[논문]씰링 그라파이트의 고온 마모 거동에 관한 연구

김연욱; 김재훈; 양호영; 박성한; 이환규; 김범근; 이성범; 곽재수

doi:10.6108/kspe.2013.17.5.113

씰링 그라파이트의 고온 마모 거동에 관한 연구
A Study of Wear Behavior for Sealing Graphite at Elevated Temperature 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.17 no.5, 2013년, pp.113 - 120

김연욱 (School of Mechanical Design Engineering, Chungnam National University) , 김재훈 (School of Mechanical Design Engineering, Chungnam National University) , 양호영 (School of Mechanical Design Engineering, Chungnam National University) , 박성한 (Advanced Propulsion Technology Center, Agency for Defense Development) , 이환규 (Advanced Propulsion Technology Center, Agency for Defense Development) , 김범근 (Department of Mechanical & Automotive Engineering, Inje University) , 이성범 (Department of Mechanical & Automotive Engineering, Inje University) , 곽재수 (Department of Aerospace & Mechanical Engineering, Korea Aerospace University)

초록
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마모 마찰기구로 널리 사용되는 그라파이트에 대하여, 고온가스 조절 밸브 내에서 가스 유입 방지용 씰링 그라파이트 소재(HK-6)의 고온 마모 거동에 대하여 연구하였다. 구동축과 라이너 사이에 위치하여 지속적인 마모의 발생을 모사하기 위해 왕복동 마모 시험을 수행하였다. 마모 거동 변화의 영향 인자로 접촉 하중, 미끄럼 속도, 온도를 설정하고 민감도를 확인하였다. 마모 발생이 가장 적고 씰링 그라파이트 소재(HK-6)의 효율이 증대되는 최적조건에 대해 논의하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Graphite is commonly used as a solid lubricant leading to low friction coefficient and abrasion. In this study, wear behavior of sealing graphite(HK-6) at elevated temperature was evaluated. Reciprocating wear test was carried out as wear occurred graphite as a seal(HK-6) is positioned between the liner and driving shaft. Variables which are temperature, sliding speed and contact load are set. This study suggest optimized environment conditions through the wear properties of graphite.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

고온가스의 유입을 방지하기 위하여 구동축과 라이너 사이에 위치한 씰링 그라파이트는 작동 중 지속적인 마모를 발생한다. 따라서, 밸브의 작동 온도인 500℃ 내 범위에서 왕복동 마모 시험을 수행하고 마모 특성 변화에 영향을 미치는 인자에 대해 연구하였다. 결론적으로, 씰링 소재의 마모를 최소화 할 수 있는 조건을 찾고 이를 적용할 수 있는 방안을 제시하였다.
본 논문은 고온가스 조절 밸브 내에서 가스의 유입을 방지하는 씰링 그라파이트 소재 HK-6 에 대하여 작동 환경을 고려한 온도, 미끄럼 속도, 접촉 하중을 변수로 하여 왕복동 마모 시험을 진행하고 마모 특성을 평가하였다. 씰링 그라파이트 소재의 고온 마모 거동 및 마모를 방지 하는 최적을 조건에 관한 연구결과는 다음과 같다.
본 논문은 고온가스 조절 밸브 내에서 기밀용 씰(Seal)로 사용되는 그라파이트 소재에 대하여 연구하였다. 고온가스의 유입을 방지하기 위하여 구동축과 라이너 사이에 위치한 씰링 그라파이트는 작동 중 지속적인 마모를 발생한다.

제안 방법

마모 시험 중 비접촉 선형 센서에 의해 실시간으로 측정되는 마모 깊이와 마찰 하중의 결과 값을 분석하여 마모 거동을 분석하였다.
시험 온도는 상온부터 150, 250, 350℃ 및 실제 장치의 작동 환경인 485℃의 범위에 대하여 온도에 따른 영향을 분석하고, 구동축의 제어 범위를 고려한 마모 변위 8 mm에 대하여 1 Hz, 5 Hz, 10 Hz의 미끄럼 속도에서 시험하였다. 가스에 의한 편심 하중과 열팽창을 고려한 임의의 접촉 하중 50 N, 125 N, 200 N의 범위에서 시험을 수행하였다. 마모 시험 중 비접촉 선형 센서에 의해 실시간으로 측정되는 마모 깊이와 마찰 하중의 결과 값을 분석하여 마모 거동을 분석하였다.
4는 각각 시험 전과 접촉하중 125 N의 미끄럼 속도 5 Hz에서 상온 및 485℃에서 마모 시험이 진행 된 후의 표면 사진으로 시험 후에 마모 흔을 확인할 수 있다. 마모 흔에 대한 표면 조도 측정으로 시험 전과 마모 후의 표면 조도 변화와 조건 변화에 따른 표면 조도 변화를 비교하였다. 표면 조도 측정은 3번씩 측정하여 평균값을 취하였으며 측정 결과는 Table 3과 같다.
마모 거동에 영향을 미칠 수 있는 요소는 주로 온도, 미끄럼 속도, 접촉 하중이다. 시험 온도는 상온부터 150, 250, 350℃ 및 실제 장치의 작동 환경인 485℃의 범위에 대하여 온도에 따른 영향을 분석하고, 구동축의 제어 범위를 고려한 마모 변위 8 mm에 대하여 1 Hz, 5 Hz, 10 Hz의 미끄럼 속도에서 시험하였다. 가스에 의한 편심 하중과 열팽창을 고려한 임의의 접촉 하중 50 N, 125 N, 200 N의 범위에서 시험을 수행하였다.
씰링 소재(Sealing materials)인 그라파이트와 구동축의 작동으로 인해 소재 사이에서 발생하는 마모를 모사하기 위해 고온 왕복동 시험기(Fig. 3, Reciprocating friction wear tester, RFW-160)를 이용하여 마모 시험을 수행하였다. 고정된 상부시편에 대하여 일정 변위를 움직이는 하부 시편에 의해 지속적인 상대운동으로 마모를 발생시키는 시험 방식이다.
온도에 의한 그라파이트 소재의 마모 거동 변화를 위해 하중과 속도를 125 N, 5 Hz로 고정한 상태에서 온도에 따른 마모 시험을 수행하고 거리에 따른 마찰계수 변화와 온도에 따른 비마모율 결과를 비교하였다. Fig.

대상 데이터

마모 특성 평가 소재로 사용된 그라파이트는 Tokai carbon 사에서 제공하는 HK-6를 사용하였다. HK-6는 극초미세 결정립 그라파이트로 건식 마모 특성이 좋고, 동적 마찰 조건에서 안정적인 마찰계수를 확보한다.
시편의 형상은 Fig. 2와 같이 레늄-텅스텐 합금 소재, W-25Re의 상부 시편은 반지름 6 mm 반 원의 Ring형태이고, 그라파이트 소재, HK-6의 하부 시편은 사각 블록에 원형의 Groove가 있어 파인 홈을 따라 상부 시편의 W-25Re가 왕복동 운동을 함으로써 마모가 발생하도록 제작하였다. 시편의 형상은 실제 그라파이트 소재와 구동축 소재의 마모 프로세스를 모사할 수 있도록 실제 작동 환경을 고려하여 제작되었다.

성능/효과

(1) 마모 표면의 조도 측정 결과, 높은 표면 조도에서 마찰계수와 비마모율 역시 높은 값이 도출 됬다. 일정 마모 진행 후 마찰계수는 수렴하고 속도의 영향을 크지 않고 하중이 증가함에 따라 감소하는 경향이다.
(2) 상온 및 150, 250℃에서 연삭에 의한 표면의 크랙이 자주 발견되며, 350, 485℃에서 마모 입자의 응착으로 인해 형성된 윤활막이 확인된다. 마찰계수가 높으면 비마모율이 높게 나타나며 윤활막의 형성은 마찰계수 및 비마모율을 감소시킨다.
(3) 마모 발생을 줄일 수 있는 최적 조건에 대하여 적절한 하중과 온도 및 속도 범위를 제시 하고 실제 구조물 적용하게 되었을 때 작동 수명이 향상될 것으로 예상된다.
결론적으로, 마찰계수와 비마모율을 고려한 링그라파이트의 최적 설계 조건은 윤활막을 형성하기 위한 적절한 하중과 온도조건에서 비마모율이 적게 일어나는 미끄럼 속도가 요구되며 본연구 결과 5 Hz의 속도에서 350-400℃의 온도 조건이 가장 마찰 계수가 적고 마모가 적게 발생하는 조건이며 접촉하중은 200 N이 적절한 것으로 나타났다. Fig.
따라서, 밸브의 작동 온도인 500℃ 내 범위에서 왕복동 마모 시험을 수행하고 마모 특성 변화에 영향을 미치는 인자에 대해 연구하였다. 결론적으로, 씰링 소재의 마모를 최소화 할 수 있는 조건을 찾고 이를 적용할 수 있는 방안을 제시하였다.
마찰계수는 상온에 비해 고온 환경에서 낮은 것을 확인하였으며 속도의 영향은 크지 않았다. 하중의 영향으로 하중이 증가함에 따라 오히려 마찰계수가 감소하였다.
마찰계수가 높다는 것은 표면에 높은 응력이 작용한다는 것을 의미하며 작용 응력이 소재 표면에 마모를 발생시켜 마모율이 높아진다. 비마모율과 마찰계수의 결과로 보아 최소 마찰계수와 비마모율 결과에 의해 350℃부근의 온도에서 마모가 가장 적게 일어나는 것을 알 수 있다.
조도 측정 결과는 하중과 온도의 영향으로 인해 비교적 다른 결과를 나타냈다. 상온과 485℃에 대하여 200 N의 경우는 시험 전 보다 모두 표면 조도가 감소하는 결과를 나타냈으나 125 N의 경우 상온에서 시험 전보다 증가하였으며, 50 N의 경우는 상온 및 고온에서 시험 전보다 조도가 증가하였다. 따라서 적정 하중의 영향으로 인해 마모 후 표면이 시험 전 보다 좀 더 평탄해짐을 알 수 있다.
온도 변화에 따른 마모 시험조건에서 조도 측정 결과는 250℃에서 가장 높게 나타 났으며 시험 전 표면 조도 Ra 0.4 μm 보다 대략 2~3배 가량 증가하였음을 확인하였다.
비마모율은 속도와 하중 및 온도의 영향을 모두 받는 것으로 나타났다. 저속일 때 보다 고속일 때 비마모율이 낮으며 저하중일수록 비마모율은 높았다. 상온에 비해 고온의 영향으로 인해 485℃에서 비마모율이 높은 값을 나타냈다.
상온에 비해 고온의 영향으로 인해 485℃에서 비마모율이 높은 값을 나타냈다. 저하 중에서 윤활막을 형성시킬 수 있는 하중 부족으로 인해 마찰계수가 높게 나타났으며 이로 인해 비마모율 역시 높은 값을 얻었다. 속도에 의한 영향으로 저속에서 상・하부 시편 소재간의 실접촉면적이 증가함으로 전단이 쉽게 일어나게 되어 중・고속에서 보다 비마모율이 증가한다.

후속연구

9에 온도와 하중에 따른 비마모율의 결과를 나타냈으며 가장 낮게 나타나는 조건이 최적 설계 조건이다. 따라서, 실제 씰링 그라파이트 구조물의 작동 환경을 500℃이하의 350-400℃ 범위의 온도로 낮춰 줄 수 있다면 소재의 작동 수명이 향상되며 효율이 증대될 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	그라파이트의 특징은?	기밀용 씰(Seal), 또는 구동축과 라이너 등과 같이 지속적인 접촉에 의한 마찰 마모에 의한 손상으로 구조물의 수명 단축을 야기하기 때문에 이를 방지하기 위한 대책을 필요로 하게 된다[1]. 그라파이트는 고체 윤활제의 역할을 함으로써 내마모성을 증가시키기 위한 첨가제로 사용되어 왔으며 그 값이 저렴하고 효과가 우수하여 다양한 산업 전반에서 사용된다. 근래에는 그라파이트 소재 자체를 가공하여 구조물의 요소로 사용하 면서 원자로 연료의 피막이나 로켓 엔진의 가스 터빈 및 왕복 압축기 등의 가스 차단용 씰(Seal) 등 고온 환경에서 마멸 저감을 위한 요소로 사용되고 있다[2].
	그라파이트은 어떻게 윤활막을 형성하는가?	그라파이트는 Fig. 1에서 나타낸 것과 같이 육각 판상의 구조로 층상의 C-C결합에 비해 층위 사이의 Van der Walls 결합력이 약해 판상을 따라 전단이 쉽게 일어나며[3], 마모 과정에서 생성되는 입자들은 접촉면에 효과적으로 채워지게 되고 이러한 잔여물들은 단단하고 조밀한 윤활막을 형성한다. 마모 과정에서 형성된 윤활막은 마모가 발생하는 접촉면 간의 직접적인 접촉을 줄이고 응력완화작용으로 마찰계수를 줄여준다[4].
	텅스텐을 기반으로 한 레늄 합금인 W-25Re의 특징은?	상대재인 W-25Re는 텅스텐을 기반으로 한 레늄 합금이다. 3,050℃에서 용융하여 1900℃에서 재결정하는 과정에서 합금의 강도와 가소성, 용접성을 개선시키고 금속의 재결정 취성을 상당 부분 감소시킨다. 또한, 열전도도와 고온강도가 우수하기 때문에 2000~2400℃의 온도범위에서 알려져 있는 금속 중 가장 강한 금속 재료로 항공 및 추진기관에 사용되는 금속이다[7]. Table 1 과 2에 그라파이트 소재인 HK-6와 레늄-텅스텐 합금 소재인 W-25Re의 기계적 성질을 나타냈다.

참고문헌 (10)

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상세보기
Michael, N.G., "Crystal-structure-controlled tribological behavior of carbon-graphite seal materials in partial pressure of helium and hydrogen," Tribology Letters, Vol. 3, pp. 175-184, 1997.
Li, J.L. and Xiong, D.S., "Tribological behavior of graphite-containing nickel-based composite as function of temperature, load and conterface," Wear, Vol. 266, pp. 360-367, 2009.

상세보기
Chen, B.M., Bi, Q.L., Yang, J., Xia, Y.Q. and Hao, J.C., "Tribological properties of solid lubricants(graphite, h-BN) for Cu-based P/M friction composites," Tribology International, Vol. 41, pp. 1145-1152, 2008.

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Senouci, A., Frene, J. and Zaidi, H., "Wear mechanism in graphite-copper electrical sliding contact," Wear, Vol. 225-229, Part 2, pp. 949-953, 1999.

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Tokai Carbon Co. LTD (2013. March 26), "Tokai's Isotropic Graphite Data sheet," World Wide Web location, http:// en. tokaicarbon.eu/wp-content/uploads/HK-6-2. pdf, 2013.
Todd, L.H., "Properties of Tungsten- rhenium and Tungsten-rhenium with Hafnium Carbide," Journal of Materials, Vol. 61, Issue. 7, pp. 68-71, 2009.
Juri, P., Mart, V. and Sergei, L., "Friction and Dry Sliding Wear Behaviour of cermets," Wear, Vol. 260, pp. 815-824, 2006.

상세보기
Luo, X.W., Yu, S.Y., Sheng, X.Y. and He, S.Y., "Temperature Effect on IG-11 Graphite Wear performance," Nuclear Engineering and Design, Vol. 235, pp. 2261-2274, 2005.

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Cho, K.Y., Kim, K.J., Lim, Y.S. and Chi, S.H., "Oxidation Behanior of Nuclear Graphite(IG110)with Surface Roughness," Journal of the Korean Ceramic Society, Vol. 43, No. 10, pp. 613-618, 2006.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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