DE69919111T2 - Induktionsgeheiztes Kochgefäss und Legierung zur Herstellung eines solchen Gefässes - Google Patents

Induktionsgeheiztes Kochgefäss und Legierung zur Herstellung eines solchen Gefässes Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kochgeschirr, das durch Induktion geheizt werden soll.
  • Ein Kochgeschirr, wie insbesondere Kasserollen, Kochtöpfe oder Pfannen, wird im Allgemeinen aus einer mit Nahrungsmitteln verträglichen Legierung hergestellt, beispielsweise einem austenitischen nichtrostenden Stahl oder einer Aluminiumlegierung. Wenn Kochgeschirr durch Induktion erwärmt werden soll, weist es im äußeren Bereich des Bodens einen Einsatz aus einer ferromagnetischen Legierung auf. Die mit Nahrungsmitteln verträglichen Legierungen sind nämlich im Allgemeinen nichtmagnetisch und können wegen des im Allgemeinen maßgeblichen Frequenzbereichs (20 bis 50 kHz) nicht durch Induktion erwärmt werden. Der Einsatz aus einer ferromagnetischen Legierung kann dagegen durch Induktion erwärmt werden und bildet den Heizbereich. Es gibt verschiedene Ausführungsformen. Wenn der Behälter beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung besteht, kann der Heizbereich ein in den Boden des Geschirrs eingelassenes Gitter sein. Wenn das Geschirr aus austenitischem nichtrostendem Stahl besteht, besteht der Heizbereich aus einer Platte aus einer ferromagnetischen Legierung, die an der Außenwand des Bodens angebracht ist und die entweder über eine Aluminiumschicht, die dazu dient, die Wärme besser zu verteilen, von der Wand getrennt ist oder an den Boden angefügt und an ihrer Außenfläche von einer Schicht aus austenitischem nichtrostendem Stahl bedeckt ist, die dazu dient, eine hohe Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten.
  • Im Allgemeinen ist das für den Heizbereich verwendete ferromagnetische Material ein ferritischer nichtrostender Stahl. Diese Technik hat den Nachteil, dass bis zu Temperaturen von 600°C induktiv erwärmt werden kann, wenn das Geschirr auf der Vorrichtung zum induktiven Erwärmen belassen wird. Daraus ergibt sich, dass die Lebensmittel verbrannt werden können und das Geschirr beschädigt werden kann.
  • Um diesem Nachteil abzuhelfen, wurde insbesondere in den französischen Patentanmeldungen 2 527 916, 2 453 627 und 2 689 748 vorgeschlagen, Heizbereiche aus einer ferromagnetischen Legierung zu verwenden, die eine nicht zu hohe Curie-Temperatur, beispielsweise im Bereich von 60 bis 350°C, aufweisen, um Überhitzung zu verhindern. Ein Heizbereich aus einer ferromagnetischen Legierung, deren Curie-Temperatur nicht zu hoch ist, ist interessant, weil der Heizbereich allmählich nichtmagnetisch wird, wenn die Temperatur des Heizelements in die Nähe der Curie-Temperatur der Legierung kommt, sodass nicht weiter erwärmt wird. Daraus ergibt sich ein thermostatischer Effekt, der zur Folge hat, dass die Temperatur am Boden des Kochgeschirrs nicht über die Curie-Temperatur der Legierung steigen kann, aus der der Heizbereich besteht. Es wird darauf hingewiesen, dass in den oben genannten Patentanmeldungen die verwendbaren Legierungen entweder nur sehr ungenau angegeben sind oder sogar vorgeschlagen wird, Legierungen zu verwenden, die für die beabsichtigte Verwendung nicht geeignet sind. In der französischen Patentanmeldung 2 689 748 wird beispielsweise vorgeschlagen, entweder FeNi36, FeNi18Co9Mo5 oder FeNi80Mo5 zu verwenden. Keine dieser Lösungen ist jedoch zufrieden stellend.
  • Die Legierung FeNi36 ist wohlbekannt. Es handelt sich um eine Legierung mit einem sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines austenitischen nichtrostenden Stahls oder einer Aluminiumlegierung nicht kompatibel ist. Aus der Verwendung dieser Legierung ergibt sich ein sehr großer Bimetalleffekt, der zu einer Deformation des Bodens des Kochgeschirrs oder zum Ablösen des Heizelements führt. Außerdem ist diese Legierung nicht nichtrostend.
  • Die Legierung FeNi18Co9Mo5 ist ein wohlbekannter Maraging-Stahl, der jedoch die erforderlichen Eigenschaften nicht in vollem Maße besitzt. Ihre Wahl ergibt sich wahrscheinlich aus einer Unklarheit hinsichtlich der Curie-Temperatur und dem Punkt Ms der martensitischen Umformung.
  • Die ebenfalls wohlbekannte Legierung FeNi80Mo5 ist ebenfalls ungeeignet, da ihre Curie-Temperatur etwa 450°C beträgt.
  • Kochgeschirr, das durch Induktion erwärmt werden soll, weist im Übrigen einen weiteren Nachteil auf, nämlich dass es einen unangenehmen Pfeifton hervorbringt, wenn es erwärmt wird.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Mittel für die Herstellung eines Kochgeschirrs anzugeben, das durch Induktion geheizt werden kann, das ohne Gefahr der Überhitzung auf einer Vorrichtung, die induktiv heizt, belassen werden kann und dessen induktives Erwärmen nicht zu Geräuschen führt.
  • Der Gegenstand der Erfindung ist daher ein Kochgeschirr, das induktiv erwärmt werden soll und das einen Heizbereich aus einer ferromagnetischen Legierung aufweist, deren Curie-Temperatur im Bereich von 150 bis 370°C und vorzugsweise unter 350°C liegt und die einen Absolutwert des Koeffizienten der Magnetostriktion λs ≤ 5 × 10–6 aufweist. Die Legierung besitzt vorzugsweise eine Curie-Temperatur von 275 bis 340°C und noch besser von 275 bis 325°C und einen Absolutwert des Koeffizienten der Magnetostriktion λs ≤ 3 × 10–6.
  • Die ferromagnetische Legierung, die den Heizbereich bildet, ist beispielsweise eine Legierung vom Typ FeNiCuX, wobei X ein oder mehrere Elemente bedeutet, die unter Cr, Mo, Mn, Si, Al, W, Nb, V und Ti ausgewählt sind, wobei die chemische Zusammensetzung der Legierung (in Gewichtsprozent) so ist, dass gilt: 50% ≤ Ni ≤ 85% 0% ≤ Cu ≤ 50% 0% ≤ X ≤ 12% (35/25) × (75 – Ni) ≤ Cu ≤ (50/35) × (85 – Ni) (7/20) × (Ni – 65) ≤ X ≤ (12/35) × (Ni – 50)mit: X = Cr + Mo + Mn + Si + Al + W + Nb + V + Ti,
    wobei der Rest aus Eisen und aus der Verarbeitung stammenden Verunreinigungen besteht.
  • Die chemische Zusammensetzung der Legierung ist vorzugsweise so, dass gilt: 55% ≤ Ni ≤ 65% 22% ≤ Cu ≤ 36% 0% ≤ X ≤ 3%.
  • Der Kupfergehalt liegt noch besser im Bereich von 25 bis 35%.
  • Der Heizbereich kann aus einem in den Boden des Geschirrs integrierten Einsatz bestehen und er kann insbesondere eine Platte sein.
  • Der Heizbereich kann auch die Wand des Geschirrs bilden und zumindest in seinem Innenbereich von einer Emailleschicht bedeckt sein.
  • Die Erfindung bezieht sich auch auf die Legierung, aus der der Heizbereich besteht.
  • Die Erfindung wird nun im Folgenden durch Beispiele näher erläutert, wobei dies nicht einschränkend zu verstehen ist.
  • Die Erfinder haben festgestellt, dass es mit einem Kochgeschirr, wie beispielsweise einer Kasserolle, dessen Wand aus einer ferromagnetischen Legierung mit einer Curie-Temperatur in der Gegend von 150°C besteht, möglich ist, Wasser induktiv auf etwa 100°C zu erwärmen. Wenn die Curie-Temperatur in der Größenordnung von 300 bis 350°C liegt, ist es möglich, Öl auf etwa 200°C zu erwärmen, ohne dass die Temperatur auf zu hohe Werte steigt. Die Curie-Temperatur kann über 350°C liegen, vorzugsweise bleibt sie jedoch unter 370°C.
  • Die Erfinder haben außerdem erstmals festgestellt, dass das induktive Erwärmen nicht zu unangenehmen Geräuschen führt, die in der Regel beim induktiven Erwärmen auftreten, wenn die ferromagnetische Legierung einen niedrigen Magnetostriktionskoeffizienten λs besitzt, d. h. einen Koeffizienten, dessen Absolutwert unter 5 × 10–6 und vorzugsweise unter 3 × 10–6 liegt.
  • Die Erfinder haben ferner erstmals festgestellt, dass eine Legierung mit der folgenden chemischen Zusammensetzung (in Gewichtsprozent): 50% ≤ Ni ≤ 85% 0% ≤ Cu ≤ 50% 0% ≤ X ≤ 12% (35/25) × (75 – Ni) ≤ Cu ≤ (50/35) × (85 – Ni) (7/20) × (Ni – 65) ≤ X ≤ (12/35) × (Ni – 50), mit: X = Cr + Mo + Mn + Si + Al + W + Nb + V + Ti,
    wobei der Rest aus Eisen und aus der Verarbeitung stammenden Verunreinigungen besteht, ferromagnetisch ist, eine Curie-Temperatur im Bereich von 150 bis 370°C aufweist, einen niedrigen Koeffizienten der Magnetostriktion λs besitzt (dessen Absolutwert unter 5 × 10–6 liegen kann) und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der beispielsweise mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines nichtrostenden Stahls kompatibel ist. Es ist möglich, gleichzeitig die Curie-Temperatur im Bereich von 250 bis 300°C oder in der Gegend von 300°C einzustellen, wodurch ein Geschirr hergestellt werden kann, das sowohl zum Erwärmen von Wasser als auch zum Erwärmen von Öl geeignet ist, und gleichzeitig den Magnetostriktionskoeffizienten so einzustellen, dass sein Absolutwert unter 3 × 10–6 liegt, was für die Verminderung der Geräuschentwicklung günstig ist, indem die chemische Zusammensetzung in dem oben definierten Bereich gewählt wird. Der Nickelgehalt sollte vorzugsweise im Bereich von 55 bis 65%, der Kupfergehalt im Bereich von 22 bis 36% und noch besser im Bereich von 25 bis 36% und X im Bereich von 0 bis 3% liegen.
  • Eisen, Nickel und Kupfer ermöglichen es, eine ferromagnetische Legierung zu erhalten, die einen sehr geringen Magnetostriktionskoeffizienten aufweist, wenn sie im Bereich der oben definierten Zusammensetzung enthalten sind.
  • Die zusätzlichen Elemente (Cr, Mo, Mn, Si, Al, W, Nb, V, Ti) ermöglichen es, die Curie-Temperatur einzustellen, ohne dass der Absolutwert des Koeffizienten der Magnetostriktion erhöht wird. Mit diesen Elementen können ferner weitere Eigenschaften der Legierung angepasst werden, wie insbesondere die Korrosionsfestigkeit, die mecha nische Festigkeit, und die Formgebungseigenschaften durch plastische Deformation in der Wärme oder Kälte. Mangan und Silicium können zwar nicht vorhanden sein, ihre Gehalte liegen jedoch aufgrund der Bedingungen bei der Verarbeitung im Allgemeinen insbesondere über 0,1%.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die Bereichsgrenzen für Kupfer, Nickel und die weiteren Elemente in der Zusammensetzung dazu führen, dass die Zusammensetzung ferner die folgenden Beziehungen erfüllt: 25 × Cu + 100 × X ≥ 350und 12 × Cu + 50 × X ≤ 600.
  • Die Zusammensetzung der Legierung erfüllt genauer in etwa die folgenden Beziehungen, damit der Magnetostriktionskoeffizient fast Null wird und die Curie-Temperatur bei etwa 300°C liegt: Ni = 80 – (35/50) × Cuund 100 × X = (Ni – 50)2.
  • Nach einer ersten Ausführungsform wird eine Kasserolle durch Tiefziehen eines Schnittteils aus einer ferromagnetischen Legierung mit einer Curie-Temperatur im Bereich von 150 bis 370°C und einem Absolutwert des Koeffizienten der Magnetostriktion λs ≤ 5 × 10–6 hergestellt, wobei vorzugsweise die Curie-Temperatur im Bereich von 275 bis 340°C und beispielsweise unter 325°C liegt und der Magnetostriktionskoeffizient λs (als Absolutwert) 3 × 10–6 beträgt oder darunter liegt. Die ferromagnetische Legierung ist beispielsweise eine Legierung, wie sie weiter oben definiert wurde. Um eine Kompatibili tät mit den Nahrungsmitteln, die in der Kasserolle erwärmt werden sollen, zu gewährleisten, ist zumindest die Innenwand der Kasserolle emailliert. Der Boden der Kasserolle dient somit als Heizelement.
  • Als erstes Beispiel wird ein experimentelles Kochgeschirr mit flachem Boden und einer nach oben etwas aufgeweiteten Seitenwand durch Tiefziehen eines Schnittteils mit einer Dicke von 1 mm aus einer ferromagnetischen Legierung hergestellt, deren chemische Zusammensetzung etwa 70,3% Ni, 14,2% Cu, 3,2% Cr, 0,55% Mn und 0,21% Si umfasst, wobei der Rest aus Eisen und aus der Verarbeitung stammenden Verunreinigungen besteht. Der Boden des Geschirrs weist einen Durchmesser von 230 mm auf, die Seitenwand ist 100 mm hoch. Die Curie-Temperatur der Legierung liegt in der Nähe von 300°C und der Absolutwert des Koeffizienten der Magnetostriktion liegt im Bereich von 1 × 10–6 bis 2 × 10–6. Das Kochgeschirr dient rein experimentellen Zwecken und ist daher nicht emailliert.
  • Wenn der leere Behälter auf einer induktiven Heizplatte eines im Handel erhältlichen Kochherds erwärmt wird, erreicht die Temperatur des Bodens einen Maximalwert von 240°C; dies zeigt, dass das Geschirr nicht stark beschädigt wird, wenn es versehentlich auf der Heizvorrichtung vergessen wird.
  • Wenn der Behälter zum Teil mit Sonnenblumenöl, das als Nahrungsmittel verwendet wird, gefüllt und, wie im vorhergehenden Fall, induktiv erwärmt wird, steigt die Temperatur des Öls bis auf etwa 190°C an, wobei der Temperaturanstieg im Vergleich mit dem Erwärmen auf einem großen Gasbrenner eines im Handel erhältlichen Gasherdes etwas schneller ist.
  • In beiden Fällen erfolgt das induktive Erwärmen ohne Geräuschentwicklung.
  • Als zweites Beispiel wird ein experimentelles Kochgeschirr hergestellt, das dem Kochgeschirr des vorhergehenden Beispiels entspricht, dessen ferromagnetische Legierung jedoch 80,5% Ni, 0,5% Cu, 8,3% Mo, 0,45% Mn und 0,1% Si enthält, wobei der Rest aus Eisen und aus der Verarbeitung stammenden Verunreinigungen besteht. Diese Legierung besitzt eine Curie-Temperatur und einen Magnetostriktionskoeffizienten, die den Werten der Legierung des vorhergehenden Beispiels sehr ähnlich sind. Die unter den gleichen Bedingungen durchgeführten Versuche führen zu identischen Ergebnissen. Insbesondere erfolgt das induktive Erwärmen ohne Geräuschentwicklung.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform besteht die Kasserolle im Wesentlichen aus einem austenitischen nichtrostenden Stahl, beispielsweise des Typs 18% Chrom und 8% Nickel; sie enthält einen mehrschichtigen Boden, der aus einer Aluminiumschicht besteht, die dazu dient, die Wärme zu verteilen, und einer Schicht aus einer ferromagnetischen Legierung mit einer Dicke von 0,6 bis 1 mm besteht, die eine Curie-Temperatur im Bereich von 150 bis 370°C und einen Absolutwert des Koeffizienten der Magnetostriktion λs ≤ 5 × 10–6 und vorzugsweise eine Curie-Temperatur im Bereich von 275 bis 340°C und beispielsweise unter 325°C und einen Absolutwert des Koeffizienten der Magnetostriktion λs von 3 × 10–6 oder darunter aufweist. Die ferromagnetische Legierung, die das Heizelement der Kasserolle bildet, ist beispielsweise eine Legierung wie sie oben definiert wurde.
  • Nach einer Ausführungsform wird die Legierungsschicht zwischen zwei Schichten aus austenitischem nichtrostendem Stahl eingebettet oder sie kann auch direkt auf den austenitischen nichtrostenden Stahl geschweißt werden, aus dem die Kasserolle im Wesentlichen besteht.
  • Nach einer dritten Ausführungsform ist das Kochgeschirr eine Pfanne, die im Wesentlichen aus einer Aluminiumlegierung besteht, deren Oberfläche, die mit den Nahrungsmitteln in Kontakt kommen soll, mit einem Antihaftmaterial beschichtet sein kann. Ein Gitter aus einer erfindungsgemäßen ferromagnetischen Legierung, das das Heizelement bildet, ist in den Boden der Pfanne eingelassen.
  • Es sind weitere Ausführungsformen vorstellbar, solange sie ein Heizelement aus einer ferromagnetischen Legierung aufweisen, deren Curie-Temperatur im Bereich von 150 bis 370°C und vorzugsweise 275 bis 340°C liegt und deren Absolutwert des Koeffizienten der Magnetostriktion λs ≤ 5 × 10–6 und vorzugsweise λs ≤ 3 × 10–6 ist.

Claims (16)

  1. Kochgeschirr, das durch Induktion geheizt werden soll und das einen Heizbereich aus einer ferromagnetischen Legierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetische Legierung eine Curie-Temperatur im Bereich von 150 bis 370°C und einen Absolutwert des Koeffizienten der Magnetostriktion λs ≤ 5 × 10–6 aufweist.
  2. Kochgeschirr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Curie-Temperatur unter 350 °C liegt.
  3. Kochgeschirr nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetische Legierung, aus der der Heizbereich besteht, eine Curie-Temperatur im Bereich von 275 bis 340°C und einen Absolutwert des Koeffizienten der Magnetostriktion λs ≤ 3 × 10–6 besitzt.
  4. Kochgeschirr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Curie-Temperatur unter 325°C liegt.
  5. Kochgeschirr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetische Legierung, aus der der Heizbereich besteht, eine Legierung vom Typ FeNiCuX ist, wobei X ein Element oder mehrere Elemente bedeutet, die unter Cr, Mo, Mn, Si, Al, W, Nb, V und Ti ausgewählt sind, wobei die chemische Zusammensetzung der Legierung (in Gew.-%) so ist, dass gilt: 50% ≤ Ni ≤ 85% 0% ≤ Cu ≤ 50% 0% ≤ X ≤ 12% (35/25) × (75 – Ni) ≤ Cu ≤ (50/35) × (85 – Ni) (7/20) × (Ni – 65) ≤ X ≤ (12/35) × (Ni – 50)mit X = Cr + Mo + Mn + Si + Al + W + Nb + V + Ti, wobei der Rest aus Eisen und aus der Verarbeitung stammenden Verunreinigungen besteht.
  6. Kochgeschirr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Zusammensetzung der Legierung, aus der der Heizbereich besteht, so ist, dass gilt: 55% ≤ Ni ≤ 65% 22% ≤ Cu ≤ 36% 0% ≤ X ≤ 3%.
  7. Kochgeschirr nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupfergehalt im Bereich von 25 bis 35% liegt.
  8. Kochgeschirr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizbereich aus einem Einsatz besteht, der in den Boden des Geschirrs eingebracht ist.
  9. Kochgeschirr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Einsatz um eine Platte handelt.
  10. Kochgeschirr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizbereich die Wand des Geschirrs bildet.
  11. Ferromagnetische Legierung vom Typ FeNiCuX, wobei X ein Element oder mehrere Elemente bedeutet, die unter Cr, Mo, Mn, Si, Al, W, Nb, V und Ti ausgewählt sind, zur Herstellung eines Kochgeschirrs nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die chemische Zusammensetzung der Legierung (in Gew.-%) so ist, das gilt: 50% ≤ Ni ≤ 85% 0% ≤ Cu ≤ 50% 0% ≤ X ≤ 12% (35/25) × (75 – Ni) ≤ Cu ≤ (50/35) × (85 – Ni) (7/20) × (Ni – 65) ≤ X ≤ (12/35) × (Ni – 50)mit X = Cr + Mo + Mn + Si + Al + W + Nb + V + Ti, wobei der Rest aus Eisen und aus der Verarbeitung stammenden Verunreinigungen besteht, wobei die Legierung eine Curie-Temperatur im Bereich von 150 bis 370°C und einen Absolutwert des Koeffizienten der Magnetostriktion λs ≤ 5 × 10–6 aufweist.
  12. Ferromagnetische Legierung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Curie-Temperatur unter 350°C liegt.
  13. Ferromagnetische Legierung nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ihre chemische Zusammensetzung so ist, dass gilt: 55% ≤ Ni ≤ 65% 22% ≤ Cu ≤ 36% 0% ≤ X ≤ 3%.
  14. Ferromagnetische Legierung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupfergehalt im Bereich von 25 bis 35% liegt.
  15. Ferromagnetische Legierung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Curie-Temperatur im Bereich von 275 bis 340°C und einen Absolutwert des Koeffizienten der Magnetostriktion λs ≤ 3 × 10–6 aufweist.
  16. Ferromagnetische Legierung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Curie-Temperatur unter 325°C liegt.
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