KR100716343B1 - 져더 저감을 위한 금속성 마찰재용 브레이크 디스크 및 그제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 져더 저감을 위한 금속성 마찰재용 브레이크 디스크 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명은 탄소(C) 3.6∼3.8 중량%, 실리콘(Si) 2.0∼2.2 중량%, 망간(Mn) 0.4∼0.9 중량%, 크롬(Cr) 0.15 중량% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.05 중량% 이하, 구리(Cu) 0.2∼0.35 중량%, 주석(Sn) 0.02∼0.15 중량%, 인(P) 0.1 중량% 이하, 황(S) 0.2 중량% 이하, 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 브레이크 디스크 및; 이 조성물을 이용하여 브레이크 디스크를 제조하되, 흑연의 성장을 위한 충분한 온도로서 용탕 온도를 1450∼1500℃ 로 유지하면서 탄소당량을 4.3∼4.5로 증가시키고, Cr 함량을 스크랩 수준인 0,15% 이하로 유지함으로써, 경도(HB)를 150∼190까지 인위적으로 감소시킨 것을 특징으로 하는 져더 저감을 위한 금속성 마찰재용 브레이크 디스크의 제조 방법을 제공한다.

금속성 마찰재, 브레이크 디스크, 져더(JUDDER), 방열성, 미세조직, 흑연

Description

져더 저감을 위한 금속성 마찰재용 브레이크 디스크 및 그 제조 방법{Brake disk and method for manufacturing the same}

도 1은 본 발명에 따른 브레이크 디스크의 경도 측정 위치를 나타내는 개략도.

도 2는 도 1의 경도 측정 결과를 나타내는 그래프.

본 발명은 져더 저감을 위한 금속성 마찰재용 브레이크 디스크 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차 제동시 발생하는 휠과 페달의 떨림을 일컫는 져더(JUDDER)현상의 개선을 위하여 고방열특성을 갖는 흑연조직을 성장시켜 핫 져더(HOT JUDDER) 발생을 저감하는 동시에 디스크의 경도 차이를 축소하여 상온에서 마찰재의 편마모에 의한 콜드 져더(COLD JUDDER)를 줄일 수 있도록 한 져더 저감을 위한 금속성 마찰재용 브레이크 디스크 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

통상적으로 자동차용 브레이크는 움직이는 자동차가 가지고 있는 운동에너지 를 디스크와 마찰재의 마찰에 의한 열에너지로 바꾸어 자동차를 정지시키는 장치로서, 자동차의 무게와 크기에 비해 제동장치는 매우 가볍고 작기 때문에 자동차가 가지고 있는 상당량의 운동에너지를 열에너지로 변환하면, 디스크와 마찰재의 표면온도(FLASH TEMP.)는 약 1000℃에 이르는 것으로 알려져 있다.

따라서, 브레이크 디스크는 매우 효율적인 열방출 능력을 필요로 하게 된다.

이러한 요구조건을 만족시키기 위해 일반적으로 브레이크 디스크는 저렴하면서도 열방출성이 좋은 회주철을 이용하여 제작된다.

회주철의 열방출능력을 결정하는 것은 미세조직 내의 기지조직에 석출된 흑연이며, 흑연의 길이와 형상에 따라 열방출능력의 차이가 발생하는 것으로 알려져있다.

상기 흑연 조직은 디스크 내에 네트워크(network)구조를 이루며 3차원으로 배열되어 있는데, 열방출 능력이 우수한 흑연조직은 길이가 길며 방향성이 없는 A-TYPE의 1-3 SIZE정도로 고르게 퍼져 있어야만 한다.

현재 국내외에서 사용되어지는 일반적인 자동차용 브레이크 디스크는 흑연의 사이즈가 작거나 장미형(B-TYPE) 혹은 덴트라이트(dendrite) 조직을 이루고 있으며, 디스크의 부위별로 조직의 차이가 발생한다.

한편, 휠과 페달의 떨림을 일컫는 져더(JUDDER)현상의 원인은 크게 2가지로 구분된다.

첫번째는 핫 져더(HOT JUDDER) 현상이다.

핫 져더 현상은 일반적인 회주철 디스크는 600℃ 이상의 고온 조건이 지속되 거나 급랭하게 되면, 미세조직의 열변형으로 디스크 두께변화(DTV)가 발생하는 바, 이러한 디스크 두께변화(DTV) 발생후, 운전자가 제동하게 되면 토크의 불균형(BTV)을 유발하여 결국 운전자가 감지할 수 있는 떨림 현상이 나타나게 됨을 말한다.

두번째는 콜드 져더(COLD JUDDER) 현상이다.

상온에서 디스크(DISC) 가공중에 발생한 초기의 디스크 두께변화(DTV)가 비제동(OFF BRAKE) 조건에서 마찰재의 디스크 편마모에 의해 점차 증가하면서 토크의 불균형(BTV)를 증가시켜 결국 져더 현상이 발생됨을 말한다.

이때, 상대 마찰재에 따라 위와 같은 져더 현상은 큰 영향을 받게 된다.

일반적으로 사용되는 비금속성 마찰재에는 일정 경도 이상의 디스크가 사용되며, 금속성 마찰재는 일정 경도 이하의 디스크를 사용한다.

보다 상세하게는, 디스크의 상대재로 사용되는 마찰재는 마찰재 성분 내에 금속 섬유의 함유량이 30%이상인 금속성(STEEL)과 Cu 섬유를 제외한 금속 섬유가 포함되지 않은 비금속성(NON STEEL)으로 구분하고 있으며, 금속성 마찰재를 사용하는 경우 디스크에 대한 마모량이 증가하게 된다.

한편, 자동차의 디스크는 운전자가 제동하지 않는 조건(OFF-BRAKE)에서도 일부 혹은 전체 마찰면에서 마찰재와 지속적인 마찰을 하게 되며, 이때 디스크가 본래 가지고 있는 원주방향의 두께변화량(DTV)이 클수록 디스크가 부분적으로 마모되는 편마모현상을 발생시키게 된다.

이에, 디스크의 경도가 일정수준(HB150∼190) 수준일 때 디스크의 마모가 잘 일어나게 되고, 이에 의해 운전자가 제동하지 않는 조건(OFF-BRAKE)에서 발생한 디 스크 두께변화(DTV)를 감소시킬 수 있게 된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구 발명된 것으로서, 궁극적으로는 브레이크의 져더 발생 문제를 저감시키고자 대면공격성이 상대적으로 큰 금속성 마찰재에 맞추어 사용되는 경도 수준 HB150∼190 정도의 낮은 값을 갖고 방열성이 우수한 미세조직을 가지며, 상대적으로 대면공격성이 큰 금속성 마찰재를 사용하는 경우 균일한 디스크 마모에 의해 두께변화량(DTV)을 저감시킬 수 있도록 한 져더 저감을 위한 금속성 마찰재용 브레이크 디스크 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일구현예는 탄소(C) 3.6∼3.8 중량%, 실리콘(Si) 2.0∼2.2 중량%, 망간(Mn) 0.4∼0.9 중량%, 크롬(Cr) 0.15 중량% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.05 중량% 이하, 구리(Cu) 0.2∼0.35 중량%, 주석(Sn) 0.02∼0.15 중량%, 인(P) 0.1 중량% 이하, 황(S) 0.2 중량% 이하, 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 져더 저감을 위한 금속성 마찰재용 브레이크 디스크를 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는 탄소(C) 3.6∼3.8 중량%, 실리콘(Si) 2.0∼2.2 중량%, 망간(Mn) 0.4∼0.9 중량%, 크롬(Cr) 0.15 중량% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.05 중량% 이하, 구리(Cu) 0.2∼0.35 중량%, 주석(Sn) 0.02∼0.15 중량%, 인(P) 0.1 중량% 이하, 황(S) 0.2 중량% 이하, 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 브레이크 디스크 조성물을 이용하여 브레이크 디스크를 제조하되, 흑연의 성장을 위한 충분한 온도로서 용탕 온도를 1450∼1500℃ 로 유지하면서 탄소당량을 4.3∼4.5로 증가시키고, Cr 함량을 스크랩 수준인 0,15% 이하로 유지함으로써, 경도(HB)를 150∼190까지 인위적으로 감소시킨 것을 특징으로 하는 져더 저감을 위한 금속성 마찰재용 브레이크 디스크의 제조 방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 궁극적인 목적은 브레이크 져더 문제를 저감하는데 있으며, 일반적으로 져더 해결을 위한 접근방법은 전달계 개선에 의한 방법이나 기계적 장치 추가에 의하여 가능하지만, 이러한 기계적 장치의 추가는 재료 개선에 의한 져더 개선에 비해 비용이 많이 소요되는 단점이 있다. 따라서 본 발명은 재료적인 관점에서 근본적인 져더 발생을 억제할 수 있도록 한 것이다.

즉, 본 발명은 대면공격성이 상대적으로 큰 금속성 마찰재에 맞추어 사용되는 경도 수준 HB150∼190 정도의 낮은 값을 갖고, 방열성이 우수한 미세조직을 갖는 디스크를 제조함으로써, 디스크의 두께변화량(DTV)을 기존에 비하여 줄일 수 있고, 결국 져더 현상을 저감시킬 수 있도록 한 것이다.

이를 위해, 져더 저감을 위한 본 발명의 브레이크 디스크 조성은 탄소(C) 3.6∼3.8 중량%, 실리콘(Si) 2.0∼2.2 중량%, 망간(Mn) 0.4∼0.9 중량%, 크롬(Cr) 0.15 중량% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.05 중량% 이하, 구리(Cu) 0.2∼0.35 중량%, 주석 (Sn) 0.02∼0.15 중량%, 인(P) 0.1 중량% 이하, 황(S) 0.2 중량% 이하, 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하여 이루어진다.

이러한 브레이크 디스크의 성분 조성에 대한 수치 한정 이유를 설명하면 다음과 같다.

1) 탄소(C) 3.6∼3.8 중량%

탄소함량이 3.6 중량%보다 낮을 경우 D-TYPE의 발생하기 쉽고, 3.8 중량%보다 높을 경우에는 HYPER-EUTECTIC조건(C.E 4.3이상)에서 KISHY형 흑연 발생이 쉬우므로, 탄소의 함량은 3.6∼3.8 중량%로 한정한다.

2) 실리콘(Si) 2.0∼2.2 중량%

실리콘의 함유량은 2.0∼2.2 중량%가 적합하며, 그 이유는 실리콘 함량이 2.0 중량%보다 낮은 경우 흑연의 핵 생성 저하 및 탄소당량 저하로 D-TYPE의 발생하기 쉽고, 2.2 중량%보다 높은 HYPER-EUTECTIC조건(C.E 4.3이상)에서 KISHY형 흑연 발생이 쉽기 때문이다.

3) 망간(Mn) 0.4∼0.9 중량%

망간의 첨가 이유는 강성을 증가하는데 있고, 망간 함량이 0.4 중량%보다 낮을 경우 FeS 형성으로 회주철이 브리틀(BRITTLE) 해지고, 0.9 중량%보다 높을 경우에는 과도한 MnS를 형성하여 경도가 저해되므로, 망간의 함량은 3.6∼3.8 중량%로 한정한다.

4) 크롬(Cr) 0.15 중량% 이하

크롬 강력한 흑연 저해원소로 0.3%이상 첨가시 반드시 레데뷰라이트 (LEDEBURITE) 형성과 함께 주철에서 복탄화물 형성으로 흑연 성장을 방해한다.

0.15 중량%는 주철 주조시 용탕내에 고철 스크랩(scrap)에 남아있는 잔류 크롬 함량으로 적으면 좋지만, 그런 경우 상대적으로 순철의 함량이 증가해야 하므로 0.15 중량% 이하로 관리하는 것이 바람직하다.

5) 몰리브덴(Mo) 0.05 중량% 이하

몰리브덴은 크롬과 같은 역할을 하나 흑연 형성에 미치는 영향력은 훨씬 적다. 이 원소는 시멘타이트(CEMENTITE)로 고용되거나 복탄화물 형성으로 마찰시 방해가 되는 페라이트(ferrite)의 형성을 저감시켜주며, 인장강도, 항장력, 굴곡강도를 어느 정도 얻을 수 있다.

이에, 0.05% 이내의 첨가는 두께에 대한 조직의 균일화 역할을 하지만, 0.05% 이상 첨가시 경도가 상승하므로 금속성 마찰재의 상대 디스크로 적합하지 않다.

6) 구리(Cu) 0.2∼0.35 중량%

구리(Cu)는 용해도가 작으므로 0.8 중량%이내가 바람직한데, 0.35 중량% 이상 첨가시 경도를 증가시키므로 본 금속성 마찰재의 상대 디스크의 경우에는 적합하지 않고, 0.2 중량% 이상 첨가하면 실리콘(Si)처럼 흑연조장하며, 흑연조직 개선 및 얇은 부분 칠(CHILL)방지 효과가 있으므로, 0.2∼0.35 중량%로 한정한다.

7) 주석(Sn) 0.02∼0.15 중량%

주석의 첨가 이유는 기지를 강화하여 경도를 증가하는데 있고, 주석 함량이 0.02 중량%보다 낮을 경우 경도가 저하되고, 0.15 중량% 보다 높을 경우에는 B- TYPE의 흑연이 성장하여 열전도도 및 열특성이 저해되므로, 주석의 함량은 0.02∼0.15 중량%로 한정한다.

8) 인(P) 0.1 중량% 이하

인은 강 중에 존재시 성형성을 저하시키고 입계에 석출하여 충돌강도를 떨어뜨리므로, 되도록 낮게 관리하는 것이 좋으며 바람직하게는 0.1 중량% 이하로 제한하는 것이 좋다.

9) 황(S) 0.2 중량% 이하

황(S)은 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소로서, 강 중에 존재시 취성을 일으키므로, 인과 마찬가지로 낮게 관리되는 것이 바람직하므로 황의 함량을 0.2% 이하로 제한하는 것이 좋다.

이러한 본 발명의 브레이크 디스크 조성에 있어서, 탄소(C) 및 실리콘(Si) 함량은 탄소당량(

) 을 4.3~4.5 수준으로 유지하여야 A 타입(TYPE)의 크기(SIZE) 1-3 수준의 흑연을 만들 수 있다.

이와 같은 조성으로 본 발명의 브레이크 디스크를 제조하는 방법을 설명하면 다음과 같다.

상기한 브레이크 디스크 조성물을 이용하여 브레이크 디스크를 제조하되, 흑연의 성장을 위한 충분한 온도로서 용탕 온도를 1450∼1500℃ 로 유지하면서 탄소당량을 4.3∼4.5로 증가시키고, Cr 함량을 스크랩 수준인 0,15% 이하로 유지하는 과정을 통하여 본 발명의 브레이크 디스크가 제조된다.

즉, 본 발명의 브레이크 디스크에 대한 제조 조건은 용해로 기준 용탕온도 1400±50℃ 조건의 용탕을 (1)대차로 이송한 후 (2)대차에서 주입기로의 이송을 거쳐 (3)최종 금형에 주입을 하게 된다. 이때 탄소 당량 및 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu)등의 함량이 조절된 용탕이 사용되어야 하며, (1)대차로 용탕이 부어질 때(POURING)에는 스트림접종을 이용하여 접종을 한다. (2)대차에서 주입기로의 이동시에도 스트림접종을 하며 주입기에서 용탕의 성분을 검사하여 최종 목표 성분치가 본 발명의 성분치에 합당한지 확인한 후 (3)최종 금형에 주입한다.

본 발명은 수평 및 수직 주형 방식 모두에 해당하며, 금형에 용탕 주입 후 금형이 해체될 때까지의 시간은 40∼45 분으로 한다. 이때 금형으로의 주입시에도 스트림접종을 실시한다. 스트림 접종은 수동/혹은 자동 방식의 접종기를 사용하며, 접종제는 일반적인 Si,Fe,Ca BASE의 접종제를 사용한다.

이러한 방법에 의거 본 발명의 브레이크 디스크의 경도(HB)는 150∼190까지 인위적으로 감소되어진다. 즉, 금속성 마찰재에 적합하게 경도(HB) 150∼190 수준을 갖는 디스크로 제작된다.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명하고자 한다.

하기 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 이들 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

실시예

하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 탄소(C) 3.7 중량%, 실리콘(Si) 2.0 중량%, 망간(Mn) 0.6 중량%, 크롬(Cr) 0.15 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.05 중량%, 구리(Cu) 0.3 중량%, 주석(Sn) 0.10 중량%, 인(P) 0.1 중량%, 황(S) 0.2 중량%, 잔량의 철(Fe)로 이루어진 브레이크 디스크 조성을 용탕 온도를 1450∼1500℃ 로 유지하면서 통상의 방법으로 브레이크 디스크를 제작하였다.

비교예

하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 탄소(C) 3.7 중량%, 실리콘(Si) 2.1 중량%,크롬(Cr) 0.2 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.05 중량%, 구리(Cu) 0.35 중량%, 주석(Sn) 0.6 중량%, 잔량의 철(Fe)로 이루어진 기존의 브레이크 디스크 조성을 1400∼1450℃ 로 유지하면서 통상의 방법으로 브레이크 디스크를 제작하였다.

시험예

실시예 및 비교예에 의하여 제작된 시편에 대하여 통상의 장비를 이용하여 경도 측정을 하였으며, 경도 측정위치는 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이 인보드 및 아웃보드의 중앙면과 바깥쪽면에 대하여 실시하였으며, 그 결과는 첨부한 도 2에 도시된 그래프에서 보는 바와 같다.

시험 결과, 대면공격성이 상대적으로 낮은 비금속성 마찰재(NON STEEL)용 종래의 디스크는 경도 수준이 HB200 이었으나, 대면공격성이 상대적으로 높은 금속성 마찰재(LOW STEEL)계열에 적합한 본 발명의 디스크는 경도 수준이 HB150∼290 정도로 낮아졌음을 알 수 있었다.

또한, 기존 및 본 발명의 디스크 시편에 대하여 브레이크 다이나모 시험을 하였는 바, 기존의 디스크에 비해 최고 온도가 20∼100도까지 저감됨을 알 수 있었다.

결국, 본 발명의 디스크는 발열성에 효과적인 A-TYPE에서 최대 흑연길이 1-3 SIZE의 흑연 조직을 제공하면서, 방열특성을 갖는 흑연조직을 성장시켜 핫 져더(HOT JUDDER) 발생을 저감하는 동시에 디스크의 경도 차이를 축소하여 상온에서 마찰재의 편마모에 의한 콜드 져더(COLD JUDDER)를 줄일 수 있게 된다.

이상에서 본 바와 같이, 져더 저감을 위한 금속성 마찰재용 브레이크 디스크 및 그 제조 방법에 의하면, 고온까지 상승될 수 있는 제동 조건에서 최소 20∼100도 이상의 온도를 기존 주철재 디스크 대비 낮출 수 있으며, 이로 인해 고온 져더(JUDDER)를 방지할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 디스크 양면(INBOARD/OUTBOARD)의 경도 차이를 축소하여 상온에서 발생하는 콜드 져더(COLD JUDDER)를 저감하는 효과를 갖는다.

또한, 금속성 마찰재를 사용할 시에 적절한 대면 공격성을 이용하여 디스크를 마모시켜 이미 발생된 두께변화량(DTV)을 저감하는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 삭제
2. 금속성 마찰재용 브레이크 디스크의 제조 방법에 있어서,

   탄소(C) 3.6∼3.8 중량%, 실리콘(Si) 2.0∼2.2 중량%, 망간(Mn) 0.4∼0.9 중량%, 크롬(Cr) 0.15 중량% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.05 중량% 이하, 구리(Cu) 0.2∼0.35 중량%, 주석(Sn) 0.02∼0.15 중량%, 인(P) 0.1 중량% 이하, 황(S) 0.2 중량% 이하, 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 브레이크 디스크 조성물을 이용하여 브레이크 디스크를 제조하되, 흑연의 성장을 위한 충분한 온도로서 용탕 온도를 1450∼1500℃ 로 유지하면서 탄소당량을 4.3∼4.5로 증가시키고, Cr 함량을 스크랩 수준인 0,15% 이하로 유지함으로써, 경도(HB)를 150∼190까지 인위적으로 감소시킨 것을 특징으로 하는 져더 저감을 위한 금속성 마찰재용 브레이크 디스크의 제조 방법.

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