자동차용 브레이크 마찰재에서 고망간강의 마찰 및 마모특성

Friction and Wear Properties of High Manganese Steel in Brake Friction Material for Passenger Cars

Abstract

In this study, we investigate the mechanical properties of high manganese steel, and the friction and wear characteristics of brake friction material containing this steel, for passenger car application, with the aim of replacing copper and copper alloys whose usage is expected to be restricted in the future. These steels are prepared using a vacuum induction melting furnace to produce binary and ternary alloys. The hardness and tensile strength of the high manganese steel decrease and the elongation increases with increase in manganese content. This material exhibits high values of hardness, tensile strength, and elongation; these properties are similar to those of 7-3 brass used in conventional friction materials. We fabricate high manganese steel fibers to prepare test pad specimens, and evaluate the friction and wear characteristics by simulating various braking conditions using a 1/5 scale dynamometer. The brake pad material is found to have excellent friction stability in comparison with conventional friction materials that use 7-3 brass fibers; particularly, the friction stability at high temperature is significantly improved. Additionally, we evaluate the wear using a wear test method that simulates the braking conditions in Europe. It is found that the amount of wear of the brake pad is the same as that in the case of the conventional friction material, and that the amount of wear of the cast iron disc is reduced by approximately 10. The high manganese steel is expected to be useful in the development of eco-friendly, copper-free friction material.

1. 서론

자동차용 브레이크 마찰재는 고속으로 회전하는 주철 디스크와의 마찰을 통해 주행하는 차량의 운동에너지를 열에너지로 방출함으로써 차량을 안전하고 정숙하게 정차시키는 역할을 하는 부품으로서 자동차와 탑승자의 안전을 위해서 가장 먼저 고려되어야 하는 중요한 부품이다. 마찰재는 안정적인 제동력, 내 마모성 및 저 소음특성을 기본적으로 갖추어야 하며 추가적으로 환경안정성, 방청성, 기계적 강도 및 열적 강도, 효력 안정성 및 적절한 열전도특성 등을 가져야 한다. 브레이크 마찰재에 사용되던 석면은1990년 이후 발암물질로 밝혀짐(미국 환경 보호국 EPA, Environmental Protection Agency)에 따라 브레이크 마찰재에 더 이상 사용할 수 없게 되었다[1]. 이에 석면의 보강특성과 고온 안정성을 대체하기 위하여 아라미드 섬유와 금속섬유를 사용하게 되었다. 또한 4대 중금속(납, 크롬, 카드뮴, 수은) 및 발암유발 물질인 미세 세라믹 섬유, 안티몬 산화물 등에 대한 사용 규제가 강화되고 있는 추세이다.

자동차용 브레이크용 마찰재는 약 20~30가지의 재료를 혼합하여 적정온도 및 압력 하에서 가압 성형한 후 열처리공정을 거쳐서 제조되는 복합재료이다. 제동 마찰재는 다양한 제동 조건에서 안정적인 마찰을 유지하고 우수한 내마모성을 가질 수 있도록 설계한다[2]. 특히, 보강섬유의 첨가는 복합재료의 강성, 열 안정성 및 마찰특성을 유지하는데 중요한 역할을 한다[3]. 그 중 구리 및 구리합금은 브레이크 마찰재에서 가장 보편적으로 사용하는 재료이다. 황동은 제동패드의 열전도를 향상시키기 위해 주로 첨가한다[4]. Yuji와 Takahisa[5]는 브레이크 패드에 구리를 첨가하면 디스크가 고온으로 상승하더라도 안정적인 마찰계수를 유지할 수 있다고 보고했다. 특히 구리는 브레이크 마찰재에서 상대마찰에 의해 발생하는 열을 전도하거나 외부로 방출하는 역할을 하고, 이로 인해 디스크와 패드 사이의 접촉온도의 개선효과를 가진다. 또한 마찰재의 강도를 유지하고 디스크 대비 낮은 모스경도로 인해 고체윤활 작용을 한다고 알려져 있다[6-11]. 그러나 최근 미국 캘리포니아주의 도시 인근 해양수질 조사에서 구리함량이 기준치를 초과하여 검출되었으며 오염의 주요 원인으로 마찰재에서 배출되는 분진(약 35~60%)이 바다로 유입되어 발생한다고 보고 되었다[12-15]. 이로 인해 북미 환경규제에 승용자동차용 제동 마찰재에서 구리의 사용이 제한(2021년까지 Cu함량 5wt% 미만, 2025년 까지 Cu함량 0.5wt% 미만)되기 때문에 관련 업계 및 연구기관에서는 구리 및 구리합금을 사용하지 않은 Cu free마찰재 개발을 위한 활발한 연구가 진행 중이다[16].

본 연구에서는 마찰재에서 사용되는 구리 또는 구리합금을 대체하기 위해 전연성이 우수하고, 적절한 녹는점과 강도를 가지는 오스테나이트계 고망간강을 제조하였고, 제조된 합금의 물리적 특성과 제동 마찰재 내에서 마찰 및 마모특성에 미치는 영향에 대해 연구하였다.

오스테나이트계 고망간강은 높은 비강도, 낮은 밀도 및 우수한 전연성을 가지며 내 산화성이 우수한 것으로 보고되고 있다. 특히 망간은 오스테나이트 상을 안정화하고, 기존의 강에 비해 비용이 저렴하다[17-18]. 또한 7-3황동 대비 녹는점이 비교적 높으므로 내열 안정성이 우수할 것으로 생각된다. 합금에서 망간의 함량은 Fe-Mn 평형상태도[19]를 참고하여 오스테나이트 안정화 영역을 기준으로 결정하였다. 아직까지 고망간강을 자동차용 브레이크 마찰재에 적용한 사례는 없으며 본 연구를 통해 그 특성을 파악하고 향후 적용 가능성에 대해 검토하였다.

2. 연구방법 및 내용

2-1. 합금소재 준비 및 인장시험 시편 준비

오스테나이트계 고망간강의 제조를 위해 Table 1과 같은 화학조성을 가진 합금을 진공유도용해로 (도가니:Φ230 × 375 mm)에서 용해하여 주조한 후 단조과정을 거쳐 슬라브(200 × 350 × 90t) 형태로 제조하였다. 

Table 1. Chemical composition of high manganese steel (wt%)

합금 슬라브는 MCT (Machining Center Tooling system)선반을 이용하여 섬유형태로 가공하였으며, 기존의 브레이크 마찰재에 사용하는 7-3황동을 대체하여 평가할 수 있도록 제조하였다. 가공된 재료의 광학 및 SEM 사진을 Fig. 1에 나타내었다. 합금의 기계적 특성은KS B0801(14A호) 인장시편을 제작하여 5 mm/min 속도로 시험을 진행하였고, 경도는 마이크로 비커스 경도기 (MATSUZAWA SEIKI MXT 300)를 이용하여 하중 1 kg으로 평가를 진행하였다.

Fig. 1. Optical and SEM images of 7-3 brass and high manganese steel : (a) optical microscopy of 7-3 bass (b) SEM image of 7-3 brass (c) optical microscopy image of high manganese steel (d) SEM image of high manganese steel.

2-2. 마찰시험용 시편 준비

일반적으로 승용자동차용 브레이크 마찰재는 결합재, 보강재, 마찰조정재 및 충전재 등으로 구성되는 유기계 복합재료이다. 고망간강의 마찰특성을 평가하기 위하여 기존 7-3황동을 사용하는 양산 마찰재(Base Friction Material: 이하BFM)의 7-3황동을 대체하여 Table 1의 #9 합금강을 섬유형태로 가공한 소재로 대체하여 배합을 구성(이하 FM #9)하였고 이를 Table 2에 나타내었다.

Table 2. The ingredients of friction materials used in this work (wt%)

#9합금강을 섬유형태로 가공한 재료와 브레이크 패드 를 구성하는 각각의 재료들을 정해진 무게비율로 평량 (weighing)한 후 건식 분말 혼합기 (lodige mixer)를 이용하여 240초 동안 혼합 (mixing) 하였다. 마찰시험용 시편을 제작하기 위해 150℃의 고온으로 셋팅된 금형에 혼합한 재료를 투입하여 30 MPa의 압력으로 225초 동안 가압하였다.

고온·고압으로 성형한 마찰재는 230℃에서 5시간 동안 열처리 (curing)를 통해 완성되었다. 마찰재의 가압성형 및 열처리 조건을 Table 3에 나타내었다. 제조공정을 마친 마찰재의 경도는 Rockwell 경도기를 이용하여 HRR규격으로 측정하였다. 마찰시험기에 장착되는 시편의 크기는 45 mm × 18 mm × 5 t 이지만 XRF 성분 분석기의 시료컵(Φ30)에 두 개의 시료를 장착하기 위해 상단 모서리의 일부를 절단하였다. 상대재는 Φ142 × 8t 크기의 상용 회주철 (FC 170) 디스크를 사용하였다.

Table 3. Hot pressing and heat treatment process

2-3. 마찰 및 마모시험 준비

본 연구에서 마찰 및 마모시험은 1/5 Scale dynamo-meter를 이용하여 시행되었으며, 시험기의 구성 및 제원은 Fig. 2와 Table 4에 나타내었다. 마찰시험은 여러 가지 실제 제동환경을 재현하여 규격화한 JASO C406-P1모드를 변형하여 평가하였으며 마모시험은 유럽지역의 제동조건을 모사한 모드의 변형조건으로 평가하였다.

Fig. 2. Photos of 1/5 Scale dynamometer.

Table 4. Specification of 1/5 Scale Dynamometer

구체적인 시험조건은 Table 5에 나타내었다. 마찰시험 후 마찰재의 표면형상은 광학현미경, SEM (JEOL IT300LV)-EDS (OXFORD M-Max 50 mm2), 공초점 현미경 (KEYENCE VK-X100K)을 이용하여 분석하였으며 상대 재인 주철디스크의 마찰표면은 광학현미경으로 관찰하고 시험 전과 후의 조도(KOSAKA DR 100X63)변화를 측정하였다.

Table 5. Friction and Wear Test Procedure in this study

3. 결과 및 고찰

3-1. 신규합금강의 기계적 특성

인장시험기를 이용하여 고망간강의 기계적 특성을 측정하였으며 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 일반적인 7-3 황동의 물성이 나타내는 범위내에 합금 #9가 포함되는 것을 확인하였다.

Fig. 3. Mechanical properties of the high manganese steel.

7-3 황동섬유를 사용하는 기존 마찰재와 마찰 및 마모특성을 비교하기 위해 #9(Fe-45Mn-3Al) 시료를 적절한 형태로 가공하였다. 고망간강의 경우 망간이 철의 응집력을 낮추고 강의 템퍼 취성을 촉진하는 ε 마르텐사이트의 석출을 유발하여 저온 인성을 감소시킨다. ε 마르텐 사이트는 원자의 이동이 연속적으로 일어남으로 인해서 생성[20]되고, 이러한 원자의 이동은 FCC의 적층 결함 에너지가 감소할수록 쉽게 일어난다. 고망간강의 적층 결함 에너지를 증가시킨다면 ε 마르텐사이트의 석출을 억제할 수 있으므로 7-3 황동 수준의 인성을 얻을 수 있을 것으로 판단하여 적층 결함 에너지를 증가시킬 수 있는 제 3의 원소인 Al을 첨가한 #9 시료를 이용하여 비교평가 하였다. Charles 등[21]은 20~40% 망간강에 5%의 Al을 첨가함으로써 오스테나이트에서 ε마르텐사이트로 변태를 완전히 억제할 수 있다고 보고한 바 있다.

3-2. 마찰계수의 거동

Table 5의 시험방법으로 7-3황동섬유를 사용한 BFM과 이를 대체하기 위해 개발한 고망간강 섬유를 사용한 FM#9의 마찰계수 변화를 고찰하였다. 시험 전과 후의 디스크 및 패드 사진을 Fig. 4에 나타내었다. 1^st, 2^nd, 3^rd Effectiveness test는 제동 초기속도와 감속도 변화에 따른 제동특성을 분석하기 위한 시험이며 1st, 2nd Fade test는 35초 주기로 연속적인 제동을 할 경우 마찰재의 온도 상승에 따른 제동특성을 분석하기 위한 시험방법이다.

Fig. 4. Photo of pad and disc before and after friction test.

제동 초기속도를 50, 100, 130 km/h로 하고 각 초기속도에서 0.1~0.8g의 감속도로 제동할 경우의 디스크 온도와 평균 마찰계수의 변화를 Fig. 5에 나타내었다. BFM과 FM#9에 대한 각 구간의 온도변화가 동일한 패턴을보이고 있으므로 시험시의 제동은 안정적으로 제어된 것으로 판단된다. 이때의 BFM과 FM#9의 마찰계수의 거동은 전체적으로 유사한 경향을 보여주었다. 그러나 500℃이상의 고온 열 이력을 받은 이후의 마찰계수를 나타내는 3^rd Effectiveness test의 경우 130kph 고속에서 황동섬유를 사용하는 기존의 마찰재와 비교하여 고 감속 조건에서 마찰계수의 저하폭이 작았으며, 마찰계수도 안정적인 경향을 보여주었다.

Fig. 5. Change of average friction coefficient and maximum disc temperature during friction test.

Fig. 6은 1^st, 2^nd Fade test 결과를 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 35초 주기로 연속 제동하여 온도상승에 따른 마찰계수의 거동을 나타내는 시험에서도 FM#9가 안정적인 마찰계수 거동을 보여주고 있다 일반적으로 마찰시 온도상승에 따른 마찰계수의 감소현상은 제동력의 상실을 의미하며, 이러한 현상은 주로 결합재로 사용되는 페놀수지 및 유기물의 열분해에 기인하는 것으로 알려져 있다[22].

Fig. 6. Change of average friction coefficient and maximum disc temperature during fade test.

제동온도 및 제동조건에 따라 마찰계수가 변하는 것은 마찰계면에 형성되는 이착막(transfer film)이 온도에따라 서로 다른 마찰특성을 나타내기 때문으로 추정된다. FM#9의 경우 45wt%의 Mn과 약 52wt%의 Fe성분을 함유한 고망간강의 섬유를 함유하고 있으므로 제동시 열 및 전단응력에 의해 가공경화와 산화가 진행되고 이로 인해 연마제 역할을 할 수 있는 금속산화물 형태의 이착막이 마찰표면에 넓게 분포함으로써 고온 및 고 감속 제동에서도 안정적인 마찰계수를 유지할 수 있는 것으로 판단된다. 마찰계면에 형성되는 이착막을 확인하기 위해 시험 전과 후의 마찰재 표면을 SEM-EDS를 이용하여 분석하였으며, 이를 Fig. 7에 나타내었다. FM#9의 경우 시험 전과 대비하여 시험 완료 후 Mn과 Fe 성분이 패드 표면에 전체적으로 넓게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이에 반해BFM의 경우는 Cu와 Fe 성분이 넓고 균일하게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 7. SEM-EDS analysis of pad surface before and after friction test.

7-3 황동 섬유를 함유하고 있는 BFM과 고망간 합금강을 섬유형태로 가공하여 7-3황동을 대체하여 사용한 FM#9는 각각 시험 전 Cu와 Mn을 함유한 섬유 형태를 가지는 것을 확인할 수 있다. 그러나 마찰시험 후 표면에는 각각의 섬유형태는 사라지고 이착막 형태로 넓고 안정적인 성분 분포를 가지는 것을 확인할 수 있다. 그러므로 브레이크 마찰재에 널리 사용하고 있는 7-3 황동의 우수한 전연성 및 이착막 형성의 효과를 고망간 합금강 섬유를 사용함으로써 마찰 안정성을 확보할 수 있고, 특히 7-3황동 대비 내열성이 우수하므로 고온에서의 내Fade 특성을 추가로 향상시킬 수 있다고 판단된다. 이를 바탕으로Cu를 함유하지 않은 Cu free마찰재의 개발이 가능할 것으로 판단된다. 또한 공초점 현미경을 이용하여 시험 전과 후의 패드 표면 조도를 분석한 결과 BFM과 FM#9의 표면이 모두 유사한 수준으로 나타났다. 이를 Fig. 8과 Table 6에 나타내었다. 시험 전 Rz(십점평균거칠기)와 Ra(산술평균거칠기) 값 모두 FM#9가 BFM에 비해 다소 크게 나타났으나, 시험 후 Rz는 각각 94 μm와 93 μm로 유사한 값을 나타내고, Ra 또한 두 재질 모두4 μm로 동일하게 나타났다. 

Fig. 8. Confocal laser scanning micrography of pad surface before and after friction test.​​​​​​​

Table. 6 Pad surface roughness results before and after friction test​​​​​​​

3-3. 마모량

제동 마찰재의 마모특성은 제동하는 동안 디스크와 마찰재 사이에서 발생되는 전단응력과 마찰열에 의한 패드표면의 결합력 감소 및 마찰력의 변화에 의해 영향을 받고, 특히 디스크와 패드 사이에 발생되는 이착막과 이들의 내구성이 큰 영향을 준다. 7-3황동을 대체하여 개발한 고망간 합금강의 효과를 확인하기 위해 로우스틸 마찰재가 적용되는 유럽지역의 제동환경을 모사한 시험방법(Table 5)을 적용하여 패드와 디스크의 마모량을 측정하였다. 제동 초기속도와 스넙(Snub) 제동시 감속도 변화에 따른 마찰특성의 변화를 측정하였다. 이때의 패드 및 상대재인 디스크의 마모량을 Table 7에 나타내었다. 또한 패드의 내구성을 확인하기 위해 200cycle진행 후 결과를 확인하고 추가로 200cycle을 진행하여 총 400cycle, 2400회 제동을 실시하였다.

Table 7. Pad and disc wear results before and after wear test​​​​​​​

Fig. 9는 마모시험 중 Burnish 200회 제동을 제외한 총 2400회의 제동시험 중 평균마찰계수의 변화를 나타 내었다. 초기 200cycle, 1200회 제동에서 FM#9의 마찰계수 변화폭이 BFM에 비해 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 마찰계수의 진폭이 증가하는 것은 상대재인 디스크의 표면상태로부터 기인하는 표면거칠기와 마찰재 표면의 이착막 상태에 따른 마찰력의 불안정성과 마찰재의 표면에서 발생하는 열적 불안정성에 의한 것으로 판단된다. 본 연구에서는 7-3황동을 대체하여 고망간 합금강 섬유를 사용하였고 200cycle 제동까지 7-3황동의 자가 윤활효과에 비해 고망간 합금강 섬유의 역할이 부족하였던 것으로 사료된다. 그러나 추가로 200cycle이 진행되는 동안 점차적으로 마찰계수의 안정성이 확보된 것을 확인할 수 있으며, SEM-EDS와 공초점 현미경을 통해서도 패드표면의 안정성을 확인할 수 있었다.

Fig. 9. Change of average friction coefficient during wear test.​​​​​​​

Table 7에서 보는 바와 같이 7-3황동섬유를 사용한 BFM 대비 고망간 합금강 섬유를 사용한 FM#9의 패드 및 디스크 마모량이 상대적으로 적었다. 200cycle 후 패드 마모량은 FM#9가 0.29 mm, BFM이 0.50 mm로 고망간 합금강 섬유를 사용한 FM#9의 내마모성이 우수한 것으로 나타났다. 디스크 마모량 또한 각각 FM#9가 0.03 mm, BFM이 0.09 mm로 상대재인 디스크에 대한 공격성이 작은 것으로 나타났으며, 400cycl을 진행한 후에도 동일한 경향을 나타내는 것을 확인하였다. 결과적으로 7-3황동 섬유를 1 : 1로 대체하여 고망간 합금강 섬유를 사용할 경우 패드 및 상대재인 디스크의 수명을 증대할 수 있을 것으로 판단된다.

이러한 현상은 유럽지역의 제동조건을 모사한 마모시험이 비교적 낮은 온도조건에서 제동되고 제동압력이 크지 않기 때문에 패드표면 온도가 낮은 상태에서 유기 이착막의 형성 및 제거에 의한 마모현상 보다 패드와 디스크가 직접 접촉하는 연삭마모의 결과로 추정된다. 이러한 현상을 확인하기 위해 시험 전과 후의 패드표면의 이착막 형성을 관찰하였고, 그 결과를 Fig. 10에 나타내었다. Fig. 8의 성능 시험 후의 패드표면에 형성된 매끄러운 이착막 형성과 달리 200cycle, 400cycle 마모시험을 진행한 후에는 패드 표면에 이착막이 거의 형성되지 않은 것을 확인할 수 있다. 또한 성능시험이 완료된 패드표면에서는 나타나지 않은 국부적인 Cu와 Mn성분이 강하게 나타나는 것을 Fig 10의 EDS 성분분석 결과를 통해 확인할 수 있다. Fig. 11의 공초점 현미경을 이용한 패드표면의 형상을 분석한 결과에서 보는 바와 같이 두재질 모두 초기의 거친 표면에서 200cycle과 400cycle 진행 이후 조도가 안정하게 변화하는 것을 확인할 수 있다.

200cycle 제동한 이후에는 BFM이 다소 안정적이고, 400cycle 이후에는 FM#9가 비교적 안정한 표면을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과는 Fig. 11(e), (f)에서도 확인할 수 있다. 또한 400cycle 이후 FM#9가 BFM에 비해서 비교적 균일한 마찰표면을 형성하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 200cycle 제동 이후 FM#9의 패드 마모량이 상대적으로 증가함에 따라 상대재인 디스크와 접촉성이 좋아짐으로써 나타난 현상으로 사료된다[23].

Fig. 10. SEM-EDS analysis of pad surface before and after 200cycle, 400cycle wear test.​​​​​​​

Fig. 11. Confocal laser scanning micrography of pad surface before and after wear(200cycle, 400cycle) test.

4. 결론

유럽지역에 판매되는 차량에 양산적용 중인 마찰재 내의 7-3황동섬유 대신 Fe-Mn 함금강 섬유를 1:1로 대체하여 제조된 패드에 대한 마찰 및 마모특성은 아래와 같다.

제동 초기속도와 감속도 변화에 따른 제동특성을 분석하기 위한 마찰성능시험 결과 7-3 황동섬유를 사용한 BFM에 비해 고망간 함금강 섬유를 사용한 FM#9가 속도 및 감속도 변화에서 우수한 마찰계수 안정성을 나타내었다.

일정시간을 주기로 연속적인 제동을 할 경우 마찰재의 온도 상승에 따른 제동특성을 분석하기 위한 시험 결과에서 500℃ 이상의 고온영역의 제동에서도 BFM에 비해 고망간 합금강을 사용한 FM#9이 우수한 내열 안정성을 가지는 것을 확인하였다.

제동패드와 상대재인 디스크의 내구 수명을 확인하기 위한 마모량 시험 결과 패드 마모량은 BFM이 0.82 mm, FM#9가 0.59 mm이고 디스크 마모량은 BFM이 0.12 mm, FM#9가 0.07 mm이므로 패드 및 디스크의 내마모성 측면에서도 고망간 합금강 섬유를 사용한 FM#9가 우수한 결과를 나타내었다.

결론적으로 자동차용 제동패드에 사용하는 7-3황동 섬유를 1:1로 대체하여 고망간 합금강 섬유를 사용할 경우 친환경 Cu free 제동 마찰재 개발이 가능할 것으로 판단된다.