專利名稱：電磁加熱用金屬板及其制造方法
技術領域：
本發明涉及電磁加熱用的金屬板及其制造方法，更具體地說，涉及被有效地用作炊具尤其是電磁加熱式器具用部件的電磁加熱用的金屬板及其制造方法。
在現有技術中，電磁加熱式炊具用的部件，例如，電飯煲中的鍋是以發熱的鐵、不銹鋼等磁性金屬板和傳熱的鋁或鋁合金板的復合板材為基體材料，通過對以傳熱的鋁或鋁合金板為內側的復合板材作深沖壓等壓型加工來進行制造的。另外，為防止米飯粘附等，通常對基體材料的內側面進行氟樹脂涂層。這種基體材料的復合板材可通過例如日本專利公告79年3468號和9985號所揭示的將磁性金屬板和鋁或鋁合金滾軋成形進行包層(復合化)的方法來加以制造。
如上所述，現有的復合板材通過滾軋成形的包層法來制造，并適用于批量生產。
然而，現有的復合板材通過滾軋成形來制造，由于是將鋁或鋁合金壓縮、接合，板厚差異大。因此，在對復合板進行壓型的過程中，往往會有開裂和起皺現象，給加工帶來很大的問題。
另外，在現有的復合材料中，發熱材料鐵或不銹鋼等的磁性金屬板和傳熱的鋁或鋁合金板均必須具有很好的延展性和能經受沖壓和成形加工的功能。因此，對材料的選擇范圍存在制約因素過多的問題。
還有，近年來，為有效地利用產業資源，材料的再生得到了重視。運用滾軋成形的包層法時，在制作磁性金屬板和鋁或鋁合金板的復合板后，按一定形狀沖裁加工。由此而大量產生的沖裁邊角料當然也是復合材料。結果，不能像鋁或鋁合金板等純金屬板那樣進行再生，導致成本增加。此外，制造僅在需發熱部分具備磁性金屬板的復合材料也很困難。
本發明的目的在于解決上述問題，提供一種具有適宜發熱特性、成形加工容易、同時，磁性材料的選擇范圍廣、可低成本制造的電磁加熱用金屬板及其制造方法。
本發明的電磁加熱用金屬板具有鋁或鋁合金的基本材料、在基體材料的一側表面的至少一部分形成的鋅或鋅合金中間層、在中間層上面形成的由高頻磁通量感應產生的渦流的流經而成為發熱體的導電層。
為有效地發熱，導電層的厚度最好大于由渦流的頻率和導電層的材料確定的去膚效應的深度。
考慮到成本和發熱特性，可使用由選自鎳、鎳合金、鐵、鐵合金、鈷和鈷合金中的至少一種材料構成的一層或多層作為導電層材料。
另外，雖然發熱特性會隨著渦流的頻率和材料的去膚電阻的不同而有若干變動，但通過在由選自鎳、鎳合金、鐵和鐵合金中的至少一種材料構成的一層或多層中使用分散有選自P、C和B中的至少一種元素的、例如Ni-P、Ni-B、Ni-C、Fe-C、Fe-B等合金，可得到大的去膚電阻。
而且，在用于電飯煲等要求有耐腐蝕性的用途時，導電層也必須具有耐腐蝕性。這時，最好在導電層的外表面再形成一層鉻鍍層、鉻酸鹽涂層、鋅鍍層等耐腐蝕金屬層。而且，根據使用溫度，還可以使用氟樹脂、芳族聚酰胺、酰胺、亞酰胺類的耐熱性有機樹脂。
尤其是當導電層為鎳、鎳合金、鐵或鐵合金時，最好形成一層含金屬鉻和鉻的氧化物的多層結構的涂層作為耐腐蝕金屬層。
還有，為防止米飯和燒烤食物的粘附等，在鋁或鋁合金的基體材料的導電層的反面最好用氟樹脂涂層。
本發明的電磁加熱用金屬板的制造方法包括下述步驟在鋁或鋁合金的基體材料的一側表面的至少一部分，通過鋅酸鹽處理，形成鋅或鋅合金的中間層；在形成的中間層上，通過由含有金屬離子的溶液的電化學轉移，形成由高頻磁通量感應產生的渦流的流經而成為發熱體的導電層。
這里，電化學轉移是指通過在溶液中還原金屬離子從而使金屬析出的電鍍、化學鍍或非電解鍍層。為在鋁或鋁合金上通過電鍍或化學鍍形成密著性良好的涂層，如上所述，采用在形成導電層的部分形成由鋅或鋅合金構成的中間層的手段。
本發明的電磁加熱用金屬模制品的制造方法包括下述步驟通過對鋁或鋁合金壓型和/或沖裁及切割，進行基體材料的成型加工；在鋁或鋁合金的基體材料的一側表面的至少一部分，通過鋅酸鹽處理，形成鋅或鋅合金的中間層；在形成的中間層上，通過由含有金屬離子的溶液的電化學轉移，形成由高頻磁通量感應產生的渦流的流經而成為發熱體的導電層。在該方法中，最好在成型加工過的一側表面中，僅在必要的部分形成導電層。
另外，從加工的角度出發，也可以在制成電磁加熱用金屬板后制得電磁加熱用金屬模制品。即，本發明的電磁加熱用金屬模制品的制造方法包括下述步驟在鋁或鋁合金的基體材料的一側表面的至少一部分，通過鋅酸鹽處理，形成鋅或鋅合金的中間層；在形成的中間層上，通過由含有金屬離子的溶液的電化學轉移，形成由高頻磁通量感應產生的渦流的流經而成為發熱體的導電層；通過對制成的金屬板壓型和/或沖裁及切割，進行金屬板的成型加工。
最好包括在形成導電層后，通過由含鉻離子的硫酸溶液的電化學轉移，形成由含金屬鉻和鉻的氧化物的多層結構的涂層構成的耐腐蝕金屬層的步驟。
這里，與前述相同，電化學轉移是指電鍍、化學鍍或非電解鍍層。
本發明中使用的導電層為通過由含有金屬離子的溶液的電化學轉移形成的涂層。幾乎所有的金屬元素都可以用作構成導電層的金屬類材料，但它們必須可以作為由高頻磁通量感應產生的渦流的流經而成為發熱體的金屬乃不言自明。
根據這種高頻加熱方法，當將導體置于例如20KHz左右的振蕩頻率的交變磁場中時，產生渦流，由該電流的焦耳熱產生熱量。因此，為保障加熱效率，在上述材料和材料厚度等尺寸上存在一定限制。這是由于高頻電流流經金屬等導電體時產生的去膚效應的影響明顯的緣故。
表1顯示用20KHz高頻對各種金屬板進行電磁感應加熱時的電阻率、浸透深度和由電阻率/浸透深度所得的去膚電阻。
表1
各材料作為電磁炊具的負載是否適宜，由上述在使用頻率處的去膚電阻確定。例如，鋁之類去膚電阻非常小的材料即使在有渦流產生時，也不會產生足以發熱的輸出功率。在用滾軋成型制造的電磁發熱用復合板中，都是使用SUS430。即使從電阻的角度看，SUS430也是適宜的發熱材料。
盡管本發明并不限于表1所公開的金屬類材料，但以通過對主體材料鎳、鐵的合金化，從而增大了電阻率和去膚電阻的材料作為導電層為宜。
另外，為有效地消耗由高頻電流產生的交變周期進行發熱，前述由高頻磁通量的流經而成為發熱體的導電層的厚度最好制成大于由渦流的頻率和導電層的材料確定的去膚效應的深度即浸透厚度。該浸透深度被確定為導電層表面附近的渦流變成1/e的厚度，即，衰減63％左右所必需的厚度。但是，在這種情況下，只有約80％的輸入功率被消耗。因此，如表2所示，通過再增加導電層厚度若干，可消耗輸入功率的95％。
表2
另一方面，作為增加去膚電阻的手段，可以考慮減小導電膜的厚度而非依賴于上述材料的選擇上。然而，在這種情況下，雖然單位厚度的發熱密度變大了，但由于輸入功率的絕大部分都從薄膜通過，對發熱沒有貢獻，因此，作為整體的發熱量變小。這里，將薄膜以絕緣或同種金屬不連續的形式進行多層化是有效地利用由薄膜化產生的去膚電阻增大的有效手段。在這種情況下，同樣地，最好將多層化了的導電層的整個厚度制成大于浸透厚度。
另外，作為增加材料自身的去膚電阻的手段之一，可使用鎳、鎳-鉻合金等鎳合金、鐵、坡莫合金、不銹鋼等鐵合金等作為構成導電層的材料。另外，在電鍍或化學鍍時，通過在鍍液中添加磷酸化合物，可進行磷共晶鍍層，如Ni-P鍍層、Fe-P鍍層；通過添加羧酸類化合物，可進行碳共晶鍍層，如Ni-C、Fe-C鍍層；還有，通過添加氨基硼烷等硼化合物，可進行硼共晶鍍層，如Ni-B、Fe-B鍍層。這些方法可在基本保持金屬材料原有的磁氣特性的同時，增加去膚電阻，對本發明非常有效。
另外，鋁或鋁合金的表面被以氧化鋁為主要成分的層包覆，為在其上面形成密著性良好的涂層，需要使金屬的新生表面露出。作為使新生表面露出的手段，有在真空容器內進行電子或離子沖擊的方法，當采用電鍍或化學鍍等時，作為溶解鋁表面并同時使其他種類的金屬在鋁表面沉積的手段，進行鋅酸鹽處理較為適宜。在進行鋅酸鹽處理時，當襯底為鋁時，可以單獨地使用鋁，當襯底為鋁合金時，為有效地提高密著性，宜使用含鐵、鎳、鈷等元素的鋅合金。
此外，當導電層為鎳、鎳合金、鐵或鐵合金時，為防止金屬被腐蝕和變色，最好在其表面包覆一層耐腐蝕金屬層。
但鑒于本發明的用途之一是用作電磁炊具的鍋。因此，該耐腐蝕金屬層必須是符合食品衛生要求的。為此，最好以具有含金屬鉻和鉻的氧化物的多層結構的涂層作為上述耐腐蝕金屬層。
另外，該涂層可通過電鍍、化學鍍、非電解鍍層等電化學的添加，由含鉻離子的稀硫酸溶液形成。例如，當采用電鍍時，通過使用稀硫酸中含鉻離子的電解液，可形成在金屬鉻上具有水合氧化鉻層的多層結構的涂層。根據電鍍條件，結構可略有不同。
該涂層中含有雜質硫酸離子。通過在電解液中加入微量的氟離子，可略微提高涂層的耐腐蝕性。
此外，為保證磁力線能穿過涂層而且能到達導電層，涂層的厚度最好在1μm以下。
實施例1使用JIS 3004型鋁合金MG-110(住友輕金屬公司產品，含Mg0.6～0.8％、Mn0.9～1.1％，規格厚1.5mm、直徑425mm的圓板)作為鋁襯底。將該鋁合金板用120g/l的氫氧化鈉水溶液在80℃處理后，浸漬于商品名為AZ102(上村工業公司產品)的堿性浸漬劑的60℃水溶液(50g/l)中，水洗后，再用酸性浸漬液AZ 201(上村工業公司產品)(100g/l)和硝酸(800ml/l)的混合液于室溫下處理。然后進行鋅酸鹽處理和使用鋅置換液AZ401(上村工業公司產品)，形成0.1μm的鋅酸鹽涂層。
接著，將亞磷酸(0.2mol/l)作為磷源添加在由氨基磺酸鎳四水合物(680g/l)氯化鎳六水合物(20g/l)和硼酸(40g/l)組成的混合液中，使用該混合液作為鍍鎳液，在液溫70℃、陰極電流密度80A/dm2的條件下，在鋁合金板的背面形成約100μm厚的Ni-7％P涂層(電阻率59μΩ)。
圖1為用上述方法制成的電磁加熱用金屬板的結構的截面圖。參照圖1，該金屬板由鋁合金基體材料3、形成在基體材料3的一側表面的鋅酸鹽層2和形成在鋅酸鹽層2上的導電層1構成。
圖2為用上述方法制成的電磁加熱用模制品的構成的截面圖。
使用松下電器公司產品炊具KZP1，對按上述方法制成的電磁加熱用金屬模制品的發熱特性進行了調查。
作為比較例，用0.5mm厚的SUS430型不銹鋼和上述鋁合金板的滾軋成型物同樣地制成電磁加熱用金屬模制品。其結果，比較例的模制品的表面溫度達到200℃所需的時間為40秒，而本實施例的模制品的表面溫度達到200℃所需的時間不到30秒，結果良好。實施例2使用JIS 3004型鋁合金MG-110(住友輕金屬公司產品，含Mg0.6～0.8％、Mn0.9～1.1％，規格厚1.5mm、直徑425mm的圓板)作為鋁襯底。為了進行氟樹脂涂層，在NaCl水溶液中，以20庫侖/cm2的電量對該鋁襯底進行電解浸蝕，使之表面產生細微的凹凸，在該表面上涂布氟樹脂分散液，然后烘干。再用油壓機將該氟樹脂涂層的板加工成深146mm、內徑221mm的電飯煲內鍋形狀。僅將該模制品的氟樹脂涂層的反面，即外側底面用120g/l的氫氧化鈉水溶液在80℃處理后，浸漬于商品名為AZ102(上村工業公司產品)的堿性浸漬劑的60℃水溶液(50g/l)中，水洗后，再用酸性浸漬液AZ 201(上村工業公司產品)(100g/l)和硝酸(800ml/l)的混合液于室溫下處理。然后進行鋅酸鹽處理和使用鋅置換液AZ401(上村工業公司產品)，形成0.1μm的鋅酸鹽層。
接著，使用由氨基磺酸鎳四水合物(480g/l)、硫酸鐵七水和物(25g/l)、硼酸(30g/l)、NH2OH·HCl(15g/l)、糖酸鈉(1g/l)、月桂基硫酸鈉(0.1g/l)和NH2SO3H(5g/l)組成的混合液作為Fe-Ni電鍍液，在液溫45℃、陰極電流密度25A/dm2的條件下，在鋁合金板的外側底面形成約50μm厚的Ni-20％Fe涂層(坡莫合金)。
圖3為用上述方法制成的電磁加熱用金屬模制品的結構截面圖。參照圖3，該模制品由鋁合金基體材料3、形成在基體材料3的一側表面的鋅酸鹽層2和形成在鋅酸鹽層2上的導電層1以及形成在基體材料3的另一側表面的氟樹脂涂層4構成。
接著，為防止腐蝕，尤其是防止間隙的腐蝕，在該模制品的整個鍍層表面以及鍍層表面與非鍍層表面的界面，用硅酮樹脂噴涂。
使用松下電器公司產品炊具KZP1，對按上述方法制成的電磁加熱用金屬模制品的發熱特性進行了調查。
作為比較例，用0.5mm厚的SUS430型不銹鋼和上述鋁合金板的滾軋成型物同樣地制成電磁加熱用金屬模制品。其結果，比較例的模制品的表面溫度達到200℃所需的時間為40秒，而本實施例的模制品的表面溫度達到200℃所需的時間不到40秒，結果良好。實施例3使用JIS3004型鋁合金MG-110(住友輕金屬公司產品，含Mg0.6～0.8％、Mn0.9～1.1％，規格厚1.5mm、直徑425mm的圓板)作為鋁襯底。將該鋁合金板用120g/l的氫氧化鈉水溶液在80℃處理后，浸漬于商品名為AZ102(上村工業公司產品)的堿性浸漬劑的60℃水溶液(50g/l)中，水洗后，再用酸性浸漬液AZ201(上村工業公司產品)(100g/l)和硝酸(800ml/l)的混合液于室溫下處理。然后進行鋅酸鹽處理和使用鋅置換液AZ401(上村工業公司產品)，形成0.1μm的鋅酸鹽涂層。
接著，將亞磷酸(0.2mol/l)作為磷源添加在由氨基磺酸鎳四水合物(680g/l)、氯化鎳六水合物(20g/l)和硼酸(40g/l)組成的混合物中，使用該混合液作為鍍鎳液，在液溫70℃、陰極電流密度40A/dm2的條件下，在鋁合金板的背面形成約50μm厚的Ni-7％P覆層(電阻率59μΩ)。再在該形成有涂層的鋁合金板上，以無水鉻酸(40g/l)和硫酸(45g/l)的水溶液作為電解液，用5A/dm2的電流密度電鍍10分鐘。
接著，對按上述方法制成的電磁加熱用金屬板進行成形加工，制成電磁加熱用金屬模制品。
圖4為用上述方法制成的電磁加熱用金屬模制品結構的截面圖。參照圖4，該金屬模制品由鋁合金基體材料3、形成在基體材料3的一側表面的鋅酸鹽層2和形成在鋅酸鹽層2上的導電層1以及形成的導電層1上的耐腐蝕金屬層5構成。
使用松下電器公司產品炊具KZP1，對按上述方法制成的電磁加熱用金屬模制品的發熱物性進行了調查。
本實施例的模制品的表面溫度達到200℃所需的時間不到40秒，結果良好。
另外，按照JIS-z-2371的鹽霧法進行了耐腐蝕性測定。其結果，未使用無水鉻酸(40g/l)和硫酸(45g/l)的水溶液進行鍍層處理、導電層露出表面的試樣在經過約50小時左右的處理后變得有些發褐色，而本實施例的試樣即使在經過1000小時處理后，也未發現被腐蝕。
此外，對本實施例的模制品，可以在其基體材料3的另一側表面形成與圖3所示的實施例2同樣的氟樹脂涂層。
如上所述，根據本發明，可以通過調整金屬材料和添加物，使導電層具有適宜的發熱特性。另外，雖然用電鍍方法可以形成高精度的導電層厚度，但在將鋁或鋁合金加工成所需形狀后再在必要的部分形成導電層，可使成形加工變得容易。還有，由于采用本發明的方法可以減少材料損耗，使用工藝為電鍍或非電解鍍層，因此，可以低成本地生產金屬板和金屬模制品。
圖1表示本發明一實施例的電磁加熱用金屬板的結構截面圖。
圖2表示本發明一實施例的電磁加熱用金屬板模制品的結構截面圖。
圖3表示本發明另一實施例的電磁加熱用金屬板模制品的結構截面圖。
圖4表示本發明又一實施例的電磁加熱用金屬板模制品的結構截面圖。符號說明1.導電層 2.鋅酸鹽層 3.基體材料4.氟樹脂涂層 5.耐腐蝕金屬層
權利要求
1.一種電磁加熱用金屬板，其特征在于，具有鋁或鋁合金的基體材料、在基體材料的一側表面的至少一部分形成的鋅或鋅合金中間層、在中間層上面形成的由高頻磁通量感應產生的渦流的流經而成為發熱體的導電層。
2.如權利要求1所述的電磁加熱用金屬板，其特征在于，導電層的厚度大于由渦流的頻率和導電層的材料確定的去膚深度。
3.如權利要求1或2所述的電磁加熱用金屬板，其特征在于，導電層為由選自鎳、鎳合金、鐵、鐵合金、鈷和鈷合金中的至少一種材料構成的一或多層。
4.如權利要求1或2所述的電磁加熱用金屬板，其特征在于，導電層為由選自鎳、鎳合金、鐵和鐵合金中的至少一種材料構成的一或多層，在該一或多層中分散有選自P、C和B中的至少一種元素。
5.如權利要求1～4中任一項所述的電磁加熱用金屬板，其特征在于，還具有形成在導電層上的耐腐蝕金屬層。
6.如權利要求5所述的電磁加熱用金屬板，其特征在于，耐腐蝕金屬層為含金屬鉻和鉻的氧化物的多層結構的涂層。
7.如權利要求1～6中任一項所述的電磁加熱用金屬板，其特征在于，在基體材料的另一側表面涂覆有氟樹脂。
8.一種電磁加熱用金屬板的制造方法，其特征在于，包括下述步驟在鋁或鋁合金的基體材料的一側表面的至少一部分，通過鋅酸鹽處理，形成鋅或鋅合金的中間層；在形成的中間層上，通過由含有金屬離子的溶液的電化學轉移，形成由高頻磁通量感應產生的渦流的流經而成為發物體的導電層。
9.如權利要求8所述的電磁加熱用金屬板的制造方法，其特征在于，還包括通過由含有金屬離子的硫酸溶液的電化學轉移，在導電層上形成由含金屬鉻和鉻的氧化物的多層結構的覆層構成的耐腐蝕金屬層的步驟。
10.一種電磁加熱用金屬模制品的制造方法，其特征在于，包括下述步驟通過對鋁或鋁合金壓型和/或沖裁及切割，進行基體材料的成型加工；在鋁或鋁合金的基體材料的一側表面的至少一部分，通過鋅酸鹽處理，形成鋅或鋅合金的中間層；在形成的中間層上，通過由含有金屬離子的溶液的電化學轉移，形成由高頻磁通量感應產生的渦流的流經而成為發熱體的導電層。
11.一種電磁加熱用金屬模制品的制造方法，其特征在于，包括下述步驟在鋁或鋁合金的基體材料的一側表面的至少一部分，通過鋅酸鹽處理，形成鋅或鋅合金的中間層；在形成的中間層上，通過由含有金屬離子的溶液的電化學轉移，形成由高頻磁通量感應產生的渦流的流經而成為發熱體的導電層；通過對制成的金屬板壓型和/或沖裁及切割，進行金屬板的成型加工。
12.如權利要求10或11所述的電磁加熱用金屬模制品的制造方法，其特征在于，還包括通過由含有金屬離子的硫酸溶液的電化學轉換，在導電層上形成由含金屬鉻和鉻的氧化物的多層結構的覆層構成的耐腐蝕金屬層的步驟。
全文摘要
一種具有適宜發熱特性、成型加工容易、同時，磁性材料的選擇范圍廣、可低成本制造的電磁加熱用金屬板及其制造方法。該金屬板具有鋁或鋁合金的基體材料、在基體材料的一側表面的至少一部分形成的鋅或鋅合金中間層、在中間層的上面形成的由高頻磁通量感應的渦流的流經而成為發熱體的導電層。
文檔編號B23K13/02GK1144639SQ95118180
公開日1997年3月12日 申請日期1995年11月17日 優先權日1994年11月18日
發明者八田利之, 松山文雄, 西雅也, 西川太一郎, 永井周三, 宮崎健史, 稻澤信二 申請人:住友電氣工業株式會社