KR100190324B1 - 동계 소결 합금 마찰재료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동계 소결합금 마찰재료에 관한 것으로, 청동기지부에 5-20wt%의 윤활제와, 10-45wt%의 마찰조절제를 포함하여 구성 되어지되, 마찰특성의 안정화를 주기위하여 기존의 마찰조절제인 고융점 금속 및 세라믹 입자와 함께 재료의 파괴강도가 높은 보론카 바이드를 사용하여 고온의 마찰특성을 향상시킨 것이다.

Description

동계 소결합금 마찰재료(Sintered copper alloy for friction material)

본 발명은 동계소결합금마찰재료에 관한 것으로, 특히 고속전철과 비행기 등과 같이 운동에너지가 큰 제동시스템에 사용하는 소결마찰패드의 재료로 통상의 비석면계 비석면계 패드에 비하여 고속 및 고하중하에서도 고온 마찰특성과 내마모성질 및 수분에 대한 내페이드성(anti-feding property)이 우수한 동계소결합금마찰재료에 관한 것이다.

각종 철도차량과 비행기 등이 고속, 대형화되면서 그들에 장착된 브레이크들이 부담해야 할 에너지는 점차 높아지게 되었으며, 열 및 물에 대한 브레이크 페이드 현상이 발생하기 쉬운 고온 조건하에서도 고성능, 고신뢰성의 마찰특성을 나타내는 재료들이 필요하게 되었다.

그런데 현재까지 주로 사용되고 있는 유기질계 마찰재료들은 석면 또는 비석면직물에 마찰조절제를 섞은 후, 수지나 고무 등의 결합제로 굳혀서 만들었으나, 이들 유기질계 마찰재료는 마찰시 발생되는 열의 방출이 어려워 차량이 고속으로 달리는 경우 디스크 및 드럼의 열부담을 높여 상기한 브레이크 페이드현상이 심하고, 고에너지 상태에서 표면탄화현상이 발생하여 마찰계수가 크게 감소하는 한편, 마모량도 급격히 증가하는 등의 성능상 매우 불안전하였다.

또한, 현재 고속전철, 항공기 등에 대부분 채용되고 있는 Cu가 기지부를 형성하는 동계소결합금 마찰재료는 Cu의 높은 용융점(1083℃)으로 내열성이 높아 고속주행시 제동을 거는 경우 발생하는 마찰열에도 가지부의 연소나 탄화가 발생하지 않고, 높은 마찰계수와 낮은 마모량을 가지며, 빠른 열방출로 고온에서도 유기질계 마찰재료에 비하여 안정한 마찰특성을 가지게 된다.

그러나 이러한 동계소결합금 마찰재료도 비석면계 마찰재료들에 비하여 고온에서의 마찰특성이 안정되고 내마모성이 우수하며 수분에 대한 내폐이드성이 좋지만, 마찰면 주변온도가 증가하여 약 250℃이상의 고온이 되면 마찰계수가 불안정해지고 마모가 급속히 증가되는 등의 문제점이 있었다.

이러한 종래의 동계소결합금 마찰재료의 성질을 보다 향상시키기 위해 기지부의 고온강도를 향상시킴으로써 고온에서의 마찰조절제나 윤활제의 탈락을 최대한 억제하는 방법으로 마찰특성을 향상시키는 것이 본 출원이 출원한 특허출원 제 95-29139호에 개시되어 있고, 또한 소결마찰재에 첨가되는 마찰조절제를 적절히 선정하여 마찰특성을 개선시킨 것이 본 출원인의 특허출원 제 95-29138호에 개시되어 있다.

그러나 이러한 소결마찰재료도 마찰실접촉부에 해당하는 세라믹 입자들이 온도가 상승되면 그 강도를 이기지 못하여 부서지고 작은 인자로 미세화되면서, 마찰재 뿐만 아니라 마찰상대재에도 긁힘 마모현상을 일으켜서 마찰계수를 급속히 상승시킴과 더불어 마찰면의 온도도 국부적으로 빠르게 상승시켜 세라믹 입자들의 파괴현상을 가속화시키게 되고, 마모 또한 작은 입자들이 포함되는 3상 마모기구로 바뀌어 마찰표면이 뜯겨 나가는 중마모가 발생하게 되는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 첨가되는 세라믹 마찰조절제로서 현재 사용되고 기존의 세라믹원소들 보다 강한 입자를 첨가하여 급격한 마모가 발생하는 온도를 보다 높여 주게 되어 고온에서의 안정된 마찰특성을 나타내는 동계 소결합금 마찰재를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 동계소결합금 마찰재는, 5-20wt%의 윤활재와, 10-45wt%의 마찰조절제, 그리고 잔부가 청동기지부로 구성되어지되, 입자크기가 60mesh(250㎛)이하인 보론카바이드를 포함하게 된 것을 특징으로 한다. 여기서 상기 윤활제는 C, MoS₂, B₂O₃, BN, CaF₂, PbO, 장석과 같은 고체윤활제와 저융점 금속인 Pb가운데 적어도 하나 이상의 원소가 포함되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 마찰조절제는 Fe, Ni, Mo, Cr, W, Ti 등의 고융점 금속 혹은 그들의 산화물, 그들의 질화물, 그들의 탄화물 등과 Al₂O₃, SiO₂, 뮬라이트(mlullite), 글래스파이버(glass-fiber), ZrO, MgO, SiC, Si₃N₄등의 세라믹들 가운데 적어도 하나 이상이 원소가 포함된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 지지부는 Ni이 2-10wt% 포함된 니켈 청동 또는 Al이 2-20wt% 포함된 알루미늄 청동으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 동계 소결합금 마찰재는 실리콘카바이드(SiC)에 비하여 용융점은 다소 낮은 2450℃이나 경도가 높고 파괴강도는 약 4배이상 높은 브론카바이드를 입자크기가 60mesh이하로 하여 첨가하므써 마찰 상대재에 대한 공격성을 최소화하면서도 기존 재질에 비하여 내마모성이과 고온에서의 마찰특성이 감소됨이 없이 일정한 마찰계수를 유지할 수 있어, 종래의 마찰재료에 비하여 제동 안정성이 뛰어나며 내구성이 길어지는 장점을 가진다.

상기 본 발명의 동계소결합금 마찰재료의 성분을 한정한 이유는 다음과 같다.

1)기지부

마찰조절제와 윤활제를 안정하게 잡아 주어 마찰시 탈락이 일어나지 않도록 하면서, 마찰면에서 발생하는 열을 신속히 발산시켜 주어 마찰면의 온도상승을 최대한 억제하도록 하는 것으로, 열발산이 좋은 Cu를 기본으로 하고, Sn과 Ni, 그리고 Al중 적어도 하나 이상 첨가된 청동을 35-85wt%로 하였다.

35wt%이하인 경우 기지부의 역할인 윤활제와 마찰조절제를 잡아주는 능력이 약하여 상온에서도 마모량이 크게 증가하며, 85wt%이상인 경우 윤활제와 마찰조절제의 량이 상대적으로 감소하므로써 스틱-슬립현 상이 심하게 발생하여 마찰계수 안정성이 떨어지게 된다.

이때 재료의 강도를 확보하기 위하여 Sn을 5-15wt% 고용시킨 청동을 사용하거나 또한 고온에서 재료강도를 확보하기위하여 Sn을 5-15wt% 고용시킨 청동을 사용하거나 또한 고온에서 재료강도를 확보하기 위하여 니켈(Ni)을 2-10wt% 첨가한 니켈청동을 사용할 수 있다.

또한, 청동의 경우 Sn의 첨가량이 5wt%이상이 되면 고용강화의 효과가 충분하지 못하여 일정한 강도가 확보되지 못한다. 또한, 니켈청동은 석출강화현상을 나타냄으로 고온에서 보다 높은 강도를 확보할 수 있으며, 2wt%이하의 경우나 10wt%이상의 Ni이 첨가될 경우 석출강화효과가 없어진다.

그밖에 알루미늄을 2-20wt% 첨가한 알루미늄 청동도 재료 강도를 상당히 향상시키며 동계 소결합금 마찰재의 기지조직으로 사용되고 있다. 통상 2wt%미만이면 석출량이 미세하여 재료강도의 변화가 없고, 20wt%이상이면 가압소결 중 생성되는 액상들이 마찰재 밖으로 빠져나와 첨가효과가 상실된다.

2)윤활제

윤활제는 마찰면에서 마찰재와 상대 디스크 사이에 윤활역할을 수행하며 마찰시 스틱-슬립현상을 억제하여 안정된 마찰특성을 확보하게 되는 것으로, 비금속재료인 c, MoS₂, B₂O₃, BN, CaF₂, 장석과 같은 고체 윤홀제 가운데 하나 이상의 원소가 포함되어 있으며, 첨가량은 5-20wt%이다.

이때 고체윤활제가 첨가량이 5wt%이하인 경우 마찰면에서 윤활제의 역할을 기대할 수 없으며, 20wt%이상의 경우 과도한 윤활제의 첨가로 내마모특성은 향상되나 마찰계수가 낮아 소결마찰재로 사용하기는 곤란하다.

윤활제로 저융점 금속인 Pb가 일부 사용되기도 하나 제동시 발생 하는 마찰열에 의하여 Pb의 증발이 발생하여 사람에게 위해함으로 사용이 줄어들고 있는 실정이다.

3)마찰조절제

마찰조절제는 기지조직에 존재하여 마찰재의 마찰재의 마찰계수의 조절과 내마모성질을 재선하는 효과를 주게 되는 것으로, 보론 카바이드를 포함하여 Fe, Ni, Mo, Cr, W, Ti 등의 고융점 금속 혹은 그 산화물, 질화물, 탄화물들과 Al₂O₃, SiO₂, 뮬라이트(mullite), 글래이스파이버(glass-fiber), ZrO, MgO, SiC, Si₃N₄등의 세라믹들 가운데 적어도 하나 이상의 원소가 사용된다.

첨가량은 10-45wt%를 사용하는 데, 10wt% 미만의 경우 마찰조절체로써, 역할을 할 수 없어 마찰계수가 낮고 불안정하며, 45wt%이상 첨가하면 상대적으로 기지부의 양이 적어 고온강도가 약화되어 금속소결 마찰재 자체의 마모뿐만 아니라 마찰상대재의 마모도 급증한다.

4)보론카바이드(B₄C)

보론 카바이드는 실리콘 카바이드에 비하여 용융점은 다소 낮은 2450℃이나 경도가 높고 특히 파괴강도는 20,000-21,000kg/cm²으로 실리콘 카바이드에 비하여 약 4배이상 높아 고온강도가 뛰어난 것으로, 2wt%이하의 경우 마모는 다소 개선되나 고온에서의 마찰계수의 유동이 있어 마찰특성이 극히 불안정하여 마찰재로서 사용이 어렵고, 15wt%이상 첨가의 경우 마찰면에서 강한 긁힘 작용이 발생하여 상대재 마모를 급증시킨다.

또한, 입자크기가 60mesh이하인 보론카바이드의 가장 적당한 량은 3-10wt%이며, 이 경우 마찰안정성 및 마모량이 가장 우수한 결과를 나타낸다.

이하, 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다.

[실시예]

표1. 에 종래의 동계소결합금마찰재와 본 발명에 따른 마찰재료의 화학조성을 나타내었다.

표1. 과 같은 화학조성에 따라 원료분말을 편석이 발생하지 않도록 주의하여 혼합 후, 3-4Ton*cm²의 압력으로 성형하여 압분체를 제작하였다.

그리고 이들 압분체를 750-900℃에서 압력하에 비산화성가스 분위기에서 2-4시간 동안 가압소결하여 동계소결합금마 찰재를 제작하였다.

이렇게 제작된 시편은 마찰면이 30㎜×30㎜의 정사각형이 두께는 8㎜이다.

표 1. 동계소결합금마찰재의 화학조성(단위는 wt%)

여기서 실시예 1, 2, 3, 4는 기본조성에서 마찰조절제인 B₄C량을 각각 2wt%, 6wt%, 10wt%, 20wt%,를 첨가한 것이고, 실시예5는 실시예3의 조성에서 기지부의 조성에 Ni를 4wt% 첨가한 것이고, 또한 실시예6은 기지부의 조성에 Ni를 4wt% 첨가하여 B₄C량을 4wt%첨가한 것이며, 실시예7은 알루미늄을 5wt% 첨가한 것이다.

비교예1은 본 발명에 따른 동계소결마찰재와 비교하기 위한 것으로서, 보론카바이드를 첨가하지 않는 것이다.

상기한 조성의 마찰재료를 정속식 마찰시험기를 이용하여 16m/sec의 일정한 속도로 회전하는 디스크 위에 2개의 시편을 좌우로 장치하고 110kgf의 일정한 힘으로 가압하면서 실시하였다.

이때 마찰계수는 로드셀을 이용하여 발생하는 토우크를 측정하여 계산하였고, 마모량은 시험 전후의 시험편 무게감소량은을 측정하여 밀도와 마찰면 면적을 나누어 시편의 시험전후 두께 감소로써 확인하였다.

마찰시험의 상대디스크개질은 회주철을 사용하였다.

표2. 는 상기한 실시예와 비교예들의 마찰시험결과를 나타내는 것으로 마찰거리에 대한 마찰계수와 총 마모두께 감소량을 나타내었다.

표2. 정속식 마찰시험에 의한 마찰계수와 마모두께 감소량.

입자크기가 60mesh이하인 보론카바이드가 2wt% 첨가된 실시예1의 경우는 마찰계수가 마찰거리에 따라 마찰계수의 요동이 매우 심하게 나타나고 있음을 알 수 있으며, 마모량은 비교예 1에 비하여 상당히 개선 되었음을 알 수 있다.

입자크기가 60mesh이하인 보론카바이드가 20wt% 첨가된 실시예 4의 경우 마찰계수는 높았으며, 마모는 마찰계수의 증가와 함께 증가하였다.

즉, 보론카바이드의 량이 너무 많아 오히려 내마모성질에 역효과를 준 것으로 생각도며, 상대적 공격성도 심하여 상대 회주철 디스크를 심하게 손상시켰다.

반면 실시예 2와 실시예 3의 경우 낮은 마모량을 나타내었으며, 마찰거리에 따라 마찰계수도 안정하게 나타났다.

따라서 동계소결합금 마찰재에 있어서, 마찰조절제로써 보론카바이드의 효과가 매우 크다는 것을 확인하였고, 특히 첨가량이 3-10wt%일 때 가장 안정한 마찰특성을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다.

실시예 5는 기지부가 니켈청동인 경우이며, 실시예 7은 알루미늄 청동계 기지부이다.

마찰특성은 실시예 2, 3과 비교하여 마찰계수가 고온에서도 감소하지 않으며, 또한 마모는 유사하였다.

이것은 동계 소결마찰재에 있어서 니켈과 알루미늄을 첨가하므로써 고온 마찰특성을 향상시키는 역활을 한다는 것을 알 수 있다.

또한 실리게이트량을 반으로 줄인 실시예6의 경우 마찰계수가 약간 떨어지며, 마모량은 실시예 3과 비슷하였다.

실시예 8은 보론카바이드의 입자크기를 60mesh이상 굵은 입자를 사용한 것으로, 마모량은 실시예3 정도로 낮았으나, 마찰계수는 마찰거리가 증가할수록 크게 감소하여 마찰계수 안정성이 떨어졌다. 또한, 상대재질에 긁힌 자국이 심각하여 소결마찰재료로써 사용은 불가능하였다.

이상에서 서술된 것은 모든 점에서 단순한 예시에 불과한 것으로 이를 가지고 한정적으로 해석해서는 안되며, 단지 본 발명의 진정한 정신 및 범위 내에 존재하는 변형예는 모두 본 발명의 청구범위에 속하는 것이다.

Claims (3)

1. 소결합금 마찰재에 있어서, C, MoS₂, B₂O₃, BN, CaF₂, PbO, 장석과 같은 고체윤활제와 저융점금 속인 Pb 가운데 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 윤활제가 5-20wt%, Fe, Ni, Mo, Cr, W, Ti등의 고융점 금속 혹은 그들의 산화물, 그들의 질화물, 그들의 탄화물들과 Al₂O₃, SiO₂, 뮬라이트, 글래스파이버, ZrO, MgO, SiC, Si₃N₄등의 세라믹들 가운데 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 마찰조절제가 10-45wt%, 그리고 잔부가 청동기지부로 구성되어지되, 입자크기가 60mesh(250㎛)이하인 보론카바이드를 포함하게 된 것을 특징으로 하는 동계소결합금 마찰재료.
2. 제1항에 있어서, 상기 기지부가 Ni이 2-10wt% 포함된 니켈 청동인 것을 특징으로 하는 동계소결합금 마찰재료.
3. 제1항에 있어서, 상기 기지부가 Al이 2-20wt% 포함된 알루미늄 청동인 것을 특징으로 하는 동계소결합금 마찰재료.