JPS626808B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は金属被覆ガラスウエアの分野に関し、
特にレンジで使用される場合の調理性能が優れて
おり、かつ実用寿命が長い金属被覆ガラスセラミ
ツク調理用ウエアに関する。 例えば、加熱されたガラス容器が冷たい表面に
置かれる時に起るような熱衝撃による破損の発生
を減じるために、ガラス容器の底に薄い金属層を
付けることは知られている。米国特許第2053923
号には、容器に機械的強度を与えると同時に、そ
の容器の熱拡散および放熱を改良するのに充分な
厚さの薄い底部金属被膜（例えば0.003インチ厚
のアルミニウム被膜）を有するガラス容器が記載
されている。 また、例えば米国特許第3523013号に示されて
いるように、使用時における熱分布特性を改良す
るためにガラスセラミツク容器に比較的厚い金属
層を付けることも知られている。ガラスセラミツ
ク材料は半結晶層セラミツク材料であり、核剤と
呼ばれる成分を含むガラスの制御された結晶化に
よつて圧成される。不透明な濃白色の体色を有
し、強度が高く、また熱膨張率が非常に低く、従
つて耐熱性オーブンウエアの製造に特に適したガ
ラスセラミツクが知られている。しかしながら、
あいにく上記用途に適したガラスセラミツク材料
の熱伝導率は低く、従つて、たとえそのガラスセ
ラミツク材料が熱破損しにくいとしても、そのガ
ラスセラミツク材料はレンジでの使用に容易に適
用されうるものではない。なぜならば、バーナー
によつて局部的に加熱された時のそのガラスセラ
ミツク材料の温度分布は非常に不均一だからであ
る。 米国特許第4056650号に記載されているよう
に、２つの材料の間の熱膨張率が著しく異なるた
めに、熱膨張率の低いガラスセラミツク調理用容
器に金属アルミニウムを付けようとする時に幾多
の問題が生じる。すなわち、金属アルミニウムは
約230×10^-7／℃の熱膨張率を有しており、一方
調理用容器に用いられるガラスセラミツク材料は
約25×10^-7／℃よりも低い熱膨張率を有してい
る。 調理用容器が遭遇する温度範囲に亘つて上記熱
膨張率の不釣合いから生ずる熱応力は、厚い被膜
（約18ミルあるいはそれ以上）が用いられる時理
論的におよそ100000pisに達し、この応力は使用
時に調理用容器が破損するような応力である。し
かしながら、少なくとも約18ミルの被膜厚は通常
の厚さのアルミニウム被覆ガラスセラミツク調理
用容器に充分な熱分布特性を付与するのに必要で
ある。 アルミニウム被膜によつて加えられる応力によ
る熱破損の問題に加えて、アルミニウム被覆ガラ
スセラミツク調理用容器の実用寿命はひび割れあ
るいは容器からのアルミニウム被膜の剥離によつ
て制限される。このひび割れおよびアルミニウム
被膜の剥離もまた使用時における容器と被膜の間
の熱膨張および収縮の著しい相異のために生じ
る。 上記米国特許第4056650号の教示に従つて、ガ
ラスセラミツク容器にアルミニウム被膜を付ける
のに粉末フレームスプレー法を用いることによつ
て、アルミニウム被覆ガラスセラミツク調理用容
器の耐熱性および耐熱衝撃性をかなり改良するこ
とができる。さらに、使用前にアルミニウム被膜
をある種の化学薬剤で処理することによつて、容
器の実用寿命を延ばすことができる。 しかしながら上記改良にもかかわらず、アルミ
ニウム被覆ガラスセラミツク調理用容器の実用寿
命はまだ要望されている程長くはない。さらに、
容器の耐久性を高めるための化学処理の利用は容
器の製造方法を複雑にし、レンジ用に設計された
その他の調理用容器とは競争にならない水準に容
器の価格を高めてしまう。 従つて、本発明の主な目的は充分に改良された
実用寿命を示す安価なアルミニウム被覆ガラスセ
ラミツク調理用容器を提供することにある。本発
明のその他の目的および利点は以下の説明から明
らかになるであろう。 被膜を形成するためにガラスセラミツク容器に
付けられる金属アルミニウムの極限引張応力と、
得られるアルミニウム被覆ガラスセラミツク容器
の実用寿命との間には強い相関関係が存在すると
いう発見に本発明は基づいている。容器が調理用
容器として使用される時に遭遇するような熱サイ
クル条件の下での長い実用寿命は、強い（引張強
さが高い）被膜よりもむしろ比較的弱い（引張強
さが低い）被膜が用いられた場合に得られること
を試験データは示している。 被膜として基体に付けられたアルミニウムの極
限引張強さはアルミニウムの組成および構造に依
存し、さらにその被膜を付けるのに用いた方法に
大いに依存する。吹付アルミニウム被膜において
得られる極限引張強さを示すものとして、H.S.
インガム（H.S.Ingham）氏等によるメタライジ
ングエンジニアリング社（Metallizing
Engineering Co.、Inc.、Westbury、L.I.、New
York）の「メトコ金属化ハンドブツク」（Metco
Metallizing Handbook）、第１および２巻、第Ａ
―59〜A62頁（1959年）には、メトコ2E型（ワイ
ヤフレーム）スプレーガンから吹付けられたアル
ミニウムの極限引張強さが約19500psiであること
が記載されている。 本発明に従つて、ガラスセラミツク容器に付け
られる吹付アルミニウム被膜の極限引張強さが約
500乃至3000psiの範囲の値に下げられる時に実用
寿命の長いアルミニウム被覆ガラスセラミツク調
理用容器が得られる。このように本発明は約25×
10^-7／℃以下の熱膨張率を有するリチウムアルミ
ノシリケートガラスセラミツク材料からなるガラ
スセラミツク容器と、該容器の表面の少なくとも
一部に付けられる少なくとも約18ミルの厚さを有
するアルミニウム被膜とからなるガラスセラミツ
ク調理用ウエアを改良するものである。本発明に
おいては、容器に付けられる金属アルミニウム被
膜は約500乃至3000psiの範囲の極限引張強さを有
する吹付アルミニウムから形成される。 実用寿命の長いアルミニウム被覆容器を得るの
に用いられるガラスセラミツク容器は調理用ウエ
アに有用な既知の低膨張容器のいずれであつても
よい。「低膨張容器」とは約25×10^-7／℃以下の
熱膨張率（一般に室温から約300℃までの温度範
囲に亘つての平均線熱膨張率によつて表わされ
る）を有するガラスセラミツク材料からなる容器
を意味する。低に熱膨張はアルミニウム被覆容器
に高い耐熱衝撃性を付与するのに必要とされる特
性である。 従来ガラスセラミツク調理用ウエアの製造に最
も一般に用いられているガラスセラミツク材料
は、例えば上記米国特許第4056650号に記載され
ているようなリチウムアルミノシリケートガラス
セラミツクである。上記特許は最も好ましい上記
用途のためのガラスセラミツク容器を記述するも
のとして特に本明細書に引用される。 被覆のために選択される容器は、通常のリース
パン、フライパンあるいはテイーポツト形状のい
ずれをも含むレンジあるいはオーブンでの使用に
適したいかなる形状を有していてもよい。容器を
形成するガラスセラミツク材料は透明、半透明あ
るいは不透明のいずれであつてもよく、また白色
であつてもあるいは着色されていてもよい。 容器に付けられる吹付金属アルミニウム被膜
は、レンジでの使用に適した熱拡散特性を付与す
るために、少なくとも約18ミルの厚さを有してい
なければならない。好ましくは被膜は約20乃至30
ミルの範囲の厚さを有する。 理論上は、プラズマアークスプレー、ワイヤフ
レームスプレーあるいは粉末フレームスプレー技
術を含むがこれらに限られるものではない既知の
アルミニウムスプレー法のいずれも本発明に従つ
てアルミニウム被覆調理用容器を製造するのに必
要な非常に低い引張強さを有する吹付アルミニウ
ムを得るのに変形あるいは適応させることができ
る。しかしながら、粉末フレームスプレー法を使
用するのが上記目的に最も適しているようであ
り、従つて粉末フレームスプレー法を使用するこ
とが強く推奨される。 吹付アルミニウムの組成および構造に影響を及
ぼし、従つて被膜の引張強さに影響を及ぼすフレ
ームスプレー法の変数には、酸素流量、燃料ガス
（例えば水素）流量、アルミニウム粉末供給量、
アルミニウム粉末キヤリヤーガス流量、基体―ス
プレーガン距離、スプレーガン走査速度およびア
ルミニウム粉末粒子サイズがある。水素流量およ
び基体―スプレーガン距離がより重要な因子であ
る。本発明の目的のためには、水素が好ましい燃
料ガスであり、また窒素が好ましいアルミニウム
粉末キヤリヤーガスである。 粉末フレームスプレー法を行なつている間に上
記各変数のいずれか１つを変えることによる厳密
な効果は、勿論その他のパラメーターの絶対値に
いくぶんかは依存する。しかしながら、吹付アル
ミニウムの極限引張強さに重要な影響を及ぼすこ
とが本発明者等によつて見出された上記各変数を
変えることによる通常の効果は下記第１表に示す
通りである。

【表】 勿論、上記第１表の効果は以下に述べる本発明
の実施例で示されるような標準スプレー条件から
の変化に基づくものである。他の場合における変
数の変化から生じる引張強さの変化の実際の大き
さあるいは方向は、決められた一定の試験によつ
て容易に測定することができる。 本発明に従つてガラスセラミツク容器に被膜と
して付けられる吹付アルミニウムの極限引張強さ
は多くの既知の測定技術のいずれによつても測定
することができる。一般に用いられる測定方法
は、まず製造で使用される条件と同じ条件の下で
準備された基体上にアルミニウムをスプレーし、
次に基体を除去して吹付金属を適当な引張試験装
置で試験する方法である（例えば、上記「メトコ
金属化ハンドブツク」、第Ａ―59、Ａ―60頁参
照）。 本明細書においては、被膜を形成する吹付アル
ミニウムの極限引張強さは、トランサイト
（Transite、登録商標）アスベストを含有する基
体にアルミニウムを吹付けて厚さが約0.025乃至
0.035インチ、寸法が約８×８インチのアルミニ
ウムシートを形成することによつて得られた極限
引張強さである。その後、上記アルミニウムシー
トを基体から剥離し、約1/2×５インチの寸法の
ストリツプに切断する。得られたストリツプの中
央部をネツクダウンし、中央に幅約1/4インチ、
長さ約２インチのゲージ長さを有する引張試験サ
ンプルを得る。その後、このサンプルをインスト
ロン社（Instron Corporation、Canton、
Massachusetts）製インストロン（Instron登録
商標）モデルTM―SM引張試験機で引張試験す
る。 上記米国特許第4056650号に例示されているよ
うな従来技術に従つて粉末フレームスプレー法で
調理用容器にアルミニウム被膜を付けるに際して
は、吹付アルミニウム被膜は水素―酸素フレーム
を用いてアルミニウム粉末をフレームスプレーす
るのに適した市販の粉末フレームスプレーガン
（メトコ2p型サーモスプレーガン）を使用するこ
とによつて設けられた。上記スプレーガンを使用
してアルミニウム被膜を付けるのに用いられたア
ルミニウム粉末は、レイノルズアルミニウム社
（Reynoles Aluminum Ccmpany、Richmond、
Virginia）から市販されているレイノルズ
LSA896アルミニウム粉末であつた。 上記アルミニウム粉末をガラスセラミツク調理
用容器に被膜として付けるのに用いられたスプレ
ー条件は、スプレーガンへの水素流量が約137立
方フイート／時、酸素流量が約28立方フイート／
時、アルミニウム粉末供給量が約40g／時および
基体―スプレーガン距離が約61/2インチであつ
た。 上記スプレー条件の下においては、上述のよう
にして引張試験された吹付アルミニウムサンプル
は約6000psiの極限引張強さの値を示した。 従来のワイヤフレームスプレー法によつて一般
に得られる値よりもかなり低い値であるとは言う
ものの、上記引張強さ値は家庭での使用における
実用寿命の長い調理用容器を得るのに用いられな
ければならない値よりは著しく高いことが見出さ
れた。上述のようにして付けられたアルミニウム
被膜を有するガラスセラミツク調理用容器は、従
来技術において被膜の耐久性を評価するのに用い
られているかなり厳しい熱サイクル条件の下での
耐熱性に関しては比較的良好な結果を示す。上記
熱サイクル条件は、被膜の破損を引き起こすため
に被覆容器を電気バーナー（600℃）で加熱した
状態から冷水（15℃）中に移すことを反復するこ
とからなる。しかしながら、このタイプの容器は
後に詳細に説明するような最近考案された促進調
理試験においては従来の試験法におけるような良
好な結果を示さない。この促進調理試験は上記従
来の試験法ほど厳しくないが、家庭での実際の使
用条件により近似したものである。 従来技術に従つて粉末フレームスプレーされた
アルミニウム被膜の極限引張強さが比較的高いの
は、用いられたアルミニウムスプレー条件のため
であると考えられる。短かい基体―スプレーガン
距離が用いられ、またスプレーガンは比較的小さ
く、緊密なフレームスプレーパターンを生じた。
水素および酸素流量は用いられたスプレーガンの
サイズの割には比較的多く、アルミニウム粉末は
重力供給されたので窒素キヤリヤーガスは使用さ
れなかつた。 耐熱性の点からより低い引張強さを有する被膜
が優れているということは、家庭での実際の使用
条件に近似させるために設計された促進調理試験
によつて確かめられた。この試験においては、ア
ルミニウム被覆調理用容器はアルミニウム被膜の
破損が生じるまで近似使用条件の下で調理操作と
洗浄操作からなる調理サイクルによつて繰返し処
理される。この促進調理試験サイクルは、加熱さ
れた2300ワツト電気バーナー上にフライパンをの
せ、電力を675ワツトに操作すると同時にフライ
パンに40mlの調理用オイルを加え、オイルを６
分間加熱し、水で湿らせた２カツプの木材チツプ
からなる熱負荷を加熱されたオイルに加え、オイ
ルおよび木材チツプを５分間加熱することからな
る。その後、スパチユラによつて木材チツプをフ
ライパン中でひつくり返し、さらに５分間加熱
し、最後にオイルおよび木材チツプを廃棄する。
次に洗済を含ませた鋼綿パツドを用いてフライパ
ンをこすつてきれいにし、冷水によつて洗浄して
次の調理サイクルの用意をする。 上述の調理試験において遭遇するような熱サイ
クル条件の下での被膜破損の主な原因は被膜の繰
返しの膨張および収縮によるひび割れ破損であ
る。 加熱した状態の容器を冷水につけることを繰返
す上記従来の試験法の場合と同様に、被膜劣化レ
ベルの定性測定はひび割れの程度を０〜９の等級
に分けることによつて行なわれる。この場合、０
級は被膜損傷がないことを意味し、１級乃至４級
は顕微鏡で検出できるひび割れ損傷の増加レベル
を意味し、そして５級乃至９級は目視で観察でき
るひび割れ損傷の増加レベルを意味する。９級は
被膜の相当なひび割れあるいは割れによる被膜金
属の喪失を意味し、容器の不良を意味する。 また、被膜破損は容器壁からのアルミニウム被
膜の剥離によつても起こる。この剥離損傷は０〜
３の等級に分けられる。０級は剥離個所がないこ
とを意味し、１級あるいは２級は小面積の剥離の
数の増加を意味し、３級は金属の喪失、あるいは
相当な数の被膜剥離または大面積の被膜剥離の出
現を意味する。 ガラスセラミツク調理用容器に被膜として付け
られた吹付アルミニウムの極限引張強さと被覆容
器の上記調理条件の下での熱サイクルに耐える能
力との間に存在することが見出された相関関係
は、下記第２表に示されるような調理試験データ
によつて説明される。各試験グループのガラスセ
ラミツク調理用容器（各グループは４乃至６個の
ガラスセラミツク容器からなる）に、第２表に示
されるようなスプレー条件での粉末フレームスプ
レーによつて金属アルミニウム被膜を設けた。被
膜はいずれも少なくとも20ミルの厚さを有してい
た。各グループの容器を被覆するのに用いた吹付
アルミニウムのサンプルを先に述べたような方法
で引張試験した。ポンド／平方インチ（psi）で
表わされる各グループの平均極限引張強さ値
（UTS）を第２表に示す。 その後、アルミニウム被覆容器を先に述べた促
進調理試験によつて処理し、被膜破損（ひび割れ
等級の９級あるいは剥離等級の３級）が生じるま
でのサイクル数を各容器について記録した。各グ
ループについての被膜破損が生じるまでの平均調
理サイクル数を被覆容器のサイクル寿命として第
２表に示す。 第２表に示される各場合においては、吹付アル
ミニウム被膜を付けるのにメトコ6P型サーモス
プレーガンを使用し、またスプレーを行なう前に
ガラスセラミツク容器を120乃至650℃の範囲の温
度に予熱した。第２表において被膜変数として示
されているスプレー条件は、ｇ／分で表わされる
アルミニウム粉末供給量、いずれも立方フイー
ト／時で表わされる水素バーナーガス流量、酸素
バーナーガス流量および窒素キヤリヤーガス流
量、およびインチで表わされる基体―スプレーガ
ン距離である。

【表】 上記第２表のグループNo.４および５によつて、
また以下に述べる実施例に従つて製造された被膜
によつて示されるような強度の変動は、概してア
ルミニウム粉末のロツトが変わることによるアル
ミニウム粉末粒子サイズの変動、あるいは輸送ま
たは取扱いの間に起こる変化によるロツト内での
アルミニウム粉末粒子サイズの変動によるもので
ある。 促進調理試験結果と実際の使用条件の下でのア
ルミニウム被覆調理用容器の実用寿命との間の相
関関係に基づいて以下のような結論を下すことが
できる。すなわち、被膜の厚さに依存して、約
500乃至3000psiの範囲の極限引張強さ値を有する
吹付アルミニウム被膜が用いられる場合に有効な
容器実用寿命が得られる。しかしながら、熱サイ
クルに関する最適耐劣化性および付けられたアル
ミニウム被膜における優れた機械的性質は約900
乃至1600psiの幾分狭い範囲で得られるようであ
る。1600psiよりも高い極限引張強さ値において
は、熱サイクル耐久性が低下した容器を得る確率
が増加し、一方900psiよりも低い極限引張強さ値
においては、非常に多量のアルミニウムの除去の
ためにアルミニウム被膜の機械的仕上がめんどう
になる。 次に実施例によつて本発明を説明する。 実施例 ガラスセラミツク調理用容器上に寿命の長いア
ルミニウム被膜を生成するのに適した吹付アルミ
ニウムを、メトコ6P型サーモスプレーガンのよ
うな市販の粉末フレームスプレーガンを用いて得
た。このガンをアメリカアルミニウム社
（Aluminum Company of America）から市販さ
れているアルコア（Alcoa）108アルミニウム粉
末のような市販のアルミニウム粉末を付けるのに
使用した。 上記アルミニウム粉末をプレーして比較的低い
極限引張強さ値を有する吹付アルミニウムを形成
するのに用いたスプレー条件は、スプレーガンへ
の水素流量が約214立方フイート／時、酸素流量
が約55立方フイート／時、アルミニウム粉末供給
量が約90g／分および基体―スプレーガン距離が
約93/4インチであつた。これらスプレー条件の下
で生成された吹付アルミニウムのサンプルの極限
引張強さは約1180psiであつた。 上記吹付アルミニウムを利用したアルミニウム
被覆ガラスセラミツク調理用容器を得るために、
直径約10インチ、深さ約２インチの円形のガラス
セラミツクフライパンを上記吹付アルミニウムで
被覆するのに用いた。この容器は約12×10^-7／℃
の平均線熱膨張率（０―300℃）を有するリチウ
ムアルミノシリケートガラスセラミツク材料から
なるものである。 アルミニウム被覆されるガラスセラミツクフラ
イパンの外底部を洗済で充分に洗浄し、ゆすいだ
後、約650℃の温度に予熱した。次に上述のスプ
レー条件の下で吹付アルミニウムを付けることに
よつてフライパンの予熱した底部表面を約25ミル
厚のアルミニウム被覆した。その後、アルミニウ
ム被膜をブラシ掛けおよびバフ磨きによつて仕上
げた。 上記引張強さ値を有する吹付アルミニウムの被
膜が設けられたアルミニウム被覆がガラスセラミ
ツク調理用容器の耐熱性を評価するために、上述
のようにして製造した６個の容器を先に述べた促
進調理試験を用いて試験した。この試験法におけ
る６個の容器のアルミニウム被膜破損が生じるま
での平均調理サイクル数は2097サイクルであつ
た。最も耐久性が低い容器は1790サイクルで破損
し、最も耐久性が高い容器は2412サイクルで破損
した。 勿論、上記実施例は単に本発明に従つてアルミ
ニウム被覆ガラスセラミツク調理用容器を製造す
るのに用いられる技術の一例を示すものに過ぎな
い。吹付アルミニウム被膜を有するガラスセラミ
ツク調理用容器の耐熱性は保護酸化膜の付設のよ
うな特別な仕上技術によつて変形あるいは高揚さ
れ得ること、また容器の実用寿命は予熱温度等の
ような変数によつてもまた影響されることはよく
知られている。従つて、以上述べたような極限引
張強さの低いアルミニウム被膜を有するアルミニ
ウム被覆ガラスセラミツク調理用容器の性能特性
をさらに改良するために、これら既知の従来技術
のいずれを利用することも本発明の範囲に含まれ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 約25×10^-7／℃以下の熱膨張率を有するガラ
   スセラミツク材料からなるガラスセラミツク容器
   と、該容器の表面の少なくとも一部に付けられた
   少なくとも約18ミルの厚さを有する吹付金属アル
   ミニウム被膜からなるガラスセラミツク調理用ウ
   エアにおいて、上記被膜が約500乃至3000psiの範
   囲の極限引張強さを有する吹付金属アルミニウム
   から形成された被膜であることを特徴とするガラ
   スセラミツク調理用ウエア。 ２ 上記被膜の厚さが約20乃至30ミルであること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のガラス
   セラミツク調理用ウエア。 ３ 上記被膜が粉末フレームスプレー法で設けら
   れた被膜であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のガラスセラミツク調理用ウエア。 ４ 上記極限引張強さが約900乃至1600psiである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のガ
   ラスセラミツク調理用ウエア。