KR20190070741A

KR20190070741A - 브레이크 디스크 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20190070741A
Application number: KR1020170171569A
Authority: KR
Inventors: 정민균; 김윤철; 이윤주; 이병찬; 이재영
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2019-06-21
Also published as: US10436268B2; US20190211894A1; US10274031B1; KR102551671B1

Abstract

본 발명에 의한 브레이크 디스크 제조방법은, 회주철 재질의 브레이크 디스크를 제조하는 방법으로서, 탄소 함량이 3.1~3.7wt%인 회주철 재질로 디스크 본체를 주조하는 제1단계, 주조된 상기 디스크 본체의 표면을 가공성형하는 제2단계, 표면이 가공된 상기 디스크 본체를 540~580℃ 조건에서 50~70분간 질화처리하는 제3단계 및 질화처리된 상기 디스크 본체를 도장하는 제4단계로 구성된다.

Description

브레이크 디스크 및 그 제조방법 {BRAKE DISK AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 브레이크 디스크 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회주철 재질의 일체형 브레이크 디스크 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래에 회주철 재질의 브레이크 디스크를 제조할 때, 일반적으로 응력제거 열처리 및 산질화(oxy-nitriding) 열처리 공정을 사용하였다.

종래의 브레이크 디스크 제조방법의 예시를 간단히 설명하면, 먼저 회주철 재질의 브레이크 디스크 본체를 주조하고, 약 650℃에서 3시간 동안 응력제거 열처리를 행하여 잔류응력을 제거한 후, 570~610℃의 온도와 NH₃, N₂, CO₂ 분위기에서 8~11시간 동안 질화 처리하고, 550℃의 온도와 스팀 분위기에서 10~20분 동안 산화 처리를 수행하였다.

그러나 이러한 제조방법을 사용할 경우, 응력제거 및 산질화 처리에 지나치게 많은 시간이 소모되므로 원가 상승이 과다하고, 도 1에 도시된 바와 같이, 브레이크 디스크의 표면에 1~3㎛ 두께의 산화층, 1~5㎛ 두께의 기공층, 5~20㎛ 두께의 화합물층, 0.1~0.5mm 두께의 확산층 등 다양한 종류의 층상 구조가 형성되어 고른 물성을 나타내기 어려운 문제가 있었다.

따라서, 종래에 비해 간단한 공정으로 제조할 수 있으면서, 내식성을 향상시킬 수 있는 새로운 브레이크 디스크 제조방법이 요구되고 있는 실정이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-1288830 B (2013.07.17)

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 응력제거 열처리를 삭제할 수 있고 내식성을 향상시킬 수 있는 브레이크 디스크 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 디스크 제조방법은, 회주철 재질의 브레이크 디스크를 제조하는 방법으로서, 탄소 함량이 3.1~3.7wt%인 회주철 재질로 디스크 본체를 주조하는 제1단계, 주조된 상기 디스크 본체의 표면을 가공성형하는 제2단계, 표면이 가공된 상기 디스크 본체를 540~580℃ 조건에서 50~70분간 질화처리하는 제3단계 및 질화처리된 상기 디스크 본체를 도장하는 제4단계로 구성된다.

상기 제3단계는, 표면에 4~6㎛ 두께의 질화물층이 형성되도록 상기 디스크 본체를 질화처리할 수 있다.

상기 제3단계는, 상기 디스크 본체와 상기 질화물층 사이에 두께 0.2mm 이하의 확산층이 형성되도록 상기 디스크 본체를 질화처리할 수 있다.

상기 제3단계는, NH₃, N₂, CO₂ 분위기에서 상기 디스크 본체를 질화처리할 수 있다.

상기 제1단계는, 탄소 함량이 3.1~3.6wt%인 회주철 재질로 디스크 본체를 주조할 수 있다.

한편, 브레이크 디스크는, 회주철 재질의 브레이크 디스크로서, 중량%로, C: 3.1~3.7%, Si: 1.7~2.5%, P: 0.2% 이하(0% 제외), S: 0.15% 이하(0% 제외), 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 재질로 주조된 브레이크 디스크 본체 및 상기 브레이크 디스크 본체의 표면에 형성된 4~6㎛ 두께의 질화물층을 포함한다.

상기 브레이크 디스크 본체와 상기 질화물층 사이에 형성된 두께 0.2mm 이하의 확산층을 더 포함할 수 있다.

상기 질화물층의 표면에는, 철 산화물을 포함하는 산화층 및 복수 개의 기공을 포함하는 기공층이 형성되지 않는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 브레이크 디스크 및 그 제조방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 응력제거 열처리를 삭제하여 공정시간 및 공정비용을 감소시킬 수 있다.

둘째, 산화 처리를 삭제하고 질화 처리만 수행하면서 동등한 수준의 내식성을 확보할 수 있다.

셋째, 응력제거 열처리를 삭제하여도 DTV 변형량을 낮게 유지할 수 있다.

도 1은 종래의 산질화 처리된 브레이크 디스크의 표층부 단면 사진,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 디스크 제조방법의 순서도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 디스크 제조방법의 제3단계의 공정 온도 그래프,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 디스크 제조방법에 따라 제조된 브레이크 디스크의 표층부 단면 사진,
도 5는 본 발명에 따른 실시예 및 비교예들의 질화층의 두께를 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 실시예 및 비교예들의 질화 처리 이전과 이후의 DTV 변화량을 나타낸 그래프이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 브레이크 디스크 및 그 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 디스크 제조방법의 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 디스크 제조방법의 제3단계의 공정 온도 그래프이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 디스크 제조방법에 따라 제조된 브레이크 디스크의 표층부 단면 사진이다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 브레이크 디스크를 제조하는 방법은, 탄소 함량이 3.1~3.7wt%인 회주철 재질로 디스크 본체(100)를 주조하는 제1단계(S100), 주조된 디스크 본체의 표면을 가공성형하는 제2단계(S200), 표면이 가공된 디스크 본체를 540~580℃ 조건에서 50~70분간 질화처리하여 질화층(200)을 형성시키는 제3단계(S300) 및 질화처리된 디스크 본체를 도장하는 제4단계(S400)로 구성된다.

제1단계(S100)는 회주철 재질, 예를 들어, 중량%로, C: 3.1~3.7%, Si: 1.7~2.5%, P: 0.2% 이하, S: 0.15% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 재질로 브레이크 디스크 본체(100)를 주조하게 된다.

이때, 특히 C의 함량을 3.1~3.7%, 더 바람직하게는 3.1~3.6% 범위로 제어하는 것이 중요하다.

C의 함량이 3.1% 미만일 경우 회주철에서 흑연이 제대로 성장하지 않기 때문에 브레이크 디스크의 NVH 성능이 악화될 수 있고, 함량이 3.7%를 초과할 경우 탄소 원자가 질소의 확산을 방해하기 때문에 질화층(200)이 균일하게 성장하지 않고, 질화 처리시 DTV 변형량이 지나치게 커지는 문제가 있다.

Si의 함량이 1.7% 미만일 경우 용탕의 유동성이 저하되어 주조성이 불량해지는 문제가 있고, 함량이 2.5%를 초과할 경우 자유 페라이트의 성장을 촉진시켜 질화층(200)이 마모된 이후 드러난 디스크 본체(100)의 내마모성이 저하될 수 있다.

P의 함량이 0.2%를 초과하면 연성과 인성이 감소하고, S의 함량이 0.15%를 초과하면 용탕의 유동성이 저하되어 주조성이 악화되며 역칠(inverse chill) 조직을 형성하게 된다.

한편 주조되는 브레이크 디스크의 형상 및 크기, 주조 방안 등은 본 발명의 범위를 벗어나므로 이에 대한 더 자세한 설명은 생략하도록 한다.

제2단계(S200)는 주조된 브레이크 디스크 본체(100)의 표면을 다듬는 단계로서, 예를 들어 황삭 및 정삭 단계를 거칠 수 있을 것이다.

제3단계(S300)는 표면 가공이 완료된 브레이크 디스크 본체(100)를 질화처리하여 표면에 질화층(200)을 형성시키는 단계이다.

이를 위해, 브레이크 디스크 본체를 550~570℃ 온도의 NH₃, N₂, CO₂ 분위기에서 1시간 동안 질화 열처리하여, 표면에 4~6㎛ 두께의 질화층(200) 및 사진상 표현되어 있지 않은 두께 0.2mm 이하의 확산층(미도시)을 형성시키되, 질화층(200)이 최외각에 위치하도록 형성시키게 된다. 이때 질화층(200)은 Fe₂ _~3N 및 Fe₄N이 복합적으로 형성되어 있는 층을 의미한다.

제3단계(S300)를 통해 질화 처리만을 수행함으로써, 종래에 산질화 열처리를 통해 형성되는 산화층 및 기공층이 형성되지 않게 된다. 이때 산화층은 Fe₂O₃ 및 Fe₃O₄를 포함하는 철 산화물을 포함하여 질화층, 즉 질화 화합물층의 표면에 형성되는 층을 의미하고, 기공층은 질화층, 즉 질화 화합물층의 내부 또는 표면에 형성된 직경 0.1~2㎛의 기공이 복수 개 모여 이룬 일종의 층상 구조를 의미한다.

제4단계(S400)는 질화 처리된 브레이크 디스크 본체(100)를 코팅 및 도장 처리하여 최종 제품으로 출하하기 위한 단계이다.

한편, 본 발명에 따른 브레이크 디스크는, 도 4에 도시된 바와 같이, 브레이크 디스크 본체(100) 및 질화층(200)을 포함하여 구성된다.

이때, 브레이크 디스크 본체(100)는 C: 3.1~3.7%, Si: 1.7~2.5%, P: 0.2% 이하, S: 0.15% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 재질로 주조되어 브레이크 디스크의 형상을 이루고, 질화층(200)은 브레이크 디스크 본체(100)의 표면에 Fe_2~3N 및 Fe₄N이 복합적으로 형성된 4~6㎛ 두께의 층을 의미한다. 이에 더해서 브레이크 디스크 본체(100)와 질화층(200) 사이에 0.2mm 이하의 확산층이 더 형성될 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 브레이크 디스크 제조방법에 따라 제조된 브레이크 디스크의 실시예 및 비교예에 대해 설명하도록 한다.

도 5는 본 발명에 따른 실시예 및 비교예들의 질화층, 즉 질화 화합물층의 두께를 나타낸 그래프이고, 도 6는 본 발명에 따른 실시예 및 비교예들의 질화 처리 이전과 이후의 DTV 변화량을 나타낸 그래프이다.

표 1에 나타난 바와 같이, 전체가 하나의 덩어리로 구성된 Solid 타입 브레이크 디스크와, 공기 유동 통로가 형성되어 있는 Ventilated 타입 브레이크 디스크를 각각 주조하였다.

이때 브레이크 디스크의 재질은 C: 3.1~3.7%, Si: 1.7~2.5%, P: 0.2% 이하, S: 0.15% 이하, 잔부 Fe를 기반으로 하여 탄소 함량을 표와 같이 조절하였다.

구분	디스크 형상	응력 제거 열처리	탄소 함량	비고
1	Solid	O	3.80wt%	비교예 1
2			3.69wt%	비교예 2
3			3.58wt%	비교예 3
4		X	3.80wt%	비교예 4
5			3.69wt%	실시예 1
6			3.58wt%	실시예 2
7	Ventilated	O	3.79wt%	비교예 5
8			3.68wt%	비교예 6
9			3.55wt%	비교예 7
10		X	3.79wt%	비교예 8
11			3.68wt%	실시예 3
12			3.55wt%	실시예 4

표 1에 나타난 바와 같이, 1 내지 6번 샘플은 Solid 타입 브레이크 디스크이고, 7 내지 12번 샘플은 Ventilated 타입 브레이크 디스크이며, 1 내지 3 및 7 내지 9번 샘플은 응력 제거 열처리를 수행하였고, 4 내지 6 및 10 내지 12번 샘플은 응력 제거 열처리를 수행하지 않았다.

구분	탄소 함량	질화층 두께 (㎛)	비고
1	3.80wt%	1.2 (0.9~1.5)	비교예 1
2	3.69wt%	4.45 (4.1~5.0)	비교예 2
3	3.58wt%	4.65 (4.1~5.3)	비교예 3
4	3.80wt%	1.25 (1.0~1.5)	비교예 4
5	3.69wt%	4.6 (4.1~5.1)	실시예 1
6	3.58wt%	4.95 (4.5~5.4)	실시예 2

표 2 및 도 5에 나타난 바와 같이, 탄소 함량이 3.7wt%를 초과하는 비교예 1 및 비교예 4는 질화층, 즉 질화 화합물층의 두께가 1.2㎛ 수준으로 매우 낮게 형성되는 것을 알 수 있다. 반면 탄소 함량이 3.7wt% 이하인 비교예 2, 비교예 3, 실시예 1 및 실시예 2는 질화층의 평균 두께가 약 4~5㎛이고, 부위별 두께 역시 4.0~5.5㎛로서 충분한 두께를 가지도록 형성된다.

이렇게 탄소 함량에 따라 질화층의 두께가 달라지는 것은 탄소 원자가 질소 원자의 침투 및 확산을 방해하기 때문이다. 따라서, 충분한 두께의 질화층을 형성시키기 위해서는 탄소의 함량을 3.7wt% 이하로 제한할 필요가 있다.

구분	측정 부위	질화처리 전 DTV	질화처리 후 DTV	DTV 변화량
1	외경부	1.5	4.9	3.4
	중앙부	0.9	3.7	2.8
	내경부	1.8	4.4	2.6
2	외경부	1.4	3.4	2
	중앙부	1.8	3.6	1.8
	내경부	1.2	2.6	1.4
3	외경부	1.7	2.8	1.1
	중앙부	1.6	2.6	1
	내경부	2.3	3.2	0.9
4	외경부	1.6	4.9	3.3
	중앙부	1.3	4	2.7
	내경부	1.4	3.5	2.1
5	외경부	0.8	2.8	2
	중앙부	1.4	3.4	2
	내경부	1.1	2.1	1
6	외경부	1.6	2.2	0.6
	중앙부	1.9	2.8	0.9
	내경부	2.3	3.2	0.9
7	외경부	1.6	4.9	3.3
	중앙부	1.4	3.5	2.1
	내경부	1.3	4	2.7
8	외경부	0.8	2.8	2
	중앙부	1.2	2.6	1.4
	내경부	1.6	3.4	1.8
9	외경부	1.2	2.3	1.1
	중앙부	1.1	2.1	1
	내경부	1.1	2.1	1
10	외경부	1.3	4	2.7
	중앙부	0.8	2.8	2
	내경부	1.4	3.4	1.8
11	외경부	1.6	3.4	1.8
	중앙부	1.8	3.6	1.8
	내경부	1.2	2.3	1.1
12	외경부	1.7	2.8	1.1
	중앙부	1.6	2.2	0.6
	내경부	2.3	3.2	0.9

표 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, 탄소 함량이 3.7wt%를 초과하는 1, 4, 7, 10번 샘플은 질화 처리 전후 DTV 변형량이 2㎛를 초과하여 변형량이 큰 것을 알 수 있다. 반면, 탄소 함량이 3.7wt% 이하인 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 12번 샘플은 변형량이 2㎛ 이하로서 허용 범위인 것을 알 수 있다.

한편, 이 중에서 특히 탄소 함량이 3.6wt% 이하인 3, 6, 9, 12번 샘플은 변형량이 1㎛ 수준으로 매우 낮은 것을 알 수 있다.

이는 질화층을 형성할 때 탄소 함량이 높다면 질소 원자의 침투 및 확산이 방해받으므로 질화층의 두께가 불균일하게 형성되기 때문에 DTV의 변형량이 커지게 되는 것이다.

이와 같이, 브레이크 디스크의 형태나, 응력제거 열처리 여부와 무관하게 탄소 함량에 따라 질화층의 형성 두께나 DTV 변형량이 달라지게 된다.

상기 샘플들을 각각 절단하여 시편을 마련하고, 33~37℃, 습도 95% RH 환경에서 산성도 pH 6.5~7.2, 농도 4~6w/v%인 염수액을 0.5~3ml/h 속도로 분사하여 염수분무 시험을 수행하였다.

이러한 염수분무 시험 결과가 도 7 및 도 8에 도시되어 있다. 도 7에는 1 내지 6번 샘플의 시험 결과가 나타나 있고, 도 8에는 7 내지 12번 샘플의 시험 결과가 나타나 있다.

도시된 바와 같이, 탄소 함량이 3.7wt%를 초과하는 1, 4, 7, 10번 샘플은 예외 없이 3시간 시험 이후 부식이 발생되었고, 나머지 중 2번 샘플은 6시간 시험 이후 미세한 부식이 관찰되었지만, 2번을 제외한 샘플들에서는 6시간 시험 이후 부식이 발생되지 않았다.

따라서, 본 발명에 따른 브레이크 디스크 제조방법에 따르면, 종래에 수행하였던 응력 제거 열처리를 삭제하고, 산질화 열처리에서 산화처리를 삭제하더라도, 높은 내식성을 나타내면서 낮은 변형량을 나타내어 우수한 NVH 성능을 나타내는 브레이크 디스크를 제조할 수 있는 것이다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 브레이크 디스크 본체
200: 질화층(질화 화합물층)

Claims

회주철 재질의 브레이크 디스크를 제조하는 방법으로서,
탄소 함량이 3.1~3.7wt%인 회주철 재질로 디스크 본체를 주조하는 제1단계;
주조된 상기 디스크 본체의 표면을 가공성형하는 제2단계;
표면이 가공된 상기 디스크 본체를 540~580℃ 조건에서 50~70분간 질화처리하는 제3단계; 및
질화처리된 상기 디스크 본체를 도장하는 제4단계;로 구성되는, 브레이크 디스크 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제3단계는, 표면에 4~6㎛ 두께의 질화물층이 형성되도록 상기 디스크 본체를 질화처리하는 것을 특징으로 하는, 브레이크 디스크 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 제3단계는, 상기 디스크 본체와 상기 질화물층 사이에 두께 0.2mm 이하의 확산층이 형성되도록 상기 디스크 본체를 질화처리하는 것을 특징으로 하는, 브레이크 디스크 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제3단계는, NH₃, N₂, CO₂ 분위기에서 상기 디스크 본체를 질화처리하는 것을 특징으로 하는, 브레이크 디스크 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제1단계는, 탄소 함량이 3.1~3.6wt%인 회주철 재질로 디스크 본체를 주조하는 것을 특징으로 하는, 브레이크 디스크 제조방법.
회주철 재질의 브레이크 디스크로서,
중량%로, C: 3.1~3.7%, Si: 1.7~2.5%, P: 0.2% 이하(0% 제외), S: 0.15% 이하(0% 제외), 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 재질로 주조된 브레이크 디스크 본체; 및
상기 브레이크 디스크 본체의 표면에 형성된 4~6㎛ 두께의 질화물층;을 포함하는, 브레이크 디스크.
청구항 6에 있어서,
상기 브레이크 디스크 본체와 상기 질화물층 사이에 형성된 두께 0.2mm 이하의 확산층;을 더 포함하는, 브레이크 디스크.
청구항 6에 있어서,
상기 질화물층의 표면에는, 철 산화물을 포함하는 산화층 및 복수 개의 기공을 포함하는 기공층이 형성되지 않는 것을 특징으로 하는, 브레이크 디스크.