KR20100091750A - 자동차용 브레이크 마찰재 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자동차용 브레이크 마찰재 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 높은 마모 수명 및 높은 마찰계수 갖는 바, 장기 주행 후에도 안정된 제동력을 갖는 자동차용 브레이크 마찰재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 보강재로서, 유기 아라미드 섬유 3~7 중량％;와 무기질 섬유 10~30 중량％; 결합재로서, 열경화성 수지 10~30 중량％; 바륨화합물을 함유한 충전재 10~35 중량％; 금속섬유를 함유한 마모조절재 30~40 중량％; 및 그라핀(graphene) 10~20 중량％; 가 함유된 것을 특징으로 하는 자동차용 브레이크 마찰재 및 그 제조 방법을 제공한다.
브레이크, 마찰재, 마모조절재, 그라핀
Description
본 발명은 자동차용 브레이크 마찰재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 그라핀을 브레이크 마찰재 성분으로 도입하여, 높은 마모 수명 및 높은 마찰계수를 갖기 때문에 장기 주행 후에도 안정된 제동력을 제공할 수 있는 자동차용 브레이크 마찰재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 자동차 브레이크는 움직이는 자동차의 운동에너지를 열에너지로 전환하면서 주행중인 차량을 감속 또는 정지시키거나 정지된 차량을 정지 상태로 계속 유지시키기 위한 장치로서, 브레이크의 마찰재인 패드 라이닝 표면에서는 화학적, 기계적인 그리고 마모의 과정이 일어나게 되고, 그리고 약간의 운동에너지가 엔진, 타이어, 공기, 점성적 끌림에 의해 흡수된다.
전 세계적으로 석면계 마찰재 사용규제가 강화되고 있는 가운데, 비석면계 브레이크 라이닝은 초고온 내열소재를 사용해 그간 석면재질의 브레이크 라이닝을 사용하면서 문제가 되었던 석면분진 발생을 막을 수 있고, 석면으로 인한 중피종, 폐암발생 등 환경피해를 방지하고 제동시 떨림, 소음발생 등 석면제품의 결함을 보완하여 제동력이 뛰어나 악조건 속에서도 안정적인 마찰계수를 유지할 수 있는 수준이 되었다.
최근에는 더욱 강화된 환경규제 문제가 대두되면서 비석면제품의 개발이 활성화를 띠고 있고, 많은 기업들이 비석면제품의 개발과 연구에 박차를 가하고 있다.
자동차용으로 사용되는 브레이크 패드의 대부분은 페놀수지를 결합한 유기체로서, 페놀을 선호하는 이유는 경제성이 높은 동시에 양호한 내열성을 지니고 있기 때문이다.
이렇게 브레이크 패드의 사용조건 중 내열성을 중요한 항목으로 삼는 것은 다른 마찰재(클러치 등)와 비교하여 부하(저항)가 높기 때문이다. 따라서, 브레이크 패드 즉, 마찰재 성분 중 결합재를 페놀수지를 사용하여 내열성을 확보하고, 로터 개량을 목적으로 무기계 윤활재가 사용되는 등 브레이크 패드는 10 종류 이상의 재료가 각각의 목적에 부응하도록 적정하게 배합된 복합적인 재료 구성물질이 주로 사용되고 있다.
한편, 자동차의 운동에너지를 열에너지로 바꾸어 그것을 공기 중으로 발산함으로써 제동작용을 하는 브레이크 패드 및 라이닝은 초기에 주로 석면의 직포에 수지를 합침시키는 직물(WOVEN)계가 사용되었으나, 점차적으로 석면의 유해성 및 차종의 고속, 고급, 경량, 정숙화에 따라 고객의 요구에 대응치 못하여 비석면재 전 환 및 재질의 설계 자유도를 향상시킨 공법인 몰드(MOLD)계로 제작되고 있다.
자동차용 마찰재는 여러 물질을 페놀계 수지(Phenolic Resin)으로 결합시킨 복합재(composite)로서, 1980년대 후반 석면이 미국 환경보호국(EPA)에 의해 발암물질로 판명되어 사용이 금지가 되면서 석면 대체물질과 그 이외의 다른 주요 원료들에 대한 연구가 활발히 진행되었으며, 이러한 연구의 결과로 석면을 대체하는 물질의 종류에 따라 비석면계 유기질(non asbestos organic, NAO) 마찰재와 금속성 마찰재(non asbestos metalic friction material)계열의 마찰재가 개발되어 석면 경화형 마찰재를 대체하게 되었다.
상기 금속성 마찰재의 경우는 금속의 함량에 따라 저금속성 마찰재(low-metalic, 마찰재중 금속의 함량이 30％ 이하인 경우)와 반금속성 마찰재(semi-meatalic, 금속성의 함량이 30％ 이상인 경우)로 다시 구분할 수 있고, 금속성 마찰재에는 금속분말과 강철섬유가 강화재로 첨가된다.
이러한 브레이크 마찰재는 차량이 제동될 수 있는 일정한 수준의 마찰계수를 가져야 하며, 마찰 조건의 변화에도 그 값이 일정하게 유지되어야 하는 바, 일정 온도 이상에서 마찰계수가 급격히 감소하는 페이드(Fade)현상의 발생이 적어야 하며, 이 페이드(Fade) 현상 후에 빠르게 본래 수준의 마찰계수로 회복되어야 한다. 또한, 시간 경과에 따른 마찰계수의 변화가 없어야 하고, 제동 시 마찰재에 균열이 발생되지 않아야 하며, 접착된 마찰재와 백 플레이트(Back Plate)의 전단강도도 높아야 하며, 그리고 마찰재와 로터의 마모율이 크지 않아야 한다.
마찰재의 공격성으로 인한 로터의 D.T.V(Disc Thickness Variation)의 증가 는 제동 시 차체가 진동하는 현상인 져더(Judder)를 발생시키는 원인이 되므로, 브레이크 마찰재는 D.T.V의 증가는 작아야 하며, 제동시에 발생되는 마찰열과 주행시에 노출되는 습기, 진흙 등의 외부환경 변화에 영향을 받지 않고 일정한 마찰성능을 유지할 수 있어야 한다.
그러나, 현 브레이크 패드 또는 브레이크 라이닝 재료의 문제점 중의 하나로 장기 주행 후 브레이크 백 플레이트와 패드 또는 라이닝간의 접착력 손실에 따른 제동 시 소음 발생 문제가 있으며, 이를 해결할 수 있는 새로운 브레이크 마찰재에 대한 요구가 증대하고 있다.
상기와 같은 문제점을 감안하여, 무기물과 혼화성이 뛰어나며 장기 주행 사용 후에도 마모성이 뛰어난 브레이크 패드 또는 브레이크 라이닝, 즉, 브레이크 마찰재의 제조를 위하여, 그라핀(graphene)을 브레이크 마찰재의 성분으로 첨가하여 높은 장기 내구성을 유지하게 하여 장기 주행 후에도 안정된 제동력을 제공할 수 있도록 한 자동차용 브레이크 마찰재 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 유기 아라미드 섬유 3~7 중량％; 무기질 섬유 10~30 중량％; 열경화성 수지 10~30 중량％; 바륨(Barium, Ba)화합물을 함유한 충전재 10~35 중량％; 금속섬유를 함유한 마모조절재 30~40 중량％; 및 그라핀(graphene) 10~20 중량％;를 포함하고 있는 것을 그 특징으로 한다..
또한, 본 발명은 상기 브레이크 마찰재를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 유기 아라미드, 무기질 섬유, 열경화성 수지, 바륨화합물을 함유한 충전재, 금속섬유를 함유한 마모조절재, 및 그라핀을 균일하게 혼합시킨 혼합물을 제조하는 단계; 130~160℃ 온도 및 100~160 ㎏/㎠ 압력의 조건에서 상기 혼합물을 열성형시키는 단계; 및 상기 열성형된 혼합물을 130~160℃의 온도에서 재열처리하는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다. 그라핀(graphene)을 자동차 마찰재 성분으로 첨가함에 따라, 종래 자동차 브레이크 마찰재 보다 높은 마모 수명 및 높은 마찰계수를 갖고, 그에 따라 장기 내구성이 증대시켜 제동 시 소음 문제를 개선시킬 수 있다.
이하에서는 앞서 설명한 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 보강재, 결합재, 충전재, 마모조절재 및 그라핀을 포함하는 자동차 브레이크 마찰재를 제공하고자 한 것이다.
자세하게 설명을 하면, 유기 아라미드 섬유 3~7 중량％; 무기질 섬유 10~30 중량％; 열경화성 수지 10~30 중량％; 바륨화합물을 함유한 충전재 10~35 중량％; 금속섬유를 함유한 마모조절재 30~40 중량％; 및 그라핀(graphene) 10~20 중량％; 를 포함하고 있는 것을 그 특징으로 한다..
상기 유기 아라미드(aramid) 섬유와 상기 무기질 섬유는 보강재로서 사용되는데 상기 유기 아라미드 섬유는 상기 브레이크 마찰재 전체 중량에 대하여 3~7 중량％를 사용할 수 있는데, 이때, 유기 아라미드 섬유의 사용량이 3 중량％ 미만이면 보강성능이 떨어지고, 7 중량％를 초과하여 사용하면 강도가 너무 크게 되어, 오히려 기계적 성능이 저하되기 때문에 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 그리고 상기 유기 아라미드 섬유로는 페놀섬유 외에 레이온, 아크릴계의 내 염화섬유 등을 사용할 수 있다.
또 다른 보강재 성분인 상기 무기질 섬유는 규소(Si), 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg)의 산화물의 형태로 존재하는 인공 광물성 섬유인 것을 특징으로 한다. 이러한 상기 무기질 섬유는 상기 브레이크 마찰재 전체 중량에 대하여 10~30 중량％를 사용하는 것이 좋은데, 이때, 상기 무기질 섬유의 사용량이 10 중량％ 미만이면 보강성능일 떨어지게 되고, 30 중량％를 초과하면 강도가 너무 증가하여 기계적 성능이 오히려 저하되므로 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 무기질 섬유로서는 유리, 록울, 세라믹, 티탄산칼륨 및 카본파이버 중에서 선택된 단종 또는 2 종이상을 함유하는 것을 사용할 수 있다.
상기 열경화성 수지는 결합재 역할을 수행하며, 페놀계 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 페놀계 수지로서는 특별히 한정하지는 않으나, 레졸형 및 캐슈(cashew) 변성 노볼락(novolac)형 중에서 선택된 1 종 이상의 폐놀계 수지를 사용할 수 있으며, 기존에 마찰재에 사용되고 있는 페놀 수지계 결합재를 그대로 이용할 수도 있다. 이러한 상기 열경화성 수지는 상기 브레이크 마찰재 전체 중량에 대하여 10~30 중량％를 사용할 수 있으며, 보강재, 충전재 및 그라핀의 상용성면에서 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다.
상기 충전재는 바륨화합물을 함유하고 있으며, 더욱 바람직하게는 바륨화합물과 칼슘화합물을 포함하고 있는 것이 좋다. 이러한 충전재는 본 발명의 브레이크 마찰재 전체 중량에 대하여 10~35 중량％를 사용할 수 있는데, 이때, 상기 충 전재를 10 중량％ 미만으로 사용하면 브레이크 마찰재의 물리적 강도가 저하되는 문제가 있으며, 35 중량％를 초과하여 사용하면 브레이크 마찰재의 기계적 물성이 오히려 감소하는 문제가 발생할 수 있으므로 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 상기 충전제가 바륨화합물과 칼슘화합물을 함유하고 있는 경우, 상기 바륨화합물로는 황산바륨(BaSO4)을 그리고 상기 칼슘화합물로는 수산화칼슘을 사용하는 것이 가장 바람직하며, 이때 황산바륨와 수산화칼슘을 18~30:1~10 몰비로 함유하고 있는 것이 좋다.
상기 마모조절재는 금속섬유를 함유하고 있으며, 전체 중량에 대하여 30~40 중량%를 사용하는 것이 좋다. 이때, 마모조절재의 사용량이 30 중량% 미만이면 충분한 마찰 효과를 얻을 수 없는 문제가 발생할 수 있고, 40 중량% 초과하여 사용하는 경우에는 사용량의 증가에 따른 마찰 증대 효과를 볼 수 없으므로 비경제적인 문제가 있으므로 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 상기 금속섬유는 스틸섬유 외에 구리, 황동, 알루미늄 등의 비철 섬유로서 절삭법 또는 진동법, 와이어컷법에 의하여 섬유상으로 제조한 것을 사용할 수 있다. 일반적으로 마모조절재의 효력 및 효력의 안정성은 섬유의 기재, 결합제, 마찰, 마모조성제의 질과 양의 밸런스로서 조정하며, 높은 마찰계수가 있는 것이나 내페이드성의 개량에는 마찰 전단력이 큰 금속산화물이나 금속질을 적당량 사용한다. 또한, 유기 충전재, 고체윤활제를 많이 사용해서 효력의 안정성, 내마모성, 노이즈성을 개량하고 있다. 그리고 유기계 섬유를 사용하는 계는 섬유자체에 자기윤활성과 입자간의 쿨 셔닝 효과에 따라 매트릭스 전체를 유연성이 있게 해서 마모, 잡음특성을 유지시킬 수 있다.
그라핀(graphene)은 원자 1개의 두께를 갖는 2차원 탄소 원자층으로서 그라핀 내의 전자들이 대략 초속 1백만 미터로 움직이며 정지 질량이 없는 상대론적 입자와 같이 거동하는 성질을 갖는다. 이러한 상기 그라핀은 보강재, 충전재 등 다른 성분 보다 그 입자가 상당히 작으면서도 큰 표면적을 갖기 때문에 본 발명의 브레이크 마찰재 전체에 고르게 분산될 수 있고, 따라서, 브레이크 마찰재에 흐름성 및 셔더링 방지 특성을 제공함으로써, 브레이크 마찰재가 바람직한 양의 유체를 보유할 수 있게 한다. 그리고 이를 통하여 브레이크 마찰재의 마모 속도를 지연시키는 역할을 수행할 수 있게 된다. 상기 그라핀은 본 발명의 브레이크 마찰재 전체 중량에 대하여 10~20 중량%를 사용하는 것이 좋은데, 이때, 상기 그라핀을 10 중량% 미만으로 사용 시 브레이크 마찰재의 셔더링 방지 특성을 충분히 얻을 수 없고, 20 중량%를 초과하여 사용시 브레이크 마찰재의 다른 조성 성분의 사용량의 감소로 인한 다른 문제가 발생할 수 있으므로 상기 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 본 발명의 브레이크 마찰재의 제조방법에 대하여 설명을 하면 아래와 같다.
본 발명의 브레이크 마찰재의 제조방법은 유기 아라미드, 무기질 섬유, 열경화성 수지, 바륨화합물을 함유한 충전재, 금속섬유를 함유한 마모조절재, 및 그라핀을 균일하게 혼합시킨 혼합물을 제조하는 단계; 130~160℃ 온도 및 100~160 ㎏/ ㎠ 압력의 조건에서 상기 혼합물을 열성형시키는 단계; 및 상기 열성형된 혼합물을 130~160℃의 온도에서 재열처리하는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
상기 유기 아라미드, 무기질 섬유, 열경화성 수지, 충전제, 마찰 및 마모조절재 및 그라핀의 특성 및 그 사용량은 앞서 설명한 바와 동일하다. 그리고, 열성형 시 온도가 130℃~160℃를 벗어나면 잔탄율의 작은 더스트(dust), 유기 섬유의 가스화, 마찰재와 금속판을 접착하고 있는 접착제가 열화하는 문제가 발생할 수 있고, 100~160 ㎏/㎠ 압력 조건을 벗어나면 성형에 문제가 될 수 있으므로 상기 성형조건에서 제조하는 것이 바람직하다. 또한, 재열처리는 130~160℃ 온도에서 하는 것이 열처리의 메리트와 생산성이나 비용의 측면에서 바람직하다.
그리고, 그라핀에 대하여 브레이크 마찰재의 구조에 따른 부연 설명을 하면, 상기 그라핀(graphene)이 기저재의 섬유에 고착될 때 마찰재에 부가적인 기계적 강도와 마찰 특성을 제공하게 되고, 그라핀(graphene) 입자는 상당히 작고 이에 비하여 섬유/충전재는 상대적으로 큰 표면적을 가지기 때문에 그라핀(graphene) 입자는 기저재가 존재하는 섬유 및 충전재의 표면에 부착된다. 기저재에 있는 섬유/충전재에 비하여 그라핀(graphene) 입자의 크기는 상당히 작아서 그라핀(graphene) 입자 크기의 마찰변형 물질은 기저재 전체에 상당히 고르게 분산된다. 이러한 그라핀 입자를 포함하는 기저재의 높은 투과성은 마찰재에 바람직한 흐름 및 셔더링 방지 특성을 제공하면서 마찰재가 바람직한 양의 유체를 보유할 수 있게 한다.
이하에서 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명을 하겠다. 그 러나, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 2
하기 표 1에 나타낸 함량의 (A) 유기 아라미드 섬유, (B) 무기질 섬유, (C) 페놀계 수지, (D) 충전재, (E) 마모조절재, (F) 그라핀(graphene)을 혼합하여 혼합물을 제조한 후, 이 혼합물을 150℃의 온도와 150㎏/㎠의 압력으로 열성형시키고, 다시 150℃의 온도로 열처리시켜서 최종 마찰재 제품을 수득하였다.
시험예
실시예 1~2 및 비교예 1~2에서 제조한 자동차 브레이크 마찰재를 자동차 브레이크 패드 형태로 제조한 후, 이를 백플레이트를 결합시킨 결합체를 제조하였다. 다음으로 상기 결합체를 아래와 같은 순서대로 처리한 후, 이를 1 사이클로 하여 총 6 사이클을 처리한 후, 마모수명과 마찰계수를 측정하였고, 실차에 장착하여 통상의 측정장비를 통해 제동시 발생하는 브레이크 소음을 평가하였다. 그 결과는 하기 표 2에 나타낸 바와 같다.
- 시험평가 1사이클
①항온항습조: 온도 75℃, 습도 90％, 48 시간 동안 유지.
②염수분무조: 온도 35℃, 5％염수, 48 시간 동안 유지.
③건조: 100℃에서 1 시간 건조 후, 200℃에서 1 시간 동안 건조.
④자연방치: 48 시간 동안 방치.
상기 표 2에 기재된 바와 같이, 실시예 1~2에서 제조한 마찰재를 사용하여 제조한 자동차 브레이크 패드는 비교예 1~2와 달리 마모 수명이 우수하고, 실차 장착시 제동 소음도 발생하지 않았음을 알 수 있다.
Claims (5)
- 유기 아라미드 섬유 3~7 중량％;무기질 섬유 10~30 중량％;열경화성 수지 10~30 중량％;바륨화합물을 함유한 충전재 10~35 중량％;금속섬유를 함유한 마모조절재 30~40 중량％; 및그라핀(graphene) 10~20 중량％;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 자동차 브레이크 마찰재.
- 제 1 항에 있어서, 상기 충전제는칼슘화합물을 더 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 자동차 브레이크 마찰재.
- 유기 아라미드, 무기질 섬유, 열경화성 수지, 바륨 화합물을 함유한 충전재, 금속섬유를 함유한 마모조절재, 및 그라핀을 균일하게 혼합시킨 혼합물을 제조하는 단계;130~160℃ 온도 및 100~160 ㎏/㎠ 압력의 조건에서 상기 혼합물을 열성형시 키는 단계; 및상기 열성형된 혼합물을 130~160℃의 온도에서 재열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 브레이크 마찰재의 제조방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항의 상기 브레이크 마찰재를 포함하는 자동차 브레이크 패드.
- 제 1 항 또는 제 2 항의 상기 브레이크 마찰재를 포함하는 자동차 브레이크 라이닝.
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