Tribological properties of the brake friction materials without environmentally regulated ingredients

(1)

친환경 규제 원료를 제거한 마찰재의 마찰 특성에 관한 연구

임세은·이완규·신민욱·장 호^† 고려대학교 신소재공학부

Tribological properties of the brake friction materials without environmentally regulated ingredients

Se Eun Lim, Wan Gyu Lee, Min Wook Shin and Ho Jang

^†

Dept. of Material Science and Engineering, Korea University

(Received May 29, 2010; Revised July 15, 2010; Accepted July 18, 2010)

Abstract −

Friction characteristics of the brake friction materials without environmentally regulated ingredients were examined to find their role in the brake performance. Five friction materials were produced based on a near- commercial formulation by changing the relative amount of potentially hazardous ingredients to health and envi- ronment, such as Sb

²

S

³

, potassium titanate, and brass fiber. Tribological properties of the friction materials were obtained using a scale dynamometer and Krauss type tribometer. Results showed that the excluded three ingredients played important synergetic effects on tribological properties in terms of fade resistance, wear resistance and friction effectiveness. In particular, brass fibers played important roles in the friction stability by providing excellent thermal diffusivity at the friction interface. Potassium titanate whiskers showed excellent fade resistance and wear resistance compared to the substituted barite. Antimony trisulfide, on the other hand, showed little effect on the high temperature fade resistance and wear resistance, while it increased friction effectiveness at moderate temperatures. The friction materials without the three ingredients showed severe fade, indicating anti- synergy effects.

Keywords −

brake(

브레이크

), friction material(

마찰재

), wear(

마모

), Sb

²

S

³

(

삼황화안티몬

), potassium titanate(

^{타탄산칼륨}

), brass fiber(

^황동섬유

)

1. 서 론

브레이크용 마찰재는자동차

,

철도

,

항공기등 다양 한수송장비의제동시스템에사용되는핵심부품으로 서

,

^안정된^마찰력

,

^내마모성

,

^무소음^등의^까다로운^제

동조건을요구한다

[1-3].

이를만족시키기위해마찰재

연구는다양한 속도

,

압력

,

온도 조건하에서 다각적으

로진행되어왔으며

[4-6]

근래에는이러한까다로운제

동조건뿐아니라마찰재에사용되는원료의친환경문 제가 크게 대두되고 있다

.

^특히

,

^유럽국가 ^및 ^미국을

중심으로친환경관련규정을제정하여마찰재에사용

되는원료중환경오염가능성이있는물질의사용을 금지하고

,

이를위반할경우제재를가하고있다

.

이와관련하여

.

국제암연구기관

(IARC),

미국환경보 호국

(US EPA), EU

발암성 기준

(67/548/EEC)

에서는 세라믹섬유

,

^{티탄산칼륨}

(

^침상

),

^납

/

^무기납^화합물

,

^삼황

화안티몬이암을유발시킬수있는재료들이라고밝히고

있다

[7-9].

또한국립환경과학원에서는산화된구리의분

진이인체에유해하다고밝힌바있다

[10].

이에근거하 여 유럽의 경우

REACH (Registration, Evaluation and Authorization of Chemical)

^규정을 ^적용하여^잠재적인

환경오염물질을 규제하고있으며

,

미국의경우는 캘 리포니아에서제정한

Proposition 65

를시작으로타주 에서도마찰재의친환경규제를시작하고있다

.

†주저자·책임저자 : [email protected],

(2)

따라서

,

^현재^자동차용^{마찰재에서}^널리^사용되고^있

는침상티탄산칼륨

,

삼황화안티몬

,

구리및황동섬유 와 같은 원료들은 유사한마찰특성을 제공하는 다른 재료들로대체하거나제거하여야한다

.

^그러나

,

^친환경

마찰재개발에있어

,

환경규제재료를제거하거나교 체하여도내마모

,

소음

,

고온효력등의 마찰특성을유 지하여야하기때문에많은연구가요구되고있다

.

본연구에서는친환경마찰재의조건에있어위해성 이있는것으로알려져있는티탄산칼륨

(

^침상

),

^삼황

화안티몬

,

황동 섬유를각각 제거하여마찰재를제작 한후마찰

/

^마모^특성을^{평가하였다}

.

2. 실험방법

2-1. 시편제작

본연구에서는자동차용마찰재에사용되는원료들 중에서티탄산칼륨

(

침상

),

삼황화안티몬

,

황동섬유를 제거한경우나타나는마찰재의마찰특성을 고찰하기 위해 총

5

^종류의^시편을^{제작하였다}

. Table 1

^에^나타

낸바와같이원료변경을 하지않은마찰재

(A)

와삼 황화안티몬을 제거한마찰재

(B),

황동섬유를 제거한

마찰재

(C),

침상티탄산칼륨을제거한마찰재

(D),

그

리고 세원료를모두 제거한마찰재

(E)

를일정혼합 비로 제작하였다

.

^제거된^재료들의^부피는 ^비교적^마

찰특성에영향을나타내지않는충진재인

barite

로대

체하였다

.

마찰재시편은혼합후상온에서의예비성형을거쳐

180

^o

C

에서본성형하였다

.

페놀릭레진의 가교경화를

위해

200

^o

C

^에서

8

^시간 ^동안 ^후 ^열처리를^하였다

[11].

최종적으로실험에사용된마찰재는

45

×

18

×

7 mm

³와

20

×

20

×

10 mm

³크기로절단후사용하였으며

,

상대재 로는 외경

142 mm,

^내경

5 mm,

^두께

8 mm

^로 ^가공

된 회주철디스크를사용하였다

.

마찰재의 경도는로 크웰 경도시험기

(Akashi Rockwell hardness tester ARK-600K)

를사용하여

S-scale

로측정을하였다

.

2-2. 마찰 시험

마찰재의제동시마찰특성을확인하기위해

1/5

로 축소된 제동시험기

(1/5 scale dynamometer)

^와

Krauss type tribometer

를 사용하였다

(Figs. 1, 2). 1/5 scale dynamometer

는 마찰재

,

디스크

,

관성등의 크기가실 차의

1/5

로축소된제동시험기로고속과저속에서 각 시편의 마찰계수를 비교 하는데 사용되었다

. Krauss type tribometer

^는^{고온에서의}

fade

^현상을^관찰하고

,

^마

Table 1. Composition of the friction materials used in

this study (vol.%)

Classification A B C D E

Solid lubricant 6.1 3.6 6.1 6.1 3.6 Reinforcing

fiber 28.7 28.7 25.7 16.2 13.2 Filler 40.8 42.3 43.8 53.3 58.8

Abrasives 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5

Binder 19.9 19.9 19.9 19.9 19.9

Fig. 1. A schematic of the 1/5 scale dynamometer used in this study.

Fig. 2. A schematic of the Krauss type tribometer used

in this study.

(3)

모량을측정하였다

.

마찰계수는토크센서를이용하여 측정하였으며

,

온도는 비접촉식 적외선 온도계

(IRtec 500)

를사용하여측정하였다

[12].

1/5 scale dynamometer

를 이용한 시험에서는 먼저

마찰재와 디스크간의 균일한 접촉을 형성 하기 위해 압력조절모드에서

100

회제동을반복하는버니싱과정 을거친 후마찰 시험을진행하였다

.

버니싱이된 마 찰재를 이용하여 압력 조절 모드에서속도와 압력을 변화시키는 효력시험

(effectiveness test)

을 진행하였으 며

Krauss type tribometer

^를^이용한^{실험에서는}^끌기

시험을이용하여

60

초동안

50

회의버니싱과정을 거 친 후

, CIT(constant interval test)

를 진행하여

,

고온에

서의

fade(

고온 마찰계수감소

)

현상을 알아보았다

.

자세

한실험 조건은

Tables 2, 3

에나타내었다

.

각마찰재

의 마모량은

IBT

^를

200

^o

C

^로 ^설정하여

60

^초간

50

^회

끌기 시험을진행한후

,

마찰시험전후의무게차이를 마찰시험중나타난마찰에너지로나누어계산하였다

.

3. 시험결과 및 고찰

3-1. 속도 및 압력에 따른 마찰 특성

본연구에서제작하여사용한

5

가지마찰재시편의 평균마찰계수와 제동시간을 비교하기 위해 버니싱이

끝나는마지막제동에서의평균마찰계수를 계산하여

Fig. 3

에나타내었다

.

그림에서나타난바와같이원료

를 제거한 마찰재의 마찰계수가 일반적으로 더 높게 나타났다

.

^이러한^결과는^제거한^원료 ^대신 ^충진재로

사용한

Barite

에의한 영향도포함된 것이며적은 양

을변화시킨삼황화안티몬및황동섬유를제거하였을 때 마찰계수가 약

20%

증가한 것은주목할 만한 결 과로 보인다

.

특히 황동을제거하였을 때마찰계수가 증가하고있는것은 구리가열확산을촉진할뿐아니 라고온윤활역할을함을의미한다

.

속도와압력에따른제동성능을확인하기위해 초 기온도

120

^o

C

에서속도와압력을변화시키며시험하였

다

. Fig. 4

는

80 km/h

의 속도에서 제동할 때 압력의

증가에따른마찰계수를나타낸그래프이고

, Fig. 5

^는

20 kgf/cm

²의압력에서초기속도의변화에따른마찰

계수의변화를나타낸그래프이다

. Fig. 4

를보면전반

적으로

80 km/h

에서제동시압력이증가할수록마찰계

수가낮아지는현상이나타난다

.

고속

,

고압에서의 제 동은 마찰계면의 온도를크게 증가시키며

,

^이는^고온

에서 마찰계수가 감소하는 현상

(

페이드

)

에 따른 결과 로 사료된다

.

특히 마찰재

D

의 경우 압력에따른 마 찰계수감소가가장크게나타났다

.

^이는^입상인^황산

바륨이침상인티탄산칼륨에비해압력에더민감하기 때문으로사료된다

.

^또한^초기조성^마찰재

A

^와

3

^가지

원료를모두 제거한마찰재

E

의마찰계수거동이 유 사한것은흥미로운결과로보인다

.

그러나이는압력 에따른변화에서만나타난결과로서속도를변화시킨

Table 2. Test procedure of 1/5 scale dynamometer used in this study

burnishing Effectiveness test

Velocity (km/h) 30 40, 60, 80

Pressure (kgf/cm

²

) 20 10, 20, 30, 40, 50

IBT (

^o

C) 120 120

Iteration 100 -

Test mode Pressure control Pressure control Table 3. Test procedure of Krauss type tribometer used in this study

burnishing CIT

Velocity (m/s) 3.5 3.5

Pressure (kgf/cm

²

) 8.2 8.7

IBT (

^o

C) 200 50

Iteration 50 -

Drag time (sec) 60 40 (20-interval) Test mode Time control Time control

Fig. 3. The average friction coefficient and braking

time measured at the last stop during burnishing.

(4)

다른조건에서의시험에서는나타나지않는우연한결 과로사료된다

.

속도에따른마찰계수의변화는압력변화의경우와

는다른양상을보여주고있다

. Fig. 5

에보여주는바

와 같이 속도가증가함에 따라 마찰계수가 증가하는 경향을보여주고 있다

.

이러한결과는속도가증가함 에따라동적에너지가증가함에따라마찰계면의온도 가증가하여결합재로사용되는페놀릭레진의연화현

상에 의해 마찰계수가올라간 것으로사료된다

.

이와 같이 마찰계면의온도가증가하면서마찰계수가증가 하는것과 유사한결과는이미출간된논문에서도 찾

아볼 수 있으며

[13]

본 연구에서 진행한

CIT

시험 결

과에서도나타난다

.

^그러나^{황동섬유를}^제거한^마찰재

와세가지모두를제거한마찰재는속도에따라크게 변화하지않았다

.

^이는^{열전도도가}^우수한 ^{황동섬유가}

제거되면서열확산이좋지않아일어난현상으로추측 된다

.

그러나명확한원인을알아내기 위해서는보다 다양한변수를이용하여정량적실험을추가하여보다 자세히검증할필요가있는것으로사료된다

.

3-2. 고온마찰특성

Fig. 6

은

5

종의마찰재시편을대상으로

CIT

시험을

실시한후마찰계수의변화를온도와함께나타낸것 이다

. E

를제외한모든시편에서

,

시편의온도는실험 이진행될수록상승하여

,

^최고

500

^o

C

^이상^{도달하였다}

.

그러나

, E

시편의 경우 다른 마찰재와 달리 온도가

400

^o

C

이상상승하지않았다

.

이는

fade

현상으로인해 마찰계수의감소가일어나고상대재인디스크와의 마 찰력이감소하여온도가상대적으로오르지못한것을 의미한다

.

^이는^온도가^더^이상^올라가지^않는^구간이

400

초부터시작되고

, fade

현상이일어나는지점도

400

초인것으로부터알수있다

.

반면에마찰재

C

^의^경우에는^{마찰계수가}^온도의^증

가에 따라 급격히 증가하고있으며 약간의 페이드를 겪은 후에도비교적높은 마찰계수를 유지하고있다

.

이러한현상은구리합금이우수한열확산때문에고온 에서도윤활제역할을하고 있었음을 의미한다

.

이러 한황동섬유의우수한고온특성은마찰재에서매우중 요한역할을하고있으며그로인해중금속오염이라는 오명속에서도아직상용마찰재에서제거못하고있는 이유중의하나이다

.

한편삼황화안티몬을제거한시편

B

의경우에는별 다른 특징을보이지않고 있다

.

^이는 ^{삼황화안티몬이}

고온영역에서 큰 역할을하고 있지않음을 의미한다

.

반면

,

^마찰재

D

^의^경우에는^온도가

300

^o

C

^이상으로^증

가한

600

초부터 다시 마찰 계수의 상승이 일어났다

.

이러한결과는마찰재의초기에는열에의해연화되어 마찰계수가감소하고 그이후에는마찰계면에황화바 륨의양이상대적으로축적되어마찰계수의상승을초 래한것으로사료된다

.

또한

,

모든 마찰재의경우 마찰계수가온도가증가

Fig. 4. The change of the friction coefficient as a function of pressures at 80 km/h.

Fig. 5. The change of the friction coefficient as a

function of speed at applied pressure of 20 kgf/cm

²

.

(5)

함에따라증가하다가

200

^o

C

부근에서감소하는현상 이나타나고있다

.

이러한현상은

200

^o

C

근처에서마 찰계수의감소가일어나는것은수지의분해가

200

^o

C

부근에서일어나기때문이다

[13,14].

그러한이러한마

찰특성은마찰재의표면에생성되는고평부

(plateau)

와

그에따른실접촉면적의변화에크게의존된다

. Fig. 6

Fig. 6. The change of friction coefficient and disk temperature as a function of sliding time during constant interval

test.

(6)

을보면각각의재료를제외한

B, C, D

마찰재의경우

fade

^현상이^{두드러지게}^일어나지^않았다

.

^그^중에서^황

동 섬유를제외한

C

마찰재의경우 다른 재료를제외

한것보다

fade

현상이조금더심하게 발생하였다

.

이

는열전도성이 좋은황동섬유가제거됨으로써마찰계 면에서의 열확산이감소된결과로판단된다

.

각각 한

개의재료를제거한마찰재의

fade

^현상은^심하게^발생

하지않았지만

, 3

개를제외한

E

마찰재의경우

fade

현

상이심하게일어나는것으로보아이세가지의재료 가 시너지효과를가짐으로써

fade

현상을막아주는 것 으로판단된다

.

Fig. 7

은

CIT

실험을마치고난후마찰재시편의표

면을

3

차원표면조도기

(Non-connecting optical profiler)

를사용하여나타낸결과이다

.

^그림에서

,

^어두운^부분

Fig. 7. The distribution of the contact plateaus measured after the constant interval test.

(7)

은 고평부로서 마찰에 직접 관여한 접촉부위이다

.

^이

부분은고평부

(plateau)

라지칭하며마찰재와상대재인

디스크와의마찰작용에있어결정적인역할을한다

[15].

고평부는디스크와의마찰로인해생긴마모입자가연 마재나 강화섬유에달라붙어뭉치게 되고 디스크와의 지속적인마찰로인해평평한형태가되어제동특성을 결정하는데중요한 역할을 한다

[20]. Table 4

는각마 찰재의표면적에서고평부의면적을

area %

로나타낸

것이다

.

^마찰재

D

^의^고평부의 ^양이

7.7%

^로 ^가장 ^적은

결과를 나타내었다

. Fig. 6

과연관지어보았을 때마 찰재

D

^는^실험이^진행되어^고평부가^생성되어^마찰기구

를형성하다가

500

초이후에고온에서고평부가마모 되어다시생성되는과정에서마찰계수의상승이일어 난것으로판단된다

.

^그러나^고평부의^분포와^마찰계수

또는내마모성과의직접적인연관관계를도출하는데더 많은시험결과와고찰이필요한것으로사료된다

.

3-3. 내마모성

Fig. 8

^은

5

^종류의^마찰재를^대상으로^마모^시험^후

나타난마모량을나타내었다

.

마모시험은버니싱조건 과동일하게진행되었으며그림에서막대그래프의상 단에나타낸온도는시험중나타난평균온도를표기

하였다

. Fig. 8

을보면

,

강화섬유인황동섬유와티탄

산칼륨

(

^침상

)

^을 ^제거한

C, D

^마찰재의 ^마모량이 ^다른

마찰재에비해

1~2.8

×

10

^-2

g/MJ

만큼많았다

. C

마찰재 의마모량이많은 것은과거연구결과에서황동섬유를 넣은반금속마찰재의마모량이

15~20 wt%

만큼줄어든

이유에서 기인한것이다

[16].

시편

C

의 내마모성이 악

화된것은마찰계면에서의열확산이감소하여높은온 도를유지하였기때문으로사료된다

.

한편

,

마찰재

D

의 마모량이많은 이유는티탄산칼륨을 대체한황화바륨 과 비율이 적절하지 않기 때문에 결합력이 부족하여 마모량이증가한것으로생각된다

.

반면

,

마찰재

E

의마 모량이 적은 이유는

350

^o

C

^근처에서 ^나타난 ^심한

fade

현상 때문에상대재인 회주철디스크와의 마찰력 이감소하고이에수반된마찰계수가급격하게감소하 여나타난현상으로사료된다

.

4. 결 론

친환경마찰재제작을위해유해물질로판단되고있 는세가지원료의마찰특성을연구하기위해티탄산칼 륨

(

침상

),

삼황화안티몬

,

황동섬유를제거한마찰재를대 상으로제동속도와압력에따른마찰특성

,

고온에서의

fade

^현상을^고찰해^보았다

.

^다양한^{시험모드에서}^마차특

성을분석한결과다음과같은세부결론을얻었다

. 1.

황동섬유는고온윤활제로의역할을하며마찰계 면에서의열확산을도모하여마찰안정성을유지하는데 가장중요한역할을하였다

.

2.

^침상^{티탄산칼륨은}^고온^안정성에^매우^우수한^마

찰특성을제공하였다

.

이는시편제조를위해대체된황 산바륨의열악한열내구성을상대적으로 나타낸것으 로사료된다

.

3.

삼황화안티몬은 고온 마찰시험에는 크게 영향을 미치지 못하였으나

200

^o

C

^이하의 ^{제동시험시} ^우수한

윤활작용을나타내었다

.

4.

특히

3

가지유해원료를모두제거한마찰재시편

E

^는^시너지의^반대^현상으로^인해^고온^페이드^현상이

극심하게나타났다

.

5.

^내마모성^측면에서

A, B, E

^마찰재는^우수한^성능

을보여주었다

.

하지만강화재인티탄산칼륨

,

황동섬유

를제거한

C, D

마찰재는높은마모량을나타냈다

.

대

조적으로세물질을모두제거한

E

^마찰재는

fade

^현상

Table 4. Area % of plateau formed after the constant interval test

A B C D E

Vol.% 12.1 9.4 8.2 7.7 12.8

Fig. 8. Specific wear rate of the friction materials, A, B,

C, D, and E.

(8)

으로인해마찰력이감소하여마모량이작아졌다

.

후 기

본연구는한국에너지자원기술기획평가원의신재생 에너지기술개발 사업

(

과제번호

: R090-1352)

에 의해 수행되었습니다

.

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