SE1151094A1 - En gradientsvetsbult och metod för framställning - Google Patents

Abstract

Svetsbult avsedd att svetsas till ett substrat. Svetsbulten (l, lO, 2l, 3 l , Ål)innefattar: en första (l), andra (ll) och tredje (lll) del. Den första delen innefattar ettförsta material Ml , och den andra delen innefattar en andra materialet M2,svetsbart till substrctet (2). Den tredje delen innefattar minst ett av: ett material somör svetsbart till substratet, och ett flussmedel avsett för att underlötta svetsning av detandra materialet M2 tiil substratet, dör svetsbulten innefattar en löngdaxel somlöper genom nömnda första, andra och tredje del, och dör den tredje deleninnefattar ett tvörsnitt (B-B) vinkelrätt mat löngdaxeln med en mindre area (a2) önden genomsnittliga tvörsnittsarean (al) hos de första och andra delarna vinkelröttmot löngdaxeln. Det första materialet Ml och andra materialet M2 ör förenademed en gradvis övergång (5), det första materialet Ml ör inte ör svetsbart tillsubstratet, och det andra materialet M2 ör svetsbart till substratet, och de första ochandra delarna innefattar ett sintrat gradientövergöngsomröde innefattande en blandning av det första Ml och det andra M2 materialet. (figur 4)

Description

[0004] Det ör en klar nackdel att de mest önskvörda materialen för slitskydd inte kan produceras eller monteras med en teknik som ör optimal för deras avsedda anvöndning, med andra ord att de inte kan svetsas.

[0005] Många metaller och termoplaster kan svetsas, men vissa ör enklare att svetsa ön andra.

[0006] Bågsvetsning ör en smöltsvetsningsprocess som använder elektricitet för att generera den vörme som behövs för att smölta basmaterialet. Bultsvetsning ör en industriellt mogen teknik, vilken ör en sorts bågsvetsning. Genom att leda ström genom en bult, mutter eller annan specialformad komponent svetsas komponenten till en annan meta||de| genom vörmen som genereras av det elektriska motståndet.

Det finns tre olika sorters bultsvetsningstekniker; ljusbågemetoden (DA), ”short cycle” (SC) och kondensatorurladdníng (CD).

[0007] DA-bultar ör vanligvis försedda med en flussboll av aluminium på svestönden, vilket hiölper svetsprocessen. DA-bultar anvönds tillsammans med en keramisk ring eller intert gas för att skydda fogen frön oxidering under smöltfasen av svetsprocessen. SC- och CD-bultar skiljer sig från DA-bultar genom att bultarna varken kröver flussmedel eller oxidatíonsskydd i form av en keramisk ring eller inert gas under svetsning, på grund av kortare svetstider ön för DA.

[0008] Bultsvetsning ör völdigt mångsidigt. Börbara bultsvetsmaskiner finns.

Svetsar kan också vara automatiserade, med kontroller för liusbågsbildning och pålagt tryck. Typiska applikationer innefattar bilkroppar, elektriska paneler, skeppsbyggen och byggnadskonstruktioner.

[0009] Det finns ett brett utbud av olika svetsbultar av stål tillgöngliga, för anvöndning som fastsvetsat slitskydd. För att uppnå en hög nötningsbestöndighet hos stålet ör svetsbultar ofta hördade. På grund av vörmen under svetsprocessen kan egenskaperna hos det hördade stålet dock öventyras. Även de böst hördade stålsorterna ör dessutom mycket miukare ån keramiska material, och har dårför en kortare livslöngd i slitapplikationer.

[OOl O] Tidigare uppfinningar för sammanfogning av olika material i en svetsbult baseras vanligtvis på mekanisk förankring eller ytbelåggningar. Det amerikanska patentet 5,054,98O beskriver en svetsbar kompositbult bestående av två olika material sammanfogade mekaniskt.

[OOl l] Det amerikanska patentet ó,8óO,ó87 beskriver en aluminiumbult med en ytbelåggning av titan.

[0012] Det tyska företaget BETEK producerar en svetsbar bult som innefattar volframkarbid, dör en solid körna av cementerad volframkarbid har krympmonterats på en stålkropp vilken i sin tur passar i en bultsvetsmaskin. Nackdelen med denna produkt år den mer komplicerade tillverkningsprocessen, dår den cementerade volframkarbiden måste sintras, stålkroppen måste bearbetas och slutligen förenas de två komponenterna med krympmontering. Om den keramiska kårnan faller ut blir slitskyddet dessutom kraftigt reducerat.

Sammanfattning av uppfinninqen

[0013] Ett ändamål ör att tillhandahålla en svetsbult av en komponent av ett funktionellt gradientmaterial (FGM) vilken framstöllts genom sintring, företrädesvis genom spark plasma sintering (SPS), dör ett svetsbart basmaterial kombineras med en yttre yta av ett annat, icke svetsbart, material. Komponenten ör avsedd för svetsning till ett substrat.

[OOlÅ] Ett annat öndamöl ör att tillhandahålla en metod för framstöllning av nömnda svetsbult.

[OOl 5] En svetsbult avsedd för att svetsas till ett substrat tillhandahålls. Svetsbulten innefattar en första, andra och tredje del. Den första delen innefattar ett första material Ml , den andra delen innefattar ett andra material M2, svetsbart till substratet, och den tredje delen innefattar minst ett av: ett material som ör svetsbart till substratet, och ett flussmedel avsett för att underlötta svetsning av det andra materialet M2 till substratet. Svetsbulten innefattar öven en löngdaxel som löper genom nömnda första, andra och tredje del. Den tredje delen innefattar ett tvörsnitt vinkelrött mot löngdaxeln med en mindre area ön den genomsnittliga tvörsnittsarean hos de första och andra delarna vinkelrött mot löngdaxeln. Det första materialet Ml och andra materialet M2 ör sammanbundna med en gradvis övergöng, varvid det första materialet Ml inte ör svetsbart till substratet, och det andra materialet M2 ör svetsbart till substratet, Vidare innefattar första och andra partierna ett sintrat övergöngsomröde innefattande en blandning av det första materialet Ml och det andra materialet M2.

[0016] Genom att tillhandahålla FGM-svetsbulten kan ett icke svetsbart material svetsas till ett substrat, vilket gör det möjligt att applicera material med böttre egenskaper till substrat med hjölp av svetsning. [00l 7] I en utföringsform innefattar svetsbulten en rundad (4) eller avsmalnande (4a; Åb) del avsedd att initiera kontakt med substratet, vilket är avgörande för en homogen smälta av materialen och bästa möjliga resultat vid svetsningen. Den rundade eller avsmalnande de|en kan innefatta ett flussmedel för att underlätta och / eller förbättra svetsningen mellan substratet och svetsbulten.

[00] 8] Den icke svetsbara ytan kan företrädesvis vara av ett keramiskt material eller en cermet.

[0019] Den icke svetsbara ytan har företrädesvis en god nötningstälighet. Andra önskvärda egenskaper hos denna yta kan vara läg vikt, hög korrosionsbeständighet och en isolerande karaktär.

[0020] Den icke svetsbara ytan kan ha olika former, såsom platt, avsmalnande och sfärisk.

[0021] Ett lämpligt nötningstäligt material för denna uppfinning är volframkarbid (WC), ofta kallat cementerad volframkarbid eller härdmetall.

[0022] Andra lämpliga material är keramiska oxider, nitrider, borider eller andra karbider.

[0023] Särskilt aluminiumoxid (Al2O3) och zirkoniumoxid (ZrOQ) är lämpliga för denna uppfinning.

[0024] Det icke svetsbara materialet kan ocksä vara en metall eller metallegering som inte är svetsbar till substratet.

[0025] Det svetsbara materialet är företrädesvis en metall eller metallegering, men kan också vara plast. Exempel pä svetsbara metaller, inklusive deras legeringar är aluminium, nickel, guld, platina, titan, tantal och zirkonium. Vidare är stäl och vissa rostfria ställegeringar (300- och AOO-serien) svetsbara.

[0026] Det svetsbara materialet år företrädesvis en stållegering eller en rostfri stållegering.

[0027] I en utföringsform år svetsbulten en FGM-svetsbult tillverkad av stål / cementerad volframkarbid (stål / WC-Co-FGM).

[0028] I en annan utföringsform år svetsbulten en FGM-svetsbult av rostfritt stål / cementerad volframkarbid (SS / WC-Co-FGM).

[0029] I en annan utföringsform år svetsbulten en FGM-svetsbult av rostfritt stål eller stål / aluminiumoxíd (SS / Al2O3 FGM).

[0030] I en annan utföringsform år svetsbulten en FGNI-svetsbult av rostfritt stål eller stål / zirkoniumoxid (SS / ZrOQ FGM).

[0031] I en annan utföríngsform innefattar det icke svetsbara materialet MI inte 100% av ett material, utan också en del av det svetsbara materialet.

[0032] Genom att forma FGM-komponenter som svetsbultar för bultsvetsning kan cermets och keramiska material enkelt och snabbt svetsas med hiålp av kommersiellt tillgänglig teknik, vilket tidigare inte varit möjligt.

[0033] Formen på svetsbulten kan åstadkommas direkt genom sintring, eller så kan bulten bearbetas till korrekt geometri efter sintringen.

[0034] En cylindrisk form med sfåriskt tvårsnitt år mycket vanlig för svetsbultar, och år en form möjlig för uppfinningen.

[0035] Formen på svetsbulten år emellertid inte begrånsad till det sfåriska tvårsnittet, utan tvårsnittet kan också vara kvadratiskt, rektangulårt, hexagonalt, oktagonalt eller ha andra liknande former.

[0036] En spets eller en något konisk form på svetsytan är i många fall lämpligt för svetsbultor. Denna form kon bearbetas fram efter sintring eller så kan komponenten sintras till denna form. 0037 Ett hål i s etsen å den koniska delen kan formas för att kunna erhålla en p p bit eller klump av svetsflussmedel vilket kan vara aluminium eller något annat liknande material som användas som flussmedel vid svetsning.

[0038] Det nötningsbeständiga materialet hos en gradientsvetsbult förekommer både i slityton och i gradientområdet, på grund av den gradvisa sammansättningsförändringen mellan de två materialen. Detta förbättrar ytterligare nötningsegenskaperno och livslängden hos komponenterna, jämfört med komponenter med en nötningsbeständig ytbeläggning.

[0039] Ett keramiskt materials egenskaper såsom hårdhet påverkas inte av värmen under en svetsprocess, och egenskaperna ändras inte efter svetsningen.

[0040] Uppfinningen avser också en metod för att framställa svetsbulten. Mer specifikt avser uppfinningen en metod för framställning av en keram eller cermet / metall-FGM, formad som en svetsbult. Metoden innefattar följande steg:

[0041] i) Framställning av en FGM-pulverstruktur.

[0042] 2] Sintring av den framställda FGM-strukturen med tekniken spark plasma sintering (SPS).

[0043] 3] Utförande av nödvändig efterbehandling av FGM-komponenten genom metoder såsom blästring, kapning, svarvning, slipning, frösning och eventuell tillsats av flussmedel.

Kort beskrivninq av fiqurer

[0044] Några möiliga utföringsformer beskrivs nu, genom exempel, med hänvisning till de medföljande figurerna, i vilka:

[0045] Fig. i visor en svetsbult enligt en utföringsform, med en struktur som ett funktionellt gradientmateríal, dör del I innefattar en nötningsbeståndig del, del || innefattar en svetsbar del och del 5 innefattar en gradvis övergång mellan de två materialen med fyra mellanliggande skikt i-iv,

[0046] Fig. 2 visar en svetsbult i i en utföringsform liknande den i fig. i, med skillnaden att det finns en tredje del lll, bestående av två avsma|nande delar 4ab,

[0047] Fig. 3a, 3b visar en svetsbult i en utföringsform liknande den i fig. i och fig. 2, med skillnaden att den tredje delen lll har en sförisk respektive en stympad konisk form,

[0048] Fig. 4 visar en svetsbult enligt en utföringsform, i vilken svetsbulten innefattar en gradientdel 5 vilken ör ett mellanliggande område innefattande en blandning av icke svetsbart och svetsbart material,

[0049] Fig. 5 år en perspektiwy av svetsbulten enligt någon av utföringsformerna i fig. i - 4 dör den svetsats till ett substrat 2,

[0050] Fig. ó visar svetsbulten i form av en mutter med ett flertal delar svetsflussmedel, [005i] Fig. 7 visar en skopa för grävmaskiner innefattande svetsbultar enligt någon av utföringsformerna håri,

[0052] Fig. 8 visar en borrkrona för en bergborrmaskin innefattande svetsbultar enligt någon av utföringsformerna håri,

[0053] Fig. 9 visar en matarvals för exempelvis ett skördarhuvud på en skogsmaskin innefattande svetsbultar enligt någon av utföringsformema håri.

Detaljerad beskrivning

[0054] Ett funktionellt gradientmaterial (FGM) är ett materialdesignkoncept som tillhandahåller en sammanfogningslösning för att införliva inkompatibla egenskaper hos två olika material, såsom värme, slitage- och oxidationsbeständigheten hos en keram eller en cermet, som exempelvis cementerad volframkarbid, med den höga segheten, höga styrkan, svetsbarheten och bearbetbarheten hos en metall, såsom stål, genom placering av gradvisa kompositmellanlager av de två materialen mellan de rena ändlagren. Ett funktionellt gradientmaterial är sålunda ett material sammanbundet med en gradvis övergång från åtminstone ett första till åtminstone ett andra material.

[0055] FGM-material kan framställas genom olika tekniker såsom konventionella pulvermetallurgiprocesser, ångdeponering och sintringstekniker. Metoden spark plasma sintering (SPS), även benämnd exempelvis field assisted sintering technique (FAST), är en kraftfull sintringsteknik som tillåter mycket snabb uppvärmning under höga mekaniska tryck. Denna process, hörefter kallad SPS, har visat sig vara mycket väl lämpad för framställning av funktionella gradientmaterial. Andra sintringstekniker är också möiliga att använda för framställning av FGM-material, såsom exempelvis direkt-hetpressning, hetpressning eller het isostatisk pressning.

[0056] Ett flussmedel skall förstås vara ett kemisk rengöringsmedel, flytmedel, eller rengöringsmedel som används vid svetsning för att förhindra att oxider bildas på ytan av den smälta metallen och / eller för att absorbera föroreningar. Flussmedlet kan exempelvis innefatta en bit aluminium, men det är också tänkbart att flussmedlet är ett flussmedel innefattande ammoniumklorid, saltsyra, zinkklorid eller borax.

[0057] Utföringsformer kommer nu att beskrivas mer i detalj med hänvisning till medföljande ritningar. Alla exempel i detta dokument ska ses som en del av den allmänna beskrivningen och är därför möiliga att kombinera på olika sätt i 10 generella termer. Återigen kan individuella sårdrag hos de olika utföringsformerna och metoderna kombineras eller utvåxlas såvida sådan kombinering eller utvåxling inte tydligt motsäger den övergripande funktionen hos den funktionella gradientmaterialkomponenten eller dess framstållningsmetod.

[0058] Fig. l visar ett exempel på ett FGM av metall / keram med en gradientdel 5 som består av flera kompositskikt, dår det år en gradvis variation i mikrostrukturen med förändringen i sammansättning. Matrisen ersåtts gradvis från metall till keram, och mikrostrukturprofilen varierar samtidigt från ll ren metall, iii-iv metallrikt område (de keramiska partiklarna år dispergerade i metallmatris), i-ii keramrikt område (metallmatrisen minskar och blir till diskreta faser eller partiklar i kerammatris), till slutligen (del l) en ren keram. Denna gradient i sammansåttning-mikrostruktur- egenskaper långs det funktionella gradientmaterialet år nyckeln till dess stabilitet och prestanda.

[0059] Fig. 2 visar en svetsbult l enligt en utföringsform. Svetsbulten l år avsedd för att svetsas till ett substrat (visas med beteckning 2 i fig. 5) genom motståndssvetsning. I motståndssvetsning alstras vårme genom den elektriska resistansen hos det material som skall svetsas, vilket gör att en del av materialet i svetsbulten l och en del av substratet smålter och bildar sålunda svetsfogen mellan svetsbulten l och substratet. Den första delen l av svetsbulten l innefattar ett första material Ml som år ett material vilket inte år möiligt att svetsa till substratet.

Materialet Ml kan till exempel vara en keram, ett cermet eller ett polymermaterial.

Materialet Ml kan vara ett slitstarkt material anpassat för att öka nötningsbeståndigheten hos svetsbulten eller ett kemiskt resistent material anpassat för att öka den kemiska motståndskraften hos svetsbulten l. Svetsbulten l innefattar vidare en andra del ll, innefattande ett andra material M2 vilket år ett material som år svetsbart till substratet. Det andra materialet M2 kan till exempel innefatta stål eller rostfritt stål.Den första delen I år sammanbunden med den andra delen ll genom att svetsbulten har ett funktionellt gradientområdet innefattande en blandning 11 av materialen Mi och M2, sä att materialen i del I och del ll är sammanbundna materiellt. Svetsbulten innefattar vidare en tredje del ||| innefattande tvä avsmalnande delar 4a, 4b, sä att den tredje delen innefattar ett tvärsnitt vinkelrätt mot längdaxeln hos svetsbulten i som har en mindre area än den genomsnittliga tvärsnittsarean hos den första och andra delen vinkelräta mot samma längdaxel. De avsmalnande delarna 4a, 4b behövs för att initiera svetsningsprocessen och kan vidare innefatta ett flussmedel för att underlätta svetsningen av det andra materialet M2 till substratet.

[0060] Fig. 3a visar en svetsbult l enligt en utföringsform liknande utföringsformen i fig. l, med den skillnaden att den tredje delen lll innefattar en rundad del 4 vilken, precis som de avsmalnande delarna i fig. l, behövs för att initiera svetsning, och även kan innefatta ett flussmedel för att underlätta svetsning av det andra materialet M2 till substratet.

[0061] Fig. 3b visar en svetsbult l enligt en utföringsform liknande utföringsformen i fig. i, med den skillnaden att den tredje delen ||| innefattar ett stympat koniskt omräde 4, vilket används för att initiera svetsning, och även kan innefatta ett flussmedel för att underlätta svetsning av det andra materialet M2 till substratet.

[0062] Fig. 4 visar en utföringsform av svetsbulten l mycket lik utföringsformen som visas i fig. 2, där skillnaden är att svetsbulten i fig. 4 har ett övergängsomräde 5 som är en väsentlig del av svetsbulten l. Övergängsomrädet 5 innefattar en blandning av materialen i den första I och andra ll delen och skapar materialfogen mellan den första och andra delen. Svetsbulten har en längdaxel LA som löper genom nämnda första I, andra ll och tredje ||| del. Den tredje delen ||| innefattar ett tvärsnitt B - B vinkelrätt mot längdaxeln LA med en mindre area az än den genomsnittliga tvärsnittsarean al hos den första och andra delen vinkelrätt mot längdaxeln LA, visad i figur 4 med tvärsnittet A - A, eftersom svetsbulten i fig. 4 är 12 cylindrisk och sålunda har ett lika stort tvörsnitt Iöngs hela Iöngden av svetsbulten I.

Det sintrade gradíentområdet innefattar en blandning av det första MI och andra M2 materialet vilken kan vara en blandning som ger en gradvis variation i sammansättning, kontinuerlig eller stegvis, genom övergångsområdet 5. Material Mi kan i ett exempel vara volframkarbid och material M2 kan vara stål och den gradvisa ändringen genom den tredje delen kan vara 20vol% (dvs 80/20, 60/40, 40/60, 20/80 vol%). Den första I och andra || delen kan innefatta det första Mi respektive det andra M2 materialet i sina rena former, eller innefatta en blandning av material MI och M2, dör andelen av M2 ör högre i den andra delen Il ön i den första delen, och dör andelen av Mi ör högre i den första delen I ön i den andra delen II.

[0063] Fig. 5 visar svetsbulten i enligt någon av utföringsformerna höri svetsad till ett substrat 2, så att en svetsfog 3 bildats mellan substratet 2 och svetsbulten I, vilket föster svetsbulten I till substratet 2.

[0064] Fig. 6 visar en utföringsform av svetsbulten IO, i vilken svetsbulten i0 har formen av en mutter som innefattar invöndig göngning i5 vilket möjliggör fastsöttning av ett föremål, som har yttre göngning, på muttern I0. Svetsmuttern i0 innefattar en första del I innefattande ett första material Mi , ensamt eller i kombination med åtminstone ett andra material M2, dör materialet i den första delen I inte ör svetsbart till substratet utan volt på grund av en sörskild materialegenskap, vilken kan vara av en mekanisk egenskap såsom god nötningsbestöndighet, eller en kemisk egenskap såsom god kemisk resistens.

Svetsmuttern innefattar vidare en andra del II vilken innefattar ett material som ör svetsbart till substratet. Svetsmuttern i0 innefattar vidare en tredje del III, vilken innefattar ett flertal rundade delar som behövs för att initiera svetsningsprocessen.

De rundade delarna i4 kan vara avsmalnande eller formade på annat sött så att de har en tvörsnittsarea som ör mindre ön den genomsnittliga tvörsnittsarean hos svetsmuttern, för initiering av svetsningsprocessen. De rundade delarna i4 kan 13 innefatta ett flussmedel för att underlätta och / eller förbättra svetsningen mellan svetsmuttern i0 och substratet 2.

[0065] Svetsmuttern skall ses som ett exempel som visor att det inte finns nägra begränsningar av formen i vilken svetsbulten kan produceras sä länge den grundläggande principen om att ett första icke svetsbart material integreras med ett svetsbart material följs.

[0066] Fig. 7 visar en skopa 20 till en grävmaskin vilken innefattar ett substrat 22 avsett för att utgöra skopan 20. Substratet 22 ör exempelvis stäl eller en stälbaserad legering, säsom rostfritt stäl. Skopan 20 innefattar vidare svetsbultar 21, enligt nägon av utföringsformerna härí, svetsade till substratet 22 för att förbättra nötningsbeständigheten hos skopan 20. I fig. 7 visas svetsbultarna 2l fastsvetsade pä sidan av skopan 20, men det är lika tänkbart att svetsbultarna 2l svetsas fast pä framsidan 23 av skopan, pä insidan 24 av skopan 20, eller pä tänderna 25 pä skopan 20. Skopan 20 som visas i fig. 7 skall ses som ett exempel pä ett tillämpningsomräde för svetsdubbarna 2l enligt nägon av utföringsformerna beskrivna med hänvisning till fig. 2 - ó.

[0067] Fig. 8 visar en borrkrona 30 till en bergborrmaskin. Borrkronan 30 innefattar ett substrat 32 anpassat för att rotera för att utöva en borrkraft pä ett mälmaterial, t.ex. en stenvägg eller ett sedimentskikt. Borrkronan 30 innefattar vidare svetsbultar 3 ia, 3 i b, enligt nägon av utföringsformerna häri, svetsade till den övre ytan hos substratet 32 (svetsbulten 3 i a) och längs periferin eller den laterala ytan hos substratet 32 (svetsbulten 3 l b). Eftersom svetsbultarna 3la, 3 l b exempelvis bestär av ett keramiskt eller cermetmaterial förbättrar de slitstyrkan hos borren 30 väsentligt samtidigt som de är lätta att montera eller ersätta eftersom de kan svetsas direkt till substratet 32 genom motständssvetsning. Borrskronan 30 som visas i fig. 8 är att betrakta som ett exempel pä ett tillämpningsomräde av 14 svetsbultarna 31a, 31b enligt någon av de utföringsformer som beskrivs med referens till fig. 1 - 5

[0068] Fig. 9 visor en matarvals 40, exempelvis för användning i ett skördarhuvud på en skogsmaskin. Valsen 40 innefattar svetsbultar 41 enligt någon av de utföringsformer beskrivna häri. Enligt den utföringsform som visas i fig. 9 innefattar valsen 40 ett substrat 42 med en i huvudsak cirkulär periferi anpassad för att rotera för att mata exempelvis stockar vid avverkning. Svetbultarna 41 är svetsade till den cirkulära periferin hos substratet 42. Valsen 40 visad i fig. 9 skall ses som ett exempel på ett tillämpningsområde av svetsenbultarna 41 enligt någon av utföringsformerna beskrivna med hänvisning till fig. 2 - 6.

[0069] Uppfinningen avser också en metod för framställning av svetsbultar enligt någon av utföringsformema häri. Mer specifikt avser uppfinningen en metod för framställning av ett FGM av keram eller cermet / metall, formad som en svetsbult.

Metoden innefattar följande steg:

[0070] 1) Utformande av en FGM-pulverstruktur, där den första materialytan innefattar upp till 100% av det första materialet M1, den svetsbara andra ytan innefattar upp till 100% av det andra materialet M2, och det mellanliggande gradientområdet har flera eller åtminstone ett kompositmellanlager vilka tillsammans skapar ett mellanliggande gradientkompositområde, huvudsakligen bestående av en blandning av det första M1, andra M2 och eventuellt ett tredje material M3, genom fyllning av blandningar i ordning, lager för lager, i ett sintringsverktyg kallat dysa, företrädesvis bestående av grafit och med en önskvärd form såsom cylindrisk eller rektangulär.

[0071] 2) Sintring av den förberedda FGM-strukturen med tekniken spark plasma sintering (SPS). 15

[0072] 3) Utförande av nödvändig efterbehandling av FGM-komponenten genom metoder såsom blästring, kapning, svarvning, slipning, fräsning och eventuell tillsats av flussmedel.

[0073] Startmaterialen (Ml , M2) kan levereras kontinuerligt till sintringsdysan i vilken materialet sintras, vilket skapar åtminstone ett mellanskikt med gradvis variation i sammansättning, mjukt eller stegvis, genom hela FGM-komponenten bestående av olika blandningar av materialen. Som välkänt är inom teknikområdet kan sintringsadditiv därutöver tillsättas till det första och / eller andra materialet Ml, M2 för att förbättra deras egenskaper. Gradientområdet kan dessutom innefatta åtminstone ett ytterligare material, med en expansionskoefficient intermediär till de två yttre materialens.

[0074] Ingredienserna i varje kompositmellanskikt kan automatiskt eller manuellt vägas och blandades, genom torrblandning eller våtblandning, tills homogenitet uppnåtts, och om så är nödvändigt torkas och siktas. l ett exempel är antalet gradvisa lager mellan två och tjugo. Andra antal lager är dock naturligtvis också möjliga. Ändringen i sammansättningsprofilen längs med lagren kan vara linjär eller icke-linjär.

[0075] För att minska den lokala temperaturökningen i ett av materialen, i allmänhet i metallen, M2, kan ett elektriskt isolerande skikt av ett elektriskt isolerande pulver eller en ytbeläggning införas i FGM-strukturen.

[0076] Hela dysan förpressas i detta exempel genom enaxlig kallpressning före sintring.

[0077] I en utföringsform används ett svetsbart metallsubstrat som en bas i FGM- strukturen före sintringen, och de pulverformiga lagren förenas med det svetsbara substratet under sintringen. I ett sådant fall kan produktionskostnaderna reduceras genom att mängden pulver reduceras. 16

[0078] Skårning kan Iåmpligen utföras med tekniker såsom laserskårning, vattenskörning, kapskiva, plasmaskårning eller gnistning.

[0079] I en utföringsform år de yttre ytorna av materialen MI och M2 plana och parallella, formade under sintringen av de så kallade tryckpuncharna, vilka utgör sintringsverktyget tillsammans med dysan, dessa punchar har då plana ytor.

[0080] I en annan utföringsform har åtminstone en av puncharna en icke-plan yta, vilket ger minst en av FGM-komponentytoma en icke-plan karaktär, för att minska mängden efterbehandling som behövs.

[0081] I ett utförande sintras FGM-komponenterna en i taget, i ett singelsintringsverktyg. i [0082] I ett annat utförande sintras flera FGM-komponenter samtidigt i ett multikomponentsintringsverktyg.

[0083] I en annan utföringsform sintras en stor FGM-komponent i taget, vilken dörefter skörs till mindre komponenter.

[0084] I ett utförande ör den svetsbara ånden av gradientsvetsbulten och metallsubstratet som den ska föstas till sammanförda vösentligen parallellt med varandra, och dörefter svetsade.

Exempel

[0085] Föreliggande uppfinning illustreras ytterligare genom följande experimentella resultat, vilka inte ska begränsa patentkraven på något sött.

Exempelvis kan andra metaller och keramer kan anvåndas. Andra sintringstekniker ön SPS kan också anvåndas.

[0086] Ett stål / WC-Co-FGM utformades att innefatta fyra kompositmellanlager mellan de rena stål- och volframkarbidlagren vid de två öndarna. Kompositerna 17 bestod av stäl - cementeradkarbidblandningar med en 20vol% gradvis förändring (dvs 80/20, 60/40, 40/60, 20/80 vol%). En dysa för framställning av 6 cylindriska komponenter användes. De totala sex lagren till varje komponent laddades i ordning, lager för lager, i en grafitdysa och ett isolerande skikt av BN placerades mellan punchen och ställagret. WC hade en Co-halt pä l l% och kornstorleken var ca 2 pm. Stälet hade en D50-storlek pä l0 pm. Dysan sintrades i en SPS-enhet vid l l00 °C under ó minuter och vid ett tryck av 30 MPa.

Uppvärmningshastigheten var 50 °C/min. Sintringen ägde rum i vakuum.

Dimensionerna hos de sintrade FGM-komponenterna var øl 2x22 mm. Stälytan hos FGM-komponenterna svarvades till en nägot konisk form, ett litet häl gjordes i stälet och aluminium tillsattes som flussmedel. Komponenterna svetsades till stälytor genom ljusbägebultsvetsning.

[0087] En FGM-komponent i rostfritt stäl och yttrium-stobiliserad zirkoniumoxid sintrades med SPS tekniken i ett síngelkomponentverktyg i grafit. Dimensionerna hos den sintrade komponenten var ø20xl 7 mm. Komponenten sintrades vid l l00 °C under 22 minuter och vid ett tryck av 75 MPa. Uppvärmningshastigheten var 50 °C/min. Sintringen ägde rum i vakuum. Den rostfria stäldelen av komponenten svarvades till en nägot konisk form och aluminium tillsattes som flussmedel.

[0088] Ett FGM av rostfritt stäl och aluminiumoxid framställdes, med zirkoniumoxid som tillsats i de mellanliggande lagren. 2l olika pulverblandningar bereddes av materialen rostfritt stäl SUS3 l óL (D90 <22 pm), Al203 (l00 nm) och/eller ZrO2 (BY) (D50=0.ó pm). Provet förtätades/sintrades med SPS vid l l00 °C under 30 minuter. Sintringen ägde rum i vakuum. SPS-trycket hölls vid 75 MPa.

En uppvärmningshastighet av l00 °C/minut användes. FGM-komponenten producerades som en cylinder med diametern 20 mm och höjden 22 mm.

[0089] Det bör inses att de beskrivna figurerna endast är för illustration och inte pä nägot sätt begränsar omfattningen av uppfinningen. Observera att varje 18 uttöringstorm e||er del av uttöringstorm sövöi som vorie metod e||er de| av metod kan kombineras på olio möiligci sött. Aila exempel i detta dokument ska ses som en de| av den c1||mönnc1 beskrivningen och ör dörtör möi|igc1 att kombinera på o|ikc1 sött i generelio termer.

Claims (5)

1. KRAV 19 l) Svetsbult avsedd att svetsas till ett substrat, dör svetsbulten jl; lO; 2l; 31; 41) innefattar: Cl. b. en första (l), andra (ll) och tredje (lll) del, och dör första delen innefattar ett första material Ml , och andra delen innefattar en andra materialet M2, svetsbart till substratet (2), och tredje delen innefattar minst ett av: ett material som ör svetsbart till substratet, och ett flussmedel avsett för att underlätta svetsning av det andra materialet M2 till substratet, dör svetsbulten innefattar en löngdaxel (LA) som löper genom nömnda första, andra och tredje del, och dör den tredje delen innefattar ett tvörsnitt (B-B) vinkelrött mot löngdaxeln med en mindre area (az) ön den genomsnittliga tvörsnittsarean (aj) hos de första och andra delarna vinkelrött mot löngdaxeln, könnetecknad av att det första materialet Ml och andra materialet M2 ör förenade med en gradvis övergång (5), och dör det första materialet Ml inte ör svetsbart till substratet, och det andra materialet M2 ör svetsbart till substratet, och dör de första och andra delarna innefattar ett sintrat gradvis övergöngsomröde innefattande en blandning av det första Ml och det andra M2 materialet. 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 20 Svetsbult enligt krav i, dör den tredie delen innefattar en rundad (4) eller avsmalnande (4a, 4b) de) avsedd att initiera kontakt med substratet vid svetsning. Svetsbult enligt krav l eller 2, dör materia) M) ör ett materia) valt b)and: ett keramiskt materia), ett cermet-materia), en metall som inte ör svetsbar till substratet, och ett po)ymermateria|. Svetsbult enligt krav 3, dör material M) ör ett materia) valt b)and: en oxid, en nitrid, en karbid eller en borid. Svetsbult enligt krav 3 eller 4, dör materia) M) öven innehåller sintringstillsatser. Svetsbult enligt något av ovanstående krav, dör materia) M) öven innehåller en de) av det svetsbara materialet M2. Svetsbult enligt något av ovanstående krav, dör det svetsbara materia)et M2 ör en metal) eller meta))egering. Svetsbult enligt krav 7, dör det svetsbara materia)et M2 ör ett material valt blond: aluminium, nicke), guld, platina, titan, tanta) och zirkonium eller legeringor av dessa, stå) och rostfritt stål. Svetsbult enligt något av ovanstående krav, dör det svetsbara materia)et M2 år ett materia) valt bland stå) och rostfritt stål. 21 iO) Svetsbult enligt något av ovanstående krav, dör det svetsbara materialet M2 ör ett material valt bland stål och rostfritt stål, och det icke svetsbara materialet M2 innefattar åtminstone ett av cementerad volframkarbid, aluminiumoxid, och zirkoniumoxid. i i) Svetsbult enligt något av ovanstående krav, dör den tredie delen innefattar ett flussmedel innefattande aluminium. i2) Metod för framstöllning av svetsbulten enligt något av ovanstående krav, dör metoden innefattar: a. framtagning av en pulverstruktur för sintring innefattande det första materialet Mi och det andra materialet M2, och b. sintring av pulverstrukturen för framstöllning av ett sintrat material sammanbundet med ett övergångsområde med sammansöttningsgradient. i3) Metod enligt krav i2, dör steget för sintering av pulverstrukturen utförs med spark plasma sintering (SPS). iÅ) Metod enligt något av krav i2 och i3, dör metoden ytterligare innefattar åtminstone ett av: blöstring av det sintrade materialet, kapning av det sintrade materialet, svarvning av det kapade materialet, slipning av det sintrade materialet, frösning av det sintrade materialet och tillsöttning av flussmedel till det sintrade materialet. i5) Metod för framställning av svetsbulten enligt något av krav i2 - 14, dör metoden ytterligare innefattar placering av ett metallsubstrat innefattande det andra materialet M2 i kontakt med pulverstrukturen, och dör sintringen 22 av pu|verstrukturen sammanbinder den solida biten med det sintrade materia|et. ió) Va|s för matning, dör va|sen (40) innefattar svetsbultar (41) en|igt nögot avkrav1~i1. 17) Vals en|igt krav 16, dör va|sen innefattar ett substrat (42) med en huvudsakligen cirku|ör periteri för matning, och dör svetsbu|tarna svetsas ti|| den cirku|öra periterin pö substratet. 18) Va|s en|igt nögot av krav 16 och 17, dör va|sen ör en matarva|s ti|| ett skördarhuvud.