KR20220089677A - 브레이크 디스크용 오스테나이트계 고망간강 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디스크 브레이크용 고망간강에 관한 것으로서, 마찰계수가 우수한 디스크 브레이크용 오스테나이트계 고망간강을 개시한다. 개시되는 오스테나이트계 고망간강의 일 실시예에 따르면 중량%로, C: 0.2 내지 1.8%, Mn: 8 내지 30%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 면적분율로, 오스테나이트를 90% 이상 포함하며, 상기 오스테나이트 결정립 길이가 단위 면적 100㎛² 당 1㎛ 이상일 수 있다.

Description

브레이크 디스크용 오스테나이트계 고망간강{AUSTENITIC HIGH MANGANESE STEEL FOR DISK BRAKE}

본 발명은 디스크 브레이크용 고망간강에 관한 것으로서, 마찰계수가 우수한 디스크 브레이크용 오스테나이트계 고망간강에 관한 것이다.

날로 심각해져 가는 지구 온난화의 문제를 해결하기 위하여, 이산화탄소 배출에 대한 규제가 강화되고 있다. 자동차 분야에서는 연비 규제가 강화되고 있으며, 연비를 향상시키기 위하여 차체의 중량을 감소시키고자 하는 시도가 진행되고 있다.

이와 같은 중량 감소를 위한 시도는 다각도로 이루어지고 있으며, 어떠한 부품이라도 동일한 성능을 유지하는 한도 내에서 두께가 가능한 감소되고 있는 추세이다. 디스크 브레이크도 제동 성능 등 차체의 안전에 영향을 미치지 않는다면 두께를 감소시키는 것이 차체 중량 감소에 유리하다.

그러나, 디스크 브레이크는 브레이크 패드와의 접촉 마찰에 따른 제동 작용을 하는 차량 부재로서, 반복 마찰에 의하여 그 두께가 감소될 수 있으므로 충분한 사용 수명 내에서 제동에 문제가 발생하지 않도록 내마모성을 가질 필요가 있다. 그 뿐만 아니라, 디스크 브레이크는 그 특성상 마찰열에 노출될 수 있으며, 특히 브레이크 패드와 접촉하는 표면은 국부적으로 고온으로 가열될 수 있어 강도가 감소할 우려가 있다. 즉, 마찰계수가 충분하지 못할 경우 두께 감소는 안전상의 치명적인 문제를 야기할 수 있다.

한국 공개특허공보 제10-2008-0058440호 (공개일자: 2008년06월25일)

상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 마찰계수가 우수한 디스크 브레이크용 오스테나이트계 고망간강을 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 발명의 일 예에 따른 오스테나이트계 고망간강은 중량%로, C: 0.2 내지 1.8%, Mn: 8 내지 30%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 면적분율로, 오스테나이트를 90% 이상 포함하며, 상기 오스테나이트 결정립 길이가 100㎛² 당 1㎛ 이상일 수 있다.

또한, 상기 오스테나이트계 고망간강은 Cr, Mo 및 W 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 오스테나이트계 고망간강은 중량%로, Cr, Mo 및 W의 총 중량을 8% 이하로 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 오스테나이트계 고망간강은 면적분율로, 상기 오스테나이트 결정립 계면에 형성된 5% 이상의 석출물을 포함할 수 있다.

또한, 상기 오스테나이트계 고망간강은 오스테나이트 결정립 길이가 단위 면적 100㎛² 당 30 내지 120㎛일 수 있다.

또한, 상기 오스테나이트계 고망간강의 마찰계수는 0.4 이상일 수 있다.

본 발명은 단위면적 당 오스테나이트 결정립 길이를 제어하여 마찰계수가 우수한 디스크 브레이크용 오스테나이트계 고망간강을 제공할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술사상이 이하에서 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.

한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다. 가령, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

또한, 본 명세서의 "약", "실질적으로" 등은 언급한 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

본 발명의 발명자들은 특히 디스크 브레이크 등과 같이 고온강도가 요구되는 부품에 사용될 수 있는 강재에 대해서 연구한 결과, 오스테나이트계 강재가 고온에서 높은 강도를 가지고 있으므로 디스크 브레이크용 소재로 적합하다는 것을 확인할 수 있었다. 통상의 펄라이트, 페라이트 혹은 고강도 마르텐사이트 미세조직을 가지는 강재는 반복적인 제동에 의해 디스크 표면에서 유발되는 상변태로 인해 제동 성능이 저하될 수 있다. 반면, 오스테나이트 미세조직을 가지는 강재는 고온에서의 상변태가 없으므로 상온 및 고온에서도 높은 강도를 가질 수 있다. 그러나, 디스크 브레이크가 가열되는 고온에서는 주조직을 오스테나이트로 하는 것만으로는 충분하지 않고, 강 내부에 석출물을 적절한 형태와 분포로 형성시킬 필요가 있다. 통상의 오스테나이트계 강재는 연성과 충격인성의 하락을 억제하기 위해 결정립계에 존재하는 석출물의 양을 제한하는 것이 일반적이다. 그러나, 본 발명은 입계의 석출물이 형성되도록 하면서 석출물 간 서로 연결되지 않도록 하기 위해 가급적 결정립 계면에 형성되도록 하여 고온에서 강재의 내마모성을 향상시킨다.

즉, 본 발명의 강재는 오스테나이트계 강재로서 결정립계에 석출물이 다량 형성된 강재이다. 한편, 본 발명 오스테나이트계 강재의 미세조직은 오스테나이트와 석출물을 포함한다. 상기 미세조직은 면적분율로 오스테나이트 90% 이상, 바람직하게는 99% 이상으로 오스테나이트를 주조직으로 포함하며, 5% 이상의 석출물을 포함하고, 제조공정상 불가피하게 형성될 수 있는 불순조직으로서 α'-마르텐사이트와 ε마르텐사이트를 추가적으로 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 고망간강은 오스테나이트 조직을 기본으로 하여 가공경화능이 우수할 뿐만 아니라 내마모성 또한 보유하는 이점이 있다. 따라서 본 발명에서, 오스테나이트 면적분율을 90% 이상 확보하는 경우 오스테이트계 강종이 형성된 것으로 판단할 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 오스테나이트계 고망간강은 오스테나이트 결정립 길이가 단위 면적 100㎛² 당 1㎛ 이상일 수 있고, 바람직하게는 30㎛ 이상 일 수 있다. 석출물(탄화물)이 형성될 수 있는 사이트인 결정립계가 많을수록 탄화물 형성 온도 구간에서 석출이 쉽게 일어날 가능성이 높기 때문에, 이를 고려하여 높은 마찰계수를 확보하기 위하여 오스테나이트 결정립 길이가 단위 면적 100㎛² 당 1㎛ 이상, 바람직하게는 30㎛ 이상인 것이 바람직하다. 즉, 결정립의 크기가 작고 그 개수가 많을수록 단위 면적당 결정립계의 길이는 커지므로, 단위면적 당 결정립 길이가 클수록 바람직하나, 제조공정 상 현실적인 한계를 고려하여 일 예에 따르면 오스테나이트 결정립 길이의 상한은 단위 면적 100㎛² 당 120㎛일 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 오스테나이트계 고망간강의 마찰계수는 높을수록 바람직하고, 예를 들어, 마찰계수는 0.4 내지 0.7, 바람직하게는 0.5 내지 0.8일 수 있다. 마찰계수가 0.4 이상을 만족하여야 오스테나이트계 강을 디스크 브레이크에 적용할 수 있다. 구체적으로, 마찰계수가 작으면 제동거리가 늘어나는 단점이 있으며, 마찰계수가 너무 높으면 제동 시 급제동으로 인한 기타 장치에 응력 과부하, 디스크 패드 마모 과다 등의 문제가 있을 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 오스테나이트계 고망간강은 중량%로, C: 0.2 내지 1.8%, Mn: 8 내지 30%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

이하, 상기 오스테나이트계 고망간강의 성분조성에 대해서 한정한 이유에 대하여 구체적으로 설명한다.

탄소(C)의 함량은 0.2 내지 1.8중량%이고, 바람직하게는 0.3 내지 1.5 중량%이다.

C는 오스테나이트를 안정화시켜 상온에서 오스테나이트 조직을 얻을 수 있도록 하는 원소로서, 강재의 강도를 증가시킨다. 특히 C는 오스테나이트 내부에 고용되어 가공 경화를 증가시키거나, 결정립계에 석출하여 높은 내마모성을 확보하거나, 오스테나이트상 안정화 원소로 비자성을 확보한다.

통상적으로 C를 활용한 고망간 오스테나이트계 제품의 경우 과다한 C와 이로 인한 결정립계 탄화물 석출은 소재의 인성을 저하시켜 강재의 취화를 유발하므로, C의 함량을 제한하고 탄화물 석출을 억제한다. 그러나, 본 발명은 결정립계 탄화물을 활용하여 고온 강도, 고온 내마모성을 향상시킨다. 구체적으로, 본 발명에서 C는 결정립계 탄화물을 형성시키며, 상기 탄화물이 안정한 상태로 결정립계에 존재하는 온도 구간은 약 400 내지 900℃이다. 상기 온도 구간은 고온 강도, 고온 내마모성이 요구되는 디스크 브레이크 등과 같은 제품의 브레이크 작동 시 온도 구간과 일치한다. 상기 온도 구간에서의 존재하는 탄화물은 소재의 고온 강도 및 내마모성을 높여 디스크 브레이크 등과 같은 제품의 성능을 현저히 개선하는 효과가 있다.

상술한 효과를 고려하여 본 발명에서 C는 0.2중량% 이상 첨가된다. 그러나, C 함량이 과다하면 강재 내 탄화물이 지나치게 다량 석출되어 생산성을 저하할 우려가 있으므로, 본 발명에서 C 함량의 상한은 1.8중량%로 제한될 수 있다.

망간(Mn)의 함량은 8 내지 30중량%이고, 바람직하게는, 10 내지 25 중량%이다.

Mn은 오스테나이트를 안정화시키는 원소로, 본 발명에서 주조직으로 오스테나이트상을 확보하기 위해서는 Mn은 8중량% 이상 첨가될 수 있다. 그러나, Mn 함량이 과다하면 내식성의 저하, 제조공정 상의 어려움, 제조단가 상승, 인장강도의 저하, 가공 경화의 감소 등의 문제가 있으므로, 본 발명에서 Mn 함량의 상한은 30중량%로 제한될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 고망간강은 상술한 합금조성에 더하여 선택적으로 다른 합금원소를 더 포함할 수 있고, 바람직하게는 Cr, Mo 및 W 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.

일 예에 따른 고망간강은 중량%로, Cr, Mo, W의 총 중량을 8% 이하로 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 고망간강은 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 중 1종 이상을 추가적으로 포함할 수 있으며, 그 합계량은 8중량% 이하일 수 있다. Cr, Mo, W은 내식성을 향상시키며, 고용 강화 효과 원소이다. 특히, Cr, Mo, W은 탄화물을 형성하는 원소이며, 형성된 탄화물은 결정립계에 석출되어 고온강도를 증가시킨다. 그러나, 상기 성분들의 합계량이 과다하면 제조원가가 상승될 우려가 있고, 페라이트가 형성되어 오스테나이트 주조직을 얻지 못할 우려가 있다.

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조 과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조 과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

다만, 본 발명에 따른 디스크 브레이크용 오스테나이트계 고망간강에는 니켈(Ni)이 포함되지 않는 것이 바람직하다. Ni은 가격이 매우 비싼 금속이므로 소모품인 브레이크에 사용하기에는 적합하지 않다. 따라서, 본 발명에 따른 디스크 브레이크용 오스테나이트계 고망간강은 니켈 함유 없이 높은 마찰계수를 달성함으로써 저비용의 브레이크용 소재를 제공할 수 있는 이점이 있다.

이하, 본 발명에 따른 오스테나이트계 고망간강의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명에 따르면 상술한 합금조성 및 미세조직을 만족하도록 제조조건은 적절히 제어되면 되고, 특별히 제한되지 않는다. 본 발명의 일 예에 따른 오스테나이트계 고망간강은 슬라브를 재가열한 다음, 조압연 및 사상압연하여 열간압연한 다음, 냉각시킨 다음, 오스테나이트 결정립계에 탄화물을 석출시키기 위한 열처리, 예를 들어, 약 400 내지 900℃에서 열처리하여 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명에 따른 고망간강을 디스크 브레이크에 적용하는 경우, 별도의 열처리 없이 브레이크를 작동할 때 약 400 내지 900℃의 온도구간으로 가열될 수 있으므로, 이때 탄화물이 형성될 수도 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

[실시예]

하기 표 1에 본 발명의 실시예과 비교예의 강종 화학조성을 나타내었다. 하기 표 1에 나타낸 합금성분 이외의 성분은 모두 잔량의 철이다.

구분	합금성분 (중량%)
	C	Mn	Cr	Ni
발명재 1	1.13	13.1	-	-
발명재 2	1.2	20.1	2.6	-
발명재 3	0.38	23.7	3.3	-
발명재 4	0.83	21.3	-	-
비교재 1	3.75	0.12	-	-
비교재 2	0.07	1.5	25	20

또한, 하기 표 2에는 상기 제조된 발명재 및 비교재의 상온 오스테나이트 면적분율, 단위면적 당 결정립계 길이, 마찰계수 및 감모량을 측정하여 정리하였다.

구체적으로, 결정립계 길이는 단위면적 100㎛² 당 오스테나이트 결정립계의 길이(㎛)를 측정하였다.

마찰계수는 450℃ 온도에서 핀 온 디스크(pin on disk) 시험을 통해 24시간 시험하여 측정하였다.

감모량은 고온강도 및 내마모성을 확인하기 위한 것으로, 상기 마찰계수 실험 전후의 시편을 비교하여 감모량을 측정하였다.

	상온 오스테나이트 면적분율(%)	단위면적 당 결정립계 길이 (㎛)	마찰계수	감모량(g)
발명재 1	99	32	0.53	0.38
발명재 2	99	36	0.61	0.13
발명재 3	99	45	0.58	0.12
발명재 4	99	41	0.51	0.36
비교재 1	-	측정불가	0.30	5.7
비교재 2	100	21	측정불가	측정불가

상기 표 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 합금조성을 만족하는 발명재 1 내지 4의 경우, 단위면적 당 결정립계 길이가 32㎛ 이상으로서, 비교적 오스테나이트 결정립계가 많이 형성되어 고온에서 탄화물 석출이 용이하게 발생할 수 있었으며, 이에 따라 450℃에서 마찰계수가 0.5 이상으로 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었고, 감모량 또한 0.38g 이하로 낮아 고온강도 및 내마모성 또한 우수한 것을 확인할 수 있었다.

기존 브레이크 소재로 많이 활용하는 강재 해당하는 비교재 1의 경우, 오스테나이트상이 형성되지 않고, 페라이트 및 펄라이트 조직이 형성되었고, 450℃에서의 마찰계수도 0.3으로 낮았다. 또한, 감모량이 5.7g으로 발명재 대비 고온강도 및 내마모성 또한 좋지 않은 것을 확인할 수 있었다. 즉, 본 발명에 따른 발명재들이 종래 브레이크용 강재에 해당하는 비교예 1 대비 더 우수하므로 제작 두께 등을 줄일 수 있어 본 발명의 발명재가 더 경제적이고 우수하다.

비교재 2의 경우, 탄소 및 망간 함량이 너무 낮아 소재 변형이 발생하여 마찰계수 시험 및 감모량 측정이 불가하였다.

상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

1. 중량%로, C: 0.2 내지 1.8%, Mn: 8 내지 30%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
   미세조직은 면적분율로, 오스테나이트를 90% 이상 포함하며, 상기 오스테나이트 결정립 길이가 단위 면적 100㎛² 당 1㎛ 이상인, 오스테나이트계 고망간강.
2. 제1항에 있어서,
   Cr, Mo 및 W 중 1종 이상을 더 포함하는, 오스테나이트계 고망간강.
3. 제2항에 있어서,
   중량%로, Cr, Mo 및 W의 의 총 중량을 8% 이하로 더 포함하는, 오스테나이트계 고망간강.
4. 제1항에 있어서,
   면적분율로, 상기 오스테나이트 결정립 계면에 형성된 5% 이상의 석출물을 포함하는, 오스테나이트계 고망간강.
5. 제1항에 있어서,
   상기 오스테나이트 결정립 길이가 단위 면적 100㎛² 당 30 내지 120㎛인, 오스테나이트계 고망간강.
6. 제1항에 있어서,
   상기 오스테나이트계 고망간강의 마찰계수는 0.4 이상인, 오스테나이트계 고망간강.