CN109576651A

CN109576651A - 一种不锈钢器皿表面抗菌耐磨涂层及其制备方法和应用

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Publication number: CN109576651A
Application number: CN201710909854.5A
Authority: CN
Inventors: 赵彦辉; 徐丽; 刘占奇; 欧剑华; 刘炳耀; 肖金泉; 于宝海; 任玲; 杨柯
Original assignee: Guangdong Master Group Co ltd; Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Guangdong Master Group Co ltd; Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2019-04-05

Abstract

本发明属于不锈钢器皿表面处理领域，具体来说是一种不锈钢器皿表面抗菌耐磨涂层及其制备方法和其进行不锈钢器皿表面进行涂层的应用。在不锈钢器皿表面依次沉积TiCu过度层及Ti‑Cu‑N抗菌耐磨涂层，Ti‑Cu‑N抗菌耐磨涂层的厚度为3～30微米。本发明采用磁场增强电弧离子镀技术完成，该方法采用电磁线圈产生轴向磁场，该磁场不仅使得弧斑运动速度加快，靶材表面大颗粒喷射减少，而且该磁场还可对电弧放电产生的等离子体进行聚焦，使得离子能量及密度大幅度提高，大大提高涂层沉积效率。该涂层不仅适用于不锈钢锅具，而且适用于各种不锈钢餐具、厨具及其他不锈钢器皿。

Description

一种不锈钢器皿表面抗菌耐磨涂层及其制备方法和应用

技术领域：

本发明属于不锈钢器皿表面处理领域，具体来说是一种不锈钢器皿表面抗菌耐磨涂层及其制备方法和其进行不锈钢器皿表面进行涂层的应用。

背景技术：

不锈钢锅具在人们的日常生活中应用越来越广泛，人们不仅用它来烹制食物，也用它来加热牛奶等饮品等。目前市场上的锅具大多选用不锈钢作为基体，但由于普通不锈钢硬度不高，尤其是高温使用后其强度和硬度下降，从而导致锅体表面易被刮擦。锅具表面刮擦后易出现粘锅等现象，很容易导致食物焦糊，从而影响食物影响及食用人员健康。

而且，随着人们生活水平的不断提高，人们对不锈钢锅具的要求也越来越高，不仅要求其安全实用，人们还需要它具有健康养生等功效，因此抗菌锅具应运而生。但市场上提供的抗菌锅具多以在锅具表面制备抗菌涂层，且涂层多添加有机物，不利于高温烹调。从整体来看，目前我国家庭厨房中抗菌锅具市场尚处于刚刚起步阶段。

此外，各种不锈钢器皿(如：不锈钢菜刀、勺子、叉子、盆等厨房用品)也在人们生活中大量应用，如能在其表面制备抗菌耐磨涂层，则会在不影响正常使用的前提下提高其耐刮擦能力，且更有利于人们的健康。

因此，有必要寻求更加有效的方法，制备出耐高温、耐磨及抗菌的涂层及涂层锅具。

发明内容

针对现有不锈钢器皿抗菌耐磨涂层材料体系的不足，本发明的目的是提供一种不锈钢器皿表面抗菌耐磨涂层及其制备方法和应用，获得具有较好的抗菌性能、又具有高硬度与耐磨性的Ti-Cu-N抗菌耐磨涂层。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种不锈钢器皿表面抗菌耐磨涂层，在不锈钢器皿表面依次沉积TiCu过度层及Ti-Cu-N抗菌耐磨涂层，Ti-Cu-N抗菌耐磨涂层的厚度为3～30微米。

所述的不锈钢器皿表面抗菌耐磨涂层，TiCu膜形成的过渡层厚度为0.5～5微米，TiCu膜中Cu的含量为1.0～20at.％(优选，TiCu膜厚度为1～2微米，TiCu膜中Cu的含量为4～6at.％)。

所述的不锈钢器皿表面抗菌耐磨涂层，Ti-Cu-N层中的Cu含量为1.0～30at.％(优选的，Ti-Cu-N层中的Cu含量为4～10at.％)。

所述的不锈钢器皿表面抗菌耐磨涂层的制备方法，具体步骤如下：

(1)不锈钢器皿表面预清洗：不锈钢器皿表面经研磨抛光后，放置于喷砂机内进行喷砂处理，然后进行除油处理，然后再超声清洗、烘干；

(2)镀过TiCu渡层：将烘干后的不锈钢器皿置于电弧离子镀膜机内，采用纯钛靶及纯铜靶，当真空室内真空度达到6×10^-4Pa～2×10^-2Pa时，对真空室加热至200～500℃；向真空室内通入氩气，气压控制在0.5～4Pa之间；基体加脉冲负偏压在-500～-1000V范围，使气体发生辉光放电，对样品进行辉光清洗10～60分钟；调整氩气流量，使真空室气压为0.01～2.0Pa，同时开启钛靶弧源，弧电流为60～150A，开启铜靶弧源，弧电流为30～80A，对工件继续进行Ti⁺及Cu⁺轰击1～10分钟，开启钛靶和铜靶数量的比例为2～6:1；调脉冲负偏压至-50V～-500V，沉积TiCu膜即过渡层1～60分钟；

(3)镀Ti-Cu-N层：采用纯钛靶和纯铜靶，开启钛靶和铜靶数量的比例为2～6:1，设定氮气气压为0.5～4Pa范围，对基体施加脉冲负偏压-50V～-600V，占空比为20～80％；调节纯钛靶电流为60～150A，纯铜靶电流为30～80A；开启靶材后部的电磁场装置，磁场线圈电流调整为0.1～10A，沉积时间为20～300分钟；

(4)沉积结束后，停弧、停基体脉冲负偏压、停止通入气体、关闭电磁场装置，继续抽真空，工件随炉冷却至80℃以下，打开真空室，取出工件。

所述的不锈钢器皿表面抗菌耐磨涂层的制备方法，沉积过渡层及Ti-Cu-N层时，使用钛铜合金靶，钛铜合金靶中铜的原子百分比为5～40％。

所述的不锈钢器皿表面抗菌耐磨涂层的应用，该涂层不仅适用于不锈钢器皿，而且适用于各种金属餐具及金属器皿。

所述的不锈钢器皿表面抗菌耐磨涂层的应用，不锈钢器皿包括不锈钢锅具、不锈钢餐具或不锈钢厨具。

所述的不锈钢器皿表面抗菌耐磨涂层的应用，不锈钢餐具包括菜刀、勺子、铲子或盆。

与现有技术相比，本发明的优点及有益效果是：

1、本发明是在不锈钢器皿表面形成由TiCu膜形成的过渡层及Ti-Cu-N层构成的抗菌耐磨涂层，涂层与不锈钢器皿基体之间的结合力达到30N以上(一般为30～60N)，Ti-Cu-N涂层的显微硬度达到HV_0.052500以上(一般为HV_0.052500～HV_0.053500)。

2、本发明采用磁场增强电弧离子镀技术完成，该方法采用电磁线圈产生轴向磁场，该磁场不仅使得弧斑运动速度加快，靶材表面大颗粒喷射减少，而且该磁场还可对电弧放电产生的等离子体进行聚焦，使得离子能量及密度大幅度提高，大大提高涂层沉积效率。

3、本发明选择与TiN完全不固溶的Cu加入TiN涂层中，Cu的加入不仅大大降低涂层内应力，提高涂层硬度及断裂韧性，对TiN的磨损起到润滑和减摩作用，大大提高涂层的抗刮擦性能。而且，在使用过程中由于铜离子的释放，具有较好的抗菌性能，抗菌率为95％以上。该方法制备的抗菌耐磨涂层除具有较好的抗菌性能外，还具有硬度高、涂层韧性好及抗磨损等优点，可解决普通不锈钢器皿表面不耐刮擦的难题。

附图说明：

图1为本发明沉积的Ti-Cu-N纳米复合抗菌涂层的横截面扫描电镜图；

图2a-图2b为本发明沉积的Ti-Cu-N纳米复合抗菌涂层(图2a)与TiN涂层样品(图2b)的抗菌(大肠杆菌)效果对比图。

具体实施方式：

在具体实施过程中，本发明不锈钢器皿表面抗菌耐磨涂层，它包括不锈钢器皿(如：不锈钢锅、不锈钢复合锅具、不锈钢餐具及不锈钢用品等)，在不锈钢器皿表面依次是钛铜(以下称TiCu)膜形成的过渡层及Ti-Cu-N层。

下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。

实施例1

本实施例中，不锈钢器皿选用304不锈钢锅，锅具表面经研磨抛光后，放置于喷砂机内进行喷砂处理，然后进行除油处理，然后再超声清洗、烘干；后将烘干后的锅具置于电弧离子镀膜机内，采用纯钛靶及纯铜靶，当真空室内真空度达到6×10^-3Pa时，对真空室加热至350℃；向真空室通入氩气，气压控制在2.0Pa；基体加脉冲负偏压在-800V，使气体发生辉光放电，对样品进行辉光清洗30分钟；调整氩气流量，使真空室气压为0.5Pa，同时开启3个钛靶弧源，弧电流为80A，开启1个铜靶弧源，弧电流为60A，对工件继续进行Ti⁺及Cu⁺轰击6分钟；调脉冲负偏压至-200V，占空比为40％，沉积TiCu膜即过渡层10分钟；后通入氮气，氮气气压为1.5Pa；对基体施加脉冲负偏压-150V，占空比为80％；调节3个纯钛靶电流为90A，纯铜靶电流为60A；开启靶材后部的电磁场装置，磁场线圈电流调整为2.0A；沉积时间为60分钟，获得Ti-Cu-N抗菌耐磨涂层；沉积结束后，停弧、停基体脉冲负偏压、停止通入气体、关闭电磁场装置，继续抽真空，工件随炉冷却至80℃以下，打开真空室，取出工件，镀膜过程。

所得Ti-Cu-N抗菌耐磨涂层锅具外观为金黄色，扫描电镜测试涂层的总厚度为6.1微米；显微硬度测试涂层硬度为HV_0.052962，抗菌率为99％。

实施例2

本实施例中，不锈钢器皿选用304不锈钢/铝合金复合锅，锅具表面经研磨抛光后，放置于喷砂机内进行喷砂处理，然后进行除油处理，然后再超声清洗、烘干；后将烘干后的锅具置于电弧离子镀膜机内，采用纯钛靶及纯铜靶，当真空室内真空度达到8×10^-3Pa时，对真空室加热至300℃；向真空室内通入氩气，气压调整为2.5Pa；基体加脉冲负偏压在-700V，使气体发生辉光放电，对样品进行辉光清洗40分钟；调整氩气流量，使真空室气压为0.3Pa，同时开启5个钛靶弧源，弧电流为75A，开启2个铜靶弧源，弧电流为65A，对工件继续进行Ti⁺及Cu⁺轰击10分钟；调脉冲负偏压至-150V，占空比为40％，沉积TiCu膜即过渡层7分钟；后通入氮气，氮气气压为1.8Pa；对基体施加脉冲负偏压-120V，占空比为60％；调节5个纯钛靶电流为95A，纯铜靶电流为65A；开启靶材后部的电磁场装置，磁场线圈电流调整为2.5A；沉积时间为90分钟，获得Ti-Cu-N抗菌耐磨涂层；沉积结束后，停弧、停基体脉冲负偏压、停止通入气体、关闭电磁场装置，继续抽真空，工件随炉冷却至80℃以下，打开真空室，取出工件，镀膜过程结束。

所得Ti-Cu-N抗菌耐磨涂层锅具外观为金黄色，扫描电镜测试涂层的总厚度为9.6微米；显微硬度测试涂层硬度为HV_0.053106，抗菌率为99.6％。

实施例3

本实施例中，不锈钢器皿选用304不锈钢/铝合金/铜合金复合锅(不锈钢/铝/铜/铝/不锈钢共5层)，锅具表面经研磨抛光后，放置于喷砂机内进行喷砂处理，然后进行除油处理，然后再超声清洗、烘干；后将烘干后的锅具置于电弧离子镀膜机内，采用纯钛靶及纯铜靶，当真空室内真空度达到7×10^-3Pa时，对真空室加热至380℃；向真空室内通入氩气，气压调整为2.6Pa；基体加脉冲负偏压在-600V，使气体发生辉光放电，对样品进行辉光清洗25分钟；调整氩气流量，使真空室气压为0.6Pa，同时开启5个钛靶弧源，弧电流为75A，开启2个铜靶弧源，弧电流为65A，对工件继续进行Ti⁺及Cu⁺轰击8分钟；调脉冲负偏压至-100V，占空比为60％，沉积TiCu膜即过渡层10分钟；后通入氮气，氮气气压为1.8Pa；对基体施加脉冲负偏压-120V，占空比为60％；调节5个纯钛靶电流为95A，纯铜靶电流为65A；开启靶材后部的电磁场装置，磁场线圈电流调整为2.5A；沉积时间为90分钟，获得Ti-Cu-N抗菌耐磨涂层；沉积结束后，停弧、停基体脉冲负偏压、停止通入气体、关闭电磁场装置，继续抽真空，工件随炉冷却至80℃以下，打开真空室，取出工件，镀膜过程结束。

实施例4

本实施例中，不锈钢器皿选用不锈钢盆，不锈钢盆表面经研磨抛光后，放置于喷砂机内进行喷砂处理，然后进行除油处理，然后再超声清洗、烘干；后将烘干后的锅具置于电弧离子镀膜机内，采用纯钛靶及纯铜靶，当真空室内真空度达到5×10^-3Pa时，对真空室加热至400℃；向真空室内通入氩气，气压调整为2.0Pa；基体加脉冲负偏压在-700V，使气体发生辉光放电，对样品进行辉光清洗20分钟；调整氩气流量，使真空室气压为0.35Pa，同时开启6个钛靶弧源，弧电流为75A，开启2个铜靶弧源，弧电流为60A，对工件继续进行Ti⁺及Cu⁺轰击7分钟；调脉冲负偏压至-140V，占空比为50％，沉积TiCu膜即过渡层6分钟；后通入氮气，氮气气压为1.7Pa；对基体施加脉冲负偏压-120V，占空比为65％；调节6个纯钛靶电流为100A，纯铜靶电流为70A；开启靶材后部的电磁场装置，磁场线圈电流调整为1.5A；沉积时间为120分钟，获得Ti-Cu-N抗菌耐磨涂层；沉积结束后，停弧、停基体脉冲负偏压、停止通入气体、关闭电磁场装置，继续抽真空，工件随炉冷却至80℃以下，打开真空室，取出工件，镀膜过程结束。

所得Ti-Cu-N抗菌耐磨涂层锅具外观为金黄色，扫描电镜测试涂层的总厚度为11.7微米；显微硬度测试涂层硬度为HV_0.053106，抗菌率为99.6％。

如图1所示，从沉积的Ti-Cu-N抗菌耐磨涂层的横截面扫描电镜图可以看出，涂层较为致密，未发现孔洞等缺陷。

如图2a-图2b所示，从沉积的Ti-Cu-N纳米复合抗菌涂层与TiN涂层样品的抗菌(大肠杆菌)效果对比图可以看出，Ti-Cu-N纳米复合抗菌涂层的抗菌率明显高于TiN涂层。

Claims

1.一种不锈钢器皿表面抗菌耐磨涂层，其特征在于，在不锈钢器皿表面依次沉积TiCu过度层及Ti-Cu-N抗菌耐磨涂层，Ti-Cu-N抗菌耐磨涂层的厚度为3～30微米。

2.按照权利要求1所述的不锈钢器皿表面抗菌耐磨涂层，其特征在于，TiCu膜形成的过渡层厚度为0.5～5微米，TiCu膜中Cu的含量为1.0～20at.％。

3.按照权利要求1所述的不锈钢器皿表面抗菌耐磨涂层，其特征在于，Ti-Cu-N层中的Cu含量为1.0～30at.％。

4.一种权利要求1至3之一所述的不锈钢器皿表面抗菌耐磨涂层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

5.根据权利要求3所述的不锈钢器皿表面抗菌耐磨涂层的制备方法，其特征在于，沉积过渡层及Ti-Cu-N层时，使用钛铜合金靶，钛铜合金靶中铜的原子百分比为5～40％。

6.一种权利要求1所述的不锈钢器皿表面抗菌耐磨涂层的应用，其特征在于，该涂层不仅适用于不锈钢器皿，而且适用于各种金属餐具及金属器皿。

7.按照权利要求6所述的不锈钢器皿表面抗菌耐磨涂层的应用，其特征在于，不锈钢器皿包括不锈钢锅具、不锈钢餐具或不锈钢厨具。

8.按照权利要求7所述的不锈钢器皿表面抗菌耐磨涂层的应用，其特征在于，不锈钢餐具包括菜刀、勺子、铲子或盆。