KR20050007683A - 내열균열성이 우수한 브레이크 디스크용 편상흑연주철 - Google Patents

Abstract

본 발명은 브레이크 디스크로 제작시 제품의 수명이 연장되는 새로운 내열균열성이 우수한 브레이크 디스크용 편상흑연주철에 대한 것이다.

본 발명에 따르면, C와, Si와, Mn과, Ni 또는 Cu와, Mo와, Cr과, P 및 S를 포함하여 이루어지며, 기본적으로 C와 Si는 탄소당량이 3.6~4.2이고, Si/C가 0.36~0.44인 것을 특징으로 하는 내열균열성이 우수한 브레이크 디스크용 편상흑연주철이 제공된다.

Description

내열균열성이 우수한 브레이크 디스크용 편상흑연주철 {A flake graphitization cast iron}

본 발명은 내열균열성이 우수한 브레이크 디스크용 편상흑연주철에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 브레이크 디스크로 제작시 제품의 수명이 연장되는 새로운 내열균열성이 우수한 브레이크 디스크용 편상흑연주철에 관한 것이다.

브레이크 디스크는 디스크의 습동면을 브레이크패드로 압착하여 제동하는 것으로, 차량의 대형화, 고속화에 따라 브레이크에 흡수되는 운동에너지는 현저하게 증가된다. 또한, 이러한 제동현상은 무급유의 건식으로 이루어지므로 제동시 평균 600℃ 정도 온도가 상승된다. 이러한 브레이크 디스크는 양호한 마찰특성과 내마모성, 기계적 강도, 마찰열에 의한 변형 및 응력, 열응력에 대한 저항성, 내열균열 등이 요구된다.

한편, 종래 브레이크 디스크는 상기와 같은 조건을 충족시키기 위해 표 1에 도시된 바와 같은 화학적 조성을 가지는 주철로 제작된다. 그러나 이러한 종래의 주철로 제작된 브레이크 디스크는 내열균열성이 소요되는 수준을 가지지 못하여 상대적으로 수명이 짧다.

〈표 1〉

성 분	C	Si	Mn	P	S	Cu	Mo	Cr
1	3.3	1.5~2.1	0.6~0.9	0.1	0.12	0	0	0
2	3.2~3.4	1.8이상	0.6~0.9	0.1.	0.12	1.0~1.5	0.3~0.5	0.3~0.6

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 내열균열성이 우수할 뿐만 아니라 기지조직인 펄라이트가 미세하며 유리 페라이트와 유리 탄화물이 적어서 브레이크 디스크로 제작시 제품의 수명이 연장되는 새로운 내열균열성이 우수한 브레이크 디스크용 편상흑연주철을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 내열균열성을 보인 그래프

도 2과 도 3은 비교예와 실시예의 조직사진

도 4와 도 5는 비교예와 실시예의 결정입자수를 보여주는 사진

본 발명에 따르면, C와, Si와, Mn과, Ni 또는 Cu와, Mo와, Cr과, P 및 S를 포함하여 이루어지며, 기본적으로 C와 Si는 탄소당량이 3.6~4.2이고, Si/C가 0.36~0.44인 것을 특징으로 하는 내열균열성이 우수한 브레이크 디스크용 편상흑연주철이 제공된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 Mn은 0.8~1.2중량%, Ni 또는 Cu는 1.4~1.8중량%, Mo은 0.3~0.5중량% 이며, Ni 또는 Cu와 Cr의 함량비가 4:1~5:1인 것을 특징으로 하는 내열균열성이 우수한 브레이크 디스크용 편상흑연주철이 제공된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다. 본 발명은 내열균열성이 우수한 브레이크 디스크용 편상흑연주철에 관한 것으로, C, Si, Mn, Ni(또는 Cu), Mo, Cr, P와 S를 포함하여 이루어진다.

본 발명에서는 브레이크 디스크에 요구되는 내마모성과 내열균열성을 동시에 만족하여 수명이 연장되도록 하기 위해 C와 Si의 함량이 C와 Si의 상관관계로 규정된다. 이때 C와 Si의 함량은 탄소당량(CE)이 3.6~4.2이며, Si/C는 0.36~0.44로 제한된다. 탄소당량(CE)은 C와 Si의 상관관계를 나타내는 값으로 다음과 같이 계산된다.

CE =C + 1/3(Si + P)

본 발명에서 C가 3.2중량% 이하이면 강도와 경도는 증가하나 열전도도가 감소되어 열충격에 의한 초기 균열이 촉진되며, C가 3.6중량% 이상이면 내열균열성은 증가하나 페라이트 기지가 출현하여 경도가 낮아지므로 내마모성이 감소된다.

그리고 Si는 상기와 같이 C의 함량이 결정됨에 따라 Si/C 값에 따라 결정된다. 이러한 Si가 1.2% 이하이면, 기지조직에 탄화물이 형성되고, 1.6% 이상이면, 사용 중에 발생되는 마찰열에 의한 흑연성장이 촉진되어 미세균열의 발생이 조장된다. 또한, CE와 Si/C의 상관관계에 따라 기지조직과 내열균성이 영향을 받으므로 이를 값을 상기의 범위에서 선택하여 합금조성을 설계하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 Mn가 0.8~1.2중량% 함유된다. Mn이 0.8중량% 보다 적으면 기지조직에 개방형의 유리 페라이트가 존재하게 되어 내마모성이 감소된다. 그리고 Mn이 1.2중량% 보다 많으면 기지조직의 펄라이트에서 탄화물이 형성되거나 또는 마텐자이트(martensite)로 변하여 경도가 과도하게 증가하게 되어 디스크 패드와의 상대마모에서 불균형을 가져올 수 있다.

P는 융점이 낮은 Fe₃P(steadite)를 형성하며 결정립계에 편석되어 열충격에 의한 균열을 조장하므로 가능한 그 사용이 억제된다. 바람직하게는 P는 0.03중량% 이하로 혼합된다.

또한, S는 Mn과 결합하여 MnS를 형성하여 펄라이트조직의 흑연화를 촉진하는데, 함량이 0.12중량%까지 증가하면 공정세포가 조대하게 되어 내열충격성이 감소되고 핀홀결함이 발생될 수 있다. 이러한 이유로 S는 0.03중량% 이하로 억제되는 것이 바람직하다.

또, Ni 또는 Cu는 우수한 내마모성이 요구되는 주물에 유용한 원소로서, 1.4~1.8중량% 포함된다. 그리고 Cr은 탄화물 조장원소이나, Ni 또는 Cu와 조합하여 첨가하면 펄라이트를 미세화하며 내마모성과 내열균열성을 크게 향상시킨다. 이러한 Cr의 함량은 Ni 또는 Cu의 함량에 따라 조절되는데, Ni 또는 Cu 대 Cr의 함량비율은 4:1~5:1로 조절된다. Cr이 이러한 범위로 조절될 때 최대의 강도와 인성을 얻을 수 있다.

Mo는 Ni 또는 Cu와 마찬가지로 기지조직을 미세화하며 내열균열성과 내마모성을 크게 향상시키는 주요원소이며, 인성을 높이는 효과가 아주 우수하다. 바람직하게는 Ni 또는 Cu가 1.4~1.8 중량%일 때 Mo가 0.3~0.5 중량% 범위이면 최대의 강도와 인성을 얻게 된다.

본 발명에서는 각 원소들이 전술한 바와 같은 함량으로 함유된 소재를1500~1530℃의 용해로에서 용해하고, 용해된 용탕의 출탕시 Al+Ca+Ba이 함유된 접종제로 접종하여 제조된다. 이와 같이 하면 조직 내부에 유리탄화물이 생성되지 않고 흑연의 크기가 ASTM NO 4~6인 A형 흑연조직이 얻어진다. 이때 Al+Ca+Ba이 함유된 접종제로 접종함으로써, 기지조직이 개선됨은 물론이며, 기계가공성도 향상되므로 Al+Ca+Ba이 함유된 접종제로로 접종하는 것이 바람직하다.

비교예 1

표 2와 같은 화학적 조성을 가지도록 합금원소를 배합하고 고주파 유도 용해로에서 1500~1530℃로 용해하였다. 이때 흑연 미세화를 위해 용탕자체 응고핵 소실이 최소화되도록 하였다. 그리고 용해된 용탕의 출탕시 소량의 AL+Ca+Ba이 함유된 접종제를 0.3~0.4%/용탕량 접종하여 후란주형(후란수지(furan resin)를 점결제로 한 사형주형)에 주입하였다.

〈표 2〉화학적 조성

성 분	C	Si	Mn	P	S	Cu	Mo	Cr
함 량	3.1	1.8	0.75	0.06	0.09	0.9	0	0.3

실시예 1

표 3과 같은 화학적 조성을 가지도록 합금원소를 배합하고 고주파 유도 용해로에서 1500~1530℃로 용해하였다. 이때 흑연 미세화를 위해 용탕자체 응고핵 소실이 최소화되도록 하였다. 그리고 용해된 용탕의 출탕시 소량의 AL+Ca+Ba이 함유된접종제를 0.3~0.4%/용탕량 접종하여 후란주형에 주입하였다. 이와 같이 제조된 시편으로 기계적 강도, 내열균열성 및 결정입자수를 측정하여 비교예 1로 테스트한 결과와 비교하면 〈표 4〉,〈표 5〉와 같다.

〈표 3〉화학적 조성

성 분	C	Si	Mn	P	S	Cu	Mo	Cr
함 량	3.6	1.40	1.12	0.03	0.03	1.59	0.36	0.37

〈표 4〉기계적 특성

	인 장 강 도	경 도
비교예 1	30 이상	200~300
실시예 1	30 이상	205~225

〈표 5〉결정입자수

	Measured Area(㎠)	Partical countinMeasured Area	완전입자수	선단입자수	결정입자수(개/㎠)
비교예 1	0.376245	34	22	23	90.37
실시예 1	0.376245	47	35	24	124.92

표 4를 통해, 비교예 1과 실시예 1의 기계적 강도는 유사함을 알 수 있다. 도 2와 도 3은 각각 비교예 1과 실시예 1의 조직사진으로, 실시예가 비교예에 비해 기지조직인 펄라이트의 입자가 상당히 미세함을 알 수 있다. 그리고 도 4와 도 5는 각각 비교예 1과 실시예 1의 결정세포입자수를 보여주는 사진으로, 그 결과 표 5에 기재된 바와 같이, 비교예 1의 결정입자수가 실시예 1에 비해 상당히 증가되었다.

일반적으로 기지조직이 펄라이트이며, 조직의 입자가 미세할수록 브레이크디스크의 수명이 단축되는데, 전술한 바와 같이, 실시예 1이 비교예 1에 비해 입자가 미세하므로 실시예 1로 제작된 브레이크 디스크의 수명이 종래에 비해 연장됨을 알 수 있다.

비교예 1과 실시예 1의 내열균열성을 확인하기 위해서는 비교예 1과 실시예 1로서 Φ50×15t 의 원판시편을 제작하여 600℃의 중성 염욕에서 5분간 가열한 후 상온의 수조에서 1분 냉각하는 과정을 반복시행 하였을 때 발생되는 균열개수를 측정하였다. 그 결과는 도 1과 같다. 도 1을 보면 실시예 1의 경우가 비교예 1에 비해 균열개수가 상당히 감소됨을 알 수 있다. 즉, 실시예 1이 비교예 1에 비해 내열균열성이 상당히 증가된 것이다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 각 성분들의 함량을 그들의 상관관계로 제한함으로써, 기지조직이 입자가 미세한 펄라이트가 되어 기계적 특성은 물론이며, 내열균열성 및 내마모성이 우수하여 수명이 연장되는 브레이크 디스크용 편상흑연주철이 제공된다.

Claims (2)

1. C와, Si와, Mn과, Ni 또는 Cu와, Mo와, Cr과, P 및 S를 포함하여 이루어지며, 기본적으로 C와 Si는 탄소당량이 3.6~4.2이고, Si/C가 0.36~0.44인 것을 특징으로 하는 내열균열성이 우수한 브레이크 디스크용 편상흑연주철.
2. 제1항에 있어서, 상기 Mn은 0.8~1.2중량%, Ni 또는 Cu는 1.4~1.8중량%, Mo은 0.3~0.5중량% 이며, Ni 또는 Cu와 Cr의 함량비가 4:1~5:1인 것을 특징으로 하는 내열균열성이 우수한 브레이크 디스크용 편상흑연주철.