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Die
Erfindung betrifft allgemein einen Gegenstand zur Aufnahme von oder
für den
Kontakt mit Lebensmitteln mit einer gegen Anlaufen beständigen Beschichtung
und insbesondere einen Gegenstand zur Aufnahme von oder für den Kontakt
mit Lebensmitteln mit einer hitzeunempfindlichen, gegen Anlaufen
beständigen keramischen
Beschichtung auf der äußeren, für den Kontakt
mit einer Wärmequelle
vorgesehenen Oberfläche und
ein Verfahren zum Herstellen solcher Gegenstände zur Aufnahme von oder für den Kontakt
mit Lebensmitteln.
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Keramische
Beschichtungen, wie TiN, ZrCN und TiCN, sind aufgrund ihres dekorativen
Aussehens und ihrer Beständigkeit
gegen Anlaufen in einer Vielfalt von Anwendungen eingesetzt worden,
darunter Armaturen, Türbeschläge, Schilder,
verschiedene Verwendungszwecke in der Architektur und anderen Industrien. Diese
Anwendungen gehen nicht mit einem direkten Kontakt mit einer Wärmequelle,
wie einer Gasflamme oder einem elektrischen Heizelement, einher.
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Keramische
Beschichtungen sind als Antihaftbeschichtungen oder zur Haftbeständigkeit
auf der für den
Kontakt mit Lebensmitteln vorgesehenen Oberfläche von Kochgeschirr verwendet
worden, beispielsweise in den US-Patentschriften
Nr. 5,447,803, 6,197,438 und 6,360,423. Diese Beschichtungen wurden
jedoch nicht auf der für
den Kontakt mit einer Wärmequelle
vorgesehenen Oberfläche
des Kochgeschirrs verwendet. Darüber
hinaus gibt die US-Patentschrift
Nr. 6,197,438 an, dass verschiedene keramische Beschichtungen, darunter
TiN, TiCN, ZrN, CrN und AlTiN, eine schlechte Farbbeständigkeit
bei Aussetzung gegenüber
einer Flamme aufweisen. Sie beschreibt nicht, welche Tests durchgeführt wurden
oder die Bedingungen, unter denen diese durchgeführt wurden.
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Kochgeschirr
kann aus einer Vielfalt an Materialien hergestellt werden, darunter
Gusseisen, Kupfer, Aluminium und Stahl. Jede Kochgeschirrart hat
Vorteile und Nachteile.
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Kochgeschirr
aus gehärtetem
Gusseisen hat eine robuste, abriebfeste Oberfläche. Gusseisen unterliegt jedoch
Rosten und muss vorsichtig gereinigt werden, um eine Beschädigung der
Oberfläche
des Kochgeschirrs zu vermeiden. Des Weiteren können saure Lebensmittel ein
Auslaugen des Eisens aus der Oberfläche bewirken, was in manchen
Fällen
zu Gesundheitsproblemen führen
kann.
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Kochgeschirr
aus Kupfer hat herausragende Wärmeübertragungseigenschaften.
Es zerkratzt jedoch leicht, da es viel weicher ist als andere Kochgeschirrmaterialien,
wie Gusseisen oder rostfreier Stahl. Kupfer oxidiert zudem leicht,
was zu einem Anlaufen führt.
Kupfer kann poliert werden, um die Anlaufschicht zu entfernen, es
erfordert jedoch erheblichen Aufwand, die Oberflächengüte zu bewahren.
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Kochgeschirr
aus Aluminium hat herausragende Wärmeübertragungseigenschaften. Aluminium
läuft jedoch
auch leicht an. Es kann nicht poliert werden, sondern muss regelmäßig gescheuert
werden, da Herdplattenbrenner und Lebensmittelteilchen es leicht
verfärben
können.
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Kochgeschirr
aus rostfreiem Stahl ist weit verbreitet. Er ist für seine
Beanspruchbarkeit und Strapazierfähigkeit bekannt. Rostfreier
Stahl lässt
sich verhältnismäßig leicht
reinigen und er bewahrt seinen Glanz besser als Kupfer. Rostfreier
Stahl ist jedoch ein schlechter Wärmeleiter. Um seine schlechten
Wärmeleitungseigenschaften
zu überwinden,
werden oftmals Aluminium- oder Kupferscheiben in den Boden von Töpfen und Pfannen
aus rostfreiem Stahl eingesetzt. In vielen Fällen ist der Boden des Geschirrs
zur Aufnahme von oder für
den Kontakt mit Lebensmitteln aus Kupfer hergestellt oder verkupfert.
Alternativ werden Aluminium- oder Kupferschichten mit rostfreiem
Stahl plattiert, um ein mehrschichtiges Produkt zu produzieren.
Wenn eine Pfanne aus rostfreiem Stahl jedoch freigelegtes Kupfer
aufweist, muss das Kupfer poliert werden, um es glänzend zu
halten.
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Obwohl
viele Menschen das Aussehen von Kochgeschirr aus Kupfer mögen, hält das Ausmaß an Zeit und
Mühe, das
investiert werden muss, um den Oberflächenzustand aufrechtzuerhalten,
viele Leute davon ab, es zu verwenden. Folglich besteht Bedarf an
einer einfach zu pflegenden, gegen Anlaufen beständigen Beschichtung für Geschirr
zur Aufnahme von oder für
den Kontakt mit Lebensmitteln.
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Die
vorliegende Erfindung genügt
diesem Bedarf, indem sie einen Gegenstand zur Aufnahme von oder
für den
Kontakt mit Lebensmitteln mit einer gegen Anlaufen beständigen keramischen
Beschichtung, die eine hitzeunempfindliche Farbe besitzt auf einer äußeren, für den Kontakt
mit einer Wärmequelle
vorgesehenen Oberfläche
bereitstellt. Mit „Gegenstand
zur Aufnahme von oder für
den Kontakt mit Lebensmitteln" meine ich
Kochgeschirr, Artikel zur Lebensmittelzubereitung, einschließlich Besteck,
und andere Artikel zur manuellen Lebensmittelverarbeitung (wie Abtropfsiebe,
Siebe und dergleichen), Artikel zum Servieren von Lebensmitteln
(wie Teller, Schalen und dergleichen) und Utensilien zum Verzehren
von Lebensmitteln. Mit „Kochgeschirr" meine ich Töpfe und
Pfannen zum Kochen auf einer Herdplatte, Backgeschirr, Kuchenbleche,
Roste, Kochutensilien (wie Löffel,
Pfannenwender und dergleichen) und Geräte zur Lebensmittelzubereitung,
die zum Kochen von Lebensmitteln verwendet werden (wie elektrische
Bratpfannen, Reiskocher und dergleichen). Mit „gegen Anlaufen beständig" meine ich, dass
die keramische Beschichtung in atmosphärischer Luft gegen Anlaufen
beständig
ist und einer direkten Erhitzung standhalten kann, ohne dass die
Beschichtung anläuft
oder abschält.
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In
einer Ausführungsform
beinhaltet der Gegenstand zur Aufnahme von oder für den Kontakt
mit Lebensmitteln einen metallischen Gegenstand zur Aufnahme von
oder für
den Kontakt mit Lebensmitteln mit einer inneren Oberfläche für den Kontakt
mit Lebensmitteln und einer äußeren Oberfläche für den Kontakt
mit einer Wärmequelle;
eine Verbindungsschicht, die auf einem Teil der äußeren, für den Kontakt mit einer Wärmequelle
vorgesehenen Oberfläche
aufgebracht ist; und eine erste keramische Schicht, die benachbart
zu einem Teil der Verbindungsschicht aufgebracht ist, wobei die
erste keramische Schicht ausgewählt
ist unter (Ti, Al)N, (Ti, Al)CN, (Ti, Al, X)N oder (Ti, Al, X)CN.
Mit „aufgebracht" meine ich direkt
auf der vorherigen Schicht ohne Zwischenschichten aufgebracht. Mit „aufgebracht
benachbart zu" meine
ich neben, jedoch nicht unbedingt direkt auf der vorherigen Schicht
aufgebracht. Sie könnte
direkt auf der vorherigen Schicht aufgebracht sein oder es könnten eine
oder mehrere Zwischenschichten zwischen Schichten vorliegen, die
benachbart zueinander aufgebracht sind. Mit „(Ti, Al, X)N oder (Ti, Al,
X)CN" meine ich
Nitrid- oder Carbonitridlegierungen mit Titan und Aluminium als
den Hauptkomponenten, mit geringeren Mengen anderer Elemente („X"). Andere Elemente
beinhalten, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Chrom und Yttrium. Die
(Ti, Al, X)N- oder (Ti, Al, X)CN-Legierungen beinhalten, sind jedoch
nicht darauf beschränkt,
(Ti, Al)N/XN- oder (Ti, Al)CN/XN-Überstrukturen.
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Es
kann eine Deckschicht aus TiCN vorliegen, die auf einem Teil der
ersten keramischen Schicht aufgebracht ist, um eine kupferartige
Farbe zu erhalten, falls gewünscht.
Mit „kupferartige
Farbe" meine ich
eine Farbe, die das Aussehen von Kupfer aufweist, einschließlich beispielsweise
Farben, die Bronze, Rosagold oder Kupfer ähnelt.
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Es
kann gegebenenfalls eine zweite keramische Schicht vorliegen, die
benachbart zu der Verbindungsschicht und unter der ersten keramischen
Schicht aufgebracht ist, wobei die zweite keramische Schicht ausgewählt ist
unter TiN, TiCN, XN oder XCN.
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Es
können
gegebenenfalls alternierende Schichten einer dritten Keramik, ausgewählt unter
(Ti, Al)N, (Ti, Al)CN, (Ti, Al, X)N oder (Ti, Al, X)CN, und einer
vierten Keramik, ausgewählt
unter TiN, TiCN, XN oder XCN, vorliegen, die benachbart zu der Verbindungsschicht
und unter der ersten keramischen Schicht aufgebracht sind. Die alternierenden
Schichten können
so oft wie gewünscht
wiederholt werden.
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Der
metallische Gegenstand zur Aufnahme von oder für den Kontakt mit Lebensmitteln
kann aus Materialien hergestellt sein, einschließlich, jedoch nicht darauf
beschränkt,
Stahl, rostfreier Stahl, Titan, Plattierungs-Material oder Legierungen
davon.
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Die
Verbindungsschicht kann aus einem Metall hergestellt sein, einschließlich, jedoch
nicht darauf beschränkt,
Titan, Chrom, Zirkonium oder Legierungen davon.
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Ein
anderer Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen
eines Gegenstands zur Aufnahme von oder für den Kontakt mit Lebensmitteln
mit einer gegen Anlaufen beständigen
keramischen Beschichtung, die eine hitzeunempfindliche Farbe besitzt.
Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen eines Metall-Substrats
mit einer inneren Oberfläche
für den
Kontakt mit Lebensmitteln und einer äußeren Oberfläche für den Kontakt
mit einer Wärmequelle;
das Aufbringen einer Verbindungsschicht auf einem Teil der äußeren, für den Kontakt
mit einer Wärmequelle
vorgesehenen Oberfläche;
das Aufbringen einer ersten keramischen Schicht benachbart zu einem
Teil der Verbindungsschicht, wobei die erste keramische Schicht
ausgewählt
ist unter (Ti, Al)N, (Ti, Al)CN, (Ti, Al, X)N oder (Ti, Al, X)CN;
und das Verformen des Metallsubstrats in den Gegenstand zur Aufnahme
von oder für
den Kontakt mit Lebensmitteln. Das Metallsubstrat kann in die Gestalt des
Gegenstands zur Aufnahme von oder für den Kontakt mit Lebensmitteln überführt werden,
entweder bevor die Beschichtung aufgebracht wird oder nachdem die
Beschichtung aufgebracht wurde.
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Die
Schichten können
mit Hilfe eines Verfahrens, einschließlich, jedoch nicht darauf
beschränkt,
einer physikalischen Abscheidung aus der Gasphase (PVD, Vakuum-Aufdampfen),
gebildet werden. Die Schichten können
durch ein Abscheideverfahren mit Hilfe einer Lichtbogenkathode ausgebildet
werden, falls gewünscht.
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1 ist
ein Querschnitt einer Ausführungsform
des Gegenstands zur Aufnahme von oder für den Kontakt mit Lebensmitteln
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
ein Querschnitt einer anderen Ausführungsform des Gegenstands
zur Aufnahme von oder für
den Kontakt mit Lebensmitteln der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
eine schematische Darstellung einer in der vorliegenden Erfindung
geeigneten Kammer zur Abscheidung mit einer Lichtbogenkathode.
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4 ist
eine schematische Zeichnung eines Metallrohlings, der mittels der
vorliegenden Erfindung beschichtet und zu einer Pfanne flachgezogen
wurde.
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Titanaluminiumnitrid
((Ti, Al)N)-Beschichtungen werden allgemein aufgrund ihrer hohen
Oxidationsbeständigkeit
und Abriebfestigkeit in trockenen maschinellen Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsverfahren
verwendet. Eine typische (Ti, Al)N-Beschichtung wird mit einem TiAl-Target
von 50:50 Atom-% aufgebracht. Die maximale Arbeitstemperatur auf
der (Ti, Al)N-Beschichtung kann 1450 °F erreichen. Die (Ti, Al)N-Beschichtung
ist hart, mit einer Mikrohärte
von 2600-3000 HV 0,05, in Abhängigkeit
von dem angewendeten Verfahren der physikalischen Abscheidung aus
der Gasphase (PVD, Vakuum-Aufdampfen). Eine (Ti, Al)N-Beschichtung mit
50:50 (Atom-%) hat eine braune oder violettartige Farbe, je nach
den Abscheidebedingungen.
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Titancarbonitrid
(TiCN) ist eine sehr harte keramische Beschichtung mit einer Mikrohärte von
mehr als 3000 HV 0,05. Durch Steuern des Verhältnisses von Stickstoffgas
zu Acetylen oder Methan kann TiCN eine Farbe aufweisen, die von
kupferartiger Farbe bis Schwarz reicht.
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Die
keramische Beschichtung der vorliegenden Erfindung kombiniert die
hohe Oxidationsbeständigkeit
und Abriebfestigkeit von (Ti, Al)N-, (Ti, Al)CN-, (Ti, Al, X)N- und (Ti, Al, X)CN-Beschichtungen
und die kupferartigen Farbcharakteristika von TiCN-Beschichtungen,
falls gewünscht,
für Geschirr
zur Aufnahme von oder für
den Kontakt mit Lebensmitteln mit einer gegen Anlaufen beständigen äußeren, für den Kontakt
mit einer Wärmequelle
vorgesehenen Oberfläche.
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Die
violettartige Farbe von (Ti, Al)N dient als eine Basis für die Deckschicht
aus TiCN, wenn eine Deckschicht verwendet wird.
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Die
Beschichtung der vorliegenden Erfindung besitzt im Allgemeinen eine
Gesamtdicke im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 20 Mikron (μm), je nach
der Anwendung des Gegenstands zur Aufnahme von oder für den Kontakt
mit Lebensmitteln. Eine Deckschicht aus TiCN, falls verwendet, macht
in der Regel weniger als etwa 2,0 Mikron (μm) aus.
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Die
keramische Beschichtung der vorliegenden Erfindung kann die Gasflamme
und das elektrische Heizelement des Herds direkt berühren, ohne
unter normalen Kochbedingungen zu anzubrennen oder anzulaufen. Der
Wärmegrenzwert
von TiCN beträgt
398,9 °C
(750 °F)
und die keramische Schicht aus (Ti, Al)CN darunter kann Temperaturen
von bis zu 787,8 °C
(1450 °F)
standhalten. Während
des Kochens, selbst wenn der Inhalt sich unter Siedebedingungen
befindet, kühlt
der Inhalt das Kochgeschirr tatsächlich
drastisch ab. Die tatsächliche
Temperatur am Boden des Kochgeschirrs kann unter 398,9 °C (750 °F) liegen.
Darüber
hinaus erfordert aus Plattierungs-Material hergestelltes Kochgeschirr,
dass die Heizquelle sich auf einer Temperatur von weniger als 482,2 °C (900 °F) befindet,
um eine Trennung des rostfreien Stahls und des Aluminiums (die den
Plattierungsverbundstoff bilden) zu verhindern. Eine Erhitzung mit
einer mittleren oder niedrigen Einstellung wird empfohlen. In dieser
Erfindung wird die Wärmequelle,
da die Deckschicht aus TiCN dünn
ist, mit sowohl der TiCN-Deckschicht
als auch der keramischen Schicht darunter reagieren. Die mehrschichtige
keramische Beschichtung dieser Erfindung, mit TiCN als der Deckschicht,
ist zur direkten Erhitzung in Kochbedingungen mit mittlerer Hitzeeinstellung
geeignet. Die Oberfläche,
die die Heizquelle direkt berührt,
befindet sich für gewöhnlich auf
einer Temperatur von weniger als 398,9 °C (750 °F). Im Fall des Verlusts der
Deckbeschichtung aus TiCN kann das (Ti, Al)N von ähnlicher
Farbe das Geschirr zur Aufnahme von oder für den Kontakt mit Lebensmitteln
vor einem Anlaufen schützen.
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Die
erste keramische Schicht aus (Ti, Al)N, (Ti, Al)CN, (Ti, Al, X)N
oder (Ti, Al, X)CN kann die Deckschicht sein, falls gewünscht. Die
Farbe der Beschichtung kann in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der
Schicht und den Aufbringungsbedingungen variieren. Die Farbe von
(Ti, Al)N und (Ti, Al)CN kann mittels Steuerungsvorgängen und
Zugeben von unterschiedlichen Gasen, wie Fachmännern wohl bekannt ist, von
Violett bis Rauchgrau bis Schwarz variiert werden. Durch Zugeben
anderer Elemente, wie Chrom, zu der (Ti, Al)N- oder (Ti, Al)CN-Bildung,
beispielsweise (Ti, Al, Cr)N oder (Ti, Al, Cr)CN, wird die Oxidationsbeständigkeit dieser
Beschichtungen weiter verstärkt.
Wie erwähnt
können
diese Beschichtungen veränderliche
Farben aufweisen, indem der Aufbringungsvorgang gesteuert wird,
wie Fachmännern
wohl bekannt ist. Die Deckschicht aus Ti, Al)N, (Ti, Al)CN, (Ti,
Al, X)N oder (Ti, Al, X)CN ist auf eine Heizquelle ausgelegt, die
für Hochtemperaturanwendungen
mit weniger als 787,8 °C
(1450 °F)
erforderlich ist.
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Eine
alternierende Abfolge von (Ti, Al)N/TiN, (Ti, Al)CN/TiCN, (Ti, Al,
X)N/XN oder (Ti, Al, X)CN/XCN ist wünschenswert, da sie die Härte und
Wärmebeständigkeit
der Beschichtung weiter verbessert. Dies macht es einfacher, ein
Metallblech mit einer dünnen
mehrschichtigen Beschichtung zu ziehen, ohne dass die Beschichtung beim
Formgebungsvorgang Risse bildet. Jede alternierende Schicht besitzt
eine typische Dicke im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 1,0 Mikron
(μm).
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1 zeigt
einen Querschnitt einer Ausführungsform 100 des
Gegenstands zur Aufnahme von oder für den Kontakt mit Lebensmitteln
der vorliegenden Erfindung. Dort gibt es einen metallischen Gegenstand
zur Aufnahme von oder für
den Kontakt mit Lebensmitteln 105, wie eine Pfanne. Der
metallische Gegenstand zur Aufnahme von oder für den Kontakt mit Lebensmitteln 105 weist
eine innere Oberfläche 110 für den Kontakt mit
Lebensmitteln und eine äußere Oberfläche 115 für den Kontakt
mit einer Wärmequelle
auf. Der metallische Gegenstand zur Aufnahme von oder für den Kontakt
mit Lebensmitteln 105 kann aus verschiedenen Metallen hergestellt
sein, einschließlich,
jedoch nicht darauf beschränkt,
Stahl, rostfreier Stahl, Titan, Plattierungs-Material oder Legierungen
davon. Der metallische Gegenstand zur Aufnahme von oder für den Kontakt
mit Lebensmitteln kann aus solidem Metall oder einer soliden Legierung
hergestellt sein oder es kann sich um ein Plattierungs-Material
handeln, wie eine Mehrschichtstruktur mit einer Metalloberfläche. Beispiele
von Mehrschichtstrukturen beinhalten, sind jedoch nicht darauf beschränkt, rostfreier
Stahl/plattiertes Aluminium oder Kupfer, Aluminium mit einer plasmagespritzten
Beschichtung aus rostfreiem Stahl oder Metallaußenschichten, die nicht metallische
Kernmaterialien, wie Graphit, umgeben.
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Es
gibt eine Verbindungsschicht 120, die auf einem Teil der äußeren, für den Kontakt
mit einer Wärmequelle
vorgesehenen Oberfläche 115 aufgebracht
ist. Die Verbindungsschicht besitzt im Allgemeinen eine Dicke von
weniger als etwa 1,0 Mikron (μm).
Die Verbindungsschicht kann ein Metall sein, einschließlich, jedoch
nicht darauf beschränkt,
Titan, Chrom, Zirkonium oder Legierungen davon.
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Eine
erste keramische Schicht 125 ist benachbart zu einem Teil
der Verbindungsschicht 120 aufgebracht. Die erste keramische
Schicht 125 kann (Ti, Al)N, (Ti, Al)CN, (Ti, Al, X)N oder
(Ti, Al, X)CN sein. Die erste keramische Schicht 125 liegt
in der Regel im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 10 Mikron (μm). Die erste keramische
Schicht 125 stellt hohe Oxidationsbeständigkeit und Beständigkeit
gegen Anlaufen bereit, sogar unter Aussetzung gegenüber direkter
hoch eingestellter Gasflamme oder bei Berührung eines hoch eingestellten Heizelements
eines elektrischen Herds. Die erste keramische Schicht stellt eine
Basis für
die Deckschicht bereit, falls eine solche eingebunden wird. Obwohl
die erste keramische Schicht 125 in dieser Ausführungsform
als auf der Verbindungsschicht aufgebracht gezeigt ist, könnten zwischen
der Verbindungsschicht 120 und der ersten keramischen Schicht 125 eine
oder mehrere Zwischenschichten vorliegen, falls gewünscht.
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Eine
Deckschicht aus TiCN 130 wird auf einem Teil der ersten
keramischen Schicht 125 aufgebracht. Die TiCN-Schicht 130 besitzt
im Allgemeinen eine Dicke im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 2,0 Mikron
(μm). Die TiCN-Schicht 130 versieht
die Beschichtung mit einer kupferartigen Farbe, falls gewünscht. Die
kupferartige Farbe wird von der gewünschten Farbe und den Aufbringungsvorgängen, wie
dem Verhältnis
von Stickstoff zu Acetylen oder Methan, der Aufbringungstemperatur
und dem Vakuumniveau, bestimmt, wie Fachmännern wohl bekannt ist.
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Obwohl
die TiCN-Schicht 130 in dieser Ausführungsform als auf der ersten
keramischen Schicht 125 aufgebracht gezeigt ist, könnten zwischen
der ersten keramischen Schicht 125 und der TiCN-Schicht 130 eine oder
mehrere Zwischenschichten vorliegen.
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2 zeigt
einen Querschnitt eines anderen Beispiels 200 eines Gegenstands
zur Aufnahme von oder für
den Kontakt mit Lebensmitteln der vorliegenden Erfindung. Dort gibt
es einen metallischen Gegenstand zur Aufnahme von oder für den Kontakt
mit Lebensmitteln 205 mit einer inneren Oberfläche 210 für den Kontakt
mit Lebensmitteln und einer äußeren Oberfläche 215 für den Kontakt
mit einer Wärmequelle.
Eine Verbindungsschicht 220 ist auf einem Teil der äußeren, für den Kontakt
mit einer Wärmequelle
vorgesehenen Oberfläche 215 aufgebracht.
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Es
gibt alternierende Schichten 225, 230, 235, 240, 245, 250.
Die Schichten 225, 235, 245 können TiN,
TiCN, XN oder XCN sein. Obwohl die Schicht 225 in dieser
Ausführungsform
als auf der Verbindungsschicht 220 aufgebracht gezeigt
ist, könnten
zwischen der Verbindungsschicht 220 und der Schicht 225 eine oder
mehrere Zwischenschichten vorliegen.
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Die
Schichten 230, 240, 250 können (Ti,
Al)N, (Ti, Al)CN, (Ti, Al, X)N oder (Ti, Al, X)CN sein. Durch Steuern
der Aufbringungsvorgänge
und des Gasgemischs kann eine hitzeunempfindliche keramische Beschichtung
erzielt werden.
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Die
Schichten 225, 230, 235, 240, 245, 250 besitzen
in der Regel eine Dicke im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 1,0 Mikron
(μm).
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Jede
der Schichten kann über
der gesamten äußeren, für den Kontakt
mit einer Wärmequelle
vorgesehenen Oberfläche
des Gegenstands zur Aufnahme von oder für den Kontakt mit Lebensmitteln,
beispielsweise dem Boden und den Seiten einer Pfanne, oder auf lediglich
einem Teil davon, beispielsweise nur dem Boden der Pfanne, aufgebracht
werden.
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Die
Beschichtungsschichten können
unter Anwendung eines Verfahrens einer physikalischen Abscheidung
aus der Gasphase (PVD, Vakuum-Aufdampfen), wie Bedampfen, Sputtern,
Lichtbogenkathode oder Ionenstrahl, oder unter Anwendung eines anderen
geeigneten Verfahrens aufgebracht werden.
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Als
ein Beispiel wird ein Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung
auf einen Gegenstand zur Aufnahme von oder für den Kontakt mit Lebensmitteln
beschrieben. Andere Verfahren oder Schritte können angewendet werden, wie
Fachmännern
wohl bekannt ist.
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Der
Gegenstand zur Aufnahme von oder für den Kontakt mit Lebensmitteln
kann entweder zuerst ausgebildet und dann beschichtet werden oder
ein flaches Metallblech kann beschichtet und dann in die Pfanne verformt
werden. Das Verfahren wird zum Beschichten eines Metallblechs durch
Abscheidung mit Hilfe einer Lichtbogenkathode und dann Ausbilden
der Pfanne beschrieben.
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Das
Metallblatt kann vor der Abscheidung poliert werden, um eine glatte
Oberfläche
zu erzeugen, falls erforderlich. Polier- oder Schleifmasse oder
ein anderes Poliermittel, wie Fachmännern bekannt ist, kann verwendet
werden. Beispiele von geeigneten Oberflächengüten beinhalten, sind jedoch
nicht darauf beschränkt, eine
Oberflächengüte Nr. 4
(Oberflächengüte von etwa
10 Mikrozoll) und eine ungerichtete, auf Hochglanz polierte Oberfläche Nr.
8 (Oberflächengüte von etwa
2-3 Mikrozoll).
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Die
Bleche werden dann gründlich
gereinigt und getrocknet, um etwaiges Fett, etwaige Poliermittelreste,
lose und eingebettete Teilchen, Oxide, Salzreste oder andere Fremdstoffe
zu entfernen. Eine typische Reinigung würde ein wässriges Reinigungssystem in
Verbindung mit Ultraschallreinigung einschließen.
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Die
Bleche werden in eine geeignete Spannvorrichtung geladen und im
Umlauf der Abscheidekammer 300 angeordnet, wie in 3 gezeigt.
Die Bleche 305 können
während
der Abscheidung einfacher oder zweifacher Umlaufdrehung unterzogen
werden, wie gezeigt. Der Drehtisch 310 kann alle Bleche
drehen und die einzelnen Bleche 305 können gedreht werden, falls
gewünscht.
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Geeignete
Targets 315 und 320 werden in der Kammer wie in 3 gezeigt
angeordnet. Zum Beispiel können
Targets 320 aus verdichtetem Metallpulver aus 50 % Titan/50
% Aluminium (Atom-%) zusammen mit Metalltargets 315 aus
reinem Titan verwendet werden. Die schematische Darstellung von 3 ist
ein typisches Modell, um eine Überstruktur-Schicht
aus (Ti, Al)N/TiN zu bilden, wenn alle Targets 315 und 320 in
einem Abscheidevorgang arbeiten. Die Legierungstargets könnten auch
ein verdichtetes Metallpulver aus einer Kombination von Titan, Aluminium
und X, die in Verbindung mit Targets aus reinem Metall verwendet
werden, sowie aus anderen Kombinationen sein, wie Fachmännern wohl
bekannt ist. Die Anzahl und die Art der Targets werden von der Größe der Kammer
und der abgeschiedenen Beschichtung abhängen.
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Die
Kammer wird auf einen Druck von etwa 10–3 Pa
gepumpt. Die Bleche werden auf eine Temperatur im Bereich von etwa
176,7 °C-232,2 °C (350 °F-450 °F) erhitzt,
je nach der Dicke, Größe und Menge
der Bleche und der Art des Materials.
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Eine
Glimmentladung wird erzeugt, indem die Metalle mit einer negativen
Spannung von 800-1200 V vorgespannt werden, um die Bleche zu mikroreinigen.
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Die
Verbindungsschicht wird zuerst abgeschieden. Die geeigneten Targets
werden gezündet
(beispielsweise Ti) und die Pfanne wird mit Ionen (Ti+)
bei einer Vorspannung von etwa 600-1000 V bei einem Vakuumniveau
von etwa 10–2 Pa
bombardiert, wodurch eine Verbindungsschicht mit einer Dicke von
in der Regel weniger als etwa 1,0 Mikron (μm) ausgebildet wird.
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Die
Titanaluminiumtargets werden angeschaltet und die Titantargets werden
abgeschaltet. Dann wird Stickstoff in das System eingeführt, um
eine Schicht aus (Ti, Al)N auszubilden. Die angewendete negative
Vorspannung beträgt
etwa 80-200 V bei
einem Vakuumniveau von etwa 0,4-1,5 Pa. Die (Ti, Al)N-Schicht stellt
eine hohe Abriebfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit bereit.
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Die
TiAl-Targets werden abgeschaltet, während die Titantargets angeschaltet
werden. Methan oder Acetylen wird zusätzlich zu dem bereits vorhandenen
Stickstoff eingeführt,
um eine Schicht aus TiCN bei einer Vorspannung von etwa 80-200 V
abzuscheiden. Die TiCN-Schicht stellt die kupferartige Farbe bereit.
Die Farbe kann durch Ändern
der Verfahrensbedingungen und des Verhältnisses von Stickstoff zu
Methan oder Acetylen während
der physikalischen Abscheidung aus der Gasphase (PVD, Vakuum-Aufdampfen)
variiert werden. Die Zusammensetzung der (Ti, Al)N- und TiCN-Schichten
kann durch Verändern
der Anzahl und der Art der für
jede Schicht verwendeten Targets und Steuern der Abscheidevorgänge variiert
werden, wie Fachmännern
wohl bekannt ist. Die Abscheidetemperatur kann zum Ende der Abscheidung
auf bis zu etwa 315,6 °C-482,2 °C (600-900 °F) erhöht werden.
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Zusätzliche
Schichten können
auf Wunsch zwischen den verschiedenen Schichten eingefügt werden. Alternierende
Schichten aus (Ti, Al)N und TiN; (Ti, Al)CN und TiCN; (Ti, Al, X)N
und XN oder (Ti, Al, X)CN und XCN können abgeschieden werden. Das
(Ti, Al, X)N oder (Ti, Al, X)CN kann eine Überstruktur-Schicht sein, falls gewünscht.
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Eine
Schicht aus Polyvinylchloridfolie (oder eine andere geeignete Schutzschicht)
kann auf die beschichtete Oberfläche
der Bleche aufgebracht werden, um die Beschichtung während der
Ausbildung vor Beschädigung
zu schützen.
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Das
Verfahren zum Herstellen eines Gegenstands zur Aufnahme von oder
für den
Kontakt mit Lebensmitteln durch Beschichten eines Rohlings und Flachziehen
des Rohlings zu einer Pfanne ist für Gegenstände zur Aufnahme von oder für den Kontakt
mit Lebensmitteln mit einer Form mit einem Radius, um eine Änderung der
Oberflächenstruktur
im Radiusbereich während
des Ziehens zu vermeiden, gut geeignet. In diesem Verfahren liegt
die Oberflächengüte in der
Regel im Bereich von 10-16 Mikrozoll. Die stark polierte Oberflächengüte von weniger
als 10 Mikrozoll kann für
Geschirr zur Aufnahme von oder für
den Kontakt mit Lebensmitteln mit einem sehr großen Radius bei Flachziehen
verwendet werden.
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Versuch 1
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Rohlinge
aus rostfreiem Stahl Nr. 304, die 8 Zoll × 8 Zoll abmaßen und
0,8 Zoll dick waren, wurden unter Anwendung des oben beschriebenen
Verfahrens beschichtet. Die Rohlinge wiesen die kommerziellen Oberflächengüten Satin
Nr. 4 und Spiegel Nr. 8 auf. Die beschichteten Rohlinge wurden zu
Pfannen mit einem Durchmesser von 6 Zoll gezogen.
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4a zeigt
den beschichteten Rohling 400. Dort gibt es einen Rohling 405,
der eine Oberfläche 410, die
die Lebensmittel berühren
wird, wenn die Pfanne ausgebildet ist, und eine gegenüberliegende
Oberfläche 415,
die die äußere, für den Kontakt
mit einer Wärmequelle
vorgesehene Oberfläche
sein wird, wenn die Pfanne ausgebildet ist, aufweist. Die Beschichtung 420 wurde
auf der Oberfläche 415 ausgebildet,
obwohl die einzelnen Schichten nicht gezeigt sind. Der beschichtete
Rohling mit einem Durchmesser von 8 Zoll wurde dann zu einer Pfanne
mit einem Durchmesser von 6 Zoll mit einem flachen Boden flachgezogen,
wie in 4b gezeigt. Die beschichtete
Oberfläche
ist die für
den Kontakt mit einer Wärmequelle
vorgesehene Oberfläche
der Pfanne. Die Seitenwände 430 sind
zu dem Boden 435 mit einem Radius senkrecht.
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Die
Beschichtung der vorliegenden Erfindung haftete gut an allen Oberflächen, einschließlich des
Radiusbereichs. Die Pfannen mit der Oberflächengüte Nr. 4 wiesen keine wesentliche Änderung
der Oberflächenstruktur
im Radiusbereich auf, verglichen mit der Oberfläche des Bodens. Die stark polierten
Pfannen mit der Spiegeloberfläche
Nr. 8 zeigten im Vergleich zu der Spiegeloberfläche des Bodens im Radiusbereich
einen sichtbaren Unterschied der Oberflächenstruktur.
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Versuch 2
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Gegenstände zur
Aufnahme von oder für
den Kontakt mit Lebensmitteln der vorliegenden Erfindung wurden
auf Wärmebeständigkeit
und Beständigkeit
gegen Anlaufen geprüft,
indem Wasser in gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellten Pfannen über
einer direkten Gasflamme und elektrischen Heizelementen zum Kochen
gebracht wurde. Die beschichtete Oberfläche des Kochgeschirrs wurde
ununterbrochen etwa 1,5-2 Stunden erhitzt. Dabei handelt es sich
um einen im Vergleich zu typischen Kochbedingungen ziemlich harten
Test. Der Vorgang wurde 2-3 Mal wiederholt und die Ergebnisse sind
in Tabelle 1 gezeigt.
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Die
Beispiele 1 und 2 waren herkömmliche
Töpfe aus
rostfreiem Stahl mit einem Boden und niedrigen Seitenwänden, die
mit Kupfer galvanisiert wurden. Nach Kochen für eine oder zwei Stunden über einer
hoch eingestellten Gasflamme zeigte die Oberfläche des Bodens schwere Oxidation
und schwarze, durch ein Anlaufen bewirkte Stellen. Die dunklen Oxidationsstellen
waren auf dem Boden der Pfanne nach zwei Stunden viel schlimmer
(Beispiel 2), wobei es sich um ein typisches Erscheinungsbild eines
Anlaufens auf Kochgeschirr aus Kupfer handelt. In diesem Beispiel
mussten die angelaufenen Stellen zum Entfernen poliert werden.
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Die
Beispiele 3-10 zeigen die Leistung der Beschichtung der vorliegenden
Erfindung. In den Beispielen 3 und 4 wurde Kochgeschirr mit der
Beschichtung der vorliegenden Erfindung beschichtet. In den Beispielen
5-10 wurden Rohlinge von 8 Zoll beschichtet und Pfannen von 6 Zoll
aus den beschichteten Rohlingen ausgebildet.
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Bei
der Erhitzung mit einem elektrischen Herd beträgt der Außendurchmesser des Heizelements
etwa 6 Zoll. Wenn die Pfanne von 6 Zoll auf dem Heizelement aufliegt,
berührt
der Radiusbereich der Pfanne direkt das äußere Heizelement. Das Heizelement
kann bei einer „hohen" Einstellung 510,0 °C (950 °F) erreichen. Dieser
Test stellt eine gute Einschätzung
der Beschichtungsadhäsion
und der Beständigkeit
gegen Anlaufen der ausgebildeten Oberfläche, einschließlich des
Bodens, der Seiten und des Radius, dar.
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Beispiel
3 war eine Schale aus rostfreiem Stahl mit einer Schicht aus (Ti,
Al)N und einer Deckschicht aus TiCN. Wasser wurde in der Schale
zwei Stunden über
einer niedrig eingestellten Gasflamme zum Kochen gebracht. Es lagen
nur einige wenige leicht dunkle Stellen vor, bei denen es sich um
die Ablagerungen von der Gasflamme handelt. Die Ablagerungen wurden
durch Reinigen mit heißem
Wasser und einem Handtuch nahezu vollständig entfernt.
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Beispiel
4 war ein Topf aus rostfreiem Stahl mit einer Schicht aus (Ti, Al)N
und einer Deckschicht aus TiCN. Der Topf wurde 1 Stunde auf einem
elektrischen Herd, 3 Stunden über
einer mittel eingestellten Gasflamme, 2 Stunden über einer niedrig eingestellten
Gasflamme und 1,5 Stunden über
einer hoch eingestellten Gasflamme (die Gesamtzeit war 7,5 Stunden)
erhitzt. Der Topf zeigte um die Rostmarkierungen herum eine Verfärbung. Bei
dem verfärbten
Bereich handelt es sich um die Ablagerung von der Gasflamme, die über die Erhitzung
für 6,5
Stunden mit Schmutz auf dem Rost reagiert. Der Topf wurde mit heißem Seifenwasser
mit einem Geschirrhandtuch gewaschen, in heißem Wasser abgespült und gründlich gereinigt,
wobei nur das Handtuch verwendet wurde, um die schmutzigen Stellen
und die Rostmarkierungen abzureiben. Nach der Reinigung auf diese
Art und Weise waren die Rostmarkierungen nahezu vollständig verschwunden.
Der Topf behielt seine kupferartige Farbe.
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Beispiel
5 war eine Pfanne aus rostfreiem Stahl mit einer Schicht aus (Ti,
Al)N und einer Deckschicht aus TiCN mit einer kupferartigen Farbe.
Wasser wurde in der Pfanne über
einem elektrischen Herd bei einer hohen Temperatureinstellung zum
Kochen gebracht. Das elektrische Heizelement stand mit dem Boden
der Pfanne in Kontakt. Nach Erhitzen für zwei Stunden zeigte die Oberfläche des
Bodens eines Teils des Bereichs, der das Heizelement berührte, einen
leicht dunklen Kreis. Dieser konnte mit heißem Seifenwasser und einem trockenen
Handtuch gesäubert
werden. Der Radiusbereich der Pfanne wies keine Veränderung
der Farbe auf, obwohl dieser Bereich in direktem Kontakt mit dem
Heizelement stand, wo die Temperatur des Heizelements 510,0 °C (950 °F) erreichen
kann.
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Beispiel
6 war eine Pfanne aus rostfreiem Stahl mit einer Deckbeschichtung
aus (Ti, Al)N. Wasser wurde über
einem elektrischen Herd bei einer hohen Temperatureinstellung zum
Kochen gebracht. Das Aussehen des Bodens der Pfanne war im Wesentlichen
unverändert.
WindexTM-Reiniger wurde verwendet, um sie
zu reinigen.
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Beispiel
7 verwendete die gleiche Pfanne wie Beispiel 6, sie wurde jedoch über einer
hoch eingestellten Gasflamme erhitzt. Nach Kochen von Wasser für zwei Stunden
zeigte der Boden der Pfanne Gasflammenablagerungen rund um das Rost.
Diese Ablagerungen können
leicht mit heißem
Seifenwasser oder Bar KeepersTM-Reiniger
entfernt werden. Der Boden der Pfanne behielt sein Aussehen bei.
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Die
Beispiele 8 und 9 waren die gleiche Pfanne mit einer Deckbeschichtung
aus TiCN mit einer rosagoldenen Farbe. Wasser wurde 1,5 Stunden
in der Pfanne über
einem elektrischen Herd bei einer hohen Temperatureinstellung (Beispiel
8) und über
einer mittleren Flammeneinstellung auf einem Gasherd (Beispiel 9) zum
Kochen gebracht. Die Erhitzung über
dem elektrischen Herd zeigte nur einige wenige kleine dunkle Stellen.
Die Erhitzung über
der Gasflamme zeigte einige dunkle, braune Stellen. Diese Stellen
konnten leicht mit heißem
Seifenwasser und einem trockenen Handtuch oder WindexTM-Reiniger
gesäubert
werden.
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Beispiel
10 war ein vorgeformter Topf, der mit einer mehrschichtigen Beschichtung
mit einer Deckschicht aus (Ti, Al, Cr)N mit einer metallisch grauen
Farbe beschichtet war. Wasser wurde 2 Stunden über einer hoch eingestellten
Gasflamme zum Kochen gebracht. Der Boden des Topfs zeigte einige
Flammenablagerungen, die mit heißem Seifenwasser oder Bar KeepersTM-Reiniger
gesäubert
wurden.
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In
diesen Beispielen wurde die Gasflammenablagerung oder Rostmarkierung
nach Erhitzung sichtbar. Um zu zeigen, dass es sich bei den Ablagerungen
oder Rostmarkierungen nicht um eine Anlaufschicht oder Oxidation
handelte, wurde die Pfanne (die gleiche, die in Beispiel 7 verwendet
wurde) in Beispiel 11 nicht direkt auf dem Rost angeordnet, sondern
auf einer Welle positioniert. Der Boden der Pfanne wurde von der
Gasflamme erhitzt, ohne dass die Pfanne irgendetwas physisch berührte. Die
Oberfläche
des Bodens befand sich aufgrund der Gasflamme ständig auf einer Temperatur von
593,3 °C-648,9 °C (1100-1200 °F). Nach
Erhitzen für zwei
Stunden wies die Oberfläche
des Bodens keine sichtbare Veränderung
auf, noch lagen jegliche Gasflammenablagerungen vor. Folglich wurden
die Rostmarkierungen durch eine Reaktion der Gasflamme mit dem Schmutz
auf dem Rost gebildet und waren keine Anlaufschicht.
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Die
mehrschichtige keramische Beschichtung der vorliegenden Erfindung
stellt eine Beschichtung mit hitzeunempfindlicher Farbe bereit.
Die Beschichtung weist eine hohe Oxidationsbeständigkeit und Beständigkeit
gegen Anlaufen vor, sogar unter direkter Aussetzung gegenüber einer
Gasflamme oder elektrischen Heizelementen über einen langen Zeitraum.
Die Gegenstände
zur Aufnahme von oder für
den Kontakt mit Lebensmitteln sind leicht zu reinigen und bewahren
ihre kupferartige oder andere Farbe. Die mehrschichtige Beschichtung
der vorliegenden Erfindung haftete während der Ausbildung gut am
Radiusbereich und zeigte außerdem
eine gute Beständigkeit
gegen Anlaufen bei direkter Erhitzung auf. Die Beschichtung der
vorliegenden Erfindung stellt die Befähigung bereit, Bleche oder
Rohlinge zu beschichten und dann die Bleche oder Rohlinge zu Pfannen
verformen. Dies ist wirtschaftlicher als das Beschichten einzelner
Pfannen, obwohl dies ebenfalls vorgenommen werden kann, falls gewünscht.
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Die
Deckschicht aus (Ti, Al)N, (Ti, Al)CN, (Ti, Al, X)N oder (Ti, Al,
X)CN ist für
Heizbedingungen mit hoher Temperatur ausgelegt. Die keramische Beschichtung
behält
ihre Farbe bei (von metallisch bis braun und violett bis schwarz),
sogar unter Heizbedingungen mit hoher Temperatur. Obwohl manche
elektrische und Gasflammenherde 815,6 °C-904,4 °C (1500-1600 °F) erreichen
können,
kühlt der
flüssige
Inhalt in dem Kochgeschirr die Heizoberfläche drastisch ab. Die Heizoberfläche wird
im Allgemeinen nicht den Wärmegrenzwert
für die
(Ti, Al)N-Beschichtung
von 787,8 °C
(1450 °F)
erreichen. Folglich können
keramische Beschichtungen aus (Ti, Al, X)N und (Ti, Al, X)CN in
einer beliebigen Heizquelle verwendet werden, die in der Kochgeschirrindustrie erhältlich ist.
Die Beschichtung aus einer Schicht aus (Ti, Ai)N und einer Deckschicht
aus TiCN-Beschichtung ist
beim Kochen für
Bedingungen mit niedriger bis mittlerer Heizeinstellung geeignet.
Die Beschichtung mit einer Schicht aus (Ti, Al)N und einer Deckschicht
aus TiCN weist eine kupferartige Farbe und eine gegen Anlaufen beständige Leistung
auf. Diese Beschichtung eröffnet
die Möglichkeit
zur Verwendung in Kochgeschirr, das herkömmlich von Kupfer Gebrauch
machte.
