Изобретение относится к машинострое- Н1|1ю, в частности к резьбовым соединениям графитового и металлических валов с повы- ш енным сопротивлением крутящему моменту.
Целью изобретения является расшире- Hijie диапазона материалов, используемых в качестве твердого покрытия, наносимого на графитовый вал,
i На чертеже изображено резьбовое соединение графитового и металлического ва- ло|в.
i Соединение содержит графитовый вал 1 с внутренним соосным отверстием 2 и твердь м покрытием 3 на торце 4 и свинченный с ним при помощи резьбового хвостовика 5 металлический вал 6 с фланцем 7. При этом металлический вал ввинчен в графитовый до упрра торцэ 8 фланца 7 в торец 4 с покрытием 3. Валы соединены соосно. Покрытие 3 выполнено в виде тонкого слоя материала, выбранного из группы, включающей силикат натрия, коллоидный глинозем, ацетат алюминия, силикат калия или муравьино- кислый алюминий, и нанесено на торец графитового вала в виде раствора или коллоидной дисперсии с последующей сушкой.
Покрытие может быть нанесено только на участок торца графитового вала в зоне контакта с торцом фланца металлического вала.
Операции покрытия и сушки чередуют и повторяют их от 5 до 10 раз. После окончательной сушки валы свинчивают, вращая металлический вал б в направлении, показанном стрелкой, таким образом, чтобы затянуть соединение между валами против
(Л
00
ы оо о VI
ю
О)
сопротивления вращению графитового вала.
Покрытие может быть из жаропрочного цемента zlrcar Alumina, содержащего 70% глинозема в сочетании с размельченными волокнами и частицами субмикронного диапазона вместе с небольшим количеством органической производной алюминия для увеличения его связующих характеристик в связующей композиции, основанной на во- де. Этот цемент может наносится в том виде, в котором он получается от завода-изготовителя. Однако легче наносить гладкое однородное покрытие. Для этого цемент подвергается дроблению для размельчения небольших кусочков и затем просеивается через сито. В любом случае цемент наносится на торец графитового вала путем прижатия кисти, содержащей ма
териал, к медленно вращающемуся валу,
при этом скорость вращения должна быть порядка 150 оборотов в минуту. Для этой цели наиболее удобной является плоская синтетическая волокнистая художественная кисть. При таком способе нанесения покрытие будет иметь практически одинаковую толщину по любому круговому пути, и, следовательно, нанесение покрытия не будет нарушать требуемую точность покрываемой поверхности. Покрытие может быть нанесено за два приема с промежутком порядка 10-30 с. Часть связующей фазы первого приема покрытия абсорбируется из-за пористости покрываемой графитовой поверхности. Повторное нанесение покрытия служит для замены такого абсорбированного материала, Покрытие возможно осуществлять при воздушной сушке без специальных операций сушки и обжига.
Покрытие, наносимое на поверхность графитового вала, на практике в соответствии с данным изобретением имело толщину 1,2...1,4 мил (0,03048...0,03556 мм), когда используемый цемент был размельчен и просеян, как указывалось выше, и порядка 1,4... 1,9 мил (0,03556...0,04826 мм), когда цемент использовался в том состоянии, в котором он поступил от производителя.
В качестве покрытия могут быть исполь- зованы смеси № 1 и № 2 со связующими в виде силиката натрия.
Смесь № 1 имеет следующий состав:
Кремнезем
Cab-0-Sil, г0,5
Раствор силиката натрия
(18% твердых включений), г10,0
Растертый глинозем Бюллера марки 643 5 АВ, г2,0
5
0
5 0 5
0 5
0
5
Глинозем Бюллера
40 - 6625АВ 25, г1.0
Ivory Llguld, г1 капля.
Кремнезем Cab - О - SII применяется для получения толстой покрывающей смеси, легко наносимой на графитовую поверхность, он также служит для предотвращения быстрого удаления связующей жидкости из покрытия посредством капиллярного воздействия на пористый графит. Пудра глинозема обеспечивает получение требуемых высоких характеристик трения, причем размельченный глинозем также облегчает распыление смеси. Ivory Llguld обеспечивает увлажнение всех порошкообразных частиц и смачивания графита смесью. Для подготовки смеси не требуется никаких специаль- ных добавок и никакой специальной техники приготовленной смеси. Обычным способом нанесенное и высушенное покрытие, обычно имеет толщину, порядка 0,6 мил (0,01524 мм) на оригинальной графитовой поверхности, по сравнению с более толстыми покрытиями, получаемыми при использовании цемента Zlrcar Alumina. Эта толщина не включает материал, который проник и заполнил поры поверхности графита. По сравнению с цементом Zircar Alumina, смесь № 1 имеет тенденцию разделяться на твердую и жидкую фазу в течение нескольких часов, кроме того она сохнет примерно в течение дня. Таким образом, она должна заново готовиться за несколько часов до предполагаемого времени использования.
Смесь № 2 имеет следующий состав:
Кремнезем Cab-0-SII, г0,5
Раствор силиката натрия
(18% твердых частиц), г10,0
Глинозем Бюллера
40-6625АВ 25, г2,0
Бюллер В (Linde В
Alumina), г. 0,5
Размельченный глинозем
Бюллера 40-6435 АБ, г5,0
Ivory Liguld1 капля.
Эта смесь может быть изготовлена тем же самым способом, что и смесь N 1 и имеет аналогичные свойства при нанесении на графит.
Комбинации материалов, на которые ссылка делалась выше, являются иллюстрацией типа цемента, который может быть использован в практике данного изобретения. В общем же жаропрочный цемент, используемый для данного изобретения, должен содержать:
1) порошкообразный материал с отдель- ными частицами, которые не плавятся, дробятся или разрушаются при рабочих условиях;
i 2) связующую фазу, которая будет удер- частицы вместе, а также склеивать nk с графитом, причем вышеупомянутое связующее средство сохраняет свои свойства при рабочих условиях;
i 3)эта композиция вышеупомянутого по- рбшкообразного материала и связующей фазы должна быть в легко распыляемой фррме;
| 4) вышеупомянутый цемент имеет, или необходимо сделать, чтобы он имел, ограни- чфнную абсорбцию жидкой связующей фа- зЦ в пористом графите. Толщина наносимого покрытия несколько варьирует- cjji в зависимости от характеристик конкрет- HJD применяемого покрытия в данном частном нанесении с толщиной от 0,5 до порядка 2 милей (0,0127 мм-0,0508 мм), что о(шчно является достаточным.
Данное изобретение демонстрирова- лфсь в различных показательных испытани- я. Для того чтобы оценить сопротивление крутящему моменту соединения, была изго- трвлена сборка с резьбовым соединением, показано на чертеже. Обычно, графитовый вал удерживается в стационарном состоянии, в то время, как крутящий момент прикладывается к металлическому валу при помощи гаечного ключа. При этом отмечается вращающий момент, необходимый для разрушения соединений. Это испытание обычно выполняется при комнатной температуре, на воздухе. До этого проводились испытания при температуре 350 или 450°С в |аргоне, или аргон содержал небольшое количество хлора для имитации условий ре- a/jibHoro применения.
I Один из факторов, который рассматри- при осуществлении таких испыта- , заключается в том, что имеется коэффициент порядка 2 в сопротивлении крутящему моменту соединений, изготовленных из различных начальных графитовых материалов. Например, особое, наиболее часто используемое соединение показывает при комнатной температуре сопротивление крутящему моменту порядка 251-50 футо-фунтов (0,138 кгм). Главную опасность представляют собой моменты, находящиеся на нижнем конце данной шкалы. Для того, чтобы должным образом оценить эффективность покрытия согласно данному изобретению, из одного и того же куска графита изготавливалось два или более образцов, причем один образец испыты- вйлся в необработанном состоянии на воздухе при комнатной температуре и другой или другие были покрыты и испытывались для сравнения при различных условиях. Резьбовые соединения, в которых использовались графитовые валы, обработанные в соответствии с данным изобретением, использовали Zlrcar Alumina, Cement, на который ссылка делалась выше, показали, что они на 65-115% крепче, чем аналогичные соединения, изготовленные с использованием непокрытого графита. Наи0 большее увеличение сопротивления крутящему моменту было обнаружено по отношению к более слабым исходным материалам. Это желаемое увеличение сопротивления крутящему моменту сохранилось,
5 когда соединение испытывалось при температуре 350...450°С в аргоне плюс 3,6% хлора при общих рабочих температурах и атмосферных условиях.
В сравнительном испытании, в котором
0 использовалась смесь № 1, на которую делалась ссылка выше, резьбовое соединение, в котором использовался необработанный графит, разрушались при крутящем моменте, равном 39 футо-фунтам при комнатной
5 температуре. Сравнительное соединение, в котором контактная поверхность графита была покрыта вышеупомянутой смесью, толщиной 0,5 мил (0,0127 мм) было испытано при 350°С в атмосфере аргона плюс 3,6%
0 хлора, и было обнаружено, что оно имеет значительно большее сопротивление крутящему моменту и вышеупомянутое резьбовое соединение, изготовленное согласно изобретению, разрушилось при 85 футо5 фунтах.
В серии дополнительных испытаний один графитовый кусок был испытан при комнатной температуре и затем был разрезан на образцы для высокотемпературных
0 испытаний. Каждый комплект образцов, подвергнутых испытанию, состоял из двух кусков, которые были обработаны таким образом, что их резьбовые торцы были взяты из соседних положений первоначального
5 графитового куска. Первоначальный кусок был испытан при комнатной температуре и его резьба разрушилась при крутящем моменте, равном 40 футо-фунтов. Из этого пер- воначального куска было вырезано 4
0 образца и они затем были испытаны в двух сравнительных комплектах, причем один из них был не покрыт и второй был покрыт цементом Zlrcar Alumina и испытания проводились при 350°С в воздухе. В комплекте
5 номер 1 непокрытый кусок разрушился при моменте, равном 49 футо-фунтов, в то время, как кусок, покрытый в соответствии с данным изобретением достиг момента в 80 футо-фунтов без повреждений к моменту времени, когда испытание было остановлено. Комплект № 2 дал аналогичный результат с непокрытым образцом, разрушившись при 40 футо-фунтах, в то время как покрытый образец.достиг 80 футо-фунтов без раэ- рушения к моменту прекращения испытаний.
Другой единственный графитовый образец, который был поврежден при 39 футофунтах, во время испытаний при комнатной температуре, был разрезан на четыре куска и был ..испытан в двух дополнительных комплектах сравнительных испытаний при температуре 350°С в воздухе. При испытаниях комплекта NJ 3 непокрытый образец разрушился при моменте равном 40 футо-фунтов, и в комплекте №4 непокрытый образец разрушился при 43 футо-фунтах. При испытаниях комплекта № 3 и комплекта № 4 покрытые образцы не разрушились и испытания были остановлены при моменте, равном 80 футо- фунтам. Покрытые образцы из комплектов №№ 1-4, которые не были повреждены в вышеупомянутых сравнительных испытани- ях.затем были подвергнуты машинной обработке для удаления покрытия до появления свежего графита. Два из этих заново подготовленных образцов затем были покрыты вышеупомянутым цементом Zircar и четыре образца, два покрытые и два непокрытые, затем были испытаны при температуре 350°С в аргоне с добавлением 3,6% хлора. В ходе испытаний непокрытые образцы из комплектов N° 1 и 2 разрушились при моменте, равном 55 футо-фунтам, в то время как соответствующие покрытые образцы разрушились при моменте, равном 67 футофунтам. Непокрытые образцы из комплектов № 3 и 4 разрушились при моменте, равном 40 футо-фунтам, в то время как покрытые образцы достигали момента 70 фу- то-фунтов до разрушения.
Далее были проведены сравнительные испытания с использованием графитового куска, который разрушился при 26 футофунтах во время испытаний, проведенных при комнатной температуре. Из него было вырезано четыре образца, которые были испытаны при температуре 350°С с добавлением 3,6% хлора, Один комплект показал, что разрушение произошло при моменте 31 и 50 футо-фунтов, соответственно для непокрытого образца и образца, покрытого цементом Zircar. Другой комплект дал аналогичный результат, при этом непокрытый и покрытый образцы разрушились при мо- ментах, равных 28 и 61 футо-фунтах соответственно. В другом испытании при тех же самых условиях и с использованием того же самого покрытия графитовый кусок, который разрушился при 30 футо-фунтах в воздухе, был разрезан и непокрытый образец, который разрушился при 25 футо-фунтах, и образец из соседнего участка первоначального куска, который, как и в других испытаниях, о которых говорилось выше, дал значительно более высокое сопротивление крутящему моменту, разрушившись под двойной нагрузкой, т.е. при 50 футо-фунтах.
Один графитовый вал, который разрушился при 39 футо-фунтах во время испытаний, проведенных при комнатной температуре, был разрезан на четыре куска. Каждый кусок был испытан в аргоне с добавлением 3,6% хлора и дал результаты, приведенные в таблице.
Особое внимание должно быть обращено на альтернативные воплощения изобретения, в которых твердое покрытие связывается с графитовой поверхностью, причем вышеупомянутое покрытие наносилось путем покрытия вышеупомянутой графитовой поверхности раствором или коллоидальной дисперсией вышеупомянутого материала и затем производилось высушивание вышеупомянутого раствора или коллоидальной дисперсии, оставляя вышеупомянутый твердый материал связанным с графитовой поверхностью. В таких воплощениях не было необходимости использовать порошкообразный материал, ссылка на который делалась выше, и который обычно использовался в предпочтительных воплощениях изобретения. То есть растворы или коллоидальные дисперсии, такие, например, как раствор силиката натрия, используемый в качестве связующей фазы, в иллюстративных примерах описанных выше, могли быть использованы без введения порошкообразного глинозема или другого подобного порошка, используемого для вырабатывания типов цементов, описанных выше по отношению к предпочтительным воплощениям изобретения.
Так покрытия, используемые в таких последних воплощениях изобретения, содержат твердый материал, который остается твердым и является жестким и прилипающим к поверхности графитового вала при рабочих условиях применения, таким образом покрытого графитового вала в резьбовом соединении с металлическим валом, как например, в операциях рафинирования алюминия. Такое твердое покрытие не будет эффективным, если оно не обладает хорошим качеством или слабо прилипает к поверхности графита. Аналогично этому, если твердое покрытие хорошо прилипло к графитовой поверхности, но имеет плохое качество, оно также будет неприемлемым для целей данного изобретения. Что касается
более предпочтительных воплощений, необходимо отметить, что твердое покрытие тлких последних воплощений, связывается
графитовой поверхностью, а не с металлическим валом резьбового соединения. По
ой причине раствор или коллоидальная
Д
1сперсия твердого материала покрываетсл и тщательно высушивается, чтобы на графитовой поверхности остался твердый материал, связанный с данной поверхностью, до соединения обработанного графитового вала с соответствующим металлическим валом для образования резьбового соединения между ними,
В то время, как раствор силиката натрия, используемый в качестве связующей фазы, в указанных выше примерах, мог бы быть эффективно использован для нанесения твердого покрытия, связанного с графитовой поверхностью, необходимо отметить, что стандартные испытания с различными общеизвестными растворами или коллои- д льными дисперсиями вышеуказанного материала показали, что не все такие рас- ТЕЮРЫ или коллоидальные дисперсии служат для нанесения твердого материала, который связывается с графитом для формирования твердого и прилегающего по- к ытия, пригодного для использования в п актике данного изобретения. В большин- с ве случаев покрытия, которые являются удовлетворительными, могут быть определены путем нанесения покрытия на графитовую поверхность (покрытие прилипло, а ни легко соскребается с графитовой поверхности). В противовес такому простому стандартному эксперименту покрытия из плохих растворов или коллоидальных дисперсий обычно легко соскребались с графитовой поверхности всего лишь под воздействием ногтя.
Твердые растворы или коллоидальные дисперсии, которые могли быть эффективно применены в практике вышеупомянутых последних воплощений изобретения, включали растворы силиката натрия, как это указывалось выше, коллоидальные дисперсии глинозема и растворы ацетата алюминия. Такие обычные материалы являются п )осто иллюстративными для показа широкого диапазона растворов или коллоидальных дисперсий которые могут быть определены при помощи простого стандар- тн ого испытания, чтобы они были эффективными при формировании на графитовой поверхности жесткого прилипающего твердого покрытия, применимого для целей изобретения. В противоположность этому бмло найдено большое количество матери- а/ ов не эффективных для обеспечения пол- умения жесткого прилипающего твердого
покрытия, связанного с графитовой поверхностью. В эту последнюю категорию включаются коллоидальный кремний, ацетат магния, силикат лития, метаборат натрия.
Твердое покрытие очень легко наносится на графитовую поверхность, например путем покраски требуемого материала однородным покрытием вышеупомянутого раствора или коллоидальной дисперсии на
0 графитовую поверхность. Графитовый кусок может обычно поворачиваться или вращаться во время нанесения кистью раствора или дисперсии на графитовую поверхность, после чего вышеуказанный раствор или дис5 персия может быть высушена. Так как первое такое нанесение будет иметь тенденцию проникать в поры графита, поэтому нанесение раствора или коллоидальной дисперсии осуществляется повторно таким
0 образом, чтобы образовать тонкий однородный слой покрытия на поверхности графита, как это указывалось в других воплощениях, описанных выше. Концентрация раствора или дисперсия, применимая температура,
5 пористость графитовой поверхности и другие подобные вещи будут оказывать влияние на количество нанесений, которое будет осуществляться в каждом конкретном случае для обеспечения достаточной толщины
0 покрытия для охвата всей поверхности грз- фита. В типичных применениях процедура покрытия может быть повторена таким образом, чтобы нанести от 5 до 10 слоев покрытия, хотя в каждом конкретном случае
5 может потребоваться больше или меньше таких операций покрытия. В пределах объема данного изобретения находится также то, что графитовый вал может быть расположен вертикально таким образом, что графи0 товая поверхность, которая должна быть обработана, будет находиться в горизонтальной плоскости, как это показано в положении на фиг.1. Покрытие наносится, например, в ванночке, таким образом, что
5 покрытие может проникнуть в поры графита и остаться тонким слоем на поверхности в ходе одного нанесения,
В примере, показывающем последнее воплощение данного изобретения, был при0 готовлен раствор силиката натрия, содержащий 30% твердых частиц по весу в воде с использованием раствора силиката натрия Fisher Scientific N 50 - 5 - 338. Этот раствор наносился на соответствующую поверх5 ность графитового вала при вращении вала, и нанесение раствора на поверхность осуществлялось кистью. Этот раствор наносился таким образом четыре раза, при этом между каждым нанесением обеспечивался примерно двухминутный интервал для сушки, тем самым производилось формирование тонкого слоя твердого покрытмя, покры- вающего всю графитовую поверхность, подлежащую обработке. После высыхания последнего нанесения раствора твердое покрытие было подвержено обжигу при температуре 800° Фаренгейта (427°С) для имитации рабочих условий. При испытании при комнатной температуре таким образом обработанного графитового вала полученные результаты тормозного момента показали, что сопротивление крутящему моменту обработанного вала было порядка 120% от величины момента соответствующего необработанного графитового вала.
Для аналогичного испытания использовалась коллоидальная дисперсия глинозема, имеющая 28% твердых частиц, то есть использовался ригедайзер (отвердитель глинозема производства фирмы Zircar Products Co). Данное покрытие наносилось кистью на вращающийся графитовый вал, Коллоидальная дисперсия наносилась таким способом 5 раз, при этом между каждым нанесением выдерживался двухминутный интервал для сушки с тем, чтобы образовать покрытия, достаточные для полного охвата обрабатываемой поверхности графита. После сушки последнего нанесения раствора твердое покрытие было подвергнуто обжигу при температуре 800° Фаренгейта (427°С) для имитации рабочих условий. При испытании при комнатной температуре, таким образом обработанного графитового вала, было получено почти 100 увеличение сопротивления вращающему моменту обработанного вала по сравнению с величиной сопротивления вращающему моменту необработанного графитового вала.
В этом иллюстративном примере был использован водный раствор ацетата алюминия, полученный при разделении жидкой связи от жидкой фазы цемента Zircar Alumina, на который ссылка делалась выше. Графитовый вал затем был одиннадцать раз покрыт с использованием этого раствора, причем между каждым нанесением был примерно двухминутный интервал для сушки. После получения таким образом покрытия вся поверхность, которая должна быть обработана, была высушена при температуре 220°С и была испытана при комнатной температуре. Увеличение сопротивления крутящему моменту, по сравнению с сопротивлением необработанного графитового вала, составила порядка 90%.
Из различных сравнительных испытаний, приведенных выше, видно, что покрытие части верхней поверхности графитового вала, входящих в контакт в нижней посадочной поверхности фланца металлического вала позволяет получить улучшенное резьбовое соединение между графитовым валом и металлическим валом. Такое покрытие графитовой контактной поверхности, в соответствии с данным изобретением, заметно упрочняет резьбовое соединение между ними таким образом, что значительно увеличивается способность соединения
передавать крутящий момент. Изобретение позволяет значительно улучшить сопротивление вращающему моменту металлографи- тового соединения без необходимости каких-либо радикальных изменений в конструкции или каких-либо увеличений в размере валов, обеспечивает получение значительного продвижения вперед в технике рафинирования алюминия. Графито вые валы, покрытые таким образом, как это
раскрыто и заявлено в пунктах патентной формулы данного изобретения, таким образом позволяют резьбовому соединению между металлическим и графитовым валами выдержать значительно большее значение
вращающего момента и ударной нагрузки без разрушения металлографитового соединения, или без трещин графитового вала, как это происходило очень часто во время операций рафинирования обычного алюминия или алюминиевых сплавов, выполняемых без преимуществ данного изобретения. Формула изобретения
1. Графитовый вал, предназначенный для свинчивания с резьбовым хвостовиком
металлического вала, установленного с возможностью вращения в направлении свинчивания, до контакта торцевых поверхностей графитового вала и фланца металлического вала, содержащий стержень с внутренним соосным резьбовым отверстием со стороны стыкуемого торца и твердым покрытием участка торца в зоне контакта с фланцем металлического вала для увеличения сопротивления крутящему
моменту вследствие увеличения трения, о т- личающийся тем, что покрытие выполнено в виде тонкого слоя материала, выбранного из группы, включающей силикат натрия, коллоидный глинозем, ацетат
алюминия, силикат калия или муравьино- кислый алюминий, и нанесенного на торец графитового вала в виде раствора или коллоидной дисперсии с последующей сушкой.
2. Способ соединения графитового вала с металлическим валом установленным с возможностью вращения в направлении свинчивания с графитовым валом для затяжки соединения металлического вала, включающий операции нанесения на торец графитового вала покрытия материалом, коэффициент трения которого в паре с материалом металлического вала больше коэффициента трения материала графитового вала в паре с материалом вала, для увеличения сопротивления крутящему, моменту вследствие увеличения трения, сушки покрытия и ввинчивания резьбового хвостовика металлического вала в резьбовое отверстие графитового вала до контакта торца графитового вала с торцом фланца металлического вала, отличающийся тем, что покрытие наносят тонким слоем раствора или коллоидной дисперсии твер- до|го материала с последующей сушкой и повторяют эту операцию 5-10 раз.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве материала для покрытия используют силикат натрия.
4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве материала для покрытия используют коллоидный глинозем.
5. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве материала для покрытия используют ацетат алюминия.
6. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве материала для покрытия используют силикат калия.
6
