KR101878055B1

KR101878055B1 - 금속성 브레이크 마찰재

Info

Publication number: KR101878055B1
Application number: KR1020160112785A
Authority: KR
Inventors: 한재민; 김윤철; 이재영; 정민균; 이윤주; 이병찬; 김신욱; 이성주
Original assignee: 현대자동차주식회사; 케이비오토시스 주식회사
Priority date: 2016-09-01
Filing date: 2016-09-01
Publication date: 2018-07-16
Also published as: KR20180026030A

Abstract

본 발명에 의한 금속성 브레이크 마찰재는, 중량%로, Zn: 2~4%, ZnS: 2~4%, Bi₂S₃: 0.5~1.5%, MoS₂: 1.5~2.5%, 스틸섬유(Steel fiber): 22~28%, Al₂O₃: 2~6%, 윤활충진재: 12.5~14.5%, 강화섬유: 12.5~14.5%, 연마재: 10~14%, 유기물: 22~26%로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

금속성 브레이크 마찰재 {METALLIC FRICTION MATERIAL FOR BRAKE PAD}

본 발명은 금속성 브레이크 마찰재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내구성과 마찰계수가 높은 금속성 브레이크 마찰재에 관한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 자동차 등에 적용되는 브레이크 패드는, 흔히 패드 본체로도 불리는 마찰력을 발생시키는 마찰재(1), 제동중 발생하는 제동열이 캘리퍼쪽으로 전달되는 것을 방지하거나 페달감을 조절하기 위한 하층재(2), 하층재(2)를 백플레이트(4)에 부착시키기 위한 접착재(3), 캘리퍼 피스톤의 압력을 마찰재(1)에 효과적으로 전달하기 위한 백플레이트(4), 제동시에 발생하는 진동과 소음을 효과적으로 감쇄시키고 일정한 피스톤 면압을 부여하기 위한 심(shim)(5), 그리고 마찰재의 마모량을 측정하여 사용자가 인지할 수 있도록 하는 마모 인디케이터(wear indicator)(6) 등으로 크게 구성되며, 사용 환경에 따라 일부 구성을 추가, 변경하여 사용되고 있다.

이중 핵심이 되는 마찰재의 재질은, 사용되는 지역 또는 소비자의 요구에 따라 크게 유기(Non-Asbestos Organic;NAO or Non-STeel;NST) 마찰재와 금속(Metallic) 마찰재로 구분된다. 또한, 금속 마찰재는 강철 섬유(Steel fiber)의 사용량에 따라 세미 메탈릭(Semi-metallic, Fe 함량 40~50wt%) 또는 로우스틸(Low-Steel, Fe 함량 30wt% 미만)로 구분될 수 있다.

이 중에서 로우스틸 재질의 마찰재는 강철 섬유 (Steel Fiber)를 광물계 섬유 및 유기섬유와 혼합하여 강화섬유로서 사용하고, 마찰계수 확보를 위한 세라믹계 연마제와 마찰계수 안정화를 위한 윤활재, 내부 공간을 채워주는 충진재, 원 소재들의 접착을 위한 결합재 등 약 20여 종의 물질들을 혼합하여 제작하게 된다.

로우스틸 마찰재는 상대적으로 높은 마찰계수를 나타내지만, 상대적으로 낮은 내마모성과 높은 대면공격성(디스크/로터를 마모시키는 특성)을 나타내므로, 이러한 점에 대한 개선이 요구되고 있는 실정이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 로우스틸 마찰재의 부족한 내마모 특성을 보강할 수 있는 금속성 브레이크 마찰재를 제공하는 데 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 금속성 브레이크 마찰재는, 중량%로, Zn: 2~4%, ZnS: 2~4%, Bi₂S₃: 0.5~1.5%, MoS₂: 1.5~2.5%, 스틸섬유(Steel fiber): 22~28%, Al₂O₃: 2~6%, 윤활충진재: 12.5~14.5%, 강화섬유: 12.5~14.5%, 연마재: 10~14%, 유기물: 22~26%로 구성된 것을 특징으로 한다.

중량%로, Zn: 2.5~3.5%, ZnS: 2.5~3.5%, Bi₂S₃: 0.5~1.3%, MoS₂: 1.5~2.3%, 스틸섬유(Steel fiber): 23~26%, Al₂O₃: 2.5~5%인 것을 특징으로 한다.

Zn과 ZnS의 중량비는, 1:0.95 ~ 1:1.05 인 것을 특징으로 한다.

Bi₂S₃과 MoS₂의 중량비는, 1:1.95 ~ 1:2.05 인 것을 특징으로 한다.

상기 윤활충진재는, BaSO₄, SnS, SnS₂, Ca(OH)₂ 중 최소한 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 강화섬유는, 구리섬유(Copper fiber), 암면(Rockwool) 중 최소한 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 연마재는, MgO₂, 운모(Mica) 중 최소한 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 유기물은, 아라미드 섬유(Aramid pulp), 페놀 레진(Phenolic resin), 고무(Rubber), 흑연(Graphite) 중 최소한 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 금속성 브레이크 마찰재에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 종래의 양산품에 비해 동등 또는 보다 우수한 마찰계수 및 내마모성을 나타낼 수 있다.

둘째, 내마모성의 향상에 따라 수명이 증대될 수 있다.

셋째, 브레이크 디스크에 대한 대면공격성이 저하되어 브레이크 디스크의 수명을 증대시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 브레이크 패드의 구성도이고,
도 2 내지 7은 각각 Zn, ZnS, Bi₂S₃, MoS₂, 스틸섬유(Steel fiber), Al₂O₃의 함량에 따른 마찰계수, 마모량의 변동을 해석적으로 나타낸 그래프이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 금속성 브레이크 마찰재에 대하여 설명하기로 한다. 또한 이하에서 언급되는 %는 특별한 언급이 없는 한 모두 중량%를 의미한다.

우선 본 발명에 따른 마찰재의 조성에 대해 살펴보면, Zn: 2~4%, ZnS: 2~4%, Bi₂S₃: 0.5~1.5%, MoS₂: 1.5~2.5%, 스틸섬유(Steel fiber): 22~28%, Al₂O₃: 2~6%, 윤활충진재: 12.5~14.5%, 강화섬유: 12.5~14.5%, 연마재: 10~14%, 유기물: 22~26%로 구성되어 있다.

보다 바람직하게는, Zn: 2.5~3.5%, ZnS: 2.5~3.5%, Bi₂S₃: 0.5~1.3%, MoS₂: 1.5~2.3%, 스틸섬유(Steel fiber): 23~26%, Al₂O₃: 2.5~5%를 함유하는 것이 좋다.

이하에서는 각 조성의 첨가 이유 및 수치한정 이유에 대해 설명한다.

Zn분말 및 Bi₂S₃는 마찰 안정재로서 첨가된다. Zn분말은 상온~중온 영역에서 마찰 필름을 형성, 유지하고, Bi₂S₃는 고온 영역에서 마찰 필름을 형성, 유지하는 역할을 한다. 이러한 마찰 필름의 형성을 위해서는 각각 Zn: 2~4%, Bi₂S₃: 0.5~1.5%를 첨가하되, 보다 바람직하게는 Zn: 2.5~3.5%, Bi₂S₃: 0.5~1.3%를 첨가하는 것이 바람직하다.

ZnS 및 MoS₂는 윤활재로서 첨가된다. ZnS은 고온, 고압 영역에서 윤활 특성을 나타내고, MoS₂는 상온 영역에서 윤활 특성을 나타낸다. 이러한 윤활 특성을 나타내기 위해서는 각각 ZnS: 2~4%, MoS₂: 1.5~2.5%를 첨가하되, 보다 바람직하게는 ZnS: 2.5~3.5%, MoS₂: 1.5~2.3%를 첨가하는 것이 바람직하다.

Zn, ZnS, Bi₂S₃, MoS₂는 디스크와 마찰재간에 발생하는 마모 현상을 개선하기 위해 첨가되는 물질들이고, 각각의 물질들이 담당하는 온도 영역에서의 마모량을 감소시킬 수 있다. 이들의 총합은 10~20%의 범위를 만족하는 것이 바람직하고, Zn과 ZnS의 중량비를 1:1 정도, Bi₂S₃과 MoS₂의 중량비를 1:2 정도로 각각 제어하면 고온 마모 특성이 더욱 향상될 수 있다.

스틸 섬유(Steel fiber)는 마찰재 전체의 뼈대를 이루는 일종의 강화섬유 역할을 한다. 특히, 금속 재질의 특성상 열전도도가 높아 열 방출을 통해 마찰재의 과열을 막을 수 있다. 마찰계면 온도 저감과 내마모성을 향상시키기 위해 22~28%를 첨가하되, 더욱 바람직하게는 23~26% 첨가하는 것이 바람직하다.

Al₂O₃은 연마재로서, 마찰재의 마찰계수를 상승시키고 고온 페이드(Fade) 현상을 억제시킬 수 있는 물질이다. 특히 고온에서의 마찰계수를 안정적으로 유지시킬 수 있다. 이러한 효과를 나타내기 위해서는 2~6%를 첨가하되, 더 바람직하게는 2.5~5%의 첨가가 필요하다.

윤활충진재는 BaSO₄, SnS, SnS₂, Ca(OH)₂ 중 어느 하나 이상을 포함하는 물질의 집합으로서, 마찰재 내부의 공극을 메우고, 일부는 마찰재의 표면에서 윤활재 역할을 하게 된다. 다른 성분들의 함량에 따라 윤활충진재의 함량이 달라질 수 있지만, 바람직하게는 12.5~14.5%를 첨가한다.

강화섬유는 구리섬유(Copper fiber), 암면(Rockwool) 중 어느 하나 이상을 포함하는 섬유들로서, 강철 섬유(Steel fiber)와 함께 복합적인 망상 구조를 형성하여 마찰재의 형태를 유지시키고 내구성을 향상시킨다. 이러한 효과를 위해서는 12.5~14.5% 정도를 첨가하는 것이 바람직하다.

연마재는 MgO₂, 운모(Mica) 중 어느 하나 이상을 포함하는 물질의 집합으로서, 마찰재의 마찰계수를 적정 수준으로 유지시키기 위해 첨가된다. 이러한 효과를 나타내기 위해서는 10~14% 첨가하는 것이 바람직하다.

유기물은 아라미드 섬유(Aramid pulp), 페놀 레진(Phenolic resin), 고무(Rubber), 흑연(Graphite) 중 어느 하나 이상을 포함하는 물질의 집합으로서, 마찰재의 내구성, 윤활성 등을 향상시키기 위해 22~26% 첨가하는 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명에 따른 마찰재의 실시예와 비교예의 조성 및 물성, 이에 따른 효과에 대해 설명한다.

표 1에는 마찰재의 조성에 따른 실시예 및 비교예가, 표 2에는 각 실시예 및 비교예의 물성이 나타나 있다.

각각의 조성을 갖는 마찰재는, 마찰재 구성 원재료를 RPM 3000~6000의 믹서로 5~10분간 균일하게 혼합하는 공정과, 혼합된 원재료를 성형 금형에 투입시키기 위해 200~500kgf/cm²의 압력으로 2~5초간 예비성형하는 공정과, 예비성형된 혼합물을 백플레이트에 결합시키기 위해 140~170℃ 환경에서 200~400kgf/cm²의 압력으로 4~10분간 성형하는 공정과, 안정화를 위해 160~250℃ 환경에서 3~7시간 열처리하는 공정과, 마찰재의 페이드(Fade) 특성 향상을 위해 450~550℃로 30~70초간 표면을 연소시키는 스코칭 공정을 거쳐 제조되었다.

마찰계수 및 마모량 측정을 위해, 일반 제동 성능 평가 모드(SAE J 2522 AK-MASTER Test)와 고온 제동 성능 평가 모드(AMS Fade / High Speed Fade Test)를 사용하였다.

이러한 평가 모드를 기준으로, 일반 마찰계수 0.36 이상, 고온 마찰계수 0.33 이상, 일반 디스크 마모량 0.9g 이하, 고온 디스크 마모량 0.7g 이하, 일반 마찰재(패드) 마모량 0.9g 이하, 고온 마찰재(패드) 마모량 0.6g 이하를 만족할 때, 마찰계수와 내마모성, 대면공격성이 우수하다고 판단할 수 있다.

본 발명에 따른 실시예의 경우, 평균 마찰계수가 일반 평가에서 0.404, 고온 평가에서 0.338을 나타내고, 일반 평가에서 디스크 및 마찰재의 마모량이 각각 0.82g과 0.66g, 고온 평가에서 디스크 및 마찰재의 마모량이 각각 0.62, 0.26g을 나타내어, 매우 우수한 물성을 나타내었다.

이에 비해, 비교예들은 본 발명에 따른 조성을 불만족하여 마찰계수, 디스크 및 마찰재의 마모량이 기준에 미달하는 것을 알 수 있다.

특히 비교예 14 및 16의 경우, 본 발명에 따른 조성 자체는 만족하지만, Zn과 ZnS 사이의 중량비 또는 Bi₂S₃와 MoS₂의 중량비가 본 발명의 범위를 벗어나 마찰계수 및 마모량이 본 발명의 조건을 벗어나게 된다.

도 2 내지 도 7에 각 성분이 물성에 미치는 영향을 해석한 결과가 나타나 있다. 도시되어 있는 그래프들은 상술한 표 1 및 표 2에 나타나 있는 실시예 및 비교예의 조성별 물성을 바탕으로 각 성분이 마찰계수, 마모량에 미치는 영향을 해석적으로 평가하여 나타낸 결과물로서, 특정 실시예 또는 비교예의 물성을 도시한 것이 아니다.

도 2에 도시된 바와 같이, Zn 함량이 2~4%, 더욱 바람직하게는 2.5~3.5%일 때 마찰계수가 상승하면서 디스크 및 마찰재의 마모량이 저감되는 것을 알 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, ZnS 함량이 2~4%, 더욱 바람직하게는 2.5~3.5%일 때 마찰계수가 상승하면서 디스크 및 마찰재의 마모량이 저감되는 것을 알 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, Bi₂S₃ 함량이 0.5~1.5%, 더욱 바람직하게는 0.5~1.3%일 때 마찰계수가 상승하면서 디스크 및 마찰재의 마모량이 저감되는 것을 알 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, MoS₂ 함량이 1.5~2.5%, 더욱 바람직하게는 1.5~2.3%일 때 마찰계수가 상승하면서 디스크 및 마찰재의 마모량이 저감되는 것을 알 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 스틸섬유(Steel fiber) 함량이 22~28%, 더욱 바람직하게는 23~26%일 때 마찰계수가 상승하면서 디스크 및 마찰재의 마모량이 저감되는 것을 알 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, Al₂O₃ 함량이 2~6%, 더욱 바람직하게는 2.5~5%일 때 마찰계수가 상승하면서 디스크 및 마찰재의 마모량이 저감되는 것을 알 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 마찰재(패드) 2: 하층재
3: 접착재 4: 백플레이트
5: 심 6: 마모 인디케이터

Claims

중량%로, Zn: 2~4%, ZnS: 2~4%, Bi₂S₃: 0.5~1.5%, MoS₂: 1.5~2.5%, 스틸섬유(Steel fiber): 22~28%, Al₂O₃: 2~6%, 윤활충진재: 12.5~14.5%, 강화섬유: 12.5~14.5%, 연마재: 10~14%, 유기물: 22~26%로 구성되고,
Bi₂S₃과 MoS₂의 중량비는, 1:1.95 ~ 1:2.05 인 것을 특징으로 하는, 금속성 브레이크 마찰재.
청구항 1에 있어서,
중량%로, Zn: 2.5~3.5%, ZnS: 2.5~3.5%, Bi₂S₃: 0.5~1.3%, MoS₂: 1.5~2.3%, 스틸섬유(Steel fiber): 23~26%, Al₂O₃: 2.5~5%인 것을 특징으로 하는, 금속성 브레이크 마찰재.
청구항 1 또는 2에 있어서,
Zn과 ZnS의 중량비는, 1:0.95 ~ 1:1.05 인 것을 특징으로 하는, 금속성 브레이크 마찰재.
삭제
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 윤활충진재는, BaSO₄, SnS, SnS₂, Ca(OH)₂ 중 최소한 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속성 브레이크 마찰재.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 강화섬유는, 구리섬유(Copper fiber), 암면(Rockwool) 중 최소한 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속성 브레이크 마찰재.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 연마재는, MgO₂, 운모(Mica) 중 최소한 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속성 브레이크 마찰재.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 유기물은, 아라미드 섬유(Aramid pulp), 페놀 레진(Phenolic resin), 고무(Rubber), 흑연(Graphite) 중 최소한 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속성 브레이크 마찰재.