Editorial Board

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.

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.

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

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).

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

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

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