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문제 정의
- 본 연구에서는 고내열성 제동 디스크 개발을 위하여 국내외의 개발 사양[4, 5] 및 내열성 관련 조성성분을 고려함으로써 NCM, FC250, FC280에 대한 화학성분을 개발하여 주물 공시재를 제작하였다[6]. 또한 개발된 후보재질들에 대하여 화학조성 성분분석, 결정 및 흑연조직 분석, 기계적 특성시험 등을 실시하여 현재 사용 중인 제동 디스크 재질의 특성과 비교하였고, 이와 함께 소형 제동시험기(Labscale Brake Dynamometer)를 이용한 마찰특성 시험을 통해 제동 디스크에 기본적으로 요구되는 마찰 안정성 및 마찰관련 특성을 관찰하였다.
- 본 연구에서는 고내열성 제동 디스크 재질을 개발하기 위한 방법으로써 FC250, FC280, NCM 등의 우수한 내열균열성을 가지는 후보재질을 선별하고 국내외의 개발 사양과 내열성 관련 화학적 원소 등을 고려하여 각 재질에 대한 화학성분 기준범위를 개발하였다. 또한 개발사양에 따라 각각의 주물 공시재를 제작하여 화학조성 분석, 조직 분석, 기계적 물성 시험 등을 실시하여 그 결과를 현재 사용되고 있는 제동 디스크 재질의 특성과 비교하였다.
제안 방법
- 1) 각 조건에서의 시험 전에 1,100rpm(40km/h)의 속도와 각 실험에서 적용되는 제동압을 사용하여 40회, 동일 제동압으로 1,640rpm(60km/h)의 속도에서 60회의 제동을 통해 갈아맞춤 작업을 수행하였으며 갈아맞춤 작업 후 육안으로 패드 시편의 연삭 부족으로 인한 부접촉이 관찰되면 추가적인 갈아맞춤 작업을 시행하였다.
- 2) 브레이크 패드와 디스크의 접촉면에 각각 4.5bar, 5.5bar, 6.5bar의 압력을 가하면서 각 압력에 대해 제동 초속도 1,000rpm(37km/h), 2,000rpm(73km/h) 및 2,500rpm (91km/h)에서 제동을 시작하여 감속시키다가 5km/h를 완전 제동속도로 간주하여 재 가속을 시작하였다. 또한, 시험에 사용된 플라이 휠 관성질량은 0.
- 4) 각 제동 압력과 초속도에 따른 50회의 제동시험 후에 저울을 통하여 패드의 무게를 측정, 그 마모량을 기록하였다.
- NCM, FC250, FC280 등의 후보재질로 소형 브레이크 디스크 시편을 제작하여 디스크의 마찰 특성(평균 및 순간 마찰계수, 패드 마모량)을 실험을 통하여 측정해보고 그 결과를 현재 새마을호 및 무궁화호 객차에 사용되고 있는 브레이크 디스크의 마찰 특성과 비교하였다. 본 실험에 사용된 마찰재는 새마을호 및 무궁화호 객차에서 현재 사용 중인 패드를 동일하게 적용하였으며 시험은 항공기, 고속철 및 특수장비 브레이크 제작 회사인 ‘(주)다윈 프릭션’에서 보유하고 있는 소형 제동시험기(Lab-scale brake dynamometer)를 사용하여 수행되었다.
- 03이었다. 각 디스크(사용품, NCM, FC250, FC280) 시편의 제동 초속도 별 평균 마찰계수 변화를 각 제동압력(4.5bar, 5.5bar, 6.5bar)별로 비교하였고 이를 Fig. 5에 나타내고 있다.
- 본 연구에서는 고내열성 제동 디스크 개발을 위하여 국내외의 개발 사양[4, 5] 및 내열성 관련 조성성분을 고려함으로써 NCM, FC250, FC280에 대한 화학성분을 개발하여 주물 공시재를 제작하였다[6]. 또한 개발된 후보재질들에 대하여 화학조성 성분분석, 결정 및 흑연조직 분석, 기계적 특성시험 등을 실시하여 현재 사용 중인 제동 디스크 재질의 특성과 비교하였고, 이와 함께 소형 제동시험기(Labscale Brake Dynamometer)를 이용한 마찰특성 시험을 통해 제동 디스크에 기본적으로 요구되는 마찰 안정성 및 마찰관련 특성을 관찰하였다.
- 본 연구에서는 고내열성 제동 디스크 재질을 개발하기 위한 방법으로써 FC250, FC280, NCM 등의 우수한 내열균열성을 가지는 후보재질을 선별하고 국내외의 개발 사양과 내열성 관련 화학적 원소 등을 고려하여 각 재질에 대한 화학성분 기준범위를 개발하였다. 또한 개발사양에 따라 각각의 주물 공시재를 제작하여 화학조성 분석, 조직 분석, 기계적 물성 시험 등을 실시하여 그 결과를 현재 사용되고 있는 제동 디스크 재질의 특성과 비교하였다. 또한 제동 디스크에 기본적으로 요구되는 마찰 안정성 및 마찰관련 특성을 관찰하기 위하여 소형 제동시험기를 이용한 마찰특성시험을 수행하였다.
- 또한 개발사양에 따라 각각의 주물 공시재를 제작하여 화학조성 분석, 조직 분석, 기계적 물성 시험 등을 실시하여 그 결과를 현재 사용되고 있는 제동 디스크 재질의 특성과 비교하였다. 또한 제동 디스크에 기본적으로 요구되는 마찰 안정성 및 마찰관련 특성을 관찰하기 위하여 소형 제동시험기를 이용한 마찰특성시험을 수행하였다.
- 선별된 고내열성 제동 디스크 재질인 NCM, FC250, FC280 등에 대하여 개발된 화학성분 사양에 따라 주물 공시재를 제작하고 이들에 대한 성분 분석을 실시하였다. Table 3의 각 사양과의 비교 결과를 보면 Cu 및 S의 함유량이 사양과 다소 차이가 있었으나 이는 주물 제작기술상 한계에 기인하며 두 원소는 디스크 내열특성에 큰 영향을 미치지 않으므로 대체로 개발 사양을 만족하고 있다고 판단하였다.
- 현재 사용되고 있는 제동디스크 성분 확인을 위하여 SEM & EDS 분석시스템을 이용한 제동 디스크 시편의 성분 분석시험을 수행하였고 Table 2에서 그 결과와 KRS BR 0003-06의 성분 사양을 비교하였다.
- 현재 사용되는 디스크 재질 시편 및 후보 재질의 주물 공시재를 이용하여 인장강도[7], 경도 시험[8] 등의 기계적 특성시험과 결정 및 흑연조직 분석을 실시하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 마찰재는 새마을호 및 무궁화호 객차에서 현재 사용 중인 패드를 동일하게 적용하였으며 시험은 항공기, 고속철 및 특수장비 브레이크 제작 회사인 ‘(주)다윈 프릭션’에서 보유하고 있는 소형 제동시험기(Lab-scale brake dynamometer)를 사용하여 수행되었다.
데이터처리
- 3) 각 순간마다 센서에 의해 측정되는 실린더 압력 및 제동 력을 이용하여 순간 마찰계수를 계산하고 1회의 제동시험에 대한 평균 마찰계수를 계산, 총 50회 시험의 평균 마찰계수 결과의 평균값을 선택하였다. 관련 산출식은 다음의 식 (1)~(3)과 같다[14].
성능/효과
- NCM과 FC280 및 FC250 모두의 경우에 사용품의 경우와 같이 패드 마모량이 제동 초속도의 증가에는 비례하였으나 제동 압력의 크기에는 반비례하는 경향을 보였으며 4.5bar의 압력에서는 재질에 따른 패드 마모량의 차이가 크지만 제동압력이 커짐에 따라 그 차이가 감소함을 관찰할 수 있었다.
- 1) C(탄소)는 주철의 내식성, 내마모성, 주조성에 많은 영향을 주는 원소이나 그 함유량이 3% 미만일 경우에는 탄화물을 충분히 석출할 수 없기 때문에 일정 경도 이상이될 수 없고, 그 함유량이 4%를 넘으면 내식성, 내마모성이 떨어진다.
- 1) 제동 압력과 제동 초속도 등의 인자가 마찰 및 마모 특성에 미치는 영향의 정도는 각 재질에 따라 다르게 나타났다.
- 2) Si(규소)는 탄화물이 없는 조직을 촉진시키며 그 주조성을 개선하는 작용이 있으나 함유량이 2% 미만에서는 상기 작용의 기대가 어렵고, 함유량이 3.5%를 초과하면 기계적 성질의 악화 즉 취성 증가와 열전도율이 저하될 수 있다.
- 2) 현재 일본의 신칸센 등에서 사용되고 있는 NCM 계열의 후보재질은 가장 낮은 마찰계수 값과 비교적 안정적인 마찰특성을 보임에도 불구하고 패드 마모량은 가장 큰 것으로 관찰되었다.
- 3) Mn(망간)의 함유량을 제한하는 목적은 주물상태에서 탄화물이 없는 조직을 얻는데 있으나 함유량 0.25% 미만일 때는 기계적 성질의 개선을 얻기 어려우며, 0.5% 이상에서는 별다른 향상 작용이 없고, 0.3-0.5%에서 수소 흡수 경향을 줄여 핀홀의 위험을 극소화 시킨다.
- 3) 단순한 평균마찰계수 비교 결과, FC250이 동일한 제동 압력 및 제동 초속도의 조건에서 가장 높은 평균마찰계수를 가진 것으로 관찰되었으나 나머지의 다른 재질들에 비해서 각 제동 압력과 제동 초속도에 대한 마찰계수 변화가 큰 것으로 나타났다.
- 4) 실험에 사용된 후보재질인 사용품, NCM, FC250 및 FC280 디스크 중에서 현재 사용되고 있는 재질의 디스크가 평균이상의 마찰계수를 갖는 동시에 마찰계수의 안정성은 가장 뛰어난 것으로 관찰되었으며 위와 같은 마찰시험 결과는 실험 전반에 걸쳐 동일하게 사용된 브레이크 패드 시편이 현재 사용품 디스크와 함께 새마을호 및 무궁화호에 적용되는 제품으로서 사용품 디스크의 특성에 최적화되어 있기 때문이라고 고려된다.
- 8) Cu(구리)와 Sn(주석)은 그 함량의 적정 비율로서 양호한 펄라이트가 얻어지나 셀 경계에 편상 흑연이 생길 위험이 있기 때문에 Sn의 함량을 제한하고 Ni의 첨가에 의해 Cu의 용해도를 높일 수 있으나, 경제적이 못되므로 Cu의 함유량은 0.1% 이하로 제한하여야 한다.
- Table 4에서는 사용품 제동 디스크 시편을 이용한 기계적 특성 및 조직 분석 결과가 규격상의 사양에 만족함을 보이고 있으며 Table 5에서 나타낸 후보 재질별 특성을 보면 FC250에 비해 Cr이 첨가된 FC280의 인장강도가 크고, Cr, Mo 및 Ni이 첨가된 NCM의 인장강도가 가장 높음을 알 수 있다.
- 후보 재질의 제작사양을 이용하여 각각의 주물 공시재를 제작하고 재료의 기계적 특성에 영향을 미치는 화학 원소의 함유 유무와 제작 사양에 대한 조성비의 적합성 등을 확인하기 위하여 화학조성 분석을 수행한 결과 주물 제작 기술의 한계에 기인한 약간의 오차를 제외하면 각 재질이 대체로 기준에 만족하는 조성비를 갖고 있음을 관찰할 수 있었다. 또한, 기계적 특성 시험 및 조직 분석을 통해 각 재료가 규격상의 사양에 만족하는 물성치를 갖고 있음을 확인하였고 재질별 특성비교 결과, FC250에 비해 Cr이 첨가된 FC280의 인장강도가 크고, Cr과 함께 Mo 및 Ni이 첨가된 NCM의 인장강도가 가장 높음을 관찰할 수 있었으며 흑연조직 관찰 결과, 세 후보재질은 모두 편상 흑연 조직으로 흑연의 분포, 크기 입수 등에 있어 큰 차이가 없음을 확인하였다.
- 모든 제동 압력의 경우에서 가장 높은 마찰계수가 측정되었던 재질은 FC250, 가장 낮은 마찰계수가 측정되었던 재질은 NCM으로 관찰되었으나 모든 제동 압력과 제동 초속도에서 가장 우수한 마찰 안정성을 가진 재질은 현재의 사용품 재질이었다. 이는 시험에 사용된 마찰패드가 기존 사용품 디스크의 특성과 가장 잘 맞게 설계되어 제작된 제품이었으므로 다른 디스크 재질과는 그 호환성이 떨어지기 때문이라고 추측된다.
- 세 후보재질의 조직 관찰 결과 Table 5 및 Fig. 2에서 보이는 바와 같이 펄라이트/페라이트 분율[9, 10]이 각각에 대해 유사하고 흑연 관찰 결과도 모두 편상 흑연 조직으로써 흑연의 형태(Type I) 및 크기(Size 3)[11], 분포(A type)[12] 등에 있어 큰 차이가 없었다.
- 이상의 후보 재질별 화학조성 분석, 조직 분석, 기계적 물성 시험 및 마찰특성 시험을 통해 각 재질의 기본 물성을 파악할 수 있었다. 향후 열피로 시험을 수행하여 열균열 발생 및 진전특성을 관찰함으로써 재질별 내열 특성을 비교하고 또한, 후보 재질의 종류 및 성분 사양의 범위를 넓혀 고내열성 디스크 재질 개발을 위한 보다 다양한 재질별 특성 데이터를 수집하여야 할 것으로 판단된다.
- 후보 재질의 제작사양을 이용하여 각각의 주물 공시재를 제작하고 재료의 기계적 특성에 영향을 미치는 화학 원소의 함유 유무와 제작 사양에 대한 조성비의 적합성 등을 확인하기 위하여 화학조성 분석을 수행한 결과 주물 제작 기술의 한계에 기인한 약간의 오차를 제외하면 각 재질이 대체로 기준에 만족하는 조성비를 갖고 있음을 관찰할 수 있었다. 또한, 기계적 특성 시험 및 조직 분석을 통해 각 재료가 규격상의 사양에 만족하는 물성치를 갖고 있음을 확인하였고 재질별 특성비교 결과, FC250에 비해 Cr이 첨가된 FC280의 인장강도가 크고, Cr과 함께 Mo 및 Ni이 첨가된 NCM의 인장강도가 가장 높음을 관찰할 수 있었으며 흑연조직 관찰 결과, 세 후보재질은 모두 편상 흑연 조직으로 흑연의 분포, 크기 입수 등에 있어 큰 차이가 없음을 확인하였다.
후속연구
- 이상의 후보 재질별 화학조성 분석, 조직 분석, 기계적 물성 시험 및 마찰특성 시험을 통해 각 재질의 기본 물성을 파악할 수 있었다. 향후 열피로 시험을 수행하여 열균열 발생 및 진전특성을 관찰함으로써 재질별 내열 특성을 비교하고 또한, 후보 재질의 종류 및 성분 사양의 범위를 넓혀 고내열성 디스크 재질 개발을 위한 보다 다양한 재질별 특성 데이터를 수집하여야 할 것으로 판단된다.
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