KR20000046418A - 브레이크 디스크의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 브레이크 디스크의 제조방법에 관한 것으로, 탄소섬유와 탄소 프리프레그 및 핏치를 혼합 또는 적층하여 프리폼을 제조하는 단계; 상기 프리폼을 가열 가압한 후 탄화시켜 저밀도 탄화체를 제조하는 단계; 상기 탄화체 내부에 장착된 열선으로 탄화체에 열구배를 형성시켜 탄화수소가스의 열분해 반응에 의한 증착이 탄화체 내부로부터 외부로 진행되게 하여 밀도화 시키는 단계로 이루어져, 마찰재로서의 물성이 우수하고 생산성을 향상시킬 수 있게 된 브레이크 디스크의 제조방법을 제공하는 것이다.
Description
본 발명은 열구배화학기상침투법을 이용한 브레이크 디스크의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소섬유, 핏치 및 탄소프리프레그를 원료로 하여 제조한 성형체를 프레싱한 후 탄화시켜 제조한 탄화체를 열구배화학기상침투법을 이용하여 마찰 및 마모특성이 우수한 탄소/탄소 복합재료로 된 브레이크 디스크를 제조하는 방법에 관한 것으로 단시간에 고밀도의 브레이크 디스크를 제조하면서도 균일한 증착층을 형성시켜 주는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차 등의 브레이크 디스크로 사용되는 마찰재료로는 석면을 주성분으로 하는 석면계 마찰재가 주로 사용되어왔다. 그러나 최근에는 석면이 인체에 미치는 영향이 문제가 되어 석면을 함유하지 않는 마찰재료가 개발되어 오고 있다. 석면을 함유하지 않는 마찰재로는 스틸 단섬유를 사용한 반금속계 마찰재가 실용화되었는 바, 이 마찰재는 스틸 섬유를 보강재로 하고, 다량의 흑연 분말과 금속 분말을 첨가하여 페놀 수지계의 결합제를 이용하여 가열 성형 하는 것이다. 이 마찰재의 특징은 내마모성이 우수하지만 이 반금속계 마찰재는 고온 제동시 발화하는 문제가 있고 또 마찰재 중에 포함되는 스틸 단섬유가 상대 회전체의 마모를 야기하는 문제가 있었다.
따라서 스틸을 적게 함유하는 저스틸계 마찰재 또는 스틸을 포함하지 않는 논스틸계 마찰재가 개발 되었다.
그러나 상기의 마찰재도 제동시 소음이 발생하기 쉽고, 경우에 따라 제동시 차량의 진동을 동반하여 운전자에게 불안감을 주는 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 마찰계수가 높고 열전도성 및 제동 안정성이 우수한 탄소/탄소 복합재료로 된 브레이크 디스크 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 탄소섬유와 탄소 프리프레그 및 핏치를 혼합 또는 적층하여 프리폼을 제조하는 단계; 상기 프리폼을 가열 가압한 후 탄화시켜 저밀도 탄화체를 제조하는 단계; 상기 탄화체 내부에 장착된 열선으로 탄화체에 열구배를 형성시켜 탄화수소가스의 열분해 반응에 의한 증착이 탄화체 내부로부터 외부로 진행되게 하여 밀도화 시키는 단계로 이루어진 브레이크 디스크의 제조방법을 제공한다.
이와 같은 본 발명의 제조방법에서, 상기 밀도화 시키는 단계의 반응조건을, 700 - 1200℃로 유지되는 온도조건에서 10 - 100%의 농도를 갖는 탄소원자 1 내지 6 범위의 탄화수소가스를 반응가스로 사용하고, 공정압력을 200 - 1500mbar로 하여 밀도화 시키는 것이 바람직하다.
따라서 본 발명의 브레이크 디스크 제조방법은 저밀도탄화체를 만든 후, 이를 열구배화학기상침투법을 이용하여 밀도화시켜 브레이크 디스크 완제품을 만드는 제조방법을 제공하는 것이다.
이와 같은 본 발명의 제조방법은 제조공정에 소요되는 시간을 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있으면서 내외부가 균일한 밀도를 가지므로 마찰 및 마모특성이 우수한 브레이크 디스크를 제조할 수 있게 하는 것이다.
도 1은 본 발명의 브레이크 디스크 제조공정도,
도 2는 본 발명의 실시예에 사용된 밀도화 장치의 구성단면도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 반응로 12 : 탄화체
14 : 흑연봉 16 : 카본 펠트
18 : 열전대
이하, 본 발명의 구성 및 작용을 상세하게 설명한다.
본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이, 프리폼을 만들고, 이를 가압 탄화시켜 저밀도 탄화체를 형성한 후, 이 탄화체를 열구배화학기상침투법을 이용하여 밀도화시켜 브레이크 디스크를 제조하는 것이다.
각 공정을 상세히 설명하면, 프리폼을 만드는 공정은 브레이크 디스크 형상을 따라 탄소섬유와 핏치 및 탄소 프리프레그를 적층하여 프리폼을 제조하는 공정이고, 이후의 공정인 상기 저밀도 탄화체를 형성하는 공정은 상기 프리폼을 가압 및 가열하여 저밀도 탄화체를 제조하는 공정이다. 상기 저밀도 탄화체는 부피비로 프리프레그와 탄소섬유가 약 40%, 핏치가 약 60%로 되게 하는 것이 바람직하고, 탄화체의 밀도는 0.5-1.2g/cc의 범위내로 되게 하는 것이 바람직하다.
이후 상기 저밀도 탄화체를 밀도화시키는데, 탄화체 내부에 장착된 열선으로 열구배를 형성시켜 탄화수소가스의 열분해 반응에 의한 증착으로 밀도화를 시킨다. 이때 공정가스는 탄소원자 1 내지 6 범위의 탄화수소가스를 사용하는 것이 바람직하고, 공정온도는 700 내지 1200℃로 하며, 반응가스의 농도를 10 내지 100%로 하고, 공정압력은 200 내지 1500mbar로 되게 하는 것이 바람직하다.
실시예 1.
탄소섬유를 2차원적으로 직조한 탄소 파브릭에 용융상태의 핏치를 함침시켜 제조한 탄소 프리프레그와 탄소섬유, 핏치를 혼합 및 적층하여 성형시킨 후, 100~300℃, 10~100톤으로 1~10시간 가압하여 밀도 1.3g/cc이하의 저밀도 그린바디를 제조하였다. 이때 혼합물의 구성비는 부피비로 프리프레그 및 탄소섬유가 40%이며, 핏치가 60%이고, 이 그린바디를 열처리하여 밀도 0.5~1.2g/cc의 저밀도 탄화체를 제조하였다.
이후 밀도화를 위해 도 2에 도시된 밀도화장치를 사용하였다. 즉 펌프로 내부의 기체를 반응로(10) 상부로 배출시키면서 반응로(10)의 아래로 반응가스인 탄화수소가스를 주입할 수 있게 되어 있고, 탄화체(12)를 가열하는 흑연봉(14)을 상기 탄화체(12)의 중앙 구멍에 끼워 반응로의 중앙에 설치한 다음, 상기 흑연봉(14)을 반응로의 +, -전극에 연결시킨 후 전류를 공급하여 탄화체(12)를 가열할 수 있게 된 구조의 장치인 바, 이 장치에 탄화체(12)를 장착하고 흑연봉(14)에 전류를 공급하였다. 탄화체(12)가 흑연봉(14) 주위부터 서서히 발열되기 시작하였으며 공정온도까지 승온되었을 때 공정가스인 프로판가스를 반응로(10)에 주입하고 탄화체(12)의 표면까지 증착이 완료될 때까지 공정을 진행시켰다. 이때 공정가스인 프로판가스는 순도 99.95%인 것을 사용하였으며 반응로(10)내압력은 1020~1060mbar를 유지시켰다.
그리고, 탄화체(12)의 두께방향으로의 온도 균일성을 위해 장착된 상하부 카본 펠트(16)에 원주방향으로 중심을 향해 직경 10mm의 구멍을 뚫어 반응영역의 온도를 측정하기 위해 열전대(18)를 장착하였다. 공정은 열전대(18)를 시편의 열선 방향의 중심에서부터 표면방향으로 빼면서 진행되었으며, 항상 열전대(18)의 온도를 반응온도와 일치시켰다.
반응결과 제조된 탄소/탄소 복합재료 브레이크 디스크는 2주의 공정시간으로 직경 340mm, 두께 30mm, 밀도 0.9g/cc의 탄화체를 밀도 1.60g/cc까지 향상시킬 수 있었다.
비교예 1.
상기 실시예의 공정으로 제조한 1차 탄화체를 함침재인 핏치를 사용하여 800기압 이상의 가압 조건하의 1000℃에서 반복 함침, 탄화시키고 2400℃ 이하의 온도에서 최종 열처리를 실시하여 탄소/탄소 복합재료를 제조하였다.
상기 실시예와 비교예에서 제조된 탄소/탄소 브레이크 디스크의 물성시험결과를 다음 표 1에 나타내었다.
| 구 분 | 밀 도 | 밀도화 기간 | 마찰계수 | 마모율(㎛/s/f) |
| 실시예 1 | 1.60 | 2주 | 0.25-0.30 | 0.5-1.5 |
| 비교예 1 | 1.78 | 6주 | 0.30-0.35 | 2.0-3.0 |
상기 표 1에서 볼 수 있듯이 본 발명에 따른 브레이크 디스크 제조방법으로 제조된 탄소/탄소 복합재료 브레이크 디스크는 낮은 밀도 및 짧은 밀도화 기간만으로도 액상함침법으로 제조된 브레이크 디스크보다 마찰계수 및 마모율면에서 좋은 물성을 가짐을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 탄소/탄소 복합재료 브레이크 디스크 제조방법은, 완제품의 제조기간을 단축시킬 수 있으며, 제조된 브레이크 디스크가 탄소/탄소 복합재료로 되어 있어 마찰재로의 특성이 우수하며, 내외부가 고르게 밀도화되어 균일한 품질을 갖도록 하는 효과가 있다.
Claims (2)
- 탄소섬유와 탄소 프리프레그 및 핏치를 혼합 또는 적층하여 프리폼을 제조하는 단계;상기 프리폼을 가열 가압한 후 탄화시켜 저밀도 탄화체를 제조하는 단계;상기 탄화체 내부에 장착된 열선으로 탄화체에 열구배를 형성시켜 탄화수소가스의 열분해 반응에 의한 증착이 탄화체 내부로부터 외부로 진행되게 하여 밀도화 시키는 단계로 이루어진 브레이크 디스크의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 밀도화 시키는 단계의 반응조건을, 700 - 1200℃로 유지되는 온도조건에서 10 - 100%의 농도를 갖는 탄소원자 1 내지 6 범위의 탄화수소가스를 반응가스로 사용하고, 공정압력을 200 - 1500mbar로 하여 밀도화 시키는 것을 특징으로 하는 브레이크 디스크의 제조방법.
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