新型激光熔覆方法可以创造保护金属涂层,大大减少盘式制动器产生的细小颗粒
您知道吗?车辆的小颗粒物排放除了来自尾气管外,还有 21% 来自制动器。这是因为每次使用盘式制动器时,刹车盘和刹车片都会有一点材料磨损。直径小于 10 µm 的磨损材料颗粒(称为 PM10)会变成空气中的污染物。但是,与尾气排放不同的是,目前还没有测量这些颗粒排放的简便方法,更重要的是,我们也没有办法来控制这种排放。
刹车困难
大多数盘式制动器的刹车盘由灰铸铁制成。这种材料能够承受刹车部件经常达到的高温,而且相对便宜。但是,灰铸铁易磨损,产生上面提到的微粒,此外还会腐蚀。
最直观的解决方案是在刹车盘表面涂上一层较硬的材料,如不锈钢,以保护其免受磨损和腐蚀。但是,通常用于制造这种镀膜的技术无法用在盘式制动器上。例如,电镀和热喷涂产生的镀膜不能与灰铸铁形成冶金结合。这意味着涂层可能会碎裂或剥落。此外,这些方法的实施成本很高。
甚至传统的激光熔覆(也称为激光材料沉积,简称 LMD)也不能解决这个问题。这种技术将粉末状不锈钢沉积在零件表面,然后使用高功率半导体激光器或光纤激光器来熔化这种粉末和零件。融化的粉末重新固结,形成与基体材料具有牢固冶金结合的新涂层。
但是激光也会融化灰铸铁,导致其中的一些碳可能迁移到钢镀层中。这将导致镀层变脆,或在其中产生裂纹或其他缺陷,从而缩短零件的寿命。
新型激光熔覆技术打破了这一局限
Fraunhofer 激光技术研究所(ILT)和亚琛工业大学(均位于德国亚琛)的一个工程师小组已经开发出一种新的激光材料沉积工艺,为解决这个问题提供了解决方案。他们的方法被称为极端高速激光材料沉积(德语缩写为 EHLA),将一些关键的创新引入了激光熔覆工艺。
与传统的 LMD 一样,EHLA 在盘式制动器的表面喷洒粉末状金属,并用高功率半导体激光器(HighLight DL 系列)将两者融化。但是,EHLA 使用一种定制设计的喷嘴,可以在熔覆粉末到达零件表面之前将其在激光束中“即时”熔化。这样液滴就会落在零件上,形成一层很薄的熔化灰铸铁。然后这种金属迅速重新固化,形成一层薄镀膜。
EHLA 虽然也会加热刹车盘,但温度没有那么高,所以刹车盘中的碳不会大量迁移到涂层中。这就避免了改变材料本身可能带来的所有问题。但它会在形成一层与制动盘表面牢固冶金结合的薄层。而且,它在粉末使用方面比传统熔覆工艺更快、更高效。凭借所有这些优势,这种工艺成为了可供汽车制造商使用的工业化工艺。
EHLA 是成功的秘诀
EHLA 是一种灵活的方法,可以根据应用的具体要求进行调整。例如,在给汽油动力汽车的刹车镀膜时,它可以用来沉积两种不同的材料层。最上层将钢与碳化钨、碳化钛或其他非常坚硬的材料结合在一起。EHLA 熔覆喷嘴经过专门设计,可以同时使用一种以上的粉末材料。
在创造这一层时,激光功率可以进行设置,这样较硬的材料就不会熔化。而小粉末颗粒就会像松饼里的蓝莓一样嵌入脱氧钢层中。这就形成了一个耐磨性极佳的外层。
但这个外层是很脆的,容易开裂,然后水分就会进入,腐蚀制动器。因此,首先要敷设一个纯不锈钢底层,以“密封”刹车盘,防止水分进入。
电动汽车 (EV) 的制动模式与汽油动力汽车差异很大。特别是,使用再生制动使汽车减速时就会不会用到制动器,因此磨损较少。事实上,电动汽车的磨损要小得多,所以需要重点考虑制动器腐蚀问题,而不是产生颗粒的问题(因为汽油车频繁刹车会将刹车盘表面的腐蚀物磨掉)。
在这种情况下,EV 盘式制动器镀膜可采用不同镀膜。也就是说,单层纯不锈钢镀层足以保护它们免受腐蚀,同时还能提供显著减少颗粒。
与传统的激光熔覆相比,EHLA 的速度更快,对金属粉末的利用也更高效,这意味着它更具成本效益。此外,除了灰铸铁和不锈钢外,它还适用于许多其他材料。如果这项技术很快就应用到了其他制造业领域,请不要感到惊讶。
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