KR20090086118A - 브레이크 로터에 하드 세라믹 금속층을 융합시키는 방법 - Google Patents

브레이크 로터에 하드 세라믹 금속층을 융합시키는 방법 Download PDF

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Abstract

차량용 브레이크 조립체(10)의 내구연한 및/또는 브레이크 효율을 향상시키기 위해, 융합된 세라믹 금속 표면을 지지 로터(12) 기판 상에 형성한다. 세라믹 금속층은 초벌 현탁액(32)을 로터(12)의 마찰면(20, 22) 상에 바르는 방법으로 형성된다. 현탁액(32)은 건조되고 그 후 고출력 다이오드 레이저(42)를 이용하여 특정한 영역 또는 미리 결정된 영역(30)에 조사한다. 구리 마스크(34)는 융합될 미리 결정된 영역(30)의 형태 및 위치와 정밀하게 대응되는 개구부(38)를 제공함으로서 템플릿의 역할을 수행한다. 마스크(34)는 비융합 마찰면(20, 22) 영역으로부터 레이저 에너지를 반사시키는 반사 거울면(36)을 포함한다. 캘리퍼(16)에 연결된 마찰패드(18)와 접촉하기 위해 필요한 마찰학적 표면을 얻기 위해, 마감 그라인드 또는 가공작업이 필요할 수 있다.
마찰면, 현탁액, 세라믹 분말, 금속 분말, 로터, 차량용 브레이크, 다이오드 레이저, 템플릿, 융합, 비융합, 구리 마스크, 알루미늄 합금, 캘리퍼, 거울면

Description

브레이크 로터에 하드 세라믹 금속층을 융합시키는 방법{METHOD FOR FUSING A HARD CERAMIC-METALLIC LAYER ON A BRAKE ROTOR}
본 발명은 일반적으로 차량용 브레이크 로터의 제동 효과 및 내구성을 향상시키는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 반사마스크와 함께 고출력 레이저를 이용하여 세라믹 금속 현탁액에 조사(照射)함으로써 브레이크 로터를 만드는 향상된 방법에 관한 것이다.
디스크 브레이크용 로터는 차량 브레이크 시스템의 일부를 이루며, 바퀴와 함께 회전하게 된다. 로터는 바퀴의 회전을 정지시키도록 접촉되는 브레이크 패드와 마주보는 한 쌍의 마찰면을 가진다. 다양한 응용예에 있어서, 디스크 브레이크의 로터부는, 브레이크 과정 동안 마찰에 의해 발생한 열을 분산시킴으로써 냉각성을 향상시키도록 마찰면 사이로 통기(ventilated)되는 구성을 갖는다.
종래의 방법으로서, 디스크 브레이크 로터는 주철 소재로 제작된다. 비록 주철이 상대적으로 저렴하며 상기의 과정을 수행하는데 필요한 다양한 기능적 속성을 나타내지만, 장시간 사용시 마모되는 경향을 보인다. 내구연한이 끝나는 시점에서, 브레이크 로터는 재가공되거나 교체되어야 한다. 일반 차량 및 개인 소비자 용도의 경우, 주철 브레이크 로터의 재가공 또는 교체가 용이하며 일반적으로 과도한 부담이 되지는 않는다. 그러나, 필연적으로 장거리로 운행되고 일반적으로 악조건 하에서 운행되는 상업적인 특수차량 및 공공차량의 경우에는 로터 마모가 훨씬 증가한다. 이러한 종류의 차량의 경우, 차량정비소에서 시간을 소비하는 것은 그 자체로 유지 및 수리비용이 발생할 뿐만 아니라, 차량을 운행할 수 없기 때문에 발생하는 영업손실로 인해, 운행자는 두 배의 손실부담을 안게 된다.
종래의 기술은 브레이크 로터가 보다 오래 지속될 것이 요구되며, 상업적인 특수차량 및 공공차량의 경우에 특히 수리시간이 단축되고 유지비용이 절감되도록 할 필요가 있다. 이 모든 사항에 있어서, 종래의 기술은 로터에 보다 향상된 내마모면을 형성하는 것을 제안한다. 이러한 실시예는 츠가와(Tsugawa) 등의 출원으로서 1998년 1월 27일 발행된 미국특허번호 제5,712,029호에서 찾을 수 있다. 츠가와의 인용문헌에 기재된 바와 같이, 세라믹 입자가 합금기판, 즉 브레이크 로터에 도포될 수 있으며, 그 다음, 입자를 알루미늄 합금 모재(matrix) 내에 가두도록 레이저로 스캔된다. 생성된 결과면은 매우 높은 내마모성을 갖는다.
또다른 브레이크 로터의 마모면 성능 향상 기술의 예는 2004년 6월 22일 발행된 호그(Haug) 등이 출원한 미국특허번호 제6,753,090호에서 찾을 수 있다. 호그의 특허는 페인팅 기술을 포함한 여러가지 종래의 코팅 방법을 사용하여 세라믹 층을 입혀서, 브레이크 요소 상의 표면층을 형성하는 방법을 개시한다. 세라믹 코팅은 미리 결정된 영역 내에 레이저를 조사(irradiation)하여 처리된다. 열반응 동안, 매우 양호한 결합을 견고하게 하도록 기판과 세라믹 층 양쪽에 단단히 결합된 금속중간상(intermetallic phase) 및 세라믹상(ceramic phase)을 포함하는 변형층이 형성된다. 기판은 알루미늄 합금이 될 수 있다.
이러한 종래의 기술의 접근방식으로부터 얻은 이점은, 주철보다 부드럽고 가벼운 재질로부터 로터가 제작될 수 있는 가능성이다. 예를 들어, 주철보다 무게가 가볍고 부드러운 알루미늄 합금은, 상기한 종래의 인용문헌에 기재된 방법에 의해 표면처리하는데 함께 사용될 수 있고, 그로 인해 차체의 중량을 감소시킨다. 유사한 효과를 내는데 알루미늄과 다른 합금이 사용될 수 있음은 물론이다.
비록 종래의 기술이 차량용 브레이크 로터의 브레이크 효율성 및 내구연한을 향상시킬 가능성 있는 방법에 관심을 표명하지만, 로터 디스크의 특정 부분을 취급하는데 효과적인 기술에 대해서는 다소 회의적이다. 따라서, 마찰면의 브레이크 효율 및 내구연한을 향상시킬 수 있도록, 본 기술영역을 발전시키고 로터 디스크의 마찰면을 취급하는 새로운 방법을 개발하기 위한 당업자의 열망이 존재한다.
본 발명은 브레이크 효율성 및/또는 차량용 브레이크 로터의 사용수명을 향상시키기 위한 방법을 제공하며, 상기 방법은: 금속 기판으로부터, 캘리퍼에 연결된 마찰패드와 맞닿는 인보드 및 아웃보드 마찰면을 가지는 환형 로터 디스크를 만드는 단계, 세라믹 금속 현탁액을 제조하는 단계, 현탁액을 인보드 및 아웃보드 표면의 적어도 일부 상에 도포하는 단계, 및 레이저빔을 사용하여 로터 디스크의 미리 결정된 영역 내의 금속 기판에 현탁액을 융합시키는 단계를 포함한다. 융합 단계에 앞서, 상기 방법은 또한, 마찰면의 적어도 일부를, 융합되는 마찰면 상의 미리 결정된 영역과 대응되는 개구부를 갖는 반사마스크로 덮는 단계를 포함한다. 또한 융합 단계는 마스크 내의 개구부를 레이저빔이 통과하여 개구부를 통해 노출된 현탁액을 향해 조준함으로써 마스크가 비융합 영역 내의 로터 디스크로부터 레이저빔을 반사시키는 단계를 더 포함한다.
레이저빔에 의해 조사되는 영역을 세밀하게 제어하기 위한 템플릿으로서의 반사 마스크를 이용한 독창적인 응용예를 포함하는 본 방법은, 상기 유망기술의 정밀도 및 작업처리량 양 측면에 있어서 발전된 모습을 나타낸다. 명확하게, 형상 및 위치가 융합되는 마찰면의 미리 결정된 영역과 대응되는 적어도 하나 이상의 개구부를 포함하는 마스크는, 예를 들어 넓은 영역에 걸쳐 스캔하기 위한 선형 빔을 사용하는 수 킬로와트(KW)의 다이오드 레이저와 같은 상업적인 레이저빔의 사용을 가능하게 한다. 레이저빔의 일부가 융합되는 미리 결정된 영역을 초과하여 조사되는 경우, 이러한 일부의 레이저빔은 반사 마스크에 의해 반사되고, 마스크 내의 개구부를 통해서만 융합이 되도록 제한된다. 그러므로, 융합된 영역이 정밀하게 적용되고, 원하지 않는 로터 디스크의 영역에 레이저빔이 조사될 우려 없이 가장 효율적으로 레이저빔의 경로를 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 구식 축음기 레코드가 플래터에서 재생되는 것 같은 방식과 매우 유사한 방식으로, 로터 디스크는 레이저빔에 대해 회전될 수 있다. 이 과정 동안, 축음기의 바늘에 해당하는 레이저빔은 계속적으로 회전되는 디스크를 향하지만, 전술한 로터 디스크의 미리 결정된 영역 만이 세라믹 금속 입자에 의해 융합될 수 있다.
본 발명의 이러한 특징과 다른 특징 및 본 발명의 장점은 후술할 실시예 및 첨부된 도면을 참조하여 보다 쉽게 이해될 수 있다.
도1은 브레이크 디스크 조립체의 사시도로서, 브레이크 효율 및 사용수명을 향상시키기 위해 디스크 로터의 미리 결정된 영역이 처리된 상태이고;
도2는 페인팅 기술을 사용하여 세라믹 금속 현탁액이 도포된 로터 디스크의 단면을 묘사한 도면이고;
도3은 본 발명에 따른 마스크의 일 실시예의 평면도이고;
도4는 세라믹 금속 현탁액이 도포되고 마스크로 덮혀있는 로터의 단면도이고;
도5는 레이저 융합 단계 중 비융합 로터 디스크 영역으로부터 레이저빔이 반사되는 모습을 도시한 단면도이고;
도6은 도5의 단면도와 달리, 마스크 상의 개구부를 통과하여 조사되어 로터 디스크의 미리 결정된 영역에서만 현탁액이 금속 기판에 융합되도록 하는 레이저빔을 도시한 단면도이고,
도7은 금속 기판의 양면에 현탁액이 융합되어 단단하고 기판 물질과 세라믹과 현탁액의 금속 성분이 고르게 융합된 미세구조를 나타내는 로터 디스크의 마찰면을 도시한 부분확대도이고,
도8은 본 발명의 범주 내에서 수행되는 일련의 단계를 묘사한 흐름도이다.
도면을 참조함에 있어서, 동일한 부재번호는 여러 도면에 걸쳐서 동일한 또는 대응하는 부분을 지칭하고, 디스크 브레이크 로터 조립체는 일반적으로 도1의 부재번호 10으로 표시된다. 디스크 브레이크 로터 조립체(10)는 러그 볼트(14)를 통해 차축 허브에 연결되고 일반적으로 부재번호 12로 표시되는 로터를 포함한다. 미도시된 차량용 바퀴는 러그 볼트(14)를 통해 부착된다. 일반적으로 부재번호 16으로 표시되는 캘리퍼는 로터(12)의 대향면 양쪽에 마찰 브레이크 패드(18) 한 쌍을 구비한다. 차량 운전자에 의해 작동되는 유압식, 공기압축식, 전자기계식 또는 다른 작동 수단에 대응하여, 마찰 브레이크 패드(18)는 로터(12)의 대향하는 마찰 표면과 클램핑 접촉되도록 조여져서, 바퀴의 회전을 제지한다.
로터(12)는 중심축을 기준으로 중앙에 위치하는 환형 인보드 마찰면(20)을 포함하는 통기(ventilated)되는 타입일 수 있다. 중심축(A)은 결합된 바퀴의 회전축과 일치한다. 환형 아웃보드 마찰면(22)은 환형 인보드 마찰면(20)으로부터 이격되어 있고 중심축(A)과 동심이 되도록 위치된다. 환형 아웃보드 마찰면(22)의 내측 에지 즉, 중심축(A)에 가까운 에지는 중앙 허브부(24)와 인접한다. 중앙 허브부(24)는 러그 볼트(14)를 결합하고 로터(12)가 바퀴에 조여지도록 하기 위한 4개 이상의 러그 볼트 구멍(26)을 포함한다. 복수의 립(rib)(28)은 환형 인보드 마찰면(20)과 환형 아웃보드 마찰면(22)의 사이에 있는 분리영역에 위치한다. 립(28)은 중심축(A)에 대해 규칙적인 원주 증가량 만큼 서로 일정한 거리로 떨어져 위치할 수 있다. 다른 방법으로, 립(28) 간격은 동일하지 않을 수 있으나 일정한 패턴 배열에 따를 수 있다. 또다른 방법으로, 로터(12)는 통기되지 않는 타입일 수 있고, 이 때 인보드 및 아웃보드 마찰면은 동일한 일체의 디스크 부재의 양 대향면을 나타낸다.
본 발명에 따르면, 로터(12)의 환형 인보드 마찰면(20)과 환형 아웃보드 마찰면(22)은 이들의 브레이크 효율 및/또는 사용수명을 향상시키기 위해 특수 처리된다. 이는 환형 인보드 마찰면(20)과 환형 아웃보드 마찰면(22) 양쪽에, 기판 재질에 비해 실질적으로 경도가 높은 미리 결정된 영역(30)을 형성함으로써 달성된다. 그러므로, 로터(12)의 기판 재질이 종래의 주철, 알루미늄 합금, 티타늄 합금, 또는 다른 금속복합재이든지 간에, 미리 결정된 영역(30)은 마찰 브레이크 패드(18)와 마찰되는 영역 또는 부분을 나타내며, 마찰면(20, 22)의 마모를 방지하는 동시에 디스크 브레이크 로터 조립체(10)의 브레이크 효율을 향상시킨다. 이해를 돕기 위하여, 미리 결정된 영역(30)은 도1에서 반지름 방향 형태로 묘사되어 있다. 반지름 방향 형태는 특정한 디스크 브레이크 로터 조립체(10)에 효율적인 것으로 간주되는 패턴의 하나의 예이다. 본 발명의 기술 범주 내에서, 심미적 패턴 및 진동억제 패턴을 포함하는 미리 결정된 영역(30)의 다른 패턴 또는 구성이 실시될 수 있다.
본 발명의 방법은 앞서 설명한 것과 같은 금속 기판으로부터 로터 디스크를 형성하는 단계를 포함한다. 이 단계는 주조 방법, 단조 방법, 또는 금속 기판으로부터 만들어진 로터 디스크를 형성할 수 있는 다른 방법을 통해서 달성될 수 있다. 또한, 상기한 바와 같이 금속 기판은 종래의 주철을 포함할 수 있으며, 또는 알루미늄이나 티타늄과 같은 경금속 합금을 포함할 수도 있다. 여타의 금속 기판 및/또는 합금은 본 발명의 범주 내에서 사용될 수 있다.
본 방법은 또한 세라믹 금속 현탁액(32)을 만드는 단계를 포함할 수 있다. 바람직하게 이와 같은 방법은 액체 운반체(liquid carrier) 내에서 세라믹과 금속 분말을 결합제(binder)와 함께 부유시키는 방법으로 달성될 수 있다. 다른 액체 운반체가 사용될 수도 있으나, 바람직한 액체 운반체는 물을 포함할 수 있다. 세라믹 분말의 일실시예에는 알파 애서(Alfa Aesar) 및 존슨 메시(Johnson Matthey)사에서 구입가능한 것과 같은 티타늄 다이보라이드(di-boride)가 있다. 그러나, 티타늄 다이보라이드(TiB2)는 본 발명에 사용될 수 있는 유일한 세라믹 분말은 아니다. 실제로, 다른 세라믹 분말에는 Al2O3, MgZrO3, Cr3C2, WC, Cr2O3, TiO2, TiC, B4C, SiC, 및 Si3N4를 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다. 당업자는 본 발명의 범주 내에서 유용한 다른 세라믹 분말의 사용에 대해 이해할 수 있을 것이다.
세라믹 분말과 섞인 금속 분말은 또한 세라믹 금속 현탁액(32) 내에서 혼합된다. 본 발명의 수용가능한 결과를 만들어낼 수 있는 것으로 알아낸 금속 분말의 일실시예는 Amdry 995C, Amdry 9951 또는 Amdry 9954 분말로 알려져 있으며, 스위스 윈터져(Winterthur)에 위치하는 슐져 멧코사(Sulzer Metco Company)에서 구입가능한 코발트 합금(CoNiCrAlY)이다. 물론, 상기 금속 분말은 본 발명에 사용함에 있어서 세라믹 금속 현탁액(32)을 제작하기 위해 세라믹 분말과 함께 섞일 수 있는 유일한 것은 아니다. Cr, Co, Ni, Fe, Al, Mo, Y, Si, B 및 C 원소의 조합으로 만들어진 다른 금속 분말도 포함되며, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 금속결합은 NiCrAl, NiCr, Co, CoCr, CoCrNi, NiCrFeSiBC, Al, 및 CrMoCFe를 포함할 수 있으며, 다만 이는 본 발명의 범위를 제한하려는 목적은 아니다. 다른 금속결합 및 변형예가 본 발명의 범위 내에서 가능하다. 당업자는 본 발명의 목적을 효과적으로 달성하기 위해 세라믹 금속 현탁액(32)을 제작하는데 세라믹 분말과 혼합되는 다른 금속 조성물 및 합금이 사용될 수 있음을 이해할 수 있다.
액체 운반체 내에서 세라믹 금속 분말과 혼합되는 개시된 결합제는 다른 알려진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 적절한 결합제의 일실시예는 폴리비닐알콜(PVA) 용액이다. 액체 운반체 내의 세라믹 및 금속 분말, 및 결합제의 기본적 조성에 추가로, 카르복시메틸 셀룰로오즈 또는 검(gum) 소재와 같은 농도향상재(thickening agent)가 포함될 수도 있다. 마찬가지로, 세라믹 금속 현탁액(32) 내에 항균재(antibacterial) 및/또는 항진균재(antifungal agent)가 포함될 수도 있다. 모든 구성요소가 투입될 경우, 상호 혼합되어 균일한 세라믹 금속 현탁액(32)을 형성한다.
세라믹 금속 현탁액(32)은 로터(12)의 환형 인보드 마찰면(20) 및/또는 환형 아웃보드 마찰면(22)의 적어도 일부에 걸쳐 도포된다. 이 과정은 모든 실용적인 방법에 의해 달성될 수 있다. 도2는 세라믹 금속 현탁액(32)을 바르는 하나의 방법인 페인팅 기술을 설명적으로 묘사한다. 동일하게 효과적인 다른 기술에는 세라믹 금속 현탁액(32)을 로터 디스크(12)에 스크린 페인팅하거나 로터 디스크(12)에 세라 믹 금속 현탁액(32)을 분사하거나, 또는 로터 디스크(12)를 세라믹 금속 현탁액(32) 컨테이너에 담그는 방법이 포함될 수 있다. 물론, 다른 방법은 다른 형태의 생산물을 만들어 낼 수 있으며 다른 효율성을 나타낼 수 있다. 일반적으로, 본 명세서에 기재된 기술과 상이한 것을 포함하는 다른 기술은 로터(12)의 환형 인보드 마찰면(20) 및 환형 아웃보드 마찰면(22)에 현탁액을 도포하는 단계에서 배치될 수 있다.
세라믹 금속 현탁액(32)이, 적어도 차후에 융합되어 미리 결정된 영역(30)을 형성하는 일부분에 걸쳐 도포될 경우, 액체 운반체의 전부분 또는 중요 부분을 없애기 위한 건조단계가 실행된다. 건조단계는 로터 디스크(12)에 훈풍을 쏘이는 방법 또는 로터 디스크(12)를 오븐에 넣는 방법을 포함하여 알려진 모든 방법을 사용하여 달성될 수 있다. 다른 건조방법 또한 적용될 수 있다.
다음으로 도3 내지 6을 참조하면, 마스크는 일반적으로 부재번호 34로 표시된다. 이해를 돕는 차원에서 마스크(34)는 도3에서 시트 형상의 구리 소재로 제작되고 대체적으로 원형인 부재로 도시되었다. 비록 구리는 마스크(34)를 제작할 수 있는 유일한 소재는 아니지만, 높은 열전도율을 가지며 거울면과 유사한 면을 갖도록 하는 폴리싱(polishing)이 가능하기 때문에 바람직한 소재이다. 바람직하게는 마스크(34)의 적어도 일면(36)에는 후술하는 이유로 인해 거울면과 유사한 면을 갖도록 하는 폴리싱을 한다. 적어도 하나, 바람직하게는 복수의 개구부(38)가 동일한 간격 또는 다른 패턴화된 배열로 마스크(34)에 형성되어 있다. 개구부(38)는 마스크(34)의 템플릿 유사 기능 및 추후에 로터(12)에 향상된 표면을 형성하는 미리 결 정된 영역(30)을 정밀하게 보완하는 기능을 수행한다. 그러므로 도1에 제공된 예에서 미리 결정된 영역(30)은 마찰면(20, 22)에 대해 동일하게 이격된 방사형 영역을 나타낸다는 점에서, 동일한 원주 증가량 만큼 서로 이격된 방사형 세그먼트의 형태와 대응되는 형태의 개구부(38)를 포함하는 마스크(34)가 도3에 도시되어 있다. 반복되는 패턴이 유지될 수 있으나, 개수, 모양 및 미리 결정된 영역(30) 상호 간의 간격은 상보적인 개구부(38)와 함께 다양한 형상을 가질 수 있으며, 이는 각각의 실시예의 환경에 의해 영향을 받는다.
도4에서, 마스크(34)가, 표면에 세라믹 금속 현탁액(32)이 도포된 후 건조된 환형 인보드 마찰면(20)을 덮고 있는 모습이 도시되어 있다. 비록 도4는 마스크(34)와 환형 인보드 마찰면(20) 간에 이격된 것으로 묘사되어 있으나, 실제로는 마스크(34)가 로터(12)에 맞닿는 상태이거나 인접하여 위치한다. 마스크(34)의 미러면(mirrored surface)(36)은 로터(12)와 먼 방향에 위치한다.
다음으로 도5 내지 6을 살펴보면, 로터 디스크(12)의 미리 결정된 영역(30)에서 세라믹 금속 현탁액(32)을 로터(12)의 금속 기판에 융합하는 단계는 레이저빔(40)을 사용하는 것으로 묘사된다. 레이저빔(40)은 로터(12)에 대해 움직일 수 있도록 장착된 레이저 장치(42)에 의해 발생된다. 본 발명의 일실시예에서, 로터 디스크(12)는 중심축(A)을 중심으로 회전할 수 있도록 회전하는 턴테이블에 장착될 수 있다. 레이저 장치(42)는 중심축(A)을 기준으로 반지름 방향으로 직선 운동할 수 있도록 장착된다. 이러한 움직임은 도5 및 6에 화살표로 도시되어 있다. 그러므로, 턴테이블에 장착된 구식 축음기 레코드와 유사한 것에 있어서, 회전 로터(12) 는 축음기 레코드의 형상을 띄는 반면, 레이저 장치(42)는 바늘과 유사하다. 물론, 본 명세서에 기재된 방법 대신에, 레이저빔(40)과 마찰면(20, 22)이 서로 상대적으로 움직일 수 있도록 하는 다른 기술 및 방식이 사용될 수 있다.
로터(12)가 회전하면, 환형 인보드 마찰면(20)에 레이저빔(40)을 조사하기 위해 레이저 장치(42)는 충전된다. 레이저빔(40)이 마스크(34)의 미러면(36)과 접촉할 경우, 레이저빔(40)은 로터 디스크(12)로부터 반사된다. 반사된 세그먼트는 비융합 영역 및 미리 결정된 영역(30)으로 변형되지 않아야 하는 영역과 부합한다. 또한, 구리는 좋은 열전도체이기 때문에, 레이저빔(40)으로부터 마스크(34)가 흡수한 모든 열에너지는 마스크(34)의 몸체를 통해 빠르게 분산된다. 그러나 레이저빔(40)이 개구부(38)로 이동할 경우에는, 필요한 미리 결정된 영역(30)을 만들기 위해 세라믹 금속 현탁액(32)이 레이저빔(40)의 강력한 에너지에 의해 융합된다. 이는 도6에 도시되어 있다.
마스크(34)를 사용하기 때문에, 환형 인보드 마찰면(20) 전체에 걸쳐 레이저빔(40)을 조사하는 동안, 레이저 장치(42)가 연속적으로 에너지를 공급받음에도 오직 미리 결정된 영역(30) 만이 융합된다. 융합 과정 동안, 로터(12)의 기판 소재와 결합되는 세라믹 금속 현탁액이 서로 섞이고 합금되어, 내마모성이 뛰어나고 로터 사용수명을 연장할 수 있는 융합된 세라믹 금속 영역을 형성한다. 일부의 경우에서는, 융합될 미리 결정된 영역(30)을 항산화 보호 가스로 에워싸서 보호할 필요가 있을 수 있다. 예를 들어, 아르곤은 도5 및 6에 도시된 노즐(44)을 통해서 분사되어 융합 지역을 에워싸는 커버 가스로 사용될 수 있다.
융합 단계와 관련하여 최선의 결과는 넓은 영역을 스캔할 수 있는 선형빔(40)을 발생시키는 고에너지 다이오드 레이저 장치(42)를 사용하여 달성될 수 있다. 고에너지라 함은 바람직하게 1킬로와트를 초과하는 것을 의미한다. 성공적인 테스트가 4킬로와트 누보닉스(Nuvonyx) 다이오드 레이저를 통해 수행되었다. 물론 당업자는, 본 발명의 목적을 달성하는데 효과적으로 사용될 수 있는 다른 레이저 타입 및 다른 레이저 구성이 사용될 수 있음을 이해할 수 있다.
도7은 전술한 융합 단계 이후 미리 결정된 영역(30) 범위 내의 로터(12)의 단면도를 나타낸다. 도면은, 강한 금속 결합을 이루는 기판 소재에 단단히 결합된 금속중간상(intermetallic phase) 및 세라믹상(ceramic phase)을 포함하는 환형 인보드 마찰면(20)에 형성된 변형층을 나타낸다. 상술한 바와 같이, 로터(12)의 기판 소재는 주철, 알루미늄 합금, 티타늄 합금 또는 다른 적절한 재질일 수 있다. 로터(12)의 마찰면(20, 22)이 실사용 용도에 적합한 마감 작업이 수행되어야 하므로, 표면(20)을 특정한 조건 상태로 되돌리기 위해 최종 가공작업 또는 그라인딩 과정이 수행될 필요가 있을 수 있다. 이와 같은 가공작업은 그라인딩, 선반절삭, 폴리싱작업, 또는 다른 작업을 포함할 수 있다.
도8에 도시된 바와 같이, 기능블록(46)은 환형 아웃보드 마찰면(22)에 대해 전술한 과정을 반복하는 단계를 가리킨다. 도8이 환형 인보드 마찰면(20)이 레이저 융합된 후에 다른 마찰면(22)에 대한 반복작업이 수행되는 것으로 표시되어 있으나, 로터(12)의 양쪽 면 상에 미리 결정된 영역(30)을 형성하기 위해 다른 순서의 작업이 수행될 수 있다. 그러므로, 다른 예에 있어서, 로터(12)의 대향면 양쪽에 현탁액을 분사하고, 양면을 함께 건조시키고, 그 후 교대로 마찰면(20, 22)을 레이저 융합시키는 것이 바람직하다. 그러므로, 도8에 나타난 순서도는 하나의 예에 불과하다.
본 방법은 브레이크 효율성, 진동 감쇠 및/또는 차량용 브레이크 로터의 사용수명을 향상시키기 위한 방법에 있어서 실질적 발전을 보여준다. 레이저빔(40)이 로터(12)의 원하지 않는 영역에 조사될 우려없이, 개구부(38)를 통과하여 세라믹 금속 현탁액(32)에 조준될 수 있도록 적어도 하나 이상의 개구부(38)를 갖는 반사마스크(34)로 마찰면(20, 22)의 적어도 일부를 덮는 기술은 보다 정밀하고 빠른 생산 기회를 부여한다. 특히 대량생산체제에 따라 구성부품이 대량생산되는 차량 분야에 있어서, 본 방법은 실용적인 해결책 및 적용가능한 기술을 제시한다.
전술한 발명은 관련 법규정에 따라 기술되었으며, 그러므로 설명은 제한적이기 보다는 예시적이다. 개시된 실시예를 변형 및 수정하는 것은 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 당업자에게 자명할 수 있다. 따라서, 본 발명에 주어진 법의 보호범위는 오직 후술할 청구항을 고려하여 결정될 수 있다.

Claims (20)

  1. 금속 기판으로부터, 캘리퍼에 달려있는 마찰패드와 맞닿는 인보드 및 아웃보드 마찰면을 가지는 환형 로터 디스크를 제작하는 단계;
    세라믹 금속 현탁액을 제조하는 단계;
    상기 세라믹 금속 현탁액을 상기 인보드 및 아웃보드 마찰면의 적어도 일부 에 도포하는 단계;
    레이저빔을 사용하여 상기 환형 로터 디스크의 미리 결정된 영역 내의 상기 금속 기판에 상기 세라믹 금속 현탁액을 융합시키는 단계;
    상기 융합시키는 단계 전에 수행되며, 상기 인보드 및 아웃보드 마찰면의 적어도 일부를, 융합되는 상기 인보드 및 아웃보드 마찰면 상의 상기 미리 결정된 영역과 대응되는 개구부를 갖는 반사마스크로 덮는 단계;를 포함하며,
    상기 융합시키는 단계는 상기 반사마스크 내의 상기 개구부를 상기 레이저빔이 통과하여 상기 개구부를 통해 노출된 상기 세라믹 금속 현탁액을 향해 조준함으로써 상기 반사마스크가 비융합 영역 내의 상기 환형 로터 디스크로부터 상기 레이저빔을 반사시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 로터의 브레이크 효율을 향상시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 융합시키는 단계는 융합되는 상기 인보드 및 아웃보드 마찰면 상의 상기 미리 결정된 영역을 항산화 보호 가스로 에워싸는 단계를 포함하 는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 로터의 브레이크 효율을 향상시키는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 융합시키는 단계는 다이오드 레이저가 1킬로와트 이상이 되도록 에너지를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 로터의 브레이크 효율을 향상시키는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 융합시키는 단계 다음에 상기 인보드 및 아웃보드 마찰면 상의 상기 미리 결정된 영역을 최종 가공작업하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 로터의 브레이크 효율을 향상시키는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 융합시키는 단계에 앞서서 상기 세라믹 금속 현탁액을 건조시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 로터의 브레이크 효율을 향상시키는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 세라믹 금속 현탁액을 건조시키는 단계는 상기 환형 로터 디스크에 훈풍을 쏘이는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 로터의 브레이크 효율을 향상시키는 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 세라믹 금속 현탁액을 건조시키는 단계는 상기 환형 로터 디스크를 오븐 안에 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 로터의 브레이크 효율을 향상시키는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 금속 현탁액을 제조하는 단계는 액체 운반체 내에서 세라믹과 금속 분말을 결합제와 함께 부유시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 로터의 브레이크 효율을 향상시키는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 부유시키는 단계는 상기 세라믹 분말을 Al2O3, MgZrO3, Cr3C2, WC, Cr2O3, TiO2, TiC, B4C, SiC, 및 Si3N4 로 이루어진 군에서 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 로터의 브레이크 효율을 향상시키는 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 부유시키는 단계는 상기 금속 분말을 Cr, Co, Ni, Fe, Al, Mo, Y, Si, B 및 C 로 이루어진 군에서 선택된 원소의 조합으로 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 로터의 브레이크 효율을 향상시키는 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 세라믹 금속 현탁액을 제조하는 단계는 상기 세라믹 금속 현탁액에 농축재을 추가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 로터의 브레이크 효율을 향상시키는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 융합시키는 단계는 상기 레이저빔을 상기 환형 로터 디스크와 상대적으로 움직이게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 로터의 브레이크 효율을 향상시키는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 도포하는 단계는 상기 환형 로터 디스크로 상기 세라믹 금속 현탁액을 스크린 페인팅 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 로터의 브레이크 효율을 향상시키는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 도포하는 단계는 상기 환형 로터 디스크로 상기 세라믹 금속 현탁액을 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 로터의 브레이크 효율을 향상시키는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 도포하는 단계는 상기 환형 로터 디스크로 상기 세라믹 금속 현탁액을 페인팅 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 로터의 브레이크 효율을 향상시키는 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 도포하는 단계는 상기 환형 로터 디스크를 상기 세라믹 금속 현탁액에 담그는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 로터의 브레이크 효율을 향상시키는 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 환형 로터 디스크를 제작하는 단계는 주철을 주성분으로 하여 상기 환형 로터 디스크를 제작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 로터의 브레이크 효율을 향상시키는 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 환형 로터 디스크를 제작하는 단계는 알루미늄 합금을 주성분으로 하여 상기 환형 로터 디스크를 제작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 로터의 브레이크 효율을 향상시키는 방법.
  19. 제1항에 있어서, 구리 소재를 주성분으로 하여 상기 반사마스크를 제작하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 로터의 브레이크 효율을 향상시키는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 반사마스크를 제작하는 단계는 상기 비융합 영역 내의 상기 환형 로터 디스크로부터 상기 레이저빔을 반사시키기 위해 상기 반사마스크의 적어도 일면을 거울면과 유사한 면이 되도록 폴리싱하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 브레이크 로터의 브레이크 효율을 향상시키는 방법.
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