Tribological Properties of Ceramic Composite Friction Materials Reinforced by Carbon Fibers

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DOI https://doi.org/10.9725/kstle.2017.33.1.15

탄소섬유가 혼합된 세라믹 복합재 제동마찰재의 마찰·마모 특성

구병춘^1,†ㆍ김민수²

1한국철도기술연구원 신교통연구본부

2한국철도기술연구원 광역도시교통연구본부

Tribological Properties of Ceramic Composite Friction Materials Reinforced by Carbon Fibers

Byeong-Choon Goo

^1,†

and Min-Soo Kim

²

1New Transportation Research Department, Korea Railroad Research Institute

2Metropolitan Transportation Research Department, Korea Railroad Research Institute (Received December 2, 2016; Revised December 29, 2016; Accepted December 30, 2016)

Abstract − 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 1.59-1.66 g/cm³, 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 °C. The coun- terpart 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.

Keywords: carbon fiber(탄소섬유), composite(복합재), friction coefficient(마찰계수), friction material(마찰 재), SiC (탄화규소), wear (마모)

Nomenclature

# : Number Ra : Roughness (µm) Ø : Diameter (mm)

1. 서 론

열차나 자동차의 고속화, 제동거리 단축 등에 대응하 여 600도 이상의 고온에서 견딜 수 있는 내열성을 가 지며, Cu, Cr, Pb 등 유해 금속이 포함되지 않은 친환 경적인 제동패드가 요구되고 있다. 국립환경과학원 자 료에 의하면 산화된 구리의 분진은 인체에 유해하다고 밝혀지고 있으며, 제동마찰재에 함유된 구리나 구리화 합물은 수중 미생물에 유해할 수 있고 먹이사슬을 통

†

Corresponding author : [email protected]

Tel: +82-31-460-5243, Fax: +82-31-460-5031

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하여야 한다고 규정하고 있으며, 캘리포니아의 경우에 는 2021, 2025년 1월 이후에는 제동마찰재에 Cu 성 분이 각각 5, 0.5 wt.% 이하여야 하고, 뉴욕 주의 경 우 2021, 1월 이후에는 제동마찰재에 Cu 성분이 5 wt.% 이하여야 한다고 규정하고 있고 다른 주에서도 유사한 입법이 늘어나는 추세에 있다[1].

현재 국내 고속철도에 사용되고 있는 마찰재는 Cu 가 60 wt.% 이상 함유되어 있어 Cu의 함유량이 적은 친환경 마찰재 개발에 대한 연구가 필요한 시점으로, 선진 외국의 기술독점을 방지하고, 국내 부품산업의 기 술 경쟁력을 확보하기 위해서 이 분야에 대한 연구가 매우 필요하다. 또한 국내 철도차량의 경우 고속철도 용 일부 마찰재를 제외하고 나머지 제동 마찰재는 거 의 수입품을 사용하고 있어 마찰재에 대한 독자기술을 확보하고 국내 마찰재 산업의 육성을 위해서도 연구가 시급하다. 승용차용 마찰재의 원료로 사용되고 있는 침 상의 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.

유해금속을 포함하지 않은 마찰재의 후보 재질 중의 하나가 열전도성이 좋고 강도가 높은 탄소섬유를 이용 한 탄소-탄소 복합재이다. 탄소-탄소 마찰재는 이미 경 주용 자동차, 항공기의 제동마찰재로 사용된 지 오래 되었고, 탄소-탄소 마찰재에 Si를 함침시켜 만든 탄소 -탄소-SiC (C/C-SiC) 제동디스크가 고급 승용차에 장 착되어 판매되고 있다[4]. 세라믹 제동디스크나 고속철 도용 강 제동디스크의 상대재인 제동패드로 탄소복합 재를 활용한 제동패드에 대한 연구는 최근에 진행되고 있다[5-8]. Langhof 등[5]은 C/C-SiC 제동디스크의 상 대재로 C/C-SiC 세라믹 복합재 제동패드를 제작할 때 11 vol.% 코크를 혼합하면 마찰계수는 증가하고, 마모율 은 낮아지는 순기능을 하는 것을 밝혔다. Xiao 등[6]은 탄소섬유, 그라파이트, Si, 레진 등을 혼합하여 열간 성 형으로 성형체를 만들고 탄화와 열처리를 거쳐 세라믹 복합재 마찰재를 만들어 강 디스크를 상대재로 하여 마찰시험을 하여 패드 재질로써의 가능성을 보였다.

능함을 보여 주었다. Lee 등[8]은 기존의 마찰재 제작 공정에서 졸-겔 촉매 분산과 증기 화학 증착법으로 탄 소 나노 튜브를 직접 성장시켜 탄소 나노 튜브가 혼합 된 마찰재를 만들어 회주철을 상대재로 하여 마찰·마 모 시험을 하여 탄소 나노튜브가 윤활제로 작용하여 마찰계수와 마모량을 낮추는 역할을 하는 것을 보여 주었다.

본 연구에서는 공정의 단순화와 제작 비용을 고려하 여 탄소섬유, Si, SiC, 그라파이트, 페놀수지를 혼합한 후 열간 성형하여 성형체를 만들고 열처리를 하여 세 라믹 복합재를 만들고 기계적 특성 측정과 조직 분석 을 하였다. CrMoV강으로 만들어진 KTX 제동디스크에 서 시편을 채취하여 세라믹 복합재의 상대재로 다양한 조건에서 마찰·마모 시험을 하여 특성을 평가하였다.

2. 시편제작 및 시험방법

2-1. 마찰재 제작

시편 제작에 사용된 탄소섬유는 상업용 T700SC 12K(Toray, Japan) 탄소섬유를 폭 20, 두께 0.4 mm 상태로 편평하게 펼친 후 5 mm 길이로 절단하여 사 용하였다. 절단된 탄소섬유 30 wt.%, 액상 페놀수지 20%, SiC 25%, 그라파이트 15%, 그리고 Si 파우더 5%를 혼합하여 건조한 후 200^oC, 17 MPa로 가압 성형하여 200×200×10 mm 크기의 성형체를 만들었다.

열처리는 2가지 다른 공정을 적용하여 열처리의 영향 을 조사하였다. 첫 번째 공정에서는 1차로 950ôC에서 열처리하고 밀도를 높이기 위해 수지에 함침 후 600ôC에서 2차 열처리를 하였다(복합재 #1). 제작된 복합재의 겉보기 밀도 1.66 g/cm³, 압축강도 90 MPa, 기공률은 16.6% 였다. 압축강도는 10×10×10 mm 시 편으로 측정하였다. 두 번째 공정에서는 1차로 950ôC 에서 열처리하고, 다시 1800ôC에서 열처리를 한 번 더 한 후 수지에 함침한 후 600ôC에서 3차 열처리를 하였다(복합재 #2). 이렇게 제작된 복합재의 겉보기 밀 도 1.59 g/cm³, 압축강도 73 MPa, 기공률은 20.1% 였 다. Fig. 1, 2는 표면에서 찍은 현미경 사진이다. 구성 요소들이 잘 결합되어 제동마찰재 규격[10]이 요구하

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는 최소 압축강도 49 MPa를 만족하고 있다.

2-2. 시험방법

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 있 다[9]. 디스크의 초기온도는 50~220^oC 범위에 있고, 제동초속도는 대상 차량의 최고 운행속도 내에서 여러 단계로 설정되어 있다. 본 연구와 같이 신소재의 개발 초기단계에서는 비용과 시간의 한계로 소형의 시편과 시험기를 사용하는 경우 가능하면 실물 크기 시험과 유 사한 조건이 되도록 시험조건을 설정하는 것이 좋지만 조건을 정확히 일치시키기는 어렵다. Fig. 3은 본 연구 에 사용된 마찰·마모 시험기(SRV2, Optimol, Germany) 로 판형의 탄소복합재 위를 접촉부가 Ø10 mm 구형 인 핀이 왕복하는 방식으로 25~200^oC 범위에서 온도 제어가 가능하다. 각 시편에 대해 수직하중 10 N, 변 위 2 mm, 10 Hz에서 60분 동안 시험하고 마찰계수와

마모량을 측정하였다. 마찰·마모 시편의 마찰면 크기는 10×10, 두께는 3 mm이다. 탄소복합재의 상대재는 CrMoV 단조강 소재인 KTX-산천 제동디스크에서 일 부를 채취하여 끝단을 Ø10 mm 구형으로 가공하여 사용하였다. 마모량은 Fig. 4와 같이 복합재 표면을 조 도측정기로 마모면의 깊이를 측정하여 마모된 부분의 부피를 구하여 평가하였다. 마찰·마모 특성을 비교평가 하기 위하여 현재 KTX 열차에 사용되고 있는 구리 기지 소결 마찰재에서 시편을 만들어 동일한 시험을 수행하였다.

3. 결과 및 고찰

Fig. 5, 6은 각각 시편 #1, #2의 시험 전 표면의 거칠기이고, Fig. 7은 현재 KTX 열차에 사용되고 있 는 소결재 패드 시편의 표면 거칠기이다. 시편 #1과, 소결재 시편에 비해 #2 시편의 표면 요철의 변동이 더 심하다. 소결재, #1, #2 순으로 거칠기 값이 크고 각각 Ra=4.8, 5.8, 7.1 mm이다. Fig. 8-16은 세 시편 에 대해 1시간 동안 왕복 미끄럼 마찰 시험에서 측정 한 마찰계수를 보여준다. 시편 #1과 #2에서는 마찰계 수가 100^oC에서 약간 작아졌다가 200^oC에서 다시 증 가하는 경향을 보인다. 반면에 구리 기지 소결재 시편 의 경우는 온도가 증가와 함께 마찰계수가 증가하였다.

Na등[11]의 연구에 의하면 구리 기지 소결재의 경우 Fig. 1. Micrograph of the composite #1.

Fig. 2. Micrograph of the composite #2.

Fig. 3. Friction test equipment, SRV2, Optimol.

Fig. 4. Surface profile and wear amount.

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마찰면에 생성된 산화막 Fe2O3이 마찰특성에 큰 영향 을 끼쳤다. 세 시편 모두 온도가 증가함에 따라 마찰 계수의 변동 폭이 커지고 있다. 25^oC에서는 연삭작용 에 의해 주로 마모가 일어나지만 온도가 올라가면 마 찰재의 일부 구성성분이 연해져 두 마찰재 사이에 응

착이 일어나면서 응착과 미끄럼이 반복되어 마찰계수 의 변동이 심해지게 되는 것으로 판단된다. Fig. 17은 마찰력이 한 단위 일에 대한 마모부피로 계산한 마모 율을 나타낸다. 세 마찰재 모두 온도가 증가함에 따라 마모율이 증가하였다. 200^oC에서 #1의 마모율이 제일 Fig. 5. Surface roughness, specimen #1.

Fig. 6. Surface roughness, specimen #2.

Fig. 7. Surface roughness, sintered friction material.

Fig. 8. Friction coefficient, specimen #1, 25 ^oC.

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작고 #2의 마모율이 제일 크다. Fig. 18-20은 세 마찰 재 시편의 시험 후 마찰부의 현미경 사진이다. 마찰재

#1, #2의 경우 온도가 올라갈수록 마찰면이 더 매끈하

다. 소결재의 경우 마찰부위가 파손된 흔적이 보인다.

Fig. 21은 마찰재 #2의 상대재로 왕복운동을 한 CrMoV 강의 마찰면의 현미경 사진이다. 초기의 형상과 유사 Fig. 11. Friction coefficient, specimen #2, 25 ^oC.

Fig. 14. Friction coefficient, sintered specimen, 25 ^oC.

Fig. 15. Friction coefficient, sintered specimen, 100^oC.

Fig. 16. Friction coefficient, sintered specimen, 200 ^oC.

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한 구형의 접촉부를 나타내며 마찰재에 의해 긁힌 자 국이 선명하게 나타났다. 세 시편의 긁힌 자국의 지름 은 약 1800 µm이다. 시험에 적용된 수직력을 접촉부 의 면적으로 나누어 평균 압력을 구하면 약 3.9 MPa 이 얻어진다. 실물 크기 제동다이나모 시험에서 적용 되는 최대 압력 1.15 MPa 보다 더 큰 압력이 작용되 었음을 알 수 있다.

Fig. 17. Wear rate.

Fig. 18. Wear track after the friction test, specimen #1.

Fig. 19. Wear track after the friction test, specimen #2.

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4. 결 론

탄소섬유, Si, SiC, 그라파이트 분말과 페놀수지를 혼합하여 200 ^oC, 17 MPa 압력으로 열간 성형한 후 두 가지 방법으로 열처리를 수행하여 구리가 함유되지 않은 친환경, 고내열성을 갖는 세라믹 복합재 제동 마

찰재를 성공적으로 개발하였다.

본 연구에서 제작한 복합재와 현재 사용중인 고속철 도용 동계 소결재 제동 마찰재를 KTX-산천 제동디스 크 (CrMoV 단조강)에서 채취한 시편을 상대재로 하여 마찰·마모 특성을 평가한 결과 세 종류의 시편 모두 온도가 증가할수록 마찰계수의 변동폭이 커지고 마모 량이 많아지는 경향을 보였다. 개발 소재는 동계 소결 재와 유사한 마찰·마모 특성을 보였다.

Fig. 20. Wear track after the friction test, sintered specimen.

Fig. 21. Wear track after the friction test, CrMoV steel.

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행될 것이다.

Acknowledgements

본 연구는 한국철도기술연구원 주요사업의 지원으로 수행되었습니다.

References

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