CN1052444A - 碳化硅管形构件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

管(1)是采用一种方法由密度为 3.18-3.21g/cm³、最高杂质含量为20ppm，且对流体 抗渗的多晶碳化硅制成，该方法包括利用化学气相合 成的方法在一棒形石墨构件(G)的表面沉积所述碳 化硅以及随后去除该石墨构件。通过使用这种管作 为喷管的内管以构成流经喷射水流的通道，可制作高 度耐磨耗的水流喷管。

Description

一般来说，本发明涉及用于以高速推进水流加工制品的管形构件（如水流喷管）及其制作方法。更具体地，本发明涉及一种专门用于喷射研磨式水流（在其中含有磨料颗粒如混合的金刚砂和矾土）的喷管的碳化硅管、以及该管的制作方法。

作为已知技术，水射流加工或机加工设备工作时要在高压下通过一细颈截面直径的喷管喷射水流，由此使水流变成一超音速射流并将这一射流对准工件原料加工之。采用这一技术，几乎可以加工任何类型的材料，如塑料、纸及合金。在这种加工或机加工过程中，几乎没有灰尘的散布或热量的产生，并还可以进行三度空间的机加工。为了提高加工工艺的精度和速度。含有磨料颗粒如矾土和金刚砂的研磨式水射流也在发展中。

由用于排放水射流的水流通道和孔眼构成的喷管的内表面要受到严重的研磨和损耗。相应地，像硬质合金、难熔硬质合金以及矾土陶瓷一样的材料通常被用于这些喷管。还有一些以立方氮化硼烧结构件制成的喷管公开在如1988年4月6日出版的公开号为63-50700的日本实用新型申请中。然而，这些材料的价格很高。此外，在本领域中目前认为，这些材料并不显示出与由其固有硬度可预料的程度相当的持久性。

碳化硅是一种在硬度上仅次于金刚石和立方氮化硼的材料。此外，其利用气相合成方法的沉积是比较容易的。因此，对上述特性的喷管来说，碳化硅是一种有前途的材料。

已有技术的碳化硅成型制品是通过将不同烧结剂如碳、硼和铝混入经Acheson法合成的碳化硅细粉中而制作的，如，将该混合物制成所需的形状，而后烧结之。已发现，当这种材料用于水射流喷管时，它并不显示出由碳化硅的固有硬度可预料到的持久性。这一令人失望的结果的原因认为是这样的，由于烧结剂已在先消耗掉，或与烧结剂的结合不充分，碳化硅颗粒变得不受约束并脱落，因此，碳化硅的固有硬度不能充分的表现。

由于1mm级的水射流喷管的内径细小，迄今为止所遇到的另一个问题就是对其形状精度的要求非常严格。由于这一原因，由烧结的碳化硅形成水射流喷管一直认为是很困难的。

为了提供一种直接获得所要求形状的不含烧结剂的高纯碳化硅的方法，我们研究了化学气相合成工艺。结果，我们发现由此方法制作的喷管具有优于常规烧结的碳化硅喷管的性能。因此我们作出了本发明。

按照本发明的一方面，提供了一种含密度为3.18至3.21g/cm³，且杂质含量最高为20ppm的具有抗渗性的多晶碳化硅的管。

按照本发明的另一方面，提供一种制作上述管的方法，该方法包括利用气相合成方法将碳化硅沉积在棒状石墨表面，随后去掉石墨棒。

由下面的详细叙述，包括本发明较佳实施例，并结合阅读附图，本发明的性质、应用及其他特征更为清晰明了。

图1为一喷管的侧视图的纵断面，该喷管中用到本发明的碳化硅管;

图2-6为分别表示本发明其他不同形式喷管的相似视图;

图7为按照本发明的方法的图解。

管材的密度越高越为理想。本发明的管的密度为3.18g/cm³或更高。该密度的上限几乎可等于3.21g/cm³的理论密度。而且，由此得到的材料几乎是完全不透气的。

如附图中仅有的几个例子所示本发明的碳化硅管可制成不同的形式。当它们用作喷管时，这些管的适宜的尺寸范围是，外径1-10mm，内径0.1-4.8mm。

这些管是用下面的方法制作的。

使用碳化硅粉末通过烧结制作本发明的管是不可能的。该管可通过化学气相合成来制作。

对利用化学气相合成方法制备碳化硅来说，需要一种作为基底材料的物质。在本发明实践中，为制备喷管形式的碳化硅，采用一特定直径的圆棒形基底材料。该物质即是石墨。在需要避免杂质的特殊情况下，需要精制的石墨。每一圆棒制成与水射流喷管长度相一致的长度。然后，用化学气相方法通过蒸发将碳化硅沉积在基底材料上。在这一接合中，待蒸发沉积的碳化硅的热膨胀系数近似为4.5×10^-6l/℃。正由于此原因，才采用热膨胀系数为4.5×10^-6至5.0×10^-6l/℃的石墨作为基底材料。

作为化学气相方法，可采用任何适宜的已知方法。这种方法的一个实例是在其中采用一种硅烷烃（如甲基三氯硅烷）和氢气。在另一个实例中是采用以氢气稀释的硅烷气和碳氢化合物气体的方法。还有一个实例，是采用SiO气体和Co气体的方法，该气体是由SiO₂和碳（石墨）生成的。

通过这种化学气相方法，便获得了以达到特定包覆有一定涂层厚度的碳化硅的棒形石墨基底材料。通过将这种基底材料切割为特定长度，并用在空气中氧化的方法去除石墨基底材料，便可制成所需形状的碳化硅管。如此制成的管可以任何不同的方法使用。一种方法是将该管焊接或粘结在一超硬喷管的内表面。另一种方法是将碳化硅沉积至较高的厚度并将该管本身直接使用。

采用上述的化学气相合成方法，可获得不含任何烧结剂的高纯度多晶碳化硅。并且，由于多晶体颗粒结合致密，使产品具有高密度且对流体是抗渗的。当产品用作水射流喷管时，其耐磨损性显著改善。

实施例

对一各向同性的石墨工件进行机加工，制得一直径1.8mm及长度为45mm石墨圆棒G（图7）。将这一圆棒G作为基底材料在SiO和CO气体的气氛中于1700℃加热，从而在圆棒G的表面沉积一层厚度为2mm的碳化硅多晶薄层1a。

将如此沉积于圆棒G端面的碳化硅薄层1a按图7中1b所示削除掉。然后将与薄层1a连在一起的圆棒G在空气中于800℃加热，于是，棒G燃烧并脱除，便得到了内径1.8mm，壁厚2mm，长为40mm的碳化硅管。

如此得到的管的密度为3.21Kg/cm³，杂质含量为5ppm，并且几乎是完全抗气渗。

采用这一方法，制备了如下所述的多种管并作为喷管使用。

图1表示了一种喷管的一般性侧视图的纵剖面，在该喷管中使用了上述管。该构件含有管1和为保护和加固管1而将其包封的外部筒体2。这一实例表示这样一种情况，内部筒体整体固定在由金属或超硬合金制成的外部筒体2内壁的表面上，该内部筒体是由碳化硅管1组成，管1在其轴向上的圆形横截面直径是恒定不变的。这种内外筒体的固定是通过诸如焊接或粘接的方法进行的。当然，在管外径大的情况下，热压冷缩配合也是可取的。

上述构件的喷管在工作时，其中含有磨料颗粒的超高速水射流通过该管上形成的喷射孔。这种喷射孔的内壁是由抗磨损性极好的多晶碳化硅制成，因此它的磨耗速率很低，故该管可经得起长期使用。

如图2所示，在本发明采取的另一较佳形式中，多晶碳化硅管1的内径在其轴向上恒定比率成锥形线性变化，如图所示，其内径沿着底部排放端的方向降低。采用与第一实例中相同的方法将管1和外部筒体2牢固接合。

如图3所示，在本发明所采取的另一种形式中，碳化硅管1的内径在轴向连续变化，因此如图3的截面视图所示，管1每侧的轮廓为一连续流线形曲线。采用与前面实例中相同的方式将管1与外部筒体2牢固接合。

如图4所示，在本发明所采取的另一形式中，碳化硅管1在其进口端呈漏斗状。采用与前面实施例中相同的方法将管1与外部筒体2牢固接合。

图5示意了本发明采取的另一种形式的一个实例，其中多晶碳化硅管1为均匀一致的厚壁构件，其构成了不带有外部筒体2的喷管。这种情况下管1的壁要厚，该管不带有起加固件作用的外部筒体2便可使用。此外，管1成形后还可以加工（研磨）圆锥漏斗形进口。根据需要，还可加工筒体的外表面。

如图6所示，在本发明所采取的另一形式中，管1被一外筒体3加固，该筒体3为一烧结的金属构件。多晶碳化硅管1与外筒体3烧结在一起形成一完整构件。在这一实例中，管1的内径连续变化，即自进口到细颈区的向下方向上收缩然后向着排放孔的方向扩大。如图6的纵剖面所示，这种管1的轮廓包括两个对称的连续的流线形曲线。

在上述实例中，就抗磨构件对本发明作了描述，该构件是由气相合成制备的碳化硅制成并适于用作喷射流经其中的含有磨料的超高速射流的喷管。当然，本发明并不限于这一申请。自然，本发明的管可应用于排放其中不预混磨料的超高压流体或高压流体射流的喷射管并具有同等良好效果是显然的。

此外，就上述形式的实例和其它可能的形式而言，在特征上的各种修改和替换组合都是可能的，如在纵断面和横断面上该管内壁表面的形状、外部形状以及连接内管和外筒体的方法。应当明确所有这样的修改和替换排列都确定在本发明的范围之中。

如上所述，按照本发明，制作用于喷射高压下流体的喷管时，多晶碳化硅管可用来构成喷管构件的内壁表面。因此，自该喷管喷射出的高速射流的直径长期内保持稳定。相应地，喷管更换的次数减少，工作效率和材料的加工精度大大提高。

Claims (16)

1、一种管形构件，其特征为含有一个密度为3.18～3.21g/cm³、最高杂质含量为20ppm且对流体抗渗的多晶碳化硅管(1)。

2、按照权利要求1的管形构件它是一种水射流喷管。

3、按权利要求1的管形构件，还含有一个固定在该管（1）的外表面的包封外筒体（2）。

4、按照权利要求3的管形构件，其中该外筒体（2）由金属制成。

5、按照权利要求3的管形构件，其中该外筒体（2）由合金制成。

6、按照权利要求1的管形构件，其中该管（1）在其整个长度上具有相同的内径。

7、按照权利要求1的管形构件，其中该管（1）沿其长度上至少有一部分具有变化的直径。

8、一种制作管形构件的方法，其步骤含有：

制作一个棒形石墨构件（G）;

利用气相合成方法在该棒形石墨构件的表面沉积碳化硅（1a）;以及

随后去除该石墨构件（G）。

9、按照权利要求8的方法，其中所述沉积碳化硅的步骤含有的步骤为：

在含有硅和碳的一种化合物或化合物组的气氛下加热该棒形石墨构件以在该石墨构件上沉积一碳化硅的多晶薄层。

10、按照权利要求9的方法，其中所述的化合物是硅烷烃。

11、按照权利要求9的方法，其中所述的化合物组是一种硅烷气和一种碳氢化合物气体。

12、按照权利要求9的方法，其中所述的化合物组是SiO气和CO气。

13、按照权利要求9的方法，其中将所述的棒形石墨构件（G）在1700℃加热。

14、按照权利要求8的方法，还含有的步骤为：

在去除石墨构件之前削除沉积在棒形石墨构件（G）端面的碳化硅薄层（1b）。

15、按照权利要求8的方法，其中该石墨构件（G）的去除步骤是通过在空气中加热石墨构件进行的。

16、按照权利要求15的方法，其中将石墨构件（G）于800℃下加热。

Images