KR100387843B1

KR100387843B1 - 소음저감용 브레이크 디스크 합금재료 및 이를 이용한차량용 브레이크 디스크

Info

Publication number: KR100387843B1
Application number: KR10-2000-0084363A
Authority: KR
Inventors: 김종문
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2003-06-18
Also published as: KR20020055028A

Abstract

본 발명은 C : 3.7-3.8 wt%, Si : 1.8-2.1 wt%, Mn : 0.7-0.8 wt%, P : 0.1 wt% 이하, S : 0.1 wt% 이하, Cr : 0.4-0.6%, Cu : 0.3-0.5 wt%, Sn : 0.058-0.08 wt%, Ca : 0.01-0.04 wt%, Fe : 잔여 wt%로 이루어진 것을 특징으로 하는 합금 재료를 제공하며, 이 합금재료는 차량 브레이크 디스크에 적용시 디스크의 마모수명을 높이고, 고온열특성 및 평균제동 압력 등에 있어서 기존 재질보다 성능이 향상되는 효과를 가진다.

Description

소음저감용 브레이크 디스크 합금재료 및 이를 이용한 차량용 브레이크 디스크{An alloy for brake disc with decreased judder and car brake disc therefrom}

승용차의 풋 브레이크는 유압을, 대형 트럭이나 버스는 공기압을 써서 바퀴에 달린 브레이크의 피스톤을 움직여 바퀴의 회전을 멈춘다. 핸드 브레이크는 좌우 뒷바퀴나 앞바퀴를 와이어로 잠그는 방식이 쓰인다. 풋 브레이크의 기본형에는 드럼과 디스크 브레이크 두 종류가 있고 저마다 원리와 구조가 다르다.

드럼식은 바퀴와 함께 회전하는 드럼 안쪽에 마찰재(라이닝)을 붙인 슈를 휠 실린더 안의 유압으로 밀어붙여 서게 하는 방식이다. 이 방식은 브레이크 페달에서 발을 떼면 유압이 없어져 슈는 코일스프링의 힘을 받아 원래 위치로 되돌아오고 바퀴는 로크 상태가 풀린다.

디스크식은 드럼식의 불편을 보완한 것이다. 원판이라는 뜻의 디스크는 주철로 되어 있어 바퀴와 함께 도는데, 이 디스크 양쪽에 유압을 이용한 마찰재(패드)를 꽉 끼워서 제동한다. 디스크식은 열에 팽창되어도 패드의 작동방향에는 영향을 미치지 않고 달리는 도중 바람으로 냉각되고 물에 젖어도 물방울이 잘 떨어져 나간다. 디스크 브레이크의 방열성을 더욱 좋게 하기 위해 디스크 안에 방사형의 통기구를 여러개 마련한 벤틸레이티드 디스크 브레이크도 있다.

디스크 브레이크는 이렇듯 여러 장점을 가지고 있으나 보통 앞바퀴 디스크, 뒷바퀴 드럼식을 쓰는 경우가 많다.

한편, 이러한 브레이크 디스크의 재질은 인장강도가 강한 구상 흑연주철(DUCTILE IRON)을 많이 사용한다. 기존의 브레이크 디스크 재질은 탄소, 실리콘, 망간, 인, 황, 크롬, 구리, 주석 등을 포함하고, 나머지 성분이 모두 철로 이루어져 있는데, 특히 탄소는 구상 흑연주철에서 구상흑연재질을 이루는 주 성분으로서 상기 탄소의 함량에 의해 현 양상제품의 흑연 사이즈(size)는 약 4-6(ASTM) 정도 된다.그런데, 현재 사용되고 있는 브레이크 디스크 재료는 탄소 및 실리콘의 함량의 허용범위가 과다한 편이기 때문에, 품질이 일정하지 않으면서 부족한 구리의 함량으로 인해 기재 중 페라이트(ferrite)가 약 5% 정도 존재함으로써 국부적 마모가 생성되기 쉽다. 또, 지나친 경도 규제(약 200HB이상)로 인하여 제조시 탄소의 함량을 허용치내에서 최대한 하한치로 관리하게 되며 이로 인해 결국 흑연의 사이즈가 축소되고 이에 의해 열방출성이 약화되어 결국 열에 의한 저더(judder : 진동, 소음) 발생의 원인이 되고 있다.

이에 본 발명은 브레이크 디스크용 합금의 구성성분을 조정하여 흑연 사이즈를 증대하면서 기재를 강화할 수 있도록 함으로써, 저더의 발생을 감소시킬 수 있는 브레이크 디스크용 합금재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도1은 현재 시판중인 브레이크 디스크의 에치 이전 조직상태를 보이는 현미경사진

도2는 현재 시판중인 브레이크 디스크의 에치 이후의 조직상태를 보이는 현미경 사진

도3은 본 발명에 의한 브레이크 디스크의 에치 이전 조직상태를 보이는 현미경사진

도4는 본 발명에 의한 브레이크 디스크의 에치 이후의 조직상태를 보이는 현미경 사진

도 5는 본발명에 따른 양산제품2 및 종래기술에 따른 양산제품2의 재질의 브레이크 디스크의 스코어링 시험 결과를 보이는 그래프.

도 6은 본발명에 따른 양산제품2 및 종래기술에 따른 양산제품2의 재질의 브레이크 디스크의 예상 수명 측정결과를 보이는 그래프

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해 마련된 것으로서, C : 3.7-3.8 wt%, Si : 1.8-2.1 wt%, Mn : 0.7-0.8 wt%, P : 0.1 wt% 이하, S : 0.1 wt% 이하, Cr : 0.4-0.6%, Cu : 0.3-0.5 wt%, Sn : 0.058-0.08 wt%, Ca : 0.01-0.04 wt%, Fe : 잔여 wt%로 이루어진 것을 특징으로 하는 합금 재료를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 합금 재료 중 특히 P : 0.03 wt%이하, Cu : 0.4-0.5 wt%, Sn: 0.07-0.08 wt%인 것을 특징으로 하는 합금 재료를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 합금 재료로 제조된 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 디스크를 제공한다.여기서, 상기 구상 흑연주철을 이루는 성분중 C는 주철을 구성하는 5대원소로서 주철조직중에 그라피트(Graphite)가 생성되도록하는 것으로 용탕시 플로테이션(Floatation)현상을 일으키는 것을 방지하도록 약 3.8wt% 이하로 함유시켜 그라피트의 크기를 증가시키기 위한 것이다.그리고, 상기 Si는 주철을 구성하는 5대원소로서 흑연화 반응을 촉진시켜 그라피트 생성을 용이하게 하나 만약 함량과다시 페라이트(Ferrite)형성을 과가하게 하여 물성 저하를 초래하므로 2.1 wt%이하로 제한 하게 된다.

또한, Mn은 주철을 구성하는 5대원소로서 기지조직을 페라이트화 시켜 강도를 보강하지만 함량과다시 브리틀(Brittle)해져 가공성이 약화된다.그리고, P는 주철을 구성하는 5대원소로서 흑연화 반응을 촉진시키나 과도하면 스테다이트(Steadite)라는 화합물을 형성해 브리틀(Brittle)해지게 된다.또한, S는 주철을 구성하는 5대원소로서 기지조직의 형성을 용이하게 하지만 과다시 불순물(MnS)을 형성하게 된다.그리고, Cr은 기지조직의 강화를 위해 첨가하지만 함량과다시 브리틀(Brittle)해져 가공성이 약화된다.또한, Cu는 기지조직을 페라이트화 하여 강도를 증대시키나 함량과다시 브리틀(Brittle)해져 가공성이 약화된다.한편, Sn은 Cu와 동일한 역활을 하나 소량 첨가시에만 효과적으로 작용하게 된다.이하, 첨부된 실시예를 참고로 하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 개념은 다음과 같다. 기존의 브레이크 디스크 재료에 비해 카본의 함량을 증대시킴으로써 흑연의 크기를 증대시키고 이로서 열전도 및 댐핑성능(damping capacity: 진동을 흡수하여 열로서 소산시키는 흡수능력을 말하고 감쇠능, 내부 마찰이라고도 한다)을 증대시킴으로써 핫 저더(hot judder)를 개선하고, 구리의 함량을 증대시킴으로써 기재중 펄라이트(pearlite)의 생성을 촉진시켜서 페라이트의 생성을 억제시키며, 이로서 내마모성 및 국부 마모를 개선하여 콜드 저더(cold judder)를 개선하고, 주석의 함량을 증대시킴으로써 펄라이트의 생성을 촉진함과 동시에 보다 미세화함으로써 경도값을 보정하며, 칼슘을 첨가하여 핵생성수 증대에 의한 키쉬타입(kish type)의 흑연을 억제하여 흑연을 보다 균일화함으로써 내마모성을 증대시킨다는 것이다.

이하의 실시예에서는 현재 양산되고 있는 브레이크 디스크용 합금재료로 제작된 브레이크 디스크 및 본 발명에 의한 재료로 제작된 브레이크 디스크에 대해서, 여러가지 성능을 비교하였으며 그 결과는 다음과 같다.

1. 화학적 성분 및 조직표면의 현미경사진 비교

[표 1]. 현재 양산되는 제품 및 본 발명의 브레이크 디스크 재질 조성구분

구분	C	Si	Mn	P	S	Cr	Cu	Sn	Ca	Fe
현 양산품 규격(wt%)	3.4 -3.8	1.6 -2.2	0.7 -1.0	0.2 -3.8	0.1 -3.8	0.4 -0.6	0.15 -0.3	0.02 -0.07	-	잔량
현양산품 1	3.5	2.14	0.74	0.03	0.08	0.4	0.15	0.06	-	잔량
본 발명품 규격(wt%)	3.7 -3.8	1.8 -2.8	0.7 -0.8	0.1이하	0.1이하	0.4 -0.6	0.3 -0.5	0.06 -0.08	0.01-0.04	잔량
본발명양산품 1	3.74	1.95	0.74	0.02	0.08	0.44	0.35	0.07	0.02	잔량

도 1과 도 2는 상기 현양산품 1의 조직표면의 현미경사진으로서, 도 1은 에치이전의 표면사진(100배 확대)이고, 도 2는 에치 이후의 표면사진(500배 확대)이다. 이에 의하면 흑연의 사이즈는 4-6(ASTM)이고, 기지 조직은 펄라이트이며 페라이트(ferrite)가 약 5% 포함되어 있고, 경도는 HB195-210정도임을 알 수 있다.그리고 에치는 금속조직(주철재료)를 관학현미경으로 관찰시 연마후 관찰하면 흰 바탕에 흑연만 보일뿐 이므로 이와 같이 희게만 보이는 기지조직을 현미경으로 용이하게 관찰하도록 기지조직을 약하게 부식시키는 것을 의미한다.

도 3과 도 4는 상기 본 발명양산품 1의 조직표면의 현미경사진으로서, 도 3은 에치이전의 표면사진(100배 확대)이고, 도 4는 에치 이후의 표면사진(500배 확대)이다. 이에 의하면 흑연의 사이즈는 3-5(ASTM)이고, 기지 조직은 100%펄라이트이며 페라이트(ferrite)가 포함되어 있지 않고, 경도는 HB185-190정도임을 알 수 있다.

2. 고온 열특성

시험방법은 TDP-기능-05-03-10[AMS-FADE시험방법]에 의하였으며 시험조건 및 사용된 제품의 사양 및 성분은 표2와 같다. 표3은 이중 고온열특성 시험에 사용된 시판품 및 본원 발명에 의한 제품의 구체적인 성분을 보인 것이다.

1) 사용 디스크의 내용

[표2]

디스크	마찰재	칼리퍼
구분	성분구분	칼리퍼	사이즈	명칭	롯(LOT)	슬롯	챔퍼	심(내/외)
현양산품 2본발명양산품 2	207-212180-200	15" 디스크	KPB D809	09178D	수직2EA	5X10mm	antiflare/울브린clip	LO57

2) 사용 디스크의 성분

[표3]

성분(wt%)	C	Si	Mn	S	P	Cu	Cr	Sn	Ca
현양산품 2	3.5	2.14	0.74	0.08	0.032	0.14	0.38	0.05	0.013
본발명양산품 2	3.78	1.89	0.76	0.1	0.033	0.36	0.48	0.058	0.02

3) 시험결과

고온 열특성 시험은 제동말기 최대 온도, 내부/외부 온도차 및 방열성에 대해 실시되었다(시험 차종 : EF FRT). 이 중 방열성은 페이드(FADE)제동 10 회후 디스크 온도가 100 도가 될 때까지의 냉각시간(초)을 나타낸다. 시험결과, 제동말기 최대 온도 및 내외부 온도차 항목은 양자가 모두 표준 규격을 만족하는 양호한 값을 보였다. 방열성의 경우 현양산품 2가 460초, 본발명양산품 2가 394초로 나타남으로써 보다 우수한 방열성을 가지는 것을 확인하였다.

3. 평균제동압력

상기 2에서 시험된 차량에 대하여 평균 제동압력을 측정한 결과, 현양산품 2 및 본발명양산품 2의 양자 모두 당사 요구치인 160Kg/cm²이하를 만족하였다.

4. 디스크 스코어링 시험 및 마모시험

상기 표 3에 개시된 현양산품 2 및 본발명양산품 3의 성분으로 이루어진 디스크를 장착한 차량(시험 차종 : EF FRT)에 대하여 디스크 스코어링을 시험하였다.

2) 사용 디스크의 내용

[표 4]

	디스크	마찰재	칼리퍼
성분구분	성분구분	사이즈	칼리퍼	명칭	롯(LOT) no.	슬롯	챔퍼	심(shim)(내측/외측)
현양산품2본발명양산품3	207-212180-200	15"	B941D	05289A01149B	수직2EA	5X11mm	접착 심/접착 심	LO57

3) 시험방법 및 조건

시험방법은 TDP-기능-05-03-04 "브레이크 마모시험방법"에 의거하였고, 시험조건 및 장비는 다음과 같다.

[표 5]

시험차종	타이어의 롤링 반경(mm)	디스크의 유효 반경(mm)	휠 실린더직경	P/V CUT-IN	테스트 이너셔	시험장비
EF FRT	305	102.8	57.2	35 X 0.27	5.1	TDK사 DYNO

4)시험결과

스코어링 검사 결과 본 발명에 의한 디스크(본발명양산품 3)는 5.4m, 현양산품 2는 13.5m로 모두 요구치인 40.0m이하를 만족하였고, 수치상 본발명양산품 3이 현양산품2 보다 스코어링 성능이 우수함을 확인하였다.(도5)

한편, 마모시험 결과, 시험 차종의 마모수명은 본발명양산품 3의 디스크 적용시 39,994km, 현양산품 2의 디스크 적용시 39,398km로 양자 모두 당사 요구치인 24,000km이상을 만족하였다. (도6)

이제까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 재료는 C : 3.7-3.8 wt%, Si : 1.8-2.1 wt%, Mn : 0.7-0.8 wt%, P : 0.1 wt% 이하, S : 0.1 wt% 이하, Cr : 0.4-0.6%, Cu : 0.3-0.5 wt%, Sn : 0.058-0.08 wt%, Ca : 0.01-0.04 wt%, Fe : 잔여 wt%로 이루어진 것을 특징으로 하는 합금 재료로서, 차량 브레이크 디스크에 적용시 디스크의 마모수명을 높이고, 고온열특성 및 평균제동 압력 등에 있어서 기존 재질보다 성능이 향상되는 효과를 가진다.

Claims

C : 3.7-3.8 wt%, Si : 1.8-2.1 wt%, Mn : 0.7-0.8 wt%, P : 0.1 wt% 이하, S : 0.1 wt% 이하, Cr : 0.4-0.6%, Cu : 0.3-0.5 wt%, Sn : 0.058-0.08 wt%, Ca : 0.01-0.04 wt%, Fe : 잔여 wt%로 이루어진 것을 특징으로 하는 소음저감용 브레이크 디스크용 합금 재료.
제1항에 있어서, P : 0.03 wt%이하, Cu : 0.4-0.5 wt%, Sn: 0.07-0.08 wt%인 것을 특징으로 하는 소음저감용 브레이크 디스크용 합금 재료
제1항 또는 제2항의 합금 재료로 제조된 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 디스크