KR102047849B1

KR102047849B1 - 주철 파우더를 포함하는 브레이크 마찰재 조성물

Info

Publication number: KR102047849B1
Application number: KR1020170162589A
Authority: KR
Inventors: 최희범; 송용우
Original assignee: 주식회사 프릭사
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2019-11-22
Also published as: KR20190063651A

Abstract

본 발명은 기존의 유기계 마찰재와는 달리 보강제로 스틸섬유 대신 주철 파우더(Powder)를 포함하는 브레이크 마찰재 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 브레이크 마찰재 조성물에 있어서, C 3.2 내지 3.8중량%, Si 1.4 내지 2.2중량%, Mn 0.4 내지 0.6중량%, P 0.5중량% 이하, S 0.1중량% 이하의 구성비를 가지는 주철 파우더를 5 내지 10중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 주철 파우더를 포함하는 브레이크 마찰재 조성물이다.

Description

주철 파우더를 포함하는 브레이크 마찰재 조성물{Brake friction material composition comprising cast iron powder}

본 발명은 주철 파우더를 포함하는 브레이크 마찰재 조성물에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 기존의 유기계 마찰재와는 달리 보강제로 스틸섬유 대신 주철 파우더(Powder)를 포함하는 브레이크 마찰재 조성물에 관한 것이다.

현재 자동차는 실생활에서 필수불가결한 요소로 자리매김했으며, 끊임없는 연구와 노력을 통해 그 성능이 향상되고 있다.

또한, 자동차의 성능이 향상함에 따라 소비자들의 요구 수준이 높아졌으며, 각 부품들의 요구 특성 또한 높아지고 있는 추세이다.

그 중에서도 브레이크는 주행 중인 차량을 감속 또는 정지시키고 정지된 차량을 정지 상태로 계속 유지시키기 위한 장치로서 운전자의 안전과 직결되어 있는 중요한 장치이며, 안전을 위해 브레이크 성능 향상은 필수적으로 이루어져야 한다.

현재 상용화되고 있는 마찰재는 주로 유기계 마찰재로 자동차에는 거의 대부분 유기계마찰재가 사용된다.

유기계 마찰재는 10~20여가지 이상의 원료들이 혼합되어져 있고 브레이크 제동시 각각의 원료 특성과 더불어 복합재 성격의 특성이 나타난다. 이러한 마찰재의 조성은 표 1에 도시하였다.

또한, 유기계 마찰재는 스틸(Steel)의 함량에 따라 크게 세미-금속(Semi-metallic)계, 로우-스틸(Low-steel)계, 논-스틸(Non-steel: NAO)계로 구분된다.

세미-금속계는 마찰재 내에서 보강제로 스틸섬유가 30% 이상 함유되어 있는 마찰재로써, 마찰계수가 높고, 고온 고부하 마찰에 우수하고, 수명이 우수하다.

하지만 금속의 함유량이 많음에 따라 열전도성이 높아 브레이크 효과를 저하 하는 베이퍼록(Vapor lock)등 열해가 발생하기 쉽고 휠 분진(Wheel dust), 소음에 불리하다.

로우-스틸계는 마찰재 내에서 보강제로 스틸섬유가 5~30% 함유되어있는 마찰재로써, 강 섬유(Steel fiber)를 주 보강재로 하고 있다는 점은 세미-금속계와 같지만 스틸 파이버의 함량이 적고, 비철금속 섬유 및 유기, 무기섬유를 함유한 마찰재료로 금속분과 마찰조정재가 비교적 많고 세미-금속계의 문제인 고열전도성이나 마찰 특성을 개량한 마찰재이다.

논-스틸(NAO)계 마찰재는 내열성이 높은 아라미드 섬유(Aramid fiber)를 주 보강재로 한 마찰재로써 스틸 섬유가 0~5% 함유되어 있는 마찰재를 말한다.

세미-금속계 마찰재의 디스크 공격성 브레이크 진동, 녹 문제를 해결하기 위해 일본에서 개발된 제품이며, 최근에 국내 및 미국의 승용차에도 널리 사용 되고 있다.

이와 같이 모든 유기계 마찰재에는 스틸 섬유가 함유되는데, 이는 스틸 섬유가 마찰재의 강도와 열적 안정성을 증가시켜주기 때문이다.

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 안정되어야하고, 소음발생이 적어야 한다. 이와 같이 마찰재는 다양한 요구조건을 충족시켜 주어야하며, 상기 표 1과 같이 다양한 역할을 수행하는 원재료가 사용되기 때문에 복합재 개념의 소재특성을 나타내고 있다.

앞서 기술한바와 같이 스틸섬유는 마찰재의 강도와 열적 안정성을 높여주는 장점이 있으나, 열전도성이 높아 마찰재와 상대재간의 마찰시 발생하는 열이 브레이크액으로 전달되어 베이퍼록(Vapor lock)등 열해가 발생하기 쉽고, 마찰시 스틸섬유가 분진상태로 산화되면서 자동차 휠에 융착되어 휠 분진이 발생하며, 소음에 취약하다.

이와 대비하여 주철 파우더는 스틸 섬유와는 달리 윤활제 역할을 하는 흑연을 약 5% 함유하고 있어, 스틸 섬유와 상대재 상호간 응착되는 현상인 금속 픽업(Metal Pick Up) 현상을 방지함으로써 소음을 개선하는데 유리한 원료이다.

하지만 스틸섬유보다 기계적 강도가 떨어져 마모가 많은 단점이 있다.

본 발명의 브레이크 마찰재 조성물은, C 3.2 내지 3.8중량%, Si 1.4 내지 2.2중량%, Mn 0.4 내지 0.6중량%, P 0.5중량% 이하, S 0.1중량% 이하의 구성비를 가지면서 주철 파우더를 5 내지 10중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 브레이크 마찰재 조성물은, C 3.2 내지 3.8중량%, Si 1.4 내지 2.2중량%, Mn 0.4 내지 0.6중량%, P 0.5중량% 이하, S 0.1중량% 이하의 구성비를 가지면서 주철 파우더를 5 내지 10중량%를 포함하고, 연마제로 산화흑철 5 내지 9중량%, 산화마그네슘 3 내지 6중량%, 산화지르코늄 4 내지 8중량%, 지르콘실리케이트 3 내지 6중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 브레이크 마찰재 조성물은 C 3.2 내지 3.8중량%, Si 1.4 내지 2.2중량%, Mn 0.4 내지 0.6중량%, P 0.5중량% 이하, S 0.1중량% 이하의 구성비를 가지면서 주철 파우더를 5 내지 10중량 %를 포함하고, 윤활제로 황화주석 1 내지 4중량%, 인조흑연 4 내지 8중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 표 3의 조성물에 대한 효력 시험 결과 그래프이다.
도 2는 표 3의 조성물에 대한 페이드 & 리커버리 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 표 3의 조성물에 대한 마모량을 나타낸 그래프이다.
도 4는 표 3의 조성물에 대한 소음 측정 그래프이다.

브레이크 마찰재는 일반적으로 10~20종 이상의 원료로 구성되는 복합재료로써 상기 표 1과 같이 보강제, 결합제, 윤활제, 연마제, 마찰 증진제, 충진제 등으로 구분되며, 마찰재 구성 물질 분류 중에서 스틸섬유는 보강제 역할을 수행하고, 특히 스틸섬유를 포함하는 금속 섬유는 마찰재 강도 유지 기능과 더불어 열 전도성으로 인해 제동 시 발생하는 열을 최대한 빨리 외부로 방출시킴으로써 제동 안정성을 확보시켜주는 역할을 한다.

그러나, 스틸섬유는 구리(銅) 섬유, 황동 섬유 등의 다른 금속 섬유 대비 자체 경도가 높아 스틸섬유를 함유한 브레이크 마찰재는 소음이 발생하기 쉽고, 휠 분진 및 상대재 디스크 공격성이 심하다는 문제점이 있다.

이에 따라 본 발명은 마찰재 내에서 보강제로 스틸섬유를 사용했을때 문제점인 열해, 휠 분진, 소음을 개선시키기 위한 마찰재로서, 스틸섬유 대신 주철 파우더를 사용한 마찰재이다. 본 발명에서 사용한 주철 파우더는 주철의 특성상 섬유 상태로 가공이 불가능하여 주철 스크랩(Scrap)을 분쇄하여 분말형태로 제조한 것으로써 C 3.2 내지 3.8중량%, Si 1.4 내지 2.2중량%, Mn 0.4 내지 0.6중량% P 0.5중량% 이하, S 0.1중량% 이하의 구성비를 갖고 있다.

본 발명에 따른 제1 구현예에 의하면, 본 발명의 브레이크 마찰재 조성물에 있어서, C 3.2 내지 3.8중량%, Si 1.4 내지 2.2중량%, Mn 0.4 내지 0.6중량%, P 0.5중량% 이하, S 0.1중량% 이하의 구성비를 가지는 주철 파우더를 5 내지 10중량%를 포함한다.

본 발명에 따른 제2 구현예에 의하면, 본 발명의 브레이크 마찰재 조성물에에 있어서, C 3.2 내지 3.8중량%, Si 1.4 내지 2.2중량%, Mn 0.4 내지 0.6중량%, P 0.5중량% 이하, S 0.1중량% 이하의 구성비를 가지는 주철 파우더를 5 내지 10중량%를 포함하고, 연마제로 산화흑철 5 내지 9중량%, 산화마그네슘 3 내지 6중량%, 산화지르코늄 4 내지 8중량%, 지르콘실리케이트 3 내지 6중량%를 포함한다.

본 발명에 따른 제3 구현예에 의하면, 본 발명의 브레이크 마찰재 조성물에 있어서, C 3.2 내지 3.8중량%, Si 1.4 내지 2.2중량%, Mn 0.4 내지 0.6중량%, P 0.5중량% 이하, S 0.1중량% 이하의 구성비를 가지는 주철 파우더를 5 내지 10중량 %를 포함하고, 윤활제로 황화주석 1 내지 4중량%, 인조흑연 4 내지 8중량%를 포함한다.

본 발명의 구현예 따른 브레이크 마찰재 조성물은, 보강제, 결합제, 연마제, 윤활제, 연마제, 충진제를 포함하는 마찰재 조성물로써, 보다 구체적으로 중량%를 기준으로, 보강제로서 아라미드 섬유 2 내지 4%, 무기계 섬유 10 내지 15%, 미네랄 섬유 5 내지 8중량%, 황동 섬유 3 내지 7중량%, 결합제로서 페놀수지 5 ~ 10%, 윤활제로서 황화주석 1 내지 4%, 인조흑연 4~8%이고, 연마제로서 산화흑철( 5 내지 9%), 산화마그네슘(3 내지 6%), 산화지르코늄(4 내지 8%), 지르콘실리케이트(3 내지 6%)로 이루어진 군으로부터 최소한 2종 이상의 조합물, 윤활제로서 황화주석 1 내지 4%, 인조흑연 4 내지 8% 및 충진제 20 ~ 39%로 구성되어 있다.

이하 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예(비교예 1 내지 3)을 상세히 설명하지만, 본 발명이 이들 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 및 비교예 1 내지 3

앞에서 기술한 주철 파우더의 특성을 감안하여 본 발명에서 목표로 하는 마찰 특성을 동시에 나타낼 수 있도록 다음 표 2와 같이 마찰재 조성을 결정하였다.

상기 표 2의 마찰재 조성물을 마찰 성능 시험평가를 진행하기 위하여 건식 성형 방법을 적용하여 다음과 같이 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 마이크로미터를 이용해 시험 전, 후의 시험편의 마모 두께를 측정하였으며, FFT 분석기를 통해 제동시 발생하는 소음과 진동을 측정하였다. 그 결과를 다음 표 3에 나타내었다.

비교예 1은 주철 파우더가 2 내지 6 중량% 함유된 마찰재로서 실시예 1에 비해 평균제동력이 약 2% 향상되었고, 마모량이 약 16% 감소하였으나, 소음이 7회 발생하였다.

비교예 2은 주철 파우더가 8 내지 14 중량% 함유된 마찰재로서 실시예 1에 비해 평균제동력이 약 7% 저하되었고, 마모량이 약 60% 증가하였으며, 소음은 발생하지 않았다.

비교예 3은 보강제로 스틸섬유가 5 내지 10 중량% 함유된 마찰재로서 실시예 1에 비해 평균제동력이 약 6% 향상되었고, 마모량이 약 92% 감소하였으나, 소음이 10회 발생하였다.

실시예 1은 주철 파우더가 5 내지 10 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰재이며, 보강제로 스틸섬유를 사용한 마찰재에 비해 제동력이 다소 저하되고 마모량이 증가하는 단점이 있으나, 소음이 발생하지 않는 장점이 있다.

이는 주철 파우더 내에 함유되어 있는 흑연이 윤활제 역할을 하기 때문인 것으로 판단된다.

도 1은 JASO C 406-P1 시험법에서 효력 구간의 데이터 중 100㎞/h의 속도에서 0.1G 내지 0.8G의 감속도로 제동한 데이터이며, 평균마찰계수가 비교예 1은 0.459, 비교예 2는 0.439, 비교예 3은 0.433인 반면 실시예 1은 0.44으로 효력 구간에서의 평균마찰계수는 크게 차이 나지 않음을 보였다.

도 2는 JASO C 406-P1 시험법에서 첫 번째 페이드 데이터를 이용한 것으로 평균마찰계수가 비교예 1은 0.393, 비교예 2는 0.347, 비교예 3은 0.423인 반면 실시예 1은 0.393로 스틸섬유가 보강제로 사용된 비교예 3에 비해 평균마찰계수가 감소하였고, 함유량이 많아 짐에 따라 평균마찰계수가 감소함을 보였다.

도 3은 JASO C 406-P1 시험법으로 시험 후 마이크로미터를 이용해 마모량을 측정한 것으로 보강제로 스틸섬유를 사용한 비교예 3의 마모량이 가장 적었고, 주철 Powder의 함량이 많아질수록 마모량이 증가하는 결과를 보였다.

도 4는 JASO C 406-P1 시험법으로 시험 중 시험기에 연결된 FFT 분석기를 이용하여 소음과 진동을 측정한 것으로 보강제로 스틸섬유를 사용한 비교예 3의 소음발생률이 가장 높았고, 주철 Powder의 함량이 많아질수록 소음이 감소하는 결과를 보였다.

Claims

브레이크 마찰재 조성물에 있어서, 스틸 섬유를 함유하지 않고, C 3.2 내지 3.8중량%, Si 1.4 내지 2.2중량%, Mn 0.4 내지 0.6중량%, P 0.5중량% 이하, S 0.1중량% 이하의 구성비를 가지는 주철 파우더를 5 내지 10중량%를 포함하고, 황동 섬유 3 내지 7중량% 및 산화지르코늄 4 내지 8중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는, 주철 파우더를 포함하는 브레이크 마찰재 조성물.
브레이크 마찰재 조성물에 있어서, 스틸 섬유를 함유하지 않고, C 3.2 내지 3.8중량%, Si 1.4 내지 2.2중량%, Mn 0.4 내지 0.6중량%, P 0.5중량% 이하, S 0.1중량% 이하의 구성비를 가지는 주철 파우더를 5 내지 10중량%를 포함하고, 황동 섬유 3 내지 7중량%를 포함하고, 연마제로 산화흑철 5 내지 9중량%, 산화마그네슘 3 내지 6중량%, 산화지르코늄 4 내지 8중량%, 지르콘실리케이트 3 내지 6중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는, 주철 파우더를 포함하는 브레이크 마찰재 조성물.
브레이크 마찰재 조성물에 있어서, 스틸 섬유를 함유하지 않고, C 3.2 내지 3.8중량%, Si 1.4 내지 2.2중량%, Mn 0.4 내지 0.6중량%, P 0.5중량% 이하, S 0.1중량% 이하의 구성비를 가지는 주철 파우더를 5 내지 10중량 %를 포함하고, 황동 섬유 3 내지 7중량% 및 산화지르코늄 4 내지 8중량%를 포함하고, 윤활제로 황화주석 1 내지 4중량%, 인조흑연 4 내지 8중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는, 주철 파우더를 포함하는 브레이크 마찰재 조성물.