使用电子束切割超硬材料的方法和一系列束扫描速度技术

一种使用电子束(6)切割超硬材料(8)的方法，其中所述电子束(6)被引导到所述超硬材料(8)的表面上并且相对于所述表面移动，使得所述电子束(6)以100-5000mms-1范围内的电子束扫描速度在整个所述超硬材料(8)的表面上移动以切割所述超硬材料(8)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用电子束切割超硬材料的方法
本专利技术涉及超硬材料的切割。
技术介绍
在本专利技术中，超硬材料被定义为具有不小于2000kg/mm2维氏硬度的那些材料。这些材料包括一系列金刚石材料、立方氮化硼材料(cBN)、蓝宝石和包括上述材料的复合材料。例如，金刚石材料包括各种等级的化学气相沉积的(CVD)单晶和多晶合成金刚石材料、各种等级的高压高温(HPHT)合成金刚石材料、天然金刚石材料和例如包括金属粘结相的多晶金刚石(PCD)或包括硅/碳化硅粘结相的硅烧结金刚石(ScD)的金刚石复合材料。关于上述内容，应注意，虽然超硬材料非常硬，它们通常都非常脆并且韧度低。这样，众所周知，这些材料难以切割。任何切割方法必须足够超强(aggressive)以克服材料的极端硬度来形成切口，而同时由于材料的易碎属性和低韧度，不能对材料施加将引起材料明显破裂的大程度的压力或热冲击。这样，存在用于成功实现切割超硬材料的窄的操作窗口，并且许多可用的切割方法超出该操作窗口。例如，大多数切割方法在合理的时间期限内不会足够超强以将超硬材料切割至达到一定程度。相反地，更超强的切割技术倾向于对超硬材料施加过多的应力和/或热冲击，因此造成裂纹和材料破损。此外，一些切割方法具有能被改变的运行参数，从而从获得没有明显切割超硬材料的制度变成实现切割但存在与超硬材料相关的裂缝和破损的制度。在这种情况下，可以存在或不存在能够实现切割但不存在超硬材料的裂缝和破损的参数空间的过渡窗口。在能够实现切割但不存在超硬材料的裂缝和破损的参数空间的合适窗口内操作的能力将取决于切割技术、针对这种技术的任何过渡操作窗口的尺寸和能够在可以实现切割但不存在超硬材料的裂缝和破损的参数空间的窗口内保持切割的操作参数控制的水平。鉴于上述情况，应当理解，超硬材料的切割不是一个简单的过程，虽然研究的主要主体旨在该问题，但是现在的切割方法仍然相对耗时且价格昂贵，且切割成本占超硬材料产品的生产成本相当大的比例。用以下一种或更多种工具切割超硬材料：(ⅰ)针对例如掺杂的CVD合成金刚石、掺杂的HPHT合成金刚石和掺杂的cBN产品的导电材料的电线EDM(电火花加工)机；(ⅱ)针对例如未掺杂的CVD合成金刚石，未掺杂的HPHT合成金刚石和未掺杂的cBN产品的电绝缘材料的高功率激光；或(ⅲ)通常浸有例如金刚石的其它超硬材料的切割锯。EDM切割对导电材料有效的，但不能在任何绝缘材料上使用。传统锯能够用于提供小切口，但当用于批量处理时，时间和成本效率不高，并且难以提供深度深的好的切口。为了用激光获得有效的切割，光束需要被聚焦于一个小的，非常强的点。虽然聚焦的光束是非常适合于相对薄的制品，但是由于光束发散的事实，切口损失从相对大的起始光束向下集中，导致当切割较厚的材料时存在大量的材料浪费，并延长了激光切割时间。当大的、单晶CVD合成金刚石或cBN的小块需要被切割成相对薄的晶片时，这成为主要问题。理想地，用于切割超硬材料的任何方法将提供以下特征的组合：(ⅰ)低截口损失，例如使用高度准直的切割光束；(ⅱ)高速切割速率和缩短的切割时间；(ⅲ)高度灵活性使得切割技术可应用于各种超硬材料；(ⅳ)高度的可控性以实现切割位置、切割速度、切割深度和切割宽度的精确控制；和(ⅴ)低程度的材料破损以达到切割超硬材料而不会造成例如材料的裂纹的损坏。上述有益的技术特征，也必须与在商业过程中使用的任何切割技术的经济可行性相平衡。经济可行性将取决于：(ⅰ)初始硬件成本；和(ⅱ)操作成本包括：a.例如电力和燃气供应的消耗品的成本；b.保养的成本和切割装置的寿命，这在一定程度上将取决于切割装置的复杂性和可靠性；c.操作切割时间与停机时间的对比，这将取决于在切割操作之间设置切割装置所需的时间；和d.人员成本，例如如果需要熟练的操作者来运行装置，这再一次将在一定程度上取决于切割装置的复杂性和可靠性。考虑到超硬材料的商业切割步骤的上述要求，EDM切割已经成为导电超硬材料的产业标准，而高功率激光已经成为用于切割电绝缘超硬材料的产业标准。而高功率激光也可以用于切割导电超硬材料，当与激光切割相比时，由于减少的资本和运行成本，EDM切割通常是优选的。本专利技术的专利技术人重新考虑了切割超硬材料的问题，以评估与广为接受的产业标准相比，是否存在可以提供改进的性能的任何另选方案。在这方面，本专利技术的专利技术人已经确定，电子束切割具有胜过高功率激光的潜力。如上所述，高功率激光遭受截口损失和相对慢的切割速率的问题，特别是当切割厚的超硬材料时，由于发散光束的应用更是如此。相反，电子束可以被制成具有非常小的光斑尺寸的高度准直(即，高亮度光束)，因此提供了用于减少截口损失的切割的潜能，并且潜在地切割速率更快。在启动评估电子束用于切割超硬材料的可行性的研究项目后，本专利技术的专利技术人发现超硬材料的电子束切割已经早在20世纪60年代，在广泛使用高功率激光并且建立激光作为切割电绝缘超硬材料的行业标准之前就被提出。例如，于1965年提交的US3,417,222公开了一种用于切割超硬材料的电子束的技术。此外，US3,417,222给出了关于为什么电子束技术没有被接受作为行业标准且最终被下文讨论的高功率激光取代的一些提示。在高功率激光可用以前，用于处理电绝缘超硬材料的方法通常限于劈、锯、研磨和抛光。US3,417,222公开了电子束切割技术也被设计用于切割例如金刚石的超硬材料。US3,417,222还公开了电子束切割技术包括复杂和昂贵的装置，这限制了在商业上接受这种技术。例如，其公开了当时可用的典型的电子束装置需要使用多腔室真空容器和复杂的真空抽吸系统。据说，这种设备是昂贵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观察和控制切割动作的时间很少。由于上述内容，US3,417,222建议使用更简单的电子束装置的设计，该设计使用由单个真空抽吸系统提供服务的单腔室真空系统。但是，本专利技术的专利技术人注意到，任何这样的真空系统提高了复杂性和成本的级别，激光技术不需要这种级别，并且推测这是为什么激光技术似乎完全取代电子束技术来切割例如金刚石的超硬材料的关键原因。在这方面，可以注意的是，电子束切割从未被广泛接受作为商业切割超硬材料的合适选择并且激光切割已变得普遍存在，许多当时撰写该说明书的切割超硬材料领域的技术人员不知道关于使用电子束来切割超硬材料的早期工作。尽管如此，看上去，US3,417,222建议使用它们的电子束切割技术的一些合理的良好的切割性能。在US3,417,222中描述的装置被设置成提供在安装在可移动台上的特别合适的钳中保持的材料样本上的点聚焦的电子束。切割通过移动台实现，使得所述材料样本相对于电子束移动。提供气体喷枪来将气流引导到材料样本上的电子束聚焦点。描述了气体流改善切割的质量和切割速率。提供了使用氧气流切割金刚石材料的一个示例。据说，在电子束聚焦点提供氧气流能够将金刚石的切割速率提高5倍并且使用这种技术在约10分钟内能够切开1克拉宝石，而不是使用常规的锯所需的长达8小时的时间。当与不用氧气流的可比较的电子束切割技术进行比较时，对于使用氧气流的电子束切割技术，鉴于报道的切割速度5倍的提高，这将表明不使用氧气流的技术在约50分钟内可切开1克拉宝石。在这方面，有趣的是要注意，使用高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用电子束切割超硬材料的方法，其中所述电子束被引导到所述超硬材料的表面上并且相对于所述表面移动，使得所述电子束以100‑5000mms‑1范围内的电子束扫描速度在整个所述超硬材料的表面上移动以切割所述超硬材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.08.23 GB 1215002.5;2012.08.23 US 61/692,4691.一种使用电子束切割超硬材料的方法，其中所述电子束被引导到所述超硬材料的表面上并且相对于所述表面移动，使得所述电子束以100-5000mms-1范围内的电子束扫描速度在整个所述超硬材料的表面上移动以切割所述超硬材料，其中所述电子束具有5mA至120mA范围内的束电流，其中所述电子束具有在10kV至200kV范围内的加速电压，其中所述电子束在所述超硬材料的接触点处具有不超过500μm的光斑尺寸，所述电子束具有由(加速电压×束电流)/(电子束扫描速度)定义的在500至30000Jm-1范围内的输入线能量，其中所述电子束具有由(加速电压×束电流)/(电子束扫描速度×束宽度)定义的在10至600MJm-2范围内的表面能量密度，其中所述电子束应用由(加速电压×束电流)/(电子束扫描速度×切口的截面面积)定义的在100至2500GJm-3范围内的每单位体积超硬材料发散的能量。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电子束是准直的且半角发散不超过5度。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述电子束扫描速度不小于200mms-1。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述电子束扫描速度不超过4500mms-1。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述束电流不小于10mA。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述束电流不超过110mA。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述加速电压不小于15kV。8....

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托弗·约翰·霍华德·沃特，
申请(专利权)人：第六元素科技有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB