Графитовый вал и способ его соединения с металлическим валом

(ГОСПАТЕНТ СССР) ЕНИ ДТЕН нэ с твердым покрытием 3. В качестве покрытия используют один из материалов: силикат натрия, коллоидный глинозем, ацетат алюминия, силикат калия или муравьинокислый алюминий. Покрытие наносят нэ торец вала в виде раствора или коллоидной дисперсии с последующей сушкой. Эти операции повторяют от 5 до 10 раз. После сушки графитовый вал свинчивают с металлическим путем передачи крутящего момента на металлический вал, Возникающее на торцах валов трение приводит к усилению резьбового соединения и увеличению момента сопротивления моменту кручения, 2 с., 5 з.п.ф-лы, 1 ил 1 табл, .О ем 3, Валы выполнено выбранного кат натрия алюминия, кислый алю фито вого коллоиднои кой. тие 3 иала,1цетатьиноц грали ше может быт орцэ графит орцом фланц нанесеноого вала металл ич ольк зонского ции пок их от 5 шки в кий ва елкой, динен АНИЕ ИЗС) Ф 1) 4356983/27 (2) 04.11.88 ( 6) 30.08,93, Бюль 32 ( 1) Юнион Карбид Корпорейшн (ОЯ) ( 2) Джон Франклин Пелтон (ОЯ) ( 6) Патент США йз 4191486, кл. 403-28, 1980,Патент США М 4685822,. Р 16 В 21/20, 1987, 4) ГРАФИТОВЫЙ ВАЛ И СПОСОБ ЕГО ОЕДИНЕНИЯ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ВАОМ 7) Сущность изобретения: торцевая поверость графитового вала 1 в зоне контакта сфланцем 7 металлического вала 6 выполнеИзобретение относится к машиностроению, в частности к резьбовым соединениям гафитового и металлических валов с повышенным сопротивлением крутящему моменту.Целью изобретения является расширение диапазона материалов, используемых в кчестве твердого покрытия, наносимого на графитовый вал,На чертеже изображендИнение графитового и мелрв,Соединение содержит графитовый вал 1 с нутренним соосным отверстием 2 и тверд м покрытием 3 на торце 4 и свинченный с ним при помощи резьбового хвостовика 5 металлический вал 6 с флэнцем 7. При этом металлический вал ввинчен в графитовый до упора торца 8 фланца 7 в торец 4 с покрытиПокрыт на участок контакта с вала. Опера повторяют тельной су металличес занном стр тянуть соесоединены соосно. Покры в виде тонкого слоя матер из группы, включающей коллоидный глинозем, а силикат калия или мурав миний, и нанесено на торе вала в виде раствора дисперсии с последующе рытия и сушки чередуют и до 10 раз. После окончаалы свинчивают, вращая л 6 в направлении, пока- таким образом, чтобы заие между валами против1838679 2,0 50 55 10,0 В качестве покрытия могут быть использованы смеси М 1 и 1 Ф 2 со связующими в виде силиката натрия.Смесь В 1 имеет следующий состав:КремнеземСаЬ-О, г 0,5Раствор силиката натрия(18% твердых включений), гРастертый глинозем Бюллера марки 643 5 АВ, г 2,0 Глинозем Бюллера40 - 6625 АВ 25, г 1,0 Богу 1.дос, г 1 капля.Кремнезем СаЬ - О - Яприменяется для 5 получения толстой покрывающей смеси,легко наносимой на графитовую поверхность, он также служит для предотвращения быстрого удаления связующей жидкости иэ покрытия посредством капиллярного воэ действия на пористый графит. Пудра глинозема обеспечивает получение требуемых высоких характеристик трения, причем размельченный глинозем также облегчает распыление смеси, чогу 1 доб обеспечивает 15 увлажнение всех порошкообраэных частици смачивания графита смесью. Для подготовки смеси не требуется никаких специальных добавок и никакой специальной техники приготовленной смеси. Обычным 20 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 исполь зовании цемента Е 1 гсаг Анапа, Этатолщина не включает материал, который проник и заполнил поры поверхности графита, По сравнению с цементом Ъгсаг А 1 огп 1 па, смесь М 1 имеет тенденцию раэ деляться 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 исполь зовэния.Смесь М 2 имеет следующий состав: КремнеземСаЬ-О-Я, г 0,5 Раствор силикэта натрия40 (180 твердых частиц), г 10,0Глинозем Бюллера40-6625 АВ 25, гБюллер В1 псе ВА 1 цгп 1 па), г 0,5 45 Размельченный глиноземБюллера 40-6435 АБ, г 5,0 1 чогу Одц 1 б 1 капля.Эта смесь может быть изготовлена тем же самым способом, что и смесь М 1 и имеет аналогичные свойства при нанесении на графит,Комбинации марриалов, на которые ссылка делалась выше, являются иллюстрацией типа цемента, который может быть использован в практике данного изобретения, В общем же жэропрочный цемент, используемый для данного изобретения, должен содержать:1) порошкообраэный материал с отдельными частицами, которые не плавятся, дро 1838679бятся или разрушаются при рабочих условиях;2) связующую фазу, которая будет удерживать частицы вместе, а также склеивать их с графитом, причем вышеупомянутое свяэ ющее средство сохраняет свои свойства и и рабочих условиях,3) эта композиция вышеупомянутого поршкообразного материала и связующей фазы должна быть в легко распыляемой фррме;4) вышеупомянутый цемент имеет, или необходимо сделать, чтобы он имел, ограниченную абсорбцию жидкой связующей фазы в пористом графите. Толщина наносимого покрытия несколько варьируется в зависимости от характеристик конкретн применяемого покрытия в данном ч стном нанесении с толщиной от 0,5 до и рядка 2 милей(0,0127 мм - 0,0508 мм), что о ычно является достаточным,Данное изобретение демонстрировалась в различных показательных испытаниях, Для того чтобы оценить сопротивление крутящему моменту соединения, была изготовлена сборка с резьбовым соединением, кк показано на чертеже, Обычно, графитовфй 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 р зрушения соединений, Это испытание о ычно выполняется при комнатной темпер туре, на воздухе, До этого проводились и пытания при температуре 350 или 450 С варгоне, или аргон содержал небольшое количество хлора для имитации условий реального применения.Один из факторов, который рассматривается при осуществлении таких испытаний, заключается в том, что имеется к эффициент порядка 2 в сопротивлении к утящему моменту соединений, иэготовл нных из различных начальных графитов х материалов. Например, особое, н иболее часто используемое соединение и казывает при комнатной температуре сои отивление крутящему моменту порядка 2 -50 футо-фунтов (0,138 кгм). Главную о асность представляют собой моменты, находящиеся на нижнем конце данной шкал, Для того, чтобы должным образом оцен ть эффективность покрытия согласно д нному изобретению, из одного и того же к ска графита изготавливалось два или бол е образцов, причем один образец испытыв лся в необработанном состоянии на в здухе при комнатной температуре и друг й или другие были покрыты и испытывались для сравнения при различных условиях. Реэьбовые соединения, в которых использовались графитовые валы,обработанные в соответствии с данным изо 5 бретением, использовали Е 1 гсаг АЬщпа,Сепепс, на который ссылка делалась выше,показали, что они на 65-115 крепче, чеманалогичные соединения, изготовленные сиспользованием непокрытого графита. Наи 10 большее увеличение сопротивления крутящему моменту было обнаружено поотношению к более слабым исходным материалам, Это желаемое увеличение сопротивления крутящему моменту сохранилось,15 когда соединение испытывалось при температуре 350450 С в аргоне плюс 3,6 хлорапри общих рабочих температурах и атмосферных условиях,В сравнительном испытании, в котором20 использовалась смесь М .1, на которую делалась ссылка выше, резьбовое соединение,в котором использовался необработанныйграфит, разрушались при крутящем моменте, равном 39 футо-фунтам при комнатной25 температуре. Сравнительное соединение, вкотором контактная поверхность графитабыла покрыта вышеупомянутой смесью,толщиной 0,5 мил (0,0127 мм) было испытанопри 350 С в атмосфере аргона плюс 3,6 30 хлора, и было обнаружено, что оно имеетзначительно большее сопротивление крутящему моменту и вышеупомянутое резьбовое соединение, изготовленное согласноизобретению, разрушилось при 85 футо 35 фунтах.В серии дополнительных испытанийодин графитовый кусок был испытан прикомнатной температуре и затем был разрезан на образцы для высокотемпературных40 испытаний. Каждый комплект образцов,подвергнутых испытанию, состоял из двухкусков, которые были обработаны таким образом, что их резьбовые торцы были взятыиз соседних положений первоначального45 графитового куска. Первоначальный кусокбыл испытан при комнатной температуре иего резьба разрушилась при крутящем моменте, равном 40 фута-фунтов. Из этого первоначального куска было вырезано 450 образца и они затем были испытаны в двухсравнительных комплектах, причем один изних был не.покрыт и второй был покрытцементом Ъгсаг Ацв па и испытания проводились при 350 С в воздухе. В комплекте55 номер 1 непокрытый кусок разрушился примоменте, равном 49 фута-фунтов, в то время, как кусок, покрытый в соответствии сданным изобретением достиг момента в 80футо-фунтов без повреждений к моменту времени, когда испытание было остановле 1838679но. Комплект 1 Ф 2 дал аналогичный результат с непокрытым образцом, разрушившись при 40 футо-фунтах, в то время как покрытый образец. достиг 80 футо-фунтов без разрушения 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 В 3 непокрытый образец разрушился при моменте равном 40 футо-фунтов, и в комплекте М 4 непокрытый образец разрушился при 43 футо-фунтах. При испытаниях комплекта Ь 3 и комплекта М 4 покрытые образцы не разрушились и испытания были остановлены при моменте, равном 80 футофунтам. Покрытые образцы из комплектов ММ 1-4, которые не были повреждены в вышеупомянутых сравнительных испытаниях затем были подвергнуты машинной обработке для удаления покрытия до появления свежего графита. Два иэ этих заново подготовленных образцов затем были покрыты вышеупомянутым цементом Ъгсаг и четыре образца, два покрытые и два непокрытые, затем были испытаны при температуре 350 С в аргоне с добавлением 3,6 оь хлора, В ходе испытаний непокрытые образцы иэ комплектов М 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 М 3 и 4 разрушились при моменте, равном 40 футо-фунтам, в то время как покрытые образцы достигали момента 70 футо-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 З,боо хлора, Один комплект показал, что разрушение произошло при моменте 31 и 50 футо-фунтов, соответственно для непокрытого образца и образца, покрытого цементом Ъгсаг. Другой комплект дал аналогичный результат, при этом непокрытый и покрытый образцы разрушились при моментах, 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 воэ 5 10 15 20 25 30 35 40 духе, 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 З,бо 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 наноси- лось 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 операуиях 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 касаетсяб лее предпочтительных воплощений. нео ходимо отметить. что твердое покрытие т ких последних воплощений, связывается с графитовой поверхностью, а не с металлич ским валом резьбового соединения, По 5 э ой причине раствор или коллоидальная д сперсия твердого материала покрываетс и тщательно высушивается, чтобы на графитовой поверхности остался твердый м териал, связанный с данной поверхно с ью, до соединения обработанного графит вого вала с соответствующим м таллическим валом для образования р зьбового соединения между ними,В то время, кэк раствор силиката на т ия, используемый в качестве связующей ф зы, в указанных выше примерах, мог бы б ть эффективно использован для нанесен я твердого покрытия, связанного с графит вой поверхностью, необходимо отметить, 20 ч о стандартные испытания с различными о щеизвестными растворами или коллоид льными дисперсиями вышеуказанного м териала показали, что не все такие рэст оры или коллоидальные дисперсии слу 45 жат для нанесения твердого материала, к торый связывается с графитом для форм рования твердого и прилегающего пок ытия, пригодного для использования в и актике данного изобретения. В большинс ве случаев покрытия, которые являются у овлетворительными, могут быть определ ны путем нанесения покрытия на графит вую поверхность (покрытие прилипло, а н легко соскребается с графитовой поверх ости). В противовес такому простому с андартному эксперименту покрытия из и охих растворов или коллоидал ьных дисперсий о ычно легко соскребались с графитовой поверхости всего лищь под воздействием ноггя.Твердые растворы или коллоидальные д сперсии, которые могли быть эффективно и именены в практике вышеупомянутых пос едних воплощений изобретения, включал растворы силиката натрия, как это у азывалось выше, коллоидальнь 1 е дисперс и глинозема и растворы ацетата алюмин я. Такие обычные материалы являются п осто иллюстративными для показа широк го диапазона растворов или коллоидальн х дисперсий которые могут быть о ределенй при помощи простого стандарт ого испытания, чтобы они были эффективн ми при формировании на графитовой и верхности жесткого прилипающего тверд го покрытия, применимого для целей и обретения. В противоположность этому б ло найдено большое количество матери- а ов не эффективных для обеспечения полу ения жесткого прилипающего твердого 30 35 40 50 55 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 графитовую поверхность. Графитовый кусок может обычно поворачиваться или вращаться во время нанесения кистью раствора или дисперсии на графитовую поверхность, после чего вышеуказанный раствор или дисперсия может быть высушена, Так как первое такое нанесение будет иметь тенденцию проникать в поры графита, поэтому нанесение раствора или коллоидальной дисперсии осуществляется повторно таким образом, чтобы образовать тонкий однородный слой покрытия на поверхности графита, как это указывалось в других воплощениях, описанных выше, Концентрация раствора или дисперсия, применимая температура, пористость графитовой поверхности и другие подобные вещи будут оказывать влияние на количество нанесений, которое будет осуществляться в каждом конкретном случае для обеспечения достаточной толщины покрытия для охвата всей поверхности грзфита. В типичных применениях процедура покрытия может быть повторена таким образом, чтобы нанести от 5 до 10 слоев покрытия, хотя в каждом конкретном случае 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 графитовая 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 покрытие может проникнуть в поры графита и остаться тонким слоем на поверхности в ходе одного нанесения,В примере, показывающем последнее воплощение данного изобретения, был приготовлен раствор силиката натрия, содержащий 30 отвердых частиц по весу в воде с использованием раствора силикэта натрия Взпег Ясепбйс М 50 - 5- 338, Этот раствор наносился на соответствующую поверхность графитового вала привращении 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 суш 1838679 1250 ки, тем самым производилось формирование тонкого слоя твердого покрытия, покрывающего 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 О твердых частиц, то есть использовался ригедайзер (отдердитель глинозема производства фирмы Ъгсаг Ргобостз Со). 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 Ъгсаг Аце ла, на который ссылка делалась выше. Графитовый вал затем был одиннадцать раэ 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 О,Иэ различных сравнительных испытаний, приведенных выше, видно, что покрытие части верхней поверхности графитового вала, входящих в контакт в нижней посадоч 5 10 15 20 25 30 35 40 45 ной поверхности фланца металлического вала позволяет получить улучшенное реэьбовое 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 металлографитового 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, Графитовые валы, покрытые таким образом, как это раскрыто и заявлено в пунктах патентной формулы данного изобретения, таким образом позволяют реэьбовому 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 беэ 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 тл и ч а ю щ и й с я тем, что покрытие выполнено в виде тонкого слоя материала, выбранного иэ группы, включающей силикат натрия, коллоидный глинозем, ацетат алюминия, силикат калия или муравьинокислый 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, коэ фициент трения которого в паре с матер алом металлического вала больше коэффициента трения материала графитового вала в паре с материалом вала, для увеличен я сопротивления крутящему. моменту вс едствие увеличения трения, сушки пок ытия и ввинчивания резьбового хвостовик металлического вала в резьбовое отверстие графитового вала до контакта то ца графитового вала с торцом фланца м таллического вала, о т л и ч а ю щ и й с я те , что покрытие наносят тонким слоем раствора или коллоидной дисперсии твердого материала с последующей сушкой и повторяют эту операцию 5-10 раз,3. Способ по п.2, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что в качестве материала для покрытияиспользуют силикат натрия.5 4, Способ по п.2, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что в качестве материала для покрытияиспользуют коллоидный глинозем5, Способ по п.2, о т л и ч а ю щ и й с я10 тем, что в качестве материала для покрытия используют ацетат алюминия.6. Способ по п.2, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что в качестве материала для покрытияиспользуют силикат калия,1838679 Составитель С.НикулинаТехред М,Моргентал Корректо Реда кт оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагар аказ 2919 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5