탄화규소와 탄화텅스텐은 가장 흔한 두 가지 재료입니다. 기계적 밀봉 산업 장비에서 실리콘 카바이드는 내식성이 뛰어나고 깨끗한 유체에서 더 나은 성능을 발휘하는 반면, 텅스텐 카바이드는 뛰어난 인성을 제공하며 오염된 환경에서도 더 효과적으로 처리합니다. 두 소재 중 어떤 것을 선택할지는 유체 유형, 작동 조건, 예산 제약 등 구체적인 적용 요건에 따라 달라집니다.
재료 특성
| 재산 | 실리콘 카바이드(SiC) | 텅스텐 카바이드(WC) |
|---|---|---|
| 경도(모스) | 9 – 9.5 (매우 어려움) | 8.5 – 9 (매우 어려움) |
| 밀도(g/cm3) | ~3.1 (가벼움) | ~14.5 – 15.6 (매우 조밀함) |
| 열 전도성 | ~120–160 W/m·K(높음) | ~85–110 W/m·K(중간-높음) |
| 열팽창 | ~4.0 × 10^−6/°C (낮음) | ~5.5 × 10^−6/°C (더 높음) |
| 압축 강도 | ~3900 MPa(매우 높음) | ≥5000 MPa(매우 높음) |
| 파괴인성 | 낮은 - 취성(충격 강도 낮음) | 더 높음 - 튼튼함(충격에 강함) |
| 화학적 불활성 | 불활성 세라믹(내식성 우수) | 금속 결합 카바이드(좋지만 바인더가 부식될 수 있음) |
| 최대 서비스 온도 | ~¹1500–1800 °C(극한의 열에도 강도 유지) | ~¹1000 °C(바인더 한계 상한 사용 온도) |
내마모성
탄화규소와 탄화텅스텐은 모두 뛰어난 내마모성과 내마모성으로 유명합니다. 매우 높은 경도로 인해 탄소강이나 스테인리스강과 같은 부드러운 표면 소재보다 훨씬 더 뛰어난 내마모성을 자랑합니다.
그러나 탄화규소의 우수한 경도(모스 경도 ~9.5)는 연마 조건에서 우위를 점합니다. 탄화텅스텐(모스 경도 ~8.5~9)보다 내긁힘성과 내마모성이 뛰어납니다. 슬러리 또는 모래가 많은 작업에서는 탄화규소가 물개 얼굴 마모가 최소화되는 경향이 있습니다. 텅스텐 카바이드는 약간 부드럽지만 여전히 "매우 단단한" 소재(다이아몬드 바로 아래 등급)이며 내마모성이 매우 뛰어납니다.
텅스텐 카바이드는 충격, 굽힘 또는 입자 충돌이 발생하는 상황에서 탁월한 성능을 보입니다. WC는 더 강하고 취성이 낮기 때문에 일시적인 기계적 충격(예: 캐비테이션, 진동하는 장비 또는 면 사이에 가끔씩 발생하는 단단한 입자)으로 인해 깨지거나 균열이 발생할 가능성이 적습니다. 예를 들어, 연마 슬러리 펌프의 경우, 크거나 불규칙한 입자는 SiC 면에 취성 파괴를 유발할 수 있지만, 텅스텐 카바이드 면은 충격에도 잘 견딥니다.
부식 저항
탄화규소는 화학적으로 불활성입니다. 대부분의 산, 알칼리 또는 용매와 반응하지 않으며 고온에서 부동태화 실리카 층을 형성하여 매우 내식성이 뛰어납니다.
반면, 텅스텐 카바이드는 금속-탄화물 복합체로, 부식 거동은 바인더 금속에 크게 좌우됩니다. 텅스텐 카바이드 자체는 비교적 불활성이지만(고온의 HF/HNO₃ 혼합물과 같은 강산화제를 제외한 대부분의 화학 물질에 내성이 있음), 일반적인 코발트 바인더는 산이나 특정 화학 물질에 쉽게 부식됩니다.
화학적 호환성
탄화규소는 화학적으로 광범위하게 불활성이어서 강산(황산, 염산, 질산), 가성 알칼리(수산화나트륨), 용매, 산성 탄화수소(높은 H₂S 함량), 해수 등 매우 다양한 유체와 호환됩니다.
텅스텐 카바이드는 다양한 유체를 처리할 수 있지만, 몇 가지 주의 사항이 있습니다. 중성 또는 약한 부식성 유체(예: 다양한 오일, 중성에 가까운 pH의 물, 탄화수소 혼합물 등)는 일반적으로 WC에 적합합니다. 그러나 강산, 염수, 산화성 화학물질은 WC에 적합하지 않을 수 있습니다.
매끄럽게 하기
SiC와 WC는 면 사이에 최소한 얇은 유체막이 있을 때 가장 좋은 성능을 발휘하지만, SiC의 특성은 윤활 상태가 좋지 않을 때 이점을 제공합니다. SiC는 본래 마찰 계수가 낮고 열전도도가 높아 윤활이 부족할 경우 더 낮은 온도에서 더 적은 마찰로 작동합니다. 실제로 탄화규소는 윤활성이 낮거나 간헐적인 건식 주행이 필요한 경우에도 종종 사용될 수 있습니다.
고온 성능
탄화규소는 대부분의 씰 배치 한계를 훨씬 뛰어넘는 매우 높은 온도(재료 안정성 약 1600~1800°C)를 견딜 수 있습니다. 실제로 SiC 표면은 다른 많은 부품(엘라스토머, 금속 부품)이 고장 나는 온도에서도 작동할 수 있습니다.
텅스텐 카바이드는 용융점이 높은 물질(~2780°C)이지만, 고온에서는 바인더에 의해 제약을 받습니다. 코발트나 니켈 바인더는 섭씨 수백 도에서 연화되거나 강도가 약해질 수 있습니다.
고압 성능
텅스텐 카바이드는 높은 밀도와 탄성률을 가지고 있어 균열이나 변형 없이 높은 유압을 견딜 수 있습니다. WC는 더욱 조밀하고 견고한 구조로 SiC보다 극한의 압력을 더 잘 견딥니다.
탄화규소는 압축 강도가 매우 강하지만, 취성이 더 강하며, 압력으로 인한 응력으로 인해 파괴인성을 초과하는 인장 또는 굽힘 하중이 발생하면 파단될 수 있습니다. 또한, WC는 압력 충격이나 진동을 더 안전하게 견딜 수 있습니다. 갑작스러운 압력 상승으로 인해 WC 면이 SiC 면보다 파손될 가능성이 낮습니다.
일반적인 산업 응용 분야
- 석유 및 가스(상류 시추, 프래킹): 텅스텐 카바이드 (진흙 속의 충격과 마모, 고압)
- 정유/석유화학: 실리콘 카바이드 (부식성 매체, 고온) 많은 서비스에서; 일부 고압 세척 서비스용 WC
- 화학 처리: 실리콘 카바이드 (산, 용매, 부식성 물질)
- 광산 및 슬러리 펌프: 텅스텐 카바이드 (극심한 마모, 충격)
- 물 처리(공격적이거나 더러운 물): 실리콘 카바이드 (부식, 모래 마모); 깨끗한 물이나 온화한 서비스에는 WC도 사용됩니다.
- 발전: 의 혼합 화장실 (고압 공급 펌프) 및 SiC (고온 또는 공격적인 물) 시스템에 따라 다름
- 제약/식품: 실리콘 카바이드 (불활성, 위생적)
비용
텅스텐 카바이드 씰은 초기 비용이 더 높은 경우가 많습니다. SiC 표면이 균열되어 교체가 필요한 경우, WC 표면은 계속 작동하여 평균 유지보수 간격(MTS)이 길어질 수 있습니다.
반면, 실리콘 카바이드 씰은 초기 비용이 저렴하고 마모와 화학적 공격에 대한 저항성이 매우 강하기 때문에 이상적인 조건에서(최소한의 유지 보수로) 매우 긴 서비스 수명을 제공할 수 있습니다.
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