文/Laserline

在强调保护气候和环境的背景下，除了减少碳排放，减少细微颗粒物排放也很重要。有一部分细微颗粒排放是刹车磨损造成的。刹车盘和刹车片之间的摩擦不仅产生热量，而且还会产生无数细微颗粒，附着于车辆轮毂和道路上。道路交通上的细微颗粒不断扬起，其中很大一部分之后会散布在空气中。

造成这种细微颗粒的主要原因，是市面上常见的灰铸铁刹车盘和与之摩擦的刹车片。刹车盘经受严重磨损，因此在车辆使用期间必须多次更换应用。利用二极管激光器的新型激光熔覆技术，可以制造出耐磨损的灰铸铁刹车盘，从而大幅减少细微颗粒的排放。刹车盘经过此激光熔覆工艺处理后，其摩擦产生的粒径达10 µ m (PM10) 或2.5 µ m (PM2.5)的有害健康的细微颗粒，可以减少90%。

熔覆应用以及与竞争工艺的对比

灰铸铁刹车盘的激光涂层，无需改变基材或生产工艺。耐磨性有限的灰色铸铁部件，通过硬材熔覆层升级，这种熔覆层结合了长效耐腐蚀保护和长效耐磨损保护。其他竞争工艺无法实现这种效果。

例如，热喷涂工艺虽然可以确保高度耐磨损保护，但仅能实现有限的耐腐蚀保护保护。热喷涂熔覆层具有较高的碳化物含量，因此容易开裂，这会导致湿气的渗透。另一方面，氮化处理确实能够提供耐腐蚀和耐磨损保护，但都仅限于有限的时间内。

激光熔覆，通过两层熔覆层相结合，实现耐腐蚀和耐磨损保护。第一步是熔覆缓冲层 (通常是不锈钢)。在此缓冲层上，再熔覆第二层碳化物，其含量可以单独确定；这一层能够起到有力的耐磨保护作用 (见图1)。具体的材料组成，可以根据客户需求进行调整。碳化物含量的高低可以调整，也可能采用不同的材料。目前常用的材料是碳化钨和碳化钛。由于新技术的发展，在某些情况下，也可以通过单层熔覆层实现耐腐蚀和耐磨损保护。此外，可以使用碳化物成型材料，只有当粉末在刹车盘上熔化时才会形成碳化物。

用于经济加工的高速工艺

为了实现经济的熔覆加工，刹车盘激光熔覆通常使用高速加工工艺。与传统激光熔覆工艺一样，熔覆粉末和基材之间形成金相结合，但基材仅受到非常小的热应力影响。事实上，由于加工速度高，可以使用较高的激光功率，而不会引起工件明显变形。这种工艺可以生产出低至约50μ m的非常薄的熔覆层。与之相比，传统的激光熔覆层的厚度通常在500~1000μ m之间。

图1：灰铸铁刹车盘横切面，包含缓冲层和含碳化物的顶层。

设备方案和粉末加工

高速加工不仅能够实现非常薄的熔覆层，还为工业批量生产创造了先决条件。每层熔覆层的加工时间小于20s。为了在未来进一步提高生产率，可以测试不同的设备方案。经典的解决方案是使用略微倾斜的圆盘进行单面熔覆（见图2，右）。这种工艺的优势在于，加工的反射被引导到熔覆喷嘴和镜组上，从而尽可能降低零件承受的应力。也可以同时对两面进行熔覆 (见图2，中)。

图2: 刹车盘的激光熔覆工艺。

熔覆层和基材之间的金相结合至关重要，因为只有这种熔池才能形成一个封闭的耐腐蚀保护层，阻止水分进入中间层。与此同时，灰铸铁需要向材料输入尽可能低的热量。高速熔覆的目的，是在粉末颗粒飞行时尽可能多地将其熔化。这样一来，大部分的能量沉积在粉末颗粒中，而只有必要的能量才会沉积在基材中。

精确调整和排列的粉末，以及二极管激光束的匀化能量分布（见图3），才能实现对基材的低热量输入。

二极管激光器作为熔覆工具的主要优势

通过使用多通道喷嘴，粉末飞行轨迹可以非常精确地排列，从而使粉末颗粒获得足够多的能量，同时又不会过热。正确的飞行角度 (由喷嘴的几何形状决定) 和正确的飞行速度都非常重要。此外，粉末的颗粒大小和载气量，决定了粉末在激光束中是否有足够的停留时间。工件上的能量强度也起着重要作用。使用二极管激光器可以轻松生产一个光斑尺寸在3~8mm之间的匀化光束。目标能量在1~2kW/mm² 之间。如果满足了先决条件，就可以避免激光束中心的粉末过热，并且基材和熔覆层稀释率很低。

批量生产中的过程监测

然而，在激光熔覆刹车盘的工业化批量生产中，重要的不仅是熔覆工艺，还有加工过程和零件的监测。传统的熔覆工艺通常在没有监控的情况下进行，而汽车制造商则要求进行无缝监控。这方面早有可靠的解决方案。例如，摄像系统可以集成于二极管激光器的高功率镜组中，以便监测熔池。对镜组本身的监测，可以通过保护镜片和温度监测传感器来实现。此外，还可以通过二极管激光器的OPC UA接口收集熔覆加工过程的综合数据。

图3：二极管激光束能量强度分布均匀。

图4: 高速熔覆的目的，是在粉末颗粒飞行时，尽可能多地将其熔化。

面向大众市场的材料成本控制

通过选择合适的材料和粉末利用率高达90%的工艺，刹车盘熔覆层的成本可以有针对性的适应不同的细分市场。对于成本敏感的车辆，能够以经济的成本实现厚度较低或碳化物含量较少的熔覆层。另一方面，对于高要求的高端汽车市场来说，可以选用寿命更长的熔覆层和较昂贵的材料。

总结

激光熔覆的刹车盘使用寿命更长，可以减少制动时产生的粉尘，对环境保护和可持续发展做出了重要贡献。其抗腐蚀和耐磨损的表面减少了细尘污染，提高了生活质量，尤其是在城市区域。熔覆工艺快速而有效，以需求为导向的材料成本控制，使得大众市场对激光熔覆刹车盘产生兴趣，并且在不同价格细分市场中也是明智的选择。当然，激光熔覆方案并不仅仅适用于有内燃机的车辆，因为电动汽车也会用到刹车盘，其耐腐蚀保护更为重要。