KR20160058102A - 마찰재 - Google Patents
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Abstract
구리 성분의 함유량에 관한 법규를 만족하면서, 고속 고부하시의 브레이크의 제동 성능, 내마모성을 확보할 수 있는 디스크 브레이크 패드용 마찰재를 제공하는 것을 과제로 한다. 해결 수단은, 디스크 브레이크 패드에 사용되는 NAO재의 마찰재이고, 섬유 기재, 결합재, 마찰 조정재로 이루어지는 마찰재 조성물을 성형하여 이루어지는 마찰재에 있어서, 무기 마찰 조정재로서, 알루미늄 입자, 알루미늄 섬유, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 입자 및 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 섬유에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을, 마찰재 조성물 전체량에 대해 1~10중량%, 평균 입경이 1~20㎛이고 모스 경도가 4.5 이상인 경질 무기 입자를 5~20중량% 함유하고, 마찰재 조성물에 포함되는 구리 성분의 총량이 0.5중량% 미만인 마찰재 조성물을 사용한다.
Description
본 발명은, 자동차등의 디스크 브레이크 패드에 사용되는, NAO(Non-Asbestos-Organic)재의 마찰재 조성물을 성형한 마찰재에 관한 것이다.
종래에, 자동차의 제동 장치로서, 디스크 브레이크가 사용되고 있고, 그 마찰 부재로서, 금속제의 베이스 부재에 마찰재를 부착된 디스크 브레이크 패드가 사용되고 있다.
마찰재는, 섬유 기재로서 강섬유(steel fiber)를 마찰재 조성물 전체량에 대해 30중량% 이상 60중량% 미만 함유하는 세미 메탈릭 마찰재와, 섬유 기재의 일부에 강섬유를 포함하면서, 강섬유를 마찰재 조성물 전체량에 대해 30중량% 미만 함유하는 로우 스틸(low steel) 마찰재와, 섬유 기재로서 강섬유 및 스테인리스 섬유 등의 스틸계 섬유를 포함하지 않는 NAO재로 분류되고 있다.
브레이크 노이즈의 발생이 적은 마찰재가 요구되고 있는 최근에 있어서는, 강섬유나 스틸계 섬유를 포함하지 않으면서, 결합재, 섬유 기재, 윤활제, 티탄산 금속염, 무기 마찰 조정재, 유기 마찰 조정재, pH 조정재, 충전재 등으로 이루어지는, NAO재의 마찰재를 사용한 디스크 브레이크 패드가 널리 사용되고 있다.
디스크 브레이크 패드에 사용되는 NAO재의 마찰재에는, 고속 고부하 제동시의 브레이크의 제동 성능과 내마모성을 확보하기 위해, 구리나 구리 합금의 섬유 또는 입자 등의 구리 성분이 필수 성분으로서 마찰재 조성물 전체량에 대해, 5~20중량% 정도 첨가되어 있다.
하지만, 최근 이와 같은 마찰재는 제동시에 마모 분말로서 구리를 배출하고, 이 배출된 구리가 하천, 호수, 해양에 유입하는 것에 의해 수역을 오염시킬 가능성이 있음이 시사되고 있다.
이와 같은 배경에서, 미국의 캘리포니아주나 워싱턴주에서는, 2021년 이후, 구리 성분을 5중량% 이상 함유하는 마찰재를 사용한 마찰 부재의 판매 및 새차에 대한 장착을 금지하고, 그 수년 후에, 구리 성분을 0.5중량% 이상 함유하는 마찰재를 사용한 마찰 부재의 판매 및 새차에 대한 장착을 금지하는 법안이 가결되었다.
그리고, 향후 이와 같은 규제는 전세계에 파급될 것으로 예상되기 때문에, NAO재의 마찰재에 포함되는 구리 성분을 삭감하는 것이 급선무이고, NAO재의 마찰재에 포함되는 구리 성분을 삭감하는 것에 의해 저하되는, 고속 고부하 제동시의 브레이크의 제동 성능과 내마모성의 개선이 과제가 되고 있다.
특허문헌 1에는, 금속 주석 또는 주석 합금을 마찰재 조성물 전체량에 대해 0.5~50중량%와, 구리를 마찰재 조성물 전체량에 대해 0.001~4.999중량% 함유하는 마찰재 조성물을 성형하여 이루어지는 마찰재가 기재되어 있다.
특허문헌 2에는, 결합재, 유기 충전재, 무기 충전재 및 섬유 기재를 포함하는 마찰재 조성물이고, 해당 마찰재 조성물 중의 구리의 함유량이 구리 원소로서 5질량% 이하이고, 구리 및 구리 합금 이외의 금속 섬유의 함유량이 0.5질량% 이하이고, 티탄산염 및 입경이 30㎛ 이하인 산화지르코늄을 함유하면서, 해당 티탄산염의 함유량이 10~35질량%이고, 입경이 30㎛를 넘는 산화지르코늄을 실질적으로 함유하지 않는 비석면(non asbestos) 마찰재 조성물 및 비석면 마찰재 조성물을 성형하여 이루어지는 마찰재와 백 플레이트를 사용하여 형성되는 마찰 부재가 기재되어 있다.
하지만, 특허문헌 1이나 특허문헌 2에 기재된 마찰재는 구리 성분의 함유량에 대해서는 상기한 법규를 만족하고 있지만, 고속 고부하 제동시의 브레이크의 제동 성능과 내마모성의 요구 성능을 충분히 확보하고 있다고는 할 수 없다.
본 발명은, 디스크 브레이크 패드에 사용되는, NAO재의 마찰재 조성물을 성형한 마찰재에 있어서, 구리 성분의 함유량에 관한 법규를 만족하면서, 고속 고부하 제동시의 브레이크의 제동 성능과 내마모성의 요구 성능을 확보할 수 있는 마찰재를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명자들은 예의 검토를 거듭한 결과, 디스크 브레이크 패드에 사용되는 NAO재의 마찰재 조성물을 성형한 마찰재에 있어서, 무기 마찰 조정재로서, 알루미늄 입자, 알루미늄 섬유, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 입자 및 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 섬유에서 선택되는 1종 또는 2종 이상과, 특정의 경질 무기 입자를 특정량 함유하고, 마찰재 조성물에 포함되는 구리 성분의 총량이 마찰재 조성물 전체량에 대해 0.5중량% 미만인 마찰재 조성물을 사용하는 것에 의해 상기 과제를 해결할 수 있음을 알아내고, 본 발명을 완성했다.
본 발명은, 디스크 브레이크 패드에 사용되는, NAO재의 마찰재 조성물을 성형한 마찰재이고, 이하의 기술을 기초로 하는 것이다.
(1) 디스크 브레이크 패드에 사용되는 NAO재의 마찰재이고, 섬유 기재, 결합재, 마찰 조정재로 이루어지는 마찰재 조성물을 성형하여 이루어지는 마찰재에 있어서, 상기 마찰재 조성물은, 무기 마찰 조정재로서, 알루미늄 입자, 알루미늄 섬유, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 입자 및 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 섬유에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 마찰재 조성물 전체량에 대해 1~10중량% 함유하고, 또한, 평균 입경이 1~20㎛이고 모스 경도가 4.5 이상인 경질 무기 입자를 마찰재 조성물 전체량에 대해 5~20중량% 함유하고, 마찰재 조성물에 포함되는 구리 성분의 총량이 마찰재 조성물 전체량에 대해 0.5중량% 미만인 것을 특징으로 하는 마찰재.
(2) 상기 알루미늄 입자 또는 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 입자는, 평균 입경이 50~300㎛인 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 마찰재.
본 발명에 의하면, 디스크 브레이크 패드에 사용되는 NAO재의 마찰재 조성물을 성형한 마찰재에 있어서, 구리 성분의 함유량에 관한 법규를 만족하면서 고속 고부하 제동시의 브레이크의 제동 성능과 내마모성을 확보할 수 있는 마찰재를 제공할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 디스크 브레이크 패드에 사용되는 NAO재의 마찰재 조성물을 성형한 마찰재에 있어서, 무기 마찰 조정재로서, 알루미늄 입자, 알루미늄 섬유, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 입자 및 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 섬유에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 마찰재 조성물 전체량에 대해 1~10중량% 함유하고, 또한, 평균 입경이 1~20㎛이고 모스 경도가 4.5 이상인 경질 무기 입자를 마찰재 조성물 전체량에 대해 5~20중량% 함유하고, 마찰재 조성물에 포함되는 구리 성분의 총량이 마찰재 조성물 전체량에 대해 0.5중량% 미만인 마찰재 조성물을 사용한다.
무기 마찰 조정재로서 사용되고 있는 아연이나 주석이나 알루미늄 등의 금속 및 그 합금은, 디스크 로터의 소재인 주철과 친화성이 높고, 제동시에 마찰재의 마찰면에 존재하는 상기 금속 및 합금과 주철제의 디스크 로터 사이에서 응착마찰을 발생시켜 마찰 계수를 향상시키는 효과가 있는 것이 알려져 있다.
마찰재에 아연이나 주석, 이들의 금속을 주성분으로 하는 합금을 첨가하면, 넓은 사용 영역에 있어서 응착마찰을 발생시켜, 마찰 계수를 향상시키는 효과를 발휘하지만, 응착마찰의 진행에 의해 마찰재가 마모하기 쉬워지는 문제가 있다.
하지만, 알루미늄은, 응착 마모가 발생하는 것이 고속 고부하 제동시로 한정적이기 때문에, 상기와 같은 문제가 발생하지 않는다.
이는, 알루미늄이 갖는, 표면에 산화 피막이 형성되기 쉬운 특성에 기인하는 것으로 추정된다.
알루미늄의 표면에 형성된 산화 피막은, 알루미늄과 주철의 응착마찰을 저해하기 때문에, 이 산화 피막이 유지되는 비교적 부하가 적은 사용 영역에 있어서, 알루미늄은 마찰 계수를 향상시키는 마찰 조정재로서는 작용하지 않는다.
하지만, 고속 고부하 제동시에 있어서는, 알루미늄이 소성 변형 또는 용융되어, 응착마찰의 저해 요인이 되는 산화 피막이 파괴된다. 그 결과, 알루미늄과 주철의 응착마찰이 발생하고, 브레이크의 제동 성능이 향상되는 것이다.
한편, 이 작용 효과는, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금에 있어서도 인정된다.
알루미늄 입자 및 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 입자는, 평균 입경이 50~300㎛인 것이 바람직하고, 알루미늄 섬유 및 알루미늄을 주성분으로 하는 섬유는, 평균 섬유 직경이 20~100㎛, 평균 섬유 길이가 0.5~10mm인 섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 마찰재로의 균일한 분산성을 고려하면, 알루미늄 입자와 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 입자를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
알루미늄을 주성분으로 하는 합금으로서는, 알루미늄을 90중량% 이상 함유하는, 알루미늄-아연계 합금, 알루미늄-구리계 합금, 알루미늄-망간계 합금, 알루미늄-규소계 합금, 알루미늄-마그네슘계 합금, 알루미늄-마그네슘-규소계 합금, 알루미늄-아연-마그네슘계 합금 등을 사용할 수 있다.
알루미늄-구리계 합금을 사용하는 경우에는, 구리 성분의 총량이 마찰재 조성물 전체량에 대해 0.5중량% 미만이 되도록 한다.
한편, 환경 부하 저감의 관점에서 마찰재 조성물에는 구리 성분을 포함하지 않는 것이 더욱 바람직하다.
모스 경도가 4.5 이상인 경질 무기 입자는, 알루미늄 및 알루미늄을 주성분으로 하는 합금이 작용하지 않는 비교적 부하가 적은 통상의 사용 영역에 있어서의 마찰 계수를 향상시키는 마찰 조정재로서 작용한다.
모스 경도가 4.5 이상인 경질 무기 입자는, 평균 입경이 1~20㎛인 것을 사용하고, 함유량을 마찰재 조성물 전체량에 대해 5~20중량%로 하는 것에 의해, 비교적 부하가 적은 통상의 사용 영역의 브레이크의 제동 성능과 노이즈 특성을 확보할 수 있다.
모스 경도가 4.5 이상인 경질 무기 입자로서는, 활성 알루미나(γ-알루미나), 산화 마그네슘, 규산 지르코늄, 알루미나(α-알루미나), 탄화 규소 등을 들 수 있지만, 이들에 한정되지 않고, 통상 마찰재에 첨가되어 있는 모스 경도가 4.5 이상인 경질 무기 입자를 사용할 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서 모스 경도는, "1. 활석 2. 석고 3. 방해석 4. 형석5. 인회석 6. 정장석 7. 수정 8. 황옥 9. 강옥 10. 다이아몬드"로 표시되는 구모스 경도를 적용한다.
또한, 본 발명에 있어서, 평균 입경은 레이저 회절 입도 분포법에 의해 측정한 50% 입경의 수치를, 평균 섬유 직경 및 평균 섬유 길이는 무작위로 50개 선택한 샘플을 광학현미경으로 측정한 수치의 평균값을 사용했다.
본 발명의 마찰재는, 상기한 알루미늄 입자, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 입자, 알루미늄 섬유, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 섬유, 평균 입경이 1~20㎛이고 모스 경도가 4.5 이상인 경질 무기 입자 이외에, 통상 마찰재에 사용되는 결합재, 섬유 기재, 티탄산염, 윤활제, 무기 마찰 조정재, 유기 마찰 조정재, pH 조정재, 충전재 등을 포함하는 마찰재 조성물로 이루어진다.
결합재로서, 스트레이트 페놀 수지나, 페놀 수지를 캐슈 오일이나 실리콘 오일, 아크릴 고무 등의 각종 엘라스토머로 변성한 수지, 페놀류와 아랄킬에테르류와 알데히드류를 반응시켜 얻어지는 아랄킬 변성 페놀 수지, 페놀 수지에 각종 엘라스토머, 불소 폴리머 등을 분산시킨 열경화성 수지 등의 마찰재에 통상 사용되는 결합재를 들 수 있고, 이들은 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 결합재의 함유량은 마찰재 조성물 전체량에 대해 4~12중량%로 하는 것이 바람직하고, 5~8중량%로 하는 것이 더욱 바람직하다.
섬유 기재로서는, 아라미드 섬유, 셀룰로오스 섬유, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸 섬유, 아크릴 섬유 등의 마찰재에 통상 사용되는 유기 섬유를 들 수 있고, 이들은 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 섬유 기재의 함유량은 마찰재 조성물 전체량에 대해 1~7중량%로 하는 것이 바람직하고, 2~4중량%로 하는 것이 더욱 바람직하다.
티탄산염으로서는, 판상이나, 복수의 돌출부를 구비하는 부정형 형상으로 되어 있는 것이 바람직하고, 티탄산 칼륨, 티탄산 리튬 칼륨, 티탄산 칼륨 마그네슘 등의 마찰재에 통상 사용되는 티탄산염을 들 수 있고, 이들은 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 티탄산염의 함유량은 마찰재 조성물 전체량에 대해 7~35중량%로 하는 것이 바람직하고, 17~25중량%로 하는 것이 더욱 바람직하다.
윤활제로서는, 이황화 몰리브덴, 황화 아연, 황화 주석, 황화철, 복합 금속 황화물 등의 금속 황화물계 윤활제나, 인조 흑연, 천연 흑연, 석유 코크스, 활성탄, 산화 폴리아크릴로니트릴 섬유 분쇄 분말 등의 탄소질계 윤활제 등의 마찰재에 통상 사용되는 윤활제를 들 수 있고, 이들은 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 윤활제의 함유량은 마찰재 조성물 전체량에 대해 2~21중량%로 하는 것이 바람직하고, 10~16중량%로 하는 것이 더욱 바람직하다.
무기 마찰 조정재로서 상기 알루미늄 입자, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 입자, 알루미늄 섬유, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 섬유, 평균 입경이 1~20㎛이고 모스 경도가 4.5 이상인 경질 무기 입자 이외에, 탈크, 운모, 질석 등의 입자 형태의 무기 마찰 조정재나, 규회석, 세피오라이트, 현무암 섬유, 유리 섬유, 생체 용해성 인조광물 섬유, 암면 등의 섬유 형태의 무기 마찰 조정재를 들 수 있고, 이들은 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 무기 마찰 조정재의 함유량은, 상기한 알루미늄 입자, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 입자, 알루미늄 섬유, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 섬유, 평균 입경이 1~20㎛이고 모스 경도가 4.5 이상인 경질 무기 입자와 함께 마찰재 조성물 전체량에 대해 15~50중량%로 하는 것이 바람직하고, 20~45중량%로 하는 것이 더욱 바람직하다.
유기 마찰 조정재로서, 캐슈 더스트, 타이어 트레드 고무의 분쇄 분말이나, 니트릴 고무, 아크릴 고무, 실리콘 고무, 부틸 고무 등의 가황 고무 분말 또는 미가황 고무 분말 등의 마찰재에 통상 사용되는 유기 마찰 조정재를 들 수 있고, 이들은 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 유기 마찰 조정재의 함유량은 마찰재 조성물 전체량에 대해 3~8중량%로 하는 것이 바람직하고, 4~7중량%로 하는 것이 더욱 바람직하다.
pH 조정재로서 수산화 칼슘 등의 통상 마찰재에 사용되는 pH 조정재를 사용할 수 있다. pH 조정재는, 마찰재 조성물 전체량에 대해 2~6중량%로 하는 것이 바람직하고, 2~3중량%로 하는 것이 더욱 바람직하다.
마찰재 조성물의 잔부로서는, 황산 바륨, 탄산 칼슘 등의 충전재를 사용한다.
본 발명의 디스크 브레이크에 사용되는 마찰재는, 소정량 배합한 마찰재 조성물을, 혼합기를 사용하여 균일하게 혼합하는 혼합 공정, 얻어진 마찰재 원료 혼합물과, 별도로, 미리 세정, 표면 처리하고, 접착재를 도포한 백 플레이트를 중첩하여 열성형용 금형에 투입하고, 가열 가압하여 성형하는 가열 가압 성형 공정, 얻어진 성형품을 가열하여 결합재의 경화 반응을 완료시키는 열처리 공정, 분말 도료를 코팅하는 정전 분말 코팅 공정, 도료를 베이킹하는 코팅 베이킹 공정, 그라인더에 의해 마찰면을 형성하는 연마 공정을 거쳐 제조된다. 한편, 가열 가압 성형 공정 후, 코팅 공정, 도료 베이킹을 겸한 열처리 공정, 연마 공정의 순으로 제조하는 경우도 있다.
필요에 따라, 가열 가압 성형 공정 전에, 마찰재 원료 혼합물을 조립(granulating)하는 조립 공정, 마찰재 원료 혼합물을 혼련하는 혼련 공정, 마찰재 원료 혼합물 또는 조립 공정에서 얻어진 조립물, 혼련 공정에서 얻어진 혼련물을 예비 성형용 금형에 투입하고, 예비 성형물을 성형하는 예비 성형 공정이 실시되고, 가열 가압 성형 공정 후에 스코치(scorching) 공정이 실시된다.
(실시예)
이하, 실시예 및 비교예를 바탕으로, 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 하기의 실시예에 제한되지 않는다.
[실시예 1~11·비교예 1~4의 마찰재의 제조 방법]
표 1, 표 2에 나타내는 조성의 마찰재 조성물을 LOEDIGE MIXER로 5분간 혼합하고, 성형 금형 내에서 30MPa로 10초간 가압하여 예비 성형을 했다. 이 예비 성형물을, 미리 세정, 표면 처리, 접착재를 도포한 강철제의 백 플레이트 상에 중첩하고, 열성형용 금형 내에서 성형 온도 150℃, 성형 압력 40MPa의 조건하에서 10분간 성형한 후, 200℃에서 5시간 열처리(후 경화)를 하고, 연마하여 마찰면을 형성하고, 승용차용 디스크 브레이크 패드를 제작했다(실시예 1~11, 비교예 1~4).
얻어진 마찰재에 있어서, 고속 고부하시의 브레이크의 제동 성능, 내마모성을 평가했다. 평가 결과를 표 3, 표 4에, 평가 기준을 표 5에 나타낸다.
평가 결과(표 3, 4)로부터, 실시예의 마찰재에 있어서는, 구리 성분을 전혀 포함하지 않는, 포함되어 있다고 해도 극소량(0.5중량% 미만)인 조성물을 사용했음에도 불구하고, 넓은 사용 영역에 있어서의 브레이크의 제동 성능, 내마모성, 브레이크 노이즈에 있어서, 충분한 특성이 얻어진 것을 알 수 있고, 특히 실시예 2, 5~7에 있어서는, 구리 섬유를 사용한 비교예 4와 비교해도, 손색 없는 효과가 얻어졌다.
본 발명에 의하면, 디스크 브레이크 패드에 사용되는, NAO재의 마찰재 조성물을 성형한 마찰재에 있어서, 구리 성분의 함유량에 관한 법규를 만족하면서, 고속·고부하 제동시를 포함하는 넓은 사용 영역에 있어서의 브레이크의 제동 성능과 내마모성과 노이즈 특성의 요구 성능을 확보할 수 있어, 실용적 가치가 매우 높은 것이다.
Claims (2)
- 디스크 브레이크 패드에 사용되는 NAO재의 마찰재이고, 섬유 기재, 결합재, 마찰 조정재로 이루어지는 마찰재 조성물을 성형하여 이루어지는 마찰재에 있어서,
상기 마찰재 조성물은, 무기 마찰 조정재로서, 알루미늄 입자, 알루미늄 섬유, 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 입자 및 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 섬유에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을, 마찰재 조성물 전체량에 대해 1~10중량% 함유하고,
또한, 평균 입경이 1~20㎛이고 모스 경도가 4.5 이상인 경질 무기 입자를 마찰재 조성물 전체량에 대해 5~20중량% 함유하고,
마찰재 조성물에 포함되는 구리 성분의 총량이 마찰재 조성물 전체량에 대해 0.5중량% 미만인 것을 특징으로 하는 마찰재. - 제1항에 있어서,
상기 알루미늄 입자 또는 알루미늄을 주성분으로 하는 합금 입자는, 평균 입경이 50~300㎛인 것을 특징으로 하는 마찰재.
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