KR100887824B1

KR100887824B1 - 자동차용 브레이크 디스크 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100887824B1
Application number: KR1020070102887A
Authority: KR
Inventors: 황진하
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2009-03-09

Abstract

본 발명은 자동차용 브레이크 디스크 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 높은 마찰계수, 장기 내구성, 내마모성, 내식성 및 방열성, 내히트크랙(heat crack)성을 가지도록 탄소나노튜브를 함유하는 조성을 갖는 자동차용 브레이크 디스크 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 철을 주성분으로 하고, 여기에 알루미늄 20~30중량%, 구리 0.2~0.35중량%. 크롬 0.15~0.30중량%, 탄소 3.6~3.8중량%, 망간 1.4~1.6중량%, 바나듐 0.4~0.8중량%, 마그네슘 3.0~6.0중량%, 니켈 1.0~6.0중량%, 탄소나노튜브 10~20중량%가 함유되고, 최종 디스크 재료의 표면에 탄소나노튜브가 총 중량대비 1~5중량%로 화염속도 1200m/s 이상의 고온 프레임 용사법에 의하여 용사 처리된 것을 특징으로 하는 자동차용 브레이크 디스크 및 그 제조 방법을 제공한다.

브레이크, 디스크, 탄소나노튜브, 방열성, 경량화

Description

자동차용 브레이크 디스크 및 그 제조 방법{Brake disc and method for manufacturing the same}

잘 알려진 바와 같이, 자동차용 브레이크는 움직이는 자동차의 운동에너지를 열에너지로 전환하는 수단으로서, 브레이킹 동작시 브레이크 디스크 표면에서 화학적, 기계적인 마모 과정이 발생되며, 그리고 약간의 운동에너지는 엔진, 타이어, 공기 점성적 끌림에 의하여 흡수된다.

이러한 브레이크 디스크는 차량이 제동될 수 있는 일정한 수준의 마찰계수를 가져야 하고, 마찰 조건의 변화에도 그 값이 일정하게 유지되어야 하며, 또한 시간 경과에 따른 마찰계수의 변화는 없어야 하고, 디스크의 마모율이 크지 않아야 한 다.

상기 디스크의 공격성으로 인한 D.V.T(Disc Thickness Variation)의 증가는 제동시 차체가 진동하는 현상인 져더(Judder)를 발생시키는 원인이 되므로 D.V.T의 증가는 작아야 하며, 제동시에 발생되는 마찰열과 주행시 노출되는 습기, 진흙 등의 외부환경 변화에 영향을 받지 않고 일정한 마찰성능을 유지할 수 있어야 한다.

자동차의 주행안정성에 대한 고객의 요구가 높아지지만, 주행성 또는 연비 개선을 위한 중량 감소를 실현하는 것이 보다 유효하며, 이러한 경량화 요구에 대하여 자동차 부품 대부분은 알루미늄화가 진행되어 오고 있지만, 브레이크디스크에 대해서는 알루미늄화가 실현되지 못하고 있는 바, 이는 알루미늄을 사용하면 디스크의 마모가 클 뿐만아니라 고온에 의해 늘어붙음 현상이 심해지고, 표면에 알루미늄 용착 현상이 나타나, 결국 마찰계수가 저하되는 동시에 마찰특성이 급격하게 떨어지는 등의 문제점이 있기 때문이고, 또한 브레이크 제동시 고온이 되어도 제동에 견딜 수 있는 충분한 기계적 강도를 필요로 하지만 이를 만족하는 재료가 없었기 때문이다.

일반적으로, 차량의 경량화 및 브레이크 성능 향상을 목적으로 기존 주철재로 된 브레이크 디스크를 알루미늄 복합소재로 대체할 경우, 경량화율은 50% 이상으로 그 효과가 크며, 특히 디스크의 경우 회전부품으로서 그 파급효과는 더욱 크다 할 것이다.

또한, 디스크는 샤시부품중 언스프렁 웨이트(unsprung weight)로서 경량화가 되는 경우, 핸들링 성능, 주행감 개선 등의 효과를 얻을 수 있고, 마찰계수 안정, NVH 향상 등 전체적인 브레이크 성능을 향상시키는 효과를 얻을 수 있으므로, 브레이크 디스크의 내마모성, 내식성, 내히트크랙 등과 더불어 경량화시키는 방법이 연구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 높은 마찰계수, 장기 내구성, 내마모성, 내식성 및 방열성, 내히트크랙(heat crack)성이 우수한 브레이크 디스크를 제조하기 위하여 탄소나노튜브를 디스크 표면에 용사처리함으로써, 궁극적으로는 장기 주행후에도 안정된 제동력을 제공할 수 있는 자동차용 브레이크 디스크 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일구현예는: 철을 주성분으로 하고, 여기에 알루미늄 20~30중량%, 구리 0.2~0.35중량%. 크롬 0.15~0.30중량%, 탄소 3.6~3.8중량%, 망간 1.4~1.6중량%, 바나듐 0.4~0.8중량%, 마그네슘 3.0~6.0중량%, 니켈 1.0~6.0중량%, 탄소나노튜브 10~20중량%가 함유되고, 최종 디스크 재료의 표면에 탄소나노튜브가 총 중량대비 1~5중량%로 화염속도 1200m/s 이상의 고온 프레임 용사법에 의하여 용사 처리된 것을 특징으로 하는 자동차용 브레이크 디스크를 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 철을 주성분으로 하고, 여기에 알루미늄 20~30중량%, 구리 0.2~0.35중량%. 크롬 0.15~0.30중량%, 탄소 3.6~3.8중량%, 망간 1.4~1.6중량%, 바나듐 0.4~0.8중량%, 마그네슘 3.0~6.0중량%, 니켈 1.0~6.0중량%, 탄소나노튜브 10~20중량%가 함유된 혼합물을 140~150℃의 온도와 100~160kg/㎠압력으로 설계된 디스크의 형상으로 열성형시키는 단계와; 열성형된 디스크 최종 제품 표면에 용매에 분산되어 있는 탄소나노튜브 1~5중량%를 화염속도 1200m/s 이상의 고온 프레임 용사법에 의해 용사 코팅하여 140~150℃의 온도로 열처리하는 단계; 로 이루어지는 자동차용 브레이크 디스크 제조 방법을 제공한다.

상기와 같은 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

브레이크 조성물에 탄소나노튜브를 함유시키고, 이를 열성형한 후, 그 표면에 탄소나노튜브를 용사 코팅함으로써, 경량화와 더불어 눌어붙음 현상을 방지할 수 있고, 브레이킹 동작시 DTV 및 방열성면에서 우수한 효과를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.

본 발명은 브레이크 디스크 재료에 있어서, 철을 주성분으로 하고, 여기에 알루미늄 20~30중량%, 구리 0.2~0.35중량%. 크롬 0.15~0.30중량%, 탄소 3.6~3.8중량%, 망간 1.4~1.6중량%, 바나듐 0.4~0.8중량%, 마그네슘 3.0~6.0중량%, 니켈 1.0~6.0중량%을 첨가하고, 특히 탄소나노튜브를 10~20중량% 첨가하며, 또한 최종 제품의 표면에 탄소나노튜브를 1~5중량%로 화염속도 1200m/s 이상의 고온 프레임 용사법에 의해 용사 코팅하여 제조한 점에 주된 특징이 있다.

여기서, 본 발명에 따른 브레이크 디스크의 성분 조성에 대한 수치 한정 이유를 설명하면 다음과 같다.

1) 알루미늄 20~30중량%

알루미늄은 20중량% 미만에서는 브레이크 디스크 충분한 방열성이 얻어지지 않고, 30중량% 초과시에는 내마모성이 떨어지므로, 그 첨가범위를 20~30중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

2) 구리 0.2~0.35중량%

구리의 함량은 0.2~0.35중량% 범위를 벗어나는 경우, 기재 중 페라이트(ferrite)가 존재하게 하여, 국부적인 마모가 생성되기 쉬우므로, 0.2~0.35중량%로 한정한다.

3) 크롬 0.15~0.30중량%

강력한 흑연 저해 원소로 0.30중량% 이상 첨가시 레데뷰라이트 형성과 함께 주철에서 복탄화물 형성으로 흑연 성장을 방해하고, 0.15중량%는 주철 주조시 용탕내에 고철 스크랩에 남아 있는 잔류 크롬 함량으로 그 함량이 적을수록 좋지만 그럴 경우 순철의 함량이 증가하므로, 0.15~0.30중량%로 한정한다.

4) 탄소 3.6~3.8중량%

탄소 함량이 3.6중량%보다 낮을 경우 D-type이 발생하기 쉽고, 3.8중량%보다 높을 경우에는 Hyper-Eutectic 조건에서 Kishy형 흑연 발생이 쉽게 일어나므로, 3.6~3.8중량%로 한정한다.

5) 망간 1.4~1.6중량%

망간의 기지조직의 펄라이트화 촉진 원소로서, 기지조직을 강화시켜 내마모성의 향상에 기여하며, 본 발명에서는 그 함량을 1.4~1.6중량%로 한정한다.

6) 바나듐 0.4~0.8중량%

바나듐은 내나모성 향상을 위해 첨가되지만, 그 함량이 0.4중량% 미만에서는 내마모성 발휘 작용을 효과적으로 발휘시키기 불충분하고, 0.8중량%를 초과하는 경우에는 그 효과가 더욱 증대되는 것은 아니므로 0.4~0.8중량%로 한정한다.

7) 마그네슘 3.0~6.0중량%

마그네슘은 알루미늄에의 고용에 의해 기계적 강도에 관해서 상온 강도 및 고온 강도를 향상시키는 바, 마그네슘의 함량이 3.0중량% 미만인 경우 강도 향상의 효과가 충분하지 않고, 6.0중량% 초과시에는 주조성, 단조성 등의 성형성이 떨어지는 단점이 있으므로, 그 첨가량을 3.0~6.0중량%로 한정한다.

8) 니켈 1.0~6.0중량%

니켈은 금속간 화합물로서 창출 또는 석출하고, 재료의 고온강도를 향상시키는 원소로서, 니켈의 함량이 1.0중량% 미만인 경우 고온강도의 향상 효과가 없고, 6.0중량%를 초과하는 경우에는 고온강도의 큰 상승없이 포화되므로, 그 첨가량을 1.0~6.0중량%로 한정한다.

9) 탄소나노튜브 10~20중량%

탄소나노튜브는 10중량% 미만에서는 강도 향상 효과가 미미하고, 20중량%를 초과하는 경우에는 그 효과가 증대되는 것은 아니므로, 10~20중량%로 한정한다.

이러한 탄소나노튜브는 마찰 및 마모조절재로서 기타 첨가 성분들의 마모속도를 지연시키는 역할을 하게 되며, 또한 표면에 용처 처리됨에 따라 장기 사용시 소음 발생이 없는 효과를 발현하게 된다.

또한, 상기 탄소나노튜브는 기저재의 알루미늄에 고착될 때, 디스크에 부가적인 기계적 강도와 마찰 특성을 제공하게 되며, 탄소나노튜브 입자는 상당히 작고 이에 비하여 그 외 성분은 상대적으로 큰 표면적을 가지기 때문에 탄소나노입자는 기저재의 표면에 부착될 수 있다.

즉, 상기 탄소나노튜브 입자는 기저재에 비하여 상당히 작기 때문에 탄소나노튜브 입자 크기의 마찰변형물질은 기저재 전체에 상당히 고르게 분산되며, 고른 분산을 위하여 상기 탄소나노튜브 10~20중량%는 다공성 기저재를 구성하는 각 성분 사이에 1~95마이크로미터 두께로 첨가되는 것이 바람직하다.

이에, 상기 탄소나노튜브 입자는 마찰 변형입자로서 고성능 디스크로서 높은 투과성을 가지는 다공성 기저재를 형성할 수 있고, 다공성 기저재의 다공은 탄소나노튜브 입자 크기의 마찰 변형 재료가 다공성 기저재의 빈곳이나 틈새에 안착될 수 있도록 한다.

이때, 상기 탄소나노튜브는 다중벽 구조의 탄소나노튜브, 단일벽 구조의 탄 소나노튜브, 다중벽 구조 및 단일벽 구조의 탄소나노튜브가 혼합된 것중 선택된 어느 하나를 사용한다.

여기서, 본 발명의 디스크 조성물을 이용한 브레이크 디스크의 제조 방법을 살펴보면 다음과 같다.

전술한 바와 같이, 철을 주성분으로 하고, 여기에 알루미늄 20~30중량%, 구리 0.2~0.35중량%. 크롬 0.15~0.30중량%, 탄소 3.6~3.8중량%, 망간 1.4~1.6중량%, 바나듐 0.4~0.8중량%, 마그네슘 3.0~6.0중량%, 니켈 1.0~6.0중량%, 탄소나노튜브 10~20중량%가 함유된 혼합물을 140~150℃의 온도와 100~160kg/㎠압력으로 열성형시킨 다음, 성형된 디스크 최종 제품 표면에 용매에 분산되어 있는 탄소나노튜브 1~5중량%를 화염속도 1200m/s 이상의 고온 프레임 용사법에 의해 용사 코팅한 후, 140~150℃의 온도로 열처리함으로써, 본 발명의 브레이크 디스크가 제조된다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠는바, 본 발명이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예1~2

하기의 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예1로서, (A)알루미늄 30중량%, (B)구리 0.3중량% (C)크롬 0.3중량%, (D)탄소 3.6중량%, (E)망간 1.6중량%, (F)바나듐 0.8중량%, (G)마그네슘 5.4중량%, (H)니켈 6.0중량%, (I)철 37중량%, (J)탄소나노튜브 10중량%가 함유된 혼합물을 150℃의 온도와 150kg/㎠압력으로 열성형시킨 다음, 성형된 디스크 최종 제품 표면에 용매에 분산되어 있는 (K)탄소나노튜브 5중 량%를 화염속도 1200m/s 이상의 고온 프레임 용사법에 의해 용사 코팅한 후, 150℃의 온도로 열처리하여, 브레이크 디스크를 제조하였다.

또한, 실시예2로서, (A)알루미늄 20중량%, (B)구리 0.3중량% (C)크롬 0.3중량%, (D)탄소 3.6중량%, (E)망간 1.6중량%, (F)바나듐 0.8중량%, (G)마그네슘 5.4중량%, (H)니켈 6.0중량%, (I)철 47중량%, (J)탄소나노튜브 10중량%가 함유된 혼합물을 150℃의 온도와 150kg/㎠압력으로 열성형시킨 다음, 성형된 디스크 최종 제품 표면에 용매에 분산되어 있는 (K)탄소나노튜브 5중량%를 화염속도 1200m/s 이상의 고온 프레임 용사법에 의해 용사 코팅한 후, 150℃의 온도로 열처리하여, 브레이크 디스크를 제조하였다.

비교예1~2

비교예1로서, (A)알루미늄 30중량%, (B)구리 0.3중량% (C)크롬 0.3중량%, (D)탄소 3.6중량%, (E)망간 1.6중량%, (F)바나듐 0.8중량%, (G)마그네슘 5.4중량%, (H)니켈 6.0중량%, (I)철 52중량%가 함유된 혼합물을 150℃의 온도와 150kg/㎠압력으로 열성형시킨 다음, 150℃의 온도로 열처리하여, 브레이크 디스크를 제조하였다.

비교예2로서, (A)알루미늄 27중량%, (B)구리 0.3중량% (C)크롬 0.3중량%, (D)탄소 3.6중량%, (E)망간 1.6중량%, (F)바나듐 0.8중량%, (G)마그네슘 5.4중량%, (H)니켈 6.0중량%, (I)철 50중량%가 함유된 혼합물을 150℃의 온도와 150kg/㎠압력으로 열성형시킨 다음, 용매에 분산되어 있는 (K)탄소나노튜브 5중량%를 화염속도 1200m/s 이상의 고온 프레임 용사법에 의해 용사 코팅한 후, 150℃의 온도로 열처 리하여, 브레이크 디스크를 제조하였다.

시험예

실시예1~2 및 비교예1~2에 의한 브레이트 디스크를 아래와 같은 시험평가 사이클와 같이 순서대로 처리한 후, 이를 1사이클로 하되, 총6사이클에 거쳐 처리한 후, 실차에 장착하여 디스크 표면에 늘어붙음 여부를 관찰하고, DTV(Disc Thickness Variation)를 측정함과 함께 방열성을 평가하였다.

이때, 방열성은 페이드 제동 10회후 디스크 온도가 100℃가 될때까지의 냉각시간을 나타낸다.

* 시험평가 1사이클

① 항온항습조 : (75℃*90%)*48시간 유지

② 염수분무조 : (35℃*5%염수)*48시간 유지

③ 건조 : (100℃*1시간)+(200℃*1시간) 유지

④ 자연방치 : 48시간

이러한 시험에 따른 실시예 및 비교예들의 결과는 아래의 표 2에 나타낸 바와 같다.

위의 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예1 및 실시예2는 비교예들에 비하여 눌어붙음 현상이 발생되지 않았고, DTV 변화도 미미하였으며, 방열성에서도 비교예들에 비하여 우수함을 알 수 있었다.

Claims

철을 주성분으로 하고, 여기에 알루미늄 20~30중량%, 구리 0.2~0.35중량%. 크롬 0.15~0.30중량%, 탄소 3.6~3.8중량%, 망간 1.4~1.6중량%, 바나듐 0.4~0.8중량%, 마그네슘 3.0~6.0중량%, 니켈 1.0~6.0중량%, 탄소나노튜브 10~20중량%가 함유되고, 최종 디스크 재료의 표면에 탄소나노튜브가 총 중량대비 1~5중량%로 화염속도 1200m/s 이상의 고온 프레임 용사법에 의하여 용사 처리된 것을 특징으로 하는 자동차용 브레이크 디스크.
청구항 1에 있어서, 상기 탄소나노튜브 10~20중량%는 다공성 기저재를 구성하는 각 성분 사이에 1~95마이크로미터 두께로 첨가되는 것을 특징으로 하는 자동차용 브레이크 디스크.
철을 주성분으로 하고, 여기에 알루미늄 20~30중량%, 구리 0.2~0.35중량%. 크롬 0.15~0.30중량%, 탄소 3.6~3.8중량%, 망간 1.4~1.6중량%, 바나듐 0.4~0.8중량%, 마그네슘 3.0~6.0중량%, 니켈 1.0~6.0중량%, 탄소나노튜브 10~20중량%가 함유된 혼합물을 140~150℃의 온도와 100~160kg/㎠압력으로 설계된 디스크의 형상으로 열성형시키는 단계와;

열성형된 디스크 최종 제품 표면에 용매에 분산되어 있는 탄소나노튜브 1~5중량%를 화염속도 1200m/s 이상의 고온 프레임 용사법에 의해 용사 코팅하여 140~150℃의 온도로 열처리하는 단계;

로 이루어지는 자동차용 브레이크 디스크 제조 방법.
청구항 3에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 다중벽 구조의 탄소나노튜브, 단일벽 구조의 탄소나노튜브, 다중벽 구조 및 단일벽 구조의 탄소나노튜브가 혼합된 것중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자동차용 브레이크 디스크 제조 방법.