FR2784280A1

FR2784280A1 - Composites ceramique metal obtenus par projection thermique pour articles de chauffe

Info

Publication number: FR2784280A1
Application number: FR9812644A
Authority: FR
Inventors: Daniel Bernard
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-10-08
Filing date: 1998-10-08
Publication date: 2000-04-14
Anticipated expiration: 2018-10-08
Also published as: FR2784280B1

Abstract

Composites céramique métal obtenus par projection thermique pour articles de chauffe. L'invention se rapporte à la réalisation par projection thermique de revêtements composites constitués des deux phases céramique et métallique et destinés à apporter aux fonds d'ustensiles de cuisson traités, la non déformabilité dans leur domaine d'utilisation, la compatibilité avec les diverses possibilités de chauffage possibles et la résistance à l'usure. Le revêtement composite est obtenu par projection par flamme, HVOF ou plasma de mélange de poudres céramique et métallique en respectant les pourcentages respectifs des phases en présence ou alors par projection de poudres composites agglomérées. Il possède des propriétés de non déformabilité (dans son domaine d'utilisation), une bonne aptitude à conduire la chaleur et le courant électrique, une bonne usinabilité et une bonne résistance à l'usure. Ce type de revêtement, moyennant qu'il est réalisé sur une couche isolante électrique (réalisée par projection plasma d'alumine par exemple), convient aussi à la réalisation de socle de fer à repasser ou des face de ciseaux à fil de coupe chauffant.

Description

! OBJET La présente invention se rapporte à la réalisation de revêtements

composites constitués des deux phases céramique et métallique (la phase principale étant la matrice et l'autre le renfort), et destinés à apporter à l'objet traité des propriétés physiques nouvelles permettant une utilisation améliorée et plus performante. Parmi les applications visées nous citerons les emballages alimentaires ou ustensiles destinés à la cuisson ou au réchauffement des aliments (plaques, fours, enceintes de toutes formes telles casseroles, poêle à frire, marmite, fait tout, etc....) et divers articles pouvant être utilisés dans la vie courante tels fers à repasser, ciseaux avec fil de coupe chaud, etc.10 Les performances de ces nouveaux revêtements allient simultanément: résistances aux chocs, à l'abrasion (rayures) et aux chocs thermiques, non déformabilité dans leur

domaine d'utilisation, et compatibilité avec les diverses possibilités de chauffage possibles. La description de l'invention se fera dans le contexte des ustensiles de cuisson; l'extension de ses domaines d'application sera ensuite exposée.15

ETAT DE L'ART

De nombreuses sortes d'ustensiles de cuisson des aliments existent de part le monde et on fait l'objet de multiples perfectionnements que ce soit en ce qui concerne leurs formes et les propriétés physiques (en particuliers thermo-mécaniques) de leur surfaces de contact interne (en contact avec l'aliment à réchauffer ou à cuire) et externe (en contact avec la source de chaleur). Ces ustensiles sont principalement en acier inoxydable, en aluminium ou en fonte; ils peuvent aussi être en verre ou en terre cuite. Dans tous les cas les critères suivants sont recherchés: 1- non déformabilité25 (bombement excessif en forme généralement concave) du fond du récipient pour assurer d'une part la plus grande surface de contact avec la source de chaleur et

d'autre part le bon positionnement et la stabilité du récipient sur la source de chaleur, avec pour objectif final le chauffement homogène et optimal des aliments, 2- la possibilité de pouvoir utiliser le récipient avec tout type de moyen de chauffage30 (cuisson à feu nu (flamme gaz ou autre combustible), cuisinières électriques à plaques métalliques ou céramiques, fours micro-ondes, cuisinières à induction,... ), 3- l'anti-

adhérence de la partie interne du récipient en contact avec les aliments et 4- la bonne résistance aux contraintes d'utilisations journalières (rayage par les produits nettoyants ou autres aggressions, chocs mécaniques ou thermiques). La présente35 invention concerne l'amélioration et l'optimisation de la partie externe des ustensiles de cuisson, à savoir les points 1-, 2- et 4-juste précédemment décrits.

2 Parmi les améliorations notables des fonds d'ustensils de cuisson réalisées, il est intéressant de citer les suivantes: le brevet N 2556577 décrit un moyen pour éviter au fond des ustensiles de cuisine de se bomber avec la fréquence de leur emploi sous l'action de la chaleur, ce qui nuit à la5 qualité de cuisson des aliments (nécessité de plus de matière grasse (qui se concentre dans la partie basse de la concavité) si l'on veut éviter de calciner les bords de l'aliment ou les parties ne baignant pas dans l'huile et ainsi avoir une cuisson plus régulière et digeste). Le système décrit consiste à " rendre plus épais le dessous du fond en partant du centre ou du milieu du récipient et d'en diminuer progressivement10 l'épaisseur en allant vers la périphérie; la partie centrale du récipient étant plus épaisse donc plus résistante obligera le métal moins épais de la périphérie à subir les contraintes de la dilatation. Ce sytème a pour inconvénient de réduire la surface de chauffe et peut conduire dans certains cas à un état de cuisson différent entre l'aliment au centre et celui se situant en périphérie du récipient (cas d'un bifteck par15 exemple). Une autre structure de fond pour ustensile de cuisson est proposée dans le brevet N 2572639. Cette structure a pour but de donner une transmission de chaleur meilleure et plus uniforme et une plus grande stabilité du fond dans le temps. Le fond est alors caractérisé en ce qu'il comporte des gorges concentriques, lesquelles sont20 pourvues d'un revêtement en émail, les gorges agissant comme des nervures de renforcement et les revêtements des gorges permettent la transmission de chaleur entre la plaque chauffante et l'ustensile de cuisson. La réalisation de ce type de fond peut être d'un coût relativement élevé car en plus de son usinage pour le rendre parfaitement plan, les gorges doivent être usinées puis ensuite être comblées par25 l'émail. L'utilisation de telles structures en chocs thermiques violents (poêle très chaude plongée dans l'eau froide) peut conduire à la longue à la fissuration de l'émail et sa désolidarisation de la gorge. Le brevet EP064845A1 propose dans le cas de récipients de cuisson en aluminium ou autre alliage léger, de réaliser un fond légèrement concave et comportant un insert en30 acier; dans ce cas l'utilisation d'insert en acier nuit à la légèreté de l'aluminium. De plus pour une utilisation intensive, les contraintes résultant des différences de

dilatation de l'aluminium et du renfort en acier qui sont générées à chaque cycle de chauffage-refroidissement, peuvent entraîner rapidement la déformation du fond de l'ustensile et, à plus ou moins long terme, une rupture des liaisons entre le fond et35 l'élément de renfort.

3 Le brevet 2717062 propose dans ce cas d'ustensiles de cuisson avec fond en alliage

d'aluminium, de revêtir par le principe de métallisation ce dernier d'une couche de métal ou d'alliage plus dur que l'aluminium; cette couche une fois rendue lisse et plane étant recouverte d'une peinture ou d'un émail. L'utilisation d'un métal ou d'un5 alliage ferromagnétique permettra en plus de rendre le récipient compatible avec le chauffage par induction.

A cause de la conductivité thermique moindre du revêtement (à structure lamellaire et porosités) de l'alliage dur par rapport à celle de l'aluminium, il est à craindre dans ce cas une mauvaise répartition de la chaleur dans la partie du fond du récipient, ce qui10 peut provoquer des concentrations de contraintes thermiques et conduire à la déformation du fond. Le brevet N 0222699 propose de " glisser " un disque de cuivre dans le fond du récipient de cuisson pour pallier à ce problème; la réalisation d'un récipient de cuisson compatible avec les divers modes de cuisson existants proposée dans ce brevet est assez compliquée et donc onéreux.15 Enfin le brevet WO9621384A1960718 propose un fond indéformable en céramique technique thermoconductrice et résistance aux chocs thermiques avec pratiquement

aucune dilatation à la chaleur, telle les nitrures de silicium ou d'aluminium ou le carbure de silicium. Le point faible de ces matériaux est leur fragilité et leur difficulté à être rectifiés avec des outillages conventionnels.

OBJET DE L'INVENTION

La présente invention concerne la réalisation de revêtements composites par projection thermique (à la flamme ou par plasma) ou tout autre technique permettant25 d'obtenir un traitement similaire en particulier sur des ustensiles et appareils destinés à la chauffe. Pratiquement un traitement peut être réalisé sur la surface extérieure d'un récipient de cuisson pour rendre son fond indéformable et résistant à l'usage et/ou compatible avec tout moyen de chauffage (voir énumération en début de l'ETAT DE L'ART).30 Il est proposé de réaliser un traitement incluant une matrice à phase céramique (très dure, à faible coefficient de dilatation et résistante aux chocs thermiques,...) et une seconde phase du type métallique a fortes conductivités thermique et électrique. Ce traitement de surface composite est réalisé par projection thermique de poudres; le pourcentage (volumique ou massique) de céramique doit être suffisant pour permettre35 une " ossature " solide. Dans certains cas, comme celui d'un chauffage par induction o la surface susceptrice doit être " compatible ", ce pourcentage ne peut cependant

être supérieur à une certaine valeur (par exemple 45% massique d'alumine pour un mélange alumine fer).

Dans le cas de mise en forme de la structure composite par projection thermique, les particules de poudre sont introduites dans une flamme ou un plasma pour y être plus5 ou moins fondues et accélérées avant d'aller s'écraser sur le support à revêtir; par apport successif de matière il y a construction du revêtement ou dépôt. Différentes solutions de réalisation peuvent être retenues: un " mélange " mécanique (les différentes poudres sont mélangées en respectant leurs pourcentages) des poudres métal et céramique peut être projeté avec un seul injecteur, les poudres métal et10 céramique peuvent être injectées dans le plasma ou la flamme en deux positions différentes étant donné les paramètres de projection bien différents que sont ceux d'une céramique et d'un métal, ou bien alors il est plus simple de réaliser la projection d'une poudre composite céramique-métal avec un seul injecteur et des paramètres de projection optimisés. Ces poudres composites céramique-métal peuvent être du type15 aggloméré. Dans ce dernier cas de poudres composites o le pourcentage céramique- métal est obtenu au niveau du grain de poudre, le revêtement obtenu par projection thermique des poudres sera beaucoup plus homogène que dans le cas de la projection d'un mélange mécanique. La structure composite ainsi réalisée est constituée d'une matrice céramique très peu20 sensible aux températures d'utilisation des ustensiles de cuisson (et sera donc non déformable et insensible aux agressions thermique et mécanique d'utilisation) dans laquelle le métal conducteur thermique et/ou électrique ou compatible avec le chauffage par induction servira pour échauffer l'ustensile de cuisson et donc les aliments contenus. De plus ce revêtement présente une bonne aptitude à être usiné25 avec des outillages conventionnels contrairement à une céramique pure. Parmi les céramiques possibles (oxyde, carbure, nitrure ou borure), nous choisissons l'alumine à cause de son caractère peu onéreux; d'autres céramiques (aux propriétés plus intéressantes peuvent aussi être choisies, mais le traitement sera plus cher). Pour ce qui concerne la seconde phase métallique le choix peut se porter sur le cuivre qui a30 une excellente conductivité thermique. Dans le cas d'ustensiles de cuisson destinés au chauffage par induction, une proportion ou la totalité du cuivre devra être remplacée par du fer ou acier ferritique ou alliage métallique ferromagnétique; dans ce cas la partie ferri- ou ferromagnétique assurera la compatibilité avec le chauffage par induction alors que le cuivre (si on décide d'en conserver) favorisera la propagation35 de la chaleur. Il est à noter dans un tel cas qu'un composite alumine-acier inoxydable ferritique peut être plus intéressant qu'un composite alumine-fer sensible à

l'oxydation qui devra donc être protégé par une peinture ou un émaillage.

Enfin, ces structures rigides non déformables exhibent en plus des propriétés de diffusion de la chaleur une résistance électrique qui peut être ajustée en jouant sur les pourcentages de céramique isolante électrique (alumine) et de métal conducteur électrique. En choisissant donc judicieusement la phase céramique (alumine par exemple) et la phase métallique (alliage nickel-chrome(80-20) par exemple) et leur pourcentage relatif, il est possible d'ajuster la résistance électrique du revêtement projeté thermiquement pour pouvoir réaliser un ustensile de cuisson chauffant par résistance électrique intégrée à son fond et donc facilement transportable et ne

nécessitant qu'une prise de courant électrique pour cuisiner.

Une autre application de ces revêtements rigides (et non déformable dans le domaine des moyennes températures), conducteurs thermiques et résistifs peut être la fabrication des socles de fer à repasser et aussi la réalisation de ciseaux à fil de coupe chauffant. Dans ces deux derniers cas, il est préalablement nécessaire de réaliser (toujours par projection thermique) une couche isolante électrique (alumine pure) sur laquelle sera réalisée la couche composite céramique/métal. L'ajout d'un lubrifiant solide (PTFE, BN, graphite,...) aux poudres céramique / métal peut permettre 201'amélioration du frottement. On peut aussi concevoir un revêtement mince du type carbone amorphe (réalisé par PVD) et à faible coefficient de frottement pour permettre le confort d'utilisation du fer à repasser ou des ciseaux à fil de coupe chauffant. 2511 est clair que, dans tout ce qui précède, les revêtements composites réalisés, sur des supports ou préformes aux propriétés physiques (thermomécaniques en particuliers) moindres et non satisfaisantes, par projection thermique (projection par plasma ou par flammes conventionnelle ou hyper-sonique (types HVOF, HVAF)) de mélanges de poudres ou de poudres composites (agglomérées des types agglomérats classiques ou enrobés) et ainsi constitués d'au moins deux phases différentes intimement liées, sont destinés à apporter un fonctionnement durable et efficace. La surface traitée peut être facilement usinée (pour avoir une surface d'appui lisse), et aussi recouverte d'une couche de peinture ou émail protectrice et décorative. Le revêtement composite doit

avoir une épaisseur d'au moins environ 2/10 mm.

Claims

REVENDICATIONS

1- Procédé de fabrication du fond de récipients, ustensiles ou articles destinés à la chauffe (des aliments par exemple) qui consiste à réaliser sur un fond préforme aux qualités thermomécaniques moindres et nonadéquates pour un fonctionnement durable et efficace, un revêtement composite d'au moins environ 0,2 millimètres constitué de deux phases intimement liées, une phase céramique et une phase métallique, la phase céramique servant à la rigidité et la non déformabilité et la phase métallique servant à la propagation de la chaleur (peu importe le moyen de chauffage), 12- procédé selon la revendication I caractérisé en ce que le revêtement composite consiste en un mélange cuivre-alumine ou fer- alumine par exemple comprenant jusqu'à 45% d'alumine (pourcentage massique),

3- procédé selon l'une des revendications I ou 2 caractérisé en ce que le fond revêtu

d'un dépôt composite consistant en un mélange de poudres céramiques et métalliques ou de poudres composites (agglomérées ou enrobées) contenant une phase dure céramique et une phase conductrice métallique, est obtenu par projection thermique (flamme conventionnelle, HVOF, HVAF, ou plasma),

4- procédé selon l'une des revendications I à 3 caractérisé en ce que la phase

métallique consiste en un pourcentage défini de poudres ferri- ou ferromagnétiques (poudres de fer par exemple) pour assurer la compatibilité avec le chauffage par induction,

- procédé selon l'une des revendications I à 4 caractérisé en ce que l'on peut inclure

au mélange de poudres céramiques et métallique ou poudres composites agglomérée une troisième phase pulvérulente à propriété autolubrificative telle que du PTFE,

graphite ou nitrure de bore.

6- procédé selon l'une des revendications I à 5 caractérisé en ce que la couche de

revêtement peut être usinée pour obtenir une surface d'appui lisse,

7- procédé selon l'une des revendications I à 6 caractérisé en ce que la couche de

revêtement composite peut être recouverte d'une couche de peinture ou d'émail protectrice et décorative, 8- récipients, ustensiles, articles destinés à la chauffe (des aliments par exemple) dont

le fond est fabriqué selon le ou les procédés de l'une ou des revendications 1 à 7 et

caractérisés en ce que le fond peut servir de résistance chauffante intégrée à l'ustensile et régulée dans ce cas par un courant électrique, 359- articles nécessitant un socle anti-déformable et conducteur thermique et/ou électrique destinés à être chauffés avec un courant électrique régulé (tels fer à repasser, ciseaux a fil de coupe chauffant,

.) caractérisés en ce que au moins une..CLMF: partie de leur surface est fabriquée suivant l'une des revendications I à 7.