압축 영구변형이란?
압축 영구변형은 O-링을 오랫동안 압축한 뒤에도 남는 변형입니다. 링을 설치하면 직사각형 틈 안에서 눌리며, 이상적으로는 계속 원래 형태로 돌아가려는 힘을 내야 합니다. 실제 엘라스토머는 천천히 둥근 형상을 “잊고” 일부 납작한 상태로 남아 반발력이 줄어듭니다. 잔류 밀봉력이 조인트에 필요한 값보다 낮아지면 누설이 발생하며, 저온 시동이나 감압 중 미세 누설로 처음 나타나는 경우가 많습니다.
이는 압출이나 설치 절단 같은 돌발 손상과 구분되는, 점진적이고 노화와 관련된 가장 흔한 씰 고장 원인 중 하나입니다.
측정 방법
압축 영구변형은 ASTM D395 같은 표준에 따라 시험합니다. 시편을 정해진 양만큼 압축하고 일정 시간 고온에 유지한 뒤 하중을 제거해 복원량을 측정합니다.
압축 영구변형률 % = (t0 − t2) / (t0 − ts) × 100여기서 t0는 원래 두께, ts는 압축 상태의 스페이서 두께, t2는 복원 후 두께입니다. **0 %**는 완전히 원상 복귀했다는 뜻이고 **100 %**는 눌린 형상을 전부 유지해 복원력을 잃었다는 뜻입니다. 우수한 고온용 씰 재질은 정격 온도에서 70시간 후 15–25 %를 보일 수 있고, 부적절한 조합은 50 %를 넘을 수 있습니다.
발생 원인
- 열: 가장 지배적인 요인입니다. 모든 재질에는 영구변형이 급격히 증가하는 온도가 있습니다. NBR을 약 120 °C 또는 그 이상에서 사용하는 것이 대표적인 사례입니다.
- 시간: 하중이 걸린 시간이 늘수록 변형이 축적되며 초기에는 빠르고 이후에는 느려집니다.
- 과도한 압축: 지나친 압축률은 내부 응력을 높이고 영구변형을 가속합니다. 압축을 더한다고 항상 밀봉이 좋아지는 것은 아니며 이상 범위를 넘으면 수명이 짧아집니다.
- 화학적 공격과 팽윤: 고분자를 팽윤시키거나 열화시키는 유체는 영구변형을 가속하므로 재질 호환성이 온도만큼 중요합니다.
누설을 일으키는 이유
정적 O-링은 압축된 상태에서 두 밀봉면을 향해 지속적으로 반발함으로써 밀봉합니다. 영구변형이 누적되면 저장된 탄성 에너지가 사라집니다. 일정 온도에서는 밀봉되다가 조건이 변하는 순간 누설될 수 있습니다. 저온 시동 시 금속이 수축하는 속도를 경화된 고무가 따라가지 못하면 순간적인 틈이 열립니다. 따라서 열 사이클 시험은 일정 온도 시험보다 훨씬 일찍 압축 영구변형 문제를 드러냅니다.
예방 방법
온도에 맞는 재질을 선택하십시오. 가장 효과가 큰 조치입니다. 고온에서 FKM은 NBR보다 영구변형이 훨씬 작고, 극한 열과 화학 환경에서는 FFKM이 더 낮습니다. 단시간 온도 상승을 포함한 실제 운전 조건에 재질 정격 범위를 맞추십시오.
| 재질 | 압축 영구변형 저항 | 적합한 용도 |
|---|---|---|
| NBR(니트릴) | 보통, 약 120 °C 이상에서 낮음 | 상온 오일 및 유압 |
| FKM(플루오로엘라스토머) | 200 °C까지 우수 | 고온 오일, 연료, 화학물질 |
| FFKM(퍼플루오로엘라스토머) | 극한 고온에서도 매우 우수 | 공격성 화학물질, 고온 |
| VMQ(실리콘) | 복원력 우수, 강도 낮음 | 넓은 온도 범위, 정적 밀봉 |
이상 범위 안으로 압축률을 설계하십시오. 밀봉에 충분하되 응력과 영구변형이 급증할 만큼 크지 않아야 합니다. 방사형 정적 계산기는 전체 공차 범위의 압축률을 제시해 범위 내에 유지하도록 돕습니다.
온도와 체류 시간을 관리하십시오. 가능하면 연속 온도를 재질 한계보다 낮게 유지하고 최고 온도에서 장시간 정지 상태를 피합니다. 고온 운전을 피할 수 없다면 저렴한 고분자를 한계 밖으로 밀어붙이지 말고 상위 재질 등급을 선택하십시오.
자주 묻는 질문
압축 영구변형과 크리프는 같습니까? 관련은 있지만 동일하지 않습니다. 크리프는 일정 하중 아래에서 계속되는 변형이고, 압축 영구변형은 하중을 제거한 뒤 남는 변형입니다. 둘 다 시간에 따라 밀봉력을 감소시킵니다.
허용 가능한 압축 영구변형 값은 얼마입니까? 적용에 따라 다르지만 고온 정적 씰에서는 정격 온도 시험값을 약 25 % 이하로 유지하는 것이 일반적인 목표입니다. 장기 수명에는 낮을수록 좋습니다.
압축률을 높이면 영구변형이 큰 재질을 보완할 수 있습니까? 아니요. 추가 압축은 응력을 높여 대개 영구변형을 악화시킵니다. 올바른 해결책은 영구변형 저항이 더 좋은 재질을 선택하고 이상적인 압축 범위로 설계하는 것입니다. 열이 문제라면 FKM과 FFKM 페이지를 비교하십시오.