炊具產品冷噴涂鐵導磁涂層及其性能

雷大法

（深圳市晨北科技有限公司，廣東 深圳 518000）

目前炊具行業(yè)中可電磁加熱的鋁煎鍋一般采用熱復底和冷復底工藝生產。熱復底是將導磁片通過壓力焊接到鋁煎鍋底部，冷復底則是將帶孔的導磁片冷壓到鋁煎鍋底部。這兩種工藝都使鍋底形成多層結構，層間存在著一定的間隙，在電磁加熱時會產生噪音，電磁加熱功率不夠大，而且使用久了之后間隙內會堆積污垢，進而造成腐蝕。冷噴涂技術是借助固體顆粒的塑性變形等在基體表面沉積得到所需涂層[1-2]。本文通過冷噴涂技術在鋁煎鍋底部制備鐵導磁涂層，該工藝穩(wěn)定可靠，具備一定的優(yōu)勢。

1 冷噴涂導磁涂層的制備

1.1 冷噴涂設備

冷噴涂設備由噴槍、送粉器、氣體加熱裝置、氣體參數(shù)控制裝置、高壓氣源、載物臺、持槍機械手及其他輔助設備構成。本工藝選用日本的PCS-1000型冷噴涂噴槍，如圖1所示。

圖1 PCS-1000型冷噴涂噴槍Figure 1 PCS-1000 spray gun for cold spraying

1.2 冷噴涂工藝

涂層載體為圖2所示的鋁煎鍋，由3003鋁板拉伸而成，其化學成分(以質量分數(shù)計)為：Si 0.6%，Cu 0.05% ～0.2%，Zn 0.1%，Mn 1% ～ 1.5%，F(xiàn)e 0.7%，Al余量。

圖2 鋁煎鍋Figure 2 Aluminum frying pan

涂層材料選用粒徑小于100 μm的工業(yè)純鐵粉，其化學成分(以質量分數(shù)計)為：Fe ＞ 99.5%，C 0.3%，Si 0.1%，P 0.03%，S 0.035%，Al 0.02%。

鋁煎鍋冷噴涂導磁涂層的工藝流程為：鋁板拉伸成型→除油→冷噴涂→后處理。冷噴涂是最主要的步驟，先將鐵粉過篩處理，然后進行冷噴涂，工藝參數(shù)為：槍室溫度1 000 ～ 1 100 ℃；主氣(氮氣)壓力8 MPa，流量1 950 L/min；送粉壓力8 MPa，流量350 L/min，送粉速率500 g/min；噴槍與工件表面的距離20 ～ 30 mm，噴槍移動速率300 mm/s。噴涂后處理是對煎鍋內表面噴涂不粘涂層，外表面噴涂有機硅保護涂層。

2 涂層性能

2.1 冷噴涂鐵導磁涂層的性能

圖3是鋁鍋底冷噴涂鐵涂層后的效果。

圖3 鋁煎鍋底冷噴涂鐵導磁涂層Figure 3 Aluminum frying pan with cold-sprayed magnetic conductive iron coating

2.1.1 微觀結構

采用Hitachi SU-70掃描電鏡(SEM)觀察可知，鐵導磁涂層非常均勻、致密，與基材之間結合緊密，沒有明顯的界限，如圖4所示。

圖4 鐵導磁涂層的斷面形貌Figure 4 Cross-sectional morphology of magnetic conductive iron coating

2.1.2 孔隙率

采用Hitachi SU-70掃描電鏡在涂層表面隨機選取視場觀察，未見涂層有大孔隙和大晶粒，孔隙率為0.5% ～0.6%，如圖5所示。

圖5 鐵導磁涂層的表面形貌Figure 5 Surface morphology of magnetic conductive iron coating

2.1.3 厚度和粗糙度

涂層均勻性是決定涂層導磁性能優(yōu)劣的關鍵，粗糙度也是涂層的重要性能之一，粗糙度太大會影響涂層外觀，太小又不利于后續(xù)有機硅涂層的附著。在鍋底隨機選取3個不同位置進行膜厚(切片制成金相試樣后使用德卡金相顯微鏡)測量和粗糙度(使用德卡TR200粗糙度儀)測量。從表1可知，不同位置的鐵導磁涂層厚度和表面粗糙度的差異都不大，相對均勻，平均膜厚和粗糙度分別為503 μm和1.3 μm。

表1 涂層的厚度和粗糙度Table 1 Thickness and roughness of coating

2.1.4 結合強度

結合強度是冷噴涂涂層的重要性能指標之一，反映了涂層的力學性能。如果結合強度不達標，涂層在使用過程中很容易剝離或脫落。根據(jù)GB/T 8642-2002《熱噴涂 抗拉結合強度的測定》，隨機選擇3個樣品在MTS萬能拉伸試驗機上進行結合強度測試，結果見表2。從中可知，鐵導磁涂層的平均斷裂載荷和抗拉結合強度分別為22 534.65 N和55.67 MPa，均遠遠高于企標要求。

表2 涂層的抗拉結合強度Table 2 Tensile adhesion strength of coating

2.2 鋁煎鍋整體涂層的性能

鋁鍋底鐵導磁涂層表面噴涂有機硅涂層后的狀態(tài)見圖6，有機硅涂層對鐵涂層起到保護和裝飾的作用。

圖6 噴有機硅涂層后的鋁煎鍋Figure 6 Aluminum frying pan sprayed with silicone coating

2.2.1 有機硅涂層的附著力

按照GB/T 9286-1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗》對有機硅涂層進行劃格試驗，涂層無脫落，附著力為5B級。

2.2.2 耐冷熱沖擊性能

將鋁鍋放入(260 ± 5) ℃的烘箱內烘烤0.5 h，取出后立即放入20 ℃冷水中，如此重復15次，涂層無變色、起泡、開裂、脫落等不良現(xiàn)象，耐冷熱沖擊性能合格。

2.2.3 耐沖擊性能

按照GB/T 1732-1993《漆膜耐沖擊性測定法》，以300 N/cm2的力分別從正面和反面沖擊樣品，均無涂層脫落現(xiàn)象，說明涂層的耐沖擊性能合格。

2.2.4 耐濕熱性能

將樣品置于溫度(85 ± 2) ℃、相對濕度(85 ± 5)%的條件下進行48 h濕熱試驗，涂層無異常。

2.2.5 電磁加熱功率測試

在溫度(25 ± 10) ℃、相對濕度45% ～ 80%的環(huán)境下，分別在同樣大小的冷復底煎鍋、熱復底煎鍋和冷噴涂煎鍋中裝其容積70%的水加蓋，放至某品牌電磁爐的加熱中心，接通電源調整火力至最高檔，待功率升至最高，分別記錄功率表的輸入功率，每種煎鍋重復3次試驗。從表3可知，冷噴涂煎鍋的加熱功率高于冷復底煎鍋和熱復底煎鍋。

表3 不同種類煎鍋的電磁加熱功率Table 3 Electromagnetic heating powers of different types of frying pans（單位：W）

3 結語

通過冷噴涂鐵導磁涂層制作可電磁加熱的鋁煎鍋，工藝操作簡單，容易實現(xiàn)大批量生產。所得涂層的各項性能滿足應用要求，電磁加熱功率高于傳統(tǒng)的冷復底和熱復底工藝產品，可推廣應用到電磁加熱的其他炊具產品上，具有廣闊的應用前景。