KR101160666B1 - 브레이크 마찰재 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명의 브레이크 마찰재 조성물은 페놀수지를 결합제로 하고, 보강섬유, 충전제, 연마제, 윤활제로 구성된 브레이크 마찰재 조성물에서, 2 ~ 7mm인 현무암섬유 3 ~ 10중량% 외에 스틸 섬유 3 ~ 10 중량%, 아라미드 섬유 2 ~ 7 중량% 및 판상의 티탄산칼륨 5 ~ 15 중량%으로 이루어진 군에서 적어도 2종 이상을 선택하여서 복합시켜서 된 보강섬유를 20 ~ 40 중량%의 범위내로 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

브레이크 마찰재 조성물{Composition for brake friction material}

본 발명은 브레이크 마찰재 조성물에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 보강섬유로서 현무암 섬유와 함께 스틸 섬유, 아라미드 섬유, 판상의 티탄산칼륨 중 2종 이상을 선택하여 복합소재로 함유시킴으로서 마찰재로 사용시 제동시 효력 안정성, 내페이드성, 내마모성이 우수하고, 또한 제동시 발생하는 이음(소음)도 줄일 수 있는 브레이크 마찰재 조성물에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차용 브레이크는 페달을 밟으면 마스터 실린더를 통하여 전달된 유압이 캘리퍼(Caliper)를 작동시켜 주행하는 자동차의 운동에너지를 디스크와 마찰재(Pad 또는 Lining) 사이에서의 기계적인 마찰에너지로 전환시킴으로써 차량을 안정하게 정지시키는 구조로 되어 있다.

이러한 브레이크 시스템은 자동차의 고속화, 경량화, 유해 물질들의 사용 규제에 따라 제동에 대한 요구특성도 꾸준히 변하고 있다. 최근 요구되는 대표적인 특성으로는 1) 안정된 제동력, 2) 제동시 발생되는 이음이 없어야 하고, 3) 내마모성이 좋아야 하며, 4) 제동시 마찰온도 상승에 의해 제동력이 저하되는 현상(페이드)도 적어야 하고, 5) 상대재인 디스크 손상을 적게 하여야 한다는 것이다. 또한 브레이크 제동성능과는 거리가 있으나 6) 제동시 발생되는 분진에 의해 휠 분진을 최소화 하여야 한다.

상기의 요구특성을 만족시키기 위하여 일반적으로 브레이크 마찰재의 경우 Semi-Metallic계, Low-Steel계, NAO(Non Asbestos Organic)계로 나누어 연구, 개발 적용되고 있다. 이들 마찰재의 경우는 대체로 아라미드(Aramid), 스틸(Steel), Cu, 광물(Mineral) 등의 보강섬유들과 페놀 레진(Phenol Resin)을 결합제로 하여 윤활제, 무기충전제, 유기충전제, 세라믹 분말 또는 섬유등과 같은 마찰재료를 적정하게 구성하여 마찰재의 요구특성을 만족시키고 있다.

브레이크 마찰재에 사용되는 보강제로 석면을 사용할 때에는 석면이 가지고 있는 우수한 특성 즉, 내열성, 내마모성, 강도가 우수하면서도 저가라는 특성으로 널리 적용되어 왔으나 인체에 유해하다는 것으로 현재는 많은 섬유들이 보강제로 검토, 적용되고 있다. 현재 적용되고 있는 많은 보강제 들 중 1종으로 석면과 대체 적용되고 있는 섬유는 없으며 대부분 2종 또는 수종의 섬유들을 사용함으로서 상호 보완하고 있다.

일반적으로 가장 널리 적용 되는 있는 스틸 섬유의 경우 상대재인 디스크를 손상시키거나 이음을 발생시키기 쉽고, 뛰어난 강도로 방탄조끼등에 사용되고 있는 아라미드 펄프의 경우 가볍고 저온에서의 내마모성이 매우 우수하지만 450℃ 이상에서는 내열성을 유지할 수 없어 급격히 마찰특성이 저하되는 특성을 보여준다.

따라서 상기의 문제점들을 보완하기 위하여 아라미드 펄프, 스틸, Cu, 황동과 같은 금속 섬유, 광물 섬유, 유리 섬유, 티탄산칼륨등 많은 보강제를 2종이상 적용하고 있다. 이 들 중 가장 널리 적용되고 있는 섬유로는 침상의 티탄산 칼륨, Cu 섬유는 현재에는 특별한 규제가 없으나 환경적인 측면에서 점차 사용 금지의 움직임이 일고 있다.

따라서 그동안 전술의 티탄산 칼륨, Cu 섬유를 기본으로 보강제를 설계, 적용된 브레이크 마찰재는 기본 보강 골격을 새로이 설계, 검토하고, 그 동안의 마찰재가 가지고 있는 마찰특성을 유지 또는 보다 향상시킬수 있는 방안을 강구하여 보다 친환경적인 브레이크 마찰재를 개발할 필요가 있다.

이에 본 발명은 마찰재로의 사용시 제동시 효력 안정성, 내페이드성, 내마모성이 우수하고, 또한 제동시 발생하는 이음(소음)도 줄일 수 있는 효과가 있는 브레이크 마찰재 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 브레이크 마찰재 조성물은 페놀수지를 결합제로 하고, 보강섬유, 충전제, 연마제, 윤활제로 구성된 브레이크 마찰재 조성물에서, 2 ~ 7mm인 현무암섬유 3 ~ 10중량%와 함께 스틸 섬유 3 ~ 10 중량%, 아라미드 섬유 2 ~ 7 중량% 및 판상의 티탄산칼륨 5 ~ 15 중량%으로 이루어진 군에서 적어도 2종 이상을 선택하여서 된 복합 보강섬유를 20 ~ 40 중량%를 포함시켜서 된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 조성물로 제조 및 성형한 브레이크 마찰재, 예를 들어 패드 또는 라이닝은 현무암 섬유와 함께 스틸 섬유, 아라미드 섬유, 판상의 티탄산칼륨 중에서 적어도 2종 이상을 복합소재로 구성하여 섬유량의 합계가 20 ~ 40 중량% 함유되어 있으므로 제동시 효력 안정성, 내페이드성, 내마모성이 우수하고, 또한 제동시 발생하는 이음(소음)도 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 마찰재 조성물에 사용하는 현무암 섬유의 SEM 분석 사진이다.

본 발명은 자동차 및 산업용에 널리 적용되고 있는 브레이크 마찰재로 사용하기 위한 조성물로서, 결합제, 보강섬유, 충전제, 연마제 및 윤활제로 구성된다.

본 발명에서, 석면, 침상의 티탄산 섬유, Cu 와 황동 섬유 등과 같이 유해하거나 사용 규제가 거론되고 섬유 등의 사용을 배제하고 스틸 섬유, 아마리드 섬유, 판상의 티탄산칼륨, 그리고 2 ~ 7mm의 현무암 섬유를 최적의 구성비로 설정한 것을 특징으로 한다. 즉, 최적의 구성비는 필수 보강섬유로 현무암 섬유 3 ~ 10중량% 외에 스틸 섬유 3 ~ 10 중량%, 아라미드 섬유 2 ~ 7 중량%, 판상의 티탄산칼륨 5 ~ 15 중량%로 구성되며, 이들 중에서 현무암 섬유 외에 스틸 섬유, 아라미드 섬유 및 판상의 티탄산칼륨 중에서 적어도 2종 이상의 보강섬유를 선택하여 함께 사용하며, 이들 보강섬유는 마찰재 조성물에서 섬유량의 합계가 20 ~ 40 중량%의 범위내로 하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 보강 섬유의 각 조성의 비율은 브레이크 마찰재 조성물 전체를 기준으로 한 것이다.

본 발명에서, 보강섬유로 사용하는 스틸 섬유는 C 0.15% 이하, Si 0.2% 이하, Mn 1.1% 이하, S 0.03% 이하, P 0.03% 이하로 2 ~ 6mm의 단섬유 이며, 아라미드 섬유는 길이가 0.75 ~ 2.5 mm인 섬유이다.

판상의 티탄산칼륨은 섬유 직경(Fiber length)이 30 ~ 150㎛, 섬유 폭(Fiber diameter)이 20㎛ 이하인 단 섬유이며, 진비중(Real specific density)은 3.3 ~ 3.6 g/㎤을 갖고 있다.

그리고 필수 보강섬유로 사용하는 현무암 섬유는 SiO₂ 51.6 ~ 57.5%, Al₂O₃ 16.9 ~ 18.2%, CaO 5.2~7.8% Fe₂O₃ 4.0 ~ 9.5%로 구성되어 있으며 인장강도 3,000 ~ 4,840Mpa, 탄성율 93 ~ 110Gpa, 비중 2.65 ~ 2.8 g/㎤인 물리적 특성을 갖고 있다. 첨부 도면 중 도 1은 현무암 섬유의 SEM 분석 사진이다.

본 발명에서, 마찰재 조성물 전체에서 보강섬유의 사용량을 20중량% 미만으로 할 경우에는 마모량이 증가하게 되고, 고온 안정성인 페이드 특성이 저하하게 되며, 반대로 40중량%를 초과하여 사용할 경우에는 마찰재 원가 상승으로 인해 시장 경쟁력이 떨어지게 된다.

본 발명에서 결합제로 사용하는 페놀레진은 실린콘 러버가 10%정도 변성되어 있으며 경화제인 헥사민(Hexamine) 함량이 10%인 페놀레진을 사용하며, 그 사용량은 5 ~ 15중량%이고, 연마제는 Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, ZrSiO₄, Fe₃O₄, MgO, SiC으로 이루어진 군에서 적어도 2종을 선택하고, 그 사용량은 5 ~ 15중량%이며, 윤활제로는 인종흑연, 인상흑연, Sb₂S₃, MoS₂, SnS, FeS으로 이루어진 군에서 적어도 2종 이상을 선택하며, 그 사용량은 10 ~ 20중량%이고, 충전제로는 BaSO₄, CaCO₃, Mica 등으로 구성되어 있으며, 사용량은 20 ~ 40중량%가 바람직하다.

본 발명에서 결합제로서 페놀수지를 5중량% 미만으로 사용하는 경우에는 마모량이 종래 기술보다 증가하게 되며, 반대로 15중량%를 초과하여 사용할 경우에는 마모량은 감소하지만 소음 발생이 증가하게 된다.

또한, 연마제의 경우 5중량% 미만으로 사용하는 경우에는 제동력 저하가 발생하게 되고, 15중량% 이상일 경우 제동력이 너무 높아 안정성에 문제가 되고, 뿐만아니라 상대재 디스크의 공격성이 증가하게 된다.

상기 윤활제의 경우도 10중량% 미만으로 사용할 경우 제동특성이 불안정하게 되고, 마찰재의 마모량이 증가하게 되며, 반대로 20중량%를 초과하여 사용할 경우에는 마모 및 상대재의 공격성은 감소하지만, 제동력이 저하된다.

상기 충전제의 경우도 20중량% 미만으로 사용할 경우에는 경도, 비중 등이 증가하게 되고, 브레이크 응답성은 향상하지만, 소음 발생 및 상대재 디스크의 공격성이 증가하고, 40중량%를 초과할 경우에는 경도, 비중등이 너무 낮아 마모량이 증가하고 브레이크 응답성이 저하된다.

본 발명에 따른 상기 조성 함량은 브레이크 마찰재의 요구특성인 제동력, 효력 안정성, 내페이드성, 소음 발생 억제를 향상시킬 수 있도록 조성된 최적의 성분비이다.

일반적으로 종래의 기술은 상기 섬유들 각각에 대하여 마찰특성을 평가하여 그 특징을 활용하고 있으나 상기 3종 이상의 복합소재를 평가하여 상호 작용에 의한 평가 결과나 그 마찰특성에 관하여 기술한 건은 적다. 따라서 본 발명에서는 이들 현무암 섬유 1종 외에 스틸 섬유, 아라미드 섬유, 판상 티탄산칼륨 중에서 적어도 2종 이상을 선택 사용하여 최적의 마찰특성을 평가하였으며 그 결과 각 섬유의 제동 안정성, 내마모 또는 강도 등의 일부 문제점이 있었던 것을 해결할 수 있었다.

이와 같은 본 발명을 실시에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예 1 ~ 2 및 비교예 1~2

다음의 표 1과 같은 조성과 조성비율로 원료를 혼합기에 투입하고, 균일하게 혼합한 다음 열 프레스를 이용하여 브레이크 마찰재를 성형하였다. 성형은 온도 140 ~ 170℃, 시간 5 ~ 10분, 400 ~ 600 ㎏f/㎠의 면압으로 실시하였으며 성형된 제품은 170 내지 250℃ 온도에서 5 내지 10시간 동안 열처리공정을 실시하였다. 이후 연마, 스코칭, 도장 등의 추가공정을 거쳐 제조하였다.

상기 실시예 및 비교예에 의거하여 제조한 마찰재의 주요 물리적 특징인 비중, 경도, 접착강도, 기공율을 한국산업 규격(KS R 0080)에 준하여 평가하였다. 그리고 각 성능별 마찰특성을 평가하기 위하여 브레이크 마찰성능의 평가시에 일반적으로 사용하는 시헙법인 JASO C406-P1 모드를 이용하여 마찰성능시험을 실시하였다.

주요 평가 항목으로는 속도, 감속도등의 변화에 따른 1) 효력의 안정성, 마찰 온도가 상승시 일반적으로 제동력이 저하되는 2) 내페이드성, 수명을 예측할 수 있는 3) 내마노성을 평가 하였으며, 다이나모메타에 장착된 마이크와 FFT 분석기를 이용하여 각 제동시 발생하는 소음 주파수와 소음의 크기(dB)를 측정하여 4) 소음 발생 가능성을 예측하였다.

시험에 사용한 마찰시험기는 1/5 Reduced-scale brake dynamometer를 사용하였다.

상기의 조건에 의하여 평가된 물리적인 특성은 다음 표 2와 같다.

상기 조건에 평가된 마찰 특성은 다음 표 3과 같다.

상기 표 3에서, 효력 안정성은 50kph에 대한 100kph, 130kph에서의 제동력 변화값을 평가하는 것으로 그 값이 100이면 전술의 속도 조건에 대하여 일정항 제동력을 갖는다는 것을 의미한다. 100 미만이면 속도가 증가함에 따라 제동력이 저하된다고 할 수 있고, 100 초과면 초과한만큼 제동력이 높아진다고 볼 수 있다. 따라서 100에 근접할수록 안정된 마찰재라 할 수 있다.

본 발명에서 효력 시험은 총 3회에 걸쳐 시험하였다. 제 1효력시험은 갈아 맞춤(Burnish) 전에 마찰재가 충분히 접촉되지 않은 상태에서 효력을 시험하는 것을 말한다. Burnish후의 제 2효력 시험은 마찰재가 충분한 접촉면을 얻은 후에 실시하는 시험으로서 제 1효력 시험을 반복하여 시험하며 제동 초속도 130Km/h에서의 시험이 추가된다. 제3효력 시험은 마찰재가 열 가혹을 받았을 때의 마찰계수(Coefficient of friction) 안정성 평가 및 열 가혹 상태에서 얼마나 빠른 회복력과 안정성을 가지는지를 평가하기 위한 2회의 페이드 & 리커버리 시험을 실시한 후 제2효력 시험과 같은 방법으로 반복 실시하였다.

일반적으로 마찰재는 차속이 높아지면 마찰계수(Coefficient of friction)는 낮아지는 경향을 보이는 것이 많다. 이 현상을 차량 성능으로는 Speed spread(SS특성)이라 부르고 일반 성능의 특징 중 한가지이다. Speed spread는 각 효력별로 0.6g와 0.3g에서의 마찰 계수를 속도 50 KPH에 대한 100 KPH의 비율로 평가하였다.

3회에 걸친 효력 시험으로서 각 속도별로 0.6g와 0.3g에서의 마찰 계수를 3효력에 대한 2효력의 비율로 그 변화를 평가하는 것이다.

다음에 소음은 가청영역인 15kHz, 70 dB이상 소음으로 438회 제동중 발생한 소음만을 평가한 것이다.

이상의 결과에서 보는바와 같이 현무암 섬유와 함께 스틸 섬유, 아라미드 섬유, 판상의 티탄산칼륨 중 2종 이상을 복합소재로 구성하여 섬유량의 합계가 20 ~ 40 중량%로 하였을때 제동시 효력 안정성, 내페이드성, 내마모성이 우수하다는 것을 알 수 있으며, 또한 제동시 발생하는 이음(소음)도 줄일 수 있었다.

Claims (2)

1. 실리콘 변성 페놀 수지의 결합제 5 ~ 15중량%, 보강섬유, BaSO₄, CaCO₃ 및 Mica로부터 선택된 충전제 20 ~ 40중량%, Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, ZrSiO₄, Fe₃O₄, MgO 및 SiC으로 이루어진 군에서 적어도 2종 이상을 선택하여서 된 연마제 5 ~ 15중량%, 인종흑연, 인상흑연, Sb₂S₃, MoS₂, SnS 및 FeS으로 이루어진 군에서 적어도 2종 이상을 선택하여서 된 윤활제 10 ~ 20중량%로 구성된 브레이크 마찰재 조성물에 있어서,
   상기 보강섬유는 마찰재 조성물 전체를 기준으로 해서 2 ~ 7mm인 현무암섬유 3 ~ 10중량% 외에 스틸 섬유 3 ~ 10 중량%, 아라미드 섬유 2 ~ 7 중량% 및 판상의 티탄산칼륨 5 ~ 15 중량%으로 이루어진 군에서 적어도 2종 이상을 선택하여서 복합시켜서 된 것을 특징으로 하는 브레이크 마찰재 조성물.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 보강섬유는 전체 조성물에 대해 20 ~ 40중량%의 범위내로 함유시켜서 되는 것을 특징으로 하는 브레이크 마찰재 조성물.

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