Because the running speed of vehicles is increasing and a shorter braking distance is required, high heat-resistant brake pads are needed to satisfy the requirements of customers and car makers. In the near future, hazardous materials such as Cu, Cr, Zn, and Sb will be restricted from use in frictio...
Because the running speed of vehicles is increasing and a shorter braking distance is required, high heat-resistant brake pads are needed to satisfy the requirements of customers and car makers. In the near future, hazardous materials such as Cu, Cr, Zn, and Sb will be restricted from use in friction materials. Ceramic composites reinforced by carbon fibers are good candidates for eco-friendly friction materials. In this study, we develop ceramic composite friction materials. The friction materials are composed of carbon fibers, Si, SiC, graphite, and phenol resin and are prepared by hot forming and heat treatment at high temperatures. The density, void ratio, and compressive strength are $1.59-1.66g/cm^3$, 16.6-20, and 70-90 MPa, respectively. Friction and wear tests are performed using a pin-on-plate-type reciprocating friction tester at 25, 100, and $200^{\circ}C$. The counterpart material is a CrMoV steel extracted from a KTX brake disc. Friction coefficient, wear amount, and wear mechanism are measured and examined. We determine that the friction coefficients depend on the temperature and the fluctuation of the friction coefficients is larger at higher temperatures. The amount of wear increases with the surface temperatures of the specimens. The tribological properties of the developed composites are similar to those of a Cu-based sintered friction material. Through this study, it is confirmed that ceramic composite materials can be used as friction materials.
Because the running speed of vehicles is increasing and a shorter braking distance is required, high heat-resistant brake pads are needed to satisfy the requirements of customers and car makers. In the near future, hazardous materials such as Cu, Cr, Zn, and Sb will be restricted from use in friction materials. Ceramic composites reinforced by carbon fibers are good candidates for eco-friendly friction materials. In this study, we develop ceramic composite friction materials. The friction materials are composed of carbon fibers, Si, SiC, graphite, and phenol resin and are prepared by hot forming and heat treatment at high temperatures. The density, void ratio, and compressive strength are $1.59-1.66g/cm^3$, 16.6-20, and 70-90 MPa, respectively. Friction and wear tests are performed using a pin-on-plate-type reciprocating friction tester at 25, 100, and $200^{\circ}C$. The counterpart material is a CrMoV steel extracted from a KTX brake disc. Friction coefficient, wear amount, and wear mechanism are measured and examined. We determine that the friction coefficients depend on the temperature and the fluctuation of the friction coefficients is larger at higher temperatures. The amount of wear increases with the surface temperatures of the specimens. The tribological properties of the developed composites are similar to those of a Cu-based sintered friction material. Through this study, it is confirmed that ceramic composite materials can be used as friction materials.
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제안 방법
본 연구에서는 공정의 단순화와 제작 비용을 고려하여 탄소섬유, Si, SiC, 그라파이트, 페놀수지를 혼합한 후 열간 성형하여 성형체를 만들고 열처리를 하여 세라믹 복합재를 만들고 기계적 특성 측정과 조직 분석을 하였다. CrMoV강으로 만들어진 KTX 제동디스크에서 시편을 채취하여 세라믹 복합재의 상대재로 다양한 조건에서 마찰·마모 시험을 하여 특성을 평가하였다.
4와 같이 복합재 표면을 조도측정기로 마모면의 깊이를 측정하여 마모된 부분의 부피를 구하여 평가하였다. 마찰·마모 특성을 비교평가하기 위하여 현재 KTX 열차에 사용되고 있는 구리기지 소결 마찰재에서 시편을 만들어 동일한 시험을 수행하였다.
본 연구에서는 공정의 단순화와 제작 비용을 고려하여 탄소섬유, Si, SiC, 그라파이트, 페놀수지를 혼합한 후 열간 성형하여 성형체를 만들고 열처리를 하여 세라믹 복합재를 만들고 기계적 특성 측정과 조직 분석을 하였다. CrMoV강으로 만들어진 KTX 제동디스크에서 시편을 채취하여 세라믹 복합재의 상대재로 다양한 조건에서 마찰·마모 시험을 하여 특성을 평가하였다.
4 mm 상태로 편평하게 펼친 후 5 mm 길이로 절단하여 사용하였다. 절단된 탄소섬유 30 wt.%, 액상 페놀수지 20%, SiC 25%, 그라파이트 15%, 그리고 Si 파우더 5%를 혼합하여 건조한 후 200℃, 17 MPa로 가압성형하여 200×200×10 mm 크기의 성형체를 만들었다. 열처리는 2가지 다른 공정을 적용하여 열처리의 영향을 조사하였다.
탄소섬유, Si, SiC, 그라파이트 분말과 페놀수지를 혼합하여 200℃, 17 MPa 압력으로 열간 성형한 후두 가지 방법으로 열처리를 수행하여 구리가 함유되지 않은 친환경, 고내열성을 갖는 세라믹 복합재 제동 마찰재를 성공적으로 개발하였다.
대상 데이터
시편 제작에 사용된 탄소섬유는 상업용 T700SC12K(Toray, Japan) 탄소섬유를 폭 20, 두께 0.4 mm 상태로 편평하게 펼친 후 5 mm 길이로 절단하여 사용하였다. 절단된 탄소섬유 30 wt.
마찰·마모 시편의 마찰면 크기는 10×10, 두께는 3 mm이다. 탄소복합재의 상대재는 CrMoV 단조강 소재인 KTX-산천 제동디스크에서 일부를 채취하여 끝단을 Ø10 mm 구형으로 가공하여 사용하였다. 마모량은 Fig.
성능/효과
본 연구에서 제작한 복합재와 현재 사용중인 고속철도용 동계 소결재 제동 마찰재를 KTX-산천 제동디스크 (CrMoV 단조강)에서 채취한 시편을 상대재로 하여 마찰·마모 특성을 평가한 결과 세 종류의 시편 모두 온도가 증가할수록 마찰계수의 변동폭이 커지고 마모량이 많아지는 경향을 보였다. 개발 소재는 동계 소결 재와 유사한 마찰·마모 특성을 보였다.
시편을 이용하여 수행한 본 연구에서 세라믹 복합재 마찰재를 자동차, 철도 등의 제동 마찰재로 사용할 수 있는 가능성을 확인하였다. 향후 구성요소의 조성비와 제작공정의 최적화, 실물 크기의 마찰재에 대한 마찰·마모 특성 평가 등 실용화를 위한 추가적인 연구가 수행될 것이다.
후속연구
% 이상 함유되어 있어 Cu의 함유량이 적은 친환경 마찰재 개발에 대한 연구가 필요한 시점으로, 선진 외국의 기술독점을 방지하고, 국내 부품산업의 기술 경쟁력을 확보하기 위해서 이 분야에 대한 연구가 매우 필요하다. 또한 국내 철도차량의 경우 고속철도용 일부 마찰재를 제외하고 나머지 제동 마찰재는 거의 수입품을 사용하고 있어 마찰재에 대한 독자기술을 확보하고 국내 마찰재 산업의 육성을 위해서도 연구가 시급하다. 승용차용 마찰재의 원료로 사용되고 있는 침상의 티탄산칼륨, 구리, 삼황화안티몬, 황동 섬유 등도 위해성이 있는 것으로 알려져 이들 원소를 포함하지 않은 마찰재가 연구되고 있으나[2, 3], 일부 개발자들은 구성원소를 구체적으로 밝히지 않고 비밀을 유지하고 있어 정확한 개발 내용을 파악하기는 어렵다.
시편을 이용하여 수행한 본 연구에서 세라믹 복합재 마찰재를 자동차, 철도 등의 제동 마찰재로 사용할 수 있는 가능성을 확인하였다. 향후 구성요소의 조성비와 제작공정의 최적화, 실물 크기의 마찰재에 대한 마찰·마모 특성 평가 등 실용화를 위한 추가적인 연구가 수행될 것이다.
현재 국내 고속철도에 사용되고 있는 마찰재는 Cu가 60 wt.% 이상 함유되어 있어 Cu의 함유량이 적은 친환경 마찰재 개발에 대한 연구가 필요한 시점으로, 선진 외국의 기술독점을 방지하고, 국내 부품산업의 기술 경쟁력을 확보하기 위해서 이 분야에 대한 연구가 매우 필요하다. 또한 국내 철도차량의 경우 고속철도용 일부 마찰재를 제외하고 나머지 제동 마찰재는 거의 수입품을 사용하고 있어 마찰재에 대한 독자기술을 확보하고 국내 마찰재 산업의 육성을 위해서도 연구가 시급하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Cu, Cr, Pb 등 유해 금속이 포함되지 않은 친환경적인 제동패드가 요구되는 이유는 무엇인가?
열차나 자동차의 고속화, 제동거리 단축 등에 대응하여 600도 이상의 고온에서 견딜 수 있는 내열성을 가지며, Cu, Cr, Pb 등 유해 금속이 포함되지 않은 친환경적인 제동패드가 요구되고 있다. 국립환경과학원 자료에 의하면 산화된 구리의 분진은 인체에 유해하다고 밝혀지고 있으며, 제동마찰재에 함유된 구리나 구리화합물은 수중 미생물에 유해할 수 있고 먹이사슬을 통하여 전체 환경시스템에 유해할 수 있어 Cu 및 유해 금속을 마찰재에 사용하는 것을 제한하는 추세에 있다[1]. 미국, 워싱톤 주의 경우 마찰재에 구리, 니켈, 아연 등 유해물질을 관리하고 있으며, 2021, 2023년 1월 이후에는 제동마찰재에 Cu 성분이 각각 5, 0.
마찰재 후보 재질 중 하나인 탄소-탄소 복합재의 특징은 무엇인가?
유해금속을 포함하지 않은 마찰재의 후보 재질 중의 하나가 열전도성이 좋고 강도가 높은 탄소섬유를 이용한 탄소-탄소 복합재이다. 탄소-탄소 마찰재는 이미 경주용 자동차, 항공기의 제동마찰재로 사용된 지 오래되었고, 탄소-탄소 마찰재에 Si를 함침시켜 만든 탄소-탄소-SiC (C/C-SiC) 제동디스크가 고급 승용차에 장착되어 판매되고 있다[4].
철도차량의 제동 마찰재와 디스크의 접촉압력 범위는?
철도차량의 제동 마찰재와 디스크의 접촉압력은 0.5~1.15 MPa 정도의 범위에 있다. 세계철도연맹(UIC)에서는 실제 차량의 제동 조건을 고려하여 제동 초속도, 캘리퍼 작용력, 그리고 디스크의 초기온도를 달리하면서 제동다이나모 시험을 하도록 규정하고 있다[9].
참고문헌 (11)
Lee, P. W., Filip, P., "Friction and wear of Cu-free and Sb-free environmental friendly automotive brake materials", Wear, Vol. 302, Issues1-2, pp. 1404-1413, 2013.
Lim, S. E., Lee, W. G., Shin, M. W., Jang, H., "Tribological properties of the brake friction materials without environmentally regulated ingredients", J. Korean Soc. Tribol. Lubr. Eng., Vol. 26, No. 4, pp. 246- 253, 2010.
Cai, Y., Fan, S., Liu, H., Zhang, L., Cheng, L., Jiang, J., Dong, B. "Mechanical properties of a 3D needled C/C-SiC composite with graphite filler", Materials Science and Engineering: A, Vol. 527, No. 3, pp. 539- 543, 2010.
Langhof, N., Rabenstein, M., Rosenlocher, J., Hackenschmidt, R., Krenkel, W., Rieg. F., "Full-ceramic brake systems for high performance friction applications", Journal of the European Ceramic Society, doi:10.1016/j.jeurceramsoc.2016.04.040, 2016.
Lee, K. J., Hsu, M. H., Cheng, H. Z., Jang, J. S. C., Lin, S. W., Lee, C. C., Lin, S. C., "Tribological and mechanical behavior of carbon nanotube containing brake lining materials prepared through sol-gel catalyst dispersion and CVD process", Journal of Alloys and Compounds, Vol. 483, Issues 1-2, pp. 389-393, 2009.
Na, S. J., Park, H. C., Kim, S. H., "Study of the Tribological characteristics based on the hardness of the brake disk between the sintered metallic friction material and the heat-resisting steel disks", J. Korean Soc. Tribol. Lubr. Eng., Vol. 31, No. 2, pp. 41-49, 2015.
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