KR20070064725A

KR20070064725A - 브레이크디스크용 흑연주철

Info

Publication number: KR20070064725A
Application number: KR1020050125121A
Authority: KR
Inventors: 고승운; 김경운; 김상범
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2007-06-22

Abstract

본 발명은 브레이크디스크용 흑연주철에 관한 것으로, 중량비(%)로 탄소(C) : 3.4∼3.7%, 규소(Si) : 2.2∼3.0%, 망간(Mn) : 0.2% 이하, 인(P) : 0.06% 이하, 황(S) : 0.1 이하, 몰리브덴(Mo) : 0.2∼0.25%, 구리(Cu) : 1.0∼2.5%, 크롬(Cr) : 0.01∼0.2%, 주석(Sn) : 0.05% 이하이며, 그 나머지는 철(Fe)로 이루어지는 것을 그 특징으로 한다. 이에 따라, 브레이크디스크의 내마모성 및 내균열성을 보다 향상시킬 수 있다.

브레이크디스크, 흑연주철, 규소, 망간, 몰리브덴, 주석

Description

브레이크디스크용 흑연주철 {CAST IRON FOR BRAKE DISC}

도 1은 본 발명에 따른 브레이크디스크용 흑연주철의 오스템퍼링 열처리 공정을 도시한 그래프,

도 2는 본 발명에 따른 브레이크디스크용 흑연주철의 일 실시예와 비교예에 의해 제조된 브레이크디스크 재료의 열피로시험 결과를 서로 비교 도시한 그래프,

도 3은 본 발명에 따른 브레이크디스크용 흑연주철의 일 실시예와 비교예에 의해 제조된 브레이크디스크 재료의 마모시험 결과를 서로 비교 도시한 그래프이다.

본 발명은 브레이크디스크용 흑연주철에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량용 브레이크디스크의 재질적 특성을 개선한 브레이크디스크용 흑연주철에 관한 것이다.

일반적으로, 브레이크디스크는 마스트실린더에서 발생하는 유압을 이용하는 유압브레이크의 일종으로서, 차량의 제동장치에서 중요한 역할을 하는 부품이다.

브레이크디스크는 회전하는 디스크를 마스트실린더에 의한 제동력으로 마찰패드 또는 마찰재를 접촉시켜 제동하며, 제동시에는 제동력에 의한 마찰열이 발생된다.

특히, 제동시 발생되는 마찰열은 브레이크디스크의 마모 및 강도저하를 발생시키는 주된 원인 중 하나이며, 이는 브레이크디스크의 수명을 단축시키는 결과를 초래한다.

최근에 들어, 차량의 성능향상 요구의 증대에 따라 브레이크 작동중의 부하가 증가됨에 따라 디스크가 받게 되는 열충격도 증가되어, 디스크의 균열발생율이 높아지고 있을 뿐 아니라 그 마모도 증가하여 디스크의 수명이 점점 짧아지는 경향이 있다.

따라서, 브레이크디스크의 성능과 사용수명을 상대적으로 연장시키기 위해 편상흑연주철에 일정량의 합금원소를 첨가하여 경질의 퍼얼라이트(Pearlite) 상으로 이루어진 기지조직에 분포시킴으로써 내마모성을 향상시키는 방법이 제안되고 있다.

그러나 상기와 같은 방법은 차량용 브레이크디스크의 내마모성을 일부 향상시킬 수 있다는 장점은 있으나, 제동시 발생되는 마찰열이 외부로 충분히 방출되지 못하고 브레이크디스크에 집적됨으로써 브레이크디스크에 열균열이 발생되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 창출된 것으로, 마찰열의 방열은 물론이고 그 강성을 향상시킬 수 있는 브레이크디스크용 흑연주철을 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 중량비(%)로 탄소(C) : 3.4∼3.7%, 규소(Si) : 2.2∼3.0%, 망간(Mn) : 0.2% 이하, 인(P) : 0.06% 이하, 몰리브덴(Mo) : 0.2∼0.25%, 구리(Cu) : 1.0∼2.5%, 크롬(Cr) : 0.01∼0.2%, 주석(Sn) : 0.05% 이하이며, 그 나머지는 철(Fe)로 이루어지는 것을 그 특징으로 한다.

상기 흑연주철은 필요에 따라 니켈(Ni)이 중량비로 1.0∼2.0% 더 포함될 수도 있다.

상기 흑연주철은 구상흑연조직으로 이루어지며, 그 기지조직은 오스템퍼링 열처리에 의해 형성되는 오스페라이트(Ausferrite) 조직으로 이루어지는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 브레이크디스크는 표 1에서와 같이 탄소(C), 규소(Si), 망간 (Mn), 인(P), 황,(S), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 크롬(Cr), 주석(Sn) 및 니켈(Ni)이 전체 조성물에서 일정의 중량비를 가지며, 그 나머지는 Fe(철)로 이루어지는 흑연주철로 이루어져 있다.

< 표 1 >

성분	C	Si	Mn	P	S	Mo	Cu	Cr	Sn	Ni
함량 (중량%)	3.4 ~3.7	2.2 ~3.0	0.2 이하	0.06 이하	0.1 이하	0.2 ~0.25	1.0 ~2.5	0.01 ~0.2	0.05 이하	1.0 ~2.0

흑연주철은 열용량 및 열전도성이 높은 구상흑연을 다량 함유시킨 고탄소 구상흑연조직으로 이루어진다. 구상흑연조직으로 이루어진 흑연주철은 주조 상태에서 주철 내의 흑연이 구상으로 존재하여 주강과 유사한 재질을 나타내고 있으나, 주조성, 가공성, 제조의 신속성 등과 같은 물적 특성이 상대적으로 우수하다는 장점이 있다.

또한, 흑연주철은 흑연이 조직 내에서 고체윤활제의 역할을 하기 때문에 제동시 떨림에 의한 이음이 거의 발생하지 않는다.

탄소(C)는 전체 조성물의 중량비를 기준으로 그 중량비가 3.4% 미만인 경우에는 내마모성과 내균열성의 향상이 어렵고, 3.7%를 초과할 경우에는 이상 흑연이 과다 발생되어 주조 결합발생률이 높아지므로 그 중량비를 3.4∼3.7%로 제한하는 것이 바람직하다.

규소(Si)는 기지조직의 백선화 및 페라이트의 과다석출을 방지시키기 위한 것으로, 그 중량비를 2.2∼3.0%로 제한한다.

망간(Mn) 및 구리(Cu)는 기지조직의 퍼얼라이트화 촉진원소로서 기지조직을 강화시켜 내마모성의 향상에 기여하며, 그 중량비는 각 0.2% 이하, 1.0∼2.5%인 것이 바람직하다.

인(P)는 주철의 기지조직 내에서 스테다이트(Steadite)라는 Fe-Fe3C-Fe3P의 저융점 3원 공정을 형성하여 내마모성의 향상에는 유효하나, 백석화를 조장함으로써 재질을 취화시키는 특성이 있으므로, 그 첨가량의 범위를 0.06% 이하로 제한한다.

황(S)은 가능한 그 함량을 낮출 필요가 있으며, 적정 중량비는 0.1%이하이다.

몰리브덴(Mo)은 열간 강도를 개선시켜 주는 원소로서, 0.2% 미만인 경우에는 충분한 효과를 거둘 수 없고, 0.5%를 초과할 경우에는 기지조직의 셀 경계 내에서 편석을 일으키므로 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.2∼0.25%로 제한하는 것이 바람직하다.

크롬(Cr)은 그 중량비가 0.01∼0.2% 이며, Sn(주석)은 그 중량비가 0.05% 이하로 제한된다.

그리고 니켈(Ni)은 필요에 따라 제거할 수도 있으나, 니켈(Ni)을 중량비로 1.0∼2.0% 더 포함시킴으로써 흑연주철의 물적 특성을 보다 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

니켈(Ni)은 내열균열성의 향상에 유효한 원소이며, 기지조직을 치밀화시키는 역할을 수행한다.

한편, 구상흑연주철의 기지조직은 오스템퍼링(Austempering) 열처리에 의해 형성되는 오스페라이트(Ausferrite) 조직으로 이루어져, 강성을 보다 향상시킬 수 있다.

이렇게 오스템퍼링 열처리된 구상흑연주철은 생산단가의 감소, 설계의 유연성, 우수한 가공특성, 높은 비강도, 그리고 향상된 인성과 마모저항 및 피로강도 등을 복합적으로 제시할 수 있는 장점을 지니고 있다.

또한, 현재 기계나 자동차 등 부품재료에 주로 사용되고 있는 주강이나 단조강 및 용접재나 침탄강 그리고 알루미늄 부품 등에 필적할 만하며, 경제적 측면 및 공업적 측면을 동시에 고려할 때에는 오히려 이들 재료보다 더 우수하다고 할 수 있다.

구상흑연주철의 기지조직은 퍼얼라이트와 페라이트의 혼합으로 이루어져 있으며, 이러한 조직은 오스테나이타이징(Austenitizing)에 의해 완전히 오스테나이트(Austenite)로 변태하게 되고, 오스템퍼링(Austempering) 열처리 과정에서 오스페라이트(Ausferrite)라 불리는 침상의 페라이트와 고탄소 안정화 오스테나이트로 변태하게 된다.

이러한 오스페라이트 조직은 고강도, 고인성의 구상흑연주철을 만들 수 있는 주원인이 된다.

이상에서 설명한 오스템퍼링 열처리 공정을 도 1을 참조하여 간단히 설명하기로 한다.

먼저, 900∼980℃ 범위의 오스테나이타이징 온도에서 대략 1~2시간 주물 가열한 후, 퍼얼라이트 형상을 피할 수 있을 정도의 속도로 약 300∼400℃ 범위의 오스템퍼링 온도까지 급냉시킨다.

이 때, 오스템퍼링 온도까지 급냉시키는 시간은 대략 1분 이내가 적절하다.

그리고 오스템퍼링 온도에서 대략 1~2시간을 유지시킨 후, 오스페라이트 기지가 생성될 만큼의 충분한 시간 동안 상온에서 공냉시킨다.

한편, 오스테나이타이징 온도는 오스테나이트에서의 탄소 함량을 제어하고, 탄소 함량은 오스템퍼링된 흑연주철의 구조 및 성질에 차례로 영향을 미친다.

상기에서 설명한 브레이크디스크용 흑연주철의 제조과정을 살펴보면 하기와 같다.

먼저, 선철 및 강고철 등을 용해로에서 1520℃까지 용해하여 화학성분을 분광분석 후, 1500℃의 출탕온도에서 레이들에 출탕한다. 출탕 레이들은 용탕 내의 흑연을 미세화시키기 위하여 Fe-Si계 접종제를 1차 실시하고, 희토류원소가 함유된 접종제로 2차 접종처리를 한다.

그리고 용탕처리가 된 용탕을 공시재(Y-Block) 주형에 주입하여 오스템퍼링 열처리를 실시한다.

이렇게 제작된 표준시편의 기계적 성질을 시험하였으며, 그 결과는 표 2와 같다.

< 표 2 >

구분	인장강도(㎏/㎟)	경도(HB)	연신율(%)	비고
실시예	28 ~ 35	250 ~ 300	8 이상
비교예	25	180 ~ 210	1	회주철(GC25)

이상에서와 같이 본 발명에 따른 일 실시예와 비교예(회주철)를 서로 비교해 보면, 그 인장강도는 물론이고 경도 및 연신율에 있어서 본 발명에 따른 실시예의 재질적 특성이 우수함을 알 수 있다.

그리고 도 2의 균열피로시험과 도 3의 마모시험을 통한 본 발명의 실시예와 비교예를 보면 본 발명에 따른 실시예의 내균열성과 내마모성이 매우 우수함을 알 수 있다.

한편, 도 2의 균열피로시험에서 열피로시험 조건은 열사이클 : 600/260℃, 횟수 : 1,000 Cycle로 시험하였다. 그리고 도 3의 마모시험에서의 마모시험 조건은 시편치수 : 30×30×8mm, 마모시험기 : 정속마찰시험기, 마찰속도 : 16m/sec, 부하 : 4kgf/㎠, 온도 : 150∼250℃, 총거리 : 10km(3,600초) 이었다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 고탄소 흑연구상조직의 우수한 열전도성으로 인해, 브레이크디스크에서 발생되는 마찰열을 효율적으로 방열시킬 수 있다.

또한, 기지조직이 오스템퍼링 열처리에 의해 오스페라이트 조직으로 이루어짐으로써 열충격에 대한 강성을 상대적으로 향상시켜 내구성(내마모성,내균열성)을 극대화시킬 수 있다.

Claims

브레이크디스크용 흑연주철에 있어서,

중량비(%)로 탄소(C) : 3.4∼3.7%, 규소(Si) : 2.2∼3.0%, 망간(Mn) : 0.2% 이하, 인(P) : 0.06% 이하, 황(S) : 0.1 이하, 몰리브덴(Mo) : 0.2∼0.25%, 구리(Cu) : 1.0∼2.5%, 크롬(Cr) : 0.01∼0.2%, 주석(Sn) : 0.05% 이하이며, 그 나머지는 철(Fe)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 브레이크디스크용 흑연주철.
제1항에 있어서,

니켈(Ni)이 중량비로 1.0∼2.0% 더 포함되는 것을 특징으로 하는 브레이크디스크용 흑연주철.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 흑연주철은 구상흑연조직으로 이루어지며, 그 기지조직은 오스템퍼링 열처리에 의해 형성되는 오스페라이트 조직인 것을 특징으로 하는 브레이크디스크용 흑연주철.