The Korean Society Of Automotive Engineers

Current Issue

Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 27 , No. 5

[ Article ]
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 27, No. 5, pp.399-404
Abbreviation: KSAE
ISSN: 1225-6382 (Print) 2234-0149 (Online)
Print publication date 01 May 2019
Received 04 Dec 2018 Revised 13 Feb 2019 Accepted 06 Mar 2019
DOI: https://doi.org/10.7467/KSAE.2019.27.5.399

브레이크 디스크의 FNC 코팅 두께에 따른 마찰계수 및 내식성 영향도 평가
김용탁* ; 홍일민
지엠테크니컬센터코리아 차량기술분석팀

Study for Brake Friction Value and Anti Corrosion Performance by FNC Disc Compound Layer Thickness
Yongtak Kim* ; Ilmin Hong
Department of Engineering Analysis, GM Technical Center Korea, 233 Bupyeong-daero, Bupyeong-gu, Incheon 21334, Korea
Correspondence to : *E-mail: yongtak.a.kim@gm.com


Copyright Ⓒ 2019 KSAE / 162-08
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Abstract

Brake disc anti-corrosion performance has been improved in various ways for customer emotional satisfaction. Ferritic nitrocarburizing(FNC) is one of the methods used for anti-rust surface treatment, and it is currently in the spotlight as a brake disc rust prevention method. However, there are different kinds of performance requirements for brake corner system to satisfy customers, and every so often, several test results are found to be inconsistent. The brake friction value setting compromising with the other performance is the first priority in brake system development in order to have a sufficient fundamental “braking” function. In this paper, we studied the effect of the brake friction value by FNC compound layer thickness with scaled dynamometer testing, and we determined how the anti-corrosion performance shows for each respective case via complex environment salt spray testing.


Keywords: Ferritic nitro carburnizing, Friction coefficient, Corrosion, Rust, Judder, Brake disc
키워드: 페라이트 니트로 카버나이징, 마찰계수, 부식, , 저더, 브레이크 디스크

1. 서 론

소비자에게 신차가 전달될 때 브레이크 디스크 표면에 발청 상태로 전달된다면 고객은 강한 감성적인 불만을 제기할 수 있고, 이 녹이 브레이크 디스크 마찰면에 안착된 후 운행 및 제동을 한다면 강한 공격성으로 디스크와 패드 표면이 거칠어지거나 뜯김 현상으로 인해 생산 당시 관리되었던 매끄러운 표면을 유지할 수 없게 된다. 그리고 이러한 표면은 제동 시 떨림 현상인 녹 저더(Judder)나 노이즈 등 추가적인 감성 불만을 유발할 수 있는 가능성이 커지게 된다. 또한 장시간 염수 환경에 노출된 차량은 상대 파트와 면착되는 디스크 부위에 녹에 의한 고착으로 정비 성능이 떨어지게 되는 경우도 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 기존의 일시적 효과인 염료 분사(Spray) 코팅 방식이 아닌 일정 차량 수명 동안 디스크 전체의 내식을 유지하는 강건한 코팅을 고려하게 되었고, 그 중 하나가 질화 코팅(FNC) 기술이다. 그러나 브레이크 작동 시 노이즈에 대한 강건성을 확보하기 위해서는 마찰 표면의 정밀한 가공 및 유지가 필요한데 마찰열로 에너지 변화가 발생하면서 마모 변형이 일어나는 제동 표면에 질화 화합물의 새로운 층을 추가하고 고른 표면으로 생산 및 사용기간 동안 유지 한다는 것은 어려운 일이다. 더욱이 질화 처리에 따른 전체적인 경도 상승으로 마모 수명의 증대 효과2)는 얻을 수 있지만 기존 기준 제품 대비 고유 진동수가 변하게 되고 이는 시스템 노이즈 강건성에 새로운 부작용을 초래할 수 있어 사양 개발에 어려운 부분이 있다. 그 중에서도 FNC 디스크 적용에 따른 잠재적인 마찰값 저하 문제는 가격에 큰 영향을 주는 브레이크 코너 시스템 전체 사이즈 변경을 필요로 할 수 있기 때문에 시스템의 적절한 마찰값은 사양 개발 초기에 빠르게 확정지어야 한다. 일반적으로 기존 개발 이력을 바탕으로 마찰값을 선정하고 이 값으로 브레이크 시스템 크기를 계산하여 사양 선정 후 개발 단계로 넘겨 샘플 제작과 검증을 한다. 그런데 FNC 디스크는 마찰값 측정에 대한 누적 데이터가 부족하고 특성에 대한 연구가 많지 않기 때문에 예측이 힘들다. 또한 FNC 디스크의 적용으로 내식성 향상과 마찰값 유지는 양립할 수 없는 특성이라고 한다면 이에 대해 타협점을 찾기 위한 기본 데이터 확보가 필요하다. 선행 연구로서 공법에 따라 다양한 FNC 디스크를 제작하고 그에 따른 브레이크 마찰값 성능 변화를 측정하여 향후 경향이 예측된다면 개발 중간에 반복될 수 있는 불필요한 측정 및 시간과 비용낭비를 줄일 수 있을 것이다. 이번 연구에서는 FNC 디스크의 화합물 층 두께 변화에 따라 마찰값이 어떤 영향성을 가질 수 있고, 또 내식 성능에는 어떤 결과를 가져오는지에 대해 집중하여 검토하기로 하였다.3)


2. 본 론
2.1 테스트 샘플 제작 및 시험 계획

질화 처리 디스크는 질화코팅 과정에 필요한 암모니아 가스(NH3)와 추가 충진 가스들의 양, 로 내의 분위기 온도, 처리 시간 등의 공법에 따라 다른 특성을 가지게 된다. 이 변수들에 따라 같이 변하게 되는 질화 화합물 층은 크게 표면 외부에 추가로 생성되는 화합물층, 그리고 디스크 내부로 들어가는 확산층이 있다. 특히 표면에 생기는 질화 화합물 층은 공법 변수들에 따라 두께 변화의 결과로 나오게 된다. 또한 질화 처리 후 전체 디스크 경도 변화는 시스템의 특성이 바뀌고 이는 마찰력에 영향을 줄 수 있는 부분도 있다. 이번 연구에서는 외부에 추가되는 화합물 층의 두께와 그에 따른 마찰값의 연관성 분석으로 연구 범위를 한정하고 그에 따른 측정 및 시험을 진행하였다. 켈리퍼나 패드의 기본 강성 및 형상(Geometry)에 따른 영향도를 배제하기 위해 기존 대비 1/5 scaled 다이나모미터 장비에 맞게 패드를 샘플링 하여 동일한 장착 조건에서 마찰값을 측정하였다. 테스트할 디스크는 Fig. 1과 같이 직경 142 mm, 두께 8 mm의 크기로 FC25 재질을 사용하여 제작하였다. 패드는 종류별로 동일하게 45 mm × 18 mm × 5 t 의 사이즈를 사용하였고, 테스트 시험 모드는 JASO C406-P11)을 따랐다. 몇 가지 다른 질화화합물층 두께를 가지는 디스크에 대하여 각각 다른 여러 제작사의 마찰재 패드들로 비교 시험하여 마찰재의 변화에 따른 영향도도 같이 보기로 하였다.


Fig. 1 
Disc & pad test sample size

Low met(low steel) 패드는 자체 공격성이 강하기 때문에 초기에 생긴 디스크 표면의 녹을 제동 시 제거하기 쉽지만, NAO(non asbestos organic) 패드는 그렇지 못하기 때문에 FNC 디스크는 보통 NAO 패드 장착 켈리퍼 사양 조합을 위해 개발하게 된다. 따라서 NAO 패드를 이용하여 시험 평가 계획이 필요하며 실험 결과의 일반성을 확인하기 위해 Table 1과 같이 NAO 계열이지만 서로 다른 제작사의 제품으로 시험 계획하였다.

Table 1 
Test pad
Manufacture Pad
A NAO
B NAO
C NAO

FNC 디스크 적용을 위한 차량단계 검증 개발 전에, 디스크 단품 개발을 위한 DOE study로 제작공정의 Control factor 변화를 주어 36가지 다른 공법을 정하고 각 공법에 따른 FNC 화합물 층의 두께 변화 연관성 연구는 미리 조사 되었다. 이 선행 연구를 통해 나오게 된 결과에서 몇 가지 대표적 코팅 두께의 디스크를 선정하여 각 경우에 대해 마찰값을 측정하였다. FNC 디스크의 화합물층 두께 측정을 위한 시료 선정과 시료 내의 Sampling 위치 선정은 표면위에 쌓이는 화합물 층의 변화가 um의 작은 단위로 편차가 발생하기 때문에 의미 있는 평균값을 취하기 위해 가능한 여러 샘플을, 그리고 하나의 디스크 내에서도 여러 부위에서 두께를 측정하기로 하였다. 측정 디스크 선정은 각각 제작 공법 로트의 로 내에서 대각선 방향으로 상, 중, 하 위치에서 하나씩 선정하고, 각 디스크 내에서도 Inboard, Outboard 양쪽 면의 중간 위치 네 곳에서 Sampling하여, 최종 디스크 하나 당 24개의 값을 현미경을 통해 500배율로 측정하고 평균하였다(Fig. 2, Fig. 3).


Fig. 2 
Sampling position in furnace


Fig. 3 
Sampling position in disk(yellow mark)

선행 DOE study를 통해 크게 대표적인 4가지의 화합물층 코팅 두께 그룹을 선정하였고 그 두께는 위의 표와 아래 그림과 같다(Table 2, Fig. 4~7). 하나의 디스크에서 화합물층 편차는 기준 값 대비 1~3 um 내외 정도이다.

Table 2 
FNC coating thickness group
Group Compound thickness (um)
A 11
B 22
C 25
D 29


Fig. 4 
Compound section of group A


Fig. 5 
Compound section of group B


Fig. 6 
Compound section of group C


Fig. 7 
Compound section of group D

2.2 마찰값 시험

세 곳의 제조사에서 만든 NAO 계열 패드와 네 가지의 다른 화합물층 두께를 가지는 FNC 디스크로 마찰값 시험을 수행하였다. 모든 경우의 조합에 대해서 시험을 진행하였으면 가장 좋았으나 장비의 여력 때문에 전부 수행하지는 못하였고 시험 조합과 결과는 아래와 같다(Table 3, Fig. 8~11). 그래프에 나와 있는 마찰값 결과는 브레이크 마찰값 측정 모드 중 대표적이라 생각되는 Burnish warm ramp 200회의 제동 구간이다. Table 3의 마찰값 감소량은 질화처리 하지 않은 일반 디스크 조건에서의 시험결과 대비 각 그룹별 디스크와의 마찰시험 결과를 비교하여 감소된 양을 나타내었다. 각 제조사별 패드와의 마찰값 결과는 마찰재 포뮬레이션에 따라 조금 다르게 나타날 수 있지만 일반 디스크와의 시험결과 기준대비 FNC 화합물 층이 두꺼워질수록 비슷한 감소율을 가지고 떨어지고 있다. 단지 패드 B의 경우 패드 A와 C 대비 다른 감소율과, 그룹 C 디스크와의 시험에서는 마찰값 감소양이 덜한 결과가 나오기는 했지만 전반적으로 화합물층이 두꺼워 질수록 마찰값은 떨어지고 있다. FNC 디스크의 화합물층이 29 um 정도인 그룹 D 에서는 일반 디스크와의 마찰값 보다 12 ~ 14 %까지 떨어질 수 있음을 보았다(Fig. 11).

Table 3 
Friction values result(disc A~D & pad A~C)
Disc pad A red (%) pad B red (%) pad C red (%)
Group A 2 N/A N/A
Group B 3 11 4
Group C 11 7 11
Group D 14 12 N/A


Fig. 8 
Pad A burnish warm ramp friction w/ FNC disc


Fig. 9 
Pad B burnish warm ramp friction w/ FNC disc


Fig. 10 
Pad C burnish warm ramp friction w/ FNC disc


Fig. 11 
Burnish warm ramp friction w/ conventional & FNC disc D

2.3 복합 염수환경(Corrosion) 시험

Fig. 12~18의 사진은 FNC 디스크의 몇 가지 화합물 층이 다른 경우들과 일반 디스크에 Magni 도료로 전체 Spray 코팅한 경우에 대해서 내식 성능을 비교하기 위해 복합 환경시험 프로세스로 기본적인 평가 26 cycle을 진행한 결과이다. 마찰값 시험을 위한 Scaled 다이나모미터용 디스크의 크기는 부식 성능을 평가하기에는 너무 작기 때문에 질화 처리 시 동일 로트에서 같이 제작한 일반 차량용 크기의 FNC 디스크 샘플을 가지고 시험 평가 하였다. 평가 부위는 순수 FNC 코팅만의 내식 성능을 비교 평가하기 위하여 FNC 코팅위에 추가 Magni spray 코팅이 되어 있지 않은 순수 화합물 층으로만 되어있는 제동면을 기준으로 1~10 단계로 나누어 상대평가 하였다(Table 4).


Fig. 12 
Conventional disc corrosion test


Fig. 13 
FNC group A disc corrosion test


Fig. 14 
FNC group A~B disc corrosion test


Fig. 15 
FNC group B disc corrosion test


Fig. 16 
FNC group C disc corrosion test


Fig. 17 
FNC group D disc corrosion test


Fig. 18 
Conventional disc w/ magni full spray coating corrosion test

Table 4 
Corrosion test rating
Group Subjective rating (1~10)
Conventional 1
A 3
A~B (15um) 5
B 6
C 7
D 9
Spray coating 9

FNC 코팅 두께층이 가장 얇은 그룹 A의 경우에는 아무런 코팅 처리를 하지 않은 일반 디스크와 결과 차이가 거의 없다(Fig. 12, 13). 이는 짧은 코팅 공정시간에 의해 FNC 코팅층 안착이 고르게 되지 않고 순수 메탈이 드러나 있는 틈새 부분부터 녹이 시작하여 점차 커지게 되어 얇은 FNC 화합물층이 존재하더라도 전혀 효과를 발휘하지 못한 것으로 보인다. 그룹 A 디스크의 경우는 차량 초기 출시에 미관상 적녹 색깔이 보이지 않는 정도의 성능만 발휘 할 수 있을 것이라고 판단된다. 그리고 순차적으로 코팅 두께가 두꺼워 짐에 따라 예상대로 내식 성능은 좋아지고 있고, 두께가 29 um 정도(group D) 되는 코팅 층에서는 추가적인 분말 Spray 코팅이 필요 없을 정도로 성능이 우수하였다(Fig. 12~17).

분말 Spray 코팅은 제동 표면에서 몇 번의 브레이크 작동으로 사라지지만 FNC 코팅은 일정 수명 동안 내구성을 가지고 코팅 층을 유지하기 때문에 전체 표면의 내식 내구 성능에 유리한 조건이다. 그리고 Vented 디스크의 경우 내부의 보이지 않는 면까지는 Spray 방식으로 분말 코팅을 안착시키기 힘들지만(Fig. 18), FNC 코팅은 로 내에서 가스 침착 혹은 염욕 침수 공법으로 진행하므로 겉에서 보이지 않는 면까지 질화 코팅막이 생성되어 코팅되지 않은 면에서부터 시작될 수 있는 녹을 방지 할 수 있다. 개발하는 디스크의 성능에 대해 어떤 부분에 주안점을 두는지에 따라 달라질 수 있지만 만약 마찰값 성능 저하와 내식 성능의 중간 타협점을 찾는다면 16~18 um 정도가 적절해 보인다(Fig. 19).


Fig. 19 
Friction reduction vs corrosion resistance

디스크 마찰면이 녹 발생으로 인한 영구 손상 정도를 파악하기 위해 복합 염수 환경시험 사내 프로세스 기준으로 52 cycle 진행 후 디스크 표면을 Wire brush와 Sanding 작업으로 녹을 제거하고 육안 관찰하였다(Fig. 20~22). 디스크 마찰면 표면 상태는 녹 발생 정도에 비례해서 고르지 못한 영구적인 패임 현상을 지닌 면적이 커짐을 확인할 수 있고, 이는 차량에서 녹 저더에 대해 상대적으로 취약할 수 있음을 예상할 수 있다.


Fig. 20 
Conventional disc surface after sanding


Fig. 21 
FNC group A disc surface after sanding


Fig. 22 
FNC group B disc surface after sanding


3. 결 론
  • 1) 현재까지는 국내에서 생소한 FNC 디스크에 대해 코팅 층의 두께에 따라 브레이크 마찰값에 어떻게 영향을 주는지 상대 비교 평가 결과를 얻은 의미 있는 연구였다. FNC 코팅 두께는 어떤 마찰재하고 시험하느냐에 따라 다르겠지만, NAO 마찰재의 경우 일반 디스크와의 측정 대비 20 um 정도의 두께에서는 평균적으로 3 ~ 4 %, 30 um 정도 두께에서는 12 ~ 14 % 정도의 마찰값이 떨어짐을 확인하였다.
  • 2) FNC 코팅 두께가 얇은 경우(Group A)는 코팅층이 촘촘히 안착이 잘 안되어 모재로부터 녹이 시작할 수 있는 틈이 생기기 때문에 이 경로를 통해 생긴 녹으로 나머지 존재하는 코팅층도 내식성능을 발휘할 수 없게 된다. 적절한 내식 성능을 위해서는 최소한의 두께 한계선이 존재하는 것으로 판단된다(Group A~B, 15 um 이상).
  • 3) 차량 개발 초기에 일반 디스크 개발 시 충분한 크기의 브레이크 사이즈가 선정 되어 프로그램 중간에 질화처리 디스크를 적용하더라도 떨어지는 마찰값이 차량 브레이크 성능 저하에 영향을 미치지 않아 동일 사이즈를 유지할 수 있다면 문제없지만, 대부분 초기에 충분한 여유를 가지지 않고 사이즈를 선정하는 것이 통상이다. 만약 이 실험 결과가 마찰 성능 저하의 양과 내식 성능의 변화를 예측할 수 있도록 도움이 된다면 차량 개발 초기이든 중간이든 FNC 디스크 적용을 위한 효율적인 개발에 도움이 되리라 생각된다.
  • 4) 향후 FNC 디스크는 왜 마찰값이 떨어지고, 그리고 왜 두께에 따라 달라지는지에 대해서 이론적 고찰이 필요해 보인다.

Acknowledgments

A part of this paper was presented at the KSAE 2018 Fall Conference and Exhibition


Nomenclature
FNC : ferritic nitro carburnizing
DOE : design of experiments
NAO : non asbestos organic

References
1. Japanese Automobile Standard JASO C406, 2000.
2. M. L. Holly, L. DeVoe, and J. Webster, Ferritic Nitrocarburized Brake Rotor, General Motors Company, (2011).
3. Y. T. Kim, and I. M. Hong, “Study for Brake Friction Value and Anti-corrosion Performance by FNC Disc Compound Layer Thickness”, KSAE Fall Conference Proceedings, p380-381, (2018).