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표제지

목차

요약 7

기호설명 16

I. 서론 17

1. 연구의 배경 및 목적 17

2. 최신 연구동향 20

2.1. 디스크 연구동향 20

2.2. 제동패드 연구동향 23

2.3. 제동 특성 향상을 위한 연구동향 26

3. 연구내용 29

II. 제동디스크와 마찰재의 종류 및 특징 31

1. 제동디스크의 종류 및 특징 31

1.1. 제동 디스크의 종류 31

1.2. 디스크 재료의 미세조직 특성 32

2. 마찰재의 종류 및 특징 38

2.1. 마찰재의 종류 38

2.2. 금속계 마찰재의 특성 39

2.3. 소결마찰재의 제조공정 42

III. 고온마찰의 특성 45

1. 마찰의 정의 45

2. 마모(Wear)의 종류 47

2.1. 연삭마모(Abrasive Wear) 47

2.2. 응착 마모(Adhesion Wear) 48

2.3. 유동마모(Flow Wear) 49

2.4. 피로 마모(Fatigue Wear) 49

2.5. 부식 마모(Corrosive Wear) 51

2.6. 용융마모(Melt Wear)와 확산마모(Diffusive Wear) 53

3. 2상(Two Phase) 및 3상(Three Phase) 마모의 특징 53

4. 마찰면에서 마모입자의 거동 56

5. 정상마모와 산화피막 형성기구 58

6. 산화마모분의 생성과 COL형성기구 59

7. Quinn의 산화마모 모델 61

8. 금속계 마찰재와 내열강 디스크 간의 트라이볼로지적 연구 64

IV. 시험 장치 및 평가방법 65

1. 소형 제동시험장치의 특징 65

2. 시험편 제작방안 68

2.1. 디스크 제작 68

2.2. 마찰시편 제작 71

3. 시험절차 73

3.1. 제동시험모드 73

3.2. 갈아 맞춤과 실험방법 73

3.3. 본 실험 74

3.4. 트라이볼로지적 특성 항목 74

V. 제동디스크 재질에 따른 트라이볼로지적 특성 77

1. 시험조건 및 방법 78

2. 시험결과 및 고찰 82

2.1. 디스크 재질에 따른 평균마찰계수 82

2.2. 각 제동에 대한 평균마찰계수 변화 84

2.3. 속도에 따른 평균마찰계수 87

2.4. 패드 및 디스크 마모량 89

2.5. 디스크 면 90

2.6. 마찰면 관찰 92

2.7. 제동패드 마찰면 93

3. 소결론 97

VI. 마찰재 종류에 따른 트라이볼로지적 특성 98

1. 시험조건 및 방법 98

2. 시험 결과 및 고찰 103

2.1. 평균마찰계수 103

2.2. 마찰계수 안정성 104

2.3. 마찰재 및 디스크 마모량 104

2.4. 마찰재 온도 106

2.5. 마찰면 분석 107

3. 소결론 122

VII. 제동압력 변화에 따른 트라이볼로지적 특성 123

1. 시험조건 및 방법 123

2. 시험결과 및 고찰 124

2.1. 마찰계수와 마찰계수 안정성 124

2.2. 마찰재 및 디스크 마모량 126

2.3. 마찰재 온도 127

2.4. 마찰면 분석 129

3. 소결론 140

VIII. 외부 공기속도 변화에 따른 트라이볼로지적 특성 141

1. 시험조건 및 방법 141

2. 시험결과 및 고찰 143

2.1. 마찰계수와 마찰계수 안정성 143

2.2. 마찰재 및 디스크 마모량 143

2.3. 마찰면 분석 146

3. 소결론 157

IX. 종합결론 158

1. 디스크재질에 따른 트라이볼로지적 특성 연구 158

2. 금속계 마찰재 종류에 따른 트라이볼로지적 특성 연구 159

3. 제동압력에 따른 트라이볼로지적 특성 159

참고 문헌 162

Abstract 166

표목차

Table. 2-1. Material properties of brake disk 37

Table. 2-2. Formulation of sintered materials 43

Table. 4-1. Scale dynamo tester specification 67

Table. 4-2. Chemical composition of KTX & KTX-Sancheon and... 69

Table. 4-3. Mechanical properties of KTX & KTX-Sancheon disk... 69

Table. 4-4. Basic conditions for scale dynamo test 73

Table. 4-5. Bedding conditions before main test 73

Table. 5-1. Materials coupling for test 78

Table. 5-2. Chemical compositions of gray cast iron 78

Table. 5-3. Mechanical properties of gray cast iron 79

Table. 5-4. Chemical compositions of low alloyed cast iron 79

Table. 5-5. Mechanical properties of low alloyed cast iron 80

Table. 5-6. Mechanical properties of brake pad 81

Table. 5-7. Formulation of pad material for middle speed train 81

Table. 5-8. Main test program for scale dynamo tester 82

Table. 5-9. Surface conditions after test 93

Table. 6-1. Materials coupling for test 98

Table. 6-2. Chemical compositions of 4 type-friction materials 99

Table. 6-3. Mechanical Properties of friction materials 99

Table. 6-4. Main test program for scale dynamo tester 102

Table. 7-1. Main test program for scale dynamo tester 124

Table. 8-1. Main test program for scale dynamo tester 142

Table. 8-2. Surface conditions after test 146

그림목차

Fig. 1-1. Mechanical brake system of high speed train 17

Fig. 1-2. Brake system of aircraft 18

Fig. 1-3. Brake system of wind turbine 19

Fig. 1-4. Configuration of sintered brake pad 24

Fig. 1-5(a) Sound characteristics... 24

Fig. 1-5(b) Sound characteristics... 24

Fig. 1-6. Configuration of new type brake pad... 25

Fig. 1-7. Configuration of new type brake pad for... 26

Fig. 1-8. Crack type of steel disk surface 27

Fig. 1-9. Flexible sintered brake pad(KNORR) 27

Fig. 1-10. Flexible sintered brake pad(JURID) 27

Fig. 1-11. Configuration of Flexible pad at TTX 28

Fig. 2-1. Ventilated disk 31

Fig. 2-2. Forged disk for KTX 31

Fig. 2-3. Wheel disk for KTX II 32

Fig. 2-4. Tread brake for KTX 32

Fig. 2-5. Microstructure of gray cast iron 32

Fig. 2-6. Microstructure of ductile cast iron 33

Fig. 2-7. Microstructure of CV cast iron 34

Fig. 2-8. Microstructure NCM cast iron 34

Fig. 2-9. Microstructure of Cr-Mo-V heat resistance... 35

Fig. 2-10. Microstructure of Al-SiC 36

Fig. 2-11. Organic brake pad 38

Fig. 2-12. Semi-metallic brake pad 39

Fig. 2-13. Sintered brake pad 40

Fig. 2-14. C/C Composite brake pad 40

Fig. 2-15. Average and instantaneous friction coefficients... 41

Fig. 2-16. Manufacturing process of sintered pad 44

Fig. 3-1. Modes of relative motion-sliding and rolling 45

Fig. 3-2. Coulomb's model for sliding friction 47

Fig. 3-3. Schematic wear modes, (a) adhesive wear by adhesive shear... 52

Fig. 3-4. Effectiveness of wear reduction on S45C plain carbon... 54

Fig. 3-5. Mechanism of possible movement of particles during sliding... 58

Fig. 4-1. Schematic of scale dynamo tester 66

Fig. 4-2. Scale dynamo tester for brake test 66

Fig. 4-3. Brake disk dimensions for test 68

Fig. 4-4. Microstructure of alloyed steel disk for... 70

Fig. 4-5. Manufacturing process of... 70

Fig. 4-6. Brake disk photo for test 71

Fig. 4-7. Typical microstructure of sintered brake... 72

Fig. 4-8. Brake pad photo for test 72

Fig. 4-9. Brake pad dimensions... 72

Fig. 4-10. Calculation method of disk wear 75

Fig. 5-1. Coupling of brake disks and friction materials 77

Fig. 5-2. Micro structure of gray cast iron(X200) 79

Fig. 5-3. Micro structure of low alloyed cast iron 80

Fig. 5-4. Microstructure of brake pad (X50) 81

Fig. 5-5. Relation between friction coefficient & stability... 83

Fig. 5-6. Relation between friction coefficient & stability... 83

Fig. 5-7. Relation between friction coefficient & stability at... 84

Fig. 5-8. Mean friction coefficient of gray cast iron, 50 braking 85

Fig. 5-9. Mean friction coefficient of Low alloyed cast iron,... 86

Fig. 5-10. Mean friction coefficient of alloyed steel disk,... 86

Fig. 5-11. Relation between friction coefficient & stability at 8m/s 88

Fig. 5-12. Relation between friction coefficient & stability at 10m/s 88

Fig. 5-13. Relation between friction coefficient & stability at 12m/s 89

Fig. 5-14. Pad Wear & Disk Wear 90

Fig. 5-15. Morphology of alloyed steel... 91

Fig. 5-16. Morphology of Low alloyed... 91

Fig. 5-17. Morphology of gray cast iron... 92

Fig. 5-18. Photography of Disk Surface (a)D1 (b)D2 (c)D3 93

Fig. 5-19. Friction Surface of P1 95

Fig. 5-20. Friction Surface of P2 95

Fig. 5-21. Friction Surface of P3 95

Fig. 5-22. EDX spectrum of P1 96

Fig. 5-23. EDX spectrum of P2 96

Fig. 5-24. EDX spectrum of P3 96

Fig. 6-1. Microstructure of T1(x50) 100

Fig. 6-2. Microstructure of T2(x50) 100

Fig. 6-3. Microstructure of A1(x50) 101

Fig. 6-4. Microstructure of A2(x50) 101

Fig. 6-5. Friction coefficient of 5 type materials... 103

Fig. 6-6. Friction stability of 5 type materials... 105

Fig. 6-7. Wear rate of 5 type materials coupling 105

Fig. 6-8. Disk wear of 5 type materials coupling 106

Fig. 6-9. Braking temperature profile 107

Fig. 6-10(a) Friction surface of T1 109

Fig. 6-10(b) EDX Spectrum of T1... 109

Fig. 6-10(c) EDX Spectrum of... 109

Fig. 6-11(a) Friction surface of T2 110

Fig. 6-11(b) EDX Spectrum of T2 110

Fig. 6-11(c) EDX Spectrum of T2 110

Fig. 6-12(a) Friction surface of A1 111

Fig. 6-12(b) EDX Spectrum of A1 111

Fig. 6-12(c) EDX Spectrum of A1 111

Fig. 6-13. Friction surface of A2 112

Fig. 6-13(b) EDX Spectrum of A2 112

Fig. 6-13(c) EDX Spectrum of A1 112

Fig. 6-14(a) Friction Surface of T1 113

Fig. 6-14(b) Debris on the Surface of T1 113

Fig. 6-15(a) Friction Surface of T2 114

Fig. 6-15(b) Debris on the Surface of T2 114

Fig. 6-16(a) Friction Surface of A2 115

Fig. 6-16(b) Debris on the Surface of A2 115

Fig. 6-17(a) Friction surface of disk(T1) 116

Fig. 6-17(b) EDX Spectrum of T1 surface 116

Fig. 6-18(a) Friction surface of disk(T2) 117

Fig. 6-18(b) EDX Spectrum of T2 surface 117

Fig. 6-19(a) Friction surface of disk(A1) 118

Fig. 6-19(b) EDX Spectrum of A1 surface 118

Fig. 6-20(a) Friction surface of disk(A2) 119

Fig. 6-20(b) EDX Spectrum of A2 surface 119

Fig. 6-21. Debris of T1 120

Fig. 6-22. Debris of T2 120

Fig. 6-23. Debris of A1 121

Fig. 6-24. Debris of A2 121

Fig. 6-25. Debris of steel 121

Fig. 7-1. Friction coefficient and friction stability with... 125

Fig. 7-2. Instantaneous friction coefficient with... 125

Fig. 7-3. Wear of friction material with applied pressure 126

Fig. 7-4. Disk wear with applied pressure 127

Fig. 7-5. Continuous friction temperature profile with... 128

Fig. 7-6. One stop friction temperature profile with... 128

Fig. 7-7. Friction temperature profile with detecting position 129

Fig. 7-8. Morphology of disk after test 130

Fig. 7-9. Morphology of friction material after test 131

Fig. 7-10. Friction surface of disks with... 133

Fig. 7-11. Friction surface of disk with applied... 134

Fig. 7-12. EDX spectrum of oxide layer 134

Fig. 7-13. EDX spectrum of non-oxide layer 135

Fig. 7-14. Friction surface with crack 135

Fig. 7-15. Friction surface of friction... 136

Fig. 7-16. Debris with applied pressure 137

Fig. 7-17. XRD pattern of disk surface after test 138

Fig. 7-18. XRD pattern of friction material surface... 139

Fig. 8-1. Schematic of scale dynamo tester 142

Fig. 8-2. Friction coefficient with applied pressure 144

Fig. 8-3. Friction coefficient stability with applied pressure 145

Fig. 8-4. Disk wear with applied pressure 145

Fig. 8-5. Morphology of disk... 148

Fig. 8-6. Morphology of disk... 149

Fig. 8-7. Morphology of disk... 150

Fig. 8-8. Morphology of friction material after... 151

Fig. 8-9. Morphology of friction material after... 152

Fig. 8-10. Morphology of friction material after... 153

Fig. 8-11. XRD pattern of disk surface after test 154

Fig. 8-12. XRD pattern of friction material surface after... 154

Fig. 8-13. XRD pattern of disk surface after test 155

Fig. 8-14. XRD pattern of friction material surface... 155

Fig. 8-15. XRD pattern of disk surface after test 156

Fig. 8-16. XRD pattern of friction material surface after... 156

초록보기

 철도차량은 고속화경쟁의 중심에 있고 고속화를 위한 핵심기술 중 하나가 금속계 마찰재와 내열강 디스크 간의 마찰에 의한 기초제동장치이지만 이들 상호간 트라이볼로지적 특성연구는 미진한 상태이다. 따라서 본 연구는 소형관성제동시험기를 이용하여 금속계 마찰재와 내열강 디스크 상호간의 트라이볼로지적 특성을 체계적으로 연구하고자 하였다.

금속계 마찰재는 디스크 재질에 따라 상이한 트라이볼로지적 특성을 보면, 회주철디스크는 속도에 따른 평균마찰계수의 변화와, 마찰재마모량이 적은 반면, 마찰계수의 재현성은 낮고, 디스크 마모량이 많아 금속계 마찰재와는 적합한 조합을 이루지 못하였다. 저합금 주철디스크는 고속에서 마찰계수가 낮아지는 현상이 발생하여 고속에서 사용은 제한적인 것으로 확인되었다. 내열강디스크는 속도에 따른 평균마찰계수의 변화가 적고, 마찰계수의 재현성으며, 디스크 마모량이 적어 금속계 마찰재와의 조합이 적합한 것으로 나타났지만, 마찰재의 마모량이 상대적으로 많았다.

특히, 내열강디스크와 금속계 마찰재의 종류에 따른 트라이볼로지적 특성을 연구하였는데, 금속계 마찰재는 적용하는 시스템에 따라 마찰성능이 상이하였다. 고속철도용 금속계 마찰재가 다른 용도의 금속계 마찰재에 비해 마찰계수와 마찰계수 안정성이 높고, 마모량이 적어 뛰어난 마찰재임을 확인되었다.

마찰재의 조성에 따라 마찰재 표면에 형성되는 산화피막의 형상이 달랐다. 철계 마찰재에서는 마찰면에 불안정한 산화피막을 형성되었는데, 이것은 디스크 재질과 동일한 철계 상호간의 마찰에 따른 현상으로 판단되며, 높은 에너지 제동을 제외하고는 철계 마찰재가 적절하지 않음을 보여준다. 반면, 철이 첨가된 동계마찰재의 마찰면에서 안전 된 산화피막을 형성되었고, 순순 동계 마찰재에서는 소성유동에 의한 매끈한 마찰면을 형성하였다.

마찰면의 형상에 따라 마모분의 거동도 변화하였는데, 철이 첨가된 동계마찰재와 철계마찰재에서는 마모분이 마찰재에 집적되는 반면 순수 동계 마찰재에서는 마모분이 마찰재에 머물지 못하고 탈락하였다.

이어서 내열강 디스크와 고속철도용 금속계 마찰재을 이용하여 제동압력에 따른 트라이볼로지 특성을 연구하였는데, 제동압력증가에 따라 마찰계수는 낮아졌는데 이것은 제동압력증가에 따른 마찰면의 온도가 상승하고, 이에 따라 마찰면에 형성된 산화피막이 윤활제로 작용하기 때문으로 판단된다. 1.0MPa에서는 마찰재 표면에 형성된 산화피막의 파괴로 인해 마모량이 증가하였다.

마찰면의 온도를 열전대와 마찰면의 형성된 산화피막분석을 통해 확인한 결과 320~350℃ 였다. 또한 제동압력이 높으면 마찰면의 단차가 크게 되고 이에 따라 마모분의 크기도 달라졌는데 이것은 마모분이 마찰에 참여함을 보여줌을 의미한다.

마지막으로 실제 제동조건을 모사하기 위해 외부공기속도에 따른 트라이볼로지 특성을 내열강 디스크와 고속철도용 금속계 마찰재를 이용하여 연구하였는데, 외부공기속도에 따라 평균마찰계수는 변화는 미미한 수준 나타났고, 단지 제동압력이 낮을 경우 마찰계수 안정성은 낮아졌는데, 이것은 마찰재에 보호성 산화피막의 형성이 없기 때문으로 판단된다. 외부공기유동이 있는 경우 디스크 마모량은 증가하였는데, 이는 제동시 형성된 미세 마모분이 마찰면을 채우거나, 연삭작용에 의한 것으로 판단된다.

실제 제동조건을 감안한 외부공기유동에 따른 트라이볼로지적 특성은 제동압력이 낮은 경우를 제외하고는 마찰계수, 마찰계수 안정성 및 마모량에 악 영향을 미치는 않는 것으로 나타났다.

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