KR20010072863A - 금속 허브를 가진 세라믹 부분으로 이루어진 브레이크디스크의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 하나 이상의 세라믹 부분이 다이캐스팅 주형 속에 놓이고, 축에 수직인 하나 이상의 금속 바디 표면에서 나온 돌출부 및 금속 바디의 회전축에 대해 대칭적으로 배치된 하나 이상의 세라믹(조성) 단편을 포함하는, 회전대칭인 바디에 대해 압력하에서 캐스팅에 의해 용융된 금속과 함께 결합되는 것을 특징으로 하는, 세라믹 물질, 특히 조성 물질로 만들어진 마찰 영역을 가진 브레이크 디스크의 제조방법에 관한 것이다.

Description

금속 허브를 가진 세라믹 부분으로 이루어진 브레이크 디스크의 제조방법{METHOD FOR PRODUCING BRAKE DISKS CONSISTING OF CERAMIC PARTS WITH METAL HUBS}

오늘날, 강력 브레이크는 다음과 같은 필요 조건을 가진다: 단시간 내에, 브레이킹 후 즉시라도(대부분 고온 단계에 있음), 큰 (운동) 에너지를 열에너지로 전환시켜야 하고, 실질적으로 효율을 잃지 말아야 하고, 차량 축과의 마찰 연결은 감속하는 동안 큰 토크를 견뎌야 한다.

이와 동시에, 각각 축을 감속하는 드라이빙 축이 가능한 한 작은 관성 모멘트를 유지하도록, 가능한 한 가벼운 브레이크 유닛을 제작하는 것이 요구된다. 또한, 교체하기에 더 쉬운 브레이크 블럭일수록 접합 내에 더 큰 마모가 일어나는 그러한 방식으로 브레이크 디스크 및 브레이크 블럭을 접합시키는 물질을 선택하는 것이 매우 요망된다.

오늘날 대부분의 강력 브레이크는, 브레이크 디스크가 주로 강철 또는 주철로 이루어지는, 디스크 브레이크의 형태로 이해된다. 약 250 내지 약 600℃의 작동 온도가 발생하는 브레이크에서(예를 들어, 공식 I의 경주용 자동차 또는 항공기) 탄소로 강화된 탄소 섬유로 만들어진 브레이크 디스크는 이미 성공적으로 사용되어 왔다. 그러나, 이 물질은 더 높은 온도에서는 표면에서 산화되므로, 장기간사용에는 바람직하지 못한 특성을 가진다. 잘 알려진 바와 같이, 탄소 섬유의 그물로 강화된 실리콘 탄화물 매트릭스를 가진 세라믹 조성 물질이 더욱 바람직하게 작용한다(WO97/22815). 따라서, 탄소 섬유의 큰 치수 안정성 및 강도는 실리콘 탄화물의 바람직한 마모 특성, 특히, 그것의 뛰어난 산화 안정성 및 열 특성과 결합된다. 본 출원은 이러한 세라믹 조성 물질의 단편이 필요한 형상으로 연마되어, 허브와 스포크 사이의 강철 지지체에 고정되는 것을 설명한다.

세라믹, 특히, 세라믹 조성 물질의 기계가공은 값비싸고, 오직 대규모 제조를 위해서만 어렵게 자동화될 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 마찰 영역으로서 세라믹 부분, 특히, 세라믹 조성 물질을 가진 브레이크 디스크의 연속 제작을 가능하게 하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은, 하나 이상의 세라믹 부분이 다이캐스팅 주형 속에 놓이고, 축에 수직인 하나 이상의 금속 바디 표면에서 나온 돌출부 및 금속 바디의 회전축에 대해 대칭적으로 배치된 하나 이상의 세라믹(조성) 단편을 포함하는, 회전대칭인 바디에 대해 압력하에서의 캐스팅에 의해 용융된 금속과 함께 결합되는 것을 특징으로 하는, 세라믹 물질, 특히 조성 물질로 이루어진 마찰 영역을 가진 브레이크 디스크의 제조방법에 의해 달성된다.

따라서, 주형에서 세라믹 성분의 위치는 주형의 (대칭)축 및 바람직하게는 완성된 브레이크 디스크 반지름의 1/10 내지 2/3에 해당하는 반지름을 가진 이 축주변 지대가 세라믹 부분이 없는 방식으로 선택된다. 이 축 주변 지대 크기에 대한 본질적 요소는 브레이킹 감속에 의한 토크가 회전축에 전달될 수 있다는 것이다.

바람직하게는, (대칭축에 인접한) 중심부인 허브가 포트(pot) 형상으로 구체화된다.

세라믹 부분은 어느 단면이라도 가질 수 있고, 그 수는 하나 이상, 바람직하게는 2 내지 80, 특히 4 내지 40이다. 그 부분들은 회전축에 대해 대칭적으로 배치되어야 하고, 다양한 크기 및 다양한 형상의 부분은 각 부분이 하나 이상의 다른 부분과 함께 대칭 상태를 만족시키고, 각각 그 자체가 회전적으로 대칭인 한, 동시에 같이 사용될 수 있다. 그러나, 모든 세라믹 부분은 같은 크기인 것이 바람직하다. 세라믹 부분의 단면은 원형, 타원형 또는 쐐기 모양일 수 있으나, 직사각형 또는 사다리꼴 단면도 사용될 수 있다.

원칙적으로, 공지된 모든 세라믹 물질들은 세라믹 물질로 사용될 수 있다; 그러나, 온도 부담 때문에, 브레이킹 동안 발생하는 고온에서 산화에 의해 분해되지 않고, 이들 온도에서 여전히 적합한 강도를 가지는 물질들이 바람직하다. 그러한 물질로는, 특히, 섬유-강화된 세라믹, 바람직하게는 탄소 섬유 또는 금속 위스커로 강화된 세라믹이 있다. 바람직한 열 특성, 고강도 및 화학적 내성 때문에, 탄화규소 및 질화규소와 같은 다른 비-산화 세라믹이 특히 바람직하다. RSiC(재결정된 탄화규소), SSiC(소결된 SiC) 및 SiSiC(규소-침윤된 탄화규소)와 같은 다양한 탄화규소 세라믹들, 특히, 탄소-섬유-강화된 SiC(C/Si)가 눈에 띄게 적합하다.

지지체 및 힘-전달 부분으로 사용되는 금속은 세라믹의 분해 온도 이하의 온도에서 녹아야 하고, 승온에서도 필요한 힘을 브레이크 디스크로 이끌기 위해 토션에서 충분한 강도를 가져야 하고, 그것의 열팽창은 세라믹의 열팽창과 너무 차이나지 않아야 하고, 세라믹을 (화학적으로) 침범하지 않아야 한다. 탄소-섬유-강화된 규소-침윤된 탄화규소의 세라믹과 결합에서, 예를 들면, 합금에서 알루미늄의 질량 부분이 40% 이상인 알루미늄 합금과 같은 알루미늄이 적당하다.

세라믹 단편이 적당한 자동 위치 장치의 도움으로 다이캐스팅 주형 속에 대칭적으로 놓이는 방식으로 브레이크 디스크가 제조된다. 그리고 나서, 용융된 금속이 약 5 내지 약 500 bar의 압력에서 이 주형 속으로 주입된다. 따라서, 다이캐스팅 주형을 예열하는 것이 유리하다. 금속이 고형화된 후, 일반적으로 주형을 열고, 일부를 꺼내어 주형에 다시 세라믹 삽입물을 넣기 전에 주입공정을 다시한번 수행할 수 있다. 그리고 나서, 필요하다면 냉각된 부분을 재기계화할 수 있다.

단지 하나의 세라믹 부분만이 사용된다면, 그것은 회전적으로 대칭이며, 바람직하게는 고리형상이다. 고리형상은 축에 인접한 면에 개별적인 구성요소를 가지는 것이 바람직하고, 구성요소들이 회전축에 대해 돌출부 또는 홈인, 그러한 구성요소를 둘 이상 가지는 것이 바람직하다. 이들 구성요소 때문에 세라믹과 금속 사이의 마찰 연결이 개선된다. 본 발명과 관련하여, 상기 다이캐스팅 방법에서 축에 인접한 금속 부분으로 둘 이상의 그러한 링 디스크를 연결시킬 수도 있다. 본 실시형태의 경우, 프로펠러 또는 임펠러의 의미에서, 브레이킹 동안 일어나는 에너지 손실로 인하여 보다 신속하게 열을 가져가 버리는, 두 디스크 사이의 공기 흐름을 생성하는 그러한 금속 성분을, 상기 포트 형상의 허브에 추가하여 두 디스크 사이에 주형하는 것이 바람직하다고 판명되었다.

본 발명은 하기 실시예에 의해 설명된다.

(실시예 1)

36 쐐기모양 C/SiC 단편(1 = 약 65 mm, w = 약 18/약 10.6 mm, h = 32 mm)을 손으로 다이캐스팅 주형 속에 위치시켰다. 개별 단편이 320 mm의 외부직경 및 190 mm의 내부직경을 가진 갈라진 원을 형성하는 방식으로 다이캐스팅 주형에 있는 이들 단편에 깊이가 10 mm인 기하학적 매칭 홈을 제공하였다. 개별 단편 사이에는 10 mm의 넓은 틈이 있었다. 이후의 다이캐스팅 공정에서, 개별 단편을 12 mm의 두꺼운 A1 지지 구조에 고정시키고, 마찰 고리를 형성하는 동시에 이 마찰 고리를 다이캐스팅 공정 동안 마찬가지로 형성되는 이 A1 합금의 포트와 연결시키는, 알루미늄 합금(A1-Si12Fe)으로 이들 틈을 채웠다. 다이캐스팅을 수행하기 위해 캐스팅 주형을 300℃로 가열하였다. 이어서, 680℃의 온도로 예열된 A1 합금을 약 50 bar의 압력 하에 캐스팅 주형에 주입하였다. 용융물이 응결된 후, 마찰 유닛을 몰드로부터 꺼내고, 실온으로 냉각시킨 후 기계가공, 즉, 마찰 표면을 연마하였다.

(실시예 2)

320 mm의 외부직경 및 190 mm의 내부직경을 가진 C/SiC 고리 단편을 손으로 다이캐스팅 주형 속에 운반하였다. 이 고리 형상의 고리 내부에 10 mm 길이의 톱니가 있었다. 이후의 다이캐스팅에서 이들 톱니에 의해 포트에 연결되었다. 따라서, 이 톱니는 합금 용융물로 둘러싸였다.

다이캐스팅을 수행하기 위하여 캐스팅 주형을 300℃로 가열하였다. 이어서, 약 680℃의 온도로 예열된 A1 합금을 약 50 bar의 압력 하에 캐스트 주형에 주입하였다. 용융물이 응결된 후, 마찰 유닛을 몰드로부터 꺼내고, 실온으로 냉각시킨 후 기계가공, 즉, 표면을 연마하였다.

Claims (10)

1. 하나 이상의 세라믹 부분이 다이캐스팅 주형 속에 놓이고, 축에 수직인 하나 이상의 금속 바디 표면에서 나온 돌출부 및 금속 바디의 회전축에 대해 대칭적으로 배치된 하나 이상의 세라믹(조성) 단편을 포함하는, 회전대칭인 바디에 대해 압력하에서 캐스팅에 의해 용융된 금속과 함께 결합되는 것을 특징으로 하는, 세라믹 물질, 특히 조성 물질로 만들어진 마찰 영역을 가진 브레이크 디스크의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 세라믹으로 이루어진 링 디스크가 제자리에 놓이는 것을 특징으로 하는 제조방법.
3. 제 1항에 있어서,

   둘 이상의 세라믹 부분이 수평 링 디스크로 배치되어 제자리에 놓이는 것을 특징으로 하는 제조방법.
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 링 디스크가 금속과 세라믹 사이의 마찰 연결을 개선하는, 축 앞으로의 돌출부 또는 축으로부터 떨어져 정렬된 홈을 가지는 것을 특징으로 하는 제조방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 축에 인접한 금속 부분이 포트-형상 허브로 구체화되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
6. 제 3항에 있어서,

   상기 금속 부분이 프로펠러 또는 임펠러의 효과를 가지는 두 디스크 사이에 배치되어, 내부 통풍이라는 의미에서 디스크들을 냉각시키는 두 디스크 사이의 공기 흐름을 일으키는 것을 특징으로 하는 제조방법.
7. 제 1항에 따른 방법에 따라 제조될 수 있는 브레이크 디스크.
8. 제 2항에 따른 방법에 따라 제조될 수 있는 브레이크 디스크.
9. 제 3항에 따른 방법에 따라 제조될 수 있는 브레이크 디스크.
10. 두 디스크 사이에 배치된 금속 부분이, 내부 통풍이라는 의미에서 디스크를 냉각시키는 두 디스크 사이의 공기 흐름의 원인이 되는, 프로펠러 또는 임펠러 효과를 일으키는 것을 특징으로 하는, 제 6항에 따른 방법에 따라 제조될 수 있는 브레이크 디스크.