导磁锅具及其制备方法 |
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| 申请号 | CN202111052097.7 | 申请日 | 2021-09-08 | 公开(公告)号 | CN115137203B | 公开(公告)日 | 2024-04-23 |
| 申请人 | 武汉苏泊尔炊具有限公司; | 发明人 | 李超; 瞿义生; 袁华庭; 张明; | ||||
| 摘要 | 本 申请 提供了一种导磁锅具及其制备方法。所述导磁锅具包括锅身基体和形成于锅身基体的表层的 磁性 非晶 合金 层，所述磁性非晶合金层包含非晶结构，并且包含通过 离子注入 方式添加的 铁 磁性元素。通过该方式在锅身基体的表面形成磁性非晶合金层，使得锅具具有优异的耐 腐蚀 性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种导磁锅具，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 导磁锅具及其制备方法技术领域[0001] 本申请涉及家电技术领域，更具体地讲，涉及一种导磁锅具及其制备方法。 背景技术[0002] 目前，电磁炉的使用越来越普遍，由于电磁炉其自身的工作特性，因此，只能在电磁炉上使用铁制锅具进行烹调食物，其他材质的锅具在电磁炉上无法使用。为了能让其它材质的锅具也能在电磁炉上正常使用，需要对其它材质的锅具进行改性，目前对其它材质锅具的改造方式有以下几种： [0005] (3)在锅具的外底部喷涂铁或不锈钢涂层。 [0007] 本申请旨在至少解决上述现有技术中相关技术存在的技术问题。 [0008] 为此，本申请的第一方面在于提供一种导磁锅具。 [0009] 本申请的第二方面在于提供一种导磁锅具的制备方法。 [0010] 为实现上述目的，本申请的第一方面实施例提供一种导磁锅具，包括：锅身基体；磁性非晶合金层，包含非晶结构，形成于锅身基体的表层，所述磁性非晶合金层中包含通过离子注入方式添加的铁磁性元素。本实施例中通过离子注入方式将铁磁性元素注入到锅身基体的表层，确保在锅身基体表层形成的磁性非晶合金层具有磁性。此外，通过离子注入方式获得的磁性非晶合金层中包含非晶结构，而具有非晶结构的合金没有晶体合金的晶界、孪晶、晶格、位错、层错等结构缺陷，导致非晶合金变形困难，因此，磁性非晶合金层具有磁致伸缩程度小、在交变磁场中机械振动小特点，则形成的导磁锅具在使用过程中电磁噪声小；另外，由于含有非晶结构的合金没有晶体合金的结构缺陷，受到外力时不会出现晶界滑移等塑性变形，因此，形成的磁性非晶合金层表现出强度高以及抗变形的能力好。并且，含有非晶结构的合金也没有异相、析出物、偏析以及其他成分起伏的问题，是一种完全无序结构，因此，形成的磁性非晶合金层中的各元素处于高度均匀分布状态，可避免该导磁锅具在使用过程中受热不均的问题，同时还提高了该导磁锅具的耐腐蚀性。 [0011] 在一些实施例中，所述磁性非晶合金层中的铁磁性元素包含Fe、Co和Ni中的至少两种；所述磁性非晶合金层中铁磁性元素的质量分数不小于80％。本实施例中Fe、Co和Ni三种铁磁性元素的居里温度均在300℃以上，可避免导磁锅具在受热过高时出现磁性消失现象，而铁磁性元素含量在该范围内确保形成的磁性非晶合金层具有良好导磁性的。 [0012] 在一些实施例中，所述磁性非晶合金层中还包括至少一种辅助元素，所述辅助元素选自Pb、Si、B、C、P、N、Al和17种稀土元素。 [0013] 在一些实施例中，所述磁性非晶合金层中形成非晶结构的每种元素的质量分数均为10％以上。使得磁性非晶合金层中形成的非晶结构分布更为均匀，能够提高磁性非晶合金层的耐腐蚀，以及降低磁性非晶合金层在交变磁场中机械振动，从而降低制备的导磁锅具在使用过程中电磁噪音。 [0014] 在一些实施例中，所述磁性非晶合金层的厚度为10μm‑50μm；所述锅身基体的厚度为2.5～4mm。 [0015] 在一些实施例中，所述表层为所述锅身基体的外表层和/或内表层。 [0016] 本申请的第二方面的实施例提供了一种导磁锅具的制备方法，所述制备方法的步骤包括：采用离子注入方式将铁磁性元素注入锅身基体的表层，并在锅身基体的表层形成磁性非晶合金层，磁性非晶合金层的厚度为10～50μm的，磁性非晶合金层每平方厘米同一元素注入离子数差异小于6％。 [0018] 本实施例中通过离子注入的方式将铁磁性元素注入到锅具的表层，注入的离子将会与锅身基体表层材料中的原子发生碰撞，从而促使表层材料中的晶体结构发生位移，打乱表层材料原有的晶体结构，促使表层材料中的晶体结构形成无序组织态，实现非晶化的目的，从而在锅身基体表层形成具有非晶结构的磁性非晶合金层。而每平方厘米同一元素注入离子数差异在该范围内确保注入的每一种元素都是均匀分布在锅身基体表层中，利于形成的磁性非晶合金层中的非晶结构的均匀分布，可提高磁性非晶合金层的耐腐蚀性以及降低制备的导磁锅具在使用过程中的电磁噪音。 [0019] 在一些实施例中，所述铁磁性元素包含Fe、Co和Ni中的至少两种。在本实施例中，通过增多离子注入元素的种类，更利于形成非晶结构，从而获得具有非晶结构的磁性非晶合金层。 [0020] 在一些实施例中，所述锅身基体表层还至少离子注入一种选自Pb、Si、B、C、P、N、Al和17种稀土元素中的辅助元素。辅助元素在一定程度上能够提高离子注入时合金中非晶结构的形成能力，有利于获得含有非晶结构的磁性非晶合金层，并在一定程度上降低离子注入的工艺难度，降低其制备成本。 具体实施方式[0021] 下面将结合实施例对本申请的中的导磁锅具以及其制备方法进行描述。 [0022] 然而，本申请可按照许多不同的形式例示并且不应被解释为限于在此阐述的具体实施例。更确切地说，提供这些实施例使得本申请将是彻底的和完整的，并且将要把本申请的范围充分地传达给本领域技术人员。 [0023] 本申请的发明人在对现有的导磁锅具的研究中发现，导磁锅具在使用过程中噪音大是因为锅具中的导磁层材料的磁致伸缩程度大，从而导致其交变磁场中机械振动大，最终引起导磁锅具在使用过程中产生较大的电磁噪音。非晶合金没有像晶体合金那样具有晶界、孪晶、晶格缺陷、位错、层错等结构缺陷，其变形困难；并且非晶合金也没有异相、析出物、偏析以及其他成分起伏，是一种混乱的无序结构，在化学上有高度的均匀一致性，从而表现出优异的耐腐蚀性。 [0024] 因此，发明人采用离子束混合方式对锅身基体的表层进行改性，在锅身基体的表层形成非晶合金层。所述的离子束混合方式将多种元素通过离子注入方式注入到锅身基体的表层，打乱锅身基体表层材料原有的晶体结构，形成混乱无序组织，达到非晶化的目的，最终获得含有非晶结构的合金，从而在锅身基体的表层形成非晶合金层，达到提高耐腐蚀性和降低电磁噪音的目的。 [0025] 本申请的第一方面实施例提供一种导磁锅具，该锅具包括：锅身基体；磁性非晶合金层，形成于锅身基体的表层，所述磁性非晶合金层中包含通过离子注入方式添加的铁磁性元素。 [0026] 本实施例中的导磁锅具主要是通过离子注入方式将铁磁性元素注入锅身基体表层，注入的离子促使锅具表层材料中的晶体结构发生位移，打乱表层材料原有的晶体结构，在锅身基体的表层形成含有非晶结构的磁性非晶合金层；此处的表层可以是锅身基体的外表层，也可以是锅身基体的内表层，还可以在锅身基体的外表层和内表层上均形成磁性非晶合金层。 [0027] 在本实施例中，形成的磁性非晶合金层包含非晶结构，而含有非晶结构的合金没有像晶体合金那样具有晶界、孪晶、晶格、位错、层错等结构缺陷，从而导致其变形困难；因此，通过离子注入获得的磁性非晶合金层在交变电流产生的交变磁场中机械振动较小，磁致伸缩振幅小，因此制备的导磁锅具在使用过程中具有较小电磁噪音。由于磁性非晶合金层在受到外力时不会出现晶界滑移等塑性变形的问题，其表现出强度高以及抗变形的能力好。此外，形成的磁性非晶合金层中的各元素处于高度均匀分布状态，在一定程度上提高磁性非晶合金层的耐腐蚀性，并能够使得制备的导磁锅具受热均匀。 [0028] 为了避免导磁锅具在受热过程中出现失磁的现象，所采用的铁磁性元素的居里温度均在300℃以上，可避免制备的导磁锅具在受热温度过高时出现磁性消失现象。在一些实施例中，磁性非晶合金层中的铁磁性元素可以是Fe、Co和Ni中的任意两种或两种以上，并且形成的磁性非晶合金层中铁磁性元素的质量分数不小于80％，从而确保形成的非晶合金层具有良好的导磁性。 [0029] 在本实施例中，离子注入时可只注入铁磁性元素，但是发明人发现离子注入只有铁磁性元素时合金的非晶结构的形成能力低。因此，为了提高合金的非晶结构的形成能力从而获得磁性非晶合金层，在一些实施例中，进一步从Pb、Si、B、C、P、N、Al和17种稀土元素中选取至少一种元素作为辅助元素与铁磁性元素一起注入到锅身基体的表层形成磁性非晶合金层；注入铁磁性元素时加入辅助元素，在一定程度上更容易形成非晶结构，并且还可能在一定程度上降低离子注入工艺的要求，节约其制备成本。 [0030] 另外，为了让形成的磁性非晶合金层中的非晶结构分布均匀，避免在形成的磁性非晶合金中出现部分区域是非晶结构而部分区域不是非晶结构的现象，在一些实施例中，参与磁性非晶合金层中非晶结构形成的各元素的质量分数均不小于10％，通过增加参与形成非晶结构的各元素的质量分数，能够使得在磁性非晶合金层中形成的非晶结构均匀分布，降低制备的导磁锅具在使用过程中的电磁噪音，并提高磁性非晶合金层的耐腐蚀性。 [0031] 在一些实施例中，所述磁性非晶合金层的厚度至少为10μm。若磁性非晶合金层的厚度小于10μm，此时，形成的磁性非晶层不仅容易磨穿，导致磁性非晶合金层的使用寿命缩短，并且小于10μm的磁性非晶合金层还具有发热效果差以及耐腐蚀性差的问题。磁性非晶合金层厚度大于50μm时离子注入的难度系数增大以及其制备的成本均增加，因此，本实施例中的磁性非晶合金层的厚度可以是10～50μm，例如，可以是15～20μm。在该厚度范围内，可以在确保良好的发热效果和耐腐蚀性的情况下，避免过度增加制造成本。 [0032] 另外，锅身基体的厚度为2.5～4mm，在确保导磁锅具的强度的情况下尽量减小导磁锅具的重量，扩大导磁锅具的使用人群，提高其使用时的便捷性。为了降低导磁锅具的制备成本，提高人群对导磁锅具的接受程度，本实施例中的锅身基体的材料选自Al合金、Mg合金、Ti合金、Cu合金和铁中的一种，所述铁可为普通铁。 [0033] 本申请第二方面的实施例提供一种导磁锅具的制备方法，用于制备根据第一方面实施例所述的导磁锅具，所述的制备方法采用离子注入方式将铁磁性元素和辅助元素注入锅身基体的表层，导磁锅具的制备方法具体包括以下步骤： [0034] S110、对锅身基体进行预处理； [0035] S120、将铁磁性元素和辅助元素通过离子注入方式注入到锅身基体的表层。 [0036] 元素通过离子注入到锅身基体的表层时分为以下几个阶段： [0039] 阶段三、具有高动能的离子轰击锅身基体的表层，从而将元素注入到锅身基体表层，在锅身基体的表层形成磁性非晶合金层。 [0040] 离子注入过程中，具有高动能的离子轰击锅身基体表面材料时，高动能的离子与锅身基体表层材料中的原子发生碰撞，使锅身基体表层材料中的晶体结构发生位移，打乱锅身基体表层材料原有的晶体结构，形成非晶态结构。而注入的带有高动能的离子在与锅身基体表层材料中的原子多次碰撞后能量耗尽，最后留在锅身基体的表层中，随着带有高动能的粒子不断地注入到锅身基体的表层中，最后在锅身基体表层形成对锅身基体表层进行改性的且具有一定厚度的磁性非晶合金层。 [0041] 其中，离子注入过程中所用的靶材可以为合金靶，也可以是高纯单质靶。合金靶中的铁磁性元素可以是均匀分布，铁磁性元素均匀分布合金靶有利于离子注入过程中形成的离子源的浓度更稳定，从而利于离子注入到锅身基体表层的元素均匀分布，不仅使形成的磁性非晶合金层的导磁性均匀，并且还使形成磁性非晶合金层中的非晶结构分布均匀，能够降低导磁锅具使用过程中的磁噪音，提高磁性非晶合金层的耐腐蚀性。 [0042] 当靶材为高纯单质靶时，高纯单质靶有多个，在离子注入时多个高纯单质靶混合注入。 [0043] 作为示例，离子注入的条件为：靶温升小于250℃、真空环境为2×10‑3Pa、加速电压为120V、离子束能量为80～160KeV。此处所述的靶温升是指靶材置于离子注入机中时，室温环境中的靶材随着电子轰击靶材的过程促使靶材温度升高的度数。 [0044] 此外，由于不同的元素激发形成离子源的激发电压不同，因此，在离子注入过程中，在相同的离子注入条件下，选用相同的靶材通过控制离子注入的时间可制备出元素含量和厚度均不同的磁性非晶合金层。 [0045] 另外，注入后锅身基体表层每平方厘米同一元素注入离子数差异小于6％。通过使锅具基体表层每平方厘米同一元素注入离子数差异小于6％，可避免锅具基体表层中不同区域注入的元素浓度差异过大导致磁性非晶合金层中的非晶结构组织分布不均匀，从而有利于获得非晶结构分布均匀的磁性非晶合金层，提高导磁锅具在后期使用过程中耐腐蚀性以及降低磁噪音。 [0046] 此外，离子注入时，通常是需要在一定气氛中，此处的气氛可以是防止离子注入过程中金属元素被氧化的惰性气氛，比如氩气。也可以是在离子注入过程中能够被电离成离子，作为辅助元素与铁磁性元素一起注入到锅具的表层中形成磁性非晶合金层，比如采用氮气气氛可以直接电离出氮离子，氮离子通过离子注入到锅具表层，与其它元素一起形成非晶合金层。 [0047] 另外，铁磁性元素至少包含Fe、Co和Ni中的两种或两种以上。通过离子注入时通过增加注入的元素的种类，有利于非晶结构的形成，最终获得磁性非晶合金层。 [0048] 另外，辅助元素为选自Pb、Si、B、C、P、N、Al和17种稀土元素中的一种或多种。离子注入时加入辅助元素，增强非晶结构的形成能力，有利于获得含有非晶结构的磁性非晶合金层，并同时降低离子注入工艺的难度系数。 [0049] 在本实施例中，步骤S110中对锅身基体的预处理主要是对锅身基体进行物理处理，例如除油。 [0050] 实施例 [0051] 下面结合实施例，对本申请的技术方案进行详细说明，但是本申请的保护范围不局限于下述所述实施例。 [0052] 实施例1： [0053] 导磁锅具的制备方法，具体包括以下步骤： [0054] 步骤110、对Al合金的锅身基体进行清洗，去除锅身基体表面的油污。 [0055] 步骤120、将合金靶置于离子注入机中形成离子源，离子源分离后经电压加速获得具有高动能的离子束，形成的离子束轰击锅身基体的表层，将离子注入到锅身基体表层并在锅身基体的表层形成厚度为28μm的磁性非晶合金层，获得导磁锅具。其中，合金靶包含Fe、Co、Ni和B，合金靶中Fe的质量分数为70％、Co的质量分数为10％、Ni的质量分数为15％以及B的质量分数为5％；离子注入的条件为： [0056] [0057] 采用能谱对本实施例中获得的导磁锅具中的磁性非晶合金层进行分析，磁性非晶合金层中各元素含量如下： [0058] [0059] [0060] 铝合金锅身基体中除了含有铝之外，还有含有大约1％的Mn等元素。在磁性非晶合金层中，由于铁磁性元素和辅助元素的注入，少量的Mn元素被进一步稀释，含量低于1％，而能谱对于质量百分数低于1％的元素检测的准确率较低，因此，在上面的成分表格中，没有进一步列出Mn以及其他元素的含量，将锅身基体中的参与形成非晶合金结构的元素在磁性非晶合金层中所占的质量百分数，统一表达为Al的质量百分数。 [0061] 此外，通过调整离子注入的时间可以调整磁性非晶合金层中各元素的含量，因此，即使采用成分相同的靶材，仍然可以获得各元素含量不同或厚度不同的磁性非晶合金层。这里不再一一列出实施例2‑9中各个注入工艺的相应参数。 [0062] 实施例2 [0063] 按照实施例1所述的导磁锅具的制备方法进行导磁锅具的制备，并通过调整离子注入工艺参数，调整磁性非晶合金层中各元素的含量。与实施例1不同的是，通过实施例2制备的导磁锅具中的磁性非晶合金层经能谱分析其各元素的含量如下： [0064] 元素 质量百分数(％)Fe 45 Co 15 Ni 20 B 10 Al 10 [0065] 实施例3 [0066] 按照实施例1所述的导磁锅具的制备方法进行导磁锅具的制备，并通过调整离子注入工艺参数，调整磁性非晶合金层中各元素的含量。与实施例1不同的是，通过实施例3制备的导磁锅具中的磁性非晶合金层经能谱分析其各元素的含量如下： [0067]元素 质量百分数(％) Fe 30 Co 20 Ni 20 B 10 Al 10 [0068] 实施例4 [0069] 按照实施例1所述的导磁锅具的制备方法进行导磁锅具的制备，并通过调整离子注入工艺参数，调整磁性非晶合金层中各元素的含量。与实施例1不同的是，通过实施例4制备的导磁锅具中的磁性非晶合金层经能谱分析其各元素的含量如下： [0070]元素 质量百分数(％) Fe 43 Co 22 Ni 25 Al 10 [0071] 实施例5 [0072] 按照实施例1所述的导磁锅具的制备方法进行导磁锅具的制备，并通过调整离子注入工艺参数，调整磁性非晶合金层中各元素的含量。与实施例1不同的是，通过实施例5制备的导磁锅具中的磁性非晶合金层经能谱分析其各元素的含量如下： [0073]元素 质量百分数(％) Fe 45 Co 35 B 10 Al 10 [0074] 实施例6 [0075] 按照实施例1所述的导磁锅具的制备方法进行导磁锅具的制备，并通过调整离子注入工艺参数，使得与实施例1不同的是，通过实施例6制备的导磁锅具中的磁性非晶合金层的厚度为12μm。 [0076] 实施例7 [0077] 按照实施例1所述的导磁锅具的制备方法进行导磁锅具的制备，并通过调整离子注入工艺参数，使得与实施例1不同的是，通过实施例7制备的导磁锅具中的磁性非晶合金层的厚度为19μm。 [0078] 实施例8 [0079] 按照实施例1所述的导磁锅具的制备方法进行导磁锅具的制备，并通过调整离子注入工艺参数，使得与实施例1不同的是，通过实施例8制备的导磁锅具中的磁性非晶合金层的厚度为48μm。 [0080] 对比例1 [0081] 按照实施例1所述的导磁锅具的制备方法进行导磁锅具的制备，并通过调整离子注入工艺参数，调整磁性非晶合金层中各元素的含量。与实施例1不同的是，通过对比例1制备的导磁锅具中的磁性非晶合金层经能谱分析其各元素的含量如下： [0082]元素 质量百分数(％) Fe 43 Co 37 Ni 10 B 5 Al 5 [0083] 对比例2 [0084] 与实施例1不同的是，锅身基体表层每平方厘米同一元素注入离子数差异15％。 [0085] 对比例3 [0086] 按照实施例1所述的导磁锅具的制备方法进行导磁锅具的制备，不同的是导磁锅具中的磁性非晶合金层的厚度为6μm。 [0087] 性能测试 [0088] 对上述实施例1～8和实施例1～3制备的导磁锅具的性能进行测试，并将测试结果记录下表1中。 [0089] 耐腐蚀测试： [0090] 本申请中耐腐蚀测试参照标准GB/T32095，具体测试方法如下： [0091] 将氯化钠溶液(5％)注入导磁锅具中，使溶液达导磁锅具的1/2以上高度,盖上盖子，在加热源上加热至沸腾。然后保持微沸，继续加热7h，煮沸过程中因蒸发损失的氯化钠溶液(5％)应及时补充蒸馏水，以保持原溶液高度不变。将导磁锅具移离热源，在常温(23℃±2℃)环境下放置16h后，用清水洗净盐渍，并用软布吸干表面，立即进行目视检查。 [0092] 采用上述方法进行多次循环，直至点蚀出现为止，并将循环的次数记录在表1中。 [0093] 表1.测试结果 [0094]序号 5％盐水腐蚀(循环次数) 实施例1 9 实施例2 9 实施例3 9 实施例4 8 实施例5 8 实施例6 6 实施例7 9 实施例8 10 对比例1 4 对比例2 3 对比例3 2 [0095] 铁磁性元素质量分数总和不小于80％且参与磁性非晶合金层中非晶结构形成的各元素均不小于10％的磁性非晶合金层均具有好的耐腐蚀性；参与磁性非晶合金层中非晶结构形成的部分元素的质量分数小于10％形成的磁性非晶合金层的耐腐蚀性差；锅身基体表层每平方厘米同一元素离子数差异大于6％时，形成的磁性非晶合金层耐腐蚀性差；。在磁性非晶合金层中的元素以及元素含量相同的条件下，非晶合金的耐腐蚀性在一定程度上随着其厚度减小而降低，特别是当磁性非晶合金层的厚度小于10μm时，其耐腐蚀性降低更为显著。 [0096] 当涂层厚度为10～50μm、注入时添加有辅助元素、且形成的磁性非晶合金层中的各元素的质量占比大于10％且锅具基体表层每平方厘米同一元素离子数差异小于6％的磁性非晶合金层表现出更为优异的耐腐蚀性。 [0097] 本申请中通过离子注入的方式将铁磁性元素和辅助元素注入到锅身基体的表层，通过带能的离子注入到锅身基体的表层，打乱锅身基体表层材料原有的晶体结构，使其混乱，最终获得含有非晶结构的磁性非晶合金，并且形成的磁性非晶合金层具有好的耐腐蚀性。 [0098] 在离子注入形成磁性非晶合金层时，通过加入辅助元素与铁磁性元素一起注入到锅身基体的表层，提高合金的非晶结构形成能力，有利于获得磁性非晶合金层。此外，通过促使形成的磁性非晶合金层中非晶结构均匀分布，能够提高磁性非晶合金的耐腐蚀性以及降低制备的导磁锅具在使用过程中的电磁噪音。 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