자동차 공해를 멈추는 레이저 기술

새로운 레이저 클래딩 기법은 보호 금속 층을 생성하여 디스크 브레이크에서 발생하는 미세 입자를 크게 줄일 수 있습니다.

2022년 3월 25일, Coherent

EHLA Laser Cladding

자동차에서 배출되는 미세 먼지의 21%가 배기관이 아닌 브레이크에서 발생한다는 것을 알고 계셨나요? 디스크 브레이크를 사용할 때마다 브레이크 로터와 패드가 조금씩 마모되기 때문입니다. 이렇게 마모된 입자 중 직경이 10µm(PM10이라고 부름) 미만인 입자는 공기 중으로 떠다닙니다. 하지만 배기관 배출과 달리 이러한 미세먼지 배출은 간단하게 측정하기 어렵고, 무엇보다도 이를 통제할 수 있는 방법이 없습니다.

어려운 통제 방법

대부분의 디스크 브레이크 로터는 회주철로 제작됩니다. 이 재료는 브레이크 부품에서 자주 발생하는 고온을 견딜 수 있고 가격도 상대적으로 저렴합니다. 하지만 회주철은 쉽게 마모되어 앞에서 설명한 미세 먼지 입자를 발생시킵니다. 게다가 부식성입니다. 

확실한 해결책은 스텐레스 강철과 같이 브레이크 로터 표면에 마모와 부식을 막아주는 더 단단한 물질을 얇게 코팅하는 것입니다. 하지만 이와 같은 코팅을 만드는데 사용되는 일반적인 기술들은 디스크 브레이크에 유용하지 않습니다. 예를 들어 전기도금 및 열 분사로 제작되는 코팅은 회주철과 야금학적으로 결속되지 않습니다. 즉, 깨지거나 벗겨질 수 있습니다. 또한 이러한 방법은 구현 비용이 높습니다.

기존의 레이저 클래딩(레이저 재료 증착 또는 LMD)도 해답이 되지 않습니다. 이 기술의 경우 부품 표면에 분말 스텐레스 강철이 증착되고 이 분말과 부품을 녹이기 위해 고출력 다이오드 레이저 또는 파이버 레이저가 사용됩니다. 이것이 재응고되어 야금학적으로 모재와 강력한 결합성을 갖는 새로운 코팅 층이 형성됩니다.

하지만 레이저로 회주철이 충분히 녹기 때문에 일부 카본이 강철 코팅으로 전이될 수 있습니다. 그 결과 코팅이 쉽게 부서지거나 부품 수명을 단축시킬 수 있는 균열 또는 기타 결함으로 이어질 수 있습니다.

기존 방식을 혁신시켜 주는 새로운 레이저 클래딩 기술

Fraunhofer 레이저 기술 연구소 ILT와 RWTH 아헨 대학(두 곳 모두 독일 아헨 소재)의 엔지니어 그룹이 이 문제를 해결할 수 있는 새로운 레이저 재료 증착 공정을 개발했습니다. 독일어 약어로 EHLA라고 부르는 이 극고속 레이저 재료 증착 방법은 레이저 클래딩에 몇 가지 혁신적인 기술을 도입했습니다.

기존 LMD와 마찬가지로 EHLA는 디스크 브레이크 표면에 분말 금속을 분사하고 고출력 다이오드 레이저를 사용하여 분말과 표면을 모두 녹입니다(HighLight DL 시리즈). 하지만 EHLA는 맞춤형으로 설계된 노즐을 사용해서 클래딩 분말이 부품 표면에 도달하기 전 레이저 빔으로 "즉시" 녹을 수 있게 해줍니다. 따라서 액체 방울 상태로 부품에서 녹은 회주철의 매우 얇은 층에 안착됩니다. 그런 후 이 금속이 빠르게 재응고되어 얇은 코팅을 형성합니다.

EHLA는 브레이크 로터를 충분히 가열하지 않으므로 카본이 코팅으로 전이되지 않습니다. 따라서 재료 자체의 변형으로 인한 모든 가능한 문제를 방지합니다. 하지만 부품과 야금학적으로 결속되는 얇고 강력한 층을 형성합니다. 또한 분말 사용 측면에서 기존 클래딩보다 훨씬 빠르고 효율적입니다. 이 모든 것이 자동차 제조업체를 위해 실행 가능한 상용 공정으로 만들어줍니다.   

EHLA는 성공의 비법

EHLA는 응용 분야의 정확한 요구에 맞게 맞춤화할 수 있는 유연한 방법입니다. 예를 들어 가솔린 차량용 브레이크를 코팅할 때는 두 가지 서로 다른 층을 증착하는 것이 유용할 수 있습니다. 최상위 층은 강철을 텅스텐 카바이드, 티타늄 카바이드 또는 기타 매우 단단한 재료와 결합합니다. EHLA 클래딩 노즐은 특히 한 번에 두 가지 이상의 분말 재료를 사용할 수 있도록 설계되었습니다.

이 레이저를 만들 때는 더 단단한 재료가 녹지 않도록 레이저 출력이 설정됩니다. 머핀에 박혀 있는 블루베리처럼 단순히 작은 분말 입자가 단단한 강철 층에 포함됩니다. 이것으로 내마모성이 매우 뛰어난 외부 층이 형성됩니다.

하지만 이 외부 층은 부서지기 쉽기 때문에 브레이크를 부식시키는 습기로 인해 균열이 발생합니다. 따라서 처음부터 습기가 닿지 않도록 브레이크 로터를 "밀봉"해주는 순수한 스텐레스 강철 층을 만듭니다.

전기 자동차(EV)의 제동 패턴은 가솔린 자동차와 매우 다릅니다. 특히 회생제동을 사용하면 브레이크를 많이 사용하지 않아도 자동차 속도를 늦출 수 있으므로, 마모도 줄일 수 있습니다. 실제로 EV는 마모가 훨씬 적어서 미세 먼지 발생보다 브레이크 부식이 더 큰 문제입니다(가솔린 자동차의 빈번한 제동이 로터 표면의 부식을 막아줌). 

따라서 EV의 경우 디스크 브레이크 코팅에 다른 방식을 사용할 수 있습니다. 즉, 순수한 단일 스텐레스 강철 층만으로도 부식을 막아주고 적절한 수준의 미세 입자 감소 효과를 가져올 수 있습니다. 

EHLA는 기존 레이저 클래딩보다 속도가 더 빠르고 금속 분말을 더 효과적으로 사용하기 때문에 비용 효율성이 더 뛰어납니다. 또한 회주철 및 스텐레스 강철 외에도 다른 많은 재료에 유용하게 사용될 수 있습니다. 이 기술이 곧 다른 제조 부문의 혁신을 위해 사용되더라도 놀라지 마시기 바랍니다. 

EHLA 공정을 통해 금속 코팅을 얼마나 균일하게 적용할 수 있는지 알아보세요. 브레이크 디스크 예시 보기

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