KR102218092B1 - 브레이크 마찰재 조성물 - Google Patents

Abstract

개시된 본 발명에 의한 브레이크 마찰재 조성물은, 철-알루미늄 합금이 7 중량% 내지 15중량% 함유된 보강재를 포함한다. 그로 인해, 기존의 구리를 포함함에 따른 인체 유해성을 개선하여, 제동 안정성을 확보하면서도 인체에 무해한 브레이크 마찰재를 제공할 수 있게 된다.

Description

브레이크 마찰재 조성물{FRICTION MATERIAL COMPOSITION}

본 발명은 브레이크 마찰재 조성물에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 보강재로써 인체에 무해한 철-알루미늄 합금을 적어도 일부 포함하여 마찰 성능이 우수하면서도 사용 안전성을 확보할 수 있는 브레이크 마찰재 조성물에 관한 것이다.

차량용 브레이크는 10 내지 20여가지 이상의 원료들이 혼합되며, 브레이크 제동시 각각의 원료 특성과 더불어 복합재 성격의 특성이 나타난다. 이러한 브레이크 마찰재를 조성하는 복합재는 보강재, 결합재, 윤활재, 마찰 증진재, 유기계 충진재 및 무기계 충진재 등이 혼합될 수 있다.

한편, 금속계 보강재로 사용되는 구리는 뛰어난 열전도성으로 인해 마찰시 발생하는 열을 보다 쉽게 방출하여 제동 안정성과 내마모성을 향상시킬 수 있는 특징을 가진다. 또한, 마찰재의 온도가 상승하면서 제동력이 저하되는 페이드(Fade) 현상을 구리의 재질 특성으로 개선할 수 있다. 이에 따라, 구리는 차량용 브레이크의 마찰재에서 중요한 역할을 하는 원료이다.

하지만, 구리는 성인 1일 평균 섭취량인 1.2 ~ 1.4mg 이상 과잉 섭취할 경우, 헛구역질, 복통, 간장, 신장 장애, 발달 장애 등을 유발하는 유해성을 가진다. 이러한 구리가 적용되는 브레이크를 사용할 경우, 브레이크 패드 마찰시 구리 분진이 발생되어 인체에 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 근래에는 인체에 유해한 구리를 대신할 수 있는 브레이크 마찰재에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있는 추세이다.

대한민국 등록특허공보 제10-0576970호 대한민국 등록특허공보 제10-1035240호

본 발명의 목적은 마찰 성능이 우수하면서도 인체에 무해하여 사용 안전성을 확보할 수 있는 브레이크 마찰재 조성물을 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 브레이크 마찰재 조성물은, 철-알루미늄 합금이 7 중량% 내지 15중량% 함유된 보강재를 포함한다.

또한, 상기 브레이크 마찰제 조성물은 결합재, 윤활재, 연마재 및 충진재를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 철-알루미늄 합금은 철 70 중량% 내지 80중량%, 알루미늄 20 중량% 내지 30중량%의 구성비를 가질 수 있다.

또한, 상기 철-알루미늄 합금은, 평균입경이 80㎛ 내지 90㎛이고, 비중이 5 내지 5.5이고, 밀도가 1.5 g/㎤ 내지 2 g/㎤이고, 비표면적이 0.3 ㎡/g 내지 0.35㎡/g이고, 열전도도가 25 W/mK 내지 25.5W/mK일 수 있다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 첫째, 기존에 구리를 적용하였을 경우 브레이크 마모로 인해 발생된 구리 분진으로 인한 인체 유해성 문제되었으나, 본 발명은 구리 대신에 철-알루미늄 합금을 브레이크 마찰재의 보강재로 적용함으로써 인체 유해성 문제를 개선할 수 있게 된다.

둘째, 브레이크 마모로 인해 인체에 유해한 구리 분진 발생을 억제함에 따라, 제동 안전성과 함께 사용 신뢰도 향상에 기여할 수 있게 된다.

셋째, 보강재에 철-알루미늄 합금이 7~15중량%로 포함됨으로써, 페이드(Fade) 현상 발생을 억제하고 내마모성 및 소음에 유리한 브레이크 마찰재를 제공할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예 1에 브레이크 마찰재 조성물과 비교예 1 내지 3의 효과를 실험한 결과를 개략적으로 비교한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예 1의 브레이크 마찰재 조성물과 비교예 1 내지 3의 페이드(Fade) 및 리커버리(Recovery) 시험 결과를 개략적으로 비교한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예 1의 브레이크 마찰재 조성물과 비교예 1 내지 3의 마모량을 개략적으로 비교한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예 1의 브레이크 마찰재 조성물과 비교예 1 내지 3의 소음을 측정한 결과를 개략적으로 비교한 그래프이다.

본 발명의 바람직한 실시예에서 설명하는 브레이크 마찰재 조성물은 자동차, 오토바이 등과 같은 내연기관의 브레이크 패드에 적용되는 브레이크 마찰재인 것으로 예시한다.

이러한 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 브레이크 마찰재 조성물은 하기 표 1과 같이, 결합재, 보강재, 연마재, 윤활재 및 충진재를 포함한다. 여기서, 표 1의 단위는 중량%이다.

여기서, 결합재는 원료 상호간의 결합을 위한 것으로서 페놀 수지, 변성 페놀수지 등을 포함할 수 있으며, 본 실시예에서는 실리콘 변성 수지인 것으로 예시한다.

보강재는 브레이크 마찰재의 보강제 역할을 하는 것으로서, 기계적 강도 향상 및 유지, 제동 안전성 향상 및 열전도도 유지를 위한 주요 원료이다. 이러한 보강재는 표 1과 같이 아라미드 섬유, 스틸 섬유, 금속계 재료, 티탄산칼륨, 미네랄 섬유 등이 적용될 수 있다.

연마재는 일종의 마찰 증진제로써, 브레이크 패드의 마찰 디스크의 융착 물질 제거를 통해 마찰계수를 향상시킨다. 이러한 연마재는 알루미나, 지르코니아, 지르콘, 산화철 및 산화마그네슘 등이 적용된다.

윤활재는 마찰면을 보호하고 마찰재 마모 및 소음을 감소시키는 것으로서, 인조 흑연, 천연 흑연, 황화몰리브덴, 황화주석 및 황화철 등이 적용된다.

충진재는 유기계 또는 무기계 재료가 적용될 수 있다. 카슈 더스트, 고무 더스트 등과 같은 유기계 충진재가 적용될 경우, 저온에서 마모 감소, 소음 개선 등과 같은 특성을 가진다. 또한, 황산바륨, 탄산칼슘 및 수산화칼슘 등과 같은 무기계 충진재가 적용될 경우에는, 고온에서 마모가 감소되고 밀도 확보에 유리한 특성을 가진다.

표 1과 같이, 본 발명에 의한 브레이크 마찰재 조성물의 보강재로써, 기존의 구리를 대체하여 철-알루미늄 합금 분말을 사용한다.

본 발명에 의한 철-알루미늄 합금 분말은 특수공법에 의해 제조된 것으로서, 철 70~80중량%, 알루미늄 20~30중량%의 구성비를 갖고, 80~90㎛의 평균 입경, 5~5.5의 비중, 1.5~2g/㎤의 밀도, 0.3~0.35㎡/g의 비표면적, 25~25.5W/mK의 열전도도의 물리적 특성을 갖는다. 이러한 철-알루미늄 합금은 7~15중량%로 보강재에 포함된다.

본 실시예의 바람직한 실시예에서 설명하는 보강재의 철-알루미늄 합금은 철 75중량% 및, 알루미늄 25%중량의 구성비를 가지는 것으로 예시한다. 또한, 철-알루미늄 합금이 85㎛의 평균입경(D50), 5.3 비중, 1.8g/㎤의 밀도, 0.32㎡/g의 비표면적 그리고, 25.12W/mK의 열전도도의 물리적 특성을 갖는 것으로 예시한다.

표 1과 같은 조성비를 가지는 브레이크 마찰재 조성물을 건식 성형 방법을 적용하여 제조하는 방법은 다음과 같다.

우선, 실리콘 변성 수지, 보강재, 연마재, 윤활재, 충진재 및 기타 원료를 계량된 함량으로 혼합기에 투입하여 균일하게 분산시켜 혼합한다. 혼합 이후, 상온에서 일정 하중 이상으로 가압하여 예비 성형하며, 예비 성형된 완료된 성형품을 140~160℃의 금형 온도, 5~10분의 성형 시간, 400~600㎏f/㎠의 면 압력으로 가압하여 열 성형하였다.

열 성형 이후, 200~300℃의 온도에서 5~10시간 동안 열처리 공정을 실시하였으며, 이 후의 공정은 필요에 따라 일반적인 브레이크 마찰재 제조공정인 연마, 스코칭, 도장 등이 적용될 수 있다.

이상과 같은 브레이크 마찰재 조성물 제조 방법을 이용하여 실시예 1, 비교예 1 내지 3에 각각 대응되는 브레이크 마찰재 시험편을 제조하였다. 제조된 실시예 1과, 비교예 1 내지 3 시험편으로 일반적인 브레이크 마찰재 시험 평가 기준인 JASO C 406-P1 시험법 기준으로 1/5 스케일 다이나모미터를 이용하여 시험평가를 진행하였다.

주요 시험 평가 항목으로는 속도, 감속도 등의 변화에 따른 마찰성능의 변화를 파악하여 제동 안정성을 파악하는 효력시험, 마찰 온도가 상승할 경우 나타나는 제동력 저하정도를 파악하는 페이드(Fade) 시험 등을 진행하였다. 아울러, 브레이크 마찰재의 수명을 예측하기 위하여 마이크로미터를 이용해 시험 전, 후의 시험편의 마모 두께를 측정하였으며, FFT 분석기를 통해 브레이크 제동시 발생하는 소음과 진동을 측정하였다.

이러한 실시예 1, 비교예 1 내지 3의 브레이크 마찰재 조성물에 대한 시험결과를 간략히 요약하면 하기 표 2와 같다.

비교예 1은 보강재로 구리 분말이 7~15 중량% 함유된 마찰재로서 실시예 1에 비해 평균 제동력은 약 1% 낮았으나, 철-알루미늄 합금에 비해 열전도도가 높아 페이드(Fade)시의 최저 마찰계수가 약 5% 높게 측정되었으며, 마모량이 약 7% 적었고, 소음이 2회 측정되었다.

비교예 2는 보강재로 철-알루미늄 합금 분말이 5 중량% 함유된 마찰재로서 실시예 1에 비해 평균 제동력이 약 7% 낮았고, 페이드시의 최저 마찰계수가 약 10% 낮게 측정되었으며, 마모량이 약 40% 많았으나, 소음은 발생하지 않았다.

비교예 3은 보강재로 철-알루미늄 합금 분말이 20 중량% 함유된 마찰재로서 실시예 1에 비해 평균제동력이 약 3% 높게 측정되었고, 페이드시의 최저 마찰계수가 약 18% 높게 측정되었으며, 마모량이 약 15% 적었으나, 소음이 6회 발생하였다.

그로 인해, 보강재로써 철-알루미늄 합금 분말의 함량이 많아질수록 평균 제동력 및 페이드시의 최저 마찰계수, 마모에 유리하지만, 소음 발생율이 높음을 알 수 있다.

실시예 1은 보강재로 철-알루미늄 합금 분말이 11 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이크 마찰재 조성이며, 보강재로 구리분말을 사용한 비교예 1에 비해 페이드시의 최저 마찰계수가 다소 낮게 측정되었으나, 마모량이 적고 소음이 발생하지 않는 장점을 보였다.

도 1의 도시와 같이, JASO C 406-P1 시험법에서 각 효력 구간의 데이터 중 100㎞/h의 속도에서 0.1G~0.8G의 감속도로 제동한 데이터이며, 각 효력 구간에서의 평균 마찰계수가 비교예 1은 0.428, 비교예 2는 0.396, 비교예 3은 0.455 그리고, 실시예 1은 0.434의 결과를 보였다.

도 2는 JASO C 406-P1 시험법에서 첫 번째 페이드 구간의 데이터를 이용한 것으로, 최저 마찰계수가 비교예 1은 0.279, 비교예 2는 0.239, 비교예 3은 0.312 그리고, 실시예 1은 0.265의 결과를 보였다. 앞서 기술한 바와 같이, 보강재로써 철-알루미늄 합금 분말의 함량이 증가할수록 페이드시 최저 마찰계수가 높아지는 결과를 확인할 수 있다.

도 3은 JASO C 406-P1 시험법으로 시험한 후, 마이크로미터를 이용해 마모량을 측정하였다. 도 3과 같이, 브레이크 마찰재 조성물의 보강재로써 철-알루미늄 합금 분말을 사용한 실시예 1이 보강재로써 구리 분말을 사용한 비교예 1에 비해 마모량이 적었고, 철-알루미늄 합금 분말의 함량이 많아질수록 마모량이 더욱 적어지는 결과를 확인할 수 있다.

도 4는 JASO C 406-P1 시험법으로 시험 중 시험기에 연결된 FFT 분석기를 이용하여 소음과 진동을 측정하였다. 도 4의 도시와 같이, 브레이크 마찰재 조성물의 보강재로써 구리 분말을 사용한 비교예 1에 비해 철-알루미늄 합금분말을 포함하는 보강재를 사용한 본 발명에 의한 실시예 1이 소음에 유리하였으나, 철-알루미늄 합금 분말의 함량이 많아 질수록 소음에 불리한 결과를 보였다.

이상과 같은 실험 결과를 통해, 본 발명에서 설명하는 브레이크 마찰재 조성물의 보강재로써 철-알루미늄 합금이 대략 7~15중량%으로 조성될 경우, 평균 마찰계수가 기존의 구리 보강재와 비슷한 제동 안정성을 구현하면서도, 페이드 현상 발생을 억제하고 내마모성 및 소음에 유리함을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (4)

1. 철-알루미늄 합금이 7 중량% 내지 15중량% 함유된 보강재를 포함하며,
   상기 철-알루미늄 합금은, 평균입경이 80㎛ 내지 90㎛이고, 비중이 5 내지 5.5이고, 밀도가 1.5 g/㎤ 내지 2 g/㎤이고, 비표면적이 0.3 ㎡/g 내지 0.35㎡/g이고, 열전도도가 25 W/mK 내지 25.5W/mK인 브레이크 마찰재 조성물.
2. 제1항에 있어서,
   상기 브레이크 마찰제 조성물은 결합재, 윤활재, 연마재 및 충진재를 더 포함하는 브레이크 마찰재 조성물.
3. 제1항에 있어서,
   상기 철-알루미늄 합금은 철 70 중량% 내지 80중량%, 알루미늄 20 중량% 내지 30중량%의 구성비를 갖는 것을 특징으로 하는 브레이크 마찰재 조성물.
4. 삭제

Images