轻质材料及其制备方法和生活用具与流程

1.本发明涉及生活用具技术领域，尤其涉及一种轻质材料及其制备方法和生活用具。


背景技术：

2.目前，各种各样的生活用具如锅具、杯具、刀具等，在人们的日常生活中被广泛使用，为人们的日常生活提供了便利。现有的生活用具种类繁多，差异化主要体现在材质方面，如现有的锅具、刀具、有些杯具等通常采用铝合金、铁、不锈钢材料制作而成，现有的这些材质制成的器具因技术成熟、易加工等特点而被广泛应用，但也存在着许多缺点，如重量较重，影响使用体验。
3.以现有的铝合金为材料制成的生活用具，因铝合金材料较软，强度较低，需要通过增加厚度来提高强度，这也会增加重量。以现有的铁或不锈钢材料制成的生活用具，密度较高，在不影响强度、加工性能的前提下，也会使得重量较重，进而会影响用户的体验感受。例如，在炒锅锅体较重的情况下，会影响端握；在刀具较重的情况下，会影响切菜效率和手腕舒适度。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种轻质材料及其制备方法和生活用具，该轻质材料可有效减轻产品重量，既能够保证产品性能又能提高用户使用体验。
5.为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
6.根据本发明的第一方面，提供一种轻质材料，所述轻质材料的组成元素包括mg、al、ti、v、cr、mn、fe、co、ni、cu、zn、zr、nb、mo、sn、hf、ta、w、pb、si和b中的至少四种；
7.其中，原子序数小于fe的原子序数的元素的总原子百分比为40％～70％。
8.该轻质材料具有热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应、性能上的鸡尾酒效应，能使得该轻质材料具有较高的强度和硬度，具有抗塑性变形能力等性能；而且通过提高原子序数小于fe的原子序数的元素的原子占比，能够降低材料的密度。从而，本技术提供的轻质材料，相比于现有的铝或铝合金类材料，具有更高的强度、硬度和抗塑性变形能力，其无需通过增加厚度来增加强度，能够在较薄的厚度下即满足使用需求，从而可减轻所制得的产品的重量。同时，相比于现有的铁、不锈钢材料，本技术提供的轻质材料的密度更低，既能够减轻产品的重量，又能保证产品的使用性能，从而有助于提高用户的使用体验。
9.从而将本技术提供的轻质材料应用在生活用具如锅具、杯具、刀具等领域，能缓解现有的这些锅具、杯具、刀具所存在的保证使用性能与降低重量不能兼顾的问题。
10.在一种可能的实现方式中，所述轻质材料的密度为2.0～5.4g/cm3。在该范围内的轻质材料的密度，显著低于常规的铁、不锈钢材料(约7.8g/cm3)的密度，可有效减轻产品重量，且材料的强度高，不易变形。
11.在一种可能的实现方式中，所述轻质材料的布氏硬度为100hb～180hb。在该范围内的轻质材料的硬度，显著高于常规3系铝合金等材料(约40～80hb)的硬度，可使所制得的产品在厚度较薄状态下具有一定的强度，能防止变形。
12.在一种可能的实现方式中，所述轻质材料中，每种组成元素的原子百分比各自独立地为5％～35％。在该范围内可保证轻质材料的多主元特性。
13.根据本发明的第二方面，提供一种轻质材料的制备方法，所述轻质材料的组成元素包括mg、al、ti、v、cr、mn、fe、co、ni、cu、zn、zr、nb、mo、sn、hf、ta、w、pb、si和b中的至少四种；其中，原子序数小于fe的原子序数的元素的总原子百分比为40％～70％；
14.所述制备方法包括真空电弧熔炼、真空感应熔炼和粉末冶金法中的至少一种。
15.采用真空电弧熔炼、真空感应熔炼和粉末冶金法中的至少一种方法制备轻质材料，方法操作简单，易于实施，易于实现大规模生产。同时，该轻质材料为如上所述的轻质材料，具有密度低、强度和硬度高、不易变形等特点。
16.在一种可能的实现方式中，采用真空电弧熔炼制备所述轻质材料，具体包括：
17.依据轻质材料中各元素的原子百分比，将称量好的各元素原料放入坩埚内，抽真空后充入氩气，并用纯钛对真空电弧熔炼炉进行耗氧，进行反复熔炼，冷却，得到所述轻质材料。
18.在一种可能的实现方式中，所述真空电弧熔炼的操作条件满足如下特征中的至少一者：
19.抽真空，使炉内真空度至5
×
10-3
pa～6
×
10-3
pa，再充入氩气；
20.引弧电流为60a～70a；
21.所述反复熔炼至少5～8次，每次熔炼的时间为≥10min；
22.熔炼时熔炼电流为200a～300a。
23.在一种可能的实现方式中，所述轻质材料的密度为2.0～5.4g/cm3；和/或，
24.所述轻质材料的布氏硬度为100hb～180hb；和/或，
25.所述轻质材料中，每种组成元素的原子百分比各自独立地为5％～35％。
26.根据本发明的第三方面，提供一种生活用具，包括如上所述的轻质材料，或根据如上所述的制备方法得到的轻质材料。
27.在一种可能的实现方式中，所述生活用具包括锅具、杯具或刀具。
28.本发明提供的生活用具包括前述轻质材料，因而至少具有前面所述的轻质材料的所有特点和优点，在此不再赘述。
附图说明
29.图1(a)为本技术示例性的一种实施方式提供的轻质材料的fcc固溶体相晶格示意图；
30.图1(b)为本技术示例性的一种实施方式提供的轻质材料的bcc固溶体相晶格示意图；
31.图1(c)为本技术示例性的一种实施方式提供的轻质材料的hcp固溶体相晶格示意图；
32.图2为本技术示例性的一种实施方式提供的生活用具的结构示意图；
33.图3为本技术示例性的另一种实施方式提供的生活用具的结构示意图；
34.图4为本技术示例性的另一种实施方式提供的生活用具的结构示意图。
35.附图标记：
36.10-锅具；
37.20-刀具；
38.30-杯具。
39.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
具体实施方式
40.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术附图及实施例，对本技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术提供的技术方案及所给出的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。
41.在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值或单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围。
42.需要说明的是，本文中使用的术语“和/或”或者“/”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。在本文中，由术语“中的至少一者”、“中的至少一个”、“中的至少一种”或其他相似术语所连接的项目的列表可意味着所列项目的任何组合。例如，如果列出项目a、b，那么短语“a、b中的至少一者”意味着仅a；仅b；或a及b。
43.为克服现有技术的不完善，满足现有市场的需要，本发明实施例提供一种具有低密度、且强度较高、不易变形的轻质材料及其制备方法和生活用具，能够在不影响强度或加工性能等的前提下，减轻器具的重量，既能够保证产品的使用性能又能改善消费者的使用体验。
44.在本技术的一些实施例中，如图1(a)、图1(b)、图1(c)所示，提供一种轻质材料，所述轻质材料的组成元素包括mg(镁)、al(铝)、ti(钛)、v(钒)、cr(铬)、mn(锰)、fe(铁)、co(钴)、ni(镍)、cu(铜)、zn(锌)、zr(锆)、nb(铌)、mo(钼)、sn(锡)、hf(铪)、ta(钽)、w(钨)、pb(铅)、si(硅)和b(硼)中的至少四种；
45.其中，原子序数小于fe的原子序数的元素的总原子百分比为40％～70％。
46.本技术实施例提供的轻质材料适于应用在生活用具如锅具、杯具、刀具等领域，有助于缓解现有的这些锅具、杯具、刀具所存在的保证使用性能与降低重量不能兼顾的问题。
47.上述轻质材料的组成元素中，fe(铁)的原子序数为26，小于fe的原子序数的元素包括mg、al、ti、v、cr、mn、si和b，这些元素可称之为轻质元素。该轻质材料的组成元素包括mg、al、ti、v、cr、mn、fe、co、ni、cu、zn、zr、nb、mo、sn、hf、ta、w、pb、si和b中的四种及四种以上，并且轻质材料的组成元素需包含上述轻质元素中的至少一种，轻质元素在轻质材料中
的总原子占比为40％～70％。
48.一方面，该轻质材料属于多主元合金材料，其至少包括4种或4种以上不同金属元素，一般情况下各元素原子比接近1：1，因此也称多主元合金或高熵合金。多主元合金至少具有如下几个特点：(1)高熵效应，高温条件下高的混合熵能有效降低合金吉布斯自由能，稳定形成的简单多元固溶相，固溶强化效应能够明显提高合金的强度与硬度。(2)晶格畸变效应，高熵合金的各组成元素原子半径不同，导致晶格发生畸变，进而影响合金的宏观性能，由于无法保持晶体晶格构型，使得晶格坍塌形成非晶结构。晶格畸变会增加位错运动阻力，从而会显著增加合金的硬度、强度。(3)迟滞扩散效应，高熵合金中不同元素原子尺寸差导致晶格畸变，不同原子间相互作用，严重影响原子的扩散速率，凝固时需要借助各元素协同扩散才能达到相分离平衡。扩散速率受限抑制了新相的形核和晶粒长大,一些高熵合金中有纳米晶析出，在一定体积的晶体内，晶粒的数目越多，晶界就越多，晶粒就越细，并且不同位向的晶粒也越多，因而塑性变形的抗力也越大。(4)鸡尾酒效应，高熵合金的性能不只是各元素性质简单叠加或平均，还有不同元素的相互作用，最终使高熵合金呈现出复合效应。
49.从而，利用上述热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应、性能上的鸡尾酒效应，能使得该轻质材料具有较高的强度和硬度，具有抗塑性变形能力以及其他的性能等。而且采用包含上述四种及以上的元素的轻质材料，更有助于发挥轻质材料的高强度、高硬度、不易变形等性能。
50.另一方面，轻质元素在轻质材料中的总原子占比为40％～70％，轻质元素的占比较高，从而通过提高轻质元素的占比，可使得形成的轻质材料的密度较低，尤其是远低于现有的铁、不锈钢的密度，且该轻质材料的强度、硬度高、不易变形，能够保证产品的使用性能。
51.基于此，本技术实施例提供的轻质材料，相比于现有的铝或铝合金类材料，具有更高的强度、硬度和抗塑性变形能力，其无需通过增加厚度来增加强度，能够在较薄的厚度下即满足使用需求，从而可减轻所制得的产品的重量。同时，相比于现有的铁、不锈钢材料，本技术实施例提供的轻质材料的密度更低，既能够减轻产品的重量，又能保证产品的使用性能，从而有助于提高用户的使用体验。
52.本文中，如无特殊说明，轻质材料中各组成元素的含量以原子分数或原子百分比计，例如可表示为40％～70％，或40at.％～70at.％，或者40原子％～70原子％。
53.上述轻质材料中，原子序数小于fe的原子序数的元素，也即轻质元素的总原子百分比为40％～70％，进一步可选为45％～65％，进一步可选为50％～60％。典型但非限制性的，轻质元素的总原子百分比例如可以为40％、42％、45％、48％、50％、52％、55％、58％、60％、62％、65％、68％、70％以及这些点值中的任意两个所构成的范围中的任意值。轻质材料中的轻质元素的原子占比可以在上述范围内进行调节，本技术实施例对于具体的数值不作限定。
54.通过调整及优化轻质材料中所含有的轻质元素的原子占比在上述范围内，不仅能使所制得的轻质材料高强度、高硬度、抗塑性变形，而且能使该轻质材料的密度低，可满足生活器具如锅具、杯具等的使用需求。
55.上述轻质材料中，原子序数小于fe的原子序数的元素也即轻质元素包括mg、al、
ti、v、cr、mn、si和b，该轻质材料包括这些轻质元素中的至少一种。例如，轻质材料的组成元素包括mg，或者包括al，或者包括ti，或者包括v，或者包括cr，或者包括mn，或者包括si，或者包括b，或者包括mg和al，或者包括al和ti，或者包括mg和cr，或者包括al、ti和cr，或者包括mg、al和ti，或者包括al、v和cr等，在此不再一一列举。较佳的，该轻质材料包括这些轻质元素中的两种或三种或更多种，这样，有助于保证多主元合金的使用性能，还可以降低材料的密度。
56.并且，上述轻质材料除包括上述轻质元素之外，还可包括fe及原子序数大于fe的原子序数的元素，以使得该轻质材料由四种或四种以上的不同金属元素组成。该轻质材料可以为四元体系、五元体系、六元体系或更多元体系的合金材料。示例性的，轻质材料可以的组成元素可以包括mg、al、co和ti，可以包括mg、al、ti、fe和ni，可以包括mg、al、fe、co和ni，可以包括al、ti、v、cr、zn和fe，可以包括al、ti、cr、fe、ni和cu等，轻质材料的组成元素可以在以上所列举的元素中选择四种或四种以上，在此不再一一列举。
57.为了保证轻质材料的多主元特性，轻质材料中的各组成元素的原子百分含量需要在适宜的范围内。具体地，在一些实施例中，所述轻质材料中，每种组成元素的原子百分比各自独立地为5％～35％；且原子序数小于fe的原子序数的元素即轻质元素的总原子百分比为40％～70％。示例性的，轻质材料为alcrfeconi系，其成分为：al：5～35at.％，cr：5～35at.％，fe：5～35at.％，co：5～35at.％，ni：5～35at.％，且al和cr的原子百分比之和需在40～70at.％范围内。应理解，其他体系的轻质材料的组成元素的原子百分含量也需满足上述条件，在此不再一一列举。
58.在一些实施例中，所述轻质材料的密度为2.0～5.4g/cm3。在该范围内的轻质材料的密度，显著低于常规的铁、不锈钢材料(约7.8g/cm3)的密度，可有效减轻产品重量，且材料的强度高，不易变形。
59.在一些实施例中，所述轻质材料的布氏硬度为100hb～180hb。在该范围内的轻质材料的硬度，显著高于常规3系铝合金等材料(约40～80hb)的硬度，可使所制得的产品在厚度较薄状态下具有一定的强度，能防止变形。
60.示例性的，所述轻质材料可以为alcrfeconi系，可以为alcrfetini系，可以为alcrfeconicu系，可以为alcrfemgb系，可以为alfesimncu系等。典型但非限制性的，轻质材料可以为fecr
0.6
al2cu
0.8
ni
0.5
、fecr
0.6
alcuti2、al2crfemgb2、al3fesi2mn
0.7
cu等。其中，各轻质材料的密度均在2.0～5.4g/cm3范围内，如al2crfemgb2的密度约为2.67g/cm3。
61.应理解，在其他实施例中，轻质材料还可以为包含如上至少四种组成元素、具有不同成分配比的合金材料，在此不再一一列举。
62.在一些实施例中，还提供一种轻质材料的制备方法，所述轻质材料的组成元素包括mg、al、ti、v、cr、mn、fe、co、ni、cu、zn、zr、nb、mo、sn、hf、ta、w、pb、si和b中的至少四种；其中，原子序数小于fe的原子序数的元素的总原子百分比为40％～70％；
63.所述制备方法包括真空电弧熔炼、真空感应熔炼和粉末冶金法中的至少一种。
64.该轻质材料的制备方法，可采用现有的常规用于高熵合金的制备方法，例如可通过将多种金属元素(4种及以上)利用真空熔炼法或粉末冶金法、机械合金化法、激光熔覆、电化学沉积等手段制成多主元合金，得到所述的轻质材料。
65.本技术实施例采用真空电弧熔炼、真空感应熔炼和粉末冶金法中的至少一种方法
制备轻质材料，方法操作简单，易于实施，易于实现大规模生产。同时，该轻质材料为如上所述的轻质材料，具有密度低、强度和硬度高、不易变形等特点。
66.应理解，该轻质材料的制备方法中，轻质材料的具体组成和配比以及所达到的有益效果可参照前面关于轻质材料的描述，在此不再赘述。
67.在一些实施例中，所述轻质材料的密度为2.0～5.4g/cm3；和/或，
68.所述轻质材料的布氏硬度为100hb～180hb；和/或，
69.所述轻质材料中，每种组成元素的原子百分比各自独立地为5％～35％。
70.在一些实施例中，采用真空电弧熔炼制备所述轻质材料，具体包括：
71.依据轻质材料中各元素的原子百分比，精确称量相应原子百分含量的各元素如镁、铝、钛等如上所述的金属单质原料，然后将称量好的各元素原料放入坩埚内，抽真空后充入氩气，并用纯钛对真空电弧熔炼炉进行耗氧，进行反复熔炼，冷却，得到所述轻质材料。
72.其中，金属单质原料例如可以为块状或颗粒等。
73.在一些实施例中，所述真空电弧熔炼的操作条件满足如下特征中的至少一者：
74.抽真空，使炉内真空度至5
×
10-3
pa～6
×
10-3
pa(或为5
×
10-3
pa～6
×
10-2
pa)，再充入氩气；
75.其中，所通入的氩气的纯度较高，一般氩气的纯度为至少99.999％。
76.引弧电流为60a
×
70a。
77.所述反复熔炼至少5～8次，每次熔炼的时间为≥10min；
78.熔炼时熔炼电流为200a～300a。
79.具体地，在一些实施例中，采用真空电弧熔炼法制备轻质材料，具体包括以下步骤：
80.采用真空电弧炉，将合金原料混装入坩埚内，先用机械泵抽真空至6
×
10-2
pa，然后用扩散泵抽高真空至5
×
10-3
pa，然后对炉膛冲入高纯氩气至1.013
×
105pa开始熔炼，引弧电流为60a～70a，先在装有纯钛的坩埚上熔炼，除去炉膛中的氧气，然后用焊枪对合金原料进行熔炼，熔炼电流为200a～300a，每熔炼完一次用机械手对合金翻面，反复熔炼5～8次，保证合金成分均匀，熔炼完成后将合金移至吸铸铜坩埚冷却15min，即可得到块状材料，然后可通过机械轧制等方式形成所需形成结构的轻质材料，如形成片状的轻质材料以供使用。
81.上述操作条件范围内，可以使得该方法可靠性高，生产效率高，能耗低，成本也低，易于批量生产。且所制得的材料具有较高的强度、硬度和抗变形能力，密度较低，且最终得到的生活器具产品性能及用户体验好。
82.如图2至图4所示，在一些实施例中，还提供一种生活用具，包括如上所述的轻质材料，或根据如上所述的制备方法得到的轻质材料。
83.具体地，在一些实施例中，所述生活用具包括但不限于各种锅具10、杯具30或刀具20等。
84.本技术实施例对于锅具、杯具或刀具等的具体结构或类型不作限定，可以为各种常用的结构类型，示例性的，锅具可以为不粘锅，可以为炒锅，可以为煎锅，可以为平底锅，可以为高压锅，可以为电压力锅，可以为空气炸锅等。
85.应理解，本技术提供的生活空间包括如上所述的轻质材料，具有前面所述的轻质
材料的所有特点和优点，在此不再赘述。
86.为了便于理解本发明，下面结合具体实施例、对比例，对本发明作进一步说明。以下具体实施例和对比例中，如无特别说明，所用的材料均可商购获得。
87.实施例1
88.一种锅具，该锅具采用轻质材料制成。
89.其中，轻质材料为al2crfemgb2。
90.实施例2-5
91.实施例2-5与实施例1的主要区别在于，轻质材料的类型。
92.实施例2中，轻质材料为fecr
0.6
al2cu
0.8
ni
0.5
；
93.实施例3中，轻质材料为fecr
0.6
alcuti2；
94.实施例4中，轻质材料为feal3si2mn
0.7
cu；
95.实施例5中，轻质材料为feti2simo
0.5
mg；
96.其余均与实施例1相同。
97.对比例1
98.本对比例中，采用现有的铝合金材料。
99.对比例2
100.本对比例中，采用现有的不锈钢材料。
101.对比例3
102.本对比例中，高熵合金为fezrge2mg
1.5
cu2。
103.上述实施例1-5中，原子序数小于fe的原子序数的元素的总原子百分比在40％～70％范围内，而对比例3中的高熵合金则不在该范围内。
104.性能测试
105.分别测试各实施例和对比例中的轻质材料应用于锅具上的性能，测试结果如表1所示。
106.具体的测试方法如下所示。
107.1.硬度的测试方法：采用布氏硬度仪进行测试。
108.2.强度的测试方法：按照gb/t228.1-2010《金属材料拉伸试验方法》进行测试。
109.3.密度的测试方法：采用排水称重计算密度。
110.表1各实施例和对比例的性能测试结果
[0111] 密度/g/cm3硬度/hb拉伸强度/mpa实施例12.67102394实施例24.63162512实施例35.08174556实施例43.42125462实施例53.15117447对比例12.7245224对比例27.80208705对比例36.44192645
[0112]
由表1数据结果可知，本技术实施例1-5提供的轻质材料，相比于现有的对比例1的
铝合金材料，提高了硬度和拉伸轻度，从而可使所制得的产品在厚度较薄状态下具有一定的强度，能防止变形。本技术实施例1-5提供的轻质材料，相比于现有的对比例2的不锈钢材料，降低了密度，可有效减轻产品重量，且轻质材料的硬度和拉伸强度也可满足使用性能。对比例3提供的材料，原子序数小于fe的原子序数的元素的总原子百分含量不在本技术限定的范围内，增大了密度，增大了产品重量。
[0113]
以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。