KR940003474B1 - 탄화규소 구조체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

탄화규소 구조체의 제조방법

제1도는 본 발명에 의한 탄화규소를 사용한 노즐의 종단면도.

제2도 내지 제6도는 본 발명의 다른 실시예들을 도시하는 유사도.

제7도는 본 발명에 의한 제조방법을 보여주는 설명도.

본 발명은 일반적으로 고속으로 추동되는 워타제트에 의해 제품을 가공하기 위한 워타제트(water jet)노즐과 같은 튜브형(tubular)구조체, 더 구체적으로는, 본 발명은 석류석과 알루미나 같은것을 혼합한 연마제 입자를 함유하는 연마형 위타제트를 배출하기 위한 노즐에 사용하는 탄화규소튜브의 제조방법에 관한 것이다. 알려진 바와같이, 워타제트작업 또는 절삭장치는 작은 출구 직경의 노즐을 통하여 고압으로 물을 분사함으로서 물의 속도가 초음속으로 되어 이물의 분사를 작업 물체에 향하게 하여 그 물체를 가공하는 것이다. 이러한 기술에 의하여 플라스틱, 종이, 금속합금등 거의 모든 재료를 가공할 수 있다.

이러한 가공 또는 절삭작업중, 먼지의 산포나 열의 발생이 생기지 않으며, 3차원적 절삭도 가능하다. 가공공정의 정밀도와 속도를 증가시키기 위하여, 알루미나의 석류석 같은 연마제 입자를 포함하는 연마형 워타제트가 또한 개발되고 있다. 유통경로와 워타제트 배출구멍을 구성하는 노즐의 내표면은 심한 마손과 마모에 시달린다. 따라서, 이 노즐을 시멘티드 카아바이드 합금, 내화재 경성금속 및 알루미나 세라믹으로 만들어진다. 또한 일본 실용신안출원 공개공보 제 63-50700호(1988년 4월 6일 공개)에 개시된 바와같이, 큐빅(cubic)질화보론의 소결식 골격으로 만들어진 노즐도 있다. 그러나 이러한 재료들은 그 가격이 높다. 더구나 이 기술분야의 현재 상태에 있어서, 이 물질들은 그들의 본래적 경도로부터 예상되는 바에 따라 합당할 만큼 내구력을 발휘하지 못한다.

탄화규소는 그 경도에 있어서, 다이아몬드 및 큐빅질화보론에 다음가는 물질이다. 더구나, 그 기상(vapor-phase)합성방법에 있어서 그 석출이 비교적 쉽다. 따라서, 탄화규소는 이러한 성질의 노즐을 만드는데 있어서 바람직한 재료이다. 선행기술에 있어서, 탄화규소제품은 탄소, 보론, 알루미늄등과 같은 여러가지 소결 보조제를 아케슨(acheson)공정에 의해 합성한 탄화규소의 미세한 분말에 혼합시켜 제조하였으며, 예를들면 이 혼합물을 원하는 모양으로 성형시키고 그것을 소결하여 만들었다.

알려진바에 의하면, 이물질을 워타제트노즐에 사용하면 탄화규소의 본래적 경도에서 예상되는 만큼 내구성을 발휘하지 못하는 것이다. 이러한 실망적인 원인은 다음과 같은 것이라 생각된다. 즉 먼저 소결보조제가 마손되어 버리거나, 또는 소결보조제와의 결합이 불충분하기 때문에, 탄화규소의 입자들이 유리되어 떨어져나가고, 이에 따라 탄화규소의 본래적 경도는 충분히 활용되지 못하는 것이다.

지금까지 봉착된 또 하나의 문제는 다음과 같은 것이다. 즉, 워타제트노즐의 미세한 내경은 1㎜정도이기 때문에, 모양의 정밀도 요건이 심한 것이다. 이러한 이유로 인하여 소결된 탄화규소로 워타제트노즐을 만드는 것은 어려운 것이라 생각되었다.

본 발명자들은 소결보조제를 포함하지 않은 고순도의 탄화규소를 원하는 모양으로 즉시 얻기 위한 방법을 제공하기 위해 화학적기상 합성법(chemical vapor-phase synthesis process)을 연구하여 왔다. 그 결과 본 발명자들은 다음과 같은 사실을 발견하였다. 즉, 이러한 공정에 의해 제조한 노즐은 종래의 소결 탄화규소 제품 보다 그 성능이 우수하다는 것이다. 따라서 본 발명을 발명하기에 이른 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은 불순물 함량이 최고 20ppm이고, 밀도가 3.18 내지 3.21g/㎤되는 불침투성 다결성 탄화규소로 만든 튜브를 제조하는 방법을 제공하는 것으로서, 이 제조방법은, 로드(rod)형태의 흑연 표면에 기상 합성법에 의해 탄화규소를 석출시키고, 그후 상기 흑연을 제거하는 것으로 구성된다.

본 발명의 성격과 실용성과 기타 특징은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 선호된 실시예를 상세히 설명함으로서 더 분명해 질 것이다.

튜브재료의 밀도가 높을수록 더욱 바람직하다. 본 발명에 의한 튜브의 밀도는 3.18/㎤ 또는 그 이상이다. 이 밀도의 상환은 이론적 밀도인 3.21g/㎤에 육박한다. 더구나 결과적인 물질은 가스에 완전 비침투성이다.

본 발명은 탄화규소는, 첨부도면에 몇가지 예를 도시한 바와같이 여러가지 형태로 성형할 수 있다. 이 물질을 노즐로 성형할 경우, 적절한 규격은 외경 1 내지 10㎜ 및 0.1 내지 4.88㎜이다. 이 튜브들은 다음과 같은 방식으로 제조된다.

탄화규소의 분말을 사용하여 소결로서 본 발명의 튜브를 성형하는 것은 불가능하다. 이 튜브는 화학적 기상 합성법에 의해 제조된다.

화학적 기상합성방식에 의해 탄화규소를 제조함에 있어서, 모체가 되는 물질이 필요하다. 본발명을 실시함에 있어서, 노즐형태의 탄화규소를 성형하기 위하여, 특정 직경의 원통형 로드형 모체를 사용한다. 이 모체는 흑연이다.

특히 불순물을 피해야할 경우에 있어서, 정제된 흑연을 사용한다. 각 로드는 물 분사노즐의 길이에 맞는 길이로 성형한다. 다음에는 화학적 기상합성법의 증발에 의해 탄화규소를 모체에 증착시킨다. 여기서 증착할 탄화규소의 열 팽창계수는 약 4.5×10^-6ℓ/℃이다. 따라서, 열 팽창계수가 4.5×10^-6내지 5.0×10^-6ℓ/℃ 되는 흑연을 모체로서 사용한다. 화학적 기상 합성법으로서는, 여하한 공지된 방법이든 좋다.

이와같은 방법의 한가지 예로서는 메틸 트리쿨로로실란과 같은 탄화수소 실란 및 수소가스를 사용하는 것이다. 또 다른 예로는, 수소가스로서 희석시킨 탄화수소가스와 실란가스를 사용하는 것이다. 또 다른 예로서 SiO로 부터 발생된 CO가스 이러한 화학기상법에 의해 로드형태의 흑연 모체에 특정두께로 탄화규소가 둘러싸인 것을 얻을 수 있다. 상기 모체를 특정 길이로 절단하고, 공기중 산화법에 의해 상기 흑연 모체를 제거함으로서, 특정 형태의 탄화규소 튜브를 성형하게 된다. 이렇게 성형된 튜브는 여러가지 방법에 사용될 수 있다. 그 방법중 하나는, 초 경질 노즐의 내표면에 튜브를 결합시키는 것이다. 다른 방법은, 탄화규소를 큰 두께로 증착시켜서 튜브 그대로 직접 사용하는 것이다.

전술한 바와같은 화학적 기상 합성법에 의해, 소결보조제를 함유하지 않은 고순도의 다결정 탄화규소를 얻는다.

더구나, 다결정 입자들은 미세하게 결합되기 때문에, 높은 밀도를 가지며, 유체에 대해 비침투성이다. 이것은 워타제트 노즐로서 사용할 때는 마손적 마모에 대한 저항력이 상당히 개선된다.

[실시예]

동방성 흑연의 덩어리를 기계 가공하여, 직경 1.8㎜ 및 길이 45㎝의 원형 흑연로드(제7도)(G)를 얻었다. 모체인 이 원형의 로드(G)는 SiO 및 CO가스의 분위기 내에서 1,700 C로 가열하여, 원형의 로드(G)의 표면에 2㎜두께의 막 형태의 탄화규소 다결정 막(1a)을 석출시켰다.

원형의 로드(G) 끝 표면에 증착된 탄화규소 막(1a)은 제7도에서 1b로 표시한 바와같이 벗겨 내버렸다. 막(1a)과 함께 로드(G)는 공기 중에서 800C로 가열하여 로드(G)는 연소되어 제거되었으며, 내경 1.8㎜, 벽두께 2㎜, 및 길이 40㎜의 탄화규소튜브를 얻었다.

이렇게 얻어진 튜브는 밀도 3.21g/㎤와 불순물 함량 5ppm을 가지고 있었으며, 가스에 대해 거의 완전히 비침투성이었다.

이 방법에 의하여 아래에서 설명한 바와같은 여러가지 튜브를 성형하였으며, 노즐로 사용하였다.

제1도에는 전술한 튜브가 사용되는 노즐의 종단면도가 도시되어 있다. 이 구조체는 튜브(1)와 외측 실린더(2)로 구성되며, 상기 외측 실린더(2)는 튜브(1)를 보호하고 보강하기 위해 튜브(1)를 둘러싸고 있다. 이 실시예는 다음과 같은 경우를 도시한다. 즉, 종방향으로 일정불변의 직경으로된 원형의 횡단면을 가진 탄화규소(1)로 구성된 내측 실린더가, 금속 또는 초경금속 합금으로된 외측 실린더(2)의 내벽 표면에 일체로 고정된 경우이다. 내측 및 외측 실린더의 고정은 브레이징(brazing) 또는 결합과 같은 방식으로 수행한다. 그러나, 튜브의 외경이 큰 경우에는, 수축 결합도 가능하다.

전술한 구성의 노즐 작동에 있어서, 연마제 입자가 함유된 초고속 워타제트 튜브에 형성된 배출구멍을 통하여 나간다. 이 배출구멍의 내벽은, 마손성 마모에 높은 저항성을 갖는 다결정 탄화규소로 만들어져 있다. 따라서, 그 마모율은 낮으며, 따라서 튜브는 장기간의 서비스 기간동안 내구성을 발휘한다.

제2도에 도시한 바와같은 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 다결정 탄화규소 튜브(1)의 내경은 그 종방향에 있어서 테이퍼 식으로 일정한 율로 직선으로 변화하여, 도면에서 보는 바와같이 그 바닥에 있는 배출구 쪽으로 감소한다. 튜브(1)와 외측 실린더(2)는 제1실시예와 같은 방법으로 고정 결합한다.

제3도에 도시한 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 탄화규소 튜브(1)의 내경은 그 종방향을 따라 계속 변화하여, 제3도에 단면도로 도시한 바와같이 튜브(1)의 각 측면의 윤곽은 계속적인 곡선을 이룬다. 튜브(1)와 외측실린더(2)는 이전 실시예와 동일한 방식으로 고정 결합한다.

제4도에 도시한 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 탄화규소 튜브(1)는 그 입구 끝 부분이 깔떼기형으로 되어있다. 튜브(1) 및 외측 실린더(2)는 이전 실시예와 동일한 방식으로 고정 결합된다.

제5도는 본 발명의 또 하나의 실시예를 도시하는데, 여기서 다결정 탄화규소 튜브(1)는, 외측 실린더(2)가 없는 노즐을 구성하는 두꺼운 벽의 동질성 단일구조체이다. 튜브의 벽이 두꺼운 이 경우에 있어서, 튜브(1)는 외측 실린더(2)없이 보강부로서 사용할 수 있다. 또한, 튜브(1)를 형성한 후에 테이퍼진 깔떼기형 입구를 기계가공(연마)할 수 있다. 필요에 따라, 외측 실린더형 표면을 가공할수도 있다.

제6도는 도시한 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 튜브(1)는 소결금속 구조체인 외측 실린더(3)에 의해 보강된다. 다결정 탄화규소 튜브(1) 및 외측 실린더(3)는 함께 소결하여 일체형 구조체를 만든다. 이 실시예에 있어서, 튜브(1)의 내경은 계속 변화하여, 입구로부터 졸려진 목 부위까지는 수축하고, 그로부터 배출구멍까지는 확장한다. 제6도의 종단면도 면에서 볼 수 있는 바와같이, 튜브(1)의 윤곽은, 대칭적으로 대향하는 두개의 연속적 곡선을 포함한다.

전술한 실시예들에 있어서, 본 발명은 탄화규소의 내마모성 구조체와 관련하여 설명하였으며, 이 탄화규소는, 기상합성 방법에 의해 제조되고, 마손제를 함유하여 통과시키는 초고속 분사수를 배출하는 노즐로서 사용된다. 그러나 본 발명은 이러한 용도에 제한되지 않는다. 물론 본 발명의 튜브는 연마제를 섞지않는 초고압 유체 또는 고압유체를 배출하는 노즐에 사용해도 마찬가지로 결과가 좋을것은 분명한 일이다.

또한 전술한 실시예와 기타 실시예에 관하여 여러가지 수정과 대체배합이 가능한데, 즉 튜브의 종단면과 횡단면에 있어서 그 내벽표면의 모양과, 그 외부모양과 내부 튜브와 외측 실린더와의 결합방법에 관하여 여러가지 수정이 가능한 것이다. 이러한 모든 수정과 대체배열은 본 발명의 범위에 든다고 이해해야 할 것이다.

전술한 바와같이 본 발명에 의한 다결정 탄화규소 튜브는, 고압으로 유체를 배출하는 노즐성형에 있어서, 내벽 표면을 구비한 구조체로서 사용할 수 있다. 이와같은 이유로 인하여, 노즐에서 배출되는 고속 분사수의 직경은 장기간 안정되게 유지된다. 따라서 노즐의 교체빈도는 줄어들고, 작업능률 및 재료작업 정밀도가 크게 향상된다.

Claims (9)

1. 연마워타제트를 통과시킴으로서 제품을 가공하는 워타제트노즐의 제조방법에 있어서, 원통형 로드형 흑연구조체를 준비하는 단계, 기상 합성방법으로 상기 로드형 구조체의 표면에 탄화규소를 증착시켜서, 상기 흑연 구조체상에 탄화규소가 원통형 튜브를 형성하게 하며, 상기 튜브의 밀도는 3.18 내지 3.21g/㎤로 되며, 그 최고 불순물 함량은 20ppm되게하는 단계, 상기 흑연구조체를 공기중에서 가열하여 상기 흑연구조체로 부터 튜브를 분리하여 고정밀도 및 고내마모성 워타제트노즐을 획득하는 단계 등으로 구성된 것을 특징으로 하는 “튜브형 탄화규소 구조체의 제조방법”.
2. 제17항에 있어서, 하나의 외측 실린더를 상기튜브의 외표면에 고정시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 “튜브형 탄화규소 구조체의 제조방법”.
3. 제17항에 있어서, 탄화규소를 증착시키는 상기 단계는 규소와 탄소를 포함하는 화합물의 가스분위기 속에서 상기 로드형 흑연구조체를 가열하여, 탄화규소의 다결정막을 상기 흑연구조체상에 증착시키는 것을 특징으로 하는 “튜브형 탄화규소 구조체의 제조방법”.
4. 제18항에 있어서, 상기 화합물은 물론 탄화수소 실란인 것을 특징으로 하는 “튜브형 탄화규소 구조체의 제조방법”.
5. 제18항에 있어서, 상기 화합물은 실란가스와 탄화수소가스인 것을 특징으로 하는 “튜브형 탄화규소 구조체의 제조방법”.
6. 제18항에 있어서, 상기 화합물은 SiO가스와 CO가스인 것을 특징으로 하는 “튜브형 탄화규소 구조체의 제조방법”.
7. 제18항에 있어서, 상기 로드형 흑연구조체는 1,700℃로 가열되는 것을 특징으로 하는 “튜브형 탄화규소 구조체의 제조방법”.
8. 제17항에 있어서, 상기 튜브를 상기 흑연구조체로 부터 분리 하기전에, 상기 로드형 흑연구조체의 끝부분에 증착된 탄화규소를 긁어 없애버리는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 “튜브형 탄화규소 구조체의 제조방법”.
9. 제23항에 있어서, 상기 흑연구조체는 800℃로 가열되는 것을 특징으로 하는 “튜브형 탄화규소 구조체의 제조방법”.