KR20100036621A - 내부 냉각채널을 갖는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법 - Google Patents

내부 냉각채널을 갖는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법 Download PDF

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Abstract

세라믹 브레이크 디스크 로터를 구성하는 냉각채널을 보다 정밀하고도 용이하게 구현하는 방법에 관한 것이다.
이를 실현하기 위하여 본 발명은,
(a) 탄소섬유를 보강한 탄소-탄소 복합재료를 이용하여 디스크 로터의 하중부(110, 210), 마찰면(120, 220) 및 베인(300)을 각각 별개의 공정을 통해 제조하는 단계;
(b) 각각 별개의 공정을 통해 제조된 상기 하중부(110, 210), 마찰면(120, 220) 및 베인(300)을 하나의 구조물로 조립하는 단계; 및
(c) 조립된 상기 하나의 구조물에 대하여 용융 규소 함침(Liquid Silicon Melt Infiltration) 처리를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내부 냉각채널을 가지는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 냉각채널 형상을 보다 경제적이고도 용이하게 구현할 수 있으며, 또한, 냉각채널의 치수 정밀도가 향상되므로, 디스크 로터의 성능이 향상되는 효과가 있다.
디스크로터, 냉각채널, 베인(vane), 탄소-탄소 복합재료, 세라믹 브레이크 디스크 로터

Description

내부 냉각채널을 갖는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING OF CERAMIC BRAKE DISK ROTOR WITH INTERNAL COOLING CHANNEL}
본 발명은 내부 냉각채널을 갖는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법에 관한 것이고, 더욱 상세하게는, 세라믹 브레이크 디스크 로터를 구성하는 냉각채널을 보다 정밀하고도 용이하게 구현하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 브레이크 시스템은 주행중인 자동차를 감속 또는 정지시키는 장치로서 거의 운전자가 발로 작동시키는 형식의 족동식 브레이크이며, 운전자의 조작력, 즉 페달 답력이 유압 또는 공기압이라는 중간 매개체를 거쳐 차륜의 제동력으로 변환된다. 이러한 브레이크의 유압식 브레이크 중의 디스크 브레이크는 드럼 대신에 바퀴와 함께 회전하는 원판 디스크 로터를 장치하여 그 양쪽의 바깥쪽 부분에 유압 피스톤으로 작용하는 브레이크 패드를 밀어 붙여 그 마찰력에 의해 바퀴가 제동되도록 한 것이다.
상기한 디스크 브레이크의 구조는 디스크 로터, 캘리퍼, 디스크 패드 등의 부품으로 구성된다.
도 1a는 종래의 디스크 로터 구조를 나타낸 사시도이다. 도 1a에 나타낸 바 와 같이, 종래의 디스크 로터(1)는 제동 시에 운동에너지를 열에너지로 바꾸는 작용을 수행하므로, 제동 시에 수백 도에 달하는 열에너지를 냉각시키기 위한 냉각채널(10)을 형성하고 있다. 또한, 상기 냉각채널(10)은 디스크 로터(1)의 외측 원주에서 내측원주로 관통되도록 하는 채널이 원주 방향을 따라 등 간격으로 형성된 형태이다.
도 1b는 종래의 디스크 로터를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 1b를 참조하면, 종래에는 예를 들면, 탄소-탄소 복합재료를 이용하여 디스크 로터를 제조하는 경우에 있어서, 다음과 같은 세 가지 방법 중의 하나의 공정에 의해 디스크 로터를 제조하였다.
종래의 디스크 로터를 제조하는 첫 번째 방법은, 도 1b와 같은 디스크 로터의 탄소-탄소 복합재료를 형성하는 단계에서, 상하 대칭된 형태의 상판(20)과 하판(30)을 각각 제조하고(이 때, 상판(20)과 하판(30)의 각각에는 냉각채널(10) 형상을 형성하는 1/2 형상이 각각 형성된 구조), 그 후, 결합 공정에 의해 조립체를 만든 후(이 때, 상판(20)과 하판(30)의 결합에 의해 냉각채널(10) 형상이 나타남), 용융 규소 함침공정을 수행함으로써 일체형의 세라믹 브레이크 디스크 로터를 제조하였다.
그러나, 이와 같이 제조된 상판(20)과 하판(30)은 냉각채널(10)을 형성하기 위해서는, 상판(20)과 하판(30)이 냉각채널(10) 형상을 형성하는 정확한 위치에서 조립되어야 하며, 특히 조립 경계면의 틈이 발생하지 않도록 하기 위해 냉각채널(10) 형상을 가지고 있는 면에 매우 엄격한 가공 공차를 요구한다. 이러한 공정 특성은 디스크 로터의 탄소-탄소 복합재료를 형성하는 단계에서의 기계 가공비용 및 가공 시간을 증가시키는 주요 원인으로 작용한다.
종래의 디스크 로터를 제조하는 두 번째 방법은, 디스크 로터의 탄소섬유 강화 폴리머 복합재료(Carbon Fiber Reinforced Polymer; 이하, CFRP라 칭함)를 제조하는 공정 단계에서, 도 1b에 나타낸 상하 대칭된 형태의 상판(20)과 하판(30)을 각각 제조함으로써(이 때도 역시, 상판(20)과 하판(30)의 각각에는 냉각채널(10)을 형성하는 1/2 형상이 형성된 구조), 디스크 로터의 탄소-탄소 복합재료를 형성하는 단계에서 이러한 상하 대칭된 형태의 상판 및 하판을 형성하는 공정을 생략하도록 한 제조방법을 사용하였다.
그러나, 이와 같은 제조방법 또한, 디스크 로터의 탄소-탄소 복합재료를 제조하기 위한 열처리 공정에서 휨이 발생하거나 치수 변화가 생기므로 추가적인 기계가공을 필요로 하고, 이에 따라 상기 첫 번째 방법과 유사한 문제점이 나타난다.
종래의 디스크 로터를 제조하는 세 번째 방법은, 상기 두 번째 방법을 개선한 최근의 공정 기술로서, 프레스 성형 시에 내부 냉각채널 형상을 가지는 소재를 추가적으로 삽입하고, 디스크 로터의 탄소-탄소 복합재료를 제조하기 위한 열처리 공정에서 태워 없애는 방법이다. 구체적으로, 이러한 세 번째 방법은 프레스 성형이 가능한 원소재를 제조하고, 상판(20)에 적용되는 원소재를 프레스 금형에 채우고, 냉각채널(10) 형상을 가진 소재를 장입한 후, 하판(30)에 적용되는 원소재를 금형에 채워서 동시에 성형하는 방법이다. 이 방법은 디스크 로터의 탄소-탄소 복합재료를 제조하기 위한 열처리 공정 후의 최소한의 기계 가공으로도 디스크 로 터(1)(냉각채널(10))의 정확한 형상과 치수를 만족시킬 수 있으므로, 비교적 효율적인 제조방법으로 평가된다.
그러나, 이와 같은 제조방법 또한, 냉각채널(10) 형상을 가진 소재의 선택이 매우 제한적이라는 단점이 있다. 구체적으로, 이와 같은 제조방법의 디스크 로터(1)의 성형 공정에서는 베인(40) 형상 부분에 저밀도 영역이 발생하기 쉬우며, 이러한 문제를 해소하기 위해서는 성형 공정 시 상판(20) 또는 하판(30)에 적용되는 원소재의 수축하는 비율만큼 냉각채널(10) 형상을 가진 소재 또한 수축하여야 하며, 이러한 수축 현상은 두께 방향으로만 이루어져야 한다.
본 발명은 이러한 종래 문제점을 반영하여 안출된 것으로서, 디스크 로터의 상판, 하판 및 베인을 각각 별개의 공정에 의해 제조하고, 이들 부품을 조립한 후, 용융 규소를 함침하는 것에 의해 냉각채널을 정밀하고도 용이하게 구현하는 것을 목적으로 한다.
상술한 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제 1 실시예에 따른, 내부 냉각채널을 가지는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법은 (a) 탄소섬유를 보강한 탄소-탄소 복합재료를 이용하여 디스크 로터의 하중부(110, 210), 마찰면(120, 220) 및 베인(300)을 각각 별개의 공정을 통해 제조하는 단계; (b) 각각 별개의 공정을 통해 제조된 상기 하중부(110, 210), 마찰면(120, 220) 및 베인(300)을 하나의 구조물로 조립하는 단계; 및 (c) 조립된 상기 하나의 구조물에 대하여 용융 규소 함침(Liquid Silicon Melt Infiltration) 처리를 수행하는 단계를 포함한다.
바람직한 실시예에 따라, 상기 (a) 단계에서의, 상기 탄소-탄소 복합재료는, (a1) 탄소섬유를 보강한 탄소섬유 강화 폴리머 복합재료(Carbon Fiber Reinforced Polymer; CFRP)를 제조하는 단계; 및 (a2) 상기 탄소섬유 강화 폴리머 복합재료를 고온 열처리 또는 치밀화하여 탄소-탄소 복합재료를 제조하는 단계를 포함하는 공정에 의해 형성될 수 있다.
바람직한 실시예에 따라, 상기 하중부(110, 210), 상기 베인(300), 및 상기 마찰면(120, 220)은 동일한 조성비의 탄소-탄소 복합재료에 의해 형성될 수 있다.
바람직한 실시예에 따라, 상기 하중부(110, 210)와 상기 베인(300)은 동일한 조성비의 탄소-탄소 복합재료에 의해 형성되고, 상기 마찰면(120, 220)은 상기 하중부(110, 210) 및 상기 베인(300)과 다른 조성비의 탄소-탄소 복합재료에 의해 형성될 수 있다.
바람직한 실시예에 따라, 상기 하중부(110, 210), 상기 베인(300), 및 상기 마찰면(120, 220)이 동일한 조성비의 탄소-탄소 복합재료에 의해 형성되는 경우에는, 상기 하중부(110, 210), 상기 베인(300), 및 상기 마찰면(120, 220)에는 길이 1㎜ 이상의 탄소섬유를 보강재로 적용하며, 상기 용융 규소 함침 처리를 수행한 후의 상기 하중부(110, 210), 상기 베인(300), 및 상기 마찰면(120, 220)은 30~70 wt%의 C성분, 2~15 wt%의 Si성분 및 35~65 wt%의 SiC 성분의 조성비로 합성될 수 있다.
바람직한 실시예에 따라, 상기 하중부(110, 210)와 상기 베인(300)이 동일한 조성비의 탄소-탄소 복합재료에 의해 형성되고, 상기 마찰면(120, 220)은 상기 하중부 및 상기 베인(300)과 다른 조성비의 탄소-탄소 복합재료에 의해 형성되는 경우에는, 상기 하중부(110, 210) 및 상기 베인(300)을 위한 탄소-탄소 복합재료에는 길이 1㎜ 이상의 탄소섬유를 보강재로 적용하고, 상기 마찰면(120, 220)을 위한 탄소-탄소 복합재료에는 길이 1㎜ 이하의 탄소섬유를 보강재로 적용하며, 상기 용융 규소 함침 처리를 수행한 후의 상기 마찰면(120, 220)은 55~99 wt%의 SiC 성분과 1~45 wt%의 C성분의 조성비로 합성되고, 상기 용융 규소 함침 처리를 수행한 후의 상기 하중부(110, 210) 및 상기 베인(300)은 30~70 wt%의 C성분, 2~15 wt%의 Si성분 및 35~65 wt%의 SiC 성분의 조성비로 합성될 수 있다.
바람직한 실시예에 따라, 상기 베인(300)의 형상은, 나선형, 직선형, 또는 핀형 중의 어느 하나의 형상으로 제조될 수 있다.
또한, 상술한 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제 2 실시예에 따른, 내부 냉각채널을 가지는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법은 (a) 탄소섬유를 보강한 탄소-탄소 복합재료를 이용하여 디스크 로터의 상부 하중부(110), 하부 하중부(210) 및 베인(300)을 각각 별개의 공정을 통해 제조하는 단계; (b) 각각 별개의 공정을 통해 제조된 상기 상부 하중부(110), 하부 하중부(210) 및 베인(300)을 하나의 구조물로 조립하는 단계; 및 (c) 조립된 상기 구조물에 대하여 용융 규소 함침 처리를 수행하는 단계를 포함한다.
바람직한 실시예에 따라, 상기 (b) 단계에서의 상기 조립은, 상기 하부 하중부(210)와 상기 베인(300)의 사이 및 상기 베인(300)과 상기 상부 하중부(110)의 사이에 흑연 접착제를 적용하여 조립할 수 있다.
바람직한 실시예에 따라, 상기 (b) 단계에서의 상기 조립은, 상기 하부 하중부(210)와 상기 상부 하중부(110)에 상기 베인(300)이 끼워지는 홈부(500)를 각각 미리 형성하고, 상기 베인(300)을 상기 각각의 홈부(500)에 끼워 넣어 조립할 수 있다.
본 발명에 따른 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법에 의하면, 냉각채널 형상을 보다 경제적이고도 용이하게 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법에 의하면 냉각채널의 치수 정밀도가 향상되므로, 디스크 로터의 성능이 향상되는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
[제 1 실시예]
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 내부 냉각채널을 갖는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 3은 본 발명인 디스크 로터의 제조방법에 적용되는 각 구성요소를 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 내부 냉각채널을 갖는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법은, 탄소섬유를 보강한 탄소-탄소 복합재료를 이용하여 디스크 로터의 하중부(110, 210), 마찰면(120, 220) 및 베인(300)을 각각 별개의 공정을 통해 제조하는 S210 단계;와 각각 별개의 공정을 통해 제조된 하중부(110, 210), 마찰면(120, 220) 및 베인(300)을 하나의 구조물로 조립하는 S220 단계; 및 조립된 상기 하나의 구조물에 대하여 용융 규소 함침 처리를 수행하는 S230 단계를 포함하여 구성한다.
본 발명을 구성하는 탄소섬유를 보강한 탄소-탄소 복합재료를 이용하여 디스 크 로터의 하중부(110, 210), 마찰면(120, 220) 및 베인(300)을 각각 별개의 공정을 통해 제조하는 상기 S210 단계는, 뛰어난 내열성, 고온강도 및 고온 치수 안정성을 갖는 탄소-탄소 복합재료를 마련한 후, 기계적 가공에 의해 상기 하중부(110, 210), 마찰면(120, 220) 및 베인(300)을 디스크 로터에 적용되는 소정의 형상으로 형성하는 과정이다.
바람직한 실시예에 따라, 상기 S210 단계에서의, 상기 탄소-탄소 복합재료는 탄소섬유를 보강한 탄소섬유 강화 폴리머 복합재료(Carbon Fiber Reinforced Polymer; CFRP)를 제조하는 S210-1 단계; 및 상기 탄소섬유 강화 폴리머 복합재료를 고온 열처리 또는 치밀화하여 탄소-탄소 복합재료를 제조하는 S210-2 단계를 포함하는 공정에 의해 형성될 수 있다.
또한, 바람직한 실시예에 따라, 기계적 가공에 의해 상기 하중부(110, 210), 마찰면(120, 220) 및 베인(300)을 디스크 로터에 적용되는 소정의 형상으로 형성하는 작업은 상기 S210-2 단계(탄소-탄소 복합재료를 제조하는 단계)에서 수행될 수 있다. 본 실시예에서는, 탄소-탄소 복합재료를 제조하는 단계(S210-2 단계)에서 상판(100)(상부 하중부(110) 및 상부 마찰면(120))과 하판(200)(하부 하중부(210) 및 하부 마찰면(220))을 평면의 원형 디스크 형상으로 기계가공하고, 베인(300) 부분 또한 상기 상판(100) 및 하판(200)과 동일한 탄소-탄소 복합재료를 이용하여 소정 형상으로 기계 가공 하였다. 평면의 원형 디스크 형상을 갖는 상판(100)과 하판(200)은 그 형상이 간단하므로 엄격한 가공 공차를 적용하더라도 비교적 용이하게 가공할 수 있다. 또한, 베인(300) 역시, 워터 젯(Water-jet) 등의 절삭 가공 장 치를 이용하여, 요구되는 브레이크의 특성에 따라 다양한 형상으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에서의 베인(300)은 요구되는 브레이크의 특성에 따라, 나선형(600), 직선형(700), 및 원기둥 모양의 핀(800) 등의 형상으로 다양하게 제조할 수 있었다.
본 실시예에서의 하중부(110, 210), 베인(300), 및 마찰면(120, 220)은 동일한 조성비의 탄소-탄소 복합재료에 형성할 수도 있지만, 한편, 하중부(110, 210)와 베인(300)은 동일한 조성비의 탄소-탄소 복합재료에 의해 형성하고, 마찰면(120, 220)은 하중부(110, 210) 및 베인(300)과 다른 조성비의 재료에 의해 형성할 수 도 있다.
바람직한 실시예에 따라, 하중부(110, 210), 베인(300), 및 마찰면(120, 220)을 동일한 조성비의 탄소-탄소 복합재료로 형성하는 경우에는 하중부(110, 210), 베인(300), 및 마찰면(120, 220)을 위한 탄소-탄소 복합재료에는 길이 1㎜ 이상의 탄소섬유를 보강재로 적용할 수 있다. 이 경우, 하중부(110, 210), 베인(300), 및 마찰면(120, 220)을 위한 탄소-탄소 복합재료의 밀도는 1.0~1.7 g/㎤의 값을 가지도록 처리하며(용융 규소 함침 처리 전), 후술할 조립된 하나의 디스크 로터 구조물에 대하여 용융 규소 함침 처리를 수행하는 S230 단계를 수행한 후의, 상기 하중부(110, 210), 상기 베인(300), 및 상기 마찰면(120, 220)은 30~70 wt%의 C성분, 2~15 wt%의 Si성분 및 35~65 wt%의 SiC 성분의 조성비로 합성된다.
바람직한 실시예에 따라, 하중부(110, 210)와 베인(300)을 동일한 조성비의 탄소-탄소 복합재료로 형성하고, 마찰면(120, 220)을 하중부 및 베인(300)과 다른 조성비의 탄소-탄소 복합재료로 형성하는 경우에는, 하중부(110, 210) 및 베인(300)을 위한 탄소-탄소 복합재료에는 길이 1㎜ 이상의 탄소섬유를 보강재로 적용하고, 마찰면(120, 220)을 위한 탄소-탄소 복합재료에는 길이 1㎜ 이하의 탄소섬유를 보강재로 적용할 수 있다. 이 경우, 용융 규소 함침 전의 상기 하중부(110, 210)와 상기 베인(300)을 위한 상기 탄소-탄소 복합재료의 밀도는 1.0~1.7 g/㎤의 값을 가지도록 하고, 용융 규소 함침 전의 상기 마찰면(120, 220)을 위한 상기 탄소-탄소 복합재료의 밀도는 0.5~1.5 g/㎤의 값을 가지도록 처리하며(용융 규소 함침 처리전), 후술할 조립된 하나의 디스크 로터 구조물에 대하여 용융 규소 함침 처리를 수행하는 S230 단계를 수행한 후의, 상기 마찰면(120, 220)은 55~99 wt%의 SiC 성분과 1~45 wt%의 C성분의 조성비로 합성되고, 상기 하중부(110, 210) 및 상기 베인(300)은 30~70 wt%의 C성분, 2~15 wt%의 Si성분 및 35~65 wt%의 SiC 성분의 조성비로 합성된다.
즉, 세라믹 브레이크 디스크 로터의 경우, 특별히 요구되는 제동 성능(내열성, 고온 강도 등)을 만족시키기 위해 하중부 또는 베인과 다른 소재 특성을 갖는 마찰면이 필요한 경우가 있으며, 이 때에는, 상술한 바와 같이 길이 1㎜ 이하의 탄소섬유를 탄소-탄소 복합재료를 위한 보강재로 적용하고, 상기 탄소-탄소 복합재료의 밀도는 0.5~1.5 g/㎤의 값을 가지도록 처리하며, 용융 규소 함침 처리에 의해 55~99 wt%의 SiC 성분과 1~45 wt%의 C성분의 조성비로 합성하였다. 이에 따라, 세라믹 브레이크 디스크 로터의 사용 수명을 연장할 수 있었으며, 제동 시의 디스크 로터의 마찰계수는 0.35 이상으로 매우 높았다.
본 발명을 구성하는, 탄소섬유를 보강한 탄소-탄소 복합재료를 이용하여 디스크 로터의 하중부(110, 210), 마찰면(120, 220) 및 베인(300)을 각각 별개의 공정을 통해 제조하는 상기 S210 단계에서는, 베인(300)의 형상을 별도로 제조하므로 형상에 대한 제약을 거의 받지 않고, 내부 냉각채널(400)을 형성할 수 있다. 즉, 세라믹 브레이크 디스크 로터의 베인(300) 형상은 제동 시에 발생되는 마찰열을 효과적으로 방출하기 위해 다양하고 복잡한 내부 냉각채널 형상을 요구하는 경우가 많으며, 본 발명에서는 이러한 세라믹 브레이크 디스크 로터의 내부 냉각채널(400)을 나선형(600), 직선형(700), 및 무질서한 배열(800) 등으로 다양하게 제조할 수 있다.
본 발명을 구성하는, 각각 별개의 공정을 통해 제조된 하중부(110, 210), 마찰면(120, 220) 및 베인(300)을 하나의 구조물로 조립하는 상기 S220 단계는 상기 하중부(110, 210), 마찰면(120, 220) 및 베인(300)을 하나의 구조물로 단단히 고정하는 과정이다.
또한, 도 5a 및 도 5b는 각각 하중부(110, 210), 베인(300), 마찰면(120, 220)이 각각 조립되는 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 5c는 하부 하중부(210)와 상부 하중부(110)에 베인이 끼워지는 홈부(500)를 형성한 상태를 나타낸 단면도이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명의 하중부(110, 210), 베인(300), 및 마찰면(120, 220)의 각각의 결합 계면에는 흑연 접착제를 적용하여 각각의 부품을 하나의 구조물로 단단히 고정할 수 있다.
또한, 바람직한 실시예에 따라, 하부 하중부(210)와 상부 하중부(110)에 베인이 끼워지는 홈부(500)를 각각 기계가공으로 미리 형성하고(도 5c 참조), 베인(300)을 상기 각각의 홈부(500)에 끼워 넣어 조립함으로써, 상판(100)(상부 하중부(110) 및 상부 마찰면(120))과 베인(300)과 하판(200)(하부 하중부(210) 및 하부 마찰면(220))을 하나의 구조물로 단단히 고정할 수 있다.
본 발명을 구성하는, 조립된 상기 하나의 구조물에 대하여 용융 규소 함침(Liquid Silicon Melt Infiltration; SMI) 처리를 수행하는 상기 S230 단계는 상기 S210 단계에서 탄소-탄소 복합재료를 이용하여 디스크 로터의 각 부품의 형상을 제조하고, 상기 S220 단계에서 각 부품의 형상이 조립된 디스크 로터 구조물의, 탄소-탄소 복합재료의 기공으로 액상 규소를 침투시키는 과정이다.
이러한 S230 단계의 과정(용융 규소 함침)에 의해, 디스크 로터의 각 부품 사이의 조립 계면에는 각 부품 자체보다 많은 양의 SiC 성분이 합성된다.
또한, 이러한 S230 단계의 과정(용융 규소 함침)에 의해, 디스크 로터의 각 부품 사이의 조립 계면과 각 부품 자체에서는, 완전한 일체형의 디스크 로터를 형성하는 화학반응이 일어나고, 이에 따라 최종적인 세라믹 브레이크 디스크 로터가 제조된다.
바람직한 실시예에 따라, 이러한 용융 규소 함침(S230 단계) 처리는 디스크로터의 특성에 따라 1회 이상 반복하여 수행할 수 있다.
[제 2 실시예]
본 발명의 제 2 실시예에 따른 내부 냉각채널을 갖는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법은 상기 제 1 실시예의 하중부(110, 210)가 마찰면(120, 220) 기능을 가지는 동시에 마찰면(120, 220)을 생략한 구성을 제외하고는, 상기 제 1 실시예의 구성과 동일하다. 또한, 본 발명의 제 2 실시예에서, 상기 제 1 실시예와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하고, 그 설명을 생략하도록 한다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 내부 냉각채널을 갖는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른, 내부 냉각채널을 갖는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법은 탄소섬유를 보강한 탄소-탄소 복합재료를 이용하여 디스크 로터의 상부 하중부(110), 하부 하중부(210) 및 베인(300)을 각각 별개의 공정을 통해 제조하는 S610 단계; 각각 별개의 공정을 통해 제조된 상기 상부 하중부(110), 하부 하중부(210) 및 베인(300)을 하나의 구조물로 조립하는 S620 단계; 및 조립된 상기 구조물에 대하여 용융 규소 함침 처리를 수행하는 S630 단계를 포함하여 구성한다.
본 발명의 제 2 실시예를 구성하는, 탄소섬유를 보강한 탄소-탄소 복합재료를 이용하여 디스크 로터의 상부 하중부(110), 하부 하중부(210) 및 베인(300)을 각각 별개의 공정을 통해 제조하는 상기 S610 단계는, 뛰어난 내열성, 고온강도 및 고온 치수 안정성을 갖는 탄소-탄소 복합재료를 마련한 후, 기계적 가공에 의해 상/하부 하중부(110, 210) 및 베인(300)을 디스크 로터에 적용되는 소정의 형상으로 형성하는 과정이다.
바람직한 실시예에 따라, 상기 S610 단계에서의, 상기 탄소-탄소 복합재료는, 탄소섬유를 보강한 탄소섬유 강화 폴리머 복합재료(Carbon Fiber Reinforced Polymer; CFRP)를 제조하는 S610-1 단계; 및 상기 탄소섬유 강화 폴리머 복합재료를 고온 열처리 또는 치밀화하여 탄소-탄소 복합재료를 제조하는 S610-2 단계를 포함하는 공정에 의해 형성될 수 있다.
또한, 바람직한 실시예에 따라, 기계적 가공에 의해 상/하부 하중부(110, 210) 및 베인(300)을 디스크 로터에 적용되는 소정의 형상으로 형성하는 작업은 상기 S610-2 단계(탄소-탄소 복합재료를 제조하는 단계)에서 수행될 수 있다. 본 실시예에서는, 탄소-탄소 복합재료를 제조하는 단계(S610-2 단계)에서 상판(100)(즉, 상부 하중부(110))과 하판(200)(즉, 하부 하중부(210))을 평면의 원형 디스크 형상으로 기계가공하고, 베인(300) 부분 또한 상기 상판(100) 및 하판(200)과 동일한 탄소-탄소 복합재료를 이용하여 소정 형상으로 기계 가공 하였다. 평면의 원형 디스크 형상을 갖는 상판(100)과 하판(200)은 그 형상이 간단하므로 엄격한 가공 공차를 적용하더라도 비교적 용이하게 가공할 수 있었다. 또한, 베인(300) 역시, 워터 젯(Water-jet) 등의 절삭 가공 장치를 이용하여, 요구되는 브레이크의 특성에 따라 다양한 형상으로 제조할 수 있었다. 예를 들면, 도 4에 나타낸 바와 같이, 베인(300)은 요구되는 브레이크의 특성에 따라, 나선형(600), 직선형(700), 및 원기둥 모양의 핀(800) 등의 형상으로 다양하게 제조할 수 있었다.
본 실시예에서는, 상/하부 하중부(110, 210)와 베인(300)을 동일한 조성비의 탄소-탄소 복합재료로 형성하였다.
본 실시예에서, 하중부(110, 210) 및 베인(300)을 위한 탄소-탄소 복합재료에는 길이 1㎜ 이상의 탄소섬유를 보강재로 적용하였다. 이 경우, 상/하부 하중부(110, 210) 및 베인(300)을 위한 탄소-탄소 복합재료의 밀도는 1.0~1.7 g/㎤의 값을 가지도록 처리하며(용융 규소 함침 처리 전), 후술할 조립된 하나의 디스크 로터 구조물에 대하여 용융 규소 함침 처리를 수행하는 S630 단계를 수행한 후의, 상기 상/하부 하중부(110, 210) 및 상기 베인(300)은 30~70 wt%의 C성분, 2~15 wt%의 Si성분 및 35~65 wt%의 SiC 성분의 조성비로 합성된다.
본 실시예에서, 탄소섬유를 보강한 탄소-탄소 복합재료를 이용하여 디스크 로터의 상/하부 하중부(110, 210), 및 베인(300)을 각각 별개의 공정을 통해 제조하는 상기 S610 단계에서는, 베인(300)의 형상을 별도로 제조하므로 형상에 대한 제약을 거의 받지 않고, 내부 냉각채널(400)을 형성할 수 있다. 즉, 세라믹 브레이크 디스크 로터의 베인(300) 형상은 제동 시에 발생되는 마찰열을 효과적으로 방출하기 위해 다양하고 복잡한 내부 냉각채널(400) 형상을 요구하는 경우가 많으며, 본 발명에서는 이러한 세라믹 브레이크 디스크 로터의 내부 냉각채널(400)을 나선형(600), 직선형(700), 및 무질서한 배열형(800) 등으로 다양하게 제조할 수 있다(도 4 참조).
본 실시예에서, 각각 별개의 공정을 통해 제조된 상/하부 하중부(110, 210) 및 베인(300)을 하나의 구조물로 조립하는 상기 S620 단계는 상기 상/하부 하중부(110, 210) 및 베인(300)을 하나의 구조물로 단단히 고정하는 과정이다.
본 발명의 상/하부 하중부(110, 210)의 각각 및 베인(300)의 결합 계면에는 흑연 접착제를 적용하여 각각의 부품을 하나의 구조물로 단단히 고정할 수 있다.
또한, 바람직한 실시예에 따라, 하부 하중부(210)와 상부 하중부(110)에 베인(300)이 끼워지는 홈부(500)를 각각 기계가공으로 미리 형성하고(도 5c 참조), 베인(300)을 상기 각각의 홈부(500)에 끼워 넣어 조립함으로써, 상판(100)(즉, 상부 하중부(110))와 베인(300)과 하판(200)(즉, 하부 하중부(210))을 하나의 구조물로 단단히 고정할 수 있다.
본 발명을 구성하는, 조립된 상기 하나의 구조물에 대하여 용융 규소 함침(Liquid Silicon Melt Infiltration; SMI) 처리를 수행하는 상기 S630 단계는 상기 S610 단계에서 탄소-탄소 복합재료를 이용하여 디스크 로터의 각 부품의 형상을 제조하고, 상기 S620 단계에서 각 부품의 형상이 조립된 디스크 로터 구조물의, 탄소-탄소 복합재료의 기공으로 액상 규소를 침투시키는 과정이다.
이러한 S630 단계의 과정(용융 규소 함침)에 의해, 디스크 로터의 각 부품 사이의 조립 계면에는 각 부품 자체(탄소-탄소 복합재료) 내부보다 많은 양의 SiC 성분이 합성된다.
또한, 이러한 S630 단계의 과정(용융 규소 함침)에 의해, 디스크 로터의 각 부품 사이의 조립 계면과 각 부품에서는, 완전한 일체형의 디스크 로터를 형성하는 화학반응이 일어나고, 이에 따라 최종적인 세라믹 브레이크 디스크 로터가 제조된다.
바람직한 실시예에 따라, 이러한 용융 규소 함침(S630 단계) 처리는 디스크 로터의 특성에 따라 1회 이상 반복하여 수행할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1a는 종래의 디스크 로터 구조를 나타낸 사시도.
도 1b는 종래의 디스크 로터를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 내부 냉각채널을 갖는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
도 3은 본 발명인 디스크 로터의 제조방법에 적용되는 각 구성요소를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명인 디스크 로터의 제조방법에 적용될 수 있는 베인 형상의 예시도.
도 5a 및 도 5b는 본 발명인 디스크로터의 제조방법에 적용되는 하중부, 베인, 마찰면이 각각 조립되는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 5c는 하부 하중부와 상부 하중부에 베인이 끼워지는 홈부를 형성한 상태를 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 내부 냉각채널을 갖는 세라믹 브레이크 디스크로터의 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100: 상판 110: 상부 하중부
120: 상부 마찰면 200: 하판
210: 하부 하중부 220: 하부 마찰면
300: 베인(vane) 400: 냉각채널
500: 홈부

Claims (16)

  1. (a) 탄소섬유를 보강한 탄소-탄소 복합재료를 이용하여 디스크 로터의 하중부(110, 210), 마찰면(120, 220) 및 베인(300)을 각각 별개의 공정을 통해 제조하는 단계;
    (b) 각각 별개의 공정을 통해 제조된 상기 하중부(110, 210), 마찰면(120, 220) 및 베인(300)을 하나의 구조물로 조립하는 단계; 및
    (c) 조립된 상기 하나의 구조물에 대하여 용융 규소 함침(Liquid Silicon Melt Infiltration) 처리를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내부 냉각채널을 가지는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서의, 상기 탄소-탄소 복합재료는,
    (a1) 탄소섬유를 보강한 탄소섬유 강화 폴리머 복합재료(Carbon Fiber Reinforced Polymer; CFRP)를 제조하는 단계; 및
    (a2) 상기 탄소섬유 강화 폴리머 복합재료를 고온 열처리 또는 치밀화하여 탄소-탄소 복합재료를 제조하는 단계를 포함하는 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 내부 냉각채널을 가지는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 하중부(110, 210), 상기 베인(300), 및 상기 마찰면(120, 220)은 동일한 조성비의 탄소-탄소 복합재료에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 하중부(110, 210)와 상기 베인(300)은 동일한 조성비의 탄소-탄소 복합재료에 의해 형성되고, 상기 마찰면(120, 220)은 상기 하중부(110, 210) 및 상기 베인(300)과 다른 조성비의 탄소-탄소 복합재료에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 하중부(110, 210), 상기 베인(300), 및 상기 마찰면(120, 220)에는 길이 1㎜ 이상의 탄소섬유를 보강재로 적용하며,
    상기 용융 규소 함침 처리를 수행한 후의 상기 하중부(110, 210), 상기 베인(300), 및 상기 마찰면(120, 220)은 30~70 wt%의 C성분, 2~15 wt%의 Si성분 및 35~65 wt%의 SiC 성분의 조성비로 합성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 하중부(110, 210) 및 상기 베인(300)을 위한 탄소-탄소 복합재료에는 길이 1㎜ 이상의 탄소섬유를 보강재로 적용하고, 상기 마찰면(120, 220)을 위한 탄소-탄소 복합재료에는 길이 1㎜ 이하의 탄소섬유를 보강재로 적용하며,
    상기 용융 규소 함침 처리를 수행한 후의 상기 마찰면(120, 220)은 55~99 wt%의 SiC 성분과 1~45 wt%의 C성분의 조성비로 합성되고,
    상기 용융 규소 함침 처리를 수행한 후의 상기 하중부(110, 210) 및 상기 베인(300)은 30~70 wt%의 C성분, 2~15 wt%의 Si성분 및 35~65 wt%의 SiC 성분의 조성비로 합성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 베인(300)의 형상은, 나선형, 직선형, 또는 핀형 중의 어느 하나의 형상으로 제조되는 것을 특징으로 하는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법.
  8. 제 3 항에 있어서,
    용융 규소 함침 처리 전의 상기 하중부(110, 210), 상기 베인(300), 및 상기 마찰면(120, 220)을 위한 상기 탄소-탄소 복합재료의 밀도는 1.0~1.7 g/㎤의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법.
  9. 제 4 항에 있어서,
    용융 규소 함침 전의 상기 하중부(110, 210)와 상기 베인(300)을 위한 상기 탄소-탄소 복합재료의 밀도는 1.0~1.7 g/㎤의 값을 가지고, 용융 규소 함침 전의 상기 마찰면(120, 220)을 위한 상기 탄소-탄소 복합재료의 밀도는 0.5~1.5 g/㎤의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법.
  10. (a) 탄소섬유를 보강한 탄소-탄소 복합재료를 이용하여 디스크 로터의 상부 하중부(110), 하부 하중부(210) 및 베인(300)을 각각 별개의 공정을 통해 제조하는 단계;
    (b) 각각 별개의 공정을 통해 제조된 상기 상부 하중부(110), 하부 하중부(210) 및 베인(300)을 하나의 구조물로 조립하는 단계; 및
    (c) 조립된 상기 구조물에 대하여 용융 규소 함침 처리를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서의 상기 조립은,
    상기 하부 하중부(210)와 상기 베인(300)의 사이 및 상기 베인(300)과 상기 상부 하중부(110)의 사이에 흑연 접착제를 적용하여 조립하는 것을 특징으로 하는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서의 상기 조립은,
    상기 하부 하중부(210)와 상기 상부 하중부(110)에 상기 베인(300)이 끼워지 는 홈부(500)를 각각 미리 형성하고, 상기 베인(300)을 상기 각각의 홈부(500)에 끼워넣어 조립하는 것을 특징으로 하는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법.
  13. 제 4 항에 있어서,
    상부 하중부(110)와 상부 마찰면(120)의 사이 및 하부 하중부(210)와 하부 마찰면(220)의 사이에 각각 흑연 접착제를 적용하여 상판(100) 및 하판(200)을 각각 조립한 후에, 조립된 각각의 상판(100) 및 하판(200)에 베인(300)을 최종적으로 조립하는 것을 특징으로 하는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상부 하중부(110)와 하부 하중부(210)에 상기 베인(300)이 끼워지는 홈부(500)를 각각 미리 형성하고, 상기 베인(300)을 상기 각각의 홈부(500)에 끼워 넣어 상기 최종적으로 조립하는 것을 특징으로 하는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    조립된 상기 하나의 구조물에 대하여 상기 용융 규소 함침 처리를 수행하는 것에 의해, 조립 계면과 탄소-탄소 복합재료 내부에서의 화학반응을 통해 완전한 일체형의 디스크 로터로 제조되는 것을 특징으로 하는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 용융 규소 함침 처리에 의해, 상기 조립 계면에는 탄소-탄소 복합재료 내부보다 많은 양의 SiC 성분이 합성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 브레이크 디스크 로터의 제조방법.
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