KR100935882B1 - 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크에 관한 것으로서, 가혹한 제동 환경에서도 우수한 제동특성을 유지할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 편상흑연조직을 가지고, 탄소(C)가 디스크의 총중량비를 기준으로 3.7중량% ∼ 4.0중량%, 규소(Si)가 디스크의 총중량비를 기준으로 1.5중량% ∼ 3.0중량%, 망간(Mn)이 디스크의 총중량비를 기준으로 0.1중량% ∼ 1.0중량%, 니켈(Ni)이 디스크의 총중량비를 기준으로 1.0중량% ∼ 2.0중량%, 크롬(Cr)이 디스크의 총중량비를 기준으로 0.2중량% ∼ 0.5중량%, 몰리브덴(Mo)이 디스크의 총중량비를 기준으로 0.5중량% ∼ 1.2중량%, 코발트(Co)가 디스크의 총중량비를 기준으로 0.5중량% ∼ 3.0중량%, 바나듐(V)이 디스크의 총중량비를 기준으로 0.5중량% 이하로 조성되며, 그 나머지가 불순물을 포함한 철(Fe)로 구성된다.
Description
본 발명은 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 가혹한 제동 환경에서도 우수한 제동특성을 유지할 수 있는 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크에 관한 것이다.
브레이크 디스크는 차량의 액슬에 설치되며, 브레이크 패드와의 마찰 접촉에 의해 제동되도록 구성된다. 이러한 브레이크 디스크는 브레이크 패드와 높은 압력으로 마찰 접촉하므로, 내마모성과 내열성 그리고 내충격성이 우수해야 한다.
통상적으로, 브레이크 디스크는 아공정(Hypor Eutectic) 조성 범위의 저탄소계 편상흑연주철이 사용되고 있다.
그런데, 이러한 저탄소 편상흑연주철재 브레이크 디스크는, 내마모성은 우수하나, 열응력, 열충격 등에 취약하다는 문제점이 있다. 특히, 열응력, 열충격 등에 취약하므로, 브레이크 패드와의 마찰 접촉시 쉽게 열변형되거나 열균열 현상이 발생되어 조기에 파손되거나 손상되는 결점이 지적되고 있다.
이를 감안하여, 내열균열성과 내마모성 및 기계적 강도를 향상시킨 브레이크 디스크가 다수 제안되고 있다.
그 일례로서, 한국특허등록 제0118772호의 "차량의 브레이크 디스크용 코탄소 흑연주철"이 있다.
이 기술은, 탄소성분을 증가시키고, 합금원소의 구성성분과 성분비를 개선한 것으로, 제동시에 발생하는 열에너지가 열전도율이 높은 고탄소 흑연조직을 통해 신속히 방출되도록 구성된다.
따라서, 마찰 접촉시 발생되는 마찰열로 인한 브레이크 디스크의 열균열 현상을 방지한다. 그 결과, 내열균열성과 내마모성이 우수하고 수명이 긴 브레이크 디스크가 제조될 수 있게 한다.
그러나, 이러한 종래의 브레이크 디스크는, 내열균열성과 내마모성이 향상되기는 하지만, 여전히, 내열균열성과 내마모성이 부족하다는 단점이 있다.
특히, 최근 들어, 각종 차량이 대형화·고속화됨에 따라 극심한 제동 환경에 노출되는 사례가 점점 많아지고 있는데, 이러한 경우, 내열균열성과 내마모성이 부족한 종래의 브레이크 디스크로는 극심한 제동 환경, 즉, 극고온의 마찰열, 극도의 마찰력과 충격력에 대응할 수 없다는 문제점이 지적되고 있다.
이로써, 종래의 브레이크 디스크로는 대형화·고속화된 차량, 예를 들면, 고속철도차량, 대형트럭, 고속버스 등에 사용하기에 부적합하다는 결점이 지적되고 있다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 고탄소 편상흑연의 정출조건을 그대로 유지하면서 우수한 내열균열성과 내마모성을 갖도록 구성함으로써, 극심한 제동 환경에서도 우수한 제동특성을 유지할 수 있는 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 극심한 제동 환경에서도 우수한 제동특성을 유지할 수 있게 구성함으로써, 극고온의 내열성, 극도의 내마모성과 내충격성이 요구되는 대형화·고속화 차량에도 적용이 가능한 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크를 제공하는 데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크는, 편상흑연조직을 가지고, 탄소(C)가 디스크의 총중량비를 기준으로 3.7중량% ∼ 4.0중량%, 규소(Si)가 디스크의 총중량비를 기준으로 1.5중량% ∼ 3.0중량%, 망간(Mn)이 디스크의 총중량비를 기준으로 0.1중량% ∼ 1.0중량%, 니켈(Ni)이 디스크의 총중량비를 기준으로 1.0중량% ∼ 2.0중량%, 크롬(Cr)이 디스크의 총중량비를 기준으로 0.2중량% ∼ 0.5중량%, 몰리브덴(Mo)이 디스크의 총중량비를 기준으로 0.5중량% ∼ 1.2중량%, 코발트(Co)가 디스크의 총중량비를 기준으로 0.5중량% ∼ 3.0중량%, 바나듐(V)이 디스크의 총중량비를 기준으로 0.5중량% 이하로 조성되며, 그 나머지가 불순물을 포함한 철(Fe)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크는, 구성성분과 성분비가 대폭적으로 개선되므로, 내마모성과 내열균열성 및 기계적 강도와 열전도성이 매우 우수한 편상흑연조직을 갖게 되는 효과가 있다.
또한, 내마모성과 내열균열성과 기계적 강도와 열전도성이 우수하므로, 극심한 제동 환경에서도 우수한 제동특성을 유지할 수 있다. 특히, 극고온의 마찰열과 극도의 충격력에 노출될 경우라도 우수한 제동특성을 지속적으로 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 극심한 제동 환경에서도 우수한 제동특성을 유지할 수 있으므로, 극도의 내열성과 내마모성과 내충격성이 요구되는 대형화·고속화 차량에도 적용할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 따른 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명의 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크는, 용융된 원료소재를 주조하여 제조하는 것으로서, Fe-c계 주철로 구성되며, 철(Fe)과 탄소(C)를 포함한다.
탄소는, 흑연(Gr)으로 정출된 탄소와 철(Fe)중에 고용된 탄소 모두 포함한다. 이러한 탄소는 브레이크 디스크의 총중량비를 기준으로 3.7중량% ∼ 4.0중량% 범위로 조성되는 것이 바람직하다.
이렇게 조성한 이유는, 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크의 주조성과 내균열성을 높이기 위해서는 탄소의 함유량을 증가시켜서 고용탄소는 낮추고 편상흑연 의 정출량은 증가시켜야 한다. 그런데, 탄소의 함유량을 증가시키고자 탄소의 함유량이 4.0중량%를 초과하면, 제조시에 편상흑연조직의 조대화(粗大化) 현상이 발생되고, 그로 인해 편상흑연조직의 열화가 발생되어 제품의 기계적 성능을 저하시키기 때문이다.
따라서, 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크의 주조성과 내균열성을 높이기 위한 최적의 탄소 함유량은 4.0중량%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명의 브레이크 디스크는, 규소(Si)와 망간(Mn)과 니켈(Ni)과 크롬(Cr)을 포함한다.
규소는, 편상흑연의 정출을 촉진시키는 역할을 하는 것으로, 브레이크 디스크의 총중량비를 기준으로 1.5중량% ∼ 3.0중량% 범위로 조성되는 것이 바람직하다.
이는, 규소의 함유량이 1.5중량% 미만이면 편상흑연의 정출이 저하되어 흑연화율이 떨어지고, 규소의 함유량이 3.0중량%를 초과하면 정출된 고탄소 편상흑연조직에 열화반응이 일어나 디스크 전체의 기계적 강도를 저하시키기 때문이다.
따라서, 흑연의 정출을 촉진시키는 최적의 규소 함유량은, 디스크의 총중량비를 기준으로 1.5중량% ∼ 3.0중량% 범위인 것이 바람직하다.
망간은, 유황과 친화력이 강한 것으로, 유황과 반응하여 황화망간(MnS) 화합물을 형성하며, 이렇게 MnS 화합물을 형성한 망간은 편상흑연의 정출을 저해하는 유황의 유해작용을 중화시킨다.
이러한 망간은 디스크의 총중량비를 기준으로 0.1중량% ∼ 1.0중량% 범위로 조성되는 것이 바람직하다. 특히, 망간의 함유량이 1.0중량%를 초과하는 않는 것이 바람직하다.
이는, 망간의 함유량이 1.0중량%를 초과하면 조직내의 결정립계 또는 셀경계 등에 편석되어 고온에서의 내열균열 특성이 저하될 우려가 있기 때문이다.
니켈은, 기지조직을 강화하여 강도 및 경도를 향상시키는데 유효한 원소이다. 특히, 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V) 등의 첨가에 따른 기지조직의 백선화(Chill) 경향을 감소시켜주는 역할을 한다.
이러한 니켈은, 디스크의 총중량비를 기준으로 1.0중량% ∼ 2.0중량% 범위로 함유되는 것이 바람직하다.
이는, 니켈의 함유량이 1.0중량% 미만이면 기지조직의 펄라이트상이 조대하게 성장할 우려가 있고, 니켈의 함유량이 2.0중량%를 초과하면 기지조직의 마르텐사이트화 경향이 있기 때문이다.
크롬은, 펄라이트 촉진원소로서, 펄라이트 조직을 미세화시킨다. 따라서, 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크의 고온강도와 내마모성을 크게 향상시키는 역할을 한다.
이러한 크롬은, 디스크의 총중량비를 기준으로 0.2중량% ∼ 0.5중량% 범위로 함유되는 것이 바람직하다. 특히, 크롬의 함량이 0.5중량%를 초과하는 않는 것이 바람직하다.
이는, 크롬의 함량이 0.5중량%를 초과하면 탄화물을 형성하여 편상흑연화를 저해할 우려가 있기 때문이다.
그리고 본 발명의 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크는, 몰리브덴(Mo)과 코발트(Co)와 바나듐(V)을 포함한다.
몰리브덴은, 응고과정에서 결정립계(Grain Boundry)에 편석이 일어나는 것으로, 특히, 몰리브덴 탄화물(Mo Carbides)는 결정립의 경계에서 생성되어 결정립의 성장을 억제하고 전위(dislocation)를 고착시켜 슬립(Slip)을 억제한다.
따라서, 몰리브덴은, 브레이크 디스크의 고온강도 특성을 형상시키고, 열균열의 발생과 성장을 억제하여 열피로저항(Thermal Fatigue Resistance)성능을 향상시킨다.
이러한 몰리브덴은, 디스크의 총중량비를 기준으로 0.5중량% ∼ 1.2중량% 범위로 함유되는 것이 바람직하다. 특히, 몰리브덴의 함량이 1.2중량%를 초과하는 않는 것이 바람직하다.
이는, 몰리브덴의 함량이 1.2중량%를 초과하면 냉각속도가 느린 후육부(厚肉部)에서 M23C6 또는 M23C6 탄화물이 입계에 국부적으로 생성되어 편석되고, 이로써, 본 발명에서 이루고자 하는 고온에서의 내열균열 특성이 저하될 우려가 있기 때문이다.
코발트는, 고탄소 주철의 고온강도와 내열균열성능을 개선시키는데 유용한 원소로서, 디스크의 총중량비를 기준으로 0.5중량% ∼ 3.0중량% 범위로 함유되는 것이 바람직하다.
이는, 코발트의 함유량이 0.5중량% 미만이면 내열균열 성능이 급격히 떨어지 고, 코발트의 함유량이 3.0중량%를 초과해도 내열균열 성능이 떨어지기 때문이다.
바나듐은, 기지조직을 미세화시켜 결정립의 조대화를 방지하고, 크롬 및 몰리브덴과 함께 고온 열특성을 개선하는 역할을 하는 것으로, 디스크의 총중량비를 기준으로 0.5중량% 이하로 함유되는 것이 바람직하다.
이는, 바나듐의 함유량이 0.5중량%를 초과하면 탄화물이 과다 형성되어 고온에서의 내열균열 특성을 저하시킬 우려가 있기 때문이다.
한편, 본 발명의 브레이크 디스크 구성성분에 있어서, 코발트(Co)와 바나듐(V)의 합이 디스크의 총중량비를 기준으로 3.2중량% 미만으로 함유되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 브레이크 디스크는, 기지조직내에서의 페라이트와 탄화물(Carbides)의 분포비율이 디스크의 총체적비를 기준으로 5.0% 미만으로 분포되는 것이 바람직하다. 이는, 페라이트와 탄화물의 분포비율이 5.0% 이상이면, 디스크의 내열특성과 내마모성능이 저하될 우려가 있기 때문이다.
위와 같은 성분과 조성비로 이루어진 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크는, 내마모성과 내열균열성 및 기계적 강도와 열전도성이 매우 우수한 고탄소 편상흑연조직을 갖게 된다.
따라서, 극심한 제동 환경에서도 우수한 제동특성을 유지할 수 있다. 특히, 극고온의 마찰열과 극도의 충격력에 노출될 경우라도 우수한 제동특성을 지속적으로 유지할 수 있게 된다. 그 결과, 극도의 내열성과 내마모성과 내충격성이 요구되는 대형화·고속화 차량에도 적용이 가능하다.
다음으로, 본 발명자는 표 1과 표 2와 표 3에서와 같이, 구성성분 및 성분비를 각각 다르게 하여 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크를 제조해 보았으며, 제조된 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크의 기계적 성질을 비교 테스트해 보았다.
표 1은 구성성분 및 성분비를 각각 다르게 하여 제조한 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크의 실시예들을 나타내는 것이고, 표 2는 표 1의 실시예들을 몇 가지 항목(인장강도, 경도, 흑연사이즈, 흑연타입, 페라이트율)으로 비교 테스트 한 결과를 나타낸 것이며, 표 3은 표 1의 실시예들을 마모시험한 결과를 나타낸 것이다.
이때, 실시예 1-4들은 구성성분 및 성분비를 상술한 범위내에서 각각 다르게 조성한 사례이고, 비교예는 실시예 1-4들과 대비되는 사례로서, 구성성분 및 성분비가 상술한 범위를 벗어나도록 조성한 사례이다. 그리고 마모시험시의 시험조건으로는, 시편치수 → 25*50*10mm, 마모시험기 → 정속마찰시험기, 마찰속도 → 1.58m/sec, 부하 → 13kgf, 총거리 → 600m로 하였다.
[표 1]
| 성분(중량%) | 탄소 (C) | 규소 (Si) | 망간 (Mn) | 니켈 (Ni) | 몰리 브덴 (Mo) | 크롬 (Cr) | 바나듐 (V) | 코발트 (Co) | 비고 |
| 실시예 1 | 3.96 | 1.92 | 0.82 | 1.12 | 1.18 | 0.30 | 0.48 | 0.52 | |
| 실시예 2 | 3.95 | 1.55 | 0.42 | 1.52 | 1.10 | 0.42 | 0.23 | 0.81 | |
| 실시예 3 | 3.82 | 2.60 | 0.63 | 1.79 | 0.85 | 0.25 | 0.25 | 1.33 | |
| 실시예 4 | 3.74 | 2.83 | 0.75 | 1.94 | 0.56 | 0.22 | 0.18 | 2.85 | |
| 비교예 | 3.75 | 2.2 | 0.24 | 0.81 | 0.22 | - | - | - |
[표 2]
| 구분 | 인장강도(MPa) | 경도(HB) | 흑연조직 | 비고 | |||
| 흑연 사이즈 | 흑연타입 | 페라이트 | |||||
| 실시예 1 | 254 | 247 | 3 | A | 1% | ||
| 실시예 2 | 252 | 238 | 3 | A | 1% | ||
| 실시예 3 | 263 | 239 | 4 | A | 1% | ||
| 실시예 4 | 265 | 243 | 4 | A | 2% | ||
| 비교예 | 185∼198 | 205∼210 | 4 | A | 2% | ||
[표 3]
| 시험횟수 | 1회 | 2회 | 3회 | 평균마모량(Volume/cm3) |
| 실시예 1 | 2.62 | 1.82 | 1.78 | 2.07 |
| 실시예 2 | 2.51 | 1.90 | 1.65 | 2.02 |
| 실시예 3 | 2.48 | 1.98 | 1.40 | 2.10 |
| 실시예 4 | 2.53 | 1.76 | 1.51 | 1.81 |
| 비교예 | 5.40 | 4.14 | 3.20 | 4.24 |
시험결과, 구성성분 및 성분비가 상술한 범위내에서 조성된 실시예 1-4들의 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크는, 편상흑연조직을 갖게 되고, 그 크기가 3∼4, 분포상태가 A형인 것으로 나타났다. 이러한 실시예 1-4들의 브레이크 디스크는, 편상흑연조직이 미세하고 방향성이 균일한 A형 구조를 가지므로, 기계적 강도가 매우 우수한 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 1-4들의 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크는, 페라이트비율과 인장강도와 경도도 비교예에 비해 월등히 우수한 것으로 나타났다.
그리고 마모시험결과, 본 발명에 의해 제조된 실시예 1-4들의 브레이크 디스크는, 표 3에 나타난 바와 같이, 평균마모량이 1.81∼2.07 Volume/cm3 이고, 비교예의 브레이크 디스크는 평균마모량이 4.24 Volume/cm3 인 것으로 나타났다. 결과적으로, 본 발명의 브레이크 디스크는 내마모성도 종래의 브레이크 디스크보다 월등히 우수한 것으로 나타났다.
종합적으로 살펴보면, 본 발명에 의해 제조된 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크는 종래의 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크보다 인장강도와 경도가 모두 우수하고, 이로써, 내마모성과 내열균열성 및 기계적 강도와 열전도성이 매우 우수한 것으로 나타났다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
Claims (3)
- 편상흑연조직을 가지고, 탄소(C)가 디스크의 총중량비를 기준으로 3.7중량% ∼ 4.0중량%, 규소(Si)가 디스크의 총중량비를 기준으로 1.5중량% ∼ 3.0중량%, 망간(Mn)이 디스크의 총중량비를 기준으로 0.1중량% ∼ 1.0중량%, 니켈(Ni)이 디스크의 총중량비를 기준으로 1.0중량% ∼ 2.0중량%, 크롬(Cr)이 디스크의 총중량비를 기준으로 0.2중량% ∼ 0.5중량%, 몰리브덴(Mo)이 디스크의 총중량비를 기준으로 0.5중량% ∼ 1.2중량%, 코발트(Co)가 디스크의 총중량비를 기준으로 0.5중량% ∼ 3.0중량%, 바나듐(V)이 디스크의 총중량비를 기준으로 0.5중량% 이하로 조성되며, 그 나머지가 불순물을 포함한 철(Fe)로 구성되는 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크에 있어서.상기 코발트(Co)와 바나듐(V)의 합이 디스크의 총중량비를 기준으로 3.2중량% 미만으로 함유되고,기지조직내에서의 페라이트와 탄화물(Carbides)의 분포비율이 디스크의 총체적비를 기준으로 5.0% 미만으로 분포되는 것을 특징으로 하는 고탄소 합금주철재 브레이크 디스크.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105240429A (zh) * | 2015-10-27 | 2016-01-13 | 张荣斌 | 一种含钒半金属型刹车片 |
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2009
- 2009-07-22 KR KR1020090066832A patent/KR100935882B1/ko active IP Right Grant
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