KR20200082875A - 알루미늄 합금을 이용한 브레이크 캘리퍼의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 알루미늄 합금을 이용한 브레이크 캘리퍼의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 캘리퍼의 제조 방법은 (a) 알루미늄 합금을 이용하여 브레이크 캘리퍼 성형체를 용해, 주조를 통해 제조하는 단계; (b) 상기 제조된 브레이크 캘리퍼 성형체를 고온에서 유지 후 급격히 ??칭하여 과포화 고용체를 만드는 용체화처리하는 단계; 및 (c) 상기 용체화처리된 브레이크 캘리퍼 성형체를 시효경화처리하여 기계적 물성치를 증대시키는 단계;를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 브레이크 캘리퍼의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알루미늄 합금을 이용한 브레이크 캘리퍼의 제조 방법에 관한 것이다.
브레이크 시스템은 자동차의 안전성을 확보하는 중요한 안전부품으로서, 브레이크 페달을 밟음으로 자동차를 감속 또는 정지하는 풋 브레이크(foot brake)는 크게 디스크 브레이크와 드럼 브레이크로 나뉜다.
승용차를 위시하여 일반적인 차량의 브레이크 시스템으로는 주로 디스크 브레이크가 사용되고 있는데, 이는 디스크 브레이크가 드럼 브레이크에 비하여 효력이 안정되어져 있고, 방열성이 우수하여 페이드(fade)현상이 적으며, 편제동 현상이 적을 뿐만 아니라, 패드교환이 용이하기 때문이다. 보통의 승용차에는 전륜에만 디스크 브레이크를 장착하고 있으며, 최고 차속이 높은 차에는 4륜에 디스크 브레이크를 채용하는 것이 일반적이다.
이러한 디스크 브레이크는 휠 허브(wheel hub)와 같이 회전하는 디스크, 디스크에 밀착되어 마찰력을 발생시키는 패드, 유압이 작용하는 피스톤, 그리고 피스톤이 들어있는 캘리퍼(caliper) 등으로 구성되어져 있으며, 디스크를 압착하는 방식에 따라 크게 고정 캘리퍼형(fixed caliper type)과 부동 캘리퍼형(floatng caliper type)으로 나뉠 수 있다.
이러한 브레이크 캘리퍼의 소재는 기존의 비중이 높은 철소재에서 알루미늄 합금 소재로 자동차 부품의 경량화를 위한 연구가 진행되고 있으며, 브레이크 작동열에 우수한 방열성을 갖는, 내구성 확보를 위한 고강도 고내열성 갖는, 알루미늄 합금소재의 개발이 필연적으로 요구되고 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 알루미늄 합금을 이용한 브레이크 캘리퍼의 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 브레이크 캘리퍼의 제조에 사용되는 알루미늄 합금의 조성을 조절하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 브레이크 캘리퍼의 열처리 조건을 설정하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 캘리퍼의 제조 방법은 (a) 알루미늄 합금을 이용하여 브레이크 캘리퍼 성형체를 상온 및 고온의 조건에서 내구성을 갖는 합금조성 및 주물주조 방식으로 제조하는 단계; (b) 상기 제조된 브레이크 캘리퍼 성형체에 적합한 기계적 물성치를 갖기위해 고온에서 장시간 가열 후 ??칭하는 용체화처리하는 단계; 및 (c) 상기 용체화처리된 브레이크 캘리퍼 성형체를 시효경화처리하는 단계;를 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 알루미늄 합금은 4.0~9.0wt%의 구리(Cu), 0.2~0.6wt%의 망간(Mn), 2.0~8.0wt%의 규소(Si), 0.06~0.50wt%의 비나듐(V), 0.06~0.50wt%의 지르코늄(Zr), 0.005~0.5wt%의 스칸디움(Sc) 및 0.01~0.1wt%의 티타늄(Ti)을 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 (b) 단계에, 상기 브레이크 캘리퍼 성형체를 480~540
에서 3시간 이상 유지 후 30초 이내에 ??칭하여 용체화처리하는 단계;를 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 (c) 단계는, 상기 용체화처리된 브레이크 캘리퍼 성형체를 180~240
에서 6시간 이상 시효화처리하는 단계;를 포함할 수 있다.
실시예에서, 알루미늄 주물주조합금의 조성 및 열처리조건을 통한 브레이크 캘리퍼 소재에 적합한 기계적 물성치를 도출할 수 있다.
비교예에서, 본 개발의 구현하는 기술범위의 명확성을 위한 서술 및 그 근거를 제시하고자 한다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술될 실시예을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, "통상의 기술자")에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 브레이크 캘리퍼 성형체의 제조에 사용되는 85wt% 이상 알루미늄을 함유하는 합금의 조성을 통하여, 브레이크 캘리퍼의 경량화를 달성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상온에서 350MPa 이상, 고온 250
에서 180MPa 이상의 인장강도 값을 도출함으로써, 브레이크 캘리퍼의 성능을 상향시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 상술된 효과들로 제한되지 않으며, 본 발명의 기술적 특징들에 의하여 기대되는 잠정적인 효과들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금을 이용한 브레이크 캘리퍼의 제조 방법을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 캘리퍼의 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 시편 파단면의 예를 도시한 도면이다.
도 3b는 본 발명의 비교예에 따른 시편 파단면의 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 캘리퍼의 성능 그래프를 도시한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 시편 파단면의 예를 도시한 도면이다.
도 3b는 본 발명의 비교예에 따른 시편 파단면의 예를 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다.
청구범위에 개시된 발명의 다양한 특징들은 도면 및 상세한 설명을 고려하여 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 명세서에 개시된 장치, 방법, 제법 및 다양한 실시예들은 예시를 위해서 제공되는 것이다. 개시된 구조 및 기능상의 특징들은 통상의 기술자로 하여금 다양한 실시예들을 구체적으로 실시할 수 있도록 하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 개시된 용어 및 문장들은 개시된 발명의 다양한 특징들을 이해하기 쉽게 설명하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금을 이용한 브레이크 캘리퍼의 제조 방법을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금을 이용한 브레이크 캘리퍼의 제조 방법을 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, S101 단계는 알루미늄 합금을 이용하여 브레이크 캘리퍼 성형체를 제조하는 단계이다. 일 실시예에서, 알루미늄 합금을 이용하여 브레이크 캘리퍼 성형체를 용해, 주조를 통해 제조할 수 있다.
제조단계를 보다 구체적으로 서술하면 알루미늄 합금은 4.0~9.0wt%의 구리(Cu), 0.2~0.6wt%의 망간(Mn), 2.0~8.0wt%의 규소(Si), 0.06~0.50wt%의 바나듐(V), 0.06~0.50wt%의 지르코늄(Zr), 0.005~0.5wt%의 스칸디움(Sc) 및 0.01~0.1wt%의 티타늄(Ti)을 포함할 수 있다.
각 합금조성 범위에 대하여 서술하면 Cu의 합금조성은 4.0wt% 미만 일 경우 석출상 개수가 감소되어 기계적 물성치가 저하되고 9.0wt% 이상 일 경우 용탕의 유동성 및 합금소재의 내식성이 급격히 저하되므로 그 조성범위는 4.0~9.0wt%로 한다.
Mn은 고온에 내열내구성이 우수한 합금원소로 0.2wt% 미만일 경우 내열내구 효과가 미미하고 0.6wt% 이상일 경우 Fe과 결합하여 재결정속도를 느리게 하여 결정입자를 조대하게 하므로 그 조성범위는 0.2~0.6wt%로 한다.
Si는 합금용탕의 유동성 양호하게 하고 기계적 성질에 기여하는 원소로 0.2wt% 미만일 경우 용탕의 유동성이 저하되고 8.0wt% 이상일 경우 용체화처리온도를 저하시키므로 기타원소의 용체화처리 효과를 반감시키고 Si석출상에 의한 전기전도도가 저하되어 아노다이징 표면처리가 어려워지므로 그 조성범위는 2.0~8.0wt%로 한다.
V은 용체화처리 시 ??칭에 의한 소입효과가 뛰어나 인장강도 상승에 기여하는 합금원소로 0.06wt% 미만일 경우 인장강도 상승효과가 미미하고 0.5wt% 이상일 경우 용해온도 상승 등으로 기포 및 작업시간에 악영향을 미치므로 그 조성범위를 0.06~0.50wt%로 한다.
Zr은 내열내식성에 기여하는 합금원소로 0.06wt% 미만일 경우 내열내식성 효과가 미미하고 0.50wt% 이상일 경우 취성이 증가하므로 그 조성범위는 0.06~0.50wt%로 한다.
Sc는 재결정온도를 상승시켜서 내열성 및 고온에서도 높은 인장강도 유지해주는 원소로 0.005wt% 미만일 경우 고온의 내열성 효과가 미흡하고 0.5wt% 이상일 경우 고가의 소재가격 등을 고려해볼 때 가성비가 저하되므로 그 조성범위는 0.005~0.5wt%로 한다.
Ti은 주조입자를 미세하게 하는 원소로 0.01wt% 미만일 경우 그 미세화효과가 미미하고 0.1wt% 이상일 경우 화합물 TiB12가 개재물로 작용하는 역효과가 있으므로 그 조성범위를 0.01~0.1wt%로 한다.
상기의 합금조성으로 하고 나머지는 미량의 불순물과 알루미늄(Al)을 조성하는 합금용탕으로 금형주물 주조를 행하여 브레이크 캘리퍼를 성형한다.
상기의 합금조성으로 하는 기타 성형체 주조방법으로 사형주물 주조 시 금형주물 주조에 비해 용탕의 응고속도가 느려 고용량 적어서 성형체의 기계적 물성치가 다소 저하되지만 적용은 가능하고, DC주조 및 다이캐스팅주조 등 주조체 전반에 적용될 수 있다.
S103 단계는, 제조된 브레이크 캘리퍼 성형체를 고온에서 유지 후 급격히 ??칭하여 과포화 고용체를 만드는 용체화처리하는 단계이다.
일 실시예에서, 주물주조체로 제조된 성형체의 기계적 물성치를 향상시키기 위한 다음 단계로 아래 도시한 S103 단계로 브레이크 캘리퍼 성형체를 480~540
에서 3시간 이상 유지 후 ??칭하여 용체화처리하는 단계이다. 용체화처리는 알루미늄 합금에 분산되어 있는 석출물이 확산에 의해 알루미늄 합금 내로 용해되도록 온도를 높여 일정시간 유지한 다음 출로 후 30초 이내 냉각수에 ??칭처리를 행하여 과포화 고용체를 만드는 열처리를 행한다.
이를 위해서는 석출물을 구성하는 원소들이 충분히 고용될 수 있는 충분히 높은 온도를 선택하여야 하는데, 이 때 용체화 가열온도가 540
이상일 경우 공정점(eutectic point)이상의 온도까지 올라가게 되면 성형체의 용융에 의해 도리어 기계적 특성을 저하되거나 ??칭 시 성형체의 심한 변형을 유발한다. 한편 용체화처리 온도가 480
미만이 되면, 합금화합물이 알루미늄 합금 내로 충분히 고용되지 않아서, 시효처리 시 석출량이 저감되어 원하는 만큼의 강도가 충분히 나오지 않을 수가 있다.
또한 용체화처리 온도는 Si함유량에 따라 차이가 나는데 Si함유량이 8,0wt%으로 높아지면 합금의 용융점이 낮아져 비례하여 480
로 용체화처리 온도를 낮추고 2.0wt%로 낮아지면 합금의 용융점이 상승하여 비례하여 용체화처리 온도를 올려서 540
에서 열처리를 행한다.
또한 용체화처리물을 가열로에서 출로하여 냉각수에 장입까지 소요시간이 30초 이내로 하되 소요시간을 짧게 할수록 과포화 고용체량이 많아져서 추후 시효경화처리시 석출상의 수가 증가에 비례하여 인장강도는 상승한다.
S105 단계는 용체화처리된 브레이크 캘리퍼 성형체를 180~240
에서 6시간 이상 시효경화처리하는 단계이다. 용체화처리에 의해 석출물이 완전히 용해된 알루미늄 합금을 급냉한 후, 적당한 온도에서 열처리를 하게 되면 강화 상인 석출물이 석출되어 재료의 기계적 강도가 향상된다. 일반적으로 석출물에 의한 기계적 강도 증가는 같은 양의 석출물이 생성되어진다고 가정할 때, 작은 석출물이 균일하게 분포할수록 그 기계적 강도는 증가하게 된다.
이 경우, 석출물이 균일하면서도 미세하게 석출하기 위해서는 시효처리 온도가 낮을수록 유리하나, 시효경화 처리온도가 180
미만이면 석출물의 성장이 과도하게 느림으로 말미암아 충분한 양의 석출물이 석출되지 못하게 된다. 한편 시효경화 처리온도가 240
이상이면 석출물이 성장하여 자체강도 약해져서 기계적강도 증가에 불리하게 된다.
석출경화 처리시간은 6시간 이상 행하면 과포화 고용체의 석출이 진행되면서 브레이크 성형체의 기계적 물성치가 증대된다. 따라서, 시효경화처리가 수행되는 온도 및 시간의 설정이 중요하다. 이에, 본 발명의 용체화 처리된 브레이크 캘리퍼 성형체는 180~240
에서 6시간 이상 시효경화처리를 행한다.
즉, 자동차용 브레이크 캘리퍼는 동작 시 순간적으로 고온 환경에 노출될 수 있는데, 본 발명의 실행에 따른 브레이크 캘리퍼를 사용하는 경우 알루미늄 합금을 사용하여 경량화될 수 있고, 본 발명의 용체화처리 및 시효경화처리를 통해 높은 기계적 물성치에 의한 우수한 성능을 가질 수 있다.
[실시예 1]
알루미늄 합금은 6.0wt%의 구리(Cu), 0.30wt%의 망간(Mn), 4.0wt%의 규소(Si), 0.07wt%의 비나듐(V), 0.08wt%의 지르코늄(Zr), 0.01wt%의 스칸디움(Sc) 및 0.06wt%의 티타늄(Ti)을 포함하고 나머지는 미량의 불순물과 알루미늄(Al)으로 구성하는 조성으로 용해, 금형주물주조를 통하여 성형체를 제조한 다음 행한 열처리조건에 있어서, 505
에서 8시간을 가열, 출로 후 17초 경과 시점에 10
물온도에 ??칭처리를 행한 다음 195
에서 10시간 동안 시효경화처리를 행하였다.
[비교예 1]
실시예1의 과 같은 조건으로 성형체를 제조하여 545
에서 8시간을 가열, 출로 후 17초 경과 시점에 10
물온도에 ??칭처리를 행한 다음 195
에서 10시간 동안 시효경화처리를 행하였다.
[비교예 2]
실시예1의 과 같은 조건으로 성형체를 제조하여 505
에서 8시간을 가열, 출로 후 50초 경과 시점에 10
물온도에 ??칭처리를 행한 다음 195
에서 10시간 동안 시효경화처리를 행하였다.
[비교예 3]
실시예1의 과 같은 조건으로 성형체를 제조하여 505
에서 8시간을 가열, 출로 후 17초 경과 시점에 10
물온도에 ??칭처리를 행한 다음 165
에서 10시간 동안 시효경화처리를 행하였다.
[비교예 4]
알루미늄 합금은 6.0wt%의 구리(Cu), 0.30wt%의 망간(Mn), 4.0wt%의 규소(Si), 0.08wt%의 지르코늄(Zr) 및 0.06wt%의 티타늄(Ti)을 포함하고 나머지는 미량의 불순물과 알루미늄(Al)으로 구성하는 조성으로 용해, 금형주물주조를 통하여 성형체를 제조한 다음 행한 열처리조건은 실시예1과 같은 조건으로 행하였다.
| 분류 | N o |
합금조성(wt%) | 용체화처리 | ??칭시간 | 시효처리 | 고온인장강도 | 저온인장강도 | ||||||
| Cu | Mn | Si | V | Zr | Sc | Ti |  |
sec |  |
MPa | MPa | ||
| 실 시예 |
1 | 6.0 | 0.3 | 4.0 | 0.07 | 0.08 | 0.01 | 0.06 | 505/8 | 17 | 195/ 10 |
205 | 380 |
| 비교예 | 1 | 6.0 | 0.3 | 4.0 | 0.07 | 0.08 | 0.01 | 0.06 | 545/8 | 17 | 195/ 10 |
110 | 255 |
| 2 | 6.0 | 0.3 | 4.0 | 0.07 | 0.08 | 0.01 | 0.06 | 505/8 | 50 | 195/ 10 |
180 | 320 |
|
| 3 | 6.0 | 0.3 | 4.0 | 0.07 | 0.08 | 0.01 | 0.06 | 505/8 | 17 | 165/ 10 |
165 | 302 |
|
| 4 | 6.0 | 0.3 | 4.0 | 0.08 | 0.06 | 505/8 | 17 | 195/ 10 |
130 | 283 |
|||
상기 <표 1>에서 확인할 수 있는 바와 같이 ASTM E8M 및 시험장비 MTS810을 이용한 본 발명의 일 실시예 1에 따른 브레이크 캘리퍼의 성능 시험결과의 브레이크 캘리퍼의 성능 그래프를 도 2에 도시한 바와 같이 고온(예: 250
)에서 인장강도 200MPa 이상의 결과를 확인할 수 있다. 비교예 1은 실시예 1의 조건에서 용체화처리온도를 545
로 변화한 결과이며, 비교예 2는 ??칭시간 변화, 비교예 3은 시효처리온도 변화, 비교예 4는 합금조성의 변화를 통한 시편의 고온, 저온 인장강도 측정데이터를 나타낸 것으로 본 개발의 실시예 1에 비해 그 값이 저하됨을 알 수 있다.
이 경우, 도 3a를 참고하면, 실시예 1의 인장시편의 파단면의 경우, 인장강도가 높은 값의 실시예 1의 파단면은 결정입자 및 석출상이 미세한 반면에, 도 3b를 참고하면, 비교예 1의 파단면은 545
에서 과용체화 처리되어 결정입자가 조대하고 석출상이 성장하여 인장강도가 저하되는 이유를 알 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 통상의 기술자라면 본 발명의 본질적인 특성이 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능할 것이다.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시예, 비교예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시, 비교예들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
Claims (4)
- (a) 알루미늄 합금을 이용하여 브레이크 캘리퍼 성형체를 용해, 주조를 통해 제조하는 단계;
(b) 상기 제조된 브레이크 캘리퍼 성형체를 고온에서 유지 후 급격히 ??칭하여 과포화 고용체를 만드는 용체화처리하는 단계;
(c) 상기 용체화처리된 브레이크 캘리퍼 성형체를 시효경화처리하여 기계적 물성치를 증대시키는 단계;
를 포함하는,
브레이크 캘리퍼의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 알루미늄 합금은 4.0~9.0wt%의 구리(Cu), 0.2~0.6wt%의 망간(Mn), 2.0~8.0wt%의 규소(Si), 0.06~0.50wt%의 비나듐(V), 0.06~0.50wt%의 지르코늄(Zr), 0.005~0.5wt%의 스칸디움(Sc) 및 0.01~0.1wt%의 티타늄(Ti)을 포함하는,
브레이크 캘리퍼의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에,
상기 브레이크 캘리퍼 성형체를 480~540에서 3시간 이상 유지 후 30초 이내에 ??칭하여 용체화처리하는 단계;
를 포함하는,
브레이크 캘리퍼의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
상기 용체화처리된 브레이크 캘리퍼 성형체를 180~240에서 6시간 이상 시효경화처리하는 단계;
를 포함하는,
브레이크 캘리퍼의 제조 방법.
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| CN114346201A (zh) * | 2021-12-24 | 2022-04-15 | 东风汽车集团股份有限公司 | 一种适用于铝合金制动卡钳的半固态制造方法 |
| CN115198149A (zh) * | 2022-07-21 | 2022-10-18 | 栋梁铝业有限公司 | 免热处理压铸铝合金及其制备方法 |
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| KR101718118B1 (ko) | 2013-07-22 | 2017-03-20 | 네마크 린츠 게엠베하 | 고내열성 알루미늄 주조 합금 및 그러한 합금으로 주조된 내연기관용 주물 |
| KR101883732B1 (ko) | 2016-04-05 | 2018-08-01 | 자동차부품연구원 | 캘리퍼 장치와 브레이크 장치 및 제조 방법 |
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