KR101240970B1

KR101240970B1 - 자동차용 브레이크 디스크 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101240970B1
Application number: KR1020100072248A
Authority: KR
Inventors: 이재영; 김윤철
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2010-07-27
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2013-03-11
Also published as: KR20120010732A

Abstract

본 발명은 회주철과 구상흑연주철에서 공통되며, 탄소(C) 3.1~3.6 중량%, 규소(Si) 2.1~2.7 중량%, 망간(Mn) 0.4~0.7 중량%, 인(P) 0.05~0.1 중량%, 황(S) 0.01~0.10 중량%, 그리고 잔량의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 조성된 기본 용탕을 준비하고, 상기 기본 용탕의 일부에 크롬(Cr) 0.02~0.3 중량%, 구리(Cu) 0.05~1 중량%, 주석(Sn) 0.001~0.1 중량%를 용해시켜 회주철 재질의 마찰판을 형성하는 단계와;
상기 기본 용탕의 나머지에 니켈(Ni) 0.05~4 중량%, 마그네슘(Mg) 0.15~1.0 중량%를 용해시켜 구상흑연주철 재질의 디스크햇을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지고, 상기 기본 용탕을 회주철과 구상흑연주철 용탕으로 동시에 사용할 수 있는 것을 특징으로 하는 브레이크 디스크용 주철 조성물을 이용한 브레이크 디스크의 제조방법을 제공한다.

Description

자동차용 브레이크 디스크 및 이의 제조방법{Brake disk for vehicle and manufacturing method of it}

본 발명은 자동차용 브레이크 디스크 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이종 재질로 이루어져 토크 내구강도와 방열성능을 모두 만족시킬 수 있는 자동차용 브레이크 디스크 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

디스크 브레이크식 차량의 각 휠에는 브레이크 디스크가 결합되어 휠과 같이 회전되고, 휠과 함께 회전되는 디스크를 선택적으로 브레이크 패드와 밀착시켜 그 마찰력을 통하여 차량에 제동력이 제공된다.

도 1을 참조하여 종래의 브레이크 디스크를 살펴보면, 브레이크 디스크(1)는 일체로 성형된 디스크 햇(disk hat, 1a)과 마찰판(1b)으로 구성된다.

상기 디스크 햇(1a)은 중심부에 관통홀(4)을 구비하고, 상기 관통홀(4) 주변에 원주방향을 따라 복수의 체결홀이 형성되어, 디스크 햇(1a)이 체결볼트(3)에 의해 휠(미도시)과 체결된다.

그리고, 상기 디스크 햇(1a)은 스플라인으로 구동축(2)과 결합되어, 구동축(2)의 회전력을 휠에 전달한다.

상기 마찰판(1b)은 월(wall)부(1c)에 의해 디스크 햇(1a)의 외경부를 따라 연속해서 일체로 형성되고, 디스크 햇(1a)과 함께 회전하면서 선택적으로 브레이크 패드에 의해 압착되어, 그 마찰력으로 인해 차량에 제동이 걸리게 된다.

그러나, 종래의 브레이크 디스크의 제조방법은 디스크 햇(1a)과 마찰판(1b)을 하나의 재질(예,주철재의 일종인 FC 재질)을 사용하여 일체로 주조제작함으로 인해 효율적인 제동을 이끌어내지 못하는 점이 있었다.

왜냐하면, 디스크 햇(1a)은 구동축(2)으로부터 반복적으로 그리고 순간적으로 토크를 받고, 휠과의 볼트체결로 인해 체결압축력을 항시 받고 있기 때문에 강도 및 내구성의 향상이 요구되고, 마찰판(1b)은 브레이크패드와 마찰로 인해 마찰열을 발생시키기 때문에 방열성능의 향상이 요구된다.

따라서, 상기 브레이크 디스크(1)가 하나의 재질로 제작되는 경우에 요구되는 토크 내구강도 및 방열성능을 동시에 만족시키기는 어려운 실정이다.

이와 같은 점을 감안하여 발명한 것으로서, 본 출원인이 2008년 6월 20일에 특허출원하여 공개된 10-2009-0132172호에는 브레이크 디스크의 디스크 햇과 마찰판을 일체로 주조하되 각각의 특성에 맞도록 이종의 재질로 구성된 브레이크 디스크가 개시되어 있다.

그러나, 상기 공개특허에서 브레이크 디스크의 제조시 회주철(FC) 용탕 및 구상흑연주철(FCD) 용탕은 그 조성이 서로 달라서 두가지의 용탕을 따로 준비해야하기 때문에 비용 및 제조시간이 오래 걸리는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 단점을 감안하여 발명한 것으로서, 기존의 브레이크 디스크 제조시 두가지의 용탕을 따로 준비하던 것을 개선하여, 기본 용탕의 조성범위를 결정하여 회주철과 구상흑연주철을 동시에 사용함으로써, 비용을 절감하고 제조시간을 단축시킬 수 있는 자동차용 브레이크 디스크 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 회주철과 구상흑연주철에서 공통되며, 탄소(C) 3.1~3.6 중량%, 규소(Si) 2.1~2.7 중량%, 망간(Mn) 0.4~0.7 중량%, 인(P) 0.05~0.1 중량%, 황(S) 0.01~0.10 중량%, 그리고 잔량의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 조성된 기본 용탕을 준비하고, 상기 기본 용탕의 일부에 크롬(Cr) 0.02~0.3 중량%, 구리(Cu) 0.05~1 중량%, 주석(Sn) 0.001~0.1 중량%를 용해시켜 회주철 재질의 마찰판을 형성하는 단계와;

상기 기본 용탕의 나머지에 니켈(Ni) 0.05~4 중량%, 마그네슘(Mg) 0.15~1.0 중량%를 용해시켜 구상흑연주철 재질의 디스크햇을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지고, 상기 기본 용탕을 회주철과 구상흑연주철 용탕으로 동시에 사용할 수 있는 것을 특징으로 하는 자동차용 브레이크 디스크의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 자동차용 브레이크 디스크 및 이의 제조방법에 의하면, 회주철과 구상흑연주철의 물성을 공통적으로 만족시킬 수 있는 기본 용탕을 조성하여, 회주철 용탕과 구상흑연주철 용탕을 조성하는데 상기 기본 용탕을 동시에 사용함으로써, 이종재질을 단일품 내에 주조시 제조비용을 절감하고 제조시간을 단축시킬 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 디스크식 제동장치를 보여주는 단면도
도 2는 본 발명에 따른 브레이크 디스크를 보여주는 단면도
도 3은 본 발명에 따른 브레이크 디스크의 각 부분 미세조직을 보여주는 사진

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 브레이크 디스크(10)를 보여주는 단면도이다.

본 발명은 기본(Base) 용탕의 조성범위를 결정하여 회주철(FC)과 구상흑연주철(FCD)을 동시에 사용할 수 있는 브레이크 디스크(10)용 주철 조성물을 이용한 브레이크 디스크(10)의 제조방법에 관한 것이다.

이종재질의 브레이크 디스크(10)는 구상흑연주철재질의 디스크 햇(disk hat, 10a)과, 회주철 재질의 마찰판(10b)과, 구상흑연주철과 회주철이 상호 융화되는 월(wall)부(10c)로 구성되고, 이들이 하나의 몸체로 주조된다.

상기 마찰판(10b)에는 패드가 접촉되어 마찰력과 제동력을 제공하고, 디스크 햇(10a)에는 볼팅홀(180)이 형성되어 휠(미도시)과 결합되며, 월부(10c)는 디스크 햇(10a)과 마찰판(10b)을 단차지게 연결한다.

상기 디스크 햇(10a)은 구상흑연주철인 FCD400~FCD700(JS규격)을 사용할 수 있다.

구상흑연주철은 회주철이 갖지 못하는 구상화된 흑연과 페라이트(ferrite) 기지조직으로 10% 수준의 신률과 회주철 대비 우수한 강도를 보장해 주기 때문에 제동시 발생하는 토크 내구 강도를 견뎌냄과 동시에 철강재질 볼트의 직접 체결시 균열 발생 등을 억제해 주는 역할을 한다.

상기 마찰판(10b)은 회주철인 FC150~250(JS규격)을 사용할 수 있다.

회주철은 높은 Mn 함유로 인하여 높은 마찰력을 유지할 수 있고, 퍼얼라이트(pearlite) 기지조직으로 인해 제동시의 내마모성을 유지해주며, 상대진동 감쇄능이 우수하다.

또한, 상기 회주철은 흑연의 길이가 길고 그 형상이 소위 A형 이고, 이 A형 흑연의 형성으로 인해 제동시 발생하는 제동열을 대기중으로 효과적으로 방출하는 역할을 한다.

도 3는 브레이크 디스크의 각 부분의 미세조직을 나타낸 도면으로서, (a)는 마찰판(10b)을 나타내고, (b)는 월부(10c)를 나타내며, (c)는 디스크 햇을 나타낸다.

마찰판(10b)은 회주철로 구성되어 입자가 조밀하고 날카롭고, 월부(10c)는 회주철과 구상흑연주철이 융화된 결합조직을 갖는다.

디스크 햇은 구상흑연주철로 구성되어 구상화된 흑연이 관찰되며 그 구상화된 흑연으로 인하여 회주철 대비 고강도를 유지할 수 있다.

월부(10c)는 회주철과 구상흑연주철이 상호 융화되는 지점으로서, 각 성분 간의 계면이 날카롭지 않게 형성한다.

상기 기본 용탕의 조성물은 탄소(C) 3.1~3.6 중량%, 규소(Si) 2.1~2.7 중량%, 망간(Mn) 0.4~0.7 중량%, 인(P) 0.05~0.1 중량%, 황(S) 0.01~0.10 중량%, 그리고 잔량의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 조성된다.

여기서, 회주철의 요구물성치 및 미세조직을 구현하기 위해 FC 용탕은 상기 기본 용탕에 크롬(Cr) 0.02~0.3 중량%, 구리(Cu) 0.05~1 중량%, 주석(Sn) 0.001~0.1 중량%를 더 포함하여 조성된다.

그리고, 구상흑연주철의 요구물성치 및 미세조직을 구현하기 위해 FCD 용탕은 상기 기본 용탕에 니켈(Ni) 0.05~4 중량%, 마그네슘(Mg) 0.15~1.0 중량%을 더 포함하여 조성된다.

상기 기본 용탕, FC 용탕, FCD 용탕의 함량 및 첨가이유를 설명하면 다음과 같다.

(1) 탄소(C) 3.1~ 3.6 중량%

탄소가 3.1 중량% 미만이면, A type의 주철조직의 흑연형상이 생기기 어려우며, 3.6 중량% 초과시 FCD500 재질 용탕과 동시 사용이 어려우므로, 본 발명에서는 3.1 ~ 3.6 중량% 범위로 한정한다.

(2) 규소(Si) 2.1 ~ 2.7 중량%

규소가 2.1 중량% 미만인 경우 FC200 회주철의 size 3 이상의 A type 편상흑연의 생성이 어려우며, 2.7 중량% 초과시 조대한 C-type의 kishy 흑연 석출과 FCD500 재질의 강도 저하의 우려가 있다. 이에, 본 발명에서는 2.1 ~ 2.7 중량%로 한정한 것이다.

여기서, C, Si 함량은 탄소당량(C.C;C와 Si 또는 P의 3자간의 관계로 나타내는 것으로서, 강도의 판단이나 두께감수성의 예측 등에 사용) 기준으로 4.1~4.35로 결정하고, 강도 및 경도 등의 물성치가 급격히 떨어지지 않도록 범위를 정한다.

(3) 망간(Mn) 0.4 ~ 0.7 중량%

망간이 0.4 중량% 미만인 경우, 베이나이트상 발생시 열처리 시간단축 어려움이 있고, 0.7 중량% 이상이면, 조직경화로 인한 가공성 저하가 발생되므로, 0.4 ~ 0.7 중량%로 한정하기로 한다.

(4) 인(P) 0.05 ~ 0.10 중량%

인은 Fe₃P 화합물을 형성하는 원소로서, 페라이트, 탄화철과 함께 3원 공정 스테다이트(steadite)로서 존재하고, 인 함량이 지나치게 많으면 인장강도를 저하시키는 문제점이 있다.

(5) 황(S) 0.01 ~ 0.10 중량%

황이 0.01중량% 미만인 경우 마그네슘(접종재)과 반응하여 MgS 생성하여 구상화 조장이 어려우며(회주철 발생가능), MgS 과다로 구상화 불량이 발생하며, 0.10 중량% 초과시 FeS 생성으로 취성이 발생하는 문제가 있기 때문에, 본 발명에 서는 0.05 ~ 0.10 중량% 범위로 한정한다.

(6) 크롬(Cr) 0.02 ~ 0.3 중량%

Cr은 Ni이나 Si와 정반대로 흑연화를 저해하며, 탄화철의 안정화 작용을 강화시키기 위해 첨가되고, 크롬 함량이 너무 지나치면 흑연화를 저해하여 주조성을 저하시킨다.

(7) 구리(Cu) 0.05 ~ 1 중량%

구리는 주철의 퍼얼라이트 조직을 치밀화시키는 작용을 하고, 구리의 함량을 너무 많게 하면 경도의 과다증가로 취성이 강해진다.

(8) 주석(Sn) 0.001 ~ 0.1 중량%

주석은 주철의 퍼얼라이트 조직을 치밀화시키고, 주석의 함량을 너무 많이 첨가하면 강도와 경도는 증가하나 취성이 강해진다.

(9) 니켈(Ni) 0.05 ~ 4 중량%

니켈은 결정립을 미세화시켜 기지의 인성을 증가시키기 위해 첨가되고, 니켈을 함량이 4중량%를 초과하면 취성이 강해진다.

(10) 마그네슘(Mg) 0.15 ~ 1 중량%

마그네슘은 흑연의 구상화를 위해 첨가되고, 1 중량% 초과시 그 효과가 작기 때문에 본 발명에서는 0.15 ~ 1 중량% 범위로 한정한다.

이하, 본 발명에 따른 브레이크 디스크(10)의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, FC/FCD를 공통적으로 만족시키기 위해 탄소(C) 3.1~3.6 중량%, 규소(Si) 2.1~2.7 중량%, 망간(Mn) 0.4~0.7 중량%, 인(P) 0.05~0.1 중량%, 황(S) 0.01~0.10 중량%, 그리고 잔량의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 조성된 기본 용탕을 준비한다.

그 다음, FC 용탕의 조성을 만족하기 위해 경도 및 강도 요구치에 따라 준비된 기본 용탕의 일부와 크롬(Cr) 0.02~0.3 중량%, 구리(Cu) 0.05~1 중량%, 주석(Sn) 0.001~0.1 중량%를 FC 주입기 또는 보온로 등에서 상기 조성범위로 용해시켜 회주철 용탕을 조성한 후, 이 회주철 용탕을 금형에 주입하여 FC150~FC 250 재질의 마찰판(10b)을 형성한다.

이후, FCD 용탕의 조성을 만족하기 위해 경도 및 강도 요구치에 따라 사용하고 남은 기본 용탕과 니켈(Ni) 0.05~4 중량%, 마그네슘(Mg) 0.15~1.0 중량%를 FCD 주입기 또는 보온로 등에서 상기 용해시켜 구상흑연주철 용탕을 조성한 다음, 이 구상흑연주철 용탕을 금형에 추가 주입하여 디스크햇(10a)을 형성한다.

이때, 상기 마찰판(10b)과 디스크햇(10a)을 연결하는 월부(10c)에는 회주철 용탕과 구상흑연주철이 혼용되어 각 성분간의 날카롭지 않은 계면을 형성한다.

따라서, 상기 조성범위를 갖는 기본 용탕을 이종재질(FC와 FCD)의 브레이크 디스크(10)의 주조시 동시에 사용함으로써, FC 및 FCD 용탕을 따로 준비하지 않아도 되기 때문에 비용을 절감하고, 제조시간을 단축시킬 수 있다.

이하, 본 발명을 다음 실시예에 의한 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예

하기 표 1는 본 발명에 따른 이종재질의 브레이크 디스크(10) 제조시 사용된 주철과 종래기술에 따른 단일재질의 조성 및 함량을 나타내고, 표 2는 본 발명의 효과(강도/경도 및 방열성능 등)를 나타내는 데이터를 나타낸다.

상기 표 2에 나타낸 조성 및 함량의 소재를 사용하되, 실시예의 경우 본 발명에 따른 이종재질의 브레이크 디스크(10) 제조방법을, 비교예의 경우 종래기술에 따른 단일재질의 브레이크 디스크 제조방법을 적용하여 브레이크 디스크를 제작하였으며, 이후 강도, 경도 및 방열성능 등을 측정하여, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

10 : 브레이크 디스크 10a : 디스크햇
10b : 마찰판 10c : 월부

Claims

삭제
탄소(C) 3.1~3.6 중량%, 규소(Si) 2.1~2.7 중량%, 망간(Mn) 0.4~0.7 중량%, 인(P) 0.05~0.1 중량%, 황(S) 0.01~0.10 중량%, 그리고 잔량의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 조성된 기본 용탕을 준비하는 단계;
상기 기본 용탕 중 일부에 크롬(Cr) 0.02~0.3 중량%, 구리(Cu) 0.05~1 중량%, 주석(Sn) 0.001~0.1 중량%를 용해시켜 조성한 회주철 용탕을 금형에 주입하여 마찰판(10b)을 형성하는 단계와;
상기 단계에서 사용하고 남은 기본 용탕에 니켈(Ni) 0.05~4 중량%, 마그네슘(Mg) 0.15~1.0 중량%를 용해시켜 조성한 구상흑연주철 용탕을 금형에 주입하여 디스크햇(10a)을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 브레이크 디스크의 제조방법.