WO2010038944A2

WO2010038944A2 - 마찰부재를 제조하는 방법 및 이 방법에 의해 만들어진 마찰부재

Info

Publication number: WO2010038944A2
Application number: PCT/KR2009/004708
Authority: WO
Inventors: 정덕모
Original assignee: 주식회사 로얄초경
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2009-08-24
Publication date: 2010-04-08
Also published as: WO2010038944A3

Abstract

본 발명에 따른 마찰부재는 동분말 39.6~70.9 중량%, 주석분말 2~8 중량%, 인상흑연분말 15~25 중량%, 규소화칼슘분말 2~5 중량%, 철분말 5~10 중량%, 니켈분말 3~7 중량%, 몰리브덴분말 2~5 중량% 및 탄소나노튜브분말 0.1~0.4 중량%를 포함하는 합금 조성물을 준비하는 단계; 상기 합금 조성물을 교반 블레이드가 내장된 혼합기에 장입하여 혼합한 후, 건조기에서 완전 건조되도록 하는 분말혼합단계; 마찰재 형상에 상응하는 금형의 하형에 마찰재의 형상의 베이스부로서 형상화된 철강재 기판을 장착하고, 상기 철강재 기판이 장착되어 상하형이 결합된 몰드 내에 상기 건조 처리된 합금 조성물을 충전한 후, 상기 금형을 프레스에 의해 가압하여, 상기 몰드 내에 충전된 합금 조성물을 압축성형하여 상기 철강재 기판 상에 마찰재의 성형체를 만드는 성형단계; 및 마찰재의 성형체와 철강재 기판 간에 2~5kgf/cm²의 압력을 가하면서, 진공 또는 불활성 가스 분위기 하의 소결로에서 950~1100℃ 온도로 1~3시간 동안 소결하는 소결/접합단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

마찰부재를 제조하는 방법 및 이 방법에 의해 만들어진 마찰부재

본 발명은 마찰부재를 제조하는 방법 및 이 방법에 의해 만들어진 마찰부재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자동차, 오토바이, 철도차량, 항공기, 산업기계 등의 제동 장치에서 사용되는 브레이크 라이닝, 디스크 패드, 클러치 페이싱 등의 미끄럼면에 적합한 마찰부재를 제조하는 방법 및 이 방법에 의해 만들어진 마찰부재에 관한 것이다.

자동차 브레이크에 사용되는 기존 마찰재는 석면, 흑연, 고무분말, 케불라펄프, 금속분말, 금속섬유 등의 재료를 1종 이상 선택하여, 이들을 페놀수지를 이용해 성형한 후 열처리를 거쳐 만들어지고 있었다.

이러한 마찰재는 브레이크 라이닝, 디스크 패드, 클러치 페이싱과 같은 마찰부재로 만들어져, 드럼 브레이크, 디스크 브레이크, 클러치에 적용되기 위해 철강재 기판에 접착제에 의해 접착되게 된다.

90년대에 들어서, 이러한 마찰부재에 석면 사용이 규제되어, 비석면 계열 마찰부재가 출시되고 있으며, 이 비석면 계열 마찰부재에는 철강재 기판에 금속 분말 야금 소결된 마찰재와 결합된 마찰부재가 제시되고 있다.

상기된 금속분말 소결 마찰재를 이용한 마찰부재에는 한국 코레일사에서 운행중인 고속열차(KTX)에 장착된 독일 사브사 제품이 예로 들 수 있다. 이 제품은 구리, 철, 흑연, 주석, 실리카분말 등이 혼합된 복합분말을 소결한 제품으로 고속주행시 강도가 비교적 잘 유지되는 특성이 있으나 아직도, 이러한 종래 독일제 마찰재는 쉽게 자체적으로 마모되거나 상대재를 마모시키는 문제점이 있을 뿐만 아니라 독일제 마찰재와 철강재 기판에 대한 결합이 확산접합에 의해 이루어 지지 않고, 암수결합 방식에 의해 이루어져 있어서, 그 구조가 복잡하고 이에 따른 생산비용도 높다고 하는 문제가 있다.

종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안되는 본 발명의 목적은 자체적으로 쉽게 마모되지 않고, 상대재(차량의 휠, 디스크 등)를 마모시키지 않는 동시에 철강재 기판에 암수결합 없이 확산접합이 가능하도록 하는 마찰부재의 조성물 및 이로부터 마찰부재를 제조하는 방법 및 이 방법에 의해 만들어진 마찰부재를 제공함에 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 마찰부재 제조방법은 제1실시예로서, 동분말 39.6~70.9 중량%, 주석분말 2~8 중량%, 인상흑연분말 15~25 중량%, 규소화칼슘분말 2~5 중량%, 철분말 5~10 중량%, 니켈분말 3~7 중량%, 몰리브덴분말 2~5 중량% 및 탄소나노튜브분말 0.1~0.4 중량%를 포함하는 합금 조성물을 준비하는 단계; 상기 합금 조성물을 교반 블레이드가 내장된 혼합기에 장입하여 혼합한 후, 건조기에서 완전 건조되도록 하는 분말혼합단계; 마찰재 형상에 상응하는 금형의 하형에 마찰재의 형상의 베이스부로서 형상화된 철강재 기판을 장착하고, 상기 철강재 기판이 장착되어 상하형이 결합된 몰드 내에 상기 건조 처리된 합금 조성물을 충전한 후, 상기 금형을 프레스에 의해 가압하여, 상기 몰드 내에 충전된 합금 조성물을 압축성형하여 상기 철강재 기판 상에 마찰재의 성형체를 만드는 성형단계; 및 마찰재의 성형체와 철강재 기판 간에 2~5kgf/cm²의 압력을 가하면서, 진공 또는 불활성 가스 분위기 하의 소결로에서 950~1100℃ 온도로 1~3시간 동안 소결하는 소결/접합단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 마찰부재 제조방법은 제2실시예로서, 동분말 39.6~70.9 중량%, 주석분말 2~8 중량%, 인상흑연분말 15~25 중량%, 규소화칼슘분말 2~5 중량%, 철분말 7~14 중량%, 니켈분말 3~8 중량% 및 탄소나노튜브분말 0.1~0.4 중량%를 포함하는 합금 조성물을 준비하는 단계; 상기 합금 조성물을 교반 블레이드가 내장된 혼합기에 장입하여 혼합한 후, 건조기에서 완전 건조되도록 하는 분말혼합단계; 마찰재 형상에 상응하는 금형의 하형에 마찰재의 형상의 베이스부로서 형상화된 철강재 기판을 장착하고, 상기 철강재 기판이 장착되어 상하형이 결합된 몰드 내에 상기 건조 처리된 합금 조성물을 충전한 후, 상기 금형을 프레스에 의해 가압하여, 상기 몰드 내에 충전된 합금 조성물을 압축성형하여 상기 철강재 기판 상에 마찰재의 성형체를 만드는 성형단계; 및 마찰재의 성형체와 철강재 기판 간에 2~5kgf/cm²의 압력을 가하면서, 진공 또는 불활성 가스 분위기 하의 소결로에서 950~1100℃ 온도로 1~3시간 동안 소결하는 소결/접합단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 마찰부재 제조방법은 제3실시예로서, 동분말 39.6~70.9 중량%, 주석분말 2~8 중량%, 인상흑연분말 15~25 중량%, 규소화칼슘분말 2~5 중량%, 철분말 10~22 중량% 및 탄소나노튜브분말 0.1~0.4 중량%를 포함하는 합금 조성물을 준비하는 단계; 상기 합금 조성물을 교반 블레이드가 내장된 혼합기에 장입하여 혼합한 후, 건조기에서 완전 건조되도록 하는 분말혼합단계; 마찰재 형상에 상응하는 금형의 하형에 마찰재의 형상의 베이스부로서 형상화된 철강재 기판을 장착하고, 상기 철강재 기판이 장착되어 상하형이 결합된 몰드 내에 상기 건조 처리된 합금 조성물을 충전한 후, 상기 금형을 프레스에 의해 가압하여, 상기 몰드 내에 충전된 합금 조성물을 압축성형하여 상기 철강재 기판 상에 마찰재의 성형체를 만드는 성형단계; 및 마찰재의 성형체와 철강재 기판 간에 2~5kgf/cm²의 압력을 가하면서, 진공 또는 불활성 가스 분위기 하의 소결로에서 950~1100℃ 온도로 1~3시간 동안 소결하는 소결/접합단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 마찰부재는 제1실시예로서, 동분말 39.6~70.9 중량%, 주석분말 2~8 중량%, 인상흑연분말 15~25 중량%, 규소화칼슘분말 2~5 중량%, 철분말 5~10 중량%, 니켈분말 3~7 중량%, 몰리브덴분말 2~5 중량% 및 탄소나노튜브분말 0.1~0.4 중량%를 포함하는 합금 조성물을 압축성형하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 마찰부재는 제2실시예로서, 동분말 39.6~70.9 중량%, 주석분말 2~8 중량%, 인상흑연분말 15~25 중량%, 규소화칼슘분말 2~5 중량%, 철분말 7~14 중량%, 니켈분말 3~8 중량% 및 탄소나노튜브분말 0.1~0.4 중량%를 포함하는 합금 조성물을 압축성형하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 마찰부재는 제3실시예로서, 동분말 39.6~70.9 중량%, 주석분말 2~8 중량%, 인상흑연분말 15~25 중량%, 규소화칼슘분말 2~5 중량%, 철분말 10~22 중량% 및 탄소나노튜브분말 0.1~0.4 중량%를 포함하는 합금 조성물을 압축성형하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

상기 마찰부재는 합금 조성물을 교반 블레이드가 내장된 혼합기에 장입하여 혼합한 후, 건조기에서 완전 건조되도록 하고, 마찰재 형상에 상응하는 금형의 하형에 마찰재의 형상의 베이스부로서 형상화된 철강재 기판을 장착하고, 상기 철강재 기판이 장착되어 상하형이 결합된 몰드 내에 상기 건조 처리된 합금 조성물을 충전한 후, 상기 금형을 프레스에 의해 가압하여, 상기 몰드 내에 충전된 합금 조성물을 압축성형하여 만들어진 성형체와 철강재 기판 간에 2~5kgf/cm²의 압력을 가하면서, 진공 또는 불활성 가스 분위기 하의 소결로에서 950~1100℃ 온도로 1~3시간 동안 소결시켜 제조되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 내마모성을 향상시켜 자체적으로 쉽게 마모되지 않고, 상대재에 대한 공격성을 최소화시켜 차량의 휠, 디스크 등과 같은 상대재에 대한 마모성을 개선 시키는 동시에 암수결합 없이도 철강재 기판에 대한 확산접합이 가능하도록 하는 마찰부재의 조성물과 이로부터 마찰부재를 제조하는 방법과 이 방법에 의해 만들어진 마찰부재를 제공함으로써, 마찰부재의 사용수명이 연장되고, 이로 인해 마찰부재의 잦은 교체에 따른 불편을 최소화할 수 있으며, 잦은 교체로 인한 제반 부대비용을 절감할 수 있고, 마찰부재의 장치결합이 간단하게 이루어져 생산비용이 절감되는 등의 경제적 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 제2실시예로서 제조된 마찰부재 시험편과 종래의 마찰부재 시험편의 내마모성을 비교한 그래프.

도 2는 본 발명의 제2실시예로서 제조된 마찰부재 시험편과 종래의 마찰부재 시험편의 내마모성을 비교한 그래프.

도 3은 본 발명의 제2실시예로서 제조된 마찰부재 시험편과 종래의 마찰부재 시험편의 상대재 공격성을 비교한 그래프.

도 4는 본 발명의 제2실시예로서 제조된 마찰부재 시험편과 종래의 마찰부재 시험편과 소음측정을 비교한 그래프.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마찰부재를 제조하는 방법, 이 방법에 의해 만들어진 마찰부재에 대해 자세히 설명한다.

마찰부재의 제조방법

본 발명의 마찰부재의 제조방법은 앞서 설명한 바와 같은 마찰부재의 조성물을 이용한 것으로서, 하기 제1, 제2, 제3의 실시예로서 이루어질 수 있다.

(제1실시예)

제1실시예에 따른 마찰부재의 제조방법은, 동분말 39.6~70.9 중량%, 주석분말 2~8 중량%, 인상흑연분말 15~25 중량%, 규소화칼슘분말 2~5 중량%, 철분말 5~10 중량%, 니켈분말 3~7 중량%, 몰리브덴분말 2~5 중량% 및 탄소나노튜브분말 0.1~0.4 중량%를 포함하는 합금 조성물을 준비하는 단계; 상기 합금 조성물을 교반 블레이드가 내장된 혼합기에 장입하여 혼합한 후, 건조기에서 완전 건조되도록 하는 분말혼합단계; 마찰재 형상에 상응하는 금형의 하형에 마찰재의 형상의 베이스부로서 형상화된 철강재 기판을 장착하고, 상기 철강재 기판이 장착되어 상하형이 결합된 몰드 내에 상기 건조 처리된 합금 조성물을 충전한 후, 상기 금형을 프레스에 의해 가압하여, 상기 몰드 내에 충전된 합금 조성물을 압축성형하여 상기 철강재 기판 상에 마찰재의 성형체를 만드는 성형단계; 및 마찰재의 성형체와 철강재 기판 간에 2~5kgf/cm²의 압력을 가하면서, 진공 또는 불활성 가스 분위기 하의 소결로에서 950~1100℃ 온도로 1~3시간 동안 소결하는 소결/접합단계를 포함한다.

이하, 상기 합금 조성물을 이루는 각 첨가물의 특성에 대해 설명하면 다음과 같다.

상기 동(Cu)분말은 마찰부재의 주성분으로서, 분말입도 50㎛, 순도 99.9%의 전해동이 사용되는데, 주석(Sn)분말과 결합되어 Cu-Sn 합금을 형성하여 마찰재의 경도 및 강도를 유지시키고, 마찰부재의 골격을 형성시켜 철재기판과 마찰재를 결합 시키는 작용을 한다.

이때, 동분말의 함량이 39.6wt% 이하이면, 마찰재의 경도 및 강도를 저하시키고, Cu-Sn합금의 결합력을 저하시키게 된다.

또한, 함량이 70.9wt% 이상이면, Cu-Sn 합금의 결합력을 증가 시키는데 반해, 마찰재의 경도 및 강도, 특히 고온경도 및 고온강도를 저하시키게 된다.

상기 주석(Sn)분말은 분말입도 10㎛, 순도 99%의 시약급이 사용되는데, 주요기능은 Cu분말과 결합하여 Cu-Sn 합금을 형성하여 마찰재의 경도와 강도를 유지시키고, 마찰부재의 골격을 형성시켜 철재기판과 마찰재를 결합 시키는 작용을 한다.

이때, 주석분말의 함량이 2wt% 이하이면, 마찰재의 경도 및 강도를 저하시키게 되고, Cu-Sn 합금의 결합력을 저하 시킨다.

또한, 함량이 8wt% 이상이면, Cu-Sn합금의 결합력을 증가 시키는데 반해, 마찰재의 경도와 강도를 저하시키고, 특히 고온경도와 강도를 저하시키게 된다.

상기 인상흑연분말은 분말입도 200~1,000㎛, 순도 97%이상이 사용되는데, 주요기능은 마찰재의 윤활기능 즉, 마찰계수와 내마모성을 안정시키고, 마찰시 소음발생 기능을 완화 시키는 작용을 한다.

이때, 순도가 97%(Fixed Carbon량) 이하 일 때는 불순물로 인한 재질변화의 문제로 인해, 마찰재의 소결 반응을 저해하게 된다.

상기 인상흑연분말의 함량이 15wt% 이하이면, 마찰재의 윤활기능이 미흡하여 마찰계수가 증가되어 소음발생율이 증가하는데, 마찰재의 마모율은 저하되는 반면, 상대재(Rotor 또는 Disk)의 마모율을 증가시키게 된다.

또한, 인상흑연분말의 함량이 25wt% 이상이면, 마찰재의 경도와 강도가 저하되고, 마찰계수가 저하되어 소음발생율이 저하되는데, 마찰재의 마모율은 증가되는 반면, 상대재의 마모율을 감소시키게 된다.

상기 규소화칼슘(CaSio2)분말은 분말입도 0.5㎛, 순도 99%이상의 시약급이 사용되는데, 주요기능은 윤활재(인상흑연)와 마찰촉진재(Fe, Ni, Mo)및 Cu-Sn 합금 구성체를 결집시켜주어 내마모성을 증진 시키고, 마찰계수를 증가시키는 작용을 한다.

이때, 상기 규소화칼슘분말의 함량이 2wt% 이하 일 때는 마찰구성체(윤활제, 마찰촉진제, Cu-Sn합금구성체)를 결집시키는 기능이 약화 되어 내마모성이 약화되고, 마찰계수가 저하 된다.

또한, 상기 규소화칼슘분말의 함량이 50wt% 이상 일 때는 마찰구성체를 결집시키는 기능이 강화되어 마찰계수가 증가되고, 내마모성은 증진되지만, 소음발생율이 증가 한다.

상기 철(Fe)분말은 분말입도 50㎛, 순도 99%이상의 시약급이 사용되는데, 주요기능은 마찰촉진재로서 고온경도 및 강도를 증진 시키고. 마찰계수를 증가 시키는 작용을 한다.

이때, 상기 철분말의 함량이 5wt% 이하 일 때는 마찰계수가 저하되고, 마찰부재의 마모율이 증가되며, 소음발생율이 증가하게 되고, 고온경도 및 강도가 감소하게 된다.

또한, 상기 철분말의 함량이 22wt% 이상 일 때는 고온경도 및 강도가 상승하게 되고, 마찰계수가 필요이상으로 증가하게 되어 상대재의 마모율을 증가 시키게 된다.

상기 니켈(Ni)분말은 분말입도 50㎛, 순도 99%이상의 시약급이 사용되는데, 주요기능은 마찰촉진재로서 마찰계수를 증가 시키고, 철재기판과 마찰재의 결합력을 증진 시키며, 마찰재의 내식성을 증진 시키는 작용을 한다.

이때, 상기 니켈분말의 함량이 3wt% 이하 일 때는 마찰촉진 효과가 미흡해지게 되고, 철재기판과 마찰재의 결합력이 미흡해지게 되며, 마찰재의 내식성이 미흡해 진다.

또한, 상기 니켈분말의 함량이 8wt% 이상 일 때는 철재기판과 마찰재의 결합력이 증가 하고, 마찰재의 내식성이 증진되나, 마찰계수 증가로 인한 소음발생율이 증가되며, 상대재의 마모율을 증가 시키게 된다.

상기 몰리브덴(Mo)분말은 분말입도 50㎛, 순도 99%이상의 시약급이 사용되는데, 주요기능은 마찰촉진재로서 마찰계수를 증가시키게 되고, 고온경도 및 강도를 증진시키며, 내열성을 증가시키는 작용을 한다.

이때, 상기 몰리브덴분말의 함량이 2wt% 이하 일 때는 마찰촉진 효과가 미흡하고, 고온경도 및 강도를 저하시키게 되며, 내열성이 저하된다.

또한, 상기 몰리브덴분말의 함량이 5wt% 이상 일 때는 마찰계수 증가로 인한 상대재의 마모량이 증가하게 되고, 소음발생율이 증가되며, 고온경도 및 강도가 증가되고, 내열성이 증가하게 된다.

상기 탄소나노튜브(C.N.T)분말은 분말입도 10㎛, 순도 99%이상의 시약급을 사용하는데, 주요기능은 열전도성과 열적 안정성으로 마찰재의 내열성을 증진시켜, 마찰열로 인한 마찰성능 저하를 방지하고, 고온강도를 증진 시키는 작용을 한다.

이때, 상기 탄소나노튜브의 함량이 0.1wt% 이하 일 때는 열적 안정성이 미흡하여 내열성이 저하되고, 열전도성이 미흡하여 마찰열에 의한 성능저하가 일어난다.

또한, 탄소나노튜브의 함량이 0.4wt% 이상 일 때는 합금의 소결반응성이 억제 되고, 고온강도와 마찰계수가 저하된다.

상기 분말혼합단계에 대해 설명하면 다음과 같다.

합금 조성물들을 정해진 배합비율에 따라 계량하여 교반블레이드가 내장된 혼합기에 장입하고, 일정량의 파라핀왁스와 혼합촉진재로 노말헥산을 일정량 함께 장입한 후 50분 간 혼합기를 회전시킨 다음, 건조기에 옮기고 50~60℃ 온도로 가열하여 노말헥산을 휘발제거시켜 완전 건조시키는 단계를 포함하게 된다.

상기 성형단계에 대해 설명하면 다음과 같다.

금형을 프레스에 의해 1~3 ton/cm²으로 가압하도록 하는데, 성형압력이 1 ton/cm² 이하이면, 압축 성형체의 그린밀도(green density)가 낮아져서 압축 성형체의 강도가 너무 낮아지며, 그리고 3 ton/cm²이상이면, 압축 성형체의 경도가 노무 높아져서 압축 성형체의 조직이 불안정하고 내/외부에 크랙이 잘 발생된다.

상기 성형단계가 완료되고 나면 철강재 기판 상에 얹혀진 마찰재의 성형체에 대한 소결/접합공정을 수행하게 된다.

상기 소결/접합단계에 대해 설명하면 다음과 같다.

철강재 기판과 마찰재의 성형체 간의 접합을 촉진시키기 위하여, 마찰재의 성형체와 철강재 기판 간에 2~5kgf/cm²의 압력을 가하면서, 진공 또는 불활성 가스 분위기 하의 소결로에서 950~1100℃ 온도로 1~3시간 동안 소결한다.

이를 통해 마찰재의 성형체에 대한 소결처리와 소결처리된 마찰재 성형체와 철강재 기판 간의 접합처리가 완료된다.

여기에서, 상기 소결온도가 950℃ 이하이면, 압축된 마찰재의 성형체가 불안정하게 소결처리되어, 합금조직이 불안정 해지어, 잘 부서지고, 내부에 기포가 발생되며, 그리고 1100℃ 이상이면, 마찰재의 성형체의 합금조직이 과도하게 소결처리되어서, 성형체의 경도가 낮아지고, 성형체에 불균일한 조직이 나타나게 되고, 성형체의 마찰계수가 저하된다.

또한, 상기 소결시간이 1시간 이하이면, 성형체의 합금조직이 제대로 소결처리되지 않아 성형체의 경도가 저하되고 마찰계수도 저하되며, 그리고 3시간 이상이면, 성형체의 합금조직이 과도하게 소결처리되어서, 성형체에 불균일한 조직이 나타나게 되고, 성형체의 마찰계수가 저하된다.

또한, 마찰재의 성형체와 철강재 기판 간의 압력이 2kgf/cm² 이하이면, 마찰재의 성형체와 철강재 기판 간의 결합력이 불안정 해지고, 그리고 5kgf/cm² 이상이면, 성형체에 대한 소결반응이 충분히 일어나기 전에 큰 압력이 성형체에 가해져서 압축된 성형체에 클랙이 발생된다.

선택적으로, 상기 소결 및 접합공정에 이후에, 철강제 기판에 소결처리된 마찰재가 접합된 마찰부재를 열간항압압축기(hot iso-static pressing)에서 재소결처리 할 수 있다. 이때의 작업조건은 네온가스 또는 아르곤 가스 압력이 900~1200기압이고, 온도가 700~900℃이고, 압축시간이 60~90분이다.

재소결처리 이유는 전 공정에서 소결처리되어 합금된 성형체인 마찰재의 함금밀도가 높아지고, 합금조직이 치밀해져 기계적/물리적 성질이 향상될 뿐만 아니라 합금된 마찰재와 철강재 기판 간의 액상 접합이 유도되어 보다 더 강성으로 접합이 이루어진다.

여기에서, 상기 가스 압력이 900기압 이하이면, 상기 소결처리된 마찰재에 충분한 압축이 일어나지 않아 재소결처리효과가 미흡하고, 1200기압 이상이면, 상기 소결처리된 마찰재의 형상과 특성이 변화한다.

또한, 상기 열간항압압축기 내의 온도가 700℃ 이하이면, 고체상태인 마찰재에 압축이 일어나지 않고, 900℃ 이상이면, 마찰재의 합금조직의 입자성장이 일어나서 마찰재의 특성이 변화한다.

또한, 상기 압축시간이 60분 이하이면, 마찰재의 합금 내부에 액상 이동이 충분히 일어나지 않아 재소결처리효과가 미흡하고, 90분 이상이면 마찰재의 합금조직의 입자성장으로 마찰재의 특성변화가 일어난다.

(제2실시예)

제2실시예에 따른 본 발명의 마찰부재의 제조방법은, 제1실시예의 성형단계 및 소결/접합단계가 동일한 방법으로 이루어지고, 다만, 분말혼합단계의 마찰부재의 조성물에 차이가 있다.

이에, 전체 제조공정에 대한 설명을 생략하며, 분말혼합단계에 대해서만 설명하기로 한다.

제2실시예에 따른 분말혼합단계는 동분말 40~78 중량%, 철분말 10~25 중량%, 주석분말 1~8 중량%, 인상흑연분말 9~20 중량%, 탄소나노튜브분말 0.1~2중량% 및 규소화칼슘분말 1~5 중량%를 포함하는 합금 조성물들을 교반블레이드가 내장된 혼합기에 장입하고, 일정량의 파라핀왁스와 혼합촉진재로 노말헥산을 일정량 함께 장입한 후 50분 간 혼합기를 회전시킨 다음, 건조기에 옮기고 50~60℃ 온도로 가열하여 노말헥산을 휘발제거시켜 완전 건조시키는 단계를 포함한다.

(제3실시예)

제3실시예에 따른 본 발명의 마찰부재의 제조방법은, 제1실시예의 성형단계 및 소결/접합단계가 동일한 방법으로 이루어지고, 다만, 분말혼합단계의 마찰부재의 조성물에 차이가 있다.

제3실시예에 따른 분말혼합단계는 동분말 35~78 중량%, 철분말 10~25 중량%, 주석분말 1~8 중량%, 인상흑연분말 9~20 중량%, 탄소나노튜브분말 0.1~2 중량%, 규소화칼슘분말 1~5 중량% 및 실리카분말 0.5~5 중량%를 포함하는 합금 조성물들을 교반블레이드가 내장된 혼합기에 장입하고, 일정량의 파라핀왁스와 혼합촉진재로 노말헥산을 일정량 함께 장입한 후 50분 간 혼합기를 회전시킨 다음, 건조기에 옮기고 50~60℃ 온도로 가열하여 노말헥산을 휘발제거시켜 완전 건조시키는 단계를 포함한다.

마찰부재

본 발명의 마찰부재는 앞서 설명한 바와 같은 마찰부재의 제조방법을 이용한 것으로서, 하기 제1, 제2, 제3의 실시예로서 이루어질 수 있다.

(제1 실시예)

제1실시예에 따른 본 발명의 마찰부재는, 동분말 39.6~70.9 중량%, 주석분말 2~8 중량%, 인상흑연분말 15~25 중량%, 규소화칼슘분말 2~5 중량%, 철분말 5~10 중량%, 니켈분말 3~7 중량%, 몰리브덴분말 2~5 중량% 및 탄소나노튜브분말 0.1~0.4 중량%를 포함하는 합금 조성물을 압축성형하여 제조된다.

여기서, 상기 압축성형공정에 대해 자세히 설명하면, 상기 합금 조성물을 교반 블레이드가 내장된 혼합기에 장입하여 혼합한 후, 건조기에서 완전 건조되도록 하고, 마찰재 형상에 상응하는 금형의 하형에 마찰재의 형상의 베이스부로서 형상화된 철강재 기판을 장착하고, 상기 철강재 기판이 장착되어 상하형이 결합된 몰드 내에 상기 건조 처리된 합금 조성물을 충전한 후, 상기 금형을 프레스에 의해 가압하여, 상기 몰드 내에 충전된 합금 조성물을 압축성형하여 만들어진 성형체와 철강재 기판 간에 2~5kgf/cm²의 압력을 가하면서, 진공 또는 불활성 가스 분위기 하의 소결로에서 950~1100℃ 온도로 1~3시간 동안 소결시켜 제조한다.

이때, 상기 합금 조성물과 일정량의 파라핀왁스와 혼합촉진재로 노말헥산을 교반블레이드가 내장된 혼합기에 함께 장입시켜 50분간 회전시킨 다음, 건조기에 옮겨 50~60℃ 온도로 가열하여 노말헥산을 휘발제거시켜 완전 건조되도록 한다.

그리고, 상기 성형체는 1 ton/cm² 내지 3 ton/cm²의 성형압력으로 제작되도록 한다.

그리고, 상기 철강제 기판에 소결처리된 마찰재가 접합된 마찰부재를 열간항압압축기에서 재소결처리되도록 한다.

(제2 실시예)

제2실시예에 따른 본 발명의 마찰부재는, 동분말 39.6~70.9 중량%, 주석분말 2~8 중량%, 인상흑연분말 15~25 중량%, 규소화칼슘분말 2~5 중량%, 철분말 7~14 중량%, 니켈분말 3~8 중량% 및 탄소나노튜브분말 0.1~0.4 중량%를 포함하는 합금 조성물을 압축성형하여 제조된다.

이때, 상기 합금 조성물의 압축성형공정은 제1실시예와 동일한 공정으로 이루어지게 된다.

(제3 실시예)

제3실시예에 따른 본 발명의 마찰부재는, 동분말 39.6~70.9 중량%, 주석분말 2~8 중량%, 인상흑연분말 15~25 중량%, 규소화칼슘분말 2~5 중량%, 철분말 10~22 중량% 및 탄소나노튜브분말 0.1~0.4 중량%를 포함하는 합금 조성물을 압축성형하여 제조된다.

마찰부재에 대한 마모시험

상기 제1, 제2, 제3 실시예를 통해 제조된 마찰부재 시편(20mm*50mm*10mm)들을 이용해 다음과 같은 시험결과를 도출할 수 있었다.

먼저, 시편들을 선택적으로 고정시킬 수 있고, 주강재(caststeel) 브레이크 드럼 디스크를 상대재로 하여 1800rpm으로 회전시킬 수 있는 선반에서, 상기 마찰재 시편과 상기 상대재를 서로 면접촉 상태가 되게 장착시킨 후, 상대재를 1800rpm으로 회전시키고 마찰재 시편에 20kgf/㎠의 부하가 걸리도록 세팅하였다. 그리고 상기 마찰재 시편에 대한 부하는 상대재가 정지할 때까지 작용시켰다.

*아울러, 한국 코레일사에서 운행중인 고속열차에 채용되고 있는 독일 사브사 제품 마찰재를 종래예의 마찰재 시편으로 하여 동일한 시험장치에서 그리고 동일한 조건하에서 테스트를 하였다.

그 테스트 결과는 다음 표 1과 같다.

표 1

샘플	마찰계수	무게변화량	상대재 공경성(상대재의 마모량)	철강재기판과 마찰재 간의 접합유무
실시예 1	0.83	3.4g	1.7g	유
실시예 2	0.66	2.8g	1.5g	유
실시예 3	1.16	4.9g	2.2g	유
독일 사브사 제품 마찰재	1.08	4.35g	19.3g	접합이 이루어 지지않고 암수결합만 가능함

상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1는 종래예보다 마찰계수가 낮아 제동효과가 낮지만 마찰재의 마찰계수가 통상적으로 0.5~1.5에서 허용되므로 마찰재로서 사용될 수 있으며, 아울러, 종래예보다 무게변화량이 작고 상대재에 대한 공격성도 낮아, 종래의 마찰재보다 상대재를 손상시킴 없이 장시간 사용될 수 있으며, 마찰재가 철강재 기판과 고 강도로 접합유지될 수 있다.

또한, 실시예 2는 종래예보다 마찰계수가 낮아 제 1 실시예와 같이 제동효과는 낮지만 마찰재의 마찰계수가 통상적으로 0.5에서 1.5에서 허용되므로 마찰재로서 사용될 수 있으며, 아울러, 종래예보다 무게변화량이 작고 상대재에 대한 공격성도 낮아, 종래의 마찰재보다 상대재를 손상시킴 없이 가장 장시간 사용될 수 있으며, 마찰재가 철강재 기판과 고 강도로 접합유지될 수 있다.

또한, 실시예 3은 종래예보다 마찰계수가 높아 제동효과가 종래예의 마찰재보다 우수하지만, 그 만큼 제 1 및 2실시예의 마찰재보다 무게변화량이 많고 상대재에 대한 공격도도 높다. 하지만, 종래예의 마찰재와 비교하여 볼 때, 상대재에 대한 공격성이 훨씬 낮아 상대재를 종래의 마찰재보다 덜 손상시킨다는 관점에서 우수한 마찰재가 될 수 있으며, 마찰재가 철강재 기판과 고 강도로 접합유지될 수 있다.

도 1은 본 발명의 제2실시예로서 제조된 마찰부재 시험편과 종래의 마찰부재 시험편의 내마모성을 비교한 그래프로서 시험편의 두께 변화를 나타내고 있는데, 측정차수가 진행됨에 따라 종래의 마찰부재 시험편의 두께가 급속히 줄어드는데, 반해 본 발명의 마찰부재 시험편은 두께의 변화가 매우 적게 나타나는 것을 볼 수 있다.

도 2는 본 발명의 제2실시예로서 제조된 마찰부재 시험편과 종래의 마찰부재 시험편의 내마모성을 비교한 그래프로서 시험편의 무게 변화를 나타내고 있는데, 시험결과 종래의 마찰부재 시험편의 무게변화량이 훨씬 많은 것으로 보아 시험편의 마모정도가 심했던 것을 볼 수 있다.

도 3은 본 발명의 제2실시예로서 제조된 마찰부재 시험편과 종래의 마찰부재 시험편의 상대재 공격성을 비교한 그래프로서 상대재의 마모량을 나타내고 있는데, 종래의 마찰부재 시험편에 의한 상대재의 마모량이 20g에 근접하는데 반해 본 발명의 마찰부재 시험편에 의한 상대재의 마모량은 1.5g 정도에 불과한 것을 볼 수 있다.

이와 같은 본 발명의 마찰부재는 제동장치 전체의 수명을 연장시는 이점을 갖게 된다.

도 4는 본 발명의 제2실시예로서 제조된 마찰부재 시험편과 종래의 마찰부재 시험편과 소음측정을 비교한 그래프로서, 소음발생 면에서도 본 발명의 마찰부재 시험편의 결과가 우수하게 나타나는 것을 알 수 있다.

Claims

동분말 39.6~70.9 중량%, 주석분말 2~8 중량%, 인상흑연분말 15~25 중량%, 규소화칼슘분말 2~5 중량%, 철분말 5~10 중량%, 니켈분말 3~7 중량%, 몰리브덴분말 2~5 중량% 및 탄소나노튜브분말 0.1~0.4 중량%를 포함하는 합금 조성물을 준비하는 단계;

상기 합금 조성물을 교반 블레이드가 내장된 혼합기에 장입하여 혼합한 후, 건조기에서 완전 건조되도록 하는 분말혼합단계;

마찰재 형상에 상응하는 금형의 하형에 마찰재의 형상의 베이스부로서 형상화된 철강재 기판을 장착하고, 상기 철강재 기판이 장착되어 상하형이 결합된 몰드 내에 상기 건조 처리된 합금 조성물을 충전한 후, 상기 금형을 프레스에 의해 가압하여, 상기 몰드 내에 충전된 합금 조성물을 압축성형하여 상기 철강재 기판 상에 마찰재의 성형체를 만드는 성형단계; 및

마찰재의 성형체와 철강재 기판 간에 2~5kgf/cm²의 압력을 가하면서, 진공 또는 불활성 가스 분위기 하의 소결로에서 950~1100℃ 온도로 1~3시간 동안 소결하는 소결/접합단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰부재 제조방법.
동분말 39.6~70.9 중량%, 주석분말 2~8 중량%, 인상흑연분말 15~25 중량%, 규소화칼슘분말 2~5 중량%, 철분말 7~14 중량%, 니켈분말 3~8 중량% 및 탄소나노튜브분말 0.1~0.4 중량%를 포함하는 합금 조성물을 준비하는 단계;

상기 합금 조성물을 교반 블레이드가 내장된 혼합기에 장입하여 혼합한 후, 건조기에서 완전 건조되도록 하는 분말혼합단계;

마찰재 형상에 상응하는 금형의 하형에 마찰재의 형상의 베이스부로서 형상화된 철강재 기판을 장착하고, 상기 철강재 기판이 장착되어 상하형이 결합된 몰드 내에 상기 건조 처리된 합금 조성물을 충전한 후, 상기 금형을 프레스에 의해 가압하여, 상기 몰드 내에 충전된 합금 조성물을 압축성형하여 상기 철강재 기판 상에 마찰재의 성형체를 만드는 성형단계; 및

마찰재의 성형체와 철강재 기판 간에 2~5kgf/cm²의 압력을 가하면서, 진공 또는 불활성 가스 분위기 하의 소결로에서 950~1100℃ 온도로 1~3시간 동안 소결하는 소결/접합단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰부재 제조방법.
동분말 39.6~70.9 중량%, 주석분말 2~8 중량%, 인상흑연분말 15~25 중량%, 규소화칼슘분말 2~5 중량%, 철분말 10~22 중량% 및 탄소나노튜브분말 0.1~0.4 중량%를 포함하는 합금 조성물을 준비하는 단계;

상기 합금 조성물을 교반 블레이드가 내장된 혼합기에 장입하여 혼합한 후, 건조기에서 완전 건조되도록 하는 분말혼합단계;

마찰재 형상에 상응하는 금형의 하형에 마찰재의 형상의 베이스부로서 형상화된 철강재 기판을 장착하고, 상기 철강재 기판이 장착되어 상하형이 결합된 몰드 내에 상기 건조 처리된 합금 조성물을 충전한 후, 상기 금형을 프레스에 의해 가압하여, 상기 몰드 내에 충전된 합금 조성물을 압축성형하여 상기 철강재 기판 상에 마찰재의 성형체를 만드는 성형단계; 및

마찰재의 성형체와 철강재 기판 간에 2~5kgf/cm²의 압력을 가하면서, 진공 또는 불활성 가스 분위기 하의 소결로에서 950~1100℃ 온도로 1~3시간 동안 소결하는 소결/접합단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰부재 제조방법.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 분말혼합단계는 합금 조성물과 일정량의 파라핀왁스와 혼합촉진재로 노말헥산을 교반블레이드가 내장된 혼합기에 함께 장입시켜 50분간 회전시킨 다음, 건조기에 옮겨 50~60℃ 온도로 가열하여 노말헥산을 휘발제거시켜 완전 건조시키는 것을 특징으로 하는 마찰부재 제조방법.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 성형단계는 성형압력을 1 ton/cm² 내지 3 ton/cm²으로 유지하는 것을 특징으로 하는 마찰부재 제조방법.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 인상흑연분말은 입도가 200~1,000㎛인 인조흑연분말이고, 순도가 95 중량% 이상인 것을 특징으로 하는 마찰부재 제조방법.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 소결/접합단계 이후에, 철강제 기판에 소결처리된 마찰재가 접합된 마찰부재를 열간항압압축기에서 재소결처리 하는 단계를 더 포함하며, 여기에서, 네온가스 또는 아르곤 가스 압력이 900~1200기압이고, 온도가 700~900℃이고, 압축시간이 60~90분인 것을 특징으로 하는 마찰부재 제조방법.
동분말 39.6~70.9 중량%, 주석분말 2~8 중량%, 인상흑연분말 15~25 중량%, 규소화칼슘분말 2~5 중량%, 철분말 5~10 중량%, 니켈분말 3~7 중량%, 몰리브덴분말 2~5 중량% 및 탄소나노튜브분말 0.1~0.4 중량%를 포함하는 합금 조성물을 압축성형하여 제조되고,

상기 합금 조성물을 교반 블레이드가 내장된 혼합기에 장입하여 혼합한 후, 건조기에서 완전 건조되도록 하고, 마찰재 형상에 상응하는 금형의 하형에 마찰재의 형상의 베이스부로서 형상화된 철강재 기판을 장착하고, 상기 철강재 기판이 장착되어 상하형이 결합된 몰드 내에 상기 건조 처리된 합금 조성물을 충전한 후, 상기 금형을 프레스에 의해 가압하여, 상기 몰드 내에 충전된 합금 조성물을 압축성형하여 만들어진 성형체와 철강재 기판 간에 2~5kgf/cm²의 압력을 가하면서, 진공 또는 불활성 가스 분위기 하의 소결로에서 950~1100℃ 온도로 1~3시간 동안 소결시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 마찰부재.
동분말 39.6~70.9 중량%, 주석분말 2~8 중량%, 인상흑연분말 15~25 중량%, 규소화칼슘분말 2~5 중량%, 철분말 7~14 중량%, 니켈분말 3~8 중량% 및 탄소나노튜브분말 0.1~0.4 중량%를 포함하는 합금 조성물을 압축성형하여 제조되고,

상기 합금 조성물을 교반 블레이드가 내장된 혼합기에 장입하여 혼합한 후, 건조기에서 완전 건조되도록 하고, 마찰재 형상에 상응하는 금형의 하형에 마찰재의 형상의 베이스부로서 형상화된 철강재 기판을 장착하고, 상기 철강재 기판이 장착되어 상하형이 결합된 몰드 내에 상기 건조 처리된 합금 조성물을 충전한 후, 상기 금형을 프레스에 의해 가압하여, 상기 몰드 내에 충전된 합금 조성물을 압축성형하여 만들어진 성형체와 철강재 기판 간에 2~5kgf/cm²의 압력을 가하면서, 진공 또는 불활성 가스 분위기 하의 소결로에서 950~1100℃ 온도로 1~3시간 동안 소결시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 마찰부재.
동분말 39.6~70.9 중량%, 주석분말 2~8 중량%, 인상흑연분말 15~25 중량%, 규소화칼슘분말 2~5 중량%, 철분말 10~22 중량% 및 탄소나노튜브분말 0.1~0.4 중량%를 포함하는 합금 조성물을 압축성형하여 제조되는 마찰부재에 있어서,

상기 합금 조성물을 교반 블레이드가 내장된 혼합기에 장입하여 혼합한 후, 건조기에서 완전 건조되도록 하고, 마찰재 형상에 상응하는 금형의 하형에 마찰재의 형상의 베이스부로서 형상화된 철강재 기판을 장착하고, 상기 철강재 기판이 장착되어 상하형이 결합된 몰드 내에 상기 건조 처리된 합금 조성물을 충전한 후, 상기 금형을 프레스에 의해 가압하여, 상기 몰드 내에 충전된 합금 조성물을 압축성형하여 만들어진 성형체와 철강재 기판 간에 2~5kgf/cm²의 압력을 가하면서, 진공 또는 불활성 가스 분위기 하의 소결로에서 950~1100℃ 온도로 1~3시간 동안 소결시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 마찰부재.
제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 합금 조성물과 일정량의 파라핀왁스와 혼합촉진재로 노말헥산을 교반블레이드가 내장된 혼합기에 함께 장입시켜 50분간 회전시킨 다음, 건조기에 옮겨 50~60℃ 온도로 가열하여 노말헥산을 휘발제거시켜 완전 건조시키는 것을 특징으로 하는 마찰부재.
제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 성형체는 1 ton/cm² 내지 3 ton/cm²의 성형압력으로 제작되는 것을 특징으로 하는 마찰부재.
제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 철강제 기판에 소결처리된 마찰재가 접합된 마찰부재를 열간항압압축기에서 재소결처리 하는 것을 특징으로 하는 마찰부재.