Hvilket materiale er en rock drill-backupring fremstillet af? Forklaring på PTFE, nylon og PEEK

En reserve-ring har et simpelt formål, nemlig at være hårdere end tætningen ved siden af den og dermed holde denne tætning ude af spillet. Men »hårdere« er en relativ betegnelse, og materialerne, der anvendes til reserve-ringe, dækker et bredt spektrum af styrke, temperaturbestandighed og omkostninger. I denne artikel forklares de mest almindelige materialer, hvad hvert enkelt er velegnet til og hvordan kompromiserne fungerer i en hydraulisk kreds med pulsierende tryk. De tal, der fremgår nedenfor, stammer fra offentliggjorte ingeniørstudier, som er angivet i slutningen. Mange af dem blev målt på testprøver eller i andre industrier, så de viser tendenser og er ikke certificerede værdier for en bestemt ring.

Hvafra er en rock-drill reserve-ring fremstillet?

Reserveringe fremstilles af en lille gruppe hårde polymerer. De mest almindelige er PTFE (herunder fyldt PTFE), nylon (polyamid) og PEEK (polyetheretherketon). En fjerde gruppe består af formstøbte elastomerringe i nitril eller fluoroelastomer med høj hårdhed, som anvendes ved lavere tryk. Materialet vælges normalt af tætningsproducenten til tætningssettet og det tryk, det er beregnet til, så ringen i din boring er en del af en afstemt konstruktion og ikke et vilkårligt valg.

Hvad skal et reserveringmateriale kunne?

Fire egenskaber er afgørende. Materialet skal være hårdt nok til at modstå at blive presset ind i spalten under tryk, fordi det er hele formålet med ringen. Det skal bevare sin form ved olies driftstemperatur. Det skal være kompatibelt med hydraulikolien, så det hverken svulmer op eller bliver blødt. Og det skal være mildt nok på metaloverfladerne til ikke at ridse cylinderboven eller kolben, når det presses mod dem.

Stivhed er den egenskab, der forbinder disse faktorer. En finite-element-undersøgelse af gummisealer under tryk [1] viser, hvor stærkt stivhed påvirker ekstrudering: for de gummityper, der blev undersøgt, faldt den ekstruderede længde fra 0,291 mm til 0,086 mm, da hårdheden steg fra 65 til 85 IRHD, og elasticitetsmodulet E (MPa) følgte hårdheden Hr (IRHD) efter følgende ligning:

lg E = 0,0198 Hr − 0,5432 (1)

Dette forhold giver ca. 5,5 MPa ved 65 IRHD og 13,8 MPa ved 85 IRHD. Plastikker til bagstøtteringe er langt stivere end ethvert gummi, hvilket er grunden til, at en tynd ring kan beskytte en pakning, som et hårdere gummi ikke kunne. Samme undersøgelse fandt, at spillet havde den stærkeste effekt af alle: i dens montering medførte hver ekstra 0,1 mm spil ca. 0,1 mm ekstrudering [1]. Intet materiale kan fuldt ud kompensere for et spil, der er vokset som følge af slitage.

Disse egenskaber trækker i forskellige retninger. Et hårdere materiale modstår ekstrusion bedre, men er mindre tilpasningsdygtigt over for ru overflade og monteringsbeskadigelse. Denne afvejning forklarer, hvorfor der ikke findes ét enkelt bedste materiale og hvorfor flere materialer anvendes almindeligt.

Hvad er egenskaberne ved PTFE-støtteringeringe?

PTFE anvendes bredt til støtteringeringe i massiv, skråskåret og spiralformet udgave. Det værdsættes for sin meget lave friktion, fremragende kemiske modstandsdygtighed og evne til at tåle et bredt temperaturområde. En oversigt fra 2026 tilskriver dette dets molekylære struktur: stærke C–F-bindinger giver kemisk stabilitet, og den helikale kæde, der er omgivet af fluoratomer, resulterer i svage kræfter mellem kæderne og en meget lav overfladeenergi [2]. Samme oversigt angiver et stabilt fysisk-egenskabsområde fra −250 til 260 °C. Da det er glat, trækker en PTFE-ring ikke mod stemlen og genererer kun lidt varme.

PTFE er blødere og mere udsat for langsom deformation under belastning end nylon eller PEEK, så det bruges typisk, hvor trykket er moderat, eller i en fyldt kvalitet, hvor fyldstoffet forbedrer dets modstand mod deformation. I anmeldelsen bemærkes det, at krybning kan få PTFE til at slitage hurtigere, selv om dets gnidning falder, inden for temperaturområdet fra −100 til 100 °C [2]. Dette er den egenskab, der er mest afgørende for en sikringsring, fordi en ring, der kryber langsomt ind i spalten, gradvist mister sin evne til at støtte tætningen.

Tilføjelser løser dette problem. I offentliggjorte tests viste en sammensætning af polyimid og PTFE (20 % polyimid) krybdannelse, der var 62,6 % lavere end ren PTFE, og dens volumetriske slid faldt til 4/1000 af værdien for ren PTFE [2]. I en separat reciprokerende test nedsatte tilføjelse af 5 % carbon nanofiber og 10 % grafen slidhastigheden for PTFE fra 1,05 × 10⁻⁴ til 4,7 × 10⁻⁶ mm³/(N·m), altså ca. 96 % lavere [3]. En molekylær dynamik-undersøgelse af PTFE med carbon nanorør og polyimid peger i samme retning [4]. Dette er resultater fra prøver på specimenniveau, men de viser, hvorfor fyldte kvaliteter opfører sig anderledes end ren PTFE, og hvorfor kvaliteten er lige så vigtig som materialebetegnelsen.

Varme er også en bekymring. Samme nanofiber-/grafen-studie rapporterer, at den termiske ledningsevne for denne sammensætning er 0,61 W/(m·K), hvilket er 165 % højere end for ren PTFE [3]. Det antyder en værdi på ca. 0,23 W/(m·K) for ren PTFE, så ufyldt PTFE er en dårlig varmeleder, og fyldstofferne hjælper varmen til at forlade kontaktfladen. For en ring med tykkelsen L, der fører en varmestrøm q, er temperaturforskellen tværs gennem ringen:

δT = q · L / λ (2)

Her er λ den termiske ledningsevne. En lav λ betyder en større ΔT ved samme varmestrøm, hvilket er en anden grund til, at temperaturen ved tætningen kan være betydeligt højere end temperaturen på olien i tanken.

Hvad er egenskaberne for nylonstøtteringerringe?

Nylon er en polyamid. Det har god mekanisk styrke og bruges ofte til reserveringe i hydrauliske og pneumatiske systemer. Det er hårdere og mere stift end PTFE, så det modstår ekstrudering bedre ved en given spalte. En producents vejledning angiver typisk brug af nylon 6,6-reserveringe op til ca. 186 °F (ca. 86 °C) og ca. 10.000 psi (ca. 69 MPa); dette er generelle tal for et katalogmateriale og udgør ikke en rating for nogen bestemt rodfres.

Nylons største svaghed er vand. En undersøgelse fra 2026 af to støbte nylon 6-pladematerialer [5] viser, at nylon kan optage op til ca. 10 % af sin masse i vand fra fugtig luft og 2–4 % ved almindelig luftfugtighed. Optaget vand nedsætter hårdheden, elasticitetsmodulet, flydegrænsen og trækstyrken samt øger forlængelsen. I den pågældende undersøgelse var trækstyrken for overfladeprøver – som optager mest fugt – gennemsnitligt 59–62 MPa, mens prøver fra pladens kerne havde en gennemsnitlig trækstyrke på 97–99 MPa. Efter at have kogt et modificeret støbt nylon i vand i 45 minutter faldt trækstyrken fra 67,4 til 58,2 MPa – et fald på 13,7 % – og tørret ved 60 °C genoprettede ikke den oprindelige ydeevne. Forlænget tørring forværrede egenskaberne yderligere.

Der gælder to advarsler, når man læser disse tal. De blev målt på store, støbte pladeskiver og ikke på formstøbte eller drejede sikringsringe, og det vigtigste er tendensen – ikke de konkrete værdier. I en hydraulisk kreds sidder ringen i olie, så fugt er primært et problem ved opbevaring, håndtering og i systemer, hvor vand er trængt ind i olien. Undersøgelsen fandt også, at skærstyrken var ca. 0,6 gange trækstyrken (65 MPa for ét materiale og 62,7 MPa for det andet) [5], hvilket er en nyttig tommelfingerregel, når man skal vurdere, hvordan en ring vil modstå at blive skåret ved spaltekanterne.

En simpel beregning viser størrelsen af den påvirkning. Betragt en ring, der dækker en radial spalte g under trykket p med en aksial bredde w. Trykket virker på den udsatte flade over spalten, så kraften pr. længdeenhed langs omkredsen er p × g, og den gennemsnitlige skærspænding ved spaltekanten er:

τ ≈ p · g / w (3)

Som illustration kan vi tage en toptryk på 40 MPa, en radialspalte på 0,15 mm (en diametermæssig spilleplads på 0,3 mm) og en antaget ringbredde på 3 mm. Så er τ ca. 2 MPa, langt under skærfastheden for nylon. Dette tyder på, at almindelige backupringers svigt sjældent er en simpel skærvægtsbrud. De skyldes oftere krybning, lokal deformation ved spaltens kant eller udmattelse som følge af gentagne trykspidser. Dette er en førsteordensvurdering, der ignorerer krybning, kantkoncentrationer og ringgeometri, og den bør ikke anvendes til konstruktion.

En kendt begrænsning for nylon er derfor dens følsomhed over for fugt. Dets temperaturgrænse er også lavere end PEEKs, så det er et mindre velegnet valg, hvor olie løber varm.

Hvad er egenskaberne for PEEK-backupringe?

PEEK er et højtydende teknisk plastmateriale med ekstraordinær mekanisk styrke og kemisk modstandsdygtighed. Det anvendes til sikringsringe i krævende service med højt tryk og høj temperatur. Samme producent henviser til typisk anvendelse af PEEK-sikringsringe op til ca. 500 °F (ca. 260 °C) og ca. 20.000 psi (ca. 138 MPa), igen som en generel katalogtabel.

En gennemgang fra 2026 beskriver PEEK som en højtemperatur-, halvkristallin termoplast, hvis krystalline struktur tillader orientering og dermed giver høj styrke samt en høj glasovergangstemperatur, kemisk stabilitet og god modstandsdygtighed over for stråling [6]. Gennemgangen peger også på en ulempe, der er relevant for tætninger: Ren PEEK er en dårlig varmeleder med en varmeledningsevne på kun 0,2–0,3 W/(m·K) [6]. En ring fremstillet af dette materiale holder varmen tæt på kontaktfladen – det er netop den situation, som ligning 2 beskriver. Forskning på fyldt PEEK har til formål at øge denne værdi; for eksempel øgede 5 vægtprocent af en bestemt type kulstofnanorør varmeledningsevnen fra 0,25 til 1,50 W/(m·K) [6]. Denne undersøgelse blev udført i forbindelse med køling af elektronik og ikke af tætninger, så den bør tolkes som et tegn på, hvor meget fyldstoffer kan ændre PEEKs egenskaber – ikke som en egenskab ved tætningskvalitetsringe.

Kompromiserne er omkostninger og hårdhed. PEEK er betydeligt dyrere end PTFE eller nylon, og fordi det er så hårdt, stiller det større krav til de metaloverflader, det belaster: En ru eller beskadiget cylinderbor vil slibe både en tætningsring og en hård ring. I mange rokkedrilskredsløb har ringen ikke brug for PEEKs evner, så den anvendes typisk kun ved de højeste tryk og temperaturer.

Hvor placeres elastomere bagstøtteringe?

Formede elastomerringe fremstilles af nitril med høj hårdhed (ca. 90 Shore A er en almindelig kvalitet) eller fluoroelastomer og er formet til at passe mod en O-ring . De strækkes over stemlen og klikker ind i rillen, hvilket gør dem nemme at montere. Da de er blødere end de plastiske ringe, er de velegnede til lavtrykspositioner og udgør ikke en erstatning for PTFE, nylon eller PEEK, hvor trykspidserne er høje.

Valget mellem NBR og FKM følger den sædvanlige gummikompromis. En oversigt over gummisealingskomponenter beskriver NBR som oliebestandig, moderat elastisk og billig, velegnet til almindelige olie-temperaturer, mens FKM er modstandsdygtig over for høje og lave temperaturer samt kemikalier, men er hårdere, mindre elastisk og dyrere [7]. Oliekompatibilitet skal stadig kontrolleres for hver enkelt væske. I én immersionsprøve (100 °C, 72 timer) krympede fluorogummi-sealingsringe med 4,9 % til 19,1 % i tre køretøjs-hydraulikvæsker og deres blandinger, og forfatterne anbefalede i stedet nitrilgummi [8]. Disse væsker er ikke stenborolier, så læren er metoden – ikke tallene: et materials generelle klassificering erstatter ikke en test i den faktiske væske.

Hvordan sammenligner disse materialer sig selv side ved side?

Tabellen nedenfor sammenfatter den generelle placering af hvert materiale. Specifikke grænser afhænger af kvaliteten og producentens angivne specifikationer.

Hvordan påvirker tryk og temperatur valget af materiale?

Tryk og temperatur virker sammen. Et materiale, der modstår ekstrusion ved stuetemperatur, bliver blødere, når olien er varm, så en ring kan være tilstrækkelig i en kold værkstedsprøve og alligevel udsættes for ekstrusion i en boremaskine, der har været i brug i en time. Den relevante temperatur er temperaturen ved tætningen, som kan være højere end oliens bulktemperatur.

Generelt tillader moderate tryk og temperaturer brug af PTFE eller nylon, mens de højeste tryk og temperaturer gør, at valget falder på PEEK. Pulsationstryk skal behandles som mere krævende end konstant tryk med samme gennemsnitsværdi, fordi topværdierne belaster ringen ud over dens gennemsnitlige belastning. Målte boredata illustrerer dette punkt. I en prototype leveret ved 18 MPa viste trykket i den primære bufferkammer korte topværdier på omkring 40 MPa [9], og i en 15 MPa-model nåede kammertrykket topværdier på cirka 25 MPa, altså ca. 1,7 gange forsyningspresset [10]. En ring, der vælges udelukkende ud fra forsyningspresset, vil være for lille til at klare disse topværdier.

Frekvensen forøger belastningen. Ved en slagfrekvens på ca. 95 slag pr. sekund [11] udsættes hver ring for omkring 340.000 trykcyklusser i løbet af en time med boring. Ved dette antal er det udmattelse og krybning – og ikke statisk styrke – der afgør, hvor længe en ring holder.

Hvordan påvirker ringens hårdhed og spaltebredden hinanden?

En hårdere ring gør ikke en stor spalte sikker. Ringen dækker spalten, og jo større spalten er, desto mindre af ringen understøttes af metal. Når cylinderboringen eller stempel slites og spillet vokser, kan en ring, der var tilstrækkelig, da den var ny, blive tvunget til at dække en spalte, den aldrig blev designet til. Et stærkere materiale kan udvide det funktionsdygtige område, men det kan ikke fjerne behovet for at genoprette spillet, når metaldelene er slidt.

Størrelsen af effekten kan ses i gummipressningsstudiet [1]. I den tilpassede relation stiger ekstrusionslængden med ca. 1,0 mm pr. mm spalte, men falder kun med 0,0115 mm pr. IRHD-hårdhedsenhed, så at mindske en spalte med 0,1 mm har samme virkning som at øge gummihårdheden med cirka ni enheder. En offentliggjort kilde om Step-tætninger til hammerbor angiver en beslægtet regel for en konstruktion med en stiv PTFE-ring: den maksimale diametralspalt falder fra 0,6–0,3 mm ved op til 20 MPa til 0,3–0,2 mm ved 20–40 MPa for stangdiametre på 30–36 mm [12]. Den tilladte spalte bliver mindre, når trykket stiger, selv med en stiv ring.

Af den grund bør gentagne ringfejl lede inspektionen mod booret, støjen og vejlederen – og ikke kun mod ringmaterialet. En undersøgelse af den optimale spild mellem påvirkningsstøjen og dens cylinder i en hydraulisk kløvbor viser, at spildet er en konstruktionsvariabel, der afvejer utætheder mod friktion, så den rigtige værdi er et kompromis – og ikke blot »så lille som muligt« [10].

Hvordan kan du identificere materialet i en eksisterende backup-ring?

Udseendet er ikke en pålidelig metode til at identificere materialet i en backup-ring. Adskillige af disse polymerer ser ens ud, og fyldstoffer samt farvestoffer ændrer farven. De pålidelige kilder er borfabrikantens reservedelskatalog og tætningsleverandørens skriftlige bekræftelse af materialet og kvaliteten.

Hvor registreringer ikke er tilgængelige, kan en leverandør, der kender borstypen, ofte identificere materialet ud fra reservedelsnummeret eller fra en prøve af den gamle ring. Spørg om materialet, formen (massiv, skråskåret eller spiralformet) samt tryk- og temperaturområdet, hvori det blev specificeret, og sammenlign disse oplysninger med forholdene i din boring.

1. Lu Yunjiang, Huang Le, Dai Changhao. Analyse af O-ringens ekstrusionsmodstand baseret på Marc. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2020, (3): 84–89. (På kinesisk)
2. Cao Xiaoyu, Zhang Xu, Dang En, Luan Su, Hao Jianxu, Guo Chenhui, Yu Xiaojing, Zhao Kang. Forskningsfremskridt inden for glidemodstanden hos polytetrafluorethylenmaterialer. Polymer Materials Science & Engineering, 2026, online først. DOI: 10.16865/j.cnki.1000-7555.2026.0127. (På kinesisk)
3. An Lihui, Miao Xuemei, Liu Hao, Yang Song, Su Yujie, Wei Shijie. Synergistisk modificering af PTFE med grafen og kulstofnanofibre: tribologiske egenskaber samt dynamisk termisk/elektrisk ledningsevnes mekanisme. Tribology, 2026, online first. (På kinesisk)
4. Wang Shuai, Ge Zhenghao, Wang Chaobao, Zhang Xiaoliang, Wang Haoyu. Molekyldynamisk analyse af friktions- og slidegenskaberne for PI og CNT-fyldt PTFE. Plastics Science and Technology, 2025, (10): 30–33. (På kinesisk)
5. Zhao Zhangxian, Zhang Junhao, Hu Yi. Undersøgelse af mekaniske egenskaber for nylonmaterialer i forbindelse med materialevalg. Machinery Research & Application, 2026, 39(6): 97–100. (På kinesisk)
6. Han Zhichao, Chen Chaochan, Zheng Liangping, Xiang Lixue, Tang Bo, Wu Xinfeng. Oversigt over fremstillingsmetoder for polyetheretherketon-kompositter med termisk ledningsevne. China Plastics Industry, 2026, 54(8): 1–7. (På kinesisk)
7. Qin Shuai, Cheng Pin, Wang Shidu. Strukturel optimeringsdesign af gummikomponenter i tætningsanordninger til mekanisk udstyr. China Tire Resources Comprehensive Utilization, 2026, (8). (På kinesisk)
8. Feng Dongliang, Zhao Ning, Chang Feng, Cai Wenbin, Wang Yongli, Yang Xin. Eksperimentel undersøgelse af kompatibiliteten mellem fluor-gummi-tætningsringe og hydraulikolie. Lubrication Engineering, 2018, 43(5): 111–114. (På kinesisk)
9. Wang Jiansen, Yang Guangsheng, Liu Shaojun, Feng Huai, Wen Yongqiang. Analyse af trykstigningsfænomenet i den primære bufferkammer i en to-kammer-styret hydraulisk stenbor. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2026, 50(7): 57–67. (På kinesisk)
10. Wang Jiansen, Yan Hongliang, Zhang Xin, Wang Yanjun, Liu Bin, Wei Liejiang. Optimal spildesign mellem slagpiston og cylinder i en to-kammer-styret hydraulisk stenbor. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2025, 49(4): 79–91. (På kinesisk)
11. Yang Mingming. Eksperimentel undersøgelse af stødpåvirkningsydelsen for en hydraulisk bjergboremaskine. Udstyrsstyring og vedligeholdelse, 2025, (10). (På kinesisk)
12. Li Chuan, Yan Tianjun, Li Tiehui. Stødpiston-tætning og trin-tætning for hydrauliske bjergboremaskiner. Bjergboremaskiner og pneumatiske værktøjer, 2003, (3): 8–12. (På kinesisk)