Hvilket materiale er Glyd-ringe og trinforseglinger fremstillet af? Forklaring af PTFE-sammensætninger

En Glyd-ring eller trinsegling består faktisk af to materialer, der arbejder sammen: en stiv PTFE-slidring og en gummiring O-ring under den. De fleste diskussioner om disse seglinger fokuserer på deres form, men det specifikke PTFE-materiale og O-ring-materialet, der vælges til en given anvendelse, har lige så stor indflydelse på, hvor længe seglingen faktisk holder. I denne artikel undersøges, hvad disse materialer består af, hvorfor fyldstoffer tilsættes til ren PTFE, og hvordan man bør overveje materialevalget for en given cylinder.

Hvad er en Glyd-ring eller trinsegling lavet af?

Slidringen i begge designe er fremstillet af PTFE (polytetrafluoroethylen), næsten altid modificeret med et fyldstof i stedet for at blive brugt i sin rene, ufyldte form. Den underliggende O-ring-energiser er en separat, konventionel elastomer – typisk NBR, HNBR eller FKM – som vælges uafhængigt af PTFE-materialet ud fra den hydrauliske væske og temperaturen, som seglingen udsættes for i brug.

Hvorfor bruges PTFE til slidringen i stedet for gummi?

PTFE tilbyder en usædvanlig kombination af egenskaber, der gør det særligt velegnet til brug som glidestøttering: en meget lav friktionskoefficient, minimal stick-slip-opførsel (den rykkede, ujævne bevægelse, der kan opstå, når en tætnings statiske og dynamiske friktion adskiller sig for meget), bred kemisk modstandsdygtighed og et stort anvendeligt temperaturområde. Ingen af de almindelige gummiblandinger matcher PTFEs kombination af lav friktion og slidstyrke ved kontinuerlig glidkontakt – netop den belastning, en kolbe eller stålsøjle sigill oplevelser.

Kompromiset er, at ren PTFE har relativt dårlig modstandsdygtighed mod abrasiv slid og kan deformeres (krybe) under vedvarende belastning; derfor bruges fyldte PTFE-blandinger – i stedet for ren PTFE – næsten altid i Glyd Rings og Step Seals.

Foto 1: Fyldt PTFE-komposit: fyldpartikler i PTFE-matrix

Hvad betyder »fyldt PTFE«, og hvorfor er det vigtigt?

Fyldt PTFE er simpel PTFE-harpiks, der er blandet med et sekundært materiale – typisk bronze, kulstof, grafit eller glasfiber, nogle gange i kombination – for at forbedre egenskaberne, hvor ufyldt PTFE ikke er tilstrækkeligt. Fyldning forbedrer generelt slidstyrken, modstanden mod krybning under belastning og den termiske ledningsevne, samtidig med at de fleste af PTFEs lave friktion og kemiske modstandsdygtighed bevares. Det specifikke fyldningsmateriale og dets vægtprocent vælges ud fra tætningens forventede belastning, hastighed og driftsmiljø, hvilket er grunden til, at betegnelsen «PTFE-tætning» alene ikke fuldt ud beskriver, hvad en given Glyd Ring eller Step Seal består af.

Hvad er bronze-fyldt PTFE god til?

Bronze tilføjes typisk i en relativt høj koncentration, ofte i området 40–60 vægtprocent, og giver fyldt PTFE den bedste almindelige slidmodstand og bæreevne blandt de almindelige fyldstoffer samt god termisk ledningsevne, hvilket hjælper med at føre varme væk fra glidkontakten. Kompromiserne er en reduceret kemisk modstandsdygtighed sammenlignet med ufyldt PTFE samt en reduceret egnethed i anvendelser, hvor elektrisk ledningsevne ville være et problem, da bronze-fyldning gør materialet elektrisk ledende.

Bronze-fyldt PTFE er et almindeligt valg til Glyd Rings og Step Seals, der opererer under højere belastninger eller tryk, hvor slidmodstand og dimensional stabilitet under belastning er mere afgørende end materialets margin for kemisk modstandsdygtighed.

Foto 2: Prøve af bronze-fyldt PTFE-tætning sammenlignet med ufyldt PTFE

Hvad er carbon- eller grafit-fyldt PTFE velegnet til?

Kulstofpulver, der typisk tilsættes i en mængde på ca. 10–35 vægtprocent, forbedrer slidstabilitet og modstand mod deformation under belastning, mens PTFEs kemiske modstandsdygtighed forbliver stort set uændret – i modsætning til bronzeudfyldning. Grafit tilføjes ofte sammen med kulstof eller alene i en lavere procentdel primært for at reducere gnidningskoefficienten yderligere og forbedre selvsmørende egenskaber, selvom grafit alene ikke forbedrer slidstabiliteten lige så meget som kulstof.

Kulstof og kulstof-grafitblandinger er et almindeligt valg, hvor kemisk modstandsdygtighed skal ligge tæt på den af uudfyldt PTFE, eller hvor elektrisk ledningsevne fra en bronzeudfyldning ville være uønsket, samtidig med at man stadig har brug for en væsentlig bedre slidstabilitet end den, som ren PTFE tilbyder.

Foto 3: Sammenligning af tætning af PTFE med kulstof-grafitudfyldning versus bronzeudfyldning

Hvordan sammenligner disse PTFE-sammensætninger sig indbyrdes?

Tabellen nedenfor opsummerer den generelle placering blandt almindelige fyldte PTFE-løsninger. Den præcise ydeevne afhænger af fyldningsprocenten og den specifikke sammensætning, som en given producent anvender.

Foto 4: Sammenligning af fyldte PTFE-tætningsmaterialer side ved side

Hvilket materiale er O-ringens energizer fremstillet af, og hvorfor er dette valg også vigtigt?

O-ringen under PTFE-ringen er en konventionel elastomer, og dens materiale følger den samme logik som anvendes for enhver anden hydraulisk O-ring: NBR til almindelig mineralolieanvendelse ved moderate temperaturer, HNBR, hvor applikationen kører varmere eller kræver bedre langtidens aldringsbestandighed, og FKM, hvor kemisk bestandighed eller høj kontinuerlig temperatur er afgørende. Da O-ringens eneste funktion er at levere en konstant fjederkraft til PTFE-ringen, styres valget af dets materiale af de samme spørgsmål om oliekompatibilitet og temperatur, som behandles i mere generelle sammenligninger af tætningsmaterialer, fremfor af noget specifikt vedrørende Glyd Ring- eller Step Seal-konstruktionen selv.

Det er værd at behandle dette som en reelt separat beslutning i forhold til valget af PTFE-sammensætning: en delsætningskasse med en fremragende bronze-fyldt PTFE-ring, men med en O-ring-energizer, der er dårligt tilpasset den brugte hydraulikvæske, vil stadig fejle tidligt – blot fra energizersiden fremfor fra slidringssiden.

Hvordan påvirker temperatur en PTFE-tætnings ydeevne?

PTFE har i sig selv et usædvanligt bredt brugbart temperaturområde og tåler varme langt bedre end de fleste gummiblandinger, så den PTFE-bæredel, der bruges i en Glyd-ring eller en trin-tætning, er sjældent den temperaturbegrænsende komponent. I næsten alle tilfælde når O-ring-energizeren under den først dens temperaturgrænse, hvilket betyder, at tætningens effektive højtemperaturklassificering generelt fastsættes af valget af O-ring-materiale (NBR, HNBR eller FKM) frem for af PTFE-blandingen.

Dette er en nyttig genvej, når man fejlfinder en varmerelateret tætningsfejl: hvis en Glyd-ring eller en trin-tætning svigter i en højtemperaturapplikation, er O-ring-energizeren generelt det første sted at kigge, selvom PTFE-ringen er den mest synlige del af samlingen.

Hvordan påvirker valget af fyldstof gnidning og slidlevetid?

Valget af fyldstof er til sidst en afvejning mellem gnidning, slidmodstand og kemisk modstand, og forbedring af én egenskab sker typisk på bekostning af en anden. Bronze giver den bedste slidmodstand og lastkapacitet, men medfører den største reduktion i kemisk modstand. Grafit nedsætter gnidningen mest effektivt, men bidrager mindst til slidmodstand alene. Kulstof ligger mellem de to: det forbedrer slidmodstanden betydeligt, mens den kemiske modstand forbliver tæt på den ufyldte PTFE. Kombinationsfyldstoffer, såsom kulstof blandet med grafit, er almindelige netop fordi de gør det muligt at kombinere nogle af fordelene ved hver type i stedet for at vælge én enkelt kompromis.

I praksis foretrækkes bronze eller carbon-grafitblandinger til højere hastighed og højere belastning på grund af deres slidmodstand, mens applikationer, hvor kemisk påvirkning er den største bekymring – usædvanlige hydraulikvæsker eller væsker, der reagerer med bronze – ofte foretrækker carbon eller grafittilføjelse i stedet.

Forskning, der specifikt sigter mod at forudsige Glyd Ring-levetiden, har kombineret en empirisk PTFE-slidhastighedsformel med en mekanisk model af tætningen og en utæthedsmodel, hvilket resulterer i en slidhastighed udtrykt i den generelle form:

δω′ = k · Fa · Vb · tc = 6,2×10-17 · F0,4 · V1,09 · t-0,02 (1)

hvor Δω′ er den volumetriske slidrate, F er kontaktkraften mellem slidringen og dens modstående overflade, V er glidhastigheden, og t er driftstiden, med eksponenterne bestemt ud fra slidtests af PTFE-kompositmaterialer. To ting fremhæves i denne specifikke tilpasning: Slidraten skalerer med glidhastigheden til omtrent første potens (en næsten lineær sammenhæng og den stærkeste enkelte indflydelse i formlen), mens dens afhængighed af kontaktkraften er relativt svag, og den er næsten uafhængig af tid, når driften er startet. Den praktiske konsekvens er, at cylindrehastigheden har en overvægtig effekt på slidringens levetid i forhold til belastningen – mere end hvad intuition baseret udelukkende på statisk kontakttryk måske ville antyde.

Kombineret med en model for utætheder gennem den resterende spalte omkring slidringen – som opfører sig som strømning gennem en smal koncentrisk spalte, drevet dels af trykforskellen over den og dels af den bevægelige overflades trækbevægelse – giver denne type slidhastighedsformel konstruktører mulighed for at regne baglæns fra en tilladt utæthedsrate til et maksimalt tilladt slidvolumen og derfra til en estimeret levetid. I et offentliggjort, gennemregnet eksempel, hvor denne metode blev anvendt, blev en Glyd Ring installeret med en bestemt O-ring-forudkomprimering og kørende ved 28 MPa og 0,1 m/s reciprokerende hastighed estimeret til ca. 2 millioner sekunders levetid (svarende til nogle år under typisk drift), og samme metode viste, at levetiden steg, når O-ring-forudkomprimeringen blev justeret – en konkret illustration af, hvorfor O-ring-energisatorens tilstand og montering, ikke kun PTFE-blandingen, direkte indgår i levetidsberegningen.

Hvordan kan du identificere den rigtige PTFE-sammensætning til din anvendelse?

Da den rigtige fyldstof afhænger af belastning, hastighed, temperatur og hydraulikvæskes kemiske sammensætning i kombination frem for én enkelt faktor, er den mest pålidelige fremgangsmåde at beskrive cylinderens faktiske driftsbetingelser for en tætningsleverandør i stedet for at antage, at en generisk «PTFE-tætning» vil yde ensartet uanset fyldstof. Hvor der findes et eksisterende tætnings delnummer eller fabrikantens specifikation, angiver det normalt fyldstofftypen; hvor det ikke gør det, kan en leverandør med kendskab til cylinderens anvendelse som regel anbefale en passende sammensætning baseret på den beskrevne belastning.

Ligesom ved enhver kombination af slidring og energizer giver det et mere komplet billede af, om en given udskiftningstætning rent faktisk er tilpasset anvendelsen, at verificere både PTFE-fyldstoffet og O-ring-gummitypen sammen – fremfor kun at fokusere på den ene og antage, at den anden er en standardstandard.

Foto5: Tekniker kontrollerer PTFE-sammensætning

1. Jin Z., Liang G., Long R., Li W. "Beregningsmetode for levetiden af Glyd-ringe, der anvendes i hydrauliske cylinderkolber." Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2022, 36(4): 362–367.
2. Dai L. "Optimering og eksperimentel undersøgelse af tætningsydelsen for hydrauliske reciprokerende Glyd-ringe." Kandidatspeciale, Jiangnan University, 2025.
3. Nikas G. K. "Firvejs forskning på hydrauliske reciprokerende tætninger: Oversigt over tribologiske studier og relaterede emner siden 1930'erne." Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2010, 224(1): 1–23.