KR100321291B1 - 브레이크 드럼용 재료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제동 중에 발생하는 마찰열을 흡수하여 접촉부의 과열을 방지하는 역할을 하는 브레이크 드럼의 재료에 관한 것으로, C, Si, Mn 및 S 원소 이외에 특수 원소인 Cr, Mo 및 Ti 원소가 첨가되고, 특히 Ti 성분을 기존의 브레이크 드럼용 재료에 비해 2배 이상 첨가한 주철로 이루어진 본 발명의 재료는 기존의 재료에 비하여 마찰 마모 특성이 현저히 개선되어 드럼의 수명을 2배 정도 연장할 수 있으므로 브레이크 드럼의 재료로 유용하게 사용될 수 있다.

Description

브레이크 드럼용 재료

본 발명은 제동 중에 발생하는 마찰열을 흡수하여 접촉부의 과열을 방지하는 역할을 하는 브레이크 드럼의 재료에 관한 것으로, 보다 상세하게는 C, Si, Mn 및 S 원소 이외에 특수 원소인 Cr, Mo 및 Ti 원소가 첨가되고, 특히 Ti 성분을 기존의 브레이크 드럼용 재료에 비해 2배 이상 첨가한 주철로 이루어져 마찰 마모 특성이 개선된 브레이크 드럼의 재료에 관한 것이다.

산업의 발달과 산업제품의 증가로 물량의 운반이나 사람들의 왕래가 빈번해짐에 따라 이에 필요한 운송 수단이 대형화되고 고속화됨으로 인하여 운송차량의 사용조건이 더욱 가혹해 지고 있다.

운송차량의 사용조건이 가혹해짐에 따라 운송차량에서 중요한 안전장치인 제동장치의 안전성이 문제가 되고 있으며, 제동장치 성능의 안전성을 확보하기 위하여 제동장치의 형상과 크기와 같은 기하학적 조건, 제동장치의 기계적·물리적 요구사항을 만족할 수 있는 재료조건 및 제동장치가 운송차량에 장착되어 실제 운행 중에서의 사용조건 등을 충족시켜야 한다.

현재 자동차에 주로 사용되고 있는 제동장치는 회전하는 브레이크 드럼에 라이닝 (마찰재)을 가압하여 마찰력을 유발시켜서 제동하는 장치인데, 이 때 제동력을 증가시키기 위해서는 적정 마찰계수를 발생시킬 수 있는 브레이크 드럼과 라이닝의 조합인 브레이크 시스템이 이상적이겠으나, 접촉부의 마찰로 인해서 마찰열이 발생하여 접촉부를 과열시킴으로서 마찰면을 손상시키거나 페이드 (fade) 현상으로 인하여 제동기능을 잃어버리게 되는 위험한 경우가 발생할 수 있다.

이러한 견지에서 제동 중에 적정한 마찰계수의 값을 유지할 수 있도록 관련 규격 및 차량 제조업체의 각종 규격으로 마찰계수를 규정하고 있다 (KS R 4024 - 1985, "자동차용 브레이크 라이닝", 한국 공업 규격; KS D 4301 - 1990, "회주철품", 한국 공업 규격).

브레이크의 제동력을 제공하는데는 적정한 마찰계수를 제공하는 마찰재가 사용되는데, 마찰재는 브레이크의 생명이라 할 수 있어서 적정 마찰계수와 안전성 및 내마모성·내열성 등이 요구된다.

마찰재는 석면을 기본재료로 하여 마찰조정재를 혼합해서 결합재로 굳힌 것이 대부분이나, 최근 석면에 대한 공해문제로 인해서 대체품 개발이 진행 중이다. 대체품으로는 탄소섬유, 유리섬유 등을 기본 재료로 한 비석면 (non-asbestos)계, 반-금속 (semi-metallic)계 등의 마찰재가 개발되어 사용되고 있다.

한편 마찰재 못지 않게 마찰재와 접촉하여 상대 운동을 하는 브레이크 드럼도 중요한데, 브레이크 드럼은 제동 중에 발생하는 마찰열을 흡수하여 접촉부의 과열을 방지하는 주요한 역할을 한다. 따라서 브레이크 드럼의 재료는 열전도도가 높고, 열팽창계수가 낮고, 용융점이 높고, 밀도가 낮고, 열용량이 높고, 내마모성과 내열성이 높고, 넓은 온도 범위에 걸쳐서 강도와 경도를 유지할 것 등의 조건이 요구된다. 이와 같은 요구 조건을 충족시키면서 제작상의 이점과 경제성을 고려하여 현재 브레이크 드럼의 재료로서는 주철이 사용되고 있다.

KS D 4301 에는 편상 흑연을 함유한 주철품에 대한 규정이 정해져 있으며 그의 제조방법 및 기계적 성질 등이 규격화되어 있다. 그러나 최근 상용차량의 과적현상이나 과속으로 인하여 제동력이 반복해서 가해진 브레이크 드럼의 표면에 표면결함이 발생하여 파괴에까지 이르는 사례가 보고되고 있다. 표면결함의 대표적인 현상은 스코링 (scoring) 및 히트 체킹 (heat checking)으로, 이들은 브레이크 드럼의 신뢰성과 안전성을 위협하는 아주 중요한 문제로 주목을 받고 있다. 그러므로 이러한 표면 결함과 브레이크 시스템 파괴의 원인을 규명하고 그 대책을 확립할 필요가 있다. 또한 도시형 버스에서와 같이 고온 상태에서 잦은 제동이 반복해서 가해지는 경우 마멸에 의한 브레이크 드럼의 수명이 짧아지는 문제가 있어 내마멸성 증대를 위한 대책수립도 시급한 과제이다.

이에 본 발명자는 C, Si, Mn 및 S 원소 이외에 특수원소인 Cr, Mo 및 Ti 원소를 첨가하고, 특히 Ti 성분을 기존의 브레이크 드럼용 재료에 비해 2배 이상 첨가하면 강도, 내열성, 내부식성 및 내마멸성 등이 개선된 주철을 제조할 수 있음을 알아내어 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 마찰 마모 특성이 개선되어 드럼의 수명을 2배 정도 연장할 수 있는 브레이크 드럼용 재료를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 C, Si, Mn 및 S 원소 이외에 특수 원소인 Cr, Mo 및 Ti 원소를 첨가하고, 특히 Ti 성분을 기존의 브레이크 드럼용 재료에 비해 2배 이상 첨가한 주철을 제공한다.

이하 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 브레이크 드럼용 재료는 3.3∼3.7 중량% C, 2.3∼2.8 중량% Si, 0.6∼0.9 중량% Mn, 0.1 중량% 이하의 S, 0.1∼0.3 중량% Cr, 0.1 중량% 이하의 Mo 및 0.04∼0.05 중량% Ti 가 첨가된 주철로 이루어진다.

상기 성분 중 C, Si, Mn 및 S 는 주철에 기본적으로 함유되는 성분이며, 기타 Cr, Mo 및 Ti 의 성분들은 주철의 특정 성능을 개선시키기 위하여 첨가되는 특수 원소이다.

Cr 은 흑연화를 방지하여 탄화물을 한정시키며, 적당량을 첨가시키면 퍼얼라이트 조직을 미세화하여 경도가 증가하고 내열성, 내식성이 좋아진다. Cr 을 다량 첨가하면 특히 고온에서의 내열성이 증가한다.

Mo 은 흑연화를 다소 방지하며, 적당량 첨가되면 흑연을 미세화하고 강도, 경도, 내마멸성이 증가한다. 또한 Mo 은 두꺼운 주물의 조직을 균일화시킨다.

Ti 는 강한 탈산제이며 흑연화를 촉진하나 다량 첨가하면 도리어 흑연화를 방해한다. 고탄소, 고규소의 주철에 Ti 를 첨가하면 흑연을 미세화하여 강도가 높아진다.

이하 실시예에 의하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 단 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

<실시예 및 비교예>

하기 표 1의 조성으로 본 발명의 브레이크 드럼용 재료를 제조하였으며 (실시예), 비교를 위하여 하기 표 1의 조성의 브레이크 드럼용 재료 (비교예 1∼3) 를 제조하여 시험편인 디스크 (disk)를 시험 제작하였다.

모든 시험편은 주조로 제작하였으며, 주조시 디스크의 중심으로부터 반경 방향 20 mm 위치에 직경 8.5 mm 의 구멍을 90°간격으로 내어 디스크를 지그 (jig)에 고정할 수 있도록 하였다. 주조 완료된 디스크는 표면을 표면거칠기 2∼4 ㎛Rmax 로 연삭 가공하였다.

	C	S	Mn	Ti	Cr	V	Mo	Ni	Si	Nb
실시예	3.60	0.019	0.90	0.042	0.20	-	0.005	-	2.48	-
비교예 1	3.543	0.014	0.57	0.018	0.16	0.022	-	-	1.37	-
비교예 2	3.885	0.021	0.16	-	18.0	-	3.02	-	1.120	0.31
비교예 3	3.43	0.020	0.99	-	0.47	-	0.10	0.072	2.50	-

한편, 상대시편인 마찰재는 상용차용 브레이크 라이닝 재료로 사용되고 있는 비석면 마찰재를 사용하였다. 마찰재의 경도는 50±25 HRS 이며 비중은 1.88±0.2, 회분함량은 67±5 % 이다.

[실험예]

본 실험에서는 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 4가지 종류의 시험편 (디스크)을 마찰재인 브레이크 라이닝 재료와 접촉시켜 회전운동에 의한 미끄럼 마찰운동을 수행하였다. 본 실험에서 사용된 마찰·마멸시험기는 높은 하중과 고속에서 실험하기 위하여 기존의 선반을 이용하여 본 발명자가 설계 제작하였다. 이 때 압력과 속도는 정해진 규정에 따라서 정해주었으며, 실험이 수행되면 시간과 하중, 마찰토크, 온도가 컴퓨터에 입력되어 프로그램에 의해 마찰계수 등의 결과가 계산되도록 하였다. 실험결과인 평균마찰계수, 디스크 마멸량 및 마찰재 마멸량은 하기 표 2에 나타내었다.

	실시예	비교예 1	비교예 2	비교예 3
평균마찰계수	0.356	0.329	0.353	0.346
디스크 마멸량 (mm3)	2.262	5.152	8.608	4.712
마찰재 마멸량	무게 (g)	3.550	3.253	9.971	4.918
	두께 (mm)	3.114	2.831	8.950	4.057

이상에서 살펴본 바와 같이 C, Si, Mn 및 S 원소 이외에 특수 원소인 Cr, Mo 및 Ti 원소가 첨가된 주철로 이루어진 본 발명의 브레이크 드럼용 재료는, 특히 Ti 성분이 기존의 재료에 비하여 약 2배 정도 첨가되어 마찰 마모 특성이 현저히 향상되는데 이로 인하여 드럼의 수명이 2배 정도 연장될 수 있는 유용한 재료이다.

Claims (1)

1. 3.3∼3.7 중량% C, 2.3∼2.8 중량% Si, 0.6∼0.9 중량% Mn, 0.1 중량% 이하의 S, 0.1∼0.3 중량% Cr, 0.1 중량% 이하의 Mo 및 0.04∼0.05 중량% Ti 가 첨가된 주철로 이루어지는 것을 특징으로 하는 브레이크 드럼용 재료