本發(fā)明涉及超硬材料技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，涉及了一種金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

金剛石涂層由于具有優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于加工難加工材料，如碳纖維、高硅鋁材料以及陶瓷材料等，而單一的微米或者納米金剛石自身具有很強(qiáng)的內(nèi)應(yīng)力，易在加工過程中沿著微米晶邊界出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重縮短加工時(shí)間；因此市場(chǎng)上需要一種低內(nèi)應(yīng)力的金剛石涂層刀具。

金剛石涂層常采用的制備方法有微波等離子化學(xué)氣相沉積、熱絲化學(xué)氣相沉積、直流等離子體法等。但是，隨著研究和應(yīng)用的進(jìn)一步深入，發(fā)現(xiàn)隨著金剛石晶粒尺寸的減小，涂層中的非金剛石相逐漸增多，硬度下降。同時(shí),由于金剛石強(qiáng)的共價(jià)鍵特征以及HFCVD的涂層工藝特點(diǎn)，使得制得的金剛石涂層存在涂層應(yīng)力高、韌性差、易氧化的缺點(diǎn)，降低了金剛石涂層的使用性能。

為了解決以上存在的問題，人們一直在尋求一種理想的技術(shù)解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，從而提供一種層間結(jié)合力強(qiáng)、內(nèi)應(yīng)力低及抗沖擊性能高的金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層及其制備方法和應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層的制備方法，它包括以下步驟：

（1）采用化學(xué)氣相沉積法在預(yù)沉積基體表面進(jìn)行至少一次的依次沉積微米晶金剛石涂層和納米晶金剛石涂層的步驟，制得沉積金剛石基體；

（2）采用真空熱鍍法在所述沉積金剛石基體表面沉積一層金屬層并進(jìn)行熱處理，從而制得金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層。

其中，所述微米晶金剛石涂層中金剛石粒徑為0.1微米～0.5微米；所述納米晶金剛石涂層中金剛石粒徑為1納米～300納米。

基于上述，所述步驟（2）中的金屬層包括鈦層、鎢層、鋯層、鉻層或釩層。

基于上述，所述步驟（2）包括：首在先真空度小于0.7 Pa條件下，采用真空蒸鍍法在所述納米晶金剛石表面沉積一層厚度為0.5微米～1微米的金屬層；然后在850℃～920℃條件下對(duì)表面沉積有金屬層的所述沉積金剛石基體進(jìn)行真空熱處理30分鐘～60分鐘，使所述金屬層與所述納米晶金剛石涂層發(fā)生界面反應(yīng)生成金屬碳化物涂層，從而制得金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層。需要說明的是，在沉積在所述納米晶金剛石表面的所述金屬層厚度較厚時(shí)，所述金屬層與所述納米晶金剛石層發(fā)生界面反應(yīng)后，會(huì)殘留一層未反應(yīng)的金屬層，從而在所述金屬碳化物涂層表面還存在有一層金屬層。

基于上述，所述步驟（1）還包括采用超納米金剛石懸浮液和去鈷溶液對(duì)所述基體進(jìn)行預(yù)處理的步驟，其中，控制經(jīng)去鈷溶液處理后所述基體表面的鈷含量為4%～6%，其中所述超納米金剛石懸浮液是平均粒徑為4～50nm的超納米金剛石顆粒懸浮在電阻率大于15M?·cm的去離子水中制得的。

基于上述，所述步驟（1）中，進(jìn)行沉積微米晶金剛石涂層和納米晶金剛石涂層的步驟包括：

首先在所述預(yù)沉積基體表面溫度為700℃～900℃條件下，以甲烷氣體和氫氣為反應(yīng)氣體進(jìn)行沉積微米晶金剛石反應(yīng)，從而在所述預(yù)處理沉積基體表面沉積一層厚度為2微米～3微米的微米晶金剛石涂層；其中，控制氫氣體積百分?jǐn)?shù)為98.5%～99.5%、甲烷體積百分?jǐn)?shù)為0.5%～1.5%、反應(yīng)壓力為0.03 MPa～0.1 MPa；

然后在表面沉積有所述微米晶金剛石涂層的所述預(yù)處理沉積基體的表面溫度為750℃～900℃條件下，以甲烷氣體、氧氣和氫氣為反應(yīng)氣體進(jìn)行沉積納米晶金剛石反應(yīng)，從而在所述微米晶金剛石涂層表面沉積一層厚度為2微米～3微米的納米晶金剛石涂層；其中，控制所述氫氣體積百分?jǐn)?shù)為97.5%～98.5%、甲烷體積百分?jǐn)?shù)為0.5%～1.5%、氧氣的體積百分?jǐn)?shù)為1.0%～1.5%。

本發(fā)明還提供一種由上述制備方法制得的金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層，它包括至少一組復(fù)合金剛石涂層結(jié)構(gòu)單元，所述復(fù)合金剛石涂層結(jié)構(gòu)單元包括微米晶金剛石涂層和沉積在所述微米晶金剛石涂層表面的納米晶金剛石涂層；在最外側(cè)的所述納米晶金剛石涂層一側(cè)表面還沉積有金屬碳化物涂層。

基于上述，所述金屬碳化物涂層表面還設(shè)置有金屬層。

基于上述，所述金屬碳化物涂層包括碳化鈦涂層、碳化鎢涂層、碳化鋯涂層、碳化鉻涂層和碳化釩涂層。

本發(fā)明還提供一種上述金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層的應(yīng)用，其特征在于，所述金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層應(yīng)用在超硬材料刀具、模具或機(jī)械零部件上。

本發(fā)明相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)具有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步，具體的說，本發(fā)明在預(yù)沉積基體上依次生長(zhǎng)微米晶金剛石涂層和納米晶金剛石涂層，從而避免了由于同一類型的金剛石涂層應(yīng)力集中而出現(xiàn)的裂紋現(xiàn)象；在最外側(cè)納米晶金剛石涂層表層沉積的一層金屬涂層經(jīng)熱處理后，它能夠均勻滲透至金剛石涂層的微裂紋、缺陷以及微小空洞之中并與金剛石發(fā)生反應(yīng)生成金屬碳化物層，提高了金剛石涂層的熱穩(wěn)定性，從而使得由其制備的金剛石刀具具有良好的抗沖擊性和靜壓強(qiáng)度；另一方面，金屬碳化物涂層不易被氧化，隔絕了金剛石涂層與氧氣的接觸，提高了金剛石刀具抗氧化性能。因此具有該金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層的刀具更加適合對(duì)不易加工材料的加工。

附圖說明

圖1是實(shí)施例1中的由金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層制得的超硬材料刀具結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是實(shí)施例2中的由金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層制得的超硬材料刀具結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是實(shí)施例3中的由金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層制得的超硬材料刀具結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、復(fù)合金剛石涂層結(jié)構(gòu)單元；101、微米晶金剛石涂層；102、納米晶金剛石涂層；2、金屬碳化物涂層；3、硬質(zhì)合金基體。

具體實(shí)施方式

下面通過具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供一種金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層的制備方法，它包括以下步驟：

（1）首先采用超納米金剛石懸浮液清洗表面待沉積金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層的基體，干燥后再經(jīng)噴砂處理去除所述基體表面的缺陷、氧化層和其他雜質(zhì)；然后將處理后的所述待沉積基體置于去鈷溶液中控制其表面的鈷含量控制在6%得到預(yù)處理沉積基體。

（2）將所述預(yù)處理沉積基體置于化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，控制化學(xué)氣相沉積設(shè)備型腔真空度小于0.1 pa，然后向型腔中通入氫氣并加熱，當(dāng)所述預(yù)處理沉積基體表面溫度為900℃時(shí)，向型腔中通入甲烷氣體進(jìn)行沉積微米晶金剛石涂層反應(yīng)，從而在所述預(yù)處理沉積基體表面沉積一層厚度為3微米的微米晶金剛石涂層；其中，控制氫氣體積百分?jǐn)?shù)為98.5%、甲烷體積百分?jǐn)?shù)為1.5%、設(shè)備型腔中的壓力為0.1 MPa、反應(yīng)時(shí)間為3.5小時(shí)；

將所述化學(xué)氣相沉積設(shè)備冷卻至室溫后，重復(fù)上述抽真空、通氫氣和甲烷的步驟，并在通入甲烷氣體后向所述設(shè)備型腔中通入氧氣進(jìn)行沉積納米晶金剛石涂層反應(yīng)；其中，控制所述氫氣體積百分?jǐn)?shù)為97.5%、甲烷體積百分?jǐn)?shù)為1.5%、氧氣的體積百分?jǐn)?shù)為1.0%、設(shè)備型腔壓力為0.03 MPa、沉積時(shí)間為1.5小時(shí)，從而在所述微米晶金剛石涂層表面沉積一層厚度為2微米的納米晶金剛石涂層，從而制得沉積金剛石基體。

（3）將所述沉積金剛石基體置于真空蒸發(fā)鍍膜設(shè)備中在所述納米晶金剛石表面沉積一層金屬鈦層；其中，控制蒸發(fā)電流為50 A、載物臺(tái)轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分鐘，沉積時(shí)間為5分鐘、鈦絲純度為99.99%、蒸發(fā)源純度為99.95%、真空蒸發(fā)鍍膜設(shè)備型腔真空度為0.7 Pa；

然后將表面沉積有金屬鈦層的沉積基體放入真空熱處理爐中，在溫度為920℃條件下對(duì)其進(jìn)行真空熱處理30分鐘，使納米晶金剛石涂層與金屬鈦層發(fā)生界面反應(yīng)生成碳化鈦涂層，從而制得金剛石/碳化鈦復(fù)合涂層。

本實(shí)施例還提供一種由上述制備方法制得的金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括一組復(fù)合金剛石涂層結(jié)構(gòu)單元1，所述復(fù)合金剛石涂層結(jié)構(gòu)單元1包括微米晶金剛石涂層101和生長(zhǎng)在所述微米晶金剛石涂層1表面的納米晶金剛石涂層102；在最外側(cè)的所述納米晶金剛石涂層102一側(cè)表面還生長(zhǎng)有金屬碳化物涂層2；本實(shí)施例中所述金屬碳化物涂層2為碳化鈦涂層。優(yōu)選地，所述金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層設(shè)置在硬質(zhì)合金基體3上。

本發(fā)明還提供一種所述提供的金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層的應(yīng)用，所述金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層應(yīng)用在超硬材料刀具上。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供一種金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層的制備方法，具體步驟與實(shí)施例1中的步驟大致相同，不同之處在于本實(shí)施例的步驟（2）為：將所述預(yù)處理沉積基體置于化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，控制化學(xué)氣相沉積設(shè)備型腔真空度小于0.1pa，然后向型腔中通入氫氣并加熱至所述預(yù)處理沉積基體表面溫度為700℃時(shí)，向型腔中通入甲烷氣體進(jìn)行沉積微米晶金剛石涂層反應(yīng)，其中，控制氫氣體積百分?jǐn)?shù)為98.5%、甲烷體積百分?jǐn)?shù)為1.5%、設(shè)備型腔中的壓力為0.03 MPa、反應(yīng)時(shí)間為3.5小時(shí)，從而在所述預(yù)處理沉積基體表面沉積一層厚度為2微米的微米晶金剛石涂層；

將所述化學(xué)氣相沉積設(shè)備冷卻至室溫后，重復(fù)上述抽真空、通氫氣和甲烷的步驟，并在通入甲烷氣體后向所述設(shè)備型腔中通入氧氣進(jìn)行沉積納米晶金剛石涂層反應(yīng)；其中，控制所述氫氣體積百分?jǐn)?shù)為97.5%、甲烷體積百分?jǐn)?shù)為1.5%、氧氣的體積百分?jǐn)?shù)為1.0%、設(shè)備型腔壓力為0.03 MPa、沉積時(shí)間為1小時(shí)，從而在所述微米晶金剛石涂層表面沉積一層厚度為2微米的納米晶金剛石涂層；

重復(fù)上述沉積微米晶金剛石涂層和納米晶金剛石涂層步驟，在所述預(yù)處理沉積基體表面沉積兩組所述復(fù)合金剛石涂層結(jié)構(gòu)單元，從而制得沉積金剛石基體。

所述步驟（3）中沉積在最外側(cè)的所述復(fù)合金剛石涂層結(jié)構(gòu)單元表面為一層金屬鎢層，將表面沉積有金屬鎢的沉積基體放入真空熱處理爐中，在溫度為850℃條件下對(duì)其進(jìn)行真空熱處理60分鐘，使納米晶金剛石涂層與金屬鎢發(fā)生界面反應(yīng)生成碳化物涂層，從而制得金剛石/碳化鎢復(fù)合涂層。

本實(shí)施例提供一種由上述制備方法制得的金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1中的結(jié)構(gòu)大致相同，不同之處在于：本實(shí)施例中所述金屬碳化物涂層2為碳化鎢涂層，且所述金剛石/碳化鈦涂層復(fù)合涂層具有兩組所述復(fù)合金剛石涂層結(jié)構(gòu)單元1，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，它包括硬質(zhì)合金基體3和沉積在所述硬質(zhì)合金基體3表面的兩組復(fù)合金剛石涂層結(jié)構(gòu)單元1，所述金屬碳化物涂層2設(shè)置在最外側(cè)的所述復(fù)合金剛石涂層結(jié)構(gòu)單元1的表面。

本發(fā)明還提供一種所述提供的金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層的應(yīng)用，所述金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層應(yīng)用在超硬材料刀具上。

實(shí)施例3

本實(shí)施例提供一種金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層的制備方法，具體步驟與實(shí)施例1中的步驟大致相同，不同之處在于本實(shí)施例的步驟（2）在所述微米晶金剛石涂層表面沉積一層厚度為2微米的納米晶金剛石涂層之后，進(jìn)行重復(fù)上述沉積微米晶金剛石涂層和納米晶金剛石涂層步驟，從而在所述預(yù)處理沉積基體表面沉積三組所述復(fù)合金剛石涂層結(jié)構(gòu)單元，從而制得沉積金剛石基體。

所述步驟（3）中沉積在最外側(cè)的所述復(fù)合金剛石涂層結(jié)構(gòu)單元表面為一層金屬釩層，將表面沉積有金屬釩的沉積基體放入真空熱處理爐中，在溫度為850℃條件下對(duì)其進(jìn)行真空熱處理60分鐘，使納米晶金剛石涂層與金屬釩發(fā)生界面反應(yīng)生成碳化物涂層，從而制得金剛石/碳化釩復(fù)合涂層。

本實(shí)施例提供一種由上述制備方法制得的金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層，具體結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1中的結(jié)構(gòu)大致相同，不同之處在于：本實(shí)施例中所述金屬碳化物涂層2為碳化釩涂層，且所述金剛石/碳化釩復(fù)合涂層具有三組所述復(fù)合金剛石涂層結(jié)構(gòu)單元1，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，它包括硬質(zhì)合金基體3和沉積在所述硬質(zhì)合金基體3表面的三復(fù)合金剛石涂層結(jié)構(gòu)單元1，所述金屬碳化物涂層2設(shè)置在最外側(cè)的所述復(fù)合金剛石涂層結(jié)構(gòu)單元1的表面。

本發(fā)明還提供一種所述提供的金剛石/碳化釩復(fù)合涂層的應(yīng)用，所述金剛石/金屬碳化物復(fù)合涂層應(yīng)用在超硬材料刀具上。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制；盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者對(duì)部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)的技術(shù)方案范圍當(dāng)中。