用于处理铁基锅具的方法及铁基锅具与流程

本发明涉及材料技术领域，具体地，涉及用于处理铁基锅具的方法及铁基锅具。

背景技术：

渗氮渗碳防锈技术主要应用于铁材质炊具产品，通过对铁材质表面进行渗碳、渗氮或碳氮共渗(又称作氰化)，以此改变基材表面的成分和金相组织，主要目的是提高基材的硬度、耐磨性和抗腐蚀能力等。

目前炊具行业应用较为广泛的是液体盐浴氮碳共渗和气体渗氮。氮碳共渗俗称氰化，氰化盐有剧毒，所以环评审批较严格，生产制造的要求较高。

因而，目前关于渗氮渗碳防锈技术仍有待改进。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种使得铁基锅具具有良好的硬度、防锈和抗粘性的手段。

在本发明的一个方面，本发明提供了一种用于处理铁基锅具的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)将铁基锅具进行共渗处理，以便获得经过共渗处理的铁基锅具；(2)将经过共渗的铁基锅具进行气态氧化处理。发明人 发现，利用根据本发明实施例的该方法，能够在铁基锅具的内壁形成一层保护膜(即渗层)，其中，共渗处理能够使得铁基锅具具有可达800-1200HV(25gf)的硬度，优异的抗粘性和耐磨性，气态氧化处理能够使得铁基锅具具有良好的防锈性，同时，形成有保护膜的铁基锅具具有良好的黑色外观，且该方法步骤简单，操作方便，适合工业化生产。

需要说明的是，在本文中使用的描述方式“铁基锅具”是指主要成分为铁的材料形成的锅具，包括但不限于由铸铁、碳钢、不锈钢等形成的锅具。

根据本发明的实施例，在步骤(1)中，将铁基锅具进行共渗处理包括：将铁基锅具置于温度范围为500摄氏度-700摄氏度，气压范围为300Pa-900Pa的NH₃和C₂H₅OH的混合气氛中，用400V～600V的电压轰击铁基锅具的表面30分钟～90分钟，其中，NH₃和C₂H₅OH的体积比为15：1-20:1。

根据本发明的实施例，在步骤(1)中，将铁基锅具进行共渗处理包括：将铁基锅具置于温度范围为500摄氏度-700摄氏度，气压范围为300Pa-900Pa的NH₃、C₂H₅OH和CS₂的混合气氛中，用400V～600V的电压轰击铁基锅具的表面30分钟～90分钟，其中，所述NH₃、C₂H₅OH和CS₂的体积比为60:4:1-20:1:1。

根据本发明的实施例，将经过共渗处理的基材进行气态氧化处理包括：将经过共渗处理的铁基锅具置于温度范围为500摄氏度～700摄氏度，气压范围为300Pa-900Pa的氧气氛围下处理30分钟-90分钟。

根据本发明的实施例，在将铁基锅具进行共渗处理之前，还包括对铁基锅具进行辉光清洗处理。根据本发明的实施例，对铁基锅具进行辉光清洗处理包括：将铁基锅具置于真空度为0.5Pa的离子渗碳炉中，并将铁基锅具加热到500摄氏度-700摄氏度；接着，向离子渗碳炉中充入氩气至气压为1Pa-5Pa，然后 用400V-600V电压轰击铁基锅具的表面30分钟-90分钟。

根据本发明的实施例，在将铁基锅具进行辉光清洗处理之后和将铁基锅具进行共渗处理之前，还包括对铁基锅具进行渗氮处理。根据本发明的实施例，对铁基锅具进行渗氮处理包括：将铁基锅具置于温度范围为500摄氏度-700摄氏度、气压范围为300Pa-900Pa的NH₃气氛中，用400V-600V的电压轰击铁基锅具的表面1小时-3小时。

根据本发明的实施例，在将铁基锅具进行共渗处理之前，还包括对铁基锅具进行渗氮处理。根据本发明的实施例，对铁基锅具进行渗氮处理包括：将铁基锅具置于温度范围为500摄氏度-700摄氏度、气压范围为300Pa-900Pa的NH₃气氛中，用400-600V的电压轰击铁基锅具的表面1小时-3小时。

根据本发明的实施例，在将铁基锅具进行氧化处理后进一步包括对铁基锅具进行冷却处理。对铁基锅具进行冷却处理包括：将经过气态氧化处理的铁基锅具在空气氛围下进行冷却30分钟-60分钟。

在本发明的又一方面，本发明提供了一种铁基锅具。根据本发明的实施例，该铁基锅具包括：由铁基材料形成的锅具基体，通过前面所述的处理铁基锅具的方法形成在锅具基体内壁的保护膜。发明人发现，根据本发明实施例的锅具具有较高的硬度，能够达到800～1200HV，以及良好的防锈、抗粘和耐磨性能，同时具有美观的黑色外观。

根据本发明的实施例，沿着铁基锅具的外壁至内壁的方向，保护膜包括：含有Fe₄N以及Fe₃N₂的内层，含有F_2～3(C,N)的中间层，以及由FeS和Fe₃O₄形成的外层。其中，需要说明的是，F_2～3(C,N)表示一种碳氮化铁化合物，是碳、氮渗入铁基材料后形成的铁、碳、氮的原子百分比范围满足2-3：1：1的碳氮化铁化合物。

根据本发明的实施例，内层的厚度范围为50微米-100微米，中间层的厚度范围为6微米-12微米，外层的厚度范围为4微米-10微米。

附图说明

图1显示了根据本发明的实施例，用于处理铁基锅具的方法的流程示意图；

图2显示了根据本发明的实施例，锅具基体的照片；

图3显示了根据本发明的实施例，制备获得的锅具的照片。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

在本发明的一个方面，本发明提供了一种用于处理铁基锅具的方法。根据本发明的实施例，参照图1，该方法包括以下步骤：

S100：将铁基锅具进行共渗处理，以便获得经过共渗处理的铁基锅具。

根据本发明的实施例，共渗处理可以利用离子渗碳炉进行，且可以有两种方式。第一种方式为碳氮共渗，具体而言，为将铁基锅具置于温度范围为500摄氏度-700摄氏度，气压范围为300Pa-900Pa的NH₃和C₂H₅OH的混合气氛中，用400V～600V的电压轰击铁基锅具的表面30分钟～90分钟，其中，混合气氛中NH₃和C₂H₅OH的体积比为15：1-20:1。第二种方式为碳氮硫共渗，具体地，为将铁基锅具置于温度范围为500摄氏度-700摄氏度，气压范围为300Pa-900Pa的NH₃、C₂H₅OH和CS₂的混合气氛中，用400V～600V的电压 轰击铁基锅具的表面30分钟～90分钟，其中，所述NH₃、C₂H₅OH和CS₂的体积比为60:4:1-20:1:1。根据本发明的实施例，经过共渗处理，碳、氮两种元素深入铁基锅具中可以明显提高铁基锅具的硬度，硫元素的渗入则可以显著提高铁基锅具的耐磨性。而且，共渗处理能够在铁基锅具表面形成一层保护膜，进而使得铁基锅具具有良好的硬度、抗粘性和耐磨性，以及良好的黑色外观。

另外，在共渗处理步骤中，混合气氛中将NH₃和C₂H₅OH，或者NH₃、C₂H₅OH和CS₂分别按照体积比为15：1-20:1，或者60:4:1-20:1:1的比例混合，能够使得碳、氮，或者碳、氮、硫元素以最适合的比例渗入铁基锅具中，从而获得具有理想性质的铁基锅具，如果比例过高或过低，碳、氮、硫三种元素的渗入比例均会随之发生变化，经过处理的铁基锅具的效果均不理想。

根据本发明的实施例，在对铁基锅具进行共渗处理之前，可以预先对铁基锅具进行预处理，以提高处理后的铁基锅具的性能。在本发明的一些实施例中，预处理可以为抛光打磨、辉光清洗处理、以及渗氮处理中的至少一种。但需要说明的是，当预处理包括上述两个步骤以上时，各步骤需要按照抛光打磨先于辉光清洗处理，辉光清洗处理先于渗氮处理的顺序依次进行。

根据本发明的实施例，对铁基锅具进行抛光打磨可以利用200目砂纸进行。由此，能够有效去除铁基锅具表面的氧化层，获得的铁基锅具表面的粗糙程度有利于后续步骤的进行，便于后续工艺加工得到更好的效果。

根据本发明的实施例，辉光清洗处理可以包括：将铁基锅具置于真空度为0.5Pa的离子渗碳炉中，并将铁基锅具加热到500摄氏度-700摄氏度；接着，向离子渗碳炉中充入氩气至气压为1Pa-5Pa，然后用400V-600V轰击电压处理30分钟-90分钟。辉光清洗能够有效清除铁基锅具表面的杂质和油污，从而能够大大有助于提高渗层的附着力和渗层深度，进而提高铁基锅具的硬度、防锈 性能、耐磨性以及防腐蚀性。

根据本发明的实施例，渗氮处理可以在离子渗碳炉中进行。在本发明的一些实施例中，对铁基锅具进行渗氮处理包括：将铁基锅具置于温度范围为500摄氏度-700摄氏度、气压范围为300Pa-900Pa的NH₃气氛中，用400-600V的轰击电压处理1小时-3小时。由此，渗氮处理相对于共渗处理来说，氮元素能更加深入的渗入锅体内，使得氮元素的沿铁基锅具的厚度方向具有一定的浓度梯度，接近铁基锅具表面的N成分越高，有利于提高渗层的耐腐蚀性和硬度。

S200：将经过共渗的铁基锅具进行气态氧化处理。

根据本发明的实施例，将经过共渗的铁基锅具进行气态氧化处理可以在离子渗碳炉中进行。在本发明的一些实施例中，将经过共渗的铁基锅具进行气态氧化处理包括：将经过共渗处理的铁基锅具置于温度范围500摄氏度～700摄氏度，气压范围为300Pa-900Pa的氧气氛围下处理30-90分钟。由此，能够在最适合的条件下，快速有效的在铁基锅具表面形成Fe₃O₄，提高铁基锅具的耐腐蚀性和防锈性能，并且可以使得铁基锅具形成黑色表面，具有较为美观的外观。如果气态氧化处理的温度过高，容易发生副反应，引入杂质，如果气态氧化处理的温度过低，则反应速率较低，影响生产效率。气态氧化处理的最适合的压力为300-900Pa，由此，最有利于氧化物的生成，过高或过低氧化效果均不理想。还需要说明的是，相对于现有技术中将基材放置氧化液(氧化液通常为硫酸铜或碱性氧化液)黑化处理，存在环境污染或者在锅具表面残留等问题，此步骤为气态氧化，不产生污染物，氧化成Fe₃O₄，提高耐腐蚀性，并且可形成黑色表面，较为美观。另外，该步骤可以在不存在电场的条件下进行，也可以在存在电场的条件下进行，电场的电压可以为400-600V，由此，有利于提高铁基锅具的性能。

根据本发明的实施例，将所述经过共渗处理的铁基锅具进行气态氧化处理之后还包括对铁基锅具进行冷却处理。对铁基锅具进行冷却处理包括：将经过气态氧化处理的铁基锅具在空气氛围下进行冷却。具体地，可以在气态氧化处理步骤结束后，向离子渗碳炉中充入空气，然后冷却30-60分钟。

发明人发现，利用根据本发明实施例的该方法，能够在铁基锅具表面形成一层保护膜(即渗层)，从而使得铁基锅具具有良好的防锈、抗粘性、耐磨性以及耐腐蚀性，以及良好的黑色外观，同时能够大大提高铁基锅具的硬度，可达800-1200HV(25gf)，且该方法步骤简单，操作方便，适合工业化生产，且该方法不需要使用氰化物，有利于保护操作人员的安全和降低环境污染。

在本发明的又一方面，本发明提供了一种铁基锅具。根据本发明的实施例，该铁基锅具包括：由铁基材料形成的锅具基体，以及利用前面所述的用于处理铁基锅具的方法形成在锅具基体表面上的保护膜，发明人发现，根据本发明实施例的铁基锅具具有较高的硬度，能够达到800～1200HV，以及良好的防锈性能、抗粘性、耐腐蚀性和耐磨性，同时具有美观的黑色外观。

需要说明的是，本文中所述的“锅具”是指任何已知的锅具，包括但不限于平底锅、炒锅、蒸锅、炖锅、压力锅、电饭煲等。

根据本发明的实施例，沿着铁基锅具的外壁至内壁的方向，保护膜包括：含有Fe₄N以及合金氮化物的内层，含有F_2～3(C,N)的中间层，以及含有FeS和Fe₃O₄的外层。根据本发明的实施例，各层的厚度不受特别限制。在本发明的一些实施例，内层的厚度可以为50-100微米，中间层的厚度可以为6-12微米，外层的厚度可以为4-10微米。由此，铁基锅具具有良好的防锈功能、抗粘性、耐磨性、耐腐蚀性以及较高的硬度，同时，保护膜使得铁基锅具具有良好的黑色外观。

实施例

实施例1：

在该实施例中，按照如下步骤制备锅具，具体如下：

1.基材抛光：利用本领域公知的方法，制备获得铁基锅具基材，铁基锅具基材的照片见图2。

2.然后采用200目砂纸进行抛光打磨，获得光亮平滑的表面，以去除基材氧化层，便于后续工艺加工得到更好效果。

3.共渗处理：

3.1设备：离子渗碳炉

3.2辉光清洗：将锅具基材置于离子渗碳炉中，抽空至0.5Pa左右，并加热到500-700℃(例如可以为500、550、600、600、650或700℃)，然后充入氩气使得气压在1-5Pa左右，用400-600V(例如可以为400、450、500、550或600V)电压轰击铁基锅具的表面30-90分钟(例如可以为30、40、50、60、70、80或90分钟)，以提高渗层的附着力和渗层深度。

3.3渗氮处理：

将离子渗碳炉的氩气关闭，然后充入NH₃使得气压在300-900Pa(例如可以为300、400、500、600、700、800或900Pa)，温度在500℃-700℃(例如可以为500、550、600、600、650或700℃)的条件下、用400-600V(例如可以为400、450、500、550或600V)轰击铁基锅具的表面1-3小时(例如可以为1、1.5、2、2.5或3小时)，以使渗层形成成分梯度，接近基材表面的N成分越高，用于提高渗层的耐腐蚀性。

3.4碳氮硫共渗：

向离子渗碳炉中按60:4:1-20:1:1的体积比(例如可以为60:4:1、18:1:1或 20:1:1)充入NH₃、C₂H₅OH和CS₂，至气压300-900Pa(例如可以为300、400、500、600、700、800或900Pa)，于共渗温度500-700℃(例如可以为500、550、600、600、650或700℃)下；碳氮硫共渗30-90分钟(例如可以为30、40、50、60、70、80或90分钟)。

3.5氧化处理：

关闭共渗气体，向离子渗碳炉中充入氧气使得气压在300-900Pa(例如可以为300、400、500、600、700、800或900Pa)；于温度500-700℃(例如可以为500、550、600、600、650或700℃)进行氧化处理30-90分钟(例如可以为30、40、50、60、70、80或90分钟)。该步骤还可以在存在电场条件下进行，电场的电压可以为400-600V(例如可以为400、450、500、550或600V)。

3.6冷却处理

关闭氧气，向离子渗碳炉中充入空气冷却，冷却时间30-60分钟(例如可以为30、40、50或60分钟)，出炉，即得锅具，制备获得的锅具的照片见图3所示。

由图3可以看出，获得的锅具具有黑色表面，外观良好。

对上述制备获得的锅具进行硬度测试、5％中性盐雾和5％的盐水煮沸测试，实验结果表明，膜层硬度可以达到800-1200HV(25gf)，且获得的锅具的防锈性能可以通过48h的5％中性盐雾和5％的盐水煮沸测试。

实施例2：

在该实施例中，按照如下步骤制备锅具，具体如下：

1.基材抛光：利用本领域公知的方法，制备获得铁基锅具基材，铁基锅具基材的照片见图2。

2.然后采用200目砂纸进行抛光打磨，获得光亮平滑的表面，以去除基材 氧化层，便于后续工艺加工得到更好效果。

3.共渗处理：

3.1设备：离子渗碳炉

3.2辉光清洗：将锅具基材置于离子渗碳炉中，抽空至0.5Pa左右，并加热到500℃-700℃(例如可以为500、550、600、600、650或700℃)，然后充入氩气使得气压在15Pa-5Pa左右，400V-600V(例如可以为400、450、500、550或600V)的电压轰击铁基锅具的表面30-90分钟(例如可以为30、40、50、60、70、80或90分钟)，以提高渗层的附着力和渗层深度。

3.3渗氮处理：

将离子渗碳炉的氩气关闭，然后充入NH₃使得气压在300Pa-900Pa(例如可以为300、400、500、600、700、800或900Pa)，温度在500℃-700℃(例如可以为500、550、600、600、650或700℃)条件下，用400V-600V(例如可以为400、450、500、550或600V)的电压轰击铁基锅具的表面1-3小时(例如可以为1、1.5、2、2.5或3小时)，以使渗层形成成分梯度，接近基材表面的N成分越高，用于提高渗层的耐腐蚀性。

3.4碳氮共渗：

向离子渗碳炉中按15：1-20:1的体积比(例如可以为15：1、18:1或20:1)充入NH₃和C₂H₅OH，至气压300-900Pa(例如可以为300、400、500、600、700、800或900Pa)，于共渗温度500-700℃(例如可以为500、550、600、600、650或700℃)下；碳氮共渗30-90分钟(例如可以为30、40、50、60、70、80或90分钟)。

3.5氧化处理：

关闭共渗气体，向离子渗碳炉中充入氧气使得气压在300Pa-900Pa(例如 可以为300、400、500、600、700、800或900Pa)；于温度500℃-700℃(例如可以为500、550、600、600、650或700℃)进行氧化处理30分钟-90分钟(例如可以为30、40、50、60、70、80或90分钟)。该步骤还可以在存在电场条件下进行，电场的电压可以为400V-600V(例如可以为400、450、500、550或600V)。

3.6冷却处理

关闭氧气，向离子渗碳炉中充入空气冷却，冷却时间30分钟-60分钟(例如可以为30、40、50或60分钟)，出炉，即得锅具。

对上述制备获得的锅具进行硬度测试、5％中性盐雾和5％的盐水煮沸测试，实验结果表明，膜层硬度可以达到800-1200HV(25gf)，且获得的铁基锅具的防锈性能能通过48h的5％中性盐雾和5％的盐水煮沸测试。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。