WO2012074199A1 - 탄소-세라믹 브레이크 디스크 및 이를 만드는 방법 - Google Patents

탄소-세라믹 브레이크 디스크 및 이를 만드는 방법 Download PDF

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Definitions

  • Disc brakes slow or stop the rotation of the disc by the frictional force generated by the friction between the surface of the disc and the pad, thereby slowing down or stopping the vehicle.
  • 17 (a), 17 (b) and 17 (c) are diagrams showing a procedure of making a second molded article from a second mixture in a procedure of making a carbon-ceramic brake disc according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the molded object Y is polished with a grinder.
  • FIG. 5 is an enlarged view of portion A of FIG. 4.
  • pitch-based carbon fiber is long, the problem of weakening the strength of the carbon-ceramic brake disc due to oxidation of the pitch-based carbon fiber occurs, but the strength of the carbon-ceramic brake disc weakened due to silicon erosion of the fan-based carbon fiber Since the problem of compensating is larger, the length of pitch carbon fiber is made long.
  • the first mixture (X1) is put into the mold (M) and pressed with a press (P) to make a first molded body (Y1), the second mixture (X2) is put into a mold (M) and pressed with a press (P).
  • the second mixture X2 is pressed by the press P to form the second molded body Y2.
  • the pressure to pressurize is 3-5 MPa.
  • the second mixture X2 may be heated by a heater provided in the press P.
  • the temperature to heat is 120-180 degreeC.
  • the molded object (Y) is placed in a crucible. Put the crucible into the vacuum resistance furnace. It is either a vacuum atmosphere or an inert atmosphere in a vacuum resistance heating furnace.
  • the organic compound contained in the molded body Y is thermally decomposed to become carbon.
  • the organic compound is thermally decomposed and porosity is formed in the remaining position.
  • the silicon melts and penetrates into the pores of the molded body Y.
  • the second mixture X2 is placed in the mold M. As shown in FIG. 17A, the second mixture X2 is placed in the mold M. As shown in FIG. 17A, the second mixture X2 is placed in the mold M. As shown in FIG. 17A, the second mixture X2 is placed in the mold M. As shown in FIG. 17A, the second mixture X2 is placed in the mold M. As shown in FIG. 17A, the second mixture X2 is placed in the mold M.
  • the second molded product Y2 is composed of pitch-based carbon fibers randomly distributed in the cured phenolic resin.
  • the first molded product Y1 is carbonized.
  • the second molded product Y2 is carbonized. Since the method of carbonizing the first molded body Y1 and the second molded body Y2 is the same as the method of carbonizing the molded body in the fourth embodiment, the description thereof is omitted.
  • the support layer 210 has a cooling channel 211.
  • the thickness of the support layer 210 is 20 ⁇ 50mm.
  • the composition of the support layer 210 is SiC 65-25 wt%, Si 15-25 wt%, C 20-50 wt%.

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Abstract

본 발명은, 코팅되지 않은 팬계 탄소섬유와 규소와 반응성이 낮은 피치계 탄소섬유를 다 같이 사용하여, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만든다. 이로 인해, 팬계 탄소섬유의 규소 침식으로 인해 약화된 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 강도를 피치계 탄소섬유가 보완할 수 있다. 이로 인해, 강도가 우수한 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만들 수 있다. 또는, 본 발명은, 규소와 반응성이 낮은 피치계 탄소섬유만을 사용하여, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만든다. 이로 인해, 탄화된 성형체에 규소를 녹여서 침투시킨 후에도, 피치계 탄소섬유는 원래 형상을 그대로 유지한다. 따라서, 피치계 탄소섬유의 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 강화하는 기능이 그대로 유지된다.

Description

탄소-세라믹 브레이크 디스크 및 이를 만드는 방법
본 발명은 탄소-세라믹 브레이크 디스크에 관한 것이다.
자동차 브레이크는 드럼식 브레이크와 디스크식 브레이크로 구분된다.
디스크식 브레이크는 디스크의 표면과 패드의 마찰로 발생 되는 마찰력으로 디스크의 회전을 늦추거나 멈추게 함으로써, 자동차의 속도를 감속하거나 자동차를 정지시킨다.
제동력이 우수한 디스크는, 무게가 가볍고, 내열충격성, 내산화성, 내마모성이 크고, 고강도이며, 높은 마찰계수를 가져야 한다. 이를 위해, 최근에는 탄소 섬유 강화 세라믹 복합체로 디스크를 만든다.
탄소 섬유 강화 세라믹 복합체는, 기지(matrix)가 세라믹이고 탄소섬유로 강화된 소재이다.
이하, 탄소 섬유 강화 세라믹 복합체로 만든 브레이크 디스크를 탄소-세라믹 브레이크 디스크라 칭한다.
일반적으로, 탄소-세라믹 브레이크 디스크는, 페놀수지와 탄소섬유를 혼합하여 혼합물을 만드는 단계, 혼합물을 가압 및 가열하여 성형체를 만드는 단계, 성형체를 탄화시키는 단계, 탄화된 성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 단계를 거쳐서 만들어진다.
탄소섬유로는 팬(PAN, Polyacrylonitrile)계 탄소섬유가 사용된다. 팬계 탄소섬유는 강도가 크고 인성(引性)이 크며 취성이 작다. 따라서, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 강화시키는 용도로 사용하기에 적합하다.
그러나, 팬계 탄소섬유는 규소와 반응을 잘한다. 따라서, 탄화된 성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 단계에서, 팬계 탄소섬유는 규소에 의해 쉽게 침식되고, 침식된 부분은 탄화규소(silicon carbide, SiC)가 된다.
도 1은, 팬계 탄소섬유가 규소에 의해 침식되고, 침식된 부분의 탄소가 규소와 반응하여 탄화규소가 된 상태를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 팬계 탄소섬유(Cf-pan)가 규소에 의해 침식되면, 브레이크 작동시 충격에 의해, 쉽게 끊어질 수 있다. 이 경우, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 강화시키는 기능을 제대로 할 수 없다.
종래에는, 팬계 탄소섬유가 규소에 의해 쉽게 침식되는 문제점을 해결하기 위하여 팬계 탄소섬유를 코팅하여 사용하였다. 코팅방법으로, 팬계 탄소섬유를 페놀수지용액에 담그고 꺼낸 후 경화시켜, 팬계 탄소섬유의 주위에 코팅막을 형성하는 방법이 있다. 코팅막으로 인해, 규소가 팬계 탄소섬유를 쉽게 침식하지 못한다.
그러나, 상술한 코팅작업으로 인해, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법이 복잡해지고, 비용 및 시간이 많이 소요된다.
본 발명의 목적은, 팬계 탄소섬유를 코팅하지 않고도, 강도가 우수한 탄소-세라믹 브레이크 디스크 및 이를 만드는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 코팅작업이 필요한 팬계 탄소섬유를 사용하지 않고도, 강도가 우수한 탄소-세라믹 브레이크 디스크 및 이를 만드는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은, 팬계 탄소섬유와 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 혼합물을 만드는 제1단계; 상기 혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 성형체를 만드는 제2단계; 상기 성형체를 탄화시키는 제3단계; 상기 탄화된 성형체를 기계가공하는 제4단계; 상기 기계가공된 성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제5단계; 및 상기 규소가 침투된 성형체를 연마하는 제6단계;를 포함한다.
또한, 상기 목적은, 팬계 탄소섬유와 피치계 탄소섬유가 무작위로 분포된 탄소-세라믹 브레이크 디스크에 의해 달성된다.
또한, 상기 목적은, 팬계 탄소섬유와 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물을 만들고, 팬계 탄소섬유와 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제2혼합물을 만드는 제1단계; 상기 제1혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제1성형체를 만들고, 상기 제2혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제2성형체를 만드는 제2단계; 상기 제1성형체를 탄화시키고, 상기 제2성형체를 탄화시키는 제3단계; 상기 탄화된 제1성형체를 기계가공하고, 상기 탄화된 제2성형체를 기계가공하는 제4단계; 상기 기계가공된 제1성형체와 상기 기계가공된 제2성형체를 서로 접착하는 제5단계; 상기 서로 접착된 제1성형체와 제2성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제6단계; 및 상기 규소가 침투된 제1성형체와 제2성형체를 연마하는 제7단계;를 포함하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법에 의해 달성된다.
또한, 상기 목적은, 지지층; 상기 지지층의 상면과 하면에 각각 접착된 마찰층; 및 상기 지지층과 마찰층 사이에 형성된 접착층;을 포함하며, 상기 지지층과 마찰층 각각에는, 팬계 탄소섬유와 피치계 탄소섬유가 무작위로 분포된 탄소-세라믹 브레이크 디스크에 의해 달성된다.
또한, 상기 목적은, 팬계 탄소섬유와 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물을 만들고, 팬계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제2혼합물을 만드는 제1단계; 상기 제1혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제1성형체를 만들고, 상기 제2혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제2성형체를 만드는 제2단계; 상기 제1성형체를 탄화시키고, 상기 제2성형체를 탄화시키는 제3단계; 상기 탄화된 제1성형체를 기계가공하고, 상기 탄화된 제2성형체를 기계가공하는 제4단계; 상기 기계가공된 제1성형체와 상기 기계가공된 제2성형체를 서로 접착하는 제5단계; 상기 서로 접착된 제1성형체와 제2성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제6단계; 및 상기 규소가 침투된 제1성형체와 제2성형체를 연마하는 제7단계;를 포함하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법에 의해 달성된다.
또한, 상기 목적은, 지지층; 상기 지지층의 상면과 하면에 각각 접착된 마찰층; 및 상기 지지층과 마찰층 사이에 형성된 접착층;을 포함하며, 상기 지지층에는, 팬계 탄소섬유와 피치계 탄소섬유가 무작위로 분포되고, 상기 마찰층에는, 팬계 탄소섬유가 무작위로 분포된 탄소-세라믹 브레이크 디스크에 의해 달성된다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은, 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 혼합물을 만드는 제1단계; 상기 혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 성형체를 만드는 제2단계; 상기 성형체를 탄화시키는 제3단계; 상기 탄화된 성형체를 기계가공하는 제4단계; 상기 기계가공된 성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제5단계; 및 상기 규소가 침투된 성형체를 연마하는 제6단계;를 포함한다.
또한, 상기 목적은, 피치계 탄소섬유가 무작위로 분포된 탄소-세라믹 브레이크 디스크에 의해 달성된다.
또한, 상기 목적은, 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물을 만들고, 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제2혼합물을 만드는 제1단계; 상기 제1혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제1성형체를 만들고, 상기 제2혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제2성형체를 만드는 제2단계; 상기 제1성형체를 탄화시키고, 상기 제2성형체를 탄화시키는 제3단계; 상기 탄화된 제1성형체를 기계가공하고, 상기 탄화된 제2성형체를 기계가공하는 제4단계; 상기 기계가공된 제1성형체와 상기 기계가공된 제2성형체를 서로 접착하는 제5단계; 상기 서로 접착된 제1성형체와 제2성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제6단계; 및 상기 규소가 침투된 제1성형체와 제2성형체를 연마하는 제7단계;를 포함하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법에 의해 달성된다.
또한, 상기 목적은, 지지층; 상기 지지층의 상면과 하면에 각각 접착된 마찰층; 및 상기 지지층과 마찰층 사이에 형성된 접착층;을 포함하며, 상기 지지층과 마찰층 각각에는, 피치계 탄소섬유가 무작위로 분포된 탄소-세라믹 브레이크 디스크에 의해 달성된다.
본 발명은, 코팅되지 않은 팬계 탄소섬유와 규소와 반응성이 낮은 피치계 탄소섬유를 다 같이 사용하여, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만든다.
이로 인해, 팬계 탄소섬유의 규소 침식으로 인해 약화된 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 강도를 피치계 탄소섬유가 보완할 수 있다. 이로 인해, 강도가 우수하한 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만들 수 있다. 또한, 팬계 탄소섬유를 코팅하지 않고 사용할 수 있어, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 간단하게 만들 수 있어, 비용 및 시간을 절약할 수 있다. 또한, 우수한 열전도성을 가진 피치계 탄소섬유를 사용함으로써, 열전도성이 우수한 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만들 수 있다.
또한, 본 발명은, 규소와 반응성이 낮은 피치계 탄소섬유만을 사용하여, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만든다.
이로 인해, 탄화된 성형체에 규소를 녹여서 침투시킨 후에도, 피치계 탄소섬유는 원래 형상을 그대로 유지한다. 따라서, 피치계 탄소섬유의 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 강화하는 기능이 그대로 유지된다. 또한, 코팅작업 없이 피치계 탄소섬유를 그대로 사용할 수 있어, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 간단하게 만들 수 있고, 비용 및 시간을 절약할 수 있다. 또한, 팬계 탄소섬유에 비해 우수한 열전도성을 가진 피치계 탄소섬유를 사용함으로써, 열전도성이 우수한 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만들 수 있다.
도 1은, 팬계 탄소섬유가 규소에 의해 침식되고, 침식된 부분의 탄소가 규소와 반응하여 탄화규소가 된 상태를 나타낸 도면이다.
도 2는, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3(a),(b),(c)는, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 순서 중, 혼합물로 성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다.
도 4는, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 나타낸 도면이다.
도 5는, 도 4의 A부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 6은, 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7(a),(b),(c)는, 본 발명의 제2실시예 또는 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 순서 중, 제1혼합물로 제1성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다.
도 8(a),(b),(c)는, 본 발명의 제2실시예 또는 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 순서 중, 제2혼합물로 제2성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다.
도 9는, 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 나타낸 도면이다.
도 10은, 본 발명의 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 11은, 본 발명의 제4실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 12(a),(b),(c)는, 본 발명의 제4실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 순서 중, 혼합물로 성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다.
도 13은, 본 발명의 제4실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 나타낸 도면이다.
도 14는, 도 13의 A부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 15는, 본 발명의 제5실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 16(a),(b),(c)는, 본 발명의 제5실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 순서 중, 제1혼합물로 제1성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다.
도 17(a),(b),(c)는, 본 발명의 제5실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 순서 중, 제2혼합물로 제2성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다.
도 18은, 본 발명의 제5실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 나타낸 도면으로, 지지층이 노출되도록 마찰층과 접착층의 일부를 절개하여 나타낸 도면이다.
도 19는, 도 18의 A부분을 확대한 도면이다.
도 20은, 도 18의 B부분을 확대한 도면이다.
이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 설명한다.
도 2는, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다. 도 3(a),(b),(c)는, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 순서 중, 혼합물로 성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 실선화살표는 프레스의 이동방향을 나타내고, 점선화살표는 성형체를 몰드로부터 꺼내는 방향을 나타낸다.
도 2 및 도 3(a),(b),(c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은,
팬계 탄소섬유와 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 혼합물(X)을 만드는 제1단계(S11); 상기 혼합물(X)을 몰드(M)에 넣고 프레스(P)로 가압하여 성형체(Y)를 만드는 제2단계(S12); 상기 성형체(Y)를 탄화시키는 제3단계(S13); 상기 탄화된 성형체(Y)를 기계가공하는 제4단계(S14); 상기 기계가공된 성형체(Y)에 규소를 녹여서 침투시키는 제5단계(S15); 및 상기 규소가 침투된 성형체(Y)를 연마하는 제6단계(S16);를 포함한다.
이하, 제1단계(S11)를 설명한다.
팬계 탄소섬유 15~35 vol%, 피치계 탄소섬유 15~35 vol%, 페놀수지 70~30 vol%를 혼합하여 혼합물(X)을 만든다.
이하, 제2단계(S12)를 설명한다.
도 3(a)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)에 혼합물(X)을 넣는다.
도 3(b)에 도시된 바와 같이, 프레스(P)로 혼합물(X)를 가압하여 성형체(Y)를 만든다. 이때, 가압하는 압력은 3~5 MPa이다. 여기서, 프레스(P)에 설치된 히터로 혼합물(X)을 가열할 수도 있다. 가열하는 온도는 120~180 ℃이다.
도 3(c)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)로부터 성형체(Y)를 꺼낸다.
성형체(Y)는, 경화된 페놀수지안에 무작위로 분포된 팬계 탄소섬유 및 피치계 탄소섬유로 구성된다.
이하, 제3단계(S13)를 설명한다.
도가니(crucible) 안에 성형체(Y)를 넣는다. 진공저항가열로 안에 도가니를 넣는다. 진공저항가열로 안은 진공분위기 또는 불활성분위기이다.
진공저항가열로는, 성형체(Y)의 온도를 13시간 동안 1550℃로 승온시킨다.
진공저항가열로는, 성형체(Y)의 온도를 1~2시간 동안 1550℃로 유지시킨다.
성형체(Y)의 온도가 1550℃로 승온되고 유지되는 동안, 성형체(Y)에 포함된 유기화합물이 열분해되어 탄소가 된다. 유기화합물이 열분해되고 남은 자리에는 기공(porosity)이 형성된다.
이하, 제4단계(S14)를 설명한다.
성형체(Y)의 중심부에 차축이 지나가는 축공을 뚫는다.
성형체(Y)의 축공 주위로, 햇파트(hat part)와 결합되는 볼트가 관통하는 관통공을 동일원상에 동일간격으로 뚫는다. 햇파트는 바퀴와 결합된다.
이하, 제5단계(S15)를 설명한다.
도가니 안에 규소를 넣는다.
도가니 안에 성형체(Y)의 하부가 규소에 묻히도록 넣는다. 성형체(Y)의 상부에 규소를 쌓는다.
진공저항가열로 안에 도가니를 넣는다. 진공저항가열로 안은 진공분위기 또는 불활성분위기이다.
진공저항가열로는, 성형체(Y)의 온도를 13시간 동안 1550℃로 승온시킨다.
진공저항가열로는, 성형체(Y)의 온도를 1~2시간 동안 1550℃로 유지시킨다.
성형체(Y)의 온도가 1550℃로 승온되고 유지되는 동안, 규소가 녹아서 성형체(Y)의 기공으로 침투한다.
기공으로 침투한 규소 대부분은 성형체(Y)에 포함된 탄소와 반응하여, 탄화규소(silicon carbide, SiC)가 된다. 탄소와 반응하지 않은 나머지 규소는 기공을 메운다.
이하, 제6단계(S16)를 설명한다.
연마기(grinder)로, 성형체(Y)를 연마한다.
도 4는, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진 탄소-세라믹 브레이크 디스크(10)는, 단일몸체(single body)로 구성된다.
탄소-세라믹 브레이크 디스크(10)는, 중심부에 차축이 지나가는 축공(11)을 구비한다. 축공(11) 주위로, 햇파트(hat part)와 결합되는 볼트가 관통하는 관통공(12)이 동일원상에 동일간격으로 구비된다.
탄소-세라믹 브레이크 디스크(10)의 두께는 20~50mm이다.
탄소-세라믹 브레이크 디스크(10)의 성분조성은, SiC 65~25 wt%, Si 15~25 wt%, C 20~50 wt%이다.
도 5는, 도 4의 A부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 팬계 탄소섬유(Cf-pan), 피치계 탄소섬유(Cf-pitch)가 무작위로 분포된다.
팬계 탄소섬유는, 직경이 7㎛인 필라멘트 1K~48K의 다발로 구성된다. 팬계 탄소섬유의 길이는 1~3mm이다.
피치계 탄소섬유는, 직경이 7㎛인 필라멘트 1K~48K의 다발로 구성된다. 피치계 탄소섬유의 길이는 25~30mm이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 팬계 탄소섬유는 규소에 의해 침식되어 표면이 울퉁불퉁하다. 피치계 탄소섬유는 규소와 반응성이 낮아 표면이 매끈하다. 규소와 반응성이 낮은 피치계 탄소섬유는 규소침투후에도 원형을 그대로 유지할 수 있어, 쉽게 끊어지지 않는다. 이로 인해, 팬계 탄소섬유의 규소 침식으로 인해 약화된 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 강도를 피치계 탄소섬유가 보완할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 팬계 탄소섬유는 피치계 탄소섬유보다 길이가 짧다. 팬계 탄소섬유는 길이가 짧으므로 공기와의 접촉면적이 작아 쉽게 산화되지 않는다.
한편, 피치계 탄소섬유의 길이도 짧으면 좋다. 그러나, 피치계 탄소섬유의 길이를 짧게 하면, 팬계 탄소섬유의 규소 침식으로 인해 약화 된 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 강도를 보완하기 어렵다. 따라서, 피치계 탄소섬유의 길이는 팬계 탄소섬유의 길이보다 6~8배 길게 한다.
물론, 피치계 탄소섬유가 길어지면, 피치계 탄소섬유의 산화로 인해 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 강도가 약해지는 문제가 발생하지만, 팬계 탄소섬유의 규소 침식으로 인해 약해진 탄소-세라믹 브레이크 디스크의 강도를 보완하는 문제가 더 크기 때문에 피치계 탄소섬유의 길이를 길게 한다.
이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 설명한다.
도 6은, 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다. 도 7(a),(b),(c)는, 본 발명의 제2실시예 또는 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 순서 중, 제1혼합물로 제1성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다. 도 8(a),(b),(c)는, 본 발명의 제2실시예 또는 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 순서 중, 제2혼합물로 제2성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다. 도 7 및 도 8에 도시된 실선화살표는 프레스의 이동방향을 나타내고, 점선화살표는 성형체를 몰드로부터 꺼내는 방향을 나타낸다.
도 6, 도 7(a),(b),(c), 도 8(a),(b),(c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은,
팬계 탄소섬유와 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물(X1)을 만들고, 팬계 탄소섬유와 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제2혼합물(X2)을 만드는 제1단계(S21); 상기 제1혼합물(X1)을 몰드(M)에 넣고 프레스(P)로 가압하여 제1성형체(Y1)를 만들고, 상기 제2혼합물(X2)을 몰드(M)에 넣고 프레스(P)로 가압하여 제2성형체(Y2)를 만드는 제2단계(S22); 상기 제1성형체(Y1)를 탄화시키고, 상기 제2성형체(Y2)를 탄화시키는 제3단계(S23); 상기 탄화된 제1성형체(Y1)를 기계가공하고, 상기 탄화된 제2성형체(Y2)를 기계가공하는 제4단계(S24); 상기 기계가공된 제1성형체(Y1)와 상기 기계가공된 제2성형체(Y2)를 서로 접착하는 제5단계(S25); 상기 서로 접착된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)에 규소를 녹여서 침투시키는 제6단계(S26); 및 상기 규소가 침투된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 연마하는 제7단계(S27);를 포함한다.
이하, 제1단계(S21)를 설명한다.
팬계 탄소섬유 15~35 vol%, 피치계 탄소섬유 15~35 vol%, 페놀수지 70~30 vol%를 혼합하여 제1혼합물(X1)을 만든다. 제1혼합물(X1)로 후술할 지지층을 만든다.
팬계 탄소섬유 15~35 vol%, 피치계 탄소섬유 15~35 vol%, 페놀수지 70~30 vol%를 혼합하여 제2혼합물(X2)을 만든다. 제2혼합물(X2)로 후술할 마찰층을 만든다.
이하, 제2단계(S22)를 설명한다.
도 7(a)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)에 제1혼합물(X1)을 넣는다.
제1혼합물(X1)위에 코어체(V)를 올려놓는다. 코어체(V)는 냉각채널의 형상을 가진다. 코어체(V)위에 제1혼합물(X1)을 넣는다.
도 7(b)에 도시된 바와 같이, 프레스(P)로 가압하여 제1성형체(Y1)를 만든다. 이때, 가압하는 압력은 3~5 MPa이다. 여기서, 프레스(P)에 설치된 히터로 제1혼합물(X1)을 가열할 수도 있다. 가열하는 온도는 120~180 ℃이다.
도 7(c)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)로부터 제1성형체(Y1)를 꺼낸다.
제1성형체(Y1)는, 경화된 페놀수지안에 무작위로 분포된 팬계 탄소섬유 및 피치계 탄소섬유로 구성된다.
도 8(a)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)에 제2혼합물(X2)을 넣는다.
도 8(b)에 도시된 바와 같이, 프레스(P)로 제2혼합물(X2)를 가압하여 제2성형체(Y2)를 만든다. 이때, 가압하는 압력은 3~5 MPa이다. 여기서, 프레스(P)에 설치된 히터로 제2혼합물(X2)을 가열할 수도 있다. 가열하는 온도는 120~180 ℃이다.
도 8(c)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)로부터 제2성형체(Y2)를 꺼낸다. 마찰층이 2개이므로, 상술한 과정을 반복하여, 제2성형체(Y2)를 2개 만든다.
제2성형체(Y2)는, 경화된 페놀수지안에 무작위로 분포된 팬계 탄소섬유 및 피치계 탄소섬유로 구성된다.
이하, 제3단계(S23)를 설명한다.
제1성형체(Y1)를 탄화시킨다. 제2성형체(Y2)를 탄화시킨다.
제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 탄화시키는 방법은 제1실시예에서 성형체를 탄화시키는 방법과 동일하므로 그 설명을 생략한다.
제1성형체(Y1) 탄화시, 코어체(V)는 열분해 된다. 코어체(V)의 열분해 시 잔류 탄소량은 10 wt% 미만인 것이 바람직하다. 이를 위해, 코어체(V)는, 폴리카보네이트(polycarbonate), ABS수지(Acrylonitrile Butadiene Styrene copolymer), 스티렌 수지(Styrene resin), 폴리에틸렌(Polyethylene), 아크릴 수지(Acrylic resin) 등과 같은 열가소성 수지로 만들어진다. 코어체(V)가 열분해 되면, 코어체(V)가 열분해되고 남은 빈자리에 냉각채널이 형성된다.
이하, 제4단계(S24)를 설명한다.
제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)의 중심부에 차축이 지나가는 축공을 뚫는다. 제1성형체(Y1)의 축공과 제2성형체(Y2)의 축공은 서로 대응된다.
제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)의 축공주위로 햇파트(hat part)와 결합되는 볼트가 관통하는 관통공을 동일원상에 동일간격으로 뚫는다. 햇파트는 바퀴와 결합한다.
이하, 제5단계(S25)를 설명한다.
제1성형체(Y1)의 상면과 하면에 액체상태의 페놀수지를 도포한다. 도포두께는 0.1~2mm이다. 제1성형체(Y1)의 상면과 하면 각각에 제2성형체(Y2)를 접착한다. 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2) 사이로 빠져나온 액체상태의 페놀수지를 제거한다.
다른 방법으로, 제1성형체(Y1)의 상면과 하면에 고체상태의 페놀수지를 뿌린다. 제1성형체(Y1)의 상면과 하면에 제2성형체(Y2)를 각각 올려놓고 프레스로 가압하고 프레스에 설치된 히터로 가열한다. 고체상태의 페놀수지가 녹으면서, 제1성형체(Y1)의 상면과 하면 각각에 제2성형체(Y2)가 접착된다. 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2) 사이로 빠져나온 액체상태(고체상태의 페놀수지가 녹은 상태)의 페놀수지를 제거한다.
제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)가 접착되면, 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2) 사이에 후술할 접착층이 만들어진다.
이하, 제6단계(S26)를 설명한다.
서로 접착된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)에 규소를 녹여서 침투시킨다. 서로 접착된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)에 규소를 녹여서 침투시키는 방법은, 제1실시예에서 성형체에 규소를 침투시키는 방법과 동일하므로 그 설명을 생략한다.
이하, 제7단계(S27)를 설명한다.
연마기(grinder)로, 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 연마한다.
도 9는, 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 나타낸 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진 탄소-세라믹 브레이크 디스크(100)는, 지지층(110), 마찰층(120), 접착층(130)으로 구성된다.
탄소-세라믹 브레이크 디스크(100)는, 중심부에 차축이 지나가는 축공(101)을 구비한다. 축공(101) 주위로, 햇파트(hat part)와 결합되는 볼트가 관통하는 관통공(102)이 동일원상에 동일간격으로 구비된다.
지지층(110)은 냉각채널(111)을 구비한다. 지지층(110)의 두께는 20~50mm이다. 지지층(110)의 성분조성은, SiC 65~25 wt%, Si 15~25 wt%, C 20~50 wt%이다.
마찰층(120)의 두께는 0.1~2mm이다. 마찰층(120)의 성분조성은, 지지층(110)의 성분조성과 동일한, SiC 65~25 wt%, Si 15~25 wt%, C 20~50 wt%이다.
지지층(110)의 성분조성과 마찰층(120)의 성분조성이 동일하므로, 지지층(110)의 열팽창계수와 마찰층(120)의 열팽창계수가 동일하다. 따라서, 탄소-세라믹 브레이크 디스크(100)를 만드는 과정에서, 지지층(110)의 열팽창계수와 마찰층(120)의 열팽창계수의 차이로 인해, 마찰층(120)에 균열이 생기지 않는다.
접착층(130)의 두께는 0.1~1mm이다. 접착층(130)의 성분조성은, SiC 50 wt%, Si 45 wt%, C 5 wt%이다.
지지층(110)에는, 팬계 탄소섬유(Cf-pan)와 피치계 탄소섬유(Cf-pitch)가 무작위로 분포된다. 팬계 탄소섬유는, 직경이 7㎛인 필라멘트 1K~48K의 다발로 구성된다. 팬계 탄소섬유의 길이는 1~3mm이다. 피치계 탄소섬유는, 직경이 7㎛인 필라멘트 1K~48K의 다발로 구성된다. 피치계 탄소섬유의 길이는 25~30mm이다.
마찰층(120)에는, 팬계 탄소섬유(Cf-pan)와 피치계 탄소섬유(Cf-pitch)가 무작위로 분포된다. 팬계 탄소섬유는, 직경이 7㎛인 필라멘트 1K~48K의 다발로 구성된다. 팬계 탄소섬유의 길이는 1~3mm이다. 피치계 탄소섬유는, 직경이 7㎛인 필라멘트 1K~48K의 다발로 구성된다. 피치계 탄소섬유의 길이는 1~3mm이다.
한편, 마찰층(120)에 포함된 피치계 탄소섬유는, 마찰층(120)이 외부로 노출된 관계로, 공기와 만나 산화되기 쉽다. 따라서, 공기와의 접촉면적을 최소화하기 위해서, 마찰층(120)에 포함된 피치계 탄소섬유은 지지층(110)에 포함된 피치계 탄소섬유의 길이보다 짧다. 피치계 탄소섬유의 길이를 짧게 하더라도, 브레이크 작동시, 마찰층(120)이 지지층(110)보다 상대적으로 응력을 덜 받기 때문에, 마찰층(120)의 강도는 충분히 유지될 수 있다.
이하, 본 발명의 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 설명한다.
도 10은, 본 발명의 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7(a),(b),(c), 도 8(a),(b),(c), 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은,
팬계 탄소섬유와 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물(X1)을 만들고, 팬계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제2혼합물(X2)을 만드는 제1단계(S31); 상기 제1혼합물(X1)을 몰드(M)에 넣고 프레스(P)로 가압하여 제1성형체(Y1)를 만들고, 상기 제2혼합물(X2)을 몰드(M)에 넣고 프레스(P)로 가압하여 제2성형체(Y2)를 만드는 제2단계(S32); 상기 제1성형체(Y1)를 탄화시키고, 상기 제2성형체(Y2)를 탄화시키는 제3단계(S33); 상기 탄화된 제1성형체(Y1)를 기계가공하고, 상기 탄화된 제2성형체(Y2)를 기계가공하는 제4단계(S34); 상기 기계가공된 제1성형체(Y1)와 상기 기계가공된 제2성형체(Y2)를 서로 접착하는 제5단계(S35); 상기 서로 접착된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)에 규소를 녹여서 침투시키는 제6단계(S36); 및 상기 규소가 침투된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 연마하는 제7단계(S37);를 포함한다.
본 발명의 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은, 제1단계(S31)에서, 피치계 탄소섬유 없이 팬계 탄소섬유와 페놀수지만을 혼합하여 제2혼합물(X2)을 만드는 것을 제외하고는, 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법과 동일하다.
본 발명의 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은,브레이크 작동시, 마찰층이 지지층보다 상대적으로 응력을 덜 받기 때문에, 마찰층에 포함된 팬계 탄소섬유가 규소에 의해 침식되더라도, 마찰층의 강도는 충분히 유지된다는 점에서 창안되었다.
본 발명의 제3실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진 탄소-세라믹 브레이크 디스크는, 마찰층에 피치계 탄소섬유 없이 팬계 탄소섬유만 무작위로 분포된 것을 제외하고는, 제2실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진 탄소-세라믹 브레이크 디스크와 동일하다.
이하, 본 발명의 제4실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 설명한다.
도 11은, 본 발명의 제4실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다. 도 12(a),(b),(c)는, 본 발명의 제4실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 순서 중, 혼합물로 성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다. 도 12에 도시된 실선화살표는 프레스의 이동방향을 나타내고, 점선화살표는 성형체를 몰드로부터 꺼내는 방향을 나타낸다.
도 11 및 도 12(a),(b),(c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은,
피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 혼합물(X)을 만드는 제1단계(S41); 상기 혼합물(X)을 몰드(M)에 넣고 프레스(P)로 가압하여 성형체(Y)를 만드는 제2단계(S42); 상기 성형체(Y)를 탄화시키는 제3단계(S43); 상기 탄화된 성형체(Y)를 기계가공하는 제4단계(S44); 상기 기계가공된 성형체(Y)에 규소를 녹여서 침투시키는 제5단계(S45); 상기 규소가 침투된 성형체(Y)를 연마하는 제6단계(S46);를 포함한다.
이하, 제1단계(S41)를 설명한다.
피치계 탄소섬유 30~70 vol%와, 페놀수지 70~30 vol%를 혼합하여 혼합물(X)을 만든다.
이하, 제2단계(S42)를 설명한다.
도 12(a)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)에 혼합물(X)을 넣는다.
도 12(b)에 도시된 바와 같이, 프레스(P)로 혼합물(X)를 가압하여 성형체(Y)를 만든다. 이때, 가압하는 압력은 3~5 MPa이다. 여기서, 프레스(P)에 설치된 히터로 혼합물(X)을 가열할 수도 있다. 가열하는 온도는 120~180 ℃이다.
도 12(c)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)로부터 성형체(Y)를 꺼낸다.
성형체(Y)는, 경화된 페놀수지안에 무작위로 분포된 피치계 탄소섬유로 구성된다.
이하, 제3단계(S43)를 설명한다.
도가니(crucible) 안에 성형체(Y)를 넣는다. 진공저항가열로 안에 도가니를 넣는다. 진공저항가열로 안은 진공분위기 또는 불활성분위기이다.
진공저항가열로는, 성형체(Y)의 온도를 13시간 동안 1550℃로 승온시킨다.
진공저항가열로는, 성형체(Y)의 온도를 1~2시간 동안 1550℃로 유지시킨다.
성형체(Y)의 온도가 1550℃로 승온되고 유지되는 동안, 성형체(Y)에 포함된 유기화합물이 열분해되어 탄소가 된다. 유기화합물이 열분해되고 남은 자리에는 기공(porosity)이 형성된다.
이하, 제4단계(S44)를 설명한다.
성형체(Y)의 중심부에 차축이 지나가는 축공을 뚫는다.
성형체(Y)의 축공 주위로, 햇파트(hat part)와 결합되는 볼트가 관통하는 관통공을 동일원상에 동일간격으로 뚫는다. 햇파트는 바퀴와 결합된다.
이하, 제5단계(S45)를 설명한다.
도가니 안에 규소를 넣는다.
도가니 안에 성형체(Y)의 하부가 규소에 묻히도록 넣는다. 성형체(Y)의 상부에 규소를 쌓는다.
진공저항가열로 안에 도가니를 넣는다. 진공저항가열로 안은 진공분위기 또는 불활성분위기이다.
진공저항가열로는, 성형체(Y)의 온도를 13시간 동안 1550℃로 승온시킨다. 진공저항가열로는, 성형체(Y)의 온도를 1~2시간 동안 1550℃로 유지시킨다.
성형체(Y)의 온도가 1550℃로 승온되고 유지되는 동안, 규소가 녹아서 성형체(Y)의 기공으로 침투한다.
기공으로 침투한 규소 대부분은 성형체(Y)에 포함된 탄소와 반응하여, 탄화규소(silicon carbide, SiC)가 된다. 탄소와 반응하지 않은 나머지 규소는 기공을 메운다.
이하, 제6단계(S46)를 설명한다.
연마기(grinder)로, 성형체(Y)를 연마한다.
도 13은, 본 발명의 제4실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 나타낸 도면이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진 탄소-세라믹 브레이크 디스크(20)는, 단일몸체(single body)로 구성된다.
탄소-세라믹 브레이크 디스크(20)는, 중심부에 차축이 지나가는 축공(21)을 구비한다. 축공(21) 주위로, 햇파트(hat part)와 결합되는 볼트가 관통하는 관통공(22)이 동일원상에 동일간격으로 구비된다.
탄소-세라믹 브레이크 디스크(20)의 두께는 20~50mm이다.
탄소-세라믹 브레이크 디스크(20)의 성분조성은, SiC 65~25 wt%, Si 15~25 wt%, C 20~50 wt%이다.
도 14는, 도 13의 A부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 탄소-세라믹 브레이크 디스크(20)에는 길이가 짧고(1~3mm)은 피치계 탄소섬유와, 길이가 긴(25~30mm) 피치계 탄소섬유가 무작위로 분포된다. 피치계 탄소섬유는, 직경이 7㎛인 필라멘트 1K~48K의 다발로 구성된다.
길이가 긴 피치계 탄소섬유와 길이가 짧은 피치계 탄소섬유가 혼합된 이유는, 길이가 긴 피치계 탄소섬유만 분포될 경우 피치계 탄소섬유와 공기의 접촉면적이 커져 피치계 탄소섬유가 산화되기 쉽고, 반면, 길이가 짧은 피치계 탄소섬유만 분포될 경우 피치계 탄소섬유의 강화기능이 떨어지기 때문이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 피치계 탄소섬유는 규소와 반응성이 낮아, 표면이 울퉁불퉁하지 않고 매끈하다. 따라서, 피치계 탄소섬유는 규소침투후에도 원형을 그대로 유지할 수 있어, 브레이크 작동시 충격을 받더라도 쉽게 끊어지지 않는다.
이하, 본 발명의 제5실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 설명한다.
도 15는, 본 발명의 제5실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법을 나타낸 순서도이다. 도 16(a),(b),(c)는, 본 발명의 제5실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 순서 중, 제1혼합물로 제1성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다. 도 17(a),(b),(c)는, 본 발명의 제5실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 순서 중, 제2혼합물로 제2성형체를 만드는 순서를 나타낸 도면이다. 도 16 또는 도 17에 도시된 실선화살표는 프레스의 이동방향을 나타내고, 점선화살표는 제1성형체 또는 제2성형체를 몰드로부터 꺼내는 방향을 나타낸다.
도 15, 도 16(a),(b),(c), 도 17(a),(b),(c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제5실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법은,
피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물(X1)을 만들고, 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제2혼합물(X2)을 만드는 제1단계(S51); 상기 제1혼합물(X1)을 몰드(M)에 넣고 프레스(P)로 가압하여 제1성형체(Y1)를 만들고, 상기 제2혼합물(X2)을 몰드(M)에 넣고 프레스(P)로 가압하여 제2성형체(Y2)를 만드는 제2단계(S52); 상기 제1성형체(Y1)를 탄화시키고, 상기 제2성형체(Y2)를 탄화시키는 제3단계(S53); 상기 탄화된 제1성형체(Y1)를 기계가공하고, 상기 탄화된 제2성형체(Y2)를 기계가공하는 제4단계(S54); 상기 기계가공된 제1성형체(Y1)와 상기 기계가공된 제2성형체(Y2)를 서로 접착하는 제5단계(S55); 상기 서로 접착된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)에 규소를 녹여서 침투시키는 제6단계(S56); 상기 규소가 침투된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 연마하는 제7단계(S57);를 포함한다.
이하, 제1단계(S51)를 설명한다.
피치계 탄소섬유 30~70 vol%와, 페놀수지 70~30 vol%를 혼합하여 제1혼합물(X1)을 만든다. 제1혼합물(X1)로 후술할 지지층을 만든다.
피치계 탄소섬유 30~70 vol%와, 페놀수지 70~30 vol%를 혼합하여 제2혼합물(X2)을 만든다. 제2혼합물(X2)로 후술할 마찰층을 만든다.
이하, 제2단계(S52)를 설명한다.
도 16(a)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)에 제1혼합물(X1)을 넣는다.
제1혼합물(X1)위에 코어체(V)를 올려놓는다. 코어체(V)는 냉각채널의 형상을 가진다. 코어체(V)위에 제1혼합물(X1)을 넣는다.
도 16(b)에 도시된 바와 같이, 프레스(P)로 가압하여 제1성형체(Y1)를 만든다. 이때, 가압하는 압력은 3~5 MPa이다. 여기서, 프레스(P)에 설치된 히터로 제1혼합물(X1)을 가열할 수도 있다. 가열하는 온도는 120~180 ℃이다.
도 16(c)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)로부터 제1성형체(Y1)를 꺼낸다.
제1성형체(Y1)는, 경화된 페놀수지안에 무작위로 분포된 피치계 탄소섬유로 구성된다.
도 17(a)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)에 제2혼합물(X2)을 넣는다.
도 17(b)에 도시된 바와 같이, 프레스(P)로 제2혼합물(X2)를 가압하여 제2성형체(Y2)를 만든다. 이때, 가압하는 압력은 3~5 MPa이다. 여기서, 프레스(P)에 설치된 히터로 제2혼합물(X2)을 가열할 수도 있다. 가열하는 온도는 120~180 ℃이다.
도 17(c)에 도시된 바와 같이, 몰드(M)로부터 제2성형체(Y2)를 꺼낸다. 마찰층이 2개이므로, 상술한 과정을 반복하여, 제2성형체(Y2)를 2개 만든다.
제2성형체(Y2)는, 경화된 페놀수지안에 무작위로 분포된 피치계 탄소섬유로 구성된다.
이하, 제3단계(S53)를 설명한다.
제1성형체(Y1)를 탄화시킨다. 제2성형체(Y2)를 탄화시킨다. 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 탄화시키는 방법은 제4실시예에서 성형체를 탄화시키는 방법과 동일하므로 그 설명을 생략한다.
제1성형체(Y1) 탄화시, 코어체(V)는 열분해 된다. 코어체(V)의 열분해 시 잔류 탄소량은 10 wt% 미만인 것이 바람직하다. 이를 위해, 코어체(V)는, 폴리카보네이트(polycarbonate), ABS수지(Acrylonitrile Butadiene Styrene copolymer), 스티렌 수지(Styrene resin), 폴리에틸렌(Polyethylene), 아크릴 수지(Acrylic resin) 등과 같은 열가소성 수지로 만들어진다. 코어체(V)가 열분해 되면, 코어체(V)가 열분해되고 남은 빈자리에 냉각채널이 형성된다.
이하, 제4단계(S54)를 설명한다.
제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)의 중심부에 차축이 지나가는 축공을 뚫는다.
제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)의 축공주위로 햇파트(hat part)와 결합되는 볼트가 관통하는 관통공을 동일원상에 동일간격으로 뚫는다. 햇파트는 바퀴와 결합한다.
이하, 제5단계(S55)를 설명한다.
제1성형체(Y1)의 상면과 하면에 액체상태의 페놀수지를 도포한다. 도포두께는 0.1~2mm이다. 제1성형체(Y1)의 상면과 하면 각각에 제2성형체(Y2)를 접착한다. 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2) 사이로 빠져나온 액체상태의 페놀수지를 제거한다.
다른 방법으로, 제1성형체(Y1)의 상면과 하면에 고체상태의 페놀수지를 뿌린다. 제1성형체(Y1)의 상면과 하면에 제2성형체(Y2)를 각각 올려놓고 프레스로 가압하고 프레스에 설치된 히터로 가열한다. 고체상태의 페놀수지가 녹으면서, 제1성형체(Y1)의 상면과 하면 각각에 제2성형체(Y2)가 접착된다. 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2) 사이로 빠져나온 액체상태(고체상태의 페놀수지가 녹은 상태)의 페놀수지를 제거한다.
제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)가 접착되면, 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2) 사이에 후술할 접착층이 만들어진다.
이하, 제6단계(S56)를 설명한다.
서로 접착된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)에 규소를 녹여서 침투시킨다. 서로 접착된 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)에 규소를 녹여서 침투시키는 방법은, 제4실시예에서 성형체에 규소를 침투시키는 방법과 동일하므로 그 설명을 생략한다.
이하, 제7단계(S57)를 설명한다.
연마기(grinder)로, 제1성형체(Y1)와 제2성형체(Y2)를 연마한다.
도 18은, 본 발명의 제5실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진, 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 나타낸 도면으로, 지지층이 노출되도록 마찰층과 접착층의 일부를 절개하여 나타낸 도면이다.
도 18에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제5실시예에 따른 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법으로 만들어진 탄소-세라믹 브레이크 디스크(200)는, 지지층(210), 마찰층(220), 접착층(230)으로 구성된다.
탄소-세라믹 브레이크 디스크(200)는, 중심부에 차축이 지나가는 축공(201)을 구비한다. 축공(201) 주위로, 햇파트(hat part)와 결합되는 볼트가 관통하는 관통공(202)이 동일원상에 동일간격으로 구비된다.
지지층(210)은 냉각채널(211)을 구비한다. 지지층(210)의 두께는 20~50mm이다. 지지층(210)의 성분조성은, SiC 65~25 wt%, Si 15~25 wt%, C 20~50 wt%이다.
마찰층(220)의 두께는 0.1~2mm이다. 마찰층(220)의 성분조성은, 지지층(210)의 성분조성과 동일한, SiC 65~25 wt%, Si 15~25 wt%, C 20~50 wt%이다.
지지층(210)의 성분조성과 마찰층(220)의 성분조성이 동일하므로, 지지층(210)의 열팽창계수와 마찰층(220)의 열팽창계수가 동일하다. 따라서, 탄소-세라믹 브레이크 디스크(200)를 만드는 과정에서, 지지층(210)의 열팽창계수와 마찰층(220)의 열팽창계수의 차이로 인해, 마찰층(220)에 균열이 생기지 않는다.
접착층(230)의 두께는 0.1~1mm이다. 접착층(230)의 성분조성은, SiC 50 wt%, Si 45 wt%, C 5 wt%이다.
도 19는, 도 18의 A부분을 확대한 도면이다.
도 19에 도시된 바와 같이, 지지층(210)에는, 피치계 탄소섬유(Cf-pitch)가 무작위로 분포된다. 피치계 탄소섬유는, 직경이 7㎛인 필라멘트 1K~48K의 다발로 구성된다. 피치계 탄소섬유의 길이는 25~30mm이다.
도 19에 도시된 바와 같이, 지지층(210)에 포함된 피치계 탄소섬유는 규소와 반응성이 낮아, 표면이 울퉁불퉁하지 않고 매끈하다. 따라서, 피치계 탄소섬유는 규소침투후에도 원형을 그대로 유지할 수 있어, 브레이크 작동시 충격을 받더라도 쉽게 끊어지지 않는다.
도 20은, 도 18의 B부분을 확대한 도면이다.
도 20에 도시된 바와 같이, 마찰층(220)에는, 피치계 탄소섬유(Cf-Pitch)가 무작위로 분포된다. 피치계 탄소섬유는, 직경이 7㎛인 필라멘트 1K~48K의 다발로 구성된다. 피치계 탄소섬유의 길이는 1~3mm이다.
한편, 마찰층(220)에 포함된 피치계 탄소섬유는, 마찰층(220)이 외부로 노출된 관계로, 공기와 만나 산화되기 쉽다. 따라서, 공기와의 접촉면적을 최소화하기 위해서, 마찰층(220)에 포함된 피치계 탄소섬유은 지지층(210)에 포함된 피치계 탄소섬유의 길이보다 짧다. 피치계 탄소섬유의 길이를 짧게 하더라도, 브레이크 작동시, 마찰층(220)이 지지층(210)보다 상대적으로 응력을 덜 받기 때문에, 마찰층(220)의 강도는 충분히 유지될 수 있다.
도 20에 도시된 바와 같이, 마찰층(220)에 포함된 피치계 탄소섬유는 규소와 반응성이 낮아, 표면이 울퉁불퉁하지 않고 매끈하다. 따라서, 피치계 탄소섬유는 규소침투후에도 원형을 그대로 유지할 수 있어, 브레이크 작동시 충격을 받더라도 쉽게 끊어지지 않는다.

Claims (20)

  1. 팬계 탄소섬유와 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 혼합물을 만드는 제1단계;
    상기 혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 성형체를 만드는 제2단계;
    상기 성형체를 탄화시키는 제3단계;
    상기 탄화된 성형체를 기계가공하는 제4단계;
    상기 기계가공된 성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제5단계; 및
    상기 규소가 침투된 성형체를 연마하는 제6단계;를 포함하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1단계는, 팬계 탄소섬유 15~35 vol%, 피치계 탄소섬유 15~35 vol%, 페놀수지 70~30 vol%를 혼합하여 혼합물을 만드는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법.
  3. 팬계 탄소섬유와 피치계 탄소섬유가 무작위로 분포된 탄소-세라믹 브레이크 디스크.
  4. 제3항에 있어서, 상기 팬계 탄소섬유의 길이는 1~3mm이며, 피치계 탄소섬유의 길이는 25~30mm인 탄소-세라믹 브레이크 디스크.
  5. 팬계 탄소섬유와 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물을 만들고, 팬계 탄소섬유와 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제2혼합물을 만드는 제1단계;
    상기 제1혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제1성형체를 만들고, 상기 제2혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제2성형체를 만드는 제2단계;
    상기 제1성형체를 탄화시키고, 상기 제2성형체를 탄화시키는 제3단계;
    상기 탄화된 제1성형체를 기계가공하고, 상기 탄화된 제2성형체를 기계가공하는 제4단계;
    상기 기계가공된 제1성형체와 상기 기계가공된 제2성형체를 서로 접착하는 제5단계;
    상기 서로 접착된 제1성형체와 제2성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제6단계; 및
    상기 규소가 침투된 제1성형체와 제2성형체를 연마하는 제7단계;를 포함하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1단계는, 팬계 탄소섬유 15~35 vol%, 피치계 탄소섬유 15~35 vol%, 페놀수지 70~30 vol%를 혼합하여 제1혼합물을 만들고,
    팬계 탄소섬유 15~35 vol%, 피치계 탄소섬유 15~35 vol%, 페놀수지 70~30 vol%를 혼합하여 제2혼합물을 만드는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법.
  7. 지지층;
    상기 지지층의 상면과 하면에 각각 접착된 마찰층; 및
    상기 지지층과 마찰층 사이에 형성된 접착층;을 포함하며,
    상기 지지층과 마찰층 각각에는, 팬계 탄소섬유와 피치계 탄소섬유가 무작위로 분포된 탄소-세라믹 브레이크 디스크.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 지지층에 분포된 팬계 탄소섬유의 길이는 1~3mm이고 피치계 탄소섬유의 길이는 25~30mm이고,
    상기 마찰층에 분포된 팬계 탄소섬유의 길이는 1~3mm이고 피치계 탄소섬유의 길이는 1~3mm인 탄소-세라믹 브레이크 디스크.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 지지층과 마찰층의 성분조성이, SiC 65~25 wt%, Si 15~25 wt%, C 20~50 wt%로 동일한 탄소-세라믹 브레이크 디스크.
  10. 팬계 탄소섬유와 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물을 만들고, 팬계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제2혼합물을 만드는 제1단계;
    상기 제1혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제1성형체를 만들고, 상기 제2혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제2성형체를 만드는 제2단계;
    상기 제1성형체를 탄화시키고, 상기 제2성형체를 탄화시키는 제3단계;
    상기 탄화된 제1성형체를 기계가공하고, 상기 탄화된 제2성형체를 기계가공하는 제4단계;
    상기 기계가공된 제1성형체와 상기 기계가공된 제2성형체를 서로 접착하는 제5단계;
    상기 서로 접착된 제1성형체와 제2성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제6단계; 및
    상기 규소가 침투된 제1성형체와 제2성형체를 연마하는 제7단계;를 포함하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법.
  11. 지지층;
    상기 지지층의 상면과 하면에 각각 접착된 마찰층; 및
    상기 지지층과 마찰층 사이에 형성된 접착층;을 포함하며,
    상기 지지층에는, 팬계 탄소섬유와 피치계 탄소섬유가 무작위로 분포되고,
    상기 마찰층에는, 팬계 탄소섬유가 무작위로 분포된 탄소-세라믹 브레이크 디스크.
  12. 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 혼합물을 만드는 제1단계;
    상기 혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 성형체를 만드는 제2단계;
    상기 성형체를 탄화시키는 제3단계;
    상기 탄화된 성형체를 기계가공하는 제4단계;
    상기 기계가공된 성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제5단계; 및
    상기 규소가 침투된 성형체를 연마하는 제6단계;를 포함하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1단계는, 피치계 탄소섬유 30~70 vol%, 페놀수지 70~30 vol%를 혼합하여 혼합물을 만드는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법.
  14. 피치계 탄소섬유가 무작위로 분포된 탄소-세라믹 브레이크 디스크.
  15. 제14항에 있어서, 상기 피치계 탄소섬유는, 길이가 긴 피치계 탄소섬유(25~30mm)와 길이가 짧은 피치계 탄소섬유(1~3mm)로 구성된 탄소-세라믹 브레이크 디스크.
  16. 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제1혼합물을 만들고, 피치계 탄소섬유와 페놀수지를 혼합하여 제2혼합물을 만드는 제1단계;
    상기 제1혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제1성형체를 만들고, 상기 제2혼합물을 몰드에 넣고 프레스로 가압하여 제2성형체를 만드는 제2단계;
    상기 제1성형체를 탄화시키고, 상기 제2성형체를 탄화시키는 제3단계;
    상기 탄화된 제1성형체를 기계가공하고, 상기 탄화된 제2성형체를 기계가공하는 제4단계;
    상기 기계가공된 제1성형체와 상기 기계가공된 제2성형체를 서로 접착하는 제5단계;
    상기 서로 접착된 제1성형체와 제2성형체에 규소를 녹여서 침투시키는 제6단계; 및
    상기 규소가 침투된 제1성형체와 제2성형체를 연마하는 제7단계;를 포함하는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1단계는,
    피치계 탄소섬유 30~70 vol%와, 페놀수지 70~30 vol%를 혼합하여 제1혼합물을 만들고,
    피치계 탄소섬유 30~70 vol%와, 페놀수지 70~30 vol%를 혼합하여 제2혼합물을 만드는 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 만드는 방법.
  18. 지지층;
    상기 지지층의 상면과 하면에 각각 접착된 마찰층; 및
    상기 지지층과 마찰층 사이에 형성된 접착층;을 포함하며,
    상기 지지층과 마찰층 각각에는, 피치계 탄소섬유가 무작위로 분포된 탄소-세라믹 브레이크 디스크.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 지지층에 분포된 팬계 탄소섬유의 길이는 1~3mm이고 피치계 탄소섬유의 길이는 25~30mm이고,
    상기 마찰층에 분포된 팬계 탄소섬유의 길이는 1~3mm이고 피치계 탄소섬유의 길이는 1~3mm인 탄소-세라믹 브레이크 디스크.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 지지층과 마찰층의 성분조성이, SiC 65~25 wt%, Si 15~25 wt%, C 20~50 wt%로 동일한 탄소-세라믹 브레이크 디스크.
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