logo

激光熔覆在刹车盘耐磨层上的应用

在城市地区,细微颗粒污染总是能严重到危害健康的程度。其中25%的细微颗粒排放来源于刹车盘磨损。
新型激光耐磨材料熔覆层现在能够实现汽车刹车盘的耐磨与防腐镀层。这能有效减轻磨损、减少细微颗粒污染,也能持续延长刹车系统的使用寿命。

图片来源:Laserline

使用耐磨材料,可以降低细微颗粒排放

根据最新研究,细微颗粒是空气污染物中对我们健康危害最严重的。尤其是超细颗粒,如烟尘颗粒,被列为致癌物。此外,细微颗粒还会引发过敏、哮喘、呼吸道和心血管疾病。内燃机,尤其是柴油发动机是舆论公认的都市细微颗粒污染的罪魁祸首。因此,各国一直在讨论可行的措施,以降低道路交通产生的细微颗粒排放。
令许多驾驶员不满的是,首要规定的竟是驾驶禁令与限速。然而,在目前的讨论中,有一点似乎总是被忽略:柴油发动机仅是问题的一个方面,因为市中心监测到的细微颗粒很大一部分来自磨损所产生的细微颗粒。除轮胎外,这些细微颗粒主要来源于刹车盘与刹车片。即使大规模改用电动汽车也无法改变这一点。
只有控制刹车磨损,才能显著降低细微颗粒污染。因此,德国预计将在2021年中期对制动引起的细微颗粒最大值作出法律界定。目前,制造商和供应商已经在寻求替代方法。

全新激光熔覆工艺,可以减轻磨损和腐蚀

耐磨熔覆层适用于保护高负荷零部件免受磨损。然而,耐磨熔覆层几乎从未用于传统汽车刹车盘。防腐蚀熔覆层在刹车盘上的应用已有一段时间。与此相反,耐磨熔覆层迄今为止仅供高价位跑车与豪车这类小众领域使用。出于成本原因,至今使用的熔覆工艺并不适合工业批量生产。
一项技术革新也许会在未来改变这种局面:现在可以使用激光镀层工艺(也被称为熔覆)在刹车盘上实现标准化的高强度耐磨熔覆层,从而显著减少磨损、降低细微颗粒排放并延长使用寿命。与跑车领域所使用的热喷涂工艺相比,激光熔覆更经济,因为它更加节省材料与能耗,还减少了准备工作。
因此,新方法也适用于传统灰铸铁刹车动盘的薄耐磨层熔覆,大众市场也能负担得起。激光熔覆层也可适用于小型或微型汽车。熔覆刹车盘虽然购置成本略高,但使用寿命更长,所以性价比高。此外,激光熔覆层对冲撞和打击没有热处理镀层敏感:因为热喷涂镀层仅仅机械地附着于基材,而激光熔覆层则与灰铸铁基材金相结合。

图片来源:Laserline

提高加工速率是成功的关键

新工艺基于传统的激光熔覆,此工艺早已成功应用于工业领域。但是,这种传统工艺并不适用于刹车盘熔覆。原因在于表面加工速率:此工艺对于批量生产的耐磨零件而言,熔覆速率太慢。因此,提高加工速率是实现经济型熔覆工艺的决定性因素。
最新的工艺可以在30秒或更短时间内实现刹车盘单层熔覆,具体取决于熔覆层厚度、材料和刹车盘大小。此工艺的前提是最小的能量输入和基材与熔覆材料之间的少量熔合。整个熔覆过程现在可以在3-5分钟内完成。
通过在激光束和送粉喷嘴下高速移动部件,可以实现加工时间。激光和喷嘴从上方朝向工件,使得喷出的熔覆材料与基材一起熔化。两种材料在熔池中金相结合,冷却后具有很高的稳定性。刹车盘熔覆基本上分两步完成 :首先是熔覆缓冲层以防腐蚀。随后,用碳化物材料熔覆耐磨涂层。

图片来源:Laserline

二极管激光器,以较低的投资成本获得最佳效果

为了获得最佳的熔覆效果,激光束均匀的强度分布必不可少。同时,高速熔覆需要相对较大的光斑直径。光束质量适中的二极管激光器十分适用于此工艺。选用光束品质为110或220mm·mrad的激光器,可以实现3mm-14mm或更大的光斑直径。
通过选择这些激光参数,可以实现强度分布均匀的大光斑,不会离焦或降低光束品质。这样可以实现灰铸铁层的均匀熔化,并在基材和熔覆层之间产生少量熔合。高达80%-90%的粉末利用率也深孚众望:虽然略低于送丝熔覆工艺,但与热喷涂工艺的材料利用率相比,送粉熔覆要高得多。
最后,在光束品质相同的条件下,二极管激光器可以实现最高的功率。借助模块化堆栈技术,二极管激光器能够以最小的体积轻松实现高至10kW或更高的千瓦级激光功率。这一优势确保了设备的合理投资,有利于控制基于二极管激光器的工艺总成本(TCO)。 

图片来源:Laserline

总结:通过二极管激光器对刹车盘的耐磨层熔覆可以在未来实现一项兼备技术与经济性的可靠工艺,从而显著降低刹车导致的细微颗粒排放。虽然镀了熔覆层的刹车盘也会产生细微颗粒,但与未经过熔覆的刹车盘相比,所产生的细微颗粒少很多。这能够保留灰铸铁刹车盘性价比高的优势。激光耐磨熔覆工艺为下一代标准化刹车盘铺平了道路。

版权声明:
《工业激光应用》网站的一切内容及解释权皆归《工业激光应用》杂志社版权所有,未经书面同意不得转载,违者必究!
《工业激光应用》杂志社。
调查问卷期刊订阅