CN1094743C - 电磁加热用金属板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有适宜发热特性、成形加工容易，同时，磁性材料的选择范围广、可低成本制造的电磁加热用金属板及其制造方法。该金属板具有铝或铝合金的基体材料、在基体材料的一侧表面的至少一部分形成的锌或锌合金中间层、在中间层的上面形成的由高频磁通量感应的涡流的流经而成为发热体的导电层。

Description

电磁加热用金属板及其制造方法
本发明涉及电磁加热用的金属板及其制造方法，更具体地说，涉及被有效地用作炊具尤其是电磁加热式器具用部件的电磁加热用的金属板及其制造方法。
在现有技术中，电磁加热式炊具用的部件，例如，电饭煲中的锅是以发热的铁、不锈钢等磁性金属板和传热的铝或铝合金板的复合板材为基体材料，通过对以传热的铝或铝合金板为内侧的复合板材作深冲压等压型加工来进行制造的。另外，为防止米饭粘附等，通常对基体材料的内侧面进行氟树脂涂层。这种基体材料的复合板材可通过例如日本专利公告79年3468号和9985号所揭示的将磁性金属板和铝或铝合金滚轧成形进行包层(复合化)的方法来加以制造。
如上所述，现有的复合板材通过滚轧成形的包层法来制造，并适用于批量生产。
然而，现有的复合板材通过滚轧成形来制造，由于是将铝或铝合金压缩、接合，板厚差异大。因此，在对复合板进行压型的过程中，往往会有开裂和起皱现象，给加工带来很大的问题。
另外，在现有的复合材料中，发热材料铁或不锈钢等的磁性金属板和传热的铝或铝合金板均必须具有很好的延展性和能经受冲压和成形加工的功能。因此，对材料的选择范围存在制约因素过多的问题。
还有，近年来，为有效地利用产业资源，材料的再生得到了重视。运用滚轧成形的包层法时，在制作磁性金属板和铝或铝合金板的复合板后，按一定形状冲裁加工。由此而大量产生的冲裁边角料当然也是复合材料。结果，不能像铝或铝合金等纯金属板那样进行再生，导致成本增加。此外，制造仅在需发热部分具备磁性金属板的复合材料也很困难。
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种具有适宜发热特性、成形加工容易、同时，磁性材料的选择范围广、可低成本制造的电磁加热用金属板及其制造方法。
本发明的电磁加热用金属板具有铝或铝合金的基本材料、在基体材料的一侧表面的至少一部分形成的锌或锌合金中间层、在中间层上面形成的由高频磁通量感应产生的涡流的流经而成为发热体的导电层。
为有效地发热，导电层的厚度最好大于由涡流的频率和导电层的材料确定的去肤效应的深度。
考虑到成本和发热特性，可使用由选自镍、镍合金、铁、铁合金、钴和钴合金中的至少一种材料构成的一层或多层作为导电层材料。
另外，虽然发热特性会随着涡流的频率和材料的去肤电阻的不同而有若干变动，但通过在由选自镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一种材料构成的一层或多层中使用分散有选自P、C和B中的至少一种元素的、例如Ni-P、Ni-B、Ni-C、Fe-C、Fe-B等合金，可得到大的去肤电阻。
而且，在用于电饭煲等要求有耐腐蚀性的用途时，导电层也必须具有耐腐蚀性。这时，最好在导电层的外表面再形成一层铬镀层、铬酸盐涂层、锌镀层等耐腐蚀金属层。而且，根据使用温度，还可以使用氟树脂、芳族聚酰胺、酰胺、亚酰胺类的耐热性有机树脂。
尤其是当导电层为镍、镍合金、铁或铁合金时，最好形成一层含金属铬和铬的氧化物的多层结构的涂层作为耐腐蚀金属层。
还有，为防止米饭和烧烤食物的粘附等，在铝或铝合金的基体材料的导电层的反面最好用氟树脂涂层。
本发明的电磁加热用金属板的制造方法包括下述步骤：在铝或铝合金的基体材料的一侧表面的至少一部分，通过锌酸盐处理，形成锌或锌合金的中间层；在形成的中间层上，通过由含有金属离子的溶液的电化学转移，形成由高频磁通量感应产生的涡流的流经而成为发热体的导电层。
这里，电化学转移是指通过在溶液中还原金属离子从而使金属析出的电镀、化学镀或非电解镀层。为在铝或铝合金上通过电镀或化学镀形成密着性良好的涂层，如上所述，采用在形成导电层的部分形成由锌或锌合金构成的中间层的手段。
本发明的电磁加热用金属模制品的制造方法包括下述步骤：通过对铝或铝合金压型和/或冲裁及切割，进行基体材料的成型加工；在铝或铝合金的基体材料的一侧表面的至少一部分，通过锌酸盐处理，形成锌或锌合金的中间层；在形成的中间层上，通过由含有金属离子的溶液的电化学转移，形成由高频磁通量感应产生的涡流的流经而成为发热体的导电层。在该方法中，最好在成型加工过的一侧表面中，仅在必要的部分形成导电层。
另外，从加工的角度出发，也可以在制成电磁加热用金属板后制得电磁加热用金属模制品。即，本发明的电磁加热用金属模制品的制造方法包括下述步骤：在铝或铝合金的基体材料的一侧表面的至少一部分，通过锌酸盐处理，形成锌或锌合金的中间层；在形成的中间层上，通过由含有金属离子的溶液的电化学转移，形成由高频磁通量感应产生的涡流的流经而成为发热体的导电层；通过对制成的金属板压型和/或冲裁及切割，进行金属板的成型加工。
最好包括在形成导电层后，通过由含铬离子的硫酸溶液的电化学转移，形成由含金属铬和铬的氧化物的多层结构的涂层构成的耐腐蚀金属层的步骤。
这里，与前述相同，电化学转移是指电镀、化学镀或非电解镀层。
本发明中使用的导电层为通过由含有金属离子的溶液的电化学转移形成的涂层。几乎所有的金属元素都可以用作构成导电层的金属类材料，但它们必须可以作为由高频磁通量感应产生的涡流的流经而成为发热体的金属乃不言自明。
根据这种高频加热方法，当将导体置于例如20KHz左右的振荡频率的交变磁场中时，产生涡流，由该电流的焦耳热产生热量。因此，为保障加热效率，在上述材料和材料厚度等尺寸上存在一定限制。这是由于高频电流流经金属等导电体时产生的去肤效应的影响明显的缘故。
表1显示用20KHz高频对各种金属板进行电磁感应加热时的电阻率、浸透深度和由电阻率/浸透深度所得的去肤电阻。
                       表1
    材料     电阻率(×10-6Ωcm)   浸透厚度(mm)   去肤电阻(×10-4Ωcm)
    Fe     9.71     0.11     8.82
    Ti     47     2.63     1.79
    Cu     1.67     0.47     0.35
    Ni     7.63     0.10     7.63
    Al     2.6548     0.56     0.47
  SUS430     60     0.28     21.4
  SUS304     72     0.40     5.14
  78坡莫合金     16     0.04     40.0
各材料作为电磁炊具的负载是否适宜，由上述在使用频率处的去肤电阻确定。例如，铝之类去肤电阻非常小的材料即使在有涡流产生时，也不会产生足以发热的输出功率。在用滚轧成型制造的电磁发热用复合板中，都是使用SUS430。即使从电阻的角度看，SUS430也是适宜的发热材料。
尽管本发明并不限于表1所公开的金属类材料，但以通过对主体材料镍、铁的合金化，从而增大了电阻率和去肤电阻的材料作为导电层为宜。
另外，为有效地消耗由高频电流产生的交变周期进行发热，前述由高频磁通量的流经而成为发热体的导电层的厚度最好制成大于由涡流的频率和导电层的材料确定的去肤效应的深度即浸透厚度。该浸透深度被确定为导电层表面附近的涡流变成l/e的厚度，即，衰减63％左右所必需的厚度。但是，在这种情况下，只有约80％的输入功率被消耗。因此，如表2所示，通过再增加导电层厚度若干，可消耗输入功率的95％。
                表2
    材料   浸透深度(mm) 95％衰减深度(mm)
    Fe     0.11     0.19
    Ti     2.63     4.33
    Cu     0.47     0.78
    Ni     0.10     0.17
    Al     0.56     2.09
  SUS430     0.28     0.38
另一方面，作为增加去肤电阻的手段，可以考虑减小导电膜的厚度而非依赖于上述材料的选择上。然而，在这种情况下，虽然单位厚度的发热密度变大了，但由于输入功率的绝大部分都从薄膜通过，对发热没有贡献，因此，作为整体的发热量变小。这里，将薄膜以绝缘或同种金属不连续的形式进行多层化是有效地利用由薄膜化产生的去肤电阻增大的有效手段。在这种情况下，同样地，最好将多层化了的导电层的整个厚度制成大于浸透厚度。
另外，作为增加材料自身的去肤电阻的手段之一，可使用镍、镍-铬合金等镍合金、铁、坡莫合金、不锈钢等铁合金等作为构成导电层的材料。另外，在电镀或化学镀时，通过在镀液中添加磷酸化合物，可进行磷共晶镀层，如Ni-P镀层、Fe-P镀层；通过添加羧酸类化合物，可进行碳共晶镀层，如Ni-C、Fe-C镀层；还有，通过添加氨基硼烷等硼化合物，可进行硼共晶镀层，如Ni-B、Fe-B镀层。这些方法可在基本保持金属材料原有的磁气特性的同时，增加去肤电阻，对本发明非常有效。
另外，铝或铝合金的表面被以氧化铝为主要成分的层包覆，为在其上面形成密着性良好的涂层，需要使金属的新生表面露出。作为使新生表面露出的手段，有在真空容器内进行电子或离子冲击的方法，当采用电镀或化学镀等时，作为溶解铝表面并同时使其他种类的金属在铝表面沉积的手段，进行锌酸盐处理较为适宜。在进行锌酸盐处理时，当衬底为铝时，可以单独地使用铝，当衬底为铝合金时，为有效地提高密着性，宜使用含铁、镍、钴等元素的锌合金。
此外，当导电层为镍、镍合金、铁或铁合金时，为防止金属被腐蚀和变色，最好在其表面包覆一层耐腐蚀金属层。
但鉴于本发明的用途之一是用作电磁炊具的锅。因此，该耐腐蚀金属层必须是符合食品卫生要求的。为此，最好以具有含金属铬和铬的氧化物的多层结构的涂层作为上述耐腐蚀金属层。
另外，该涂层可通过电镀、化学镀、非电解镀层等电化学的添加，由含铬离子的稀硫酸溶液形成。例如，当采用电镀时，通过使用稀硫酸中含铬离子的电解液，可形成在金属铬上具有水合氧化铬层的多层结构的涂层。根据电镀条件，结构可略有不同。
该涂层中含有杂质硫酸离子。通过在电解液中加入微量的氟离子，可略微提高涂层的耐腐蚀性。
此外，为保证磁力线能穿过涂层而且能到达导电层，涂层的厚度最好在1μm以下。
图1表示本发明一实施例的电磁加热用金属板的结构截面图。
图2表示本发明一实施例的电磁加热用金属板模制品的结构截面图。
图3表示本发明另一实施例的电磁加热用金属板模制品的结构截面图。
图4表示本发明又一实施例的电磁加热用金属板模制品的结构截面图。
实施例1
使用JIS 3004型铝合金MG-110(住友轻金属公司产品，含Mg0.6～0.8％、Mn0.9～1.1％，规格：厚1.5mm、直径425mm的圆板)作为铝衬底。将该铝合金板用120g/L的氢氧化钠水溶液在80℃处理后，浸渍于商品名为AZ102(上村工业公司产品)的碱性浸渍剂的60℃水溶液(50g/L)中，水洗后，再用酸性浸渍液AZ201(上村工业公司产品)(100g/L)和硝酸(800ml/L)的混合液于室温下处理。然后进行锌酸盐处理和使用锌置换液AZ 401(上村工业公司产品)，形成0.1μm的锌酸盐涂层。
接着，将亚磷酸(0.2mol/L)作为磷源添加在由氨基磺酸镍四水合物(680g/L)氯化镍六水合物(20g/L)和硼酸(40g/L)组成的混合液中，使用该混合液作为镀镍液，在液温70℃、阴极电流密度80A/dm2的条件下，在铝合金板的背面形成约100μm厚的Ni-7％P涂层(电阻率59μΩ)。
图1为用上述方法制成的电磁加热用金属板的结构的截面图。参照图1，该金属板由铝合金基体材料3、形成在基体材料3的一侧表面的锌酸盐层2和形成在锌酸盐层2上的导电层1构成。
图2为用上述方法制成的电磁加热用模制品的构成的截面图。
使用松下电器公司产品炊具KZP1，对按上述方法制成的电磁加热用金属模制品的发热特性进行了调查。
作为比较例，用0.5mm厚的SUS430型不锈钢和上述铝合金板的滚轧成型物同样地制成电磁加热用金属模制品。其结果，比较例的模制品的表面温度达到200℃所需的时间为40秒，而本实施例的模制品的表面温度达到200℃所需的时间不到30秒，结果良好。
实施例2
使用JIS 3004型铝合金MG-110(住友轻金属公司产品，含Mg0.6～0.8％、Mn0.9～1.1％，规格：厚1.5mm、直径425mm的圆板)作为铝衬底。为了进行氟树脂涂层，在NaCl水溶液中，以20库仑/cm2的电量对该铝衬底进行电解浸蚀，使之表面产生细微的凹凸，在该表面上涂布氟树脂分散液，然后烘干。再用油压机将该氟树脂涂层的板加工成深146mm、内径221mm的电饭煲内锅形状。仅将该模制品的氟树脂涂层的反面，即外侧底面用120g/L的氢氧化钠水溶液在80℃处理后，浸渍于商品名为AZ102(上村工业公司产品)的碱性浸渍剂的60℃水溶液(50g/L)中，水洗后，再用酸性浸渍液AZ 201(上村工业公司产品)(100g/L)和硝酸(800ml/L)的混合液于室温下处理。然后进行锌酸盐处理和使用锌置换液AZ 401(上村工业公司产品)，形成0.1μm的锌酸盐层。
接着，使用由氨基磺酸镍四水合物(480g/L)、硫酸铁七水和物(25g/L)、硼酸(30g/L)、NH2OH·HCl(15g/L)、糖酸钠(1g/L)、月桂基硫酸钠(0.1g/L)和NH2SO3H(5g/L)组成的混合液作为Fe-Ni电镀液，在液温45℃、阴极电流密度25A/dm2的条件下，在铝合金板的外侧底面形成约50μm厚的Ni-20％Fe涂层(坡莫合金)。
图3为用上述方法制成的电磁加热用金属模制品的结构截面图。参照图3，该模制品由铝合金基体材料3、形成在基体材料3的一侧表面的锌酸盐层2和形成在锌酸盐层2上的导电层1以及形成在基体材料3的另一侧表面的氟树脂涂层4构成。
接着，为防止腐蚀，尤其是防止间隙的腐蚀，在该模制品的整个镀层表面以及镀层表面与非镀层表面的界面，用硅酮树脂喷涂。
使用松下电器公司产品炊具KZP1，对按上述方法制成的电磁加热用金属模制品的发热特性进行了调查。
作为比较例，用0.5mm厚的SUS430型不锈钢和上述铝合金板的滚轧成型物同样地制成电磁加热用金属模制品。其结果，比较例的模制品的表面温度达到200℃所需的时间为40秒，而本实施例的模制品的表面温度达到200℃所需的时间不到40秒，结果良好。
实施例3
使用JIS 3004型铝合金MG-110(住友轻金属公司产品，含Mg0.6～0.8％、Mn0.9～1.1％，规格：厚1.5mm、直径425mm的圆板)作为铝衬底。将该铝合金板用120g/L的氢氧化钠水溶液在80℃处理后，浸渍于商品名为AZ102(上村工业公司产品)的碱性浸渍剂的60℃水溶液(50g/L)中，水洗后，再用酸性浸渍液AZ 201(上村工业公司产品)(100g/L)和硝酸(800ml/L)的混合液于室温下处理。然后进行锌酸盐处理和使用锌置换液AZ 401(上村工业公司产品)，形成0.1μm的锌酸盐涂层。
接着，将亚磷酸(0.2mol/L)作为磷源添加在由氨基磺酸镍四水合物(680g/L)、氯化镍六水合物(20g/L)和硼酸(40g/L)组成的混合物中，使用该混合液作为镀镍液，在液温70℃、阴极电流密度40A/dm2的条件下，在铝合金板的背面形成约50μm厚的Ni-7％P覆层(电阻率59μΩ)。再在该形成有涂层的铝合金板上，以无水铬酸(40g/L)和硫酸(45g/L)的水溶液作为电解液，用5A/dm2的电流密度电镀10分钟。
接着，对按上述方法制成的电磁加热用金属板进行成形加工，制成电磁加热用金属模制品。
图4为用上述方法制成的电磁加热用金属模制品结构的截面图。参照图4，该金属模制品由铝合金基体材料3、形成在基体材料3的一侧表面的锌酸盐层2和形成在锌酸盐层2上的导电层1以及形成的导电层1上的耐腐蚀金属层5构成。
使用松下电器公司产品炊具KZP1，对按上述方法制成的电磁加热用金属模制品的发热物性进行了调查。
本实施例的模制品的表面温度达到200℃所需的时间不到40秒，结果良好。
另外，按照JIS-z-2371的盐雾法进行了耐腐蚀性测定。其结果，未使用无水铬酸(40g/L)和硫酸(45g/L)的水溶液进行镀层处理、导电层露出表面的试样在经过约50小时左右的处理后变得有些发褐色，而本实施例的试样即使在经过1000小时处理后，也未发现被腐蚀。
此外，对本实施例的模制品，可以在其基体材料3的另一侧表面形成与图3所示的实施例2同样的氟树脂涂层。
如上所述，根据本发明，可以通过调整金属材料和添加物，使导电层具有适宜的发热特性。另外，虽然用电镀方法可以形成高精度的导电层厚度，但在将铝或铝合金加工成所需形状后再在必要的部分形成导电层，可使成形加工变得容易。还有，由于采用本发明的方法可以减少材料损耗，使用工艺为电镀或非电解镀层，因此，可以低成本地生产金属板和金属模制品。
符号说明
1.导电层      2.锌酸盐层       3.基体材料
4.氟树脂涂层  5.耐腐蚀金属层

Claims (11)

1.一种电磁加热用金属板，其特征在于，具有铝或铝合金的基体材料、在基体材料的一侧表面的至少一部分形成的锌或锌合金中间层、在中间层上面形成由高频磁通量感应产生的涡流的流经而成为发热体的导电层。
2.如权利要求1所述的电磁加热用金属板，其特征在于，导电层的厚度大于由涡流的频率和导电层的材料确定的去肤深度。3.如权利要求1所述的电磁加热用金属板，其特征在于，导电层为由选自镍、镍合金、铁、铁合金、钴和钴合金中的至少一种材料构成的一或多层。
4.如权利要求1所述的电磁加热用金属板，其特征在于，导电层为由选自镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一种材料构成的一或多层，在该一或多层中分散有选自P、C和B中的至少一种元素。
5.如权利要求1～4中任一项所述的电磁加热用金属板，其特征在于，还具有形成在导电层上的耐腐蚀金属层。
6.如权利要求5所述的电磁加热用金属板，其特征在于，耐腐蚀金属层为含金属铬和铬的氧化物的多层结构的涂层。
7.如权利要求1所述的电磁加热用金属板，其特征在于，在基体材料的另一侧表面涂覆有氟树脂。
8.一种电磁加热用金属板的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：在铝或铝合金的基体材料的一侧表面的至少一部分，通过锌酸盐处理，形成锌或锌合金的中间层；在形成的中间层上，通过由含有金属离子的溶液的电化学转移，形成由高频磁通量感应产生的涡流的流经而成为发热体的导电层。
9.如权利要求8所述的电磁加热用金属板的制造方法，其特征在于，还包括通过由含有金属离子的硫酸溶液的电化学转移，在导电层上形成由含金属铬和铬的氧化物的多层结构的覆层构成的耐腐蚀金属层的步骤。
10.一种电磁加热用金属模制品的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：通过对铝或铝合金压型和/或冲裁及切割，进行基体材料的成型加工；在铝或铝合金的基体材料的一侧表面的至少一部分，通过锌酸盐处理，形成锌或锌合金的中间层；在形成的中间层上，通过由含有金属离子的溶液的电化学转移，形成由高频磁通量感应产生的涡流的流经而成为发热体的导电层。
11.一种电磁加热用金属模制品的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：在铝或铝合金的基体材料的一侧表面的至少一部分，通过锌酸盐处理，形成锌或锌合金的中间层；在形成的中间层上，通过由含有金属离子的溶液的电化学转移，形成由高频磁通量感应产生的涡流的流经而成为发热体的导电层；通过对制成的金属板压型和/或冲裁及切割，进行金属板的成型加工。
12.如权利要求10或11所述的电磁加热用金属模制品的制造方法，其特征在于，还包括通过由含有金属离子的硫酸溶液的电化学转换，在导电层上形成由含金属铬和铬的氧化物的多层结构的覆层构成的耐腐蚀金属层的步骤。
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