JP2512323B2 - 補強されたグラファイト−金属ネジ継手 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ネジ継手に関するものであり、特にはグラ
ファイト軸と金属軸との間のネジ継手のトルク強度を増
大する技術に関する。本発明は、アルミニウム精練に用
いられる気体散布用回転ノズルその他のグラファイト軸
と金属軸都の連結に好適に使用される。

本発明は、米国特許第4,685,822号の関連出願であ
る。

発明の背景 アルミニウムの精練において、精練容器内に収蔵され
る溶融金属中に精練用気体を分散せしめるのに回転ノズ
ルが一般に使用される。この目的のために溶融アルミニ
ウム中に精練用気体を分散せしめるグラファイト回転子
は、グラファイト軸に懸吊されそしてそれにより駆動さ
れる。このグラファイト軸は、次いで、一般にインコネ
ル合金から成る金属軸に固着されそしてそれにより駆動
される。これら２種の軸は、それらが単一構造体として
回転しうるよう軸を互いに適正な整列状態に保持しなけ
ればならないネジ継手により互いに止着される。２本の
軸のこの継手は、また金属軸からグラファイト軸へと必
要とされる駆動トルクを伝達しえねばならない。

従来技術 米国特許第4,191,486号は、そうしたネジ継手を例示
する。しかし、グラファイトと金属部材の線熱膨張係数
の相違により昇温下でその強度低下と遭遇した。

発明が解決しようとする課題 溶融アルミニウム中で回転子を駆動するのに必要とさ
れる定常的な平均トルクに加えて、精練容器内での液体
循環流れ模様の変化や、所望されないが、にもかかわず
溶融金属体中に時として存在する固体物と回転子との衝
突の結果として追加的な非定常衝撃負荷が発生する。そ
うした非定常衝撃負荷は、上述した通常的な定常駆動負
荷より一層大きいこともあり、またそれに付加する可能
性もある。

そうしたネジ継手において生成する全体トルク負荷
は、金属−グラファイト継手の破損を頻繁にもたらす程
に大きい。これは通常、グラファイト軸のネジの脱離に
より起こる。しかし、幾つかの場合、グラファイト軸
は、そのネジ域において割れが入るようになる。いずれ
の場合にも、そうしたネジ継手の破損は明らかに所望さ
れず、高い費用につく休止時間、グラファイト軸の交換
の必要性、アルミニウム精練作業を実施する上での総合
的な不都合や余分な費用とつながる。

発明の目的 本発明の目的は、グラファイト軸とそれを駆動する為
に使用される金属軸との間の改善されたネジ継手を提供
することである。

本発明の別の目的は、グラファイト軸と金属軸との間
の補強されたネジ継手を提供することである。

本発明のまた別の目的は、駆動トルクの伝達能を向上
した、グラファイト軸と金属軸との間のネジ継手を提供
することである。

本発明の更に別の目的は、金属軸からグラファイト軸
への駆動トルク伝達能を向上せしめた、ネジ付きグラフ
ァイト軸及び金属軸の連結を実現する方法を提供するこ
とである。

発明の構成 本発明のネジ継手は、グラファイト軸と金属軸部品の
ネジ連結に際して、金属軸のフランジ部分と接触するグ
ラファイト軸端表面に耐火セメントその他の接合剤（セ
メント）の薄い層を被覆した後に、互いに止着した金属
軸及びグラファイト軸から構成される。セメントは、グ
ラファイトに結合せしめられるが、金属軸のフランジに
は結合されない。別様には、固体コーティングがその固
体物質の溶液あるいはコロイド分散液から付着されう
る。固体コーティングは、前記溶液あるいはコロイド分
散液の乾燥に際してグラファイト表面に結合される。

より詳しく述べると、本発明は継手を締め付けるよう
駆動される雄ネジを有する金属軸とネジ継手を形成する
雌ネジを有するグラファイト軸にして、端面を具備し、
該端面の一部が該継手の締着に際して金属軸のフランジ
部分の座面と接触状態となるグラファイト軸の改良にか
かり、前記金属軸フランジ部分の座面と接触するよう位
置するグラファイト軸端面部分に結合される固体コーテ
ィングを含み、該コーティングが前記ネジ継手の使用の
操業条件下で固体状態に留まり、そして硬質で且つグラ
ファイト軸表面に密着するコロイド状の固体材料粒子よ
りなり、該固体材料はケイ酸ナトリウム、酢酸アルミニ
ウム、ケイ酸カリウム、蟻酸アルミニウム及びコロイド
アルミナより選択されており、そして該固体コーティン
グがコーティングの無いグラファイトと金属接触表面間
の摩擦に比較してグラファイトと金属接触表面間の摩擦
を実質上増大する機能をなし、それによりコーティング
されたグラファイト軸と金属軸間の連結の完了に際して
の接触表面間の増大せる摩擦が金属軸からグラファイト
軸への駆動トルクの伝達能の大幅な増加をもたらすよう
ネジ継手のトルク強度の増加をもたらすことを特徴とす
るグラファイト軸である。本発明はまたこのようなグラ
ファイト軸を使用したネジ継手、並びにネジ継手の改善
方法を提供する。

発明の具体的説明 本発明の目的は、ネジ継手の設計上の何らかの基本的
変化の必要なくまたその金属及び／或いはグラファイト
軸部分の寸法の増加を何ら必要とすることなく、グラフ
ァイト軸の端表面と金属軸のフランジ部分との間の摩擦
係数を大幅に増加することにより達成される。これは、
グラファイト軸と金属軸部分のネジ連結の完了に際し
て、金属軸のフランジ部分と接触するグラファイト軸端
表面に耐火セメント或いは他の適当なコーティングの薄
い層を被覆することにより実現される。グラファイト表
面上に置かれた耐火材或いは他の適当なコーティングと
金属軸フランジ部分との間での大幅に増大せる摩擦係数
の結果として、両部品間の従来型式のネジ継手における
コーティングなしのグラファイトと金属軸フランジとの
間での摩擦に比べて、ネジ継手におけるトルク強度が増
大する。この有益な特徴は、このネジ継手がアルミニウ
ム精練目的に使用されるとき、ネジ継手が実質上増大せ
るトルク伝達能を発揮することを可能ならしめることが
見出された。

本発明の利益を達成するため従来型式のグラファイト
軸を改良する過程において、グラファイト軸と金属軸両
部品が単一構造体としてネジ連結により組み立てられる
とき、金属軸のフランジ部分と接触するグラファイト軸
端表面に耐火材セメント或いは他の適当なコーティング
の薄い層を被覆しさえすればよいことが理解されよう。
グラファイト軸の上端部分全体がセメントで都合よく被
覆されうるが、そうした、金属軸のフランジ部分と接触
するグラファイトの特定部分から離れてのコーティング
は本発明目的には必要とされない。更には、セメントコ
ーティングがグラファイト表面にのみ被覆され、接触し
あうグラファイト及び金属表面両方には被覆されないと
いう本発明の特徴にも注目されたい。従って、本発明の
実施においては、グラファイト表面に置かれるコーティ
ングは部品が組み立てられる前に完全に乾燥せしめられ
る。その結果として、セメント或いは他のコーティング
は、グラファイトに結合されるが、軸フランジの金属に
は結合されない。これは、摩擦作用がグラファイト材料
上の耐火材コーティングと金属軸フランジの金属との間
に関与することを可能ならしめ、そしてこの摩擦は、ネ
ジ継手の補強とそのトルク強度の実質的増大をもたら
す。

ここで、図面を参照すると、雌ネジを有するグラファ
イト軸が番号１で表わされ、そして雄ネジを有する金属
軸２に番号３により全体を示される両者間のネジ連結即
ちネジ継手により接合されている。両軸は、中心線４に
一致する軸線を有するものとして示される。実際上、金
属軸２は、グラファイト軸１の回転抵抗に抗して両軸間
の継手を締め付けるような方向５において駆動される。
金属軸２は、グラファイト軸１の穴９におけるネジ継手
３を介しての両軸の締め付けに際して、グラファイト軸
１の上端面８の一部に接触する下方座面７をを提供する
フランジ部分６を備えて構成される。

ネジ継手のトルク強度の所望の増大は、耐火セメント
の薄い層、即ちコーティング10をグラファイト軸１の上
端面８に、２本の軸が互いに螺合されて望ましいネジ継
手を与えるとき金属軸２の下方座面７と接触する部分に
おいて、被覆することにより達成される。コーティング
10は、２つの軸部品が組み立てられる前に完全に乾燥せ
しめられる。斯くして、コーティングはグラファイト表
面に結合されるが、金属軸フランジ座面７には結合され
ない。このコーティングの組み込みの無いネジ継手に比
べての、本発明のネジ継手のトルク伝達能における相当
の増大は、従来の金属−ネジ継手における未処理グラフ
ァイト表面と金属軸フランジとの間での摩擦と比較し
て、グラファイト表面における耐火材コーティングと金
属軸フランジ部分６の金属表面との間での著しく増大せ
る摩擦係数によりもたらされる。

本発明者による米国特許第4685822号には、耐火材コ
ーティングとして、（１）操業条件下で溶融、解体乃至
分解しない個々の粒を有する粉末材料、及び（２）粒子
を互いに保持しそしてまたそれらをグラファイトに結合
ししかも操業条件でその強度を保持するバインダー相を
包含し、（３）前記粉末状材料とバインダー相の組合せ
が容易に塗布しうる形で入手し得ること、そして（４）
前記セメントはグラファイト多孔中への液体バインダー
相の制限された吸収度を有するか或いは有するものとし
て調整されうることの条件を満足すべきであると記載さ
れている。本発明によると、意外にも上記（１）の粒子
を全然使用しないで充分に所期の目的を達成することが
できることが分かった。

実施例 コーティングを前記固体物質の溶液あるいはコロイド
分散液を使用しグラファイト表面を被覆し、次いで溶液
あるいはコロイド分散液を乾燥し、グラフファイト表面
に結合した固体材料を残すことにより付着する例を説明
する。この例においては上記の米国特許第4685822号で
使用した粉末材料は使用されず、バインダーとみなされ
ていたケイ酸ナトリウムのような固体物質のコロイドま
たは溶液が使用される。

本発明のこの具体例において使用される固体コーティ
ングは、アルミニウム精練操業におけるような、金属軸
とネジ継手を形成する被覆処理グラファイト軸の使用の
操業条件下で、固体を保ち、硬質であり且つグラファイ
ト軸表面に密着する固体材料から構成される。この固体
材料は硬質のものであってもグラファイト表面に弱く付
着するだけなら有効ではないことが容易に理解されよ
う。同じく、この固体コーティングがグラファイト表面
に充分密着しても、硬質のものであるなら、本発明目的
に有効でないであろう。先の具体例の場合と同じく、こ
こでも、固体コーティングは、ネジ継手のグラファイト
表面に結合され、金属軸には結合されない。この理由の
為、固体材料の溶液或いはコロイド分散液は、グラファ
イト表面に結合された固体材料を残すように被覆されそ
して完全に乾燥された後、処理済グラファイト軸を対応
する金属軸に螺合してそれらの間にネジ継手を完成す
る。

米国特許第4685822号においてバインダー相として使
用されたケイ酸ナトリウム溶液がグラファイト表面に固
体コーティングを付着するのに有効に使用されうるが、
驚くべきことに、様々の市販入手し得る前記材料の溶液
或いはコロイド分散液を使用しての日常試験はこうした
溶液或いはコロイド分散液のすべてが本発明の実施にお
いて使用するに適当な硬質且つ密着性のコーティングを
形成するべくグラファイトに結合される固体材料を付着
する役目をなすものではないことが判明したことを銘記
されたい。大半の場合、満足し得るコーティングは単に
そのコーティングをグラファイト表面に被覆しそしてコ
ーティングが密着性でありそしてグラファイト表面から
容易には剥離しないことを確認することによって決定さ
れうる。対照的に、そうした日常的実験において、不満
足な溶液或いはコロイド分散液は指の爪の圧力の下でさ
えグラファイト表面から容易に剥離することが見出され
た。本発明のこの具体例において有効に使用されうる固
体の溶液或いはコロイド分散液としては、上述したよう
なケイ酸ナトリウム溶液、コロイドアルミナ分散体及び
酢酸アルミニウム溶液等が挙げられる。これら材料は、
本発明目的に有用な硬貨の且つ密着性の固体コーティン
グをグラファイト表面上に形成するのに有効であること
が簡単な日常試験により決定し得る広い範囲の溶液或い
はコロイド分散液のうちの単なる例示である。ケイ酸カ
リウム、蟻酸アルミニウム溶液がそうした他の材料例で
ある。これと逆に、様々の材料がグラファイト表面に結
合される硬質の且つ密着性の固体コーティングを与える
のに有効でないことが見出された。こうした材料例とし
ては、コロイドシリカ、酢酸マグネシウム、ケイ酸リチ
ウム及びメタほう酸ナトリウムが含まれる。

固体コーティングはグラファイト表面上に所望される
材料の溶液或いはコロイド分散液の一様なコーティング
を塗布することによる等して極めて容易に付着されるこ
とが理解されよう。グラファイト部品は、溶液或いはコ
ロイド分散液がグラファイト表面上にブラシ塗りされて
いる間都合良くは回転せしめられる。その後、溶液或い
はコロイド分散液は乾燥される。最初、そうした被覆は
グラファイトの孔に浸透し易く、従って先の例と同じく
グラファイト表面に薄い一様なコーティング層を累積す
るように反復的に被覆がなされる。溶液或いは分散液の
濃度、被覆温度、グラファイト表面の多孔度等が、グラ
ファイト表面を覆うに充分のコーティング厚さの累積を
保証するように特定の場合においてなされる被覆回数に
影響することが理解されよう。代表的な適用において、
約５〜10回の被覆段階を適用するコーティング被覆過程
が繰り返されるが、これより多い或いは少ない被覆段階
が特定のケースによっては使用されよう。処理されるべ
きグラファイト表面が水平面にあるように（第１図のよ
うな姿勢）グラファイト軸を垂直に位置付け、コーティ
ングがグラファイト表面の多孔中に浸透しそして１回の
適用で表面上に薄いコーティング層を残すようにコーテ
ィングが溜めの形で被覆されることも本発明の範囲内で
ある。

本具体例の実施例として、水中に30％固体分を含有す
るケイ酸ナトリウム溶液をFisher Scientificケイ酸ナ
トリウム溶液No.50−５−338を使用して調製した。この
溶液をグラファイト軸の関連表面に軸を回転しそして溶
液をその表面上にブラシかけすることにより被覆した。
この態様で溶液を４回被覆し、各被覆間に約２分乾燥放
置し、それにより被処理グラファイト表面全体を覆う薄
い固体コーティング層を形成した。最後の被覆溶液を乾
燥するに際して、固体コーティングを使用条件を模擬す
るよう800゜F（427℃）で焼成した。こうして処理された
グラファイト軸を室温で試験するに際して、得られた摩
擦トルク測定値は、処理された軸のトルク強度が対応す
る未処理グラファイト軸のそれの120％であることを示
した。

類似の試験の目的のために、28％固体分、即ちZircar
Product社のアルミナ剛性化剤／硬化剤を含有するコロ
イドアルミナ分散液を使用した。コーティングをブラシ
により回転しているグラファイト軸に被覆した。この態
様でコロイド液を５回被覆し、各被覆間に約２分乾燥放
置し、それにより被処理グラファイト表面全体を覆うに
充分の固体コーティング層を形成した。最後の被覆溶液
を乾燥するに際して、固体コーティングを使用条件を模
擬するよう800゜F（427℃）で焼成した。こうして処理さ
れたグラファイト軸を室温で試験するに際して得られた
摩擦トルク測定値は、処理された軸のトルク強度が対応
する未処理グラファイト軸のそれの100％増大を示し
た。

次に、上述したZircar Alumina Cementの固体相から
液体相を分離することによって得られた希薄酢酸アルミ
ニウム水溶液を使用した。被処理グラファイト軸を各被
覆間に約２分の乾燥時間を置いてこの溶液を使用して11
回被覆した。処理されるべき表面全体にコーティングが
得られたに際して、コーティング表面を220℃で乾燥し
そして室温で試験した。未処理グラファイト軸を上回る
トルク強度の増大は約90％であった。

発明の効果 以上の様々の比較試験からわかるように、金属軸フラ
ンジの下方座面と接触するグラファイト軸上面部分のコ
ーティングはグラファイト軸と金属軸との間で改善され
たネジ継手が実現されることを可能ならしめる。本発明
に従うグラファイト接触面のこうしたコーティングは、
それらの間のネジ連結を著しく補強するので、継手のト
ルク伝達能が相当に増大される。設計に基本的変化或い
は軸寸法の増大を何ら必要とすることなく、金属−グラ
ファイト継手のトルク能力の改善をなし得ることによっ
て、アルミニウム精練業界に大いなる貢献をなす。ここ
に開示されるコーティング付きグラファイト軸は、従来
の操業においてしばしば見られた継手の破損やグラファ
イト軸の割れを生じることなく、グラファイト軸と金属
軸との間のネジ継手が実質高い駆動トルク及び衝撃負荷
に耐えることを可能ならしめる。このコスト上のまた操
業性の点からの利益は非常に大きい。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の代表的具体例の断面図である。 1:グラファイト軸 2:金属軸 3:ネジ継手 4:中心線 6:フランジ部分 7:下方座面 8:上端面 9:穴 10:コーティング

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】継手を締め付けるよう駆動される雄ネジを
   有する金属軸とネジ継手を形成する雌ネジを有するグラ
   ファイト軸にして、端面を具備し、該端面の一部が該継
   手の締着に際して金属軸のフランジ部分の座面と接触状
   態となるグラファイト軸において、 前記金属軸フランジ部分の座面と接触するよう位置する
   グラファイト軸端面部分に結合される固体コーティング
   を含み、該コーティングが前記ネジ継手の使用の操業条
   件下で固体状態に留まり、そして硬質で且つグラファイ
   ト軸表面に密着するコロイド状の固体材料粒子よりな
   り、該固体材料はケイ酸ナトリウム、酢酸アルミニウ
   ム、ケイ酸カリウム、蟻酸アルミニウム及びコロイドア
   ルミナより選択されており、そして該固体コーティング
   がコーティングの無いグラファイトと金属接触表面間の
   摩擦に比較してグラファイトと金属接触表面間の摩擦を
   実質上増大する機能をなし、 それによりコーティングされたグラファイト軸と金属軸
   間の連結の完了に際しての接触表面間の増大せる摩擦が
   金属軸からグラファイト軸への駆動トルクの伝達能の大
   幅な増加をもたらすようネジ継手のトルク強度の増加を
   もたらすことを特徴とするグラファイト軸。
2. 【請求項２】雌ネジを有するグラファイト軸と雄ネジを
   有する金属軸との間に形成されそして金属軸の駆動に際
   して両軸間の連結が締め付けられるようにされたネジ継
   手にして、該グラファイト軸が端面を具備し、該端面の
   一部が該継手の締着に際して金属軸のフランジ部分の座
   面と接触状態となるネジ継手において、 前記金属軸フランジ部分の座面と接触するよう位置する
   グラファイト軸端面部分に結合される固体コーティング
   を含み、該コーティングが前記ネジ継手の使用の操業条
   件下で固体状態に留まり、そして硬質で且つグラファイ
   ト軸表面に密着するコロイド状の固体材料粒子よりな
   り、該固体材料はケイ酸ナトリウム、酢酸アルミニウ
   ム、ケイ酸カリウム、蟻酸アルミニウム及びコロイドア
   ルミナより選択されており、該固体材料が該グラファイ
   ト表面を該固体材料のコロイド分散液で被覆しそして該
   コロイド分散液を乾燥してグラファイト表面に結合され
   る固体材料を残すことにより付着され、そして該固体コ
   ーティングがコーティングの無いグラファイトと金属接
   触表面間の摩擦に比較してグラファイトと金属接触表面
   間の摩擦を実質上増大する機能をなし、 それによりコーティングされたグラファイト軸と金属軸
   間の連結の完了に際しての接触表面間の増大せる摩擦が
   金属軸からグラファイト軸への駆動トルクの伝達能の大
   幅な増加をもたらすようネジ継手のトルク強度の増加を
   もたらすことを特徴とするネジ継手。
3. 【請求項３】互いに締着されるコーティング付きグラフ
   ァイト軸−金属軸が溶融アルミニウム中に精練用気体を
   散布するのに使用されるか回転ノズル用の駆動軸を構成
   する特許請求の範囲第２項記載のネジ継手。
4. 【請求項４】雌ネジを有するグラファイト軸と雄ネジを
   有する金属軸との間に形成されそして金属軸が両軸間の
   連結が締め付けられるよう駆動されるネジ継手にして、
   該グラファイト軸が端面を具備し、該端面の一部が該継
   手の締着に際して金属軸のフランジ部分の座面と接触状
   態となるネジ継手を改善する方法において、 前記金属軸フランジ部分の座面と接触するよう位置する
   グラファイト軸端面部分に固体コーティングを付着し、
   該コーティングが前記ネジ継手の使用の操業条件下で固
   体状態に留まり、そして硬質で且つグラファイト軸表面
   に密着するコロイド状の固体材料粒子よりなり、該固体
   材料はケイ酸ナトリウム、酢酸アルミニウム、ケイ酸カ
   リウム、蟻酸アルミニウム及びコロイドアルミナより選
   択されており、該固体材料が該グラファイト表面を該固
   体材料粒子のコロイド分散液で被覆しそして該コロイド
   分散液を乾燥してグラファイト表面に結合される固体材
   料を残すことにより付着され、そして該固体コーティン
   グがコーティングの無いグラファイトと金属接触表面間
   の摩擦に比較してグラファイトと金属接触表面間の摩擦
   を実質上増大する機能をなし、 それによりコーティングされたグラファイト軸と金属軸
   間の連結の完了に際しての接触表面間の増大せる摩擦が
   金属軸からグラファイト軸への駆動トルクの伝達能の大
   幅な増加をもたらすようネジ継手のトルク強度の増加を
   もたらすことを特徴とするネジ継手改善方法。
5. 【請求項５】コーティングが金属と接触するグラファイ
   ト表面部分を完全に覆うよう数段階にわたって被覆され
   る特許請求の範囲第４項記載の方法。
6. 【請求項６】コーティングが５〜10コーティング被覆段
   階において被覆される特許請求の範囲第５項記載の方
   法。
7. 【請求項７】コーティングがグラファイト軸の全端面を
   覆うよう被覆される特許請求の範囲第５項記載の方法。