KR20080106350A - 템퍼링 연화 저항과 인성이 우수한 브레이크 디스크 - Google Patents

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Abstract

적정 켄칭 경도를 갖고, 그리고 템퍼링 연화 저항성이 우수하며 인성도 우수한 브레이크 디스크를 제안한다. 구체적으로는, mass%로, C:0.1% 이하, Si:1.0% 이하, Mn:2.0% 이하, Cr:10.5∼15.0%, N:0.1% 이하를 포함하고, 그리고 5Cr+10Si+15Mo+30Nb-9Ni-5Mn-3Cu-225N-270C<45 및 0.03≤{(C+N)-(13/92)Nb}≤0.09를 만족시키는 조성의 스테인리스 강판으로부터 원반 형상의 브레이크 디스크용 소재를 가공하여, 켄칭 처리에 의해, 구(舊) γ입경이 8㎛ 이상 15㎛ 미만의 마르텐사이트 조직으로 한다. 이에 따라, 적정 켄칭 경도를 가짐과 함께, 템퍼링 연화 저항이 높고, 인성이 우수한 브레이크 디스크가 얻어진다. 또한, 상기한 조성에 더하여 추가로, 템퍼링 연화 저항성을 향상시키기 위해, Nb 및/또는 Cu를 함유해도 좋다.
켄칭, 템퍼링, 연화, 인성

Description

템퍼링 연화 저항과 인성이 우수한 브레이크 디스크 {BRAKE DISK EXCELLENT IN TEMPER SOFTENING RESISTANCE AND TOUGHNESS}
본 발명은, 오토바이(motorcycles), 자동차(motorcars), 자전거(bicycles) 등의 디스크 브레이크(disc brakes)에 이용되는 디스크(원반)에 관한 것으로, 특히 브레이크 패드(brake pads)와의 마찰부가 적정 켄칭(quenching) 경도를 갖고, 그리고 템퍼링 연화 저항(temper softening resistance)이 높고, 템퍼링 연화 저항이 우수함과 아울러, 인성(toughness)도 우수한 브레이크 디스크에 관한 것이다. 본 발명에서 말하는, 「템퍼링 연화 저항이 우수하다」란, 템퍼링 연화 저항이 높은 것을 의미하며, 제동시의 마찰열(friction heat)에 의해 고온으로 유지된 후의 연화가 적어, 초기의 적정 경도에 가까운 경도를 유지할 수 있는 특성을 갖는 것을 말하는 것으로 한다.
오토바이, 자동차, 자전거 등의 디스크 브레이크의 기능은, 브레이크 디스크와 브레이크 패드와의 마찰에 의해 차륜의 회전을 억제하여, 차량을 제동하는 것에 있다. 이 때문에, 브레이크 디스크에는, 적정 경도(proper hardness)를 갖는 것이 요구되고 있다. 경도가 낮으면 브레이크의 성능이 약해짐과 아울러 브레이크 패드와의 마찰에 의해 빠르게 마모하고, 한편, 너무 높으면 브레이크 소음(brake squeal)이 발생한다는 문제가 있다. 브레이크 디스크의 적정 경도로서는, HRC 32∼38의 경도 범위가 권장되고 있다. 여기서, HRC는 JIS Z 2245에 규정되는 로크웰 경도 C 스케일(Rockwell C hardness)이다.
브레이크 디스크용 재료로서는, 종래부터, 경도와 내식성의 관점에서, 마르텐사이트계 스테인리스 강(martensitic stainless steel)이 사용되어 왔다. 한 때, SUS 420J2(JIS Z 4304) 등의, 탄소량이 많은 마르텐사이트계 스테인리스 강에, 켄칭 및 템퍼링 처리를 행하여 사용되는 경우도 있었지만, 템퍼링 처리의 부하가 커서, 최근에는, 일본공개특허공보 소57-198249호나, 일본공개특허공보 소60-106951호에 나타나는 바와 같은, 켄칭 그대로 사용할 수 있는, 저(低)탄소 마르텐사이트계 스테인리스 강이 브레이크 디스크용 재료로서 많이 사용되도록 되어 있다.
최근, 지구 환경(global environment) 보전의 관점에서 오토바이나 자동차 등의 연비 향상(high fuel effciency)이 요망되고 있다. 연비 향상에는 차체 중량의 경량화가 유효하여, 차량의 경량화가 지향되고 있다. 제동 장치(brake mechanism)인 디스크 브레이크도 예외는 아니어 차량의 추가적인 경량화를 위해, 브레이크 디스크의 소형화, 두께의 저감(박육화) 등이 도모되고 있다.
그러나, 이 브레이크 디스크의 소형화, 박육화는, 열용량(heat capacity)의 저하를 초래하여, 제동시의 마찰열에 의한 브레이크 디스크의 온도 상승이 보다 커진다. 이 때문에, 이러한 소형화, 박육화 경향에 수반하여, 제동시의 브레이크 디스크 온도가 600℃ 이상이 되는 것이 고려되고, 종래의 재료에서는, 브레이크 디스 크가 템퍼링되고 연화해 내구성이 저하하는 것이 염려되어, 템퍼링 연화 저항이 높은, 템퍼링 연화 저항이 우수한 브레이크 디스크가 요망되고 있다.
이러한 요망에 대하여, 예를 들면, 일본공개특허공보 2002-146489호에는, Ti, Nb, V, Zr 중의 1종 또는 2종 이상을 적정량 함유하고, 디스크 브레이크 사용중의 승온에 수반하는 연화를 효과적으로 억제하여 경도 저하를 억제할 수 있는, 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스 강판이 제안되고 있다.
또한, 일본특허 제3315974호(일본공개특허공보 2001-220654호)에는, Nb 혹은, Nb에 더하여 추가로 Ti, V, B를 복합하여 적정량 첨가함으로써 템퍼링 연화를 효과적으로 억제할 수 있다고 하는 디스크 브레이크용 스테인리스 강이 제안되고 있다.
또한, 일본공개특허공보 2002-121656호에는, 강 중의 C, N, Ni, Cu, Mn, Cr, Si, Mo, V, Ti 및, Al의 함유량의 관계식인 GP치를 50% 이상으로 조정함과 아울러, Nb, V를 적정량 함유함으로써, 사용시의 승온에 의한 재질 열화가 거의 생기지 않는 저렴한 디스크 브레이크 로터용 강이 제안되고 있다.
그러나, 일본공개특허공보 2002-146489호, 일본특허 제3315974호, 일본공개특허공보 2002-121656호에 기재된 기술에서는, 비용이 높은 합금 원소를 비교적 다량으로 첨가할 필요가 있어, 디스크 브레이크의 제조 비용이 급등하는 데다가, 600℃로 장시간(1h 정도) 유지되면, 경도가 급격하게 저하한다는 문제가 있었다. 또한, 브레이크 디스크는, 안전하게 주행하는 데에 있어서 중요한 부품으로서, 취화(embrittlement) 균열을 일으키지 않는 높은 인성을 갖는 것이 필요하다.
본 발명은, 이러한 종래 기술의 문제를 유리하게 해결하여, 적정 켄칭 경도를 갖고, 그리고 템퍼링 연화 저항이 높고, 템퍼링 연화 저항이 우수하며, 그리고 인성도 우수한 브레이크 디스크를 제안하는 것을 목적으로 한다.
(발명의 개시)
본 발명자들은, 상기한 과제를 달성하기 위해, 마르텐사이트계 스테인리스 강판제 브레이크 디스크의 템퍼링 연화 저항에 미치는 각종 요인에 대하여 예의 검토했다. 그 결과, 브레이크 디스크용 재료를 특정 조성의 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스 강으로 하고, 브레이크 디스크의 구(舊) 오스테나이트 입경(prior-austenite grain diameter)을 8㎛ 이상으로 함으로써, 적정 켄칭 경도를 갖고, 그리고 템퍼링 연화 저항이 현저하게 향상하는 것을 새로이 발견했다. 도1 에, mass%로, 0.055%C-0.1%Si-12%Cr-1.5%Mn-0.01%N-잔부 Fe로 이루어지는 조성의 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스 강에 대하여, 템퍼링 연화 저항에 미치는 구 오스테나이트 입자의 평균 입경의 영향을 나타낸다. 켄칭은, 켄칭 가열 온도에서 1min간 유지한 후 공랭(200℃까지의 평균으로 10℃/s)했다. 켄칭 후의 금속 조직을 관찰하여, 구 오스테나이트(이하, 구 γ라고도 함) 입자의 평균 입경을 측정하면, 켄칭 온도가 1000℃의 경우가 6㎛, 1050℃의 경우가 8㎛, 1100℃의 경우가 12㎛이었다. 1000℃∼1100℃의 3수준의 템퍼링 연화 저항은, 켄칭한 시편을, 600℃의 온도에서 1h 유지한 후 공랭(air cooling)하고, 표면의 산화층을 제거한 후, 표면에서 HRC 경도를 측정하여 평가했다. 도1 로부터, 구 오스테나이트 입자의 평균 입경을 8㎛ 이상으로 함으로써, 특히 다량의 합금 원소를 함유하는 일 없이, 600℃에서 1h 유지한 후에, HRC 27 이상이라는 고(高)경도를 유지할 수 있는 것을 알 수 있다.
이 현상의 기구(mechanism)에 대해서는, 현재까지는 명확하게 되어 있지 않지만, 본 발명자들은, 다음과 같이 생각하고 있다.
템퍼링 과정에서는, Cr 등의 합금 원소가 확산해 입계(grain boundary)에 도달한 것은 석출하기 쉬워, 입계에 조대한 석출물을 형성한다. 미세한 구 γ입자를 갖는 금속 조직에서는, 입자 내의 Cr 등의 합금 원소로부터 구 γ입계까지의 거리가 짧아, 템퍼링되면 합금 원소가 용이하게 구 γ입계에 도달하여 조대한 석출물(Cr 탄화물)을 형성한다. 그 때문에, 입자 내에는 미세한 석출물의 형성이 적어진다. 게다가 조대한 석출물은, 석출 강화로의 기여가 작기 때문에 템퍼링 연화 저항의 증가에는 기여하지 않는다.
한편, 조대한 구 γ입자를 갖는 금속 조직에서는, 입자 내의 Cr, Nb 등 합금 원소에서 구 γ입계까지의 거리가 길기 때문에, 템퍼링되면 Cr, Nb 등 합금 원소가 구 γ입계까지 도달하기 어려워, 미세한 석출물(Cr 탄질화물, Nb 탄질화물 등)이 구 γ입자 내에도 석출한다. 이 입자 내의 미세한 석출물은 전위 운동(dislocation motion)의 저항이 되고, 템퍼링시의 경도 저하를 억제하기 때문에, 조대한 구 γ입자를 갖는 금속 조직에서는, 템퍼링 연화 저항이 커지는 것으로 추측된다.
또한, 과도하게 구 γ입경이 커지면, 취화하기 쉬어지기 때문에, 구 γ입자의 평균 입경은 15㎛ 미만으로 할 필요가 있는 것을 인식했다.
본 발명은, 상기한 인식에 기초하여, 더욱 검토를 더하여 완성된 것이다. 즉, 본 발명의 요지는 다음과 같다.
(1) mass%로, C:0.1% 이하, Si:1.0% 이하, Mn:2.0% 이하, Cr:10.5∼15.0%, N:0.1% 이하를, 다음 (1)식 및 (2)식
5Cr+10Si+15Mo+30Nb-9Ni-5Mn-3Cu-225N-270C<45 ……(1)
0.03≤{C+N-(13/92)Nb}≤0.09 ……(2)
(여기에, Cr, Si, Mo, Nb, Ni, Mn, Cu, N, C: 각 원소의 함유량(mass%))을 만족시키도록 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성과, 구(舊) 오스테나이트 입자의 평균 입경이 8㎛ 이상 15㎛ 미만인 마르텐사이트 조직을 갖는, 템퍼링 연화 저항과 인성이 우수한 브레이크 디스크.
(2) (1)에 있어서, 상기 조성에 더하여 추가로, mass%로 Cu:0.01% 이상 1.0% 미만을 함유하는 조성으로 하는 브레이크 디스크.
(3) (1) 또는 (2)에 있어서, 600℃에서 1h 유지하는 템퍼링 처리 후의 경도가 HRC로 27이상인 브레이크 디스크.
(4) (1)에 있어서, 상기 조성에 더하여 추가로, mass%로 Cu:1.0∼3.0%를 함유하는 조성으로 하는 브레이크 디스크.
(5) (1)에 있어서, 상기 조성에 더하여 추가로, mass%로 Nb:0.02∼0.6%를 함유하는 조성으로 하는 브레이크 디스크.
(6) (5)에 있어서, 추가로, 석출물로서 석출한 Nb량인 석출 Nb와, 함유하는 Nb의 전량(全量)인 전(全) Nb와의 비,(석출 Nb/전 Nb)가 다음 (3)식
0.5<(석출 Nb/전 Nb)≤0.7 ……(3)
(여기에, 석출 Nb, 전 Nb:mass%)을 만족시키는 브레이크 디스크.
(7) (5) 내지 (6) 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조성에 더하여 추가로, mass%로 Cu:0.01∼0.5%를 함유하는 조성으로 하는 브레이크 디스크.
(8) (4) 내지 (7) 중 어느 한 항에 있어서, 600℃에서 1h 유지하는 템퍼링 처리 후의 경도가 HRC로 30이상인 브레이크 디스크.
(9) (1) 내지 (8)에 있어서, 상기 조성에 더하여 추가로, mass%로, Mo:0.01∼2.0%, Ni:0.10∼2.0% 중에서 선택된 1종 또는 2종을 함유하는 조성으로 하는 브레이크 디스크.
(10) (1) 내지 (9)에 있어서, 상기 조성에 더하여 추가로, mass%로, Co:0.01∼1.0%를 함유하는 조성으로 하는 브레이크 디스크.
(11) (1) 내지 (10) 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조성에 더하여 추가로, mass%로, Ti:0.02∼0.3%, V:0.02∼0.3%, Zr:0.02∼0.3%, Ta:0.02∼0.3% 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 조성으로 하는 브레이크 디스크.
(12) (1) 내지 (11) 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조성에 더하여 추가로, mass%로, B:0.0005∼0.0050%, Ca:0.0005∼0.0050% 중에서 선택된 1종 또는 2종을 함유하는 조성으로 하는 브레이크 디스크.
본 발명에 의하면, 성분 조성과 구 오스테나이트 입경을 적정 범위로 함으로써, HRC 32∼38과 같은 적정 켄칭 경도를 갖고, 그리고, 템퍼링 연화 저항이 높고, 템퍼링 연화 저항이 우수하고, 그리고 인성도 우수한 브레이크 디스크를 용이하게 게다가 저렴하게 제조할 수 있어, 산업상 현저한 효과를 가져 온다.
도1 은 템퍼링 연화 저항에 미치는 구 오스테나이트 입자의 평균 입경의 영향을 나타내는 그래프이다.
(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)
브레이크 디스크의 제조 순서는 통상, 다음과 같다.
우선, 소재 재료인 마르텐사이트계 스테인리스 강판으로부터 소정 치수의 원반을 펀칭 가공하여, 브레이크 디스크용 소재로 한다. 이어서, 이 브레이크 디스크용 소재에, 제동시에 발생하는 마찰열을 방산(dissipation)하는 구멍을 뚫는 등의 가공을 행한 후, 브레이크 디스크용 소재의 소정 영역, 즉 브레이크 패드가 닿는 부분인 마찰부에, 고주파 유도 가열(high-frequency induction heating) 등에 의해 소정의 켄칭 온도(quenching temperature)로 가열한 후 냉각하는, 켄칭 처리를 행하여, 소정 영역(마찰부)을 마르텐사이트 조직으로서 소망의 경도로 조정한다. 이어서, 필요에 따라, 원반 표면이나 펀칭 전단면(sheared surface)에 도장을 행한 후, 켄칭 처리로 형성된 마찰부의 산화층(layer of oxides)을 연삭(grinding) 등에 의해 제거하여, 제품(브레이크 디스크)으로 한다.
본 발명에서는, 소재 재료로서, 특정 조건을 만족시키는 조성의 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스 강판을 사용한다. 사용하는 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스 강판으로서는, mass%로, C:0.1% 이하, Si:1.0% 이하, Mn:2.0% 이하, Cr:10.5 ∼15.0%, N:0.1% 이하를 포함하고, 그리고 다음 (1)식 및 (2)식
5Cr+10Si+15Mo+30Nb-9Ni-5Mn-3Cu-225N-270C<45 ……(1)
0.03≤{C+N-(13/92)Nb}≤0.09 ……(2)
(여기에, Cr, Si, Mo, Nb, Ni, Mn, Cu, N, C: 각 합금 원소의 함유량(mass%))을 만족시키도록 각 합금 원소를 함유하는 조성을 갖는 강판으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서 말하는 「강판」은 강대(steel strip)도 포함하는 것으로 한다. 또한, 강판은 열연강판, 냉연강판 중 어느 것이라도 좋다.
우선, 본 발명에서 사용하는 소재 재료의 조성 한정 이유에 대하여, 설명한다. 또한, 이하, 조성에 있어서의 mass%는, 단순히 %로 기재한다.
C:0.1% 이하
C는, N와 함께 켄칭 후의 브레이크 디스크의 경도를 결정하는 원소로서, 본 발명에서는, 0.01% 이상, 바람직하게는 0.03% 이상 함유하는 것이 바람직하지만, 0.1%를 초과하여 함유하면, 조대한 Cr 탄화물을 형성하여, 녹발생을 야기하게 되고, 내식성을 저하시킴과 아울러, 인성을 저하시킨다. 인성, 내식성의 관점에서, C는 0.1% 이하로 한정했다. 또한, 내식성의 관점에서 바람직하게는 0.05% 미만이다.
N:0.1% 이하
N는, C와 동일하게, 켄칭 후의 브레이크 디스크의 경도를 결정하는 원소이다. 또한, N는 500∼700℃의 온도 범위에서 미세한 Cr 질화물(Cr2N)을 형성하고, 그 석출 경화 작용에 의해 템퍼링 연화 저항을 향상시킨다. 이러한 효과를 얻기 위해서, N는 0.03%를 초과하여 함유하는 것이 바람직하다. 한편, 0.1%를 초과하는 함유는, 인성의 저하를 초래하기 때문에, 본 발명에서 N는 0.1% 이하로 한정했다.
Cr:10.5∼15.0%
Cr은, 스테인리스 강의 특징인 내식성을 향상시키는 유용한 원소로서, 충분한 내식성을 확보하기 위해서는, 10.5% 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 15.0%를 초과하는 함유는, 가공성, 인성을 저하시킨다. 이 때문에, Cr은 10.5∼15.0%로 한정했다. 또한, 내식성의 관점에서는 11.5% 초과, 또한 인성의 관점에서는 13.5% 이하로 하는 것이 바람직하다.
Si:1.0% 이하
Si는, 탈산제로서 유력한 원소로서, 0.05% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 또한, Si는 페라이트상(相)을 안정화하는 원소로서, 1.0%를 초과하는 과잉한 함유는 켄칭성을 저하시켜 켄칭 경도를 저하시키고, 나아가 인성을 저하시킨다. 이 때문에, Si는 1.0% 이하로 한정했다. 또한, 인성의 관점에서, 바람직하게는 0.5% 이하이다.
Mn:2.0% 이하
Mn은, 고온에서의
Figure 112008071510017-PCT00001
-페라이트상의 생성을 억제하여, 켄칭성을 향상시키고, 안정된 켄칭 경도를 얻기 위해 유용한 원소로서, 0.3% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, 2.0%를 초과하는 과잉한 함유는, 내식성을 저하시킨다. 이 때문에, Mn은 2.0% 이하로 한정한다. 또한, 켄칭성 향상의 관점에서 바람직하게는 1.0% 이 상, 더욱 바람직하게는 1.5% 이상이다.
본 발명에서는, 상기한 기본 성분을 상기한 범위 내에서, 그리고 다음 (1) 및 (2)식
5Cr+10Si+15Mo+30Nb-9Ni-5Mn-3Cu-225N-270C<45 ……(1)
0.03≤{C+N-(13/92)Nb}≤0.09 ……(2)
(여기에, Cr, Si, Mo, Nb, Ni, Mn, Cu, N, C: 각 합금 원소의 함유량(mass%))
을 만족시키도록 함유한다. 또한, (1)식의 좌변, (2)식의 중간항의 값의 계산에 있어서는, 0.01% 미만의 Cu, 0.02% 미만의 Nb, 0.01% 미만의 Mo, 0.10% 미만의 Ni은 함유하지 않는 것으로 하여 0으로서 계산하는 것으로 한다.
(1)식은, 우수한 켄칭 안정성을 확보하기 위한 조건이다. 여기에서 말하는 「켄칭 안정성이 우수했다」란, 켄칭 가열시에 오스테나이트(γ)상이 75 체적% 이상 생성하여, 공랭 이상의 빠른 냉각에 의한 켄칭시에, 오스테나이트상이 마르텐사이트상으로 변태하여 안정되게 소정의 켄칭 경도를 확보할 수 있고, 오스테나이트 영역이 넓고, 켄칭 가열도(加熱度) 범위를 넓게 취할 수 있는 것을 의미한다. (1)식의 좌변이 45 이상에서는, 켄칭 가열시에 오스테나이트상이 75 체적% 이상 생성하지 않거나, 혹은 생성하는 온도 범위가 극단적으로 좁아져, 안정된 켄칭 경도를 확보할 수 없게 된다. 이 때문에, (1)식의 우변값을 45 미만으로 한정했다.
(2)식은, 켄칭 경도를 소정의 적정 범위 내의 경도로 하기 위한 조건이다. 켄칭 경도는, C, N량과 강한 상관이 있다. 한편, C, N가 Nb과 결합하여 Nb 탄화 물, Nb 질화물을 형성하면, 경도에는 기여하지 않게 된다. 그 때문에, 켄칭 후의 경도는, 강 중의 C, N량으로부터 석출물로 되어 소비된 C, N량을 빼낸 값으로 생각할 필요가 있다. (2)식의 중간항이 0.03 미만에서는, 브레이크 디스크의 경도가 소정의 적정 범위의 하한값(HRC 32) 미만이 되고, 한편, 0.09를 초과하여 커지면, 상한치(HRC 38)를 초과하여 높아진다. 이 때문에, (2)식의 중간항의 값을 0.03∼0.09의 범위로 한정했다.
본 발명에서 사용하는 소재 재료에서는, 상기한 기본 성분 범위로 한 후에, 추가로, P:0.04% 이하, S:0.010% 이하, Al:0.2% 이하로 조정하는 것이 바람직하다.
P:0.04% 이하
P는, 열간 가공성을 저하시키는 원소로서, 가능한 저감하는 것이 바람직하지만, 과잉한 저감은 제조 비용의 급등을 초래하기 때문에, 0.04%를 상한으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 제조성의 관점에서는 P는 0.03% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
S:0.010% 이하
S은, P과 동일하게, 열간 가공성을 저하시키는 원소로서, 가능한 저감하는 것이 바람직하지만, 과잉한 저감은 제조 비용의 급등을 초래하기 때문에 0.010%를 상한으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는, 제조성의 관점에서는 0.005% 이하이다.
Al: 0.2% 이하
Al은, 탈산제로서 사용하는 원소이며, 제강(製鋼)상 탈산제로서 첨가하지만, 불가피적 불순물로서 강 중에 과잉으로 잔류시키면, 내식성, 인성을 저하시킨다. 이 때문에, Al은 0.2% 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 내식성의 관점에서 보다 바람직하게는 0.05% 이하이다.
상기한 기본 성분에 더하여 추가로, 내식성의 관점 등에서 Cu:0.01∼1.0% 미만을 상기 (1) 및 (2)식을 만족시키도록 함유할 수 있다.
Cu: 0.01∼1.0% 미만
Cu는, 내식성 개선 효과를 갖는 원소로서, 필요에 따라 그 효과가 얻어지는 0.01% 이상 1.0% 미만 함유하는 것이 바람직하다. 또한, 인성의 관점에서는 0.5% 미만으로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, Cu를 Nb과 복합 함유하는 경우에는, 0.5% 초과하여 함유하면 인성이 열화되기 때문에, Cu는 0.01∼0.5%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다.
소재 재료를 상기한 기본 성분, 혹은 추가로 후술하는 선택 성분을 더한 범위 내의 조성으로 하고, 브레이크 패드와의 마찰부에 후술하는 켄칭 처리를 행하여, 구 γ입자의 평균 입경이 8㎛ 이상 15㎛ 미만인 마르텐사이트 조직으로 함으로써, 600℃에서 1h 유지하는 템퍼링 처리 후의 경도가 HRC 27 이상이 되는 템퍼링 연화 저항을 갖는 브레이크 디스크가 된다.
구 γ입자의 평균 입경: 8㎛ 이상 15㎛ 미만
본 발명의 브레이크 디스크에서는, 600℃ 이상에서 1h 유지하는 템퍼링 처리 후의 경도를 HRC 27 이상으로 유지하기 위해서 구 γ입자의 평균 입경을 8㎛ 이상으로 할 필요가 있다. 구 γ입자의 평균 입경이 8㎛ 미만에서는, 상기한 바와 같 이, 구 γ입자 내에 미세한 석출물의 석출이 적어, 템퍼링 연화 저항의 증가가 적다. 또한, 구 γ입경이 15㎛ 이상이 되면, 취성 파괴(brittle fracture)의 파면(破面) 단위가 커져 인성이 저하한다.
또한, 상기한 기본 성분에 더하여 추가로, Cu:1.0∼3.0%, 또는 Nb:0.02∼0.6%를 상기 (1) 및 (2)식을 만족시키도록 함유함으로써, 템퍼링 처리 후의 경도가 HRC 30 이상이 되는 브레이크 디스크로 할 수 있다.
Cu:1.0∼3.0%
Cu는, 1.0% 이상 함유하면, 템퍼링 처리로
Figure 112008071510017-PCT00002
-Cu로서 미세하게 석출하여, 템퍼링 연화 저항을 향상시키는 원소로서, 필요에 따라 함유할 수 있다. 그러나, 3.0%를 초과하여 함유하면, 인성이 열화된다. 이 때문에, 템퍼링 연화 저항 향상의 목적으로 함유하는 경우에, Cu는 1.0∼3.0%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다.
Nb:0.02∼0.6%
Nb은, 켄칭 후 600℃ 정도의 온도로 유지되었을 때에, 탄질화물(carbonitride)을 형성하여 석출 경화에 의해, 고온 유지에 의한 경도 저하를 억제하는 작용, 즉 템퍼링 연화 저항을 향상시키는 원소로서, 필요에 따라 함유할 수 있다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, Nb을 0.02% 이상 함유하는 것이 바람직하지만, Nb을 0.6% 초과하여 함유하면, 인성이 저하된다. 이 때문에, Nb:0.02∼0.6%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 템퍼링 연화 저항의 관점에서는 0.08% 초과, 인성의 관점에서는 0.3% 미만으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는, 석출물로서 석출한 Nb량인 석출 Nb과, 함유하는 전(全) Nb량인 전 Nb과의 비가, 다음 (3)식
0.5<(석출 Nb/전 Nb)≤0.7 ……(3)
(여기서, 석출 Nb, 전 Nb:mass%)
을 만족시키도록 조정하는 것이 바람직하다. 켄칭전(어닐링 시)의 강판에서는, (석출 Nb/전 Nb)이 0.9 이상이며, 켄칭 처리에 따라, 석출 Nb의 일부가 고용(固溶)한다. 고용한 Nb은, 템퍼링시에 미세하게 석출하여, 석출 강화를 가져온다. (3)식이 만족되지 않을 경우, 즉, (석출 Nb/전 Nb)가 0.7 초과에서는, 고용 Nb량이 적어지고, 템퍼링시에 미세하게 석출하는 Nb량이 적어, 템퍼링 연화 저항이 저하된다. (석출 Nb/전 Nb)을 0.7 이하로 하기 위해서는, 1000℃ 초과, 바람직하게는 1050℃ 초과, 보다 바람직하게는 1100℃ 초과의 고온 켄칭 처리를 행하는 것이 바람직하다.
한편, (석출 Nb/전 Nb)이 0.5 미만에서는, 고용 Nb량이 많아지고, 템퍼링시에 미세하게 석출하는 Nb량이 너무 많아져, 템퍼링 연화 저항은 높아지지만, 파괴의 기점이 되는 석출물이 과도하게 증가하기 때문에, 인성이 현저히 열화한다. 또한, 석출 Nb량은, 브레이크 디스크로부터 채취한 시료에 대하여, 후술하는 전해 처리에 의해 추출된 전해 추출 잔사(residual dross of electrolytic extraction)의 화학 분석에 의해 측정하는 것으로 한다. 또한, 전 Nb량은 통상의 화학 분석에 의해 구하는 것으로 한다.
또한, 본 발명에서는, 상기한 기본 성분, 혹은 추가로 상기한 선택 성분의 범위 내에서, 추가로 필요에 따라, Mo:0.01∼2.0%, Ni:0.10∼2.0% 중의 1종 또는 2종을 상기 (1) 및 (2)식을 만족시키도록 함유할 수 있다.
Mo: 0.01∼2.0%, Ni:0.10∼2.0% 중에서 선택된 1종 또는 2종
Mo, Ni은, 모두 내식성을 향상시키는 원소로서, 필요에 따라 선택하여 함유할 수 있다. 또한, Ni은, 600℃ 이상의 고온에서의 Cr 탄화물의 석출을 지연시켜, 마르텐사이트 조직의 경도 저하를 억제하고, 템퍼링 연화 저항의 향상에도 기여한다. Mo도 Ni과 동일하게, 탄질화물의 석출을 억제하여, 템퍼링 연화 저항을 향상시키는 효과를 갖는다. 이러한 효과는, Mo이 0.01% 이상, Ni이 0.10% 이상의 함유에서 인정된다. 또한, 템퍼링 연화 저항의 관점에서는 Mo:0.02% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, Mo이 2.0%, Ni이 2.0%를 초과하여 함유해도, 템퍼링 연화 저항 향상 효과가 포화하여 함유량에 걸맞는 효과를 기대할 수 없게 되어, 경제적으로 불리해진다. 이 때문에, Mo은 0.01∼2.0%, Ni은 0.10∼2.0%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, Mo의 템퍼링 연화 저항 향상 효과는 0.05% 미만의 함유로도 충분히 나타난다. 또한 Ni를 0.5 이상 함유하면, 템퍼링 연화 저항이 더욱 향상된다.
본 발명에서는, 상기한 기본 성분, 선택 성분에 더하여 추가로, Co, 혹은 Ti, V, Zr, Ta 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상, B, Ca 중에서 선택된 1종 또는 2종을, 필요에 따라 함유할 수 있다.
Co:0.01∼1.0%
Co는, 내식성 향상에 유효한 원소로서, 필요에 따라 0.01% 이상 함유하는 것 이 바람직하다. 한편, 1.0%를 초과하는 함유는, 인성을 저하시킨다. 이 때문에, Co는, 0.01∼1.0%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 인성의 관점에서 보다 바람직하게는 0.3% 이하이다.
Ti:0.02∼0.3%, V:0.02∼0.3%, Zr:0.02∼0.3%, Ta:0.02∼0.3% 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상
Ti, V, Zr, Ta은 모두, 탄질화물을 형성하여 석출 경화에 의해 템퍼링 연화 저항을 향상시키는 작용을 갖는 원소로서, 필요에 따라 선택하여 1종 또는 2종 이상 함유할 수 있다. 이러한 효과는, Ti:0.02% 이상, V:0.02% 이상, Zr:0.02% 이상, Ta:0.02% 이상의 각각의 함유에서 현저해진다. 특히, V의 템퍼링 연화 저항 향상 효과는 커서, V는 0.05% 이상, 보다 바람직하게는 0.10% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, Ti:0.3%, V:0.3%, Zr:0.3%, Ta:0.3%를 각각 초과하는 함유는, 인성의 저하가 현저해진다. 이 때문에, Ti:0.02∼0.3%, V:0.02∼0.3%, Zr:0.02∼0.3%, Ta:0.02∼0.3%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다.
B:0.0005∼0.0050%, Ca:0.0005∼0.0050% 중에서 선택된 1종 또는 2종
B, Ca는, 미량의 함유로 강의 켄칭성을 향상시키는 작용을 갖는 원소로서, 필요에 따라 선택하여 함유할 수 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 각각 B:0.0005% 이상, Ca:0.0005% 이상의 함유에서 인정되지만, B:0.0050%, Ca:0.0050%를 각각 초과하는 함유는 내식성을 저하시킨다. 이 때문에, B:0.0005∼0.0050%, Ca:0.0005∼0.0050%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다.
상기한 성분 이외의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물이다. 불가피적 불순물 로서는, Na 등의 알칼리 금속, Mg, Ba 등의 알칼리토류 금속, Y, La 등의 희토류 원소, Hf 등의 전이 원소가, 각각 0.05% 이하 정도 함유되어 있어도, 본 발명의 효과를 조금도 방해하는 것은 아니다.
상기한 조성을 갖는 소재 재료의 제조 방법은, 특히 한정되는 것이 아니라, 공지한 제조 방법을 모두 적용할 수 있다. 예를 들면, 상기한 조성의 용강을, 전로(steel converter), 전기로(electric furnace) 등으로 용제하고, 또한 용강에 VOD(Vacuum Oxygen Decarburization), AOD(Argon Oxygen Decarburization) 등의 2차 정련(secondary refining)을 행한 후, 공지의 주조 방법(casting process)으로 강 소재로 된다. 주조 방법으로서는 연속 주조법(continuous casting)으로 하는 것이, 생산성 및 품질의 관점에서 바람직하다.
강 소재는 이어서, 바람직하게는 1100∼1250℃로 가열되어, 열간 압연에 의해 소정 판두께의 열연강판으로 되는 것이 바람직하다. 브레이크 디스크용의 소재 재료로서는 판두께 3∼8mm 정도로 하는 것이 바람직하다. 열연강판은, 또한 열연판 어닐링이 행해지고, 추가로 필요에 따라 숏 블라스트(shot blast), 산세척 등에 의해 탈 스케일(descale)되어, 브레이크 디스크용의 소재 재료로 된다. 또한, 열연판 어닐링은 배치식 상자형 로(batch type box furnace)에서, 750 초과∼900℃의 온도에서, 10h 정도 유지하는 것이 바람직하다. 이 열연판 어닐링에 의해, 강판의 경도는 브레이크 디스크용의 소재 재료로서 매우 적합한 HRB(로크웰 경도 B스케일) 75∼88로 되어, 이대로의 경도로 브레이크 디스크용 소재 재료로서 이용할 수 있다.
소재 재료로부터, 펀칭(punching) 등의 가공에 의해 원반 형상의 브레이크 디스크용 소재를 얻는다. 얻어진 브레이크 디스크용 소재의 소정의 영역(브레이크 패드와의 마찰부(friction portion))에 켄칭 처리를 행하여, 브레이크 디스크로 한다. 본 발명에 있어서의 켄칭 처리는, γ영역 내의 1000℃ 초과의 켄칭 가열 온도로 가열한 후, 냉각 속도: 1℃/s 이상의 냉각 속도로 냉각하는 처리로 한다.
켄칭 가열 온도는, γ영역 내의 온도에서 특히 1000℃를 넘는 온도로 한다. 여기서, γ영역이란 오스테나이트(γ)상이 75 체적% 이상 생성하는 영역을 말하는 것이 바람직하다. 켄칭 가열 온도가 1000℃를 초과하는 온도로 함으로써, 적정한 켄칭 경도를 확보할 수 있음과 아울러, 평균 입경: 8㎛ 이상의 구 γ입자를 갖는 마르텐사이트 조직으로 할 수 있고, 상기한 바와 같은 고온 유지후의 경도 저하가 억제되어, 템퍼링 연화 저항이 현저하게 향상된다. 켄칭 가열 온도가 1000℃ 이하에서는, 고온 유지후의 경도 저하가 현저해진다. 또한, 템퍼링 연화 저항의 관점에서, 켄칭 가열 온도는 바람직하게는 1050℃ 초과, 보다 바람직하게는 1100℃ 초과이다.
또한, 켄칭 가열 온도가 1200℃를 초과하면,
Figure 112008071510017-PCT00003
-페라이트의 생성량이 많아져, 75 체적% 이상의 오스테나이트(γ)상을 얻을 수 없게 되는 경우가 많아지고, 고온이 될수록 입자 성장이 빨라져, 구 γ입자의 평균 입경이 15㎛ 이상이 되는 경우가 있기 때문에, 1200℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 켄칭 안정성의 관점에서 켄칭 가열 온도는 1150℃ 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 켄칭 가열의 유지 시간은, 페라이트에서 오스테나이트로의 변태를 충 분히 진행시킨다는 관점에서 30s 이상으로 하는 것이 바람직하다.
가열 후, 1℃/s 이상의 냉각 속도로 Ms점(마르텐사이트 생성 온도(martensitic transformation starting temperature)) 이하, 바람직하게는 200℃ 이하까지 냉각한다.
냉각 속도가 1℃/s 미만에서는, 켄칭 가열 온도로 생성한 오스테나이트상의 일부가, 페라이트상으로 변태하여, 마르텐사이트상의 생성량이 저하하고 켄칭 경도를 적정 범위 내의 경도로 할 수 없게 된다. 또한, 바람직하게는 5∼500℃/s이다. 안정된 켄칭 경도를 확보하기 위해서는, 100℃/s 이상의 냉각 속도로 냉각하는 것이 바람직하다.
이와 같이 하여 얻어진 브레이크 디스크는, 상기한 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스 강 조성을 갖고, 브레이크 패드와의 마찰부를, 켄칭에 의해 구 γ입자의 평균 입경이 8㎛ 이상 15㎛ 미만의 마르텐사이트 조직으로 한 브레이크 디스크이며, 템퍼링 연화 저항이 우수함과 아울러, 인성이 우수한 것을 특징으로 한다. 또한, 켄칭 가열 방법은, 특히 한정되지 않지만, 생산성의 관점에서 고주파 유도 가열로 하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예에 기초하여, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
(실시예)
표1 에 나타내는 조성의 용강을 고주파 용해로(high-frequency melting furnace)에서 용제하고, 주조하여 강 소재로 했다. 이어서, 이들 강 소재를 통상의 열간 압연에 의해, 열연강판(판두께: 5mm)으로 했다. 또한 이들 열연강판에 800℃×8h의 열연판 어닐링(환원성 가스(reducing gas) 분위기, 가열후 서냉)을 행했다. 이어서 이들 열연강판에 산세척 처리를 행하고, 표면의 스케일을 제거하여, 브레이크 디스크용 소재 재료로 했다.
이들 소재 재료로부터, 시험재(크기:t×30×30mm)를 채취하여, 표2 에 나타내는 켄칭 가열 온도로 가열(유지:1min)한 후, 표2 에 나타내는 냉각 속도로 켄칭했다. 켄칭 후, 시험편을 채취하여, 금속 조직 관찰, 석출 Nb량의 측정, 켄칭 안정성 시험(quenching stability test), 템퍼링 연화 저항 시험, 템퍼링 처리 후의 인성 시험을 실시했다. 시험 방법은 다음과 같이 했다.
(1) 금속 조직 관찰
켄칭 처리 후, 금속 조직 관찰용 시험편을 채취하여, 당해 시험편의 압연 방향과 평행한 판두께 방향 단면을 연마하고, 무라카미 시액(Murakami reagent solution)(적혈염(red prussiate)의 알칼리 용액(alkaline solution)(적혈염:10g, 가성칼리(수산화칼륨(potassuium hydrate)):10g, 물:100cc))으로 부식하여, 구 γ입계를 현출시키고, 광학 현미경(optical microscope)(400배)으로 5시야 이상(1시야:0.2×0.2mm) 관찰하고, 화상 해석 장치(image analysis device)를 이용하여 시야 내에 포함되는 각 입자의 면적을 측정해 원 상당 직경을 산출하여, 당해 각 입자의 원 상당 직경의 평균치를 각 시험편의 구 γ입자의 평균 입경으로 했다.
(2) 석출 Nb량의 측정
켄칭 처리 후, 전해 추출용 시험편(sample for electrolytic extraction)을 채취하여, 당해 시험편에 대하여 전해액(electrolyte):10v/v% 아세틸아세 톤(acetylacetone)-1w/v% 염화테트라메틸암모늄(tetramethylammonium chloride)-메탄올(methanol)(AA계)을 이용한 전해 처리를 실시하고, 여과(filter)에 의해 잔사를 추출했다. 추출된 잔사에 대하여, 고주파 유도 결합 플라즈마(Inductively Couped Plasma) 발광 분광 방법(emission spectrometry)에 의해 Nb량을 측정하여, 석출물로 되어 있는 석출 Nb량으로 했다.
(3) 켄칭 안정성 시험
켄칭 후의 시험편에, 산세척 처리를 행하여 표면의 스케일을 제거한 후, JIS Z 2245의 규정에 준거하여 로크웰 경도계(Rockwell hardness meter)로 표면 경도(surface hardness) HRC를 5점 측정하여, 그 평균치를 켄칭 경도로 했다.
(4) 템퍼링 연화 저항 시험
켄칭 후의 시험편에, 추가로 표2 에 나타내는 조건의 템퍼링 처리(가열 유지후 공랭)를 실시했다. 템퍼링 처리가 행해진 시험편에, 산세척 처리를 행하여 표면의 스케일을 제거한 후, JIS Z 2245의 규정에 준거하여 로크웰 경도계로 표면 경도 HRC를 5점 측정하고, 그 평균치를 구하여, 템퍼링 연화 저항을 평가했다.
(5) 템퍼링 처리 후의 인성 시험
표2 에 나타내는, 켄칭 처리 및 템퍼링 처리를 행한 시험편에, 산세척 처리를 행하여 표면의 스케일을 제거한 후, JIS Z 2202의 규정에 준거한 V 노치 시험편(폭:5mm의 서브 사이즈)을 5개씩 채취했다. 이들의 시험편을 이용하여, JIS Z 2242의 규정에 준거하여 샤르피(Charpy) 충격 시험을 실시하여, 시험 온도: 25℃에 있어서의 샤르피 충격치를 측정했다. 5개의 시험편의 평균치를 구하여, 그 값이, 50J/㎠ 이상이면, 인성은 실용상 문제없는 것으로서 평가했다.
얻어진 결과를 표2 에 나타낸다.
또한, 표2 안에 나타내는 γ영역의 최고 온도란, 오스테나이트(γ)상이 75 체적% 이상 생성하는 온도의 최고 온도를 말한다. 그 이상의 온도에서는,
Figure 112008071510017-PCT00004
상(페라이트상)이 증가하여 γ상을 75 체적% 이상 확보할 수 없게 된다.
Figure 112008071510017-PCT00005
Figure 112008071510017-PCT00006
Figure 112008071510017-PCT00007
Figure 112008071510017-PCT00008
본 발명예는 모두, 켄칭 경도가 HRC 32∼38의 범위 내에 있고, 켄칭 안정성이 우수하고, 또한 높은 템퍼링 연화 저항과 우수한 인성을 갖고 있다. 한편, 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예는, 켄칭 경도가 HRC 32∼38의 범위를 벗어나던가, 혹은 템퍼링 연화 저항, 인성이 저하하고 있다. 구 γ입자의 평균 입경이 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예에서는, 템퍼링 후의 경도가 낮아 소망하는 경도를 만족할 수 없다.
본 발명에 의하면, 구 오스테나이트 입경을 적정 범위로 하는 것만으로, HRC 32∼38이라는 적정 켄칭 경도를 가지면서, 템퍼링 연화 저항이 높고, 템퍼링 연화 저항이 우수하고, 그리고 인성도 우수한 브레이크 디스크를 용이하게 게다가 저렴하게 제조할 수 있어, 산업상 현저한 효과를 가져온다.

Claims (12)

  1. mass%로,
    C:0.1% 이하, Si:1.0% 이하, Mn:2.0% 이하, Cr:10.5∼15.0%, N:0.1% 이하를, 하기 (1)식 및 (2)식을 만족시키도록 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성과, 구(舊) 오스테나이트 입자의 평균 입경이 8㎛ 이상 15㎛ 미만인 마르텐사이트 조직을 갖는, 템퍼링 연화 저항과 인성이 우수한 브레이크 디스크.
    기(記)
    5Cr+10Si+15Mo+30Nb-9Ni-5Mn-3Cu-225N-270C<45 ……(1)
    0.03≤{C+N-(13/92)Nb}≤0.09 ……(2)
    (여기에, Cr, Si, Mo, Nb, Ni, Mn, Cu, N, C: 각 원소의 함유량(mass%))
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조성에 더하여 추가로, mass%로 Cu:0.01% 이상 1.0% 미만을 함유하는 조성으로 하는 브레이크 디스크.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    600℃에서 1h 유지하는 템퍼링 처리 후의 경도가 HRC로 27이상인 브레이크 디스크.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 조성에 더하여 추가로, mass%로 Cu:1.0∼3.0%를 함유하는 조성으로 하는 브레이크 디스크.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 조성에 더하여 추가로, mass%로 Nb:0.02∼0.6%를 함유하는 조성으로 하는 브레이크 디스크.
  6. 제5항에 있어서,
    추가로, 석출물로서 석출한 Nb량인 석출 Nb와, 함유하는 Nb의 전량(全量)인 전(全) Nb와의 비,(석출 Nb/전 Nb)가 하기 (3)식을 만족시키는 브레이크 디스크.
    5Cr+10Si+15Mo+30Nb-9Ni-5Mn-3Cu-225N-270C<45 ……(1)
    0.03≤{C+N-(13/92)Nb}≤0.09 ……(2)
    0.5<(석출 Nb/전 Nb)≤0.7 ……(3)
    여기에, Cr, Si, Mo, Nb, Ni, Mn, Cu, N, C: 각 원소의 함유량(mass%)
    석출 Nb, 전 Nb:mass%
  7. 제5항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성에 더하여 추가로, mass%로 Cu:0.01∼0.5%를 함유하는 조성으로 하 는 브레이크 디스크.
  8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    600℃에서 1h 유지하는 템퍼링 처리 후의 경도가 HRC로 30이상인 브레이크 디스크.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성에 더하여 추가로, mass%로, Mo:0.01∼2.0%, Ni:0.10∼2.0% 중에서 선택된 1종 또는 2종을 함유하는 조성으로 하는 브레이크 디스크.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성에 더하여 추가로, mass%로, Co:0.01∼1.0%를 함유하는 조성으로 하는 브레이크 디스크.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성에 더하여 추가로, mass%로, Ti:0.02∼0.3%, V:0.02∼0.3%, Zr:0.02∼0.3%, Ta:0.02∼0.3% 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 브레이크 디스크.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조성에 더하여 추가로, mass%로, B:0.0005∼0.0050%, Ca:0.0005∼0.0050% 중에서 선택된 1종 또는 2종을 함유하는 브레이크 디스크.
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