KR910003443B1 - 소결철기재의 마찰재료 - Google Patents
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Abstract
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Description
제 1 도는 본 발명에 따라 제조된 재료의 각 조성물을 예시하는 표이고,
제 2 도 및 제 3 도는 본 발명에 따라 제조된 마찰라이닝을 종래법 마찰라이닝과 비교해 보여주는 그래프이고,
제 4 도 내지 제 15 도는 본 발명에서 재료의 조성을 변경시킴에 따른 마모율 및 마찰계수의 변화를 비교해 보여주는 그래프이다.
본 발명은 특히, 높은 작동온도에서 마모특성이 개량되어 있는 소결철(燒結鐵)기재의 마찰재료에 관한 것이다.
최근에 와서는 어떤 표준규격에 맞추기 위해서 자동차의 디스크브레이크는 가혹한 제동조건하에서 작동될 수 있지 않으면 안된다. 이런 디스크브레이크는 제동중에는 가끔 300℃를 초과하는 작동온도에 놓이게 된다. 유기 브레이크라이닝이 300℃이상의 온도에서 작동하게되면 지수함수적으로 마모율이 급증하여 그런 라이닝은 화염으로 파손되어 버리고 위험한 상태를 초래한다.
주 마찰조절제로서 해면철을 사용하는 미국특허 3 835 118호에 개시된 종류의 탁월한 유기물기재의 마찰라이닝 도 300℃이상에서 장시간 작동하면 수지매트릭스가 열화되고 만다.
항공기 산업분야에서는 소결재가 항공기 브레이크용 마찰라이닝으로서 사용될 수 있다는 것이 알려져 있다. 미국특허 3 019 514호에 개시된대로 매트릭스 물질은 통상 동이다. 그러나 불행하게 도 자동차에 사용될 때는 대부분의 경우 동은 고가이므로 대부분의 수요자에서 너무 비싼 마찰라이닝이 되고 만다.
미국특허 4 050 619호는 동분말 대신 철분말의 사용을 개시하고 있다. 그러나, 동분말이 보다 낮은 융점을 갖고 있고 보다 낮은 온도 및/또는 낮은 충격압력하에서 용융하는 물질과 합금화되기 때문에, 철분말은 양산을 위한 매트릭스 물질로서 그다지 활발히 연구되지 않고 있다.
높은 작동온도 범위에서 마모특성이 향상되어 있고, 더욱 정확하게는 300℃까지는 대체로 일정한 마모율, 그리고 300℃부터 500℃사이에서는 직선적으로 증가하는 마모율을 가진 공업용 소결철기재의 마찰재료를 제 공하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명에 따라 이 목적은, 72 내지 85중량%의 분말상의 철기재의 물질 ; 3 내지 14중량%의 흑연 ; 2 내지 12중량%의 코크스 ; 3 내지 10중량%의 저융점 물질 ; 그리고 경우에 따라서 3중량% 이하의 마찰조절제를 함유하고 있고, 상기 저융점 물질은 상기 기재물질과 합금화되어 마찰부재를 생성하기 위하여 상기흑연, 코크스 및 마찰조절제를 실질적으로 고정된 관계(fixed relationship)로 유지하는 (holding) 매트릭스를 형성하는 것을 특징으로 하는 마찰재료를 제 공함으로써 달성된다.
바람직하게는, 기재는 철분말이고, 저융점 물질은 주석인데 본 발명을 수행하는데는 아연, 비스무트, 납등의 기타 저융점 금속도 사용될 수 있다. 몇몇 바람직한 실시예에서는, 철분말대 주석의 비는 약 12 : 1이며, 이 마찰재료 조성물은 대략 동량의 흑연과 코크스를 함유한다.
본 발명을 수행하는데 있어서는, 상기 정의된 혼합물을 일정량 주형에 넣고 거기에 약 420 000kpa의 압축력을 가하여 원하는 형상의 브레이크패드가 되게 그 혼합물을 예비성형한다. 이 예비성형된 브레이크패드를 그 다음에는 700 내지 1100℃의 온도를 가진 노에 운반한다. 이 온도에서 주석과 철은 합금화되고 흑연과 코크스를 고정된 관계로 유지하는 매트릭스가 형성되어 소결 마찰재료가 생성된다. 노로부터 꺼낸후 소결된 마찰재료는 프레스에 이송되고 여기서 약 420000kpa의 압력을 받아 원하는 밀도를 갖게 되어 요구되는 마찰라이닝이 된다. 그런 다음 이 마찰라이닝을 원하는 두께가 되도록 연마한다.
이 종성물을 마찰라이닝으로 사용함에 의한 유리한 효과는 마찰로 인해 생긴 온도가 300℃이하인한 예측가능한 실질적으로 균일하고 일정한 마모율, 그리고 300 내지 500℃사이의 온도일때 있게되는 실질적으로 선형적인 마모율에 의해 성취된다.
이 조성물을 마찰라이닝으로 사용할때의 또 다른 이점은 이 부재가 주철 메이팅(mating)부재와 완전한 적합성을 이룬다는 것이다.
이런 또다른 본 발명의 이로운 특징은 단지 예시목적의 다음의 몇가지 실시예의 기재와 첨부 도면을 참고하여 보면 쉽게 이해될 것이다.
차량이 산길과 같은 긴 비탈길을 내려갈때는 브레이크를 잠시 걸 필요가 가끔 있다. 브레이크를 걸면 각 차륜의 마찰라이닝은 보통 주철제로 되어 있는 드럼 또는 로우터와 마찰접촉하여 차륜의 회전속도를 감소시키게 된다. 마찰접촉하면 드럼 또는 로우터가 마찰라이닝 위를 미끄러지기 때문에 열에너지가 생긴다. 브레이크라이닝과 드럼 또는 로우터내에서 열에너지가 증가하면 거기에 비례하여 마찰이 감소된다. 마찰의 감소에 따라 차량을 정지시키는데 필요한 노력이 증가하게 된다. 마찰라이닝의 작동온도가 증가되면 또한 마찰라이닝의 마모율도 증가한다. 여기 본 발명에 개시된 조성물은 마찰라이닝의 정상작동 범위에서는 대략 일정한 마모율을, 또한 간혹 있는 과 도적 작동범위에서는 선형 마모율을 나타낸다.
본 발명의 조성물을 미국특허 3 835 118호에 개시된 전형적인 종류의 마찰라이닝과 비교하기 위해서 마찰라이닝의 샘플을 만들어 동력계로 시험을 했다.
라이닝마모의 평가에 있어서는, 각 온도에서 200회 정지시켜 라이닝에 대한 영향을 조사했다. 이 정지는 80 내지 0Km/hr속도로 주행하는 차량이 0.34g(g ; 중력가속도)의 감속도로 정지하는 것으로 하여 모의 실험했다. 각 200회의 정지 후에는 샘플을 평량하고 측정하여 마모를 평가했다.
제 1 도의 표에 표시된 성분들을 함유한 조성물 X의 샘플을 사용하여 미국특허 3 835 118호의 방식으로 브레이크패드를 만들었다. 이 브레이크패드를 동력계에 장입하여 위에서 개설한 마모시험을 행하였다. 이 조성물 X는 제 2 도에서 곡선 102로 표시한 라이닝마모를 가졌고, 마찰계수는 제 3 도의 곡선 104로 표시되어 있다. 곡선 102가 나타내듯이, 조성물 X의 마모율은 작동온도가 300℃이하인한 대개의 차량에 대해서는 만족한다. 300 내지 400℃사이에서는, 조성물의 마모율은 지수함수적으로 급증한다. 400℃이상의 작동온도에 놓이게 되는 차량종류도 있기 때문에 조성물 X는 과도한 마모 때문에 브레이크라이닝용으로는 적합치 않다.
소결한 브레이크라이닝은 500℃이상의 온도에서 작동할 수 있는 것으로 알려져 있기 때문에 자동차용으로 소결브레이크라이닝을 시험해보기로 했다. 동분말은 고가이므로 기재성분으로 철분말을 대처하기로 작정했다. 대표적 소결조성물에 철분말을 처음 대체했을 때는 로우터마모, 소음 및 높은 마찰계수 때문에 마찰라이닝을 얻을 수 없었다. 대표적 조성물에서 일부 흑연을 코크스로 대체한 다음에야 겨우 만족스런 마찰라이닝이 얻어졌다. 이 실험은, 대략 동량의 흑연과 코크스가 상기 조성물에 혼입되어야만 철-주석 합금매트릭스를 가진 최적 소결 브레이크라이닝이 얻어질 수 있음을 가리킨다. 제 1 도에서는 조성물 A로 표시된 이 조성물은 다음 방법으로 만들었다.
제 1 도에서 조성물 난에 기재된 성분들을 혼련기에 넣고 균질 혼합물이 얻어질 때까지 교반했다. 이 혼합물 중의 일정량을 계량하여 주형에 넣고 420000kpa의 압축력을 가해서 마찰라이닝용 예비성형제 를 얻었다. 예비성형된 마찰라이닝을 온도 1025℃의 노내에 30분동안 넣어 두었다.
노의 온도는 흑연이나 코크스가 철과 반응을 일으킬 만큼 높지는 않으나, 주석과 철분말의 합금은 흑연과 코크스를 실질적으로 고정된 위치에 유지시키는 매트릭스를 생성하게 된다. 소결된 마찰라이닝은 프레스로 운반되어 420 000kpa의 압력을 받아 마찰라이닝에 적합한 소정의 밀도를 갖게 된다. 그 다음 라이닝을 연마하여 최종 두께가 되게한다.
조성물 X로서 만든 마찰라이닝과 마찬가지로 조성물 A로부터 만든 마찰라이닝을 여러 온도에서 동력계로 시험했다. 각 온도에서의 200회 정지후마다 라이닝을 평량하고 두께를 측정했다. 조성물 A의 마모율은 곡선 106으로 표시되어 있고, 마찰계수는 곡선 108로 표시되어 있다.
곡선 106은, 조성물 A의 마모율은 300℃까지는 대략 일정하고 300℃에서 500℃까지는 직선적으로 증가함을 분명히 보여준다. 조성물 A의 마찰라이닝은 500℃이상에서도 사용될 수 있지만, 고무시일, 제동유체, 브레이크기동부재 등의 자동차브레이크의 여타부재들은 500℃이상에서 장시간 작동할 수 있게 설계되어 있지 않기 때문에, 조성물 A의 작동 특성은 500℃이상에서는 시험되지 않았다. 제 2 도로부터 명백한 것처럼 조성물 A는 조성물 X에 비하여 분명히 내마모성이 향상되어 있다.
조성물 A의 성분들을 바꾸면 어떤 효과가 나타나는가를 비교하기 위해 앞과 같은 제조 및 동력계 평가법을 사용하여 몇가지 다른 조성물들을 평가해 보았다.
제 1 도에 수록된 조성물 B와 C에서는, 철분의 일부가 같은 양의 흑연으로 대체되어 있다. 조성물 B에 대해 측정된 마모율 및 마찰계수가 제 4 도 및 제 5 도에 곡선 110 및 112로 각각 예시되어 있다. 조성물 C의 마모율 및 마찰계수는 제 4 도 및 제 5 도에 각각 곡선 114 및 116로 표시되어 있다. 조성물 B와 C의 마모율과 마찰계수는 조성물 A와 대략 같은반면, 조성물 C에서 철분말의 상한을 85중량%로 잡은 이유는 400 내지 500℃에 이르는 범위에서의 마모율은 조성물 A에서 얻어진 대략 직선적 상승이 아닌 지수함수적 상승이 되기 시작하기 때문이다. 철분말의 하한을 72중량%로한 조성물 B에서도 마찬가지로 평가한 결과, 합금 매트릭스 마찰라이닝의 구조적 강도가 어떤 용 도에는 부족할 것 같은데 그 이유는 흑연과 코크스가 합금 매트릭스의 구성 부분이 되고 있지 못하게 때문이다. 이들 시험으로부터 최적 철분말 함량은 각 경우에 따라 72중량%로부터 85중량%의 범위에 이른 약 79중량%인 것으로 믿어진다.
조성물 A의 매트릭스의 강도는 온도에 따른 철분말 및 주석의 가융성에 좌우된다.
매트릭스를 평가하기 위해서 제 1 도의 조성물 D, E, F 및 G로 조성물 A와 같은 방법으로 브레이크라이닝을 만들었다.
주석이 가장 적게 들어 있는 조성물 D의 마모율과 마찰계수가 제 6 도와 제 7 도에 각각 곡선 118과 120으로 표시되어 있다.
조성물 E에 대한 마모율과 마찰계수가 각기 제 6 도와 제 7 도에 곡선 122와 124로 표시되어 있다. 조성물 E는 조성물 A와 1중량% 이내 밖에 틀리지 않기 때문에 마모율과 마찰계수가 그것과 사실상 동일함은 놀랄 일이 아니다.
조성물 F의 마모율 및 마찰계수가 각기 제 6 도와 제 7 도에서 곡선 126과 128로 예시되어 있다.
조성물 G의 마모율과 마찰계수가 각기 제 6 도와 제 7 도에서 곡선 130과 132로 예시되어 있다.
제 6 도에 있는 곡선 118, 122, 126 및 130으로 입증된 것처럼 조성물 A에 설정된 최적량의 주석으로부터 중량%을 증가시키거나 감소시켜도 소절 마찰라이닝의 마모율은 그만큼 증가한다.
철분말을 흑연으로 대체함으로써 소결 마찰재료에 있어 성분변화의 영향을 이미 조사했으므로, 코크스양의 변화 도 마모율과 마찰계수에 유사한 특징을 나타나게 하는가를 알아보기 위해 일련의 시험을 행하였다. 제 1 도에 기재된 조성물 H와 I로 조성물A의 경우과 같은 방법으로 마찰라이닝으로 만들었다. 동력계로 시험해본 결과, 조성물 H는 제 8 도의 곡선 134로 표시된 마모율 및 제 9 도의 곡선 136으로 표시된 마찰계수를 가졌고, 조성물 I는 곡선 138로 표시된 마모율과 곡선 140으로 표시된 마찰계수를 가졌다.
제 8 도로부터 코크스는 이런 종류의 소결재료에서는 필수성분이라는 것을 분명히 알 수 있다. 조성물 H의 마모율은 브레이크라이닝으로 사용하기에는 불만족스럽다. 주석과 마찬가지로 코크스는 조성물 A에서처럼 일단 최적 중량%가 결정되면, 그 이상으로 증가시켜도 그 이하로 감소시켜도 마모율은 증가된다. 조성물 I에서 보는 것처럼 코크스량 증가에 따른 마찰라이닝의 마모율의 변화는 그만큼 감소시켰을때 만큼은 큰 문제 가 아닌 것 같다. 그러나 마찰라이닝의 구조적 완벽성과 강도는 코크스의 양이 증가함에 따라 감소한다.
조성물 A의 마찰계수는 어떤 브레이크장치에는 너무 높은 것이나, 마찰계수를 낮추기 위해서 윤활제 인 2황화몰리브덴을 조성물 A에서 철분말 대신 가하여 제 1 도의 조성물 J 및 K를 만들었다.
조성물 J로 만들어진 마찰라이닝의 마모율은 제 10 도의 곡선 142로 나타나있고 그 마찰계수는 제 11 도의 곡선 144를 나타나 있다.
조성물 K로 만들어진 마찰라이닝의 마모율은 제 10 도의 곡선 146으로 예시되어 있고 그 마찰계수는 제 11 도의 곡선 148로 예시되어 있다.
제 11 도에 예시된 바와 같이 조성물 A의 마찰계수는 윤활제 인 2황화몰리브덴을 사용함으로써 감소 되었지만 그 마모율은 제 10 도에 표시한 것처럼 증가하였다. 조성물 A에 첨가될 윤활제 의 최고량은 소결재료가 마찰라이닝으로 사용될 때에 마모율이 불량하지 않도록 하기위해 2중량%이하로 유지해야 할 것 같다.
일부 브레이크용으로는 조성물 A가 나타낸 것 보다 더 큰 마찰계수가 필요할 것이므로 마찰발생 물질로서 세라믹 물질(멀라이트, 남정석 또는 실리카)을 철분말에 대체시켜 제 1 도의 조성물 L, M 및 N을 만들었다.
조성물 L의 마모율은 제 12 도에서 곡선 150으로 표시되어 있고 그 마찰계수는 제 13 도에서 곡선 156으로 표시되어 있다.
조성물 M의 마모율은 제 12 도에서 곡선 154로 표시되어 있고 그 마찰계수는 제 13 도에서 곡선 156으로 표시되어 있다.
조성물 N의 마모율은 곡선 158로 표시되어 있고 그 마찰계수는 곡선 160으로 표시되어 있다.
제 13 도에 나타난 것처럼, 마찰계수는 세라믹 물질 첨가에 의해서 증가하였고 마모율 도 제 12 도에 나타난 것처럼 만족했다. 그러나 소음 및/또는 로우터마모가 조성물에 세라믹 물질이 첨가됨으로써 증가했다.
조성물 A로 만들어진 브레이크라이닝의 구조적 단일성은 합금화되고 치밀화시켜 물질을 융합시킴으로써 제어된다. 구조적 단일성을 증가시키려는 노력으로 철분말의 일부를 강섬유로 대체하여 제 1 도의 조성물 O 및 P를 만들었다.
조성물 O로 만든 브레이크라이닝은 동력계로 시험하면 제 14 도의 곡선 162로 나타낸 마모율과 제 15 도의 곡선 164로 나타낸 마찰계수를 갖는다.
조성물 P로 만든 브레이크라이닝은 동력계로 시험하면 제 14 도의 곡선 166으로 나타낸 마모율과 제 15 도의 곡선 168로 나타낸 마찰계수를 갖는다.
조성물 O 및 P를 마찰라이닝으로 사용하면 마모율과 마찰계수는 만족하지만, 이 조성물을 균질혼합물로서 얻기 위해서는 많은 주의를 요하였다. 그래서 대부분의 용 도에는 제조비의 상승으로 조성물 A에 강섬유를 첨가하는 것이 합당하지 않았다.
통상은 소결 마찰라이닝은 기재로서 동을 사용하기 때문에 최종으로 조성물 A의 철분말의 일부를 동분말로 대체하여 제 1 도에 수록된 조성물 Q를 만들었다.
조성물 Q에서는, 철분말과 동분말 양자가 주석과 반응하여 흑연과 코크스를 유지하는 매트릭스를 형성한다.
조성물 Q로 브레이크라이닝을 만들어 동력계로 시험했을때 그 마모율은 제 4 도의 곡선 170과 같았고, 그 마찰게수는 제 5 도의 곡선 172와 같았다. 조성물 Q의 마모율과 마찰계수 도 만족되었지만 철분말에 비하여 동분말은 고가이므로 조성물 Q는 자동차용 마찰라이닝용으로 용납하기 어려운 것이다.
Claims (5)
- 철분말, 또는 철분말과 동분말의 혼합물을 포함하는 철기재물질 ; 72 내지 85중량%, 흑연 ; 3 내지 14중량%, 코크스 ; 2 내지 12중량%, 주석, 아연, 비스무트 및 납으로 구성된 군으로부터 선택된 저융점 물질 ; 3 내지 10중량% 및 마찰조절제 ; 2중량%이하의 2황하몰리브덴 또는 3중량%이하의 세라믹 물질로 이루어져 있으며, 상기 저융점 물질은 철기재물질과 합금화되어 마찰부재를 생성하기 위하여 상기 흑연, 코크스 및 마찰조절재를 유지하는 매트릭스를 형성하는 것을 특징으로 하는 소결철기재의 마찰재료.
- 제 1 항에 있어서, 철분말과 동분말의 혼합물은 60중량%이상의 철과 19중량%이하의 동으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 소결철기재의 마찰재료.
- 제 1 항에 있어서, 상기 철의 10중량%까지를 강섬유로 대체되어 있는 것을 특징으로 하는 소결철기재의 마찰재료.
- 제 1 항에 있어서, 상기 저융점 물질은 주식이고, 철분말대 주석의 비는 12 : 1인 것을 특징으로 하는 소결철기재의 마찰재료.
- 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 하나의 항에 있어서, 흑연과 코크스를 동량으로 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 소결철기재의 마찰재료.
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