KR0174246B1 - Preparation process of copper based, sintered friction materials - Google Patents
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Abstract
자동차, 중장비 및 기차 등의 제동 시스템에 사용되는 마찰재로, 특히 고하중, 고속의 가혹한 조건하에서 우수한 마찰 특성과 내마모성을 지니는 청동계 소결 마찰재의 제조 방법이 기재되어 있다. 이 방법에 의한 청동계 소결 마찰재는 50~80wt%의 구리 분말과 5~15wt%의 주석 분말로 된 청동 기지 금속과 10~50wt%의 마찰 조절제 및 2~10wt%의 고체 윤활제로 구성되어 있으며, 이 때 마찰 조절제는 5~15wt%의 철 분말, 7~15wt%의 몰리브덴 분말, 2~10wt%의 내마모 첨가제 분말 및 2~10wt%의 세라믹 단섬유로 구성되어 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION [0002] A method for producing a bronze-based sintered friction material as a friction material used in braking systems for automobiles, heavy equipment and trains, which has excellent friction characteristics and wear resistance, particularly under severe conditions of high load and high speed. The bronze-based sintered friction material by this method is composed of a bronze base metal of 50 to 80 wt% copper powder and 5 to 15 wt% tin powder, 10 to 50 wt% friction modifier, and 2 to 10 wt% solid lubricant. At this time, the friction modifier is composed of 5 ~ 15wt% iron powder, 7 ~ 15wt% molybdenum powder, 2 ~ 10wt% wear-resistant additive powder and 2 ~ 10wt% ceramic short fibers.
Description
본 발명은 자동차, 중장비 및 기차 등의 제동 시스템에 사용되는 마찰재로, 특히 고하중, 고속의 가혹한 조건하에서 우수한 마찰 특성과 내마모성을 지니는 청동계 소결 마찰재의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a friction material used in braking systems for automobiles, heavy equipment, and trains, and more particularly, to a method for producing a bronze-based sintered friction material having excellent friction characteristics and wear resistance under severe conditions of high load and high speed.
일반적으로, 마찰재는 상대면인 디스크와의 접촉 메카니즘에 기인된 마찰에 의해 운동 에너지를 열 에너지로 전환시키며, 이 때 발생된 열에너지는 주로 상대면에 흡수된 후, 대기중으로 발산됨으로써 움직이는 동체를 감속 또는 제어시키는 작용을 한다.Generally, the friction material converts kinetic energy into thermal energy by friction caused by the contact mechanism with the disk, which is the mating surface, and the generated heat energy is mainly absorbed by the mating surface and then released into the atmosphere to slow down the moving body. Or acts to control.
청동계 소결 마찰재는 구리 및 주석을 기지 금속으로 하고, 마찰 조절제 및 고체 윤활제 등으로 구성되어 있다. 마찰 조절제는 실리카, 알루미나, 탄화규소 및 질화규소 등의 분말 또는 입상의 무기충진제와, 철, 니켈, 텅스텐 등의 금속충진제 등이 사용되고, 고체 윤활제로는 이황화 몰리브덴, 흑연 및 납 등이 사용되고 있으며, 이들의 종류 및 첨가량에 따라 많은 물성의 차이가 존재한다.The bronze-based sintered friction material is a base metal of copper and tin, and is composed of a friction regulator, a solid lubricant, and the like. As the friction regulator, powder or granular inorganic fillers such as silica, alumina, silicon carbide, and silicon nitride, metal fillers such as iron, nickel, and tungsten, and the like are used, and solid lubricants include molybdenum disulfide, graphite, and lead. There are many differences in physical properties depending on the type and amount of addition.
소결 마찰재의 요구 조건은 충분한 강도, 높은 비열 및 열전도성, 안정된 마찰 특성 및 내마모성 등이 있으며, 이들 중, 특히 마찰 특성과 내마모성이 우수해야 제동 시스템의 제동력 및 내구성이 신뢰될 수 있다.The requirements for the sintered friction material include sufficient strength, high specific heat and thermal conductivity, stable friction characteristics, and wear resistance, and among these, in particular, the braking force and durability of the braking system can be relied only if the friction characteristics and wear resistance are excellent.
미국 특허 제3,494,774호, 제9,936,449호 및 제4,871,393호 등을 비롯한 종래의 소결 마찰재는 입상 또는 분말상의 질화규소, 붕수화세라믹 및 실리카 등으로 구성된 마찰 조절제로 되어 있으나, 고온, 고속의 가혹한 조건하에서는 마찰 특성이 불안정하고, 내마모성이 결여되어 제동력과 내구성에 한계가 있다. 그리고, 윤활제로 납이 첨가되므로 환경오염 문제가 대두되며, 이외에 질화규소 및 탄화규소 등의 고가의 세라믹이 첨가되므로 제조 단가가 높다는 단점이 있다.Conventional sintered friction materials, including U.S. Pat. This unstable and lack of wear resistance limits the braking force and durability. In addition, since lead is added as a lubricant, an environmental pollution problem arises, and in addition, expensive ceramics such as silicon nitride and silicon carbide are added, and thus manufacturing cost is high.
따라서, 본 발명은 상기 종래의 청동계 소결 마찰재가 지니고 있는 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 마찰 조절제로서 단섬유의 세라믹 소재와 내마모성 첨가제를 첨가함으로써, 고온, 고속의 가혹한 조건하에서 우수한 마찰 특성과 내마모성을 나타내는 한편, 제조 비용면에서도 경제적일 뿐만 아니라 환경오염 방지에 크게 기여할 수 있는 청동계 소결 마찰재의 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.Accordingly, the present invention is to solve all the problems of the conventional bronze-based sintered friction material, by adding a ceramic material and abrasion resistance additive of short fiber as a friction regulator, excellent friction properties and wear resistance under severe conditions of high temperature and high speed On the other hand, it is an object of the present invention to provide a method for producing a bronze-based sintered friction material that is economical in terms of manufacturing cost and can contribute greatly to preventing environmental pollution.
제1도는 청동계 소결 마찰재의 제조 공정도.1 is a manufacturing process diagram of a bronze-based sintered friction material.
상기 본 발명의 목적은 50~80wt%의 구리 분말과 5~15wt%의 주석 분말로된 청동 기지 금속과 10~50wt%의 마찰 조절제 및 2~10wt%의 고체 윤활제를 혼합, 소결 성형하는 방법에 의하여 달성된다.The object of the present invention is a method of mixing and sintering a 50-80 wt% copper powder and a bronze base metal of 5-15 wt% tin powder, a 10-50 wt% friction modifier, and a 2-10 wt% solid lubricant. Is achieved.
본 발명의 청동계 소결 마찰재의 제조에 사용되는 마찰 조절제는 5~15wt%의 철 분말, 7~15wt%의 몰리브덴 분말, 2~10wt%의 내마모 첨가제 분말 및 2~10wt%의 세라믹 단섬유로 구성되어 있다.The friction modifier used in the preparation of the bronze-based sintered friction material of the present invention is 5-15 wt% iron powder, 7-15 wt% molybdenum powder, 2-10 wt% wear-resistant additive powder, and 2-10 wt% ceramic short fibers. Consists of.
상기 본 발명의 청동계 소결 마찰재의 소재를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Referring to the material of the bronze-based sintered friction material of the present invention in more detail as follows.
청동 기지 금속인 구리 및 주석의 입자 크기는 10~50㎛이고, 마찰 조절제로 사용된 금속 충진제인 철, 몰리브덴의 입자크기는 10~70㎛이다. 그리고 내마모 첨가제 분말은 인화철(FePO4) 또는 황화철(FeS)이 사용될 수 있으며, 이들의 입자 크기는 5~50㎛이다. 윤활 시스템하에서 인과 황 원소는 기지 금속인 철 금속과 반응하여 인화철 또는 황화철의 얇은 보호 피막을 형성하여 요소 부품의 내마모성을 향상시키므로 이들의 첨가시 마찰재 및 디스크의 내구성에 크게 기여할 수 있다. 또한, 무기충진제로 사용된 세라믹 단섬유는 유리 섬유, 알루미나 섬유 및 바잘트 섬유 등으로 직경 1~20㎛, 길이 50~500㎛의 섬유상이다. 이는 기지의 보강재일 뿐만 아니라 마찰 특성을 안정되게 하는 작용을 한다. 고체 윤활제로는 입자 크기가 20~80㎛인 흑연 또는 이황화 몰리브덴이 사용될 수 있다.The copper and tin of bronze base metals have a particle size of 10 to 50 μm, and the particle sizes of iron and molybdenum, metal fillers used as friction modifiers, are 10 to 70 μm. And the wear-resistant additive powder may be used iron phosphide (FePO 4 ) or iron sulfide (FeS), their particle size is 5 ~ 50㎛. Under the lubrication system, the phosphorus and sulfur elements react with the ferrous metal, which is a base metal, to form a thin protective coating of iron phosphide or iron sulfide, thereby improving the wear resistance of the urea parts, which can contribute greatly to the durability of the friction material and the disc when added thereto. In addition, the short ceramic ceramic used as the inorganic filler is glass fiber, alumina fiber and basalt fiber, etc., having a diameter of 1 to 20 µm and a length of 50 to 500 µm. This is not only a known reinforcement but also serves to stabilize the friction characteristics. As the solid lubricant, graphite or molybdenum disulfide having a particle size of 20 to 80 µm may be used.
본 발명의 청동계 소결 마찰재의 제조 공정을 제1도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.Referring to Figure 1 the manufacturing process of the bronze-based sintered friction material of the present invention will be described.
먼저, 원료 물질로서 청동 기지 금소인 구리 및 주석 분말과, 마찰 조절제인 철, 몰리브덴, 내마모성 첨가제 분말, 세라믹 단섬유 및 고체 윤활제로서 흑연 분말을 혼합기에서 혼합한 후, 소정의 금형에 담아 진공 가압 소결로에서 소결 시간 5~30분, 소결 압력 0.1~2.0톤/㎠, 소결 온도 600~800℃의 소결 조건하에서 가압 성형한다. 성형이 완료된 후 청동계 소결 마찰재를 제조하게 된다.First, copper and tin powder, which is a bronze base metal, as a raw material, and iron, molybdenum, abrasion resistant additive powder, ceramic short fiber, and graphite powder, which are solid lubricants, are mixed in a mixer, and then vacuum-sintered in a predetermined mold. Press molding is carried out in a furnace under sintering time of 5 to 30 minutes, sintering pressure of 0.1 to 2.0 ton / cm 2, and sintering temperature of 600 to 800 ° C. After the molding is completed to produce a bronze-based sintered friction material.
이와 같은 공정을 통해 제조되는 본 발명의 청동계 소결 마찰재는 기공율 2~15%, 상대 밀도 80~95%, 경도 50~80HRB이다.Bronze-based sintered friction material of the present invention produced through such a process is porosity 2-15%, relative density 80-95%, hardness 50-80H R B.
본 발명의 청동계 소결 마찰재의 성능을 알아보기 위해 마찰, 마모 성능 평가와 아울러 제동성 시험이 행해졌다. 마찰, 마모 성능 시험은 미끄럼 접촉 메카니즘을 갖는 마찰 마모 시험기(High Frequency Friction and Wear Tester, Cameron Co., U.K.)을 이용하여 미끄럼 속도 0.5m/sec, 미끄럼 시간 60분, 접촉 하중 98N의 조건하에서 마찰 계수와 마모율을 측정하였다. 제동 성능 시험은 핀-디스크 타입의 시험기(디스크 속도 20~100m/sec, 접촉 하중 0.1~1.0MPa)를 이용하여 디스크 속도 60m/sec, 접촉 하중 0.4MPa 및 제동 시간 60초의 조건하에서 마찰 계수와 마모율을 측정하였다.In order to examine the performance of the bronze-based sintered friction material of the present invention, the braking test was conducted along with the evaluation of the friction and wear performance. Friction and abrasion performance tests were conducted under conditions of sliding speed 0.5 m / sec, sliding time 60 minutes and contact load 98 N using a high frequency friction and wear tester (Camer Co., UK) with sliding contact mechanism. Modulus and wear rate were measured. The braking performance test was performed using a pin-disk type tester (disk speed of 20 to 100 m / sec, contact load of 0.1 to 1.0 MPa) under the conditions of a disk speed of 60 m / sec, a contact load of 0.4 MPa and a braking time of 60 seconds. Was measured.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
[실시예 1]Example 1
원료 조성으로 구리 분말(입자 크기 40㎛), 주석 분말(입자 크기 40㎛), 철 분말 (입자 크기 50㎛), 몰리브덴 분말(입자 크기 45㎛), 흑연 분말(입자 크기 50㎛), 실리카 분말(입자 크기 50㎛), 인화철(입자 크기 30㎛), 황화철(입자 크기 30㎛), 알루미나 단섬유(직경 5㎛, 길이 100㎛) 및 유리 섬유(직경 10㎛, 길이 500㎛) 등을 혼합기에서 혼합하여 혼합물을 10×20mm 실린더 금형에 담아 진공 가압 소결로에서 소결 시간 15분, 소결 압력 0.6톤/㎠, 소결온도 700℃의 조건하에서 소결 성형한 후, 마찰 마모 시험기에서 미끄럼 속도 0.5m/sec, 미끄럼 시간 60분, 접촉 하중 98N하에서 마찰 계수와 마모량을 측정하였으며, 제동 성능 시험은 디스크 속도 60m/sec, 접촉 하중 0.4MPa 및 제동 시간 60초 하에서 마찰 계수의 변화율과 마모율을 측정하였다. 원료 조성은 표 1, 원료 조성에 따른 마찰, 마모 성능 시험 결과는 표 2, 및 제동 성능 시험 결과는 표 3에 각각 나타내었다.Raw materials include copper powder (particle size 40 μm), tin powder (particle size 40 μm), iron powder (particle size 50 μm), molybdenum powder (particle size 45 μm), graphite powder (particle size 50 μm), silica powder (Particle size 50 μm), iron phosphide (particle size 30 μm), iron sulfide (particle size 30 μm), alumina short fibers (diameter 5 μm, length 100 μm), glass fiber (diameter 10 μm, length 500 μm), and the like. After mixing in a mixer, the mixture was placed in a 10 x 20 mm cylinder mold and sintered under a vacuum pressurized sintering furnace for 15 minutes, a sintering pressure of 0.6 ton / cm 2 and a sintering temperature of 700 ° C. Friction coefficient and wear were measured under / sec, sliding time 60 minutes, contact load 98N, and the braking performance test measured the change rate and wear rate of friction coefficient under disc speed 60m / sec, contact load 0.4MPa and braking time 60 seconds. The raw material composition is shown in Table 1, the friction and abrasion performance test results according to the raw material composition are shown in Table 2, and the braking performance test results are shown in Table 3, respectively.
[실시예 2]Example 2
실시예 1에서 제조된 시편 1과 종래 제품과 제동 성능 시험을 행하였는 바, 그 결과는 표 4와 같다.Braking performance test was performed with Specimen 1 prepared in Example 1 and a conventional product, and the results are shown in Table 4.
[실시예 3]Example 3
실시예 1에서 제조된 시편 7과 종래 제품과 제동 성능 시험을 행하였는 바, 그 결과는 표 5와 같다.Braking performance test was carried out with the specimen 7 prepared in Example 1 and the conventional product, the results are shown in Table 5.
본 발명의 청동계 소결 마찰재는 종래의 마찰재에 비해 고온, 고속하에서 안정된 마찰 특성과 내마모성 등의 성능이 우수하므로 제동시 소정의 제동성과 내구성이 향상됨으로써 중장비, 고속기차, 자동차 및 산업용 제동 시스템 등의 광범위한 용도로 사용될 수 있는 이점과 제조 비용이 저렴하다는 장점이 있다.Bronze-based sintered friction material of the present invention has excellent performance of stable friction characteristics and abrasion resistance at high temperature and high speed, compared to the conventional friction material, so that the predetermined braking and durability is improved during braking, such as heavy equipment, high speed train, automobile and industrial braking system, etc. It has the advantage that it can be used for a wide range of applications and the manufacturing cost is low.
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