KR102439050B1 - 마찰 공학적 응용을 위한 섬유 - Google Patents

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Abstract

흑연이 아닌 1종 이상의 고체 윤활제를 포함하고, 흑연이 아닌 1종 이상의 고체 윤활제로 표면 처리한, 미네랄 섬유가 아닌 마찰 공학적 응용을 위한 섬유.

Description

마찰 공학적 응용을 위한 섬유
본 발명은 마찰 공학적 응용을 위한 섬유에 관한 것이다.
본 맥락에서, 섬유는 일반적으로 그 길이에 비해 얇은 몸체를 갖는 구조물로서 이해될 것이다.
금속, 세라믹, 천연물, 고분자 섬유 등과 같은 섬유는 다수의 부품, 예를 들어 마찰 라이닝에서 매우 중요한 기능적 엘리먼트이다. 섬유의 구조로 인해, 이들은 기계적 및 구조적 강도에 상당히 기여하며, 양호한 열 전도성을 통해 소위 “핫스팟”을 방지한다. 일반적으로, 섬유는 합성 섬유, 천연 섬유는 물론 천연물 및/또는 합성물으로부터 (natural and/or synthethic products) 재활용된 섬유로 분류될 수 있다.
브레이크 디스크 (brake disk)와 이의 마찰 라이닝 사이의 마찰 접촉은 사용되는 금속 섬유의 계면에서 주로 형성된다. 접촉-플리토 이론 (contact-plateau theory)에 따르면, 접촉 플리토는 브레이크 라이닝의 표면에 형성되며, 라이닝 표면의 나머지에서 돌출된다. 마찰 쌍 사이의 실제 접촉은 접촉 플리토 내에서 발생하며, 이는 그러한 플리토의 크기 및 구성이 라이닝의 마찰 성능에 크게 영향을 미치는 이유이다. 여기에서, 내마모성의 더 단단한 엘리먼트, 예를 들어 섬유 또는 마모 입자에 의해 형성되는 1차 접촉 플리토와, 상기 1차 플리토 앞에 축적되고 거기에서 압착된 압착 마모 입자로 이루어진 2차 플리토 사이에 차이가 발생한다.
고체 윤활제, 예를 들어 흑연 및/또는 금속 황화물의 사용은 많은 응용 분야에서 첨단 기술로 여겨진다. 일반적으로 고형 윤활제, 특히 금속 황화물은 마찰 라이닝, 마찰 플라스틱(triboplastic), 액체 및 페이스트-유사 윤활제, 마찰 방지 코팅, 마모체, 및 소결 부품을 위한 응용을 포함하여, 마찰 특성을 개선하는데 사용된다. 금속 황화물은 마찰 파트너의 감소된 마모 효과를 달성할 수 있고, 마찰 수치를 안정시킬 수 있고 수정할 수 있으며, 의도치 않은 효과에 맞선 편리한 첨가제로서 사용될 수 있다. 의도치 않은 효과는 피킹 (picking), 스크래칭 (scratching), 스틱-슬립 (stick-slip) 현상 뿐만 아니라, 고주파 및 저주파 마찰 시스템 진동을 포함한다.
발명자들은 혼합된 고체 윤활제가 접촉 플리토로부터, 예를 들어 마찰 라이닝에서 멀리 이동하고, 짧은 작동 시간 후에 이미 마찰 파트너들 사이의 실제 접촉에서 낮은 정도로만 이용 가능하게 되고 그에 따라 마찰 공학 응용에서 감소된 효율성만을 보여줄 수 있다는 것을 발견했다.
본 발명의 목적은 마찰 공학적 부품 특성의 향상을 가능케 하는 섬유를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이는 미네랄 섬유가 아닌 상기 섬유가 흑연이 아닌 1종 이상의 고체 윤활제를 포함하는 것, 또는 섬유가 흑연이 아닌 1종 이상의 고체 윤활제로 표면처리된, 특히 코팅된, 바람직하게는 황화된 것으로 달성될 것이다.
황화를 위한 다양한 방법은 최신 기술을 따른다.
이때, 상기 고체 윤활제는 섬유 표면상에만 형성되거나, 또는 섬유 표면 상에 배치될 수 있거나, 또는 부분적으로 또는 전체적으로 섬유 그 자체를 포함한다.
본 발명의 방법에 따라 섬유를 형성함으로써, 피상적으로 또는 전체적으로 고체 윤활제 또는 여기에 코팅된 것으로 이루어진, 고체 윤활제는 직접적 및 표적화된 방식으로 마찰 접촉 플리토에 근접하게 제공될 수 있고, 이것은 구조화된 섬유에 의해 형성된 1차 접촉 플리토 내 또는 주위에 존재하고, 섬유상 고체 윤활제가 복합 섬유 구조 내에 존재하는 동안 이동할 수 없거나, 상당한 어려움 하에서만 이동할 수 있기 때문에 마찰 접촉 플리토 영역 내에 유지될 수 있다.
US 2015/0204403 A1은 열전도성을 향상시키기 위해 사용되는 흑연 코팅 섬유를 기재한다. 그러나, 하기의 이유 때문에, 흑연은 본 발명의 고체 윤활제로서 사용될 수 없다.
널리 알려진 믿음과는 달리, 흑연의 윤활 효과는 본질적 특성이 아니지만, 물과 같은 증기 또는 작은 분자의 존재에 의존한다. 진공 상태 또는 건조한 상태에서 흑연은 윤활 효과를 잃는다. 160℃ 보다 높은 온도의 건조 조건에서 수분이 증발하기 시작하고 흑연의 윤활 효과가 감소한다. 그러나, 특히 브레이크 라이닝을 위한 응용에서는 매우 넓은 온도 범위에서 일정한 마찰 수치가 필수적이다. 브레이크 라이닝과 브레이크 디스크 사이의 접촉 영역 내에서 800 ℃ 초과의 순간 온도에 도달할 수도 있다. 따라서, 흑연 이외의 고체 윤활제만이 본 발명의 범위 내에서 마찰 공학적 특성을 향상시키는 섬유를 제조하는데 사용될 수 있다. 흑연이 아닌, 마찰 공학적 특성을 향상시키는 고체 윤활제의 사용은 본 발명의 결정적인 측면이다.
본 발명에 따른 섬유는 구체적으로 결합제와 함께 또는 결합제 없이 섬유의 표면 처리, 고체 윤활제의 화학적 또는 물리적 적용을 통한, 및 1종 이상의 고체 윤활제를 함유하는 섬유의 제조를 통한 2가지 상이한 방법을 사용하여 제조될 수 있다.
미네랄 섬유는 본 발명에 따른 응용에 적합하지 않다는 것이 밝혀졌으므로 본 명세서의 범위에서 제외될 것이다.
따라서 적합한 섬유는 미네랄 섬유가 아닌, 예를 들어 셀룰로오스 섬유, 아라미드 섬유, 플라스틱 섬유, 금속 섬유, 유리 섬유, 나노 섬유, 탄소 섬유를 포함한다. 본 발명의 다른 구체예에서, 고체 윤활제로부터 섬유를 직접 제조하는 방법은 레이저 소결, 용융 추출, 기계 가공 섬유 생산, 단면 압연 (section rolling)은 물론 스피닝 (spinning) 공정 등을 포함한다.
응용 분야에 따라, 본 발명에 따른 섬유는 제한 없이 길이 또는 직경이 변할 수 있다.
다른 구체예에서, 본 발명에 따른 섬유를 형성하거나 그 위에 코팅된 고체 윤활제는 1종 이상의 금속 황화물로부터 형성될 수 있다.
본 발명에 다른 구체예에 따라, 상기 섬유로 효과적인 마찰 공학적 효과를 달성할 수 있기 위한 1종 이상의 고체 윤활제의 백분율은 3 중량% 이상, 바람직하게는 4 중량% 이상, 특히 5 중량% 이상, 가장 바람직하게는 10 중량% 이상이다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 섬유는 황화될 수 있어서, 예를 들어 고체 윤활제로서 작용하는 섬유의 표면상에 금속 황화물이 형성될 수 있다.
본 발명의 구체예의 다른 예시는 황화철 섬유 또는 주석-철 황화물 (tin-iron sulfide) 섬유인 섬유로 이루어질 수 있다.
본 발명의 추가적인 발전으로, 본 발명에 따른 섬유 생산을 위한 상기 고체 윤활제는 다상(multi-phased) 금속 황화물로서 제공될 수 있다.
본 발명에 다른 구체예에 따르면, 본 발명에 따른 섬유 생산을 위한 고체 윤활제는 SnS, SnS2, MoS2, Bi2S3, ZnS, WS2, CuFeS2, FeS, CuS, Cu2S, MnS, Sb2S3, TiS2, Cr/Co/Ni의 황화물, Sn2S3, MoS3, WS3, Fe1-xS, MnS2, Sb2S5, ZrS2, CaS, MgS, La 및 Ce의 황화물, 및 다양한 금속의 다상 금속 황화물, BN, PTFE, 포스페이트, 산화물 또는 이들의 혼합물로 형성될 수 있으나, 상기한 것에 한정되지 않는다.
제한 없이, 본 발명에 따른 섬유의 바람직한 응용 중 하나는 마찰 라이닝을 생산하는 산업, 특히 다양한 마찰 라이닝 유형에서의 사용이다: 디스크 및 드럼 브레이크용 라이닝, 클러치 라이닝은 물론 기타 브레이크 라이닝, 특히 산업 라이닝, 뿐만 아니라 인공 수지에 결합되거나 소결 또는 다른 방식으로 부착될 수 있는 풍력발전소 브레이크 라이닝. 본 발명의 응용 분야는 로우-멧(low-met), NAO, 소결, 세미-멧(semi-met), 하이브리드 및 기타와 같은 모든 제형 유형을 포함한다.
섬유가 사용되고, 마찰 공학이 구조적 측면과 함께 중요한 역할을 수행하는 추가의 응용 또한 본 발명의 범위 내에서 가능하다. 예를 들어, 응용 분야 중 다른 하나는 플라스틱 산업, 특히 마찰 플라스틱 분야일 수 있다. 따라서, 이들은 본 발명에 따른 섬유를 함유할 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 섬유를 포함하는 마찰 라이닝 혼합물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 마찰 라이닝 혼합물은 고체 윤활제, 예를 들어 금속 황화물 및 섬유의 응용-특이적 이점을 조합한다. 구리를 대체하기 위해서는, 예를 들어 브레이크 라이닝에서, 마찰 라이닝에 이를 적용할 때 구리의 성질을 모방하기 위해 다양한 이점을 조합하는 것이 필수적이다. 고체 복합 윤활제를 사용하고, 구조화하고, 이 경우 동시에 섬유를 윤활시킴으로써, 마찰 공학적 특성의 지속 가능한 개선이 달성된다.
“접촉-플리토 이론”에 따르면, 본 발명에 따른 고체 윤활제 또는 섬유상 고체 윤활제는 각각 마찰 라이닝의 모든 측면을 개선하기 위한 매우 양호한 특성을 제공한다.
추가적으로, 본 발명에 따른 마찰 라이닝 혼합물의 충전제가 황산바륨, 탄산칼슘, 수산화칼슘, 불화칼슘, 산화철, 실리카, 질석(vermiculite), 산화마그네슘, 활석, 규산지르코늄, 산화지르코늄 운모, 금속 분말, 산화몰리브덴, 알루미나, 기타 금속 산화물, 탄화규소, 규회석, 티탄산칼륨, 크롬철광, 황산칼슘-휘스커(calcium sulfate-whiskers), 석유-코크스, 고무 더스트, 니트릴 고무, 아크릴 고무, 마찰 더스트 중에서 1종 이상으로 형성되는 것으로 구상될 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 결합된 마찰 라이닝 혼합물로 이루어지는 브레이크 또는 클러치 라이닝에 관한 것이다.
도 1은 황화 강철 섬유의 예시를 나타낸다.
여기에서, 다양한 황화 섬유의 예시적인 응용-특이적 결과는 브레이크 라이닝에서 각각 유사하지만, 황화되지 않은 섬유 (블랭크)와 비교하여 보여준다.
황화된 섬유는 보통의 로우-멧 (low-met) 제형에 병합되었으며, 브레이크 라이닝은 주름졌다. 응용-특이적 라이닝 특성은 동력계에서 SAE J522에 따라 AK-Master 시험을 사용하여 검사되었다. 사용된 관성은 하기의 주어진 결과에 나열된다. 사용된 브레이크 시스템은 Golf I 유형 시스템이었다.
구리의 로우-멧 제형의 AK-Master 시험 결과. 브레이킹 시스템: Golf 1, 관성: 60 kg m2
결과
(구리-함유 제형,
관성: 60 kg m²)		 마모
라이닝 [g]		 향상
[%]		 평균
마찰 수치 μ		 향상
[%]		 페이드 2
마찰 수치
100->5 km/h		 향상
[%]
블랭크 13.3 0.33 0.24
황화 강철 섬유; 시행 1 10.6 20 0.33 0 0.28 17
황화 강철 섬유; 시행 2 12.2 8 0.34 3 0.30 25
황화 강철 섬유; 시행 3 8.4 37 0.35 6 0.27 13
황화 강철 섬유; 시행 4 8.3 38 0.36 9 0.29 21
블랭크 14.9 0.32 0.28
황화 스테인리스 강철 섬유, 시행 1 11.5 23 0.33 3 0.30 7
황화 스테인리스 강철 섬유, 시행 2 12.1 19 0.33 3 0.28 0
블랭크 13.3 0.33 0.24
황화 암면 (rock wool), 시행 1 11.6 13 0.33 0 0.28 17
황화 암면 (rock wool), 시행 2 9.0 32 0.34 3 0.28 17
블랭크 17.4 0.33 0.21
황화 유리 섬유, 시행 1 8.8 49 0.35 6 0.30 43
황화 유리 섬유, 시행 2 13.2 24 0.33 0 0.30 43
블랭크 13.3 0.33 0.24
황화 아라미드 섬유, 시행 1 11.7 12 0.36 9 0.28 17
황화 아라미드 섬유 시행 2 13.1 2 0.34 3 0.31 29
표 1에는 라이닝 마모 및 평균 마찰 수치와 같은 영역의 향상뿐만 아니라 AK-MASTER 블록 “페이드 2”로부터 최소 마찰 수치의 향상이 나타난다. 예시적인 시험 시리즈에 걸쳐 평균 마찰 수치 ACC에 대해, 해당 블랭크에 비해 최대 49%의 라이닝 마모 향상이 달성될 수 있었다. AK-MASTER 시험에서 최대 9%의 향상을 달성할 수 있었고, 최소 마찰 수치의 경우 최대 43%의 향상을 볼 수 있었다.
시험은 구리가 없는 염기 혼합물에서 반복되었다. 이 제형에서 라이닝 마모가 최대 29% 향상되고, 마찰 수치가 최대 13% 증가하며, 최대 43%의 페이딩2 향상이 달성될 수 있었다.
상기 결과는 하기의 표에 나타난다.
구리가 없는 로우-멧 제형의 AK-Master 시험 결과. 브레이킹 시스템: Golf 1, 관성: 40.6 kg m2
결과
(구리가 없는 제형,
관성: 40.6 kg m²)		 마모
라이닝 [g]		 향상
[%]		 평균
마찰 수치 μ		 향상
[%]		 페이드 2 마찰 수치
100-> 5 km/h		 향상
[%]
블랭크 7.0 0.31 0.24
황화 강철 섬유; 시행 1 6.5 7 0.32 3 0.28 17
황화 강철 섬유; 시행 2 6.2 11 0.33 6 0.30 25
황화 강철 섬유; 시행 3 6.5 7 0.33 6 0.25 4
황화 강철 섬유; 시행 4 6.3 10 0.34 10 0.24 0
블랭크 6.9 0.32 0.28
황화 스테인리스 강철 섬유, 시행 1 6.4 7 0.33 3 0.30 7
황화 스테인리스 강철 섬유, 시행 2 6.3 9 0.33 3 0.28 0
블랭크 7.0 0.31 0.24
황화 암면 (rock wool), 시행 1 5.7 19 0.32 3 0.28 17
황화 암면 (rock wool), 시행 2 5.9 16 0.31 0 0.28 17
블랭크 6.6 0.33 0.21
황화 유리 섬유, 시행 1 4.7 29 0.35 6 0.30 43
황화 유리 섬유, 시행 2 5.7 14 0.33 0 0.30 43
블랭크 7.0 0.31 0.24
황화 아라미드 섬유, 시행 1 5.9 16 0.35 13 0.28 17
황화 아라미드 섬유 시행 2 5.5 21 0.34 10 0.31 29
기능성 섬유의 이점을 시험하기 위한 마찰 라이닝 제형은 아래에 나와 있다. 응용-특이적 비교에서, 강철 섬유, 스테인리스 섬유 및 암면 또는 아라미드 섬유는 각각 대응하는 황화 유형으로 대체되었다.
제형, 구리-함유 [중량%]
결합제 6
유기 충전제 7
아라미드 섬유 3
암면 7
강철 섬유 / 스테인리스 강철 섬유 11
구리 / 황동 16
무기 충전제 27
연마제 10
흑연/ 코크스 13
제형, 구리 없음 [중량%]
결합제 6
유기 충전제 8
아라미드 섬유 4
암면 8
강철 섬유 / 스테인리스 강철 섬유 13
무기 충전제 32
연마제 12
흑연/ 코크스 17
- 도 1은 황화 강철 섬유의 예시를 나타낸다.
- 사용되었던 강철 섬유는 하기의 특성을 갖는다:
섬유 길이: 최소 100 μm; 최대 2000 μm; 평균: 900 μm
섬유 직경: 최소 20 μm; 최대 100 μm; 평균: 50 μm
- 황화 강철 섬유의 황화물 농도
Figure 112018047284233-pct00001
- 마찰 라이닝 제형에 사용될 수 있었던 다양한 재료의 요약 (개별 그룹 요약):
결합제의 예시: 열경화성 폴리머, 전형적으로 페놀 수지 또는 멜라민 수지, 에폭시 수지, 변성 페놀 수지, 합성 고무.
충전제의 예시: 황산바륨, 탄산칼슘, 수산화칼슘, 불화칼슘, 산화철, 실리카, 질석, 산화마그네슘, 활석, 규산지르코늄, 산화지르코늄, 운모, 금속 분말, 산화몰리브덴, 알루미나, 기타 금속 산화물, 탄화규소, 규회석, 티탄산칼륨, 크롬철광, 황산칼슘-휘스커(calcium sulfate-whiskers), 석유 코크스, 고무 더스트, 니트릴 고무, 아크릴 고무, 마찰 더스트
- 마찰 라이닝의 예시적 용도:
마찰 라이닝, 예를 들어 디스크 브레이크 라이닝은 움직이는 물체, 예를 들어 차량 (자동차)을 느리게 하는 역할을 한다. 이를 달성하기 위해, 마찰 라이닝은 가능한 많은 표면적을 갖는 움직이는 대응체 (counterbody)에 맞서 가압되며, 상기 대응체는 발생하는 마찰에 의해 마찰 라이닝에 대해 감속/제동된다. 전형적으로, 이 과정은 연마(마모) 및 마찰 열을 초래한다.
본 발명의 섬유의 추가적인 예는 다음과 같이 제공된다:
- 코팅된 강철 섬유의 고체 윤활제 표면 농도:
Figure 112018047284233-pct00002
- 금속 황화 섬유에 포함된 황화물의 요약:
Figure 112018047284233-pct00003
- 고체 윤활제 섬유:
고체 윤활제, 예를 들어 이러한 목적으로 특별히 생산된 용융물로부터 금속 황화물 또는 다상 금속 황화물을 위한, 예를 들어 용융 방사 공정을 통한 직접 제조. 이것의 한가지 예는 SnS 섬유일 것이다. 마찰 라이닝의 경우, 전체 섬유 함량 또는 제조된 섬유의 일부가 각각 사용될 것이다.
섬유에 결합되거나 또는 이를 포함하는 고체 윤활제가 마찰 라이닝 내에 각각 다르게 분포되는데, 이는 필요로 하는 다른 장소에 배치될 수 있고, 이에 따라 마찰 접촉을 지지하고, 마모를 최소화하며 마찰 수치를 안정화하는 이점을 보여준다는 의미라는 점을 실행 중에 발견했다. 또한 마찰 라이닝 혼합물 내의 섬유-결합 고체 윤활제는 가압전과 예비 혼합 후에는 더 이상 침전될 수 없고, 최종 복합체 내에서도 균질한 분포로 계속 존재할 것이다.
본 발명은 마찰 라이닝 내의 비(非)-철금속, 특히 구리의 양이 감소되어, 그렇지 않았다면 라이닝의 초래되는 마모를 통해 환경에 퍼져, 생태 독성 영향을 미친다는 점에서 생태학적 이점도 제공하는 것으로 나타났다.

Claims (21)

  1. 마찰 라이닝 생성을 위한 섬유로서,
    상기 섬유는 적어도 하나의 고체 윤활제로 표면 처리되고,
    상기 섬유는 금속 섬유, 세라믹 섬유, 천연 섬유, 고분자 섬유, 셀룰로오스 섬유, 아라미드 섬유, 플라스틱 섬유, 유리 섬유, 나노섬유, 또는 탄소 섬유이며,
    상기 고체 윤활제는 SnS, SnS2, MoS2, Bi2S3, ZnS, WS2, CuFeS2, FeS, CuS, Cu2S, MnS, Sb2S3, TiS2, Cr/Co/Ni의 황화물, Sn2S3, MoS3, WS3, Fe1-xS, MnS2, Sb2S5, ZrS2, CaS, MgS, La의 황화물, 다상 금속 황화물, 또는 이들의 혼합물이고,
    상기 고체 윤활제는 상기 섬유의 표면 상에 금속 황화물을 형성하며,
    상기 적어도 하나의 고체 윤활제의 양은 적어도 3 중량%인 것인, 마찰공학적 응용을 위한 섬유.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 표면 처리된 섬유는 천연에서 기원한 것, 또는 합성으로 제조된 것, 또는 천연물 또는 합성물의 재활용을 통해 얻어진 것인, 섬유.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 섬유는 금속 황화물인 것인, 섬유.
  4. 청구항 1에 있어서,
    고체 윤활제를 포함하는 섬유는 레이저 소결, 용융 추출, 가공된 섬유 제조, 단면 압연 또는 스피닝 법에 의해 제조되는 것인, 섬유.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 고체 윤활제는 다상(multi-phased) 금속 황화물을 포함하는 것인, 섬유.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 고체 윤활제의 양은 적어도 10 중량%인 것인, 섬유.
  7. 청구항 1에 따른 섬유를 하나 이상 포함하는 마찰 라이닝 혼합물.
  8. 청구항 7에 있어서,
    황산바륨, 탄산칼슘, 수산화칼슘, 불화칼슘, 산화철, 실리카, 질석, 산화마그네슘, 활석, 규산지르코늄, 산화지르코늄, 운모, 금속 분말, 산화몰리브덴, 알루미나, 기타 금속 산화물, 탄화규소, 규회석, 티탄산칼륨, 크롬철광, 황산칼슘-휘스커, 석유 코크스, 고무 더스트, 니트릴 고무, 아크릴 고무, 마찰 더스트 중 1 종 이상으로 형성되는 충전제를 더 포함하는 것인, 마찰 라이닝 혼합물.
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