KR102387551B1 - 마찰재 - Google Patents
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Abstract
구리 성분의 함유량에 관한 법규를 만족하면서, 고속 고부하 제동시에 발생하는 마찰재 단부의 치핑(chipping)을 억제할 수 있고, 나아가, 고속 고부하시에 있어서의 브레이크의 제동 성능의 요구 성능을 확보할 수 있는 디스크 브레이크 패드용 마찰재를 제공하는 것을 과제로 한다.
해결 수단으로서, 탄소질계 윤활재로서 탄성 흑연화 카본 입자를 0.5~10중량% 함유하고, 마찰재 조성물에 포함되는 구리 성분의 총량이 5중량% 미만인 마찰재 조성물을 사용한다. 또한 마찰재 조성물에, 금속 황화물계 윤활재로서 황화 제1철을 1~15중량%, 및/또는, 무기 마찰 조정재로서, 알루미늄 입자, 알루미늄 섬유, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 입자, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 섬유에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 1~10중량% 첨가한다.
해결 수단으로서, 탄소질계 윤활재로서 탄성 흑연화 카본 입자를 0.5~10중량% 함유하고, 마찰재 조성물에 포함되는 구리 성분의 총량이 5중량% 미만인 마찰재 조성물을 사용한다. 또한 마찰재 조성물에, 금속 황화물계 윤활재로서 황화 제1철을 1~15중량%, 및/또는, 무기 마찰 조정재로서, 알루미늄 입자, 알루미늄 섬유, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 입자, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 섬유에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 1~10중량% 첨가한다.
Description
본 발명은, 자동차 등의 디스크 브레이크 패드에 사용되는, NAO(Non-Asbestos-Organic)재의 마찰재 조성물을 성형한 마찰재에 관한 것이다.
종래에, 자동차의 제동 장치로서, 디스크 브레이크가 사용되고 있고, 그 마찰 부재로서, 금속제의 베이스 부재에 마찰재가 부착된 디스크 브레이크 패드가 사용되고 있다.
마찰재는, 섬유 기재로서 강섬유(steel fiber)를 마찰재 조성물 전체량에 대해 30중량% 이상 60중량% 미만 함유하는 세미 메탈릭 마찰재와, 섬유 기재의 일부에 강섬유를 포함하면서, 강섬유를 마찰재 조성물 전체량에 대해 30중량% 미만 함유하는 로우 스틸(low steel) 마찰재와, 섬유 기재로서 강섬유 및 스테인리스 섬유 등의 스틸계 섬유를 포함하지 않는 NAO재로 분류되고 있다.
브레이크 노이즈의 발생이 적은 마찰재가 요구되고 있는 최근에 있어서는, 강섬유나 스틸계 섬유를 포함하지 않으면서, 결합재, 섬유 기재, 윤활재, 티탄산 금속염, 무기 마찰 조정재, 유기 마찰 조정재, pH 조정재, 충전재 등으로 이루어지는, NAO재의 마찰재를 사용한 디스크 브레이크 패드가 널리 사용되고 있다.
디스크 브레이크 패드에 사용되는 NAO재의 마찰재에는, 요구되는 성능을 확보하기 위해, 구리나 구리 합금의 섬유 또는 입자 등의 구리 성분이 필수 성분으로서 마찰재 조성물 전체량에 대해, 5~20중량% 정도 첨가되어 있다.
그러나, 최근 이와 같은 마찰재는 제동시에 마모 분말로서 구리를 배출하고, 이 배출된 구리가 하천, 호수, 해양에 유입되는 것에 의해 수역을 오염시킬 가능성이 있음이 시사되고 있다.
이와 같은 배경에서, 미국의 캘리포니아주나 워싱턴주에서는, 2021년 이후, 구리 성분을 5중량% 이상 함유하는 마찰재를 사용한 마찰 부재의 판매 및 신차에 대한 장착을 금지하고, 그 수년 후에, 구리 성분을 0.5중량% 이상 함유하는 마찰재를 사용한 마찰 부재의 판매 및 신차에 대한 장착을 금지하는 법안이 가결되었다.
그리고, 향후 이와 같은 규제는 전세계에 파급될 것으로 예상되기 때문에, NAO재의 마찰재에 포함되는 구리 성분을 삭감하는 것이 급선무이고, NAO재의 마찰재에 포함되는 구리 성분을 삭감하는 것에 의해 발생하는 다양한 문제, 특히 고속 고부하 제동시에 발생하는 마찰재 단부의 치핑의 억제가 과제가 되고 있다.
특허문헌 1에는, 금속 주석 또는 주석 합금을 마찰재 조성물 전체량에 대해 0.5~50중량%와, 구리를 마찰재 조성물 전체량에 대해 0.001~4.999중량% 함유하는 마찰재 조성물을 성형하여 이루어지는 마찰재가 기재되어 있다.
그러나, 특허문헌 1에 기재된 마찰재는 구리 성분의 함유량에 대해 상기한 법규를 만족하고 있지만, 고속 고부하 제동시에 발생하는 마찰재 단부의 치핑의 문제를 해결하기까지는 이르지 못했다.
특허문헌 2에는, 섬유 기재, 마찰 조정재 및 결합재를 사용하여 이루어지는 비석면계 마찰재에 있어서, 부분 흑연화 코크스를 0.5부피%~2.5부피% 배합한 것을 특징으로 하는 비석면계 마찰재가, 특허문헌 3에는, 섬유 기재와, 결합재와, 충전재로 이루어지는 마찰재이고, 상기 충전재로서 탄성 흑연을 함유하면서, 유기 더스트를 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 마찰재가 각각 기재되어 있지만, 상기 어느 특허문헌에도 구리 성분을 삭감하는 것에 의해 발생하는, 고속 고부하 제동시에 발생하는 마찰재 단부의 치핑의 문제에 대해서는 논의되지 않았다.
본 발명은, 디스크 브레이크 패드에 사용되는, NAO재의 마찰재 조성물을 성형한 마찰재에 있어서, 구리 성분의 함유량에 관한 법규를 만족하면서, 고속 고부하 제동시에 발생하는 마찰재 단부의 치핑(chipping)을 억제할 수 있는 마찰재를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명자들은 예의 검토를 거듭한 결과, 디스크 브레이크 패드에 사용되는 마찰재 조성물에 포함되는 구리 성분의 총량이 마찰재 조성물 전체량에 대해 5중량% 미만인 NAO재의 마찰재 조성물을 성형한 마찰재에 있어서, 탄소질계 윤활재로서 탄성 흑연화 카본 입자를 특정량 함유하는 마찰재 조성물을 사용하는 것에 의해 상기 과제를 해결할 수 있고, 나아가, 금속 황화물계 윤활재로서 황화 제1철을 특정량, 무기 마찰 조정재로서 알루미늄 입자, 알루미늄 섬유, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 입자, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 섬유에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 특정량 첨가하는 것에 의해, 탄성 흑연화 카본 입자를 첨가했을 때 발생하는 고속 고부하시의 브레이크의 제동 성능 저하를 억제할 수 있음을 알아내고, 본 발명을 완성했다.
본 발명은, 디스크 브레이크 패드에 사용되는, NAO재의 마찰재 조성물을 성형한 마찰재이고, 이하의 기술을 기초로 하는 것이다.
(1) 디스크 브레이크 패드에 사용되고, 마찰재 조성물에 포함되는 구리 성분의 총량이 마찰재 조성물 전체량에 대해 5중량% 미만인 NAO재의 마찰재 조성물을 성형한 마찰재에 있어서, 상기 마찰재 조성물이 탄소질계 윤활재로서 탄성 흑연화 카본 입자를 마찰재 조성물 전체량에 대해 0.5~10중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 마찰재.
(2) 상기 마찰재 조성물이 금속 황화물계 윤활재로서 황화 제1철을 마찰재 조성물 전체량에 대해 1~15중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 마찰재.
(3) 상기 마찰재 조성물이 무기 마찰 조정재로서, 알루미늄 입자, 알루미늄 섬유, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 입자, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 섬유에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 마찰재 조성물 전체량에 대해 1~10중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (2)에 기재된 마찰재.
본 발명에 의하면, 디스크 브레이크 패드에 사용되는 NAO재의 마찰재 조성물을 성형한 마찰재에 있어서, 구리 성분의 함유량에 관한 법규를 만족하면서, 고속 고부하 제동시에 발생하는 마찰재 단부의 치핑을 억제할 수 있고, 나아가, 고속 고부하시에 있어서의 브레이크의 제동 성능의 요구 성능을 확보할 수 있는 마찰재를 제공할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 디스크 브레이크 패드에 사용되는, 마찰재 조성물에 포함되는 구리 성분의 총량이 마찰재 조성물 전체량에 대해 5중량% 미만인 NAO재의 마찰재 조성물을 성형한 마찰재에 있어서, 탄소질계 윤활재로서 탄성 흑연화 카본 입자를 마찰재 조성물 전체량에 대해 0.5~10중량% 함유하는 마찰재 조성물을 사용한다.
탄성 흑연화 카본 입자는 압축 하중을 가한 후, 하중을 제거했을 때의 부피 복원율이 큰 특성을 갖는 것이며, 탄소질 메조페이스 또는 코크스로 이루어지는 탄소 소재를 팽창·발포 처리한 후, X선 회절 측정에 의한 흑연화도가 80~95%가 되도록 1900℃~2700℃의 온도로 흑연화 처리하는 것에 의해 제조되는 것이다.
팽창·발포 처리의 방법으로서는, 탄소 재료를 질산 혹은 질산과 황산의 혼산으로 처리한 후, 탄소 소재를 알칼리 수용액중에서 용해시키고, 이어서 산 수용액으로 석출시켜서 얻어진 아쿠아-메조페이스(aqua-mesophase)를 약 300℃에서 가열 처리하는 방법이나, 탄소 소재를 질산에 접촉시켜 급속으로 가열하는 방법이나, 탄소 소재를 이산화질소 가스에 접촉시키는 방법 등을 들 수 있다.
탄성 흑연화 카본 입자를 첨가한 마찰재 조성물을 가열 가압 성형하면, 탄성 흑연화 카본 입자에 압축 하중이 가해진 상태로, 마찰재 조성물에 결합재로서 포함되는 열경화성 수지가 경화하여 마찰재의 외각(outer shell)이 형성된다.
그 결과, 마찰재의 내부에는, 탄성 흑연화 카본 입자가 복원하려는 힘이 잔류된 상태가 유지된다.
고속 고부하 제동시에 있어서의 마찰재의 단부의 치핑은, 고속 고부하 제동에 의해 발생하는 마찰열에 의해 마찰재 자체가 고온으로 되어, 마찰재에 포함되는 유기물이 분해하여 형성되는 기공으로부터 미세한 균열이 발생하고, 그 균열을 기점으로 하여 발생하는 것으로 추정된다.
탄성 흑연화 카본 입자를 포함하는 마찰재는, 복원하려는 탄성 흑연화 카본 입자가 주위의 기공을 메우는 작용을 하여, 치핑의 원인이 되는 균열의 발생을 억제하는 것으로 생각된다.
탄성 흑연화 카본 입자는 탄소질계 윤활재이고, 높은 윤활성을 나타내기 때문에, 치핑을 억제하기 위해 마찰재 조성물에 대해 다량으로 첨가하면, 고속 고부하시에 있어서의 브레이크의 제동 성능이 저하되는 문제가 발생한다.
여기서 본 발명에서는, 고속 고부하시에 있어서의 브레이크의 제동 성능의 요구 성능을 확보하기 위해, 금속 황화물계 윤활재로서 황화 제1철을 마찰재 조성물 전체량에 대해 1~15중량%, 및/또는, 무기 마찰 조정재로서, 알루미늄 입자, 알루미늄 섬유, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 입자, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 섬유에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 마찰재 조성물 전체량에 대해 1~10중량% 첨가한다.
황화 제1철은 통상의 사용 영역에서는 윤활재로서 작용하지만, 고속 고부하 제동시에는 브레이크의 제동 성능을 향상시키는 마찰 조정재로서 작용한다.
또한, 알루미늄, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금도, 고속 고부하 제동시에 응착 마찰을 발생시켜 브레이크의 제동 성능을 향상시키는 마찰 조정재로서 작용한다.
알루미늄을 주성분으로 하는 합금으로서는, 알루미늄을 90중량% 이상 함유하는, 알루미늄-아연계 합금, 알루미늄-구리계 합금, 알루미늄-망간계 합금, 알루미늄-규소계 합금, 알루미늄-마그네슘계 합금, 알루미늄-마그네슘-규소계 합금, 알루미늄-아연-마그네슘계 합금 등을 사용할 수 있다.
알루미늄-구리계 합금을 사용하는 경우에는, 구리 성분의 총량이 마찰재 조성물 전체량에 대해 5중량% 미만이 되도록 한다.
한편, 환경 부하 저감의 관점에서 마찰재 조성물에는 구리 성분을 포함하지 않는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 마찰재는, 상기한 탄성 흑연화 카본 입자, 황화 제1철, 알루미늄 입자, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 입자, 알루미늄 섬유, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 섬유 이외에, 통상 마찰재에 사용되는 결합재, 섬유 기재, 티탄산염, 윤활재, 무기 마찰 조정재, 유기 마찰 조정재, pH 조정재, 충전재 등을 포함하는 마찰재 조성물로 이루어진다.
결합재로서, 스트레이트 페놀 수지나, 페놀 수지를 캐슈 오일이나 실리콘 오일, 아크릴 고무 등의 각종 엘라스토머로 변성한 수지, 페놀류와 아랄킬에테르류와 알데히드류를 반응시켜 얻어지는 아랄킬 변성 페놀 수지(페놀 아랄킬 수지), 페놀 수지에 각종 엘라스토머, 불소 폴리머 등을 분산시킨 열경화성 수지 등의 마찰재에 통상 사용되는 결합재를 들 수 있고, 이들은 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 결합재의 함유량은 마찰재 조성물 전체량에 대해 4~12중량%로 하는 것이 바람직하고, 5~8중량%로 하는 것이 더욱 바람직하다.
섬유 기재로서는, 아라미드 섬유, 셀룰로오스 섬유, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸 섬유, 아크릴 섬유 등의 마찰재에 통상 사용되는 유기 섬유를 들 수 있고, 이들은 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 섬유 기재의 함유량은 마찰재 조성물 전체량에 대해 1~7중량%로 하는 것이 바람직하고, 2~4중량%로 하는 것이 더욱 바람직하다.
티탄산염으로서는, 판상이나, 복수의 돌출부를 구비하는 부정형 형상으로 되어 있는 것이 바람직하고, 티탄산 칼륨, 티탄산 리튬 칼륨, 티탄산 칼륨 마그네슘 등의 마찰재에 통상 사용되는 티탄산염을 들 수 있고, 이들은 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 티탄산염의 함유량은 마찰재 조성물 전체량에 대해 7~35중량%로 하는 것이 바람직하고, 17~25중량%로 하는 것이 더욱 바람직하다.
윤활재로서는, 상기한 탄성 흑연화 카본 입자, 황화 제1철 이외에, 이황화 몰리브덴, 황화 아연, 황화 주석, 복합 금속 황화물 등의 금속 황화물계 윤활재나, 인조 흑연, 천연 흑연, 석유 코크스, 활성탄, 산화 폴리아크릴로니트릴 섬유 분쇄 분말 등의 탄소질계 윤활재 등의 마찰재에 통상 사용되는 윤활재를 들 수 있고, 이들은 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 윤활재의 함유량은 마찰재 조성물 전체량에 대해 2~21중량%로 하는 것이 바람직하고, 4~17중량%로 하는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 탄성 흑연화 카본 입자로서는, Superior Graphite CO.의 RGC14A 등을 사용할 수 있다.
무기 마찰 조정재로서는, 상기한 알루미늄 입자, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 입자, 알루미늄 섬유, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 섬유 이외에, 탈크, 운모, 질석, 사산화삼철, 규산 칼슘 수화물, 글라스 비드(glass bead), 산화 마그네슘, 산화 지르코늄, 규산 지르코늄, γ-알루미나, α-알루미나, 탄화 규소 등의 입자 형태의 무기 마찰 조정재나, 규회석, 세피올라이트, 현무암 섬유, 유리 섬유, 생체 용해성 인조광물 섬유, 암면 등의 섬유 형태의 무기 마찰 조정재를 들 수 있고, 이들은 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 무기 마찰 조정재의 함유량은, 상기한 알루미늄 입자, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 입자, 알루미늄 섬유, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 섬유와 함께 마찰재 조성물 전체량에 대해 15~50중량%로 하는 것이 바람직하고, 20~45중량%로 하는 것이 더욱 바람직하다.
유기 마찰 조정재로서, 캐슈 더스트, 타이어 트레드 고무의 분쇄 분말이나, 니트릴 고무, 아크릴 고무, 실리콘 고무, 부틸 고무 등의 가황 고무 분말 또는 미가황 고무 분말 등의 마찰재에 통상 사용되는 유기 마찰 조정재를 들 수 있고, 이들은 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 유기 마찰 조정재의 함유량은 마찰재 조성물 전체량에 대해 3~8중량%로 하는 것이 바람직하고, 4~7중량%로 하는 것이 더욱 바람직하다.
pH 조정재로서 수산화 칼슘 등의 통상 마찰재에 사용되는 pH 조정재를 사용할 수 있다. pH 조정재는, 마찰재 조성물 전체량에 대해 2~6중량%로 하는 것이 바람직하고, 2~3중량%로 하는 것이 더욱 바람직하다.
마찰재 조성물의 잔부로서는, 황산 바륨, 탄산 칼슘 등의 충전재를 사용한다.
본 발명의 디스크 브레이크에 사용되는 마찰재는, 소정량 배합한 마찰재 조성물을, 혼합기를 사용하여 균일하게 혼합하는 혼합 공정, 얻어진 마찰재 원료 혼합물과, 별도로 미리 세정, 표면 처리하고, 접착재를 도포한 백 플레이트를 중첩하여 열성형용 금형에 투입하고, 가열 가압하여 성형하는 가열 가압 성형 공정, 얻어진 성형품을 가열하여 결합재의 경화 반응을 완료시키는 열처리 공정, 분말 도료를 코팅하는 정전 분말 코팅 공정, 도료를 베이킹하는 코팅 베이킹 공정, 그라인더에 의해 마찰면을 형성하는 연마 공정을 거쳐 제조된다. 한편, 가열 가압 성형 공정 후, 코팅 공정, 도료 베이킹을 겸한 열처리 공정, 연마 공정의 순으로 제조하는 경우도 있다.
필요에 따라, 가열 가압 성형 공정 전에, 마찰재 원료 혼합물을 조립(granulating)하는 조립 공정, 마찰재 원료 혼합물을 혼련하는 혼련 공정, 마찰재 원료 혼합물 또는 조립 공정에서 얻어진 조립물, 혼련 공정에서 얻어진 혼련물을 예비 성형용 금형에 투입하고, 예비 성형물을 성형하는 예비 성형 공정이 실시되고, 가열 가압 성형 공정 후에 스코치(scorching) 공정이 실시된다.
(실시예)
이하, 실시예 및 비교예를 바탕으로, 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 하기의 실시예에 제한되지 않는다.
[실시예 1~14·비교예 1~3의 마찰재의 제조 방법]
표 1, 표 2에 나타내는 조성의 마찰재 조성물을 LOEDIGE MIXER로 5분간 혼합하고, 성형 금형 내에서 30MPa로 10초간 가압하여 예비 성형을 했다. 이 예비 성형물을, 미리 세정, 표면 처리, 접착재를 도포한 강철제의 백 플레이트 상에 중첩하고, 열성형용 금형 내에서 성형 온도 150℃, 성형 압력 40MPa의 조건하에서 10분간 성형한 후, 200℃에서 5시간 열처리(후 경화)를 하고, 연마하여 마찰면을 형성하고, 승용차용 디스크 브레이크 패드를 제작했다(실시예 1~14, 비교예 1~3).
얻어진 마찰재에 있어서, 고속 고부하시의 브레이크의 제동 성능, 내마모성을 평가했다. 평가 결과를 표 3, 표 4에, 평가 기준을 표 5에 나타낸다.
표 3 및 표 4로부터, 본 발명의 마찰재는, 구리 성분의 함유량이 적어도, 특히, 구리 성분을 포함하지 않는 실시예 2~14에 있어서도, 충분한 평가 결과가 얻어진 것을 알 수 있다. 실용상 문제 없는 결과이다.
본 발명에 의하면, 디스크 브레이크 패드에 사용되는, NAO재의 마찰재 조성물을 성형한 마찰재에 있어서, 구리 성분의 함유량에 관한 법규를 만족하면서, 고속 고부하 제동시에 발생하는 마찰재 단부의 치핑을 억제할 수 있고, 나아가, 고속 고부하시에 있어서의 브레이크 제동 성능의 요구 성능을 확보할 수 있어, 실용적 가치가 매우 높다.
Claims (3)
- 디스크 브레이크 패드에 사용되고, 마찰재 조성물에 포함되는 구리 성분의 총량이 0 중량%인 NAO재의 마찰재 조성물을 성형한 마찰재에 있어서,
상기 마찰재 조성물이 탄소질계 윤활재로서 탄성 흑연화 카본 입자를 마찰재 조성물 전체량에 대해 3 ~10 중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 마찰재. - 제1항에 있어서,
상기 마찰재 조성물이 금속 황화물계 윤활재로서 황화 제1철을 마찰재 조성물 전체량에 대해 1~15중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 마찰재. - 제2항에 있어서,
상기 마찰재 조성물이 무기 마찰 조정재로서, 알루미늄 입자, 알루미늄 섬유, 알루미늄을 90중량% 이상 함유하는 합금 입자, 알루미늄을 90중량% 이상 함유하는 합금 섬유에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 마찰재 조성물 전체량에 대해 1~10중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 마찰재.
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