BR112013015008B1

BR112013015008B1 - Método de polimento de uma superfície de diamante

Info

Publication number: BR112013015008B1
Application number: BR112013015008-4A
Authority: BR
Inventors: Ryozo Shiroishi; Kenichi Takao
Original assignee: Toyo Seikan Group Holdings, Ltd
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2021-04-13
Also published as: WO2012090540A1; KR20130092606A; EP2660004A4; EP2660004A1; KR20150104214A; CN103282157B; BR112013015008A2; KR101785183B1; EP2660004B1; CN103282157A

Abstract

método de polimento de uma superfície de diamante a presente invenção diz respeito a um método de polimento de superfície de diamante, em que é possível reduzir a produção de pó da abrasão, aumentar a vida útil de um elemento de polimento, controlar facilmente o elemento de polimento, obter uma superfície altamente lisa e polir facilmente uma superfície tridimensional irregular. um método para polir uma superfície tridimensional irregular. um método para polir uma superfície de diamante (1a), o método sendo caracterizando em que é usado o elemento de polimento (3a) com uma superfície formada de carbono e um metal facilmente reativo ou um metal concentrado, a superfície do diamante (1a) é irradiada com feixes laser (5) antes do polimento da superfície do diamante (1a) com o elemento de polimento (3a) e o elemento de polimento (3a) é esfregado contra uma unidade de irradiação de feixe laser depois que os feixes são emitidos.

Description

Campo Técnico

[001] Esta invenção diz respeito a um método de polir a superfície de diamante e, mais especificamente, a um método de polir os vários tipos de superfícies de produto de diamante.

Fundamentos da Técnica

[002] Como é bem conhecido, o diamante, que é um cristal de carbono, tem sido usado para uma variedade de aplicações por causa de sua dureza muito alta, excelente resistência contra abrasão, bem como excelente propriedades de deslizamento, condutividade térmica e alto índice refrativo. Por exemplo, ele tem sido usado para as ferramentas para corte, tal como ferramenta de corte, fresa de topo e lima, moldes de metal para usinagem de plástico, tais como punções e matrizes, elementos de deslizamento tais como elevador de válvula e mancal, elementos de radiação de calor tal como dissipador de calor, placas de circuito eletrônico e partes óticas tais como lente e janela.

[003] A fim de que suas propriedades sejam apresentadas a um grau suficiente, esses produtos de diamante têm que ter a superfície do diamante polida para obter uma superfície lisa.

[004] A superfície do diamante era até então mecanicamente polida usando grãos ou um esmeril de diamante, exigindo períodos de tempo prolongados. Além disso, uma vez que ambos são abradados, ocorriam problemas tais como curta vida da ferramenta e de falta de adequabilidade para polimento de superfícies tridimensionais ásperas. Em um esforço de melhorar os defeitos citados, portanto, vários tipos de métodos de polimento foram atualmente propostos.

[005] O documento de patente 1, por exemplo, propõe um método de polimento que conduz ao polimento usando um elemento de polimento constituído por um metal que reage facilmente com carbono nos cristais de diamante, aplicando ondas ultrassônicas no elemento de polimento, e empurrando o elemento de polimento sobre as superfícies do diamante enquanto o elemento de polimento está passando por oscilação ultrassônica. Aqui, exemplos do metal que facilmente reagem com carbono incluem aço inoxidável contendo Fe-y, titânio (Ti), zircônio (Zr) e tântalo (Ta).

[006] O documento de patente 2 propõe um método de polimento usando, como um esmeril, um composto intermetálico de pelo menos um elemento metálico selecionado do grupo que consiste em Al, Cr, Mn, Fe, Co e Ni e pelo menos um elemento metálico selecionado do grupo que consiste em Zr, Hf, V, Nb, Mo, Ta e W, e empurrando o esmeril sobre a superfície do diamante que está movendo em relação a ele, ao mesmo tempo, quando necessário, aquecendo o esmeril a 100 a 800°C.

[007] O documento de patente 3 propõe um método de polir a superfície do diamante focando o feixe laser na superfície do diamante.

[008] O documento de patente 4 propõe um método de polir um filme de diamante deslizando um metal e o diamante um em relação ao outro em um ponto onde os dois fazem contato entre si, ainda variando continuamente a temperatura em uma faixa de 700°C a 1.000°C na porção onde o metal e o diamante estão em contato um com o outro.

[009] O documento JPH08175826 propõe um método para polir um filme de diamante pré-formando um filme fino metálico em uma superfície de diamante, colocando uma ferramenta metálica em contato com o filme fino metálico e polindo. Documentos da Tecnologia Anterior Documentos de Patente: - Documento de patente 1: JP-A-2005-231022; - Documento de patente 2: JP-A-2001-198833; - Documento de patente 3: JP-A-6-170571; - Documento de patente 4: JP-A-314299.

Descrição da Invenção Problemas que a Invenção Deve Solucionar

[0010] Os métodos propostos pela tecnologia anterior, entretanto, ainda deixa problemas que têm que ser solucionados, e deseja-se que haja melhorias.

[0011] Por exemplo, o método propostos pelo documento de patente 1 executa o polimento fazendo com que o metal constituinte do elemento de polimento passe por reação química com carbono na superfície do diamante utilizando o calor do atrito produzido pela oscilação ultrassônica. Mediante utilização do calor de atrito produzido pela oscilação ultrassônica, entretanto, a temperatura tem que ser controlada com base na frequência e na força de aperto, envolvendo grande dificuldade, e não é fácil conduzir o polimento mantendo estabilidade e eficiência constante.

[0012] Mediante utilização do calor de atrito, adicionalmente, a eficiência energética é baixo e, para elevar a temperatura, o elemento de polimento tem que ser empurrado sobre a superfície do diamante com uma força considerável. Além disso, a dureza do metal constituinte do elemento de polimento é muito menor que a do diamante. Dessa forma, o elemento de polimento abrade visivelmente e tem apenas uma curta vida.

[0013] Além disso, uma vez que o elemento de polimento tem que ser empurrado sobre a superfície do diamante com uma força de compressão considerável, a máquina de polimento e, especificamente, os entornos do elemento de polimento têm que ter uma maior robustez, resultando em um aumento no tamanho do aparelho.

[0014] De acordo com o método proposto no documento de patente 2, o polimento é realizado usando um esmeril que contém como grãos um composto intermetálico muito duro. Entretanto, o uso do composto intermetálico especial aumenta surpreendentemente o custo. Adicionalmente, uma vez que o polimento é conduzido empurrando o composto intermetálico duro (dureza Hv 500 a 1.000) sobre a superfície do diamante, é gerado muito pó abradado por causa da abrasão de grãos. Além disso, as superfícies do pó são alta e quimicamente ativas e, portanto, o pó abradado que é gerado pode causar ignição e explosão. Além disso, o polimento mecânico empurrando o esmeril sobre a superfície do diamante precisa do aparelho, que tende ser volumoso.

[0015] De acordo com o método proposto no documento de patente 3, o polimento é conduzido gaseificando carbono na superfície do diamante pelo aquecimento usando um feixe laser. Entretanto, o feixe laser tem que ser emitido de maneira ser focalizado em uma porção convexa na superfície do diamante, e é muito difícil controlar a emissão do feixe laser. Portanto, continua existir o problema em que é necessário um período de tempo muito prolongado para polir um material com uma área que é grande até um certo ponto (por exemplo, diversas dezenas de centímetros quadrados, ou mais).

[0016] De acordo com o método proposto no documento de patente 4, o polimento é conduzido deslizando o metal e o diamante um em relação ao outro em uma porção onde eles estão em contato um com o outro, ainda variando continuamente a temperatura em uma faixa de 700°C a 1.000°C na porção onde eles estão em contato um com o outro. De acordo com este método, o aquecimento é conduzido por um aquecedor e a temperatura não pode ser instantaneamente variada, impondo limitação sobre o ajuste da quantidade de polimento. De acordo com o documento de patente 4, adicionalmente, o elemento de polimento é feito em uma forma esférica para impedir desvio de abrasão, e é rotacionado a uma baixa velocidade. Quando o eixo de rotação é fixo, entretanto, o mesmo estado de contato pode ser mantido somente uma vez. Quando se tenta utilizar uma superfície maior, portanto, o eixo de rotação tem que ser livremente variado, fazendo com que o aparelho fique complexo.

[0017] Portanto, é um objetivo da presente invenção prover um método de polimento da superfície do diamante que gera menos pó abradido, permite que o elemento de polimento mantenha uma vida prolongada e seja facilmente controlado, possibilita obter a superfície de um alto grau de suavidade, e pode ser facilmente aplicado para polir superfície tridimensional áspera também.

[0018] Um outro objetivo da presente invenção é prover um método de polir a superfície do diamante que é capaz de conduzir o polimento sem usar um material caro obtido por um método de produção especial, tal como composto intermetálico, mas usando um elemento de polimento formado usando um metal simples barato. Meios para Solucionar os Problemas De acordo com a presente invenção, é provido um método de polimento de uma superfície de diamante que consiste em: usar um elemento de polimento que tem uma forma linear, tipo correia ou tipo haste e tem uma superfície de metal que reage facilmente com carbono ou que tem uma superfície de metal carburizante; polir a superfície de diamante com o elemento de polimento; e aquecer o elemento de polimento e/ou a superfície de diamante antes do polimento com o elemento de polimento, caracterizado pelo fato de que o polimento compreende contatar a superfície de polimento do elemento de polimento com a superfície de diamante enquanto varia contínua ou intermitentemente a superfície de polimento do elemento de polimento.

[0019] Na presente invenção, o metal que reage facilmente com carbono é um metal com uma faixa de temperatura na qual uma mudança na energia livre de Gibbs (ΔG) na reação de formação de carbono assume um sinal negativo e, de forma particularmente preferível, é um metal do qual a quantidade de mudança na energia livre (ΔG) na reação de formação de carboneto não é mais que -20 kcal/mol em uma faixa de temperatura que não excede a temperatura (750 a 850°C) na qual o diamante carboniza. Quantidades de mudança na energia livre de Gibbs de vários metais na reação de formação de carboneto têm sido conhecidas, descritas, por exemplo, no Metals Data Book, quarta edição (editado pelo Japan Institute of Metals, Maruzen Co.).

[0020] Adicionalmente, o metal carburizante é um metal no qual carbono pode ser difundido e permeado a partir de sua superfície.

[0021] No método de polimento da presente invenção, é desejável que: (1) A superfície do diamante seja aquecida por uma irradiação com um feixe laser (irradiação de feixe laser) antes do polimento com o dito elemento de polimento e, após a irradiação do feixe laser, o dito polimento é conduzido friccionando a porção irradiada com feixe laser com o elemento de polimento; (2) O elemento de polimento é um que tem a superfície de metal que reage facilmente com carbono, o metal sendo Zr, Ta, Ti, W, Nb ou Al; (3) O elemento de polimento é um que tem a superfície de metal carburizante, o metal carburizante sendo Fe, Ni ou Co; e (4) A superfície do diamante é aquecida e o elemento de polimento é aquecido antes do polimento com o dito elemento de polimento.

Efeitos da Invenção

[0022] Na presente invenção, o polimento é conduzido friccionando a superfície do diamante com a superfície do elemento de polimento. Aqui, a superfície do elemento de polimento é formada de um metal que reage facilmente com carbono ou de um material carburizante, e o elemento de polimento ou a superfície do diamante é aquecido antes do polimento com o elemento de polimento. No polimento, portanto, carbono na superfície do diamante reage com o metal facilmente reativo que está se formando na superfície do elemento de polimento, ou difunde e permeia na camada da superfície de metal carburizante. Em decorrência disto, a superfície do diamante é desprovida de carbono e é efetivamente polida.

[0023] Na invenção, adicionalmente, o elemento de polimento que é usado tem uma forma linear, tipo correia ou tipo haste, e o polimento é conduzido ainda variando contínua ou intermitentemente a superfície do elemento de polimento formada do material metálico supramencionado. Ou seja, uma vez que a superfície do diamante é friccionada por deslizamento ainda variando a porção de contato, a reação (reação do metal facilmente reativo com carbono na superfície do diamante, ou difusão e permeação de carbono) não atinge o estado saturado, a pressão da superfície não é alterada pela abrasão, e o processo continua mantendo estabilidade a todo momento. Dessa forma, o polimento pode ter continuidade, mantendo estabilidade por períodos de tempo prolongados.

[0024] Na presente invenção, é desejável usar Zr, Ta, Ti ou Al como o metal que forma a superfície do elemento de polimento e reage facilmente com carbono. Esses metais são todos metais macios e têm durezas Vickers (Hv) que são todas não superiores a 200 e não são somente menores que da superfície do diamante, mas também consideravelmente menores que a dureza de 500 a 1.000 do esmeril de um composto intermetálico usado no documento de patente 2 citado. Uma vez que a superfície do diamante é friccionada por deslizamento pelo metal de uma baixa dureza como esta de maneira a ser polida, a geração de pó abradido pode ser efetivamente suprimida, comparada com quando se usa um metal ou composto metálico altamente duro, possibilitando aumentar a vida do elemento de polimento, que é uma grande vantagem da presente invenção.

[0025] Adicionalmente, é desejável usar Fe, Ni ou Co como o metal carburizante que forma a superfície do elemento de polimento. Esses metais têm uma propriedade que permite que carbono difunda e permeie neles a partir da suas superfícies.

[0026] Na invenção, é adicionalmente desejável que a superfície do diamante seja aquecida pela irradiação de feixe laser antes do polimento e, e polir a porção irradiada pelo feixe laser usando o elemento de polimento. A saber, irradiação por feixe laser é simplesmente para aquecer a uma temperatura na qual o metal da superfície do elemento de polimento reage com carbono ou a uma temperatura tal que a superfície do elemento de polimento é carburizada com carbono na superfície do diamante. Deve-se notar que a irradiação por feixe laser não é para vaporizar ou volatilizar o carbono na superfície do diamante. Portanto, não existe necessidade de ajustar as condições de polimento de uma maneira complexa, e pode-se fabricar o aparelho em um tamanho compacto, para aplicar efetivamente o método de polimento, mesmo para polir superfície áspera e tridimensional e superfície curva, permitindo que a superfície do diamante seja efetivamente suavizada.

[0027] Adicionalmente, no aquecimento da superfície do diamante pela irradiação de feixe laser, a superfície do diamante é localmente aquecida, isto é, um ponto na superfície é aquecido instantaneamente. Portanto, no polimento de um filme de diamante formado em um substrato predeterminado, o filme de diamante não é danificado por uma diferença na expansão térmica entre o filme de diamante e o substrato. Além disso, uma vez que o aquecimento é localmente conduzido, a energia pode ser utilizada de forma muito altamente efetiva.

[0028] Além disso, a intensidade do feixe laser pode ser variado instantaneamente, possibilitando ajustar a quantidade de polimento, variando- se a temperatura de aquecimento. Concretamente, a propriedade superficial é monitorada e os dados são realimentados para melhorar a uniformidade da superfície ou formar uma rugosidade fina na superfície.

[0029] Na presente invenção, é desejável aquecer tanto o elemento de polimento quanto a superfície do diamante antes do polimento da superfície do diamante com o elemento de polimento. No polimento da superfície de diamante, o aquecimento acelera ainda mais a reação de carbono uma superfície de diamante com o metal que forma a superfície do elemento de polimento, ou acelera ainda mais a carbonetação da superfície metálica, contribuindo para conduzir o polimento eficientemente e em um curto período de tempo.

[0030] De acordo com a presente invenção, adicionalmente, o elemento de polimento é formado usando um metal simples existente, em vez de usar um composto especial, tal como composto intermetálico, que proporciona a vantagem do ponto de vista de custo também.

Breve Descrição dos Desenhos

[0031] A figura 1 é uma vista esquemática ilustrando um método de polimento de acordo com a presente invenção.

[0032] A figura 2 é uma vista esquemática ilustrando um método de polimento de acordo com a presente invenção.

[0033] A figura 3 é uma vista mostrando as formas de elementos de polimento usados para conduzir os métodos de polimento das figuras 1 e 2.

[0034] A figura 4 é um diagrama mostrando o relacionamento entre a densidade da energia irradiada e a temperatura.

[0035] A figura 5 é um diagrama mostrando mudanças na rugosidade da superfície de diamante nos testes de polimento da modalidade.

[0036] A figura 6 é um diagrama mostrando mudanças na rugosidade da superfície de diamante nos testes de polimento da modalidade.

[0037] A figura 7 é um diagrama mostrando mudanças na rugosidade da superfície de diamante nos testes de polimento da modalidade.

[0038] A figura 8 é um diagrama mostrando mudanças na rugosidade da superfície de diamante nos testes de polimento da modalidade.

Modos para Realizar a Invenção

[0039] Referindo-se à figura 1, a presente invenção diz respeito ao polimento de uma peça de trabalho 1 que tem uma superfície de diamante 1a. Aqui, a peça de trabalho 1 pode ter qualquer forma adequada para uso, desde que ela tenha a superfície de diamante 1a de um único cristal, múltiplos cristais ou um filme fino.

[0040] A superfície de diamante 1a da peça de trabalho 1 é polida usando um dispositivo de polimento 3 equipado com um elemento de polimento 3a que fricciona a superfície de diamante 1a deslizando nela. Na modalidade da invenção mostrada na figura 1, a superfície 1a é irradiada com um feixe laser 5 antes do polimento e, depois de ter sido irradiada, a porção irradiada com o feixe laser 5 é polida pelo dispositivo de polimento 3.

[0041] O dispositivo de polimento 3 é equipado com o elemento de polimento 3a que fricciona a superfície de diamante 1a deslizando nela, o elemento de polimento 3a sendo formado de um metal que reage facilmente com carbono ou de um metal carburizante.

[0042] Como anteriormente descrito, o metal que reage facilmente com carbono é um metal com uma faixa de temperatura na qual uma mudança na energia livre de Gibbs (ΔG) na reação de formação de carboneto assume um sinal negativo, e seus exemplos incluem Zr, Ta, Ti, W, Nb e Al. Entre eles, Zr, Ta, Ti e Al são preferidos. Como anteriormente descrito, esses metais têm dureza superficial Hv (dureza Vickers) que são muito baixas; por exemplo, Ta sendo cerca de 100 a 150, Zr sendo cerca de 120 a 200, Ti sendo cerca de 100 a 200 e Al sendo cerca de 15 a 50. Portanto, com a condução do polimento usando tais metais macios, pode-se suprimir efetivamente a abrasão ou deformação, mesmo quando o polimento é conduzido com uma força de deslizamento-atrito com base na pequena força de compressão possibilitando não somente impedir efetivamente que o pó abradado seja gerado em grandes quantidades, mas também aumentando a vida do elemento de polimento 3a e conduzir o polimento mantendo estabilidade e boa precisão por períodos de tempo prolongados.

[0043] Entre os metais macios citados, Zr, Ta e Ti são mais desejáveis. Esses metais têm valores de variação na energia livre de Gibbs (ΔG) na reação para formação de carboneto (ZrC, TaC, TiC) de não mais que -20 kCal/mol e, especificamente, baixa de cerca de -30 a -45 kCal/mol em uma faixa de temperatura que não excede a temperatura (750 a 850°C) na qual o diamante carboniza. Por causa do deslizamento-atrito depois de aquecido pela irradiação com o feixe laser 5, portanto, o metal reage muito facilmente com carbono na superfície do diamante 1a e efetivamente pole a superfície de diamante 1a. Por exemplo, como demonstrado pelos resultados experimentais (vide figura 5) de um experimento que aparece posteriormente, uma superfície rugosa de uma rugosidade Rz (rugosidade superficial máxima) de cerca de 1,5 μm pode ser polida em uma superfície lisa de uma rugosidade de cerca de 0,8 μm em um curto período de tempo.

[0044] Como metal carburizante, podem ser exemplificados Fe, Ni e Co. Entre eles, é desejável usar Ni para formar a superfície do elemento de polimento 3a. A saber, quando o elemento de polimento 3a com a superfície de metal carburizante é usado, átomos de carbono na superfície de diamante 1a difundem na superfície do elemento de polimento 3a no momento do polimento com o elemento de polimento 3a, e a superfície de diamante pode ser efetivamente polida.

[0045] O polimento com o elemento de polimento 3a é conduzido friccionando a porção irradiada com o feixe laser usando o elemento de polimento 3a que desliza nele; isto é, não é necessária uma grande força de compressão para o deslizamento-atrito. Embora a força de compressão apropriada possa diferir dependendo da forma e material do elemento de polimento, foi confirmado que o polimento pode ser conduzido com uma força de compressão de cerca de 5 N (0,5 kgf). Por outro lado, a verdadeira área de contato aumenta com o aumento na força de compressão, e o polimento tende acelerar. Portanto, a força de compressão pode ser adequadamente estabelecida dependendo da forma da peça de trabalho, forma e material do elemento de polimento correspondente a esta, e rigidez do aparelho. De qualquer maneira, a presente invenção não exige uma força de compressão como essa que faz com que uma extremidade do elemento de polimento seja bastante deformada. Portanto, o elemento de polimento e o encaixe de retenção podem ser realizados em pequenos tamanhos, proporcionando a vantagem do ponto de vista de polimento de peças de trabalho que têm formas complexas e furos de pequenos diâmetros nelas.

[0046] Na invenção, a superfície do diamante 1a é aquecida localizadamente ao ser irradiada com o feixe laser 5, de forma que o metal que forma a superfície do elemento de polimento 3a reage facilmente com carbono, e o grau de aquecimento é determinado pela densidade da energia de irradiação laser e a absorvância de energia do diamante. Concretamente, a saída laser, largura de irradiação (diâmetro pontual) e a taxa de trabalho são devidamente estabelecidos com base na absorbância de energia do diamante para a fonte laser usada para o polimento. A figura 4 mostra um relacionamento entre a densidade da energia de quando um diamante de 10 μm de espessura revestido em uma liga superdura é irradiado com um laser de gás dióxido de carbono e a temperatura na superfície do diamante através dele pode realmente diferir dependendo da forma, espessura e tipo de laser.

[0047] A temperatura foi medida usando um termômetro de radiação (TFK9-R220A-2.5B11) fabricado pela Japan Sensor Co.

[0048] De acordo com o relacionamento apresentado, a temperatura aumenta com o aumento na densidade da energia irradiada. Se a densidade da energia irradiada aumentar muito, o diamante é carbonizado em torno de 750 a 850°C, e a temperatura não aumenta mais.

[0049] De acordo com a presente invenção, portanto, as condições de radiação, tal como a densidade da energia de irradiação do feixe laser, têm que ser estabelecidas de forma que a superfície de diamante 1a seja aquecida a uma faixa de temperatura que não excede a temperatura (750 - 850°C) na qual o diamante carboniza. Quando um metal que reage facilmente é usado para o elemento de polimento 3a, a faixa de temperatura não é menor que 200°C e, especificamente, é de 220°C a 800°C e, quando é usado um metal carburizante, a faixa de temperatura não é menor que 600°C e, especificamente, é de 700°C a 800°C. A condição de irradiação pode então ser estabelecida de forma que a superfície de diamante seja aquecida a uma temperatura na faixa citada, mas não exceda o ponto de fusão do metal usado para o elemento de polimento 3a.

[0050] Uma variedade de tipos de fontes laser tem sido conhecida para emitir o feixe laser 5. Na presente invenção, o nível de aquecimento é tão baixo que a fonte laser não fica limitada, e qualquer laser conhecido pode ser usado. Para conduzir o polimento, mantendo a estabilidade e, por exemplo, no campo de soldagem e usinagem, lasers sólidos têm sido amplamente usados, tais como YAG e laser de fibra. De acordo com a presente invenção, entretanto, é também possível usar lasers de gás, tais como laser de dióxido de carbono e laser excímero, além dos lasers sólidos, além dos lasers sólidos.

[0051] Embora não haja nenhuma limitação especial a respeito da largura de irradiação (diâmetro pontual) do feixe laser 5, é desejável que ele seja próximo da largura na qual o elemento de polimento 3a entra em contato com o diamante, do ponto de vista de eficiência de energia do feixe laser e eficiência de polimento. Por exemplo, se a largura de irradiação for muito menor que a largura de contato entre os dois, o polimento não se dá nas porções onde a temperatura é baixa (porções que não são irradiadas) e, em decorrência disto, um período prolongado de tempo é necessário para o polimento. Se a largura de irradiação for estabelecida muito grande, por outro lado, então as porções que não precisam ser aquecidas (que não são polidas) são aquecidas, resultando em uma perda de energia e tornando necessário aumentar indesejavelmente a saída do feixe laser, ou diminuir a velocidade de usinagem. A largura na qual o elemento de polimento 3a entra em contato com o diamante pode ser grosseiramente calculada de conformidade com a sobejamente conhecida lei de Hertz.

[0052] Na presente invenção, uma porção é irradiada com o feixe laser 5 e, em seguida, a porção irradiada é polida com o elemento de polimento 3a. Aqui, o tempo de polimento é aquele em que a superfície da porção irradiada é ainda mantida aproximadamente na temperatura na qual o metal do elemento de polimento 3a passa pela reação (ou carbonetação) com carbono na superfície de diamante 1a. Aqui, entretanto, uma vez que o diamante tem uma condutividade térmica muito alta (tende ser rapidamente resfriado), é desejável levar a porção irradiada para mais perto possível do elemento de polimento 3a, até o ponto permitido pelo espaço de instalação, para reduzir o tempo.

[0053] Na presente invenção, é também possível aquecer a superfície de diamante 1a por um dispositivo de aquecimento conhecido tais como vários tipos de aquecedores, ar quente, aquecimento por passagem de uma corrente elétrica através de um resistor, aquecimento por indução ou feixe de alta energia, em vez de irradiação como o feixe laser em uma condição que o diamante não é carbonizado. Como descrito anteriormente, entretanto, é mais desejável aquecer a superfície de diamante 1a pela irradiação de feixe laser.

[0054] Na invenção, como mostrado na figura 1, uma unidade para irradiar o feixe laser 5 e o elemento de polimento 3a do dispositivo de polimento 3 são arranjados concentricamente, e a superfície de diamante é polida ao ser friccionada com o elemento de polimento 3a que desliza nele, sendo ainda irradiado com o feixe laser 5 em um estado onde a peça de trabalho 1 está sendo rotacionada. Adicionalmente, o dispositivo de polimento 3 (elemento de polimento 3a) e a fonte de irradiação do feixe laser 5 são impelidos a mover intermitentemente ou continuamente na direção radial da peça de trabalho 1 para polir toda a superfície de diamante 1a.

[0055] É também possível polir a porção irradiada com o feixe laser 5 girando o dispositivo de polimento 3 (elemento de polimento 3a) e a fonte de irradiação do feixe laser 5, em vez de girar a peça de trabalho 1. Entretanto, é uma prática geralmente aceita girar a peça de trabalho 1 uma vez que ela não faz com que o aparelho aumente muito de tamanho. Se o polimento não puder ser realizado até um grau suficiente pelo polimento apenas uma vez, então a operação supramencionada pode ser repetida uma pluralidade de vezes para continuar adicionalmente o polimento.

[0056] Dependendo da forma da superfície da peça de trabalho 1, adicionalmente, a peça de trabalho 1 ou o dispositivo de polimento 3 (elemento de polimento 3a) e da fonte de irradiação, o feixe laser 5 pode ser impelido a deslizar linearmente para conduzir o polimento. Referindo-se, por exemplo, à figura 2, uma peça de trabalho 35 é fixa em uma mesa 31 que pode deslizar em um trilho 30, uma fonte laser 37 é arranjada sobre a mesa 31, e um dispositivo de polimento 39 é provido paralelo com a fonte laser 37. O dispositivo de polimento 39 tem um elemento de polimento 40 anexado na sua extremidade inferior. A superfície de diamante da peça de trabalho 35 é polida ao ser friccionada com o elemento de polimento 40 que desliza nela enquanto é irradiada com um feixe laser 37a à medida que a mesa 31 move para a frente e para trás. É também possível colocar a peça de trabalho 35 em um elemento de suporte 33 e fixar o elemento de suporte 33 na mesa 31.

[0057] A fim de conduzir eficientemente o polimento fazendo com que átomos de carbono na superfície de diamante reajam com o metal na superfície de polimento do elemento de polimento, ou fazendo com que os átomos de carbono na superfície de diamante difundam e permeiem para o superfície - elemento de polimento na presente invenção, é importante que o elemento de polimento 3a tenha uma forma linear (forma de arame), forma tipo correia ou forma tipo haste e, adicionalmente, que a porção de contato do elemento de polimento varie contínua ou intermitentemente, ao mesmo tempo conduzindo o polimento. Ou seja, a superfície de elemento de polimento (porção de contato) que está em contato com a superfície de diamante varia a todo momento, permitindo que os átomos de carbono reajam com o metal ou permitindo que os átomos de carbono difundam e permeiem eficientemente a todo momento, e permitindo que o polimento seja conduzido estavelmente a todo momento sem nenhuma mudança na pressão superficial que é causada pela abrasão. Em decorrência disto, o polimento pode ser conduzido mantendo estabilidade por períodos de tempo prolongados.

[0058] A figura 3 mostra exemplos dos elementos de polimento 3a de várias formas usadas na invenção.

[0059] Referindo-se, por exemplo, à figura 3(a), um arame sem fim 15 é enrolado em uma polia 13 que é mantida por um elemento de suporte predeterminado 10. O arame 15 serve como o elemento de polimento 3a que é feito de um metal que reage facilmente com carbono (ou é feito de um metal carburizante).

[0060] Referindo-se à figura 3(b), uma correia sem-fim 19 é enrolada em um rolo 17 mantido pelo elemento de suporte 10 e serve como o elemento de polimento 3a.

[0061] Referindo-se à figura 3(c), uma haste 21 está penetrando no elemento de suporte tipo camisa 10 e sua superfície de extremidade inferior esfrega a superfície de diamante 1a deslizando nela. Ou seja, a haste 21 serve como o elemento de polimento 3a.

[0062] Ao acionar a polia 13 ou o rolo 17, o arame sem-fim 15 ou a correia sem-fim 19 pole a superfície de diamante 1a, ainda variando contínua ou intermitentemente sua superfície de atrito. Adicionalmente, a haste 21 é contínua ou intermitentemente entregue de maneira a conduzir o polimento.

[0063] Mediante condução do polimento acionando contínua ou intermitentemente o elemento de polimento 3a ou, preferivelmente, acionando continuamente o elemento de polimento 3a, a sua superfície que faz contato com o diamante não desgasta pelo polimento e não é abradida. Portanto, a pressão superficial não muda, e o polimento pode ter continuidade, mantendo estabilidade por períodos de tempo prolongados.

[0064] Adicionalmente, quando o elemento de polimento 3a tem uma forma esférica descrita, por exemplo, no documento de patente 4, o mesmo efeito pode ser esperado pela rotação da esfera. Se o eixo de rotação for fixo, entretanto, o elemento de polimento pode ser usado somente uma vez. Para deixar o eixo de rotação livre, entretanto, o aparelho fica complexo.

[0065] Na presente invenção, é acima de tudo desejável empregar, especificamente, a forma linear (arame sem-fim 15), como mostrado na figura 3(a) e a forma tipo correia (correia sem-fim 19) mostrada na figura 3(b). A saber, nesses casos, a superfície de atrito - deslizamento do elemento de polimento 3a vai para o ponto de contato ou linha de contato com a superfície de diamante 1a para manter uma alta eficiência de polimento, bem como conduzir o polimento com uma nova superfície a todo momento. Portanto, a pressão superficial não muda pela abrasão, e o polimento pode ter continuidade, mantendo estabilidade por períodos de tempo prolongados.

[0066] Na presente invenção, adicionalmente, o elemento de polimento 3a é aquecido de antemão para conseguir um efeito sinergístico. Isto possibilita elevar ainda mais a temperatura na superfície de diamante e acelerar a reação de carbono na superfície de diamante 1a com o metal na superfície do elemento de polimento 3a, ou acelerar a carbonetação da superfície do metal (difusão de carbono). Em decorrência disto, a saída do feixe laser pode ser mantida baixa.

[0067] Quando o polimento é conduzido pelo aquecimento do elemento de polimento 3a, a superfície de diamante pode ser polida, mantendo um certo grau de eficiência, com base somente no deslizamento-atrito com o elemento de polimento 3a, sem ser irradiada com o feixe laser.

[0068] O aquecimento citado é realizado de maneira tal que a superfície de diamante 1a ou a superfície do elemento de polimento 3a, ou ambos, sejam aquecidos a uma temperatura não inferior a 200°C e, especificamente, não inferior a 220°C, mas que a temperatura na qual o diamante carboniza não seja excedida.

[0069] Como um meio para aquecer o elemento de polimento 3a, adicionalmente, podem ser empregado dispositivos de aquecimento conhecidos tais como vários tipos de aquecedores, ar quente, aquecimento por passagem de uma corrente elétrica através de um resistor, aquecimento por indução ou feixe de alta energia, dependendo da forma do elemento de polimento 3a.

[0070] Como descrito anteriormente, o dispositivo de aquecimento citado pode também ser usado como dispositivo para aquecer a superfície de diamante, em vez de irradiar o feixe laser.

[0071] O método de polimento citado da presente invenção possibilita conduzir o polimento sem usar um elemento de polimento feito de um composto particularmente caro, mas usando um elemento de polimento feito de um metal simples, bem como controlar facilmente o polimento. Portanto, é possível polir efetivamente não somente superfícies planas, mas também superfície tridimensional áspera e superfície curva, tornando o método de polimento bem adequado para polir peça de trabalho com superfícies de diamante de várias formas.

[0072] Adicionalmente, embora ela diga respeito a um método amplamente conhecido, é também possível aplicar um absorvedor de laser na superfície de diamante antes ou durante o trabalho de polimento para melhorar a eficiência de absorção de energia do diamante.

[0073] A fim de melhorar a reatividade do elemento de polimento com o diamante, adicionalmente, o polimento pode ser conduzido ainda soprando um gás de oxigênio ou um gás similar. Para manter a qualidade do polimento, adicionalmente, o polimento pode ser conduzido ainda realizando evacuação, ou soprando contínua ou intermitentemente o ar de alta pressão, ou uma quantidade muito pequena de solução de lavagem para remover carboneto de metal ou matéria estranha produzida pelo polimento.

EXEMPLOS

[0074] A invenção será agora explicada por meio dos experimentos seguintes.

Experimentos

[0075] Nos experimentos, a rugosidade superficial foi medida por um método descrito a seguir.

Rugosidade superficial

[0076] Usando o medidor de rugosidade superficial (Surfcom 575A) fabricado pela Tokyo Seimitsusha Co., a altura máxima Rz foi medida de conformidade com a JIS-B-0601.

Experimento 1

[0077] Foi feito uso de um dispositivo de teste de polimento de uma estrutura mostrada esquematicamente na figura 1 e um corpo de prova a ser polido obtido revestindo um substrato de uma liga superdura com o diamante pelo método CVD de filamento a quente. Corpo de Prova Forma: chapa plana medindo 13 mm x 13 mm (5 mm de espessura) Substrato: carboneto cementado Espessura do diamante: 10 μm Altura máxima Rz: 1,5 μm (superfície do diamante) Laser (laser de gás dióxido de carbono), evolução 100 W, fabricado pela Synrad Co.: Saída: 100 W Largura de irradiação (diâmetro pontual): 0,2 mm

[0078] Como um elemento de polimento, um arame de Ta com uma forma circular na seção transversal e um diâmetro de 1 mm foi anexado no dispositivo de teste de polimento citado (vide figura 3(a)), e uma folga foi estabelecida em 2 mm entre a posição na qual o laser é irradiado e a posição na qual o elemento de polimento entra em contato com o corpo de prova. Neste estado, o elemento de polimento (arme de Ta) foi empurrado sobre a superfície do corpo de prova com uma carga de 10 N, e o corpo de prova foi polido ao mover-se a 72 m/min, sendo ainda irradiado com o feixe laser. Depois de cada final do polimento, o corpo de prova moveu-se 0,005 mm perpendicularmente à direção de deslizamento-atrito. Esta operação foi repetida inúmeras vezes (cerca de 100 vezes) para executar um teste de polimento planar.

[0079] A porção de contato do arame foi alterada depois de cada 5 vezes de deslizamento-atrito da mesma porção do corpo de prova. Adicionalmente, uma altura máxima Rz da porção polida foi medida. Os resultados foram como mostrado na figura 5. A altura máxima Rz diminuiu com o aumento no número de vezes de deslizamento-atrito, a partir do que confirmou-se que o polimento foi conduzido.

[0080] A tabela 1 mostra as condições experimentais e os resultados dos experimentos seguintes. Adicionalmente, a figura 5 mostra relacionamentos entre o número de vezes do deslizamento-atrito e as alturas máximas Rz como aquelas do experimento no. 1. Experimento 2

[0081] O teste de polimento foi conduzido exatamente da mesma maneira que no experimento 1, mas sem ser irradiado com o feixe laser.

[0082] Em decorrência disto, a superfície de diamante não ficou bastante polida. Experimento 3

[0083] O teste de polimento foi conduzido exatamente da mesma maneira que no experimento 1, mas diminuindo a intensidade do feixe laser até 50 W.

[0084] Em decorrência disto, o polimento não se deu muito com 50 W, comparado com o experimento 1 (100 W). Quando a intensidade do laser foi diminuída para 25 W, o polimento praticamente não foi conduzido. Experimento 4

[0085] O teste de polimento foi conduzido exatamente da mesma maneira que no experimento 1, mas sem realizar deslizamento-atrito com o elemento de polimento.

[0086] Em decorrência disto, foi confirmado que a superfície de diamante não ficou bem polida. Experimento 5

[0087] O teste de polimento foi conduzido exatamente da mesma maneira que no experimento 1, mas aumentando a força de compressão para 20 N.

[0088] Em decorrência disto, foi confirmado que o polimento foi conduzido mais depressa do que o experimento 1 (10 N). Experimentos 6 a 8

[0089] Os testes de polimento foram conduzidos exatamente da mesma maneira que no experimento 1, mas mudando o elemento de polimento para Ti, Zr e Al. Em decorrência disto, foi confirmado que o polimento se deu mais rapidamente quando Ti e Zr foram usados do que quando foi usado Ta, mas o polimento não se deu quando foi usado Al.

[0090] A tabela 2 mostra as condições experimentais e os resultados dos experimentos seguintes. A figura 6 mostra os relacionamentos entre o número de vezes de deslizamento-atrito e as alturas máximas Rz como aquelas do experimento no. 1. Experimento 9

[0091] O teste de polimento foi conduzido exatamente da mesma maneira que no experimento 1, mas mudando o movimento do corpo de prova da maneira descrita a seguir, sem irradiar o feixe laser e aquecendo o elemento de polimento a 700°C usando um aquecedor. Velocidade de movimento do corpo de prova: 18 m/min Movimento de deslizamento-atrito do corpo de prova na direção vertical: 0,025 m/rev

[0092] Foi confirmado que a altura máxima Rz diminuiu com o aumento no número de vezes de deslizamento-atrito e o polimento foi conduzido. Experimento 10

[0093] O teste de polimento foi conduzido exatamente da mesma maneira que no experimento 9, mas aquecendo o elemento de polimento a 800°C.

[0094] Em decorrência disto, foi confirmado que o polimento se deu mais rápido que no experimento 9 (700°C). Experimento 11

[0095] O teste de polimento foi conduzido exatamente da mesma maneira que no experimento 9, mas aquecendo o elemento de polimento a 500°C.

[0096] Em decorrência disto, foi confirmado que o polimento se deu mais lentamente que no experimento 9 (700°C). Experimento 12

[0097] O teste de polimento foi conduzido exatamente da mesma maneira que no experimento 9, mas mudando o elemento de polimento para Fe.

[0098] Em decorrência disto, foi confirmado que o polimento se deu mais rapidamente que no experimento 9 (Ta). Experimento 13

[0099] O teste de polimento foi conduzido exatamente da mesma maneira que no experimento 12, mas aquecendo o elemento de polimento a 500°C.

[00100] Em decorrência disto, foi confirmado que a superfície de diamante não ficou bastante polida. Experimento 14

[00101] O teste de polimento foi conduzido exatamente da mesma maneira que no experimento 1, mas mudando o elemento de polimento para Ni.

[00102] Em decorrência disto, foi confirmado que o polimento se deu mais rapidamente que no experimento 11 (Ta).

[00103] A figura 7 mostra relacionamentos entre o número de vezes de deslizamento-atrito e as alturas máximas Rz como aquelas do experimento no. 1, e a figura 8 mostra relacionamentos entre as distâncias na direção do diâmetro externo a partir do ponto de início do polimento e as alturas máximas Rz depois de 50 vezes de deslizamento-atrito. Experimento 15

[00104] O teste de polimento foi conduzido exatamente da mesma maneira que no experimento 1, mas mudando as condições da maneira descrita a seguir, movendo o elemento de polimento do diâmetro interno em direção ao diâmetro externo a uma velocidade de 0,025 m/rev, ao mesmo tempo girando o corpo de prova, terminando o polimento quando o ponto final é atingido, mudando a porção de contato do arame e, em seguida, iniciando novamente o polimento a partir do diâmetro interno. Corpo de prova Forma: anel com um diâmetro interno de 33 e um diâmetro externo de 65 mm (12 mm de espessura) Substrato: carboneto cementado Espessura do diamante: 20 μm Altura máxima Rz: 1,8 μm (superfície do diamante) Velocidade circunferencial: 24 m/min Carga no elemento de polimento: 20 N Folga entre a posição na qual o laser é irradiado e a posição onde o elemento de polimento faz contato com o corpo de prova: 0,7 mm

[00105] A máxima altura Rz da porção polida foi medida na mesma porção do corpo de prova a cada 5 vezes de deslizamento-atrito.

[00106] Em decorrência disto, foi confirmado que a altura máxima Rz diminuiu com o aumento no número de vezes de deslizamento-atrito e o polimento foi conduzido. Foi também confirmado que o polimento ficou lento à medida que o polimento continuava do ponto inicial de polimento para o ponto final. Experimento 16

[00107] O teste de polimento foi conduzido exatamente da mesma maneira que no experimento 13, mas alimentando continuamente o arame de Ta a 0,5 mm/s e mudando a porção de contato.

[00108] Em decorrência disto, foi confirmado que a quantidade de polimento foi praticamente constante, independentemente da posição a partir do ponto de início do polimento. Tabela 1

[00109] Os resultados dos testes de polimento depois de deslizamento- atrito de 15 vezes foram julgados da seguinte maneira, quando as quantidades de polimento (-ΔRz) foram: menos que 0,1 μm: x 0,1 a menos que 0,5 μm: Δ maior que 0,5 μm: O Descrição dos Números de Referência 1 peça de trabalho de diamante 1a superfície de diamante 3a elemento de polimento 5 feixe laser

Claims

1. Método de polimento de uma superfície de diamante (1a) que compreende: usar um elemento de polimento (3a) que tem uma forma linear, tipo correia ou tipo haste e tem uma superfície de metal que reage facilmente com carbono, em que o metal compreende um metal simples selecionado dentre Zr, Ta, Ti, W, Nb ou Al; polir a superfície de diamante (1a) com o elemento de polimento (3a); e aquecer o elemento de polimento (3a) e/ou a superfície de diamante (1a) antes do polimento com o elemento de polimento (3a), caracterizado pelo fato de que o polimento compreende contatar a superfície de polimento do elemento de polimento (3a) com a superfície de diamante (1a) enquanto varia contínua ou intermitentemente a superfície de polimento do elemento de polimento (3a), assim (i) a reação do metal com carbono na superfície de diamante não atinge um estado saturado ou (ii) uma mudança de pressão de superfície por abrasão é restrita.

2. Método de polimento de uma superfície de diamante (1a) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a superfície de diamante (1a) é aquecida por uma irradiação com um feixe laser (5) antes do polimento com o elemento de polimento (3a) e, após a irradiação com o feixe laser (5), o polimento é conduzido friccionando uma porção irradiada com feixe laser com o elemento de polimento (3a).

3. Método de polimento de uma superfície de diamante (1a) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a superfície de diamante (1a) é aquecida e o elemento de polimento (3a) é aquecido antes do polimento com o elemento de polimento (3a).