炊具产品冷喷涂铁导磁涂层及其性能

2022-10-24雷大法

电镀与涂饰 2022年18期

雷大法

（深圳市晨北科技有限公司，广东深圳 518000）

目前炊具行业中可电磁加热的铝煎锅一般采用热复底和冷复底工艺生产。热复底是将导磁片通过压力焊接到铝煎锅底部，冷复底则是将带孔的导磁片冷压到铝煎锅底部。这两种工艺都使锅底形成多层结构，层间存在着一定的间隙，在电磁加热时会产生噪音，电磁加热功率不够大，而且使用久了之后间隙内会堆积污垢，进而造成腐蚀。冷喷涂技术是借助固体颗粒的塑性变形等在基体表面沉积得到所需涂层[1-2]。本文通过冷喷涂技术在铝煎锅底部制备铁导磁涂层，该工艺稳定可靠，具备一定的优势。

1 冷喷涂导磁涂层的制备

1.1 冷喷涂设备

冷喷涂设备由喷枪、送粉器、气体加热装置、气体参数控制装置、高压气源、载物台、持枪机械手及其他辅助设备构成。本工艺选用日本的PCS-1000型冷喷涂喷枪，如图1所示。

图1 PCS-1000型冷喷涂喷枪Figure 1 PCS-1000 spray gun for cold spraying

1.2 冷喷涂工艺

涂层载体为图2所示的铝煎锅，由3003铝板拉伸而成，其化学成分(以质量分数计)为：Si 0.6%，Cu 0.05% ～0.2%，Zn 0.1%，Mn 1% ～ 1.5%，Fe 0.7%，Al余量。

图2 铝煎锅Figure 2 Aluminum frying pan

涂层材料选用粒径小于100 μm的工业纯铁粉，其化学成分(以质量分数计)为：Fe ＞ 99.5%，C 0.3%，Si 0.1%，P 0.03%，S 0.035%，Al 0.02%。

铝煎锅冷喷涂导磁涂层的工艺流程为：铝板拉伸成型→除油→冷喷涂→后处理。冷喷涂是最主要的步骤，先将铁粉过筛处理，然后进行冷喷涂，工艺参数为：枪室温度1 000 ～ 1 100 ℃；主气(氮气)压力8 MPa，流量1 950 L/min；送粉压力8 MPa，流量350 L/min，送粉速率500 g/min；喷枪与工件表面的距离20 ～ 30 mm，喷枪移动速率300 mm/s。喷涂后处理是对煎锅内表面喷涂不粘涂层，外表面喷涂有机硅保护涂层。

2 涂层性能

2.1 冷喷涂铁导磁涂层的性能

图3是铝锅底冷喷涂铁涂层后的效果。

图3 铝煎锅底冷喷涂铁导磁涂层Figure 3 Aluminum frying pan with cold-sprayed magnetic conductive iron coating

2.1.1 微观结构

采用Hitachi SU-70扫描电镜(SEM)观察可知，铁导磁涂层非常均匀、致密，与基材之间结合紧密，没有明显的界限，如图4所示。

图4 铁导磁涂层的断面形貌Figure 4 Cross-sectional morphology of magnetic conductive iron coating

2.1.2 孔隙率

采用Hitachi SU-70扫描电镜在涂层表面随机选取视场观察，未见涂层有大孔隙和大晶粒，孔隙率为0.5% ～0.6%，如图5所示。

图5 铁导磁涂层的表面形貌Figure 5 Surface morphology of magnetic conductive iron coating

2.1.3 厚度和粗糙度

涂层均匀性是决定涂层导磁性能优劣的关键，粗糙度也是涂层的重要性能之一，粗糙度太大会影响涂层外观，太小又不利于后续有机硅涂层的附着。在锅底随机选取3个不同位置进行膜厚(切片制成金相试样后使用德卡金相显微镜)测量和粗糙度(使用德卡TR200粗糙度仪)测量。从表1可知，不同位置的铁导磁涂层厚度和表面粗糙度的差异都不大，相对均匀，平均膜厚和粗糙度分别为503 μm和1.3 μm。

表1 涂层的厚度和粗糙度Table 1 Thickness and roughness of coating

2.1.4 结合强度

结合强度是冷喷涂涂层的重要性能指标之一，反映了涂层的力学性能。如果结合强度不达标，涂层在使用过程中很容易剥离或脱落。根据GB/T 8642-2002《热喷涂抗拉结合强度的测定》，随机选择3个样品在MTS万能拉伸试验机上进行结合强度测试，结果见表2。从中可知，铁导磁涂层的平均断裂载荷和抗拉结合强度分别为22 534.65 N和55.67 MPa，均远远高于企标要求。

表2 涂层的抗拉结合强度Table 2 Tensile adhesion strength of coating

2.2 铝煎锅整体涂层的性能

铝锅底铁导磁涂层表面喷涂有机硅涂层后的状态见图6，有机硅涂层对铁涂层起到保护和装饰的作用。

图6 喷有机硅涂层后的铝煎锅Figure 6 Aluminum frying pan sprayed with silicone coating

2.2.1 有机硅涂层的附着力

按照GB/T 9286-1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》对有机硅涂层进行划格试验，涂层无脱落，附着力为5B级。

2.2.2 耐冷热冲击性能

将铝锅放入(260 ± 5) ℃的烘箱内烘烤0.5 h，取出后立即放入20 ℃冷水中，如此重复15次，涂层无变色、起泡、开裂、脱落等不良现象，耐冷热冲击性能合格。

2.2.3 耐冲击性能

按照GB/T 1732-1993《漆膜耐冲击性测定法》，以300 N/cm2的力分别从正面和反面冲击样品，均无涂层脱落现象，说明涂层的耐冲击性能合格。

2.2.4 耐湿热性能

将样品置于温度(85 ± 2) ℃、相对湿度(85 ± 5)%的条件下进行48 h湿热试验，涂层无异常。

2.2.5 电磁加热功率测试

在温度(25 ± 10) ℃、相对湿度45% ～ 80%的环境下，分别在同样大小的冷复底煎锅、热复底煎锅和冷喷涂煎锅中装其容积70%的水加盖，放至某品牌电磁炉的加热中心，接通电源调整火力至最高档，待功率升至最高，分别记录功率表的输入功率，每种煎锅重复3次试验。从表3可知，冷喷涂煎锅的加热功率高于冷复底煎锅和热复底煎锅。