CN116075391A - 用于通过使用激光熔覆制造高耐蚀耐磨性铸铁部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在基材优选是制动盘的表面上制造耐磨耐蚀性涂层体系的方法，该基材或至少该基材表面由铁基材料或钢材类型的基材材料制成，该涂层体系包括一个或多个涂层，其中，该方法包括以下步骤：(1)提供基材表面以供涂覆涂层体系，(2)选择专用于制造涂层体系的一个或多个涂层的专用材料，(3)通过使用激光熔覆工艺在待涂覆的基材表面上制造涂层体系的一个或多个涂层，其中，在步骤(2)中所选的专用材料被用作用于制造涂层的源材料，其中，为了执行步骤(3)，激光束相对于待涂覆的基材表面被如此定位，即，在激光束与待涂覆的基材表面之间形成角度，被称为涂覆角度的该角度在制造一个或多个涂层期间被保持在10°至30°之间的值。

Description

用于通过使用激光熔覆制造高耐蚀耐磨性铸铁部件的方法
技术背景
通过施加涂层或采用表面改性处理来改进例如在汽车行业中所用的铁基或钢质部件如铸铁制动盘或者滑动部件的性能以改善耐磨耐蚀性是众所周知的。
某些已知的沉积工艺例如是热喷涂、电镀和激光熔覆工艺。传统的激光熔覆沉积工艺也被称为激光金属沉积(LMD)或定向能-激光束(DED-LB)。抛开传统的激光熔覆工艺不算，也有特定的激光熔覆工艺如高速激光熔覆和极高速材料沉积，后者也被称为极高速激光应用(EHLA)。
此外，其它方法例如通过使用例如气体或等离子体碳氮化工艺和/或氧化工艺来制造扩散层和/或氧化层的处理也是众所周知的。
现有技术问题
目前，一项当前的巨大挑战和市场要求是制造特别是制动盘类型的部件，其允许最少微尘排放并具有较长的使用寿命，但它同时可以在保持尽量低的生产成本下制造。
铸铁是众所周知的低成本材料，它因为其高熔点和蓄能能力、良好传导性、良好可铸能力和机加工能力而被用于制动盘。但是，该材料包含呈在制动盘制造期间位于部件表面上的片层和/或球粒/小球形式的石墨材料。
不同于热喷涂技术，已知的是在激光材料沉积技术如传统激光熔覆技术中，光学聚焦层束通过激光辐射在部件表面上产生熔池，粉末或丝线通过喷嘴被送入熔池中并且通过熔池温度和激光辐射的组合作用熔化以增加形状和功能。当喷嘴横越基材时，热源离开，所沉积的材料凝固并与基材结为一体，而在基材和沉积物之间形成稀释材料区(300μm～1000μm深)。由此，如此在待涂覆的基材表面(基材可以是一个零件或部件如制动盘)上产生高能熔池，即，涂层材料被沉积在通过激光束在基材表面上产生的熔床上。涂层材料可以通过激光束被完全或部分熔化，或者直接沉积在熔床上。也知道了在EHLA工艺中将粉末送入在基材上方的聚焦激光束线中。这保证所沉积的材料在接触到基材前已熔融，在基材上还是形成很浅的熔池，允许所沉积的材料冷却并与接方材料接触凝固，减小到达下方部件的热量并减轻稀释和热效应的深度。低稀释率形成了制造获得期望化学性质的一般在5～10μm内的明显更薄的涂层(20～300μm)的能力。这也形成可利用EHLA获得的高速移动的核心。
结果，通过使用激光熔覆工艺来涂覆铁基基材材料如铸铁，基材表面上的石墨层片通过高功率激光束被熔化且甚至被气化，其在涂层本身中产生杂质和/或在涂层中产生空洞或阻断物。某些情况下，石墨片层甚至可能在涂覆工艺期间“炸裂”。这可能导致低附着区域或局部缺陷、还有涂层结构中的开裂，这不利于涂层的附着。另外，所得到的涂层表面并不平坦而是不规则的并且显示出“橘皮”表面，这种涂层表面具有不利影响，特别是对于制动盘的特定应用。
石墨以片层和/或小球和/或马氏体组织的形式存在是工艺可靠性低的起因，其可能限制用于获得高质量涂层的工艺窗口。
此外，在无法使用激光熔覆技术涂覆的基材区域(如毂、弯颈管内径和/或通风道或冷却道)，基材的铸铁材料仍然外露并且可能在正常大气条件下容易腐蚀，尤其在存在盐例如NaCl、KCl和MgCl2的情况下。
发明目的
本发明的主要目的是提供一种用于制造由铁基材料例如铸铁或钢材制成的部件、特别是制动盘的方法，部件的表面相比于属于现有技术的未涂覆部件显示出更高的耐蚀耐磨性。
本发明的另一目的是提供尤其是制动盘类型的部件，其允许最少的微尘排放并具有长使用寿命，并且优选同时可以保持尽量低的生产成本地制造。
发明内容
本发明的目的通过提供一种如权利要求1所述的方法来达成。在从属权利要求中描述本发明的优选实施例。
本发明的方法允许制造显示出更高耐蚀性的部件、特别是制动盘，在此采用还减轻部件磨损的材料和涂覆技术。
本发明的方法是一种用于在基材表面上制造耐磨耐蚀性涂层体系的方法，该基材或至少该基材表面由铁基材料或钢材类型的基材材料制成，该涂层体系包括一个或多个涂层，其中，该方法包括以下步骤：
(1)提供具有待涂覆上涂层体系的表面的基材，
(2)选择专用于制造涂层体系的一个或多个涂层的专用材料(在本说明书上下文中也被称为专用涂层材料)，
(3)通过使用激光熔覆工艺在待涂覆基材表面上制造涂层体系的一个或多个涂层，其中，在步骤(2)中所选的专用材料被用作用于制造涂层的源材料，
其中，为了执行步骤(3)，激光束相对于待涂覆基材表面被如此定位，即，在激光束与一轴线之间形成一角度，其中，该轴线垂直于待涂覆基材表面，并且被称为涂覆角度的该角度在制造一个或多个涂层期间被保持在10°至45°之间的、优选在10°至30°之间的值。
上述方法的使用、特别是使用在上述范围内的涂覆角度允许获得更高的基材材料可焊性、使用更高的激光器功率级、获得更高的沉积速率、获得一个或多个涂层在基材表面(涂层体系沉积于其上)的更强附着。
该基材优选是用在汽车行业中的部件、特别是制动盘。
优选地，如果该部件是制动盘，则制动盘由铸铁材料制造或至少包含由铸铁材料制成的表面，根据本发明在该表面上沉积该涂层体系。
激光熔覆工艺可以是传统的激光熔覆工艺或激光熔覆工艺的任何其它特殊变型。
激光熔覆工艺优选是EHLA工艺。
可根据本发明的一个优选实施例如此进行本发明方法以涂覆制动盘，即，在步骤(3)中的激光熔覆工艺通过实现例如在5kW到30kW之间、优选在大于5kW的值到30kW之间、更优选在10kW到30kW之间或在10kW到25kW之间范围内的较高激光器功率级进行。这通过使用在上述涂覆角度范围内的涂覆角度而变得可行。
可根据本发明的另一个优选实施例如此进行本发明方法以涂覆制动盘，即，在步骤(3)中的激光熔覆工艺通过实现在很宽广的高沉积速率范围内的工艺速度进行，其中包含比现有技术更高的例如在50m/min至200m/min范围内的工艺速度。在使用优选在100m/min至200m/min的范围内、更优选在100m/min至150m/min范围内的高工艺速度情况下，在此范围内获得更稳定的工艺过程。这通过使用包含在上述涂覆角度范围内的涂覆角度的本发明方法而变得可行。
可根据本发明的另一个优选实施例如此进行本发明方法以涂覆制动盘，即，在步骤(3)中的激光熔覆工艺如此通过在上述范围内选择工艺参数进行，即，获得包含高涂层沉积速率在内的很宽广的涂层沉积速率。高于500cm2/min的沉积速率被认为是高沉积速率。本发明方法优选通过选择工艺参数以获得在从500cm2/min到1200cm2/min的范围内的高沉积速率来实现。
本发明的实施例或优选实施例和在本说明书中的发明例子不应被理解为对本发明的限制，而是作为信息被用以更好理解本发明。
本发明的每个实施例或优选实施例可以与一个或多个实施例或优选实施例组合。
本发明构成用于涂覆制动盘的出乎意料的相当大的优点，因为本发明方法允许扩展工艺参数以获得“扩展工艺参数窗口”用于制动盘涂覆工艺，甚至满足制动盘涂覆工艺中的所有要求例如可焊性、期望厚度、多孔性和开裂。
发明人还建议进一步改善基材材料特别是铸铁材料的可焊性，以在沉积激光熔覆涂层之前进行预处理工艺，优选地，预处理工艺包括以下步骤，在该步骤中从基材表面减少或去除石墨且特别是石墨层片以提高基材材料的可焊性。预处理工艺优选涉及：基材材料的通过使用脉冲射流工艺、优选是水射流工艺的表面活化。
可以形成包含仅一个涂层的涂层体系，该涂层通过使用激光熔覆来制造(即包含激光熔覆单层涂层)，或者涂层体系甚至由仅一个涂层形成，其通过使用激光熔覆来制造(即由激光熔覆单层涂层形成)。
但也可以形成包含两个或更多的涂层的涂层体系，所述涂层通过使用激光熔覆来制造(即包含激光熔覆多层涂层)，或涂层体系由两个或更多的涂层组成，所述涂层通过使用激光熔覆来制造(即由激光熔覆多层涂层形成)。
术语“单层涂层”在本发明的上下文中被用于指称单种涂层的沉积或形成。单种涂层能以一轮或多轮被沉积，其中，一轮对应于一轮激光涂层沉积。因此，在本说明书的上下文中，单层涂层能以一轮或多轮被沉积以获得期望的涂层厚度。
术语“多层涂层”在本发明的上下文中被用于指称超过一个的涂层的沉积或形成，每个涂层是不同类型的涂层，因此意味着例如它们可以在总体平均成分方面不同。每种涂层可以在一轮或多轮中被沉积，其中，一轮对应于一轮激光涂层沉积。因此在此上下文中，不同类型的涂层中的每一个能以一轮或多轮被沉积以获得期望的涂层厚度。
为了防蚀保护未涂覆区域，可以进行根据本发明的方法，其包括在进行了步骤(3)之后执行的后处理工艺，该后处理工艺包括如下步骤：通过使用碳氮化工艺产生扩散层。
上述的扩散层也可以通过使用组合工艺来制造，该组合工艺包括碳氮化工艺过程(也称为碳氮化工艺)和随后的氧化工艺过程(也称为氧化工艺)。这样的组合工艺可以例如是由Hoppe在EP 0753599 A1或EP 0753599 B1中披露的用于制造耐蚀耐磨保护层的众多工艺之一。进行这些工艺不是为了在涂层中产生变化，而只是用于提高在基材的未涂覆部分，如制动盘冷却道、内径和外径、钟形和弯颈管中的材料的耐蚀性。
如上所述，在沉积激光熔覆涂层之前改善基材材料可焊性的一个可能方式可通过从基材表面去除石墨来达成，尤其可能有利的是片层和/或石墨通过表面预处理工艺、特别是水射流工艺且优选还伴随水射流脉冲化而从铸铁表面被去除。水射流工艺在使用特定参数的情况下具有允许去除石墨片层的特点。
从表面完全或部分去除石墨改善了基材材料(在本说明书的上下文中，基材材料也称为基础材料)的可焊性和“基础材料与激光相互作用”，其改善涂层在基材上的附着。另外，它降低涂层结构中的多孔性水平和开裂危险。
如上所解释，该方法的使用也允许扩宽可能的用于沉积的工艺参数窗口，这使得该工艺更可靠。因为涂覆角度，更高的激光器功率级(如10～25kW)的实现变得可能并因此更高的工艺速度(如100～200m/min)、即激光束跨越基材的相对运动可被相应提高。另外，也如上所解释地，更高的沉积速率允许缩短批量制造中的周期时间和因此提高沉积速率(如500～1200cm2/min)。更高的沉积速率也给予涂层材料成分的选择更高自由度。
本发明允许激光熔覆工艺可针对制动盘涂覆被如此优化，即，可焊性和涂层性能通过特定工艺参数例如沉积角度、激光斑尺寸、激光器功率、粉末供应速率、表面速度和专用涂层材料的组合得以改善。
在本发明的当前说明的上下文中，专用材料(也称为专用涂层材料)特别是如下材料，其可以被用于通过使用激光熔覆涂覆技术、优选EHLA来制造涂层，其能够提供待涂覆的基材表面的改善性能，特别是用于改善制动盘的耐蚀耐磨性。因此，专用材料被选择为具有下述性能，即，在该材料作为涂层被涂覆时允许制动盘在其使用期间获得期望性能。换言之，专用材料优选被选择用于改善制动盘性能，因此用于在所有典型制动盘使用条件(例如高热力学应力、潮湿和干燥条件、与制动衬材料的相互作用)下获得对待涂覆基材表面的良好附着(如基材表面可以是例如铸铁)、良好耐蚀性、良好耐磨性、良好耐热冲击性、良好耐裂性和高材料稳定性。这种专用材料的例子是Vecchio等人在WO 2021/007209 A1中提到的合金材料。
如上所述，在一个优选实施例中，工艺参数的特点是在涂覆过程中相对于基材表面的法线以一定角度(涂覆角度)定位激光束。这允许减小在基材表面上的热点的热负荷，减轻高能激光束对位于基材表面上的石墨层片的作用。在一个更具体的实施例中如此设定涂覆角度，即，激光束未照中该表面上的石墨片层。于是减轻在涂覆过程中的可能有的气化或去除作用。对于这种涂覆工艺设计，高沉积速率(如500～1200cm2/min)和具有高沉积效率(≥90％)的专用涂层材料(如上所述)可被采用，其允许可观地缩短涂覆周期时间。在激光束与基材表面法线之间的优选涂覆角度被设定在10°至30°之间。
如上所述，根据本发明的一些优选实施例，可以执行如下方法，其包括激光熔覆涂覆技术与气体或等离子体氮化和/或碳氮化工艺的组合，可选随后是再氧化(如Hoppe在EP0753599 A1或EP 0753599 B1中披露的组合工艺)以改善无法通过激光熔覆被涂覆的未涂覆部分(如通风腔或冷却道)的耐蚀性。
因为碳氮化和氧化工艺通常在包含气体或等离子体的工艺腔内执行以施加相应处理至包含在该腔内的基材，故容装在工艺腔内的且经受对应的气体或等离子体作用的基材的表面的每个部分可被加工处理，特别是针对制动盘，孔、槽或通风腔可被加工处理。特定的碳氮化+氧化工艺规定了形成三个不同层：氧化物层、白层和扩散层，如在以下其中一个例子中示出的那样。
在一个总体例子中，本发明方法包括：
-提供制成的铸铁制动盘，即经过铸造、机加工和精整的部件，
-通过水射流工艺减少或去除石墨片层，
-提供一涂层，其呈单层或多层形式通过激光材料沉积技术如激光熔覆、高速激光熔覆或极高速激光涂覆(EHLA)制造，后者也被称为极高速材料沉积(EHLA)，
-该涂层使用特定激光熔覆沉积技术(其中包括使用在10°至30°之间的特定涂覆角度)来制造，
-使用专用材料来满足涂覆技术与涂层性能的组合。优选的是单层满足所有技术要求(耐磨、耐蚀和耐裂性能)，
-可选地，研磨涂覆制动盘的表面以获得所期望的几何形状公差。
本发明方法的另一个特殊例子是一种用于在铸铁基材上制造耐蚀性涂层体系的方法，其中，涂层体系至少包括激光熔覆顶层，其中，在施加顶层之前该基材表面以机械方式通过脉冲射流工艺被活化以减少或去除石墨片层，其中，包含激光熔覆顶层的基材被处理以至少在未涂覆的基材面中产生碳氮化扩散层。
附图说明
图1示出不带任何涂层的铸铁制动盘。制动盘表面因此在工作中明显暴露在腐蚀、磨损和进而微尘排放作用下。因此缘故，推荐采用必要的涂覆解决方案来减轻制动盘部件的腐蚀和磨损并延长使用寿命。
图2示出具有热喷涂覆层的铸铁制动盘。工艺效率不到50％并且涂层体系复杂。需要粗糙表面活化以获得在涂层与基材之间的可接受的附着，因为不同于激光熔覆，热喷涂工艺过程中没有冶金结合。激光熔覆相比于热喷涂有两个主要优点：其一，激光熔覆的工艺效率高于90％，其二，在激光熔覆中在涂层与基材之间的冶金结合确保了涂层与铸铁的充分结合强度。
图3示出具有一个作为单层通过使用EHLA工艺所沉积的激光熔覆涂层的铸铁制动盘，但没有预处理且也没有后处理。图3a)示出正好在涂层沉积之后的、没有经受任何随后工艺过程的具有涂层的基材表面；图3b)示出图3a所示的但在研磨之后的相同的涂覆基材；图3c)示出根据本发明被涂覆有一个激光熔覆涂层的铸铁制动盘，该涂层作为单层通过使用EHLA工艺被沉积，其中，
Figure BDA0004024021470000081
Brake粉末作为专用材料被用于制造涂层；图3d)示出图3c)所示的涂层的照片的放大图，在此能观察到在涂层结构中的很均匀的坚硬相分布。
图4示出根据本发明的涂覆有一个激光熔覆涂层的铸铁制动盘，该涂层被多轮沉积，但没有预处理且也没有后处理。
图5示出根据本发明所涂覆的铸铁制动盘，其具有一个在经过预处理情况下被多轮沉积的激光熔覆涂层。界面质量因借助预处理减少石墨片层而被显著改善。
图6示出根据本发明所沉积的铸铁制动盘，其具有一个作为单层被一轮沉积的激光熔覆涂层，其中，在涂层沉积之后进行后处理；图6a)示出经过涂覆和后处理的基材表面；图6b)示出在涂覆期间无法被涂覆但在后处理过程中被改性的基材表面，形成三个不同的层：一个氧化物层、一个白层和一个扩散层，这三层因后处理而形成在铸铁未涂覆基材表面中以保护未涂覆区域如通风道。
图7示出根据本发明所沉积的铸铁制动盘，其具有一个作为单层被多轮沉积的激光熔覆涂层，其中，预处理和后处理在涂层沉积前进行；图7a)示出所涂覆的基材表面并且可以观察到在界面处的石墨片层减少；图7b)示出基材表面，其在涂覆期间无法被涂覆、但在后处理中被改性，形成三个不同的层：一个氧化物层、一个白层和一个扩散层，这三层因后处理而形成在铸铁未涂覆基材表面中以保护未涂覆区域如通风道。
铸铁制动盘利用根据本发明的方法被沉积。
在某些本发明例子中，铸铁制动盘被涂覆上单层激光熔覆涂层，其总涂层厚度在150至500μm的范围内，多孔性根据ASTM E2109-01为≤0.5％，平均微硬度约为350HV，通过按照在本发明范围内的工艺参数使用EHLA工艺所得到的沉积效率为≥90％，磨损寿命(AKmaster)被延长，达到超过未涂覆的灰口铁制动盘的10倍以上的磨损寿命，耐蚀性(ASTMB117)为≥1000h。在其中某些例子中，使用
Figure BDA0004024021470000091
Brake粉末作为专用材料。

Claims (14)

1.一种用于在基材优选是制动盘的表面上制造耐磨耐蚀性涂层体系的方法，该基材或至少该基材表面由铁基材料或钢材类型的基材材料制成，该涂层体系包括一个或多个涂层，其中，该方法包括以下步骤：
(1)提供具有待涂覆该涂层体系的表面的基材，
(2)选择专用于制造该涂层体系的一个或多个涂层的专用材料，
(3)通过使用激光熔覆工艺在待涂覆的基材表面上制造该涂层体系的一个或多个涂层，其中，在步骤(2)中所选的专用材料被用作用于制造所述涂层的源材料，
其特征是，
为了进行步骤(3)，激光束相对于待涂覆的基材表面被如此定位，即，在所述激光束与待涂覆的基材表面之间形成一角度，称为涂覆角度的该角度在制造所述一个或多个涂层期间内被保持在10°至30°之间的值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，该基材材料是铸铁材料。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，该基材是制动盘。
4.根据前述权利要求1至3之一所述的方法，其中，在步骤(3)中的激光熔覆工艺通过实现在10kW至30kW之间、优选在10kW至25kW之间范围内的较高激光器功率级来进行。
5.根据前述权利要求1至4之一所述的方法，其中，在步骤(3)中的激光熔覆工艺通过使用在100m/min至200m/min之间范围内的高工艺速度来进行。
6.根据前述权利要求1至5之一所述的方法，其中，在步骤(3)中的激光熔覆工艺通过使用在500cm2/min至1200cm2/min之间范围内的高沉积速率来进行。
7.根据前述权利要求2至6之一所述的方法，其中，在进行步骤(3)之前进行预处理工艺，该预处理工艺包括如下步骤，在此步骤中，从该基材减少或去除石墨、尤其是石墨片层以增强该基材材料的可焊性。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，该预处理工艺包括：将该基材材料通过使用脉冲射流工艺、优选水射流工艺进行表面活化。
9.根据前述权利要求1至8之一所述的方法，其中，该涂层体系包括仅一个通过使用激光熔覆所制造的涂层。
10.根据前述权利要求1至8之一所述的方法，其中，该涂层体系包括两个或更多的通过使用激光熔覆所制造的涂层。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，该涂层体系由通过使用激光熔覆所制造的仅一个涂层构成。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，该涂层体系由通过使用激光熔覆所制造的两个或更多的涂层构成。
13.根据前述权利要求1至12之一所述的方法，其中，在进行了步骤(3)之后进行后处理工艺，该后处理工艺包括如下步骤，在此步骤中，通过使用碳氮化工艺制造扩散层以保护该基材的未涂覆表面。
14.根据前述权利要求1至12之一所述的方法，其中，在进行了步骤(3)之后进行后处理工艺，该后处理工艺包括碳氮化工艺和氧化工艺以改善该基材的未涂覆表面的耐蚀耐磨性。
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