使用電子束切割超硬材料的方法和一系列束掃描速度的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及切割超硬材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在本發(fā)明中，超硬材料被定義為具有不小于2000kg/mm2維氏硬度的那些材料。這 些材料包括一系列金剛石材料、立方氮化硼材料（cBN)、藍(lán)寶石和包括上述材料的復(fù)合材 料。例如，金剛石材料包括各種等級(jí)的化學(xué)氣相沉積的（CVD)單晶和多晶合成金剛石材料、 各種等級(jí)的高壓高溫（HPHT)合成金剛石材料、天然金剛石材料和例如包括金屬粘結(jié)相的 多晶金剛石（PCD)或包括硅/碳化硅粘結(jié)相的硅燒結(jié)金剛石（ScD)的金剛石復(fù)合材料。
[0003] 關(guān)于上述內(nèi)容，應(yīng)注意，雖然超硬材料非常硬，它們通常都非常脆并且韌度低。這 樣，眾所周知，這些材料難以切割。任何切割方法必須足夠超強(qiáng)（aggressive)以克服材料 的極端硬度來形成切口，而同時(shí)由于材料的易碎屬性和低韌度，不能對(duì)材料施加將引起材 料明顯破裂的大程度的壓力或熱沖擊。這樣，存在用于成功實(shí)現(xiàn)切割超硬材料的窄的操作 窗口，并且許多可用的切割方法超出該操作窗口。例如，大多數(shù)切割方法在合理的時(shí)間期限 內(nèi)不會(huì)足夠超強(qiáng)以將超硬材料切割至達(dá)到一定程度。相反地，更超強(qiáng)的切割技術(shù)傾向于對(duì) 超硬材料施加過多的應(yīng)力和/或熱沖擊，因此造成裂紋和材料破損。此外，一些切割方法具 有能被改變的運(yùn)行參數(shù)，從而從獲得沒有明顯切割超硬材料的制度變成實(shí)現(xiàn)切割但存在與 超硬材料相關(guān)的裂縫和破損的制度。在這種情況下，可以存在或不存在能夠?qū)崿F(xiàn)切割但不 存在超硬材料的裂縫和破損的參數(shù)空間的過渡窗口。在能夠?qū)崿F(xiàn)切割但不存在超硬材料的 裂縫和破損的參數(shù)空間的合適窗口內(nèi)操作的能力將取決于切割技術(shù)、針對(duì)這種技術(shù)的任何 過渡操作窗口的尺寸和能夠在可以實(shí)現(xiàn)切割但不存在超硬材料的裂縫和破損的參數(shù)空間 的窗口內(nèi)保持切割的操作參數(shù)控制的水平。
[0004] 鑒于上述情況，應(yīng)當(dāng)理解，超硬材料的切割不是一個(gè)簡單的過程，雖然研宄的主要 主體旨在該問題，但是現(xiàn)在的切割方法仍然相對(duì)耗時(shí)且價(jià)格昂貴，且切割成本占超硬材料 產(chǎn)品的生產(chǎn)成本相當(dāng)大的比例。
[0005] 用以下一種或更多種工具切割超硬材料：
[0006] ⑴針對(duì)例如摻雜的CVD合成金剛石、摻雜的HPHT合成金剛石和摻雜的CBN產(chǎn)品 的導(dǎo)電材料的電線EDM(電火花加工）機(jī)；
[0007] (ii)針對(duì)例如未摻雜的CVD合成金剛石，未摻雜的HPHT合成金剛石和未摻雜的 cBN產(chǎn)品的電絕緣材料的高功率激光；或
[0008] (iii)通常浸有例如金剛石的其它超硬材料的切割鋸。
[0009] EDM切割對(duì)導(dǎo)電材料有效的，但不能在任何絕緣材料上使用。傳統(tǒng)鋸能夠用于提供 小切口，但當(dāng)用于批量處理時(shí)，時(shí)間和成本效率不高，并且難以提供深度深的好的切口。為 了用激光獲得有效的切割，光束需要被聚焦于一個(gè)小的，非常強(qiáng)的點(diǎn)。雖然聚焦的光束是非 常適合于相對(duì)薄的制品，但是由于光束發(fā)散的事實(shí)，切口損失從相對(duì)大的起始光束向下集 中，導(dǎo)致當(dāng)切割較厚的材料時(shí)存在大量的材料浪費(fèi)，并延長了激光切割時(shí)間。當(dāng)大的、單晶 CVD合成金剛石或cBN的小塊需要被切割成相對(duì)薄的晶片時(shí)，這成為主要問題。
[0010] 理想地，用于切割超硬材料的任何方法將提供以下特征的組合：
[0011] (i)低截口損失，例如使用高度準(zhǔn)直的切割光束；
[0012] (ii)高速切割速率和縮短的切割時(shí)間；
[0013] (iii)高度靈活性使得切割技術(shù)可應(yīng)用于各種超硬材料；
[0014] (iv)高度的可控性以實(shí)現(xiàn)切割位置、切割速度、切割深度和切割寬度的精確控制； 和
[0015] (V)低程度的材料破損以達(dá)到切割超硬材料而不會(huì)造成例如材料的裂紋的損壞。
[0016] 上述有益的技術(shù)特征，也必須與在商業(yè)過程中使用的任何切割技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性 相平衡。經(jīng)濟(jì)可行性將取決于：
[0017] ⑴初始硬件成本；和
[0018] (ii)操作成本包括：
[0019] a.例如電力和燃?xì)夤?yīng)的消耗品的成本；
[0020] b.保養(yǎng)的成本和切割裝置的壽命，這在一定程度上將取決于切割裝置的復(fù)雜性和 可靠性；
[0021] c.操作切割時(shí)間與停機(jī)時(shí)間的對(duì)比，這將取決于在切割操作之間設(shè)置切割裝置所 需的時(shí)間；和
[0022] d.人員成本，例如如果需要熟練的操作者來運(yùn)行裝置，這再一次將在一定程度上 取決于切割裝置的復(fù)雜性和可靠性。
[0023] 考慮到超硬材料的商業(yè)切割步驟的上述要求，EDM切割已經(jīng)成為導(dǎo)電超硬材料的 產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而高功率激光已經(jīng)成為用于切割電絕緣超硬材料的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。而高功率激光也 可以用于切割導(dǎo)電超硬材料，當(dāng)與激光切割相比時(shí)，由于減少的資本和運(yùn)行成本，EDM切割 通常是優(yōu)選的。
[0024] 本發(fā)明的發(fā)明人重新考慮了切割超硬材料的問題，以評(píng)估與廣為接受的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 相比，是否存在可以提供改進(jìn)的性能的任何另選方案。在這方面，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)確 定，電子束切割具有勝過高功率激光的潛力。如上所述，高功率激光遭受截口損失和相對(duì)慢 的切割速率的問題，特別是當(dāng)切割厚的超硬材料時(shí)，由于發(fā)散光束的應(yīng)用更是如此。相反， 電子束可以被制成具有非常小的光斑尺寸的高度準(zhǔn)直（即，高亮度光束），因此提供了用于 減少截口損失的切割的潛能，并且潛在地切割速率更快。
[0025] 在啟動(dòng)評(píng)估電子束用于切割超硬材料的可行性的研宄項(xiàng)目后，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā) 現(xiàn)超硬材料的電子束切割已經(jīng)早在20世紀(jì)60年代，在廣泛使用高功率激光并且建立激光 作為切割電絕緣超硬材料的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之前就被提出。例如，于1965年提交的US 3, 417, 222 公開了一種用于切割超硬材料的電子束的技術(shù)。此外，US 3, 417,222給出了關(guān)于為什么電 子束技術(shù)沒有被接受作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)且最終被下文討論的高功率激光取代的一些提示。
[0026] 在高功率激光可用以前，用于處理電絕緣超硬材料的方法通常限于劈、鋸、研磨和 拋光。US 3, 417, 222公開了電子束切割技術(shù)也被設(shè)計(jì)用于切割例如金剛石的超硬材料。US 3, 417, 222還公開了電子束切割技術(shù)包括復(fù)雜和昂貴的裝置，這限制了在商業(yè)上接受這種 技術(shù)。例如，其公開了當(dāng)時(shí)可用的典型的電子束裝置需要使用多腔室真空容器和復(fù)雜的真 空抽吸系統(tǒng)。據(jù)說，這種設(shè)備是昂貴的且其的成功操作需要操作者非常注意以控制真空泵 使得可用于觀察和控制切割動(dòng)作的時(shí)間很少。
[0027] 由于上述內(nèi)容，US 3, 417, 222建議使用更簡單的電子束裝置的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)使用 由單個(gè)真空抽吸系統(tǒng)提供服務(wù)的單腔室真空系統(tǒng)。但是，本發(fā)明的發(fā)明人注意到，任何這樣 的真空系統(tǒng)提高了復(fù)雜性和成本的級(jí)別，激光技術(shù)不需要這種級(jí)別，并且推測(cè)這是為什么 激光技術(shù)似乎完全取代電子束技術(shù)來切割例如金剛石的超硬材料的關(guān)鍵原因。在這方面， 可以注意的是，電子束切割從未被廣泛接受作為商業(yè)切割超硬材料的合適選擇并且激光切 割已變得普遍存在，許多當(dāng)時(shí)撰寫該說明書的切割超硬材料領(lǐng)域的技術(shù)人員不知道關(guān)于使 用電子束來切割超硬材料的早期工作。
[0028] 盡管如此，看上去，US 3, 417, 222建議使用它們的電子束切割技術(shù)的一些合理的 良好的切割性能。在US 3, 417, 222中描述的裝置被設(shè)置成提供在安裝在可移動(dòng)臺(tái)上的特 別合適的鉗中保持的材料樣本上的點(diǎn)聚焦的電子束。切割通過移動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)，使得所述材料 樣本相對(duì)于電子束移動(dòng)。提供氣體噴槍來將氣流引導(dǎo)到材料樣本上的電子束聚焦點(diǎn)。描述 了氣體流改善切割的質(zhì)量和切割速率。提供了使用氧氣流切割金剛石材料的一個(gè)示例。據(jù) 說，在電子束聚焦點(diǎn)提供氧氣流能夠?qū)⒔饎偸那懈钏俾侍岣?倍并且使用這種技術(shù)在約 10分鐘內(nèi)能夠切開1克拉寶石，而不是使用常規(guī)的鋸所需的長達(dá)8小時(shí)的時(shí)間。當(dāng)與不用 氧氣流的可比較的電子束切割技術(shù)進(jìn)行比較時(shí)，對(duì)于使用氧氣流的電子束切割技術(shù)，鑒于 報(bào)道的切割速度5倍的提高，這將表明不使用氧氣流的技術(shù)在約50分鐘內(nèi)可切開1克拉寶 石。在這方面，有趣的是要注意，使用高功率激光的等效切割過程大約需要40分鐘，該時(shí)間 處于使用氧氣流或不使用氧氣流的兩個(gè)電子束切割時(shí)間中間。
[0029] 鑒于上述情況，看上去，雖然在相同的10分鐘的數(shù)量級(jí)中，但是使用氧氣流的電 子束切割技術(shù)比大功率激光技術(shù)稍快。據(jù)推測(cè)，當(dāng)與高功率激光相比，電子束技術(shù)這種明顯 的切割率的優(yōu)勢(shì)不足以抵消較高的成本和與電子束切割技術(shù)相關(guān)