ES2226471T3 - Corte de materiales ultra-duros. - Google Patents
Corte de materiales ultra-duros.Info
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Abstract
Un procedimiento para cortar un material ultra-duro que incluye la etapa de usar un haz de láser para efectuar el corte; caracterizado porque el haz de láser es un haz de láser de placa.
Description
Corte de materiales
ultra-duros.
Esta invención se refiere al corte de materiales
ultra-duros.
Los materiales ultra-duros son
aquellos que en sí mismos tienen una elevada dureza, por ejemplo,
partículas de una dureza de aproximadamente 10 o más en la escala de
dureza de MOHS, o materiales que contienen partículas de este tipo y
son de una dureza similar. Ejemplos concretos son los diamantes
naturales o sintéticos y el nitruro de boro cúbico, o el diamante
policristalino (DPC) o el nitruro de boro cúbico policristalino
(NBCP).
Los materiales ultra-duros,
especialmente los de naturaleza sintética, pueden producirse en
tamaños relativamente grandes y es necesario cortarlos para diversas
aplicaciones. Por ejemplo, se puede producir DPC en forma de un
disco grande y es preciso cortar este disco en piezas más pequeñas,
teniendo dichas piezas su aplicación, por ejemplo, en brocas de
taladros o en cuchillas. Además, las placas de diamante producidas
por depósito de vapor químico (DVQ) son cortadas en piezas más
pequeñas para su empleo como disipadores de calor para dispositivos
semiconductores o en aplicaciones mecánicas.
En el pasado se han usado diversos procedimientos
para el corte de materiales ultra-duros. Ejemplos
estos procedimientos son la electroerosión y el corte con láser. El
corte con láser ha utilizado tradicionalmente láseres de varilla
que tienen la desventaja de que, en general, se produce daño en los
materiales ultra-duros. Este material dañado debe
ser eliminado posteriormente. Esta eliminación aumenta el coste de
fabricación de un producto de un material ultra-duro
y desperdicia el propio material.
Por ejemplo, el documento
EP-A-567129 describe un
procedimiento de corte de material ultra-duro de
acuerdo con la parte caracterizadora de la reivindicación 1 que usa
un haz de láser excímero pulsado.
Según la presente invención se proporciona un
procedimiento para cortar material ultra-duro,
incluyendo la etapa de usar un haz de láser para efectuar el corte;
caracterizado por el hecho de que el haz de láser es un haz de láser
de placa. El término "material ultra-duro", tal
y como se usa en el presente documento y en las reivindicaciones, se
refiere a una partícula de una dureza de 10 o más en la escala de
dureza de MOHS, o un material que contiene este tipo de partículas y
tiene una dureza similar. Ejemplos concretos de materiales de este
tipo son los diamantes naturales o sintéticos y el nitruro de boro
cúbico, el diamante policristalino (DPC) y el nitruro de boro cúbico
policristalino (NBCP).
La invención usa un láser de placa. Un
láser de placa puede comprender una placa de material de
caras paralelas alargadas y caras terminales que están cortadas cada
una de ellas para definir un ángulo de Brewster. El haz de láser
entra y sale a través de las caras terminales de ángulo de Brewster
y experimenta reflexiones internas totales en las dos caras
paralelas alargadas. Esto reduce la distorsión térmica y el efecto
de lente produciendo una menor divergencia del haz. Al restringir la
oscilación del láser al modo TEM_{00} (transversal electric
mode o modo eléctrico transversal), únicamente se reduce todavía
más la divergencia del haz. Esto tiene como consecuencia un haz más
"afilado" y paralelo con una mayor profundidad de foco que
resulta beneficioso para el corte de precisión de materiales
ultra-duros con láser. Además, la gran reducción de
la divergencia del haz hace posible un diámetro del punto focal más
pequeño.
Se ha encontrado que el empleo del láser de
placa mejora la eficiencia del corte y reduce el daño del
material ultra-duro. Por lo tanto, es posible un
mayor rendimiento de productos o piezas más pequeños de material que
cuando se utiliza un láser de varilla. Un láser de placa
permite además una mejor distribución del calor y el uso de una
potencia más baja.
El uso de un láser de placa tiene
aplicación con cualquier material ultra-duro,
especialmente DPC y NBCP, con soporte o sin soporte. Un DPC o NBCP
con soporte comprende una capa de DPC o NBCP ligada a un sustrato o
soporte que generalmente es carburo cementado. El carburo cementado
puede ser cualquiera de los conocidos en la técnica, como carburo de
tungsteno cementado, carburo de titanio cementado o carburo de
tántalo cementado.
Durante su uso, se puede usar un láser de
placa para producir un corte completo a través de un material
ultra-duro produciendo dos o más piezas separadas.
Alternativamente, el corte puede ser solo parcial a través del
material, a uno o ambos lados.
La invención tiene una aplicación especial para
el corte de DPC y NBCP con soporte o sin soporte. Se ha encontrado
que el láser de placa, al cortar a través del DPC o NBCP,
permite que se formen enlaces débiles de grafito o de nitruro de
boro hexagonal, según el caso, dejando una estructura débilmente
enlazada. Con el DPC o NBCP sobre soporte de carburo, se forman
también enlaces débiles de carburo en el soporte de carburo. El daño
adicional al DPC, NBCP y al soporte de carburo es menor al cortar
con láser de placa que en comparación con el corte con láser
de varilla.
En un ejemplo de la invención, se cortó un
producto de DPC sobre soporte de carburo comercializado con la marca
registrada Syndite® con un láser de varilla y con un láser de
placa. Las condiciones empleadas se muestran en la tabla 1:
El daño por láser creado con ambas formas de
corte se comparó y los resultados se muestran en la tabla II
Es posible evaluar de otras maneras la diferencia
del daño en el corte de las piezas de Syndite® con láser de
placa y de varilla. En primer lugar, el daño destructivo o
permanente cuando se utiliza un láser de varilla tiene como
consecuencia que la capa de DPC sea muy vulnerable al agrietamiento.
El agrietamiento puede hacer que la pieza cortada resulte inútil del
punto de vista comercial. El tipo de agrietamiento creado por el
láser de varilla casi con certeza se debe al estrés térmico que pone
en tensión la superficie del DPC al enfriarse. Por el contrario, el
corte con láser de placa usa un nivel mucho más bajo de
potencia que genera un estrés térmico menor y ausencia de
agrietamiento observable en las piezas cortadas. En segundo lugar,
otro tipo de daño es el daño superficial y bajo la superficie, es
decir, un daño que se puede eliminar pero que reduce el rendimiento
del corte e incrementa el coste de la fabricación de la herramienta.
Existe una clara diferencia en el sustrato de carburo después de
afilar el borde de 0,05 milímetros con láser de varilla y de placa.
En las piezas cortadas con láser de placa, el sustrato de
carburo está limpio y exento de daños. Por el contrario, las piezas
cortadas con un láser de varilla muestran un efecto de "piel de
cocodrilo" en el sustrato de carburo. Un efecto "de piel de
cocodrilo" es un agrietamiento de la fase de calor y es un
revestimiento duro y frágil en el carburo que es necesario retirar
antes de poder utilizar la pieza para fabricar una herramienta. Se
estima que, cuando se emplea un láser de varilla, el efecto se
extiende de 0,1 a 0,15 mm desde el borde de corte. Con un láser
de placa, este efecto, si existe, sólo se extiende menos de
0,05 mm.
El empleo de un haz de láser de placa
posee también varias ventajas sobre el corte convencional de los
productos policristalinos con soporte o sin soporte con
electroerosión (EDM). Por ejemplo, hay un daño menor de los
productos policristalinos y del soporte o sustrato, existe un
incremento significativo del producto de corte, la necesidad de
tratamiento posterior al corte para restablecer la calidad del filo
es menor, y existe menos filtrado de metal del soporte y se debilita
menos el filo.
Claims (6)
1. Un procedimiento para cortar un material
ultra-duro que incluye la etapa de usar un haz de
láser para efectuar el corte; caracterizado porque el haz de
láser es un haz de láser de placa.
2. Un procedimiento según la reivindicación 1 en
el que el material ultra-duro es DPC o NBCP.
3. Un procedimiento según la reivindicación 2 en
el que el DPC o NBCP está ligado a un sustrato.
4. Un procedimiento según la reivindicación 3 en
el que el sustrato es un sustrato de carburo cementado.
5. Un procedimiento según la reivindicación 4 en
el que la profundidad del daño al carburo causado por el láser es
inferior a 50 \mum.
6. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes en el que el láser se limita a oscilar
en el modo TEM_{00}.
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