1. 서 론
철도차량이 준고속화 되면서 레진계(organic) 브레이크패드로는 더 이상 높아진 제동에너지를 감당할 수 없게 되었고, 이를 해결하려는 노력으로 금속계(metallic) 브레이크 패드가 개발되어 상용화되고 있다. 금속계 브레이크 패드는 분말야금(powder metallurgy)기술을 근간으로 마찰재(friction material)를 제조하게 된다.
마찰재는 10여종의 원소재로 구성된 복합재료이며, 구성하고 있는 원소재의 비율과 크기, 형상등에 따라서 마찰특성이 결정된다. 따라서 마찰재를 구성하는 원소재 성분을 선정하는 것이 마찰재의 핵심기술이며, 이러한 기술은 산업계에서 보안사항으로 취급되고 있다. 그러다보니 마찰재 성분에 따른 영향성 연구도 극히 제한적으로 이루어지고 있으며 특히 연구결과가 외부로 공개되는 경우는 거의 없는 실태이다. 또한 그 동안의 연구는 제동속도, 제동압력 등 사용환경에 따른 마찰 특성이 주로 연구되어 왔다[1,2].
금속계 마찰재를 구성하는 성분은 그 역할에 따라 금속기지(matrix), 마찰조정제(friction modifier)와 윤활재(lubricant)로 구분된다.
금속기지는 마찰재 전체에서 가장 많은 부피분율을 차지하면서 마찰재를 구성하는 여러 성분들을 고정하는 역할뿐 아니라, 마찰재의 기초특성을 제공한다. 금속기지는 동(copper)을 기본으로 하면서도 기지를 강화하기 위해 주석(tin)이나, 아연(zinc)를 첨가하기도 한다. 또한 철(iron)을 기지로 하는 경우도 있지만, 철 단독으로 기지로 사용하는 경우는 드물며 동과 철을 일정비율로 첨가하여 기지로 사용하는 경우가 대부분이다. 본 연구에서는 최적 조성의 금속계 소결마찰재를 준 고속용 철도차량에 적용하기 위한 목적으로 금속기지의 종류에 따른 마찰특성을 실험실용 제동 시험기(labscaledynamometer)를 이용하여 시험하고 고찰하였다.
2 시험방법
2-1. 시험편
2-1-1. 제동디스크
본 연구에 사용된 제동디스크는 실제 준고속 철도차량에서 적용될 수 있는 저합금 내열강(low alloyed heat resistance steel)을 조질처리 및 기계가공으로 제작하였다. 제동디스크의 재질은 Table 1에 물성은 Table 2에 나타내었다.
Fig. 1.Morphology of brake disk for test.
Table 1.Chemical composition of the disk material
Table 2.Mechanical properties of the disk material
2-1-2. 마찰재
본 연구에 사용된 마찰재는 준고속 철도차량용으로 개발된 금속계 소결마찰재의 조성(formulation)을 기본으로 하여 금속기지를 이루는 Cu-Sn과 Fe 함량을 변화시켜 제작하였다. 소결온도를 동일하게 하기 위해 Cu와 Sn의 비율은 같게 하였으며, 마찰재의 조성은 Table 3에 나타내었다.
Fig. 2.Friction materials after sintering.
Table 3.Composition of friction materials
마찰재의 제작은 Table 3의 조성으로 혼합하고, 유압식 프레스(hydraulic press)로 원통형의 성형체를 제작 후 흑연몰드에 넣고 가압소결하여 Fig. 2와 같은 형태로 제작하였다.
제작된 마찰재의 경도는 로커웰 R-Scale로, 밀도는 KS D 0033에 따라 측정하였고 Table 4에 나타내었다. 경도는 Fe 함량이 증가할 수록 높아지는 것으로 나타났고, 밀도는 Fe 함량 증가에 따라 일부 감소하는 것으로 나타났다.
Table 4.Mechanical properties of friction materials
시험을 위한 마찰재 시편은 정밀절단기를 이용하여 절단하여 제작하였으며 Fig. 3에 나타내었다.
Fig. 3.Friction materials for test.
A, E 마찰재의 현미경 조직사진을 Fig. 4~5에 나타내었다. A마찰재에서는 전체기지가 Cu-Sn으로 되어 있으며, E마찰재는 Fe가 35 wt%로 현미경 조직상에는 흰색상으로 나타내어진다.
Fig. 4.Micro-structure of sample A.
Fig. 5.Micro-structure of sample E.
2-2 시험방법
2-2-1 시험장치
본 연구에서 사용된 시험장치를 KS R 4024를 근간으로 제작된 시험기로 Fig. 6에 모식도로 나타내었다. 축에 장착된 관성휠(Flywheel)은 AC모터에 의해 회전하고 요구하는 회전속도에 도달하면 전자식 클러치에 의해 모터와 관성휠은 분리되며, 이때 시험부에 장착된 마찰재가 유압에 의해 디스크를 압착하므로 제동이 이루어지는 형태의 시험기이다.
Fig. 6.Schematic of lab-scale dynamometer.
2-2-2. 시험조건
본 연구에서는 일정압력으로 마찰재를 제동디스크에 압착시켜 마찰특성을 평가하는 일정압력모드를 사용하 였다. 제동시험을 위한 관성질량은 0.095 kgfms2 로 고 정하였으며, 마찰재의 면적은 5.6 cm2 로 마찰반경은 0.044 m로 하여 시험하였다.
본 실험 전 마찰재의 접촉면적이 70% 이상 될 때까지 저속, 저압에서 갈아맞춤(bedding-in)을 실시하였다.
본 실험은 0.55 MPa의 압부력에서 각각 속도에서 50회 제동을 하여 마찰특성을 평가하였다. 회전수는 중고속 철도차량의 실제 공기제동조건을 감안하여 설정한 것으로 철도차량으로 환산하면 50, 70, 90 km/h에 해당한다.
2-2-3. 평가 항목
마찰특성은 각 속도별 50회의 평균마찰계수와 평균마찰계수 안정성으로 나타내었다.
마찰계수 안정성(friction stability)은 제동시 순간마찰계수의 변화를 평가하는 항목으로 제동시 순간마찰계수의 변화가 평균마찰계수에서 벗어난 정도를 나타낸다[1,2]. 마찰계수 안정성은 아래식으로 나타내어진다 µs : 마찰계수 안정성 µave : 평균 마찰계수 µmax : 최고 마찰계수 µmin : 최저 마찰계수
마찰재의 마모량은 제동에너지에 따른 마모부피로 평가하였다. 제동시험 후 제동디스크의 표면상태는 표 면조도계(roughness tester)로 마모트랙을 측정하여 Ra (중심선 평균조도) 값과 Ry(최대높이 거칠기)값으로 산 출하였다.
3. 시험결과 및 고찰
3-1. 평균마찰계수
Fig. 7은 각 마찰재의 전 속도 영역에서의 평균마찰 계수를 나타내었다.
Fig. 7.Friction coefficient of with speed.
전체 속도영역에서 평균마찰계수의 경우 A 마찰재는 0.410, B 마찰재는 0.399, C 마찰재는 0.385, D 마찰재는 0.365, E 마찰재는 0.349로 Fe 함량이 증가할 수록 평균마찰계수는 낮아지는 경향을 보여 E 마찰재는 A 마찰재에 비해 17.5% 낮은 평균마찰계수값을 나타내었다.
속도에 따른 마찰계수 변화폭이 B 마찰재가 가장 적게 나타나 안정적이었다.
마찰재에 Fe 함량이 증가할 수록 Fe가 주성분인 디스크와 응착마모(adhesive wear)의 경향이 높아져 마찰계수가 높을 것으로 예상했지만, 시험결과는 오히려 첨가된 Fe 함량에 따라 평균마찰계수는 낮아지는 경향을나타내었다.
이러한 결과는 본 시험조건에서는 마찰표면에 마찰재의 Fe 함량이 높을수록 산화피막(oxidation layer)이용이하게 형성됨으로써 디스크와 마찰재간의 응착마모를 방지하여 마찰계수가 낮아지는 경향을 나타낸 것으로 추정된다.
Fig. 8은 각각의 속도조건에서 마찰표면에서 1 mm떨어진 위치에서의 제동시 측정한 온도 결과이다. Fe함량이 증가할수록 마찰재 온도는 감소하는 경향을 나타내고 있다. 이는 Fe의 함량이 증가할 수록 열전도도가 높아진다. 그러나 제동시 마찰면에서 발생하는 마찰열은 동일하기 때문에 마찰재의 열전도도가 높으면 상대적으로 마찰재 표면의 온도는 낮아질 것으로 판단된다. 즉, Fe 함량 증가에 따라 마찰표면에서의 온도는 높아지는 동시에 Fe 산화물의 형성이 용이하게 되어 마찰면에서 윤활성이 높은 산화피막의 형성이 용이하게 될 것으로 추정된다.
Fig. 8.Temperature of Friction materials.
C마찰재는 다른 마찰재 대비 마찰재의 온도가 높게 나타났는데, 이것은 마찰재의 마찰면을 관찰하면 윤활재인 흑연이 탈락으로 다른 마찰재에 비해 많아 열전도가 증가했기 때문으로 추정되나, 향후 더 연구가 필요하다(Fig. 9).
Fig. 9.Friction surface of friction material C.
3-2. 마찰계수 안정성
Fig. 10은 각 마찰재의 마찰계수 안정성을 나타내었다. 마찰계수 안정성은 중속(19.4 m/s) 조건에서 낮아졌다가 고속(25.0 m/s) 조건에서 다시 높아지는 현상을 나타났다. 이러한 현상은 앞선 Fig. 8에서 나타낸바와 같이 고속에서는 마찰면의 온도가 충분히 상승하여 마찰계수를 안정시키는 산화물이 형성되기 때문인것으로 판단된다.
Fig. 10.Friction coefficient Stability of with speed.
마찰계수 안정성은 25% Fe을 함유한 D 마찰재에서 가장 낮게 나타났으며, 이는 미세한 마모분에 의한 연삭마모(abrasive wear)분이 마찰계수 안정성에 악영향을 미침을 보여준다. 이에 대해서는 추후 더 연구가 필요하다.
3-3. 마찰재 마모량과 디스크 조도
Fig. 11에 시험 후 마찰재의 마모량을 나타내었다. Fe가 포함되지 않은 A 마찰재가 가장 많이 마모되었 으며, Fe 함량이 많은 D, E 마찰재에서 마모가 가장 적었다.
Fig. 11.Wear rate of friction materials.
C 마찰재에서 마모량이 다른 마찰재에 비해 상대적으로 많은 것은 마찰면에서 윤활작용을 하는 흑연의 탈락에 기인한 것으로 판단된다. 그러나 C 마찰재에서 유독 흑연탈락이 많은 원인은 규명하지 못하였다.
Fig. 12~13은 마찰시험 후의 제동디스크의 표면조도를 나타내었다. Fe 함량이 증가할 수록 제동디스크의 조도값이 낮아지지만, Fe 함량이 35%인 E 디스크에서 급격하게 증가한다. E 마찰재의 표면조도의 급격한 증가는 시험 후 마찰재와 디스크의 형상에서도 보여주듯이 연삭마모에 의한 것으로 이는 열전도도가 낮은 E 마찰재의 표면에 형성된 산화피막이 쉽게 탈락하여 연삭마모를 촉진하기 때문으로 판단된다.
Fig. 12.Surface roughness of disks.
Fig. 13.Surface roughness of disks.
3-4. 마찰면 분석
Fig. 14는 시험이 완료후의 마찰재의 마찰면을 나타내었다.
Fig. 14.Friction surfaces of friction materials after test
A~E의 모든 마찰재에서 연삭마모의 흔적이 발견되지만, Fe 함량이 증가할 수록 연삭마모의 흔적은 적어지며, 특히 D 마찰재에서는 연삭마모의 흔적이 가장적다. 연삭마모는 마찰재의 조성 중 마찰조정재에 기인하거나, 주로 산화피막인 고경질 마모분(debris)에 의해 촉진된다. 모든 마찰재의 마찰조정재의 크기와 량이 같기 때문에 마찰면에서 이러한 차이는 마모분에의한 연삭마모에 의한 것으로 판단된다.
Fig 15는 시험 후 마찰재의 XRD 분석결과를 나타내었다. 모든 마찰재에서 Fe2O3 산화물이 검출된다. Fe증가에 따라서 마찰면에서도 Fe가 높게 검출된다
Fig. 15.XRD Pattern of friction materials surface after test.
Fig 16~17은 시험후의 A와 E 디스크의 마찰면을 나타내었다. E 디스크의 마찰면에서 부분적으로 산화피막이 형성되지 않은 부분도 존재하는데, 이것은 연삭마모에 의해 새로운 면이 나타난 것이다.
Fig. 16.Friction surface of disk A after test.
Fig. 17.Friction surface of disk E after test.
Fig. 18은 시험후의 디스크의 XRD 분석결과를 나타내었다. Fe 함량이 높은 E 시편을 제외한 모든 디스크에서 Fe 산화물이 형성되어 있다. E 디스크에서 산화물이 형성이 없는 것은 연삭마모로 인한 새로운 면이 형성되었기 때문이다.
Fig. 18.XRD Pattern of disk surface after test.
준고속용 철도차량에 적용을 위한 금속계 소결마찰재의 최적 조성을 확립할 목적으로 기지금속 조성에 따른 마찰특성을 시험실용 관성시험기를 이용하여 평가한 결과는 아래와 같다.
1) Fig. 7에 나타난 바와 Fe 함량 증가에 따라 평균마찰계수는 낮아지며, Fe를 함유하지 않은 마찰재에 대비하여 Fe가 35 wt%인 마찰재의 경우 최대 17.5%까지 마찰계수가 낮아진다.
2) Fe 함량 증가에 따라 마찰면의 온도는 높아지며, 이에 따라 평균마찰계수는 낮아졌다.
3) 마찰계수 안정성은 중속(19.4 m/s) 조건에서 낮아졌다가 고속(25.0 m/s) 조건에서 다시 높아지는 현상을 나타났다. 이러한 현상은 고속에서는 마찰면의 온도가 충분히 상승하여 마찰계수를 안정시키는 산화물이 형성되기 때문인 것으로 판단된다.
4) 마찰재의 마모량은 Fe 함량 증가에 따라 감소하는 경향을 보였고, 디스크 마모량은 Fe 함량 증가에 따라 감소하는 경향을 보이지만, Fe가 35 wt%에서는 급격하게 증가하는 양상을 보였는데 이는 큰 마모입자에 의한 연삭마모에 기인한 것으로 판단된다.
5) 마찰재와 디스크에는 Fe 산화물이 형성되어 있지만, 큰입자에 의한 연삭마모가 발생한 E 디스크에서는 산화물이 검출되지 않았고, 이에 따라 디스크의 공격성이 급증하였다. 따라서, 35% Fe 함량의 마찰재는 디스크 공격성측면에서 적절하지 않은 것으로 판단된다.
References
- Kim, S. H., Lee, H. S., "Effect of Pressure on Tribological Characteristics between Sintered Friction Materials and Steel Disk", International Journal of Precesion Engineering and Manufacturing, Vol. 12, No. 4, pp. 643-650, 2011. https://doi.org/10.1007/s12541-011-0083-y
- Kim, S. H., Lee, H. S., "Tribological Characteristics of Brake Disc for Train", J. Korean Soc. Tribol. Lubr. Eng, Vol. 23, No. 1, pp. 19-28, 2007.
- Amderson, A. E., "Friction, Lubrication and Wear Technology", ASM International, Materials park, OH, ASM Handbook, 10th ed, Vol. 18, pp. 569-577, 1992.
- Jacko, M. G., Lee, S. K, "Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology", Wiley, 4th ed., Vol 4, pp. 523-536, 1992.
- Quinn, T. F. J. "Review of Oxidational Wear. Part 1: The Origins of Oxidational Wear", Tribo. Int., 16, pp. 257-270, 1983. https://doi.org/10.1016/0301-679X(83)90086-5
- Iwabuchi, A., "The Role of Oxide Particles in the Fretting Wear of Mild Steel", Wear, Vol. 151, pp. 301-311, 1991. https://doi.org/10.1016/0043-1648(91)90257-U