SE536766C2

SE536766C2 - Svetsbult med en gradientstruktur, metod för dess framställning och vals för matning innefattande svetsbult

Info

Publication number: SE536766C2
Application number: SE1151094A
Authority: SE
Inventors: Erik Karlsson; Mohamed Radwan; Anders Bremmer; Katarina Flodström
Original assignee: Diamorph Ab
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2014-07-22
Also published as: EP2780127A1; EP2780127A4; SE1151094A1; WO2013074028A1

Abstract

Svetsbult avsedd att svetsas till ett substrat. Svetsbulten (1, 10, 21, 31, 41)innefattar: en första (l), andra (ll) och tredje (lll) del. Den första delen innefattar ettförsta material M1, och den andra delen innefattar en andra materialet M2,svetsbart till substratet (2). Den tredje delen innefattar minst ett av: ett materialsom är svetsbart till substratet, och ett flussmedel avsett för att underlättasvetsning av det andra materialet M2 till substratet, där svetsbulten innefattar enlängdaxel (LA) som löper genom nämnda första, andra och tredje del, och där dentredje delen innefattar ett tvärsnitt (B-B) vinkelrätt mot längdaxeln med en mindrearea (a2) än den genomsnittliga tvärsnittsarean (a1) hos de första och andradelarna vinkelrätt mot längdaxeln. Det första materialet M1 och andra materialetM2 är förenade med en gradvis övergång (5), det första materialet M1 är inte ärsvetsbart till substratet, och det andra materialet M2 är svetsbart till substratet, ochde första och andra delarna innefattar ett sintrat gradientövergångsområde innefattande en blandning av det första M1 och det andra M2 materialet. (figur 4)

Description

536 766

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

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

[0006] Bågsvetsning är en smältsvetsningsprocess som använder elektricitet för att generera den värme som behövs för att smälta basmaterialet. Bultsvetsning är en industriellt mogen teknik, vilken är en sorts bägsvetsning. Genom att leda ström genom en bult, mutter eller annan specialformad komponent svetsas komponenten till en annan metalldel genom värmen som genereras av det elektriska motståndet. Det finns tre olika sorters bultsvetsningstekniker; ljusbågemetoden (DA), ”short cycle” (SC) och kondensatorurladdning (CD).

[0007] DA-bultar är vanligvis försedda med en flussboll av aluminium på sveständen, vilket hjälper svetsprocessen. DA-bultar används tillsammans med en keramisk ring eller intert gas för att skydda fogen från oxidering under smältfasen av svetsprocessen. SC- och CD-bultar skiljer sig från DA-bultar genom att bultarna varken kräver flussmedel eller oxidationsskydd i form av en keramisk ring eller inert gas under svetsning, på grund av kortare svetstider än för DA.

[0008] Bultsvetsning är väldigt mångsidigt. Bärbara bultsvetsmaskiner finns.

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

[0009] Det finns ett brett utbud av olika svetsbultar av stål tillgängliga, för användning som fastsvetsat slitskydd. För att uppnå en hög nötningsbeständighet hos stålet är svetsbultar ofta härdade. På grund av värmen under svetsprocessen kan egenskaperna hos det härdade stålet dock äventyras. Även de bäst härdade stålsorterna är dessutom mycket mjukare än keramiska material, och har därför en kortare livslängd i slitapplikationer. 536 766

[0010] Tidigare uppfinningar för sammanfogning av olika material i en svetsbult baseras vanligtvis pä mekanisk förankring eller ytbeläggningar. Det amerikanska patentet 5,054,980 beskriver en svetsbar kompositbult bestående av tvä olika material sammanfogade mekaniskt.

[0011] Det amerikanska patentet 6,860,687 beskriver en aluminiumbult med en ytbeläggning av titan.

[0012] Det tyska företaget BETEK producerar en svetsbar bult som innefattar volframkarbid, där en solid kärna av cementerad volframkarbid har krympmonterats pä en stälkropp vilken i sin tur passar i en bultsvetsmaskin.

Nackdelen med denna produkt är den mer komplicerade tillverkningsprocessen, där den cementerade volframkarbiden mäste sintras, stälkroppen mäste bearbetas och slutligen förenas de tvä komponenterna med krympmontering. Om den keramiska kärnan faller ut blir slitskyddet dessutom kraftigt reducerat. 536 766 Sammanfattninq av uppfinninqen

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

[0014] Ett annat ändamål är att tillhandahålla en metod förframställning av nämnda svetsbult.

[0015] 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 M1, den andra delen innefattar ett andra material M2, svetsbart till substratet, och den tredje delen innefattar minst ett av: ett material som är svetsbart till substratet, och ett flussmedel avsett för att underlätta svetsning av det andra materialet M2 till substratet. Svetsbulten innefattar även en längdaxel som löper genom nämnda första, andra och tredje del. Den tredje delen innefattar ett tvärsnitt vinkelrätt mot längdaxeln med en mindre area än den genomsnittliga tvärsnittsarean hos de första och andra delarna vinkelrätt mot längdaxeln. Det första materialet M1 och andra materialet M2 är sammanbundna med en gradvis övergång, varvid det första materialet M1 inte är svetsbart till substratet, och det andra materialet M2 är svetsbart till substratet. Vidare innefattarförsta och andra partierna ett sintrat övergångsområde innefattande en blandning av det första materialet M1 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 bättre egenskaper till substrat med hjälp av svetsning.

[0017] I en utföringsform innefattar svetsbulten en rundad (4) eller avsmalnande (4a; 4b) del avsedd att initiera kontakt med substratet, vilket är avgörande för en homogen smälta av materialen och bästa möjliga resultat vid svetsningen. Den 536 766 rundade eller avsmalnande delen kan innefatta ett flussmedel för att underlätta och / eller förbättra svetsningen mellan substratet och svetsbulten.

[0018] Den icke svetsbara ytan kan företrädesvis vara av ett keramiskt material eller en cermet.

[0019] Den icke svetsbara ytan harföreträdesvis en god nötningstålighet. Andra önskvärda egenskaper hos denna yta kan vara låg vikt, hög korrosionsbeständighet och en isolerande karaktär.

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

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

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

[0023] Särskilt aluminiumoxid (AlgOß) och zirkoniumoxid (ZrOz) är lämpliga för denna uppfinning.

[0024] Det icke svetsbara materialet kan också 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 på svetsbara metaller, inklusive deras legeringar är aluminium, nickel, guld, platina, titan, tantal och zirkonium. Vidare är stål och vissa rostfria stållegeringar (300- och 400-serien) svetsbara.

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

[0027] I en utföringsform är svetsbulten en FGM-svetsbult tillverkad av stål / cementerad volframkarbid (stål / WC-Co-FGM). 536 766

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

[0029] I en annan utföringsform är svetsbulten en FGM-svetsbult av rostfritt stål eller stål / aluminiumoxid (SS / AI2O3 FGM).

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

[0031] I en annan utföringsform innefattar det icke svetsbara materialet M1 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 hjälp 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 cirkulärt tvärsnitt är mycket vanlig för svetsbultar, och är en form möjlig för uppfinningen.

[0035] Formen på svetsbulten är emellertid inte begränsad till det cirkulära tvärsnittet, utan tvärsnittet kan också vara kvadratiskt, rektangulärt, hexagonalt, oktagonalt eller ha andra liknande former.

[0036] En spets eller en något konisk form på svetsytan är i många fall lämpligt för svetsbultar. Denna form kan bearbetas fram efter sintring eller så kan komponenten sintras till denna form.

[0037] Ett hål i spetsen på den koniska delen kan formas för att kunna erhålla en 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 slitytan och i gradientområdet, på grund av den gradvisa 536 766 sammansättningsförändringen mellan de två materialen. Detta förbättrar ytterligare nötningsegenskaperna 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] 1) 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, fräsning och eventuell tillsats av flussmedel.

Kort beskrivninq av fiqurer

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

[0045] Fig. 1 visar en svetsbult enligt en utföringsform, med en struktur som ett funktionellt gradientmaterial, där del I innefattar en nötningsbeständig del, del ll 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 1 i en utföringsform liknande den ifig. 1, med skillnaden att det finns en tredje del lll, bestående av två avsmalnande delar 4ab,

[0047] Fig. 3a, 3b visar en svetsbult i en utföringsform liknande den i fig. 1 och fig. 2, med skillnaden att den tredje delen lll har en sfärisk respektive en stympad konisk form, 536 766

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

[0049] Fig. 5 är en perspektivvy av svetsbulten enligt någon av utföringsformerna i fig. 1 - 4 där den svetsats till ett substrat 2,

[0050] Fig. 6 visar svetsbulten i form av en mutter med ett flertal delar svetsflussmedel,

[0051] Fig. 7 visar en skopa för grävmaskiner innefattande svetsbultar enligt någon av utföringsformerna häri,

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

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

Detalierad 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 536 766 uppvärmning under höga mekaniska tryck. Denna process, härefter kallad SPS, har visat sig vara mycket väl lämpad för framställning av funktionella gradientmaterial. Andra sintringstekniker är också möjliga 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 möjliga att kombinera på olika sätt i generella termer. Återigen kan individuella särdrag hos de olika utföringsformerna och metoderna kombineras eller utväxlas såvida sådan kombinering eller utväxling inte tydligt motsäger den övergripande funktionen hos den funktionella gradientmaterialkomponenten eller dess framställningsmetod.

[0058] Fig. 1 visar ett exempel på ett FGM av metall / keram med en gradientdel 5 som består av ﬂera kompositskikt, där det är en gradvis variation i mikrostrukturen med förändringen i sammansättning. Matrisen ersätts gradvis från metall till keram, och mikrostrukturprofilen varierar samtidigt från ll ren metall, iii-iv metallrikt område (de keramiska partiklarna är dispergerade i metallmatris), i-ii keramrikt område (metallmatrisen minskar och blir till diskreta faser eller partiklar i kerammatris), till slutligen (del I) en ren keram. Denna gradient i sammansättning- mikrostruktur-egenskaper längs det funktionella gradientmaterialet är nyckeln till dess stabilitet och prestanda.

[0059] Fig. 2 visar en svetsbult 1 enligt en utföringsform. Svetsbulten 1 är avsedd för att svetsas till ett substrat (visas med beteckning 2 i fig. 5) genom motståndssvetsning. I motståndssvetsning alstras värme genom den elektriska 536 766 resistansen hos det material som skall svetsas, vilket gör att en del av materialet i svetsbulten 1 och en del av substratet smälter och bildar sålunda svetsfogen mellan svetsbulten 1 och substratet. Den första delen I av svetsbulten 1 innefattar ett första material M1 som är ett material vilket inte är möjligt att svetsa till substratet. Materialet M1 kan till exempel vara en keram, ett cermet eller ett polymermaterial. Materialet M1 kan vara ett slitstarkt material anpassat för att öka nötningsbeständigheten hos svetsbulten eller ett kemiskt resistent material anpassat för att öka den kemiska motständskraften hos svetsbulten 1. Svetsbulten 1 innefattar vidare en andra del ll, innefattande ett andra material M2 vilket är ett material som är svetsbart till substratet. Det andra materialet M2 kan till exempel innefatta stäl eller rostfritt stäl.Den första delen I är sammanbunden med den andra delen II genom att svetsbulten har ett funktionellt gradientomrädet innefattande en blandning av materialen M1 och M2, sä att materialen idel I och del ll är sammanbundna materiellt. Svetsbulten innefattar vidare en tredje del lll innefattande tvä avsmalnande delar 4a, 4b, så att den tredje delen innefattar ett tvärsnitt vinkelrätt mot längdaxeln hos svetsbulten 1 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 1 enligt en utföringsform liknande utföringsformen ifig. 1, med den skillnaden att den tredje delen lll innefattar en rundad del 4 vilken, precis som de avsmalnande delarna i fig. 1, 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 1 enligt en utföringsform liknande utföringsformen ifig. 1, med den skillnaden att den tredje delen lll innefattar ett stympat koniskt område 4, vilket används för att initiera svetsning, och även kan innefatta ett flussmedel för att underlätta svetsning av det andra materialet M2 till substratet. 10 536 766

[0062] Fig. 4 visar en utföringsform av svetsbulten 1 mycket lik utföringsformen som visas i fig. 2, där skillnaden är att svetsbulten i fig. 4 har ett övergångsområde 5 som är en väsentlig del av svetsbulten 1. Övergångsområdet 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 Ill del. Den tredje delen lll innefattar ett tvärsnitt B - B vinkelrätt mot längdaxeln LA med en mindre area az än den genomsnittliga tvärsnittsarean a1 hos den första och andra delen vinkelrätt mot längdaxeln LA, visad i figur 4 med tvärsnittet A - A, eftersom svetsbulten i fig. 4 är cylindrisk och sålunda har ett lika stort tvärsnitt längs hela längden av svetsbulten 1. Det sintrade gradientomrädet innefattar en blandning av det första M1 och andra M2 materialet vilken kan vara en blandning som ger en gradvis variation i sammansättning, kontinuerlig eller stegvis, genom övergängsomrädet 5. Material M1 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 ll delen kan innefatta det första M1 respektive det andra M2 materialet i sina rena former, eller innefatta en blandning av material M1 och M2, där andelen av M2 är högre i den andra delen II än i den första delen, och där andelen av M1 är högre i den första delen I än i den andra delen ll.

[0063] Fig. 5 visar svetsbulten 1 enligt någon av utföringsformerna häri svetsad till ett substrat 2, så att en svetsfog 3 bildats mellan substratet 2 och svetsbulten 1, vilket fäster svetsbulten 1 till substratet 2.

[0064] Fig. 6 visar en utföringsform av svetsbulten 10, i vilken svetsbulten 10 har formen av en mutter som innefattar invändig gängning 15 vilket möjliggör fastsättning av ett föremål, som har yttre gängning, på muttern 10. Svetsmuttern 10 innefattar en första del I innefattande ett första material M1, ensamt eller i kombination med åtminstone ett andra material M2, där materialet i den första delen I inte är svetsbart till substratet utan valt på grund av en särskild materialegenskap, vilken kan vara av en mekanisk egenskap såsom god nötningsbeständighet, eller en kemisk egenskap såsom god kemisk resistens. 11 536 766 Svetsmuttern innefattar vidare en andra del ll vilken innefattar ett material som är svetsbart till substratet. Svetsmuttern 10 innefattar vidare en tredje del lll, vilken innefattar ett flertal rundade delar som behövs för att initiera svetsningsprocessen.

De rundade delarna 14 kan vara avsmalnande eller formade på annat sätt så att de har en tvärsnittsarea som är mindre än den genomsnittliga tvärsnittsarean hos svetsmuttern, för initiering av svetsningsprocessen. De rundade delarna 14 kan innefatta ett flussmedel för att underlätta och/ eller förbättra svetsningen mellan svetsmuttern 10 och substratet 2.

[0065] Svetsmuttern skall ses som ett exempel som visar att det inte finns några begränsningar av formen i vilken svetsbulten kan produceras så 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 är exempelvis stål eller en stålbaserad legering, såsom rostfritt stål. Skopan 20 innefattar vidare svetsbultar 21, enligt någon av utföringsformerna häri, svetsade till substratet 22 för att förbättra nötningsbeständigheten hos skopan 20. I fig. 7 visas svetsbultarna 21 fastsvetsade på sidan av skopan 20, men det är lika tänkbart att svetsbultarna 21 svetsas fast på framsidan 23 av skopan, på insidan 24 av skopan 20, eller på tänderna 25 på skopan 20. Skopan 20 som visas i fig. 7 skall ses som ett exempel på ett tillämpningsområde för svetsdubbarna 21 enligt någon av utföringsformerna beskrivna med hänvisning till fig. 2 - 6.

[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 på ett målmaterial, t.ex. en stenvägg eller ett sedimentskikt. Borrkronan 30 innefattar vidare svetsbultar 31a, 31 b, enligt någon av utföringsformerna häri, svetsade till den övre ytan hos substratet 32 (svetsbulten 31a) och längs periferin eller den laterala ytan hos substratet 32 (svetsbulten 31b). Eftersom svetsbultarna 31a, 31b exempelvis består 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 motståndssvetsning. 12 536 766 Borrskronan 30 som visas i fig. 8 är att betrakta som ett exempel på ett tillämpningsområde av svetsbultarna 31 a, 31 b enligt någon av de utföringsformer som beskrivs med referens till fig. 1 - 5

[0068] Fig. 9 visar 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).

[0072] 3) Utförande av nödvändig efterbehandling av FGM-komponenten genom metoder såsom blästring, kapning, svarvning, slipning, fräsning och eventuell tillsats av flussmedel. 13 536 766

[0073] Startmaterialen (M1, 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 M1, 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. I 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.

[0078] Skärning kan lämpligen utföras med tekniker såsom Iaserskärning, vattenskärning, kapskiva, plasmaskärning eller gnistning.

[0079] I en utföringsform är de yttre ytorna av materialen M1 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. 14 536 766

[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.

[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 därefter skärs till mindre komponenter.

[0084] I ett utförande är den svetsbara änden av gradientsvetsbulten och metallsubstratet som den ska fästas till sammanförda väsentligen parallellt med varandra, och därefter svetsade.

Exempel

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

Exempelvis kan andra metaller och keramer kan användas. Andra sintringstekniker än SPS kan också användas.

[0086] Ett stål / WC-Co-FGM utformades att innefatta fyra kompositmellanlager mellan de rena stål- och volframkarbidlagren vid de två ändarna. Kompositerna bestod av stål - 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 stållagret. WC hade en Co-halt på 11% och kornstorleken var ca 2 um. Stålet hade en D50-storlek på 10 um. Dysan sintrades i en SPS-enhet vid 1100 °C under 6 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 ø12x22 mm. Stålytan 15 536 766 hos FGM-komponenterna svarvades till en något konisk form, ett litet hål gjordes i stålet och aluminium tillsattes som flussmedel. Komponenterna svetsades till stålytor genom ljusbågebultsvetsning.

[0087] En FGM-komponent i rostfritt stål och yttrium-stabiliserad zirkoniumoxid sintrades med SPS tekniken i ett singelkomponentverktyg igrafit. Dimensionerna hos den sintrade komponenten var ø20x17 mm. Komponenten sintrades vid 1100 °C under 22 minuter och vid ett tryck av 75 MPa. Uppvärmningshastigheten var 50 °C/min. Sintringen ägde rum i vakuum. Den rostfria ståldelen av komponenten svarvades till en något konisk form och aluminium tillsattes som flussmedel.

[0088] Ett FGM av rostfritt stål och aluminiumoxid framställdes, med zirkoniumoxid som tillsats i de mellanliggande lagren. 21 olika pulverblandningar bereddes av materialen rostfritt stål SUS316L (D90 <22 um), Al203 (100 nm) och/eller ZrO2 (3Y) (D50=0.6 um). Provet förtätades/sintrades med SPS vid 1100 °C under 30 minuter. Sintringen ägde rum i vakuum. SPS-trycket hölls vid 75 MPa.

En uppvärmningshastighet av 100 °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 ärför illustration och inte på något sätt begränsar omfattningen av uppfinningen. Observera att varje utföringsform eller del av utföringsform såväl som varje metod eller del av metod kan kombineras på alla möjliga sätt. Alla exempel i detta dokument ska ses som en del av den allmänna beskrivningen och är därför möjliga att kombinera på olika sätt i generella termer. 16

Claims

KRAV 536 766

1. ) Svetsbult avsedd att svetsas till ett substrat, där svetsbulten (1; 10; 21; 31; 41) innefattar: 9* O' en första (l), andra (ll) och tredje (lll) del, och där första delen innefattar ett första material M1, och andra delen innefattar en andra materialet M2, svetsbart till substratet (2), och _ tredje delen innefattar minst ett av: ett material som är svetsbart till substratet, och ett flussmedel avsett för att underlätta svetsning av det andra materialet M2 till substratet, där svetsbulten innefattar en längdaxel (LA) som löper genom nämnda första, andra och tredje del, och där den tredje delen innefattar ett tvärsnitt (B-B) vinkelrätt mot längdaxeln med en mindre area (ag) än den genomsnittliga tvärsnittsarean (aj) hos de första och andra delarna vinkelrätt mot längdaxeln, kännetecknad av att det första materialet M1 och andra materialet M2 är förenade med en gradvis övergång (5), och där det första materialet M1 inte är svetsbart till substratet, och det andra materialet M2 är svetsbart till substratet, och där de första och andra delarna innefattar ett sintrat gradvis övergàngsomräde innefattande en blandning av det första M1 och det andra M2 materialet.

2. ) Svetsbult enligt krav 1, där den tredje delen innefattar en rundad (4) eller avsmalnande (4a, 4b) del avsedd att initiera kontakt med substratet vid svetsning.

3. ) Svetsbult enligt krav 1 eller 2, där material M1 är ett material valt bland: ett keramiskt material, ett cermet-material, en metall som inte är svetsbartill substratet, och ett polymermaterial. 17 536 766

4. ) Svetsbult enligt krav 3, där material M1 är ett material valt bland: en oxid, en nitrid, en karbid eller en borid.

5. ) Svetsbult enligt krav 3 eller 4, där material M1 även innehåller sintringstillsatser.

6. ) Svetsbult enligt något av ovanstående krav, där material M1 även innehåller en del av det svetsbara materialet M2.

7. ) Svetsbult enligt något av ovanstående krav, där det svetsbara materialet M2 är en metall eller metallegering.

8. ) Svetsbult enligt krav 7, där det svetsbara materialet M2 är ett material valt bland: aluminium, nickel, guld, platina, titan, tantal och zirkonium eller legeringar av dessa, stål och rostfritt stål.

9. ) Svetsbult enligt något av ovanstående krav, där det svetsbara materialet M2 är ett material valt bland stål och rostfritt stål.

10. )Svetsbult enligt något av ovanstående krav, där det svetsbara materialet M2 är ett material valt bland stål och rostfritt stål, och det icke svetsbara materialet M1 innefattar åtminstone ett av cementerad volframkarbid, aluminiumoxid, och zirkoniumoxid.

11. )Svetsbult enligt något av ovanstående krav, där den tredje delen innefattar ett flussmedel innefattande aluminium.

12. )Metod för framställning av svetsbulten enligt något av ovanstående krav, där metoden innefattar: 18 536 766 a. framtagning av en pulverstruktur för sintring innefattande det första materialet M1 och det andra materialet M2, och b. sintring av pulverstrukturen för framställning av ett sintrat material sammanbundet med ett övergångsområde med sammansättningsgradient.

13. )Metod enligt krav 12, där steget för sintring av pulverstrukturen utförs med spark plasma sintering (SPS).

14. )Metod enligt något av krav 12 och 13, där metoden ytterligare innefattar åtminstone ett av: blästring av det sintrade materialet, kapning av det sintrade materialet, svarvning av det sintrade materialet, slipning av det sintrade materialet, fräsning av det sintrade materialet och tillsättning av flussmedel till det sintrade materialet.

15. )Metod förframställning av svetsbulten enligt något av krav 12 - 14, där metoden ytterligare innefattar placering av ett metallsubstrat innefattande det andra materialet M2 i kontakt med pulverstrukturen, och där sintringen av pulverstrukturen sammanbinder den solida biten med det sintrade materialet.

16. )Vals för matning, där valsen (40) innefattar svetsbultar (41) enligt något av krav 1 - 11, kännetecknad av att valsen innefattar ett substrat (42) med en huvudsakligen cirkulär periferi för matning, och där svetsbultarna svetsas till den cirkulära periferin på substratet.

17. )Va|s enligt krav 16, där valsen är en matarvals till ett skördarhuvud. 19