우리나라의 고속철도용 전장부품 및 기계부품은 90% 이상 국산화가 되었지만 제동디스크와 같은 안전부품은 전량 해외 수입에 의존하고 있는 실정이다. 그러므로 우리나라도 국내 운영환경에 최적화된 제동시스템 개발 및 유지보수품의 국산화가 필요로 하며 철도 차량사 및 운영사에서는 기계적 특성 및 피로특성을 요구하고 있다. 따라서 본 연구는 전량 수입에 의존하고 있는 KTX-이음 차량용 상용 디스크의 역설계를 통하여 최소 성능기준을 도출하였으며, 이에 기반하여 철도 차량사의 요구사항을 반영한 합금설계 및 주조공정과 열처리 조건 등 제동 디스크의 제조공정을 최적화하였다. 주요 특성평가는 성분분석, 미세조직 분석 및 열적 특성 등을 평가하였으며, 상온 및 고온 인장시험과 저주기(20Hz) 및 초고주기(20kHz) 피로시험을 상온과 200℃에서 수행하여 상용 제동디스크와 개발 제동디스크의 특성을 비교 분석하였다. 이와 함께 파단면 분석을 통하여 인장 및 피로파단기구를 규명하였다.
합금설계에 있어서는 상용 제동디스크의 성분분석 결과, 0.2 wt.% C 내외의 Ni-Cr-Mo계 저합금강으로서 철도차량사의 요구사항인 충격에너지 및 고온 피로특성의 향상을 위하여 Si 및 S의 함량을 줄이고 Mn 및 Mo의 함량을 추가하였으며, 주조 시 용존 산소를 최소화하기 위하여 Al을 소량 추가하였다. 개발 제동디스크의 주조는 고주파 유도 용해로에서 1,900Kg를 1.630℃에서 용해하여 사형몰드를 사용하여 주입하였으며, 48시간동안 냉각한 후 발형하였다. 열처리조건은 로크웰 경도값의 측정을 통하여 상용 제동디스크와 동일한 HRC 33~38을 갖는 조건으로 최적화한 결과, Tempering 온도와 시간은 각각 570℃와 2시간이었으며, Quenching 온도는 930℃로 나타났다.
온도변화에 따른 열전도도 측정 결과, 상용품과 개발품 모두 유사한 값이 나타났다. 이와 같은 결과는 온도가 상승함에 따라 Fe원자의 진동의 증가로 인해 전위 이동방해가 증가하는데 Fe원자의 진동에 의한 영향이 성분 변화보다 우선하게 되어 동일한 열전도도를 나타낸 것으로 판단된다.
온도변화에 따른 인장시편의 미세조직을 분석한 결과, 시험온도가 상온에서 600℃로 증가함에 따라 결정립의 크기가 41㎛에서 94㎛로 약 2.3배 증가하였으며, 템퍼드 마르텐사이트(Tempered martensite)에 존재하는 패킷(Packet)의 크기도 증가하였다.
상온에서 상용품과 개발품의 샤르피 충격 시험(Charpy impact test) 결과, 상용품의 충격에너지 값은 20J이며 개발품의 충격에너지 값은 67J로 이와 같은 결과는 개발품의 황(S) 함량을 감소시켜 용탕에 청정효과로 인해 충격에너지 값이 상용품보다 27J 더 높게 나타났다. 온도변화에 따른 인장강도와 연신율 결과에서는 상온에서 상용품과 개발품 모두 인장강도는 1160MPa 이상의 값을 가지며 연신율은 12~14%로 나타났다. 600℃에서의 개발품의 인장강도는 329.3MPa로 상용품보다 90MPa 낮게 나타났으나 연신율은 18%로 유사한 값이 나타났다.
피로특성의 경우 상온에서 저주기 피로시험을 통한 피로한도는 340MPa 값으로 동일하게 나타났으며, 200℃에서의 저주기 피로시험을 통한 피로한도는 225MPa로 두 합금 모두 동일한 값으로 나타났다. 상온에서 초고주기 피로시험을 통한 피로한도는 상용품과 개발품 모두 240MPa로 두 합금 모두 동일한 값으로 나타났으며, 200℃에서 초고주기 피로시험을 통한 피로한도는 개발품이 130MPa로 상용품보다 50MPa정도 향상된 것을 확인하였다.
인장 및 피로파단면을 분석 한 결과, 인장파단면에서는 상용품과 개발품 모두 온도가 상승함에 따라 딤플(Dimple)과 균열(Crack)의 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있었으며 600℃에서는 금속간화합물로 추정되는 산화물이 존재하였다.
피로파단면에서는 저주기와 초고주기에서 모두 주조결함으로 인한 형성된 수축결함(shrinkage)을 존재로 인해 피로균열이 시작되어 피로수명이 단축되었음을 확인하였다
이와 같은 결과를 통해 Ni-Cr-Mo계 저합금강 제동디스크의 상용품과 개발품의 비교 분석을 통하여 개발된 제동디스크의 열전도도, 인장특성, 상온 피로특성은 상용품과 거의 동등한 물성을 가졌으며 샤르피 충격시험 및 고온 피로특성에서는 상용품보다 향상된 물성을 확보한 것으로 판단되었다.