KR20130038520A - 철도 차량용 브레이크 디스크 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철도 차량용 브레이크 디스크 제조방법에 관한 것으로서, 강화입자를 일정 비율로 혼합하여 분산시킨 알루미늄 기지 복합재를 이용하여 한 쌍의 마찰판을 성형하는 제1성형단계와, 상기 제1성형단계에서 제작된 마찰판을 서로 이격되어 마주보도록 주금형 내에 설치하는 마찰판 설치단계와, 상기 마찰판 사이에 냉각핀과 장착판 성형을 위한 주형과 코어를 설치하는 내부 주형 설치단계, 및 상기 금형에 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 특정 온도로 용탕하여 상기 주형에 용입하는 제2성형단계로 구성됨으로써, 마찰판과 냉각핀 및 장착판을 이종(異種) 재질로 성형함과 동시에 마찰면에만 강화입자가 포함된 알루미늄 기지 복합재를 사용하여 디스크의 경량화는 물론 열발산 성능 및 내마모성이 향상될 수 있게 할 뿐 아니라, 제작성이 우수한 철도 차량용 브레이크 디스크 제조방법에 관한 것이다.

Description

철도 차량용 브레이크 디스크 제조방법{A fabrication method of the brake disc for rolling stock}

본 발명은 철도 차량에 적용되는 브레이크 디스크 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 강화입자를 일정 비율로 혼합하여 분산시킨 알루미늄 기지 복합재로 마찰판을 주조하고, 냉각핀과 장착판은 알루미늄 또는 알루미늄 합금 재질로 주조하여 별도 공정으로 구분 성형함으로써, 경량화는 물론 열발산 성능과 내마모성을 향상시킬 수 있는 철도 차량용 브레이크 디스크 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 철도 차량용 브레이크 디스크는 차축에 설치되어 제동 체결시 브레이크 패드가 마찰판을 가압할 때 마찰판의 마찰면과 브레이크 패드의 마찰에 의해 차량의 운동에너지를 마찰열 에너지로 소산시켜 차량을 정지시키는 역할을 하는 장치이다.

따라서 브레이크 디스크는 열 하중과 기계적 하중이 동시에 가해지기 때문에 비틀림 변형, 열팽창, 수축 작용 등을 받게 되는 것이다.

특히 고속화 추세로 가고 있는 현재의 철도 차량에서는 마찰 제동력이 우수하면서 브레이크 디스크로서 갖추어야 할 내열성 및 내마모성이 우수한 브레이크 디스크에 대한 요구가 한층 더 증대되고 있다.

이러한 브레이크 디스크는 구조상 분류할 때 마찰판과 냉각핀 및 장착판으로 구성된 디스크 전체를 하나의 원반형으로 주조 성형한 일체형과 다수개의 원호형 조각으로 성형한 다음 이들 조각을 결합한 분할형 등이 있다.

종래의 철도 차량용 브레이크 디스크는 주철, 합금주철, 주강 또는 단조강으로 제조되어 사용되어 왔으나, 이 경우에는 내열성이 나빠 열 크랙을 발생시키고, 내마모성이 좋지 않아 마모 분진이 많이 발생하는 단점이 있어 새로운 디스크의 개발이 요구되고 있다.

또한 최근에는 차량의 운행에 필요한 에너지를 줄이고, 차륜이 궤도에 미치는 부하를 경감하며, 이산화탄소 배출량을 저감하기 위해 차량의 경량화가 요구되고 있기 때문에 기존의 주철, 주강재가 아닌 경량 소재의 브레이크 디스크의 개발이 적극 시도되고 있다.

이에 따라 종래에는 경량소재 브레이크 디스크 재질의 하나로 알루미늄 합금에 별도의 강화입자를 혼합한 알루미늄합금 기지 복합재료가 사용되고 있다.

이러한 알루미늄합금 기지 복합재는 열전도율, 내마모성이 양호하고 철계(주철, 주강, 단조강) 브레이크 디스크에 비해 40-50%의 경량화가 가능하여 많은 연구가 되고 있다.

즉 종래에는 상기와 같은 알루미늄 복합재를 이용하여 브레이크 디스크를 일체로 주조 성형하여 제작하였다.

그러나 알루미늄합금 기지 복합재료는 용융상태에서 알루미늄 합금과 강화입자가 잘 혼합되지 않아 유동성이 현저히 저하되기 때문에 도 1에 도시된 바와 같은 브레이크 디스크의 주조가 매우 어렵게 되고, 또한 이를 해결하기 위해서는 원심 주조법이나 가압 주조법 등과 같은 특수 주조법을 적용해야 하기 때문에 제조비용이 증가하게 되는 문제점이 있었고, 또한 브레이크 디스크 전체를 알루미늄 복합재로 일체 성형하기 때문에 고가의 세라믹입자가 많이 소요되어 철계 브레이크 디스크에 비해 브레이크 디스크의 가격이 올라가게 되는 문제점이 있었다.

또한 분할형 브레이크 디스크의 경우에는 알루미늄 복합재로 여러 조각의 마찰판을 주철계 주물로 된 본체에 형상 끼워 맞춤식으로 조립하여 제작하게 되는 데, 이 경우에는 기계적 하중, 열하중, 비틀림 하중 등이 동시에 작용하는 브레이크 디스크의 특성상 변형에 의해 쉽게 파손되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 첫째, 마찰판과 냉각핀/장착판을 서로 다른 이종(異種) 재질로 구분 성형함으로써, 주조가 용이하도록 함과 동시에 고가의 세라믹입자의 사용을 최소화하여 제조 비용이 절감될 수 있게 하고, 둘째, 브레이크 디스크의 경량화와 열발산 성능 및 내마모성이 향상될 수 있는 철도 차량용 브레이크 디스크 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 강화입자를 일정 비율로 혼합하여 분산시킨 알루미늄 기지 복합재를 이용하여 한 쌍의 마찰판을 성형하는 제1성형단계와, 상기 제1성형단계에서 제작된 마찰판을 서로 이격되어 마주보도록 주금형 내에 설치하는 마찰판 설치단계와, 상기 마찰판 사이에 냉각핀과 장착판 성형을 위한 주형과 코어를 설치하는 내부 주형 설치단계, 및 상기 금형에 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 특정 온도로 용탕하여 상기 주형에 용입하는 제2성형단계를 포함하여 구성된다.

여기서 상기 알루미늄 기지 복합재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금에 세라믹입자(SiC)를 분산시킨 것을 사용할 수 있다.

또한 상기 알루미늄 기지 복합재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금에 산화 알루미늄(Al₂O₃) 입자를 분산시킨 것을 사용할 수 있다.

또 상기 알루미늄 기지 복합재는 세라믹입자(SiC)가 부피 비율로 10~30% 포함하는 것이 바람직하다.

한편 상기 제2성형단계는 상기 마찰판과 냉각핀 및 장착판의 접합 강도 향상을 위해 마찰판, 금형(주형), 및 코어를 예열하는 마찰판 예열단계를 더 포함할 수 있다.

이때 상기 마찰판 예열단계는 상기 마찰판, 금형(주형), 및 코어를 300~550℃로 예열하는 것이 바람직하다.

또한 상기 제1성형단계는 상기 냉각핀이 상기 마찰판 표면을 일정 깊이 침입하여 성형되도록 마찰판 표면에 상기 냉각핀의 성형위치에 대응되도록 다수개의 홈을 형성할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 제조가 용이할 뿐 아니라 적은 양의 세라믹입자(SiC)를 사용할 수 있어 브레이크 디스크 제조 비용을 현저히 절감할 수 있는 효과가 있고, 또한 브레이크 디스크의 경량화와 열발산 성능 및 내마모성이 향상되어 내구성과 수명이 증대될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 철도 차량용 브레이크 디스크의 사시도,
도 2는 도 1의 철도 차량용 브레이크 디스크의 일측 마찰판이 제거된 내부 부분사시도,
도 3은 본 발명의 철도 차량용 브레이크 디스크 제조 방법의 흐름도,
도 4는 본 발명의 철도 차량용 브레이크 디스크의 마찰판과 냉각핀 및 장착판의 일실시예의 결합 상태도이다.

이하 본 발명에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 철도 차량용 브레이크 디스크의 사시도를 나타낸 것이고, 도 2는 도 1의 철도 차량용 브레이크 디스크의 일측 마찰판이 제거된 내부 부분사시도를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 브레이크 디스크(1)는 마찰판(10)과 냉각핀(20) 및 장착판(30)으로 구성된다.

마찰판(10)은 브레이크 패드(도시하지 않음)와 밀착되어 차량의 운동에너지를 마찰열로 전환시켜 차축에 회전 저항을 부가함으로써 차량을 정지시키는 역할을 하는 것으로서, 중앙부에 관통공(15)이 형성된 일정 두께의 원반 형태로 형성된다.

따라서 마찰판(10)은 브레이크 패드와의 사이에서 발생되는 고온의 마찰열로 인해 열하중과 기계적 하중이 동시에 가해지게 되는 특성상 재질에 따른 제동 성능 차이가 현격하기 때문에 열크랙이나 분진 발생이 최소화되도록 내열성, 열발산 성능, 내마모성 등이 우수한 소재로 성형될 것이 요구되고 있다.

여기서 마찰판(10)은 도 1에 도시된 바와 같이, 내측부에 냉각핀(20)과 장착판(30)이 설치될 수 있도록 서로 일정 거리 이격되어 마주보도록 설치되는 것이다.

한편 냉각핀(20)은 도 2에 도시된 바와 같이, 마찰판(10)에서 발생되는 열이 외부로 쉽게 방출되도록 함과 동시에 두 개의 마찰판(10)을 연결하는 역할을 하는 것으로서, 일정 높이와 길이를 갖는 리브(rib) 형태로 형성되며, 다수개가 마찰판(10)을 따라 등 간격으로 이격되어 수직 방향으로 설치된다.

한편 장착판(30)은 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각핀(20)과 연결되도록 일정 두께로 성형되어 마찰판(10)을 지지하게 되며, 내측에는 관통공(35)이 형성되고 관통공(36) 둘레를 따라 다수개의 결합공(36)이 관통 형성된다.

따라서 장착판(30)은 결합공(36)을 이용하여 브레이크 디스크(1)를 차축(도시하지 않음)에 결합시키게 되는 것이다.

한편 마찰판(10)과 장착판(30)은 도 1에 도시된 바와 같이 차륜(도시하지 않음)을 차축으로부터 분리하지 않고 차축에 결합시킬 수 있도록 반쪽으로 분할하여 두 개가 한 세트를 이루도록 제작될 수 있다.

도 1은 철도 차량용 브레이크 디스크(1)의 일 실시예를 도시한 것으로서, 브레이크 디스크(1)는 차량의 제동 특성 등에 따라 다양한 유사 구조로 주조 성형될 수 있으며, 본 발명의 철도 차량용 브레이크 디스크 제조 방법은 상기와 같이 마찰판(10)과 냉각핀(20) 및 장착판(30)으로 이루어지는 다양한 유사 구조의 브레이크 디스크(1)에 적용할 수 있을 것이다.

이하 본 발명의 철도 차량용 브레이크 디스크의 제조 방법을 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 철도 차량용 브레이크 디스크 제조 방법의 흐름도를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 철도 차량용 브레이크 디스크 제조 방법은 제1성형단계(S10), 마찰판 설치단계(S20), 내부 주형 설치단계(S30), 및 제2성형단계(S50)로 구성된다.

본 발명의 철도 차량용 브레이크 디스크 제조 방법은 마찰판(10)을 알루미늄 기지 복합재(알루미늄 또는 알루미늄 합금 + SiC)로 성형하고, 냉각핀(20)과 장착판(30)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 주조 성형함으로써, 마찰판(10), 냉각핀(20)과 장착판(30)을 이종(異種) 재질로 성형하여 브레이크 디스크(1)의 경량화는 물론 제동 성능과 내구성 등을 향상시킬 수 있는 제조 방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명은 고가의 세라믹입자(SiC)를 마찰판(10)을 주조하는 경우에만 제한적으로 사용함으로써, 전체 브레이크 디스크(1)의 제조 비용을 현저히 절감할 수 있게 되는 것이다.

본 발명의 제1성형단계(S10)는 마찰판(10)을 주조 성형하는 단계로서, 마찰판(10)은 강화입자를 일정 비율로 혼합하여 분산시킨 알루미늄 기지 복합재를 이용하여 동일한 형태로 두 개가 제작된다.

여기서 알루미늄 기지 복합재는 강화입자로서 세라믹입자(SiC)가 사용되는 것이 바람직하여, 알루미늄이나 알루미늄 합금에 세라믹입자를 혼합 분산시켜 사용하게 된다.

이때 세라믹입자는 알루미늄 기지 복합재의 용탕의 유동성 및 마찰판(10)의 제동 성능을 고려하여 부피 비율로 10~30%를 포함하는 것이 바람직하다.

또한 알루미늄 기지 복합재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금에 산화 알루미늄(Al₂O₃) 입자를 분산시킨 것을 사용할 수도 있다.

본 발명은 제1,2성형단계(S10,S50)로 분리 구성되어 마찰판(10)의 주조 성형성이 우수하게 됨으로써, 상기와 같은 세라믹입자나 산화알루미늄 입자 외에도 다양한 강화입자를 용이하게 적용할 수 있을 것이다.

한편 마찰판 설치단계(S20)는 제1성형단계(S10)에서 성형된 두 개의 마찰판(10)을 주금형에 서로 이격되어 마주보도록 설치하는 단계이다.

또한 내부 주형 설치단계(S30)는 주금형 사이에 내부 주형과 코어를 설치하는 단계로서, 장착판(30)과 냉각핀(20)을 성형시키기 위해 각 구성에 대응되는 주형과 코어를 주금형 내의 마찰판(10) 사이에 설치하는 것이다.

한편 제2성형단계(S50)는 상기와 같이 냉각핀(20)과 장착판(30)을 성형하기 위한 내부 주형이 설치된 상태에서 주금형을 닫고, 주금형에 용탕을 주입하여 최종적으로 브레이크 디스크(1)를 제작하는 단계로서, 용탕의 주입에 의해 냉각핀(20)과 장착판(30)이 성형되면서 마찰판(10)과 결합하게 되는 것이다.

이때 냉각핀(20)과 장착판(30)은 알루미늄이나 알루미늄 합금 소재로 주조 성형된다.

알루미늄이나 알루미늄 합금은 강화입자가 함유된 알루미늄 기지 복합재보다 용탕의 유동성이 좋기 때문에 복잡한 구조의 냉각핀(20)과 장착판(30)을 용이하게 주조 성형할 수 있게 되는 것이다.

한편 제2성형단계(S50)는 마찰판 예열단계(S40)가 더 포함될 수 있다.

마찰판 예열단계(S40)는 제2성형단계(S50)에서 냉각핀(20)과 장착판(30) 및 마찰판(10)의 접합 강도가 향상될 수 있도록 마찰판(10), 금형(주형), 및 코어를 특정 온도로 미리 가열시키는 것이다.

즉 마찰판 예열단계(S40)는 제2성형단계(S50)에서 주금형에 용탕을 주입하기 전에 마찰판(10), 금형(주형), 및 코어를 알루미늄 합금의 용융 온도보다 약간 낮은 온도로 예열하여 냉각핀(20)과 장착판(30) 및 마찰판(10)의 접합 강도가 증대될 수 있게 하는 것이다.

여기서 마찰판(10), 금형(주형), 및 코어의 예열은 별도의 가열장치(도시하지 않음)를 이용하여 가열시킬 수 있으며, 마찰판(10), 금형(주형), 및 코어의 예열온도는 300~550℃로 예열시키는 것이 바람직하다.

상기와 같이 마찰판(10), 금형(주형), 및 코어가 예열된 상태에서 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재를 주금형에 용입하여 냉각핀(20)과 장착판(30)을 성형하게 되면, 냉각핀(20)과 장착판(30) 및 마찰판(10)의 접합력을 향상시켜 접합부의 기계적 강도를 증대시킬 수 있게 되는 것이다.

한편 도 4는 냉각핀(20)과 마찰판(10)과의 접합 강도를 한층 더 향상시키기 위한 일 실시예를 도시한 것으로서, 도시된 바와 같이, 마찰판(10)은 냉각핀(20)이 성형되어 접합되는 부분에 냉각핀(20)에 대응되도록 일정 깊이와 폭을 가지는 다수개의 홈(12)을 형성하는 것이다.

상기와 같이 도 4의 실시예는 제1성형단계(S10)에서 마찰판(10)의 일측면에 다수개의 홈(12)이 형성되도록 마찰판(10)을 주조하고, 이 마찰판(10)을 이용하여 제2성형단계(S50)에서 냉각핀(20)과 장착판(30)을 주조함으로써, 각각의 냉각핀(20)의 상,하단부가 마찰판(10)의 표면 안쪽으로 일정 깊이 침입하여 성형되도록 하는 것이다.

이러한 경우 마찰판(10)과 냉각핀(20)의 접합부 면적이 증대되어 접합력이 향상되고, 이로 인해 접합부에서의 기계적 강도가 향상됨으로써, 구조적으로 보다 견고한 브레이크 디스크(1)를 제조할 수 있게 된다.

따라서 본 발명은 브레이크 디스크(1)의 마찰판(10)을 알루미늄 기지 복합재로 주조하고, 냉각핀(20)과 장착판(30)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 주조하여 이종(異種) 재질로 제작함으로써, 강화입자 투입에 따른 주조 성능 저하를 보완하여 주조가 용이함과 동시에 제조 비용이 절감되며, 또한 브레이크 디스크(1)의 경량화는 물론 열발산 성능 및 내마모성이 향상될 수 있어 브레이크 디스크(1)의 수명을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

이상, 상기의 실시 예는 단지 설명의 편의를 위해 예시로서 설명한 것에 불과하므로 특허청구범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술 범주 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 브레이크 디스크
10 : 마찰판 12 : 홈
15,35 : 관통공 20 : 냉각핀
30 : 장착판 36 : 결합공
S10 : 제성형단계 S20 : 마찰판 설치단계
S30 : 내부 주형 설치단계
S40 : 마찰판 예열단계 S50 : 제2성형단계

Claims (7)

1. 강화입자를 일정 비율로 혼합하여 분산시킨 알루미늄 기지 복합재를 이용하여 한 쌍의 마찰판을 성형하는 제1성형단계;
   상기 제1성형단계에서 제작된 마찰판을 서로 이격되어 마주보도록 주금형 내에 설치하는 마찰판 설치단계;
   상기 마찰판 사이에 냉각핀과 장착판 성형을 위한 주형과 코어를 설치하는 내부 주형 설치단계; 및
   상기 금형에 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 특정 온도로 용탕하여 상기 주형에 용입하는 제2성형단계;
   를 포함하여 구성되는 철도 차량용 브레이크 디스크 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 알루미늄 기지 복합재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금에 세라믹입자(SiC)를 분산시킨 것을 특징으로 하는 철도 차량용 브레이크 디스크 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 알루미늄 기지 복합재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금에 산화 알루미늄(Al₂O₃) 입자를 분산시킨 것을 특징으로 하는 철도 차량용 브레이크 디스크 제조방법.
4. 제2항에 있어서,
   상기 알루미늄 기지 복합재는 세라믹입자(SiC)가 부피 비율로 10~30% 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 브레이크 디스크 제조방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제2성형단계는 상기 마찰판과 냉각핀 및 장착판의 접합 강도 향상을 위해 마찰판, 금형(주형), 및 코어를 예열하는 마찰판 예열단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 브레이크 디스크 제조방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 마찰판 예열단계는 상기 마찰판, 금형(주형), 및 코어를 300~550℃로 예열하는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 브레이크 디스크 제조방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1성형단계는 상기 냉각핀이 상기 마찰판 표면을 일정 깊이 침입하여 성형되도록 마찰판 표면에 상기 냉각핀의 성형위치에 대응되도록 다수개의 홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 브레이크 디스크 제조방법.
   

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