글라이드 링과 스텝 실링은 어떤 재료로 만들어지나요? PTFE 복합재료에 대한 설명

글라이드 링 또는 스텝 실은 사실 두 가지 재료가 함께 작동하는 것이다: 강성의 PTFE 마모 링과 그 아래에 있는 고무 재질의 에너자이저이다. 오 링 이러한 실에 대한 논의 대부분은 주로 그 형태에 초점을 맞추지만, 특정 응용 분야에 맞춰 선택된 특수 PTFE 화합물과 오링 재료 역시 실의 실제 수명에 동일하게 큰 영향을 미친다. 본 기사에서는 이러한 화합물이 어떤 성분으로 구성되어 있는지, 순수 PTFE에 충전제를 추가하는 이유는 무엇인지, 그리고 특정 실린더에 적합한 재료를 어떻게 선택해야 하는지를 살펴본다.

글라이드 링 또는 스텝 실은 어떤 재료로 만들어지는가?

두 설계 모두에서 마모 링은 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌)로 제작되며, 거의 항상 순수하고 무충전 상태가 아닌, 충전재가 첨가된 개량형 PTFE가 사용된다. 그 아래에 위치한 오링 에너자이저는 별도의 일반적인 엘라스토머로, 주로 NBR, HNBR 또는 FKM이 쓰이며, 이는 작동 중 접하게 될 유압 유체와 온도 조건에 따라 PTFE 화합물과 독립적으로 선정된다.

왜 마모 링에는 고무 대신 PTFE가 사용되는가?

PTFE는 매우 낮은 마찰 계수, 최소한의 스틱-슬립 현상(정지 마찰과 동적 마찰의 차이가 너무 커서 발생하는 끊어진 듯한 불규칙한 움직임), 광범위한 화학 저항성, 넓은 사용 온도 범위라는 특별한 특성 조합을 제공하므로 슬라이딩 마모 링으로서 탁월하게 적합하다. 일반 고무 화합물 중 어느 것도 피스톤이나 로드 인장 재료 이 겪는 지속적인 슬라이딩 접촉에서 PTFE만큼 낮은 마찰과 마모 저항을 동시에 갖춘 제품은 없다.

단점은 순수 PTFE가 마모에 대한 저항성이 상대적으로 약하고, 지속적인 하중 하에서 변형(크리프)이 일어날 수 있다는 점이다. 따라서 글라이드 링과 스텝 실링에서는 거의 항상 순수 PTFE가 아니라 충전제가 첨가된 PTFE 화합물이 사용된다.

사진1: 충전제가 첨가된 PTFE 복합재료 — PTFE 매트릭스 내의 충전제 입자

‘충전제가 첨가된 PTFE’란 무엇이며, 왜 이것이 중요한가?

충진된 PTFE는 순수한 PTFE 수지에 청동, 탄소, 흑연 또는 유리섬유와 같은 보조 재료를 혼합한 것으로, 때로는 여러 재료를 조합하기도 한다. 이는 무충진 PTFE가 부족한 성능을 보완하기 위해 사용된다. 일반적으로 충진은 마모 저항성, 하중 하에서의 크리프 저항성, 열 전도성을 향상시키며, 동시에 PTFE 고유의 낮은 마찰 계수와 화학 저항성은 대부분 유지한다. 특정 충진재의 종류와 그 중량 백분율은 실링 부품이 예상되는 하중, 속도, 작동 환경에 따라 결정되므로, 단순히 ‘PTFE 실링’이라고만 표현해서는 해당 Glyd Ring 또는 Step Seal의 실제 구성 성분을 완전히 설명할 수 없다.

청동 충진 PTFE는 어떤 용도로 적합한가?

청동은 일반적으로 상대적으로 높은 함량으로, 흔히 무게 기준 40–60% 범위에서 첨가되며, 일반적인 충전제 중에서 충전된 PTFE에 가장 균형 잡힌 마모 저항성과 하중 지지 능력을 부여한다. 또한 열 전도성이 우수해 슬라이딩 접촉부에서 발생한 열을 효과적으로 방출한다. 다만, 무충전 PTFE에 비해 화학 저항성이 낮아지고, 전기 전도성이 문제가 될 수 있는 용도에서는 적합하지 않다. 청동 충전으로 인해 이 복합재는 전도성 물질이 되기 때문이다.

청동 충전 PTFE는 높은 하중 또는 압력 조건에서 작동하는 글라이드 링 및 스텝 실링에 널리 사용되는 재료로, 화학 저항성보다는 마모 저항성과 하중 하에서의 치수 안정성이 더 중요한 경우에 적합하다.

사진 2: 청동 충전 PTFE 실링 시료 대 무충전 PTFE

탄소 또는 흑연 충전 PTFE는 어떤 용도에 적합한가?

탄소 충전제는 일반적으로 중량 기준 약 10–35% 비율로 첨가되며, 마모 저항성과 하중 하에서의 변형 저항성을 향상시키면서도 PTFE의 화학 저항성을 대체로 그대로 유지한다. 이는 청동 충전제의 경우와 달라서, 청동은 화학 저항성을 상당히 저하시킨다. 흑연은 종종 탄소와 함께 또는 낮은 비율로 단독으로 첨가되는데, 주로 마찰 계수를 추가로 감소시키고 자윤활 특성을 개선하기 위함이다. 다만 흑연만으로는 탄소만큼의 마모 저항성 향상 효과는 없다.

탄소 및 탄소-흑연 혼합물은 화학 저항성이 무충전 PTFE에 가깝게 유지되어야 하거나, 청동 충전제로 인한 전기 전도성이 바람직하지 않은 상황에서 흔히 선택되는 재료이다. 동시에 순수 PTFE보다 훨씬 뛰어난 마모 저항성이 요구될 때 적합하다.

사진 3: 탄소-흑연 충전 PTFE 밀봉재 대비 청동 충전 PTFE 밀봉재 비교

이러한 PTFE 복합재를 서로 나란히 비교하면 어떻게 될까?

아래 표는 일반적인 충전형 PTFE 옵션 간의 일반적인 포지셔닝을 요약한 것이다. 정확한 성능은 충전제 비율과 특정 제조사가 사용하는 화합물 배합에 따라 달라진다.

사진 4: 충전된 PTFE 실링 화합물의 나란한 비교

O-링 에너자이저는 어떤 재료로 만들어졌으며, 그 선택이 왜 중요한가?

PTFE 링 아래에 있는 O-링은 일반적인 엘라스토머이며, 그 재료는 다른 유압용 O-링과 동일한 기준에 따라 선정된다. 즉, 중간 온도에서 일반 광유를 사용하는 경우는 NBR을, 작동 온도가 높거나 장기 노화 저항성이 더 요구되는 경우에는 HNBR을, 화학 내성 또는 지속 고온 작동이 우선시되는 경우에는 FKM을 선택한다. O-링의 유일한 역할은 PTFE 링에 일관된 스프링 힘을 공급하는 것이므로, 재료 선정은 글라이드 링(Glyd Ring)이나 스텝 실(Step Seal) 설계 자체와 관련된 특수 조건보다는, 보다 일반적인 실 재료 비교에서 다루는 동일한 유체 호환성 및 온도 조건에 따라 결정된다.

이 사항은 PTFE 복합재 선택과 진정으로 별개의 결정으로 간주할 필요가 있다. 실링 키트 우수한 청동 충전형 PTFE 링을 채택하더라도, 유압 유체와 부적합하게 매칭된 O-링 에너자이저를 사용하면 여전히 조기에 실패할 수 있으며, 이 경우 마모 링이 아니라 에너자이저 측면에서 문제가 발생한다.

온도가 PTFE 실의 성능에 어떤 영향을 미치는가?

PTFE 자체는 비정상적으로 넓은 사용 온도 범위를 가지며, 대부분의 고무 화합물이 견딜 수 있는 수준을 훨씬 뛰어넘는 열을 잘 견딘다. 따라서 Glyd Ring 또는 Step Seal에서 PTFE 마모 링은 거의 언제나 온도 제한 요소가 되지 않는다. 거의 모든 경우에, 그 아래에 위치한 O링 에너자이저가 먼저 온도 한계에 도달하므로, 실의 유효 고온 등급은 일반적으로 PTFE 화합물보다는 O링 재료 선택(NBR, HNBR 또는 FKM)에 의해 결정된다.

열 관련 실 고장 진단 시 유용한 간편 방법이다. 고온 응용 분야에서 Glyd Ring 또는 Step Seal이 고장 나고 있다면, 조립체 중 더 눈에 띄는 부품인 PTFE 링이 아니라, 일반적으로 먼저 점검해야 할 부위는 O링 에너자이저이다.

충전제 선택이 마찰 및 마모 수명에 어떤 영향을 미치는가?

필러 선택은 결국 마찰, 내마모성 및 내화학성 사이의 균형을 맞추는 문제이며, 한 가지 특성을 개선하면 일반적으로 다른 특성에 어느 정도 손실이 따릅니다. 청동은 최고의 내마모성과 하중 지지 능력을 제공하지만 내화학성 저하는 가장 큽니다. 흑연은 마찰을 가장 효과적으로 낮추지만, 단독으로는 내마모성 향상에 거의 기여하지 못합니다. 카본은 이 둘의 중간에 위치하며, 내마모성을 실질적으로 향상시키면서도 무충전 PTFE에 가까운 내화학성을 유지합니다. 카본과 흑연을 혼합한 복합 필러는 각 성분의 장점을 일부씩 취할 수 있어 하나의 타협점에만 완전히 의존하지 않기 때문에 흔히 사용됩니다.

실제적으로, 고속 및 고부하 응용 분야에서는 마모 저항성 측면에서 청동 또는 탄소-흑연 혼합물이 선호되는 반면, 화학적 노출이 더 큰 우려를 초래하는 응용 분야 — 예를 들어 특수 유압 유체나 청동과 반응할 수 있는 유체 — 에서는 탄소 또는 흑연 충전재가 대신 선호된다.

글라이드 링의 수명을 예측하기 위한 특화된 연구에서는 실증적 PTFE 마모율 공식과 밀봉 부재의 기계적 모델, 그리고 누출 모델을 결합하여 일반 형태로 표현된 마모율을 도출하였다.

δω′ = k · Fa · Vb · tc = 6.2×10⁻¹⁷ · F⁰·⁴ · V¹·⁰⁹ · t⁻⁰·⁰² (1)

여기서 Δω′는 체적 마모율, F는 마모 링과 그 맞물리는 표면 사이의 접촉력, V는 슬라이딩 속도, t는 작동 시간이며, 지수 값은 PTFE 복합재 마모 시험 결과를 기반으로 도출하였다. 이 특정 적합식에서 두 가지 특징이 두드러진다. 첫째, 마모율은 슬라이딩 속도에 거의 1차 방식으로 비례한다(거의 선형 관계로, 식 내에서 가장 강한 단일 영향 요인임). 둘째, 접촉력에 대한 의존성은 상대적으로 약하며, 일단 운전이 시작된 후에는 시간에 거의 무관하게 유지된다. 실용적인 함의는, 정적 접촉 압력만을 고려한 직관보다 훨씬 더 크게, 실린더 속도가 하중보다 마모 링 수명에 훨씬 더 큰 영향을 미친다는 점이다.

마모 링 주변 잔여 간극을 통한 누출 모델과 결합하면 — 이는 압력 차와 움직이는 표면의 끌림 운동에 의해 부분적으로 구동되는 좁고 동심원형 틈새를 통한 유동처럼 작동함 — 이러한 마모율 공식을 통해 설계자는 허용 가능한 누출률에서 최대 허용 마모량을 역산하고, 이를 바탕으로 예상 수명을 산정할 수 있다. 이 방법을 적용한 한 출판된 사례에서는 특정 오링 예압으로 설치된 글라이드 링이 28 MPa의 압력과 0.1 m/s의 왕복 속도로 작동할 때 약 200만 초의 수명(일반적인 사용 조건에서 몇 년 수준)을 예측하였다. 같은 방법으로 오링 예압을 조정하면 수명이 증가함을 보여주었는데, 이는 PTFE 화합물뿐 아니라 오링 에너자이저의 상태 및 설치 품질이 수명 산정에 직접 영향을 미친다는 점을 구체적으로 입증하는 사례이다.

어떻게 귀하의 응용 분야에 적합한 PTFE 복합재를 식별할 수 있습니까?

적절한 충전제는 하중, 속도, 온도, 유압 작동유 화학 조성 등 단일 요인이 아니라 여러 요인을 종합적으로 고려해야 결정되기 때문에, 가장 신뢰할 수 있는 방법은 일반적인 ‘PTFE 실’이 충전제와 무관하게 동일한 성능을 낸다고 가정하기보다는, 실 공급업체에 실린더의 실제 작동 조건을 정확히 설명하는 것입니다. 기존 실의 부품 번호나 제조사 사양을 확인할 수 있다면, 보통 이 정보에 충전제 종류가 명시되어 있습니다. 해당 정보를 확보할 수 없는 경우, 실린더 응용 분야에 정통한 공급업체가 설명된 작동 조건을 바탕으로 적절한 복합재를 일반적으로 추천해 줄 수 있습니다.

모든 마모 링과 에너자이저 조합과 마찬가지로, PTFE 충전제뿐 아니라 O-링 엘라스토머까지 함께 확인하는 것이 중요합니다. 한쪽만 집중적으로 검토하고 다른 쪽은 표준 기본 사양이라고 가정하는 방식은 부적절합니다. 이렇게 양쪽을 동시에 검토해야만 특정 교체용 실이 해당 응용 분야에 실제로 적합한지 여부를 보다 정확히 판단할 수 있습니다.

사진5: 기술자가 PTFE 복합재를 점검 중

1. 진 Z., 리앙 G., 롱 R., 리 W. "유압 실린더 피스톤에 사용되는 글라이드 링의 수명 산정 방법." 선양 화학공업 대학교 학술지, 2022년, 36권(4호): 362–367.
2. 다이 L. "유압 왕복식 글라이드 링의 밀봉 성능 최적화 및 실험적 조사." 석사 학위 논문, 장난 대학교, 2025.
3. 니카스, G. K. "유압 왕복 밀봉에 대한 80년간의 연구: 1930년대 이후 마찰학 연구 및 관련 주제에 대한 종합 고찰." 프로시딩스 오브 더 인스티튜션 오브 메카니컬 엔지니어스, 파트 J: 저널 오브 엔지니어링 트리볼로지, 2010, 224(1): 1–23.