[논문]구리를 함유하지 않은 친환경 자동차 브레이크 패드의 마모 특성에 관한 연구

김기봉; 양상선; 이성주; 황석훈; 김신욱; 김용진

doi:10.4150/kpmi.2018.25.1.30

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The friction characteristics of Al-Fe alloy powders are investigated in order to develop an eco-friendly friction material to replace Cu fiber, a constituent of brake-pad friction materials. Irregularly shaped Al-Fe alloy powders, prepared by gas atomization, are more uniformly dispersed than conven...

The friction characteristics of Al-Fe alloy powders are investigated in order to develop an eco-friendly friction material to replace Cu fiber, a constituent of brake-pad friction materials. Irregularly shaped Al-Fe alloy powders, prepared by gas atomization, are more uniformly dispersed than conventional Cu fiber on the brake pad matrix. The wear rate of the friction material using Al-8Fe alloy powder is lower than that of the Cu fiber material. The change in friction coefficient according to the friction lap times is 7.2% for the Cu fiber, but within 3.8% for the Al-Fe alloy material, which also shows excellent judder characteristics. The Al-Fe alloy powders are uniformly distributed in the brake pad matrix and oxide films of Al and Fe are homogeneously formed at the friction interface between the disc and pad, thus exhibiting excellent friction and lubrication characteristics. The brake pad containing Al-Fe powders avoids contamination by Cu dust, which is generated during braking, by replacing the Cu fiber while maintaining the friction and lubrication performance.

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문제 정의

본 연구에서는 자동차 브레이크 패드 마찰재의 구성 원소 중 하나인 중금속 구리 섬유를 대체할 수 있는 환경 친화적 마찰 소재 개발을 위하여 알루미늄-철계 합금 분말의 마찰 특성에 관한 연구를 수행하였다. 진공 가스 아토마이저를 사용하여 제조된 봉목상의 Al-Fe계 합금 분말(약 70 µm)은 브레이크 패드 기지에 기존의 조대한 구리 섬유(약 500 µm) 보다 균일하게 분산시킬 수 있었다.
본 연구에서는 자동차 브레이크 패드의 마찰 보강재로 사용 중인 중금속 구리 섬유 소재를 대체하기 위해 알루미늄-철계 합금 분말 소재 패드의 마찰 특성을 연구하여 차세대 브레이크 패드로의 사용 가능성을 확인하고자 하였다.

제안 방법

아르키메데스법을 사용하여 밀도를 측정하고, 전단 강도(5982, INSTRON, 미국)를 측정하였다. 마모 시험은 마모시험기(Tribometer, 제이엔엘 테크, 한국) 장비를 사용했으며 ball-on-disk 타입으로 지름 5 mm의 Stainless steel ball을 장착하였으며 ASTM G133-05 규격으로 평가 하였으며 마모 시험 편의 표면은 주사전자현미경(JSM-5800, JEOL, 일본)을 사용하여 관찰하였다. 자동차 실제 차 장착 테스트를 위하여 H사, S모델 앞브레이크 디스크용 패드로 실차 장착하여 다이나모 테스트(Dynamo test)를 진행하였다.
위의 방법으로 제조된 Al-Fe계 합금을 사용한 마찰재 제조는 배합설계, 정량, 혼합, 가성형, 성형, 열처리, 스코칭(Scorching, 황이 함유되는 합금의 경우 가공작업 중에 가황이 되어 가공이 할 수 없게 되는 현상을 없애는 공정) 및 가공 순으로 진행하였다. 마찰재 내의 금속 섬유는 높은 열 전도성을 가져 성형 및 열처리 시 열전도도를 좋게 하여 마찰재 미세 조직을 균일하게 확보할 수 있으나, Al-Fe 합금 마찰재의 경우 구리보다 낮은 열 전도성을 고려하여 성형 시간을 기존 대비 3분을 추가하여 성형 제조하였으며, 성형압력을 높여 마찰재 내의 기공을 제거하고자 하였다. 본 연구에서 적용한 마찰재 제조 공정은 다음과 같다.
본 연구에서 개발된 마찰재에 대한 브레이크 패드의 성능을 판단할 수 있는 대표적인 4대 물성(밀도, 경도, 압축변형량, 전단 강도) 평가를 수행하여 표 1에 나타내었다. 측정 결과 기준 재질인 구리 섬유 패드의 밀도는 2.
위의 방법으로 제조된 Al-Fe계 합금을 사용한 마찰재 제조는 배합설계, 정량, 혼합, 가성형, 성형, 열처리, 스코칭(Scorching, 황이 함유되는 합금의 경우 가공작업 중에 가황이 되어 가공이 할 수 없게 되는 현상을 없애는 공정) 및 가공 순으로 진행하였다. 마찰재 내의 금속 섬유는 높은 열 전도성을 가져 성형 및 열처리 시 열전도도를 좋게 하여 마찰재 미세 조직을 균일하게 확보할 수 있으나, Al-Fe 합금 마찰재의 경우 구리보다 낮은 열 전도성을 고려하여 성형 시간을 기존 대비 3분을 추가하여 성형 제조하였으며, 성형압력을 높여 마찰재 내의 기공을 제거하고자 하였다.
자동차 브레이크 패드(마찰재)의 보강재로 설계된 합금계 중 열 전도성과 시효처리에 의한 석출 강화 상 형성을 고려하여 알루미늄을 기지 물질로 하고 철과 열팽창률 억제와 내마모성 향상을 위해 실리콘, 바나듐을 함유하는 Al-8.5Fe-Si-V(Al-8Fe)과 Al-12.4Fe-Si-V(Al-12Fe) 조성의 합금 계를 설계하였다. 실리콘과 바나듐의 금속간화합물을 만들어 고용 강화와 내마모성이 향상을 도모하였다.
마모 시험은 마모시험기(Tribometer, 제이엔엘 테크, 한국) 장비를 사용했으며 ball-on-disk 타입으로 지름 5 mm의 Stainless steel ball을 장착하였으며 ASTM G133-05 규격으로 평가 하였으며 마모 시험 편의 표면은 주사전자현미경(JSM-5800, JEOL, 일본)을 사용하여 관찰하였다. 자동차 실제 차 장착 테스트를 위하여 H사, S모델 앞브레이크 디스크용 패드로 실차 장착하여 다이나모 테스트(Dynamo test)를 진행하였다. 다이나모 테스트는 차량의 성능 및 밸런스, 연비 또는 결함을 테스트하기 위해 다이나모 시험 장비 위에서 실제 차량에 장착하고 진행하는 테스트이며 SAE 브레이크 Dynamo test code 인 J2522 AK master 기준으로 실험을 진행하였다.

대상 데이터

Al-8Fe와 Al-12Fe 분말은 진공 가스 아토마이저(Hot gas atomizer, PSI, HERMIGA 100/2, UK)를 사용하여 제조하였으며 상세 실험 공정은 다음과 같다. 10-2 torr까지 진공 상태가 된 상부 체임버 내부에 비치된 고밀도 흑연 도가니 내부에서 Al-Fe계 모합금을 고주파 유도가열 및 용해하고 이렇게 만들어진 Al-Fe계 합금 용탕을 유동도 향상을 위해 약 800^oC까지 가열한 뒤 지름 약 3 mm의 알루미나 오리피스를 통해 아래 체임버로 유출 시키면서 이용탕의 흐름에 고압의 가스를 분사하여 미세한 액적을 만든 뒤 냉각시켜 합금 분말을 제조하였다.
10-2 torr까지 진공 상태가 된 상부 체임버 내부에 비치된 고밀도 흑연 도가니 내부에서 Al-Fe계 모합금을 고주파 유도가열 및 용해하고 이렇게 만들어진 Al-Fe계 합금 용탕을 유동도 향상을 위해 약 800^oC까지 가열한 뒤 지름 약 3 mm의 알루미나 오리피스를 통해 아래 체임버로 유출 시키면서 이용탕의 흐름에 고압의 가스를 분사하여 미세한 액적을 만든 뒤 냉각시켜 합금 분말을 제조하였다. 가스 분무 공정은 Al 합금 분말의 브레이크 패드 마찰 보강재로서의 봉목상 분말 제조를 위해 Air를 사용하였으며 분사 압력은 약 30 bar의 압력을 사용하여 제조하였다.
실리콘과 바나듐의 금속간화합물을 만들어 고용 강화와 내마모성이 향상을 도모하였다. 알루미늄은 캐나다에서 생산된 Alcoa사의 순도 99.9%의 잉곳을 사용하였으며 철과 실리콘, 바나듐 원료 소재는 미국의 Sigma Aldrich로부터 99.9% 이상의 순도를 갖는 shot 형태를 사용하였다. 10-6 torr의 진공도를 갖는 진공유도용해(VIM) 방법을 사용하여 고밀도 흑연도가니 내부에서 지름 30 mm, 높이 100 mm 크기의 잉곳으로 각각 조성에 대하여 10 kg씩 제조하였다.
자동차는 엔진, 차체, 내장재, 구동계 및 제동계로 구성되어 있으며, 제동계 중에서 브레이크 패드 소재는 마찰, 윤활 및 마모 성능의 최적화를 위하여 금속, 세라믹 및 폴리머 등 약 30여 가지의 혼합 물질로 이루어져 있다[1, 2]. 자동차 브레이크 패드용 소재 구성은 바인더인 결합재, 철계와 유리 섬유계 등의 섬유 보강재, 구리계, 흑연계 및 금속 황화물계 윤활재, 알루미나와 석영 등의 연마재 및 다양한 충진재의 5대 소재로 구성된다. 구리는 주로 섬유 형태로 사용되며 보강재 역할을 하면서 높은 열전도도, 높은 고온 윤활성 등을 가지고 있어 수십 년간 주로 마찰개선 재로 사용되어 왔다[3-5].

데이터처리

Al-8Fe와 Al-12Fe 분말의 입도는 레이저 산란을 이용한 입도분석기(LS13 320, Beckman coulter, 미국)를 사용하여 분석하였으며 결정성은 X-선 회절 분석기(D/Max 2500, Rigaku, 미국)를 사용하여 분석하였다. 제조된 마찰재의 기계적 특성은 로크웰 경도기(HR-210MR, MITUTOYO, 일본)를 사용하여 경도를 측정하였으며 연질의 표면을 가지기 때문에 스케일을 HRR(12.70 mm Ball, 10 kgf)로 수행하였다. 아르키메데스법을 사용하여 밀도를 측정하고, 전단 강도(5982, INSTRON, 미국)를 측정하였다.

이론/모형

자동차 실제 차 장착 테스트를 위하여 H사, S모델 앞브레이크 디스크용 패드로 실차 장착하여 다이나모 테스트(Dynamo test)를 진행하였다. 다이나모 테스트는 차량의 성능 및 밸런스, 연비 또는 결함을 테스트하기 위해 다이나모 시험 장비 위에서 실제 차량에 장착하고 진행하는 테스트이며 SAE 브레이크 Dynamo test code 인 J2522 AK master 기준으로 실험을 진행하였다.
70 mm Ball, 10 kgf)로 수행하였다. 아르키메데스법을 사용하여 밀도를 측정하고, 전단 강도(5982, INSTRON, 미국)를 측정하였다. 마모 시험은 마모시험기(Tribometer, 제이엔엘 테크, 한국) 장비를 사용했으며 ball-on-disk 타입으로 지름 5 mm의 Stainless steel ball을 장착하였으며 ASTM G133-05 규격으로 평가 하였으며 마모 시험 편의 표면은 주사전자현미경(JSM-5800, JEOL, 일본)을 사용하여 관찰하였다.

성능/효과

진공 가스 아토마이저를 사용하여 제조된 봉목상의 Al-Fe계 합금 분말(약 70 µm)은 브레이크 패드 기지에 기존의 조대한 구리 섬유(약 500 µm) 보다 균일하게 분산시킬 수 있었다. Al-8Fe 합금 분말을 사용한 마찰재의 경우 구리 섬유 소재보다 상대적으로 낮은 마모량을 보였으며 마찰 시간에 따른 마찰 계수의 변화량도 구리 섬유를 사용한 패드의 경우는 7.2%였으나, Al-Fe 합금 소재의 경우에는 3.8%이내로 우수한 judder 특성을 보였다. 이는 기지에 Al-Fe 합금 분말이 균일하게 분포하여 마찰 계면에 균일하게 산화막을 형성하여 우수한 마찰 및 윤활 특성을 보인 것으로 판단된다.
본 연구에서 개발된 마찰재에 대한 브레이크 패드의 성능을 판단할 수 있는 대표적인 4대 물성(밀도, 경도, 압축변형량, 전단 강도) 평가를 수행하여 표 1에 나타내었다. 측정 결과 기준 재질인 구리 섬유 패드의 밀도는 2.19 g/cm³에서 알루미늄 합금을 활용한 패드는 2.06 g/cm³로 감소하였고 압축변형량(Compressive strain)이 154 µm에서 약 11~19 µm씩 감소하였다. 경도 값은 모두 80 HRR(로크웰)이상을 보였다.

후속연구

이는 기지에 Al-Fe 합금 분말이 균일하게 분포하여 마찰 계면에 균일하게 산화막을 형성하여 우수한 마찰 및 윤활 특성을 보인 것으로 판단된다. Al-Fe계 분말 소재 사용 시 기존 브레이크 패드의 마찰 및 윤활 성능을 유지하면서 구리 섬유를 대체함으로써 제동 시 발생하는 중금속 구리 분진의 오염을 막을 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차 브레이크 패드는 무엇으로 이루어져 있는가?	자동차는 엔진, 차체, 내장재, 구동계 및 제동계로 구성되어 있으며, 제동계 중에서 브레이크 패드 소재는 마찰, 윤활 및 마모 성능의 최적화를 위하여 금속, 세라믹 및 폴리머 등 약 30여 가지의 혼합 물질로 이루어져 있다[1, 2]. 자동차 브레이크 패드용 소재 구성은 바인더인 결합재, 철계와 유리 섬유계 등의 섬유 보강재, 구리계, 흑연계 및 금속 황화물계 윤활재, 알루미나와 석영 등의 연마재 및 다양한 충진재의 5대 소재로 구성된다. 구리는 주로 섬유 형태로 사용되며 보강재 역할을 하면서 높은 열전도도, 높은 고온 윤활성 등을 가지고 있어 수십 년간 주로 마찰개선 재로 사용되어 왔다[3-5].
	브레이크 패드의 구리를 대체할 물질을 개발해야하는 이유는 무엇인가?	그러나, 미국에서 자동차 제동 시 발생하는 구리를 포함하는 브레이크 패드의 분진으로 인한 하천 및 해양 오염원으로 추적 및 판정되어 워싱턴주와 캘리포니아주 등에서는 브레이크 패드 내 구리 함유량을 2021년에는 5 wt.% 미만, 2025년까지는 0.5 wt.% 미만을 사용할 것을 규제하고 있어 구리를 대체할 수 있는 소재의 개발이 절실히 요구되고 있다.
	브레이크 패드에서 구리가 마찰개선 재로 사용된 이유는 무엇인가?	자동차 브레이크 패드용 소재 구성은 바인더인 결합재, 철계와 유리 섬유계 등의 섬유 보강재, 구리계, 흑연계 및 금속 황화물계 윤활재, 알루미나와 석영 등의 연마재 및 다양한 충진재의 5대 소재로 구성된다. 구리는 주로 섬유 형태로 사용되며 보강재 역할을 하면서 높은 열전도도, 높은 고온 윤활성 등을 가지고 있어 수십 년간 주로 마찰개선 재로 사용되어 왔다[3-5]. 브레이크 패드의 마찰 및 윤활 성능 향상을 위하여 구리와 카본 나노 튜브, 세라믹 분말을 혼합한 복합소재를 사용하여 마모 저항성을 향상하고, 안정적인 마찰 계수를 확보하고자 하는 등 다양한 연구가 수행되었다[6-10].

참고문헌 (14)

P. Filip, L. Kovarik and M. A. Wright: Automotive brake lining characterization, Proceedings of the 15th Annual SAE Brake, Colloquium, PA (1997) 41.
P. W. Lee and P. Filip: Wear, 302 (2013) 1404.

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W. Osterle, C. Prietzel, H. Klo $\ss$ and A. I. Dmitriev: Tribol. Int., 43 (2010) 2317.

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M. Kumar and J. Bijwe: Wear, 270 (2011) 269.

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S. Kim, J. Lee, J. Han, Y. Kim, H. Park, S. Sung, J. Lee, J. Cha, J. Jo and H. Jang: J. Mater. Manuf., 5 (2012) 9.
D. Gultekin, M. Uysal, S. Aslan, M. Alaf, M. O. Guler and H. Akbulut: Wear, 270 (2010) 73.

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R. K. Uyyuru, M. K. Surappa and S. Brusethaug: Tribol. Int., 40 (2007) 365.

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K. M. Shorowordi, A. S. M. A. Haseeb and J. P. Celis: Wear, 256 (2004) 1176.

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H. J. Hwang, S. L. Jung, K. H. Cho, Y. J. Kim and H. Jang: Wear, 268 (2010) 519.

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E. Mikael and J. Staffan: Tribol. Int., 33 (2000) 817.

상세보기
A. Daei, D. Majumdar and P. Filip: Performance of Lowmetallic Cu-free Brake Pads with Two Different Graphite Types, Proceedings of the 33rd Annual SAE Brake, Colloquium (2015) 2677.
A. Rathod, V. Umasankar and M. A. Xavior: Procedia Engineering, 97 (2014) 941.

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A. Baradeswaran and A. Elaya Perumal: Compos. Part BEng., 56 (2014) 472.

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R. K. Uyyuru, M. K. Surappa and S. Brusethaug: Wear, 260 (2006) 1248.

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