카본 그라파이트 씰 표면 처리 공정 상세 설명: 함침에서 코팅까지의 기술 경로

그라파이트 씰의 표면 처리는 성능 향상을 위한 핵심 공정입니다. 적절한 표면 처리는 그라파이트 씰의 내마모성, 내식성, 열전도율 및 자기 윤활성을 크게 개선할 수 있습니다. 수년간의 공정 연구개발을 통해 Huahao Sealing Co., Ltd. (霍邱县华豪密封件有限公司)는 완전한 표면 처리 공정 시스템을 구축하였습니다. 본 글에서는 다양한 표면 처리 공정의 원리, 조건 및 적용 사례를 체계적으로 소개합니다.

1. 함침 공정

1.1 금속 함침

금속 함침은 진공 또는 압력 하에서 용융 금속을 그라파이트 기공에 주입하여 냉각 시 금속 충진체를 형성함으로써 밀도, 강도 및 열전도율을 향상시키는 공정입니다.

#### 1.1.1 안티몬 함침 공정

안티몬(Sb)은 카본 그라파이트 씰에 가장 널리 사용되는 금속 함침제로, 녹는점은 630℃, 밀도는 6.68 g/cm³입니다. 공정 파라미터는 다음과 같습니다:

• 예열 온도: 400-450℃ (탈기)
• 함침 온도: 650-700℃ (안티몬 용융)
• 함침 압력: 0.5-2.0 MPa (압력 함침)
• 유지 시간: 2-4시간
• 냉각 방법: 200℃까지 노냉 후 공냉

함침 후 성능:

• 밀도 1.70 g/cm³에서 2.3-2.4 g/cm³로 증가
• 함침률(기공 충진률) ≥85%
• 압축 강도 120 MPa에서 200-280 MPa로 증가
• 열전도율 70 W/(m·K)에서 110 W/(m·K)로 증가

#### 1.1.2 구리 함침 공정

구리(Cu)의 녹는점은 1083℃, 밀도는 8.96 g/cm³입니다. 구리 함침 그라파이트는 열전도율이 높으나 비용이 더 높습니다. 공정 파라미터는 다음과 같습니다:

• 함침 온도: 1100-1150℃
• 함침 압력: 1.0-3.0 MPa
• 유지 시간: 3-5시간

함침 후 열전도율은 140-160 W/(m·K)에 도달하지만, 구리는 공기 중에서 쉽게 산화되어 작업 온도가 400℃ 이하로 제한됩니다.

#### 1.1.3 배빗 합금 함침

배빗 합금은 주석 또는 납 기반 합금으로 녹는점은 240-400℃입니다. 배빗 함침 그라파이트는 우수한 순응성과 매립성을 가지며, 저속 중하중 조건에 적합합니다.

1.2 수지 함침

수지 함침은 진공 상태에서 액상 수지를 그라파이트 기공에 주입한 후 가열하여 경화시키는 공정입니다.

#### 1.2.1 페놀 수지 함침

페놀 수지는 가장 경제적인 수지 함침 재료로, 경화 온도는 150-180℃입니다.

• 함침 온도: 상온
• 진공도: ≤-0.09 MPa
• 함침 시간: 30-60분
• 경화 온도: 150-180℃ × 4-6시간
• 함침 후 내열 온도: 200℃

#### 1.2.2 퓨란 수지 함침

퓨란 수지는 페놀보다 우수한 내식성을 가지며, 경화 온도는 160-200℃입니다. 함침 후 내열 온도는 220℃에 달하며 대부분의 유기 및 무기산에 견딥니다.

#### 1.2.3 PTFE 함침

PTFE 함침은 현탁액 함침과 소결을 통해 이루어지며, 소결 온도는 360-380℃입니다. 함침 후에는 뛰어난 화학적 비활성성을 가지나, 열전도율은 50-55 W/(m·K)로 감소합니다.

2. 표면 코팅 공정

2.1 PVD 다이아몬드 유사 탄소(DLC) 코팅

DLC 코팅은 물리적 증기 증착(PVD)을 통해 그래파이트 씰 링 표면에 1-5 μm 두께의 비정질 탄소-수소 필름을 형성합니다. 공정 매개변수는 다음과 같습니다:

• 증착 온도: 200-300℃
• 증착 시간: 4-8시간
• 코팅 두께: 1-5 μm
• 코팅 경도: HV 3000-5000
• 마찰 계수: 0.05-0.08 (오일 윤활 시)
• 내마모성: 비코팅 대비 10배 향상

DLC 코팅은 낮은 마찰이 요구되는 고 PV 값 조건에 적합하지만, 얇은 코팅층은 충격 하중에 견디기 어렵습니다.

2.2 플라즈마 분사 세라믹 코팅

플라즈마 분사를 통해 그래파이트 씰 링 표면에 50-200 μm 두께의 알루미나(Al₂O₃) 또는 크롬 산화물(Cr₂O₃) 코팅을 형성합니다. 코팅 경도는 HV 1000-1500에 달하며 내마모성을 크게 향상시키지만, 그래파이트와의 접착력이 약해 박리 위험이 있습니다.

2.3 무전해 니켈 도금

무전해 니켈 도금은 그래파이트 씰 링 표면에 10-30 μm 두께의 니켈-인 합금층을 증착하며, 경도는 HV 500-700로 내마모성과 내식성을 개선합니다. 공정 온도는 85-95℃이며 그래파이트 기판에 열 영향을 주지 않습니다.

3. 황화 처리

3.1 공정 원리

황화 처리는 화학 반응을 통해 그래파이트 씰 링 표면에 이황화 몰리브덴(MoS₂) 전이막을 형성합니다. MoS₂는 층상 구조로 층간 결합력이 약해 우수한 자기 윤활성을 제공합니다.

3.2 공정 방법

1.그래파이트 씰을 황이 함유된 몰리브데이트 용액에 담급니다.

2.150-200℃로 가열하여 2-4시간 유지합니다.

3.표면에 1-5 μm 두께의 MoS₂ 막이 형성됩니다.

3.3 성능 효과

• 건식 마찰 계수가 0.20에서 0.05-0.10으로 감소합니다.
• 진공, 저온 및 기타 무윤활 조건에 적합합니다.
• 장기 사용 온도는 300℃를 초과하지 않아야 하며(MoS₂는 300℃ 이상에서 산화 시작).

4. 레이저 표면 처리

4.1 레이저 클래딩

고에너지 레이저 빔으로 니켈계, 코발트계 합금 등의 금속 분말을 그래파이트 표면에 용융시켜 100-500 μm 두께의 클래딩층을 형성합니다. 클래딩층 경도는 HV 600-1000에 달하며 플라즈마 분사보다 접착력이 강합니다.

4.2 레이저 텍스처링

펄스 레이저로 씰 면에 직경 50-200 μm, 깊이 20-50 μm의 규칙적인 미세 피트 배열을 형성하여 오일 저장 공간으로 활용, 오일막 유지력을 높이고 마찰 계수를 20-30% 감소시킵니다.

5. 공정 선택 가이드

| 공정 | 성능 향상 | 적용 시나리오 | 비용 |

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| 안티몬 함침 | 강도 + 열전도율 | 일반, 고온 | 중간 |

| 구리 함침 | 열전도율 | 고속 중하중 | 높음 |

| 수지 함침 | 내식성 | 화학, 산/염기 | 낮음 |

| PTFE 함침 | 화학적 비활성 | 강한 부식 | 중간 |

| DLC 코팅 | 내마모성 + 저마찰 | 고속 정밀 | 높음 |

| 황화 처리 | 자기 윤활성 | 진공, 저온 | 낮음 |

결론

그래파이트 씰의 표면 처리 공정은 종합 성능을 향상시키는 중요한 수단입니다. Huahao Sealing Co., Ltd.는 완벽한 표면 처리 공정 시스템을 갖추고 있으며, 고객의 운전 조건에 맞춘 맞춤형 공정 솔루션을 제공합니다. 당사 기술팀에 문의해 주시면 전문 공정 기술을 바탕으로 최적의 씰 표면 처리 서비스를 제공하겠습니다.