KR20000011060A - 소결된 물질로 제조된 마찰부재, 이의 제조방법 및 이를 철도차량용 제동시스템에 사용하는 방법 - Google Patents
소결된 물질로 제조된 마찰부재, 이의 제조방법 및 이를 철도차량용 제동시스템에 사용하는 방법Info
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Abstract
본 발명은 금속 바인더 분말, 적어도 하나의 윤할제 및 경질 입자 형태의 충진제를 혼합시킨 다음, 상기 혼합물을 형상화시키고, 소결시켜 제조된 마찰부재에 관한 것이다. 250마이크론 이하의 입자크기를 갖는 분말이 적어도 금속 바인더 및 경질입자용으로 사용되며, 상기 형상화된 분말 혼합물은 제 1 소결단계, 고온 단조(forging)단계 및 제 2 소결단계를 거친다. 상기 마찰부재는 철도 차량의 제동시스템에 있어서, 강철, 알루미늄, 탄소-탄소 혼합물, 금속 또는 세라믹 매트릭스와의 혼합물, 또는 특히 실리사이드 탄소-탄소 혼합물과 같은 다른 물질로 제조된 제동 디스크에 결합된 제동 패드를 제조하는데 특히 바람직하다.
Description
본 발명은 소결된 물질로 제조된 마찰부재의 생산에 관한 것이다. 주요 응용 분야는 제동장치, 특히 철도차량 제동장치의 디스크에 연결된 마찰장치의 실행분야이다.
마찰부재, 특히 철도차량에 사용되는 마찰부재는 물리학 뿐만 아니라, 마찰학적 특성과 관련된 엄격한 기준을 충족시켜야 한다.
그러므로, 마찰부재, 예를 들어 단자형태의 마찰부재는 파열이나 금속의 용출에 대한 저항력이 탁월해야 하며, 특히 열방산 방지용 포피(envelope)나 격자와 같은 부속물의 도움없이도 높은 저항력을 지녀야 한다.
그 밖에 마찰부재의 구성물질은 비교적 복합적인 형태를 띨 수 있다. 일례로, 테두리쇠, 버팀대와 함께 복합적인 형태를 이룰 수 있지만, 그렇다고 해서 취약지역이 생겨서는 안된다. 그러므로 마찰부재는 용접기술에 의존하지 않으면서 기계적 조립만으로도 제작될 수 있는 형태를 띨 수 있다. 더불어 마찰부재는 사용중에 발생하는 마찰부재 손실의 위험성을 최소화시킨다.
특히, 철도차량 제동시스템의 응용분야에 있어서는, 제동장치의 기압, 온도, 주변기압, 속도에 상관없이 마찰학적 측면에서 마찰계수의 고도의 안정성이 요구된다.
이제까지는 금속바인더, 경질입자 형태의 충진제, 윤활제 분말 혼합물의 냉각압착 방식을 포함하는 여러가지 마찰부재 제조기술이 제안되어 왔다. 기존의 방식에서는 소결단계 또는 고온압착단계가 동반되었으나, 상기 요구기준을 완벽하게 충족시키지 못했다.
본 발명은 이러한 단점을 보완하는 것을 목표로 한다. 본 발명은 비교적 복합적인 형태로 이루어진 소결물질로 제조된 마찰부재를 제공하는 것을 목표로 한다. 마찰부재는 폭발과 분쇄, 금속의 용출에 대한 저항력을 갖추어야 하며, 마찰부재 자체나 다른 물질과 마찰을 일으켰을 때 충분히 높거나 안정적인 마찰계수를 지녀야 한다. 마찰계수는 특히 주변온도나 습도에 상관없이 높아야 한다.
본 발명은 금속 바인더 분말, 적어도 하나의 윤활제 및 경질입자 형태의 충진제를 포함하는 물질로 제조된 마찰부재의 제조방법을 나타내고 있다. 본 제조방법은 서로 다른 구성물질인 분말의 혼합단계, 상기 혼합물을 압착하여 형상화시키는 단계, 및 소결시키는 단계를 포함한다. 상기 금속 바인더 분말이나 경질입자용으로는 250 마이크론 이하의 분말이 사용된다. 형상화 단계를 거친 분말 혼합물은 제 1 소결단계, 고온 단조(forging)단계, 제 2 소결단계를 거친다.
특히, 금속 바인더 및 경질입자와 같은 초기 구성성분은 제한된 크기의 분말로 이루어진다. 본 공정단계를 거치면, 뛰어난 화학적, 물리적, 거시적 동질성을 지닌 마찰부재, 즉 서로 다른 구성요소가 균등하게 배분된 마찰부재를 얻을 수 있다. 고온 단조단계 이후에 이루어지는 제 2 소결단계는 안정적인 마찰계수와 낮은 열팽창계수를 지닐 수 있도록 최종 산출물에 이상적인 다공성(多孔性)을 제공한다. 냉각압착의 경우보다 높은 다공성을 제공하는 제 1 소결단계를 거쳤음에도 불구하고 소결된 물질의 다공성은 충분하게 된다.
게다가, 분말 혼합물의 미세한 구조는 제 1 소결단계, 중간단조단계 및 제 2 소결단계를 포함하는 공정과 결합되어 중간단조단계에서 고온 유출의 가능성을 감소시키는 역할을 한다. 그러므로 폭발, 풍화, 금속의 용출에 효과적으로 저항할 수 있게 만드는 기계적인 특성을 유지하면서 비교적 복합적인 형태를 지닐 수 있게 된다. 이때 열방산 방지용 포피나 벨트, 격자와 같은 유지 관련부속물은 불필요하게 된다.
특히, 윤활제로는 600 마이크론 이하의 흑연분말을 사용한다. 상기 분말은 결정(結晶)구조를 가지며, 이는 마찰계수의 안정성 향상에 도움이 된다. 금속 바인더 분말로는 청동, 구리, 철, 구리-인으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 분말을 통상적으로 사용한다. 가능한한 최상의 동질성을 유지하기 위해서 전체 질량의 적어도 90%에 해당되는 분말은 입자 평균치의 80%∼120% 범위에 해당된다.
경질입자형태의 충진제는 금속산화물, 유리, 탄화물, 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 분말로부터 얻어진다. 상기 충진제는 특히 마찰계수의 안정성을 보장하고 마찰에서 비롯되는 소음을 줄이며 마찰물질의 훼손을 줄이고 마찰표면을 소재하는 역할을 한다. 충진제로는 산화 알루미늄 분말, 규소분말, 유리분말, 철분말 또는 붕소탄화분말, 규소분말 또는 텅스텐 분말, 철-크롬 혼합분말, 몰리브덴 분말 등이 사용될 수 있다. 특히 전체 질량의 적어도 90%에 해당되는 분말은 입자 평균치의 80%∼120% 크기를 지니고 있다.
본 발명은 소결된 물질로 제조된 마찰부재를 생성하는 것을 목표로 하고, 마찰부재는 상기 명시된 방법에 의해 독점적으로 얻어질 수 있다.
분말 형태의 금속바인더는 마찰부재 60∼90중량%이며 입자크기는 250 마이크론 이하이고, 분말형태의 경질입자는 2∼30중량%를 차지하며 입자크기는 250 마이크론 이하이다. 한편 결정구조를 지닌 흑연형태의 윤활제는 전체 중량의 2∼15중량%를 차지하며 입자크기가 600 마이크론 이하이다.
이와 같은 기계적 특성이나 브레이크 라이닝에 쉽게 통합될 수 있도록 만드는 비교적 복합적인 형태를 띤 특성 이외에도 마찰부재는 주목할 만한 특징이 많다.
우선 기온변화나 주변환경의 습도변화와 상관없이 안정된 마찰계수를 지닌다는 점이다. 이러한 안정성은 마찰부재가 스스로 마찰을 일으킬 때 뿐만 아니라 다른 물질과 마찰을 일으킬 때에도 관찰된다.
그 이유는 마찰반응을 결정하는 인자가 마찰부재를 제조하는 소결된 물질이기 때문이다. 높은 밀도와 낮은 다공성에 이어 두차례에 걸친 소결단계 및 단조단계로 인해 소결된 물질은 습기에 영향을 덜 받으며 디스크를 구성하는 물질의 경도, 탈수능력, 윤활능력을 결정한다.
단자로 이루어진 구조 또한 습한 지역에서 수막을 파열시키기에 유리한 요소이다.
이와 같은 마찰부재는 제동시스템의 제동디스크와 연결되어 있는 브레이크 라이닝에 통합되기에 알맞게 제조되었다.
마찰외피로 이루어져 있는 제동 디스크는 강철, 규소강철, 알루미늄 또는 규소 알루미늄과 같은 알루미늄 혼합물, 탄소물, 알루미늄 매트릭스 같은 금속 매트릭스와의 혼합물, 세라믹 매트릭스와의 혼합물, 탄소-탄소 혼합물, 탄소-규소탄소 혼합물 같은 물질로 이루어진다. 이 중 특히 바람직한 물질은 단조된 또는 주조된 강철, 규소강철, 합금 AS17 같이 규소 함유율이 높은 알루미늄, 탄소-규소탄소 혼합물이다.
본 발명에 따른 하나 또는 여러 개의 마찰부재를 가진 브레이크 라이닝과 결합된, 또는 하나 또는 각각의 마찰외피가 탄소-탄소규소 화합물로 이루어진 제동디스크에 의한 장시간 제동이나 우천시 제동에서는 우수한 효과를 관찰할 수 있었다. 마찰외피가 탄소-탄소규소 화합물로 이루어진 제동디스크의 장시간 제동은 철도차량의 제동시스템에 있어서 유리한 적용방법이며 특히 중형화물차나 초고속열차의 경우 적당하다.
게다가 본 발명에 따라 얻어진 마찰부재는 단일주형으로 주조된 제동 디스크나 통풍장치의 유무에 상관없이 2개 또는 그 이상의 마찰외피를 가지고 있는 디스크에 연결되어 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예는 첨부된 도면을 기초로 하여 참고로 기술되었지만 이에 한정되는 것은 아니다.
-도 1은 본 발명에 따라 제조된 마찰부재를 삽입한 브레이크 라이닝의 도식적인 부분단면도이고,
-도 2는 본 발명의 제 1 공정에 따른 소결된 마찰부재의 생성과정을 도식적으로 설명한 다이아그램이며,
-도 3은 본 발명의 제 2 공정에 따른 소결된 마찰부재의 생성과정을 도식적으로 설명한 다이아그램이고,
-도 4는 도 3을 실행하기 위해 사용되는 금속 테두리쇠의 상세도이며,
-도 5는 마찰계수의 변이를 설명하는 그래프이고, 상기 마찰계수는 강철로 이루어진 제동 디스크와 연결되어 있으며 본 발명에 의해 제조된 마찰부재로 이루어진 브레이크 라이닝을 사용했을 때, 및 초고속열차(TGV) 같은 유형의 철도차량의 제동 시뮬레이션 실험시에 측정되었다. 초고속 열차의 초기속도는 각기 달랐으며 건조한 상태, 습기가 있는 상태에서 모두 실험되었다.
-도 6∼8은 마찰계수 및 기온의 변화를 설명한 그래프이며, 건조한 상태에서 이루어진 제동실험은 각기 다른 기후조건 속에서 각각 강철, 탄소-탄소 혼합물, 탄소-탄소규소 혼합물로 된 마찰외피를 지닌 제동 디스크와 연결된 마찰부재로 이루어진 브레이크 라이닝을 이용하여 행해졌으며 각 경우 마찰계수 및 기온의 변화가 측정되었다.
-도 9 및 10은 마찰계수 및 기온의 변화를 설명한 그래프이며, 습한 상태에서 이루어진 제동실험은 각기 다른 기후 조건 속에서 강철, 탄소-탄소 규소 혼합물로 된 제동디스크와 연결된 마찰부재로 이루어진 브레이크 라이닝을 이용하여 행해졌으며 각 경우 마찰계수 및 기온의 변화가 측정되었다.
본 발명에 따른 실시예는 도 1에 도식적으로 설명되어 있는 바와 같이 브레이크 라이닝 위에 설치되기 위한 단자형태의 마찰부재를 제조하는 형식으로 기술될 것이다. 물론 본 발명은 이와 같이 특별한 형태의 마찰부재를 제조하는데 국한되는 것이 아니라 여러 가지 다른 형태의 마찰부재를 제조하는데도 사용될 것이다. 다른 형태의 마찰부재는 제동시스템이나 클러치 장치에 사용될 것이며 고정체나 이동체에 연결된 마찰부품을 구성할 수 있다.
도 1에서 브레이크 라이닝은 실린더 모양의 다양한 단자(10)를 포함한다. 각각의 단자(10)는 소결물질로 된 하나의 조각으로 이루어지며 축의 양 끝에는 기초판(11)이 있다. 기초판(11)은 후면 금속판(12)과 전면 금속판(13) 사이에 있는 기초판을 조임으로써 각각의 단자가 조립될 수 있게 한다. 단자는 전면 금속판(13)에 생성된 구멍을 통과한다. 금속판(12 및 13)은 리벳(14) 및 버팀대(15)를 이용하여 조립된다.
첨단부(16)는 절단되고 구부려진 후면 금속판(12)의 일부분에 의해 이루어지며 첨단부의 회전을 막기 위해 단자(10) 아래 형성된 구멍(17)을 통과한다.
단자(10)는 단자 마찰부재의 구성요소인 분말의 마찰과 단조에 의해 이루어진다. 구성요소는 바인더를 포함하며 전형적인 금속 바인더는 청동, 구리, 철, 구리-인으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 이루어졌으며 윤활제는 흑연, 경질입자의 충진제는 산화물, 탄화물, 금속 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질로 형성된다. 알루미늄 산화물(Al2O3), 규소 산화물(SiO2), 철 산화물(Fe3O4), 유리 산화물, 흔히 "파이렉스(Pyrex)"라는 명칭으로 알려진 알루미늄이나 나트륨 규소탄화물(SiC), 텅스텐탄화물(WC), 붕소탄화물(B4C), 철-크롬 탄화물, 몰리브덴 탄화물 등이 그 예이다.
금속 바인더는 마찰부재 30∼90중량%를 차지하고 300 마이크론 이하의 입자크기를 갖는 분말로 이루어진다. 흑연과 같은 윤활제는 마찰부재 2∼15중량%를 차지하며 600 마이크론 이하의 입자크기를 갖는 분말로 이루어져 있으며 동시에 결정구조를 유지한다. 충진제는 마찰부재 중량의 2∼30%를 차지하며 250 마이크론 이하의 입자크기를 갖는 분말로 이루어진다. 이미 위에서 언급된 바와 마찬가지로 바인더 분말이나 경질입자 분말의 입자크기는 동질성을 유지하기 위해서 지나치게 달라서는 안된다. 그렇기 때문에 전체 중량의 90%에 해당하는 분말의 입자크기는 입자평균치의 80% 내지 120% 사이의 범위에 해당되어야 한다.
마찰부재 제조의 각 단계는 하기와 같다(도 2참조).
선택된 구성물질로 이루어진 분말은 가능한 최대한의 동질성을 지닌 혼합물을 얻기 위해 미리 지정된 양만큼 혼합되어진다(단계 21). 이를 위해서는 밀도가 높은 분말, 입자크기가 작고 밀도가 낮은 분말, 입자크기가 크고 밀도가 낮은 분말 순으로 투여되어 혼합된다. 분말은 1회에 2∼5분이 소요되는 혼합과정이 끝난 후 추가투여되어 혼합된다.
분말 혼합물의 형상화단계는 프레스를 사용하고, 냉각압축 방식을 통해 이루어진다. 이는 제조할 단자와 유사한 형태를 갖는 단자의 기초모양(단계22)의 형성을 가능하게 만든다. 냉각압축의 압력은 500∼800MPa이며 균열을 막기 위해 압력은 점진적으로 상승된다. 냉각압축은 기계 압축기 또는 수압기를 이용하여 진행되며 압축기 받침대는 초속 1∼50mm 속도로 이동된다.
제 1 소결단계(단계 23)는 저기압하에서 노(爐)속에서 이루어진다(예: 수소와 질소 혼합물). 제 1 소결단계는 800∼1000℃에서 15∼30분간 이루어진다.
제 1 소결단계 후 얻어진 중간물질은 750∼950℃의 고온단조 및 저압을 통과한다(예: 수소와 질소 혼합물).
단자의 단조는 800∼1000MPa의 기압하에서 수압기를 이용하여 이루어진다. 압축기에는 매트릭스가 달려있으며 매트릭스의 형태는 단자의 형태와 유사하다. 단조(단계 24)를 통하여 단자는 나머지 기초판이 접속되는 위치에서 상기에 설명된 예에서와 같이 최종 형태를 갖추게 된다. 동시에 구멍(17)(도1)이 형성된다.
혼합물의 미세하고 동일한 구조는 복합적인 형태를 갖추는데 유리한 요소로 작용한다. 그러므로 단조는 버팀대를 갖는 마찰부재를 제조하기 위해 이용된다. 현재의 실시예에서 볼 때 단자의 회전을 막기 위한 구멍(17)은 단조단계에서 생긴다.
단조단계는 제 1 소결단계에 의해 분말 혼합물에 충분한 응집력이 생긴 후에 실시된다. 단조단계 이후 실시되는 제 2 소결단계는 혼합물에 최종적으로 높은 응집력을 부여한다. 제 2 소결단계(단계 25)는 제 1 소결단계와 같은 조건에서 이루어진다. 제 2 소결단계는 혼합물에 최종적으로 높은 응집력을 부여할 뿐 아니라 고온단조 단계에서 실질적으로 폐쇄되었던 구멍을 다시 열어주는 역할을 한다.
단일 주형으로 제작되어 이음새가 없는 마찰 단자는 소결물질로 제조될 수 있다.
금속 인서트는 고온단조가 이루어지기 직전에 소결물질에 연결시킬 수 있다. 인서트는 단자 하단부 주위를 둘러쌓는 테두리쇠와 같은 물질이다.
도 2에서와 마찬가지로, 도 3에서는 분말의 혼합과정인 단계 31과 냉각압축인 단계 32, 제 1 소결단계인 단계 33을 찾아볼 수 있다.
금속 테두리쇠(36)는 고온단조의 압축기 형태(단계 37)에 삽입된다. 단조(단계 34)는 제 2 소결단계(단계 35)가 실행되기 이전에 이루어진다. 냉각압축, 제 1 소결단계, 고온단조단계, 제 2 소결단계는 상기 기술된 방식에 의해 이루어진다.
도 4에서 상세하게 소개되고 있는 금속 테두리쇠(36)는 강철 또는 구리도금을 한 청동으로 제조된다. 테두리쇠는 집전편의 기초판을 규정하는 외부 어깨부분 (36a)을 나타낸다. 그리고 내부 사면각(36b 및 36c)은 내부 원통형 벽과 양끝의 가장자리(36d 및 36e)를 연결한다.
고온단조 단계에서 제 1 소결단계를 거친 물질의 용출로 인하여 테두리쇠 내부의 선은 단자 하단부 높이까지 이르게 된다(도 4에서 표시됨). 제 2 소결단계에서 테두리쇠 외피를 이루는 구리는 소결물질 속으로 확산됨으로써 테두리쇠의 (용접 확산)을 형성한다.
본 발명의 방법에 의해 형성된 마찰단자의 특정 실시예가 하기와 같다.
실시예 1
하기 표 1에 명시된 구성물질, 입자크기, 전체 중량 중 차지하는 비중을 준수하여 분말 혼합을 실시한다.
| 분말 성분 | 입자크기 | 전체 중량 중 차지하는 비중 |
| 구리 | < 160 마이크론 | 80±5 |
| 흑연 | < 600 마이크론 | 15±5 |
| 몰리브덴 | < 250 마이크론 | 5±2 |
분말의 혼합은 600MPa에서 냉각압축을 통해 이루어지며 다공도는 전체부피의 10%가량이다. 제 1 소결단계 이후 다공도는 약 20%에 도달했으며 고온 단조단계에서 압력은 900MPa까지 점진적으로 상승시킨다. 천천히 이루어지는 고온단조단계는 다공도를 약 1% 또는 그 이하로 낮춘다. 제 2 소결단계는 제 1 소결단계와 마찬가지로 이루어지며 다공도를 원하는 단계, 즉 이 실시예의 경우엔 7%로 맞춘다. 이렇게 해서 얻어진 단자는 도 1에서 설명된 방식에 의해 브레이크 라이닝위에 설치된다.
테스트는 강철로 된 제동디스크의 마찰면과 브레이크 라이닝을 마찰시킴으로써 실시된다. (디스크(18)는 도 1에서 부분적으로 점선으로 나타나 있다.)
테스트는 최초 시속 30Km에서 220Km로, 건조한 상태에서, 초고속열차(TGV) 유형의 철도차량의 제동시스템 시뮬레이션으로 실시된다. 본 테스트에서는 브레이크 라이닝을 20kN 디스크에 적용시키기 위해 최대한 노력한다. 이 과정에서 마찰단자의 폭발이나 외피의 벗겨짐은 전혀 관찰되지 않았다.
실시예 2
하기 표 2에 명시된 구성물질, 입자크기, 전체 중량 중 차지하는 비중을 준수하여 분말 혼합을 실시한다.
| 분말 성분 | 입자크기 | 전체 중량 중 차지하는 비중 |
| 구리 | < 160 마이크론 | 65±5 |
| 구리-인 | < 200 마이크론 | 10±5 |
| 흑연 | < 600 마이크론 | 8±2 |
| 철 | < 200 마이크론 | 15±5 |
| 규소탄화물 | < 200 마이크론 | 2±1 |
단자는 상기 실시예 1과 같이 제조되고 실험된다. 실험 과정에서 마찰단자의 폭발이나 외피의 벗겨짐은 전혀 관찰되지 않았다.
실시예 3
하기 표 3에 명시된 구성물질, 입자크기, 전체 중량 중 차지하는 비중을 준수하여 분말 혼합을 실시한다.
| 분말 성분 | 입자크기 | 전체 중량 중 차지하는 비중 |
| 구리 | < 160 마이크론 | 55± |
| 구리-인 | < 200 마이크론 | 10± |
| 흑연 | < 600 마이크론 | 10± |
| 철 | < 200 마이크론 | 10± |
| 철-크롬 | < 250 마이크론 | 5±2 |
| 몰리브덴 | < 250 마이크론 | 5±2 |
| 텅스텐탄화물 | < 200 마이크론 | 5±2 |
단자는 실시예 1과 같이 제조되고 실험된다. 실험 과정에서 마찰단자의 폭발이나 외피의 벗겨짐은 전혀 관찰되지 않았다.
실시예 4
하기 표 4에 명시된 구성물질, 입자크기, 전체 중량 중 차지하는 비중을 준수하여 분말 혼합을 실시한다.
| 분말 성분 | 입자크기 | 전체 중량 중 차지하는 비중 |
| 청동 | < 160 마이크론 | 58±5 |
| 흑연 | < 600 마이크론 | 10±5 |
| 철 | < 200 마이크론 | 10±5 |
| 몰리브덴 | < 250 마이크론 | 10±5 |
| 붕소탄화물 | < 200 마이크론 | 2±1 |
| "파이렉스" | < 100 마이크론 | 10±5 |
단자는 실시예 1과 같이 제조되고 실험된다. 실험 과정에서 마찰단자의 폭발이나 외피의 벗겨짐은 전혀 관찰되지 않았다.
각기 다른 초기속력 하에서 마찰계수가 측정되었다. 도 5에서 나타난 AS 커브는 초기속력에 따라 달라지는 마찰계수의 변화를 나타내고 있다.
이번에는 습기가 있는 상태에서의 제동능력에 대한 실험이 이루어졌으며 각기 다른 초기속력 하에서 마찰계수가 측정되었다. 도 5에서 나타난 AH 커브는 초기속력에 따라 달라지는 마찰계수의 변화를 나타내고 있다.
커브 AS와 AH는 초기속도의 변화에 상관없이 마찰계수가 뛰어난 안정성을 지닌다는 사실을 보여준다. 이러한 안정성은 건조한 상태에서 습기있는 상태로 실험환경이 변화되었음에도 동일하게 유지되었다. 이러한 마찰계수의 안정성은 제 2 소결단계에서 얻어진 이상적인 다공성에서 비롯되는 것일 뿐만 아니라 결정구조를 지닌 흑연의 사용에서도 연유하는 것이다. 결정구조를 지닌 흑연은 결절구조를 지닌 흑연에 비해 낮은 마찰계수를 나타내지만 본 마찰계수에는 최상의 안정성을 제공한다.
실시예 5
하기 표 5에 명시된 구성물질, 입자크기, 전체 중량 중 차지하는 비중을 준수하여 분말 혼합을 실시한다.
| 분말 성분 | 입자크기 | 전체 중량 중 차지하는 비중 |
| 청동 | < 160 마이크론 | 67±5 |
| 흑연 | < 600 마이크론 | 8±2 |
| 철 | < 200 마이크론 | 15±5 |
| 철-크롬 | < 250 마이크론 | 5±2 |
| 몰리브덴 | < 250 마이크론 | 5±2 |
단자는 실시예 1과 같이 제조되고 실험된다. 실험 과정에서 마찰단자의 폭발이나 외피의 벗겨짐은 전혀 관찰되지 않았다.
실시예 6
하기 표 6에 명시된 구성물질, 입자크기, 전체 중량 중 차지하는 비중을 준수하여 분말 혼합을 실시한다.
| 분말 성분 | 입자크기 | 전체 중량 중 차지하는 비중 |
| 청동 | < 160 마이크론 | 63±5 |
| 흑연 | < 200 마이크론 | 8±2 |
| 철 | < 100 마이크론 | 17±5 |
| 알루미늄 산화물 | < 100 마이크론 | 5±2 |
| 규소산화물 | < 100 마이크론 | 5±2 |
| 붕소탄화물 | < 200 마이크론 | 2±1 |
단자는 실시예 1과 같이 제조되고 실험된다. 실험 과정에서 마찰단자의 폭발이나 외피의 벗겨짐은 전혀 관찰되지 않았다.
실시예 7
본 실시예는 서로 다른 물질로 이루어진 마찰외피를 갖춘 제동 디스크에 건조된 상태에서 마찰되어 연결된 브레이크 라이닝에 마찰부재가 설치되었을 때 본 마찰부재의 반응을 입증하기 위해서 실시된다.
본 실험에서 사용되는 마찰부재는 실시예 4에서 제작된 단자로서 도 1에서 설명된 것처럼 브레이크 라이닝 위에 설치된다. 본 실험은 UIC(국제철도연맹)의 표준 실험조건이나 이와 비슷한 국가/지방의 표준조건 하에서 언덕을 내려오는 철도차량의 속도를 제한시키기 위한 지속제동을 시뮬레이션한 유지제동에 관한 실험이다.
도 6 내지 8은 마찰계수 시간이나 온도에 따른 변이를 보여주는 커브를 나타낸다. 위에서 나타난 변이는 마찰외피가 각각 강철, 탄소-탄소 화합물, 탄소-탄소규소 화합물로 이루어진 제동디스크를 사용했을 때 측정되었다. 도 6 내지 8은 제동에 따른 각기 다른 압력이 표시되어 있으며 레벨 1은 제동장치의 시운전에 해당한다.
마찰부품에는 탄소-탄소 혼합물이 사용된다는 것은 잘 알려진 사실이다. 본 물질은 탄소섬유로 이루어진 섬유 예형(preform)의 제조과정 중 얻어질 수 있으며 부분적으로 예형의 구멍을 막아주는 탄소 매트릭스에 의해 예형의 조밀화가 이루어질 수 있다. 섬유 예형은 프랑스 특허출원 제 85 09 820호에서 기술된 바와 같이 끈으로 서로 연결된 조직층이나 탄소섬유층과 같은 이중층으로 구성된다. 탄소 매트릭스에 의한 예형의 밀도상승은 증기를 이용한 화학적 침투와 같이 널리 알려진 방법에 이루어진다.
탄소-탄소규소 혼합물은 탄소-탄소 혼합물의 남아있는 구멍에 규소화 처리를 함으로써 얻어진 혼합물이다. 용해된 규소의 침투로 생성된 탄소-탄소규소 혼합물로 이루어진 제동디스크의 제조공정은 프랑스계 회사인 유럽추진회사(Societe Europeenne de Propulsion)가 제출한 특허출원 제 95 13 458호에 기술되어 있다. 탄소-탄소 혼합물에 규소화 처리를 하게 되면 혼합물에 남아있는 구멍을 모두 막을 수 있으며 산화에 대한 저항도도 향상된다.
도 6∼8은 제동디스크의 마찰물질이 강철이든지, 탄소-탄소 혼합물이든지, 규소 처리를 거친 탄소-탄소 혼합물이든지 마찰계수가 일정하다는 것을 보여주고 있다. 이는 본 발명공정에 의해 얻어진 마찰부재가 다른 마찰물질에 대해 뛰어난 적응성을 보인다는 사실을 입증한다.
실시예 8
본 실험은 실시예 7에서와 같이 습기있는 환경에서의 제동실험을 제외한 것이다.
도 9 및 도 10은 마찰계수 시간이나 온도에 따른 변이를 보여주는 커브를 나타낸다. 위에서 나타난 변이는 마찰외피가 각각 강철, 탄소-탄소 화합물, 탄소-탄소규소 화합물로 이루어진 제동디스크를 사용했을 때 측정되었다. 도 9 및 도 10에서 제동압력의 적용은 점선으로 표시되어 있으며 각기 고유한 압력이 기재되어 있다.
도 9 및 도 10은 마찰계수의 뛰어난 안정성을 보여준다. 특히 본 발명에 의해 제조된 마찰부재물질이 탄소-탄소규소 화합물과 연결되었을 때 마찰계수의 안정성은 높게 나타난다. 그밖에 건조한 상태와 습기있는 상태에서 측정된 각각의 마찰계수는 상당히 비슷한 것으로 나타났다.
그러므로 본 발명에 의해 얻어진 마찰부재는 다음과 같은 특성으로 인해 우수성을 띤다.
- 본 마찰부재는 풍화나 폭발을 견뎌 낼 수 있는 기계적 특성을 보인다.
- 본 마찰부재는 비교적 복합적인 형태로 이루어질 수 있다. 특히 용접기술에 의존하지 않고 기계공학적 방법을 사용하여 제동장치나 클러치 장치 부품위에 설치될 수 있는 기초판을 갖춘다. 이때 마찰부재가 손상될 위험성은 상당히 감소된다.
- 본 마찰부재는 건조한 상태에서 뿐 아니라 습한 상태에서도, 일반 제동 뿐 아니라 유지제동의 경우에도 안정된 마찰계수를 유지하면서 다른 물질로 이루어진 마찰부재에 연결될 수 있다.
- 본 마찰부재는 적어도 마찰부재의 일부가 규소화처리를 거친 탄소-탄소 혼합물로 이루어진 제동디스크에 연결된 브레이크 라이닝의 마찰부재로 사용되었을 때 특히 효과적이다.
Claims (35)
- 250 마이크론 이하의 입자크기를 갖는 금속 바인더 분말, 적어도 하나의 윤활제 및 250 마이크론 이하의 입자크기를 갖는 경질입자 형태의 충진제를 혼합시키는 단계; 상기 혼합물을 형상화시키는 단계; 및 상기 형상화된 분말 혼합물을 제 1 소결단계, 고온 단조단계 및 제 2 소결단계를 순차적으로 적용시키는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 마찰부재의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 윤활제가 결정구조를 갖는 600 마이크론 이하의 흑연분말임을 특징으로 하는 마찰부재의 제조방법.
- 제 1 항 또는 제 2항에 있어서, 상기 금속 바인더 분말이 청동, 구리, 철 및 구리-인으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나임을 특징으로 하는 마찰부재의 제조방법.
- 제 1 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 바인더 분말이 전체 질량의 적어도 90%에 해당하는 부분이 입자평균치의 80∼120% 범위에 해당하는 물질임을 특징으로 하는 마찰부재의 제조방법.
- 제 1 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 경질입자 형태의 충진제가 금속산화물, 유리, 탄화물 및 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나임을 특징으로 하는 마찰부재의 제조방법.
- 제 1 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 경질입자 형태의 충진제가 전체 질량의 적어도 90%에 해당하는 부분이 입자평균치의 80∼120% 범위에 해당하는 물질임을 특징으로 하는 마찰부재의 제조방법.
- 제 1 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합단계가 분말입자의 크기에 따라 밀도가 가장 높은 입자로부터 낮은 입자 순으로 혼합시키는 것을 특징으로 하는 마찰부재의 제조방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 혼합단계는 1회에 2∼5분이 소요되고, 1회의 혼합이 끝날 때마다 분말을 추가시키는 것을 특징으로 마찰부재의 제조방법.
- 제 1 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합물의 형상화단계가 냉각압축을 통해 이루어짐을 특징으로 하는 마찰부재의 제조방법.
- 제 9항에 있어서, 상기 냉각압축이 500∼800MPa임을 특징으로 하는 마찰부재의 제조방법.
- 제 9 항 또는 제 10항에 있어서, 상기 냉각압축이 압축기 받침대의 상대이동을 통한 압력의 점진적인 상승에 따라 초속 1∼50mm의 속도로 이루어짐을 특징으로 하는 마찰부재의 제조방법.
- 제 9 내지 11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각압축이 마찰부재의 형태와 유사한 형태가 되도록 이루어지며, 최종적으로 이루어지는 혼합물의 형상화는 고온단조를 거쳐 이루어짐을 특징으로 하는 마찰부재의 제조방법.
- 제 1 내지 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 소결단계가 저압하에서 800∼1000℃에서 15∼30분간 이루어짐을 특징으로 하는 마찰부재의 제조방법.
- 제 1 내지 13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 소결단계가 저압하에서 800∼1000℃에서 15∼30분간 이루어짐을 특징으로 하는 마찰부재의 제조방법.
- 제 1 내지 14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 단조단계가 저압하에서 750∼900℃에서 이루어짐을 특징으로 하는 마찰부재의 제조방법.
- 제 1 내지 15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 단조단계가 800∼1000MPa의 압력하에서 수행됨을 특징으로 하는 마찰부재의 제조방법.
- 제 1 내지 16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제조방법의 과정중 마찰부재가 인서트에 연결됨을 특징으로 하는 마찰부재의 제조방법.
- 제 17항에 있어서, 상기 인서트는 금속으로 된 테두리 쇠모양이며, 단자형태의 마찰부재를 둘러싸고 있는 것을 특징으로 하는 마찰부재의 제조방법.
- 제 17 항 또는 제 18항에 있어서, 상기 인서트는 고온 단조단계에서 마찰부재와 연결됨을 특징으로 하는 마찰부재의 제조방법.
- 소결물질에 대해 60∼90중량%의 250 마이크론 이하의 분말형태 금속 바인더, 2∼30중량%의 250 마이크론 이하의 분말형태 경질입자 충진제, 및 2∼15중량%의 600 마이크론 이하의 입자크기를 갖는 흑연형태 윤활제로 이루어진 소결물질로 제조된 것을 특징으로 하는 브레이크 라이닝에 사용되는 마찰부재.
- 제 20항에 있어서, 상기 금속 바인더 분말이 청동, 구리, 철 및 구리-인으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나임을 특징으로 하는 마찰부재.
- 제 20 항 또는 제 21항에 있어서, 상기 충진제가 금속산화물, 유리, 금속탄화물 및 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나임을 특징으로 하는 마찰부재.
- 제 20 내지 22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마찰부재가 청동분말 58%, 흑연분말 10%, 철분말 10%, 몰리브덴 분말 10%, 알루미늄 붕규산/나트륨 붕규산 분말 10% 및 붕소 탄화물 분말 2%로 이루어짐을 특징으로 하는 마찰부재.
- 제 20 내지 23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마찰부재가 마찰단자를 구성하며 단 하나의 피스와 마찰부재의 나머지 요소로 형성된 기초판을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰부재.
- 제 20 내지 23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마찰부재가 소결물질에 연결되어 있고, 기초판을 형성하는 금속 테두리쇠를 구비한 마찰단자를 형성하는 것을 특징으로 하는 마찰부재.
- 제 20 내지 25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 브래이크 라이닝이 적어도 하나의 마찰부재로 이루어져 있음을 특징으로 하는 마찰부재.
- 제 24 항 또는 제 25항에 있어서, 상기 브래이크 라이닝이 여러 개의 마찰부재를 포함하며, 기계적인 방법으로 조립되며, 금속 테두리쇠 또는 기초판과 연결됨을 특징으로 하는 마찰부재.
- 제 26 항 또는 제 27항에 있어서, 상기 브레이크 라이닝의 적어도 하나는 제동장치에 포함되며, 한 부분 또는 각 부분이 강철, 알루미늄, 강철-알루미늄 혼합물, 탄소물, 열구조 혼합물을 포함한 군으로부터 선택된 마찰부재로 제조된 마찰외피로 이루어져 있는 제동디스크와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰부재.
- 제 28항에 있어서, 상기 제동디스크의 적어도 한 부분 또는 각 부분이 규소 알루미늄 성분의 마찰물질로 구성된 마찰외피로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 마찰부재.
- 제 28항에 있어서, 상기 제동디스크의 적어도 한 부분 또는 각 부분이 금속 매트릭스와의 혼합물, 세라믹 매트릭스와의 혼합물, 탄소-탄소 혼합물, 탄소-규소 탄소 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 마찰물질로 구성된 마찰외피로 형성된 것을 특징으로 하는 마찰부재.
- 제 28항에 있어서, 상기 제동디스크의 마찰물질이 탄소-규소 탄소화합물임을 특징으로 하는 마찰부재.
- 제 26 내지 30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제동디스크가 여러 구역으로 형성되어 있으며, 적어도 한 부분 또는 각 부분이 마찰외피를 형성하는 것을 특징으로 하는 마찰부재.
- 제 26 내지 32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제동디스크가 통풍장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰부재.
- 제 25항 내지 33항 중 어느 한 항에 있어서, 철도차량의 총괄적인 제동시스템이 적어도 하나의 제동장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 마찰부재.
- 청동, 구리, 철, 구리-인으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 물질로 이루어지며 250 마이크론 이하의 입자크기를 갖는 전체 중량의 60∼90%의 분말형태 금속바인더, 및 금속산화물, 유리, 탄화물 및 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 물질로 이루어지며 250 마이크론 이하의 입자크기를 갖는 전체 중량의 2∼15%의 분말형태 경질입자로 이루어진 소결물질로 제조된 마찰부재로 이루어지며, 강철, 알루미늄 혼합물, 규소 알루미늄, 금속 매트릭스 혼합물, 탄소-탄소 혼합물, 탄소-규소 탄소 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 물질로 제조된 마찰외피를 이루고 있는 제동디스크의 일부분이 결합되어 있는 브레이크 라이닝을 포함하는 것을 특징으로 하는 철도차량의 총괄적인 제동시스템.
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