KR20040060997A

KR20040060997A - 유도 가열 조리용 강자성체 합금

Info

Publication number: KR20040060997A
Application number: KR10-2004-7008080A
Authority: KR
Inventors: 에르베 프레쓰; 띠에리 바엑케를르; 이브 그로베띠; 뤼시앙 꾸뛰
Original assignee: 엥피 알루와
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2002-11-28
Publication date: 2004-07-06
Also published as: CN1592796A; EP1461468B1; DE60204363T2; JP2005510626A; CN1266299C; EP1461468A1; ATE296363T1; KR100965301B1; FR2833019A1; US20060192181A1; RU2004119856A; JP4522703B2; DE60204363D1; US7575712B2; RU2294979C2; AU2002361352A1; JP2010229549A; FR2833019B1; WO2003046241A1

Abstract

본 발명은 강자성체 합금에 관한 것으로, 그 화학적 조성(wt%)이;

32.5%≤Ni≤72.5%

5%≤Cr≤18%

0.01%≤Mn≤4%

C≤1%

Mo, V, Co, Cu, Si, W, Nb 및 Al로부터 선택되고 그 양이 10%이하인 임의적인 하나 이상의 요소들을 포함하고, 나머지는 준비에 따른 철 및 불순물 이며, 상기 화학적 조성물은 다음의 관계를 만족시킨다.

Cr - 1.1 Ni + 23.25 ≤ 0%

45Cr + 11Ni ≤ 1360

Ni ≥ 37.5 이면 Ni + 3Cr ≥ 60%

Ni ≤ 37.5 이면 Cr ≥ 7.5

본 발명은 또한 유도 가열 조리 기구들의 가열 요소 제조를 위한 상기 합금의 사용방법에 관한 것이다.

Description

유도 가열 조리용 강자성체 합금{Ferromagnetic alloy for induction heated cooking}

유도 가열에 의한 음식물의 조리는 일반적으로 전자기파가 투과하는 유리-세라믹 판 아래에 배치된 유도자의 수단에 의해 수행되고, 판 위에는 가열될 필요가 있는 내용물을 가지는 조리 용기가 배치된다. 유도자에서의 고주파 전류의 순환은 용기에서의 와류를 유도하는 자장을 만들고, 이는 쥬울 효과에 의해 가열한다. 그러므로, 유도 가열은 유도자로부터 용기로 전자기적인 에너지의 전달, 쥬울 효과에 의하여 용기에서의 열로 전기 에너지의 변환, 끝으로 열전도를 통하여 음식물로의 열전달의 3개의 성공적인 물리적 현상을 수반한다,

용기는 유도 가열로 그 자체 내에서 낮은 열 관성과 높은 에너지 효율의 에너지 변환이 발생하기 때문에 가열 시스템의 활성 요소가 된다.

또한, 유리-세라믹 판들이 없는 특정 조리 영역이 있으며, 이를 위하여, 본 특허의 요지를 형성하는 물질들은 조리 용기들의 제조를 허용하여야만 한다.

양호한 에너지 효율을 달성하도록, 이러한 용기들은 높은 전기 전도성과 20 내지 50㎑ 사이의 사용된 작동 주파수에서 자장의 높은 증폭을 가지는 금속 바닥재들을 가진다. 그러므로, 작업 온도 범위 내에서 강자성체이고 실질적인 자기 손실을 발생시키기에 충분한 고자기화를 가지는 합금을 사용하는 것이 일반적인 실시이다.

이러한 용기들은 음식물과 접촉하는 면에 관해 높은 내식성을, 바닥에 관하여 보다 적은 범위로 내식성을 가져야 하며, 이것은 세척될 때 질이 저하되지 않아야만 된다.

이것들은 용기가 그 기하학적 형상, 특히 유도자의 상부와 접촉시에 바닥의 평면도를 유지하도록 기계적으로 안정하여야만 한다. 사실, 용기가 가열될 때, 그 바닥을 팽창하려 한다. 용기의 측벽, 소위 스커트는 바닥보다 낮은 온도로 가열되어 덜 팽창하여서, 이 바닥에서의 방사상 압축 응력을 발휘한다. 그러므로, 후자는 단지 송풍에 의하여 팽창한다. 이러한 것은 조립체의 에너지 효율을 저하시키고, 소비자는 소음에 의해 혼란스러우며 불쾌하게 된다. 이러한 영향은 용기가 사용되는 처음의 몇 분 동안 역으로 될 수 있지만, 바닥의 물질들의 구조적 변형에 의해 많은 수의 열적 사이클 후에 비가역적인 분해를 이끌 수도 있다. 이러한 현상은 단지 용기의 바닥이 고전도성 물질(예를 들어 알루미늄 또는 구리)을 함유할 때에만 특히 민감하다.

일반적으로 다양한 층들이 매우 다른 팽창계수를 가지는 다층 물질의 경우에, 계수에 있어서 이러한 차이는 바이메탈 스트립 효과를 창출하고, 이러한 것은용기의 바닥을 변형시키고 다양한 층들의 접착이 비가역적인 변화를 겪게 하려 하여, 국부화된 디본딩(debonding)으로 이끌므로, 용기의 효과의 상당한 손실을 이끈다.

이러한 용기들을 제조하도록, 강자성체 부분을 위하여 Fe-17% Cr와 같은 페라이트 스테인레스강 또는 그밖에 오오스테나이트 스테인레스강/페라이트 스테인레스강/오오스테나이트 스테인레스강의 3층 대칭재를 채택하는 것이 일반적이다. 이러한 물질들은 600℃ 이상의 쿠리에 온도를 가지는 결점을 가지며, 이는 이러한 용기들의 바닥 자체가 또한 이러한 온도에 도달하는 것을 의미하고, 이는 음식물 손실과 용기의 저하가 따르며, 이러한 것은 600℃의 온도에 도달하기 전에 고르게 하는 것이다.

이러한 문제를 고치도록, FR 2 453 627은 쿠리에 포인트가 60 내지 200℃ 사이인 합금을 포함하는 3층 물질로 만들어진 용기 바닥의 제조를 제안한다. 용기의 온도가 쿠리에 포인트 아래 있는 한, 합금은 강자성이고, 용기를 가열하는 유도 전류 손실이 발생할 수 있다. 이러한 용기의 온도가 쿠리에 포인트를 초과하는 한, 합금은 강자성이 아니고 가열이 중지되고, 용기의 온도가 쿠리에 포인트 아래로 떨어지자마자 다시 재개된다. 그러므로, 용기는 열적으로 조정된다. 그러나, 이러한 물질은 220 내지 320℃의 온도에 도달되는 것을 요구하는 음식물의 조리 또는 튀기는데 적합하지 않다. 더욱이, 용기의 양호한 기하학적 안정성과 용기의 양면들의 양호한 내식성을 보장하도록 특허에서 제안된 것은 없다.

동일한 원리가 FR 2 689 748에 채택되었으며, 이 특허에서 쿠리에 포이트가250℃인 Fe64Ni36과 같은 합금을 포함하는 3층 물질로 만들어진 용기를 제조하는 것이 제안되었다. 그러나, 이러한 형태의 합금은 매우 보통의 내식성과 매우 낮은 열팽창 계수를 가진다. 이러한 합금은 주목할만하게 높은 팽창계수를 가지는 금속층으로 눌려지고, 가열될 때 바이메탈 스트립 효과에 의해 용기 바닥의 변형이 따르고, 변형은 때때로 비가역적이 된다. 더욱이, 주기적 응력 크리프와 온도 현상으로 인한 층들 사이의 결합부에서의 분해가 또한 관찰될 수 있다.

본 발명은 강자성체 합금에 관한 것이고, 보다 상세하게는 유도 가열 조리를 위해 의도된 조리 용기를 위한 가열 요소들을 생산하기 위한 강자성체 합금에 관한 것이다.

그러므로, 본 발명의 목적은, 특히 유도 가열 조리를 위해 의도되고, 시간 과정 전체에 걸쳐서도 또는 동작 동안에도 변형되지 않으며, 양면이 양호한 내식성을 가지는 조리 용기의 가열 부분들을 제조하기 위한 합금을 제공하는데 있으며, 이러한 용기는 30 내지 350℃ 사이에서 용기에 의해 자동적으로 조정된 온도에서 음식물이 조리 또는 튀겨지는 것을 허용한다. 더욱이, 이러한 합금은 프레스, 인발, 절단 및 가공, 또는 다른 적절한 공정에 의해 제조될 수 있어야만 하고, 고 유도전류 손실을 발생시켜야만 한다.

이러한 목적을 위하여, 본 발명의 첫 번째 요지는 그 화학적 조성물이 wt%로:

32.5%≤Ni≤72.5%

5%≤Cr≤18%

0.01%≤Mn≤4%

C≤1%

Mo, V, Co, Cu, Si, W, Nb 및 Al로부터 선택되고 그 양이 10%이하인 임의적인 하나 이상의 요소들을 포함하고, 나머지는 용융에 따른 철 및 불순물이며,

상기 화학적 조성물은 다음의 관계를 만족시킨다.

Cr - 1.1 Ni + 23.25 ≤ 0%

45Cr + 11Ni ≤ 1360

Ni ≥ 37.5 이면 Ni + 3Cr ≥ 60%

Ni ≤ 37.5 이면 Cr ≥ 7.5

바람직한 실시예에서, 합금은 35 내지 50%Ni 사이의 니켈 함유량을 가지고, Mo, V, Co, Cu, Si, W, Nb 및 Al로부터 선택된 요소들을 함유하지 않는 강자성 합금이다.

또 다른 실시예에서, 합금은 13 중량% 이상의 크롬 함유량을 가진다. 이러한 합금은 합금이 음식물 등급 합금으로서, 용기의 내면에서 음식물과 양립성의 조건에서 용기를 위한 단일재로서 사용될 수 있는 이점을 가진다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 합금은 48 내지 52%의 니켈 함유량과 7 내지 10% 사이의 크롬 함유량을 가진다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 합금은 52% 이상, 특히 바람직하게는 55%의 니켈 함유량을 가진다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 합금 공정을 보다 용이하게 만들도록 합금은 0.1% 이상의 망간 함유량을 가진다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 0.5% 이하의 마그네슘 함유량을 가진다.

또 다른 바람직한 실시예에서, 합금은 30 내지 350 사이의 쿠리에 온도(T_c), 실온과 T_c사이에서 6.5×10^-6K^-1이상의 열팽창 계수(α_Tc), 및 0.2T 이상의 또는 심지어 0.5T의 포화 유도 전류(B_S)를 가지며, 산성 매체에서의 전압-전류 부식 테스트에서 상기 합금의 최대 산화 전류(I_max)는 1㎃ 미만이다.

본 발명의 두 번째 요지는 유도 가열 조리를 위하여 의도된 조리 용기를 위하여 단층 바닥과 같은 단층 또는 다층 가열 요소들을 제조하기 위하여 본 발명에 따른 함금의 사용이다.

본 발명에 따른 합금의 니켈과 크롬 함유량은 양호한 인발성, 기계적 절단성, 프레스성 및 가공성을 달성하는 것을 가능하게 한다. 이것들은 공기중에서의 양호한 내산화성, 또한 매우 양호한 고온 내식성을 달성하게 하는 것을 가능하게 한다.

더욱이, 본 발명에 따른 합금은 특히 오오스테나이트 출현과 용기의 비분해성에 관하여 습한 대기중에서, 산성 매체에서, 기본 매체에서 양호한 내식성을 보인다. 이러한 합금의 내식성을 결정하도록, 전류 I/ 전압 U 테스트가 하나의 전극으로서 합금을 취하고 백금 전극에 관하여 다양한 전압값을 부과하는 0.01M의 황산 매체에서 수행된다. 다양한 U의 값에 대응하여 I의 다양한 값이 측정되고, 합금의 내식성을 특징화하는 I의 최대값(I_max)이 측정된다. 기본 또는 산성 매체 또는 습한 대기에서 부식에 의해 표면상에서의 시각적으로 나쁜 영향을 받지 않는 자기 합금을 위하여, I_max1 ㎃인 것이 필요하고, 이 조건은 본 발명에 따른 합금에 의해 일치된다.

본 발명의 발명자들은 본 발명에 따른 합금이 30 내지 350℃ 사이의 쿠리에 온도를 가지는 것을 설명할 수 있었으며, 이는 음식물을 위하여 유용한 조리 범위내의 그리고 가능한 비점성 코팅의 분해를 위한 임계치 이하의 온도를 안정화하는 것을 가능하게 한다. 합금의 쿠리에 온도는 바람직하게 320℃ 이하이다.

합금의 이러한 기능은 음식물과 사용자의 우발적인 화상과, 합금이 또 다른 물질에 대해 눌려질 때 바이메탈 스트립 효과에 의한 주기적인 기계적 응력 하에서의 온도와 피로의 결합된 효과로 인한 가속화된 용기의 저하를 방지하는 것을 가능하게 한다.

더욱이, 본 발명에 따른 합금은 6.5×10^-6K^-1이상 및 바람직하게는 9×10^-6K^-1이상의 열팽창 계수를 가진다. 예를 들어 알루미늄과 같이 양호한 열분산을 허용하는 다른 물질에 합금이 눌려지거나 또는 결합될 때, 특히 페라이트 또는 오오스테나이트 스테인레스강이 알루미늄 층의 다른 측면에 눌려질 때, 이러한 특성은 용기의 바닥이 치수적으로 매우 안정하게 되도록 한다.

본 발명에 따른 합금의 이러한 특성은 또한 350℃로 한정된 그 가열과 조합하여 알루미늄 층에 대핸 합금의 결합이 많은 작업 시간을 견디도록 하는 것을 보장한다.

이러한 결합의 노화를 가속화하는 2개의 변수들은 온도와, 알루미늄과 강자성 합금 사이의 열팽창 계수에 있어서 차이와 관련된 바이메탈 스트립 효과이다. 온도 변수는 쿠리에 포인트와 관련된 온도 자체 조정에 의해 크게 제한된다.

물질들의 열팽창 계수에서의 차이로 인한 바이메탈 스트립 효과는 물질들 사이의 호혜적인 응력, 그러므로, 작업시에 주기적 응력하에서 열적으로 활성화되는 크리프 현상을 발생시키고, 물질들중 하나의 두꺼운 층에 의해 초기에 주어질 수도 있는 강성에도 불구하고, 고온 안정성 형태를 취하는 물질들로 조금씩 이끈다. 이러한 것은 용기의 바닥이 물러나거나 또는 국부화된 디본딩이 따르는 동일한 크리프 메커니즘, 용기의 열효율의 손실, 및 자왜 소음에 의한 층간 결합의 왜곡이 따른다. 본 발명에 따른 합금의 조성의 잔부에 의하여, 실온과 쿠리에 온도 사이에서 열팽창 계수가 비교적 알루미늄, 페라이트 및 오오스테나이트 스테인레스강의 열팽창 계수에 가깝고, 바이메탈 스트립 효과를 최소화하거나 제거하는 합금이 얻어진다.

이러한 합금의 두 특성들의 조합은 이러한 물질들로 내구력이 있는 결합을 달성하는 것이 가능하게 된다.

예 1

39.3%의 철, 50%의 니켈, 10%의 크롬, 0.5%의 망간 및 0.2%의 실리콘을 포함하는 조성을 가지는 자성 합금이 만들어진다. 이러한 합금은 약 230℃의 쿠리에 온도(T_C1)와 실온과 230℃ 사이에서 10×10^-6K^-1의 열팽창계수(_25-230℃)를 가진다. 알루미늄 스트립이 이러한 합금의 스트립에 눌려지고, 알루미늄 스트립은 0℃에서의 열팽창 계수(α_0℃)가 22×10^-6K^-1이상이며, 이러한 알루미늄 스트립에 79.5%의 철, 20%의 크롬 및 0.5%의 티타늄을 함유하는 합금 스트립이 눌려진다. 이 합금의 쿠리에 온도(T_C2)는 실질적으로 T_C1보다 높고, 25 내지 320℃에서의 이것의 열팽창 계수(α_25-320℃)는 11.6×10^-6K^-1이다.

다양한 시도 후에, T > T_C1일 때 용기의 내면에서의 높은 쿠리에 포인트(T_C2)를 가진 강자성 층의 사용이 적은 양의 열을 만들었다는 것을 증명하는 것이 가능하였다. 1000시간의 작업 후에 거의 노화되지 않은 다층은 치수적으로 매우 안정하다. 다양한 유도 가열 시도들이 시간 및 질의 조건에서 신속하고 재생 가능하게 조리되는 것을 허용하도록 동일한 음식을 가지고 수행되었을 때, 다층의 온도는 T_C1아래의 동일한 값 주위에서 항상 안정화된다. 끝으로, 가스 링에서 가열되고 식기 세척기에서 세척되는 것에 의해 집중적인 부엌 사용 후에, 산화 녹이 관찰되지 않았다.

그러므로, 이러한 조합은 밥, 생선 및 육류와 같은 음식물을 조리하기 위하여, 230℃ 주위의 조정된 온도에서 조리용 용기의 제조를 위하여 특히 적절하였다.

예 2

41.8%의 철, 45%의 니켈, 13%의 크롬 및 0.2%의 망간을 함유하는 조성을 가지는 자성 합금이 제조되었다. 이러한 합금은 약 150℃의 쿠리에 온도(T_C1)와 0℃에서 9.6×10^-6K^-1의 열팽창 계수(α_0℃)를 가진다. 알루미늄 스트립이 이러한 합금의 스트립에 눌려지고, 알루미늄 스트립은 0℃에서의 열팽창 계수(α_0℃)가 22×10^-6K^-1이상이며, 이러한 알루미늄 스트립에 79.5%의 철, 20%의 크롬 및 0.5%의 티타늄을 함유하는 합금 스트립이 눌려졌으며, 이 합금의 쿠리에 온도(T_C2)는 실질적으로 T_C1보다 높고, 25 내지 320℃에서의 이것의 열팽창 계수(α_25-320℃)는 11.6×10^-6K^-1이다.

그러므로, 이러한 조합은 낮은 압력에서 채소, 과일 또는 물과 같은 음식물을 조리하기 위하여, 140 - 160℃ 주위의 조정된 온도에서 조리용 용기의 제조를위하여 특히 적절하였다.

예 3

54.8 내지 56.8%의 철, 33%의 니켈, 10 내지 12%의 크롬 및 0.2%의 망간을 함유하는 조성을 가지는 자성 합금이 제조되었다. 이러한 합금은 37 내지 70℃ 사이에서 변할 수 있는 쿠리에 온도(T_C1)와, 0℃에서 8 내지 9.1×10^-6K^-1의 열팽창 계수(α_0℃)를 가진다. 적어도 5㎜의 두께를 가지는 알루미늄 스트립이 0.6㎜의 두께를 가지는 이러한 합금의 스트립에 눌려지고, 알루미늄 스트립은 0℃에서의 열팽창 계수(α_0℃)가 22×10^-6K^-1이상이다.

다양한 시도 후에, 이러한 쌍층이 1000시간의 작업 후에 노화되지 않고, 치수적으로 매우 안정하게 남아있다는 것을 여기에서도 역시 설명하는 것이 가능하였다. 다층의 온도는 인체와 양립할 수 있는 제품을 생산하도록 다양한 유도 가열 시도들이 재료 두께 및/또는 다양한 용기 형상의 조합을 가지고 수행될 때, 37℃에 매우 가까운 동일한 값 주위에서 안정화된다. 더욱이, 의료 또는 가정환경에서 집중적인 사용 후에 산화 녹이 관찰되지 않았다.

그러므로, 큰 영역에 걸쳐서 37℃에서 자체 조정되는 매우 큰 온도 균일성을 가지는 것이 가능하기 때문에, 이러한 조합은 젖병 온열기, 혈액 또는 혈장의 온도를 조정하기 위한 장치, 베이비 인큐베이터, 의료적 개입 히터 등과 같은 인체를위해 의도된 히터를 위해 특히 적절하다.

예 4

50㎏의 물질의 30분의 1 합금들은 고순도 금속들로부터 진공 용융에 의해 제조되어 잉곳으로 주조되었다. 4.5㎜의 두께로 단조와 열간 압연 후에, 이러한 다양한 물질들은 그런 다음 0.6㎜의 최종 두께로 직접 냉간 압연되고, 20℃, T_c, α_Tc사이의 열팽창 계수, 쿠리에 포인트(T_c), 포화 유도 전류(B_s), 및 최대 산화 전류(I_max)를 특징화하기 위하여 다양한 형상들의 견본들로 절단되고, 수소에서 1시간 동안 1050℃에서 열처리되었다:

ㆍ α_Tc는 팽창계로 측정되었다;

ㆍ B_s는 검류계에 연결된 2개의 검출 코일들 사이의 자석의 자장(1600 Oe)으로부터 견본의 추출에 의해 측정되었으며, 측정은 3% 미만 이내이다;

ㆍ T_c는 힘-온도 곡선의 굴곡의 지점에서 이 곡선에 대해 접선 0으로 추정하는 것에 의해 자석- 힘 열자기계에서 측정되었다;

ㆍ I_max는 연속적인 전압값들이 0.01M의 황산용액에서 합금 전극과 백금 전극 사이에 부과되는 전류-전압 산화 곡선에 기록된 최대 전류였다.

이러한 합금(잔부를 만드는 철과와는 별개인)들의 조성이 다음의 테이블에주어진다:

수행된 시도들의 결과들이 다음의 테이블에 주어진다.

30 내지 350℃ 사이의 T_max값에 의하여 특징화되고 이 용기에서 준비하도록 의도된 음식물의 형태와 조리의 모드에 의해 한정된 용기를 제조하는 것이 필요할 때, 이 온도(T_max)에 대응하는 쿠리에 포인트를 가지는 합금을 청구한 조성범위 내에서 선택하는 것이 충분하다는 것을 알았다.

또한, 52% 이상의 니켈 함유량을 가지는 합금들이 우수한 내식성과 높은 열팽창 계수를 보인다는 것을 알았다.

Claims

화학적 조성(wt%)이:

32.5%≤Ni≤72.5%

5%≤Cr≤18%

0.01%≤Mn≤4%

C≤1%

Mo, V, Co, Cu, Si, W, Nb 및 Al로부터 선택되고 그 양이 10%이하인 임의적인 하나 이상의 요소들을 포함하고, 나머지는 용융에 따른 철 및 불순물이며,

상기 화학적 조성물은:

Cr - 1.1 Ni + 23.25 ≤ 0%

45Cr + 11Ni ≤ 1360

Ni ≥ 37.5 이면 Ni + 3Cr ≥ 60%

Ni ≤ 37.5 이면 Cr ≥ 7.5

의 관계를 만족시키는 강자성 합금.
제 1 항에 있어서,

크롬 함유량이 13% 이상인 강자성 합금.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

니켈 함유량이 34 내지 50%이고, Mo, V, Co, Cu, Si, W, Nb 및 Al로부터 선택된 요소들을 함유하지 않는 강자성 합금.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

니켈 함유량이 52% 이상인 강자성 합금.
제 1 항에 있어서,

니켈 함유량은 48 내지 52% 사이이고, 크롬 함유량은 7 내지 10% 사이인 강자성 합금.
제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,

0.1% 이상의 망간 함유량을 가지는 강자성 합금.
제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 합금은 30 내지 350 사이의 쿠리에 온도(T_c), 실온과 T_c사이에서 6.5×10^-6K^-1이상의 열팽창 계수(α_Tc), 및 0.2T 이상의 포화 유도 전류(B_S)를 가지며, 산성 매체에서의 전압-전류 부식 테스트에서 상기 합금의 최대 산화 전류(I_max)는 1㎃ 미만인 강자성 합금.
제 7 항에 있어서,

실온과 T_c사이의 열팽창 계수(α_Tc)는 9×10^-6K^-1이상이고, 포화 유도 전류(B_S)는 0.2T 이상인 강자성 합금.
유도 가열 조리용 조리 용기의 가열 요소 제조를 위한 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 따른 합금의 사용방법.
유도 가열 조리용 단층 조리 용기의 바닥재 제조를 위한 제 2 항에 따른 합금의 사용 방법.