DE69919579T2

DE69919579T2 - Schneiden von ultraharten materialen

Info

Publication number: DE69919579T2
Application number: DE69919579T
Authority: DE
Inventors: Barry James Westbury CULLEN
Original assignee: Element Six Pty Ltd
Current assignee: Element Six Pty Ltd
Priority date: 1998-12-22
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2019-12-22
Also published as: DE69919579D1; WO2000037208A1; US6605798B1; JP2002532261A; AU1674600A; EP1140413A1; EP1140413B1; ES2226471T3; JP3449986B2; ATE273768T1; PT1140413E

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Schneiden von ultraharten Materialien.
Ultraharte Materialien sind solche, die selber eine hohe Härte aufweisen, beispielsweise Teilchen, die eine Härte von 10 oder mehr auf der MOHS-Härteskala aufweisen, oder sie sind Materialien, die derartige Teilchen enthalten und eine ähnliche Härte aufweisen. Besondere Beispiele sind natürlicher oder synthetischer Diamant und kubisches Bornitrit, oder polykristalliner Diamant (PCD) oder polykristallines, kubisches Bornitrit (PCBN).
Ultraharte Materialien, insbesondere die der synthetischen Natur, können in relativ großen Größen hergestellt werden und müssen für verschiedene Anwendungen geschnitten werden. Beispielsweise kann PCD in der Form einer großen Scheibe produziert werden und diese Scheibe muss in kleinere Stücke geschnitten werden, diese Stücke finden beispielsweise Anwendung als Bohrer- oder Schneideinsätze. Ferner werden Diamantscheiben, die durch chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapour deposition, CVD) hergestellt wurden, in kleinere Stücke zur Anwendung als Wärmesenken für Halbleiterbauteile oder in mechanischen Anwendungen geschnitten.
In der Vergangenheit wurden verschiedene Verfahren zum Schneiden ultraharter Materialien verwendet. Beispiele derartiger Verfahren sind Elektrofunkenerosion und Laserschneiden. Laserschneiden verwendet üblicherweise Stablaser, die den Nachteil haben, dass im Allgemeinen eine Zerstörung des ultraharten Materials auftritt. Das beschädigte Material muss anschließend entfernt werden. Die Entfernung erhöht die Herstellkosten eines Produktes aus ultrahartem Material und verschwendet das Material selber.
Die EP-A-567 129 offenbart beispielsweise ein Verfahren zum Schneiden eines ultraharten Materials gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, das einen gepulsten Excimer-Laser verwendet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Schneiden eines ultraharten Materials angegeben, das den Schritt des Verwendens eines Laserstrahles aufweist, um den Schnitt zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl ein Scheibenlaserstrahl ist. Unter "ultrahartem Material", wie hierin und in den Ansprüchen verwendet, ist ein Teilchen gemeint, das eine Härte von etwa 10 oder mehr auf der MOHS-Härteskala aufweist, oder ein Material, das derartige Teilchen enthält und eine ähnliche Härte aufweist. Spezielle Beispiele derartiger Materialien sind natürlicher und synthetischer Diamant und kubisches Bornitrit, polykristalliner Diamant (ECD) und polykristallines kubisches Bornitrit (PCBN).
Beschreibung der Ausführungsform
Die Erfindung verwendet einen Scheibenlaser. Ein Scheibenlaser kann eine Scheibe eines Materials mit parallelen Längsflächen und Endflächen aufweisen, die jeweils geschnitten sind, um einen Brewster-Winkel zu definieren. Der Laserstrahl tritt über die Brewster-Winkel-Endflächen ein und unterliegt einer vollständigen inneren Reflexion an den zwei parallelen Längsflächen. Dies reduziert die Wärmeverzerrung und den Linseneffekt, was zu einer reduzierten Strahldivergenz führt. Einschränken des Lasers, nur in der TEM₀₀-Mode zu schwingen, reduziert zusätzlich die Strahldivergenz. Dies führt zu einem "schärferen", paralleleren Strahl mit großer fokaler Tiefe, der für Präzisionslaserschneiden von ultraharten Materialien geeignet ist. Zusätzlich bedeutet die stark reduzierte Strahldivergenz, das eine schmalere Spotgröße (fokussierter Spot) möglich ist.
Es wurde herausgefunden, dass die Verwendung eines Scheibenlasers die Schneideffizienz verbessert und die Beschädigung des ultraharten Materials reduziert. Deshalb ist eine höhere Ausbeute von kleineren Produkten oder Stücken aus dem Material möglich, als wenn ein Stablaser verwendet wird. Ein Scheibenlaser ermöglicht ferner eine bessere Wärmeverteilung und einen geringeren Leistungsverbrauch.
Die Verwendung eines Scheibenlasers findet Anwendung bei jeglichem ultraharten Material, insbesondere einem kaschierten oder einem unkaschierten PCD oder PCBN. Ein kaschierter PCD oder PCBN umfasst eine Schicht aus PCD oder PCBN, die auf einem Substrat oder einer Trägerschicht gebunden ist, die im Allgemeinen ein Hartkarbid ist. Das Hartkarbid kann jedes bekannte sein, beispielsweise Hart-Wolframkarbid, Hart-Titankarbid oder Hart-Tantalkarbid.
Bei der Verwendung kann der Laser verwendet werden, um einen vollständigen Schnitt durch das ultraharte Material zu erzeugen, um zwei oder mehrere separate Stücke herzustellen. Alternativ kann der Schnitt nur teilweise durch das Material von einer oder von beiden Seiten gehen.
Die Erfindung findet insbesondere Anwendung beim Schneiden von kaschiertem oder unkaschiertem PCD oder PCBN. Es wurde herausgefunden, dass der Scheibenlaser beim Schneiden durch PCD oder PCBN schwache Graphit- oder Hexagonal-Bornitrit-Verbindungen ermöglicht, wie das der Fall ist, der gebildet wird, eine schwach gebundene Struktur zu belassen. Mit Karbid-kaschierten PCD oder PCBN werden schwache Karbid-Bindungen ebenfalls in der Karbid-Kaschierung gebildet. Weitere Beschädigung des PCD, PCBN und der Karbid-Kaschierung ist bei einem Scheibenlaserschneiden geringer, wenn es verglichen wird mit Stablaserschneiden.
In einem Beispiel der Erfindung, einem Karbid-kaschierter PCD-Produkt, das unter dem Markennamen Syndite^® verkauft wird, wurde mittels beiden, einem Stabla ser und einem Scheibenlaser, geschnitten. Die verwendeten Bedingungen sind in der Tabelle I angegeben:
Tabelle I
Die Laserbeschädigung, die durch beide Formen des Schneidens erzeugt werden, wurden verglichen und die Ergebnisse davon sind in der Tabelle II angegeben.
Tabelle II
Der Unterschied in der Beschädigung der Syndite^®-Stücke, geschnitten von einem Scheiben- und von einem Stablaser, kann auf andere Weise eingeschätzt werden. Zuerst führt die destruktive oder permanente Beschädigung dazu, wenn ein Stablaser verwendet wird, dass die PCD-Schicht sehr reißanfällig ist. Reißen kann die geschnittenen Stücke kommerziell unbrauchbar machen. Die Art des Reißens, die durch einen Stablaser erzeugt wird, ist nahezu mit Sicherheit durch thermische Belastung verursacht, die die Oberfläche des PCD beim Abkühlen anspannt. Im Gegensatz dazu verwendet Scheibenlaserschneiden eine viel geringere Leistung, was zu einer reduzierten thermischen Belastung und zu keinen wahrnehmbaren Rissen in den geschnittenen Stücken führt. Zweitens, eine andere Art der Beschädigung ist Oberflächen- und Sub-Oberflächenbeschädigung, d.h. eine Beschädigung, die entfernt werden kann, aber die Schneidausbeute reduziert und die Kosten der Werkzeugfabrikation steigert. Beim Festkörper- und Scheibenlaserschneiden existiert ein deutlicher Unterschied in dem Karbidsubstrat nach einem 0,05 mm Kantenschliff. In den Stücken, die unter Verwendung eines Scheibenlasers geschnitten sind, ist das Karbidsubstrat klar und frei von Beschädigungen. Im Gegensatz dazu zeigen Stücke, die unter Verwendung eines Stablasers geschnitten wurden, einen "Krokodilhaut"-Effekt in dem Karbidsubstrat. Ein "Krokodilhaut"-Effekt ist ein Wärmefaserriss und besteht aus einer bruchfesten Schicht auf dem Karbid, die entfernt werden muss, bevor das Stück verwendet werden kann, um ein Werkzeug zu fabrizieren. Es wird geschätzt, dass die Verwendung eines Stablasers den Effekt ausdehnt auf 0,1–0,15 mm von der Schneidkante. Bei einem Scheibenlaser, reicht der Effekt, wenn überhaupt, weniger als 0,05 mm weit.
Die Verwendung eines Scheibenlaserstrahls hat auch verschiedene Vorteile gegenüber üblichen Draht-EDM-Schneiden von kaschierten und unkaschierten polykristallinen Produkten. Beispielsweise tritt eine geringere Beschädigung der polykristallinen Produkte und Tragschichten oder Substraten auf, es gibt eine signifikante Steigerung bei den geschnittenen Produkten auf, die Notwendigkeit zur Nachschneidebehandlung, um die Kantenqualität wiederherzustellen, ist reduziert, es tritt ein geringeres Abtragen von Metall von der Trägerschicht und ein geringeres Kantenunterschneiden auf.

Claims

Verfahren zum Schneiden eines ultraharten Materials, das den Schritt des Verwendens eines Laserstrahls aufweist, um den Schnitt zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl ein Scheibenlaserstrahl ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das ultraharte Material PCD oder PCBN ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das PCD oder PCBN an einem Substrat gebunden ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Substrat ein Hart-Karbid-Substrat ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Beschädigungstiefe des Karbids, die durch den Laser bewirkt wird, weniger als 50 μm beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Laser eingeschränkt ist, in der TEM₀₀-Mode zu schwingen.