KR20120057880A - 탄소-세라믹 브레이크 디스크 및 이를 만드는 방법 - Google Patents

탄소-세라믹 브레이크 디스크 및 이를 만드는 방법 Download PDF

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KR20120057880A
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신현규
이준상
조채욱
강정석
임동원
채병근
최문수
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Abstract

본 발명인 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은, 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 혼합물을 만드는 제1단계; 상기 혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 성형체를 만드는 제2단계; 상기 성형체를 탄화시키는 제3단계; 상기 탄화된 성형체를 기계가공하는 제4단계; 상기 기계가공된 성형체에 액상페놀을 도포한 후 경화시키는 제5단계; 상기 액상페놀이 도포된 후 경화된 성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제6단계; 및 상기 규소가 침투된 성형체를 연마하는 제7단계;를 포함한다.
본 발명을 사용하면, 내산화코팅층에 균열이 없다. 따라서, 공기가 균열을 통해서 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 표면과 접촉하여 산화시킬 수 없어, 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 내산화성이 우수해 진다.

Description

탄소-세라믹 브레이크 디스크 및 이를 만드는 방법{CARBON-CERAMIC BRAKE DISC AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 탄소-세라믹 브레이크 디스크에 관한 것이다.
자동차 브레이크는 드럼식 브레이크와 디스크식 브레이크로 구분된다.
디스크식 브레이크는 디스크의 표면과 패드의 마찰로 발생 되는 마찰력으로 디스크의 회전을 늦추거나 멈추게 함으로써, 자동차의 속도를 감속하거나 자동차를 정지시킨다.
제동력이 우수한 디스크는, 무게가 가볍고, 내열충격성, 내산화성, 내마모성이 크고, 고강도이며, 높은 마찰계수를 가져야 한다. 이를 위해, 최근에는 탄소 섬유 강화 세라믹 복합체로 디스크를 만든다.
탄소 섬유 강화 세라믹 복합체는, 기지(matrix)가 세라믹이고 탄소섬유로 강화된 소재이다.
이하, 탄소 섬유 강화 세라믹 복합체로 만든 브레이크 디스크를 탄소-세라믹 브레이크 디스크라 칭한다.
한편, 탄소-세라믹 브레이크 디스크는 탄소성분을 포함하고 있다. 따라서, 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 온도가 320℃이상이 되면, 대기에 노출된 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 표면은 산화되기 쉽다. 특히, 탄소-세라믹 브레이크 디스크 냉각채널의 출구가 위치한 외주면은 더 산화되기 쉽다. 왜냐하면, 탄소-세라믹 브레이크 디스크에서 발생한 열 대부분이 냉각채널의 출구를 통해 외부로 빠져나가, 외주면이 특히 고온이 되기 때문이다. 참고로, 고온일수록 산화가 잘 된다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 종래에는, 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 표면을 산화억제제(oxidation inhibitor)를 포함한 혼탁액으로 코팅하였다.
혼탁액에 포함된 산화억제제로는 붕소화합물(B, B2O3, ZrB2, B4C등)과 인산화합물(POCl3, P2O5, B3PO4등)이 있다. 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 표면을 혼탁액으로 코팅하면, 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 표면에 내산화코팅층이 만들어진다. 내산화코팅층은, 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 표면이 공기와 접촉하여 산화되는 것을 방지한다.
탄소-세라믹 브레이크 디스크의 표면을 혼탁액으로 코팅하는 방법은 다음과 같다.
탄소-세라믹 브레이크 디스크의 표면에 혼탁액을 붓으로 바르거나(brushing) 스프레이로 뿌리거나(spraying) 혼탁액이 담긴 용기에 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 담그고 꺼낸 후, 300℃~1200℃의 온도에서 반복 열처리한다. 그러면, 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 표면에 내산화코팅층이 만들어진다. 내산화코팅층은 유리질 화합물 성분 또는 결정질 무기화합물 성분으로 구성된다. 한편, 혼탁액에 포함된 산화억제제(붕소화합물과 인산화합물)은 시간이 흐를수록 결정화가 진행되어 경화된다. 경화된 내산화코팅층은 박리(剝離)되기 쉽다. 또한, 300℃~1200℃의 온도에서 반복 열처리하는 데 시간이 많이 걸린다.
또 다른 방법으로, 1100~1500℃의 온도에서 세라믹 전구체를 기화시켜, 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 표면에 기상화학 증착시킨다. 그러면, 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 표면에 내산화코팅층이 만들어진다. 세라믹 전구체로는 메틸트리클로로실란(MTS)이 사용된다. 이러한 세라믹 전구체는 고가이다. 또한, 내산화코팅층을 형성하는 과정에서 유해기체(HCl)가 발생한다. 또한, 공정부산물(NaCl)을 처리하기가 어렵다.
또한, 상술한 방법들로 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 표면에 내산화코팅층을 만들면, 탄소-세라믹 브레이크 디스크와 내산화코팅층의 열팽창계수 차이로 인해, 내산화코팅층에 균열이 생긴다. 이러한 균열을 통해서 공기가 탄소-세라믹 브레이크 디스크와 접촉하여, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 산화시킬 수 있다. 또한, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 공정 이외에, 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 표면에 내산화코팅층을 만드는 공정이 추가로 필요하다.
본 발명의 목적은, 내산화성이 우수한 탄소-세라믹 브레이크 디스크 및 이를 만드는 방법을 제공하는 데 있다. 또한, 내산화성이 우수한 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 간단하게 만드는 방법을 제공하는 데 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은, 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 혼합물을 만드는 제1단계; 상기 혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 성형체를 만드는 제2단계; 상기 성형체를 탄화시키는 제3단계; 상기 탄화된 성형체를 기계가공하는 제4단계; 상기 기계가공된 성형체에 액상페놀을 도포한 후 경화시키는 제5단계; 상기 액상페놀이 도포된 후 경화된 성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제6단계; 및 상기 규소가 침투된 성형체를 연마하는 제7단계;를 포함한다.
또한, 상기 목적은, 내산화코팅층이 표면에 형성되며, 상기 내산화코팅층은, 균열을 메워 없앤 규소와 균열이 없던 부분에 생긴 탄화규소로 구성된 탄소-세라믹 브레이크 디스크에 의해 달성된다.
또한, 상기 목적은, 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물 및 제2혼합물을 만드는 제1단계; 상기 제1혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제1성형체를 만들고, 상기 제2혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제2성형체를 만드는 제2단계; 상기 제1성형체와 제2성형체를 탄화시키는 제3단계; 상기 탄화된 제1성형체와 제2성형체를 기계가공하는 제4단계; 상기 기계가공된 제1성형체와 상기 기계가공된 제2성형체를 서로 접착하는 제5단계; 상기 서로 접착된 제1성형체와 제2성형체와 접착된 부분에 액상페놀을 도포한 후 경화시키는 제6단계; 상기 액상페놀이 도포된 후 경화된 제1성형체와 제2성형체와 접착된 부분에 규소를 녹여서 침투시키는 제7단계; 및 상기 규소가 침투된 제1성형체와 제2성형체를 연마하는 제8단계;를 포함하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법에 의해 달성된다.
또한, 상기 목적은, 지지층; 상기 지지층의 상면과 하면에 각각 접착된 마찰층; 상기 지지층과 마찰층 사이에 형성된 접착층; 및 상기 지지층의 표면, 마찰층의 표면, 접착층의 표면에 형성된 내산화코팅층;을 포함하며, 상기 내산화코팅층은, 균열을 메워 없앤 규소와, 균열이 없던 부분에 생긴 탄화규소로 구성되는 탄소-세라믹 브레이크 디스크에 의해 달성된다.
또한, 상기 목적은, 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물 및 제2혼합물을 만드는 제1단계; 상기 제1혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제1성형체를 만들고, 상기 제2혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제2성형체를 만드는 제2단계; 상기 제1성형체와 제2성형체를 탄화시키는 제3단계; 상기 탄화된 제1성형체와 제2성형체를 기계가공하는 제4단계; 상기 기계가공된 제1성형체에 액상페놀을 도포한 후 경화시키는 제5단계; 상기 액상페놀이 도포된 후 경화된 제1성형체와 상기 기계가공된 제2성형체를 서로 접착하는 제6단계; 상기 서로 접착된 제1성형체와 제2성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제7단계; 및 상기 규소가 침투된 제1성형체와 제2성형체를 연마하는 제8단계;를 포함하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법에 의해 달성된다.
또한, 상기 목적은, 지지층; 상기 지지층의 상면과 하면에 각각 접착된 마찰층; 상기 지지층과 마찰층 사이에 형성된 접착층; 및 상기 지지층의 표면에 형성된 내산화코팅층;을 포함하며, 상기 내산화코팅층은, 균열을 메워 없앤 규소와, 균열이 없던 부분에 생긴 탄화규소로 구성된 탄소-세라믹 브레이크 디스크에 의해 달성된다.
또한, 상기 목적은, 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물 및 제2혼합물을 만드는 제1단계; 상기 제1혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제1성형체를 만들고, 상기 제2혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제2성형체를 만드는 제2단계; 상기 제1성형체와 제2성형체를 탄화시키는 제3단계; 상기 탄화된 제1성형체와 제2성형체를 기계가공하는 제4단계; 상기 기계가공된 제1성형체와 상기 기계가공된 제2성형체를 서로 접착하는 제5단계; 상기 서로 접착된 제1성형체와 제2성형체 중 제1성형체에만 액상페놀을 도포한 후 경화시키는 제6단계; 상기 서로 접착된 제2성형체와 상기 액상페놀이 도포된 후 경화된 제1성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제7단계; 및 상기 규소가 침투된 제1성형체와 제2성형체를 연마하는 제8단계;를 포함하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법에 의해 달성된다.
본 발명은, 규소를 녹여 침투시키는 단계에서, 규소가, 액상페놀이 도포된 후 경화된 부분에 생긴 균열을 메워서 없앤다. 이로 인해, 내산화코팅층에 균열이 없다. 따라서, 공기가 균열을 통해서 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 표면과 접촉하여 표면을 산화시킬 수 없어, 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 내산화성이 우수해 진다.
또한, 본 발명은, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 공정내에서, 내산화코팅층을 형성한다. 이로 인해, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 공정 외에, 내산화코팅층을 만드는 공정이 추가로 필요 없다.
또한, 본 발명은, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 공정내에서, 내산화코팅층을 형성한다. 이로 인해, 내산화코팅층이 탄소-세라믹 브레이크 디스크와 강하게 결합된다.
또한, 본 발명은, 내산화코팅층이 규소와 탄화규소로 구성되므로, 내산화코팅층의 강도가 크다.
도 1은, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2(a),(b),(c)는, 혼합물로 성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다.
도 3은, 도 1의 제6단계에서, 액상페놀이 도포된 후 경화된 부분에, 균열이 생긴 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는, 도 3의 균열을 규소가 메워 없앤 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 나타낸 도면이다.
도 6은, 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7(a),(b),(c)는, 제1혼합물로 제1성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다.
도 8(a),(b),(c)는, 제2혼합물로 제2성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다.
도 9는, 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 나타낸 도면이다.
도 10은, 본 발명의 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 11은, 본 발명의 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 나타낸 도면이다.
도 12는, 본 발명의 제4실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 설명한다.
도 1은, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다. 도 2(a),(b),(c)는, 혼합물로 성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 실선화살표는 프레스의 이동방향을 나타내고, 점선화살표는 성형체를 몰드로부터 꺼내는 방향을 나타낸다.
도 1 및 도 2(a),(b),(c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은,
탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 혼합물(X)을 만드는 제1단계(S11); 상기 혼합물(X)을 몰드(M)에 넣고 프레스(P)로 가압하여 성형체(Y)를 만드는 제2단계(S12); 상기 성형체(Y)를 탄화시키는 제3단계(S13); 상기 탄화된 성형체(Y)를 기계가공하는 제4단계(S14); 상기 기계가공된 성형체(Y)에 액상페놀을 도포한 후 경화시키는 제5단계(S15); 상기 액상페놀이 도포된 후 경화된 성형체(Y)에 규소를 녹여서 침투시키는 제6단계(S16); 및 상기 규소가 침투된 성형체(Y)를 연마하는 제7단계(S17);를 포함한다.
이하, 제1단계(S11)를 설명한다.
탄소섬유 30~70 vol%, 페놀수지 70~30 vol%를 혼합하여 혼합물(X)을 만든다.
이하, 제2단계(S12)를 설명한다.
도 2(a)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)에 혼합물(X)을 넣는다.
도 2(b)에 도시된 바와 같이, 프레스(P)로 혼합물(X)를 가압하여 성형체(Y)를 만든다. 이때, 가압하는 압력은 3~5 MPa이다. 여기서, 프레스(P)에 설치된 히터로 혼합물(X)을 가열할 수도 있다. 가열하는 온도는 120~180 ℃이다.
도 2(c)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)로부터 성형체(Y)를 꺼낸다.
성형체(Y)는, 경화된 페놀수지안에 무작위로 분포된 탄소섬유로 구성된다.
이하, 제3단계(S13)를 설명한다.
도가니(crucible) 안에 성형체(Y)를 넣는다. 진공저항가열로 안에 도가니를 넣는다. 진공저항가열로 안은 진공분위기 또는 불활성분위기이다.
진공저항가열로는, 성형체(Y)의 온도를 13시간 동안 1550℃로 승온시킨다.
진공저항가열로는, 성형체(Y)의 온도를 1~2시간 동안 1550℃로 유지시킨다.
성형체(Y)의 온도가 1550℃로 승온되어 유지되는 동안, 성형체(Y)에 포함된 유기화합물이 열분해되어 탄소가 된다. 유기화합물이 열분해되고 남은 자리에는 기공(porosity)이 형성된다.
이하, 제4단계(S14)를 설명한다.
성형체(Y)의 중심부에 차축이 지나가는 축공을 뚫는다.
성형체(Y)의 축공 주위로, 햇파트(hat part)와 결합되는 볼트가 관통하는 관통공을 동일원상에 동일간격으로 뚫는다. 햇파트는 바퀴와 결합된다.
이하, 제5단계(S15)를 설명한다.
성형체의 표면에 액상페놀을 붓으로 바르거나(brushing), 성형체의 표면에 액상페놀을 스프레이로 뿌리거나(spraying), 성형체를 액상페놀이 담긴 용기에 담근(dipping)후 꺼낸다. 액상페놀의 도포두께는 0.1~2mm이다. 액상페놀이 도포된 성형체(Y)를 경화시킨다. 경화시키는 온도는 200℃이다.
액상페놀이 도포된 후 경화된 부분은, 성형체에 규소를 녹여 침투시키는 단계가 끝나면, 내산화코팅층이 된다.
제1실시예에서는, 성형체(Y)의 표면 전체를 액상페놀로 도포한다. 물론, 성형체의 상하면을 제외한 외주면만을 액상페놀로 도포하여, 성형체의 외주면에만 내산화코팅층을 만들 수 있을 것이다.
성형체의 표면 전체를 액상페놀로 도포할 경우, 성형체의 상하면에도 내산화코팅층이 형성된다. 규소를 녹여 침투시키는 단계가 끝난 후, 성형체의 상하면은 마찰면이 되고, 마찰면 위에 내산화코팅층이 형성된다. 이 경우, 브레이크 작동시, 패드가 마찰면이 아닌 내산화코팅층과 접촉하므로, 제동거리가 더 짧아질 수 있다. 왜냐하면, 내산화코팅층의 마찰계수(0.48)는 마찰면의 마찰계수(0.45)보다 크기 때문이다.
한편, 탄소분말이 첨가된 액상페놀로 성형체(Y)를 도포할 수도 있다. 액상페놀 vol% 와 탄소분말의 vol%는 2대1이다. 탄소분말로는, 성형체(Y)를 기계 가공할 때 떨어져 나온 탄소분말을 사용할 수도 있다.
액상페놀에 탄소분말을 첨가할 경우, 도포 된 부분에 탄소가 많아진다. 이로 인해, 성형체에 규소를 녹여 침투시키는 단계에서, 규소와 반응할 탄소가 많아진다. 따라서, 코팅층에 탄화규소가 많아진다.. 코팅층에 탄화규소가 많아지면, 코팅층의 강도가 좋아지고 마찰계수가 커진다.
이하, 제6단계(S16)를 설명한다.
도가니 안에 규소를 넣는다.
도가니 안에 성형체(Y)의 하부가 규소에 묻히도록 넣는다. 성형체(Y)의 상부에 규소를 쌓는다.
진공저항가열로 안에 도가니를 넣는다. 진공저항가열로 안은 진공분위기 또는 불활성분위기이다.
진공저항가열로는, 성형체(Y)의 온도를 13시간 동안 1550℃로 승온시킨다.
진공저항가열로는, 성형체(Y)의 온도를 1~2시간 동안 1550℃로 유지시킨다.
성형체(Y)의 온도가 1550℃로 승온되고 유지되는 동안, 규소가 녹아서 성형체(Y)의 기공으로 침투한다.
기공으로 침투한 규소 대부분은 성형체(Y)에 포함된 탄소와 반응하여, 탄화규소(silicon carbide, SiC)가 된다. 탄소와 반응하지 않은 나머지 규소는 기공을 메운다.
성형체(Y)의 온도가 1550~1600℃로 승온되고 유지되는 동안, 액상페놀이 도포된 후 경화된 부분이, 탄화된다.
도 3은, 도 1의 제6단계에서, 액상페놀이 도포된 후 경화된 부분에, 균열이 생긴 상태를 나타낸 도면이다. 도 4는, 도 3의 균열을 규소가 메워 없앤 상태를 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 액상페놀이 도포된 후 경화된 부분이 탄화되면서, 균열(YY)이 생긴다. 균열이 없는 부분(YX)은 탄화된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 규소가 균열을 메워 없앤다. 균열이 없던 부분에는, 탄소와 규소와 반응하여 탄화규소가 생성된다. 그러면, 액상페놀이 도포된 후 경화된 부분이, 내산화코팅층(13, 도 5참조)이 된다.
이하, 제7단계(S17)를 설명한다.
연마기(grinder)로, 성형체(Y)를 연마한다.
도 5는, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진 탄소-세라믹 브레이크 디스크(10)는, 단일몸체(single body)로 구성된다. 단일몸체는, 탄소섬유와 탄소섬유를 제외한 세라믹부분인 기지로 구성된다.
탄소-세라믹 브레이크 디스크(10)는, 중심부에 차축이 지나가는 축공(11)을 구비한다. 축공(11) 주위로, 햇파트(hat part)와 결합되는 볼트가 관통하는 관통공(12)이 동일원상에 동일간격으로 구비된다.
탄소-세라믹 브레이크 디스크(10)의 두께는 20~50mm이다.
탄소-세라믹 브레이크 디스크(10)의 성분조성은, SiC 65~25 wt%, Si 15~25 wt%, C 20~50 wt%이다. 탄소-세라믹 브레이크 디스크(10)에는 탄소섬유가 무작위로 분포된다. 탄소섬유는, 직경이 7㎛인 필라멘트 1K~48K의 다발로 구성된다. 탄소섬유의 길이는 1~30mm이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 탄소-세라믹 브레이크 디스크(10)의 표면 전체에는 내산화코팅층(13)이 형성된다.
균열이 없는 내산화코팅층(13)으로 인해서, 공기가 탄소-세라믹 브레이크 디스크(10)의 표면과 접촉하지 못한다. 따라서, 탄소-세라믹 브레이크 디스크(10)의 표면이 산화되지 않는다.
도 6은, 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다. 도 7(a),(b),(c)는, 제1혼합물로 제1성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다. 도 8(a),(b),(c)는, 제2혼합물로 제2성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다. 도 7 또는 도 8에 도시된 실선화살표는 프레스의 이동방향을 나타내고, 점선화살표는 제1성형체 또는 제2성형체를 몰드로부터 꺼내는 방향을 나타낸다.
도 6, 도 7(a),(b),(c), 도 8(a),(b),(c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은,
탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물(X1) 및 제2혼합물(X2)을 만드는 제1단계(S21); 상기 제1혼합물(X1)을 몰드(M)에 넣고 프레스(P)로 가압하여 제1성형체(Y1)를 만들고, 상기 제2혼합물(X2)을 몰드(M)에 넣고 프레스(P)로 가압하여 제2성형체(Y2)를 만드는 제2단계(S22); 상기 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 탄화시키는 제3단계(S23); 상기 탄화된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 기계가공하는 제4단계(S24); 상기 기계가공된 제1성형체(Y1)와 상기 기계가공된 제2성형체(Y2)를 서로 접착하는 제5단계(S25); 상기 서로 접착된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)와 접착된 부분에 액상페놀을 도포한 후 경화시키는 제6단계(S26); 상기 액상페놀이 도포된 후 경화된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)와 접착된 부분에 규소를 녹여서 침투시키는 제7단계(S27); 및 상기 규소가 침투된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 연마하는 제8단계(S28);를 포함한다.
이하, 제1단계(S21)를 설명한다.
탄소섬유 30~70 vol%, 페놀수지 70~30 vol%를 혼합하여 제1혼합물(X1)을 만든다. 제1혼합물(X1)로 후술할 지지층을 만든다.
탄소섬유 30~70 vol%, 페놀수지 70~30 vol%를 혼합하여 제2혼합물(X2)을 만든다. 제2혼합물(X2)로 후술할 마찰층을 만든다.
이하, 제2단계(S22)를 설명한다.
도 7(a)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)에 제1혼합물(X1)을 넣는다.
제1혼합물(X1)위에 코어체(V)를 올려놓는다. 코어체(V)는 냉각채널의 형상을 가진다. 코어체(V)위에 제1혼합물(X1)을 넣는다.
도 7(b)에 도시된 바와 같이, 프레스(P)로 가압하여 제1성형체(Y1)를 만든다. 이때, 가압하는 압력은 3~5 MPa이다. 여기서, 프레스(P)에 설치된 히터로 제1혼합물(X1)을 가열할 수도 있다. 가열하는 온도는 120~180 ℃이다.
도 7(c)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)로부터 제1성형체(Y1)를 꺼낸다.
제1성형체(Y1)는, 경화된 페놀수지안에 무작위로 분포된, 탄소섬유로 구성된다.
도 8(a)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)에 제2혼합물(X2)을 넣는다.
도 8(b)에 도시된 바와 같이, 프레스(P)로 제2혼합물(X2)를 가압하여 제2성형체(Y2)를 만든다. 이때, 가압하는 압력은 3~5 MPa이다. 여기서, 프레스(P)에 설치된 히터로 제2혼합물(X2)을 가열할 수도 있다. 가열하는 온도는 120~180 ℃이다.
도 8(c)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)로부터 제2성형체(Y2)를 꺼낸다.
제2성형체(Y2)는, 경화된 페놀수지안에 무작위로 분포된, 탄소섬유로 구성된다.
이하, 제3단계(S23)를 설명한다.
제1성형체(Y1)를 탄화시킨다. 제2성형체(Y2)를 탄화시킨다. 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 탄화시키는 방법은 제1실시예에서 성형체를 탄화시키는 방법과 동일하므로 그 설명을 생략한다.
제1성형체(Y1) 탄화시, 코어체(V)는 열분해 된다. 코어체(V)의 열분해 시 잔류 탄소량은 10 wt% 미만인 것이 바람직하다. 이를 위해, 코어체(V)는, 폴리카보네이트(polycarbonate), ABS수지(Acrylonitrile Butadiene Styrene copolymer), 스티렌 수지(Styrene resin), 폴리에틸렌(Polyethylene), 아크릴 수지(Acrylic resin) 등과 같은 열가소성 수지로 만들어진다. 코어체(V)가 열분해 되면, 코어체(V)가 열분해되고 남은 빈자리에 냉각채널이 형성된다.
이하, 제4단계(S24)를 설명한다.
제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)의 중심부에 차축이 지나가는 축공을 뚫는다.
제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)의 축공주위로 햇파트(hat part)와 결합되는 볼트가 관통하는 관통공을 동일원상에 동일간격으로 뚫는다. 햇파트는 바퀴와 결합한다.
이하, 제5단계(S25)를 설명한다.
제1성형체(Y1)의 상면과 하면에 액체상태의 페놀수지를 도포한다. 도포두께는 0.1~2mm이다. 제1성형체(Y1)의 상면과 하면 각각에 제2성형체(Y2)를 접착한다. 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2) 사이로 빠져나온 액체상태의 페놀수지를 제거한다.
다른 방법으로, 제1성형체(Y1)의 상면과 하면에 고체상태의 페놀수지를 뿌린다. 제1성형체(Y1)의 상면과 하면에 제2성형체(Y2)를 각각 올려놓고 프레스로 가압하고 프레스에 설치된 히터로 가열한다. 고체상태의 페놀수지가 녹으면서, 제1성형체(Y1)의 상면과 하면 각각에 제2성형체(Y2)가 접착된다. 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2) 사이로 빠져나온 액체상태(고체상태의 페놀수지가 녹은 상태)의 페놀수지를 제거한다.
제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)가 접착되면, 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2) 사이에 후술할 접착층이 만들어진다.
이하, 제6단계(S26)를 설명한다.
제1성형체(Y1)의 외주면과, 제1성형체(Y1)에 형성된 냉각채널(111, 도 9참조)과, 제2성형체(Y2)와, 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)의 접착부분에 액상페놀을 붓으로 바르거나(brushing), 스프레이로 뿌린다.(spraying) 또는, 액상페놀이 담긴 용기에 담그고(dipping) 꺼낸다. 액상페놀의 도포두께는 0.1~2mm이다. 경화시키는 온도는 200℃이다.
이하, 제7단계(S27)를 설명한다.
액상페놀이 도포된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)와 접착부분에 규소를 녹여서 침투시킨다. 액상페놀이 도포된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)와 접착부분에 규소를 녹여서 침투시키는 방법은, 제1실시예에서 성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 방법과 동일하므로 그 설명을 생략한다.
이하, 제8단계(S28)를 설명한다.
연마기(grinder)로, 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 연마한다.
도 9는, 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 나타낸 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진 탄소-세라믹 브레이크 디스크는, 지지층(110), 마찰층(120), 접착층(130), 내산화코팅층(140)으로 구성된다. 지지층(110)과 마찰층(120)은, 탄소섬유와 탄소섬유를 제외한 세라믹부분인 기지로 구성된다.
탄소-세라믹 브레이크 디스크(100)는, 중심부에 차축이 지나가는 축공(101)을 구비한다. 축공(101) 주위로, 햇파트(hat part)와 결합되는 볼트가 관통하는 관통공(102)이 동일원상에 동일간격으로 구비된다.
지지층(110)은 냉각채널(111)을 구비한다. 지지층(110)의 두께는 20~50mm이다. 지지층(110)의 성분조성은, SiC 65~25 wt%, Si 15~25 wt%, C 20~50 wt%이다.
마찰층(120)의 두께는 0.1~2mm이다. 마찰층(120)의 성분조성은, 지지층(110)의 성분조성과 동일한, SiC 65~25 wt%, Si 15~25 wt%, C 20~50 wt%이다.
지지층(110)의 성분조성과 마찰층(120)의 성분조성이 동일하므로, 지지층(110)의 열팽창계수와 마찰층(120)의 열팽창계수가 동일하다. 따라서, 탄소-세라믹 브레이크 디스크(100)를 만드는 과정에서, 지지층(110)의 열팽창계수와 마찰층(120)의 열팽창계수의 차이로 인해, 마찰층(120)에 균열이 생기지 않는다.
지지층(110)에는, 탄소섬유가 무작위로 분포된다. 탄소섬유는, 직경이 7㎛인 필라멘트 1K~48K의 다발로 구성된다. 탄소섬유의 길이는 25~30mm이다.
마찰층(120)에는, 탄소섬유가 무작위로 분포된다. 탄소섬유는, 직경이 7㎛인 필라멘트 1K~48K의 다발로 구성된다. 탄소섬유의 길이는 1~3mm이다.
접착층(130)의 두께는 0.1~1mm이다. 접착층(130)의 성분조성은, SiC 50 wt%, Si 45 wt%, C 5 wt%이다.
내산화코팅층(140)의 두께는, 0.1~2mm이다. 내산화코팅층(140)은, 균열을 메워 없앤 규소와, 균열이 없던 부분에 생긴 탄화규소로 구성된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 내산화코팅층(130)은, 지지층(110)의 외주면, 지지층(110)의 냉각채널(111), 마찰층(120)의 상하면, 접착층(130)의 외주면에 형성된다.
균열이 없는 내산화코팅층(130)으로 인해서, 공기가 지지층(110)의 외주면, 지지층(110)의 냉각채널(111), 마찰층(120)의 상하면, 접착층(130)의 외주면과 접촉하지 못한다. 따라서, 공기가 지지층(110)의 외주면, 지지층(110)의 냉각채널(111), 마찰층(120)의 상하면, 접착층(130)의 외주면이 산화되지 않는다.
도 11은, 본 발명의 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7(a),(b),(c), 도 8(a),(b),(c), 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은,
탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물(X1) 및 제2혼합물(X2)을 만드는 제1단계(S31); 상기 제1혼합물(X1)을 몰드(M)에 넣고 프레스(P)로 가압하여 제1성형체(Y1)를 만들고, 상기 제2혼합물(X2)을 몰드(M)에 넣고 프레스(P)로 가압하여 제2성형체(Y2)를 만드는 제2단계(S32); 상기 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 탄화시키는 제3단계(S33); 상기 탄화된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 기계가공하는 제4단계(S34); 상기 기계가공된 제1성형체(Y1)에 액상페놀을 도포한 후 경화시키는 제5단계(S35); 상기 액상페놀이 도포된 후 경화된 제1성형체(Y1)와 상기 기계가공된 제2성형체(Y2)를 서로 접착하는 제6단계(S36); 상기 서로 접착된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)에 규소를 녹여서 침투시키는 제7단계(S37); 및 상기 규소가 침투된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 연마하는 제8단계(S38);를 포함한다.
한편, 제5단계(S35)에서, 상기 기계가공된 제1성형체(Y1)에 액상페놀을 도포한 후 경화시키지 않고, 제6단계(S36)에서, 기계가공된 제2성형체(Y2)와 접착한 후 경화시킬 수도 있다. 이 경우, 제1성형체(Y1)에 도포된 액상페놀을 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 접착하는 데 사용할 수 있다.
본 발명의 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은, 제1성형체(Y1)에만 액상페놀을 도포하여 경화시킨다. 따라서, 접착층의 외주면과 마찰층의 상하면에는 내산화코팅층이 형성되지 않는다. 그러나, 브레이크 작동시, 대부분의 응력을 지지층이 받으므로, 접착층과 마찰층이 어느 정도 산화되더라도 크게 문제되지 않는다. 이를 제외하고는, 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법과 동일하다.
도 11은, 본 발명의 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진 탄소-세라믹 브레이크 디스크이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진 탄소-세라믹 브레이크 디스크는, 지지층(210), 마찰층(220), 접착층(230), 내산화코팅층(240)으로 구성된다. 탄소-세라믹 브레이크 디스크(200)는, 중심부에 차축이 지나가는 축공(201)을 구비한다. 축공(201) 주위로, 햇파트(hat part)와 결합되는 볼트가 관통하는 관통공(202)이 동일원상에 동일간격으로 구비된다. 지지층(210)에는 냉각채널(211)이 구비된다.
지지층(210), 마찰층(220), 접착층(230), 내산화코팅층(240) 각각의 두께 및 성분조성은, 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 지지층(110), 마찰층(120), 접착층(130), 내산화코팅층(140) 각각의 성분조성과 동일하므로, 그 설명을 생략한다.
도 11에 도시된 바와 같이, 내산화코팅층(240)은, 지지층(210)의 외주면, 냉각채널(211)에만 형성된다. 내산화코팅층(240)의 두께는, 0.1~.5mm이다. 내산화코팅층(240)은, 균열을 메워 없앤 규소와, 균열이 없던 부분에 생긴 탄화규소로 구성된다.
균열이 없는 내산화코팅층(240)으로 인해서, 공기가 지지층(210)의 외주면과 냉각채널(211)에 접촉하지 못한다. 따라서, 지지층(210)의 외주면과 냉각채널(211)이 산화되지 않는다.
도 12는, 본 발명의 제4실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7(a),(b),(c), 도 8(a),(b),(c), 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은,
탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물(X1) 및 제2혼합물(X2)을 만드는 제1단계(S41); 상기 제1혼합물(X1)을 몰드(M)에 넣고 프레스(P)로 가압하여 제1성형체(Y1)를 만들고, 상기 제2혼합물(X2)을 몰드(M)에 넣고 프레스(P)로 가압하여 제2성형체(Y2)를 만드는 제2단계(S42); 상기 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 탄화시키는 제3단계(S43); 상기 탄화된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 기계가공하는 제4단계(S44); 상기 기계가공된 제1성형체(Y1)와 상기 기계가공된 제2성형체(Y2)를 서로 접착하는 제5단계(S45); 상기 서로 접착된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)중 제1성형체(Y1)에만 액상페놀을 도포한 후 경화시키는 제6단계(S46); 상기 서로 접착된 제2성형체(Y2)와 상기 액상페놀이 도포된 후 경화된 제1성형체(Y1)에 규소를 녹여서 침투시키는 제7단계(S47); 및 상기 규소가 침투된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 연마하는 제8단계(S48);를 포함한다.
본 발명의 제4실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은, 제1성형체(Y1)의 외주면에 액상페놀을 도포하여 경화시키는 것을, 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 접착한 상태에서 한다. 이를 제외하고는, 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법과 동일하다. 또한, 제4실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진 탄소-세라믹 브레이크 디스크는, 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진 탄소-세라믹 브레이크 디스크와 동일하므로, 그 설명을 생략한다.

Claims (11)

  1. 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 혼합물을 만드는 제1단계;
    상기 혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 성형체를 만드는 제2단계;
    상기 성형체를 탄화시키는 제3단계;
    상기 탄화된 성형체를 기계가공하는 제4단계;
    상기 기계가공된 성형체에 액상페놀을 도포한 후 경화시키는 제5단계;
    상기 액상페놀이 도포된 후 경화된 성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제6단계; 및
    상기 규소가 침투된 성형체를 연마하는 제7단계;를 포함하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제5단계에서 상기 성형체의 표면 전체를 액상페놀로 도포하거나, 상기 성형체의 상하면을 제외한 외주면만 액상페놀로 도포하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제5단계에서 상기 성형체의 표면에 액상페놀을 붓으로 바르거나(brushing) 스프레이로 뿌리거나(spraying), 상기 성형체의 표면을 액상페놀이 담긴 용기에 담그고(dipping) 꺼내는, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제5단계에서 상기 액상페놀에 탄소분말을 더 첨가한 후, 상기 성형체에 도포하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제6단계에서 상기 액상페놀이 도포된 후 경화된 부분이 탄화되면서 균열이 생기고, 상기 균열을 규소가 메워서 없애는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법.
  6. 내산화코팅층이 표면에 형성되며, 상기 내산화코팅층은, 균열을 메워 없앤 규소와 균열이 없던 부분에 생긴 탄화규소로 구성된 탄소-세라믹 브레이크 디스크.
  7. 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물 및 제2혼합물을 만드는 제1단계;
    상기 제1혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제1성형체를 만들고, 상기 제2혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제2성형체를 만드는 제2단계;
    상기 제1성형체와 제2성형체를 탄화시키는 제3단계;
    상기 탄화된 제1성형체와 제2성형체를 기계가공하는 제4단계;
    상기 기계가공된 제1성형체와 상기 기계가공된 제2성형체를 서로 접착하는 제5단계;
    상기 서로 접착된 제1성형체와 제2성형체와 접착된 부분에 액상페놀을 도포한 후 경화시키는 제6단계;
    상기 액상페놀이 도포된 후 경화된 제1성형체와 제2성형체와 접착된 부분에 규소를 녹여서 침투시키는 제7단계; 및
    상기 규소가 침투된 제1성형체와 제2성형체를 연마하는 제8단계;를 포함하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법.
  8. 지지층;
    상기 지지층의 상면과 하면에 각각 접착된 마찰층;
    상기 지지층과 마찰층 사이에 형성된 접착층; 및
    상기 지지층의 표면, 마찰층의 표면, 접착층의 표면에 형성된 내산화코팅층;을 포함하며,
    상기 내산화코팅층은, 균열을 메워 없앤 규소와 균열이 없던 부분에 생긴 탄화규소로 구성된 탄소-세라믹 브레이크 디스크.
  9. 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물 및 제2혼합물을 만드는 제1단계;
    상기 제1혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제1성형체를 만들고, 상기 제2혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제2성형체를 만드는 제2단계;
    상기 제1성형체와 제2성형체를 탄화시키는 제3단계;
    상기 탄화된 제1성형체와 제2성형체를 기계가공하는 제4단계;
    상기 기계가공된 제1성형체에 액상페놀을 도포한 후 경화시키는 제5단계;
    상기 액상페놀이 도포된 후 경화된 제1성형체와 상기 기계가공된 제2성형체를 서로 접착하는 제6단계;
    상기 서로 접착된 제1성형체와 제2성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제7단계; 및
    상기 규소가 침투된 제1성형체와 제2성형체를 연마하는 제8단계;를 포함하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법.
  10. 지지층;
    상기 지지층의 상면과 하면에 각각 접착된 마찰층;
    상기 지지층과 마찰층 사이에 형성된 접착층; 및
    상기 지지층의 표면에 형성된 내산화코팅층;을 포함하며,
    상기 내산화코팅층은, 균열을 메워 없앤 규소와 균열이 없던 부분에 생긴 탄화규소로 구성된 탄소-세라믹 브레이크 디스크.
  11. 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물 및 제2혼합물을 만드는 제1단계;
    상기 제1혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제1성형체를 만들고, 상기 제2혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제2성형체를 만드는 제2단계;
    상기 제1성형체와 제2성형체를 탄화시키는 제3단계;
    상기 탄화된 제1성형체와 제2성형체를 기계가공하는 제4단계;
    상기 기계가공된 제1성형체와 상기 기계가공된 제2성형체를 서로 접착하는 제5단계;
    상기 서로 접착된 제1성형체와 제2성형체 중 제1성형체에만 액상페놀을 도포한 후 경화시키는 제6단계;
    상기 서로 접착된 제2성형체와 상기 액상페놀이 도포된 후 경화된 제1성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제7단계; 및
    상기 규소가 침투된 제1성형체와 제2성형체를 연마하는 제8단계;를 포함하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법.
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