制造具有改进的耐磨性的增强型制动盘的系统和方法 |
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| 申请号 | CN202211302940.7 | 申请日 | 2022-10-24 | 公开(公告)号 | CN116949248A | 公开(公告)日 | 2023-10-27 |
| 申请人 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司; | 发明人 | B·E·斯莱特里; K·P·卡拉汉; M·T·里夫; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及制造具有改进的 耐磨性 的增强型 制动 盘 的系统和方法。提供了制造具有增强的耐磨性的增强型制动盘的系统和方法。该系统和方法提供了车辆制动盘，其包括包含 铁 （Fe）的基部。该基部包括其上具有激光硬化部分的外表面。该激光硬化部分包括 马 氏体，并且具有外表面的介于10和100微米之间的厚度，以限定具有增强的耐磨性的增强型制动盘。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种制造具有增强的耐磨性的增强型车辆制动盘的方法，所述方法包括： |
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| 说明书全文 | 制造具有改进的耐磨性的增强型制动盘的系统和方法技术领域[0001] 本公开涉及制动盘（brake rotor）并且更具体而言，涉及制造具有增强的耐磨性的制动盘的系统和方法。 背景技术[0002] 制动盘连接到车辆的车轮，并且设计成将运动（动能）变成热能（热）。制动盘提供了抓持器（grip），当卡钳在其上施加压力时，相应的刹车片锁定到该抓持器上。制动盘的耐磨性已涌现为汽车行业内的一个重要领域，特别是在与相应的刹车片一起保持其使用寿命时。发明内容 [0003] 因此，虽然当前的制动盘实现了其预期目的，但是需要新的和改进的系统和方法，以用于制造具有改进的耐磨性的增强型制动盘。 [0004] 根据本公开的一个方面，提供了一种制造具有增强的耐磨性的增强型车辆制动盘的方法。该方法包括提供车辆制动盘，其包括由铁（Fe）构成的基部。该基部包括具有目标部分的外表面。在这方面，该方法包括清洁该制动盘以去除其上的污染。 [0005] 就该方面进一步地，所述方法包括利用具有介于4000瓦（W）和9000 W之间的输出的激光束将所述外表面的所述目标部分激光加热到介于800摄氏度（℃）和1400℃之间的温度，从而限定包括奥氏体并具有由所述激光束在其上形成的图案的激光处理部分。此外，所述方法包括以每秒大约270摄氏度的速率将激光处理部分整体淬火至环境温度，使得奥氏体转变为马氏体，以提供包括马氏体的激光硬化部分。在这方面，所述激光硬化部分具有形成在其上的所述图案以及所述外表面的介于10和100微米之间的厚度，从而限定了具有增强的耐磨性和抗变形性的增强型制动盘。 [0007] 在另一个示例中，所述目标部分的所述温度在900℃和1100℃之间。在又一个示例中，所述目标部分的所述温度为1020℃。 [0008] 在一个示例中，所述激光束具有介于6000 mm/s和12,000 mm/s之间的激光速度。在另一个示例中，所述激光束具有介于8000 mm/s和10,000 mm/s之间的激光速度。在又一个示例中，所述激光束的所述输出在4800 W和5200 W之间。在再一个示例中，所述激光束的所述输出为5000 W。 [0009] 在该方面的一个示例中，所述激光硬化部分的所述厚度在30微米和50微米之间。在另一个示例中，所述激光硬化部分的所述厚度为40微米。 [0010] 根据本公开的另一个方面，公开了一种用于制造具有增强的耐磨性的增强型车辆制动盘的系统。该系统包括车辆制动盘，该制动盘包括由铁（Fe）构成的基部。该基部包括具有目标部分的外表面。在这方面，该系统包括清洁单元，其布置成清洁该制动盘，以从其去除污染。此外，所述系统包括具有激光工具的激光单元，所述激光工具布置成在所述目标部分上发射激光束，并利用具有介于4000瓦（W）和9000 W之间的输出的所述激光束选择性地将所述目标部分激光加热到介于800摄氏度（℃）和1400℃之间的温度，从而限定包括奥氏体并具有由所述激光束在其上形成的图案的激光处理部分。 [0011] 在这方面，所述系统包括冷却单元，其布置成以每秒大约270摄氏度的速率所述将激光处理部分整体淬火至环境温度，使得奥氏体转变为马氏体，以提供包括马氏体的激光硬化部分。所述激光硬化部分具有形成在其上的所述图案以及所述外表面的介于10和100微米之间的厚度，从而限定了具有增强的耐磨性和抗变形性的增强型制动盘。 [0012] 根据该方面，所述系统还包括与清洁单元、激光单元、冷却单元和表面硬化单元通信的控制器。该控制器被配置成控制清洁单元、激光单元、冷却单元和表面硬化单元。在这方面，所述系统还包括电源，其配置成为所述清洁单元、所述激光单元、所述冷却单元、所述表面硬化单元和所述控制器供电。 [0014] 在另一个实施例中，所述目标部分的所述温度在900℃和1100℃之间。在又一个实施例中，所述目标部分的所述温度为1020℃。在再一个实施例中，所述激光束的所述输出在4800 W和5200 W之间。在又一个实施例中，所述激光束的所述输出为5000 W。 [0015] 在本公开的再一个方面，公开了一种具有增强的耐磨性的增强型制动盘。该制动盘包括车辆制动盘，其包括包含铁（Fe）的基部。在这方面，该基部包括其上具有激光硬化部分的外表面。该激光硬化部分包括马氏体，并且具有该外表面的介于10和100微米之间的厚度，从而限定了具有增强的耐磨性的增强型制动盘。 [0016] 在一个实施例中，所述外表面包括用于实现耐腐蚀性的铁素体氮碳共渗的铁‑氮化物化合物（ferritic nitrocarburized iron‑nitride compound）。在另一个实施例中，所述激光硬化部分的厚度在30和50微米之间。在又一个实施例中，所述激光硬化部分的厚度为40微米。 [0017] 本发明还包括以下技术方案。 [0018] 方案1. 一种制造具有增强的耐磨性的增强型车辆制动盘的方法，所述方法包括：提供车辆制动盘，其包括由铁（Fe）构成的基部，所述基部包括具有目标部分的外表面； 清洁所述制动盘，以去除其上的污染； 利用具有介于4000瓦（W）和9000 W之间的输出的激光束将所述外表面的所述目标部分激光加热到介于800摄氏度（℃）和1400℃之间的温度，从而限定包括奥氏体并具有由所述激光束在其上形成的图案的激光处理部分；以及 以每秒大约270摄氏度的速率将所述激光处理部分整体淬火至环境温度，使得所述奥氏体转变为马氏体，以提供包括马氏体的激光硬化部分，所述激光硬化部分具有在其上形成的所述图案以及所述外表面的介于10和100微米之间的厚度，从而限定具有增强的耐磨性和抗变形性的增强型制动盘。 [0019] 方案2. 根据方案1所述的方法，还包括对所述制动盘的所述外表面进行铁素体氮碳共渗，以形成扩散在所述外表面中的铁素体氮碳共渗的铁‑氮化物化合物，以用于实现耐腐蚀性。 [0020] 方案3. 根据方案1所述的方法，其中，所述目标部分的所述温度在900℃和1100℃之间。 [0021] 方案4. 根据方案1所述的方法，其中，所述目标部分的所述温度为1020℃。 [0022] 方案5. 根据方案1所述的方法，其中，所述激光束具有介于6000 mm/s和12,000 mm/s之间的激光速度。 [0023] 方案6. 根据方案1所述的方法，其中，所述激光束具有介于8000 mm/s和10,000 mm/s之间的激光速度。 [0024] 方案7. 根据方案1所述的方法，其中，所述激光束的所述输出在4800 W和5200 W之间。 [0025] 方案8. 根据方案1所述的方法，其中，所述激光束的所述输出为5000 W。 [0026] 方案9. 根据方案1所述的方法，其中，所述激光硬化部分的所述厚度在30微米和50微米之间。 [0027] 方案10. 根据方案1所述的方法，其中，所述激光硬化部分的所述厚度为40微米。 [0028] 方案11. 一种用于制造具有增强的耐磨性的增强型车辆制动盘的系统，所述系统包括：车辆制动盘，其包括由铁（Fe）构成的基部，所述基部包括具有目标部分的外表面； 清洁单元，其布置成清洁所述制动盘，以从所述制动盘去除污染； 具有激光工具的激光单元，所述激光工具布置成在所述目标部分上发射激光束，并利用具有介于4000瓦（W）和9000 W之间的输出的所述激光束选择性地将所述目标部分激光加热到介于800摄氏度（℃）和1400℃之间的温度，从而限定包括奥氏体并具有由所述激光束在其上形成的图案的激光处理部分； 冷却单元，其布置成以每秒大约270摄氏度的速率将所述激光处理部分整体淬火至环境温度，使得所述奥氏体转变为马氏体，以提供包括马氏体的激光硬化部分，所述激光硬化部分具有在其上形成的所述图案以及所述外表面的介于10和100微米之间的厚度，从而限定具有增强的耐磨性和抗变形性的增强型制动盘； 与所述清洁单元、所述激光单元和所述冷却单元以及表面硬化单元通信的控制器，其中，所述控制器被配置成控制所述清洁单元、所述激光单元、所述冷却单元和所述表面硬化单元；以及 电源，其配置成为所述清洁单元、所述激光单元、所述冷却单元、所述表面硬化单元和所述控制器供电。 [0029] 方案12. 根据方案11所述的系统，还包括表面硬化单元，所述表面硬化单元布置成利用铁素体氮碳共渗来处理所述制动盘，以形成扩散在所述外表面中的铁素体氮碳共渗的铁‑氮化物化合物，以用于实现耐腐蚀性。 [0030] 方案13. 根据方案11所述的系统，其中，所述目标部分的所述温度在900℃和1100℃之间。 [0031] 方案14. 根据方案11所述的系统，其中，所述目标部分的所述温度为1020℃。 [0032] 方案15. 根据方案11所述的系统，其中，所述激光束的所述输出在4800 W和5200 W之间。 [0033] 方案16. 根据方案11所述的系统，其中，所述激光束的所述输出为5000 W。 [0034] 方案17. 一种具有增强的耐磨性的增强型制动盘，所述制动盘包括：车辆制动盘，其包括包含铁（Fe）的基部，所述基部包括其上具有激光硬化部分的外表面，所述激光硬化部分包括马氏体并且具有所述外表面的介于10和100微米之间的厚度，从而限定具有增强的耐磨性和抗变形性的所述增强型制动盘。 [0035] 方案18. 根据方案17所述的制动盘，其中，所述外表面包括用于实现耐腐蚀性的铁素体氮碳共渗的铁‑氮化物化合物。 [0036] 方案19. 根据方案17所述的制动盘，其中，所述厚度在30和50微米之间。 [0037] 方案20. 根据方案17所述的制动盘，其中，所述厚度为40微米。 [0039] 本文所描述的附图仅用于说明的目的，并不意在以任何方式来限制本公开的范围。 [0040] 图1是根据本公开的一个实施例的用于制造具有改进的耐磨性的增强型车辆制动盘的系统的示意图。 [0041] 图2是由图1的系统实现的车辆制动盘的平面图。 [0042] 图3是在一个实施例中利用图1的系统制造的增强型制动盘。 [0043] 图4是根据本公开的一个示例的利用图1的系统制造增强型车辆制动盘的方法的流程图。 具体实施方式[0044] 以下描述本质上仅是示例性的，并不意在限制本公开、其应用或用途。 [0045] 本公开的各方面提供了制造具有改进的耐磨性的增强型车辆制动盘的系统和方法。所述系统和方法涉及激光加热制动盘的包括铸铁的目标部分，使得该目标部分包括奥氏体铁（austenite iron）。所述系统和方法还涉及冷却该目标部分，以对激光处理部分整体淬火（mass quench），使得该奥氏体铁转变为具有增强的硬度和刚度的马氏体。 [0046] 图1描绘了根据本公开的一个实施例的用于制造具有增强的耐磨性的增强型车辆制动盘的系统10。如图1‑2中所示，系统10包括车辆制动盘12。制动盘12包括由铁（Fe）构成的具有第一侧16和相对的第二侧18的基部（或盘部分）14。芯19可同轴旋转地附接到基部14，以用于连接到轮毂（未示出）。在该实施例中，基部14的第一和第二侧16、18包括具有目标部分22的外表面20。要理解的是，该目标部分22可包括外表面20的任何部分，而不脱离本公开的精神或范围。在该示例中，目标部分22是基部14的外表面20的整个区域。 [0047] 返回参考图1，系统10还包括清洁单元24，其布置成清洁制动盘12，以从其去除污染。也就是说，制动盘12被清洁，使得防止或最小化其上的污染（油、碎屑、残留物）。在一个实施例中，清洁单元24被布置成将溶剂施加在制动盘12上，以从其去除污染。要理解的是，可使用任何合适的溶剂来清洁制动盘12，例如等离子体或本领域中已知的任何溶剂，而不脱离本公开的精神或范围。清洁单元24还被布置成在将溶剂施加在制动盘12上之后干燥该制动盘12。要理解的是，可使用任何合适的干燥方法，而不脱离本公开的精神或范围。 [0048] 此外，系统10包括具有激光工具的激光单元30，该激光工具布置成在目标部分22上发射激光束，并用该激光束选择性地激光加热目标部分22，使得目标部分22包括奥氏体。也就是说，激光工具被布置成激光加热目标部分22，以将其铸铁转变为奥氏体。在该实施例中，激光束可具有介于4000瓦（W）和9000 W之间的输出，以将目标部分22激光加热到介于 800摄氏度（℃）和1400℃之间的温度，从而限定包括奥氏体并具有由激光束在其上形成的图案38的激光处理部分。 [0049] 该图案38可呈现形成在外表面20上的任何合适的图案，而不脱离本公开的范围或精神。在该示例中，由激光束形成的图案在目标部分上呈现多个直线。然而，该图案也可以是实心图案、点状图案或根据需要的任何其他合适的图案。 [0050] 更优选地，目标部分22的温度可在900℃和1100℃之间，并且甚至更优选为1020℃。此外，激光束的输出优选地在4800 W和5200 W之间。更优选地，激光束的输出为5000 W。 [0051] 在一个示例中，该激光工具为YAG固态激光器，其具有4 mm的激光光斑尺寸，4800 W的功率，50 Hz的图案频率，900 mm/s的激光束速度，以及1020℃的硬化温度。要理解的是，可使用其他激光工具，而不脱离本公开的精神或范围。 [0052] 如图1中所示，系统10还包括冷却单元32，其布置成对激光处理部分整体淬火，使得奥氏体转变为马氏体。在该实施例中，冷却单元32被布置成以大约每秒270摄氏度的速率将激光处理部分整体淬火至环境温度，使得奥氏体转变（马氏体转变）为马氏体。将激光处理部分整体淬火至环境温度限定了包含马氏体的激光硬化部分40（参见图3）。参考图3，激光硬化部分40具有形成在其上的图案38以及外表面20的介于10和100微米之间的厚度，从而限定了具有增强的耐磨性和抗变形性的增强型制动盘34。 [0053] 在另一个实施例中，淬火速率可在每秒150℃和350℃之间，使得奥氏体转变为未回火马氏体，以提供包含马氏体的激光硬化部分40。优选地，淬火速率可在每秒250℃和300℃之间，更优选地在每秒260℃和280℃之间。甚至更优选地，淬火速率可为每秒270℃或大约270℃。 [0054] 当奥氏体在称为整体淬火的过程中冷却时，会发生马氏体转变。要理解的是，在激光加热之后，围绕目标部分22的未加热的团块（mass）冷却或“整体淬火”目标部分22，以使其温度下降到环境温度。该温度下降将碳原子捕获在铁原子的晶体结构内。结果，发生马氏体转变，其中晶体结构发生变化，从而增强了材料的硬度和刚度。 [0055] 可选地，该系统可包括具有热源的加热单元，例如熔炉或激光器。在整体淬火之后，加热单元被布置成加热激光硬化部分40，使得激光硬化部分40的马氏体转变为回火马氏体。在一个示例中，激光硬化部分40可被加热到200℃和600℃之间。更优选地，激光硬化部分40被加热到大约400℃。要理解的是，可使用任何合适的加热源来加热激光硬化部分40，以将其马氏体转变为回火马氏体，而不脱离本公开的精神或范围。 [0056] 参考图1，系统10还包括与清洁单元24、激光单元30和冷却单元32通信的控制器42。控制器42被配置成控制清洁单元24、激光单元30和冷却单元32。此外，系统10还包括电源44，其配置成为清洁单元24、激光单元30、冷却单元32和控制器42供电。 [0057] 在一个实施例中，系统10可包括机器人单元（未示出），其布置成使制动盘12往返清洁单元24、激光单元30和/或冷却单元32移动。该机器人单元可以是布置成使制动盘12往返清洁单元24、激光单元30和/或冷却单元32移动的任何合适的机器人设备，而不脱离本公开的精神或范围。 [0058] 在一个实施例中，系统10的各单元可被布置成彼此制造连通（manufacturing communication）。例如，这些单元可借助于移动传送器46连通，使得制动盘12可通过机器人单元设置在清洁单元24中的传送器46上。在清洁之后，制动盘12可借助于传送器46从清洁单元24移动到激光单元30。在加热之后，制动盘12可借助于传送器46（或机器人单元）从激光单元30移动到冷却单元32。在冷却之后，制动盘12可借助于机器人单元（或通过手人工地）从冷却单元32移动到加工区域或检查区域。 [0059] 在一个实施例中，系统10还包括表面硬化单元（未示出），其布置成利用铁素体氮碳共渗（ferritic nitrocarburizing，FNC）来处理制动盘12，以形成扩散在外表面20中的铁素体氮碳共渗的铁‑氮化物化合物，以用于实现耐腐蚀性。FNC是一种表面硬化工艺，其用于在大多数铸铁上产生坚硬、耐磨的表面。FNC工艺涉及将氮和碳扩散到黑色金属零件中。该工艺可用于改善磨损和疲劳性能，并增强耐腐蚀性。示例性FNC工艺可在美国专利8,287, 667和9,651,105中找到，上述专利的内容通过引用整体地结合于本文中。 [0060] 图4描绘了根据本公开的一个示例的借助于图1的系统10来制造具有增强的耐磨性的增强型车辆制动盘的方法110。如所示，方法110包括在框112中提供车辆制动盘12（图2）。制动盘12包括由铁（Fe）构成的具有第一侧16和相对的第二侧18的基部（或盘部分）14。 芯19可同轴旋转地附接到基部14，以用于连接到轮毂（未示出）。在该实施例中，基部14包括具有目标部分22的外表面20。要理解的是，该目标部分22可包括外表面20的任何部分，而不脱离本公开的精神或范围。在该示例中，目标部分22是基部14的外表面20的整个区域。 [0061] 如图4中所示，方法110包括在框114中清洁制动盘12，以去除其上的污染。在该示例中，清洁的步骤可通过清洁单元24（图1）来完成，该清洁单元24被布置成清洁制动盘12以去除其上的污染。也就是说，制动盘12被清洁，使得防止或最小化其上的污染（油、碎屑、残留物）。 [0062] 在一个示例中，清洁的步骤可包括在制动盘12上施加溶剂，以从其去除污染。要理解的是，可使用任何合适的溶剂来清洁制动盘12，例如等离子体或本领域中已知的任何溶剂，而不脱离本公开的精神或范围。此外，清洁的步骤包括在制动盘12上施加溶剂之后干燥该制动盘12。要理解的是，可使用任何合适的干燥方法，而不脱离本公开的精神或范围。 [0063] 此外，方法110还包括在框116中，利用具有介于4000瓦（W）和9000 W之间的输出的激光束将外表面20的目标部分22激光加热到介于800摄氏度（℃）和1400℃之间的温度，从而限定包含奥氏体的激光处理部分。该激光处理部分具有由激光束在其上形成的图案38。优选地，目标部分22的温度在900℃和1100℃之间。更优选地，目标部分22的温度为1020℃。 [0064] 在该示例中，激光加热的步骤可通过具有激光工具的激光单元30（图1）来完成，该激光工具布置成在目标部分22上发射激光束，并利用该激光束选择性地激光加热目标部分22。如所论述的，该激光工具被布置成在目标部分22上发射激光束并选择性地以根据需要的输出激光加热目标部分22，例如以介于4000瓦（W）和9000 W之间的输出激光加热，以根据需要加热目标部分22，例如在800摄氏度（℃）和1400℃之间，从而限定包含奥氏体并具有在其上形成的图案38的激光处理部分40。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可使用其他输出范围和温度范围。 [0065] 在一个示例中，该激光工具可以是YAG固态激光器，其具有4 mm的激光光斑尺寸，4800 W的功率，50 Hz的图案频率，900 mm/s的激光束速度，以及1020℃的硬化温度。要理解的是，可使用其他激光工具，而不脱离本公开的精神或范围。 [0066] 在一个示例中，激光束具有介于6000 mm/s和12,000 mm/s之间的激光速度。优选地，激光束具有介于8000 mm/s和10,000 mm/s之间的激光速度。此外，激光束的输出可在4800 W和5200 W之间。更优选地，激光束的输出可为5000 W。 [0067] 参考图4，方法110包括在框120中，以介于每秒150℃和350℃之间的淬火速率将激光处理部分整体淬火至环境温度，使得奥氏体转变为马氏体，以提供包含马氏体的激光硬化部分40。优选地，淬火速率可在每秒250℃和300℃之间，更优选地在每秒260℃和280℃之间。甚至更优选地，淬火速率可为每秒270℃或大约270℃，使得奥氏体转变为马氏体，以提供包含马氏体的激光硬化部分40。 [0068] 在该示例中，激光硬化部分40具有形成在其上的图案38以及外表面20的介于10和100微米之间的厚度，从而限定了具有增强的耐磨性和抗变形性的增强型制动盘。优选地，激光硬化部分40的厚度在大约30微米和大约50微米之间。更优选地，激光硬化部分40的厚度为40微米或大约40微米。 [0069] 可选地，在整体淬火之后，该方法可包括加热激光硬化部分40，使得激光硬化部分40包括回火马氏体。加热激光硬化部分可通过上面论述的加热单元来完成，例如熔炉或激光器。如上面提到的，激光硬化部分40可被加热到200℃和600℃之间。更优选地，激光硬化部分40被加热到大约400℃。要理解的是，可使用任何合适的加热源来加热激光硬化部分 40，以将其马氏体转变为回火马氏体，而不脱离本公开的精神或范围。 [0070] 在该方面的一个示例中，方法110还可包括对制动盘的外表面20进行铁素体氮碳共渗（FNC），以形成扩散在该外表面20中的铁素体氮碳共渗的铁‑氮化物化合物，以用于实现耐腐蚀性。在该示例中，实施了图1的表面硬化单元。如所论述的，该表面硬化单元被布置成利用铁素体氮碳共渗来处理制动盘，以形成扩散在外表面20中的铁素体氮碳共渗的铁‑氮化物化合物，以用于实现耐腐蚀性。 [0071] 如已知的，FNC是一种表面硬化工艺，其用于在大多数铸铁上产生坚硬、耐磨的表面。FNC工艺涉及将氮和碳扩散到黑色金属零件中。该工艺可用于改善磨损和疲劳性能，并增强耐腐蚀性。示例性FNC工艺可在美国专利8,287,667和9,651,105中找到，上述专利的内容通过引用整体地结合于本文中。 [0072] 利用实施图4的方法110的图1的系统10，在图3中提供了具有改进的耐磨性的增强型制动盘34。如所示，该增强型制动盘34包括制动盘12，该制动盘12包括包含铁（Fe）的基部14。在本实施例中，基部14包括外表面20，该外表面20具有其上具有图案38的激光硬化部分 40。激光硬化部分40包括马氏体，并且具有外表面20的介于10和100微米之间的厚度，从而限定了具有增强的耐磨性的增强型制动盘34。此外，外表面20可包括铁素体氮碳共渗的铁‑氮化物化合物，以用于实现耐腐蚀性。 [0073] 要理解的是，激光硬化部分40的厚度可变化。例如，激光硬化部分40的厚度可在大约30微米和大约50微米之间。更优选地，激光硬化部分40的厚度可为40微米或大约40微米。 [0074] 要理解的是，本文使用的术语“大约”意指高达参数值的+/‑ 10%。例如，大约270℃可包括243℃和297℃之间的范围。在另一个示例中，大约40微米可包括36微米和44微米之间的范围。 [0075] 本公开的描述本质上仅是示例性的，并且不脱离本公开的主旨的变型旨在落入本公开的范围内。这样的变型不应被认为脱离本公开的精神和范围。 |
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