KR20130088312A

KR20130088312A - 브레이크용의 소결 마찰재 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20130088312A
Application number: KR1020120009471A
Authority: KR
Inventors: 김성희
Original assignee: 주식회사 에스지오
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2013-08-08

Abstract

본 발명은, 브레이크용의 패드로 사용하기 위한 브레이크용의 소결 마찰재 및 그 제조방법의 개량에 관한 것이다.
본 발명은, 메탈 결합상의 내마멸성 및 강성을 높게 하여 충분한 정밀도를 가지게 함과 동시에, 결합상 표면의 미세적인 붕괴를 촉진시켜 브레이크용 패드로서 사용 시에 주입자의 돌출이 용이하도록 하며, 더구나 주 입자가 장기간 동안 성능을 유지하도록 하는 브레이크용의 소결 마찰재 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 주 입자의 집중도를 20％∼40％(Vol)로 하고, 보조 입자로서 다공질의 Ba2Co3 입자를 10％∼30％(Vol) 함유시키며, 메탈 결합제는 Cu, Fe, Ni, W, Co, Sn, Ag로부터 선택되는 2종 이상의 금속 함량을 20％∼50％(Vol)로 하고, 유리질 입자로서 SiO₂, Al₂O₃, SiC, B₂O₃, RO, R₂O를 10％∼30％(Vol) 함유시켜 성형 소결한 후에, 진공 함침기에서 윤활유를 다공질 Ba₂Co₃의 기공 내에 함침시킨 브레이크용의 소결 마찰재 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 소결 마찰재 및 그 제조 방법은, 브레이크의 패드로 사용 중에 소결 마찰재 입자의 성질이 항상 유지되며, 내마모성이 크며, 수명이 길어진다. 또한, 브레이크의 패드로 사용 중에 용착이나 눈메움이 발생되기 어렵고, 버닝도 발생되기 어렵게 된다.

Description

브레이크용의 소결 마찰재 및 그 제조 방법{Sintered friction material for brake pad and method of manufacturing the same}

본 발명은, 브레이크용의 패드로 사용하기 위한 브레이크용의 소결 마찰재 및 그 제조방법의 개량에 관한 것이다.

종래로부터 금속 결합상 중에 경질 입자를 분산시킨 소결 금속 마찰재, 또는 수지 결합상 중에 경질 입자를 분산시킨 레진 마찰재가 많이 사용되어 왔다.

소결 금속 마찰재는 결합상의 내마멸성과 강성이 크기 때문에, 소결 금속 마찰재의 마멸이나 굽힘에 따른 변형이 작고, 높은 내마모성을 얻을 수 있다는 장점을 가지지만, 브레이크용의 패드로 사용하는 경우에는, 결합상의 경도가 높기 때문에 주 입자의 마멸에 따라 결합상이 후퇴하여 주 입자의 돌출량을 일정 크기 이상으로 유지시키는 작용이 어렵고, 비교적 조기에 주 입자의 성능이 나빠지는 결점을 가지고 있었다.

한편, 레진 마찰재의 경우에는, 소결 금속 마찰재와는 반대로, 주 입자의 돌출 작용이 우수하고, 주 입자의 양호한 성능이 유지되는 반면에, 소결 금속 마찰재의 마멸이나 굽힘에 따른 변형이 크고, 형상 불량에 이르기까지의 사용가능 기간이 짧다는 결점을 가지고 있다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 메탈 결합상의 내마멸성 및 강성을 높게 하여 충분한 정밀도를 가지게 함과 동시에, 결합상 표면의 미세적인 붕괴를 촉진시켜 브레이크용 패드로서 사용 시에 주 입자의 돌출이 용이하도록 하며, 더구나 주 입자가 장기간 동안 성능을 유지하도록 하는 브레이크용의 소결 마찰재 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 브레이크용의 소결 마찰재 및 그 제조방법은, 주 입자(1)의 집중도를 20％∼40％(Vol)로 하고, 보조 입자(2)로서 다공질의 Ba₂Co₃ 입자를 10％∼30％(Vol) 함유시키며, 메탈 결합제(4)는 Cu, Fe, Ni, W, Co, Sn, Ag로부터 선택되는 2종 이상의 금속 함량을 20％∼50％(Vol)로 하고, 유리질 분말(3)로서 SiO₂, Al₂O₃, SiC, B₂O₃, RO, R₂O를 10％∼30％(Vol) 함유시켜 성형 소결한 후에, 진공 함침기에서 윤활유를 다공질 Ba₂Co₃의 기공 내에 함침시킨 것을 특징으로 한다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명의 소결 마찰재는 브레이크의 패드로 사용 중에 입자의 성질이 항상 유지되며, 내마모성이 크며, 수명이 길어진다. 또한, 브레이크의 패드로 사용 중에 용착이나 눈메움이 발생되기 어렵고, 버닝도 발생되기 어렵게 된다.

도 1은 본 발명의 소결 마찰재의 조직 구성을 나타내는 상태도

본 발명의 소결 마찰재는 주 입자의 함량, 보조입자의 종류 및 성분, 유리질 입자의 종류 및 성분, 메탈 결합제의 종류 성분을 여러 가지로 변화시킨 시험을 행하여 얻어진 것이다.

본 발명의 소결 마찰재는, 주 입자(1)의 집중도를 20％∼40％(Vol)로 한다. 주 입자의 집중도가 19％ 이하로 되는 경우는 브레이크의 패드로 사용 중에, 내마모성은 좋으나 형상변형이 심하고, 수명이 떨어지는 상태이고, 집중도가 41％ 이상으로 높으면, 마모가 거의 안되며 발열이 발생하여 소결 마찰재의 열변형을 가져오며, 형상 변형은 거의 없고, 상대적으로 수명이 길어지는 현상이 발생하기 때문에 집중도는 20％∼40％(Vol) 사이가 최적이다.

소결 마찰재의 제조에서, 보조 입자(2)로서 다공질의 Ba₂Co₃ 입자를 10％∼30％(Vol) 함유시키며, 보조 입자의 함량은 주 입자 함량의 50％∼80％(Vol)로 하고, 주 입자와 보조입자의 합계 용적율은 소결 마찰재 전체의 용적에 대하여 40～60％(Vol)로 하며, 보조 입자의 크기를 주 입자의 3/5～1로 한다. 주 입자와 보조입자의 합계 용적율을 60％ 보다 크게 한 경우는 피삭재에 연삭 버닝이 발생하기 쉽기 때문에 바람직하지 않다. 보조입자의 용적율이 소결후의 용적율의 10％보다 낮은 경우는 연삭표면 거칠기의 개선 효과가 기대되기 힘들며, 보조입자의 용적율이 소결후의 용적율의 30％ 보다 높은 경우는 소결 마찰재의 마멸량을 증가시키고 절삭량도 저하시켜서 다듬질 성능을 악화시키는 문제가 발생한다.

높은 경도는 주 입자로서의 필요 조건이지만, 전체의 경질 입자 중에서 마찰에 관여하는 것은 주로 주 입자이며, 보조입자인 다공질의 Ba₂Co₃ 입자는 주 입자의 유지와 다공질 Ba₂Co₃ 입자의 기공에 윤활유가 진공 함침됨에 따라서 윤활 작용을 가진다.

또한 보조입자(2)는 특히 금속에 대하여 화학적으로 불활성이며, 그 우수한 파쇄성과 맞물려서 소결 금속 마찰재의 작용면으로의 용착에 의한 눈메움 현상이 없다. 따라서 보조 입자를 사용하는 소결 금속 마찰재는 입자의 내마모성이 양호하고, 긁힘이나 연삭 버닝 등의 문제도 현저히 억제된다. 또한 보조 입자인 다공질 Ba₂Co₃ 입자의 기공에 윤활유가 함침되어 있으므로, 반 건식의 마찰에도 유리하다.

보조입자의 입자경은 분산을 좋게하기 위하여 작을수록 좋고, 주 입자와 동등한 크기를 가지거나 주 입자보다 약간 작은 것이 바람직하다. 주 입자에 비해 보조입자의 입자의 크기가 3/5보다 작은 경우는 충진 밀도가 상승하고, 또한 보조입자가 주 입자보다 큰 경우에는 균일한 소결 마찰재의 표면에 의한 마멸억제 효과가 없어지고, 다듬질면 거칠기, 다듬질면 상태와 다듬질 성능에 악영향을 미치게 된다. 따라서 보조 입자는 주 입자의 크기에 대하여 3/5～1의 크기를 가지는 것이 바람직하다.

메탈 결합제(4)는 Cu, Fe, Ni, W, Co, Sn, Zn, Al, Ag, Ge, Si로부터 선택되는 2종 이상의 금속 함량을 20％∼50％(Vol)로 한다. 또한, 메탈 결합제량의 전체를 100wt％로 한 때에, 각 메탈 성분의 조성은 Cu 10～40wt％, Sn 10～40wt％, Ni 10～20wt％, Fe 10～30wt％, W 10～20wt％, Co 10～25wt％, Ag 3～15wt％ 함유시키고, 메탈 결합제의 Sn 성분은 Cu-Sn 합금 분말로써 배합한다.

Sn, Zn, Al은 저융점 금속으로, 금속 결합상의 소결을 높이기 위하여 또한 금속간 화합물을 생성시키기 위하여 첨가되므로, 그 함유량이 20％ 미만이면, 금속간 화합물을 충분히 생성시킬 수 없게 되어 본 발명의 효과가 얻어지기 어렵게 된다. 반대로 Sn, Zn, Al의 함유량이 25wt％ 보다 많아지면 금속 결합상이 너무 연질로 되어 내마멸성 및 강성이 충분하지 않게 되어 역시 본 발명의 소기의 목적을 달성할 수 없게 되며, 특히 Sn의 함량 증가는 제조 원가의 측면에서도 바람직하다.

Si 및 Ge로부터 선택되는 1종 또는 2종의 IVb족 원소를 1～6wt％ 함유시키는데, 그 함유량이 이 보다 많아지면, 연삭 중에 주 입자층으로 피삭재가 용착하기 어렵게 되며, 마찰면으로의 용착에 의한 소결 금속 마찰재의 눈메움이나, 마찰 저항의 증대를 억제하여 입자의 성능이 향상되는 효과가 얻어진다. 그 반면에 금속 결합상의 취성이 증가되어 충분한 강도가 얻어지지 않고, 소결시에 소결 마찰재에서 균열이 발생하기 쉽게 되기 때문에 1～6wt％를 함유시키는 것이 적절하다.

Ag, Cu, W, fe, Ni, Co와 같은 고융점 금속은, 금속 결합상의 기초로 되는 기계적 특성을 규정하는 것으로, 그 함유량이 54wt％ 미만이면, 금속 결합상의 내마모성 및 강성을 충분히 높일 수가 없으며, 본 발명의 소기의 효과를 달성할 수가 없다. 또한 고융점 금속의 함유량이 80wt％보다 많으면, 주 입자의 돌출이 어렵게 된다. Ag는 Si, Ge와 같은 IVb족 원소를 첨가함에 의한 금속 결합상의 취성 증가나 소결시의 소결 마찰재의 균열을 방지하는 효과를 가진다. 소결 조건 등의 적절한 설정에 의해 소결 마찰재의 균열 등을 방지할 수 있다면, Ag를 반드시 첨가할 필요는 없으나 IVb족 원소의 함유량이 비교적 많은 경우에는 15wt％ 이하의 범위에서 첨가하는 것이 좋다. Ag의 첨가량이 15wt％를 넘으면, 금속 결합상의 강도는 증가하나, 저항이 높아지고 주 입자의 성능은 나빠진다.

유리질 분말(3)로는 SiO₂, Al₂O₃, SiC, B₂O₃, RO, R₂O를 10％∼30％(Vol) 함유시켜 성형 소결한다. 배합되는 유리질 분말(3) 전체의 화학 조성을 100％(wt)하는 때에, SiO₂ 47～53％(wt), Al₂O₃17～30％(wt), SiC 20∼25％(wt), B₂O₃ 9～15％(wt), RO 6～14％(wt), R₂O 4～16％(wt)로 한다. 주 입자는 약 700℃에서 산화가 진행되기 때문에, 가급적 낮은 온도에서 유리질로 변화하기쉬운 조성을 가진 유리질 분말을 선택하여야 하며, 그 화학조성은 SiO₂ 47～53％(wt), Al₂O₃ 17～30％(wt), SiC 20∼25％(wt), B₂O₃ 9～15％(wt), RO 6～14％(wt), R₂O 4～16％(wt)의 범위가 최적의 조성으로 나타나고 있다. 상기의 화학성분에서 RO는 알칼리 토류금속 산화물로서, ZnO, PbO, CaO, MgO, BaO, FeO로부터 선택되는 1종 이상의 산화물이며, R₂O는 알칼리 금속산화물로서 Li₂O, Na₂O, K₂O로부터 선택되는 1종 이상의 산화물을 나타낸다.

B₂O₃의 함유량을 9～15％로 한 것은, B₂O₃의 함유량이 너무 낮으면 충분한 소결을 위하여 높은 소결온도가 필요하여 본 발명의 목적을 달성하기 어렵기 때문이다. B₂O₃의 함유량이 너무 높으면 용융 점도가 낮아서 유동성이 증대하고, 결합강도가 저하되기 때문이다.

본 발명에 의한 SiO₂의 함유율은 47～53％이다. SiO₂의 함유율이 너무 낮으면 결합강도가 저하되며, SiO₂의 함유율이 너무 높으면 충분한 소결을 위해서는 높은 소결온도가 필요하며, 본 발명의 목적을 달성하기 어렵게 된다.

본 발명에 의한 Al₂O₃의 함유량은 17～30％이다. Al₂O₃의 함유율이 너무 낮으면, 소결후의 결합제의 안정성이 저하된다. 또한 Al₂O₃의 함유량이 너무 높으면 용융점도가 높아져서 입자와의 젖음성이 저하된다.

CaO와 MgO의 함유량이 너무 낮으면 충분한 소결을 위해서는 높은 소결온도가 필요하며, CaO와 MgO의 함유량이 너무 높으면 용융 점도가 낮아서 유동성이 증가되고, 입자 유지력이 저하되고, 취성이 커져서 내충격성이 낮아진다. CaO와 MgO는 소결후의 결합제의 안정성의 관점에서 CaO의 함유량은 2.2～2.4％, MgO의 함유량은 3.9～4.1％로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 혼합 입자의 산화를 방지하고, 열팽창계수를 작게하며, 용융상태에서 결합제의 표면 장력을 낮추며, 입자에 대한 젖음성을 증가시켜 강력한 입자 지지력이 얻어지는 산화물로서 MgO 및 ZnO을 적정량 첨가하여야 한다. MgO 및 ZnO는 양 성분이 공존하는 때에 결합제의 열팽창계수를 낮추고, 소결에 의한 수축은 감소하며, 균일하고 강한 결합구조가 형성된다. 결합제에 ZnO를 적정량 첨가하여 용융 결합제의 점도를 낮추어 열팽창계수를 저하시키고, 소성후에 냉각이 완료된 때의 입자의 지지력을 높이지만, MgO가 3.5％ 미만인 때는 결합제의 융화작용이 현저하지 않고, 5.0％를 넘는 다량에서는 용융시의 비정질 점도가 너무 저하되어 입자 유지력이 약하게 되며, 또한 ZnO가 3％ 미만의 소량에서는 열팽창계수의 저하에 수반하여 안정되고 치밀한 결합제층을 가진 소결 마찰재 구조로 하는 효과가 적고, 반대로 9％를 넘는 다량에서는 내화성이 현저하게 되어 입자 표면으로의 융착 작용이 방해되어 바람직하지 않다. 또한, PbO를 3％ 이하 함유시키는 것에 의해 그래스의 용해성, 작업성, 균일성을 향상시킬 수 있지만, 3％를 넘는 경우는 결정화 후의 매트릭스 그래스량을 증가시켜서 유전 손실을 높이므로 바람직하지 않다.

또한 K₂O, Na₂O, Li₂O의 함유율이 너무 낮으면 충분한 소결을 위해 높은 소결온도가 필요하며, 함유율이 너무 높으면 열팽창계수가 높아져서 입자와의 경계부에서 응력집중이 발생하고, 입자가 탈락하기 쉽게 되며, 더욱이 입자와의 열팽창계수의 차이가 커져서 결합력이 저하된다. 따라서 K₂O 3.1～3.3％, Na₂O 7.8～8.0％, Li₂O 2.0～2.2％의 함유율로 하는 것이 바람직하다.

B₂O₃, Li₂O, F₂, P₂O₅, Na2O, K₂O는 결합제 성분 중의 SiO₂의 무정질화가 용이하게 되도록, 700℃의 비교적 저온에서 용융하는 각종 용제로 작용하는데, 미세 입자인 다이아몬드 및 TiC의 산화를 방지하기 위해서는 결합제 중의 강력한 용융제인 B₂O₃, Li₂O, F₂, P₂O₅, Na2O, K₂O를 다량 함유시키는 것은 좋지 않다.

모든 실시예의 소결 금속 마찰재의 화학성분을 하기의 표 1에서 보이는 실시예 1 및 실시예 2와 같이 하였으며, 표1의 비교예 1 및 비교예 2는 종래의 금속 마찰재의 조성을 보이며, 비교예 3 및 비교예 4는 일반적인 레진 마찰재, 비교예 5 및 비교예 6은 각각 통상의 세미 레진 마찰재의 화학 조성을 보이며, 표 1의 조성을 가지는 마찰재를 사용하여 마찰 실험을 행하였다.

표 2는 마찰 실험시의 조건을 나타낸다. 본 실험에서는 건조마찰계수, 습윤 마찰계수, 마찰재마모율, 상대재 마모율 및 인장강도를 측정하였다.

표 2의 마찰 시험 조건에서 시험한 경우의 건조마찰계수, 습윤 마찰계수, 마찰재마모율, 상대재 마모율 및 인장강도를 표 3에 나타낸다. 표 3에서 보이는 바와 같이 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 건조마찰계수, 습윤 마찰계수, 마찰재마모율, 상대재 마모율 및 인장강도는 비교예 1∼비교예 6에서 보이는 종래의 금속 마찰재, 레진 마찰재 또는 세미 레진 마찰재에 비해 매우 우수한 성능을 나타낸다.

본 발명의 소결 금속 마찰재는 자동차, 철도차량, 자전거 및 산업기계 등의 제동 장치에 유용하게 사용될 수 있다.

1 : 주 입자
2 : 보조입자
3 : 유리질 분말
4 : 메탈 결합제

Claims

주 입자의 집중도를 20％∼40％(Vol)로 하고, 보조 입자로서 다공질의 Ba₂Co₃ 입자를 10％∼30％(Vol) 함유시키며, 보조 입자의 함량은 주 입자 함량의 50％∼80％(Vol)로 하고, 주 입자와 보조입자의 합계 용적율은 30～60％로 하며, 보조 입자의 크기를 주 입자의 3/5～1로 하며, 유리질 입자로서 SiO₂, Al₂O₃, SiC, B₂O₃, RO, R₂O를 10％∼30％(Vol) 함유시키고, 메탈 결합제는 Cu, Fe, Ni, W, Co, Sn, Ag로부터 선택되는 2종 이상의 금속 함량을 20％∼50％(Vol)로 하고, 메탈 결합제량의 전체를 100wt％로 한 때에, 각 메탈 성분의 조성은 Cu 10～40wt％, Sn 10～40wt％, Ni 10～20wt％, Fe 10～30wt％, W 10～20wt％, Co 10～25wt％, Ag 3～15wt％ 함유시키고, 메탈 결합제의 Sn 성분은 Cu-Sn 합금 분말로써 배합하며, 다공질 소결 마찰재의 소결 후에 진공 함침기에서 윤활유를 다공질 Ba₂Co₃의 기공 내에 함침시킨 것을 특징으로 하는 브레이크용 소결 마찰재의 제조 방법.
제 1항에 의한 제조 방법으로 제조된 브레이크용의 소결 마찰재.