KR20200071341A - 탈탄층 및 질화층을 포함하는 브레이크 디스크 및 이의 제조방법 - Google Patents

탈탄층 및 질화층을 포함하는 브레이크 디스크 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회주철로 구성된 모재; 모재상에 형성되고, 탈탄처리되어 형성된 탈탄층; 및 탈탄층상에 형성되고, 질화처리되어 질소화합물이 형성된 질화층;을 포함하는 브레이크 디스크에 관한 것이다.

Description

탈탄층 및 질화층을 포함하는 브레이크 디스크 및 이의 제조방법{BRAKE DISK COMPRISING DECARBURIZED LAYER AND NITRIDED LAYER, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 탈탄층 및 질화층을 포함하는 브레이크 디스크 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 상기 브레이크 디스크는 열피로에 의한 균열이 저감되고, 내식성 및 내마모성이 우수하다.
자동차의 디스크 브레이크식 제동장치는 원판형의 브레이크 디스크를 휠과 일체로 회전되도록 장치하고, 상기 브레이크 디스크의 가장자리 양쪽을 유압 피스톤으로 작동되는 브레이크 패드로 밀어붙여 그 마찰력으로 자동차를 제동하거나 정지시키는 장치이다.
상술한 바와 같은 디스크 브레이크식 제동장치의 브레이크 디스크는 통상적인 소재로 주조성, 열전도도, 진동 감쇠능 및 내마모성이 우수한 회주철을 사용하였다. 그러나, 회주철은 내식성이 낮아 대기 방치시 표면에 녹이 발생하여 외관 품질이 떨어지는 단점이 있었다. 이러한 회주철의 단점인 낮은 내식성을 보완하기 위해 회주철의 표면을 산질화 처리하는 방법이 제안되었다.
산질화 처리방법은 통상적으로 가스 질화 열처리법을 사용하였으며, 가스 질화 열처리법은 강(steel)의 A1 변태온도(725℃) 이하인 500℃ 내지 550℃에서 암모니아 가스의 분해로 얻어진 해리된 질소를 강 표면에 흡착 및 확산시키는 방법이다. 상술한 바와 같은 가스 질화 열처리법은 강의 심부로 확산해 들어간 질소가 철 원소와 결합하여 ε(Fe2~3N) 또는 γ'(Fe3N)과 같은 질화화합물층을 생성하며, 상기 질화화합물층은 외력에 대한 내피로 및 내마모성이 우수함과 동시에 고내식성을 갖는다.
그러나, 브레이크 디스크의 통상적인 소재인 회주철은 이의 기지조직을 이루는 펄라이트(pearlite) 및 흑연(graphite)이 저탄소강의 페라이트와 비교하여 질소의 확산이 용이하지 않음으로써, 생성되는 질화화합물층의 깊이가 매우 얕고 그 두께가 불균일하여 열처리를 장시간 수행해야 하는 단점이 있었다. 또한, 상술한 바와 같아 산질화처리된 브레이크 디스크는 질화화합물층내 또는 직하에 흑연이 존재하는데, 이 흑연은 기지조직과 열팽창계수 차에 의한 계면 분리로 인하여 사용중 열피로, 또는 충격으로 인한 질화화합물층의 탈락이 용이하고, 이로 인해 저더 현상을 유발하게 된다.
KR 10-1288830 B1 JP 2000-337410 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 열처리를 단시간 동안 수행하여 공정 시간을 단축하고, 두꺼운 질화층을 생성하여 내식성이 우수하며, 열피로에 의한 균열이 저감되고, 내마모성이 우수한 브레이크 디스크, 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 브레이크 디스크는 회주철로 구성된 모재; 모재상에 형성되고, 탄화처리되어 형성된 탈탄층; 및 탈탄층상에 형성되고, 질화처리되어 질소화합물이 형성된 질화층;을 포함한다.
탈탄층은 평균 두께가 5 ~ 10㎛일 수 있다.
탈탄층과 질화층의 두께비는 0.2 ~ 1 : 1일 수 있다.
모재의 회주철은 그라파이트 조직 및 펄라이트 조직을 포함할 수 있다.
모재는 모재 총 중량을 기준으로 0.05중량% 내지 0.2중량%의 티타늄을 포함할 수 있다.
모재 및 탈탄층은 석출된 탄화물을 포함할 수 있다.
탈탄층에 포함된 탄화물은 탈탄층 총 중량을 기준으로 0.3% 이하일 수 있다.
탈탄층에 석출된 탄화물은 탄화티탄을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 브레이크 디스크의 제조방법은 회주철로 구성된 모재를 준비하는 준비단계; 모재의 일면을 열처리하여 프리탈탄층을 형성하는 탈탄처리단계; 및 프리탈탄층의 일부를 질화처리하여 질소화합물을 포함하는 질화층을 형성하는 질화처리단계;를 포함한다.
탈탄처리단계는 680℃ 내지 750℃에서 15분 내지 60분 동안 수행될 수 있다.준비단계에서 준비되는 모재에는 탄화물이 석출되어 포함되고, 탈탄처리단계 이후에는 프리탈탄층에 잔류하는 탄화물이 양이 프리탈탄층의 총량을 기준으로 3% 이하일 수 있다.
질화처리단계는 탈탄층을 암모니아, 질소 및 이산화탄소를 포함하는 반응가스 분위기 하에서 수행될 수 있다.
반응가스는 암모니아, 질소 및 이산화탄소를 5~7 : 2~4 : 1의 부피비로 포함할 수 있다.
질화처리단계는 550℃ 내지 600℃에서 3시간 내지 8시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 브레이크 디스크는 비교적 두꺼운 질화층을 포함하여 내식성이 우수하고 열피로에 의한 균열의 생성이 적고 내마모성이 우수하다.
또한, 본 발명에 따른 브레이크 디스크의 제조방법은 열처리를 단시간 동안 수행하여 공정 시간이 단축되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 브레이크 디스크의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 브레이트 디스크의 제조하는 단계를 보여주는 도면이다.
도 3은 샘플들의 표면에서 두께방향으로 깊이별 경도를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
이하, 구현예를 통해 발명을 상세하게 설명한다. 구현예는 이하에서 개시된 내용에 한정되는 것이 아니라 발명의 요지가 변경되지 않는 한, 다양한 형태로 변형될 수 있다.
본 명세서에서 "포함"한다는 것은 특별한 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 본 명세서에 기재된 구성성분의 양, 반응 조건 등을 나타내는 모든 숫자 및 표현은 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 "약"이라는 용어로써 수식되는 것으로 이해하여야 한다.
브레이크 디스크
본 발명의 브레이크 디스크는 회주철로 구성된 모재; 모재상에 형성되고, 탄화물을 포함하는 탈탄층; 및 탈탄층상에 형성되고, 질소화합물을 포함하는 질화층;을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 브레이크 디스크의 단면도로서, 도 1을 참조하면, 본 발명의 브레이크 디스크(10)는 회주철로 구성된 모재(100); 모재(100)상에 형성되고, 탄화처리되어 형성된 탈탄층(200); 및 탈탄층(200)상에 형성되고, 질화처리되어 질소화합물이 형성된 질화층(300);을 포함한다.
모재(100)는 통상적으로 브레이크 디스크에의 소재로 사용되는 회주철로 구성된 것이라면 특별히 제한하지 않으나, 예를 들어, 회주철 성분에 티타늄을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 모재(100)는 모재 총 중량을 기준으로 0.05중량% 내지 0.2중량%의 티타늄을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 모재(100)는 모재 총 중량을 기준으로 0.08중량% 내지 0.15중량%의 티타늄을 포함할 수 있다. 모재가 상기와 같은 함량 범위 내의 티타늄을 포함할 경우, 모재 내에 TiC와 같은 탄화물(130)이 석출되어 브레이크 디스크의 내마모성 향상 효과가 있다.
또한, 모재(100)의 회주철은 그라파이트 조직(120) 및 펄라이트 조직(110)을 포함할 수 있다.
탈탄층(200)은 모재(100) 상에 형성되되, 모재(100)와 질화층(300) 사이에 존재하도록 하여 브레이크 디스크의 내식성을 향상시키고 열피로로 인한 균열을 저감시키는 역할을 한다. 또한, 탈탄층(200)은 탄화물(210)을 포함한다.
구체적으로, 탈탄층(200)은 모재(100)의 표면을 탈탄처리하여 프리탈탄층(200a)를 형성한 다음 프리탈탄층(200a)의 표면을 질화처리하여 질소화합물을 포함하는 질화층(300)으로 변환시킨 부분을 제외한 나머지 부분을 의미한다. 이후에서는 탈탄처리 이후 질화층(300)을 형성하기 전까지의 탈탄처리된 영역을 프리탈탄층(200a)으로 구분하여 설명하고, 질화처리 이후 프리탈탄층(200a)의 일부가 질화층(300)으로 변환되고 남은 부분을 탈탄층(200)으로 구분하여 설명한다.
한편, 모재(100)에 형성되었던 탄화물(130)은 프리탈탄층을 형성하기 위한 탈탄처리 시에 그 양이 줄어든다. 다만, 잔류된 탄화물(210)은 결정립의 성장을 막고 탈탄으로 낮아진 경도를 보완하는 역할을 하기 때문에 소정량의 탄화물(210) 잔류시키는 것이 바람직하다. 하지만, 탄화물(130, 210)을 형성하는 Ti와 같은 원소의 함유량에 제한이 있고, 탄화물(210)의 양이 3%를 초과하는 경우에는 탄화물(210)의 크기가 수 ~ 수십㎛ 수준으로 커질 수 있는데, 이런 경우 탄화물(210)이 모재(100) 계면과 부정합으로 인해 피로파괴 기점으로 작용할 수 있다. 따라서, 탈탄층(200)에 잔류하는 탄화물(210)의 양은 3% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
한편, 탈탄층(200)은 모재(100)의 일부가 탈탄되어 모재(100)상에 형성되고, 탈탄 처리 후 잔류하는 탄화물(210)을 포함하는 페라이트 조직일 수 있다.
나아가, 탈탄층(200)은 평균 두께가 5㎛ 내지 10㎛일 수 있다. 탈탄층(200)의 평균 두께가 상기 범위 내일 경우, 열피로 또는 외력으로 인해 모재(100)로부터 질화층이 박리되는 문제가 방지되어 브레이크 디스크의 내마모성 및 내식성을 향상시키는 효과가 있다.
질화층(300)은 브레이크 디스크의 내마모성 및 내식성을 향상시키는 역할을 하고, 탈탄층(200)상에 형성되고, 질소화합물을 포함한다. 구체적으로, 질화층(300)은 모재(100)의 표면을 탈탄처리하여 형성된 프리탈탄층(200a)의 일부, 즉 프리탈탄층(200a)의 표면을 질화처리하여 형성된다. 이때 질화층(300)은 질화철을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 질화층(300)은 Fe2 ~3N 또는 Fe3N을 포함할 수 있다.
탈탄층(200) 및 질화층(300)은 두께비가 0.2 ~ 1 : 1일 수 있다. 탈탄층(200)과 질화층(300)의 두께비가 상기 범위 내일 경우, 브레이크 디스크의 내마모성을 향상시켜 내구성을 향상시키는 효과가 있다.
탄화물(130, 210)은 브레이크 디스크의 경도를 향상시키는 역할이며, 예를 들어, 티타늄의 탄화물일 수 있다. 구체적으로, 탄화물(130, 210)은 탄화티탄일 수 있다.
브레이크 디스크의 제조방법
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 브레이트 디스크의 제조하는 단계를 보여주는 도면로서, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 브레이크 디스크의 제조방법은 회주철로 구성된 모재를 준비하는 준비단계; 모재의 일면을 열처리하여 프리탈탄층을 형성하는 탈탄처리단계; 및 프리탈탄층의 일부를 질화처리하여 프리탈탄층의 표면에 질소화합물을 포함하는 질화층을 형성하는 질화처리단계;를 포함한다.
준비단계
도 2a와 같이 준비단계에서는 회주철로 구성된 모재를 준비한다.
모재(100)는 통상적으로 브레이크 디스크의 소재로 사용되는 회주철로 구성된 것이라면 특별히 제한하지 않으나, 예를 들어, 티타늄을 포함할 수 있다. 모재가 티타늄을 포함할 경우, 모재 형성시에 석출탄화물(130)로 탄화티탄이 생성되어 결정립 성장이 억제되고, 바나듐(V) 및 나이오븀(Nb)과 비교하여 열처리 후 석출탄화물의 잔류율이 높아 탈탄층의 경도가 향상되는 효과가 있다.
구체적으로, 모재(100)는 모재 총 중량을 기준으로 0.05중량% 내지 0.2중량%의 티타늄을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 모재(100)는 모재 총 중량을 기준으로 0.08중량% 내지 0.15중량%의 티타늄을 포함할 수 있다. 모재(100)가 상기와 같은 함량 범위 내의 티타늄을 포함할 경우, 브레이크 디스크의 내마모성 향상 효과가 있다.
또한, 모재(100)의 회주철은 그라파이트 조직(120) 및 펄라이트 조직(110)을 포함할 수 있다.
탈탄처리단계
도 2b에 도시된 바와 같이 탈탄처리단계에서는 모재(100)의 일면을 열처리하여 석출탄화물(210)을 포함하는 프리탈탄층(200a)을 형성한다. 본 발명의 브레이크 디스크의 제조방법은 상술한 바와 같은 탈탄처리단계를 수행함으로써, 모재(100)상에 질소 확산이 용이한 프리탈탄층(200a)을 형성한 후 질화처리하여 모재(100)의 그라파이트 조직(120)과 질화층(300)의 계면이 열피로로 인한 균열 발생을 방지하고, 목적 두께의 질화층을 단시간 내에 형성할 수 있는 효과가 있다.
구체적으로, 탈탄처리단계에서는 모재(100)의 일면을 열처리하여 모재(100)상에 석출탄화물(210)을 포함하는 프리탈탄층(200a)을 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 탈탄처리단계에서는 모재(100)의 일면을 열처리하여 모재(100)상에 석출탄화물(210)을 포함하는 페라이트 조직의 프리탈탄층(200a)을 형성할 수 있다.
탈탄처리단계는 680℃ 내지 750℃에서 15분 내지 60분 동안 수행될 수 있다. 구체적으로, 탈탄처리단계는 680℃ 내지 730℃, 690℃ 내지 730℃, 690℃ 내지 720℃, 또는 690℃ 내지 710℃에서 15분 내지 40분, 20분 내지 40분, 또는 20분 내지 35분 동안 수행될 수 있다. 상술한 바와 같은 범위 내의 온도 및 시간 동안 열처리를 수행할 경우, 단시간에 목적하는 두께의 프리탈탄층(200a)을 형성할 수 있다.
탈탄처리단계는 환원성 분위기하에서 수행될 수 있다. 구체적으로, 탈탄처리단계는 H2 및 CO와 같은 환원성 가스와 N2 및 Ar과 같은 불활성 가스로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 가스 분위기하에서 수행될 수 있다. 열처리가 환원성 분위기하에서 수행될 경우, 브레이크 디스크에 악영향을 미치는 철의 산화물 생성을 억제하는 효과가 있다.
탈탄처리단계에서 프리탈탄층(200a)의 두께는 10㎛ 내지 60㎛일 수 있다. 탈탄처리단계에서 프리탈탄층(200a)의 두께를 상기 범위보다 얇게 형성하는 경우에는 질화처리단계에서 질화처리되지 않고 잔류되는 탈탄층(200)의 두께가 너무 얇아지거나 없어져서 모재(100)와 질화층(300) 사이에 직접적인 계면이 발생하여 외부 열 충격 또는 기계적 충격으로 인하여 탈탄층(200)에 크랙이 발생하는 경우에 크랙이 모재(100)로 직접 전파되거나 모재(100) 상에 존재하는 그라파이트 조직(120)과 탈탄층(200)이 접촉되는 지점을 중심으로 탈탄층(200)이 박리되는 문제가 발생될 수 있고, 이에 따라 내발청 성능이 현저하게 낮아지는 문제가 있다. 또한 탈탄처리단계에서 프리탈탄층(200a)의 두께를 상기 범위보다 두껍게 형성하는 경우에는 기계적 물성이 낮은 탈탄층(200)이 두꺼워져서 내마모성에 나쁜 영향을 주는 문제가 있다.
한편, 탈탄처리단계에서는 모재(100)에 형성되었던 석출탄화물(130)의 양이 줄어드는데, 이때 프리탈탄층(200a)에 잔류되는 석출탄화물(210)의 양을 3% 이하 수준으로 유지하는 것이 바람직하다.
질화처리단계
도 2c에 도시된 바와 같이 질화처리단계에서는 프리탈탄층(200a)의 일부, 즉 프리탈탄층(200a)의 표면을 질화처리하여 질소화합물을 포함하는 질화층(300)을 형성하면서, 프리탈탄층(200a) 중 질화처리되지 않은 영역인 탈탄층(200)이 구분된다.본 발명의 브레이크 디스크는 상술한 바와 같은 질화처리단계를 수행함으로써, 브레이크 디스크의 내식성을 향상시키고, 대기 방치시 표면에 녹이 발생하여 외관 품질이 떨어지는 문제를 방지하는 효과가 있다.
질화처리단계는 프리탈탄층(200a)을 암모니아, 질소 및 이산화탄소를 포함하는 반응가스 분위기하에서 수행될 수 있다. 구체적으로, 반응가스는 암모니아, 질소 및 이산화탄소를 5~7 : 2~4 : 1, 5.5~7 : 2.5~4 : 1, 5.5~6.5 : 2.5~3.5 : 1, 또는 5.8~6.3 : 2.8~3.2 : 1의 부피비로 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 질화처리단계는 550℃ 내지 600℃, 570℃ 내지 600℃, 또는 570℃ 내지 590℃에서 3시간 내지 8시간, 4시간 내지 7시간, 또는 4시간 내지 6시간 동안 수행될 수 있다.
질화처리단계에서 제시된 반응가스 분위기, 온도 및 시간을 한정하는 이유는 제시된 조건을 만족하는 경우에 질화 포텐셜 수치인 Kn값이 적절히 관리되어 질화층 형성이 용이하기 때문이다.
질화처리단계는 질화층(300)의 두께가 탈탄처리단계의 탈탄층(200)의 총 두께의 0.4배 내지 0.85배가 되도록 처리할 수 있다. 구체적으로, 질화처리단계는 질화층(300)의 두께가 탈탄처리단계의 탈탄층(200)의 총 두께의 0.4배 내지 0.8배, 0.5배 내지 0.8배, 또는 0.5배 내지 0.75배가 되도록 처리할 수 있다. 탈탄층(200)의 총 두께를 상기 범위 내가 되도록 처리할 경우, 브레이크 디스크의 내마모성을 향상시켜 내구성을 향상시키는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다 할 것이다.
[실시예]
실시예 1. 브레이크 디스크의 제조
회주철(펄라이트 조직 및 그라파이트 조직 포함)로 구성된 모재의 일면을 환원성 분위기에서 프리탈탄층을 형성하는 탈탄처리를 실시하였다. 이후 프리탈탄층의 일부에 질화층을 형성하기 위하여 질화처리를 실시하였다. 각 샘플은 탈탄처리 및 석출탄화물의 유무와 질화처리의 수준을 변경하였다.
부연하자면 샘플 1은 모재에 프리탈탄층의 형성없이 약 5㎛ 두께의 질화층만을 형성하였고, 샘플 2는 모재에 약 10㎛ 두께의 프리탈탄층을 형성한 다음 프리탈탄층 전부를 질화처리하여 약 10㎛ 두께의 질화층을 형성하였으며, 샘플 3는 모재에 약 20㎛ 두께의 프리탈탄층을 형성한 다음 프리탈탄층의 일부를 질화처리하여 약 13㎛ 두께의 질화층과 약 7㎛ 두께의 탈탄층을 형성하였고, 샘플 4는 0.1중량%의 Ti가 첨가된 모재에 약 20㎛ 두께의 프리탈탄층을 형성한 다음 프리탈탄층의 부를 질화처리하여 약 13㎛ 두께의 질화층과 약 7㎛ 두께의 탈탄층을 형성하였다.
시험예 1. 물성 평가
(1) 경도
상기와 같이 준비된 샘플 1 내지 샘플 4을 대상으로 마이크로 비커스 경도기를 이용하여 각 샘플의 표면에서 두께방향으로 깊이별 경도를 측정하였으며, 그 결과를 하기의 표 1 및 도 3에 나타내었다.
깊이(㎛) 샘플 1 샘플 2 샘플 3 샘플 4
3 700 700 700 700
5 650 690 690 690
10 400 630 670 670
15 350 400 250 320
20 300 330 300 320
25 300 300 300 320
30 300 300 300 320
표 1에서 보는 바와 같이, 샘플 1은 깊이가 10㎛인 지점에서 경도가 현저하게 저하된 것을 확인할 수 있었고, 샘플 2 내지 샘플 4는 깊이가 15㎛인 지점에서 경도가 저하된 것을 확인할 수 있었다. 이는 샘플 1에 비하여 샘플 2 내지 샘플 4는 모재의 표면에 페라이트 기지조직인 프리탈탄층이 형성된 후 페라이트 기지조직 내로 질소의 확산이 이루어진 질화층이 형성됨에 따라 표면의 경도가 향상된 것으로 유추할 수 있다.
또한, 깊이 15㎛인 지점에서 샘플 2와 샘플 3 및 샘플 4를 비교하면, 샘플 2의 경도가 상대적으로 높게 측정되었는데, 이는 탈탄층의 형성으로 인하여 경도가 저하된 것으로 유추할 수 있다.
그리고, 깊이 15㎛인 지점에서 샘플 3과 샘플 4를 비교하면, 샘플 4의 경도가 상대적으로 높게 측정되었는데, 이는 모재에 첨가된 Ti에 의해 TiC가 석출되어 석출 경화 현상이 발생하였고, 결정립 미세화 됨에 따라 경도가 향상된 것으로 유추할 수 있다. 따라서 모재에 Ti를 첨가함으로써 탈탄층 형성으로 인한 경도 저하를 극복할 수 있다는 것을 유추할 수 있다.
(2) 발청
샘플 1 내지 샘플 4을 대상으로 3%(w/v)의 염수를 분무한 후 상온의 대기 환경에 방치하였고, 녹이 발생되는 시간을 측정하였고, 그 결과를 하기의 표 2에 나타내었다.
(3) 저더(떨림) 내구성 실험
샘플 1 내지 샘플 4을 대상으로 2만km의 저더 내구 평가를 수행한 후 각 샘플의 마모량을 실시하였고, 그 결과를 하기의 표 2에 나타냈었다.
구분 샘플 1 샘플 2 샘플 3 샘플 4
3% 염수 분무 후 발청 발생 시간 2시간 60시간 60시간 60시간
저더 내구성 실험 마모량 (㎛) 20 16 10 8
표 2에서 보는 바와 같이, 샘플 1에 비하여 샘플 2 내지 샘플 4에서 녹의 발생이 상당히 지연된 것을 확인할 수 있었다. 이는 샘플 2 내지 샘플 4에서 프리탈탄층의 형성에 의해 질화층이 안정적으로 형성됨에 따라 내식성이 향상된 것으로 유추할 수 있다.
또한, Ti가 첨가된 샘플 4의 경우 다른 샘플보다 마모량이 감소된 것은 TiC의 석출로 인한 효과인 것으로 유추할 수 있다.
시험예 2. 마찰 마모 실험
모재에 형성되는 탈탄층의 두께에 따른 마모특성을 알아보기 위하여 회주철(펄라이트 조직 및 그라파이트 조직 포함)로 구성된 모재의 일면을 환원성 분위기에서 탈탄처리하여 20㎛ 두께의 프리탈탄층을 형성하였다. 이후 프리탈탄층의 표면을 질화처리하여 프리탈탄층의 전부 또는 일부에 질화층을 형성하였다. 이때 질화처리 후 샘플 5 내지 샘플 10의 탈탄층과 질화층의 두께는 하기의 표 3과 같이 조정하였고, 준비된 샘플을 왕복 마찰 마모 시험기를 사용하여 150℃에서 200N의 하중으로 마찰속도 5Hz에서 30분 동안 처리하였다. 이후 조도를 측정하였고, 그 결과를 됴 3에 함께 나타내었다.
구분 제조된 브레이크 디스크 조도 (Ra, ㎛)
탈탄층의 두께(㎛) 질화층의 두께(㎛)
샘플 5 - 20 20
샘플 6 3 17 17
샘플 7 5 15 2
샘플 8 8 12 2
샘플 9 10 10 2
샘플 10 12 8 12
표 3에서 보는 바와 같이, 샘플 7 내지 샘플 9는 마찰 마모 실험 후에도 조도가 낮아 내구성이 우수함을 확인할 수 있었다.
100: 모재 110: 펄라이트 조직
120: 그라파이트 조직 130: 석출탄화물
200: 탈탄층 210: 석출탄화물
300: 질화층

Claims (14)

  1. 회주철로 구성된 모재;
    모재상에 형성되고, 탄화처리되어 형성된 탈탄층; 및
    탈탄층상에 형성되고, 질화처리되어 질소화합물이 형성된 질화층;을 포함하는 브레이크 디스크.
  2. 청구항 1에 있어서,
    탈탄층은 평균 두께가 5 ~ 10㎛인 것을 특징으로 하는 브레이크 디스크.
  3. 청구항 2에 있어서,
    탈탄층과 질화층의 두께비는 0.2 ~ 1 : 1인 것을 특징으로 하는 브레이크 디스크.
  4. 청구항 1에 있어서,
    모재의 회주철은 그라파이트 조직 및 펄라이트 조직을 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이크 디스크.
  5. 청구항 1에 있어서,
    모재는 모재 총 중량을 기준으로 0.05중량% 내지 0.2중량%의 티타늄을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이크 디스크.
  6. 청구항 2에 있어서,
    모재 및 탈탄층은 석출된 탄화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이크 디스크.
  7. 청구항 6에 있어서,
    탈탄층에 포함된 탄화물은 탈탄층 총 중량을 기준으로 0.3% 이하인 것을 특징으로 하는 브레이크 디스크.
  8. 청구항 6에 있어서,
    탈탄층에 포함된 탄화물은 탄화티탄을 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이크 디스크.
  9. 회주철로 구성된 모재를 준비하는 준비단계;
    모재의 일면을 열처리하여 프리탈탄층을 형성하는 탈탄처리단계; 및
    프리탈탄층의 일부를 질화처리하여 프리탈탄층의 표면에 질소화합물을 포함하는 질화층을 형성하는 질화처리단계;를 포함하는 브레이크 디스크의 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    탈탄처리단계는 680℃ 내지 750℃에서 15분 내지 60분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 브레이크 디스크의 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    준비단계에서 준비되는 모재에는 탄화물이 석출되어 포함되고,
    탈탄처리단계 이후에는 프리탈탄층에 잔류하는 탄화물이 양이 프리탈탄층의 총 중량을 기준으로 3% 이하인 것을 특징으로 하는 브레이크 디스크의 제조방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    질화처리단계는 프리탈탄층을 암모니아, 질소 및 이산화탄소를 포함하는 반응가스 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 브레이크 디스크의 제조방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    반응가스는 암모니아, 질소 및 이산화탄소를 5~7 : 2~4 : 1의 부피비로 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이크 디스크의 제조방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    질화처리단계는 550℃ 내지 600℃에서 3시간 내지 8시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 브레이크 디스크의 제조방법.
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