고무오링 - 적용설계/설치설계, RUBBER O RING Application/Installation DESIGN

고무 재료는 매체 또는 외부 환경과의 화학적 반응과 온도 및 압력 및 시간에 따라 물성이 크게 변화하고 재질에 따른 차이도 심하게 나타납니다. 따라서 적합한 재질과 장착 설계를 위하여는 이런 물리화학적 특성에 대한 이해를 필요로 합니다.
다음은 오링의 성능에 관련된 고무 재질의 일반적 물리적 특성에 대하여 간단히 설명드리고자 합니다.

고무 오링은 압축량, 매체, 온도 및 시간에 따라 기계적 압축이 해제된 이후에 원래 형상(치수)으로 완벽하게 복구되지 않습니다.
영구압축률은 전체 압축량에서 이런 비복구된 압축량의 비율을 의미하며, 밀봉 성능에 매우 중요한 부분입니다.

영구압축률이 100%라 하여도 주로 고정용에서 시스템의 온도나 압력이 일정하고 씰링 접촉부에 운동이나 힘의 변화가 없다면 영구압축이 클지라도 밀봉 기능은 유지할 수도 있습니다. 또한 부풀음 작용은 영구압축을 상쇄하기도 합니다. 그러나 높은 영구압축률과 오링의 응축(shrinkage)이 동시에 발생하면 밀봉 기능이 상실되기 쉽습니다.

대부분 고무 오링은 미약한 압축량(0.175mm)에서는 영구압축률이 100%에 이릅니다. 그러나 일정 수준 이상(0.127mm)의 압축량에서는 재질별로 차이를 보입니다. 영구압축률은 온도 상승에 따라 증가하며 단면적이 작을수록 큽니다. 재료에따라 다르지만 설계 시 영구압축률은 20-40% 수준을 고려해 줍니다.

낮은 경도에서는 오링이 접촉면의 미세한 프로파일에 유연하게 접촉할 수 있으므로 낮은 시스템 압력에서의 밀봉 성능이 좋습니다. 반면 오링의 경도가 낮으면 마찰계수는 높으므로 마찰 저항이 상승합니다만 실제로 운동용에서 높은 경도의 오링은 동일한 압축량에서 낮은 경도보다 압축력이 더 크게 되므로 이로 인하여 최종 마찰력은 일반적으로 낮은 경도에서 상대적으로 마찰 저항이 낮습니다.
무엇보다 낮은 경도의 최대 약점은 높은 압력 시 밀림/삐짐(extrusion) 현상이 발생하기 쉽다는 것입니다.
경도는 가열 시 점점 낮아지지만 일정 온도 이상에서는 오히려 높아지는 경화현상(curing)이 발생합니다.
운동용 오링의 경도는 보통 70-80 Shore A를 사용합니다.
고정용 오링은 보통 70-90 Shore A를 사용합니다.

대부분 고무의 경도 측정은 Shore A 스케일을 사용하며 Shore A 90 이상의 경우 Shore D 스케일의 사용이 권장됩니다.
※ 관련 규격: ASTM D2240, DIN 53505, BS 2719,ISO 7619
 - 작은 단면의 오링을 위한 경도 측정 기준:ASTM D1415, DIN 53519(Wallace Micro Hardness Tester/Micro-IRHD )
※ 경도의 측정치는 60, 65, 70 등 5도 단위로 기재되며 실제 경도는 원료의 배치(batch) 별 차이와 측정 오차를 고려하여 '측정 경도 ±5' 수준으로 봄.

 

인장강도는 컴파운딩 상태와 시간에 따른 컴파운딩 품질의 변화를 나타내는 척도의 하나입니다. 즉 오링의 적용 이후 인장강도의 변화가 크다는 것은 오링의 수명이 짧음을 나타냅니다.
신장률은 장착 시 일시적인 스트레치의 허용량을 알 수 있는 척도입니다. 또한 오링의 적용 후 신장률이 낮아지면 오링 재질의 악화를 의미합니다.
따라서 인장강도와 신장률은 재료의 생산 배치의 상태와 오링의 성능과 수명을 확인하는 척도입니다.
※ 관련 규격: ASTM D412, DIN 53505, and BS 903, Part A3.

전당강도가 낮은 재질은 표면에 크랙(crack) 등이 발생할 시 응력(stress) 또는 굽힘(flexing)이 가하여지면 쉽게 파손됩니다. 또한 내마멸성(abrasion resistance)이 낮으므로 운동용에 취약합니다. .

매체와의 접촉은 오링에 체적의 변화를 유발합니다. 체적 변화는 경도의 변화와 동시에 진행되는데, 체적 부풀음( volume swell)은 가스나 액상 매체 성분의 흡수로 기인합니다. 고정용에서 부풀음은 밀봉 성능에 문제가 안될 수 있습니다만 운동용에서는 15-20% 수준 이상이면 마찰력 상승과 오링의 강건성(toughness)과 내마멸성(abrasion resistance)을 훼손하므로 문제 될 수 있습니다.
반대로 체적 수축(volume shrinkage)은 매체와의 접촉으로 인해 오링 컴파운드 내부의 가소제(plasticizer)가 추출(extract)되는 것에 기인하며 대개 경도의 증가를 수반합니다.
영구압축률 효과를 상쇄하는 부풀음과 달리 수축은 영구압축률 효과를 더욱 강화하므로 오링의 밀봉 성능을 저하시켜 부풀음보다 더 위험합니다. 일반적으로 운동용에서 3-4% 이상의 수축은 성능에 중대한 영향을 줄 수 있으므로 주의를 요합니다.

VS(%)= (Weight in Air-WT. in Water)final - (WT. in Air-WT. in Water)initial / (WT. in Air-WT. in Water)initial * 100

폴리머의 백본(backone), 크로스링크(cross-link) 또는 첨가물(fillers)에 대한 매체의 화학적 공격(attack)은 오링의 인장강도, 신율 또는 경도 등의 물성변화를 야기합니다. 이로 인해 주로 오링에 부풀음(swell)( 또는 수축)을 유발하는데 이 부풀음은 재료의 매체 적합성을 나타내는 척도(indicator)의 하나입니다.
매체의 공격을 받음으로써 오링에 밀봉 성능의 열화를 촉발할 뿐 아니라 시스템에 오염 물질(particles, extractable ions, residual gases)을 발산하는 등의 이차적 문제를 야기할 수 있으므로 반도체 등의 제조 공정에서는 특히 민감한 문제입니다.

* 시험 규격: ISO 1817 (Liquids), ASTM D471, D1460, D3137 (Liquids)

당사는 고객사의 공정 상 요구되는 최적의 재료 뿐아니라 동일한 계열의 재료 내에서 보다 향상된 적합성을 가진 재료를 추천하여 드릴 수 있으므로 문의해 주시기를 바랍니다.

모든 고무 재질은 고온에서 열화(deteriorated)됩니다. 또한 고무의 체적 변화와 영구압축률도 열에 의해 영향을 받습니다. 가열된 고무는 상온부터 일정 온도 이하에서는 물리적 변화가 진행되어 경도가 저하되고 온도가 다시 내려가면 경도는 다시 회복합니다. 그러나 일정 온도 이후부터는 화학적 변화로 이행하여 경도는 상승하게 되고 온도가 다시 내려가도 경도는 낮아지지 않습니다. 동시에 체적 변화와 영구압축률, 인장강도 및 신율 등의 물성이 변화하여 최초의 물성을 회복할 수 없게 됩니다.

상온 이하의 저온에 의한 물성의 변화는 기본적으로 물리적 변화로서 온도의 상승으로 회복될 수 있습니다.

철(steel)의 10 배의 열팽창계수를 갖는 고무는 온도에 매우 민감하게 팽창 수축하므로 주의를 요합니다. 고온 팽창을 대비하여 글랜드(gland/groove)의 여유공간을 고려하되 한편 저온 수축을 대비하여 적정한 압축량을 확보해야 합니다.
글랜드 필(gland fill)은 95% 이상 허용되지 않습니다. 특히 150 ℃ 이상의 고온에서는 고온 팽창 효과에 주의하여야 합니다.

※ Gland Fill: 오링이 그루부 전체 공간에서 차지하는 비율

단면 크기의 대소(大小)는 각각 장단점을 가지고 있으므로 조건에 따라 적절한 선택을 요합니다.

 장점: 영구압축률, 부풀음, 표면 손상에 덜 민감함, 운동용에서 안정적이고 조립 시 회전이 덜 발생함.하드웨어 허용공차가 큼.
 단점: 급격한 압력 싸이클에 의해 디컴프레션(decompression) 발생 가능성 높음.

 장점: 마찰력이 적으므로 운동용에 유리함( 고속일수록 작은 단면이 요구됨.), 디컴프르레션이 적음.
 단점: 영구압축률, 부풀음, 표면 손상에 민감함, 큰 직경의 작은 단면은 운동용 시 비틀림 발생이 쉬움. 하드웨어 허용 공차가 작음.

※ 단면과 최대 허용 속도:

* 1.78mm : 7.62 m/s
* 2.62 mm : 3.04 m/s
* 3.53 mm : 2.03 m/s

※ 직경과 단면 사이즈 범위:

* 0 < ID ≤ 20 mm CSD=1.78 mm 이하
* 20 < ID ≤ 100 mm CSD=2.62 mm 이하
* 100 < ID ≤ 200 mm CSD=3.53 mm 이하
* 200 < ID ≤ 300 mm CSD=5.33 mm 이하

매체(media)는 시스템의 내외를 포함하여 오링이 접촉하거나 밀봉을 하는 대상을 의미합니다. 시스템 내부의 액체, 기체 및 외부 공기, 윤활유, 세척제 등 여러가지가 있으며 하나의 시스템에 두 개 이상의 매체가 있을 수 있습니다. 예를 들면 엔진 크랭크 케이스 경우, 가솔린 또는 디젤 연료,윤활유 뿐 아니라 배기 가스, 연소시 발생한 산성 성분(acids), 수분 등이 있습니다. 따라서 오링이나 씰은 이러한 모든 성분에 적합해야 합니다.
이와 반대로 오링의 재질이 시스템의 매체 성분을 악화(deterioration)하지 않거나 기능에 영향을 주지 않는지도 고려해야 합니다.
예를 들면, 프레온 가스 밀봉을 위한 컴파운드에서 오링의 성분이 프레온 가스를 분해하지 않도록 주의해야 합니다. 또는 음식물 가공이나 보존 용에서는 독성이 없어야 하며, 계기판 등에 사용 시는 유리, 액체 또는 플라스틱의 색상에 영향을 주지 않도록 해야 합니다.

사용 가능 온도는 안전 마진(safety margin)을 고려하여 장기간 사용이 가능한 온도 범위를 지정하는 것이 원칙입니다.

일반적으로 고정용 오링에서 저온 한계는 TR-10 보다 약 10 ℃ 낮습니다. 운동용에서는 TR-10을 사용합니다.
※ TR-10: 수축된 체적 회복이 10% 가능한 온도임.
저온의 경우 압축량을 늘리거나 메체와의 반응 등에 의해 체적 부품음이 발생하면 일반적인 저온 한계보다 낮은 조건에서도 사용이 가능할 수 있습니다. 반대로 체적이 수축하면 온도 한계를 높게 조정할 필요가 있습니다.일반적으로 저온에 의한 물성 변화는 가역적(reversable)으로 상온으로 되돌아오면 회복됩니다.

사용 가능 최고 온도의 한계는 일반적으로 '30-50% 정도의 물성의 손실(loss of physical properties)이 발생하며 1000 시간 동안 지속적인 사용이 가능한 온도'를 정하는 것이 전형적입니다.
고온에 의한 물성의 변화는 고분자의 백본(backbone)과 크로스 링크(cross link)에 비가역적인 변화를 초래할 뿐 아니라 매체와의 화학적 영향과 결합하여 악화되는데, 일반적으로 화학적 반응은 온도가 10% 상승 시마다 2배 증가하게 됩니다.

 

압력에 대응하기 위한 방안으로 우선 고려 되는 것이 오링의 경도입니다.
적은 압력의 밀봉에는 상대적으로 낮은 경도의 재질이 적절합니다.
높은 압력에서는 오링의 경도와 하드웨어 틈새(clearance)를 적절하게 조정해야 합니다. 특히 고압의 압력 사이클은 오링의 밀림을 유발하기 쉬우며 하드웨어 자체의 처짐 등으로 니블링(nibbling)을 유발하여 오링의 조기 파손의 원인이 되기도 합니다.

하드웨어 간 틈새가 과도하면 시스템 압력에 의해 오링의 밀림(extrusion)이 발생할 수 있습니다. 밀림 현상으로 인해 씰의 마모가 과도하게 되고 반복적인 압력.운동 싸이클로 오링 표면의 뜯김(fraying) 현상으로 밀봉 기능을 상실하게 됩니다.
밀림을 줄이는 가장 강력한 수단의 하나는 백업링(Back-up rings)을 적용하는 것입니다.
한편 왕복운동 시스템에서는 오링에 작용하는 매체 압력과 마찰력 방향이 반대가 되도록 그루브를 위치를 선정하는 것이 밀림/삐짐을 줄이는 방법입니다.

매체, 온도 및 압력에 이어서 필요한 설계 인자는 오링의 실제 요구 수명입니다. 예를 들어 일종의 니트릴 컴파운드는 권장 최대 사용 온도는 120 ℃이지만 149 ℃ 에서 3000 시간 성능을 유지할 수 있으며 538 ℃ 에서도 5분 간 성능이 유지됩니다. 따라서 일반적인 사용 온도 이상의 조건에서는 해당 재질의 온도에 따른 사용 가능 시간을 고려하여 경제 설계(economic design)가 가능할 수도 있습니다.

고정용 플랜지 씰링(Static flange sealing, Axial sealing)
고정용 레이디얼 씰링(Radial sealing)
 ※플랜지, 레이디얼 씰에는 외압용(내경용)과 내압용(외경용)이 있습니다.
도브테일 씰링(Dovetail sealing)
보쓰 씰링 (Boss sealing)
크러쉬 씰링 (Crush sealing)

플랜지 씰에서 하드웨어는 서로 면 압착되므로 공칭 틈새는 없기때문에, 고압 시 플랜지 자체의 변형 등을 예외로, 밀림의 위험은 없습니다. 외압 용의 경우 단순 설치 상태에서 오링의 내경부가 하드웨어에 접촉하고 내압의 경우 외경부가 접촉합니다.

하드웨어(피스톤경-실린더 보어경; 로드경-보어경) 간 틈새로 밀림의 위험이 상존합니다.

하드웨어는 서로 면 압착 상태로 고압 시 하드웨어 변형 등의 외에는 밀림 우려는 없습니다.

관련 표준 치수에 준합니다.

※ 고정용 오링 그루브 설계 주의 사항

• 벽면은 5° 이내의 경사를 허용하며 표면 조도는 64-125 RMS 범위 내 관리해야 합니다.
• 버, 찍힘, 긁힘 등이 없을 것.
• 선반 가공 마크(스크래치,리지)는 허용됨.
• 엔드밀 가공 마크는 불가함.( 방사 방향의 스크래치 등)

• 왕복 운동용 ; 오실레이팅 ; 회전 운동용

왕복 및 오실레이팅 씰은 20% 이상의 체적부풀음(swelling) 발생 시 마찰력의 급격한 증가를 초래하며 4% 이상의 체적줄음(shrinkage)은 누설(leakage)을 초래할 수 있습니다. 또한 밀림을 예발하기 위하여 되도록 작은 직경, 짧은 스트로크(stroke)로 설계하는 것이좋습니다.

오링이 축 상의 한 지점에서 마찰 운동하므로 발생하는 열로 인해 마모가 급격히 발생할 수 있으므로 이를 예방하기 위해;
- 압축량(squeeze) 관리
- 단면을 가급적 최소화
- 윤활성이 좋은 매체 고려; 저마찰계수의 미네랄(minerals) 첨가제 사용
- 오링의 내경보다 작은 축 사용을 피할 것.
- 100 ℃ 이상의 매체 온도를 피할 것.
- 오링이 그루브 내에서 자체 회전을 피할 것.
- 하드웨어 표면 조도 관리 등의 조치를 요합니다.

◈ 운동용 오링의 그루브 (dynamic oring groove/gland)
일반적인 조건은 고정용과 동일합니다. 운동용에서 하드웨어 마찰표면(rubbing surface)의 표면 처리는 씰의 수명에 절대적인 요소이므로 적절한 경도와 조도 관리를 요합니다.
표면조도는 0.2-0.4Ra(8-16 RMS)로 관리하고, 축(axial)방향 또는 방사(radial) 방향의 스크래치가 없어야 합니다.
주의할 점은 너무 거친 표면은 오링의 마모를 빠르게 하고 너무 세밀한 표면은 윤활 피막 형성을 막으므로 스틱슬립(stick slip)이나 편마모 등을 초래할 수 있습니다. 따라서 운동용에서 0.15 Ra(6.6 RMS) 이하의 표면 조도는 권장되지 않습니다.
호닝(honing), 버니싱(burnishing) 또는 하드크롬(hard chrome plating) 코팅 표면 처리가 권장됩니다.
실린더 보어의 재질로는 강(steel)이나 주강(cast iron)이 권장되며 충분한 두께를 가져야 고압에 의한 변형과 이로 인한 틈새 확장과 오링의 씹힘(nibbling)을 예방할 수 있습니다.

◈ 운동 마찰저항(running friction force/resistance)
하드웨어와 오링의 경도가 높을수록 마찰계수는 줄어드나 높은 경도의 오링은 압축력(compressive force)이 증가하므로 마찰력의 상승을 초래합니다. 또한 부풀음으로 인해 오링의 경도가 내려가므로 마찰계수가 상승합니다.
낮은 시스템 온도에서도 씰의 경도 상승으로 마찰력 상승의 원인이지만 저온 응축(thermal contraction) 현상으로 압축량(squeeze)이 줄어들므로 마찰력은 상쇄됩니다.
브레이크아웃 마찰력(breakout friction)은 하드웨어 표면 처리, 오링 경도, 압축량 등 여러 마찰 영향 인자들의 함수입니다만 운동 싸이클 사이의 멈춤 시간에도 영향을 받습니다. 약 10일 간 정지 후 재 시동 시 브레이크아웃 마찰력은 1 - 5배 가량 상승합니다. 브레이크아웃 마찰력의 경감을 위한 조치로서 오링의 경도를 낮추거나 마찰력 감소 용 컴파운딩을 첨가할 수 있습니다.

마찰 운동하는 오링에 작용하는 수직력(normal force)은 장착 압축압력(compression pressure)과 시스템 압력(system pressure) 두 힘의 합으로 결정됩니다.
장착 압축 압력은 오링의 경도, 압축률(percentage-squeeze)과 마찰면 길이(rubbing surface length)에 의해 결정됩니다.
운동 마찰 저항(running friction force)은 수직력(normal force)과 오링과 하드웨어 표면 간에 마찰계수(friction coefficient)의 곱이므로 마찰계수에 영향을 주는 하드웨어의 표면 경도와 조도의 적절한 관리가 필요합니다.

거친 표면은 오링의 마모를 촉진하고 과도하게 메끄러운 표면은 윤활성에 장애를 받습니다. 알루미늄, 황동, 주석, 모넬(monel), 연강 등의 연한 재질(soft material)은 운동용으로 권장되지 않습니다. 또한 금속 간 마찰(metal friction)은 피해야 하나 불가피 할 시는 오링의 그루브가 난 쪽(오링과 非마찰면)을 상대적으로 연한 베이링 재질로 해야 합니다.

과도한 마찰 저항에 대한 대응 방안으로서 다음 사항들을 고려할 수 있습니다.

• 오링 경도를 낮춘다.
• 마찰계수가 낮은 재질을 사용한다.(예, Viton의 마찰계수는 NBR이나 EPDM대비 낮음.)
• 그루브 깊이를 높인다.(압축량 축소; 적절한 압축량 확보토록 주의 요함.)
• 다른 종류의 씰을 사용한다.

 

그루브와 오링의 치수는 장착 후의 오링의 장착 압축량(mechanical compression)을 결정하고 밀봉의 대상인 하드웨어 간의 틈새(clearance gap)를 결정합니다. 

장착 압축량과 틈새는 오링의 형식과 매체와 압력, 속도, 온도, 오링의 재질 및 경도 등을 고려하여 결정하여야 합니다.
 ※ 모든 운동용과 레이디얼 고정용에서는 틈새 관리를 요함.

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장착압축률 최소치와 최대치는 (오링 두께-그루브 깊이)가 각각 (Min-Max) 값, (Max-Min)값에 해당합니다.

장착 압축율 관리 범위:

압축률 관리 범위는 기계적 인장(elongation), 단면 축소, 내외경 가공 공차 등을 고려하고 정상적인 조건에서 효과적인 밀봉 성능을 발휘하기 위한 조건입니다.

장착 압축률 계산 예:

오링은 스트레치를 받으면 단면이 축소되므로 그루브 설계 시 전체 압축률 관리를 위하여 스트레치량과 단면 축소량이 고려되어야 합니다.

※ <스트레치-단면축소>표 참조

 

내압용 플랜지 오링(flange, axial)에서는 오링의 외경이 그루브 외경과 접하되 오링은 둘레의 1∼3% 내에서 압축(compression)토록 합니다.
반대로 외압용 플랜지 오링의 경우에는 오링 내경이 플랜지 그루브 내경과 접하되 내경 둘레의 최대 6% 이내에서 스트레치(stretch)되도록 합니다.
고정용 레이디얼 오링은 내경부의 스트레치는 내경 둘레의 6% 이내 로 관리합니다.
운동용 로드 오링의 경우, 장착 시 오링 외경부가 실린더 그루부 경으로부터 둘레의 1∼3% 압축을 받도록 합니다.
운동용 피스톤 오링의 경우, 장착 시 오링 외경부가 보어경으로부터 둘레의 1∼3% 압축을 받도록 합니다. 또한 피스톤 그루부 경(오링의 내경)에서는 내경 둘레의 최대 6%의 스트레치를 허용합니다. 단 공압용 플로팅 (floating) 설치 경우 오링의 내경은 피스톤의 그루부 경보다 커야합니다.

회전용 씰(Rotary seal)(內徑用)에서;

왕복용 로드 씰(Reciprocal rod seal)(內徑用)에서;

왕복용 피스톤 씰(Reciprocal piston)(外徑用) 에서;

☆ 편심(eccentricity): 실린더 보어 중심과 로드/피스톤 회전 또는 왕복 운동 중심 간 거리
☆ 런아웃(run-out): 회전축의 회전 중심(rotating center)와 회전부 단면의 형상 중심(geometric center)의 불일치로 인한 회전체의 방사방향 변위량
  ※ 정상 조건(ideal condition)은 편심과 런아웃이 'zero' 임.

그래프에서 보시는 것처럼 일반적으로 오링 단면과 경도의 상승은 허용틈새의 증가를, 온도와 압력의 상승은 허용 틈새의 감소를 요구합니다.

※ 오링 단면 길이 3.53mm,온도 70 ℃, NBR,백업 링 미적용 조건
※ QMV, FKM 등의 경우 그래프 수치 대비 50% 축소 필요함.

하드웨어와 오링의 청결 상태 체크
구리스 사용 시는 화학적 적합성 우선 확인 요함
예) 실리콘 구리스는 EPDM에 적합하나 VMQ에는 비적합
하드웨어의 모서리는 라운딩 처리 요하며 나사산,키홈,스롯 등을 오링이 넘지 않도록 함.
날카로운 공구 사용을 금함.
장착 후 오링의 인장이 5-6% 이상이 되지 않도록 요함.
조립 시 오링은 내경보다 50% 이상 늘어나지 않도록 주의하며 과도한 인 장 시는 조립 후 치수가 원래 상태로 회복할 시간을 주어야 함.
조립 시 비틀림이 없도록 주의 요함.
하드웨어 표면 상태 체크.
오링 탈 거 시는 오링과 장착 표면을 보호할 수 있도록 전용 공구를 사 용할 것

Standard famle gland installation