KR100593419B1

KR100593419B1 - 차량용 브레이크 디스크의 제조방법

Info

Publication number: KR100593419B1
Application number: KR1020040066238A
Authority: KR
Inventors: 이광래
Original assignee: 이광래
Priority date: 2004-08-23
Filing date: 2004-08-23
Publication date: 2006-06-28
Also published as: KR20060017950A; WO2006022494A1

Abstract

본 발명은 제품의 경량화로 차량의 연비가 향상되며, 내마모성의 증가로 수명이 연장되고, 환경오염도 방지하는 차량용 브레이크 디스크의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 차량용 브레이크 디스크는 C 3.0 ~ 3.8중량%, Si 2.0 ~ 2.8중량%, Mn 0.1 ~ 0.4중량%, P 0.01 ~ 0.08중량%, S 0.001 ~ 0.02중량%, Mg 0.01 ~ 0.05중량%에 더하여 Mo 0.15 ~ 0.4중량%, Cu 0.5 ~ 1.2중량%, Ni 0.6 ~ 2.0중량%의 세가지 성분 또는 이중에서 두가지 성분을 선택적으로 포함하며, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되고, 페라이트조직 2 ~ 40%, 펄라이트조직 60 ~ 98%로 조성되며, 구상화율이 70% 이상이고, 흑연수가 100개/mm²이상인 구상흑연주철을 무산화분위기로에서 소재의 심부가 850 ~ 950℃로 되도록 가열하여, 그 온도에 도달한 때부터 10분 ~ 2시간 유지한 후, 300 ~ 420℃로 유지되며 교반중인 저온염욕로 또는 오일로에 넣어 1 ~ 2시간 유지한 다음에 공냉 또는 수냉하는 차량용 브레이크 디스크의 제조방법이 제공된다.

Description

차량용 브레이크 디스크의 제조방법 {Manufacturing method of a brake disk for a vehicle}

도 1은 본 발명에 따른 차량용 브레이크 디스크의 사시도

도 2는 상기 실시예의 오스템퍼링 열처리 사이클도

도 3은 상기 실시예의 오스템퍼링 열처리 전 소재의 열처리 사이클도

도 4는 상기 실시예의 오스템퍼링 열처리 후 기계가공품의 열처리 사이클도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1. 브레이크패드 2. 패드접촉면

3. 바퀴조립면 4. 볼트관통공

본 발명은 차량용 브레이크 디스크의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제품의 경량화로 차량의 연비가 향상되며, 내마모성의 증가로 수명이 연장되고, 환경오염도 방지하는 차량용 브레이크 디스크의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량용 브레이크 디스크는 브레이크 패드와의 마찰에 의해 차량을 감속 및 정지시키는 제동장치로써, 이 차량용 브레이크 디스크는 주로 Fe, C, Si, Mn, P, S 등으로 조성된 일반주철 성분으로 이루어지는데, 편석이 심하고 조성이 불균일하여 열처리시 불량이 발생할 수 있으므로, 일반적으로 열처리를 하지 않고, 열처리 대신에 내열성과 내마모성을 향상시키기 위해 Cr을 첨가하여 사용되고 있다.

그런데, 이러한 일반적인 회주철은 제조가 용이하고 열처리를 하지 않으므로 제작비가 저렴한 잇점은 있으나, 인성이 없고 충격에 약하기 때문에 이 취약한 물성을 보완하기 위해 제품의 두께를 두껍게 제작하므로 제품을 경량화 할 수 없는 문제점이 있다. 또한, 전술한 바와 같이 회주철은 통상적으로 열처리를 하지 않고, Cr과 같은 첨가제를 사용하여 경도를 높여주므로, 내마모성의 증가로 인한 수명을 연장하는데 한계가 있다.

뿐만 아니라, 회주철인 브레이크 디스크의 내열성과 내마모성을 향상시키기 위해 소재에 첨가되고, 제품을 미려하게 하기 위해 표면에 도금되는 Cr성분이 차량의 제동시 브레이크 패드와의 마찰과정에서 대기중으로 방출되어 환경이 오염되는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 차량용 브레이크 디스크를 제조할 때, 구상흑연주철을 열처리하여 사용함으로써, 제품의 경량화가 가능하여 이에 따른 차량의 연비가 향상되며, 내마모성의 증가로 수명이 연장되고, Cr을 사용하지 않고도 소정의 내열성과 내마모성이 부여되어 환경오염도 방지하는 차량용 브레이크 디스크의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따르면, 차량용 브레이크 디스크는 C 3.0 ~ 3.8중량%, Si 2.0 ~ 2.8중량%, Mn 0.1 ~ 0.4중량%, P 0.01 ~ 0.08중량%, S 0.001 ~ 0.02중량%, Mg 0.01 ~ 0.05중량%에 더하여 Mo 0.15 ~ 0.4중량%, Cu 0.5 ~ 1.2중량%, Ni 0.6 ~ 2.0중량%의 세가지 성분 또는 이중에서 두가지 성분을 선택적으로 포함하며, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되고, 페라이트조직 2 ~ 40%, 펄라이트조직 60 ~ 98%로 조성되며, 구상화율이 70% 이상이고, 흑연수가 100개/mm²이상인 구상흑연주철을 무 산화분위기로에서 소재의 심부가 850 ~ 950℃로 되도록 가열하여, 그 온도에 도달한 때부터 10분 ~ 2시간 유지한 후, 300 ~ 420℃로 유지되며 교반중인 저온염욕로 또는 오일로에 넣어 1 ~ 2시간 유지한 다음에 공냉 또는 수냉하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 디스크의 제조방법이 제공된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기한 열처리 전에, 상기 소재의 심부가 700 ~ 950℃가 되도록 가열하여, 그 온도에서 10분 ~ 1시간 유지한 후, 공냉 또는 노냉으로 서냉하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 디스크의 제조방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기한 열처리 후에, 상기 소재를 기계가공하여 브레이크 패드와의 접촉면과 바퀴와의 조립면, 볼트관통공을 형성하고, 소재의 심부가 300 ~ 600℃가 되도록 가열하여, 그 온도에서 10분 ~ 1시간 유지한 후, 공냉 또는 수냉하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 디스크의 제조방법이 제공된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명에 따른 차량용 브레이크 디스크를 도시한 사시도이고, 도 2는 상기 실시예의 오스템퍼링 열처리 사이클도이며, 도 3은 상기 실시예의 오스템퍼링 열처리 전 소재의 열처리 사이클도이고, 도 4는 상기 실시예의 오스템퍼링 열 처리 후 기계가공품의 열처리 사이클도이다.

이를 참조하면, 본 발명은 고철과 회수철에 가탄제를 혼합하여 저주파 유도로에 장입, 가열하여 용탕을 만들어 용기에 출탕하고, 용기에서 Fe-Si-Mg를 접종하여 구상화처리 후, 브레이크 디스크 형상의 사형에 주입하여 냉각시킨 구상흑연주철과, 이 구상흑연주철을 열처리하여 내열성, 내마모성, 신율, 충격치 등의 기계적 성질을 부여하는 오스템퍼링 열처리와, 이 오스템퍼링 전에 전처리하여 주조조직의 내부응력을 풀어주는 풀림 열처리와, 상기 브레이크 디스크의 기계가공완료 후에 후처리하여 기계가공응력을 제거하는 응력제거 열처리로 대별된다.

상기 구상흑연주철의 성분 규정이유를 설명하면, C는 3.0 ~ 3.8중량% 포함되는데, C가 3.0중량% 미만일 때는 흑연의 구상화과정에서 편석이 발생될 확률이 높고, 3.8중량%를 초과할 때는 열처리 후에 소재의 신율이 감소되는 현상이 발생된다. Mn은 0.1 ~ 0.4중량% 포함되어 열처리시 베이나이트화를 촉진하는 효과가 있으나, 0.1중량% 미만일 때는 열처리시 베이나이트화가 저하되고, 0.4중량%를 초과할 때는 편석으로 인해 국부경화가 발생되며 균일한 조직을 만들지 못하여 취약해져서 신율 및 내충격성이 저하된다. S은 0.001 ~ 0.02중량% 포함되나, S의 양이 많아지면 상대적으로 Mn의 양이 줄어들게 된다.

Mg은 0.01 ~ 0.05중량% 포함되며, 흑연의 구상화를 위해 최소 0.01% 이상 사용되지만 0.05중량%를 초과할 때는 소재를 취약하게 하고 소정의 신율을 얻을 수 없다. Mo은 0.15 ~ 0.4중량% 포함되어 열처리시 냉각속도의 조절역할 즉, 두께차이가 큰 제품의 심부까지 균일한 조직을 형성하게 하고, 베이나이트화 과정에서 냉각 속도에 따른 조직의 변화를 억제하여 균일한 조직을 이루게 하는데, 0.15중량% 미만일 때는 냉각시 조직이 불균일해지고, 0.4중량%를 초과할 때는 편석을 일으키기 쉬우며 흑연화를 위해서 고온유지시간이 장시간 필요하게 된다.

Cu와 Ni은 Mo과 같은 효과가 있으며, 흑연의 구상화입자를 고르게 분포시키고, 신율을 향상시키며 특히 펄라이트량을 증가시켜 충격강도가 향상되는 열처리효과를 높여준다. 그러나, Cu가 0.5중량%, Ni이 0.6중량% 미만일 때는 열처리효과가 없고, 필요이상으로 많이 첨가하면 제조원가만 상승하기 때문에 Cu는 1.2중량%, Ni이 2.0중량% 이하로 한다. 이 Cu, Ni, Mo은 동시에 첨가되어도 무방하나, 주조원가의 절감을 위해 두가지성분만 선택하여 포함한다. Si과 P은 일반적인 주철합금에 적용되는 값이며, 나머지는 Fe과 불가피한 불순물로 조성된다.

또한, 구상흑연주철의 금속조직 규정이유를 설명하면, 구상화흑연주철 주물의 냉각속도에 따라 페라이트조직과 펄라이트조직으로 나뉘어 형성되는데, 이중 펄라이트조직이 60% 미만이 되면 열처리후의 조직이 균일하지 못하여 열처리효과가 감소되며, 이로 인해 인장강도와 신율이 뷸규칙하게 되고, 98%를 초과하면 열처리 후의 신율 상승을 저해하여 원하는 성질의 제품을 얻을 수 없다.

그리고, 주물상태에서 구상화를 위한 접종제의 첨가량과 접종횟수에 따라 구상화율과 흑연수가 결정되는데, 구상화율이 70% 미만일 경우에는 열처리 후에 부분적인 편석이 발생되어 경도가 불균일하기 때문에 고온에서 장시간의 흑연화작업이 필요하게 되고, 이로 인해 열처리비용이 올라가서 바람직하지 않게 된다. 또한, 조 직내에 흑연수가 많을수록 열처리후의 신율이 향상되는데, 100개/mm²미만이 되면 열처리 후에 신율과 내충격성이 급격히 저하된다.

상기와 같은 성분조성과 금속조직을 갖는 구상흑연주철품과 종래 회주철품의 성분조성 및 열처리 전 경도를 비교한 결과는 아래의 [표 1]과 같다. 이 표에 의하면, 본 발명인 구상흑연주철품이 종래 회주철품에 비하여, 성분조성에서는 구상화 접종제로 사용된 Mg이 있으나, 경화능 향상용 첨가제인 Cr은 없으며, 경도에서는 열처리 전 상태에서도 경도가 상대적으로 높으며, 이외에 강도, 내마모성, 내열성, 내산화성 등이 우수한 반면에 주조성은 안 좋아서 복잡한 형상의 제품에는 적용되지 못하는 단점이 있으며, 두께에 대한 감도가 커서 엷은 부분에는 chill(냉경)이 생기므로 주조 후에 열처리작업이 수반되어야 한다.

성 분(중량%)	C	Si	Mn	P	Mg	S	Ni	Cu	Mo	Cr	경도 (HB)
종래품	3.38	2.48	0.65	0.072	-	0.027	0.09	0.53	-	0.75	170 ~ 200
본 발명품 1	3.52	2.35	0.3	0.017	0.03	0.016	0.9	0.68	0.15	-	220 ~ 290
본 발명품 2	3.54	2.4	0.26	0.035	0.02	0.018	1.25	0.65	-	-	220 ~ 290
본 발명품 3	3.5	2.38	0.22	0.037	0.03	0.015	-	0.68	0.23	-	220 ~ 290
본 발명품 4	3.58	2.25	0.25	0.02	0.03	0.017	0.96	-	0.22	-	220 ~ 290

[표 1] 화학성분(중량%) 및 경도(HB) 비교

실시예 1 : 오스템퍼링 열처리

상기와 같은 구상흑연주철품을 가지고 온도조건을 달리하여 오스템퍼링 열처리를 하였다. 오스템퍼링 열처리는 주조 소재조직인 펄라이트과 페라이트의 혼합조직을 가열하여 오스테나이트조직으로 변태시키는 오스테나이징처리 후에 소정의 온도를 유지하는 오일로에서 냉각 및 유지하여 베이나이트조직으로 변태시키는 템퍼링처리하는 열처리를 칭하는데, 여기서 베이나이트조직은 강도, 경도, 신율, 충격치, 내마모성 등의 모든 물성에서 우수한 효과를 나타내어, 상기 오스템퍼링 열처리에서 가장 중요한 요소는 오스테나이트조직을 베이나이트조직으로 변태시키는 템퍼링온도이다.

그러므로 상기 [표 1]과 같은 다수의 구상흑연주철품을 동일한 오스테나이징 온도로 가열하고, 템퍼링온도를 달리하여 시험한 결과가 아래의 [표 2]와 같이 나왔으며, 표기된 모든 물성치를 만족하는 가장 이상적인 기계적 성질을 갖는 제품은 300 ~ 420℃에서 템퍼링처리한 것으로 나타났다.

그래서, 구상흑연주철품을 무산화분위기로에서 소재의 심부가 850 ~ 950℃로 되도록 가열한 다음에 그 온도에 도달한 때부터 10분 ~ 2시간 유지하여 오스테나이징처리하고, 300 ~ 420℃로 유지되며 교반중인 저온염욕로 또는 오일로에 넣어 1 ~ 2시간 유지하여 템퍼링처리를 한 후, 공냉 또는 수냉하여 소정의 요구물성을 만족하는 제품을 얻을 수 있다.(도 2참조) 여기서 유지시간은 제품의 열처리로내 장입량에 따라 다소 변동될 수 있다.

템퍼링 온도	종래품 (비열처리)	250℃	280℃	300℃	320℃	360℃	380℃	400℃	420℃	450℃
인장강도 (kg/mm²)	20 ~ 30	160 ~ 180	150 ~ 175	150 ~ 170	140 ~ 160	110 ~ 130	100 ~ 120	95 ~ 110	90 ~ 100	70 ~ 85
2% 내력 (kg/mm²)	-	120 ~ 140	110 ~ 130	110 ~ 130	105 ~ 125	90 ~ 100	80 ~ 90	60 ~ 70	45 ~ 55	35 ~ 50
신율 (%)	1 ~ 2	2 ~ 5	3 ~ 6	5 ~ 8	6 ~ 9	7 ~11	9 ~15	7 ~12	5 ~ 9	3 ~ 7
경 도 (HB)	170 ~ 190	450 ~ 490	430 ~ 450	380 ~ 430	340 ~ 380	310 ~ 360	280 ~ 330	260 ~ 290	250 ~ 280	230 ~ 270
충격치 (kgm/cm²)	-	3 ~ 5	4 ~ 7	6 ~ 8	7 ~ 9	10 ~ 12	10 ~ 15	10 ~ 12	7 ~ 9	5 ~ 6
내마모성 (동종강과 비교)	-	2 ~ 3배	2 ~ 3배	2 ~ 3배	2 ~ 3배	2 ~ 3배	2 ~ 3배	2 ~ 3배	2 ~ 3배	1 ~ 2배

[표 2] 템퍼링온도에 따른 기계적 성질 비교

도 3에 도시된 풀림 열처리는 상기 구상흑연주철의 오스템퍼링 열처리 전에 실시하는 전처리를 칭한다. 본 발명의 차량용 브레이크 디스크는 도 1에 도시된 바와 같이 둥글고 넓적한 원판의 형상이며, 그 소재인 구상흑연주철은 고온의 용탕이 냉각되어 성형된 주조조직이므로 가열과 냉각과정에서 상당한 내부응력을 가지고 있다. 따라서, 주조된 구상흑연주철품을 바로 오스템퍼링 열처리할 경우, 형상적인 불리함과 내부응력으로 인하여 가열과정에서 열변형이 발생되어 후기계가공을 하기 어렵다. 또한, 차량의 제동시 브레이크 패드와 마찰되며 브레이크 디스크의 온도가 상승되며, 이 열에 의해 열변형이 발생되어 마찰제동력을 저하시킨다.

그러므로, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 오스템퍼링 열처리를 하기 전에 차량용 브레이크 디스크 구상흑연주철품을 그 심부가 700 ~ 950℃가 되도록 가열한 다음에 그 온도에서 10분 ~ 1시간 유지한 후, 공냉 또는 노냉으로 서냉하는 풀림 열처리를 한다.(도 3참조) 여기서 유지시간은 제품의 열처리로내 장입량에 따라 다소 변동될 수 있다. 이와 같은 전처리로 주조조직의 내부응력을 풀어주는 풀 림처리를 하여줌으로써, 오스템퍼링 열처리 중에 제품의 열변형을 최소화하여 후기계가공이 용이하고, 차량의 제동시에 발생되는 브레이크 디스크와 브레이크 패드의 마찰열에도 열변형이 방지되어 마찰제동력을 유지한다.

도 4에 도시된 가공응력제거 열처리는 상기 구상흑연주철의 오스템퍼링 열처리와 기계가공을 완료한 다음에 실시하는 후처리를 칭한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 차량용 브레이크 디스크는 브레이크 패드(1)와의 접촉면(2)과 바퀴와의 조립면(3), 다수의 볼트관통공(4) 등의 넓은 면적을 기계가공하게 되어 그 가공면에 상당한 가공응력이 존재하며, 시간이 지남에 따라 이 응력에 의해 제품이 미세하게 휘는 시효변형이 발생된다. 이와 같이 시효변형된 브레이크 디스크는 브레이크 패드와 접촉되는 면적이 좁아지고 제동능력의 저하를 가져온다. 그러므로, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 차량용 브레이크 디스크 기계가공완료제품을 그 심부가 300 ~ 600℃가 되도록 가열한 다음에 그 온도에서 10분 ~ 1시간 유지한 후, 공냉 또는 수냉하는 가공응력제거 열처리를 한다.(도 4참조) 여기서 유지시간은 제품의 열처리로내 장입량에 따라 다소 변동될 수 있다. 이와 같은 후처리로 제품의 기계가공응력을 제거하여줌으로써, 기계가공완료 후에 제품의 변형을 최소화하여 마찰면적을 유지시키므로 제동능력의 저하를 방지해 준다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 차량용 브레이크 디스크의 제조시 구상 흑연주철품을 열처리하여 사용함으로써, 종래 인성이 없고 충격에 약하여 두께가 두껍게 제작되었던 회주철품에 비하여, 제품 두께가 얇아서 차량의 경량화효과가 있으면서도, 내마모성과 인성, 충격치 등의 기계적 성질이 우수하여 수명이 연장되는 효과를 얻을 수 있다.

특히, 차량 경량화효과에 대하여 언급하면, 종래 제품보다 브레이크 디스크 1개당 3 ~ 5kg이 가벼워져서 차량의 양쪽바퀴에 장착시 6 ~ 10kg이 경량화되는데, 차량에서는 동력전달의 최종장치인 바퀴의 중량을 1kg 경량화 할 경우 차량무게를 10kg 가볍게 하는 것과 같은 효과를 나타내므로, 60 ~ 100kg의 차량 경량화효과로 차량의 연비가 향상되는 효과가 있다.

또한, 종래의 회주철에서 열처리하지 못하여 내열성과 내마모성을 향상시키기 위해 주조시 첨가제로 사용되고, 제품표면을 미려하게 하기 위해 도금되는 Cr성분이 차량의 제동시 브레이크 패드와 마찰되며 대기중으로 방출되어 환경이 오염되는 것에 비하여, 구상흑연주철은 열처리하여 내마모성과 인성, 충격치 등의 기계적 성질이 우수하므로 Cr과 같은 경화능 향상용 첨가제가 필요없고, 외장도 회주철품에 비하여 미려하므로 외장용 Cr도금도 할 필요가 없어, Cr으로 인한 환경오염을 방지하는 효과가 있다.

또한, 구상흑연주철을 오스템퍼링 열처리하기 전에 전처리로 주조조직의 내부응력을 풀어주는 풀림처리를 하여줌으로써, 오스템퍼링 열처리 중에 제품의 열변형을 최소화하여 후기계가공이 용이하고, 차량의 제동시에 발생되는 브레이크 디스크와 브레이크 패드의 마찰열에 열변형이 되는 것을 방지할 수 있으므로 차량의 제 동능력 저하를 방지하는 효과가 있다.

또한, 차량용 브레이크 디스크의 기계가공을 완료한 다음에 후처리로 제품의 기계가공응력을 제거하여줌으로써, 기계가공완료 후에 제품의 변형을 최소화하여 브레이크 패드와의 마찰면적을 유지시키므로 제동능력의 저하를 방지하는 효과가 있다.

Claims

C 3.0 ~ 3.8중량%, Si 2.0 ~ 2.8중량%, Mn 0.1 ~ 0.4중량%, P 0.01 ~ 0.08중량%, S 0.001 ~ 0.02중량%, Mg 0.01 ~ 0.05중량%에 더하여 Mo 0.15 ~ 0.4중량%, Cu 0.5 ~ 1.2중량%, Ni 0.6 ~ 2.0중량%의 세가지 성분 또는 이중에서 두가지 성분을 선택적으로 포함하며, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되고, 페라이트조직 2 ~ 40%, 펄라이트조직 60 ~ 98%로 조성되며, 구상화율이 70% 이상이고, 흑연수가 100개/mm²이상인 구상흑연주철을 무산화분위기로에서 소재의 심부가 850 ~ 950℃로 되도록 가열하여, 그 온도에 도달한 때부터 10분 ~ 2시간 유지한 후, 300 ~ 420℃로 유지되며 교반중인 저온염욕로 또는 오일로에 넣어 1 ~ 2시간 유지한 다음에 공냉 또는 수냉하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 디스크의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기한 열처리 전에, 상기 소재의 심부가 700 ~ 950℃가 되도록 가열하여, 그 온도에서 10분 ~ 1시간 유지한 후, 공냉 또는 노냉으로 서냉하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 디스크의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기한 열처리 후에, 상기 소재를 기계가공하여 브레이크 패드와의 접촉면과 바퀴와의 조립면, 볼트관통공을 형성하고, 소재의 심부가 300 ~ 600℃가 되도록 가열하여, 그 온도에서 10분 ~ 1시간 유지한 후, 공냉 또는 수냉하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 디스크의 제조방법.