KR20200032736A - 브레이크 디스크의 제조 방법 및 디스크 브레이크용 브레이크 디스크 - Google Patents

브레이크 디스크의 제조 방법 및 디스크 브레이크용 브레이크 디스크 Download PDF

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Abstract

본 발명은: a) 브레이킹 밴드를 포함하고, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 또는 주철 또는 강철로 제조된, 2개의 대향 브레이킹 표면이 제공되는, 디스크 브레이크를 제공하는 단계; b) 상기 디스크 상에 입자 형태로 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr)의 층을 침착시켜, 이와 직접 접촉하는 상기 브레이킹 밴드의 2개의 브레이킹 표면 중 적어도 하나를 보호하는 기초 보호 코팅 (30)을 형성하는, 침착 단계; 및 c) 상기 기초 보호 코팅 (30) 상에 탄화 텅스텐 (WC), 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어진 입자 형태의 물질을 침착시켜, 탄화 텅스텐 (WC), 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어지고, 브레이킹 밴드의 2개의 브레이킹 표면 중 적어도 하나를 보호하는 표면 보호 코팅 (3)을 형성하는, 침착 단계를 포함하는, 브레이크 디스크의 제조 방법에 관한 것이다. 보호 코팅 모두는, HVOF (고속 산소 연료) 또는 HVAF (고속 공기 연료) 또는 KM (동역학적 금속화) 기술에 의해 만들어진다.

Description

브레이크 디스크의 제조 방법 및 디스크 브레이크용 브레이크 디스크
본 발명은, 브레이크 디스크 (brake disc)의 제조 방법 및 디스크 브레이크용 브레이크 디스크에 관한 것이다.
차량의 디스크 브레이크 시스템의 브레이크 디스크는, 환형 구조, 또는 브레이킹 밴드 (braking band), 및 벨 (bell)로 알려진, 중앙 고정 요소 (central fixing element)를 포함하며, 이를 통해 디스크는 차량 현가장치의 회전 부, 예를 들어, 허브 (hub)에 고정된다. 브레이킹 밴드는, 브레이킹 밴드의 양쪽에 걸쳐서 배치된 적어도 하나의 켈리퍼 바디 (caliper body)에 하우징되며, 차량 현가장치의 비-회전 구성요소와 통합되는, 마찰 요소 (브레이크 패드 (brake pads))와 협력하도록 개조된 대향 브레이킹 표면이 제공된다. 상기 브레이킹 밴드의 대향 브레이킹 표면과 대향 브레이크 패드 사이에 제어된 상호작용은, 차량의 감속 또는 정지를 가능하게 하는 마찰에 의한 브레이킹 작용을 결정한다.
일반적으로, 브레이크 디스크는 회주철 (gray cast iron) 또는 강철로 제조된다. 실제로, 이 물질은, 비교적 저렴한 비용으로 (특히 마모 억제의 측면에서) 우수한 브레이킹 성능을 얻는 것을 가능하게 한다. 탄소 또는 탄소-세라믹 물질로 제조된 디스크는, 훨씬 더 우수한 성능을 제공하지만, 훨씬 고가이다.
주철 또는 강철로 제조된, 전통적인 디스크의 한계는, 과도한 마모와 관련이 있다. 회주철로 제조된 디스크와 관련하여, 또 다른 매우 부정적인 관점은, 과도한 표면 산화와, 그에 따른 녹의 형성과 관련이 있다. 이러한 관점은, 브레이크 디스크의 성능 및 이의 외관에 모두에 영향을 미치는데, 이는 사용자가 브레이크 디스크의 녹을 미관적으로 받아들일 수 없기 때문이다. 회주철 또는 강철로 제조된 디스크에 보호 코팅 (protective coatings)을 제공하여 이러한 문제를 해결하려는 시도가 있었다. 한편, 보호 코팅은 디스크 마모를 감소시키며, 다른 한편으로, 회주철 베이스를 표면 산화로부터 보호하여, 이에 의해 녹의 층의 형성을 방지한다. 그러나, 현재 디스크에 내-마모성을 제공하면서, 이용 가능하고 적용된, 보호 코팅은 박리될 수 있으며, 이로 인해 디스크 자체에서 분리될 수 있다.
알루미늄으로 제조된 디스크는, 디스크의 중량을 줄이기 위해 회주철 또는 강철로 제조된 디스크에 대한 대안으로 제시되었다. 알루미늄 디스크는 보호 코팅이 제공된다. 한편, 보호 코팅은 디스크 마모를 감소시키고, 이에 의해 주철 디스크와 비슷한 성능을 보장하며, 다른 한편으로, 알루미늄의 연화점 (200-400℃)보다 훨씬 더 높은, 브레이킹 동안에 발생된 온도로부터 알루미늄 베이스를 보호한다.
그러나, 현재 내-마모성을 제공하면서, 알루미늄 디스크 및 회주철 또는 강철 디스크에 사용 가능하고 적용되는 보호 코팅은 박리될 수 있어 디스크 자체에서 분리될 수 있다.
이러한 타입의 보호 코팅은, 예를 들어, 저-마모 디스크 브레이크와 관련된, 특허 US4715486호에 기재되어 있다. 특히 주철로 제조된, 디스크는, 높은 운동 에너지 충격 기술 (kinetic energy impacting technique)에 의해 디스크 상에 침착된 (deposited) 입자 물질로 제조된 코팅을 갖는다. 제1 구체 예에 따르면, 상기 코팅은 20% 내지 30%의 탄화 텅스텐 (tungsten carbide), 5%의 니켈, 및 잔여 부분으로 크롬 탄화물 및 텅스텐의 혼합물을 함유한다. 제2 구체 예에 따르면, 상기 코팅은 80% 내지 90%의 탄화 텅스텐, 최대 10%의 코발트, 최대 5%의 크롬 및 최대 5%의 탄소를 함유한다.
화염 분무 기술 (flame spray techniques)로 코팅을 적용하는 경우, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 디스크로부터 종래의 보호 코팅의 분리 때문에 보호 코팅에 유리 탄소 (free carbon)가 존재한다. 이러한 현상은 또한 회주철 또는 강철로 제조된 디스크에도 영향을 미친다. 실제로, 형성되는 보호 코팅에 혼입된 산소와 결합하여, 탄소는 연소되는 경향이 있다. 이것은 코팅 내부에 미세-기포 (micro-bubbles)의 형성을 초래하여, 디스크 상으로 코팅의 적절한 부착을 방해할 수 있고, 이에 의해 이의 제거를 가능하게 한다.
전술된 바로부터, 보호 코팅이 제공된 알루미늄 또는 알루미늄 합금 또는 회주철 또는 강철로 제조된 디스크는, 현재 브레이킹 시스템의 분야에 사용될 수 없음이 명백하다.
그러나, 보호 코팅에 의해 보장되는, 내-마모성의 측면에서 이점을 고려하여, 종래 기술을 참조하여 전술된 단점을 해결하기 위한 필요성은, 기술분야에서 강하게 요구된다. 특히, 디스크의 내-마모성을 증가시킬 수 있고, 동시에 시간에 걸쳐 강해지는 보호 코팅이 장착된 회주철 또는 강철, 또는 알루미늄 디스크에 대한 요구가 있다.
본 출원인은, 회주철 또는 강철로 제조된 디스크에 대한 국제 출원 WO2014/097187호 및 알루미늄 디스크에 대한 국제 출원 WO2014/097186호에서 전술한 문제점에 대한 해법을 제안하였다.
회주철 또는 강철로 제조된 디스크의 경우, 70 내지 95중량%의 탄화 텅스텐, 5중량% 내지 15중량%의 코발트 및 1중량% 내지 10중량%의 크롬으로 이루어진 입자 형태의 물질을 침착하여 얻어진 디스크 브레이크의 브레이킹 표면 상에 보호 코팅을 만드는 것으로 이루어진다. 입자 형태의 물질의 침착은, HVOF (고속 산소 연료 (High Velocity Oxygen Fuel)) 또는 HVAF (고속 공기 연료 (High Velocity Air Fuel)) 또는 KM (동역학적 금속화 (Kinetic Metallization)) 기술에 의해 얻어진다.
좀 더 상세하게는, WO2014/097187호에 제공된 해법에 따르면, HVOF, HVAF 또는 KM 침착 기술 및 코팅을 형성하는데 사용된 화학 성분의 조합은, 높은 결합 강도를 갖는 보호 코팅을 얻는 것을 가능하게 하여, 회주철 또는 강철에 고도의 고착 (anchoring)을 보장한다. 사용된 입자 물질은, 미량 형태에서 조차도, 유리 탄소 (C)를 함유하지 않았다. 이것은 보호 코팅 박리 현상을 상당히 감소시키는 것을 가능하게 한다.
알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 디스크의 경우, 보호 코팅을 만들기 위해 사용된 입자 형태의 물질은, 80 내지 90중량%의 탄화 텅스텐, 8 내지 12중량%의 코발트 및 2 내지 6 중량%의 크롬으로 이루어진다. 또한, 이 경우에, 입자 형태의 물질의 침착은, HVOF (고속 산소 연료) 또는 HVAF (고속 공기 연료) 또는 KM (동역학적 금속화) 기술에 의해 얻어진다.
회주철 또는 강철 디스크와 유사한 효과를 얻는 것, 즉, 높은 결합 강도 및 박리 감소를 갖는 보호 코팅을 얻는 것은, 유리 탄소의 존재와 연관된다.
회주철 또는 강철로 제조된 디스크에 대해 WO2014/097187호에 제공되거나 또는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 디스크에 대해 WO2014/097186호에 제공되는 해법의 채택은, 공지된 종래 기술에서 확인된 보호 코팅 박리 현상을 상당히 감소시키는 것이 가능하게 하지만, 이를 완전히 제거하는 것은 아니다. 실제로, WO2014/097186호 또는 WO2014/097187호에 따라 제조된 보호 코팅이 제공된 알루미늄 또는 알루미늄 합금 또는 주철 또는 강철로 제조된 디스크에서 조차도, 비록 알려진 종래 기술에서 보다 덜한 빈도일지라도, 보호 코팅의 박리 및 침강 (subsidence)은 계속 발생한다.
국제 출원 WO2017046681A1에서 본 출원인은, 보호 코팅의 박리 및 침강의 문제에 대한 해법을 제공하였다. 특히, 이러한 해법은, 보호 코팅과 브레이킹 표면 사이에 65% 내지 95%의 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 나머지로 니켈-크롬 (NiCr)으로 이루어진 기초 보호 코팅을 제조하는 단계를 포함한다. 표면 보호 코팅은, 80 내지 90중량%의 탄화 텅스텐 (WC) 및 나머지로 코발트 (Co)로 이루어진 기초 보호 코팅 위에 형성된다. 모든 보호 코팅들에 대해 입자 형태의 물질의 침착은, HVOF (고속 산소 연료) 또는 HVAF (고속 공기 연료) 또는 KM (동역학적 금속화) 기술에 의해 얻어진다. 이러한 해법은, 알루미늄, 회주철 또는 강철로 제조된 디스크에 적용될 수 있다.
WO2017046681A1에 의해 제공된 기술적 해법은, 효과적이지만, 표면 보호 코팅에 코발트 (Co)를 함유하는 단점이 있다. 이러한 해법은, 인간 건강에 대한 코발트의 위험성 때문에 더 이상 허용되지 않는다. 실제로, 표면 코팅은, 마모로 인해, 코발트 먼지가 시간이 경과함에 따라 환경으로 분산될 수 있는 위험이 있다.
따라서, 시간이 경과함에 따라 내-마모성을 보장하고, 동시에 코발트를 함유하지 않게 하기 위하여, 알려진 해법보다 박리되지 않거나 또는 훨씬 더 적은 정도로 박리되는 보호 코팅이 제공된 (알루미늄 또는 회주철 또는 강철로 제조된) 디스크에 대한 요구는, 참조 분야 (reference field)에 계속 존재한다.
시간이 경과함에 따라 내-마모성을 보장하고, 동시에 코발트를 함유하지 않도록, 알려진 해법보다 박리되지 않거나 또는 훨씬 더 적은 정도로 박리되는 보호 코팅이 제공된 (알루미늄 또는 회주철 또는 강철로 제조된) 디스크에 대한 요구는, 청구항 1에 따라 브레이크 디스크를 제조하기 위한 방법 및 청구항 14에 따라 디스크 브레이크용 브레이크 디스크에 의해 충족된다.
특히, 이러한 요구는, 다음의 작동 단계를 포함하는 보호 코팅을 갖는 알루미늄으로 제조된 브레이크 디스크를 제조하는 방법에 의해 충족된다:
a) 2개의 대향 브레이킹 표면이 제공된 브레이킹 밴드를 포함하는, 브레이크 디스크를 배열하는 단계로서, 상기 브레이킹 표면 각각은 상기 디스크의 2개의 주요 측면 중 하나를 적어도 부분적으로 한정하며, 상기 브레이킹 밴드는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조되거나 또는 회주철 또는 강철로 제조되는, 브레이크 디스크의 배열 단계;
b) 상기 디스크 상에 HVOF (고속 산소 연료) 기술 또는 HVAF (고속 공기 연료) 기술 또는 KM (동역학적 금속화) 기술에 의해 입자 형태로 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr)의 층을 침착시켜, 이와 직접 접촉하는 상기 브레이킹 밴드의 2개의 브레이킹 표면 중 적어도 하나를 보호하는 기초 보호 코팅을 형성시키는, 침착 단계; 및
c) 상기 기초 보호 코팅 상에 HVOF (고속 산소 연료) 기술 또는 HVAF (고속 공기 연료) 기술 또는 KM (동역학적 금속화) 기술에 의해 탄화 텅스텐 (WC), 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어진 입자 형태의 물질을 침착시켜, 탄화 텅스텐 (WC), 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어진 표면 보호 코팅 (3)을 형성하고, 상기 브레이킹 밴드의 2개의 브레이킹 표면 중 적어도 하나를 보호하는, 침착 단계.
바람직하게는, 상기 기초 보호 코팅을 제조하기 위한 침착 단계 b)에서 침착된 입자 형태의 물질은, 65% 내지 95%의 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 나머지로 니켈-크롬 (NiCr)으로 이루어진다.
특히, 상기 기초 보호 코팅을 제조하기 위한 침착 단계 b)에서 침착된 입자 형태의 물질은 다음 조성물을 가질 수 있다:
- 93중량%의 크롬 탄화물 (Cr3C2), 및 7중량%의 니켈-크롬 (NiCr);
- 90중량%의 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 10중량%의 니켈-크롬 (NiCr);
- 75중량%의 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 25중량%의 니켈-크롬 (NiCr); 또는
- 65중량%의 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 35중량%의 니켈-크롬 (NiCr).
바람직하게는, 상기 기초 보호 코팅을 제조하기 위한 침착 단계 b)에서 침착된 입자 형태의 물질은, 75중량%의 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 25중량%의 니켈-크롬 (NiCr)으로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 니켈-크롬 (NiCr)은, 80중량%의 니켈 및 20중량%의 크롬으로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 표면 보호 코팅을 제조하기 위한 침착 단계 c)에서 침착된 입자 형태의 물질은, 75중량% 내지 87중량%의 탄화 텅스텐 (WC) 및 나머지로 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 표면 보호 코팅을 제조하기 위한 침착 단계 c)에서 침착된 입자 형태의 물질은, 10중량% 내지 17중량%의 철 (Fe), 2.5중량% 내지 5.8중량%의 크롬 (Cr), 0.6중량% 내지 2.2중량%의 알루미늄 (Al) 및 나머지로 탄화 텅스텐 (WC)으로 이루어진다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 표면 보호 코팅을 제조하기 위한 침착 단계 c)에서 침착된 입자 형태의 물질은, 85중량%의 탄화 텅스텐 (WC) 및 15중량%의 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어진다.
본 발명의 특히 바람직한 구체 예에 따르면, 상기 기초 보호 코팅을 제조하기 위한 침착 단계 b)에서 침착된 입자 형태의 물질 및 상기 표면 보호 코팅을 제조하기 위한 침착 단계 c)에서 침착된 입자 형태의 물질은, HVOF (고속 산소 연료) 기술에 의해 침착된다.
바람직하게는, 상기 기초 보호 코팅의 두께는, 20㎛ 내지 60㎛이고, 바람직하게는, 40㎛이다.
바람직하게는, 상기 표면 보호 코팅의 두께는, 30㎛ 내지 70㎛이고, 바람직하게는, 50㎛이다.
유리하게는, 상기 기초 보호 코팅을 형성하기 위한 단계 b)에서 침착된 입자 형태의 물질은, 5 내지 40㎛의 입자 크기를 갖는다.
유리하게는, 상기 표면 보호 코팅을 형성하기 위한 단계 c)에서 침착된 입자 형태의 물질은, 5 내지 45㎛의 입자 크기를 갖는다.
본 발명의 특히 바람직한 구현에 따르면, 상기 침착 단계 b)는, 동일한 표면 상에 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr)을 침착시키는 둘 이상의 개별 단계를 포함하여 기초 보호 코팅을 형성한다.
특히, 상기 침착 단계 b)는, 디스크 상에 직접 기초 보호 코팅의 제1 층을 생성하기 위해 입자 형태로 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr)을 침착시키는 제1 침착 단계 및 상기 제1 층 위에 제2 층을 생성하기 위해 입자 형태로 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr)을 침착시키는 제2 침착 단계를 포함하고, 상기 제1 침착 단계에 침착된 상기 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr)은 상기 제2 침착 단계에 침착된 것보다 더 큰 입자 크기를 갖는다.
더 더욱 특히, 상기 제1 침착 단계에서 침착된 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr)은 30 내지 40㎛의 입자 크기를 갖는 반면, 상기 제2 침착 단계에 침착된 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr)은 5 내지 20㎛의 입자 크기를 갖는다.
바람직하게는, 단계 b)에서, 입자 형태로 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr)의 침착은, 적어도 코팅의 두께와 측면에서 디스크의 표면 상에서 차별화된 방식으로 수행된다.
특히, 디스크의 각 주 면은, 상기 브레이킹 밴드의 브레이킹 표면에 상응하는, 적어도 하나의 제1 환형부에 의해, 및 상기 제1 환형부보다 더 내부에 있고, 차량에 디스크의 장착 영역 (mounting area)을 한정하는, 제2 환형부에 의해 한정된다. 적어도 두 부분을 보호하는 기초 보호 코팅은, 침착 단계 b) 동안 만들어진다. 상기 제1 환형부 상에 형성된 기초 보호 코팅의 두께는, 제2 부분 상에 만들어진 기초 보호 코팅의 두께를 초과한다.
유리하게는, 탄화 텅스텐 (WC), 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)의 침착 단계 c)는, 표면 보호 코팅을 형성하기 위해 동일한 표면 상으로 입자 물질을 침착시키는 둘 이상의 별도의 단계를 포함한다.
특히, 침착 단계 c)는, 기초 보호 코팅 상에 직접 제1 표면 보호 코팅 층을 생성하기 위해 입자 형태의 물질을 침착시키는 제1 침착 단계 및 상기 제1 층 상에 제2 층을 생성하기 위해 입자 형태의 물질을 침착시키는 제2 침착 단계를 포함한다. 상기 제1 침착 단계에서 침착된 입자 물질은, 제2 침착 단계로 침착된 것보다 더 큰 입자 크기를 갖는다.
더더욱 특히, 상기 제1 침착 단계에서 침착된 입자 물질 (탄화 텅스텐, 철, 크롬 및 알루미늄)은, 30 내지 45㎛의 입자 크기를 갖는 반면, 제2 침착 단계에서 침착된 입자 물질은 5 내지 20㎛의 입자 크기를 갖는다.
바람직하게는, 입자 물질 (탄화 텅스텐, 철, 크롬 및 알루미늄)을 침착시키는 단계 c)에서, 입자 물질은 적어도 코팅의 두께의 측면에서 디스크 표면 상에 차별화된 방식으로 침착된다. 특히, 상기 제1 환형부 상에 형성된 표면 보호 코팅의 두께는, 제2 부분 상에 만들어진 표면 보호 코팅의 두께를 초과한다.
특히, 알려진 해법보다 박리되지 않거나 또는 훨씬 더 적은 정도로 박리되는 보호 코팅을 갖춘 디스크에 대한 요구는, 2개의 서로 대향하는 브레이킹 표면이 제공된 브레이킹 밴드를 포함하고, 이들 각각이 상기 디스크의 2개의 주요 면 중 하나를 적어도 부분적으로 한정하는, 디스크 브레이크용 브레이크 디스크에 의해 충족된다.
브레이킹 밴드는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조될 수 있거나 또는 주철 또는 강철로 제조될 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 구체 예에 따르면, 디스크의 브레이킹 밴드는, 회주철로 제조된다. 특히, 전체 디스크는 회주철로 제조된다.
디스크는, 브레이킹 밴드의 2개의 브레이킹 표면 중 적어도 하나를 보호하는 기초 보호 코팅이 제공된다. 상기 기초 보호 코팅은, 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr)으로 이루어지고, HVOF (고속 산소 연료) 기술 또는 HVAF (고속 공기 연료) 기술 또는 KM (동역학적 금속화) 기술에 의해 입자 형태로 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr)을 디스크 상에 직접 침착시켜 얻어진다.
상기 디스크는, 브레이킹 밴드의 2개의 브레이킹 표면 중 적어도 하나를 보호하는 표면 보호 코팅이 더욱 제공된다.
본 발명에 따르면, 상기 표면 보호 코팅은, 탄화 텅스텐 (WC), 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어지며, HVOF 기술 또는 HVAF (고속 공기 연료) 기술 또는 KM (동역학적 금속화) 기술에 의해 입자 형태로 탄화 텅스텐 (WC), 철(Fe) , 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)을 상기 기초 보호 코팅 상에 침착시켜 얻어진다.
바람직하게는, 상기 기초 보호 코팅은, 65중량% 내지 95중량%의 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 나머지로 니켈-크롬 (NiCr)으로 이루어진다.
특히, 상기 기초 보호 코팅은 다음의 조성물을 가질 수 있다:
- 93중량%의 크롬 탄화물 (Cr3C2), 및 7중량%의 니켈-크롬 (NiCr);
- 90중량%의 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 10중량%의 니켈-크롬 (NiCr);
- 75중량%의 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 25중량%의 니켈-크롬 (NiCr); 또는
- 65중량%의 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 35중량%의 니켈-크롬 (NiCr).
바람직하게는, 상기 기초 보호 코팅은, 75중량%의 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 25중량%의 니켈-크롬 (NiCr)으로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 니켈-크롬 (NiCr)은 80%의 니켈 및 20%의 크롬으로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 표면 보호 코팅은, 75중량% 내지 87중량%의 탄화 텅스텐 (WC) 및 나머지로 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어진다.
더더욱 바람직하게는, 상기 표면 보호 코팅은, 85중량%의 탄화 텅스텐 (WC) 및 15중량%의 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어진다.
유리하게는, 상기 기초 보호 코팅의 두께는, 20㎛ 내지 60㎛이고, 바람직하게는 40㎛이다.
유리하게는, 상기 표면 보호 코팅의 두께는, 30㎛ 내지 70㎛이고, 바람직하게는 50㎛이다.
본 발명의 또 다른 특색 및 장점은, 비-제한적인 예에 의해 제공된 바람직한 구체 예의 하기 상세한 설명으로부터 좀 더 이해될 것이다. 여기서:
- 도 1은, 본 발명의 구체 예에 따른 디스크 브레이크의 평면도를 나타낸다; 및
- 도 2는, 도 1의 절취선 II-II를 따라 취해진 디스크의 단면도를 나타낸다.
이하 기재된 구체 예에 대한 공통의 요소 또는 부분은, 동일한 참조 번호를 사용하여 나타낼 것이다.
전술한 도면을 참조하면, 참조 번호 (1)은 본 발명에 따른 브레이크 디스크를 전체로서 나타낸다.
첨부된 도면에 나타낸, 본 발명의 일반적인 구체 예에 따르면, 디스크 브레이크 (1)는, 2개의 대향 브레이킹 표면 (2a 및 2b)이 제공되고, 이들 각각이 디스크의 2개의 주 면 중 하나를 적어도 부분적으로 한정하는, 브레이킹 밴드 (2)를 포함한다.
브레이킹 밴드 (2)는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조될 수 있거나 또는 주철 또는 강철로 제조될 수 있다.
바람직하게는, 브레이킹 밴드는 회주철로 제조된다. 특히, 전체 디스크는 회주철로 제조된다. 따라서, 이하 상세한 설명에서, 회주철로 제조된 디스크에 대해 언급될 것이지만, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 또는 강철로 제조될 가능성을 배제하는 것은 아니다.
디스크 (1)는:
- 브레이킹 밴드의 2개의 브레이킹 표면 중 적어도 하나를 보호하고, 이러한 표면과 직접 접촉하여 만들어진 기초 보호 코팅 (30); 및
- 브레이킹 밴드의 2개의 브레이킹 표면 중 적어도 하나를 보호하고, 상기 기초 보호 코팅 (30)을 보호하도록 만들어진 표면 보호 코팅 (3)이 제공된다.
상기 기초 보호 코팅 (30)은, 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr)으로 이루어지고, HVOF 기술 또는 HVAF 기술 또는 KM (동역학적 금속화)에 기술에 의해 입자 형태로 크롬 탄화물 및 니켈-크롬을 디스크 (1) 상에 직접 침착시켜 얻어진다.
바람직하게는, 상기 기초 보호 코팅 (30)은, 65중량% 내지 95중량%의 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 나머지로 니켈-크롬 (NiCr)으로 이루어진다.
특히, 상기 기초 보호 코팅 (30)은 다음의 조성물을 가질 수 있다:
- 93중량%의 크롬 탄화물 (Cr3C2), 및 7중량%의 니켈-크롬 (NiCr);
- 90중량%의 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 10중량%의 니켈-크롬 (NiCr);
- 75중량%의 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 25중량%의 니켈-크롬 (NiCr); 또는
- 65중량%의 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 35중량%의 니켈-크롬 (NiCr).
바람직하게는, 상기 기초 보호 코팅 (30)은, 75중량%의 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 25중량%의 니켈-크롬 (NiCr)으로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 니켈-크롬 (NiCr)은 80중량%의 니켈 및 20중량%의 크롬으로 이루어진다.
본 발명에 따르면, 표면 보호 코팅 (3)은, 탄화 텅스텐 (WC), 및 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어지고, HVOF 기술 또는 HVAF (고속 공기 연료) 기술 또는 KM (동역학적 금속화) 기술에 의해 입자 형태로 탄화 텅스텐 (WC), 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)을 기초 보호 코팅 (30) 상에 침착시켜 얻어진다.
바람직하게는, 표면 보호 코팅 (3)은 75중량% 내지 87중량%의 탄화 텅스텐 (WC), 및 나머지로 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어진다. 더욱 바람직하게는, 표면 보호 코팅 (3)은, 85중량%의 탄화 텅스텐 (WC), 및 15중량%의 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어진다.
유리하게는, 기초 보호 코팅 (30)의 두께는, 20㎛ 내지 60㎛, 바람직하게는 40㎛이고, 반면에 표면 보호 코팅 (3)의 두께는, 30㎛ 내지 70㎛, 바람직하게는 50㎛이다.
놀랍게도, 탄화 텅스텐 (WC), 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어진 표면 보호 코팅 (3)은, 정상적인 환경 조건에서 내-마모성 및 마찰 거동 (tribological behavior) (마찰, 페이딩 (fading), 런-인 (run-in))의 측면에서 탄화 텅스텐 및 코발트로 이루어진 표면 보호층과 비슷한 거동을 갖는 것으로 확인되었다.
또한, 탄화 텅스텐 (WC), 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어진 표면 보호 코팅 (3)은, 탄화 텅스텐 및 코발트로 이루어진 표면 보호층에 대한 환경 스트레스 (열 충격 및 염해 (salt damage))의 존재하에서 강도의 측면에서 우수한 성능을 갖는 것으로 밝혀졌다.
다시 말해서, 본 발명에 따른 표면 보호 코팅 (WC, Fe, Cr 및 Al)은, 주어진 작동 상황 (환경 스트레스의 존재하에 강도를 참조)에서 완전히 무-코발트 (cobalt-free)이고, 심지어 성능 개선을 나타내는 장점과 함께, 탄화 텅스텐 및 코발트로 제조된 코팅을 완벽히 대체하는 것으로 입증되었다.
또한, WO2017046681A1에 기재된 탄화 텅스텐 및 코발트의 보호층과 유사하게, WC, Fe, Cr로 제조되고, 본 발명에 따른 표면 보호 코팅이 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr)으로 제조된 기초 보호층 (3)에 잘 결합되어, 후자가 이의 부식 방지 기능을 수행하고, 따라서 박리 현상의 시작을 방지하는 것을 가능하게 하는 점이 실험적으로 입증되었다.
실제로, 본 발명에 따른 표면 보호 코팅 (즉, WC, Fe, Cr 및 Al으로 제조)이 장착된 디스크 브레이크에서도, 상기 표면 보호 코팅 (3) 아래에 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr)으로 제조된 기초 보호 코팅 (30)의 존재가 전통적인 디스크에 피해를 입히는 박리 현상을 실질적으로 제거한다는 것이 입증되었다.
좀 더 상세하게는, 보호 코팅을 갖는 전통적인 디스크에서, 박리가 디스크와 코팅 사이에 계면 영역의 산화에 의해 유도되는 것으로 확인되었다. 이러한 산화는, 일반적으로 디스크와 코팅 사이에 수분의 침투에 의해 발생한다. 기초 보호 코팅 (30)을 형성하는 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr) 층의 존재는, 이러한 산화 현상에 효과적으로 대조를 이루고, 이에 의해 내-마모성 기능을 갖는 표면 보호 코팅 (3)의 박리 문제를 해결한다. 다시 말하면, 기초 보호 코팅 (30)은, (탄화 텅스텐, 및 철, 크롬 및 알루미늄으로 제조된) 표면 보호 코팅 (3)의 내-마모성 기능과 관련된, 부식-방지 기능을 갖는다. 부식-방지 작용은, 디스크에 대한 표면 보호 코팅 (3)의 대한 완전성 (integrity) 및 접착력의 이점에 도움이 된다.
기초 보호 코팅 (30)은 또한 표면 보호 코팅을 위한 기계적 "댐핑 (damping)" 기능 (내-마모성)을 수행한다. 실제로, 크롬 탄화물 및 니켈-크롬으로 형성된 기초 보호 코팅 (30)은, 탄화 텅스텐, 철, 크롬 및 알루미늄으로 형성된 표면 보호 코팅 (3)보다 고도의 연성 (ductility)을 갖는다. 이는, 기초 층 (30)에 탄성 거동을 부여하여, 사용시 디스크에 부여되는 스트레스를 - 적어도 부분적으로 - 완화시키는 것을 돕는다. 따라서, 기초 보호 코팅 (30)은, 디스크와 표면 보호 코팅 (3) 사이에 일종의 댐퍼 또는 쿠션으로서 작용한다. 이는, 두 부품들 사이에 스트레스의 직접 전달을 방지하고, 이에 의해 표면 보호 코팅 (3)에 균열이 발생할 위험을 감소시킨다.
내-마모성 기능과 관련하여, 표면 보호 코팅 (3)은, 크롬 탄화물 및 니켈-크롬으로 제조된 기초 보호 코팅 (30)의 존재에 의해 편향되지 않는다.
* * *
간략화를 위해, 브레이크 디스크 (1)는 이하 본 발명에 따른 방법과 함께 설명될 것이다. 브레이크 디스크 (1)는, 바람직하게는, 후술되는 본 발명에 따른 방법으로 제조되지만, 반드시 그런 것은 아니다.
본 발명에 따른 방법의 일반적인 구현에 따르면, 상기 방법은 다음의 작동 단계를 포함한다:
a) 2개의 대향 브레이킹 표면이 제공된 브레이킹 밴드를 포함하는, 브레이크 디스크를 배열하는 단계로서, 상기 브레이킹 표면 각각은 상기 디스크의 2개의 주요 측면 중 하나를 적어도 부분적으로 한정하며, 상기 브레이킹 밴드는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조되거나 또는 회주철 또는 강철로 제조되는, 브레이크 디스크의 배열 단계;
b) 상기 디스크 상에 HVOF (고속 산소 연료) 기술 또는 HVAF (고속 공기 연료) 기술 또는 KM (동역학적 금속화) 기술에 의해 입자 형태로 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr)의 층을 침착시켜, 이와 직접 접촉하는 상기 브레이킹 밴드의 2개의 브레이킹 표면 중 적어도 하나를 보호하는 기초 보호 코팅을 형성시키는, 침착 단계; 및
c) 상기 기초 보호 코팅 상에 HVOF (고속 산소 연료) 기술 또는 HVAF (고속 공기 연료) 기술 또는 KM (동역학적 금속화) 기술에 의해 탄화 텅스텐 (WC), 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어진 입자 형태의 물질을 침착시켜, 탄화 텅스텐 (WC), 및 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어진 표면 보호 코팅을 형성하고, 상기 브레이킹 밴드의 2개의 브레이킹 표면 중 적어도 하나를 보호하는, 침착 단계.
바람직하게는, 상기 기초 보호 코팅 (30)을 제조하기 위한 침착 단계 b)에서 침착된 입자 형태의 물질은, 65% 내지 95%의 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 나머지로 니켈-크롬 (NiCr)으로 이루어진다.
특히, 기초 보호 코팅 (30)을 제조하기 위한 침착 단계 b)에서 침착된 입자 형태의 물질은, 다음 조성물을 가질 수 있다:
- 93중량%의 크롬 탄화물 (Cr3C2), 및 7중량%의 니켈-크롬 (NiCr);
- 90중량%의 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 10중량%의 니켈-크롬 (NiCr);
- 75중량%의 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 25중량%의 니켈-크롬 (NiCr); 또는
- 65중량%의 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 35중량%의 니켈-크롬 (NiCr).
바람직하게는, 상기 기초 보호 코팅 (30)을 제조하기 위한 침착 단계 b)에서 침착된 입자 형태의 물질은, 75중량%의 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 25%의 니켈-크롬 (NiCr)으로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 니켈-크롬 (NiCr)은 80%의 니켈 및 20%의 크롬으로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 표면 보호 코팅 (3)을 제조하기 위한 침착 단계 c)에서 침착된 입자 형태의 물질은, 75중량% 내지 87중량%의 탄화 텅스텐 (WC) 및 나머지로 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 표면 보호 코팅 (3)을 제조하기 위한 침착 단계 c)에서 침착된 입자 형태의 물질은, 10중량% 내지 17중량%의 철 (Fe), 2.5중량% 내지 5.8중량%의 크롬 (Cr), 0.6중량% 내지 2.2중량%의 알루미늄 (Al) 및 나머지로 탄화 텅스텐 (WC)으로 이루어진다.
더욱더 바람직하게는, 얻어진 표면 보호 코팅 (3)은, 85중량%의 탄화 텅스텐 (WC) 및 15중량%의 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어진다.
유리하게는, 브레이크 디스크는, 브레이킹 밴드 (2)에 동심이고 디스크 (1)에 대해 중심에 배열된 환형부 (4)에 의해 구성된, 차량에 디스크를 고정하도록 개조된 부분이 제공된다. 고정부 (4)는, 휠 허브 (wheel hub) (즉, 벨)에 연결 요소 (5)를 지지한다. 상기 벨은 (첨부된 도면에 나타낸 바와 같이) 환형 고정부과 일체로 형성될 수 있거나, 또는 개별적으로 형성된 후 적절한 연결 요소에 의해 고정부에 고정될 수 있다.
환형 고정부 (4)는, 브레이킹 밴드와 동일한 물질, 즉, 회주철 또는 또 다른 적절한 물질로 제조될 수 있다. 벨 (5)은 또한 회주철 또는 다른 적절한 물질로 제조될 수 있다. 특히, 전체 디스크 (즉, 브레이킹 밴드, 고정부 및 벨)는 회주철로 제조될 수 있다.
바람직하게는, 브레이킹 밴드 (2)는 주조 (casting)에 의해 제조된다. 유사하게, 이들이 회주철로 제조된 경우, 고정부 및/또는 벨은 주조에 의해 제조될 수 있다.
환형 고정부는 (첨부된 도면에 나타낸 바와 같이) 브레이킹 밴드와 함께 단일 몸체로 제조될 수 있거나 또는 브레이킹 밴드에 기계적으로 연결된 개별 몸체로 제조될 수 있다.
바람직하게는, 크롬 탄화물 및 니켈-크롬의 층의 침착 단계 b)는, 기초 보호 코팅 (30)이 제조되는 표면을 준비하는 단계 d)에 선행된다. 특히, 표면 준비 단계 d)는, 오일 또는 오물을 제거하도록 구성된 용매로 표면을 세정하는 것으로 이루어진다. 바람직하게는, 준비 단계 d)는, 디스크의 표면 상에 연마 작용, 예를 들어, 샌딩 (sanding) 또는 폴리싱 (polishing)을 포함할 수 있다.
유리하게는, 기초 보호 코팅 (30)을 형성하기 위한 단계 b)에서 침착된 입자 형태의 물질 (크롬 및 니켈-크롬)은, 5 내지 40㎛의 입자 크기를 갖는다. 이러한 범위의 값의 선택은, 코팅에 대한 고 특성 (high properties)의 침착 표면 밀도 및 접착력을 부여할 수 있다.
바람직하게는, 기초 보호 코팅 (3)의 두께는 20㎛ 내지 60㎛이고, 바람직하게는 40㎛이다. 이러한 범위의 값의 선택은, 산화-방지 보호 작용의 효과 및 코팅 자체의 열팽창의 제한 사이에 최적의 균형을 달성하는 것을 가능하게 한다. 다시 말해서: 기초 보호 코팅 (30)의 두께가 20㎛ 미만이면, 충분한 산화-방지 보호 작용은 없을 것이다. 한편, 60㎛를 초과하는 두께는, 디스크 브레이크의 수명 주기 동안 발생하는 열팽창으로 인해 시간이 지나면서 불완전한 접착으로 이어질 수 있다.
기초 보호 코팅 (30)의 상기 두께의 범위 내에서, 상기 기초 보호 코팅 (30)은, 표면 보호 코팅 (3)의 완전성을 보존하는 것을 돕는 전술된 "댐퍼" 효과를 수행할 수 있다.
유리하게는, 표면 보호 코팅을 형성하기 위한 단계 c)에서 침착된 입자 형태 (탄화 텅스텐, 철, 크롬 및 알루미늄)의 물질은, 5 내지 45㎛의 입자 크기를 갖는다. 이러한 범위의 값의 선택은, 코팅에 대한 고 특성의 밀도, 경도 및 제한된 다공성을 부여하는 것을 가능하게 한다.
바람직하게는, 표면 보호 코팅 (3)의 두께는, 30㎛ 내지 70㎛이고, 바람직하게는 50㎛이다. 이러한 범위의 값의 선택은, 보호층의 소모와 코팅 자체의 열팽창의 제한 사이에 최적 균형을 달성할 수 있다. 다시 말해서, 마모의 경우에서, 보호 코팅의 두께가 20㎛ 미만인 경우, 이것은 과도하게 짧은 시간 내에 완전히 제거될 것이다. 한편, 80㎛를 초과하는 두께는, 디스크 브레이크의 수명 주기 동안 발생하는 열팽창에 기인하여 시간이 경과하면서 불완전한 접착으로 이어질 수 있다.
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전술한 바와 같이, 기초 보호 코팅 (30)을 형성하는 크롬 탄화물 및 니켈-크롬, 및 표면 보호 코팅 (3)을 형성하는 탄화 텅스텐, 철, 크롬 및 알루미늄은, HVOF 기술 또는 HVAF 기술 또는 KM 기술에 의해 디스크 및 기초 보호 코팅 (30) 상에 각각 입자 형태로 침착된다.
이들 3가지 침착 기술은 당업자에게 잘 알려져 있으므로 상세히 설명하지 않는다.
HVOF (고속 산소 연료)는, 혼합 및 연소 챔버 및 스프레이 노즐이 제공되는 스프레이 장치를 사용하는 분말 분무 침착 기술 (powder spray deposition technique)이다. 산소 및 연료는 챔버로 공급된다. 축소-확대 노즐 (convergent-divergent nozzle)을 가로질러 1 MPa에 가까운 압력에서 형성되는 고온 연소 가스는, 분말의 물질을 초음속 (즉, MACH 5를 초과)으로 전달한다. 침착될 분말의 물질은, 고온 가스 흐름으로 주입되고, 여기서, 이것은 빠르게 용융되고, 대략 1000m/s의 속도로 가속된다. 일단 이것이 침착 표면 상으로 충격 즉시, 용융된 물질은 빠르게 냉각되고, 높은 운동 에너지 충격으로 인해 매우 고밀도 및 컴팩트한 구조가 형성된다.
HVAF (고속 공기 연료) 침착 기술은 HVOF 기술과 유사하다. 차이점은 HVAF 기술에서 산소 대신 공기가 연소 챔버에 공급되는 점이다. 따라서, 현재 다루는 온도는 HVOF 기술의 온도보다 낮다. 이것은 코팅의 열 변형을 보다 잘 제어할 수 있게 한다.
KM (동역학적 금속화) 침착 기술은, 고체 침착 공정 (solid-state deposition process)으로, 여기서, 금속 분말은, 불활성 기체 흐름에서 금속 입자를 가속 및 마찰전기적으로 대전 (triboelectrically charge)시키는 2단계의 음파 침착 노즐 (sonic deposition nozzle)을 통해 분무된다. 열 에너지는 캐리어 스트림 (carrier stream)에 공급된다. 압축된 불활성 기체 흐름 및 열 에너지의 잠재적 에너지는, 공정에서 분말의 운동 에너지로 전환된다. 일단 고속으로 가속되고 전기적으로 대전되면, 입자는 침착 표면을 향하게 된다. 이러한 표면과 금속 입자의 고-속 충돌은, 입자의 큰 변형 (충격에 수직인 방향으로 대략 80%)을 야기한다. 이러한 변형은, 입자의 표면적에서 엄청난 증가를 결과한다. 충격의 영향으로, 입자와 침착 표면 사이에 밀접한 접촉 (intimate contact)이 형성되어, 매우 고밀도 및 컴팩트한 구조를 갖는 코팅 및 금속 결합의 형성으로 이어진다.
유리하게는, 높은 운동 에너지 충격 침착 기술이라는 사실을 공유하는 전술된 3가지 침착 기술에 대한 대안으로서, 다른 침착 방법을 활용하지만, 매우 고밀도 및 컴팩트한 구조를 갖는 코팅을 발생시킬 수 있는 다른 기술은 존재한다.
HVOF, HVAF 또는 KM 침착 기술 및 2가지 보호 코팅들 - 기초 (30) 및 표면 (3)- 을 형성하는데 사용되는 화학 성분의 조합은, 이들이 침착되는 저급 물질 (lower material) 상에 높은 결합 강도로 보호 코팅을 얻는 것을 가능하게 한다.
특히, 상기 조합은 회주철 또는 강철 상에 크롬 탄화물 및 니켈-크롬 (기초 코팅 (30)) 및 크롬 탄화물 및 니켈-크롬 층 상에 탄화 텅스텐, 철, 크롬 및 알루미늄 (표면 코팅 (3))의 모두를 고도로 고착시키는 것을 가능하게 한다.
바람직하게는, 2개의 코팅을 구성하는 최종 물질에서 미량 형태로 조차도 존재하지 않는, 유리 탄소 (C)의 부재는, 분리의 위험을 감소시키는데 도움이 된다. 실제로, 화염 분무 기술로 코팅을 적용하는 경우, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 또는 회주철 또는 강철로 제조된 디스크로부터 종래의 보호 코팅의 분리의 원인은, 유리 탄소의 존재라는 것이 밝혀졌다. 실제로, 형성되는 보호 코팅에 혼입된 산소와 결합하여, 탄소는 연소하는 경향이 있다. 이것은, 코팅 내부에 미세 기포의 형성으로 이어져, 디스크에 코팅의 적절한 접착을 방지할 수 있고, 이에 의해 이의 제거를 용이하게 한다.
본 발명의 특히 바람직한 구체 예에 따르면, 기초 보호 코팅 (3)을 제조하기 위한 침착 단계 b)에서 침착된 입자 형태의 물질 및 표면 보호 코팅 (30)을 제조하기 위한 침착 단계 c)에서 침착된 입자 형태의 물질 모두는, HVOF (고속 산소 연료) 기술에 의해 침착된다. 실제로, 이 기술은, - 특히, 브레이킹 밴드 또는 회주철로 제조된 전체 디스크와 관련된 경우 - 내-마모성 및 마찰 성능의 측면에서 최고의 타협점을 제공하는 조합된 보호 코팅 (기초 + 표면)을 달성하는 것을 가능하게 하는 것으로 확인되었다.
좀 더 상세하게는, (바람직한) HVOF (고속 산소 연료) 기술에 대하여 수행된 실험 테스트에 따르면, HVAF (고속 공기 연료) 기술은, 공칭 값 (nominal values)에 가까운 일정한 두께로 콤팩트하고 균일한 코팅을 얻는 것을 가능하게 한다. HVOF로 제조된 코팅은, 덜 콤팩트하고, "스펀지" 모양과 다양한 두께를 갖는다.
HVOF 및 HVAF로 제조된 코팅을 갖는 샘플에 대해 수행된 열 충격 시험은, 모든 표본에서 확인된, WC + Fe, Cr, Al 표면 보호 코팅에 오직 영향을 미치고, 코팅의 미세-균열로 이루어진 손상을 나타낸다. 그러나, 이러한 미세-균열은, 아마도 적용의 더 큰 강성으로 인해, HVAF 기술로 제조된 코팅을 갖는 표본에서 더욱 뚜렷한 것으로 나타난다. 이것은 HVOF 기술을 좀 더 바람직하게 한다.
모든 경우에, Cr3C2 + Ni로 제조된 기초 보호 코팅은, 열 충격 시험 후에 아무런 영향을 받지 않았으며, 항상 고밀도이고, 주철에 완벽하게 부착되며, 균열이 없었다.
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전술한 바와 같이, 기초 보호 코팅 (30) 및 표면 보호 코팅 (3)은, 브레이킹 밴드의 2개의 브레이킹 표면 중 적어도 하나를 보호한다.
기초 보호 코팅 (30) 및 표면 보호 코팅 (3) 전체는, 이하 "조합된 보호 코팅" (3, 30)으로 전체적으로 간주될 것이다.
바람직하게는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 디스크 (1)는, 브레이킹 밴드 (2)의 브레이킹 표면 (2a 및 2b) 모두를 보호하는 "조합된 보호 코팅" (3, 30)이 제공된다.
특히, 조합된 보호 코팅 (3, 30)은, 단일 브레이킹 표면 또는 양쪽 표면 상에, 브레이킹 밴드만을 보호할 수 있다.
첨부된 도면에 나타내지 않은 구체 예의 해법에 따르면, 조합된 보호 코팅 (3, 30)은, 디스크 (1)의 전체 표면을 보호하기 위해, 환형 고정부 (4) 및 벨 (5)과 같은, 디스크 (1)의 다른 부분으로 또한 연장될 수 있다. 특히, 조합된 보호 코팅 (3, 30)은 - 브레이킹 밴드에 부가하여 - 고정부 만을 또는 벨 만을 보호할 수 있다. 선택은, 전체 디스크 상에서 또는 이의 일부분 사이에서 균일한 착색 및/또는 마감을 갖기 위해, 외관상의 이유에 의해 실질적으로 영향받는다.
유리하게는, 조합된 보호 코팅 (3, 30)의 형성을 위한 입자 물질의 침착은, 적어도 코팅 두께의 측면에서 디스크의 표면 상에서 차별화된 방식으로 수행될 수 있다.
브레이킹 밴드에서, 조합된 보호 코팅 (3, 30)은, 2개의 대향 브레이킹 표면에서 동일한 두께로 제조될 수 있다. 조합된 보호 코팅 (3, 30)이 브레이킹 밴드의 2개의 브레이킹 표면 사이에서 다른 두께를 차별화하여 제조되는 대안적인 해법은 제공될 수 있다.
본 방법의 특히 바람직한 구체 예에 따르면, 기초 보호 코팅 (30)을 형성하기 위한 크롬 탄화물 및 니켈-크롬의 층을 침착시키는 침착 단계 b)는, 보호 코팅을 형성하기 위해 표면 자체에 입자 크롬 탄화물을 침착시키는 2이상의 별개의 단계를 포함한다.
좀 더 상세하게는, 상기 침착 단계 b)는:
- 디스크 상에 직접 기초 보호 코팅 (30)의 제1 층을 생성하기 위해 크롬 탄화물 및 니켈-크롬을 입자 형태로 침착시키는 제1 단계; 및
- 상기 제1 층 상에 제2 층을 생성하기 위해 크롬 탄화물 및 니켈-크롬을 입자 형태로 침착시키는 제2 단계를 포함한다.
이하 명확하게 하는 바와 같이, 제2 마감 층은, 기초 보호 코팅 (3)의 표면 마감을 조정하는 것을 가능하게 한다.
크롬 탄화물 및 니켈-크롬을 2단계로 침착시키는 단계 b)의 분할은, 특히, 다양한 단계에 사용되는 크롬 탄화물 및 니켈-크롬의 적어도 입자 크기를 차별화시키는 것을 가능하게 한다. 이는 단계 b)의 침착을 보다 유연하게 만든다.
유리하게는, 제1 침착 단계에서 침착된 입자 크롬 탄화물 및 니켈-크롬은, 제2 침착 단계에서 침착된 것보다 큰 입자 크기를 갖는다. 특히, 제1 침착 단계에서 침착된 크롬 탄화물 및 니켈-크롬은, 입자 크기가 30 내지 40㎛인 반면, 제2 침착 단계에서 침착된 크롬 탄화물 및 니켈-크롬은 입자 크기는 5 내지 20㎛이다.
제1 층의 형성을 위해 더 거친 입자 크기 및 (마감 기능을 갖는) 제2 층의 형성을 위한 더 미세한 입자 크기를 사용하여, 2개의 별개의 침착 단계로 기초 보호 코팅 (30)의 제조는, 침착의 종료시 이미, 나중의 표면 보호 코팅 침착의 기능과 같은, 요구된 표면 마감 특징을 갖는 코팅을 얻는 것을 가능하게 한다. 이러한 원하는 표면 마감 특성은, 코팅을 위한 기타 표면 마감 작업을 수행 및/또는 그라인딩할 필요 없이 얻어질 수 있다. 제2 단계에서 침착된 입자는, 기초 층의 표면 상에 거친 거칠기를 충족시킨다. 유리하게는, 코팅의 표면 마감 수준은, 제2 단계에서 침착된 입자의 입자 크기를 조정하여 조정될 수 있다.
바람직하게는, 기초 보호 코팅 (30)의 제1 층의 두께는, 코팅의 총 두께의 2/4 내지 3/4인 반면, 기초 보호 코팅 (30)의 제2 층의 두께는, 코팅의 총 두께의 1/4 내지 2/4이다.
본 방법의 특히 바람직한 구체 예에 따르면, 표면 보호 코팅 (3)을 형성하는 입자 물질 (WC + Fe + Cr + Al)을 침착시키는 침착 단계 c)는, 보호 코팅을 형성하기 위해 동일한 표면 상으로 입자 물질을 침착시키는 2이상의 별개의 단계를 포함한다.
좀 더 상세하게는, 상기 침착 단계 c)는:
- 기초 보호 코팅 (30) 상에 직접 코팅의 제1 층을 생성하기 위해 입자 형태로 물질을 침착시키는 제1 단계; 및
- 표면 보호 코팅 (3)의 제1 층 상에 제2 층을 생성하기 위해 입자 형태로 물질을 침착시키는 제2 단계를 포함한다.
기초 코팅의 침착 단계 b)에 제공되는 것과 유사하게, 표면 보호 코팅 (3)을 형성하는 입자 물질을 2이상의 단계로 분할 침착시키는 단계 c)는, 특히, 다양한 단계에 사용된 입자 물질의 적어도 입자 크기를 차별화시키는 것을 가능하게 한다. 이것은 침착 단계 c)를 보다 유연하게 만든다.
유리하게는, 제1 침착 단계에서 침착된 입자 물질은 제2 침착 단계로 침착된 것보다 더 큰 입자 크기를 갖는다. 특히, 제1 침착 단계에서 침착된 입자 물질은 30 내지 40㎛의 입자 크기를 갖는 반면, 제2 침착 단계에서 침착된 입자 물질은 5 내지 20㎛의 입자 크기를 갖는다.
기초 층을 형성하기 위한 더 거친 입자 크기 및 마감 층을 형성하기 위한 더 미세한 입자 크기를 사용하는, 2개의 별개의 침착 단계를 갖는 보호 코팅 또는 표면 (3)의 구체 예는, 코팅을 위한 기타 표면 마감 작업을 수행 및/또는 그라인딩할 필요 없이, 침착의 종료시 이미, 요구된 표면 마감 특징을 갖는 표면 보호 코팅 (3)을 얻는 것을 가능하게 한다. 제2 단계에서 침착된 입자는, 기초 층의 표면 상에 거친 거칠기를 충족시킨다. 유리하게는, 표면 보호 (3)의 표면 마감 수준은, 제2 단계에서 침착된 입자의 입자 크기를 조정하여 조정될 수 있다.
특히, 제1 단계의 경우 30 내지 40㎛의 입자 크기를 갖는 입자 및 제2 단계의 경우 5 내지 20㎛의 입자 크기를 갖는 입자를 사용하여, 표면 보호 코팅 (3)은, 마감 층에서 2.0 내지 3.0㎛의 범위에서 표면 거칠기 (Ra)를 갖는다.
바람직하게는, 표면 보호 코팅 (30)의 제1 층의 두께는 코팅의 총 두께의 2/4 내지 3/4인 반면, 표면 보호 코팅 (30)의 제2 층의 두께는 코팅의 총 두께의 1/4 내지 2/4이다.
전체적으로, 입자 물질의 HVOF, HVAF 또는 KM 침착 기술, 사용된 화학 성분 및 여러 단계로 침착하는 방법의 조합은, 특히 브레이크 디스크 (1)의 사용의 목적에 맞게, 제한된 수준의 표면 거칠기로 코팅을 얻는 것을 가능하게 한다.
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다음 디스크들 사이에 비교 테스트는 수행된다:
A) 40㎛ 두께의 기초 보호 코팅 (Cr3C2 + NiCr) 및 50㎛ 두께의 표면 보호 코팅 (WC + Fe + Cr + Al)으로, HVOF 기술에 의해 제조된, 본 발명에 따른 "조합된" 보호 코팅을 갖는 회주철 디스크 브레이크; 및
B) 국제 출원 WO2017/046681호의 교시에 따라 제조된, 40㎛ 두께의 기초 보호 코팅 (Cr3C2 + NiCr) 및 50㎛ 두께의 표면 보호 코팅 (WC + Co)으로, HVOF 기술에 의해 제조된, 본 발명에 따른 "조합된" 보호 코팅을 갖는 회주철로 제조된 디스크 브레이크.
두 디스크는 일반적인 동적 벤치 테스트 (dynamic bench tests) (런-인, AK 마스터 및 마모)에 적용된다.
시험 조건이 동일한, 이러한 시험은, 본 발명에 따른 내구성 디스크 A가 디스크 B의 마모의 측면에서 비슷한 것으로 나타낸다.
또한, 시험 조건이 동일한, 마찰 거동 (마찰, 페이딩, 런-인)의 관점에서, 본 발명에 따른 디스크 A의 성능은, 전통적인 디스크 B의 성능과 실질적으로 비슷하다.
2개의 디스크는 또한 조합된, 환경적 열기계적 스트레스의 존재하에서 일련의 내성 테스트 (resistance tests)에 적용된다.
언급된 바와 같이, 이러한 시험은, 본 발명에 따른 디스크 A의 성능이 환경적 스트레스 (열기계 충격 및 부식제)의 존재하에서 강도의 측면에서 디스크 B보다 우수함을 나타낸다.
더욱 상세하게는, 2개의 디스크는, 조합된 동적 벤치 테스트의 반복 (디스크는, 다수의 연속적인 브레이킹 작동을 각각 갖는, 다른 브레이킹 주기에 적용됨) 및 부식성 환경에 테스트 (염수 분무 (salt spray) 및 결로수 테스트: 디스크 및 브레이크 패드는 염수 분무 및 고온 다습한 환경에서 유지됨)에 대해 제공된 시험 프로그램에 적용된다.
설정 반복의 종료시, B는 보호 코팅의 일반화된 제거를 나타내는 반면, 디스크 A는 보호 코팅의 국소화된 최소 분리 만을 갖는다.
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상기 상세한 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 디스크 브레이크 및 이러한 디스크 브레이크를 제조하는 방법은, 종래 기술의 단점을 극복하는 것을 가능하게 한다.
실제로, 본 발명에 따라 제조된 브레이크 디스크에 제공된 보호 코팅은, (시간이 경과함에 따라 내마모성을 보장하기 위한) 알려진 해법보다 박리되지 않거나 훨씬 적은 정도의 박리되고, 동시에 코발트를 함유하지 않는다.
실제로, 본 발명에 따른 무-코발트 표면 보호 코팅은, WO2017046681A1에 제공된 탄화 텅스텐 및 코발트 코팅을 효과적으로 대체할 수 있는 것으로 확인되었다. 실제로, 본 발명에 따른 표면 코팅은, 정상적인 환경 조건에서 유사한 내-마모성 및 유사한 마찰학적 거동을 나타내었다.
또한, (탄화 텅스텐, 철, 크롬 및 알루미늄으로 제조된) 본 발명에 따른 표면 보호 코팅은, 환경 스트레스 (열 충격 및 염해)의 존재하에서 강도의 측면에서 최고의 성능을 갖는 것으로 밝혀졌다.
더군다나, 본 발명에 따른 무-코발트 표면 보호 코팅은 크롬 탄화물 및 니켈-크롬으로 제조된 기초 보호 코팅과 효과적으로 결합될 수 있어, 후자가 이의 부식-방지 작용이 적용되는 것을 가능하게 하고, 이에 의해 표면 보호 코팅의 박리를 회피할 수 있음을 확인하였다.
다시 말해서, 본 발명에 따른 무-코발트 표면 보호 코팅은, 크롬 탄화물 및 니켈-크롬으로 이루어진 기초 보호 코팅의 작용에 영향을 미치지 않는다. 따라서, 이러한 기초 보호 코팅은, (알루미늄, 알루미늄 합금, 회주철 또는 강철로 제조된) 디스크 산화 현상을 계속 억제한다.
특히, 크롬 탄화물 및 니켈-크롬으로 제조된 기초 보호 코팅은, 디스크와 내-마모성 표면 보호 코팅 사이에 일종의 댐퍼 또는 탄성 쿠션을 계속 한정하고, 이에 의해 디스크의 작동 수명과 관련된 스트레스의 결과로서 후자의 균열의 위험을 감소시킨다.
마지막으로, 본 발명에 따른 디스크 (1)는, (적어도 브레이킹 밴드를 보호하는) 표면 보호 코팅이 제공되며, 상기 표면 보호 코팅은:
- 크롬 탄화물 및 니켈-크롬으로 제조된 기초 보호 코팅에 고도의 고착을 보장하는, 높은 결합 강도;
- 높은 내마모성;
- 표면 거칠기의 제한 수준;
- 고밀도;
- 높은 경도; 및
-제한된 다공성을 갖는다.
브레이크 디스크 (1)는 또한 일반적으로 제조하는데 비용 효과적이다.
특정 요구를 만족시키기 위해, 기술분야의 당업자는 다음의 청구 범위에 의해 정의된 본 발명의 범주 내에 모두 포함된, 전술된 디스크 및 브레이크 디스크에 대해 몇 가지 변화 및 변경을 만들 수 있다.

Claims (19)

  1. a) 2개의 대향 브레이킹 표면 (2a, 2b)이 제공된 브레이킹 밴드 (2)를 포함하는, 브레이크 디스크를 배열하는 단계로서, 상기 브레이킹 표면 각각은 상기 디스크의 2개의 주요 측면 중 하나를 적어도 부분적으로 한정하며, 상기 브레이킹 밴드는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조되거나 또는 회주철 또는 강철로 제조되는, 브레이크 디스크의 배열 단계;
    b) 상기 디스크 상에 HVOF (고속 산소 연료) 기술 또는 HVAF (고속 공기 연료) 기술 또는 KM (동역학적 금속화) 기술에 의해 입자 형태로 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr)의 층을 침착시켜, 이와 직접 접촉하는 상기 브레이킹 밴드의 2개의 브레이킹 표면 중 적어도 하나를 보호하는 기초 보호 코팅 (30)을 형성시키는, 침착 단계; 및
    c) 상기 기초 보호 코팅 (30) 상에 HVOF (고속 산소 연료) 기술 또는 HVAF (고속 공기 연료) 기술 또는 KM (동역학적 금속화) 기술에 의해 탄화 텅스텐 (WC), 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어진 입자 형태의 물질을 침착시켜, 탄화 텅스텐 (WC), 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어진 표면 보호 코팅 (3)을 형성하고, 상기 브레이킹 밴드의 2개의 브레이킹 표면 중 적어도 하나를 보호하는, 침착 단계를 포함하는, 브레이크 디스크의 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기초 보호 코팅 (30)을 제조하기 위한 침착 단계 b)에서 침착된 입자 형태의 물질은, 65% 내지 95%의 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 밸런스로 니켈-크롬 (NiCr)으로 이루어지는, 브레이크 디스크의 제조 방법.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 표면 보호 코팅 (3)을 제조하기 위한 침착 단계 c)에서 침착된 입자 형태의 물질은, 75중량% 내지 87중량%의 탄화 텅스텐 (WC) 및 밸런스로 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어지며, 바람직하게는 10 내지 17중량%의 철 (Fe), 2.5 내지 5.8중량%의 크롬 (Cr), 0.6 내지 2.2중량%의 알루미늄 (Al) 및 밸런스로 탄화 텅스텐 (WC)으로 이루어지는, 브레이크 디스크의 제조 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 표면 보호 코팅 (3)을 제조하기 위한 침착 단계 c)에서 침착된 입자 형태의 물질은, 85중량%의 탄화 텅스텐 (WC) 및 15중량%의 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어지는, 브레이크 디스크의 제조 방법.
  5. 청구항 1, 2, 3 또는 4에 있어서,
    상기 기초 보호 코팅 (30)을 제조하기 위한 침착 단계 b)에서 침착된 입자 형태의 물질 및 상기 표면 보호 코팅 (3)을 제조하기 위한 침착 단계 c)에서 침착된 입자 형태의 물질 모두는, HVOF (고속 산소 연료) 기술에 의해 침착되는, 브레이크 디스크의 제조 방법.
  6. 전술한 청구항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 기초 보호 코팅 (30)의 두께는, 20㎛ 내지 60㎛, 바람직하게는 40㎛인, 브레이크 디스크의 제조 방법.
  7. 전술한 청구항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 표면 보호 코팅 (3)의 두께는, 30㎛ 내지 70㎛, 바람직하게는 50㎛인, 브레이크 디스크의 제조 방법.
  8. 전술한 청구항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 기초 보호 코팅 (30)을 형성하기 위한 단계 b)에서 침착된 입자 형태의 물질의 입자 크기는, 5 내지 40㎛인, 브레이크 디스크의 제조 방법.
  9. 전술한 청구항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 표면 보호 코팅 (3)을 형성하기 위한 단계 c)에서 침착된 입자 형태의 물질의 입자 크기는, 5 내지 45㎛인, 브레이크 디스크의 제조 방법.
  10. 전술한 청구항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 침착 단계 b)는, 동일한 표면 상에 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr)의 둘 이상의 개별 침착 단계를 포함하여 상기 기초 보호 코팅 (30)을 형성하는, 브레이크 디스크의 제조 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 침착 단계 b)는, 상기 디스크 상에 직접 제1 층의 기초 보호 코팅층 (30)을 생성하기 위한 입자 형태로 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr)의 제1 침착 단계 및 상기 제1 층 위에 제2 층을 생성하기 위해 입자 형태로 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈 크롬 (NiCr)의 제2 침착 단계를 포함하며, 상기 제1 침착 단계에서 침착된 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr)의 입자 크기는, 제2 침착 단계에서 침착된 입자 크기보다 더 큰, 브레이크 디스크의 제조 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 침착 단계에서 침착된 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr)은, 30 내지 40㎛의 입자 크기를 갖는 반면, 상기 제2 침착 단계에서 침착된 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr)은, 5 내지 20㎛의 입자 크기를 갖는, 브레이크 디스크의 제조 방법.
  13. 전술한 청구항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 브레이킹 밴드는 회주철로 만들어지며, 바람직하게는 전체 디스크가 회주철로 만들어지는, 브레이크 디스크의 제조 방법.
  14. 2개의 대향 브레이킹 표면 (2a, 2b)이 제공된 브레이킹 밴드 (2)를 포함하고, 브레이킹 표면 각각은 디스크 (1)의 2개의 주요 측면 중 하나를 적어도 부분적으로 한정하며, 상기 브레이킹 밴드 (2)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금이거나 또는 회주철 또는 강철인, 디스크 브레이크용 브레이크 디스크로서,
    상기 디스크는:
    - 상기 브레이킹 밴드의 2개의 브레이킹 표면 중 적어도 하나를 보호하고, 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr)으로 이루어지며, 상기 디스크 상에 HVOF (고속 산소 연료) 기술, 또는 HVAF (고속 공기 연료) 기술, 또는 KM (동역학적 금속화) 기술에 의해 입자 형태로 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 니켈-크롬 (NiCr)을 직접 침착시켜 얻어지는, 기초 보호 코팅 (30);
    - 상기 브레이킹 밴드의 2개의 브레이킹 표면 중 적어도 하나를 보호하고, 탄화 텅스텐 (WC), 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어지며, 상기 기초 보호 코팅 (30) 상에 HVOF (고속 산소 연료) 기술, 또는 HVAF (고속 공기 연료) 기술, 또는 KM (동역학적 금속화) 기술에 의해 입자 형태로 탄화 텅스텐 (WC), 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)을 침착시켜 얻어지는, 표면 보호 코팅 (3)이 제공되는, 디스크 브레이크용 브레이크 디스크.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 기초 보호 코팅 (30)은, 65% 내지 95%의 크롬 탄화물 (Cr3C2) 및 밸런스로 니켈-크롬 (NiCr)으로 이루어지는, 디스크 브레이크용 브레이크 디스크.
  16. 청구항 14 또는 15에 있어서,
    상기 표면 보호 코팅 (3)은, 75중량% 내지 87중량%의 탄화 텅스텐 (WC) 및 밸런스로 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어지며, 바람직하게는 85중량%의 탄화 텅스텐 (WC) 및 15중량%의 철 (Fe), 크롬 (Cr) 및 알루미늄 (Al)으로 이루어지는, 디스크 브레이크용 브레이크 디스크.
  17. 청구항 14, 15 또는 16에 있어서,
    상기 기초 보호 코팅 (30)의 두께는, 20㎛ 내지 60㎛, 바람직하게는 40㎛인, 디스크 브레이크용 브레이크 디스크.
  18. 청구항 14 내지 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면 보호 코팅 (3)의 두께는 30㎛ 내지 70㎛, 바람직하게는 50㎛인, 디스크 브레이크용 브레이크 디스크.
  19. 청구항 14 내지 18 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 브레이킹 밴드는 회주철이고, 바람직하게는 전체 디스크가 회주철인, 디스크 브레이크용 브레이크 디스크.
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