WO2021145709A1 - 브레이크 바디 및 제동장치 - Google Patents

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braking
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조근상
폴 김충년
최관민
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Definitions

  • One aspect of the present invention relates to a braking device that can be used in a vehicle or a driving device, and a brake body included therein.
  • a braking device refers to a device for regulating and controlling the driving speed of a vehicle or mechanical device, and largely includes a drum brake and a disc brake according to a mechanism for providing braking force.
  • the drum type brake is characterized in that the piston is pressed by the pressure of the fluid, and the brake shoe is pressed against the drum according to the movement of the piston to act as a braking force.
  • the heat dissipation performance is not good, most of the recent vehicles have a drum type brake. Disc brakes with better heat dissipation performance than brakes are being used.
  • the disc brake includes a body having a rotating body (disc) and a brake pad for stopping the rotation of the rotating body.
  • the disc brake may be used in a brake device for wind power generation, a brake device for a vehicle, and a brake device for a general (construction) machine.
  • Brake devices used in vehicles are susceptible to problems such as corrosion, wear and distortion that can affect the performance of the vehicle and the safety of vehicle occupants. For example, corrosion on friction surfaces results in noise and/or vibration during braking.
  • Conventional cast iron brake discs are susceptible to this corrosion problem, they are relatively heavy in weight, and a brake disc that is lighter than cast iron brakes reduces the unsprung weight of the vehicle and provides advantages such as improved handling of the vehicle. can provide Accordingly, it is expected that a brake disc for a vehicle having improved thermal, wear and corrosion properties and a reduced mass will continue to be studied and used.
  • Another prior art method provides a method for creating a diffusion bond between an aluminum core and stainless steel sheets.
  • diffusion bonding has technical challenges and limitations associated with the process. For example, the requirement for high pressure rolling in diffusion bonding limits the application of this process to flat disks. Conversely, it would be useful to have a process that can be applied to materials and components (eg, rotors) of any shape.
  • diffusion typically requires high heat and pressure for a significant amount of time. Time-efficient processes in which high pressure is not required and heat is transferred to a minimal area of the base material would also be useful. While these improvements would be desirable, there are additional challenges associated with replacing the diffusion bonding process with the use of a process that can be replaced, for example, sprayed metal.
  • metal blasting may not lead to a satisfactory product due to separation between the metal base and the blast-coated metal, specifically blast-coated metal peeling off within the pieces. and may lack the integrity of laminated sheets prepared according to, for example, a diffusion bonding process.
  • the new coating methods may allow for new indicators of vehicle component wear (eg brake rotor wear).
  • a friction disk of the related art may feature an abrasion-resistant layer and an integral wear indicia: when the wear-resistant layer is worn, an indicative surface element having at least one distinguishing characteristic, color or texture is exposed such that the friction disk indicate that you have been exposed.
  • the brake wear indicator is not directly integrated into the brake disc and requires long post-processing. New coating methods that derive wear indicators integrated directly into metal can provide significant efficiencies, for example, in manufacturing processes.
  • One aspect of the present invention includes a brake body that can be applied to mass-produced vehicles, etc. because it has improved durability against corrosion and wear, so that the emission of dust and fine dust is reduced, life is extended, and manufacturing cost can be reduced. Its purpose is to provide a braking system that
  • One aspect of the present invention is a brake body provided in a braking device
  • the brake body may include a coupling part connected to a drive shaft; and a rotor connected to an outer circumferential surface of the coupling unit, and a braking unit having a coating layer provided on a surface of the rotor; Including, wherein the coating layer is a brake body containing an amorphous alloy, the coefficient of thermal expansion is 1.0 times to 1.4 times the thermal expansion coefficient of the rotor.
  • the amorphous alloy contains Fe
  • At least one first component selected from the group consisting of Cr, Mo and Co;
  • the rotor includes an iron-based alloy
  • the coating layer preferably has an average coefficient of friction measured under 100N conditions of 0.001 to 0.08, and the Vickers hardness of the coating layer is preferably 700 to 1,200 Hv.
  • the coating layer preferably has a porosity of 0.1% to 1.0%
  • the thickness of the coating layer is preferably 50 ⁇ m to 400 ⁇ m
  • the coating layer is preferably provided by thermally spraying iron-based amorphous alloy powder on the surface of the rotor.
  • the rotor is in the form of a disk, and a brake body in which the coating layer is provided on at least one surface of the disk;
  • the rotor has a drum shape and is a brake body in which the coating layer is provided on an inner circumferential surface of the rotor.
  • Another aspect of the present invention is a braking device for braking a machine driven including a drive shaft,
  • a brake body having a coupling part that is coupled to the driving shaft and rotates during driving, and a braking part connected to an outer circumferential surface of the coupling part;
  • friction means that are displaced toward the brake body during the braking, come into contact with the brake body, and rub against the braking unit; includes,
  • the braking unit includes a rotor connected to the coupling unit and a coating layer provided on a surface of the rotor, and the thermal expansion coefficient of the coating layer is 1.0 to 1.4 times the thermal expansion coefficient of the rotor, and it is a braking device including an amorphous alloy. .
  • the rotor includes an iron-based alloy
  • the rotor is in the form of a disk, and the coating layer is provided on at least one surface of the rotor,
  • the rotor is in the form of a drum, and is a braking device in which the coating layer is provided on an inner circumferential surface of the rotor.
  • the brake body according to an embodiment of the present invention has an amorphous alloy coating layer formed on the braking part where friction occurs during braking and has a low coefficient of friction on the surface compared to the conventional brake body, thereby preventing the problem of generating a large amount of dust and fine dust during braking It has the effect of improving the lifespan of the brake body by improving the abrasion resistance and corrosion resistance of the coating layer.
  • a rotor of a mass-produced brake body can be used as a base material, so a high-quality brake disc can be produced at a low production cost, resulting in excellent price competitiveness.
  • one embodiment of the present invention uses an iron-based brake body rotor as a base material and forms an amorphous alloy coating layer of the same iron-based composition, so that the thermal expansion coefficient of the base material and the coating layer can be obtained similarly by 1 to 1.4 times, so peeling and defects due to frictional heat It has the advantage of less occurrence of , and excellent bonding strength of the coating layer on the surface of the base material.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a braking device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view schematically showing a brake body of a braking device according to an embodiment of the present invention.
  • 3 and 4 are views photographing changes in the coating layer before and after the corrosion resistance test of an embodiment and a comparative example of the present invention.
  • amorphous includes the meaning of “amorphous” or “amorphous phase”, and refers to a phase in which crystals are not formed in a solid, ie, does not have a regular structure.
  • the iron-based amorphous alloy powder includes an alloy in the form of a powder in which iron is included in the largest weight ratio and an amorphous phase in the powder occupies substantially the majority.
  • the brake body 10 which is an aspect of the present invention, includes a coupling part 200 coupled to a rotation shaft or a drive shaft to which a wheel is coupled in an apparatus or machine, and a braking part 100 coupled to an outer circumferential surface of the coupling part 200 .
  • the coupling part serves to substantially connect the braking part and the rotating shaft or the driving shaft.
  • the shape of the brake body may vary depending on the type of device used, the type and method of the braking device, for example, a shape having rotational symmetry with respect to the central axis, such as a disk or a drum, is used, and the brake body 10 is It is preferably disk-shaped or drum-shaped.
  • FIG. 1 is a view showing the exterior of a braking device including a brake disc, which is a disc-shaped brake body 10
  • FIG. 2 is a view showing the brake body 10 according to an aspect of the present invention.
  • a brake disc is provided in a machine or vehicle that operates including a drive shaft or an axle (rotation shaft), such as an automobile, a prime mover, and other mechanical devices.
  • the brake body 10 is rotated together with a rotating drive shaft or axle, and when the braking device is operated, the rotating brake body 10 may rub against the friction means 20 of the braking device on the surface. At this time, the brake body 10 receives resistance due to friction and loses rotational kinetic energy, and the rotational speed is reduced to achieve braking.
  • the coupling part 200 of the brake body 10 is also called a hub, and is a part connected to a drive shaft or an axle of a wheel to rotate the brake body 10 .
  • rotational kinetic energy generated by the engine in the vehicle and transmitted to the wheel may be transmitted to the brake body 10 .
  • the coupling part 200 includes a body provided with a fastening hole to which a fastening means such as a screw can be coupled for coupling with a driving shaft or an axle, and a hat-part connected to the body and protruding from one side. may include.
  • the coupling part 200 of the brake body 10 has a circular outer peripheral surface, the size of the coupling part 200 is not limited, and the coupling part 200 according to the size of the device or vehicle in which the braking device is used or the braking device. may vary in size.
  • the brake unit 100 coupled to the outer circumferential surface of the coupling unit 200 includes a rotor connected to the outer circumferential surface of the coupling unit 200 and rotated together with the drive shaft or axle, and the rotor 120 . It is preferable to include a coating layer 110 provided on the surface.
  • the rotor 120 is a component that rotates by receiving rotational kinetic energy transmitted to the brake body 10 from the drive shaft or axle, and generally constitutes the exterior of the brake body 10, and has a through hole therein. It may be in the form of a ring or a cylindrical drum having a through hole therein.
  • the brake body 10 is a disk-shaped brake body 10 as shown in FIG. 2 , and the rotor is a ring-shaped plate material having a through hole therein, and a through hole located in the center of the rotor. Silver may be coupled to the outer circumferential surface of the above-described coupling portion 200 on the inner circumferential surface of the circle.
  • the inner peripheral surface of the rotor 120 and the outer peripheral surface of the coupling part 200 may be integrally connected.
  • the rotor and the coupling portion may be connected while having one or more strut structures to form a structure in which an intaglio or a hole is formed between an outer circumferential surface of the coupling portion and an inner circumferential surface of the rotor.
  • the braking unit 100 may include a rotor 120 having a disk or drum shape and a coating layer 110 provided on the surface of the rotor 120 , and a disk-shaped rotor 120 as shown in FIG. 2 .
  • the coating layer 110 is preferably provided on the surface of the.
  • the material of the rotor 120 is not particularly limited, but may be made of an iron-based alloy, an aluminum alloy, or a ceramic material that can be generally manufactured at low cost, and preferably an iron-based metal such as cast iron or gray cast iron is used. It is preferable to be
  • the rotor 120 including the iron-based alloy is advantageous in price competitiveness and is manufactured to satisfy the standards or specifications generally required for use in a braking device, including the run-out and DTV specifications of the brake body 10 .
  • the performance of the brake body 10 depends on the surface characteristics of the coating layer 110 formed on the surface of the brake unit 100 and the brake unit ( 100) and the material of the coating layer 110 may be greatly affected. Specifically, the performance of the braking device or the degree of fine dust generation may vary depending on the surface friction coefficient and roughness of the coating layer 110 , and the thermal conductivity, thermal expansion coefficient, bonding strength relationship between the coating layer 110 and the braking unit 100 , etc. Depending on this, the life of the brake system may vary.
  • the brake body according to an exemplary embodiment of the present invention may have a different portion where friction mainly occurs depending on the structure and shape of the braking device and the braking method, and may differ from at least a partial surface of the braking unit 100 or a partial surface of the braking unit 100 .
  • a brake having a structure in which friction occurs during braking on some surfaces of the coupling part 200 may be included in the brake body of the present invention.
  • a brake disk on which braking by friction is performed in the braking unit 100 will be described as an example, but the present invention is not limited thereto, and the coating layer 110 is provided on some surfaces of the coupling unit 200 or, The brake body 10 in which friction is made on some surfaces of the coupling part 200 during braking may also be included in the scope of the present invention.
  • the rotor 120 of the braking unit 100 may further include a hole or unevenness for cooling between both sides of the rotor in order to prevent the vapor lock phenomenon in which the brake fluid boils and bubbles are generated when the temperature of the brake increases.
  • a ventilated (perforated) disk in which the rotor 120 is in the form of a disk and is provided in the rotor 120 and includes a plurality of holes penetrating both sides thereof may be used as the rotor 120 .
  • the coating layer 110 provided on the surface of the rotor 120 may improve the surface characteristics of the braking unit 100 of the brake body 10 , and in more detail, increase the hardness on the surface of the braking unit 100 , and wear resistance. And corrosion resistance and the life of the brake disc are improved, and the amount of dust and fine dust generated during braking can be reduced by lowering the friction coefficient on the surface, which has advantages in terms of dust and fine dust emission.
  • the coating layer 110 may be provided on one surface or both surfaces of the rotor 120 of the braking unit 100, and the position of the surface on which the coating layer 110 is provided in the rotor 120 according to the shape and operation method of the braking device. And the number, the coating area in which the coating layer 110 is provided may vary.
  • the coating layer 110 is preferably provided on at least one surface of the disk-shaped rotor.
  • the coating layer 110 is formed in a drum shape. It is preferable to be provided in at least one region of the inner peripheral surface of the rotor.
  • the friction means 20 of the braking device are preferably provided on one or both surfaces of the brake body 10 from the outside, and the drum-shaped rotor ( This is because, with respect to the brake body 10 having the 120 , the friction means 20 of the braking device is preferably provided inside the drum-shaped rotor 120 .
  • the thickness of the coating layer 110 may be formed differently depending on the components and coating conditions of the coating layer 110, but may be formed to a thickness of 50 ⁇ m to 400 ⁇ m, preferably 100 ⁇ m to 300 ⁇ m.
  • the coating layer 110 When the coating layer 110 is formed to be thinner than the corresponding range, the effect of forming the coating layer 110 may be insufficient or the lifespan may be shortened, and if the coating layer 110 thicker than the corresponding range is formed, there may be a problem of lowering economic efficiency.
  • the coating layer 110 is preferably an amorphous alloy coating layer 110 including an amorphous alloy having an amorphous phase.
  • the amorphous alloy constituting the amorphous alloy coating layer 110 is preferably an iron-based amorphous alloy containing Fe.
  • the composition of the iron-based amorphous alloy includes Fe as a main component, and at least one first component selected from the group consisting of Cr, Co and Mo, and at least one selected from the group consisting of B, C, Si and Nb. At least one second component is included, and preferably, the second component may be at least two or more of B, C, Si and Nb.
  • the iron-based alloy contains 30 to 140 parts by weight of the first component, preferably 35 to 100 parts by weight, more preferably 40 to 92 parts by weight. good.
  • the iron-based alloy may necessarily include Cr as the first component, and the amount of Mo is 18.0 parts by weight or less, preferably 10.0 parts by weight or less, based on 100 parts by weight of Fe. It is good to include
  • the content of Cr is preferably 3 times or more, preferably 4 times or more, the content of Mo, which includes until Mo is not included as the first component.
  • the amorphous forming performance of the iron-based alloy is improved to form the alloy coating layer 110 mainly containing an amorphous phase. There is an advantageous effect that the abrasion resistance of the coating layer 110 is improved.
  • the iron-based alloy preferably contains 4 to 20 parts by weight of the second component, preferably 5 to 19 parts by weight, based on 100 parts by weight of Fe.
  • the iron-based alloy may include at least two or more of B, C, Si and Nb as the second component, and preferably include Si, Nb, or both Si and Nb as the second component. That is, it may include Si and/or Nb.
  • the iron-based alloy includes Si, Nb, or both Si and Nb as a second component, each of Si or Nb is 9 parts by weight or less, preferably 1.5 to 8.0 parts by weight, more preferably 2.0 to 6.0 parts by weight. it's good
  • the second component of the iron-based alloy includes Si, Nb, or both SI and Nb, and the included Si or Nb is each included in the above-mentioned parts by weight range, the amorphous forming performance of the iron-based alloy is improved and the alloy mainly includes an amorphous phase It is possible to form the coating layer 110, there is an advantageous effect that the abrasion resistance of the coating layer is improved.
  • the present invention may further include at least one or more third components selected from the group consisting of W, Y, Mn, Al, Zr, Ni, Sc and P.
  • the total amount of the third component added is preferably less than 1.125 parts by weight, preferably 1.0 parts by weight or less, and more preferably 0.083 parts by weight or less.
  • the third component is preferably contained in an amount of 0.9 parts by weight or less and 0.05 parts by weight or less, respectively, with respect to 100 parts by weight of Fe, and when included in an amount higher than the corresponding range, a problem that the amorphous forming performance is significantly reduced may occur. .
  • the iron-based alloy of the corresponding composition is the amorphous alloy of the present invention.
  • the weight part range of the first to third components is out of the above-mentioned range, the amorphous forming performance is lowered, so that the mechanical properties on the surface are lowered or the friction coefficient is increased.
  • Iron (Fe) included as a main component in the amorphous alloy forming the amorphous alloy coating layer 110 may also be included in the material constituting the rotor 120 provided with the amorphous alloy coating layer 110 .
  • the coefficient of thermal expansion of the rotor 120 and the amorphous alloy coating layer 110 may have a similar value, so the braking device During operation, the amorphous alloy coating layer 110 is not peeled off from the base material or damaged at the interface even with a large temperature change due to friction.
  • the coefficient of thermal expansion (A) of the amorphous alloy included in the amorphous alloy coating layer 110 is similar to the coefficient of thermal expansion (B) of the brake unit 100 and the rotor 120 , and the ratio (A/B) is 1.0 times to It may be 1.4 times, preferably 1.0 to 1.3 times, and more preferably 1.2 to 1.25 times.
  • the ratio of the coefficient of thermal expansion is smaller or larger than the corresponding range, the difference between the coefficients of thermal expansion between the braking unit 100 and the coating layer 110 becomes large, and between the base material and the coating layer 110 under frequent temperature changes due to frictional heat generated during braking. There may be a problem in that the bonding of the coating layer 110 is weakened or the lifespan of the coating layer 110 is reduced.
  • the brake body 10 is formed as a bonding layer or an intermediate layer between the rotor and the coating layer when the coating layer 110 is formed. ) may not be included, and even when a heat treatment process is not included in the formation of the coating layer 110 , the coating layer 110 having a uniform thickness and properties can be directly formed on the surface of the rotor 120 of the brake body 10 . there is.
  • the coating layer 110 is formed on the rotor 120 of the brake body 10, a separate bonding layer or primer layer is not necessarily required and the coating layer 110 directly on the brake unit 100. It is possible to form a , and has the advantage that the coating and production process is simplified and the manufacturing cost is reduced.
  • a braking force due to friction may be generated during braking.
  • the rotational kinetic energy of the brake body 10 is converted into thermal energy due to friction during braking, and may provide braking force.
  • the surface friction coefficient of the coating layer 110 is 0.001 ⁇ to 0.08 ⁇ at a load of 100N, preferably 0.001 to 0.05 ⁇ , and 0.06 ⁇ to 0.12 ⁇ at a load of 1,000N, preferably 0.06 to 0.10 ⁇ . there is.
  • the surface friction coefficient of the coating layer 110 is larger than the corresponding range, there may be problems in that fine dust is generated and the amount of heat generated by friction during braking increases, and when the surface friction coefficient is smaller than the corresponding range, the braking performance of the braking device is deteriorated There may be a problem.
  • the surface roughness of the coating layer 110 may vary depending on the material and performance of the friction means 20 used together in the braking device, for example, a brake pad, etc., but the arithmetic mean roughness (Ra) value is in the range of 0.03 to 0.5. can be, preferably 0.3 to 0.4.
  • the arithmetic average roughness (hereinafter, roughness) of the coating layer 110 is lower than the corresponding range, the friction coefficient on the surface may be lowered or frictional force may not be sufficiently generated. There may be growing problems.
  • the method of forming the coating layer 110 is not limited, but the coating layer may be formed by a coating method using an amorphous alloy powder having a composition range of the alloy.
  • the surface of the coating layer 110 is processed by a shot peening or shot peening process, so that the friction coefficient or roughness can be controlled in an appropriate range, and wear resistance due to compressive stress , fatigue toughness, etc. may be improved.
  • an iron-based amorphous alloy powder may be used.
  • the proportion of the amorphous phase is 90% or more, preferably 95% or more, 97% or more, 99% or more, 99.9% or more, substantially 100%. It is a powder with a high proportion of amorphous phases. That is, the iron-based amorphous alloy powder having a high ratio of the amorphous phase as described above according to the cooling rate is manufactured.
  • the alloy material for the iron-based amorphous alloy coating may be manufactured in various shapes, but it is preferable to be manufactured in a powder form, and a powder having a high sphericity is preferably used as the amorphous alloy powder.
  • the iron-based amorphous alloy powder is preferably prepared by using the same composition as the target composition of the coating layer 110 described above, and an alloy powder having the same composition as the composition of the alloy of the coating layer 110 described above may be used.
  • an alloy powder having the same composition as the composition of the alloy of the coating layer 110 described above may be used.
  • raw materials of a weight calculated by the target composition are put in and melted to prepare a composition.
  • there may be some differences between the target composition and the actual composition due to the purity of the input raw material and the phenomenon that some elements are vaporized during melting. If the target composition or the actual composition is included in the alloy composition of the present specification, it can be viewed as the same composition as the coating layer 110 or the alloy powder of the present invention.
  • the iron-based amorphous alloy powder according to an embodiment of the present invention has excellent properties such as density, strength, abrasion resistance, friction resistance and corrosion resistance by itself due to the high ratio of the amorphous phase.
  • the iron-based amorphous alloy powder prepared according to an embodiment of the present invention may have an average particle size in the range of 1 ⁇ m to 150 ⁇ m, but is not limited thereto, and the powder size can be adjusted through sieving according to the use.
  • the target iron-based amorphous alloy powder when performing thermal spray coating, can be used by adjusting the powder size to a range of 15 ⁇ m to 45 ⁇ m through sieving, and when performing MIM (powder injection), the target iron-based alloy powder
  • the amorphous alloy powder may be used by adjusting the powder size to 20 ⁇ m or less through sieving treatment.
  • the iron-based amorphous alloy powder maintains the above-described amorphous ratio even if it is re-melted or cooled again after being exposed to high temperature and solidified.
  • the ratio (a) of the amorphous in the iron-based amorphous alloy powder produced by the atomizing method and the ratio (b) of the alloy made by melting the iron-based amorphous alloy powder above the melting point of the alloy and re-cooling it satisfies the following equation do.
  • the iron-based amorphous alloy powder is melted above the melting point of the alloy and then re-cooled to prepare the alloy, for example, a conventional casting method including thermal spray coating, 3D printing, metallurgy, etc. This may apply.
  • the b/a ratio in (Formula 1) may be preferably 0.95 to 1, more preferably 0.98 to 1, and even more preferably 0.99 to 1.
  • the step of forming the coating layer 110 may be performed before the coating layer is formed, and the surface of the rotor is prepared through surface treatment.
  • the combination of the coating layer and the rotor may be uniformly formed.
  • any coating method that a person skilled in the art can use to form the amorphous alloy coating layer 110 having the same composition and thickness, including thermal spray coating or laser cladding, may be used.
  • the iron-based amorphous alloy powder may be applied to a thermal spray coating process to form the amorphous coating layer 110 on the rotor 120 .
  • Spraying is a method of heating a metal or metal compound to form a fine volumetric shape and spraying and adhering it to the surface of the workpiece.
  • High-speed flame spray coating (HVOF), plasma coating, laser cladding coating, general flame spray coating, diffusion coating And cold spray coating, vacuum plasma coating (VPS, vacuum plasma spray), low-pressure plasma coating (LPPS, low-pressure plasma spray), etc. belong to this.
  • the iron-based amorphous alloy powder according to the embodiment of the present invention has excellent amorphous forming ability to form amorphous even without securing a very high cooling rate, so even if the above-described process of forming the coating layer 110 is used, the ratio of the amorphous is the coating layer 110 does not decrease from
  • the coating layer contains the amorphous phase in the overall structure. Since it contains 90% or more, 95% or more, 97% or more, 99% or more, 99.9% or more, or substantially 100% by volume, the physical properties are very good.
  • the degree of physical property improvement is maximized because the amorphous ratio is substantially maintained.
  • the iron-based amorphous alloy powder according to an embodiment of the present invention has a very high coating density of 98 to 99.9% when measured, so that penetration of corrosives through pores is suppressed.
  • the particle size of the alloy powder used for thermal spray coating is 10 ⁇ m to 100 ⁇ m, preferably 15 ⁇ m to 55 ⁇ m, and when the particle size of the alloy powder is less than 10 ⁇ m, small particles in the thermal spray coating process are ), and if it exceeds 100 ⁇ m, it cannot be completely dissolved and collides with the base material (that is, it falls to the floor without forming a coating layer), and coating productivity and efficiency may be reduced. there is.
  • the Vickers hardness of the coating layer 110 comprising the iron-based amorphous alloy powder according to an embodiment of the present invention is 700 to 1,200 Hv (0.2), preferably 800 to 1,000 Hv (0.2), and the coefficient of friction (friction resistance) is 0.001 ⁇ m to 0.08 ⁇ m, preferably 0.05 ⁇ m or less at a load of 100N, and 0.06 ⁇ m to 0.12 ⁇ m, preferably 0.10 ⁇ m or less at a load of 1,000 N.
  • the coating layer 110 by ultra-high speed flame spraying unlike the conventional one, there are almost no pores in the cross section, so it shows the maximum density (full density), and even if there are pores, the porosity is about 0.1% to 1.0 The advantage is that it is only %.
  • the brake unit 100, the rotor 120, and the coating layer 110 have excellent adhesion, so the coating layer 110 has excellent adhesion even without additional heat treatment. can form.
  • the coating layer 110 is formed directly on the surface of the brake unit 100 and the rotor 120 without the formation of a bonding layer or an intermediate layer.
  • the braking unit 100 having the coating layer 110 on the surface of the rotor 120 can be obtained in one step without the need for an additional process of forming a bonding layer or an intermediate layer before, and due to such features, productivity and It has a favorable effect on price competitiveness.
  • the brake body 10 is not shown, but the first coating layer formed directly on the surface of the rotor 120 and the second coating layer formed on the surface of the first coating layer It is also possible to further include a coating layer.
  • the second coating layer may be made of an amorphous alloy having the same composition as the first coating layer, and may include coating layers having different ratios or porosity of amorphous phases formed by different coating methods.
  • the ratio of the amorphous phase of the first and second coating layers is different from each other, it is preferable that the ratio of the amorphous phase of the second coating layer exposed to the external environment is higher than the ratio of the amorphous phase of the first coating layer.
  • the porosity of the coating layer may vary depending on the coating method, but it is preferable that the porosity is small, and the porosity of the second coating layer is preferably smaller than or equal to the porosity of the first coating layer.
  • the coating layer 110 of the present invention may be formed on a partial region of the surface of the brake body 10 .
  • the coating layer 110 is preferably formed on at least a partial surface of a region in contact with the friction means 20 while rotating among the rotor 120 of the brake body 10, and is in contact with the friction means 20 of the braking device to be described later. It may be provided in at least a partial area with respect to the area.
  • the surface of the brake unit 100 may not be smooth depending on whether the coating layer 110 is formed. there is.
  • the area where the coating layer 110 is to be formed during the manufacture of the rotor 120 is in a depressed or depressed state than the area where the coating layer 110 is not formed.
  • the rotor 120 may be manufactured to have a different shape or a pattern 120 .
  • the brake body 10 may be manufactured so that the surface of the braking unit 100 has irregularities on the surface according to the shape of the coating layer 110 .
  • the coating layer 110 is provided to have a specific pattern on some surfaces of the rotor 120, irregularities on the surface may occur, and frictional heat may be efficiently radiated from the surface by these irregularities, so that the brake body 10 ) can be expected to improve the lifespan.
  • the coating layer 110 is patterned to form an annular region having an inner circumferential surface and an outer circumferential surface concentric with respect to the rotation axis of the brake body 10 along the center. To be provided on the surface of the rotor 120 . In addition, the patterned coating layer 110 may be provided as one or more unconnected regions.
  • a plurality of figures formed in a direction radiating from the rotation axis of the brake body 10 may be repeated and formed in a rotationally symmetrical shape.
  • the shape of each figure is not limited, but it is preferable that the figures are identical to each other, and it is preferable that the intervals between the figures are the same, and may be a spiral form radiating in a radial or spiral form.
  • the coating layer 110 When the coating layer 110 is provided in a partial area of the surface of the rotor 120, friction may occur simultaneously in the area where the coating layer 110 is formed and the area where the coating layer 110 is not formed with respect to the rotating brake body 10, and the coating layer 110 ) thickness and the surface structure of the rotor 120 of the brake body 10, it is possible to obtain the effect of forming irregularities on the surface of the surface or increasing the surface roughness, so the rotor 120 and the coating layer 110 having various surface structures ) can be used.
  • Another aspect of the present invention is a braking device for braking a machine driven including a drive shaft including the aforementioned brake body 10 .
  • the braking device includes a brake body 10 and a friction means 20 .
  • the friction means 20 is displaced toward the brake body 10 by receiving a force or signal during braking. At this time, the surface of the braking part 100 of the rotating brake body 10 and the friction means 20 come into contact with each other by the displacement of the friction means 20, and friction occurs to provide a braking force to the driven machine.
  • one or two or more friction means 20 may be provided, and the friction means 20 may be in contact with one side or both sides of the brake body 10 .
  • the friction means 20 may be provided one on each side of the brake body 10 , and may be simultaneously displaced in the direction of the brake body 10 to contact the brake unit 100 of the brake body 10 .
  • the friction means 20 is rubbed on at least one surface of the brake unit 100 of the brake body 10 by displacement, and at this time, rotational kinetic energy of the brake body 10 is converted into thermal energy by friction and braking is performed.
  • the shape, structure, and number of the friction means 20 may vary depending on the type and shape of the braking device. For example, in the case of a disc brake, one or two or more brake pads may be used as the friction means 20 .
  • the brake pads may be respectively coupled to a pair of backplates that can be moved in a slide manner, and the pair of brake pads may face each other and have a brake disc positioned therebetween.
  • the material of the brake pad is not limited, and organic, non-steel, low steel, steel-based, ceramic, resin or semi-metallic (non-asbestos-based) materials are not used.
  • metallic) material, etc. may be used.
  • the braking device includes other components in addition to the brake body 10 and the friction means 20, but in this specification, descriptions of components other than the brake body 10 and the friction means 20 are omitted, and generally Components of a general braking system that can be inferred by the technical level of the system may be included in the braking system of this aspect.
  • Examples 1 to 8 Brake body manufacturing using iron-based amorphous alloy powder
  • Examples 1 to 8 of iron-based amorphous alloy powder was prepared.
  • the fuel is oxygen and propane gas, and the spray distance is 30 cm.
  • a 0.3 mm thick coating layer 110 was formed on the surface of the brake disc made of cast iron with HVOF, High Velocity Oxygen Fuel). The equipment and specific conditions used at this time are as follows.
  • Example 1 Example 2
  • Example 3 Example 4
  • Example 5 Example 6
  • Example 7 Example 8 Fe (parts by weight) 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 Cr (parts by weight) 55.0 26.2 35.5 35.5 29.2 37.4 90.8 32.1 Mo (parts by weight) 84.0 36.4 64.5 64.5 50.2 41.1 - 7.9 C (parts by weight) 6.0 - 9.2 9.2 8.0 - - 0.5 B (parts by weight) - 4.2 - 10.3 9.2 4.0 13.6 2.7 Nb (parts by weight) - - - - - - - 2.5 Si (parts by weight) - - - - - - 5.3 - Cooling rate (degree/sec) 10 4 10 4 10 4 10 2 10 2 10 2 10 4 10 3 crystal state mostly amorphous mostly amorphous mostly amorphous mostly amorphous mostly amorphous mostly amorphous mostly amorphous mostly amorphous mostly
  • the coating layer 110 was formed in the same manner as in the embodiment using the prepared alloy powder.
  • the prepared coating layer 110 was found to be a crystalline coating layer 110 in which some amorphous phases exist together with a crystalline phase, or a crystalline phase is mostly.
  • Amorphous alloy samples having the same composition as those of Examples 6 to 8 and Comparative Examples 1 to 3 were prepared and the coefficient of thermal expansion was measured. The coefficient of thermal expansion was compared, and the coefficient of thermal expansion of cast iron was based on 10.2 ppm/°C.
  • the coating layer formed of the same alloy composition as in Examples 1, 4, 5, 7, 8 and Comparative Examples 1 to 3 was subjected to a metal ring-lump under lubricating oil conditions.
  • the wear width was obtained through the test.
  • the ring-lump test was performed using an MR-H3A high-speed ring-lump wear machine with L-MM46 hydromantic lubricant, and the test parameters ( parameters) were carried out in the order of 50N, 5min ⁇ 100N, 25min ⁇ 1000N, and 55min.
  • Example 1 0.001 ⁇ 0.007 0.0044 0.040 ⁇ 0.078 0.0692
  • Example 4 0.005-0.024 0.0127 0.007 ⁇ 0.095 0.0860
  • Example 5 0.006-0.028 0.0135 0.007 ⁇ 0.098 0.0882
  • Example 7 0.004 ⁇ 0.026 0.0131 0.004 ⁇ 0.099 0.0879
  • Example 8 0.006-0.031 0.0141 0.006 to 0.103 0.0896 Comparative Example 1 0.030 ⁇ 0.054 0.0419 0.101 ⁇ 0.119 0.1123 Comparative Example 2 0.008 ⁇ 0.047 0.0196 0.088 ⁇ 0.116 0.0913 Comparative Example 3 0.065 ⁇ 0.087 0.0820 0.098 to 0.111 0.1085
  • FIG. 3 is an image obtained by observing a non-corroded / corroded cross-section of a thermal spray coating layer specimen using an iron-based amorphous alloy powder of Examples 2, 5, and 7 according to the present invention with an optical microscope
  • Examples 2, 5, and 7 are observation images of the specimens
  • FIG. 4 is an image obtained by observing the non-corroded / corroded cross-section of the thermal spray coating layer specimen using the alloy powder of Comparative Examples 5, 6, and 7 with an optical microscope
  • (a) ⁇ (c) is an observation image of Comparative Examples 5, 6, and 7 specimens, respectively.
  • each of the thermal spray coating layer specimens was immersed in a sulfuric acid (H 2 SO 4 ) solution having a concentration of 95 to 98% at room temperature for 5 minutes, and then the uncorroded coating layer specimen and the corroded specimen were corroded using an optical microscope (Leica DM4 M). The cross-section and surface of the coating layer specimen were observed, and in FIGS. 3 and 4 , non-corrosive substances were shown on the left side, and corrosive substances were shown on the right side in FIGS. 3 and 4 .
  • H 2 SO 4 sulfuric acid
  • the coating layer is amorphous, in the case of the example, the coating layer does not react at all to the strong acid corrosive, whereas in the case of the comparative example containing crystalline, the coating layer reacts to the corrosive and corrodes, thereby exhibiting poor corrosion resistance.
  • brake body 20 friction means
  • braking unit 110 coating layer

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Abstract

본 발명에 따른 브레이크 바디는 회전운동 하는 브레이크 바디가 마찰수단에 의해 마찰되어 제동력을 발생시키는 접촉면에 철계 비정질 합금을 포함하여 이루어지는 코팅층이 형성되며, 코팅층은 마찰계수가 적어 제동 시 분진의 발생이 적고, 내부식 및 내마모성질이 우수하여 저비용으로 생산가능한 브레이크 모재에 적용 시 성능이 우수하면서 가격경쟁력이 우수한 것을 특징으로 한다.

Description

브레이크 바디 및 제동장치
본 발명의 일 측면은 차량 또는 구동장치에 사용될 수 있는 제동장치 및 이에 포함되는 브레이크 바디에 관한 것이다.
일반적으로 제동장치는 차량이나 기계 장치의 운전 속도를 조절하고 제어하기 위한 장치를 통칭하며, 제동력을 제공하는 메커니즘에 따라 크게 드럼 브레이크 및 디스크 브레이크가 포함된다.
드럼식 브레이크는 유체의 압력에 의하여 피스톤을 가압하고, 상기 피스톤의 움직임에 따라 브레이크 슈(brake shoe)가 드럼에 압착되어 제동력이 작용하는 것을 특징으로 하지만, 방열성능이 좋지 않으므로 최근 대부분의 차량에는 드럼식 브레이크보다 방열성능이 우수한 디스크 브레이크가 사용되는 추세이다.
디스크 브레이크에는, 회전체(디스크) 및 상기 회전체의 회전을 정지시키기 위한 브레이크 패드를 가지는 본체가 포함된다. 상기 디스크 브레이크는, 풍력발전용 브레이크 장치, 차량용 브레이크 장치 및 일반(건설)기계용 브레이크 장치 등에 사용될 수 있다.
차량에 사용되는 브레이크 장치는 차량의 성능 및 차량 탑승자들의 안전에 영향을 미칠 수 있는 부식, 마모 및 변형(distortion)과 같은 문제들에 취약하다. 예를 들어, 마찰 표면 상의 부식은 제동 중에 소음 및/또는 진동을 초래한다. 종래의 주철 브레이크 디스크는 이러한 부식 문제에 취약하고, 중량이 상대적으로 무거우며, 주철 브레이크보다 더 가벼운 브레이크 디스크는 차량의 스프링 하중량(unsprung weight)을 감소시키고, 차량의 개선된 핸들링과 같은 이점들을 제공할 수 있다. 따라서, 개선된 열, 마모 및 부식 특성들을 갖고 감소된 질량을 갖는 차량용 브레이크 디스크가 지속적으로 연구, 사용될 것으로 예상된다.
부식 및 마찰에 대한 내성을 향상시키고 개선된 특성을 갖게하기 위한 방법으로, 디스크 자체에 사용될 수 있는 새로운 소재를 연구하는 것보다 코팅 등 표면처리에 의한 표면특성을 개선시키는 것이 쉽고 경제적인 방법으로 많이 연구되고 있다. 차량 컴포넌트들을 코팅하기 위한 종래의 프로세스들은 종래의 열처리(예를 들어, FNC(ferritic-nitro carburizing))를 포함한다. 주철 브레이크 디스크를 염욕(salt bath)에 액침하는 열처리는 개선된 산화 및 내식성을 갖는 화학적으로 변형된 표면을 야기한다. 그러나, 이러한 프로세스는 전체 부품의 가열 및 급냉을 요구하고, 이는 열 변형(distortion)을 초래할 수 있다. 이 프로세스는 차량 컴포넌트들에 코팅된 표면을 제공할 수 있지만, 열 변형(distortion)은 치수 안정성 및 프로세스 중 스크랩 결과들에 악영향을 미친다.
다른 종래 기술의 방법은 알루미늄 코어와 스테인레스 강 시트들 사이에 확산 접합(diffusion bond)을 생성하기 위한 방법을 제공한다. 그러나, 확산 접합은 프로세스와 연관된 기술적 난제들 및 제한 들을 갖는다. 예를 들어, 확산 접합 시에 고압 롤링에 대한 요건은 이러한 프로세스의 평탄한 디스크에 대한 적용을 제한한다. 반대로, 임의의 형상의 재료들 및 컴포넌트들(예를 들어, 로터들)에 적용될 수 있는 프로세스를 갖는 것이 유용할 것이다. 또한, 확산은 통상적으로 상당한 시간 동안 높은 열 및 압력을 요구한다. 고압이 필요하지 않고 열이 베이스 재료의 최소 영역으로 이동하는 시간 효율적인 프로세스(Time-efficient processes)가 또한 유용할 것이다. 이러한 개선들이 바람직할 것이지만, 확산 접합 프로세스를 대체할 수 있는 프로세스, 예를 들어 분사된 금속의 사용으로 대체하는 것과 연관된 추가적인 난제들이 존재한다. 예를 들어, 관련 기술은, 금속 분사가 금속 베이스와 분사-코팅된 금속 사이의 분리로 인해 만족스러운 제품을 도출하지 않을 수 있음을 교시하는데, 구체적으로 분사-코팅된 금속은 조각들 내에서 벗겨질 수 있고, 예를 들어 확산 접합 프로세스에 따라 준비된 적층 시트의 일체성이 결여될 수 있다.
추가로, 새로운 코팅 방법들은 차량 부품 마모(예를 들어, 브레이크 로터 마모)의 새로운 표시자(indicator)들을 허용할 수 있다. 예를 들어, 관련 기술의 마찰 디스크는 내마모층 및 일체형 마모 표시를 특징으로 하여: 내마모층이 마모되는 경우 적어도 하나의 구별되는 특징, 색상 또는 질감을 갖는 표시 표면 엘리먼트가 노출되어 마찰 디스크가 노출되었음을 알린다. 그러나, 브레이크 마모 표시자는 브레이크 디스크에 직접 통합되지 않으며 장시간의 후처리가 요구된다. 금속에 직접 통합된 마모 표시자를 도출하는 새로운 코팅 방법들은 예를 들어 제조 프로세스들에서 상당한 효율을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 측면은, 부식 및 마모에 대한 개선된 내구성을 가져 분진 및 미세먼지의 배출이 저감되고, 수명이 연장되며, 제조비용을 절감할 수 있어 양산형 차량 등에 적용될 수 있는 브레이크 바디 및 이를 포함하는 제동장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면은 제동장치에 구비되는 브레이크 바디로서,
상기 브레이크 바디는 구동축에 연결되는 결합부; 및 상기 결합부의 외주면에 연결되는 로터와, 상기 로터의 표면에 구비되는 코팅층을 가지는 제동부; 를 포함하고, 상기 코팅층은 비정질 합금을 포함하고, 열팽창계수가 상기 로터의 열팽창계수의 1.0 배 내지 1.4 배인 브레이크 바디이다.
이떄때, 상기 비정질 합금은 Fe을 포함하고,
Cr, Mo 및 Co로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 제1성분; 및
B, C, Si 및 Nb로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 제2성분;을 포함하는 것이 좋고,
상기 로터는 철계 합금을 포함하는 것이 좋으며,
상기 코팅층은 100N 조건에서 측정한 평균마찰계수가 0.001 내지 0.08인 것이 좋고, 상기 코팅층의 비커스 경도는 700 내지 1,200Hv인 것이 바람직하다.
또, 상기 코팅층은 기공률이 0.1% 내지 1.0% 인 것이 좋고,
상기 코팅층의 두께는 50㎛ 내지 400㎛인 것이 좋으며,
상기 코팅층은 상기 로터의 표면에 철계 비정질 합금분말을 용사하여 구비되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 로터는 디스크 형태이고, 상기 디스크의 적어도 일측 표면에 상기 코팅층이 구비되는 브레이크 바디 또는,
상기 로터는 드럼 형태이고, 상기 로터의 내주면에 상기 코팅층이 구비되는 브레이크 바디인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면은, 구동축을 포함하여 구동되는 기계를 제동하는 제동장치로서,
구동 시 상기 구동축과 결합되어 회전하는 결합부와, 상기 결합부의 외주면에 연결되는 제동부를 가지는 브레이크 바디; 및
상기 제동 시에 상기 브레이크 바디를 향해 변위되어 상기 브레이크 바디와 접촉되고, 상기 제동부와 마찰되는 마찰수단; 을 포함하며,
상기 제동부는 상기 결합부와 연결되는 로터 및 상기 로터의 표면에 구비되는 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층의 열팽창계수는 상기 로터의 열팽창계수의 1.0 배 내지 1.4 배이고, 비정질 합금을 포함하는 제동장치이다.
이때, 상기 비정질 합금은,
Fe을 포함하고, Cr, Mo 및 Co로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 제1성분; 및
B, C, Si 및 Nb로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 제2성분;을 포함하는 것이 좋으며,
상기 로터는 철계 합금을 포함하는 것이 좋고,
상기 로터는 디스크 형태이고, 상기 로터의 적어도 일측 표면에 상기 코팅층이 구비되거나,
상기 로터는 드럼 형태이고, 상기 로터의 내주면에 상기 코팅층이 구비되는 제동장치인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 바디는 제동시 마찰이 일어나는 제동부에 비정질 합금 코팅층이 형성되어 종래 브레이크 바디 대비 표면에서 낮은 마찰계수를 가지므로 제동시 분진 및 미세먼지가 다량 발생하는 문제점을 방지할 수 있으며, 코팅층의 내마모성 및 내부식성이 향상되어 브레이크 바디의 수명이 개선되는 효과를 가진다.
또한, 비정질 합금을 가지는 코팅층이 구비되는 브레이크 바디를 제조하는 경우 양산형 브레이크 바디의 로터를 모재로 사용할 수 있으므로 낮은 생산 단가로 높은 품질의 브레이크 디스크를 생산할 수 있어 가격경쟁력이 우수하다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 철계 브레이크 바디 로터를 모재로하며 동일한 철계 조성의 비정질 합금 코팅층을 형성하므로 모재와 코팅층의 열팽창계수가 1 내지 1.4배로 유사하게 얻어질 수 있어 마찰열에 의한 박리, 결함의 발생이 적고, 모재의 표면에서 코팅층의 접합력이 우수한 장점이 있다.
또, 코팅층의 형성시 별도의 중간층이나 본딩층을 필요로 하지 않으므로 공정 및 생산 비용이 절감되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제동장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제동장치의 브레이크 바디를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예 및 비교예의 내식성 실험 전후의 코팅층의 변화를 촬영한 도면이다.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
여기서 1) 첨부된 도면들에 도시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 개략적인 것으로 다소 변경될 수 있다. 2) 도면은 관찰자의 시선으로 도시되기 때문에 도면을 설명하는 방향이나 위치는 관찰자의 위치에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 3) 도면 번호가 다르더라도 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호가 사용될 수 있다.
4) '포함한다(comprise, comprises, comprising), 갖는다, 이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 5) 단수로 설명되는 경우 다수로도 해석될 수 있다. 6) 형상, 크기의 비교, 위치 관계 등이 '약, 실질적' 등으로 설명되지 않아도 통상의 오차 범위가 포함되도록 해석된다.
7) '~후, ~전, 이어서, 후속하여, 이때' 등의 용어가 사용되더라도 시간적 위치를 한정하는 의미로 사용되지는 않는다. 8) '제1, 제2, 제3' 등의 용어는 단순히 구분의 편의를 위해 선택적, 교환적 또는 반복적으로 사용되며 한정적 의미로 해석되지 않는다.
9) '~상에, ~상부에, ~하부에, ~옆에, ~측면에, ~사이에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우 '바로'가 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다. 10) 부분들이 '~또는'으로 전기적으로 접속되는 경우 부분들 단독뿐만 아니라 조합도 포함되게 해석되나, '~또는, ~중 하나'로 전기적으로 접속되는 경우 부분들 단독으로만 해석된다.
본 명세서에서 "비정질"이라는 용어는 "비결정질" 또는 "비정질상" 의 의미를 포함하며, 고체 내에서 결정이 이루어지지 않은, 즉 규칙적인 구조를 가지지 않는 상(phase)을 말한다.
또한 본 명세서에서 철계 비정질 합금분말이란, 철이 가장 많은 중량비로 포함되며, 분말내 비정질상이 실질적으로 대부분을 차지하는 분말 형태의 합금을 포함한다.
본 발명의 일 측면인 브레이크 바디(10)는 장치나 기계에서 휠이 결합되는 회전축 또는 구동축에 결합되는 결합부(200)와, 결합부(200)의 외주면에 결합되는 제동부(100)를 포함하여 이루어지며, 결합부는 실질적으로 제동부와 회전축 또는 구동축을 연결하는 역할을 한다.
브레이크 바디의 형태는 사용되는 장치의 종류, 제동장치의 형태 및 방식에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들면 디스크 또는 드럼과 같이 중심축에 대하여 회전대칭성을 갖는 형태가 사용되며, 브레이크 바디(10)가 디스크형 또는 드럼형인 것이 바람직하다.
도 1은 디스크 형태의 브레이크 바디(10)인 브레이크 디스크를 포함하는 제동장치의 외관을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 브레이크 바디(10)를 나타낸 도면이다.
브레이크 바디(10)의 일 예시로써 브레이크 디스크는, 자동차, 원동기 및 기타 기계 장치와 같이 구동축 또는 차축(회전축)을 포함하여 작동하는 기계나 차량에 구비된다.
브레이크 바디(10)는 회전하는 구동축 또는 차축과 함께 회전되며, 제동장치의 작동시 회전하는 브레이크 바디(10)는 제동장치의 마찰수단(20)과 표면에서 마찰될 수 있다. 이때 브레이크 바디(10)는 마찰에 의한 저항을 받아 회전운동 에너지를 잃으며 그 회전속도가 감소되어 제동이 이루어진다.
브레이크 바디(10)의 결합부(200)는 허브라고도 불리며, 휠(wheel)의 구동축 또는 차축에 연결되어 브레이크 바디(10)을 회전시키는 부분이다. 결합부(200)가 구동축 또는 차축에 결합, 연결됨으로써, 자동차에서 엔진에 의해 발생되어 휠로 전달되는 회전운동 에너지가 브레이크 바디(10)에 전달될 수 있다.
결합부(200)는 구동축 또는 차축과의 결합을 위하여 나사와 같은 체결수단이 결합될 수 있는 체결공이 구비되는 본체와, 상기 본체에 연결되며 일 측면으로 돌출되는 형태의 햇파트(hat-part)를 포함할 수 있다.
브레이크 바디(10)의 결합부(200)는 원형의 외주면을 가지고, 결합부(200)의 크기는 제한되지 않으며, 제동장치가 사용되는 장치 또는 차량, 제동장치의 크기에 따라 결합부(200)의 크기가 달라질 수 있다.
브레이크 바디(10)에서 결합부(200)의 외주면에 결합되는 제동부(100)는 결합부(200)의 외주면에 연결되어 구동축 또는 차축과 함께 회전되는 로터(Rotor)와, 로터(120)의 표면에 구비되는 코팅층(110)을 포함하여 이루어지는 것이 좋다.
여기에서 로터(120)는 구동축 또는 차축으로부터 브레이크 바디(10)에 전달되는 회전운동 에너지를 받아 회전하는 구성요소로서, 일반적으로 브레이크 바디(10)의 외관을 구성하며, 내부에 관통홀을 구비하는 링 형태나 내부에 관통홀을 포함하는 원통의 드럼 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 바디(10)는 도 2와 같이 디스크 형태의 브레이크 바디(10)로서, 로터는 내부에 관통홀을 구비하는 링 형태의 판재이며, 로터의 중앙에 위치한 관통홀은 원형의 내주면에서 전술한 결합부(200)의 외주면과 결합될 수 있다.
도면에 구체적으로 도시되지 않았지만, 제동부(100)의 로터(120)에서 로터(120)의 내주면과 결합부(200)의 외주면은 일체로 연결될 수 있다. 또한, 로터와 결합부는 하나 이상의 기둥(strut)구조를 구비하며 연결되어 음각부 또는 홀이 결합부 외주면과 로터 내주면 사이에서 형성되는 구조를 형성하며 연결될 수 있다.
제동부(100)는 디스크 또는 드럼형태를 가지는 로터(120) 및 로터(120)의 표면에 구비되는 코팅층(110)을 포함할 수 있으며, 도 2에 도시된 것과 같이 디스크 형태의 로터(120)의 표면에 코팅층(110)이 구비되는 것이 좋다.
여기에서, 로터(120)의 소재는 특별히 제한되지 않으나, 일반적으로 저렴한 비용으로 제조될 수 있는 철계 합금, 알루미늄 합금 또는 세라믹 소재 등으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 주철이나 회주철과 같은 철계 금속이 사용되는 것이 바람직하다. 철계 합금을 포함하는 로터(120)는 가격경쟁력에서 유리하고, 브레이크 바디(10)의 Run-out 및 DTV 사양을 포함하여 일반적으로 제동장치에 사용되기 위하여 요구되는 기준이나 규격을 만족하도록 제조된다.
제동부(100)가 로터(120) 표면에 구비되는 코팅층(110)을 포함함으로써, 브레이크 바디(10)의 성능은 제동부(100)의 표면에 형성된 코팅층(110)의 표면특성과 제동부(100)와 코팅층(110)의 소재간의 관계에 큰 영향을 받을 수 있다. 구체적으로, 코팅층(110)의 표면 마찰계수, 조도에 의해 제동장치의 성능이나 미세먼지 발생정도가 달라질 수 있고, 코팅층(110)과 제동부(100)의 열전도도, 열팽창계수, 접합강도 관계 등에 따라 제동장치의 수명 등이 달라질 수 있다.
본 발명의 일 예시에 따른 브레이크 바디는 제동장치의 구조 및 형태, 제동방식에 따라 마찰이 주로 일어나는 부분이 다를 수 있으며, 제동부(100)의 적어도 일부 면 또는 제동부(100)의 일부 면과 결합부(200)의 일부 면에서 제동시 마찰이 일어나는 구조의 브레이크가 본 발명의 브레이크 바디에 포함될 수 있다.
이하에서는 제동부(100)에서 마찰에 의한 제동이 이루어지는 브레이크 디스크에 대하여 예를 들어 설명하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 결합부(200)의 일부 면에 코팅층(110)이 구비되거나, 제동시 결합부(200)의 일부면에서 마찰이 이루어지는 브레이크 바디(10)도 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.
제동부(100)의 로터(120)는 브레이크의 온도가 높아지는 경우에 브레이크액이 끓어 기포가 생기는 베이퍼록 현상을 방지하기 위하여 로터의 양 측면의 사이에 냉각을 위한 구멍 또는 요철을 더 포함하여 이루어질 수 있고, 예를 들어 로터(120)가 디스크 형태이고 로터(120)에 구비되어 양측면을 관통하는 복수개의 구멍을 포함하는 벤틸레이티드(타공) 디스크가 로터(120)로 사용될 수 있다.
로터(120)의 표면에 구비되는 코팅층(110)은 브레이크 바디(10)의 제동부(100) 표면특성을 향상시킬 수 있으며, 더욱 자세하게는 제동부(100)의 표면에서 경도가 증가되고, 내마모성 및 내부식성과 브레이크 디스크의 수명이 향상되며, 표면에서 마찰계수를 낮춰 제동 시 발생하는 분진 및 미세먼지의 양이 저감될 수 있어 분진 및 미세먼지 배출면에서 장점을 갖는다.
코팅층(110)은 제동부(100) 로터(120)의 일측 표면 또는 양측 표면에 구비될 수 있으며, 제동장치의 형태 및 작동방식에 따라 로터(120)에서 코팅층(110)이 구비되는 면의 위치 및 수, 코팅층(110)이 구비되는 코팅면적이 달라질 수 있다.
로터(120)가 디스크 형태로 이루어지는 경우, 코팅층(110)은 디스크 형태의 로터의 적어도 일측 표면에 구비되는 것이 좋으며, 로터(120)가 원통형의 드럼 형태로 이루어지는 경우, 코팅층(110)은 드럼형태의 로터 내주면의 적어도 일 영역에 구비되는 것이 좋다.
이는, 디스크 형태의 로터(120)를 갖는 브레이크 바디(10)에 대하여 제동장치의 마찰수단(20)이 브레이크 바디(10)의 외부에서 일측 또는 양측 표면에 구비되는 것이 좋고, 드럼 형태의 로터(120)를 갖는 브레이크 바디(10)에 대하여 제동장치의 마찰수단(20)이 드럼형태의 로터(120) 내부에 구비되는 것이 좋기 때문이다.
코팅층(110)의 두께는 코팅층(110)의 성분 및 코팅 조건에 따라 다르게 형성될 수 있으나 50㎛ 내지 400㎛의 두께로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 100㎛ 내지 300㎛ 일 수 있다.
코팅층(110)이 해당 범위보다 얇게 형성되는 경우 코팅층(110)의 형성 효과가 불충분하거나 수명이 짧아질 수 있으며, 해당 범위보다 두꺼운 코팅층(110)이 형성되는 경우 경제성이 떨어지는 문제점이 있을 수 있다.
코팅층(110)은 비정질상을 가지는 비정질합금이 포함되는 비정질합금 코팅층(110)인 것이 좋다. 비정질합금 코팅층(110)을 이루는 비정질합금은 Fe을 포함하는 철계 비정질합금인 것이 바람직하다.
철계 비정질합금의 조성으로는 Fe 을 주요 성분으로 포함하고, Cr, Co 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 제1성분과, B , C, Si 및 Nb로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 제2성분을 포함하며, 이때 바람직하게는 제2성분이 B, C, Si 및 Nb 중 적어도 둘 이상일 수 있다.
보다 구체적으로는, 합금에 포함되는 Fe 100 중량부에 대하여, 철계 합금은 제1성분을 30 내지 140 중량부, 바람직하게는 35 내지 100 중량부, 더욱 바람직하게는 40 내지 92 중량부로 포함하는 것이 좋다.
제1성분으로 포함될 수 있는 Cr, Mo 및 Co 중 철계 합금은 제1성분으로 Cr을 필수적으로 포함하는 것이 좋으며, Mo을 Fe 100 중량부에 대하여 18.0 중량부 이하, 바람직하게는 10.0 중량부 이하로 포함하는 것이 좋다.
또한, Fe 계 합금이 Cr 을 포함하는 경우 Cr의 함량은 Mo의 함량의 3배 이상, 바람직하게는 4배 이상인 것이 좋고, 이는 Mo이 제1성분으로 포함되지 않는 경우까지 포함한다.
철계 합금에서 Mo의 함량이 해당 중량부 범위를 만족하고, Cr과 Mo의 함량이 전술한 비율을 만족하는 경우, 철계 합금의 비정질형성능이 향상되어 비정질상을 주로 포함하는 합금 코팅층(110)을 형성할 수 있으며, 코팅층(110)의 내마모 특성이 향상되는 유리한 효과가 있다.
철계 합금은 Fe 100 중량부에 대하여, 제2성분을 4 내지 20 중량부, 바람직하게는 5 내지 19 중량부로 포함하는 것이 좋다.
이때, 철계 합금은 제2성분으로 B, C, Si 및 Nb 중 적어도 둘 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 제2성분으로 Si, Nb 또는 Si와 Nb 둘 다를 포함할 수 있다. 즉, Si 및/또는 Nb를 포함할 수 있다. 철계 합금이 제2성분으로 Si, Nb 또는 Si와 Nb 모두를 포함하는 경우, Si 또는 Nb는 각각 9 중량부 이하, 바람직하게는 1.5 내지 8.0 중량부, 더욱 바람직하게는 2.0 내지 6.0 중량부로 포함되는 것이 좋다.
철계 합금의 제2성분으로 Si, Nb 또는 SI와 Nb 모두를 포함하고, 포함되는 Si 또는 Nb가 각각 전술한 중량부 범위로 포함되는 경우, 철계 합금의 비정질형성능이 향상되어 비정질상을 주로 포함하는 합금 코팅층(110)을 형성할 수 있으며, 코팅층의 내마모 특성이 향상되는 유리한 효과가 있다.
또, 본 발명은 W, Y, Mn, Al, Zr, Ni, Sc 및 P로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 제3성분을 추가로 더 포함할 수 있다.
이때, Fe 100 중량부에 대하여, 추가되는 제3성분의 총합은 1.125 중량부 미만, 바람직하게는 1.0 중량부 이하, 더욱 바람직하게는 0.083 중량부 이하로 포함되는 것이 좋다.
또한, 제3성분은 Fe 100 중량부에 대하여, 각각 0.9 중량부 이하, 0.05 중량부 이하로 포함되는 것이 바람직하며, 해당 범위보다 높은 함량으로 포함되면 비정질형성능이 현저하게 감소되는 문제가 발생할 수 있다.
철계 합금이 제1성분 및 제2성분을 해당 범위로 포함하거나, 제1성분 내지 제3성분을 해당 범위로 포함하면서 비정질형성능이 우수한 조성을 가지는 경우, 해당 조성의 철계 합금이 본 발명의 비정질 합금으로 사용될 수 있으며, 제1 내지 제3성분의 중량부 범위가 전술한 범위를 벗어나는 경우 비정질형성능이 저하되어 표면에서의 기계적 특성이 저하되거나 마찰계수가 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
이와 같은 비정질 형성능은 각각의 원소들의 원자 사이즈(atomic size) 차이, 패킹비(packing ratio), deep eutectic과 반응 엔트로피(entropy) 차이에 기인하여 가지는 것으로 판단된다.
비정질합금 코팅층(110)을 이루는 비정질합금에서 주성분으로 포함되는 철(Fe)은 비정질합금 코팅층(110)이 구비되는 로터(120)를 구성하는 소재에도 포함될 수 있다. 구체적으로, Fe을 높은 비율로 포함하는 주철 또는 철계 합금이 로터(120)의 소재로 사용되는 경우, 로터(120)와 비정질합금 코팅층(110)의 열팽창계수가 유사한 값을 가질 수 있으므로, 제동장치의 작동 시 마찰에 의한 큰 온도변화에도 모재로부터 비정질합금 코팅층(110)이 박리되거나 계면에서의 손상이 발생하지 않는다.
이때, 비정질합금 코팅층(110)에 포함되는 비정질 합금의 열팽창계수(A)는 제동부(100) 로터(120)의 열팽창계수(B)와 유사하며, 그 비율(A/B)은 1.0배 내지 1.4배 일 수 있고, 바람직하게는 1.0배 내지 1.3배일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1.2 내지 1.25 배일 수 있다.
열팽창계수의 비율이 해당 범위보다 작거나 큰 경우, 제동부(100)와 코팅층(110)의 열팽창계수 차이가 커지게 되어 제동시 발생하는 마찰열에 의한 잦은 온도변화 조건에서 모재와 코팅층(110) 사이의 결합이 약해지거나 코팅층(110)의 수명이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
제동부(100)와 코팅층(110)의 열팽창계수의 차이가 작은 특징으로 인하여 브레이크 바디(10)는 코팅층(110)의 형성 시 로터와 코팅층의 사이에 본딩층(bonding layer) 또는 중간층(intermediate layer)을 포함하지 않을 수 있으며, 코팅층(110)의 형성 시 열처리 공정이 포함되지 않는 경우에도 균일한 두께와 성질의 코팅층(110)이 브레이크 바디(10)의 로터(120) 표면에 직접 형성될 수 있다.
이와 같은 특징으로 인해 브레이크 바디(10)의 로터(120)에 코팅층(110)을 형성하는 경우, 별도의 본딩층 또는 프라이머층이 필수적으로 요구되지 않고 제동부(100) 상에 직접 코팅층(110)을 형성하는 것이 가능하며, 코팅 및 생산공정이 간소화되고 제조단가가 절감되는 장점을 가진다.
한편, 코팅층(110)의 표면에서는 제동시 마찰에 의한 제동력이 발생될 수 있다. 브레이크 바디(10)의 회전 운동에너지는 제동 시 마찰에 의한 열에너지로 전환되며 제동력을 제공할 수 있다.
이때, 코팅층(110)의 표면 마찰계수는 100N의 하중에서 0.001 μ 내지 0.08 μ, 바람직하게는 0.001 내지 0.05 μ이고, 1,000N의 하중에서 0.06 μ 내지 0.12 μ, 바람직하게는 0.06 내지 0.10 μ일 수 있다.
코팅층(110)의 표면 마찰계수가 해당 범위보다 큰 경우 제동시 마찰에 의한 미세먼지 발생 및 발열량이 증가하는 문제가 있을 수 있고, 표면 마찰계수가 해당 범위보다 작은 경우 제동장치의 제동성능이 나빠지는 문제가 있을 수 있다.
또한, 코팅층(110)의 표면 조도는 제동장치에 함께 사용되는 마찰수단(20), 예를 들어 브레이크 패드 등의 소재와 성능에 따라 달라질 수 있으나, 산술평균조도(Ra) 값이 0.03 내지 0.5 범위가 수 있고, 바람직하게는 0.3 내지 0.4로 인 것이 좋다.
코팅층(110)의 산술평균조도(이하, 조도)가 해당 범위보다 낮은 경우 표면에서의 마찰계수가 낮아지거나 마찰력이 충분히 발생하지 않을 수 있으며, 조도가 해당 범위보다 높은 경우 표면 마모 및 미세먼지 발생이 증가하는 문제가 있을 수 있다.
철계 비정질 합금으로 이루어지는 코팅층(110)의 형성시, 코팅층(110)의 형성 방법은 제한되지 않으나, 해당 합금의 조성범위로 이루어지는 비정질 합금분말을 사용하는 코팅방법에 의해 코팅층이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 코팅층(110)은 쇼트피닝 혹은 샷피닝(shot peening) 공정에 의해 그 표면이 가공되어 마찰계수나 조도가 적절한 범위로 제어될 수 있고, 압축응력에 의한 내마모성, 피로인성 등이 향상될 수 있다.
용사코팅 방식에 의해 코팅층(110)을 형성하는 경우에는 철계 비정질 합금분말이 사용될 수 있다. 비정질 합금분말은 아토마이징 방법으로 합금을 분말형태로 제조할 때, 비정질상의 비율이 90% 이상, 바람직하게는 95% 이상, 97% 이상, 99% 이상, 99.9% 이상, 실질적으로 100% 포함되는 비정질상의 비율이 높은 분말이다. 즉, 냉각속도에 따라 전술한 바와 같은 높은 비율의 비정질상을 가진 철계 비정질 합금분말이 제조된다.
철계 비정질 합금 코팅을 위한 합금재료는 다양한 형상으로 제조될 수 있으나, 분말 형태로 제조되는 것이 좋고, 비정질 합금분말로는 구형도가 높은 분말이 사용되는 것이 바람직하다.
철계 비정질 합금분말은 전술한 코팅층(110)과 동일한 조성을 타겟 조성으로 하여 제조되는 것이 좋으며, 전술한 코팅층(110) 합금의 조성과 동일한 조성을 갖는 합금분말이 사용될 수 있다. 합금분말의 제조시 타겟조성으로 계산된 중량의 원료를 투입해 용융시켜 조성물을 제조하는데, 이때 투입되는 원료의 순도, 용융시 일부 원소가 기화되는 현상 등에 의하여 타겟조성과 실제조성이 일부 차이가 발생할 수 있으며, 타겟 조성 또는 실제 조성이 본 명세서의 합금 조성에 포함되는 경우 본 발명의 코팅층(110) 또는 합금분말과 동일한 조성으로 볼 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 철계 비정질 합금분말은 높은 비정질상의 비율로 인해서 자체적으로도 밀도, 강도, 내마모성, 내마찰성 및 내식성 등의 특성이 우수하다.
본 발명의 실시예에 따라 제조되는 철계 비정질 합금분말은 평균입도가 1㎛ 내지 150㎛ 범위 내일 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니며, 용도에 따라 시빙 처리를 통해 분말 사이즈를 조절할 수 있다.
일례로, 용사코팅을 수행하고자 하는 경우, 대상 철계 비정질 합금분말은 시빙 처리를 통해 분말 사이즈를 15㎛ 내지 45㎛ 범위로 조절하여 사용될 수 있고, MIM(분말 사출)을 수행하고자 하는 경우, 대상 철계 비정질 합금분말은 시빙 처리를 통해 분말 사이즈를 20㎛ 이하로 조절하여 사용될 수 있다.
철계 비정질 합금분말은 재용융 또는 고온에 노출된 후 다시 냉각되어 고화되더라도 전술한 비정질 비율을 유지한다. 이때, 아토마이징 방법에 의해 제조된 철계 비정질 합금분말 내의 비정질의 비율(a)과 철계 비정질 합금분말을 그 합금의 용융점 이상으로 용융한 후 재냉각하여 만들어진 합금의 비율(b)은 다음 식을 만족한다.
(식 1)
0.9 ≤ b/a ≤ 1
여기서 상기 (b)를 도출하기 위해 철계 비정질 합금분말을 그 합금의 용융점 이상으로 용융한 후 재냉각하여 합금을 제조하는 방식으로는, 일례로 용사코팅, 3D 프린팅, 야금 등을 비롯한 통상의 주조 방식이 해당할 수 있다.
또한, 상기 (식 1)의 b/a 비율은 바람직하게는 0.95 내지 1일 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.98 내지 1일 수 있으며, 보다 더 바람직하게는 0.99 내지 1 일 수 있다.
한편, 코팅층(110)의 형성시 브레이크 바디(10)의 로터(120)를 표면처리 한 후 코팅층(110)을 형성하는 단계가 코팅층의 형성 전에 진행될 수 있고, 표면처리를 통해 로터의 표면을 정돈하거나 코팅층과 로터의 결합이 균일하게 형성될 수 있다.
코팅층의 코팅방법으로는 용사코팅 또는 레이저 클레딩을 포함하여 통상의 기술자가 동일한 조성과 두께를 가지는 비정질 합금 코팅층(110)을 형성하기 위하여 사용할 수 있는 코팅방법이 모두 사용될 수 있다. 일례로, 철계 비정질 합금분말은 용사 코팅 공정에 적용되어 로터(120)상에 비정질 코팅층(110)을 형성할 수 있다.
용사(spray)는 금속이나 금속 화합물을 가열해 미세한 용적 형상으로 형성시켜 가공물의 표면에 분무, 밀착시키는 방법으로 초고속 화염용사 코팅(HVOF), 플라즈마 코팅, 레이저 클래딩 코팅, 일반 화염용사 코팅, 디퓨전 코팅 및 콜드 스프레이 코팅, 진공 플라즈마 코팅(VPS, vacuum plasma spray), 저압 플라즈마 코팅(LPPS, low-pressure plasma spray) 등이 이에 속한다.
본 발명의 실시예에 따른 철계 비정질 합금분말은 매우 높은 냉각속도를 확보하지 않더라도 비정질을 형성하는 비정질 형성능이 우수하므로 전술한 코팅층(110)을 형성하는 공정을 사용더라도 비정질의 비율이 코팅층(110)에서 낮아지지 않는다.
즉, 비정질상의 비율이 90% 이상, 99% 이상, 99.9% 이상, 실질적으로 100% 포함되는 높은 분말인 본 발명의 철계 비정질 합금분말이 용사의 재료로 사용되는 경우, 코팅층은 비정질상을 전체 구조에 대하여 90% 이상, 95% 이상, 97%이상, 99% 이상, 99.9% 이상 또는 실질적으로 100 부피%로 포함하기 때문에, 물성이 매우 우수하다.
특히, 본 발명의 합금분말로 초고속 화염 용사 코팅을 수행하는 경우에는, 비정질 비율이 실질적으로 그대로 유지되기 때문에 물성 향상 정도가 극대화된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 철계 비정질 합금분말은 측정시 밀도(coating density)가 98~99.9%로 매우 높아 기공을 통해서 부식물의 침투가 억제된다.
용사 코팅용으로 사용되는 합금 분말의 입도는 10㎛ 내지 100㎛, 바람직하게는 15㎛ 내지 55㎛로서, 상기 합금분말의 입도가 10㎛ 미만인 경우, 용사 코팅 공정상 작은 입자들이 용사 코팅 건(gun)에 달라붙어 작업 효율성이 저하될 우려가 있고, 100㎛를 초과하는 경우에는 완전히 용해되지 못하고 모재에 부딪혀(즉, 코팅층을 형성하지 못하고 바닥으로 떨어져) 코팅 생산성 및 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 철계 비정질 합금분말을 포함하는 코팅층(110)의 비커스 경도는 700 내지 1,200Hv(0.2), 바람직하게는 800 내지 1,000Hv(0.2)이고, 마찰계수(내마찰성)는 100N의 하중에서 0.001㎛ 내지 0.08㎛, 바람직하게는 0.05㎛ 이하이고, 1,000N의 하중에서 0.06㎛ 내지 0.12㎛, 바람직하게는 0.10㎛ 이하이다.
특히, 초고속 화염용사에 의한 코팅층(110)의 경우, 기존과 달리 단면적(cross section)에 기공이 거의 존재하지 않아 최대 밀도(full density)를 나타내며, 기공이 존재하더라도 그 기공율이 약 0.1% 내지 1.0%에 불과한 장점이 있다.
초고속 화염용사 코팅이 수행되면 여러 번의 패스(path)가 쌓이는 구조가 모재 상에 형성되고, 구체적으로 각 층에 주로 검은색을 가지는 산화물이 쌓이며, 파도 물결과 같은 형상으로 다수의 층이 적층된다. 통상의 경우, 이로 인해 코팅층(110)의 성질이 저하되고, 취약해지나, 본 발명의 경우에는 코팅층(110)에 기공 및 산화막이 적어 초고밀도를 나타내게 되고, 코팅층(110)의 성능 향상이 이루어진다.
용사 코팅 방식으로 코팅층(110)의 형성시 제동부(100) 로터(120)와 코팅층(110)의 접착력이 우수하게 형성되므로, 추가적인 열처리 등의 공정을 포함하지 않더라도 우수한 접착력을 가지는 코팅층(110)을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예인 브레이크 바디(10)는 제동부(100) 로터(120)의 표면에 본딩층 또는 중간층의 형성 없이 직접 비정질 합금 코팅층(110)이 형성되므로, 코팅층(110)을 형성하는 공정 이전에 본딩층 또는 중간층을 형성하는 추가적인 공정이 필요하지 않고 하나의 단계로 로터(120)의 표면에 코팅층(110)이 구비된 제동부(100)를 얻을 수 있으며, 이와 같은 특징으로 인하여 생산성 및 가격경쟁력에서 유리한 효과를 갖는다.
또한, 로터(120)의 표면에 코팅층(110)을 형성시, 브레이크 바디(10)는 도시되지 않았지만 로터(120)의 표면에 직접 형성되는 제1코팅층과 제1코팅층의 표면에 형성되는 제2코팅층을 더 포함하는 것도 가능하다.
제2코팅층은 제1코팅층과 서로 동일한 조성의 비정질 합금으로 이루어질 수 있으며, 서로 다른 코팅방법에 의하여 형성되어 비정질 상의 비율 또는 기공율이 다른 코팅층이 포함될 수 있다.
제1 및 제2코팅층의 비정질 상의 비율이 서로 다른 경우, 외부의 환경에 노출되는 제2코팅층의 비정질 상의 비율이 제1코팅층의 비정질 상의 비율보다 높은 것이 좋다. 코팅층의 기공율은 코팅 방식에 따라 달라질 수 있으나 기공율이 작게 형성되는 것이 바람직하고, 제2코팅층의 기공율이 제1코팅층의 기공율보다 작거나 같은 것이 좋다.
또한, 본 발명의 코팅층(110)은 브레이크 바디(10)의 표면의 일부 영역에서 형성될 수 있다. 코팅층(110)은 브레이크 바디(10)의 로터(120) 중 회전하며 마찰수단(20)과 접촉되는 영역의 적어도 일부 면에 형성되는 것이 좋으며, 후술할 제동장치의 마찰수단(20)과 접촉되는 영역에 대하여 적어도 일부 영역에 구비될 수 있다.
예를 들면, 브레이크 바디(10)의 로터(120) 표면 중 코팅층(110)이 일부 영역에 구비되는 경우, 코팅층(110)의 형성 여부에 따라 제동부(100)의 표면이 매끄럽지 않게 얻어질 수 있다.
제동부(100)의 전체 표면을 평평하게 구성하기 위하여 로터(120)의 제조시 코팅층(110)이 형성되어야 하는 영역은 코팅층(110)이 형성되지 않은 영역보다 함몰되거나 패인 상태가 되도록 미리 로터(120)의 형태를 달리하거나 패턴을 가지게 로터(120)를 제조할 수 있다.
또, 코팅층(110)의 두께를 조절하여 제동부(100)의 표면이 코팅층(110)의 형태에 따라 표면에서의 요철을 가지도록 브레이크 바디(10)가 제조될 수 있다.
코팅층(110)이 로터(120)의 일부 표면에서 특정 패턴을 가지도록 구비되는 경우, 표면에서의 요철 등이 발생할 수 있으며, 이러한 요철에 의해 표면에서 마찰열이 효율적으로 방출될 수 있으므로 브레이크 바디(10)의 수명이 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
예시로서는 코팅층(110)은 중심을 따라 내주면과 외주면이 브레이크 바디(10)의 회전축에 대하여 동심원의 형태를 갖는 고리형태의 영역을 이루도록 패터닝된 코팅층(110)이 로터(120)의 표면에 구비될 수 있으며, 패터닝된 코팅층(110)은 연결되지 않은 하나 이상의 영역으로 구비될 수 있다.
코팅층(110) 패턴의 다른 예시로는 브레이크 바디(10)의 회전축으로부터 방사되는 방향으로 형성된 도형이 복수개 반복되어 회전대칭으로 배치되는 형태로 형성될 수 있다. 이 때 각 도형의 형태는 제한되지 않으나 서로 동일한 것이 바람직하며, 각 도형 사이의 간격을 동일한 것이 좋고, 방사형 또는 나선 형태로 방사되는 스파이럴 형태일 수 있다.
코팅층(110)이 로터(120) 표면의 일부 영역에서 구비되는 경우에 회전하는 브레이크 바디(10)에 대하여 코팅층(110)이 형성된 영역과 형성되지 않은 영역에서 동시에 마찰이 발생할 수 있고, 코팅층(110)의 두께와 브레이크 바디(10) 로터(120)의 표면구조에 의하여 표면의 면에 요철이 형성되거나 표면 조도가 증가하는 효과를 얻을 수 있으므로, 다양한 표면 구조를 가지는 로터(120)와 코팅층(110)의 패턴이 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 전술한 브레이크 바디(10)를 포함하여 구동축을 포함해 구동되는 기계 등을 제동하는 제동장치이다. 도 1에 도시한 것과 같이 제동장치는 브레이크 바디(10) 및 마찰수단(20)을 포함하여 이루어진다.
마찰수단(20)은 제동시 힘이나 신호를 전달받아 브레이크 바디(10)를 향하여 변위된다. 이때 마찰수단(20)의 변위에 의해 회전하는 브레이크 바디(10)의 제동부(100) 표면과 마찰수단(20)이 서로 접촉하고, 마찰이 일어나 구동되는 기계에 제동력을 제공한다.
제동장치에서 마찰수단(20)은 하나 또는 2 이상이 구비될 수 있으며, 마찰수단(20)은 브레이크 바디(10)의 일 측면 또는 양 측면에서 접촉될 수 있다. 예를 들어 마찰수단(20)은 브레이크 바디(10)의 양 측면에 하나씩 구비되며, 브레이크 바디(10) 방향으로 동시에 변위되어 브레이크 바디(10)의 제동부(100)와 접촉될 수 있다.
마찰수단(20)은 변위에 의해 브레이크 바디(10) 제동부(100)의 적어도 일 면에서 마찰되며, 이 때 브레이크 바디(10)의 회전운동에너지가 마찰에 의한 열에너지로 변환되며 제동이 이루어진다.
마찰수단(20)은 제동장치의 종류 및 형태에 따라 형태와 구조, 개수가 달라질 수 있으며, 예를 들어, 디스크 브레이크의 경우 마찰수단(20)으로 하나 또는 둘 이상의 브레이크 패드가 사용될 수 있다.
이 때, 브레이크 패드는 슬라이드 방식으로 이동될 수 있는 한 쌍의 백플레이트에 각각 결합되어 구성될 수 있으며, 한 쌍의 브레이크 패드는 서로 마주 보며 사이에 브레이크 디스크가 위치하도록 구비될 수 있다.
브레이크 패드의 소재는 제한되지 않으며, 석면계 소재를 사용하지 않는 유기질(Organic), 논-스틸계(Non-steel), 로스틸계(Low steel), 스틸계, 세라믹, 레진 또는 세미 메탈릭(semi-metalic) 소재 등이 사용될 수 있다.
제동장치는 브레이크 바디(10) 및 마찰수단(20) 외에도 다른 구성요소를 포함하여 이루어지나, 본 명세서에서는 브레이크 바디(10) 및 마찰수단(20) 이외의 구성요소에 대한 설명은 생략하였으며, 통상의 기술 수준에 의해 유추될 수 있는 일반적인 제동장치의 구성요소가 본 측면의 제동장치에 포함될 수 있다.
실시예
실시예 1 내지 실시예 8: 철계 비정질 합금분말을 이용한 브레이크 바디 제조
하기 표 1과 같은 성분과 중량비(weight ratio) 조성으로, 질소 가스 분위기 하의 아토마이저 내에 공급한 후, 용융 상태로 아토마이즈시키고 하기 표 1에 기재한 냉각 속도로 냉각하여 실시예 1 내지 실시예 8의 철계 비정질 합금분말을 제조하였다.
이후, 실시예 1 내지 8의 철계 비정질 합금분말을 사용하여 장비명(Oerlikon Metco Diamond Jet series HVOF gas fuel spray system)으로, 연료는 산소와 프로판가스를 사용하고, 스프레이 거리는 30cm로 하여 초고속 화염용사(HVOF, High Velocity Oxygen Fuel)로 0.3mm 두께의 코팅층(110)을 주철 소재의 브레이크 디스크 표면에 형성하였다. 이때 사용된 장치 및 구체적인 조건은 아래와 같다.
DJ Gun HVOF
[조건] Gun type: Hybrid, 에어 캡: 2701, LPG 유량(LPG Flow) 160 SCFH, LPG압(LPG Pressure) 90 PSI, 산소 유량(Oxygen flow) 550 SCFH, 산소압(Oxygen Pressure) 150 PSI, 기류량(Air flow) 900 SCFH, 기류압(Air Pressure) 100 PSI, 질소 유량(Nitrogen flow) 28 SCFH, 질소압(Nitrogen Pressure) 150 PSI, Gun speed: 100 m/min, Gun pitch: 3.0mm, 피더 속도(Feeder rate) 45 g/min, Stand-off distance: 250mm
구분 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 실시예7 실시예8
Fe (중량부) 100 100 100 100 100 100 100 100
Cr (중량부) 55.0 26.2 35.5 35.5 29.2 37.4 90.8 32.1
Mo (중량부) 84.0 36.4 64.5 64.5 50.2 41.1 - 7.9
C (중량부) 6.0 - 9.2 9.2 8.0 5.6 - 0.5
B (중량부) - 4.2 - 10.3 9.2 4.0 13.6 2.7
Nb (중량부) - - - - - - - 2.5
Si (중량부) - - - - - - 5.3 -
냉각속도(degree/sec) 104 104 104 102 102 102 104 103
결정 상태 주로 비정질 주로 비정질 주로 비정질 주로 비정질 주로 비정질 주로 비정질 주로 비정질 주로 비정질
*분말평균직경 31 27 30 33 31 29 32 29
* D50(단위: ㎛)
비교예
비교예 1 내지 비교예 7: 철계 합금분말을 이용한 브레이크 바디 제조
하기 표 2와 같은 성분 및 중량비의 조성으로, 질소 가스 분위기 하의 아토마이저 내에 공급한 후, 용융 상태로 아토마이즈시키고 표 2에 나타내는 냉각 속도로 냉각하여 비교예 1 내지 비교예 7의 철계 합금분말을 제조하였다.
이후, 제조된 합금분말을 사용하여 실시예와 같은 방법으로 코팅층(110)을 형성하였다. 제조된 코팅층(110)은 일부 비정질상이 결정질상과 함께 존재하거나, 결정질상이 대부분인 결정성 코팅층(110)인 것으로 나타났다.
구분 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4 비교예 5 비교예 6 비교예 7
Fe (중량부) 100 100 100 100 100 100 100
Cr (중량부) 56.2 71.4 55.0 19.6 20.0 71.4 41.1
Mo (중량부) 30.0 34.5 18.3 68.6 84.7 24.5 37.4
C (중량부) - 2.0 2.8 2.0 - 6.0 2.8
B (중량부) - - 7.3 5.9 4.1 - 5.6
Nb (중량부) - - - - - - -
Si (중량부) - - - - 0.5 0.1 0.05
냉각속도(℃/sec) 104 104 102 102 104 103 102
결정 상태 주로 결정질 주로 결정질 주로 결정질 주로 결정질 주로 결정질 주로 결정질 주로 결정질
*분말평균직경 5 10 50 50 5 20 50
* D50(단위: ㎛)
실험예
실험예 1: 코팅층의 경도 평가
실시예 3, 4, 6, 7 및 8 과 비교예 1 내지 4에 대해서 HVS-10 디지털 저부하 비커스 경도 시험기(HVS-10 digital low load Vickers Hardness Tester Machine)를 이용하여, 코팅층 시편의 단면에 대한 미소경도(Miro-hardness) 시험을 수행하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
구분 area Test value HV0.2 Average HV0.2
실시예 3 단면 802/754/828/765/710 771
실시예 4 단면 898/834/944/848/789 862
실시예 6 단면 1304/1139/1097/1194/1139 1174
실시예 7 단면 892/788/811/828/843 832
실시예 8 단면 910/899/869/937/922 907
비교예 1 단면 669/756/623/689/683 684
비교예 2 단면 928/862/876/921/802 877
비교예 3 단면 828/848/1012/944/771 880
비교예 4 단면 821/855/808/783/633 780
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 단면에 있어서 실시예 6의 합금분말을 적용한 시편의 평균 경도가 가장 우수하였으며, 나머지 실시예의 경우 비교예와 유사한 경도값을 나타내었다.
실험예 2: 코팅층과 제동부의 열팽창계수 평가
실시예 6 내지 8 및 비교예 1 내지 3의 조성과 동일한 조성의 비정질 합금 시료를 제조하여 열팽창계수를 측정하였으며, 제동부의 소재로는 일반적으로 다수 사용되는 주철을 기준으로 하여 코팅층과 제동부의 열팽창계수를 비교하였으며, 주철의 열팽창계수는 10.2 ppm/℃를 기준으로 하였다.
구분 열팽창계수 (ppm/℃) 주철의 열팽창 계수와 비율 (배)
실시예 6 12.5 1.23
실시예 7 12.4 1.22
실시예 8 12.5 1.23
비교예 1 14.6 1.43
비교예 2 14.6 1.43
비교예 3 14.4 1.41
실험예 3: 합금분말을 이용한 코팅층의 마찰력, 내마모 특성 평가
마찰력(마찰계수)를 평가하기 위하여, 상기 실시예 1, 4, 5, 7, 8 및 비교예 1 내지 3에서와 동일한 합금 조성으로 형성된 코팅층을, 윤활유 조건 하의 금속 링-럼프(ring-lump) 테스트를 통해 마모 폭(wear width)을 얻었으며, 구체적으로 링-럼프 테스트는 L-MM46 저항 마찰 수점(hydromantic)의 윤활유가 있는 MR-H3A 고속 링-럼프 마모 기계를 이용하였으며, 테스트 매개 변수(parameters)는 50N, 5min →100N, 25min → 1000N, 55min 순으로 진행하였다.
얻어진 마찰계수 및 마모 폭을 아래 표 5 및 표 6에 정리하였다.
구분 100N, 25min 1000N, 55min
마찰계수(㎛) 평균 마찰계수(㎛) 마찰계수(㎛) 평균 마찰계수(㎛)
실시예 1 0.001~0.007 0.0044 0.040~0.078 0.0692
실시예 4 0.005~0.024 0.0127 0.007~0.095 0.0860
실시예 5 0.006~0.028 0.0135 0.007~0.098 0.0882
실시예 7 0.004~0.026 0.0131 0.004~0.099 0.0879
실시예 8 0.006~0.031 0.0141 0.006~0.103 0.0896
비교예 1 0.030~0.054 0.0419 0.101~0.119 0.1123
비교예 2 0.008~0.047 0.0196 0.088~0.116 0.0913
비교예 3 0.065~0.087 0.0820 0.098~0.111 0.1085
구분 Width/mm
실시예 1 0.79
실시예 4 0.75
실시예 5 0.71
실시예 7 0.68
실시예 8 0.68
비교예 1 0.98
비교예 2 1.15
비교예 3 0.82
실험예 4: 코팅층의 내식성 평가
도 3은 본 발명에 따른 실시예 2, 5, 7의 철계 비정질 합금분말을 이용한 용사 코팅층 시편의 비부식/부식된 단면을 광학 현미경으로 관찰한 이미지로서, (a)~(c)는 각각 실시예 2, 5, 7 시편의 관찰 이미지이고, 도 4는 비교예 5, 6, 7의 합금분말을 이용한 용사 코팅층 시편의 비부식/부식된 단면을 광학 현미경으로 관찰한 이미지로서, (a)~(c)는 각각 비교예 5, 6, 7 시편의 관찰 이미지이다.
구체적으로, 각각의 용사 코팅층 시편을 실온 하에서 농도 95~98%의 황산(H2SO4) 용액에 5분 동안 담근 후, 광학 현미경(Leica DM4 M)을 이용하여 부식되지 않은 코팅층 시편과 부식된 코팅층 시편의 단면(cross-section)과 표면(surface)을 관찰하였으며, 도 3 및 도 4에서 좌측은 비 부식물을, 그리고 우측은 부식물을 나타내었다.
관찰 결과, 실시예 2, 5, 7의 코팅층 시편을 이용한 경우, 도 3에서 보듯이 황산에 담근 이전과 이후의 모습에 별다른 차이가 없어 내식성이 가장 우수함을 확인할 수 있었다.
반면, 비교예 5, 6, 7의 코팅층 시편을 이용한 경우, 도 4에서 보듯이 부식이 강하게 진행되어 매우 좋지 않은 내식성을 나타내었다.
이는 코팅층의 비정질 여부에 기인한 것으로서, 실시예의 경우에는 코팅층이 강산성의 부식물에 전혀 반응하지 않은 반면, 결정질을 포함하는 비교예의 경우에는 코팅층이 부식물에 반응하여 부식됨으로써 좋지 않은 내식성을 나타내게 되는 것이다.
전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
(부호의 설명)
10 : 브레이크 바디 20 : 마찰수단
100 : 제동부 110 : 코팅층
120 : 로터 200 : 결합부

Claims (15)

  1. 제동장치에 구비되는 브레이크 바디로서,
    상기 브레이크 바디는 구동축에 연결되는 결합부; 및
    상기 결합부의 외주면에 연결되는 로터와, 상기 로터의 표면에 구비되는 코팅층을 가지는 제동부; 를 포함하고,
    상기 코팅층은 비정질 합금을 포함하고, 열팽창계수가 상기 로터의 열팽창계수의 1.0 배 내지 1.4 배인 브레이크 바디.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비정질 합금은 Fe을 포함하고,
    Cr, Mo 및 Co로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 제1성분; 및
    B, C, Si 및 Nb로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 제2성분;을 포함하는 브레이크 바디.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 로터는 철계 합금을 포함하는 브레이크 바디.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은 100N 조건에서 측정한 평균마찰계수가 0.001 내지 0.08인 브레이크 바디.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층의 비커스 경도는 700 내지 1,200Hv인 브레이크 바디.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은 기공률이 0.1% 내지 1.0% 인 브레이크 바디.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층의 두께는 50㎛ 내지 400㎛인 브레이크 바디.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 코팅층은 상기 로터의 표면에 철계 비정질 합금분말을 용사하여 구비되는 브레이크 바디.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터는 디스크 형태이고, 상기 디스크의 적어도 일측 표면에 상기 코팅층이 구비되는 브레이크 바디.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터는 드럼 형태이고, 상기 로터의 내주면에 상기 코팅층이 구비되는 브레이크 바디.
  11. 구동축을 포함하여 구동되는 기계를 제동하는 제동장치로서,
    구동 시 상기 구동축과 결합되어 회전하는 결합부와, 상기 결합부의 외주면에 연결되는 제동부를 가지는 브레이크 바디; 및
    상기 제동 시에 상기 브레이크 바디를 향해 변위되어 상기 브레이크 바디와 접촉되고, 상기 제동부와 마찰되는 마찰수단; 을 포함하며,
    상기 제동부는 상기 결합부와 연결되는 로터 및 상기 로터의 표면에 구비되는 코팅층을 포함하고,
    상기 코팅층의 열팽창계수는 상기 로터의 열팽창계수의 1.0 배 내지 1.4 배이고, 비정질 합금을 포함하는 제동장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 비정질 합금은,
    Fe을 포함하고,
    Cr, Mo 및 Co로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 제1성분; 및
    B, C, Si 및 Nb로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 제2성분;을 포함하는 제동장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 로터는 철계 합금을 포함하는 제동장치.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터는 디스크 형태이고, 상기 로터의 적어도 일측 표면에 상기 코팅층이 구비되는 제동장치.
  15. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터는 드럼 형태이고, 상기 로터의 내주면에 상기 코팅층이 구비되는 제동장치.
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