KR0162018B1

KR0162018B1 - 동계 소결마찰재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR0162018B1
Application number: KR1019950043649A
Authority: KR
Inventors: 이종형; 최병호; 이윤희; 김정
Original assignee: 이종형; 최병호; 이윤희; 김정
Priority date: 1995-11-24
Filing date: 1995-11-24
Publication date: 1999-01-15
Also published as: KR970027261A

Abstract

본 발명은 본 발명은 운송기구의 브레이크 라이닝과 클러치 페이싱으로 사용되는 동계 소결마찰재 및 그 제조방법에 대한 것으로, 종래 마찰재가 안고 있는 환경오염 문제 및 이로 인한 공해병을 예방하고, 나아가 고장력·고부하 용도에서도 마찰특성이 우수하면서 마찰열의 방출이 빠른 우수한 기계적·물리적 특성을 갖는 동계 소결마찰재를 제공함을 목적으로 하고 있으며, 본 발명은 일정량의 동분말과 주석분말과 실리카분말과 흑연분말, 철분말을 중량비로 혼합하여 성형공정과 소결공정을 거쳐 제조하는데, 실차시험 결과 기존의 석면계 또는 비석면계의 마찰재에 비해 내마모성 및 마찰력이 우수하고, 내식성과 분리능력이 우수하며, 열방출이 뛰어나 고속·고중량의 운송기구에 아주 적합한 마찰재임이 실험으로 증명되었다.

Description

동계 소결마찰재(Cu-based Sintered Friction Materials) 및 그 제조방법

본 발명은 운송기구(차량, 항공기 등)의 브레이크 라이닝이나 클러치 페이싱(Clutch Facing)으로 사용되는 금속(金屬) 소결마찰재(燒結摩擦材)에 관한 것으로, 특히 동계(銅係) 소결마찰재 및 그 제조방법에 대한 것이다.

일반적으로 마찰재는 자동차, 철도차량, 항공기 등과 같은 운송기구의 브레이크 라이닝이나 클러치 페이싱에 사용되는 부재로서 운송기구의 운동에너지를 열에너지로 변환시켜 흡수, 저장, 방출시키는 중요한 역할을 수행하는 것으로, 초기의 마찰재는 석면계(石綿係) 마찰재가 주로 사용되었으나, 이는 고속·고중량의 사용조건하에서 마찰특성이 현저히 나쁘고, 특히 폐암이나 석면폐증 등의 공해문제가 심각한 것으로 평가됨에 따라 최근 들어 비석면계 마찰재에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 고속·고중량의 높은 운동에너지하에서도 마찰성능이 우수한 금속 소결마찰재의 연구개발이 진행되고 있는 것으로 알려져 있다.

이러한 금속 소결마찰재의 제조공정은 크게 분말공정, 혼합, 성형, 소결공정으로 나누어진다. 그 중 성형공정은 성형압력을 가하여 분말들의 상호결합력을 증진시켜 적절한 성형강도를 갖는 성형체를 만드는 동시에 실제 완제품의 크기와 형상을 결정하는 공정으로써, 이때 성형방법, 성형압력, 성형속도 등의 공정변수는 마찰재의 기계적·물리적 특성에 상당한 영향을 미치게 되며, 특히 성형압력은 성형공정에서의 가장 중요한 변수로써 성형체의 두께, 분말의 겉보기밀도[Apparent Density], 분말의 크기 및 분말의 유동성 등에 따라 변해져야 하지만 현재 금속 소결마찰재에 대한 성형압력의 영향에 관한 연구는 국내는 물론 국외에도 거의 전무한 실정이다.

따라서 본 발명에서는 종래의 마찰재가 안고 있는 환경오염 문제 및 이러한 공해로 말미암은 공해병을 예방하고, 나아가 고장력·고부하용도에서도 마찰특성이 우수하면서 마찰열의 방출이 빠른 기계적·물리적특성이 우수한 동계 소결마찰재 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

제1도는 본 발명의 소결마찰재 제조공정 및 테스트방법을 나타낸 흐름도.

제2도는 본 발명의 소결마찰재에 대한 성형압력에 따른 정적시험 결과표로써 성형밀도 및 민감도의 비교도.

제3도는 본 발명의 소결마찰재에 대한 성형압력에 따른 정적시험 결과표로써 소결밀도와 민감도의 비교도.

제4a도, 제4b도, 제4c는 본 발명에서 소결마찰재에 성형압력을 가한 후 광학 전자현미경을 통해 본 시편들의 표면조직도로써, 제4a도는 3ton/㎠의 압력을 가했을시, 제4b도는 5ton/㎠의 압력을 가했을시, 제4c는 6ton/㎠의 압력을 가했을시,

제5도는 본 발명의 소결마찰재에 대한 성형압력에 따른 정적시험 결과표로써, 경도와 굽힘 강도의 비교도.

제6a도, 제6b도는 본 발명의 소결마찰재에 대한 성형압력에 따른 마찰특성을 나타낸 정적시험 결과표로써, 제6a도는 마찰온도의 증가에 따른 마모율의 변화도.

제6b도는 마찰온도의 증가에 따른 마찰계수의 변화도.

제7a도, 제7b도는 본 발명의 소결마찰재에 대한 마찰표면온도에 따른 정적시험 결과표로써 , 제7a도는 성형압력의 변화에 따른 마모율의 변화도, 제7b도는 성형압력의 변화에 따른 마찰계수의 변화도.

제8a도, 제8b도는 제7a도, 제7b도에서 마찰시험을 마친 시험편의 표면분석도로써,

제8a도는 시험편의 표면광택층을 제거하기 전의 산화물의 분포도.

제8b도는 시험편의 표면광택층을 제거 후의 산화물의 분포도.

제9도는 제8a도, 제8b도에서 시편의 표면광택층을 ESCA로 분석한 결과표.

제10도는 본 발명의 소결마찰재와 타재료의 동적시험 결과를 나타낸 것으로 시험시간에 따른 회전파괴강도 비교도.

제11도는 본 발명의 소결마찰재와 타재료의 동적시험결과표로써 염수분무시험 비교도.

제12도는 본 발명의 소결마찰재와 타재료의 동적시험결과표로써 발청부착시험 비교도.

제13a는 제12도에서 발청부착 시험 전의 상태를 촬영한 사진.

제3b도는 제12도에서 발청부착 시험 후의 상태를 촬영한 사진.

제14a, 제14b도는 본 발명의 소결마찰재와 타재료의 동적시험결과를 나타낸 것으로,

제14a는 마모량 비교도.

제14b도는 에너지별 마찰계수 비교도.

제15a도, 제15b도는 실차시험결과를 나타낸 것으로 제15a도는 프리스톨시험에서의 스톨능력비교도.

제15b도는 스톨시험에서의 스톨능력비교도.

제16a도, 제16b도는 실차시험시 100 사이클 조건에서의 마찰재 마모량과 상대 마모량 비교도.

제17도는 본 발명의 소결공정에서 열간 프레스를 이용하여 성형물을 소결하는 상태를 보여주는 일예시도.

상기한 목적을 이루기 위하여 본 발명은 기지재료로써 전해동분말 65∼75wt%와 분사주석분말 6∼8lwt% 가지며, 마찰조정성분으로써 실리카분말 6∼101wt%와 전해 철분말 0∼5lwt%를 포함함과 동시에 윤활성분으로써 흑연분말 8∼16wt1%를 포함하는 중량조성비로 구성됨을 특징으로 하는 동계 소결마찰재를 제공한다.

또한 상기한 본 발명의 동계 소결마찰재는 하기의 제조공정으로 제조됨을 그 특징으로 한다.

[(1) 금속분말의 선정공경]

기지재료로써 -200mesh의 입자크기를 가지며 수지형(나무가지 형상)의 전해동분말과, 기지재료로써 -325mesh의 입자크기를 가지며 구형상의 분사주석분말과, 마찰조정성분(friction agent)로써 -70∼+100mesh의 입자크기를 가지며 첨단형상의 천연산 실리카분말과, 윤활성분으로써 -45∼+100mesh의 입자크기를 가지며 편상의 인조산 흑연분말과, 마찰조정성분으로써 -100mesh의 입자크기를 가지며 불규칙한 형상의 전해철분말을 마찰재를 만드는 기본재로 선정하는 공정.

[(2) 원료혼합공정]

엄선된 각각의 원료분말을 혼합비에 따라 중량비로 편량(전해동분말 65∼75wt%, 분사주석분말 6∼8wt%, 실리카분말 6∼10wt%, 흑연분말 8∼l6wt%, 전해철분말 0∼5wt%)한 다음, 흑연분말을 제외한·나머지 원료분말을 용적이 5000㏄인 Y-콘(cone)형상의 혼합기에 넣고 40rpm으로 약 30분간 혼합하되, 혼합완료 10분 전에 흑연분말을 첨가하여 원료분말을 혼합하는 공정. 이때, 기지재료로 사용되는 전해동분말과 분사주석분말의 혼합비율은 8∼11:1로 하고, 마찰조정성분(실리카분말+전해철분말)과 윤활성분(흑연)의 혼합비율은 1:1∼2로 한다.

[(3) 성 형공정]

열간 다이스강의 다이에 혼합이 완료된 분말 10∼30g을 각각 붓고 100ton 용량의 유압프렐슈에서 성형압력 3∼6ton/㎠로 변화하여 압축성형하는 공정.

[(4) 소결공정]

열간 프레스(hot press)를 이용하여 가열속도 10℃/min으로 760∼860℃까지 가열하여 진공(진공도 -10∼-76 ㎝Hg) 분위기에서 압력 15∼35㎏f/㎠ 상태로 15∼60분간 가열하고, 그후 냉각속도를 20℃/min으로 하여 성형물을 냉각소결하는 공정.

[(5) 연마가공공정]

소결된 마찰재를 제품사양에 맞게 일정두께로 연마하는 가공공정.

이하 첨부된 예시도면을 참조하여 본 발명의 실시예와 실험예를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

[실시예]

[제1공정(금속분말의 선정공정)]

분말야금법으로 제조한 각종소재는 그것이 사용특성에 따라 적합한 기계적·물리적 특성을 갖추어야 하는데 이러한 물리적·기계적 특성에 중요한 변수로 작용할 수 있는 것이 분말이 가지고 있는 특성이다. 분말이 가지는 고유의 특성에는 겉보기 밀도, 순도, 압축성, 유동성, 입자크기의 분포, 입자의 형상, 입자의 크기 등이 있다.

입자의 크기, 입자의 형상, 입자크기의 분포 등에 의해서 겉보기 밀도는 증가 또는 감소하게 된다. '입자의 크기'는 작을수록, '입자의 형상'은 불규칙형과 수지형일수록 감소하며, '입자의 형상'이 구형이면 분말입자의 상호마찰 표면이 적고, 입자가 균일하기 때문에 겉보기 밀도는 증가한다. 또한 '입자크기의 분포'에서 큰 입자 사이의 공간을 작은 입자로 채워 주면 역시 겉보기 밀도는 증가한다. 이러한 여러 가지 요소에 의해 영향을 받는 겉보기 밀도는 압축성을 결정하게 되고 압축성은 일정한 밀도로 분말을 압축할 때 압축하중의 크기와 프레스의 용량설정에 중요한 인자가 된다.

만약, 겉보기 밀도가 매우 높을 경우에는 압축성 또는 압축비가 낮아서 압축 성형 후 성형체가 다음 공정으로 이동할 때, 성형체의 강도가 약해서 손상될 수 있다. 따라서 적당한 성형체 강도를 유지하기 위해서 적절한 압축성과 겉보기 밀도가 요망된다. 그러므로 재료의 사용목적에 따라 분말의 특성은 분말의 선정에 중요한 변수가 될 수 있다.

본 발명의 동계 소결마찰재의 주요 구성성분은 금속기지성분, 윤활성분, 마찰조정성분의 세가지 주요성분으로 분류되는데 그 특성은 표 1과 같다.

위의 표 1 기재와 같이 본 발명에서는 소결마찰재를 구성하는 금속기지성분으로써 전해동분말과 분사주석분말을 8 ∼11:1의 비율로 혼합하여 사용함으로써 재료의 강도를 강화하였다. 즉, 전해동분말의 경우는 후술하는 윤활성분, 마찰성분 등을 견고하게 잡아주는 역할을 하게 되며 여기에 분사주석분말이 첨가됨으로써 재료의 강도를 강화시키게 되는 것이다.

또한 높은 성형강도를 유지시키기 위해 전해동분말의 형상을 -200mesh의 수지형으로, 분사주석분말을 -325mesh의 구형상(求刑狀)으로 선정 채택하였다. 또한, 본 발명에서는 윤활성 분으로써 -45∼+100mesh의 입자크기를 가지며 편상의 인조산 흑연분말을 선정하여 마찰계수의 조정이 용이토록 하고, 용착방지, 마모저항·소음·진동의 방지를 꾀하였다.

또한 마찰조정성분(friction agent)로써 -70∼+100mesh의 입자크기를 가지며 첨단형상의 천연산 실리카분말을 선정하여 피마찰면에 고착한 금속성분과 기름의 분해물, 산화생성물 등 마찰을 불안정하게 하는 물질을 제거해서 마찰계수의 향상 및 마모감소의 효과를 제공토록 하였다. 한편, 피마찰면을 격하게 공격하지 않도록 마찰을 일으킬 필요성이 요구되는데 본 발명에서는 분말의 종류, 크기와 무게 퍼센트를 고려하여 마찰계수의 안정성을 충분히 감안하여 마찰조정성분으로써 -100mesh의 입자크기를 가지며 불규칙한 형상의 전해철분말을 사용하였다.

[제 2공정 (원료혼합공정; mixing)]

분말선정공정에서 원료분말을 균일하게 혼합하여 균일한 밀도와 강도를 유지할 수 있도록 엄선된 각각의 원료분말을 적절한 혼합비에 따라 일정중량비로 편량하여 혼합기를 이용 원료분말을 혼합하게 되는데, 여기에는 많은 변수가 작용하는 복잡한 공정이며, 그 변수로는 혼합기의 종류, 혼합기의 부피에 대한 혼합분말 부피의 비, 혼합기의 내부표면, 분말의 특성, 혼합기의 회전속도, 혼합온도, 혼합시간, 혼합분위기들을 예로 들 수 있는데 원료분말의 균일한 혼합을 위해서는 위의 변수들을 모두 만족해야 하지만 이는 사실상 거의 불가능하다. 그렇지만 본 발명에서는 위의 변수들을 최대한 수용하는 선에서 연구를 한 결과 다음과 같은 적정조건을 찾을 수 있었다.

용적이 5000㏄인 Y-콘형 혼합기에 금속기지성분으로써 혼합비율이 8∼11:1이 유지될 수 있도록 전해동분말 65∼75wt%와 분사주석분말 6∼8wt%를 넣고, 동시에 마찰조정재료와 윤활재료의 혼합비율이 1:1∼2가 유지될 수 있도록, 마찰조정성분으로써 실리카분말 6∼10wt%와 전해철분말 0∼5wt%를 넣은 다음, 혼합기의 회전 속도를 40rpm으로 해서 20분간 혼합하고, 윤활성분으로써의 흑연분말 8∼16wt%를 혼합기에 첨가하여 다시 10분간 동일속도로 회전시켜 원료분말을 잘 혼합한다. 여기서 흑연분말을 일정시간 후에 첨가하는 이유는 흑연은 혼합과정에서 전해동분말의 표면에 흑연막을 형성시켜 소결과정에서 기지금속의 소결을 저해하므로 이를 방지하기 위해 혼합완료 10분 전에 흑연분말을 첨가하게 되는 것이다. 여기서 후술하는 실험예에서 증명되듯이 원료분말의 조성비를 기지재료의 혼합비율이 약 9:1 이 되도록 전해동분말 69.3wt%, 분사주석분말 7.7wt%로 하고, 마찰조정재료와 윤활재료의 혼합비율이 약 1:1.5가 되도록 실리카분말 8wt%, 전해철분말 lwt%, 흑연분말 14wt%로 했을 경우에 있어서 가장 이상적인 기계적·물리적 성질을 충족하는 소결 마찰재를 얻을 수 있었다

[제 3공정 (성형공정;(impacting)]

혼합이 완료된 분말에 압축하중을 가해서 치밀화시키는 동시에 분말들을 상호결합시키는 공정으로 적절한 성형강도를 갖는 성형물을 만들게 된다. 본 발명에서는 진공열처리된 열간 다이스강의 다이에 혼합분말 10∼30g을 각각 붓고 100ton 용량의 유압프레스에서 성형압력을 3, 4, 5, 6ton/㎠으로 변화시켜 가면서 압축성형한다

[제 4공정 (소결공정; pressure Sintering)]

소결과정은 마찰재의 물리적·기계적 특성에 가장 큰 영향을 미치는 공정으로써 소결마찰재 특성에 영향을 미치는 대표적인 변수들은 소결온도, 소결시간, 소결압력, 소결분위기 등과 기타 승온속도, 냉각속도 등의 많은 변수들이 상호작용을 하게 된다.

소결온도와 소결시간은 같은 영향을 가진다. 액상소결 속도는 소결온도, 시간에 따라 달라지는데, 높은 온도에서 마찰재를 치밀화시킬 경우 소결시간을 단축 시켜야 하며 낮은 온도에서는 오랜동안 유지해야 한다. 그러나, 소결온도가 너무 높은 경우 과도한 입성장과 스웨팅(sweating)이 발생하여 마찰재에서 주석의 분포가 불균일하게 되어 마찰재의 강도저하를 초래하게 된다. 반면에 소결온도가 너무 낮은 경우에는 완전히 소결이 되지 않아 기지금속(기지재료)의 접합이 이루어지지 않으므로 마찰재의 윤활성분과 마찰조정성분 등의 비금속 분말들을 견고하게 유지하지 못하여 기지금속 자체 뿐만 아니라 마찰도중에 윤활성분과 마찰조정성분 등이 지지금속에서 쉽게 탈락되어 마찰계수의 감소와 마모가 증대되는 원인이 된다.

소결시간도 같은 결과를 가져오게 되는데, 소결시간은 마찰재를 제조하는 전체적인 공정시간과도 직결되므로 주어진 시간에서 다량생산을 위해서는 소결시간을 가능한 짧게 하는 것이 필요하다.

또한, 소결압력은 마찰재의 치밀화를 통하여 마찰재 내부의 기공들을 제거시켜 마찰재의 밀도, 경도 및 강도를 향상시키면서 마찰재와 배면금속의 접합을 강화시킬 목적으로 소결 중에 압력을 가하게 되는 것이며, 또한, 승온속도, 냉각속도 및 소결분위기에도 영향을 받게 되는데, 빠른 승온속도는 입성장이 빠르고 불균일하여 마찰재의 강도저하가 초래되고, 승온속도가 느리면 입성장과 액상형성 또한 느리다. 그리고 빠른 냉각속도는 기공의 형성으로 강도가 저하된다. 소결 분위기는 마찰재의 산화를 방지하고 탈탄 및 침탄을 억제시키고자 진공분위기로 만들어주어야 한다.

따라서, 본 발명에서는 열간 프레스(hot press)내에 제17도와 같이 시안화 구리도금된 배면금속 위에 전해동분말을 0.001∼5㎜로 도포하고 마찰재 상부 부분과 배면금속의 하부 부분 사이에 흑연판을 삽입하는 형태로 2∼50단을 쌓고, 가열속도 10℃/min으로 760∼860℃까지 가열하여 진공(진공도 -10∼-76㎝Hg) 분위기에서 압력 15∼30㎏f/cm²상태로 15∼60분간 가열하고, 그 후 냉각속도를 20℃/min으로 하여 성형물을 냉각시켰다.

[제5공정(연마가공공정: Grinding)]

소결된 마찰재를 제품사양(승용차의 경우 클러치 및 브레이크장치의 마찰재 장착규격)에 맞게 일정두께로 연마한다.

[실험예(상기 실시예를 통해 얻은 시험편의 정적시험과 동적시험)]

정적시험(Static test)에서 성형체와 소결체의 밀도는 기름침수법으로, 경도(硬度)는 압입체를 1/2인치 강구(綱球)로 한 록크웰경도기[Rocwell hardness tester]로 시험편 표면을 5곳을 측정하여 평균값을 취하였으며, 굽힌 강도는 13×32㎜ 크기의 시험편을 이용하여 ASTM 규격에 의한 굽힘시험기를 제작하여 측정하였다.

그리고 마찰특성은 정속식 마찰시험기를 이용하여 크기가 25×25㎜이고 성분이 같은 두 개의 시험편에 5㎏/㎠의 압축력을 가하고 500rpm으로 마찰온도 100∼350℃에서 각각 10분간 마찰판을 회전시킨 후 마찰계수, 마모율을 측정하였고, XRD(X-Ray Diffraction), SEM(Scanning Electron Microscope, Hitachi Model S-2400) 및 ESCA(Electron Spectroscopy for Analysis)로 마찰시험 후의 마찰표면을 분석하였다.

동적시험[Dynamic test]에서 시험편을 클러치 디스크의 커버와 플라이휠측에 각각 6개를 장착시키고, 회전파괴시험은 회전파괴 시험기(분위기온도 200℃)에서 12,000rpm으로 1분간 유지하여 회전파괴 강도를 관찰하였고, 염수분무시험은 염농도 5%의 염용액을 48시간동안 0.5∼3.0㎖/hr로 분부하여 내식성을 관찰하였으며, 발청부착시험은 항온 항습조(온도 : 50℃, 습도 90%)에서 72시간을 방치한 후 커버와 디스크의 분리 토오크(Torque)를 구하였다. 풀사이즈시험은 표 2와 같이 예비 연마인 벤딩(Beding)과 저에너지레벨(Low Energy Level), 중위에너지레벨(Medium Energy Level), 고에너지레벨(High Energy Level) 등으로 에너지레벨을 변화하여 마모율 및 마찰계수를 구하였다.

실차시험[Driving test]은 승용차를 실제 10㎞ 포장도로를 주행시킨 후, 4단 기어상태에서 4000rpm으로 엔진을 가속시키고 10초간 유지 후, 클러치를 결속하였을 때 엔진을 세울 수 있는 슬립시간과 온도를 매회 측정하여 프리스톨(Pre-Stall) 시험은 30사이클, 스톨(Stall)시험은 100사이클을 행하여 실차상태에서의 마찰특성을 측정하였다.

[1. 성형압력에 따른 정적시험]

[(1) 밀도 및 기공율]

성형밀도(Green Density) 및 소결밀도(Sintered Densify)는 기름침수법으로 측정하였으며 그 결과는 제2도 및 제3도와 같다.

제2도와 같이 성형압력이 증가할수록 성형밀도는 급격히 증가하다가 성형하중 5ton/㎠을 임계점으로 성형압력에 대한 성형밀도의 민감도(Porosity)는 현저히 감소함을 보였다.

일반적으로 성형밀도는 분말의 이동과 성형체의 응력분포 등에 영향을 받는데, 성형압력 3∼5ton/㎠에서는 분말들이 비교적 자유로운 이동을 하기 때문에 성형압력을 증가시켜도 성형밀도는 증가하지만, 성형압력 6ton/㎠에서는 분말들의 이동에 어려움이 있어 성형체의 응력분포가 균일하지 않을 뿐만 아니라 성형다이로부터 성형체를 사출시 과도한 성형압력에 대한 성형체의 탄성력의 증가로 성형체 내부의 균열이 발생하여 성형밀도와 기공율의 민감도가 급격히 감소함을 보였다고 여겨진다.

소결 후의 밀도는 제3도와 같이 성형압력이 증가할수록 기공이 적은 성형체를 소결하기 때문에 소결후에도 증가함을 보이다가, 성형압력 5ton/㎠ 이후에서는 오히려 감소하는 현상이 발생하였다.

이러한 현상을 규명하기 위하여 광학 전자현미경을 이용하여 성형압력 3, 5, 6ton/㎠으로 제조된 시편[Specimen]들의 표면을 관찰한 결과는 각각 제4a도, 제4b도, 제4c도와 같다.

제4a도와 같이 성형압력 3ton/㎠으로 제조된 마찰재는 분말들간의 상호결합력이 저하되어 마찰재 내부에 기공이 많이 분포되었지만, 성형압력의 증가로 성형압력 5ton/㎠에서는 제 4b도와 같이 내부의 기공이 분포된다. 반면, 제4c도로부터 성형압력 6ton/㎠로 제조된 성형체는 표면에 과도한 치밀화의 발생에 의하여 소결중 조직의 재배열이 방해되어, 마찰재 내부 산화물의 반응에 의해 발생되는 가스와 수증기들을 외부로 방출하지 못하고 마찰재 내부에 존재하게 되어 소결밀도가 감소하게 되었다는 것을 확인하였다.

[(2) 경도와 굽힘강도]

마찰재의 회전파괴시에 큰 영향을 주는 경도[Hardness]와 굽힘강도[Bending Strengths]는 제5도와 같이 성형압력의 증가에 따라 분말의 결합력 강화와 기공의 감소에 의하여 증가하였으나, 성형압력 6ton/㎠에서는 과도한 압력에 의해 분말들 사이에 마찰에너지가 급증하여 성형체내에 균열과 변형이 발생하여 감소함을 보였다.

[(3) 마찰 특성]

금속 소결마찰재는 주로 고속·고중량의 항공기, 고속전철, 트럭 등에 적용 되어지고 있으므로, 석면계 마찰재가 널리 보급되어져 있는 승용차와 같은 분야에 금속 소결마찰재의 적용여부를 관찰하기 위하여 정속식 마찰시험기에서 승용차 주사용 온도범위인 마찰온도 100, 150, 200℃에서 성형체 두께 2.5㎜의 시편들을 각각 10분간 마찰시험을 행한 결과, 마모율[Wear rate]과 마찰계수[Friction coefficient]는 제6a도, 제6b도와 같이 나타났다. 즉 마모율은 성형압력 5ton/㎠로 제조된 시편이 다른 조건의 시편들보다 0.5∼2.5×10^-7㎤/kg·m의 마모차이로 낮음을 보였고, 마찰계수는 성형하중 5ton/㎠에서 다소 마찰계수가 높은 경향이 있지만, 보편적으로 0.4∼0.5 사이로 거의 유사하였다.

[(4) 마찰표면 온도 의존성]

동계 소결마찰재는 고부하시 마찰온도가 350℃ 이내로 유지되는 부위에 적용되며 350℃ 이상의 높은 마찰온도가 발생하는 경우는 철계(鐵係) 마찰재가 적용되는 것이 일반적이다. 그러고, 고부하시 마찰온도가 높은 경우 마모와 마찰계수가 불안정하고 고온에서 마찰계수가 떨어지는 경향이 있기 때문에 본 연구에서는 10∼30g의 혼합분말을 성형압력을 3, 4, 5, 6 ton/㎠ 제조한 시편들을 정속식 마찰 시험기를 사용하여 마찰표면온도 100, 150, 200, 250, 300, 350℃로 증가시키면서 각각 10분간 마찰시험을 행한 결과 마모율과 마찰계수는 제7a도, 제7b도와 같다.

제7a도에서 보듯이 마모율은 성형압력 5ton/㎠에서 제조된 시편이 0.4∼3.8×10^-7㎤/㎏·m의 마모범위로 가장 낮음을 보였고, 마찰계수는 제7b도와 같이 성형압력에 관계없이 0.4∼0.5 로 거의 유사함을 보이고 있다

제7a도, 제7b도에서 마찰표면온도에 따른 마모거동을 보면 마찰온도 증가에 따라 마모가 점차 증가하다가, 마찰표면온도 250∼350℃에서는 마모율이 현저히 감소하였다. 마찰온도 증가에 따라 마모율의 증가는 마찰열에 의한 열적에너지가 시편에 작용하여 마모율이 증가하는 것으로 여겨지고, 마찰표면온도증가에 따라 마모율의 감소는 고온마찰시 시험편의 마찰표면에서 기지금속인 동과 주석이 공기중의 산소와 화학반응하여 시험편의 표면이 부동화(passivation)되므로 내마모성이 향상된 것으로 생각된다.

실제로 마찰시험을 마친 다음 시험편의 표면 광택층을 제거하기 전과 후에 표면에 존재하는 화합물을 XRD로 분석한 결과 제8a도, 제8b도와 같이 고온마찰시 시험편의 마찰표면에 Cu₂O, CuO 및 SnO₂등의 산화물이 형성되었음을 알 수 있다. 또한, 제8a도의 표면광택층을 ESCA로 분석한 결과 제9도에서와 같이 표면에 산화물이 존재하고 있음을 다시 확인할 수 있었다.

[2. 마찰재 종류에 따른 동적시험]

[(1) 회전파괴시험]

클러치페이싱은 회전운동을 하여 원심력과 마찰재의 무게에 큰 영향을 받으므로 마찰재의 강도가 약할 경우 회전파괴[Burst spin]가 발생할 수 있다. 특히 대형 차량의 경우 대형화에 따른 마찰재 무게의 증가로 낮은 회전운동으로도 회전파괴가 쉽게 발생하므로 회전파괴시험기에서 동계 소결마찰재와 석면계 및 비석면계 마찰재의 회전파괴강도를 고찰한 결과는 제10도와 같다.

제10도와 같이 석면계 마찰재는 9400rpm에서 45초간 유지 후에, 비석면계는 11500rpm에서 52초간 유지 후 파괴가 발생되었으나, 동계 소결마찰재는 12000rpm에서 1분간 유지 후에도 파괴가 발생하지 않을 뿐만 아니라 마찰재의 표면에 파손 및 균열의 흔적조차도 거의 발생하지 않았다. 일반적으로 굽힘강도는 마찰재의 회전파괴강도에 큰 영향을 주는데 동계 소결마찰재의 굽힘강도가 13.87㎏f/㎟로 석면계 마찰재 7.02㎏f/㎟와 비석면계 마찰재 9.8㎏f/㎟보다 높기 때문에 회전파괴 강도가 우수하였을 것이라 여겨진다.

[(2) 염수분무시험]

마찰재의 사용조건이 눈이 많이 내리는 지역이나 해안지역일 경우, 마찰재의 표면에 녹이 발생하여 마찰성능을 저하시킬 수 있으므로, 마찰재들을 염수분무시험한 결과는 그림 제11도와 같다. 부식면적율(Etching area rate)은 제11도와 같이 동계 소결마찰재는 0.25∼0.3% 수준으로 석면계 및 비석면계 마찰재 0.4∼0.6% 수준보다 오히려 우수함을 보였다. 일반적으로 금속 소결마찰재는 금속성분이 함유되어 쉽게 부식이 발생하지만, 본 발명 동계 소결마찰재는 흑연과 규사와 같은 비금속성분이 50vo1%를 차지하고 소결 중 기지금속인 동과 주석의 적절한 반응으로 치밀화가 발생하여 녹발생을 억제시켰을 것이라 여겨진다.

[(3) 발청부착시험]

마찰재와 상대 제품과의 녹 발생시에 마찰재의 분리능력을 평가하기 위하여 발청부착시험(Anti stick test)을 행한 결과는 제12도와 같다. 마찰재의 분리능력은 제12도와 같이 염수분무시험에서 우수한 내식성을 보인 동계 소결마찰재가 분리 토오크(Torque) 0.58㎏·m로 비석면 마찰재의 0 62㎏·m와 석면계 마찰재의 0.68㎏·m보다 우수함을 보였다.

한편, 3종류 마찰재의 분리 토오크는 시험평가기준 1.0㎏·m에 만족하였다.

제a도, 제13b도는 각각 발청부착시험 전·후의 동계 소결마찰재를 나타낸 사진이다.

[(4) 풀사이즈 시험(Full size test)]

실제 기계시험에 대응한 평가를 하기 위하여 차량사용조건 -차량중량 및 탑승인원수, 화물의 탑재여부, 평지주행 혹은 산악 및 언덕길 주행 등- 에 따라 차량주행에 필요한 에너지를 벤딩(Bending)과 저·중·고 에너지레벨(Low, Medium, High Energy Level)로 나누어 풀사이즈 시험을 행한 결과 제14a도, 제14b도와 같았다. 마모량은 제14a도와 같이 동계 소결마찰재가 비석면계 보다 0.13, 석면계 마찰재 보다 0.98의 마모차이로 낮음을 보였다.

마찰계수는 제14b도와 같이 동계 소결마찰재가 전체적으로 0.43∼0.48 수준으로 다른 마찰재에 비하여 우수하였고, 특히 고에너지레벨에서 동계 소결마찰재는 미소하게 마찰계수가 증가하였지만, 석면계 및 비석면계 마찰재는 마찰계수가 급격히 떨어지고 슬립(slip) 시간이 길어졌다. 일반적으로 정적마찰특성(靜的摩擦特性)은 동적(動的)마찰특성에 큰 영향을 주므로 정적마찰이 우수한 동계 소결마찰재가 동적마찰특성도 우수함을 보였다고 여겨진다.

동적마찰계수는 정적마찰계수보다 0.05∼0.12 정도로 낮게 나타났다. 그 이유는 동적시험에서 고속회전에 의한 진동발생, 마모에 의한 상대 커버(Cover)의 특성변화, 시험기 외부의 영향 등에 의한 것으로 여겨진다.

[3. 마찰재 종류에 따른 실차시험]

풀사이즈 시험에서 기계의 강성 및 진동, 냉각조건 등의 변동요소에 따른 마찰재의 마찰특성을 평가할 수 없기 때문에 최종적으로 실차시험(Driving test)이 행하여져야 한다. 실제 차량조건에서 마찰재의 스톨능력, 마모, 상대 공격성 등을 평가하기 위하여 승용차(에스페로용)에 장착하고 실제 10㎞ 포장도로 주행후 프리스톨(Pre-stall)시험과 스톨시험을 행한 결과는 제15a도, 제15b도 및 제16a도, 제16b도와 같다.

프리스톨시험에서 엔진을 정지시키는 스톨능력에 있어서는 제15a도와 같이 슬립시간이 시제품은 0.8∼1.2초로 비석면계 마찰재 0.9∼2.8초 보다 우수함을 보였다. 특히 석면계 마찰재는 25사이클에서 슬립시간이 5초를 경과하며 슬립이 발생하였다.

스톨시험에서 스톨능력은 제15b도와 같이 슬립시간이 동계 소결마찰재는 0.8∼1.35초로 사이클 증가에 따라 영향을 받지 않으며 우수한 스톨능력을 나타낸 반면, 석면계 마찰재는 22사이클에서 마찰재 파손과 함께 슬립이 발생하였고, 비석면계 마찰재는 52사이클에서 마찰재가 타는 냄새와 함께 슬립이 발생하였다.

한편, 시험평가 허용규격인 프리스톨시험과 스톨시험은 각각 20, 30사이클내에서는 동계 소결마찰재와 비석면계 마찰재는 슬립이 발생하지 않았지만, 석면계 마찰재는 슬립이 발생하였다.

결과적으로 동계 소결마찰재는 정적시험과 동적시험에서 온도와 에너지의 변화에 영향을 받지 않고 일정하게 마찰특성이 우수하였기 때문에 실차시험에서 가혹한 조건(100사이클)에도 마찰특성이 우수하였다. 실차시험에서 마찰재 마모와 상대 마모는 제16a도, 제16b도와 같이 동계 소결마찰재가 100사이클인데도 불구하고 0.020, 0.035㎜로 비석면계 마찰재 0.020㎜, 석면계 마찰재 0.035㎜로 동계 소결 마찰재와 비석면계 마찰재가 비교적 우수함을 보였다. 특히 금속 소결마찰재는 일반적으로 마찰재 마모는 낮고 상대 마모는 높지만, 자체 개발 동계 소결마찰재는 흑연이 14wt% 첨가을 윤활성분의 마찰특성이 충분히 발휘되었기 때문으로 여겨진다.

이상의 실험을 통하여 고기능성 동계 소결마찰재의 개발에 관한 연구를 수행 하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

1) 밀도, 경도, 굽힝강도는 성형압력 5ton/㎠로 제조된 마찰재가 가장 높았지만, 성형압력 6 ton/㎠로 제조된 마찰재는 소결 중에 조직의 재배열이 억제되어 가스와 수증기 등이 외부로 발산되지 못하여 감소하였다.

2) 마찰시험 후 성형압력 5ton/㎠일 때 마모율이 비교적 낮으나, 마찰계수는 0.4∼0.5로 거의 유사함을 보였다.

3) 회전파괴강도는 동계 소결마찰재가 기존의 석면계 및 비석면계 마찰재보다 월등히 우수하였다.

4) 염수분무시험과 발청부착시험에서 동계 소결마찰재는 석면계 및 비석면계 마찰재보다 오히려 우수한 내식성과 분리능력을 보였다.

5) 풀사이즈 시험에서 동계 소결마찰재가 다른 마찰재보다 마모량은 0.13∼0.98의 차이로 낮음을 보였고, 마찰계수 0.1∼0.12 수준의 차이로 높았다.

6) 실차시험에서 동계 소결마찰재는 마모와 상대 마모가 낮고, 슬립시간은 0.8∼1.35초로 매우 우수한 스톨능력을 유지하였다. 반면, 석면계 마찰재는 22사이클에서 비석면계 마찰재는 52사이클에서 슬립이 발생하였다.

7) 동계 소결마찰재는 정속식 마찰시험서 마찰온도 350℃에서, 풀사이즈 시험에서 고에너지레벨에서, 실차시험에서는 사이클증가에 따라 우수한 마찰특성을 보였다. 이는 마찰표면에 산화물이 형성되어 부동화 처리되었기 때문이었다.

8) 상기 1)∼2)의 결과로써 동계 소결마찰재의 제조에 있어 성형압력은 5ton/㎠ 범위가 최적임을 알았고, 상기 3)∼7)의 결과로써 자체 개발 동계 소결마찰재는 기존의 석면계 및 비석면계 마찰재보다 우수하고, 특히 고속·고중량의 운송기구에 아주 적합하다는 것을 확인하였다.

이상과 같이 본 발명 동계 소결마찰재 및 그 제조방법은 종래 마찰재가 안고 있는 환경오염 문제 및 이로 인한 공해병을 예방하게 되며, 고장력·고부하 용도에서도 마찰특성이 우수하면서 마찰열의 방출이 빠른 우수한 기계적·물리적 특성을 갖는다.

Claims

지지재료로써 전해동분말 65∼75wt%와 분사주석분발 6∼8wt% 가지며, 마찰조정성분으로써 실리카분말 6∼10wt%와 전해철분말 0∼5wt%를 포함함과 동시에 윤활성분으로써 흑연분말 8∼16wt%를 포함하는 중량조성비로 구성됨을 특징으로 하는 동계 소결마찰재.
제 1항에 있어서, 전해동분말 69.3wt%와 분사주석분말 7.7wt%와 실리카분말 8wt%와 흑연분말 14wt%와 전해철분말 lwt%의 중량조성 비로 구성됨을 특징으로 하는 동계 소결마찰재.
기지재료로써 -200mesh 의 입자크기를 가지며 수지형의 전해동분말과, 기지재료로써 -325mesh의 입자크기를 가지며 구형상의 분사주석분말과, 마찰조정성분으로써 -70∼+100mesh의 입자크기를 가지며 첨단형상의 천연산 실리카분말과, 윤활성분으로써 -45∼+100mesh의 입자크기를 가지며 편상의 인조산 흑연분말과, 마찰 조정성분으로써 -100mesh의 입자크기를 가지며 불규칙한 형상의 전해철분말을 마찰재를 만드는 기본재로 선정하는 금속분말의 선정공정; 엄선된 각각의 원료분말을 혼합비에 따라 중량비로 편량(전해동분말 65∼75wt%, 분사주석분말 6∼8wt%, 실리카분말 6∼l0wt%, 전해철분말 0∼5wt%, 흑연분 말 l4wt%)한 다음, 용적이 5000㏄인 Y-콘 형상의 혼합기에 넣고 40rpm으로 약 30분간 원료분말을 혼합하는 원료혼합공정; 열간 다이스강의 다이에 혼합이 완료된 분말 10∼30g을 각각 붓고, 100ton 용량의 유압프레스에서 성형압력 3∼6ton/㎠으로 변화하여 압축성형하는 성형공정; 열간프레스를 이용하여 10℃/㎜로 760∼860℃까지 가열하여 진공(진공도 -10∼-76㎝Hg) 분위기에서 압력 15∼30㎏f/㎠ 상태로 15∼60분간 가열하고, 그 후 냉각속도를 20℃/min으로 하여 성형물을 냉각 소결하는 소결공정; 소결된 마찰재를 제품사양에 맞게 일정두께로 연마하는 연마가공공정; 으로 구성됨을 특징으로 하는 동계 소결마찰재 제조방법.
제3항의 원료혼합공정에 있어서, 기지재료로 사용되는 전해동분말과 분사주석분말이 혼합비율을 8∼11:1로 유지하고, 실리카분말과 전해철을 사용하는 마찰조정재료와 흑연분말을 사용하는 윤활재료를 1:1∼2로 혼합함을 특징으로 하는 동계 소결 마찰재의 제조방법 .
제3항의 원료혼합공정에 있어서, 원료분말의 중량조성비를 기지재료의 혼합비율이 약 9:1이 되도록 전해동분말 69.3wt%, 분사주석분말 7.7wt% 로 하고, 마찰조정재료와 윤활재료의 혼합비율이 약 1:1.5가 되도록 실리카분말 8wt%, 전해철분말 lwt%, 흑연분말 l4wt%로 혼합함을 특징으로 하는 동계 소결마찰재의 제조방법.
제3항의 소결공정에 있어서, 시안화 구리도금된 배면금속들 위에 동분말을 0.001∼5㎜로 도포하고, 마찰재 상부 부분과 배면금속 하부 부분 사이에 흑연판을 삽입하는 형태로 2∼50단을 쌓는 형태로 성형물을 소결함을 특징으로 하는 동계 소결마찰재의 소결방법.