后冷却至室温。
轧制复合后的扩散退火处理(即热处理)兼顾了两个目的：提高复合强度和软化退火，通过前面的轧制复合过程，尤其是冷轧复合过程，基本上界面还是处于一个点结合的状态，只有通过扩散退火过程中外界提供的能量，才能使界面两侧原子获得足够的扩散能，从而使点结合逐渐变为面结合。当退火温度过高或保温时间过长，界面容易生成脆性的金属间化合，这些脆性的化合物将会严重降低结合界面的强度，因此需要合理的热处理制度。
在一种实施方案中，步骤(2)中的冷轧温度为室温，温轧温度为 70-400℃。
在一种实施方案中，步骤(2)中的轧制速度为6-12m/min。
在一种实施方案中，步骤(1)中采用10％的HCl溶液清洗覆层，用10％的NaOH溶液清洗基层，采用砂带进行打磨。
在一种实施方案中，步骤(3)后还包括：
(4)将步骤(3)热处理后的轧制复合产物进行精整。
(5)将步骤(4)中精整后的轧制复合产物按照客户目标宽度进行分切，最后包装。
根据上述制备方法制备的铝复合材料，基层和覆层结合强度高，达到32N/mm，不易分层。杯突实验深度可以达到11.3mm。
采用本发明提供的铝复合材料制备的炊具综合上述铝复合材料基层和覆层二者优势，符合目前炊具产品向着轻薄方向发展的主流。该炊具加热更均匀，内层铝合金具备良好的热传导性能，能够使炊具内壁温度均匀性更高，食物受热更均匀。该炊具的内层为铝合金，外层为钢，可应用于电磁加热设备。钢在电磁场中，可以将电磁能转换为热能，加热食物，而钛合金或陶瓷材料不能应用于电磁加热装置。
实施例1
本实施例提供一种铝复合材料。
制备方法具体如下：
(1)表面处理：对厚度为1mm的430不锈钢板和厚度为2.33mm 的3003铝合金板进行表面处理，用10％的HCl溶液清洗不锈钢板，用 10％的NaOH溶液清洗铝合金板，除去表面的残留污染物，然后用砂带打磨以形成硬化层；
(2)轧制复合：将经过步骤(1)处理后的430不锈钢板和3003 铝合金板叠放并固定后，在冷轧机上进行一个道次轧制复合，制备出结合牢固的铝复合材料，轧制速度是6m/min，加工率为40％，轧制方式为冷轧；
(3)热处理：将经步骤(2)中轧制复合好的铝复合材料放置在200℃温度下，保温3.5h进行退火,使铝和钢相互扩散，达到较高的结合强度，然后随炉冷却至室温；
(4)将(3)中退火后的铝复合材料进行精整；
(5)把(4)中精整后的铝复合材料按照客户目标宽度进行分切，最后包装。
经轧制复合后制备的430不锈钢和3003铝合金复合材料，其中， 430不锈钢厚度为0.6mm，3003铝合金厚度为1.4mm。经撕裂实验检测，该铝合金复合材料的结合强度为31.6N/mm。杯突实验深度达到11.3 mm。
实施例2
本实施例提供一种铝复合材料。
制备方法具体如下：
(1)表面处理：对厚度为1.2mm的430不锈钢板和厚度为4.8mm 的3003铝合金板进行表面处理，用10％的HCl溶液清洗不锈钢板，用 10％的NaOH溶液清洗铝合金板，除去表面的残留污染物，然后用砂带打磨以形成硬化层；
(2)轧制复合：将经过步骤(1)处理后的430不锈钢板和3003 铝合金板叠放并固定后，在冷轧机上进行一个道次轧制复合，制备出结合牢固的铝复合材料，轧制速度是8m/min，加工率为50％，轧制方式为冷轧；
(3)热处理：将经步骤(2)中轧制复合好的铝复合材料放置在 250℃温度下，保温3h进行退火,使铝和钢相互扩散，达到较高的结合强度，然后随炉冷却至室温；
(4)将(3)中退火后的铝复合材料进行精整；
(5)把(4)中精整后的铝复合材料按照客户目标宽度进行分切，最后包装。
经轧制复合后制备的430不锈钢和3003铝合金复合材料，其中， 430不锈钢厚度为0.6mm，3003铝合金厚度为2.4mm。经撕裂实验检测，该铝合金复合材料的结合强度为32N/mm。杯突实验深度达到11.2 mm。
实施例3
本实施例提供一种铝复合材料。
制备方法具体如下：
(1)表面处理：对厚度为4.4mm的304不锈钢板和厚度为1mm 的3003铝合金板进行表面处理，用10％的HCl溶液清洗不锈钢板，用 10％的NaOH溶液清洗铝合金板，除去表面的残留污染物，然后用砂带打磨以形成硬化层；
(2)轧制复合：将经过步骤(1)处理后的304不锈钢板和3003 铝合金板叠放并固定后，在冷轧机上进行一个道次轧制复合，制备出结合牢固的铝复合材料，轧制速度是10m/min，加工率为60％，轧制方式为冷轧；
(3)热处理：将经步骤(2)中轧制复合好的铝复合材料放置在 350℃温度下，保温1.5h进行退火,使铝和钢相互扩散，达到较高的结合强度，然后随炉冷却至室温；
(4)将(3)中退火后的铝复合材料进行精整；
(5)把(4)中精整后的铝复合材料按照客户目标宽度进行分切，最后包装。
经轧制复合后制备的304不锈钢和3003铝合金复合材料，其中， 304不锈钢厚度为1.76mm，3003铝合金厚度为0.36mm。经撕裂实验检测，该铝合金复合材料的结合强度为31.5N/mm。杯突实验深度达到 11.3mm。
实施例4
本实施例提供一种铝复合材料。
制备方法具体如下：
(1)表面处理：对厚度为1.33mm的TA1钛板和厚度为5.34mm 的1060铝合金板进行表面处理，用10％的HCl溶液清洗TA1钛板，用 10％的NaOH溶液清洗铝合金板，除去表面的残留污染物，然后用砂带打磨以形成硬化层；
(2)轧制复合：将经过步骤(1)处理后的TA1钛板和1060铝合金板叠放并固定后，在冷轧机上进行一个道次轧制复合，制备出结合牢固的铝复合材料，轧制速度是12m/min，加工率为70％，轧制方式为冷轧；
(3)热处理：将经步骤(2)中轧制复合好的铝复合材料放置在 400℃温度下，保温1h进行退火,使铝和钛相互扩散，达到较高的结合强度，然后随炉冷却至室温；
(4)将(3)中退火后的铝复合材料进行精整；
(5)把(4)中精整后的铝复合材料按照客户目标宽度进行分切，最后包装。
经轧制复合后制备的TA1钛和1060铝合金复合材料，其中，TA1 钛厚度为0.4mm，1060铝合金厚度为1.6mm。经撕裂实验检测，该铝合金复合材料的结合强度为32N/mm。杯突实验深度达到11.3mm。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种铝复合材料，其特征在于，所述铝复合材料由基层和覆层轧制后再200-400℃热处理形成，所述基层为铝合金层，所述覆层为不锈钢层、钛层或钛合金层，所述铝复合材料的厚度为1.5-4mm，所述覆层的复合比为4％-96％，所述基层的复合比为4％-96％。
2.根据权利要求1所述的铝复合材料，其特征在于，所述基层的材料为1系、3系或5系铝合金。
3.根据权利要求1所述的铝复合材料，其特征在于，所述覆层的材料为304不锈钢、316不锈钢、430不锈钢、439不锈钢、DC05、钛、钛合金TA1或钛合金T2。
4.根据权利要求1所述的铝复合材料，其特征在于，所述铝复合材料的厚度为2-3mm。
5.根据权利要求1所述的铝复合材料，其特征在于，所述覆层的复合比为20％-85％，所述基层的复合比为15％-80％。
6.一种权利要求1-5任一铝复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
(1)表面处理：清洗所述覆层和基层以除去所述覆层和所述基层表面的残留污染物，然后进行打磨以形成硬化层；
(2)轧制复合：将经过步骤(1)处理后的覆层和所述基层叠放并固定后，进行一道次轧制复合制备出轧制复合产物，轧制速度0-15m/min，轧制方式为冷轧或温轧，加工率40％-70％；
(3)热处理：将经步骤(2)制备的轧制复合产物放置在200-400℃温度下，保温1-3.5h。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的冷轧温度为室温，温轧温度为70-400℃。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的轧制速度为6-12m/min。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中采用10％的HCl溶液清洗所述覆层，用10％的NaOH溶液清洗所述基层，采用砂带进行打磨。
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