CN113862574B - 一种耐高温耐磨不粘烤盘涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐高温耐磨不粘烤盘涂层及其制备方法，按重量百分比计，该涂层包含铁基合金粉体、纳米SiC颗粒和纳米Al2O3颗粒；其中，纳米Al2O3颗粒的含量为1.0～1.5wt％，纳米SiC颗粒的含量为6.0～8.5wt％，余量为铁基合金粉体。按铁基合金粉体总含量的重量百分百计，所述铁基合金粉体的化学成分如下：Cu 1.4～2.7％，Ti 0.6～0.9％，Mn 0.2～0.4％，Al 1.4～1.7％，Si 4.4～7.6％，Ni 14.2～18.5％，C 0.03～0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明通过激光熔覆制备纳米SiC颗粒、纳米Al2O3颗粒增强Fe基合金涂层，使得涂层各组分协同作用，具有较优的力学性能，尤其是硬度和耐磨性得到了显著提高。本涂层为合金材料，与现有的聚四氟乙烯涂层相比，本涂层更加环保，且对人体无害。

Description

一种耐高温耐磨不粘烤盘涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及新环保材料领域，尤其涉及用于不粘烤盘的合金材料，特别是一种耐高温耐磨不粘烤盘涂层及其制备方法。
背景技术
烤盘、锅具等是家家户户必备的厨房炊具用品，炊具各有优缺点，其中不粘锅/烤盘的优点最为突出，不仅易清洗，还可轻松煎、炒食物而不粘底。现有技术中的不粘锅/烤盘一般为平底，大多采用喷砂的方法进行不粘层喷涂的表面处理，这种处理方法不仅使表面的不粘层容易划伤、脱落和磨损，进而使得不粘层使用寿命较短，且不粘涂层中用到有机涂料，如聚四氟乙烯等，利用其强疏水性以及低摩擦系数的特点，来实现食物不粘的要求。
但是这种不粘锅存在着以下问题：有机涂料涂层耐磨性差，容易脱落和损害，而且一旦不粘浆料脱落，就会导致不粘性能的大大降低；有机涂料容易在烹饪的过程中会发生软化，尤其是当其温度超过250℃，其寿命会极大减少；长期使用这种不粘锅可能会释放对人体有害的物质。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种耐高温耐磨不粘烤盘涂层及其制备方法，以解决上述技术背景中提出的问题。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
一种耐高温耐磨不粘烤盘涂层，按重量百分比计，该涂层包含铁基合金粉体、纳米SiC颗粒和纳米Al2O3颗粒；其中，纳米Al2O3颗粒的含量为1.0～1.5wt％，纳米SiC颗粒的含量为6.0～8.5wt％，余量为铁基合金粉体。
上述技术方案中，按铁基合金粉体总含量的重量百分百计，所述铁基合金粉体的化学成分如下：Cu 1.4～2.7％，Ti 0.6～0.9％，Mn 0.2～0.4％，Al 1.4～1.7％，Si 4.4～7.6％，Ni 14.2～18.5％，C 0.03～0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述技术方案中，按重量百分比计，该涂层包含铁基合金粉体、纳米SiC颗粒和纳米Al2O3颗粒；其中，纳米Al2O3颗粒的含量为1.2～1.3wt％，纳米SiC颗粒的含量为7.5～8.0％，余量为铁基合金粉体。
上述技术方案中，按铁基合金粉体总含量的重量百分百计，所述铁基合金粉体的化学成分如下：Cu 2.0～2.5％，Ti 0.8～0.85％，Mn 0.3～0.4％，Al 1.5～1.6％，Si 5.5～7.0％，Ni 16.0～17.5％，C 0.03～0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质。
基于上述所述的耐高温耐磨不粘烤盘涂层的制备方法，包含以下步骤：
步骤一、制备铁基合金粉体：依据上述铁基合金粉体组分熔炼合金锭，并通过气雾化法制粉获得合金粉末；
步骤二、将纳米SiC颗粒、纳米Al2O3颗粒和铁基合金粉体混合得到的复合粉体进行球磨；
步骤三、将步骤二所得复合粉体压置于基体表面形成熔覆层，然后采用激光熔覆设备将熔覆层熔覆在基体表面，熔覆在基体表面的熔覆层即为所述涂层。
上述技术方案中，所述基体为烤盘或锅具。
上述技术方案中，所述基体设置熔覆层前进行喷砂处理。
本发明中，Cu元素可以与Al、Ti形成金属间化合物如Al-Cu系结晶物，Ti-Cu系化合物，可以弥补耐磨性和耐热性。Ti和Cu形成的化合物主要有Ti2Cu3、TiCu和Ti2Cu，上述化合物均具有较高的结晶点，可作为非自发形核，从而细化组织和晶粒。Ti和Al也可以形成TiAl3，组织由未变质时长板条树枝状变为短片状，并伴有等轴晶的倾向，组织细化的效果最好，力学性能最高，强度和塑性的指标均有显著的增加。Mn和Al在Fe合金中通过结晶出Al-Mn、Al-Fe-Mn-Si、Al-Fe-Si等粒子提高耐磨性和耐热的粘着性。
由于纳米Al2O3颗粒的弥散增强作用，致使涂层(熔覆层)的硬度和耐磨性随Al2O3含量的增强而提高，但当纳米Al2O3颗粒含量过高时，由于熔覆层中的硬质Al2O3颗粒发生团聚，故熔覆层的耐磨性能开始降低；故此纳米Al2O3颗粒的含量为1.0～1.5wt％。纳米SiC颗粒在高能激光束的作用下SiC相趋于分解，进而与Fe，Ni形成键能较低的碳化物，多种碳化物的复合增强，有效地提供了涂层的硬度和耐磨性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过激光熔覆制备纳米SiC颗粒、纳米Al2O3颗粒增强Fe基合金涂层，使得涂层各组分协同作用，具有较优的力学性能，尤其是硬度和耐磨性得到了显著提高。本涂层为合金材料，与现有的聚四氟乙烯涂层相比，本涂层更加环保，且对人体无害。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明提供了一种耐高温耐磨不粘烤盘涂层，按重量百分比计，该涂层包含铁基合金粉体、纳米SiC颗粒和纳米Al2O3颗粒；其中，纳米Al2O3颗粒的含量为1.0～1.5wt％，纳米SiC颗粒的含量为6.0～8.5wt％，余量为铁基合金粉体。
按铁基合金粉体总含量的重量百分百计，所述铁基合金粉体的化学成分如下：Cu1.4～2.7％，Ti 0.6～0.9％，Mn 0.2～0.4％，Al 1.4～1.7％，Si 4.4～7.6％，Ni 14.2～18.5％，C0.03～0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质。
基于上述所述的耐高温耐磨不粘烤盘涂层的制备方法，包含以下步骤：
步骤一、制备铁基合金粉体：依据上述铁基合金粉体组分熔炼合金锭，并通过气雾化法制粉获得合金粉末；例如，采用型号为NEW-ADR-05的真空电弧炉熔炼母合金，具体为：按照设计的铁基合金粉体成分配比(见表1和表2所示)将原料放入电弧炉的铜坩埚内，在高纯氩气保护下，反复熔炼3～4次以上，确保原料溶解均匀制备成母合金(或合金锭)，然后采用真空感应熔炼惰性气体雾化法(VIGA法)将母合金制备成合金粉体。
步骤二、将纳米SiC颗粒、纳米Al2O3颗粒和铁基合金粉体混合得到的复合粉体通过球磨机进行球磨，使复合粉体在球磨机中长时间低速度充分混合；其中，铁基合金粉体为熔覆层基质材料，其粒度为200～300目，纳米SiC颗粒和纳米Al2O3颗粒为增强相，纳米SiC颗粒粒径为20～50nm，纳米Al2O3颗粒粒径为20～50nm。
步骤三、将步骤二所得复合粉体压置于基体表面形成熔覆层，然后采用激光熔覆设备将熔覆层熔覆在基体表面，熔覆在基体表面的熔覆层即为所述涂层。其中，激光熔覆设备为5kW横流CO2激光器，激光器进行单道激光熔覆，优化的工艺参数为：激光功率3.0kW，光斑直径3.0mm，扫描速度5.0mm/s。
步骤三中，所述基体为烤盘或锅具。所述基体设置熔覆层前进行喷砂处理；具体为：先将基体用粗砂布进行打磨，然后有机溶剂(如丙酮)清洗表面油渍或其它污渍，然后用喷砂机在基体表面喷上砂子(如棕刚玉)，增加基体结合面积和保证涂层的收缩应力能限制在局部应力，喷砂处理有利于预涂覆层与基体之间的紧密结合。
一、根据下述表1和表2中的涂层配方，制备一系列涂层(或熔覆层)：
表1实施例和对比例的涂层组成(纳米SiC颗粒和纳米Al2O3颗粒含量变化，铁基合金粉体的化学成分不变)
Figure BDA0003288219150000041
备注：表1中，按铁基合金粉体总含量的重量百分百计，所述铁基合金粉体的化学成分如下：Cu 2.0，Ti 0.8，Mn 0.3，Al 1.5，Si 5.5，Ni 16.0，C 0.03，余量为Fe及不可避免的杂质。
表2实施例和对比例的涂层组成(纳米SiC颗粒和纳米Al2O3颗粒含量不变，铁基合金粉体的化学成分不变)
Figure BDA0003288219150000042
备注：表2中，纳米Al2O3颗粒的含量为1.3wt％，纳米SiC颗粒的含量为7.5wt％，余量为铁基合金粉体。
二、对涂层进行磨损实验：
1、制备测试试样
试样：采用45号钢作为基底材料，其表面通过CO2激光器激光熔覆涂层，涂层的组分采用表1和表2所述成分。将表1和表2中实施例1-7，对比例1-7所对应涂层制成的试样均进行下述试验。
2、激光熔覆后的试样进行涂层组织和硬度分析
激光熔覆后的试样的硬度测试采用HVS-1000型显微镜维氏硬度计，所用载荷为200g，加载保持时间为15s。
经显微维氏硬度计测试，实施例1-7所对应涂层激光熔覆后的试样的平均硬度达到HV1000以上，其硬度大约是对比例1-2的2倍左右，是对比例3-4的2.5倍左右，是实施例5和实施例6的3-4倍左右，是对比例7的4倍左右。对比例7中硬度最低，是由于对比例5中不含Ni，无法形成大量的TiC硬质增强相，并让使得涂层的硬度降低。
3、激光熔覆后的试样进行摩擦磨损实验
摩擦磨损实验采用MXP-2000型摩擦磨损试验机进行；每种摩擦采用不同试验载荷，即100～500N，间隔为100N，试验转速1102r/min，每种载荷的磨损试验时间均为10h。在磨损10h后，结束磨损试验将试样取下，冲洗干净后放在分析天平(精度为万分之一)上称量试验磨损前后的重量，每次测试3次，并取平均值，随后计算出每个试样的磨损量，实施例1-7、对比例1-7所对应涂层制成的试样磨损量具体如表3所示。
表3各种试样在不同载荷下的磨损量/mg
载荷/N 100 200 300 400 500
实施例1 10.1±0.3 24.5±0.7 48.3±0.2 61.4±0.7 71.8±1.2
实施例2 7.3±0.1 21.6±0.5 40.9±0.3 43.2±1.3 48.3±1.4
实施例3 6.8±0.3 20.1±0.3 39.4±0.9 41.1±1.1 45.7±1.1
实施例4 7.2±0.2 21.4±0.2 41.5±0.8 46.5±1.3 50.6±1.5
实施例5 8.4±0.7 23.8±0.3 43.1±0.7 55.8±1.0 69.2±1.8
实施例6 9.9±0.2 24.3±0.4 46.6±0.6 59.3±0.1 67.1±1.2
实施例7 8.1±0.1 22.6±0.8 42.2±0.3 53.4±1.6 66.9±1.2
对比例1 13.5±0.7 38.2±0.7 76.9±1.4 88.5±1.3 94.6±1.9
对比例2 14.5±0.6 40.4±0.4 79.3±1.1 90.2±1.2 97.1±1.3
对比例3 18.4±0.3 58.1±0.4 117.8±1.2 124.3±1.1 138.4±2.3
对比例4 20.6±0.2 63.9±1.0 118.3±2.4 126.1±2.6 141.5±2.7
对比例5 22.5±0.5 67.4±0.8 125.7±1.6 145.4±1.8 161.2±1.3
对比例6 25.7±0.7 73.1±0.7 135.2±1.0 155.3±1.4 176.2±1.8
对比例7 26.1±0.9 84.3±1.4 159.5±2.2 165.8±2.5 182.3±2.6
由表3可知，实施例1-7所对应涂层激光熔覆后的试样的耐磨性比对比例1-7所得试样的耐磨性高出数倍以上，显示出优良的耐磨性能，而且只有涂层中纳米Al2O3颗粒的含量为1.0～1.5wt％，纳米SiC颗粒的含量为6.0～8.5wt％；且铁基合金粉体的化学成分包含Cu 1.4～2.7％，Ti 0.6～0.9％，Mn 0.2～0.4％，Al 1.4～1.7％，Si 4.4～7.6％，Ni 14.2～18.5％，C0.03～0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质，涂层中各个成分协同作用，才使其耐磨性好。
二、将实施例3涂层激光熔覆在烤盘/锅具制成不粘烤盘/锅具的内表面，不粘烤盘/锅具进行不粘特性测试
用沾有植物油的软布清揩不粘烤盘/锅具(实施例3涂层激光熔覆在烤盘/锅具制成)的内涂层表面，用温水加洗涤剂清洗后、揩干。再将不粘烤盘/锅具加热，用表面温度计测量，内涂层表面温度在140℃-170℃时，将一只新鲜的鸡蛋破壳后放入烤盘/锅具内，不加植物食用油或其它脂肪油，待蛋白基本凝固(不粘烤盘/锅具的内涂层温度不超过210℃)。用非金属铲无损伤取出鸡蛋，并能用软布擦清涂层表面，连续3次均可达到上述效果，这说明本发明所得涂层的不粘性能合格。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种耐高温耐磨不粘烤盘涂层，其特征在于，按重量百分比计，该涂层包含铁基合金粉体、纳米SiC颗粒和纳米Al2O3颗粒；其中，纳米Al2O3颗粒的含量为1.0~1.5wt%，纳米SiC颗粒的含量为6.0~8.5wt%，余量为铁基合金粉体；
所述铁基合金粉体的化学成分如下：Cu 1.4～2.7％，Ti 0.6～0.9％，Mn 0.2～0.4％，Al1.4～1.7％，Si 4.4～7.6％，Ni 14.2～18.5％，C0.03~0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温耐磨不粘烤盘涂层，其特征在于，按重量百分比计，该涂层包含铁基合金粉体、纳米SiC颗粒和纳米Al2O3颗粒；其中，纳米Al2O3颗粒的含量为1.2~1.3wt%，纳米SiC颗粒的含量为7.5~8.0%，余量为铁基合金粉体。
3.根据权利要求1所述的一种耐高温耐磨不粘烤盘涂层，其特征在于，按铁基合金粉体总含量的重量百分百计，所述铁基合金粉体的化学成分如下：Cu 2.0～2.5％，Ti 0.8～0.85％，Mn 0.3～0.4％，Al1.5～1.6％，Si 5.5～7.0％，Ni 16.0～17.5％，C0.03~0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质。
4.基于权利要求2或3所述的耐高温耐磨不粘烤盘涂层的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一、制备铁基合金粉体：依据上述铁基合金粉体组分熔炼合金锭，并通过气雾化法制粉获得合金粉末；
步骤二、将纳米SiC颗粒、纳米Al2O3颗粒和铁基合金粉体混合得到的复合粉体进行球磨；
步骤三、将步骤二所得复合粉体压置于基体表面形成熔覆层，然后采用激光熔覆设备将熔覆层熔覆在基体表面，熔覆在基体表面的熔覆层即为所述涂层。
5.根据权利要求4所述的一种耐高温耐磨不粘烤盘涂层的制备方法，其特征在于，所述基体为烤盘或锅具。
6.根据权利要求5所述的一种耐高温耐磨不粘烤盘涂层的制备方法，其特征在于，所述基体设置熔覆层前进行喷砂处理。
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