金刚石/金属碳化物复合涂层及其制备方法和应用技术领域
本发明涉及超硬材料技术领域，具体的说，涉及了一种金刚石/金属碳化物复合涂
层及其制备方法和应用。
背景技术
金刚石涂层由于具有优异的物理化学性质，广泛应用于加工难加工材料，如碳纤
维、高硅铝材料以及陶瓷材料等，而单一的微米或者纳米金刚石自身具有很强的内应力，易
在加工过程中沿着微米晶边界出现裂纹，严重缩短加工时间；因此市场上需要一种低内应
力的金刚石涂层刀具。
金刚石涂层常采用的制备方法有微波等离子化学气相沉积、热丝化学气相沉积、
直流等离子体法等。但是，随着研究和应用的进一步深入，发现随着金刚石晶粒尺寸的减
小，涂层中的非金刚石相逐渐增多，硬度下降。同时,由于金刚石强的共价键特征以及HFCVD
的涂层工艺特点，使得制得的金刚石涂层存在涂层应力高、韧性差、易氧化的缺点，降低了
金刚石涂层的使用性能。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种层间结合力强、内应力低及
抗冲击性能高的金刚石/金属碳化物复合涂层及其制备方法和应用。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种金刚石/金属碳化物复合涂
层的制备方法，它包括以下步骤：
（1）采用化学气相沉积法在预沉积基体表面进行至少一次的依次沉积微米晶金刚石涂
层和纳米晶金刚石涂层的步骤，制得沉积金刚石基体；
（2）采用真空热镀法在所述沉积金刚石基体表面沉积一层金属层并进行热处理，从而
制得金刚石/金属碳化物复合涂层。
其中，所述微米晶金刚石涂层中金刚石粒径为0.1微米～0.5微米；所述纳米晶金
刚石涂层中金刚石粒径为1纳米～300纳米。
基于上述，所述步骤（2）中的金属层包括钛层、钨层、锆层、铬层或钒层。
基于上述，所述步骤（2）包括：首在先真空度小于0.7 Pa条件下，采用真空蒸镀法
在所述纳米晶金刚石表面沉积一层厚度为0.5微米～1微米的金属层；然后在850℃～920℃
条件下对表面沉积有金属层的所述沉积金刚石基体进行真空热处理30分钟～60分钟，使所
述金属层与所述纳米晶金刚石涂层发生界面反应生成金属碳化物涂层，从而制得金刚石/
金属碳化物复合涂层。需要说明的是，在沉积在所述纳米晶金刚石表面的所述金属层厚度
较厚时，所述金属层与所述纳米晶金刚石层发生界面反应后，会残留一层未反应的金属层，
从而在所述金属碳化物涂层表面还存在有一层金属层。
基于上述，所述步骤（1）还包括采用超纳米金刚石悬浮液和去钴溶液对所述基体
进行预处理的步骤，其中，控制经去钴溶液处理后所述基体表面的钴含量为4%～6%，其中所
述超纳米金刚石悬浮液是平均粒径为4～50nm的超纳米金刚石颗粒悬浮在电阻率大于15M
Ω·cm的去离子水中制得的。
基于上述，所述步骤（1）中，进行沉积微米晶金刚石涂层和纳米晶金刚石涂层的步
骤包括：
首先在所述预沉积基体表面温度为700℃～900℃条件下，以甲烷气体和氢气为反应气
体进行沉积微米晶金刚石反应，从而在所述预处理沉积基体表面沉积一层厚度为2微米～3
微米的微米晶金刚石涂层；其中，控制氢气体积百分数为98.5%～99.5%、甲烷体积百分数为
0.5%～1.5%、反应压力为0.03 MPa～0.1 MPa；
然后在表面沉积有所述微米晶金刚石涂层的所述预处理沉积基体的表面温度为750℃
～900℃条件下，以甲烷气体、氧气和氢气为反应气体进行沉积纳米晶金刚石反应，从而在
所述微米晶金刚石涂层表面沉积一层厚度为2微米～3微米的纳米晶金刚石涂层；其中，控
制所述氢气体积百分数为97.5%～98.5%、甲烷体积百分数为0.5%～1.5%、氧气的体积百分
数为1.0%～1.5%。
本发明还提供一种由上述制备方法制得的金刚石/金属碳化物复合涂层，它包括
至少一组复合金刚石涂层结构单元，所述复合金刚石涂层结构单元包括微米晶金刚石涂层
和沉积在所述微米晶金刚石涂层表面的纳米晶金刚石涂层；在最外侧的所述纳米晶金刚石
涂层一侧表面还沉积有金属碳化物涂层。
基于上述，所述金属碳化物涂层表面还设置有金属层。
基于上述，所述金属碳化物涂层包括碳化钛涂层、碳化钨涂层、碳化锆涂层、碳化
铬涂层和碳化钒涂层。
本发明还提供一种上述金刚石/金属碳化物复合涂层的应用，其特征在于，所述金
刚石/金属碳化物复合涂层应用在超硬材料刀具、模具或机械零部件上。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明在
预沉积基体上依次生长微米晶金刚石涂层和纳米晶金刚石涂层，从而避免了由于同一类型
的金刚石涂层应力集中而出现的裂纹现象；在最外侧纳米晶金刚石涂层表层沉积的一层金
属涂层经热处理后，它能够均匀渗透至金刚石涂层的微裂纹、缺陷以及微小空洞之中并与
金刚石发生反应生成金属碳化物层，提高了金刚石涂层的热稳定性，从而使得由其制备的
金刚石刀具具有良好的抗冲击性和静压强度；另一方面，金属碳化物涂层不易被氧化，隔绝
了金刚石涂层与氧气的接触，提高了金刚石刀具抗氧化性能。因此具有该金刚石/金属碳化
物复合涂层的刀具更加适合对不易加工材料的加工。
附图说明
图1是实施例1中的由金刚石/金属碳化物复合涂层制得的超硬材料刀具结构示意
图。
图2是实施例2中的由金刚石/金属碳化物复合涂层制得的超硬材料刀具结构示意
图。
图3是实施例3中的由金刚石/金属碳化物复合涂层制得的超硬材料刀具结构示意
图。
图中：1、复合金刚石涂层结构单元；101、微米晶金刚石涂层；102、纳米晶金刚石涂
层；2、金属碳化物涂层；3、硬质合金基体。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种金刚石/金属碳化物复合涂层的制备方法，它包括以下步骤：
（1）首先采用超纳米金刚石悬浮液清洗表面待沉积金刚石/金属碳化物复合涂层的基
体，干燥后再经喷砂处理去除所述基体表面的缺陷、氧化层和其他杂质；然后将处理后的所
述待沉积基体置于去钴溶液中控制其表面的钴含量控制在6%得到预处理沉积基体。
（2）将所述预处理沉积基体置于化学气相沉积设备中，控制化学气相沉积设备型
腔真空度小于0.1 pa，然后向型腔中通入氢气并加热，当所述预处理沉积基体表面温度为
900℃时，向型腔中通入甲烷气体进行沉积微米晶金刚石涂层反应，从而在所述预处理沉积
基体表面沉积一层厚度为3微米的微米晶金刚石涂层；其中，控制氢气体积百分数为98.5%、
甲烷体积百分数为1.5%、设备型腔中的压力为0.1 MPa、反应时间为3.5小时；
将所述化学气相沉积设备冷却至室温后，重复上述抽真空、通氢气和甲烷的步骤，并在
通入甲烷气体后向所述设备型腔中通入氧气进行沉积纳米晶金刚石涂层反应；其中，控制
所述氢气体积百分数为97.5%、甲烷体积百分数为1.5%、氧气的体积百分数为1.0%、设备型
腔压力为0.03 MPa、沉积时间为1.5小时，从而在所述微米晶金刚石涂层表面沉积一层厚度
为2微米的纳米晶金刚石涂层，从而制得沉积金刚石基体。
（3）将所述沉积金刚石基体置于真空蒸发镀膜设备中在所述纳米晶金刚石表面沉
积一层金属钛层；其中，控制蒸发电流为50 A、载物台转速为400转/分钟，沉积时间为5分
钟、钛丝纯度为99.99%、蒸发源纯度为99.95%、真空蒸发镀膜设备型腔真空度为0.7 Pa；
然后将表面沉积有金属钛层的沉积基体放入真空热处理炉中，在温度为920℃条件下
对其进行真空热处理30分钟，使纳米晶金刚石涂层与金属钛层发生界面反应生成碳化钛涂
层，从而制得金刚石/碳化钛复合涂层。
本实施例还提供一种由上述制备方法制得的金刚石/金属碳化物复合涂层，其结
构如图1所示，它包括一组复合金刚石涂层结构单元1，所述复合金刚石涂层结构单元1包括
微米晶金刚石涂层101和生长在所述微米晶金刚石涂层1表面的纳米晶金刚石涂层102；在
最外侧的所述纳米晶金刚石涂层102一侧表面还生长有金属碳化物涂层2；本实施例中所述
金属碳化物涂层2为碳化钛涂层。优选地，所述金刚石/金属碳化物复合涂层设置在硬质合
金基体3上。
本发明还提供一种所述提供的金刚石/金属碳化物复合涂层的应用，所述金刚石/
金属碳化物复合涂层应用在超硬材料刀具上。
实施例2
本实施例提供一种金刚石/金属碳化物复合涂层的制备方法，具体步骤与实施例1中的
步骤大致相同，不同之处在于本实施例的步骤（2）为：将所述预处理沉积基体置于化学气相
沉积设备中，控制化学气相沉积设备型腔真空度小于0.1pa，然后向型腔中通入氢气并加热
至所述预处理沉积基体表面温度为700℃时，向型腔中通入甲烷气体进行沉积微米晶金刚
石涂层反应，其中，控制氢气体积百分数为98.5%、甲烷体积百分数为1.5%、设备型腔中的压
力为0.03 MPa、反应时间为3.5小时，从而在所述预处理沉积基体表面沉积一层厚度为2微
米的微米晶金刚石涂层；
将所述化学气相沉积设备冷却至室温后，重复上述抽真空、通氢气和甲烷的步骤，并在
通入甲烷气体后向所述设备型腔中通入氧气进行沉积纳米晶金刚石涂层反应；其中，控制
所述氢气体积百分数为97.5%、甲烷体积百分数为1.5%、氧气的体积百分数为1.0%、设备型
腔压力为0.03 MPa、沉积时间为1小时，从而在所述微米晶金刚石涂层表面沉积一层厚度为
2微米的纳米晶金刚石涂层；
重复上述沉积微米晶金刚石涂层和纳米晶金刚石涂层步骤，在所述预处理沉积基体表
面沉积两组所述复合金刚石涂层结构单元，从而制得沉积金刚石基体。
所述步骤（3）中沉积在最外侧的所述复合金刚石涂层结构单元表面为一层金属钨
层，将表面沉积有金属钨的沉积基体放入真空热处理炉中，在温度为850℃条件下对其进行
真空热处理60分钟，使纳米晶金刚石涂层与金属钨发生界面反应生成碳化物涂层，从而制
得金刚石/碳化钨复合涂层。
本实施例提供一种由上述制备方法制得的金刚石/金属碳化物复合涂层，其结构
如图1所示，具体结构与实施例1中的结构大致相同，不同之处在于：本实施例中所述金属碳
化物涂层2为碳化钨涂层，且所述金刚石/碳化钛涂层复合涂层具有两组所述复合金刚石涂
层结构单元1，具体结构如图2所示，它包括硬质合金基体3和沉积在所述硬质合金基体3表
面的两组复合金刚石涂层结构单元1，所述金属碳化物涂层2设置在最外侧的所述复合金刚
石涂层结构单元1的表面。
本发明还提供一种所述提供的金刚石/金属碳化物复合涂层的应用，所述金刚石/
金属碳化物复合涂层应用在超硬材料刀具上。
实施例3
本实施例提供一种金刚石/金属碳化物复合涂层的制备方法，具体步骤与实施例1中的
步骤大致相同，不同之处在于本实施例的步骤（2）在所述微米晶金刚石涂层表面沉积一层
厚度为2微米的纳米晶金刚石涂层之后，进行重复上述沉积微米晶金刚石涂层和纳米晶金
刚石涂层步骤，从而在所述预处理沉积基体表面沉积三组所述复合金刚石涂层结构单元，
从而制得沉积金刚石基体。
所述步骤（3）中沉积在最外侧的所述复合金刚石涂层结构单元表面为一层金属钒
层，将表面沉积有金属钒的沉积基体放入真空热处理炉中，在温度为850℃条件下对其进行
真空热处理60分钟，使纳米晶金刚石涂层与金属钒发生界面反应生成碳化物涂层，从而制
得金刚石/碳化钒复合涂层。
本实施例提供一种由上述制备方法制得的金刚石/金属碳化物复合涂层，具体结
构与实施例1中的结构大致相同，不同之处在于：本实施例中所述金属碳化物涂层2为碳化
钒涂层，且所述金刚石/碳化钒复合涂层具有三组所述复合金刚石涂层结构单元1，具体结
构如图3所示，它包括硬质合金基体3和沉积在所述硬质合金基体3表面的三复合金刚石涂
层结构单元1，所述金属碳化物涂层2设置在最外侧的所述复合金刚石涂层结构单元1的表
面。
本发明还提供一种所述提供的金刚石/碳化钒复合涂层的应用，所述金刚石/金属
碳化物复合涂层应用在超硬材料刀具上。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽
管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然
可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发
明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。