KR20230155903A - 차량용 브레이크 디스크용 코팅 조성물 및 이를 이용한 내마모성과 마찰력이 증가된 코팅층 형성 방법 - Google Patents
차량용 브레이크 디스크용 코팅 조성물 및 이를 이용한 내마모성과 마찰력이 증가된 코팅층 형성 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 주철재 기반 브레이크 디스크 재질의 운행 중 미세오염입자 발생 저감을 위한 차량용 브레이크 디스크용 코팅 조성물 및 이를 이용한 내마모성과 마찰력이 증가된 코팅층 형성 방법에 관한 것으로, 본 발명의 차량용 브레이크 디스크용 코팅 조성물은 WC-Ni-Cr 복합재, 및 Cr-C 분말, W-C 분말, Ti-C 분말, Zr-C 분말, Hf-C 분말, Ta-C 분말 및 Si-C 분말 중에서 선택된 1종 이상의 첨가물을 포함한다.
Description
본 발명은 주철재 기반 브레이크 디스크 재질의 운행 중 미세오염입자 발생 저감을 위한 차량용 브레이크 디스크용 코팅 조성물 및 이를 이용한 내마모성과 마찰력이 증가된 코팅층 형성 방법에 관한 것이다.
차량용 브레이크 디스크에 주로 사용되는 주철 금속 재료의 내마모성 저하에 대한 연구는 미세입자와 관련된 환경오염 저감에 대한 최근 이슈로 인해 큰 관심을 받고 있다.
차량에 사용되는 주철재 기반 브레이크 디스크는 반복적인 마모 동작의 작동 환경에 노출되는 기계 부품으로, 마모율이 낮고 열적 특성이 적절한 세라믹 코팅과 같은 보호제의 적용은 금속 기반 기계 부품의 수명을 개선하고 침식, 산화 및 마모를 방지하여 미립자 형성을 억제하는 데 매우 중요한 요소이다.
이러한 세라믹 코팅 물질 중 텅스텐 카바이드(WC) 기반의 세라믹 코팅은 내마모성이 뛰어나 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 그러나, 대부분의 연구는 WC-Co 경질 재료 코팅의 내마모성 향상에 중점을 두었으며, 기존의 내마모성 향상을 위한 탄화물, 질화물, 산화물 코팅의 경우에도 내마모성의 개선이 이루어진 경우는 있으나, 적절한 내산화성 및 윤활성 부가 및 고경도 첨가물 투입을 통한 부품 표면에서의 미세 입자 형성 억제 부분에는 적용된 바가 없다.
본 발명은 주철재 기반 브레이크 디스크 재질의 운행 중 미세오염입자 발생 저감을 위한 차량용 브레이크 디스크용 코팅 조성물을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 코팅 조성물의 적절한 열처리 및 표면 연마를 통해 내마모성과 마찰력이 동시에 증대된 코팅층 형성 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 브레이크 디스크용 코팅 조성물은 WC-Ni-Cr 복합재, 및 Cr-C 분말, W-C 분말, Ti-C 분말, Zr-C 분말, Hf-C 분말, Ta-C 분말 및 Si-C 분말 중에서 선택된 1종 이상의 첨가물을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 첨가물은, Cr-C 분말, Ti-C 분말, Zr-C 분말, Hf-C 분말, Ta-C 분말 및 Si-C 분말 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 제1 첨가물, 및 W-C 분말을 포함하는 제2 첨가물을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 WC-Ni-Cr 복합재 전체 부피 대비, 상기 첨가물은 0.1 내지 50 vol% 로 함유될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 첨가물 및 제2 첨가물의 혼합 부피비는 1.5:1 내지 3:1 일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 W-C 분말은 W2C 또는 WC 중에서 선택될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 Cr-C 분말은 Cr3C2 을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 Ti-C 분말은 TiC 를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 Zr-C 분말은 ZrC 를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 Hf-C 분말은 HfC 를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 Ta-C 분말은 TaC 를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 Si-C 분말은 SiC 를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 내마모성과 마찰력이 증가된 코팅층 형성 방법은, 상기 코팅 조성물을 기재 상에 도포하여 코팅층을 형성하는 제1 단계, 상기 코팅층을 열처리하는 제2 단계, 및 열처리 후의 코팅층의 표면을 연마하는 제3 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 단계에서, 상기 코팅층은 고속 산소 연료(HVOF) 분무 방식 또는 고속 공기 연료(HVAF) 분무 방식으로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 단계는, 불활성 분위기 하에서 800℃ 이하의 온도로 수행할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 단계 후, 상기 코팅층은 Cr2O3 상, W2C 상, Cr-W, Cr2C 및 Ni(Cr2O4) 중에서 선택된 하나 이상의 물질이 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 단계는, 열처리 후의 코팅층의 표면을 Ra 0.1 이하로 연마할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 기재는 주철재 기반 차량용 브레이크 디스크일 수 있다.
본 발명에 따르면 WC-Ni-Cr 복합재에 내마모성, 내산화성, 고체 윤활성을 증가시키기 위한 첨가물인 Cr-C 분말, W-C 분말, Ti-C 분말, Zr-C 분말, Hf-C 분말, Ta-C 분말 또는 Si-C 분말을 첨가하고, 이 코팅 조성물에 적절한 열처리 및 표면 연마를 수행하여, 코팅층의 내마모성과 윤활성을 동시에 증가시키고, 마찰력을 증대시킬 수 있다.
특히, 본 발명의 코팅 조성물은 주철재 기반 브레이크 디스크의 코팅층으로 적용되어 차량 운행 중 미세오염입자 발생을 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 코팅층의 열처리 전과 후의 XRD 패턴을 나타낸 것이다.
도 2 및 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 코팅층의 각각 열처리 전과 후의 코팅층의 단면 SEM 이미지(BSE) 및 EDS 데이터를 도시한다. 여기서, (a) - (c) 는 WC-Ni-Cr 코팅층의 열처리 전, 500℃ 및 850℃ 열처리 후의 결과를 나타내고, (d) - (f) 는 WC-Ni-Cr + Cr3C2 코팅층의 열처리 전, 500℃ 및 850℃ 열처리 후의 결과를 나타낸다.
도 4는 WC-Ni-Cr 코팅층 시편의 열처리 전후의 경도 측정 결과를 나타낸다.
도 5는 WC-Ni-Cr + Cr3C2 코팅층 시편의 열처리 전후의 경도 측정 결과를 나타낸다.
도 6 및 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 코팅층 시편의 마찰 및 마모 시험 후 마찰 계수의 그래프를 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 코팅층 시편의 볼-온-디스크 마찰 및 마모 테스트 후 마모율을 나타낸 것이다.
도 9 및 10은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 코팅층 시편의 마모 거동 분석을 위한 마찰 및 마모 시험 후 마모 트랙을 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
도 2 및 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 코팅층의 각각 열처리 전과 후의 코팅층의 단면 SEM 이미지(BSE) 및 EDS 데이터를 도시한다. 여기서, (a) - (c) 는 WC-Ni-Cr 코팅층의 열처리 전, 500℃ 및 850℃ 열처리 후의 결과를 나타내고, (d) - (f) 는 WC-Ni-Cr + Cr3C2 코팅층의 열처리 전, 500℃ 및 850℃ 열처리 후의 결과를 나타낸다.
도 4는 WC-Ni-Cr 코팅층 시편의 열처리 전후의 경도 측정 결과를 나타낸다.
도 5는 WC-Ni-Cr + Cr3C2 코팅층 시편의 열처리 전후의 경도 측정 결과를 나타낸다.
도 6 및 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 코팅층 시편의 마찰 및 마모 시험 후 마찰 계수의 그래프를 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 코팅층 시편의 볼-온-디스크 마찰 및 마모 테스트 후 마모율을 나타낸 것이다.
도 9 및 10은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 코팅층 시편의 마모 거동 분석을 위한 마찰 및 마모 시험 후 마모 트랙을 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 차량용 브레이크 디스크용 코팅 조성물에 관한 것으로, 텅스텐 카바이드(WC)-Ni-Cr 복합재, 및 Cr-C 분말, W-C 분말, Ti-C 분말, Zr-C 분말, Hf-C 분말, Ta-C 분말 및 Si-C 분말 중에서 선택된 1종 이상의 첨가물을 포함할 수 있다.
상기 텅스텐 카바이드(WC)-Ni-Cr 복합재는 고경도 특성의 WC, 내산화성 특성의 Ni 및 Cr을 포함하여 금속의 산화를 방지하고 고마찰력을 제공할 수 있는 소재이다. 일 실시예에 있어서, 상기 텅스텐 카바이드(WC)-Ni-Cr 복합재는 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어, W(bal.)-18Ni-43.5Cr-3.5C, W(bal.)-6.3Ni-20Cr-5.9C, W(bal.)-7-20Ni-20(7Ni 경우)Cr-C(bal) 등을 사용할 수 있다.
본 발명은 WC-Ni-Cr 복합재로만 이루어진 코팅 조성물에 비해 향상된 내마모성, 마찰력 및 윤활성을 제공할 수 있는데, 이는 첨가물의 존재로 인해 코팅 조성물의 적절한 열처리 후 표면 산화가 이루어져 내마모성을 향상시키면서, 동시에 마찰 성능을 향상시킬 수 있기 때문이다.
일 실시예에 있어서, 상기 코팅 조성물에는 Cr-C 분말, W-C 분말, Ti-C 분말, Zr-C 분말, Hf-C 분말, Ta-C 분말 및 Si-C 분말 중에서 선택된 1종의 첨가물이 포함될 수 있다. 또는 이들 중 2종 이상을 혼합하여 첨가할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 첨가물은, Cr-C 분말, Ti-C 분말, Zr-C 분말, Hf-C 분말, Ta-C 분말 및 Si-C 분말 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 제1 첨가물, 및 W-C 분말을 포함하는 제2 첨가물을 포함할 수 있다.
상기 제1 첨가물은 코팅 조성물의 내마모성, 내산화성을 증가시키기 위한 성분으로, 제1 첨가물의 존재로 인해 코팅층은 차량용 브레이크 디스크에 적용하는 경우, 운행 중 입자 배출을 저감시킬 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 Cr-C 분말은 Cr3C2 을 포함할 수 있고, 상기 Ti-C 분말은 TiC 를 포함할 수 있고, 상기 Zr-C 분말은 ZrC 를 포함할 수 있고, 상기 Hf-C 분말은 HfC 를 포함할 수 있고, 상기 Ta-C 분말은 TaC 를 포함할 수 있고, 상기 Si-C 분말은 SiC 를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제2 첨가물은 코팅 조성물의 고체 윤활성을 증가시키기 위한 성분으로, 제2 첨가물의 존재로 인해 코팅층은 차량용 브레이크 디스크에 적용하는 경우, 운행 중 미세입자 배출저감력을 증대시킬 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 W-C 분말은 W2C 또는 WC 로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제1 첨가물 및 제2 첨가물이 코팅 조성물에 포함되는 경우, 내마모성과 윤활성이 동시에 증가되면서 최적의 마찰력을 확보할 수 있다. 여기서, 상기 제1 첨가물 및 제2 첨가물의 혼합 부피비는 1.5:1 내지 3:1 인 것이 바람직하다. 이는 고체 윤활성을 증가시키는 물질인 제2 첨가물이 제1 첨가물에 비해 과다하게 첨가되면 브레이크 성능이 저하되는 가능성이 있기 때문이다.
한편, 상기 첨가물은 WC-Ni-Cr 복합재 전체 부피 대비, 0.1 내지 50 vol% 로 함유될 수 있다. 바람직하게는, 5 내지 30 vol% 로 함유될 수 있다. 0.1 vol% 미만으로 함유되는 경우 그 효과가 미미하고, 50 vol%를 초과하는 경우, 코팅 매트릭스로부터 입자형 물질로 존재하여 탈락이 발생될 수 있으며, 코팅 공정 시 매트릭스 물질과 다른 거동을 보여 부착력 등 코팅의 기본 특성의 예측이 어려워지는 문제점이 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 형태로, 내마모성과 마찰력이 증가된 코팅층 형성 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내마모성과 마찰력이 증가된 코팅층 형성 방법은, 상기 코팅 조성물을 기재 상에 도포하여 코팅층을 형성하는 제1 단계, 상기 코팅층을 열처리하는 제2 단계, 및 열처리 후의 코팅층의 표면을 연마하는 제3 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 단계에서, 상기 코팅층은 고속 산소 연료(HVOF) 분무 방식 또는 고속 공기 연료(HVAF) 분무 방식으로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 단계는 기재 상에 접착을 위한 베이스 코팅층을 형성한 후, 베이스 코팅층 상에 본 발명의 실시예에 따른 코팅 조성물을 고속 산소 연료(HVOF) 분무 방식 또는 고속 공기 연료(HVAF) 분무 방식을 사용하여 탑 코팅층을 형성할 수 있다. 여기서, 기재는 주철재 기반 차량용 브레이크 디스크일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제2 단계는 코팅층을 열처리하여 코팅층의 표면을 산화시키고 W-C의 상변화를 유도하고, 경도를 증가시키면서 내마모성 및 윤활성을 증대시키기 위한 단계이다. 일 실시예에 있어서, 상기 제2 단계는 불활성 분위기 하에서 800℃ 이하의 온도로 수행할 수 있다. 열처리를 800℃를 초과하는 온도로 수행하는 경우, 주철재 기반의 기재가 영향을 받게 되며 경도 등의 기계적 특성이 변화하는 문제점이 있다.
상기 제2 단계 후, 상기 코팅층은 산화되고, 상변화되어 Cr2O3 상, W2C 상, Cr-W, Cr2C 및 Ni(Cr2O4) 중에서 선택된 하나 이상의 물질이 형성될 수 있다. 이와 같이, 상기 코팅층은 Cr 산화물의 형성과, W 의 탄탈화로 인한 상변화로 인해 차량 제동에 필요한 마찰력이 증가할 수 있다. 또한, 상기 열처리 후 경도는 결함요인 감소 및 탄화물 유지로 인해 증가할 수 있다.
또한, 본 발명은 WC-Ni-Cr 복합재에 경도가 높은 Cr-C 분말, Ti-C 분말 또는 W-C를 포함하는 첨가물이 첨가된 코팅 조성물로 코팅층을 형성하기에, WC-Ni-Cr 복합재로만 구성된 코팅 조성물에 의해 형성된 코팅층에 비해 향상된 내마모성을 나타낼 수 있고, 탄화물 유지에 효과적이다.
상기 제3 단계는 코팅층의 마모에 영향을 주는 표면 입자 형성을 억제하기 위한 단계로, 열처리 후의 코팅층의 표면을 Ra 0.1 이하로 연마하는 것이 바람직하다. 이러한 표면 연마 과정이 수행되지 않는 경우, 마모에 영향을 주는 표면 입자가 형성되어 미세입자의 배출이 증가할 수 있다.
본 발명에 따르면 WC-Ni-Cr 복합재에 내마모성, 내산화성, 고체 윤활성을 증가시키기 위한 첨가물인 Cr-C 분말, W-C 분말, Ti-C 분말, Zr-C 분말, Hf-C 분말, Ta-C 분말 또는 Si-C 분말을 첨가하고, 이 코팅 조성물에 적절한 열처리 및 표면 연마를 수행하여, 코팅층의 내마모성과 윤활성을 동시에 증가시키고, 마찰력을 증대시킬 수 있다.
특히, 본 발명의 코팅 조성물은 주철재 기반 브레이크 디스크의 코팅층으로 적용되어 차량 운행 중 미세오염입자 발생을 저감시킬 수 있다.
이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용을 추가로 설명하도록 하겠다.
[실시예 1]
기판으로, 직경 30 nm, 두께 10 mm 인 회색 주철 재료 FC200D 로 만든 샘플을 사용하였다. 기판의 표면 전처리를 위해, 마이크로 블라스팅을 수행하였다. 이후, 아세톤 용매를 매질로 하여 30분 동안 기판을 초음파 세척하고, 오븐(100℃)에서 건조시켜 샘플을 준비하였다.
코팅층은 탑 코팅층과 본드 코팅층을 포함하는 다층 구조로 제작되었다. 본드 코팅층은 NiCoCrAl(AMDRY 386-2, METCO, USA) 분말을 사용하였으며, 탑 코팅층의 경우, WC-Ni-Cr(WC-733, Praxair, USA) 분말 단독으로 사용한 코팅 조성물(비교예)과, WC-Ni-Cr 분말 대비 20% 부피비의 Cr3C2를 첨가한 코팅 조성물(실시예)을 사용하였다.
WC-Ni-Cr 및 WC-Ni-Cr + Cr3C2 코팅층은 HVOF(JP8000, Praxair, USA) 방법을 사용하여 제조되었으며, 이는 360mm 거리에서 500m/s의 속도로 1600 SCFH 의 O2 주입으로 수행되었다. 구체적인 코팅층 형성 조건은 하기 표 1에 나타냈다.
이후, 코팅된 샘플 중 일부는 500℃ 및 850℃ 의 Ar 분위기에서 4시간 동안 열처리하였다.
다음으로, 열처리 후에 연마를 통해 거칠기를 WC-Ni-Cr 코팅층의 경우 Ra 0.5 이하, 본 발명의 실시예에 따른 WC-Ni-Cr + Cr3C2 코팅층의 경우 Ra 0.1 이하로 조절하였다. 이후, 30분 동안 세척하고 6시간 동안 건조시킨 후 표면 가공된 샘플들의 마찰 및 마모 시험을 수행하였다.
[실시예 2]
본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 코팅층의 특성을 평가하고 그 결과를 나타냈다.
구체적으로, 마찰 및 마모 시험(MPW, Neoplus, Korea)은 KS L 1606 규격에 따라 직경 12.68 mm의 Si3N4 볼을 사용하여 100 rpm 속도, 20 N 하중, 1,000 m 거리에서 볼온 디스크 방식으로 진행되었다.
또한, 코팅 시편들의 마모 후 미세구조 및 표면 상태를 주사전자현미경(SEM) (JSM-671F, ZEOL Co, Ltd., Korea)과 에너지분산형 X-ray spectroscopy(EDS)(FIB, NOVA, JELO, 일본)를 사용하여 분석하였다.
상 형성 거동은 40kV 및 200mA 에서 X선 회절(XRD)(RINT-2500HF, Rigaku, Japan)을 사용하여 10°/min의 스캔 속도로 분석되었다.
열처리 전후의 경도는 Micro Vickers 경도계(HMV-2T E, Shimadzu Co., Japan)를 이용하여 200 g.f에서 5회 측정한 평균값을 이용하여 측정하였다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 코팅층의 열처리 전과 후의 XRD 패턴을 나타낸 것이다.
도 1을 보면, 코팅층의 모든 패턴에서 전형적인 WC 및 W2C 상이 관찰되었다. WC-Ni-Cr 코팅층에는 도 1(a)와 같이 WC 상이 육방정계와 입방정계 결정상으로 형성되었다. 또한, 열처리 온도가 증가함에 따라 피크는 잔류 응력의 감소로 인해 더 낮은 각도로 이동하였다.
850℃에서 열처리한 샘플에서는 Ar 분위기 하에서 열처리를 수행하였음에도 Cr2O3 상이 공통적으로 검출되었다. 이는 마모율에 영향을 미치는 것으로 알려진 Cr 의 산화로 인해 발생한 것으로 추정된다.
한편, WC-Ni-Cr 코팅층에서 열처리 온도가 증가함에 따라 WC 및 W2C 피크가 검출되었다. 이는 고온에서 WC 의 탈탄소화로 인한 것으로, 하기 식과 같이 WC 의 탈탄소화로 인해 W2C 상이 관찰될 수 있다.
[식]
2 WC = W2C + C
한편, 도 1(b)에서 열처리 전과 후의 WC-Ni-Cr + Cr3C2 코팅층의 XRD 패턴을 보면, 열처리 전 샘플에서 Cr2C 상이 관찰되었으며, 이는 코팅 후 Cr2C 의 함유로 인해 내마모성이 증가할 수 있음을 의미한다.
WC-Ni-Cr 코팅층과 유사하게, HVOF 분사 중 고온으로 인한 WC 의 탈탄소화에 의해 형성된 W2C 피크 또한 관찰되었다. 또한, WC-Ni-Cr + Cr3C2 코팅층은 850℃에서 열처리 후 산화되어 Cr2O3 상을 형성하였다. 또한, Ni, Cr, CrW, 및 Ni0.85W0.15 상도 관찰되었다. 열처리 후 상 형성 거동은 Cr2C 상 외에 Ni(Cr2O4), CrW, Ni0.85W0.15 상이 검출되었다.
도 2 및 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 코팅층의 각각 열처리 전과 후의 코팅층의 단면 SEM 이미지(BSE) 및 EDS 데이터를 도시한다. 여기서, (a) - (c) 는 WC-Ni-Cr 코팅층의 열처리 전, 500℃ 및 850℃ 열처리 후의 결과를 나타내고, (d) - (f) 는 WC-Ni-Cr + Cr3C2 코팅층의 열처리 전, 500℃ 및 850℃ 열처리 후의 결과를 나타낸다.
WC 입자는 도 2(d)에 나타난 것처럼 밝은 색으로 구분할 수 있으며, NiCr 바인더와 Cr3C2 입자는 각각 회색과 짙은 색상으로 구분할 수 있다.
도 3의 EDS 데이터에서 볼 수 있듯이, WC-Ni-Cr + Cr3C2 코팅층은 열처리 후에 산화되었다. 산소는 주로 Cr3C2 와 반응하여 산화를 일으키고 Cr2O3 의 형성에 기여하며, 이는 WC 의 탈탄소화를 촉발하는 주요 공정 중 하나이다.
도 2(f)와 같이 850℃ 열처리 후 WC-Ni-Cr + Cr3C2 코팅층에서는 더 많은 Cr (검은 입자)가 관찰되었으며, 이는 도 1의 XRD 패턴에서 열처리 후 Cr-W, Cr2O3 및 Cr 상의 관찰과 관련된다.
도 4는 WC-Ni-Cr 코팅층 시편의 열처리 전후의 경도 측정 결과를 나타낸다.
도 4를 보면, WC-Ni-Cr 코팅층에서 열처리 전, 500 및 850℃ 열처리 후의 경도 값은 각각 13.33, 15.94 및 18.25 GPa 로 측정되었다.
도 5는 WC-Ni-Cr + Cr3C2 코팅층 시편의 열처리 전후의 경도 측정 결과를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 경도는 10.98, 12.28, 13.63 GPa 로 WC-Ni-Cr 코팅층보다 약간 낮았다. 그러나 두 코팅층 모두 열처리 온도가 증가함에 따라 경도가 증가하는 것으로 나타났다. 경도는 열처리 후 결함요인 감소 및 강화된 2차 탄화물 및 고용체로 인해 증가하였다.
도 2에 나타난 WC-Ni-Cr + Cr3C2 코팅층의 단면 SEM 이미지를 보면, 여러 개의 큰 마이크로 크기의 Cr 입자가 생성되어 느슨한 미세 구조(loose microstructure)를 유도하고 코팅층의 경도를 감소시킬 수 있다.
도 6 및 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 코팅층 시편의 마찰 및 마모 시험 후 마찰 계수의 그래프를 도시한다.
도 6에서 WC-Ni-Cr 코팅층은 500 ℃의 열처리 온도에서 가장 높은 마찰 계수(1.5418)를 나타낸다. 도 7에 나타난 WC-Ni-Cr + Cr3C2 코팅층 또한, 500 ℃로 열처리된 시편이 가장 높은 마찰계수를 나타냈다. 이는 적절한 열처리에 의해 산화된 코팅 표면이 마찰 계수를 증가시킬 수 있음을 의미한다.
브레이크 디스크에 사용되는 표면 코팅은 주요 성능 매개변수로서 적절한 수준의 마찰과 높은 내마모성을 포함하는 표면 특성을 필요로 하기 때문에, 코팅을 적용하기 전에 코팅 표면이 일정 수준 이상의 마찰 계수를 유지할 수 있는지 확인하는 것이 중요하다.
도 6에서, 850 ℃에서 열처리된 WC-Ni-Cr 코팅 샘플의 마찰 계수는 침강 구간(settling section)(마찰 및 마모 시험에서 100m) 후 감소하였으며, 이는 윤활 특성을 향상시키는 W2C 상의 형성으로 인한 것으로 예측된다. 즉, 도 1에서 알 수 있듯이, Cr2O3 는 일반적으로 850℃에서 형성되며, 따라서 850℃ 의 열처리 후 W2C 상이 형성되어 코팅층의 윤활 특성이 향상될 수 있다. 또한, Cr 및 Ni 상의 분해(도 1(b))는 850℃에서 열처리된 코팅 샘플의 낮은 마찰 계수를 초래한다. 이는 윤활 특성이 향상된 표면 상태의 변화에 기인한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 코팅층 시편의 볼-온-디스크 마찰 및 마모 테스트 후 마모율을 나타낸 것이다.
도 8을 보면, WC-Ni-Cr + Cr3C2 코팅층 샘플의 마모율은 WC-Ni-Cr 코팅층 샘플의 마모율보다 낮은 결과를 나타냈다. 또한, 열처리된 샘플은 열처리를 하지 않은 샘플보다 더 높은 마모율을 보였다. 이는 도 1(b)와 같이 열처리 전 Cr3C2 코팅이 유지되는 것에 기인한다.
도 4, 5에서 나타난 것처럼, 마이크로 Vickers 경도는 WC-Ni-Cr 코팅층의 경우 WC-Ni-Cr + Cr3C2 코팅층보다 더 높게 나타났으며, 이는 도 1에 나타난 바와 같이 마모 거동은 상 형성 거동에서 보여지는 코팅 열처리 후 Cr 의 산화 및 WC 의 탈탄화에 영향을 받는 것에 기인한다. 또한, 산화에 취약한 WC-Ni-Cr + Cr3C2 는 도 1, 3과 같이 산화 마모의 발생을 촉진하여 내마모성을 향상시킨다.
도 9 및 10은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 코팅층 시편의 마모 거동 분석을 위한 마찰 및 마모 시험 후 마모 트랙을 도시한다.
도 9에 나타나듯이, WC-Ni-Cr 코팅층의 마모 트랙은 다양한 마모 거동을 나타낸다. 열처리를 하지 않은 WC-Ni-Cr 코팅층 시편((a) ~ (c)) 경우, 도 9(b)의 화살표와 같이 마모면에서 국부적으로 입자가 제거된 부분이 관찰되었으며, 이는 피로 마모 거동으로 분류할 수 있다.
850℃ 에서 열처리된 WC-Ni-Cr 코팅층 시편((g) ~ (i))의 미세 구조를 관찰한 결과(도 9(i)의 화살표), 기계적 합금 현상과 표면에 균열이 형성된 것을 관찰하였다. 이는 코팅이 쉽게 분리되어 마모율이 증가할 수 있음을 의미한다.
반면, WC-Ni-Cr + Cr3C2 코팅층의 마모 트랙은 접착 마모 거동, 즉 코팅 산화물의 접착을 나타냈다(도 10 참조). 또한, 500℃ 에서 열처리된 샘플(도 10(d)-(f))은 접착 마모 형태로 접착력을 나타냈다.
한편, 850℃ 에서 열처리된 WC-Ni-Cr + Cr3C2 코팅 샘플의 경우(도 10(g)~(i)), 광범위한 영역(흰색 점선 영역)에 걸쳐 마모가 형성되었다. 마모 궤적이 넓은 범위에 걸쳐 형성되어 마모율 그래프(도 8)에서 열처리 하지 않은 시편보다 마모율이 높은 결과를 보였다. 또한, 분리가 용이한 형태의 WC-Ni-Cr 의 마모 거동은 코팅이 강하게 파쇄됨에 따라 마모 파편의 형성을 촉진하였다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (17)
- WC-Ni-Cr 복합재; 및
Cr-C 분말, W-C 분말, Ti-C 분말, Zr-C 분말, Hf-C 분말, Ta-C 분말 및 Si-C 분말 중에서 선택된 1종 이상의 첨가물;을 포함하는,
차량용 브레이크 디스크용 코팅 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 첨가물은,
Cr-C 분말, Ti-C 분말, Zr-C 분말, Hf-C 분말, Ta-C 분말 및 Si-C 분말 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 제1 첨가물; 및
W-C 분말을 포함하는 제2 첨가물;을 포함하는 것인,
차량용 브레이크 디스크용 코팅 조성물. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 WC-Ni-Cr 복합재 전체 부피 대비, 상기 첨가물은 0.1 내지 50 vol% 로 함유되는 것인,
차량용 브레이크 디스크용 코팅 조성물. - 제2항에 있어서,
상기 제1 첨가물 및 제2 첨가물의 혼합 부피비는 1.5:1 내지 3:1 인 것을 특징으로 하는,
차량용 브레이크 디스크용 코팅 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 W-C 분말은 W2C 또는 WC 중에서 선택되는 것인,
차량용 브레이크 디스크용 코팅 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 Cr-C 분말은 Cr3C2 을 포함하는 것인,
차량용 브레이크 디스크용 코팅 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 Ti-C 분말은 TiC 를 포함하는 것인,
차량용 브레이크 디스크용 코팅 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 Zr-C 분말은 ZrC 를 포함하는 것인,
차량용 브레이크 디스크용 코팅 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 Hf-C 분말은 HfC 를 포함하는 것인,
차량용 브레이크 디스크용 코팅 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 Ta-C 분말은 TaC 를 포함하는 것인,
차량용 브레이크 디스크용 코팅 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 Si-C 분말은 SiC 를 포함하는 것인,
차량용 브레이크 디스크용 코팅 조성물. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 코팅 조성물을 기재 상에 도포하여 코팅층을 형성하는 제1 단계;
상기 코팅층을 열처리하는 제2 단계; 및
열처리 후의 코팅층의 표면을 연마하는 제3 단계;를 포함하는,
내마모성과 마찰력이 증가된 코팅층 형성 방법. - 제12항에 있어서,
상기 제1 단계에서,
상기 코팅층은 고속 산소 연료(HVOF) 분무 방식 또는 고속 공기 연료(HVAF) 분무 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는,
내마모성과 마찰력이 증가된 코팅층 형성 방법. - 제12항에 있어서,
상기 제2 단계는, 불활성 분위기 하에서 800℃ 이하의 온도로 수행하는 것을 특징으로 하는,
내마모성과 마찰력이 증가된 코팅층 형성 방법. - 제14항에 있어서,
상기 제2 단계 후, 상기 코팅층은 Cr2O3 상, W2C 상, Cr-W, Cr2C 및 Ni(Cr2O4) 중에서 선택된 하나 이상의 물질이 형성되는 것을 특징으로 하는,
내마모성과 마찰력이 증가된 코팅층 형성 방법. - 제12항에 있어서,
상기 제3 단계는, 열처리 후의 코팅층의 표면을 Ra 0.1 이하로 연마하는 것을 특징으로 하는,
내마모성과 마찰력이 증가된 코팅층 형성 방법. - 제12항에 있어서,
상기 기재는 주철재 기반 차량용 브레이크 디스크인 것을 특징으로 하는,
내마모성과 마찰력이 증가된 코팅층 형성 방법.
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