KR20110074003A - 소결 마찰재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분말 계면 활성제를 포함함으로써 스웨팅 현상을 억제할 수 있는 소결 마찰재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 소결 마찰재는 철(Fe) 분말, SiO₂ 분말, 흑연(C) 분말 및 구리-주석(Cu-Sn)계 합금 분말을 균일하게 혼합한 소결 원료와, FeSi₂ 분말을 포함한다. 이 때, 상기 철 분말, 상기 SiO₂ 분말 및 상기 흑연 분말의 중량은 각각 상기 소결 원료의 중량의 15~20%, 4~6% 및 6~12%이고, 상기 FeSi₂ 분말의 중량은 상기 소결 원료의 중량의 1~5%로 한다.

마찰재, 고속 전철, 스웨팅, 소결, FeSi2

Description

소결 마찰재 및 그 제조방법{SINTERED FRICTION MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 소결 마찰재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스웨팅(sweating) 현상을 억제하여 안정적인 마찰 특성을 확보할 수 있는 소결 마찰재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 수송 기계의 제동 시스템에 장착되는 마찰재는 유기질, 금속 소결재 및 탄소-탄소 복합체로 구분할 수 있다.

이 중 유기질 마찰재는 열경화성 수지 계통의 유기물 기지에 첨가제, 마찰 조절제를 혼합하여 소성시킨 복합재로서, 자동차, 트럭 및 일반 철도 차량의 제동 시스템의 마찰재로 많이 사용된다. 하지만, 고속 전철과 같은 고하중, 고속의 수송체의 제동 마찰재로 사용될 경우에는, 제동 시 상대재의 접촉면에서 발생하는 열로 인해 접촉면에서의 온도가 열경화성 수지의 분해 온도를 상회하게 되고, 이에 따라 마찰재의 기계적 특성이 급격히 열화되어 내구성에 문제가 발생할 수 있게 된다.

탄소-탄소 복합체 마찰재는 탁원한 제동 특성을 보여, 이에 대한 연구 개발 도 많이 진행되고 있다. 하지만, 고가의 제조 비용 때문에 주로 항공기용 마찰재로는 많이 사용되고 있으나 고속 전철용으로는 사용되지 않고 있다.

상기 이유로 인하여 금속 소결재를 이용한 마찰재가 고속 전철용 마찰재로 사용되며, 구체적으로 고속 전철의 브레이크 패드 등에 사용되고 있다.

고속 전철용 마찰재는 고온에서도 충분한 강도를 갖고 사용 조건에 관계없이 일정한 마찰계수를 가지며, 높은 비열 및 열전도성과 함께 내마모성을 갖는 등의 조건을 충족시켜야 한다. 이러한 조건을 충족하는 금속 소결재로 철(Fe)이 주성분으로 사용되는 철계 소결재와 구리(Cu)가 주성분으로 사용되는 구리계 소결재를 들 수 있다. 이 중 구리계 소결재의 열전도도가 철계 소결재보다 훨씬 우수하여 제동 시 발생되는 열을 효율적으로 방출할 수 있어 마찰재로서 구리계 소결재를 사용하는 것이 일반적이며, 그 성능을 개선하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.

구리계 소결재는 주석(Sn), 니켈(Ni) 등 경화 원소와 합금화된 구리 합금 분말을 주원료로 하고, 마찰 조절제로 철계 금속간 화합물 또는 산화물 분말을 사용하며, 고체 윤활성분으로 흑연 또는 MoS₂ 분말 등을 일정 구성비로 혼합하여 소결한 것들이 그 주류를 이루고 있다.

그러나, 상기 금속계 분말과 고체 윤활성분으로 흑연이 동시에 사용되는 경우에는, 소결 시 금속계 분말의 액적과 흑연 분말과의 젖음성 불량으로 금속의 액적의 소결체 밖으로 새어 나오는 스웨팅(sweating) 현상이 발생하여, 소결체의 형상이 변형되고 조직의 분균질이 야기되는 등 마찰재의 마찰 특성에 변동성이 생기 고 기계적 특성이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 배경기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 분말 계면 활성제를 포함함으로써 스웨팅 현상을 억제할 수 있는 소결 마찰재 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 소결 마찰재는 15~20중량%의 철(Fe) 분말, 4~6중량%의 SiO₂ 분말, 6~12중량%의 흑연(C) 분말, 잔부 구리-주석(Cu-Sn)계 합금 분말 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 소결 원료와, 외삽으로 상기 소결 원료의 함량에 대하여 1~5중량%의 FeSi₂ 분말이 첨가된다.

상기 구리-주석계 합금 분말은 구리-10중량%주석계 합금 분말로 할 수 있다.

상기 철 분말의 평균 입도는 44㎛ 이하로 할 수 있고, 상기 SiO₂ 분말의 평균 입도는 150㎛로 형성할 수 있다. 또한, 상기 흑연 분말의 평균 입도는 100㎛로 형성할 수 있고, 상기 구리-주석계 합금 분말의 평균 입도는 70㎛로 형성할 수 있으며, 상기 FeSi₂ 분말의 평균 입도는 44~70㎛로 형성할 수 있다.

본 발명에 따르는 소결 마찰재는 상기 소결 마찰재의 조성을 가지는 원료를 혼합하고, 상기 혼합 원료를 금형에 장입하고, 상기 금형에 장입된 상기 혼합 원료에 6~10 ton/㎠의 수직 압력을 인가하여 성형체를 제작하고, 상기 성형체를 진공 소결로에서 10^-5 torr 이하의 진공도 및 950~1100℃의 온도 조건에서 1~2 시간 소결하여 형성할 수 있다.

본 발명에 따르면, 계면 활성제의 역할을 하는 FeSi₂를 부가함으로써 스웨팅 현상을 억제하여 소결 마찰재의 형상을 양호하게 유지할 수 있고, 보다 안정적인 마찰 특성을 확보할 수 있다.

이하, 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자기 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명에 따르는 소결 마찰재는 구리계 합금을 기지 금속으로 하여 철(Fe) 분말, SiO₂ 분말, 흑연(C) 분말을 균일하게 혼합한 혼합물을 주원료로 사용하고, 이에 스웨팅 현상을 억제하기 위하여 계면 활성제로서 FeSi₂ 분말을 부가적으로 혼합하여 형성한다. 이러한 성분들을 혼합하여 고속 전철의 브레이크 패드 등에 사용되는 데 적합한 특성의 마찰재를 얻기 위하여는 각 성분들을 적정 비율로 혼합하여야 하는 바, 이하에서는 각 성분들의 적정 함량에 대하여 설명하기로 한다. 한편, 설명의 편의를 위하여, 이하에서는 구리계 합금, 철 분말, SiO₂ 분말 및 흑연 분말을 균일하게 혼합한 혼합 분말을 소결 원료로 통칭한다.

철 분말은 구리계 합금 분말과 고용체를 이루지 않으면서 소결 마찰재의 강 도를 증가시키는 역할을 한다. 본 발명의 소결 마찰재에 있어서 철 분말의 중량은 소결 원료의 중량의 15~20%로 하는데, 철 분말의 중량비가 15% 미만이면 소결 마찰재의 금속 기지부 강도 증가의 효과가 미미하게 되고, 20%를 초과하면 필요 이상으로 강도가 증가하여 마찰 상대재의 마모가 심하게 되는 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 또한, 철 분말의 입도(粒度)는 구리계 합금 분말의 입도에 비하여 작을수록 좋은데, 본 발명에서는 평균 입도가 44㎛인 철 분말이 사용된다.

SiO₂ 분말은 소결 마찰재 내에서 마찰계수를 조절하고 내마모성을 향상시키는 마찰 조절제의 역할을 한다. 한편, SiO₂ 분말의 중량이 소결 원료의 중량의 4% 미만이고 평균 입도가 150㎛를 초과하는 경우에는 소결 마찰재의 마찰 중에 입자의 탈락이 발생하여 마찰 조절제로서의 역할을 수행하지 못하는 문제가 발생할 수 있고, SiO₂ 분말의 중량이 소결 원료의 중량의 6%를 초과하고 평균 입도가 150㎛ 미만인 경우에는 SiO₂가 다른 구성 원소들에 비해 상대적으로 작은 비중을 가짐으로써 소결체의 체적이 증가하게 되고, 이에 따라 소결 반응이 억제되어 최종 소결체의 강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명에서는 SiO₂ 분말의 중량을 소결 원료의 중량의 4~6%로 하면서, 평균 입도는 150㎛로 형성한다.

흑연 분말은 소결 마찰재의 마찰 윤활제로 사용된다. 이러한 흑연 분말의 기능을 충분하게 발휘하기 위하여, 본 발명에서는 흑연 분말의 중량을 소결 원료의 중량의 6~12%로 하고, 평균 입도는 100㎛로 형성한다. 이는, 흑연 분말의 중량이 소결 원료의 중량의 6% 미만인 경우에는 마찰 윤활제 고유의 역할을 상실할 수 있고, 흑연 분말의 중량이 소결 원료의 중량의 12%를 초과하고 입도가 100㎛ 미만인 경우에는 전술한 SiO₂ 분말의 경우와 마찬가지로 흑연 분말의 낮은 밀도로 인하여 소결 마찰재의 밀도가 급격하게 낮아져 기계적 강도의 저하가 발생할 수 있으며, 흑연 분말의 입도가 100㎛를 초과하는 경우에는 소결 마찰재의 마찰 중에 입자의 탈락이 발생할 수 있기 때문이다.

본 발명의 소결 마찰재에 기지 금속으로 사용되는 구리계 합금은 통상의 소결 마찰재에 포함될 수 있는 구리계 합금이면 어떠한 것이라도 사용될 수 있고, 일 예로 구리-니켈계 합금, 구리-주석계 합금 등을 들 수 있다. 이들 니켈 또는 주석 등은 구리 합금의 강도를 확보하기 위하여 첨가되는 것으로서, 본 발명에서는 구리-주석계 합금이 사용되고, 구체적으로는 구리-10중량%주석계 합금이 사용된다. 여기에서, 구리-10중량%주석계은 주석의 구성 중량비가 10%임을 의미한다. 본 발명에서는 구리-10중량%주석계 합금 분말의 중량이 소결 원료의 중량에서 상기 철 분말, SiO₂ 분말 및 흑연 분말의 중량을 제외한 값으로 형성된다. 또한, 구리계 합금 분말의 입도가 너무 클 경우에는 공극이 증가하여 소결 밀도가 낮아질 수 있으므로, 본 발명에 사용되는 구리-10중량%주석계 합금 분말의 평균 입도는 70㎛ 이하로 형성된다.

본 발명의 소결 마찰재는 전술한 구리-10중량%주석계 합금 분말, 철 분말, SiO₂ 분말 및 흑연 분말을 균일하게 혼합한 소결 원료에, 스웨팅 현상을 억제하기 위하여 계면 활성제의 역할을 하는 FeSi₂ 분말을 부가하여 형성한다. 즉, 본 발명에서는 FeSi₂가 젖음성이 불량한 흑연과 금속 재료 사이의 계면 에너지를 감소시켜 이들이 용이하게 접촉될 수 있도록 하여 스웨팅 현상을 억제할 수 있게 된다.

FeSi₂는 고온에서 열적 안정성 및 화학적 안정성을 갖고 있어 고속 전철의 브레이크 등의 고온의 환경에서 사용하기에 적합하고, 가격 경쟁력이 우수하여 본 발명에서는 계면 활성제의 역할을 수행하는 성분으로 FeSi₂를 사용하고 있다.

본 발명에서는 소결 원료에 부가하는 FeSi₂ 분말의 중량을 상기 소결 원료의 중량의 1~5%로 한다. 이는, FeSi₂ 분말의 중량이 소결 원료의 중량의 1% 미만이면 스웨팅 현상의 억제 효과가 미미하게 되며, 5%를 초과하는 경우에는 SiO₂ 분말 및 흑연 분말의 경우와 마찬가지로 비금속 분말의 총 양이 증가하게 되어 소결 마찰재의 강도가 급격하게 저하되는 문제점이 발생할 수 있기 때문이다.

또한, 본 발명에서 FeSi₂ 분말의 평균 입도는 44~70㎛로 형성되는데, 이는 FeSi₂ 분말의 입도가 44㎛ 미만으로 형성되는 경우에는 분말의 미세화로 인해 체적이 증가하게 되어 소결 마찰재의 밀도가 작아지게 되고, FeSi₂ 분말의 입도가 70㎛를 초과하는 경우에는 흑연과 금속 재료 사이의 계면 활성화에 불리하기 때문이다.

이상과 같이, 본 발명에 따르는 소결 마찰재는, 평균 입도 70㎛인 구리-10중량%주석계 합금 분말을 평균 입도 44㎛ 이하의 철 분말 15~20%, 평균 입도 150㎛인 SiO₂ 분말 4~6% 및 평균 입도 100㎛인 흑연 분말 6~12%와 혼합한 소결 원료에, 고온에서 안정성을 보이는 평균 입도 44~70㎛의 FeSi₂ 분말 1~5%가 부가되어 형성됨으로써, 스웨팅 현상이 억제되고 안정적인 마찰 특성을 가질 수 있게 된다. 이 때, 각 성분의 %는 소결 원료의 중량에 대한 각 성분의 중량비를 나타낸다.

이하에서는 이러한 소결 마찰재의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.

우선, 전술한 소결 마찰재의 각 성분의 중량비에 따라 이들을 혼합한다. 혼합 원료의 균일도는 소결 마찰재의 강도 및 마찰 특성에 중요한 영향을 끼칠 수 있으므로 각 성분을 균일하게 혼합하는 것이 중요하게 된다.

이후, 상기 균일하게 혼합된 혼합 원료를 원하는 형상으로 성형하기 위하여 정해진 형상의 금형에 이를 장입한다. 한편, 소결 마찰재의 밀도를 증가시키고 소결 마찰재를 원하는 형태로 성형하기 위하여 금형에 장입된 혼합 원료를 가압하게 된다. 본 발명에서 혼합 원료를 가압할 때 프레스에 인가되는 압력은 6~10ton/㎠로 한다. 만일 인가 압력이 6 ton/㎠ 미만인 경우에는 높은 성형 밀도를 얻을 수 없게 되고, 10 ton/㎠를 초과하는 경우에는 금형 내부와 혼합 원료의 강한 마찰로 성형 밀도의 증가에 한계가 나타날 수 있으므로, 프레스에 인가하는 압력을 6~10 ton/㎠로 설정한다. 본 발명에서는 단압식 수직 압력을 사용하여 혼합 원료를 가압하는 방법을 설명하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 여러가지 공지의 가압 방법이 사용될 수 있다.

이와 같이 혼합 원료를 금형에서 성형한 후, 이를 소결로에서 소결함으로써 최종 소결 마찰재가 형성될 수 있다. 이 때, 소결 온도가 낮고 소결 시간이 짧으면 소결 밀도가 저하될 수 있고, 필요 이상으로 소결 온도가 높고 소결 시간이 길면 소결 마찰재의 형상이 변화하는 등 불량이 발생할 수 있기 때문에, 소결 온도와 소결 시간을 950~1150℃ 및 1~2 시간으로 설정한 것이다. 또한, 소결 시 산화성 분위기에 의해 각 성분 분말들의 산화가 일어날 수 있기 때문에 이를 방지하기 위하여 진공도를 유지할 필요가 있고, 이에 따라 본 발명에서는 소결이 이루어지는 소결로의 내압을 10^-5 torr 이하로 조절하여 소결 과정을 수행한다.

이와 같이, 소결 원료 및 FeSi₂ 분말을 혼합하여 성형 및 소결을 수행하면 스웨팅 현상이 억제되어 안정적인 마찰 특성을 유지할 수 있는 소결 마찰재를 제조할 수 있다.

이하에서는 실험예들을 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 제1 내지 제3 실험예와 비교 실험예에서 소결 원료의 각 성분 및 FeSi₂ 분말의 중량비는 아래의 [표 1]과 같다. 이 때, 소결 원료의 중량을 기준으로 하여, 소결 원료의 중량비를 100%로 할 때의 각 성분의 중량비를 나타낸 것이다.

구 분	소결 원료				FeSi2 분말 중량비
	철 분말 중량비	SiO2 분말 중량비	흑연 분말 중량비	구리-10중량%주석계 합금 분말 중량비
비교 실험예	20	6	10	64	0
제1 실험예	20	6	10	64	1
제2 실험예	20	6	10	64	3
제3 실험예	20	6	10	64	5

본 발명의 실험예들에서 소결 원료의 중량비는 각각 철 분말 20%, SiO₂ 분말 6%, 흑연 분말 10% 및 구리-10중량%주석계 합금 분말 64%(잔부 중량비)로 설정하였고, 소결 원료의 평균 입도는 각각 철 분말 44㎛, SiO₂ 분말 150㎛, 흑연 분말 100㎛ 및 구리-10중량%주석계 합금 분말 70㎛로 설정하였다. 또한, 제1 실험예 내지 제3 실험예에서는 FeSi₂의 중량비를 소결 원료의 중량과 대비하여 각각 1%, 3% 및 5%로 설정하였고, FeSi₂의 평균 입도는 모두 44~70㎛ 사이에서 임의의 값을 갖도록 설정하였다.

각 실험예들예에서는 위와 같은 중량비 및 입도를 갖는 각 성분을 혼합하여 8 ton/㎠의 압력을 인가하여 성형하고, 10-5 torr의 압력 및 970℃의 온도에서 1시간 동안 소결하여 시험편을 제작하였다.

도 1은 각 실험예들에서 소결 마찰재에 스웨팅 현상이 일어나는지 여부를 관찰한 사진으로, 좌측부터 각각 비교 실험예, 제1 실험예, 제2 실험예 및 제3 실험예에 따른 소결 마찰재의 사진을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 비교 실험예와 대비하여 제1 내지 제3 실험예에서의 소결 마찰재에서 스웨팅 현상으로 인해 표면으로 새어 나온 금속 분말의 액적이 감소하였음을 알 수 있다. 또한, 각 실험예들을 대비할 때 제1 실험예에서 제3 실험예로 갈수록 금속 분말의 액적이 감소하는 것으로 미루어, FeSi₂의 중량비가 증가할수록 스웨팅 현상의 억제 효과가 증가함을 확인할 수 있다.

한편, 상기 소결된 각각의 시험편에 대하여 마찰 실험을 다음과 같이 수행하였다.

소결된 시험편은 외경, 내경 및 높이가 각각 26㎜, 20㎜및 20㎜로 동일하게 가공 제작하였고, 실험의 상대재는 탄소(C) 3.62%, 규소(Si) 2.26%, 망간(Mn) 1.13%, 인(P) 0.034% 이하, 황(S) 0.01% 이하, 구리(Cu) 0.027%, 크롬(Cr) 0.024% 및 마그네슘(Mg) 0.039%를 함유하고, 철(Fe) 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 구성되는 구상 흑연 주철을 30㎜ x 30㎜, 두께 5㎜의 판재로 가공하여 사용하였다. 이 때, 각 성분의 %는 상대재 전체 중량에 대한 중량비를 나타낸다. 마찰 실험에서는 상대재를 고정시키고 상대재의 표면에 소결 마찰재를 접촉, 회전시키도록 구성한 시험기를 사용하였으며, 시험 중 상대재와 접하는 소결 마찰재의 회전 속도를 0.6m/초로, 하중의 크기를 20 kg/㎠로 고정하여 실험 시간을 600초, 1200초, 1800초로 변경하면서 실험을 실시하였다. 또한, 동일한 조건에서 고속 전철에 장착된 마찰재에 대하여도 실험을 수행하였으며, 이와 같은 실험에 의하여 얻은 마찰특성에 관한 결과는 다음의 [표 2]에 나타내었다.

구 분	마찰 특성
	마찰율 (μ)			마모량 (mg)
	600초	1200초	1800초	600초	1200초	1800초
비교 실험예	1.76	1.66	1.70	57	85	135
제1 실험예	1.65	1.51	1.46	38	67	88
제2 실험예	1.38	1.35	1.32	27	54	67
제3 실험예	1.34	1.32	1.3	25	52	64
고속 전철의 마찰재	1.35	1.3	1.3	25	50	65

상기 [표 2]에서의 결과와 같이, 구리-주석계 합금을 기지 금속으로 하는 소결 원료에 FeSi₂를 부가하여 소결 마찰재를 형성함으로써 마찰 특성이 개선됨을 알 수 있다.

이는 기존 고속 전철의 마찰재의 실험 결과와 비교할 때 마찰 특성에 큰 차이를 보이지 않아, 본 발명에 따른 소결 마찰재가 고속 전철용 마찰재로 사용 가능함을 확인할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 소결 마찰재는 스웨팅 현상이 억제되어 기존의 고속 전철의 마찰재의 실험 결과와 비교할 때 마찰 특성에 차이를 보이지 않아 안정적인 마찰 특성을 보이는 바, 본 발명에 따른 소결 마찰재가 고속 전철용 마찰재로 사용 가능함을 확인할 수 있다. 또한, 고온에서의 열적·화학적 안정성이 우수하고 가격 경쟁력이 우수한 FeSi₂를 계면 활성제로 사용함으로써 상기 특성을 보다 안정적으로 실현함과 동시에 비용면에서 유리한 효과를 기대할 수 있게 된다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 본 발명은 전술한 이에 한정되지 않는다. 즉, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실험예들에서 소결 마찰재에 스웨팅 현상이 일어나는지 여부를 관찰한 사진으로, 좌측부터 비교 실험예, 제1 실험예, 제2 실험예 및 제3 실험예에 따른 소결 마찰재를 나타낸다.

Claims (8)

15~20중량%의 철(Fe) 분말, 4~6중량%의 SiO₂ 분말, 6~12중량%의 흑연(C) 분말, 잔부 구리-주석(Cu-Sn)계 합금 분말 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 소결 원료와, 외삽으로 상기 소결 원료의 함량에 대하여 1~5중량%의 FeSi₂ 분말이 첨가되는 소결 마찰재.

제1항에서,

상기 구리-주석계 합금 분말은 구리(Cu)-10중량%주석(Sn)계 합금 분말인, 소결 마찰재.

제1항에서,

상기 철 분말의 평균 입도는 44㎛ 이하인, 소결 마찰재.

제1항에서,

상기 SiO₂ 분말의 평균 입도는 150㎛인, 소결 마찰재.

제1항에서,

상기 흑연 분말의 평균 입도는 100㎛인, 소결 마찰재.

제1항에서,

상기 구리-주석계 합금 분말의 평균 입도는 70㎛인, 소결 마찰재.

제1항에서,

상기 FeSi₂ 분말의 평균 입도는 44~70㎛인, 소결 마찰재.

제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 소결 마찰재의 조성을 가지는 원료를 균일하게 혼합하고,

상기 혼합 원료를 금형에 장입하고,

상기 금형에 장입된 상기 혼합 원료에 6~10 ton/㎠의 수직 압력을 인가하여 성형체를 제작하고,

상기 성형체를 10^-5 torr 이하의 압력 및 950~1100℃의 온도 조건에서 1~2 시간 소결하여 형성되는 소결 마찰재의 제조방법.

Images