專利名稱：炊具用鐵銅鋅系材料及其應(yīng)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種炊具用金屬材料及其應(yīng)用方法。本發(fā)明特別涉及一種在烹飪中能釋放對人體有益微量元素的鐵-銅-鋅系炊具用材料，以及它們的應(yīng)用方法。
人類古老的炊具用材料有陶器和鐵，近代則大量使用鋁材和不銹鋼制造炊具。由于陶器的脆性和含有鉛、鎘等對人體有害的元素，從而限制了它的應(yīng)用。用鋁材制造的炊具比鐵制炊具既質(zhì)輕又美觀，而且導(dǎo)熱性能也比鐵制炊具好，又不生銹，各類家庭喜愛使用，但是，鋁并不是人體所必需的微量元素，吸收多了就積蓄在人體的肝、脾、腎、甲狀腺和腦等部位，當(dāng)積蓄量達(dá)到一定值時(shí)，會對消化道吸收磷發(fā)生抑制作用，妨礙人體消化吸收，此外，體內(nèi)鋁含量過高，不僅會影響神經(jīng)系統(tǒng)，使幼兒智力發(fā)育遲緩，加速人腦組織老化，而且還會使人衰老的更快(參見《微量元素與人體健康》人民衛(wèi)生出版社，吳晴齋編著)。
用不銹鋼材料制造的炊具由于導(dǎo)熱性差，烹調(diào)時(shí)，食物無法均勻受熱，常常是一部分食物尚未煮熟，而鍋底接觸火焰之處的食物卻已焦糊，不能食用。顯然，最有應(yīng)用前途的炊具用材仍是鐵。
鐵制炊具在使用過程中能釋放人體所必需的元素鐵，但是人體內(nèi)還需要其它金屬微量元素，尤其是銅和鋅元素-號稱是生命攸關(guān)的元素，一般而論，微量元素鐵、銅、鋅等對核酸及蛋白質(zhì)的合成，免疫過程細(xì)胞的呼吸、分裂、繁殖及新陳代謝等都有直接作用。所以鐵制炊具所釋放的單一鐵元素顯得有些不能滿足人體需要了。
鑒于鐵-銅-鋅元素在人體代謝中具有的重要生理功能和營養(yǎng)作用，而它們在人類食物鏈中又往往供應(yīng)不全的事實(shí)，人們試圖制造一種這樣的炊具用鐵、銅、鋅合金，即炊具在使用時(shí)可以釋放出人體所需的微量金屬元素的鐵銅鋅合金，但由于鋅在鐵的熔點(diǎn)溫度下蒸氣壓很大，給含高鋅鐵合金的容鑄造成了很大困難，故制造以鐵、銅、鋅為基的含油耐磨材料，通常均采用粉末冶金方法。如日本專利JP57-169061中的Fe-Cu-Zn-Sn-B合金、JP589650中的Fe-Cu-Zn-B-Sn合金和JP56-51554中的Fe-Cu-Zn-C合金都是用粉末燒結(jié)法制成的。這種方法造價(jià)昂貴，如用這種方法制成的合金用于炊具，勢必會造成炊具成本上升，不利于炊具的生產(chǎn)和銷售。
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明人在經(jīng)過多年的研究后，發(fā)明了一種炊具用鐵-銅-鋅系材料及應(yīng)用方法。
本發(fā)明的目的在于提供一種不含任何對人體有害元素，而只含對人體健康發(fā)育有重要促進(jìn)作用的鐵-銅-鋅元素的炊具用鐵基合金材料，及其應(yīng)用方法。這種Fe-Cu-Zn材料用于炊具上，使炊具在烹飪和一般使用過程中不斷地釋放Fe、Cu、Zn微量元素，這些微量元素通過與食物結(jié)合而被人體攝入，以補(bǔ)償人體在正常食物鏈中對這類微量元素需求的不足部分。本發(fā)明的另一目的是提供一種經(jīng)濟(jì)的炊具用鐵銅鋅合金應(yīng)用方法。
本發(fā)明的炊具用Fe-Cu-Zn系材料的組成是Cu 15-45%(重)，Zn 1-20%(重)，F(xiàn)e余量。
本發(fā)明炊具用Fe-Cu-Zn系材料的應(yīng)用方法是用電弧噴涂方法，本發(fā)明中使用的電弧噴涂法，其特征在于兩個(gè)電極既不用Fe、Cu、Zn三元合金線，也不用以該三種元素制成的復(fù)合線，而是一個(gè)電極用Fe線，另一個(gè)電極用Cu-Zn合金線。采用Cu-Zn合金線作為一個(gè)極的目的，首先是為了確保在實(shí)際應(yīng)用中往往需要固定的Cu/Zn比。其次是減少Zn在噴涂中的揮發(fā)損耗，這里，改變Cu-Zn線中的Zn含量可調(diào)整涂層中的Cu/Zn比，改變Fe線與Cu-Zn線的線徑比可以調(diào)整涂層的相組成。


圖1是本發(fā)明制備鐵銅鋅系材料的電弧噴涂示意圖，其中1-涂層(Fe-Cu-Zn)，2-鎳鋁(2082絲)底層，3-鐵板(鍋)基體，4-鐵絲，5-銅鋅絲，6-壓縮空氣，7-電弧噴槍。
圖2是圖1中涂層(1)的顯微組織(×100)，圖3是圖1中涂層(1)的形貌相(×500)。
圖4是圖1中涂層(1)中的鐵、銅、鋅元素面分布圖，其中(a)鐵分布圖、(b)銅分布圖，(c)鋅分布圖。
圖5是圖1中鎳鋁(2082絲)底層(2)與基體(3)的結(jié)合狀況。
圖6是圖1中鎳鋁底層(2)與基體(3)交界處元素濃度分布曲線，其中(a)為Fe-Al曲線，(b)為Fe-Ni曲線。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明炊具用Fe-Cu-Zn系材料及其應(yīng)用方法。第一步，做好準(zhǔn)備工作，即先將炊具表面噴砂處理，用16目棕鋼玉砂，空氣壓力為5個(gè)大氣壓。然后在經(jīng)砂處理的表面噴涂NLS2082絲(北京有色金屬研究總院有售)-一種鎳鋁復(fù)合噴涂絲作底層。具體工藝用上海噴涂機(jī)械廠出的SQP-1型噴槍，噴涂時(shí)氧、乙炔氣體流量為0.7～0.8立方米/小時(shí)，空氣壓力4～6大氣壓，噴涂距離150～200毫米，進(jìn)絲速度為每分鐘650～750毫米。噴涂材料NLS2082是鎳-鋁復(fù)合噴涂絲，是由北京有色金屬研究總院提供的。涂層厚度為0.05～0.3毫米。第二步是本發(fā)明應(yīng)用方法的關(guān)鍵，即在NLS2082底層上噴涂高銅高鋅鐵基涂層，這種高銅鋅鐵基涂層便是本發(fā)明所說的炊具用Fe-Cu-Zn系材料。圖1是本發(fā)明制備鐵、銅、鋅系材料的電弧噴涂示意圖，電弧噴槍的兩極(4)(5)分別采用市售Fe絲和黃銅絲，絲材直徑為Φ1.4-1.6毫米，具體工藝用上海噴涂機(jī)械廠出的SCDP-5電弧噴槍。噴涂時(shí)電壓為20～22V，電流為50～60A，進(jìn)絲速度為1～1.5米/分，噴涂距離為150～300毫米?？諝鈮毫?～6大氣壓，涂層厚度0.5～3毫米。
涂層(1)組成如下Cu 15-45%(重)，Zn 1-20%(重)，F(xiàn)e余量。從圖2可見，鐵、銅、鋅涂層中各相的分布、組織宏觀上是比較均勻的。利用掃描電鏡對涂層的正面?zhèn)让孢M(jìn)行分析，盡管是微區(qū)分析，也可以看出在各處均有鐵銅鋅三元素存在，并且含量的波動雖然存在但不是很大(見表1)。
表1元素(%) Fe Cu Zn 元素(%) Fe Cu Zn66.9 21.7 11.4 66.1 23.9 12.9涂層正面 68.1 21.1 10.8 涂層側(cè)面 78.9 14.3 6.870.4 19.8 9.8
注試樣涂層正面、側(cè)面均磨光。
從微觀上看，本發(fā)明的炊具用鐵、銅、鋅涂層是一種由Fe和Cu-Zn兩相組成的假合金。圖3中的A(黑色部分)為鐵，B(白色部分)為銅-鋅。從涂層顯微組織來看，這二相是獨(dú)立存在的，交互嵌鑲。從圖4(a)(b)(c)來看，更證實(shí)了鐵和銅-鋅雖然略有擴(kuò)散，但未熔合。比較(a)(b)(c)三圖，可以看到鐵的含量較多，而Cu-Zn仍成為一體，Zn的含量較Cu含量少一些。
對涂層的χ射線衍射分析，也證明證明涂層中主要組成相為Fe相和Cu-Zn相。掃描電鏡觀察表明鐵-銅-鋅涂層(1)和Ni-Al層(2082絲)(2)的界面交互嵌鑲，互相略有擴(kuò)散，但未熔合。也無脆性金屬間化合物產(chǎn)生，為使用提供了良好的耐磨性和抗熱沖擊性。再有，由于鎳鋁復(fù)合噴涂絲(2082絲)在噴涂瞬間發(fā)生強(qiáng)烈放熱反應(yīng)，使Ni-Al涂層(2)與鐵鍋基體(3)相熔合，形成牢固的冶金結(jié)合，經(jīng)過電子探針和熱沖擊試驗(yàn)，可以得知，涂層(2)與基體(3)結(jié)合良好，鎳鋁底層(2)中的一些鎳鋁元素已擴(kuò)散入鐵基(3)體上，與鐵基體形成了牢固的冶金結(jié)合，而這底層同時(shí)又為后續(xù)的FeCuZn三元涂層(1)提供了良好的具有一定粗糙度的結(jié)合面，二涂層間相互嵌鑲，故結(jié)合十分牢固。
熱沖擊實(shí)驗(yàn)則從另一側(cè)面證實(shí)了這一點(diǎn)，用本發(fā)明的上述應(yīng)用方法制做已用鎳鋁絲打底，鐵銅鋅涂層為0.7mm厚的90×150mm的金屬板試樣三快，涂層向內(nèi)，當(dāng)彎曲半徑R＝5mm時(shí)，樣品分別彎曲45°，70°，90°涂層無開裂脫落。將彎曲后的試樣，在580-640℃下保溫4分鐘，基體呈暗紅，即取出用自來水沖，冷卻后入爐，反復(fù)三次，涂層完好。
在炊具上應(yīng)用Fe-Cu-Zn系材料時(shí)，使用電弧噴涂法可以改變Fe-Cu-Zn涂層中各元素的含量，這也是本發(fā)明的一個(gè)特征。
改變Cu-Zn線中的Zn含量，即可改變涂層中Cu/Zn比，如分別使用38%Zn-Cu線與20%Zn-Cu線作電弧噴涂的一極，而另一極都采用Fe線。前者涂層中鋅含量約為15%，銅含量約為27%，其余為鐵。后者涂層中Zn含量約為7.5%，銅含量約為35%，鐵余量。
若改變二極線的線徑比，則可改變涂層中的Fe相與Cu-Zn相的比例(見表2)。
表2.線徑與涂層組成的關(guān)系Cu/Zn＝62/38 Fe線直徑 涂層組成的線直徑 (mm) Cu(wt%) Zn(wt%) Fe(wt%) Cu/Zn Cu-Zn/Fe(mm)Φ1.5 Φ1.5 26.84 15.22 余量 1.76 0.73Φ1.5 Φ1.4 30.96 16.32 余量 1.90 0.90Φ1.5 Φ1.3 32.98 20.0 余量 1.65 1.12由于涂層的取樣位置不同，所以雖取用同樣成分，同樣線徑的Cu-Zn線，其Cu-Zn比不完全一致，而有所波動。但從上表中可以清楚看到Cu-Zn線直徑不變，隨著Fe線線徑的變小，Cu、Zn元素在涂層中含量增加，即Cu-Zn/Fe的比值上升。可想而知，如果固定鐵線的線徑，減小Cu-Zn線的線徑，即可實(shí)現(xiàn)Cu-Zn/Fe比值的下降。
將本發(fā)明的炊具用Fe-Cu-Zn系材料用于炊具的內(nèi)表面(烹飪面)上，在烹飪時(shí)炊具可釋放出于人體健康有益的Fe、Cu、Zn微量元素，并可按需要調(diào)整涂層中Fe、Cu、Zn的含量。下面表3是內(nèi)表面有Fe、Cu、Zn金屬涂層的烹飪用鐵鍋(表中稱“合金鍋”)和無涂層的一般鐵鍋及不銹鋼鍋在烹飪時(shí)所釋放出微量元素的比較表。
表3.微量元素測定結(jié)果(mg/100g)檢品 鍋種類 銅 鋅 鐵紅燒魚肉 合金鍋 0.095 2.273 2.454紅燒魚肉 鐵鍋 0 0.400 0.640紅燒魚肉 不銹鋼鍋 0 0.762 2.000紅燒魚湯 合金鍋 0.352 2.000 4.848紅燒魚湯 鐵鍋 0.036 0.320 1.840
紅燒魚湯 不銹鋼鍋 0.200 0.116 0.640水 合金鍋 0 0.002 0.010清純魚肉 合金鍋 0 0.533 0.867清燉魚湯 合金鍋 0.172 0.488 4.316紅燒肉 合金鍋 0.536 8.227 23.227紅燒肉 鐵鍋 0.200 3.071 7.664紅燒肉 不銹鋼鍋 0.282 4.993 8.400炒肉絲 合金鍋 0.469 3.662 3.892炒肉絲 鐵鍋 0.336 3.109 4.327炒肉絲 不銹鋼鍋 0.222 3.356 3.719西紅柿炒 合金鍋 0.352 1.648 5.864雞蛋西紅柿炒 鐵鍋 0.121 1.182 2.042雞蛋西紅柿炒 不銹鋼鍋 0.104 0.944 2.000雞蛋熏醋 原醋 0.035 2.880 8.240熏醋 合金鍋 0.058 80.000 245.000熏醋 鐵鍋 0.036 9.300 52.300熏醋 不銹鋼鍋 0.046 9.000 20.2001%食用堿 堿液 0.005 0.009 0.0301%食用堿 合金鍋 0.018 0.002 0.0181%食用堿 鐵鍋 0.008 0.003 0.0271%食用堿 不銹鋼鍋 0.014 0.002 0.0301%食鹽水 原鹽水 0.006 0 01%食鹽水 合金鍋 0.012 0 01%食鹽水 鐵鍋 0.006 0 01%食鹽水 不銹鋼鍋 0.007 0 0酒(60°) 二鍋頭酒 0.005 0.025 0.054
酒(60°) 合金鍋 0.025 19.600 43.900酒(60°) 鐵鍋 0.006 12.500 110.000酒(60°) 不銹鋼鍋 0.022 0.752 2.016注1)每次每鍋用量，魚1000g，豆油200g，鹽15g，水1000毫升。
2)此表中，醋、堿、鹽水、酒中的微量元素測定結(jié)果用(mg/100ml)計(jì)。
下面的實(shí)施例是對本發(fā)明的進(jìn)一步說明，而不是限制本發(fā)明的內(nèi)容。
實(shí)施例取市售熟鐵鍋一個(gè)，直徑350mm，內(nèi)表面經(jīng)噴砂處理后，噴涂NLS2082絲，然后電弧噴涂Fe-Cu-Zn涂層。
具體工藝1.在鐵鍋內(nèi)表面噴砂，用16目棕剛玉砂、空氣壓力為5個(gè)大氣壓。
2.噴涂NLS2082，絲材成分為Al20～24%，Ni余量，直徑為Φ3.17毫米。
用metco12噴槍，噴槍點(diǎn)火壓力氧氣2.41巴，乙炔1.03巴，壓縮空氣4.83巴。噴涂時(shí)流量表讀數(shù)氧氣44格，乙炔39格，壓縮空氣52格，涂層厚度0.1毫米。
3.在上述噴涂底層上噴涂鐵銅鋅涂層。
采用SCDP-3型電弧噴槍，兩極分別為Fe線和銅-鋅線(不能含Pb，Cu/Zn比為1.63)線材在經(jīng)均為Φ1.5毫米。電壓22V，電流60A，壓縮空氣壓力5大氣壓，噴涂距離250mm，涂層厚度1.5毫米。涂層中Fe、Cu、Zn含量如下Cu26.84%(重)，Zn15.22%(重)，F(xiàn)e余量。
權(quán)利要求
1.一種炊具有鐵銅鋅系材料，其組成如下銅15～45%(重)，鋅1～20%(重)，鐵余量，其特征在于用噴涂法將這種鐵、銅、鋅系材料應(yīng)用于炊具上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用途，其特征在于所說的應(yīng)用包括將炊具表面進(jìn)行噴砂處理，在經(jīng)過噴砂處理的炊具表面用氧-乙炔焰噴槍噴涂鎳鋁復(fù)合噴涂絲作底層;然后用電弧噴槍在鎳鋁復(fù)合噴涂絲底層上噴涂高銅高鋅鐵基涂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用途，其中所說的噴砂處理是用16目棕鋼玉砂，在5個(gè)大氣壓的空氣壓力下進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用途，其中所說的在炊具表面用氧-乙炔焰噴槍噴涂鎳鋁復(fù)合噴涂絲作底層的方法是氧乙炔氣體流量為0.7～0.8立方米/小時(shí)，空氣壓力4～6大氣壓，噴涂距離150～200毫米，進(jìn)絲速度為每分鐘650～750毫米，噴涂材料是鎳鋁復(fù)合噴涂絲，涂層厚度為0.05～0.3毫米。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用途，其中所說的電弧噴槍的兩極，一極為鐵線，另一極為銅鋅線，線材直徑為Φ1.4～1.6毫米。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用途，其中所說的電弧噴涂高銅高鋅鐵基涂層的方法是用電弧噴槍，噴涂時(shí)電壓為20-22V，電流為50～60A，進(jìn)絲速度為1-1.5米/分，噴涂距離為150-300毫米，空氣壓力為4～6大氣壓，鐵銅鋅涂層厚度為0.5～3毫米。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用途，其中所說的鐵銅鋅涂層中各元素含量如下銅15～45%(重)，鋅1～20%(重)，鐵余量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用途，其中涂層中鐵銅鋅含量可通過電弧噴槍的鐵線極和銅線極的線徑以及銅鋅線中銅與鋅含量之比來改變。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用途，其中所說的炊具是鐵鍋。
全文摘要
一種炊具用鐵銅鋅系材料，其組成如下Cu15～45％(重)，Zn1～20％(重)，F(xiàn)e余量，其特征在于這種Fe-Cu-Zn系材料是用電弧噴涂法應(yīng)用于炊具上。
文檔編號A47J36/02GK1050568SQ90103058
公開日1991年4月10日 申請日期1990年6月25日 優(yōu)先權(quán)日1990年6月25日
發(fā)明者甘曉鐵, 徐天元 申請人:北京市第二水利工程處