Effects of Copper and Copper-Alloy on Friction and Wear Characteristics of Low-Steel Friction Material

로우스틸 마찰재의 마찰 및 마모특성에 미치는 구리계 재료의 영향

Abstract

In this study, we investigated the effects of copper and copper-alloy on the frictional and wear properties of low-steel friction material. The proportions of copper and copper-alloy in the brake friction materials used in passenger cars are very high (approximately 5-20% weight), and these materials have significant effects on friction and wear characteristics. In this study, the effects of cupric ingredients, such as the copper fiber and brass fiber, are investigated using the friction materials based on commercial formulations. After the copper and brass fibers from the same formulation were removed, the frictional and wear characteristics were evaluated to determine the influence of the copper and copper-alloy. We evaluated the frictional and wear characteristics by simulating various braking conditions using a 1/5 scale dynamometer. The results show that the friction material containing copper and brass fibers have excellent frictional stability and a low wear rate compared to the friction material that does not contain copper and brass fibers. These results are attributed to the excellent ductility, moderate melting point, high strength, and excellent thermal conductivity of copper and copper-alloy. We analyzed the surfaces of the friction materials before and after the performing the friction tests using a scanning electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscope, confocal microscope, and roughness tester to verify the frictional behavior of copper and copper-alloy. In future studies, it will be applied to the development of copper-free friction materials based on the results of this study.

1. 서론

브레이크 마찰재는 크게 유럽지역을 중심으로 하는 로우스틸 (low steel) 마찰재와 한국, 북미 및 일본을 중심으로 하는 넌스틸 (non steel) 마찰재로 양분할 수 있다[1]. 로우스틸 마찰재는 철 섬유 (steel fiber)를 약 10~30% 함유하고 있으며, 유럽의 산악지형 및 고속도로 (아우토반) 주행에서 안정적인 제동력을 필요로 할 경우 주로 채택된다. 반면에 넌스틸 마찰재는 철 섬유를 대신하여 유기계 섬유 및 세라믹 섬유를 주로 사용하며 저 소음특성과 휠 오염이 적은 마찰재가 필요할 때 주로 사용된다.

유기계 (Organic) 제동 마찰재는 결합재, 보강재, 마찰 조정재 및 충전재 등 약 20~30가지의 재료를 혼합하여 적정온도 및 압력 하에서 열 성형한 후 열처리공정을 거쳐서 제조되는 복합재료이다[1]. 같은 종류의 재료에서도 입자의 크기와 형상 및 함량에 따라 마찰특성이 상이[2-4]하므로 신중한 재료의 선택이 필요하다. 제동 마찰재는 다양한 제동 조건에서 안정적인 마찰특성을 유지하고 우수한 내마모성을 가질 수 있도록 설계한다[5]. 부가적으로 제동시 발생하는 마모분진이 환경이나 인체에 무해하고 다습한 환경에서 부식에 의한 고착현상이 없어야 하며, 마찰계수의 변화가 최소화되어야 하고[6-8] 적절한 열전달 특성을 가져야 한다. 보강섬유의 첨가는 복합재료의 강성, 열 안정성 및 마찰특성을 유지하는 데 중요한 역할을 한다[9-10]. 그 중 구리 및 구리합금은 브레이크 마찰재에서 가장 보편적으로 사용되는 보강섬유이다. 제동 마찰재에서 사용하는 구리계 재료의 대표적인 형상을 Fig. 1에 나타내었다. 특히 황동섬유는 제동 마찰재에서 가장 보편적으로 사용되는 구리계 재료이며, 주로 패드의 열전도를 향상시키기 위해 첨가된다[11]. Yuji와 Takahisa는 브레이크 패드에 구리를 첨가하면 디스크가 고온으로 상승하더라도 안정적인 마찰계수를 유지할 수 있다고 보고하였다[12]. 특히 구리는 브레이크 마찰 재에서 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 고체 윤활 작용을 한다고 알려져 있다[13-18]. 

Fig. 1. Shape of copper used friction materials; (a) powder (b) fiber (c) wool (d) chip.

최근 미국 캘리포니아주의 도시 인근 해양수질 조사에서 구리함량이 기준치를 초과하여 검출되었으며, 오염의 주요 원인으로 마찰재에서 배출되는 분진(약 35~ 60%)이 바다로 유입되어 발생한다고 보고되었다[19-22]. 이로 인해 북미 환경규제에 승용자동차용 제동 마찰재에서 구리의 사용이 제한(2021년 까지 Cu 함량 5 wt% 미만, 2025년 까지 Cu 함량 0.5 wt% 미만)되기 때문에 관련 업계 및 연구기관에서는 구리 및 구리합금을 사용하지 않은 Copper free 마찰재 개발을 위한 활발한 연구가 진행 중이다[23].

본 연구에서는 현재 양산하는 로우스틸 제동 마찰재에서 구리섬유와 7-3 황동섬유를 사용했을 경우와 구리계 재료를 제외하였을 경우의 마찰 및 마모특성을 비교평가함으로써, 구리계 재료가 마찰 및 마모특성에 미치는 영향을 파악하여, 기존 마찰재에서 구리계 재료를 1:1로 대체할 수 있는 새로운 소재를 개발하고자 한다. 이를 통해 무동 (copper free) 마찰재 개발에 활용하고자 한다.

2. 연구방법 및 내용

2-1. 마찰시험용 시편 준비

로우스틸 마찰재에서 구리계 재료의 마찰 및 마모특성을 연구하기 위하여 기존 7-3황동섬유를 사용하는 양산 마찰재 (Base Friction Material: 이하BFM), 7-3황동을 구리섬유로 대체한 마찰재 (Friction Material #1: 이하 FM#1), 그리고 7-3황동섬유 및 구리섬유를 사용하지 않고 대신 마찰 및 마모특성에 큰 영향을 주지 않는 충진재로 대체한 마찰재 (Friction Material #2: 이하 FM#2) 등 세 종류의 마찰재를 Table 1과 같은 배합 비율로 제조하였다.

Table 1. The ingredients of friction materials used in this study (wt%)

각각의 재료들을 Table 1에 보인 정해진 무게비율로 평량한 후 건식 분말 혼합 (lodige mixer)를 이용하여 240초 동안 혼합하였다. 마찰시험용 시편을 제작하기 위해 혼합한 재료를 150℃로 가열된 금형에 투입하여 30 MPa의 압력으로 225초 동안 가압하였다. 고온·고압으로 성형한 마찰재는 230℃에서 5시간 가열하는 열처리를 통해 완성되었다. 마찰재의 가압성형 및 열처리 조건을 Table 2에 나타내었다. 제조공정을 마친 마찰재의 경도(Rockwell Hardness, HrR scale), 비중(수중비중), 압축변형량(Jurid Compressibility Tester) 및 전단강도 (Universal Test Machine)를 측정하였다. 마찰시험기에 장착되는 시편의 크기는 45 mm × 18 mm × 5 mm이지만 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 2. Hot pressing and heat treatment process

2-2. 마찰 및 마모시험 준비

마찰 및 마모시험은 1/5 Scale dynamometer를 이용하여 시행되었으며, 시험기의 구성 및 제원은 Fig. 2와 Table 3에 나타내었다. 마찰시험은 여러 가지 실제 제동환경을 재현하여 규격화한 JASO C406-P1 모드를 변형하여 평가하였으며 마모시험은 유럽지역의 제동조건을모사한 모드의 변형조건으로 평가하였다.

Fig. 2. Schematic diagram of 1/5 scale dynamometer.

Table 3. Specification of 1/5 scale dynamometer

구체적인 시험조건은 Table 4에 나타내었다. 마찰시험 후 마찰재의 표면형상은 광학현미경, SEM (JEOLIT300LV)-EDS (OXFORD M-Max 50 mm2), 공초점 현미경 (KEYENCE VK-X100K)을 이용하여 분석하였으며상대재인 주철디스크의 마찰표면은 광학현미경으로 관찰하고 시험 전과 후의 조도(KOSAKA DR 100X63)변화를 측정하였다.

Table 4. Friction and Wear Test Procedure in this study

3. 결과 및 고찰

3-1. 마찰재의 물리적 특성

Fig. 3은 7-3황동섬유 또는 구리섬유를 함유한 브레이크 패드와 이들 재료를 함유하지 않은 패드에 대한 물리적 특성을 비교하여 나타낸 것이다. 경도, 비중, 압축변형량 및 전단강도 모두 유사한 수준으로 나타났으며, FM#2는 BFM 및 FM#1에 비해 경도는 다소 높고 비중은 다소 낮은 경향을 나타내었다.

Fig. 3. Physical properties of brake pads.

3-2. 마찰계수의 거동

Table 4에 제시한 마찰시험 방법을 이용하여 각 구간의 마찰계수 거동을 확인하였다. 마찰재와 상대재인 주철디스크와의 접촉성을 향상시키기 위한 burnish 조건에서의 마찰계수 거동을 Fig. 4에 나타내었다. 7-3황동섬유와 구리섬유를 함유한 BFM 및 FM#1은 1st effectiveness이후 burnish 초기부터 마찰계수의 변화폭이 작고 안정적인데 비해, 이를 함유하지 않은 FM#2는 약 60회 제동 이후부터 마찰계수의 변화폭이 축소되고, 120회 제동이후부터 BFM, FM#1과 유사한 마찰계수를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는 FM#1의 경우 7-3황동섬유 및 구리섬유의 우수한 전연성으로 인해 주철디스크와의 접촉이 빠르게 안정화되었기 때문으로 판단된다.

Fig. 4. Change of average friction coefficient during burnish.​​​​​​​

Burnish 이후 제동 초기속도 (50, 100, 130 kph) 변화와 감속도 (0.1~0.8 g)에 따른 마찰계수의 거동을 Fig. 5에 나타내었다. 제동 초기속도 50 kph 구간에서 구리계 재료가 함유되지 않은 FM#2의 경우, 감속도 변화에 따라 마찰계수의 변화가 매우 큰 것을 확인할 수 있다.

Fig. 5. Change of average friction coefficient during 2nd effectiveness​​​​​​​.

즉 0.1 g에서의 마찰계수 대비 감속도 0.8 g일 때의 마찰계수 변화폭이 매우 큰 반면에 BFM과 FM#1은 감속도 변화에 대해 매우 안정적인 마찰계수 변화를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는 구리계 재료가 모스경도가 낮고 전연성이 풍부하여 마찰재와 상대재인 주철 디스크 사이의 접촉을 증가시킨 효과로 추정된다.

제동 마찰재에 고온의 열 이력 (약 700℃)을 부여하기 위해 1.0 g 상당의 높은 감속도와 35초 주기로 20회 연속제동을 했을 때 마찰계수의 변화를 Fig. 6에 나타내었다. 1회째 제동부터 10회째 제동까지 제동횟수 증가에 따른 BFM과 FM#1의 마찰계수 감소 정도에 비해 FM#2 의 마찰계수 감소 정도가 매우 크게 나타남을 확인할 수 있다. 이는 속도, 감속도 및 온도상승에 의해 마찰계수가 저하하는 전형적인 페이드 (fade) 현상으로서, 이 현상에 대해 구리계 재료가 제동 마찰재에서 중요한 역할을  한다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 7-3황동섬유와 구리섬유의 내열성, 전연성 및 보강특성이 고르게 작용함으로써 fade 현상을 억제할 수 있었던 것으로판단된다.

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

약 700℃ 의 고온 열이력 이후의 마찰계수 거동을 확인하기 위해 제동 초기속도 (50, 100, 130 kph) 변화와 감속도 (0.1~0.8 g) 변화에 따른 마찰계수의 변화를 평가하였고, 그 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 고온 열 이력 후 7-3황동섬유를 함유한 양산마찰재 BFM과 7-3황동섬유를 구리섬유로 대체한 FM#1은 유사한 마찰계수 변화 패턴을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 반면 구리계 재료를 함유하지 않은 FM#2는 속도 및 감속도의 변화에 대해 마찰계수의 변화폭이 비교적 작았으며, 양산마찰재인BFM에 비해 높은 마찰계수를 나타내었다. 이는 구리계재료의 우수한 보강효과로 열 이력 후에도 마찰표면을유지한 반면 FM#2의 경우 표면이 마모되어 새로운 마찰면이 생성되면서 높은 마찰특성을 나타낸 것으로 추정된다. 시험 전과 후의 마찰재 및 주철디스크의 표면사진을 Fig. 8에 나타내었다. 시험 전 표면은 모두 유사하였으나, 시험 종료 후의 FM#2 시료의 표면은 매우 거칠고 뜯겨진 것을 확인하였다.

Fig. 7. Change of average friction coefficient during 3rd effectiveness.

Fig. 8. Photo of pad and disc surface before and after test.​​​​​​​

제동온도 및 제동조건에 따라 마찰계수가 변화하는 것은 마찰계면에 형성되는 이착막이 온도에 따라 서로 다른 마찰특성을 나타내기 때문으로 추정된다. 이러한 마찰계면에 형성되는 표면특성을 확인하기 위해 시험 전과 후의 마찰재 표면을 SEM-EDS를 통하여 분석을 실시하였고, 그 결과를 Fig. 9에 나타내었다. 시험 전 BFM과 FM#1 마찰재의 표면에는 섬유형태의 Fe와 Cu 성분이 분포하는 것을 확인할 수 있으며, 구리계 재료가 함유되지 않은 FM#2 마찰 재에는 Fe 성분 (철섬유)이 섬유형태로 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 그러나 마찰시험 후 마찰재의 표면은 구리계 재료의 유무에 따라 전혀 다른 결과를 나타내는 것을 확인하였다.

Fig. 9. SEM-EDS analysis of pad surface before and after friction test.​​​​​​​

BFM과 FM#1의 경우는 시험 전 섬유형태로 관찰되던 Fe와 Cu 성분이 마찰시험 후에는 섬유형태는 사라지고 마찰재 표면에 전체적으로 넓고 균일하게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다. 반면 FM#2의 경우는 초기와 같이 Fe 성분이 섬유형태로 관찰되며 마찰재의 보강역할을 하는 7-3황동섬유와 구리섬유를 함유하지 않으므로 일부 표면이 뜯겨진 상태로 매우 거친 표면을 나타내는것을 확인할 수 있다. 또한 공초점현미경을 이용한 마찰재의 표면을 관찰한 결과, Fig. 10에 나타나듯이 BFM과 FM#1은 시험 후의 표면이 매우 균일하지만 FM#2는 표면이 매우 거칠다는 것을 확인할 수 있다. 제동 마찰재에서 구리계 재료는 마찰재의 표면조도와 상대재인 주철 디스크의 표면조도에도 큰 영향을 주는 것을 확인하였다. Table 5는 시험 전과 후의 디스크 표면조도를 나타낸 것으로서, 시험 전 디스크의 표면조도는 24~35 µm수준으로 유사하였으나, 시험 후에는 BFM과 FM#1의 경우에는 각각 54.45 µm과 53.94 µm 수준으로 매우 양호 하지만, FM#2의 경우에는 141.33 µm로 매우 거칠게 변한다는 것을 알 수 있다. 결과적으로 마찰재에서 구리계  재료는 이착막의 형성과 상대재인 주철 디스크에 대한 공격성에 대해서도 좋은 역할을 한다는 것을 확인하였다.

Fig. 10. Confocal laser scanning micrograph of pad surface before and after friction test.​​​​​​​

Table 5. Disc surface roughness before and after friction test

3-3. 마찰재와 주철 디스크의 마모량

Table 4에 제시한 마모시험 (friction test) 방법을 이용하여 평가를 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 11에 나타내었다. BFM과 FM#1의 패드 마모량은 각각 0.24 mm, 0.29 mm이며, FM#2의 경우에는 0.66 mm로 나타났다.또한 상대재인 주철 디스크의 마모량은 FM#2가 0.053mm 이며 BFM과 FM#1은 약 0.03 mm 정도로 나타났다. 결과적으로 패드와 디스크의 마모량은 구리계 재료가 함유되지 않을 경우 구리계 재료가 함유된 경우보다 약 2배 증가하였다. 이 결과로부터 BFM의 7-3황동섬유와 FM#1의 구리섬유는 우수한 보강효과 및 전연성, 그리고 낮은 모스경도로 인한 자가윤활로 마찰재와 디스크의 접촉면에서 발생하는 전단력 및 윤활특성을 보완하였다고 판단된다.

Fig. 11. Pad and disc wear after wear test.​​​​​​​

4. 결론

유럽지역을 중심으로제동성능을 중요시 하는 로우스틸 마찰재에서 7-3황동섬유와 구리섬유가 마찰 및 마모특성에 미치는 영향은 아래와 같다.

1. 7-3황동섬유와 구리섬유는 우수한 전연성에 의해 마찰재와 상대재인 주철 디스크의 접촉을 빠르게 안정화 시킴으로써 마찰안정성을 빠르게 확보하였다. 

2. 구리 및 구리합금은 모스경도가 낮고 전연성이 풍부하여 마찰재와 디스크 사이에 적절한 이착막을 형성할 수 있고, 확고한 이착막의 형성으로 다음 시험 단계의 초기 제동시 마찰안정성 확보에 기여하였다고 판단된다.

3. 약 700℃의 고온 열이력이 부과되는 연속제동 시험에서, 섬유형태의 구리 및 구리합금이 갖고 있는내열성, 전연성 및 보강특성이 마찰특성에 효과적으로 작용하여 고온에서의 마찰계수 저하가 억제되었다고 판단된다.

4. 구리 및 구리합금은 보강특성, 전연성 및 낮은 모스경도에 의한 자가윤활 효과로 마찰재의 내마모성을 향상시키고, 상대재인 주철 디스크에 대한 공격성을 감소시킬 수 있다는 것을 확인하였다.