O-ring 기술

O-ring은 합성고무, 합성수지 등으로 만들어진 단면이 원형인 링을 일컫는다. 산업 분야에서 매우 다양한 방법으로 다양한 산업군에서 사용되고 활용되어 진다. 보통 O-ring을 표현할 때 그림과 같이 도시한다.

< 그림 1. 일반적인 O-RING 도시표, P6 (KS B 2805) >

1. O-RING 의 규격

O-RING의 대부분은 AS568A 계열이 전 세계적으로 널리 사용되고 있다. 특히 미국, 유럽, 캐나다 등의 부품, 제품, 장비 및 기계등에 AS568A 계열의 O-RING을 기본으로 사용하고 있다.

- AS568A = ARP = PRP = AN = BS1806

오링의 두께 : Φ1.78 / Φ2.62 / Φ3.53 / Φ5.33 / Φ7.00

- ISO 3601 / DIN 3771

오링의 두께 : Φ1.80 / Φ2.65 / Φ3.55 / Φ5.3 / Φ7

- JIS B2401 P, G

오링의 두께 : Φ1.9 / Φ2.4 / Φ3.0 / Φ5.7 / Φ8.4

- MS 33649 / MS 28774 / MS 28775 / MS 29513 / SMS 1586

MICRO : 내경 0.2 ~ 1mm    MACRO : 내경 127~12,700mm

2. 오링의 종류 및 특징

1) 오링의 종류 및 특징

오링의 재질과 경도는 매우 다양하기 때문에 적용되는 조건에 맞게 정확한 선택이 요구된다. 보편적으로 사용하고 있는 오링의 재질 종류는 다음과 같다.

ITEM	FULL NAME
NR	Natural Rubber
IR	Synthetic Polysoprene
SBR	Styrene Butadiene Rubber
BR	Polibutadiene rubber
IIR	Butyl rubber
CR	Polychloroprene
EPM	Ethylene-Propylene (Copolymer)
EPDM	Ethylene-Propylene (Terpolymer)
NBR	Nitrile Butadiene Rubber
XNBR	Nitrile Rubber (Carboxylated)
HNBR	Nitrile Rubber (Hydrogenated)
CSM	Chlorosulphonated Polyethylene
ACM	Polyacrylic rubber
EACM	Ethylene-Acrylic rubber
AU/EU	Polyurethan rubber
CO/ECO	Epichlorohydrin rubber
VMQ	Silicone rubber
PVMQ	Silicone rubber
FVMQ	Fluorosilicone rubber
FPM/FKM	Fluoroelastomer(DIN/ISO1629) / FKM(ASTM 1418)

오링의 주요 특징은 다음과 같다.

3. O-RING 의 설계

오링은 설계하는 엔지니어 및 사용자에 의해 대부분 치수가 미리 선정된다. 하지만 내구성 및 수명과 관련된 중요 홈의 치수, 가공면의 표면조도는 설계시 적용해야 하는 가장 중요한 포인트이다. 오링의 설계를 완벽히 하려면 규격, 압착, 늘림, 내화학성, 틈새, 압력, 온도, 마찰, 표면조도, 오링 두께, 경도, 공차 등 모든 변수를 고려하여 설계해야 한다. 오링은 공압용 유압용의 구분이 없으나 압력 조건 및 유체의 특성에 따라 재질 및 경도는 선정되어야 한다.

1) 압력에 따른 설계

오링 압력장치에 설계될 경우 가장 직접적인 영향을 받는다. 압력이 증가하면 비틀림이 생기고, 접촉면의 한쪽에 대하여 압착이 형성되며, 홈과 습동면 사이의 틈새가 봉쇄된다. 오링만으로 고압(30bar 이상)에서 견딜 수 없기 때문에 압력이 증가하면 홈과 면 사이의 틈새로 오링의 밀림현상으로 파손되기 때문에 누설이 발생한다. 이를 방지하기 위해서는 다음과 같은 방법이 있다.

- 압력의 증가와 비례해서 틈새치수 설계치를 줄이는 등 공차범위 관리를 해야한다.

- 오링의 경도를 높인다.

- 오링의 재질 및 후처리 등을 실시한다.

- 백업링을 사용한다.

오링부 설계치수 및 경도는 그림에서 보는바와 같다.

<그림 2. O-ring 압력에 따른 경도 및 설계치>

<그림 3. 압력에 따른 O-RING 변화 형상>

일정 압력 이상이 되면 틈새로 오링이 밀림 현상이 발생하므로 백업링을 사용함으로써 오링의 밀림현상을 억제할 수 있다.

2) 마찰계수에 따른 설계 고안

오링이 운동용인 경우 마찰 계수는 매우 중요한 설계인자이다. 일정한 시간 동안 정지한 상태에서 움직이기 시작할 경우 최소한의 힘을 필요로 한다. 이는 씰이 홈의 벽에 접착되려는 현상 때문에 작동압력 보다 초기 압력이 크게 요구된다. 마찰에 따라 변수를 변화하기 위해서는

- 압착력을 줄여주면 운동용 오링의 출발과 동작 사이에 마찰을 최소화 할 수 있다.

- 경도가 낮을수록 초기 마찰력이 낮아지고, 경도가 높으면 초기 마찰력이 높아진다.

- 윤활제의 사용으로 씰 접착을 최소화 할 수 있다.

- 가공에서 표면의 조도를 8~16RMS로 하면 마찰을 최소화하는데 도움이 된다.

- 고체 씰을 사용하면 마찰계수가 현격히 낮아진다.

- 오링의 두께가 작을수록 마찰이 작아진다.

- 온도, 압력에 따라 작동 마찰계수에 영향을 주므로 조건에 맞는 것을 선정한다.

3) 압착에 따른 설계 고안

오랜 기간동안 오링을 사용하는데 있어 압착율를 고려하지 않고 사용하였다. 그러나 최근에는 유압 운동용, 공압 운동용, 고정용 등을 구분하여, 동일한 제품일지라도 제품의 품질 이 동일하도록 사용용도에 따라 설계조건을 잘 맞춰야 한다. 오링의 두께, 경도, 압착되는 힘이 주요 원인이고 초기 기밀용은 압착율은 두께에 대해 고정용은 15~30%, 운동용은 6~20% 이다. 압착에 있어 압축 영구 줄음율은 재질의 중요한 변수 중 하나인데, 가열 압축에 의하여 잔류되는 줄음율로 표기된다.

- 저온에서 사용할 경우 압착율을 증가시킨다.

- 작동중의 압력 변화시에 사용 할 경우 압착율을 증가시킨다.

경도 70~80 Shore A						경도 90 Shore A
오링두께	1.78	2.62	3.53	5.33	7.00	오링두께	1.78	2.62	3.53	5.33	7.00
압력	틈새 S					압력	틈새 S
35bar	0.20	0.25	0.30	0.36	0.41	35bar	0.36	0.41	0.46	0.51	0.51
70bar	0.15	0.18	0.23	0.25	0.30	70bar	0.30	0.36	0.41	0.46	0.46
100bar	0.10	0.13	0.15	0.18	0.20	100bar	0.25	0.30	0.36	0.38	0.41
150bar	0.05	0.08	0.10	0.10	0.11	150bar	0.20	0.23	0.25	0.30	0.30
175bar	0.03	0.04	0.05	0.06	0.06	175bar	0.15	0.18	0.20	0.25	0.25

<표 1. O-RING 경도에 따른 압력과 틈새>

4) 온도에 따른 설계 고안

오링이 고온의 환경하에서 본연의 형상에서 무너지는 시간 이상 경과하거나 극저온 상태에 있으면 물리적, 화학적 성질을 잃어버리고 본연의 기능을 상실하게 된다. 따라서 오링 적용시 재질의 특성으로 온도범위를 명확하게 확인하고 설계치에 반영하여야 한다.

- 고온하에서 오링이 노출되면 부품, 굳음, 해중합 현상으로 형상변형이 발생한다.

- 극저온하에서 압착율이 감소하여 오링의 접촉면이 축소되어 누설이 발생한다.

- 수축과 팽창의 활동으로 형상이 변형되어 누설이 발생한다.

5) 오링의 설계치(내경, 두께)와 체결 홈 치수간의 설계 고안

- 오링이 체결 홈에 체결시 늘어나는 비율은 내경 기준 최대 5% 이내여야 하고

통상 1~4%가 되어야 한다.

- 오링 내경의 치수 = [홈의 직경 / 설계 늘림율(1~4%)]

- 오링의 늘림율 = [{(홈의 직경 / 오링 내경) - 1} X 100]

- 운동용 오링 두께

홈 깊이 = (실린더 내경 - 피스톤 홈 직경) / 2

오링 두께 최소 = 홈 깊이 X 최소압착율

오링 두께 최대 = 홈 깊이 X 최대압착율

- 오링의 두께가 크면 클수록 밀림 현상이 적어지고, 압축 영구 줄임율이 좋아져

밀폐력이 좋아져 저온의 사용이 용이하고 압착에서 오링 공차의 영향이 작아 효율적임

4. 오링의 용도별 사용방법

1) 운동용 오링

- 급유식

: 피스톤 Seal은 내구성 및 기밀성을 유지하기 위해 2개의 오링 사용

: 로드 Seal은 오링 1개와 더스트 Seal을 사용하고 그리스를 도포

- 비급유식

: 피스톤 Seal은 오링 2개를 사용하고, 그리스로 도포

: 로드 Seal은 급유식과 동일

<그림 3. 운동용 오링 사용>

2) 원통면 고정용

- 압착압축율은 운동용 오링과 동일하게 사용

- 홈부 치수정밀도, 표면마무리는 운동용 오링과 동일한 설계 조건

- JIS 오링치수 및 홈치수 사용시 Seal 물림 현상이 발생

사용상 주의 또는 내경이 큰 경우 한 치수 작은 오링 사용

<그림 4. 원통면 고정 Seal 물리는 현상>

3) 평면 고정용

- 압착압착율은 상위값으로 설계

- 내압의 경우 오링 외경(D)으로 설계하고, 외압의 경우 오링 내경(d)에 맞추어 설계

특히, 내압의 경우 오링 외경(D) 치수를 안착부보다 0.2~0.3mm 크게 설계

- 한방향인 경우 오링 안착부 설계치(G)가 오링 선경보다 크게 설계

4) 진공 플랜지용

- 진공용 기기의 경우 접촉부분의 표면처리가 중요함.

특히, 가공, 표면처리 및 표면마무리 공법

- 진공용 기기의 경우 진공도에 따른 고무 재질 선정이 중요함

<그림 5. 평면 고정용 오링 체결>

5) 삼각홈용

- 삼각홈의 'A' 치수는 오링 선경의 1.3~1.4배로 설계

<그림 6. 삼각홈용 오링 체결>

5. 오링 적용 실무

1) 오링 체결부 면처리 설계

오링 체결부는 피스톤 로드의 예리한 에지(edge)부로 인해 오링 손상 발생

오링 체결 면처리부의 설계에 유념할 것

<그림 7 오링 체결부 면처리 설계>

오링의 규격 (단위:mm)		오링의 두께	X(최소)	Z
JIS	JASO			15°의 경우	30°의 경우
P3~P10	1003~1035	1.9±0.07	0.9	3.4	1.6
P10A~P22	2010~2071	2.4±0.07	0.9	3.4	1.6
P22A~P50	3022~3150	3.5±0.10	1.1	4.1	1.9
P48A~P150	-	5.7±0.15	1.3	4.9	2.3
P150A~P400	-	8.4±0.15	1.5	5.6	2.6
G25~G145	-	3.1±0.10	1.1	4.1	1.9
G150~G300	-	5.7±0.15	1.3	4.9	2.3
S번 S3~S150		1.9±0.07	0.9	3.4	1.6

<표 2. JIS, JASO 오링규격>

오링이 부착된 로드가 HOLE을 통과할시 설계 유념.

<그림 8. 오링이 부착된 로드가 HOLE을 통과할시 설계>

2) 홈부의 재질 및 가공

습동면에서 오링의 수명에 가장 적합한 재료는 실린더에서는 주철 또는 강철이며 로드는 강화강철임

알루미늄, 황동, 청동, 모넬메탈 등이나 일부 스텐레스 강철은 연질로 내마모성이 떨어지기 때문에 습동면 재질로는 부적합함

단, 저압 공기 액츄에이터에는 사용하는 경우 있음.

따라서 오링이 접촉되는 습동면이 단단할 수록 오링의 수명도 길어지며, 피스톤의 강도는 실린더보다 연질로 적용해 실린더의 습동면이 손상되지 않게 하는 것도 오링의 수명을 연장시킴

고정용의 경우 압력에 따라 필요한 강도가 있고, 오링의 재료와 유체의 적합성 및 작동조건에 대해 달라짐. 마찰저항을 최소화 하기 위해 가공면의 표면거칠기값은 최소로 해야 하기 때문에 면 처리(호닝 honing, 버니싱 burnishing, 경질 Ni 도금 후 폴리싱 polishing) 후  적용.

특히 내열성, 내마모성 및 저마찰성을 목적으로 하는 경우 경질 니켈 도금 후 폴리싱 하는 방법이 우수.

	내부식성	내마모성	내오염성	금속보호성	오링
					고정용	운동용
카드뮴	×	×	×	◎	○	○
크롬	◎	◎	◎	×	○	○
동	○	△	×	○	×	×
금	◎	△		△	○	×
철	×	○	×	○	○	○
납	○	×	×	△	○	×
니켈	○	○	△	○	○	○
은	○	△	△	△	○	×
주석	○	×	○	△	○	×
아연	×	×	×	◎	○	×
비고	◎:우수 ○:양호 △:가능 ×:불가				○:적정 ×:부적절

<표 3. 접촉 금속과의 적합성 도시표>

3) SAE(미국자동차협회) 오링 설계

SAE에 의한 오링 설계 스팩은 다음과 같다.

<그림 9. 오링 체결에 따른 위치 및 형상>

<표 4. SAE O-RING 설계사양표>

6. 오링의 신뢰성 품질 목표

Tensile strength : ISO 37

Elongation at break : ISO 37

Changes after heat ageing : ISO 188

Resistance to ozone : ISO 1431-1

7. 결언

오링은 산업 분야에서 매우 다양한 방법으로 다양한 산업군에서 사용되고 활용되어 진다. 특히 실링용으로 사용하는 경우가 대부분인데 실링 기능에 문제가 생기면 대형 사고로 이어지는 산업군도 종종 있다. 따라서 오링을 선정하고 설계하는 것은 매우 중요한 문제이다. 오링관련 설계 및 연구개발을 하시는 분들은 본 자료와 더불어 기술서를 다양한 루트를 통해 검색해서 연구하고 개발하여야 할 것이다.

재 질	경도	색 상	사용온도(℃)	적 용
NBR Buna-N 아크로니트릴 부타디엔	70 80 90 70 70	검정색 검정색 검정색 검정색 검정색	-40∼110 -40∼110 -40∼110 -40∼120 -50∼120	가장 광범위하게 사용. 유공압 장비, 자동차,선 박, 항공기 연료 시스템, 건설 장비 등.유압유, 물, 알코올, 실리콘그리스, 탄화수소 연료, HFA, HFB, HFC, 에스테르류 등에 저항성이 뛰어남.
HNBR 수소화 아크로니트릴 부타디엔	70 75	검정색 검정색	-30∼130 -45∼150	물리적 특성과 내마모성이 뛰어남. 자동차 연료 시스템, 탄화수소계 및 디이젤 연료, 냉매 R-11, R-12, R-13, 134a, 산화 방지제, 유압유, 오일 첨가제, 오존, 묽은 산과 염기, 오존 등에 저항성이 뛰어남. 인장 강도가 크다.
FPM FKM VitonⰒ 플로르카본	70 80 75 70 70	검정색 검정색 검정색 검정색 검정색	-20∼220 -20∼220 -30∼220 -40∼220 -45∼250	내열성이 요구되는 곳에 사용. 항공기 엔진, 자동차 연료 시스템, 고온의 저 압축 영구 줄음율, 고진공, 탄화수소계 연료, 가솔린, UV 빛, 오존, 가솔린/알코올 혼합, 디이젤 연료, 실리콘 그리스, LP 가스, 도시 가스, 나프타, 케로센등에 저항성이 뛰어남. 가스 투과율이 낮음.
EPDM 에틸렌 프로필렌디엔	70 80 70 70	검정색 검정색 검정색 검정색	-55∼150 -55∼150 -55∼150 -60∼150	스팀, 뜨거운 물, 식음료/식수용, 오존, 햇빛, 유압유, 자동차 브레이크/냉각 시스템, 아세톤, 케톤, MEK같은 극성용매, 실리콘 오일/그리스, 묽은 산과 알칼리, 자동차 브레이크유등에 좋음. 인장강도 압축 영구 줄음율 좋음.
CR 네오프렌 클로로프렌	70 80 70 70	검정색 검정색 검정색 검정색	-45∼100 -45∼100 -45∼120 -55∼120	자동차, 철도등 운송분야에 폭넓게 사용. 특히 냉매인 암모니아, 프레온, 수바에 뛰어난 저항성을 갖고 있다. 산 염기, 난연제, 기후 저항성. 오존, 햇빛, 산소에 내노화성. 탄성과 압축 영구 줄음율이 좋다.
VMQ PVMQ 실리콘	50 70 70 70	붉은색 붉은색 붉은색 붉은색	-60∼230 -60∼230 -95∼260 -60∼230	고정용으로 사용. 고온용 실리콘으로 315℃까지 가능하며, 극저온에도 사용 가능한 재질이 있다. 오존과 햇빛에 저항성이 우수하다. 인열 강도, 인장강도 및 내마모성이 약하다.
ACM 아크릴레이트	70 70	- 검정색	-20∼150 -20∼175	뜨거운 오일, 자동 변속기 오일, 파워 스티어링 오일에 뛰어난 저항성. 오존, 턴화수소계 연료, 햇빛, 기후, 가스 투과에 내성을 지님.
AU 폴리우레탄	70 90 70 90	검정색 검정색 검정색 -	-30∼70 -30∼70 -40∼80 -50∼100	인열 강도가 크고, 내마모성이 뛰어나다. 고압, 고부하의 유압시스템, 유압유, 탄화수소계 연료, 오존, 햇빛 등에 사용된다. 염기, 산, 산소계 용매, 뜨거운 물, 스팀, 습기 등에 사용하면 좋지 않다.
FFPM KalrezⰒ 과불과탄성체	75 80 80 90	검정색 검정색 검정색 검정색	-35∼343 -35∼220 -35∼260 -35∼343	현재 지구상에서 존재하는 탄성체중 최고의 고온까지 내열성을 갖고 있다. 화학 약품에는 약 2,000여 종류에 내화학성을 갖고 있어, 테프론과 비슷하다.
PTFE TeflonⰒ 폴리-테트라 플로로에틸렌	98	흰 색	-180 ∼ 230	주로 고정용에 사용한다. 내화학성이 뛰어나며, 마찰계수가 낮다. 탄성력이 매우 작은 고체이므로 사용할 때 주의를 필요로 한다. 식품용, 화학 약품용에 주로 사용한다.

<REF. 1. O-RING 재질에 따른 경도, 색상, 온도 및 적용범위>