一种具有生物相容性的高耐磨炊具及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料技术领域，特别涉及一种具有生物相容性的高耐磨炊具及其制备 方法。
【背景技术】
[0002] 随着社会的进步，人们生活水平也越来越高，饮食健康问题得到了社会更多的关 心，炊具作为烹制美食的必须品也成为人们所关注的重点。目前市场使用的炊具主要由铁 基、铝基和不锈钢炊具三部分构成。铁基炊具虽然造价低、生产工艺成熟，但是耐腐蚀性差， 其表面极容易被腐蚀生锈，如果人体摄入过多铁锈会严重影响肝脏健康。铝基炊具虽耐腐 蚀，但是其表面硬度低、耐磨性差，游离出的铝离子会对人体健康产生不良影响。不锈钢炊 具虽然克服了铁基、铝基炊具的不耐腐蚀、不耐磨性问题，但所含铬元素在长期接触含盐物 质时会产生六价铬，进入人体增加致癌危险。
[0003] 为了克服传统炊具生物相容性差的缺点，陆续有新型钛铝复合炊具被开发出来， 如专利ZL02251125. 3公开的双金属复合炊锅、专利ZL200420069945. 5公开的多层金属复 合炊锅；此类炊具既具有钛炊具的生物相容性、耐腐蚀等特点，并且导热快、轻便、耐用；但 是现有的钛铝复合板炊也有一些缺陷，如钛层耐磨性较差，在使用过程中容易损掉。
[0004] 为提高钛铝复合炊具的耐磨性，现有技术普遍采用涂层对锅体表面进行保护，如 专利号ZL200720088368. 3公开的一种新型的耐磨耐腐炊具，该类技术虽然工艺成熟、成本 较低，但应用在钛铝复合炊具上却会使钛的表面生物相容性损失；如何开发一种既能有效 提高钛铝复合炊具钛的表面耐磨性，又不损失生物相容性的炊具是目前急需解决的问题。
【发明内容】
[0005] 针对现有钛铝复合炊具表面耐磨性差问题，本发明提供一种具有生物相容性的高 耐磨炊具及其制备方法，采用表面细晶渗氮技术，对锅体内表面进行处理；经过本发明方法 处理过的钛铝复合锅体表面既具有钛的生物相容性能，又明显提高了钛的耐磨性，同时生 产成本较低，易于工业化、大规模生产。
[0006] 本发明的具有生物相容性的高耐磨炊具包括锅体，锅体为钛铝复合板，其内层为 钛层，外层为铝层；其中钛层的表面覆盖有细晶复合结构渗氮层，细晶复合结构渗氮层分为 细晶渗氮层、塑性变形渗氮层和普通扩散层三部分，主要成分为e-TiN、Y_Ti2N*固溶有 氮的a-Ti，表面硬度为1100~1300HV，有效硬化层厚50~100ym。
[0007] 上述的具有生物相容性的高耐磨炊具的锅体的钛层厚度在0. 5~2_，铝层厚度在 2~3mm〇
[0008] 上述的钛层材料牌号选用TA1、TA3或TC4;铝层材料牌号选用1A90。
[0009] 本发明的具有生物相容性的高耐磨炊具的制备方法包括以下步骤： 1、 将钛板和铝板经爆炸焊接复合成钛铝复合板； 2、 将钛铝复合板经拉伸模具拉伸成锅体结构，获得钛铝复合板锅体； 3、 将钛铝复合板锅体经表面修磨和抛光后，对钛层的表面进行表面细晶化处理，得到 厚度为50~300ym的塑性变形层；表面细晶化处理是在持续通入保护气体条件下，采用表 面细晶化实验机进行，表面细晶化实验机工作时的抛射器转速为300~1500rad/min，抛射时 间为5~20min，抛射弹丸为〇0? 3~2mm不锈钢弹丸； 4、 将表面细晶化处理后的钛铝复合板锅体在500~600°C进行渗氮处理，渗氮处理结束 后随炉冷却至70~80°C，冷却过程持续通入氨气，制成钛层的表面为细晶复合结构渗氮层的 锅体。
[0010] 上述方法中，将锅体打孔，然后安装手柄，制成具有生物相容性的高耐磨炊具。
[0011] 上述的表面细晶化实验机包括屏蔽室、供料系统、弹丸抛射系统和细晶化处理室； 屏蔽室固定在细晶化处理室上，屏蔽室上设有弹丸装填门，弹丸装填门下方为供料系统；供 料系统下方为弹丸抛射系统，弹丸抛射系统包括抛射器和抛射电机；弹丸抛射系统下方为 试样卡具，试样卡具下方为弹丸收集料仓；其中弹丸抛射系统和试样卡具位于细晶化处理 室内，细晶化处理室的侧壁上设有保护气入口和保护气出口。
[0012] 上述的钛板和铝板经爆炸焊接复合成钛铝复合板的步骤为：先将退火态的钛板和 铝板的待复合面分别打磨干净，然后采用爆炸焊接法复合，再经450~480°c温轧、矫平和去 边得到钛铝复合板；其中温轧道次为2~3道次，每道次压下率为3~5%。
[0013] 上述方法中，渗氮处理是将经过表面细晶化处理后的钛铝复合板锅体悬挂在氮化 炉内，打开换气阀和氨气阀，向炉内通入纯氨气，待氮化炉内气氛为100%的纯氨气后开始 加热，升温速率为8~10°C/min，待氮化炉内温度升至500~600°C，再保温4~5小时，温度测 量精度为±5°C，然后随炉冷却，冷却过程持续通入氨气，待炉内温度降至70~80°C时，停止 通入氨气，完成渗氮。
[0014] 本发明的特点及效果是： (1) 本发明的一种具有生物相容性的高耐磨炊具钛层表面覆盖有一层细晶复合结构 渗氮层，细晶复合结构渗氮层由表及里依次为细晶渗氮层、塑性变形渗氮层、普通扩散层、 基体钛层； (2) 本发明的一种具有生物相容性的高耐磨炊具与普通炊具相比，炊具表面覆盖有高 强度、高耐磨的细晶复合结构渗氮层，提高了炊具表面的耐磨性，同时又兼具钛基材料的生 物相容性能；耐磨性比未经处理的复合板提高4~6倍，表面生物相容性明显提高； (3) 本发明的炊具表面润滑且质地坚硬、耐磨、耐腐蚀，微量磨损脱落的渗氮层微粒同 样具有生物相容性不会对人体造成潜在伤害；炊具形状多样，可以是平底锅、炒勺、煎锅等 多种形式；最重要的是本发明的炊具烹饪过的菜肴色香味俱佳，搁置一夜不会发生变化、保 鲜效果好，是一种拥有广阔前景的高档炊具。
【附图说明】
[0015]图1为本发明实施例1中的具有生物相容性的高耐磨炊具剖面结构示意图； 图2为图1的局部放大图； 图中，1、细晶渗氮层，2、塑性变形渗氮层，3、普通扩散层，4、钛层； 图3为本发明实施例1中经过渗氮处理后钛铝复合板锅体的钛层表面金相组织电镜扫 描图； 图中，A、细晶渗氮层，B、塑性变形渗氮层，C、普通扩散层； 图4为本发明实施例1中钛铝复合板平行安装法进行爆炸焊接复合时的安装结构示意 图； 图中，5、雷管，6、炸药，7、钛板，8、支撑物，9、铝板，10、地基； 图5为本发明实施例1中经过拉伸模具拉伸成型的钛铝复合板锅体示意图； 图中，11、锅体钦层，12、锅体错层； 图6为本发明实施例中表面细晶化实验机的剖面结构示意图； 图7为图6的侧视图； 图中，13、供料仓，14、电动阀门，15、抛射器，16、抛射电机，17、表面细晶化处理室，18、 试样卡具，19、卡具调节装置，20、试样，21、弹丸收集料仓，22、除尘风机，23、除尘室，24、除 尘布袋，25、屏蔽室，26、保护气入口，27、保护气出口，28、电控系统，29、试样取放维修门， 30、更换布袋维修门，31、回收弹丸维修门，32、弹丸填装门，33、水平调节装置； 图8为本发明实施例1中经表面细晶化处理后钛铝复合板锅体的钛层表面金相显微 图； 图中，34、细晶结构层，35、强塑性变形层，36、普通塑性变形层，37、钛层； 图9为本发明实施例1中产品及原料表面细胞培养结果电子显微观测图； 图中，左图为钛铝复合板，右图为具有生物相容性的高耐磨炊具； 图10为本发明实施例1中产品及原料的硬度随层深变化测试曲线图； 图中，▼为