기계 씰 표면 재질은 장비의 누출 방지 및 내구성을 결정합니다. 표면 재질은 열, 마모, 화학적 부식에 강하면서도 겹겹이 쌓인 매우 평평한 표면을 유지해야 합니다. 일반적으로 한쪽 표면은 더 부드럽고 유연한 재질(대개 탄소 흑연 복합재)로, 다른 쪽 표면은 더 단단한 재질(세라믹 또는 카바이드)로 제작됩니다.
공통의 기계적 씰 표면 재료 탄소흑연, 세라믹(산화알루미늄), 탄화규소, 탄화텅스텐, 니켈레지스트, GF PTFE 및 기타 금속 재료가 포함됩니다.
탄소 흑연(Carbon Graphite)
탄소 흑연(흔히 "탄소"라고 함)은 두 면 중 하나에 가장 흔히 사용되는 실링면 소재입니다. 탄소 흑연은 탄소/흑연 분말을 혼합하여 성형 및 소성한 후, 일반적으로 수지나 금속을 함침시켜 특성을 강화한 복합 소재입니다.
탄소-흑연은 세라믹에 비해 비교적 부드러운 소재로, 다공성 구조를 가지고 있으며, 함침제가 이 다공성 구조를 채워 불침투성과 강도를 높입니다. 일반적인 함침제로는 합성 수지나 안티몬과 같은 금속이 있습니다. 탄소는 자체 윤활성을 가지고 있다는 점에서 독특합니다. 흑연 구조는 마찰 계수를 낮추고 윤활막을 형성할 수 있습니다. 또한 열전도율이 우수합니다. 이러한 특성 덕분에 탄소는 더 단단한 표면에 닿는 "닦는" 면이나 마모 면으로 사용하기에 이상적입니다.
세라믹(산화알루미늄)
기계적 씰에 사용되는 세라믹은 일반적으로 알루미나(산화알루미늄)를 말하며, 보통 순도 99% 이상의 산화알루미나를 의미합니다. 단단하고 부서지기 쉬운 세라믹 소재(모스 경도 약 9)로 수십 년 동안 씰에 사용되어 왔습니다.
일반적인 알루미나 씰 표면은 흰색 또는 상아색입니다. 알루미나 세라믹은 대부분의 액체에서 화학적으로 매우 불활성이며 고급 카바이드에 비해 가격도 상당히 저렴합니다. 씰 링으로 성형하여 미세한 마감 처리가 가능합니다. 알루미나는 자체적으로 적당한 열전도도와 고온 성능을 가지고 있지만(1000°C 이상 견딜 수 있음), 씰 표면으로서의 한계는 취성과 열충격 거동입니다.
실리콘 카바이드 (SiC)
탄화규소는 현대 기계 씰에 널리 사용되는 고급 경질 표면 소재입니다. 실리콘과 탄소의 세라믹 화합물로, 일반적으로 짙은 회색 또는 검은색을 띱니다. SiC는 가장 단단한 씰 표면 소재 중 하나이며(모스 경도 약 9.5, 다이아몬드에 이어 두 번째), 내마모성이 뛰어나고 열전도도가 매우 높으며 화학적 불활성도가 매우 높습니다.
씰에 사용되는 주요 유형은 반응 결합 실리콘 카바이드와 소결 실리콘 카바이드의 두 가지입니다.
반응 결합 SiC(때때로 RB Sic라고 함)는 용융 실리콘을 탄소 매트릭스에 주입하여 만들어지며, 재료 내에 약 8~12%의 자유 실리콘이 포함됩니다.
소결 SiC(알파 SiC라고도 함)는 유리 실리콘 없이 탄화규소 분말을 직접 소결하여 순수한 세라믹을 생성합니다. 두 재료 모두 단단하고 내마모성이 뛰어나지만, RB SiC의 유리 실리콘으로 인해 내화학성이 서로 다릅니다.
텅스텐 카바이드(WC)
텅스텐 카바이드는 단단하고 무거운 금속 복합재로, 씰 표면에도 널리 사용됩니다. 엄밀히 말하면 서멧(세라믹 금속)입니다. 매우 단단한 텅스텐 카바이드 입자를 금속 바인더(코발트 또는 니켈)와 함께 접합한 것입니다. 그 결과 생성된 재료는 매우 단단하고(모스 경도 약 9) 질기며, 금속 바인더 덕분에 순수 세라믹보다 취성이 낮습니다.
텅스텐 카바이드는 밀도가 높고(강철보다 거의 2~3배 무겁고), 회색이며, 광택 처리 시 금속 광택을 냅니다. 과거에는 코발트 결합 텅스텐 카바이드가 일반적이었지만, 기계적 씰에서는 내식성 향상을 위해 니켈 결합 텅스텐 카바이드가 선호됩니다. 일반적인 결합재 함량은 중량 기준 약 6~10%이며, 나머지는 WC입니다.
기타 표면 재료(금속, 코팅 및 폴리머)
탄소, 세라믹, SiC 및 텅스텐 카바이드가 가장 널리 사용되는 씰 표면 소재이지만 틈새 시장이나 오래된 응용 분야에서는 이 외에도 몇 가지가 더 사용됩니다.
- Ni-Resist(니켈 저항 주철): Ni-Resist는 씰 표면(일반적으로 고정 시트)에 사용되는 합금 주철(약 20~25% Ni)입니다. 본질적으로 저렴하고 담수에 대한 내식성이 우수한 경질 주철입니다.
- 청동 및 기타 금속: 과거에는 청동과 같은 연질 금속이 씰 표면에 사용되었으며, 탄소 합금과 함께 사용되는 경우가 많았습니다. 청동(특히 납 함유 청동)은 연질이며, 납 함량으로 인한 유연성과 약간의 윤활성 때문에 선호되었습니다. 그러나 청동 표면은 열에 의해 변형되고(치수 안정성이 낮음) 빠르게 마모됩니다. 또한 고속 가공에도 취약하여 마찰과 마모가 발생합니다. 결과적으로 청동 표면은 현재 거의 사용되지 않으며, 주로 오래된 디자인이나 매우 낮은 듀티의 씰에서만 볼 수 있습니다.
- 스텔라이트: 스텔라이트는 매우 단단하고 내마모성이 뛰어난 코발트-크롬 합금입니다. 스테인리스강 부품에 용접 오버레이로 적용하여 표면 경화를 할 수 있습니다. 스텔라이트 표면 씰은 SiC가 널리 사용되기 전에 더 일반적이었습니다. 스텔라이트 표면 씰은 여전히 직경이 매우 큰 씰(대형 반응기 교반기 또는 대형 샤프트 씰 등)에 사용되며, 이러한 씰은 거대한 SiC 링 제작에 막대한 비용이 소요됩니다.
- 유리 충전 PTFE: PTFE(테프론) 자체는 내화학성이 매우 뛰어나지만, 너무 부드러워서 압력 하에서 크리프(저온 유동) 현상이 발생하는 경향이 있습니다. PTFE를 씰링 면으로 사용하려면 보강해야 하는데, 가장 일반적인 보강재는 다음과 같습니다. 유리 충전 PTFEPTFE에 약 15~25%의 유리 섬유가 혼합되어 있습니다. 이렇게 하면 훨씬 더 단단한 소재가 되어 씰 표면에 랩핑(lapping)이 가능합니다. GFPTFE의 가장 큰 장점은 화학적 불활성입니다. 산, 알칼리, 염소, 그리고 탄소나 금속을 부식시키는 기타 매우 공격적인 화학 물질에도 견딜 수 있습니다. 또한 마찰 계수가 매우 낮습니다.
| 자재 | 경도 및 마모 | 내 화학성 | 최대. 온도 | 주요 장점 | 주요 단점 |
|---|---|---|---|---|---|
| 탄소-흑연 | 부드럽다/유연하다(연마재에 마모가 있음); 자체 윤활 표면. | 다양한 유체에 적합함 수지나 금속 함침은 강한 산화제나 산에 의해 공격받을 수 있습니다. | ~260 °C(수지 등급); ~370 °C(안티몬 등급). | 자체 윤활(긁힘 방지) 광범위한 호환성; 화를 내는 것을 용서합니다(물집이 생기지 않는 등급도 있음). | 기계적 강도가 낮음 연마제로 인해 빨리 마모됨 (등급이 부적절한 경우) 증발하는 액체로 인해 물집이 생길 수 있습니다. |
| 세라믹(알루미나) | 단단하지만 부서지기 쉽다. 깨끗한 사용에는 좋은 마모가 있지만, 무거운 고체에는 적합하지 않습니다. | 대부분의 화학물질에 불활성(HF산 제외) 부식 문제 없음. | ~175 °C(씰 서비스의 알루미나에 권장되는 최대 온도). | 저렴한 비용; 탄소에 대한 우수한 마모성; 물과 일반 유체에 대한 부식 방지 기능이 있습니다. | 매우 취성이 강함(열충격이나 충격으로 균열이 생김) 열전도도가 낮음(뜨거울 수 있음) 중간 속도/압력으로 제한됨. |
| 탄화 규소 | 매우 어려움(모스 9.5) 우수한 내마모성(슬러리에 가장 적합). | 우수한: 실질적으로 모든 유체에 대해 화학적으로 불활성(소결 SiC)입니다. pH < 4 또는 > 11에서는 반응 결합 등급을 피하세요(자유 실리콘이 부식될 수 있음). | ~400°C(적절한 디자인/홀더 사용 시). 표면 자체는 800°F 이상까지 안정적입니다. | 가장 높은 내마모성; 높은 열전도도(더 시원하게 작동함) 높은 속도와 압력을 처리합니다. 부식성, 연마성 서비스에 적합합니다. | 취성(취급 시 주의) 고비용; 열 스트레스를 피하기 위해 적절한 장착이 필요합니다. 반응 결합형이므로 강산/강염기에는 적합하지 않습니다. |
| 텅스텐 카바이드 | 매우 어려움(모스 ~9) 튼튼함(깨짐에 강하고 충격/진동에 강함); 일부 연마 조건에서는 우수합니다. | 좋은 : 특히 Ni 바인더를 사용하면 약간의 부식에 강합니다. 불활성이 아님 - 결합제(특히 Co)가 강산, 아민 등에 의해 공격받음. | ~400 °C(고체 WC 링). 특수 합금을 사용하지 않는 한, 압착 홀더의 온도가 ~260°C로 제한될 수 있습니다. | 높은 압력을 견딥니다(강성이 높고, 표면 변형 없음). 진동이나 캐비테이션에 대한 내구성이 있음 슬러리/더러운 작업 환경에서 뛰어난 마모성을 보입니다. | 비싸다; 매우 무겁다(밀도가 높다); SiC보다 화학적으로 불활성이 낮음(Ni-WC가 Co-WC보다 더 좋음) 마찰이 더 높습니다(일반적으로 윤활을 위해 탄소를 사용합니다). |
| 니켈 레지스트(Ni-CI) | 연성 금속(탄화물보다 훨씬 부드럽습니다) 빨리 마모됩니다. 깨끗한 액체에만 적합합니다. | 제한된 내식성(중성 pH 물에서는 괜찮지만 산성 물에서는 녹이 슬 수 있음). | 최대 ~175 °C (350 °F) | 매우 낮은 비용 열충격을 견딘다(금속); 탄소(흑연 주철)에 대한 마찰이 낮습니다. | 내마모성이 낮음 고속이나 연마재에는 적합하지 않습니다. 공격적인 유체에서는 부식되고, 온도에서는 산화됩니다. |
| GF PTFE | 매우 부드럽습니다(유리로 만들어도 경도가 낮음). 하중을 받으면 마모와 변형이 발생하기 쉽습니다. | 뛰어난: 거의 모든 화학물질(산, 부식성 물질, 염소 등)에 반응하지 않습니다. | ~150–200 °C(이 온도 이상에서는 PTFE가 변형되거나 분해됨). | 최고의 내화학성; 낮은 마찰(비접착성) 매우 공격적인 서비스에서 금속 접촉을 방지합니다. | 매우 낮은 PV 한도(낮은 압력 및 속도에만 해당) 차가운 흐름(지원이 필요함); 수명이 짧음 - 다른 것이 아무것도 견뎌내지 못할 때만 사용함. |
