- ▸"경도가 높을수록 내마모성이 좋다"는 카본 그라파이트 씰링 재료에는 적용되지 않는 비선형 관계가 존재하며, 임계점이 있음
- ▸핵심 데이터: 경도를 60에서 80 HS로 올리면 마모율이 약 40% 감소하지만, 90에서 110 HS 구간에서는 취성 및 미세 파손으로 인해 오히려 마모가 15%-30% 증가함
- ▸동일한 80 HS Shore 경도를 가진 두 카본 그라파이트 재료도 조성 및 함침 방식에 따라 마모율이 수 배 차이 날 수 있어 경도 시험의 한계를 드러냄
- ▸함침 메커니즘 차이: 안티몬은 경도(60에서 90-110 HS)를 높이고 내마모성을 개선하며, PTFE는 경도는 변화시키지 않으나 낮은 마찰로 마모를 감소시킴
- ▸카본 그라파이트와 실리콘 카바이드(SiC) 조합은 PV 값 15-25 MPa·m/s로 최상의 마찰 쌍이며, 0.1% 이상의 고형물이 포함된 매체는 마모율을 3-5배 증가시킴
씰 선정 시 "경도가 높을수록 내마모성이 좋다"는 직관적 판단이 흔하지만, 카본 그라파이트 재료에는 완전히 적용되지 않습니다. 카본 그라파이트의 내마모성은 경도뿐 아니라 조성, 함침 유형, 접촉 재료, 작동 조건에 따라 달라집니다. Huahao Sealing Co., Ltd.는 다년간의 시험 데이터를 바탕으로 경도와 내마모성 간의 실제 관계를 체계적으로 분석하여 일반적인 오해를 바로잡고자 합니다.
1. 경도 시험 방법과 그 의미
1.1 Shore 경도 (HS)
카본 그라파이트 재료에 가장 널리 사용되는 경도 지수는 Shore 경도 HS이며, HS (G)와 HS (F) 스케일이 있습니다. 메커니컬 씰용 카본 그라파이트는 보통 40에서 100 HS 범위에 있습니다. Shore 경도는 탄성 변형 능력을 반영하는 반발형 경도로, 카본 그라파이트처럼 다공성이고 이질적인 재료에 적합합니다.
1.2 Rockwell 및 Brinell 경도
Rockwell (HRR, HRM)과 Brinell (HB) 경도도 금속 함침 흑연에 사용되지만, 카본 그라파이트의 이질성 때문에 데이터 분산이 크고 여러 번 측정하여 평균을 내야 합니다. 당사의 출하 검사에서는 배치당 최소 다섯 지점을 시험합니다.
1.3 경도 시험의 한계
경도는 재료의 국부적인 소성 변형 저항을 나타내며, 전체적인 내마모성을 직접 반영하지 않는다는 점에 유의해야 합니다. 동일한 80 HS Shore 경도를 가진 두 카본 그라파이트 재료도 조성 및 함침 방식에 따라 마모율이 수 배 차이 날 수 있습니다.
2. 경도와 내마모성 간의 비선형 관계
2.1 일반적인 경향과 임계점
합리적인 범위 내에서 카본 그라파이트의 경도가 증가하면 일반적으로 내마모성이 향상되지만, 이 관계에는 임계점이 존재합니다. 경도가 약 90-100 HS를 초과하면 취성이 크게 증가하여 씰 면이 작동 중 미세 파손 및 박리 현상이 발생하기 쉬워 실제로 마모가 가속화됩니다. Huahao의 실험 데이터에 따르면 경도가 60 HS에서 80 HS로 상승할 때 마모율은 약 40% 감소하지만, 90 HS에서 110 HS로 상승할 경우 오히려 마모율이 15%-30% 증가합니다.
2.2 함침 유형의 영향
서로 다른 함침 공정은 경도와 내마모성에 각각 다른 메커니즘으로 영향을 미칩니다. 안티몬 금속 함침은 경도를 60 HS에서 90-110 HS로 높이며, 금속상에 의한 지지 역할로 내마모성도 크게 향상됩니다. 페놀 수지 함침은 경도를 약 5-15 HS 정도만 증가시키지만, 다공성을 줄이고 계면 접촉을 개선하여 내마모성을 향상시킵니다. PTFE 함침은 경도 변화가 거의 없으나 낮은 마찰 특성으로 마모율을 감소시킵니다.
2.3 배합 및 입자 크기
배합 내 집합체의 입자 크기는 경도와 내마모성에 큰 영향을 미칩니다. 미세입자 배합(<75μm)은 경도가 높고 표면 마감이 우수하여 정밀 씰에 적합합니다. 거친 입자 배합(>150μm)은 경도가 다소 낮지만 열전도율이 우수하여 고온 고하중 조건에 적합합니다. Huahao는 다양한 용도에 맞춘 여러 배합 시스템을 제공합니다.
3. 맞물림 재료의 적합성 중요성
카본 그라파이트 씰링의 내마모성은 그라파이트 자체뿐만 아니라 전체 마찰 쌍에 달려 있습니다. 일반적인 맞물림 재료로는 실리콘 카바이드(SiC), 텅스텐 카바이드(WC), 알루미나 세라믹(Al₂O₃), 주철이 있습니다.
3.1 실리콘 카바이드 조합
SiC와 카본 그라파이트의 조합은 오늘날 메커니컬 씰에서 금본위 조합으로, 큰 경도 차이, 우수한 화학적 적합성, PV 값 15-25 MPa·m/s, 그리고 매우 낮은 마모율을 자랑합니다.
3.2 텅스텐 카바이드 조합
YG6, YG8과 같은 텅스텐 카바이드는 고압 및 고속 조건에 적합하지만, 시멘트 카바이드의 열전도율이 SiC보다 낮아 씰 면 온도 상승에 주의가 필요합니다.
3.3 주철 조합
주철-그라파이트 조합은 저비용으로 저압 수펌프와 같은 일반적인 서비스에 사용되지만, 맞물림 부품의 마모가 빠르므로 주기적인 교체가 필요합니다.
4. 작동 조건의 영향
내마모성은 작동 조건의 함수입니다. 매질의 점도, 고형물 함량, 온도, 압력, 속도 모두 실제 마모율에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 고형물 입자가 0.1% 이상 포함된 매질은 카본 그라파이트의 마모율을 3-5배 증가시킬 수 있습니다. 매질 온도가 200℃를 초과하면 수지 함침 그라파이트의 경도가 크게 떨어지고 내마모성이 감소합니다.
5. 결론
카본 그라파이트의 경도와 내마모성 사이에는 비선형적인 관계가 있습니다. 단순히 높은 경도만을 추구하는 것은 올바른 선택 방법이 아닙니다. 엔지니어는 함침 유형, 맞물리는 재료 및 작동 조건을 종합적으로 고려하여 체계적인 매칭을 해야 합니다. Huahao Sealing Co., Ltd.는 고객이 최적의 선택을 할 수 있도록 재료 수준의 마찰 및 마모 시험 데이터를 제공할 수 있습니다.