KR20090019982A - 비석면 유기질 마찰재 조성물과 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 아라미드 섬유, 광물 섬유, 구리 섬유, 및 판상 티탄산칼륨 섬유를 포함하여 구성되는 강화 섬유와 결합제, 고체 윤활제, 연마제, 충전제, 및 마찰 조절제를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 비석면 유기질 마찰재 조성물과 그 제조 방법에 관한 것이다.
상기 비석면 유기질 마찰재 조성물은 종래의 마찰재에 포함된 각종 발암물질을 친환경 물질로 대체함으로써, 자동차 등의 동력장치 및 각종 형태의 산업용 기계에서 제동용 브레이크 시스템에 사용하기에 적당하고, 특히, 마찰재의 재료적 물성, 제동성능 및 소음, 진동 및 이격음(Noise vibration harshness, NVH) 특성은 유지시키면서, 국제 환경규격을 만족할 수 있는 효과가 있다.
광물 섬유, 판상 티탄산칼륨, 친환경 비석면 유기질 마찰재
Description
본 발명은 비석면 유기질 마찰재 조성물과 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 아라미드 섬유, 광물 섬유, 구리 섬유, 및 판상 티탄산칼륨 섬유를 포함하여 구성되는 강화 섬유와 결합제, 고체 윤활제, 연마제, 충전제, 및 마찰 조절제를 포함하여 이루어져서, 자동차 등의 동력장치 및 각종 형태의 산업용 기계에서 제동용 브레이크 시스템에 적용하는 경우, 유해 물질 발생이 없는 친환경 비석면 유기질 마찰재 조성물에 관한 것이다. 또한, 상기 조성물을 열성형, 열처리, 스코치하는 과정을 통하여 용이하게 친환경 비석면 유기질 마찰재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 친환경 비석면 유기질 마찰재 조성물은 자동차, 대형 트럭, 고속차량 및 각종 산업기계의 제동을 위하여 유용하게 사용될 수 있는 바, 특히, 자동차 브레이크 시스템에 장착되는 드럼 라이닝 또는 브레이크 패드에 유용하게 사용 될 수 있다. 통상적으로 자동차 브레이크 시스템의 브레이크 패드는 자동차를 감속 또는 정지시키고, 주차상태를 유지하기 위해 사용되는 중요한 부품으로서, 디스크와의 마찰력을 이용하여 자동차의 운동에너지를 열에너지로 전환시키고, 상기 열에너지를 대기 중으로 방출시켜 자동차를 감속 또는 정지시킨다. 자동차를 감속 또는 정지시키는 능력을 나타내는 자동차의 제동력은 자동차의 중요한 성능 중 하나인 바, 이러한 자동차의 제동을 위하여 사용되는 브레이크 마찰재는 상기 제동력과 더불어 안전성, 내구성, 내마모성, 비소음 및 비진동 등의 성능을 유지시키고자, 10 종 이상의 다양한 원료를 포함하고, 강화섬유, 결합제, 고체 윤활제, 연마제, 충전제 및 마찰 조절제 등으로 구성된 다상 복합재료를 사용하고 있다.
종래의 마찰재는 주성분으로서 석면이 많이 사용되었는데, 이는 석면의 우수한 열 안정성과 높은 강도, 분산의 용이함, 저렴한 가격 때문이었다. 그러나 석면은 이를 직접 다루게 되는 작업자에게 심각한 건강상의 위협을 주게 되는 바, 석면섬유의 분진을 흡입하게 되면 그 석면성분이 폐에 축적되어 폐조직을 파괴하는 석면침착증(Asbestosis)이라는 폐질환을 야기시키게 될 뿐 아니라 장시간 흡입하였을 경우에는 중피종(Mesothelioma)이라는 폐암의 발병원인이 되는 위험성이 있었다. 또한, 석면섬유를 함유하는 마찰재를 사용해서 제조된 자동차 등의 브레이크를 장기간 작동시키게 될 경우에는 그 마찰재가 고온에서 마찰성능이 저하되어 쉽게 마모된 후, 건강을 위협하는 석면 섬유의 형태로 대기 중에 방출되기 때문에 대기를 오염시키는 환경 오염의 요인이 되기도 한다.
1980년대 후반 미국 환경보호국이 상기와 같이 강력하게 건강을 위협하고 있 는 석면섬유의 사용을 금지함에 따라, 석면섬유를 대체하고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있고, 이에 부응하여 일부에서는 이미 석면섬유 대신 몇몇의 다른 섬유들이 대체성분으로 사용되고 있는 실정이다. 예컨데, 석면의 대체 물질로 현재 사용되고 있는 물질은 세라믹 섬유, 유기물 섬유, 유리 섬유 등의 강화 섬유가 있고, 이러한 대체 물질은 다른 원료들과의 시너지 효과에 의해 제동 성능, 소음특성 또는 마모 특성이 각각 다르게 나타난다.
특히, 브레이크 마찰재에 사용되는 강화 섬유는 크게 두 종류로 분류될 수 있는 바, 기지 강화를 목적으로 철 섬유를 함유하여 제조된 저금속(low-steel) 마찰재와 철 섬유 대신 유기질인 아라미드계 섬유를 함유하여 제조된 비금속(non-steel) 마찰재로 분류될 수 있다. 이 때, 비금속 마찰재에서 석면을 사용하지 않은 경우를 통상적으로 비석면 유기질(non-asbestos organic, NAO) 마찰재라고 한다.
상기한 브레이크 마찰재는 도 1에 나타낸 바와 같이, 상층재(110), 이중재(120), 접착층(130), 후면판(140) 및 소음저감용 쉼(150) 등으로 구성되어 있다. 상층재(110)는 브레이크 디스크와의 직접적인 마찰을 통해 제동성능 및 소음, 진동 및 이격음(Noise vibration harshness, NVH) 특성을 결정하는 매우 중요한 역할을 수행한다. 이러한 상층재(110)는 다양한 제동조건 및 환경에서 마찰력을 안전하고 일정하게 유지하기 위하여 강화섬유, 결합제, 고체 윤활제, 연마제, 충전제 및 마찰 조절제 등으로 10 종 이상의 원료를 포함하여 구성된다.
일반적으로 종래의 상층재는 고온 내열성을 향상시키기 위하여 석영과 알루 미나 성분을 주로 포함한 세라믹 섬유를 사용하였다. 이러한 세라믹 섬유는 도 2에 나타낸 바와 같이, 알칼리 산화물 및 알칼리 토금속(Na2O + K2O + CaO + MgO + BaO) 성분이 18 중량% 미만으로 포함되어 마찰재 내에서 미세 세라믹 섬유의 형태로 존재하게 된다. 그러나 알칼리 산화물 및 알칼리 토금속 성분이 18 중량% 미만으로 함유된 미세 세라믹 섬유를 포함한 상기 세라믹 섬유는 북미 환경규제(CAL Prop 65) 및 유럽 환경규제(EU 2001/41/EC)를 통하여 흡입성 발암물질로 규정됨으로써 이들의 사용을 점진적으로 금지시키고 있다.
또한, 종래의 상층재는 내마모성을 향상시키기 위하여 기지강화섬유로서 직경 5 μm 이하의 침(whisker)상 섬유를 일반적으로 사용하였으나, 5 μm 이하의 침상 섬유는 북미 환경규제(CAL Prop 65) 및 세계보건기구(WHO)에서 마찰재 제조업자의 폐암을 유발시킬 수 있는 흡입성 발암물질로 규정함으로써 이들의 사용을 규제하고 있다. 또한, 최근에는 미세 세라믹 섬유, 석면 및 카드뮴, 6가 크롬, 납과 같은 중금속 이외에도 안티몬 산화물을 발암물질로 규정하고 있는 바, 종래의 마찰재에 고체윤활제로 많이 사용되는 상기 안티몬 화합물을 인체에 무해하고 환경 친화적인 소재로 대체하는 기술의 개발이 시급한 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 마찰재의 재료적 물성, 제동성능 및 NVH 특성은 유지시키면서, 국제 환경규격을 만족시키는 친환경 브레이크 마찰재 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 상기 친환경 브레이크 마찰재 조성물의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 상기와 같은 과제 해결을 위하여 아라미드 섬유 8 ∼ 10 부피%, 광물 섬유 2 ∼ 4 부피%, 구리 섬유 7 ∼ 9 부피%, 및 판상 티탄산칼륨 섬유 6 ∼ 8 부피%로 구성되는 강화 섬유, 결합제 14 ∼ 16 부피%, 고체 윤활제 6 ∼ 8 부피%, 연마제 8 ∼ 10 부피%, 충전제 21 ∼ 23 부피% 및 마찰 조절제 19 ∼ 21 부피%를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 비석면 유기질 마찰재 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 친환경 비석면 유기질 마찰재 조성물을 포함하여 이루어진 복합재료를 145 ∼ 155 ℃의 온도 및 50 ∼ 55 MPa의 압력에서 열성형하는 1 단계, 상기 열성형된 성형체를 200 ∼ 300 ℃에서 열처리하는 2 단계 및 상기 열처리된 성형물을 480 ∼ 500 ℃의 온도에서 스코치하는 3 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 비석면 유기질 마찰재의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 비석면 유기질 마찰재 조성물 및 이를 이용하여 제조된 비석 면 유기질 마찰재는 국제 환경규격을 만족함으로써, 인체에 무해하고 환경오염을 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따른 비석면 유기질 마찰재 조성물은 자동차 등의 동력장치 및 각종 형태의 산업용 기계에서 제동용 브레이크 시스템에 적용하는 경우, 국제 환경규격을 만족하면서도, 다양한 제동조건, 온도, 압력 및 속도에 따라 일정한 마찰계수를 유지하고, 내마모성, 제동특성 및 NVH 특성이 종래의 수준을 유지하는 효과가 있다.
본 발명은 아라미드 섬유, 광물 섬유, 구리 섬유, 및 판상 티탄산칼륨 섬유를 포함하여 구성되는 강화 섬유와 결합제, 고체 윤활제, 연마제, 충전제, 및 마찰 조절제를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 친환경 비석면 유기질 마찰재 조성물 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 기본적인 섬유 성분으로서, 아라미드 섬유 8 ∼ 10 부피%, 광물 섬유 2 ∼ 4 부피%, 구리 섬유 7 ∼ 9 부피%, 및 판상 티탄산칼륨 섬유 6 ∼ 8 부피%로 구성되는 강화 섬유를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 아라미드 섬유는 마찰재에 첨가되는 대표적인 유기질 강화섬유로서, 예비성형체(perform)의 강도 증가와 마찰계수의 안정성 및 내마모성을 향상시키기 위하여 사용된다.
이러한 아라미드 섬유는 8 ∼ 10 부피%를 포함하는 바, 아라미드 섬유의 함 량이 8 부피% 미만이면 결합제와의 강화효과가 감소되어 마찰재의 강도를 저감시키는 문제점이 발생하고, 10 부피%를 초과하면 결합제와 공유되지 않은 여분의 강화섬유가 고온에서 쉽게 탈락되어 내마모성을 저해할 수 있는 문제점이 발생할 수 있으므로, 상기 함량 범위의 아라미드 섬유를 사용하도록 한다. 상기와 같은 아라미드 섬유는 예비성형체(perform)의 강도 및 내마모성을 고려하여 바람직하게는 8.5 ∼ 9.5 부피%를 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 8.8 ∼ 9.2 부피%를 사용할 수 있다.
광물 섬유는 미세 세라믹 섬유를 대체할 수 있는 강화섬유로서, 고온 마찰계수의 안정성 및 강도를 향상시키기 위하여 사용된다. 종래의 세라믹 섬유의 경우에는 도 2에 나타낸 바와 같이 에너지분산 X선 분석(energy dispersive X-ray spectroscopy) 결과, 알루미나(Al2O3), 석영(SiO2) 및 지르코니아(ZrO2)가 주성분으로 검출되었고, 알칼리 산화물 및 알칼리 토금속(Na2O + K2O + CaO + MgO + BaO) 성분은 18 중량% 미만으로 함유되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 18 중량% 미만의 알칼리 산화물 및 알칼리 토금속 성분을 포함하는 종래의 미세 세라믹 섬유는 인체에 대한 유해성과 환경 오염의 이유로 국제 환경규제를 통하여 점진적으로 사용이 금지되고 있다.
그러나 본 발명에 따른 광물 섬유는 석영(SiO2) 50 ∼ 70 중량%, 산화칼슘(CaO) 10 ∼ 30 중량% 및 산화마그네슘 (MgO) 10 ∼ 20 중량%가 포함되어 이루어진 것을 사용할 수 있는 바, 보다 바람직하게는 석영(SiO2) 65 ∼ 67 중량%, 산화칼 슘(CaO) 17 ∼ 20 중량% 및 산화마그네슘 (MgO) 13 ∼ 16 중량%가 포함되어 이루어진 Efil사의 광물 섬유를 사용할 수 있다. 상기 Efil사의 광물 섬유는 도 3에 나타낸 바와 같이, 에너지분산 X선 분석(energy dispersive X-ray spectroscopy) 결과, 알칼리 산화물 및 알칼리 토금속(Na2O + K2O + CaO + MgO + BaO) 성분은 18 중량% 초과로 함유하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 발명에 따른 광물 섬유는 국제환경규격을 만족하는 친환경적인 조성 성분인 것이다.
이러한 광물 섬유는 2 ∼ 4 부피%를 포함하는 것이 바람직한 바, 상기 광물 섬유의 함량이 2 부피% 미만이면 마찰재의 내열특성이 감소하여 고온 마모특성이 취약해지는 문제점이 발생하고, 4 부피%를 초과하면 강화효과에 거의 영향을 미치지 않은 여분의 광물 섬유가 제동소음을 유발할 수 있는 문제점이 발생하므로 상기 함량 범위의 광물 섬유를 사용하는 것이 좋다. 상기와 같은 광물 섬유는 마찰재의 내열특성 및 제동 소음 등을 고려하여 바람직하게는 2.5 ∼ 3.5 부피%를 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 2.9 ∼ 3.1 부피%를 사용할 수 있다.
구리 섬유는 유기질 섬유와 대별되는 금속계 섬유로서, 마찰재의 내마모성, 열전도도 및 강화성능을 향상시키기 위하여 사용된다. 특히, 구리 섬유는 고온 제동력 상실현상(fade) 및 제동력 회복(recovery)의 견지에서 매우 우수한 특성을 나타내고 있다.
이러한 구리 섬유는 7 ∼ 9 부피%를 포함하는 바, 상기 구리 섬유의 함량이 7 부피% 미만이면 고온 제동력이 감소하거나 열전도 효과가 저하되는 문제점이 발 생하고, 9 부피%를 초과하면 상대 디스크에 대면공격성이 증가하여 디스크의 불균일한 마모를 유발시키거나 제동표면에 응착되어 제동소음의 발생빈도를 증가시키는 문제점이 발생하므로 상기 함량 범위의 구리 섬유를 사용하도록 한다. 상기와 같은 구리 섬유는 내열성 및 내마모성을 고려하여 바람직하게는 7.5 ∼ 8.5 부피%를 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 7.8 ∼ 8.2 부피%를 사용할 수 있다.
판상 티탄산칼륨 섬유는 세라믹 섬유의 일종으로서, 광물 섬유와 마찬가지로 마찰재의 고온 내열성 개선 및 내마모성을 향상시키기 위하여 사용된다. 일반적으로 티탄산칼륨 섬유는 1200 ℃ 이상의 높은 융점과 높은 탄성계수를 지니고 있어 고온 안정성이 우수하고, 유기질 아라미드 섬유 및 결합제와의 결합성이 우수하여 내열 강화 섬유로서, 유기질 마찰재에 첨가되고 있다. 본 발명에 따른 티탄산칼륨 섬유는 5 μm 이하의 직경을 지닌 구형에 가까운 판상을 나타내기 때문에 북미 환경(CAL Prop 65) 및 세계보건기구(WHO)의 규격에 만족하는 형상을 지니고 있다. 따라서 이러한 판상 티탄산칼륨 섬유는 종래의 침상 티탄산칼륨 섬유와 동일한 효과를 나타내면서, 국제환경규격을 만족하는 친환경적인 조성 성분인 것이다.
이러한 판상 티탄산칼륨 섬유는 6 ∼ 8 부피%를 포함하는 바, 상기 판상 티탄산칼륨 섬유의 함량이 6 부피% 미만이면 결합제 및 아라미드 섬유와의 결합력이 부족하여 고온 마찰계수의 안정성이 저해되는 문제점이 발생하고, 8 부피%를 초과하면 탄성율이 높은 여분의 판상 티탄산칼륨 섬유가 제동소음을 유발하는 문제점이 발생하므로 상기 함량 범위의 판상 티탄산칼륨 섬유를 사용하도록 한다. 상기 와 같은 판상 티탄산칼륨 섬유는 고온 내열성 및 내마모성을 고려하여 바람직하게는 6.5 ∼ 7.5 부피%를 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 6.8 ∼ 7.2 부피%를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 친환경 비석면 유기질 마찰재 조성물은 상기 아라미드 섬유, 광물 섬유, 구리 섬유, 및 판상 티탄산칼륨 섬유를 포함하여 구성되는 강화 섬유에 결합제, 고체 윤활제, 연마제, 충전제 및 마찰 조절제가 함께 포함되어 있는 바, 상기 결합제는 마찰재에 통상적으로 사용되는 공지의 결합제이면 특별히 제한되지 않으며, 예를들어 페놀수지, 멜라닌 수지, 에폭시 수지, 여러 고무-변형된 페놀 수지, 니트릴 고무, 아크릴 고무, 실리콘 고무 또는 이들 중 둘이상의 혼합물 등이 사용 가능하다. 이러한 결합제는 마찰재의 구성원료 성분들을 결합시키는 역할을 함으로써 마찰재의 강도와 열적 안정성을 증가시키기 위하여 사용된다. 특히, 고온 제동시 결합제가 열분해되는 경우에는 마찰력의 상실현상(fade)이 나타내므로 마찰재에는 교차결합밀도를 증가시킨 내열성 페놀수지를 사용하는 것이 좋다.
이러한 결합제는 14 ∼ 16 부피%를 포함하는 바, 상기 결합제의 함량이 14 부피% 미만이면 마찰재의 구성원료에 대한 결합력이 감소되어 마찰재의 강도를 감소시키는 문제점이 발생하며, 16 부피%를 초과하면 미결합된 결합제 성분에 의해 고온 제동력을 감소시키는 문제점이 발생하므로 상기 함량 범위의 결합제를 사용하도록 한다. 상기와 같은 결합제는 마찰재의 강도 및 열적 안정성을 고려하여 바람직하게는 14.3 ∼ 15.7 부피%를 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 14.6 ∼ 15.4 부피%를 사용할 수 있다.
상기 고체 윤활제는 제동 온도별 마찰계수의 안정성, 내마모성 및 소음특성을 향상시키기 위하여 사용되는 바, 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않으나 예를들어, 흑연, 안티몬 황화물 및 카본블랙 중에서 선택된 하나 이상인 것을 사용할 수 있다. 특히, 상기 안티몬 황화물은 발암 유해물질로 판정된 종래의 안티몬 산화물과는 달리, 국제 환경 규격에 만족하는 친환경적인 원료이고, 고온 윤활성능을 향상시키는 첨가제로서 안티몬 산화물과 유사한 특성을 지닌다.
이러한 상기 고체 윤활제는 6 ∼ 8 부피%를 포함하는 바, 상기 고체 윤활제의 함량이 6 부피% 미만이면 마찰계수의 안정성을 저해하는 문제점이 발생하고, 8 부피%를 초과하면 마찰계수의 감소에 따른 제동력 저하를 초래하는 문제점이 발생하므로 상기 함량 범위의 고체 윤활제를 사용하도록 한다. 상기와 같은 고체 윤활제는 마찰 계수의 안정성을 고려하여 바람직하게는 6.5 ∼ 7.5 부피%를 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 6.8 ∼ 7.2 부피%를 사용할 수 있다.
상기 연마제는 마찰력의 수준을 조절하고 로터 표면의 열변성된 마찰막을 제거하는 역할을 수행하는 바, 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않으나 예를들어, 마이카, 산화지르코늄, 산화철 또는 이들중 둘이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 특히, 마찰재의 연마제로 가장 많이 사용되고 있는 상기 산화지르코늄은 마찰계수의 크기와 진폭에 영향을 미치는 원료로서 제동떨림 현상과도 밀접한 연관성이 있다. 종래의 마찰재에 사용되는 연마제는 자동차의 제동유효성을 증가시키기 위하여 적어도 10 μm의 평균 직경을 갖는 산화지르코늄, 규산지르코늄(또는 지르콘), 및 산화마그네슘 등을 적정 함량 포함하여 사용하는 것이 좋다. 그러나 이러한 종래의 연마제는 과도하게 큰 스피드 스프레드, 고속에서 감소된 제동 유효성 및 스피드 스프레드를 나타내는 문제점이 발생하였고, 더욱이, 연마제가 자동차의 브레이크 디스크를 긁음으로써, 저속 제동 동안에 자동차 경련의 원인으로 작용하는 문제점이 발생하였다. 따라서 본 발명에서는 3 ∼ 9 μm의 평균 직경을 갖는 산화지르코늄을 사용하는 것을 특징으로 한다. 산화지르코늄의 평균 직경이 너무 크면 상기한 종래의 문제점과 함께 고속제동시 상대 디스크로의 대면공격성이 증가하여 마찰력의 진폭이 커짐으로 떨림현상을 가중시키는 문제점이 발생하였다. 또한, 너무 작은 평균 직경을 갖는 경우에는 마찰재에 연마 효과를 부여하지 못하여, 마찰재가 적절한 마찰 계수를 달성하지 못하게 만들 수 있으므로 상기 평균 직경 범위의 산화지르코늄을 사용하는 것이 좋다.
이러한 상기 연마제는 8 ∼ 10 부피%를 포함하는 바, 상기 연마제의 함량이 8 부피% 미만이면 마찰계수의 크기가 감소하여 원하는 제동력을 만족시키지 못하게 되는 문제점이 발생하고, 10 부피%를 초과하면 디스크에 대한 대면공격성이 증가하여 상대 디스크의 마모율을 증가시키고 토크 진폭의 증가 및 소음의 발생빈도를 증가시키는 문제점이 발생하므로 상기 함량 범위의 연마제를 사용하도록 한다. 상기와 같은 연마제는 자동차의 제동력 및 소음 발생 빈도를 고려하여 바람직하게는 8.5 ∼ 9.5 부피%를 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 8.8 ∼ 9.2 부피%를 사용할 수 있다.
상기 충전제는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않으나 예를들어, 황산바륨, 수산화칼슘 탄산칼륨 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 특히, 상기 황산바륨의 경우에는 비활성 물질로서 마찰재의 밀도를 증가시키고 수산화칼슘의 경우에는 마찰재의 산성도를 조절하기 위하여 사용될 수 있다.
이러한 상기 충전제는 21 ∼ 23 부피%를 포함하는 바, 상기 충전제의 함량이 21 부피% 미만이면 마찰재의 밀도가 감소되어 내마모성이 저해되는 문제점이 발생하고, 23 부피%를 초과하면 여분의 충전제 성분이 결합제와 미결합되어 마찰재의 표면으로부터 쉽게 탈락되는 문제점이 발생하므로 상기 함량 범위의 충전제를 사용하도록 한다. 상기와 같은 충전제는 내마모성 및 결합제와의 결합정도를 고려하여 바람직하게는 21.2 ∼ 22.8 부피%를 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 21.4 ∼ 22.6 부피%를 사용할 수 있다.
또한, 상기 마찰 조절제는 마찰재의 윤활성을 도모하여 마찰계수를 조절하고 감쇄능을 향상시키기 위해 사용되는 바, 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않으나 예를들어, 고무분말, 캐슈분말 또는 이들중 둘이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
이러한 상기 마찰 조절제는 19 ∼ 21 부피%를 포함하는 바, 상기 마찰 조절제의 함량이 19 부피% 미만이면 소음특성을 저해하는 문제점이 발생하고, 21 부피%를 초과하면 마찰계수가 감소하고 고온 제동특성이 저해되는 문제점이 발생하므로 상기 함량 범위의 마찰 조절제를 사용하도록 한다. 상기와 같은 마찰 조절제는 내마모성 및 결합제와의 결합정도를 고려하여 바람직하게는 19.3 ∼ 20.8 부피%를 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 19.5 ∼ 20.5 부피%를 사용할 수 있다.
이러한 조성으로 본 발명의 친환경 비석면 유기질 마찰재를 제조하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 마찰재는 상기한 조성으로 이루어진 친환경 비석면 유기질 마찰재 조성물을 145 ∼ 155 ℃의 온도 및 50 ∼ 55 MPa의 압력에서 열성형하는 1 단계, 열성형된 성형체를 200 ∼ 300 ℃에서 열처리하는 2 단계 및 열처리된 성형물을 480 ∼ 500 ℃의 온도에서 스코치하는 3 단계를 포함하여 이루어진 방법으로 제조할 수 있다.
이 때, 상기 열성형 온도가 145 ℃ 미만이면 결합제에 의한 경화가 이루어지지 않는 문제점이 발생하고, 155 ℃를 초과하면 결합제의 과경화가 이루어져 결합강도를 감소시키는 문제점이 발생한다. 또한, 상기 열성형 압력이 50 MPa 미만이면 마찰재의 성형밀도가 감소하는 문제점이 발생하고 55 MPa을 초과하면 원하는 마찰재의 압축율 및 기공도를 얻을 수 없는 문제점이 발생한다. 따라서 친환경 비석면 유기질 마찰재의 열성형은 상기의 온도와 압력 범위에서 실행하는 것이 좋고, 경화 정도를 고려하여 5 ~ 10 분의 시간 동안 경화시키는 것이 좋다.
또한, 상기 열성형된 성형체를 완전 경화시키기 위하여 진행되는 2단계의 열처리 과정에서 열처리 온도가 200 ℃ 미만이면 균일한 경화상태를 얻을 수 없는 문제점이 발생하고, 300 ℃를 초과하면 과열되어 구성원료가 열변형될 수 있는 문제점이 발생하므로 상기 온도 범위에서 실행하는 것이 좋고, 경화정도를 고려하여 약 5 시간 동안 열처리 하는 것이 좋다.
또한, 상기 열처리된 성형물의 초기 제동특성 안정화를 위하여 마찰재에 열이력을 공급하고자 진행되는 3단계의 스코치 과정에서 온도가 480 ℃ 미만이면 마찰재 표면에 열이력을 충분히 공급할 수 없으며 500 ℃를 초과하면 과도한 열이력에 의해 마찰특성을 저해시킬 수 있다. 이러한 스코치 과정은 적정 열이력을 공급할 수 있는 2 ~ 4 분의 시간 동안 수행하는 것이 좋다.
이러한 본 발명에 따른 친환경 비석면 유기질 마찰재의 제조방법은 종래의 예비성형 공정 후 열성형하는 제조방법과는 달리, 별도의 예비성형 공정없이 열성형, 열처리 및 스코치 제조조건을 최적화하여 제조공정을 단순화함으로써, 종래와 동등한 품질을 확보하면서 용이하게 친환경 비석면 유기질 마찰재를 제조할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 친환경 비석면 유기질 마찰재는 자동차, 대형 트럭, 철도차량 및 각종 형태의 산업용 기계로 사용되는 동력장치에서 제동을 위한 브레이크 시스템에 사용될 수 있는 바, 예컨데, 브레이크 라이닝, 클러치 페이싱, 디스크 패드, 페이퍼 클러치 페이싱 및 브레이크 슈를 포함하는 광범위한 용도에서 유해물질 발생을 억제하기 위하여 바람직하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하는 바, 본 발명이 다음의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
다음 표 1에서 나타내는 마찰재 조성에서 각각의 성분은 비중을 이용하여 질량으로 환산하고 중량 배합비에 따라 조성물을 준비하고, 2000 rpm 이상의 로디지 믹서에서 균일하게 혼합하였다. 각 혼합물을 150 ℃의 온도 및 53 MPa의 압력에서 5분 동안 열성형한 후, 250 ℃에서 5시간 동안 열처리를 수행하였다. 열처리 후 500 ℃의 온도에서 3분간 스코치하여 최종적으로 친환경 비석면 유기질 마찰재를 제조하였다.
비교예 1 ~ 5
표 1에서 나타내는 실시예 2 ~ 3은 실시예 1과 동일한 성분을 사용하되, 함유된 부피%를 변화하였으며, 동일한 방법으로 마찰재를 제조하였다. 비교예 1 ~ 2는 실시예 2 ~ 3과 동일한 성분을 사용하되, 함유된 부피%를 변화하여 비교하였다. 또한 비교예 1은 종래의 마찰재 제조 방법인, 혼합물을 상온에서 40 MPa의 압력으로 3초간 예비성형 후, 예비 성형체를 155 ~ 165 ℃의 온도 및 55 ~ 60 MPa의 압력에서 열성형하는 1단계, 열성형된 성형체를 150 ~ 250 ℃에서 열처리하는 2단계 및 열처리된 성형물을 500 ~ 520 ℃의 온도에서 스코치하는 3단계를 통하여 마찰재를 제조한 후, 실시예와 비교하였다.
마지막으로 비교예 3 ~ 5는 종래의 조성 성분을 사용함으로써 실시예와 비교하였다.
[a: Enfil사, 도 3의 EDX 분석 결과, 산소성분 52.1 중량%, 마그네슘성분 5.2 중량%, 실리콘성분 23.7 중량%, 칼슘성분 19 중량%의 조성을 함유한 광물섬유.]
[a: Enfil사, 도 3의 EDX 분석 결과, 산소성분 52.1 중량%, 마그네슘성분 5.2 중량%, 실리콘성분 23.7 중량%, 칼슘성분 19 중량%의 조성을 함유한 광물섬유.
b: Shinnikka사, 도 2의 EDX 분석 결과, 산소성분 56 중량%, 알루미늄성분 16.4 중량%, 실리콘성분 19.5 중량%, 지그코늄성분 8.1 중량%의 조성을 함유한 광물섬유(세라믹섬유).]
시험예
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 마찰재에 대하여 하기의 방법에 의해 제동시험을 수행하였고, 시험항목은 기본제동성능, 마모성, 페이드(fade), 제동 떨림(judder), 제동 소음(squeal)이었다. 상기 제동평가는 국제 규격에 준하여 아래의 기준으로 평가하였으며, 그 결과는 상기 표 3에 나타내었다.
(1) 기본제동성능: JASO C 406
1) ○: 마찰계수 평균치 ± (설계 마찰계수 × 15% 이하)
2) ×: 마찰계수 평균치 ± (설계 마찰계수 × 15% 초과)
기본제동성능은 자동차의 제동시 요구되는 마찰력의 변화를 평가하는 항목으로 다양한 제동조건, 온도, 압력, 속도에 따라 일정한 마찰계수를 유지하는 것이 바람직하다.
(2) 마모성: JASO C 427-83
1) ○: 마찰재 수명 20,000 km 이상
2) ×: 마찰재 수명 20,000 km 미만
마모성은 마찰재의 사용주기와 직결되는 항목으로 다양한 제동조건에서 일정이상 마찰력을 유지해야 하고, 고온 및 고속 제동시 쉽게 열분해 되지 않는 것이 바람직하다.
(3) 페이드(fade): FMVSS 135 FADE
1) ○: 감속도 0.65g 상당 토크 이상
2) ×: 감속도 0.65g 상당 토크 미만
페이드(fade)는 고속 및 고온 제동시 마찰재 구성원료 중 유기성분이 열분해되어 고유의 마찰특성을 상실하여 마찰계수가 감소되는 현상으로 운전자의 안전을 위하여 고속 및 고온 제동시에도 일정 기준 이상으로 마찰력이 유지되어야 한다.
(4) 제동 떨림(judder): 제동평가규격
1) ○: 제동토크 변화량 7 kgm 이하
2) ×: 제동토크 변화량 7 kgm 초과
제동 떨림(judder)은 제동시 안전성과 안락성을 위하여 최소화 되어야 한다.
(5) 제동소음(squeal): SAE 2521
1) ○: 소음발생율 0.01% 이하
2) ×: 소음발생율 0.01% 초과
제동소음(squeal)은 제동시 안전성과 안락성을 위하여 최소화 되어야 한다.
상기 결과에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 따른 친환경 비석면 유기질 마찰재는 흡입성 발암 물질인 미세 세라믹 섬유 및 침상의 티탄산칼륨 섬유를 각각 광물 섬유와 판상 형상의 티탄산칼륨 섬유로 대체하고, 유해 물질로 판정된 안티몬 산화물도 안티몬 황화물로 대체하며, 연마제인 산화지르코늄의 입도를 조절한 후, 비석면 유기질 마찰재 조성물의 함량을 최적화함으로써, 국제 환경규격을 만족하면서 비교예와 동등 이상 수준의 제동성능 및 NVH 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
도 1은 일반적인 브레이크 마찰재의 구조의 개략도를 나타낸 것이다.
[도 1의 주요 부분에 대한 부호의 설명]
100: 마찰재, 110: 상층재, 120: 이중재, 130: 접착층, 140: 후면판, 150: 소음저감용 쉼
도 2는 종래 사용된 산소, 알루미늄, 실리콘, 지르코늄 성분을 각각 56, 16.4, 19.5, 8.1 중량 %로 함유한 세라믹 섬유(Shinnikka사)를 성분 분석(EDX 분석)한 결과를 나타낸 것이다.
도 3는 본 발명에 사용된 산소, 마그네슘, 실리콘, 칼슘 성분을 각각 52.1, 5.2, 23.7, 19 중량 %로 함유한 광물 섬유(Enfil사)를 성분 분석(EDX 분석)한 결과이다.
Claims (7)
- ⑴ 아라미드 섬유 8 ∼ 10 부피%, 광물 섬유 2 ∼ 4 부피%, 구리 섬유 7 ∼ 9 부피% 및 판상 티탄산칼륨 섬유 6 ∼ 8 부피%로 구성되는 강화 섬유,⑵ 결합제 14 ∼ 16 부피%,⑶ 고체 윤활제 6 ∼ 8 부피%,⑷ 연마제 8 ∼ 10 부피%,⑸ 충전제 21 ∼ 23 부피% 및⑹ 마찰 조절제 19 ∼ 21 부피%를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 비석면 유기질 마찰재 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 광물 섬유는 석영(SiO2) 50 ∼ 70 중량%, 산화칼슘(CaO) 10 ∼ 30 중량% 및 산화마그네슘(MgO) 10 ∼ 20 중량%가 포함되어 이루어진 것을 특징으로 하는 마찰재 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 고체 윤활제는 흑연, 안티몬 황화물 및 카본블랙 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 마찰재 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 연마제는 마이카, 산화지르코늄, 산화철 또는 이들 중 둘이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 마찰재 조성물.
- 제 4 항에 있어서, 상기 산화지르코늄은 평균 직경이 3 ∼ 9 μm인 것을 특징으로 하는 마찰재 조성물.
- 제 1 항에 있어서, 상기 마찰 조절제는 고무 분말, 캐슈 분말 또는 이들 중 둘이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 마찰재 조성물.
- 청구항 1 내지 청구항 6 중에서 선택된 어느 하나의 비석면 유기질 마찰재 조성물을 145 ∼ 155 ℃의 온도 및 50 ∼ 55 MPa의 압력에서 열성형하는 1 단계,열성형된 성형체를 200 ∼ 300 ℃에서 열처리하는 2 단계 및열처리된 성형물을 480 ∼ 500 ℃의 온도에서 스코치하는 3 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 비석면 유기질 마찰재의 제조방법.
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2007
- 2007-08-22 KR KR1020070084330A patent/KR20090019982A/ko not_active Application Discontinuation
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