Hvilket materiale er en rock drill-impactpiston-tætning fremstillet af? Forklaring på PTFE, HNBR, FKM og PU

En stød pistonslutsæt fungerer i én af de mest krævende positioner i en hydraulisk kreds. Olien omkring den er varm, trykket pulserer, og stempelen, den tætter mod, bevæger sig hurtigt med en kort slaglængde mange gange pr. sekund. Intet enkelt materiale opfylder alle disse krav godt, hvilket er grunden til, at de fleste slagstempeltætninger består af mere end ét materiale. I denne artikel forklares, hvilke materialer der bruges, hvad hvert enkelt materiale bidrager med og hvordan kompromiserne påvirker tætningens adfærd under brug. De tal, der fremgår nedenfor, stammer fra offentliggjorte ingeniørstudier, som er angivet i slutningen; de fleste af dem blev målt på testemner eller i andre anvendelser, så de viser tendenser og bør ikke fortolkes som karakteristika for en bestemt tætning.

Hvad er en stenbore-stempeltætning lavet af?

Offentliggjorte design af tætningsanordninger til hydrauliske slagværktøjer beskriver almindeligvis en to-delts konstruktion [1]. Den indre ring, som rører ved kolben, er fremstillet af et hårdt plastmateriale baseret på Teflon, dvs. et PTFE-lignende materiale. Omkring den sidder et elastomerelement, der tætter mod huset og presser den indre ring mod kolben. Elastomeren kan være en nitrilgummi- (NBR), hydrogeniseret nitrilgummi- (HNBR) eller fluor-elastomerkompound (FKM), afhængigt af olie og temperatur. Nogle bor modeller bruger i stedet en enkeltmateriel læbeslæbe, oftest polyurethan (PU). Hvilken konstruktion din boremaskine bruger, afhænger af modellen og producenten.

Hver del har en anden funktion, så de to vælges separat. Den plastiske ring vælges for glidning og slid, mens elastomeren vælges for elasticitet, olie- og hedtbestandighed samt pris. En gummivurdering af tætningsanordninger foretager den samme opdeling: NBR er oliebestandig, moderat elastisk og billigt og egner sig til almindelige olie temperaturer, mens FKM tåler både høje og lave temperaturer samt kemisk påvirkning, men er hårdere, mindre elastisk og dyrere [2].

Hvorfor er materialevalget så afgørende i en perkussionsenhed?

Tre forhold virker samtidigt på tætningen. Det første er temperaturen: olie i en arbejdende boremaskine er langt over omgivelsestemperaturen, og kontaktens gnidning genererer yderligere varme. Det andet er belastningen: trykket på tætningen er pulsierende snarere end konstant. I en prototype, der blev leveret med et tryk på 18 MPa, måltes korte trykpikker i den primære bufferkammer på omkring 40 MPa oven på et driftstryk på 18 til 20 MPa [3], så materialet skal kunne klare trykpikker langt over det nominelle tryk. Det tredje er glidhastigheden: stempelen bevæger sig langs tætningsfladen så længe boremaskinen er i brug.

Varmen, der genereres ved en glidkontakt, kan estimeres ud fra gnidningskoefficienten μ, kontakttrykket pc og glidhastigheden v. Pr. kontaktarealenhed er opvarmningshastigheden:

q = μ · pc · v (1)

Tre niveauer følger direkte af dette udtryk. Mindre friktion (et bedre ringmateriale) sænker q proportionalt. Mindre kontakttryk (en mildere elastomervorbelastning) sænker det også, men kun ned til det tryk, der er nødvendigt for at sikre tætheden. Og q stiger med kolbets hastighed, hvilket konstruktøren ikke kan vælge. Derfor placeres et lavtfriktionsmateriale i den glidende position, og derfor må elastomeren bagved ikke presse ringen hårdere, end hvad der er strengt nødvendigt.

Et materiale, der ikke er velegnet til denne kombination, viser det på genkendelige måder: en læbe, der hærder og revner pga. varme; en plastikring, der slidtes hurtigt; en elastomer, der svulmer op i olien; eller en blød læbe, der presses ind i spalteafstanden under en trykpuls.

Hvorfor er kolbekontaktringen fremstillet af PTFE?

PTFE har en meget lav friktionskoefficient, tåler højere temperaturer end de fleste gummiblandinger og er modstandsdygtig over for kemisk angreb fra hydraulikolie. En oversigt fra 2026 over PTFE-tribologi tilskriver disse egenskaber dens molekylære struktur [4]. Den meget stærke C–F-binding giver den kemiske stabilitet. Fluoratomerne omslutter kulstofryggen i en spiral, hvilket resulterer i en meget lav overfladeenergi og svage kræfter mellem nabokæder. Som følge heraf glider kæderne nemt over hinanden under skærvirkning, hvilket er årsagen til den lave friktion. Oversigten angiver også et stabilt fysisk-egenskabsområde for PTFE fra −250 til 260 °C – et område, der er langt bredere end det for enhver gummiblanding.

Den samme anmeldelse beskriver, hvordan PTFE slidtes. Friktion styres af kædeglidning og af en tynd overført PTFE-film, der dannes på den tilsvarende overflade. Slid sker hovedsageligt adhæsivt, mens udmattelse spiller en mindre rolle, og dannelsen samt nedbrydningen af overført film styrer slidhastigheden. Dette har to praktiske konsekvenser. En glattere modoverflade hjælper filmen med at danne sig og reducerer slid, mens en ruere overflade har den modsatte virkning. Og inden for et temperaturområde fra −100 til 100 °C bemærker anmeldelsen, at krybning kan få slidhastigheden til at stige, selvom friktionskoefficienten falder; derfor betyder en lav friktionsværdi alene ikke, at en PTFE-ring vil vare længe.

PTFE har også begrænsninger i denne rolle. Det har næsten ingen elastisk hukommelse, så det kan ikke presse sig selv mod stemlen, når kontaktområdet slidtes. Det deformeres også langsomt under vedvarende belastning – en adfærd, der kendes som krybning. Begge begrænsninger håndteres i konstruktionen: elastomerelementet sikrer forspændingen, og fyldstoffer, der tilsættes PTFE, reducerer krybning og slid.

Hvad tilføjer fyldstoffer til PTFE?

Ufyldet PTFE slidtes for hurtigt til at anvendes som en dynamisk tætning til højbelastning, så materialet blandes normalt med et fyldstof. Almindelige fyldstoffer er bronze, kulstof, grafit og glasfiber, nogle gange i kombination. Generelt forbedrer fyldstoffer slidmodstanden og modstanden mod krybning. Slid udtrykkes normalt som en specifik slidhastighed, dvs. det volumen, der går tabt pr. enhed af belastning og glidelængde:

k = ΔV / ( F · s ) (2)

Her er ΔV det tabte volumen i mm³, F er den normale belastning i N, og s er glidelængden i m, så k angives i mm³/(N·m). Offentliggjorte tests viser, hvor meget et fyldstof kan ændre k:

• I en reciprokerende test (50 N, 5 Hz, 30 minutter, 316 rustfrit stål-stift) havde rent PTFE en slidhastighed på 1,05 × 10⁻⁴ mm³/(N·m). Med 5 % carbon nanofiber faldt den til 2,7 × 10⁻⁵, og med 5 % carbon nanofiber plus 10 % graphene faldt den til 4,7 × 10⁻⁶, hvilket svarer til ca. 96 % lavere end ren PTFE [5].
• En gennemgang af PTFE-kompositter rapporterer, at 25 % grafit efter volumen sænkede friktionskoefficienten til 0,19 og reducerede den volumetriske slid med to størrelsesordener, og at en blanding af to længder af korte kulstofkanter reducerede den specifikke slidhastighed med mere end 90 % [4].
• Den samme gennemgang rapporterer en polyimid/PTFE-komposit med 20 % polyimid, hvis friktionskoefficient faldt til 0,18, hvis volumetriske slid faldt til 4/1000 af ren PTFE og hvis krybdannelse faldt med 62,6 % [4].
• En molekylær dynamik-studie fandt, at tilsætning af 5 % kulstofnanorør og derefter 10 % polyimid til PTFE sænkede den simulerede friktionskoefficient med 6,7 % og slidhastigheden med 11,6 % i forhold til nanorørkompositten [6]. Dette er et simulationsresultat og ikke en bænketest.

Disse tal beskriver laboratorieprøver mod en stålpind og ikke en færdig tætningsring på en kolbe, og de blev opnået med fyldstoffer (nanofibre, grafen, nanorør), som ikke nødvendigvis er de samme, der anvendes i kommercielle tætningsmaterialer. De viser, at fyldstoffets type og mængde kan ændre slid med en faktor ti eller mere. Valget af fyldstof påvirker også sekundære egenskaber: bronze giver generelt stærk slid- og belastningsbestandighed, men reducerer kemisk modstandsdygtighed; kulstof bevarer kemisk modstandsdygtighed tæt på ufyldt PTFE; grafit nedsætter gnidning; og glasfiber øger hårdheden, men kan være mere slidende på modfladen.

Det præcise fyldstof og dets andel fastsættes af producenten for hver enkelt tætning og er normalt ikke synlig udefra. Det er en af årsagerne til, at to PTFE-tætninger af samme størrelse og profil kan yde forskelligt.

Hvad er elastomerelementet lavet af, og hvorfor er det vigtigt?

Elastomeren bag PTFE-ringen har to opgaver: den leverer den elastiske forspænding, der holder ringen i kontakt med stemlen, og den tætter statisk mod huset. Da PTFE-ringen tåler varme, som gummiet ikke kan tåle, er elastomeren ofte den komponent, der fastsætter tætningens temperaturgrænse.

• NBR er det almindelige valg til mineralhydraulikolie, med en kontinuerlig brugstemperaturgrænse, der typisk anføres til omkring 100–120 °C, afhængigt af sammensætningen.
• HNBR bevarer NBR’s oliebestandighed og tilføjer bedre bestandighed mod varme og aldring, med en temperaturgrænse, der typisk anføres til omkring 150 °C. Det er et hyppigt valg, hvor olien kører varm.
• FKM har den højeste temperaturbestandighed af de tre, typisk anført op til omkring 200 °C, samt bredere kemisk bestandighed – men til en højere pris og med mindre fleksibilitet ved lave temperaturer.

Dette er generelle tal. Grænsen for en bestemt tætning afhænger af sammensætningen af materialet og af lokaltemperaturen ved læben, som kan være højere end olies bulktemperatur.

Årsagen til, at HNBR holder længere end NBR i varm olie, er kemisk. NBR har usatte kulstof-kulstof-dobbeltbindinger i sine kæder, og disse er sårbare over for oxidation og ozonangreb, hvilket nedbryder dets stabilitet og aldringsadfærd. Hydrogenering af kæden omdanner de fleste af disse dobbeltbindinger til satte bindinger, hvilket giver HNBR en stærkt saturet rygrad, der bevarer NBRs olie- og slidbestandighed samt tilføjer varme-, kemisk- og oxidationsbestandighed [7]. En oversigtsartikel fra 2026 rapporterer, at moderne hydrogeneringskatalysatorer opnår en hydrogeneringsgrad på over 90 % og i nogle tilfælde over 99 % [7]. Fyldte HNBR-sammensætninger i den pågældende artikel blev aldringstestet ved 125 °C i 7 dage og ved 160 °C i 20 dage, hvilket giver et indtryk af temperaturområdet, hvori HNBR vurderes, selvom testresultaterne afhænger af fyldstoffet.

Aldringen accelererer med temperaturen på en næsten eksponentiel måde. Arrhenius-relationen, som bredt anvendes til at beskrive termisk drevet forringelse, udtrykker dette:

r = A · exp ( − Ea / R T ) (3)

Her er r forringelseshastigheden, A er en konstant, Ea er aktiveringsenergien, R er gaskonstanten, og T er den absolutte temperatur. Den praktiske betydning er, at en moderat stigning i temperaturen ved tætningskanten forkorter elastomermaterialets levetid langt mere end en proportional ændring ville antyde, hvilket er grunden til, at lokaltemperaturen ved tætningen er mere afgørende end tanktemperaturen.

Stivheden af elastomermaterialet er også afgørende, fordi den fastsætter forspændingen på PTFE-ringen. For gummiblandinger i området 65–85 IRHD relaterer en regression fra en finite-element-undersøgelse elasticitetsmodulet E (MPa) til hårdheden Hr [8]:

lg E = 0.0198 Hr − 0.5432 (4)

Hver 10 IRHD-point øger modulus med en faktor på 10^0,198, hvilket svarer til ca. 1,58. En blanding, der er 10 point hårdere, er derfor ca. 58 % stivere, så en lille ændring i hårdhed påvirker forspændingen mere, end man måske forventer. Dette er én af årsagerne til, at en erstatningselastomer skal svare til den oprindelige blanding og ikke blot have 'omtrent samme hårdhed'.

Hvor passer polyurethan ind?

Polyurethan er kendt for sin slid- og revbestandighed, som generelt er bedre end konventionel gummi, samt for sin gode styrke under belastning. Den anvendes til nogle kolve- og stangtætninger i hydraulisk udstyr, herunder visse slagapplikationer. Dens primære begrænsning er en lavere kontinuerlig brugstemperatur end HNBR eller FKM, så den er bedre egnet til bor, hvor olie temperaturen forbliver moderat og hvor forurening eller slitage er det dominerende problem.

PU bør ikke vælges udelukkende fordi det ser stærkere ud på et datablad. Ved en perkussionstætning er det første spørgsmål, om olie temperaturen ved læben forbliver inden for PU-materialets grænse. De undersøgelser, der er konsulteret til denne artikel, dækker ikke PU, så der anføres ingen numeriske grænser her; materialets eget datablad er den korrekte kilde.

Hvordan sammenligner disse materialer sig selv side ved side?

Tabellen nedenfor opsummerer den typiske rolle og den primære begrænsning for hvert af de ovennævnte materialer. Den faktiske ydelse afhænger af sammensætningen og producenten.

Hvordan påvirker olietype og temperatur valget af materiale?

Hydraulikolien i en stenborer er normalt en mineralbaseret olie, og materialerne NBR, HNBR, FKM, PU og PTFE er alle kompatible med den i typisk brug. Hvis en bor maskine anvender en ildhæmmende eller syntetisk væske, skal kompatibiliteten kontrolleres for hvert materiale, fordi en tætning, der er fremragende i mineralolie, kan svulme op eller degradere i en anden væske.

Kompatibilitet testes ved nedsænkning. En prøve af tætningen vejes i luft og i vand før og efter indvirkning af olien (en typisk test bruger 100 °C i 72 timer), og volumenændringen beregnes efter metoden i den kinesiske standard GB/T 1690:

δV = [ ( m3 − m4 ) − ( m1 − m2 ) ] / ( m1 − m2 ) × 100 % (5)

I dette udtryk er m₁ og m₂ prøvens masse i luft og i vand før nedsænkning, og m₃ og m₄ er de samme masser efter nedsænkning. En positiv ΔV betyder, at gummiet er svulmet, og en negativ ΔV betyder, at det er krympet, hvilket normalt betyder, at en del af gummiet plastificerende stof er blevet ekstraheret. Begge tilfælde kan forårsage utætheder.

En offentliggjort test viser, hvorfor dette er vigtigt [9]. Fluoroelastomerringe blev nedsænket ved 100 °C i 72 timer i tre hydraulikvæsker, der anvendes i en pansret køretøjs fjederanlæg, samt i blanding af disse. Alle resultater viste krympning i området fra −4,9 % til −19,1 %, og de værste værdier overskred den relevante kinesiske standard på 4 %, så forfatterne anbefalede nitrilgummi til denne anvendelse. Disse væsker er ikke stenborolier, så tallene betyder ikke, at FKM er uegnet til et boreværktøj. De viser blot, at et materiale, der generelt er klassificeret som kemisk resistent, stadig kan være dårligt egnet til en bestemt væske.

Det samme gælder for blanding af olie. En gennemgang af oliekompabilitetstests [10] bemærker, at når to hydraulikolier blandes, kan tilsætningsstoffer reagere med hinanden og danne udfældninger, der blokerer filtre og fine ventilkanaler, og beskriver tests, hvor olierne blandes i forhold som 1:9, 5:5 og 9:1 og opbevares ved 65 °C i 168 timer. Hvis en boremaskines olie fyldes op med en anden mærkevare, påvirkes både tætningen og kredsløbet.

Temperatur har to effekter. I et varmt klima eller ved en lang driftscyklus når elastomeren først sin grænse, hvilket driver designet mod HNBR eller FKM. I kolde forhold kan et stift materiale få tætningen til at følge stemlen langsomt, indtil olien opvarmes, hvilket er et område, hvor NBR og HNBR generelt har fordele frem for FKM og nogle PU-typer.

Hvordan interagerer stemlens overflade med tætningsmaterialet?

Tætningen og stempelen slidtes som et par. En hård fyldstof som bronze eller glasfiber forbedrer tætningens egen slidstabilitet, men stiller også større krav til modfladen: stemplen skal være tilstrækkeligt hård og glat, så fyldstoffet ikke polerer eller ridser den. En ridset stempleflade får enhver tætning til at slids hurtigt, uanset materialet.

PTFE-litteraturen understøtter dette. Som nævnt ovenfor hjælper en glattere modflade med at danne den overførte film og nedsætter slidet, mens en ruere modflade øger det [4]. I én undersøgelse af modflader slidtes ren PTFE mest mod en hård WC-10Co-4Cr-belægning, mens polymer/PTFE-kompositter slidtes mindre end ren PTFE mod krompladering, og lavere kromruhed gav lavere slid [4]. Selv om friktionskoefficienten ændrede sig lidt med modfladen, ændrede slidmekanismen sig.

Derfor bør en tætning, der er fejlet tidligt, undersøges sammen med stemplen. Hvis stemplefladen er beskadiget, er det usandsynligt, at skiftet til et andet tætningsmateriale alene vil løse problemet.

Hvordan kan du identificere materialet i en eksisterende pakning?

Farve og følelse er ikke pålidelige metoder til at identificere en pakningsforbindelse, fordi farven ikke er standardiseret, og fyldstoffer ændrer udseendet af PTFE. De pålidelige kilder er boremaskinefabrikantens reservedelskatalog, som normalt angiver det specificerede materiale sammen med reservedelsnummeret, samt leverandørens skriftlige bekræftelse af materialekvaliteten.

Hvis den oprindelige specifikation ikke er tilgængelig, kan en leverandør, der kender boremodelen, normalt identificere konstruktionen ud fra reservedelsnummeret eller ud fra en prøve af den fejlede pakning. Spørg om materialet for hver enkelt komponent – både den hårde ring og elastomeren – separat, fordi de to vælges uafhængigt af hinanden.

1. Li Chuan, Yan Tianjun, Li Tiehui. Stødpiston-tætning og trin-tætning for hydrauliske bjergboremaskiner. Bjergboremaskiner og pneumatiske værktøjer, 2003, (3): 8–12. (På kinesisk)
2. Qin Shuai, Cheng Pin, Wang Shidu. Strukturel optimeringsdesign af gummikomponenter i tætningsanordninger til mekanisk udstyr. China Tire Resources Comprehensive Utilization, 2026, (8). (På kinesisk)
3. 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)
4. 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)
5. 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)
6. 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)
7. Zhang Xia, Gao Zhixing, Wu Shujuan, Xu Huiren, Shang Quanmin, Wang Fushan. Forskningsfremskridt inden for fremstilling, forstærkende fyldstoffer og anvendelser af hydrogeneret nitrilbutadienkautschuk. Petrochemical Technology, 2026, 55(4): 611–623. (På kinesisk)
8. Lu Yunjiang, Huang Le, Dai Changhao. Analyse af ekstrusionsmodstand for O-ring baseret på Marc. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2020, (3): 84–89. (På kinesisk)
9. 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)
10. Zhang Wentian, Hu Chunling, Wang Jianhua, Shang Peihua, Ma Guoliang. Analyse af testmetoder til kompatibilitet mellem hydraulikolie og turbinolie. Lubricating Oil, 2023, 38(4): 55–59. (På kinesisk)