一种高精度耐磨材料及其制备方法和应用
【专利摘要】本发明涉及一种高精度耐磨材料及其制备方法和应用；属于特种复合材料制备技术领域。所述高精度耐磨材料，包括基材、包覆层(2)；所述包覆层由第一碳质层、第二碳质层组成；所述包覆层以质量百分数计包括下述组分：C76?86％、O10?13％、Cr3.5?13％、所述第二碳质层(2b)中，碳的质量百分含量大于等于99％；所述第一碳质层(2a)中，O、Cr从内侧到外侧成连续递减的方式分布。本发明所设计的高精度耐磨材料用作铲刀用于制备二次电池阳极材料时，所制备的二次电池阳极材料具有优异的稳定性能。
【专利说明】
一种高精度耐磨材料及其制备方法和应用
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种高精度耐磨材料及其制备方法和应用；属于特种复合材料制备技 术领域。
【背景技术】
[0002] 我国目前通用的耐磨材料有以下几大系列：一是高锰钢系列：如高锰钢(ZGMnl3)、 高锰合金(ZGMnl3Cr2MoRe)、超高锰合金(ZGMnl8Cr2MoRe)等;二是抗磨铬铸铁系列：如高、 中、低铬合金铸铁（如Crl5M0ZCu);三是耐磨合金钢系列：如中、低、高碳多元金合钢（如 ZG40SiMnCrM0和ZG35Cr2MoNiRe);四是奥贝球铁(ADI)系列；五是各类复合或梯度材料及硬 质合金材料:如碳化铬复合材料(Cr 2C3+Q235)、高能离子注渗碳化钨材料(WCSP)、高韧硬质 合金(YK25.6)等;六是各类非金属耐磨材料:如聚合陶瓷复合材料、氮化硅(Si 3N4)、增韧氧 化锆(Y2〇3+Zr〇2)、增韧三氧化二铝(Al2〇 3/Zr〇2)等。
[0003] 金属基耐磨材料以及特殊优势被广泛应用，但随着科技的进步，人类对生产工艺 的精度也提出也越来越苛刻的要求，导致金属基耐磨材料难以使用一些特殊领域的要求。 进而促进了带涂层金属复合材料的诞生。但目前带涂层金属复合耐磨材料也无法满足一些 特殊领域的需求，如高精设备部件的制备。
【发明内容】
[0004] 本发明根据实际实际生产中所遇到的问题，设计了一种高精度耐磨材料及其制备 方法和应用。
[0005] 本发明基于高精度二次电池阳极制备过程中一些问题的发现，如通过冷压辊乳制 铜/C阳极时，面临产品加工前后质量有一定偏差的问题，经研究发现目前采用的冷压辊棍 面上极易吸附C颗粒材料，这种情况将导致后期产品与前期产品在质量上存在很大的差距。 发明人尝试过用钢质刮刀去处理，但也出现了一些问题，如高精度控制相当的困难，极易产 生纳米级别的活性铁粒，这些活性铁粒一旦产生不仅会改变阳极的成分，还会对阳极表面 的光洁度产生影响。发明人还尝试了用塑料刮刀，但是其使用寿命太短，同时其也会产生纳 米级别的塑料粒，这些塑料粒一旦产生也会改变阳极的成分，同时也会对阳极表面的光洁 度产生影响。发明人还设计了碳质刮刀，但碳质刮刀的使用寿命太短。于是发明人将研发重 心转移到了钢基-碳涂层复合材料上，但研究发现并不是所有的钢基-碳涂层复合材料多能 满足连续高效制备高精度铜/C阳极的需求。
[0006] 本发明一种高精度耐磨材料，包括基材（1)、包覆层(2);所述包覆层(2)由第一碳 质层(2a)、第二碳质层(2b)组成;所述包覆层(2)以质量百分数计包括下述组分：
[0007] C 76-86%、优选为76-80%、进一有优选为76-78% ;
[0008] 0 10-13%、优选为 11-12.5%、进一步优选为 12-12.5%;
[0009] Cr 3.5-13%、优选为6-11.5%、进一步优选为7-11.5%;
[0010] 所述第二碳质层（2b)中，碳的质量百分含量大于等于99%、优选为大于等于 99.5 %、进一步优选为99.99 % ;
[0011] 以第一碳质层(2a)与基材的接触面为内侧、以第一碳质层(2a)与第二碳质层(2b) 的接触面为外侧，所述第一碳质层(2a)中，0、Cr从内侧到外侧成连续递减的方式分布。
[0012] 作为进一步的优选方案，本发明一种高精度耐磨材料，所述包覆层(2)以质量百分 数计包括下述组分：
[0013] C 77.88% ；
[0014] 0 12.4%；
[0015] Na 0.15% ；
[0016] Ca 0.09% ；
[0017] Cr 7.84%；
[0018] Fe 0.74%；
[0019] Ag 0.9%；
[0020] 所述第二碳质层(2b)中，碳的质量百分含量大于等于99.995%。
[0021]作为进一步的优选方案，本发明一种高精度耐磨材料，所述基材为弹簧钢。进一步 优选为所述弹簧钢中Cr的含量为2-2.5%。
[0022]作为进一步的优选方案，本发明一种高精度耐磨材料，所述基材的厚度为150-380 微米，所述包覆层(2)的厚度为2-3微米。
[0023]作为进一步的优选方案，本发明一种高精度耐磨材料，所述第二碳质层（2b)中碳 以金刚石或类金刚石的方式均匀生长于第一碳质层(2a)上。
[0024] 作为进一步的优选方案，本发明一种高精度耐磨材料，所述基材的摩擦系数为 0.7-0.9。所述包覆层(2)的摩擦系数为0.1 -0.2。
[0025] 本发明一种高精度耐磨材料的制备方法：以石墨为靶材，通过直流磁控溅射，在基 体上制备包覆层(2);直流磁控溅射时，控制加热温度为180-280°C，控制时间为5-6小时。
[0026] 本发明一种高精度耐磨材料的制备方法:所述基体为弹簧钢;所述弹簧钢的表面 光洁度为Ra 0.1-0.3、摩擦系数为0.7-0.9;
[0027] 所述石墨的纯度大于等于99.999%;
[0028] 在直流磁控溅射前所述基体的温度为室温-直流磁控溅射时的加热温度；
[0029] 所述包覆层（2)由第一碳质层（2a)、第二碳质层(2b)组成;所述包覆层（2)以质量 百分数计包括下述组分：
[0030] C 76-86%；
[0031] 〇 10-13%；
[0032] Cr 3.5-13%；
[0033] 所述第二碳质层(2b)中，碳的质量百分含量大于等于99%;
[0034] 以第一碳质层(2a)与基材的接触面为内侧、以第一碳质层(2a)与第二碳质层(2b) 的接触面为外侧，所述第一碳质层(2a)中，0、Cr从内侧到外侧成连续递减的方式分布； [0035]所述包覆层（2)Ra为0.1-0.3。
[0036]本发明一种高精度耐磨材料的制备方法:在直流磁控溅射前所述基体的温度为室 温-直流磁控溅射时的加热温度，优选为140-280 °C。
[0037]本发明一种高精度耐磨材料的制备方法:所制备成品的Ra 0.1-0.3。
[0038] 本发明一种高精度耐磨材料的制备方法:所述石墨的纯度大于等于99.999%。
[0039] 本发明一种高精度耐磨材料的应用，包括将所述高精度耐磨材料以铲刀的形式应 用于二次电池 Cu-C阳极冷乳制备工艺中。
[0040] 作为优选，所述铲刀与冷乳辊外圆周匹配，铲落冷乳辊上裹挟的C颗粒;所述铲刀 刀口与冷乳辊表面的距离为-〇. 1微米~〇. 05微米。
[0041] 当所述基材的厚度为150-155微米，且所述基材为高碳弹簧钢；
[0042] 当所述包覆层(2)的厚度为2-3微米，且所述包覆层以质量百分含量计由下述组分 组成时：
[0043] C 77.88% ；
[0044] 〇 12.4%；
[0045] Na 0.15% ；
[0046] Ca 0.09% ；
[0047] Cr 7.84%；
[0048] Fe 0.74%；
[0049] Ag 0.9%；
[0050] 当所述第二碳质层(2b)中，碳的质量百分含量大于等于99.995%时
[0051] 以第一碳质层(2a)与基材的接触面为内侧、以第一碳质层(2a)与第二碳质层(2b) 的接触面为外侧，当所述第一碳质层(2a)中，0、Cr从内侧到外侧成连续递减的方式分布时；
[0052] 将所述高精度耐磨材料以铲刀的形式应用于二次电池Cu-C阳极冷乳制备工艺中； 所述铲刀与冷乳辊外圆周匹配，铲落冷乳辊上裹挟的C颗粒;所述铲刀刀口与冷乳辊表面的 距离为-〇. 1微米~0.05微米。采用上述工艺，连续生产10000米Cu-C阳极材料，在所制备的 Cu-C阳极材料随机抽取25个试样，在同等检测条件下，样品的成分误差小于0.001%。
[0053]在本发明中，所述包覆层中的0、〇^6^8、他是由基体扩散进入包覆层中的。
[0054] 原理和优势
[0055] 本发明所设计的高精度耐磨材料组分设计合理，在适量的各组分以及铲落个工艺 参数的协同作用下，其用于铲刀用于生产二次电池的Cu-C阳极工艺时，取得了意想不到的 有益效果，铲刀的使用寿命为48小时以上，普通碳钢刮刀的使用寿命为12小时，塑料刮刀的 使用寿命为0.1小时，同时该材料的消耗量也远远小于现有钢或塑料或碳材。同时其制备的 Cu-C阳极性能稳定，同批量产10000米Cu-C阳极，随机抽取25个试样，在同等检测条件下，样 品的成分误差小于0.001 %。
【附图说明】
[0056] 图1为实施例1所制备产品的扫描电镜图；
[0057] 图2为实施例1所制备产品用于制备锂离子电池Cu-C阳极时的结构示意图。
[0058]图1中1为基材1、2为包覆层包覆层2由第一碳质层2a、第二碳质层2b组成。
[0059]从图2中可以看出实施例1所制备产品用于制备锂离子电池Cu-C阳极时的示意结 构。
【具体实施方式】
[0060] 实施例1
[0061] 以光洁度Ra 0.2、摩擦系数为0.7、厚度为150微米的弹簧钢为基材、以纯度大于 99.999%的石墨作为碳源，所述基材中Cr的质量百分含量为2-2.5% ;
[0062] 按下述步骤制备：
[0063] 将基材和靶材置于炉内，通过直流磁控溅射，在基体上制备高精度耐磨材料;直流 磁控溅射时，控制加热温度为280 °C，控制时间为6小时、磁控溅射的功率为1 OOkw。在直流磁 控溅射前基体的温度为280 °C。所制备成品的Ra 0.2、厚度为152.691微米。
[0064] 检测成品中包覆层组分；所述包覆层以质量百分数计由下述组分朱成：C 77.88%;0 12.4%;Na 0.15%;Ca 0.09%;Cr 7.84%;Fe 0.74%;Ag 0.9%。所述包覆层 的厚度为2.691微米。
[0065]所制备高精度耐磨材料的表面光洁度为RaO. 2。刃口的表面光洁度为RaO. 2。
[0066]所制得产品用作铲刀用于制备锂离子电池Cu-C阳极;使用时，铲刀通过紧配合的 方式组装在冷乳辊上，铲落冷乳辊上裹挟的C颗粒;所述铲刀到冷乳辊表面的距离为-0.1微 米~0.05微米。
[0067]其铲刀使用48小时后还能正常使用；
[0068] 生产了 10000米家用动力电池汽车的阳极(Cu-C阳极），随机从不同位置取样，得到 10个试样，检测结果显示，所得阳极相同部位的光洁度的变化幅度小于等于5%，其材料的 成分的误差小于0.001 %。
[0069] 实施例2
[0070] 以光洁度Ra 0.1、摩擦系数为0.7、厚度为150微米的弹簧钢为基材、以纯度大于 99.999%的石墨作为碳源，所述基材中Cr的质量百分含量为2-2.5% ;
[0071] 按下述步骤制备：
[0072] 将基材和靶材置于炉内，通过直流磁控溅射，在基体上制备高精度耐磨材料;直流 磁控溅射时，控制加热温度为180 °C，控制时间为6小时、磁控溅射的功率为85kw。在直流磁 控溅射前基体的温度为室温。所制备成品的Ra 0.1、厚度为152.391微米。
[0073] 检测成品中包覆层组分；所述包覆层以质量百分数计由下述组分朱成：C 77.88%；0 12.4%；Na 0.15%；Ca 0.09%；Cr 7.84%；Fe 0.74%；Ag 0.9%
[0074] 所述包覆层的厚度为2.391微米。
[0075] 所制备高精度耐磨材料的表面光洁度为RaO. 1。刃口的表面光洁度为RaO. 1。
[0076] 所制得产品用作铲刀用于制备锂离子电池Cu-C阳极;使用时，铲刀通过紧配合的 方式组装在冷乳辊上，铲落冷乳辊上裹挟的C颗粒;所述铲刀到冷乳辊表面的距离为-0.1微 米~0.05微米。
[0077]其铲刀使用64小时后还能正常使用；
[0078]生产了 10000米家用动力电池汽车的阳极(Cu-C阳极），随机从不同位置取样，得到 25个试样，检测结果显示，所得阳极相同部位的光洁度的变化幅度小于等于3%，其材料的 成分的误差小于0.0008 %。
[0079] 实施例3
[0080]以光洁度Ra 0.3、摩擦系数为0.9、厚度为150微米的弹簧钢为基材、以纯度大于 99.999%的石墨作为碳源，所述基材中Cr的质量百分含量为2-2.5% ;
[0081] 按下述步骤制备：
[0082] 将基材和靶材置于炉内，通过直流磁控溅射，在基体上制备高精度耐磨材料;直流 磁控溅射时，控制加热温度为210 °C，控制时间为6小时、磁控溅射的功率为70kw。在直流磁 控溅射前基体的温度为143 °C。所制备成品的Ra 0.3、厚度为152.583微米。
[0083] 检测成品中包覆层组分；所述包覆层以质量百分数计由下述组分朱成：C 77.88%；0 12.4%；Na 0.15%；Ca 0.09%；Cr 7.84%；Fe 0.74%；Ag 0.9%
[0084] 所述包覆层的厚度为2.583微米。
[0085] 所制备高精度耐磨材料的表面光洁度为RaO. 3。刃口的表面光洁度为RaO. 3。
[0086] 所制得产品用作铲刀用于制备锂离子电池 Cu-C阳极;使用时，铲刀通过紧配合的 方式组装在冷乳辊上，铲落冷乳辊上裹挟的C颗粒;所述铲刀到冷乳辊表面的距离为-0.1微 米~0.05微米。
[0087]其铲刀使用48小时后还能正常使用；
[0088] 生产了 10000米家用动力电池汽车的阳极(Cu-C阳极），随机从不同位置取样，得到 30个试样，检测结果显示，所得阳极相同部位的光洁度的变化幅度小于等于5%，其材料的 成分的误差为0.001 %。
[0089] 实施例4
[0090] 以光洁度Ra 0.3、摩擦系数为0.9、厚度为150微米的弹簧钢为基材、以纯度大于 99.999%的石墨作为碳源，所述基材中Cr的质量百分含量为2-2.5% ;
[0091] 按下述步骤制备：
[0092] 将基材和靶材置于炉内，通过直流磁控溅射，在基体上制备高精度耐磨材料;直流 磁控溅射时，控制加热温度为280 °C，控制时间为6小时、磁控溅射的功率为60kw。在直流磁 控溅射前基体的温度为210 °C。所制备成品的Ra 0.3、厚度为152.583微米。
[0093] 检测成品中包覆层组分；所述包覆层以质量百分数计由下述组分朱成：C 77.88%；0 12.4%；Na 0.15%；Ca 0.09%；Cr 7.84%；Fe 0.74%；Ag 0.9%
[0094] 所述包覆层的厚度为2.583微米。
[0095] 所制备高精度耐磨材料的表面光洁度为RaO. 3。刃口的表面光洁度为RaO. 3。
[0096] 所制得产品用作铲刀用于制备锂离子电池 Cu-C阳极;使用时，铲刀通过紧配合的 方式组装在冷乳辊上，铲落冷乳辊上裹挟的C颗粒;所述铲刀到冷乳辊表面的距离为-0.1微 米~0.05微米。
[0097]其铲刀使用48小时后还能正常使用；
[0098] 生产了 10000米家用动力电池汽车的阳极(Cu-C阳极），随机从不同位置取样，得到 30个试样，检测结果显示，所得阳极相同部位的光洁度的变化幅度小于等于4%，其材料的 成分的误差为0.001 %。
[0099] 对比例1
[0100] 采用市面已有碳钢油墨刮刀作为替换，以碳钢油墨刮刀用作铲刀用于制备锂离子 电池 CU-C阳极;其铲刀的使用寿命为不高于12小时;使用时铲刀距离冷乳辊棍面的距离为-0.01微米~0.01微米生产了 10000米家用动力电池汽车的阳极，随机从不同位置取样，得到 10个试样，检测结果显示，所得阳极相同部位的光洁度的变化幅度小于等于40%，其材料的 成分存在一定差异，这种差异主要表在Fe含量上。
[0101] 对比例2
[0102] 采用市面已有塑料油墨刮刀(UFIT优非特)作为替换，以塑料油墨刮刀用作铲刀用 于制备锂离子电池 Cu-C阳极;其铲刀的使用寿命为0.1小时;使用时铲刀距离冷乳辊棍面的 距离为-0.01微米~0.01微米生产了 10000米家用动力电池汽车的阳极，随机从不同位置取 样，得到10个试样，检测结果显示，所得阳极相同部位的光洁度的变化幅度小于等于80%， 其材料的成分存在一定差异，这种差异主要表在有机物的含量上。
【主权项】
1. 一种高精度耐磨材料，其特征在于:包括基材（1)、包覆层(2);所述包覆层(2)由第一 碳质层(2a)、第二碳质层(2b)组成;所述包覆层(2) W质量百分数计包括下述组分： C 76-86%； 0 10-13%； Cr 3.5-13%; 所述第二碳质层(2b)中，碳的质量百分含量大于等于99%; W第一碳质层(2a)与基材的接触面为内侧、W第一碳质层(2a)与第二碳质层(2b)的接 触面为外侧，所述第一碳质层(2a)中，0、化从内侧到外侧成连续递减的方式分布。2. 根据权利要求1所述的一种高精度耐磨材料，其特征在于： 所述包覆层(2) W质量百分数计包括下述组分： C 76-80%； 0 11-12.5%； Cr 6-11.5%; 所述第二碳质层(2b)中，碳的质量百分含量大于等于99.5%。3. 根据权利要求2所述的一种高精度耐磨材料，其特征在于： 所述包覆层(2) W质量百分数计包括下述组分： C 77.88%； 0 12.4%； Na 0.15%; Ca 0.09%; Cl 7 84%; Fe 0.74%; Ag 0.9%； 所述第二碳质层(2b)中，碳的质量百分含量大于等于99.995%。4. 根据权利要求1所述的一种高精度耐磨材料，其特征在于:所述基材为弹黃钢。5. 根据权利要求1所述的一种高精度耐磨材料，其特征在于:所述基材的厚度为150- 380微米，所述包覆层(2)的厚度为2-3微米;所述基材的摩擦系数为0.7-0.9;所述包覆层 (2)的摩擦系数为0.1-0.2。6. 根据权利要求1所述的一种高精度耐磨材料，其特征在于:所述第二碳质层(2b)中碳 W金刚石或类金刚石的方式均匀生长于第一碳质层(2a)上。7. -种制备如权利要求1-6任意一项所述高精度耐磨材料的制备方法;其特征在于：W 石墨为祀材，通过直流磁控瓣射，在基体上制备包覆层(2);直流磁控瓣射时，控制加热溫度 为180-280°C，控制时间为5-6小时。8. 根据权利要求7所述的一种高精度耐磨材料的制备方法:其特征在于： 所述基体为弹黃钢;所述弹黃钢的表面光洁度为Ra 0.1-0.3、摩擦系数为0.7-0.9; 所述石墨的纯度大于等于99.999 %; 在直流磁控瓣射前所述基体的溫度为室溫-直流磁控瓣射时的加热溫度； 所述包覆层（2)由第一碳质层（2a)、第二碳质层（2b)组成；所述包覆层（2) W质量百分 数计包括下述组分： C 76-86%； 0 10-13%； Cr 3.5-13%; 所述第二碳质层(2b)中，碳的质量百分含量大于等于99%; W第一碳质层(2a)与基材的接触面为内侧、W第一碳质层(2a)与第二碳质层(2b)的接 触面为外侧，所述第一碳质层(2a)中，0、化从内侧到外侧成连续递减的方式分布； 所述包覆层(2)Ra为0.1-0.3。9. 一种制备如权利要求1-6任意一项所述高精度耐磨材料的应用，其特征在于:包括将 所述高精度耐磨材料W伊刀的形式应用于二次电池化-啡日极冷社制备工艺中。10. 根据权利要求9所述的一种高精度耐磨材料的应用，其特征在于 所述伊刀与冷社漉外圆周匹配，伊落冷社漉上裹挟的C颗粒;所述伊刀刀口与冷社漉表 面的距离为-0.1微米~0.05微米。
【文档编号】C23C14/06GK106086883SQ201610562754
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月15日
【发明人】史伟, 李家柱, 钟锷辉
【申请人】长沙墨度新材料科技有限公司