KR20220086596A - 내식성 및 내마모성이 우수한 주철 브레이크 디스크 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내마모성 및 내식성이 증가된 표면, 특히 브레이크 디스크 상의 기계적으로 그리고 바람직하게는 기계 가공된 주철 또는 회주철 표면을 제조하는 방법으로서, 상기 표면은 일반적으로 소위 유체 제트 공정에 따른 워터 제트 처리를 받되, 상기 워터 제트 처리는 기계 가공에 의해 기본 조직에 의해 둘러싸인 흑연 개재물을 포함하는 개방된 공동들을 완전히 또는 적어도 부분적으로 세정하도록 조정되고, 흑연 개재물의 레벨은 공동을 둘러싸는 기본 조직의 외각 표면 아래에 위치하여, 연질화에 의해 확산 층이 적용되고, 그 확산 층 위에 산화물 층이 적용되는 것을 특징으로 하는 주철 또는 회주철 표면 제조 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따라 내마모성 및 내식성이 증가된 특히 브레이크 디스크 상의 기계적으로 그리고 바람직하게는 기계 가공된 주철 또는 회주철 표면을 제조하는 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 청구항 8의 전제부에 따른 특별히 조정된 워터 제트 프로세스의 특별한 용도 및 청구항 9의 전제부에 따른 특별한 브레이크 디스크에 관한 것이다.
예를 들어, 브레이크 디스크와 같은 주철 부품의 표면 상태를 개조하면 "주조성", 경제성, 우수한 열전도성, 고온에서의 충분한 안정성과 같은 코어 재료로서의 주철의 유리한 물성을 부품의 내식성과 내마모성을 개선시키는 코팅의 선진 특성과 결합할 수 있다.
이미 잘 알려진 것보다 브레이크 디스크 시장의 실제 기술 사양은 부품에 내구성 있는 내식성을 제공하는 동시에 제동 과정과 브레이크 디스크를 형성하고 있는 기본 재료의 마모로 인해 불가피하게 발생하는 입자 배출물이 주변 환경으로 배출되는 것을 감소시켜야 한다는 것이다. 이는 전기차에서 배출되는 입자 배출물의 주요 원인이 더 이상 엔진이 아니라 브레이크에서 발생하기 때문이다.
브레이크 디스크의 내마모성을 개선하기 위한 최신 솔루션 중 하나는 소위 "iDisc™"로 알려진 제품이다. iDisc™는 잘 알려진 독일 자동차 공급업체의 브레이크 디스크이다. 이 iDisc™의 마찰 표면은 제동 표면의 상부-코트로서 텅스텐 카바이드-계열 층으로 코팅(일반적으로 스프레이 코팅)된다. 그러나 이 솔루션은 비용이 많이 들고, 적어도 장기적으로는 완전히 만족스러운 내식성을 제공하지 못한다.
이는 주로 제동 과정에서 브레이크 디스크에 가해지는 높은 열 부하 때문이며, 주철 및 상부 코팅과 같이 사용된 재료의 열팽창 계수가 다름으로 인해, 코팅에 균열이 발생한다. 이러한 균열은 부식의 시작점이 되며, 이는 모재의 "언더-부식(under-corrosion)"으로 발전하여 최종적으로 코팅의 박리를 유발하게 된다.
(코팅을 제공하는 대신) 표면 개질 공정과 같은 대체 솔루션에는 질화, 탄질화 또는 탄질화에 질소(N) 및/또는 탄소(C) 및/또는 산소(O)를 기본 재료로 확산시킴에 의한 기판 산화를 더한 공정이 포함된다. 이들 공정을 예를 들어 가스 연질화(GNC: Gas Nitrocarburizing), 페라이트계 연질화(FNC: Ferritic Nitrocarburizing) 또는 단순히 질화 공정이라고 한다. 이러한 공정은 기판의 내마모성 및 내부식성을 증가시켜 기판 재료의 특성과 동일하거나 심지어 개선된 특성을 제공한다. 상기 공정들의 장점은 박리되기 쉬운 영역 코팅 층의 적층으로 이어지지 않는다는 것이다.
이러한 이유로, 상기 질화, 탄질화 또는 탄질화 및 산화 공정들은 브레이크 디스크의 마모뿐만 아니라 내식성을 개선하기 위해 선택할 수 있는 것들이다.
현대 전기 자동차의 주행 사이클이 크게 다르기 때문에 내식성을 개선해야 한다는 요구가 증가하고 있다. 현대의 전기 자동차에서는 차량이 하이브리드 자동차인지 혹은 완전 전기 자동차인지에 관계없이, 고전적인 내연 기관이 장착된 차량보다 습한 조건의 도시 교통에서 브레이크 디스크가 건조되는 빈도가 훨씬 적다. 이는 전기차의 제동력의 대부분이 브레이크를 전혀 사용하지 않거나 거의 사용하지 않고 회생 즉 전기 모터 자체에 의해 제공되기 때문이다.
지금까지 이러한 요구는 상기 질화, 탄질화 또는 탄질화 및 산화 공정만으로는 충분히 충족될 수 없다.
그러나 UV 페인트, Zn 또는 Zn/Al 페인트와 같은 부식 방지 페인트 또는 "코팅"은 이러한 새로운 조건(예를 들어, 표준 DIN EN ISO 9227 염수 분무 테스트에서 120시간)에서 성능을 잘 발휘할 수 있지만, 몇 번의 제동으로 쉽게 마모되며, 이에 따라 부식되지 않는 제동 표면을 제공하지 못한다.
본 발명의 목적은 내식성이 더욱 개선된 특히 브레이크 디스크의 일부인 주철 표면, 특히 회주철 표면을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 특히 브레이크 디스크용으로 내마모성 및 내식성이 증가된 기계적으로 바람직하게는 기계 가공된 주철 또는 회주철 표면을 제조하기 위한 아래의 방법에 의해 충족된다.
본 발명자들은 상기 주철 또는 회주철 표면의 특별한 워터 제트 처리(보통 소위 그 자체가 이미 알려진 유체 제트 공정에 따른)를 특별하게 조정하면, 주철 또는 회주철 표면의 내식성을 크게 향상시킬 수 있음을 발견했다. 워터 제트 처리가 선택된다. 본 발명에 따르면, 워터 제트는 기계가공에 의해 개방된 기본 주조 금속 구조의 공동에 존재하는 흑연 개재물을 완전히 또는 적어도 부분적으로 제거하도록(부분적으로=감소되도록) 조정된다. 이는 흑연이 더 이상 표면에 도달하거나 출현하지 않는다는 것을 의미한다. 일반적으로, 상기 흑연 개재물은 흑연 라멜라 또는 흑연 볼의 형태로 존재한다.
이하에서, 확산 층은 연질화에 의해 도포되고, 확산 층 위에 산화물 층이 도포되는데, 이들 모두는 종래 기술에서 공지된 바와 같다.
발명가들이 깨달은 성공의 핵심은 다음과 같다.
기계가공으로 개방된 기본 주조 금속 조직의 공동에 존재하는 흑연 개재물은, 그 흑연 개재물이 연질화에 의해 생성된 확산 영역과, 그 아래에서 영향을 받지 않은 기본 주조 재료가 만나는 영역으로 직접 확장되는 한 부식을 촉진한다.
더 자세한 조사가 아직 이루어지고 있는 중이지만, 이 삼중 접촉 영역에서 바람직하지 않은 전기화학적 성상이 발생하여, 국부적 전기 요소의 방식으로 빠른 부식을 촉진하는 것으로 추정된다.
본 발명자들은, 주조 표면의 절단된 공동이 더 이상 흑연을 포함하지 않거나 흑연이 너무 적어서 각 공동의 흑연 레벨(흑연 "벌크"의 경계)이 구성요소 코어의 방향에서 볼 때 연질화에 의해 생성된 확산 층보다 훨씬 작을 때(well further below) 부식이 훨씬 더 느리게 시작된다는 것을 발견했다.
"훨씬 작을 때(well further below)"은 대부분 또는 본질적으로 모든 수의 공동, 또는 적어도 공동의 상위 1/4, 또는 더 좋게는 공동의 상위 1/3에 토착 흑연 부하(native graphite load)가 본질적으로 없는 경우에 적어도 충분히 충족된 것으로 간주될 수 있다. 실험에 따르면 이 경우 흑연의 존재는 확산 층 및 표면에서 충분히 멀리 유지되어, 부식 과정의 시작을 지연시키고 늦춤으로써 부식 과정을 결정적으로 감소시킨다.
여기에는 두 가지 기술적 효과가 사용된다.
공동이 큰 경우, 즉 상대적으로 갭 폭이 큰 공동의 경우, 거기에 원래 포함된 흑연을 충분히 제거하면 연질화하는 중에 공동 내에 확산 층이 형성된다. 상기 확산 층은 공동의 바닥 방향으로 공동의 측벽 아래로 연장된다. 이것은 확산 층이 아래쪽으로 확장되는 한 공동의 측벽이 또한 부식 보호를 받는다는 것을 의미한다.
본 발명자들은 확산 층이 공동 내로 충분히 깊숙이 도달하도록 허용될 수 있다면 부식이 상당히 지연될 수 있음을 발견하였다. 그들은 예를 들어 디스크 브레이크의 실제 마찰 표면에서 시작하여 공동을 둘러싼 브레이크 디스크의 외부 표면에서 시작하여 확산이 발생하는 깊이 아래 영역에 확산 층이 도달하는 것이 중요하다는 것을 알게 되었다. 이것은 공동이 더 이상 흑연으로 채워지지 않는 경우에만 가능하다.
공동이 작은 경우, 즉 상대적으로 갭 폭이 좁은 공동의 경우, 또 다른 효과가 추가된다. 연질화 처리 과정에서, 이미 언급한 바와 같이, 공동의 측벽을 형성하는 표면 내로도 재료가 확산된다. 이로 인해 확산 영역의 재료의 부피가 어느 정도 팽창한다. 그 결과, 모든 공동과 마찬가지로 갭 폭이 좁은 공동들은 더 좁아지게 된다. 그러나 본질적으로 좁은 공동의 경우, 이는 공동들이 거의 닫혀서 부식 과정의 시작을 유발하는 액체의 침투를 결정적으로 방해하거나 늦추는 효과가 있다.
따라서 이들 두 가지 메커니즘은 부식을 결정적으로 지연시킨다. 그러나 이것은 초기에 공동들 안에 흑연이 충분하게 존재하지 않고 더 깊숙이 존재하지 않는 경우에만 달성될 수 있다. 공동에서 흑연을 표면적으로 제거하는 것은 여기에서 도움이 되지 않는다. 이는 부식이 이 공동에서 주변 환경으로 매우 빠르게 확산되어 파괴적인 작업이 시작되기 때문이다.
펄스 워터 제트 프로세스 자체는 이미 종래의 기술이다. 펄스 워터 제트는 EP2741862B호로부터 알려져 있다. 상기 EP2741862B1호는 참조로 본 명세서에 포함된다.
지금까지 알려지지 않은 사실은, 적당한 파라미터로 설정된 펄스 워터 제트 공정은, 본질적으로 주변의 기본 주조 금속 구조에 해로운 영향을 미치지 않으면서, 주철 표면에서 기계 가공 또는 샌드 블라스팅으로 절단된 공동에서 매우 효과적이고 선택적인 흑연 제거를 허용하는 툴이라는 것이라는 것이다. 더욱이 개방된 공동에서 미미한(insignificant) 흑연 제거가 내식성을 획기적으로 향상시킨다는 사실은 지금까지 알려지지 않았거나 예상되지 않았다.
이 단계에서 본 발명의 방법은 브레이크 디스크에 적용되는 한 다음과 같이 요약할 수 있다.
처음에는 주철 브레이크 디스크의 주조 및 바람직하게는 미세 선삭이 먼저 수행되며, 특별한 경우에는 라멜라 주철(grey crat iron이라고도 함)이 사용되는 것이 바람직하다. 이것은 완제품의 정확한 치수와 형상을 제공한다.
그런 다음 특히 부식 관련 표면과 관련하여 바람직하게는 펄스 워터 제트 처리가 수행된다. 이 시점에서 흑연이 포함된 공동은 기계가공이나 선삭으로 절단하거나 개방될 수 있을 뿐만 아니라 샌드 블라스팅으로도 절단하거나 개방 수 있음을 이해하는 것이 중요한다. 따라서 제동 표면, 내주 및 외주 또는 환기 채널을 워터 제트로 처리하는 것이 유용할 수 있다. 이것은 표면까지 출현하는 흑연 라멜라의 양을 극적으로 감소시켜 추가 연질화 성능을 향상시킨다.
후-산화로 가스 및/또는 플라즈마 연질화 하는 것은 기계적 및 부식 성능을 향상시킨다.
브레이크 디스크의 마무리 작업은 이하에서 마킹 및/또는 라벨링, 밸런싱, 치수 및 품질 관리가 수행될 수 있다.
펄스 워터 제트 공정을 시작하기 위해 준비된 전반적인 파라미터 세트를 교시하는 것은 불가능하지만, 처리할 주철 표면의 특성은 교시할 수 있다. 개별적인 주조 표면과 관련하여 독창적인 효과를 생성하기 위해 파라미터 세트를 어떻게 조정해야 하는지는 몇 가지 간단한 적용 테스트를 수행하고 그 테스트 결과의 분석을 통해 개별적으로 알아내야 한다. 이것은 사물의 본성에 있다.
조정되어야 하는 주요 파라미터는 펄스의 주파수를 포함하며, 그 범위는 10㎑ 내지 50㎑, 바람직하게는 약 20㎑이고, 워터 제트의 압력은 바람직하게는 표면까지 30-70㎜의 거리에서 550 내지 800바, 바람직하게는 600 내지 700바 사이이며, 속도는 500~1200㎜/초, 오프셋 2~10㎜이다.
가스 연질화 공정 이전의 표면 활성화에 대한 특정 경우에서, 일반적으로 < 또는 ≤ 3㎜의 노즐 직경, 및 0 ~ 45° 각도의 개구와 같은 일부 특정 파라미터가 직접적으로 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀졌으며, 이들은 처리 효과에 영향을 미치는 전반적인 워터 흐름에 직접적으로 영향을 미친다.
펄스 워터 제트 공정의 목표는, 이상적으로는 펄라이트 및/또는 알파 페라이트 금속 결정립을 침식시키지 않고, 공동 내에 토착적으로 존재하는 흑연((라멜라 및/또는 소구체 및/또는 혼합된 버미큘라(vermicular)) 형태의 "탄소 응집체"라고도 함)만을 침식시키는 것이다. 따라서 이에 맞게 펄스 워터 제트 공정이 조정된다.
공정은 표면을 가능한 한 매끄럽게 유지해야 하며, 이상적으로는 흑연에 의해 비어 있는 공간을 제외하고 거칠기(Ra 및 Rz)에 영향을 미치지 않거나 본질적으로 영향을 미치지 않아야 한다. (종래 해법에서와 같이) 필요한 마찰 계수를 제공하려면 거칠기가 낮아야 한다. 실제로 올바른 마찰은 접착력과 마모의 조합으로 전달되며, 마이크로 피크(높은 거칠기) 없이 마찰의 접착-성분에 부정적인 영향을 미치는 높은 표면 접촉이 필요하다. 또한, 코팅 층의 경우, 접착 현상이 선호되는데 이는 제품의 수명을 연장시킨다. 초경질 패드 재료에 의해 제공되는 연마 층은 두 컴포넌트(디스크 및 패드)의 마모를 저하시킬 뿐이며, 종래-상태로부터 효과적인 개선을 제공하지 않는다.
흑연에서 남겨진 전술한 빈 공간은 가스 및/또는 플라즈마 질화 및/또는 침탄질화(예를 들어, IONIT G Ox) 중에 부분적으로 닫혀 표면이 훨씬 매끈해진다.
연질화 및 후속 산화의 경우, EP0753599B1호에 잘 기술된 공정이 사용되는 것이 바람직하다. 이 특허 문헌은 참조로 본 명세서에 포함된다. 여기에서 교시된 과정을 IONIT OX라고 한다.
이 특허는 표면의 N 및 C 원자를 침투시키고, 후-산화를 추가하여 (자유 표면에서 코어 방향으로 볼 때) 다음을 목표로 한다.
- 더 높은 내식성을 제공하는 산화물 층(Fe3O4),
- 내식성이 우수하고, 경도가 매우 우수한(일반적으로 HV5가 200인 일반 주철에 비해 HV5가 300-450임), 감마 및 엡실론 Fe-N 결정립으로 구성된 백색 층,
- 및 코어 재료보다 적어도 50 HV5 포인트의 높은 경도를 갖는 확산 층.
알파 페라이트보다 미세조직이 광범위한 감마 및 엡실론 질화물은 표면 부피의 작은 성장을 초래하므로, 위에서 설명한 것처럼 흑연에 의해 남은 빈 공간을 밀봉하는 데 도움이 된다.
추가 개선을 위한 선택적 가능성
연질화를 시작하기 전에 상기 주조 표면을 플라즈마 세정하는 것이 바람직하다. 그렇게 하면 연질화에 의해 영향을 받는 확산 층의 성장이 가장 효과적으로 되고 결함이 없게 된다.
이상적으로는 연질화에 의해 생성된 확산 층이 산화물 층이 생성되기 전에 플라즈마 처리, 바람직하게는 플라즈마 활성화 형태로 처리된다는 점에서이다. 이러한 가스-질화된 표면의 스퍼터 세정은 결정화 조건을 최적화하여, 부착되고(adherent) 미세 조직의 Fe3O4 산화물 층을 달성한다. 냉각 중에 N 및 C 손실에 대한 보상도 달성된다. ε 질화물은 이것의 결과이다.
초음파로 워터 제트 치료를 보조하는 것이 매우 바람직하다. 초음파 범위에서 음파의 추가적인 맥동 에너지의 중첩은 현재 절단된 공동에 박혀 있는 흑연을 훨씬 쉽게 느슨하게 한다. 이것은 공동에 상당히 더 깊게 도달하게 하여 흑연을 제거하게 된다.
그 이유는 워터 제트가 분사되는 마우스나 노즐에 초음파가 중첩되면 캐비테이션 버블이 형성되기 때문이다. 이 캐비테이션 버블은 브레이크 디스크의 표면에 대해 워터 제트와 함께 내던져진다. 그들은 거기에서 내파(implode)한다. 이것은 잘 알려진 캐비테이션의 파괴적인 효과를 동반한다.
그러나 이 파괴적인 효과는 특히 물 분사가 비스듬히 적용될 때 모재의 주변 표면에서 눈에 띄지 않는다. 이는 워터 제트가 모재를 손상시킬 만큼 충분히 오래 작용하지 않기 때문이다. 흑연은 상황이 다르다. 흑연 축적물은 내파되는 캐비테이션 버블에 의해 매우 빠르게 산산조각이 난 다음 워터 제트에 의해 배출될 수 있다.
워터 제트가 처리될 표면에 대해 직사각형이 아닌 각도를 따라 지향/블라스팅되는 것이 매우 바람직하다. 다시 말해서, 워터 제트는 처리될 표면에 대한 법선 방향(완전히 그리고 바람직하게는 법선 방향으로 본질적으로 아닌)으로 분사되지 않는다.
예를 들어, 마찰 표면이 처리되어야 하는 경우, 워터 제트의 메인 방향은 마찰 표면에 대해 각도를 형성하며 배치되어, 워터 제트가 적어도 대부분이 또는 심지어 실질적으로 이 각도로 마찰 표면에 충돌한다. 이상적인 각도는 90° +/- 허용 오차 대신 최소 50°에서 최대 약 60°까지, 약 45° 정도이다.
그렇게 하면 워터 제트가 브레이크 디스크의 표면에 정면으로 즉 처리될 표면에 법선을 따라 충돌하는 경우, 더 강력한 워터 제트가 사용될 수 있으며, 이는 너무 많은 운동적 영향이 발생하여 표면 품질 및 특히 브레이크 표면의 금속 모재의 거칠기가 해로운 영향을 받을 것이다.
워터 제트가 강력할수록 설명된 대로 일정한 블라스트 각도로 적용하더라도 워터 제트는 공동을 더 효과적으로 세척할 수 있다.
발명을 수정하는 방법, 발명이 작동하는 방식 및 그것이 생성하는 긍정적인 기술적 효과에 관한 추가 힌트는 바람직한 실시예의 다음 설명에 의해 개시된다.
도 1은 본 발명의 교시의 적용에 의해 일어나는 것을 보여주는 도면이다.
도 2의 a) 내지 d)는 IONIT OX로 코팅한 후 개방된 플레이트가 있는 이 디스크의 브레이크 디스크와 그 단면을 도시한다.
도 3의 a) 내지 도 3의 d)는 염수 분무 환경에서 48시간 노출 후의 결과와 기판을 보여준다.
도 4는 비교에 일반적으로 사용되는 값을 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 IONIT OX 공정을 적용하기 전의 워터 제트 활성화 공정에 대한 전형적인 구성을 나타낸다.
도 2의 a) 내지 d)는 IONIT OX로 코팅한 후 개방된 플레이트가 있는 이 디스크의 브레이크 디스크와 그 단면을 도시한다.
도 3의 a) 내지 도 3의 d)는 염수 분무 환경에서 48시간 노출 후의 결과와 기판을 보여준다.
도 4는 비교에 일반적으로 사용되는 값을 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 IONIT OX 공정을 적용하기 전의 워터 제트 활성화 공정에 대한 전형적인 구성을 나타낸다.
바람직한 실시형태에서, 본 발명이 적용되는 철-계 컴포넌트는 주철 브레이크 디스크이다.
브레이크 디스크는 종래 기술에서 알려진 적절한 디스크 두께 변화(DTV), 평면도 및 측면 런아웃(LRO)에 도달하기 위해, 처음에 기계적으로 미세하게 선삭된다. 이들 주요 기계적 마무리 방법을 사용하면 작동 중 브레이크 디스크 고장의 주요 원인 중 하나인 브레이크 디스크의 떨림과 저더(judder)를 줄일 수 있다.
그 후, 특히 주조 후 기계 가공된 다른 표면 또는 제동 표면의 영역이, 위에서 더 자세히 설명된 바와 같은 펄스 워터 제트 기술로 처리된다.
위에서 언급한 더 넓은 파라미터 범위에서 시작하여 여기에 사용된 파라미터를 결정하기 위한 다음과 같은 바람직한 값이 다음과 같이 선택되었다.
약 550 내지 650바의 압력, 워터 제트 노즐과 브레이크 디스크의 목표 표면 사이의 거리는 적어도 약 30㎜, 공칭 직경이 약 1.6㎜ 내지 2.2㎜인 원형 개구부를 구비하며, 약 20°의 원뿔 각도로 외부로 확장하는 노즐.
위에서 언급한 파라미터들은 개별 모재 특성 즉 주철 구성성분에 대한 방향, 경도, 결정립 분포 및 전반적인 브레이크 디스크 형상에 따라 테스트를 통해 조정해야 한다. 본 발명이 교시하는 바에 따라 "현미경" 사진이 흑연에서 절단된 공동에서 본 발명이 교시하는 바에 따라 흑연이 충분히 제거되었음을 보여주자마자 테스트가 완료되었다. 반면 다른 측정에서는 아직 악화되지 않았거나 주변 표면의 조직(거칠기)과 관련 없는 악화 외에는 없음이 입증되었다.
이 시점에서 전반적으로 예상되는 거칠기는 특히 브레이크 디스크의 경우 Ra<5㎛, 바람직하게는 Ra<3㎛ 및 Rz<12㎛, 바람직하게는 Rz<10㎛이어야 한다는 점을 언급해야 한다.
도 1은 본 발명의 교시의 적용에 의해 일어나는 것을 보여준다. 이를 위해 도 1은 A, B, C 세 부분의 회주철 표면(1)을 보여준다.
맨 왼쪽(A)에서, 브레이크 디스크의 마찰 표면으로 이해될 수 있는 표면의 사전 가공으로 인해 절단된(개방된) 흑연 라멜라(11)가 있는 기판(1)의 오리지널 상태를 볼 수 있다. 기판에서 더 깊은 흑연 라멜라(10)는 가공 공정에 의해 변경되지 않은 상태로 유지된다.
중간 섹션(B)은 약간 탈탄되었지만, 여전히 불충분하게 열적 탈탄되었고 또는 (본 발명의 목적을 위해) 연질의 위험하지 않은 워터 제트 즉 개방된 공동(23) 주위의 기재 금속 표면에 손상을 입히기에는 충분히 강하지 않은 워터 제트에 의한 불충분한 세척을 보여준다. 워터 분사는 표면으로 적절하게 향하지 않더라도 잠재적으로 개방된 공동(23)을 둘러싸는 모재 금속 표면을 손상시킬 만큼 충분히 강하지 않고 흑연(21)으로부터 공동의 더 깊은 부분에 세정(24)을 제공하기에 충분히 강하지 않다. 연질화 공정 전에 이 작업만을 수행하면 부식 방지가 충분하지 않다. 이것은 (아무리 늦어도) 첫 번째 비상 제동의 열 부하 하에서 개방된 공동을 채우고 있는 흑연이 타버릴 것이기 때문이다. 그런 다음 연질화 처리되지 않은 공동의 "벗겨진(naked)" 측벽이 개방되고, 브레이크 디스크의 마찰 표면에 매우 가까운 영역에서 빠르게 부식되기 시작했다.
오른쪽 섹션(C)에서, 본 발명의 방법을 적용하여 라멜라가 완전히(32) 또는 부분적으로(31) 제거된다. 공동(33)의 측벽은 공동(34) 깊이의 1/4보다 더 많이 또는 1/3보다 더 많은 깊이를 따라 흑연이 제거되어 흑연이 없는 상태가 된다. 그로 인해 더 크고/넓은 공동(오른쪽에 표시됨)의 이러한 흑연이 없는 측벽에는 공동을 따라 아래로 연장되는 보호 확산 층이 제공될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로 액세스가 좁은 얇은 공동은 확산에 의한 재료 팽창으로 인해 추가로 폐쇄(33)되어 습기가 침입하기 어렵게 된다.
도 4에 제시된 표는 비교에 일반적으로 사용되는 값에 익숙한 전문가를 위해 항상 관련된 값을 제공하기 때문에, 부식 거동 및 기타 중요한 파라미터 측면에서 본 발명의 매우 유익한 효과를 입증한다.
맨 왼쪽 열(A)에는 조사 목적을 위해 출원인이 지금까지 실행했지만 본 발명에 따르지 않는 솔루션의 데이터가 포함되어 있다. 이 솔루션에서 회주철 브레이크 디스크는 이미 맥동하는 워터 제트로 세정되었다. 그러나 과거에는 주변 표면이 부정적인 영향을 받아서는 안 된다는 도그마에 비추어, 공동으로부터 상당량의 흑연을 제거할 수 있을 만큼 충분히 예리한 워터 제트의 파라미터로 아직 조정되지 않았다. 이들 디스크는 표면에서 가시적인 부식이 나타날 때까지 약 10시간 동안 친숙한 염수 분무 테스트를 견뎠다.
오른쪽 열(B)에는 본 발명에 따른 솔루션의 데이터가 있다.
이 솔루션의 범위 내에서, 회주철 브레이크 디스크는 본 발명에 따라 조정된 맥동 워터 제트로 특수 처리된다. 워터 제트는 너무 날카로워서 적절한 주의를 기울이지 않으면 브레이크 디스크의 표면이 바람직하지 않은 부정적인 영향을 받을 위험이 있다. 워터 제트는 절단된 공동의 대부분을 깊이의 4분의 1 이상을 세정했다. 따라서 서두에서 위에서 설명한 효과가 공동 내에서 발생할 수 있다. 그 결과, 표준 염수 분무 테스트에서 브레이크 디스크의 내구성이 크게 향상되었다. 가시적인 부식은 300시간 이상이 경과한 후에만 발생했다.
도 4(주철, 도장되지 않음)에 따르는 테이블에서 오른쪽으로 이동하면 다음으로 발견되는 것은 수십 년 동안 종래 기술로 유지되어 온 일반 회주철 디스크에 대한 설명이다.
오른쪽에 있는 도 4(주철, 도장)에 따른 표에서, 일반 회주철 디스크이지만 현재 아연에 현대적인 스프레이 보호 래커 마감이 장착되어 있는 회주철 디스크에 대한 설명을 찾을 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 이러한 보호 코팅은 부식의 관점에서 상당히 많은 것을 얻을 수 있다. 그러나 결정적인 단점은 실제 마찰 표면의 보호 코팅이 일상적인 제동 동작 중에 매우 빠르게 마모된다는 것이다.
도 4의 표의 마지막 열(FNC)에서 본 발명에 따른 연질화 후 산화가 생략된 회주철 디스크에 대한 설명을 찾을 수 있다.
도 2의 a) 내지 도 2의 d)는 IONIT OX로 코팅한 후 개방된 플레이트가 있는 이 디스크의 브레이크 디스크 도 2의 a)와 단면 도 2의 b)를 보여준다. 도면은 도 2의 c)에서, 열처리 및 후속 IONIT OX 코팅 후 부분적으로 중단된 라멜라를 보여준다. 단면도 2의 d)는 워터 제트 처리 및 후속 IONIT OX 처리 후 중단된 라멜라 및 라멜라-프리 영역을 보여준다.
IONIT OX는 위에서 언급한 특허에 의해 교시된 바와 같이 연질화에 이어 플라즈마 처리 및 산화물 코팅에 의해 생성된 확산 층이다.
도 3a 내지 도 3d는 염수 분무 환경에서 48시간 노출 후의 결과와 기판을 보여준다. 도 3의 a)는 전처리가 없는 IONIT OX를 보여주고, 도 3의 b)는 IONIT OX 전에 열적 전처리한 것을 보여주고, 도 3의 c)는 IONIT OX 전에 워터 제트 전처리한 것을 보여주며 및 도 3의 d)는 도 3의 c)에서와 동일한 기판 즉 IONIT OX 이전에 워터 제트 전처리를 한 것을 염수 분무 시험 240시간 후의 상태를 나타내는데, 시각적으로 여전히 대부분 부식이 없는 상태를 유지하는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 IONIT OX 공정을 적용하기 전의 워터 제트 활성화 공정에 대한 전형적인 구성을 나타낸다. 여기에는 처리 대상 기판, 브레이크 디스크(1), 워터 제트 건(2) 및 노즐(3)이 포함된다. 여기서 워터 제트 건(2)은 브레이크 디스크의 표면에 대해 일정한 노즐-기판 거리(d)에 배치되고, 일정한 각도로 기울어져서, 워터 제트 건의 축과 브레이크 디스크 표면의 평면이 각도(α)를 형성한다. 워터 제트는 도면에서 도면부호 4로 표시되어 있다. 워터 제트에 의해 표면이 활성화 되는 동안, 브레이크 디스크는 브레이크 디스크의 표면에 평행한 평면에 있는 2개의 축에서 워터 제트 건과 동시에 특정 회전 속도(v)로 회전한다. 이를 통해 브레이크 디스크의 전체 표면을 처리할 수 있다.
라멜라 침식을 위한 펄스 워터 제트 공정 후, 브레이크 디스크는 약 500℃ 내지 590℃, 바람직하게는 570℃ 내지 580℃의 온도에서 열처리 공정을 거친 후 제어된 분위기에서 일반적으로 약 1030 밀리바의 대기압에 가까운 압력에서 암모니아, 질소 및 이산화탄소와 같은 가스에 노출되어 연질화 처리된다. 각각의 가스 흐름은 주철 모재와 브레이크 디스크 부품의 무게에 따라 조정된다. 연질화 공정은 부품의 전체 노출된 표면에 걸쳐 더 경질의 Fe-NC 재료를 형성하기 때문에 철-계 재료에 유리하다.
이후에 부품은 약 500℃의 더 낮은 온도에서 냉각되며, 여기서 부품은 선택적으로 2 밀리바 미만, 바람직하게는 1 내지 2 밀리바 사이의 작업 압력에서 플라즈마 활성화 공정을 거치거나 또는 추가의 선택적 산화 공정을 직접 거칠 수 있다. 선택적 플라즈마 활성화 공정은 US5679411호에 더 자세히 설명되어 있지만, 후자의 추가 산화 공정을 포함하는 전체 공정은 가스 연질화 및 산화 또는 GNC OX로 더 잘 알려져 있다.
선택적인 플라즈마 활성화는 스퍼터링에 의한 표면의 추가 세척을 허용하고 이 프로세스 동안 생성된 스퍼터 이온은 격자 결함을 생성하며, 이는 산화 프로세스 후 최종적으로 더 조밀한 산화물 층에 기여한다. 생성된 연질화 층 또는 확산 영역의 두께는 최소 15㎛이고, 산화물 층은 최소 2㎛이다. 추가 옵션인 마그네타이트(Fe3O4)의 얇은 산화물 층은 연속적이고 부품 표면 전체에 걸쳐 생성된 폐쇄 층으로 부품의 내부식성을 개선시킨다.
Claims (8)
- 내마모성 및 내식성이 향상된 표면, 특히 브레이크 디스크 상의 기계적으로 그리고 바람직하게는 기계 가공된 주철 또는 회주철 표면을 제조하는 방법으로서,
상기 표면은 일반적으로 소위 유체 제트 공정에 따른 워터 제트 처리를 받되, 상기 워터 제트 처리는 기계 가공에 의해 기본 조직으로 둘러싸인 흑연 개재물을 포함하는 개방된 공동들을 완전히 또는 적어도 부분적으로 세정하도록 조정되고, 흑연 개재물의 레벨은 공동을 둘러싸는 기본 조직의 외각 표면 아래에 위치하여, 연질화에 의해 확산 층이 적용되고, 그 확산 층 위에 산화물 층이 적용되는 것을 특징으로 하는 주철 또는 회주철 표면 제조 방법. - 제1항에 있어서, 상조 주조 표면의 플라즈마 세정이 연질화 전에 수행되는 것을 특징으로 하는 바람직하게는 브레이크 디스크 제조 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 연질화에 의해 생성된 확산 층은, 산화물 층이 생성되기 전에 플라즈마 처리를 받되 바람직하게는 플라즈마 활성화 형태로 처리되는 것을 특징으로 하는 바람직하게는 브레이크 디스크 제조 방법.
- 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 워터 제트 처리가 초음파에 의해 보조되는 것을 특징으로 하는 바람직하게는 브레이크 디스크 제조 방법.
- 바람직하게는 브레이크 디스크의 제조 방법으로, 워터 제트가 처리 대상 표면에 직사각형이 아닌 각도를 따라 지향/블라스트 되는 것을 특징으로 하는 바람직하게는 브레이크 디스크 제조 방법.
- 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 탄질화 공정 및 바람직하게는 산화 공정이 특히 또는 실질적으로 가열 시간, 유지 시간, 탄질화 단계 중의 온도, 후속 냉각 시간 및 냉각 시간이 경과한 후에 도달되는 온도뿐만 아니라 후속의 산화 시간 및 또는 이 시간 중에 유지되거나 구동되는 온도 파라미터들 중 하나 이상에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 주철 또는 회주철 표면 제조 방법.
- 기본 구조로 둘러싸인 흑연 개재물을 포함하는 기계 가공에 의해 개방된 브레이크 디스크의 공동을 완전히 또는 부분적으로 세정하기 위해 그에 따라 조정된 유체 제트 공정의 용도로, 후자의 경우 연질화를 위한 브레이크 디스크의 준비 또는 혹시 있을 수 있는 후속 산화를 위한 브레이크 디스크의 준비를 위해, 흑연 개재물의 레벨이 공동을 둘러싸는 기본 조직의 외각 표면보다 아래에 있는 것을 특징으로 하는 유체 제트 공정의 용도.
- 적어도 사전 기계가공에 의해 개방되며 원래 흑연으로 채워진 마찰 표면 공동을 가지는 바람직하게는 회주철로 제작되는 브레이크 디스크로, 상기 공동은 공동 내에 고형 블라스팅 재료 또는 애시가 적층되지 않게 하는 방식으로 공동 내에 있던 흑연으로부터 완전히 또는 부분적으로 제거되고, 브레이크 디스크는 연질화 및 바람직하게는 산화 처리되는 것을 특징으로 하는 브레이크 디스크.
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