KR101972222B1 - 안정화지르코늄, 미세 실리콘카바이드, 칼슘몰리브데이트를 포함한 오토바이용 브레이크 마찰재 조성물 - Google Patents
안정화지르코늄, 미세 실리콘카바이드, 칼슘몰리브데이트를 포함한 오토바이용 브레이크 마찰재 조성물 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 오토바이 브레이크 마찰재로서 기존의 마찰재와는 달리 구리 섬유를 사용하지 않고, 브레이크 성능을 높인 오토바이용 브레이크 마찰재 조성물을 제공하기 위한 것이다.
Description
본 발명은 연마제로서 안정화지르코늄 또는 미세 실리콘카바이드, 충진제로서 칼슘몰리브데이트를 포함하는 오토바이용 브레이크 마찰재 조성물에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본 발명은 인체 유해원료인 구리섬유를 사용하지 않고, 높은 제동력과 고온 안정성, 내마모성을 갖기 위해 연마제로 안정화 지르코늄 또는 미세 실리콘카바이드를 사용하고, 충진제로서 칼슘몰리브데이트를 사용한 오토바이용 마찰재 조성물에 관한 것이다.
브레이크는 주행 중인 차량을 감속 또는 정지시키고, 정지된 차량을 정지 상태로 계속 유지시키기 위한 장치로서, 차량의 운동에너지를 기계적인 마찰 에너지로 전환시킴으로서 차량을 안전하게 정지시키는 것을 목적으로 한다.
이륜 자동차 (이하 '오토바이'라 칭함)의 제동 시스템은 디스크와 패드로 구성되어 있으며, 일반 자동차 브레이크와는 달리 외부에 노출되어 있어 외부 환경의 변화에 의한 제동력 등의 브레이크 특성의 차이가 적어야 한다.
예를 들어 비가 내릴 경우 상대재(Rotor)의 표면에 수막이 발생하면, 제동시 제동력이 낮아지며, 이는 운전자의 안전을 보장할 수 없게 된다.
이러한 이유로 오토바이 브레이크는 자동차 브레이크보다 마찰계수가 약 30% 높게 설계되어야 하며, 높아진 마찰계수와 더불어 부품의 내구성 또한 함께 검토되어야만 한다.
현재 상용화되고 있는 마찰재는 소결재와 유기계로 크게 분류되며, 자동차에는 거의 대부분 유기계가 사용되고, 오토바이에는 소결재와 유기계 모두 사용되고 있다.
유기계 마찰재는 10 내지 20여가지 이상의 원료들이 혼합되어져 있으며 브레이크 제동시 각각의 원료 특성과 더불어 복합재 성격의 특성이 나타난다. 이러한 마찰재의 조성은 다음 표 1에 도시하였다.
마찰재의 요구 특성은 마찰계수가 안정되어 온도, 속도, 가압력 등에 영향이 적어야하며, 마모량이 적어 수명이 확보되어야하고, 상대재인 디스크의 공격성이 적어야 한다. 뿐만 아니라, 가혹조건에서 마찰면의 온도가 상승하였을때에도 마찰계수가 안정되어야 하고, 소음발생이 적어야 한다. 이와 같이 마찰재는 다양한 요구조건을 충족시켜 주어야 하며, 상기 표 1과 같이 다양한 역할을 수행하는 원재료가 사용되기 때문에 복합재 개념의 소재특성을 나타내고 있다.
일반적으로, 구리섬유는 마찰재에 포함되어 내마모성 증대, 디스크 공격성 양호, 휠 분진(Wheel Dust) 감소, 내페이드성 및 소음과 진동의 축소하는 등의 장점 때문에 거의 모든 마찰재에서 사용되고 있는 원료이다.
하지만 브레이크를 밟을 때 발생하는 분진에 포함되어 있는 구리가 수로를 통해 강으로 흘러 들어가게 되어 환경적인 문제가 발생하게 된다.
구리가 함유된 음용수는 화학감각 박탈을 일으키고, 음용수에 노출된 연어의 사망률을 증가시키고도 있다.
또한, 구리는 어류의 후각을 마비시킴으로써 범용 억제제로 제정되어 있으며, 신진 대사 활성화후에 유독한 작용을 하는 것으로 알려져 있다.
이러한 이유로, 북미에서는 구리섬유를 사용하지 않는 브레이크 마찰재를 적용하는 법안이 통과되었고, 2015년부터 유해성 표기가 법령화됨에 따라 구리섬유를 사용하지 않는 마찰재의 개발은 필수 불가결한 과제가 되었다.
구리의 위험성으로 인해 2010년에 캘리포니아와 워싱턴 주정부는 두 주에서 판매되거나 설치되는 브레이크 패드나 슈의 구리섬유 함량을 제한하는 법령을 입법하였고, 이 법령의 기준에 따라 2014년 이후에 제조된 모든 브레이크 패드 및 슈는 법규 내용의 준수 수준을 나타내는 그린 리프 마크(Leaf Mark) 아이콘을 제정하였다.
구리섬유를 사용하지 않는 마찰재 설계시 구리섬유를 대체할 신소재 선정 및 배합비율 조정 등이 우선적으로 검토되어야한다.
브레이크 마찰재는 일반적으로 10 내지 20종 이상의 원료로 구성되는 복합재료로써 상기 표 1과 같이 결합제, 보강제, 연마제, 윤활제, 충진제 등으로 구분되며 마찰재 구성 물질 분류 중에서 스틸 섬유는 보강제 역할을 수행하며, 특히 구리 섬유를 포함하는 금속 섬유는 마찰재 강도 유지 기능과 더불어 열 전도성으로 인해 제동시 발생하는 열을 최대한 빨리 외부로 방출시킴으로써 제동 안정성을 확보시켜주는 역할을 한다.
이에, 본 발명은 오토바이 브레이크 마찰재로서 기존의 마찰재와는 달리 구리 섬유를 사용하지 않고, 브레이크 성능을 높인 오토바이용 브레이크 마찰재 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
즉, 본 발명은 인체에 유해한 원료인 구리섬유를 사용하지 않고, 마찰성능을 유지시킨 오토바이용 마찰재로써 높은 제동력과 고온안정성, 내마모성을 갖는 마찰재 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 제1 구현예에 따른 오토바이용 브레이크 마찰재의 조성물은 보강제, 결합제, 윤활제, 연마제 및 충진제를 포함하되 상기 연마제로는 중량 비율로 ZrO₂94%이상, CaO 3.5 내지 4.3%, SiO₂ 0.3% 이하, Fe₂O₃ 0.4% 이하, TiO₂ 0.4% 이하의 구성비를 갖고, 최대 150㎛ 이하의 입도를 갖는 안정화지르코늄 7 내지 8 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 구현예에 따른 오토바이용 브레이크 마찰재 조성물은 보강제, 결합제, 윤활제, 연마제 및 충진제를 포함하되 상기 연마제로는 중량 비율로 SiC 92% 이상, C.F 2%이하, Fe.S 0.3% 이하의 구성비를 갖고, 최대 8㎛ 이하의 입도를 갖는 미세 실리콘카바이드 5 내지 10 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 오토바이용 브레이크 조성물에서, 충진제로는 MoO₃70% 이상, Cl 0.02% 이하, NO₃0.02% 이하, Pb 0.001% 이하, Fe 0.002% 이하, Na 1% 이하의 구성비를 갖는 칼슘몰리브데이트 2 내지 4 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 오토바이용 브레이크 마찰재 조성물은 인체 유해원료인 구리섬유를 사용하지 않고, 연마제로서 안정화지르코늄 또는 미세 실리콘카바이드를 사용하고, 충진제로서 칼슘몰리브데이트를 사용함으로써 높은 제동력과 고온 안정성, 내마모성을 갖는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예와 비교예의 조성물에 대한 효력 시험 결과 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예와 비교예의 조성물에 대한 Fade & Recovery 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예와 비교예의 조성물에 대한 마모량 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예와 비교예의 조성물에 대한 Fade & Recovery 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예와 비교예의 조성물에 대한 마모량 그래프이다.
본 발명에 따른 오토바이용 마찰재 조성물은 보강제, 결합제, 윤활제, 마찰 증진제(연마제) 및 충진제로 구성되어 있다.
여기서, 보강제는 마찰재 보강제 역할을 하며, 기계적 강도와 제동 안정성을 향상시키고, 열전도로를 유지시키는 역할을 한다. 본 발명에서 사용하는 보강제로는 이에 한정하고자 하는 것은 아니지만, 예를 들면, 유기계 보강 섬유로서 아라미드 섬유 또는 아크릴 섬유 등이 있으며, 무기계 보강 섬유로서 티탄산칼륨, 세라믹 섬유, 미네랄 섬유, 유리 섬유 또는 카본 섬유 등이 있고, 금속계 보강 섬유로는 스틸 섬유, 동섬유 또는 황동 섬유가 있으나, 이들 중에서 가장 바람직하게는 아라미드 섬유와 미네랄 섬유를 들 수 있다.
이들의 조성비율로 아라미드 섬유는 전체 마찰재 조성물을 기준으로 0.5 내지 1 중량%, 스틸 섬유는 30 내지 40중량%가 바람직하다.
본 발명에서 언급하는 결합제는 원료 상호간의 결합 역할을 하며, 예를 들면, 이에 한정하고자 하는 것은 아니지만, 페놀 수지 또는 변성 페놀수지 등이 있으며, 이 중에서 바람직하기로는 페놀 수지이다. 페놀 수지의 조성비율로는 전체 마찰재 조성물을 기준으로 4 내지 8중량%가 바람직하다.
본 발명에서 언급하는 윤활제는 마찰면을 보호하고, 마찰재의 마모와 소음을 저감시키는 역할을 하며, 예를 들면, 이에 한정하고자 하는 것은 아니지만, 인조흑연, 천연흑연, 황화몰리브덴, 황화주철 또는 황화철 등이 있으며, 이 중에서 바람직하기로는 인조흑연이다. 윤활제의 조성비율은 전체 마찰재 조성물을 기준으로 15 내지 20중량%가 바람직하다.
본 발명에서 언급하는 마찰 증진제 또는 연마제는 보통 상대재 디스크의 융착 물질 제거와 마찰계수를 향상시키는 역할을 하며, 안정화 지르코늄 또는 미세 실리콘카바이드가 바람직하다.
안정화 지르코늄은 지르코늄을 3000℃ 이상의 온도에서 융해시킨 것으로 고밀도와 낮은 비표면적을 갖는 원료이다. 특히, 높은 융점, 저기공, 높은 인성, 내식성의 특징을 갖고 있으며, 다른 재료와의 저항성과 낮은 반응성을 갖고 있어 마찰재에서 연마제로서 기능을 한다.
본 발명의 제1 구현예에서 사용하는 안정화지르코늄은 중량 비율로 ZrO₂94% 이상, CaO 3.5 내지 4.3%, SiO₂ 0.3% 이하, Fe₂O₃ 0.4% 이하, TiO₂ 0.4% 이하의 구성비를 갖고 있으며, 최대 150㎛ 이하의 입도를 갖는 원료이며, 조성물 전제 중량을 기준으로 7 내지 8중량%가 바람직하다. 안정화지르코늄은 마찰재에서 연마제 역할을하며, 제동력과 상대재 공격성과의 직접적인 영향을 미친다. 안정화지르코늄의 함량이 많을수록 제동력 상승의 효과를 나타내지만, 상대재 공격성이 높아져 상대재의 수명이 줄어드는 단점이 있다. 이러한 이유 때문에 본 발명에서는 안정화지르코늄을 7 내지 8중량%로 설정한 것이다.
본 발명의 제2 구현예에서 사용하는 미세 실리콘카바이드는 Mohs 경도 13의 높은 경도를 갖고 있으며, 상온에서 화학적으로 안정하고, 고내열성의 특징을 갖고 있어 마찰재에서 연마제의 기능을 한다.
본 발명에서 사용한 미세 실리콘카바이드는 중량 비율로 SiC 92% 이상, C.F 2%이하, Fe.S 0.3% 이하의 구성비를 갖고, 최대 8㎛ 이하의 입도를 갖는 원료이며, 조성물 전체 중량을 기준으로 5 내지 10중량%가 바람직하다. 미세 실리콘카바이드 또한 마찰재에서 연마제 역할을 하며, 제동력과 상대재 공격성을 감안하여 5 내지 ㄴ내지10중량% 로 설정한 것이다.
본 발명에서 언급하는 충진제로는 칼슘몰리브데이트가 바람직하며, 칼슘몰리브데이트는 내페이드성 개선, 고온 제동시 내마모성 개선 등의 특징을 갖고 있어 마찰재에서 충진제의 기능을 한다.
본 발명에서 사용한 칼슘몰리브데이트는 MoO₃70% 이상, Cl 0.02% 이하, NO₃0.02% 이하, Pb 0.001% 이하, Fe 0.002% 이하, Na 1% 이하의 구성비를 갖는 원료이며, 조성물 전체 중량을 기준으로 2 내지 4중량%가 바람직하다. 칼슘몰리브데이트는 마찰재에서 충진제 역할을 한다. 칼슘몰리브데이트는 무기물로써 마찰재에 추가될 경우 열팽창율과 압축율이 감소된다. 열팽창율과 압축률은 운전자의 브레이크 필링과 연관이 있으며, 열팽창율과 압축률이 매우 적을 경우 운전자가 브레이크를 조절하기가 어렵다. 이러한 이유 때문에 본발명에서는 칼슘몰리브데이트를 2 내지 4중량%로 설정한 것이다.
이하 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 내지 3(비교예 1 내지 4)
다음 표 2의 조성 성분 및 조성 비율로 건식 성형 방법을 적용하여 다음과 같이 오토바이용 브레이크 조성물을 제조하였다. 우선 각 원료별로 계량된 함량을 혼합기에 투입하여 균일하게 분산, 혼합한 다음 상온에서 일정 하중 이상으로 가압하여 예비성형을 하고, 예비성형이 완료된 성형품을 금형 온도 140 내지 160℃, 성형시간 5 내지 10분, 400 내지 600㎏f/㎠ 면압으로 열성형 하였다. 이후 200 내지 300℃ 온도에서 5 내지 10시간 동안 열처리 공정을 실시하였다. 이후의 공정은 필요에 따라 일반적인 브레이크 마찰재 제조공정인 연마, 스코칭, 도장 등의 공정을 통하여 제조하였다.
마찰성능에 대한 효과를 파악하기 위하여 표 2로 구성된 마찰재 조성물의 비교예와 실시예 별로 브레이크 마찰재 시험편을 제조하여, 마찰재 일반 시험 평가 기준인 JASO C 406-P1 시험법 기준으로 1/5 스케일 다이나모미터를 이용하여 시험평가를 진행하였다.
주요 시험 평가 항목으로는 속도, 감속도등의 변화에 따른 마찰성능의 변화 정도를 파악하여 제동 안정성을 파악하는 효력시험, 마찰 온도가 상승할 경우 나타나는 제동력 저하정도를 파악하는 페이드(Fade) 시험 등을 진행하였고, 마찰재의 수명을 예측하기 위하여 시험 전, 후의 시험편의 마모 두께를 측정하였다. 그 측정 결과는 다음 표 3에 표시하였다.
비교예 1은 구리섬유가 15 내지 25 중량% 함유된 자동차용 세미메탈릭계 마찰재로서 상대재로 일반 승용차에 적용중인 회주철을 사용하였으며, 실시예들에 비해 내마모성은 가장 우수하였으나, 평균마찰계수가 약 16 내지 29% 낮은 결과를 보였다.
비교예 2는 구리섬유가 4 내지 8 중량% 함유된 자동차용 논스틸 유기계 마찰재로서 비교예 1과 같이 상대재로 회주철을 사용하였으며, 실시예들에 비해 내마모성이 동등수준이었으나, 평균마찰계수가 약 24% 내지 35% 낮은 결과를 보였다.
비교예 3은 자동차용 세미메탈릭계 마찰재로서 상대재로 현재 오토바이에 적용되는 마르텐사이트계 스테인레스강을 사용하였으며, 실시예들에 비해 내마모성 및 제동력이 가장 낮은 결과를 보였다.
비교예 4는 오토바이용 마찰재를 사용하였으며, 상대재 또한 현재 오토바이에 적용중인 마르텐사이트계 스테인레스강을 사용하였다. 실시예들에 비해 내마모성은 동등수준이었으나, 평균 마찰계수가 약 14 내지 27% 낮은 결과를 보였다.
실시예 1의 경우 세미메탈릭계 마찰재로 안정화 지르코늄 7 내지 8%, CaMoO₄ 2 내지 4 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰재로서, 비교예들에 비해 약 14 내지 39% 높은 평균 마찰계수를 보였고, 내마모성이 비교예 2, 3, 4에 비해 우수한 결과를 보였다.
실시예 2의 경우 실시예1과 동일한 세미메탈릭계 마찰재로 미세 실리콘카바이드 4 내지 5 중량%, CaMoO₄ 2 내지 4 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰재로서, 비교예들에 비해 약 28 내지 50% 높은 평균 마찰계수를 보였고, 내마모성이 비교예4와 동등한 수준의 결과를 보였다.
실시예 3 의 경우 실시예 1, 실시예 2와 동일한 세미메탈릭계 마찰재로 미세 실리콘카바이드 9 내지 10 중량%, CaMoO₄ 2 내지 4 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰재이며, 비교예들에 비해 약 39 내지 60% 높은 평균 마찰계수를 보였고, 내마모성이 비교예 4와 동등한 결과를 보였다.
도 1은 JASO C 406-P1 시험법에서 효력 구간의 데이터를 이용한 것으로 평균마찰계수가 비교예 1은 0.384, 비교예 2는 0.389, 비교예 3은 0.371, 비교예 4는 0.461인 반면 실시예 1은 0.547, 실시예2는 0.560 실시예3은 0.582로 비교예들에 비해 높은 평균 마찰계수를 보였다.
도 2는 JASO C 406-P1 시험법에서 첫 번째 페이드 데이터를 이용한 것으로 평균마찰계수가 비교예 1은 0.409, 비교예 2는 0.326, 비교예 3은 0.333, 비교예 4는 0.4인 반면 실시예 1은 0.489, 실시예 2는 0.523, 실시예 3은 0.561로 효력 시험과 동일하게 실시예 1 내지 3이 비교예 1 내지 4에 비해 높은 평균 마찰계수를 보였다.
도 3은 JASO C 406-P1 시험법으로 시험 후 마이크로미터를 이용해 마모량을 측정한 것으로 상대재로 회주철 디스크를 사용한 비교예 1, 2 에 비해 마모량은 많지만, 동일한 상대재 (스테인레스강 디스크)를 사용한 비교예 3, 4 에 비해 마모량이 감소 또는 동등수준을 보였다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.
Claims (3)
- 보강제, 결합제, 윤활제, 연마제 및 충진제를 포함하는 오토바이용 브레이크 마찰재 조성물에 있어서, 연마제로는 중량 비율로 ZrO₂94% 이상, CaO 3.5 내지 4.3%, SiO₂ 0.3% 이하, Fe₂O₃0.4% 이하, TiO₂ 0.4% 이하의 구성비를 갖고, 최대 150㎛ 이하의 입도를 갖는 안정화지르코늄 7 내지 8 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 오토바이용 브레이크 마찰재 조성물로서,
상기 충진제로는 MoO₃70% 이상, Cl 0.02% 이하, NO₃0.02% 이하, Pb 0.001% 이하, Fe 0.002% 이하, Na 1% 이하의 구성비를 갖는 칼슘몰리브데이트 2 내지 4 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 오토바이용 브레이크 마찰재 조성물. - 보강제, 결합제, 윤활제, 연마제 및 충진제를 포함하는 오토바이용 브레이크 마찰재 조성물에 있어서, 연마제로는 중량 비율로 SiC 92% 이상, C.F (유리 탄소) 2% 이하, Fe.S 0.3% 이하의 구성비를 갖고, 최대 8㎛ 이하의 입도를 갖는 미세 실리콘카바이드 5 내지 10 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 오토바이용 브레이크 마찰재 조성물로서,
상기 충진제로는 MoO₃70% 이상, Cl 0.02% 이하, NO₃0.02% 이하, Pb 0.001% 이하, Fe 0.002% 이하, Na 1% 이하의 구성비를 갖는 칼슘몰리브데이트 2 내지 4 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 오토바이용 브레이크 마찰재 조성물. - 삭제
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