KR101066685B1 - 브레이크 마찰재 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 브레이크 마찰재에 관한 것으로, 석탄을 사용하는 화력발전소에서 부산물로 생성되는 플라이 애쉬(Fly Ash)를 연마재로 활용함으로써 환경오염을 방지함과 동시에 마찰성능을 향상시키고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
플라이 애쉬, 연마재, 환경오염, 마찰계수, 마모, 소음
Description
본 발명은 브레이크 마찰재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 석탄을 사용하는 화력발전소에서 부산물로 생성되는 플라이 애쉬(Fly Ash)를 연마재로 활용함으로써 환경오염을 방지함과 동시에 마찰성능을 향상시키고 제조비용을 절감할 수 있는 브레이크 마찰재에 관한 것이다.
자동차 브레이크의 제동은 주행하는 자동차의 운동에너지를 고속 회전하는 디스크 로터나 패드 등과 마찰재와의 접촉에 의한 열에너지로의 전환에 의하여 이루어진다. 이와 같은 로터와 마찰재와의 접촉에 의한 열에너지로의 전환은 소음, 진동 및 마찰재의 마모 등을 수반하게 되는데, 이들은 마찰재의 원료와 그 혼합량에 따라 상이하게 된다.
일반적으로 마찰재는 여러 가지 조건을 만족시켜야 하며, 그 중 대표적인 것이 제동시의 적절한 수준의 안정된 마찰계수, 진동이나 잡음의 극소화, 마찰재와 로터의 마모감소 및 저렴한 제조단가이다. 또한, 이러한 마찰재는 다양한 조건과 환경에서 사용되므로 온도, 습도, 속도 및 감속도 등에 따라 마찰특성이 가급적 변화하지 않도록 고안되어야 한다.
마찰재로 석면계 마찰재가 30~70%를 차지하였으나, 석면이 발암물질로 규정되면서 1980년대 후반부터 규제 대상이 되어 석면을 대체할 마찰재가 개발되고 있다. 석면계 마찰재를 대체하는 마찰재로 유기계 마찰재와 금속성 마찰재가 있고, 금속성 마찰재는 금속의 함량에 따라 저금속 마찰재와 반금속 마찰재로 구분된다.
금속성 마찰재는 수명이나 고온 마찰특성에서 유기계 마찰재에 비하여 안정적이나 제동시 안락감의 저해 요소인 소음과 떨림 현상 등이 더 발생한다. 따라서 금속성 마찰재는 대형 차량에 많이 사용되고 유기계 마찰재는 승용차에 많이 사용된다. 한편, 유기계 마찰재는 그 마찰특성을 보완하여 경트럭에도 사용되는 등 그 적용의 폭이 확대되고 있다.
아라미드 섬유, 아크릴 섬유 등의 유기섬유가 유기계 마찰재의 기지로 사용된다. 유기계 마찰재는 이러한 유기섬유에 마찰재를 이루는 각 구성요소를 결합시키면서 강도를 유지시키는 결합제, 마찰제동, 안정성 및 내마모성에 영향을 미치는 윤활재, 원가를 낮추고 마찰성능을 향상시키기 위해 사용되는 충진재, 로터에 부착된 이물질을 제거하고 상대재의 공격성 저하 및 마찰계수의 증가를 위한 연마재 등 5~20여 종의 물질이 혼합되어 구성된다.
마찰성능 향상을 위해 사용되는 연마재로는 ZrSiO4, Al2O3, ZrO2, Zeolite, SiO2, MgO 등이 있다. 하지만 마찰재의 성분 중 1(Vol)%~40(Vol)%를 차지하는 이러한 원료들은 다른 원료에 비해 가격이 비싸므로 마찰재의 제조단가 절감을 위하여 보다 저렴한 대체 원료의 필요성이 대두되고 있다.
한편, 지속적인 유가 상승으로 인하여 국내 전력생산은 원가가 저렴한 석탄을 이용한 화력발전과 원자력 발생에 크게 의존하고 있으며, 그 비중이 점차 증대되고 있다. 이에 따라 석탄을 사용하는 화력발전소의 건설 및 사용량의 증가는 석탄의 연소로 인해 발생하는 석탄회의 증가로 이어지고 있으며, 2010년 이후 석탄회 발생량은 연간 1000만 톤에 이를 것으로 보고되고 있다.
석탄회는 석탄을 연소시킬 때 발생되는 애쉬(Ash, 회, 재)를 말하며, 이를 집진하는 장소에 따라 플라이 애쉬(Fly Ash), 크링카 애쉬(Clinker Ash), 신더 애쉬(Cinder Ash)로 구분된다. 플라이 애쉬는 집진기에 의해서 집진되어 집진기 하부의 호퍼에 모이는 애쉬로 발생 애쉬의 약 80%이고, 크링카 애쉬는 보일러 연소실 아래의 홉퍼에 모이는 애쉬로 발생 애쉬의 약 15%이며, 신더 애쉬는 절탄기나 공기 예열기 아래의 호퍼에 모이는 애쉬로 발생 애쉬의 약 5%이다.
플라이 애쉬의 입경은 탄종이나 연소조건에 따라 다르며 일부가 재활용 된다. 플라이 애쉬는 콘크리트 혼화재와 시멘트의 원료로 주로 사용되고 시멘트 2차 제품의 원료 및 지반 성토재 등으로 일부 사용되고 있다. 활용되지 못하는 대부분의 플라이 애쉬는 크링카 애쉬와 마찬가지로 이송탱크(Transfer Tank)로 보내진 후 애쉬 폰드(Ash Pond)에 버려진다.
이와 같이, 플라이 애쉬의 활용용도가 한정되어 있어 대부분의 플라이 애쉬가 그대로 매립되고 있어 토양 및 환경오염의 원인이 되고 있으며 매립지의 확보도 어려운 실정이다.
본 발명은 석탄을 사용하는 화력발전소에서 부산물로 발생하는 플라이 애쉬에 의한 환경오염을 방지함과 동시에 마찰성능을 향상시키고 제조비용을 절감할 수 있는 브레이크 마찰재를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 플라이 애쉬를 브레이크 마찰재의 연마재로 활용하여 환경오염을 방지함과 동시에 마찰재의 성능을 향상시키고 제조비용을 절감시킨다.
본 발명은 플라이 애쉬를 브레이크 마찰재의 연마재로 활용하여 환경오염을 방지함과 동시에 마찰재의 성능을 향상시키고 제조비용을 절감시키는 효과가 있다.
본 발명은 석탄을 사용하는 화력발전소에서 부산물로 생성되는 플라이 애쉬를 마찰재의 연마재로 사용함으로써 마찰재의 마찰제동력과 고온 제동안정성을 향상시키고, 상대재의 공격성 및 소음발생을 저하시키고, 제조비용을 절감시키며, 플라이 애쉬의 매립으로 인한 토양 및 주변 환경오염을 방지할 수 있는 유기계 마찰재를 제공한다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다. 도 1은 플라이 애쉬의 생성과정도이고, 도 2는 플라이 애쉬의 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이다. 플라이 애쉬는 석탄의 종류, 발전 장비 및 보일러 연소조건 등에 따라 물리적, 화학적 성분이 일정하지 아니하다. 본 발명에서는 한국공업규격 (KS L 5404, 표1)에 적합하도록 정제과정을 거친 원료를 사용한다.
<표1: 플라이 애쉬 한국공업규격>
| 항 목 | KS 기준 | |
| 이산화규소 (SiO2) (%) | 45.0 이상 | |
| 수분 (%) | 1.0 이하 | |
| 강열감량 (%) | 5.0 이하 | |
| 밀도 (g/cm2) | 1.95 이하 | |
| 분말도 | 45㎛체 체잔분 (망체방법) (%) |
40 이하 |
| 비표면적 (브레인 방법) (cm2/g) |
3000 이상 | |
정제과정을 거친 플라이 애쉬의 입자크기는 1~100㎛이며, 평균 20~30㎛이다. 플라이 애쉬의 입자의 형태는 도 2와 같이 구형이고, 다공성 구조로 되어 있다. 이 같은 입자의 크기와 형태는 브레이크 마찰재에서 요구되는 상대재의 공격성 및 소음의 감소, 마찰안정성, 강도 및 경도의 유지에 적합하여 마찰재의 연마재로의 사용이 가능하다.
<표2: 플라이 애쉬 입도 분포>
| 입도 분포 (%) | ＜10% | ＜25% | ＜50% | ＜75% | ＜90% |
| Size distribution (micro meter) |
1.606㎛ | 4.732㎛ | 12.79㎛ | 32.30㎛ | 62.40㎛ |
플라이 애쉬의 주요성분은 실리카(SiO2)가 50~65%, 알루미나(Al2O3)가 10~25%로 이들이 대부분을 차지하고, 그 밖에 산화철(Fe2O3)이 1~10%, 산화마그네슘(MgO)이 0~5%로 소량 함유되어 있다. 이는 기존의 연마재로 사용되는 Al2O3, SiO2, MgO 등의 성분과 유사하여 대체 사용에 지장이 없으며, 대부분 수입에 의존하고 있는 기존 원료보다 가격이 낮아 마찰재 제조원가를 절감할 수 있다.
본 발명의 브레이크 마찰재는 원료의 계량, 원료의 혼합, 예비가압성형, 고 온가압성형 및 열처리 공정을 거쳐 제조되며, 그 원료로는 강화섬유가 기지로 사용되고, 이에 결합재, 윤활재, 충진재 및 연마재가 일정한 비율로 혼합된다.
강화섬유는 아라미드 섬유, 아크릴 섬유 등의 유기섬유를 기본으로 하여 유리섬유, 구리, 황동, 철 등의 금속섬유를 단독 또는 2종 이상 병용한다.
마찰재의 구성요소를 결합시키고 강도를 유지하기 위한 결합제로는 페놀수지, 에폭시 수지, 아미드 수지 등을 단독 또는 2종 이상 병용한다.
마찰재와 상대재의 마모를 줄이고, 마찰에 의해 생성된 미세물질의 로터 융착을 방지하고, 소음을 감소시키기 위한 윤활재로는 흑연을 기본으로 하여 MoS2, Sb2S3 등을 단독 또는 2종 이상 병용한다.
마찰성능을 향상시키고 마찰재의 기본적인 물성을 조정하기 위한 충진재로는 카슈분말(Cashew Dust), 고무 등의 유기충진재와 고온 마모율을 향상시키는 BaSO4, CaCO3, Ca(OH)2 등의 무기충진재를 단독 또는 2종 이상 병용한다.
로터에 부착된 이물질을 제거하고 상대재의 공격성 저하 및 마찰계수 증가를 위한 연마재로는 플라이 애쉬를 단독 또는 기존의 연마재와 병용한다.
본 발명은 위와 같은 원료를 일정비율로 배합한 후, 혼합기로 적정시간 혼합시킨 다음, 2~4ton/cm2의 압력으로 예비성형하고, 이 예비성형물을 100~200℃의 성형온도에서 100~300kg/cm2의 성형압력으로 고온가압성형을 하고, 이어서 200~300℃에서 열처리하여 제조한다.
이어서 실시예와 비교예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
아래의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과한 것으로, 본 발명의 범위는 아래의 실시예로 한정되지 아니한다.
[실시예]
<표3: 원료 배합표> (Volume %)
| 구분 | 비교예 | 실시예1 | 실시예2 | 실시예3 | 실시예4 |
| 기지섬유 | 39.5 | 39.5 | 39.5 | 39.5 | 39.5 |
| 결합재 | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 |
| 윤활재 | 7.5 | 7.5 | 7.5 | 7.5 | 7.5 |
| 유기충진재 | 11 | 11 | 11 | 11 | 11 |
| 무기충진재 | 20 | 20 | 20 | 18 | 16 |
| 연마재 | 7 | 2 | 0 | 0 | 0 |
| 플라이 애쉬 | 0 | 5 | 7 | 9 | 11 |
즉, 실시예의 경우에는 기존의 연마재를 줄이고 줄인 만큼 플라이 애쉬를 배합하거나 기존의 연마재 대신에 플라이 애쉬를 배합하였다. 배합된 플라이 애쉬는 각각 5(Vol)%, 7(Vol)%, 9(Vol)%, 11(Vol)%이다.
이와 같이 배합한 원료를 혼합기로 적정시간 혼합시킨 다음, 2~4ton/cm2의 압력으로 예비성형하고, 이 예비성형물을 100~200℃의 성형온도에서 100~300kg/cm2의 성형압력으로 고온가압성형을 하고, 이어서 200~300℃에서 열처리하였다.
[비교예]
종전과 같이 연마재로 Al2O3 등을 7(Vol)% 배합한 상기 표3의 원료를 혼합기로 적정시간 혼합시킨 다음, 2~4ton/cm2의 압력으로 예비성형하고, 이 예비성형물을 100~200℃의 성형온도에서 100~300kg/cm2의 성형압력으로 고온가압성형을 하고, 이어서 200~300℃에서 열처리하였다.
도 3은 1/5 Scale Dynamometer의 계략도이고, 도 4는 시험편 및 상대재 디스크의 계략도이다. 위의 실시예 및 비교예의 마찰재를 도 3의 1/5 Scale Dynamometer를 이용하여 JASO C406-P1 실험모드로 제동성능을 시험하였다.
제동성능시험을 위하여 1/5 Scale Dynamometer의 실험에 적합하도록 50×20×10cm의 크기로 시험편을 각각 제작하여 사용하였으며, 사용 디스크 역시 시험에 적합하도록 제작된 일반 회주철 디스크를 사용하였다.
제동성능을 시험하기 위한 방법으로 주행속도 및 제동 감속도의 변화에 따른 마찰계수의 변화를 평가하는 효력(Effectiveness)시험과 고온 영역에서의 마찰계수의 변화를 측정하기 위한 페이드 앤드 리커버리(Fade & Recovery)시험을 실시하였다. 소음시험을 위하여 1/5 Scale Dynamometer 내에 설치된 마이크로폰을 이용하여 FFT(Fast Fourier Transform)에 의한 시험을 하였다. 시험결과는 다음 표4와 같다.
<표4: 마찰성능시험결과>
| 구 분 | 비교예 | 실시예1 | 실시예2 | 실시예3 | 실시예4 | |
| 평균마찰계수 (μ) | 0.394 | 0.457 | 0.443 | 0.454 | 0.436 | |
| 2nd Effectiveness (100km/h) |
0.3g | 0.456 | 0.543 | 0.518 | 0.530 | 0.492 |
| 0.6g | 0.361 | 0.515 | 0.468 | 0.491 | 0.461 | |
| 1'st Fade | 최고(μ) | 0.434 | 0.564 | 0.544 | 0.521 | 0.527 |
| 최저(μ) | 0.289 | 0.290 | 0.304 | 0.291 | 0.296 | |
| 소음발생 회수 (70dB이상, 15kHz이하) |
0 | 0 | 0 | 0 | 1 | |
| 마모량 (mm) | 0.405 | 0.362 | 0.385 | 0.439 | 0.476 | |
도 5는 성능시험 마찰계수 비교도이다.
상기 표4와 도 5에서 보는 바와 같이 평균마찰계수(μ)는 플라이 애쉬를 사용하지 않은 비교예에 비하여 플라이 애쉬와 기존 연마재를 혼합한 실시예1의 경우 15.9% 상승하였다. 플라이 애쉬만을 연마재로 사용한 실시예2의 경우는 12.4%, 실시예3의 경우는 15.2%, 실시예4의 경우는 10.6%씩 상승하였다.
도 6은 효력시험 마찰계수 비교도이다.
상기 표4와 도 6에서 보는 바와 같이 100km/h 고속주행 중의 마찰계수(2nd Effectiveness)는 저감속(0.3g) 상태에서 비교예에 비하여 실시예1은 19%, 실시예2 는 13.5%, 실시예3은 16.2%, 실시예4는 7.8% 상승하였으며, 고감속(0.6g) 상태에서는 비교예에 비하여 각각 42.6%, 29.6%, 36%, 27.7% 상승하였다.
도 7은 페이드 앤드 리커버리 마찰계수 비교도이다.
상기 표4와 도 7에서 보는 바와 같이 고온에서의 마찰계수의 저하 정도를 평가하는 페이드(Fade)시험에서도 플라이 애쉬를 포함한 실시예에서의 마찰계수가 비교예에 비하여 높게 측정되었으나 마찰계수의 최고값과 최저값의 편차는 비교예보다 크게 나타났다. 균일한 마찰제동력 형성에 있어 이러한 차이는 순수원료 대신에 플라이 애쉬를 사용한 결과로 판단된다.
도 8은 소음 발생회수 비교도이다.
상기 표4와 도 8에 나타난 소음발생 결과는 70dB 이상, 15kHz 이하에서 비교예와 실시예1, 2, 3은 소음발생이 없었고 실시예4는 소음이 1회 발생하였다.
도 9는 마모량 비교도이다.
상기 표4와 도 9에서 보는 바와 같이 마모량은 비교예에 비하여 실시예1과 실시예2는 각각 10%, 5% 감소하였으나, 실시예3과 실시예4는 각각 8%, 15% 증가하였다.
상기의 마찰성능시험 결과를 종합할 때, 마찰재의 연마재로 플라이 애쉬를 5(Vol)% 이상 사용하면 종전의 마찰재에 비하여 평균마찰계수와 고속, 고온 제동력이 향상된다. 소음과 마모량의 경우에는 10(Vol)%이상 사용시에 소폭 상승하고 그 이하로 사용하는 경우에는 종전의 마찰재와 같은 수준인 것을 알 수 있다.
따라서 석탄을 사용하는 화력발전소에서 부산물로 발생하는 플라이 애쉬를 브레이크 마찰재의 연마재로 활용하면 환경오염을 방지함과 동시에 마찰재의 성능을 향상시키고 제조비용을 절감시킬 수 있다.
도 1은 플라이 애쉬의 생성과정도이고,
도 2는 플라이 애쉬의 SEM 사진이다.
도 3은 1/5 Scale Dynamometer의 계략도이고,
도 4는 시험편 및 상대재 디스크의 계략도이다.
도 5는 성능시험 마찰계수 비교도이고,
도 6은 효력시험 마찰계수 비교도이며,
도 7은 페이드 앤드 리커버리 마찰계수 비교도이다.
도 8은 소음 발생회수 비교도이고,
도 9는 마모량 비교도이다.
Claims (4)
- 강화섬유를 기지로 하는 브레이크 마찰재에 있어서,플라이 애쉬를 연마재로 5(Vol)%~9(Vol)% 포함시키는 것을 특징으로 하는 브레이크 마찰재
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|---|---|---|---|---|
| JPS5924779A (ja) | 1982-08-03 | 1984-02-08 | Nisshinbo Ind Inc | セミメタリツク摩擦材 |
| JPS6038488A (ja) | 1983-08-11 | 1985-02-28 | Nisshinbo Ind Inc | 摩擦材 |
| JP2000110864A (ja) * | 1998-09-30 | 2000-04-18 | Aisin Seiki Co Ltd | ディスクロータ |
| KR20090038177A (ko) * | 2007-10-15 | 2009-04-20 | 현대모비스 주식회사 | 친환경 브레이크 마찰재 조성물 |
-
2009
- 2009-08-26 KR KR1020090079112A patent/KR101066685B1/ko active IP Right Grant
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