一种复底锅具及其制备方法
技术领域
本发明涉及烹饪器具技术领域，具体涉及一种复底锅具及其制备方法。
背景技术
目前市场上的不锈精铁锅具主要为单层铁板或钢板制成，然后通过渗氮(也称为氮化)的方式进行防锈处理，渗氮处理包括液体渗氮、气体渗氮和离子渗氮三种方法，这种锅具由于是单层较薄而且导热性能较差的铁质或钢质材料制成，因此存在导热不均匀、加热后容易变形以及容易产生油烟等问题，产品品质较低，用户体验较差。参考其它材质锅具的技术，可以通过精铁锅复底的方式来解决以上问题，但是目前最大的技术瓶颈在于还没有找到一个有效解决复底铁锅渗氮防锈处理问题的技术方案：在用于复底铁锅渗氮处理时，普通液体渗氮处理防锈效果较好，但是处理温度高(通常超过600℃)，复底夹层金属(通常为铝合金)容易熔化，使复底片与锅体无法牢固地结合；其次，液体渗氮所用的渗氮液会渗入复底层，引起夹层金属的腐蚀；再则，液体渗氮会产生有毒物质，对环境造成污染，不值得推广应用；普通气体渗氮所得到的渗氮层较薄，防锈性能差，不适合接触食品的锅具使用。因此，需要一种有效解决上述复底铁锅渗氮防锈处理问题的技术方案。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种复底锅具及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种复底锅具的制备方法，该方法包括以下步骤：
(a)提供复底锅坯，该复底锅坯包括锅体、复底夹层和复底层，所述复底夹层和所述复底层包覆于所述锅体的外底面以及可选地包覆所述锅体的至少部分外侧面，所述复底夹层位于所述锅体和所述复底层之间；
(b)将所述复底锅坯进行预处理；
(c)对预处理后的复底锅坯进行离子渗氮处理以在所述锅体的内表面和/或外表面上形成渗氮层。
优选地，在步骤(c)中，所述离子渗氮处理的渗氮压力大于等于2kPa，优选为2-10kPa；和/或
所述离子渗氮处理的温度小于600℃，优选为540～580℃。
优选地，在步骤(c)中，所述离子渗氮处理的时间为1-4h，优选为1.5-4h。
优选地，步骤(c)所述的离子渗氮处理的过程包括：
(c1)将预处理后的复底锅坯放入渗氮炉内；
(c2)向渗氮炉内通入氮气，渗氮炉加热升温到130～180℃，温度稳定后维持10～40分钟；
(c3)调节渗氮炉内的氮气氛围并升压；
(c4)维持渗氮炉内压力不变，渗氮炉加热升温至目标温度，温度稳定后维持8～12小时；
(c5)维持渗氮炉内压力和温度不变进行通电；
(c6)停止加热，使渗氮炉内的温度逐步下降到200℃以下。
优选地，步骤(c3)包括：
(c301)维持渗氮炉内温度不变，抽真空；
(c302)维持渗氮炉内温度不变，通入氮气，使渗氮炉内压力达到目标压力。
优选地，步骤(c)所述的离子渗氮处理的过程包括：
(c7)渗氮炉内充入以氮气为主的混合气体，对渗氮层表面的微孔进行封闭处理。
优选地，在步骤(c2)和(c302)中，通入的氮气为纯度不低于99.9体积％的氮气或氮氢混合气。
优选地，步骤(b)所述的预处理的过程包括：对所述复底锅坯依次进行抛光、除油。
优选地，所述方法还包括后处理工序，所述后处理工序包括：
(d1)从渗氮炉中取出经过渗氮处理的锅具，在室温放置2～6小时；
(d2)将所述锅具放入药水池浸泡发黑；
(d3)清洗坯件表面发黑处理后残留的化学溶液；
(d4)烘干坯件表面残留的清洗液；
(d5)对坯件表面进行轻度抛光处理，去除坯件表面的杂质颗粒。
优选地，所述方法还包括后处理工序，所述后处理工序包括：
(e1)在渗氮炉内通入发黑处理气体，使锅具在渗氮炉内完成发黑处理；
(e2)从渗氮炉中取出锅具，在室温放置2～6小时；
(e3)对坯件表面进行轻度抛光处理，去除坯件表面的杂质颗粒。
优选地，所述锅体为单层的铁板或钢板，或者两层以上的复合板，所述复合板为铁板、钢板或不锈钢板与铝板或铜板的复合。
优选地，所述复底夹层为铝或铜的单层材料，或者多层不同材料的叠加；
优选地，所述复底层用具有导磁性能的材料制成。
本发明另一方面还提供了由上述方法制备的复底锅具。
在本发明所述的复底锅具的制备方法中，通过本发明的离子渗氮处理工艺，首先，处理过程工件不会接触任何液体，因此可以避免液体渗入复底层而引起复底层金属的氧化和腐蚀，确保复底层的质量和使用寿命；其次，由于现有技术中所采用的先渗氮后复底的工艺，锅体表面的氮化物与复底夹层的结合力较差而无法牢固地与锅体结合，且复底时的锅体的加热会破坏锅体表面的渗氮层，影响锅体的防锈性能，通过先复底再离子渗氮的工艺，能够提高复底层和/或复底夹层与锅体的结合强度以及锅体的耐腐蚀性能；再次，离子渗氮能够提高渗氮层的致密度，从而提高锅体的耐腐蚀性能；另外，整个处理过程无污染物产生，是一种环保的工艺，值得推广应用。
在优选的实施方式中，将渗氮压力控制在2kPa以上，能够促进氮气的电离以及氮离子轰击锅体表面的能力，从而提高锅体的渗氮能力；进一步的，控制渗氮压力2kPa以上，能够提高渗氮层中氮化物的含量以及分布的均匀性，从而得到致密性较高且厚度较厚的渗氮层，能够防止水、油、酸碱盐等进入到渗氮层中与锅体材料接触，进一步提高渗氮层的耐磨以及耐腐蚀性能。在优选的实施方式中，控制渗氮处理温度低于600℃，复底夹层金属不会熔化或软化，因此可以确保锅体与复底层牢固地结合，不影响锅具的导热性能和强度。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明所述的方法制备的复底锅具的结构示意图；
图2是图1所示的方法制备的复底锅具的局部放大示意图；
图3是本发明所述的复底锅具的制备方法的一种优选实施方式的操作流程图。
附图标记说明
1 锅体 2 复底夹层
3 复底层
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“内表面”是指构件用于容纳物质并与物质接触的表面，“外表面”是指与外部设备连接的一面或与内表面相对的另一面。
本发明所述的复底锅具的制备方法包括以下步骤：
(a)提供复底锅坯，该复底锅坯包括锅体1、复底夹层2和复底层3，所述复底夹层2和所述复底层3包覆于所述锅体1的外底面以及可选地包覆所述锅体1的至少部分外侧面，所述复底夹层2位于所述锅体1和所述复底层3之间(参见图1和2)；
(b)将所述复底锅坯进行预处理；
(c)对预处理后的复底锅坯进行离子渗氮处理以在所述锅体1的内表面上形成渗氮层。
在步骤(a)中，对于复底锅坯(即坯件)的制备，当复底夹层2和复底层3需要部分地包覆锅体1的外底面和外侧面时，可通过钎焊、压焊等方式与锅体1焊接为一体；当复底夹层2和复底层3需要全部地包覆锅体层1的外底面和外侧面时，除了通过钎焊、压焊等方式与锅体1焊接为一体，锅体还可以通过预制复合板的方式进行加工，即先把锅体1的材料与复底夹层2及复底层3的材料通过轧制复合、爆炸复合等方式制成多层复合板，再进行锅体的成形。
在本发明中，所述锅体1可以为单层的铁板或钢板(即由单层的铁质或钢质材料制成)，也可以为两层以上的复合板(即使用两层以上的复合板材制作)。所述复合板可以是铁板、钢板与铝板或铜板的复合。在优选情况下，所述锅体1使用两层以上的复合板材制作，在该优选情况下，所述复底锅具可获得更好的导热均温性能。
在本发明中，所述复底夹层2的主要作用是使锅体1和复底层3牢固地粘合，因而所述复底夹层2优选使用导热性能好、硬度低、粘合力较强的材料(如铝或铜)制成。进一步地，复底夹层2良好的导热性能也可以改善锅体1导热性能差、受热后温度分布不均匀的问题。为此，在优选情况下，所述复底夹层2为铝或铜的单层材料，或者多层不同材料的叠加。所述多层不同材料的叠加例如可以为铝-铜-铝三层叠加的材料。当所述复底夹层2选用多层不同材料的叠加时，可以使锅底导热性能的改善更明显，也可达到节省材料的目的。
在本发明中，所述复底层3可以用具有导磁性能的材料(如铁质、钢质或铁磁性不锈钢等材料)制成，其作用是能够感应炉灶的磁场，使锅具能够用于IH电磁加热类型的炉灶，而不仅仅适用于明火炉灶，扩展了锅具的使用范围。
在步骤(b)中，对所述复底锅坯进行预处理的方式可以为本领域常规的操作方式。在具体的实施方式中，预处理的过程包括：对所述复底锅坯依次进行抛光、除油。
抛光处理的实施方式可以用喷砂、抛丸等处理方式，可以有效去除材料表面的锈蚀和杂质等，提升渗氮层的致密度和和耐腐蚀性能，其中抛光处理主要使用机械抛光方法。
除油主要是清洗去除坯件表面的油污。
在本发明所述的方法中，为了能够提高锅体的渗氮能力，优选地，将步骤(c)的离子渗氮处理的渗氮压力控制在2kPa以上，优选为2-10kP，具体的例如可以为2kPa、3kPa、4kPa、5kPa、6kPa、7kPa、8kPa、9kPa或10kPa。在该渗氮压力下进行渗氮处理可以获得具有较高致密度的渗氮层。在实际操作过程中，压力越大，氮气浓度越高，生成的氮离子浓度也越高，氮离子轰击工件表面的反应越激烈，可以加快渗氮处理的速度，促进氮原子轰击锅体材料，所形成的氮化层中的氮化物含量较多且分布均匀，从而使锅体的耐腐蚀性能提高。
在本发明所述的方法中，优选地，步骤(c)所述的离子渗氮处理的温度小于600℃，优选为540～580℃，具体的例如可以为540℃、550℃、560℃、570℃或580℃。在该温度范围内实施离子渗氮处理，能够防止复底夹层熔化或软化，提高复底夹层的剥离强度，可以确保锅体与复底层牢固地结合，不影响锅具的导热性能和强度。
在本发明所述的方法中，优选地，步骤(c)所述的离子渗氮处理的时间为1-4h，优选为1.5-4h，具体的例如可以为1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h或4h。将所述离子渗氮处理的时间控制在这样的时间范围内，可以获得具有较高致密度的渗氮层。
在一种优选实施方式中，在本发明所述的方法中，步骤(c)所述的离子渗氮处理的过程包括：
(c1)将预处理后的复底锅坯放入渗氮炉内；
(c2)向渗氮炉内通入氮气，渗氮炉加热升温到130～180℃，温度稳定后维持10～40分钟；
(c3)调节渗氮炉内的氮气氛围并升压；
(c4)维持渗氮炉内压力不变，渗氮炉加热升温至目标温度(目标温度优选600℃以下，进一步优选540～580℃)，温度稳定后维持8～12小时；
(c5)维持渗氮炉内压力和温度不变进行通电(优选处理1～4小时)；
(c6)停止加热，使渗氮炉内的温度逐步下降到200℃以下。
按照上述优选实施方式所形成的渗氮层具有较高的致密度，具有较好的耐腐蚀性能；而且，能够防止复底夹层熔化或软化，提高复底夹层与其相邻层的结合力，防止复底脱层，并保证锅具导热性能和强度。
为了进一步改善所形成的渗氮层的耐腐蚀性能，进一步优选地，步骤(c3)包括：
(c301)维持渗氮炉内温度不变，抽真空；
(c302)维持渗氮炉内温度不变，通入氮气，使渗氮炉内压力达到目标压力(目标压力优选2kPa以上，进一步优选2-10kPa)。为了进一步改善所形成的渗氮层的耐腐蚀性能，进一步优选地，步骤(c)所述的离子渗氮处理的过程包括：
(c7)渗氮炉内充入以氮气为主的混合气体，对渗氮层表面的微孔进行封闭处理。
在上述步骤(c7)中，通过对渗氮层表面的微孔进行封闭处理，有利于改善渗氮层的致密性，提升防锈性能。
在较优选的实施方式中，在步骤(c2)和(c302)中，通入的氮气为纯度不低于99.9体积％的氮气或氮氢混合气。
在优选情况下，本发明所述的方法还包括后处理工序。
在第一种实施方式中，所述后处理工序包括：
(d1)从渗氮炉中取出经过渗氮处理的锅具，在室温放置2～6小时；
(d2)将所述锅具放入药水池浸泡发黑；
(d3)清洗坯件表面发黑处理后残留的化学溶液；
(d4)烘干坯件表面残留的清洗液；
(d5)对坯件表面进行轻度抛光处理，去除坯件表面的杂质颗粒。
在第二种实施方式中，所述后处理工序包括：
(e1)在渗氮炉内通入发黑处理气体，使锅具在渗氮炉内完成发黑处理；
(e2)从渗氮炉中取出锅具，在室温放置2～6小时；
(e3)对坯件表面进行轻度抛光处理，去除坯件表面的杂质颗粒。
在上述两种后处理工序的实施方式中，通过对复底锅坯进行发黑处理，目的是使坯件具有锅具常用的黑色外观。通过对坯件表面进行轻度抛光处理，可以使坯件表面更光滑，提升锅具的外观质感。
在上述第二种实施方式中，采用较环保的气体发黑的方法对坯件进行发黑处理，即在充气封闭步骤后，在坯件出炉前，在渗氮炉内通入发黑处理气体，使坯件在渗氮炉内完成发黑处理，这样就可以省去将坯件放入药水池浸泡发黑的步骤，避免使用药水而对环境造成污染。
根据本发明的一种具体实施方式，所述复底锅具的操作过程如图3所示，具体地，包括以下步骤：
(1)坯件制备
制备图1和2所示结构的复底锅坯，包括锅体1、复底夹层2和复底层3，所述复底夹层2和所述复底层3全部或部分地包覆所述锅体1的外底面和外侧面，所述复底夹层2位于所述锅体1和所述复底层3之间。
(2)抛光
对坯件表面进行抛光处理，也可以用喷砂、抛丸等处理方式，可以有效去除材料表面的锈蚀和杂质等，提升渗氮层的致密度和和耐腐蚀性能，其中抛光处理主要使用机械抛光方法。
(3)除油
清洗去除坯件表面的油污。
(4)上挂入炉
将坯件放置在渗氮炉内的挂具上。
(5)充氮气
渗氮炉内通入氮气，纯度要求不低于99.9％，也可以使用同样纯度的氮氢混合气。
(6)加热升温
渗氮炉加热升温到130～180℃，温度稳定后维持10～40分钟。
(7)抽真空
维持炉内温度不变，抽真空。
(8)充氮气升压
维持炉内温度不变，炉内充入氮气，纯度要求不低于99.9％，使炉内压力达到2KPa以上，也可以使用同样纯度的氮氢混合气。
(9)加热升温
维持炉内压力不变，渗氮炉加热升温到540～580℃，温度稳定后维持8～12小时。
(10)电离渗氮
维持炉内压力和温度不变进行通电，渗氮炉内的氮气发生辉光放电，形成正离子轰击坯件表面，逐渐在表面形成具有防锈作用的氮化物，处理时间为1～4小时。
(11)逐步降温
停止加热，使渗氮炉内的温度逐步下降到200℃以下。
(12)充气封闭
渗氮炉内充入氮气为主的混合气体，对渗氮层表面的微孔进行封闭处理，有利于改善渗氮层的致密性，提升防锈性能。
(13)出炉
从渗氮炉取出坯件。
(14)室温放置
出炉后的坯件在室温放置2～6小时。
(15)发黑处理
放置后的坯件进行表面发黑处理，使坯件具有锅具常用的黑色外观，常用的方法是将坯件放入药水池浸泡发黑。
(16)清洗
清洗坯件表面发黑处理后残留的化学溶液。
(17)烘干
烘干坯件表面残留的清洗液。
(18)表面抛光
对坯件表面进行轻度抛光处理，去除坯件表面的杂质颗粒，可以使坯件表面更光滑，提升锅具的外观质感。
本发明还提供了由上述方法制备的复底锅具。
在所述复底锅具中，锅体内形成的渗氮层致密度较高，能够防止水、油、酸碱盐等进入到渗氮层中，与锅体材料接触，从而使锅体发生腐蚀；进一步地，所得渗氮层的厚度较高，具有较高的耐磨以及耐腐蚀性能；而且，所述复底锅具的复底层具有较高的剥离强度，可以确保锅体与复底层牢固地结合，不影响锅具的导热性能和强度。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
(1)坯件制备
制备图1和2所示结构的复底锅坯，其中，锅体1使用三层铁铝铁复合板制成，复合板规格：0.5mm DC01(锅体层)+1.0mm Al(复底夹层)+0.5mm DC01(复底层)，锅具尺寸：口径φ260mm×深度80mm。
(2)抛光
通过喷砂的方式对坯件表面进行抛光处理，去除材料表面的锈蚀和杂质等。
(3)除油
清洗去除坯件表面的油污。
(4)上挂入炉
将坯件放置在渗氮炉内的挂具上。
(5)充氮气
渗氮炉内通入氮气，纯度要求不低于99.9体积％。
(6)加热升温
渗氮炉加热升温到160℃，温度稳定后维持25分钟。
(7)抽真空
维持炉内温度不变，抽真空。
(8)充氮气升压
维持炉内温度不变，炉内充入氮气，纯度要求不低于99.9体积％，使炉内压力达到2.5kPa。
(9)加热升温
维持炉内压力不变，渗氮炉加热升温到540℃，温度稳定后维持10小时。
(10)电离渗氮
维持炉内压力和温度不变进行通电，渗氮炉内的氮气发生辉光放电，形成正离子轰击坯件表面，逐渐在表面形成具有防锈作用的氮化物，处理时间为2.5小时。
(11)逐步降温
停止加热，使渗氮炉内的温度逐步下降到200℃以下。
(12)充气封闭
渗氮炉内充入氮气为主的混合气体，对渗氮层表面的微孔进行封闭处理。
(13)出炉
从渗氮炉取出坯件。
(14)室温放置
出炉后的坯件在室温放置4小时。
(15)发黑处理
放置后的坯件放入药水池浸泡发黑，使坯件具有锅具常用的黑色外观。
(16)清洗
清洗坯件表面发黑处理后残留的化学溶液。
(17)烘干
烘干坯件表面残留的清洗液。
(18)表面抛光
对坯件表面进行轻度抛光处理，去除坯件表面的杂质颗粒，从而制得复底锅具A1。
实施例2
按照实施例1的方法制备复底锅具，所不同的是，步骤(8)中向炉内充氮气使炉内压力达到2.0kPa，制得复底锅具A2。
实施例3
按照实施例1的方法制备复底锅具，所不同的是，步骤(8)中向炉内充氮气使炉内压力达到1.5kPa，制得复底锅具A3。
实施例4
按照实施例1的方法制备复底锅具，所不同的是，步骤(9)中渗氮炉加热升温到580℃，制得复底锅具A4。
实施例5
按照实施例1的方法制备复底锅具，所不同的是，步骤(9)中渗氮炉加热升温到520℃，制得复底锅具A5。
实施例6
按照实施例1的方法制备复底锅具，所不同的是，步骤(9)中渗氮炉加热升温到500℃，制得复底锅具A6。
实施例7
按照实施例1的方法制备复底锅具，所不同的是，步骤(10)中电离渗氮处理时间为3小时，制得复底锅具A7。
实施例8
按照实施例1的方法制备复底锅具，所不同的是，步骤(10)中电离渗氮处理时间为1.5小时，制得复底锅具A8。
实施例9
按照实施例1的方法制备复底锅具，所不同的是，步骤(10)中电离渗氮处理时间为1小时，制得复底锅具A9。
实施例10
按照实施例1的方法制备复底锅具，所不同的是，步骤(10)中电离渗氮处理时间为4小时，制得复底锅具A10。
实施例11
按照实施例1的方法制备复底锅具，所不同的是，步骤(10)中电离渗氮处理时间为5小时，制得复底锅具A11。
实施例12
按照实施例1的方法制备复底锅具，所不同的是，步骤(12)中充入普通空气(无封闭作用)，制得复底锅具A12。
对比例1
(1)按照实施例1的方法制备坯件，然后进行坯件抛光、除油；
(2)坯件上挂入炉；
(3)渗氮处理：介质为氨气，渗氮温度580℃，渗氮时间4小时；
(4)出炉；
(5)坯件室温放置：放置4小时；
(6)坯件发黑处理；
(7)坯件清洗及烘干；
(8)坯件表面抛光，从而制得复底锅具D1。
测试例
对以上实施例和对比例制备的复底锅具样品进行防锈性能测试：
测试方法：将氯化钠分析纯溶液(浓度5％)注入烹饪器具中，使溶液达烹饪器具的1/2以上高度，盖上盖子，在发热源上大火加热至沸腾，然后保持微沸，继续加热1h，煮沸过程中因蒸发损失的氯化钠溶液(5％)应及时补加，以保持溶液浓度不变。将烹饪器具移离热源，用自来水洗净盐渍，并用软布吸干表面，立即目视检查，样品内表面不允许出现锈点。以上测试未出现锈点的样品，继续按上述方法测试，0.5小时为1个观察间隔，直到所有样品均出现锈点时停止实验。参考标准：按以上测试方法，1h无锈点视为合格。
测试结果如下表1所示。
表1
实验结果分析：
(1)通过样品A1与样品A2、样品A3的对比可知，渗氮压力大于2kPa，防锈性能较好。
(2)通过样品A1和样品A4、样品A5、样品A6的对比可知，渗氮温度较低时，防锈性能下降；渗氮温度在540～580℃范围内，防锈性能最佳。
(3)通过样品A1和样品A7、样品A8、样品A9、样品A10和样品A11的对比可知，渗氮时间在1.5-4h范围内，防锈性能最佳。
(4)通过样品A1和样品A12的对比可知，通入氮气封闭的步骤可以改善防锈性能。
(5)通过样品A1和对比样品D1的对比可知，采用本发明所述的离子渗氮工艺处理后的样品具有比普通气体渗氮处理更优异的防锈性能，可满足复合底铁锅的使用需求。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
