一種高精度耐磨材料及其制備方法和應用
【專利摘要】本發明涉及一種高精度耐磨材料及其制備方法和應用；屬于特種復合材料制備技術領域。所述高精度耐磨材料，包括基材、包覆層(2)；所述包覆層由第一碳質層、第二碳質層組成；所述包覆層以質量百分數計包括下述組分：C76?86％、O10?13％、Cr3.5?13％、所述第二碳質層(2b)中，碳的質量百分含量大于等于99％；所述第一碳質層(2a)中，O、Cr從內側到外側成連續遞減的方式分布。本發明所設計的高精度耐磨材料用作鏟刀用于制備二次電池陽極材料時，所制備的二次電池陽極材料具有優異的穩定性能。
【專利說明】
一種高精度耐磨材料及其制備方法和應用
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種高精度耐磨材料及其制備方法和應用；屬于特種復合材料制備技 術領域。
【背景技術】
[0002] 我國目前通用的耐磨材料有以下幾大系列：一是高錳鋼系列：如高錳鋼(ZGMnl3)、 高錳合金(ZGMnl3Cr2MoRe)、超高錳合金(ZGMnl8Cr2MoRe)等;二是抗磨鉻鑄鐵系列：如高、 中、低鉻合金鑄鐵（如Crl5M0ZCu);三是耐磨合金鋼系列：如中、低、高碳多元金合鋼（如 ZG40SiMnCrM0和ZG35Cr2MoNiRe);四是奧貝球鐵(ADI)系列；五是各類復合或梯度材料及硬 質合金材料:如碳化鉻復合材料(Cr 2C3+Q235)、高能離子注滲碳化鎢材料(WCSP)、高韌硬質 合金(YK25.6)等;六是各類非金屬耐磨材料:如聚合陶瓷復合材料、氮化硅(Si 3N4)、增韌氧 化鋯(Y2〇3+Zr〇2)、增韌三氧化二鋁(Al2〇 3/Zr〇2)等。
[0003] 金屬基耐磨材料以及特殊優勢被廣泛應用，但隨著科技的進步，人類對生產工藝 的精度也提出也越來越苛刻的要求，導致金屬基耐磨材料難以使用一些特殊領域的要求。 進而促進了帶涂層金屬復合材料的誕生。但目前帶涂層金屬復合耐磨材料也無法滿足一些 特殊領域的需求，如高精設備部件的制備。
【發明內容】
[0004] 本發明根據實際實際生產中所遇到的問題，設計了一種高精度耐磨材料及其制備 方法和應用。
[0005] 本發明基于高精度二次電池陽極制備過程中一些問題的發現，如通過冷壓輥乳制 銅/C陽極時，面臨產品加工前后質量有一定偏差的問題，經研究發現目前采用的冷壓輥棍 面上極易吸附C顆粒材料，這種情況將導致后期產品與前期產品在質量上存在很大的差距。 發明人嘗試過用鋼質刮刀去處理，但也出現了一些問題，如高精度控制相當的困難，極易產 生納米級別的活性鐵粒，這些活性鐵粒一旦產生不僅會改變陽極的成分，還會對陽極表面 的光潔度產生影響。發明人還嘗試了用塑料刮刀，但是其使用壽命太短，同時其也會產生納 米級別的塑料粒，這些塑料粒一旦產生也會改變陽極的成分，同時也會對陽極表面的光潔 度產生影響。發明人還設計了碳質刮刀，但碳質刮刀的使用壽命太短。于是發明人將研發重 心轉移到了鋼基-碳涂層復合材料上，但研究發現并不是所有的鋼基-碳涂層復合材料多能 滿足連續高效制備高精度銅/C陽極的需求。
[0006] 本發明一種高精度耐磨材料，包括基材（1)、包覆層(2);所述包覆層(2)由第一碳 質層(2a)、第二碳質層(2b)組成;所述包覆層(2)以質量百分數計包括下述組分：
[0007] C 76-86%、優選為76-80%、進一有優選為76-78% ;
[0008] 0 10-13%、優選為 11-12.5%、進一步優選為 12-12.5%;
[0009] Cr 3.5-13%、優選為6-11.5%、進一步優選為7-11.5%;
[0010] 所述第二碳質層（2b)中，碳的質量百分含量大于等于99%、優選為大于等于 99.5 %、進一步優選為99.99 % ;
[0011] 以第一碳質層(2a)與基材的接觸面為內側、以第一碳質層(2a)與第二碳質層(2b) 的接觸面為外側，所述第一碳質層(2a)中，0、Cr從內側到外側成連續遞減的方式分布。
[0012] 作為進一步的優選方案，本發明一種高精度耐磨材料，所述包覆層(2)以質量百分 數計包括下述組分：
[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] 所述第二碳質層(2b)中，碳的質量百分含量大于等于99.995%。
[0021]作為進一步的優選方案，本發明一種高精度耐磨材料，所述基材為彈簧鋼。進一步 優選為所述彈簧鋼中Cr的含量為2-2.5%。
[0022]作為進一步的優選方案，本發明一種高精度耐磨材料，所述基材的厚度為150-380 微米，所述包覆層(2)的厚度為2-3微米。
[0023]作為進一步的優選方案，本發明一種高精度耐磨材料，所述第二碳質層（2b)中碳 以金剛石或類金剛石的方式均勻生長于第一碳質層(2a)上。
[0024] 作為進一步的優選方案，本發明一種高精度耐磨材料，所述基材的摩擦系數為 0.7-0.9。所述包覆層(2)的摩擦系數為0.1 -0.2。
[0025] 本發明一種高精度耐磨材料的制備方法：以石墨為靶材，通過直流磁控濺射，在基 體上制備包覆層(2);直流磁控濺射時，控制加熱溫度為180-280°C，控制時間為5-6小時。
[0026] 本發明一種高精度耐磨材料的制備方法:所述基體為彈簧鋼;所述彈簧鋼的表面 光潔度為Ra 0.1-0.3、摩擦系數為0.7-0.9;
[0027] 所述石墨的純度大于等于99.999%;
[0028] 在直流磁控濺射前所述基體的溫度為室溫-直流磁控濺射時的加熱溫度；
[0029] 所述包覆層（2)由第一碳質層（2a)、第二碳質層(2b)組成;所述包覆層（2)以質量 百分數計包括下述組分：
[0030] C 76-86%；
[0031] 〇 10-13%；
[0032] Cr 3.5-13%；
[0033] 所述第二碳質層(2b)中，碳的質量百分含量大于等于99%;
[0034] 以第一碳質層(2a)與基材的接觸面為內側、以第一碳質層(2a)與第二碳質層(2b) 的接觸面為外側，所述第一碳質層(2a)中，0、Cr從內側到外側成連續遞減的方式分布； [0035]所述包覆層（2)Ra為0.1-0.3。
[0036]本發明一種高精度耐磨材料的制備方法:在直流磁控濺射前所述基體的溫度為室 溫-直流磁控濺射時的加熱溫度，優選為140-280 °C。
[0037]本發明一種高精度耐磨材料的制備方法:所制備成品的Ra 0.1-0.3。
[0038] 本發明一種高精度耐磨材料的制備方法:所述石墨的純度大于等于99.999%。
[0039] 本發明一種高精度耐磨材料的應用，包括將所述高精度耐磨材料以鏟刀的形式應 用于二次電池 Cu-C陽極冷乳制備工藝中。
[0040] 作為優選，所述鏟刀與冷乳輥外圓周匹配，鏟落冷乳輥上裹挾的C顆粒;所述鏟刀 刀口與冷乳輥表面的距離為-〇. 1微米~〇. 05微米。
[0041] 當所述基材的厚度為150-155微米，且所述基材為高碳彈簧鋼；
[0042] 當所述包覆層(2)的厚度為2-3微米，且所述包覆層以質量百分含量計由下述組分 組成時：
[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] 當所述第二碳質層(2b)中，碳的質量百分含量大于等于99.995%時
[0051] 以第一碳質層(2a)與基材的接觸面為內側、以第一碳質層(2a)與第二碳質層(2b) 的接觸面為外側，當所述第一碳質層(2a)中，0、Cr從內側到外側成連續遞減的方式分布時；
[0052] 將所述高精度耐磨材料以鏟刀的形式應用于二次電池Cu-C陽極冷乳制備工藝中； 所述鏟刀與冷乳輥外圓周匹配，鏟落冷乳輥上裹挾的C顆粒;所述鏟刀刀口與冷乳輥表面的 距離為-〇. 1微米~0.05微米。采用上述工藝，連續生產10000米Cu-C陽極材料，在所制備的 Cu-C陽極材料隨機抽取25個試樣，在同等檢測條件下，樣品的成分誤差小于0.001%。
[0053]在本發明中，所述包覆層中的0、〇^6^8、他是由基體擴散進入包覆層中的。
[0054] 原理和優勢
[0055] 本發明所設計的高精度耐磨材料組分設計合理，在適量的各組分以及鏟落個工藝 參數的協同作用下，其用于鏟刀用于生產二次電池的Cu-C陽極工藝時，取得了意想不到的 有益效果，鏟刀的使用壽命為48小時以上，普通碳鋼刮刀的使用壽命為12小時，塑料刮刀的 使用壽命為0.1小時，同時該材料的消耗量也遠遠小于現有鋼或塑料或碳材。同時其制備的 Cu-C陽極性能穩定，同批量產10000米Cu-C陽極，隨機抽取25個試樣，在同等檢測條件下，樣 品的成分誤差小于0.001 %。
【附圖說明】
[0056] 圖1為實施例1所制備產品的掃描電鏡圖；
[0057] 圖2為實施例1所制備產品用于制備鋰離子電池Cu-C陽極時的結構示意圖。
[0058]圖1中1為基材1、2為包覆層包覆層2由第一碳質層2a、第二碳質層2b組成。
[0059]從圖2中可以看出實施例1所制備產品用于制備鋰離子電池Cu-C陽極時的示意結 構。
【具體實施方式】
[0060] 實施例1
[0061] 以光潔度Ra 0.2、摩擦系數為0.7、厚度為150微米的彈簧鋼為基材、以純度大于 99.999%的石墨作為碳源，所述基材中Cr的質量百分含量為2-2.5% ;
[0062] 按下述步驟制備：
[0063] 將基材和靶材置于爐內，通過直流磁控濺射，在基體上制備高精度耐磨材料;直流 磁控濺射時，控制加熱溫度為280 °C，控制時間為6小時、磁控濺射的功率為1 OOkw。在直流磁 控濺射前基體的溫度為280 °C。所制備成品的Ra 0.2、厚度為152.691微米。
[0064] 檢測成品中包覆層組分；所述包覆層以質量百分數計由下述組分朱成：C 77.88%;0 12.4%;Na 0.15%;Ca 0.09%;Cr 7.84%;Fe 0.74%;Ag 0.9%。所述包覆層 的厚度為2.691微米。
[0065]所制備高精度耐磨材料的表面光潔度為RaO. 2。刃口的表面光潔度為RaO. 2。
[0066]所制得產品用作鏟刀用于制備鋰離子電池Cu-C陽極;使用時，鏟刀通過緊配合的 方式組裝在冷乳輥上，鏟落冷乳輥上裹挾的C顆粒;所述鏟刀到冷乳輥表面的距離為-0.1微 米~0.05微米。
[0067]其鏟刀使用48小時后還能正常使用；
[0068] 生產了 10000米家用動力電池汽車的陽極(Cu-C陽極），隨機從不同位置取樣，得到 10個試樣，檢測結果顯示，所得陽極相同部位的光潔度的變化幅度小于等于5%，其材料的 成分的誤差小于0.001 %。
[0069] 實施例2
[0070] 以光潔度Ra 0.1、摩擦系數為0.7、厚度為150微米的彈簧鋼為基材、以純度大于 99.999%的石墨作為碳源，所述基材中Cr的質量百分含量為2-2.5% ;
[0071] 按下述步驟制備：
[0072] 將基材和靶材置于爐內，通過直流磁控濺射，在基體上制備高精度耐磨材料;直流 磁控濺射時，控制加熱溫度為180 °C，控制時間為6小時、磁控濺射的功率為85kw。在直流磁 控濺射前基體的溫度為室溫。所制備成品的Ra 0.1、厚度為152.391微米。
[0073] 檢測成品中包覆層組分；所述包覆層以質量百分數計由下述組分朱成：C 77.88%；0 12.4%；Na 0.15%；Ca 0.09%；Cr 7.84%；Fe 0.74%；Ag 0.9%
[0074] 所述包覆層的厚度為2.391微米。
[0075] 所制備高精度耐磨材料的表面光潔度為RaO. 1。刃口的表面光潔度為RaO. 1。
[0076] 所制得產品用作鏟刀用于制備鋰離子電池Cu-C陽極;使用時，鏟刀通過緊配合的 方式組裝在冷乳輥上，鏟落冷乳輥上裹挾的C顆粒;所述鏟刀到冷乳輥表面的距離為-0.1微 米~0.05微米。
[0077]其鏟刀使用64小時后還能正常使用；
[0078]生產了 10000米家用動力電池汽車的陽極(Cu-C陽極），隨機從不同位置取樣，得到 25個試樣，檢測結果顯示，所得陽極相同部位的光潔度的變化幅度小于等于3%，其材料的 成分的誤差小于0.0008 %。
[0079] 實施例3
[0080]以光潔度Ra 0.3、摩擦系數為0.9、厚度為150微米的彈簧鋼為基材、以純度大于 99.999%的石墨作為碳源，所述基材中Cr的質量百分含量為2-2.5% ;
[0081] 按下述步驟制備：
[0082] 將基材和靶材置于爐內，通過直流磁控濺射，在基體上制備高精度耐磨材料;直流 磁控濺射時，控制加熱溫度為210 °C，控制時間為6小時、磁控濺射的功率為70kw。在直流磁 控濺射前基體的溫度為143 °C。所制備成品的Ra 0.3、厚度為152.583微米。
[0083] 檢測成品中包覆層組分；所述包覆層以質量百分數計由下述組分朱成：C 77.88%；0 12.4%；Na 0.15%；Ca 0.09%；Cr 7.84%；Fe 0.74%；Ag 0.9%
[0084] 所述包覆層的厚度為2.583微米。
[0085] 所制備高精度耐磨材料的表面光潔度為RaO. 3。刃口的表面光潔度為RaO. 3。
[0086] 所制得產品用作鏟刀用于制備鋰離子電池 Cu-C陽極;使用時，鏟刀通過緊配合的 方式組裝在冷乳輥上，鏟落冷乳輥上裹挾的C顆粒;所述鏟刀到冷乳輥表面的距離為-0.1微 米~0.05微米。
[0087]其鏟刀使用48小時后還能正常使用；
[0088] 生產了 10000米家用動力電池汽車的陽極(Cu-C陽極），隨機從不同位置取樣，得到 30個試樣，檢測結果顯示，所得陽極相同部位的光潔度的變化幅度小于等于5%，其材料的 成分的誤差為0.001 %。
[0089] 實施例4
[0090] 以光潔度Ra 0.3、摩擦系數為0.9、厚度為150微米的彈簧鋼為基材、以純度大于 99.999%的石墨作為碳源，所述基材中Cr的質量百分含量為2-2.5% ;
[0091] 按下述步驟制備：
[0092] 將基材和靶材置于爐內，通過直流磁控濺射，在基體上制備高精度耐磨材料;直流 磁控濺射時，控制加熱溫度為280 °C，控制時間為6小時、磁控濺射的功率為60kw。在直流磁 控濺射前基體的溫度為210 °C。所制備成品的Ra 0.3、厚度為152.583微米。
[0093] 檢測成品中包覆層組分；所述包覆層以質量百分數計由下述組分朱成：C 77.88%；0 12.4%；Na 0.15%；Ca 0.09%；Cr 7.84%；Fe 0.74%；Ag 0.9%
[0094] 所述包覆層的厚度為2.583微米。
[0095] 所制備高精度耐磨材料的表面光潔度為RaO. 3。刃口的表面光潔度為RaO. 3。
[0096] 所制得產品用作鏟刀用于制備鋰離子電池 Cu-C陽極;使用時，鏟刀通過緊配合的 方式組裝在冷乳輥上，鏟落冷乳輥上裹挾的C顆粒;所述鏟刀到冷乳輥表面的距離為-0.1微 米~0.05微米。
[0097]其鏟刀使用48小時后還能正常使用；
[0098] 生產了 10000米家用動力電池汽車的陽極(Cu-C陽極），隨機從不同位置取樣，得到 30個試樣，檢測結果顯示，所得陽極相同部位的光潔度的變化幅度小于等于4%，其材料的 成分的誤差為0.001 %。
[0099] 對比例1
[0100] 采用市面已有碳鋼油墨刮刀作為替換，以碳鋼油墨刮刀用作鏟刀用于制備鋰離子 電池 CU-C陽極;其鏟刀的使用壽命為不高于12小時;使用時鏟刀距離冷乳輥棍面的距離為-0.01微米~0.01微米生產了 10000米家用動力電池汽車的陽極，隨機從不同位置取樣，得到 10個試樣，檢測結果顯示，所得陽極相同部位的光潔度的變化幅度小于等于40%，其材料的 成分存在一定差異，這種差異主要表在Fe含量上。
[0101] 對比例2
[0102] 采用市面已有塑料油墨刮刀(UFIT優非特)作為替換，以塑料油墨刮刀用作鏟刀用 于制備鋰離子電池 Cu-C陽極;其鏟刀的使用壽命為0.1小時;使用時鏟刀距離冷乳輥棍面的 距離為-0.01微米~0.01微米生產了 10000米家用動力電池汽車的陽極，隨機從不同位置取 樣，得到10個試樣，檢測結果顯示，所得陽極相同部位的光潔度的變化幅度小于等于80%， 其材料的成分存在一定差異，這種差異主要表在有機物的含量上。
【主權項】
1. 一種高精度耐磨材料，其特征在于:包括基材（1)、包覆層(2);所述包覆層(2)由第一 碳質層(2a)、第二碳質層(2b)組成;所述包覆層(2) W質量百分數計包括下述組分： C 76-86%； 0 10-13%； Cr 3.5-13%; 所述第二碳質層(2b)中，碳的質量百分含量大于等于99%; W第一碳質層(2a)與基材的接觸面為內側、W第一碳質層(2a)與第二碳質層(2b)的接 觸面為外側，所述第一碳質層(2a)中，0、化從內側到外側成連續遞減的方式分布。2. 根據權利要求1所述的一種高精度耐磨材料，其特征在于： 所述包覆層(2) W質量百分數計包括下述組分： C 76-80%； 0 11-12.5%； Cr 6-11.5%; 所述第二碳質層(2b)中，碳的質量百分含量大于等于99.5%。3. 根據權利要求2所述的一種高精度耐磨材料，其特征在于： 所述包覆層(2) W質量百分數計包括下述組分： C 77.88%； 0 12.4%； Na 0.15%; Ca 0.09%; Cl 7 84%; Fe 0.74%; Ag 0.9%； 所述第二碳質層(2b)中，碳的質量百分含量大于等于99.995%。4. 根據權利要求1所述的一種高精度耐磨材料，其特征在于:所述基材為彈黃鋼。5. 根據權利要求1所述的一種高精度耐磨材料，其特征在于:所述基材的厚度為150- 380微米，所述包覆層(2)的厚度為2-3微米;所述基材的摩擦系數為0.7-0.9;所述包覆層 (2)的摩擦系數為0.1-0.2。6. 根據權利要求1所述的一種高精度耐磨材料，其特征在于:所述第二碳質層(2b)中碳 W金剛石或類金剛石的方式均勻生長于第一碳質層(2a)上。7. -種制備如權利要求1-6任意一項所述高精度耐磨材料的制備方法;其特征在于：W 石墨為祀材，通過直流磁控瓣射，在基體上制備包覆層(2);直流磁控瓣射時，控制加熱溫度 為180-280°C，控制時間為5-6小時。8. 根據權利要求7所述的一種高精度耐磨材料的制備方法:其特征在于： 所述基體為彈黃鋼;所述彈黃鋼的表面光潔度為Ra 0.1-0.3、摩擦系數為0.7-0.9; 所述石墨的純度大于等于99.999 %; 在直流磁控瓣射前所述基體的溫度為室溫-直流磁控瓣射時的加熱溫度； 所述包覆層（2)由第一碳質層（2a)、第二碳質層（2b)組成；所述包覆層（2) W質量百分 數計包括下述組分： C 76-86%； 0 10-13%； Cr 3.5-13%; 所述第二碳質層(2b)中，碳的質量百分含量大于等于99%; W第一碳質層(2a)與基材的接觸面為內側、W第一碳質層(2a)與第二碳質層(2b)的接 觸面為外側，所述第一碳質層(2a)中，0、化從內側到外側成連續遞減的方式分布； 所述包覆層(2)Ra為0.1-0.3。9. 一種制備如權利要求1-6任意一項所述高精度耐磨材料的應用，其特征在于:包括將 所述高精度耐磨材料W伊刀的形式應用于二次電池化-啡日極冷社制備工藝中。10. 根據權利要求9所述的一種高精度耐磨材料的應用，其特征在于 所述伊刀與冷社漉外圓周匹配，伊落冷社漉上裹挾的C顆粒;所述伊刀刀口與冷社漉表 面的距離為-0.1微米~0.05微米。
【文檔編號】C23C14/06GK106086883SQ201610562754
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月15日
【發明人】史偉, 李家柱, 鐘鍔輝
【申請人】長沙墨度新材料科技有限公司