- ▸카본 그라파이트는 천연 흑연 광석이 아니라 석유 코크스, 피치 코크스, 플레이크 흑연을 베이킹(1000-1400℃)과 흑연화(2400-3000℃) 과정을 통해 제조한 엔지니어링 재료입니다.
- ▸주요 물리적 특성: 밀도 1.55-1.85 g/cm³, 쇼어 경도 40-90, 압축 강도 150-340 MPa, 열전도율 70-150 W/(m·K)
- ▸함침되지 않은 카본 그라파이트는 10%-20%의 다공성을 가지며, 씰링 용도에 사용하기 전에 수지 함침 또는 금속 함침을 통해 다공성을 2% 이하로 낮춰야 합니다.
- ▸천연 흑연과의 본질적 차이점: 원재료 순도 통제, 규칙적인 결정 구조, 높은 성능 일관성, 맞춤형 함침 유형 가능
- ▸주요 적용 분야: 메커니컬 씰 링, 그라파이트 부싱/베어링, 분할 링, 화학, 제약, 식품, 야금, 전력, 자동차 산업 전반의 카본 그라파이트 블랭크
1. 카본 그라파이트의 재료 정의
카본 그라파이트는 주로 탄소로 구성된 엔지니어링 재료입니다. 석유 코크스, 피치 코크스 또는 플레이크 흑연을 원료로 하여 배합, 반죽, 성형, 베이킹(1000-1400℃), 흑연화(2400-3000℃) 등 다단계 고온 공정을 거쳐 생산됩니다.
일반적인 오해를 바로잡아야 합니다: 카본 그라파이트는 천연 흑연 광석이 아닙니다. 천연 흑연도 탄소 기반이지만, 순도, 결정 규칙성, 성능 일관성 면에서 정밀 씰링 부품 요구사항에 크게 미치지 못합니다. 산업용 씰링 등급 카본 그라파이트는 원재료 순도가 99% 이상이며, 매우 규칙적인 결정 구조와 로트 간 일관된 성능을 갖춘 제조 재료입니다.
1.1 "흑연"과 "탄소" 구분
산업 용어에서 "카본 그라파이트"는 일반적으로 흑연화된 탄소 기반 재료를 의미하며, 탄소의 경도와 흑연의 자기 윤활성을 결합한 재료입니다. "하드 카본"은 흑연화 없이 베이킹만 진행되어 경도는 높지만 윤활성은 낮습니다. 씰링 산업에서 "카본 그라파이트 씰 링"은 좋은 자기 윤활성과 기계적 강도를 모두 제공하는 흑연화 재료를 지칭합니다.
2. 미세구조 및 물리적 특성
카본 그라파이트의 층상 결정 구조는 독특한 특성 조합을 부여합니다. 흑연 결정 내에서 탄소 원자는 sp² 혼성화를 통해 육각형 층을 형성하며, 층 내에서는 강한 공유 결합(결합 길이 약 0.142 nm), 층 간에는 약한 반데르발스 힘(층 간격 약 0.335 nm)이 작용합니다. 이 구조 덕분에 층들이 미끄러지면서 우수한 자기 윤활성을 가지며, 건식 마찰 계수는 0.04-0.15까지 낮아집니다.
대표적인 물리적 특성:
- 밀도: 1.55-1.85 g/cm³ (함침 후 최대 1.80-2.20 g/cm³)
- 쇼어 경도(HS): 40-90
- 압축 강도: 150-340 MPa
- 굽힘 강도: 40-100 MPa
- 열전도율: 70-150 W/(m·K) (공학용 플라스틱 0.2-0.4 W/(m·K) 대비 훨씬 높음)
- 열팽창 계수: (2.5-5.0)×10⁻⁶ /℃ (금속보다 낮아 열 안정성에 유리)
- 사용 온도: 비산화성 매체에서 600℃ 이상, 진공/불활성 분위기에서는 최대 1000℃까지 가능
3. 제조 공정
카본 그라파이트 제조는 다단계 고온 공정입니다:
1.원료 준비: 휘발성 물질 제거를 위한 석유/피치 코크스의 소성; 플레이크 흑연의 선별 및 정제
2.배합 및 반죽: 코크스 골재, 흑연 분말, 석탄 타르 피치 결합제를 140-160℃에서 반죽
3.성형: 다이 프레싱(소량 맞춤형), 등방성 제품용 등방압 프레싱, 연속 바/튜브용 압출
4.베이킹: 1000-1400℃ 무산소로에서 서서히 가열, 피치 결합제 카본화, 결과 다공도 약 10%-20%
5.흑연화: 2400-3000℃ 전기 가열로 비정질 탄소를 흑연 결정 구조로 변환
6.함침 개질: 수지 또는 금속이 다공성을 채워 다공도를 2% 이하로 감소
7.마무리: 선삭 및 연마로 치수 및 표면 거칠기 규격에 맞춤
4. 함침의 역할
함침하지 않은 카본 그라파이트는 10%-20% 다공성을 가지며, 매체 침투 누설이 발생해 직접 씰링에 부적합합니다. 함침은 진공 압력을 이용해 액체 또는 용융 물질을 다공성 내부로 주입하고 경화시켜 누설 경로를 차단합니다. 일반적인 함침 유형:
- 페놀/퓨란 수지: 산 및 알칼리 저항성, 화학 펌프 및 반응기 씰에 적합
- 에폭시 수지: 중간 정도의 내식성, 높은 기계적 강도
- 안티몬 금속: 고온(400℃ 이상) 및 고하중, 고온 오일 펌프에 적합
- 배빗 합금: 중장비 베어링용 고하중 용량
- PTFE: 식품/제약 위생 등급에 적합한 우수한 화학적 비활성
- 구리/구리 합금: 모터 브러시용 전기 및 열전도성 향상
5. 주요 산업 적용
카본 그라파이트는 산업용 씰링 및 베어링에 널리 사용됩니다:
- 메커니컬 씰 링: 실리콘 카바이드 또는 경합금과 짝을 이루는 연질 면으로 원심 펌프, 압축기, 반응기에 사용
- 흑연 부싱/베어링: 자기 윤활성을 활용해 무윤활 운전 가능, 잠수 펌프, 식품 기계에 적용
- 분할 링(3분할/4분할): 압축기, 확장기, 증기 터빈 피스톤 로드 씰용
- 카본 그라파이트 블랭크: 후가공 업체에 공급되어 맞춤 가공, 고객 재고 비용 절감
- 특수 용도: 원자력 1차 펌프 씰, 반도체 공정로 흑연 부품, 진공 펌프 건식 가스 씰
6. 대체재 대비 카본 그라파이트의 장점
PTFE, 금속 베어링, 세라믹과 비교 시 카본 그라파이트는 다음과 같은 장점을 가집니다:
1.금속보다 우수한 자기 윤활성으로 외부 윤활 시스템 불필요
2.PTFE(최대 260℃ 내열)보다 높은 내열성
3.세라믹(실리콘 카바이드/알루미나)보다 높은 인성으로 취성 파손 위험 감소
4.공학 플라스틱을 훨씬 능가하는 열전도율로 씰 면의 열 방출 지원
5.대부분 산업 매체 요구를 충족하는 화학적 안정성
이러한 복합 특성으로 인해 카본 그라파이트는 건식 마찰, 고온, 부식, 무윤활 조건 등 까다로운 환경에서 대체 불가능한 씰링 및 베어링 재료입니다.