CN115181968A - 容器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种容器及其制造方法，其中，所述容器包括：容器本体和非晶结构涂层，非晶结构涂层为采用复合粉末通过冷喷涂形成在容器本体上的，其中，所述复合粉末包括第一粉末和第二粉末，第一粉末为与断裂伸长率大于12％的金属对应的粉末，第二粉末为比热容不大于0.442KJ·Kg^‑1K^‑1或导热系数不大于80W/(m·K)的铁基非晶合金粉末。根据本申请的容器能够形成具有低的导热系数或低的比热容并且耐腐蚀的保温层。

Description

容器及其制造方法

技术领域

本申请涉及生活必需品技术领域，具体涉及一种容器及其制造方法。

背景技术

保温杯不仅可以盛放热水，也可以盛放冰水等，因为其具有较好的保温性能，因此无论外出旅游还是居家使用都非常方便。现有保温杯的保温材料一般采用金属或者非金属。金属保温材料不耐腐蚀，非金属保温材料的保温效果差。因此，现有技术中的保温杯的保温效果和耐腐蚀性能仍有待提高。

发明内容

因此，本申请的目的在于提供一种容器及其制造方法，以解决现有技术中保温材料的保温效果差、不耐腐蚀等问题。

根据本申请的一方面，提供了一种容器，所述容器包括：容器本体；非晶结构涂层，采用复合粉末通过冷喷涂形成在容器本体上，其中，复合粉末包括第一粉末和第二粉末，第一粉末为与断裂伸长率大于12％的金属对应的粉末，第二粉末为比热容不大于0.442KJ·Kg^-1K^-1或导热系数不大于80W/(m·K)的铁基非晶合金粉末。

在一些实施例中，复合粉末还可以包括多孔陶瓷粉末。根据本申请的容器可以改善容器的保温性能，并且提高耐腐蚀性。

在一些实施例中，铁基非晶合金粉末中各成分质量分数为：Fe、40％-60％；Sn、20％-30％；Pb、5％～10％；余量为辅助元素。或者，铁基非晶合金粉末中各成分质量分数为：Fe、40％-60％；Pt、10％-20％；Cd、10％-20％；Zn、5％-10％；余量为辅助元素。辅助元素可以为C、P、Si和N中的至少一种。

在一些实施例中，第一粉末包括：Fe粉、Cu粉、Al粉、Ni粉、Fe合金粉、Cu合金粉、Al合金粉和Ni合金粉中的一种或者多种，多孔陶瓷粉末包括硅藻土或沸石。

在一些实施例中，在复合粉末中，第二粉末的质量份为：45-55份；第一粉末的质量份为：35-45份；多孔陶瓷粉末的质量份为：5-15份。

优选地，在复合粉末中，第二粉末的质量份为50份，第一粉末的质量份为40份，多孔陶瓷粉末的质量份为10份。

在一些实施例中，保温层的厚度为0.1mm-1mm，保温层的孔隙率为10％-30％。

通过添加多孔陶瓷粉末，使得形成的保温层的孔隙率进一步提高，由于孔隙内部可以填充诸如空气等的热不良导体，可以大幅降低容器壁的热传导，强化保温效果。而且，此种孔隙率的提高，是由于多孔陶瓷粉末固有的性质，不会因为孔隙率的提高而改变保温层的结合性能。此外，通过添加多孔陶瓷粉末还能够使形成的涂层重量进一步减轻。

根据本申请的另一方面，提供了一种容器的制造方法，包括：提供容器本体；采用复合粉末在所述容器本体上进行冷喷涂形成非晶结构涂层，以制造容器；其中，所述复合粉末包括：第一粉末和第二粉末，所述第一粉末为与断裂伸长率大于12％金属对应的粉末，所述第二粉末为比热容不大于0.442KJ·Kg^-1K^-1或导热系数不大于80W/(m·K)的铁基非晶合金粉末。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本申请的上述以及其他目的和特点将会变得更加清楚，在附图中：

图1是根据本申请实施例的容器的剖视图。

具体实施方式

将参照附图详细地描述根据本申请的实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的组件。

现在，将在下文中更充分地描述本发明构思。

本申请通过在容器的表面设置非晶合金涂层来提高容器的保温性能和耐腐蚀性。非晶合金又称为液态金属或金属玻璃，是一种具有短程有序、长程无序微观结构的新型合金材料。在固体中热量通过原子的震动和自由电子的运动来传递，然而非晶结构没有像晶体结构那样的晶界、孪晶、晶格缺陷、位错、层错等，其原子震动以及自由电子的移动更加困难，因此非晶结构是热和电的不良导体，导热系数相比晶体更低。因此，通过在容器的表面设置非晶合金涂层，能够提高容器的保温性能和耐腐蚀性。

容器，例如但不限于水杯或者保温桶，一般具有特殊的径长比和较薄的容器壁，而在容器制造过程中，正由于容器本身具有特殊的径长比和较薄的容器壁，因此为了避免容器变形，在其上形成涂层的过程中，需要尽量在相对较低的温度下进行。

另外，超音速冷喷涂(下面简称冷喷涂)是一种材料表面改性技术，通过冷喷涂方法形成涂层的优势在于：冷喷涂主要依靠复合粉末粒子变形产生机械结合，不会改变复合粉末的性质，且涂层的化学成分以及显微组织结构可与原材料基本保持一致，基本上不存在氧化、合金成分烧损、晶粒长大等现象，且温度相对较低，工艺难度小。

然而，并非所有的非晶合金均能够形成具有很好的保温性能的保温层。发明人研究发现，采用比热容或导热系数较低的铁基非晶合金粉末形成保温层，能够在一定程度上使得容器兼具优异的保温性能和高耐腐蚀性的特点。考虑到容器本身的性质以及非晶结构冷喷涂的沉积效率差等问题，通过添加塑性较高的金属粉末与上述铁基非晶合金粉末复合，能够得到提高了塑性的复合粉末，从而能够形成低比热容、低导热系数且具有非晶结构的保温层，如此形成的容器具有优异的保温性能以及耐腐蚀性。

如图1所示，根据本申请的一方面，提供了一种容器，所述容器包括：容器本体100和非晶结构涂层200，非晶结构涂层200采用复合粉末通过冷喷涂的方式形成在容器本体100上。其中，复合粉末的成分包括：第一粉末和第二粉末，第一粉末为断裂伸长率大于12％的金属对应的粉末，第二粉末为比热容不大于0.442KJ·Kg^-1K^-1或导热系数不大于80W/(m·K)的铁基非晶合金粉末。

在本申请的实施例中，容器本体100的材质可以为不锈钢或者钛，参照GB/T228.1-2010，能够测得金属或者合金的断裂伸长率，断裂伸长率大于12％的金属形成的第一粉末具有较好的塑性，而铁基非晶合金粉末的塑性相对较差。通过将第一粉末和铁基非晶合金粉末混合能有效改善复合粉末的塑性，提高复合粉末的沉积效率，提升复合粉末的利用率。本申请的第一粉末可以采用常规方法制备，这里不做过多限定。采用冷喷涂工艺，是由于冷喷涂的喷涂温度较低，可避免容器内壁受热变形，同时也能减少铁基非晶合金粉末在喷涂过程发生晶化转变。此外，保温层具有一定的孔隙率，使得形成的容器的保温性能进一步得到提升。

为了方便区别，以下第一粉末称为“金属粉末”，这里的金属只包括单一金属和与其对应的合金，不包括其他塑性较好的合金粉末，但本申请并不限制于此。第二粉末称为“铁基非晶合金粉末”。

在一些实施例中，铁基非晶合金粉末包括：Fe、Sn、Pb和辅助元素。当然，本申请实施例中的铁基非晶合金粉末的成分Sn和Pb还可以被铂(Pt)、镉(Cd)、锌(Zn)替代，具体地，铁基非晶合金粉末中各成分质量分数可以为：Fe、40％-60％；Pt、10％-20％；Cd、10％-20％；Zn、5％-10％；余量为辅助元素。本申请实施例不限于此。

Fe的导热系数为80W/(m.K)、Fe的比热容为0.442KJ.Kg^-1K^-1，Sn的导热系数为67W/(m.K)，Sn的比热容为0.228KJ.Kg^-1K^-1，Pb的导热系数为34.8W/(m.K)，Pb的比热容为0.130KJ.Kg^-1K^-1。

在这些实施例中，利用低导热系数和低比热容的Sn和Pb与Fe形成非晶合金，形成的铁基非晶合金粉末具有较低的熔点、比热容和导热系数，易于通过冷喷涂的方法喷涂到容器本体的表面上形成保温层，从而使得容器具有良好的保温效果。此外，设置Sn、Pb以及辅助元素等多种元素与Fe形成合金，借助各个元素之间的半径差异，有利于形成无序的非晶相，使得铁基非晶合金的形成更为容易。

进一步地，辅助元素包括：C、P、Si、N中的至少一种。

在这些实施例中，由于非金属与金属元素之间原子半径差异较大，更容易形成无序的非晶相，通过添加非金属元素作为辅助元素，能够提高铁基非晶合金的形成能力。

在一些实施例中，铁基非晶合金粉末中各成分质量分数为：Fe、40％-60％；Sn、20％-30％；Pb、5％～10％；C和P补足100％。

作为示例：Fe的质量分数可以为：40％、45％、50％、55％、60％；Sn的质量分数可以为：20％、22％、25％、28％、30％，Pb的质量分数可以为：5％、6％、7％、8％、9％、10％。

在这些实施例中，若Fe的质量分数低于40％，成本过高；若Fe的质量分数高于60％，则Sn和Pb的含量相对较少，降低合金导热系数和比热不明显，故控制Fe的质量分数为40％～60％。若Sn的质量分数低于20％，由于添加比例过小，降低合金熔点/软化点效果不明显，若Sn的质量分数高于30％，则合金硬度低，力学性能较差，形成的涂层不耐磨损，故控制Sn质量分数20％～30％。若Pb的质量分数低于5％，则由于添加比例过小，降低合金熔点效果不明显，若Pb的质量分数超过10％，则合金密度增加，影响整体涂层重量。此外，通过Sn和Pb与Fe形成非晶合金，能够充分利用各元素之间的半径差异，更利于形成非晶合金。

在一些实施例中，金属粉末包括：Fe粉、Cu粉、Al粉、Ni粉、Fe合金粉、Cu合金粉、Al合金粉、Ni合金粉中的一种或者多种。当然本申请实施例还可以添加其他的高塑性金属或者合金粉末。

在这些实施例中，由于铁基非晶合金粉末的塑性较差，通过添加高塑性金属粉末能够提高复合粉末的塑性，而Fe粉、Cu粉、Al粉、Ni粉或者与其对应的合金粉，均具有较好的塑性且价格实惠，能够提高冷喷涂粉末沉积效率，提高原料利用率，适合批量生产。

为了进一步提升保温效果，在一些实施例中，复合粉末包括金属粉末、铁基非晶合金粉末和多孔陶瓷粉末。

在这些实施例中，通过添加多孔陶瓷粉末，使得形成的保温层的孔隙率进一步提高，由于孔隙内部可以填充诸如空气等的热不良导体，孔隙结构中储存的空气在无对流的情况下，可以大幅降低容器壁的热传导，强化保温效果。而且，此种孔隙率的提高，借助于多孔陶瓷粉末固有的性质，不会因为孔隙率的提高而改变保温层的结合性能。此外，通过金属粉末与铁基非晶合金粉末形成的复合粉末，由于均采用金属，使得形成的保温层比重大，不利于减轻容器的重量，通过添加多孔陶瓷粉末还能够形成重量减轻的涂层。进一步地，保温层的孔隙率可以为10％-30％。

进一步地，多孔陶瓷粉末包括：硅藻土或沸石，或者还可以是具有多孔结构的其他材料，本申请不限于此。由于本申请的孔隙是多孔陶瓷粉末固有的结构，而非涂层制备过程中产生，因此并不会影响涂层的结合强度。

铁基非晶合金粉末和多孔陶瓷粉末均为塑性较差的材料，当复合粉末中的各成分合理配比时，高塑性的金属粉末能够提高复合粉末的塑性，进而在冷喷涂时能够提高复合粉末的沉积效率。

在一些实施例中，在复合粉末中，铁基非晶合金粉末的质量份为：45-55份；金属粉末的质量份为：35-45份；多孔陶瓷粉末的质量份为：5-15份。

进一步地，铁基非晶合金粉末的质量份为50份，金属粉末的质量份为40份，多孔陶瓷粉末的质量份为10份。

在一些实施例中，复合粉末通过球磨或者包覆造粒的方式混合形成。

具体的，当使用球磨混合时，可以通过以下具体步骤制备复合粉末：

步骤S101，将铁基非晶合金粉末与多孔陶瓷粉末、金属粉末按照一定比例混合后进行球磨。在球磨过程中，加入无水乙醇或聚乙烯醇，球磨的转速为1000r/min～5000r/min，球料比的范围为2：1～10：1，在惰性气氛下的保护下球磨20h～50h。

步骤S102，进行过筛筛选得到本申请的复合粉末。

在上述复合粉末的制备方法中，可以采用粒度为300目-1000目的铁基非晶合金、粒度为200目-600目的金属粉末、粒度为200目-600目的多孔陶瓷粉末制备得到相应粒度的复合粉末，筛选得到粒度为400目-1000目复合粉末。在本申请实施例中，复合粉末的粒度为400目-1000目，以方便后续的喷涂操作，粒度太小，工艺上难以实现，复合粉末制备的工艺成本太高，且喷涂过程中束流容易发散，会降低复合粉末沉积率，使成本进一步增加。由于冷喷涂涂层与容器本体为机械结合，粉末热变形较小，粉末粒度太大，则形成的非晶结构涂层表面粗糙，导致结构疏松，会使非晶结构涂层强度下降。这里，复合粉末的粒度可以是：500、600、700、800、900目，本申请不限于此。

在一些实施例中，保温层的厚度为0.1mm-1mm，厚度小于0.1mm，则保温效果不明显，厚度大于1mm，则涂层内应力增加，容易产生裂纹。

在采用复合粉末通过喷涂工艺形成保温层时，喷涂工艺的温度不宜过高，以免影响喷涂对容器壁造成的损坏。

在一些实施例中，冷喷涂的参数为：喷涂载气为氮气，载气压力10MPa～15MPa，喷涂温度500℃～800℃，喷涂距离20-40mm，送粉率3-8L/min，喷枪移动速率0.5-1.5mm/s，杯胚样品旋转速度80r/min～120r/min。

根据本申请实施例的保温层可以设置在炊具、容器等器具的表面上，起到保温的效果，当容器为单层容器壁时，例如单层保温杯，保温层可以设置在单层容器壁的外表面，当容器为双层容器壁时，例如双层保温杯，保温层可以设置在内杯壁的外表面，用于对内壁中的液体进行保温。

在一些实施例中，容器本体包括：外壁和内壁，内壁套设在外壁内，在外壁的内表面和内壁的外表面之间形成容纳空间，将保温层敷设在内壁的外表面上。

下面结合具体的实施例，对本申请的发明构思进行详细说明，但是本申请的保护范围不局限于实施例。

实施例1

根据本申请实施例的容器的制造方法，容器本体选用具有两层杯壁的保温杯的内杯壁，进行以下实验：

步骤S301，杯胚前处理：清洗内杯壁再喷砂粗化。

步骤S302，将混合均匀的复合粉末加入送粉腔，其中，复合粉末包括重量为5:4:1的铁基非晶合金粉末、Al合金粉(3003系)以及硅藻土，其中铁基非晶合金粉末包括：Fe、45％；Sn、30％；Pb、10％，余量为C、P。这里的Al合金粉采用3003系铝合金形成。

步骤S303，开启送气站加压，当控制面板上压力显示达到8MPa时开始试喷，观察粉末沉积情况，根据试喷效果调整喷枪移动速率以及内杯壁的旋转速率，使喷涂层厚度均匀。

步骤S304，参数调整好后开始正式喷涂样品，将内杯壁外侧的保温层喷完后再焊接外杯壁，以制造保温杯，其中，喷涂载气为氮气，载气压力10MPa，喷涂温度600℃，喷涂距离30mm，送粉率5L/min，喷枪移动速率1mm/s，杯胚样品旋转速度100r/min。

实施例2

除了用沸石代替复合粉末中的硅藻土之外，按照与实施例1相同的方法进行。

实施例3

除了用Fe粉代替复合粉末中的Al合金粉之外，按照与实施例1相同的方法进行。

实施例4

除了复合粉末中不包含硅藻土之外，按照与实施例1相同的方法进行。

实施例5

除了复合粉末中不包含硅藻土并且铁基非晶合金粉末与Al合金粉(3003系)的重量比为4.5:3.5之外，按照与实施例1相同的方法进行。

实施例6

除了复合粉末中不包含硅藻土并且铁基非晶合金粉末与Al合金粉(3003系)的重量比为5.5:4.5之外，按照与实施例1相同的方法进行。

实施例7

除了复合粉末中的铁基非晶合金粉末、Al合金粉(3003系)以及硅藻土的重量比为4.5:3.5:1之外，按照与实施例1相同的方法进行。

实施例8

除了复合粉末中的铁基非晶合金粉末、Al合金粉(3003系)以及硅藻土的重量比为5.5:4.5:1之外，按照与实施例1相同的方法进行。

对比例1

除了仅采用铁基非晶合金粉末作为喷涂原料之外，按照与实施例1相同的方法进行。

对比例2

除了仅采用铁基非晶合金粉末和铸铁粉作为喷涂原料并且铁基非晶合金粉末和铸铁粉的重量比为5:4之外，按照与实施例1相同的方法进行，其中，参照GB/T 228.1-2010标准，铸铁的断裂伸长率为8％。

对比例3

除了采用比热容大于0.442KJ·Kg^-1K^-1的铁基非晶合金和铝合金粉以5:4的重量比作为喷涂原料并且铁基非晶合金中各成分质量比为Fe：60％；Al：20％；Ni：15％；C：5％之外，按照与实施例1相同的方法进行。

对比例4

除了采用导热系数大于80W/(m·K)的铁基非晶合金和铝合金粉以5:4的重量比作为喷涂原料并且铁基非晶合金中各成分质量比为Fe：60％；Al：20％；Si：10％；Cr：5％；B：5％之外，按照与实施例1相同的方法进行。

具体对比详细参见下面的表1：

表1

性能指标测试

1、对上述实施例1～8和对比例1～4中获得的容器进行测试，并将测试结果记录在表2中，具体对其进行下述测试：

(1)孔隙率测试-金相法：

通过金相显微镜观察样品截面，再通过IQmeterial软件设置不同衬度来测量孔隙率。

(2)保温时间测试方法：

将电阻式温度传感器置于容器中，再将300mL温度为100℃的开水倒入容器中，马上盖紧杯盖，记录容器内热水由100℃降至50℃时所需时间即为保温时间。

(3)工艺性(复合粉末沉积效率)测试方法：

采用相同冷喷涂工艺对所述实施例和对比例粉末进行喷涂，记录喷10个样品所消耗的粉末为X克，则单个样品平均消耗(X/10)克；再对10个样品喷涂前和喷涂后进行称重，利用减重法计算得到10个样品上分别沉积了Y1、Y2、Y3……Y10克，则平均每个样品上沉积Y平均＝(Y1+Y2+Y3+…Y10)/10，计算得到：沉积效率％＝Y平均/(X/10)，粉末沉积效率低于40％为不合格，高于40％为合格。

表2为实施例1～8和对比例1～4的性能测试表

由表1可以看出，通过将第一粉末和铁基非晶合金粉末混合获得的复合粉末沉积效率大幅度提升，提升了复合粉末的利用率。且在添加多孔陶瓷粉末后，所形成的涂层具有提高的孔隙率以及更好的保温效果。

虽然上面已经详细描述了本申请的实施例，但本领域技术人员在不脱离本申请的精神和范围内，可对本申请的实施例做出各种修改和变形。但是应当理解，在本领域技术人员看来，这些修改和变形仍将落入权利要求所限定的本申请的实施例的精神和范围内。

Claims (10)

1.一种容器，其特征在于，所述容器包括：

容器本体；

非晶结构涂层，采用复合粉末通过冷喷涂形成在所述容器本体上，

其中，所述复合粉末包括第一粉末和第二粉末，所述第一粉末为与断裂伸长率大于12％的金属对应的粉末，所述第二粉末为比热容不大于0.442KJ·Kg^-1K^-1或导热系数不大于80W/(m·K)的铁基非晶合金粉末。

2.根据权利要求1所述的容器，其特征在于，所述复合粉末还包括多孔陶瓷粉末。

3.根据权利要求1所述的容器，其特征在于，所述铁基非晶合金粉末中各成分质量分数为：Fe、40％-60％；Sn、20％-30％；Pb、5％～10％；余量为辅助元素。

4.根据权利要求1所述的容器，其特征在于，所述铁基非晶合金粉末中各成分质量分数为：Fe、40％-60％；Pt、10％-20％；Cd、10％-20％；Zn、5％-10％；余量为辅助元素。

5.根据权利要求3或4所述的容器，其特征在于，所述辅助元素为C、P、Si和N中的至少一种。

6.根据权利要求2所述的容器，其特征在于，所述第一粉末包括：Fe粉、Cu粉、Al粉、Ni粉、Fe合金粉、Cu合金粉、Al合金粉和Ni合金粉中的至少一种，所述多孔陶瓷粉末包括硅藻土或沸石。

7.根据权利要求2所述的容器，其特征在于，在所述复合粉末中，所述第二粉末的质量份为：45-55份；所述第一粉末的质量份为：35-45份；所述多孔陶瓷粉末的质量份为：5-15份。

8.根据权利要求7所述的容器，其特征在于，在所述复合粉末中，所述第二粉末的质量份为50份，所述第一粉末的质量份为40份，所述多孔陶瓷粉末的质量份为10份。

9.根据权利要求2所述的容器，其特征在于，所述保温层的厚度为0.1mm-1mm，所述保温层的孔隙率为10％-30％。

10.一种容器的制造方法，其特征在于，包括：

提供容器本体；

采用复合粉末在所述容器本体上进行冷喷涂形成非晶结构涂层，以制造容器；

其中，所述复合粉末包括：第一粉末和第二粉末，所述第一粉末为与断裂伸长率大于12％金属对应的粉末，所述第二粉末为比热容不大于0.442KJ·Kg^-1K^-1或导热系数不大于80W/(m·K)的铁基非晶合金粉末。

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