一种抗菌耐磨的锅具及其制备方法

技术领域

本申请涉及一种抗菌耐磨的锅具及其制备方法，属于烹饪器具技术领域。

背景技术

锅具在厨房中起着至关重要的作用，它们用于加热、烹饪和烘烤各种食物。传统的锅具通常由不锈钢、铸铁或铝等材料制成，它们在表面处理上采用不同的方法，如抛光、涂层或喷涂。尽管这些传统锅具在一定程度上能够满足烹饪需求，但它们仍然存在一些不足之处。例如，食物可能会在锅底附着，导致烹饪困难、细菌滋生和清洁困难等问题。此外，锅具的表面容易受到磨损和刮擦，从而影响其使用寿命。

目前试产的抗菌锅一是通过涂层抗菌，也就是在不粘涂层里面添加抗菌剂，如氧化锌或阴离子类的抗菌剂；另一种是采用有抗菌304材质来生产锅具，来达到抗菌的目的。

现有中国专利CN108067407A-一种抗菌不粘材料及其制备方法和抗菌不粘锅具中公开了在金属基材、陶瓷基材或碳基材的表面上依次形成氧化铝层、不粘底层和抗菌不粘面层，可以提供长久不粘、高效抗菌的效果。但其主要利用了水性氟树脂涂料与抗菌剂的混合，抗菌剂分散效果有限，长期高温使用下,涂层会逐渐衰减和降解，抗菌效果逐渐变差，也容易存在食品安全隐患。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提出了一种抗菌耐磨的锅具及其制备方法，通过采用在锅具表面熔射抗菌合金层，在提升耐腐蚀性能和耐磨性能的同时保证锅具抗菌性能，原材料健康无毒，且熔射层不易脱落；另外在熔射层外设置保护层，能够降低锅具表面的磨损，使其更加耐用，持久抗菌效果好。

根据本申请的一个方面，提供了一种抗菌耐磨的锅具，包括锅具基体及其表面附着的复合功能层，所述复合功能层包括由合金粉末熔射形成的熔射层和形成于所述熔射层的外表面的保护层；

其中，按照重量百分比计，所述合金粉末包括Ti≥80wt％、Fe≤0.05wt％、抗菌组分1wt％-15wt％，其余为不可避免的杂质；所述抗菌组分为Cu和ZnO中的一种或多种；所述保护层的硬度大于所述熔射层的硬度。

具体地，合金粉末中限定Ti元素含量大于80％，有助于使整个抗菌合金层具备优异的耐高温性能以及耐酸腐蚀性能，提升熔射层的综合机械性能和耐高温氧化腐蚀能力，控制Fe元素的含量尽量避免其影响合金抗氧化性；控制抗菌组分的含量一方能够提供较好的抗菌效果，另一方面避免过多添加影响熔射过程中的液体金属流动性，导致形成的涂层疏松不均。

可选的，Ti的含量可以是80wt％、81wt％、82wt％、83wt％、84wt％、85wt％、86wt％、87wt％、88wt％、89wt％、90wt％、91wt％、92wt％、93wt％、94wt％、95wt％、96wt％、97wt％、98wt％等，或者也可以是相邻两个取值之间的取值。

同理，抗菌组分的含量可以是1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、4.5wt％、5wt％、5.5wt％、6wt％、6.5wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％等，或者也可以是相邻两个取值之间的取值。

在上述取值的基础上，合金粉末的余量可以是Si、Mn或其他常见的锅具添加成份以及不可避免的杂质。

可选地，所述保护层自所述熔射层的外表面向所述熔射层内部延伸；其中，所述保护层的成份中包含TiN和/或TiO

可选地，所述保护层包括氮化层和氧化层，其中，所述氮化层形成于所述熔射层的外表面，且所述氮化层的成份中包含TiN；所述氧化层形成于所述氮化层的外表面，且所述氧化层的成份中包含TiO

具体地，熔射形成的涂层表面比较粗糙，在一定程度上会降低涂层的抗腐蚀性和硬度，进行氮化后使TiN生成并渗入缺陷，使涂层致密化。通过控制氮化处理条件，使氮原子只渗入涂层近表面一定深度，而不会完全渗透，形成表面致密的氮化层，保留原有组织的下层熔射层。

可选地，所述熔射层的厚度为35μm-55μm；所述保护层的厚度为10μm-20μm。

优选地，熔射层的厚度为40μm-50μm；所述保护层的厚度为15μm-18μm。

具体地，该厚度范围内的熔射层结构致密，具有足够的机械强度，与基体的结合强度高，从而提高锅具的整体耐磨性；该厚度范围内的保护层表面硬度高，提高锅具的抗刮花能力。

可选地，所述锅具基体的材质为复合钢，所述复合钢为三层复合材料，由外向内依次包括导磁层、铝层和不锈钢层。

优选地，复合钢材料为304+3003+430三层复合材料，厚度为2.3mm，成型后的锅坯内表面为304不锈钢材质，中间为3003铝层，外表面导磁层为430不锈钢材质，可以使锅具能通用明火，电炉，电磁炉等各种热源。

根据本申请的又一个方面，提供了一种上述的抗菌耐磨的锅具的制备方法，包括以下步骤：

a.锅具基体拉伸成型；

b.对锅具基体内表面进行抛光除油；

c.对锅具基体内表面进行喷砂粗化；

d.将上述合金粉末熔射至锅具基体内表面形成熔射层；

d1.将锅具基体进行氮化处理，以在熔射层的外表面形成保护层；

e.对锅具基体的内表面进行二次抛光，即制得所述抗菌耐磨的锅具。

优选地，表面除油采用机械抛光方法去除待熔射锅坯表面的油污。抛光可以使锅具表面光洁，目前烹饪翻炒时卡涩，抛光能够提升锅的抗粘性，提升美观度。

可选地，所述合金粉末的粒径为44μm-125μm。

具体地，限定合金粉末的粒径范围有助于其在涂层中均匀分布，确保了抗菌组分能够在整个涂层中均匀分散，从而提高了抗菌性能。同时，粒径范围适中的粉末更容易附着到锅具基体的内表面上，控制粒径的最大值可以使抗菌组分不容易流失或产生不均匀的涂层，有助于确保涂层的均匀性和一致性和控制抗菌组分的释放速度；控制粒径的最小值可以降低抗菌组分受热后直接发生燃烧的概率，以使抗菌组分能够正常地被熔射于锅具基体。适当的粒径范围可以平衡抗菌组分的释放速度，使其在锅具的使用寿命内持续发挥抗菌作用，从而延长了锅具的使用寿命。

另外，该粒径下的合金粉末颗粒可以填充涂层中的微观缺陷和孔隙，从而提高了熔射层的致密性，有助于增强锅具的耐磨性，使其能够更好地抵抗刮擦和磨损。

可选地，步骤c中喷砂后锅具基体内表面的粗糙度Ra为2.0μm～10μm；

和/或，步骤e中二次抛光后锅具基体内表面的粗糙度Ra为1.5μm～3μm。

本发明的粗化是采用喷砂工艺实现的，喷砂是使锅坯表面粗化、净化和活化的一种表面预处理方法，能够增大结合面积，可使熔射层与锅坯之间的结合程度得到强化。为了获取必要的粗糙表面，一般都选用多角形的，不规则的菱角锋利的磨料，如破碎的金刚砂等。通常随着锅坯表面的粗糙度值增大，熔射层和锅坯基体的结合强度也会提高，形成更强的机械嵌合，但是过大的粗糙度会导致界面应力集中，降低结合强度，也不易获得均匀的熔射层。

抛光处理后表面粗糙度Ra为1.5μm～3μm，可以获得光洁平坦的表面，便于日常使用。避免过度抛光导致表面质量损失，降低表面硬度。两种粗糙度的匹配既确保了结合强度，也获得了良好的表面质量。

优选地，氮化处理温度为500-600℃，时间为5h-7h。

步骤d采用等离子工艺，使用等离子喷枪，将等离子气体加热并使之电离，产生等离子弧，气体热膨胀有喷枪喷嘴喷出高速等离子射流，送粉气将第一种粉末从喷嘴内送入等离子射流中，被加热到熔融或半熔融状态，并被等离子射流加速，喷射到经处理过的锅坯内表面形成保护层。

等离子气体为氩气、氢气、氮气或氦气中的一种。熔射功率为40kw，时间为25～50s，送粉量为6g/min-7g/min。

可选地，步骤d和步骤e之间还包括步骤d2.将锅具基体进行氧化处理，以在熔射层的外表面形成含有TiO

优选地，氧化处理的工艺为将锅具基体放入约400℃的氧化溶剂内反应4h以上，使氧化溶剂与锅具基体充分反应，以在表面形成一层具有氧化物的保护层。

氧化溶剂采用现有技术中常规氧化溶剂调配而成，具体组分和比例可参考现有技术。

具体地，TiN的生成会使Ti元素从下层熔射层向外扩散，实现了氮化层与熔射层的良好结合，提高界面结合强度，最终显著提高锅具整体的硬度和耐磨性。在氮化层外部进行氧化，最后在氮化层外面形成化学惰性稳定的氧化层，提升锅坯表面的硬度、耐腐蚀性和耐磨耐用性。氧化层与氮化层堆叠可以产生复合增强效应，使锅具表面既具备良好的硬度又耐腐蚀，大大提高了使用寿命。且氮化钛和二氧化钛表面能比304等金属材质低，从而实现很好的抗粘效果。三层协同作用使锅具涂层整体具有兼顾不粘、抗菌、抗蚀和耐磨的卓越综合性能。

本申请能产生的有益效果包括但不限于：

1.本申请所提供的抗菌耐磨的锅具，通过设置含抗菌成分的合金粉末熔射形成的熔射层和保护层，一方面使锅具具备良好的抗菌性能，有效阻止细菌和微生物的生长，另一方面，由于Ti的含量较高，因此所形成的熔射层具有较为良好的耐酸腐蚀性能。

2.本申请所提供的抗菌耐磨的锅具，抗菌耐磨锅具的表面经过氮化和氧化处理后，具有较高的化学稳定性，不易受到食物酸碱等化学物质的侵蚀，因此对食物的味道和质量等影响较小。同时氮化氧化层的表面光滑均匀，表面能比304等金属材质低，食物更容易翻动和取出，减少了食物烹饪过程中的粘连问题；同时氮化氧化层具有良好的耐高温性，整个锅具在长期高温使用下仍具备较好的抗菌性能。另外氮化氧化层具有较高的硬度，从而使锅具具有良好的耐磨性能。

3.本申请所提供的抗菌耐磨的锅具的制备方法，易于工业化生产，确保了抗菌耐磨锅具的生产质量和性能稳定性，同时提高了锅具的耐用性和烹饪效率，符合现代生活对健康和品质的要求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例1所制备的抗菌耐磨的锅具实物图；

图2为本申请抗菌耐磨的锅具截面结构示意图；

图3为图2中A部放大图。

部件和附图标记列表：

1.锅具基体；2.熔射层；3.保护层；31.氧化层；32.氮化层。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。本专利中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

实施例1

抗菌耐磨的锅具包括锅具基体及其表面附着的复合功能层，复合功能层包括由合金粉末熔射形成的熔射层和形成于熔射层的外表面的保护层；其中，按照重量百分比计，合金粉末包括Ti95wt％、Fe0.05wt％、抗菌组分1wt％，其余为不可避免的杂质；抗菌组分为Cu；保护层的硬度大于熔射层的硬度。

保护层自熔射层的外表面向熔射层内部延伸；保护层包括氮化层和氧化层，其中，氮化层形成于熔射层的外表面，且氮化层的成份中包含TiN；氧化层形成于氮化层的外表面，且氧化层的成份中包含TiO

需要说明的是，熔射层的厚度过大会使熔射层更易脱落，厚度过小则熔射层的耐腐蚀性较弱无法起到保护锅具基体的效果。经实验验证，熔射层厚度为35μm-55μm时能够兼顾缓解上述两个方面的问题。同理，保护层在大于20μm的情况下，一方面耐冲击性能及耐盐腐蚀性能上升不明显，另一方面目前工艺条件也难以实现，所以保护层的厚度在10μm-20μm内时可以兼顾保护性能和成本。

锅具基体的材质为复合钢，复合钢材料为304+3003+430三层复合材料，厚度为2.3mm，成型后的锅坯内表面为304不锈钢材质，中间为3003铝层，外表面导磁层为430不锈钢材质，可以使锅具能通用明火，电炉，电磁炉等各种热源。

制备方法包括以下步骤：

a.锅具基体拉伸成型；

b.对锅具基体内表面进行抛光除油；

c.对锅具基体内表面进行喷砂粗化；

d.将上述合金粉末熔射至锅具基体内表面形成熔射层；

e.对锅具基体的内表面进行二次抛光，即制得抗菌耐磨的锅具。

其中，合金粉末的粒径为120μm。步骤c中喷砂后锅具基体内表面的粗糙度Ra为10μm；步骤e中二次抛光后锅具基体内表面的粗糙度Ra为3μm。步骤d使用等离子喷枪将熔融态的合金粉末喷射至锅具基体表面，等离子气体为氦气。熔射功率为40kw，时间为25s-50s，送粉量为6-6.5，以使熔射层厚度达到35μm-55μm。

步骤d和步骤e之间还包括步骤d1.将锅具基体进行氮化处理，氮化处理温度为500℃-700℃，时间为5h-7h。步骤d和步骤e之间还包括步骤d2.将锅具基体进行氧化处理，氧化处理温度约为400℃，时间为4h以上。

实施例2

抗菌耐磨的锅具包括锅具基体及其表面附着的复合功能层，复合功能层包括由合金粉末熔射形成的熔射层和形成于熔射层的外表面的保护层；其中，按照重量百分比计，合金粉末包括Ti85wt％、Fe0.05wt％、抗菌组分10wt％，其余为不可避免的杂质；抗菌组分为Cu；保护层的硬度大于熔射层的硬度。

保护层自熔射层的外表面向熔射层内部延伸；保护层包括氮化层和氧化层，其中，氮化层形成于熔射层的外表面，且氮化层的成份中包含TiN；氧化层形成于氮化层的外表面，且氧化层的成份中包含TiO

锅具基体的材质为复合钢，复合钢材料为304+3003+430三层复合材料，厚度为2.3mm，成型后的锅坯内表面为304不锈钢材质，中间为3003铝层，外表面导磁层为430不锈钢材质，可以使锅具能通用明火，电炉，电磁炉等各种热源。

制备方法与实施例1相同。

实施例3

抗菌耐磨的锅具包括锅具基体及其表面附着的复合功能层，复合功能层包括由合金粉末熔射形成的熔射层和形成于熔射层的外表面的保护层；其中，按照重量百分比计，合金粉末包括Ti80wt％、Fe0.05wt％、抗菌组分15wt％，其余为不可避免的杂质；抗菌组分为Cu；保护层的硬度大于熔射层的硬度。

保护层自熔射层的外表面向熔射层内部延伸；保护层包括氮化层和氧化层，其中，氮化层形成于熔射层的外表面，且氮化层的成份中包含TiN；氧化层形成于氮化层的外表面，且氧化层的成份中包含TiO

锅具基体的材质为复合钢，复合钢材料为304+3003+430三层复合材料，厚度为2.3mm，成型后的锅坯内表面为304不锈钢材质，中间为3003铝层，外表面导磁层为430不锈钢材质，可以使锅具能通用明火，电炉，电磁炉等各种热源。

制备方法与实施例1相同。

实施例4

抗菌耐磨的锅具包括锅具基体及其表面附着的复合功能层，复合功能层包括由合金粉末熔射形成的熔射层和形成于熔射层的外表面的保护层；其中，按照重量百分比计，合金粉末包括Ti95wt％、Fe0.05wt％、抗菌组分1wt％，其余为不可避免的杂质；抗菌组分为ZnO；保护层的硬度大于熔射层的硬度。

保护层自熔射层的外表面向熔射层内部延伸；保护层包括氮化层和氧化层，其中，氮化层形成于熔射层的外表面，且氮化层的成份中包含TiN；氧化层形成于氮化层的外表面，且氧化层的成份中包含TiO

锅具基体的材质为复合钢，复合钢材料为304+3003+430三层复合材料，厚度为2.3mm，成型后的锅坯内表面为304不锈钢材质，中间为3003铝层，外表面导磁层为430不锈钢材质，可以使锅具能通用明火，电炉，电磁炉等各种热源。

制备方法与实施例1相同。

实施例5

抗菌耐磨的锅具包括锅具基体及其表面附着的复合功能层，复合功能层包括由合金粉末熔射形成的熔射层和形成于熔射层的外表面的保护层；其中，按照重量百分比计，合金粉末包括Ti93wt％、Fe0.05wt％、抗菌组分5wt％，其余为不可避免的杂质；抗菌组分为ZnO；保护层的硬度大于熔射层的硬度。

保护层自熔射层的外表面向熔射层内部延伸；保护层包括氮化层和氧化层，其中，氮化层形成于熔射层的外表面，且氮化层的成份中包含TiN；氧化层形成于氮化层的外表面，且氧化层的成份中包含TiO

锅具基体的材质为复合钢，复合钢材料为304+3003+430三层复合材料，厚度为2.3mm，成型后的锅坯内表面为304不锈钢材质，中间为3003铝层，外表面导磁层为430不锈钢材质，可以使锅具能通用明火，电炉，电磁炉等各种热源。

制备方法与实施例1相同。

对比例1

对比例1中与实施例1的不同之处在于：对比例1所采用的合金粉末包括Ti98wt％、Fe0.05wt％以及余量的杂质。

对比例2

对比例1中与实施例1的不同之处在于：合金粉末包括Ti98wt％、Fe0.05wt％、抗菌组分0.5wt％，其余为不可避免的杂质。也即合金粉末仅包含及其微量的抗菌组分。

实验例

将实施例1-5和对比例1所制备的锅具进行抗菌性能测试，抗菌性能测试按照GB21551.2-2010进行测试，具体来说，测试菌种金黄色葡萄球菌AS1.89，接种菌液浓度：7.2*10

表1抗菌性能测试结果

本申请实施例所制备的锅具由于氧化层形成于氮化层的外表面，且氧化层的成份中包含TiO

由上表数据可知，实施例1-5所制备的锅具均具备优异的抗菌效果，抗菌率均能达到99.9％，能够有效保障食品烹饪安全，同时随着抗菌组分的比例增加，24h接触培养后获得菌落数就会减少，但抗菌率的上升不明显，并且抗菌组分比例大于15％的情况下，Ti的含量会相对地减少，从而导致锅具的耐腐蚀性明显下降。根据实验结果，当合金粉末中Ti的含量小于80％的实施例中(例如含75％的Ti)，锅具在含2％的柠檬酸的溶液浸泡下约30小时会出现异常，无法满足一般测试要求；而合金粉末中Ti的含量为80％的实施例中，锅具在含2％的柠檬酸的溶液浸泡下约45小时无异常，满足了测试要求。可见合金粉末中Ti的含量小于80％的情况下锅具的耐酸腐蚀性能显著下降。综合成本及耐腐蚀性考虑，抗菌组分的比例需要控制在15wt％以下，同时Ti的比例需要控制在80wt％以上。而从对比例2可知，当抗菌组分小于1wt％时，抗菌效果无法满足要求，所以可选实施例中抗菌组分均应大于1wt％。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。