专利名称：炊具用铁铜锌系材料及其应用方法
技术领域：
本发明涉及一种炊具用金属材料及其应用方法。本发明特别涉及一种在烹饪中能释放对人体有益微量元素的铁-铜-锌系炊具用材料，以及它们的应用方法。
人类古老的炊具用材料有陶器和铁，近代则大量使用铝材和不锈钢制造炊具。由于陶器的脆性和含有铅、镉等对人体有害的元素，从而限制了它的应用。用铝材制造的炊具比铁制炊具既质轻又美观，而且导热性能也比铁制炊具好，又不生锈，各类家庭喜爱使用，但是，铝并不是人体所必需的微量元素，吸收多了就积蓄在人体的肝、脾、肾、甲状腺和脑等部位，当积蓄量达到一定值时，会对消化道吸收磷发生抑制作用，妨碍人体消化吸收，此外，体内铝含量过高，不仅会影响神经系统，使幼儿智力发育迟缓，加速人脑组织老化，而且还会使人衰老的更快(参见《微量元素与人体健康》人民卫生出版社，吴晴斋编著)。
用不锈钢材料制造的炊具由于导热性差，烹调时，食物无法均匀受热，常常是一部分食物尚未煮熟，而锅底接触火焰之处的食物却已焦糊，不能食用。显然，最有应用前途的炊具用材仍是铁。
铁制炊具在使用过程中能释放人体所必需的元素铁，但是人体内还需要其它金属微量元素，尤其是铜和锌元素-号称是生命攸关的元素，一般而论，微量元素铁、铜、锌等对核酸及蛋白质的合成，免疫过程细胞的呼吸、分裂、繁殖及新陈代谢等都有直接作用。所以铁制炊具所释放的单一铁元素显得有些不能满足人体需要了。
鉴于铁-铜-锌元素在人体代谢中具有的重要生理功能和营养作用，而它们在人类食物链中又往往供应不全的事实，人们试图制造一种这样的炊具用铁、铜、锌合金，即炊具在使用时可以释放出人体所需的微量金属元素的铁铜锌合金，但由于锌在铁的熔点温度下蒸气压很大，给含高锌铁合金的容铸造成了很大困难，故制造以铁、铜、锌为基的含油耐磨材料，通常均采用粉末冶金方法。如日本专利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合金都是用粉末烧结法制成的。这种方法造价昂贵，如用这种方法制成的合金用于炊具，势必会造成炊具成本上升，不利于炊具的生产和销售。
为了克服上述现有技术的缺点，本发明人在经过多年的研究后，发明了一种炊具用铁-铜-锌系材料及应用方法。
本发明的目的在于提供一种不含任何对人体有害元素，而只含对人体健康发育有重要促进作用的铁-铜-锌元素的炊具用铁基合金材料，及其应用方法。这种Fe-Cu-Zn材料用于炊具上，使炊具在烹饪和一般使用过程中不断地释放Fe、Cu、Zn微量元素，这些微量元素通过与食物结合而被人体摄入，以补偿人体在正常食物链中对这类微量元素需求的不足部分。本发明的另一目的是提供一种经济的炊具用铁铜锌合金应用方法。
本发明的炊具用Fe-Cu-Zn系材料的组成是Cu 15-45%(重)，Zn 1-20%(重)，Fe余量。
本发明炊具用Fe-Cu-Zn系材料的应用方法是用电弧喷涂方法，本发明中使用的电弧喷涂法，其特征在于两个电极既不用Fe、Cu、Zn三元合金线，也不用以该三种元素制成的复合线，而是一个电极用Fe线，另一个电极用Cu-Zn合金线。采用Cu-Zn合金线作为一个极的目的，首先是为了确保在实际应用中往往需要固定的Cu/Zn比。其次是减少Zn在喷涂中的挥发损耗，这里，改变Cu-Zn线中的Zn含量可调整涂层中的Cu/Zn比，改变Fe线与Cu-Zn线的线径比可以调整涂层的相组成。
图1是本发明制备铁铜锌系材料的电弧喷涂示意图，其中1-涂层(Fe-Cu-Zn)，2-镍铝(2082丝)底层，3-铁板(锅)基体，4-铁丝，5-铜锌丝，6-压缩空气，7-电弧喷枪。
图2是图1中涂层(1)的显微组织(×100)，图3是图1中涂层(1)的形貌相(×500)。
图4是图1中涂层(1)中的铁、铜、锌元素面分布图，其中(a)铁分布图、(b)铜分布图，(c)锌分布图。
图5是图1中镍铝(2082丝)底层(2)与基体(3)的结合状况。
图6是图1中镍铝底层(2)与基体(3)交界处元素浓度分布曲线，其中(a)为Fe-Al曲线，(b)为Fe-Ni曲线。
下面结合附图详细叙述本发明炊具用Fe-Cu-Zn系材料及其应用方法。第一步，做好准备工作，即先将炊具表面喷砂处理，用16目棕钢玉砂，空气压力为5个大气压。然后在经砂处理的表面喷涂NLS2082丝(北京有色金属研究总院有售)-一种镍铝复合喷涂丝作底层。具体工艺用上海喷涂机械厂出的SQP-1型喷枪，喷涂时氧、乙炔气体流量为0.7～0.8立方米/小时，空气压力4～6大气压，喷涂距离150～200毫米，进丝速度为每分钟650～750毫米。喷涂材料NLS2082是镍-铝复合喷涂丝，是由北京有色金属研究总院提供的。涂层厚度为0.05～0.3毫米。第二步是本发明应用方法的关键，即在NLS2082底层上喷涂高铜高锌铁基涂层，这种高铜锌铁基涂层便是本发明所说的炊具用Fe-Cu-Zn系材料。图1是本发明制备铁、铜、锌系材料的电弧喷涂示意图，电弧喷枪的两极(4)(5)分别采用市售Fe丝和黄铜丝，丝材直径为Φ1.4-1.6毫米，具体工艺用上海喷涂机械厂出的SCDP-5电弧喷枪。喷涂时电压为20～22V，电流为50～60A，进丝速度为1～1.5米/分，喷涂距离为150～300毫米。空气压力4～6大气压，涂层厚度0.5～3毫米。
涂层(1)组成如下Cu 15-45%(重)，Zn 1-20%(重)，Fe余量。从图2可见，铁、铜、锌涂层中各相的分布、组织宏观上是比较均匀的。利用扫描电镜对涂层的正面侧面进行分析，尽管是微区分析，也可以看出在各处均有铁铜锌三元素存在，并且含量的波动虽然存在但不是很大(见表1)。
表1元素(%) Fe Cu Zn 元素(%) Fe Cu Zn66.9 21.7 11.4 66.1 23.9 12.9涂层正面 68.1 21.1 10.8 涂层侧面 78.9 14.3 6.870.4 19.8 9.8
注试样涂层正面、侧面均磨光。
从微观上看，本发明的炊具用铁、铜、锌涂层是一种由Fe和Cu-Zn两相组成的假合金。图3中的A(黑色部分)为铁，B(白色部分)为铜-锌。从涂层显微组织来看，这二相是独立存在的，交互嵌镶。从图4(a)(b)(c)来看，更证实了铁和铜-锌虽然略有扩散，但未熔合。比较(a)(b)(c)三图，可以看到铁的含量较多，而Cu-Zn仍成为一体，Zn的含量较Cu含量少一些。
对涂层的χ射线衍射分析，也证明证明涂层中主要组成相为Fe相和Cu-Zn相。扫描电镜观察表明铁-铜-锌涂层(1)和Ni-Al层(2082丝)(2)的界面交互嵌镶，互相略有扩散，但未熔合。也无脆性金属间化合物产生，为使用提供了良好的耐磨性和抗热冲击性。再有，由于镍铝复合喷涂丝(2082丝)在喷涂瞬间发生强烈放热反应，使Ni-Al涂层(2)与铁锅基体(3)相熔合，形成牢固的冶金结合，经过电子探针和热冲击试验，可以得知，涂层(2)与基体(3)结合良好，镍铝底层(2)中的一些镍铝元素已扩散入铁基(3)体上，与铁基体形成了牢固的冶金结合，而这底层同时又为后续的FeCuZn三元涂层(1)提供了良好的具有一定粗糙度的结合面，二涂层间相互嵌镶，故结合十分牢固。
热冲击实验则从另一侧面证实了这一点，用本发明的上述应用方法制做已用镍铝丝打底，铁铜锌涂层为0.7mm厚的90×150mm的金属板试样三快，涂层向内，当弯曲半径R＝5mm时，样品分别弯曲45°，70°，90°涂层无开裂脱落。将弯曲后的试样，在580-640℃下保温4分钟，基体呈暗红，即取出用自来水冲，冷却后入炉，反复三次，涂层完好。
在炊具上应用Fe-Cu-Zn系材料时，使用电弧喷涂法可以改变Fe-Cu-Zn涂层中各元素的含量，这也是本发明的一个特征。
改变Cu-Zn线中的Zn含量，即可改变涂层中Cu/Zn比，如分别使用38%Zn-Cu线与20%Zn-Cu线作电弧喷涂的一极，而另一极都采用Fe线。前者涂层中锌含量约为15%，铜含量约为27%，其余为铁。后者涂层中Zn含量约为7.5%，铜含量约为35%，铁余量。
若改变二极线的线径比，则可改变涂层中的Fe相与Cu-Zn相的比例(见表2)。
表2.线径与涂层组成的关系Cu/Zn＝62/38 Fe线直径 涂层组成的线直径 (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由于涂层的取样位置不同，所以虽取用同样成分，同样线径的Cu-Zn线，其Cu-Zn比不完全一致，而有所波动。但从上表中可以清楚看到Cu-Zn线直径不变，随着Fe线线径的变小，Cu、Zn元素在涂层中含量增加，即Cu-Zn/Fe的比值上升。可想而知，如果固定铁线的线径，减小Cu-Zn线的线径，即可实现Cu-Zn/Fe比值的下降。
将本发明的炊具用Fe-Cu-Zn系材料用于炊具的内表面(烹饪面)上，在烹饪时炊具可释放出于人体健康有益的Fe、Cu、Zn微量元素，并可按需要调整涂层中Fe、Cu、Zn的含量。下面表3是内表面有Fe、Cu、Zn金属涂层的烹饪用铁锅(表中称“合金锅”)和无涂层的一般铁锅及不锈钢锅在烹饪时所释放出微量元素的比较表。
表3.微量元素测定结果(mg/100g)检品 锅种类 铜 锌 铁红烧鱼肉 合金锅 0.095 2.273 2.454红烧鱼肉 铁锅 0 0.400 0.640红烧鱼肉 不锈钢锅 0 0.762 2.000红烧鱼汤 合金锅 0.352 2.000 4.848红烧鱼汤 铁锅 0.036 0.320 1.840
红烧鱼汤 不锈钢锅 0.200 0.116 0.640水 合金锅 0 0.002 0.010清纯鱼肉 合金锅 0 0.533 0.867清炖鱼汤 合金锅 0.172 0.488 4.316红烧肉 合金锅 0.536 8.227 23.227红烧肉 铁锅 0.200 3.071 7.664红烧肉 不锈钢锅 0.282 4.993 8.400炒肉丝 合金锅 0.469 3.662 3.892炒肉丝 铁锅 0.336 3.109 4.327炒肉丝 不锈钢锅 0.222 3.356 3.719西红柿炒 合金锅 0.352 1.648 5.864鸡蛋西红柿炒 铁锅 0.121 1.182 2.042鸡蛋西红柿炒 不锈钢锅 0.104 0.944 2.000鸡蛋熏醋 原醋 0.035 2.880 8.240熏醋 合金锅 0.058 80.000 245.000熏醋 铁锅 0.036 9.300 52.300熏醋 不锈钢锅 0.046 9.000 20.2001%食用碱 碱液 0.005 0.009 0.0301%食用碱 合金锅 0.018 0.002 0.0181%食用碱 铁锅 0.008 0.003 0.0271%食用碱 不锈钢锅 0.014 0.002 0.0301%食盐水 原盐水 0.006 0 01%食盐水 合金锅 0.012 0 01%食盐水 铁锅 0.006 0 01%食盐水 不锈钢锅 0.007 0 0酒(60°) 二锅头酒 0.005 0.025 0.054
酒(60°) 合金锅 0.025 19.600 43.900酒(60°) 铁锅 0.006 12.500 110.000酒(60°) 不锈钢锅 0.022 0.752 2.016注1)每次每锅用量，鱼1000g，豆油200g，盐15g，水1000毫升。
2)此表中，醋、碱、盐水、酒中的微量元素测定结果用(mg/100ml)计。
下面的实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的内容。
实施例取市售熟铁锅一个，直径350mm，内表面经喷砂处理后，喷涂NLS2082丝，然后电弧喷涂Fe-Cu-Zn涂层。
具体工艺1.在铁锅内表面喷砂，用16目棕刚玉砂、空气压力为5个大气压。
2.喷涂NLS2082，丝材成分为Al20～24%，Ni余量，直径为Φ3.17毫米。
用metco12喷枪，喷枪点火压力氧气2.41巴，乙炔1.03巴，压缩空气4.83巴。喷涂时流量表读数氧气44格，乙炔39格，压缩空气52格，涂层厚度0.1毫米。
3.在上述喷涂底层上喷涂铁铜锌涂层。
采用SCDP-3型电弧喷枪，两极分别为Fe线和铜-锌线(不能含Pb，Cu/Zn比为1.63)线材在经均为Φ1.5毫米。电压22V，电流60A，压缩空气压力5大气压，喷涂距离250mm，涂层厚度1.5毫米。涂层中Fe、Cu、Zn含量如下Cu26.84%(重)，Zn15.22%(重)，Fe余量。
权利要求
1.一种炊具有铁铜锌系材料，其组成如下铜15～45%(重)，锌1～20%(重)，铁余量，其特征在于用喷涂法将这种铁、铜、锌系材料应用于炊具上。
2.根据权利要求1所述的用途，其特征在于所说的应用包括将炊具表面进行喷砂处理，在经过喷砂处理的炊具表面用氧-乙炔焰喷枪喷涂镍铝复合喷涂丝作底层;然后用电弧喷枪在镍铝复合喷涂丝底层上喷涂高铜高锌铁基涂层。
3.根据权利要求2所述的用途，其中所说的喷砂处理是用16目棕钢玉砂，在5个大气压的空气压力下进行。
4.根据权利要求2所述的用途，其中所说的在炊具表面用氧-乙炔焰喷枪喷涂镍铝复合喷涂丝作底层的方法是氧乙炔气体流量为0.7～0.8立方米/小时，空气压力4～6大气压，喷涂距离150～200毫米，进丝速度为每分钟650～750毫米，喷涂材料是镍铝复合喷涂丝，涂层厚度为0.05～0.3毫米。
5.根据权利要求2所述的用途，其中所说的电弧喷枪的两极，一极为铁线，另一极为铜锌线，线材直径为Φ1.4～1.6毫米。
6.根据权利要求2所述的用途，其中所说的电弧喷涂高铜高锌铁基涂层的方法是用电弧喷枪，喷涂时电压为20-22V，电流为50～60A，进丝速度为1-1.5米/分，喷涂距离为150-300毫米，空气压力为4～6大气压，铁铜锌涂层厚度为0.5～3毫米。
7.根据权利要求6所述的用途，其中所说的铁铜锌涂层中各元素含量如下铜15～45%(重)，锌1～20%(重)，铁余量。
8.根据权利要求7所述的用途，其中涂层中铁铜锌含量可通过电弧喷枪的铁线极和铜线极的线径以及铜锌线中铜与锌含量之比来改变。
9.根据权利要求1所述的用途，其中所说的炊具是铁锅。
全文摘要
一种炊具用铁铜锌系材料，其组成如下Cu15～45％(重)，Zn1～20％(重)，Fe余量，其特征在于这种Fe-Cu-Zn系材料是用电弧喷涂法应用于炊具上。
文档编号A47J36/02GK1050568SQ90103058
公开日1991年4月10日 申请日期1990年6月25日 优先权日1990年6月25日
发明者甘晓铁, 徐天元 申请人:北京市第二水利工程处