CN111148458B - 具有铜结合层的炊具 - Google Patents

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Abstract

提供了一种炊具制品及其制造方法。该炊具具有至少一个不锈钢层和至少一个铜层，该至少一个铜层经由固态结合直接冶金结合到该至少一个不锈钢层。该至少一个不锈钢层可以是铁素体不锈钢层，并且该至少一个铜层可以是晶粒稳定化的铜。该至少一个不锈钢层可由400系列不锈钢制成，例如436不锈钢合金、439不锈钢合金或444不锈钢合金。该至少一个铜层可由高纯度无氧铜合金制成，例如C101铜合金、C102铜合金或C107铜合金。

Description

具有铜结合层的炊具
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年7月31日提交的美国临时申请序列号US62/539,104和于2018年6月28日提交的美国发明申请序列号US 16/021,477的优先权，其全部公开内容通过引用而并入本文。
技术领域
本发明涉及多层结合炊具，其具有结合到至少一个不锈钢层的至少一个铜层。还公开了一种使用固态结合制造结合炊具的方法。
背景技术
长期以来已知的是，制造多层结合复合炊具，其中各种材料结合在一起以将每种材料的期望物理特性组合成复合体。例如，不锈钢的耐腐蚀性对于烹饪表面以及对于炊具的外表面是理想的；然而，不锈钢的热导率相对不高。另一方面，铝和/或铜提供高得多的热导率，并且已经结合到不锈钢以提供公知的复合炊具制品，例如壶、锅、平底锅等。如在许多专利中所示的，多层结合炊具是本领域已知的，例如：授予Ulam的美国专利US 4,246,045和US 4,167,606；以及授予Groll的美国专利US 8,133,596和US 6,267,830。这些专利证实，本领域公知的是制造包括结合到较高热导率的铝和/或铜的中心层的不锈钢外层的多层结合炊具。这些不同材料的层之间的结合通常通过常规的轧制复合技术来实现，该技术使用轧制复合到不锈钢外部条带的铝和/或铜条带。已知，在制造复合炊具和其它食物制备装置的领域中，铜、铝和不锈钢层之间的轧制复合是常规的。
授予Groll等人的美国专利US 9,078,539公开了一种固态结合技术，其使用经时施加的高静压和热量来制造例如制造的炊具中的不锈钢–铝–不锈钢组合的多个复合坯件。本领域中需要使用固态结合技术来制造炊具，用于减少重量和改进炊具的热特性。
发明内容
鉴于本领域中的现有需要，期望开发使用固态结合技术制造炊具的新方法。还期望提供通过这种方法制造的炊具，其中在一些实施方式中，炊具具有与通过固态结合技术制造的现有炊具相比减轻的重量和改进的热特性。
根据本公开的一个实施方式或方面，炊具可以具有多层，固态结合的复合壁结构。炊具可以具有至少一个不锈钢层和经由固态结合冶金结合到至少一个不锈钢层的至少一个铜层。该至少一个不锈钢层可以是铁素体不锈钢层，并且该至少一个铜层可以是晶粒稳定化的铜。
根据本公开的另一实施方式或方面，该至少一个不锈钢层可由300系列不锈钢或400系列不锈钢制成。该至少一个不锈钢层可由436不锈钢合金、439不锈钢合金或444不锈钢合金制成。该至少一个不锈钢层可以由铬含量至少为17％的铁磁性不锈钢制成。该晶粒稳定化的铜可选自C101铜合金、C102铜合金或C107铜合金中的一种。该至少一个不锈钢层的厚度可在约0.010英寸至约0.100英寸之间，更优选地在0.015英寸至约0.025英寸之间。该至少一个铜层的厚度可在约0.010英寸至约0.25英寸之间，更优选地在0.05英寸至约0.150英寸之间。该至少一个不锈钢层可以是直径在约5英寸至约25英寸之间的圆形。该至少一个铜层可以是直径在约5英寸至约25英寸之间的圆形。该至少一个不锈钢层和至少一个铜层可以是圆形的，并且其中该至少一个不锈钢层的直径可以等于或大于至少一个铜层的直径。该至少一个不锈钢层和至少一个铜层可以是圆形的，并且其中该至少一个不锈钢层的中心可以与至少一个铜层的中心在共同轴线上。炊具可以形成为煎锅。当然，如果需要，根据炊具或烹调表面的最终期望形状，可以使用其它几何形状，例如正方形、矩形、椭圆形等。
根据本公开的另一实施方式或方面，炊具可以具有多层固态结合的复合壁结构。该炊具可以具有上不锈钢层和下不锈钢层，以及在上不锈钢层和下不锈钢层之间的铜层。铜层可以经由固态结合冶金结合到上不锈钢层和下不锈钢层。上不锈钢层和下不锈钢层可由铁素体不锈钢制成，铜层可由包括银的铜合金制成。可以围绕炊具的周边移除下不锈钢层的环形部分以可视地暴露铜层的部分。
根据本公开的又一实施方式或方面，炊具可以具有多层固态结合的复合壁结构。炊具可以具有限定烹饪表面的上不锈钢层，铜层，下不锈钢层和形成炊具的外部外表面的铜层。因此，该实施方式提供了四层结构。
更进一步，本公开的另一实施方式，炊具可以具有多层固态结合的复合壁结构，其包括五层复合材料，该五层复合材料具有限定烹饪表面的上不锈钢层，铜层，不锈钢层，铜层和形成炊具的外部外表面的不锈钢层。
根据本公开的另一实施方式或方面，一种制造多层结合炊具的方法可以包括在堆叠的坯件组件中提供至少一个不锈钢层和至少一个铜层，并且将热量和压力施加至堆叠的坯件组件达预定的时间段，使得至少一个不锈钢层经由固态结合冶金结合到至少一个铜层。该至少一个不锈钢层可以是铁素体不锈钢层，并且该至少一个铜层可以是晶粒稳定化的铜。
根据本公开的方法的另一实施方式或方面，可以以低于该至少一个铜层的晶粒生长温度的温度施加热量。可以以约625℃至约675℃(1150℉至1250℉)之间的温度施加热量。压力可以以约5,000psi至约20,000psi(350kg/cm2至1,400kg/cm2)施加。当堆叠板处于高温时，可以在垂直于至少一个不锈钢板和至少一个铜板的平面的方向上施加压力，以实现板之间的固态结合。预定时间段可以是大约1小时至大约3小时。施加热量和压力的步骤可以通过围绕坯件组件的感应加热线圈来执行。非氧化气氛可存在于感应加热线圈和坯件组件之间。该方法还可以包括使用拉延压力机或液压成形机等将结合的坯件组件成形为煎锅形状。
在参考附图考虑以下描述和所附权利要求书之后，本文描述的炊具的这些和其他特征和特性以及制造这种炊具的方法将变得更加明显，所有附图形成本说明书的一部分，其中相同的附图标记表示各个附图中的对应部件。然而，应当清楚地理解的是，附图仅用于说明和描述的目的。
附图说明
图1是本公开的一个实施方式或方面的坯件组件的分解侧视剖面图；
图2是图1的结合的坯件组件的剖面图；
图3是本公开另一实施方式或方面的坯件组件的分解侧视图；
图4是图3的结合的坯件组件的剖面图；以及
图5是由图4的结合的坯件组件制成的成形的煎锅的剖面图；
图6是本发明的一个实施方式的四层结合的复合材料的放大的局部切片的剖面图；
图7是类似于图6的视图，但为本发明的另一实施方式的五层结合的复合材料的视图；
图8是由图7的五层结合的复合材料制成的煎锅的局部切片的剖面图，其中围绕煎锅的圆周形成有切削环；
图9是沿图8的剖面圆IX截取的侧壁和切削凹槽的放大剖面图；以及
图10是根据本发明的又一实施方式由图6的四层复合材料制成的煎锅的侧视图，其中移除底部的外部铜层以暴露不锈钢底层。
在图1至图10中，除非另有指示，相同的符号表示相同的部件。
具体实施方式
如本文所用，除非上下文另有明确的指示，单数形式的“一(a)”、“一个(an)”和“该”包括复数指代物。
如本文所使用的，空间或者方向术语，例如“左”，“右”，“向上”，“向下”，“内”，“外”，“上”，“下”等与如附图所示的不同特征相关。然而，应当理解，可以假定各种替代方向，并且因此，这些术语不应被认为是限制性的。
除非另有指示，本文所公开的所有范围或比率应理解为包括其中所包含的任何和所有子范围或子比率。例如，所述的范围或比率“1至10”应被认为包括最小值1和最大值10之间(且包括端值)的任何和所有子范围；即，以最小值1或更大的值开始且以最大值10或更小的值结束的所有子范围或子比率，例如但不限于1至6.1、3.5至7.8，和5.5至10。
如本文所用，术语“基本上平行”是指两个物体(如果延伸到理论交点)，诸如细长物体，并且包括参考线之间的相对角度，其为0°至5°，或0°至3°，或0°至2°，或0°至1°，或0°至0.5°，或0°至0.25°，或0°至0.1°，包括所述值。
除非另有说明，本文提及的所有文献，例如但不限于授权专利和专利申请，都被认为是其全部内容“通过引用并入”。
如本文所用，术语“固态结合”是指使用高静压(通常超过5,000psi(350kg/cm2))和高温(通常超过600℉(315℃))将两个或多个金属或金属合金的堆叠板结合在一起的方法，其中高静压以法向或垂直方向施加，即相对于堆叠板的平面成90°。
如本文所用，术语“冶金结合”或“冶金结合的”是指在类似或不相似的材料之间形成的结合，其没有空隙或间断。
如本文所用，术语“晶粒稳定化的铜”是指具有从完全退火到1/2硬度(1/2 hard)的一些残余硬度或回火的任何高纯度、脱氧的铜或铜合金，其在固态结合期间表现出受控的晶粒生长特性。
参考附图，图1至图2示出了用于制造本发明的炊具的一个目前优选的和非限制性的实施方式的坯件组件2的不同的视图。在将用于结合步骤的不同的材料层的适当的表面制备之后，将材料有序排列放置来产生所示的坯件组件2。在一些示例中，表面制备步骤可以包括脱脂，通过化学或者机械方法表面磨蚀等。
坯件组件2具有上层和下层或上板和下板4和8，其在结合和成形步骤之后将分别形成炊具的内表面和外表面。上板4和下板8中的每一个具有顶表面或上表面(4a，8a)和底表面或下表面(4b，8b)。上板4和下板8可以是直径约14英寸(355mm)的圆盘，以形成用于制造例如直径为10英寸(254mm)的煎锅的近净尺寸的坯件。在其它示例中，上板4和下板8可以是直径从约5英寸(127mm)至约25英寸(635mm)的圆盘。本领域普通技术人员将容易理解，可以增加或减小上板4和下板8的尺寸以分别制作更大或更小尺寸的煎锅。虽然图1和图2示出了具有相同直径的上板4和下板8，但是本领域普通技术人员将容易理解，上板4的直径可以大于或小于下板8的直径。在一些示例中，上板4的直径可以是大约5英寸(127mm)至25英寸(635mm)。在一些示例中，下板8的直径可以是大约5英寸(127mm)至25英寸(635mm)。可以调节各个板的厚度以获得所期望的产品重量和热性能。
在一个示例性且非限制性实施方式中，如本文所讨论的，上板4和下板8中的一个由不锈钢形成，而上板4和下板8中的另一个由铜形成。例如，上板4可以由不锈钢制成，而底板8可以由铜制成。参照图2，如本文所述，上板4的底表面4b位于下板8的顶表面8a之上，并且使用固态结合技术将两个板冶金结合在一起，以便彼此紧密、导热地接触。
参照图3至图5，示出了根据另一优选且非限制性实施方式的坯件组件2’。坯件组件2’可以用于制造炊具。在适当的表面制备之后，将构成坯件组件2’的材料有序排列放置。在一些示例中，表面制备步骤可以包括脱脂，通过化学或者机械方法表面磨蚀等。
坯件组件2’具有位于上板4’和下板8’之间的中间板6’。在固态结合和成形步骤之后，上板4’和下板8分别形成炊具的内表面和外表面。上板4’和下板8’中的每一个具有顶表面或上表面(4a’，8a’)和底表面或下表面(4b’，8b’)。类似地，中间板6’具有顶表面或上表面6a’和底表面或下表面6b’。参照图3，上板4’的底表面4b’定位在中间板6’的顶表面6a’上方，而中间板6’的底表面6b’定位在下板8’的顶表面8a’上方。如图4所示，如本文所述，使用固态结合技术将三个板冶金结合在一起，以便彼此紧密、导热地接触。
上板4’，中间板6’和下板8’可以是直径大约14英寸(355mm)的圆盘，以形成用于制造例如直径为10英寸(254mm)的煎锅的近净尺寸的坯件。在一些示例中，中间板6’的直径可以小于上板4’和下板8’的直径。在其它示例中，上板4’、中间板6’和下板8’可以是直径从大约5英寸(127mm)到大约25英寸(635mm)的圆盘。本领域普通技术人员将容易理解，可以增加或减小上板4’、中间板6’和下板8’的尺寸以分别制作更大或更小尺寸的煎锅。虽然图3和图4示出了具有相同直径的上板4’、中间板6’和下板8’，但是本领域普通技术人员将容易理解，上板4’、中间板6’和下板8’的直径可以彼此不同。在一些示例中，上板4’的厚度可以是大约0.010英寸(0.254mm)至0.10英寸(2.54mm)，中间板6’的厚度可以是大约0.010英寸(0.254mm)至0.250英寸(6.35mm)，更优选地大约0.05英寸(1.27mm)至大约0.150英寸(3.81mm)，下板8’的厚度可以是大约0.010英寸(0.254mm)至0.100英寸(2.54mm)。可以调节各个板的厚度以获得所期望的产品重量和热性能。上板4’和下板8’可以由不锈钢形成，而中间板6’可以由铜形成，并且如本文所述，使用固态结合技术将这三个板冶金结合在一起。在其它实施方式中，不锈钢板可以由钛代替。当下板8’是用于感应加热的铁素体级不锈钢时，铁素体不锈钢下板8’的优选厚度为约0.015英寸(0.381mm)至约0.025英寸(0.635mm)，以通过增加感应效应来提高加热效率。
虽然图1至图4示出了使用两个板(图1至图2)或三个板(图3至图4)的堆叠布置制成的坯件组件2、2’的优选且非限制性的示例，但是也可以形成包括多个板的其它布置。例如，四或五个板的坯件组件可通过交替地堆叠不锈钢板和铜板而制成。在固态结合之后，图6中部分示出的四个板的坯件组件40具有在顶部烹饪表面上结合到铜板44的第一不锈钢板42，该铜板42结合到第二不锈钢板46，该第二不锈钢板56又结合到形成成形的炊具的外表面的第二铜板48。当成形时，图7中部分地示出的五个板的坯件组件50包括在顶表面和底表面上的不锈钢板52、52’，在顶部和底部不锈钢板52、52’之间具有铜-不锈钢-铜中间层。
在图6和图7所示的分别具有不锈钢的内层46和56的四层和五层实施方式中，成形的炊具在烹调表面上将表现出更均匀的热量分布，因为不锈钢的内层用作热障(thermalbarrier)，以径向地扩散热量。在炊具的芯层中使用所谓的不锈钢“热坝”(heat dam)的概念在我们的现有专利中公开，即在美国专利US6,926,971；US7,208,231；US7,906,221；US8,133,596中公开，其通过引用而并入本文。然而，这些现有专利基于形成结合复合材料的轧制复合方法，并且需要结合到不锈钢层两侧的纯铝层或铝包层(Alclad)，以便在轧制复合复合材料的各种金属层时实现与其的冶金结合。我们发现，当使用本发明的固态结合技术时，不必使用铝层或铝包层。
图4的三层结合的坯件组件2’可以形成为炊具的形状，例如图5中所示的煎锅10。结合的坯件组件2’可以例如通过使用压力机拉延成具有烹饪表面12和围绕烹饪表面12的周向侧壁14的煎锅10的形状。侧壁14在与烹饪表面12的过渡处可以具有圆角下边缘16。唇缘18可形成在侧壁14的与圆角边缘16相对的上端。如图5所示，中间层6’可以在煎锅10的整个横截面上与上层4’和下层8’结合。在一些示例中，例如当中间层6’具有比上层4’和下层8’小的直径时，中间层6’可以在煎锅10的第一部分中与上层4’和下层8’结合，而上层4’和下层8’可以在煎锅10的第二部分中直接结合至彼此。例如，中间层6’可以仅设置在煎锅10的烹饪表面12的区域内，而上层4’和下层8’可以在煎锅10的侧壁14的区域内直接结合至彼此。
参考图7至图9，通过加工去除不锈钢层52’的外部以暴露下面的铜层58，可以围绕五层炊具50'形成切削环55，以不仅提供令人愉快的视觉铜环效果，而且提供由用户选择的炊具类型的快速识别。这种切削环也可以形成在图5的炊具的三层实施方式上(未示出)。通过以各种图案选择性地移除不锈钢的外层52’的部分，例如通过激光切割，可以采用其它装饰技术，以可视地暴露下面的铜层58。
图10中描述了另一实施方式，其示出了由图6中所示的坯件组件40的四层结构制成的煎锅60。在该实施方式中，在煎锅成形之后，例如通过机加工，移除铜48的最下层70，以暴露不锈钢的最下层46。在该实施方式中，铁素体不锈钢的暴露表面使得炊具在底部适于感应加热，同时提供铜48的侧壁表面。
已经描述了根据本公开的各种实施方式或方面的坯件组件的结构，现在将描述使用坯件组件制造炊具例如煎锅10的方法。结合预切割近净形板坯件的固态结合技术不仅减少了迄今在常规轧制复合制造复合炊具中遇到的废料损失，而且允许使用其他材料来制造多元复合材料，其已经被证实对于轧制复合来说是困难的、不可能的和/或昂贵的。例如，固态结合允许使用与传统轧制复合中其它可能相比不同等级的不锈钢，以便降低材料成本。结合后的期望结果是具有多层圆盘，其具有足够的结合强度以承受成形应力，具有铜中的细晶粒结构以避免成形部件的极端粗糙的织构，以及适用于食品制备表面的耐腐蚀性。
最初，通过堆叠上板4和下板8使得上板4的下表面4b位于下板8的上表面8a的顶部上而形成坯件组件2。在图3至图4所示的坯件组件2’的情况下，在图1至图3所示的坯件组件2的情况下，上板4’、中间板6’和下板8’堆叠成使得上板4’的底表面4b’定位在中间板6’的顶表面6a’上方，而中间板6’的底表面6b’定位在下板8’的顶表面8a’上方。期望地，将板对准，使得每个板的中心共享共同轴线。在一些示例中，板可以堆叠成使得它们的中心彼此偏移。当堆叠后，上板4和下板8(图2)或者上板4’、中间板6’和下板8’基本上彼此平行。应当理解，当制造图6和图7的实施方式时，采用这种相同或类似的堆叠技术。
然后将坯件组件放置在压制设备(未示出)中，以在相对于坯件组件中的板的平面法向(即，垂直)的方向上施加载荷或压力。通过堆叠坯件组件并将高温分离材料放置在不旨在结合的堆叠的坯件组件之间，可以在同一压制循环中制造多个坯件组件。压力均匀地施加在板的表面上，以从堆叠的坯件组件排出空气，并防止在结合循环期间空气侵入。还可以在坯件组件周围引入不同于周围气氛的保护气氛，以防止坯件组件的板之间的周围气氛的侵入。保护气氛可以是非氧化气氛。不希望受理论的束缚，已经发现，在固态结合过程期间，保护气氛防止了环境空气侵入坯件组件的板之间，从而允许降低实现坯件组件的板之间的强结合所需的压力。当在约5,000psi至20,000psi(350kg/cm2至1,400kg/cm2)之间的压力下时，在约800℉至1,400℉(427℃至760℃)之间对坯件组件2施加热量持续足够的时间(约1至3小时)，以在坯件组件中的板之间实现固态结合(即，冶金结合)。在一个示例中，例如使用围绕堆叠的坯件组件的感应加热装置(即，至少一个感应加热线圈)，在压力下将堆叠的坯件组件快速加热到1150℉+/-75℉(620℃+/-25℃)的温度。
然后将每个结合的坯件组件从压制设备中取出并使其冷却。在一些示例中，冷却可以通过暴露于环境空气或通过使用冷却剂，例如强制空气或液体来实现。
在固态结合之后，结合的坯件组件在拉延压力机或液压成形机(未示出)中形成期望的形状，例如图5中描绘的煎锅形状10。一个或多个把手(未示出)可以以已知的方式连接到炊具。
在各种示例中，坯件组件可具有至少一个由铜制成的板。虽然铜由于其高热导率而通常用于炊具中，但是必须控制固态结合过程的各种参数以防止铜中的不期望的晶粒生长。热量、压力和保持时间的存在都有助于板的层之间的结合质量。高于1,250℉(675℃)的温度和长于3小时的保持时间通常导致更高的结合强度。然而，较高的热量和较长的保持时间导致铜中不期望的晶粒生长。金属如铜具有从非常粗到非常细的晶粒结构，并且受金属的化学性质和金属经受的冷加工量的影响很大。不希望受晶粒生长理论的束缚，促进结合强度的相同过程(时间、温度、压力)也可促进铜板中的晶粒生长。例如，进一步将温度增加到1,380℉(750℃)导致坯件组件在成形的炊具的在成形期间经受最大变形的区域中呈现极端织构。这种织构难以或不可能抛光，并且还削弱了结合的组件，从而使其在成形期间易于断裂。
为了控制由于暴露于高于1,250℉(675℃)的温度而在铜中的晶粒生长，可以使用铜的合金，例如含铁的铜合金。铁的加入稳定铜在高温(高于1,250℉(675℃)下的晶粒结构。然而，与高纯度铜相比，铁的添加大大降低了铜合金的热导率(35％)。例如，高纯度铜具有388W/mK的热导率，而具有2％铁的合金铜具有260W/mK的热导率。为了比较，纯铝具有222W/mK的热导率。铜由于其高热导率而通常用于炊具中。因此，将晶粒稳定化的铁加入高纯度铜中是不期望的，因为它将其热导率降低了35％至与纯铝类似的水平。即使从热导率的观点来看，铁稳定化的铜可能不是优选的铜合金，但是该合金仍然可以使用。
已经发现，将银加入高纯度铜中可促进高温下的晶粒稳定性。例如，以0.8kg/吨(0.0034重量％的Ag)的浓度将纯银加入到高纯度、脱氧的铜中，例如Hussey Copper出售的C107铜合金中，与未合金化的高纯度、脱氧的铜相比，增加了晶粒尺寸稳定性，而不会对所得合金的热导率产生负面影响。通过提供在完全或部分退火条件下的高纯度、脱氧的铜板，可以进一步控制晶粒生长，允许一些残余硬度，例如在铜合金中高达1/2硬度，例如C101、C102和C107无氧铜合金。在一些示例中，也可以使用C103、C104和C105无氧铜合金。
应小心地选择C107铜合金的适当类型，以确保其不含有任何可能对用于食物制备物品如炊具有害的合金添加剂。例如，应注意的是，由Columbia Metals,Ltd.(UK)销售的至少一种品牌的C107铜合金含有0.35重量％的砷，其可能不适合用于食品制备产品。
除了铜板之外，坯件组件2或2’可以具有至少一个由不锈钢制成的板。不锈钢可以由铁磁性(铁素体)不锈钢制成，以使成品炊具适用于感应烹饪设备。在一些示例中，钛或钛合金可以替代一个或多个不锈钢板。
奥氏体(含镍)级不锈钢长期以来一直是食品制备工业的标准。然而，这些等级在经受1,000℉至1,650℉(540℃至900℃)之间的温度之后经受晶间腐蚀。为了重新建立耐腐蚀性，必须将材料加热至1,650℉至2,050℉(900℃至1,120℃)之间的温度，并快速淬火至室温。然而，该温度在晶粒生长范围内并且接近或高于铜的熔化温度。因此，奥氏体级别的不锈钢对于使用固态结合技术形成坯件组件2或2’是不切实际的。
为了克服在固态结合过程期间，奥氏体不锈钢合金在结合温度下的晶间腐蚀问题，可使用铁素体不锈钢合金，例如436、439、444，和铬屏蔽(chrome shield)22合金。这些铁素体合金含有与碳结合以防止碳化铬形成的元素如铜、钛和铌。在一些示例中，铁素体不锈钢合金可以是铬含量为至少17重量％的低碳、晶粒稳定化的铁素体不锈钢。在双面不锈钢复合板的情况下，希望在两侧使用铁素体级不锈钢，以提高用于拉延的平整度和稳定性以及使得炊具能够感应。
下表1总结了用于制造适于成形为炊具的坯件组件的固态结果过程中的各种过程参数和材料。用“X”标记的参数表示不期望的过程变量或材料。用“O”标记的参数对过程变量或材料没有影响。用
Figure BDA0002430833080000111
标记的参数表示期望的过程变量或材料。
表1
Figure BDA0002430833080000121
下面列出了一些可以通过上述技术制造的金属组合。可以调节各个层的厚度以获得所需的产品重量和热性能。相同金属的重复层不必具有相同的厚度。
不锈钢/铜
不锈钢/铜/不锈钢
不锈钢/铜/不锈钢/铜
不锈钢/铜/不锈钢/铜/不锈钢
如上所述，通过堆叠组件并将高温分离材料放置在不旨在结合的组件之间，可以在同一压制循环中制造多个坯件组件。上述层组合不限制在形成具有所需的不锈钢和铜的附加层的坯件组件中的重复次数。
铜由于其高热导率而用于炊具中。如上所述，铁-铜合金的热导率仅为纯铜的65％，与纯铝的热导率没有太大差别。铜增加了炊具的重量和费用。我们推荐使用具有最高可能热导率的铜。我们已经获得的用于炊具产品的铜合金是高纯度、脱氧的铜，其具有少量添加的浓度为.8kg/公吨的纯银。银的添加使得晶粒尺寸稳定性增加到比没有银的铜合金更高(+122℉；+50℃)的温度。银对铜合金的热导率没有负面影响。该铜合金在工业中称为C107。它是脱氧等级，是作为本公开的一部分被推荐的材料。虽然C107铜合金性能非常好，但是我们发现，通常在高温固态结合过程中，具有从完全退火到1/2硬度的一些残余硬度或回火的高纯度无氧铜合金，包括C107、C101和C102无氧铜合金，表现出受控的晶粒生长特性。
在各种示例中，本发明的特征可进一步在于以下条款中的一个或多个：
条款1.具有多层固态结合的复合壁结构的炊具，所述炊具包括：
至少一个不锈钢层；以及
至少一个铜层，所述至少一个铜层经由固态结合冶金结合到所述至少一个不锈钢层，以及
其中所述至少一个铜层是晶粒稳定化的铜。
条款2.根据条款1所述的炊具，其中，所述至少一个不锈钢层由300系列不锈钢或400系列不锈钢制成。
条款3.根据条款1或条款2所述的炊具，其中，所述至少一个不锈钢层由436不锈钢合金、439不锈钢合金或444不锈钢合金制成。
条款4.根据条款1至3中任一项所述的炊具，其中，所述至少一个不锈钢层由铬含量为至少17％的铁磁性不锈钢制成。
条款5.根据条款1至4中任一项所述的炊具，其中所述晶粒稳定化的铜为选自C101铜合金、C102铜合金和C107铜合金中的一种。
条款6.根据条款1至5中任一项所述的炊具，其中，所述至少一个不锈钢层的厚度在约0.01英寸(0.254mm)至约0.10英寸(2.54mm)之间。
条款7.根据条款1至6中任一项所述的炊具，其中，所述至少一个铜层的厚度在约0.01英寸(0.254mm)至约0.25英寸(6.35mm)之间。
条款8.根据条款1至7中任一项所述的炊具，其中，所述至少一个不锈钢层是直径在约5英寸(127mm)至约25英寸(635mm)之间的圆形。
条款9.根据条款1至8中任一项所述的炊具，其中，所述至少一个铜层是直径在约5英寸(127mm)至约25英寸(635mm)之间的圆形。
条款10.根据条款1至9中任一项所述的炊具，其中，所述至少一个不锈钢层和所述至少一个铜层是圆形的，并且其中所述至少一个不锈钢层的直径等于或大于所述至少一个铜层的直径。
条款11.根据条款1至10中任一项所述的炊具，其中，所述至少一个不锈钢层和所述至少一个铜层是圆形的，并且其中所述至少一个不锈钢层的中心与所述至少一个铜层的中心在共同轴线上。
条款12.根据条款1至11中任一项所述的炊具，其中所述炊具形成为煎锅。
条款13.具有三层结合的复合壁结构的炊具，所述炊具包括：上不锈钢层和下不锈钢层；以及铜层，所述铜层在所述上不锈钢层和所述下不锈钢层之间，所述铜层直接冶金结合到所述上不锈钢层和所述下不锈钢层。
条款14.根据条款13所述的炊具，其中，例如通过切削环或激光雕刻图案移除所述下不锈钢层的一部分，以可视地暴露所述铜层的下表面。
条款15.根据条款13或条款14所述的炊具，其中，所述上不锈钢层和所述下不锈钢层由铁素体不锈钢制成，并且其中所述铜层由晶粒稳定化的铜制成。
条款15a.根据条款15所述的炊具，其中所述晶粒稳定化的铜为选自C101铜合金、C102铜合金和C107铜合金中的一种。
条款16.具有四层结合的复合壁结构的炊具，所述炊具包括：
限定所述炊具的烹饪表面的第一不锈钢层；
直接结合到所述第一不锈钢层的第一铜层；
直接结合到所述第一铜层的第二不锈钢层；
直接结合到所述第二不锈钢层的第二铜层，所述第二铜层限定所述炊具的外表面。
条款17.根据条款16所述的炊具，其中，移除所述第二铜层的最下表面以暴露所述第二不锈钢层的下表面，由此所述炊具与感应加热兼容，而所述炊具的外侧壁由所述第二铜层限定。
条款18.根据条款16或条款17的炊具，其中，所述上不锈钢层和所述下不锈钢层由铁素体不锈钢制成，并且其中所述铜层由晶粒稳定化的铜制成。
条款18a.根据条款18所述的炊具，其中所述晶粒稳定化的铜为选自C101铜合金、C102铜合金和C107铜合金中的一种。
条款19.具有五层结合的复合壁结构的炊具，所述炊具包括：
限定所述炊具的烹饪表面的第一不锈钢层；
直接结合到所述第一不锈钢层的第一铜层；
直接结合到所述第一铜层的第二不锈钢层；
直接结合到所述第二不锈钢层的第二铜层；
直接结合到所述第二铜层的第三不锈钢层，所述第三不锈钢层限定所述炊具的外表面。
条款20.根据条款19所述的炊具，其中，移除所述第三不锈钢层的一部分以可视地暴露所述第二铜层的下表面。
条款21.根据条款20所述的炊具，其中，可视地暴露的部分是切削环或激光雕刻图案中的一种。
条款22.根据条款19至21中任一项所述的炊具，其中，所述第一不锈钢层、所述第二不锈钢层和所述第三不锈钢层由铁素体不锈钢制成，并且其中所述第一铜层和所述第二铜层由晶粒稳定化的铜制成。
条款23.根据条款22所述的炊具，其中所述晶粒稳定化的铜为选自C101铜合金、C102铜合金和C107铜合金中的一种。
条款24.一种制造多层结合炊具的方法，所述方法包括：
在堆叠的坯件组件中提供至少一个不锈钢层和至少一个铜层；以及
将热量和压力施加至堆叠的坯件组件达预定的时间段，使得所述至少一个不锈钢层经由固态结合冶金结合到所述至少一个铜层。
其中所述至少一个不锈钢层是铁素体不锈钢层，以及
其中所述至少一个铜层是晶粒稳定化的铜。
条款25.根据条款24所述的方法，其中，以低于所述至少一个铜层的晶粒生长温度的温度施加热量。
条款26.根据条款24或条款25所述的方法，其中，以约1150℉(625℃)至约1250℉(675℃)的温度施加热量。
条款27.根据条款24至26中任一项所述的方法，其中，以约5,000psi(350kg/cm2)至约20,000psi(1,400kg/cm2)施加压力。
条款28.根据条款24至27中任一项的方法，其中，在垂直于至少一个不锈钢板和至少一个铜板的平面的方向上施加压力。
条款29.根据项目24至28任一项所述的方法，其中，所述预定的时间段为约1小时至约3小时。
条款30.根据条款24至29中任一项所述的方法，其中，施加热量和压力的步骤通过围绕所述坯件组件的感应加热线圈执行，并且其中在所述感应加热线圈与所述坯件组件之间存在非氧化气氛。
条款31.根据条款24至30中任一项所述的方法，还包括使用拉延压力机或液压成形机将结合的坯件组件成形为煎锅形状。
已经参考本发明的特定示例的具体细节描述了本发明。但这些细节不应被认为是对本发明范围的限制，除非它们被包括在所附权利要求中。

Claims (34)

1.具有多层固态结合的复合壁结构的炊具，所述炊具包括：
至少一个不锈钢层；以及
至少一个铜层，所述至少一个铜层经由固态结合冶金结合到所述至少一个不锈钢层，以及
其中所述至少一个铜层是晶粒稳定化的铜。
2.根据权利要求1所述的炊具，其中，所述至少一个不锈钢层由300系列不锈钢或400系列不锈钢制成。
3.根据权利要求1所述的炊具，其中，所述至少一个不锈钢层由436不锈钢合金、439不锈钢合金或444不锈钢合金制成。
4.根据权利要求1所述的炊具，其中，所述至少一个不锈钢层由铬含量为至少17％的铁磁性不锈钢制成。
5.根据权利要求1所述的炊具，其中，所述晶粒稳定化的铜是C101铜合金、C102铜合金或包含银的C107铜合金。
6.根据权利要求1所述的炊具，其中，所述至少一个不锈钢层的厚度在约0.01英寸(0.254mm)至约0.10英寸(2.54mm)之间。
7.根据权利要求1所述的炊具，其中，所述至少一个铜层的厚度在约0.01英寸(0.254mm)至约0.25英寸(6.35mm)之间。
8.根据权利要求1所述的炊具，其中，所述至少一个不锈钢层是直径在约5英寸(127mm)至约25英寸(635mm)之间的圆形。
9.根据权利要求1所述的炊具，其中，所述至少一个铜层是直径在约5英寸(127mm)至约25英寸(635mm)之间的圆形。
10.根据权利要求1所述的炊具，其中，所述至少一个不锈钢层和所述至少一个铜层是圆形的，并且其中所述至少一个不锈钢层的直径等于或大于所述至少一个铜层的直径。
11.根据权利要求1所述的炊具，其中，所述至少一个不锈钢层和所述至少一个铜层是圆形的，并且其中所述至少一个不锈钢层的中心与所述至少一个铜层的中心在共同轴线上。
12.根据权利要求1所述的炊具，其中，所述炊具形成为煎锅。
13.具有三层结合的复合壁结构的炊具，所述炊具包括：
上不锈钢层和下不锈钢层；以及
铜层，所述铜层在所述上不锈钢层和所述下不锈钢层之间，所述铜层直接冶金结合到所述上不锈钢层和所述下不锈钢层，
其中所述铜层由晶粒稳定化的铜制成。
14.根据权利要求13所述的炊具，其中，所述上不锈钢层和所述下不锈钢层由铁素体不锈钢制成。
15.根据权利要求13所述的炊具，其中，移除所述下不锈钢层的环形部分以可视地暴露所述铜层的一部分。
16.根据权利要求13所述的炊具，其中，所述晶粒稳定化的铜是C101铜合金、C102铜合金或包含银的C107铜合金。
17.具有四层结合的复合壁结构的炊具，所述炊具包括：
限定所述炊具的烹饪表面的第一不锈钢层；
直接结合到所述第一不锈钢层的第一铜层；
直接结合到所述第一铜层的第二不锈钢层；
直接结合到所述第二不锈钢层的第二铜层，所述第二铜层限定所述炊具的外表面，
其中所述第一铜层和所述第二铜层由晶粒稳定化的铜制成。
18.根据权利要求17所述的炊具，其中，移除所述第二铜层的最下表面以暴露所述第二不锈钢层的下表面，由此所述炊具与感应加热兼容，而所述炊具的外侧壁由所述第二铜层限定。
19.根据权利要求17所述的炊具，其中，所述第一不锈钢层和所述第二不锈钢层由铁素体不锈钢制成。
20.根据权利要求17所述的炊具，其中，所述晶粒稳定化的铜是C101铜合金、C102铜合金或包含银的C107铜合金。
21.具有五层结合的复合壁结构的炊具，所述炊具包括：
限定所述炊具的烹饪表面的第一不锈钢层；
直接结合到所述第一不锈钢层的第一铜层；
直接结合到所述第一铜层的第二不锈钢层；
直接结合到所述第二不锈钢层的第二铜层；
直接结合到所述第二铜层的第三不锈钢层，所述第三不锈钢层限定所述炊具的外表面，
其中所述第一铜层和所述第二铜层由晶粒稳定化的铜制成。
22.根据权利要求21所述的炊具，其中，移除所述第三不锈钢层的一部分以可视地暴露所述第二铜层的下表面。
23.根据权利要求22所述的炊具，其中，可视地暴露的部分是切削环或激光雕刻图案中的一种。
24.根据权利要求21所述的炊具，其中，所述第一不锈钢层、所述第二不锈钢层和所述第三不锈钢层由铁素体不锈钢制成。
25.根据权利要求21所述的炊具，其中，所述晶粒稳定化的铜是C101铜合金、C102铜合金或包含银的C107铜合金。
26.一种制造多层结合炊具的方法，所述方法包括：
在堆叠的坯件组件中提供至少一个不锈钢层和至少一个铜层；以及
将热量和压力施加至堆叠的坯件组件达预定的时间段，使得所述至少一个不锈钢层经由固态结合冶金结合到所述至少一个铜层；
其中所述至少一个不锈钢层是铁素体不锈钢层，以及
其中所述至少一个铜层是具有受控的晶粒生长特性的铜合金。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，以低于所述至少一个铜层的晶粒生长温度的温度施加热量。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，以约1150℉(625℃)至约1250℉(675℃)的温度施加热量。
29.根据权利要求26所述的方法，其中，以约5,000psi(350kg/cm2)至约20,000psi(1,400kg/cm2)施加压力。
30.根据权利要求26所述的方法，其中，在垂直于至少一个不锈钢板和至少一个铜板的平面的方向上施加压力。
31.根据权利要求26所述的方法，其中，所述预定的时间段为约1小时至约3小时。
32.根据权利要求26所述的方法，其中，施加热量和压力的步骤通过围绕所述坯件组件的感应加热线圈执行，并且其中在所述感应加热线圈与所述坯件组件之间存在非氧化气氛。
33.根据权利要求26所述的方法，其还包括使用拉延压力机或液压成形机将结合的坯件组件成形为煎锅形状。
34.根据权利要求26所述的方法，具有受控的晶粒生长特性的所述铜合金是C101铜合金、C102铜合金或包含银的C107铜合金。
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